自由曲面棱镜及其形状的确定方法及其光学成像方法技术

本发明专利技术提供一种自由曲面棱镜及其形状的确定方法及其光学成像方法，该系统包括位于底面的入射光平面、位于左侧的第一自由光学曲面、位于右侧的第二自由光学曲面；所述第一自由光学曲面和第二自由光学曲面的自由曲面结构相同，其自由曲面结构的形状根据光源与自由曲面棱镜的入射光平面的距离d，以同一点的入射光入射到自由曲面棱镜的出射光线的反向延长线汇聚到同一点为约束条件，通过对自由曲面棱镜的自由光学曲面位置进行迭代确定。该自由曲面棱镜在理论上解决了平面棱镜虚像点不能很好的汇聚于一点而产生的图像畸变问题。克服了传统基于平面棱镜的视觉测量系统在成像质量和测量精度上的不足，具有结构简单，测量速度快、精度高等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光学测量
，具体涉及一种自由曲面棱镜及其形状的确定方法及其光学成像方法。
技术介绍
视觉测量技术利用视觉传感器(例如CCD相机)采集目标图像，通过视觉图像处理算法，以非接触形式测量目标位置、形状等参数。在三维空间中获得一个物体多个角度上的图像便可以对其进行三维重建。在测量系统中加入棱镜可以使单目相机在一个方位上获取物体多角度图像。基于棱镜的单目立体视觉测量方法将一个具有多个视角的平面棱镜放置于CCD摄像机前，利用棱镜的“折射分光”作用来实现传统多摄像机立体视觉系统的功能，解决传统多摄像机立体视觉系统在高集成度上的需求与在空间上收到的限制问题。但是，根据光学成像原理，光线经棱镜的两次折射后，在空间中所成的像并未汇聚到一点，因此无法形成一个完整的虚像，而摄像机通过棱镜捕获到的图像仅是由摄像机镜头在固定位置捕获到的不完整的虚像。该问题会影响图像的清晰度，同样也会导致图像产生非线性畸变。因此，采用自由曲面棱镜代替平面棱镜，将系统所捕获到的图像畸变和极线偏移限制在单位像素，简化基于棱镜立体视觉测量方法的图像处理流程成为发展趋势，如果确定自由曲面棱镜的形状为亟待解决的问题。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提出一种自由曲面棱镜及其形状的确定方法及其光学成像方法。本专利技术的技术方案是：一种自由曲面棱镜，包括位于底面的入射光平面、位于左侧的第一自由光学曲面、位于右侧的第二自由光学曲面；所述入射光学平面，用于实现光源进入自由曲面棱镜；所述第一自由光学曲面和第二自由光学曲面具有对称的自由曲面结构，用于实现光源光线经过自由曲面棱镜后折射出折射光线；所述第一自由光学曲面和第二自由光学曲面的自由曲面结构相同，其自由曲面结构的形状根据光源与自由曲面棱镜的入射光平面的距离d，以同一点的入射光入射到自由曲面棱镜的出射光线的反向延长线汇聚到同一点为约束条件，通过对自由曲面棱镜的自由光学曲面位置进行迭代确定。一种自由曲面棱镜的形状的确定方法，包括以下步骤：步骤1：根据待成像的物体实际尺寸和成像大小，确定光源与自由曲面棱镜的入射光平面的距离d；步骤2：建立构造自由曲面棱镜的自由光学曲面的坐标系，设定自由曲面棱镜的入射光平面中点下方的光源为坐标原点O；步骤3：选取光源O的第一束光线经入射光平面的入射角α0，根据令光源O的第一束光线经自由曲面棱镜的第一自由光学曲面的出射光线平行于Z轴的约束条件，得到光源O的第一束光线在第一自由光学曲面的出射小曲面与入射光平面的夹角θ0；步骤4：根据光源O的第一束光线经入射光平面的入射角α0、光源与自由曲面棱镜的入射光平面的距离d、夹角θ0，利用三角函数确定第一束光线的入射点A(0)的坐标、第一束光线的出射点B(0)的坐标、第一束光线的出射点B(0)的法向量步骤5：设定自由曲面的函数表达式为设定自由曲面在X轴的迭代步长ΔX和Y轴的迭代步长ΔY，对自由曲面的函数表达式进行泰勒展开，得到自由曲面函数的泰勒展开公式；所述自由曲面函数的泰勒展开公式如下所示：ZB(k)≈ZB(k-1)+ΔX∂f∂XB(k-1)+ΔY∂f∂YB(k-1);]]>其中，为自由曲面上第k+1束光线的出射点B(k)的Z轴坐标，为自由曲面上第k束光线的出射点B(k)的Z轴坐标，为自由曲面上第k+1束光线的出射点B(k)的X轴坐标，为自由曲面上第k+1束光线的出射点B(k)的Y轴坐标，f为自由曲面的代数表达式，k≥0，和为函数f的偏导。