CN115597839B - 一种利用相对位移测量焦距的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用相对位移测量焦距的方法及系统，涉及光学测试技术领域，其步骤包括将光学适配器、标定模块及图像数据采集系统中心对齐；计算光学系统的放大倍数k1；记录下标定模块任意两点之间成像后所对应的像素个数c1；记录下标定模块任意两点之间成像后所对应的像素个数c2；计算焦距f。系统包括导轨、移动装置、微移动装置和图像采集系统；导轨上活动安装有移动装置和微移动装置。本发明利用图像处理技术，采集光学适配器成像数据，通过对数据进行分析计算出光学适配器所具有的焦距，可以在不考虑物距、像距及光心位置，即不必测量物与光心或像与光心距离，减少误差来源提高测量精度，进一步降低操作复杂度，缩短测量时间。
Description
技术领域
本发明涉及光学测试技术领域，尤其是涉及一种利用相对位移测量焦距的方法及系统。
背景技术
光学适配器是由凸透镜组成的光学器件，明确凸透镜的成像规律和光路的分析及调节技术，对于掌握光学适配器的构造和正确使用是具有重要意义。反映凸透镜特性的一个重要参数是焦距。在不同的使用场合，往往需要根据不同的使用目的来选择不同焦距的凸透镜或凸透镜组，为此就需要对其焦距进行测量。目前测量焦距常用的方法有“物距像距法”、“共轭法”、“自准法”等。理论上，当物距一定时，凸透镜成像最佳位置只有一个。但实际测量中，由于人眼的分辨率较低，导致光屏在一段区间移动的过程中，成像肉眼看上去都很清晰，无法准确判断成像的最佳位置，因此常会造成较大的测量误差。准确判断理想成像的最佳位置，对于焦距的精确测量至关重要。
为了提高测量精度，已有一些减少测量误差的方法被提出。比如，利用光功率计寻找凸透镜成像最清晰的位置，光路中采用一个固定大小的小孔在凸透镜焦点附近移动，通过测量透过小孔的激光功率来确定焦点；利用放大率法并通过消视差技术来提高测量凸透镜焦距的精度。然而，这些方法在提高测量精度的同时也引入其它的问题，例如激光功率计的精度、准确度及位置引入的误差，而放大率法还是要判断清晰成像的最佳位置。
鉴于此，需要提出一种利用相对位移测量焦距的方法及系统，避免由光心位置不准及判断清晰成像的最佳位置所带来的误差。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种利用相对位移测量焦距的方法及系统，避免由光心位置不准及判断清晰成像的最佳位置所带来的误差。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种利用相对位移测量焦距的方法，包括以下步骤：
步骤S1：将光学适配器、标定模块及图像数据采集系统放置于可移动的导轨上，确保光学适配器、标定模块及图像数据采集系统中心对齐；
步骤S2：计算光学系统的放大倍数k1；
步骤S3：将标定模块沿着光学适配器的方向移动至第一位置，记录相对步骤S1标定模块移动的位移a1，移动光学适配器使得图像采集系统清晰成像，记录下光学适配器相对步骤S1移动的位移b1，同时记录下标定模块任意两点之间成像后所对应的像素个数c1；其中，光学适配器移动方向为向标定模块方向，即光学适配器与标定模块为相向运动。
步骤S4：将标定模块从第一位置继续沿着光学适配器的方向移动至第二位置，记录相对步骤S1标定模块移动的位移a2，移动光学适配器再次使得图像采集系统清晰成像，记录下光学适配器相对步骤S1移动的位移b2，同时记录下标定模块任意两点之间成像后所对应的像素个数c2；
步骤S5：计算焦距f：
；其中，k2=c2/c1，k2
表示第二次成像像高与第三次成像高比值。
