CN107193123B - 一种自适应线结构光的闭环调制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自适应线结构光的闭环调制方法，以激光光束作为点光源，通过微振镜将点光源转换线结构光，或者通过光学透镜将点光源转换成线结构光；同时，激光器的光强被反馈信号调制，调节激光器的输出光强，生成自适应、可悬停、快速移动的线结构光。相比于传统的线结构光，光强更强、线结构光的直线特性更好；并且具有精度高、自适应光强调节、可悬停、可快速移动的特点。降低了三维扫描系统的复杂度和成本，并且可提升测量精度。同时，自适应调节激光器光强的技术，可以用来测量具有不同反射率的物体，提升了线结构光的应用范围。
Description
技术领域：
本发明属于光学检测领域，涉及一种自适应线结构光的闭环调制方法，特别是一种大景深、自适应、可悬停、快速移动的线结构光的生成方法。
背景技术：
三维测量技术作为沟通现实世界和虚拟的数字世界的桥梁，其重要作用越来越凸显。被广泛的应用于工业检测、医疗健康、数字娱乐、电子商务、文物保护等诸多行业。光学三维测量由于具有非接触、精度高、速度快的优势，已经发展成为三维检测领域最重要的技术。光学三维测量又可分为主动式和被动式两种。被动式测量方法以立体视觉为代表。虽然立体视觉技术系统结构简单，成本低，但存在着“匹配难”的瓶颈，而且运算量巨大，鲁棒性差的缺点。主动三维测量技术包括飞行时间法、结构光投影法、干涉法等。其中，由于结构光投影法系统简便，成本比较低，而且精度较高，因此应用最为广泛。
结构光投影法，通常向被测物体表面投影特定的编码光，利用相机拍摄编码光在物体表面的调制信号，在进一步解调得到和深度信息有关的调制信号，最后经过标定得到物体表面的三维形貌。投射的编码光通常包括：线结构光图、正余弦光栅图，格雷码，颜色编码，随机形状编码等。
其中线结构光投影测量方法在工业检测领域应用最为广泛，传统的线结构光生成方式主要有两种：第一种，通过旋转马达将点激光转换成线结构光；第二种，通过光学透镜将点激光转换成线结构光；第一种方法，通过机械装置产生线结构光，精度低；第二种方法，点激光通过光学透镜，光功率有损失，产生的线结构光亮度低，严重影响三维测量精度；并且上面两种线结构光投影方法，需要在机械运动机构的配合下才能实现线结构光扫描，导致测量系统体积大、成本高。
发明内容：
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种自适应线结构光的闭环调制方法，能够在被测物的表面形成具有大景深、自适应光强、可悬停、可快速移动的线结构光，相比于传统的线结构光，光强更强、线结构光的直线特性更好；并且具有精度高、自适应光强调节、可悬停、可快速移动的特点。不需要机械移动装置便可实现线结构光扫描，降低三维扫描系统的复杂度和成本，并且可提升测量精度。同时，自适应调节激光器光强的技术，可以用来测量具有不同反射率的物体，提升了线结构光的应用范围。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种自适应线结构光的闭环调制方法，按照如下步骤：以激光光束作为点光源，通过微振镜将点光源转换成线结构光，或者通过光学透镜将点光源转换成线结构光；同时，激光器的光强被反馈信号调制，调节激光器的输出光强，生成自适应、可悬停、快速移动的线结构光。
所述通过微振镜将光源转换线结构光是按照如下步骤：通过二维微振镜反射到被测物体表面，二维微振镜在快慢两个方向的驱动电流激励下进行二维扫描，快轴用于产生线结构光图案，慢轴用于实现线结构光的移动和悬停。
所述通过光学透镜将光源转换成线结构光是按照如下步骤：通过光学透镜将点光源转换为线光源，产生线结构光，通过微振镜的一维扫描实现线结构光的移动和悬停。
所述线结构光光强在相机和上位机的辅助下完成自适应调节，或者采用具有嵌入算法的智能相机来实现线结构光光强的自适应调节。
所述激光器为一个；或者为多个激光器，多个激光器发出的光束通过整合汇聚成一个光束。
技术方案一：