步骤6：根据自由曲面在X轴的迭代步长ΔX、Y轴的迭代步长ΔY、自由曲面函数的泰勒展开公式、第一束光线的入射点A(0)的坐标、第一束光线的出射点B(0)的坐标确定第二束光线的出射点B(1)的坐标；步骤7：根据令光源O的第二束光线经自由曲面棱镜的第一自由光学曲面的出射光线的反向延长线与第一束光线经自由曲面棱镜的出射光线的反向延长线汇聚为一点V的约束条件，利用三角函数和折射定律确定第二束光线的入射点A(1)的坐标和第二束光线的出射点B(1)的法向量步骤8：将第k+1束光线的出射点B(k)的法向量第k+1束光线的出射点B(k)的坐标、X轴的迭代步长ΔX、Y轴的迭代步长ΔY代入自由曲面函数的泰勒展开公式得到第k+2束光线的出射点B(k+1)的坐标；步骤9：根据令光源O的第k+2束光线经自由曲面棱镜的第一自由光学曲面的出射光线的反向延长线与第一束光线经自由曲面棱镜的出射光线的反向延长线汇聚为一点V的约束条件，利用三角函数和折射定律确定第k+2束光线的入射点A(k+1)的坐标和第k+2束光线的出射点B(k+1)的法向量步骤10：重复步骤8-步骤9，直至得到自由曲面棱镜的第一自由光学曲面的所有点的坐标，从而确定第一自由光学曲面的形状；步骤11：根据第一自由光学曲面与第二自由光学曲面的自由曲面结构相同，确定自由曲面棱镜的形状。所述根据X轴的迭代步长ΔX、Y轴的迭代步长ΔY、自由曲面函数的泰勒展开公式、第一束光线的入射点A(0)的坐标、第一束光线的出射点B(0)的坐标确定第二束光线的出射点B(1)的坐标的公式如下：(XB(1),YB(1),ZB(1))=(XB(0)+ΔX,YB(0)+ΔY,ZB(1));]]>其中，和为函数f的偏导，所述根据令光源O的第k+2束光线经自由曲面棱镜的第一自由光学曲面的出射光线的反向延长线与第一束光线经自由曲面棱镜的出射光线的反向延长线汇聚为一点的约束条件具体为：sinαk+1＝nsinα′k+1；N→1A(k+1)·(L→OA(k+1)×L→A(k+1)B(k+1))=0;]]>cosαk+1=L→OA(k+1)·N→1A(k+1)|L→OA(k+1)|·|N→1A(k+1)|;]]>cosα′k+1=L→AB(k+1)·N→1A(k+1)|L→AB(k+1)|·|N→1A(k+1)|;]]>nsinβk+1＝sinβ′k+1；N→2B(k+1)·(L→A(k+1)B(k+1)×L→V(k+1)B(k+1))=0;]]>cosβk+1=L→AB(k+1)·N→2A(k+1)|L→AB(k+1)|·|N→2A(k+1)|;]]>cosβ′k+1=L→VB(k+1)·N→2A(k+1)|L→VB(k+1)|·|N→2A(k本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自由曲面棱镜，其特征在于，包括位于底面的入射光平面、位于左侧的第一自由光学曲面、位于右侧的第二自由光学曲面；所述入射光学平面，用于实现光源进入自由曲面棱镜；所述第一自由光学曲面和第二自由光学曲面具有对称的自由曲面结构，用于实现光源光线经过自由曲面棱镜后折射出折射光线；所述第一自由光学曲面和第二自由光学曲面的自由曲面结构相同，其自由曲面结构的形状根据光源与自由曲面棱镜的入射光平面的距离d，以同一点的入射光入射到自由曲面棱镜的出射光线的反向延长线汇聚到同一点为约束条件，通过对自由曲面棱镜的自由光学曲面位置进行迭代确定。

