CN203672335U - 一种可编程控制的光栅投影装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种可编程控制的光栅投影装置，包括有光栅储存与信号发生模块、上位信号转换控制模块、微型液晶显示屏、显示屏控制模块、背光模组、镜头模组、电源控制模块、壳体以及连接器，在使用过程中可以根据用户需求编程控制改变光栅常数和相移变量，从而实现结构光类型可变化，将不同类型的光栅转化为数字化图形信息，通过微型液晶显示屏显示光栅数字化，然后利用背光投影装置和成像装置，将其光栅条纹投射、成像到指定的位置，从而代替了机械式光栅装置，具备高精度、无机械磨损、结构光类型丰富、投射距离小和成像面积小的特点，适应不同的被测物体材质，可广泛应用于机器视觉测量领域、高精度非接触式三维测量设备中。

Description

一种可编程控制的光栅投影装置

技术领域

本实用新型涉及一种光栅装置，具体是一种可编程控制的光栅投影装置。

背景技术

在三维测量及机器视觉领域，特别是运用结构光轮廓相移技术的测量设备必须通过光栅获得条纹结构光，同时，需要结构光条纹需要按照一定的时间周期进行相移变化，这就需要位置可变的光栅装置来实现。现有的可变光栅主要是压电陶瓷和微机械技术实现的光栅，光栅本身一旦制作完成后其光栅类型和常数不可改变，仅仅通过改变压电陶瓷的电压值来改变光栅位置从而实现光栅的位移，可变范围狭窄的问题，在使用中无法根据需求随时改变光栅常数和结构光类型，另外，使用精度会随着机械磨损而下降，其精度标定和误差补偿算法复杂，用户在使用一段时间后需要不断校正标定参数以获得精度补偿。因此，使用传统的机械光栅来获得结构光的方法无法实现灵活编程、无法快速更换光栅类型而获得不同属性的结构光，需要有更先进的方法来获得可变结构光并实现产品化。

市场上销售的普通投影装置也可以投影结构光，在一般的大物体三维测量领域可以使用普通投影装置来生成结构光，但在投射高精度条纹时无法获得微米级精度的条纹，因为普通的投影装置并不是光栅投影装置，这对于细微物体的高精度测量是个很大的障碍。另外，普通的光栅投影装置没有标准的时钟输出，在实际的三维测量系统中，与摄像机或其他设备进行频率同步时无法精确控制拍摄频率与桢同步操作。而市场上销售的数字投影技术多用于视频、图像投影，广泛运用在商业投影方面。但并没有专门针对精密三维测量的数字化光栅投影产品，主要原因在于现有投影产品不是针对结构光投影来设计，而是针对图像视频应用而设计开发，存在着投影距离、成像面积、成像精度等多个方面的冲突，同时，现有投影装置只是作为一个显示设备并不具备脉冲同步指令功能，无法驱动CCD/CMOS相机来进行测量拍摄。

发明内容

针对上述现有技术所存在的问题，本实用新型的目的是提供一种可根据需求改变光栅常数和相移变量的具备高精度、无机械磨损的可编程控制的光栅投影装置。

为达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种可编程控制的光栅投影装置，其特征在于包括有：

光栅储存与信号发生模块，用于为装置提供光栅数据源和切换工作模式；

上位信号转换控制模块，用于与外界的上位机连接并获得上位机的视频信号；

微型液晶显示屏，用于显示光栅数字化图形以实现光栅条纹；

显示屏控制模块，用于控制微型液晶显示屏的液晶像素单元；

背光模组，用于将光源照射到微型液晶显示屏上；

镜头模组，用于将微型液晶显示屏上的光栅条纹投射、成像到指定的位置；

电源控制模块，用于分别为光栅储存与信号发生模块、上位信号转换控制模块、显示屏控制模块和背光模组提供电压；

壳体，用于安装上述模块和模组；

以及连接器，安装于壳体上并用于与外界机械臂、工作台或流水线检测设备连接固定。

其中，上述光栅储存与信号发生模块包括有：

存储器，用于存放生成结构光的基本帧数据和帧控制指令信息；

串口处理模块，用于与上述的上位机进行通讯和将预置光栅数据写出存储器；

以及系统模块，用于将存储器中的基本帧数据通过计算并转换为上述显示屏控制模块可以识别处理的数据信号。

为了使该装置具备脉冲同步指令功能以驱动CCD/CMOS相机来进行测量拍摄，本实用新型还包括有脉冲信号指令发生器，上述电源控制模块为所述脉冲信号指令发生器提供电压，所述脉冲信号指令发生器的时钟同步信号来自上述光栅储存与信号发生模块，当上述微型液晶显示屏的光栅信息每发生一次改变时所述脉冲信号指令发生器同步输出一个脉冲信号。

