2×2陣列光源掃描式面形測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)標(biāo)定方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種2×2陣列光源掃描式面形測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)標(biāo)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(cè)量光學(xué)系統(tǒng)和標(biāo)定平臺(tái)；啟動(dòng)激光器(1)，四束平行光投向所述標(biāo)定平臺(tái)；調(diào)整所述標(biāo)定平臺(tái)上；根據(jù)驅(qū)動(dòng)總步數(shù)設(shè)定標(biāo)激光器(1)的單次驅(qū)動(dòng)步數(shù)；完成CCD一行數(shù)據(jù)采集；完成CCD成像全區(qū)域行、列數(shù)據(jù)采集；完成光學(xué)系統(tǒng)測(cè)試動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的角度標(biāo)定。其顯著效果是：該方法在簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，能夠提高原系統(tǒng)的測(cè)量效率，進(jìn)一步提高表面面形在線檢測(cè)的能力。
【專利說(shuō)明】2X2陣列光源掃描式面形測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)標(biāo)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)檢測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種2X2陣列光源掃描式面形測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)標(biāo)定方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前提高2X2掃描式面形測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)測(cè)量方法方法有:光路修正法及系統(tǒng)標(biāo)定法。光路修正法通過(guò)在光路中添加光束微調(diào)平臺(tái)，對(duì)掃描過(guò)程中入射光角度偏移進(jìn)行修正，使得基準(zhǔn)參考光線能沿原路返回，該方法已形成發(fā)明專利。
[0003]但這類方法都增加微調(diào)機(jī)構(gòu)，在使用時(shí)，微調(diào)機(jī)構(gòu)本身的誤差和使用，也容易引起測(cè)量誤差，降低了光學(xué)系統(tǒng)數(shù)面形測(cè)量及擬合精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本本發(fā)明的目的主要涉及一種陣列光源掃描式面形測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)標(biāo)定方法，其設(shè)計(jì)利用2X2陣列成像點(diǎn)互參考與自參考原理標(biāo)定得到光學(xué)系統(tǒng)測(cè)試對(duì)象局部面形梯度變化引入的非線性誤差，對(duì)全視場(chǎng)范圍測(cè)量數(shù)據(jù)修正，從而提高光學(xué)系統(tǒng)數(shù)面形測(cè)量及擬合精度。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明表述一種2X2陣列光源掃描式面形測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)標(biāo)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(cè)量光學(xué)系統(tǒng)后，在掃描式面形測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)的出射光路上布置標(biāo)定平臺(tái)，該標(biāo)定平臺(tái)能將掃描式面形測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)射出的平行光沿原路平行反射回所述掃描式面形測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)；
[0007]步驟二、啟動(dòng)所述掃描式面形測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)中的激光器(I)，預(yù)熱30分鐘，激光器
(I)發(fā)出的光依次經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)(2)準(zhǔn)直，然后通過(guò)分光鏡(3)進(jìn)入擴(kuò)束系統(tǒng)(4)進(jìn)行擴(kuò)束，楔鏡組(5)將擴(kuò)束后的光束分成四束平行光從掃描式面形測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)射出，并投向所述標(biāo)定平臺(tái)；
[0008]步驟三、調(diào)整所述標(biāo)定平臺(tái)上的精密二維偏擺平臺(tái)(8)，固定在精密二維偏擺平臺(tái)
