CN107132030A

CN107132030A - 一种新型镜片焦距检测方法及装置

Info

Publication number: CN107132030A
Application number: CN201710578993.4A
Authority: CN
Inventors: 郭右利
Original assignee: Dalian Shadow Optical Technology Co Ltd
Current assignee: Dalian Shadow Optical Technology Co Ltd
Priority date: 2017-07-17
Filing date: 2017-07-17
Publication date: 2017-09-05
Anticipated expiration: 2037-07-17
Also published as: CN107132030B

Abstract

本发明公开了一种新型镜片焦距检测方法及装置，利用焦距计算公式，结合机器视觉的方式，对多点进行独立的量化检测，得到被测镜片表面的焦距分布，进而通过求取均值等方式确定镜片焦距、中心和轴向方法，可以实现相比于现有技术更高精度的检测。

Description

一种新型镜片焦距检测方法及装置

技术领域

本发明涉及光学检测领域，尤其涉及一种新型镜片焦距检测方法及装置。

背景技术

在光学镜片、眼镜片、各种成像镜头等的生产加工领域，镜片的焦距都是最重要的参数之一。如何能够实现高精度的焦距测量非常重要，目前焦距的检测主要使用一种称为焦度计的测量仪器。

焦度计的检测方法，其光路结构参见附图1，具体方法如下：

待测镜片放置在光路中后，光源发出的光照射到移动分划板2上，该图像通过准直物镜3，待测镜片4，物镜5被投影到了固定分划板6上，通过图像采集器观测固定分划板6上的像；在移动分划板2上装有实时测量分划板位置的传感器，用于检测2的实时位置。图像采集器和镜头组件用于分析在固定分划板6上的图像是否清晰，通过调整移动分划板2使采集器上达到最清晰的图像，此时表明6上的图像为聚焦效果最好的图像，此时根据物镜5的参数和位置求出像距v；根据移动分划板的具体位置可求出物距u。

根据焦距公式：1/u+1/v＝1/f，求得焦距f。

使用这种方法的缺点主要包括：

(1)精度低：通过分析固定分划板上的图像来确定是否对焦准确，由于在接近焦点时图像的清晰度相差较小，在算法分析上会存在一定的误差，同时受传感器精度的限制，实测的分划板位置会有一定的误差。这两种误差会造成检测精度的下降。

(2)柱镜检测误差大：柱镜的检测需要同时测量轴位和焦距，在使用该设备进行检测时，需要额外的手动旋转辅助装置，才可实现检测，但受分析误差影响，检测误差明显大于普通镜片。

(3)镜片中心检测不准确：受检测原理和观测方法影响，该设备误差进行镜片中心的检测与标记。以眼镜镜片为例：在验光和试镜过程中，已经确定好眼镜度数(焦距的倒数(单位为m)*100)，实际佩戴的镜片由于度数不准确、散光轴向及度数误差大、镜片中心未调整好，非常容易造成佩戴不适，从而造成人眼度数的增加和持续恶化。

因此，在光学镜片检测领域，更需要高精度高稳定性的检测设备进行检测。

发明内容

本申请的目的在于：针对现有技术检测的精度低、柱镜检测及中心检测误差大的课题，本发明提出了一种新型镜片焦距检测方法及装置，基于机器视觉的多点式检测技术，基于多点的检测，并通过求取均值的方法，可以大幅提高检测精度，并且精确的对柱镜及镜片中心进行测量，有效地解决上述问题。

本发明提供了一种新型镜片焦距检测方法，将标准显示屏幕、图像采集器的中心在同一轴线上且固定，待测镜片通过安装架安装到标准显示屏和图像采集器之间，且中心与轴线保持一致；控制器通过线缆与标准显示屏幕、图像采集器及显示设备连接。

通过控制器控制标准显示屏幕进行逐点、特定形状或条纹图像进行点亮，点亮当前的屏幕坐标为(Xscreen，Yscreen)。

已知显示屏的分辨率和像素点距，被点亮的像素(Xscreen，Yscreen)的矢高dscreen可通过以下公式确定：

dscreen＝sqrt((Xscreen-screenres1/2)*(Xscreen-screenres1/2)-(Yscreen-screenres2/2)*(Yscreen-screenres2/2))*screenpixel；

