一种同轴正入射散斑偏折术测量方法和装置

1.本发明涉及光电检测的技术领域，尤其涉及一种同轴正入射散斑偏折术测量方法，以及这种同轴正入射散斑偏折术测量方法所采用的装置，其能够对小口径非球面镜面进行面形及形变的瞬态无损高鲁棒性测量。


背景技术：

2.如今非球面镜面表面广泛应用于各类工业生产和实践环节，如平板显示的玻璃基板，汽车、航空工业中产品的涂装镀膜镜面等。镜面物体表面具有镜面反射特性，导致适用于漫反射物体表面检测的常规光学检测手段(如条纹投影法、数字图像相关法)无法适用。目前应用广泛的是一种以正弦条纹作为结构光的相位偏折术，它具有动态范围大和高精度等优点，能够达到亚像素级别的测量精度，并且这种使用正弦条纹投影的方法已经开发了十余年。但为保证其测量精度，通常会使用多步移相技术，假设使用的是n步相移，则至少需要拍摄2
×
n幅条纹图，大大增加了测量时长，且测量时需要显示器成像精确且清晰，否则不规则的条纹排列会对相位恢复结果产生影响。因此相位偏折术的使用依然存在一定的限制，故需要探索一种高鲁棒性、瞬态无损，且对显示设备依赖度低的成像测量方法。
3.数字图像相关法常用于漫反射物体表面的全场形状、位移和变形测量，这种方法基于激光投影对物体表面产生的散斑图像进行瞬态测量，适用于散射材料、包括橡胶、金属和塑料等工业材料，甚至骨骼和血管等生物组织，但对于抛光良好的镜面反射表面，在不对其涂敷材料或镀膜条件下，待测镜面几乎不会产生散斑。


技术实现要素：

4.为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种同轴正入射散斑偏折术测量方法，其降低了对显示器成像精确度的依赖程度，又保证了亚像素的测量精度，同时减少了投影图片的个数，能够避免了三角测量系统导致的重建缺口，折叠光路压缩了系统体积，对待测镜的摆放位置要求更低，可以达到瞬态无损高鲁棒性的要求。
5.本发明的技术方案是：这种同轴正入射散斑偏折术测量方法，其包括以下步骤：
6.(1)lcd显示屏和待测镜面正向面对面放置，进行系统标定，标定出相机的内部参数与外部参数，将像素坐标系、相机坐标系、世界坐标系标准化；
7.(2)先采集一张待测镜面未变形时反射出的散斑图案，记为参考图像，后在待测镜面变形后采集反射出的调制由表面信息的散斑图案，记为变形图像；
8.(3)再对lcd屏上的散斑图案进行定量平移两次，分别进行采集，记为第一平移图像和第二平移图像；
9.(4)对参考图片和变形图片，变形图像和平移图像，第一平移图像和第二平移图像分别进行基于数字图像相关的图像匹配；
10.(5)经过数字图像相关的两张图像，相关系数最高的子集则为局部面形变化前后的局部面形位置，两子集坐标变化则为位移量；
11.(6)位移场为所有的位移量总结得到，先对其进行平滑，然后使用数值方法进行微分或直接微分，以估计应变梯度分布，再进行积分和逆傅里叶操作重构表面；利用变形图像、第一平移图像和第二平移图像获得待测镜的绝对面形，利用参考图片和变形图片计算获得待测镜的变形，结果皆为亚像素精度。
12.本发明lcd显示屏和待测镜面正向面对面放置，进行系统标定，采集参考图像和变形图像、第一平移图像和第二平移图像，分别进行基于数字图像相关的图像匹配，相关系数最高的子集则为局部面形变化前后的局部面形位置，两子集坐标变化则为位移量，位移场为所有的位移量总结得到，先对其进行平滑，然后使用数值方法进行微分或直接微分，以估计应变梯度分布，再进行积分和逆傅里叶操作重构表面，利用变形图像、第一平移图像和第二平移图像获得待测镜的绝对面形，利用参考图片和变形图片计算获得待测镜的变形，因此降低了对显示器成像精确度的依赖程度，又保证了亚像素的测量精度，同时减少了投影图片的个数，能够避免了三角测量系统导致的重建缺口，折叠光路压缩了系统体积，对待测镜的摆放位置要求更低，可以达到瞬态无损高鲁棒性的要求。
