CN107833254A - 一种基于衍射光学元件的相机标定装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于衍射光学元件的相机标定装置涉及摄影测量学领域，解决了现有标定装置成本高和占用空间大的问题。该装置包括：激光器、空间滤波器、准直镜和双交叉的一维DOE；激光器、空间滤波器、准直镜与双交叉的一维DOE沿同一轴线依次设置，激光器出射的光束依次垂直入射到空间滤波器、准直镜和双交叉的一维DOE。本发明通过使用双交叉的一维DOE得到N×N个星点组成的衍射星点网络替代了现有成本高和占用空间大的标定模块；使用准直镜模拟无穷远成像以符合航测相机的使用条件；同时不限制处理的算法即可以保证标定精度。可广泛应用于相机标定领域。

Description

一种基于衍射光学元件的相机标定装置
技术领域
本发明涉及摄影测量学领域，特别涉及一种基于衍射光学元件的相机标定装置。
背景技术
现有的常用的相机标定方法有精密测角法和实验场标定。精密测角法是人们在实验室内对航测相机的内方位元素进行几何标定时经常采用的一种方法。图1为精密测角法的装置图，精密测角法的标定原理是转动待测相机1对经过平行光管2的星点进行成像。精密转台5、平行光管2和星点板3沿同一水平中心线依次放置在光学平台4上，待测相机1置于精密转台5上并对准平行光管2，在平行光管2焦面处放置星点板3，利用经纬仪6对平行光管2进行调平，精密转台5水平旋转使待测相机1对平行光管2进行扫描，并调节相机支架对待测相机1进行调节，使待测相机1从视场一端扫描到另一端的过程中，星点板3的星点始终成像在待测相机1靶面的水平中心线上，此时即可达到标定状态，计算机7记录星点板3的坐标、待测相机1的转角等成像信息，如每隔一定角度进行一次星点的坐标值及转台转动的角度值的记录，经计算机7处理后可标定出内方位元素和系统的畸变模型。
该方法的标定精度较高，但数据量较大，对实验环境要求苛刻，需要平行光管2、高精度精密转台5等大型设备。其精度主要受精密转台5的精度和像坐标获取精度的影响，同时跟采样点的数量和分布情况也有关系，不同的实验环境条件可能会导致不同的标定精度，无法精确标定随环境变化的畸变。
实验场标定的原理是在实验室内或外场中布置经过精密测量的三维控制点，然后用待测相机1对控制场中经过精密测定的控制点进行成像。以物方控制点的坐标作为真值，以像点坐标作为观测值，根据中心投影的构像方程对待标定参数元素进行求解。该方法可以适用于任意的相机模型且标定精度高，但是布置控制场需较大空间，按精度要求布设足够多已知空间坐标的控制点。
传统的相机标定方法需要大型、昂贵的仪器设备或布置大型的室内、室外检校场，均存在占用空间大、成本高的问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于衍射光学元件的相机标定装置，该发明利用衍射光学元件(DOE)进行标定，将衍射形成的星点像代替大型控制场中的控制点，节约了空间和成本，处理的基础算法仍可沿用经典的RAC定标法，可以保证标定精度。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种基于衍射光学元件的相机标定装置，包括：激光器、空间滤波器、准直镜和双交叉的一维DOE；所述激光器出射的光束依次垂直入射到空间滤波器、准直镜和双交叉的一维DOE；
所述激光器出射的光束依次经空间滤波器滤波、准直镜准直和双交叉的一维DOE衍射得到衍射星点网络，待测相机采集衍射星点网络。
进一步的，所述激光器、空间滤波器、准直镜和双交叉的一维DOE沿同一轴线设置。
进一步的，还包括设置在所述准直镜下方、用于调节准直镜角度的角度位移台。