基于上述技术方案，更进一步地，步骤S2中放大倍数k1的计算为：设定标定模块上任意两点作为物高OH1，图像采集系统采集图像对应的像高为该任意两点对应的像素个数乘以像素的大小，像高设为PH1，则放大倍数k1=PH1/OH1，其中，物高单位是mm，可从标定模块中直接读出；像高单位也是mm，像素的大小可从传感器规格书中获取。
基于上述技术方案，更进一步地，通过计算图像对比度定位清晰位置，选取对比度最大值，进而确定图像采集系统清晰成像。
基于上述技术方案，更进一步地，所述标定模块为不锈钢标尺。
一种利用相对位移测量焦距的系统，包括导轨、移动装置、微移动装置和图像采集系统；
所述导轨上活动安装有移动装置和微移动装置；
移动装置上固定安装有标定模块；
微移动装置上固定安装有光学适配器；
图像采集系统安装在导轨上，且图像采集系统将采集到的信息通过通信方式传输至计算机内。
基于上述技术方案，更进一步地，所述微移动装置的移动精度为10um，移动的范围为12mm。
基于上述技术方案，更进一步地，所述移动装置的移动精度为1mm，移动范围为导轨上任意位置。
与现有技术相比，本发明的有益效果具体体现在：
本发明提出测量方法和测量系统引入了不锈钢标尺和图像采集系统。利用图像处理技术，采集光学适配器成像数据，通过对数据进行分析计算出光学适配器所具有的焦距，可以在不考虑物距、像距及光心位置，即不必测量物与光心或像与光心距离，减少误差来源提高测量精度，进一步降低了操作复杂度，缩短了测量时间。
附图说明
图1为本发明系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的和技术方案更加清楚，下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
一种利用相对位移测量焦距的方法，包括以下步骤：
步骤S1：将光学适配器、标定模块及图像数据采集系统放置于可移动的导轨上，确保光学适配器、标定模块及图像数据采集系统中心对齐；
步骤S2：计算光学系统的放大倍数k1；
具体的，放大倍数k1的计算为：设定标定模块上任意两点作为物高OH1，图像采集系统采集图像对应的像高为该任意两点对应的像素个数乘以像素的大小，像高设为PH1，则放大倍数k1=PH1/OH1，其中，物高单位是mm，可从标定模块中直接读出；像高单位也是mm，像素的大小可从传感器规格书中获取。
步骤S3：将标定模块沿着光学适配器的方向移动至第一位置，记录相对步骤S1标定模块移动的位移a1，移动光学适配器使得图像采集系统清晰成像，记录下光学适配器相对步骤S1移动的位移b1，同时记录下标定模块任意两点之间成像后所对应的像高对应的像素个数c1；
具体的，将标定模块移动位移a1和将光学适配器移动位移b1后，物距与像距发生变化，故像高也发生变化，通过图像采集系统记录重新成像像高所对应的像素个数，即记录相对位移变化与像高变化的对应关系。
步骤S4：将标定模块从第一位置继续沿着光学适配器的方向移动至第二位置，记录相对步骤S1标定模块移动的位移a2，移动光学适配器再次使得图像采集系统清晰成像，记录下光学适配器相对步骤S1移动的位移b2，同时记录下标定模块任意两点之间成像后所对应的像高对应的像素个数c2；同样的，将标定模块移动位移a2和将光学适配器移动位移b2后，物距与像距发生变化，故像高也发生变化，通过图像采集系统记录重新成像像高所对应的像素个数，即记录相对位移变化与像高变化的对应关系。
具体的，通过计算图像对比度定位清晰位置，选取对比度最大值，进而确定图像采集系统清晰成像。所述标定模块可选择不锈钢标尺。
步骤S5：计算焦距f：
；其中，k2=c2/c1，k2
表示第二次成像像高与第三次成像高比值。其中，测量的误差不大于一个像素的大小，且传
感器分辨率越高，误差越小，目前像素大小为2um，其中，传感器对应于图像采集系统的图像
感光元件；而为了避免较大误差，所选取的任意两点长度尽可能大，可以大于成像视场高度
