CN107870445A - 基于相机成像的光轴对准装置及光轴对准方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学工程技术领域，具体涉及一种基于相机成像的光轴对准装置及光轴对准方法。该光轴对准装置包括在同一水平面内依次设置的一号导轨、二号导轨和三号导轨以及用于分析相机图像坐标的计算机，二号导轨平行于三号导轨并且垂直于一号导轨；一号导轨上安装相机和一号分划板，二号导轨上安装二号分划板，三号导轨上安装三号分划板；一号分划板的中心与相机镜头中心所在的光轴为固定光轴；二号分划板的中心与三号分划板的中心所在的光轴为可调光轴。本发明在对准过程中采用了成像的方法，与用经纬仪直接观测对准有同样高的精度，并且在工程应用中有通用性。

Description

基于相机成像的光轴对准装置及光轴对准方法

技术领域

本发明属于光学工程技术领域，具体涉及一种基于相机成像的光轴对准装置及光轴对准方法。

背景技术

在光学工程技术领域，经常需要对光轴进行校准和标定，传统的光轴对准方法均是利用光的直线传播特性，同时需要借助于各种校准仪器。例如，使用激光进行光轴对准时，可以认为激光经过的位置都处于同一个光轴上。激光器具有结构简单、体积小、操作方便的优点，但是由于激光光斑直径有一定的尺寸，而且传播距离越远时光斑直径越大，难以精确实现光轴对准，因此激光对准的方法仅适用于近距离且精度要求不高的情况。用经纬仪对准也是光轴对准的一种常用方法，这种方法利用望远镜观测需要对准的点的位置，将各个被测点调整到经纬仪刻度线相同的位置，此时认为这些点处于同一个光轴上。经纬仪对准方法具有对准精度高的优点。但是，使用经纬仪寻找和测量目标需要有一定的经验，而且使用前必须将经纬仪姿态调整水平、高度调整适合，需要反复试验和多人操作，相对于激光器而言，经纬仪的价格也比较高，体积重量也比较大，不利于携带且操作复杂。

发明内容

本发明目的是提供一种基于相机成像的光轴对准装置及光轴对准方法，解决了现有的光轴对准方法无法兼顾操作简便和对准精度的技术问题。

本发明的技术解决方案是：一种基于相机成像的光轴对准装置，其特殊之处在于：包括在同一水平面内依次设置的一号导轨、二号导轨和三号导轨，所述二号导轨平行于三号导轨并且垂直于一号导轨；

所述一号导轨上安装相机和一号分划板，所述二号导轨上安装二号分划板，所述三号导轨上安装三号分划板；

所述相机可沿一号导轨自由滑动，所述一号分划板固定安装于一号导轨上，一号分划板的中心与相机镜头中心所在的光轴为固定光轴；

所述二号分划板可沿二号导轨自由滑动并且高度可调，所述三号分划板可沿三号导轨自由滑动并且高度可调，所述二号分划板的中心与三号分划板的中心所在的光轴为可调光轴；

所述光轴对准装置还包括用于分析相机图像坐标的计算机。

进一步地，上述相机为单反相机。

进一步地，上述一号分划板、二号分划板和三号分划板均为十字分划板。

进一步地，上述计算机上安装有用于分析相机图像坐标的matlab工具软件。

进一步地，上述二号分划板以及三号分划板的安装支架上均设置有用于进行高度调节的高度调节旋钮。

本发明还提供一种基于相机成像的光轴对准方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)搭建如上所述的基于相机成像的光轴对准装置；

2)在一号导轨上移动相机的位置，调整相机焦距，并分别对一号分划板、二号分划板和三号分划板进行拍摄，得到三张图像；

3)在计算机中对三张图像进行分析，在图像坐标系内，得到一号分划板的中心坐标(x₁₀，y₁₀)、二号分划板的中心坐标(x₂₀，y₂₀)和三号分划板的中心坐标(x₃₀，y₃₀)；

4)定义惯性坐标系：x轴与二号导轨所在直线平行，z轴与一号导轨所在直线平行，y轴与二号分划板的高度调节方向平行，原点在相机镜头中心处；

将图像坐标系对应转换至惯性坐标系，在惯性坐标系中，得到一号分划板的中心坐标(x₁，y₁)、二号分划板的中心坐标(x₂，y₂)和三号分划板的中心坐标(x₃，y₃)；