进一步的，所述双交叉的一维DOE采用两块达曼光栅。
进一步的，所述空间滤波器采用三轴空间滤波平台。
进一步的，所述三轴空间滤波平台包括20倍显微物镜与直径为25μm的高能量针孔。
进一步的，入射到所述双交叉的一维DOE的光斑大小能够覆盖所述双交叉的一维DOE。
进一步的，所述双交叉的一维DOE的尺寸不小于所述待测相机的口径。
进一步的，所述衍射星点的最大衍射角不小于所述待测相机的视场角。
本发明的有益效果是：本发明基于DOE搭建一套光学平台，使用准直镜模拟无穷远成像以符合航测相机的使用条件；使用双交叉的一维DOE得到N×N个星点组成的衍射星点网络，衍射星点网络的作用等同于星点板和三维控制点，对待测相机的主点和主距等内方位元素进行精确标定，将像点校正至正确的成像位置；同时不限制处理的算法即可以保证标定精度。与精密测角法相比，不需要大型的仪器设备；与实验场标定相比，不需要大型的实验场；保证标定精度的同时，节约了空间和成本。
附图说明
图1精密测角法的装置图。
图2本发明一种基于衍射光学元件的相机标定装置的装置图。
其中，1、待测相机，2、平行光管，3、星点板，4、光学平台，5、精密转台，6、经纬仪，7、计算机，8、激光器，9、空间滤波器，10、准直镜，11、双交叉的一维DOE，12、角度位移台。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
一种基于衍射光学元件的相机标定装置，包括：激光器8、空间滤波器9、准直镜10和双交叉的一维DOE11；激光器8出射的光束依次垂直入射到空间滤波器9、准直镜10和双交叉的一维DOE11。
本发明的一种基于衍射光学元件的相机标定装置的布置图参见图1，利用DOE搭建一套光学标定平台。在本实施例中，激光器8、空间滤波器9、准直镜10与双交叉的一维DOE11沿同一轴线依次设置，所有器件安装固定在光学平台4上同一条直线的孔位处，沿同一轴线设置简化标定装置的元件，同时简化传输路径。
首先选择光学平台4中间的位置固定激光器8的安装座，然后将激光器8放置在激光器安装座上夹紧，打开激光器8的供电开关，获得激光输出；通过调制夹持激光器安装座上的两个旋钮来微调激光在俯仰与水平的输出方向，使得激光束的输出方向与光学平台4平行，且与其所固定的孔位所在直线平行，保证激光的水平输出。激光器8的作用是提供波长稳定的光源，用以形成即衍射星点网络所需的点光源。本实施方式中激光器8选用He-Ne激光器。
空间滤波器9选用三轴空间滤波平台，为20倍显微物镜配合直径为25μm的高能量针孔。所选显微物镜的后焦距为160mm，将三轴空间滤波平台放置在激光器8输出端口后约16cm处，调整三轴空间滤波平台的位置和高度，使得激光束恰好通过三轴空间滤波平台的显微物镜，然后调整三个轴向的距离，使得激光能够透过高能量针孔，并且保证输出的激光亮度最大。调整三轴空间滤波平台，保证光斑中心位置在激光器8出射的激光束入射方向所在的直线上。显微物镜对光束进行扩束，针孔进行滤波，滤掉杂散光。利用三轴空间滤波器可以压窄激光光束直径，筛选出纯净的激光光束。
选用焦距400mm的准直镜10，将准直镜10安装在角度位移台12上，一并放置在三轴空间滤波平台后面，在高能量针孔输出位置后约40cm处前后移动准直镜10。调节准直镜10：先用观察屏找到光斑位置，将准直镜10的高度调整到光斑所在高度，并利用角度位移台12进行微调，在准直镜10后放置剪切干涉仪或其他准直检测装置来检测光束是否准直，当干涉条纹平行于带刻度的参考线时，达到准直的效果(观察到的准直光束边缘最小)。使用准直镜10的目的是为了使发散的激光束变为准直光束，模拟无穷远光源。使用角度位移台12更容易完成准直镜10角度的调节。优选的是，经过准直镜10准直后照射到双交叉的一维DOE11上的光斑大小能够覆盖双交叉的一维DOE11，即准直光束的光斑直径等于双交叉的一维DOE11的尺寸。
