CN109297680B - 光轴偏移误差值的检测方法及装置 - Google Patents

光轴偏移误差值的检测方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种光轴偏移误差值的检测方法，包括如下步骤：S1：投影装置将光点投影至平板上；S2：成像装置拍摄所述光点以生成第一图像并将其存储在存储器中；S3：将所述成像装置以预设角度旋转，再次拍摄所述光点以生成第二图像并将其存储在所述存储器中；S4：所述控制器对所述存储器中存储的所述第一图像和所述第二图像进行处理，并计算所述光轴偏移误差值。本发明提供还一种光轴偏移误差值的检测装置。上述光轴偏移误差值的检测方法及装置，通过主动成像检测的方式，在不拆卸成像装置的情况下，对成像装置的光轴的偏移误差值进行检测，从而提高了成像装置使用时的精确度以及采集的数据的可靠性。

Description

光轴偏移误差值的检测方法及装置
技术领域
本发明涉及光学测量及制造领域，尤其涉及一种光轴偏移误差值的检测方法及装置。
背景技术
随着光学技术与传统制造工艺的发展，相机不单可以用来拍摄图片和记录影像，已经广泛应用于光学测量、三维重建、人机交互、机器人和虚拟现实等领域。为保证成像测量和定位精确程度，高精度相机镜头的结构日趋复杂，对镜头传递光路的准确性也有了更高的要求。
在高精度相机的使用过程中，直接与采集目标相关联的是光学成像系统，理论上，光学成像系统的光轴与相机的机械轴共轴，但由于制造工艺与制造条件的限制，光轴相对于机械轴可能会有一定的偏移或倾斜。那么在镜头与成像芯片的位置关系上出现偏差便会造成数据采集的原始偏差，使得成像质量的下降，也就是存在着像差，从而影响对其它光学参数的测量。
为了解决上述问题，传统的做法是采用定中心技术来完善多个镜头的安装，这样形成的镜头光学系统理论上实现了理想的同轴状态，即达到光学系统的理想成像状态。但是装调技术不能保证复现理想光轴，而且胶合加工完成后的复杂镜头无法进行拆解，这种成品镜头的光轴精度完全由加工工艺保证，后期无法进行修正。
发明内容
本发明为了解决成像装置的光轴偏移误差不易测量的问题，提供一种光轴偏移误差值的检测方法及装置。
一种光轴偏移误差值的检测方法，包括如下步骤：S1：投影装置将光点投影至平板上；S2：成像装置拍摄所述光点以生成第一图像并将其存储在存储器中；S3：将所述成像装置以预设角度旋转，再次拍摄所述光点以生成第二图像并将其存储在所述存储器中；S4：所述控制器对所述存储器中存储的所述第一图像和所述第二图像进行处理，并计算所述光轴偏移误差值。
在本发明的一种实施例中，所述步骤S4中包括：标记所述第一图像中所述光点的坐标，记为M(x1,y1)；标记所述第二图像中的所述光点的坐标，记为N(x1′,y1′)；计算理想光轴坐标(Ox1,Oy1)，(Ox1,Oy1)由以下公式来计算：
Figure BDA0001764706700000021
在本发明的一种实施例中，步骤S4中光轴偏移误差值由以下公式来计算：
Figure BDA0001764706700000022
其中，
Figure BDA0001764706700000023
θx表示实际光轴相对理想光轴沿X轴偏移的角度，θy表示实际光轴相对理想光轴沿Y轴倾斜的角度，f为成像装置的焦距。
在本发明的一种实施例中，步骤S3中的所述预设角度包括多个不同的预设角度，以获取从多个不同角度拍摄的图像并将其存储在所述存储器中。
在本发明的一种实施例中，所述步骤S1中包括：所述光点包括多个规则分布或随机分布的光点；步骤S4中包括：将所述第一图像中的所述多个光点与所述第二图像中的所述多个光点进行匹配，计算多个光轴偏移误差值。
在本发明的一种实施例中，步骤S4中包括：根据所述第一图像与所述第二图像获取视差值图；根据所述视差值图计算多个光轴偏移误差值。
在本发明的一种实施例中，步骤S4中还包括：计算所述多个光轴偏移误差值的平均值或加权平均值。
