CN103712573B - 双通道干涉测量中面阵图像传感器的空间匹配校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双通道干涉测量中面阵图像传感器的空间匹配校正方法，包括如下步骤：设置干涉光路；在干涉光路中加入三孔板和分光棱镜利用重心重合法对两个图像传感器进行初步对准；光栅衍射法进行角度调整；球面波干涉法与光栅衍射法结合进行距离和角度精密调整以及图像相关匹配算法精确匹配像素位置。本发明利用面阵光电图像传感器件光敏面上的像素的二维周期光栅结构、根据干涉和衍射原理、通过相关算法计算等方法，实现双通道及多通道相移干涉测量中不同图像传感器之间横向和纵向位置、倾斜和旋转角度等空间参数的精密匹配。

Description

双通道干涉测量中面阵图像传感器的空间匹配校正方法

技术领域

本发明涉及干涉测量、光电检测、数字干涉测量领域，具体是指双通道干涉测量中面阵图像传感器的空间匹配校正方法。

背景技术

光学干涉测量技术是公认的实现形状、形变和折射率等物理量精密测量的常用手段，多通道相移干涉测量方法是降低环境影响，实现动态相位测量的重要技术。实现多通道相移干涉测量时，除了要求图像传感器之间的光电性能一致之外，需要图像传感器之间的空间位置和取向严格匹配，才能在不同图像传感器上获得相位精密匹配的干涉图，从而保证测量结果的精度。

在干涉测量中，直接记录到的是干涉光场的强度分布，而被测物理量则直接或间接地反应在干涉条纹的相位的变化中，因此从干涉条纹图的光强分布中提取相位信息的方法，即光学相位测量方法，受到人们的重视。光电数字图像传感器的出现和计算机技术的发展为相位测量技术的发展创造了有利的条件并推动了它的发展。光学相位测量方法中最主要的方法之一是相移干涉测量方法，这种方法能够达到千分之一波长的高精度。通常采用时域相移方法实现相移干涉测量，该方法在不同时刻在干涉图中附加单调变化的相移量，同时采集不同相移量的多幅相移干涉图，继而从序列相移干涉图中计算出待测量的相位。时域相移方法的主要问题是相移过程中容易受外界环境干扰，难以实现动态相位测量。

为了在相移干涉测量中减少外界环境干扰，实现动态相位测量，发展出了在同一时刻实现不同相移量相移的同步相移方法，这种方法可在同一时刻不同空间位置采集多幅相移干涉图。由于这种方法能同时采集到多幅不同空间位置的相移干涉图，能够用于动态相移干涉测量。由于是在不同空间位置同时采集相移干涉图，为了保证测量精度，除了要求不同探测器光电性能一致之外，还需使不同图像传感器之间的纵向位置、横向位置、倾斜角度、旋转角度等空间参数实现精密匹配。

发明内容

本发明的目的是提出一种双通道干涉测量中面阵图像传感器的空间匹配校正方法，该方法利用面阵光电图像传感器件光敏面上的像素的二维周期光栅结构、根据干涉和衍射原理、通过相关算法计算等方法，实现双通道及多通道相移干涉测量中不同图像传感器之间横向和纵向位置、倾斜和旋转角度等空间参数的精密匹配。

本发明的上述目的通过如下技术方案来实现的：双通道干涉测量中面阵图像传感器的空间匹配校正方法，包括如下步骤：

（1）设置干涉光路，以干涉光路中入射光线传输方向为x方向，y方向垂直于x方向，两个图像传感器中一个位于x方向，另一个位于y方向，首先根据干涉光路的设置将两个图像传感器中的一个确定为参考传感器，另外一个以参考传感器为调校标准进行调校，两个图像传感器分别承托在各自的六维调节支架上；

（2）在干涉光路中加入三孔板和分光棱镜，三孔板正对入射光线，并且位于x方向和y方向相交的交点之前，分光棱镜位于三孔板后方，且分光棱镜的中心线与三孔板的中心线相重合，利用重心重合法对两个图像传感器进行初步对准，具体过程为：入射光线通过三孔板后，经过分光棱镜分为两束光线后分别在两个图像传感器的阵列面上成像；根据图像的重心不变性，计算出两幅图像的不同区域的重心位置，粗略调整两个图像传感器的横向位置、纵向位置、偏转角和旋转角，通过调整使得两个图像传感器不同区域重心位置重合，实现两个图像传感器之间的横向位置、纵向位置、偏转角和旋转角的粗略校准和匹配；

