CN116399834A - 一种基于相位偏折术的光学性能检测方法、介质及设备 - Google Patents

一种基于相位偏折术的光学性能检测方法、介质及设备 Download PDF

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CN116399834A CN202310382004.XA CN202310382004A CN116399834A CN 116399834 A CN116399834 A CN 116399834A CN 202310382004 A CN202310382004 A CN 202310382004A CN 116399834 A CN116399834 A CN 116399834A
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王颖墨
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Abstract

本发明涉及精密视觉测量技术领域，特别是涉及一种基于相位偏折术的光学性能检测方法、介质及设备。该方法包括如下步骤：基于反射式相位偏折术获取待测物目标形面的实际点云数据P。获取待测物目标形面的设计点云数据Q。根据Q及P，确定旋转转化系数R*及平移转化系数T*。根据P、R*及T*，生成初始待测点云数据Q’。根据Q’中包含的多个点的位置坐标，生成目标待测面形数据。对目标待测面形数据进行光学性能检测，生成待测物目标形面的光学性能数据。本发明可以直接对被测零件的光学性能进行更加全面准确的测量与评价，摆脱了现有技术中，仅对被测零件面形误差、斜率误差、曲率误差进行评价的不直观性。

Description

一种基于相位偏折术的光学性能检测方法、介质及设备
技术领域
本发明涉及精密视觉测量技术领域，特别是涉及一种基于相位偏折术的光学性能检测方法、介质及设备。
背景技术
相位偏折术也即反射式相位测量偏折术，是一种大动态范围，不需要补偿镜就能对反光光学表面的面形误差、斜率误差、曲率误差进行非接触式面测量的视觉测量方法。然而对待测光学表面进行测量后，无论是对其面形误差分析，还是斜率误差、曲率误差等分析，其最终目的都是希望鉴别当前生产状态下的被测光学表面用在光学系统中，是否能够达到系统要求的像差、畸变、分辨率等光学性能设计指标。
现有技术中，利用透射式相位偏折术仅可以对被测零件面形误差、斜率误差、曲率误差进行测量及评价，较为单一。且无法获得被测零件表面的形貌数据。无法实现在反射式相位偏折术中，对被测零件的光学性能进行更加全面的测量及评价方法。
发明内容
针对上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
根据本发明的一个方面，提供了一种基于相位偏折术的光学性能检测方法，该方法包括如下步骤：
基于反射式相位偏折术获取待测物目标形面的实际点云数据P。
获取待测物目标形面的设计点云数据Q。
根据Q及P，确定旋转转化系数R*及平移转化系数T*。其中，R*及T*满足如下条件：
R*，T*＝min||(RiP+Ti)·-Q||
其中，min||·||为二范数的最小值函数。Ri及Ti分别为第i次迭代时的旋转转化系数及平移转化系数。
根据P、R*及T*，生成初始待测点云数据Q’。Q’满足如下条件：
Q’＝R*P+T*
根据Q’中包含的多个点的位置坐标，生成目标待测面形数据。
对目标待测面形数据进行光学性能检测，生成待测物目标形面的光学性能数据。
根据本发明的第二个方面，提供了一种非瞬时性计算机可读存储介质，非瞬时性计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述的一种基于相位偏折术的光学性能检测方法。
根据本发明的第三个方面，提供了一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述的一种基于相位偏折术的光学性能检测方法。
本发明至少具有以下有益效果：
本发明中，被测零件通过反射式相位偏折术获得其在测量坐标系下的测量点云，将被测零件的测量点云与其设计的目标面形数据进行比对，以得对应的坐标转换矩阵，也即旋转转化系数R*及平移转化系数T*。进而，可以将测量结果对应的坐标系转换至光学设计文件所在的设计坐标系中，并生成实际的待测物的面形数据，最终使用光学设计软件测量并分析被测零件在实测面形下，对应光学系统的光学性能。由此，本发明可以直接对被测零件的光学性能进行更加全面准确的测量与评价，摆脱了现有技术中，仅对被测零件面形误差、斜率误差、曲率误差进行评价的不直观性。
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为本发明实施例提供的一种基于相位偏折术的光学性能检测方法的流程图。
图2为本发明实施例中，通过本发明所述方法，在HUD(head-uP disPlay，抬头显示器)面形测量结果下，对光学系统进行成像质量的仿真图。
图3为本发明实施例中，通过本发明所述方法，在HUD面形测量结果下，对光学系统进行点列图分析的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
作为本发明的一个可能的实施例，如图1所示，提供来一种基于相位偏折术的光学性能检测方法，该方法包括如下步骤：
S100：基于反射式相位偏折术获取待测物目标形面的实际点云数据P。
优选的，反射式相位偏折术包括单相机单屏幕相位偏折术、多相机单屏幕相位偏折术、单相机多屏幕相位偏折术及多相机多屏幕相位偏折术中的任意一种。
进一步的，待测物包括金属反射镜、镀膜反射镜、镀膜反射镜未镀膜之前的注塑毛坯、镀膜反射镜未镀膜之前的玻璃毛坯、树脂透镜以及玻璃透镜中的任意一种。
