基于空变球模型自适应单目偏折的工件面形重构方法技术

一种基于空变球模型自适应单目偏折对待测工件面形的重构方法，以解决单目偏折术中因未知待测工件面形而产生的高度

【技术实现步骤摘要】
基于空变球模型自适应单目偏折的工件面形重构方法


[0001]本专利技术属于光学工程
，特别是一种基于空变球模型自适应单目偏折的工件面形重构方法，适用于未知名义面形方程工件的三维测量。

技术介绍

[0002]光学自由曲面因其具有较大的自由度和非球面度，能提高系统光学性能的同时简化系统结构，在光刻、航空航天及激光武器等领域的需求不断增大，对其面形检测精度的要求也在不断提高。单目偏折术因其具有动态范围大、测量系统简单、抗干扰性强、测量精度高等优点，得到广泛关注。单目偏折术的原理是显示屏产生编码条纹，相机获取经待测工件反射的变形条纹，结合待测工件名义面形，通过反射定律获得工件表面梯度信息，进而得到工件三维面形。然后在实际测量中，当待测工件名义面形缺失或与实际面形偏差较大时，会导致偏折术出现高度
‑
斜率不确定的问题，严重影响测量精度和应用范围。

技术实现思路

[0003]为了解决现有单目偏折术中因未知待测工件面形而产生的高度
‑
斜率不确定问题，以提高测量精度和应用范围，本专利技术提供一种基于空变球模型自适应单目偏折的工件面形的重构方法，解决现有单目偏折术中因未知待测工件面形而产生的高度
‑
斜率不确定问题，提高测量精度和应用范围。
[0004]本专利技术的技术解决方案如下：
[0005]一种基于空变球模型自适应单目偏折的工件面形重构方法，其特点在于，该方法包括以下步骤：
[0006]①
在待测工件表面任选一点作为标志点F，并利用测量工具测量该标志点F的高度h；
[0007]②
搭建检测光路：设相机光心坐标(X0，Y0，Z0)，通过单目偏折术对待测工件进行测量，获得待测工件表面的标志点F的屏幕坐标(X
S
，Y
S
，Z
S
)和相机像素坐标(X
ca
，Y
ca
，Z
ca
)；
[0008]③
根据标志点F的相机像素坐标(X
ca
，Y
ca
，Z
ca
)和相机光心坐标(X0，Y0，Z0)，计算标志点F的反射光线的单位方向向量(a
m
，b
m
，c
m
)，并获得标志点F的反射光线方程，公式如下：
[0009][0010]④
将标志点F的高度h代入反射光线方程，获得标志点F的工件坐标(X
m
，Y
m
，Z
m
)：
[0011][0012][0013]Z
m
＝h
[0014]⑤
计算标志点F反射光线的法向量和标志点F入射光线的法向量公式如下：
[0015][0016][0017]计算标志点F的法向量公式如下：
[0018][0019]⑥
球模型拟合：用球面拟合所述的待测工件，球心位于标志点F和法向量的直线上，通过对标志点F反向光线追迹，迭代获得最优球半径，具体如下：
[0020]a)任意给定球面半径R，结合标志点F的坐标和法向量(N
x
，N
y
，N
z
)得到球心坐标(X
c
，Y
c
，Z
c
)；
[0021][0022]b)由球心坐标(X
c
，Y
c
，Z
c
)、球面半径R和每个测量点的相机像素坐标得到测量点坐标、法向量以及入射光线的方向向量；
[0023]c)根据每个测量点坐标和入射光线的方向向量进行反向追迹，并计算追迹的屏幕坐标，将该测量点的屏幕坐标和初始屏幕坐标进行比较，得到反向追迹误差；
[0024]d)判断反向追迹误差是否满足预设的可接受最小误差，如不满足，则返回步骤a)；满足，则终止迭代过程，输出拟合得到最优球心半径和对应的初始面形；
[0025]⑦
获取待测工件的全局最优空变球模型，并通过单目偏折术得到待测元件的重构面形，具体过程如下：
[0026]7.1)对待测工件的表面进行步骤
⑥
，优化球模型拟合，代入偏折术得到重构面形G
n
；
[0027]7.2)设定循环参数t，令初始t＝2；
