CN112945144B - 一种多mems振镜结构光三维扫描系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多MEMS振镜结构光三维扫描系统，将2个或更多个MEMS振镜排列成阵列进行结构光三维扫描的方法，该扫描系统采用的投射器包含了2个或更多个MEMS微振镜激光投射单元。具有投射光强比单个MEMS振镜投射方案大数倍的优点，得到了大景深高亮度的投影图案，可以为大于1米的中远距离三维扫描提供低成本的解决方案。

Description

一种多MEMS振镜结构光三维扫描系统

技术领域

本发明属于光学三维扫描领域，涉及一种结构光投影三维扫描装置，特别是涉及一种MEMS振镜的光栅投影测量装置。

背景技术

光学三维扫描由于具有非接触、高精高和速度快的优势，已在工业检测、逆向设计、3D点云、VRAR制作、游戏娱乐和医学测量等行业崭露头角，显示了巨大的技术先进性。

光学三维扫描分为主动式和被动式两种。被动式测量技术主要以立体视觉技术为代表，采用非结构光照明方式。主动式一般采用结构光投影方法，其原理是将带有编码的散斑或光栅图案投影到被测物体表面，由相机拍摄经被测物体表面调制的变形图案，再进一步解调得到三维信息，最后经过标定得到物体表面的三维形貌。

按投影器件分类，可分为数字光投射器(简称DLP)、衍射元件投射器(DOE)以及MEMS微镜投射器三类。其中，MEMS微镜投射器以体积小、功耗低、成本低的优点受到越来越多的重视。MEMS微镜是采用MEMS工艺在硅基材料上加工出带有微细结构的可振动的平面镜，镜面尺寸一般在1-2mm，其投射原理是，半导体激光器发射的光线投射到MEMS振镜表面，振镜在电路的驱动下做往复高频振动，激光器同步进行输出光强变化，振镜反射光线到物体表面形成光栅图案。MEMS振镜投射方法投影的图案具有精细度好、景深大的优点，很适合做大范围的三维扫描。然而，由于单个半导体激光器的功率一般较小，特别是常用的单模半导体激光器，光功率普遍小于300mw，这使得MEMS振镜投影的图案相比于DLP技术来说亮度较弱，无法进行＞1m的中远距离三维扫描。利用多个MEMS投射器简单组合的方案存在图案不重合，振镜参数不一致的问题。因此，目前没有好的技术方案可以提高MEMS振镜结构光投影的亮度，这大大阻碍了该技术在三维扫描领域的进一步应用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有MEMS振镜结构光投影技术的缺点，提出一种将2个或更多个MEMS振镜排列成阵列进行结构光三维扫描的方法，该扫描系统采用的投射器包含了2个或更多个MEMS微振镜激光投射单元。

该技术的难点包括：1)由于每个投射单元都要投射光栅图案，为使多个投射图案在空间重合，需要选用工作参数和结构尺寸非常一致的MEMS振镜，并且施加同样的驱动信号；2)多个投射单元的位置不同带来的投影图案空间不重合，需要对激光器进行延时调制。本发明旨在解决上述技术难点提出新的技术方案。

本发明采取的技术方案为：

一种多MEMS振镜结构光三维扫描系统,该系统包含激光投射器A和图像接收器B，激光投射器A由第一激光投射单元A1，第二激光投射单元A2，……，第N激光投射单元AN组成，N≥2；图像接收器B由一个相机或两个间隔一定距离的相机组成；所述激光投射单元包括半导体激光器、光束整形聚焦透镜和MEMS振镜；所有的MEMS振镜受到同一路振镜周期信号驱动控制；所有半导体激光器并联并受到驱动板上同一路激光器信号驱动控制。

所述系统工作过程如下：

步骤一：将同一路周期信号输入给所有的MEMS振镜，驱动MEMS振镜在工作频率下振动；将激光器驱动信号给所有激光器，激光器光强在驱动信号调整下形成明暗变化；

步骤二：分别在第一激光投射单元A1，第二激光投射单元A2，……，第N激光投射单元AN中，激光器发射的点激光经过光束整形聚焦透镜入射到MEMS振镜表面，经振镜反射到被三维扫描的物体表面形成周期光栅图案；

步骤三：通过调节多个激光器驱动信号之间时延，调节各个激光器投影周期图案的相位，保证各个投射单元投射的周期图案在物体表面重合；

步骤四：振镜周期信号和激光器信号输入的同时，同步触发拍摄信号输入给相机，相机接受触发的拍摄信号完成光栅图案的拍摄；

步骤五：相机拍摄的图案送到计算机中进行计算，利用相移法成像原理得到物体的三维信息。

步骤一所述周期信号是正弦周期信号、方波周期信号或三角波周期信号其中的一种。

所述MEMS振镜驱动方式包括静电驱动、电磁驱动、电热驱动三种方式，MEMS振镜的振动状态包括一维振动。

所有激光器发射光轴平行，并与相机光轴共面。

所有的MEMS振镜的x轴平行，y轴平行。

有益效果

本发明方案提出的是一种多MEMS振镜结构光三维扫描系统，具有投射光强比单个MEMS振镜投射方案大数倍的优点，得到了大景深高亮度的投影图案，可以为大于1米的中远距离三维扫描提供低成本的解决方案。

