CN103954434B - 一种光轴校准治具、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光轴校准治具、系统及方法，所述光轴校准治具包括本体，所述的本体上开有圆形通孔，所述通孔为两端面相互平行的直孔，所述的通孔长度，其中，h为校准照相机的一个像素的长度，为治具最大的偏差角度值。本发明的光轴校准治具既能够将偏差限定在其被测产品要求的精度范围内，满足校准精度需求，而且可以使校准治具的校准精度不会过大，有利于减少校准时候的计算量，结构简单，极大的降低了光轴校准设备的成本。

Description

一种光轴校准治具、系统及方法

技术领域

本发明属于光轴校准技术领域，具体地说，是涉及一种光轴校准治具、系统及方法。

背景技术

在各种光学设备或治具的校准中,光轴的校准精度会直接影响到设备的精准度,是设备调试人员重要工作之一。

目前一般使用三点一线的方式校准直线,但是对于光轴的校准就比较困难了,必须一些高精度的仪器来检测,或者使用激光,自准直仪等。

如图1所示，为自准直仪的光轴校准原理,校准照相机2处发出一束光经过平板玻璃5，一部分光反射回校准照相机2，一部分光穿过平板玻璃5由后平面6反射回校准照相机2，通过调试使得两束反射光重合，并处在照相机2的中心位置上，即认为校准照相机2、平板玻璃5及承载台4，后平面6三者平行且同轴。这种办法成本较高，需要一块高精度的平板玻璃，和一个平行光发射器，且要把平行光信号发生器和照相机组合，组合精度会要求比较高。

现有光学测量设备校准多是以自准直仪原理进行的，这种光学测量设备固然精度很高，但是成本太高，对于一些预算较少的机器配备使用不合适，不利于降低产品成本。

发明内容

本发明为了解决现有光轴校准治具结构复杂、成本高的问题，提供了一种光轴校准治具、系统及方法，结构简单，成本低。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种光轴校准治具，包括本体，所述的本体上开有圆形或者多边形的通孔，所述通孔为两端面相互平行的直孔，所述的通孔长度，其中，h为校准照相机的一个像素的长度，为治具最大的偏差角度值。

进一步的，所述通孔的各点处内径一致。

进一步的，所述的本体为长方体结构或者圆柱体结构。

基于上述的一种光轴校准治具，本发明同时提供了一种光轴校准系统，包括校准照相机、用于固定所述校准照相机的相机支架、光轴校准治具、以及承载台，所述的光轴校准治具固定在所述承载台上，所述的光轴校准治具包括本体，所述的本体上开有圆形或者多边形的通孔，所述通孔为两端面相互平行的直孔，所述的通孔长度，其中，h为校准照相机的一个像素的长度，为治具最大的偏差角度值，所述的承载台留有透光孔，所述透光孔与所述的通孔相连通，且所述透光孔的孔径大于通孔的孔径。

进一步的，所述的治具的一侧面贴合在所述的承载台上。

进一步的，所述通孔的各点处内径一致。

此外，基于上述的一种光轴校准治具，本发明同时提供了一种光轴校准方法，包括以下步骤：

（1）、制作光轴校准治具，包括：计算长度值，其中，h为一校准照相机的一个像素的长度，为校准治具最大的偏差角度值；按照长度值L制作光轴校准治具，所述光轴校准治具包括本体，所述的本体上开有圆形或者多边形的通孔，所述通孔为两端面相互平行的直孔,且所述通孔的长度为L；

（2）、将所述的光轴校准治具固定在一承载台上，所述的承载台留有透光孔，所述透光孔与所述通孔相连通，且所述透光孔的孔径大于所述通孔的孔径；

（3）、用所述校准照相机对所述光轴校准治具拍照，所述校准照相机的镜头方向与所述通孔方向一致，所述通孔的两端在照片中分别成像为前端孔形和后端孔形，所述前端孔形和后端孔形为通孔的横截面形状或者通孔的横截面形状的变形；

