CN102607408B - 一种校正干涉仪成像系统畸变的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种校正干涉仪成像系统畸变的方法，此方法基于被测件重叠子区域数据的重叠区域上有明确标记点或者镜面面形信息特征，对干涉仪成像系统畸变进行校正，校正干涉仪成像系统畸变方法的系统包括干涉仪、被测件、调整机构及计算机系统，计算机系统与干涉仪连接，调整机构实现对被测件的调整；通过安装在计算机系统上的干涉仪数据处理软件获得经过调整机构调整的被测件上具有重叠区域的子区域数据，最后将得到的子区域测试数据送入计算机系统进行处理，获得干涉仪成像畸变系数及校正后的面形误差；本发明为高精度面形加工测量提供检测方法，具有较大的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于先进光学制造与检测领域，涉及光学检测系统，特别是光学成像系统。
背景技术
干涉仪在高精度的光学加工与检测中有着不可替代的作用，随着光学制造技术的不断发展，高精度的光学器件在加工过程中需要高精度的干涉仪来进行检测，进而指导下一步的加工工作。现代干涉仪必然会涉及到成像系统，成像系统的好坏制约着干涉仪的检测精度，而干涉仪成像系统必然会有成像畸变，成像畸变必然会引起测量误差。
在高精度光学元件的抛光加工阶段，通常加工师傅在工件表面做好标记点，根据这些标记点和干涉仪检测结果显示的镜面的相应缺陷位置的关系来指导下一阶段的抛光加工，然而由于成像系统畸变的存在，干涉仪检测得到的标记点和镜面缺陷的位置关系偏离了它们之间实际的关系，同时由于干涉仪成像系统畸变的存在，测量得到的镜面缺陷量也会与实际不同，这些都会影响最终加工的面形质量。
一般成像系统畸变的校正通常可以分为基于标定模板和不使用标定模板两种方法。使用标定模板进行畸变校正，其标定板如采用点阵图、平面网格、同心圆环、西洋棋盘等，根据模板上特征点的位置和其理想点的位置偏差来求取畸变系数；不使用标定模板的方法有，基于畸变率、基于畸变等效曲面、基于测量设备等校正算法迭代或直接求出畸变系数。但是干涉仪成像系统与一般照相机的成像系统有很大的不同，其对物体一般不会直接成像在CCD上，所以一般成像系统的校正方法不适用校正干涉仪成像系统的畸变。
为了校正干涉仪成像系统畸变引入的测量误差，Donald Golini，Greg Forbes，Paul Murphy等(Method for self-calibrated sub-aperture stitching for surface figure measurement，USPatent#2003011763241，2003，QED Technologies，Inc.)提出了一种校正干涉仪成像畸变测量误差的方法。该方法的特点是使用多项式拟合的方式来校正干涉仪成像畸变引入的测量误差，但是该方法对标记点和被测件局部面形误差的关系并没有进行很好的校正。
刘满林，杨旺，许伟才等(干涉仪成像畸变引起测量误差的校正方法.光学精密工程，2010，19(10)：2349-2354)也提出了干涉仪成像畸变引起的测量误差的校正方法，该方法的特点是把零条干涉条纹时得到的被测件面形信息作为基准，用多项式拟合的方式对干涉图不是零条纹时的干涉仪成像畸变引起的测量误差进行了校正，但是该方法同样对标记点和被测件局部面形误差的关系并没有进行很好的校正。
发明内容
本发明提出一种校正干涉仪成像系统畸变的方法，该方法利用需要检测的被测件来实现校正，通过干涉仪测量得到被测件上的不同子区域数据，利用不同子区域的重叠区域上的明确标记点或者镜面面形信息特征求出干涉仪成像的畸变系数，从而得到标记点与被测件面形局部误差的关系，同时对干涉仪成像系统畸变引起的测量误差进行校正，该方法结构简单，实施容易，不需要额外实验校正干涉仪成像系统的畸变。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种校正干涉仪成像系统畸变的方法，其特征在于：包括干涉仪、被测件、调整机构及计算机系统，计算机系统与干涉仪连接，被测件通过调整机构进行调节，使干涉仪获得被测件上有相互重叠区域的子区域，最后由安装在计算机系统上的数据处理软件对所得到的子区域数据进行处理，获得干涉仪的成像系统畸变系数及降低畸变所带来的测量误差后的面形分布信息，从而校正干涉仪的成像畸变及获得更高精度的面形分布信息。
上述校正方法不仅可以用于干涉仪成像系统畸变的校正，也可以用于可以获得镜面面形信息的其它成像系统畸变的校正。
所述的校正方法在子区域的数目上可以使用2个或者2个及以上，其子区域可以包含整个被测件的工作面。
所述的校正方法其被测件的子区域面形信息不仅是通过直接自准直获得，同时也可以是通过一些辅助元件而得到的被测件的子区域。
所述的校正方法其被测件的子区域口径大小可以相同也可以不同，只要满足被测件的子区域有足够的重叠区域，且重叠区域上有明确的标记点或者镜面面形信息特征即可。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明方法在检测被测件面形信息过程中完成，不需进行额外的实验对干涉仪成像系统畸变进行标定和校正。
(2)本发明方法利用被测件不同子区域上的重叠区域的标记点或者镜面面形信息特征，从整体上对干涉仪成像系统畸变进行校正。
(3)本发明的校正方法既能有效的降低由于干涉仪成像系统畸变而引起的测量误差，又可以定量的标定被测件的局部面形误差和标定点之间的关系。
