CN105657389B - 一种光投影装置及其校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光投影技术领域，涉及一种光投影装置及其校准方法。所述光投影装置，包括光栅投影装置和矢量投影装置，光栅投影装置的投影面和矢量投影装置的投影面在同一个平面，所述平面为投影工作面，在投影工作面内，光栅投影装置和矢量投影装置的投影范围重合。光投影装置还包括图像传感装置。所述光投影装置的校准方法包括依次获得投影图像P、矢量扫描区V、不完全光栅投影图像PM、完整光栅投影图像PR、矢量扫描图像PV，比较完整光栅投影图像PR和矢量扫描图像PV，确定投影重叠误差，对光栅投影装置和矢量投影装置的输入图形进行预校正。本发明通过将光栅投影和矢量扫描相结合，克服了现有技术的缺陷，能保证投影长时间的重合准确性。

Description

一种光投影装置及其校准方法

技术领域

本发明属于光投影技术领域，具体涉及一种光投影装置及其校准方法。

背景技术

光投影装置特别是紫外光投影装置是光固化成型的关键部件，其精度、强度、分辨率、覆盖尺寸等参数直接决定了光固化成型的整体性能。

目前广泛采用光栅的DMD(Digital Micromirror Device，数字微镜元件)器件投影和矢量的激光振镜扫描的方式。光栅DMD投影速度不受投影形状复杂度的影响，但是其表面光滑程度受到DMD器件分辨率的局限，高分辨率的DMD器件又比较昂贵；激光振镜扫描能够提供更光滑的轮廓，但是其扫描时间随着投影图形的复杂度而上升。例如，中国专利CN201420627342公开了一种3D打印装置，包括底座，设置在底座内的曝光机构、控制机构，以及设置在底座上的打印机构。在其实施例中曝光机构采用了基于DMD技术的DLP器件。但此打印装置中DMD技术的应用依然没有突破上述的局限和缺陷。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种将光栅投影和矢量扫描技术相结合的光投影装置及其校准方法。

本发明解决问题的技术方案是：一种光投影装置，包括光栅投影装置和矢量投影装置，所述光栅投影装置的投影面和矢量投影装置的投影面在同一个平面，所述平面为投影工作面，在所述投影工作面内，所述光栅投影装置的投影范围和矢量投影装置的投影范围重合，重合的区域为投影工作区。

进一步地，所述光投影装置还包括图像传感装置，所述图像传感装置、光栅投影装置和矢量投影装置安装在同一个安装支架上；在所述投影工作面内，所述图像传感装置的传感范围包含部分或者全部的所述投影工作区。

进一步地，所述图像传感装置包含二维图像传感器，所述二维图像传感器为CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)图像传感器或CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合元件)图像传感器。

进一步地，所述矢量投影装置包括相互连接的矢量扫描振镜和矢量扫描光源。

优选地，所述矢量扫描光源采用激光发生器，以获得高精度(≤0.1mm)的扫描焦点；在激光发生器和矢量扫描振镜之间放置扩束镜，以增加聚焦前光斑的直径，提高聚焦质量。

进一步地，所述矢量投影装置还设有平场聚焦透镜或动态聚焦透镜；当采用平场聚焦透镜时，所述平场聚焦透镜设置在矢量扫描振镜和投影工作面之间，当采用动态聚焦透镜时，所述动态聚焦透镜设置在矢量扫描光源和矢量扫描振镜之间。这是因为矢量扫描振镜的输出扫描光束经球面凸透镜聚焦后的焦面为曲面，而需要的投影工作区往往是平面，为获得平面焦面，一般采用平场聚焦透镜，又叫theta透镜，来聚焦；另外一种获得平面焦面的方法是在矢量扫描光源和矢量扫描振镜之间设置动态聚焦透镜，所述动态聚焦透镜的位置或焦距根据扫描点的位置不同而变化，以保证平面上获得良好的焦点。

