[发明专利]一种基于液晶底片的四步相移正弦条纹场投射模块

说明书

本发明属于3D测量技术领域，提供一种基于液晶底片的四步相移正弦条纹投影模块，特别适合用于微型化3D测量设备中；本发明采用液晶底片，仅包含两个COM电极和两个SEG电极，通过对电极施加驱动电压显示类正弦二进制填充图案，再通过投影成像镜头和扩展镜头，投射出正弦条纹；选择不同的加电组合方式，液晶底片可以分别显示四幅满足四步相移关系的类正弦二进制填充图案，从而通过分时控制投影出满足四步相移的四幅正弦条纹场。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，本发明投影模块比较容易低成本化。

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的结构光3D测量技术，具体为一种基于液晶底片的四步相移正弦条纹场投射模块。

背景技术

结构光3D测量为非接触测量，通过向被测量目标投射特定的结构光，并用相机拍摄目标，然后处理拍摄的图片，实现3D测量；所投射的结构光有多种类型，其中正弦条纹光场是最常用的结构光之一，使用正弦条纹场做3D测量的最主要技术包括傅里叶变换轮廓术(FTP)和相位测量轮廓术(PMP)，其中FTP仅需要一幅条纹就可以给出结果，但当目标反射图案复杂及形貌起伏剧烈时，会导致较大的测量误差，π相移FTP能够在一定程度上改善测量结果，但需要两幅正弦条纹；PMP利用正弦条纹投影和相移方法测量3D形貌，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。为避免机械移动存在的问题，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，产生较好近似效果的正弦条纹。随着数字条纹投影(DFP)技术广泛用于结构光投影，由于显示器件的可编程特性，投射正弦条纹并实现精确的相移变得更加简单，成为正弦条纹投影技术应用的主流。研究人员还研究了用于高速3D测量的相移正弦条纹投影方法，包括采用基于DLP的DFP二进制离焦投影方法、光栅机械旋转方法、激光干涉条纹方法以及通道选择方法等，这些用于高速3D测量的方法原则上也可以适用于低速测量，但都存在一些技术问题。随着技术的发展和需求的推动，高精度的3D测量会加速进入到多个行业，一些行业，比如消费类电子行业，将会对3D测量设备的成本和尺寸提出更高的要求。基于相移正弦条纹的微型化3D测量，需要微型化的正弦条纹投影，当前得以广泛应用的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，而且对于要求整体尺寸较小的设备也并不合适，且实际的应用中，很多情况应用场景相对固定，并不要求复杂的投影，DFP投影的优势不明显。除此之外，液晶朗奇光栅方法需要离焦投影，机械移动光栅的方法、激光干涉条纹方法及现有各种通道选择方法等都不便于投影微型化。

基于此，本发明针对上述问题，提供一种基于液晶底片的四步相移正弦条纹场投射模块。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于液晶底片的四步相移正弦条纹场投射模块，液晶底片具有两个COM电极和两个SEG电极，四个电极的形状图案是由四类电极图案通过移动、变形和连通处理得到的，而四类电极图案则是由一个矩形及包含在其内部的两个相位差90°的正弦波形分割得到的，在背光的作用下，通过采用不同的加电组合方式对电极施加电压，可以分别显示四幅类正弦二进制填充图案，每幅图案在投影成像镜头和扩展镜头的作用下，都会投影出一幅正弦条纹，共计投影四幅正弦条纹，且这四幅正弦条纹还具有90°相移关系，特别适合用于微型化3D测量设备中。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于液晶底片的四步相移正弦条纹投影模块，包括：背光源1、液晶底片2、投影成像镜头3、光扩展镜头4及电极控制电路5；其特征在于，所述液晶底片包括四个电极，通过电极控制电路对该四个电极施加驱动电压的控制，使得液晶底片在背光源照射作用下依次显示四幅满足四步相移关系的类正弦二进制填充图案，并在投影成像镜头及光扩展镜头作用下，在目标区投影出满足四步相移关系的正弦条纹场。