本发明结构简单、易于操作，可以用于高精度的光学器件的过程检测和最终面形检测以及子孔径拼接检测。
附图说明
图1为校正及检测系统构成示意图；
图2为干涉仪检测被测件的子区域1；
图3为干涉仪检测被测件的子区域2；
图4为干涉仪检测被测件的子区域1和子区域2的相互关系；
图5为校正方法所涉及到的数据处理流程图。
图中：1为干涉仪，2为被测件，3为调整机构，4为计算机系统。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方法详细介绍本发明。
图1所示，本实施例中的一种校正干涉仪成像畸变的方法包括干涉仪1、被测件2、调控被测件2的调整机构3及计算机系统4。计算机系统4和干涉仪1连接，被测件2固定在调整机构3上，通过安装在计算机系统4上的相移干涉数据处理软件把得到的被测件2上的子区域数据的面形信息提取出来，通过调整机构3调整被测件2和干涉仪1之间的位置关系，实现对被测件2的第二个子区域检测并提出面形信息，调整机构3调整保证两个子区域之间的重叠区域大小不少于测量子区域的30％，最后由安装在计算机系统4上的校正干涉仪成像系统畸变软件将所得到的子区域检测数据进行处理，从而校正干涉仪成像系统畸变及其引起的测量误差。
校正干涉仪成像系统畸变的方法的工作过程及方法步骤如下：
第一步：如图1所示被测件2固定在调整机构3上，通过调整机构调整被测件2和干涉仪1之间的相互几何关系，使得干涉仪可以测得被测件的子区域面形，如图2所示。
第二步：通过调整机构3重新调整被测件2和干涉仪1之间的相互几何关系，使得干涉仪1能够测得被测件的第二个子区域面形，如图3所示，保证被测件的两个子区域之间有足够的重叠数据，两个子区域之间的关系如图4所示。
第三步：通过安装在计算机系统4上的干涉仪处理软件将所获得的被测件的子区域数据保存下来。
第四步：数据处理；
校正干涉仪成像系统畸变的方法所涉及到的数据处理流程如图5所示：在测量被测件的子区域时，由于调整误差的影响，测量数据中主要包含调整误差信息、面形误差信息和由于干涉仪成像系统畸变而产生的误差。处理方法是利用不同子区域的重叠区域上的明确标记点或者镜面面形信息特征误差进行分析。具体过程如下：确定干涉仪光学成像系统的光学中心及测得的被测件2的子区域数据点的中心；读入子区域数据，引入畸变校正系数，可参考文献(ZHANG Z Y.Flexible camera calibration by viewing a plane from unknownorientations[C]//Proeedings of IEEE International Conference on Computer Vision.Colorado，USA：[s.n]，1999：666-673)，对被测件的不同子区域上的重叠区域的标记点或者镜面面形信息特征判读，当标记点完全重合或者镜面残差均方根最小时，得到畸变校正系数。畸变校正系数确定后，根据像差模型对干涉仪成像系统畸变进行校正，得到接近实际的标记点与被测件局部面形误差的关系。利用干涉仪成像理论对干涉仪成像系统畸变引入的测量误差进行校正，得到能够更好的反映被测件面形误差分布的高精度面形信息，可参考文献(Selberg L A.Interferometer accuracy and precision[J].SPIE，1990，1400：24-33)。
当图1或图2的被测件的子区域中有一个子区域覆盖住被测件的全口径时，经过此校正方法校正之后就可以得到更为精确的反映被测件全口径面形误差分布的高精度面形信息。
Claims (4)
1.一种校正干涉仪成像系统畸变的方法，其特征在于：其包括干涉仪(1)、被测件(2)、调整机构(3)及计算机系统(4)，其中计算机系统(4)与干涉仪(1)连接，被测件(2)通过调整机构(3)进行调节，使干涉仪(1)获得被测件(2)上有相互重叠区域的子区域，最后由安装在计算机系统(4)上的数据处理软件对所得到的子区域数据进行处理，获得干涉仪的成像系统畸变系数及降低畸变所带来的测量误差后的面形分布信息，从而校正干涉仪的成像畸变及获得更高精度的面形分布信息；具体为：确定干涉仪光学成像系统的光学中心及测得的被测件(2)的子区域数据点的中心；读入子区域数据，引入畸变校正系数，对被测件的不同子区域上的重叠区域的标记点或者镜面面形信息特征判读，当标记点完全重合或者镜面残差均方根最小时，得到畸变校正系数；畸变校正系数确定后，根据像差模型对干涉仪成像系统畸变进行校正，得到接近实际的标记点与被测件局部面形误差的关系；利用干涉仪成像理论对干涉仪成像系统畸变引入的测量误差进行校正，得到能够更好的反映被测件面形误差分布的高精度面形信息。
2.根据权利要求1所述的一种校正干涉仪成像系统畸变的方法，其特征在于：该校正方法使用2个或者2个以上的子区域，其子区域包含整个被测件的工作面。
3.根据权利要求1所述的一种校正干涉仪成像系统畸变的方法，其特征在于：被测件的子区域面形信息不仅能够通过直接自准直获得，还能够通过一些辅助元件得到。
4.根据权利要求1所述的一种校正干涉仪成像系统畸变的方法，其特征在于：被测件的子区域口径大小相同或不同，只要满足被测件的子区域有足够的重叠区域，且重叠区域上有明确的标记点或者镜面面形信息特征。
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