一种快速确定偏折测量系统中各部件几何位置的标定方法技术方案

本发明专利技术涉及光学工程技术领域，且公开了一种快速确定偏折测量系统中各部件几何位置的标定方法，本发明专利技术方法包括：将一个标准圆柱的上平面做成标准镜面，在其外围做一圈均匀分布的黑色圆斑特征，其中一个圆斑半径较小，将镜面设为坐标系xOy平面，x轴设置在该圆斑所在轴上。首先根据镜面圆斑的成像利用PnP法直接确定标准镜面在相机坐标系中的位置，屏幕显示小尺寸的圆点阵列图样，利用相机拍摄经镜面反射的屏幕虚像，识别图像中屏幕显示的斑点，可以确定屏幕的位置。本发明专利技术可有效估计测量系统中各部件的位姿，包括相机、屏幕、卡盘和工件，操作简单，实用性强，对实现光学曲面的高精度偏折测量具有重要意义。

A calibration method for quickly determining geometric position of components in deflection measurement system

The invention relates to the field of optical engineering technology, and discloses a calibration method for quickly determining the geometric position of each component in the deflection measurement system. The method of the invention includes: making the upper plane of a standard cylinder into a standard mirror, making a circle of evenly distributed black round spot features on its periphery, one of which has a small radius, and sets the mirror as the xoy plane of the coordinate system, and the x-axis is set at the The spot is located on the axis. Firstly, according to the imaging of the circular spot on the mirror, the position of the standard mirror in the camera coordinate system is directly determined by using PNP method. The screen displays the pattern of small-scale dot array, and then uses the camera to take the virtual image reflected by the mirror surface to identify the spot displayed on the screen in the image, so as to determine the position of the screen. The invention can effectively estimate the pose of each component in the measurement system, including camera, screen, chuck and workpiece, and has simple operation and strong practicability, which is of great significance for realizing high-precision deflection measurement of optical surface.

