CN108489421A - 一种条纹投影检测平面元件面形方法及装置 - Google Patents

一种条纹投影检测平面元件面形方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种条纹投影检测平面元件面形方法及装置，首先，用张氏标定法求出CCD相机的像素坐标与镜面像素坐标间的映射关系即内外参数矩阵，得到平面元件表面各点的坐标；其次，用相移展开算法对CCD相机拍摄得到的变形正弦条纹图进行相位展开，得到第二显示器上对应变形条纹上各点的坐标；然后，将得到的相机针孔坐标，平面元件表面各点的坐标和第二显示器上对应各点的坐标带入平面元件的斜率计算公式中，得到平面元件表面的斜率数据；最后，用Zernike多项式重建平面元件表面的波前信息。该检测方法的系统结构简单，可实现高精度测量。

Description

一种条纹投影检测平面元件面形方法及装置
技术领域
本发明涉及一种条纹投影检测平面元件面形方法及装置，属于测量技术领域。
背景技术
大多数激光惯性约束聚变装置(ICF)，如美国国家点火装置(NIF),法国的兆焦耳装置和中国的神光III系统，都有相类似的设计原理，许多束百焦耳级的激光束被产生，放大，净化，转换，最终聚焦到一个靶丸上。在实现这些功能的过程中用到了多种大口径光学元件，包括透镜、晶体、变形镜、传输反射镜等。为了实现点火，对这些元件的面形精度提出了十分苛刻的要求，同时，对元件参数检测需要的检测方法也提出了越来越高的要求。
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。为了克服上述不足，本发明提出了一种条纹投影检测平面元件面形方法及装置。
发明内容
本发明的目的是为了对平面元件面形实现高精度的检测，发明了一种条纹投影检测平面元件面形方法及装置，该方法的测量系统结构简单，灵敏度高，无需辅助光学元件，能一次完成全场测量，并且效率很高。
一种条纹投影检测平面元件面形的相位测量偏折术(PMD)测试装置包括：CCD相机、相机针孔、第二显示器、平面元件、计算机、直线导轨、普通显微镜、靶标针尖、第一显示器组成；其中，CCD相机、相机针孔、第二显示器、平面元件、计算机组成检测系统，直线导轨、普通显微镜、靶标针尖、第一显示器组成标定调整系统；相机针孔位于CCD相机镜头最前端，第二显示器所在平面与平面元件所在的平面平行；该设计的优点是：孔径光阑设置符合相机标定的针孔模型，并能准确确定相机针孔的位置坐标，还可消除相机系统的光瞳像差；其次，平面元件所在平面与第二显示器所在平面为平行状态，能准确获得光线反射点“镜像素”的坐标；相位展开得到变形条纹对应第二显示器上各像素点的坐标，从而能计算平面元件表面各像素点处法线的方向。再次，该测试系统容易实现，用直线导轨和普通显微镜可将调整问题中带入的全局面形误差进行控制。
一种条纹投影检测平面元件面形的相位测量偏折术(PMD)测试方法的具体检测步骤如下：
步骤1：实验设备姿态调整和标定参数测量
利用直线导轨和普通显微镜对第一显示器和第二显示器进行位置姿态调整，分别测量相机针孔坐标(xc,yc)和靶标针尖的位置坐标；在第二显示器显示标记点，并测量该标记点坐标；
步骤2：CCD相机标定
首先，在调整好的第一显示器上显示棋盘格图像，并将第一幅图像精确调整到平面元件所在平面的位置，使用直线导轨和普通显微镜测量棋盘格上的标记角点坐标；其次用CCD相机进行拍摄得到不同俯仰和倾斜角度变化的棋盘格图像；最后利用摄像机标定方法对所得到的棋盘格图像进行标定，得到CCD相机的内外参数矩阵；
步骤3：计算平面元件表面对应像素点的世界坐标(xm,ym)
将步骤2得到的CCD相机内外参数矩阵和设定的CCD相机像素矩阵带入(1)式二者的投影关系中，计算出CCD相机每一个像素对应的平面元件表面对应像素点的世界坐标；
步骤4：计算变形正弦条纹图对应第二显示器上各像素点的世界坐标(xs,ys)
在第二显示器上依次显示水平和竖直方向相位不同的正弦条纹图，同时将正弦条纹图投影到平面元件表面，将CCD相机调焦，使其对平面元件表面成清晰像，采集由平面元件表面反射的变形正弦条纹图，最后利用相移算法计算第二显示器上对应变形条纹上各对应像素点的世界坐标；