本发明还提供一种偏移误差值的检测装置，包括投影装置，成像装置，以及控制器，其中所述控制器分别与所述投影装置、所述成像装置电连接，从而分别对所述投影装置和所述成像装置进行控制；所述投影装置将光点投影至平板上；所述成像装置拍摄所述光点以生成第一图像并将其存储在存储器中；且以预设角度被旋转后，再次拍摄所述光点以生成第二图像并将其存储在所述存储器中；所述控制器对所述存储器中存储的所述第一图像和所述第二图像进行处理，并计算所述光轴偏移误差值。
在本发明的一种实施例中，所述投影装置包括单光点投影装置或多光点投影装置。
在本发明的一种实施例中，所述成像装置和所述投影装置的机械轴分别与所述平板所在平面垂直。
本发明的有益效果为：上述光轴偏移误差值的检测方法及装置通过主动成像检测的方式，在不拆卸成像装置的情况下，对成像装置的光轴的偏移误差值进行检测，从而提高了成像装置使用时的精确度以及采集的数据的可靠性。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的光轴偏移误差值的检测装置的结构示意图；
图2是根据本发明一个实施例的光轴偏移误差值的检测方法的流程示意图；
图3为图2中所述的光轴偏移误差值的检测方法的原理图；
图4是根据本发明另一个实施例的光轴偏移误差值的检测方法的流程示意图；
图5是根据本发明再一个实施例的光轴偏移误差值的检测方法的流程示意图；
图6是图5中根据匹配后的多个结构光光点，计算多个光轴偏移误差值所涉及的其中一个流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图通过具体实施例对本发明进行详细的介绍，以使更好的理解本发明，但下述实施例并不限制本发明范围。另外，需要说明的是，下述实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构思，附图中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形状、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
图1是根据本发明一个实施例的光轴偏移误差值的检测装置100。装置100包括投影装置110，成像装置120，以及控制器130。控制器130分别与投影装置110、成像装置120电连接，从而分别对所述投影装置110和所述成像装置120进行控制。控制器130控制投影装置110将光点投影至平板140上，同步或异步控制成像装置120拍摄所述光点以生成第一图像并将其存储在存储器中。控制器130还控制成像装置120以180度旋转，以使成像装置120从不同角度再次拍摄所述光点从而生成第二图像并将其存储在存储器中。控制器130还对所述存储器中存储的所述第一图像和所述第二图像进行处理，并计算所述光轴偏移误差值。需要说明的是，投影装置110与成像装置120的机械轴始终与平板140所在的平面垂直。对于一般的成像装置，镜头的光学系统与采集设备通过镜筒连接，镜筒的镜头可以看作是回转体，镜头中有多级安装槽位，根据需要还会有机械安装用的细牙螺纹段，镜筒本身也可以是多段组合拼接而成。镜筒本身的环状回转体结构决定了其必然存在一个回转中心轴线，该中心轴线即为镜头的机械轴。上述光轴偏移误差值的检测装置100通过主动成像检测的方式，在不拆卸成像装置120的情况下，对成像装置120的光轴的偏移误差值进行检测，从而提高了成像装置120使用时的精确度以及采集的数据的可靠性。
在本发明的一种实施例中，投影装置110可以是单光点投影装置，例如由单个激光器或者LED与透镜组成的投影装置，使得投影至平板140上的为单个光点，成像装置120用于采集包括该光点的图像。在一个实施例中，投影装置110也可以是多光点投影装置，用于发射规则分布或者随机分布的光点图案，比如利用阵列激光器或者由单激光器与分光器(如DOE、光栅等)组成的投影装置来发射规则分布的光点图案，或者，利用由激光器以及DOE组成的结构光投影仪用于发射随机分布光点图案。
在本发明的一种实施例中，成像装置120可以是相机，包括彩色相机、红外相机、光场相机、全景相机、广角相机等等。
图2是根据本发明的一个实施例的光轴偏移误差值的检测方法的流程示意图，包括如下步骤：
S210：投影装置将光点投影至平板上。
S220：成像装置拍摄所述光点以生成第一图像并将其存储在存储器中。
