CN102183214A

CN102183214A - 一种大口径非球面镜结构光检测方法

Info

Publication number: CN102183214A
Application number: CN 201110050685
Authority: CN
Inventors: 赵文川; 伍凡; 范斌; 万勇建
Original assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Priority date: 2011-03-03
Filing date: 2011-03-03
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2031-03-03
Also published as: CN102183214B

Abstract

一种大口径非球面镜结构光检测方法，在显示屏上显示结构特征图样，投影在被测镜上被反射回来，由摄像机进行拍摄。通过对拍摄的图像进行分析处理，从而获得被测非球面面形全场信息。本发明结构简单、使用方便、灵敏度高，对环境无特殊要求，可在车间环境中进行检测，为大口径、大相对口径非球面镜的检测提供了一种有效的手段，尤其是在制造的精磨和抛光阶段，具有广阔的应用前景。

Description

一种大口径非球面镜结构光检测方法

技术领域

本发明涉及一种光学检测技术，特别是一种针对大口径非球面镜的检测方法，属于先进光学制造与检测技术领域。

背景技术

所谓非球面光学元件，是指面形由多项高次方程决定、面形上各点的半径均不相同的光学元件。将非球面用于光学系统中，能够减少系统中光学元件的数量或能提高成像质量。随着光学精密加工的发展，非球面越来越广泛地应用于各种光学系统中。对非球面的测量尤其是大口径深型非球面的高精度测量成为现在的一个热点问题。长期以来非球面的制造与检测技术一直是制约其广泛应用的两大难题，尤其是大口径非球面的检测更是如此。众所周知，大口径非球面在精磨阶段的检测是影响整个非球面加工效率的关键所在。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种结构光检测大口径非球面镜的方法，具有测量动态范围大，可一次完成全场测量，结构简单、成本低、灵活性高等特点。

本发明的技术解决方案：一种大口径非球面镜结构光检测方法，其特点在于：采用的测量系统由摄像机、显示屏和计算机组成；首先进行系统标定，包括摄像机标定、显示屏标定和被测镜标定，得到系统中摄像机、显示屏和被测镜三者之间的空间位置关系，也就是摄像机坐标系、显示屏坐标系和被测镜坐标系三个空间坐标系的坐标转换关系；再由计算机产生一定结构的特征图样，显示在显示屏上，并投影到被测镜面，反射后被摄像机所记录，也就是摄像机通过被测镜来观察显示屏，可以拍摄到显示屏上显示的特征图样；摄像机拍摄的反射图像就携带了被测镜的面形信息，会发生变形而不同于显示屏所显示的特征图样，变形量取决于被测镜的面形；根据特征图样提取图像特征点，结合到显示屏、摄像机、被测镜三者的空间位置关系，进行光线追迹确定入射光线与反射光线的空间位置，由反射定律计算得到被测镜面的面形法线方向，再通过积分重建被测镜面面形。

可一次完成全场测量，也可在被测镜整个面内进行扫描完成全场测量。

所述显示屏标定可以通过尺子、激光跟踪仪工具直接测量完成，也可利用已标定的摄像机测量和带特征图样的参考平面镜通过坐标系变换计算完成。

所述被测镜标定可通过尺子、激光跟踪仪等工具直接测量完成，也可在被测镜上放置特征图样，利用已标定的摄像机来完成。

所述一定结构的特征图样可以是正弦或余弦周期条纹、圆斑、实心方块、棋盘格、直线网格或十字交叉线。

所述的提取图像特征点为提取正弦或余弦周期条纹的位相分布，提取圆斑的中心点，提取实心方块、棋盘格的角点，提取直线网格、十字交叉线的交点。

本发明有如下的优点在于：

(1)本发明具有较大的测量动态范围，可用于大口径深型非球面制造的精磨和抛光阶段的检测。

(2)本发明对环境无特殊要求，可在车间环境中进行检测。

(3)本发明中无需特殊光学元件，成本非常低廉。

(4)本发明采用的系统结构简单，对系统元件放置无特殊的要求。

(5)本发明检测方法具有很高的灵敏度。

(6)本发明中所采用的结构图样和相移技术具有相当高的精度，并且能有效地抑制噪声和周围环境对检测结果的影响。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的测量原理图；