（4）、判断所述前端孔形和后端孔形的中心点以及所述照片的中心点三个点是否三点重合，若重合，则所述的校准照相机与所述光轴校准治具的光轴一致，若不重合，调整所述校准照相机或者所述承载台，直至所述的三个点重合。

进一步的，步骤（4）中，调整所述校准照相机或者所述承载台的方法为：

（41）、将所述校准照相机或者所述承载台进行左右平移或者左右倾斜，使得所述的三个点的X轴坐标重合；

（42）、将所述校准照相机或者所述承载台进行上下平移或者上下倾斜，使得所述的三个点的Y轴坐标重合。

进一步的，步骤（1）中，所述校准照相机的一个像素的长度h的计算方法为：

测量出N个像素的长度值L1，则h=L1/N。

进一步的，步骤（4）中，判断所述的前端孔形和后端孔形的中心点以及所述照片的中心点三个点是否三点重合，包括：

通过所述照片的大小或者照片上各个点的坐标确定出所述照片的中心点；

在所述前端孔形和后端孔形的四周上分别选出至少四个点，根据该至少四个点的坐标标定所述前端孔形和后端孔形的中心点；

将确定出的所述照片的中心点和前端孔形和后端孔形的中心点的位置进行对比，判断出是否重合。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的光轴校准治具既能够将偏差限定在其被测产品要求的精度范围内，满足校准精度需求，而且可以使校准治具的校准精度不会过大，有利于减少校准时候的计算量，同时符合了对校准精度要求不是很高的设备的校准需求，利用光学成像原理设计校准治具，结构简单，颠覆了现有校准设备为了满足精度而导致结构复杂的常规设计，极大的降低了光轴校准设备的成本，采用上述光轴校准治具的光轴校准方法便捷，保证校准精度的同时校准成本低。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中光轴校准系统结构示意图；

图2是本发明所提出的光轴校准治具的一种实施例结构示意图；

图3是本发明所提出的光轴校准治具的长度计算原理图；

图4是本发明所提出的光轴校准系统的一种实施例结构示意图；

图5是本发明所提出的光轴校准系统中像素长度计算原理图；

图6是本发明所提出的光轴校准系统中光轴不一致情况时所拍出的照片原理图；

图7是本发明所提出的光轴校准方法的一种原理图；

图8是本发明所提出的光轴校准方法的一种原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一，本实施例提供了一种光轴校准治具，参见图2所示，光轴校准治具1包括本体11，为了清楚介绍本发明的工作原理，在本实施例中，所述的本体11上开有圆形通孔12，所述通孔12为两端面相互平行的直孔，参见图3所示，所述的通孔长度，其中，h为校准照相机的一个像素的长度，为治具最大的偏差角度值。通过精确计算限定通孔长度，既可以使该光轴校准治具能够将偏差限定在其要求的精度范围内，满足校准精度需求，还可以使光轴校准治具的校准精度不会过大（L越大，越小，相应的精度越高），有利于减少校准时候的计算量，同时符合了对校准精度要求不是很高的设备的校准需求。

为了便于校准治具生产制作，优选所述通孔12的各点处内径一致。其中，所述的本体11可以为图2中所示的长方体结构，优选按照正常被测品的尺寸来加工，这样治具的安装就可以更加接近实际被测产品，模拟被测试产品的放置，有利于减少因治具与被测产品的差别而带来的误差，治具固定好之后要保持与承载台贴平，当然，本体11还可以为其他形式的结构，比如圆柱体等，当通孔12的各点处内径不一致时，需要通孔12靠近承载台的一侧的孔径小于另外一端的孔径，且通孔12两端的正投影为两个同心圆，这样才能够保证光轴校准准确，只需调整至满足校准照相机拍摄到通孔12为两个同心圆，即实现校准照相机与承载台的光轴一致。

