一种基于单目视觉位姿测量的耦合镜自动调整方法与流程

本发明涉及耦合镜调整方法，尤其涉及一种基于单目视觉位姿测量的耦合镜自动调整方法。

背景技术：

目前，随着光机行业的快速发展，大型光学系统日益普遍。在光机产品的日常科研和生产中，往往需要对不同工作平台进行光学耦合，使光线从光学系统的一个功能模块传递到另一个功能模块，以实现完整的光学系统功能。

一般情况下，光学系统中各个模块内部的光路相对稳定，而模块之间需要的连接光路相对不稳定，所以当光学系统远场和近场光斑不在探测器靶面中心时，可以通过调整光学系统中模块之间的耦合镜使不同模块的光路完美耦合，最终使远场和近场光斑成像在探测器靶面中心。

在实际的生产和试验中，如果发生光路偏转导致光学系统远场和近场光斑不在探测器靶面中心，一般是通过人工目视的方式来实现调整，即需要实验人员以远场和近场光斑所在位置为参考，手动调整耦合镜，直到远场和近场光斑移动到探测器靶面中心。该方法依赖于实验人员的光路调整经验，费时费力，同时难以实现耦合镜的快速调整。在一些应用场合，人工目视调整的方法难以及时将光学系统调整到位，将会严重影响系统的性能，甚至使光学系统丧失其存在的意义。除此之外，对一些密封或者真空的光学系统，人工目视调整的方法将带来巨大的劳动成本和时间成本。

为实现耦合镜的快速自动化调整，扫除光学系统自动化调整的阻碍，可以利用单目视觉位姿测量技术，同时结合耦合镜的几何形状尺寸等先验知识，对光学系统中的耦合镜进行位姿测量。在耦合镜调整过程中，以光学系统近场和远场光斑为基准，同时利用光学系统中反射镜、透射镜和其他光学元件的成像关系，计算在实现光学系统完美耦合时，耦合镜的具体位姿，然后对连接不同光学平台的耦合镜进行多维度的自动化调整，在调整过程中同时利用单目视觉系统测量其位姿，直到与计算值吻合，最终实现光学系统各个模块之间的耦合。

本发明涉及的方法摆脱人工目视调整方法的繁琐和局限性，通过引入计算机视觉测量技术，对耦合镜位姿进行准确测量，根据测量结果进行调整，降低了耦合镜调整的难度，提高了耦合镜调整的自动化程度和效率，节省了时间和人工成本。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：为实现对连接不同光学平台的耦合镜进行多维度的自动化调整，可以利用单目位姿测量技术，同时结合耦合镜的几何形状尺寸等先验知识，对光学系统中的耦合镜进行位姿测量并对其进行调整。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于单目视觉位姿测量的耦合镜自动调整方法，包括以下步骤：

步骤(1)、在正对耦合镜且不影响光路的位置安装单目相机，测量耦合镜的具体尺寸和形状，然后对单目相机进行标定；

步骤(2)、获取系统的近场与远场光斑，观察光学系统的近场和远场光斑位置是否满足系统要求；

步骤(3)、计算当远场和近场光斑满足系统要求时耦合镜的位置和姿态，利用电控镜架调整耦合镜位置和姿态，在调整过程中同时利用单目视觉系统测量其位姿，直到与计算值吻合。

更进一步的，所述步骤(1)中所述耦合镜一般是指连接或者转接不同光学平台的反射镜，其作用为将工作光从一个光学平台传递到另个光学平台。

更进一步的，所述步骤(1)中所述耦合镜一般是两块反射镜，也可以是一块或者多块反射镜构成的耦合镜系统。

更进一步的，所述步骤(1)中所述耦合镜的尺寸和形状，常见为圆形或者矩形，其相应的尺寸即圆形的半径大小和矩形的边长大小。

更进一步的，所述步骤(2)中所述判断光学系统的近场和远场光斑位置是否满足系统要求的依据一般为判断远场和近场光斑质心是否在探测器靶面的几何中心，或者是否在可容忍误差范围内。

