基于多相机拼接偏折术测量大口径光学元件面形的方法技术

本发明专利技术提出了一种多相机拼接偏折术测量大口径光学元件面形的方法。该方法将多相机同步优化标定、立体迭代面形重建和全局优化拼接相结合，不仅可以实现大口径光学元件面形的测量，而且还具有装置简单、测量速度快、成本低的优点。其中多相机同步优化标定的提出，使得该方法只需在利用平面标定靶同时对所有相机进行标定后，再利用高质量平面反射镜来标定其中一个相机和显示器间姿态关系即可完成相机和测量系统的标定，解决了已有方法中多相机多次标定所带来的误差累加问题；所采用的立体迭代面形重建和全局优化拼接算法使得该方法避免了参考元件的使用、复位误差的引入，以及多次拼接转换所带来的误差。拼接转换所带来的误差。拼接转换所带来的误差。

【技术实现步骤摘要】
基于多相机拼接偏折术测量大口径光学元件面形的方法


[0001]本专利技术涉及一种光学元件面形的高精度非接触测量
，尤其涉及一种基于多相机拼接偏折术测量大口径光学元件面形的方法。

技术介绍

[0002]强激光惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion，ICF)装置是利用多束强激光轰击氘氚靶丸来实现受控惯性约束聚变的，进而实现“点火”释放出聚变能，该转置可用于解决人类所面临的能源危机问题。目前世界上现有的三大ICF装置分别是美国的“国家点火装置”(National Ignition Facility，NIF)、法国的“兆焦耳激光”(Laser Megajoules，LMJ)，以及中国的神光
‑Ⅲ
激光装置。这些系统装置中含有数量多达万计的400mm口径以上的方形光学元件。这些大口径光学元件作为大型激光装置的核心，其面形精度将直接影响系统的综合性能；而且，因为其数量之多，在需要实现高效批量加工的同时，更需要一种快速有效的高精度面形检测方法以指导加工。
[0003]传统的光学元件面形测量通常是利用具有高精度检测能力的干涉仪完成的，但该方法检测成本高、动态范围受限，以及对环境影响噪声敏感等缺点使其难以快速地完成面形检测任务。近年来，相位测量偏折术(Phase Measuring Deflectometry，PMD)作为一种装置简单、测量速度快、动态范围大，且检测精度可以与干涉仪相媲美的光学元件面形测量方法受到了研究人员的广泛关注。相位测量偏折术的一般测量流程是在完成相机及测量系统标定后，通过显示器显示一组正弦条纹图案，然后利用相机采集经被测元件表面反射的条纹图像；通过相移及相位展开算法获得对应的相位分布后，再结合相机及测量系统标定数据即可计算得到被测元件的面形信息。
[0004]为利用偏折术来实现大口径光学元件的面形测量，在专利CN106989689B中公开了一种大口径平面光学元件面形的子孔径拼接检测方法，该技术利用机器视觉的标定方法来预先粗略地获得被测面上的反射点坐标，再利用面形精度更高的参考元件来扣除系统误差。然而，上述两个步骤的实现需要借助机械装置来调整标定靶面、参考元件与被测元件的位置使它们相重合，这不仅增加了实验测量步骤的复杂性，而且，难以避免的复位误差将会直接影响实验测量精度。另外，Wang等(R.Wang,D.Li,X.Zhang,W.Zheng,L.Yu,and R.Ge,"Marker
‑
free stitching deflectometry for three
‑
dimensional measurement of the specular surface,"Opt Express29(25),41851(2021).)在立体偏折术测量装置的基础上提出了无标点拼接偏折术。该方法通过立体搜索和迭代算法完成每个子孔径内点云的获取，再利用拼接算法来获取全孔径的面形。该方法实现了两个相机所组成子系统测量数据的拼接。然而，在利用该方法使用多个相机来实现更大口径光学元件的面形测量时，就会因需要进行多次相机标定和数据拼接而产生误差累加的问题。

