CN106444015A - 基于mems微振镜的激光光源结构光生成方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及3D成像技术领域，特别涉及一种基于MEMS微振镜的激光光源结构光生成方法与系统，包括由激光器、透镜、及MEMS微振镜依次排列组成的光路，还包括由ARM模块、FPGA模块、振镜驱动电路模块、激光器驱动模块组成的控制电路。本发明的有益效果是：一是能够产生等间距的扫描机构光；二是能够得到等亮度的扫描机构光。解决了激光器出射光线在MEMS在偏转过程中得到的机构光条纹宽度和亮度的不均匀的问题，得到了等间距和等亮度的激光机构光，能够在3D建模、3D成像中能够有很好的应用。

Description

基于MEMS微振镜的激光光源结构光生成方法与系统

技术领域

本发明涉及3D成像技术领域，特别涉及一种基于MEMS微振镜的激光光源结构光生成方法与系统。

背景技术

目前的3D成像和3D投影等大多都是用散斑光源或者LED光源来成像。但是传统的散斑成像，由于高空间相干性的问题，会产生大量随机的斑点或颗粒状的图案，严重影响成像效果；LED光源成像虽然能够避免这种失真，但是对于高速成像来说由于自身的亮度不够使得它的应用具有一定的局限性。由于激光的亮度极高，相干性好，闪光时间短，能量密度极大等优点，使得激光的应用越来越广泛，被广泛应用到各种各样的领域。基于微振镜的均匀能量等间距激光光源的结构光控制器中的激光器不仅解决了失真问题，而且具有高亮度的特点能够在高速成像中有很好的应用。

MEMS微振镜在偏转激光束的时候由于偏转过程中线速度的不同，使得得到的机构光的宽度不同和亮度不均匀，使得在3D建模成像过程中的应用受到限制。

发明内容

为了解决上述发明问题，本发明提供了一种基于MEMS微振镜的激光光源结构光生成方法，包括由激光器、透镜、及MEMS微振镜依次排列组成的光路，还包括由ARM模块、FPGA模块、振镜驱动电路模块、激光器驱动模块组成的控制电路，

步骤一，通过ARM模块计算出等间距等亮度激光机构光的激光器的出光时刻点；

步骤二，ARM模块将计算结果发送至FPGA模块，FPGA模块按照步骤一中的计算结果通过激光器驱动模块对激光器进行控制、通过振镜驱动模块对MEMS微振镜进行控制；

步骤三，激光器在FPGA模块的控制下出射激光光束至透镜；

步骤四，透镜将激光器的入射光调制成散射均匀的激光线条，并入射至MEMS微振镜；

步骤五，MEMS微振镜在FPGA模块的控制下进行谐振，将入射的激光线条输出为均匀能量的等间距结构光。

优选为，所述步骤二中，ARM模块根据如下公式获得所述MEMS微振镜的最大偏转角度与所述激光器出光时刻点，

其中，β_i为第i时刻出射光线距最大出射光线的角度，N为扫描半周期内的明线条或者暗线条的数量；

其中，t_i为激光器的出光时刻点，f为振镜频率，T为振镜的转动周期；FPGA模块控制MEMS微振镜进行谐振；FPGA模块控制激光器以t_i为出光时刻点进行通断。

优选为，所述激光器为LD激光器。

优选为，所述透镜为双面透镜，其中一面为可以对入射光束进行聚焦和准直的入射面，另外一面为可将入射的光束发散成均匀线条的出射面。

一种均匀能量等间距的激光光源结构光控制算法

由于MEMS振镜和激光器协同控制过程中，得到的结构光的具有宽度和亮度的不均匀的缺陷，本方法通过建模得到了等间距和等亮度的结构光，克服了这两个缺陷，得到均匀能量的等间距结构光。