为了更能够准确说明本实施例的光轴治具，本实施例将结合采用上述的光轴校准治具的光轴校准系统进行进一步说明，本实施例中的一种光轴校准系统，参见图4所示，包括校准照相机2、用于固定所述校准照相机的相机支架3、光轴校准治具1、以及承载台4，所述的光轴校准治具1固定在所述承载台4上，参见图2所示，所述的光轴校准治具1包括本体11，所述的本体11上开有圆形通孔12，所述通孔12为两端面相互平行的直孔，所述的通孔12长度，其中，h为校准照相机2的一个像素的长度，为治具最大的偏差角度值，所述的承载台4留有透光孔41，所述的通孔12与透光孔41相连通，所述透光孔41的孔径大于通孔12的孔径。本实施例中光轴校准系统的工作原理是：将光轴校准治具1模拟测试产品，将光轴校准治具1贴合在承载台4上，其所固定的位置、角度等均模拟测试产品的固定方式，通过调整校准照相机2与光轴校准治具1的光轴一致，进而可以在实际使用过程中保证校准照相机与被测产品的光轴一致，本实施例的光轴校准系统的实质性特点是整体结构简单，尤其是光轴校准治具，结构设计巧妙，既能够将偏差限定在其被测产品要求的精度范围内，满足校准精度需求，而且可以使校准治具的校准精度不会过大，有利于减少校准时候的计算量，同时符合了对校准精度要求不是很高的设备的校准需求，利用光学成像原理设计校准治具，颠覆了现有校准设备为了满足精度而导致结构复杂的常规设计，极大的降低了光轴校准设备的成本。

作为一个优选的实施例，所述的光轴校准治具1的一侧面贴合在所述的承载台4上，如图4所示的结构，可以采用气缸将光轴校准治具1压合在承载台4上，也可以是在承载台4底部在做一个支撑将治具竖直的放上去（图4中未示出），总之需要满足光轴校准治具1的放置要与实际被测产品的放置方式一致，有利于减少因治具与被测产品的差别而带来的误差。

当然，本实施例中本体11上开的通孔并不限于所举例的圆形通孔，还可以为三角形、四边形、五边形等多边形的通孔，本体11的外形也不限于长方体结构，还可以为比如圆柱体结构、多棱柱结构等其他形状结构。

实施例二，基于实施例一中的光轴校准系统，本实施例提供了一种光轴校准方法，包括以下步骤：

（1）、制作光轴校准治具，附图可参见图2-图4所示，包括：计算长度值，其中，h为一校准照相机的一个像素的长度，为校准治具最大的偏差角度值；按照长度值L制作光轴校准治具1，所述光轴校准治具1包括本体11，本体上开有圆形或者多边形的通孔12，通孔为两端面相互平行的直孔,且所述通孔的长度为L；

（2）、将光轴校准治具1固定在一承载台4上，承载台4留有透光孔41，透光孔41与通孔12相连通，且透光孔41的孔径大于所述通孔12的孔径；

（3）、用所述校准照相机2对光轴校准治具1拍照，校准照相机2的镜头方向与所述通孔12方向一致，通孔12的两端在照片中分别成像为前端孔形和后端孔形，前端孔形和后端孔形为通孔的横截面形状或者通孔的横截面形状的变形；

（4）、判断所述前端孔形和后端孔形的中心点以及所述照片的中心点三个点是否三点重合，若重合，则所述的校准照相机与所述光轴校准治具的光轴一致，若不重合，调整所述校准照相机或者所述承载台，直至所述的三个点重合。

