CN112581547B - 一种调整成像镜头安装角度的快速方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种调整成像镜头安装角度的快速方法，本发明的调整成像镜头安装角度的快速方法，采用两个工业相机对成像镜头角度进行测量调整，通过获取成像镜头的初始标定角度，然后计算出成像系统初始投放的两个标记在工业相机中的位置，再微调成像镜头，根据后来的成像的标记坐标，实时计算出当前偏转角度与初次安装角度的角度偏差；最后计算机判断当前的安装角度是否在有效角度范围A内，如果在有效角度范围A内，则提示操作人员已经满足要求，进行下一步操作；如果没有满足要求，根据当前的安装角度θ的大小，进行相反方向的角度调整。使用本发明的成像镜头角度的快速方法，使得成像镜头调整和安装过程简单快捷，省去了反复调整和标定的繁琐动作。

Description

一种调整成像镜头安装角度的快速方法

技术领域

本发明涉及激光直接成像技术领域，特别是激光直接成像镜头安装角度调整的技术领域，具体涉及一种调整成像镜头安装角度的快速方法。

背景技术

在倾斜式扫描的直接成像系统中，成像镜头的安装角度θ'需要保持在一个有效角度范围A内，即A＝[θ-ε,θ+ε],ε>0，其中，θ是理想的装配角度，ε为最大允许的装配误差。如果装配误差e满足|e|>ε,则装配不合格，一般地ε<0.003(deg)。装配精度要求越高，装配越困难。

现在比较常用的方法是：

1、准备运动系统X、Y、Z和角度标定相机。其中，角度标定相机与成像镜头可相对在X、Y方向移动，Z用于改变成像镜头与角度标定相机之间的距离，使得成像镜头的成像更好地落在角度标定相机的传感器面上。

2、把成像镜头初步预装好，再利用运动系统驱动角度标定相机去标定成像镜头的安装角度θ'，标定的安装角度θ'由计算机计算得出；

3、人工判断安装角度θ'，如果不在有效角度范围A内，再通过人工微调成像镜头的安装角度。

4、再用运动系统驱动角度标定相机去标定成像镜头的安装角度θ'，人工再次判读安装角度θ'是否属于有效角度范围A。

5、不断的重复2～3，直至安装角度θ'属于有效角度范围A。

上述工作过程，工作效率低下，并且在紧固成像镜头到成像镜头座时，可能会发生角度的偏转，并且无法实时监测。

发明内容

本发明提出的一种调整成像镜头安装角度的快速方法，可解决上述技术问题。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种调整成像镜头安装角度的快速方法，采用的成像镜头角度测量装置包括两个工业相机，两个工业相机在同一水平面上；

则调整步骤如下：

S100、待调整成像镜头安装角度的整机的硬件已经就绪；

S200、通过角度标定相机进行一次成像镜头的安装角度标定，得出成像镜头的当前标定角度θ'；

S300、将成像镜头角度测量装置水平固定在运动系统上，装置的两个相机的中心连线方向与直接成像系统的扫描方向垂直；

S400、驱动运动系统移动本成像镜头角度测量装置到成像镜头的正下方，即成像系统的左右两部分成像分别落在两个工业相机的成像面上，且清晰成像；

S500、在空间光调制器中投放带有左右对称的两个标记的单张图像，该图像在两个相机分别清晰成像，使用图像处理方法计算出两个标记在两个工业相机中的位置，分别记为：A₁(x₁₁,y₁₁),B'₁(x'₁₂,y'₁₂)，对B'₁(x'₁₂,y'₁₂)使用相机间位置关系计算算法计算出B₁(x₁₂,y₁₂)；此时初次安装角度为θ'；

S600、通过计算机模块获取当前成像镜头的标定角度θ'；

S700、在空间光调制器中投放带有左右对称的两个标记的单张图像，该图像会在两个相机分别清晰成像，使用图像处理方法计算出两个标记在两个工业相机中的位置，分别记为：A₁(x₁₁,y₁₁),B'₁(x'₁₂,y'₁₂)，对B'₁(x'₁₂,y'₁₂)使用相机间位置关系计算算法计算出B₁(x₁₂,y₁₂)；

