CN110702009A - 一种基于逆向Hartmann计算机辅助法的三维测量系统 - Google Patents

Abstract

一种基于逆向Hartmann计算机辅助法的三维测量系统，涉及光学系统面型误差检测领域，解决现有三维测量技术存在检测速度慢和精度低等问题，包括检测系统，检测系统包括待测镜、发光屏和CCD相机；CCD相机包括焦平面、相机透镜和针孔；发光屏上显示的是相移条纹图，经待测镜反射后经CCD相机的针孔，再经相机透镜后由焦平面接收，CCD相机获得的图像由计算机处理，获得待测镜面形信息；具有非接触、速度快、精度高、成本低等优势，改善传统三维测量方法的检测速度慢和精度低等，成为三维测量技术的研究热点和发展趋势。装置简单，造价便宜，测量精度高，测量斜率的动态范围大，而且空间分辨率高，可以测量干涉仪和哈特曼检测无法测量的大数值斜率问题。

Description

一种基于逆向Hartmann计算机辅助法的三维测量系统

技术领域

本发明涉及光学系统面型误差检测领域，具体涉及一种基于逆向Hartmann计算机辅助法的三维测量系统。

背景技术

光学检测因具有无创性和精准性等特点，已经成为医学诊断领域定性和定量判断的最重要的技术之一。形体三维测量技术已广泛应用于工业生产、逆向工程、医疗诊断、产品质量检测、物体识别等领域，三维轮廓重构技术随着实际应用的需求而不断发展，显示出了广泛的应用前景。随着工业生产自动化水平的提高，应用比较广泛的结构光三维形态测量技术已不能满足远距离、高精度、快速等需求。

结构光三维测量法是采用不同类型的结构光投射至物体上，利用摄影系统采集自由曲面调制光图样；通过光场受调制情况推演光场相位或强度信息的变化，进而换算为被测面高度起伏信息，从而重构出被测面三维面形信息。结构光三维测量法种类繁多，按照投射光源的不同可分为点结构光法、线结构光法、编码结构光法以及面结构光法等。

其中，仅有面结构光法可以一次性获得全场面形信息而受到广泛关注。面结构光三维测量方法将面阵条纹图像投影至被测物，可实现全场的高精度测量，其中主流的方法包括条纹投影法和条纹反射法等。利用光栅投影或激光干涉产生高质量条纹(或计算机产生的标准正弦条纹)，将其投射至物体上，利用摄影系统采集收到自由曲面调制而变形的条纹图样，通过对受调制条纹图进行解调，解包裹等处理得到受调制相位分布；再通过相位和被测面起伏高度之间的数学关系将相位换算为被测面表面起伏梯度，进而通过数值积分得到被测面三维面形分布。

条纹投影三维形貌测量技术的研究和应用在国外比较成熟。目前的研究热点集中在系统标定、位相解调、相位高度转换算法上。美国Catholic大学Wang Zhaoyang教授团队长期致力于利用该技术工业自由曲面实时测量研究，研制了高精度条纹投影重构设备，提出了高精度的棋盘格加控制方程标定方法、高精度快速相位恢复方法以及相位高度换算方法，目前已经达到检测速度22.5fps，相对检测精度0.01％；哈佛大学S.Zhang和P.S.Huang等人研制的条纹投影设备也已经达到了检测速度40fps，相对检测精度0.025％。很多商业产品也陆续出现，代表国际先进水平的有德国的Gom公司开发的便携式Atos系列三维扫描仪，首创参考点拼合并应用先进的摄像机定位技术，在测量时候自动拼接，提高大型件的扫描精度。国内条纹投影三维形貌测量技术目前还处于起步阶段，一些高校和公司已经开始了这方面的研究。南京理工大学使用改进的DLP投影仪和可编程控制电路板研制成功了集成条纹投影设备，达到速度120fps，检测精度0.527％。1992年，四川大学开始该领域的研究，主要集中在改进投影产生和获取的方法以及改进条纹分析方法，目前检测精度达到1％(0.3mm/33mm)。

受其启发，利用条纹反射检测自由曲面光学元件轮廓的研究也未曾停步。尤其对于非球面和自由曲面光学元件的检测不需要任何光学补偿，使得众多科研工作者从传统干涉检测将目光转向了这一技术领域。德国3D-Shape公司利用条纹反射技术检测3mm渐进式眼睛片轮廓已经达到20nm精度。Krobot R等人利用该技术检测Cherenkov TelescopeArray(CTA)中的口径1.5m，曲率半径32m的球面反射镜，精度达到10μm。另外，美国Arizona大学、德国Saarland大学、新加坡南洋理工大学、国内的清华大学、四川大学、中科院成都光电所等单位也都对该技术进行了研究并取得一定成果，对非球面检测最高精度达到0.01％。

