CN111031300A - 一种投影装置及三维测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种投影装置及三维测量系统。其中投影装置包括光源、图像显示芯片、投影镜头以及屏幕；光源用于为图像显示芯片提供照明光束；图像显示芯片用于提供待投影画面；图像显示芯片所在平面、投影镜头光轴的中垂面以及屏幕所在的平面相交于一条直线。本发明实施例的技术方案，通过设置图像显示芯片所在平面、投影镜头光轴的中垂面以及屏幕所在的平面相交于一条直线，以使图像显示芯片、投影镜头和屏幕满足沙姆定律，实现整个屏幕投影的图像清晰，扩大投影景深，提高3D重建的重建精度。

Description

一种投影装置及三维测量系统
技术领域
本发明实施例涉及投影技术，尤其涉及一种投影装置及三维测量系统。
背景技术
在3D打印和3D测量领域，投影装置具有十分重要的作用，因为投影装置所投影出图像的清晰度直接影响3D打印或3D测量精度。
投影装置一般包括图像显示芯片、投影镜头以及屏幕，现有技术中，图像显示芯片、投影镜头以及屏幕平行设置，由于显示画面具有不同的景深，投影到屏幕的画面只能达到局部清晰，无法满足3D打印或3D测量所需的高精度要求。
发明内容
本发明提供一种投影装置及三维测量系统，以实现整个屏幕投影的图像清晰，扩大投影景深，提高3D重建的重建精度。
第一方面，本发明实施例提供一种投影装置，包括光源、图像显示芯片、投影镜头以及屏幕；
所述光源用于为所述图像显示芯片提供照明光束；
所述图像显示芯片用于提供待投影画面；
所述图像显示芯片所在平面、所述投影镜头光轴的中垂面以及所述屏幕所在的平面相交于一条直线。
可选的，所述投影镜头为九片透镜形成的对称结构的像方远心镜头。
可选的，所述投影镜头包括沿远离所述图像显示芯片方向依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜以及第九透镜；
所述第一透镜为正焦距透镜，所述第二透镜至所述第四透镜为负焦距透镜，所述第五透镜为正焦距透镜，所述第六透镜为负焦距透镜，所述第七透镜至所述第九透镜为正焦距透镜。
可选的，所述第一透镜至所述第九透镜均为玻璃球面透镜。
可选的，所述投影镜头还包括光阑，设置于所述第五透镜与所述第六透镜之间。
可选的，还包括照明光束调节镜头，所述照明光束调节镜头位于所述光源与所述图像显示芯片之间。
可选的，所述照明光束调节镜头包括准直透镜、非球面透镜、复眼透镜、反射镜以及积分透镜；
所述准直透镜、所述非球面透镜、所述复眼透镜以及所述反射镜沿远离所述光源的方向依次排列，所述积分透镜位于所述反射镜的出射光路上。
可选的，所述图像显示芯片包括数字微镜器件DMD。
可选的，所述光源包括发光二极管LED。
第二方面，本发明实施例还提供一种三维测量系统，包括上述任意一种投影装置。
本发明实施例提供的投影装置，包括光源、图像显示芯片、投影镜头以及屏幕；光源用于为图像显示芯片提供照明光束；图像显示芯片用于提供待投影画面；图像显示芯片所在平面、投影镜头光轴的中垂面以及屏幕所在的平面相交于一条直线。通过设置图像显示芯片所在平面、投影镜头光轴的中垂面以及屏幕所在的平面相交于一条直线，以使图像显示芯片、投影镜头和屏幕满足沙姆定律，实现整个屏幕投影的图像清晰，扩大投影景深，提高3D重建的重建精度。
附图说明
图1是现有技术中一种投影装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种投影装置的结构示意图；
图3是本发明实施例中一种投影镜头的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的投影镜头的色散校正色差示意图；
图5是本发明实施例提供的投影镜头的畸变校正示意图；
图6是本发明实施例提供的投影镜头的光学传递函数MTF的曲线示意图；
图7是本发明实施例提供的另一种投影装置的结构示意图；
图8是本发明实施例提供的一种照明光束调节镜头的结构示意图；