在准直镜10后面与光路同一直线上放置双交叉的一维DOE11(两片交叉的DOE，单个DOE得到衍射光谱是一维的，即条状光栅光谱)，准直镜10与双交叉的一维DOE11的距离可任意调整，在本实施方式中距离为5～10cm，双交叉的一维DOE11选用两片交叉的达曼光栅。两片交叉的达曼光栅平行放置且夹持在DOE安装座上。准直光束通过两片交叉的达曼光栅衍射，得到N×N个衍射交点组成点阵，即得到衍射星点网络。双交叉的一维DOE11用于形成衍射星点网络，形成的衍射星点网络用于待测相机1标定时拍摄获取和标定参照。为获得更精确的标定，优选的是，双交叉的一维DOE11的尺寸不小于待测相机1的口径；衍射星点的最大衍射角不小于待测相机1的视场角。
将待测相机1贴近双交叉的一维DOE11放置，与双交叉的一维DOE11同一高度固定，激光器8、空间滤波器9、准直镜10、双交叉的一维DOE11与待测相机1沿同一轴线依次设置。调节待测相机1的参数设置，待测相机1的探测器采集衍射星点图。
待测相机1连接计算机7，待测相机1所成图像传输至计算机7，利用计算机7通过质心算法提取每个衍射星点的像点坐标，计算机7利用RAC算法建立起衍射星点网络的世界坐标系与图像坐标系之间的联系，最终解算出待测相机1的内外方位元素。最终模型解算的像点坐标与实际像点坐标之间的均方根误差小于0.2个像素，满足航测相机的应用需求，而精密测角法和实验场标定的精度一般也在0.2个像素左右，基于衍射光学元件的相机标定装置在保证了标定精度的同时，可以节约成本和空间，具有一定优势。

Claims (9)

1.一种基于衍射光学元件的相机标定装置，其特征在于，包括：激光器(8)、空间滤波器(9)、准直镜(10)和双交叉的一维DOE(11)；所述激光器(8)出射的光束依次垂直入射到空间滤波器(9)、准直镜(10)和双交叉的一维DOE(11)；
所述激光器(8)出射的光束依次经空间滤波器(9)滤波、准直镜(10)准直和双交叉的一维DOE(11)衍射得到衍射星点网络，待测相机(1)采集衍射星点网络。
2.如权利要求1所述的一种基于衍射光学元件的相机标定装置，其特征在于，所述激光器(8)、空间滤波器(9)、准直镜(10)和双交叉的一维DOE(11)沿同一轴线设置。
3.如权利要求1或2所述的一种基于衍射光学元件的相机标定装置，其特征在于，还包括设置在所述准直镜(10)下方、用于调节准直镜(10)角度的角度位移台(12)。
4.如权利要求1或2所述的一种基于衍射光学元件的相机标定装置，其特征在于，所述双交叉的一维DOE(11)采用两块达曼光栅。
5.如权利要求1或2所述的一种基于衍射光学元件的相机标定装置，其特征在于，所述空间滤波器(9)采用三轴空间滤波平台。
6.如权利要求5所述的一种基于衍射光学元件的相机标定装置，其特征在于，所述三轴空间滤波平台包括20倍显微物镜与直径为25μm的高能量针孔。
7.如权利要求1或2所述的一种基于衍射光学元件的相机标定装置，其特征在于，入射到所述双交叉的一维DOE(11)的光斑大小能够覆盖所述双交叉的一维DOE(11)。
8.如权利要求1或2所述的一种基于衍射光学元件的相机标定装置，其特征在于，所述双交叉的一维DOE(11)的尺寸不小于所述待测相机(1)的口径。
9.如权利要求1或2所述的一种基于衍射光学元件的相机标定装置，其特征在于，所述衍射星点的最大衍射角不小于所述待测相机(1)的视场角。
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