[0028]7.3)将待测工件划分为t个区域，且各区域部分重合；
[0029]7.4)对区域1进行步骤
⑥
，优化球模型拟合，得到拟合初始面形g1；
[0030]7.5)将区域1和区域2的公共区域中任一点作为区域2的标志点F2，对区域2进行步骤
⑥
，拟合初始面形g2，以此类推，对待测工件的第t个区域进行如上操作得到g
t
，最终获得待测工件全局重构面形G
t
，G
t
＝g1+g2+
……
g
t
；
[0031]F)判断全局重构面形G
t
和G
n
的误差是否满足预设的可接受最小值，如不满足，则令G
n
＝G
t
，t＝t+1，返回步骤7.3)；如满足，则终止迭代过程，输出所有测量点坐标，得到最终重构面形。
[0032]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：适用于名义面形方程缺失或偏离实际面形方程的待测工件，提高测量精度与范围。
附图说明
[0033]图1是球模型参数求解示意图；
[0034]图2是球模型求解的流程图；
[0035]图3是待测工件表面分区；
[0036]图4是空变球模型求解流程图；
[0037]图5是不同检测方法得到的面形图。
具体实施方式
[0038]下面结合实施例和附图对本专利技术进行详细说明，但不应以此限制本专利技术的保护范围。
[0039]实施例1：搭建单目偏折术测量系统，主要包括：相机(JAI SP
‑
20000C
‑
USB、5210
×
3840像素、USB3接口)、屏幕(iPad mini 2、2048
×
1536像素，单像素尺寸0.0784mm)、待测离轴抛物面镜(焦距45mm，孔径30mm，离轴偏移量51.96mm)。使用干涉仪(Zygo GPI XP/D)的测量结果作为参考。将待测离轴抛物面镜的镜水平放置在测量平台的任意位置处，进行偏折测量。在待测表面中间区域任取一标志点，利用精度为10um的高度计测得标志点F的高度h，结合偏折术得到的相机像素坐标及系统标定参数，得到对应的反射光线。将标志点F的高度h作为实测标志点的高度Z
m
代入上述的反射光线直线表达式中，计算实测标志点F的X
m
、Y
m
坐标，结合屏幕坐标，即可得到实测标志点法向本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于空变球模型自适应单目偏折的工件面形重构方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
①
在待测工件表面任选一点作为标志点F，并利用测量工具测量该标志点F的高度h；
②
搭建检测光路：设相机光心坐标(X0，Y0，Z0)，通过单目偏折术对待测工件进行测量，获得待测工件表面的标志点F的屏幕坐标(X
S
，Y
S
，Z
S
)和相机像素坐标(X
ca
，Y
ca
，Z
ca
)；
③
根据标志点F的相机像素坐标(X
ca
，Y
ca
，Z
ca
)和相机光心坐标(X0，Y0，Z0)，计算标志点F的反射光线的单位方向向量(a
m
，b
m
，c
m
)，并获得标志点F的反射光线方程，公式如下：
④
将标志点F的高度h代入反射光线方程，获得标志点F的工件坐标(X
m
，Y
m
，Z
m
)：)：Z
m
＝h
⑤
计算标志点F反射光线的法向量和标志点F入射光线的法向量公式如下：公式如下：计算标志点F的法向量公式如下：
⑥
球模型拟合：用球面拟合所述的待测工件，球心位于标志点F和法向量的直线上，通过对标志点F反向光线追迹，迭代获得最优球半径，具体如下：a)任意给定球面半径R，结合标志点F的坐标和法向量(N
x
，N
y
，N
z
)得到球心坐标(X
c
，Y

【专利技术属性】
技术研发人员：吴珍，魏朝阳，牛振岐，王生水，李晓琳，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：