一种适用于斜入式激光干涉测量镜头成像畸变的标定方法与流程

本发明属于激光干涉测量技术领域，涉及一种适用于斜入式激光干涉测量镜头成像畸变的标定方法。

背景技术：

激光干涉测量技术是现代精密测量技术的方法之一。当前斜入式激光干涉测量技术中，对齿轮等复杂曲面的测量所采集的干涉条纹变形严重，主要原因有三种。针对由光线大角度入射引起的干涉条纹图沿光轴方向的压缩变形，及由物体表面弯曲使激光束经物体表面反射后平面波产生发散导致干涉条纹图的扭曲变形问题，可通过光学仿真的方法来解决；由成像透镜畸变特性引起的变形研究较少，尚无有效的解决方法。当前，畸变校正的方法主要有传统标定方法、自标定方法和主动视觉标定方法。就斜入式激光干涉测量技术而言，现有的畸变校正方法存在的不足是自标定方法和主动视觉标定方法不能应用于成像系统基本固定的激光干涉测量中，传统的摄像机标定方法很难直接应用。因此，需要一种镜头成像畸变的标定方法来解决当前斜入式激光干涉测量中因成像透镜畸变特性引起的图像变形、图像配准精度可靠性不高的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种适用于斜入式激光干涉测量镜头成像畸变的标定方法，解决了斜入式激光干涉测量中无直接可用的镜头成像畸变标定方法、图像配准精度可靠性不高的问题。

本发明所采用的技术方案是一种适用于斜入式激光干涉测量镜头成像畸变的标定方法，具体步骤如下：

步骤1，建立平板金属被测面的数学模型；

步骤2，通过步骤1建立的数学模型，利用光路光线追迹计算的仿真方法得到平板金属被测面的仿真干涉图像；

步骤3，利用激光干涉测量系统采集平板金属被测面的实测干涉图像；

步骤4，通过分别将步骤2与步骤3得到的平板金属被测面仿真干涉图像与平板金属被测面实测干涉图像进行比较，建立斜入式激光干涉测量中镜头成像畸变的标定方法。

本发明的特点还在于：

其中步骤1具体为：选择标准零件矩形平板金属为对象，将平板金属被测面置于被测位置，平板金属被测面按x轴方向平均分为m部分，y轴方向上平均分为n部分，将平板金属被测面分为(m+1)(n+1)个网格点，任何一个网格点都可以表示为v(m,n)，其中m＝0,1,2,…,m，n＝0,1,2,…,n，平板金属被测面每个网格点的坐标值表示为：

其中，平板金属长度为l，宽度为w，m和n为正整数；

其中步骤2具体为：利用光路光线追迹计算的仿真方法，得到被测平板金属被测面的仿真干涉图像，仿真干涉图像点表示为v'(m,n)；

其中步骤3具体为：将平板金属置于激光干涉测量系统中，通过控制压电陶瓷pzt的移动实现移项，利用ccd相机采集平板金属被测面的实测干涉图像；

其中步骤4具体为：将分别在步骤2与步骤3得到的仿真干涉图像与平板金属实测干涉图像比较，定义一个校准矩阵e，如下：

其中，m＝0,1,2,…,m，n＝0,1,2,…,n，和分别为利用校准矩阵e对仿真干涉图像校准前后第r行的坐标，和分别为利用校准矩阵e对仿真干涉图像校准前后第s列的坐标，αr为仿真干涉图像第r行的旋转角，βs为仿真干涉图像第s列的旋转角；

通过对图像对比分析，计算校准矩阵的参数αr和βs，公式如下：

其中，α0为平板金属仿真干涉图像边界cd与实测物体边界cd之间的夹角，αm为平板金属仿真干涉图像边界ab与实测物体边界ab之间的夹角，β0为平板金属仿真干涉图像边界ad与实测物体边界ad之间的夹角，βn为平板金属仿真干涉图像边界bc与实测物体边界bc之间的夹角；由此，完成对斜入式激光干涉测量中镜头成像畸变的标定。

本发明的有益效果是：

本发明的一种适用于斜入式激光干涉测量镜头成像畸变的标定方法以标准零件为对象进行分析，提出激光干涉测量系统中镜头成像畸变的标定方法，弥补了当前斜入式激光干涉测量系统中无直接可用的镜头成像畸变校正方法的不足。