（3）光栅衍射法进行角度调整：移除干涉光路中的三孔板，用激光通过分光棱镜照向两个图像传感器，在观察屏幕上可以看到两个图像传感器表面反射出的衍射光斑，调节图像传感器各自的六维调节支架的调节钮，使两个图像传感器的衍射光斑完全重合并出现干涉条纹，实现两个图像传感器的初步匹配，初步匹配后得到精确的横向位置匹配以及较精确的纵向位置、偏转角和旋转角的匹配，该六维调节支架能够实现左右、上下、前后三个平移调节以及水平、垂直偏转调节、绕图像传感器阵列面法向旋转调节；

（4）球面波干涉法与光栅衍射法结合进行距离和角度精密调整：在干涉光路中移除三孔板，在放置三孔板的位置替换成透镜，使照射激光变为球面光波，精细调节六维调节支架的调节钮，使观察屏幕上各点的干涉条纹级次最少，实现两个图像传感器除左右、上下位置外的空间位置精密校准，两个图像传感器除左右、上下位置外的空间位置指的是横向位置、纵向位置、偏转角和旋转角位置，其中，横向位置，即垂直于激光传播方向的平面空间中的位置，纵向位置指的是沿着激光传播方向的位置，偏转角的意思是图像传感器平面法线与激光传播方向的夹角，旋转角就是在横向位置中两个图像传感器光栅线方向之间的夹角。

本发明可以做如下改进：该方法还包括步骤（5）、图像相关匹配算法精确匹配像素位置：对调校完毕的两个图像传感器，通过两个通道同时采集干涉图样，应用图像相关匹配算法精确匹配两个图像传感器的左右、上下位置，实现两个图像传感器所有空间位置的匹配校准。

本发明中，所述步骤（4）中精细调节六维调节支架的调节钮，使观察屏幕上各点的干涉条纹级次最少的具体步骤为：第一步，调节图像传感器倾角旋钮，使得几个斑点的干涉条纹形状一致；第二步，调节图像传感器的前后位置，使得中心最亮点的干涉环变大，干涉环数量变少；重复第一步和第二步，直至所有斑点上的干涉环消失，变成亮斑，这样两套衍射光斑完全重合，此时，可认为两个图像传感器的前后距离和倾角已经校准好，即两个图像传感器的横向位置、纵向位置、偏转角和旋转角位置已经校准好。

本发明中，所述的两个图像传感器为型号相同的两个CCD。

与现有技术相比，本发明具有如下显著效果：

1、本发明提出一种利用面阵图像传感器件光敏面像素二维周期光栅结构、根据干涉和衍射原理、通过相关算法计算等方法，实现双通道及多通道相移干涉测量中不同图像传感器之间横向纵向位置、倾斜旋转角度等空间位置的精密匹配技术。

2、本发明提出了利用二维阵列图像传感器本身像素阵列反射出的衍射斑点来对准两个图像传感器三维空间位置的方法。使用高斯光束照射时，该方法能够十分精确地调整两个图像传感器三维空间的位置。

3、本发明提出了利用球面波干涉方法精确确定两个图像传感器距离的方法。

4、本发明提出了使用三孔板重心相关匹配搜索方法对两个图像传感器进行匹配定位方法。

5、本发明提出了用两个图像传感器分别采集相移量相差为180°的干涉条纹图，利用二者之间的互补关系，通过计算最小相关系数来匹配两个图像传感器采集的图像间的精确位置的方法。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

图1是本发明适用的空间相移干涉系统示意图，图中虚线框出部分为图像采集单元；

图中：1、激光光源，2、半波片，3、偏振分光棱镜，4、相移器，5、平面镜，6、偏振分光棱镜，7、半波片，8、分光棱镜，9、四分之一波片，10、偏振分光棱镜，11、偏振分光棱镜，12、图像传感器，13、图像传感器；

