CN110726383A - 一种基于mems的高精度一体化三维测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MEMS的高精度一体化三维测量系统。本发明中单一的反射镜使得芯片尺寸可以做得很小，结构紧凑，重量轻。激光点光源通过鲍威尔棱镜入射成像，使光学系统更加简单。MEMS振镜反射率高，大大提高了光能利用率。高速稳定的扫描且宽扫描角足以覆盖被测物体。通过MEMS产生的正弦条纹图精度高，并且相位可以按测量需要实时调整。

Description

一种基于MEMS的高精度一体化三维测量系统

技术领域

本发明涉及三维成像技术领域，具体涉及一种基于MEMS的高精度一体化三维测量系统。

背景技术

传统主动结构光三维测量仪通常采用的技术方案是:先利用投影设备从一个角度投影结构光到被测物体表面，然后利用图像采集设备从另一个角度记录受被测物体高度调制的变形条纹图像，再从获取的变形条纹图中数字解调出被测物体的三维坐标信息。由于双目结构光三维测量原理简单，传统的三维测量仪普遍采用双目照相机作为变形条纹图像采集设备，这大大增大了三维测量仪的尺寸，采用投影仪作为结构光投影设备，尺寸较大，同时功能过剩，并且投影仪的焦距一定，只能在某一特定距离所投影的结构光质量较高。在某些空间受限的条件下，传统的主动结构光三维测量设备无法胜任测量任务。

近年来，表面轮廓测量在各种工业应用中变得越来越重要。此外，在工业设计/检测，人体测量和生物医学应用等领域，三维轮廓测量已成为流行的工具之一。特别是在航空航天领域的设计和检查过程中，要求紧凑，便携或手持式和轻量级的高精度测量系统，这为三维测量提出了更高要求。为了在这样的测量系统中获得高度精确的测量结果，应在三维测量原理中应用相位测量技术(相移法测量技术为逐点测量，分辨率可达像素级，且对物体表面反射变化不敏感，可用来测量复杂表面的物体，相位的解只与照亮该点的光强有关，具有很好的稳定性)，同时要求投影图案在强度分布上是正弦的而不是二进制的(正弦条纹精度更高)。然而，正弦条纹是不容易制作的，在传统投影设备中可以利用散焦技术可以实现准正弦图案。但是，这种散焦技术获得的正弦条纹不够精确。并且，即使图案完全是正弦的，我们也必须精确地移动条纹进行相位测量。通过机械地移动光学元件来移动投影条纹图案，如使用电动驱动在机械平台上移动光栅，这将导致测量速度极低，同时运动的不稳定性和重复性将引起定位误差等问题。因此这种方式对制造过程中的检查和测量来说是不尽人意的。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于MEMS的高精度一体化三维测量系统解决了物体三维信息测量不准确的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于MEMS的高精度一体化三维测量系统，包括条纹投影子系统、图像采集子系统和系统控制单元，所述条纹投影子系统包括依次连接的LD激光器、鲍威尔棱镜和MEMS一维振镜，所述系统控制单元包括控制芯片、与控制芯片连接的LD激光器驱动和反馈模块、振镜驱动和反馈模块以及相机驱动模块，所述图像采集子系统包括CMOS相机，所述LD激光器驱动和反馈模块与LD激光器连接，所述振镜驱动和反馈模块与MEMS一维振镜连接，所述相机驱动模块与CMOS相机连接，所述MEMS一维振镜用于产生正弦条纹图，所述CMOS相机用于抓拍正弦条纹图。

本发明的有益效果为：本发明利用MEMS振镜投影系统投影正弦结构光到待测物体表面，再通过CMOS图像采集子系统采集三幅以上变形条纹图像并存储于扫描系统存储模块。由于物体表面凹凸不平，投影条纹发生扭曲，变形条纹图携带物体三维信息。