控制器控制成像装置捕获由上述光点反射的光线，并根据上述光线生成图像数据。成像装置中的感光元件(CCD或者CMOS)将光线中的光线号转换成电信号(模拟信号)，电信号可以经AD转换器(模数转换器)后转换成数字信号，数字信号再经DSP(数字信号处理器)处理后存储在静态/动态随机存储器中，也可以由微处理器(MPU)对信号进行压缩并转化为特定的图像文件格式储存在静态/动态随机存储器中。上述静态/动态随机存储器中寄存在控制器中。
投影装置将光点垂直投影至平板上。当投影装置由单个激光器或者LED与透镜组成时，此时成像装置用于采集包括该光点的图像。当投影装置由阵列激光器或者由单激光器与分光器(如DOE、光栅等)组成时，此时成像装置用于采集包括规则分布的光点图案的图像。当投影装置为由激光器以及DOE组成的结构光投影时，此时成像装置用于采集包括随机分布的光点图案的图像。
S230：将所述成像装置以预设角度旋转，再次拍摄所述光点以生成第二图像并将其存储在所述存储器中。
成像装置可由控制器控制以预设角度旋转，预设角度可以是30度、60度、90度、180度、210度、240度、270度等，可以根据具体需要设置。第二图像的生成过程与存储方式与第一图像相同，在此不再赘述。
以成像装置拍摄第一图像时的角度为参考角度，将成像装置旋转180度后，再次拍摄所述光点以生成第二图像，在理想状态下，第二图像中的光点与第一图像中的光点可以重合。然而，在实际状态下，成像装置的透镜组光轴依托于机械轴进行工作，光轴与机械轴之间很可能会引入安装误差，从而使得光轴相对于机械轴会产生倾斜(空间交错)或偏移(平行错开)，一般情况下，倾斜和偏移往往会同时发生，因此第二图像中的光点相对于第一图像中的光点会产生漂移。在后面的描述中将会阐述如何计算上述漂移。
S240：所述控制器对所述存储器中存储的图像进行处理，并计算所述光轴偏移误差值。
以成像装置捕捉到的第一图像和第二图像为单光点图像举例说明。以成像装置的光心为坐标原点，建立成像装置的图像坐标系。可以采取灰度重心法、椭圆中心拟合法、高斯分布法、高斯累积分布法中的一种来求取所述光点的中心的坐标。标记第一图像中的所述光点的中心的坐标，记为M(x1,y1)，标记所述第二图像中的所述光点的坐标，记为N(x1′,y1′)；计算理想光轴坐标(Ox1,Oy1)，(Ox1,Oy1)由以下公式来计算：
Figure BDA0001764706700000051
光轴偏移误差值由以下公式来计算：
Figure BDA0001764706700000061
其中，
Figure BDA0001764706700000062
θx表示实际光轴相对理想光轴沿X轴偏移的角度，θy表示实际光轴相对理想光轴沿Y轴倾斜的角度，f为成像装置的焦距。
需要说明的是，将上述成像装置旋转180度再次拍摄所述光点得到的第二图像，已经由控制器使用图像旋转算法进行了自动旋转处理，即，第二图像是经过了180度旋转之后得到的图像。因此，对于某些对图像没有进行旋转处理的装置，还需要对成像装置原始采集到的图像进行旋转180度之后，才能得到上述第二图像。
图3为图2中所述的光轴偏移误差值的检测方法的原理图。为了便于说明，假设在第一次拍摄光点时，入射光束与光轴是平行的，则光束会聚在光轴的像方焦点上。在理想状态下，成像装置的机械轴与光轴是共轴的，则在成像装置的机械轴始终垂直于平板，且光束的入射角度固定不变的情况下，即使旋转成像装置，光束应该与光轴平行。而在实际状态下，由于成像装置的光轴与机械轴有偏移误差，因此，若旋转成像装置，入射光束与镜头光轴会有一定的夹角，此时，入射光束会聚在镜头焦平面上偏离焦点一定距离的一点上。因此，在投影装置的位置始终不变的情况下(光束与光轴以固定倾角入射)，旋转成像装置，以在不同的角度拍摄上述光点以采集相应的图像，通过对上述图像中的光点的位置进行标记和计算，从而检测出成像装置的光轴的偏移误差值。通过这种主动成像检测的方式，可以在不拆卸成像装置的情况下，对成像装置的光轴的偏移误差值进行检测，从而提高了成像装置使用时的精确度以及采集的数据的可靠性。
图2中描述了根据单次测量单个光点的漂移来检测光轴的偏移误差值的方法，为了进一步提高检测的光轴的偏移误差值的精确性，可以通过多次测量单个光点的漂移从而得到多个光轴偏移误差值，最后求取多个光轴偏移误差值的平均值或加权平均值的方法来实现，具体步骤如图4所示：