基于逆向Hartmann计算机辅助条纹照明偏折测量法具有无接触，高动态范围，全场测量而且系统简单，已经成功应用于许多大型天文望远镜X射线镜、GMT主镜、LBT次镜、DKIST主镜、精密X射线镜、太阳能集中器和镜子检测中。利用高精度的相位偏转测量原理结合激光跟踪仪成功测量了太阳能聚光镜和8.4m大口径巨型麦哲伦望远镜分块镜。本发明可以为三维测量技术提供新的研究思路，如果能够实现预期研究目标，研究成果能为基于逆向Hartmann计算机辅助条纹照明偏折测量法的应用打下坚实的基础，并将为三维测量技术的后续研究提供参考。

发明内容

本发明为解决现有三维测量技术存在检测速度慢和精度低等问题，提供一种基于逆向Hartmann计算机辅助法的三维测量系统。

一种基于逆向Hartmann计算机辅助法的三维测量系统，包括检测系统，所述检测系统包括待测镜、发光屏和CCD相机；

所述CCD相机包括焦平面、相机透镜和针孔；

所述发光屏上显示的是相移条纹图，经待测镜反射后经CCD相机的针孔，再经相机透镜后由焦平面接收，所述CCD相机获得的图像由计算机处理，获得待测镜面形信息；

检测系统检测的具体过程为：

步骤a、在所述发光屏上生成一组水平和竖直方向的正弦相移条纹图；

步骤b、采用光路挟持与装调将发光屏、CCD相机和待测镜构成的系统进行准直和标定，使CCD相机和待测镜的光轴重合，且与发光屏的屏幕垂直，获得所述发光屏、CCD相机和待测镜的空间位置坐标，将CCD相机调焦在待测镜的表面，采用计算机辅助优化模块进行标定误差的有效校正；获得标定测量的发光屏、针孔和待测镜之间的距离；

步骤c、采用CCD相机拍下经待测镜偏折后的发光屏上显示的相移条纹图，移去待测镜后再拍一组水平和竖直相移条纹图作为参考；

步骤d、将拍到的相移条纹图采用计算机辅助优化模块进行相位展开、计算斜率并恢复波前，根据恢复的待测镜面形信息分析波前像差。

步骤b中，采用计算机辅助优化模块进行标定误差的有效校正的具体过程为：

步骤b1、搭建中高频段像差检测的实验系统，进行预标校系统几何参数；

步骤b2、在光迹追踪软件中建立系统模型；

步骤b3、在逆向Hartmann测量系统中获得波前像差W₁；

步骤b4、优化系统几何参数；

步骤b5、在系统模型中进行光线追迹，获得更新的波前像差W₂；

步骤b6、利用正交多项式拟合W₁和W₂，更新目标函数；

步骤b7、若目标函数小于阈值ε，输出测量面形误差W_surf，否则，继续优化系统几何参数，重复步骤b5至步骤b7。

本发明的有益效果：本发明提出一种基于逆向Hartmann计算机辅助条纹照明偏折测量的三维测量方法，该方法具有非接触、速度快、精度高、成本低等优势，本发明通过该方法来改善传统三维测量方法的检测速度慢和精度低等缺点，进而成为三维测量技术的研究热点和发展趋势。

本发明有助于解决现有三维测量技术存在的问题，在工业生产、逆向工程、医疗诊断、产品质量检测、物体识别等领域都具有良好的应用前景；也有助于突破国外在相关技术上的封锁，节约应用三维测量技术的经济成本。本发明有助于推动三维测量技术的进步，通过本发明的研究，可以探索、发现逆向Hartmann计算机辅助条纹照明偏折测量方法的测量规律；也可以为测量应用领域更多、测量物体尺寸更大的三维测量技术积累经验，为本发明提出测量方法的后续研究提供可靠依据，从而进一步推动三维测量技术的发展和逆向Hartmann计算机辅助条纹照明偏折测量技术的进步。

本发明的显著特点是装置简单，造价便宜，解决了光学自由曲面的波前像差测量问题，测量精度高，测量斜率的动态范围大，而且空间分辨率高，可以测量干涉仪和哈特曼检测无法测量的大数值斜率问题。