S800、微调成像镜头，通过计算机模块实时计算出标记在工业相机的成像的两个标记坐标为分别记为：A₂(x₂₁,y₂₁),B'₂(x'₂₂,y'₂₂)，对B'₂(x'₂₂,y'₂₂)使用事先设定的相机间位置关系计算算法计算得出B₂(x₂₂,y₂₂)；并且实时计算出当前偏转角度与初次安装角度θ'的角度偏差δ；

当前的安装角度为：θ＝θ'+δ；

S900、通过计算机模块判断当前的安装角度θ是否在有效角度范围A内，如果在有效角度范围A内，则提示操作人员进行下一步操作，如果没有满足要求，根据当前的安装角度θ的大小，进行相反方向的角度调整，即角度偏大，向更小的角度方向调整，角度偏小，向更大的角度方向调整。

进一步的，所述事先设定的相机间位置关系计算算法为：

设两个相机分别为相机一、相机二；

以相机一的中心点为原心，以相机一相机的坐标系方向构建世界坐标系，在该世界坐标系下标定出相机二的相机中心在世界坐标系中的位置B(T_x,T_y)，以及相机二坐标系在世界坐标系中的旋转角度α，则在相机二中任意像素坐标P_c(x₀,y₀)在世界坐标系中的坐标为P_w(x₁,y₁)，上述坐标均以像素为单位，两者之间的关系的矩阵形式为：

令旋转矩阵

其中，相机二坐标系在世界坐标系中的旋转角度α；

世界坐标系的平移矩阵为：

其中,世界坐标系下标定出相机二的相机中心在世界坐标系中的位置B(T_x,T_y)；

相机中心坐标平移矩阵为：

其中,相机中心在相机坐标系中的位置C(C_x,C_y)；

故有：

得出：

则公式1即为相机间位置关系计算算法公式。

进一步的，所述角度偏差δ的计算步骤如下：

令向量：

得

进一步的，所述S100待调整成像镜头安装角度的整机的硬件已经就绪，包括成像镜头已经完成安装角度的机械粗调，安装角度在机械误差的限制范围内。

进一步的，所述S100待调整成像镜头安装角度的整机的硬件已经就绪，还包括驱动整机的软件系统中安装了用于驱动本发明标定装置的软件模块，该软件模块通过软件系统接口控制运动系统、成像光源、空间光调制器控制模块和成像镜头角度标定相机。

进一步的，所述S800中下一步操作包括：

紧固成像镜头，并实时监测安装角度的变化；如果角度超过有效角度范围A，在未完全紧固的程度下，重新回到S700进行微调，直至满足安装角度的要求，再继续回到紧固工作。

进一步的，所述成像镜头角度测量装置还包括底座，两个工业相机装配在固定座上。

进一步的，所述工业相机是板卡级工业相机。

进一步的，所述底座为低涨缩系数高强度的材料。

进一步的，所述底座为大理石或铟钢。

由上述技术方案可知，本发明的调整成像镜头角度的快速方法，采用两个工业相机对成像镜头角度进行测量调整，通过获取成像镜头的初始标定角度，然后计算出初始投放的两个标记在工业相机中的位置，再微调成像镜头，根据后来的成像的标记坐标，实时计算出当前偏转角度与初次安装角度的角度偏差；最后计算机判断当前的安装角度是否在有效角度范围A内，如果在有效角度范围A内，则提示操作人员已经满足要求，进行下一步操作；如果没有满足要求，根据当前的安装角度θ的大小，进行相反方向的角度调整。

通过本发明提供的调整成像镜头角度的快速方法，可实现在调整成像镜头的安装角度的同时，实时监测调整的安装角度是否已经满足要求，并且在紧固成像镜头的过程中，监测成像镜头的安装角度是否发生偏移出有效角度范围。使用本发明的成像镜头角度的快速方法，使得成像镜头调整和安装过程简单快捷，省去了反复调整和标定的繁琐动作。