首先建立MEMS振镜和激光器的参考模型，α是结构光的最大角度，β_i为第i时刻出射光线距最大出射光线的角度，l₁和l₂为振镜转动过程中的两个不同位置。N为扫描半周期内的明线条或者暗线条的数量。D为振镜中心到扫描屏的距离。设定扫描线数N＝8192、α＝60°、MEMS振镜的频率f＝456Hz，以MEMS振镜的偏转的最大角度为参考点，求出它所对应的运动轨迹表达式：

根据参考模型，推导得到

以此得到所对应时刻MEMS振镜的偏转角度；

将得到角度代入下式得到等间距的激光器出光时刻点，

分析得到结构光亮度最大的时间间隔的两个时刻点t₈₁₉₂到t₈₁₉₃，用0～255这256个数来量化每个结构光的能量，通过计算每个结构光的的时间间隔，用255来表示最大亮度的结构光，求出最大亮度的时刻差，进行如下运算：

Δt_min＝t₈₁₉₂-t₈₁₉₃

Δt_min*255＝ξ(常数，量化的最大亮度)

求出每个结构光对应的能量，即可得到均匀亮度的结构光条纹：

P_u(t)＝ξ/Δt_min

用得到的16384根等间距等亮度的结构光来重构得到不同的明暗条纹数，即可得到等间距等亮度的明暗条纹。

通过硬件和软件实现得到的等间距等亮度的结构光条纹。

一种结构光生成系统，包括由依次排列的激光器、透镜、振镜组成的光路，振镜与振镜驱动电路模块连接，激光器与激光器驱动模块连接，所述振镜驱动电路模块与激光器驱动模块均连接FPGA模块，FPGA模块还连接ARM模块，所述振镜为MEMS微振镜。

所述FPGA模块还接收上位机关于激光结构光格式的指令，然后所述FPGA模块向所述振镜驱动电路模块传输运行指令，振镜驱动电路模块控制振镜进行谐振。所述FPGA模块向所述激光器驱动模块传输运行指令，激光器驱动电路模块根据ARM模块发送给FPGA模块的出光时刻点控制激光器进行相应的通断。在FPGA模块的协同控制下的得到上位机所要求的结构光格式。

优选为，所述透镜为双面透镜，其中一面为可以对入射光束进行聚焦和准直的入射面，另外一面为可将入射的光束发散成均匀线条的出射面。

优选为，所述激光器为LD激光器。即半导体激光器。

优选为，ARM模块根据如下公式获得所述MEMS微振镜的最大偏转角度与所述激光器出光时刻点，

其中，β_i为第i时刻出射光线距最大出射光线的角度，N为扫描半周期内的明线条或者暗线条的数量；

其中，t_i为激光器的出光时刻点，f为振镜频率，T为振镜的转动周期；FPGA模块控制MEMS微振镜以β_i为谐振角度进行谐振；FPGA模块控制激光器以t_i为出光时刻点进行通断。

本结构光生成系统的工作过程为：

1)采用高功率的激光器出射激光光斑，通过双面透镜的一面聚焦和准值，另一面发散激光束，散射成均匀的激光线条；

2)振镜驱动电路模块控制MEMS振镜，使之按照一定的轨迹运动，达到谐振状态；

3)ARM模块，计算出等间距等亮度激光机构光的LD激光器的出光时刻点，并将之传递给FPGA模块。

4)FPGA模块，协同控制MEMS振镜和LD激光器，伴随着MEMS振镜的谐振，均匀的激光机构光变成等间距等亮度的激光机构光。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：基于MEMS微振镜的均匀能量等间距激光光源的结构光控制器解决了两个问题：一是能够产生等间距的扫描机构光；二是能够得到等亮度的扫描机构光。

基于MEMS微振镜的均匀能量等间距激光光源的结构光控制器得到的等间距等亮度的机构光以其良好的特性，在激光投影、增强现实、结构光扫描、激光雷达和医疗显像与扫描等各种各样的领域有很好的应用前途。

解决了激光器出射光线在MEMS在偏转过程中得到的机构光条纹宽度和亮度的不均匀的问题，得到了等间距和等亮度的激光机构光，能够在3D建模、3D成像中能够有很好的应用。

