CN110595380A - 一种微球表面子孔径拼接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微球表面子孔径拼接方法，具体包括：利用Zernike拟合去除子孔径的常数项、倾斜项和离焦项；将子孔径的平面坐标映射为球面坐标；进行半球拼接，半球内所有子孔径根据旋转扫描角度映射到球面具体测量位置，相邻子孔径之间重叠部分取平均值；上下半球分别拼接完成后，利用Fourier Mellin算法对两半球的相对位置进行配准，根据配准得到的相对偏移量和旋转量，对上下半球位置进行校正，最终完成拼接获得完整球面数据。本发明对微球进行旋转扫描，利用旋转扫描过程中的相关参数对半球进行子孔径拼接，操作方便简单，且运算量小，具有较高的测量效率和实用性；此外，利用图像配准算法对上下半球相同位置的子孔径进行配准拼接，完成全球面拼接，拼接精度高。

Description

一种微球表面子孔径拼接方法

技术领域

本发明属于光学检测领域，特别涉及一种微球表面子孔径拼接方法。

背景技术

微球元件直径通常在毫米级左右，对其进行全表面面形检测是光学测量中的难题。将微球表面分割为若干个子孔径，再将所有子孔径形貌数据进行拼接，是得到微球表面完整形貌特征手段之一。

对于子孔径的拼接，通常做法是将探测器采集到的各点高度差信息附加到已知的微球半径，按照采样点的映射角度还原为空间坐标点，形成空间点云数据，在应用点云匹配算法进行子孔径的数据拼接。这种处理方法可以对随机误差具有较大的容忍度，但通常需要巨大的运算量，尤其点云数据比较密集时，耗时非常长，不利于数据的快速处理。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高精度、简单、高效率的微球表面子孔径拼接方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种微球表面子孔径拼接方法，包括以下步骤：

步骤1、对微球表面子孔径进行预处理以去除低频信息；

步骤2、将获得到的子孔径的平面坐标映射为球面坐标，以使其与球面模型相对应；

步骤3、进行半球子孔径拼接，半球包括上半球和下半球；

步骤4、对上、下半球位置进行校准拼接，完成全球拼接进而可以获得球面全表面数据。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)对微球进行旋转扫描，利用旋转扫描过程中的相关参数对半球进行子孔径拼接，操作方便简单，且运算量大幅降低，具有较高测量效率和实用性；2)利用图像配准算法对上下半球相同位置的子孔径进行配准拼接，从而完成全球面拼接，拼接精度高。

附图说明

图1为本发明微球表面子孔径拼接方法流程图。

图2为成像光路等效展开示意图。

图3为以微球球心为原点建立直角坐标系示意图。

具体实施方式

结合图1，本发明一种微球表面子孔径拼接方法，包括以下步骤：

步骤1、对微球表面子孔径进行预处理以去除低频信息；

步骤2、将获得到的子孔径的平面坐标映射为球面坐标，以使其与球面模型相对应；

步骤3、进行半球子孔径拼接，半球包括上半球和下半球；

步骤4、对上、下半球位置进行校准拼接，完成全球拼接进而可以获得球面全口径数据。

进一步优选地，步骤1对微球表面子孔径进行预处理以去除低频信息，具体为：利用Zernike拟合对微球表面子孔径进行预处理，去除子孔径的低频信息，包括常数项、倾斜项、离焦项。

进一步地，步骤2将子孔径的平面坐标映射为球面坐标，使其与球面模型相对应，具体为：

假设微球子孔径波面数据通过探测器采集，其过程可看做是球面波在平面上的展开，将成像光路进行等效展开如图2所示，P为微球上被测区域内的任意点，其球面坐标为R为微球半径；P”点为P点在探测器上的映射点，其平面坐标为(x″,y″)，P'为理想像面上的点P”在理想物平面所对应的点，其坐标为(x′,y′)；

由于成像区域为球面，所以探测器采集到的平面图像上不同位置的物像缩放比不一致，需要利用成像光路像点放大比率进行等效长度径向坐标变换，得到子孔径对应的等比例平面图像，假设成像系统的放大倍率为M，则：

x′＝x″/M (1)

y′＝y″/M (2)

由此获得点P的球坐标

进一步地，步骤3进行半球子孔径拼接，具体为：

步骤3-1、结合图3，以微球球心为原点O建立空间直角坐标系，以竖直方向为Y轴，水平方向为X轴，以与XOY平面垂直的方向为Z轴，对微球进行旋转扫描，扫描过程具体为：微球绕Y轴旋转，旋转的角度为∑β_i，其中β_i为第i次旋转的角度，令XOZ平面内与Z轴夹角为∑β_i的轴作为Z_i轴，微球每次绕Y轴旋转β_i之后，再绕Z_i轴旋转α_i；

步骤3-2、针对某一子孔径，假设该子孔径上点P的直角坐标为(x,y,z)，则根据步骤3-1的旋转扫描过程，第i次旋转后点P对应点P_i的直角坐标(x_i,y_i,z_i)为：

