CN106017871A - 高精度大口径光学镜头畸变标定装置及标定方法 - Google Patents

高精度大口径光学镜头畸变标定装置及标定方法 Download PDF

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    • G01M11/0242—Testing optical properties by measuring geometrical properties or aberrations

Abstract

高精度大口径光学镜头畸变标定装置及标定方法，涉及光学测量方法领域，解决了现有标定装置和方法存在的精度不高、无法直接输出二维镜头畸变图像的问题。该方法主要为：以基准尺为基准，通过两台经纬仪的互瞄建立测量站，测量基准尺建立两台经纬仪的空间位置关系模型从而算出两台经纬仪的空间坐标；通过两台经纬仪分别记录标准网格板上各个特定点的空间坐标；利用二维网格图拟合软件根据各个特定点的空间坐标及两台经纬仪的空间坐标自动拟合出二维网格图并绘制出二维镜头畸变图像，同时计算出被测镜头不同视场角的畸变值。本发明结构简单、测量过程简便，通过两台经纬仪的使用提高了测量精度，并且能够直接输出二维镜头畸变图像。

Description

高精度大口径光学镜头畸变标定装置及标定方法
技术领域
本发明涉及光学测量方法技术领域，具体涉及一种高精度大口径光学镜头畸变标定装置及标定方法。
背景技术
光学镜头是机器视觉系统中必不可少的部件，直接影响成像质量的优劣，影响算法的实现和效果。从使用角度来说光学镜头的口径越大其使用价值也就越大，大口径光学镜头的优点主要在于：有利于在暗弱光线下手持相机用现场光拍摄；有利于获得小景深、虚实结合的拍摄效果；有利于使用较高的快门速度，这在现场光的动体拍摄或在使用远摄镜头时都有实用价值。随着航空航天测量、星体测量以及摄影测量光学镜头技术的发展，大口径光学镜头畸变的控制越来越严格，对畸变的测量精度也提出了更高的强求，其相对畸变往往小于0.01％。目前检测大口径光学镜头畸变的常用方法为测角法，其利用望远镜分别对准网格板上一系列的已知点，再由度盘测得一系列ω值，将各ω值代入畸变计算公式求解出被测镜头不同视场角的畸变值。
与本发明最接近的现有技术是公开号为CN103940590A的中国专利，其公开了一种大口径光学镜头畸变的标定方法，包括以下步骤：a、将读数显微镜、标准网格板、被测镜头和经纬仪依次安装在空气隔振平台上，标准网格板位于被测镜头的像面，其中心与被测镜头的主点重合，经纬仪位于被测镜头的物方，其旋转轴线与被测镜头的入瞳中心重合；b、照亮经纬仪的分划板，使分划板通过被测镜头成像，分划板的像与标准网格板共面；c、通过读数显微镜观察分划板的像和标准网格板的刻线，旋转经纬仪使分划板对准标准网格板的刻线压线，通过经纬仪记录标准网格板上各个特定点的空间坐标；d、经纬仪将记录的标准网格板上各个特定点的空间坐标传递给计算机，计算机中的二维网格图拟合软件根据各个特定点的空间坐标自动拟合出二维网格图，并计算出被测镜头不同视场角的畸变值。上述方法存在的问题是：由于测量过程中只采用了一台经纬仪，此种测量方式只能对空间的点进行位置测量，而不能对两点间的距离进行解算，测量精度不高，同时，该测量方法不能直接输出镜头畸变的演示图。
发明内容
为了解决现有一种大口径光学镜头畸变的标定方法存在的精度不高、无法直接输出二维镜头畸变图像的问题，本发明提供一种高精度大口径光学镜头畸变标定装置及标定方法。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
本发明的高精度大口径光学镜头畸变标定装置，包括：
被测镜头；
安装在被测镜头像面处的标准网格板，所述标准网格板的中心与被测镜头的主点重合；
计算机，所述计算机中安装有二维网格图拟合软件；
其特征在于，还包括与计算机相连的两台经纬仪，这两台经纬仪均安装在被测镜头的物方，并且这两台经纬仪的旋转轴线均与被测镜头的入瞳中心平行；所述标准网格板、被测镜头和两台经纬仪均安装在光学平台上。
进一步的，所述二维网格图拟合软件用于采集标准网格板上各个特定点，同时根据标准网格板上各个特定点的空间坐标拟合出二维网格图，最终绘制出二维镜头畸变图像。
进一步的，所述二维网格图拟合软件包括：
标定选择模块，包括选择标定点按钮、选择测站按钮和两个全选按钮，通过选择标定点按钮选择标准网格板上各个特定点，通过选择测站按钮选择测站，按下两个全选按钮表示选择全部的标定点和测站；
