CN116626907A - 一种多mems振镜的大角度投影方法、系统及介质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多MEMS振镜的大角度投影方法、系统及介质，将高速光电转换器放置于相邻所述投射单元之间的位置；驱动振镜振动，驱动激光器发射点激光；将激光器发射的点激光依次经过准直透镜、一字线棱镜后入射至振镜表面，经振镜反射到扫描物表面，形成周期光栅图案；通过调节多个激光器的驱动信号的时延，并结合高速光电转换器，使相邻两个振镜投射边界对齐；通过调节多个激光器的驱动信号的时延，使多个投射单元投射的相位连续编码；触发相机进行光栅图案的获取；基于光栅图案生成扫描物的三维信息；本发明具有比单MEMS振镜投射方案更大FOV的优点，得到了大景深大投射角度的投影方案，可为大视场三维扫描提供低成本方案。

Description

一种多MEMS振镜的大角度投影方法、系统及介质
技术领域
本发明涉及光学元件、系统领域，应用于结构光三维扫描、MEMS振镜光栅投影，特别是涉及一种多MEMS振镜的大角度投影方法、系统及介质。
背景技术
MEMS振镜是一种基于微机电系统（MEMS，Micro-Electro-Mechanical System）技术制作而成的微小可驱动反射镜，镜面直径通常只有几毫米。与传统的光学扫描镜相比，具有重量轻，体积小，易于大批量生产，生产成本较低的优点。
目前，用于投射结构光编码条纹的MEMS由于受光学口径影响，扫描FOV有限，不能覆盖相机FOV。为实现大角度FOV，通常采用以下方式：
方式一、通过光学扩束透镜来增大MEMS振镜扫描FOV，但会引发信噪比降低、能量损耗等问题，最终导致扫描精度与光学扩束镜增加的FOV成正比降低。
方式二、采用多个三维扫描仪视场拼接，最终获取到的三维数据在外部配准拼接，但是对系统计算能力要求非常高，特别是在点云密度要求高的场景，点云配准是性能瓶颈，影响扫描帧率且配准精度也会影响扫描结果。除了以上问题，采用多个MEMS组合方式还存在以下技术难点：1）每个MEMS振镜都投射光栅图案，要使相邻两个MEMS振镜投射的图案边界对齐，不能有重叠，也不能有间隙；2）多个MEMS振镜投射的图案存在重复编码的问题。
发明内容
本发明的主要目的为：针对现有MEMS振镜结构投影技术存在的缺点以及技术难点，本发明提出一种多MEMS振镜的大角度投影方法、系统及介质，采用多个MEMS组合，增加扫描FOV的同时保持扫描的高精度。
为实现上述目的，本发明采用的一个技术方案是：提供一种多MEMS振镜的大角度投影方法，包括以下步骤：
配置投射单元步骤，所述投射单元包括激光器、准直透镜、一字线棱镜和振镜；将高速光电转换器放置于相邻所述投射单元之间的位置；
初始化启动步骤：驱动所述振镜振动，驱动所述激光器发射点激光；
光栅图案生成步骤：将所述激光器发射的点激光依次经过所述准直透镜、所述一字线棱镜后入射至所述振镜表面，经所述振镜反射到被三维扫描物表面，形成周期光栅图案；
投射边界对齐步骤：通过调节多个所述激光器的驱动信号的时延，并结合所述高速光电转换器，使相邻两个所述振镜投射边界对齐；
相位连续编码步骤：通过调节多个所述激光器的驱动信号的时延，使所述投射单元投射的相位连续编码；
光栅图案拍摄步骤：触发相机进行光栅图案的获取；
三维信息生成步骤：基于光栅图案生成被三维扫描物的三维信息。
作为一种改进方案，所述配置投射单元步骤进一步包括：将所述激光器、所述准直透镜、所述一字线棱镜和所述振镜依次安装定位；将所述高速光电转换器放置于每两个相邻的所述振镜的对称线上，且所述高速光电转换器位于所述振镜投射范围内靠近投射范围底部位置。
作为一种改进方案，所述初始化启动步骤进一步包括：通过驱动电路板将连续编码的正弦或二进制码依次输入到所述振镜，驱动所述振镜在工作频率下振动；将所述激光器的驱动信号发送至所有激光器，所述激光器的光强在驱动信号调整下形成明暗变化。
作为一种改进方案，所述投射边界对齐步骤进一步包括：通过相邻两个所述振镜之间的高速光电转换器确定相邻两个所述振镜投射的边界，通过调节各自激光器的驱动信号的时延，使用多个所述振镜的投射出来的图案消除重叠和间隙。
