自动验光仪中图像处理与调焦准确性的研究

摘要：

图像清晰度评价函数可以反映调焦系统的调焦准确性。为了验证所选择的评价函数满足调焦准确性的要求，现选择在不同调焦位置拍摄图像并进行处理，找出最佳成像位置，然后利用调焦透镜的移动量与屈光度的关系计算出屈光度，与实际使用的模拟眼比较并计算误差。通过对不同屈光度的模拟眼分别测量，最终结果表明：该评价函数能够较好地满足调焦的准确性要求。

关键词：

自动验光仪； 调焦光学系统； 图像处理； 屈光度计算

中图分类号： TH 773文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2012.06.003

引言

自动验光仪是用于测试人眼屈光度及其它相关数据的一种医疗器械，它为眼科医生开配镜处方提供重要的参考数据[1]。自动验光仪的视力检测属于客观验光的范畴，比较常见的是采用红外光源及自动雾视装置达到放松眼球的效果，并采用光电技术及自动控制技术检查人眼的屈光度[2]。自动验光仪之所以能够自动检测人眼屈光度，主要取决于其调焦光学系统能否准确快速地将眼底像聚焦到图像采集元件之上，并通过调焦透镜的移动量来获得人眼的屈光度数值[3]。因此，对最清晰图像的判定将会直接影响计算屈光度数值时采用的透镜移动量，并最终影响视力检测的准确度[4]。

MATLAB是一款具有高效率数值计算的可视化软件，语法简单、易学，提供了丰富多样化的工具箱，包括与实验密切相关的图像工具箱。文中将所采用的评价函数写入MATLAB中的M文件，来对拍摄的图像进行点锐度的计算，以此来判断最佳成像位置及计算屈光度，从而验证该评价函数的可行性。

1调焦光路结构、原理与屈光度计算

1.1光路结构

实验的光路结构如图1所示，主要由光源、半反半透镜、模拟眼、调焦透镜以及CMOS感光元件组成。图1以屈光度为0的正常眼为例，如图所示，光源出射的光线经过准直透镜、环形光阑后，形成一束平行的环形光束，入射进模拟眼，恰好在视网膜上成清晰像。由于是屈光度为0的正常眼，因此反射后的光线也以平行光形式出射，经过半反半透镜反射及调焦透镜聚焦，成像在CMOS感光元件表面，并由其记录下图像。

1.2调焦原理

实验中采取不同屈光度模拟眼时，非正常眼的清晰成像点都不能恰好落在视网膜上，因此出射光与水平方向存在一个夹角，其清晰成像点在出射光线的延长线（或反向延长线上，由近视或远视决定，即屈光度的正负值决定）。为了使CMOS能接收到清晰图像，需要对出射光路进行矫正，实验中采取改变调焦透镜与半反半透镜之间的距离来实现这一操作。基于实验采用的环形光阑半径较小，可暂不考虑球差带来的影响，故实验中采用单一的透镜来代替调焦透镜组。

1.3屈光度的计算

实验根据CMOS所采集图像的清晰度计算清晰成像点的位置，反推出模拟眼的屈光度，再与实验采用的模拟眼屈光度作比较，分析验证该实验的可行性。为了实验的准确性和计算方便，实验中将光源、半反半透镜、模拟眼固定在导轨1（水平方向）上不动，在垂直于导轨1的导轨2上将调焦透镜与CMOS元件保持联动，即保持图1中l1与l2不变。通过改变调焦透镜、CMOS的组合与半反半透镜的距离（即l2）的值，收集不同清晰度的图像。

实验中采用焦距为f的透镜，将CMOS与透镜的距离设为l3=1.5f，由透镜一次成像公式可知：