專利名稱：一種高速、高亮度變化范圍結(jié)構(gòu)光投射器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種高速、高亮度變化范圍結(jié)構(gòu)光投射器，可用于結(jié)構(gòu)光三維形貌視覺測量系統(tǒng)中投射具有特定特征的結(jié)構(gòu)光。本發(fā)明屬于光學(xué)三維測量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在光學(xué)非接觸三維形貌測量方法中，結(jié)構(gòu)光三維形貌視覺測量技術(shù)具有大量程、非接觸、速度快、系統(tǒng)柔性好等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于三維模型重建、物體表面輪廓的三維測量以及エ業(yè)環(huán)境中尺寸和形位參量檢測等領(lǐng)域。對于結(jié)構(gòu)光三維形貌視覺測量系統(tǒng)，穩(wěn)定、高速、精確的投射方式是非常重要的。目前國內(nèi)外的結(jié)構(gòu)光投射方法，出現(xiàn)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(chǎn)生的干涉條紋投影到物體表面也是ー種比較靈活的方法，有人采用剪切干渉儀作為投影機(jī)構(gòu)，也有用光纖干涉儀投影，通過一定的機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)條紋周期和投影方向的調(diào)節(jié)。還有利用聲光器件的聲光柵條紋干渉裝置。使用光柵和干涉儀的投影設(shè)備要求良好的機(jī)械穩(wěn)定性以及精確的機(jī)械移動機(jī)構(gòu)，在應(yīng)用上受到一定的限制；商用投影設(shè)備和聲光柵條紋干渉裝置雖然具有體積小、性能穩(wěn)定、可以用計(jì)算機(jī)控制自由改變投影圖樣的樣式等優(yōu)點(diǎn)，但其在速度和投影亮度范圍上存在較大限制，難以滿足現(xiàn)在三維測量領(lǐng)域?qū)Ω咚佟⒏吡炼茸兓秶男枨蟆?br>
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種聞速、聞売度變化范圍結(jié)構(gòu)光投射器，以解決現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，能夠用于非接觸三維測量系統(tǒng)。本發(fā)明的技術(shù)解決方案為ー種高速、高亮度變化范圍結(jié)構(gòu)光投射器，它包括可編程投射主控模塊、輸入輸出同步觸發(fā)模塊、LED照明模塊和光機(jī)系統(tǒng)。它們之間的位置連接關(guān)系是可編程投射主控模塊與計(jì)算機(jī)相連，接受控制信息、視頻信號，從計(jì)算機(jī)下載具有一定特征的結(jié)構(gòu)光圖像；輸入輸出同步觸發(fā)模塊的一端同外部硬件(如相機(jī))相連，接收和發(fā)送同步信號，另一端同可編程主控模塊相連，將外部觸發(fā)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(diào)節(jié)的控制信息；整個投射器的光機(jī)系統(tǒng)完成結(jié)構(gòu)光圖像的投射。所述的可編程投射主控模塊，它包括DMD驅(qū)動單元、主控單元、視頻處理單元和存儲單元。其間關(guān)系是主控單元接收來自電腦的投射控制信息，并將信息經(jīng)過處理后傳送給DMD驅(qū)動單元；DMD驅(qū)動單元接收來自主控單元的結(jié)構(gòu)光數(shù)據(jù)與控制信息，數(shù)據(jù)處理后控制DM D的翻轉(zhuǎn)與刷新；視頻處理單元接受來自電腦的數(shù)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(jīng)編程完畢的結(jié)構(gòu)光信息與控制信息，傳輸至主控單元。該DMD 驅(qū)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(qū)動電路，F(xiàn)PGA通過同步緩存中的高速DDR2信號發(fā)送數(shù)據(jù)給DMD芯片，實(shí)現(xiàn)最高可達(dá)700Hz幀頻的高速投射。