附图说明

图1为本发明实施例的MEMS振镜和激光器的参考建模图。

图2为本发明实施例的激光器出光时刻点所对应的结构光间距线图。

图3为本发明实施例的等间距结构光所对应的激光器的出光时刻曲线图。

图4为本发明实施例的N＝4时，等间距结构光所对应的优化前后的激光器出光时刻和对比曲线。

图5为本发明实施例的N＝8时，等间距结构光所对应的优化前后的激光器出光时刻和对比曲线。

图6为本发明实施例的N＝1024时，等间距结构光所对应的优化前后的激光器出光时刻和对比曲线。

图7为本发明实施例的8个等间距等亮度条纹。

图8为本发明实施例的32个等间距等亮度条纹。

图9为本发明实施例的64个等间距等亮度条纹。

图10为本发明实施例的128个等间距等亮度条纹。

图11为本发明实施例的结构光生成系统的原理框图。

图12为本发明实施例的结构光生成系统的实现流程图。

图13为本发明实施例的振镜驱动电路图。

图14为本发明实施例的电压变换电路图一。

图15为本发明实施例的电压变换电路图二。

图16为本发明实施例的电压变换电路图三。

图17为本发明实施例的电压变换电路图四。

图18为本发明实施例的激光器供电电路图。

图19为本发明实施例的激光器驱动电路图。

具体实施方式

实施例1

参见图1至图19，本发明提供一种基于MEMS微振镜的激光光源结构光生成方法与系统。

一种基于MEMS微振镜的激光光源结构光生成方法，包括由激光器、透镜、及MEMS微振镜依次排列组成的光路，还包括由ARM模块、FPGA模块、振镜驱动电路模块、激光器驱动模块组成的控制电路，

步骤一，通过ARM模块计算出等间距等亮度激光机构光的激光器的出光时刻点；

步骤二，ARM模块将计算结果发送至FPGA模块，FPGA模块按照步骤一中的计算结果通过激光器驱动模块对激光器进行控制、通过振镜驱动模块对MEMS微振镜进行控制；

步骤三，激光器在FPGA模块的控制下出射激光光束至透镜；

步骤四，透镜将激光器的入射光调制成散射均匀的激光线条，并入射至MEMS微振镜；

步骤五，MEMS微振镜在FPGA模块的控制下进行谐振，将入射的激光线条输出为均匀能量的等间距结构光。

优选为，步骤二中，ARM模块根据如下公式获得MEMS微振镜的最大偏转角度与激光器出光时刻点，

其中，β_i为第i时刻出射光线距最大出射光线的角度，N为扫描半周期内的明线条或者暗线条的数量；

其中，t_i为激光器的出光时刻点，f为振镜频率，T为振镜的转动周期；FPGA模块控制MEMS微振镜进行谐振；FPGA模块控制激光器以t_i为出光时刻点进行通断。

优选为，激光器为LD激光器。

优选为，透镜为双面透镜，其中一面为可以对入射光束进行聚焦和准直的入射面，另外一面为可将入射的光束发散成均匀线条的出射面。

一种均匀能量等间距的激光光源结构光控制算法

由于MEMS振镜和激光器协同控制过程中，得到的结构光的具有宽度和亮度的不均匀的缺陷，本方法通过建模得到了等间距和等亮度的结构光，克服了这两个缺陷，得到均匀能量的等间距结构光。

首先建立MEMS振镜和激光器的参考模型，设定扫描线数N＝8192、α＝60°、MEMS振镜的频率f＝456Hz，以MEMS振镜的偏转的最大角度为参考点，求出它所对应的运动轨迹表达式：

根据参考模型，推导得到

以此得到所对应时刻MEMS振镜的偏转角度；

将得到角度代入下式得到等间距的激光器出光时刻点，

分析得到结构光亮度最大的时间间隔的两个时刻点t₈₁₉₂到t₈₁₉₃，用0～255这256个数来量化每个结构光的能量，通过计算每个结构光的的时间间隔，用255来表示最大亮度的结构光，求出最大亮度的时刻差，进行如下运算：