(1)单一的反射镜使得芯片尺寸可以做得很小，结构紧凑，重量轻。

(2)激光点光源通过鲍威尔棱镜入射成像，使光学系统更加简单。

(3)MEMS振镜反射率高，大大提高了光能利用率。

(4)高速稳定的扫描且宽扫描角足以覆盖被测物体。

(5)通过MEMS产生的正弦条纹图精度高，并且相位可以按测量需要实时调整。

进一步地：所述控制芯片包括串联的FPGA芯片和ARM芯片。

采用上述进一步方案的有益效果为：采用ARM芯片作为处理器，将ARM芯片与FPGA芯片串联作为此三维测量系统的核心控制芯片。ARM芯片由于其耗电低，速度快，效率高等特点，在这个系统中主要承担数据计算，数据处理的任务。将处理的结果发送给FPGA，最后由FPGA发送指令控制各个模快并行运行。系统中ARM模块通过相移结构光图案相应数据，计算得到激光器等间距时刻点所对应的激光器亮度值，并且将计算结果发送到FPGA模块储存为亮度时刻对应表。同时ARM模块也会实时采集激光器反馈模块和MEMS一维扫描振镜反馈模块以及CMOS反馈模块的反馈信息，实时判断三者是否需要进行实时调整，并将判断结果发送至FPGA模块。最后由FPGA模块根据反馈信息协同控制MEMS一维扫描振镜谐振、激光器亮度以及CMOS相机拍照，从而得到高质量正弦条纹图。

进一步地：所述MEMS一维振镜为通过电磁驱动的MEMS一维振镜。

采用上述进一步方案的有益效果为：电磁驱动能够提供较高的能量密度，从而提供较大的驱动力来驱动MEMS微振镜振动。电磁力是长程力，在磁场空间中，电流线圈在不同位置提供的驱动力大小都是相同的，极大的方便了MEMS微振镜和系统的结构设计，微振镜扭转的角度和频率是随着驱动电流的大小和频率而变化，这样投影纹理的刷新频率就可以通过驱动信号的频率来实现精确控制，这也使得驱动电路的设计变得简易化。

进一步地：所述LD激光器驱动和反馈模块包括第一基准电压产生电路和第二基准电压产生电路，所述LD激光器包括采样电阻R₁、等效电阻R₂、激光二极管、热敏电阻和TEC，所述第一基准电压产生电路输入正弦电压调制信号，所述第一基准电压产生电路输出激光器基准电压，所述激光器基准电压与第一运算放大器的输入端连接，所述第一运算放大器的输出端与第一电压-电流转换电路的输入端连接，所述第一电压-电流转换电路的输出端分别与等效电阻R₂和激光二极管连接，所述采样电阻R₁的采样电流与电流-电压转换电路的输入端连接，所述电流-电压转换电路输出激光器反馈电压，所述激光器反馈电压和激光器基准电压输入第一仪用比较器，所述第一仪用比较器的输出端与第一电压-电流转换电路的输入端连接，所述第二基准电压产生电路输出温控基准电压，所述温控基准电压输入TEC电流驱动电路，所述TEC电流驱动电路的输出端与TEC连接，所述热敏电阻与温度检测电路连接，所述温度检测电路的输出端与第二运算放大器的输入端连接，所述第二运算放大器输出温控反馈电压，所述温控反馈电压与温控基准电压输入第二仪用比较器，所述第二仪用比较器的输出端与TEC电流驱动电路的输入端连接。

采用上述进一步方案的有益效果为：产生恒定电流驱动LD激光器发出功率稳定的激光。还具有较高的电流分辨率和调制速率，从而保证系统投影出256级灰度的高分辨率正弦条纹图像。

