一种基于LED芯片阵列的正弦条纹场投射模块制造技术

本发明专利技术属于3D测量技术领域，具体提供一种基于LED芯片阵列的正弦条纹场投射模块，用以解决高速3D测量投影设备的成本高、控制复杂等缺点。本发明专利技术采用LED芯片阵列来产生被投影图案，在柱面镜与相位板的共同作用下产生正弦条纹场，并通过电极控制电路控制驱动三个LED芯片组产生具有三幅120

【技术实现步骤摘要】
一种基于LED芯片阵列的正弦条纹场投射模块


[0001]本专利技术属于3D测量
，主要涉及相移条纹轮廓术的3D测量技术，具体提供一种基于LED芯片阵列的正弦条纹场投影模块。

技术介绍

[0002]在结构光三维测量技术中，投影设备向待测目标投射具有特定编码的图案，然后通过相机捕获被调制后的图像，再通过算法对调制后的图像进行处理，获得物体的三维信息。条纹投影轮廓术(fringe projection profilometry,FPP)作为结构光三维测量技术的一个重要类别，具有全场测量和高测量精度的优点，在许多领域得到了广泛应用。主流的FPP方法主要分为傅里叶变换轮廓术(Fourier transform profilometry,FTP)和相移轮廓术(Phase Shifting Profilometry，PSP)。在这些方法中，正弦条纹是最常用的条纹图案，它被投影到目标物体的表面上。尽管PSP方法至少使用三个相移正弦条纹，但它具有更高的精度、更高的分辨率和对环境光不敏感的优点。由于测量动态目标的潜在优势，已经研究了基于相位计算的各种单帧3D形状测量方法，其中使用了由具有不同颜色或频率的多个子条纹组成的复合条纹图案。然而，单帧3D形状测量方法在高测量精度方面面临许多挑战。事实上，在高精度、高速3D测量中，近年来使用的主要方法是基于PSP的。
[0003]针对PSP的高速三维测量投影方法有多种，但都存在这样或者那样的不足，如今，多使用数字条纹投影技术；DLP投影仪是数字条纹投影技术中常用到的数字投影仪，其投影帧率多数仅有120帧；研究人员为了实现更高速的投影，基于DLP投影仪提出了方波二进制条纹投影，再结合离焦的方法获得正弦投影光场。但DLP投影仪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，对于要求整体尺寸较小的设备也并不合适；而且在实际的应用场景中，往往是针对特定场景特定功能的，DFP技术就不具有优势。使用LED作为光源并通过通道选通的方式可以实现高帧率的条纹投影，且能够实现更加简单的控制，光源步进法是常见的方法之一，其通过改变光源的发光位置实现相移，再通过罗琦光栅生成条纹；然而该方法光功率使用效率较低，且相移精度无法保证。LED芯片的响应速度很快，可以实现超高速的相移，进而实现更高帧率的正弦条纹投影。基于此，本专利技术提供一种基于LED芯片阵列的正弦条纹场投射模块，可以实现高帧率的相移条纹投影，且相移准确、成本低、易于控制。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种基于LED芯片阵列的正弦条纹场投射模块；本专利技术创造性的设计了一种光路结构，该结构利用LED芯片阵列来产生所需要的被投影图案，在柱面镜和相位板的作用下投影出正弦条纹，通过分时控制可以依次产生具有相移关系的投影图案，从而为三维测量提供满足三步相移关系的正弦条纹照明场；本专利技术具有结构简单、控制方便的优点，尤其适合高速3D测量设备，拥有广阔的应用前景。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0006]一种基于LED芯片阵列的正弦条纹场投射模块，包括：LED芯片阵列1、柱面镜2、相位板3以及电极控制电路4；所述LED芯片阵列、柱面镜及相位板构成投影正弦条纹的光路结构；所述电极控制电路，用于控制LED芯片发光，分时产生三幅具有120
°
相移关系的被投影图案，通过所述光路对应产生满足三步相移关系的正弦条纹照明场；所述LED芯片阵列由基板及其上设置的9N个倒装LED芯片构成，LED芯片共排列成三行，每行LED芯片紧邻排列，从上至下，第二行相对于第一行向右偏移W/2，第三行相对于第二行向右偏移W/2，其中W为单个芯片在行方向上的宽度；所有LED芯片都保持上P下N的方向，每列的三行芯片电路串联，且3j+1(j＝0,1,