5)计算当把可调光轴与固定光轴对准时，二号分划板的移动向量为(Δx₂，Δy₂)，三号分划板的移动向量为(Δx₃，Δy₃)；

6)根据步骤5)计算得到的移动向量对二号分划板的和三号分划板的位置进行调节，使得可调光轴与固定光轴位于同一直线上，完成光轴对准。

进一步地，步骤4)中将一号分划板、二号分划板和三号分划板的中心坐标由图像坐标系转换至惯性坐标系的转换公式为：

[x₁ x₂ x₃ y₁ y₂ y₃]＝[x₁₀ x₂₀ x₃₀ y₁₀ y₂₀ y₃₀]·R

其中，R是与相机镜头有关的坐标转换矩阵。

进一步地，步骤5)中二号分划板和三号分划板的移动向量计算公式为：

其中，p为相机的像元尺寸，β₂为拍摄二号分划板时相机镜头的放大倍数，β₃为拍摄三号分划板时相机镜头的放大倍数。

本发明的有益效果在于：本发明利用相机沿着光轴方向对需要对准的三个分划板分别拍摄三张照片，找到三张图像中分划板中心的坐标，经过计算直接得到两个可调分划板的调整量，按照调整量调整一次后即可达到光轴对准的目的，因此操作简便。在对准过程中采用了成像的方法，与用经纬仪直接观测对准有同样高的精度，并且在工程应用中有通用性。

附图说明

图1为本发明基于相机成像的光轴对准装置的较佳实施例结构示意图。

其中，附图标记为：1-惯性坐标系，2-相机，3-固定光轴，4-一号分划板，5-一号分划板十字中心，6-二号分划板，7-二号分划板十字中心，8-三号分划板，9-三号分划板十字中心，10-一号导轨，11-二号分划板高度调节旋钮，12-二号导轨，13-三号分划板高度调节旋钮，14-三号导轨，15-可调光轴。

具体实施方式

参见图1，本发明提供了一种基于相机成像的光轴对准装置以及光轴对准方法，光轴对准装置的较佳实施例例结构包括在同一水平面内依次设置的一号导轨10、二号导轨12和三号导轨14，二号导轨12平行于三号导轨14并且垂直于一号导轨10；

一号导轨10上安装相机2和一号分划板4，二号导轨12上安装二号分划板6，三号导轨14上安装三号分划板8；相机2可以选用单反相机，一号分划板4、二号分划板6和三号分划板8均为十字分划板。

相机2可沿一号导轨10自由滑动，一号分划板4固定安装于一号导轨10上，一号分划板十字中心5与相机镜头中心所在的光轴为固定光轴3；

二号分划板6可沿二号导轨12自由滑动并且其安装支架上设置有二号分划板高度调节旋钮11，三号分划板8可沿三号导轨14自由滑动并且其安装支架上设置有三号分划板高度调节旋钮13，二号分划板十字中心7与二号分划板十字中心9所在的光轴为可调光轴15；

另外，本实施例光轴对准装置还包括用于分析相机图像坐标的计算机，计算机上安装有用于分析相机图像坐标的matlab工具软件。

使用本实施例基于相机成像的光轴对准装置进行光轴对准的方法包括以下步骤：

1)搭建基于相机成像的光轴对准装置；

2)在一号导轨10上移动相机2的位置，调整相机焦距，并分别对一号分划板4、二号分划板6和三号分划板8进行拍摄，得到三张图像；

3)在计算机中对三张图像进行分析，在图像坐标系内，得到一号分划板4的中心坐标(x₁₀，y₁₀)、二号分划板6的中心坐标(x₂₀，y₂₀)和三号分划板8的中心坐标(x₃₀，y₃₀)；

4)定义惯性坐标系：x轴与二号导轨12所在直线平行，z轴与一号导轨10所在直线平行，y轴与二号分划板6的高度调节方向平行，原点在相机2镜头中心处；

将图像坐标系对应转换至惯性坐标系，在惯性坐标系中，得到一号分划板4的中心坐标(x₁，y₁)、二号分划板6的中心坐标(x₂，y₂)和三号分划板8的中心坐标(x₃，y₃)；

5)计算当把可调光轴15与固定光轴3对准时，二号分划板6的移动向量为(Δx₂，Δy₂)，三号分划板8的移动向量为(Δx₃，Δy₃)；

6)根据步骤5)计算得到的移动向量对二号分划板6的和三号分划板8的位置进行调节，使得可调光轴15与固定光轴3位于同一直线上，完成光轴对准。

较为优选地，步骤4)中将一号分划板4、二号分划板6和三号分划板8的中心坐标由图像坐标系转换至惯性坐标系的转换公式为：

[x₁ x₂ x₃ y₁ y₂ y₃]＝[x₁₀ x₂₀ x₃₀ y₁₀ y₂₀ y₃₀]·R

其中，R是与相机镜头有关的坐标转换矩阵。

较为优选地，步骤5)中二号分划板6和三号分划板8的移动向量计算公式为：

其中，p为相机的像元尺寸，β₂为拍摄二号分划板时相机镜头的放大倍数，β₃为拍摄三号分划板时相机镜头的放大倍数。

Claims (8)