图像采集器正对待测镜片，透过待测镜片观测标准显示屏幕的点亮像素点位置；控制器控制图像采集器进行图像的采集，在标准显示屏幕上被点亮的像素点通过待测镜片和镜头被投射到采集芯片上，采集芯片上也存在一对应的点，其坐标参考为(Xccd，Yccd)。

已知采集芯片的分辨率和像素点距，被点亮的像素(Xccd，Yccd)的矢高dccd通过以下公式确定：

dccd＝sqrt((Xccd-ccdres1/2)*(Xccd-ccdres1/2)-(Yccd-ccdres2/2)*(Yscreen-ccdres2/2))*ccdpixel。

根据相似三角形关系，由光线在CCD上的矢高dccd、待测镜片与图像采集器的镜头中心距离d2以及镜头焦距dfocus可以得到光线在待测镜片上的矢高dlens：

dlens＝(d2/dfocus)*dccd；

根据光线在标准显示屏幕上的矢高dscreen、待测镜片上的矢高dlens和标准显示屏幕与待测镜片的间距d1,计算物方交点位置u：

u＝d1*dlens/(dlens-dscreen)。

物方交点距离v即为被测镜片中心到镜头中心距离d2，即：v＝d2。

根据焦距公式1/u+1/v＝1/focus，计算出该点的实际焦距：

focus＝u*v/(u+v)。

以上为计算扫描过程中的一点，按照该方式依次扫描各点，根据扫描点得出待测镜片表面的焦距分布。

根据所扫描点数，进行均值计算，得到待测镜片的真实焦距。

其中，标准显示屏幕与待测镜片的间距d1已知，待测镜片与图像采集器的镜头中心距离d2已知。

根据显示屏幕的硬件参数，确定显示屏幕的分辨率横向为screenres1，纵向为screenres2，同时确定像素点距为screenpixel。

根据图像采集器的组件参数，确定镜头的焦距dfocus、采集芯片的分辨率横向ccdres1、纵向ccdres2，像素点距ccdpixel。

优选的，提取扫描得到的焦距矩阵中较大值焦距的位置坐标，即得到待测镜片的中心位置。

优选的，根据得到的待测镜片表面的焦距分布，的计算相对中心位置的各个角度上的焦距数值，将最大或最小焦距的角度值作为待测镜片的轴位方向。，即得到待测镜片的轴位方向。

优选的，图像采集器对着待测镜片观测显示屏幕的图像，包括图示的直接正对方式，也应包括斜对、通过一些反射镜进行反射后正对的间接的实现方式。

本发明另外提供一种新型镜片焦距检测方法的专用装置，将标准显示屏幕、图像采集器的中心在同一轴线上且固定，待测镜片通过安装架安装到标准显示屏幕和图像采集器之间，且中心与轴线保持一致；控制器通过线缆与标准显示屏幕、图像采集器及显示设备连接。

优选的，其中待测镜片放置在标准显示屏幕前端，图像采集器放置在待测镜片的后端，其距离为0.5mm-50000mm，图像采集器对着待测镜片采集标准显示屏幕上的图像。

有益效果：采用本发明的新型镜片焦距检测方法及装置，利用焦距计算公式，结合机器视觉的方式，对多点进行独立的量化检测，得到被测镜片表面的焦距分布，进而通过求取均值等方式确定镜片焦距、中心和轴向方法，可以实现相比于现有技术更高精度的检测。

附图说明

图1为现有技术焦度计检测方法光路结构图。

图2为本发明新型镜片焦距检测装置结构图。

图3为本发明新型镜片焦距检测装置的图像采集器组件放大示意图。

图4为本发明新型镜片焦距检测方法屏幕点亮坐标图示。

图5为本发明新型镜片焦距检测方法采集芯片的点亮坐标图示。

附图标识：1为光源、2为移动分划板、3为准直物镜、4为待测镜片、5为物镜、6为固定分划板、7为图像采集器、8为标准显示屏幕、9为控制器、10为显示设备、11为镜头、12为采集芯片。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