解算信息模块，用于显示所选测站数、所选标定点数、观测值总数；
操作模块，包括标定选项按钮、标定解算按钮、详细结果按钮、保存结果按钮、保存为文本按钮和关闭按钮，通过标定选项按钮选择标定类型，通过标定解算按钮计算出被测镜头不同视场角的畸变值，通过详细结果按钮显示拟合出的二维网格图和绘制后的二维镜头畸变图像，通过保存结果按钮保存结果，通过保存为文本按钮将数据保存为文本，通过关闭按钮关闭软件界面。
进一步的，两台经纬仪均采用瑞士莱卡公司的型号为TM5100A的莱卡经纬仪。
本发明还提供了一种高精度大口径光学镜头畸变标定方法，由以下步骤实现：
步骤一、将两台经纬仪的分划板同时照亮，使两台经纬仪的分划板均通过被测镜头成像，此时两台经纬仪的分划板的像均与标准网格板共面；
步骤二、以基准尺为基准，通过两台经纬仪的互瞄建立测量站，通过对基准尺的测量结算建立两台经纬仪的空间位置关系模型，根据此空间位置关系模型分别计算出两台经纬仪的空间坐标并上传至计算机中；
步骤三、分别指导两台经纬仪旋转，使两台经纬仪的分划板均与标准网格板的刻线压线对准，通过两台经纬仪分别记录标准网格板上各个特定点的空间坐标并上传至计算机中；
步骤四、利用计算机中的二维网格图拟合软件根据各个特定点的空间坐标以及两台经纬仪的空间坐标自动拟合出二维网格图并绘制出二维镜头畸变图像，同时计算出被测镜头不同视场角的畸变值。
本发明的有益效果是：本发明基于空间点采集、空间点测量的测量方法，对高精度大口径光学镜头进行光学畸变标定。测量过程中，采用两台经纬仪采集标准网格板上各个特定点的空间坐标，同时通过自行编写的二维网格图拟合软件自动拟合出二维网格图并绘制出二维镜头畸变图像，计算出被测镜头不同视场角的畸变值，测量角精度达到0.5″，测量精度显著提高，并且能够直接给出二维镜头畸变图像，使测量结果显示更加直观，使测量过程更加直观和可靠。
附图说明
图1为本发明的高精度大口径光学镜头畸变标定装置的结构示意图。
图2为测量站示意图。
图3为标准网格板上的特定点采样示意图。
图4为二维网格图拟合软件的操作界面示意图。
图5为二维镜头畸变图像。
图6为本发明的高精度大口径光学镜头畸变标定装方法的流程图。
图中：1、第一经纬仪，2、标准网格板，3、被测镜头，4、第二经纬仪，5、第一分划板，6、第二分划板，7、计算机，8、基准尺。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明的高精度大口径光学镜头畸变标定装置，主要包括：第一经纬仪1、标准网格板2、被测镜头3、第二经纬仪4和计算机7。在被测镜头3的像面处安装标准网格板2，标准网格板2的中心与被测镜头3的主点重合，在被测镜头3的物方放置第一经纬仪1和第二经纬仪4，第一经纬仪1和第二经纬仪4的旋转轴线与被测镜头3的入瞳中心平行，第一经纬仪1和第二经纬仪4均通过端口与计算机7相连，计算机7中安装有二维网格图拟合软件，标准网格板2、被测镜头3、第一经纬仪1和第二经纬仪4均安装在光学平台上。
计算机7中的二维网格图拟合软件为自行编写，主要用于标准网格板2上各个特定点的采集，同时根据标准网格板2上各个特定点的空间坐标拟合出二维网格图，最终绘制出二维镜头畸变图像，其操作界面如图4所示，主要包括：标定选择模块、解算信息模块(用于显示所选测站数、所选标定点数、观测值总数等)、操作模块。
标定选择模块包括选择标定点按钮、选择测站按钮和两个全选按钮，通过选择标定点按钮选择标准网格板2上各个特定点，通过选择测站按钮选择测站一(对应为第一经纬仪1)或测站二(对应为第二经纬仪4)，按下两个全选按钮表示选择全部的标定点和测站。
操作模块包括标定选项按钮、标定解算按钮、详细结果按钮、保存结果按钮、保存为文本按钮、关闭按钮，通过标定选项按钮选择标定类型等，通过标定解算按钮计算出被测镜头3不同视场角的畸变值，通过详细结果按钮显示拟合出的二维网格图和绘制后的二维镜头畸变图像，通过保存结果按钮保存结果，通过保存为文本按钮将数据保存为文本，通过关闭按钮关闭软件界面。
本实施方式中，第一经纬仪1和第二经纬仪4均采用瑞士莱卡公司的型号为TM5100A的莱卡经纬仪。
如图6所示，本发明的高精度大口径光学镜头畸变标定方法，由以下步骤实现：
步骤一、控制实验室温度和湿度环境，按照本发明的高精度大口径光学镜头畸变标定装置，在被测镜头3的像面处安装标准网格板2，标准网格板2的中心与被测镜头3的主点重合，在被测镜头3的物方放置第一经纬仪1和第二经纬仪4，第一经纬仪1和第二经纬仪4的旋转轴线均与被测镜头3的入瞳中心平行，第一经纬仪1和第二经纬仪4均通过端口与计算机7相连，标准网格板2、被测镜头3、第一经纬仪1和第二经纬仪4均安装在光学平台上。