具体的，可以使用CN202111649940公开的一种小重合视场多目相位偏折测量装置对车载抬头显示光学系统中的自由曲面反射镜的面形进行测量。测量所得三维点云面形数据定义为P，其对应设计面形点云数据定义为Q。
当然，本步骤中也可以使用现有的其他基于反射式相位偏折术来测量物体表面的方式，来获取待测物的点云数据。
S200：获取待测物目标形面的设计点云数据Q。
S300：根据Q及P，确定旋转转化系数R*及平移转化系数T*。其中，R*及T*满足如下条件：
R*，T*＝min||(RiP+Ti)-Q||
其中，min||·||为二范数的最小值函数。Ri及Ti分别为第i次迭代时的旋转转化系数及平移转化系数。
进一步的，S301：基于最小二乘法、梯度下降法、主成份分析法及迭代最近点法中的任意一种优化算法，对Q及P进行比对处理，生成旋转转化系数R*及平移转化系数T*。
具体的，本步骤中，通过迭代最近点方法，以P与Q中对应部位的点之差最小为目标进行优化。进而，可以获得将测量点云所在的测量坐标系转换至设计面形点云所在设计坐标系时，对应需要的旋转矩阵与平移矢量，也即R*及T*。
在得到对应的R*及T*之后，即可将P转化为在设计坐标系中表示的数据。也即，将待测物实际的面形数据，转化为一种更加便于相关检测软件使用的数据形式，进而可以更加便于使用对应的软件进行性能检测。
更进一步的，S302：对Q及P进行比对处理，包括：
S303：对Q及P中光学表面部分的数据进行比对处理。和/或
S304：对Q及P中定位结构部分的数据进行比对处理。
具体的，光学表面可以为待测物中，仅用于成像的表面。定位结构可以为待测物中，用于装配定位的结构，如定位柱或定位面。
通常如果仅是评价光学面，则可以选择对Q及P中光学表面部分的数据进行比对处理，所见即所得。就是通过点集的误差二范数最小为目标函数，来找测量结果与光学设计之间的刚体变换矩阵。由此获得的刚体变换矩阵，可以消减加工过程中形成的面型误差，更加适用于仅对光学面的评价场景。
但是，通常光学面最终还会装配在对应的结构中，由此也会产生一定的装配误差。如在实际光学系统的装配中，HUD镜片并不能任意调整。HUD镜是靠周边的定位结构来定位的。该情形下，实际上包含面型本身的加工误差以及面型的定位误差。由此，采用光学表面及定位结构同事进行比对处理，可以消减面型误差及定位误差，结果更准确。
S400：根据P、R*及T*，生成初始待测点云数据Q’。Q’满足如下条件：
Q’＝R*P+T*
S500：根据Q’中包含的多个点的位置坐标，生成目标待测面形数据。
测量获得的只是点云，经过上述步骤，可以将测量结果，变换至设计坐标系中，并生成待测物的实际面形数据。也即，可以通过z＝f(x,y)或者f(x,y,z)＝0的数学方式进行表示，以便于后期使用对应的软件对该数据，进行更加快速高效的测量。本步骤中，可以使用现有的拟合算法，生成目标待测面形数据。如：XY扩展多项式，Zernike，B样条曲面等均可以作为生成目标待测面形数据的拟合算法。
S600：对目标待测面形数据进行光学性能检测，生成待测物目标形面的光学性能数据。
光学系统的光学性能包含畸变、鬼像、重影、均匀度、分辨率、调制传递函数及像差等性能评价数据。
本发明中，被测零件通过反射式相位偏折术获得其在测量坐标系下的测量点云，将被测零件的测量点云与其设计的目标面形数据进行比对，以得对应的坐标转换矩阵，也即旋转转化系数R*及平移转化系数T*。进而，可以将测量结果对应的坐标系转换至光学设计文件所在的设计坐标系中，并生成实际的待测物的面形数据，最终使用光学设计软件测量并分析被测零件在实测面形下，对应光学系统的光学性能。由此，本发明可以直接对被测零件的光学性能进行更加全面准确的测量与评价，摆脱了现有技术中，仅对被测零件面形误差、斜率误差、曲率误差进行评价的不直观性。
作为本发明的另一个可能的实施例，S500：根据Q’中包含的多个点的位置坐标，生成目标待测面形数据，包括：
S501：根据Q’中包含的多个点的位置坐标及拟合算法，生成XY扩展多项式曲面数据。
拟合算法满足如下条件：
Figure BDA0004172686540000051
其中，c为曲率。k为二次曲线系数。r2＝x2+y2。多项式项Ei(x,y)只是在x，y方向的幂级数。第一项是x，然后是y，接着是x*x，x*y，y*y等等。1次项有2项，2次项有3项，3次项有4项，等等。Ai为第i项扩展多项式的系数。N为多项式项数，本实施例可以选用多项式项数为8的扩展多项式曲面对测量结果进行拟合。
进一步的，S600：对目标待测面形数据进行光学性能检测，生成待测物目标形面的光学性能数据，包括：
S601：将XY扩展多项式曲面数据输入Zemax检测软件中，生成待测物目标形面的光学性能数据。
将设计文件坐标系下的测量点云Q’中包括的多个点的位置坐标[x,y,z]按照上述拟合算法，可以得到扩展多项式对应的参数，并生成对应的8项XY扩展多项式曲面，以得到待测物的实际面形在该设计坐标系中的面形数据。在光学设计软件Zemax中，将拟合后的8项XY扩展多项式曲面导入，并替代该自由曲面反射镜的设计面形数据。最终，使用光学设计软件Zemax对当前光学系统的成像质量、点列图，如图2及图3等光学性能指标进行测量及分析评价。
作为本发明的另一个可能的实施例，S500：根据Q’中包含的多个点的位置坐标，生成目标待测面形数据，包括：
S501：根据Q’中包含的多个点的位置坐标及插值算法，对目标空缺区域进行插值，生成目标待测面形数据。
具体的，在Q’中会包含的多个目标空缺区域，也即该区域中缺少对应的点。若不对其进行补全，则会导致最终最生成对应的面形或进行光学性能检测时，在该位置处产生较大的误差，进而影响最终的测量结果的准确性。由此，可以通过本实施例来对数据进行处理，以提高测量结果的准确性。