1/2以上，例如，对于4K的图像，成像视场高度可达2160个像素，1/2成像视场高度为1080个
像素，单个像素的误差为1/1080，但是需要确保每次清晰成像后，像高不会超出成像视场。
实施例2
如图1所示的一种利用相对位移测量焦距的系统，包括导轨、移动装置、微移动装置和图像采集系统；导轨上活动安装有移动装置和微移动装置；移动装置上固定安装有标定模块；所述移动装置的移动精度为1mm，移动范围为导轨上任意位置。微移动装置上固定安装有光学适配器；所述微移动装置的移动精度为10um，移动的范围为12mm。图像采集系统安装在导轨上，且图像采集系统将采集到的信息通过通信方式传输至计算机内。
本系统的操作原理为：
利用图像处理技术，采集光学适配器成像数据，通过对相对位移过程中产生数据进行计算得出光学适配器所具有的焦距。具体是，引入了不锈钢标尺、图像采集系统。不锈钢标尺通过光学适配器在图像采集系统成像并存储到计算机中，通过三次清晰成像后，得到不锈钢标尺和光学适配器的相对位移、第一次成像放大率及第三次与第二次成像像高比率，代入本方法提供的公式既可以计算出光学适配的焦距，其中步骤S1为第一成像，第一成像目的是为获得K1放大倍数，步骤S3为第二次成像，步骤S4为第三次成像，第二和第三次成像目的是为了得到比值k2。
以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种利用相对位移测量焦距的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：将光学适配器、标定模块及图像数据采集系统中心对齐；进而形成第一次成像；
步骤S2：计算光学系统的放大倍数k1；放大倍数k1的计算为：设定标定模块上任意两点作为物高OH1，图像采集系统采集图像对应的像高为该任意两点对应的像素个数乘以像素的大小，像高设为PH1，则放大倍数k1=PH1/OH1；
步骤S3：记录下标定模块任意两点之间成像后所对应的像素个数c1；其中，将标定模块沿着光学适配器的方向移动至第一位置，记录相对步骤S1标定模块移动的位移a1，移动光学适配器使得图像采集系统清晰成像，记录下光学适配器相对步骤S1移动的位移b1，进而记录像高对应的像素个数c1；进而形成第二次成像；
步骤S4：记录下标定模块任意两点之间成像后所对应的像素个数c2；其中，将标定模块从第一位置继续沿着光学适配器的方向移动至第二位置，记录相对步骤S1标定模块移动的位移a2，移动光学适配器再次使得图像采集系统清晰成像，记录下光学适配器相对步骤S1移动的位移b2，进而记录像高对应的像素个数c2；进而形成第三次成像；
步骤S5：计算焦距f，焦距f的计算为：
其中，k2=c2/c1，k2表示第二次成像像高与第三次成像高比值。
2.根据权利要求1所述的一种利用相对位移测量焦距的方法，其特征在于，通过计算图像对比度定位清晰位置，选取对比度最大值，进而确定图像采集系统清晰成像。
3.根据权利要求1所述的一种利用相对位移测量焦距的方法，其特征在于，所述标定模块为不锈钢标尺。
4.一种利用相对位移测量焦距的系统，使用权利要求1-3中任一所述的利用相对位移测量焦距的方法，其特征在于，包括导轨、移动装置、微移动装置和图像采集系统；
所述导轨上活动安装有移动装置和微移动装置；
移动装置上固定安装有标定模块；
微移动装置上固定安装有光学适配器；
图像采集系统安装在导轨上，且图像采集系统将采集到的信息通过通信方式传输至计算机内。
5.根据权利要求4所述的一种利用相对位移测量焦距的系统，其特征在于，所述微移动装置的移动精度为10um，移动的范围为12mm。
6.根据权利要求4所述的一种利用相对位移测量焦距的系统，其特征在于，所述移动装置的移动精度为1mm，移动范围为导轨上任意位置。
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