步骤二、将第一经纬仪1的第一分划板5照亮，同时将第二经纬仪4的第二分划板6也照亮，使第一分划板5和第二分划板6均通过被测镜头3进行成像，此时第一分划板5和第二分划板6的像均与标准网格板2共面。
步骤三、如图2所示，以基准尺8为基准，通过第一经纬仪1和第二经纬仪4的互瞄建立测量站(第一经纬仪1为测站一，第二经纬仪4为测站二)，通过对基准尺8的测量结算建立第一经纬仪1和第二经纬仪4的空间位置关系模型，根据此空间位置关系模型分别计算出第一经纬仪1和第二经纬仪4的空间坐标，将第一经纬仪1和第二经纬仪4的空间坐标自动上传至计算机7中。
步骤四、分别指导第一经纬仪1和第二经纬仪4旋转，使第一分划板5和第二分划板6均与标准网格板2的刻线压线对准，通过第一经纬仪1记录标准网格板2上各个特定点(标准网格板2与第一经纬仪1的经纬线的交汇点)的空间坐标，同时通过第二经纬仪4也记录标准网格板2上各个特定点(标准网格板2与第二经纬仪4的经纬线的交汇点)的空间坐标，如图3所示。
步骤五、第一经纬仪1和第二经纬仪4将记录的标准网格板2上各个特定点的空间坐标自动上传至计算机7中，利用计算机7中的二维网格图拟合软件根据各个特定点的空间坐标以及第一经纬仪1和第二经纬仪4的空间坐标自动拟合出二维网格图并绘制出二维镜头畸变图像(如图5所示)，同时计算出被测镜头3不同视场角的畸变值。被测镜头3不同视场角的畸变值的计算采用现有计算公式及方法就可以求得。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.高精度大口径光学镜头畸变标定装置，包括：
被测镜头(3)；
安装在被测镜头(3)像面处的标准网格板(2)，所述标准网格板(2)的中心与被测镜头(3)的主点重合；
计算机(7)，所述计算机(7)中安装有二维网格图拟合软件；
其特征在于，还包括与计算机(7)相连的两台经纬仪，这两台经纬仪均安装在被测镜头(3)的物方，并且这两台经纬仪的旋转轴线均与被测镜头(3)的入瞳中心平行；所述标准网格板(2)、被测镜头(3)和两台经纬仪均安装在光学平台上。
2.根据权利要求1所述的高精度大口径光学镜头畸变标定装置，其特征在于，所述二维网格图拟合软件用于采集标准网格板(2)上各个特定点，同时根据标准网格板(2)上各个特定点的空间坐标拟合出二维网格图，最终绘制出二维镜头畸变图像。
3.根据权利要求1所述的高精度大口径光学镜头畸变标定装置，其特征在于，所述二维网格图拟合软件包括：
标定选择模块，包括选择标定点按钮、选择测站按钮和两个全选按钮，通过选择标定点按钮选择标准网格板(2)上各个特定点，通过选择测站按钮选择测站，按下两个全选按钮表示选择全部的标定点和测站；
解算信息模块，用于显示所选测站数、所选标定点数、观测值总数；
操作模块，包括标定选项按钮、标定解算按钮、详细结果按钮、保存结果按钮、保存为文本按钮和关闭按钮，通过标定选项按钮选择标定类型，通过标定解算按钮计算出被测镜头(3)不同视场角的畸变值，通过详细结果按钮显示拟合出的二维网格图和绘制后的二维镜头畸变图像，通过保存结果按钮保存结果，通过保存为文本按钮将数据保存为文本，通过关闭按钮关闭软件界面。
4.根据权利要求1所述的高精度大口径光学镜头畸变标定装置，其特征在于，两台经纬仪均采用瑞士莱卡公司的型号为TM5100A的莱卡经纬仪。
5.权利要求1至4中任意一项所述的高精度大口径光学镜头畸变标定装置的标定方法，其特征在于，由以下步骤实现：
步骤一、将两台经纬仪的分划板同时照亮，使两台经纬仪的分划板均通过被测镜头(3)成像，此时两台经纬仪的分划板的像均与标准网格板(2)共面；
步骤二、以基准尺(8)为基准，通过两台经纬仪的互瞄建立测量站，通过对基准尺(8)的测量结算建立两台经纬仪的空间位置关系模型，根据此空间位置关系模型分别计算出两台经纬仪的空间坐标并上传至计算机(7)中；
步骤三、分别指导两台经纬仪旋转，使两台经纬仪的分划板均与标准网格板(2)的刻线压线对准，通过两台经纬仪分别记录标准网格板(2)上各个特定点的空间坐标并上传至计算机(7)中；
步骤四、利用计算机(7)中的二维网格图拟合软件根据各个特定点的空间坐标以及两台经纬仪的空间坐标自动拟合出二维网格图并绘制出二维镜头畸变图像，同时计算出被测镜头(3)不同视场角的畸变值。
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