专利名称：一种高速、高亮度变化范围结构光投射器的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种高速、高亮度变化范围结构光投射器，可用于结构光三维形貌视觉测量系统中投射具有特定特征的结构光。本发明属于光学三维测量技术领域。
背景技术：
在光学非接触三维形貌測量方法中，结构光三维形貌视觉测量技术具有大量程、非接触、速度快、系统柔性好等特点，已经广泛应用于三维模型重建、物体表面轮廓的三维测量以及エ业环境中尺寸和形位參量检测等领域。对于结构光三维形貌视觉测量系统，稳定、高速、精确的投射方式是非常重要的。目前国内外的结构光投射方法，出现最早、最简单的投影方式是直接使用商用投影仪或投影光柵。将两个相干波前产生的干涉条纹投影到物体表面也是ー种比较灵活的方法，有人采用剪切干渉仪作为投影机构，也有用光纤干涉仪投影，通过一定的机械结构实现条纹周期和投影方向的调节。还有利用声光器件的声光栅条纹干渉装置。使用光栅和干涉仪的投影设备要求良好的机械稳定性以及精确的机械移动机构，在应用上受到一定的限制；商用投影设备和声光栅条纹干渉装置虽然具有体积小、性能稳定、可以用计算机控制自由改变投影图样的样式等优点，但其在速度和投影亮度范围上存在较大限制，难以满足现在三维测量领域对高速、高亮度变化范围的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种闻速、闻売度变化范围结构光投射器，以解决现有技术中的缺陷，能够用于非接触三维测量系统。本发明的技术解决方案为ー种高速、高亮度变化范围结构光投射器，它包括可编程投射主控模块、输入输出同步触发模块、LED照明模块和光机系统。它们之间的位置连接关系是可编程投射主控模块与计算机相连，接受控制信息、视频信号，从计算机下载具有一定特征的结构光图像；输入输出同步触发模块的一端同外部硬件(如相机)相连，接收和发送同步信号，另一端同可编程主控模块相连，将外部触发信息传送给该主控模块；LED照明模块同可编程投射主控模块相连，接受对LED芯片亮灭、亮度大小调节的控制信息；整个投射器的光机系统完成结构光图像的投射。所述的可编程投射主控模块，它包括DMD驱动单元、主控单元、视频处理单元和存储单元。其间关系是主控单元接收来自电脑的投射控制信息，并将信息经过处理后传送给DMD驱动单元；DMD驱动单元接收来自主控单元的结构光数据与控制信息，数据处理后控制DM D的翻转与刷新；视频处理单元接受来自电脑的数字视频信号，传送给主控单元；存储单元从电脑下载并存储已经编程完毕的结构光信息与控制信息，传输至主控单元。该DMD 驱动单元，采用DMD芯片为投射核心芯片，采用基于FPGA的高速DMD驱动电路，FPGA通过同步缓存中的高速DDR2信号发送数据给DMD芯片，实现最高可达700Hz帧频的高速投射。该主控单元，采用基于FPGA的USB接ロ电路设计，通过标准USB2. O接ロ同计算机相连，可以从计算机下载系统配置文件、需投射的结构光图像、LED亮度控制信息等。该视频处理单元采用HDMI接ロ驱动芯片与可编程投射主控模块相连，通过HDMI接ロ与计算机相连，可以接收来自计算机的数字视频信号。该存储単元是采用可编程FLASH芯片，可以存储需要投射的具有一定特征的结构光和控制信息。所述的输入输出同步触发模块是可编程投射主控模块的三位同步信号，通过同步信号线与传感器相连，它可以输出脉冲信号，同步外部设备拍摄或者接收投射的结构光，此脉冲信号的延迟、脉冲宽度和极性均可以通过可编程投射主控模块进行修改；此模块也可以接收来自外部设备的同步信号，来触发投射器进行实时投射，输入的脉冲信号将发送给投射主控模块来控制投射。所述的LED照明模块由三块高功率的LED芯片组成，可以通过可编程投射主控模块单独控制每块芯片的点亮与否和亮度大小，根据不同的应用需求，三片芯片可以为三片同样颜色的単色光LED芯片，也可以为红、绿、蓝三色芯片。投射器的亮度范围至少可达到单芯片的三倍。每块LED芯片的亮度大小和点亮时间均可以通过投射主控模块中的FPGA 芯片进行实时控制，这ー策略使投射器的投射亮度动态范围大大増大，既可以实现单芯片低亮度短时间投射较暗的结构光，也可以实现三芯片高亮度长时间投射非常亮的结构光。