S410：投影装置将光点投影至平板上。
S420：成像装置拍摄所述光点以生成第一图像并将其存储在存储器中。
S430：将所述成像装置以多个不同的预设角度旋转以获取从多个不同角度拍摄的图像并将其存储在所述存储器中。
S440：所述控制器对所述存储器中存储的图像进行处理，并计算所述光轴偏移误差值。
假设利用第一图像和第二图像求得的光轴偏移误差值记为(θx1,θy1)。以成像装置拍摄第一图像时的角度为参考角度，将成像装置旋转30度后拍摄上述光点得到第三图像，将成像装置旋转210度后拍摄上述光点得到第四图像。根据相同的方法，利用第三图像和第四图像求得的光轴的偏移误差值记为(θx2,θy2)。将成像装置旋转60度后拍摄上述光点得到第五图像，将成像装置旋转240度后拍摄上述光点得到第六图像，利用第五图像和第六图像求得的光轴的偏移误差值记为(θx3,θy3)。以此类推，设共求得n个偏移误差值，第n个偏移误差值记为(θxn,θyn)，则光轴的偏移误差值由以下公式计算。
Figure BDA0001764706700000071
S450：计算上述多个光轴偏移误差值的平均值或加权平均值。
由以下公式计算上述多个光轴偏移误差值的平均值。
Figure BDA0001764706700000072
图4描述了多次测量单个光点的漂移从而得到多个光轴偏移误差值，最后求取多个光轴偏移误差值的平均值方法，与图2中描述的光轴偏移误差值的检测方法相比，提高了检测的光轴偏移误差值的精确性，然而，也使得检测的步骤更加繁琐。下面将描述一种既能提高检测的光轴偏移误差值的精确性，又能提高检测效率的光轴偏移误差值的检测方法。
图5是根据本发明一个实施例的光轴偏移误差值的检测方法的流程示意图，包括如下步骤：
S510：投影装置将多个规则分布或随机分布的光点投影至平板上。
当投影装置由阵列激光器或者由单激光器与分光器(如DOE、光栅等)组成时，此时成像装置用于采集包括规则分布的光点图案的图像。当投影装置为由激光器以及DOE组成的结构光投影时，此时成像装置用于采集包括随机分布的光点图案的图像。
S520：成像装置拍摄所述光点以生成第一图像并将其存储在存储器中。
成像装置可以采集包括多个规则分布的光点图案的图像或者随机分布的光点图案的图像，取决于投影装置的选择。
S530：将所述成像装置以预设角度旋转，再次拍摄所述光点以生成第二图像并将其存储在所述存储器中。
S540：将所述第一图像中的所述多个光点与所述第二图像中的所述多个光点进行匹配。
S550：计算多个光轴偏移误差值。
若成像装置捕捉的图像包括多个规则分布的光点图案，则可以按照图2所述的方法，建立成像装置的图像坐标系，标记第一图像和第二图像中的光点坐标，再按照图4所述的方法，求取多个光轴偏移误差值。
若成像装置捕捉的图像包括多个随机分布的散斑，则可以执行如图6所示的步骤来求取光轴偏移误差值：
S551：根据所述第一图像与所述第二图像获取视差值图。
S552：根据所述视差值图计算多个光轴偏移误差值。
其中，视差值可以等同为Δx和Δy。因此，可以采用图4描述的实施例中的计算多个光轴偏移误差值的公式计算多个光轴偏移误差值。
S560：计算多个光轴偏移误差值的平均值或加权平均值。
光轴偏移误差值的平均值的计算方法可以采用图4描述的实施例中的计算多个光轴偏移误差值的平均值的公式计算计算多个光轴偏移误差值。
图5中描述的实施例是通过单次测量多个光点的偏移误差值来提高检测的光轴偏移误差值的精确性，以及检测效率。本申请还提供一种多次测量多个光点的偏移误差值的方法，以进一步提高光轴偏移误差值的精确性。
假设利用第一图像和第二图像，采用图5中所示的方法求得的光轴偏移误差值的平均值记为(θ′x1,θ′y1)。以成像装置拍摄第一图像时的角度为参考角度，将成像装置旋转30度后拍摄上述光点得到第三图像，将成像装置旋转210度后拍摄上述光点得到第四图像。根据相同的方法，利用第三图像和第四图像求得的光轴的偏移误差值的平均值记为(θ′x2,θ′y2)。将成像装置旋转60度后拍摄上述光点得到第五图像，将成像装置旋转240度后拍摄上述光点得到第六图像，利用第五图像和第六图像求得的光轴的偏移误差值的平均值记为(θ′x3,θ′y3)。以此类推，设共求得n个偏移误差值的平均值，第n个偏移误差值的平均值记为(θ′xn,θ′yn)，由以下公式计算最终的光轴偏移误差值。
