CN114543670B - 一种基于机器视觉的光学元件位姿辅助标定方法及标定系统 - Google Patents

一种基于机器视觉的光学元件位姿辅助标定方法及标定系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于机器视觉的光学元件位姿辅助标定方法，涉及光学元件检测技术领域，在光学元件附近设置数个固定标记物，使用成像设备将固定标记物、光学元件、以及随机标记物同时成像于像面，根据已知的固定标记物相对于光学元件的位姿，以及像面上固定标记物的坐标，结合随机标记物与固定标记物在像面上的位姿关系，解算随机标记物相对于光学元件的位姿关系，完成随机标记物的识别及坐标提取。本发明还提供一种实现上述方法的基于机器视觉的光学元件位姿辅助标定系统。本发明的方法避免了传统的人工使用测头打点操作，大大提高了畸变校正的效率，同时降低了操作过程中的风险系数，为光学元件的高效高质量制造提供了一定的保障。

Description

一种基于机器视觉的光学元件位姿辅助标定方法及标定系统
技术领域
本发明涉及光学元件检测技术领域，特别涉及一种基于机器视觉的光学元件位姿辅助标定方法及标定系统。
背景技术
随着空间光学、对地遥感等技术的发展，光学系统对光学元件的面形误差、粗糙度、中高频控制等技术要求愈加苛刻，如何实现光学元件的高效高质量制造是光学人员面临的紧迫性难题。在实际光学元件制造过程中，检测和加工之间实现有效协同工作，需要考虑以下两个方面的内容：
首先，常规光学元件制造过程中，检测和加工往往具有坐标非统一性的特点，即检测设备和加工设备没有严格的集成在一起。光学检测之后，需要将检测数据与加工机床进行坐标统一，即将检测数据中反射镜的位姿转换到加工机床之后才能指导后续加工。
其次，在高陡度非球面、自由曲面等光学元件的检测过程中，尤其在抛光阶段多使用补偿元件配合激光干涉仪进行检测，但随着被检测元件偏离最接近球面程度(非球面度)的增大，干涉像面上呈现的被检镜轮廓将出现一定的畸变，且随着非球面度的增大，畸变程度也更加严重。如图1所示的被检镜为一块圆形离轴非球面反射镜，由于非球面度较大，其在干涉仪中的投影轮廓为近似椭圆形，近光轴和远光轴端的像素/尺寸的比值相差近10倍，检测结果不能直接用于指导加工。
因此，在光学检测之后，往往需要进行畸变校正，统一反射镜不同位置的像素/尺寸的比值，同时将检测数据中被检镜的位姿转换至加工坐标系，为下一步的加工做好准备。目前畸变校正过程示意图如图2所示，具体步骤如下：
1.光学检测之前，在镜面随机放置数个随机标记物，使光学检测保存的干涉检测文件中即包含镜面误差信息以及标记物的位置信息；
2.使用机床测头/三坐标建立工件坐标系，获取随机标记物相对工件的坐标；
3.在光学检测文件中提取随机标记物相对检测像面的坐标信息；
4.根据待测光路光学参数，解算随机标记物在工件坐标及像面坐标的坐标转换关系，进而获取校正后的面形矢高信息。
在畸变校正的整个过程中，耗时较长的步骤为随机标记物的坐标获取，即上述的第2步骤，目前常用人工操作测头逐个打点的方式实现。但是，在实际操作过程中，在镜面上放置标记物以及获取其工件坐标系下的相对位置是一件繁琐、耗时、易出错、易划伤镜面的过程，尤其当工件尺寸较大或需要的标记物数量较多时，该人工操作过程就会变得相当繁琐且危险。因此，对于大口径光学元件来说，如何高效且安全的实施该过程是一大挑战。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种基于机器视觉的光学元件位姿辅助标定方法及标定系统，基于机器视觉的标记物自动识别、坐标位置一次性全部获取的方法，为光学元件的畸变校正提供快速、高精度辅助标定手段。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种基于机器视觉的光学元件位姿辅助标定方法，包括以下步骤：
S1：在光学元件上设置若干固定标记物，所有固定标记物与光学元件之间的位姿保持不变，且各个固定标记物的放置位置尽量分开且不遮挡光学元件的有效口径；
S2：获取各个固定标记物的在工件坐标系下的坐标位置，记为Pmirror(xfix,yfix)；
S3：在光学元件的表面放置若干随机标记物，作为畸变校正的参考点；