步骤5：计算平面元件表面斜率
将步骤1中得到的(xc，yc)，步骤3中得到的(xm,ym)和步骤4中得到的(xs,ys)带入斜率计算公式中，计算得到平面元件表面各像素点的斜率数据；
步骤6：面形重建
根据平面元件表面各点的斜率数据，利用Zernike多项式重建平面元件的表面面形。
附图说明
附图1是本发明的检测系统结构图
附图2是本发明的调整标定系统结构图
附图3是本发明用于标定的棋盘格图像
附图4是本发明投影的水平正弦条纹图
附图5是本发明投影的竖直正弦条纹图
具体实施方式
以下结合附图与具体实施方式对本发明做更为详细的说明。
一种条纹投影检测平面元件面形的相位测量偏折术(PMD)测试装置包括：CCD相机1、相机针孔2、第二显示器3、平面元件4、计算机5、直线导轨6、普通显微镜7、靶标针尖8、第一显示器9组成；其中，CCD相机1、相机针孔2、第二显示器3、平面元件4、计算机5组成检测系统，直线导轨6、普通显微镜7、靶标针尖8、第一显示器9组成标定调整系统；相机针孔2位于CCD相机1镜头最前端，第二显示器3所在平面与平面元件4所在的平面平行；
一种条纹投影检测平面元件面形的相位测量偏折术(PMD)测试方法的具体检测步骤如下：
步骤1：实验设备姿态调整和标定参数测量
利用直线导轨6和普通显微镜7对第一显示器9和第二显示器3进行位置姿态调整，分别测量相机针孔2坐标(xc,yc)和靶标针尖8的位置坐标；在第二显示器3显示标记点，并测量该标记点坐标；
步骤2：CCD相机1标定
首先，在调整好的第一显示器9上显示棋盘格图像(如附图3所示)，并将第一幅图像精确调整到平面元件4所在平面的位置，使用直线导轨6和普通显微镜7测量棋盘格上的标记角点坐标；其次用CCD相机1进行拍摄得到不同俯仰和倾斜角度变化的棋盘格图像；最后利用摄像机标定方法对所得到的棋盘格图像进行标定，得到CCD相机1的内外参数矩阵；
步骤3：计算平面元件4表面对应像素点的世界坐标(xm,ym)
将步骤2得到的CCD相机1内外参数矩阵和设定的CCD相机1像素矩阵带入(1)式二者的投影关系中，计算出CCD相机1每一个像素对应的平面元件4表面对应像素点的世界坐标：
式中s为比例因子，(u,v)为图像坐标，(xm,ym)为与图像坐标(u,v)对应的世界坐标，H为由CCD相机1的内外参数组成的单应矩阵；
步骤4：计算变形正弦条纹图对应第二显示器3上各像素点的世界坐标(xs,ys)
在第二显示器3上依次显示水平和竖直方向相位不同的正弦条纹图(如附图4和附图5所示)，同时将正弦条纹图投影到平面元件4表面，将CCD相机1调焦，使其对平面元件4表面成清晰像，采集由平面元件4表面反射的变形正弦条纹图，最后利用相移算法计算第二显示器3上对应变形条纹上各对应像素点的世界坐标；
步骤5：计算平面元件4表面斜率
将步骤1中得到的(xc，yc)，步骤3中得到的(xm,ym)和步骤4中得到的(xs,ys)带入(2)式和(3)式中，计算得到平面元件4表面各像素点的斜率数据：
式中，gx和gy分别为入射光线在平面元件4表面上x和y方向的斜率，dm2c为光线入射到平面元件4上的各像素点与CCD相机1间的距离，dm2s为光线入射到平面元件4上的各像素点与第二显示器3上对应像素点间的距离，zm2c为光线入射到平面元件4上的各像素点与CCD相机1在Z轴方向的距离，zm2s为光线入射到平面元件4上的各像素点与第二显示器3上对应像素点在Z轴方向的距离；
步骤6：面形重建
根据平面元件4表面各点的斜率数据，利用Zernike多项式重建平面元件4的表面面形。用n项Zernike多项式来描述平面元件4的波前φ(x,y)可表示为以下形式：
φ(x,y)＝a1Z1(x,y)+a2Z2(x,y)+...+anZn(x,y) (4)
式(4)中Zi为第i项Zernike多项式，ai为与其对应的系数。
模式法波前重建的实质是建立Zernike多项式各项的斜率矩阵以求解各项Zernike的系数Z。将(4)式求导即可得平面元件4表面的波前斜率，即：
由计算得到平面元件4的各点的斜率数据和矢量Zernike多项式利用最小二乘算法即计算出各项Zernike多项式的系数ai，将系数代入公式(4)即得到平面元件4的表面面形。