[8]上的夾具(7)隨之移動(dòng)，使夾具(7)夾持的反射鏡(6)與掃描式面形測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)垂直，反射鏡(6)反射四束平行光依次通過(guò)楔鏡組(5)和擴(kuò)束系統(tǒng)(4)后，經(jīng)分光鏡(3)折射到五棱鏡(9)后，再通過(guò)成像透鏡(10)在CXD(Il)上成像，在CXD(Il)觀察到的圖像中四個(gè)光斑位于圖像的中心；
[0009]步驟四、根據(jù)掃描式面形測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)角范圍設(shè)定標(biāo)定平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)步數(shù)；根據(jù)驅(qū)動(dòng)步數(shù)所需要的精細(xì)程度設(shè)定掃描式面形測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)中激光器(I)的單次驅(qū)動(dòng)步數(shù)；
[0010]驅(qū)動(dòng)步數(shù)指CCD采集一行或一列數(shù)據(jù)所需要驅(qū)動(dòng)的步數(shù)，單次驅(qū)動(dòng)步數(shù)可以設(shè)定為I?3個(gè)像素點(diǎn)，單次驅(qū)動(dòng)步數(shù)的像素點(diǎn)越少，精細(xì)程度越高，最高精細(xì)程度對(duì)應(yīng)著一個(gè)像素點(diǎn)的單次驅(qū)動(dòng)步數(shù)。[0011]步驟五、確定四個(gè)光斑中的任意一個(gè)為參考光斑，驅(qū)動(dòng)精密二維偏擺平臺(tái)(8)上的壓電陶瓷機(jī)構(gòu)，使參考光斑位置發(fā)生變化，記錄參考光斑位置及四個(gè)光斑位置相對(duì)變化量，完成CCD —行數(shù)據(jù)采集；
[0012]步驟六、重復(fù)步驟三至步驟五，完成CXD成像全區(qū)域行、列數(shù)據(jù)采集，根據(jù)成像光斑位置及相對(duì)關(guān)系即可實(shí)現(xiàn)掃描式面形測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)測(cè)試動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的角度標(biāo)定。
[0013]所述角度標(biāo)定是根據(jù)圖像成像的結(jié)果，以每幅圖像上左邊那個(gè)光斑的中心位置為參考，計(jì)算其他三個(gè)光斑的中心位置與參考光斑中心位置的關(guān)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(gè)光斑，Λ Xitl表示理想狀態(tài)下第i個(gè)光斑X坐標(biāo)與參考光斑X坐標(biāo)差，Δ yi0表示理想狀態(tài)下第i個(gè)光斑Y坐標(biāo)與參考光斑I坐標(biāo)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(biāo)，ynl表示第η幅圖像中參考光斑的I坐標(biāo)，Xni表示第η幅圖像中除參考光斑外其他光斑的χ坐標(biāo)，yni表示第η幅圖像中除參考光斑外其他光斑的y坐標(biāo)，Axni表示第η幅圖像中第i個(gè)光斑χ坐標(biāo)與參考光斑χ坐標(biāo)的差修正值，Δ yni表示第η幅圖像中第i個(gè)光斑y坐標(biāo)與參考光斑I坐標(biāo)的差修正值；
[0017]處理完之后用每幅圖像參考光斑的χ坐標(biāo)為橫軸，y坐標(biāo)為縱軸，將處理得到的修正值制成修正表格，用于在測(cè)量時(shí)查表修正，或者插值計(jì)算修正。
[0018]本發(fā)明的顯著效果是:系統(tǒng)標(biāo)定法通過(guò)分析掃描式面形測(cè)試過(guò)程中誤差產(chǎn)生的原因，得出系統(tǒng)精度與測(cè)試對(duì)象局部面形梯度成非線性函數(shù)關(guān)系的結(jié)論，針對(duì)2X2陣列掃描式掃描方式，提出了互參考與自參考標(biāo)定方法，且設(shè)計(jì)出專用標(biāo)定裝置，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)系統(tǒng)測(cè)試范圍全局精確標(biāo)定。因此可以在測(cè)量時(shí)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，提高了系統(tǒng)測(cè)量的精度。
[0019]該方法在簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，能夠提高原系統(tǒng)的測(cè)量效率，進(jìn)一步提高表面面形在線檢測(cè)的能力。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為本發(fā)明的標(biāo)定示意圖；
[0021]圖2為成像光斑分布示意圖；
