一种基于光线约束的偏折系统一致性自标定方法技术方案

本发明专利技术属于偏折测量技术领域，具体为一种基于光线约束的偏折测量系统一致性自标定方法。本发明专利技术将系统参数简化为屏幕坐标系下光线的方向及位置，对标准平面镜进行3次测量，对标准镜面的面形误差和屏幕的散焦虚像进行建模，根据光线直线传播原理，利用虚像对应点之间的共线约束建立系统的光线模型；然后对标准件面形进行测量，建立以测量误差和光线共线误差融合的代价函数对系统参数进行修正；最后通过多频高灵敏度编/解码方法增强系统的灵敏度。本发明专利技术有效缩短了误差传递链条，将各环节刚性的标定参数进行了退火，增加了系统参数的柔性。增加了系统参数的柔性。增加了系统参数的柔性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光线约束的偏折系统一致性自标定方法


[0001]本专利技术属于偏折测量
，具体涉及偏折测量系统一致性自标定方法。

技术介绍

[0002]随着现代光学技术的不断发展，各式各样的光学元件被广泛应用于天文、医学、军事、航空航天等各领域中。元件表面形貌的高精度三维测量是检测其光学性能，稳定性和可靠性的重要技术手段，具有重要的研究意义和广泛的应用前景。
[0003]相位测量偏折术(PMD)是近年来发展的一种高效、灵活、健壮的复杂曲面测量技术。该方法具有测量动态范围大、精度高、灵敏度高、抗干扰能力强、成本低等优点。PM是基于几何光学中光线追迹基本原理的，一般由相机和屏幕两部分组成。其通过在屏幕上显示一系列条纹图案，经过被测元件反射后由相机获取，以建立相机与屏幕的对应关系。通过光线追迹确定被测点的法向，最后通过梯度积分重建被测元件表面面形。
[0004]由上可知，相位测量偏折术是一种梯度测量工具，其测量精度高度依赖系统的标定精度。传统的系统标定基于机器视觉中的摄像机标定理论，首先，将相机近似为针孔模型，利用张正友算法标定出相机内、外参[Zhang Z.A flexible new technique for camera calibration[J].IEEE Transactions on pattern analysis and machine intelligence,2000,22(11):1330
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1334.]，确定像方光线的方向。其次，需要标定屏幕相对于相机的外参以确定物方光线方向。由于相机无法直接对屏幕成像，通常利用平面镜对光路进行偏转，通过建立适当的约束关系完成屏幕位姿的求解。其中，Xiao等人[Xiao Y L,Su X,Chen W.Flexible geometrical calibration for fringe
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reflection 3D measurement[J].Optics Letters,2012,37(4):620
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622.]利用多个位姿(大于等于3个位姿)的无标记点平面镜对屏幕成像，以屏幕位姿不变为约束，同时求解平面镜与屏幕位姿。Xu等人[Xu X,Zhang X,Niu Z,et al.Self
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calibration of in situ monoscopic deflectometric measurement in precision optical manufacturing[J].Optics Express,2019,27(5):7523
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7536.]利用转台约束平面镜之间的位姿，通过两个位姿即可确定屏幕位姿。同理，Li等人[Li C,Zhang X,Tu D.Posed relationship calibration with parallel mirror reflection for stereo deflectometry[J].Optical Engineering,2018,57(3):034103
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034103.]通过加工一体化平行镜约束两个平面镜间的位姿，Niu等人[Niu Z,Zhang X,Ye J,et al.Flexible one
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shot geometric calibration for off
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axis deflectometry[J].Applied Optics,2020,59(13):3819
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3824.]利用标记点对平面镜位姿进行约束，仅需一个位姿即可求解屏幕位姿。
