CN101354308A - 数字视差测量仪及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种数字视差测量仪及测量方法。本发明包括光源、物镜、图像采集模块、计算机、机电平移台。光源通过目镜照明被测光学系统的分划板，光线透过望远物镜后进入物镜并在图像采集模块上成像，图像采集模块将所成图像传送给计算机，计算机控制机电平移台实现机电平移，机电平移台向计算机返回机电平移数据；物镜装卡于机电平移台上。本发明还可以包括分光系统，光线通过分光系统进入粗瞄摄像机，将采集到的视频信号传输给监视器，用于测量前的粗瞄对准。本发明用计算机来修正由环境变化引起的测量误差，具有精度高、速度快、客观性好的优点，可用于光学系统的检测与装配过程中的高精度视差测量。

Description

数字视差测量仪及测量方法

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种数字视差测量仪及测量方法，可用于光学系统分划板的检测与装配过程中的高精度视差测量。

技术背景

光学系统结构如图1所示，其中分划板3很难保证准确地装在望远物镜2(或等值物镜)的像方焦面4上，距焦面有一定线视差6，则无穷远目标的平行光线1经望远物镜2所成的像就不会会聚在分划板3上，因此人眼不能同时看清目标与分划板3，影响对目标的观测；由于线视差6的影响，通过光学系统的目镜5观察，人眼在目镜5垂轴方向移动时，视场中无穷远物体的像与分划线会相互错动，在物方产生全视差角7，影响瞄准。

针对各种光学仪器特别是带有分划板的可见光成像系统，经常由于分划板没有精确地调整到望远物镜的焦平面而产生视差，严重地影响了对目标的观测和瞄准。长期以来望远系统在装配时分划板是要靠人眼目视方法实现视差调整。光学系统经过目视视差调整后，全视差角在4′～6′左右，只有高精度和大倍率的光学系统才可调整到≤1′。随着光电仪器的快速发展，各种先进的光电观瞄系统急需高精度的视差测量与调整手段。

有关国内外视差测量技术的检索有：《红外与激光工程》的《一种视差的自动检测方法》；《半导体光电》的《利用CCD实现望远系统视差自动测试的研究》及《光学仪器》的《光学仪器视差自动检测研究》。这些视差测量技术尽管加入CCD摄像和图像采集模块，但是仍然沿用了传统的目视测量方法，沿用了分体式光路，需要由平行光管提供无限远目标，光路调整复杂，引入了较多系统误差，未能实现真正的高精度视差测量。

发明内容

本发明的目的是为了提高视差测量精度、改进视差测量方法而提供一种数字视差测量仪及测量方法，可用于光学系统的检测与装配过程中的高精度视差测量。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的一种数字视差测量仪包括：光源、被测光学系统，还包括物镜、图像采集模块、计算机、机电平移台，其中物镜装卡于机电平移台上；被测光学系统在光源和物镜之间，光源通过目镜照明被测光学系统的分划板，光线透过望远物镜后进入物镜并在图像采集模块上成像，图像采集模块将所成图像传送给计算机(13)，计算机控制机电平移台实现机电平移，机电平移台向计算机返回机电平移数据。

本发明的一种数字视差测量仪在进行测量前的粗瞄对准时，还可以包括分光系统、粗瞄摄像机、监视器，其中光线透过望远物镜后，经分光系统进行光路切换，进入粗瞄摄像机，将采集到的视频信号传输给监视器上；粗瞄对准完成后，分光系统再次切换光路，将望远物镜的透射光线传给物镜。

本发明的一种数字视差测量仪在完成视差测量后，还可以包括环境监测模块与机壳，其中环境监测模块置于机壳内部，将机壳内的环境参数传送给计算机，计算机修正由环境变化引起的测量误差。

本发明的数字视差测量仪的测量方法是：首先将数字视差测量仪的物镜对准望远物镜，然后用光源照明被测光学系统的分划板，分划板依次通过望远物镜、分光系统、物镜后在图像采集模块上成像。而后计算机控制机电平移台带动物镜轴向移动，从而改变了离焦量，实现图像采集模块相对物镜焦点的离焦扫描。在离焦扫描过程中，计算机获取一组不同轴向位置对应分划板的数字图像，并通过软件计算图像清晰度值最高的轴向位置，以此轴向位置的离焦量计算出被测光学系统的线视差及全视差角。

