基于DLP的结构光投影光学系统设计

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精密投影技术是结构光工业三维测量和增材制造的关键技术之一。根据结构光形状的不同,结构光扫描可以分为点结构光、线结构光、面结构光,其中面结构光测量具有测量速度快、精度高等优点,是目前工业领域常用的三维测量方法。结构光测量系统由若干个投影仪和相机组成,投影仪的成像质量对最终的测量结果起着至关重要的作用。论文对市场的结构光三维扫描设备调研发现,工业三维扫描仪结构庞大、价格昂贵,便携式三维扫描仪亮度低、工作距离短、精度低,不能同时兼顾产品的高精度和小型化。因此,本论文开展了对投影系统的研究,设计一款高亮度和结构紧凑的结构光投影光学系统。作为整个投影系统的光引擎,投影机照明系统直接影响投影亮度、对比度、体积和重量等重要参数。投影照明光路主要有两个发展方向:一是提高光能利用效率,将光源发出的光能尽可能多的收集利用,降低功耗;二是提高照明光斑的照度均匀性,将光源发出的不均匀圆光斑转换为均匀矩形光斑。投影系统结构可以分为远心和非远心系统;远心系统具有更好的均匀性,成像系统和照明系统可以分开设计;非远心系统对比度更高,但是非远心系统需要成像系统和照明系统之间光瞳匹配,成像光束和照明光束分离使得设计难度增加。本文针对结构光三维测量投影仪的光学系统做了以下研究:1推导全反射棱镜及复眼的结构参数,并分析其对成像质量的影响,进行了准直和中继系统参数的推导和计算并在光学设计软件中优化,利用光线追迹法在仿真软件中进行模拟,得到了均匀度96.09%、光效52.17%的远心照明系统。2分析了非远心照明的光束分布情况,提供了有效方法消除非远心状态下的光束重叠影响,进行了准直和中继系统参数的推导并在光学设计软件中优化,得到了与成像镜头匹配的非远心照明系统,其均匀度97.38%、光效41.52%。3设计了一款与远心照明系统匹配的成像镜头,其相对照度大于95%,畸变小于0.5%,截止频率下所有视场MTF>0.2。论文最后进行了整机杂散光分析并处理,进行了整机仿真和效率估算,LED功率14.6W条件下,输出功率达到3.8W,均匀度97.27%,整机结构紧凑、输出光功率高且结构紧凑,满足结构光三维测量投影的需求。
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