CN112764277B - 一种基于液晶底片的四步相移正弦条纹场投射模块 - Google Patents

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Abstract

本发明属于3D测量技术领域，提供一种基于液晶底片的四步相移正弦条纹投影模块，特别适合用于微型化3D测量设备中；本发明采用液晶底片，仅包含两个COM电极和两个SEG电极，通过对电极施加驱动电压显示类正弦二进制填充图案，再通过投影成像镜头和扩展镜头，投射出正弦条纹；选择不同的加电组合方式，液晶底片可以分别显示四幅满足四步相移关系的类正弦二进制填充图案，从而通过分时控制投影出满足四步相移的四幅正弦条纹场。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，本发明投影模块比较容易低成本化。

Description

一种基于液晶底片的四步相移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的结构光3D测量技术，具体为一种基于液晶底片的四步相移正弦条纹场投射模块。
背景技术
结构光3D测量为非接触测量，通过向被测量目标投射特定的结构光，并用相机拍摄目标，然后处理拍摄的图片，实现3D测量；所投射的结构光有多种类型，其中正弦条纹光场是最常用的结构光之一，使用正弦条纹场做3D测量的最主要技术包括傅里叶变换轮廓术(FTP)和相位测量轮廓术(PMP)，其中FTP仅需要一幅条纹就可以给出结果，但当目标反射图案复杂及形貌起伏剧烈时，会导致较大的测量误差，π相移FTP能够在一定程度上改善测量结果，但需要两幅正弦条纹；PMP利用正弦条纹投影和相移方法测量3D形貌，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。为避免机械移动存在的问题，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，产生较好近似效果的正弦条纹。随着数字条纹投影(DFP)技术广泛用于结构光投影，由于显示器件的可编程特性，投射正弦条纹并实现精确的相移变得更加简单，成为正弦条纹投影技术应用的主流。研究人员还研究了用于高速3D测量的相移正弦条纹投影方法，包括采用基于DLP的DFP二进制离焦投影方法、光栅机械旋转方法、激光干涉条纹方法以及通道选择方法等，这些用于高速3D测量的方法原则上也可以适用于低速测量，但都存在一些技术问题。随着技术的发展和需求的推动，高精度的3D测量会加速进入到多个行业，一些行业，比如消费类电子行业，将会对3D测量设备的成本和尺寸提出更高的要求。基于相移正弦条纹的微型化3D测量，需要微型化的正弦条纹投影，当前得以广泛应用的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，而且对于要求整体尺寸较小的设备也并不合适，且实际的应用中，很多情况应用场景相对固定，并不要求复杂的投影，DFP投影的优势不明显。除此之外，液晶朗奇光栅方法需要离焦投影，机械移动光栅的方法、激光干涉条纹方法及现有各种通道选择方法等都不便于投影微型化。
基于此，本发明针对上述问题，提供一种基于液晶底片的四步相移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基于液晶底片的四步相移正弦条纹场投射模块，液晶底片具有两个COM电极和两个SEG电极，四个电极的形状图案是由四类电极图案通过移动、变形和连通处理得到的，而四类电极图案则是由一个矩形及包含在其内部的两个相位差90°的正弦波形分割得到的，在背光的作用下，通过采用不同的加电组合方式对电极施加电压，可以分别显示四幅类正弦二进制填充图案，每幅图案在投影成像镜头和扩展镜头的作用下，都会投影出一幅正弦条纹，共计投影四幅正弦条纹，且这四幅正弦条纹还具有90°相移关系，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：
一种基于液晶底片的四步相移正弦条纹投影模块，包括：背光源1、液晶底片2、投影成像镜头3、光扩展镜头4及电极控制电路5；其特征在于，所述液晶底片包括四个电极，通过电极控制电路对该四个电极施加驱动电压的控制，使得液晶底片在背光源照射作用下依次显示四幅满足四步相移关系的类正弦二进制填充图案，并在投影成像镜头及光扩展镜头作用下，在目标区投影出满足四步相移关系的正弦条纹场。
进一步地，所述液晶底片包括上基板、下基板，所述上基板包含两个COM电极，所述下基板包含两个SEG电极；所述上基板与下基板的ITO图案采用相同的四类分割设计；所述四类分割设计具体为：由两个沿水平方向摆放且具有90°相位差的正弦波形及一个包含它们的矩形，分割出四类电极图案，依次为：位于顶部的B1类电极图案，位于底部的B4类电极图案，指向左下右上的B2类电极图案，指向左上右下的B3类电极图案；所述B1类、B2类、B3类、B4类电极图案沿上下方向进行平移处理，使得四类电极图案之间实现上下方向的电极隔离；相邻的B2类和B3类电极图案的连接点处做内凹变形处理，使得相邻的B2类和B3类电极图案之间实现水平方向的电极隔离；所述上基板的B4类电极图案与B3类电极图案连通、B1类电极图案与B2类电极图案连通，分别构成两个COM电极图案，所述下基板的B4类电极图案与B2类电极图案连通、B1类电极图案与B3类电极图案连通、且分别构成SEG电极图案。