…
,N
‑
1)列的所有列电路并联构成芯片组L1，3j+2(j＝0,1,
…
,N
‑
1)列的所有列电路并联构成芯片组L2，且3j+3(j＝0,1,
…
,N
‑
1)列的所有列电路并联构成芯片组L3。所所述L1、L2、L3芯片组的加电端点通过电路连线后，合并为四个驱动控制端点A、B、C、D；所述电极控制电路对驱动控制端点A、B、C、D加电，分时点亮L1、L2、L3芯片组；所述L1、L2、L3芯片组分时发光产生的投影图案，对应于三幅具有120
°
相移关系的被投影图案。
[0007]从工作原理上讲：
[0008]本专利技术所提出的光路结构，采用了柱面镜与相位板共同作用来投影正弦条纹，以水平方向为X坐标方向、上下方向为Y坐标方向，基板上LED芯片行方向平行于X坐标方向；根据投影光路的结构，对焦投影面上的光场可以描述为I(x,y)与PSF(x,y)的卷积，其中I(x,y)为发光图案的2D倒像，PSF(x,y)为柱面镜与相位板共作用产生的点扩展函数，该点扩展函数近似为一条Y向线段做X向扩展的结果，卷积的结果将LED芯片阵列发光图案的2D倒像在X和Y方向进行扩展；LED芯片阵列在电极控制电路的驱动下，可以使L1、L2、L3芯片组分时发光，对应的产生三组具有120
°
相移关系的被投影图案，该投影图案的结构在所提出的光路结构中能够对应的产生满足三步相移关系的正弦条纹；进一步的，理论上可以证明，在离焦投影的情况下，条纹的正弦性仍然可以得到保证。
[0009]本专利技术的有益效果在于：
[0010]本专利技术提供一种基于LED芯片阵列的正弦条纹场投射模块，采用LED芯片阵列来产生被投影图案，在柱面镜与相位板的共同作用下产生正弦条纹场，并通过电极控制电路控制驱动三个LED芯片组产生具有三幅120
°
相移关系的被投影图案，从而对应产生满足三步相移关系的正弦条纹场，具体具有如下优点：
[0011]1)采用具有非常高响应速度的LED芯片直接产生被投影图案，能够实现高帧率的相移条纹投影，并具有高的光功率利用效率；
[0012]2)投影模块的光路结构以及LED芯片阵列所产生的的被投影图案，在理论上保证了无论是对焦还是离焦投影都可以产生正弦条纹；
[0013]3)三步相移的实现由LED芯片位置决定，能够实现高精度相移；
[0014]4)本专利技术结构简单、控制方便，尤其适合要求高速的3D测量设备；同时，控制模块成本与投影模块成本都比较低。
附图说明
[0015]图1为本专利技术中基于LED芯片阵列的正弦条纹投射模块的结构示意图；其中，1为LED芯片阵列，2为柱面镜，3为相位板，4为电极控制电路。
[0016]图2为本专利技术实施例中LED芯片电连接构成L1、L2、L3芯片组。
[0017]图3为本专利技术实施例中LED芯片阵列的铝基板PCB例。
[0018]图4为本专利技术实施例中L1、L2、L3芯片组分别发光产生的被投影图案。
[0019]图5为本专利技术实施例中对焦投影时由本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于LED芯片阵列的正弦条纹场投射模块，包括：LED芯片阵列(1)、柱面镜(2)、相位板(3)以及电极控制电路(4)；其特征在于，所述LED芯片阵列、柱面镜及相位板构成投影正弦条纹的光路结构；所述电极控制电路用于控制LED芯片发光以分时产生三幅具有120
°
相移关系的被投影图案，被投影图案通过所述光路对应产生满足三步相移关系的正弦条纹照明场；所述LED芯片阵列由铝基板及其上设置的9N个倒装LED芯片构成，LED芯片共排列成三行，每行LED芯片紧邻排列，按照从上至下、第二行相对于第一行向右偏移W/2、第三行相对于第二行向右偏移W/2，W为单个芯片在行方向上的宽度；所有LED芯片都保持上P、下N的方向，每列的三个芯片电路串联，且3j+...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭仁军，周港，岳慧敏，唐飞，郭家昊，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：