一种基于CCD的视度视差测试新系统

付饶，安志勇，朱海滨，肖作江

(1.长春理工大学 光电工程学院，长春 130022；2.吉林东光精密机械厂，长春 130022；3.长春理工大学 生命科学技术学院，长春 130022)

视度和视差是评价光学系统成像质量的重要参数之一，其传统测量方法是利用视度筒或平行光管视差仪[1]。这两种方法都有一定的缺点：应用视度筒测量的缺点一方面是视度筒自身造成的测量误差；另一方面是人眼在判断分划刻线和无穷远物像清晰与否时的主观影响[2]。应用平行光管视差仪测量的缺点是只能检测出被测系统的视差是否在要求范围内，不能给出视差量值[3]。针对上述缺点，设计一种基于CCD成像的短焦摄像系统，通过CCD光电转换器件及自动对焦和图像处理技术，利用计算机进行数据处理，消除人为主观因素影响，提高了检测效率和精度。

1 视度及视差测试原理

1.1 视度测试原理

基于 CCD的视度测试原理如图1所示。首先把平行光管、被试品与CCD摄像系统共轴，CCD系统是物镜或 CCD光敏面可精确调焦的短焦距摄像系统。在无被试品时，由平行光管标定 CCD处于零视度的光敏面位置(或物镜位置)，然后放入被试品，由 CCD光敏面(或物镜)移动，自动寻求最佳像面位置，由其移动量可自动求出视度SD，其关系式为：

图1 视度零位和调节范围测试原理示意图Fig.1 The test principle sketch of the zero diopter and the adjustable range

测量视度零位时，将被试品目镜视度归零；测试系统也处于无被试品的零视度的位置；然后放入被试品，由系统自动得到的视度值即为被试品的视度零位偏差。

测量视度调节范围时，分别测出正、负视度极限位置的视度值，即为被试品视度调节范围[4]。

1.2 视差测试原理

视差测试原理如图1所示。首先使各测试装置与被试品共轴，然后分别测得被试品分划板SD和平行光管分划板视度SD[5]。那么，视差为：

式中： —被试品视差，单位：'

D'—被试品的出瞳直径，单位：mm

SD'—被试品分划板的视度值，单位：屈光度

SD—平行光管分划板的视度值，单位：屈光度

2 系统组成及工作原理

2.1 系统组成

基于 CCD的视度视差测试系统，主要由平行光管；CCD摄像系统；被试品、光学平台四部分组成，如图2所示。

图2 视度视差测试系统Fig.2 The diopter and optical parallax testing system

图2中的CCD摄像系统内部组成如图3所示。其主要由短焦摄像系统作为成像系统；高分辨率CCD作为光电接收器件；高精度直线运动导轨；光栅尺及步进电机组成。

图3 CCD摄像系统Fig.3 CCD camera system

2.2 系统工作原理

根据设计要求选用两相混合式步进电机作为动力发生装置，电机轴通过联轴器和传动丝杠连接，从而带动固定在高精度直线运动导轨上的 CCD在短焦摄像系统焦平面前后一定范围内做直线运动。在无被试品时，由平行光管标定 CCD处于零视度的光敏面位置(或物镜位置)，然后放入被试品，由 CCD光敏面(或物镜)移动，自动寻求最佳像面位置，CCD与高精度线位移光栅尺滑块连接，用光栅尺记录下 CCD前进或后退时的位移量，由于CCD，光栅尺，电机都与计算机连接，CCD位移量及拍摄图像都显示在计算机上。应用公式(1)、(2)，通过编程和软件控制，求出视度及视差值。测量视度零位时，将被试品目镜视度归零；测试系统也处于无被试品的零视度的位置；然后放入被试品，由系统自动得到的视度值即为被试品的视度零位偏差。测量视度调节范围时，分别测出正、负视度极限位置的视度值，即为被试品视度调节范围，从而避免人为因素的影响。

3 短焦CCD摄像系统的设计及评价

短焦CCD摄像系统是该系统的重要组成部分，系统采用三分离式结构，系统焦距为45.10mm，视场角为10.14°，F数为4.0，后截距为37.32mm。设计的系统最终参数如表1所示，光路图如图 4所示。

图5为短焦CCD摄像系统的调制传递函数(MTF)图，由于选用的CCD像元直径为15m，对应的极限分辨率为33lp/mm，由图5可以看出该光学系统在空间频率为33lp/mm时，传递函数值达到0.7以上。图6为短焦CCD摄像系统的点列图，由图6可以看出全视场内系统的均方根半径最大为5.9m，小于CCD的像元半径7.5m，满足CCD使用要求。

表1 短焦CCD摄像系统参数Tab.1 Parameters of the short-focus CCD camera system

图4 短焦CCD摄像系统光路图Fig.4 Light path diagram of the short-focus CCD camera system

图5 MTF图Fig.5 MTF diagram

图6 点列图Fig.6 Spot diagram

4 系统测试结果及精度分析

4.1 系统测试结果

(1)视度测试结果

采用视度测试系统对经过吉林省计量院标定的标准视度片进行了测试，标准视度片视度值分别为： 6.98D、 6.01D、 5.02D、 4.07D、 3.03 D、 2.05D、 0.99D、+0.95D、+1.93D和+2.96D，如图7所示。所得测试数据见表2。

(2)视差测试结果

分别测出 A、B两点的视度值，各测五组数据，二者只差为视差值。测试数据见表3所示。

图7 标准视度片Fig.7 Standard diopter glass

表2 视度测试系统测试精度实验数据Tab.2 The experimental data of the test precision of the diopter testing system

4.2 精度分析

影响视度视差的因素主要有以下几个方面：

第一，被测系统的定位误差的影响。被试品的定位误差主要来自于被测系统的光轴与平行光管光轴的对正误差，其对视度的影响大小为：

表3 视差重复性测试实验数据Tab.3 The experimental data of the optical parallax repetitive testing

第二，平行光管光束平行性误差的影响[2]。平行光管视差为：

式中：D=120mm； =1.5。

第三，光电自动调焦误差的影响。由于光电自动调焦过程是灰度等级的对比过程，而短焦 CCD摄像系统因为衍射效应的影响具有焦深的成像特性，产生调焦误差。

焦深计算公式为：

在此系统中，D=11.28mm，f'=45.10mm，设，由上式可求出：

则其对应的视度值为：

综上可得引起的总误差为：

通过以上误差分析计算可知：该系统测试精度可达到0.0293屈光度，完全达到0.05屈光度的技术指标要求。

5 结论

由表1、表2的实验数据结果及精度分析可知，本文所介绍的基于CCD的视度视差测试系统完全满足测试精度要求，克服了人为主观因素的影响，实现了视度视差的数字化测试，测试数据可靠准确，为生产实践提供了方便，有应用价值和推广意义。

[1]刘秉琦，周斌.利用CCD实现望远系统视差自动测试的研究[J].半导体光电，2005，26(3)：253-255.

[2]曹维国.基于CCD的视度和视差测试系统研究[J].红外与激光工程，2007，6(8)，232-235.

[3]刘钧，田苗.平视显示器视差测量仪的光学系统设计[J].西安工业大学学报，2008，28(6)：523-524.

[4]李春亮.平视显示器的视差调校研究[J].电光与控制，2002，9(1)：54.

[5]刘秉琦，沈学举.CCD测量望远系统的像倾斜[J].光学技术，1997，23(7)：30-31.