测量进行前，还可以使用分光系统进行光路切换，将望远物镜透射出的光线折转，并在粗瞄摄像机上成像，粗瞄摄像机将采集到的视频信号传输给监视器上，调整人员可根据监视器的图像进行测量前的快速粗瞄对准；粗瞄对准完成后分光系统再次进行光路切换，将望远物镜透射出的光线传给物镜。

测量完成后，还可以使用计算机通过环境监测模块获取机壳内部的环境参数，而后计算机根据环境参数修正被测光学系统的视差测量结果。

测量完成后，还可以使用计算机计算物镜的像差，而后计算机根据物镜的像差值修正被测光学系统的视差测量结果。

本发明对比已有技术具有以下显著优点：

1)改进测量光路，无需使用平行光管提供无限远目标，光路调整方便，测量速度快；

2)实现计算机控制的自动化视差测量，测量速度快；

3)软件修正测量过程中的系统误差，测量精度高；

4)具有粗瞄功能，测前调整速度快。

附图说明

图1为传统视差测量方法原理图；

图2为本发明实施例的系统结构示意图；

图3为本发明实施例的光路图；

图4为本发明实施例的实际测试数据图；

图5为本发明实施例的实际测试数据的统计直方图；

其中：1-平行光线、2-望远物镜、3-分划板、4-像方焦面、5-目镜、6-线视差、7-全视差角、8-光源、9-被测光学系统、10-分光系统、11-物镜、12-图像采集模块、13-计算机、14-环境监测模块、15-机电平移台、16-粗瞄摄像机、17-监视器、18-机壳、19-物镜焦点、20-离焦量。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明的基本思想是利用图像处理软件代替人眼判读图像，以清晰度值作为软件算法判据，排除人眼的主观误差影响，提高测试精度。

测试的核心思路为：首先，由计算机控制机电平移台移动物镜实现一系列离焦平面位置的扫描，在离焦扫描过程中，图像处理软件计算被测分划板在视差测量仪像方清晰度值最高的轴向位置。而后，以此轴向位置对应的离焦量计算出被测光学系统的线视差及全视差角。

实施例

如图2所示，本发明的一种数字视差测量仪，包括光源8、物镜11、图像采集模块12、计算机13、机电平移台15；所述光源8为直流LED光源，通过目镜5照明被测光学系统9的分划板3，光线透过焦距为164.99mm的望远物镜2后，透过焦距为201.4mm的物镜11，并在图像采集模块12上成像。图像采集模块12采用数字CCD摄像机，并将所成图像传送给计算机13，计算机13控制机电平移台15实现机电平移，机电平移台15通过串口向计算机13返回机电平移数据；所述物镜11装卡于机电平移台15上。

还包括分光系统10、粗瞄摄像机16、监视器17，其中粗瞄摄像机16为具有16mm焦距镜头的CCD摄像机，分光系统10为可旋转45°的反射镜，反射镜将望远物镜2出射光线折转90°，并由粗瞄摄像机16接收，摄像机的视频图像在CRT监视器17上显示，用于测量前的快速粗瞄调整。

还包括环境监测模块14，其采用PT100温度传感器，使用串口与计算机连接，可将实时温度参数传送给计算机13，计算机13根据机电平移台15的温度膨胀系数乘以温度变化量得到温度膨胀量，而后在视差测量结果中减去修正膨胀量，修正由温度变化引起的测量误差。

实施例中的物镜11在设计与加工过程中存在其固有的场曲像差，计算机13的软件可以通过物镜11的场曲特征方程计算出场曲值，而后在视察测量结果中减去修正物镜11的场曲值，修正由于物镜11的场曲引起的视差测量误差。

实施例中的机电平移台15通过串口与计算机连接，利用具有0.5μm分辨率的光栅尺构建闭环，机电平移台15的可移动距离为35mm，可实现高精度闭环机电平移。

实施例中的分光系统10采用旋转反射镜，在粗瞄调整完成后，分光系统10的反射镜旋转出光路，此时数字视差测量仪测量光路如图3所示，视差测量方法是：

首先，将数字视差测量仪的物镜11对准望远物镜2，然后用光源8照明被测光学系统9的分划板3，分划板3的光线依次通过望远物镜2、分光系统10、物镜11后在图像采集模块12上成像。

