[实用新型]基于多面旋转棱镜的激光光栅条纹投射系统

说明书

技术领域：

本实用新型属于光学测量领域，涉及激光光栅条纹投射系统，由其是一种基于多面旋转棱镜的激光光栅条纹投射系统。

技术背景：

物体三维测量技术已逐渐向高精度、高速、复杂环境的方向发展。结构光深度视觉传感技术作为主要的测量技术，具有非接触、精度高、速度快等优点。基于数字光处理技术(DLP)的数字投影系统常用来产生光栅条纹，利用相位解算方法能够一次快速获取能达到视频帧率、像素级、全视场的三维(3D)数据。但基于白光光源和投影光学系统的光栅条纹投射方法难以获得高空间分辨率、高精度、连续的正弦光栅条纹，限制了其在微小器件精密测量场合下的应用，同时对于小尺寸、金属器件的精密，受工业现场环境及被测物表面反射率影响较大，基于线激光光源的结构光扫面系统常被应用在这些场合，但测量时只能对单条激光线进行特征提取，测量速率有限。为了解决物体三维在线测量在测量速度，精度和测量适应性之间的矛盾。本系统采用多面旋转棱镜设计的激光光栅条纹投射系统。

实用新型内容：

本实用新型的目的在于解决三维形貌测量技术在精度、测量速度及测量适应性之间的矛盾，该系统的控制部分以STM32F103C8T6单片机为核心，实现激光器的正弦信号调制及方波信号的调制、激光器过电压保护、多面旋转棱镜的驱动、多面旋转棱镜转速的检测及提供控制同步信号、数据的掉电保护和与PC机串行通信。

实现本实用新型目的的技术方案：

一种基于多面旋转棱镜的激光光栅条纹投射系统，包括壳体及安装在壳体内的半导体激光器、参考激光器、多面旋转棱镜、光电二极管及系统控制电路板，系统控制电路板通过单片机实现对激光器进行正弦调制和方波调制，过电压保护、调制信号数据的掉电保护、多面旋转棱镜的驱动、多面旋转棱镜转速的测控、与PC机实时通讯。

单片机采用ST公司的STM32F103单片机；

激光器的正弦调制，由数模转换器输出正弦信号和直流偏置，通过求和运算器输出正弦调制信号来实现对激光器的调制。

激光器的方波调制，利用PWM(脉宽调制解调)产生方波信号。控制器STM32F103内部集成了相应的电路，可以通过它的PWM模式产生方波信号，该方波信号通过缓冲器(74HC125)后便可调制激光器。

激光器的过压保护，正弦调制信号通过电压跟随器后进入采样电路(运放芯片UA741)对正弦信号峰值电压进行采样，之后经过精密电阻的分压后被微控制器的模数转换器进行采样监控。

数据的掉电保护，采用串行IIC协议接口的EEPROM存储芯片AT24C02实现调制信号数据的保存。

多面旋转棱镜的驱动，由电机驱动器实现，STM32F103输出触发信号控制电机驱动器驱动多面旋转棱镜。

多面旋转棱镜转速的测量，由光电二极管将光信号转换成电信号，通过放大器放大信号，利用电压比较器产生脉冲信号(数字信号)，单片机采集后进行相应处理得出转速。

作为本实用新型的进一步改进，激光器正弦调制过程如下：

(1)激光器的调制幅值电压为3-5V。单片机分别控制数模转换器DAC7811和TLV5636输出峰值电压为3V的正弦信号和0-2v的直流偏置信号。

(2)将正弦信号和直流偏置信号通过反相求和运算器(主要的运放是TLC2272)进行反相求和，使信号幅值在-3v和-5v之间变化。

(3)求和运算器输出的负调制信号通过反比例放大器(放大倍数为1)实现信号由负到正的反相。

(4)将(3)中输出的调制信号送入激光器，实现激光器投影条纹的变化。

作为本实用新型的进一步改进，多面旋转棱镜转速测量过程如下：

(1)参考激光器发出的激光经过棱镜反射到光电二极管上，经光信号转换为微弱的电信号。

(2)在(1)中输出的电信号通过同相比例放大器(AD8001)将信号进行放大，并经过电压跟随器(ADOP07)进行信号的缓冲和隔离。

(3)将放大的信号通过电压比较器(LM393)实现模拟信号数字化，得到LVTTL电平信号。

(4)电平信号通过缓冲器(74HC125)后送入单片机，经单片机处理得出棱镜的转速。

作为本实用新型的进一步改进，由PC机通过串口向单片机发送不同的标识码实现对正弦信号频率、方波频率及直流偏置量的控制，单片机通过串口向PC机发送当前信号的频率和直流偏置量以及定时的向PC机发送棱镜转速值。