CN102818525B - 双光楔测距装置和测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双光楔测距装置，包括第一透镜、双光楔、分光镜、第二透镜、第三透镜、光阑、成像元件以及用于确定成像元件上光斑间距的单元，并按以下方式配置，其中所述光阑处于所述第三透镜的焦平面上，发光标示物经所述第一透镜成像于所述双光楔上，光线再通过所述分光镜部分透射，经所述第二透镜成像于标准面位置处，并在偏离标准面位置的被测物体上形成两个错开的光斑，光斑的光线经所述第二透镜由所述分光镜反射，并经所述第三透镜，穿过所述光阑成像于所述成像元件上。本发明可以实现距离及被测物大小的精确测量。

Description

双光楔测距装置和测距方法

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，特别是涉及一种双光楔测距装置和测距方法。 

背景技术

一般的探测仪器都要求被测物体处于探头前方一定的距离位置。而确定探头与被测物的距离的方法有很多，例如有超声测距方法。但是该方法很难做到快速而精确定位。特别是被测物(如人眼虹膜的宽度(白到白的距离)、瞳孔宽度等)无法直接测量的情况下，超声测距很难实现被测物大小的精确测量。比如眼科设备要测量瞳孔的大小或者白到白的距离，但瞳孔的大小是用卡尺无法测量的，而瞳孔与探头的距离受前房深度的影响，也是无法直接测得的。 

发明内容

本发明的主要目的是提供一种双光楔测距装置和测距方法，能够实现距离及被测物大小的精确测量。 

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案： 

一种双光楔测距装置，包括第一透镜、双光楔、分光镜、第二透镜、第三透镜、光阑、成像元件以及用于确定成像元件上光斑间距的单元，并按以下方式配置，其中所述光阑处于所述第三透镜的焦平面上，发光标示物经所述第一透镜成像于所述双光楔上，光线再通过所述分光镜部分透射，经所述第二透镜成像于标准面位置处，并在偏离标准面位置的被测物体上形成两个错开的光斑，光斑的光线经所述第二透镜由所述分光镜反射，并经所述第三透镜，穿过所述光阑成像于所述成像元件上。 

所述被测物体可以为人眼的虹膜面。 

双光楔为单级或者多级双光楔。 

一种前述的装置的双光楔测距方法，包括以下步骤： 

1)将被测物体的置于偏离所述标准面位置处； 

2)测量成像于所述成像元件上的两光斑间距； 

3)根据装置的光学尺寸和所测两光斑间距，确定被测物体上的待测距离。 

步骤3)进一步包括以下步骤： 

i.根据以下关系式确定虹膜上两光楔光斑经第二透镜成像所得两光斑像间距L’， 其中，L_ccd测距是成像元件上的两光斑间距，L_ccd测距＝两光斑间距像元个数×像素点间距，d_阑CCD为光阑到成像元件表面距离，f′₃为第三透镜的像方焦距； 

ii.根据以下式(1)-(4)联立确定被测物体上的待测距离L， 

$L=\frac{v_2-v_{20}}{v_{20}}\·\left|u_{20}\right|\·2(n-1)\mathrm{\α}$ ....................................(1) 

$L^{\′}=\frac{L\·v_{21}}{u_{21}}$ ...............................................(2) 

$\frac{1}{v_{21}}-\frac{1}{u_{21}}=-\frac{1}{f_2}$ ...........................................(3) 

-u₂₁＝v₂...............................................(4) 

其中，已知量： 

|u₂₀|为所述多级双光楔与所述第二透镜之间的距离， 

v₂₀为所述标准面与所述第二透镜之间的距离； 

α为光楔的折射角，n为光楔的折射率； 

f₂为第二透镜的物方焦距； 

未知量： 

v₂即-u₂₁为处于离焦面的被测物体与所述第二透镜之间的距离； 

L为光束经过双光楔在离焦面上两个光斑之间的距离； 

v₂₁为虹膜经第二透镜的成像像距。

所述被测物体可以是人眼的虹膜面。 

所述待测距离可以是虹膜的宽度或瞳孔的宽度。 

双光楔为单级或者多级双光楔。 

本发明有益的技术效果在于： 

与现有技术相比，本发明很容易实现被测物大小的精确测量，特别是被测物大小无法直接测量，又不便于测量被测物离探头的距离的情况下，利用本发明可以实现快速、精确地测量，如对人眼虹膜的宽度(白到白的距离)、瞳孔的宽度等实施测量。 