13.还提供了一种同轴正入射散斑偏折术测量装置，其包括：待测镜面(1)、平板分束镜(2)、ccd相机(3)、远心镜头(4)、计算机(5)、lcd显示屏(6)；
14.lcd显示屏连接计算机，由计算机控制并投影出散斑图案，lcd显示屏和待测镜面正向面对面放置，两者中间斜侧45
°
放置平板分束镜，此分束镜将待测镜面上的图案分束反射至组合了远心镜头的ccd相机中，ccd相机连接计算机，计算机将ccd相机采集到的结果记录下来，并对结果进行图像处理和数据分析；
15.首先由lcd显示屏将随机生成的二值散斑图案穿过斜向45
°
摆放的分束镜，一半亮度的图案到射到待测镜面上，待测镜面接收到散斑图案，在发生镜面反射时将自身的表面信息调制到散斑图案当中，而后再反射回分束镜，此时分束镜再次分光，又将一半亮度的图案反射入组装了远心镜头的ccd相机中，ccd采集调制表面形状的信息的图案并将其传输给计算机，最终由计算机对数据进行处理，对采集到的信息进行解调得到被测面的斜率，完成待测镜面面形和变形的重构。
附图说明
16.图1是根据本发明的同轴正入射散斑偏折术测量装置的结构示意图。
17.图2是根据本发明的同轴正入射散斑偏折术测量方法的流程图。
18.其中：1-待测镜面、2-平板分束镜、3-ccd相机、4-远心镜头、5-计算机、6-lcd显示屏。
具体实施方式
19.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
20.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及任
何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
21.作为本质上其实是图像处理技术的数字图像相关法，它的技术除了具有非接触式全场测量能力外，还具有几个显着特点，例如简单且廉价的实验装置、易于实施、广泛的适用性以及可调节的空间和时间分辨率，以及对环境振动和环境光变化的鲁棒性。
22.散斑偏折术是一种小口径非球面镜面检测方法，是一种基于数字图像相关对相位偏折术进行优化的方法，可以实现瞬态无损高鲁棒性的测量，同时达到亚像素级别的高精度测量要求。
23.现有的散斑偏折术是结合数字图像相关和相位偏折术来提取3d位移，由于相机使用的是孔径相机，在计算方法的推导过程中，需要有一步相似三角形原理，再通过线性关系继续推导并重构表面。而本发明使用的散斑偏折术中，由于选择的是远心镜头的相机，成像方式的不同导致了方法计算更为简化，只需简单的线性关系，就可以再加以推导并重构表面。
24.如图2所示，提供了一种同轴正入射散斑偏折术测量方法，其包括以下步骤：
25.(1)lcd显示屏和待测镜面正向面对面放置，进行系统标定，标定出相机的内部参数与外部参数，将像素坐标系、相机坐标系、世界坐标系标准化；
26.(2)先采集一张待测镜面未变形时反射出的散斑图案，记为参考图像，后在待测镜面变形后采集反射出的调制由表面信息的散斑图案，记为变形图像；
27.(3)再对lcd屏上的散斑图案进行定量平移两次，分别进行采集，记为第一平移图像和第二平移图像；
28.(4)对参考图片和变形图片，变形图像和平移图像，第一平移图像和第二平移图像分别进行基于数字图像相关的图像匹配；
29.(5)经过数字图像相关的两张图像，相关系数最高的子集则为局部面形变化前后的局部面形位置，两子集坐标变化则为位移量；
