一种镜面面形检测装置及其检测方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种镜面面形检测装置及其检测方法，其中，镜面面形检测装置包括待测镜面、投影幕、投影仪、标定相机、测量相机组以及计算机。检测方法为：计算机控制投影仪向投影幕投射条纹图像，投影幕上的条纹图像通过定日镜生成虚像，测量相机和标定相机采集相关图像信息并传输给计算机，计算机对采集数据进行处理，最终得到待测镜面的面形数据。本发明专利技术能够获取大面积的待测镜面的面形数据，解决了检测大面积待测镜面光斑质量的技术问题。

【技术实现步骤摘要】
一种镜面面形检测装置及其检测方法
本专利技术属于太阳能热发电领域，特别涉及用于检测大面积镜面面形的检测装置和检测方法。
技术介绍
定日镜光斑质量是影响塔式太阳能电站效率的一个重要因素，因此在定日镜设计阶段必须将定日镜光斑质量作为一项重要的性能指标并在定日镜的制造、装配和运营阶段，并对该项指标进行实时跟踪以确保整个镜场的光学效率。现有技术中，对定日镜面形进行检测多采用接触式的激光测量方案、贴点法摄像测量方案、条纹面面形测量方案，其中，激光测量方案需要手持测量球对目标镜面逐点进行测量，测量效率低、测量精度受人工测量的干扰大；摄影法测量要求在镜面上贴上特制的反光点，不适合大面积定日镜的高效检测。条纹法面形测量方案通过投影仪投射调制的含相位信息的条纹图形至投影幕上，相机拍摄镜面内反射后变形的条纹图像，通过位相映射关系，拟合出待测镜面面形的法向量分布。该方法具有测量精度和效率高的优点，但针对大面积定日镜如几十方至上百方定日镜，要想通过相机观测到投影幕上的变形条纹，投影幕的尺寸至少应达到与定日镜面积相当的水平，而如此大面积的投影幕在定日镜装配检测车间的安装及投影仪的选型将会严重制约方案的实施。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种镜面面形检测装置，解决了检测大面积定日镜的光斑质量的技术问题；本专利技术的第二目的在于提供一种镜面面形检测方法，解决了检测大面积定日镜的光斑质量的技术问题。为了解决上述问题，本专利技术的技术方案是：一种镜面面形检测装置，包括待测镜面、投影幕、投影仪、标定相机、测量相机组以及计算机；其中，所述待测镜面与所述投影幕相对间隔设置，且其面积大于投影幕的面积；所述计算机通过所述投影仪向投影幕发送条纹图像信号，同时控制标定相机采集投影幕上的条纹图像、控制测量相机组采集投影幕上的条纹图像通过待测镜面产生的虚像，以及处理标定相机和测量相机组拍摄得到的图片；所述测量相机组包括至少两个测量相机，并且，各测量相机的视野通过拼接后，可观测得到表面铺满条纹图像虚像的完整待测镜面。优选的，所述标定相机至少为一个。一种镜面面形检测方法，采用如上所述的镜面面形检测装置，包括如下步骤：(1)标定有效区域：在投影幕上顺次投射全黑图像和全白图像，所述标定相机分别采集投影幕上的全黑图像和全白图像，所述测量相机组依次采集所述投影幕上的全黑图像和全白图像在待测镜面中形成的虚像图像，以标定出标定相机和测量相机组采集到的图像中的有效区域；(2)采集条纹图像投影图和条纹图像虚像图：在投影幕上顺次投射不同频率的条纹图像，通过所述标定相机依次采集投影幕上的条纹图像得到条纹图像投影图，通过所述测量相机组依次采集投影幕上的条纹图像在待测镜面中形成的虚像得到条纹图像虚像图；(3)获取投影幕上的条纹图像在投影幕平面坐标系下的位相图：将步骤(2)中的所述条纹图像投影图通过相位解包裹算法解包，获得投影幕上的条纹图像在标定相机图像坐标系下各像素点对应的相位分布；由于投影幕上的条纹图像中的各点在投影幕平面坐标系下的二维坐标与其在标定相机图像坐标系下的