該主控單元，采用基于FPGA的USB接ロ電路設(shè)計(jì)，通過標(biāo)準(zhǔn)USB2. O接ロ同計(jì)算機(jī)相連，可以從計(jì)算機(jī)下載系統(tǒng)配置文件、需投射的結(jié)構(gòu)光圖像、LED亮度控制信息等。該視頻處理單元采用HDMI接ロ驅(qū)動芯片與可編程投射主控模塊相連，通過HDMI接ロ與計(jì)算機(jī)相連，可以接收來自計(jì)算機(jī)的數(shù)字視頻信號。該存儲単元是采用可編程FLASH芯片，可以存儲需要投射的具有一定特征的結(jié)構(gòu)光和控制信息。所述的輸入輸出同步觸發(fā)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(shè)備拍攝或者接收投射的結(jié)構(gòu)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(jìn)行修改；此模塊也可以接收來自外部設(shè)備的同步信號，來觸發(fā)投射器進(jìn)行實(shí)時投射，輸入的脈沖信號將發(fā)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(dú)控制每塊芯片的點(diǎn)亮與否和亮度大小，根據(jù)不同的應(yīng)用需求，三片芯片可以為三片同樣顏色的単色光LED芯片，也可以為紅、綠、藍(lán)三色芯片。投射器的亮度范圍至少可達(dá)到單芯片的三倍。每塊LED芯片的亮度大小和點(diǎn)亮?xí)r間均可以通過投射主控模塊中的FPGA 芯片進(jìn)行實(shí)時控制，這ー策略使投射器的投射亮度動態(tài)范圍大大増大，既可以實(shí)現(xiàn)單芯片低亮度短時間投射較暗的結(jié)構(gòu)光，也可以實(shí)現(xiàn)三芯片高亮度長時間投射非常亮的結(jié)構(gòu)光。所述的光機(jī)系統(tǒng)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(fā)出的光進(jìn)行整形和勻化，同時通過前端投影鏡頭對經(jīng)過DMD芯片空間調(diào)制的光進(jìn)行投射，整個光機(jī)系統(tǒng)比較緊湊，適合同其他外圍設(shè)備結(jié)合使用。本發(fā)明的原理是由可編程投射主控模塊控制和處理所有投射信息，LED照明模塊完成投影光源亮度的修改，輸入輸出同步觸發(fā)模塊用來傳遞控制投射和拍攝的觸發(fā)信號，DMD完成對光源投射光的空間調(diào)制，最后經(jīng)光機(jī)系統(tǒng)將所需的圖像投射出去。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于(I)采用數(shù)字投影技術(shù)和基于FPGA的高速DMD控制電路，能夠?qū)崿F(xiàn)最高達(dá)700Hz幀頻的高速投射。(2)輸入輸出同步觸發(fā)模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)投射器和接收外圍設(shè)備的準(zhǔn)確協(xié)同，保證接收設(shè)備對投射圖像的準(zhǔn)確采集。(3)采用多片LED芯片，每片LED芯片的亮度和發(fā)光時間均可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)制，大大拓展了投射器的亮度動態(tài)范圍。


圖I為本發(fā)明ー種高速、高亮度變化范圍結(jié)構(gòu)光投射器的示意圖；圖2為本發(fā)明中可編程投射主控模塊結(jié)構(gòu)圖；圖中符號說明如下FPGA :現(xiàn)場可編程邏輯門陣列SDRAM DDR2 :雙倍速率同步動態(tài)隨機(jī)存儲器LVDS :低壓差分信號JTAG :聯(lián)合測試工作組標(biāo)準(zhǔn)接ロHDMI :高清晰度多媒體接ロDMD :數(shù)字微鏡
具體實(shí)施方式
見圖1，ー種高速、高亮度變化范圍結(jié)構(gòu)光投射器，其特征在于包括以下部分可編程投射主控模塊、輸入輸出同步觸發(fā)模塊、LED照明模塊和光機(jī)系統(tǒng)。其中可編程投射主控模塊包括DMD驅(qū)動單元、主控單元、視頻處理單元和存儲單元。其與計(jì)算機(jī)相連，接受控制信息、視頻信號，從計(jì)算機(jī)下載具有一定特征的結(jié)構(gòu)光圖像；輸入輸出同步觸發(fā)模塊的一端同外部硬件(如相機(jī))相連，接收和發(fā)送同步信號，另一端同可編程主控模塊相連，將外部觸發(fā)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(diào)節(jié)的控制信息；整個投射器的光機(jī)系統(tǒng)完成結(jié)構(gòu)光圖像的投射?？