CN108413893B - 一种散斑偏折术检测平面元件面形的方法与装置 - Google Patents

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    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures

Abstract

本文提出一种利用散斑图案和数字图像相关(Digital Image Correlation，DIC)技术测量平面元件面形的方法。基本器件包括针孔相机、显示器、平面参考元件、被测元件和计算机。显示器投影的散斑图案经被测元件反射后被针孔相机记录并保存，与使用平面参考元件拍摄的图案对比，散斑将发生位移，位移的大小和方向利用DIC技术得到。由位移推导被测元件的斜率分布，进而使用斜率重建面形。此方法不改变传统相位测量偏折术(PMD)装置，易于实现，拍摄图片数量少，可实现高效测量。

Description

一种散斑偏折术检测平面元件面形的方法与装置
技术领域
本发明涉及一种散斑偏折术检测平面元件面形的方法与装置，属于测量技术领域。
背景技术
镜面、类镜面物体由于其严苛的加工精度要求和独特的高透光性和不可见性成为光学三维检测领域的重点和难点，这些元件的面形检测要求十分苛刻，同时，对元件参数检测需要的检测方法要求也越来越高。
光学三维面形测量方法广泛应用于军事、医学、天文学、文物保护及现代化先进产品等方面。目前，世界上比较流行的检测方法有：静态平面干涉仪，动态偏振相移干涉仪，偏振相移径向剪切干涉仪三种干涉测量方法，Ritchey-Common检测法，扫描五棱镜法，哈特曼子孔径拼接技术，相位测量偏折术。在这些方法中，干涉测量作为一种非接触的高精度光学检测方法已经有超过100年的历史，然而，干涉测量动态范围小，其对环境比较敏感,在元件斜率变化较大的边缘难以得到较好的数据，使其的应用受到了限制。而且大多数干涉测量系统要求光学器件加工并校准到非常高的精度。这使得干涉测量非常不灵活并且价格昂贵。在三维测量方法中，无论是干涉仪法，Ritchey-Common检测法还是扫描五棱镜法，都难以实现在线检测。
目前，比较流行的光束偏折量的测量方法是由
Figure BDA0001594438890000011
等人和Peng Su等人提出的相位测量偏折术(PMD)，一般使用正选条纹作为偏折术的结构光。由于条纹只在一个方向上具有相位分布，因此需要使用两个正交方向上的条纹。PMD的精度高度依赖于相位的计算精度，为了更精确的计算相位分布，通常会用到多步相移技术，这将会降低测量的效率和稳定性。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提出一种散斑偏折术检测平面元件面形的方法与装置用于实现平面光学元件面形的测量。该方法结构简单灵活，可实现高效在线测量。
一种散斑偏折术检测平面元件面形的方法测试装置包括：针孔相机、显示器、平面参考元件、被测元件和计算机。显示器向元件投影散斑，使用针孔相机分别记录经过平面参考元件和被测元件反射后的散斑图，利用DIC技术得到散斑在两幅图之间的位移，通过位移推导被测元件表面斜率，并重建面形。该方法具体步骤如下：
步骤1：调整系统并标定
调整显示器与针孔相机姿态，测量相机针孔坐标和显示器位置，通过相机标定得到相机中每个像素对应的被测元件坐标。
步骤2：拍摄散斑图
将平面参考元件放入系统中，在显示器上显示散斑图，针孔相机记录经平面参考元件反射后的散斑参考图；将平面参考元件替换为被测元件，拍摄形变图。
步骤3：计算位移与斜率
使用DIC技术计算形变图中每个像素与参考图中对应像素之间的位移，由位移计算被测元件斜率。
步骤4：重建面形
根据被测元件表面各点的斜率数据，利用Zernike多项式重建大口径平面元件的表面面形。
附图说明
图1是本发明拍摄被测元件时的系统结构示意图
图2是本发明拍摄平面参考元件时的系统结构示意图
图3是本发明投影的散斑图
具体实施方式
下面结合附图通过实例对本发明进行详细说明。有必要在此指出的是，以下实施例只用于本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
本发明提供了一种散斑偏折术检测平面元件面形的方法与装置。其基本器件包括被测元件1、针孔相机2、显示器3、计算机4和平面参考元件5，平面参考元件5与被测元件1相似，使用时与被测元件1的位置相同。显示器3投影的散斑图经过被测元件1反射后被针孔相机2接收，与使用平面参考元件5时拍摄的图像对比，散斑发生位移，计算机4计算得到位移并由此进一步计算被测元件1表面的斜率和面形。具体步骤如下：
步骤1：系统调整和标定
调整显示器3与针孔相机2姿态，测量针孔相机2坐标(xc,yc,zc)和显示器3位置zs，通过标定得到相机2中每个像素对应的被测元件1坐标(xm,ym)；
步骤2：拍摄散斑图
调整平面参考元件5使其与显示器3平行(如附图2所示)，在显示器3上显示散斑图(如附图3所示)，针孔相机2记录经平面参考元件5反射后的散斑图，作为参考图；将平面参考元件5替换为被测元件1(如附图1所示)，使用针孔相机2记录经被测元件1反射后的散斑图，称为形变图；
步骤3：计算位移与斜率
光线反射时入射角与反射角正切值相等，由等式(1)和(2)得到参考图中每个像素对应的显示器3上的坐标(xsf,ysf)：
Figure BDA0001594438890000031
Figure BDA0001594438890000032
式中zm2s为显示器3与被测元件1的z坐标之差，zm2c为针孔相机2与被测元件1的z坐标之差；
使用DIC技术计算针孔相机2记录的形变图中每个像素与参考图中对应像素之间的位移dx和dy；根据等式(3)和(4)计算形变图中每个像素点对应显示器3上的坐标：
xsd＝xsf+dx (3)
ysd＝ysf+dy (4)
由等式(5)和(6)计算被测元件1的斜率：
Figure BDA0001594438890000041
Figure BDA0001594438890000042
式中dm2c为被测元件1像素点与针孔相机2之间的距离，dm2c为被测元件1像素点与显示器3上对应点之间距离；
步骤4：重建面形
根据被测元件1表面各点的斜率数据，利用Zernike多项式重建被测元件1的表面面形。