作为一种改进方案，所述通过相邻两个所述振镜之间的高速光电转换器确定相邻两个所述振镜投射的边界，进一步包括：获取所述高速光电转换器的脉冲信号，根据所述脉冲信号得到脉冲宽度，基于所述脉冲宽度调整所述振镜的扫描角，使所述振镜的扫描边界与所述高速光电转换器对齐。
作为一种改进方案，所述相位连续编码步骤进一步包括：通过调节多个所述激光器的驱动信号的时延，调节各个所述激光器投射的周期光栅图案的相位，使单个投射单元投射的图案光栅周期不变的情况下，多个投射单元投射的相位连续编码。
作为一种改进方案，所述光栅图案拍摄步骤进一步包括：所述驱动电路板输出同步触发信号至所述相机，所述相机根据触发信号实现光栅图案的拍摄。
作为一种改进方案，所述三维信息生成步骤进一步包括，将所述相机拍摄的光栅图案发送至计算单元，所述计算单元根据相移法成像原理得到被三维扫描物的三维信息。
本发明还提供一种mems光机的偏转角检测系统，包括：外壳和设在外壳内的相机、计算单元、驱动电路板和投射单元；所述投射单元由两个MEMS组合而成，每个所述MEMS包括依次设置的激光器、准直透镜、一字线棱镜和振镜，相邻两个所述振镜的对称线上设有高速光电转换器；
所述驱动电路板用于驱动所述激光器、所述振镜和所述相机；所述激光器用于发射点激光并使点激光依次经过所述准直透镜、所述一字线棱镜后入射至所述振镜表面，经所述振镜反射到被三维扫描物表面，形成周期光栅图案；所述驱动电路板用于调节多个所述激光器的驱动信号的时延，并结合所述高速光电转换器，使相邻两个所述振镜投射边界对齐；所述驱动电路板用于调节多个所述激光器的驱动信号的时延，使多个所述投射单元投射的相位连续编码；所述相机用于获取光栅图案并发送至所述计算单元；所述计算单元用于根据所述光栅图案生成被三维扫描物的三维信息。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述方法的步骤。
本发明的有益效果是：
本发明所述的多MEMS振镜的大角度投影方法，能够实现多MEMS振镜投影边界对齐；多MEMS振镜连续编码的方法，可以满足投射图案(解相位)不重复；实现MEMS振镜FOV覆盖相机FOV的要求；多MEMS振镜扩大扫描角度，避免因扫描仪覆盖视场不足需多个扫描仪拼接带的更高成本和多扫描仪得到的点云拼接的计算成本；
本发明所述的多MEMS振镜的大角度投影系统，多MEMS振镜组合扩大扫描角度，使用PD传感器对相邻两个MEMS振镜投影边界对齐，多MEMS振镜连续编码的方法，可以满足投射图案(解相位)不重复；具有比单MEMS振镜投射方案更大FOV的优点，得到了大景深大投射角度的投影方案，可以为大视场三维扫描提供低成本方案。
本发明所述的计算机可读存储介质，具有比单MEMS振镜投射方案更大FOV的优点，同时保持扫描的高精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1所述多MEMS振镜的大角度投影方法中投射单元的示意图；
图2是本发明实施例1所述多MEMS振镜的大角度投影方法中相位连续编码步骤的效果图；
图3是本发明实施例1与现有技术的效果图对比图；
图4是本发明实施例2所述多MEMS振镜的大角度投影系统的架构图；
附图中各部件的标记如下：
1、激光器；2、准直透镜；3、一字线棱镜；4、高速光电转换器；5、振镜；6、外壳；7、相机；8、计算单元；9、驱动电路板；10、投射单元。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
在本发明的描述中，需要说明的是，本发明所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种多MEMS振镜的大角度投影方法，包括以下步骤：
配置投射单元步骤，所述投射单元10由两个MEMS组合而成，MEMS包括单硅基芯片上多个MEMS振镜组合或多个MEMS振镜硅基芯片组合；MEMS包括激光器1、准直透镜2、一字线棱镜3和振镜5；将所述激光器1、所述准直透镜2、所述一字线棱镜3和所述振镜5依次安装定位；将所述高速光电转换器4放置于每两个相邻的所述振镜5的对称线上，且所述高速光电转换器4位于所述振镜5投射范围内靠近投射范围底部位置；