进一步地，所述光栅投影装置包含DLP(Digital Light Processing，数字光处理)器件，所述DLP器件是基于DMD原理的DLP器件。所述DLP器件投影光线，特别是紫外光线时效率比液晶投影效率高，寿命长。

进一步地，所述光栅投影装置的投影范围和矢量投影装置的投影范围的重合的模式包括重叠模式和填充模式；在所述重叠模式下，矢量投影装置的扫描相对简单，矢量投影扫描线可以和光栅投影像素重叠，因为这种模式会导致重叠部分的投影能量过强，在光固化应用中仅适合于非悬空部分的投影，这样过强的光投影能量会被已固化的树脂吸收，不影响模型的成型。对于悬空部分的投影，更适合采用填充模式，矢量投影扫描线仅用来填充光栅投影像素的空隙和外围，以获得光滑的外表面，同时没有过强的光投影导致固化深度不均匀。填充模式的实现方式能够通过控制矢量扫描光源的通断，或者由填充光栅投影像素的空隙的扫描路径来实现。

由于所述光投影装置的工作需要光栅投影装置和矢量投影装置能够精确配合，实现准确的矢量扫描和投影像素的重合。这需要一种有效的校准方法。

一种所述光投影装置的校准方法，包括如下步骤：

(1)在光栅投影装置和矢量投影装置的复合投影过程中，图像传感装置持续工作，采集至少2幅的投影图像P，标记为P₁,…P_n，n≥2，n为采集的投影图像P的数量；

(2)对应步骤(1)中图像传感装置采集投影图像P的不同时间时矢量投影扫描线所处的位置区域为矢量扫描区V，标记为V₁,…V_n，n≥2，所述矢量扫描区V为包括了矢量投影装置的扫描误差和图像传感装置的测量误差后的扩大区域，也就是说即便在矢量扫描和图像传感装置存在未校正误差的情况下，矢量投影扫描线也不会超出矢量扫描区V；

(3)将投影图像P中对应矢量扫描区V的部分清除，获得清除后的不完全光栅投影图像PM，标记为PM₁,…PM_n，n≥2；

(4)将所有不完全光栅投影图像PM₁,…PM_n叠加，并进行归一化处理，获得完整光栅投影图像PR；

(5)将投影图像P减掉完整光栅投影图像PR，获得实际的矢量扫描图像PV，标记为PV₁,…PV_n，n≥2；

(6)比对完整光栅投影图像PR和矢量扫描图像PV，以确定光栅投影装置和矢量投影装置的投影重叠误差；

(7)根据所述完整光栅投影图像PR、矢量扫描图像PV和投影重叠误差对光栅投影装置和矢量投影装置的输入图形进行预校正。

进一步地，在所述步骤(7)中，输入图形预校正包括：

(7.1)将完整光栅投影图像PR和光栅投影装置的输入图形相比较，校正枕形失真、线性几何失真，发现虚焦时调整焦距，例如像素边沿处对比度小于一定的阀值时导致的虚焦；

(7.2)将矢量扫描图像PV和矢量投影装置的输入图形相比对，确定若干个校准点，通过校准点的误差确定需要校正的参数，发现虚焦时调整焦距，例如外侧扫描线边沿处对比度小于一定的阀值时导致的虚焦；

(7.3)通过对比完整光栅投影图像PR和矢量扫描图像PV，确定完整光栅投影图像PR和矢量扫描图像PV的比例差异和位置偏移，并调整光栅投影装置和/或矢量投影装置。

进一步地，所述步骤(4)中，获得完整光栅投影图像PR的另一种方法为：先行开启光栅投影装置或者滞后关闭光栅投影装置，使图像传感装置采集到没有矢量投影时的投影图像，即为完整光栅投影图像PR。

