空间光调制器面阵或线阵缺陷的容错方法及系统
本发明公开了一种列阵空间光调制器的容错系统，包括光源、分光镜、四分之一波片、空间光调制器和容错控制电路，所述四分之一波片为2个，分别位于所述分光镜的两个相邻侧面之后，所述空间光调制器为2个，且无盲点重合，分别位于2个四分之一波片之后，所述容错控制电路控制所述空间光调制器。本发明可利用容错控制电路关闭空间光调制器中的相关好点，使得二个空间光调制器对应的两个相元中只有一个是好点，使入射光的强度调制相同，因而平衡了出射光强度，进一步降低了误码率，提高了调制器光信号处理能力。
专利类型：
申请（专利）号：
申请日期：
公开(公告)日：
公开(公告)号：
主分类号：
G02F1/01,G02F1/00,G,G02,G02F,G02F1
G02F1/01,G02F1/00,G,G02,G02F,G02F1
申请（专利权）人：
苏州纳米技术与纳米仿生研究所
发明（设计）人：
晨,张耀辉,黄寓洋,刘
主申请人地址：
215123江苏省苏州市苏州工业园区仁爱路150号南大苏州研究生院B-513
专利代理机构：
苏州创元专利商标事务所有限公司
国别省市代码：
1.一种空间光调制器面阵或线阵缺陷的容错方法，其特征在于：设置两个互相垂直布置的空间光调制器，记录每个空间光调制器中的缺陷单元位置；根据调制信号控制空间光调制器中各个调制单元的打开或关闭，当某一位置的调制单元需要打开时，若两个空间光调制器对应位置的调制单元中的一个存在缺陷，则打开对应的另一个调制单元，否则，任选打开其中的一个调制单元；用偏振分光镜将入射光分成等量的相互垂直的两束偏振光，分别照射在两个空间光调制器上，并用偏振分光镜将出射光合并，形成所需的经空间调制后的出射光。
法律状态：
公开 ，实质审查的生效 ，专利申请权、专利权的转移 ，发明专利申请公布后的视为撤回
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基于线阵CCD的光刻机调焦调平系统的研究
光刻技术是大规模集成电路制造的基础，已经成为推动集成电路发展的核心驱动力。光学光刻具有生产率高、套刻精度高、掩模制作简单、工艺容易掌握等特点，是集成电路制造产业中的主流光刻技术。在光刻机的曝光过程中，硅片的厚度偏差、面形起伏以及投影物镜焦平面位置的不准确性、不重复性等因素会造成硅片相对于物镜焦平面的
尹作海，刘世元，史铁林（华中科技大学机械科学与工程学院，武汉国家光电试验室，武汉430074）１ 引言光刻技术是大规模集成电路制造的基础，已经成为推动集成电路发展的核心驱动力。光刻具有生产率高、套刻精度高、掩模制作简单、工艺容易掌握等特点，是集成电路制造产业中的主流光刻技术。在光刻机的曝光过程中，硅片的厚度偏差、面形起伏以及投影物镜焦平面位置的不准确性、不重复性等因素会造成硅片相对于物镜焦平面的离焦或倾斜。如果硅片的离焦或倾斜使曝光视场内某些区域处于有效焦深之外，将严重影响集成电路的质量和成品率。因此，必须采用调焦调平传感器测量出硅片表面相对于投影物镜焦平面的高度值和倾斜量，通过调焦机构实现硅片的调焦调平。 ２ 系统原理光学光刻分辨率的提高带来焦深的急剧减少，从而要求严格控制曝光图形的表面高度与倾斜度，减少调焦调平误差，适应十分有限的焦深，调焦调平技术由此应运而生。国外的光刻机采用的调焦调平技术是多种多样的，有位置敏感传感器调焦调平技术、激光干涉仪调焦调平技术、多点高度测量传感技术和单光路多点检测技术等。本文研究的基于线阵ＣＣＤ的调焦调平系统原理如图１所示。调焦调平传感器分为照明系统与成像系统，硅片处于焦深（ＤＯＦ）内。照明系统发出的光束照射在硅片上，成像在硅片表面，用于对硅片的照明。从硅片表面反射的光束成像在成像系统上，调焦传感器测量计算得到硅片表面高度和倾斜信息，然后根据调焦传感器测量计算结果，驱动位于工件台下表面的执行器， 保证硅片表面与投影物镜最佳焦面（ＰＯＢＦ）重合。调焦调平装置中的光学部分的基本结构如图２所示，主要由光源单元、照明单元、投影单元、成像单元以及线阵ＣＣＤ组成。光源单元发出的光束经过准直透镜成为平行光束，经过光纤传导进入照明单元，然后通过投影光阑，即为不透明的屏上开着方孔，照明光斑变为标准的方形光斑。方形光斑被投影单元放大后，成像在硅片表面上，用于对硅片的照明。从硅片表面反射的光束经成像单元成像在线阵ＣＣＤ上，这样硅片的Ｚ向位移反映在线阵ＣＣＤ上就为光斑的平移，因此可以通过光斑在线阵ＣＣＤ靶面上的坐标位置计算得到硅片的位置高度。