S4：设置并调整成像设备和投影设备的位姿，使投影设备的投影图形可以经光学元件折转，清晰地投影到成像设备中；
S5：在投影设备上显示合适的投影图像，使成像设备中显示的图像可以清晰的识别光学元件、固定标记物、随机标记物的轮廓；
S6：保存成像设备的图像，提取固定标记物与随机标记物在成像设备中的坐标PCCD(xfix,yfix)和PCCD(xrand,yrand)；
S7：根据步骤S2中获取的各个固定标记物的在工件坐标系下的坐标位置Pmirror(xfix,yfix)，以及像面上固定标记物的坐标PCCD(xfix,yfix)，结合随机标记物与固定标记物在像面上的位姿关系，解算随机标记物相对于光学元件的位姿关系，完成随机标记物的识别及提取其在工件坐标系下的坐标位置。
进一步地，步骤S7具体为：
基于矩阵运算的坐标转换公式如下：
R*P1*K+S＝P2 公式1
其中，R＝[cos(A),-sin(A)；sin(A),cos(A)]为旋转矩阵，A为两个坐标系的旋转角，P1为像面坐标系下的坐标，P2为工件坐标系下的坐标，K为缩放系数，S＝[x0,y0]为平移矩阵；
根据已知的固定标记物的在工件坐标系下的坐标位置Pmirror(xfix,yfix)，以及像面上固定标记物的坐标PCCD(xfix,yfix)，通过公式1解算出坐标转换矩阵的参数R,S,K，代入公式1中；
根据已知的随机标记物的像面坐标值PCCD(xrand,yrand)，通过代入坐标转换矩阵的参数R,S,K的公式1反算出随机标记物在工件坐标系下的坐标Pmirror(xrand,yrand)。
进一步地，固定标记物的设置数量至少为3个。
进一步地，步骤S2中采用三坐标或机床测头方法获取各个固定标记物的在工件坐标系下的坐标位置。
本发明还提供一种实现如上所述的标定方法的基于机器视觉的光学元件位姿辅助标定系统，包括成像设备、投影设备、光学元件，所述投影设备的投影图形可以经所述光学元件折转，清晰地投影到所述成像设备中；
在所述光学元件上设置若干固定标记物，所有固定标记物与所述光学元件之间的位姿保持不变，且各个固定标记物的放置位置尽量分开且不遮挡所述光学元件的有效口径；在所述光学元件的表面放置若干随机标记物，作为畸变校正的参考点。
进一步地，还包括若干调整架，所述成像设备和投影设备分别安装于调整架上，通过调整架实现所述成像设备和投影设备的位姿调整，使所述投影设备的投影图形可以经所述光学元件折转，清晰地投影到所述成像设备中。
进一步地，所述标定系统的标定精度由所述成像设备的分辨率和所述光学元件的口径尺寸决定，其中，所述光学元件的口径尺寸一定时，所述成像设备的分辨率越高，所述标定系统的标定精度越高。
进一步地，在所述光学元件上至少设置3个固定标记物。
本发明的基于机器视觉的光学元件位姿辅助标定方法，通过设置固定标记物，利用成像设备和投影设备将随机标记物和固定标记物同时成像，进而采用坐标转换矩阵运算的方式一次性解算出所有随机标记物的坐标位置，该方法物理概念明确，数据处理和数学运算简单，实验操作简便易行，避免了传统的人工使用测头打点操作，大大提高了畸变校正的效率，同时降低了操作过程中的风险系数，为光学元件的高效高质量制造提供了一定的保障。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中离轴非球面干涉检测实测图，图1a为试验现场图，图1b为检测结果图；
图2为现有技术中畸变校正过程示意图；
图3为本发明中固定标记物和随机标记物放置示意图；
图4为基于机器视觉的光学元件位姿辅助标定系统的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本申请的限制。
现有技术中，光学元件的畸变校正过程中耗时最长的步骤在于标记物的坐标识别，传统做法是先采用三坐标/机床测头建立坐标系，再用测头逐个识别各标记物的中心点，获取其相对于光学元件本身的坐标，在光学元件口径较大时，标记物数量过多时，该步骤会变得十分费时费力且危险。
