CN108917652B - 一种结构光检测离轴非球面的位姿优化方法 - Google Patents

一种结构光检测离轴非球面的位姿优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种结构光检测离轴非球面的位姿优化方法，该方法通过显示器投影条纹到被测镜面上，利用经镜面反射后的投影条纹的变形信息计算被测镜面各点的斜率，然后积分得到被测镜面的面形信息。结构光测量方法原理结构简单，检测动态范围较大，在面形检测领域应用广泛。但在实际测量过程中，镜面的位置姿态误差会严重影响最终的面形检测精度，特别是低频面形，本发明通过数值优化算法可有效解决这一问题，提高结构光面形检测精度，具有重要的应用价值。

Description

一种结构光检测离轴非球面的位姿优化方法
技术领域
本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种结构光检测离轴非球面的位姿优化方法。
背景技术
随着现代光学技术的不断发展，非球面光学元件在现代光学系统中得到了越来越广泛的应用，因为非球面光学元件的应用可使系统小型化、简单化和轻量化，特别是离轴非球面。在光学系统设计中，相对于平球面，非球面具有更多的设计自由度，可同时优化顶点曲率半径、二次曲面常数和高阶项系数，更利于控制光学系统的成像质量。由于其诸多优点，以非球面为核心的光学系统在同步辐射、空间光学、天文望远镜和光刻系统等高技术领域有着极为广泛的应用，对非球面的加工检测也提出了新的要求。
目前，对于离轴非球面的面形检测主要有坐标测量和干涉测量两种方法，前者是基于坐标的逐点测量，采样密度较小，后者检测精度较高，但对于离轴非球面需要加工制作补偿器，检测成本较高。结构光测量方法是近年发展起来的一种较为简易有效的面形检测方法，其基本原理是通过显示器投影条纹到被测镜面上，利用经镜面反射后的投影条纹的变形信息计算被测镜面各点的斜率，然后积分得到被测镜面的面形信息。结构光测量方法原理结构简单，检测动态范围较大，在面形检测领域应用愈加广泛。由于结构光测量方法结构原理简单，对被测镜面的位置姿态控制较为宽松，在实际测量过程中，镜面的位置姿态误差会严重影响最终的面形检测精度，特别是低频面形，镜面位置姿态的准确确定也是结构光测量方法的核心难点问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构光检测离轴非球面的位姿优化方法，对离轴非球面的位置姿态进行准确确定。
本发明采用技术方案为：一种结构光检测离轴非球面的位姿优化方法，所述方法采用的器件包括LCD显示屏、被测镜面和相机，所述方法具体实现步骤如下：
第一步，分别在LCD显示屏、相机和被测镜面上制作至少3个标记点，采用激光跟踪仪进行测量，获得各标记点空间坐标位置信息；
第二步，在LCD显示屏上分别显示横竖正弦条纹，并用相机拍摄经被测镜面反射后的条纹，计算得到LCD显示屏像素坐标；
第三步，使用激光跟踪仪以被测镜面为基准建立坐标系，并建立系统几何模型，然后将标定中得到的LCD显示屏平面度误差数据代入模型中，从点像素坐标转换到其空间坐标；同时，结合相机标定的光线出射光线向量，就可以得到屏幕点的空间坐标，最后将点的实测值与理想值坐标代入下式，
Figure BDA0001723346840000021
Figure BDA0001723346840000022
就得到被测镜面的面形误差斜率分布，最后积分就得到了被测镜面的面形误差S；
第四步，建立被测镜面位置姿态优化目标评价函数：
Figure BDA0001723346840000023
其中，N为总的像素点个数，tx、ty、tz、rx、ry、rz分别为被测面沿xyz方向的平移和旋转，S′i(tx,ty,tz,rx,ry,rz)为被测镜面位置姿态经过调整之后的理想面形，Si为实际测量得到的被测镜面面形；
通过数学优化计算，使得目标函数最小F，即可得到实际检测时的被测镜面位置姿态，进而得到更为准确的被测镜面面形误差信息。
本发明与现有技术相比的优势在于：
(1)本发明结构原理较为简单，对检测系统各部件之间的位置要求较为宽松。
(2)本发明的数值优化方法可有效确定离轴镜面的空间位置姿态，且具有较高精度。
(3)本发明成本低、灵敏度高、动态范围大，通过高精度的系统标定可以获得较高的测量精度，可以满足自由光学曲面的高精度检测需求。
附图说明
图1是本发明一种结构光检测离轴非球面位姿优化方法利用的装置构成示意图；
图2是显示屏投影横条纹时相机拍摄被测镜面得到的图像；
图3是显示屏投影竖条纹时相机拍摄被测镜面得到的图像；
图4是采用本发明方法计算得到的被测镜面面形误差；
各图中，1.LCD显示屏，2.被测镜面，3.相机。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
图1是本发明一种结构光检测离轴非球面位姿优化方法利用的装置构成示意图。利用的装置包括LCD显示屏1，被测镜面2，相机3。结合实例，其测量过程如下：
第一步，分别在LCD显示屏1、被测镜面2和相机3上制作至少三个标记点，采用激光跟踪仪进行测量，获得各标记点空间坐标位置信息；
第二步，在LCD显示屏1上分别显示横竖正弦条纹，如图2和图3所示，并用相机3拍摄经被测镜面反射后的条纹，可表示为：
Figure BDA0001723346840000031
式中a和b都为正常数，
Figure BDA0001723346840000037
为相位分布，u为显示屏行像素坐标；p为条纹周期；α为附加位相调制。通过N帧相移方法以及相应的相位展开技术可计算出相位分布
Figure BDA0001723346840000032
由下式计算行像素坐标：
Figure BDA0001723346840000033
采用同样的方法，可以计算得到列像素坐标表示为v，这样在LCD显示屏1的像素坐标中表示为s(u,v)。
第三步，使用激光跟踪仪以被测镜面2为基准建立坐标系，并建立系统几何模型。然后将标定中得到的LCD显示屏1平面度误差数据代入模型中，从点s的像素坐标s(u,v)转换到其空间坐标smeasured(xmeasured,ymeasured,zmeasured)。同时，结合相机3标定的光线出射光线向量，就可以得到屏幕点sideal的空间坐标s(xideal,yideal,zideal)。最后将s点的实测值与理想值坐标代入下式，
Figure BDA0001723346840000034
Figure BDA0001723346840000035
就得到被测镜面2的面形误差斜率分布，最后积分就得到了被测镜的面形误差S。
第四步，建立被测镜面位置姿态优化目标评价函数：
Figure BDA0001723346840000036
其中，N为总的像素点个数，tx,ty,tz,rx,ry,rz分别为被测面沿xyz方向的平移和旋转，S′i(tx,ty,tz,rx,ry,rz)为被测镜面位置姿态经过调整之后的理想面形，Si为实际测量得到的被测镜面面形。
通过数学优化计算，使得目标函数最小F，即可得到实际检测时的被测镜面位置姿态，进而得到更为准确的被测镜面面形误差信息，如图4所示。
本发明说明书未详细阐述部分属于本领域公知技术。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内的局部修改或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (1)