附图说明

图1是本发明的成像镜头角度测量装置；

图2和图3是本发明的成像镜头安装角度的整机结构示意图；

图4是本发明的相机间位置关系计算算法原理示意图；

图5是本发明角度偏差计算原理图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，本实施例所述的调整成像镜头角度的快速方法，采用的成像镜头角度测量装置400，所述成像镜头角度测量装置包括两个工业相机431A，431B、底座432。其中，两个工业相机431A，431B装配在固定座432上，优选地，工业相机431A/431B是板卡级工业相机。底座432为低涨缩系数材料，如大理石、铟钢等。

本发明实施例采用的成像镜头角度测量装置包括两个工业相机，两个工业相机在同一水平面上；

则调整步骤如下：

S100、待调整成像镜头安装角度的整机的硬件已经就绪；

S200、通过角度标定相机进行一次成像镜头的安装角度标定，得出成像镜头的当前标定角度θ'；

S300、将成像镜头角度测量装置水平固定在运动系统上，装置的两个相机的中心连线方向与直接成像系统的扫描方向垂直；

S400、驱动运动系统移动本成像镜头角度测量装置到成像镜头的正下方，即成像系统的左右两部分成像分别落在两个工业相机的成像面上，且清晰成像；

S500、通过计算机模块获取当前成像镜头的标定角度θ'；

S600、在空间光调制器中投放带有左右对称的两个标记的单张图像，该图像在两个相机分别清晰成像，使用图像处理方法计算出两个标记在两个工业相机中的位置，分别记为：A₁(x₁₁,y₁₁),B'₁(x'₁₂,y'₁₂)，对B'₁(x'₁₂,y'₁₂)使用相机间位置关系计算算法计算计算得出B₁(x₁₂,y₁₂)；

S700、微调成像镜头，通过计算机模块实时计算出标记的图像P在工业相机的成像的两个标记坐标为分别记为：A₂(x₂₁,y₂₁),B'₂(x'₂₂,y'₂₂)，对B'₂(x'₂₂,y'₂₂)使用相机间位置关系计算算法计算计算得出B₂(x₂₂,y₂₂)；并且实时计算出当前偏转角度与初次安装角度θ'的角度偏差δ；

当前的安装角度为：θ＝θ'+δ；

S800、通过计算机模块判断当前的安装角度θ是否在有效角度范围A内，如果在有效角度范围A内，则提示操作人员进行下一步操作，如果没有满足要求，根据当前的安装角度θ的大小，进行相反方向的角度调整，即角度偏大，向更小的角度方向调整，角度偏小，向更大的角度方向调整。

以下具体说明：

前置条件：如图2和图2所示；

一、待调整成像镜头安装角度的整机的硬件已经就绪，成像镜头包括准直器、DMD和镜头，整机的硬件包括运动系统100，成像系统200和成像镜头角度标定相机304。

二、其中，运动系统包括X、Y和Z轴和吸盘105。

三、其中，成像系统包括成像光源、成像镜头、空间光调制器控制模块202和空间光调制器203(SLM)。

四、成像镜头已经完成安装角度的机械粗调，安装角度在机械误差的限制范围内。

五、驱动整机的软件系统中安装了用于驱动本发明标定装置的软件模块，该软件模块通过软件系统接口控制运动系统(X、Y、Z)、成像光源、空间光调制器控制模块202和成像镜头角度标定相机304等硬件。

六、以相机431A的中心点为原心，以相机431A相机的坐标系方向构建世界坐标系，在该世界坐标系下标定出相机431B的相机中心在世界坐标系中的位置B(T_x,T_y)，以像素为单位，以及相机431B坐标系在世界坐标系中的旋转角度α，则在相机431B中任意像素坐标P_c(x₀,y₀)在世界坐标系中的坐标为P_w(x₁,y₁)，以像素为单位，两者之间的关系矩阵为：

