CN113251953B - 一种基于立体偏折技术的镜面夹角测量装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于立体偏折技术的镜面夹角测量装置和方法，装置包括第一立体偏折系统、第二立体偏折系统和计算机，第一立体偏折系统和第二立体偏折系统均包括一个投影屏幕和两台相机；第一立体偏折系统中的投影屏幕显示的图像经过待测物体的第一镜面反射后被所述第一立体偏折系统中的两台相机接收到；第二立体偏折系统中的投影屏幕显示的图像经过所述待测物体的第二镜面反射后被所述第二立体偏折系统中的两台相机接收到；计算机用于计算所述第一立体偏折系统和第二立体偏折系统的位置参数，并基于所述位置参数计算所述待测物体第一镜面和第二镜面之间的夹角。本发明能够快速并精确地测量两个镜面之间的夹角。
Description
技术领域
本发明涉及精密工程技术领域，特别是涉及一种基于立体偏折技术的镜面夹角测量装置和方法。
背景技术
高精度夹角测量系统是工业生产和质量控制中的重要一环，例如合光棱镜和一些反射镜组，即便是很小的夹角误差都会导致光路的出错。测量系统主要可以分为非光学测量系统和光学测量系统。前者主要包括扫描探针显微镜(SPM)系统和电容电感测量系统等。SPM分辨率高，但是在超精密加工中难以实现；而电容电感测量系统分辨率高、系统简单且成本低，但是系统中使用到的传感器均需要标定，且量程范围较窄，超出范围后会有很大的非线性误差。光学测量系统则会运用到摄影测量法、结构光法、光学干涉法等原理和方法，其优点主要有测量精度高、动态特性好、响应迅速等。
在光学三维测量的领域中，基于光线反射的原理，镜面反射表面的光学测量方法中发展出立体偏折术测量方法。立体偏折术采用的是面光源，且通常由投影屏幕投射明暗相间的条纹作为光源；当光源投射到反射表面时，则被调制并反射进入相机中成像；根据调制图像和光源图像的关系即可恢复出反射表面的三维信息。目前还没有研究针对两个镜面平面，利用立体偏折术测量其夹角的技术方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于立体偏折技术的镜面夹角测量装置和方法，能够快速并精确地测量两个镜面之间的夹角。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于立体偏折技术的镜面夹角测量装置，包括第一立体偏折系统和第二立体偏折系统，所述第一立体偏折系统和第二立体偏折系统均包括一个投影屏幕和两台相机；所述第一立体偏折系统中的投影屏幕显示的图像经过待测物体的第一镜面反射后被所述第一立体偏折系统中的两台相机接收到；所述第二立体偏折系统中的投影屏幕显示的图像经过所述待测物体的第二镜面反射后被所述第二立体偏折系统中的两台相机接收到；所述第一立体偏折系统和第二立体偏折系统中的两台相机均与计算机相连，所述计算机用于计算所述第一立体偏折系统和第二立体偏折系统的位置参数，并基于所述位置参数计算所述待测物体第一镜面和第二镜面之间的夹角。
所述第一立体偏折系统和第二立体偏折系统中的投影屏幕和相机通过夹具固定在抗震平台上。
所述第一立体偏折系统和第二立体偏折系统的位置参数包括所述第一立体偏折系统中投影屏幕与两台相机的位置关系、所述第二立体偏折系统中投影屏幕与两台相机的位置关系、以及所述第一立体偏折系统和所述第二立体偏折系统的位置关系。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：还提供一种基于立体偏折技术的镜面夹角测量方法，采用上述的镜面夹角测量装置，包括以下步骤：
(1)对所述第一立体偏折系统和第二立体偏折系统中的每台相机进行标定，得到每台相机的内部参数和畸变参数；
(2)利用平面镜对所述第一立体偏折系统和第二立体偏折系统进行标定，获得所述第一立体偏折系统中投影屏幕与两台相机的位置关系、以及所述第二立体偏折系统中投影屏幕与两台相机的位置关系；