为了解决可变光栅的数字化问题，上述微型液晶显示屏的像素小于10um，所述微型液晶显示屏包括透射式LCD或LCOS液晶屏。

本实用新型的镜头模组为远心投影镜头，通过一标准镜头卡口与上述壳体连接；所述镜头模组还可以采用市场上的标准投影镜头以满足不同投影距离和成像面积的要求。

本实用新型的电源控制模块可以为独立部件，通过连接器分别向上述光栅储存与信号发生模块、上位信号转换控制模块、显示屏控制模块、背光模组和脉冲信号指令发生器输出电压；也可以为集成板卡，与上述光栅储存与信号发生模块、上位信号转换控制模块、显示屏控制模块、背光模组和脉冲信号指令发生器共同集成在一起。

为了满足系统散热的要求，上述壳体为ABS工程塑料外壳或金属保护外壳，所述壳体为ABS工程塑料外壳时其内部嵌装有散热装置，上述发热量大的模块或模组通过硅胶与所述散热装置或壳体为金属保护外壳的内壳面紧密结合。

本实用新型由于采用包括光栅储存与信号发生模块、上位信号转换控制模块、微型液晶显示屏、显示屏控制模块、背光模组、镜头模组、电源控制模块和壳体的光栅投影装置，在使用过程中可以根据用户需求编程控制改变光栅常数和相移变量，从而实现结构光类型可变化，将不同类型的光栅转化为数字化图形信息，通过液晶微型显示屏显示光栅数字化图形实现光栅，代替了传统的实体光栅，然后利用背光模组将其光栅条纹投射、成像到指定的位置，从而代替了机械式光栅装置，具备高精度、无机械磨损、结构光类型丰富、投射距离小和成像面积小的特点；又由于还包括有脉冲信号指令发生器，故光栅相移时可输出同步指令信号，进而同步驱动多部相机设备进行拍摄，从而进一步精确控制拍摄周期，降低等待时间从而提高系统处理效率。综上所述，本实用新型所述的可编程控制的光栅投影装置投影距离短，精度高，适应不同的被测物体材质，可封闭独立存在，无需上位机也可工作，而且由计算机直接计算、校正，使用寿命长，不存在磨损，可广泛应用于机器视觉测量领域、高精度非接触式三维测量设备中。

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

附图说明

图1是本实用新型的简易平面结构示意图。

图2是本实用新型光栅储存与信号发生模块的简易平面结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，该实施例所述的一种可编程控制的光栅投影装置，包括有光栅储存与信号发生模块1、上位信号转换控制模块2、微型液晶显示屏3、显示屏控制模块4、背光模组5、镜头模组6、电源控制模块7、壳体10以及连接器9，在使用过程中可以根据用户需求编程控制改变光栅常数和相移变量，从而实现结构光类型可变化，将不同类型的光栅转化为数字化图形信息，通过微型液晶显示屏3显示光栅数字化图形实现光栅，代替了传统的实体光栅，然后利用背光模组5将其光栅条纹投射、成像到指定的位置，从而代替了机械式光栅装置，具备高精度、无机械磨损、结构光类型丰富、投射距离小和成像面积小的特点。