像素坐标一一映射，进而可得到投影幕上的条纹图像在投影幕平面坐标系下的包含位置分布信息和相位分布信息的位相图；(4)获取投影幕上的条纹图像的虚像的位相图：将步骤(2)中采集到的各个所述条纹图像虚像图分别通过相位解包裹算法解包，获得投影幕上的条纹图像的虚像中各点在测量相机图像坐标系下各像素点对应的相位分布；建立测量坐标系，计算出待测镜面在所述测量坐标系下的投影位置；由于待测镜面的投影中的各点在测量坐标系中的二维坐标，与投影幕上的条纹图像的虚像中的各点在测量相机图像坐标系下的像素坐标一一映射，从而可得到投影幕上的条纹图像的虚像中的各点在测量坐标系下包含位置分布信息和相位分布信息的位相图；(5)获取待测镜面在所述条纹图像虚像图中各像素点处的法向量：将所述投影幕平面坐标、所述标定相机图像坐标系及所述测量相机图像坐标系在所述测量坐标系下统一表示，并将步骤(3)和(4)中得到的所述投影幕上的条纹图像的位相图与投影幕上的条纹图像的虚像的位相图在所述测量坐标系中按照位相相等的原则，根据反射定律利用最小二乘法拟合，得到待测镜面在所述条纹图像虚像图中各像素点处的法向量；(6)获取面形数据：对步骤(5)中获得的待测镜面在所述条纹图像虚像图中各像素点处的法向量，使用路径积分方法进行面形恢复，得到待测镜面的面形数据。优选的，投射到投影幕上的条纹图像为按照时间顺序交替投射的水平条纹图像和垂直条纹图像；或者，为同时投射的由水平条纹和垂直条纹组合而成的复合条纹图像。优选的，投影仪投射的条纹图像表达式为：其中，IV(i,j,K,t)、IH(i,j,K,t)分别表示垂直和水平方向上含t个周期的条纹图像进行第K步移相后，在投影幕平面坐标系下坐标为(i,j)点的光强值；Nv、Nh分别为垂直和水平方向上的像素数目；I0为条纹图像的平均亮度，V为条纹图像的对比度。优选的，所述解包裹算法包括步骤：a)解出条纹图像投影图及其对应的条纹图像虚像图的折叠相位图；b)在条纹图像投影图和条纹图像虚像图中，分别求取相邻两套条纹图像在同一像素点的解包相位差其中U表示解包裹运算符，定义为式中tp(tp＝1,2,…Tp)表示第tp套条纹，INT表示向最近整数取整，为第tp套条纹在其对应的坐标系中的像素点(i,j)处的相位；c)将所有的累加得到最后的解包裹相位值优选的，步骤(6)中的面形恢复算法为：(1)定义待测镜面的参数方程在测量坐标系下表示为转置矩阵(x,y,f(x,y))T，其中f(x,y)表示待测镜面在测量坐标系下在(x,y)处对应的镜面高度值；(2)待测镜面在点(x,y)处的法向量计算公式为：令在点(x,y)处的单位法向量的测量值为(N1(x,y),N2(x,y),N3(x,y))，则有(3)对法向量进行积分，得到曲面，其中L是从某固定起始点到(x,y)的任意一条曲线，即积分路径；c是积分常数，表示某固定起始点的曲面高度。相对于现有技术，本申请的有益效果是：首先，一种镜面面形检测方法中，通过设置两个或两个以上的测量相机，并且设置到合适的位置对待测镜面中的条纹图像虚像进行拍摄，之后通过将设置在各个角度的测量相机拍摄的图像进行拼接整合，得到完整的表面铺满条纹图像虚像的待测镜面，进而得到待测镜面的面形数据。其次，一种镜面面形检测装置中，通过调整测量相机的视场角，来保证待测相机组获得完整的表面铺满条纹图像虚像的完整待测镜面，因而无需保证投影幕的面积大于待测定日镜镜面的面积，能够大幅提高面形检测装置对定日镜镜面面形检测的灵活性和高效性，同时，能够保证面形检测装置的检测精度。附图说明图1为本申请的镜面面形检测装置结构图；图2为测量相机的视角图；图3为各测量相机采集的虚像图的拼接图。其中，1、投影幕，2、待测镜面，201、镜面单元，3、投影仪，301、投影仪视场角，4、待测镜面固定平台，5、计算机，6、测量相机，601、测量相机视场角，7、标定相机，8、虚像图像。