CN112762860B - 一种高帧率正弦条纹场投射模块 - Google Patents

Abstract

本发明属于3D测量技术领域，提供一种高帧率正弦条纹场投射模块，特别适合用于微型化3D测量设备中；本发明包括：光刻片1、光通道隔离座2、发光芯片安装板3、投影成像镜头4、光扩展镜头5及发光显示通道控制电路6，发光芯片、光通道隔离座与光刻片共同构成发光阵列，发光阵列中包含若干个独立的发光显示通道；通过发光显示通道控制电路控制所述发光阵列依次显示三幅具有120°相移关系的类正弦二进制填充发光图案，在所述投影镜头和光扩展镜头的作用下，在目标区投影出具有三步相移关系的正弦条纹场。本发明高帧率正弦条纹场投射模块所投影的三幅正弦条纹场的相移关系精确，具有投影帧率高、制作精度高、制作成本低、且模块控制简单等优点。

Description

一种高帧率正弦条纹场投射模块

技术领域

本发明属于3D测量技术领域，主要涉及到利用正弦条纹结构光的3D测量技术，具体为一种高帧率正弦条纹场投射模块。

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；正弦条纹光场是最常用的结构光之一，利用正弦条纹投影和相移方法的3D形貌测量技术具有分辨率高、精度高的优点，已经在很多领域得到广泛的应用。正弦条纹投影技术是相移法3D测量的核心技术之一，也经历了一个长期的研究过程。早期采用透过率正弦变化的光栅范灯片做投影底片来产生正弦条纹，通过机械移动来实现相移，这种方式存在的问题主要有：正弦特性难以保证，高精度移相比较困难，容易引入测量误差，且难以实现高帧率投影。为避免机械移动存在的问题，学者发展出了采用液晶作为投影底片，液晶图案为朗奇光栅的方案，通过离焦投射，产生具有近似效果的正弦光场。随着数字条纹投影(DFP)技术用于结构光投影，可编程特性使得投射正弦条纹并实现精确的相移变得更加简单，因而得到广泛的应用。近年来，利用相移正弦条纹的高速3D测量成为一个重要的技术发展方向，同时具有较大的潜在市场需求，而高速3D测量就需要高帧率的相移正弦条纹投影。普通商用的DFP工作于8位显示模式下，投影帧率在120Hz或者略高一些，不适合于高速3D测量。为实现高速3D测量，学者提出了用DFP显示方波二进制图案，再结合离焦的方法获得近似的正弦投影光场的方法，并利用DLP Discovery技术成功实现了667Hz的高速3D测量，且潜在的投影帧率达到数十kHz，然而这种方法所产生的正弦条纹是近似的，使得测量结果具有较大的误差，而且其条纹质量与离焦程度之间关系较大，不便于应用；为了利用二进制图案显示方法的高速性能优势，有诸多研究工作优化被投影的二进制图案，包括采用波形优化的一维优化图案，以及采用抖动技术的二维优化图案，其中二维优化图案使得在非常接近对焦的状态下也能获得较好的正弦条纹；虽然前述研究中的二进制图案结合离焦投影方式也能获得近似程度较好的正弦条纹场，但所获得的正弦条纹场还是近似的，离焦的程度仍然会对测量结果的精度产生影响，而离焦程度并不易于控制。无论如何，由于DFP的可编程特性，且基于DLP Discovery技术的高帧率投影性能，二进制图案结合离焦投影的DFP投影已经成为高速3D测量的主流技术；不过，高帧率DFP投影技术所采用的器件成本较高，控制上也相对复杂，不利于降低设备成本，对于要求整体尺寸较小的设备也并不合适；除了DFP投影方法，学者还研究了一些其它的方法，包括高速旋转光栅盘的机械方法、激光干涉方法、基于通道选择的方法等，用于实现高帧率投影，但所采用的方法都具有各自的问题，难以得到有效应用。

