2×2陣列光源掃描式面形測量光學系統標定方法
【專利摘要】本發明公開一種2×2陣列光源掃描式面形測量光學系統標定裝置及方法，其特征在于包括以下步驟：在組裝掃描式面形測量光學系統和標定平臺；啟動激光器(1)，四束平行光投向所述標定平臺；調整所述標定平臺上；根據驅動總步數設定標激光器(1)的單次驅動步數；完成CCD一行數據采集；完成CCD成像全區域行、列數據采集；完成光學系統測試動態范圍內的角度標定。其顯著效果是：該方法在簡化系統結構的同時，能夠提高原系統的測量效率，進一步提高表面面形在線檢測的能力。
【專利說明】2X2陣列光源掃描式面形測量光學系統標定方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于機器視覺技術檢測領域，具體涉及一種2X2陣列光源掃描式面形測量光學系統標定方法。
【背景技術】
[0002]目前提高2X2掃描式面形測量光學系統測量方法方法有:光路修正法及系統標定法。光路修正法通過在光路中添加光束微調平臺，對掃描過程中入射光角度偏移進行修正，使得基準參考光線能沿原路返回，該方法已形成發明專利。
[0003]但這類方法都增加微調機構，在使用時，微調機構本身的誤差和使用，也容易引起測量誤差，降低了光學系統數面形測量及擬合精度。

【發明內容】

[0004]本本發明的目的主要涉及一種陣列光源掃描式面形測量光學系統標定方法，其設計利用2X2陣列成像點互參考與自參考原理標定得到光學系統測試對象局部面形梯度變化引入的非線性誤差，對全視場范圍測量數據修正，從而提高光學系統數面形測量及擬合精度。
[0005]為達到上述目的，本發明表述一種2X2陣列光源掃描式面形測量光學系統標定方法，其特征在于包括以下步驟:
[0006]步驟一、在組裝好掃描式面形測量光學系統后，在掃描式面形測量光學系統的出射光路上布置標定平臺，該標定平臺能將掃描式面形測量光學系統射出的平行光沿原路平行反射回所述掃描式面形測量光學系統；
[0007]步驟二、啟動所述掃描式面形測量光學系統中的激光器(I)，預熱30分鐘，激光器
(I)發出的光依次經準直系統(2)準直，然后通過分光鏡(3)進入擴束系統(4)進行擴束，楔鏡組(5)將擴束后的光束分成四束平行光從掃描式面形測量光學系統射出，并投向所述標定平臺；
[0008]步驟三、調整所述標定平臺上的精密二維偏擺平臺(8)，固定在精密二維偏擺平臺
[8]上的夾具(7)隨之移動，使夾具(7)夾持的反射鏡(6)與掃描式面形測量光學系統垂直，反射鏡(6)反射四束平行光依次通過楔鏡組(5)和擴束系統(4)后，經分光鏡(3)折射到五棱鏡(9)后，再通過成像透鏡(10)在CXD(Il)上成像，在CXD(Il)觀察到的圖像中四個光斑位于圖像的中心；
[0009]步驟四、根據掃描式面形測量光學系統的視場角范圍設定標定平臺的驅動步數；根據驅動步數所需要的精細程度設定掃描式面形測量光學系統中激光器(I)的單次驅動步數；
[0010]驅動步數指CCD采集一行或一列數據所需要驅動的步數，單次驅動步數可以設定為I?3個像素點，單次驅動步數的像素點越少，精細程度越高，最高精細程度對應著一個像素點的單次驅動步數。[0011]步驟五、確定四個光斑中的任意一個為參考光斑，驅動精密二維偏擺平臺(8)上的壓電陶瓷機構，使參考光斑位置發生變化，記錄參考光斑位置及四個光斑位置相對變化量，完成CCD —行數據采集；
[0012]步驟六、重復步驟三至步驟五，完成CXD成像全區域行、列數據采集，根據成像光斑位置及相對關系即可實現掃描式面形測量光學系統測試動態范圍內的角度標定。
[0013]所述角度標定是根據圖像成像的結果，以每幅圖像上左邊那個光斑的中心位置為參考，計算其他三個光斑的中心位置與參考光斑中心位置的關系，可以用式(Ia)和(Ib)表示:
[0014]Δ xni = Xn1-Xnl- Δ Xi0-----------------------------(Ia)
[0015]δ yni = yn1-ynr Δ yi0-----------------------------(lb)