图3基于参考平面反射镜标定摄像机与显示屏的空间位置关系方法的原理图；

图4为本发明中典型特征图样形状及特征点，其中图4a为正(余)弦周期条纹；图4b为圆斑；图4c为实心方块；图4d为棋盘格；图4e为直线网格；

图5为本发明中摄像机拍摄得到的水平方向条纹图分布；

图6为本发明中摄像机拍摄得到的竖直方向条纹图分布；

图7为本发明中摄像机入射光线重叠示意图；

图8为本发明中扫描型十字交叉线特征图样。

具体实施方式

如图1所示，本发明中检测系统主要是由摄像机、显示屏和计算机组成。显示屏上显示由计算机生成的特征图样，经被测镜反射后被摄像机所拍摄。测量原理如图2所示，摄像机拍摄得到的图像送往计算机进行处理，通过计算进行光线追迹，根据光线反射定律得到被测面形的梯度分布，最后积分重建被测镜的面形分布。下面以显示屏上显示正弦条纹特征图样为例进行说明，当显示其他特征图样时具有类似的测量过程，本例子并不包括本发明的所有内容。

首先对进行摄像机标定。摄像机标定方法很多，如Tsai和Roger提出的两步法，张正友提出的平面标定法等。其中，张正友的平法标定法应用较为广泛。这是一种在相机成像的非线性模型下，采用多幅平面模板标定摄像机所有内外参数的方法。该方法中使用的平面模板上具有多个特征点，并且特征点与其图像上相应的像点之间存在一个对应关系，这就为内部参数的求解提供了约束条件。摄像机从不同角度拍摄平面模板的多幅图像(三幅以上)，先由线性解法求出部分参数的初始值，然后考虑径向畸变(一阶和二阶)并以基于极大似然准则对线性结果进行非线性优化最后利用计算好的内部参数和平面模板映射矩阵求出外部参数。

第二步，显示屏标定，得到摄像机与显示屏的空间位置关系，可以通过尺子、激光跟踪仪工具直接测量完成，也可利用已标定的摄像机和带特征图样的参考平面镜通过坐标系变换计算完成。这里以带特征图样的参考平面镜来进行说明，如图3。在已标定的摄像机系统中，由单个平面的共面特征点可确定出该平面的空间位置。通过相机拍摄的参考平面镜上的特征点，可以得到参考平面坐标系(X_r，Y_r，Z_r)与摄像机坐标系(X_c，Y_c，Z_c)之间的空间位置关系。再由摄像机拍摄参考平面镜对显示屏的镜像，计算摄像机坐标系(X_c，Y_c，Z_c)和该镜像平面(X_s’，Y_s’，Z_s’)的空间位置关系。根据平面镜成像特性：所成的镜像是与原物大小相同的虚像，可以得到显示屏(X_s，Y_s，Z_s)与其镜像(X_s’，Y_s’，Z_s’)的空间位置关系。结合参考平面与摄像机坐标系之间的空间位置关系，就可以转换得到显示屏(X_s，Y_s，Z_s)与摄像机坐标系(X_c，Y_c，Z_c)之间的空间位置关系。

第三步，被测镜标定，得到摄像机与被测镜的空间位置关系，可通过尺子、激光跟踪仪等工具直接测量完成，也可在被测镜上放置特征图样，利用已标定的摄像机来完成。完成系统标定得到摄像机、显示屏和被测镜三个坐标系的空间位置关系后，就可以将三者统一到同一个坐标系下(摄像机坐标系或显示屏坐标系或被测镜坐标系)。设被测镜的模型可以表示为：z_m＝f(x_m，y_m)，考虑显示屏上点S(x_s，y_s，z_s)发出的光线经被测镜面上点M(x_m，y_m，z_m)反射后，通过摄像机光心O点入射到摄像机像素平面上的点P(x_p，y_p，z_p)，反射光线的方向用向量表示为：r_i＝(x_m-x_s，y_m-y_s，z_m-z_s)。