【技术实现步骤摘要】
一种快速确定偏折测量系统中各部件几何位置的标定方法
本专利技术涉及光学工程
，具体为一种快速确定偏折测量系统中各部件几何位置的标定方法。
技术介绍
在现代精密测量中，针对镜面反射的表面，常用的是干涉测量方法。但是其量程较小，对环境干扰敏感，不适合复杂曲面的测量。近年来，相位测量偏折术实现了复杂曲面的高精度测量。由于其系统简单，动态范围大，抗干扰能力强，得到了光学工程领域的广泛关注。其原理是在显示器上产生规则条纹，经被测表面反射后条纹发生变形，采用CCD相机拍摄变形图样，由几何关系推导可以计算出被测面形的表面梯度分布，再通过积分得到面形高度。偏折测量的精度直接取决于几何标定的质量，也即确定测量系统中各个部件，包括相机、工件、屏幕等元件之间的相对位置。传统几何标定通常采用三坐标测量机或激光追踪仪等辅助仪器，不但操作复杂，而且成本高，实用性差。Xiao等(Opt.Commun.2013；305,143–146)提出采用平面镜的多个位姿反射成像，Xu等(OpticsExpress2019；27(5):7523-7536)提出利用气浮转台提供额外约束条件来确定屏幕和相机的相对位置。但是都不能直接确定工件的位置，无法解决偏折测量固有的“高度-斜率歧义性”问题。所以仍然需要激光追踪仪等额外探测来确定工件位置，操作较为复杂。故而提出一种快速确定偏折测量系统中各部件几何位置的标定方法解决上述问题。
技术实现思路
(一)解决的技术问题针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种快速确定偏折测量系统中各部件几何位置的标定方法，具备简单快速等优点，解决了不能直接确定工件的位置，无法解决偏折测量固有的“高度-斜率歧义性”，仍然需要激光追踪仪等额外探测来确定工件位置的问题。(二)技术方案为实现上述简单快速的目的，本专利技术提供如下技术方案：一种快速确定偏折测量系统中各部件几何位置的标定方法，包括卡盘、相机和屏幕，所述卡盘的顶部活动安装有标准件主体，所述标准件主体的顶部固定连接有标准镜面，所述标准镜面的外部且位于标准件主体的顶部固定连接有黑色圆斑。优选的，所述标准镜面的平面度优于λ/5PV，且该标准件主体和标准镜面外圆同轴。优选的，所述黑色圆斑的距离和直径已知，其中一个特征斑较小，直径是其他圆斑的2/3倍，镜面坐标系的xOy平面建立在标准镜面处，原点在标准镜面圆心，x轴设为小圆斑所在轴。本专利技术要解决的另一技术问题是提供一种快速确定偏折测量系统中各部件几何位置的标定方法，包括以下步骤：1)用卡盘夹持标准件主体，调整已知内参的相机和已知像素大小的屏幕的位置，使得相机能直接观测到屏幕显示的图样；2)屏幕显示小尺寸圆点阵列，相机直接拍摄标准镜面反射的图样虚像，从图像中识别出镜面上的一圈黑色圆斑，利用PnP法计算出相机坐标系与镜面坐标系之间的旋转矩阵Rc2m与平移向量Tc2m；3)建立屏幕圆点阵列与相机图样中圆点图像之间的对应关系，利用PnP法确定屏幕虚像在相机坐标系中的坐标，再利用镜面反射得到屏幕的实际位置；4)保持卡盘不动，将标准件主体换成实际测量的工件，同样夹持工件，由圆柱的中心轴可以确定工件在镜面坐标系中的横向位置，仅留下高度z一个未知量；5)工件高度的优化计算，从相机中各小圆点的中心进行光线追迹，经过工件的名义面形反射与屏幕平面相交得到像素坐标(u,v)，设各圆点重心的实际像素坐标为(u’，v’)。将工件高度h作为变量，通过数值优化调整其数值：该问题采用Levenberg-Marquardt法进行迭代求解。(三)有益效果与现有技术相比，本专利技术提供了一种快速确定偏折测量系统中各部件几何位置的标定方法，具备以下有益效果：该快速确定偏折测量系统中各部件几何位置的标定方法，只需要采集一副图像即可确定屏幕、相机、卡盘夹具以及工件之间的相对几何位置，利用专门设计的标准件主体作为几何基准，其标准平面镜用来反射成像，确定屏幕的位姿，其平面上加工圆斑特征，用来确定自身的位置，通过其下面的圆柱将x,y横向位置传递给卡盘，工件固定后其横向位置即可确定，而整个测量系统是一个离轴成像系统，工件的高度偏差会直接导致反射图样的偏斜，因此，从相机像素经过被测工件反射向屏幕做光线追迹，与实际显示图样的偏差即可反映工件的高度偏差，利用数值优化调整工件的高度，即可确定整个系统中各个元件的相对几何位置，可有效估计测量系统的各部件的位姿，包括相机、屏幕、卡盘和工件，对实现高精度偏折测量具有重要意义。附图说明图1为本专利技术提出的一种快速确定偏折测量系统中各部件几何位置的标定方法标定时测量系统结构示意图；图2为本专利技术提出的一种快速确定偏折测量系统中各部件几何位置的标定方法定制标准件主体结构示意图；图3为本专利技术提出的一种快速确定偏折测量系统中各部件几何位置的标定方法几何标定结构流程图；图4为本专利技术提出的一种快速确定偏折测量系统中各部件几何位置的标定方法高度z优化前后追迹误差结构示意图。图中：1卡盘、2相机、3屏幕、4标准件主体、5标准镜面、6黑色圆斑。具体实施方式下面将结合本专利技术的实施例，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。请参阅图1-4，一种快速确定偏折测量系统中各部件几何位置的标定方法，包括卡盘1、相机2和屏幕3，卡盘1的顶部活动安装有标准件主体4，标准件主体4的顶部固定连接有标准镜面5，标准镜面5的平面度优于λ/5PV，且该标准件主体4和标准镜面5外圆同轴，标准镜面5的外部且位于标准件主体4的顶部固定连接有黑色圆斑6，黑色圆斑6的距离和直径已知，其中一个特征斑较小，直径是其他圆斑的2/3倍，镜面坐标系的xOy平面建立在标准镜面5处，原点在标准镜面5圆心，x轴设为小圆斑所在轴。一种快速确定偏折测量系统中各部件几何位置的标定方法包括以下步骤：1)用卡盘1夹持标准件主体4，调整已知内参的相机2和已知像素大小的屏幕3的位置，使得相机2能直接观测到屏幕3显示的图样；2)屏幕3显示小尺寸圆点阵列，相机2直接拍摄标准镜面5反射的图样虚像，从图像中识别出镜面上的一圈黑色圆斑6，利用PnP法计算出相机2坐标系与镜面坐标系之间的旋转矩阵Rc2m与平移向量Tc2m；3)建立屏幕3圆点阵列与相机2图样中圆点图像之间的对应关系，利用PnP法确定屏幕3虚像在相机2坐标系中的坐标，再利用镜面反射得到屏幕3的实际位置；4)保持卡盘1不动，将标准件主体4换成实际测量的工件，同样夹持工件，由圆柱的中心轴可以确定工件在镜面坐标系中的横向位置，仅留下高度z一个未知量；5)工件高度的优化计算，从相机中各小圆点的重心像素进行光线追迹，经过工件的名义面形反射与屏幕3平面相交得到像素坐标本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种快速确定偏折测量系统中各部件几何位置的标定方法，包括卡盘(1)、相机(2)和屏幕(3)，其特征在于，所述卡盘(1)的顶部活动安装有标准件主体(4)，所述标准件主体(4)的顶部固定连接有标准镜面(5)，所述标准镜面(5)的外部且位于标准件主体(4)的顶部固定连接有黑色圆斑(6)。/n

【技术特征摘要】
1.一种快速确定偏折测量系统中各部件几何位置的标定方法，包括卡盘(1)、相机(2)和屏幕(3)，其特征在于，所述卡盘(1)的顶部活动安装有标准件主体(4)，所述标准件主体(4)的顶部固定连接有标准镜面(5)，所述标准镜面(5)的外部且位于标准件主体(4)的顶部固定连接有黑色圆斑(6)。


2.根据权利要求1所述的一种快速确定偏折测量系统中各部件几何位置的标定方法，其特征在于，所述标准镜面(5)的平面度优于λ/5PV，且该标准件主体(4)和标准镜面(5)外圆同轴。


3.根据权利要求1所述的一种快速确定偏折测量系统中各部件几何位置的标定方法，其特征在于，所述黑色圆斑(6)在标准件(4)上的位置和直径已知，其中一个特征斑较小，直径是其他圆斑的2/3倍，镜面坐标系的xOy平面建立在标准镜面(5)处，原点在标准镜面(5)圆心，x轴设为小圆斑所在轴。


4.一种快速确定偏折测量系统中各部件几何位置的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)用卡盘(1)夹持标准件主体(4)，调整已知内参的相机(2)和已知...

【专利技术属性】
技术研发人员：张祥朝，牛振岐，叶俊强，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海;31