初始化启动步骤：通过驱动电路板9将连续编码的正弦或二进制码依次输入到所述振镜5，驱动所述振镜5在工作频率下振动；将所述激光器1的驱动信号发送至所有激光器1，所述激光器1的光强在驱动信号调整下形成明暗变化；
光栅图案生成步骤：将所述激光器1发射的点激光依次经过所述准直透镜2、所述一字线棱镜3后入射至所述振镜5表面，经所述振镜5反射到被三维扫描物表面，形成周期光栅图案；
投射边界对齐步骤：通过相邻两个所述振镜5之间的高速光电转换器4确定相邻两个所述振镜5投射的边界，通过调节各自激光器1的驱动信号的时延，使用多个所述振镜5的投射出来的图案消除重叠和间隙；
作为一种改进方案，所述通过相邻两个所述振镜5之间的高速光电转换器4确定相邻两个所述振镜投射的边界，进一步包括：位于左侧振镜扫描出射的光线经过高速光电转换器4时，高速光电转换器4产生脉冲信号，照射时间越长，其脉冲宽度越宽。高速光电转换器4检测电路通过计数确定脉冲宽度，调整该振镜的扫描角使用其右侧扫描边界刚好触发高速光电转换器4最短脉冲宽度，则该振镜扫描角右侧刚好与高速光电转换器4位置对齐；采用同样方式将另一个振镜扫描角左侧刚好与高速光电转换器4位置对齐；经过上述调整后，两个振镜5的扫描边界对齐。
相位连续编码步骤：通过调节多个所述激光器1的驱动信号的时延，调节各个所述激光器1投射的周期光栅图案的相位，使单个投射单元投射的图案光栅周期不变的情况下，多个投射单元投射的相位连续编码；投射条纹的周期数可以是2n，也可以是其它周期数；见图2所示，以64个周期格雷码图案为例：左侧振镜投射[0,63]编号的条纹，右侧振镜投射[64,127]编号的条纹...An投射[64*（n-1）,64*n-1]编号的条纹。
光栅图案拍摄步骤：所述驱动电路板9输出同步触发信号至所述相机7，所述相机7根据触发信号实现光栅图案的拍摄；
三维信息生成步骤：将所述相机7拍摄的光栅图案发送至计算单元8，所述计算单元8根据相移法成像原理得到被三维扫描物的三维信息，见图3，图中左侧为含单个MEMS振镜投影，右侧为本实施例中获得的投影，三维扫描范围得到了提大的提升。
实施例2
本实施例基于与实施例1中所述的一种多MEMS振镜的大角度投影方法相同的发明构思，提供一种多MEMS振镜的大角度投影系统，如图1所示，包括：外壳6和设在外壳6内的相机7、计算单元8、驱动电路板9和投射单元10；投射单元10由两个MEMS组合而成，MEMS包括单硅基芯片上多个MEMS振镜组合、多个MEMS振镜硅基芯片组合。每个所述MEMS包括依次设置的激光器1、准直透镜2、一字线棱镜3（鲍威尔棱镜）和振镜5，相邻两个所述振镜的对称线上设有高速光电转换器4(PD:photo-detector)；
所述驱动电路板9用于驱动所述激光器1、所述振镜5和所述相机7；所述激光器1用于发射点激光并使点激光依次经过所述准直透镜2、所述一字线棱镜3后入射至所述振镜5表面，经所述振镜5反射到被三维扫描物表面，形成周期光栅图案；所述驱动电路板9用于调节多个所述激光器1的驱动信号的时延，并结合所述高速光电转换器4，使相邻两个所述振镜5投射边界对齐；所述驱动电路板9用于调节多个所述激光器1的驱动信号的时延，使多个所述投射单元10投射的相位连续编码；所述相机7用于获取光栅图案并发送至所述计算单元8；所述计算单元8用于根据所述光栅图案生成被三维扫描物的三维信息。
实施例3
本实施例提供一种计算机可读存储介质，包括：
所述存储介质用于储存将上述实施例1所述的一种多MEMS振镜的大角度投影方法实现所用的计算机软件指令，其包含用于执行上述为所述大角度投影方法所设置的程序；具体的，该可执行程序可以内置在实施例2所述的大角度投影系统中，这样，大角度投影系统就可以通过执行内置的可执行程序实现所述实施例1所述的大角度投影方法。
此外，本实施例具有的计算机可读存储介质可以采用一个或多个可读存储介质的任意组合，其中，可读存储介质包括电、光、电磁、红外线或半导体的系统、装置或器件，或者以上任意组合。
上述本发明实施例公开实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种多MEMS振镜的大角度投影方法，其特征在于，包括以下步骤：
