一种基于偏振光学的自准直仪背景噪音误差补偿方法

本发明属于光学测量仪器领域，具体是提出一种基于偏振光学的误差补偿结构。

背景技术：

1、经典的自准直测角方法，得利于光电传感器亚像素的光斑位移探测能力，再由物镜焦距和反射体角灵敏度的两次光学放大，目前是精度最高、分辨率最大的角度测量设备，已经成为计量领域角度量值传递的主要实现仪器，在工业制造、国防科技、学术科研等领域扮演重要的角色。

2、近年来，随着工程应用对自准直仪超高精度的角度计量需求不断增加，全球范围多个研究所对自准直测量系统的测量方法和对误差源和精度提升进行了大量研究。shen(文献m.z.shen,and s.t.liao,“a high precision dynamic autocollimator,”key engmater,vol.295-296,pp.337-342,mar.2009.)提出了一种补偿残余测量误差的方法，同时采用多项式插值补偿算法，将高速动态自准直仪的测量精度提高到了0.8弧秒的数量级。shi(文献j.shi,y.c.li,d.zhang,h.xing,z.x.tao,and j.b.tan,“research on theinfluence model of collimating lens aberrations in autocollimation systembased on the ray-tracing method,”ieee sens.j,vol.23,no.2,pp.1224-1233,jan.2023.)提出了基于光线追踪法的自准直系统中准直透镜像差的影响模型，分析了准直透镜像差引起的系统误差，通过误差补偿将像差对测量的影响误差缩小到了0.74弧秒。ren(文献w.ren et al.,“a novel enhanced roll-angle measurement system based on atransmission grating autocollimator,”ieee access,vol.7,pp.120929-120936,jan.2019.)提出了一种基于透射光栅自动准直仪的分辨率增强型滚动角度测量系统，让测量光束两次通过旋转光栅，与使用相同装置的传统光栅自动准直方法相比，分辨率得到了提高，滚动角的测量分辨率达到了0.1弧秒。

3、但以上自准直仪误差源的理论研究，都忽略了由其内部光学结构面的反射所引发的成像面受背景噪音干扰现象，特别是伴随当前传感器像素细分的技术发展，该现象将是影响自准直仪测角精度提升的关键因素。

4、在本发明中，公布了一种基于偏振光学的自准直仪背景噪音误差补偿结构。利用光线偏振态的变化，通过改变传统自准直仪的光学构造，消除因自准直仪自身结构问题引发的噪音现象。并通过实验得知经过补偿后，自准直仪的测量精度和分辨率得以提高。这种基于偏振光学的消噪方法突破了自准直仪原有构造的限制，从结构优化方面为提高自准直仪的测量精度提供了思路。

技术实现思路

1、本发明旨在解决以上现有技术的问题。在传统自准直仪中加入这种消噪结构，通过改变光线偏振态的方式，抑制自准直仪自身结构引发背景噪音对光电传感器识别检测产生的影响。从结构层面出发，改变传统自准直仪原有的光学结构，经过优化的自准直系统构造仍可以实现自准直测量功能，并且相较于传统构造的自准直仪具有更高的测量精度。本发明的技术方案如下：

2、一种基于偏振光学的自准直仪背景噪音误差补偿方法，其包括以下步骤：

3、1)运用图像识别中的霍夫变换原理，结合ccd对图像的识别和计算过程，推演结构引发的背景噪音对测量精度产生的影响，利用数学公式算出背景噪音的理论影响值；

4、2)根据偏振光学中光线偏振态的变化规律，在传统结构的自准直仪中加入由四分之一波片(qp)、线偏振片(lp)和偏振分束立方(pbs)构成的消噪结构，搭设完成带有误差补偿措施的自准直仪，调试各元件的位置，保证成像光线可在ccd的光电检测平面上清晰成像。

5、进一步的，所述步骤1)中背景噪音对ccd图像识别计算的影响过程可用数学公式表示，在没有背景噪音的情况下，符合要求的点对应的灰度值为：

6、aselect＝amax*kthreshold      (1)

7、式中amax为整个检测画面的灰度最大值，kthreshold为选择阈值，aselect为取点处的灰度值；

8、aselect+δa2≠(amax+δa1)*kthreshold                 (2)

9、a'select+δa3＝(amax+δa1)*kthreshold                 (3)

10、式中δa1、δa2、δa3为背景噪音叠加在正确像上的随机灰度值，a'select为错误选点的灰度值，δa1≠δa2≠δa3。

11、进一步的，所述步骤1)图像识别中的霍夫变换原理具体为：

12、ccd对图像的识别是将自身光电检测平面感知到的光照强度转化为相对灰度值后再进行标定的；而对十字成像光斑的交点坐标计算是由十字像横线和竖线的直线方程联立求得的，直线方程的建立采用两点确定一线的方式，十字交点推导表示为：

13、y＝k1x+b1                            (4)

14、y＝k2x+b2                            (5)

