一种光学元件双表面面形测量方法

技术领域

本发明涉及光学元件面形测量领域，具体涉及一种光学元件双表面面形测量方法。

背景技术

光学元件，被广泛应用于军事，航空航天，光学和汽车的各个领域，如透镜，谷歌眼镜，汽车挡风玻璃等。通常利用光学元件的反射、折射效果来对光路进行一定的调整，以达成光线的方向可控性。一般来说这些光学器件都需要保证一定的面形精度以避免在使用过程中出现质量问题，例如飞行员头盔和谷歌眼镜所使用的抬头显示器(HUD)若存在较大的面形偏差，容易造成显示画面和文字的扭曲和模糊。如果带HUD的汽车玻璃面形质量较差，外界景物的图像容易产生畸变，透光度下降，影响驾驶安全性。因此，为了保证光学元件的光学性能和成像质量，需要对上下表面均进行高精度三维测量。

一般来说，仅仅通过制造精度无法满足光学元件表面的精度需求，因此在制造后都需要进行测量以避免不合格品投入使用。然而，光学元件属于透明件，对透明件的测量存在诸多难点。首先，对于透明件来说，传统反射式光学测量方法往往无法获取足够强度的反射光信息，如线结构光[1]，光栅结构光[2]等，都无法用于进行透明件表面测量；其次，透明件表面还存在一定的反射特性，容易对于透射式光学测量方法产生强光干扰，出现过曝等情况。同时，为提高检测效率，往往需要进行快速测量，因此接触式测量方法，如三坐标测量机，轮廓仪等测量方法都无法满足速度需求。光学元件除了测量难度大外，还存在较高测量精度的需求，进一步给其轮廓测量带来了挑战。

中国专利申请CN201980049399.3公布了一种基于线结构光的玻璃表面测量方法，使用紫外线结构光扫描实现玻璃表面测量。但是，首先，这种方法仅能够测量光学元件的上表面，其次，这种方法由于基于线结构光扫描，所以测量精度受位移台的制约，而大行程位移台的引入必然会增加成本，同时，线结构光扫描需要一定的时间，难以满足高速测量的需求，最后，线结构光是一种基于光学三角测量原理的方法，难以实现很高的光学级测量精度。

中国专利申请CN202010795714.1公布了一种基于条纹偏折的反射面三维面形测量方法，具体通过条纹显示模块显示正弦条纹，通过相机拍摄该条纹在待测镜面反射后产生的变形条纹，利用条纹相位和高度的关系进行镜面物体快速高精度三维测量。但是，这种方法只能用于反射面上表面的测量，对于透明的光学元件来说，上下表面的反射像会混合在一起，导致测量失败。

综合以上现有公知技术，亟需一种能够应用于光学元件上下表面面形的快速高精度测量方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种光学元件双表面面形测量方法，通过标定后的图像采集装置，准确获取光学元件的面形测量结果。

