[发明专利]基于空变球模型自适应单目偏折的工件面形重构方法

说明书

一种基于空变球模型自适应单目偏折对待测工件面形的重构方法，以解决单目偏折术中因未知待测工件面形而产生的高度‑斜率不确定问题。方法步骤为：首先，在待测工件表面任意取一点作为标志点，并使用第三方工具测得该标志点的高度。然后，根据单目偏折术得到该标志点对应的入射光线和反射光线，结合反射定律，得到该标志点的法向量。接着，利用反向追迹方法，迭代优化球的半径和球心坐标，得到最优的球模型拟合初始面形。为提高复杂待测工件的拟合精度，将工件表面划分为多个区域，分别使用球模型拟合，最后得到待测工件全局最优空变球模型。

技术领域

本发明属于光学工程技术领域，特别是一种基于空变球模型自适应单目偏折的工件面形重构方法，适用于未知名义面形方程工件的三维测量。

背景技术

光学自由曲面因其具有较大的自由度和非球面度，能提高系统光学性能的同时简化系统结构，在光刻、航空航天及激光武器等领域的需求不断增大，对其面形检测精度的要求也在不断提高。单目偏折术因其具有动态范围大、测量系统简单、抗干扰性强、测量精度高等优点，得到广泛关注。单目偏折术的原理是显示屏产生编码条纹，相机获取经待测工件反射的变形条纹，结合待测工件名义面形，通过反射定律获得工件表面梯度信息，进而得到工件三维面形。然后在实际测量中，当待测工件名义面形缺失或与实际面形偏差较大时，会导致偏折术出现高度-斜率不确定的问题，严重影响测量精度和应用范围。

发明内容

为了解决现有单目偏折术中因未知待测工件面形而产生的高度-斜率不确定问题，以提高测量精度和应用范围，本发明提供一种基于空变球模型自适应单目偏折的工件面形的重构方法，解决现有单目偏折术中因未知待测工件面形而产生的高度-斜率不确定问题，提高测量精度和应用范围。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于空变球模型自适应单目偏折的工件面形重构方法，其特点在于，该方法包括以下步骤：

①在待测工件表面任选一点作为标志点F，并利用测量工具测量该标志点F的高度h；

②搭建检测光路：设相机光心坐标(X₀，Y₀，Z₀)，通过单目偏折术对待测工件进行测量，获得待测工件表面的标志点F的屏幕坐标(X_S，Y_S，Z_S)和相机像素坐标(X_ca，Y_ca，Z_ca)；

③根据标志点F的相机像素坐标(X_ca，Y_ca，Z_ca)和相机光心坐标(X₀，Y₀，Z₀)，计算标志点F的反射光线的单位方向向量(a_m，b_m，c_m)，并获得标志点F的反射光线方程，公式如下：

④将标志点F的高度h代入反射光线方程，获得标志点F的工件坐标(X_m，Y_m，Z_m)：

Z_m＝h

⑤计算标志点F反射光线的法向量和标志点F入射光线的法向量公式如下：

计算标志点F的法向量公式如下：

⑥球模型拟合：用球面拟合所述的待测工件，球心位于标志点F和法向量的直线上，通过对标志点F反向光线追迹，迭代获得最优球半径，具体如下：