一种镜头倍率和畸变检测方法与流程

1.本发明涉及镜头检测领域，更具体地说，涉及一种镜头倍率和畸变检测方法。


背景技术：

2.在现代光学仪器智能化的飞速发展中，镜头在光学技术领域的应用范围越来越广，规格也越来越多样化。其中，倍率和畸变是镜头检测过程的重要参数，作为镜头的基本参数之一，畸变会直接影响镜头的成像质量。受感光元件的限制，可能会出现无法采集到足够多的数据来准确计算畸变，这使得检测越来越复杂的镜头倍率和畸变成为一项重要挑战。
3.在工业自动化的发展和推广过程中，对于机器视觉系统的要求不断增高，对镜头性能的需求也越来越严格。这使得镜头的规格越来越偏向定制化，而这又进一步提高了检测镜头倍率和畸变的难度。传统的检测方法通常是使用相机观测标定板，然后将相机获取的图像与标定板的实际尺寸进行对比，以此确定镜头的倍率和畸变。然而，由于镜头规格的影响，当尝试计算图像中标定板的尺寸时，可能会由于图像所包含的信息不足，无法直接精确计算出其大小，从而无法达到预期的测量精度。
4.因此，市场上迫切需要一种新的镜头倍率和畸变计算方法。这种新方法需要能够解决以下两个主要难题：一是相机采集到的图像包含的信息量较少，无法直接从图像中获取标定板的尺寸；二是镜头本身存在倾斜，可能造成视野中倍率左右不对称，从而影响镜头畸变结果的准确性。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是提供一种镜头倍率和畸变检测方法，以解决背景技术中提到的问题。
6.为了达到上述目的，本发明采取以下技术方案：一种镜头倍率和畸变检测方法，包括如下步骤：s1：将待测镜头安装到线扫相机上，将线扫相机对准具有预设宽度的黑白条纹光栅板进行拍摄，以采集黑白条纹图像；s2：将步骤s1采集的黑白条纹图像数据转换至频域，在频域中进行降噪处理，确定各谐波分量的位置，计算出各谐波分量对应的实际频率，合并这些频率以得出图像的实际频率；s3：根据步骤s2计算得出的实际频率，计算出图像中的光栅宽度，光栅宽度等于预设宽度除以实际频率；然后将该光栅宽度与光栅板上的预设宽度进行比较，使用这两个宽度的比值来确定镜头的倍率；s4：在镜头的视野范围内选取多个采样点，对每个采样点进行对焦，得到每个采样点对应的最佳焦面位置，对所有采样点对应的最佳焦面位置构成的离散的焦面地形图进行拟合得到拟合平面，并确定拟合平面和光栅板平面之间的相对倾斜角度，根据这个角度调
整镜头与光栅板的相对位置以调平镜头，以此消除由于倾斜角度引起的畸变；通过比较调平后的图像与理想光栅图像，利用像差分析方法在每个采样点处分别量化畸变程度，进一步将所有采样点的畸变程度进行平均，以此计算得到调平后镜头的畸变参数。
7.在一些实施例中，所述降噪处理包括去除频域图像中的非谐波分量。
8.在一些实施例中，所述采样点选取的数量在5到10个之间。
9.在一些实施例中，步骤s4中的镜头调平方式，采用的是数值优化的方法。
10.在一些实施例中，步骤s4中的对焦过程中，对于每个采样点，通过微调镜头和光栅板之间的距离找到使得对应采样点处图像清晰度最高的镜头位置，这个采样点在该镜头位置下对应产生的聚焦点对应该采样点的最佳焦面位置。
11.在一些实施例中，所述多个采样点均匀分布。
12.在一些实施例中，步骤s4中的焦面地形图的拟合采用最小二乘法。
13.在一些实施例中，所述像差分析方法包括使用zernike多项式对畸变程度进行量化。
14.在一些实施例中，所述步骤s4中，还包括计算每个采样点对应的最佳焦面位置的真实物理坐标，包括如下步骤：获取每个采样点在对焦时得到的像素坐标；根据步骤s3得出的镜头倍率和图像的分辨率，将像素坐标转换为采样点最佳焦面位置相对于镜头坐标系的物理坐标；结合每个采样点在对焦时的镜头位置，获得每个采样点最佳焦面位置相对于光栅板坐标系的真实物理坐标。
