[发明专利]一种余弦条纹场投射模块

说明书

本发明涉及到3D测量技术领域，提供一种余弦条纹场投射模块，特别适合用于微型化3D测量设备中；本发明采用二值化余弦图案，避开制作透射式余弦光栅中透过率不准确的问题，同时大幅度降低制作成本；将四幅满足90°相移关系的二值化余弦图案设计于同一底片上，然后通过投影成像镜头和扩展镜头，配合通道选择电路，获得满足四步相移的四幅余弦条纹场；本发明结构控制简单，尺寸小巧，特别适合要求整机体积微型化的3D测量设备；同时，基于简单的结构和控制以及低成本的元器件，本发明投影模块成本远低于可编程投影方式。

技术领域

本发明涉及到3D测量技术领域，主要涉及到利用余弦条纹结构光的3D测量技术，具体为一种余弦条纹场投射模块。

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；所投射的结构光有多种类型，其中余弦条纹光场是最常用的结构光之一。对于投射余弦条纹光场的情况，四步相移法是常用方法之一，采用四幅同频但相位依次递增90°的余弦条纹场照射目标，获得四幅照片，经过处理得到各点的高度值，对应3D测量结果。傅里叶变换轮廓术则是利用单幅条纹场的技术，仅需要单幅余弦条纹场照射并拍摄图片，就可以实现3D测量，相比四步相移法而言，具有实时性强的优点，但对于空间频谱较宽的目标，其测量误差较大。另外，针对具体的应用，多频率条纹投射，多步相移等技术也得以大量应用。

余弦条纹场结构光的投射，可以采用透射式余弦光栅底片，背光源照射后通过投影镜头投射，通过移动底片的方式可获得四步相移照射；对于结构不复杂的目标，也可以仅投射单幅余弦条纹场，采用傅里叶变换轮廓术处理；透射式余弦光栅底片方式由于结构简单，因此仍然大量应用。随着显示技术的发展，可编程投影技术得以实现，速度快，参数选择更加灵活，不仅可以投射余弦条纹场，还可以投射各种其它的结构光。可编程投影技术所采用的器件成本较高，控制上也相对复杂，且由于其条纹实际上是通过多个像素点不同的亮度来实现的，而像素点是有一定尺寸限度的，因此被投射的显示器上条纹图案的周期不可能太小，对于需要探测小面积区域的情况反而不合适。实际的应用中，很多情况应用场景相对固定，并不要求复杂的投影，可编程投影的优势不明显，相比之下，采用底片的方式，工艺上可以做的更加精细，因此尺寸可以更小，而成本却更低；不过，标准的透射式余弦光栅底片的制作是存在难度的，主要是透过率很难保证，目前主要的制作方式采用光刻，制作成本较高，同时，相移的实现比较麻烦，需要精细的机械移动来实现。

基于此，本发明针对上述问题，提供一种余弦条纹场投射模块。

发明内容

本发明的目的在于提供一种余弦条纹场投射模块，通过二值化的标准余弦图案，配合简单的选通控制，为3D测量提供满足四步相移关系的余弦条纹照明场，特别适合用于微型化3D测量设备中。

为实现上述目的，本发明采用的方案为：

一种余弦条纹场投射模块，包括：背光源、底片、场镜、投影成像镜头、扩展镜头及通道控制电路；其特征在于，所述底片上设置有四幅二值化余弦图案，每幅二值化余弦图案均水平摆放，四幅二值化余弦图案从上往下依次按照90°相位差摆放，并且，每幅二值化余弦图案均进行填充、使透过宽度沿水平方向的变化具备余弦特性；所述扩展镜头的扩展方向与二值化余弦图案的摆放方向垂直，所述通道控制电路控制背光源选择照射任意一幅二值化余弦图案，依次通过场镜、投影成像镜头、扩展镜头后形成余弦条纹场。

进一步地，所述通道控制电路采用分时控制，使背光源从上往下依次选择照射一幅二值化余弦图案，实现四步相移。

进一步地，所述四幅二值化余弦图案之间均设置有隔离，使相邻通道之间互不串扰。

进一步地，所述扩展镜头确保最上层和最下层的两幅余弦图案分别投射产生的余弦条纹场之间重叠区域大于被测量区域，进而满足3D测量的需要。