Figure BDA0001764706700000091
需要说明的是，对于上述最终的光轴偏移误差值的计算方法，也可以采取将所有光点的偏移误差值求和取平均值的方法来计算。此外，投影也可以为其他图案，比如棋盘格等有明显特征的图案，提取图案中特征点的方式来实现以上各方法。
上述方法通过结构光主动成像检测的方式，在不拆卸成像装置的情况下，对成像装置的光轴的实际情况的进行检测，不仅提高了成像装置使用时的精确度以及采集的数据的可靠性，同时也极大地提高了光轴偏移误差值的检测效率。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种成像装置光轴偏移误差值的检测方法，所述光轴偏移误差值为所述成像装置的光轴与机械轴的偏移误差值，其特征在于，包括如下步骤：
S1：投影装置将光点投影至平板上；
S2：通过主动成像检测的方式，所述成像装置拍摄所述光点以生成第一图像并将其存储在存储器中；
S3：将所述成像装置以预设角度旋转，所述成像装置再次拍摄所述光点以生成第二图像并将其存储在所述存储器中；
S4：控制器对所述存储器中存储的所述第一图像和所述第二图像进行处理，并计算所述光轴偏移误差值。
2.根据权利要求1所述的成像装置光轴偏移误差值的检测方法，其特征在于，所述步骤S4中包括：标记所述第一图像中所述光点的坐标，记为M(x1,y1)；标记所述第二图像中的所述光点的坐标，记为N(x′1,y′1)；计算理想光轴坐标(Ox1,Oy1)，(Ox1,Oy1)由以下公式来计算：
Figure FDA0002840324240000011
3.根据权利要求2所述的成像装置光轴偏移误差值的检测方法，其特征在于，步骤S4中光轴偏移误差值由以下公式来计算：
Figure FDA0002840324240000012
其中，
Figure FDA0002840324240000013
θx表示实际光轴相对理想光轴沿X轴偏移的角度，θy表示实际光轴相对理想光轴沿Y轴倾斜的角度，f为成像装置的焦距。
4.根据权利要求1所述的成像装置光轴偏移误差值的检测方法，其特征在于，步骤S3中的所述预设角度包括多个不同的预设角度，以获取从多个不同角度拍摄的图像并将其存储在所述存储器中。
5.根据权利要求1所述的成像装置光轴偏移误差值的检测方法，其特征在于，所述步骤S1中包括：所述光点包括多个规则分布或随机分布的光点；步骤S4中包括：将所述第一图像中的所述多个光点与所述第二图像中的所述多个光点进行匹配，计算多个光轴偏移误差值。
6.根据权利要求5所述的成像装置光轴偏移误差值的检测方法，其特征在于，步骤S4中包括：根据所述第一图像与所述第二图像获取视差值图；根据所述视差值图计算多个光轴偏移误差值。
7.根据权利要求5或权利要求6所述的成像装置光轴偏移误差值的检测方法，其特征在于，步骤S4中还包括：计算所述多个光轴偏移误差值的平均值或加权平均值。
8.一种成像装置光轴偏移误差值的检测装置，所述光轴偏移误差值为所述成像装置的光轴与机械轴的偏移误差值，其特征在于，包括投影装置，所述成像装置，以及控制器，其中所述控制器分别与所述投影装置、所述成像装置电连接，从而分别对所述投影装置和所述成像装置进行控制；
所述投影装置将光点投影至平板上；
通过主动成像检测的方式，所述成像装置拍摄所述光点以生成第一图像并将其存储在存储器中；且以预设角度被旋转后，再次拍摄所述光点以生成第二图像并将其存储在所述存储器中；
所述控制器对所述存储器中存储的所述第一图像和所述第二图像进行处理，并计算所述光轴偏移误差值。
9.根据权利要求8所述的成像装置光轴偏移误差值的检测装置，其特征在于，所述投影装置包括单光点投影装置或多光点投影装置。
10.根据权利要求8所述的成像装置光轴偏移误差值的检测装置，其特征在于，所述成像装置和所述投影装置的机械轴分别与所述平板所在平面垂直。
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