图2A是两个图像传感器位置不匹配时出现的情况，此时二者前后位置不一致；

图2B是两个图像传感器位置不匹配时出现的情况，此时二者左右、上下位置不匹配；

图2C是两个图像传感器位置不匹配时出现的情况，此时二者倾角不一致；

图2D是两个图像传感器位置不匹配时出现的情况，此时二者绕法线旋转角不一致；

图3A是两个通道干涉图相关的搜索过程之一；

图3B是两个通道干涉图相关的搜索过程之二；

图4是本发明中所用的干涉光路；

图中：14、CCD3，15、三孔板组件；

图5A是本发明中三孔板组件的结构物；

图5B是本发明中三孔板的图样；

图中：151、三孔板，152、透镜；

图6是本发明的叠加图样结果图。

具体实施方式

本发明适用的双通道空间同步相移干涉系统示意图如图1所示，其中图像传感器12和图像传感器13是需要进行匹配校正的两个图像传感器。两个图像传感器之间要求匹配的空间位置可以归纳为以下四种不同情况：（1）两个传感器之间的纵向距离；（2）两个传感器阵列面上像素点的左右和上下位置；（3）传感器阵列面俯仰倾斜；（4）阵列面绕其法向的旋转。四种失配情况分别如图2A至图2D所示，图中黑色区域表示图像传感器的光电转换阵面。

两个图像传感器阵列面空间匹配的目标是：二者阵列面的俯仰倾角及法向旋转角一致；两传感器的空间纵向距离相同（即两CCD与分光棱镜的距离）；阵列面上像素点的左右和上下位置匹配。本发明利用图像传感器阵列面上二维周期排列的像素单元作为二维周期光栅，通过激光束在阵列面上反射形成的衍射光点分布校正二者阵列面的水平、俯仰偏转角及法向旋转角的差异；通过球面波干涉原理，精确校正二传感器之间的空间纵向距离差，同时对二者阵列面的水平、俯仰偏转角及法向旋转角做精密校正；最后利用图像相关匹配算法计算出两个阵列面之间图像像素的匹配位置。

一束激光通过分光棱镜之后分为两束成水平镜像关系的光束。当用两个CCD来拍摄这两束光时，为了使这两束光分别在像素阵面上的成像一致，应先对这两个CCD同一时刻采集到的两张图做水平镜像处理，进而便于对两CCD空间位置进行调整匹配。

本发明双通道干涉测量中面阵图像传感器的空间匹配校正方法，包括如下步骤：

（1）设置干涉光路，如图4所示，以干涉光路中入射光线传输方向为x方向，y方向垂直于x方向，两个图像传感器中一个位于x方向，另一个位于y方向，首先根据干涉光路的设置将两个图像传感器中的一个确定为参考传感器，另外一个以参考传感器为调校标准进行调校，两个图像传感器分别承托在各自的六维调节支架上，两个图像传感器为型号相同的两个CCD；

（2）在干涉光路中加入三孔板和分光棱镜，三孔板正对入射光线，并且位于x方向和y方向相交的交点之前，分光棱镜位于三孔板后方，且分光棱镜的中心线与三孔板的中心线相重合，利用重心重合法对两个图像传感器进行初步对准，具体过程为：入射光线通过三孔板后，经过分光棱镜分为两束光线后分别在两个图像传感器的阵列面上成像；根据图像的重心不变性，计算出两幅图像的不同区域的重心位置，粗略调整两个图像传感器的横向位置、纵向位置、偏转角和旋转角，通过调整使得两个图像传感器不同区域重心位置重合，实现两个图像传感器之间的横向位置、纵向位置、偏转角和旋转角的粗略校准和匹配；

该步骤在进行粗调时，是在分光棱镜前加一个三孔板，此时，两个图像传感器所采集到的图像是三个圆斑。将经过水平镜像处理的两幅图进行分块处理，把三个圆斑分别划分在不同区域，再找出各个区域的重心。调整图像传感器面的高度和旋转角度，使得两个面上的三个重心点分别重合。

