CN113566792A - 一种调节镜头光轴与测试平面垂直的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种调节镜头光轴与测试平面垂直的装置及方法，包括测试平面、调节机构、图像采集机构以及处理单元，处理单元包括畸变计算单元、入射角计算单元以及倾斜角计算单元，将圆心标定板置于测试平面上，通过图像采集机构采集图像数据，畸变计算单元根据图像数据计算得到图像畸变，入射角计算单元根据图像畸变获得入射角，倾斜角计算单元根据入射角计算得到倾斜角，从而调节机构可以对测试平面进行角度调节，使测试平面与光轴垂直，保证图像数据采集的准确性，减少甚至消除由于不垂直而造成的测试误差。

Description

一种调节镜头光轴与测试平面垂直的装置及方法

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，特别涉及一种调节镜头光轴与测试平面垂直的装置及方法。

背景技术

机器视觉中的远心镜头的兴起对视觉测量检查领域是一个很大的提高，其镜头包括物方远心镜头、像方远心镜头和双侧远心镜头；他们共同的作用就是减少以前测量系统中出现的由于调焦不准确带来的读数或测量误差，当使用远心镜头对生产产品进行测试时，需要镜头光轴与待测平面相垂直，如果没有垂直就会造成产品测试误差或者无法测试，所以就需要一个方便快捷的调节方法来调节镜头光轴与待测平面的垂直度，但市场上还没有对如何矫正远心镜头与待测平面的垂直度提供可靠的方法。

公开号为CN105758339B的发明专利《基于几何误差修正技术的光轴与物面垂直度检测方法》中，需要依据不同成像点的位置关系、各成像点处图像清晰度函数值达到最大时的物距差以及几何误差修正技术实现测量系统光轴与物面垂直度偏差的检测，其修正过程较为繁琐，需要多次移动相机，对于垂直校正需要耗费较多的时间，效率较低。

发明内容

鉴以此，本发明提出一种调节镜头光轴与测试平面垂直的装置及方法，针对采集的图像来获取畸变，并以此来获取测试平面的倾斜角，最终可以根据倾斜角调节测试平面，使其与光轴垂直。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种调节镜头光轴与测试平面垂直的装置，包括：

测试平面，用于放置圆心标定板；

调节机构，设置在测试平面的底部，用于调节测试平面的角度；

图像采集机构，设置在测试平面上方，用于采集圆心标定板的图像数据；

处理单元，用于根据图像采集机构采集的图像数据计算畸变，通过畸变计算得到测试平面的倾斜度，并根据倾斜度驱动调节机构对测试平面的角度进行调节；

所述图像采集机构包括镜头以及相机，所述镜头与相机数据连接，并位于测试平面正上方，所述相机将图像数据传输给处理单元；所述处理单元包括畸变计算单元、入射角计算单元以及倾斜角计算单元，所述相机、畸变计算单元、入射角计算单元以及倾斜角计算单元依次数据连接，所述调节机构根据倾斜角计算单元计算的结果对测试平面进行角度调节。

进一步的，所述处理单元还包括出射角计算单元，所述相机、畸变计算单元、出射角计算单元、入射角计算单元以及倾斜角计算单元依次数据连接。

进一步的，还包括光学平台、支撑杆、滑动块以及紧固螺丝，所述测试平面以及调节机构设置在光学平台上表面，所述支撑杆垂直设置在光学平台上表面，所述滑动块滑动设置在支撑杆上，并通过紧固螺丝进行紧固，所述镜头设置在滑动块上，所述相机设置在镜头外表面。

进一步的，还包括电源以及显示器，所述电源分别与显示器以及相机电连接，所述显示器用于显示相机采集的图像数据。

进一步的，所述调节机构包括液压杆、电动推杆、升降电机、调节螺丝中的一种或多种。

一种调节镜头光轴与测试平面垂直的方法，包括以下步骤：

步骤S1、将圆心标定板置于测试平面上，由镜头成像，并由相机采集图像数据；

步骤S2、畸变计算单元根据图像数据中垂直方向的两个对称的检测点或水平方向的两个对称的检测点获取两组图像畸变q′，并根据两组图像畸变获得两组实际像高y′_z；

步骤S3、入射角计算单元根据两组实际像高计算得到两组入射光线与光轴的夹角U；

步骤S4、倾斜角计算单元根据两组入射光线与光轴的夹角U计算得到测试平面的倾斜角α；

步骤S5、调节机构根据倾斜角计算单元计算得到的倾斜角α对测试平面进行角度调节。

进一步的，所述步骤S2的具体步骤包括：

步骤S21、将获取的图像数据与理想图像数据进行对比并获得图像畸变q′；

步骤S22、根据畸变公式

计算得到实际像高，其中y′_z为实际像高，y′为理想像高，δy′_z为实际像高和理想像高的差。

进一步的，所述步骤S3之前还包括:

