CN105444665B - 多图像传感器相移干涉测量中的位置匹配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在相移干涉测量系统中实现多个图像传感器的位置匹配方法，用于克服现有匹配技术中容易受光强影响、精度和稳定性不高的缺点。本发明使用相位图为对象进行匹配，使用相移算法来抑制直接使用干涉图匹配方法中噪声及光强带来的影响，本发明同时还结合了相移技术和最小均方根误差匹配方法，对计算区域不敏感，具有很好的精度、稳定性和适用性。

Description

多图像传感器相移干涉测量中的位置匹配方法

技术领域

本发明涉及光学干涉测量以及数字全息测量领域，具体而言，涉及相移干涉测量系统中多个图像传感器相对位置的匹配方法。

背景技术

相移干涉测量术(Phase Shifting Interferometry,PSI)是一种通过光电图像传感器如CCD等记录相移量变化的一系列相移干涉数字图像，经过一定的相移相位恢复算法恢复出物体相位分布，从而实现相应物理量测量的高精度干涉测量方法。由于在测量中对被测物体非接触、无损伤、高分辨率、高精度等优点，现广泛应用于光学表面测量、三维形貌测量、形变测量及数字全息等领域。

传统时域相移干涉测量术由于需要在不同的时间点采集一系列时域相移干涉图，无法实现对物体相位的动态测量。空间相移干涉术测量术在不同的空间使用多个图像传感器或在一个图像传感器上划分为多块区域，同时采集不同相移量的干涉图，可以很好的解决传统时域相移干涉测量术无法实现动态测量的问题。但是在这种方法中，多个图像传感器之间的位置匹配是该技术需要解决的关键技术问题之一。最近几年，一些直接利用干涉条纹图解决图像传感器位置匹配的方法相继提出，这些方法主要存在以下3方面缺点：1.由于依靠干涉图灰度值进行匹配，每个图像传感器的响应特性不完全一致或者接收到的光强不均匀时均容易引起误差；2.干涉条纹中的噪声会影响匹配精度；3.在相关系数差异小的时候容易造成计算结果不一样致使该方法的稳定性和精度都不高。

为了克服上述技术的不足，本发明提供一种可以抑制光强和噪声影响，具有高稳定性和高精度特点的图像传感器位置匹配方法，有效地解决上述空间相移干涉测量术中的图像传感器位置匹配的技术问题。

发明内容

在实际测量工作中，难以保证到达图像传感器靶面的光强均匀分布，在不同的图像传感器之间，更难达到这个要求；同时物体及光学元件也会在干涉图的背景函数和振幅函数中带来加性和乘性随机噪声，这些因素都会影响依靠干涉图灰度值来匹配位置的方法的稳定性和可靠性。因此，需要采取措施消除或抑制背景函数、振幅函数及噪声对匹配精度的影响。本发明采用相移技术分别提取出各个图像传感器所得到的物体相位，有效消除或抑制了背景函数、振幅函数及噪声对位置匹配精度的影响。基于以上思路，本发明通过如下技术方案来实现：

一种干涉测量中多图像传感器相对位置的匹配方法，包含如下步骤：

步骤一：搭建多通道空间相移干涉测量系统，在所述空间相移干涉测量系统的干涉光路中加入具有特征相位分布的物体；

步骤二：在每个通道采集一系列传统时域相移干涉图；使用相位恢复算法，从各通道采集到的时域相移干涉图中恢复出各通道图像传感器上的物体相位；

步骤三：在各通道中恢复出的相位分布图中确定特征相位所对应的坐标；

步骤四：以包含特征相位的区域为计算区域，利用最小均方根误差匹配方法来确定两个图像传感器相对位置的匹配。

具体地，步骤一所述多通道空间相移干涉测量系统为双通道空间相移干涉测量系统；

具体地，步骤一所述具有特征相位分布的相位物体是具有最大值或者最小值的相位物体。

具体地，步骤二所述时域相移干涉图为四步相移干涉图，其相移间隔为π/2，所述相位恢复算法为四步相移算法。

具体地，步骤四所述利用最小的均方根误差匹配方法来确定两个图像传感器相对位置的匹配方法包括：从第一个通道计算出来的相位分布图中，确定一个包含最大值或最小值坐标的区域为参考面，从其他通道计算出来的相位分布图中确定另一个同样大小且包含最大值或最小值的区域作为匹配面，移动匹配面，使两个区域的相位差值的均方根误差最小时，即完成相对位置的匹配，此时的移动量即为图像传感器之间的失配量。

