專利名稱：一種大口徑非球面鏡結(jié)構(gòu)光檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學檢測技術(shù)，特別是一種針對大口徑非球面鏡的檢測方法，屬于先進光學制造與檢測技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
所謂非球面光學元件，是指面形由多項高次方程決定、面形上各點的半徑均不相同的光學元件。將非球面用于光學系統(tǒng)中，能夠減少系統(tǒng)中光學元件的數(shù)量或能提高成像質(zhì)量。隨著光學精密加工的發(fā)展，非球面越來越廣泛地應用于各種光學系統(tǒng)中。對非球面的測量尤其是大口徑深型非球面的高精度測量成為現(xiàn)在的一個熱點問題。長期以來非球面的制造與檢測技術(shù)一直是制約其廣泛應用的兩大難題，尤其是大口徑非球面的檢測更是如此。眾所周知，大口徑非球面在精磨階段的檢測是影響整個非球面加工效率的關(guān)鍵所在。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)光檢測大口徑非球面鏡的方法，具有測量動態(tài)范圍大，可一次完成全場測量，結(jié)構(gòu)簡單、成本低、靈活性高等特點。本發(fā)明的技術(shù)解決方案一種大口徑非球面鏡結(jié)構(gòu)光檢測方法，其特點在于采用的測量系統(tǒng)由攝像機、顯示屏和計算機組成；首先進行系統(tǒng)標定，包括攝像機標定、顯示屏標定和被測鏡標定，得到系統(tǒng)中攝像機、顯示屏和被測鏡三者之間的空間位置關(guān)系，也就是攝像機坐標系、顯示屏坐標系和被測鏡坐標系三個空間坐標系的坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系；再由計算機產(chǎn)生一定結(jié)構(gòu)的特征圖樣，顯示在顯示屏上，并投影到被測鏡面，反射后被攝像機所記錄，也就是攝像機通過被測鏡來觀察顯示屏，可以拍攝到顯示屏上顯示的特征圖樣；攝像機拍攝的反射圖像就攜帶了被測鏡的面形信息，會發(fā)生變形而不同于顯示屏所顯示的特征圖樣，變形量取決于被測鏡的面形；根據(jù)特征圖樣提取圖像特征點，結(jié)合到顯示屏、攝像機、被測鏡三者的空間位置關(guān)系，進行光線追跡確定入射光線與反射光線的空間位置，由反射定律計算得到被測鏡面的面形法線方向，再通過積分重建被測鏡面面形?？梢淮瓮瓿扇珗鰷y量，也可在被測鏡整個面內(nèi)進行掃描完成全場測量。所述顯示屏標定可以通過尺子、激光跟蹤儀工具直接測量完成，也可利用已標定的攝像機測量和帶特征圖樣的參考平面鏡通過坐標系變換計算完成。所述被測鏡標定可通過尺子、激光跟蹤儀等工具直接測量完成，也可在被測鏡上放置特征圖樣，利用已標定的攝像機來完成。所述一定結(jié)構(gòu)的特征圖樣可以是正弦或余弦周期條紋、圓斑、實心方塊、棋盤格、 直線網(wǎng)格或十字交叉線。所述的提取圖像特征點為提取正弦或余弦周期條紋的位相分布，提取圓斑的中心點，提取實心方塊、棋盤格的角點，提取直線網(wǎng)格、十字交叉線的交點。本發(fā)明有如下的優(yōu)點在于
(1)本發(fā)明具有較大的測量動態(tài)范圍，可用于大口徑深型非球面制造的精磨和拋光階段的檢測。(2)本發(fā)明對環(huán)境無特殊要求，可在車間環(huán)境中進行檢測。(3)本發(fā)明中無需特殊光學元件，成本非常低廉。(4)本發(fā)明采用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，對系統(tǒng)元件放置無特殊的要求。(5)本發(fā)明檢測方法具有很高的靈敏度。(6)本發(fā)明中所采用的結(jié)構(gòu)圖樣和相移技術(shù)具有相當高的精度，并且能有效地抑制噪聲和周圍環(huán)境對檢測結(jié)果的影響。