一种折反射混合式的形位一体偏折测量方法技术

本发明专利技术公开了一种折反射混合式的形位一体偏折测量方法，属于光学测量技术领域，可实现透明元件上下表面面形与相对位姿的同步测量。该测量系统由屏幕、上相机、下相机和待测元件组成，上、下相机分别获取屏幕图样经待测元件反射与透射后的图像。首先，对上相机获得的混叠信号进行解耦，然后由上相机和屏幕组成的单目测量偏折测量系统对待测元件的上表面进行测量。其次，进行逆向光线追迹，不断迭代待测元件的厚度信息，利用反射与透射的法向一致性约束求得被测元件的下表面梯度，并进一步积分重建下表面面形。本发明专利技术能够在不增加硬件的情况下，实现对透明元件双表面同时测量，解决在传统的形位测量方法中，形位精度差别较大的问题。题。题。

【技术实现步骤摘要】
一种折反射混合式的形位一体偏折测量方法


[0001]本专利技术涉及光学测量
，特别涉及一种折反射混合式的形位一体偏折测量方法。

技术介绍

[0002]随着光学技术的不断发展，光学元件的精度要求越来越高、口径要求越来越大、面形要求越来越复杂，对光学检测技术的要求也越来越苛刻。干涉测量法由于其在测量精度方面的卓越表现，一直作为光学元件检测的主要手段。但是该方法对环境的要求很高，对振动和压力十分敏感，很难适应恶劣的生产环境。此外，其还具有检测动态范围有限、对于非球面镜的检测需要加工昂贵的补偿镜等局限，无法满足日益增加的检测需求。
[0003]偏折测量法是近年来快速发展的一种测量技术，其利用光线反射和折射规律进行光线的追迹，以此获取被测元件表面的梯度信息，进一步通过梯度积分获取被测元件的面形信息。由于其所测量的直接对象是被测元件表面的梯度/法向信息，所以其具有高灵敏度和良好的抗干扰能力。此外，偏折测量法还具有精度高、测量动态范围大、结构简单、成本低等诸多优点，成为干涉测量法在亚微米量级的有力竞争者。并且随着其不断发展，测量精度也随之不断提高，有着广泛的应用前景，吸引了国内外众多的研究工作者。
[0004]为了获取透明元件形、位数据，在现有的偏折方法中，一般是将“形”和“位”分开检测：分别获取被测元件上、下表面的面形数据，然后再将上、下表面测得的面形数据进行拼接，进而获得两个面的位姿数据。这会导致“位”的检测精度要比“形”的检测精度低很多。但是在很多应用场景下，“位”的精度要比“形”的精度更加重要，例如，眼镜的双表面的位姿、折光棱镜的各个光学面的位姿等。
[0005]为了解决上述问题，本专利技术提出了一种折反射混合式的形位一体偏折测量方法，用来实现对测量被测元件面形和位姿的同时测量，解决传统测量方法中“位”和“形”的检测精度差别较大的问题。