为了消除工艺膜层对光的干涉作用，提高反射光强和信噪比，光学系统中入射光以较大的入射角（７０°＜θ＜８８°）在硅片表面成像，经过分析，入射角初步选定为８０°。为了进一步地提高测量精度，狭缝在硅片面上的成像区域应尽量覆盖较大的区域，以使测量更具典型性和代表性。３ 算法思想由于有效焦深较深，调焦调平测量精度和重复性要求不是很高。因此，调焦调平过程没有必要采用基于多点测量的逐场调焦调平方式，而是采用基于单点高度测量的方式来实现，通过整场调焦调平和逐场调焦不调平这两步工作方式相结合来进行，从而可以简化工作流程并提高生产效率。逐场调焦不调平工作方式是利用调焦调平传感器的单点高度测量功能，针对每个曝光视场只选择１个固定位置处测量它的高度，从而计算出该曝光视场相对于投影物镜最佳焦平面的离焦量，然后通过执行机构使当前曝光视场与投影物镜的最佳焦平面相重合。整场调焦调平一般是在硅片表面３个或３个以上不同位置处进行离焦量测量，来计算并校正整个硅片表面的离焦量和倾斜量，达到硅片调焦调平的目的。３.１ 单点高度测量模型算法调焦调平系统是利用线性ＣＣＤ来检测硅片的位置，如图３所示。照明光源发出的光束经聚光镜入射到硅片面上，入射光与被测硅片面法线的夹角为８０°，成像物镜的光轴与硅片面法线的夹角为８０°，即线阵ＣＣＤ的像平面平行于入射光线。设硅片的高度位置偏移量为Δｚ，则在成像系统的物面上产生的位移量Δｘ为假设成像系统的放大倍率为γ，则硅片高度位置偏移量Δｚ在ＣＣＤ像面上引起的成像位置偏移量为假设线阵ＣＣＤ的像素间距为ｄ（ｄ定义为ＣＣＤ总几何尺寸Ｄ与像素总个数ｎ之比），则上述成像位置偏移量对应的像素偏移量为３.２ 整场调焦调平算法整个硅片只需进行一次整场调焦调平，整场调焦工作流程如图４所示。通过工件台的步进运动，依次测量出硅片面上三个不同整场调焦调平点Ａ，Ｂ，Ｃ高度值，从而算出硅片表面的平均离焦量Δｚ和倾斜角θｘ和θｙ，来实现整个硅片的调焦调平。以调焦调平执行器支撑底座中心为Ｘ， Ｙ， Ｚ轴坐标原点。由于求解数学模型时涉及的是硅片测量点相对于投影物镜最佳焦面的离焦量，所以可忽略底座表面的不平整度和硅片的高度误差量。由空间解析几何知识，三点可以确定一个平面，根据硅片上的三个测量点Ａ， Ｂ，Ｃ，可以确定硅片所在的平面，三点的关系如图５所示。其中Ｏ点为硅片的中心， Ａ，Ｂ，Ｃ三点组成等腰三角形，Ｏ是ＢＣ边上垂直平分线的中点，Ｄ是ＢＣ的中点。硅片中心Ｏ的坐标为（ｘ１，ｙ１，ｚ１）， Ｂ与Ｃ点的距离为２ｂ， Ａ与Ｄ点的距离为２ｃ。ｚｊ为测量高度Ｚ向坐标，高度是相对于最佳焦平面的。则Ａ， Ｂ， Ｃ三个测量点的坐标为Ａ（ｘ１， ｙ１＋ｃ， ｚａ）Ｂ （ｘ１－ｂ， ｙ１－ｃ， ｚｂ）Ｃ （ｘ１＋ｂ， ｙ１－ｃ， ｚｃ）根据三个测量点可以确定硅片的平面法线向量由三个测量点中的一点和平面的法向量可以确定平面的方程２ｃ（ｚｂ－ｚｃ）（ｘ－ｘ１） ＋ｂ（ｚｂ＋ｚｃ－２ｚａ）·［ｙ－ （ｙ１＋ｃ）］ ＋４ｂｃ（ｚ－ｚａ） ＝０ （５）硅片中心点坐标Ｏ （ｘ１， ｙ１， ｚ１）应处于三个测量点确定的平面上，将其代入平面方程 即硅片的离焦量为因为Ｄ为ＢＣ的中点，所以Ｄ点Ｚ方向的高度为ＡＤ平行于坐标轴Ｙ轴，由于硅片偏置的角度很小（图５）， ｚａ－ｚｄ可以近似为θｘ的弧长，故倾斜角θｘ为ＢＣ是与坐标轴Ｘ轴平行的，同理斜角θｙ为４ 结论本文对一种基于线阵ＣＣＤ的步进重复投影光刻机上的调焦调平系统作了简单的原理介绍和软件算法论述。目前调焦调平系统处于实验模拟阶段，在实验中调焦调平算法模型取得了比较好的效果，但要在光刻机设备上应用，还需要考虑大量实际情况，并且涉及到其他很多相关部分的协同合作，需要很多硬件处理与软件算法来实现，是一个比较复杂的过程，需要做大量的研究工作。
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线阵怎样调试
请各位老师说说线阵的原理和调试方法，越具体越好，谢谢
这是一个很难的问题吗，怎么没有人解答呢
自己找吧。论坛里有很多各种说明书和调试的资料。。。。。。。。。。。。
fybooo 发表于
自己找吧。论坛里有很多各种说明书和调试的资料。。。。。。。。。。。。
有吗，我找找看
因为与其他演出类扬声器的调试没有特别不同，所以没有其他人跟帖。
不同点主要是覆盖区域不同和吊挂高度不同而采取的弯曲角度不同，阵列的弯曲角度和整体倾角国外产品有模拟软件，国产的基本靠估。
panell 发表于
因为与其他演出类扬声器的调试没有特别不同，所以没有其他人跟帖。
不同点主要是覆盖区域不同和吊挂高度 ...