附图说明

图1本发明的一种适用于斜入式激光干涉测量镜头成像畸变的标定方法的平板金属网格点的划分图；

图2本发明的一种适用于斜入式激光干涉测量镜头成像畸变的标定方法的镜头成像畸变校准前配准结果图中有效测量区域的边界图；

图3本发明的一种适用于斜入式激光干涉测量镜头成像畸变的标定方法的镜头成像畸变校准前配准结果图中仿真干涉图像与实测干涉图像配准图；

图4本发明的一种适用于斜入式激光干涉测量镜头成像畸变的标定方法的镜头成像畸变校准后配准结果图中有效测量区域的边界图；

图5本发明的一种适用于斜入式激光干涉测量镜头成像畸变的标定方法的镜头成像畸变校准后配准结果图中仿真干涉图像与实测干涉图像配准。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的一种适用于斜入式激光干涉测量镜头成像畸变的标定方法，采用的激光干涉测量系统，该标定方法以具有光滑表面的标准零件矩形平板金属为对象，对镜头成像畸变进行标定，具体包括以下步骤：

步骤1，建立被测齿面的数学模型：选择被测齿轮为对象，将其置于激光干涉测量系统中被测物体位置；被测齿轮表面按x轴方向平均分为m部分，y轴方向上平均分为n部分，其中m和n为正整数；将被测表面分为(m+1)(n+1)个网格点，任何一个网格点都可以表示为u(m,n)，其中m＝0,1,2,…,m，n＝0,1,2,…,n，被测齿面网格点的划分是为了光路光线的追迹计算；

建立平板金属的数学模型：选择标准零件矩形平板金属为对象，将平板金属被测面置于与齿轮测量过程中被测齿面相同的位置且中心重合；平板金属被测表面按x轴方向平均分为m部分，y轴方向上平均分为n部分，将平板金属被测表面分为(m+1)(n+1)个网格点，网格点均匀分布如图1所示；任何一个网格点都可以表示为v(m,n)，其中m＝0,1,2,…,m，n＝0,1,2,…,n，平板金属被测面每个网格点的坐标值表示为：

其中，平板金属长度为l，宽度为w，m和n为正整数；

步骤2，获得平板金属被测面仿真干涉图像：利用光路光线追迹计算的仿真方法，得到被测平板金属被测表面的仿真干涉图像，仿真干涉图像点表示为v'(m,n)，目的是为了与实测干涉图像做对比；

步骤3，采集平板金属被测面的实测干涉图像：将平板金属置于激光干涉测量系统中与被测齿面相同位置，通过控制压电陶瓷pzt的移动实现移项，利用ccd相机采集平板金属被测面的实测干涉图像；

步骤4，镜头成像畸变标定：将分别在步骤2与步骤3得到的仿真干涉图像与平板金属实测干涉图像比较，定义一个校准矩阵e，如下：

其中，m＝0,1,2,…,m，n＝0,1,2,…,n，和分别为利用校准矩阵e对仿真干涉图像校准前后第r行的坐标，和分别为利用校准矩阵e对仿真干涉图像校准前后第s列的坐标，αr为仿真干涉图像第r行的旋转角，βs为仿真干涉图像第s列的旋转角。

通过对图像对比分析，计算校准矩阵的参数αr和βs，公式如下：

其中，α0为平板金属仿真干涉图像边界cd与实测物体边界cd之间的夹角，αm为平板金属仿真干涉图像边界ab与实测物体边界ab之间的夹角，β0为平板金属仿真干涉图像边界ad与实测物体边界ad之间的夹角，βn为平板金属仿真干涉图像边界bc与实测物体边界bc之间的夹角；

由此，完成对斜入式激光干涉测量中镜头成像畸变的标定。

可行性实验验证：选择被测齿轮为对象，将其置于激光干涉测量系统中，将被测齿面与平板金属被测面置于相同测量位置，利用光路光线追迹计算的仿真方法，得到被测齿轮齿面的仿真干涉图像。将被测齿面与平板金属被测面置于相同测量位置，利用ccd相机采集齿轮被测面的实测干涉图像。镜头成像畸变校准前，对激光干涉测量过程中实测干涉图像与仿真干涉图像进行配准如图2和图3所示。将本发明一种适用于斜入式激光干涉测量镜头成像畸变的标定方法应用在内，镜头成像畸变校准后对实测干涉图像与仿真干涉图像进行配准如图3和图4所示，通过对比，利用本发明的标定方法进行图像配准使得实测干涉图像与仿真干涉图像形状更加一致，图像配准效果更好。