配置投射单元步骤，所述投射单元包括激光器、准直透镜、一字线棱镜和振镜；将高速光电转换器放置于相邻所述投射单元之间的位置；
初始化启动步骤：驱动所述振镜振动，驱动所述激光器发射点激光；
光栅图案生成步骤：将所述激光器发射的点激光依次经过所述准直透镜、所述一字线棱镜后入射至所述振镜表面，经所述振镜反射到被三维扫描物表面，形成周期光栅图案；
投射边界对齐步骤：通过调节多个所述激光器的驱动信号的时延，并结合所述高速光电转换器，使相邻两个所述振镜投射边界对齐；
相位连续编码步骤：通过调节多个所述激光器的驱动信号的时延，使多个所述投射单元投射的相位连续编码；
光栅图案拍摄步骤：触发相机进行光栅图案的获取；
三维信息生成步骤：基于光栅图案生成被三维扫描物的三维信息。
2.根据权利要求1所述的一种多MEMS振镜的大角度投影方法，其特征在于：所述配置投射单元步骤进一步包括：将所述激光器、所述准直透镜、所述一字线棱镜和所述振镜依次安装定位；将所述高速光电转换器放置于每两个相邻的所述振镜的对称线上，且所述高速光电转换器位于所述振镜投射范围内靠近投射范围底部位置。
3.根据权利要求2所述的一种多MEMS振镜的大角度投影方法，其特征在于：所述初始化启动步骤进一步包括：通过驱动电路板将连续编码的正弦或二进制码依次输入到所述振镜，驱动所述振镜在工作频率下振动；将所述激光器的驱动信号发送至所有激光器，所述激光器的光强在驱动信号调整下形成明暗变化。
4.根据权利要求3所述的一种多MEMS振镜的大角度投影方法，其特征在于：所述投射边界对齐步骤进一步包括：通过相邻两个所述振镜之间的高速光电转换器确定相邻两个所述振镜投射的边界，通过调节各自激光器的驱动信号的时延，使用多个所述振镜的投射出来的图案消除重叠和间隙。
5.根据权利要求4所述的一种多MEMS振镜的大角度投影方法，其特征在于：所述通过相邻两个所述振镜之间的高速光电转换器确定相邻两个所述振镜投射的边界，进一步包括：获取所述高速光电转换器的脉冲信号，根据所述脉冲信号得到脉冲宽度，基于所述脉冲宽度调整所述振镜的扫描角，使所述振镜的扫描边界与所述高速光电转换器对齐。
6.根据权利要求5所述的一种多MEMS振镜的大角度投影方法，其特征在于：所述相位连续编码步骤进一步包括：通过调节多个所述激光器的驱动信号的时延，调节各个所述激光器投射的周期光栅图案的相位，使单个投射单元投射的图案光栅周期不变的情况下，多个投射单元投射的相位连续编码。
7.根据权利要求6所述的一种多MEMS振镜的大角度投影方法，其特征在于：所述光栅图案拍摄步骤进一步包括：所述驱动电路板输出同步触发信号至所述相机，所述相机根据触发信号实现光栅图案的拍摄。
8.根据权利要求7所述的一种多MEMS振镜的大角度投影方法，其特征在于：所述三维信息生成步骤进一步包括，将所述相机拍摄的光栅图案发送至计算单元，所述计算单元根据相移法成像原理得到被三维扫描物的三维信息。
9.一种基于多MEMS振镜的大角度投影系统，采用权利要求1-8中任一项所述的一种多MEMS振镜的大角度投影方法，其特征在于，所述系统包括：外壳和设在外壳内的相机、计算单元、驱动电路板和投射单元；所述投射单元由两个MEMS组合而成，每个所述MEMS包括依次设置的激光器、准直透镜、一字线棱镜和振镜，相邻两个所述振镜的对称线上设有高速光电转换器；
所述驱动电路板用于驱动所述激光器、所述振镜和所述相机；所述激光器用于发射点激光并使点激光依次经过所述准直透镜、所述一字线棱镜后入射至所述振镜表面，经所述振镜反射到被三维扫描物表面，形成周期光栅图案；所述驱动电路板用于调节多个所述激光器的驱动信号的时延，并结合所述高速光电转换器，使相邻两个所述振镜投射边界对齐；所述驱动电路板用于调节多个所述激光器的驱动信号的时延，使多个所述投射单元投射的相位连续编码；所述相机用于获取光栅图案并发送至所述计算单元；所述计算单元用于根据所述光栅图案生成被三维扫描物的三维信息。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1~8中任一项所述方法的步骤。
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