使用三孔板只能粗略校准两个图像传感器的高度，基本保证了两个图像传感器像素面没有相对旋转。为了进一步校正图像传感器三维空间摆放位置，需要进行精细调整。

（3）光栅衍射法进行角度调整：移除干涉光路中的三孔板，用激光通过分光棱镜照向两个图像传感器，在观察屏幕上可以看到两个图像传感器表面反射出的衍射光斑，调节图像传感器各自的六维调节支架的调节钮，使两个图像传感器的衍射光斑完全重合并出现干涉条纹，实现两个图像传感器的初步匹配，初步匹配后得到精确的横向位置匹配以及较精确的纵向位置、偏转角和旋转角的匹配；

图像传感器光电转换阵列面上的像素点排列规则、横纵有致，相当于正交光栅。因此图像传感器阵列面具有正交光栅的功能，能对照射在其上的激光产生衍射作用，使得反射光为排列规则的衍射斑点。这些衍射斑点在空间分布情况能够反应出图像传感器像素阵面的空间位置情况：当图像传感器阵列面的空间位置产生水平倾斜、垂直倾斜、旋转等变动时，其衍射斑点相应地上下移动、左右移动、旋转。当两个图像传感器像素阵面的空间位置接近一致时，两套衍射斑逐渐重合，这时各衍射斑点上就会出现干涉条纹（一般会有9个斑点比较亮）。当两图像传感器与分光棱镜的距离稍有不同时，屏幕上反映出各个衍射光斑点处的干涉条纹形状和数量不一样。

（4）球面波干涉法与光栅衍射法结合进行距离和角度精密调整：在干涉光路中移除三孔板，在放置三孔板的位置替换成透镜，使照射激光变为球面光波，精细调节六维调节支架的调节钮，使观察屏幕上各点的干涉条纹级次最少，实现两个图像传感器除左右、上下位置外的空间位置精密校准，两个图像传感器除左右、上下位置外的空间位置指的是横向位置、纵向位置、偏转角和旋转角位置；

所述步骤（4）中精细调节六维调节支架的调节钮，使观察屏幕上各点的干涉条纹级次最少的具体步骤为：将粗调时使用的三孔板换成透镜，此时相当于采用球面波进行干涉，中心最亮点必将出现干涉环。第一步，调节CCD倾角旋钮，使得几个斑点的干涉条纹形状一致，第二步，调节CCD的前后位置，使得中心最亮点的干涉环变大，干涉环数量变少。重复第一步和第二步，直至所有斑点上的干涉环消失，变成亮斑，这样两套衍射光斑完全重合。此时，可认为两个CCD前后距离和倾角已经校准好。

（5）图像相关匹配算法精确匹配像素位置：对调校完毕的两个图像传感器，通过两个通道同时采集干涉图样，应用图像相关匹配算法精确匹配两个图像传感器的左右、上下位置，实现两个图像传感器所有空间位置的匹配校准。

在两CCD空间位置匹配的基础上，还需确保采集得到的不同干涉图像素位置匹配。图像相关匹配算法是干涉图相对位置标定常用且行之有效的方法，如图3A、图3B所示，本发明步骤（5）中图像相关匹配算法的具体过程为：从两CCD所采的一系列图中挑出相同时刻采集到的两幅干涉图I₁（已进行水平镜像处理）和I₂，在I₁水平镜像图中选取大小为m×m的子区域A，此区域包含有所需要的相位信息。从I₂图中截取出同样大小为m×m的区域B与区域A代入公式（1）进行相关系数计算。

相关系数函数为：

$C=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}[f(x_i,y_j)\·g({x_i}^{*},{y_j}^{*})]}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{f}^2(x_i,y_j)\·\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{g}^2({x_i}^{*},{y_j}^{*})}}---\left(1\right)$

式中C表示相关系数，f(x_i,y_j)表示参考区域A中某点(x_i,y_j)处的灰度值，g(x_i ^*,y_j ^*)表示从n₂₁截取大小为m×m的某区域中的某一点(x_i ^*,y_j ^*)处的灰度值，找到相关系数最小的目标区域B后，则

dx＝x_i ^*-x_i(2)

dy＝y_j ^*-y_j(3)

