一种微透镜阵列和探测器耦合位置关系的标定方法技术

本发明专利技术是一种微透镜阵列和探测器耦合位置关系的标定方法。本方法包括：将微透镜阵列和探测器耦合后的器件与前置光学系统结合形成光场成像系统；基于中心投影原理，以主镜中心为投影中心构建微透镜中心与探测器平面上点pi,j的映射方程；利用平行光源确定主镜与微透镜阵列之间大致距离；利用均匀面光源对光场成像系统进行定标，确定pi,j在探测器平面上的实际坐标；确定L1的精确值；利用优化算法估计微透镜阵列与探测器之间的耦合误差角ω、κ和d。本发明专利技术只需大致确定光场成像系统中微透镜阵列与前置光学系统之间的位置关系，就可以实现微透镜阵列和探测器之间的间距以及旋转角等参数，应用简单，利于实际操作。

【技术实现步骤摘要】
一种微透镜阵列和探测器耦合位置关系的标定方法
本专利技术涉及光学成像技术，属于仪器参数标定
，具体涉及一种微透镜阵列和探测器耦合位置关系的标定方法。
技术介绍
基于光场成像技术的光场相机(PlenopticCamera)由前置光学系统和后置光学系统组成，其后置光学系统由微透镜阵列和探测器耦合而成，两者距离为微透镜的焦距。此外，Shack-Hartmann波前传感器由微透镜阵列和探测器耦合而成，两者距离也为微透镜的焦距。光场相机中提取的光场信息的准确性和利用Shack-Hartmann进行波前测量的精度都受到微透镜阵列和探测器耦合位置关系的影响。因此标定微透镜阵列和探测器之间的距离和配准误差具有重要意义。文献[1]:J.Vargas,andetal.,“CalibrationofaShack-Hartmannwavefrontsensorasanorthographiccamera,”OpticsLetters,35(11),1762-1764,2010，将Shack-Hartmann传感器作为正交照相机进行标定，采用平行光直接入射到微透镜阵列上，改变入射光角度，基于正交投影公式推导出相应的单应性矩阵和旋转矩阵，进而计算出微透镜阵列与探测器之间的旋转矩阵及偏转角度。在已知入射光偏角的情况下推导出微透镜阵列与探测器之间的距离。该方法需要确定不同角度平行光之间的夹角，且存在x与y方向两个夹角，不利于实际操作及计算，且仿真结果显示，该方法对偏转角度计算结果的稳定性差，精度低。文献[2]：C.M.Thomason,T.F.Fahringer,andB.S.Thurow,“CalibrationofaMicrolensArrayforaPlenopticCamera”,52ndAerospaceScienceMetting,2014,AmericanInstituteofAeronauticsandAstronautics，将实际测量的主镜中心经微透镜后在探测器上的实际位置，与利用公式和估计的位置参数推导的中心位置对比，采用数值估计逼近法得出光场相机中的微透镜阵列与探测器之间的偏转角度等相关参数。该方法未对微透镜阵列和探测器之间的间距进行标定，默认其为理想位置关系，并利用该数值代入公式估计系统其它参数，因此结果稳定性差，精度不高。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于：提供一种适用于标定微透镜阵列和探测器之间的耦合位置误差的方法，耦合位置误差包括微透镜阵列与探测器之间的耦合距离误差，以及耦合倾角误差。本专利技术将微透镜阵列和探测器耦合后的器件与前置光学系统结合，使微透镜阵列位于前置光学系统的成像面上，形成一个光场成像系统。基于微透镜阵列所在平面建立世界坐标系O'-UVW，O'点为光轴与微透镜阵列所在平面的交点，UV平面平行于微透镜阵列所在平面，取微透镜中心距离O'点最近的微透镜作为中心微透镜，中心微透镜的中心在平面坐标系O'-UV的坐标为(u0,v0)。基于S点为原点建立相机坐标系S-XYZ，XY平面平行于探测器所在平面，Z轴为过S点的系统光轴，且与探测器所在平面相交于C点。取探测器某一顶点c为原点，建立探测器平面坐标系c-xy；设微透镜阵列具有N×M个微透镜。本专利技术提出的一种微透镜阵列和探测器耦合位置关系的标定方法，包括以下几个步骤：步骤一：标记微透镜阵列到前置光学系统等效的主镜ML之间距离为L1；设U、V、W轴与X、Y、Z之间的旋转角分别为、ω、κ，设微透镜阵列和探测器之间待标定的距离为d。