(3)利用标准件标定整套测量装置，得到所述第一立体偏折系统和第二立体偏折系统的位置关系；
(4)放入待测物体，通过所述第一立体偏折系统中投影屏幕与两台相机的位置关系和所述第二立体偏折系统中投影屏幕与两台相机的位置关系测得所述待测物体的第一镜面和第二镜面的法向量，并根据所述第一立体偏折系统和第二立体偏折系统的位置关系计算出第一镜面与第二镜面之间的夹角。
所述步骤(1)具体为：每台相机拍摄多张圆环标定板在不同位姿下的图像，用圆环的圆心作为特征点匹配并计算出每台相机的内部参数和畸变参数。
所述步骤(2)具体为：将平面镜分别放置在第一立体偏折系统和第二立体偏折系统中，并多次移动所述平面镜的位姿，每次移动后，投影屏幕投射移动的正弦条纹，每台相机拍摄经所述平面镜反射后的条纹图像，对投影屏幕中的正弦条纹图像和相机拍摄的条纹图像分别用相位解算和相位展开的方法，将条纹信息转换为坐标信息，得到所述投影屏幕和所述相机光心之间的位置关系。
所述步骤(3)具体为：将标准件放入镜面夹角测量装置，使得所述第一立体偏折系统中的投影屏幕显示的正弦条纹图像经过所述标准件的第一镜面反射后被所述第一立体偏折系统中的两台相机接收到；所述第二立体偏折系统中的投影屏幕显示的正弦条纹图像经过所述标准件的第二镜面反射后被所述第二立体偏折系统中的两台相机接收到；四台相机采集到经过第一镜面和第二镜面反射的条纹图像后，对投影屏幕中的正弦条纹图像和相机采集的条纹图像进行相位解算和相位展开，并基于所述投影屏幕和所述相机光心之间的位置关系，得到所述标准件的第一镜面在所述第一立体偏折系统中的旋转矩阵A，以及所述标准件的第二镜面在所述第二立体偏折系统中的旋转矩阵B，则所述第一立体偏折系统中的投影屏幕和第二立体偏折系统中的投影屏幕的位置关系为：<[angle2dcm(x,y,z)·A],B>＝designed_angle，其中，angle2dcm()表示由三个欧拉角x,y,z转换为旋转矩阵的函数；<>表示两个旋转矩阵的夹角；designed_angle为所述标准件的第一镜面与第二镜面的夹角。
所述步骤(3)还包括变换所述标准件位置，得到多组不同的所述标准件的第一镜面在所述第一立体偏折系统中的旋转矩阵A和所述标准件的第二镜面在所述第二立体偏折系统中的旋转矩阵B，再将各组结果结合所述第一立体偏折系统中的投影屏幕和第二立体偏折系统中的投影屏幕的位置关系做非线性最小二乘法拟合，最终拟合出由第一立体偏折系统中的投影屏幕到第二立体偏折系统投影屏幕的欧拉角。
所述步骤(4)具体为：将所述待测物体放入镜面夹角测量装置，使得所述第一立体偏折系统中的投影屏幕显示的正弦条纹图像经过待测物体的第一镜面反射后被所述第一立体偏折系统中的两台相机接收到；所述第二立体偏折系统中的投影屏幕显示的正弦条纹图像经过所述待测物体的第二镜面反射后被所述第二立体偏折系统中的两台相机接收到；通过相位解算和相位展开的方法得到所述待测物体的第一镜面相对于所述第一立体偏折系统的平面法向量和所述待测物体的第二镜面相对于所述第二立体偏折系统的平面法向量，基于所述第一立体偏折系统和第二立体偏折系统的位置关系，将两个平面法向量统一到一个坐标系下，并利用余弦公式计算得到所述待测物体第一镜面和第二镜面的夹角。
所述步骤(3)中采用的标准件与所述步骤(4)中的待测物体的夹角相差不大于15°。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明通过两套立体偏折系统分别求出待测物体两个镜平面的法向量，并将其转换到统一的坐标系下，再利用余弦公式计算出待测物体两个镜面的夹角，整个方法十分方便。另外，本发明还可以通过移动投影屏幕和相机位置，以及制作若干标准件的方式来实现较广的测量范围，实现方式十分灵活。