与现有技术相比，本发明具有如下显著效果：

1、本发明中使用相移技术来消除光强分布不均匀、振幅函数不一致以及光学元件固定噪声造成的误差，降低测量结果对光强和噪声误差的敏感性。

2、本发明结合相移技术和最小的均方根误差匹配方法，对计算区域不敏感，具有很好的稳定性和适用性，同时进一步降低相位噪声造成的影响，使匹配结果更加精确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为本发明实施例中所提供的双通道干涉测量系统示意图；

图2为本发明实施例中双通道图像传感器CCD1采集的4幅时域相移干涉图；

图3为本发明实施例中双通道图像传感器CCD2采集的4幅时域相移干涉图；

图4为本发明实施例中双通道图像传感器CCD1采集的4幅时域相移干涉图计算出的参考相位；

图5为本发明实施例中未经过本方法匹配计算出的相位分布；

图6为本发明实施例中经过本方法匹配计算出的相位分布；

其中，附图中标记具体为：

He-Ne激光器1、可变中密度衰减器2、半波片3、显微物镜4、针孔滤波器5、准直透镜6、偏振分光棱镜7、平面反射镜8、透镜9、平面反射镜10、分光棱镜11、四分之一波片12、分光棱镜13、偏振片14、偏振片15、图像传感器16、图像传感器17。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

第一实施例

本实施例中，按照图1所示，搭建双通道空间相移干涉系统，采用马赫曾德干涉光路，从He-Ne激光器1发出的线偏振光依次经过可变中密度衰减器2、用于调整偏振方向的半波片3、用于扩束的显微物镜4、用于滤波的针孔滤波器5、准直透镜6后进入偏振分束镜7。偏振分束镜7既用于产生偏振方向相互正交的线偏振光，又与半波片3一起，对物光与参考光之间的强度比进行调整。经偏振分束镜7透射的水平偏振光(偏振方向平行于x轴)，作为物光波；经偏振分束镜7反射的垂直偏振光(偏振方向平行于y轴)，作为参考光波。具有最大值相位的透镜9使样品成像在图像传感器16(CCD1)和图像传感器17(CCD2)面上；物光波和参考光波通过非偏振分束镜11后，再通过快轴与y轴成45°角放置的四分之一波片12形成两束相互正交的圆偏振光；之后，由非偏振分束镜13分为两部分的正交圆偏振光分别通过两个起偏方向相差45°角的偏振片14和15，分别由CCD1和CCD2采集后形成两幅相移量相差π/2的空间相移干涉图。

参考光经过设置在相移器(压电陶瓷)上的反射镜10，采集时域相移干涉图时，通过驱动相移器(压电陶瓷)，每隔π/2的相移，每个通道提取相移量为0、π/2、π、3π/2的四幅相移干涉图，如图2所示为图像传感器16采集到的四幅相移量为0、π/2、π、3π/2的干涉图，图3所示为图像传感器17采集到的四幅相移量为0、π/2、π、3π/2的干涉图。在图2、图3中选出265×265像素的区域A、B，使用四步相移算法提取出包裹相位并解包裹相位后得到相位分布从相位分布图中可以确定最小值坐标分别为(x₁＝128,y₁＝134),(x₂＝128,y₂＝124)。因此，可以初步确定两个图像传感器在y轴方向存在10个像素大小的位置偏差。

为了进一步确定两个图像传感器的相对位置，本实施例中采用最小均方根误差匹配方法来确定两个图像传感器相对位置的匹配。

具体过程如下：从通道1中计算出来的相位分布图中，选择包含坐标(x₁,y₁)，大小为185×185像素的区域a作为参考面，记为从通道2中计算出来的相位分布图中选择与同样大小且包含(x₂,y₂)的区域b作为匹配面，记为将匹配面沿x、y方向移动dx、dy，两个区域的相位差值记为f(dx,dy)。满足使f(dx,dy)的均方根误差F(dx,dy)最小时的dx,dy即为图像传感器位置匹配参数。

