CN109458954B - 一种余弦条纹场投射模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及到3D测量技术领域，提供一种余弦条纹场投射模块，特别适合用于微型化3D测量设备中；本发明采用二值化余弦图案，避开制作透射式余弦光栅中透过率不准确的问题，同时大幅度降低制作成本；将四幅满足90°相移关系的二值化余弦图案设计于同一底片上，然后通过投影成像镜头和扩展镜头，配合通道选择电路，获得满足四步相移的四幅余弦条纹场；本发明结构控制简单，尺寸小巧，特别适合要求整机体积微型化的3D测量设备；同时，基于简单的结构和控制以及低成本的元器件，本发明投影模块成本远低于可编程投影方式。

Description

一种余弦条纹场投射模块
技术领域
本发明涉及到3D测量技术领域，主要涉及到利用余弦条纹结构光的3D测量技术，具体为一种余弦条纹场投射模块。
背景技术
结构光3D测量设备通过向被测量目标投射结构光，并用相机拍摄目标，通过处理拍摄的图片实现3D测量；所投射的结构光有多种类型，其中余弦条纹光场是最常用的结构光之一。对于投射余弦条纹光场的情况，四步相移法是常用方法之一，采用四幅同频但相位依次递增90°的余弦条纹场照射目标，获得四幅照片，经过处理得到各点的高度值，对应3D测量结果。傅里叶变换轮廓术则是利用单幅条纹场的技术，仅需要单幅余弦条纹场照射并拍摄图片，就可以实现3D测量，相比四步相移法而言，具有实时性强的优点，但对于空间频谱较宽的目标，其测量误差较大。另外，针对具体的应用，多频率条纹投射，多步相移等技术也得以大量应用。
余弦条纹场结构光的投射，可以采用透射式余弦光栅底片，背光源照射后通过投影镜头投射，通过移动底片的方式可获得四步相移照射；对于结构不复杂的目标，也可以仅投射单幅余弦条纹场，采用傅里叶变换轮廓术处理；透射式余弦光栅底片方式由于结构简单，因此仍然大量应用。随着显示技术的发展，可编程投影技术得以实现，速度快，参数选择更加灵活，不仅可以投射余弦条纹场，还可以投射各种其它的结构光。可编程投影技术所采用的器件成本较高，控制上也相对复杂，且由于其条纹实际上是通过多个像素点不同的亮度来实现的，而像素点是有一定尺寸限度的，因此被投射的显示器上条纹图案的周期不可能太小，对于需要探测小面积区域的情况反而不合适。实际的应用中，很多情况应用场景相对固定，并不要求复杂的投影，可编程投影的优势不明显，相比之下，采用底片的方式，工艺上可以做的更加精细，因此尺寸可以更小，而成本却更低；不过，标准的透射式余弦光栅底片的制作是存在难度的，主要是透过率很难保证，目前主要的制作方式采用光刻，制作成本较高，同时，相移的实现比较麻烦，需要精细的机械移动来实现。
基于此，本发明针对上述问题，提供一种余弦条纹场投射模块。
发明内容
本发明的目的在于提供一种余弦条纹场投射模块，通过二值化的标准余弦图案，配合简单的选通控制，为3D测量提供满足四步相移关系的余弦条纹照明场，特别适合用于微型化3D测量设备中。
为实现上述目的，本发明采用的方案为：
一种余弦条纹场投射模块，包括：背光源、底片、场镜、投影成像镜头、扩展镜头及通道控制电路；其特征在于，所述底片上设置有四幅二值化余弦图案，每幅二值化余弦图案均水平摆放，四幅二值化余弦图案从上往下依次按照90°相位差摆放，并且，每幅二值化余弦图案均进行填充、使透过宽度沿水平方向的变化具备余弦特性；所述扩展镜头的扩展方向与二值化余弦图案的摆放方向垂直，所述通道控制电路控制背光源选择照射任意一幅二值化余弦图案，依次通过场镜、投影成像镜头、扩展镜头后形成余弦条纹场。