而后，计算机13控制机电平移台15带动物镜11轴向移动，从而改变了离焦量20，实现图像采集模块12相对物镜焦点19的离焦扫描。在离焦扫描过程中，计算机13获取一组不同轴向位置对应分划板3的数字图像，并通过图像处理软件使用环境计算清晰度值最高的轴向位置，以此轴向位置的离焦量20计算出被测光学系统的线视差6及全视差角7。

而后，计算机13通过物镜11的场曲特征方程与环境监测模块14传送的温度数据计算视差结果的修正值，完成对视差测量结果的修正。最后，将修正后的视差测量结果在计算机上显示。

实施例中被测光学系统9采用164.99mm焦距的望远物镜2，数字视差测量仪采用201.4mm焦距的物镜11，重复测量视差100次，软件测试数据如图4所示，被测望远系统线视差6的平均值为53.8μm。对数据进行误差分析后得出，线视差6的扩展不确定度为1.82μm，换算为全视差角7的扩展不确定度为0.32″，直方统计数据图如图5所示。

通过实际检测：此实施例通过一系列的措施提高了视差测量的精度，实现了数字化视差测量，数字视差测量仪与常规测量方法相比，测量精度提高了一个数量级以上。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (7)

1.数字视差测量仪，包括光源(8)、被测光学系统(9)，其特征在于：还包括物镜(11)、图像采集模块(12)、计算机(13)、机电平移台(15)，其中物镜(11)装卡于机电平移台(15)上；以光路走向表述连接关系：被测光学系统(9)在光源(8)和物镜(11)之间，光源(8)通过目镜(5)照明被测光学系统(9)的分划板(3)，光线透过望远物镜(2)后进入物镜(11)并在图像采集模块(12)上成像，图像采集模块(12)将所成图像传送给计算机(13)，计算机(13)控制机电平移台(15)实现机电平移，机电平移台(15)向计算机(13)返回机电平移数据。

2.根据权利要求1所述的数字视差测量仪，其特征在于：在进行测量前的粗瞄对准时，还可以包括分光系统(10)、粗瞄摄像机(16)、监视器(17)，其中光线透过望远物镜(2)后，经分光系统(10)进行光路切换，进入粗瞄摄像机(16)，将采集到的视频信号传输给监视器(17)上；粗瞄对准完成后，分光系统(10)再次切换光路，将望远物镜(2)的透射光线传给物镜(11)。

3.根据权利要求1所述的数字视差测量仪，其特征在于：在完成视差测量后，还可以包括环境监测模块(14)与机壳(18)，其中环境监测模块(14)置于机壳(18)内部，将机壳(18)内的环境参数传送给计算机(13)，计算机(13)修正由环境变化引起的测量误差。

4.数字视差测量仪的测量方法，其特征在于：首先将数字视差测量仪的物镜(11)对准望远物镜(2)，然后用光源(8)照明被测光学系统(9)的分划板(3)，分划板(3)依次通过望远物镜(2)、分光系统(10)、物镜(11)后在图像采集模块(12)上成像；而后计算机(13)控制机电平移台(15)带动物镜(11)轴向移动，从而改变了离焦量(20)，实现图像采集模块(12)相对物镜焦点(19)的离焦扫描；在离焦扫描过程中，计算机(13)获取一组不同轴向位置对应分划板(3)的数字图像，并通过软件计算图像清晰度值最高的轴向位置，以此轴向位置的离焦量(20)计算出被测光学系统的线视差(6)及全视差角(7)。

5.如权利要求4所述的数字视差测量仪的测量方法，其特征在于：在进行权利要求4所述的测量方法前，还可以使用分光系统(10)进行光路切换，将望远物镜(2)透射出的光线折转，并在粗瞄摄像机(16)上成像，粗瞄摄像机(16)将采集到的视频信号传输给监视器(17)上，调整人员可根据监视器(17)的图像进行测量前的快速粗瞄对准；粗瞄对准完成后分光系统(10)再次进行光路切换，将望远物镜(2)透射出的光线传给物镜(11)。

6.如权利要求4所述的数字视差测量仪的测量方法，其特征在于：在进行权利要求4所述的测量方法完成后，还可以使用计算机(13)通过环境监测模块(14)获取机壳(18)内部的环境参数，而后计算机(13)根据环境参数修正被测光学系统的视差测量结果。

7.如权利要求4所述的数字视差测量仪的测量方法，其特征在于：在进行权利要求4所述的测量方法完成后，还可以使用计算机(13)计算物镜(11)的像差，而后计算机(13)根据物镜(11)的像差值修正被测光学系统的视差测量结果。

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