需要说明的是，由于本实施例的光轴校准方法是基于实施例一中的光轴校准治具，也即：本体11上开有圆形通孔12，所述通孔12为两端面相互平行的直孔，因此，相应的在步骤（3）中的前端孔形和后端孔形分别为圆孔，或者圆孔的变形（也即椭圆孔），本实施例给出的一种非理想状态下（校准照相机与承载台的光轴不一致时），如图6所示，前端孔形和后端孔形分别为椭圆孔。当两者的光轴一致时，通孔两端在照片中形成两个同心圆环（圆形），且圆形位于图片的中心。本校准方法就是利用这种光学原理进行光轴校准，当通孔两端的正投影为两个同心圆形时，就能够保证光轴校准准确，因此在步骤（4）中只需调整至满足校准照相机拍摄到通孔为两个同心圆形，即可实现校准照相机与承载台的光轴一致。同样道理的，当通孔为多边形的通孔时，其校准方式与圆形通孔的校准方式一致，当校准照相机与承载台的光轴一致时，前端孔形和后端孔形为通孔的横截面形状，当不一致时，前端孔形和后端孔形为通孔的横截面形状的变形，此时需要进行校准。

作为一个优选实施方式，步骤（4）中，调整所述校准照相机2或者所述承载台4的方法为：

（41）、将所述校准照相机2或者所述承载台4进行左右平移或者左右倾斜，使得所述的三个点的X轴坐标重合；

（42）、将所述校准照相机或者所述承载台进行上下平移或者上下倾斜，使得所述的三个点的Y轴坐标重合。

本方法中通过固定一个坐标轴调整另外一个坐标轴的方式，可以减少工作量，实现快速校准。

优选的，在步骤（1）中，校准照相机的一个像素的长度h的计算方法可以参见图5所示，为：

测量出N个像素的长度值L1，则h=L1/N。

当然，校准照相机的像素长度h的计算方法不限于上述举例，其他计算方法也相应属于本发明的保护范围。

此外，步骤（4）中，判断所述的前端孔形和后端孔形的中心点以及所述照片的中心点三个点是否三点重合，包括：

通过所述照片的大小或者照片上各个点的坐标确定出所述照片的中心点；

在所述前端孔形和后端孔形的四周上分别选出至少四个点，根据该至少四个点的坐标标定所述前端孔形和后端孔形的中心点；

将确定出的所述照片的中心点和前端孔形和后端孔形的中心点的位置进行对比，判断出是否重合。

作为一个优选的实时方式，本实施例中将给出一种具体调整方法，参见图7所示，为校准照相机2所拍出的一张照片，包括M、N、Q三点，分别为图像中心M（X,Y）、外圆中心N（X1,Y1）、内圆中心Q（X2，Y2），调试时，既可以调整校准照相机，也可以调整承载台，具体可以根据设备的方便性来调整。

以下以图7为例简单说明承载台不动，来调节校准照相机使得系统光轴同轴的方法。(参考图7中坐标方向)

1、利用左右平移和左右倾斜将M与N、Q的X轴调至重合。

当X2<X，X1<X;先将左右向左平移，然后左右倾斜往右移动；

当X2>X，X1>X;先将左右向右平移，然后左右倾斜往左移动；

当X2<X，X1<X;先将左右向右平移，然后左右倾斜往左移动；

当X2<X，X1>X;先将左右向左平移，然后左右倾斜往右移动。

2、利用上下平移和上下倾斜将M与N、Q的Y轴调至重合。

当Y2<Y，Y1<Y;先将上下向上平移，然后上下倾斜向下移动；

当Y2>Y，Y1>Y;先将上下向下平移，然后上下倾斜向上移动；

当Y2<Y，Y1<Y;先将上下向下平移，然后上下倾斜向上移动；

当Y2<Y，Y1>Y;先将上下向上平移，然后上下倾斜向下移动。

不断重复1、2动作直至将系统调节至满足三个点的重合条件。

此外，步骤S4中，计算所述的两个圆形或者椭圆形的圆心点以及图片的中心点的方法可以采用计算算法实现，也可以人工手动计算，参见图8所示，本实施例给出了一种具体计算方法的示意图，包括以下步骤：

打开校准照相机所拍摄的照片,查找出此图片的总大小,一半即为图片中心,然后查找出A、B、C、D四点的坐标,根据四点坐标可以计算出外圆的中心,同理的，查找出E、F、G、H四点的坐标，根据该四点坐标可计算内圆中心。