附图说明

图1为计算机辅助反向哈特曼测量方法原理图；

图2为哈特曼测量法(a)与计算机辅助反向哈特曼测量法(b)原理对比图；

图3为计算机辅助反向哈特曼测量方法检测标校过程图；

图4为计算机辅助反向哈特曼测量方法检测实验装置图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图4说明本实施方式，一种基于逆向Hartmann计算机辅助法的三维测量系统，包括检测系统A1，所述检测系统A1包括待测镜1、发光屏2和CCD相机3；

所述CCD相机3包括焦平面6、相机透镜5和针孔4；

所述发光屏2上显示的是相移条纹图，经待测镜1反射后经CCD相机3的针孔4，再经相机透镜5后由焦平面6接收，所述CCD相机3获得的图像由计算机7处理，获得待测镜1面形信息；

本实施方式中，由于检测系统A1难点在于对其进行标定，所以该系统的标定好坏直接决定该测量精度的高低；

所述检测系统A1以发光屏作为光源，发光屏2上显示的是光强编码的相移条纹图通过待测镜1后，经过相机针孔4投射到相应的CCD相机3的像素阵列6上，从而得到对应光线的位置，根据光学系统的几何关系计算波前斜率，重构出波前面形，以此计算出波像差。其测量原理如图1所示，计算机辅助反向哈特曼测量方法结构图如图2所示。如图3所示为标定过程，由于检测系统中的离轴配置，它对系统几何的校准要求较高。

首先，在发光屏2上生成一组水平和竖直方向的正弦相移条纹图；

由于本发明中需要确定发光屏2上像素位置与它照明的待测镜1位置之间的对应关系，所以需要用光强对屏幕像素位置进行编码，这里选择正弦条纹图进行显示。根据发光屏2的屏幕尺寸和分辨率，选择正弦条纹一个周期的像素数，确定一个周期条纹对应的实际尺寸(单位毫米)。利用相移技术，选择相移条纹的相移步数N，编程得到由光强调制的相移条纹图。

其次，将发光屏2、CCD相机3和待测镜1构成的系统进行准直和标定，得到它们的空间坐标位置；

CCD相机3由焦平面6、相机透镜5和针孔4组成，针孔4被安装在靠近CCD相机3镜头的外部，用来消除光瞳像差对系统的影响(不同视场的光线都会经过透镜的孔径光阑中心，由于光瞳像差的存在，在入瞳位置处各视场主光线将不再会聚于一点，这将影响到斜率的计算)，对发光屏2、外置针孔的CCD相机3和待测镜1进行准直，使CCD相机3和待测镜1的光轴重合，且与发光屏2的屏幕垂直(当装置不准直时，可以在恢复波前后移除低阶像差，保证高阶像差的测量精度)。将CCD相机3调焦在待测镜1的表面。在对测量系统结构参数初步标定的基础上，利用计算机辅助光线追迹测量方法，对包括待测面在内的系统元件偏移以及倾斜参量进行逆向优化，进而实现对标定误差的有效校正。标定测量得到发光屏2、针孔4和待测镜1之间的距离。

再次，拍下经过待测镜1偏折后的发光屏2上显示的相移条纹图，移去待测镜1后再拍一组水平和竖直相移条纹图作为参考；

发光屏2逐次显示一组相移条纹图，CCD相机3同步进行拍摄。移去待测镜1后再拍一组水平和竖直相移条纹图。拍多组相移条纹图进行平均来消除环境的影响。

最后，将拍到的相移条纹图结合计算机7进行相位展开、计算斜率并恢复波前，根据恢复的待测镜光学系统波前分析波前像差。

通过相移算法计算出发光屏2各像素位置对应的相位值。对拍到的相移条纹图进行相位展开，得到待测镜1各部分对应的屏幕像素位置并计算斜率。得到的斜率可以与理想待测镜的波前斜率进行对比。最后由斜率数据恢复波前，从而进行像差分析。根据发光屏2在世界坐标系下的位置情况以及发光屏2的像素尺寸，将相位值转化为世界坐标值。

在系统标定时，将待测镜1与发光屏2平面保持平行。发光屏2上的某个点光源S(x_s,y_s,z_s)发出的光线被对应的待测镜面M(x_m,y_m,z_m)点反射后，通过相机3的外置针孔C(x_c,y_c,z_c)点，最后在CCD相机3的靶面6上得到其对应的像。也可以认为CCD相机3靶面6上某个像素点“发出”的光线经过针孔4，接着被待测镜1上的M点反射到发光屏2上的S点。待测镜面上的各个M点就是被CCD相机3像素划分所形成的子孔径或“镜像素”。