其中dx,dy表示区域A和B的横、纵向位置差（图3B中用双箭头标出），同时也是干涉条纹空间位置的横、纵向差值。dx,dy标定了两个通道干涉条纹图的相对位置。

在理论上，相位相差为180°的两幅干涉图相关系数为最小。依靠计算相关系数最小值来进行标定。

本发明的空间匹配校正方法，按照图4，搭建具体光路，入射光(球面波)通过偏振分光棱镜后，反射光照射图像传感器12，透射光照射图像传感器13。他们的反射光再次通过分光棱镜，在CCD3上形成衍射斑重合区。调节图像传感器12和图像传感器13架上的旋钮，按照本发明提出的方法进行调节。图6所示为CCD3上采集的衍射叠加图样，当图像传感器12和图像传感器13已经基本校正好时，图6中心的圆环接近为圆斑。

Claims (4)

1.双通道干涉测量中面阵图像传感器的空间匹配校正方法，包括如下步骤：

(1)设置干涉光路：以干涉光路中入射光线传输方向为x方向，y方向垂直于x方向，两个图像传感器中一个位于x方向，另一个位于y方向，首先根据干涉光路的设置将两个图像传感器中的一个确定为参考传感器，另外一个以参考传感器为调校标准进行调校，两个图像传感器分别承托在各自的六维调节支架上；

(2)在干涉光路中加入三孔板和分光棱镜，三孔板正对入射光线，并且位于x方向和y方向相交的交点之前，分光棱镜位于三孔板后方，且分光棱镜的中心线与三孔板的中心线相重合，利用重心重合法对两个图像传感器进行初步对准，具体过程为：入射光线通过三孔板后，经过分光棱镜分为两束光线后分别在两个图像传感器的阵列面上成像；根据图像的重心不变性，计算出两幅图像的不同区域的重心位置，粗略调整两个图像传感器的横向位置、纵向位置、偏转角和旋转角，通过调整使得上述两幅图像的不同区域的重心位置重合，实现两个图像传感器之间的横向位置、纵向位置、偏转角和旋转角的粗略校准和匹配；

(3)光栅衍射法进行角度调整：移除干涉光路中的三孔板，用激光通过分光棱镜照向两个图像传感器，在观察屏幕上可以看到两个图像传感器表面反射出的衍射光斑，调节图像传感器各自的六维调节支架的调节钮，使两个图像传感器的衍射光斑完全重合并出现干涉条纹，实现两个图像传感器的初步匹配，初步匹配后得到精确的横向位置匹配以及较精确的纵向位置、偏转角和旋转角的匹配；

(4)球面波干涉法与光栅衍射法结合进行距离和角度精密调整：在干涉光路中移除三孔板，在放置三孔板的位置替换成透镜，使照射激光变为球面光波，精细调节六维调节支架的调节钮，使观察屏幕上各点的干涉条纹级次最少，实现两个图像传感器除左右、上下位置外的空间位置精密校准，两个图像传感器除左右、上下位置外的空间位置指的是横向位置、纵向位置、偏转角和旋转角位置。

2.根据权利要求1所述的双通道干涉测量中面阵图像传感器的空间匹配校正方法，其特征在于：该方法还包括步骤(5)、图像相关匹配算法精确匹配像素位置：对调校完毕的两个图像传感器，通过双通道干涉测量中的两个通道同时采集干涉图样，应用图像相关匹配算法精确匹配两个图像传感器的左右、上下位置，实现两个图像传感器所有空间位置的匹配校准。

3.根据权利要求1或2所述的双通道干涉测量中面阵图像传感器的空间匹配校正方法，其特征在于：所述步骤(4)中精细调节六维调节支架的调节钮，使观察屏幕上各点的干涉条纹级次最少的具体步骤为：第一步，调节图像传感器倾角旋钮，使得几个斑点的干涉条纹形状一致；第二步，调节图像传感器的前后位置，使得中心最亮点的干涉环变大，干涉环数量变少；重复第一步和第二步，直至所有斑点上的干涉环消失，变成亮斑，这样两套衍射光斑完全重合，此时，可认为两个图像传感器的前后距离和倾角已经校准好，即两个图像传感器的横向位置、纵向位置、偏转角和旋转角位置已经校准好。

4.根据权利要求3所述的双通道干涉测量中面阵图像传感器的空间匹配校正方法，其特征在于：所述的两个图像传感器为型号相同的两个CCD。