CN104111041A - 激光三维成像mems二维扫描镜的转角测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种扫描镜转动角度的测量方法，尤其涉及激光三维成像MEMS二维扫描镜的转角测量装置及方法，该装置包括脉冲激光器以及连续激光器，在脉冲激光器的激光光轴上设置有三号光学镜片，在连续激光器的激光光轴上设置有一号光学镜片；一号光学镜片位于脉冲激光器的激光光轴与连续激光器的激光光轴重合处；在一号光学镜片正后方设置有二维扫描镜；二维扫描镜的反射光路上依次固定有二号光学镜片以及二维PSD，二维PSD的输出端与PSD信号采集电路的输入端连接；光学镜片与采样同步电路的输入端连接，采样同步电路的输出端与PSD信号采集电路的输入端连接。本发明.结构简单，精度较高；实时性强，测量范围大。

Description

激光三维成像MEMS二维扫描镜的转角测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种扫描镜转动角度的测量方法，尤其涉及激光三维成像MEMS二维扫描镜的转角测量装置及方法。

背景技术

目前，随着微电子机械系统(Micro Electronic Mechanical Sys-tem,MEMS)加工技术的日趋成熟，采用MEMS光学扫描镜为核心扫描器件被广泛运用到工业、军事、航天、航海和通讯等许多领域，这些都源于MEMS工艺制作的光学扫描镜除了具备MEMS器件所共有的易于实现批量生产，价格低的特点之外，与传统的扫描机构相比MEMS扫描机构还具有体积小、质量轻、功耗低、响应快的优势。

现时对于MEMS运动过程中各个时刻转角测量的方法主要采用相位相关方法；而相位相关技术具有对图像的灰度依赖较小,有较强的抗干扰能力和很高的匹配精度等特点,在平面位移和图像配准中有很好的效果,但是直接应用在旋转角度测量上,需要在测量角度变化范围内遍历搜索,运算量非常大,而且在旋转运动中图像特征结构的成像会发生形变,从而影响测量分辨力的提高，所以MEMS二维扫描管的角度测量并不适合采用相位相关方法。同时，对于高精度激光扫描控制系统的空间光束指向测量常直接采用角度传感器,如光电自准直仪、光电编码盘等,但是很难同时满足测量范围和精度的要求。

随着MEMS(微机械系统)二维扫描镜的激光扫描技术的发展，对于扫描角度的测量也提出了更高的要求。在此基础上，以光能/位置转换器件PSD为核心建立了一套具有高灵敏度、高分辨率、快速响应速度的测量系统就应运而生了。

在基于MEMS扫描镜的三维激光成像系统中，需要实时测量MEMS扫描镜的转角，但是由于在使用脉冲法激光成像系统中，PSD探测器对脉冲激光信号的相应受到很多条件的限制，而且精度不高，所以如何提高PSD对脉冲激光(特别是短脉冲激光)的响应精度成为制约基于脉冲法激光主动成像的一个难点。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术缺点，提供一种电路结构简单、精度高、测量范围大、实时性强的激光三维成像MEMS二维扫描镜的转角测量装置及方法。

为解决上述问题，本发明采取的技术方案为：

本发明的激光三维成像MEMS二维扫描镜的转角测量装置包括脉冲激光器以及连续激光器，在脉冲激光器的激光光轴上设置有三号光学镜片，在连续激光器的激光光轴上设置有一号光学镜片；

所述的一号光学镜片位于脉冲激光器的激光光轴与连续激光器的激光光轴重合处；在一号光学镜片正后方设置有二维扫描镜；

所述的二维扫描镜的反射光路上依次固定有二号光学镜片以及二维PSD，所述的二维PSD的输出端与PSD信号采集电路的输入端连接；

所述的光学镜片与采样同步电路的输入端连接，采样同步电路的输出端与PSD信号采集电路的输入端连接。

所述的连续激光器固定在光学支架上。

所述的二维扫描镜为MEMS二维扫描镜。

本发明的激光三维成像MEMS二维扫描镜的转角测量装置的测量方法，包括以下步骤：

1)脉冲激光器发射的连续激光光束经三号光学镜片后分为两路脉冲激光光束，一路脉冲激光光束照射到采样同步电路中，采样同步电路中接收到脉冲激光后，发出同步采集脉冲给PSD信号采集电路，实现对PSD信号的同步采样；

2)调整光学支架，使得连续激光器发射的连续激光光束经一号光学镜片后与脉冲激光器发射的另一路脉冲激光光束重合，且该另一路脉冲激光光束与连续激光光束均照射到二维扫描镜上；

3)经过MEMS二维扫描镜反射的另一路脉冲激光光束与连续激光光束照射到二号光学镜片上，其中另一路脉冲激光经过二号光学镜片反射到被测目标上，连续激光光束透过光学镜片照射到二维PSD上；

4)PSD信号采集电路采集二维PSD输出的信号，并计算出连续激光光束在PSD上的位置(x,y)，并根据公式转化为二维扫描镜转角α和β；

其中：

$\mathrm{\α}=\arctan \frac{L}{x},$

$\mathrm{\β}=\arctan \frac{L}{y}.$

所述的采样同步电路包括控制计算机及延迟模块。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.结构简单，精度较高；

2.实时性强，测量范围大。

附图说明

图1为本发明的结构示意图一；

图2为本发明的结构示意图二；

图3为本发明的结构示意图三；

其中，1、脉冲激光器；2、连续激光器；3、一号光学镜片；4、二维扫描镜；5、二号光学镜片；6、二维PSD；7、PSD信号采集电路；8、光学支架；9、采样同步电路；10、光学镜片；11、被测目标；