15.在一些实施例中，所述像素坐标转换为相对于镜头坐标系的物理坐标的过程包括：确定图像传感器上每个像素的物理尺寸；使用从步骤s3中计算得出的镜头倍率，确定物体在图像传感器上的实际物理尺寸和在镜头视野中的尺寸之间的比例关系；利用采样点的像素坐标，通过比例关系计算出采样点最佳焦面位置在镜头坐标系的物理坐标。
16.本发明相对于现有技术的优点在于，本发明的镜头测试技术通过精细化的步骤和计算，对待测镜头进行了深入的测试和分析。在s1阶段，本发明将待测镜头安装到线扫相机上，并对准黑白条纹光栅板进行拍摄，这种操作方式可以准确采集到图像数据，为后续步骤提供了可靠的基础。在s2阶段，通过图像数据频域转换和降噪处理，可以精确地获取实际频率，这一步骤提高了图像质量，增强了数据的可靠性。s3阶段通过计算实际频率来确定镜头的倍率，这使我们能够精确地测量镜头的光学性能。最后，在s4阶段，通过对焦采样点和调整镜头与光栅板的相对位置，可以有效消除由于倾斜角度引起的畸变，优化了图像质量。通过这一系列步骤，本发明可以在采集到的图像包含的信息有限的条件下，准确计算出镜头的倍率和畸变。
附图说明
17.图1是本发明方法的流程图。
具体实施方式
18.下面结合附图对本发明的具体实施方式作描述。
19.如图1所示为本发明方法的流程图。
20.本发明提供了一种镜头倍率和畸变检测的方法，这种方法包括以下步骤：步骤s1：将待测镜头安装到线扫相机上，然后将线扫相机对准具有预设宽度的黑白条纹光栅板进行拍摄。线扫相机和光栅板间的距离可以根据实际需要进行设定。在拍摄过程中，线扫相机会采集到光栅板上的黑白条纹图像。
21.步骤s2：将步骤s1采集的黑白条纹图像数据转换至频域。在频域中，可以利用频域滤波等方法进行降噪处理，主要包括去除非谐波分量。然后，确定各谐波分量的位置，并根据谐波分量的位置计算出各谐波分量对应的实际频率。再将这些实际频率进行合并，以得出图像的实际频率。
22.步骤s3：根据步骤s2计算得出的实际频率，推算出图像中的光栅宽度。具体来说，光栅宽度等于预设宽度除以实际频率。然后，将计算出的光栅宽度与光栅板上的预设宽度进行比较，这两个宽度的比值即为待测镜头的倍率。
23.步骤s4：在镜头的视野范围内选取多个（例如5到10个）采样点，对每个采样点进行对焦，以计算出其最佳焦面位置。然后，利用步骤s3得出的倍率，确定镜头和光栅板之间的相对倾斜角度。根据这个角度，调整镜头与光栅板的相对位置以调平镜头，这一步可以采用数值优化的方法进行。调平后，镜头面对光栅板，通过这种方式消除由于倾斜角度引起的畸变。接下来，通过比较调平后的图像与理想光栅图像，利用像差分析等方法在每个采样点处分别量化畸变程度。最后，将所有采样点的畸变程度进行平均，以此计算得到调平后镜头的畸变参数。
24.更具体的，步骤s4可以包括如下子步骤：s41：选取采样点：在镜头的视野范围内选取多个（例如5到10个）采样点。采样点的选取通常是均匀分布的，以尽可能地覆盖整个视野。
25.s42：计算最佳焦面位置：对于每个采样点，都进行对焦。在实际操作中，可以通过微调镜头和光栅板之间的距离，或者是改变镜头的焦距来达到对焦的目的。对于每个采样点，找到使得对应于采样点位置处图像清晰度（例如对比度）最高的镜头位置，镜头位置产生的对焦点就是该采样点的最佳焦面位置。
26.s43：确定倾斜角度：利用步骤s3得出的倍率，以及以上步骤中计算得出的每个采样点的最佳焦面位置，可以构造一个离散的焦面地形图。然后，平面拟合这个地形图，得到一个平面。将这个平面与理想焦面（即与光栅板平行的面）之间的夹角，就是镜头和光栅板之间的相对倾斜角度。