步骤3-3、根据P_i的直角坐标，结合公式(3)和(4)获得P_i的球坐标为：

步骤3-4、重复步骤3-2至步骤3-3获得半球的所有子孔径数据位置坐标其中相邻子孔径重叠部分取平均，最终完成半球拼接。

进一步地，步骤4对上、下半球位置进行校准拼接，具体为：

步骤4-1、采集微球赤道上某一位置处上、下半球的两个子孔径图像；

步骤4-2、对两个子孔径图像进行配准，获得相对平面平移量Δx、Δy和相对旋转量Δθ，其中平面平移量Δx为空间中绕Y轴的旋转量，Δy为绕X轴的旋转量，Δθ为绕Z轴的旋转量，根据Δx、Δy、Δθ获得相对球面平移量δ_x、δ_y和相对旋转量Δθ为：

δ_x＝Δy/R,δ_y＝Δx/R,Δθ (8)

步骤4-3、以上或下半球为基准，根据相对球面平移量δ_x、δ_y和相对旋转量Δθ，对下或上半球进行空间旋转，完成两个半球校准拼接；其中旋转校正所用公式为：

其中，(x,y,z)为球面内任意一子孔径上点P的坐标，为旋转校正后点P对应的点的坐标。

示例性地，步骤4-2具体采用Fourier Mellin算法对两个子孔径图像进行配准。

本发明对微球进行旋转扫描，利用旋转扫描过程中的相关参数对半球进行子孔径拼接，操作方便简单，且运算量大幅降低，具有较高的测量效率和实用性；此外，利用图像配准算法对上下半球相同位置的子孔径进行配准拼接，从而完成全球面拼接，拼接精度高。

Claims (6)

1.一种微球表面子孔径拼接方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、对微球表面子孔径进行预处理以去除低频信息；

步骤2、将获得到的子孔径的平面坐标映射为球面坐标，以使其与球面模型相对应；

步骤3、进行半球子孔径拼接，半球包括上半球和下半球；

步骤4、对上、下半球位置进行校准拼接，完成全球拼接进而可以获得球面全表面数据。

2.根据权利要求1所述的微球表面子孔径拼接方法，其特征在于，步骤1所述对微球表面子孔径进行预处理以去除低频信息，具体为：利用Zernike拟合对微球表面子孔径进行预处理，去除子孔径的低频信息，包括常数项、倾斜项、离焦项。

3.根据权利要求1所述的微球表面子孔径拼接方法，其特征在于，步骤2所述将子孔径的平面坐标映射为球面坐标，使其与球面模型相对应，具体为：

假设微球子孔径波面数据通过探测器采集，P为微球上被测区域内的任意点，其球面坐标为R为微球半径；P”点为P点在探测器上的映射点，其平面坐标为(x″,y″)，P'为理想像面上的点P”在理想物平面所对应的点，其坐标为(x′,y′)；

假设成像系统的放大倍率为M，则：

x′＝x″/M (1)

y′＝y″/M (2)

由此获得点P的球坐标

4.根据权利要求1或3所述的微球表面子孔径拼接方法，其特征在于，步骤3所述进行半球子孔径拼接，具体为：

步骤3-1、以微球球心为原点O建立空间直角坐标系，以竖直方向为Y轴，水平方向为X轴，以与XOY平面垂直的方向为Z轴，对微球进行旋转扫描，扫描过程具体为：微球绕Y轴旋转，旋转的角度为∑β_i，其中β_i为第i次旋转的角度，令XOZ平面内与Z轴夹角为∑β_i的轴作为Z_i轴，微球每次绕Y轴旋转β_i之后，再绕Z_i轴旋转α_i；

步骤3-2、针对某一子孔径，假设该子孔径上点P的直角坐标为(x,y,z)，则根据步骤3-1的旋转扫描过程，第i次旋转后点P对应点P_i的直角坐标(x_i,y_i,z_i)为：

步骤3-3、根据P_i的直角坐标，结合公式(3)和(4)获得P_i的球坐标为：

步骤3-4、重复步骤3-2至步骤3-3获得半球的所有子孔径数据位置坐标(θ,φ,R)，其中相邻子孔径重叠部分取平均，最终完成半球拼接。

5.根据权利要求4所述的微球表面子孔径拼接方法，其特征在于，步骤4所述对上、下半球位置进行校准拼接，具体为：

步骤4-1、采集微球赤道上某一位置处上、下半球的两个子孔径图像；

步骤4-2、对两个子孔径图像进行配准，获得相对平面平移量Δx、Δy和相对旋转量Δθ，其中平面平移量Δx为空间中绕Y轴的旋转量，Δy为绕X轴的旋转量，Δθ为绕Z轴的旋转量，根据Δx、Δy、Δθ获得相对球面平移量δ_x、δ_y和相对旋转量Δθ为：

δ_x＝Δy/R,δ_y＝Δx/R,Δθ (8)

步骤4-3、以上或下半球为基准，根据相对球面平移量δ_x、δ_y和相对旋转量Δθ，对下或上半球进行空间旋转，完成两个半球校准拼接；其中旋转校正所用公式为：

其中，(x,y,z)为球面内任意一子孔径上点P的坐标，为旋转校正后点P对应的点的坐标。

6.根据权利要求5所述的微球表面子孔径拼接方法，其特征在于，步骤4-2具体采用Fourier Mellin算法对两个子孔径图像进行配准。