[发明专利]一种快速确定偏折测量系统中各部件几何位置的标定方法

说明书

本发明涉及光学工程技术领域，且公开了一种快速确定偏折测量系统中各部件几何位置的标定方法，本发明方法包括：将一个标准圆柱的上平面做成标准镜面，在其外围做一圈均匀分布的黑色圆斑特征，其中一个圆斑半径较小，将镜面设为坐标系xOy平面，x轴设置在该圆斑所在轴上。首先根据镜面圆斑的成像利用PnP法直接确定标准镜面在相机坐标系中的位置，屏幕显示小尺寸的圆点阵列图样，利用相机拍摄经镜面反射的屏幕虚像，识别图像中屏幕显示的斑点，可以确定屏幕的位置。本发明可有效估计测量系统中各部件的位姿，包括相机、屏幕、卡盘和工件，操作简单，实用性强，对实现光学曲面的高精度偏折测量具有重要意义。

技术领域

本发明涉及光学工程技术领域，具体为一种快速确定偏折测量系统中各部件几何位置的标定方法。

背景技术

在现代精密测量中，针对镜面反射的表面，常用的是干涉测量方法。但是其量程较小，对环境干扰敏感，不适合复杂曲面的测量。近年来，相位测量偏折术实现了复杂曲面的高精度测量。由于其系统简单，动态范围大，抗干扰能力强，得到了光学工程领域的广泛关注。其原理是在显示器上产生规则条纹，经被测表面反射后条纹发生变形，采用CCD相机拍摄变形图样，由几何关系推导可以计算出被测面形的表面梯度分布，再通过积分得到面形高度。

偏折测量的精度直接取决于几何标定的质量，也即确定测量系统中各个部件，包括相机、工件、屏幕等元件之间的相对位置。传统几何标定通常采用三坐标测量机或激光追踪仪等辅助仪器，不但操作复杂，而且成本高，实用性差。Xiao等(Opt.Commun.2013；305,143–146)提出采用平面镜的多个位姿反射成像，Xu等(Optics Express 2019；27(5):7523-7536)提出利用气浮转台提供额外约束条件来确定屏幕和相机的相对位置。但是都不能直接确定工件的位置，无法解决偏折测量固有的“高度-斜率歧义性”问题。所以仍然需要激光追踪仪等额外探测来确定工件位置，操作较为复杂。故而提出一种快速确定偏折测量系统中各部件几何位置的标定方法解决上述问题。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种快速确定偏折测量系统中各部件几何位置的标定方法，具备简单快速等优点，解决了不能直接确定工件的位置，无法解决偏折测量固有的“高度-斜率歧义性”，仍然需要激光追踪仪等额外探测来确定工件位置的问题。

(二)技术方案

为实现上述简单快速的目的，本发明提供如下技术方案：一种快速确定偏折测量系统中各部件几何位置的标定装置，包括卡盘、相机和屏幕，所述卡盘的顶部活动安装有标准件主体，所述标准件主体的顶部固定连接有标准镜面，所述标准镜面的外部且位于标准件主体的顶部固定连接有黑色圆斑。

优选的，所述标准镜面的平面度优于λ/5PV，且该标准件主体和标准镜面外圆同轴。

优选的，所述黑色圆斑的距离和直径已知，其中一个特征斑较小，直径是其他圆斑的2/3倍，镜面坐标系的xOy平面建立在标准镜面处，原点在标准镜面圆心，x轴设为小圆斑所在轴。

本发明要解决的另一技术问题是提供一种快速确定偏折测量系统中各部件几何位置的标定方法，包括以下步骤：

1)用卡盘夹持标准件主体，调整已知内参的相机和已知像素大小的屏幕的位置，使得相机能直接观测到屏幕显示的图样；

2)屏幕显示小尺寸圆点阵列，相机直接拍摄标准镜面反射的图样虚像，从图像中识别出镜面上的一圈黑色圆斑，利用PnP法计算出相机坐标系与镜面坐标系之间的旋转矩阵Rc2m与平移向量Tc2m；

3)建立屏幕圆点阵列与相机图样中圆点图像之间的对应关系，利用PnP法确定屏幕虚像在相机坐标系中的坐标，再利用镜面反射得到屏幕的实际位置；