如图4所示，令旋转矩阵

其中，相机431B坐标系在世界坐标系中的旋转角度α。

世界坐标系的平移矩阵为：

其中,世界坐标系下标定出相机431B的相机中心在世界坐标系中的位置B(T_x,T_y)。

相机中心坐标平移矩阵为：

其中,相机中心在相机坐标系中的位置C(C_x,C_y)。

故有：

得出：

准备阶段：

STEP1：通过角度标定相机304进行一次成像镜头的安装角度标定，得出成像镜头的当前安装角度θ'；

STEP2：将本装置水平固定在吸盘105上，装置的两个相机(431A和431B)的中心连线方向与直接成像系统的扫描方向垂直。

STEP3：驱动运动系统移动本装置到成像镜头的正下方的合适位置。即成像系统的左右两部分成像分别落在两个相机(431A和431B)的成像面上，且清晰成像；

装调阶段：

STEP1：在不改变待调整成像镜头的情况下，将事先标定的安装角度θ'提供给计算模块；

STEP2：打开成像光源，在空间光调制器203(SLM)中投放带有左右对称的两个标记的单张图像，根据前置条件的描述，该图像会在两个相机(431A和431B)分别清晰成像。使用图像处理方法计算出两个标记在工业相机431A和工业相机431B中的位置,分别记为：A₁(x₁₁,y₁₁),B'₁(x'₁₂,y'₁₂)，对B'₁(x'₁₂,y'₁₂)使用公式1计算得出B₁(x₁₂,y₁₂)：此时：初次安装角度为θ'。

STEP3：微调成像镜头，此时因为角度的变化，计算机可实时计算出标记在工业相机441的成像的两个标记坐标为分别记为：A₂(x₂₁,y₂₁),B'₂(x'₂₂,y'₂₂)，对B'₂(x'₂₂,y'₂₂)使用公式1计算得出B₂(x₂₂,y₂₂)：。并且实时计算出当前偏转角度与初次安装角度θ'的角度偏差δ。

如图5所示；

令向量：

得

当前的安装角度为：θ＝θ'+δ

STEP4：计算机判断当前的安装角度θ是否在有效角度范围A内，如果在有效角度范围A内，则提示操作人员已经满足要求。转到步骤6执行。如果没有满足要求，根据当前的安装角度θ的大小，进行相反方向的角度调整，即角度偏大，向更小的角度方向调整，角度偏小，向更大的角度方向调整。

STEP5：步骤3是人工行为，步骤4是计算机行为，两者同时进行。

STEP6：紧固成像镜头，并实时监测安装角度的变化。如果角度超过有效角度范围A，在未完全紧固的程度下，重新回到步骤3进行微调，直至满足安装角度的要求，再继续步骤6的紧固工作。

由上可知，通过本发明提供的调整成像镜头角度的快速方法，可实现在调整成像镜头的安装角度的同时，实时监测调整的安装角度是否已经满足要求，并且在紧固成像镜头的过程中，监测成像镜头的安装角度是否发生偏移出有效角度范围。使用本发明的成像镜头角度的快速方法，使得成像镜头调整和安装过程简单快捷，省去了反复调整和标定的繁琐动作。

以上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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，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精神和范围。

Claims (8)

1.一种调整成像镜头安装角度的快速方法，其特征在于：采用的成像镜头角度测量装置包括两个工业相机，两个工业相机在同一水平面上；

则调整步骤如下：

S100、待调整成像镜头安装角度的配套硬件已经就绪；

S200、通过角度标定相机进行一次成像镜头的安装角度标定，得出成像镜头的当前标定角度θ'；

S300、将成像镜头角度测量装置水平固定在运动系统上，装置的两个相机的中心连线方向与直接成像系统的扫描方向垂直；

S400、驱动运动系统移动本成像镜头角度测量装置到成像镜头的正下方，即成像系统的左右两个标记点分别落在两个工业相机的成像面上，且清晰成像；

S500、在空间光调制器中投放带有左右对称的两个标记点的单张图像，该图像在两个相机分别清晰成像，使用图像处理方法计算出两个标记在两个工业相机中的位置，分别记为：A₁(x₁₁,y₁₁),B'₁(x'₁₂,y'₁₂)，对B'₁(x'₁₂,y'₁₂)使用相机间位置关系计算算法计算出B₁(x₁₂,y₁₂)；此时初次安装角度为θ'；

