付饒，安志勇，朱海濱，肖作江

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；2.吉林東光精密機(jī)械廠，長(zhǎng)春 130022；3.長(zhǎng)春理工大學(xué) 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

視度和視差是評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的重要參數(shù)之一，其傳統(tǒng)測(cè)量方法是利用視度筒或平行光管視差儀[1]。這兩種方法都有一定的缺點(diǎn)：應(yīng)用視度筒測(cè)量的缺點(diǎn)一方面是視度筒自身造成的測(cè)量誤差；另一方面是人眼在判斷分劃刻線和無(wú)窮遠(yuǎn)物像清晰與否時(shí)的主觀影響[2]。應(yīng)用平行光管視差儀測(cè)量的缺點(diǎn)是只能檢測(cè)出被測(cè)系統(tǒng)的視差是否在要求范圍內(nèi)，不能給出視差量值[3]。針對(duì)上述缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種基于CCD成像的短焦攝像系統(tǒng)，通過(guò)CCD光電轉(zhuǎn)換器件及自動(dòng)對(duì)焦和圖像處理技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，消除人為主觀因素影響，提高了檢測(cè)效率和精度。

1 視度及視差測(cè)試原理

1.1 視度測(cè)試原理

基于 CCD的視度測(cè)試原理如圖1所示。首先把平行光管、被試品與CCD攝像系統(tǒng)共軸，CCD系統(tǒng)是物鏡或 CCD光敏面可精確調(diào)焦的短焦距攝像系統(tǒng)。在無(wú)被試品時(shí)，由平行光管標(biāo)定 CCD處于零視度的光敏面位置(或物鏡位置)，然后放入被試品，由 CCD光敏面(或物鏡)移動(dòng)，自動(dòng)尋求最佳像面位置，由其移動(dòng)量可自動(dòng)求出視度SD，其關(guān)系式為：

圖1 視度零位和調(diào)節(jié)范圍測(cè)試原理示意圖Fig.1 The test principle sketch of the zero diopter and the adjustable range

測(cè)量視度零位時(shí)，將被試品目鏡視度歸零；測(cè)試系統(tǒng)也處于無(wú)被試品的零視度的位置；然后放入被試品，由系統(tǒng)自動(dòng)得到的視度值即為被試品的視度零位偏差。

測(cè)量視度調(diào)節(jié)范圍時(shí)，分別測(cè)出正、負(fù)視度極限位置的視度值，即為被試品視度調(diào)節(jié)范圍[4]。

1.2 視差測(cè)試原理

視差測(cè)試原理如圖1所示。首先使各測(cè)試裝置與被試品共軸，然后分別測(cè)得被試品分劃板SD和平行光管分劃板視度SD[5]。那么，視差為：

式中： —被試品視差，單位：'

D'—被試品的出瞳直徑，單位：mm

SD'—被試品分劃板的視度值，單位：屈光度

SD—平行光管分劃板的視度值，單位：屈光度

2 系統(tǒng)組成及工作原理

2.1 系統(tǒng)組成

基于 CCD的視度視差測(cè)試系統(tǒng)，主要由平行光管；CCD攝像系統(tǒng)；被試品、光學(xué)平臺(tái)四部分組成，如圖2所示。

圖2 視度視差測(cè)試系統(tǒng)Fig.2 The diopter and optical parallax testing system

圖2中的CCD攝像系統(tǒng)內(nèi)部組成如圖3所示。其主要由短焦攝像系統(tǒng)作為成像系統(tǒng)；高分辨率CCD作為光電接收器件；高精度直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌；光柵尺及步進(jìn)電機(jī)組成。

圖3 CCD攝像系統(tǒng)Fig.3 CCD camera system

2.2 系統(tǒng)工作原理

根據(jù)設(shè)計(jì)要求選用兩相混合式步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力發(fā)生裝置，電機(jī)軸通過(guò)聯(lián)軸器和傳動(dòng)絲杠連接，從而帶動(dòng)固定在高精度直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌上的 CCD在短焦攝像系統(tǒng)焦平面前后一定范圍內(nèi)做直線運(yùn)動(dòng)。在無(wú)被試品時(shí)，由平行光管標(biāo)定 CCD處于零視度的光敏面位置(或物鏡位置)，然后放入被試品，由 CCD光敏面(或物鏡)移動(dòng)，自動(dòng)尋求最佳像面位置，CCD與高精度線位移光柵尺滑塊連接，用光柵尺記錄下 CCD前進(jìn)或后退時(shí)的位移量，由于CCD，光柵尺，電機(jī)都與計(jì)算機(jī)連接，CCD位移量及拍攝圖像都顯示在計(jì)算機(jī)上。應(yīng)用公式(1)、(2)，通過(guò)編程和軟件控制，求出視度及視差值。測(cè)量視度零位時(shí)，將被試品目鏡視度歸零；測(cè)試系統(tǒng)也處于無(wú)被試品的零視度的位置；然后放入被試品，由系統(tǒng)自動(dòng)得到的視度值即為被試品的視度零位偏差。測(cè)量視度調(diào)節(jié)范圍時(shí)，分別測(cè)出正、負(fù)視度極限位置的視度值，即為被試品視度調(diào)節(jié)范圍，從而避免人為因素的影響。