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，上下方向为Y坐标方向，在背光源作用下，通过改变施加在两个COM电极和两个SEG电极的驱动电压波形，可以分别在液晶底片上显示四幅类正弦二进制填充图案，每幅类正弦二进制填充图案在总体形状上与二进制填充正弦图案相近，图案的具体形状和位置决定于可显示图案；换个角度来讲，可显示图案包含了很多的子图案，共计四类，每次显示的类正弦二进制填充图案都只是这些子图案中的一部分，而四幅类正弦二进制填充图案将会覆盖可显示图案的所有子图案，且每个子图案都会被使用两次；可显示图案由对应的四类电极图案经过移动、变形而得到，而电极图案则由摆放方向为X、振幅方向为Y的两个具有90°相位差的正弦波形及包含它们的一个矩形分割得到，COM和SEG电极图案则是在可显示图案的基础上增加了图案连通处理以实现电气连通；液晶片上显示的每幅类正弦二进制填充图案，X坐标位置对应的Y向透光总宽度满足正弦特性，且四幅类正弦二进制填充图案对应的正弦特性还满足四步相移关系；投影成像镜头和光扩展镜头使液晶显示图案的每一个点被投影成一条Y向的线段，对应于一个指定的X坐标，Y向透光宽度越宽，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；由于液晶片上显示的每幅类正弦二进制填充图案，X坐标位置对应的Y向透过宽度满足正弦特性，因此在投影成像镜头和光扩展镜头的作用下，投影出一幅正弦条纹；这一过程在数学上可以描述为类正弦二进制填充图案的倒像与线段状点扩展函数的卷积，卷积的结果便将类正弦二进制填充图案的倒像上下扩展，除开上下两端一小部分非公共叠加区域外，绝大部分的区域满足正弦条纹场的特性；由电极控制电路对四个电极施加电压，液晶底片上按照顺序依次显示四幅类正弦二进制填充图案，对应地投影得到具有准确四步相移关系的四幅正弦条纹场。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种基于液晶底片的四步相移正弦条纹场投射模块，通过对两个COM电极和两个SEG电极图案的设计，使之能够通过改变对电极施加的驱动电压，在液晶底片上分别显示四幅类正弦二进制填充图案，进一步，利用光扩展镜头对类正弦二进制填充图案经过投影成像镜头所成的倒像作Y向扩展获得正弦条纹场，可以在原理上保证投影条纹的正弦性，且相移通过电控方式实现，控制非常方便；由于液晶电极的制作过程是采用光刻技术，电极图案的精度可以得到保证，又从工艺上保证了投影条纹的正弦性和条纹相移的准确性，液晶底片也更容易微型化；另外，液晶片制作工艺成熟可靠，成本也可以做到很低；本发明结构简单，控制方便，尺寸小巧，特别适合要求整机微型化的3D测量设备；同时，基于结构和控制的简单以及关键元器件的低成本，本发明投影模块成本远低于DFP投影方式。
附图说明
图1为本发明实施例中基于液晶底片的四步相移正弦条纹投射模块结构示意图；其中，1为背光源，2为液晶底片，3为投影成像镜头，4为扩展镜头，5为电极控制电路。
图2为本发明实施例中电极图案产生示意图。
图3为本发明实施例中液晶电极图案示意图。
图4为本发明实施例中液晶底片显示的四幅类正弦二进制填充图案示意图。
图5为本发明实施例中投影产生的四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。
本实施例提供一种基于液晶底片的四步相移正弦条纹投射模块，其结构如图1所示，包括：背光源1、液晶底片2、投影成像镜头3、扩展镜头4及电极控制电路5；其中，所述液晶底片包括上基板、下基板，所述上基板包含两个COM电极：COM1与COM2，所述下基板包含两个SEG电极：SEG1与SEG2，对这四个电极施加驱动电压，可以分别显示四幅类正弦二进制填充图案；
所述上基板与下基板的ITO图案采用相同的四类分割设计，所述四类分割原理如图2所示，由两个沿水平方向(X方向)摆放且具有90°相位差的正弦波形及包含它们的一个矩形框(正弦波形的二倍幅值小于矩形框的Y向宽度)进行分割，共分割出四类电极图案；其中，位于顶部的为B1类电极图案，位于底部的为B4类电极图案，指向左下右上(沿上下方向向右倾斜)的为B2类电极图案，指向左上右下(沿上下方向向左倾斜)的为B3类电极图案，由于正弦波形被包含于矩形框中，B1类和B4类电极图案为贯通的完整图案；为实现电极间的物理隔离，所述B1类、B2类、B3类、B4类电极图案沿上下方向(Y方向)进行平移处理，使得4类电极图案之间实现分隔；但是，为了保证B1类、B2类、B3类、B4类电极图案的正弦特性与相移关系，B1类、B2类、B3类、B4类电极图案并不能通过沿水平方向(X方向)的平移处理实现分隔，故针对B2类和B3类电极图案，将相邻电极图案的连接点处做内凹变形处理，使得相邻的B2类和B3类电极图案之间实现隔离，如图3所示；需要说明的是，内凹变形处理的具体形状并无特别限定，同时，所述平移处理与内凹变形处理的具体尺寸也无特别限定，只要能够使得B1类、B2类、B3类、B4类电极图案实现隔离即可；
进一步的，通过电极图案组合B1+B2、B1+B3、B4+B2、B4+B3(符号“+”表示连通处理)，分别对应了液晶底片上将显示的四幅类正弦二进制填充图案；本实施例中，将电极图案组合B4+B3和B1+B2对应连接COM1和COM2电极，将电极图案组合B4+B2和B1+B3对应连接SEG1和SEG2电极，得到的电极图案如图3所示，图中的四个电极全部为标准的透明电极，灰度不同仅用于区分不同的电极；电极的驱动电压由电极控制电路提供，上位机向电极控制电路发送控制信号K1、K2、K3、K4，这些控制信号常态置低，表示液晶底片全部区域为不透光，当控制信号K1、K2、K3、K4依次单独置高时，电极控制电路也对应地产生各个电极的驱动电压波形，使得液晶底片依次显示如图4所示从上往下第1、2、3、4幅类正弦填充二进制图案；其中，液晶底片显示第1幅类正弦填充二进制图案时，COM1、COM2、SEG1电极接相同的方波电压、SEG2电极接反相的方波电压；液晶底片显示第2幅类正弦填充二进制图案时，SEG1、SEG2、COM1电极接相同的方波电压、COM2电极接反相的方波电压；液晶底片显示第3幅类正弦填充二进制图案时，COM1、COM2、SEG2电极接相同的方波电压、SEG1电极接反相的方波电压；液晶底片显示第4幅类正弦填充二进制图案时，SEG1、SEG2、COM2电极接相同的方波电压、COM1电极接反相的方波电压；如图4所示的四幅类正弦二进制填充图案，经过投影成像镜头和光扩展镜头后，对应地投影出四幅正弦条纹场，满足四步相移关系，如图5所示；相机对应地拍摄正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。
在制作液晶底片时，COM和SEG电极图案需要较为精确地对准，以避免显示的类正弦二进制填充图案失真，导致投影出的条纹正弦性受到影响，为降低对准精度的要求，可以选择将COM或者SEG电极图案向间隔区域做适当扩展。
综上所述，采用本发明制作的基于液晶底片的四步相移正弦条纹场投影模块，在满足投射3D测量需要的四步相移正弦条纹场的同时，控制简单，易于微型化，适合于要求整机微型化的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 (2)