所述的光机系统包括匀化透镜、半反半透镜以及与DMD匹配的前端棱镜；它对照明光源发出的光进行整形和匀化，同时通过前端投影镜头对经过DMD芯片空间调制的光进行投射，整个光机系统比较紧凑，适合同其他外围设备结合使用。本发明的原理是由可编程投射主控模块控制和处理所有投射信息，LED照明模块完成投影光源亮度的修改，输入输出同步触发模块用来传递控制投射和拍摄的触发信号，DMD完成对光源投射光的空间调制，最后经光机系统将所需的图像投射出去。本发明与现有技术相比的优点在于(I)采用数字投影技术和基于FPGA的高速DMD控制电路，能够实现最高达700Hz帧频的高速投射。(2)输入输出同步触发模块，能够实现投射器和接收外围设备的准确协同，保证接收设备对投射图像的准确采集。(3)采用多片LED芯片，每片LED芯片的亮度和发光时间均可根据需要进行调制，大大拓展了投射器的亮度动态范围。
图I为本发明ー种高速、高亮度变化范围结构光投射器的示意图；图2为本发明中可编程投射主控模块结构图；图中符号说明如下FPGA :现场可编程逻辑门阵列SDRAM DDR2 :双倍速率同步动态随机存储器LVDS :低压差分信号JTAG :联合测试工作组标准接ロHDMI :高清晰度多媒体接ロDMD :数字微镜
具体实施方式
见图1，ー种高速、高亮度变化范围结构光投射器，其特征在于包括以下部分可编程投射主控模块、输入输出同步触发模块、LED照明模块和光机系统。其中可编程投射主控模块包括DMD驱动单元、主控单元、视频处理单元和存储单元。其与计算机相连，接受控制信息、视频信号，从计算机下载具有一定特征的结构光图像；输入输出同步触发模块的一端同外部硬件(如相机)相连，接收和发送同步信号，另一端同可编程主控模块相连，将外部触发信息传送给该主控模块；LED照明模块同可编程投射主控模块相连，接受对LED芯片亮灭、亮度大小调节的控制信息；整个投射器的光机系统完成结构光图像的投射。可编程投射主控模块的DMD驱动单元，采用分辨率为1024X 768的DM D芯片为投射核心芯片，采用基于FPGA的高速DM D驱动电路，FPGA通过同步缓存中的高速DDR2信号发送数据给DMD芯片，同时协同DAD2000芯片同步发送复位信号，控制DMD芯片的复位与刷新。当投射二位黑白图像时。巾贞频最高可达5000Hz,当投射8位灰度图像时,巾贞频最高可达700Hz。 可编程投射主控模块的视频处理单元通过H DM I接ロ与计算机相连，可以接收来自计算机的数字视频信号，数字视频信号通过视频处理芯片的解码后，通过FPGA将图像信息传送给DMD进行投射。可编程投射主控模块的存储单元采用可编程FLASH芯片，芯片大小为1Gb，可以存储需要投射的具有一定特征的结构光。可编程投射主控模块的主控单元通过标准USB2. O接ロ同计算机相连，可以从计算机下载系统配置文件、需投射的结构光图像、LED亮度控制信息等。可编程投射主控模块结构见图2.输入输出同步触发模块是可编程投射主控模块的三位同步信号，通过同步信号线与传感器相连，它可以输出脉冲信号，同步外部设备拍摄或者接收投射的结构光，此脉冲信号的延迟、脉冲宽度和极性均可以通过可编程投射主控模块进行修改；此模块也可以接收来自外部设备的同步信号，来触发投射器进行实时投射，输入的脉冲信号将发送给投射主控模块来控制投射。LED照明模块由三块高功率的LED芯片组成，可以通过可编程投射主控模块単独控制每块芯片的点亮与否和亮度大小，根据不同的应用需求，三片芯片可以为三片同样颜色的単色光LED芯片，也可以为红、绿、蓝三色芯片。此投射器采用三片高功率蓝色LED芯片或三片高功率绿色LED芯片，亮度范围至少可达到单芯片的三倍。LED照明模块中，每块LED芯片的亮度大小和点亮时间均可以通过投射主控模块中的FPGA芯片进行实时控制，通过FPGA对LED驱动电路电压的改变，进而改变经过LED芯片的电流大小，控制LED的发光亮度，这ー策略使投射器的投射亮度动态范围大大増大，既可以实现单芯片低亮度短时间投射较暗的结构光，也可以实现三芯片高亮度长时间投射非常亮的结构光。光机系统包括匀化透镜、半反半透镜以及与DMD匹配的前端棱镜；它对照明光源发出的光进行整形和匀化，同时通过前端投影镜头对经过DM D芯片空间调制的光进行投射，整个光机结构比较紧凑，适合同其他外围设备结合使用。本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