本发明的新型镜片焦距检测装置结构，如图2所示，包括标准显示屏幕8、图像采集器7、控制器9及显示设备10。

标准显示屏幕8、图像采集器7的中心在同一轴线上且固定，待测镜片4通过普通的安装架安装到图示位置，位于标准显示屏8和图像采集器7之间，且中心与轴线保持一致。控制器9通过线缆与标准显示屏幕8、图像采集器7和显示设备10连接。

由于标准显示屏幕8、待测镜片4、图像采集器7之间位置固定，因此标准显示屏幕8与待测镜片4的间距d1已知，待测镜片4与图像采集器7的镜头11中心距离d2已知。

根据标准显示屏幕8的硬件参数，可以确定标准显示屏幕8的分辨率横向为screenres1，纵向为screenres2，同时确定像素点距为screenpixel。

将待测镜片4与图像采集器7放大，参照图3，图像采集器7可分为镜头11和采集芯片12。待测镜片4上被观测点通过镜头11投射到采集芯片12上。

根据图像采集器7的组件参数，可以确定镜头11的焦距dfocus、采集芯片12的分辨率横向ccdres1、纵向ccdres2，像素点距ccdpixel。

接下来以逐点扫描的方式，阐述本发明在实际工作时的主要流程：

1、通过控制器9控制标准显示屏幕8进行逐点进行点亮，以点亮当前的屏幕坐标为(Xscreen，Yscreen)为例，参考图4：

由于已知标准显示屏幕8的分辨率和像素点距，被点亮的像素(Xscreen，Yscreen)的矢高dscreen可通过公式确定：

2、图像采集器7正对待测镜片4，透过待测镜片4观测标准显示屏幕8上的点亮像素点位置。控制器9控制图像采集器7进行图像的采集，在标准显示屏幕8上被点亮的像素点通过待测镜片4和镜头11被投射到采集芯片12上，采集芯片12上也存在一对应的点，其坐标参考为(Xccd，Yccd)，如图5所示。

由于已知采集芯片12的分辨率和像素点距，被点亮的像素(Xccd，Yccd)的矢高dccd可通过公式确定：

dccd＝sqrt((Xccd-ccdres1/2)*(Xccd-ccdres1/2)-(Yccd-ccdres2/2)*(Yscreen-ccdres2/2))*ccdpixel；

3、根据相似三角形关系，由光线在CCD上的矢高dccd、待测镜片4与图像采集器7的镜头11中心距离d2以及镜头11焦距dfocus可以得到光线在待测镜片4上的矢高dlens。

dlens＝(d2/dfocus)*dccd；

4、根据光线在标准显示屏幕8上的矢高dscreen、镜片11上的矢高dlens和标准显示屏幕8与待测镜片4的间距d1,计算物方交点位置u：

u＝d1*dlens/(dlens-dscreen)。

5、由于物方交点距离v即为待测镜片4中心到镜头中心距离d2，即：

v＝d2；

6、根据焦距公式1/u+1/v＝1/focus，可以计算出该点的实际焦距：

focus＝u*v/(u+v)；

7、以上为计算扫描过程中的一点，按照该方式依次扫描各点，以普通130万像素为例，即使有效的拍摄面积仅为10％，其点数也可达到13万点，根据扫描点可以得出待测镜片4表面的焦距分布。

8、根据所扫描点数，进行均值计算，可得到待测镜片4的真实焦距，由于实测点数多，所计算焦距精度很高。

9、根据镜片中心不改变光线方向的原理，在待测镜片4的中心区域计算出的焦距会出现异常大值的情况，因此提取扫描得到的焦距矩阵中较大值焦距的位置坐标，即可得到精确的待测镜片4中心位置。

10、针对柱镜的轴位测量，由于得到了待测镜片4表面的焦距分布，而柱镜在轴位方向和垂直方向的焦距明显不同，通过在旋转方向上焦距大小的分析，即可得到较高精度的轴位方向。

11、将显示结果通过控制器输出到显示设备10上。

本发明的特点：控制显示屏幕、图像采集器和控制器，将被测镜片放置在屏幕与图像采集器中部位置，图像采集器对着被测镜片观测显示屏幕的图像，通过控制器控制屏幕显示、图像采集，并计算焦距和结果输出。