进一步地：所述振镜驱动和反馈模块包括第三基准电压产生电路，所述MEMS一维振镜包括MEMS振镜和位置传感器，所述第三基准电压产生电路输入振镜驱动信号，所述第三基准电压产生电路输出振镜基准电压，所述振镜基准电压输入第一电压平移电路，所述第一电压平移电路的输出端与第二电压-电流转换电路的输入端连接，所述电第二电压-电流转换电路的输出端连接MEMS振镜，所述位置传感器与位置传感电路的输入端连接，所述位置传感电路输出微弱电压信号到第三运算放大器的输入端，所述第三运算放大器输出振镜反馈电压，所述振镜反馈电压与振镜基准电压输入第三仪用比较器，所述第三仪用比较器的输出端与第二电压平移电路的输入端连接，所述第二电压平移电路的输出端与第三电压-电流转换电路的输入端连接，所述第三电压-电流转换电路的输出端连接MEMS振镜。

采用上述进一步方案的有益效果为：通过振镜驱动信号控制驱动电路对驱动电流的频率和幅值进行实时调整。从而实现扭转角度的补偿，保证振镜按照规定扭转角度和频率进行扭转运动。

进一步地：所述相机驱动模块包括第四基准电压产生电路、PWM放大电路和电压采集电路，所述第四基准电压产生电路输入FPGA芯片产生的振镜驱动信号，所述第四基准电压产生电路输出高低电平信号到PWM放大电路的输入端，所述PWM放大电路输出驱动电压信号到电压采集电路的输入端和CMOS相机，所述电压采集电路的输出端与FPGA芯片的输入端连接。

采用上述进一步方案的有益效果为：使CMOS相机处于触发模式下，并且传感器处于待机状态，一旦传感器接收到触发电信号，便开始延时曝光拍照，每收到一个触发信号，就捕捉一张条纹图像，然后相机再次触发再次捕捉，捕捉三张以上图像后，将图像存储于相机存储模块中，以便于后续将图像传输给计算机进行分析处理。

附图说明

图1为本发明结构框图；

图2为本发明三维成像示意图；

图3为本发明中LD激光器驱动模块的电路结构框图；

图4为本发明中振镜驱动模块的电路结构框图；

图5为本发明中相机驱动模块的电路结构框图；

图6为本发明系统控制流程逻辑图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，一种基于MEMS的高精度一体化三维测量系统，包括条纹投影子系统、图像采集子系统和系统控制单元，条纹投影子系统包括依次连接的LD激光器、鲍威尔棱镜和MEMS一维振镜，系统控制单元包括控制芯片、与控制芯片连接的LD激光器驱动和反馈模块、振镜驱动和反馈模块以及相机驱动模块，图像采集子系统包括CMOS相机，LD激光器驱动和反馈模块与LD激光器连接，振镜驱动和反馈模块与MEMS一维振镜连接，相机驱动模块与CMOS相机连接，MEMS一维振镜用于产生正弦条纹图，CMOS相机用于抓拍正弦条纹图。

该三维测量系统通过ARM(Advanced RISC Machine)芯片计算得到一副相移结构光图案所对应的亮度和时间数据(亮度随时间成正弦变化)，并将数据传输给FPGA芯片，存储为亮度和时间对应的亮度时间表。FPGA芯片通过亮度和时间对应数据精确控制LD激光发生器按亮度和时间关系发射激光，并将信息反馈给激光调整电路对激光亮度进行实时调整，保证发射激光的亮度随时间成正弦变化。激光通过鲍威尔棱镜(线性发生棱镜)变成亮度均匀的线激光；将线激光垂直入射到MEMS一维振镜的中心。FPGA同步控制MEMS一维振镜谐振摆动，将入射线激光在空间上输出为亮度成正弦变化的正弦条纹图。当MEMS振镜谐振运动形成一副完整的正弦条纹图后，将其投影到被测三维物体表面。反馈电路将反馈信号传送给控制单元，FPGA延时控制CMOS相机进行同步抓拍，捕获经三维物体表面调制的变形条纹图。抓拍完毕，FPGA控制关闭相机。重复上述步骤，完成三幅以上具有一定相位差的变形条纹图的抓拍。最后将抓拍数据传输给PC端进行数据处理，最终得到物体三维数据信息。原理如图2所示。