具体实施方式以下将结合附图和具体实施例，对本专利技术实进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本专利技术的一部分实例，并不是全部的实例，基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种镜面面形检测装置，其特征在于，包括待测镜面、投影幕、投影仪、标定相机、测量相机组以及计算机；其中，所述待测镜面与所述投影幕相对间隔设置，且其面积大于投影幕的面积；所述计算机通过所述投影仪向投影幕发送条纹图像信号，同时控制标定相机采集投影幕上的条纹图像、控制测量相机组采集投影幕上的条纹图像通过待测镜面产生的虚像，以及处理标定相机和测量相机组拍摄得到的图片；所述测量相机组包括至少两个测量相机，并且，各测量相机的视野通过拼接后，可观测得到表面铺满条纹图像虚像的完整待测镜面。

【技术特征摘要】
1.一种镜面面形检测装置，其特征在于，包括待测镜面、投影幕、投影仪、标定相机、测量相机组以及计算机；其中，所述待测镜面与所述投影幕相对间隔设置，且其面积大于投影幕的面积；所述计算机通过所述投影仪向投影幕发送条纹图像信号，同时控制标定相机采集投影幕上的条纹图像、控制测量相机组采集投影幕上的条纹图像通过待测镜面产生的虚像，以及处理标定相机和测量相机组拍摄得到的图片；所述测量相机组包括至少两个测量相机，并且，各测量相机的视野通过拼接后，可观测得到表面铺满条纹图像虚像的完整待测镜面。2.如权利要求1所述的镜面面形检测装置，其特征在于，所述标定相机至少为一个。3.一种镜面面形检测方法，其特征在于，采用如权利要求1或2所述的镜面面形检测装置，包括如下步骤：(1)标定有效区域：在投影幕上顺次投射全黑图像和全白图像，所述标定相机分别采集投影幕上的全黑图像和全白图像，所述测量相机组依次采集所述投影幕上的全黑图像和全白图像在待测镜面中形成的虚像图像，以标定出标定相机和测量相机组采集到的图像中的有效区域；(2)采集条纹图像投影图和条纹图像虚像图：在投影幕上顺次投射不同频率的条纹图像，通过所述标定相机依次采集投影幕上的条纹图像得到条纹图像投影图，通过所述测量相机组依次采集投影幕上的条纹图像在待测镜面中形成的虚像得到条纹图像虚像图；(3)获取投影幕上的条纹图像在投影幕平面坐标系下的位相图：将步骤(2)中的所述条纹图像投影图通过相位解包裹算法解包，获得投影幕上的条纹图像在标定相机图像坐标系下各像素点对应的相位分布；由于投影幕上的条纹图像中的各点在投影幕平面坐标系下的二维坐标与其在标定相机图像坐标系下的像素坐标一一映射，进而可得到投影幕上的条纹图像在投影幕平面坐标系下的包含位置分布信息和相位分布信息的位相图；(4)获取投影幕上的条纹图像的虚像的位相图：将步骤(2)中采集到的各个所述条纹图像虚像图分别通过相位解包裹算法解包，获得投影幕上的条纹图像的虚像中的各点在测量相机图像坐标系下各像素点对应的相位分布；建立测量坐标系，计算出待测镜面在所述测量坐标系下的投影位置；由于待测镜面的投影中的各点在测量坐标系中的二维坐标，与投影幕上的条纹图像的虚像中的各点在测量相机图像坐标系下的像素坐标一一映射，从而可得到投影幕上的条纹图像的虚像中的各点在测量坐标系下包含位置分布信息和相位分布信息的位相图；(5...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏斌，白帆，刘志娟，宓霄凌，毛永夫，
申请(专利权)人：浙江中控太阳能技术有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33