27.s44：调平镜头：根据计算出的倾斜角度，调整镜头与光栅板的相对位置以调平镜头。在具体操作中，可以采用数值优化的方法，通过精细调整镜头位置，使得所有采样点的焦面位置的平均误差最小。
28.s45：量化畸变程度：调平后，镜头面对光栅板，这时由于倾斜角度引起的畸变已经
被消除。接下来，通过比较调平后的图像与理想光栅图像，利用像差分析等方法在每个采样点处分别量化畸变程度。具体来说，可以通过比较实际图像和理想图像的差异，来量化畸变程度。这种差异可以是简单的像素差异，也可以是更复杂的图像特征差异。
29.s46：计算畸变参数：最后，将所有采样点的畸变程度进行平均，以此计算得到调平后镜头的畸变参数。这个参数是一个用于量化整个视野内畸变程度的统计值，它可以用于评估镜头的性能，也可以用于指导镜头的设计和制造。
30.以下实施例中，本发明以具体参数作为例子进行说明，实际参数可能因具体情况的不同而有所不同：步骤s1：首先将待测镜头安装到线扫相机上，然后将线扫相机对准具有预设宽度为10mm的黑白条纹光栅板进行拍摄。设定线扫相机和光栅板间的距离为1000mm。
31.步骤s2：线扫相机将图像数据采集并转换到频域。假设在频域中得到的主要谐波分量位置在10hz处，那么其对应的实际频率为1/10 = 0.1hz。
32.步骤s3：使用预设宽度除以实际频率，得到光栅宽度为10mm/0.1hz = 100mm。然后，将计算出的光栅宽度与光栅板上的预设宽度进行比较，即100mm / 10mm = 10，这个值就是待测镜头的倍率。
33.步骤s4：在镜头的视野范围内均匀地选取了9个采样点，通过调节镜头和光栅板之间的距离，可以得到了每个点的最佳焦面位置。
34.子步骤s41
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s42：例如，获得的9个最佳焦面对应的镜头位置是：995mm, 996mm, 997mm, 998mm, 999mm, 1000mm, 1001mm, 1002mm和1003mm。镜头位置结合镜头倍率等可以计算出对应的最佳焦面位置的真实物理坐标。
35.利用这些数据可以得到一个离散的焦面地形图，通过平面拟合，发现该拟合平面与理想焦面（即与光栅板平行的面）之间的夹角为0.9度。
36.接下来通过微调镜头和光栅板之间的距离，使得这个夹角减小到0，即完成了调平。可以直接反方向将镜头转动0.9度，然后重复上述过程重新得到采样点的最佳焦面位置，并得到拟合平面，重新验证拟合平面和光栅板的夹角是否为0，若不为0可根据该夹角转动镜头并重复上述过程，直至夹角为0。
37.调平后，通过像差分析在每个采样点上量化畸变程度。比如说，如果发现在9个采样点上，其畸变程度分别为0.01mm, 0.02mm, 0.01mm, 0.02mm, 0.015mm, 0.01mm, 0.02mm, 0.01mm和0.02mm。
38.然后计算平均值，即(0.01+0.02+0.01+0.02+0.015+0.01+0.02+0.01+0.02) / 9 = 0.015mm，这就是我们调平后镜头的畸变参数。
39.本发明的这种镜头倍率和畸变检测方法能够有效地获取镜头的倍率和畸变参数，提高了测量精度，适用于各类镜头的测试和校准。