该实施例的光栅储存与信号发生模块1，也是帧信号同步处理模块，该模块是本装置的基本数据源，在传统的结构光投影仪中，光栅或结构光编码属性的源要么由机械光栅决定，要么由上位机编程输出到投影模块中，比如利用传统投影仪技术的三维测量装置必须连接电脑后才能正常投射出结构光，而本装置应用数字光栅的核心思想就是将原本刻蚀在玻璃或其他材料上的光栅信息电子化，通常结构光条纹投影仪或结构光发生装置多采用机械光栅，其光栅信息本身由机械光栅的物理属性决定，考虑到结构光投影的特殊应用场景，本装置融合了机械光栅和传统投影的特点，采用独立数字光栅与上位机输入并存的混合模式：既保留了一种通过HDMI/DVI或USB接口由上位机获得光栅参数信息的源接口，又创新了一种利用Flash/RAM芯片存储预制光栅信息的光栅源模块，这种光栅信息以离散的点阵数据固化存储在光栅储存与信号发生模块1中。由于结构光信息是预知的且具备时间周期，因此，可以根据最终用途的需要，预置基本帧数据、结构光帧率和帧变化值。例如正弦条纹的相移改变，a可以定义为1π/4、1π/2 、3π/4和π四种相位，可以获得四个矩阵数据，这四个矩阵信息构成了4个基本帧。根据采样频率要求，4个基本帧可以再重复构成符合微型液晶显示屏3输入格式的信号帧。例如，针对采样频率要求，1秒完成4个相移，且微型液晶显示屏3的输入刷新率为60HZ，那么1个基本帧将重复15次，相应的点阵数据被显示屏控制模块4转化为电压信号用于驱动微型液晶显示屏3中的液晶像素，从而在液晶面板上显示出不同的光栅图案。

如图2所示，该实施例的光栅储存与信号发生模块1包括存储器11，用于存放生成结构光的基本帧数据和帧控制指令信息；串口处理模块12，用于与上位机进行通讯和将预置光栅数据写出存储器11；以及系统模块13，该系统模块13为以ARM芯片为主的嵌入式系统模块，用于将存储器11中的基本帧数据通过计算并转换为显示屏控制模块4可以识别处理的数据信号。

如图1所示，该实施例还包括有脉冲信号指令发生器8，标准TTL电平脉冲，采用上升沿触发。电源控制模块7为脉冲信号指令发生器8提供电压，该脉冲信号指令发生器8的时钟同步信号来自光栅储存与信号发生模块1，当微型液晶显示屏3输出的光栅参数发生改变时，能同步输出脉冲指令，这种脉冲指令是各类CCD或CMOS相机装置的标准控制信号，用来控制触发相机装置完成拍摄动作，也可以用作其它同步装置的指令来源。当微型液晶显示屏3中的光栅信息每发生一次改变(这种改变包括但不限于时序、相位或编码格式的改变)，脉冲信号指令发生器8都会同步输出一个脉冲信号，用于驱动外部相机；当采用上位机作为帧数据源时，帧同步信息由上位机通过串口发送，触发光栅储存与信号发生模块1给出同步指令。

该实施例的上位信号转换控制模块2设有DVI接口和VGA接口两个输入源接口，上位机通过相应的插接头与DVI接口或VGA接口相插接以获得上位机的视频信号。该上位信号转换控制模块2同步兼容传统的投影技术，可以通过上位机输出结构光信息，其原理如光栅储存与信号发生模块1中描述的一致，唯一差别就是上位机代替系统模块13完成了帧数据转换和同步处理指令。

该实施例的微型液晶显示屏3，像素大小必须小于10um，包括透射式LCD或LCOS液晶屏。在实现方法上，需要考虑微型液晶显示屏3参数包括对比度、分辨率和尺寸三项关键信息，该微型液晶显示屏3要求采用高对比度、大分辨率和小尺寸的液晶屏，由于每个象素尺寸低于10um，在进行相移操作时，可以逐个像素移动，以获得极高的测量精度。

该实施例的显示屏控制模块4主要是针对微型液晶显示屏3的液晶像素单元进行控制，由于每一个液晶像素都是可以独立控制的微小单元，整个液晶屏可以对应成一个数字点阵阵列，电压值不同则液晶分子扭角不同，从而对应到明暗信息。显示屏控制模块与微型液晶显示屏3配套，每一种型号的微型液晶显示屏3都有对应的驱动芯片与之配套。