基于此，本发明的发明人在公开号为CN109458954A的专利文献中公开了一种二进制填充正弦图案的高帧率投影方法，可以获得极高的潜在投影帧率，该方法将具有相移关系的三个或四个二进制填充正弦图案采用光刻方式制作在一起，正弦图案从上到下排列，利用光扩展镜头将其倒像扩展为正弦条纹，通过通道切换实现相移正弦条纹的高帧率投影，没有机械移动，也没有激光干涉法的客观散斑问题，而且从原理上保证了无论是否离焦都具有高的正弦性，同时，这种方法成本低廉，控制简单，尺寸小巧；不过，这种二进制填充正弦图案结合光扩展的方法，所产生的各幅条纹场是上下错位的，被测目标只能处于各个投影条纹场的公共投射区域，而且，对扩展镜头的性能有一定的要求。显然，如果各幅相移正弦条纹之间没有明显的上下错位，则可以提供更大的测量范围，应用起来更加方便。因此，本发明针对该问题，提供一种高帧率正弦条纹场投射模块。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高帧率正弦条纹场投射模块，通过采用填充正弦图案分解及变形的图案作为发光显示通道显示的图案，配合发光显示通道的选择组合控制，结合投影成像镜头和光扩展镜头的使用，为3D测量提供满足三步相移关系的正弦条纹照明场，既适合于通用的高帧率相移正弦条纹投影，也特别适合用于微型化3D测量设备中。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种高帧率正弦条纹场投射模块，包括：光刻片1、光通道隔离座2、发光芯片安装板3、投影成像镜头4、光扩展镜头5及发光显示通道控制电路6；其特征在于，所述发光芯片安装板上依次设置光通道隔离座与光刻片，三者共同构成发光阵列；所述光刻片设置有若干透光图案，所述光通道隔离座设置有若干个镂空孔，所述镂空孔与透光图案一一对应、且形状及尺寸均相同；所述发光芯片安装板上安装有发光芯片，所述发光芯片与镂空孔一一对应、且位于镂空孔中，每个镂空孔与孔内的发光芯片、孔内填充的散光材料及对应的透光图案构成独立的发光显示通道；所述发光显示通道控制电路连接发光芯片安装板，通过发光显示通道控制电路选择组合发光显示通道使得所述发光阵列显示一幅类正弦二进制填充发光图案，进一步通过发光显示通道控制电路控制所述发光阵列依次显示三幅具有120°相移关系的类正弦二进制填充发光图案，在所述投影镜头和光扩展镜头的作用下，在目标区投影出具有三步相移关系的正弦条纹场。

进一步的，所述光刻片上的透过图案基于三类分割图案设计；所述三类分割图案由水平方向摆放且依次具有120°相移关系的三个相同正弦波形及其底部切线构成，共分割出周期性的三类图案，按照垂直方向从上向下依次标记为S1类、S2类和S3类分割图案；所述S1类、S2类及S3类分割图案沿垂直方向进行平移处理，使得S1类、S2类、S3类分隔图案之间实现垂直方向的分隔；所述S1类与S2类分割图案，将相邻分隔图案的连接点处做内凹变形处理，使得相邻分割图案之间实现水平方向的分隔；最终，基于三类分割图案分割得S1类、S2类、S3类分割图案对应得到所述光刻片的T1类、T2类、T3类透光图案，进而将对应的发光显示通道按照透光图案标记为T1类、T2类、T3类发光显示通道。

更进一步的，所述发光阵列中，以任一个正弦波形的上升沿算起，单个正弦波周期中包含3个T1类发光显示通道、3个T2类发光显示通道、3个T3类发光显示通道；其中，3个T3类发光显示通道均标记为C0，3个T1类发光显示通道按照从左向右的顺序依次标记为C1、C2、C3，3个T2类发光显示通道按照从左向右的顺序依次标记为C4、C5、C6，发光显示通道C0、C1、C4、C5构成发光显示组A、由使能控制信号KA控制，发光显示通道C0、C2、C5、C6构成发光显示组B、由使能控制信号KB控制，发光显示通道C0、C3、C6、C4构成发光显示组C、由使能控制信号KC控制；当使能控制信号KA、KB、KC依次为高时，发光阵列显示三幅具有120°相移关系的类正弦二进制填充发光图案。