其中，N为区域a内的像素点总数。本实施例中，当dx＝1,dy＝-9时得到最小均方根误差F(dx,dy)＝0.027，从而可知，两个图像传感器在x轴上相差一个像素、y轴上相差9个像素的偏离，通过移动第二图像传感器，即可完成两个图像传感器相对位置的匹配。

为了进一步论证本发明方法的效果，本实施例对图像传感器相对位置匹配前后的测量效果作了比较。其中图4是使用传统时域相移方法的计算结果，作为参考值；图5是以上系统仅经过调试未进行位置匹配时，使用空间相移干涉测量方法计算的结果；图6是经过本发明提供的方法对传感器相对位置匹配后，使用空间相移干涉测量方法的计算结果，其与参考值之间的均方根误差为0.024rad。可以看出，如果不进行相对位置标定，使用空间相移干涉测量方法恢复出来的相位存在较大误差，表现出较大的畸形，经过本发明提供的方法匹配之后有较高的精度。

第二实施例

本实施例是为了论证本发明方法的稳定性，在实施例1的基础上，改变选择的区域，把A，B区域向右和向下同时移动20个像素。分别计算出A，B区域的相位两相位的最小值坐标为(x₁＝108,y₁＝115),(x₂＝108,y₂＝105)。使用与实施例1同样的方法，当dx＝1,dy＝-9时获得最小均方根误差F(dx,dy)＝0.023。从中可以看出，选择不同的计算区域，对匹配结果不会造成影响，本方法具有较高的稳定性和适用性。

本发明不局限与上述具体实施方式，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，例如采用基于迈克尔逊干涉仪的多波长相移同轴干涉测量系统或者其他的干涉测量系统，或不在测量系统中匹配图像传感器而只对图像进行匹配等，均落在本发明的保护范围之中。

Claims (5)

1.干涉测量中多图像传感器相对位置的匹配方法，其特征在于，包含如下步骤：

步骤一：搭建多通道空间相移干涉测量系统，在所述空间相移干涉测量系统的干涉光路中加入具有特征相位分布的相位物体；

步骤二：在每个通道同时采集一系列传统时域相移干涉图；使用相位恢复算法，从各通道采集到的时域相移干涉图中恢复出物体相位；

步骤三：在各通道中恢复出的相位分布图中确定特征相位所对应的坐标；

步骤四：以包含特征相位的区域为计算区域，利用最小均方根误差匹配方法来确定两个图像传感器相对位置的匹配。

2.根据权利要求1所述的干涉测量中多图像传感器相对位置的匹配方法，其特征在于，所述相位物体为凸透镜或者凹透镜；所述特征相位为最大或者最小相位。

3.根据权利要求2所述的干涉测量中多图像传感器相对位置的匹配方法，所述多通道空间相移干涉测量系统为双通道空间相移干涉测量系统；其中，干涉光路是马赫曾德干涉光路。

4.根据权利要求2所述的干涉测量中多图像传感器相对位置的匹配方法，其特征在于，所述相位恢复算法为四步相移算法；所述时域相移干涉图为四步相移干涉图，其相移间隔为π/2。

5.根据权利要求1或者2所述的干涉测量中多图像传感器相对位置的匹配方法，其特征在于，所述利用最小的均方根误差匹配方法来确定两个图像传感器相对位置的匹配方法包括：

从第一通道计算出来的相位分布图中，确定一个包含最大值或最小值坐标的区域为参考面；

从其他通道计算出来的相位分布图中，确定另一大小相同且包含最大值或最小值的区域作为匹配面；

移动匹配面，并计算所述两个区域的相位差值的均方根误差，获得最小均方根误差时，即完成该通道图像传感器与第一通道图像传感器相对位置的匹配，此时的移动量即为图像传感器之间的失配量。