步骤S2.5、获得实际像高y′_z后，根据公式

计算得到出射光线与光轴的夹角U′，其中L′_z为出瞳截距，L′为镜头最后一面到像面的距离；

所述步骤S3根据出射光线与光轴的夹角U′计算获得入射光线与光轴的夹角U；

进一步的，所述步骤S3的具体步骤为：获得出射光线与光轴的夹角U′后，根据光路计算公式以及转面公式计算得到入射光线与光轴的夹角U，其中光路计算公式为：

转面公式为：

其中I为入射光与镜片法线的夹角，L为镜片顶点到入射光线与光轴的交点距离，r为镜头曲率半径，U为入射光线与光轴的夹角，n为折射率，d为两镜片顶点距离，I′、L′、U′、n′为相对应的出射光参数，U′_k-1，L′_k-1，n′_k-1为光线相对于第一个面的出射光参数，U_k，L_k，n_k为出射光相对于第二个面的入射光参数，d_k-1为前一个面到后一个面的顶点距离。

进一步的，所述步骤S4的具体步骤为：获取同一直线上的两个对称点到圆心标定板中心的距离y₀以及圆心标定板中心到镜头的距离l₀，并根据以下公式计算得到检测点到镜头的距离、实际物高以及测试平面的倾斜角：

其中y₁和y₂为两个检测点的实际物高，l₁和l₂为两个检测点中心到镜头的距离，U₁、U₂为两个检测点的入射光线与光轴的夹角，α为测试平面的倾斜角。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种调节镜头光轴与测试平面垂直的装置及方法，将圆心标定板置于测试平面上后，通过镜头以及相机采集圆心标定板的图像数据，并从图像数据中获取图像畸变，根据图像畸变计算得到入射光与光轴的夹角，并以此计算得到测试平面的倾斜角，然后通过调节机构调节测试平面与光轴垂直，从而在对被测物进行图像采集时，可以保证图像采集的准确性，减少误差。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的优选实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种调节镜头光轴与测试平面垂直的装置的结构示意图；

图2为本发明的一种调节镜头光轴与测试平面垂直的装置的原理框图；

图3为本发明的一种调节镜头光轴与测试平面垂直的方法的流程框图；

图4为倾斜角与其他参数的关系示意图；

图中，1为测试平面，2为调节机构，3为图像采集机构，31为镜头，32为相机，4为处理单元，41为畸变计算单元，42为入射角计算单元，43为倾斜角计算单元，44为出射角计算单元，5为光学平台，6为支撑杆，7为滑动块，71为紧固螺丝，8为电源，9为显示器。

具体实施方式

为了更好理解本发明技术内容，下面提供一具体实施例，并结合附图对本发明做进一步的说明。

参见图1-图2，本发明提供的一种调节镜头光轴与测试平面1垂直的装置，包括：

测试平面1，用于放置圆心标定板；

调节机构2，设置在测试平面1的底部，用于调节测试平面1的角度；

图像采集机构3，设置在测试平面1上方，用于采集圆心标定板的图像数据；

处理单元4，用于根据图像采集机构3采集的图像数据计算畸变，通过畸变计算得到测试平面1的倾斜度，并根据倾斜度驱动调节机构2对测试平面1的角度进行调节；

所述图像采集机构3包括镜头31以及相机32，所述镜头31与相机32数据连接，并位于测试平面1正上方，所述相机32将图像数据传输给处理单元4；所述处理单元4包括畸变计算单元41、入射角计算单元42以及倾斜角计算单元43，所述相机32、畸变计算单元41、入射角计算单元42以及倾斜角计算单元43依次数据连接，所述调节机构2根据倾斜角计算单元43计算的结果对测试平面1进行角度调节。

本发明的一种调节镜头光轴与测试平面1垂直的装置，所设置的图像采集机构3位于测试平面1的上方，测试平面1用于放置待测物，在进行使用前，将圆心标定板放置到测试平面1上，用于进行测试平面1角度校准，其中，镜头31为远心镜头或其他类型的普通镜头，可以对圆心标定板成像后由相机32采集图像数据，采集的图像数据输送给处理单元4，处理单元4可以从图像数据中计算得到图像畸变，然后根据图像畸变经过一系列的计算后可以得到测试平面1的倾斜角，然后调节机构2可以对测试平面1进行角度调节，从而使测试平面1与镜头31的光轴垂直，以保证后续成像时的准确性，减少甚至消除误差。