进一步地，所述通道控制电路采用分时控制，使背光源从上往下依次选择照射一幅二值化余弦图案，实现四步相移。
进一步地，所述四幅二值化余弦图案之间均设置有隔离，使相邻通道之间互不串扰。
进一步地，所述扩展镜头确保最上层和最下层的两幅余弦图案分别投射产生的余弦条纹场之间重叠区域大于被测量区域，进而满足3D测量的需要。
进一步地，所述背光源采用四个分别对应四幅二值化余弦图案的光源组成的光源组，每个光源由所述通道控制电路控制单独照射对应的二值化余弦图案；或者采用单一光源，当采用单一光源时，所述底片由液晶片通过ITO电极图案设计实现，每幅二值化余弦图案由所述通道控制电路控制单独选通。
需要说明的是，本发明中，为保证90°的准确相移，扩展镜头的扩展方向需要与二值化余弦图案的放置方向垂直；可以通过所述二值化余弦底片的余弦图案区域外的上下各设计一个小点或者一条上下向的窄短线，有助于调试安装时初步确定余弦图案摆放方向与扩散镜头扩展方向之间的角度关系。另外，针对仅需要一幅余弦条纹场照射的情况，可以将二值化余弦底片设计成仅有一幅二值化余弦图案，光路结构则完全一样；也可以选通四路中的一路。
本发明的原理为：以水平方向为X坐标方向，上下方向为Y坐标方向，一幅二值化余弦图案X方向放置，在周围全部无法透光的前提下，X坐标位置对应的Y向透过宽度满足余弦特性。在无扩展镜头时，投射光场为二值化余弦图案的像，加入扩展镜头后，将投射光场Y向扩展，每个点都将会被上下扩展为一条线，对应于一个指定的X坐标，Y向透过宽度越宽，扩展后叠加产生的光场照度越大，如果背光源均匀，在公共叠加区域，则这个光场照度与Y向透过宽度成正比。假设未加扩展时的照射光场为I(x,y)，扩展镜头产生的点扩展函数为S(x,y)，最终形成的光场为I(x,y)与S(x,y)的卷积，扩展镜头的点扩展函数近似为一条线，卷积的结果便将二值化余弦图案的像上下扩展，除开上下两端一小部分非公共叠加区域外，有一个很大的区域满足余弦条纹场的特性。二值化余弦图案本身所占据高度有限，因此可以将四幅二值化余弦图案做紧凑的设计，并可以准确地实现移相，通过上述方式，一共可以投射出四幅余弦条纹场，虽然四幅余弦图案高低不同，但这四幅余弦条纹场还可以有较大的重叠区域，从而可用于3D测量。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种余弦条纹场投射模块，采用二值化余弦图案，可以避开制作透射式余弦光栅中透过率不准确的问题，同时制作成本可以大幅度降低；将四幅满足90°相移关系的二值化余弦图案紧凑地设计在一起，然后通过投影成像镜头和扩展镜头，配合通道选择电路，获得满足四步相移的四幅余弦条纹场；本发明结构控制简单，尺寸小巧，特别适合要求整机体积微型化的3D测量设备；同时，基于简单的结构和控制以及低成本的元器件，本发明投影模块成本远低于可编程投影方式。
附图说明
图1为本发明实施例1中余弦条纹场投射模块结构示意图；其中，1为背光源，2为底片，3为场镜，4投影成像镜头，5为扩展镜头，6为通道选择电路。
图2为本发明实施例1中底片上的二值化余弦图案示意图。
图3为本发明实施例2中余弦条纹场投射模块结构示意图。
图4为本发明实施例2中液晶片上的二值化余弦图案示意图。
具体实施方式
下面结合实施例作对本发明做进一步的说明。
实施例1
