CN103499433B - 一种用于f‑θ光学系统畸变的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种f‑θ光学系统的畸变测试装置，测试装置包括依次设置的转台、转台上的导轨、被标定的光学系统物方的目标发生器、被标定光学系统的像方的像分析器。本发明的一种用于f‑θ光学系统畸变的标定装置及方法，可同时实现不同物距目标的提供。

Description

一种用于f-θ光学系统畸变的标定方法

技术领域

本发明属于光学测试领域，涉及一种用于标定f-θ光学系统畸变的装置及方法，尤其涉及一种用于f-θ结构形式的光学相机在与探测器对接前光学系统畸变的标定。

背景技术

f-θ光学系统俗称鱼眼镜头，其视场可达180度以上，其在摄影方面的特殊应用已是众所周知，然而，鱼眼镜头的用途远不止此。在天文、气象、电影、测量、管道检测、防火监视、医疗内窥检查乃至公安、边防等方面，它们也大有用武之地。在当今信息化时代，鱼眼镜头又在导航、定位、遥感、光通信、机器视觉、微小智能系统等领域得到成功应用；而在国防和军事上，它们更是占有重要而不可替代的地位，但鱼眼镜头的设计比常规系统困难得多，鱼眼相机一次可拍摄约180度视场范围的景物，同普通光学系统的相机相比，鱼眼照片包含了更多的信息。因此，鱼眼相机在视觉导航和近距离大视场物体识别与定位中有着广泛应用。但是，由于鱼眼镜头的特殊性导致鱼眼相机有着非常严重的图像变形，鱼眼镜头的成像平面不是平面，而是近似于球状的曲面，因此，鱼眼镜头成像不是理想的透视投影。高精度标定鱼眼镜头参数成为鱼眼视觉系统中关键技术之一，其参数中有一项最重要的就是光学系统的畸变。虽然畸变并不影响图像清晰度，但是光学系统有畸变却直接影响成像的几何位置精度，视场越大畸变越大。为了得到准确的几何位置图像，虽然光学系统在设计时对于不同视场的畸变尽可能进行校正，但是由于加工和装配必然会产生误差，导致最终成型的光学系统与设计结果存在较大偏差，这就要求需要对光学系统的畸变量进行精确测量，设法找出光学系统的实际畸变误差分布，必要时用数学的方法予以修正，以达到提高精度的目的。目前尚没有专门用于f-θ光学系统畸变标定的装置或方法，偶见报道使 用专门制作的靶标进行定性验证，此方法弊端较多：不同类型的f-θ光学系统需设计不同的靶标，无法实现通用性；即使同一个f-θ光学系统在不同物距条件下，靶标大小也不一样；靶标制作比较复杂；测量精度低，受到靶标制作和标定的影响，最终畸变标定精度在百分之一左右；靶标是平面图形，无法提供真实的曲面效果。

发明内容

为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提出了一种用于f-θ光学系统畸变的标定装置及方法，可同时实现不同物距目标的提供。

本发明的技术解决方案是：一种f-θ光学系统的畸变测试装置，其特征在于：所述测试装置包括依次设置的转台、转台上的导轨、被标定的光学系统物方的目标发生器、被标定光学系统的像方的像分析器。

上述目标发生器包括依次设置在导轨上的光源、准直镜、滤光片、聚光镜、星孔板以及目标微缩镜，所述光源、准直镜、滤光片、聚光镜、星孔板以及目标微缩镜设置在同一光轴上。

上述像分析器包括成像物镜、探测器以及三维移动支架；所述成像物镜根据一定的成像关系与探测器连接，所述成像物镜和探测器设置在三维维移动支架上。

上述测试装置还包括计算单元，所述计算单元包括计算机，所述计算机包括控制转台、导轨、三维移动支架运动的自动控制单元以及计算畸变的计算处理单元。

上述像分析器和计算机设置在平台上，所述像分析器的前端设置用于固定f-θ光学系统的专用工装。

上述转台和导轨是手动形式或者电动控制。

上述目标发生器外部设置黑箱，所述黑箱是进行发黑处理的金属箱体或者黑布罩。

一种f-θ光学系统的畸变测试方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)将目标发生器固定在长导轨载物台上，通过长导轨的移动，给出不同距离的目标；