步骤二：对于光场成像系统主镜ML的中心点S(过光轴)、任意微透镜中心Pi,j以及主镜经该透镜在探测器上所成像的中心pi,j在一条直线上。基于中心投影原理，建立任意pi,j与Pi,j投影映射方程，该映射方程包括主镜位置、微透镜阵列与CCD探测之间的耦合距离和耦合旋转角度等参数。步骤三：利用平行光源确定主镜ML与微透镜阵列之间的大致距离，L1在范围[fL-σ,fL+σ]内；其中，fL为主镜ML的等效焦距，σ为qF#，F#为主镜的F数，等于主镜焦距fL除以主镜通光口径D，q为相邻微透镜的间距。步骤四：利用均匀面光源(或漫反射白板)对整个光场成像系统进行定标，确定pi,j在探测器平面上的实际坐标。步骤五：根据步骤二的映射方程确定pi,j在探测器平面的理论坐标，利用[fL-σ,fL+σ]作为L1的约束，利用理论坐标和实际坐标建立目标函数，基于优化算法确定主镜到微透镜阵列之间间距L1的精确值。步骤六：利用优化算法和标定结果估计微透镜阵列与探测器之间的耦合误差角、ω、κ和间距d。本专利技术的优点与积极效果在于：(1)本专利技术只需大致确定光场成像系统中微透镜阵列与前置光学系统之间的位置关系，就可以实现微透镜阵列和探测器之间的间距以及旋转角等参数的精确标定，应用简单，利于实际操作；(2)本专利技术提出的方法，同样适用于针孔阵列和探测器之间的耦合位置关系标定。附图说明图1为本专利技术的微透镜阵列和探测器耦合位置关系的标定方法的流程示意图；图2为本专利技术建立的三维坐标关系的示意图；图3为标定质心位置的示意图；(a)为标定系统，(b)为微透镜后子图像及主镜对应的中心。具体实施方式下面将结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术是一种针对微透镜阵列和探测器耦合器件进行耦合位置关系参数标定的方法，流程如图1所示，包括以下几个步骤：步骤一：将微透镜阵列和探测器耦合后的器件与前置光学系统结合形成光场成像系统。将微透镜阵列和探测器耦合，两者理想间距为微透镜的焦距fm，实际距离为d，为待标定参量。耦合后的微透镜阵列所在平面与探测器所在平面存在倾角和斜角，即下面的耦合旋转误差角、ω、κ，也属于待标定参量。耦合后的器件与前置光学系统结合，使微透镜阵列位于前置光学系统的成像面上，形成一个光场成像系统。在该系统中，前置光学系统可以等效为一个主镜，标记为ML，该主镜ML与探测器关于微透镜共轭，且主镜与微透镜阵列之间距离为L1，已知微透镜阵列呈矩形排布，具有N×M个微透镜，且微透镜行列方向的间距均为q。N、M均为正整数。步骤二：建立微透镜阵列所在平面上点Pi,j与探测器上点pi,j的映射关系。由于等效主镜ML与探测器关于微透镜共轭，因此主镜ML的中心点S、第i行第j列的微透镜中心Pi,j以及主镜经该透镜在探测器上所成像的中心pi,j在一条直线上。即，点Pi,j与点pi,j关于S点可视为是互为物像关系。本专利技术提出基于等效主镜中心点S为投影中心构建微透镜阵列和探测器之间配准关系的映射方程。如图2所示，基于微透镜所在平面建立世界坐标系O'-UVW，O'点为光轴与微透镜阵列所在平面的交点，U轴和V轴分别平行微透镜的行和列，W轴过O'点垂直于UV平面，指向探测器为正向。以S点为原点建立相机坐标系S-XYZ，XY平面平行于探测器所在平面，Z轴为过S点的系统光轴，且与探测器所在平面相交于C点。为了便于计算，对于正方形排布的微透镜阵列，X轴与Y轴分别平行于探测器像元的行列排列方向。取探测器某一顶点c为原点，建立探测器平面坐标系c-xy，x轴与y轴分别平行于探测器像元的行列排列方向。