1.一种基于相机成像的光轴对准装置，其特征在于：包括在同一水平面内依次设置的一号导轨、二号导轨和三号导轨，所述二号导轨平行于三号导轨并且垂直于一号导轨；

所述一号导轨上安装相机和一号分划板，所述二号导轨上安装二号分划板，所述三号导轨上安装三号分划板；

所述相机可沿一号导轨自由滑动，所述一号分划板固定安装于一号导轨上，一号分划板的中心与相机镜头中心所在的光轴为固定光轴；

所述二号分划板可沿二号导轨自由滑动并且高度可调，所述三号分划板可沿三号导轨自由滑动并且高度可调，所述二号分划板的中心与三号分划板的中心所在的光轴为可调光轴；

所述光轴对准装置还包括用于分析相机图像坐标的计算机。

2.根据权利要求1所述的基于相机成像的光轴对准装置，其特征在于：所述相机为单反相机。

3.根据权利要求1或2所述的基于相机成像的光轴对准装置，其特征在于：所述一号分划板、二号分划板和三号分划板均为十字分划板。

4.根据权利要求3所述的基于相机成像的光轴对准装置，其特征在于：所述计算机上安装有用于分析相机图像坐标的matlab工具软件。

5.根据权利要求4所述的基于相机成像的光轴对准装置，其特征在于：所述二号分划板以及三号分划板的安装支架上均设置有用于进行高度调节的高度调节旋钮。

6.一种基于相机成像的光轴对准方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)搭建如权利要求1-5中任一所述的基于相机成像的光轴对准装置；

2)在一号导轨上移动相机的位置，调整相机焦距，并分别对一号分划板、二号分划板和三号分划板进行拍摄，得到三张图像；

3)在计算机中对三张图像进行分析，在图像坐标系内，得到一号分划板的中心坐标(x₁₀，y₁₀)、二号分划板的中心坐标(x₂₀，y₂₀)和三号分划板的中心坐标(x₃₀，y₃₀)；

4)定义惯性坐标系：x轴与二号导轨所在直线平行，z轴与一号导轨所在直线平行，y轴与二号分划板的高度调节方向平行，原点在相机镜头中心处；

将图像坐标系对应转换至惯性坐标系，在惯性坐标系中，得到一号分划板的中心坐标(x₁，y₁)、二号分划板的中心坐标(x₂，y₂)和三号分划板的中心坐标(x₃，y₃)；

5)计算当把可调光轴与固定光轴对准时，二号分划板的移动向量为(Δx₂，Δy₂)，三号分划板的移动向量为(Δx₃，Δy₃)；

6)根据步骤5)计算得到的移动向量对二号分划板的和三号分划板的位置进行调节，使得可调光轴与固定光轴位于同一直线上，完成光轴对准。

7.根据权利要求6所述的基于相机成像的光轴对准方法，其特征在于：步骤4)中将一号分划板、二号分划板和三号分划板的中心坐标由图像坐标系转换至惯性坐标系的转换公式为：

[x₁ x₂ x₃ y₁ y₂ y₃]＝[x₁₀ x₂₀ x₃₀ y₁₀ y₂₀ y₃₀]·R

其中，R是与相机镜头有关的坐标转换矩阵。

8.根据权利要求7所述的基于相机成像的光轴对准方法，其特征在于：步骤5)中二号分划板和三号分划板的移动向量计算公式为：

<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;x</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>x</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>x</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mi>p</mi> <mo>/</mo> <msub> <mi>&amp;beta;</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;x</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>x</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>x</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mi>p</mi> <mo>/</mo> <msub> <mi>&amp;beta;</mi> <mn>3</mn> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;y</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>y</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>y</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mi>p</mi> <mo>/</mo> <msub> <mi>&amp;beta;</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;y</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>y</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>y</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mi>p</mi> <mo>/</mo> <msub> <mi>&amp;beta;</mi> <mn>3</mn> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>

其中，p为相机的像元尺寸，β₂为拍摄二号分划板时相机镜头的放大倍数，β₃为拍摄三号分划板时相机镜头的放大倍数。