PMP中的液晶投影器的性能研究

　　引　言

　　三维物体表面轮廓非接触测量,在自动加工、产品质量检查、生物医学、机器视觉等各方面有重要意义,日益受到人们的重视。光学方法的三维检测,由于精度高,数据获取量大,易于在计算机控制下实现光、机、电一体化而在近十年内有很大的发展。其中,位相测量轮廓术(PMP)[1,2],采用离散相移技术,对时间序列上的携带物体表面高度信息的正弦波解调制,计算出物体高度轮廓,排除了物体各点光学特性不同造成的各点初位相的不确定性,获得了非常高的精度,这个方法已经在实际测量中获得了广泛的应用。普通的PMP是用机械的方法实现N次相移,不能实时地控制投影光栅的周期和相移。本文针对液晶投影器LCD能容易地通过图象板与微机连接,接受PC机发出的数字电信号并把接收到的信号转换成模拟的光信号投影,提出了基于LCD投影的全电子的PMP方法。本文中详细讨论了LCD在PMP中的应用特性,研究了光强传递函数(ITF)的非线性、LCD投影光场的微结构及投影光场的不均匀性,提出了在PMP中作校正投影以得到最佳投影效果的方法。

　　1　PMP原理简述

　　PMP的原理如图1,P1是投影系统的出瞳中心,I1是图象接收系统的入瞳中心。当周期P的正弦光栅投射到三维散射物体表面,CCD图象系统接收到的变形条纹可以表示为

轮廓术的测量精度可以达到等效波长的百分之一。其测量误差的来源主要有光强灰度量化误差(即最小可测量位相变化值,主要由光场接收系统决定),相移误差,投影光场高频分量误差等[2,7]。

　　2　LCD在PMP中的特性研究

　　本文中提出一种用LCD投影产生空间结构光场的三维传感方法,基于LCD的全电子位相测量轮廓术实验系统示意图如图2。位相测量轮廓术的测量精度依赖于位相测量精度。投影系统的特性对最终测量精度有极其重要的作用。这里我们首先讨论LCD在PMP中的特性。

　　2.1　光强传递函数(ITF)

　　投影系统的示意图如下图所示。从PC机输出的灰度级为0-255的数字信号经图象板的D/A转换变成模拟信号送到LCD,然后由LCD把电信号转化成光信号投射到待测物体上。我们引入光强传递函数(Intensity Transfer Function,简称ITF)来描述整个信号传递过程,即可以认为从微机发出的数字信号经过光强传递函数的调制变成液晶投影仪输出的光强模拟信号。图3给出LCD光强传递函数的测试曲线。可以看出,对应于微机输出0-255灰度等级的数字信号,LCD具有单调的非线性的输出响应特征。如果我们直接对LCD输入正弦光栅信号,因为光强传递函数的影响,LCD的输出将不是正弦型的信号。根据ITF我们可以建立“PC数字信号输出—LCD投影光强对应查找表”在这一查找表的基础上校正PC的数字信号输出,使最终LCD的输出为正弦型的光栅。图4是根据光强传递函数作的计算机模拟LCD输出的结果。图4(a)是未通过校正的PC标准正弦信号输出,对应于图4(c)所示的LCD输出。很明显,这种投影光场除了正弦分量外还有高频分量。图4(b)是为了最终得到如图4(d)所示的LCD正弦光栅而作了预先校正的PC数字信号输出,在不考虑其它误差来源时,对PC输出作预先校准可以得到PMP所需要的准确的正弦投影光场。