一种图像处理的全自动焦度计
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第 39 卷第 3 期 2012 年 3 月
光电工程
Opto-Electronic Engineering
Vol.39, No.3 March, 2012
文章编号：1003-501X(2012)03-0034-06
一种图像处理的全自动焦度计
赵俊奇，郭智勇，闫 洁
( 中北大学 光电厂，太原 030051 ) 摘要：为了提高全自动焦度计的测量精度和适应性，提出了一种测量图形和计算方法。该研究方法是首先利用脉 冲恒流驱动的红外光将 16 点图像经光学系统投射到面阵 CCD 上， 然后经高速 CPU 系统采集处理， 变成二值化图 像，最后用最小二乘法计算出镜片的屈光参数。实验用标准镜片、划伤镜片和镜片落灰尘进行了测试，同四点测 量图像进行了比较，实验结果表明标准镜片误差小于国家计量规定屈光度检查最小误差±0.06 D，且都符合国家计 量标准，划伤镜片和镜片落灰尘时测量精度明显提高，环境适应性也大大提高。 关键词：自动焦度计；16 点图像；最小二乘法；图像自适应积分技术 中图分类号：TB96 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1003-501X.2012.03.007
收稿日期：2011-10-18； 收到修改稿日期：2011-11-22 基金项目：科技部中小企业创新基金 (11C26211404145) 作者简介：赵俊奇 (1969-)，男(汉族)，山西太原人。高级工程师，硕士，主要研究光电检测、智能仪器测量。E-mail：qijunzhao@。
பைடு நூலகம்
第 39 卷第 3 期
赵俊奇，等：一种图像处理的全自动焦度计
35
实际上每个 LED 照亮 “米” 字相当于计算一个点， 也就是说相当于在 CCD 上成了 5 个点的像， 但线阵 CCD 上成像的数据有限，需要使用电机补偿实现调焦精确测量，虽然精度高，但增加了机械成本和光学零件加 工装配难度。基于投影原理的全自动焦度计目前以美国恒富利公司为代表，采用 4 点图形(如图 2 所示)， 通过光学系统在面阵 CCD 成像，能够获取比线阵 CCD 更多的测量数据，再经电子系统计算处理，实现测 量，由于采用投影技术，每个点在 CCD 上成像数据多，不需要机械补偿。这种原理的焦度计的优点是测 量速度快、成本低。缺点是当光学分划板有灰尘或划伤镜片造成点局部变形，严重影响测量结果。 本文基于投影原理的全自动焦度计，提出了一种 16 点测量方法(如图 3)，研究了屈光参数计算方法和 图像处理实现方法，测量精度和环境适应性较国内外同类技术有很大提高[1-3]。
An Image Processing Auto Lensmeter
ZHAO Jun-qi，GUO Zhi-yong，YAN Jie
( Optoelectric Instrument Company, North University of China Institute, Taiyuan 030051, China ) Abstract：A new image measurement and calculating method was proposed to improve the measurement accuracy and adaptability of auto lensmeter. Firstly, 16 dots infrared image driven by constant pulse current was received with CCD. Secondly， image was processed by high speed CPU system, and binary image was divided up by CPU system. Finally, we can acquire the diopter parameter of glass by least square method. The experiment was carried out using the standard glass and the glass with nick and dirt. Compared with 4 dots method, results show that the measurement errors are less than ±0.06 D which was minimum error of diopter prescribed by National Metrology Bureau. In addition，the accuracy of the glass with nick and dirt was improved obviously, and adaptability of environment was also enhanced. Key words：auto lensmeter; 16 dots image; least square method; image self-adaptable integral technology
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引 言
焦度计主要用于测量眼镜镜片(包括角膜接触镜片和多焦点镜片)的顶焦度、柱镜度、棱镜度、光学中
心及确定眼镜镜片的散光轴位方向等的精密光学计量仪器。焦度计又称屈光度计、镜片测度仪，广泛应用 于医院眼科、眼镜店和镜片厂家。 高精度、智能化焦度仪一直是目前行业内研究的课题。焦度计从工作原理上可分为调焦原理的焦度计 和投影原理的焦度计。上世纪 80 年代前测量镜片以光机式为主，测量精度低，也使用不方便。由于美国、 日本对 CCD 技术的研究处于领先地位，上世纪 90 年代利用 CCD 实现自动测量的这两种原理的全自动焦 度计在市场出现， 而国内直到 2003 年后才出现自动调焦原理的全自动焦度计的研究， 投影原理的全自动焦 度计的研究随后也才出现。 基于自动调焦原理的焦度计目前以日本 TPCON 为代表，采用分辨率较高的双线阵 CCD 获取光学信 号，采用 5 个 LED 快速轮流照亮“米”字形分划板(如图 1 所示)，通过电子系统处理计算得出屈光参数，