技术实现思路

[0005]为克服上述技术中所存在的问题，本专利技术将多相机同步优化标定、立体迭代面形
重建和全局优化拼接相结合提出了一种多相机拼接偏折术测量大口径光学元件面形的方法。其中多相机同步优化标定的提出，使得该方法只需在利用平面标定靶同时对所有相机进行标定后，再利用高质量平面反射镜来标定其中一个相机和显示器间姿态关系即可完成相机和测量系统的标定，解决了已有方法中多相机多次标定所带来的误差累加问题；所采用的立体迭代面形重建和全局优化拼接算法使得该方法避免了参考元件的使用、复位误差的引入，以及多次拼接转换所带来的误差。
[0006]为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种多相机拼接偏折术测量大口径光学元件面形的方法，包括，两台显示器，分别在标定和测量中用于显示正弦条纹图案作为结构光光源；六台相机，用于采集经被测元件表面上不同区域反射后的条纹图像。其中六台相机分别与显示器构成六个子检测系统，它们对应在被测元件表面上的测量区域分别为区域一、二、三、四、五和六，且相邻两子检测系统的测量区域间存在重叠区域。具体测量步骤如下：
[0008]步骤一：相机和测量系统的标定
[0009]在将多相机拼接偏折术测量系统中相机和测量所用显示器安装固定后，利用标定所用显示器作为平面标定靶，标定所用显示器上显示的正弦条纹图作为特征图案，改变标定靶姿态的同时利用六个相机采集标定靶上的特征图案，为保证相机标定精度利用相机拍摄30个不同姿态的平面标定靶；此时，利用针孔相机模型和镜头畸变模型来求解相机的内部参数、外部参数和畸变系数，并利用光束法平差对求解得到的参数以及控制点的世界坐标进行优化；然后选取相机一作为主相机，利用得到外部参数来计算得到其它相机坐标系与相机一坐标系间的位姿关系，并以此作为约束条件对所有相机的内部参数和畸变系数，以及相机一坐标系与标定靶上控制点所在坐标系间的位姿关系进行同步优化；然后，以测量所用显示器作为平面标定靶，利用高质量平面反射镜来完成相机一坐标系与测量所用显示器上控制点所在坐标系间姿态关系的标定，同样地为保证标定精度将平面反射镜放置于30个不同的姿态，然后利用相机一拍摄经平面反射镜反射的特征图案；然后，再利用针孔相机模型和镜头畸变模型来求解相机一的外部参数，并利用光束法平差对求解得到的参数以及控制点的世界坐标进行优化；完成优化后，选取测量所用显示器上控制点所在坐标系作为世界坐标系，利用标定得到的相机一的外部参数，以及其它相机坐标系与相机一坐标系间的位姿关系来获得所有相机坐标系与世界坐标系的位姿关系，进而完成相机与测量系统的标定；
[0010]步骤二：立体迭代面形重建
[0011]在完成相机和测量系统的标定后将被测元件固定。测量所用显示器上依次显示两组互相正交的正弦条纹图案，六台相机同步采集经被测元件表面反射后的条纹图像；利用相移和相位展开算法来获得对应的相位分布，再利用条纹相位周期与显示器像素个数的对应关系，以及显示器像素尺寸来获得显示器光源点坐标；然后，利用立体偏折术常用的立体搜索算法在所有重叠区域内分别确定一个反射点对于相机一与测量所用显示器所组成的子检测系统。它在被测元件表面的测量区域为区域一。假设被测元件表面是参考点所在的理想平面，其高度然后，利用公式(1)可计算得到反射点的初始坐标：
[0012][0013]反射点处的斜率可由公式(2)计算得到：
[0014][0015]其中，d
m2c
和d
m2s
分别为反射点M
c1
到相机一投影中心和显示器光源点的距离。在计算得到斜率后，利用基于切比雪夫多项式的模式法重建得到相对高度
[0016][0017]式中，a
i
和分别表示第i项系数和多项式；系数a
i
是利用模式法求解得本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多相机拼接偏折术测量大口径光学元件面形的方法，其特征在于，包括，两台显示器，分别在标定和测量中用于显示正弦条纹图案作为结构光光源；六台相机，用于采集经被测元件表面上不同区域反射后的条纹图像；其中六台相机分别与显示器构成六个子检测系统，在被测元件表面上的测量区域分别为区域一、二、三、四、五和六，且相邻两子检测系统的测量区域间存在重叠区域；具体测量步骤如下：步骤一：相机和测量系统的标定在将多相机拼接偏折术测量系统中相机和测量所用显示器安装固定后，利用标定所用显示器作为平面标定靶，标定所用显示器上显示的正弦条纹图作为特征图案，改变标定靶姿态的同时利用六个相机采集标定靶上的特征图案，为保证相机标定精度利用相机拍摄30个不同姿态的平面标定靶；此时，利用针孔相机模型和镜头畸变模型来求解相机的内部参数、外部参数和畸变系数，并利用光束法平差对求解得到的参数以及控制点的世界坐标进行优化；然后选取相机一作为主相机，利用得到外部参数来计算得到其它相机坐标系与相机一坐标系间的位姿关系，并以此作为约束条件对所有相机的内部参数和畸变系数，以及相机一坐标系与标定靶上控制点所在坐标系间的位姿关系进行同步优化；然后，以测量所用显示器作为平面标定靶，利用高质量平面反射镜来完成相机一坐标系与测量所用显示器上控制点所在坐标系间姿态关系的标定，同样地为保证标定精度将平面反射镜放置于30个不同的姿态，然后利用相机一拍摄经平面反射镜反射的特征图案；然后，再利用针孔相机模型和镜头畸变模型来求解相机一的外部参数，并利用光束法平差对求解得到的参数以及控制点的世界坐标进行优化；完成优化后，选取测量所用显示器上控制点所在坐标系作为世界坐标系，利用标定得到的相机一的外部参数，以及其它相机坐标系与相机一坐标系间的位姿关系来获得所有相机坐标系与世界坐标系的位姿关系，进而完成相机与测量系统的标定；步骤二：立体迭代面形重建在完成相机和测量系统的标定后将被测元件固定；测量所用显示器上依次显示两组互相正交的正弦条纹图案，六台相机同步采集经被测元件表面反射后的条纹图像；利用相移和相位展开算法来获得对应的相位分布，再利用条纹相位周期与显示器像素个数的对应关系，以及显示器像素尺寸来获得显示器光源点坐标；然后，利用立体偏折术常用的立体搜索算法在所有重叠区域内分别确定一个反射点对于相机一与测量所用显示器所组成的子检测系统；它在被测元件表面的测量区域为区域一；假设被测元件表面是参考点所在的理想平面，其高度然后，利用公式(1)可计算得到反射点的初始坐标：反射点处的斜率可由公式(2)计算得到：
其中，d
m2c
和d
m2s
分别为反射点M
c1
到相机一投影中心和显示器光源点的距离；在计算得到斜率后，利用基于切比雪夫多项式的模式法重建得到相对高度得到相对高度式中，a<...

【专利技术属性】
技术研发人员：李大海，张新伟，王瑞阳，郑万兴，葛忍好，张泽坤，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：