Virtual datum calibration for surface shape 3D measurement of double mirror objects

JIN Yu; NI Yubo; GAO Nan; MA Luyao; MENG Zhaozong; YANG Zeqing; ZHANG Guofeng; ZHAO Hongwei; ZHANG Zonghua

doi:10.37188/OPE.20263415.2359

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Virtual datum calibration for surface shape 3D measurement of double mirror objects

Modern Applied Optics | 更新时间：2026-08-20

- Virtual datum calibration for surface shape 3D measurement of double mirror objects
- Optics and Precision Engineering Vol. 34, Issue 15, Pages: 2359-2368(2026)
- 作者机构：
  
  1.河北工业大学机械工程学院，天津 300401
  2.西安交通大学机械工程学院，陕西西安 710049
  3.中国飞机强度研究所强度与结构完整性全国重点实验室，陕西西安 710065
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.37188/OPE.20263415.2359
  CLC： TH741;TB92
- CSTR：32169.14.OPE.20263415.2359
- Received：08 May 2026，
  
  Revised：2026-06-02，
  
  Online First：14 August 2026，
  
  Published：10 August 2026
- 稿件说明：
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靳钰,倪育博,高楠等.双镜面物体面形三维测量的虚拟基准标定[J].光学精密工程,2026,34(15):2359-2368.

JIN Yu,NI Yubo,GAO Nan,et al.Virtual datum calibration for surface shape 3D measurement of double mirror objects[J].Optics and Precision Engineering,2026,34(15):2359-2368.
靳钰,倪育博,高楠等.双镜面物体面形三维测量的虚拟基准标定[J].光学精密工程,2026,34(15):2359-2368. DOI： 10.37188/OPE.20263415.2359. CSTR： 32169.14.OPE.20263415.2359.

JIN Yu,NI Yubo,GAO Nan,et al.Virtual datum calibration for surface shape 3D measurement of double mirror objects[J].Optics and Precision Engineering,2026,34(15):2359-2368. DOI： 10.37188/OPE.20263415.2359. CSTR： 32169.14.OPE.20263415.2359.

摘要

在先进装备制造和复杂光学仪器中存在一类双镜面物体，其两工作面法向夹角大，整体三维面形测量难度较高。采用相位偏折术分别测量两工作面时，由于所测数据位于不同坐标系，且缺少统一的实体基准，故难以确定对应两面数据之间的关系。该问题会直接影响两侧点云的坐标统一与后续拼接精度，使双镜面整体面形重建受到限制。为此，本文提出一种虚拟基准标定方法，以子系统标定过程中形成的虚拟参考面构建虚拟基准，并结合多姿态平面镜相位重建结果与转台坐标系约束，确定两虚拟参考面之间的空间变换关系，实现双镜面测量数据统一。实验结果表明，所提标定方法能够完成双镜面点云拼接，右表面相对于标准平面的均方根误差为0.059 mm，实现了双镜面物体的整体三维面形重建。

Abstract

Double-mirror components are widely used in advanced manufacturing equipment and complex optical instruments. However， complete three-dimensional （3D） surface-form measurement is challenging because the two functional surfaces typically have a large angle between their surface normals. When phase-measuring deflectometry （PMD） is applied separately to the two surfaces， the reconstructed point clouds are expressed in independent coordinate systems. The lack of a common physical datum prevents determination of their relative spatial transformation and degrades point-cloud registration accuracy. A virtual-datum calibration method is proposed to establish a common coordinate system without requiring a physical reference shared by the two subsystems. The method uses virtual reference planes retained during subsystem calibration as datum-transfer carriers. Phase-reconstructed measurements of a plane mirror acquired at multiple poses are combined with turntable-coordinate-system constraints to determine the spatial transformation between the two virtual reference planes. The two surface datasets are thereby transformed into a unified coordinate system for 3D reconstruction. Experimental validation achieved point-cloud registration of the double-mirror surfaces. The right surface exhibited a root-mean-square （RMS） deviation of 0.059 mm relative to a reference plane， confirming the feasibility of complete 3D surface-form reconstruction. The method provides a practical calibration strategy for precision measurement of multi-surface reflective components.

关键词

Keywords

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