为实现上述目的，本发明提供了一种光学元件双表面面形测量方法，包括：

建立光学元件双表面面形的基础测量装置；

对所述基础测量装置进行标定处理得到光学元件双表面面形的测量装置；

利用所述测量装置获取待测量光学元件的反射条纹数据；

根据所述待测量光学元件的反射条纹数据得到光学元件双表面面形测量结果。

优选的，所述建立光学元件双表面面形的基础测量装置包括：

在待测量光学元件的两侧分别相对设置相机；

利用离散条纹图像显示装置分别与相机连接。

优选的，对所述基础测量装置进行标定处理得到光学元件双表面面形的测量装置包括：

在标准平面镜上设置反光标记点作为反光标记平面镜；

利用所述基础测量装置采集反光标记平面镜的多角度反射条纹图像；

利用所述多角度反射条纹图像基于双目视觉原理计算反光标记点的坐标；

利用所述反光标记点的坐标获取对应面形方程；

根据所述面形方程对基础测量装置完成标定处理得到光学元件双表面面形的测量装置。

进一步的，利用所述多角度反射条纹图像基于双目视觉原理计算反光标记点的坐标的计算式如下：

其中，A

优选的，根据所述待测量光学元件的反射条纹数据得到光学元件双表面面形测量结果包括：

利用所述待测量光学元件的反射条纹数据进行分离处理得到反射条纹分离数据；

获取所述反射条纹分离数据的拓扑关系；

根据所述拓扑关系进行相位解算处理得到反射条纹数据的解算结果；

利用所述反射条纹数据的解算结果得到光学元件双表面面形测量结果。

进一步的，获取所述反射条纹分离数据的拓扑关系包括：

利用所述基础测量装置的相机对应特征点作为基准点；

基于所述基准点根据单轮廓方向进行搜索分别得到反射条纹图像的上表面与离散反射条纹的拓扑关系和反射条纹图像的下表面与离散反射条纹的拓扑关系；

利用所述反射条纹图像的上表面与离散反射条纹的拓扑关系和反射条纹图像的下表面与离散反射条纹的拓扑关系作为反射条纹分离数据的拓扑关系。

进一步的，利用所述反射条纹数据的解算结果得到光学元件双表面面形测量结果包括：

根据所述反射条纹数据的解算结果基于反射定律得到反射条纹图像的上表面与下表面法线方向向量；

利用所述上表面与下表面法线方向向量基于数值积分进行面形重建处理得到光学元件双表面面形测量结果。

进一步的，利用所述上表面与下表面法线方向向量基于数值积分进行面形重建处理得到光学元件双表面面形测量结果的计算式如下：

其中，(P

与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本方法基于离散条纹图作为特征，因此上下表面反射后的点可以基于图像处理实现区分，是一种有效的光学元件上下表面测量方法。其次，本方法由相机拍摄单幅图像即可完成计算，与现有所有方法相比都具备显著的检测速度优势。最后，由于本方法基于反射定律进行计算，对大尺寸光学元件双表面面形非常敏感，能够达到微米甚至亚微米级的测量精度。

附图说明

图1是本发明提供的一种光学元件双表面面形测量方法的流程图；

图2是本发明提供的一种光学元件双表面面形测量方法的基础测量装置示意图；

图3是本发明提供的一种光学元件双表面面形测量方法的离散条纹图像的成像原理示意图；

图4是本发明提供的一种光学元件双表面面形测量方法的针对未镀膜HUD测量时上下表面相互干扰示意图；

图5是本发明提供的一种光学元件双表面面形测量方法的基于图像处理分离上下表面条纹图；

图6是本发明提供的一种光学元件双表面面形测量方法的基于路径搜索确定离散条纹行和列的原理示意图；

图7是本发明提供的一种光学元件双表面面形测量方法的基于表面法向量恢复面形原理图；

附图标记：

1、待测HUD反射镜；2、离散条纹图像显示装置；3、双目相机组；4、条纹显示装置上的单个离散条纹；5、上表面反射的单个离散条纹镜像；6、待测HUD反射镜上表面；7、待测HUD反射镜下表面；8、下表面反射的单个离散条纹镜像；9、相机拍摄到的上表面反射的离散条纹图像；10、相机拍摄到的下表面反射的离散条纹图像；11、离散条纹发射的入射光线；12、计算的反射点；13、经过表面反射后的出射光线；14、相机光心；15、离散条纹在相机像素中的坐标；16、表面法向量；17、计算得到的待测表面轮廓。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