30.(6)位移场为所有的位移量总结得到，先对其进行平滑，然后使用数值方法进行微分或直接微分，以估计应变梯度分布，再进行积分和逆傅里叶操作重构表面；利用变形图像、第一平移图像和第二平移图像获得待测镜的绝对面形，利用参考图片和变形图片计算获得待测镜的变形，结果皆为亚像素精度。
31.本发明lcd显示屏和待测镜面正向面对面放置，进行系统标定，采集参考图像和变形图像、第一平移图像和第二平移图像，分别进行基于数字图像相关的图像匹配，相关系数最高的子集则为局部面形变化前后的局部面形位置，两子集坐标变化则为位移量，位移场为所有的位移量总结得到，先对其进行平滑，然后使用数值方法进行微分或直接微分，以估计应变梯度分布，再进行积分和逆傅里叶操作重构表面，利用变形图像、第一平移图像和第二平移图像获得待测镜的绝对面形，利用参考图片和变形图片计算获得待测镜的变形，因此降低了对显示器成像精确度的依赖程度，又保证了亚像素的测量精度，同时减少了投影图片的个数，能够避免了三角测量系统导致的重建缺口，折叠光路压缩了系统体积，对待测镜的摆放位置要求更低，可以达到瞬态无损高鲁棒性的要求。
32.优选地，所述步骤(2)、(3)中，对图像进行去畸变去噪的预处理操作。
33.优选地，所述步骤(4)中，通过比较在不同状态下记录的待测镜的散斑图像，使用基于子集的局部或全局相关、以像素为单位直接检索全场位移的方法；所述步骤(5)中，使用亚像素插值方法，以便从物理模型角度增加计算精度。
34.对应地，本发明设计了一套同轴正入射散斑偏折术测量装置，改善了过去相位偏折术使用的斜入射三角测量系统的一些缺陷。本发明使用的方法是散斑偏折术技术，用更为简洁的计算方法，可以完成小口径的镜面面形和变形测量。
35.如图1所示，这种同轴正入射散斑偏折术测量装置，其包括：待测镜面1、平板分束镜2、ccd相机3、远心镜头4、计算机5、lcd显示屏6；
36.lcd显示屏连接计算机，由计算机控制并投影出散斑图案，lcd显示屏和待测镜面正向面对面放置，两者中间斜侧45
°
放置平板分束镜，此分束镜将待测镜面上的图案分束反射至组合了远心镜头的ccd相机中，ccd相机连接计算机，计算机将ccd相机采集到的结果记录下来，并对结果进行图像处理和数据分析；
37.首先由lcd显示屏将随机生成的二值散斑图案穿过斜向45
°
摆放的分束镜，一半亮度的图案到射到待测镜面上，待测镜面接收到散斑图案，在发生镜面反射时将自身的表面信息调制到散斑图案当中，而后再反射回分束镜，此时分束镜再次分光，又将一半亮度的图案反射入组装了远心镜头的ccd相机中，ccd采集调制表面形状的信息的图案并将其传输给计算机，最终由计算机对数据进行处理，对采集到的信息进行解调得到被测面的斜率，完成待测镜面面形和变形的重构。
38.本发明首先由lcd显示屏将随机生成的二值散斑图案穿过斜向45
°
摆放的分束镜，一半亮度的图案到射到待测镜面上，待测镜面接收到散斑图案，在发生镜面反射时将自身的表面信息调制到散斑图案当中，而后再反射回分束镜，此时分束镜再次分光，又将一半亮度的图案反射入组装了远心镜头的ccd相机中，ccd采集调制表面形状的信息的图案并将其传输给计算机，最终由计算机对数据进行处理，对采集到的信息进行解调得到被测面的斜率，完成待测镜面面形和变形的重构，因此降低了对显示器成像精确度的依赖程度，又保证了亚像素的测量精度，同时减少了投影图片的个数，能够避免了三角测量系统导致的重建缺口，折叠光路压缩了系统体积，对待测镜的摆放位置要求更低，可以达到瞬态无损高鲁棒性的要求。
39.优选地，所述远心镜头为双侧远心镜头，其视场和放大倍数根据实际测量情况决定，视场不小于待测镜口径，且具备孔径光阑，双侧远心镜头中两个透镜的焦点是重合的。
