CN106123806A - 一种基于微机电的结构光投影方案 - Google Patents

Abstract

本发明涉及三维测量领域，特别涉及一种基于微机电的结构光投影方案，包括控制核心、光学投影模组和位移控制模组；所述控制核心分别与所述光学投影模组及所述位移控制模组连接；所述光学投影模组包括结构光光栅模板带，所述结构光光栅模板带由结构光光栅模板单元组成；所述光学投影模组照明结构光光栅模板单元使系统投射结构光；所述位移控制模块控制结构光光栅模板带的移动，形成结构光光栅序列投影；所述控制核心接收外部控制信号，控制位移控制模块将结构光光栅模板单元位移至光学模组对准位置后输出外触发信号给相机。该系统有效克服了传统投影仪速度、视场角、亮度、投影分辨率等因素的不良影响。

Description

一种基于微机电的结构光投影方案

技术领域

本发明涉及三维测量领域，特别涉及一种基于微机电的结构光投影方案。

背景技术

从数字图像中计算物体面形三维数据是光学三维传感领域长期研究的焦点，而有着高速、高精度和非接触优点的光学三维测量技术一直是研究的热点。近来，在工业测量、逆向工程、视觉导航、航空航天、影视娱乐、虚拟现实、整形美容等领域，特别在设计创意和3D打印行业受到极度的关注和研究。基于三角测量原理的三维测量技术已有几十年的研究，新技术方案层出不穷，应用领域不断拓展，以此为基础的三维面形测量产品研发进展非常迅速，已经在很多领域取得了较大的成功。

目前三维测量领域中测量精度较高、应用领域最广的方案是基于条纹光栅投影的基于三角测量原理的三维测量方案。影响该方案系统精度的影响因素较多(如镜头畸变、基线距离等)，其中一项重要影响因素是条纹光栅投影的质量，其评价标准主要为分辨率(可换算为条纹光栅数目)、均匀性、对比度、光照度和光场稳定性、Gamma值。投影仪作为一种光学显示器件，在三维测量领域有广泛的应用，但本质上它是为消费市场而生，在设计、生产、参数调教等许多方面都是为人脸视觉体验为出发点。在三维测量中，使用相机获取图像的方式与人眼成像方式存在诸多差异(如Gamma、帧频)，在某些应用场景下投影仪(含LCD、DMD、LCOS方案)带来便利的同时也是一种无形的约束。比较典型的限制有结构光光栅投影速度限制、视场角限制和亮度限制。

为了解决投影仪在三维测量应用领域的不足，本文提出了一种基于微机电的结构光投影方案，基于该投影系统的投影组件为测量而生，能满足高速、大视场角、亮度和高光场分辨率等三维测量需求。

发明内容

本发明的目的在于：提出一种基于微机电的高速大视场结构光投影方案，克服投影仪方案的不足，实现高速、高分辨率、投影光场亮度可调、大视场角、大景深的结构光场投影，给出三维测量结构光投影组件的通用解决方案，满足相关应用领域的现实需求。

为了实现上述发明目的，一种基于微机电的结构光投影方案，其控制核心、光学投影模组和位移控制模组；

所述模组均与所述控制核心连接；

所述光学投影模组包括LED阵列及控制单元；

所述位移控制模组包括结构光光栅模板带；

所述光学投影模组照明所述结构光光栅模板带中的结构光光栅模板单元使系统投射结构光；

所述位移控制模组通过控制结构光光栅模板带的移动，形成结构光光栅序列投影；

所述控制核心接收外触发信号，控制位移控制模块将结构光光栅模板单元位移至所述光学投影模组对准位置的同时发送控制命令给所述LED阵列及控制单元，对准后立刻输出外触发信号给相机。

进一步的，所述光学投影模组包括依次排列的聚光碗、LED阵列及控制单元、准直透镜组、会聚透镜组及镜头组。所述LED阵列及控制单元接收所述控制核心的命令控制LED阵列的工作状态，包括开、关和输出光的亮度调节，光直接或经聚光碗反射后进入准直透镜组输出近似平行光，透过结构光光栅模板单元后依次进入所述会聚透镜组和所述镜头组，投射至测量空间。

进一步的，所述位移控制模组包括结构光光栅模板带、模板带固定装置、及位移控制平台，所述位移控制平台包括导轨及位移控制机构，所述模板带固定装置将所述结构光光栅模板带固定在所述位移控制平台上。

所述位移控制模组接收来自所述控制核心的命令，带动所述结构光光栅模板带沿所述导轨完成相应动作，所述相应动作为直线运动，位移量由来自控制核心的命令决定。高精度的位移控制保证相对于所述光学投影模组每个结构光光栅模板单元移动至相同的对准位置。高速位移能力保障结构光投影在预设时间内完成。