附图说明

图1是一种多MEMS振镜结构光扫描装置整体图，其中，A为激光投射器，B为图像接收器，C为被测物体。

图2是A投射器内部布局图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步描述：

参见图1,本文提供一种多MEMS振镜结构光三维扫描系统包含激光投射器A(1)和图像接收器B组成，A由A1,A2,……,AN个激光投射单元组成，N≥2。

图像接收B由一个相机(2)和间隔一定距离另一个可选的相机(3)组成；

参见图2，A的一部分由A1和A2两个激光投射单元(1,2)组成，每个激光投射单元包括半导体激光器(3，4)、光束整形聚焦透镜(5,6)、MEMS振镜(7,8)。为保证振镜参数一致性，所有的MEMS振镜是从一块加工好MEMS振镜的晶圆表面上相邻的区域整块划片得到。所有单元的MEMS振镜和半导体激光器都由同一个外部电路板驱动控制，所有的MEMS振镜受到驱动板上同一路周期信号驱动控制，所有的激光器并联受到驱动板上另外一路信号驱动控制。

系统工作过程如下：

步骤一：电路板输出正弦(也可以是方波或三角波信号)给所有的MEMS振镜，驱动MEMS振镜在工作频率下振动；电路板输出另一路驱动信号给所有激光器，激光器光强在驱动信号调整下形成明暗变化

步骤二：在每个投射单元中，激光器发射的点激光经过光束整形聚焦透镜入射到MEMS振镜表面，经振镜反射到被三维扫描的物体表面形成周期性的光栅图案；

步骤三：通过调节多个激光器驱动信号之间时延，调节各个激光器投射的周期光栅图案的相位，保证各个投射单元投射的图案在物体表面重合；调整原理如下：

假设A1，A2投影到物体表面的光栅分布分别是

和

其中，A(x，y)是背景光强变化，B(x，y)是光栅对比度变化，是光栅频率，是A1初始相位，是A2投射光栅的初始相位，为了使两个投射器投出的光栅完全重合，需要对相位做校正，对I_A2(x，y)投射光栅引入如下相位差：

代入I_A2(x，y)得

则使I_A2(x，y)光强分布与I_A1(x，y)相同了，从而A1和A2两个投射器的图案重合，从而得到了亮度是单个投射器2倍的图案，具体如下。

通过调节A2激光器驱动信号的时延，可以达到调节

的目的。

步骤四：电路板输出同步触发信号给相机，相机接受触发信号完成光栅图案的拍摄。

步骤五：拍摄的图案送到计算机中进行计算，利用相移法成像原理得到物体的三维信息。

上述系统中，所有激光器发射光轴平行，并与相机光轴共面，所有的MEMS振镜的x轴平行，y轴平行。每个激光投射单元中的MEMS振镜驱动方式包括静电驱动、电磁驱动、电热驱动三种方式，振动状态包括一维振动和二维振动两种。

Claims (5)

1.一种多MEMS振镜结构光三维扫描系统,其特征在于：该系统包含激光投射器A和图像接收器B，激光投射器A由若干个激光投射单元组成；图像接收器B由若干个相机组成；所述激光投射单元包括半导体激光器、光束整形聚焦透镜和MEMS振镜；所述MEMS振镜受到同一路振镜周期信号驱动控制；所述半导体激光器并联并受到同一路激光器信号驱动控制；所述激光投射器A由第一激光投射单元A1，第二激光投射单元A2，……，第N激光投射单元AN组成，N≥2；所述图像接收器B由一个相机或两个间隔一定距离的相机组成；

所述系统工作过程如下：

步骤一：将同一路振镜 周期信号输入给所有的MEMS振镜，驱动MEMS振镜在工作频率下振动；将同一路激光器信号输入 给所有的激光器，激光器光强在驱动信号调整下形成明暗变化；

步骤二：分别在第一激光投射单元A1，第二激光投射单元A2，……，第N激光投射单元AN中，激光器发射的点激光经过光束整形聚焦透镜入射到MEMS振镜表面，经振镜反射到被三维扫描的物体表面形成光栅图案；

步骤三：通过调节多个激光器信号之间时延，保证各个激光 投射单元投射的图案在物体表面重合；

步骤四：振镜周期信号和激光器信号输入的同时，同步触发拍摄信号输入给相机，相机接受触发的拍摄信号完成光栅图案的拍摄；

步骤五：相机拍摄的图案送到计算机中进行计算，利用相移法成像原理得到物体的三维信息。

2.如权利要求1所述多MEMS振镜结构光三维扫描系统,其特征在于：所述振镜周期信号是正弦周期信号、方波周期信号或三角波周期信号。

3.如权利要求1所述多MEMS振镜结构光三维扫描系统,其特征在于：所述MEMS振镜驱动方式包括静电驱动、电磁驱动、电热驱动三种方式，MEMS振镜的振动状态包括一维振动和二维振动两种。

4.如权利要求书1所述的一种多MEMS振镜结构光三维扫描系统，其特征在于，所有激光器发射光轴平行，并与相机光轴共面。

5.如权利要求书1所述的一种多MEMS振镜结构光三维扫描系统，其特征在于，所有MEMS振镜的x轴平行，y轴平行。

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