40.优选地，所述lcd显示屏显示器亮度尺寸和分辨率根据实际测量情况决定，其尺寸不小于待测镜面范围口径。
41.优选地，所述散斑图案为随机生成的，是明亮的高对比度二值化随机散斑，具体特征点大小和密度分布根据lcd显示屏分辨率和实际测量情况决定选择设置。数字图像相关法常用于漫反射物体表面的全场形状、位移和变形测量，这种方法基于激光投影对物体表面产生的散斑图像进行瞬态测量，适用于散射材料、包括橡胶、金属和塑料等工业材料，甚至骨骼和血管等生物组织，但对于抛光良好的镜面反射表面，在不对其涂敷材料或镀膜条件下，待测镜面几乎不会产生散斑。方法中使用的散斑图案，是明亮的高对比度二值化随机散斑，该类图片由具备一定特征的点随机分布组成，并且这些特征点是用像素点的位置作为坐标，以像素的灰度作为信息载体，如果面形发生形变，散斑图案也会随之发生变化，从
而就可以调制被测表面信息变为变形散斑图案。
42.优选地，所述平板分束镜为非偏振分束镜，其工作波长范围根据显示器显示光源波段进行选择，其通光口径根据待测镜面上被测范围口径进行选择。
43.优选地，所述ccd相机为单色相机或者彩色相机，其分辨率根据实际测量情况决定，其分辨率不小于显示器分辨率。
44.优选地，所述被测镜是表面为小口径的平面、球面或非球面的镜面。
45.以下详细说明本发明的具体实施例。
46.采用结合了数字图像相关法和相位偏折术的散斑偏折术测量方法测量小口径镜面面形和变形，测量装置为同轴正入射散斑偏折术测量装置，如图一所述，包括1-待测镜面、2-平板分束镜、3-ccd相机、4-远心镜头、5-计算机、6-lcd显示屏。其中远心镜头是双侧远心的，此类镜头只在x轴和y轴上进行放大，z轴放大率不变，可以修正随着高度的不同造成扭曲从而产生的额外测量误差，并且避免原先的三角法系统角度遮挡带来的信息缺失。由于双远心的光路只接收平行于镜头光轴的光线入射，在工作范围内，双远心相机能够精确地获得物体的三维关系，消除由于被测物体(或ccd芯片)离镜头距离的远近不一致，造成放大倍率不一样的影响，且双侧远心镜头的畸变受相机发热影响更小，鲁棒性也更高。
47.本实施例使用可变形镜作为待测镜。待测镜的背面和光学平台组件使用白色背景布消除背面反射的影响，背景布被放置在ccd相机和平板分束镜的对称侧。并在ccd相机和平板分束镜的延伸侧摆放了黑色遮光板，以消除杂散光的干扰。由于构建的世界坐标系的z轴也与两个光轴平行，因此在构建实验系统时无需专门使用同轴安装板。
48.实施例中，lcd显示屏的分辨率为1920
×
1200像素，平板分束镜的口径为50.8mm，ccd相机的摄像头单元分辨率为3088
×
2064像素，双远心镜头的放大倍数为0.11
×
，视场为80
×
60mm，工作距离为494.5mm，景深为44.7mm，待测镜面为可变形镜，同光口径为15mm由37个以圆形方式排列的压电执行器通道驱动，单个执行器的最大行程为8μm，用可变形镜作为待测镜进行变形的动态测量，先采集变形前无变化的散斑图案，后采集反射镜发生形变的散斑图案，用以重构变形面形。以及采集变化移动lcd显示屏中图像对应反射镜呈现的散斑图案，用以重构绝对面形。
49.测量步骤如下：
50.步骤一：标定出相机的内部参数与外部参数；
51.进行系统标定，标定出相机的内部参数与外部参数，将像素坐标系、相机坐标系、世界坐标系标准化。
52.远心标定公式中，像素坐标系为内部参数、外部参数、世界坐标系的乘积。获取摄像机的内参和外参矩阵(同时也会得到每一幅标定图像的选择和平移矩阵)。
[0053][0054]
其中，γ为剪切系数，α为横向焦距f
x