附图说明

图1a-图1c是多级双光楔A、B的主视图(上方部分)和俯视图(下方部分)； 

图2是利用多级双光楔成像用人眼观测的一种光路结构示意图； 

图3是利用多级双光楔成像于成像元件的一种光路结构示意图； 

图4为本发明一个实施例的光路结构示意图； 

图5为成像于成像元件上的光斑示意图； 

图6为本发明实施例中的成像原理图。 

具体实施方式

以下通过实施例结合附图对本发明进行进一步的详细说明。 

多级双光楔： 

如图1a-图1c所示，其中每个光楔由几级构成，图中只画出两级的双光楔，每级对应光楔不同光楔角。光楔角可依级逐渐增大。多级双光楔如上图摆放，二者之间的位置变化起到不同级双光楔的作用。 

另外，距离偏离增大，发光标示物的像分开的大小与光楔的光楔角的大小有关。光楔角越大，标示物的像分开的得越大。但距离偏离太大时，两标示像随距离拉大分开太大，会跑出人眼视场范围(或感光元件的接收范围)。因此，可以采用多级双光楔方案，先用光楔角较小的双光楔初步定位，当两标示像重合后，换光楔角较大的双光楔来帮忙对准。这就是多级双光楔使用原理。 

双光楔测距及测物体大小： 

如图2所示，标示物10(可以是圆环或者矩形细长条状的发光体)经第一透镜1成像于双光楔11上，再透过分光镜12部分透射，经第二透镜2成像于标准面13位置处。经标准面位置处物体反光，经第二透镜2，分光镜12反射，及透镜3被人眼20观测。此时人眼观测到吻合的标示物的像。若不用人眼20观测，而是采用成像于成像元件21上，就如图3所示，也能从成像元件上得到吻合的标示物的像。当被测物体偏离标准面位置时，标示物的像分开为两个，偏离的距离越远，标示物的像分开得越大。但距离偏离得足够大时，由于两标示像分得太开，会偏出人眼观测的范围，即人眼看不到标示物的像，亦或者成像元件21上得不到标示物10的像。 

本发明测距装置的一个实施例如图4所示，本实施例除了如图2所示的光路布置外，还设有孔径光阑15，其处于第三透镜3的焦平面。 

将一人眼作为待测样品，人眼前房深度不同，虹膜面就可能不处于待测位置标准面处。即设虹膜面处于离焦面位置14，如上图所示。此时双光楔11在虹膜面上成两个错开的光斑。 这两个光斑作为物，经第二透镜2，分光镜反射，第三透镜3，穿过光阑，成像于成像元件21上，如图5所示。 

具体测距方法如下： 

若物处于待测标准面13，标准面13与所述第二透镜2之间的距离设定为v₂₀，双光楔11与透镜2之间距离为|u₂₀|。u₂₀与v₂₀关于透镜2满足物像关系。此时成像于所述成像元件上的两光斑完全重合，即L_ccd测距＝0。 

将物体设于偏离待测标准面的离焦面14，处于离焦面14的待测物与f₂透镜之间的距离v₂(该距离也命名为u₂₁)； 

L为光束经过双光楔在离焦面上两个光斑之间的距离，即标示物在物上所成光斑的距离； 

因为光楔为折射角很小的棱镜，若光楔的折射角为α，当光束经过上述双光楔时，其偏角δ＝2(n-1)α，n为光楔的折射率； 

由图6可得： 

$\frac{h}{v_{20}}=\mathrm{tg\β};\mathrm{\β}$

$\frac{h}{|-u_{20}|}=\mathrm{tg\δ};\mathrm{\δ}$

得到： $\mathrm{\β}=\left|\frac{u_{20}}{v_{20}}\right|\mathrm{\δ}$

另由三角近似知： 

$\frac{L}{h}=\frac{v_2-v_{20}}{v_{20}},$ 则 

$L=\frac{v_2-v_{20}}{v_{20}}\·v_{20}\mathrm{\β}$

最终得到 

$L=\frac{v_2-v_{20}}{v_{20}}\·\left|u_{20}\right|\·2(n-1)\mathrm{\α}$ ....................................(1) 

此时物上双光楔的光斑是分开的，分开的距离L未知，因为物与第二透镜的距离v₂未知。 物上双光楔的光斑经透镜2、分光镜12反射、透镜3和光阑15成像于成像元件上。 

成像元件上的两光斑，L_ccd测距＝两光斑间距像元个数×像素点间距； 

虹膜上两光楔光斑经第二透镜2成像所得两光斑像间距为L’， 

光阑到成像元件表面距离设定为d_阑CCD， 

透镜3的像方焦距为f′₃，此时求出： 

虹膜与第二透镜2的距离为u₂₁，虹膜经第二透镜2成像像距为v₂₁，第二透镜2的物方焦距为f₂，则 

$L^{\′}=\frac{L\·v_{21}}{u_{21}}$ .................................................(2) 

$\frac{1}{v_{21}}-\frac{1}{u_{21}}=-\frac{1}{f_2}$ ..............................................(3) 