就是把一堆外分频音箱吊成一串调整下弯曲角度呗
不好说具体情况具体对待！
国产线阵你就当大喇叭用，其他不要想那么多了
如果你用到线阵列音箱，在购买之前实际聆听获得满意的扩声效果，那么购买回来后，关于音箱本身的系统调试技术参数，厂家应该会提供给你。需要注意的是：音箱的数量、场地的大小与吊挂高度/弯曲角度的计算，超低音箱根据场地的情况是集中/分散，这些差别你需要找厂家技术支持；然后在实际使用中找差别，基本需要很多场的演出应用，你就会得到一些应用技巧；系统构建没问题的情况下，现场的房间均衡，你按照常规的方法去调整；
不同的品牌的线阵设计和调试方法都不一样的，最好按照厂家设计的标准
官方新浪微博
官方腾讯微博交汇测量系统线阵相机标定方法
吴培, 王延杰, 孙宏海, 姚志军, 武治国. 交汇测量系统线阵相机标定方法.光子学报, ): 612003
WU Pei, WANG Yan-jie, SUN Hong-hai, YAO Zhi-jun, WU Zhi-guo. Calibration Method for Linear Array Camera of Intersection Measurement System. ACTA PHOTONICA SINICA,
): 612003&&
Permissions
交汇测量系统线阵相机标定方法
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春 130033
2 中国科学院大学,北京 100039
导师(通讯作者):王延杰(1963-),男,研究员,博导,主要研究方向为实时图像处理. Email:
第一作者:吴培(1990-),男,博士研究生,主要研究方向为数字图像处理. Email:
基金:国家高技术研究发展计划(No.0B)和吉林省科技发展计划(No.JC)资助
为了提高大靶面交汇测量系统的测量准确度,分析了交汇测量原理,推导出脱靶量坐标公式.根据脱靶量公式分析其各项参量,利用几何关系建立像元坐标与偏移角度之间的映射模型.根据映射模型,利用光栅尺设计了一种针对线阵相机的标定方法,该方法不考虑相机参量,将整个光学系统看作一个整体,基于整体参量直接对像元坐标和它所对应的偏移角进行标定.实验结果表明,标定后的交汇测量系统在1.4 m处的平均测量误差为0.4 mm,最大测量误差优于0.6 mm.该方法简单高效,可提高系统标定的速度,且标定误差满足系统交汇测量准确度的要求.
中图分类号:TP391.4;TP751.1
文献标志码:A
文章编号:16)06-
Calibration Method for Linear Array Camera of Intersection Measurement System
WU Pei1,2,
WANG Yan-jie1,
SUN Hong-hai1,
YAO Zhi-jun1,
WU Zhi-guo1
1 Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033, China
2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China
Fund:The National High Technology Research and Development Program of China (No.0B),the Science and Technology Developing Plan of JiLin Province (No.JC)
In order to improve the measurement accuracy of the large target intersection measurement system, the miss distance formula of target was derived by analyzing the principle of intersection measurement. According to the parameters of the formula, a mapping model between the pixel coordinate and the offset angle was established by using the geometric relationship. A calibration method for linear camera was designed by using grating scale according to the model. This method takes the whole optical system as a whole and does not need to consider the parameters of the camera, which directly calibrates the mapping relationship between the coordinates and their corresponding offset angles. The experimental results show that the average measurement error of the calibrated intersection measurement system at 1.4 m is 0.4 mm, and the maximum measurement error is better than 0.6 mm. The proposed method is simple but effective, and can improve the speed of the calibration and satisfy the accuracy requirement of the system.
Intersection measurement;
Line array camera;
Calibration;
Centroidalgorithm;
Distoriton correction
0 引言大靶面交汇测量技术是近年来迅速发展起来的一种非接触式测量技术, 具有结构简单、使用方便、测量准确度高、实时性强和自动化程度高等优点, 已在大型动态目标的轨迹测量上获得了成功的应用[, , , ].在线阵电荷耦合器件(Charge Coupled Device, CCD)交汇测量系统中, 线阵CCD相机的标定准确度对整个系统的测量准确度有着直接的影响.线阵相机由于其成像方式的特殊性, 使得其标定方法不同于传统的面阵相机标定.近年来, 国内外研究人员针对线阵相机标定做了大量的研究.蔡盛[]等采用基于神经网络的方法对线阵相机进行标定; Luna[]等根据空间特性提出了一种空间立体交线的标定模型; Hui[]等根据主动成像的原理对线阵相机进行标定.但是这些方法都是对相机进行内外参量的标定, 标定过程复杂, 在后续的使用过程中, 需要经常调用内外参量求解目标位置, 增大了系统的计算时间和复杂度.针对这一问题, 本文提出了一种基于整体参量的标定方法, 直接标定相机采集到的图像像元坐标与目标位置偏移角之间的映射关系.该方法不需要因为系统与目标的相对距离发生变化而进行重新标定, 且计算简便, 能够快速确定目标的偏移量, 系统标定后准确度满足高准确度测量的要求.1 交汇测量原理大靶面线阵CCD交汇测量系统是根据双目视差的原理, 由两台性能基本一致的线阵CCD相机构成.在系统中, 已知两相机之间的相对位置关系, 被测物体所在空间和两相机的像平面之间存在简单的几何关系, 通过对几何关系的求解即可获得被测物体的实际位置信息.因此, 需要建立模型推导出被测物体的空间坐标与两相机所采集到的像元坐标之间的映射关系.在大靶面交汇测量系统中两相机成像面中心的连线是系统的基线, 两相机光轴与基线的夹角分别为α 和β .交汇测量系统的原理如.图1Fig.1 图1 交汇测量原理Fig.1 The schematic diagram of intersection measurement以两光轴的交点O为原点建立靶面直角坐标系XOY, 设空间中一点P为目标经过靶面时所处的位置, 目标被两相机捕获成像到CCD面阵上, 像点分别距光心Q1, Q2个像元单位, 规定像点在光心左侧为正, 右侧为负.设基线AB长度为d0, 延长Y轴交基线于M, 过点P(x, y)向AB作垂线交于点N, PA与OA的夹角为α i, PB与OB的夹角为β i.以△ OAB为研究对象, 由正弦定理得 ABsin(π-α-β)= OAsinβ= OBsinα(1)SΔ OAB=