3 短焦CCD攝像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)

短焦CCD攝像系統(tǒng)是該系統(tǒng)的重要組成部分，系統(tǒng)采用三分離式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)焦距為45.10mm，視場(chǎng)角為10.14°，F(xiàn)數(shù)為4.0，后截距為37.32mm。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)最終參數(shù)如表1所示，光路圖如圖 4所示。

圖5為短焦CCD攝像系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)圖，由于選用的CCD像元直徑為15m，對(duì)應(yīng)的極限分辨率為33lp/mm，由圖5可以看出該光學(xué)系統(tǒng)在空間頻率為33lp/mm時(shí)，傳遞函數(shù)值達(dá)到0.7以上。圖6為短焦CCD攝像系統(tǒng)的點(diǎn)列圖，由圖6可以看出全視場(chǎng)內(nèi)系統(tǒng)的均方根半徑最大為5.9m，小于CCD的像元半徑7.5m，滿足CCD使用要求。

表1 短焦CCD攝像系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Parameters of the short-focus CCD camera system

圖4 短焦CCD攝像系統(tǒng)光路圖Fig.4 Light path diagram of the short-focus CCD camera system

圖5 MTF圖Fig.5 MTF diagram

圖6 點(diǎn)列圖Fig.6 Spot diagram

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果及精度分析

4.1 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

(1)視度測(cè)試結(jié)果

采用視度測(cè)試系統(tǒng)對(duì)經(jīng)過(guò)吉林省計(jì)量院標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)視度片進(jìn)行了測(cè)試，標(biāo)準(zhǔn)視度片視度值分別為： 6.98D、 6.01D、 5.02D、 4.07D、 3.03 D、 2.05D、 0.99D、+0.95D、+1.93D和+2.96D，如圖7所示。所得測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

(2)視差測(cè)試結(jié)果

分別測(cè)出 A、B兩點(diǎn)的視度值，各測(cè)五組數(shù)據(jù)，二者只差為視差值。測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表3所示。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)視度片F(xiàn)ig.7 Standard diopter glass

表2 視度測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試精度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 The experimental data of the test precision of the diopter testing system

4.2 精度分析

影響視度視差的因素主要有以下幾個(gè)方面：

第一，被測(cè)系統(tǒng)的定位誤差的影響。被試品的定位誤差主要來(lái)自于被測(cè)系統(tǒng)的光軸與平行光管光軸的對(duì)正誤差，其對(duì)視度的影響大小為：

表3 視差重復(fù)性測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 The experimental data of the optical parallax repetitive testing

第二，平行光管光束平行性誤差的影響[2]。平行光管視差為：

式中：D=120mm； =1.5。

第三，光電自動(dòng)調(diào)焦誤差的影響。由于光電自動(dòng)調(diào)焦過(guò)程是灰度等級(jí)的對(duì)比過(guò)程，而短焦 CCD攝像系統(tǒng)因?yàn)檠苌湫?yīng)的影響具有焦深的成像特性，產(chǎn)生調(diào)焦誤差。

焦深計(jì)算公式為：

在此系統(tǒng)中，D=11.28mm，f'=45.10mm，設(shè)，由上式可求出：

則其對(duì)應(yīng)的視度值為：

綜上可得引起的總誤差為：

通過(guò)以上誤差分析計(jì)算可知：該系統(tǒng)測(cè)試精度可達(dá)到0.0293屈光度，完全達(dá)到0.05屈光度的技術(shù)指標(biāo)要求。

5 結(jié)論

由表1、表2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果及精度分析可知，本文所介紹的基于CCD的視度視差測(cè)試系統(tǒng)完全滿足測(cè)試精度要求，克服了人為主觀因素的影響，實(shí)現(xiàn)了視度視差的數(shù)字化測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)可靠準(zhǔn)確，為生產(chǎn)實(shí)踐提供了方便，有應(yīng)用價(jià)值和推廣意義。

[1]劉秉琦，周斌.利用CCD實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)系統(tǒng)視差自動(dòng)測(cè)試的研究[J].半導(dǎo)體光電，2005，26(3)：253-255.

[2]曹維國(guó).基于CCD的視度和視差測(cè)試系統(tǒng)研究[J].紅外與激光工程，2007，6(8)，232-235.

[3]劉鈞，田苗.平視顯示器視差測(cè)量?jī)x的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28(6)：523-524.

[4]李春亮.平視顯示器的視差調(diào)校研究[J].電光與控制，2002，9(1)：54.

[5]劉秉琦，沈?qū)W舉.CCD測(cè)量望遠(yuǎn)系統(tǒng)的像傾斜[J].光學(xué)技術(shù)，1997，23(7)：30-31.