【技术特征摘要】
1.一种自由曲面棱镜，其特征在于，包括位于底面的入射光平面、位于左侧的第一自由光学曲面、位于右侧的第二自由光学曲面；所述入射光学平面，用于实现光源进入自由曲面棱镜；所述第一自由光学曲面和第二自由光学曲面具有对称的自由曲面结构，用于实现光源光线经过自由曲面棱镜后折射出折射光线；所述第一自由光学曲面和第二自由光学曲面的自由曲面结构相同，其自由曲面结构的形状根据光源与自由曲面棱镜的入射光平面的距离d，以同一点的入射光入射到自由曲面棱镜的出射光线的反向延长线汇聚到同一点为约束条件，通过对自由曲面棱镜的自由光学曲面位置进行迭代确定。2.一种权利要求1所述自由曲面棱镜的形状的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：根据待成像的物体实际尺寸和成像大小，确定光源与自由曲面棱镜的入射光平面的距离d；步骤2：建立构造自由曲面棱镜的自由光学曲面的坐标系，设定自由曲面棱镜的入射光平面中点下方的光源为坐标原点O；步骤3：选取光源O的第一束光线经入射光平面的入射角α0，根据令光源O的第一束光线经自由曲面棱镜的第一自由光学曲面的出射光线平行于Z轴的约束条件，得到光源O的第一束光线在第一自由光学曲面的出射小曲面与入射光平面的夹角θ0；步骤4：根据光源O的第一束光线经入射光平面的入射角α0、光源与自由曲面棱镜的入射光平面的距离d、夹角θ0，利用三角函数确定第一束光线的入射点A(0)的坐标、第一束光线的出射点B(0)的坐标、第一束光线的出射点B(0)的法向量步骤5：设定自由曲面的函数表达式为设定自由曲面在X轴的迭代步长ΔX和Y轴的迭代步长ΔY，对自由曲面的函数表达式进行泰勒展开，得到自由曲面函数的泰勒展开公式；所述自由曲面函数的泰勒展开公式如下所示：ZB(k)≈ZB(k-1)+ΔX∂f∂XB(k-1)+ΔY∂f∂YB(k-1);]]>其中，为自由曲面上第k+1束光线的出射点B(k)的Z轴坐标，为自由曲面上第k束光线的出射点B(k)的Z轴坐标，为自由曲面上第k+1束光线的出射点B(k)的X轴坐标，为自由曲面上第k+1束光线的出射点B(k)的Y轴坐标，f为自由曲面的代数表达式，k≥0，和为函数f的偏导；步骤6：根据自由曲面在X轴的迭代步长ΔX、Y轴的迭代步长ΔY、自由曲面函数的泰勒展开公式、第一束光线的入射点A(0)的坐标、第一束光线的出射点B(0)的坐标确定第二束光线的出射点B(1)的坐标；步骤7：根据令光源O的第二束光线经自由曲面棱镜的第一自由光学曲面的出射光线的反向延长线与第一束光线经自由曲面棱镜的出射光线的反向延长线汇聚为一点V的约束条件，利用三角函数和折射定律确定第二束光线的入射点A(1)的坐标和第二束光线的出射点B(1)的法向量步骤8：将第k+1束光线的出射点B(k)的法向量第k+1束光线的出射点B(k)的坐标、X轴的迭代步长ΔX、Y轴的迭代步长ΔY代入自由曲面函数的泰勒展开公式得到第k+2束光线的出射点B(k+1)的坐标；步骤9：根据令光源O的第k+2束光线经自由曲面棱镜的第一自由光学曲面的出射光线的反向延长线与第一束光线经自由曲面棱镜的出射光线的反向延长线汇聚为一点V的约束条件，利用三角函数和折射定律确定第k+2束光线的入射点A(k+1)的坐标和第k+2束光线的出射点B(k+1)的法向量步骤10：重复步骤8-步骤9，直至得到自由曲面棱镜的第一自由光学曲面的所有点的坐标，从而确定第一自由光学曲面的形状；步骤11：根据第一自由光学曲面与第二自由光学曲面的自由曲面结构相同，确...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔笑宇，范赫宇，赵越，陈洪升，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21