基于双目视觉的镜面绝对面型测量原理及其应用研究

The free-form mirrors widely used in the advanced astronomic telescope are usually rotational asymmetrical or highly aspheric, therefore their surface shapes are hard to measure by the traditional methods. The phase measuring deflection (PMD) technology is suitable for the free-form testing due to its flexibility, efficiency and accuracy, which is based on the deformation detection of the reflection image of the standard fringes by the test mirror. The traditional fringe reflection method, however, need to know the CAD data of the object. It belongs to the relative detect. In order to match the point of the measured surfaces and each point of CAD, we need to install the equipment carefully. For this concept, the subject will base on the method of PMD technology and binocular vision technology, raise the method of absolute shape measurement based on binocular vision mirror. Design calibration board, proposed a ways for test the transformation matrix of screen coordinates and two each detector coordinate system with world coordinate system. Propose a multi-frequency heterodyne phase unwrapping algorithms to achieve high-precision phase unwrapped. Research a variety of surface shape recovery gradient-based algorithm to analyze the pros and cons of each algorithm. These theories and techniques of PMD will be studied by measuring different types of mirror, and the demands on the accuracy, efficiency and flexibility in the astronomic optics can be satisfied.

先进天文望远镜中广泛使用的自由曲面镜面具有非旋转对称或高非球面度的特点，难以采用传统检测手段测量面形。相位偏折术是一种通过探测标准条纹经过被测镜面反射后的变形量进行面形检测的技术，因兼具灵活性、测量效率和测量精度，可用于自由曲面的测量。然而传统的条纹反射法需要知道被测件的CAD数据，属于相对检测。为了实现被测面上各点与CAD数据各个点的匹配，需要对测试设备的装调提出严格要求。本课题将以相位偏折术为基础，引入双目视觉的概念，提出基于双目视觉的镜面绝对面形测量方法；设计标定板，提出一种将测试显示屏坐标系和两个探测器各自坐标系统一到被测件所在的世界坐标系中的方法；提出一种多频外差的相位解包算法，实现相位的高精度展开；研究多种基于梯度的面形恢复算法，分析各自算法的利弊。基于以上方案，通过对不同面形镜面的测量研究，完善基于双目视觉的相位偏折术理论与技术，以满足天文光学镜面检测的灵活性、高精度和高效率

光学镜面的面型精度直接影响了光学系统的性能。随着光学设计、制造技术的提高和实际需求增加，在光学系统中越来越广泛地使用到具有高非球面度或非旋转对称特点的自由曲面，而传统的光学测试技术难以测量这种复杂的面型，所以自由曲面的测量技术面临瓶颈，迫切的需要一种兼具灵活性、精度与效率的光学面型检测手段。条纹反射法以其高精度、高效率和非接触的优点，在自由曲面的三维形貌测量上具有研究的意义和价值，而传统的条纹反射法需要知道待测件的面型数据，且需要对测试设备的装调有严格的要求。本课题以条纹反射法为基础，引入双目视觉的概念，提出基于双目视觉的镜面绝对面型测量方法，实现对自由曲面的非接触测量。.首先对系统标定展开了分析讨论，研究了张正友平面标定法，同时标定该相机的内参和外参，但是相机内参在焦距固定的情况下，与待测件和环境无关，针对外参的标定，研究了直角三点标定法，并分析了两种方法的标定结果。提出了一种显示器的标定方法，采用一件具有规则反射面的标定板标定显示器，通过矩阵转换实现了测试显示器坐标系和两个相机各自坐标系在标定板所在的世界坐标系下的统一。并分析了标定板精度对标定结果的影响。然后研究了四种全局相位解包技术，对比分析了其在具有随机噪声和离焦误差情况下对折叠相位的求解精度。之后研究了基于双目视觉的梯度获取算法，实现了梯度数据的绝对测量。研究了基于梯度数据的泽尼克多项式拟合法和傅里叶变换法的面型重建技术，并对两种算法进行仿真分析。最后构建了基于双目视觉的镜面绝对面型测量的数学模型，验证了该方法的可行性，并分析了该方法中匹配数据的量化大小对面型测量结果的影响。搭建了基于双目视觉的镜面绝对面型测量系统，对一件标准抛物面反射镜和汽车后视镜进行实际测量，检测精度可以达到微米量级。