[0022]圖3為本發(fā)明的方法步驟圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0024]如圖3所示:一種2X2陣列光源掃描式面形測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)標(biāo)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(cè)量光學(xué)系統(tǒng)后，在掃描式面形測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)的出射光路上布置標(biāo)定平臺(tái)，該標(biāo)定平臺(tái)能將掃描式面形測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)射出的平行光沿原路平行反射回所述掃描式面形測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)；
[0026]步驟二、啟動(dòng)所述掃描式面形測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)中的激光器1，預(yù)熱30分鐘，激光器I發(fā)出的光依次經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)2準(zhǔn)直，然后通過(guò)分光鏡3進(jìn)入擴(kuò)束系統(tǒng)4進(jìn)行擴(kuò)束，楔鏡組5將擴(kuò)束后的光束分成四束平行光從掃描式面形測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)射出，并投向所述標(biāo)定平臺(tái)；
[0027]步驟三、調(diào)整所述標(biāo)定平臺(tái)上的精密二維偏擺平臺(tái)8，固定在精密二維偏擺平臺(tái)8上的夾具7隨之移動(dòng)，使夾具7夾持的反射鏡6與掃描式面形測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)垂直，反射鏡6反射四束平行光依次通過(guò)楔鏡組5和擴(kuò)束系統(tǒng)4后，經(jīng)分光鏡3折射到五棱鏡9后，再通過(guò)成像透鏡10在CXDll上成像，在CXDll觀察到的圖像中四個(gè)光斑位于圖像的中心；
[0028]步驟四、根據(jù)掃描式面形測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)角范圍設(shè)定標(biāo)定平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)步數(shù)；根據(jù)驅(qū)動(dòng)步數(shù)所需要的精細(xì)程度設(shè)定掃描式面形測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)中激光器I的單次驅(qū)動(dòng)步數(shù)；
[0029]步驟五、確定四個(gè)光斑中的任意一個(gè)為參考光斑，驅(qū)動(dòng)精密二維偏擺平臺(tái)8上的壓電陶瓷機(jī)構(gòu)，使參考光斑位置發(fā)生變化，記錄參考光斑位置及四個(gè)光斑位置相對(duì)變化量，完成CCD —行數(shù)據(jù)采集； [0030]步驟六、重復(fù)步驟三至步驟五，完成CXD成像全區(qū)域行、列數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)掃描式面形測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)測(cè)試動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的角度標(biāo)定。
[0031]所述角度標(biāo)定是根據(jù)圖像成像的結(jié)果，以每幅圖像上左邊那個(gè)光斑的中心位置為參考，計(jì)算其他三個(gè)光斑的中心位置與參考光斑中心位置的關(guān)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(gè)光斑，Λ Xitl表示理想狀態(tài)下第i個(gè)光斑X坐標(biāo)與參考光斑X坐標(biāo)差，Δ yi0表示理想狀態(tài)下第i個(gè)光斑Y坐標(biāo)與參考光斑I坐標(biāo)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(biāo)，ynl表示第η幅圖像中參考光斑的I坐標(biāo)，Xni表示第η幅圖像中除參考光斑外其他光斑的χ坐標(biāo)，yni表示第η幅圖像中除參考光斑外其他光斑的y坐標(biāo)，Axni表示第η幅圖像中第i個(gè)光斑χ坐標(biāo)與參考光斑χ坐標(biāo)的差修正值，Δ yni表示第η幅圖像中第i個(gè)光斑y坐標(biāo)與參考光斑I坐標(biāo)的差修正值；
[0035]處理完之后用每幅圖像參考光斑的X坐標(biāo)為橫軸，y坐標(biāo)為縱軸，將處理得到的修正值制成修正表格，用于在測(cè)量時(shí)查表修正，或者插值計(jì)算修正。
[0036]修正表格如下:
[0037]
【權(quán)利要求】
