[發明專利]一種高速、高亮度變化范圍結構光投射器

有效

• 申請號: 201210209165.0
• 申請日: 2012-06-20
• 公開（公告）號: CN102706290A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發明（設計）人: 趙慧潔;梁宵月;刁曉淳;姜宏志
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01B11/25
• 分類號: G01B11/25;G03B15/05;G02B27/09
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

技術領域

本發明涉及一種高速、高亮度變化范圍結構光投射器，可用于結構光三維形貌視覺測量系統中投射具有特定特征的結構光。本發明屬于光學三維測量技術領域。

背景技術

在光學非接觸三維形貌測量方法中，結構光三維形貌視覺測量技術具有大量程、非接觸、速度快、系統柔性好等特點，已經廣泛應用于三維模型重建、物體表面輪廓的三維測量以及工業環境中尺寸和形位參量檢測等領域。對于結構光三維形貌視覺測量系統，穩定、高速、精確的投射方式是非常重要的。

目前國內外的結構光投射方法，出現最早、最簡單的投影方式是直接使用商用投影儀或投影光柵。將兩個相干波前產生的干涉條紋投影到物體表面也是一種比較靈活的方法，有人采用剪切干涉儀作為投影機構，也有用光纖干涉儀投影，通過一定的機械結構實現條紋周期和投影方向的調節。還有利用聲光器件的聲光柵條紋干涉裝置。使用光柵和干涉儀的投影設備要求良好的機械穩定性以及精確的機械移動機構，在應用上受到一定的限制；商用投影設備和聲光柵條紋干涉裝置雖然具有體積小、性能穩定、可以用計算機控制自由改變投影圖樣的樣式等優點，但其在速度和投影亮度范圍上存在較大限制，難以滿足現在三維測量領域對高速、高亮度變化范圍的需求。

發明內容

本發明的目的在于提供一種高速、高亮度變化范圍結構光投射器，以解決現有技術中的缺陷，能夠用于非接觸三維測量系統。

本發明的技術解決方案為：一種高速、高亮度變化范圍結構光投射器，它包括可編程投射主控模塊、輸入輸出同步觸發模塊、LED照明模塊和光機系統。它們之間的位置連接關系是：可編程投射主控模塊與計算機相連，接受控制信息、視頻信號，從計算機下載具有一定特征的結構光圖像；輸入輸出同步觸發模塊的一端同外部硬件（如相機）相連，接收和發送同步信號，另一端同可編程主控模塊相連，將外部觸發信息傳送給該主控模塊；LED照明模塊同可編程投射主控模塊相連，接受對LED芯片亮滅、亮度大小調節的控制信息；整個投射器的光機系統完成結構光圖像的投射。

所述的可編程投射主控模塊，它包括DMD驅動單元、主控單元、視頻處理單元和存儲單元。其間關系是：主控單元接收來自電腦的投射控制信息，并將信息經過處理后傳送給DMD驅動單元；DMD驅動單元接收來自主控單元的結構光數據與控制信息，數據處理后控制DM?D的翻轉與刷新；視頻處理單元接受來自電腦的數字視頻信號，傳送給主控單元；存儲單元從電腦下載并存儲已經編程完畢的結構光信息與控制信息，傳輸至主控單元。該DMD驅動單元，采用DMD芯片為投射核心芯片，采用基于FPGA的高速DMD驅動電路，FPGA通過同步緩存中的高速DDR2信號發送數據給DMD芯片，實現最高可達700Hz幀頻的高速投射。該主控單元，采用基于FPGA的USB接口電路設計，通過標準USB2.0接口同計算機相連，可以從計算機下載系統配置文件、需投射的結構光圖像、LED亮度控制信息等。該視頻處理單元采用HDMI接口驅動芯片與可編程投射主控模塊相連，通過HDMI接口與計算機相連，可以接收來自計算機的數字視頻信號。該存儲單元是采用可編程FLASH芯片，可以存儲需要投射的具有一定特征的結構光和控制信息。

所述的輸入輸出同步觸發模塊是可編程投射主控模塊的三位同步信號，通過同步信號線與傳感器相連，它可以輸出脈沖信號，同步外部設備拍攝或者接收投射的結構光，此脈沖信號的延遲、脈沖寬度和極性均可以通過可編程投射主控模塊進行修改；此模塊也可以接收來自外部設備的同步信號，來觸發投射器進行實時投射，輸入的脈沖信號將發送給投射主控模塊來控制投射。

所述的LED照明模塊由三塊高功率的LED芯片組成，可以通過可編程投射主控模塊單獨控制每塊芯片的點亮與否和亮度大小，根據不同的應用需求，三片芯片可以為三片同樣顏色的單色光LED芯片，也可以為紅、綠、藍三色芯片。投射器的亮度范圍至少可達到單芯片的三倍。每塊LED芯片的亮度大小和點亮時間均可以通過投射主控模塊中的FPGA芯片進行實時控制，這一策略使投射器的投射亮度動態范圍大大增大，既可以實現單芯片低亮度短時間投射較暗的結構光，也可以實現三芯片高亮度長時間投射非常亮的結構光。

所述的光機系統包括：勻化透鏡、半反半透鏡以及與DMD匹配的前端棱鏡；它對照明光源發出的光進行整形和勻化，同時通過前端投影鏡頭對經過DMD芯片空間調制的光進行投射，整個光機系統比較緊湊，適合同其他外圍設備結合使用。