控制芯片包括串联的FPGA芯片和ARM芯片。

第一，FPGA(Field-Programmable Gate Array)即现场可编程门阵列，具有丰富的逻辑资源，可根据现场需求进行编程，同时是并行工作的系统，可以分为某几个模块，相互独立的按照规定的时序工作，在时序控制上会比串行工作的单片机好。因此可以实现对MEM驱动和反馈模块，激光器驱动和反馈模块以及CMOS相机驱动模块实现较好的时序控制，第二，由于控制MEMS模块以及激光器驱动模块都是需要超高频率，FPGA的主频较高，满足要求。第三，本系统中需要对大量输入的驱动数据以及反馈数据等进行实时处理，ARM芯片大量使用寄存器并且大多数数据操作都在寄存器中完成，寻址方式灵活简单，指令执行速度快，效率高。采用流水线结构和并行运算算法来对大量数据进行实时处理,兼容性好。

本发明采用ARM芯片作为处理器，将ARM芯片与FPGA芯片串联作为此三维测量系统的核心控制芯片。ARM由于其耗电低，速度快，效率高等特点，在这个系统中主要承担数据计算，数据处理的任务。将处理的结果发送给FPGA，最后由FPGA发送指令控制各个模快并行运行。系统中ARM模块通过相移结构光图案相应数据，计算得到激光器等间距时刻点所对应的激光器亮度值，并且将计算结果发送到FPGA模块储存为亮度时刻对应表。同时ARM模块也会实时采集激光器反馈模块和MEMS一维扫描振镜反馈模块以及CMOS反馈模块的反馈信息，实时判断三者是否需要进行实时调整，并将判断结果发送至FPGA模块。最后由FPGA模块根据反馈信息协同控制MEMS一维振镜谐振、激光器亮度以及CMOS拍照，从而得到高质量正弦条纹图。

MEMS一维振镜为通过电磁驱动的MEMS一维振镜。

MEMS微镜是采用光学MEMS技术制造的，是把微型光学反射镜和MEMS驱动器集成到一起的光学器件，MEMS微振镜的运动方式主要包括平动和扭动。对于扭转MEMS微镜因其光学扭转角较大，主要实现激光的指向偏转，和图形扫描等。MEMS微振镜按维度分为一维和二维，按照驱动机理可分为四种，静电驱动、电磁驱动、电热驱动和压电驱动。前两种驱动技术比较成熟德州仪器的DLP中的MEMS微镜整列采用的就是静电驱动，本发明根据扫描振镜的频率、转动角度的大小、电能的消耗、驱动电路的实现、以及工作环境等要求来比较各种驱动方式，最终选择电磁驱动的MEMS一维振镜。

电磁驱动能够提供较高的能量密度，从而提供较大的驱动力来驱动MEMS微振镜振动。电磁力是长程力，在磁场空间中，电流线圈在不同位置提供的驱动力大小都是相同的，极大的方便了MEMS微振镜和系统的结构设计，微振镜扭转的角度和频率是随着驱动电流的大小和频率而变化，这样投影纹理的刷新频率就可以通过驱动信号的频率来实现精确控制，这也使得驱动电路的设计变得简易化。

本发明中FPGA通过控制激光器驱动模块使其产生亮度随时间成正弦变化的激光，考虑到系统结构紧凑以及激光质量，半导体激光器(LD)具有体积小、重量轻、转换效率高、工作寿命长等优点，是电流直接注入驱动型器件，同时激光器输出光功率与注入电流大小成正比。本系统采用半导体激光器(LD激光器)作为光源发生器。由于激光器产生出来的激光是点状激光，透镜的作用是将点状的激光转化成一字线型激光，目前有多种透镜可以实现这个功能，现在最常用的就是柱面透镜，树脂线性透镜以及鲍威尔棱镜。由于柱面透镜产生的激光线中间亮而两头逐渐变暗，树脂线性透镜相比于前者产生的激光线虽然纤细，但在激光线末端存在明显断点。相比于前两者，鲍威尔棱镜能够产生均匀明亮的激光线，因此本系统选择鲍威尔棱镜作为线性发生棱镜。

CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)图像传感器与垄断该领域30多年的CCD(Charge-coupled Device)器件相比，拥有更加灵活的图像捕捉，更高的动态范围，更高的分辨率，更低的功耗以及更加易于集成，拥有高灵敏度与对比度等优点，因此本发明采用CMOS相机作为图像采集元件。在本系统中，FPGA通过相机驱动模块控制CMOS相机抓拍投影到三维物体上受物体三维信息调制的正弦投影条纹图。

如图3所示，LD激光器驱动和反馈模块包括第一基准电压产生电路和第二基准电压产生电路，LD激光器包括采样电阻R₁、等效电阻R₂、激光二极管、热敏电阻和TEC，第一基准电压产生电路输入正弦电压调制信号，第一基准电压产生电路输出激光器基准电压，激光器基准电压与第一运算放大器的输入端连接，第一运算放大器的输出端与第一电压-电流转换电路的输入端连接，第一电压-电流转换电路的输出端分别与等效电阻R₂和激光二极管连接，采样电阻R₁的采样电流与电流-电压转换电路的输入端连接，电流-电压转换电路输出激光器反馈电压，激光器反馈电压和激光器基准电压输入第一仪用比较器，第一仪用比较器的输出端与第一电压-电流转换电路的输入端连接，第二基准电压产生电路输出温控基准电压，温控基准电压输入TEC电流驱动电路，TEC电流驱动电路的输出端与TEC连接，热敏电阻与温度检测电路连接，温度检测电路的输出端与第二运算放大器的输入端连接，第二运算放大器输出温控反馈电压，温控反馈电压与温控基准电压输入第二仪用比较器，第二仪用比较器的输出端与TEC电流驱动电路的输入端连接。

第一基准电压产生电路、第二基准电压产生电路、第一电压-电流转换电路、电流-电压转换电路和TEC电流驱动电路均为现有基础电路。

半导体激光器驱动方式简单，是电流直接驱动型器件。本发明所选激光器为半导体激光器(LD激光器)，LD驱动方式一般分为恒定功率驱动与恒定电流驱动。恒定功率驱动方式为：激光器二极管通过驱动电路同时向两个方向产生激光，分别为用于发射正向激光和用于检测光功率的背向激光，两个方向的激光功率完全相同。光敏二极管(PD)可以采集背向激光功率，同时将LD的光功率信号转化为电流信号。电流信号转化为电压信号送入仪用比较器与参考电压值进行比较，并将比较结果输入运算放大器进行积分放大，调节驱动激光电流驱动电路，产生恒定电流驱动激光器发出功率稳定的激光。

由于用于成像的激光器驱动模块除了要求驱动电流足够稳定之外，还得具有较高的电流分辨率和调制速率，从而保证系统投影出256级灰度的高分辨率正弦条纹图像，本系统采用恒定电流驱动方式。

激光器结构组成基本包括激光二极管(LD)、半导体制冷器(TEC)、采样电阻R₁、等效电阻R₂、热敏电阻。为使激光器产生功率稳定的激光，首先，将电压信号经过运算放大器进行放大，然后，通过电压-电流转换电路转化为电流信号输出调制激光器。采样电阻R₁与LD激光器串联，通过R₁的电流大小即为LD激光器驱动电流的大小。采样电阻R₁将电流信号转化为电压信号，通过反馈电路将信号送入仪用比较器与基准电压进行比较，比较器输出稳定电压差值信号，作用于等效电阻R₂。R₂与LD激光器也为串联关系，所以通过R₂的电流就是LD激光器的驱动电流。由FPGA发出的正弦调制信号通过基准电压产生电路调节基准电压的大小，改变等效电阻R₂两端电压大小来调节LD激光器驱动电流大小，由此形成反馈网络，最终使得激光的输出功率随时间成正弦变化。