进一步的，所述散光材料采用配有散光剂的光学封装环氧树脂。

进一步的，所述发光芯片采用高速高亮的LED芯片。

进一步的，所述光扩展镜头的光扩展方向与类正弦二进制填充发光图案的摆放方向垂直。

从工作原理上讲：以水平方向为X坐标方向，垂直方向为Y坐标方向，由三个振幅和周期都相同但依次相移120°的正弦波形按X方向摆放，振幅方向为Y，以这三个正弦波形和与它们底部相切的直线做为边界，可以分割出S1、S2、S3三类分割图案，对这三类分割图案进行选择组合，就可以分别获得三幅具有120°相移的二进制填充正弦图案；如果二进制填充正弦图案是均匀发光图案，经过投影镜头和扩展镜头后，就会在目标区投影出一幅正弦条纹，而三幅具有120°相移的二进制填充正弦图案则会在目标区投影出三幅具有120°相移的正弦条纹，在数学上可以描述为二进制填充正弦图案的倒像与线段状点扩展函数的卷积结果；为获得物理可实现的高帧率相移正弦条纹投影，采用预设发光显示通道，通过组合发光显示通道显示类正弦二进制填充图案，然后通过投影成像镜头和光扩展镜头产生正弦条纹的方法；采用带有一组镂空孔的光通道隔离座、发光芯片、散光材料及包含透光图案的光刻片来具体实现，每一个镂空孔及对应的发光芯片、散光材料和光刻片透光图案构成一个可控的发光显示通道，每个发光显示通道在发光芯片点亮时显示一个与光刻片透光图案对应的图形；为解决各发光显示通道之间的光学隔离问题，基于由二进制填充正弦图案投影生成正弦条纹的基本原理，结合实际的加工技术，将S1、S2类分割图案做Y向移动及图案变形，保留S3类分割图案，得到光刻片的T1、T2、T3三类透光图案；依照S1、S2、S3类分割图案组合产生二进制填充正弦图案的选择组合方式，对应地选择光学显示通道，只要各个光学显示通道显示的图案亮度均匀，虽然显示的类正弦二进制填充图案不同于理想的二进制填充正弦图案，但由于X坐标位置对应的Y向发光总宽度仍然满足正弦特性，在通过成像镜头和光扩展镜头投射到目标后，同样可以获得正弦条纹投影；通过发光显示通道控制电路分时选择控制发光显示通道，依次显示三幅类正弦二进制填充图案，就可以投影出三幅满足120°移相关系的条纹。

本发明的有益效果在于：

本发明提供一种高帧率正弦条纹场投射模块，通过选择组合控制预设的发光显示通道，在光刻片上显示类正弦二进制填充图案，在投影成像镜头和光扩展镜头的作用下投影出正弦条纹场，由于采用二进制图案，各光学显示通道显示的图形由光刻片的透过图案决定，既保证了投影条纹的正弦性，又保证了三幅正弦条纹的相移精度；被投影的显示图案是通过发光显示通道选择组合实现的，图案的切换是通过切换发光显示通道实现的，选择高速的发光芯片，比如高速高亮的LED芯片，上升下降时间可以在ns级别，可以得到极高的潜在投影帧率；由于产生三幅正弦条纹的发光显示通道是互用的，光刻片上显示的三幅类正弦二进制填充图案除了相移外可以看作是重叠的，投影出的三幅正弦条纹几乎没有上下错位，因此，相比于上下依次排列的二进制填充正弦图案产生正弦条纹投影的方法，在同样实现高帧率条纹投影的前提下，所产生的相移条纹用于3D测量，应用起来更加方便。另外，本发明控制简单，尺寸小巧，特别适合要求整机微型化的高速3D测量设备。

附图说明

图1为本发明实施例中的高帧率正弦条纹场投射模块结构示意图；其中，1为光刻片，2为光通道隔离座，3为发光芯片安装板，4为投影成像镜头，5为光扩展镜头，6为发光显示通道控制电路。