技术实现思路

[0006]针对现有技术存在的测量方法中“位”和“形”的检测精度不在一个级别的问题，本专利技术的目的在于提供一种折反射混合式的形位一体偏折测量方法。
[0007]为实现上述目的，本专利技术的技术方案为：
[0008]一种折反射混合式的形位一体偏折测量方法，通过一套上下双通道偏折测量系统实现，所述偏折测量系统包括屏幕、标定平面镜、上相机、下相机和待测元件，所述屏幕与计算机相连，可显示计算机生成的图像，所述标定平面镜上具有多个已知位置关系的标记点，所述测量方法包括以下步骤：
[0009]S1、将所述标定平面镜放置于上相机和下相机中间，将屏幕放置于上相机同侧，调整屏幕、标定平面镜、上相机、下相机之间的位置关系，使下相机可以看到屏幕上的图像，且上相机能够拍摄到标定平面镜上的标记点和屏幕经过标定平面镜反射后的图像；
[0010]S2、进行系统标定：
[0011]S3、系统标定完成后，移去所述标定平面镜，替换成待测元件，在屏幕上显示计算机生成的横纵方向的四步移相条纹，利用上相机、下相机分别获取屏幕经过待测元件调制的屏幕信号Sg1、Sg2；
[0012]S4、将上相机获得的屏幕信号Sg1进行解耦，分别获得屏幕信号Sg1经待测元件上、下表面反射后的信号Sg11和Sg12；
[0013]S5、根据分离的上表面信号Sg11，利用上相机和屏幕组成的单目偏折系统，重建待测元件的上表面面形；
[0014]S6、根据分离的下表面信号Sg12和屏幕信号Sg2，分别进行相机逆向光线追迹；
[0015]S7、假设待测元件下表面任意一点b的厚度为H，通过所述上相机和下相机的逆向光线追迹和非线性最小二乘优化算法，分别获得点b的法向n1和n2；
[0016]S8、不断迭代待测元件上点b的厚度H，构建优化函数并使其最小，获得点b的梯度信息；
[0017]S9、循环上述步骤S7
‑
S8，获得待测元件下表面所有待测点的梯度信息；
[0018]S10、通过梯度积分获得待测元件的下表面面形。
[0019]所述步骤S2具体包括以下步骤：
[0020]S21、在所述屏幕上显示计算机生成的标记点，并用下相机拍摄屏幕的图像I1；
[0021]S22、将标记平面镜置于上相机视场内，获得标记平面镜的标记点和屏幕经过标记平面镜反射后的信号,记录图像I2；
[0022]S23、采用视觉PnP方法，分别获得所述标定平面镜相对于上相机、以及屏幕的虚像相对于上相机、以及屏幕相对于下相机之间坐标系的位置关系；
[0023]S24、由上相机、屏幕的虚像和标定平面镜坐标系三者的位置关系，求得上相机和屏幕坐标系之间的位置关系；
[0024]S25、通过屏幕坐标系作为关联，获得上相机、下相机和屏幕三个坐标系之间的两两相对位置关系，完成系统标定。
[0025]所述测量方法对待测元件的形、位信息同时测量，获取形位一体化数据。
[0026]所述步骤S6的逆向光线追迹为双通道逆向光线追迹。
[0027]在所述步骤S7的非线性最小二乘优化算法，分别优化出反射
‑
折射、折射
‑
折射光路对应的法向信息。
[0028]在所述步骤S8中使用法向一致性约束，迭代出待测元件上点b的厚度H。
[0029]一种上下双通道偏折测量系统，包括屏幕、标定平面镜、上相机、下相机和待测元件，所述屏幕与计算机相连，可显示计算机生成的图像；所述标定平面镜用于所述测量系统的系统标定，标定平面镜上具有多个已知位置关系的标记点，所述上相机、下相机分别放置于标定平面镜的上、下两侧，所述屏幕放置于上相机一侧，所述待测元件与标定平面镜位置相同，系统标定完成后标定平面镜即被替换成待测元件。
[0030]所述测量系统在进行系统标定时，所述屏幕、标定平面镜、上相机、下相机之间具有这样的位置关系：所述下相机可以看到屏幕上的图像，且上相机能够拍摄到标定平面镜上的标记点和屏幕经过标定平面镜反射后的图像。
[0031]所述标定平面镜上的标记点和屏幕上显示的标记点为圆斑或棋盘格或十字叉。
[0032]所述上相机和下相机均为针孔相机。
[0033]采用上述技术方案，在不增加额外硬件的前提下，可以同时获得透明待测元件双表面的面形和位姿数据。该专利技术具有信噪比大，灵敏度高等优点，不仅提高了测量的效率和可靠性，而且有效的解决传统测量方法中形、位分开检测，且检测精度差别较大的问题。
附图说明
[0034]图1为本专利技术中上下双通道偏折测量系统的结构图；
[0035]图2为本专利技术中上下双通道偏折测量系统的系统标定结构图；
[0036]图3为本专利技术中标定平面镜的示意图；
[0037]图4为本专利技术中相机逆向光线追迹示意图；
[0038]图5为本专利技术中屏幕显示和相机拍摄的图像；
[0039]图6为本专利技术迭代求解过程流程图；
[0040]图7为利用本专利技术方法对待测元件重建的结果。
具体实施方式
[0041本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种折反射混合式的形位一体偏折测量方法，通过一套上下双通道偏折测量系统实现，所述偏折测量系统包括屏幕(1)、标定平面镜(2)、上相机(3)、下相机(4)和待测元件(5)，所述屏幕(1)与计算机相连，可显示计算机生成的图像，所述标定平面镜(2)上具有多个已知位置关系的标记点，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：S1、将所述标定平面镜(2)放置于上相机(3)和下相机(4)中间，将屏幕(1)放置于上相机(3)同侧，调整屏幕(1)、标定平面镜(2)、上相机(3)、下相机(4)之间的位置关系，使下相机(3)可以看到屏幕(1)上的图像，且上相机(3)能够拍摄到标定平面镜(2)上的标记点和屏幕(1)经过标定平面镜(2)反射后的图像；S2、进行系统标定：S3、系统标定完成后，移去所述标定平面镜(2)，替换成待测元件(5)，在屏幕(1)上显示计算机生成的横纵方向的四步移相条纹，利用上相机(3)、下相机(4)分别获取屏幕(1)经过待测元件(5)调制的屏幕信号Sg1、Sg2；S4、将上相机(3)获得的屏幕信号Sg1进行解耦，分别获得屏幕信号Sg1经待测元件(5)上、下表面反射后的信号Sg11和Sg12；S5、根据分离的上表面信号Sg11，利用上相机(3)和屏幕(1)组成的单目偏折系统，重建待测元件(5)的上表面面形；S6、根据分离的下表面信号Sg12和屏幕信号Sg2，分别进行相机逆向光线追迹；S7、假设待测元件(5)下表面任意一点b的厚度为H，通过所述上相机(3)和下相机(4)的逆向光线追迹和非线性最小二乘优化算法，分别获得点b的法向n1和n2；S8、不断迭代待测元件(5)上点b的厚度H，构建优化函数并使其最小，获得点b的梯度信息；S9、循环上述步骤S7
‑
S8，获得待测元件(5)下表面所有待测点的梯度信息；S10、通过梯度积分获得待测元件(5)的下表面面形。2.根据权利要求1所述的形位一体偏折测量方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下步骤：S21、在所述屏幕(1)上显示计算机生成的标记点，并用下相机(4)拍摄屏幕(1)的图像I1；S22、将标记平面镜(2)置于上相机(3)视场内，获得标记平面镜(2)的标记点和屏幕(1)经过标记平面镜(2)反射后的信号,记录图像I2；S23、采用视觉PnP方法，分别获得所述标定平面镜(2)相对于上相机(3)、以及屏幕(1)的虚...

【专利技术属性】
技术研发人员：张祥朝，郎威，胡知非，
申请(专利权)人：中山亚威光电科技有限公司中山复旦联合创新中心，
类型：发明
国别省市：