全主动焦度仪光学体系是产品规划的中心，为了进步主动焦度计的丈量精度，提出一种新的丈量图画。该图画在树立了16点数学模型并推导了镜片相关参数的核算方法。该算法将16个点分为四组进行核算，并取各组核算成果的均匀值作为终究丈量成果。依据16点数学模型的算法要求，规划了以FPGA和面阵CCD为中心的丈量体系及16点图画二值化处理的算法。试验数据标明，该体系在丈量精度及稳定性上都优于原有的依据4点丈量图画的主动焦度计；该丈量体系的技术指标已达到国家相关查验规范。
焦度仪首要用于丈量眼镜镜片(包括角膜触摸镜片和多焦点镜片)的顶焦度、柱镜度、棱镜度、光学中心及确认眼镜镜片的散光轴位方向等，在未切边的眼镜镜片上打印符号，并可查看眼镜镜片是否正确安装在镜架中的精细光学计量仪器。焦度仪又称屈光度计、镜片测度仪，广泛应用于医院眼科、眼镜店和镜片厂家。
现在，国内生产的主动焦度计首要依据两种丈量原理：主动调焦原理和投影原理。依据主动凋焦原理的焦度计多选用高分辨率、双线阵CCD获取光路信号，经过数字信号处理体系进行信号收集、剖析和核算，并驱动步进电机进行主动对焦，然后得到镜片的相关参数。依据投影原理的主动焦度计选用高分辨率面阵CCD获取图画，经过FPGA对图画方位形状进行处理，得到被测镜片的相关参数。与依据主动调焦原理的焦度计比较，投影式主动焦度计具有丈量速度快、加工成本低一级长处。可是，该焦度计选用四个丈量点树立数学模型，光学体系的容错才能较差。光路中一旦存在障碍物，如分划板上落有尘埃，体系会呈现过错的丈量成果或中止丈量。
文中所研讨的焦度计是依据投影原理的主动焦度计。可是，与国内同类产品不同的是，本文所研讨的主动焦度计选用了一种新的丈量图画树立数学模型，其丈量精度和稳定性较国内同类产品有了较大的进步。
1 全主动焦度计光学算法推导
1．1 全主动焦度计的作业原理
图1为主动焦度计的光路原理图。点光源宣布的光，经准直镜准直，照射到被测眼镜片上产生偏折，再经过火光光阑和丈量透镜投射到CCD上，在CCD上得到含有数学模型的图画。因为被测镜片的屈光状况不一样，在CCD上所成像的巨细、方位和形状会产生改动，经过CCD接纳和微机对图画方位形状的处理，可得到被测镜片的相关参数。
1．2 16点数学模型
图2为无丈量镜片，即OD时，CCD上的成像散布图。当被测镜片为负球面镜时，十六个光斑相对于初始方位对称地扩张；当被测镜片为正球面镜时，十六个光斑相对于初始方位对称地缩短。将16个光斑按图3虚线所示分红四组。别离求出X方向或许Y方向上两个像点之间的间隔，即可得到被测球镜的顶焦度S值。设四组光斑求出的顶焦度值为S1、S2、S3和S4，则S值为
当被测镜片为柱面镜时，CCD上的光斑散布图如3所示。因为柱面镜含有两个主顶焦度，因而，16个光斑成不对称散布。现以其间一组光斑(4个丈量点)为例推导柱面镜主顶焦度的核算方法。设A点与C点在X轴方向上的间隔为x2，在Y轴方向上的间隔为y1；设B点与D点在X轴方向上的间隔为x1，在Y轴方向上的间隔为y2。假定D1、D2别离为柱面镜的两个主顶焦度，θ为柱面镜的轴角。有以下方程建立
其他三组光斑的核算方法同上，在这里不再累述。不防设四组光斑核算出的柱面镜顶焦度值为C1、C2、C3和C4，轴角为θ1、θ2、θ3和θ4，则柱面镜的顶焦度C值和轴角为
2 全主动焦度计的图画处理体系
依据主动焦度计的作业原理以及体系所要完成的功能规划出硬件体系。体系由两大部分组成：数据收集体系和数据处理体系。数据收集体系由CCD、A／D、AVR单片机和FIFO存储器组成，首要担任收集数据并将数据存储到FIFO存储器；数据处理体系由FPGA、LCD、FIFO存储器、键盘、和LED光源组成，首要担任对收集的数据进行剖析和核算，并将核算成果输出显现或打印。
CCD是面阵灵敏元件，在积分的时刻内，CCD灵敏元件上堆集电荷，当积分结束，将电荷数据顺次移出。因为电荷数据是弱小的模拟量，须经信号扩展，再经A／D转化得到本体系所需的数字量。为了减小对FPGA的CPU的占用率，在CCD采样板上设置一存储器，将转化完的数据暂存一下，以供FPGA体系读取。当光路中无丈量镜片时，FPGA读取CCD的收集数据，核算出光斑的中心方位，并将核算成果作为体系的初始参数。当光路中刺进被测镜片时，分划板在CCD上的成像方位将产生改动，方位的改动量与被测镜片的球镜度和柱镜度有彼此对应的比例关系。FPGA接纳像的方位信息经改换后核算出被测镜片的相关参数。
3 图画的二值化处理
由上述体系能够看出，图画处理的好坏会直接影响丈量的精度和稳定性。因为图画收集设备CCD选用PAL制，所以体系要求FPGA处理一帧图画的时刻不超越20ms。图画二值化算法的挑选规范为简略有用，易于完成。故本体系选用最大类间方差阈值切割算法。最大类间方差法的基本思想是把图画中的像素按灰度值用阈值t分红两类A和B。A由灰度值在0-t之间的像素组成，B由灰度值在t+1-L-1(L为图画灰度级数)之间的像素组成，按下式核算A和B之间的类间方差
式中wA(t)为A中所包括的像素数，wB(t)为B中所包括的像素数。uA(t)为A中所有像素的均匀灰度值，uB(t)为B中所有像素的均匀灰度值。u(t)为全图的均匀灰度值。
从0到L-1顺次改动t值，取使δ(t)为最大的t值作为最佳阂值T。
一般一个光斑的中心坐标应为该光斑的圆心。可是，经过FPGA处理后的图画因为离散化，已不是规矩摆放，故选用质心核算法求出光斑的中心。首要设光斑由n个像素组成，每个像素对应的空间坐标为(xi，yi)，灰度值为p(xi，yi)，则该光斑的质心坐标为
因为xi和yi是FPGA内存图画的质心坐标，经过必定的当量换算可折算成实践图画中光斑的中心坐标。将各点的中心坐标带入式(7)-(10)，即可求出被测镜片的相关参数。
4 结束语
文中提出了一种新的全主动焦度计的丈量图画，并树立了相应的核算方法。运用该体系丈量系列规范镜片，技术指标已达到国家相关查验规范。与国内同类产品比较较，该丈量体系具有以下3个长处：
(1)16个点一起参加丈量，可瞬间获取曾经三倍的数据量，进步了焦度计的精度等级；
(2)多点丈量进步了光学体系的容错才能，即便光学体系中存在一些障碍物，也不简单呈现丈量误差；
(3)多点丈量扩展了镜片的丈量规模，特别是在丈量多焦点镜片时，更简单找到最高度数的方位。
现在，主动焦度计正朝着全主动、多功能、高精准的方向开展。进一步进步产品的精度等级及智能化水平将成为往后主动焦度计的研讨方向。