图2为本发明实施例中分割图案的分割示意图。

图3为本发明实施例中由分割图案生成的透光图案示意图。

图4为本发明实施例中光通道隔离座镂空图案示意图。

图5为本发明实施例中分割图案按照电路连接分类示意图。

图6为本发明实施例中分时显示的类正弦二进制填充图案示意图。

图7为本发明实施例中投影产生的三幅正弦条纹图案示意图。

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。

本实施例提供一种高帧率正弦条纹场投射模块，其结构如图1所示，包括：光刻片1、光通道隔离座2、发光芯片安装板3、投影成像镜头4、光扩展镜头5及发光显示通道控制电路6；其中，光刻片上包含T1、T2、T3三类透光图案，该三类透光图案基于三类分割图案设计得到的，如图2所示，所述三类分割图案是由三个沿水平方向(X方向)摆放且依次具有120°相移关系的正弦波形及它们的底部切线分割形成，按照垂直方向(Y方向)从上到下依次分为S1、S2、S3分割图案，每类分割图案具有完全相同的形状和方向，反过来，所有分割图案通过分组，可以分别组合出三幅具有120°相移关系的二进制填充正弦图案；

进一步的，为保证实际的应用中各个图案的独立性，就必须做光学隔离，为实现光学隔离，采用一个光通道隔离座，光通道隔离座包含分别对应于光刻片上三类透光图案的多个镂空孔，镂空孔的形状根据光刻片的透光图案设计，原则是镂空孔截面边沿不能在透光图案内，孔壁用于光学隔离，即光刻片设置于光通道隔离座上；如图2所示的三类分隔图案S1、S2、S3直接相连，根本无法实现光学隔离，故对S1类、S2类、S3类分隔图案沿垂直方向(Y方向)进行平移处理，使得S1类、S2类、S3类分隔图案之间实现隔离；但是，为了保证S1类、S2类、S3类分隔图案的正弦特性与相移关系，S1类、S2类、S3类分隔图案并不能通过沿水平方向(X方向)的平移处理实现隔离，故针对S1类和S2类分割图案，将相邻分隔图案的连接点处做内凹变形处理，使得相邻的S1类(S2类)分割图案之间实现隔离；进而，获得光刻片的T1、T2、T3类透光图案，所得透光图案如图3所示；需要说明的是，所述平移处理与内凹变形处理的具体尺寸根据镂空孔的孔壁的加工工艺确定；且，内凹变形处理的具体形状也并无特别限定，只要能够使得相邻的S1类(S2类)分割图案之间实现隔离即可。

更进一步的，采用高速高亮度LED芯片，粘贴并键合在发光芯片安装板上，匹配发光芯片安装板上安装的光通道隔离座，LED芯片处于对应的镂空孔内，并用配有散光剂的光学封装环氧树脂作散光材料填充镂空孔，使光刻片的每个透光图案与对应的镂空孔、LED芯片及散光材料构成一个独立可控的发光显示通道，如图4所示；本实施例中，考虑到LED芯片的安装问题，加上所有S3类分割图案对应的区域在每一个二进制填充正弦图案中都被包含，因此使所有的T3类透光图案对应的镂空孔全部与一个矩形孔连通，构成一个大的镂空孔，该镂空孔与所有T3类透光图案及包含的LED芯片和散光材料一起，对应地构成一个单独的发光显示通道，标记为C0；如图5所示，以任一个正弦波上升沿算起，单个正弦波周期内共分割出3个S1类和3个S2类分割图案，按照从左向右、从上往下的顺序依次标记为P1、P2、P3、P4、P5、P6，经过移动和变形转化为光刻片的透光图案，分别对应6类发光显示通道C1、C2、C3、C4、C5、C6，每类发光显示通道在电路底板上电路连通并给出一个驱动电流输入连接点；发光显示通道C0、C1、C4、C5构成发光显示组A，发光显示通道C0、C2、C5、C6构成发光显示组B，发光显示通道C0、C3、C6、C4构成发光显示组C，上位机给出三个发光显示组的使能控制信号KA、KB、KC，发光显示通道控制电路则分别转换为控制A、B、C三个发光显示组的显示，上位机通过分时给出KA、KB、KC单独为高，光刻片上依次显示120°移相的三个显示图案组，所显示的图案如图6所示，对应地投影所产生的三幅正弦条纹场如图7所示，满足三步相移法的要求，相机对应地拍摄正弦条纹场照射下的目标，共获得三幅图片，经过处理，解算出目标的3D像。