本实施例提供一种余弦条纹场投射模块，其结构如图1所示，包括：背光源1、底片2、场镜3、投影成像镜头4、扩展镜头5及通道控制电路6；其中，二值化余弦底片上共有4幅二值化余弦图案，如图2所示，每幅余弦图案对应一个背光源，每幅余弦图案之间做光学隔离，使得每个背光源开启时只能照射对应的余弦图案；四幅余弦图案之间依次移相90°，对应地投射所产生的目标区的四幅余弦条纹场也满足四步相移法的要求；采用四步分时操作方案，外部上位机通过通道选择电路选择要开启的背光源，相机对应地拍摄余弦条纹场照射下的目标，共获得四幅图片，经过处理，解算出目标的3D像。
其中，为保证90°的准确相移，扩展镜头的扩展方向需要与二值化余弦图案的放置方向垂直，这个可以通过在余弦图案区域外上下各设置一个标记点或者标记短线，调试时，根据上下位置对应关系，可以快速地粗略调整角度，而更加精确的调整，则可以借助屏上条纹的相位解算来辅助完成。
二值化余弦图案上的四幅二值化余弦图案位置上的差异，使得所产生的照射场区域并不重合，而是有上下错位，但选择合适的扩展镜头，所扩展出来的四幅余弦条纹场可以有足够大的重叠区域满足3D测量的需要。
实施例2
本实施例提供一种余弦条纹场投射模块，其结构如图3所示，包括：背光源1、底片(液晶片)2、场镜3、投影成像镜头4、扩展镜头5及通道控制电路6；其与实施例1的区别在于：本实施例中采用液晶片作为底片，则背光源只需一个；其工作原理与实施例1相同。
所述液晶片为一块定制液晶片，通过ITO电极的图案制作得到4幅二值化余弦图案，液晶片有一个公共电极，四个控制电极，每个控制电极对应一个余弦图案，常态为不透过，加电后透过；背光源只有一个，为四个余弦图案共用。液晶片上二值化余弦图案，如图4所示，考虑到电极的连通性，增加了一部分透明区域；外部上位机通过通道选择电路将液晶打开所需要的交流电分时加到四个控制电极上，获得满足四步相移关系的余弦条纹场，外部上位机控制相机对应地拍摄四幅图片，经过处理，解算出目标的3D像。
综上所述，采用本发明制作的余弦条纹场投影模块，在满足投射3D测量需要的四步相移余弦条纹场的同时，控制简单，尺寸小巧，适合于要求整机体积的微型化3D测量设备。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (5)

1.一种余弦条纹场投射模块，包括：背光源、底片、场镜、投影成像镜头、扩展镜头及通道控制电路；其特征在于，所述底片上设置有二值化余弦图案，所述二值化余弦图案进行填充、使透过宽度沿摆放方向的变化具备余弦特性；所述扩展镜头的扩展方向与二值化余弦图案的摆放方向垂直，所述通道控制电路控制背光源选择照射二值化余弦图案，依次通过场镜、投影成像镜头、扩展镜头后形成余弦条纹场；所述底片上设置有四幅二值化余弦图案，每幅二值化余弦图案均水平摆放，四幅二值化余弦图案从上往下依次按照90°相位差摆放；所述通道控制电路采用分时控制，使背光源从上往下依次选择照射一幅二值化余弦图案，实现四步相移。
2.按权利要求1所述余弦条纹场投射模块，其特征在于，所述四幅二值化余弦图案之间均设置有隔离，使相邻通道之间互不串扰。
3.按权利要求1所述余弦条纹场投射模块，其特征在于，所述扩展镜头确保最上层和最下层的两幅余弦图案分别投射产生的余弦条纹场之间重叠区域大于被测量区域。
4.按权利要求1所述余弦条纹场投射模块，其特征在于，所述背光源采用四个分别对应四幅二值化余弦图案的光源组成的光源组，每个光源由所述通道控制电路控制单独照射对应的二值化余弦图案。
5.按权利要求1所述余弦条纹场投射模块，其特征在于，所述背光源采用单一光源，此时，所述底片由液晶片通过ITO电极图案设计实现，每幅二值化余弦图案由所述通道控制电路控制单独选通。
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