Claims (3)

1.一种条纹投影检测平面元件面形的相位测量偏折术(PMD)测试装置包括：CCD相机、相机针孔、第二显示器、平面元件、计算机、直线导轨、普通显微镜、靶标针尖、第一显示器组成；其中，CCD相机、相机针孔、第二显示器、平面元件、计算机组成检测系统，直线导轨、普通显微镜、靶标针尖、第一显示器组成标定调整系统；相机针孔位于CCD相机镜头最前端，第二显示器所在平面与平面元件所在的平面平行；
一种条纹投影检测平面元件面形的相位测量偏折术(PMD)测试方法的具体检测步骤如下：
步骤1：实验设备姿态调整和标定参数测量
利用直线导轨和普通显微镜对第一显示器和第二显示器进行位置姿态调整，分别测量相机针孔坐标(xc,yc)和靶标针尖的位置坐标；在第二显示器显示标记点，并测量该标记点坐标；
步骤2：CCD相机标定
首先，在调整好的第一显示器上显示棋盘格图像，并将第一幅图像精确调整到平面元件所在平面的位置，使用直线导轨和普通显微镜测量棋盘格上的标记角点坐标；其次用CCD相机进行拍摄得到不同俯仰和倾斜角度变化的棋盘格图像；最后利用摄像机标定方法计算得到CCD相机的内外参数矩阵；
步骤3：计算平面元件表面对应像素点的世界坐标(xm,ym)
将步骤2得到的CCD相机内外参数矩阵和设定的CCD相机像素矩阵带入(1)式二者的投影关系中，计算出CCD相机每一个像素对应的平面元件表面对应像素点的世界坐标：
式中s为比例因子，(u,v)为图像坐标，(xm,ym)为与图像坐标(u,v)对应的世界坐标，H为由CCD相机的内外参数组成的单应矩阵；
步骤4：计算变形正弦条纹图对应第二显示器上各像素点的世界坐标(xs,ys)在第二显示器上依次显示水平和竖直方向相位不同的正弦条纹图，同时将正弦条纹图投影到平面元件表面，将CCD相机调焦，使其对平面元件表面成清晰像，采集由平面元件表面反射的变形正弦条纹图，最后利用相移算法计算第二显示器上对应变形条纹上各对应像素点的世界坐标；
步骤5：计算平面元件表面斜率
将步骤1中得到的(xc,yc)，步骤3中得到的(xm,ym)和步骤4中得到的(xs,ys)带入(2)式和(3)式中，计算得到平面元件表面各像素点的斜率数据：
式中，gx和gy分别为入射光线在平面元件表面上x和y方向的斜率，dm2c为光线入射到平面元件上的各像素点与CCD相机间的距离，dm2s为光线入射到平面元件上的各像素点与第二显示器上对应像素点间的距离，zm2c为光线入射到平面元件上的各像素点与CCD相机在Z轴方向的距离，zm2s为光线入射到平面元件上的各像素点与第二显示器上对应像素点在Z轴方向的距离；
步骤6：面形重建
根据平面元件表面各点的斜率数据，利用Zernike多项式重建平面元件的表面面形。
2.根据权利要求1所述一种条纹投影检测平面元件面形的方法及装置，其主要特征在于相机针孔位于CCD相机镜头之外。
3.根据权利要求1所述一种条纹投影检测平面元件面形的方法及装置，其主要特征在于被测平面元件与第二显示器保持平行。
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