一种基于液晶底片的正弦条纹场投射模块的制作方法

本发明属于3d测量技术领域，主要涉及到利用正弦条纹结构光的3d测量技术，具体为一种基于液晶底片的正弦条纹场投射模块。

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，其中正弦条纹光场是最常用的结构光之一；利用正弦条纹投影和相移方法的3d形貌测量技术具有分辨率高、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光场。随着数字条纹投影(dfp)技术广泛用于结构光投影，投射正弦条纹并实现精确的相移变得更加简单精确，但是，普通商用的dfp在8位显示模式下具有非线性伽玛效应，且不适合于高帧率投影。为实现高速3d测量，研究人员提出了dfp工作于方波二进制状态下，再结合离焦的方法获得近似的正弦投影光场，其后有诸多研究工作优化被投影的二进制图案，采用基于dlp的dfp投射并配合离焦投影技术获得3d高速测量的目标也得以实现。虽然前述研究中的二进制图案结合离焦投影方式也能获得近似程度较好的正弦条纹场，但离焦的程度会对测量结果的精度产生影响，而离焦程度并不易于控制。另外，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，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，相比之下，采用范灯片底片的方式，工艺上可以做的更加精细，因此尺寸可以更小，而成本却可以更低。不过，标准的透射式正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，提供一种基于液晶底片的正弦条纹场投射模块。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于液晶底片的正弦条纹场投射模块，通过采用二进制填充正弦图案的分解图案作为液晶底片各电极的图案，配合电极的选择组合控制，结合投影成像镜头和扩展镜头的使用，为3d测量提供满足三步相移关系的正弦条纹照明场，特别适合用于微型化3d测量设备中。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于液晶底片的正弦条纹场投射模块，包括：背光源、液晶底片、投影成像镜头、扩展镜头及电极组控制电路；其特征在于，所述液晶底片包括3组可控电极组，其中任一组可控电极组施加驱动电压后、在所述背光源照射作用下液晶底片显示一幅二进制填充正弦图案；所述扩展镜头的光扩展方向与二进制填充正弦图案的摆放方向垂直，所述二进制正弦填充图案在投影成像镜头及扩展镜头作用下在目标区形成一幅正弦条纹场；所述电极组控制电路分时控制液晶底片的3组可控电极组，使得液晶底片分别显示3幅具有120°相移关系的二进制填充正弦图案，对应地在目标区投影产生3幅具有120°相移关系的正弦条纹场。

进一步的，所述液晶底片呈矩形，由沿液晶底片长边方向摆放且依次具有120°相移关系的三个相同的正弦波形分隔为8类区域，所述正弦波形的振幅为液晶底片宽边的一半；所述正弦波形与液晶底片上边缘之间形成的区域标记为第7类区域，所述正弦波形与液晶底片下边缘之间形成的区域标记为第8类区域，三个正弦波形之间的区域按照从左向右、从上往下的顺序依次标记为第1类～第6类区域；每一类区域通过电极实现控制、且相同类型区域的控制电极相互连通；所述第1类、第4类、第5类区域的控制电极构成第1组可控电极组，所述第2类、第5类、第6类区域的控制电极构成第2组可控电极组，所述第3类、第6类、第4类区域的控制电极构成第3组可控电机组，所述第7类区域的控制电极常态不施加驱动电压，所述第8类区域的控制电极常态施加驱动电压。

进一步的，所述电极组控制电路对三组可控电极组按照所需顺序分时控制，使液晶底片上对应的三幅具有120°相移关系的二进制正弦填充图案按照所需顺序依次显示，实现正弦条纹场准确的三步相移。

本发明的原理为：通过分时控制三组被控电极组，液晶底片上依次显示具有三步相移关系的三幅二进制填充正弦图案；以水平方向为x坐标方向，上下方向为y坐标方向，液晶底片上显示的一幅二进制填充正弦图案摆放方向为x，在周围全部无法透光的前提下，x坐标位置对应的y向透过宽度满足正弦特性；在仅有投影成像镜头而无扩展镜头时，在像面位置处投射光场为液晶底片所显示的二进制填充正弦图案的倒像，加入扩展镜头后，将投射光场y向扩展，倒像的每个点都将会被上下扩展为一条线，对应于一个指定的x坐标，y向透过宽度越宽，扩展后叠加产生的光场照度越大，如果背光源均匀，在公共叠加区域，则这个光场照度与y向透过宽度成正比；假设未加扩展时的照射光场为i(x,y)，扩展镜头产生的点扩展函数为psf(x,y)，最终形成的光场为i(x,y)与psf(x,y)的卷积，扩展镜头的点扩展函数近似为一条线，卷积的结果便将二进制填充正弦图案的倒像上下扩展，除开上下两端一小部分非公共叠加区域外，有一个很大的区域满足正弦条纹场的特性；由电极组控制电路按照顺序分时控制三组被控电极组，液晶底片上按照顺序依次显示具有三步相移关系的三幅二进制填充正弦图案，最终投射得到的三幅正弦条纹场就具有准确的三步相移关系，从而可用于3d测量。