其中，虚线代表连续激光光束，实线代表脉冲激光光束。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详细说明：

参见图1、图2和图3，本发明的激光三维成像MEMS二维扫描镜的转角测量装置，其特征在于：包括脉冲激光器1以及固定在光学支架上的连续激光器2，在脉冲激光器1的激光光轴上设置有三号光学镜片10，在连续激光器2的激光光轴上设置有一号光学镜片3；一号光学镜片3位于脉冲激光器1的激光光轴与连续激光器2的激光光轴重合处；在一号光学镜片3正后方设置有二维扫描镜4；二维扫描镜4的反射光路上依次固定有二号光学镜片5以及二维PSD6，所述的二维PSD6的输出端与PSD信号采集电路7的输入端连接；

光学镜片10与采样同步电路9的输入端连接，采样同步电路9的输出端与PSD信号采集电路7的输入端连接。

本发明采用的二维扫描镜4为MEMS二维扫描镜。

本发明的激光三维成像MEMS二维扫描镜的转角测量装置的测量方法，包括以下步骤：

1)脉冲激光器1发射的连续激光光束经三号光学镜片10后分为两路脉冲激光光束，一路脉冲激光光束照射到采样同步电路9中，采样同步电路9中接收到脉冲激光后，发出同步采集脉冲给PSD信号采集电路7，实现对PSD信号的同步采样；

2)调整光学支架8，使得连续激光器2发射的连续激光光束经一号光学镜片3后与脉冲激光器1发射的另一路脉冲激光光束重合，且该另一路脉冲激光光束与连续激光光束均照射到二维扫描镜4上；

3)经过MEMS二维扫描镜4反射的另一路脉冲激光光束与连续激光光束照射到二号光学镜片5上，其中另一路脉冲激光经过二号光学镜片5反射到被测目标11上，连续激光光束透过光学镜片5照射到二维PSD6上；

4)PSD信号采集电路7采集二维PSD6输出的信号，并计算出连续激光光束在PSD上的位置(x,y)，并根据公式转化为二维扫描镜4转角α和β；

其中：

$\mathrm{\α}=\arctan \frac{L}{x},$

$\mathrm{\β}=\arctan \frac{L}{y}.$

其中，采样同步电路9包括控制计算机及延迟模块，控制计算机可以通过编程调节延迟模块的延迟时间，从而实现对PSD信号的同步采样。该方法主要应用在基于脉冲法的三维激光成像系统中，该方法结构电路简单、精度较高，测量范围大、实时性强。

本发明中一号光学镜片3为脉冲激光高透，连续激光高反的光学镜片，二号光学镜片5为脉冲激光高反，连续激光高透的光学镜片，三号光学镜片10脉冲激光高透的光学镜片。

Claims (5)

1.激光三维成像MEMS二维扫描镜的转角测量装置，其特征在于：包括脉冲激光器(1)以及连续激光器(2)，在脉冲激光器(1)的激光光轴上设置有三号光学镜片(10)，在连续激光器(2)的激光光轴上设置有一号光学镜片(3)；

所述的一号光学镜片(3)位于脉冲激光器(1)的激光光轴与连续激光器(2)的激光光轴重合处；在一号光学镜片(3)正后方设置有二维扫描镜(4)；

所述的二维扫描镜(4)的反射光路上依次固定有二号光学镜片(5)以及二维PSD(6)，所述的二维PSD(6)的输出端与PSD信号采集电路(7)的输入端连接；

所述的光学镜片(10)与采样同步电路(9)的输入端连接，采样同步电路(9)的输出端与PSD信号采集电路(7)的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的激光三维成像MEMS二维扫描镜的转角测量装置，其特征在于：所述的连续激光器(2)固定在光学支架(8)上。

3.根据权利要求1所述的激光三维成像MEMS二维扫描镜的转角测量装置，其特征在于：所述的二维扫描镜(4)为MEMS二维扫描镜。

4.一种如权利要求1所述的激光三维成像MEMS二维扫描镜的转角测量装置的测量方法，其特征在于：

1)脉冲激光器(1)发射的连续激光光束经三号光学镜片(10)后分为两路脉冲激光光束，一路脉冲激光光束照射到采样同步电路(9)中，采样同步电路(9)中接收到脉冲激光后，发出同步采集脉冲给PSD信号采集电路(7)，实现对PSD信号的同步采样；

2)调整光学支架(8)，使得连续激光器(2)发射的连续激光光束经一号光学镜片(3)后与脉冲激光器(1)发射的另一路脉冲激光光束重合，且该另一路脉冲激光光束与连续激光光束均照射到二维扫描镜(4)上；

3)经过MEMS二维扫描镜(4)反射的另一路脉冲激光光束与连续激光光束照射到二号光学镜片(5)上，其中另一路脉冲激光经过二号光学镜片(5)反射到被测目标(11)上，连续激光光束透过光学镜片(5)照射到二维PSD(6)上；

4)PSD信号采集电路(7)采集二维PSD(6)输出的信号，并计算出连续激光光束在PSD上的位置(x,y)，并根据公式转化为二维扫描镜(4)转角α和β；

其中：

$\mathrm{\α}=\arctan \frac{L}{x},$

$\mathrm{\β}=\arctan \frac{L}{y}.$

5.根据权利要求4所述的一种激光三维成像MEMS二维扫描镜的转角测量方法，其特征在于：所述的采样同步电路(9)包括控制计算机及延迟模块。