第一步，设计系统工作参数。根据线结构光的工作距离确定最大工作距离L2，最小工作距离L1；景深范围内ΔL的最大光斑ωmax；线结构光步进式移动的行数R，R由激光光束特性决定。
第二步，生成驱动信号。涉及的驱动信号有三种。1)微振镜快轴驱动信号，这是一种正弦(或余弦)波形的电流信号，其频率fx等于微振镜快轴方向谐振频率f，其峰值Ix峰由微振镜的具体参数确定。2)微振镜慢轴驱动信号，这是一种台阶电流信号。其频率为fy＝fx/R，其峰值Iy峰由微振镜的参数确定。3)激光器的驱动信号，为可调节的方波电流信号。其最高频率fLD由其激光光束的特性决定，其峰值和偏置电流均由激光器的特性决定。上述三种驱动信号均为模拟信号。
第三步，生成有悬停效果的、可移动的线结构光。利用第二步中产生的微振镜快轴驱动信号，驱动微振镜进行一维扫描，产生线结构光，线结构光的长度与微振镜的偏转角度有关。利用第二步中产生的微振镜慢轴驱动信号，驱动微振镜在慢轴方向步进式偏转，实现线结构光的步进式移动。激光器通过可调节的恒定电流产生不同光强的的激光光束，激光光束以一定的入射角照射到振镜表面，再经过振镜反射到物体表面，形成具有悬停效果的、可移动的线结构光。
第四步，生成自适应的线结构光。相机通过采集线激光的图片并进行分析，可分析出目前电流下的激光器发出的光强是否合适，并将反馈信号传输给上位机，由上位机发送校正信号给激光器，进而提升或降低激光器的光强，实现线结构光的自适应调节。
技术方案二：
第一步，设计系统工作参数。根据线结构光的工作距离确定最大工作距离L2，最小工作距离L1；景深范围内ΔL的最大光斑ωmax；线结构光步进式移动的行数R，R由激光光束特性决定。
第二步，生成驱动信号。涉及的驱动信号有两种。1)微振镜驱动信号，这是一种台阶信号。2)激光器的驱动信号，为可调节的方波信号。其方波周期根据实际情况而定。上述两种驱动信号均为模拟信号。
第三步，生成有悬停效果的、可移动的线结构光。利用光学透镜将点激光转换为线结构光，线结构光的长度与光学透镜有关。利用第二步中产生的微振镜驱动信号，驱动微振镜在垂直于线结构光的方向上步进式偏转，实现线结构光的步进式移动和悬停。线结构光以一定的入射角照射到振镜表面，再经过振镜反射到物体表面，形成具有悬停效果的、可移动的线结构光。
第四步，生成自适应的线结构光。相机通过采集线激光的图片并进行分析，可分析出目前电流下的激光器发出的光强是否合适，并将反馈信号传输给上位机，由上位机发送校正信号给激光器，进而提升或降低激光器的光强，实现线结构光的自适应调节。
有益效果
本发明利用激光光束的扫描生成自适应、可悬停、可快速移动的线结构光。
本发明所产生的线结构光是可编程的空间连续分布的模拟线结构光，相比于传统的线结构光，光强更强、线结构光的直线特性更好；并且具有精度高、自适应光强调节、可悬停、可快速移动的特点。不需要机械移动装置便可实现线结构光扫描，降低三维扫描系统的复杂度和成本，并且可提升测量精度。同时，自适应调节激光器光强的技术，可以用来测量具有不同反射率的物体，提升了线结构光的应用范围。
附图说明：
图1为本发明的光学系统传播模型；
图2为本发明振镜电流信号与时间的关系图；
图3为本发明的微振镜慢轴转角与输入电流的关系图；
图4为本发明的方案一的系统控制信号的时序关系图；
图5为本发明的方案一的系统结构示意简图；
图6为本发明的方案二的系统控制信号的时序关系图；
图7为本发明的方案二的系统结构示意简图；
其中：1为激光器；2为第一光学透镜；3为反射镜；4为光阑；5为微振镜；6为投影画面；7为激光器控制芯片；8为时序算法芯片；9为微振镜控制芯片；10为相机；11为上位机；2a为第二光学透镜。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1、2、3、4、5、6和7，一种大景深、自适应、可悬停、快速移动的线结构光的生成方法，具体包括以下步骤：
第一步，设计系统参数。
1)确定线结构光的工作距离的范围
如图1，激光器1发出的高斯激光光束经过第一光学透镜(非球面透镜)2后，入射到反射镜镜3上，再反射到被测物体表面。高斯光束的聚焦面在L0处，设计景深为ΔL，其中ΔL＝L2-L1。根据ABCD矩阵计算可得光束在穿过透镜后的光斑大小，最大工作距离L2处光斑大小ω2，最小工作距离L1处光斑大小为ω1。线结构光的长度D0、D1、D2分别对应工作距离L0、L1、L2。