本发明从机器视觉的方法出发，在光学元件附近设置数个固定标记物，该固定标记物相对于光学元件的位姿保持恒定；使用成像设备将固定标记物、光学元件、以及每次随机放置的标记物同时成像于像面；根据已知的固定标记物相对于光学元件的位姿，以及像面上固定标记物的坐标，结合随机标记物与固定标记物在像面上的位姿关系，解算随机标记物相对于光学元件的位姿关系，完成随机标记物的识别及坐标提取步骤。本发明的方法仅需要设置数个固定标记物，检测时将固定标记物和随机标记物同时成像，经过数学推导即可一次性解算出所有随机标记物在工件坐标系下的坐标值，可大大节省随机标记物的检测时间，同时有效规避了人工操作引入的潜在风险。
本发明提供一种基于机器视觉的光学元件位姿辅助标定方法，包括以下步骤：
S1：在光学元件上设置若干固定标记物，所有固定标记物与光学元件之间的位姿保持不变，且各个固定标记物的放置位置尽量分开且不遮挡光学元件的有效口径；
S2：获取各个固定标记物的在工件坐标系下的坐标位置，记为Pmirror(xfix,yfix)；
S3：在光学元件的表面放置若干随机标记物，作为畸变校正的参考点；
S4：设置并调整成像设备和投影设备的位姿，使投影设备的投影图形可以经光学元件折转，清晰地投影到成像设备中；
S5：在投影设备上显示合适的投影图像，使成像设备中显示的图像可以清晰的识别光学元件、固定标记物、随机标记物的轮廓；
S6：保存成像设备的图像，提取固定标记物与随机标记物在成像设备中的坐标PCCD(xfix,yfix)和PCCD(xrand,yrand)；
S7：根据步骤S2中获取的各个固定标记物的在工件坐标系下的坐标位置Pmirror(xfix,yfix)，以及像面上固定标记物的坐标PCCD(xfix,yfix)，结合随机标记物与固定标记物在像面上的位姿关系，解算随机标记物相对于光学元件的位姿关系，完成随机标记物的识别及提取其在工件坐标系下的坐标位置。
其中，步骤S7具体为：
基于矩阵运算的坐标转换公式如下：
R*P1*K+S＝P2 公式1
其中，R＝[cos(A),-sin(A)；sin(A),cos(A)]为旋转矩阵，A为两个坐标系的旋转角，P1为像面坐标系下的坐标，P2为工件坐标系下的坐标，K为缩放系数，S＝[x0,y0]为平移矩阵；
根据已知的固定标记物的在工件坐标系下的坐标位置Pmirror(xfix,yfix)，以及像面上固定标记物的坐标PCCD(xfix,yfix)，通过公式1解算出坐标转换矩阵的参数R,S,K，代入公式1中；
根据已知的随机标记物的像面坐标值PCCD(xrand,yrand)，通过代入坐标转换矩阵的参数R,S,K的公式1反算出随机标记物在工件坐标系下的坐标Pmirror(xrand,yrand)。
其中，固定标记物的设置数量至少为3个，固定标记物和随机标记物放置位置如图3所示。
其中，步骤S2中采用三坐标或机床测头方法获取各个固定标记物的在工件坐标系下的坐标位置。
本发明还提供一种实现如上所述的标定方法的基于机器视觉的光学元件位姿辅助标定系统，如图4所示，包括成像设备、投影设备、光学元件，所述投影设备的投影图形可以经所述光学元件折转，清晰地投影到所述成像设备中；
在所述光学元件上设置若干固定标记物，所有固定标记物与所述光学元件之间的位姿保持不变，且各个固定标记物的放置位置尽量分开且不遮挡所述光学元件的有效口径；在所述光学元件的表面放置若干随机标记物，作为畸变校正的参考点。其中，在所述光学元件上至少设置3个固定标记物。
优选地，还包括若干调整架，所述成像设备和投影设备分别安装于调整架上，通过调整架实现所述成像设备和投影设备的位姿调整，使所述投影设备的投影图形可以经所述光学元件折转，清晰地投影到所述成像设备中。
所述标定系统的标定精度由所述成像设备的分辨率和所述光学元件的口径尺寸决定，其中，所述光学元件的口径尺寸一定时，所述成像设备的分辨率越高，所述标定系统的标定精度越高。目前现有技术中人工打点操作的位置测量精度约为0.2mm，根据前期工程经验，标记物的中心提取精度可达0.06像素，经分析，若采用2k分辨率的成像设备，对2m口径的光学元件进行位姿识别，采用本发明的标定系统及标定方法，其位置解算精度可达0.06mm，若采用更高分辨率的成像设备，则位置解算精度还可进一步提高，满足光学元件的高质量制造需求。
