本發(fā)明涉及三維測量領(lǐng)域，特別涉及一種基于微機電的結(jié)構(gòu)光投影方案。

背景技術(shù)：

從數(shù)字圖像中計算物體面形三維數(shù)據(jù)是光學三維傳感領(lǐng)域長期研究的焦點，而有著高速、高精度和非接觸優(yōu)點的光學三維測量技術(shù)一直是研究的熱點。近來，在工業(yè)測量、逆向工程、視覺導航、航空航天、影視娛樂、虛擬現(xiàn)實、整形美容等領(lǐng)域，特別在設(shè)計創(chuàng)意和3D打印行業(yè)受到極度的關(guān)注和研究?；谌菧y量原理的三維測量技術(shù)已有幾十年的研究，新技術(shù)方案層出不窮，應用領(lǐng)域不斷拓展，以此為基礎(chǔ)的三維面形測量產(chǎn)品研發(fā)進展非常迅速，已經(jīng)在很多領(lǐng)域取得了較大的成功。

目前三維測量領(lǐng)域中測量精度較高、應用領(lǐng)域最廣的方案是基于條紋光柵投影的基于三角測量原理的三維測量方案。影響該方案系統(tǒng)精度的影響因素較多(如鏡頭畸變、基線距離等)，其中一項重要影響因素是條紋光柵投影的質(zhì)量，其評價標準主要為分辨率(可換算為條紋光柵數(shù)目)、均勻性、對比度、光照度和光場穩(wěn)定性、Gamma值。投影儀作為一種光學顯示器件，在三維測量領(lǐng)域有廣泛的應用，但本質(zhì)上它是為消費市場而生，在設(shè)計、生產(chǎn)、參數(shù)調(diào)教等許多方面都是為人臉視覺體驗為出發(fā)點。在三維測量中，使用相機獲取圖像的方式與人眼成像方式存在諸多差異(如Gamma、幀頻)，在某些應用場景下投影儀(含LCD、DMD、LCOS方案)帶來便利的同時也是一種無形的約束。比較典型的限制有結(jié)構(gòu)光光柵投影速度限制、視場角限制和亮度限制。

為了解決投影儀在三維測量應用領(lǐng)域的不足，本文提出了一種基于微機電的結(jié)構(gòu)光投影方案，基于該投影系統(tǒng)的投影組件為測量而生，能滿足高速、大視場角、亮度和高光場分辨率等三維測量需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于：提出一種基于微機電的高速大視場結(jié)構(gòu)光投影方案，克服投影儀方案的不足，實現(xiàn)高速、高分辨率、投影光場亮度可調(diào)、大視場角、大景深的結(jié)構(gòu)光場投影，給出三維測量結(jié)構(gòu)光投影組件的通用解決方案，滿足相關(guān)應用領(lǐng)域的現(xiàn)實需求。

為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，一種基于微機電的結(jié)構(gòu)光投影方案，其控制核心、光學投影模組和位移控制模組；

所述模組均與所述控制核心連接；

所述光學投影模組包括LED陣列及控制單元；

所述位移控制模組包括結(jié)構(gòu)光光柵模板帶；

所述光學投影模組照明所述結(jié)構(gòu)光光柵模板帶中的結(jié)構(gòu)光光柵模板單元使系統(tǒng)投射結(jié)構(gòu)光；

所述位移控制模組通過控制結(jié)構(gòu)光光柵模板帶的移動，形成結(jié)構(gòu)光光柵序列投影；

所述控制核心接收外觸發(fā)信號，控制位移控制模塊將結(jié)構(gòu)光光柵模板單元位移至所述光學投影模組對準位置的同時發(fā)送控制命令給所述LED陣列及控制單元，對準后立刻輸出外觸發(fā)信號給相機。

進一步的，所述光學投影模組包括依次排列的聚光碗、LED陣列及控制單元、準直透鏡組、會聚透鏡組及鏡頭組。所述LED陣列及控制單元接收所述控制核心的命令控制LED陣列的工作狀態(tài)，包括開、關(guān)和輸出光的亮度調(diào)節(jié)，光直接或經(jīng)聚光碗反射后進入準直透鏡組輸出近似平行光，透過結(jié)構(gòu)光光柵模板單元后依次進入所述會聚透鏡組和所述鏡頭組，投射至測量空間。

進一步的，所述位移控制模組包括結(jié)構(gòu)光光柵模板帶、模板帶固定裝置、及位移控制平臺，所述位移控制平臺包括導軌及位移控制機構(gòu)，所述模板帶固定裝置將所述結(jié)構(gòu)光光柵模板帶固定在所述位移控制平臺上。