[0016]式中i = 2、3、4，表示圖像中除參考光斑外的其他三個光斑，Λ Xitl表示理想狀態下第i個光斑X坐標與參考光斑X坐標差，Δ yi0表示理想狀態下第i個光斑Y坐標與參考光斑I坐標差，n = 1、2、3...，表示第η幅圖像，Xnl表示第η幅圖像中參考光斑的χ坐標，ynl表示第η幅圖像中參考光斑的I坐標，Xni表示第η幅圖像中除參考光斑外其他光斑的χ坐標，yni表示第η幅圖像中除參考光斑外其他光斑的y坐標，Axni表示第η幅圖像中第i個光斑χ坐標與參考光斑χ坐標的差修正值，Δ yni表示第η幅圖像中第i個光斑y坐標與參考光斑I坐標的差修正值；
[0017]處理完之后用每幅圖像參考光斑的χ坐標為橫軸，y坐標為縱軸，將處理得到的修正值制成修正表格，用于在測量時查表修正，或者插值計算修正。
[0018]本發明的顯著效果是:系統標定法通過分析掃描式面形測試過程中誤差產生的原因，得出系統精度與測試對象局部面形梯度成非線性函數關系的結論，針對2X2陣列掃描式掃描方式，提出了互參考與自參考標定方法，且設計出專用標定裝置，實現了光學系統測試范圍全局精確標定。因此可以在測量時對測試數據進行修正，提高了系統測量的精度。
[0019]該方法在簡化系統結構的同時，能夠提高原系統的測量效率，進一步提高表面面形在線檢測的能力。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發明的標定示意圖；
[0021]圖2為成像光斑分布示意圖；
[0022]圖3為本發明的方法步驟圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細說明。
[0024]如圖3所示:一種2X2陣列光源掃描式面形測量光學系統標定方法，其特征在于包括以下步驟:
[0025]步驟一、在組裝好掃描式面形測量光學系統后，在掃描式面形測量光學系統的出射光路上布置標定平臺，該標定平臺能將掃描式面形測量光學系統射出的平行光沿原路平行反射回所述掃描式面形測量光學系統；
[0026]步驟二、啟動所述掃描式面形測量光學系統中的激光器1，預熱30分鐘，激光器I發出的光依次經準直系統2準直，然后通過分光鏡3進入擴束系統4進行擴束，楔鏡組5將擴束后的光束分成四束平行光從掃描式面形測量光學系統射出，并投向所述標定平臺；
[0027]步驟三、調整所述標定平臺上的精密二維偏擺平臺8，固定在精密二維偏擺平臺8上的夾具7隨之移動，使夾具7夾持的反射鏡6與掃描式面形測量光學系統垂直，反射鏡6反射四束平行光依次通過楔鏡組5和擴束系統4后，經分光鏡3折射到五棱鏡9后，再通過成像透鏡10在CXDll上成像，在CXDll觀察到的圖像中四個光斑位于圖像的中心；
[0028]步驟四、根據掃描式面形測量光學系統的視場角范圍設定標定平臺的驅動步數；根據驅動步數所需要的精細程度設定掃描式面形測量光學系統中激光器I的單次驅動步數；
[0029]步驟五、確定四個光斑中的任意一個為參考光斑，驅動精密二維偏擺平臺8上的壓電陶瓷機構，使參考光斑位置發生變化，記錄參考光斑位置及四個光斑位置相對變化量，完成CCD —行數據采集； [0030]步驟六、重復步驟三至步驟五，完成CXD成像全區域行、列數據采集，實現掃描式面形測量光學系統測試動態范圍內的角度標定。
[0031]所述角度標定是根據圖像成像的結果，以每幅圖像上左邊那個光斑的中心位置為參考，計算其他三個光斑的中心位置與參考光斑中心位置的關系，可以用式Ia和Ib表示:
[0032]Δ xni = Xn1-Xnl- Δ Xi0-----------------------------1a
[0033]Δ yni = yn1-ynr Δ yi0-----------------------------1b