12OA· OB· sin (π -α -β )= 12OM· AB (2) d0sinβ·d0sinαsin(α+β)·sin(α+β)=OM· d0(3)化简式(3)可得OM= d0cotα+cotβ(4)同理可得PN= d0cot(α-αi)+cot(β-βi)(5)则y=OM-PN= 1cotα+cotβ-1cot(α-αi)+cot(β-βi)d0 (6)根据式(1), 在Δ OAB中, 有AM=OAcos α = d01+tanαcotβ(7)同理可得AN= d01+tan(α-αi)cot(β-βi)(8)则x=AN-AM= 11+tan(α-αi)cot(β-βi)-11+tanαcotβd0(9)设相机的像元间距(CCD相机像元间的横向尺寸)为Δ 1, Δ 2, 两相机的焦距分别为f1, f2根据三角函数关系, 可得α i=arctan
Q1Δ1f1(10)β i=arctan
Q2Δ2f2(11)将式(10)、(11)代入式(6)、(9)即可求得目标的脱靶量信息(x, y).2 标定方法在大靶面测量系统中, CCD相机的镜头畸变对测量结果有不可忽略的影响.根据式(10)、(11), 镜头畸变使物点投影到相机靶面上成像的投影路径发生改变, 使得实际采集到的像点与其理论位置发生偏差, 即式(10)、(11)中的Q1, Q2产生了测量误差, 从而对最终的目标位置测量准确度造成影响.因此需要寻找一种有效的标定方法来校正畸变.然而传统的相机畸变校正方法, 如张正友方法[, ], 根据相机的畸变特性对相机进行内外参量的标定, 标定完成后在后续的图像处理中需要经常调用这些参量对图像中点的真实位置进行求解, 这一运算会增加系统的计算复杂度, 降低运算速度.根据交汇测量系统的测量原理, 只需获得目标在相机中位置所对应的真实偏移角即可完成后续的高准确度测量任务.因此, 根据“ 黑盒子” 的思想, 将相机所处一侧的成像系统看作一个整体, 求解出线阵相机中像素位置与目标偏移角之间的映射关系即可完成系统的标定.如, 单独考虑一侧成像系统, 简化系统的成像模型, 设相机的焦距为f, 相机靶面中心为o, 光栅尺平行相机靶面放置交相机光轴于o', 设该点为光栅尺中心, 光栅尺与相机距离为L, 光栅尺上与中心距离为D的点x经过光学系统最终投影到相机靶面上的x'处, x'与o点距离为Q1, xx'和oo'的夹角α 为目标的偏移角, 设相机的像元间距为Δ , 由几何关系可知α =arctan
Q1Δf=arctan
DL(12)图2Fig.2 图2 相机成像示意图Fig.2 The schematic diagram of camera imaging在运算过程中, 将反正切函数代入映射关系中会增大运算的复杂度, 因此需要对像素位置与目标偏移角之间的映射关系进行分步求解.首先, 求解光栅尺上目标的实际位置D与目标在相机中成像的像元位置Q1之间的映射关系.然后, 根据系统的准确度要求细分像元, 结合映射关系求解各像元所对应的实际位置D.最后, 根据式(12)求解其对应的α 角, 建立像元位置Q1与偏移角α 之间的查找表.因此标定方法的关键就是寻找一个合适的数学模型, 能够准确反映出像元位置与实际位置之间的关系.该模型实质上是相机畸变模型的变形, 传统的畸变模型表述的是实际像元坐标与理想像元之间的关系, 而在本方法中, 令畸变模型表述实际像元坐标与理想目标位置之间的关系.研究者针对各种类型的畸变做了大量研究, 建立了多种数学模型[, , ], 使畸变可以通过多项表达式表示出来, 主要有径向畸变δ r、偏心畸变δ d、薄棱镜畸变δ p以及倾斜畸变δ l, 忽略高阶项可以分别表示为δ r=k1x(x2+y2)(13)δ d=p1(3x2+y2)+2p2xy(14)δ p=s1(x2+y2)(15)δ l=a0x+a1y+a2xy+a3(16)假设系统的相机装配没有问题, 则可以忽略薄棱镜畸变对系统的影响.就线阵CCD相机而言, 仅需要考虑X轴方向上的分量, 因此忽略高阶项, 相机的畸变模型可以表示为X=k1x3+k2x2+k3x+k4(17)综上, 交汇测量系统中线阵相机的标定方法可以简单的描述为:1)根据式(17)建立相机像素位置与目标实际位置之间的畸变模型, 求解畸变参量; 2)通过畸变模型求解各像素位置所对应的实际目标位置, 代入式(12), 求解出对应的偏移角, 并建立查找表.用线阵CCD进行交汇测量时, 理论上最好的成像面应是在两CCD像元排列方向构成的平面内, 然而在实际标定的过程中, 相机靶面与光栅尺不可能严格平行, 设二者夹角为γ , 则式(12)变为α =arctan
DcosγL(18)式(18)对γ 求导可得a'=- L2sinγL2+D2cos2γ(19)在实际标定过程中相机已经固定在转台上并且进行了准确度上的校正, 光栅尺以铅垂线为基准进行放置, 光栅尺与相机靶面之间虽然不一定严格平行但是其偏差在一定的可控范围内, 通过实验发现光栅尺上的目标在相机中成像的纵坐标偏差最大为5个像元, 即γ 很小, 此时, f'(a)很小, 即式(18)的变化率很小, 相机靶面与光栅尺的平行误差对系统测量准确度的影响很小, 在进行标定的过程中不需要考虑.该标定方法反映的是像元坐标与偏移角之间的映射关系, 不受目标与相机距离变化的影响, 不需要重复标定, 而且对标定环境没有过多苛刻的要求.标定完成后, 系统只需要查表找出像元坐标所对应的偏移角代入式(6)、(9)即可.该过程不需要重复进行大量的数学运算, 从而可以提高系统的计算速度.3 实验3.1 相机标定如, 相机已经固定在转台上并且与转台自身调校完成, 将光栅尺竖直立于转台前方, 光栅尺上安装两可移动的LED标志灯, 调整转台使标志灯出现在相机视场的竖直中心, 本次实验中光栅尺距离相机1.28 m.以相机中心为靶面原点, 偏离原点的像元数为该点的坐标值, 规定左为负右为正, 假设相机采集到的像素点为(x, 0), 光栅尺上与相机中心相对应的点规定为光栅尺原点, 标志灯偏离光栅尺原点的距离为光栅尺偏移量(D, 0), 规定上正下负.图3Fig.3 图3 标定实验环境Fig.3 Calibration experiment environment在式(12)中f值不变, 因此求解的过程可以表示成根据x求解对应的