Claims (2)

1.一种散斑偏折术检测平面元件面形的方法，其特征在于：测试装置包括针孔相机、显示器、平面参考元件、被测元件和计算机，显示器分别向平面参考元件和被测元件反射面投影散斑，针孔相机依次拍摄该平面参考元件和被测元件反射面，显示器与针孔相机连接到计算机；使用针孔相机分别记录经过平面参考元件和被测元件反射后的散斑图，利用DIC技术得到散斑在两幅图之间的位移，通过位移推导被测元件表面斜率，并重建面形；
所述散斑偏折术检测平面元件面形的方法的具体检测步骤如下：
步骤1：系统调整和标定
调整显示器与针孔相机姿态，测量相机针孔坐标(xc,yc,zc)和显示器位置zs，通过相机标定得到相机中每个像素对应的被测元件坐标(xm,ym)；
步骤2：拍摄散斑图
调整平面参考元件使其与显示器平行，在显示器上显示散斑图，针孔相机记录经平面参考元件反射后的散斑图，作为参考图；将平面参考元件替换为被测元件，被测元件与平面参考元件姿态相同；使用针孔相机记录经被测元件反射后的散斑图，称为形变图；
步骤3：计算位移与斜率
光线反射时入射角与反射角正切值相等，由等式(1)和(2)得到参考图中每个像素对应的显示器坐标(xsf,ysf)：
Figure FDA0002314492570000011
Figure FDA0002314492570000012
式中zm2s为显示器与被测元件的z坐标之差，zm2c为针孔相机与被测元件的z坐标之差；
使用DIC技术计算形变图中每个像素与参考图中对应像素之间的位移dx和dy；根据等式(3)和(4)计算形变图中每个像素点对应显示器上的坐标：
xsd＝xsf+dx (3)
ysd＝ysf+dy (4)
由等式(5)和(6)计算被测元件的斜率：
Figure FDA0002314492570000021
Figure FDA0002314492570000022
式中dm2c为被测元件像素点与针孔之间的距离，dm2c为被测元件像素点与显示器上对应点之间距离；
步骤4：重建面形
根据被测元件表面各点的斜率数据，利用Zernike多项式重建被测元件的表面面形。
2.根据权利要求1所述一种散斑偏折术检测平面元件面形的方法，其特征在于：使用散斑作为结构光，DIC技术得到的位移用于计算被测元件表面斜率；用平面参考元件拍摄参考图，并保证被测元件与平面参考元件位置重合。
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