CN114858053B - 一种确定工业相机的入瞳中心空间坐标的方法 - Google Patents

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本发明提出了一种确定工业相机入瞳中心空间坐标的方法，其基本器件包括面光源、工业镜头、显微镜、LCD显示器、平面参考元件、外置光阑和相机。基于位相测量偏折术中已知的外置光阑坐标、显示器坐标、参考元件坐标和工业镜头孔径光阑的像与镜头前透镜表面的距离，利用空间三角形相似等数学推导确定工业相机内置入瞳中心的空间坐标。

Description

一种确定工业相机的入瞳中心空间坐标的方法
技术领域
本发明涉及一种位相测量偏折术(PMD,Phase Measuring Deflectometry)检测系统的基本原理技术领域，基于位相测量偏折术中已知的外置光阑坐标、显示器坐标、平面参考元件坐标和工业镜头孔径光阑的像与镜头前透镜表面的距离，利用空间三角形相似等数学推导确定工业相机内置入瞳中心的空间位置坐标，从而实现基于位相测量偏折术的高精度检测。
背景技术
位相测量偏折术是一种检测反射光线偏折量的高精度面形检测技术。该技术目前发展迅速，应用广泛，其原因在于这种检测技术的装置简单灵活，成本相对低廉，易于实现，对温度、振动等环境因素不敏感，高动态范围等优点。在PMD检测系统中，主要由相机、投影正弦条纹的显示器和被测元件三部分组成。检测时，由显示器产生的正弦条纹经过被测面反射后由针孔相机采集，其斜率计算本质上是一个寻找显示器光点、外置光阑及参考元件坐标之间对应关系的问题。显示器光点是由相移算法来解算被采集的条纹图的相位信息计算得到，外置光阑坐标由三维坐标机测得。基于针孔坐标和显示器坐标，以反射定理求出参考元件坐标。基于位相测量偏折术原理的应用中(例如元件面形的检测)通常采用的是外置孔径光阑即针孔，当需要拍摄多幅图像时或测量风洞系列中的气流密度变化时，外置针孔作为入瞳位置时曝光时间较长，若减少曝光时间会导致图像对比度下降。当前摄影测量学原理可以通过相机标定求出相机内外参数，然后通过数学推导关系求出镜头投影中心，但它与内置入瞳中心的概念有所区别，在精度要求不高的情况下二者可混用。然而常用的相机标定方法非常依赖于标定靶的平面度和特征点如棋盘格角点提取精度，此外，相机内外参数求解中需优化的参量过多也是导致投影中心位置难以准确获得的因素之一。专利CN107607294B提出了一种测量镜头入瞳距离的方法，但该方法不能确定入瞳中心空间坐标。
针对这个问题，本发明提出了一种测量工业镜头内部入瞳中心即投影中心空间坐标的方法。首先，用显微镜分别观察工业相机的内置孔径光阑的像和前透镜表面至清晰状态，得出入瞳距离，即入瞳中心到透镜前表面沿光轴方向的距离，再基于外置光阑坐标，拍摄经过参考面反射的正弦条纹图之后，通过相移算法获取显示器坐标，并根据反射光线计算参考镜坐标。最后，通过空间三角形相似数学公式推导求出内置入瞳中心的空间坐标。
发明内容
本发明为了克服背景技术中的不足之处，针对工业相机内置入瞳中心空间坐标难以确定的问题，提出了一种基于外置光阑坐标、相移算法获取显示器坐标并根据反射光线方向计算的参考元件坐标及入瞳距离它们之间的几何关系确定入瞳中心空间坐标的方法。其基本器件包括面光源、显微镜、外置光阑(即针孔可拆卸)、相机、LCD显示器和平面参考元件。该方法有简单方便和易于实现等优点。具体步骤如下：
步骤一：调节面光源、工业镜头和显微镜共轴。用显微镜观察内部孔径光阑的像至清晰状态，记录显微镜刻度d11，然后，移动显微镜，观察工业镜头前透镜表面至清晰状态，记录显微镜刻度d21；两个数值相减可得出入瞳距离d；为减少偶然误差，记录n组数据，求取平均值dav；加上已测量出的外置光阑到工业相机前透镜的距离可得外置光阑中心距离内置入瞳中心为dp。
步骤二：利用三维坐标机调整显示器与世界坐标(X,Y,Z)的Z轴垂直，显示器两边分别与X轴和Y轴平行。外置光阑用针孔代替，坐标可由坐标机确定，平面光学参考元件与显示器平行，参考元件与针孔坐标C1的距离为Zm2c1,参考镜到显示器的距离为Zm2s。在外置光阑状态下，LCD显示器发出光点经过平面参考元件被针孔相机捕获。