2)确定线结构光工作视场
线结构光工作视场由激光光斑特性和微振镜的转角确定。振镜快慢轴的转角为θx和θy。线结构光的长度D，由计算公式(1.1)求出，线结构光步进的行数R，由计算公式(1.2)求出。
公式(1.1)、(1.2)中的L为线结构光的工作距离，L在区间[L1,L2]内，ω为在工作距离为L处时，激光的光斑大小，ω在区间[ω1,ω2]内。
第二步，生成驱动信号。
1)微振镜快轴驱动信号
该驱动信号是一种电流信号，信号的电流和电压特性由所使用的微振镜的电学特性决定。其频率fx等于微振镜快轴方向谐振频率f。
2)微振镜慢轴驱动信号
该驱动信号是一种电流信号，一般为梯形信号，其电流和电压特性由所使用的微振镜的电学特性决定。图2为电流信号与时间的关系，悬停时间T可变动；图3为微振镜慢轴转角与输入电流的关系。
3)激光器的驱动信号
该驱动信号是可调节的方波信号，可调节的范围在激光器的正常驱动电流内。
4)信号的时序关系
线结构光实现步进时，微振镜快轴、慢轴驱动信号，以及激光器驱动信号，线结构光步进同步信号的时序关系如图4所示。
第三步，生成可悬停、快速移动的线结构光。
如图5，上位机11发送开始命令，激光器控制芯片7控制激光器1发出激光光束，通过第二光学透镜2将光束整合或聚焦，激光光束经过镜面3反射，通过光阑4，入射到微振镜5上，微振镜在微振镜控制芯片9的控制下，沿快轴方向左右快速摆动，形成线结构光图案，6为投影画面，激光器控制芯片7与微振镜控制芯片9的协同控制，是通过时序算法芯片8来实现的，微振镜的慢轴控制线结构光步进和悬停的时间；此时，慢轴的悬停时间控制着相机采集到的线结构光的光强和线结构光移动的速度。
第四步，生成自适应的线结构光。
第三步所说，当慢轴的悬停时间增加时，相机采集的线结构光的光强也会增加；在线结构光三维测量领域，相机10负责采集到经被测物体表面调制的线结构光，若线结构光的光强过高，导致采集到的调制后的线结构光的线宽增大、高斯性降低，进而影响三维测量精度。此外，不同被测物体的表面反射率不一样，需要用不同的强度的线结构光，以完成对具有不同反射率的被测物体的测量。
本专利通过使用三维重建的系统结构中的相机10与激光微振镜投影装置相结合，将相机采集的线结构光图片，经过上位机处理后，由上位机11发送命令致激光控制芯片7，进而控制激光器的发光强度，生成自适应的线结构光，用于测量不同反射率的物体。
相机随机采集几张经被测物体调制后的线结构光图片，并将采集的数据传送给上位机，上位机11嵌入式的算法用于判断目前光强的线结构光是否合适，通过分析调制后的线结构光的高斯特性和线宽，计算出合适光强的激光器的驱动信号，激光器的光强是由输入的驱动信号控制的，不同的光强对应着不同的驱动信号，上位机嵌入式的算法计算出合适的光强，查找出这个合适的光强对应的驱动信号，这个信号就是反馈信号，并将反馈信号传输给激光器的控制芯片，进而实现线结构光的自适应调制，这种自适应调制机制，可以使线结构光用于测量具有不同反射率的物体表面，提升了测量的范围和测量精度。
具体实施步骤方案二：
下面具体结合附图对本发明做详细描述。
一种大景深、自适应、可悬停、快速移动的线结构光的生成方法，具体包括以下步骤：
第一步，设计系统参数。
1)确定线结构光的工作距离的范围
如图1，激光器1发出的高斯激光光束经过光学透镜2后，入射到反射镜3上，再反射到被测物体表面。高斯光束的聚焦面在L0处，设计景深为ΔL，其中ΔL＝L2-L1。根据ABCD矩阵计算可得光束在穿过透镜后的线宽大小，最大工作距离L2处线宽大小ω2，最小工作距离L1处线宽大小为ω1。线结构光的长度D0、D1、D2分别对应工作距离L0、L1、L2。
2)确定线结构光工作视场
线结构光工作视场由光学透镜的特性和微振镜的转角确定。线结构光的长度D，由光学透镜的特性决定。线结构光步进的行数R，由计算公式(1.2)求出。
第二步，生成驱动信号。
1)MEMS扫描振镜驱动信号。