删幊掏渡渲骺啬K的DMD驅(qū)動單元，采用分辨率為1024X 768的DM D芯片為投射核心芯片，采用基于FPGA的高速DM D驅(qū)動電路，F(xiàn)PGA通過同步緩存中的高速DDR2信號發(fā)送數(shù)據(jù)給DMD芯片，同時協(xié)同DAD2000芯片同步發(fā)送復(fù)位信號，控制DMD芯片的復(fù)位與刷新。當(dāng)投射二位黑白圖像時。巾貞頻最高可達(dá)5000Hz,當(dāng)投射8位灰度圖像時,巾貞頻最高可達(dá)700Hz。 可編程投射主控模塊的視頻處理單元通過H DM I接ロ與計(jì)算機(jī)相連，可以接收來自計(jì)算機(jī)的數(shù)字視頻信號，數(shù)字視頻信號通過視頻處理芯片的解碼后，通過FPGA將圖像信息傳送給DMD進(jìn)行投射?？删幊掏渡渲骺啬K的存儲單元采用可編程FLASH芯片，芯片大小為1Gb，可以存儲需要投射的具有一定特征的結(jié)構(gòu)光?？删幊掏渡渲骺啬K的主控單元通過標(biāo)準(zhǔn)USB2. O接ロ同計(jì)算機(jī)相連，可以從計(jì)算機(jī)下載系統(tǒng)配置文件、需投射的結(jié)構(gòu)光圖像、LED亮度控制信息等?？删幊掏渡渲骺啬K結(jié)構(gòu)見圖2.輸入輸出同步觸發(fā)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(shè)備拍攝或者接收投射的結(jié)構(gòu)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(jìn)行修改；此模塊也可以接收來自外部設(shè)備的同步信號，來觸發(fā)投射器進(jìn)行實(shí)時投射，輸入的脈沖信號將發(fā)送給投射主控模塊來控制投射。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単獨(dú)控制每塊芯片的點(diǎn)亮與否和亮度大小，根據(jù)不同的應(yīng)用需求，三片芯片可以為三片同樣顏色的単色光LED芯片，也可以為紅、綠、藍(lán)三色芯片。此投射器采用三片高功率藍(lán)色LED芯片或三片高功率綠色LED芯片，亮度范圍至少可達(dá)到單芯片的三倍。LED照明模塊中，每塊LED芯片的亮度大小和點(diǎn)亮?xí)r間均可以通過投射主控模塊中的FPGA芯片進(jìn)行實(shí)時控制，通過FPGA對LED驅(qū)動電路電壓的改變，進(jìn)而改變經(jīng)過LED芯片的電流大小，控制LED的發(fā)光亮度，這ー策略使投射器的投射亮度動態(tài)范圍大大増大，既可以實(shí)現(xiàn)單芯片低亮度短時間投射較暗的結(jié)構(gòu)光，也可以實(shí)現(xiàn)三芯片高亮度長時間投射非常亮的結(jié)構(gòu)光。光機(jī)系統(tǒng)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(fā)出的光進(jìn)行整形和勻化，同時通過前端投影鏡頭對經(jīng)過DM D芯片空間調(diào)制的光進(jìn)行投射，整個光機(jī)結(jié)構(gòu)比較緊湊，適合同其他外圍設(shè)備結(jié)合使用。本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
1.ー種高速、高亮度變化范圍結(jié)構(gòu)光投射器，其特征在于它包括可編程投射主控模塊、輸入輸出同步觸發(fā)模塊、LED照明模塊和光機(jī)系統(tǒng)；可編程投射主控模塊與計(jì)算機(jī)相連，接受控制信息、視頻信號，從計(jì)算機(jī)下載具有一定特征的結(jié)構(gòu)光圖像；輸入輸出同步觸發(fā)模塊的一端同外部硬件如相機(jī)相連，接收和發(fā)送同步信號，另一端同可編程主控模塊相連，將外部觸發(fā)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(diào)節(jié)的控制信息；整個投射器的光機(jī)系統(tǒng)完成結(jié)構(gòu)光圖像的投射；所述的可編程投射主控模塊，它包括DMD驅(qū)動單元、主控單元、視頻處理單元和存儲單元；主控單元接收來自電腦的投射控制信息，并將信息經(jīng)過處理后傳送給DMD驅(qū)動單元；DMD驅(qū)動單元接收來自主控單元的結(jié)構(gòu)光數(shù)據(jù)與控制信息，數(shù)據(jù)處理后控制DMD的翻轉(zhuǎn)與刷新；視頻處理單元接受來自電腦的數(shù)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(jīng)編程完畢的結(jié)構(gòu)光信息與控制信息，傳輸至主控單元；該DMD驅(qū)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(qū)動電路，F(xiàn)PGA通過同步緩存中的高速DDR2信號發(fā)送數(shù)據(jù)給DMD芯片，實(shí)現(xiàn)最高可達(dá)700Hz幀頻的高速投射；該主控單元，采用基于FPGA的USB接ロ電路設(shè)計(jì)，通過標(biāo)準(zhǔn)USB2. O接ロ同計(jì)算機(jī)相連，從計(jì)算機(jī)下載系統(tǒng)配置文件、需投射的結(jié)構(gòu)光圖像、LED亮度控制信息；該視頻處理單元采用HDMI接ロ驅(qū)動芯片與可編程投射主控模塊相連，通過HDMI接ロ與計(jì)算機(jī)相連，接收來自計(jì)算機(jī)的數(shù)字視頻信號；該存儲單元是采用可編程FLASH芯片，存儲需要投射的具有一定特征的結(jié)構(gòu)光和控制信息； 所述的輸入輸出同步觸發(fā)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，它輸出脈沖信號，同步外部設(shè)備拍攝或者接收投射的結(jié)構(gòu)光，此脈沖信號的延遲、脈沖寬度和極性均通過可編程投射主控模塊進(jìn)行修改；此模塊也接收來自外部設(shè)備的同步信號，來觸發(fā)投射器進(jìn)行實(shí)時投射，輸入的脈沖信號將發(fā)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，通過可編程投射主控模塊單獨(dú)控制每塊芯片的點(diǎn)亮與否和亮度大小，根據(jù)不同的應(yīng)用需求，三片芯片為三片同樣顏色的單色光LED芯片，也可以為紅、綠、藍(lán)三色芯片；投射器的亮度范圍至少達(dá)到單芯片的三倍；每塊LED芯片的亮度大小和點(diǎn)亮?xí)r間均通過投射主控模塊中的FPGA芯片進(jìn)行實(shí)時控制，這ー策略使投射器的投射亮度動態(tài)范圍大大増大，既實(shí)現(xiàn)了單芯片低亮度短時間投射較暗的結(jié)構(gòu)光，也實(shí)現(xiàn)了三芯片高亮度長時間投射非常亮的結(jié)構(gòu)光； 所述的光機(jī)系統(tǒng)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(fā)出的光進(jìn)行整形和勻化，同時通過前端投影鏡頭對經(jīng)過DMD芯片空間調(diào)制的光進(jìn)行投射，整個光機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，適合同其他外圍設(shè)備結(jié)合使用。
全文摘要
一種高速、高亮度變化范圍結(jié)構(gòu)光投射器，它包括可編程投射主控模塊、輸入輸出同步觸發(fā)模塊、LED照明模塊和光機(jī)系統(tǒng)；可編程投射主控模塊與計(jì)算機(jī)相連，接受控制信息、視頻信號，從計(jì)算機(jī)下載具有一定特征的結(jié)構(gòu)光圖像；輸入輸出同步觸發(fā)模塊的一端同外部硬件如相機(jī)相連，接收和發(fā)送同步信號，另一端同可編程主控模塊相連，將外部觸發(fā)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(diào)節(jié)的控制信息；整個投射器的光機(jī)系統(tǒng)完成結(jié)構(gòu)光圖像的投射；本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)緊湊、投射速度快、投射精度高、投射亮度具有較高亮度變化范圍的特點(diǎn)，對需要投射結(jié)構(gòu)光的各種主動光學(xué)測量系統(tǒng)具有重要價值。
文檔編號G02B27/09GK102706290SQ20121020916
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月20日
發(fā)明者刁曉淳, 姜宏志, 梁宵月, 趙慧潔 申請人:北京航空航天大學(xué)