本发明提供了一种光学元件双表面面形测量方法，如图1所示，包括：

S1、建立光学元件双表面面形的基础测量装置；

S2、对所述基础测量装置进行标定处理得到光学元件双表面面形的测量装置；

S3、利用所述测量装置获取待测量光学元件的反射条纹数据；

S4、根据所述待测量光学元件的反射条纹数据得到光学元件双表面面形测量结果。

S1具体包括：

S1-1、在待测量光学元件的两侧分别相对设置相机；

S1-2、利用离散条纹图像显示装置分别与相机连接。

S2具体包括：

S2-1、在标准平面镜上设置反光标记点作为反光标记平面镜；

S2-2、利用所述基础测量装置采集反光标记平面镜的多角度反射条纹图像；

S2-3、利用所述多角度反射条纹图像基于双目视觉原理计算反光标记点的坐标；

S2-4、利用所述反光标记点的坐标获取对应面形方程；

S2-5、根据所述面形方程对基础测量装置完成标定处理得到光学元件双表面面形的测量装置。

S2-3的计算式如下：

其中，A

S4具体包括：

S4-1、利用所述待测量光学元件的反射条纹数据进行分离处理得到反射条纹分离数据；

S4-2、获取所述反射条纹分离数据的拓扑关系；

S4-3、根据所述拓扑关系进行相位解算处理得到反射条纹数据的解算结果；

S4-4、利用所述反射条纹数据的解算结果得到光学元件双表面面形测量结果。

S4-2具体包括：

S4-2-1、利用所述基础测量装置的相机对应特征点作为基准点；

S4-2-2、基于所述基准点根据单轮廓方向进行搜索分别得到反射条纹图像的上表面与离散反射条纹的拓扑关系和反射条纹图像的下表面与离散反射条纹的拓扑关系；

S4-2-3、利用所述反射条纹图像的上表面与离散反射条纹的拓扑关系和反射条纹图像的下表面与离散反射条纹的拓扑关系作为反射条纹分离数据的拓扑关系。

S4-4具体包括：

S4-4-1、根据所述反射条纹数据的解算结果基于反射定律得到反射条纹图像的上表面与下表面法线方向向量；

S4-4-2、利用所述上表面与下表面法线方向向量基于数值积分进行面形重建处理得到光学元件双表面面形测量结果。

S4-4-2的计算式如下：

其中，(P

本实施例中，一种光学元件双表面面形测量方法，如图2所示，所述基础测量装置的设置与具体标定过程如下：

包括离散条纹投射装置2，待检测HUD反射镜1，双目相机组3这三部分构成。离散条纹可以使用屏幕显示图案的形式产生，也可以使用背光光源照射印制了离散条纹特征图的玻璃投射的形式产生。双目相机组用于从两个角度拍摄待待测件反射条纹的效果，并计算反射离散条纹的待测件表面点的具体坐标。如图3所示，这一过程严格遵守几何光学反射定律。系统拍摄原理如图4所示，HUD反射镜的上下表面均具有一定的反光特性，待测HUD反射镜上表面6反射的光仅经过一次镜面反射，而待测HUD反射镜下表面7反射的光经过了两次折射和一次镜面反射。上下表面反射的离散条纹图案在等效平面镜中成上表面反射的单个离散条纹镜像5和下表面反射的单个离散条纹镜像8，相机拍摄到这些镜像。为满足高精度测量需求，系统参数按照如下步骤设定：

(1)首先根据待测表面面形特点与精度要求设计光源与相机布局方式。一般要求待测表面采样点密度大于1个/mm，单个相机视野小于200mm，以保证测量精度。并且每个相机视场内，HUD反射镜表面基本被离散条纹图覆盖，然后控制相机倾斜45°拍摄。

(2)基于相机成像公式和待测表面理想面形方程，计算理论上入射光线与待测表面的交点和出射光线。调整离散条纹的位置和密度，使相机采集的反射条纹图中不存在条纹重叠的情况且间隔合适，基于这一密度进行离散条纹图的布局和生成。

(3)采用张氏标定法标定两个相机构成双目立体视觉系统，用条纹显示装置展示一个离散条纹图，在标准平面镜上随机粘贴若干反光标记点。平面镜移动到十五到二十个不同的位置和姿态，保证每个位姿情况下，通过两个相机均能拍摄到对应的平面镜反射下的条纹图像和标记点。基于双目视觉原理即可计算出平面镜所粘贴特征点的坐标，然后以改坐标作为约束，通过最优化计算平面镜和相机之间的位姿关系以及条纹显示装置和双目视觉系统之间的位姿关系。