进一步的，通过调节所述光学投影模组的光圈大小调节投射出的结构光场的景深。

进一步的，所述结构光光栅模板带按具体需求，可刻蚀成条纹模式、散斑模式和其他结构光编码方案，结构光光栅模板单元的组合关系可按需设置。

进一步的，外触发信号为脉冲信号，并且在所述光学投影模组将所述结构光光栅模板单元移动至预定对准位置时给出。

进一步的，所述光学投影模组中的LED阵列开启、关闭状态可控，使得装有该方案结构光投影产品的仪器在非测量状态具有较低功耗，节能环保。在正常工作状态时，LED间歇式亮暗，有效降低了发热量，对三维测量产品的散热设计有巨大帮助。

进一步的，所述光学投影模组中的LED阵列功率可调，使得测量空间中结构光照明强度可调。通过应用程序的闭环控制，装有该方案结构光投影产品的三维测量设备对被测物面颜色深浅、环境光的亮暗均具有良好的适应能力，降低外部因素对三维测量仪器的影响工作在最佳状态。

进一步的，通过改变所述结构光光栅模板单元的尺寸或提高加工工艺调节描述同一结构光模板的点数，进而调节结构光投影的空间分辨率。

可选的，所述光学投影模组中的所述镜头组为可换镜头或可调焦镜头。

优选的，所述结构光投影方案的Gamma值为1。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

通过针对三维测量领域的结构光投影需求，设计了一种基于微机电的结构光投影方案，其各组件独立设计，整体方案简洁，产品体积小。

本方案有效克服了传统投影仪方案的速度、视场角、亮度、投影分辨率、散热、非线性(Gamma值不为1)、对外部因素适应能力差等因素的影响，为三维测量提供了一个高效的结构光投影方案。

附图说明：

图1是本发明基于微机电的结构光投影方案结构示意图；

图2是本发明光学投影模组结构示意图；

图3是本发明位移控制模组示意图；

图4是本发明实施例1的典型工作时序图。

图中标记：

101-控制核心，102-光学投影模组，103位移控制模组，201-聚光碗，

202-LED阵列及控制单元，203-准直透镜组，204-会聚透镜组，205-镜头组，

301-结构光光栅模板带，302-模板带固定装置，303-位移控制平台。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

一种基于微机电的结构光投影方案，其包括控制核心101、光学投影模组102和位移控制模组103，所述光学投影模组102和所述位移控制模组103均与所述控制核心101连接，如图1所示。

所述光学投影模组102包括聚光碗201、LED阵列及控制单元202、准直透镜组203、会聚透镜组204和镜头组205，结构示意如图2所示。所述LED阵列及控制单元202接收所述控制核心101的命令控制LED阵列的输出光，光直接或经所述聚光碗201反射后进入所述准直透镜组203输出近似平行光，透过所述位移控制模组103中的结构光光栅模板单元后依次进入会聚透镜组204和镜头组205，投射至测量空间。所述LED阵列及控制单元接收控制核心的命令控制LED阵列的工作状态，包括开启、关闭及亮度调节。

所述位移控制模组103包括结构光光栅模板带301、模板带固定装置302、导轨303及位移控制机构304，结构示意如图3所示。所述位移控制103模组通过位移平台控制总线接收所述控制核心101的命令，带动所述结构光光栅模板带301进行相应动作，所述相应动作为直线运动，位移量由控制命令决定。高精度的位移控制保证相对于所述光学投影模组每个结构光光栅模板单元移动至相同的对准位置。高速位移能力保障结构光投影在预设时间内完成。

所述控制核心101接收外部控制信号，协调控制所述光学投影模组102和所述位移控制模组102的工作并输出外触发信号给相机。所述外触发信号为脉冲信号，并且在所述位移模组103将所述结构光光栅模板带301移动至预定对准位置时给出上升沿，高电平的持续时间满足相机外触发模式下的电气特性要求。

所述结构光光栅模板带301含有13个光栅单元，前12个单元与时间相位展开算法所规定的正弦条纹模式相对应，第13个单元为灰场(无条纹结构，照明均匀)。所述控制核心101接收到外部指令后，控制所述光学投影模组102LED点亮，协调所述位移控制模组103的移动和给相机的外触发信号的输出，使所述结构光光栅模板带301进行直线运动，当每个所述光栅单元移动到相对于所述光学投影模组102的对准位置时，输出外触发脉冲信号给相机，所述外触发信号为脉冲信号，时序图如4所示。