半导体激光器的工作特性会随着使用时间和温度的变化而产生一定程度的飘移，因此驱动电路必须具有自动温度控制(ATC)机制使得激光器处于恒定的最佳工作温度。调节方式为反馈调节，利用热敏电阻对温度变化极为敏感，其电阻值随温度变化而变化的特性。用温度检测电路将温度值转化为与之对应的电压。再通过运算放大器将微弱的温度变化转化为的电压进行放大，温控反馈电压与温控基准电压通过仪用比较器进行比较放大，将比较结果作为驱动信号驱动TEC电流驱动电路，对激光器温度进行调节。

最后根据激光器的发光特性对驱动信号进行实时调整补偿，从而保证所得正弦条纹图像的稳定性。为了延长激光器的使用寿命，避免激光器被浪涌电流击穿而受到损坏，流过LD的电流应该缓慢增大，驱动电路系统中应加入缓启动电路和静电保护电路以及大电流保护电路。

如图4所示，振镜驱动和反馈模块包括第三基准电压产生电路，MEMS一维振镜包括MEMS振镜和位置传感器，第三基准电压产生电路输入振镜驱动信号，第三基准电压产生电路输出振镜基准电压，振镜基准电压输入第一电压平移电路，第一电压平移电路的输出端与第二电压-电流转换电路的输入端连接，电第二电压-电流转换电路的输出端连接MEMS振镜，位置传感器与位置传感电路的输入端连接，位置传感电路输出微弱电压信号到第三运算放大器的输入端，第三运算放大器输出振镜反馈电压，振镜反馈电压与振镜基准电压输入第三仪用比较器，第三仪用比较器的输出端与第二电压平移电路的输入端连接，第二电压平移电路的输出端与第三电压-电流转换电路的输入端连接，第三电压-电流转换电路的输出端连接MEMS振镜。

第三基准电压产生电路、第一电压平移电路、第二电压-电流转换电路、位置传感电路、第二电压平移电路和第三电压-电流转换电路均为现有基础电路。

本发明采用电磁驱动型MEMS一维振镜，和激光器驱动方式一样，通过电流直接驱动。即通过电流来控制振镜的扭转，扭转角度和驱动电流的频率和幅值有关。FPGA发出振镜驱动信号使基准电压产生电路产生振镜基准电压(MEM振镜驱动信号频率与振镜扫描频率之间为二分频的关系)，经过电压平移和电压电流转换后驱动振镜。通过位置传感器将扭转角度信息经过位置检测电路转化为与之对应的电压信号，经运算放大器放大为振镜反馈电压，与振镜基准电压通过仪用比较器比较。比较结果经电压平移和电压转换后驱动MEMS振镜，保证振镜驱动电流稳定，由此形成闭环反馈网络。FPGA通过振镜驱动信号控制驱动电路对驱动电流的频率和幅值进行实时调整。从而实现扭转角度的补偿，保证振镜按照规定扭转角度和频率进行扭转运动。

如图5所示，相机驱动模块包括第四基准电压产生电路、PWM放大电路和电压采集电路，第四基准电压产生电路输入FPGA芯片产生的振镜驱动信号，第四基准电压产生电路输出高低电平信号到PWM放大电路的输入端，PWM放大电路输出驱动电压信号分别到电压采集电路的输入端和CMOS相机，电压采集电路的输出端与FPGA芯片的输入端连接。