该驱动信号是一种电流信号，一般为梯形信号，其电流和电压特性由所使用的MEMS振镜的电学特性决定。图2为电流信号与时间的关系，悬停时间T可变动。
2)激光器的驱动信号。
该驱动信号是可调节的方波信号，可调节的范围在激光器的正常驱动电流内。
3)信号的时序关系(时序图)
线结构光实现步进时，微振镜驱动信号，以及激光器驱动信号，线结构光步进同步信号的时序关系如图6所示。
第三步，生成可悬停、快速移动的线结构光。
如图7，上位机11发送开始命令，激光器控制芯片7控制激光器1发出激光光束，通过第二光学透镜2a将点激光转换为线结构光，入射到微振5上，微振镜在微振镜控制芯片9的控制下，实现偏转和悬停，进而实现线结构光的步进和悬停，激光器控制芯片7与微振镜控制芯片9的协同控制，是通过时序算法8来实现的；此时，微振镜的悬停时间控制着相机采集到的线结构光的光强和线结构光移动的速度。
第四步，生成自适应的线结构光。
第三步所说，当慢轴的悬停时间增加时，相机采集的线结构光的光强也会增加；在线结构光三维测量领域，相机10负责采集到经被测物体表面调制的线结构光，若线结构光的光强过高，导致采集到的调制后的线结构光的线宽增大、高斯性降低，进而影响三维测量精度。此外，不同被测物体的表面反射率不一样，需要用不同的强度的线结构光，以完成对具有不同反射率的被测物体的测量。
本专利通过使用三维重建的系统结构中的相机10与激光微振镜投影装置相结合，将相机采集的线结构光图片，经过上位机处理后，由上位机11发送命令致激光控制芯片7，进而控制激光器的发光强度，生成自适应的线结构光，用于测量不同反射率的物体。
相机随机采集几张经被测物体调制后的线结构光图片，并将采集的数据传送给上位机，上位机11嵌入式的算法用于判断目前光强的线结构光是否合适，通过分析调制后的线结构光的高斯特性和线宽，计算出合适光强的激光器的驱动信号，并将反馈信号传输给激光器的控制芯片，进而实现线结构光的自适应调制，这种自适应调制机制，可以使线结构光用于测量具有不同反射率的物体表面，提升了测量的范围和测量精度。
本文发明的线结构光微振镜调制方法可以通过两种技术方案来实现。方案一：该方法以激光光束作为点光源，通过二维微振镜反射到被测物体表面，二维微振镜在快慢两个方向的驱动电流激励下进行二维扫描，快轴用于产生线结构光图案，慢轴用于实现线结构光的移动和悬停。同时，激光器的光强被反馈信号调制，调节激光器的输出光强。从而在被测物的表面形成具有大景深、自适应光强、可悬停、可快速移动的线结构光。方案二：该方法以激光光束作为点光源，通过光学透镜将点光源转换为线光源，产生线结构光，通过微振镜的一维扫描实现线结构光的步进和悬停。同时，激光器的光强被反馈信号调制，调节激光器的输出光强。从而在被测物的表面形成具有大景深、自适应光强、可悬停、可快速移动的线结构光。这两种方案的区别在于产生线结构光的方式不同。方案一通过控制微振镜的快轴扫描来产生线结构光，方案二通过光学透镜将点光源转换成线结构光；两种方案在控制线结构光的悬停、移动以及自适应的原理上相同。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (7)
1.一种自适应线结构光的闭环调制方法，其特征在于，按照如下步骤：以激光光束作为点光源，通过微振镜将点光源转换成线结构光；同时，激光器的光强被上位机发送的反馈信号调制，调节激光器的输出光强，生成自适应的线结构光；
所述通过微振镜将点光源转换成线结构光是按照如下步骤：通过二维微振镜反射到被测物体表面，二维微振镜在快慢两个方向的驱动电流激励下进行二维扫描，快轴用于产生线结构光图案，慢轴用于实现线结构光的移动和悬停；
微振镜快轴驱动信号驱动微振镜进行一维扫描，产生线结构光；微振镜快轴驱动信号是一种正弦或余弦波形的电流信号；微振镜慢轴驱动信号驱动微振镜在慢轴方向步进式偏转，实现线结构光的步进式移动，微振镜慢轴驱动信号是一种台阶电流信号；微振镜慢轴控制线结构光步进和悬停的时间；此时，慢轴的悬停时间控制着线结构光的光强和线结构光移动的速度；二维微振镜在快慢两个方向的驱动电流激励下进行二维扫描，快轴用于产生线结构光图案，慢轴用于实现线结构光的移动和悬停。