2)将长导轨安装在转台上，将f-θ光学系统装在专用工装上；长导轨前后移动，使目标位于f-θ光学系统的标准工作距离处，目标经f-θ光学系统成像后由像分析器接收；

3)光源发出的光经聚光镜后变为准直光出射，经滤光片转换为所需要的波长后，再次经过聚光镜照亮星孔板，被照亮的星孔板经目标微缩镜后缩小成像，作为最终目标提供给被测f-θ光学系统；

4)最终目标像经成像物镜后被探测器接收；

5)在计算机中设置相应的参数，自动控制软件控制转台转动标准角度，同时联动控制三维移动支架在像面垂直被测光学系统平移，此时会在像分析器的探测器上显示目标经f-θ光学系统所成的像，同时采集转台转动的角度、三维移动支架移动的长度、目标图像；

6)自动控制软件控制转台在f-θ光学系统视场内转动，每转过一个视场角后，完成控制采集工作，得到一系列的转台角度ω_i、三维移动支架的长度y_i和目标图像；

7)读取目标图像中星点像的位置信息l_I，再根据畸变算法计算f-θ光学系统不同视场的畸变。

步骤7)中畸变算法计算方法是：

δy＝y_i-f·ω_i (1)

δy是绝对畸变，y_i是三维移动支架的移动量，f为最佳计算焦距，ω_i是转台转过的角度，l_I是软件判读出的目标星点像在探测器上的坐标位置。

本发明的优点是：

1)可同时实现不同物距目标的提供；

2)通过转台带动目标模拟器转动，可以实现具有曲面效果目标的提供；

3)目标模拟器中设计有位置安插光学滤光片和减光板，可以调节目标的发射光谱和信号强弱以满足不同光学系统的标定需要；

4)使用该装置可以实现不同物距、不同工作谱段光学系统的标定，具有通用性，工作效率高；

5)测量精度高，相对畸变标定精度可以达到万分之一。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

具体实施方式

本发明是一种f-θ光学系统的畸变测试装置，包括转台1、长导轨2、由光源4、准直镜5、滤光片6、聚光镜7、星孔板8、目标微缩镜9组成的目标发生器、专用工装11、由成像物镜12、探测器13、三维移动支架14组成的像分析器、计算机15、平台16组成，计算机15包括自动控制软件、计算处理软件；目标发生器设置在被标定的光学系统物方，像分析器设置在被标定光学系统的像方，运动部件与计算机相连，由自动控制软件控制其运动。

转台1的作用是带动目标发生器转动，为f-θ光学系统提供轴外视场的目标，可以是电控或者手动形式的、能够给出精密转角的仪器；长导轨2的作用是带动目标发生器直线运动，为f-θ光学系统提供有限工作距的目标，可以是手动或者电控的，也可以是其它形式的直线导轨或平移台等；黑箱3的作用是将目标发生器的光学元件放置在内，防止外界光源的干扰，影响测试结果，可以是金属箱体进行发黑处理，也可以是用黑布罩起来的；

光源4可以是卤素灯等一切能发光的物体，能够照亮目标分划板即可，只是光源的亮度及光谱范围不同而已，要求尺寸尽可能小；准直镜5的作用是将光源4能量进行准直；滤光片6的作用是根据被测f-θ光学系统的需要，对光源4进行滤波，提供给f-θ光学系统需要的光谱范围；聚光镜7的作用是再次将光源进行会聚；星孔板8是为了给待测试的f-θ光学系统提供成像目标；目标微缩镜9的作用是将星孔板8进行缩放，这样可以将星孔板8尺寸加大，省去小星孔难加 工的难题，并且可以收集到更多的能量；专用工装11的作用是支撑被测光学系统，并便于光学系统的调整；

像分析器的作用是将经过被测光学系统所成的目标像进行接收；采用探测器13是为了能够多人实时观看，可以对任意谱段的光学系统进行测试，并且可以采集图像用于后续的结果计算和处理；三维移动支架14可以带动成像物镜和探测器沿被测光学系统光轴前后运动找到像面，并可以带动成像物镜和探测器垂直被测光学系统光轴左右运动，采集轴外视场目标像的信息，为了提高测试精度，左右方向的运动要求能够给出精度比较高的长度信息，可以是带数显或光栅尺的精密移动平台，也可以是采用激光测距法给出的长度运动信息。

自动控制软件可以控制转台1、长导轨2、三维移动支架14按照需要进行运动；计算处理软件是结合被测光学系统设计实际计算畸变的一种算法；光学平台16的作用是放置其他设备，便于调试测量，可以是任何平台、支架，只要能够稳定可靠的承载其他设备即可。