-u₂₁＝v₂.................................................(4) 

由上述(1)-(4)这4个方程联立，4个方程4个未知量，便可求出v₂和L。 

若测人眼虹膜白到白的间距，已知v₂及L_ccd测距，便能求出虹膜白到白的宽度。 

因此，当待测物(例如人眼)不处于标准面时即处于离焦位置时，可以精确测量待测物上两点的距离。 

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。 

Claims (7)

1.一种眼科双光楔测距装置，其特征在于,包括第一透镜、双光楔、分光镜、第二透镜、第三透镜、光阑、成像元件以及用于确定成像元件上光斑间距的单元，并按以下方式配置，其中所述光阑处于所述第三透镜的焦平面上，发光标示物经所述第一透镜成像于所述双光楔上，光线再通过所述分光镜部分透射，经所述第二透镜成像于标准面位置处，并在偏离标准面位置的被测物体上形成两个错开的光斑，光斑的光线经所述第二透镜由所述分光镜反射，并经所述第三透镜，穿过所述光阑成像于所述成像元件上，被测物体上的待测距离L利用成像于所述成像元件上的两光斑间距L_ccd测距和装置的光学尺寸确定：

根据以下关系式确定虹膜上两光楔光斑经第二透镜成像所得两光斑像间距L',其中，L_ccd测距是成像元件上的两光斑间距，L_ccd测距＝两光斑间距像元个数×像素点间距，d_阑CCD为光阑到成像元件表面距离，f3′为第三透镜的像方焦距；

根据以下式(1)-(4)联立确定被测物体上的待测距离L，

$L=\frac{v_2-v_{20}}{v_{20}}\·\left|2(n-1)\right|\mathrm{\α}...\left(1\right)$

$L^{\′}\frac{L\·21}{u_{21}}...\left(2\right)$

$\frac{1}{w_{21}}-\frac{1}{u_{21}}=-\frac{1}{f_2}...\left(3\right)$

-u₂₁＝v₂...............................................(4)

其中,已知量：

|u₂₀|为所述双光楔与所述第二透镜之间的距离，

v₂₀为所述标准面与所述第二透镜之间的距离；

α为光楔的折射角，n为光楔的折射率；

f₂为第二透镜的物方焦距；

未知量：

v₂即-u₂₁为处于离焦面的被测物体与所述第二透镜之间的距离；

L为光束经过双光楔在离焦面上两个光斑之间的距离；

v₂₁为虹膜经第二透镜的成像像距。

2.如权利要求1所述的眼科双光楔测距装置，其特征在于,所述被测物体为人眼的虹膜面。

3.如权利要求1所述的眼科双光楔测距装置，其特征在于,双光楔为单级或者多级双光楔。

4.一种使用权利要求1所述的装置的双光楔测距方法，其特征在于,

包括以下步骤：

1)将被测物体的置于偏离所述标准面位置处；

2)测量成像于所述成像元件上的两光斑间距；

3)根据装置的光学尺寸和所测两光斑间距，确定被测物体上的待测距离,步骤3)进一步包括以下步骤：

i.根据以下关系式确定虹膜上两光楔光斑经第二透镜成像所得两光斑像间距L',其中，L_ccd测距是成像元件上的两光斑间距，L_ccd测距＝两光斑间距像元个数×像素点间距，d_阑CCD为光阑到成像元件表面距离，f₃′为第三透镜的像方焦距；

ii.根据以下式(1)-(4)联立确定被测物体上的待测距离L，

$L=\frac{v_2-v_{20}}{v_{20}}\·\left|u_{20}\right|\left|2(n-1)\right|\mathrm{\α}...\left(1\right)$

$L^{\′}\frac{L\·21}{u_{21}}...\left(2\right)$

$\frac{1}{v_{21}}-\frac{1}{u_{21}}=-\frac{1}{f_s}...\left(3\right)$

-u₂₁＝v₂...............................................(4)

其中,已知量：

|u₂₀|为所述双光楔与所述第二透镜之间的距离，

v₂₀为所述标准面与所述第二透镜之间的距离；

α为光楔的折射角，n为光楔的折射率；

f₂为第二透镜的物方焦距；

未知量：

v₂即-u₂₁为处于离焦面的被测物体与所述第二透镜之间的距离；

L为光束经过双光楔在离焦面上两个光斑之间的距离；

v₂₁为虹膜经第二透镜的成像像距。

5.如权利要求4所述的双光楔测距方法，其特征在于,所述被测物体为人眼的虹膜面。

6.如权利要求5所述的双光楔测距方法，其特征在于,所述待测距离为虹膜的宽度或瞳孔的宽度。

7.如权利要求4-6任一项所述的双光楔测距方法，其特征在于,双光楔为单级或者多级双光楔。