40.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种镜头倍率和畸变检测方法，其特征在于，包括如下步骤：s1：将待测镜头安装到线扫相机上，将线扫相机对准具有预设宽度的黑白条纹光栅板进行拍摄，以采集黑白条纹图像；s2：将步骤s1采集的黑白条纹图像数据转换至频域，在频域中进行降噪处理，确定各谐波分量的位置，计算出各谐波分量对应的实际频率，合并这些频率以得出图像的实际频率；s3：根据步骤s2计算得出的实际频率，计算出图像中的光栅宽度，光栅宽度等于预设宽度除以实际频率；然后将该光栅宽度与光栅板上的预设宽度进行比较，使用这两个宽度的比值来确定镜头的倍率；s4：在镜头的视野范围内选取多个采样点，对每个采样点进行对焦，得到每个采样点对应的最佳焦面位置，对所有采样点对应的最佳焦面位置构成的离散的焦面地形图进行拟合得到拟合平面，并确定拟合平面和光栅板平面之间的相对倾斜角度，根据这个角度调整镜头与光栅板的相对位置以调平镜头，以此消除由于倾斜角度引起的畸变；通过比较调平后的图像与理想光栅图像，利用像差分析方法在每个采样点处分别量化畸变程度，进一步将所有采样点的畸变程度进行平均，以此计算得到调平后镜头的畸变参数。2.根据权利要求1所述镜头倍率和畸变检测方法，其特征在于，所述降噪处理包括去除频域图像中的非谐波分量。3.根据权利要求1所述镜头倍率和畸变检测方法，其特征在于，所述采样点选取的数量在5到10个之间。4.根据权利要求1所述镜头倍率和畸变检测方法，其特征在于，步骤s4中的镜头调平方式，采用的是数值优化的方法。5.根据权利要求1所述镜头倍率和畸变检测方法，其特征在于，步骤s4中的对焦过程中，对于每个采样点，通过微调镜头和光栅板之间的距离找到使得对应采样点处图像清晰度最高的镜头位置，这个采样点在该镜头位置下对应产生的聚焦点对应该采样点的最佳焦面位置。6.根据权利要求1所述镜头倍率和畸变检测方法，其特征在于，所述多个采样点均匀分布。7.根据权利要求1所述镜头倍率和畸变检测方法，其特征在于，步骤s4中的焦面地形图的拟合采用最小二乘法。8.根据权利要求1所述镜头倍率和畸变检测方法，其特征在于，所述像差分析方法包括使用zernike多项式对畸变程度进行量化。9.根据权利要求5所述镜头倍率和畸变检测方法，其特征在于，所述步骤s4中，还包括计算每个采样点对应的最佳焦面位置的真实物理坐标，包括如下步骤：获取每个采样点在对焦时得到的像素坐标；根据步骤s3得出的镜头倍率和图像的分辨率，将像素坐标转换为采样点最佳焦面位置相对于镜头坐标系的物理坐标；结合每个采样点在对焦时的镜头位置，获得每个采样点最佳焦面位置相对于光栅板坐标系的真实物理坐标。10.根据权利要求9所述镜头倍率和畸变检测方法，其特征在于，所述像素坐标转换为
相对于镜头坐标系的物理坐标的过程包括：确定图像传感器上每个像素的物理尺寸；使用从步骤s3中计算得出的镜头倍率，确定物体在图像传感器上的实际物理尺寸和在镜头视野中的尺寸之间的比例关系；利用采样点的像素坐标，通过比例关系计算出采样点最佳焦面位置在镜头坐标系的物理坐标。

技术总结
本发明公开了一种镜头倍率和畸变检测方法，涉及镜头检测领域，包括将待测镜头安装到线扫相机上，对准黑白条纹光栅板进行拍摄，采集图像数据；对采集的图像数据进行频域转换和降噪处理，计算得到实际频率；基于实际频率，进一步计算出光栅宽度，通过比较预设宽度和光栅宽度，确定镜头的倍率；在视野范围内选取多个采样点，计算最佳焦面位置，调整镜头与光栅板的相对位置，消除倾斜角度引起的畸变，计算镜头的畸变参数。本发明能精确计算镜头的倍率及倾斜角度，有效消除镜头畸变，优化了镜头的测试流程和精度。试流程和精度。试流程和精度。


技术研发人员：向先兵
受保护的技术使用者：深圳市灿锐科技有限公司
技术研发日：2023.08.16
技术公布日：2023/9/13