图9是本发明实施例提供的照明光束调节镜头输出的光斑均匀性效果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。需要注意的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1所示为现有技术中一种投影装置的结构示意图。参考图1，该投影装置主要包括平行设置的图像显示芯片1、投影镜头2以及屏幕3，图像显示芯片1显示的图像经过投影镜头2放大后投影到屏幕3，由于不同位置处的景深不同，屏幕3接收到的图像只能达到局部清晰，降低3D重建精度，加大3D测试误差。
为了解决上述问题，本发明实施例提供一种投影装置。图2所示为本发明实施例提供的一种投影装置的结构示意图。参考图2，本实施例提供的投影装置，包括光源10、图像显示芯片20、投影镜头30以及屏幕40；光源10用于为图像显示芯片20提供照明光束；图像显示芯片30用于提供待投影画面；图像显示芯片20所在平面a、投影镜头30光轴的中垂面b以及屏幕40所在的平面c相交于一条直线。
其中，光源10用于提供投影照明光束，可选的，光源可以为发光二极管LED。LED具有体积小、寿命长、亮度高、功耗低等优点，非常适合做显示器件或者投影装置的光源。图像显示芯片20用于提供待投影的显示画面，可选的，图像显示芯片20可以为数字微镜器件DMD，具体实施时可以根据实际条件选择。当图像显示芯片20所在平面a、投影镜头30光轴的中垂面b以及屏幕40所在的平面c相交于一条直线时，三者满足沙姆定律，沙姆定律最早由西多尔·莎姆夫禄格(Theodor Scheimpflug)提出，用于摄影领域，当主体平面、镜头片面和影像平面相交于一条直线时，在影像平面可以得到全面清晰的成像，在摄影时利用沙姆定律，可以在大光圈的情况下获得极大的景深，将沙姆定律应用于本实施例提供的投影系统中，可以在整个投影图像都清晰，扩大投影景深。
图像显示芯片20、投影镜头30以及屏幕40的位置关系可以采用如下方式确定：已知投影镜头30的倍率和物方工作距离的情况下，确定投影镜头30的像方工作距离即确定图像显示芯片20的位置；然后由投影镜头30与投影像面(屏幕40)的显示面交于一直线，推导出屏幕40的角度。
本实施例的技术方案，通过设置图像显示芯片所在平面、投影镜头光轴的中垂面以及屏幕所在的平面相交于一条直线，以使图像显示芯片、投影镜头和屏幕满足沙姆定律，实现整个屏幕投影的图像清晰，扩大投影景深，提高3D重建的重建精度。
在上述技术方案的基础上，图3所示本发明实施例中一种投影镜头的结构示意图。参考图3，可选的，投影镜头为九片透镜形成的对称结构的像方远心镜头。可选的，投影镜头包括沿远离图像显示芯片方向依次排列的第一透镜31、第二透镜32、第三透镜33、第四透镜34、第五透镜35、第六透镜36、第七透镜37、第八透镜38以及第九透镜39；第一透镜31为正焦距透镜，第二透镜32至第四透镜34为负焦距透镜，第五透镜35为正焦距透镜，第六透镜36为负焦距透镜，第七透镜37至第九透镜39为正焦距透镜。
本实施例中的投影镜头，第一透镜31为正焦距弯月透镜，用于消除球面像差，第二透镜32至第九透镜39组成双高斯结构，第二透镜32到第四透镜34都是负焦距透镜，第五透镜35是正焦距透镜；第六透镜36是负焦距透镜，而第七透镜37到第九透镜39都是正焦距透镜，这样的对称结构有利于消畸变、色差和高阶像差，实现传递函数接近衍射极限。图4所示为本发明实施例提供的投影镜头的色散校正色差示意图，由图4可知，该投影镜头的色散校正色差小于10μm。图5所示为本发明实施例提供的投影镜头的畸变校正示意图，由图5可知，该镜头的畸变校正小于0.1％。图6所示为本发明实施例提供的投影镜头的光学传递函数MTF的曲线示意图，由图6可知，在空间频率为184线对/mm时MTF大于0.5，像方远心度小于0.017°，中心视场弥散斑是艾里斑的1/3，边缘视场弥散斑是艾里斑的4/5，MTF接近衍射极限。
该投影镜头具有外观结构小巧，分辨率高的优点，达到大投影幅面成像清晰，解决了测量器件对高物体的遮挡，实现物体的大景深测量。提高测量精度，是高精度3D测量仪器的标配。
可选的，第一透镜31至第九透镜39均为玻璃球面透镜。其中，玻璃球面透镜容易加工，有利于降低投影装置的成本。
可选的，继续参考图3，本实施例提供的投影镜头还包括光阑310，设置于第五透镜35与第六透镜36之间。光阑310用于调节投影镜头的通光量。
图7所示为本发明实施例提供的另一种投影装置的结构示意图。参考图7，可选的，本实施例提供的投影装置还包括照明光束调节镜头50，照明光束调节镜头50位于光源10与图像显示芯片20之间。