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的測量原理圖；圖3基于參考平面反射鏡標定攝像機與顯示屏的空間位置關(guān)系方法的原理圖；圖4為本發(fā)明中典型特征圖樣形狀及特征點，其中圖如為正(余)弦周期條紋； 圖4b為圓斑；圖如為實心方塊；圖4d為棋盤格；圖如為直線網(wǎng)格；圖5為本發(fā)明中攝像機拍攝得到的水平方向條紋圖分布；圖6為本發(fā)明中攝像機拍攝得到的豎直方向條紋圖分布；圖7為本發(fā)明中攝像機入射光線重疊示意圖；圖8為本發(fā)明中掃描型十字交叉線特征圖樣。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明中檢測系統(tǒng)主要是由攝像機、顯示屏和計算機組成。顯示屏上顯示由計算機生成的特征圖樣，經(jīng)被測鏡反射后被攝像機所拍攝。測量原理如圖2所示，攝像機拍攝得到的圖像送往計算機進行處理，通過計算進行光線追跡，根據(jù)光線反射定律得到被測面形的梯度分布，最后積分重建被測鏡的面形分布。下面以顯示屏上顯示正弦條紋特征圖樣為例進行說明，當顯示其他特征圖樣時具有類似的測量過程，本例子并不包括本發(fā)明的所有內(nèi)容。首先對進行攝像機標定。攝像機標定方法很多，如Tsai和Roger提出的兩步法，張正友提出的平面標定法等。其中，張正友的平法標定法應用較為廣泛。這是一種在相機成像的非線性模型下，采用多幅平面模板標定攝像機所有內(nèi)外參數(shù)的方法。該方法中使用的平面模板上具有多個特征點，并且特征點與其圖像上相應的像點之間存在一個對應關(guān)系， 這就為內(nèi)部參數(shù)的求解提供了約束條件。攝像機從不同角度拍攝平面模板的多幅圖像(三幅以上)，先由線性解法求出部分參數(shù)的初始值，然后考慮徑向畸變(一階和二階)并以基于極大似然準則對線性結(jié)果進行非線性優(yōu)化最后利用計算好的內(nèi)部參數(shù)和平面模板映射矩陣求出外部參數(shù)。第二步，顯示屏標定，得到攝像機與顯示屏的空間位置關(guān)系，可以通過尺子、激光跟蹤儀工具直接測量完成，也可利用已標定的攝像機和帶特征圖樣的參考平面鏡通過坐標系變換計算完成。這里以帶特征圖樣的參考平面鏡來進行說明，如圖3。在已標定的攝像機系統(tǒng)中，由單個平面的共面特征點可確定出該平面的空間位置。通過相機拍攝的參考平面鏡上的特征點，可以得到參考平面坐標系(Xr，Yr，4)與攝像機坐標系(X。，Y。，Z。)之間的空間位置關(guān)系。再由攝像機拍攝參考平面鏡對顯示屏的鏡像，計算攝像機坐標系(X。，Y。，Zc) 和該鏡像平面(Xs’，Ys’，ν )的空間位置關(guān)系。根據(jù)平面鏡成像特性所成的鏡像是與原物大小相同的虛像，可以得到顯示屏(xs,Ys,Zs)與其鏡像(xs，，Ys，，zs，)的空間位置關(guān)系。 結(jié)合參考平面與攝像機坐標系之間的空間位置關(guān)系，就可以轉(zhuǎn)換得到顯示屏(xs，Ys, Zs)與攝像機坐標系(χ。，γ。，ζ。)之間的空間位置關(guān)系。 第三步，被測鏡標定，得到攝像機與被測鏡的空間位置關(guān)系，可通過尺子、激光跟蹤儀等工具直接測量完成，也可在被測鏡上放置特征圖樣，利用已標定的攝像機來完成。完成系統(tǒng)標定得到攝像機、顯示屏和被測鏡三個坐標系的空間位置關(guān)系后，就可以將三者統(tǒng)一到同一個坐標系下(攝像機坐標系或顯示屏坐標系或被測鏡坐標系)。設被測鏡的模型可以表示為2111 = €0^，7111)，考慮顯示屏上點3(\，^3)發(fā)出的光線經(jīng)被測鏡面上點M(xm， ym，zffl)反射后，通過攝像機光心0點入射到攝像機像素平面上的點P (Xp，yp, zp)，反射光線的方向用向量表示為:Γ = (xm-xs，ym-ys, Zm-Zs)。第四步，攝像機拍攝通過被測鏡觀察顯示屏，并拍攝得到顯示屏上的正弦條紋圖。 攝像機拍攝的反射圖像就攜帶了被測鏡的面形信息，會發(fā)生變形而不同于顯示屏所顯示的特征圖樣，變形量取決于被測鏡的面形，如圖5、圖6所示為拍攝的水平和豎直兩垂直方向的正弦條紋圖，再由相移算法和相位展開算法提取得到相位分布。根據(jù)相位分布可以計算出S點的空間坐標(xs，ys, zs)，反射光線的方向用向量表示為rr = (xp-xm, yp-ym，zp-zm)。第五步，如圖2所示，根據(jù)光線反射定律，由入射光線方向向量^和反射光線方向向量&計算得到被測鏡面形法線