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明实施方式中的圆环标定板示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种基于立体偏折技术的镜面夹角测量装置，如图1所示，包括第一立体偏折系统I和第二立体偏折系统II，所述第一立体偏折系统I和第二立体偏折系统II均包括一个投影屏幕1和两台相机2；所述第一立体偏折系统I中的投影屏幕1显示的图像经过待测物体的第一镜面3反射后被所述第一立体偏折系统I中的两台相机2接收到；所述第二立体偏折系统II中的投影屏幕显示的图像经过所述待测物体的第二镜面4反射后被所述第二立体偏折系统II中的两台相机2接收到；所述第一立体偏折系统I和第二立体偏折系统II中的两台相机均与计算机相连，所述计算机用于计算所述第一立体偏折系统I和第二立体偏折系统II的位置参数，并基于所述位置参数计算所述待测物体第一镜面3和第二镜面4之间的夹角。其中，所述第一立体偏折系统I和第二立体偏折系统II的位置参数包括所述第一立体偏折系统I中投影屏幕与两台相机的位置关系、所述第二立体偏折系统II中投影屏幕与两台相机的位置关系、以及所述第一立体偏折系统I和所述第二立体偏折系统II的位置关系。
为了防止因抖动导致的测量误差，本实施方式中第一立体偏折系统和第二立体偏折系统中的投影屏幕和相机通过夹具固定在抗震平台上。其中，立体偏折系统中的屏幕和相机朝向可以改变，位置也可以在一定范围内调整。本实施方式中采用的投影屏幕拥有很高的分辨率，如此可以减少相机抓取图像时发生离焦所造成的特征点位置提取不准确的问题。由于相机焦距的变化会影响其外部参数矩阵，因此在标定立体偏折系统时，就必须固定相机焦距，而在标定过程中，存在着平面镜以及标准件移动的操作，这会导致相机拍摄的图像中存在离焦情况。为弥补该问题，可以选用较小的光圈以增大相机景深，同时也需要增加投影屏幕的分辨率。同时，投影屏幕需要足够大，以便平面镜和标准件移动后仍然能够将条纹的大部分反射到相机中。
下面以标准件的两个镜面平面的夹角为90度为例进一步说明测量方法，具体包括以下步骤：
步骤1，对所述第一立体偏折系统和第二立体偏折系统中的每台相机进行标定，得到每台相机的内部参数和畸变参数。具体为：使用四台相机分别拍摄若干张位置不同的圆环标定板图片(见图2)，并计算出圆环圆心坐标作为对应点坐标，据此获得各相机的内部参数矩阵和畸变参数，用以补偿相机拍摄误差。
步骤2，安装好如图1所示的测量装置，使用平面镜标定每套偏折系统，该标定用平面镜可拆卸或可移动到相机视场以外的区域。标定时，挪动平面镜位置使得从投影屏幕发射的光线经平面镜反射后可以被两台相机接收到。将平面镜分别放置在两套立体偏折系统中，并多次移动所述平面镜的位姿，每次移动后，投影屏幕投射移动的正弦条纹，每台相机拍摄经所述平面镜反射后的条纹图像，对投影屏幕中的正弦条纹图像和相机拍摄的条纹图像分别用相位解算和相位展开的方法，将条纹信息转换为坐标信息，得到所述投影屏幕和所述相机光心之间的位置关系，同时能得到的还有平面镜的法向量。
步骤3，进行整套系统的联合标定，以确定两套立体偏折系统的相对位置关系。将标准件放入镜面夹角测量装置，使得所述第一立体偏折系统中的投影屏幕显示的正弦条纹图像经过所述标准件的第一镜面反射后被所述第一立体偏折系统中的两台相机接收到；第二立体偏折系统中的投影屏幕显示的正弦条纹图像经过标准件的第二镜面反射后被所述第二立体偏折系统中的两台相机接收到。标准件在夹持和安装好后，两个镜面平面需要与抗震平台平面垂直，以保证测量装置标定的精度，另外，该测量装置可以准备多个角度不同的标准件，在具体标定时，可以根据待测物体两镜面平面夹角的范围来选用，要求标准件的夹角与两镜面平面的夹角相差不大于15°。