1.一種2X2陣列光源掃描式面形測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)標(biāo)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(cè)量光學(xué)系統(tǒng)后，在掃描式面形測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)的出射光路上布置標(biāo)定平臺(tái)，該標(biāo)定平臺(tái)能將掃描式面形測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)射出的平行光沿原路平行反射回所述掃描式面形測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)； 步驟二、啟動(dòng)所述掃描式面形測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)中的激光器(1)，預(yù)熱30分鐘，激光器(I)發(fā)出的光依次經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)(2)準(zhǔn)直，然后通過(guò)分光鏡(3)進(jìn)入擴(kuò)束系統(tǒng)(4)進(jìn)行擴(kuò)束，楔鏡組(5)將擴(kuò)束后的光束分成四束平行光從掃描式面形測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)射出，并投向所述標(biāo)定平臺(tái)； 步驟三、調(diào)整所述標(biāo)定平臺(tái)上的精密二維偏擺平臺(tái)(8)，固定在精密二維偏擺平臺(tái)(8)上的夾具(7)隨之移動(dòng)，使夾具(7)夾持的反射鏡(6)與掃描式面形測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)垂直，反射鏡(6)反射四束平行光依次通過(guò)楔鏡組(5)和擴(kuò)束系統(tǒng)(4)后，經(jīng)分光鏡(3)折射到五棱鏡(9)后，再通過(guò)成像透鏡(10)在CXD(Il)上成像，在CXD(Il)觀察到的圖像中四個(gè)光斑位于圖像的中心； 步驟四、根據(jù)掃描式面形測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)角范圍設(shè)定標(biāo)定平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)步數(shù)；根據(jù)驅(qū)動(dòng)步數(shù)所需要的精細(xì)程度設(shè)定掃描式面形測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)中激光器(I)的單次驅(qū)動(dòng)步數(shù)； 步驟五、確定四個(gè)光斑中的任意一個(gè)為參考光斑，驅(qū)動(dòng)精密二維偏擺平臺(tái)(8)上的壓電陶瓷機(jī)構(gòu)，使參考光斑位置發(fā)生變化，記錄參考光斑位置及四個(gè)光斑位置相對(duì)變化量，完成CCD —行數(shù)據(jù)采集； 步驟六、重復(fù)步驟三至步驟五，完成CXD成像全區(qū)域行、列數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)掃描式面形測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)測(cè)試動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的角度標(biāo)定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述2X2陣列光源掃描式面形測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)標(biāo)定方法，其特征在于:所述角度標(biāo)定是根據(jù)圖像成像的結(jié)果，以每幅圖像上左邊那個(gè)光斑的中心位置為參考，計(jì)算其他三個(gè)光斑的中心位置與參考光斑中心位置的關(guān)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(gè)光斑，Λ Xitl表示理想狀態(tài)下第i個(gè)光斑X坐標(biāo)與參考光斑X坐標(biāo)差，Λ yi0表示理想狀態(tài)下第i個(gè)光斑y坐標(biāo)與參考光斑y坐標(biāo)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(biāo)，ynl表示第η幅圖像中參考光斑的y坐標(biāo)，Xni表示第η幅圖像中除參考光斑外其他光斑的χ坐標(biāo)，Yni表示第η幅圖像中除參考光斑外其他光斑的y坐標(biāo)，Δ xni表示第η幅圖像中第i個(gè)光斑χ坐標(biāo)與參考光斑χ坐標(biāo)的差修正值，Λ yni表示第η幅圖像中第i個(gè)光斑y坐標(biāo)與參考光斑I坐標(biāo)的差修正值； 處理完之后用每幅圖像參考光斑的χ坐標(biāo)為橫軸，y坐標(biāo)為縱軸，將處理得到的修正值制成修正表格，用于在測(cè)量時(shí)查表修正，或者插值計(jì)算修正。
【文檔編號(hào)】G01B11/24GK104019764SQ201410279851
【公開(kāi)日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年6月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月20日
【發(fā)明者】劉長(zhǎng)春, 熊召, 陳海平, 袁曉東, 周海, 曹庭分, 葉海仙, 鄭萬(wàn)國(guó) 申請(qǐng)人:中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心