DL后做反切变换, 设二者之间的关系为tan α i= DL=g(x) (20)相机的畸变参量标定方法为:1)调整转台角度使标志灯出现在相机视场中央; 2)测量相机镜头与光栅尺的距离L; 3)记录标志灯在光栅尺上的位置读数D并采集相应的图像; 4)求解图像中的坐标x; 5)移动标志灯, 重复步骤3)、4)进行多组采样; 6)根据式(17)中的畸变模型求解x与D的映射参量; 7)根据系统准确度要求细分图像像元位置, 代入映射函数求出对应的位置信息D, 结合距离L求解偏移角α , 建立像元位置x与偏移角α 之间的查找表.步骤4)中, 线阵CCD相机采集到的图像如, 图像中白色竖线为标志灯所在的位置, 可以看出该竖线并不是单像素宽度, 这是因为实验中的LED标志灯并非严格的点光源.通过局部放大图可以看出, 标志灯所占的像元数为5个左右, 可以近似看作点光源进行后续处理.但是为了精确求得标志灯所处的位置, 需要对采集到的图像进行处理以求解竖线的质心.图4Fig.4 图4 线阵相机采集到的标志灯图像Fig.4 The image of the marker light captured by the linear camera在该系统中仅需要确定质心的x坐标.目前对图像质心的求解方法已经比较成熟, 常用的质心求解算法有普通质心算法、加强权质心算法、阈值质心算法、距离质心算法等[, , ].本文中采用阈值质心算法, 首先对图像进行阈值分割, 然后根据式(21)所示的质心公式求解质心.通过质心算法求解标志灯坐标可以对相机像元进行细分, 更加精确地反映出目标在相机中成像的准确位置, 提高后续畸变参量求解的准确度.x= ∑ijxijIij∑ijIij(21)在得到畸变参量后, 遍历各像素坐标值求得对应的偏移角, 建立一个明确反映像元坐标与偏移角之间一一映射关系的查找表.该查找表直接表示的是像元位置x与角度α i之间的关系, 不随转台与目标之间距离F的改变而改变, 因此只需一次标定即可, 具有普适性.3.2 准确度分析为了验证本文标定方法的标定准确度, 设计了三组实验, 分别验证畸变模型的可靠性、单个相机的校正准确度, 以及校正后双相机交汇测量准确度.3.3.1 畸变模型验证根据式(17)提出的畸变模型, 随机采样70个点, 分别对4台相机进行标定.标定完成后, 根据得到的畸变参量求解采样点在畸变模型中的位置, 并与实际位置进行误差分析.采样点位置偏差分析如, 图中横坐标为像元位置坐标, 纵坐标为计算位置与实际光栅尺读数的偏差, 单位为0.02 cm/刻度.图5Fig.5 图5 采样点位置误差分析图Fig.5 The position error analysis chart of the sampling points计算4台相机采样点偏差的标准差的平均值, 结果见, 其中, 标准差单位为光栅尺刻度, 一光栅尺刻度等于0.2 mm.表1Table 1表1(Table 1)
表1 标准差分析表
Table 1 The standard deviation analysis tableNo.1234Standard deviation0.03050.03580.03730.0260
表1 标准差分析表
Table 1 The standard deviation analysis table结合和可以看出, 畸变模型能够很好地反映出像元位置与实际目标位置之间的映射关系, 计算结果与实际位置的偏差很小, 能够满足系统测量准确度的要求.3.3.2 单相机校正准确度验证系统中四台相机的视场角大约为63° , 像元个数为2336个, 则分辨率约为97.089″.四台相机完成标定后, 根据查找表计算相邻像元之间的角度偏差, 验证相机的角分辨率, 结果见.表2Table 2表2(Table 2)
表2 相机视场角偏差分析
Table 2 The analysis of camera angle deviationNo.Minimum error/(″)Maximum errorAverage error181.159105.67696.954280.629105.20996.406381.275105.05696.361480.578104.41895.881
表2 相机视场角偏差分析
Table 2 The analysis of camera angle deviation由几何关系可知, 处于相机中心位置处的像元, 彼此之间的偏差角较大, 处于相机边缘位置处的像元, 彼此之间的偏差角较小.四个相机的平均分辨率均优于97″, 符合相机标定的要求.完成相机标定后, 改变光栅尺与相机的距离, 移动光栅尺上的目标, 记下实际移动的距离并与相机测得的距离进行比较, 实验环境如.图6Fig.6 图6 相机测量准确度分析实验环境Fig.6 The experimental environment of camera measurement accuracy analysis为了验证标定后的相机对远距离目标的测量准确度, 光栅尺在位置1处完成对相机的标定后, 分别移到位置2和3进行数据采样分析, 其中位置2距相机3.29 m, 位置3距相机5.27m.在每个位置处随机采样13个点, 计算出这些采样点的位置, 并与实际的光栅尺读数进行比较, 结果见、4.表3Table 3表3(Table 3)
表3 位置2处测量误差分析
Table 3 The measurement error analysis at position 2Actual position/cmCalculated positionError00010.04710.06560.018620.10220.1570.05530.003930.07570.071840.000140.15780.157750.028750.16760.138960.122360.29060.168370.038570.24520.206780.023580.26320.239790.0704690.31030.23984100.0054100.26480.2594110.1761110.37620.2001120.026120.2460.22130130.20860.2086Cumulative error0.2086
表3 位置2处测量误差分析
Table 3 The measurement error analysis at position 2表4Table 4表4(Table 4)
表4 位置3处测量误差分析
Table 4 The measurement error analysis at position 3Actual position/cmCalculated positionError00.00000.000010.184710.20230.017620.017120.07240.055330.087730.16140.073740.140540.26990.129450.158550.34510.186660.006760.31640.309770.123270.39900.275880.031380.34430.313090.009290.37120.3620100.1118100.49160.3798110.1207110.52540.4047120.1053120.51900.4137130.009130.43850.4295Cumulative error0.4295
表4 位置3处测量误差分析
Table 4 The measurement error analysis at position 3通过表中数据可知相机在3.26 m处的最大累计误差为0.2086 cm, 每米测量误差为(0.)× 100=0.1605 cm, 在5.27 m处的最大累计误差为1.16 cm, 每米测量误差为(0.)× 100=0.3303 cm.该误差能够满足远距离测量准确度的要求.3.3.3 交汇测量系统准确度验证对交汇测量系统进行准确度分析的实验环境如(a), 主要由两台标定好的相机和一个靶板构成.靶板的结构如(b), 靶板由一个中心和8个距中心半径为100 mm的点构成, 测量目标为一个圆柱体, 该目标可以固定在这9个点上.交汇测量系统首先测量中心点, 确定其空间位置坐标作为靶板坐标系的中心, 之后在周围8个点上依次移动目标, 测量其空间位置, 并转换成靶板坐标系下的坐标.图7Fig.7 图7 交汇测量系统准确度分析实验环境Fig.7 The environment of intersection measuring system accuracy analysis交汇测量系统对靶目标进行多次测量取其均值, 计算目标在x轴、y轴以及相对中心距离的偏差, 结果见.表5Table 5表5(Table 5)