本实施例中，一种光学元件双表面面形测量方法，所述相位解算的具体流程如下：

(1)在具体测量过程中，首先在条纹显示装置上展示一张经过布局后的离散条纹图，然后用双目视觉系统分别拍摄待测HUD反射镜上反射的条纹图。

(2)对两个相机拍摄的条纹图分别进行条纹分离，根据下表面反射的条纹总在上表面反射的条纹同侧，以及下表面反射的条纹亮度比上表面反射的条纹亮度低这两个原则，识别出两个表面的反射条纹，并且在图像上分离。如图5所示，每个相机拍摄的条纹图将分离成上下表面的两张反射条纹图。

(3)根据分离后的离散条纹图，如图6所示，从基准条纹开始，沿特定的路径搜索，将离散的条纹识别出所处的列和行，为后续的相位解包裹做基础。

(4)对离散条纹的列和行进行编码，在每个离散的条纹中解包裹的相位，对不同的离散条纹根据行列计算条纹级次并解包裹，获得真实相位。

(5)根据真实相位确定待测件表面采样点和相机拍摄图案的对应关系。以条纹显示装置与双目视觉装置之间的位姿为基础，如图7所示，借助反射定律和光线追迹计算各采样点处的法向量，由法向量计算梯度并积分。上下表面均执行(3)至(5)过程，最终得到待测件上下表面各采样点处的高度，插值获得待测件的三维轮廓。

本实施例中，一种光学元件双表面面形测量方法，具体实施应用如下：

(1)搭建测量装置，将离散条纹图显示装置与两个相机安装在在待测的光学元件同侧，使得两个相机均可以通过透明件上表面反射拍摄到条纹图，具体提供离散条纹图的装置可以选择屏幕，也可以选择背光光源和印制了离散条纹特征图的玻璃，具体根据待测表面尺寸决定。

(2)标定测量装置，采用张氏标定法标定双目立体视觉装置，采用针孔相机成像模型计算相应参数。该模型用矩阵形式表示为：

其中，

其中，[u,v]为像素坐标，x

在具体成像过程中，屏幕首先在平面镜中成一虚像，相机等效于直接拍摄这一虚像。根据相机成像矩阵计算平面镜成像模型为：

其中P

用条纹显示装置展示一个离散条纹图，在标准平面镜上随机粘贴若干反光标记点，平面镜移动多角度，并通过相机拍摄对应的平面镜反射下的条纹图像，基于双目视觉原理即可计算出平面镜所粘贴特征点的坐标，进而可计算出对应平面镜位置下的面形方程

其中A

(3)分离上下表面反射条纹信息，上表面反射特征亮度往往会大于下表面反射特征亮度，且位于上表面反射特征的同侧，基于灰度信息和位置信息分离上下表面反射特征。

(4)分别计算上下表面反射条纹之间的拓扑关系，用条纹显示装置展示一个带特征点的条纹图。如图5所示，以两个相机拍摄到的特征点为基准，在离散条纹图中从该点沿着单轮廓走向方向搜索得到第二个特征点，然后基于这两个特征点连线更新搜索方向，基于新的搜索方向得到第三个特征点，以此类推，从而搜索得到一列点，此时相当于得到了单条轮廓数据，接下来以这一列点为基准进行横向搜索，得到相邻轮廓上若干特征点之间的拓扑关系。重复上述步骤多次，直到所有点搜索完毕，确定上表离散反射条纹之间的拓扑关系和下表面离散反射条纹之间的拓扑关系。

(5)相位解算，基于(4)计算的拓扑关系进行确定各相位峰值的大致位置和级次，以此来帮助相位解包裹的展开，获取经过光学元件上下表面反射后，相机像素和屏幕像素的对应关系。

(6)计算反射镜上下表面的梯度，结合(5)得到的对应关系，根据反射定律分别计算上下表面法线方向向量，记为(P

进行面形重建，完成光学元件上下表面的三维轮廓测量。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。