2×2阵列光源扫描式面形测量光学系统标定方法
【专利摘要】本发明公开一种2×2阵列光源扫描式面形测量光学系统标定装置及方法，其特征在于包括以下步骤：在组装扫描式面形测量光学系统和标定平台；启动激光器(1)，四束平行光投向所述标定平台；调整所述标定平台上；根据驱动总步数设定标激光器(1)的单次驱动步数；完成CCD一行数据采集；完成CCD成像全区域行、列数据采集；完成光学系统测试动态范围内的角度标定。其显著效果是：该方法在简化系统结构的同时，能够提高原系统的测量效率，进一步提高表面面形在线检测的能力。
【专利说明】2X2阵列光源扫描式面形测量光学系统标定方法
【技术领域】
[0001]本发明属于机器视觉技术检测领域，具体涉及一种2X2阵列光源扫描式面形测量光学系统标定方法。
【背景技术】
[0002]目前提高2X2扫描式面形测量光学系统测量方法方法有:光路修正法及系统标定法。光路修正法通过在光路中添加光束微调平台，对扫描过程中入射光角度偏移进行修正，使得基准参考光线能沿原路返回，该方法已形成发明专利。
[0003]但这类方法都增加微调机构，在使用时，微调机构本身的误差和使用，也容易引起测量误差，降低了光学系统数面形测量及拟合精度。
【发明内容】
[0004]本本发明的目的主要涉及一种阵列光源扫描式面形测量光学系统标定方法，其设计利用2X2阵列成像点互参考与自参考原理标定得到光学系统测试对象局部面形梯度变化引入的非线性误差，对全视场范围测量数据修正，从而提高光学系统数面形测量及拟合精度。
[0005]为达到上述目的，本发明表述一种2X2阵列光源扫描式面形测量光学系统标定方法，其特征在于包括以下步骤:
[0006]步骤一、在组装好扫描式面形测量光学系统后，在扫描式面形测量光学系统的出射光路上布置标定平台，该标定平台能将扫描式面形测量光学系统射出的平行光沿原路平行反射回所述扫描式面形测量光学系统；
[0007]步骤二、启动所述扫描式面形测量光学系统中的激光器(I)，预热30分钟，激光器
(I)发出的光依次经准直系统(2)准直，然后通过分光镜(3)进入扩束系统(4)进行扩束，楔镜组(5)将扩束后的光束分成四束平行光从扫描式面形测量光学系统射出，并投向所述标定平台；
[0008]步骤三、调整所述标定平台上的精密二维偏摆平台(8)，固定在精密二维偏摆平台
[8]上的夹具(7)随之移动，使夹具(7)夹持的反射镜(6)与扫描式面形测量光学系统垂直，反射镜(6)反射四束平行光依次通过楔镜组(5)和扩束系统(4)后，经分光镜(3)折射到五棱镜(9)后，再通过成像透镜(10)在CXD(Il)上成像，在CXD(Il)观察到的图像中四个光斑位于图像的中心；
[0009]步骤四、根据扫描式面形测量光学系统的视场角范围设定标定平台的驱动步数；根据驱动步数所需要的精细程度设定扫描式面形测量光学系统中激光器(I)的单次驱动步数；
[0010]驱动步数指CCD采集一行或一列数据所需要驱动的步数，单次驱动步数可以设定为I?3个像素点，单次驱动步数的像素点越少，精细程度越高，最高精细程度对应着一个像素点的单次驱动步数。[0011]步骤五、确定四个光斑中的任意一个为参考光斑，驱动精密二维偏摆平台(8)上的压电陶瓷机构，使参考光斑位置发生变化，记录参考光斑位置及四个光斑位置相对变化量，完成CCD —行数据采集；
[0012]步骤六、重复步骤三至步骤五，完成CXD成像全区域行、列数据采集，根据成像光斑位置及相对关系即可实现扫描式面形测量光学系统测试动态范围内的角度标定。
[0013]所述角度标定是根据图像成像的结果，以每幅图像上左边那个光斑的中心位置为参考，计算其他三个光斑的中心位置与参考光斑中心位置的关系，可以用式(Ia)和(Ib)表示:
[0014]Δ xni = Xn1-Xnl- Δ Xi0-----------------------------(Ia)
[0015]δ yni = yn1-ynr Δ yi0-----------------------------(lb)