本发明的有益效果为：本发明通过将光栅投影和矢量扫描相结合，克服了现有技术的缺陷，所述光投影装置结构紧凑，投影速度快，兼具光栅投影和矢量扫描投影的优点，适合大幅面高精度的光投影；所述方法能够在正常投影工作时实时重复进行，以保证长时间投影的重合准确性。

附图说明

图1是本发明所述光投影装置的结构示意图；

图2是图1所示光栅投影装置的投影范围和矢量投影装置的投影范围的重叠模式示意图；

图3是图1所示光栅投影装置的投影范围和矢量投影装置的投影范围的填充模式示意图。

图中：1-光栅投影装置；2-矢量投影装置，21-矢量扫描振镜，22-矢量扫描光源；3-图像传感装置；4-安装支架；5-光栅投影装置的投影范围；6-矢量投影装置的投影范围；7-图像传感装置的传感范围；8-投影工作面，81-投影工作区；9-光栅投影像素；10-矢量投影扫描线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种光投影装置，包括光栅投影装置1和矢量投影装置2，所述光栅投影装置1的投影面和矢量投影装置2的投影面在同一个平面，所述平面为投影工作面8，在所述投影工作面8内，所述光栅投影装置的投影范围5和矢量投影装置的投影范围6重合，重合的区域为投影工作区81。

所述光投影装置还包括图像传感装置3，所述图像传感装置3、光栅投影装置1和矢量投影装置2安装在同一个安装支架4上；在所述投影工作面8内，所述图像传感装置的传感范围7包含部分或者全部的所述投影工作区81。因为光栅投影装置1和图像传感装置3都是基于像素成像的装置，容易通过透镜的平移使工作区域发生偏置而不产生显著的几何形变，如图1所示，光栅投影装置1、矢量投影装置2和图像传感装置3能够不在同一个轴线上而分别错开置于安装支架4的不同位置。

所述图像传感装置3包含二维图像传感器，所述二维图像传感器为CMOS图像传感器或CCD图像传感器。

所述矢量投影装置2包括相互连接的矢量扫描振镜21和矢量扫描光源22。

所述矢量扫描光源22采用激光发生器，以获得高精度(≤0.1mm)的扫描焦点；在激光发生器和矢量扫描振镜21之间放置扩束镜，以增加聚焦前光斑的直径，提高聚焦质量。

所述矢量投影装置2还设有平场聚焦透镜或动态聚焦透镜；当采用平场聚焦透镜时，所述平场聚焦透镜设置在矢量扫描振镜21和投影工作面8之间，当采用动态聚焦透镜时，所述动态聚焦透镜设置在矢量扫描光源22和矢量扫描振镜21之间。这是因为矢量扫描振镜21的输出扫描光束经球面凸透镜聚焦后的焦面通常为曲面，而需要的投影工作区81往往是平面，为获得平面焦面，一般采用平场聚焦透镜，又叫theta透镜，来聚焦；另外一种获得平面焦面的方法是在矢量扫描光源22和矢量扫描振镜21之间设置动态聚焦透镜，所述动态聚焦透镜的位置或焦距根据扫描点的位置不同而变化，以保证平面上获得良好的焦点。

所述光栅投影装置1包含DLP器件，所述DLP器件是基于DMD原理的DLP器件。所述DLP器件投影光线，特别是紫外光线时效率比液晶投影效率高，寿命长。

所述光栅投影装置的投影范围5和矢量投影装置的投影范围6的重合的模式包括重叠模式和填充模式；在所述重叠模式下，如图2所示，矢量投影装置的扫描相对简单，矢量投影扫描线10可以和光栅投影像素9重叠，因为这种模式会导致重叠部分的投影能量过强，在光固化应用中仅适合于非悬空部分的投影，这样过强的光投影能量会被已固化的树脂吸收，不影响模型的成型。对于悬空部分的投影，更适合采用填充模式，如图3所示，矢量投影扫描线10仅用来填充光栅投影像素9的空隙和外围，以获得光滑的外表面，同时没有过强的光投影导致固化深度不均匀。填充模式的实现方式能够通过控制矢量扫描光源的通断，或者由填充光栅投影像素9的空隙的扫描路径来实现，所述扫描路径可以是近似阿基米德螺线的环绕结构或者往复扫描的“之”字结构。由于所述光投影装置的工作需要光栅投影装置1和矢量投影装置2能够精确配合，实现准确的矢量扫描和投影像素的重合。这需要一种有效的校准方法。

一种所述光投影装置的校准方法，包括如下步骤：

(1)在光栅投影装置1和矢量投影装置2的复合投影过程中，图像传感装置3持续工作，采集至少2幅的投影图像P，标记为P₁,…P_n，n≥2，n为采集的投影图像P的数量；

(2)对应步骤(1)中图像传感装置3采集投影图像P的不同时间时矢量投影扫描线10所处的理论位置区域为矢量扫描区V，标记为V₁,…V_n，n≥2，所述矢量扫描区V为包括了矢量投影装置2的扫描误差和图像传感装置3的测量误差后的扩大区域，也就是说即便在矢量扫描和图像传感装置3存在未校正误差的情况下，矢量投影扫描线10也不会超出矢量扫描区V；

(3)将投影图像P中对应矢量扫描区V的部分清除，获得清除后的不完全光栅投影图像PM，标记为PM₁,…PM_n，n≥2；

(4)将所有不完全光栅投影图像PM₁,…PM_n叠加，并进行归一化处理，获得完整光栅投影图像PR；

(5)将投影图像P减掉完整光栅投影图像PR，获得实际的矢量扫描图像PV，标记为PV₁,…PV_n，n≥2；

(6)比对完整光栅投影图像PR和矢量扫描图像PV，以确定光栅投影装置1和矢量投影装置2的投影重叠误差；

(7)根据所述完整光栅投影图像PR、矢量扫描图像PV和投影重叠误差对光栅投影装置1和矢量投影装置2的输入图形进行预校正。

在所述步骤(7)中，输入图形预校正包括：

(7.1)将完整光栅投影图像PR和光栅投影装置1的输入图形相比较，校正枕形失真、线性几何失真，发现虚焦时调整焦距，例如像素边沿处对比度小于一定的阀值时导致的虚焦；

(7.2)将矢量扫描图像PV和矢量投影装置2的输入图形相比对，确定若干个校准点，通过校准点的误差确定需要校正的参数，发现虚焦时调整焦距，例如外侧扫描线边沿处对比度小于一定的阀值时导致的虚焦；

(7.3)通过对比完整光栅投影图像PR和矢量扫描图像PV，确定完整光栅投影图像PR和矢量扫描图像PV的比例差异和位置偏移，并调整光栅投影装置1和/或矢量投影装置2。

所述步骤(4)中，获得完整光栅投影图像PR的另一种方法为：先行开启光栅投影装置1或者滞后关闭光栅投影装置1，使图像传感装置3采集到没有矢量投影时的投影图像，即为完整光栅投影图像PR。

本发明的工作原理为：

本发明中由光栅投影装置和矢量投影装置复合投影的形状称为总投影形状。本发明的工作方式是由光栅投影装置对总投影形状的主体进行投影，并且由矢量投影装置扫描所述总投影形状的外轮廓以获得平滑的外表面。所述矢量投影装置还可以扫描光栅投影像素的间隙，增加光栅投影像素和外轮廓扫描的接触面。

通常在本发明所述光投影装置正式启动前，分别开启光栅投影装置和矢量投影装置来投影特定的测试图形，以确定初始的光栅投影和矢量投影的位置关系，以及它们各自的预校正参数。并且使用本发明所述的校准方法来对光栅投影和矢量投影实时进行跟踪校准，补偿所述光栅投影装置和矢量投影装置长时间，即大于24小时，工作时因为温度变化和器件老化等原因导致的投影位置漂移，从而提高长时间工作的稳定性，降低对所述安装支架的机械性能要求，减少本发明的光投影装置的成本。

