[发明专利]一种基于等效共轴球面光学系统的镜头参数标定方法

说明书

本发明公开了一种基于等效共轴球面光学系统的镜头参数标定方法，所述等效共轴球面光学系统的组成包括物方和像方焦点、物方和像方主面；基于物方和像方焦点、物方和像方主面，完成所述镜头的物方焦距、像方焦距、入射光瞳和主面间隔参数的标定。标定时使用点光源在不同位置成像形成不同半径的光斑，通过等效光学系统的光线追迹方法得到光源位置与光斑半径的函数关系；通过平行光源与标定板的成像，可获得关于放大率与入射光瞳的参数；再结合牛顿公式和实验测量的距离参数即可通过求解方程组得到镜头的焦距、主面位置等模型参数。模型参数确定后即可使用高斯公式或牛顿公式计算共轭点的位置和成像放大率，对光线进行追迹。

技术领域

本发明属于光场成像应用领域，特别涉及一种典型光学镜头的标定方法。

背景技术

镜头焦距是一个非常重要的镜头内部参数，它决定了被摄物体在成像平面上所形成影像的大小和准确性。目前的镜头成像模拟多采用小孔成像模型，该模型中的焦距为镜头光心到图像坐标系原点的距离，即相距。图像坐标与世界坐标存在线性关系，因此可通过求解线性方程组得到相机标定参数。在实际情况中，由于镜头结构的复杂性和加工装配的误差，镜头不能满足物和像成相似三角形的关系。

张正友标定法采用小孔成像模型，通过观测一个待标定平面得到相机内参数。该标定方法根据三维点与其在图像平面上的二维投影点之间的单应性关系得到内参的约束条件。对于一个给定的单应性矩阵，其内部参数存在以上两个基本约束条件。由于该矩阵含有8个自由度和6个外部参数，只能得到两个内部参数的约束条件。为了求解相机标定参数，需先求出一个封闭解，之后通过最大似然估计得到非线性的最优解，最后考虑透镜的径向畸变，得到解析解和非线性解。

综上所述，现有的镜头标定模型与实际镜头差距较大且标定方法计算复杂，需要建立适用于典型光学成像镜头的更精确的标定模型并形成一套高效准确的光学镜头焦距标定方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，而提供一种简单有效的基于等效共轴球面光学系统的标定方法，无需复杂的实验仪器和繁琐的计算过程即可完成对镜头模型参数的确定。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种基于等效共轴球面光学系统的镜头参数标定方法，包括如下具体步骤：

调节点光源在光轴上的位置，使点光源在相机中的像为一点并记录此时的位置为理想成像位置；

测量理想成像位置到相机图像探测器的距离L。

将标定板放置在记录的理想成像位置，拍摄此时相机中的图像并根据相机CCD的像素尺寸计算标定板图像中正方形方格的边长；与标定板实物的方格边长相比计算此时镜头等效模型的放大率β；

使点光源沿光轴移动某一距离Δ₁，拍摄此时相机所成光斑的图像并根据相机CCD的像素尺寸计算光斑半径r₁；

使点光源沿光轴移动另一距离Δ₂，拍摄此时相机所成光斑的图像并根据相机CCD的像素尺寸计算光斑半径r₂；

使用平行光源使相机成像，拍摄此时相机所成光斑的图像并根据相机CCD的像素尺寸计算光斑半径y′；

求解以下方程组得到镜头参数R、f、f′、d：

d＝L-l-l′

l＝x+f

l′＝x′+f′