[0016]式中i = 2、3、4，表示图像中除参考光斑外的其他三个光斑，Λ Xitl表示理想状态下第i个光斑X坐标与参考光斑X坐标差，Δ yi0表示理想状态下第i个光斑Y坐标与参考光斑I坐标差，n = 1、2、3...，表示第η幅图像，Xnl表示第η幅图像中参考光斑的χ坐标，ynl表示第η幅图像中参考光斑的I坐标，Xni表示第η幅图像中除参考光斑外其他光斑的χ坐标，yni表示第η幅图像中除参考光斑外其他光斑的y坐标，Axni表示第η幅图像中第i个光斑χ坐标与参考光斑χ坐标的差修正值，Δ yni表示第η幅图像中第i个光斑y坐标与参考光斑I坐标的差修正值；
[0017]处理完之后用每幅图像参考光斑的χ坐标为横轴，y坐标为纵轴，将处理得到的修正值制成修正表格，用于在测量时查表修正，或者插值计算修正。
[0018]本发明的显著效果是:系统标定法通过分析扫描式面形测试过程中误差产生的原因，得出系统精度与测试对象局部面形梯度成非线性函数关系的结论，针对2X2阵列扫描式扫描方式，提出了互参考与自参考标定方法，且设计出专用标定装置，实现了光学系统测试范围全局精确标定。因此可以在测量时对测试数据进行修正，提高了系统测量的精度。
[0019]该方法在简化系统结构的同时，能够提高原系统的测量效率，进一步提高表面面形在线检测的能力。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本发明的标定示意图；
[0021]图2为成像光斑分布示意图；
[0022]图3为本发明的方法步骤图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0024]如图3所示:一种2X2阵列光源扫描式面形测量光学系统标定方法，其特征在于包括以下步骤:
[0025]步骤一、在组装好扫描式面形测量光学系统后，在扫描式面形测量光学系统的出射光路上布置标定平台，该标定平台能将扫描式面形测量光学系统射出的平行光沿原路平行反射回所述扫描式面形测量光学系统；
[0026]步骤二、启动所述扫描式面形测量光学系统中的激光器1，预热30分钟，激光器I发出的光依次经准直系统2准直，然后通过分光镜3进入扩束系统4进行扩束，楔镜组5将扩束后的光束分成四束平行光从扫描式面形测量光学系统射出，并投向所述标定平台；
[0027]步骤三、调整所述标定平台上的精密二维偏摆平台8，固定在精密二维偏摆平台8上的夹具7随之移动，使夹具7夹持的反射镜6与扫描式面形测量光学系统垂直，反射镜6反射四束平行光依次通过楔镜组5和扩束系统4后，经分光镜3折射到五棱镜9后，再通过成像透镜10在CXDll上成像，在CXDll观察到的图像中四个光斑位于图像的中心；
[0028]步骤四、根据扫描式面形测量光学系统的视场角范围设定标定平台的驱动步数；根据驱动步数所需要的精细程度设定扫描式面形测量光学系统中激光器I的单次驱动步数；
[0029]步骤五、确定四个光斑中的任意一个为参考光斑，驱动精密二维偏摆平台8上的压电陶瓷机构，使参考光斑位置发生变化，记录参考光斑位置及四个光斑位置相对变化量，完成CCD —行数据采集； [0030]步骤六、重复步骤三至步骤五，完成CXD成像全区域行、列数据采集，实现扫描式面形测量光学系统测试动态范围内的角度标定。
[0031]所述角度标定是根据图像成像的结果，以每幅图像上左边那个光斑的中心位置为参考，计算其他三个光斑的中心位置与参考光斑中心位置的关系，可以用式Ia和Ib表示:
[0032]Δ xni = Xn1-Xnl- Δ Xi0-----------------------------1a
[0033]Δ yni = yn1-ynr Δ yi0-----------------------------1b