[0034]式中i = 2、3、4，表示圖像中除參考光斑外的其他三個光斑，Λ Xitl表示理想狀態下第i個光斑X坐標與參考光斑X坐標差，Δ yi0表示理想狀態下第i個光斑Y坐標與參考光斑I坐標差，n = 1、2、3...，表示第η幅圖像，Xnl表示第η幅圖像中參考光斑的χ坐標，ynl表示第η幅圖像中參考光斑的I坐標，Xni表示第η幅圖像中除參考光斑外其他光斑的χ坐標，yni表示第η幅圖像中除參考光斑外其他光斑的y坐標，Axni表示第η幅圖像中第i個光斑χ坐標與參考光斑χ坐標的差修正值，Δ yni表示第η幅圖像中第i個光斑y坐標與參考光斑I坐標的差修正值；
[0035]處理完之后用每幅圖像參考光斑的X坐標為橫軸，y坐標為縱軸，將處理得到的修正值制成修正表格，用于在測量時查表修正，或者插值計算修正。
[0036]修正表格如下:
[0037]
【權利要求】
1.一種2X2陣列光源掃描式面形測量光學系統標定方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟一、在組裝好掃描式面形測量光學系統后，在掃描式面形測量光學系統的出射光路上布置標定平臺，該標定平臺能將掃描式面形測量光學系統射出的平行光沿原路平行反射回所述掃描式面形測量光學系統； 步驟二、啟動所述掃描式面形測量光學系統中的激光器(1)，預熱30分鐘，激光器(I)發出的光依次經準直系統(2)準直，然后通過分光鏡(3)進入擴束系統(4)進行擴束，楔鏡組(5)將擴束后的光束分成四束平行光從掃描式面形測量光學系統射出，并投向所述標定平臺； 步驟三、調整所述標定平臺上的精密二維偏擺平臺(8)，固定在精密二維偏擺平臺(8)上的夾具(7)隨之移動，使夾具(7)夾持的反射鏡(6)與掃描式面形測量光學系統垂直，反射鏡(6)反射四束平行光依次通過楔鏡組(5)和擴束系統(4)后，經分光鏡(3)折射到五棱鏡(9)后，再通過成像透鏡(10)在CXD(Il)上成像，在CXD(Il)觀察到的圖像中四個光斑位于圖像的中心； 步驟四、根據掃描式面形測量光學系統的視場角范圍設定標定平臺的驅動步數；根據驅動步數所需要的精細程度設定掃描式面形測量光學系統中激光器(I)的單次驅動步數； 步驟五、確定四個光斑中的任意一個為參考光斑，驅動精密二維偏擺平臺(8)上的壓電陶瓷機構，使參考光斑位置發生變化，記錄參考光斑位置及四個光斑位置相對變化量，完成CCD —行數據采集； 步驟六、重復步驟三至步驟五，完成CXD成像全區域行、列數據采集，實現掃描式面形測量光學系統測試動態范圍內的角度標定。
2.根據權利要求1所述2X2陣列光源掃描式面形測量光學系統標定方法，其特征在于:所述角度標定是根據圖像成像的結果，以每幅圖像上左邊那個光斑的中心位置為參考，計算其他三個光斑的中心位置與參考光斑中心位置的關系，可以用式(Ia)和(Ib)表示: Δ Xni — Xn1-Xnl-Δ xi0(Ia) ΔΥη? = Yn1-Ynl- Δ YiO-----------------------------(lb) 式中i = 2、3、4，表示圖像中除參考光斑外的其他三個光斑，Λ Xitl表示理想狀態下第i個光斑X坐標與參考光斑X坐標差，Λ yi0表示理想狀態下第i個光斑y坐標與參考光斑y坐標差，η = 1、2、3...，表示第η幅圖像，χη1表示第η幅圖像中參考光斑的χ坐標，ynl表示第η幅圖像中參考光斑的y坐標，Xni表示第η幅圖像中除參考光斑外其他光斑的χ坐標，Yni表示第η幅圖像中除參考光斑外其他光斑的y坐標，Δ xni表示第η幅圖像中第i個光斑χ坐標與參考光斑χ坐標的差修正值，Λ yni表示第η幅圖像中第i個光斑y坐標與參考光斑I坐標的差修正值； 處理完之后用每幅圖像參考光斑的χ坐標為橫軸，y坐標為縱軸，將處理得到的修正值制成修正表格，用于在測量時查表修正，或者插值計算修正。
【文檔編號】G01B11/24GK104019764SQ201410279851
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月20日 優先權日:2014年6月20日
【發明者】劉長春, 熊召, 陳海平, 袁曉東, 周海, 曹庭分, 葉海仙, 鄭萬國 申請人:中國工程物理研究院激光聚變研究中心