1.一种基于液晶底片的四步相移正弦条纹投影模块，包括：背光源(1)、液晶底片(2)、投影成像镜头(3)、光扩展镜头(4)及电极控制电路(5)；其特征在于，所述液晶底片设置于背光源上，所述液晶底片包括四个电极，通过电极控制电路对该四个电极施加驱动电压的控制，使得液晶底片在背光源照射作用下依次显示四幅满足四步相移关系的类正弦二进制填充图案，并在投影成像镜头及光扩展镜头作用下，在目标区投影出满足四步相移关系的正弦条纹场；
所述液晶底片具有上、下基板，所述上基板包含两个COM电极，所述下基板包含两个SEG电极；所述上基板与下基板的ITO图案采用相同的四类分割设计；所述四类分割设计具体为：由两个沿水平方向摆放且具有90°相位差的正弦波形及一个包含它们的矩形，分割出四类电极图案，依次为：位于顶部的B1类电极图案，位于底部的B4类电极图案，指向左下右上的B2类电极图案，指向左上右下的B3类电极图案；所述B1类、B2类、B3类、B4类电极图案沿上下方向进行平移处理，使得四类电极图案之间实现上下方向的电极隔离；相邻的B2类和B3类电极图案的连接点处做内凹变形处理，使得相邻的B2类和B3类电极图案之间实现水平方向的电极隔离；所述上基板的B4类电极图案与B3类电极图案连通、B1类电极图案与B2类电极图案连通，分别构成COM电极图案，所述下基板的B4类电极图案与B2类电极图案连通、B1类电极图案与B3类电极图案连通、且分别构成SEG电极图案。
2.按权利要求1所述基于液晶底片的四步相移正弦条纹投影模块，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图案的摆放方向垂直。
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