第四基准电压产生电路、PWM放大电路和电压采集电路均为现有基础电路。

为使相机触发方式简单准确，可用MEMS振镜驱动信号的某些上升沿作为CMOS相机的触发信号。由FPGA发出振镜驱动信号使基准电压产生电路产生高低压电平信号，然后通过PWM放大电路来放大幅值，利用驱动电压信号上升沿触发CMOS相机进行拍照。其中电压采集电路会实时采集驱动电压并将结果返回控制模块，对驱动电压进行实时调整，保证驱动电压稳定性。过程是，使CMOS相机处于触发模式下，并且传感器处于待机状态，一旦传感器接收到触发电信号，便开始延时曝光拍照，每收到一个触发信号，就捕捉一张条纹图像，然后相机再次触发再次捕捉，捕捉三张以上图像后，将图像存储于相机存储模块中，以便于后续将图像传输给计算机进行分析处理，最后由FPGA控制关闭相机。

激光器、MEMS一维振镜和CMOS相机是本三维扫描系统的核心组成部分，要想系统工作并完成三维物体表面的数据获取，必须使MEMS振镜驱动信号、CMOS相机触发信号和半导体激光器调制信号，在FPGA控制下协调配合，满足三步相移法的计算需求。因此本发明根据半导体激光器、MEMS振镜和CMOS相机的各自性能设计出控制信号。

激光器和MEMS振镜共同组成条纹投影子系统，投影条纹质量直接影响三维测量的精度。要得到稳定并且质量较好的正弦投影条纹，必须对两者的驱动信号进行设计。具体实现过程为，首先FPGA通过输入的正弦调制信号驱动激光器发射，经过鲍威尔棱镜形成一字线型激光，同时FPGA输出一定频率的振镜驱动信号驱动MEMS振镜开始摆动。振镜和激光器的同步控制依赖于位置传感器以及同步算法，利用振镜的位置传感器获得振镜在振动方向的位置信息，用来反馈调节振镜使之处于稳定扫描状态，同时也可以对激光器驱动信号进行同步校正。振镜角度与激光器的光强都是关于时间的函数，与时间成正弦关系，因此可以通过同步算法调节两者驱动信号，实现同步控制。

设激光器的正弦电压调制信号周期为T_J，MEMS振镜振动周期为T_M,为了实现三步相移算法，两驱动信号关系应满足T_M＝N*T_J+T_J/3，(其中N为激光器正弦电压调制周期的个数)即经过一个T_M的调制信号比MEMS驱动信号多T_J/3，从而保证两相邻扫描的光强初始相位之差为2Π/3。设激光器正弦电压调制频率为f_J，振镜振动频率为f_M，转化为频率关系为f_J＝(3N+1)f_M/3。

设相机触发信号频率为f_X，MEMS振镜驱动信号频率为f_D,为实现相移法三维测量，理论上只需要MEMS振镜三个扫描周期便可采集三幅相位差为2Π/3的正弦条纹图，考虑到MEMS振动频率较高，而相机采集速度受限，无法做到每次扫描都拍照。但可以选择每3N+1(N＝0,1,2,3......)个扫描周期抓拍一次，即CMOS相机的驱动信号频率与振镜驱动频率关系为f_X＝f_D/2(3N+1)。使得相邻两抓拍条纹图初始相位差同样为2Π/3。

设激光器正弦调制频率为f_J，MEMS振镜扫描频率为f_M,由于f_J>>f_M，MEMS振镜振动一个T_M就可以将线激光投影为明暗相间正弦条纹图。但在MEMS振镜一次扫描周期中有一半为回程扫描，相机需要抓拍振镜从一侧最大角度扫描到另一侧最大角度所投影出的正弦条纹图，因此相机的曝光时间应当小于或者等于T_M/2。又由于相机由MEMS驱动信号上升沿触发，MEMS振镜驱动信号上升沿与振镜极大角度的时间间隔可以通过ARM芯片计算求得。因此可以根据时间间隔设置相机的触发延时。具体控制流程如图6所示。

Claims (6)