本发明的基于机器视觉的光学元件位姿辅助标定方法，通过设置固定标记物，利用成像设备和投影设备将随机标记物和固定标记物同时成像，进而采用坐标转换矩阵运算的方式一次性解算出所有随机标记物的坐标位置，该方法物理概念明确，数据处理和数学运算简单，实验操作简便易行，避免了传统的人工使用测头打点操作，大大提高了畸变校正的效率，同时降低了操作过程中的风险系数，为光学元件的高效高质量制造提供了一定的保障。
以上所述仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于机器视觉的光学元件位姿辅助标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在光学元件上设置若干固定标记物，所有固定标记物与光学元件之间的位姿保持不变，且各个固定标记物的放置位置尽量分开且不遮挡光学元件的有效口径；
S2：获取各个固定标记物的在工件坐标系下的坐标位置，记为Pmirror(xfix,yfix)；
S3：在光学元件的表面放置若干随机标记物，作为畸变校正的参考点；
S4：设置并调整成像设备和投影设备的位姿，使投影设备的投影图形可以经光学元件折转，清晰地投影到成像设备中；
S5：在投影设备上显示合适的投影图像，使成像设备中显示的图像可以清晰的识别光学元件、固定标记物、随机标记物的轮廓；
S6：保存成像设备的图像，提取固定标记物与随机标记物在成像设备中的坐标PCCD(xfix,yfix)和PCCD(xrand,yrand)；
S7：根据步骤S2中获取的各个固定标记物的在工件坐标系下的坐标位置Pmirror(xfix,yfix)，以及像面上固定标记物的坐标PCCD(xfix,yfix)，结合随机标记物与固定标记物在像面上的位姿关系，解算随机标记物相对于光学元件的位姿关系，完成随机标记物的识别及提取其在工件坐标系下的坐标位置。
2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的光学元件位姿辅助标定方法，其特征在于，步骤S7具体为：
基于矩阵运算的坐标转换公式如下：
R*P1*K+S＝P2 公式1
其中，R＝[cos(A),-sin(A)；sin(A),cos(A)]为旋转矩阵，A为两个坐标系的旋转角，P1为像面坐标系下的坐标，P2为工件坐标系下的坐标，K为缩放系数，S＝[x0,y0]为平移矩阵；
根据已知的固定标记物的在工件坐标系下的坐标位置Pmirror(xfix,yfix)，以及像面上固定标记物的坐标PCCD(xfix,yfix)，通过公式1解算出坐标转换矩阵的参数R,S,K，代入公式1中；
根据已知的随机标记物的像面坐标值PCCD(xrand,yrand)，通过代入坐标转换矩阵的参数R,S,K的公式1反算出随机标记物在工件坐标系下的坐标Pmirror(xrand,yrand)。
3.根据权利要求1所述的基于机器视觉的光学元件位姿辅助标定方法，其特征在于，固定标记物的设置数量至少为3个。
4.根据权利要求1所述的基于机器视觉的光学元件位姿辅助标定方法，其特征在于，步骤S2中采用三坐标或机床测头方法获取各个固定标记物的在工件坐标系下的坐标位置。
5.一种实现如权利要求1-4任意一项所述的标定方法的基于机器视觉的光学元件位姿辅助标定系统，其特征在于，包括成像设备、投影设备、光学元件，所述投影设备的投影图形可以经所述光学元件折转，清晰地投影到所述成像设备中；
在所述光学元件上设置若干固定标记物，所有固定标记物与所述光学元件之间的位姿保持不变，且各个固定标记物的放置位置尽量分开且不遮挡所述光学元件的有效口径；在所述光学元件的表面放置若干随机标记物，作为畸变校正的参考点。
6.根据权利要求5所述的标定系统，其特征在于，还包括若干调整架，所述成像设备和投影设备分别安装于调整架上，通过调整架实现所述成像设备和投影设备的位姿调整，使所述投影设备的投影图形可以经所述光学元件折转，清晰地投影到所述成像设备中。
7.根据权利要求5所述的标定系统，其特征在于，所述标定系统的标定精度由所述成像设备的分辨率和所述光学元件的口径尺寸决定，其中，所述光学元件的口径尺寸一定时，所述成像设备的分辨率越高，所述标定系统的标定精度越高。
8.根据权利要求5所述的标定系统，其特征在于，在所述光学元件上至少设置3个固定标记物。
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