本发明的实施例还提供了一种非瞬时性计算机可读存储介质，该存储介质可设置于电子设备之中以保存用于实现方法实施例中一种方法相关的至少一条指令或至少一段程序，该至少一条指令或该至少一段程序由该处理器加载并执行以实现上述实施例提供的方法。
本发明的实施例还提供了一种电子设备，包括处理器和前述的非瞬时性计算机可读存储介质。
本发明的实施例还提供一种计算机程序产品，其包括程序代码，当程序产品在电子设备上运行时，程序代码用于使该电子设备执行本说明书上述描述的根据本发明各种示例性实施方式的方法中的步骤。
此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本公开中方法的各个步骤，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些步骤，或是必须执行全部所示的步骤才能实现期望的结果。附加的或备选的，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，以及/或者将一个步骤分解为多个步骤执行等。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员易于理解，这里描述的示例实施方式可以通过软件实现，也可以通过软件结合必要的硬件的方式来实现。因此，根据本公开实施方式的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中或网络上，包括若干指令以使得一台计算设备(可以是个人计算机、服务器、移动终端、或者网络设备等)执行根据本公开实施方式的方法。
在本公开的示例性实施例中，还提供了一种能够实现上述方法的电子设备。
所属技术领域的技术人员能够理解，本发明的各个方面可以实现为系统、方法或程序产品。因此，本发明的各个方面可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件实施方式、完全的软件实施方式(包括固件、微代码等)，或硬件和软件方面结合的实施方式，这里可以统称为“电路”、“模块”或“系统”。
根据本发明的这种实施方式的电子设备。电子设备仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。
电子设备以通用计算设备的形式表现。电子设备的组件可以包括但不限于：上述至少一个处理器、上述至少一个储存器、连接不同系统组件(包括储存器和处理器)的总线。
其中，储存器存储有程序代码，程序代码可以被处理器执行，使得处理器执行本说明书上述“示例性方法”部分中描述的根据本发明各种示例性实施方式的步骤。
储存器可以包括易失性储存器形式的可读介质，例如随机存取储存器(RAM)和/或高速缓存储存器，还可以进一步包括只读储存器(ROM)。
储存器还可以包括具有一组(至少一个)程序模块的程序/实用工具，这样的程序模块包括但不限于：操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。
总线可以为表示几类总线结构中的一种或多种，包括储存器总线或者储存器控制器、外围总线、图形加速端口、处理器或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。
电子设备也可以与一个或多个外部设备(例如键盘、指向设备、蓝牙设备等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该电子设备交互的设备通信，和/或与使得该电子设备能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如路由器、调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)接口进行。并且，电子设备还可以通过网络适配器与一个或者多个网络(例如局域网(LAN)，广域网(WAN)和/或公共网络，例如因特网)通信。网络适配器通过总线与电子设备的其它模块通信。应当明白，尽管图中未示出，可以结合电子设备使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理器、外部磁盘驱动阵列、RAID系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员易于理解，这里描述的示例实施方式可以通过软件实现，也可以通过软件结合必要的硬件的方式来实现。因此，根据本公开实施方式的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中或网络上，包括若干指令以使得一台计算设备(可以是个人计算机、服务器、终端装置、或者网络设备等)执行根据本公开实施方式的方法。
在本公开的示例性实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有能够实现本说明书上述方法的程序产品。在一些可能的实施方式中，本发明的各个方面还可以实现为一种程序产品的形式，其包括程序代码，当程序产品在终端设备上运行时，程序代码用于使终端设备执行本说明书上述“示例性方法”部分中描述的根据本发明各种示例性实施方式的步骤。
程序产品可以采用一个或多个可读介质的任意组合。可读介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。可读存储介质例如可以为但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。
