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逆向成像法畸变测试技术研究

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  • 发布时间:2014-11-09
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轴外点成像 ,无论是宽光束还是细光束都有像差存在,即使只有主光线通过光学系统,由于球差的影响,它仍不能与理想的近轴光-致,因此主光线与高斯像面交点的高度不等于理想像高,这个差别就是系统的畸变[]。畸变说明物象之间的形状对应关系,畸变虽然不影响成像的清晰度,但却使像对物产生失真[2]。畸变通常分为枕形畸变、桶形畸变和两种类型畸变成份的综合3]。

以往常用 的几种畸变测量方法有 :精密测长法 ]、转角法[5]、机器视觉标定法等。精密测长法和转角法均要求 :目标网格板的 中心必须与被测物镜的光轴重合且垂直 ;物镜的入射光瞳 中心必须与精密转台的旋转主轴的轴线重合 ]。但由于加工和装调等 的误差 ,将不容易达到上述要求 j。

机器视觉标定法采用 阵列靶板 ,通 过迭代计算 和优化处理,求 出内方位元素 (包括 畸变 系数 )和外方位元素。这种方法在经典凶成像模型下,通收稿 日期 :2012-11-20; 修 回 日期 :2012-12-19作者简介 :郭羽(1981-),男 ,黑龙江哈尔滨人 ,硕士,工程师 ,主要从事光学计量工作 。

E-mail:xingmamaxing### 126.corn应用光学 2013,34(2) 郭 羽 ,等:逆向成像法畸变测试技术研究 ·305 。

过简单的设备能够标定 出摄像机在世 界坐标 系、摄像机坐标系和像面坐标 系之间 的转换关 系 ,是对摄像机整体性能(包括光学镜头、摄像机支座、探测接收系统等)的标定 。

本文在转 角法的基础上 ,采用逆 向成像原理针对光学系统进行畸变测量 ,达到了 0.5×1O 的测量精度 。

1 系统构成与工作机制畸变在数值上通常以理想像高 Y 和主光线与理想像面相交的实际像高 Y 之差 表示 :- -Yo- (f --厂o)tanco (1)式中:/和厂 分别为不同视场的焦距和中心视场的焦距 ;∞为视城。

在光学设计中,常用绝对畸变 相对于理想像高Y 的百分比q 表示相对畸变:q /yo×100 -[(/- )tanw]/F( )tan叫]×100%-[(f - )/,o]×i00% (2)式中:/和, 分别为不同视场的焦距和中心视场的焦距 ;叫为视城。

由以上公式可见,求塞变的关键是求出不同视场的焦距值。而利用转角法可以测焦距,但其前提是需要-个高精度的测角机构。本文中的装置从这个基本点着手,采用逆向成像的方法,把测量使用 的靶标放 到被测光学 系统的焦面上 ,靶标经过被测光学 系统出射平行光束 ,采用 望远系统进行观察,再用 CCD系统对 望远 系统 的焦面进行拍摄记录,由数据采集卡采集数据传人计算机进行处理 。

该系统总体结构主要 由以下几部分组成:1)由LED阵列照明的刻度标 尺组成 的 目标信号系统 ;2)由望远 镜和 CCD组 成的测量接收系统 ;3)由精密转台组成的视城测量机构 ;4)由图像采集卡、采集角度数据的数据采集卡 、计算机 和显示器组成 的数据采集处理系统 。

将被测光学系统 的入瞳放 置在精密转 台的转轴上 ,在被测光学系统的像 面上放置被 LED 阵列照亮的刻度标尺,望远镜接收到图像,传输给计算机;精密转台旋转的角度数据也传输给计算机,由数据处理系统计算出结果。再通过多次旋转精密转台,计算出各个视场的畸变值。计算机把各个视场的畸变值拟合成 畸变曲线 ,就 完成 了被测 光学系统的畸变测试。

卢 ㈣/ 7、、弋/ --/薮据采集与处理系统LED点阵精密转台----f /、几 图 1 畸变测试仪光路 图Fig.1 Optical path graph of distortion tester系统中 LED点阵为绿色 LED,精密转台的精度为秒级 ,望远 系统 的焦距为 200 mm,CCD靶面尺寸约为 0.85 cm。

光学系统的人瞳必须放置在精密转 台的转轴上8]。其判断方法 由 CCD采 集到 的图像进行 判断,判断准则有 2条 :1)转动精密转 台到正负最 大视场时,左右视场应对称 ,即左右视场都能转到相同的角度。

2)左右视场 的边缘 图像应都 清晰,即将被测系统转到视城的正负极限值时 ,2个位置的图像边缘应都清晰可见 。

2 实验结果选择-个焦距名义值为 15.6 mm 的镜头进行5次焦距测量,得到表 1测量结果。

表 1 焦距测量结果Table 1 M easurement results of focal length mm测量次数 焦距测量结果 与焦距平均值的差值14焦距 平均值由焦距测 量结果数据可知 ,焦距测量精 度为±2 um 。

选择-个线视场 为±15 mm 的镜 头进行了 5次畸变的测量 ,得到表 2测量结果。

O O O O O 0 O O O 0 O O O O 0 ≈5 5 8 8 7 8 8 8 8 8 . 306 . 应用光学 2013,34(2) 郭 羽 ,等 :逆 向成像法畸变测试技术研究由所训头相对畸变测量结果数据可 知,相 10-;视场测量精度达±1”。

3 结论该装置 与传 统方 法不 同,采用 逆 向成像 法。

传统方法-般都是使用-个焦距 为被测光学 系统焦距(3~5)倍 的平行光 管,平行光管焦面上放置各种靶标,用于检测光学系统的各种光学参数本文是在被 测光学系统的焦面上放置标尺 ,再 由望远系统进行观察,CCD拍摄到经过放大后的标尺像 ,由此就 提高了瞄准与检测 的精度 。这种方法还可以推广到其他光学系统光学参数的检测之中,比如光学传函与焦距等。

使用这种方法要求将被测光学系统的入瞳位置放置在精密转台的转轴上g]。如果未将被测光学系统的入瞳放置在转 台的转轴上 ,会 出现无法达到被测光 学系统的视场最大设计值 ,或 者-个方向超出视场最大设计值,-个方向不足视场最大设计值的现象 。

该装置焦距测量范围为(4~100)mm,视城测量范围为 ±70。,线视 场测量 范围为 ±60 mm。

通过对多组 实验数据的处理和分析 ,得 出焦距测量精度达 ±2 m;相对 畸变测 量精度达 ±5.0×

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