表5 系统测量误差分析表
Table 5 The measurement error analysis table of the systemNo.Deviation in x-axis/mmDeviation in y-axis/mmDistance deviation10.330.140.1320.370.460.4630.490.080.4940.210.040.2150.060.570.4560.120.030.1170.480.320.5680.570.310.62Average value0.330.240.38
表5 系统测量误差分析表
Table 5 The measurement error analysis table of the system从表中可以看出, 交汇测量系统在x轴、y轴以及相对中心距离上的平均测量误差优于0.4 mm, 且最大误差不超过0.6 mm.实验中目标与系统的距离约为1.4 m, 此时的测量误差能够满足系统的准确度要求.4 结论大靶面交汇测量系统中, 线阵CCD相机的标定准确度直接影响了整个系统的标定准确度.本文通过分析交汇测量的原理, 设计了一种基于整体的标定方法, 直接将像元位置与偏移角度相映射, 省去了中间复杂的数学运算, 提高了系统的运行速度.该方法不受相机与目标的距离变化的影响, 不受镜头焦距的限制, 相机靶面与光栅尺的平行度对标定准确度影响较小.系统完成标定后即可获得像元坐标与偏移角的映射关系.实验证明, 通过该标定方法标定的交汇测量系统, 在测量距离为1.4 m左右时, 测量平均误差优于0.4 mm且最大误差不超过0.6 mm, 能够很好地满足系统高准确度测量的要求.
The authors have declared that no competing interests exist.
WANG Ying, ZENG Guang-yu.
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WANG Ying , ZENG Guang-yu.
王英, 曾光宇
School of Information and Communication Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China
In order to accurately measure the target accuracy of the projectile's position, this article used the intersection measuring system with dual liner CCD and introduced the working principles of this system, and the calculated formula of target coordinates had been demonstrated. We analyzed the components and the positioning ways of each measurement module, on the basis of which the measuring system had been established. The target accuracy of the projectile's position is 0.041 7 m (Direction error probable) and 0.031 9 m (Level error probable). The measured value compared with the calibration value in the mm level difference, indicates that the system accuracy is ideal. So the development of this measuring system is successful, and it was able to accurately measure the target accuracy of the projectile's position.
为了准确测量弹丸的立靶精度，本文采用了双线阵CCD交汇测量的方法。文中介绍了该方法的工作原理，推导出目标在光电靶上的坐标计算公式，同时分析和研究了各个测量模块的元器件和布站方式,从而构建了整个测量系统。最后在靶场进行了实弹试验，得出弹丸的立靶精度为0.041 7 m(方向公算误差)和0.031 9 m(高低公算误差)，该测量值与标定值比较相差在毫米级，说明系统的测量精度十分理想。故该系统的研制是成功的，能够准确测量弹丸的立靶精度。
... 0 引言大靶面交汇测量技术是近年来迅速发展起来的一种非接触式测量技术,具有结构简单、使用方便、测量准确度高、实时性强和自动化程度高等优点,已在大型动态目标的轨迹测量上获得了成功的应用[<xref ref-type="bibr" rid="b1--6-,<xref ref-type="bibr" rid="b2--6-,<xref ref-type="bibr" rid="b3--6-,<xref ref-type="bibr" rid="b4--6-] ...
LI Xia , ZHAO Jian-ke.
李霞, 赵建科
A method about space object pose measurement by high-speed TV measurement system is introduced in which measurement rack,collimator and graphics plates with different angle are used to simulate space locomotory object.At the same time,high precision theodolite is used to collimate the locomotory objecct′s pose.Also, the precision analysis of the collimation method is done.
介绍了利用高速电视姿态测量系统对目标姿态进行交汇测量的原理，使用检测架、平行光管以及图形板（刻有不同角度的目标刻线）室内模拟无穷远目标姿态.用高准确度经纬仪对模拟的无穷远目标姿态进行标定、测量结果与采用高速电视姿态测量系统对室内模拟目标的测量结果比较，可知高速电视测量系统姿态角的测试准确度.推导了目标姿态角计算公式，对经纬仪对无穷远目标姿态进行标定的方法进行了准确度分析，得出经纬仪目标姿态角标定的最大误差，并且经过实验进行了验证.
... 0 引言大靶面交汇测量技术是近年来迅速发展起来的一种非接触式测量技术,具有结构简单、使用方便、测量准确度高、实时性强和自动化程度高等优点,已在大型动态目标的轨迹测量上获得了成功的应用[<xref ref-type="bibr" rid="b1--6-,<xref ref-type="bibr" rid="b2--6-,<xref ref-type="bibr" rid="b3--6-,<xref ref-type="bibr" rid="b4--6-] ...