更进一步的，所述步骤(3)中所述计算当远场和近场光斑满足系统要求时耦合镜的位置和姿态具体过程为根据远场和近场光斑质心相对探测器靶面的几何中心的偏差量以及光学平台中反射镜、透射镜及其他元件的物像关系，计算耦合镜的位姿调整量。

本发明的原理是：可以利用单目位姿测量技术，同时结合耦合镜的几何形状尺寸等先验知识，对光学系统中的耦合镜进行位姿测量。在耦合镜调整过程中，以光学系统近场和远场光斑为基准，同时利用光学系统中反射镜、透射镜和其他光学元件的成像关系，计算在实现光学系统完美耦合时，耦合镜的具体位姿，然后对连接不同光学平台的耦合镜进行多维度的自动化调整，在调整过程中同时利用单目视觉系统测量其位姿，直到与计算值吻合。

本发明有如下优点：本发明涉及的方法通过引入计算机视觉测量技术，摆脱人工目视调整方法的繁琐，对耦合镜位姿进行准确测量，降低了耦合镜调整的难度，提高了耦合镜调整效率，节省了时间和人工成本，实现对连接不同光学平台的耦合镜进行多维度的自动化调整，扫除了光学系统整体自动化调整的阻碍。另外，该方法解决了密封或者真空光学系统等一些特殊光学系统的耦合镜调整问题。

附图说明

图1为本发明的基本流程图。

图2为圆形耦合镜的空间姿态表示。

图3为圆形耦合镜在像平面上的投影。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，结合本发明中涉及的方法，采用简化模型，对基于数码形态学的光场相机自动标定方法的原理进行介绍，以此对本发明进一步详细说明。

本发明是一种基于单目视觉位姿测量的耦合镜自动调整方法，该方法利用单目位姿测量技术，同时结合耦合镜特定的几何形状尺寸等先验知识，以光学系统近场和远场光斑为基准，对连接不同光学平台之间的耦合镜进行多维度的自动化调整。该方法通过引入计算机视觉测量技术，降低了耦合镜调整的难度，提高了耦合镜调整的自动化程度和效率，节省了时间和人工成本。

下面以单块圆形耦合镜为例对基于单目视觉位姿测量的耦合镜自动调整方法进行详细说明。

如图1所示，一种基于单目视觉位姿测量的耦合镜自动调整方法，具体包括如下步骤：

(1)在正对耦合镜且不影响光路的位置安装单目相机，测量圆形耦合镜的半径R，然后对单目相机进行标定获得相机的内部参数。在此，利用圆心坐标和目标圆的平面法向量来表示圆形耦合镜的位置和姿态，其中圆心坐标为(x₀,y₀,z₀)，法向量为n，如图2所示。一般情况下，耦合镜在相机图像平面上的投影是椭圆，如图3所示，在消除解的二义性的条件下，可由像平面上的椭圆反算出圆形耦合镜的位姿。

(2)利用光学系统中的传感器获取近场与远场光斑，计算光学系统的近场和远场光斑质心，并判断其质心是否在探测器靶面的中心或者其误差是否在可容忍范围。

(3)当远场和近场光斑不满足系统要求时，利用光学系统中反射镜、透射镜和其他光学元件的成像关系，以及远场和近场光斑的偏差量，计算达到系统要求时耦合镜位姿的位姿，即圆心位置(x₁,y₁,z₁)及法向量为n₁，利用电控镜架调整耦合镜位置和姿态，在调整过程中同时利用单目视觉系统测量其位姿，直到与计算值吻合。

至此，便完成了光学系统中耦合镜的自动化调整，该方法摆脱人工目视调整方法的繁琐，降低了耦合镜调整的难度，提高了耦合镜调整的自动化程度和效率，节省了时间和人工成本。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的权利要求书的保护范围之内。