[0034]式中i = 2、3、4，表示图像中除参考光斑外的其他三个光斑，Λ Xitl表示理想状态下第i个光斑X坐标与参考光斑X坐标差，Δ yi0表示理想状态下第i个光斑Y坐标与参考光斑I坐标差，n = 1、2、3...，表示第η幅图像，Xnl表示第η幅图像中参考光斑的χ坐标，ynl表示第η幅图像中参考光斑的I坐标，Xni表示第η幅图像中除参考光斑外其他光斑的χ坐标，yni表示第η幅图像中除参考光斑外其他光斑的y坐标，Axni表示第η幅图像中第i个光斑χ坐标与参考光斑χ坐标的差修正值，Δ yni表示第η幅图像中第i个光斑y坐标与参考光斑I坐标的差修正值；
[0035]处理完之后用每幅图像参考光斑的X坐标为横轴，y坐标为纵轴，将处理得到的修正值制成修正表格，用于在测量时查表修正，或者插值计算修正。
[0036]修正表格如下:
[0037]
【权利要求】
1.一种2X2阵列光源扫描式面形测量光学系统标定方法，其特征在于包括以下步骤: 步骤一、在组装好扫描式面形测量光学系统后，在扫描式面形测量光学系统的出射光路上布置标定平台，该标定平台能将扫描式面形测量光学系统射出的平行光沿原路平行反射回所述扫描式面形测量光学系统； 步骤二、启动所述扫描式面形测量光学系统中的激光器(1)，预热30分钟，激光器(I)发出的光依次经准直系统(2)准直，然后通过分光镜(3)进入扩束系统(4)进行扩束，楔镜组(5)将扩束后的光束分成四束平行光从扫描式面形测量光学系统射出，并投向所述标定平台； 步骤三、调整所述标定平台上的精密二维偏摆平台(8)，固定在精密二维偏摆平台(8)上的夹具(7)随之移动，使夹具(7)夹持的反射镜(6)与扫描式面形测量光学系统垂直，反射镜(6)反射四束平行光依次通过楔镜组(5)和扩束系统(4)后，经分光镜(3)折射到五棱镜(9)后，再通过成像透镜(10)在CXD(Il)上成像，在CXD(Il)观察到的图像中四个光斑位于图像的中心； 步骤四、根据扫描式面形测量光学系统的视场角范围设定标定平台的驱动步数；根据驱动步数所需要的精细程度设定扫描式面形测量光学系统中激光器(I)的单次驱动步数； 步骤五、确定四个光斑中的任意一个为参考光斑，驱动精密二维偏摆平台(8)上的压电陶瓷机构，使参考光斑位置发生变化，记录参考光斑位置及四个光斑位置相对变化量，完成CCD —行数据采集； 步骤六、重复步骤三至步骤五，完成CXD成像全区域行、列数据采集，实现扫描式面形测量光学系统测试动态范围内的角度标定。
2.根据权利要求1所述2X2阵列光源扫描式面形测量光学系统标定方法，其特征在于:所述角度标定是根据图像成像的结果，以每幅图像上左边那个光斑的中心位置为参考，计算其他三个光斑的中心位置与参考光斑中心位置的关系，可以用式(Ia)和(Ib)表示: Δ Xni — Xn1-Xnl-Δ xi0(Ia) ΔΥη? = Yn1-Ynl- Δ YiO-----------------------------(lb) 式中i = 2、3、4，表示图像中除参考光斑外的其他三个光斑，Λ Xitl表示理想状态下第i个光斑X坐标与参考光斑X坐标差，Λ yi0表示理想状态下第i个光斑y坐标与参考光斑y坐标差，η = 1、2、3...，表示第η幅图像，χη1表示第η幅图像中参考光斑的χ坐标，ynl表示第η幅图像中参考光斑的y坐标，Xni表示第η幅图像中除参考光斑外其他光斑的χ坐标，Yni表示第η幅图像中除参考光斑外其他光斑的y坐标，Δ xni表示第η幅图像中第i个光斑χ坐标与参考光斑χ坐标的差修正值，Λ yni表示第η幅图像中第i个光斑y坐标与参考光斑I坐标的差修正值； 处理完之后用每幅图像参考光斑的χ坐标为横轴，y坐标为纵轴，将处理得到的修正值制成修正表格，用于在测量时查表修正，或者插值计算修正。
【文档编号】G01B11/24GK104019764SQ201410279851
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月20日 优先权日:2014年6月20日
【发明者】刘长春, 熊召, 陈海平, 袁晓东, 周海, 曹庭分, 叶海仙, 郑万国 申请人:中国工程物理研究院激光聚变研究中心