. ):229-238
WANG Min , SONG Li-wei , QIAO Yan-feng
王旻, 宋立维, 乔彦峰
1. Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences,Changchun . Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100039,China
A convergence algorithm of field stitching and intersection measurement is proposed based on the development of two prototypes of high-speed video-measuring systems with external field stitching. Five coordinates are established for the earth centroid and optoelectronical systems. The definations of the coordinates are introduced and coordinate transforms are discussed. The experiment of intersection measurement and field stitching for an identical moving target is carried out with the data from eight cameras in two high-speed TV measuring instruments. The result shows that the stitching algorithm is correct and effective, and has obtained an unique solution. Meanwhile, the influences of earth curvature and meridional convergent errors are fully correated, which indicates that the intersection measurement algorithm can also be used in the intersection measurement of other optoelectronical measurement and control instruments.
基于2台外视场拼接高速电视测量仪原型样机(硬件)提出了一种将交汇测量和拼接处理相结合的算法。根据需要对地球质心和光电测量系统建立了5个坐标系,介绍了坐标系的定义及其它们之间的变换过程,给出了目标轨迹交汇测量和视场拼接的实例。用2台高速电视测量仪拼接的8台测量相机同时对同一运动目标进行测量,对获得的测量数据进行交汇和视场拼接处理,结果显示提出的拼接算法是正确、有效的,可以得到唯一解;地球曲率半径和地球子午线收敛两项影响因素得到了完全修正,表明交汇测量算法完全可以推广到其它光电测控仪器的交汇测量。
... 0 引言大靶面交汇测量技术是近年来迅速发展起来的一种非接触式测量技术,具有结构简单、使用方便、测量准确度高、实时性强和自动化程度高等优点,已在大型动态目标的轨迹测量上获得了成功的应用[<xref ref-type="bibr" rid="b1--6-,<xref ref-type="bibr" rid="b2--6-,<xref ref-type="bibr" rid="b3--6-,<xref ref-type="bibr" rid="b4--6-] ...
HOU Hong-lu , ZHOU De-yun.
侯宏录, 周德云
In order to improve positioning accuracy and data reliability, multi-photoelectric theodolite are grouped for positioning aviation weapons. A new positioning method based on common vertical-line of the intersection of two different planes and location optimization of multi-photoelectric theodolite are introduced. Azimuth angle and pitch angle are obtained by photoelectric theodolite.Crossing points of two optic axis on the tracking target and common vertical line are deduced.And introducing angular accuracy of photoelectric theodolite as weight, the target actual position can be estimated precisely. Continually, based on the error simulation and accuracy analysis, the relations between positioning accuracy and influence parameters, such as the intersection angle, azimuth angle, pitch angle and baseline length, are studied.
提出了一种基于空间两异面光轴公垂线估计目标真实位置及组网布站站址几何的优化设计方法.通过光电经纬仪观测目标方位角、俯仰角和基线长度,计算两光轴在待估目标上的两交点,得到目标位置的公垂线.依据两台光电经纬仪的测角准确度作为权系数,估计目标真实位置.通过误差仿真及定位准确度分析,研究了组网测量中交会角、方位角、高低角和基线长度对定位准确度的影响.
... 0 引言大靶面交汇测量技术是近年来迅速发展起来的一种非接触式测量技术,具有结构简单、使用方便、测量准确度高、实时性强和自动化程度高等优点,已在大型动态目标的轨迹测量上获得了成功的应用[<xref ref-type="bibr" rid="b1--6-,<xref ref-type="bibr" rid="b2--6-,<xref ref-type="bibr" rid="b3--6-,<xref ref-type="bibr" rid="b4--6-] ...
... 蔡盛[<xref ref-type="bibr" rid="b5--6-]等采用基于神经网络的方法对线阵相机进行标定 ...
... Luna[<xref ref-type="bibr" rid="b6--6-]等根据空间特性提出了一种空间立体交线的标定模型 ...
... Hui[<xref ref-type="bibr" rid="b7--6-]等根据主动成像的原理对线阵相机进行标定 ...
... 然而传统的相机畸变校正方法,如张正友方法[<xref ref-type="bibr" rid="b8--6-,<xref ref-type="bibr" rid="b9--6-],根据相机的畸变特性对相机进行内外参量的标定,标定完成后在后续的图像处理中需要经常调用这些参量对图像中点的真实位置进行求解,这一运算会增加系统的计算复杂度,降低运算速度 ...
. ):0512002-
XU Chao , GAO Min , CAO Huan.
徐超, 高敏, 曹欢
1. Department of Missile Engineering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang, Hebei 050003, C 2. Beijing Aerospace Jiacheng Precision Technology Development Co., Ltd, Beijing 102600, China
To overcome the traditional image ranging algorithm dependent on camera attitude and parallax, an attitude angle estimation-based ranging method of tank target, in monocular image cathched by observe control and launch system charge coupled device, is proposed. Firstly, multistage scale invariant feature transform matching method is applied to obtain the template with minor error comparing with current target by fast attitude angle estimation. Secondly, the template and current target are used to form a novel monocular range model, without camera attitude and parallax between two images. In such a model, the features points matching the tank target image of the template are projected to the approximated 2D world coordinate with the assumption of far distance and tiny error of the attitude. Thus we set up the mapping relationship between the image points and target points, and then external parameters of camera are achieved by monocular camera calibration to calculate the distance of the camera center from target center. Series of targets range from 200 m to 2 500 m are adopted to verify the effectiveness of the proposed algorithm. Sequentially, the alteration of error along with distance increasing is analyzed, and the comparison between measurement error and the maximal tolerance of middle-to-terminal guidance under various ranges is executed. The results indicates that the proposed algorithm do not need to capture the accurate position and angle of camera, resulting in fast and far distance measurement of individual anti-tank missile system in field. Meanwhile, the maximal relative error is 4.9% and the maximal absolute error is 87.7 m, which satisfy the demand of the biggest tolerance errors in the whole range of missile.