步骤三：选取图像中心2m×2m像素的区域，m为正整数，通过相移算法解出对应的显示器光点的世界坐标，计算所有显示器光点的平均值Sav；然后基于针孔坐标C1和显示器平均值Sav计算出参考元件反射点M坐标。此时针孔坐标C1、显示器Sav坐标的虚像点坐标，和反射点M坐标三点共轴。
步骤四：根据针孔坐标、反射点坐标，反射点坐标与针孔坐标的距离Zm2c1，反射点坐标到针孔坐标距离dm2c1之间的空间几何关系获取空间角度参数α1和β1。
步骤五：根据空间三角形相似推导和入瞳距离dp得出工业相机入瞳中心空间坐标。
附图说明
图1为入瞳距离获取装置示意图。
图2本发明的原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明做更为详细的说明。有必要在此指出的是，以下实施只用于本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
附图1中面光源1、工业镜头2和显微镜3位于同一光轴上，观察者4在同一光轴上透过显微镜3进行观察。附图2所示为本发明示意图，LCD显示器1上面显示正弦条纹图6，LCD显示器1和平面参考元件2垂直平台并相互平行放置，C1为相机的外置光阑位置即针孔坐标4，C2为相机内部入瞳中心位置即本发明所求位置5；Sav是LCD显示器1光点坐标；M为参考元件2坐标位置；光线从LCD显示器1光点发出，经过参考元件2反射被相机3捕获，外置光阑状态下的相机即针孔位置4到参考元件的距离为Zm2c1，参考元件2到显示器1的距离为Zm2s。
步骤一：求出入瞳距离dP。
如附图1中，调节面光源1、工业镜头2和显微镜3在同一光轴上。首先，在位置a处，观察者4用显微镜2观察内部孔径光阑5的像至清晰状态，记录显微镜在导轨7上的刻度为d11；然后，移动显微镜2至位置b，观察工业相机前透镜表面6至清晰状态，记录显微镜在导轨7上的刻度为d21；两个数值相减可得出入瞳距离d，为减小随机误差，记录n组数据，求取平均值
Figure GDA0003979500800000031
Figure GDA0003979500800000041
加上已测量出的外置光阑到工业镜头前透镜的距离可得外置光阑中心距离内置入瞳中心为dp。
步骤二：拍摄条纹图。
如附图2本发明原理示意图中，利用三维坐标机调整显示器与世界坐标(X,Y,Z)的Z轴垂直，显示器两边分别与X轴和Y轴平行。外置光阑4用针孔代替，坐标可由三维坐标机确定，参考元件2与显示器1平行，参考元件2与针孔坐标C1(xC1,yC1,zC1)的距离为Zm2c1,参考元件2到显示器1的距离为Zm2s。在外置光阑4状态下，LCD显示器1发出光点经过平面参考元件反射被针孔相机3捕获。
步骤三：提取图像中心点对应的参考元件反射点坐标。
选取原始图像中心2m×2m像素(m为正整数)的区域，计算该区域对应的显示器1光点的世界坐标，可由相移算法得出，再计算显示器1光点世界坐标的平均值Sav(xs,ys)即原始图像中心点对应的显示器坐标，平均值Sav(xs,ys)获取公式为：
Figure GDA0003979500800000042
然后基于针孔坐标C1(xc1,yc1,zc1)和显示器1上的Sav(xs,ys,zs)坐标，计算参考元件2反射点M(xm,ym,zm)坐标。此时针孔坐标C1、显示器Sav坐标的虚像点坐标，和反射点M坐标三点共轴，M点坐标由下式可得：
Figure GDA0003979500800000043
步骤四：获取空间角度α1和β1。
在附图2中，在三角形B1M1C1中，B1、M1和C1在Y方向上位于同一高度，且
Figure GDA0003979500800000044
从而可得α1:
Figure GDA0003979500800000051
在三角形MM1C1中，可得出β1：
Figure GDA0003979500800000052
步骤五：计算出空间入瞳中心空间坐标。
根据空间三角形M1C1B1和M2C2B2相似，可得：
Figure GDA0003979500800000053
根据空间几何关系可得入瞳中心C2(xc2,yc2,zc2)的空间坐标：
Figure GDA0003979500800000054
利用上式公式可得出工业相机入瞳中心空间坐标。