本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种光投影装置，其特征在于，包括光栅投影装置和矢量投影装置，所述光栅投影装置的投影面和矢量投影装置的投影面在同一个平面，所述平面为投影工作面，在所述投影工作面内，所述光栅投影装置的投影范围和矢量投影装置的投影范围重合，重合的区域为投影工作区；

所述光投影装置还包括图像传感装置，所述图像传感装置、光栅投影装置和矢量投影装置安装在同一个安装支架上；在所述投影工作面内，所述图像传感装置的传感范围包含部分或者全部的所述投影工作区；

所述矢量投影装置包括相互连接的矢量扫描振镜和矢量扫描光源；

所述矢量投影装置还设有平场聚焦透镜或动态聚焦透镜；当采用平场聚焦透镜时，所述平场聚焦透镜设置在矢量扫描振镜和投影工作面之间，当采用动态聚焦透镜时，所述动态聚焦透镜设置在矢量扫描光源和矢量扫描振镜之间。

2.根据权利要求1所述的光投影装置，其特征在于，所述图像传感装置包含二维图像传感器，所述二维图像传感器为CMOS图像传感器或CCD图像传感器。

3.根据权利要求1所述的光投影装置，其特征在于，所述光栅投影装置包含DLP器件。

4.根据权利要求1所述的光投影装置，其特征在于，所述光栅投影装置的投影范围和矢量投影装置的投影范围的重合的模式包括重叠模式和填充模式。

5.一种权利要求1-4任一项所述的光投影装置的校准方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在光栅投影装置和矢量投影装置的复合投影过程中，图像传感装置持续工作，采集至少2幅的投影图像P，标记为P₁,…P_n，n≥2，n为采集的投影图像P的数量；

(2)对应步骤(1)中图像传感装置采集投影图像P的不同时间时矢量投影扫描线所处的位置区域为矢量扫描区V，标记为V₁,…V_n，n≥2，所述矢量扫描区V为包括了矢量投影装置的扫描误差和图像传感装置的测量误差后的扩大区域；

(3)将投影图像P中对应矢量扫描区V的部分清除，获得清除后的不完全光栅投影图像PM，标记为PM₁,…PM_n，n≥2；

(4)将所有不完全光栅投影图像PM₁,…PM_n叠加，并进行归一化处理，获得完整光栅投影图像PR；

(5)将投影图像P减掉完整光栅投影图像PR，获得实际的矢量扫描图像PV，标记为PV₁,…PV_n，n≥2；

(6)比对完整光栅投影图像PR和矢量扫描图像PV，以确定光栅投影装置和矢量投影装置的投影重叠误差；

(7)根据所述完整光栅投影图像PR、矢量扫描图像PV和投影重叠误差对光栅投影装置和矢量投影装置的输入图形进行预校正。

6.根据权利要求5所述的光投影装置的校准方法，其特征在于，在所述步骤(7)中，输入图形预校正包括：

(7.1)将完整光栅投影图像PR和光栅投影装置的输入图形相比较，校正枕形失真、线性几何失真，发现虚焦时调整焦距；

(7.2)将矢量扫描图像PV和矢量投影装置的输入图形相比对，确定若干个校准点，通过校准点的误差确定需要校正的参数，发现虚焦时调整焦距；

(7.3)通过对比完整光栅投影图像PR和矢量扫描图像PV，确定完整光栅投影图像PR和矢量扫描图像PV的比例差异和位置偏移，并调整光栅投影装置和/或矢量投影装置。

7.根据权利要求5所述的光投影装置的校准方法，其特征在于，所述步骤(4)中，获得完整光栅投影图像PR的另一种方法为：先行开启光栅投影装置或者滞后关闭光栅投影装置，使图像传感装置采集到没有矢量投影时的投影图像，即为完整光栅投影图像PR。