的倍数，β为纵向焦距fy的倍数，r为旋转，t为平移。
[0055]
步骤二：采集待测镜变形前后的散斑图像各一张；
[0056]
先采集一张待测镜面未变形时反射出的散斑图案，记为参考图像，后在待测镜面变形后采集反射出的调制由表面信息的散斑图案，记为变形图像。这些图像由安装了远心镜头的ccd相机接收并传输到计算机中，在计算机上对图像进行去畸变去噪等预处理操作。
[0057]
步骤三：采集定量平移lcd显示屏散斑图案后待测镜的图案；
[0058]
再对lcd屏上的散斑图案进行定量平移两次，分别进行采集，记为平移图像1和平移图像2。这些图像由安装了远心镜头的ccd相机接收并传输到计算机中，在计算机上对图像进行去畸变去噪等预处理操作。
[0059]
步骤四：对参考图片和变形图片，变形图像和平移图像1，平移图像1和平移图像2分别进行基于数字图像相关的图像匹配；
[0060]
可以通过比较在不同状态下记录的待测镜的散斑图像，使用基于子集的局部或全局相关，直接检索全场位移(以像素为单位)算法。用数字图像相关法从两个散斑图像中量化局部图案位移，根据相关峰移，得到两个子集之间散斑图的位移(δu，δv)。采用zncc公式对两个子集进行零归一化互相关
[0061][0062]
其中其中
[0063]
步骤五：计算图片上每一局部面形的位移量；
[0064]
经过数字图像相关的两张图像，相关系数最高的子集则为局部面形变化前后的局部面形位置，两子集坐标变化则为位移量。根据参考图像选取的子集窗口对整图像分割匹配，匹配方法应为在变形后的图片上循环选取子集，用此变形子集与参考子集进行经过数字图像相关的zncc公式计算，求出相关系数二维矩阵的峰值，峰值表示的是相关系数最高地方，代表最匹配的子集。此处得到的相关系数最高的两个子集，代表了变形前后的局部面形位置，两子集坐标变化则为位移量。
[0065]
在此步骤中可使用一些亚像素插值算法，从物理模型角度增加计算精度，实施例中使用了三次b样条插值法，实现了亚像素的求解。
[0066]
步骤六：利用位移场计算出到实际表面信息，重构出表面；
[0067]
因为待测镜表面具有散斑形状和强度变化作为变形信息的载体，解调位移量则可以恢复出表面信息。根据局部畸变图像位移(δu，δv)计算出该局部平面m的旋转角(θ
x
，θy)，根据旋转角(θ
x
，θy)计算梯度变化(δw’x
，δw’y
)。
[0068]
获得的位移场可以先平滑，然后使用适当的数值方法进行微分或直接微分，以估计应变梯度分布，再进行积分和逆傅里叶等操作重构面形或变形的表面形状。
[0069]
那么x、y方向的表面形状积分为
[0070][0071]
这里需要预先知道表面形状w1，可以事先从其标称形状或粗略测量中获得。变形δw由tikhonov反卷积的偏导数构成
[0072][0073]
最终得到完整地被测镜面面形或形变，利用变形图像、平移图像1和平移图像2可以获得待测镜的绝对面形，利用参考图片和变形图片计算可以获得待测镜的变形，结果皆为亚像素精度。
[0074]
被发明装置方法在小口径镜面面形和变形方面，操作简单，测量速度快，可以达到瞬态的测量速度，测量过程中也无需对镜面表面进行喷涂，可达到无损的要求。其总体占地面积更小，且由于远心相机的正射投影、低失真和特定距离范围内不变放大率等特性，该系统可以避免原先孔径相机的近大远小的弊端，折叠光路还压缩了系统体积节省了空间。同时由于景深的存在，待测镜可摆放距离更广摆放位置要求更低，采集到的图像虚焦情况也会更少，提高了系统鲁棒性，在动态测量中十分有潜力。
[0075]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。