[发明专利]一种高帧率正弦条纹场投射模块

说明书

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。

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