Δt_mim＝t₈₁₉₂-t₈₁₉₃

Δt_min*255＝ξ(常数，量化的最大亮度)

求出每个结构光对应的能量，即可得到均匀亮度的结构光条纹：

P_u(t)＝ξ/Δt_min

用得到的16384根等间距等亮度的结构光来重构得到不同的明暗条纹数，即可得到等间距等亮度的明暗条纹。

通过硬件和软件实现得到的等间距等亮度的结构光条纹。

一种结构光生成系统，包括由依次排列的激光器、透镜、振镜组成的光路，振镜与振镜驱动电路模块连接，激光器与激光器驱动模块连接，振镜驱动电路模块与激光器驱动模块均连接FPGA模块，FPGA模块还连接ARM模块，振镜为MEMS微振镜。

所述FPGA模块还接收上位机关于激光结构光格式的指令，然后所述FPGA模块向所述振镜驱动电路模块传输运行指令，振镜驱动电路模块控制振镜进行谐振。所述FPGA模块向所述激光器驱动模块传输运行指令，激光器驱动电路模块根据ARM模块发送给FPGA模块的出光时刻点控制激光器进行相应的通断。在FPGA模块的协同控制下的得到上位机所要求的结构光格式。

优选为，透镜为双面透镜，其中一面为可以对入射光束进行聚焦和准直的入射面，另外一面为可将入射的光束发散成均匀线条的出射面。

优选为，激光器为LD激光器。即半导体激光器。

优选为，ARM模块根据如下公式获得MEMS微振镜的最大偏转角度与激光器出光时刻点，

其中，β_i为第i时刻出射光线距最大出射光线的角度，N为扫描半周期内的明线条或者暗线条的数量；

其中，t_i为激光器的出光时刻点，f为振镜频率，T为振镜的转动周期；FPGA模块控制MEMS微振镜以β_i为谐振角度进行谐振；FPGA模块控制激光器以t_i为出光时刻点进行通断。

外围电路方面不是本发明的技术要点，不存在必要的发明特征，本领域技术人员可以用其它相关电路进行替换使用。

本结构光生成系统的工作过程为：

1)采用高功率的激光器出射激光光斑，通过双面透镜的一面聚焦和准值，另一面发散激光束，散射成均匀的激光线条；

2)振镜驱动电路模块控制MEMS振镜，使之按照一定的轨迹运动，达到谐振状态；

3)ARM模块，计算出等间距等亮度激光机构光的LD激光器的出光时刻点，并将之传递给FPGA模块。

4)FPGA模块，协同控制MEMS振镜和LD激光器，伴随着MEMS振镜的谐振，均匀的激光机构光变成等间距等亮度的激光机构光。

其中，双面透镜，有两个反射面，一面将激光光束聚焦准直为平行光束，另一面将平行光束变化为均匀散射的激光线条；

MEMS微振镜，采用静电式MEMS振镜，通过振镜驱动电路模块驱动振镜使振镜达到谐振状态，MEMS振镜的最大偏转角度为60度。

激光器驱动模块，通过驱动芯片控制LD激光器的通断时间间隔，以及LD激光器的亮度调制等；激光器控制模块的主控芯片型号是MAX3601A。

MEMS振镜驱动电路模块，主要包括直流稳压电源、升压芯片、运算放大电路。该模块用来输出驱动MEMS振镜所需要的电压；MEMS振镜驱动模块是以LM2733YML为主控芯片控制的升压电路

ARM模块，计算出等间距等亮度激光机构光的LD激光器的出光时刻点，传递给FPGA来控制激光器和MEMS振镜的偏转，ARM模块的主控芯片型号是STM32F107VCT6。