Claims (1)

1.一种测量工业相机入瞳中心空间坐标的方法，其特征在于：用显微镜分别观察工业镜头的内置孔径光阑的像和前透镜表面至清晰状态，再加上已测出的外置光阑到前透镜表面的距离，得出入瞳距离，即入瞳中心到前透镜表面的距离，再基于外置光阑位置，拍摄经过参考元件反射的正弦条纹图之后，通过相移算法获取显示器坐标，并根据反射光线计算参考元件坐标；最后，通过数学推导得到工业相机内置入瞳中心坐标，所述数学推导包括空间三角形相似；LCD显示器上面显示正弦条纹图，LCD显示器和高质量参考元件垂直平台并相互平行放置，C1为相机的外置光阑位置即针孔坐标，C2为相机内部入瞳中心位置即本发明所求位置；Sav是LCD显示器光点坐标；M为高质量参考元件镜面坐标位置；光线从LCD显示器光点发出，经过参考元件镜面反射被相机捕获，外置光阑状态下的相机即针孔位置到参考元件的距离为Zm2c1，参考元件到显示器的距离为Zm2s；具体步骤如下：
步骤一，调节面光源、工业镜头和显微镜在同一光轴上；用显微镜观察内部孔径光阑的像至清晰状态，记录显微镜在导轨上的刻度为d11；然后，移动显微镜，观察工业镜头前透镜表面至清晰状态，记录显微镜在导轨上的刻度为d21；两个数值相减可得出入瞳距离d，为减小随机误差，记录n组数据，求取平均值
Figure FDA0003979500790000011
Figure FDA0003979500790000012
再加上已测量出外置光阑到工业相机前透镜距离得出外置光阑中心距离内置入瞳中心为dp；
步骤二，利用三维坐标机调整显示器与世界坐标(X，Y，Z)的Z轴垂直，显示器两边分别与X轴和Y轴平行；外置光阑用针孔代替，坐标由坐标机确定，参考元件与显示器平行，参考元件与针孔坐标C1(xC1，yC1，zC1)的距离为Zm2c1，参考元件到显示器的距离为Zm2s；在外置光阑状态下，LCD显示器发出光点经过平面参考元件反射被针孔相机捕获；
步骤三，选取原始图像中心2m×2m像素的区域，m为正整数，计算该区域对应的显示器光点的世界坐标，可由相移算法得出，再计算显示器光点世界坐标的平均值Sav(xs，ys)即原始图像中心点对应的显示器坐标，平均值Sav(xs，ys)获取公式为：
Figure FDA0003979500790000013
然后基于针孔坐标C1(xc1，yc1，zc1)和显示器上的Sav(xs，ys，zs)坐标，计算参考元件上反射点M(xm，ym，zm)坐标；此时针孔坐标C1，显示器Sav坐标的虚像点坐标，参考元件反射点坐标M三点共轴，M点坐标由下式可得：
Figure FDA0003979500790000021
步骤四，在三角形B1M1 C1中，B1、M1和C1在Y方向上位于同一高度，且
Figure FDA0003979500790000022
从而可得α1：
Figure FDA0003979500790000023
在三角形MM1C1中，可得出β1：
Figure FDA0003979500790000024
步骤五，根据空间三角形M1C1B1和M2C2B2相似，可得：
Figure FDA0003979500790000025
根据空间几何关系可得入瞳中心C2(xc2，yc2，zc2)的空间坐标：
Figure FDA0003979500790000026
利用上述公式可得出工业相机入瞳中心空间坐标。
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