四台相机采集到经过第一镜面和第二镜面反射的条纹图像后，对投影屏幕中的正弦条纹图像和相机采集的条纹图像进行相位解算和相位展开，并基于所述投影屏幕和所述相机光心之间的位置关系，得到所述标准件的第一镜面在所述第一立体偏折系统中的旋转矩阵A，以及所述标准件的第二镜面在所述第二立体偏折系统中的旋转矩阵B，则所述第一立体偏折系统中的投影屏幕和第二立体偏折系统中的投影屏幕的位置关系为：<[angle2dcm(x,y,z)·A],B>＝designed_angle，其中，angle2dcm()表示由三个欧拉角x,y,z转换为旋转矩阵的函数；<>表示两个旋转矩阵的夹角；designed_angle为所述标准件的第一镜面与第二镜面的夹角。
本步骤中可以通过不断变换标准件的位置，获得多组不同的旋转矩阵A和旋转矩阵B；再将各组结果结合上述等式做非线性最小二乘拟合，最终拟合出由第一立体偏折系统中的投影屏幕到第二立体偏折系统投影屏幕的欧拉角，通过该方式可以降低单次测量的随机误差对标定精度的影响。
步骤4，将所述待测物体放入镜面夹角测量装置，使得所述第一立体偏折系统中的投影屏幕显示的正弦条纹图像经过待测物体的第一镜面反射后被所述第一立体偏折系统中的两台相机接收到；所述第二立体偏折系统中的投影屏幕显示的正弦条纹图像经过所述待测物体的第二镜面反射后被所述第二立体偏折系统中的两台相机接收到；通过相位解算和相位展开的方法得到所述待测物体的第一镜面相对于所述第一立体偏折系统的平面法向量和所述待测物体的第二镜面相对于所述第二立体偏折系统的平面法向量，基于所述第一立体偏折系统和第二立体偏折系统的位置关系，将两个平面法向量统一到一个坐标系下，并利用余弦公式计算得到所述待测物体第一镜面和第二镜面的夹角，其中余弦公式为
其中，n3为所述待测物体的第一镜面的平面法向量，n4为所述待测物体的第二镜面的平面法向量，<3,4>表示所述待测物体的第一镜面和第二镜面之间的夹角。
不难发现，本发明通过两套立体偏折系统分别求出待测物体两个镜平面的法向量，并将其转换到统一的坐标系下，再利用余弦公式计算出待测物体两个镜面的夹角，整个方法十分方便。另外，本发明还可以通过移动投影屏幕和相机位置，以及制作若干标准件的方式来实现较广的测量范围，实现方式十分灵活。
Claims (10)
1.一种基于立体偏折技术的镜面夹角测量装置，其特征在于，包括第一立体偏折系统和第二立体偏折系统，所述第一立体偏折系统和第二立体偏折系统均包括一个投影屏幕和两台相机；所述第一立体偏折系统中的投影屏幕显示的图像经过待测物体的第一镜面反射后被所述第一立体偏折系统中的两台相机接收到；所述第二立体偏折系统中的投影屏幕显示的图像经过所述待测物体的第二镜面反射后被所述第二立体偏折系统中的两台相机接收到；所述第一立体偏折系统和第二立体偏折系统中的两台相机均与计算机相连，所述计算机用于计算所述第一立体偏折系统和第二立体偏折系统的位置参数，并基于所述位置参数计算所述待测物体第一镜面和第二镜面之间的夹角。
2.根据权利要求1所述的基于立体偏折技术的镜面夹角测量装置，其特征在于，所述第一立体偏折系统和第二立体偏折系统中的投影屏幕和相机通过夹具固定在抗震平台上。
3.根据权利要求1所述的基于立体偏折技术的镜面夹角测量装置，其特征在于，所述第一立体偏折系统和第二立体偏折系统的位置参数包括所述第一立体偏折系统中投影屏幕与两台相机的位置关系、所述第二立体偏折系统中投影屏幕与两台相机的位置关系、以及所述第一立体偏折系统和所述第二立体偏折系统的位置关系。
4.一种基于立体偏折技术的镜面夹角测量方法，其特征在于，采用如权利要求1-3中任一所述的镜面夹角测量装置，包括以下步骤：
(1)对所述第一立体偏折系统和第二立体偏折系统中的每台相机进行标定，得到每台相机的内部参数和畸变参数；
(2)利用平面镜对所述第一立体偏折系统和第二立体偏折系统进行标定，获得所述第一立体偏折系统中投影屏幕与两台相机的位置关系、以及所述第二立体偏折系统中投影屏幕与两台相机的位置关系；
(3)利用标准件标定整套测量装置，得到所述第一立体偏折系统和第二立体偏折系统的位置关系；