FPGA模块，协同控制MEMS振镜和LD激光器，伴随着MEMS振镜的谐振，使得均匀的激光机构光变成等间距等亮度的激光机构光。FPGA模块的主芯片XC6SLX45-2CSG32。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于MEMS微振镜的激光光源结构光生成方法，包括由激光器、透镜、及MEMS微振镜依次排列组成的光路，还包括由ARM模块、FPGA模块、振镜驱动电路模块、激光器驱动模块组成的控制电路，其特征在于，

步骤一，通过ARM模块计算出等间距等亮度激光机构光的激光器的出光时刻点；

步骤二，ARM模块将计算结果发送至FPGA模块，FPGA模块按照步骤一中的计算结果通过激光器驱动模块对激光器进行控制、通过振镜驱动模块对MEMS微振镜进行控制；

步骤三，激光器在FPGA模块的控制下出射激光光束至透镜；

步骤四，透镜将激光器的入射光调制成散射均匀的激光线条，并入射至MEMS微振镜；

步骤五，MEMS微振镜在FPGA模块的控制下进行谐振，将入射的激光线条输出为均匀能量的等间距结构光。

2.根据权利要求1所述的基于MEMS微振镜的激光光源结构光生成方法，其特征在于，所述步骤二中，ARM模块根据如下公式获得所述MEMS微振镜的最大偏转角度与所述激光器出光时刻点，

${\mathrm{\β}}_i=\arctan \left(\frac{\sqrt{3}i}{4N-i}\right)$

其中，β_i为第i时刻出射光线距最大出射光线的角度，N为扫描半周期内的明线条或者暗线条的数量；

$t_i=\frac{T}{4}+\arcsin \left(\frac{{\mathrm{\β}}_i}{30}-1\right)/2\mathrm{\π}f$

其中，t_i为激光器的出光时刻点，f为振镜频率，T为振镜的转动周期；FPGA模块控制MEMS微振镜进行谐振；FPGA模块控制激光器以t_i为出光时刻点进行通断。

3.根据权利要求1所述的基于MEMS微振镜的激光光源结构光生成方法，其特征在于，所述激光器为LD激光器。

4.根据权利要求1所述的基于MEMS微振镜的激光光源结构光生成方法，其特征在于，所述透镜为双面透镜，其中一面为可以对入射光束进行聚焦和准直的入射面，另外一面为可将入射的光束发散成均匀线条的出射面。

5.一种结构光生成系统，包括由依次排列的激光器、透镜、振镜组成的光路，其特征在于，振镜与振镜驱动电路模块连接，激光器与激光器驱动模块连接，所述振镜驱动电路模块与激光器驱动模块均连接FPGA模块，FPGA模块还连接ARM模块，所述振镜为MEMS微振镜。

还包括控制所述振镜的振镜驱动电路模块、控制所述激光器的激光器驱动模块、分别控制所述振镜驱动电路模块和激光器驱动模块的FPGA模块，及为FPGA模块提供运算数据的ARM模块。

6.根据权利要求5所述的结构光生成系统，其特征在于，所述透镜为双面透镜，其中一面为可以对入射光束进行聚焦和准直的入射面，另外一面为可将入射的光束发散成均匀线条的出射面。

7.根据权利要求5所述的结构光生成系统，其特征在于，所述激光器为LD激光器。

8.根据权利要求5所述的结构光生成系统，其特征在于，ARM模块根据如下公式获得所述MEMS微振镜的最大偏转角度与所述激光器出光时刻点，

${\mathrm{\β}}_i=\arctan \left(\frac{\sqrt{3}i}{4N-i}\right)$

其中，β_i为第i时刻出射光线距最大出射光线的角度，N为扫描半周期内的明线条或者暗线条的数量；

$t_i=\frac{T}{4}+\arcsin \left(\frac{{\mathrm{\β}}_i}{30}-1\right)/2\mathrm{\π}f$

其中，t_i为激光器的出光时刻点，f为振镜频率，T为振镜的转动周期；FPGA模块控制MEMS微振镜以β_i为谐振角度进行谐振；FPGA模块控制激光器以t_i为出光时刻点进行通断。