综上所述，采用本发明制作的高帧率正弦条纹场投影模块，使用开关响应速度极高的发光芯片作为光源，预设发光显示通道，结合发光显示通道选择分组控制实现被投影的显示图案的切换，使用投影成像镜头和光扩展镜头，实现高帧率的相移正弦条纹投影，同时，利用光刻技术的高精度特点，保证了所获得相移正弦条纹的相移准确性，而且控制简单，易于小型化，适合于要求整机体积的微型化高速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)

1.一种高帧率正弦条纹场投射模块，包括：光刻片(1)、光通道隔离座(2)、发光芯片安装板(3)、投影成像镜头(4)、光扩展镜头(5)及发光显示通道控制电路(6)；其特征在于，所述发光芯片安装板上依次设置光通道隔离座与光刻片，三者共同构成发光阵列；所述光刻片设置有若干透光图案，所述光通道隔离座设置有若干个镂空孔，所述镂空孔与透光图案一一对应、且形状及尺寸均相同；所述发光芯片安装板上安装有发光芯片，所述发光芯片与镂空孔一一对应、且位于镂空孔中，每个镂空孔与孔内的发光芯片、孔内填充的散光材料及对应的透光图案构成独立的发光显示通道；所述发光显示通道控制电路连接发光芯片安装板，通过发光显示通道控制电路选择组合发光显示通道使得所述发光阵列显示一幅类正弦二进制填充发光图案，进一步通过发光显示通道控制电路控制所述发光阵列依次显示三幅具有120°相移关系的类正弦二进制填充发光图案，在投影成像 镜头和光扩展镜头的作用下，在目标区投影出具有三步相移关系的正弦条纹场；

所述光刻片上的透光图案基于三类分割图案设计；所述三类分割图案由水平方向摆放且依次具有120°相移关系的三个相同正弦波形及其底部切线构成，共分割出周期性的三类图案，按照垂直方向从上向下依次标记为S1类、S2类和S3类分割图案；所述S1类、S2类及S3类分割图案沿垂直方向进行平移处理，使得S1类、S2类、S3类分割图案之间实现垂直方向的分隔；所述S1类与S2类分割图案，将相邻分割图案的连接点处做内凹变形处理，使得相邻分割图案之间实现水平方向的分隔；最终，基于三类分割图案分割的S1类、S2类、S3类分割图案对应得到所述光刻片的T1类、T2类、T3类透光图案，进而将对应的发光显示通道按照透光图案标记为T1类、T2类、T3类发光显示通道。

2.按权利要求1所述高帧率正弦条纹场投射模块，其特征在于，所述发光阵列中，以任一个正弦波形的上升沿算起，单个正弦波周期中包含3个T1类发光显示通道、3个T2类发光显示通道、3个T3类发光显示通道；其中，3个T3类发光显示通道均标记为C0，3个T1类发光显示通道按照从左向右的顺序依次标记为C1、C2、C3，3个T2类发光显示通道按照从左向右的顺序依次标记为C4、C5、C6，发光显示通道C0、C1、C4、C5构成发光显示组A、由使能控制信号KA控制，发光显示通道C0、C2、C5、C6构成发光显示组B、由使能控制信号KB控制，发光显示通道C0、C3、C6、C4构成发光显示组C、由使能控制信号KC控制；当使能控制信号KA、KB、KC依次为高时，发光阵列显示三幅具有120°相移关系的类正弦二进制填充发光图案。

3.按权利要求1所述高帧率正弦条纹场投射模块，其特征在于，所述光扩展镜头的光扩展方向与类正弦二进制填充发光图案的摆放方向垂直。

4.按权利要求1所述高帧率正弦条纹场投射模块，其特征在于，所述发光芯片采用高速高亮的LED芯片。

5.按权利要求1所述高帧率正弦条纹场投射模块，其特征在于，所述散光材料采用配有散光剂的光学封装环氧树脂。

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