其中B、F、H、D是在一条直线上,A、E、G、C是在一条直线上,两线相互垂直,且都通过图片中心。

当所拍照片中测试数据满足以下关系时，则认为调试光轴基本符合要求,否则还需继续调节：

外圆圆心=内圆圆心=图片中心

AE=BF=GC=DH。

以上仅给出了其中一种的圆心点以及图片的中心点的计算方法，本发明的保护范围不限于上述举例。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光轴校准治具，其特征在于，包括本体，所述的本体上开有圆形或者多边形的通孔，所述通孔为两端面相互平行的直孔，所述的通孔长度，其中，h为校准照相机的一个像素的长度，为治具最大的偏差角度值。

2.根据权利要求1所述的光轴校准治具，其特征在于，所述通孔的各点处内径一致。

3.根据权利要求1或2所述的光轴校准治具，其特征在于，所述的本体为长方体结构或者圆柱体结构。

4.一种光轴校准系统，其特征在于，包括校准照相机、用于固定所述校准照相机的相机支架、光轴校准治具、以及承载台，所述的光轴校准治具固定在所述承载台上，所述的光轴校准治具包括本体，所述的本体上开有圆形或者多边形的通孔，所述通孔为两端面相互平行的直孔，所述的通孔长度，其中，h为校准照相机的一个像素的长度，为治具最大的偏差角度值，所述的承载台留有透光孔，所述透光孔与所述的通孔相连通，且所述透光孔的孔径大于通孔的孔径。

5.根据权利要求4所述的光轴校准系统，其特征在于，所述的治具的一侧面贴合在所述的承载台上。

6.根据权利要求4或5所述的光轴校准系统，其特征在于，所述通孔的各点处内径一致。

7.一种光轴校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）、制作光轴校准治具，包括：计算长度值，其中，h为一校准照相机的一个像素的长度，为校准治具最大的偏差角度值；按照长度值L制作光轴校准治具，所述光轴校准治具包括本体，所述的本体上开有圆形或者多边形的通孔，所述通孔为两端面相互平行的直孔,且所述通孔的长度为L；

（2）、将所述的光轴校准治具固定在一承载台上，所述的承载台留有透光孔，所述透光孔与所述通孔相连通，且所述透光孔的孔径大于所述通孔的孔径；

（3）、用所述校准照相机对所述光轴校准治具拍照，所述校准照相机的镜头方向与所述通孔方向一致，所述通孔的两端在照片中分别成像为前端孔形和后端孔形，所述前端孔形和后端孔形为通孔的横截面形状或者通孔的横截面形状的变形；

（4）、判断所述前端孔形和后端孔形的中心点以及所述照片的中心点三个点是否三点重合，若重合，则所述的校准照相机与所述光轴校准治具的光轴一致，若不重合，调整所述校准照相机或者所述承载台，直至所述的三个点重合。

8.根据权利要求7所述的光轴校准方法，其特征在于，步骤（4）中，调整所述校准照相机或者所述承载台的方法为：

（41）、将所述校准照相机或者所述承载台进行左右平移或者左右倾斜，使得所述的三个点的X轴坐标重合；

（42）、将所述校准照相机或者所述承载台进行上下平移或者上下倾斜，使得所述的三个点的Y轴坐标重合。

9.根据权利要求7或8所述的光轴校准方法，其特征在于，步骤（1）中，所述校准照相机的一个像素的长度h的计算方法为：

测量出N个像素的长度值L1，则h=L1/N。

10.根据权利要求7所述的光轴校准方法，其特征在于，步骤（4）中，判断所述的前端孔形和后端孔形的中心点以及所述照片的中心点三个点是否三点重合，包括：

通过所述照片的大小或者照片上各个点的坐标确定出所述照片的中心点；

在所述前端孔形和后端孔形的四周上分别选出至少四个点，根据该至少四个点的坐标标定所述前端孔形和后端孔形的中心点；

将确定出的所述照片的中心点和前端孔形和后端孔形的中心点的位置进行对比，判断出是否重合。