所述位移控制模組接收來自所述控制核心的命令，帶動所述結(jié)構(gòu)光光柵模板帶沿所述導軌完成相應動作，所述相應動作為直線運動，位移量由來自控制核心的命令決定。高精度的位移控制保證相對于所述光學投影模組每個結(jié)構(gòu)光光柵模板單元移動至相同的對準位置。高速位移能力保障結(jié)構(gòu)光投影在預設(shè)時間內(nèi)完成。

進一步的，通過調(diào)節(jié)所述光學投影模組的光圈大小調(diào)節(jié)投射出的結(jié)構(gòu)光場的景深。

進一步的，所述結(jié)構(gòu)光光柵模板帶按具體需求，可刻蝕成條紋模式、散斑模式和其他結(jié)構(gòu)光編碼方案，結(jié)構(gòu)光光柵模板單元的組合關(guān)系可按需設(shè)置。

進一步的，外觸發(fā)信號為脈沖信號，并且在所述光學投影模組將所述結(jié)構(gòu)光光柵模板單元移動至預定對準位置時給出。

進一步的，所述光學投影模組中的LED陣列開啟、關(guān)閉狀態(tài)可控，使得裝有該方案結(jié)構(gòu)光投影產(chǎn)品的儀器在非測量狀態(tài)具有較低功耗，節(jié)能環(huán)保。在正常工作狀態(tài)時，LED間歇式亮暗，有效降低了發(fā)熱量，對三維測量產(chǎn)品的散熱設(shè)計有巨大幫助。

進一步的，所述光學投影模組中的LED陣列功率可調(diào)，使得測量空間中結(jié)構(gòu)光照明強度可調(diào)。通過應用程序的閉環(huán)控制，裝有該方案結(jié)構(gòu)光投影產(chǎn)品的三維測量設(shè)備對被測物面顏色深淺、環(huán)境光的亮暗均具有良好的適應能力，降低外部因素對三維測量儀器的影響工作在最佳狀態(tài)。

進一步的，通過改變所述結(jié)構(gòu)光光柵模板單元的尺寸或提高加工工藝調(diào)節(jié)描述同一結(jié)構(gòu)光模板的點數(shù)，進而調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)光投影的空間分辨率。

可選的，所述光學投影模組中的所述鏡頭組為可換鏡頭或可調(diào)焦鏡頭。

優(yōu)選的，所述結(jié)構(gòu)光投影方案的Gamma值為1。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

通過針對三維測量領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)光投影需求，設(shè)計了一種基于微機電的結(jié)構(gòu)光投影方案，其各組件獨立設(shè)計，整體方案簡潔，產(chǎn)品體積小。

本方案有效克服了傳統(tǒng)投影儀方案的速度、視場角、亮度、投影分辨率、散熱、非線性(Gamma值不為1)、對外部因素適應能力差等因素的影響，為三維測量提供了一個高效的結(jié)構(gòu)光投影方案。

附圖說明：

圖1是本發(fā)明基于微機電的結(jié)構(gòu)光投影方案結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明光學投影模組結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明位移控制模組示意圖；

圖4是本發(fā)明實施例1的典型工作時序圖。

圖中標記：

101-控制核心，102-光學投影模組，103位移控制模組，201-聚光碗，

202-LED陣列及控制單元，203-準直透鏡組，204-會聚透鏡組，205-鏡頭組，

301-結(jié)構(gòu)光光柵模板帶，302-模板帶固定裝置，303-位移控制平臺。

具體實施方式

下面結(jié)合試驗例及具體實施方式對本發(fā)明作進一步的詳細描述。但不應將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于以下的實施例，凡基于本發(fā)明內(nèi)容所實現(xiàn)的技術(shù)均屬于本發(fā)明的范圍。

實施例1

一種基于微機電的結(jié)構(gòu)光投影方案，其包括控制核心101、光學投影模組102和位移控制模組103，所述光學投影模組102和所述位移控制模組103均與所述控制核心101連接，如圖1所示。

所述光學投影模組102包括聚光碗201、LED陣列及控制單元202、準直透鏡組203、會聚透鏡組204和鏡頭組205，結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。所述LED陣列及控制單元202接收所述控制核心101的命令控制LED陣列的輸出光，光直接或經(jīng)所述聚光碗201反射后進入所述準直透鏡組203輸出近似平行光，透過所述位移控制模組103中的結(jié)構(gòu)光光柵模板單元后依次進入會聚透鏡組204和鏡頭組205，投射至測量空間。所述LED陣列及控制單元接收控制核心的命令控制LED陣列的工作狀態(tài)，包括開啟、關(guān)閉及亮度調(diào)節(jié)。