第四步，摄像机拍摄通过被测镜观察显示屏，并拍摄得到显示屏上的正弦条纹图。摄像机拍摄的反射图像就携带了被测镜的面形信息，会发生变形而不同于显示屏所显示的特征图样，变形量取决于被测镜的面形，如图5、图6所示为拍摄的水平和竖直两垂直方向的正弦条纹图，再由相移算法和相位展开算法提取得到相位分布。根据相位分布可以计算出S点的空间坐标(x_s，y_s，z_s)，反射光线的方向用向量表示为：r_r＝(x_p-x_m，y_p-y_m，z_p-z_m)。

第五步，如图2所示，根据光线反射定律，由入射光线方向向量r_i和反射光线方向向量r_r计算得到被测镜面形法线：

N = (n_{x}, n_{y}, n_{z}) = \frac{r_{r} - r_{i}}{| r_{r} - r_{i} |}

第六步，由被测面形法线向量得到面形梯度分布，再积分重建面形：

z = - &Integral; (\frac{n_{x}}{n_{z}} dx + \frac{n_{y}}{n_{z}} dy)

由面形梯度数据积分重建面形的方法很多，如任意路径积分法，十字积分法，傅立叶变换积分法，区域波前重构法等。

当被测镜面形很陡峭或局部区域变化很快时，摄像机的入射光线可能会发生重叠，如图7所示，即显示屏上的同一点经被测镜反射后会被不同的相机像素点所探测。这时，如果使用条纹特征图样，就会产生相位模糊而包裹相位不能展开，造成显示屏上对应点的空间位置不能确定。类似地，当使用图4中的其他特征图样也会有同样的问题。这时，可采用图8所示的十字交叉线特征图样来唯一确定显示屏上对应点的位置，在被测镜整个面内进行扫描提取其交叉点，来完成整个面形的测量。

综上所述，本发明结构简单、使用方便、灵敏度高，对环境无特殊要求，可在车间环境中进行检测，为大口径、大相对口径非球面镜的检测提供了一种有效的手段，尤其是在制造的精磨和抛光阶段，具有广阔的应用前景。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims

1.一种大口径非球面镜结构光检测方法，其特征在于：采用的测量系统由摄像机、显示屏和计算机组成；首先进行系统标定，包括摄像机标定、显示屏标定和被测镜标定，得到系统中摄像机、显示屏和被测镜三者之间的空间位置关系，也就是摄像机坐标系、显示屏坐标系和被测镜坐标系三个空间坐标系的坐标转换关系；再由计算机产生一定结构的特征图样，显示在显示屏上，并投影到被测镜面，反射后被摄像机所记录，也就是摄像机通过被测镜来观察显示屏，可以拍摄到显示屏上显示的特征图样；摄像机拍摄的反射图像就携带了被测镜的面形信息，会发生变形而不同于显示屏所显示的特征图样，变形量取决于被测镜的面形；根据特征图样提取图像特征点，结合到显示屏、摄像机、被测镜三者的空间位置关系，进行光线追迹确定入射光线与反射光线的空间位置，由反射定律计算得到被测镜面的面形法线方向，再通过积分重建被测镜面面形。

2.根据权利要求1所述的一种大口径非球面镜结构光检测方法，其特征在于：可一次完成全场测量，也可在被测镜整个面内进行扫描完成全场测量。

3.根据权利要求1所述的一种大口径非球面镜结构光检测方法，其特征在于：所述显示屏标定可以通过尺子、激光跟踪仪工具直接测量完成，也可利用已标定的摄像机和带特征图样的参考平面镜通过坐标系变换计算完成。

4.根据权利要求1所述的一种大口径非球面镜结构光检测方法，其特征在于：所述被测镜标定可通过尺子、激光跟踪仪等工具直接测量完成，也可在被测镜上放置特征图样，利用已标定的摄像机来完成。

5.根据权利要求1所述的一种大口径非球面镜结构光检测方法，其特征在于：所述一定结构的特征图样可以是正弦或余弦周期条纹、圆斑、实心方块、棋盘格、直线网格或十字交叉线。

6.根据权利要求1所述的一种大口径非球面镜结构光检测方法，其特征在于：所述的提取图像特征点为提取正弦或余弦周期条纹的位相分布，提取圆斑的中心点，提取实心方块、棋盘格的角点，提取直线网格、十字交叉线的交点。