本发明所述显示屏幕，不仅仅包含于液晶屏、平板电视、LED灯珠显示屏，投影屏幕等，还应包含任意的具有显示作用的装置、具有特定特征的显示图案等，这些图案可以以多种形式显示，放置在特定的显示结构上(主要为了避免使用一些图画或显示画布的情况不受该专利保护)显示方法包括但不限于灯珠显示、横纵方向具有一定的特征图像显示、条纹显示等。

本发明所述控制器可以为单片机、工控机或其他具有计算功能的电子设备，包含但不限于1个。

本发明所述结构为图像采集器对着被测镜片观测显示屏幕的图像，包括图示的直接正对方式，也应包括斜对、通过一些反射镜进行反射后正对等间接的实现方式。

本发明所述的计算方法中，逐点扫描是为了阐述容易而列举的一种简易的实现方式，本发明也应包括其他如采用某特定形状图像或条纹图像进行扫描，通过多点计算矢高进而计算焦距的方法。

实施例1

实施例中以显示屏幕分辨率为1024*768，对角线尺寸为12英寸即30.48mm，可确定硬件参数如下：

screenres1＝1024

screenres2＝768

由于屏幕尺寸比例位4:3，根据勾股定理确定横向尺寸为对角线的0.8倍，即30.48*0.8＝20.384mm，据此计算屏幕的像素尺寸：

screenpixel＝20.384/1024＝0.238mm

设定标准显示屏幕8与待测镜片4的间距：d1＝200mm

待测镜片4与图像采集器7的镜头中心间距：d2＝150mm

以130万像素1/2寸CMOS芯片打在16mm焦距镜头为例，硬件参数可确定如下：

dfocus＝16mm

ccdres1＝1280

ccdres2＝1024

ccdpixel＝0.0052mm

继续以控制器控制左上第一个像素点亮为例：

Xscreen＝1

Yscreen＝1

该像素导致采集器上的(800,600)被点亮：

Xccd＝800

Yccd＝600

以图像采集器中心、待镜片中心、标准显示屏幕中心共线并设定为Z轴，Z轴零点为镜头中心，向屏幕方向为正，坐标系的XY方向参考屏幕像素图。

接下来分别计算对应亮点在标准显示屏幕上、待测镜片上、采集芯片上的矢高：

标准显示屏幕上矢高计算：

由于显示器中心为XY中心，当前的点亮像素位置(Xscreen，Yscreen)为(1,1)，可计算当前位置为((Xscreen-screenres1/2)*screenpixel，-(Yscreen-screenres2/2)*screenpixel/2)，即：

((1-1024/2)*0.238，-(1-768/2)*0.238)＝(-121.86，91.39)

根据勾股定理计算对应矢高为h_screen＝sqrt((-121.86)*(-121.86)+91.39*91.39)＝152.32mm

同样的方法可以计算在采集芯片上的矢高：

((Xccd-ccdres1/2)*ccdpixel，-(Yccd-ccdres12/2)*ccdpixel/2)，即：

((800-1280/2)*0.0052，-(600-1024/2)*0.0052/2)＝(0.832，-0.458)

h_ccd＝sqrt(0.832*0.832+(-0.458)*(-0.458))＝0.950mm

根据相似三角形原理，可得：

d2/dfocus＝h_lens/h_ccd

计算在镜片上的矢高：

h_lens＝d2/dfocus*h_ccd＝150/16*0.95＝8.91mm

在此结构中，像距v即镜片到镜头中心距离，即v＝d2；

物距u按照屏幕矢高h_screen、镜片矢高h_lens和屏幕与待测镜片的间距d1组成的相似三角形可以计算得出：

u/d1＝h_lens/(h_screen-h_lens)

u＝h_lens/(h_screen-h_lens)*d1

＝8.91/(152.32-8.91)*200

＝12.42mm

由于矢高h_screen>h_lens，物方交点在镜片右侧，因此物距为负值，即u＝-12.42mm，根据焦距公式：

1/u+1/v＝1/f

计算：

f＝u*v/(u+v)

＝-12.42*150/(-12.42+150)