所述位移控制模組103包括結(jié)構(gòu)光光柵模板帶301、模板帶固定裝置302、導軌303及位移控制機構(gòu)304，結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。所述位移控制103模組通過位移平臺控制總線接收所述控制核心101的命令，帶動所述結(jié)構(gòu)光光柵模板帶301進行相應動作，所述相應動作為直線運動，位移量由控制命令決定。高精度的位移控制保證相對于所述光學投影模組每個結(jié)構(gòu)光光柵模板單元移動至相同的對準位置。高速位移能力保障結(jié)構(gòu)光投影在預設(shè)時間內(nèi)完成。

所述控制核心101接收外部控制信號，協(xié)調(diào)控制所述光學投影模組102和所述位移控制模組102的工作并輸出外觸發(fā)信號給相機。所述外觸發(fā)信號為脈沖信號，并且在所述位移模組103將所述結(jié)構(gòu)光光柵模板帶301移動至預定對準位置時給出上升沿，高電平的持續(xù)時間滿足相機外觸發(fā)模式下的電氣特性要求。

所述結(jié)構(gòu)光光柵模板帶301含有13個光柵單元，前12個單元與時間相位展開算法所規(guī)定的正弦條紋模式相對應，第13個單元為灰場(無條紋結(jié)構(gòu)，照明均勻)。所述控制核心101接收到外部指令后，控制所述光學投影模組102LED點亮，協(xié)調(diào)所述位移控制模組103的移動和給相機的外觸發(fā)信號的輸出，使所述結(jié)構(gòu)光光柵模板帶301進行直線運動，當每個所述光柵單元移動到相對于所述光學投影模組102的對準位置時，輸出外觸發(fā)脈沖信號給相機，所述外觸發(fā)信號為脈沖信號，時序圖如4所示。

通過調(diào)節(jié)所述光學投影模組的光圈大小可調(diào)節(jié)投射出的結(jié)構(gòu)光場的景深。較小的光圈可保障投射出的結(jié)構(gòu)廣場具有較大的景深，使得應用該結(jié)構(gòu)光投影方案的產(chǎn)品具備較大的深度測量范圍，這對三維測量尤其是基于正弦條紋光柵的測量技術(shù)是有利的。

所述光學投影模組中的LED陣列開啟、關(guān)閉狀態(tài)可控，使得裝有該方案結(jié)構(gòu)光投影產(chǎn)品的儀器在非測量狀態(tài)具有較低功耗，節(jié)能環(huán)保。在正常工作狀態(tài)時，LED間歇式亮暗，有效降低了發(fā)熱量，對三維測量產(chǎn)品的散熱設(shè)計有巨大幫助。

所述光學投影模組中的LED陣列功率可調(diào)，使得測量空間中結(jié)構(gòu)光照明強度可調(diào)。通過應用程序的閉環(huán)控制，裝有該方案結(jié)構(gòu)光投影產(chǎn)品的三維測量設(shè)備對被測物面顏色深淺、環(huán)境光的亮按均具有良好的適應能力，降低外部因素對三維測量儀器的影響工作在最佳狀態(tài)。

通過改變所述結(jié)構(gòu)光光柵模板單元的尺寸或提高加工工藝調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)光光柵投影的分辨率。根據(jù)具體需求提高結(jié)構(gòu)光光柵投影的分辨率，這是在保障三維測量系統(tǒng)測量精度前提下實現(xiàn)大視場三維測量的關(guān)鍵因素之一。

優(yōu)選的，所述結(jié)構(gòu)光投影方案的Gamma值為1。

實施例2

實施例2與實施例1的區(qū)別在于，所述結(jié)構(gòu)光光柵模板帶301含4個光柵單元。前3個光柵單元對應時間相位展開算法所規(guī)定的3種不同密度的正弦條紋模式，條紋結(jié)構(gòu)光柵的相移通過位移控制模組103控制結(jié)構(gòu)光光柵模板帶301的位移量來完成，相較12個光柵單元模式更緊湊便利。

實施例3

實施例3與實施例1、2的區(qū)別在于，所述結(jié)構(gòu)光光柵模板帶301含1個散斑模板單元，此時不需要位移控制模組103移動結(jié)構(gòu)光光柵模板帶301。

實施例4

實施例4與上述實施例的區(qū)別在于，所述鏡頭組205為可換鏡頭或可調(diào)焦鏡頭，使得裝有該結(jié)構(gòu)光投影方案的三維測量系統(tǒng)可根據(jù)具體應用需求調(diào)節(jié)視場大小。在其他條件不變的情況下，減小視場可在一定程度上提高測量精度。