一种偏折测量系统中对焦镜和屏幕位姿的标定方法技术方案

本发明专利技术公开了一种偏折测量系统中对焦镜和屏幕位姿的标定方法，属于偏折测量技术领域，该方法使用内参已知的相机，采用带有标志圆斑的平面反射镜、待标定的对焦镜和屏幕组成成像光路。首先基于视觉成像确定平面镜的位姿，并拍摄经过平面镜和对焦镜反射的屏幕的一张像，仅需一张图像即可实现对焦镜以及屏幕位姿的同时标定。本发明专利技术能够实现过渡成像偏折测量光路的快速几何标定，避免了繁杂的操作步骤，提高了复杂曲面偏折测量的效率与可靠性。提高了复杂曲面偏折测量的效率与可靠性。提高了复杂曲面偏折测量的效率与可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种偏折测量系统中对焦镜和屏幕位姿的标定方法


[0001]本专利技术涉及偏折测量
，特别涉及一种偏折测量系统中对焦镜和屏幕位姿的标定方法。

技术介绍

[0002]随着光学技术的发展，光学自由曲面在光学系统中的应用越来越广泛。光学自由曲面的面形质量是决定其所在系统性能的核心指标之一，在许多应用中都要求光学元件具有亚微米级面形精度，故而测量精度通常要比加工精度高一个数量级。
[0003]偏折测量是近年来快速发展的一种反射镜面测量技术[Xu,X.,et al."Self
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calibration of in situ monoscopic deflectometric measurement in precision optical manufacturing."Optics Express 2019；27:7523
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7536.]。其原理是在显示器上显示若干组编码条纹，采用相机拍摄经被测表面反射后的变形条纹图样，由几何关系推导计算出被测面形的表面梯度分布，再通过积分法重构得到面形高度。由于所测量的是工件表面的梯度/法向信息，其具有采样快速，抗干扰性好，对复杂形面适应性强的特点，近年来得到了研究者的广泛关注[Maldonado,A.V..High resolution optical surface metrology with the slope measuring portable optical test system.PhD Dissertation,Gradworks,2014]。
[0004]在现有的偏折测量系统中，一般是基于针孔相机模型，通过屏幕条纹的多步移相，根据采集图像中各像素的解调相位来建立其与屏幕像素之间的物像对应关系，因此图像中各像素的解调精度直接决定了测量精度。
[0005]然而，由于实际的测量系统中使用的相机并非理想状况下的针孔相机，测量位置的探测准确度和屏幕相位解调的准确度之间存在矛盾，无论将相机单一对焦在工件表面上还是屏幕上，都会对测量结果产生负面影响[X Zhang*,Z Niu,J Ye and M Xu.Correction of aberration
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induced phase errors in phase measuring deflectometry.Optics Letters 2021；46(9):2047
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2050]。
[0006]为此，专利技术人团队提出在测量光路中加入辅助对焦镜，也即首先通过凹面对焦镜将屏幕成像在被测工件上，然后再由相机拍摄图像，从而同时提高偏折测量的位置分辨率和角度分辨率[张祥朝，朱睿,陈雨诺.一种偏折测量中实现屏幕和工件同时对焦的装置和方法，中国专利技术专利，申请号为CN202011196294.1]。
[0007]但是，凹面镜反射成像不服从平面镜的PnP相似性关系，导致对焦镜定位困难，为此特提出本专利技术，解决复杂对焦成像系统的几何标定问题。