对于处理单元4而言，其包括畸变计算单元41、入射角计算单元42以及倾斜角计算单元43，畸变计算单元41根据相机32采集的图像数据进行处理，处理后的数据传输到入射角计算单元42中，由入射角计算单元42计算得到圆心标定板上的参照物对于镜头31的入射角，然后倾斜角计算单元43根据入射角进行计算得到测试平面1的倾斜角，最终调节机构2可以根据倾斜角对测试平面1进行调节。

本发明只需要将圆心标定板放置到测试平面1上即可对测试平面1时候倾斜进行判断，并在判断结果为倾斜时，通过调节机构2对测试平面1进行角度的调节，以实现测试平面1与光轴的垂直，整个检测以及调节过程简单，效率较高，无需获取多幅图像。

具体的，所述处理单元4还包括出射角计算单元44，所述相机32、畸变计算单元41、出射角计算单元44、入射角计算单元42以及倾斜角计算单元43依次数据连接。

由于光路是可逆的，本发明先计算得到出射角后，通过出射角和入射角之间的转换来得到入射角，对此，在处理单元4中设置出射角计算单元44，其可以根据畸变计算单元41计算得到的畸变进行进行计算得到出射角。

具体的，还包括光学平台5、支撑杆6、滑动块7以及紧固螺丝71，所述测试平面1以及调节机构2设置在光学平台5上表面，所述支撑杆6垂直设置在光学平台5上表面，所述滑动块7滑动设置在支撑杆6上，并通过紧固螺丝71进行紧固，所述镜头31设置在滑动块7上，所述相机32设置在镜头31外表面。

光学平台5用于对测试平面1进行支撑，而调节机构2设置在光学平台5上，并位于测试平面1下方，而相机32和镜头31设置在滑动块7上，滑动块7可以在支撑杆6上滑动，从而带动相机32和镜头31滑动，实现镜头31高度的调节，在开始进行角度调节前，先调节镜头31的高度，使镜头31所成像的图像中心最清晰，以方便图像的采集以及畸变计算的准确性。

具体的，还包括电源8以及显示器9，所述电源8分别与显示器9以及相机32电连接，所述显示器9用于显示相机32采集的图像数据。

电源8用于为相机32以及显示器9供电，其中显示器9可以显示相机32采集的图像数据，供工作人员在一侧进行观察。

具体的，所述调节机构2包括液压杆、电动推杆、升降电机、调节螺丝中的一种或多种。

在获得倾斜角后，调节机构2可以根据倾斜角调节测试平面1的角度，对于调节机构2而言，其选择的种类可以有多种，例如液压杆、电动推杆或升降电机这一类电控部件，倾斜角计算单元43计算得到倾斜角后，电控的调节机构2可以自动调节测试平面1的角度，调节机构2还可以选择为手动调节的方式，例如调节螺丝，在测试平面1底部设置若干个调节螺丝，根据倾斜角来转动调节螺丝，以实现测试平面1的角度调节。

参照图3，本发明的一种调节镜头光轴与测试平面1垂直的方法，包括以下步骤：

步骤S1、将圆心标定板置于测试平面1上，由镜头31成像，并由相机32采集图像数据；

对于圆心标定板而言，其上分布有若干等间隔的圆点，在进行检测前，将圆心标定板放置到测试平面1上，并调节镜头31的高度后，使成像最清晰，然后相机32采集圆心标定板的图像数据以后传输给畸变计算单元41。

步骤S2、畸变计算单元41根据图像数据中垂直方向的两个对称的检测点或水平方向的两个对称的检测点获取两组图像畸变q′，并根据两组图像畸变获得两组实际像高y′_z；

由于测试平面1会存在仅向一侧倾斜的情况，因此在进行畸变的计算时，选取的是圆心标定板上两组对称的检测点进行计算，本发明选取的是经过圆心标定板中心的垂直方向上的两个对称点(以圆心标定板中心对称)或水平方向上的两个对称的检测点，分别计算得到畸变后经过后续的步骤处理可以获得倾斜角，若选取垂直方向时获得的倾斜角为0，水平方向获得的倾斜角不为0，即代表测试平面1以水平方向线倾斜，反之则以垂直方向线倾斜，因此本发明在计算倾斜角时，会依次对垂直和水平方向上的两个检测点进行畸变计算，并以此计算倾斜角，保证倾斜角计算的准确性。

