一種基于CCD的視度視差測試新系統

付饒，安志勇，朱海濱，肖作江

(1.長春理工大學 光電工程學院，長春 130022；2.吉林東光精密機械廠，長春 130022；3.長春理工大學 生命科學技術學院，長春 130022)

視度和視差是評價光學系統成像質量的重要參數之一，其傳統測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：應用視度筒測量的缺點一方面是視度筒自身造成的測量誤差；另一方面是人眼在判斷分劃刻線和無窮遠物像清晰與否時的主觀影響[2]。應用平行光管視差儀測量的缺點是只能檢測出被測系統的視差是否在要求范圍內，不能給出視差量值[3]。針對上述缺點，設計一種基于CCD成像的短焦攝像系統，通過CCD光電轉換器件及自動對焦和圖像處理技術，利用計算機進行數據處理，消除人為主觀因素影響，提高了檢測效率和精度。

1 視度及視差測試原理

1.1 視度測試原理

基于 CCD的視度測試原理如圖1所示。首先把平行光管、被試品與CCD攝像系統共軸，CCD系統是物鏡或 CCD光敏面可精確調焦的短焦距攝像系統。在無被試品時，由平行光管標定 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，自動尋求最佳像面位置，由其移動量可自動求出視度SD，其關系式為：

圖1 視度零位和調節范圍測試原理示意圖Fig.1 The test principle sketch of the zero diopter and the adjustable range

測量視度零位時，將被試品目鏡視度歸零；測試系統也處于無被試品的零視度的位置；然后放入被試品，由系統自動得到的視度值即為被試品的視度零位偏差。

測量視度調節范圍時，分別測出正、負視度極限位置的視度值，即為被試品視度調節范圍[4]。

1.2 視差測試原理

視差測試原理如圖1所示。首先使各測試裝置與被試品共軸，然后分別測得被試品分劃板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 系統組成及工作原理

2.1 系統組成

基于 CCD的視度視差測試系統，主要由平行光管；CCD攝像系統；被試品、光學平臺四部分組成，如圖2所示。

圖2 視度視差測試系統Fig.2 The diopter and optical parallax testing system

圖2中的CCD攝像系統內部組成如圖3所示。其主要由短焦攝像系統作為成像系統；高分辨率CCD作為光電接收器件；高精度直線運動導軌；光柵尺及步進電機組成。

圖3 CCD攝像系統Fig.3 CCD camera system

2.2 系統工作原理

根據設計要求選用兩相混合式步進電機作為動力發生裝置，電機軸通過聯軸器和傳動絲杠連接，從而帶動固定在高精度直線運動導軌上的 CCD在短焦攝像系統焦平面前后一定范圍內做直線運動。在無被試品時，由平行光管標定 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，自動尋求最佳像面位置，CCD與高精度線位移光柵尺滑塊連接，用光柵尺記錄下 CCD前進或后退時的位移量，由于CCD，光柵尺，電機都與計算機連接，CCD位移量及拍攝圖像都顯示在計算機上。應用公式(1)、(2)，通過編程和軟件控制，求出視度及視差值。測量視度零位時，將被試品目鏡視度歸零；測試系統也處于無被試品的零視度的位置；然后放入被試品，由系統自動得到的視度值即為被試品的視度零位偏差。測量視度調節范圍時，分別測出正、負視度極限位置的視度值，即為被試品視度調節范圍，從而避免人為因素的影響。

3 短焦CCD攝像系統的設計及評價

短焦CCD攝像系統是該系統的重要組成部分，系統采用三分離式結構，系統焦距為45.10mm，視場角為10.14°，F數為4.0，后截距為37.32mm。設計的系統最終參數如表1所示，光路圖如圖 4所示。

圖5為短焦CCD攝像系統的調制傳遞函數(MTF)圖，由于選用的CCD像元直徑為15m，對應的極限分辨率為33lp/mm，由圖5可以看出該光學系統在空間頻率為33lp/mm時，傳遞函數值達到0.7以上。圖6為短焦CCD攝像系統的點列圖，由圖6可以看出全視場內系統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攝像系統參數Tab.1 Parameters of the short-focus CCD camera system

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

圖5 MTF圖Fig.5 MTF diagram

圖6 點列圖Fig.6 Spot diagram

4 系統測試結果及精度分析

4.1 系統測試結果

(1)視度測試結果

采用視度測試系統對經過吉林省計量院標定的標準視度片進行了測試，標準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。所得測試數據見表2。

(2)視差測試結果

分別測出 A、B兩點的視度值，各測五組數據，二者只差為視差值。測試數據見表3所示。

圖7 標準視度片Fig.7 Standard diopter glass

表2 視度測試系統測試精度實驗數據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方面：

第一，被測系統的定位誤差的影響。被試品的定位誤差主要來自于被測系統的光軸與平行光管光軸的對正誤差，其對視度的影響大小為：

表3 視差重復性測試實驗數據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，光電自動調焦誤差的影響。由于光電自動調焦過程是灰度等級的對比過程，而短焦 CCD攝像系統因為衍射效應的影響具有焦深的成像特性，產生調焦誤差。

焦深計算公式為：

在此系統中，D=11.28mm，f'=45.10mm，設，由上式可求出：

則其對應的視度值為：

綜上可得引起的總誤差為：

通過以上誤差分析計算可知：該系統測試精度可達到0.0293屈光度，完全達到0.05屈光度的技術指標要求。

5 結論

由表1、表2的實驗數據結果及精度分析可知，本文所介紹的基于CCD的視度視差測試系統完全滿足測試精度要求，克服了人為主觀因素的影響，實現了視度視差的數字化測試，測試數據可靠準確，為生產實踐提供了方便，有應用價值和推廣意義。

[1]劉秉琦，周斌.利用CCD實現望遠系統視差自動測試的研究[J].半導體光電，2005，26(3)：253-255.

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

[3]劉鈞，田苗.平視顯示器視差測量儀的光學系統設計[J].西安工業大學學報，2008，28(6)：523-524.

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

[5]劉秉琦，沈學舉.CCD測量望遠系統的像傾斜[J].光學技術，1997，23(7)：30-31.