通过调节所述光学投影模组的光圈大小可调节投射出的结构光场的景深。较小的光圈可保障投射出的结构广场具有较大的景深，使得应用该结构光投影方案的产品具备较大的深度测量范围，这对三维测量尤其是基于正弦条纹光栅的测量技术是有利的。

所述光学投影模组中的LED阵列开启、关闭状态可控，使得装有该方案结构光投影产品的仪器在非测量状态具有较低功耗，节能环保。在正常工作状态时，LED间歇式亮暗，有效降低了发热量，对三维测量产品的散热设计有巨大帮助。

所述光学投影模组中的LED阵列功率可调，使得测量空间中结构光照明强度可调。通过应用程序的闭环控制，装有该方案结构光投影产品的三维测量设备对被测物面颜色深浅、环境光的亮按均具有良好的适应能力，降低外部因素对三维测量仪器的影响工作在最佳状态。

通过改变所述结构光光栅模板单元的尺寸或提高加工工艺调节结构光光栅投影的分辨率。根据具体需求提高结构光光栅投影的分辨率，这是在保障三维测量系统测量精度前提下实现大视场三维测量的关键因素之一。

优选的，所述结构光投影方案的Gamma值为1。

实施例2

实施例2与实施例1的区别在于，所述结构光光栅模板带301含4个光栅单元。前3个光栅单元对应时间相位展开算法所规定的3种不同密度的正弦条纹模式，条纹结构光栅的相移通过位移控制模组103控制结构光光栅模板带301的位移量来完成，相较12个光栅单元模式更紧凑便利。

实施例3

实施例3与实施例1、2的区别在于，所述结构光光栅模板带301含1个散斑模板单元，此时不需要位移控制模组103移动结构光光栅模板带301。

实施例4

实施例4与上述实施例的区别在于，所述镜头组205为可换镜头或可调焦镜头，使得装有该结构光投影方案的三维测量系统可根据具体应用需求调节视场大小。在其他条件不变的情况下，减小视场可在一定程度上提高测量精度。

Claims (9)

1.一种基于微机电的结构光投影方案，其特征在于，包括控制核心、光学投影模组和位移控制模组；

所述模组均与所述控制核心连接；

所述光学投影模组包括LED阵列及控制单元；

所述位移控制模组包括结构光光栅模板带；

所述光学投影模组照明所述结构光光栅模板带中的结构光光栅模板单元使系统投射结构光；

所述位移控制模组通过控制结构光光栅模板带的移动，形成结构光光栅序列投影；

所述控制核心接收外触发信号，控制位移控制模块将结构光光栅模板单元位移至所述光学投影模组对准位置的同时发送控制命令给所述LED阵列及控制单元，对准后立刻输出外触发信号给相机。

2.根据权利要求1所述的结构光投影方案，其特征在于所述光学投影模组包括依次排列的聚光碗、LED阵列及控制单元、准直透镜组、会聚透镜组及镜头组；

所述LED阵列及控制单元接收所述控制核心的命令控制LED阵列的开关和输出光的强度，光直接或经聚光碗反射后进入准直透镜组输出近似平行光，透过结构光光栅模板单元后依次进入所述会聚透镜组和所述镜头组，投射至测量空间。

3.根据权利要求1所述的结构光投影方案，其特征在于所述位移控制模组包括结构光光栅模板带、模板带固定装置及位移控制平台；

所述位移控制平台包括导轨和位移控制机构；

所述模板带固定装置将所述结构光光栅模板带固定在所述位移控制平台上；

所述位移控制模组接收来自所述控制核心的命令，带动所述结构光光栅模板带沿所述导轨完成相应动作，所述相应动作为直线运动，位移量由来自控制核心的命令决定。

4.根据权利要求1所述的结构光投影方案，其特征在于通过调节所述光学投影模组的光圈大小调节投射出的结构光场的景深。

5.根据权利要求1所述的结构光投影方案，其特征在于所述结构光光栅模板带按具体需求刻蚀。

6.根据权利要求1所述的结构光投影方案，其特征在于所述外触发信号为脉冲信号，并且在所述光学投影模组将所述结构光光栅模板单元移动至预定对准位置时给出。

7.根据权利要求1所述的结构光投影方案，其特征在于通过调节描述同一结构光模板单元的点数调节结构光投影的空间分辨率。

8.根据权利要求2所述的结构光投影方案，其特征在于所述LED阵列功率可调。

9.根据权利要求2所述的结构光投影方案，其特征在于所述光学投影模组中的所述镜头组为可换镜头或可调焦镜头。