可以理解的是，照明光束调节镜头50用于对照明光束进行特定性能优化，例如准直、均匀化等，本实施例提供的照明光束调节镜头50可以输出光学性能为平行度小于9°且能量分布均匀性大于95％的光束。
示例性的，图8所示为本发明实施例提供的一种照明光束调节镜头的结构示意图，参考图8，可选的，该照明光束调节镜头包括准直透镜51、非球面透镜52、复眼透镜53、反射镜54以及积分透镜55；准直透镜51、非球面透镜52、复眼透镜53以及反射镜54沿远离光源的方向依次排列，积分透镜55位于反射镜54的出射光路上。
本实施例提供的照明光束调节镜头，通过准直透镜51和非球面透镜52将光源发出的照明光束调整为平行光束，平行角度小于或等于5mrad。其中非球面透镜的矢高公式满足：
Figure BDA0002336805410000071
其中，c为曲率(半径)，r为以透镜长度单位为单位的径向坐标，k为圆锥系数，a1～a8为高次项系数。利用非球面表面对于边缘光束的折射角度大于中心光束的折射角度，优化光源的发散光束为平行光束。
复眼透镜53用于将非球面透镜52输出平行光束分成若干等面积的平行小光束，通过积分透镜55进行傅里叶卷积变换，将中心光束的能量分布到边缘光束，达到整个光斑能量的匀化，且输出平行角度小于9°的平行光束。复眼透镜53的长宽比例和图像显示芯片的长宽比例一致，保证能量输出使用率最高。
图9所示为本实施例提供的照明光束调节镜头输出的光斑均匀性效果图，通过照明光束调节镜头，可以输出平行度小于9°且能量分布均匀性大于95％的光束。
本实施例提供的基于沙姆定律的投影装置，与传统投影装置的投影屏幕图像只能达到局部清晰相比，该投影装置可以使整个投影屏幕图像都清晰，扩大投影景深；投影装置投射的清晰投影幅面加大了3D测量的测量景深，扫除了由物体的阴影遮挡带来的测量盲点；该投影装置与采集系统配合时，加大了采集系统的采集幅面，增加有效的点云数量，可以有效提高3D重建的重建精度。
本发明实施例还提供一种三维测量系统，包括上述实施例提供的任意一种投影装置。由于本发明实施例提供的三维测量系统包括上述实施例提供的任意一种投影装置，其具有与投影装置相同或相应的技术效果。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种投影装置，其特征在于，包括光源、图像显示芯片、投影镜头以及屏幕；
所述光源用于为所述图像显示芯片提供照明光束；
所述图像显示芯片用于提供待投影画面；
所述图像显示芯片所在平面、所述投影镜头光轴的中垂面以及所述屏幕所在的平面相交于一条直线。
2.根据权利要求1所述的投影装置，其特征在于，所述投影镜头为九片透镜形成的对称结构的像方远心镜头。
3.根据权利要求2所述的投影装置，其特征在于，所述投影镜头包括沿远离所述图像显示芯片方向依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜以及第九透镜；
所述第一透镜为正焦距透镜，所述第二透镜至所述第四透镜为负焦距透镜，所述第五透镜为正焦距透镜，所述第六透镜为负焦距透镜，所述第七透镜至所述第九透镜为正焦距透镜。
4.根据权利要求3所述的投影装置，其特征在于，所述第一透镜至所述第九透镜均为玻璃球面透镜。
5.根据权利要求3所述的投影装置，其特征在于，所述投影镜头还包括光阑，设置于所述第五透镜与所述第六透镜之间。
6.根据权利要求1所述的投影装置，其特征在于，还包括照明光束调节镜头，所述照明光束调节镜头位于所述光源与所述图像显示芯片之间。
7.根据权利要求6所述的投影装置，其特征在于，所述照明光束调节镜头包括准直透镜、非球面透镜、复眼透镜、反射镜以及积分透镜；
所述准直透镜、所述非球面透镜、所述复眼透镜以及所述反射镜沿远离所述光源的方向依次排列，所述积分透镜位于所述反射镜的出射光路上。
8.根据权利要求1所述的投影装置，其特征在于，所述图像显示芯片包括数字微镜器件DMD。
9.根据权利要求1所述投影装置，其特征在于，所述光源包括发光二极管LED。
10.一种三维测量系统，其特征在于，包括权利要求1～9任一所述的投影装置。
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