所述步骤S2的具体步骤包括：

步骤S21、将获取的图像数据与理想图像数据进行对比并获得图像畸变q′；

由于不同视场的主光线通过光学系统后与高斯像面的交点高度并不等于理想像高，因此就会存在畸变，对于圆心标定板而言，已知圆心标定板中各圆点的间隔，通过计算成像后的两点间距可以直接获得畸变，畸变的获取则可以直接对比理想图像数据和采集的图像数据得到。

步骤S22、根据畸变公式

计算得到实际像高，其中y′_z为实际像高，y′为理想像高，δy′_z为实际像高和理想像高的差。

已知圆心标定板中各圆点的间隔，同时已知镜头31的倍率，理想像高可以直接获得，由畸变的计算公式中可以得出，在获得畸变且已知理想像高的前提下，可以根据畸变计算公式计算得到实际像高。

本发明的像高是指相机32所拍摄图片的圆点圆心所在的像素点的位置到中心像素点的距离。

步骤S2.5、获得实际像高y′_z后，根据公式

计算得到出射光线与光轴的夹角U′，其中L′_z为出瞳截距，L′为镜头最后一面到像面的距离。

L′为镜头最后一个面到相机32面的距离，可以通过机械件设计得出数据，或者通过简单的尺子测量得到，而出瞳截距为镜头的参数，通过查询镜头出厂参数(包括曲率半径、距离、折射率等)可以直接获取，在已知出瞳截距、像面截距和实际像高的前提下，可以计算得到出射光线与光轴的夹角。

步骤S3、入射角计算单元42根据两组实际像高计算获得的出射光线与光轴的夹角U′计算得到两组入射光线与光轴的夹角U；

所述步骤S3的具体步骤为：获得出射光线与光轴的夹角U′后，根据光路计算公式以及转面公式计算得到入射光线与光轴的夹角U，其中光路计算公式为：

转面公式为：

其中I为入射光与镜片法线的夹角，L为镜片顶点到入射光线与光轴的交点距离，r为镜头曲率半径，U为入射光线与光轴的夹角，n为折射率，d为两镜片顶点距离，I′、L′、U′、n′为相对应的出射光参数，在已知U′后，可以通过公式

计算得到I′，U′_k-1，L′_k-1，n′_k-1为光线相对于第一个面的出射光参数，U_k，L_k，n_k为出射光相对于第二个面的入射光参数，d_k-1为前一个面到后一个面的顶点距离，由于镜头31有多个面，通过本发明的转面公式可以计算光线通过n个面的参数，通过上述的转面公式进行类推可以计算得到某一镜头31光线通过n个面的参数。

光路计算公式的意义在于可以实现出射光线和入射光线的相互转换，因此在已知出射光线参数的前提下，通过转面公式以及光路计算公式得到入射光线的参数。

步骤S4、倾斜角计算单元43根据两组入射光线与光轴的夹角U计算得到测试平面1的倾斜角α；

所述步骤S4的具体步骤为：获取同一直线上的两个对称点到圆心标定板中心的距离y₀以及圆心标定板中心到镜头的距离l₀，并根据以下公式计算得到检测点到镜头的距离、实际物高以及测试平面1的倾斜角：

其中y₁和y₂为两个检测点的实际物高，l₁和l₂为两个检测点中心到镜头的距离，U₁、U₂为两个检测点的入射光线与光轴的夹角，α为测试平面1的倾斜角。

由上述可知在进行检测时，需要采集垂直或水平方向的两个检测点进行畸变的计算，每次计算时使用的为同一组检测点，即垂直方向上的两个检测点或水平方向上的两个检测点，通过获取同一直线上的两个检测点的畸变数据，并以此计算得到出射角，然后将出射角转换成入射角后，根据步骤S4中的计算公式可以获得倾斜角。

如图4所示，A、B为同一条直线上的两个对称的检测点，C为光的入射点，O为圆心标定板的中心，通过直角三角形边角关系来进行转换后可以得到倾斜角。

步骤S5、调节机构2根据倾斜角计算单元43计算得到的倾斜角α对测试平面1进行角度调节。

调节机构2可以电动或手动的调节测试平面1的角度，使测试平面1与光轴垂直，从而保证图像采集的准确性，减少或消除误差。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种调节镜头光轴与测试平面垂直的装置，其特征在于，包括：