權(quán)利要求
1.一種大口徑非球面鏡結(jié)構(gòu)光檢測方法，其特征在于采用的測量系統(tǒng)由攝像機、顯示屏和計算機組成；首先進行系統(tǒng)標定，包括攝像機標定、顯示屏標定和被測鏡標定，得到系統(tǒng)中攝像機、顯示屏和被測鏡三者之間的空間位置關(guān)系，也就是攝像機坐標系、顯示屏坐標系和被測鏡坐標系三個空間坐標系的坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系；再由計算機產(chǎn)生一定結(jié)構(gòu)的特征圖樣，顯示在顯示屏上，并投影到被測鏡面，反射后被攝像機所記錄，也就是攝像機通過被測鏡來觀察顯示屏，可以拍攝到顯示屏上顯示的特征圖樣；攝像機拍攝的反射圖像就攜帶了被測鏡的面形信息，會發(fā)生變形而不同于顯示屏所顯示的特征圖樣，變形量取決于被測鏡的面形；根據(jù)特征圖樣提取圖像特征點，結(jié)合到顯示屏、攝像機、被測鏡三者的空間位置關(guān)系，進行光線追跡確定入射光線與反射光線的空間位置，由反射定律計算得到被測鏡面的面形法線方向，再通過積分重建被測鏡面面形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大口徑非球面鏡結(jié)構(gòu)光檢測方法，其特征在于可一次完成全場測量，也可在被測鏡整個面內(nèi)進行掃描完成全場測量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大口徑非球面鏡結(jié)構(gòu)光檢測方法，其特征在于所述顯示屏標定可以通過尺子、激光跟蹤儀工具直接測量完成，也可利用已標定的攝像機和帶特征圖樣的參考平面鏡通過坐標系變換計算完成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大口徑非球面鏡結(jié)構(gòu)光檢測方法，其特征在于所述被測鏡標定可通過尺子、激光跟蹤儀等工具直接測量完成，也可在被測鏡上放置特征圖樣，利用已標定的攝像機來完成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大口徑非球面鏡結(jié)構(gòu)光檢測方法，其特征在于所述一定結(jié)構(gòu)的特征圖樣可以是正弦或余弦周期條紋、圓斑、實心方塊、棋盤格、直線網(wǎng)格或十字交叉線。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大口徑非球面鏡結(jié)構(gòu)光檢測方法，其特征在于所述的提取圖像特征點為提取正弦或余弦周期條紋的位相分布，提取圓斑的中心點，提取實心方塊、棋盤格的角點，提取直線網(wǎng)格、十字交叉線的交點。
全文摘要
一種大口徑非球面鏡結(jié)構(gòu)光檢測方法，在顯示屏上顯示結(jié)構(gòu)特征圖樣，投影在被測鏡上被反射回來，由攝像機進行拍攝。通過對拍攝的圖像進行分析處理，從而獲得被測非球面面形全場信息。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、靈敏度高，對環(huán)境無特殊要求，可在車間環(huán)境中進行檢測，為大口徑、大相對口徑非球面鏡的檢測提供了一種有效的手段，尤其是在制造的精磨和拋光階段，具有廣闊的應用前景。
文檔編號G01B11/24GK102183214SQ20111005068
公開日2011年9月14日 申請日期2011年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月3日
發(fā)明者萬勇建, 伍凡, 范斌, 趙文川 申請人:中國科學院光電技術(shù)研究所