2.如权利要求1所述的闭环调制方法，其特征在于：所述线结构光的光强指的是相机采集到的线结构光的光强，简单的来说它是相机感知到的激光器的光强在相机曝光时间内的累加，相机感知到的激光器的光强小于激光器的输出光强，线结构光光强在相机和上位机的辅助下完成自适应调节，或者采用具有嵌入算法的智能相机来实现线结构光光强的自适应调节。
3.如权利要求1所述的闭环调制方法，其特征在于：所述激光器为一个或者为多个激光器，多个激光器发出的光束通过整合汇聚成一个光束。
4.如权利要求1所述的闭环调制方法，其特征在于：
第一步，设计系统工作参数，根据线结构光的工作距离确定最大工作距离L2，最小工作距离L1；景深范围内ΔL的最大光斑ωmax；线结构光步进式移动的行数R，R由激光光束特性决定；
第二步，生成驱动信号；
第三步，生成有悬停效果的、可移动的线结构光；利用第二步中产生的微振镜快轴驱动信号，驱动微振镜进行一维扫描，产生线结构光，线结构光的长度与微振镜的偏转角度有关；利用第二步中产生的微振镜慢轴驱动信号，驱动微振镜在慢轴方向步进式偏转，实现线结构光的步进式移动；激光器通过可调节的恒定电流产生不同光强的的激光光束，激光光束以一定的入射角照射到振镜表面，再经过振镜反射到物体表面，形成具有悬停效果的、可移动的线结构光；
第四步，生成自适应的线结构光，相机通过采集线激光的图片并进行分析，分析出目前电流下的激光器发出的光强是否合适，并将反馈信号传输给上位机，由上位机发送校正信号给激光器，进而提升或降低激光器的光强，实现线结构光的自适应调节。
5.如权利要求4所述的闭环调制方法，其特征在于，所述驱动信号如下：
1)微振镜快轴驱动信号，这是一种正弦或余弦波形的电流信号，其频率fx等于微振镜快轴方向谐振频率f，其峰值Ix峰由微振镜的具体参数确定；
2)微振镜慢轴驱动信号，这是一种台阶电流信号；其频率为fy＝fx/R，其峰值Iy峰由微振镜的参数确定；
3)激光器的驱动信号，为可调节的方波电流信号；其最高频率fLD由其激光光束的特性决定，其峰值和偏置电流均由激光器的特性决定；上述三种驱动信号均为模拟信号。
6.如权利要求1所述的闭环调制方法，其特征在于：
第一步，设计系统工作参数，根据线结构光的工作距离确定最大工作距离L2，最小工作距离L1；景深范围内ΔL的最大光斑ωmax；线结构光步进式移动的行数R，R由激光光束特性决定；
第二步，生成驱动信号；
第三步，生成有悬停效果的、可移动的线结构光；利用光学透镜将点激光转换为线结构光，线结构光的长度与光学透镜有关；利用第二步中产生的微振镜驱动信号，驱动微振镜在垂直于线结构光的方向上步进式偏转，实现线结构光的步进式移动和悬停；线结构光以一定的入射角照射到振镜表面，再经过振镜反射到物体表面，形成具有悬停效果的、可移动的线结构光；
第四步，生成自适应的线结构光，相机通过采集线激光的图片并进行分析，分析出目前电流下的激光器发出的光强是否合适，并将反馈信号传输给上位机，由上位机发送校正信号给激光器，进而提升或降低激光器的光强，实现线结构光的自适应调节。
7.如权利要求6所述的闭环调制方法，其特征在于，所述驱动信号如下：
1)微振镜驱动信号，这是一种台阶信号；
2)激光器的驱动信号，为可调节的方波信号，其方波周期根据实际情况而定；上述两种驱动信号均为模拟信号。
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Denomination of invention: A closed loop modulation method of adaptive line structured light Effective date of registration: 20210329 Granted publication date: 20200407 Pledgee: Xi'an investment and financing Company limited by guarantee Pledgor: XI'AN CHISHINE OPTOELECTRONICS TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2021610000073 |