测试平面，用于放置圆心标定板；

调节机构，设置在测试平面的底部，用于调节测试平面的角度；

图像采集机构，设置在测试平面上方，用于采集圆心标定板的图像数据；

处理单元，用于根据图像采集机构采集的图像数据计算畸变，通过畸变计算得到测试平面的倾斜度，并根据倾斜度驱动调节机构对测试平面的角度进行调节；

所述图像采集机构包括镜头以及相机，所述镜头与相机数据连接，并位于测试平面正上方，所述相机将图像数据传输给处理单元；所述处理单元包括畸变计算单元、入射角计算单元以及倾斜角计算单元，所述相机、畸变计算单元、入射角计算单元以及倾斜角计算单元依次数据连接，所述调节机构根据倾斜角计算单元计算的结果对测试平面进行角度调节。

2.根据权利要求1所述的一种调节镜头光轴与测试平面垂直的装置，其特征在于，所述处理单元还包括出射角计算单元，所述相机、畸变计算单元、出射角计算单元、入射角计算单元以及倾斜角计算单元依次数据连接。

3.根据权利要求1所述的一种调节镜头光轴与测试平面垂直的装置，其特征在于，还包括光学平台、支撑杆、滑动块以及紧固螺丝，所述测试平面以及调节机构设置在光学平台上表面，所述支撑杆垂直设置在光学平台上表面，所述滑动块滑动设置在支撑杆上，并通过紧固螺丝进行紧固，所述镜头设置在滑动块上，所述相机设置在镜头外表面。

4.根据权利要求1所述的一种调节镜头光轴与测试平面垂直的装置，其特征在于，还包括电源以及显示器，所述电源分别与显示器以及相机电连接，所述显示器用于显示相机采集的图像数据。

5.根据权利要求1所述的一种调节镜头光轴与测试平面垂直的装置，其特征在于，所述调节机构包括液压杆、电动推杆、升降电机、调节螺丝中的一种或多种。

6.根据权利要求1-5任一所述装置的一种调节镜头光轴与测试平面垂直的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、将圆心标定板置于测试平面上，由镜头成像，并由相机采集图像数据；

步骤S2、畸变计算单元根据图像数据中垂直方向的两个对称的检测点或水平方向的两个对称的检测点获取两组图像畸变q′，并根据两组图像畸变获得两组实际像高y′_z；

步骤S3、入射角计算单元根据两组实际像高计算得到两组入射光线与光轴的夹角U；

步骤S4、倾斜角计算单元根据两组入射光线与光轴的夹角U计算得到测试平面的倾斜角α；

步骤S5、调节机构根据倾斜角计算单元计算得到的倾斜角α对测试平面进行角度调节。

7.根据权利要求6所述的一种调节镜头光轴与测试平面垂直的方法，其特征在于，所述步骤S2的具体步骤包括：

步骤S21、将获取的图像数据与理想图像数据进行对比并获得图像畸变q′；

步骤S22、根据畸变公式

计算得到实际像高，其中y′_z为实际像高，y′为理想像高，δy′_z为实际像高和理想像高的差。

8.根据权利要求6所述的一种调节镜头光轴与测试平面垂直的方法，其特征在于，所述步骤S3之前还包括:

步骤S2.5、获得实际像高y′_z后，根据公式

计算得到出射光线与光轴的夹角U′，其中L′_z为出瞳截距，L′为镜头最后一面到像面的距离；

所述步骤S3根据出射光线与光轴的夹角U′计算获得入射光线与光轴的夹角U。

9.根据权利要求8所述的一种调节镜头光轴与测试平面垂直的方法，其特征在于，所述步骤S3的具体步骤为：获得出射光线与光轴的夹角U′后，根据光路计算公式以及转面公式计算得到入射光线与光轴的夹角U，其中光路计算公式为：

转面公式为：

其中I为入射光与镜片法线的夹角，L为镜片顶点到入射光线与光轴的交点距离，r为镜头曲率半径，U为入射光线与光轴的夹角，n为折射率，d为两镜片顶点距离，I′、L′、U′、n′为相对应的出射光参数，U′_k-1，L′_k-1，n′_k-1为光线相对于第一个面的出射光参数，U_k，L_k，n_k为出射光相对于第二个面的入射光参数，d_k-1为前一个面到后一个面的顶点距离。

10.根据权利要求6所述的一种调节镜头光轴与测试平面垂直的方法，其特征在于，所述步骤S4的具体步骤为：获取同一直线上的两个对称点到圆心标定板中心的距离y₀以及圆心标定板中心到镜头的距离l₀，并根据以下公式计算得到检测点到镜头的距离、实际物高以及测试平面的倾斜角：

其中y₁和y₂为两个检测点的实际物高，l₁和l₂为两个检测点中心到镜头的距离，U₁、U₂为两个检测点的入射光线与光轴的夹角，α为测试平面的倾斜角。

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