1.一种基于MEMS的高精度一体化三维测量系统，其特征在于，包括条纹投影子系统、图像采集子系统和系统控制单元，所述条纹投影子系统包括依次连接的LD激光器、鲍威尔棱镜和MEMS一维振镜，所述系统控制单元包括控制芯片、与控制芯片连接的LD激光器驱动和反馈模块、振镜驱动和反馈模块以及相机驱动模块，所述图像采集子系统包括CMOS相机，所述LD激光器驱动和反馈模块与LD激光器连接，所述振镜驱动和反馈模块与MEMS一维振镜连接，所述相机驱动模块与CMOS相机连接，所述MEMS一维振镜用于产生正弦条纹图，所述CMOS相机用于抓拍正弦条纹图。

2.根据权利要求1所述的基于MEMS的高精度一体化三维测量系统，其特征在于，所述控制芯片包括串联的FPGA芯片和ARM芯片。

3.根据权利要求1所述的基于MEMS的高精度一体化三维测量系统，其特征在于，所述MEMS一维振镜为通过电磁驱动的MEMS一维振镜。

4.根据权利要求1所述的基于MEMS的高精度一体化三维测量系统，其特征在于，所述LD激光器驱动和反馈模块包括第一基准电压产生电路和第二基准电压产生电路，所述LD激光器包括采样电阻R₁、等效电阻R₂、激光二极管、热敏电阻和TEC，所述第一基准电压产生电路输入正弦电压调制信号，所述第一基准电压产生电路输出激光器基准电压，所述激光器基准电压与第一运算放大器的输入端连接，所述第一运算放大器的输出端与第一电压-电流转换电路的输入端连接，所述第一电压-电流转换电路的输出端分别与等效电阻R₂和激光二极管连接，所述采样电阻R₁的采样电流与电流-电压转换电路的输入端连接，所述电流-电压转换电路输出激光器反馈电压，所述激光器反馈电压和激光器基准电压输入第一仪用比较器，所述第一仪用比较器的输出端与第一电压-电流转换电路的输入端连接，所述第二基准电压产生电路输出温控基准电压，所述温控基准电压输入TEC电流驱动电路，所述TEC电流驱动电路的输出端与TEC连接，所述热敏电阻与温度检测电路连接，所述温度检测电路的输出端与第二运算放大器的输入端连接，所述第二运算放大器输出温控反馈电压，所述温控反馈电压与温控基准电压输入第二仪用比较器，所述第二仪用比较器的输出端与TEC电流驱动电路的输入端连接。

5.根据权利要求1所述的基于MEMS的高精度一体化三维测量系统，其特征在于，所述振镜驱动和反馈模块包括第三基准电压产生电路，所述MEMS一维振镜包括MEMS振镜和位置传感器，所述第三基准电压产生电路输入振镜驱动信号，所述第三基准电压产生电路输出振镜基准电压，所述振镜基准电压输入第一电压平移电路，所述第一电压平移电路的输出端与第二电压-电流转换电路的输入端连接，所述电第二电压-电流转换电路的输出端连接MEMS振镜，所述位置传感器与位置传感电路的输入端连接，所述位置传感电路输出微弱电压信号到第三运算放大器的输入端，所述第三运算放大器输出振镜反馈电压，所述振镜反馈电压与振镜基准电压输入第三仪用比较器，所述第三仪用比较器的输出端与第二电压平移电路的输入端连接，所述第二电压平移电路的输出端与第三电压-电流转换电路的输入端连接，所述第三电压-电流转换电路的输出端连接MEMS振镜。

6.根据权利要求1所述的基于MEMS的高精度一体化三维测量系统，其特征在于，所述相机驱动模块包括第四基准电压产生电路、PWM放大电路和电压采集电路，所述第四基准电压产生电路输入FPGA芯片产生的振镜驱动信号，所述第四基准电压产生电路输出高低电平信号到PWM放大电路的输入端，所述PWM放大电路输出驱动电压信号到电压采集电路的输入端和CMOS相机，所述电压采集电路的输出端与FPGA芯片的输入端连接。

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