[0005]以上标定方法中存在大量的近似：第一，在反射光线的标定过程中，将相机近似为针孔模型，默认所有光线都通过光心，进而利用畸变在二维图像域对光线方向进行校正。但由于光瞳像差的存在，实际光线并非统一经过光心，因此无法通过畸变校正得到真实的光线方向，必须在三维的空间中对光线调整。此外，从偏折术的基本原理出发，其唯一关心的是光线的方向与位置，因此基于光心、焦距、畸变等内外参的传统模型有大量冗余参数。第
二，在上述利用标准平面镜来进行屏幕位姿求解的方法中，均假定平面镜为理想平面。但实际并不存在理想镜面，由于标准镜的面形误差会导致相机获取的屏幕虚像出现散焦现象。因此，屏幕的虚像不再是一个平面，若将其忽略将引入标定误差。
[0006]此外，系统标定通常采用机器视觉中的重投影误差作为评价指标，这与测量的评价指标不同，导致系统标定精度无法真实反映测量精度，使得标定与测量脱节严重。为了统一标定与测量的评价体系，一些学者在系统标定完成之后，对标准件进行测量，反向优化系统参数。E.等人[Kewei E,Li D,Yang L,et al.Novel method for high accuracy figure measurement of optical flat[J].Optics and Lasers in Engineering,2017,88:162
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166.]利用标定好的偏折系统和干涉仪分别对平面标准件测量，以干涉仪的测量数据为真值，将两种设备测量结果的偏差作为系统标定误差引入的测量误差，并以此补偿系统误差。该方法在针孔模型的近似下利用常量补偿系统误差的模型过于简化，不能有效补偿不同位姿或不同工件的测量误差。Han等人[Han H,Wu S,Song Z.An accurate calibration means for the phase measuring deflectometry system[J].Sensors,2019,19(24):5377.]同样利用标定好的系统对标准件进行测量，以测量结果的RMS和特征尺寸与真值的偏差作为约束反向优化系统参数，但对于由针孔假设确定的系统标定模型而言，多个系统参数之间的耦合问题需要进一步分析。Huang等人[Huang L,Xue J,Gao B,et al.Modal phase measuring deflectometry[J].Optics express,2016,24(21):24649
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24664.]不选择相信标定好的系统参数，而在测量时将标定参数作为变量与待测面形一起优化。但该方法仅通过调整屏幕位姿调整物方光线方向，忽略像方光线误差，使得计算和误差的传递链条更长，误差更难以分离。
[0007]综上，偏折测量领域中有如下问题尚待解决：标定模型过度近似、参数冗余，标准镜面理想近似以及标定与测量评价体系脱节等问题。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的与提出一种定制化、高精度、标定测量一体的基于光线约束偏折系统一致性自标定方法，以解决现有偏折系统的过度近似、参数冗余，标准镜面理想近似以及标定与测量评价体系脱节等问题。
[0009]本专利技术提供的基于光线约束的偏折系统一致性自标定方法，从偏折术的基本原理出发，从偏折术的基本原理出发，首先，将系统参数简化为屏本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光线的约束偏折系统一致性自标定方法，其特征在于，从偏折术的基本原理出发，将系统参数简化为屏幕坐标系下光线的方向及位置，对标准平面镜进行3次测量，对标准平面的面形误差和屏幕的散焦虚像进行建模，根据光线直线传播原理，利用虚像对应点之间的共线约束建立系统的光线模型；然后对标准件面形进行测量，建立以测量误差和光线共线误差融合的代价函数，对系统参数进行修正；最后通过多频高灵敏度编/解码方法增强系统的灵敏度；具体步骤为：S1、搭建由相机和屏幕组成的偏折系统，将标准平面反射镜置于相机视野中，使得相机能够拍摄到经其反射的屏幕图案；由于偏折测量系统中相机与屏幕置于同一侧，相机无法直接对屏幕进行成像，需要依靠反射镜辅助获取屏幕的虚像，以建立像方光线与屏幕的之间的联系；S2、对标准平面进行建模，包括建模为面形、法向、曲率；S3、通过在屏幕上投影一系列横、纵条纹，由相机拍摄经过标准平面反射的条纹图案，以建立相机与屏幕像素之间的对应关系；具体地，在屏幕上依次显示横纵两个方向的多频四步相移条纹，并通过相机拍摄经过标准平面反射的条纹图案；利用四步相移算法分别获得多个条纹频率的截断相位，然后通过截断相位相加求得更高频率的截断相位φ1，通过截断相位相减获得更低频率的截断相位φ2，最后以φ2指导φ1进行相位展开，获得高灵敏度的相位图，进而以相位值为桥梁建立相机与屏幕像素之间的对应关系；S4、利用S3，分别对不共面且不平行的3个位姿下的标准平面镜进行测量，获取相机像素分别在3个标准件位姿下对应的屏幕像素；S5、通过预标定获取3个标准平面镜在屏幕坐标系下的初始位姿；S6、根据S5预标定的系统参数和S2标准平面的建模结果，对屏幕的散焦虚像进行建模；具体地，根据S5获取初始光线模型，通过光线追迹获得光线与标准平面的交点，根据追迹光线的方向及...

【专利技术属性】
技术研发人员：张祥朝，郎威，向炯榶，陈雨诺，
申请(专利权)人：中山亚威光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：