15、其中公式(4)表示为十字成像光斑的横线方程，公式(5)表示为竖线方程；k1、k2分别为横线和竖线的直接斜率，b1、b2分别为横线和竖线的直线截距。

16、ccd对点的识别在霍夫变换的(ρ,θ)域中标定的，一点经霍夫变换后表现为一条正弦曲线；两点确定一条直线，(ρ,θ)域中两条正弦曲线相交的交点坐标(ρ,θ)对应过两点直线的过原点法线；背景噪音导致如式(2)、(3)的不规则变化会使ccd选点出现偏差，在(ρ,θ)域中标定的正弦曲线也会相应改变，最终导致ccd对直线的判别出现错误；

17、由正交关系可知，在有背景噪音干扰的情况下，ccd判别的横线的直角坐标方程应由公式(4)改写为：

18、

19、θ1和ρ1为横线方程对应(ρ,θ)域中的参数，相同地，竖线方程应由公式(5)改写为：

20、

21、联立公式(6)和(7)可求得十字交点坐标，将角度调节前后的坐标值作差即可得到十字光斑在x轴或在y轴上的位移量δx，δy；

22、再由自准直系统测量原理δx＝f·tan(2θ1)，f为准直镜的焦距，计算出在背景噪音干扰下带有误差的偏转角θ'1和θ'2，

23、

24、在偏移量有标准参考的情况下，可知偏转角误差量为：

25、δθ1＝θ'1-θ1       (10)

26、δθ2＝θ'2-θ2       (11)

27、式中θ1和θ2为没有误差的角度偏移量标准值。

28、进一步的，所述步骤2)中基于偏振光学的消噪结构，其加入自准直仪地方式为：将非偏振分束立方bs)换为等尺寸的偏振分束立方(pbs)，在光阑和pbs之间加入线偏振片(lp)，在准直镜和立方反射体之间加入四分之一波片(qp)，搭设完成带有消噪结构的自准直仪。

29、一种电子设备，其包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如任一项所述基于偏振光学的自准直仪背景噪音误差补偿方法。

30、一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其所述计算机程序被处理器执行时实现如任一项所述基于偏振光学的自准直仪背景噪音误差补偿方法。

31、一种计算机程序产品，包括计算机程序，其所述计算机程序被处理器执行时实现如任一项所述基于偏振光学的自准直仪背景噪音误差补偿方法。

32、本发明的优点及有益效果如下：

33、本发明提出了一种基于偏振光学的自准直仪背景噪音误差补偿方法，搭设传统结构的自准直测量系统，配备角度标定的参考仪器，在这套实验平台下可实现对自搭设自准直仪的测量精度和分辨率数据测定。结合自准直仪成像过程，利用图像识别的霍夫变换原理对自准直仪自身结构引发噪音对测量精度的影响进行了理论推导，实现了背景噪音导致测量误差的理论表征。针对背景噪音影响测量精度这一问题，基于偏振光学的误差补偿方法改变了自准直测量系统的器件构成。偏振器件在不改变原有成像光路路径的前提下，通过多次改变成像光线偏振态的方式将干扰光路去除，从光线传播层面去除干扰光的产生，实现抑制自准直仪自身结构引发背景噪音的效果。这种基于光线偏振的消噪方法按照规定方式在自准直仪中加入偏振器件即可，实现方法简便。而且经实验表明，基于偏振光学的自准直仪背景噪音误差补偿方法验证了自准直仪自身结构问题造成的背景噪音误差对自准直仪测量精度的影响权重不低于48.86％，而加入偏振元件进行噪音补偿后，自准直仪的测量分辨率从2″提升至约为1″，沿着x和y轴的测量精度从低于5.2″提升至优于3.4″。自准直仪的测量精度和分辨率均得到提升。

34、在此之前，自准直仪测量精度的提升研究大多从算法模型入手，对影响精度的因素建立相应的误差模型，利用算法对检测识别数据进行处理。而本发明从结构层面出发，改变了自准直仪原有的光学结构，加入了由偏振器件组成的消噪结构，通过实验成功验证了自准直仪自身结构引发的背景噪音现象确实影响了自准直仪的测量精度，经实验数据对比得出具体影响值，同时实验也表明了这种补偿方法确实有噪音抑制效果。新结构自准直仪的提出为自准直仪测量精度的改进在优化结构方面提供了思路，今后可在不同结构或多结构方面上寻求新的高精度自准直仪改进方法。

35、本发明的创新具体是在自准直系统的经典结构中加入了偏振器件，与以往提高自准直仪测量精度的手段不同，本发明改变了自准直仪的结构组成。由pbs、线偏振片和四分之一波片组成的消噪结构，通过多次改变测量光束的偏振态，阻隔了全部的噪音光路。而偏振结构对测量光束的偏振态改变恰能使其在pbs处正常出射，满足自准直仪测量原理，可正常在ccd图像传感器的检测像面成像。