计算机可读信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了可读程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。可读信号介质还可以是可读存储介质以外的任何可读介质，该可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、有线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。
可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本发明操作的程序代码，程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、C++等，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算设备上部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。在涉及远程计算设备的情形中，远程计算设备可以通过任意种类的网络，包括局域网(LAN)或广域网(WAN)，连接到用户计算设备，或者，可以连接到外部计算设备(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
此外，上述附图仅是根据本发明示例性实施例的方法所包括的处理的示意性说明，而不是限制目的。易于理解，上述附图所示的处理并不表明或限制这些处理的时间顺序。另外，也易于理解，这些处理可以是例如在多个模块中同步或异步执行的。
应当注意，尽管在上文详细描述中提及了用于动作执行的设备的若干模块或者单元，但是这种划分并非强制性的。实际上，根据本公开的实施方式，上文描述的两个或更多模块或者单元的特征和功能可以在一个模块或者单元中具体化。反之，上文描述的一个模块或者单元的特征和功能可以进一步划分为由多个模块或者单元来具体化。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于相位偏折术的光学性能检测方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
基于反射式相位偏折术获取待测物目标形面的实际点云数据P；
获取所述待测物目标形面的设计点云数据Q；
根据Q及P，确定旋转转化系数R*及平移转化系数T*；其中，R*及T*满足如下条件：
R*，T*＝minRiP+Ti-Q
其中，min·为二范数的最小值函数；Ri及Ti分别为第i次迭代时的旋转转化系数及平移转化系数；
根据P、R*及T*，生成初始待测点云数据Q’；Q’满足如下条件：
Q’＝R*P+T*
根据Q’中包含的多个点的位置坐标，生成目标待测面形数据；
对所述目标待测面形数据进行光学性能检测，生成所述待测物目标形面的光学性能数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据Q’中包含的多个点的位置坐标，生成目标待测面形数据，包括：
根据Q’中包含的多个点的位置坐标及拟合算法，生成XY扩展多项式曲面数据；
所述拟合算法满足如下条件：
Figure FDA0004172686530000011
其中，Ai为第i项扩展多项式的系数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据Q’中包含的多个点的位置坐标，生成目标待测面形数据，包括：
根据Q’中包含的多个点的位置坐标及插值算法，对目标空缺区域进行插值，生成目标待测面形数据。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对所述目标待测面形数据进行光学性能检测，生成所述待测物目标形面的光学性能数据，包括：
将所述XY扩展多项式曲面数据输入Zemax检测软件中，生成所述待测物目标形面的光学性能数据。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
基于最小二乘法、梯度下降法、主成份分析法及迭代最近点法中的任意一种优化算法，对Q及P进行比对处理，生成旋转转化系数R*及平移转化系数T*。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反射式相位偏折术包括单相机单屏幕相位偏折术、多相机单屏幕相位偏折术、单相机多屏幕相位偏折术及多相机多屏幕相位偏折术中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待测物包括金属反射镜、镀膜反射镜、镀膜反射镜未镀膜之前的注塑毛坯、镀膜反射镜未镀膜之前的玻璃毛坯、树脂透镜以及玻璃透镜中的任意一种。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，对Q及P进行比对处理，包括：
对Q及P中光学表面部分的数据进行比对处理；和/或
对Q及P中定位结构部分的数据进行比对处理。
9.一种非瞬时性计算机可读存储介质，所述非瞬时性计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至8任一项所述的一种基于相位偏折术的光学性能检测方法。
10.一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至8任一项所述的一种基于相位偏折术的光学性能检测方法。
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WO2024109278A1 (zh) * 2022-11-22 2024-05-30 福耀玻璃工业集团股份有限公司 光学元件检测方法、系统和应用

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