技术实现思路

[0008]针对现有技术存在的偏折测量系统中对屏幕和对焦镜的位姿标定困难的问题，本专利技术的目的在于提供一种偏折测量系统中对焦镜和屏幕位姿的标定方法。
[0009]为实现上述目的，本专利技术的技术方案为：
[0010]一种偏折测量系统中对焦镜和屏幕位姿的标定方法，所述系统包括屏幕、对焦镜、具有多个规则斑点的平面镜以及内参已知的相机，所述方法包括以下步骤，
[0011]S1、将平面镜置于相机视场内，使所述相机能够通过所述平面镜拍摄到所述屏幕经过所述对焦镜反射后的像；
[0012]S2、采用视觉PnP法则标定所述平面镜相对于所述相机的位置；
[0013]S3、在所述屏幕上显示规则分布的标志点，并由所述相机拍摄一幅所述屏幕的像；
[0014]标定一：
[0015]S12、构造所述相机坐标系C关于所述平面镜对称的相机虚像坐标系V，且在所述相机虚像坐标系V下，每条从相机虚像出射的光线c都与对焦镜的球心M、屏幕坐标系下所述光线c在屏幕上的对应点Q、屏幕坐标系到相机虚像坐标系的旋转矩阵R和平移向量T满足共面约束条件：c
T
(O
×
(RQ+T))＝0...(1)，其中，M＝dO，d为相机虚像坐标系原点到对焦镜的球心M的距离，O为单位向量；
[0016]S14、再构造矩阵F＝[O]×
R和向量k＝O
×
T来约束公式(1)的求解，使公式(1)变换为：c
T
FQ+c
T
k＝0...(2)；
[0017]S16、当相机拍摄到屏幕上的8个及以上的标志点时，基于公式(2)联立建立共面约束方程组，并通过奇异值分解进行求解得到R和T，其中，T不含沿O方向的分量T
O
；
[0018]标定二：
[0019]S22、从相机虚像反向光线追迹，建立由任一光线c、该光线经过所述对焦镜后的反射光线以及所述对焦镜上的法线构成的平面A；
[0020]S24、在所述平面A内以O和O
×
(O
×
c)构造正交基，获得所述正交基内屏幕上的对应点Q'、和对焦镜上的反射点P，并通过反射定律获得对焦镜上的反射光线r，即(Q'
‑
P)
×
r＝0...(3)；
[0021]S26、将两组共16个屏幕、相机点对分别代入公式(3)构造方程组求解出16个d、T
O
值，并移除虚数解以及d小于对焦镜半径的解后，通过构造多个方程组寻找解的交集获得正确的d和T
O
；
[0022]S4、将标定二中获得的T
O
与标定一中获得的T相加即可获得完整的T；
[0023]S5、将S16中获得的R、S26中获得的d以及S4中获得的完整的T从相机虚像坐标系转换回相机坐标系中，即完成对焦镜和屏幕的位姿标定。
[0024]优选的，在S16和S26中，使用最小二乘方法对所有点对构造的方程进行拟合以获得更高精度。
[0025]进一步的，所述方法还包括，
[0026]将M、R、T进行相机到屏幕的反向光线追迹，以屏幕上的重投影误差为目标函数，通过最小二乘方法进一步优化M、R、T的值。
[0027]优选的，所述平面镜上的规则斑点为规则分布的圆斑，所述规则斑点的中心用于所述S2中的PnP标定；所述屏幕上显示规则分布的标志点为棋盘格图案或其他特征图案。
[0028]优选的，在S16中，所述通过奇异值分解进行求解得到R和T的步骤包括，
[0029]通过屏幕与相机之间的姿态差异确定组成旋转矩阵中最大角的所在象限，并由此从解集中筛选符合条件的R、T、O组合。
[0030]优选的，所述相机为针孔相机。
[0031]采用上述技术方案，首先基于视觉成像确定平面镜的位姿，并拍摄经过平面镜和对焦镜反射的屏幕的一张像，仅需一张本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种偏折测量系统中对焦镜和屏幕位姿的标定方法，所述系统包括屏幕、对焦镜、具有多个规则斑点的平面镜以及内参已知的相机，其特征在于：所述方法包括以下步骤，S1、将平面镜置于相机视场内，使所述相机能够通过所述平面镜拍摄到所述屏幕经过所述对焦镜反射后的像；S2、采用视觉PnP法则标定所述平面镜相对于所述相机的位置；S3、在所述屏幕上显示规则分布的标志点，并由所述相机拍摄一幅所述屏幕的像；标定一：S12、构造所述相机坐标系C关于所述平面镜对称的相机虚像坐标系V，且在所述相机虚像坐标系V下，每条从相机虚像出射的光线c都与对焦镜的球心M、屏幕坐标系下所述光线c在屏幕上的对应点Q、屏幕坐标系到相机虚像坐标系的旋转矩阵R和平移向量T满足共面约束条件：c
T
(O
×
(RQ+T))＝0...(1)，其中，M＝dO，d为相机虚像坐标系原点到对焦镜的球心M的距离，O为单位向量；S14、再构造矩阵F＝[O]
×
R和向量k＝O
×
T来约束公式(1)的求解，使公式(1)变换为：c
T
FQ+c
T
k＝0...(2)；S16、当相机拍摄到屏幕上的8个及以上的标志点时，基于公式(2)联立建立共面约束方程组，并通过奇异值分解进行求解得到R和T，其中，T不含沿O方向的分量T
O
；标定二：S22、从相机虚像反向光线追迹，建立由任一光线c、该光线经过所述对焦镜后的反射光线以及所述对焦镜上的法线构成的平面A；S24、在所述平面A内以O和O
×
(O
×

【专利技术属性】
技术研发人员：张祥朝，陈雨诺，朱睿，周丽红，王伟，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：