本发明的具体工作过程及原理：

目标发生器的工作原理：光源4发出的光经聚光镜5后变为准直光出射，经滤光片6转换为所需要的波长后，再次经过聚光镜7照亮星孔板8，被照亮的星孔板8经目标微缩镜9后缩小成像，作为最终目标提供给被测f-θ光学系统；

将目标发生器固定在长导轨2载物台上，通过长导轨2的移动，可以给出不同距离的目标；将长导轨2安装在转台1上，再将f-θ光学系统装在专用工装11上；长导轨2前后移动，使目标位于f-θ光学系统的标准工作距离处，目标经f-θ光学系统成像后由像分析器接收；

像分析器的工作原理：目标像经成像物镜12进行成像后，由探测器13接收，完成最终图像的采集；调整目标发生器光轴、f-θ光学系统光轴和像分析器视轴位于一条直线上，沿f-θ光学系统光轴方向调节像分析器三维移动支架14，使其位于最佳像面位置，开始测试；

在计算机15中设置相应的参数，自动控制软件控制转台1转动标准角度，同时联动控制三维移动支架14在像面垂直被测光学系统平移，此时会在像分析 器的探测器13上显示目标经f-θ光学系统所成的像，同时采集转台1转动的角度、三维移动支架15移动的长度、目标图像；

自动控制软件控制转台1在f-θ光学系统视场内转动，每转过一个视场角后，完成控制采集工作，这样就得到一系列的转台角度ω_i、三维移动支架的长度y_i和目标图像；

利用计算处理软件，读取目标图像中星点像的位置信息lI，再计算f-θ光学系统不同视场的畸变；

畸变算法是依据畸变产生原理，在光学系统像面实测不同视场像高和对应的视场角，采用加权最小二乘法对全视场焦距进行拟合得到最佳焦距。然后由最佳焦距与转台转动的标准角度计算出理论像高，计算理论像高与实测像高之差即为绝对畸变δy。

δy＝y_i-f·ω_i (1)

其中f即为最佳计算焦距，计算公式如下：

δy是绝对畸变，y_i是三维移动支架的移动量，f为最佳计算焦距，ω_i是转台转过的角度，l_I是软件判读出的目标星点像在探测器上的坐标位置。

Claims (2)

1.一种f-θ光学系统的畸变测试方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)将目标发生器固定在长导轨载物台上，通过长导轨的移动，给出不同距离的目标；

2)将长导轨安装在转台上，将f-θ光学系统装在专用工装上；长导轨前后移动，使目标位于f-θ光学系统的标准工作距离处；

3)光源发出的光经聚光镜后变为准直光出射，经滤光片转换为所需要的波长后，再次经过聚光镜照亮星孔板，被照亮的星孔板经目标微缩镜后缩小成像，作为最终目标提供给被测f-θ光学系统；

4)调整目标发生器光轴、f-θ光学系统光轴和像分析器视轴位于一条直线上，沿f-θ光学系统光轴方向调节像分析器三维移动支架，使其位于最佳像面位置；

5)在计算机中设置相应的参数，自动控制软件控制转台转动标准角度，同时联动控制三维移动支架在像面垂直被测光学系统平移，此时会在像分析器的探测器上显示目标经f-θ光学系统所成的像，同时采集转台转动的角度、三维移动支架移动的长度、目标图像；

6)自动控制软件控制转台在f-θ光学系统视场内转动，每转过一个视场角后，完成控制采集工作，得到一系列的转台角度ω_i、三维移动支架的长度y_i和目标图像；

7)读取目标图像中星点像的位置信息l_I，再根据畸变算法计算f-θ光学系统不同视场的畸变。

2.根据权利要求1所述的f-θ光学系统的畸变测试方法，其特征在于：所述步骤7)中畸变算法计算方法是：

δy＝y_i-f·ω_i (1)

$f=\frac{\mathrm{\Σ}(y_i+l_I)\·{\mathrm{\ω}}_i}{{\mathrm{\Σ}}^2{\mathrm{\ω}}_i}---\left(2\right)$

δy是绝对畸变，y_i是三维移动支架的移动量，f为最佳计算焦距，ω_i是转台转过的角度，l_I是软件判读出的目标星点像在探测器上的坐标位置。