取微透镜中心距离O'点最近的微透镜作为中心微透镜，中心微透镜的中心在平面坐标系O'-UV的坐标为(u本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微透镜阵列和探测器耦合位置关系的标定方法，将微透镜阵列和探测器耦合后的器件与前置光学系统结合，使微透镜阵列位于前置光学系统的成像面上，形成一个光场成像系统；基于微透镜所在平面建立世界坐标系O'‑UVW，O'点为光轴与微透镜阵列所在平面的交点，UV平面平行于微透镜阵列所在平面，取微透镜中心距离O'点最近的微透镜作为中心微透镜，中心微透镜的中心在平面坐标系O'‑UV的坐标为(u0,v0)；基于S点为原点建立相机坐标系S‑XYZ，XY平面平行于探测器所在平面，Z轴为过S点的系统光轴，且与探测器所在平面相交于C点；取探测器某一顶点c为原点，建立探测器平面坐标系c‑xy；设微透镜阵列具有N×M个微透镜；其特征在于，包括如下步骤：步骤一：标记微透镜阵列到前置光学系统等效的主镜ML之间距离为L1；设U、V、W轴与X、Y、Z之间的旋转角分别为、ω、κ，设微透镜阵列和探测器之间的耦合间距为d；步骤二：主镜ML的中心点S、任意微透镜中心Pi,j以及主镜经该透镜在探测器所成像的中心pi,j在一条直线上，基于中心投影原理，建立pi,j与Pi,j的映射方程；步骤三：利用平行光源确定主镜ML与微透镜阵列之间大致距离，L1在范围[fL‑σ,fL+σ]内；其中，fL为主镜ML的等效焦距，σ为qF#，F#为主镜的F数，等于主镜焦距fL除以主镜通光口径D，q为微透镜之间的间距；步骤四：利用均匀面光源对光场成像系统进行定标，确定pi,j在探测器平面上的实际坐标；步骤五：根据步骤二的映射方程确定pi,j在探测器平面的理论坐标，利用[fL‑σ,fL+σ]作为L1的约束，利用理论坐标和实际坐标建立目标函数，确定L1的精确值；步骤六：根据L1的精确值，利用优化算法估计微透镜阵列与探测器之间的耦合误差角、ω、κ和d。...

【技术特征摘要】
1.一种微透镜阵列和探测器耦合位置关系的标定方法，将微透镜阵列和探测器耦合后的器件与前置光学系统结合，使微透镜阵列位于前置光学系统的成像面上，形成一个光场成像系统；基于微透镜所在平面建立世界坐标系O'-UVW，O'点为光轴与微透镜阵列所在平面的交点，UV平面平行于微透镜阵列所在平面，取微透镜中心距离O'点最近的微透镜作为中心微透镜，中心微透镜的中心在平面坐标系O'-UV的坐标为(u0,v0)，对微透镜阵列中的微透镜进行标号，(i,j)为微透镜的标号，将中心微透镜标记为(0,0)，依据坐标轴方向来设置微透镜标号的正负；基于S点为原点建立相机坐标系S-XYZ，XY平面平行于探测器所在平面，Z轴为过S点的系统光轴，且与探测器所在平面相交于C点；取探测器某一顶点c为原点，建立探测器平面坐标系c-xy；设微透镜阵列具有N×M个微透镜；其特征在于，包括如下步骤：步骤一：标记微透镜阵列到前置光学系统等效的主镜ML之间距离为L1；设U、V、W轴与X、Y、Z之间的旋转角分别为ω、κ，设微透镜阵列和探测器之间的耦合间距为d；步骤二：主镜ML的中心点S、任意微透镜中心Pi,j以及主镜经该透镜在探测器所成像的中心pi,j在一条直线上，基于中心投影原理，建立pi,j与Pi,j的映射方程；步骤三：利用平行光源确定主镜ML与微透镜阵列之间大致距离，L1在范围[fL-σ,fL+σ]内；其中，fL为主镜ML的等效焦距，σ为qF#，F#为主镜的F数，等于主镜焦距fL除以主镜通光口径D，q为微透镜之间的间距；步骤四：利用均匀面光源对光场成像系统进行定标，确定pi,j在探测器平面上的实际坐标；步骤五：根据步骤二的映射方程确定pi,j在探测器平面的理论坐标，利用[fL-σ,fL+σ]作为L1的约束，利用理论坐标和实际坐标建立目标函数，确定L1的精确值；步骤六：根据L1的精确值，利用优化算法估计微透镜阵列与探测器之间的耦合误差角ω、κ和d；具体采用非线性优化算法根据目标函数Γ3估计出d、ω、κ、u0和v0：目标函数其中，两个距离(xi,j,yi,j)和(x'i,j,y'i,j)分别为pi,j在探测器平面的实际坐标和理论坐标，(xi-1,j-1,yi-1,j-1)和(x'i-1,j-1,y'i-1,j-1)分别为pi-1,j-1在探测器平面的实际坐标和理论坐标，pi-1,j-1为主镜经标号为(i-1,j-1)的微透镜在探测器所成像的中心。2.根据权利要求1所述的一种微透镜阵列和探测器耦合位置关系的标定方法，其特征在于，所述的步骤二中，用旋转矩阵R和平移...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏丽娟，袁艳，周建，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11