(4)放入待测物体，通过所述第一立体偏折系统中投影屏幕与两台相机的位置关系和所述第二立体偏折系统中投影屏幕与两台相机的位置关系测得所述待测物体的第一镜面和第二镜面的法向量，并根据所述第一立体偏折系统和第二立体偏折系统的位置关系计算出第一镜面与第二镜面之间的夹角。
5.根据权利要求4所述的基于立体偏折技术的镜面夹角测量方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为：每台相机拍摄多张圆环标定板在不同位姿下的图像，用圆环的圆心作为特征点匹配并计算出每台相机的内部参数和畸变参数。
6.根据权利要求4所述的基于立体偏折技术的镜面夹角测量方法，其特征在于，所述步骤(2)具体为：将平面镜分别放置在第一立体偏折系统和第二立体偏折系统中，并多次移动所述平面镜的位姿，每次移动后，投影屏幕投射移动的正弦条纹，每台相机拍摄经所述平面镜反射后的条纹图像，对投影屏幕中的正弦条纹图像和相机拍摄的条纹图像分别用相位解算和相位展开的方法，将条纹信息转换为坐标信息，得到所述投影屏幕和所述相机光心之间的位置关系。
7.根据权利要求4所述的基于立体偏折技术的镜面夹角测量方法，其特征在于，所述步骤(3)具体为：将标准件放入镜面夹角测量装置，使得所述第一立体偏折系统中的投影屏幕显示的正弦条纹图像经过所述标准件的第一镜面反射后被所述第一立体偏折系统中的两台相机接收到；所述第二立体偏折系统中的投影屏幕显示的正弦条纹图像经过所述标准件的第二镜面反射后被所述第二立体偏折系统中的两台相机接收到；四台相机采集到经过第一镜面和第二镜面反射的条纹图像后，对投影屏幕中的正弦条纹图像和相机采集的条纹图像进行相位解算和相位展开，并基于所述投影屏幕和所述相机光心之间的位置关系，得到所述标准件的第一镜面在所述第一立体偏折系统中的旋转矩阵A，以及所述标准件的第二镜面在所述第二立体偏折系统中的旋转矩阵B，则所述第一立体偏折系统中的投影屏幕和第二立体偏折系统中的投影屏幕的位置关系为：<[angle2dcm(x,y,z)·A],B>＝designed_angle，其中，angle2dcm()表示由三个欧拉角x,y,z转换为旋转矩阵的函数；<>表示两个旋转矩阵的夹角；designed_angle为所述标准件的第一镜面与第二镜面的夹角。
8.根据权利要求7所述的基于立体偏折技术的镜面夹角测量方法，其特征在于，所述步骤(3)还包括变换所述标准件位置，得到多组不同的所述标准件的第一镜面在所述第一立体偏折系统中的旋转矩阵A和所述标准件的第二镜面在所述第二立体偏折系统中的旋转矩阵B，再将各组结果结合所述第一立体偏折系统中的投影屏幕和第二立体偏折系统中的投影屏幕的位置关系做非线性最小二乘法拟合，最终拟合出由第一立体偏折系统中的投影屏幕到第二立体偏折系统投影屏幕的欧拉角。
9.根据权利要求4所述的基于立体偏折技术的镜面夹角测量方法，其特征在于，所述步骤(4)具体为：将所述待测物体放入镜面夹角测量装置，使得所述第一立体偏折系统中的投影屏幕显示的正弦条纹图像经过待测物体的第一镜面反射后被所述第一立体偏折系统中的两台相机接收到；所述第二立体偏折系统中的投影屏幕显示的正弦条纹图像经过所述待测物体的第二镜面反射后被所述第二立体偏折系统中的两台相机接收到；通过相位解算和相位展开的方法得到所述待测物体的第一镜面相对于所述第一立体偏折系统的平面法向量和所述待测物体的第二镜面相对于所述第二立体偏折系统的平面法向量，基于所述第一立体偏折系统和第二立体偏折系统的位置关系，将两个平面法向量统一到一个坐标系下，并利用余弦公式计算得到所述待测物体第一镜面和第二镜面的夹角。
10.根据权利要求4所述的基于立体偏折技术的镜面夹角测量方法，其特征在于，所述步骤(3)中采用的标准件与所述步骤(4)中的待测物体的夹角相差不大于15°。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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