1.一种结构光检测离轴非球面的位姿优化方法，所述方法采用的器件包括LCD显示屏(1)、被测镜面(2)和相机(3)，其特征在于：所述方法具体实现步骤如下：
第一步，分别在LCD显示屏(1)、相机(3)和被测镜面(2)上制作至少3个标记点，采用激光跟踪仪进行测量，获得各标记点空间坐标位置信息；
第二步，在LCD显示屏(1)上分别显示横竖正弦条纹，并用相机(3)拍摄经被测镜面(2)反射后的条纹，计算得到LCD显示屏(1)像素坐标；
第三步，使用激光跟踪仪以被测镜面(2)为基准建立坐标系，并建立系统几何模型，然后将标定中得到的LCD显示屏(1)平面度误差数据代入模型中，从点s的像素坐标s(u,v)转换到其空间坐标smeasured(xmeasured,ymeasured,zmeasured)；同时，结合相机(3)标定的光线出射光线向量，就可以得到屏幕点sideal的空间坐标s(xideal,yideal,zideal)，最后将s点的实测值与理想值坐标代入下式，
Figure FDA0002191752520000011
Figure FDA0002191752520000012
就得到被测镜面(2)的面形误差斜率分布，最后积分就得到了被测镜面(2)的面形误差S；
第四步，建立被测镜面(2)位置姿态优化目标评价函数：
Figure FDA0002191752520000013
其中，N为总的像素点个数，tx、ty、tz、rx、ry、rz分别为被测面沿xyz方向的平移和旋转，S′i(tx,ty,tz,rx,ry,rz)为被测镜面位置姿态经过调整之后的理想面形，Si为实际测量得到的被测镜面面形；
通过数学优化计算，使得目标函数最小F，即可得到实际检测时的被测镜面(2)位置姿态，进而得到更为准确的被测镜面(2)面形误差信息。
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