以待测面的中心位置O为原点，待测面在O点的切平面为xOy面(称为标定平面)，建立世界坐标系。待测镜面1上M点的斜率w(x_m,y_m)可通过下式得到：

式中x_m和y_m是待测表面的坐标，能从已标定的反射镜的像(亮区)中获得；x_c和y_c是相机坐标，能从检测装置的几何测量中获得；x_s和y_s是屏幕亮点的坐标，能由数字相移技术与相位展开算法计算得到；z_m2s和z_m2c分别是反射镜和屏幕、反射镜和相机之间的z坐标差值；d_m2s和d_m2c分别是反射镜和屏幕、反射镜和相机之间的距离；z_m2s、z_m2c和d_m2c能从几何测量以及标定中得到。当待测镜的面形形状w(x_m,y_m)远小于标定平面与CCD相机3或发光屏2之间的距离时，即w(x_m,y_m)＜＜z_m2s及w(x_m,y_m)＜＜z_m2c；

(1)式可以简化为：

式中z_m2s和z_m2c分别是标定平面到发光屏2上像素点和CCD相机3针孔4的z方向距离。由于在计算斜率时需要提供一个较好的初始值，通常可以采用一个理想的表面形状模型或者使用其他检测方法得到的面形来提供一个较好的初始面形估计w₀(x_m,y_m)，将w₀(x_m,y_m)代替公式中的w(x_m,y_m)便可得到(x_m,y_m)处的x、y向斜率数据，再将由斜率计算得到的面形w₁(x_m,y_m)代替公式中的w(x_m,y_m)进而得到另外一组斜率，依此类推，通过反复迭代计算斜率与面形，从而可以得到被检面形。

对于测量的超高精度要求以及在检测过程中必须兼顾测量精度和测量范围之间的矛盾使得传统方法已经无法实现。本实施方式能够在提高三维测量精度又不会减小测量范围，同时本发明提出的方法能够消除三维测量过程中物体距离相机远近及不同光照强度下对三维测量过程的影响。

Claims (2)

1.一种基于逆向Hartmann计算机辅助法的三维测量系统，其特征是：包括检测系统(A1)，所述检测系统(A1)包括待测镜(1)、发光屏(2)和CCD相机(3)；

所述CCD相机(3)包括焦平面(6)、相机透镜(5)和针孔(4)；

所述发光屏(2)上显示的是相移条纹图，经待测镜(1)反射后经CCD相机(3)的针孔(4)，再经相机透镜(5)后由焦平面(6)接收，所述CCD相机(3)获得的图像由计算机(7)处理，获得待测镜(1)面形信息；

所述检测系统(A1)的检测过程具体为：

步骤a、在所述发光屏(2)上生成一组水平和竖直方向的正弦相移条纹图；

步骤b、采用光路挟持与装调将发光屏(2)、CCD相机(3)和待测镜(1)构成的系统进行准直和标定，使CCD相机(3)和待测镜(1)的光轴重合，且与发光屏(2)的屏幕垂直，获得所述发光屏(2)、CCD相机(3)和待测镜(1)的空间位置坐标，将CCD相机(3)调焦在待测镜(1)的表面，采用计算机辅助优化模块(A2)进行标定误差的有效校正；获得标定测量的发光屏(2)、针孔(4)和待测镜(1)之间的距离；

步骤c、采用CCD相机(3)拍下经待测镜(1)偏折后的发光屏(2)上显示的相移条纹图，移去待测镜(1)后再拍一组水平和竖直相移条纹图作为参考；

步骤d、将拍到的相移条纹图采用计算机辅助优化模块(A2)进行相位展开、计算斜率并恢复波前，根据恢复的待测镜面形信息分析波前像差。

2.根据权利要求1所述的一种光学自由曲面全频段像差检测系统，其特征在于：步骤b中，采用计算机辅助优化模块(A2)进行标定误差的有效校正的具体过程为：

步骤b1、搭建中高频段像差检测的实验系统，进行预标校系统几何参数；

步骤b2、在光迹追踪软件中建立系统模型；

步骤b3、在逆向Hartmann测量系统中获得波前像差W₁；

步骤b4、优化系统几何参数；

步骤b5、在系统模型中进行光线追迹，获得更新的波前像差W₂；

步骤b6、利用正交多项式拟合W₁和W₂，更新目标函数；

步骤b7、若目标函数小于阈值ε，输出测量面形误差W_surf，否则，继续优化系统几何参数，重复步骤b5至步骤b7。

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