该实施例的背光模组5包括LED光源、反光杯、滤镜、棱镜以及透镜，该LED光源通过反光杯、滤镜、棱镜和透镜的聚焦、匀光后照射到微型液晶显示屏3上。如果是反射式液晶屏，LED光源经过聚焦、匀光后照射到液晶屏上，微型液晶显示屏3反射出去的光包含了完整的光栅信息，并通过镜头模组6投射出去。如果是投射式液晶屏，LED光源经过聚焦、匀光后照射到液晶屏上，微型液晶显示屏3透射出去的光包含了完整的光栅信息。该背光模组5采用光通量大于1000流明的LED白光源，在特定应用场景也可以采用单色LED光源。

该实施例的镜头模组6为远心投影镜头，通过一标准镜头卡口与壳体连接；该镜头模组6还可以采用市场上的标准投影镜头以满足不同投影距离和成像面积的要求。

该实施例的电源控制模块7分别为光栅储存与信号发生模块1、上位信号转换控制模块2、显示屏控制模块4、背光模组5、脉冲信号指令发生器8五个部分提供1V到24V的电压，满足这五个部分的供电需求。在安装结构上，电源控制模块7既可为独立部件，通过连接器分别向这五个部分输出电压，也可以设计为集成板卡，与光栅储存与信号发生模块1、上位信号转换控制模块2、显示屏控制模块4、背光模组5、脉冲信号指令发生器8集成在一起。电源控制模块7外接220V标准电源，通过适配模块将交流电改变为24V直流电，然后进一步根据以上五个部分各个部分的电压需求，分别输出不同电压，其中背光模组5可根据LED功率灵活配置为5V、12V或24V的输出电压，以保证可采用不同功率参数的LED。具体而言，分离模式下电源控制模块7提供4组不同电压需求的接口用于应对背光模组5的灵活配置，并针对不同实现方式进行了组合。而集成模式下背光模组5的输入电压参数已知，因此，无需提供多个接口，而只保留一个电压值输出，并且电路设计上直接与背光模组5集成。考虑到模块化设计对于维修工作的便利性，分离式为相对较佳方案。

该实施例的壳体10为ABS工程塑料外壳或金属保护外壳，如果采用工程塑料材质，则必须将散热装置嵌入在内；如果采用金属材料，在实现方法上将壳体10本身设计为具备散热功能的部件，其中光栅储存与信号发生模块1、上位信号转换控制模块2、显示屏控制模块4、背光模组5、电源控制模块7、脉冲信号指令发生器8等发热较多的核心器件必须通过硅胶以及散热组件与壳体10紧密结合，以满足系统散热的要求。

该实施例的连接器用于与机械臂、工作台或流水线检测设备进行固定。连接器9可以与壳体10集成一体，也可以独立存在并采用机械连接机构与壳体10固定在一起。该连接器9可根据应用场景选择合理的连接方式。

该装置由以上10个部分组成，构成了一个可独立运行的系统，实现方法为：电源控制模块7在接通220V标准交流电源或适配电源后，启动光栅储存与信号发生模块1、上位信号转换控制模块2、显示屏控制模块4、背光模组5、脉冲信号指令发生器8的电路模块开始工作，将光栅储存与信号发生模块1内存储的光栅数据即基本帧数据发送到显示屏控制模块4，由显示屏控制模块4驱动微型液晶显示屏3生成光栅图案，背光模组5发出高亮度的白色光照射到微型液晶显示屏3上，通过镜头模组6将微型液晶显示屏3上的光栅图案成像到指定位置，整个系统即完成了功能指令要求输出各种类型的结构光与脉冲指令信号的基本过程。其中光栅储存与信号发生模块1中系统模块13的同步计算基本帧的改变情况，给出时钟信号通知脉冲信号指令发生器8输出脉冲指令，驱动相机等外部设备同步工作。上位信号转换控制模块2为备份模块，用于兼容直接从上位机发来的光栅数据。结构光的投影距离和投影面积由投影镜头决定，通过匹配不同的投影镜头，能与单个或多个相机组合成三维测量装置或产品检测装置，最终该装置利用连接器9连接应用到三维测量、机器视觉测量、检测等多个领域，从而实现了一种全新的数字化光栅，该装置可以代替传统的机械光栅被广泛应用，同时具备数字投影的优点。