权利要求
1.ー种高速、高亮度变化范围结构光投射器，其特征在于它包括可编程投射主控模块、输入输出同步触发模块、LED照明模块和光机系统；可编程投射主控模块与计算机相连，接受控制信息、视频信号，从计算机下载具有一定特征的结构光图像；输入输出同步触发模块的一端同外部硬件如相机相连，接收和发送同步信号，另一端同可编程主控模块相连，将外部触发信息传送给该主控模块；LED照明模块同可编程投射主控模块相连，接受对LED芯片亮灭、亮度大小调节的控制信息；整个投射器的光机系统完成结构光图像的投射；所述的可编程投射主控模块，它包括DMD驱动单元、主控单元、视频处理单元和存储单元；主控单元接收来自电脑的投射控制信息，并将信息经过处理后传送给DMD驱动单元；DMD驱动单元接收来自主控单元的结构光数据与控制信息，数据处理后控制DMD的翻转与刷新；视频处理单元接受来自电脑的数字视频信号，传送给主控单元；存储单元从电脑下载并存储已经编程完毕的结构光信息与控制信息，传输至主控单元；该DMD驱动单元，采用DMD芯片为投射核心芯片，采用基于FPGA的高速DMD驱动电路，FPGA通过同步缓存中的高速DDR2信号发送数据给DMD芯片，实现最高可达700Hz帧频的高速投射；该主控单元，采用基于FPGA的USB接ロ电路设计，通过标准USB2. O接ロ同计算机相连，从计算机下载系统配置文件、需投射的结构光图像、LED亮度控制信息；该视频处理单元采用HDMI接ロ驱动芯片与可编程投射主控模块相连，通过HDMI接ロ与计算机相连，接收来自计算机的数字视频信号；该存储单元是采用可编程FLASH芯片，存储需要投射的具有一定特征的结构光和控制信息； 所述的输入输出同步触发模块是可编程投射主控模块的三位同步信号，通过同步信号线与传感器相连，它输出脉冲信号，同步外部设备拍摄或者接收投射的结构光，此脉冲信号的延迟、脉冲宽度和极性均通过可编程投射主控模块进行修改；此模块也接收来自外部设备的同步信号，来触发投射器进行实时投射，输入的脉冲信号将发送给投射主控模块来控制投射； 所述的LED照明模块由三块高功率的LED芯片组成，通过可编程投射主控模块单独控制每块芯片的点亮与否和亮度大小，根据不同的应用需求，三片芯片为三片同样颜色的单色光LED芯片，也可以为红、绿、蓝三色芯片；投射器的亮度范围至少达到单芯片的三倍；每块LED芯片的亮度大小和点亮时间均通过投射主控模块中的FPGA芯片进行实时控制，这ー策略使投射器的投射亮度动态范围大大増大，既实现了单芯片低亮度短时间投射较暗的结构光，也实现了三芯片高亮度长时间投射非常亮的结构光； 所述的光机系统包括匀化透镜、半反半透镜以及与DMD匹配的前端棱镜；它对照明光源发出的光进行整形和匀化，同时通过前端投影镜头对经过DMD芯片空间调制的光进行投射，整个光机系统结构紧凑，适合同其他外围设备结合使用。
全文摘要
一种高速、高亮度变化范围结构光投射器，它包括可编程投射主控模块、输入输出同步触发模块、LED照明模块和光机系统；可编程投射主控模块与计算机相连，接受控制信息、视频信号，从计算机下载具有一定特征的结构光图像；输入输出同步触发模块的一端同外部硬件如相机相连，接收和发送同步信号，另一端同可编程主控模块相连，将外部触发信息传送给该主控模块；LED照明模块同可编程投射主控模块相连，接受对LED芯片亮灭、亮度大小调节的控制信息；整个投射器的光机系统完成结构光图像的投射；本发明具有结构紧凑、投射速度快、投射精度高、投射亮度具有较高亮度变化范围的特点，对需要投射结构光的各种主动光学测量系统具有重要价值。
文档编号G02B27/09GK102706290SQ20121020916
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月20日 优先权日2012年6月20日
发明者刁晓淳, 姜宏志, 梁宵月, 赵慧洁 申请人:北京航空航天大学