＝-13.54mm

负值表明该镜片为凹透镜。

建立焦距矩阵，大小与屏幕像素相当，即Focus[1024][768]，负值

Focus[1][1]＝-13.54mm

依次类推可按此方法继续完善该矩阵，最终得出一个包含78万个点的焦距矩阵，对此矩阵求均值可得最佳焦距，柱镜、和镜片中心可根据矩阵分布容易得出。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种新型镜片焦距检测方法，其特征在于，将标准显示屏幕(8)、图像采集器(7)的中心在同一轴线上且固定，待测镜片(4)通过安装架安装到标准显示屏(8)和图像采集器(7)之间，且中心与轴线保持一致；控制器(9)通过线缆与标准显示屏幕(8)、图像采集器(7)及显示设备(10)连接；

通过控制器(9)控制标准显示屏幕(8)进行逐点、特定形状或条纹图像进行显示，(这句话是对权利要求的限制，对我方保护不利，建议删掉)点亮当前的屏幕坐标为(Xscreen，Yscreen)；

图像采集器(7)正对待测镜片(4)，透过待测镜片(4)观测标准显示屏幕(8)的点亮像素点位置；控制器(9)控制图像采集器(7)进行图像的采集，在标准显示屏幕(8)上被点亮的像素点通过待测镜片(4)和镜头(11)被投射到采集芯片(12)上，采集芯片(12)上也存在一对应的点，其坐标参考为(Xccd，Yccd)；

根据相似三角形关系，由光线在CCD上的矢高dccd、待测镜片(4)与图像采集器(7)的镜头(11)中心d2以及镜头(11)焦距dfocus可以得到光线在待测镜片(4)上的矢高dlens：

dlens＝(d2/dfocus)*dccd；

根据光线在标准显示屏幕(8)上的矢高dscreen、待测镜片(4)上的矢高dlens和标准显示屏幕(8)与待测镜片(4)的间距d1,计算物方交点位置u：

u＝d1*dlens/(dlens-dscreen)；

物方交点距离v即为被测镜片中心到镜头中心距离d2，即：v＝d2；

根据焦距公式1/u+1/v＝1/focus，计算出该点的实际焦距：

focus＝u*v/(u+v)；

以上为计算扫描过程中的一点，按照该方式依次扫描各点，根据扫描点得出待测镜片(4)表面的焦距分布；

根据所扫描点数，进行均值计算，得到待测镜片(4)的真实焦距；

其中，标准显示屏幕(8)与待测镜片(4)的间距d1已知，待测镜片(4)与图像采集器(7)的镜头中心距离d2已知；

根据显示屏幕的硬件参数，确定显示屏幕的分辨率横向为screenres1，纵向为screenres2，同时确定像素点距为screenpixel，

根据图像采集器(7)的组件参数，确定镜头(11)的焦距dfocus、采集芯片(12)的分辨率横向ccdres1、纵向ccdres2，像素点距ccdpixel。

2.根据权利要求1所述的一种新型镜片焦距检测方法，其特征在于，提取扫描得到的焦距矩阵中较大值焦距的位置坐标，即得到待测镜片(4)的中心位置。

3.根据权利要求1所述的一种新型镜片焦距检测方法，其特征在于，根据得到的待测镜片(4)表面的焦距分布，计算各个角度上的焦距数值，将最大或最小焦距的角度值作为待测镜片(4)的轴位方向。

4.根据权利要求1所述的一种新型镜片焦距检测方法，其特征在于，图像采集器(7)对着待测镜片(4)观测显示屏幕的图像，包括图示的直接正对方式，也应包括斜对、通过一些反射镜进行反射后正对的间接的实现方式。

5.一种新型镜片焦距检测方法装置，其特征在于，将标准显示屏幕(8)、图像采集器(7)的中心在同一轴线上且固定，待测镜片(4)通过安装架安装到标准显示屏幕(8)和图像采集器(7)之间，且中心与轴线保持一致；控制器(9)通过线缆与标准显示屏幕(8)、图像采集器(7)及显示设备(10)连接。

6.根据权利要求5所述的新型镜片焦距检测装置，其特征在于，其中待测镜片(4)放置在标准显示屏幕(8)前端，图像采集器(7)放置在待测镜片(4)的后端，其距离为0.5mm-50000mm，图像采集器(7)对着待测镜片(4)采集标准显示屏幕(8)上的图像。