尽管本实用新型是参照具体实施例来描述，但这种描述并不意味着对本实用新型构成限制。参照本实用新型的描述，所公开的实施例的其他变化，对于本领域技术人员都是可以预料的，这种的变化应属于所属权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种可编程控制的光栅投影装置，其特征在于包括有：

光栅储存与信号发生模块（1），用于为装置提供光栅数据源和切换工作模式；

上位信号转换控制模块（2），用于与外界的上位机连接并获得上位机的视频信号；

微型液晶显示屏（3），用于显示光栅数字化图形以实现光栅条纹；

显示屏控制模块（4），用于控制微型液晶显示屏（3）的液晶像素单元；

背光模组（5），用于将光源照射到微型液晶显示屏（3）上；

镜头模组（6），用于将微型液晶显示屏（3）上的光栅条纹投射、成像到指定的位置；

电源控制模块（7），用于分别为光栅储存与信号发生模块（1）、上位信号转换控制模块（2）、显示屏控制模块（4）和背光模组（5）提供电压；

壳体（10），用于安装上述模块和模组；

以及连接器（9），安装于壳体（10）上并用于与外界机械臂、工作台或流水线检测设备连接固定。

2.根据权利要求1所述的可编程控制的光栅投影装置，其特征在于上述光栅储存与信号发生模块（1）包括有：

存储器（11），用于存放生成结构光的基本帧数据和帧控制指令信息；

串口处理模块（12），用于与上述的上位机进行通讯和将预置光栅数据写出存储器（11）；

以及系统模块（13），用于将存储器（11）中的基本帧数据通过计算并转换为上述显示屏控制模块（4）可以识别处理的数据信号。

3.根据权利要求1所述的可编程控制的光栅投影装置，其特征在于还包括有脉冲信号指令发生器（8），上述电源控制模块（7）为所述脉冲信号指令发生器（8）提供电压，所述脉冲信号指令发生器（8）的时钟同步信号来自上述光栅储存与信号发生模块（1），当上述微型液晶显示屏（3）的光栅信息每发生一次改变时所述脉冲信号指令发生器（8）同步输出一个脉冲信号。

4.根据权利要求1所述的可编程控制的光栅投影装置，其特征在于上述上位信号转换控制模块（2）设有DVI接口和VGA接口两个输入源接口，上述上位机通过相应的插接头与DVI接口或VGA接口相插接以获得上位机的视频信号。

5.根据权利要求1所述的可编程控制的光栅投影装置，其特征在于上述微型液晶显示屏（3）的像素小于10um，所述微型液晶显示屏（3）包括透射式LCD或LCOS液晶屏。

6.根据权利要求1所述的可编程控制的光栅投影装置，其特征在于上述背光模组（5）包括LED光源、反光杯、滤镜、棱镜以及透镜，所述LED光源通过反光杯、滤镜、棱镜和透镜的聚焦、匀光后照射到上述微型液晶显示屏（3）上。

7.根据权利要求1所述的可编程控制的光栅投影装置，其特征在于上述镜头模组（6）为远心投影镜头，通过一标准镜头卡口与上述壳体（10）连接。

8.根据权利要求3所述的可编程控制的光栅投影装置，其特征在于上述电源控制模块（7）为独立部件，通过连接器分别向上述光栅储存与信号发生模块（1）、上位信号转换控制模块（2）、显示屏控制模块（4）、背光模组（5）和脉冲信号指令发生器（8）输出电压。

9.根据权利要求3所述的可编程控制的光栅投影装置，其特征在于上述电源控制模块（7）为集成板卡，与上述光栅储存与信号发生模块（1）、上位信号转换控制模块（2）、显示屏控制模块（4）、背光模组（5）和脉冲信号指令发生器（8）共同集成在一起。

10.根据权利要求1所述的可编程控制的光栅投影装置，其特征在于上述壳体（10）为ABS工程塑料外壳或金属保护外壳，所述壳体（10）为ABS工程塑料外壳时其内部嵌装有散热装置，上述发热量大的模块或模组通过硅胶与所述散热装置或壳体（10）为金属保护外壳的内壳面紧密结合。

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