本发明的有益效果在于：

本发明提供一种基于液晶底片的正弦条纹场投射模块，通过控制被控电极组，在液晶底片上显示二进制填充正弦图案，并利用光扩展镜头对二进制填充正弦图案经过投影成像镜头所成的倒像作y向扩展获得正弦条纹场，可以避开制作透射式正弦光栅中透过率不准确的问题，同时制作工艺成熟可靠，成本也可以大幅度降低；将三幅满足120°相移关系的二值化填充正弦图案通过电极共用的方式紧凑地设计在一起，通过电控的方式代替了机械移动，结构稳定可靠，移相关系准确；电极组控制电路按照所需顺序分时控制被控电极组，在目标区域按照所需顺序投影获得满足三步相移关系的三幅正弦条纹场；本发明结构简单，控制方便，尺寸小巧，特别适合要求整机微型化的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dfp投影方式。

附图说明

图1为本发明实施例中基于液晶底片的正弦条纹场投射模块结构示意图；其中，1为背光源，2为液晶底片，3为投影成像镜头，4为扩展镜头，5为电极组控制电路。

图2为本发明实施例中液晶底片上电极的分割示意图。

图3为本发明实施例中液晶底片显示的三幅二进制填充正弦图案示意图。

图4为本发明实施例中投影产生的三幅正弦条纹图案示意图。

具体实施方式

下面结合实施例作对本发明做进一步的说明。

本实施例提供一种基于液晶底片的正弦条纹场投射模块，其结构如图1所示，包括：背光源1、液晶底片2、投影成像镜头3、扩展镜头4及电极组控制电路5；其中，液晶底片上的所有电极图案通过分组，可以分别实现三幅二进制正弦填充图案的显示；如图2所示，电极图案是由三个叠放在一起的相同正弦波形分割形成，这三个正弦波形沿x方向摆放且具有120°相移关系，因此所有电极图案加在一起构成一个矩形图案，即液晶底片呈矩形；所述正弦波形与液晶底片上边缘之间形成的“类三角”区域标记为第7类区域、其控制电极为“#”电极，所述正弦波形与液晶底片下边缘之间形成的“类三角”区域标记为第8类区域、其控制电极为“*”电极；以任一波形的上升沿为界限，所述液晶底片的电极图案呈周期性结构，单个周期内三个正弦波形之间的区域形成6个呈正向、倒向交叉放置的“类甜筒”区域，按照从左向右、从上往下的顺序依次标记为第1类～第6类区域、分段对应控制电极p1、p2、p3、p4、p5、p6，其中，第1类～第3类区域为正向放置的“类甜筒”区域、第4类～第6类区域为倒向放置的“类甜筒”区域；每一类区域通过电极实现控制、且相同类型区域的控制电极相互连通；对应的，本实施例中，“#”电极一直不加电，使对应区域常态为光不透过；“*”电极常加驱动电压，使对应区域常态为光透过；p1、p4、p5电极构成一组被控电极组a，p2、p5、p6电极构成一组被控电极组b，p3、p6、p4构成一组被控电极组c；上位机给出三组电极的控制信号ka、kb、kc，分别用于控制a、b、c三组被控电极组的打开和关断，由于a、b、c三组被控电极组存在共用电极，因此电极组控制电路需要实现一个转换功能，使之在ka为高时p1、p4、p5加液晶驱动电压，kb为高时，p2、p5、p6加液晶驱动电压，kc为高时，p3、p6、p4加液晶驱动电压；外部上位机通过分时控制ka、kb、kc为高，液晶底片上依次显示120°移相的三幅二进制正弦填充图案，所显示的图案如图3所示(相比于图2多取了几个周期，但也仅仅是示意图，实际应用中周期个数根据需要确定)，对应地投影所产生的三幅正弦条纹场如图4所示，也满足三步相移法的要求，相机对应地拍摄正弦条纹场照射下的目标，共获得三幅图片，经过处理，解算出目标的3d像。

其中，液晶底片除#电极外的所有同一编号的电极需要在外部连通，这可以通过板上引线连接到外部引脚来实现；各个电极间也需要有适当间隔，因此在电极图案设计时，将各电极在y向拉开一个距离，这个距离能保证电极电隔离的情况下尽可能小；各个受控电极均从最外的位置起始连接外部的引线，同时，考虑对矩形区域外部的遮光处理，以尽可能避免电极引线对投射的正弦图案产生干扰。

综上所述，采用本发明制作的基于液晶底片的正弦条纹场投影模块，在满足投射3d测量需要的三步相移正弦条纹场的同时，控制简单，尺寸小巧，适合于要求整机体积的微型化3d测量设备。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。