S600、通过计算机模块获取当前成像镜头的标定角度θ'；

S700、微调成像镜头，通过计算机模块实时计算出标记在工业相机的成像的两个标记坐标为分别记为：A₂(x₂₁,y₂₁),B'₂(x'₂₂,y'₂₂)，对B'₂(x'₂₂,y'₂₂)使用相机间位置关系计算算法计算出B₂(x₂₂,y₂₂)；并且实时计算出当前偏转角度与初次安装角度θ'的角度偏差δ；

当前的安装角度为：θ＝θ'+δ；

S800、通过计算机模块判断当前的安装角度θ是否在有效角度范围A内，如果在有效角度范围A内，则提示操作人员进行下一步操作，如果没有满足要求，根据当前的安装角度θ的大小，进行相反方向的角度调整，即角度偏大，向更小的角度方向调整，角度偏小，向更大的角度方向调整；

所述相机间位置关系计算算法为：

设两个工业相机分别为工业相机 (431A)、工业相机 (431B)；

以工业相机431A的中心点为原心，以工业相机431A的相机坐标系方向构建世界坐标系，在该世界坐标系下标定出相机431B的相机中心在世界坐标系中的位置B(T_x,T_y)，以及相机431B坐标系在世界坐标系中的旋转角度α，则在相机431B中任意像素坐标P_c(x₀,y₀)，在世界坐标系中的坐标为P_w(x₁,y₁)，上述坐标均以像素为单位，两者之间的关系为：

令旋转矩阵

其中，相机431B坐标系在世界坐标系中的旋转角度为α；

世界坐标系的平移矩阵为：

其中,世界坐标系下标定出相机431B的相机中心在世界坐标系中的位置B(T_x,T_y)；

相机中心坐标平移矩阵为：

其中,相机中心在相机坐标系中的位置C(C_x,C_y)；

故有：

得出：

则公式1即为相机间位置关系计算算法公式；

所述角度偏差δ的计算步骤如下：

令向量：

得

2.根据权利要求1所述的调整成像镜头安装角度的快速方法，其特征在于：所述S100待调整成像镜头安装角度的整机的硬件已经就绪，包括成像镜头已经完成安装角度的机械粗调，安装角度在机械误差的限制范围内。

3.根据权利要求2所述的调整成像镜头安装角度的快速方法，其特征在于：所述S100待调整成像镜头安装角度的整机的硬件已经就绪，还包括驱动整机的软件系统中安装了用于驱动标定装置的软件模块，该软件模块通过软件系统接口控制运动系统、成像光源、空间光调制器控制模块和成像镜头角度标定相机。

4.根据权利要求1所述的调整成像镜头安装角度的快速方法，其特征在于：所述S800中下一步操作包括：

紧固成像镜头，并实时监测安装角度的变化；如果角度超过有效角度范围A，在未完全紧固的程度下，重新回到S700进行微调，直至满足安装角度的要求，再继续回到紧固工作。

5.根据权利要求1所述的调整成像镜头安装角度的快速方法，其特征在于：所述成像镜头角度测量装置还包括底座(432)，两个工业相机(431A,431B)装配在底 座(432)上。

6.根据权利要求5所述的调整成像镜头安装角度的快速方法，其特征在于：

所述工业相机(431A,431B)是板卡级工业相机。

7.根据权利要求5所述的调整成像镜头安装角度的快速方法，其特征在于：所述底座(432)为低涨缩系数的材料。

8.根据权利要求5所述的调整成像镜头安装角度的快速方法，其特征在于：所述底座(432)为大理石或铟钢。

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