为了克服经典成像测距对相机姿态和视差信息依赖的问题, 以观瞄发控装置的电荷耦合器件获取的单目图像为研究对象, 提出了基于姿态角估计的坦克目标测距方法.该方法首先利用多级尺度不变特征变换匹配算法实现目标姿态角的快速估计, 获取与当前目标姿态偏差最小的模板;然后利用该模板和目标图像模拟立体视觉, 建立不依赖于相机姿态和视差的单目测距模型.该模型在远距离测距和小角度偏差的前提下, 将模板中的匹配特征点投影到等效平面世界坐标系中, 建立被测坦克图像点及其空间点的映射关系, 将测距问题转化为对相机外参量的标定, 从而求解出相机中心到坦克中心的距离.采用200 m到2 500 m范围内的坦克验证测距方法的性能, 对测量误差随距离的变化规律进行分析, 并将其与不同射程时导弹末制导交班的最大容许误差进行对比.结果表明, 该方法适用于观瞄发控装置获取的任意姿态图像, 实现了野战条件下单兵反坦克武器系统的远距离、快速测距;测量结果中相对误差小于4.9%, 绝对误差小于87.7 m, 满足导弹各个射程的最大容许误差的要求.
... 然而传统的相机畸变校正方法,如张正友方法[<xref ref-type="bibr" rid="b8--6-,<xref ref-type="bibr" rid="b9--6-],根据相机的畸变特性对相机进行内外参量的标定,标定完成后在后续的图像处理中需要经常调用这些参量对图像中点的真实位置进行求解,这一运算会增加系统的计算复杂度,降低运算速度 ...
... 研究者针对各种类型的畸变做了大量研究,建立了多种数学模型[<xref ref-type="bibr" rid="b10--6-,<xref ref-type="bibr" rid="b11--6-,<xref ref-type="bibr" rid="b12--6-],使畸变可以通过多项表达式表示出来,主要有径向畸变#cod#x003b4 ...
... 研究者针对各种类型的畸变做了大量研究,建立了多种数学模型[<xref ref-type="bibr" rid="b10--6-,<xref ref-type="bibr" rid="b11--6-,<xref ref-type="bibr" rid="b12--6-],使畸变可以通过多项表达式表示出来,主要有径向畸变#cod#x003b4 ...
. ):168-171
CHEN Wei-bing.
Department of Electronic Engineering，Nantong Vocational College，Nantong，Jiangsu 226007，China
Simulation production of real-time image is very significance to the research of scene matching simulation.The problem of distortion model establishment for real-time image simulation is systematically studied in this paper.The main difference between the real-time image and the reference image is analyzed，10 distortion model including noise disturbance，geometric distortion，grayscale distortion，and so on styles are designed，meanwhile，the corresponding experimental results are given.Finally，the scene matching simulation indicates the practicability and efficiency of the distortion models，while it be used in the performance evaluation of matching algorithm and the matching ability test of reference image.
实时图的仿真生成是景像匹配仿真研究中的重要内容之一。系统研究了实时图仿真中的各种畸变模型的建立问题。分析了实时图与基准图之间存在的主要差异，设计了包括噪声干扰、几何畸变、灰度畸变等形式的十种畸变模型，给出了相应的实验结果。通过匹配仿真实验验证了这些模型在匹配算法性能评估及基准图可匹配性检验中的实用意义。
... 研究者针对各种类型的畸变做了大量研究,建立了多种数学模型[<xref ref-type="bibr" rid="b10--6-,<xref ref-type="bibr" rid="b11--6-,<xref ref-type="bibr" rid="b12--6-],使畸变可以通过多项表达式表示出来,主要有径向畸变#cod#x003b4 ...
... 目前对图像质心的求解方法已经比较成熟,常用的质心求解算法有普通质心算法、加强权质心算法、阈值质心算法、距离质心算法等[<xref ref-type="bibr" rid="b13--6-,<xref ref-type="bibr" rid="b14--6-,<xref ref-type="bibr" rid="b15--6-] ...
... 目前对图像质心的求解方法已经比较成熟,常用的质心求解算法有普通质心算法、加强权质心算法、阈值质心算法、距离质心算法等[<xref ref-type="bibr" rid="b13--6-,<xref ref-type="bibr" rid="b14--6-,<xref ref-type="bibr" rid="b15--6-] ...
ANG Peng , XIE Li , LIU Ji
杨鹏, 谢立, 刘济林
(1. Department of Information Science and Electronic Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China；?
2. Zhejiang Provincial Key Laboratory of Information Network Technology, Hangzhou 310027, China)
In order to reduce the image noise and typical image degradation in sun sensor, a novel high resolution Zernike moments based centroid algorithm is proposed for the sun observation based lunar rover celestial navigation system in this paper. The edge is detected by Sobel operator, and is relocated at sub\|pixel accuracy by the Zernike moment operator, then the image centroid is fitted by least square method. Also degraded images are processed by means of the proposed effective circle edge point detection method before the Zernike moment based method is used. It is known from the theoretical analysis that the Zernike moment edge detection improves the accuracy of circle fitting method. In simulation and experiment, this method is compared with the traditional centroid method, the threshold based centroid method and the circle fitting method. The results show that this method has higher accuracy and higher stability, and can play an important role in the improvement on lunar rover’s navigation accuracy.
在基于太阳观测的月球车天文导航系统中，针对太阳传感器中图像噪声以及典型图像退化的不良影响，提出了一种基于Zernike矩的高精度太阳质心提取算法。采用Sobel算子进行边缘检测，Zernike矩重定位亚像素边缘，用最小二乘法拟合圆心。而当图像存在退化时, 进行有效圆边缘点检测后,再用该法提取质心。从理论上分析了Zernike矩亚像素边缘检测对圆拟合法的改进作用。利用仿真图像和地表实验图像，将本文方法与传统的重心法、带阈值的重心法和圆拟合法进行了比较。结果表明，本文方法精度更高，具有更好的稳定性，可以对月球车天文导航精度的提高起良好作用。
... 目前对图像质心的求解方法已经比较成熟,常用的质心求解算法有普通质心算法、加强权质心算法、阈值质心算法、距离质心算法等[<xref ref-type="bibr" rid="b13--6-,<xref ref-type="bibr" rid="b14--6-,<xref ref-type="bibr" rid="b15--6-] ...
交汇测量系统线阵相机标定方法
[吴培1,2, 王延杰1, 孙宏海1, 姚志军1, 武治国1]}