光电工程
Opto-Electronic Engineering
Vol.39, No.3 March, 2012
文章编号：1003-501X(2012)03-0034-06
一种图像处理的全自动焦度计
赵俊奇，郭智勇，闫 洁
( 中北大学 光电厂，太原 030051 ) 摘要：为了提高全自动焦度计的测量精度和适应性，提出了一种测量图形和计算方法。该研究方法是首先利用脉 冲恒流驱动的红外光将 16 点图像经光学系统投射到面阵 CCD 上， 然后经高速 CPU 系统采集处理， 变成二值化图 像，最后用最小二乘法计算出镜片的屈光参数。实验用标准镜片、划伤镜片和镜片落灰尘进行了测试，同四点测 量图像进行了比较，实验结果表明标准镜片误差小于国家计量规定屈光度检查最小误差±0.06 D，且都符合国家计 量标准，划伤镜片和镜片落灰尘时测量精度明显提高，环境适应性也大大提高。 关键词：自动焦度计；16 点图像；最小二乘法；图像自适应积分技术 中图分类号：TB96 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1003-501X.2012.03.007
收稿日期：2011-10-18； 收到修改稿日期：2011-11-22 基金项目：科技部中小企业创新基金 (11C26211404145) 作者简介：赵俊奇 (1969-)，男(汉族)，山西太原人。高级工程师，硕士，主要研究光电检测、智能仪器测量。E-mail：qijunzhao@。
பைடு நூலகம்
第 39 卷第 3 期
赵俊奇，等：一种图像处理的全自动焦度计
35
实际上每个 LED 照亮 “米” 字相当于计算一个点， 也就是说相当于在 CCD 上成了 5 个点的像， 但线阵 CCD 上成像的数据有限，需要使用电机补偿实现调焦精确测量，虽然精度高，但增加了机械成本和光学零件加 工装配难度。基于投影原理的全自动焦度计目前以美国恒富利公司为代表，采用 4 点图形(如图 2 所示)， 通过光学系统在面阵 CCD 成像，能够获取比线阵 CCD 更多的测量数据，再经电子系统计算处理，实现测 量，由于采用投影技术，每个点在 CCD 上成像数据多，不需要机械补偿。这种原理的焦度计的优点是测 量速度快、成本低。缺点是当光学分划板有灰尘或划伤镜片造成点局部变形，严重影响测量结果。 本文基于投影原理的全自动焦度计，提出了一种 16 点测量方法(如图 3)，研究了屈光参数计算方法和 图像处理实现方法，测量精度和环境适应性较国内外同类技术有很大提高[1-3]。
An Image Processing Auto Lensmeter
ZHAO Jun-qi，GUO Zhi-yong，YAN Jie
( Optoelectric Instrument Company, North University of China Institute, Taiyuan 030051, China ) Abstract：A new image measurement and calculating method was proposed to improve the measurement accuracy and adaptability of auto lensmeter. Firstly, 16 dots infrared image driven by constant pulse current was received with CCD. Secondly， image was processed by high speed CPU system, and binary image was divided up by CPU system. Finally, we can acquire the diopter parameter of glass by least square method. The experiment was carried out using the standard glass and the glass with nick and dirt. Compared with 4 dots method, results show that the measurement errors are less than ±0.06 D which was minimum error of diopter prescribed by National Metrology Bureau. In addition，the accuracy of the glass with nick and dirt was improved obviously, and adaptability of environment was also enhanced. Key words：auto lensmeter; 16 dots image; least square method; image self-adaptable integral technology
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引 言
焦度计主要用于测量眼镜镜片(包括角膜接触镜片和多焦点镜片)的顶焦度、柱镜度、棱镜度、光学中
心及确定眼镜镜片的散光轴位方向等的精密光学计量仪器。焦度计又称屈光度计、镜片测度仪，广泛应用 于医院眼科、眼镜店和镜片厂家。 高精度、智能化焦度仪一直是目前行业内研究的课题。焦度计从工作原理上可分为调焦原理的焦度计 和投影原理的焦度计。上世纪 80 年代前测量镜片以光机式为主，测量精度低，也使用不方便。由于美国、 日本对 CCD 技术的研究处于领先地位，上世纪 90 年代利用 CCD 实现自动测量的这两种原理的全自动焦 度计在市场出现， 而国内直到 2003 年后才出现自动调焦原理的全自动焦度计的研究， 投影原理的全自动焦 度计的研究随后也才出现。 基于自动调焦原理的焦度计目前以日本 TPCON 为代表，采用分辨率较高的双线阵 CCD 获取光学信 号，采用 5 个 LED 快速轮流照亮“米”字形分划板(如图 1 所示)，通过电子系统处理计算得出屈光参数，