CN207963768U - 一种基于mems振镜结构光模块的光电检测反馈系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于光电检测和微光机电系统(MOEMS)领域，具体涉及一种基于MEMS振镜结构光模块的光电检测反馈系统，包括基座、控制系统、第一光电探测器及第二光电探测器；遮挡窗包括透光区域及非透光区域；激光线光源发射的激光线沿振镜转轴方向发散入射到振镜反射镜面，经振镜反射镜面反射至遮挡窗，激光线中间部分从遮挡窗的透光区域出射，两端部分被遮挡窗的非透光区域遮挡；两个光电探测器分别接收当振镜位于初始位置或振镜转动到接近最大幅值处时，经振镜反射的激光线光源的两端部分，综合两个光电探测器的检测信号，精确得到并控制振镜的幅值和相位，保证振镜的稳定工作，并提高投射结构光图案的精度。

Description

一种基于MEMS振镜结构光模块的光电检测反馈系统

技术领域

本实用新型属于光电检测和微光机电系统(MOEMS)领域，具体涉及一种基于MEMS振镜产生的激光结构光模块利用光电检测实现振镜反馈控制的系统。

背景技术

随着很多全新技术的涌现，人们越来越需要用3D方法来表示现实世界中的物体。特别是机器视觉和机器人技术，它们都得益于精确和自适应的3D捕捉功能，其它针对3D扫描的应用还包括生物识别、安防、工业检测、3D模型建模设计与制造等。基于结构光扫描实现3D检测是一种新型高精度的测量方法，利用振镜配合激光线光源的调制是常用的获得时间编码结构光的常用手段，但要得到精确的3D测量数据，需保证扫描结构光的精度与稳定性，故要求可以准确的控制振镜的振动幅值与相位。

MEMS振镜尺寸小、功耗低、响应快、易集成，在光电检测领域有广泛的应用，但MEMS振镜的幅值与相位会随驱动电压、环境温度、湿度、大气压力等的变化而变化，因此，需一套反馈控制系统来实现振镜的精确反馈控制。

光电检测可直接探测振镜振动位置，得到振镜的幅值和相位信息，即得到微扭转镜的实时运动情况。专利CN201610221201.3中涉及一种MEMS振镜的光电反馈方法，但该专利中的光电传感器的检测信号会牺牲一部分振镜的扫描角度，限制振镜的有效扫描区域；且探测振镜相位的光电探测器，须布置在振镜振动的一定幅值处，远离振镜初始位置，振镜振动速度较慢，会降低相位检测的准确性。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种精度更高且不牺牲扫描范围的微振镜光电检测反馈系统，基于发散的激光线光源产生扫描结构光的特性，两个光电探测器分别接收当振镜位于初始位置或振镜转动到接近最大幅值处时，经振镜反射的激光线光源的两端部分，综合两个光电探测器的检测信号，精确得到并控制振镜的幅值和相位，保证振镜的稳定工作，并提高投射结构光图案的精度。

本实用新型的技术解决方案是提供一种基于MEMS振镜结构光模块的光电检测反馈系统，其特殊之处在于：包括基座、控制系统、第一光电探测器及第二光电探测器；

上述基座上固定激光线光源、振镜及遮挡窗；

上述遮挡窗包括透光区域及非透光区域；

上述激光线光源发射的激光线沿振镜转轴方向发散入射到振镜反射镜面，经振镜反射镜面反射至遮挡窗，激光线中间部分从遮挡窗的透光区域出射，两端部分被遮挡窗的非透光区域遮挡；

上述第一光电探测器用于接收当振镜位于初始位置时，经振镜反射镜面反射至遮挡窗非透光区域的激光线；

上述第二光电探测器用于接收当振镜位于最大幅值的50％-100％之间某一位置时，经振镜反射镜面反射至遮挡窗非透光区域的激光线；

上述控制系统用于根据第一光电探测器及第二光电探测器反馈信息控制振镜的振动幅值与相位，并调制激光线光源功率产生线结构光。

优选地，第一光电探测器及第二光电探测器均固定于遮挡窗的非透光区域上。

优选地，遮挡窗的透光区域材料为激光线光源波段透过率高的材质。

优选地，遮挡窗的非透光区域上还可以设有反射层，用于再次反射经振镜反射镜面反射至遮挡窗非透光区域的激光线；上述第一光电探测器及第二光电探测器均固定在基座上，用于接收通过反射层反射的激光线。

优选地，遮挡窗的材料为激光线光源波段透过率高的材质，遮挡窗的非透光区域沉积反射膜。

优选地，遮挡窗的透光区域或遮挡窗的材料为光学玻璃或光学塑料。

优选地，每隔设定周期，线结构光条纹亮区覆盖第一光电探测器及第二光电探测器感光区。

优选地，一幅线结构光条纹亮区同时覆盖第一光电探测器及第二光电探测器感光区或两幅线结构光条纹亮区分别覆盖第一光电探测器及第二光电探测器感光区。

优选地，上述振镜为MEMS振镜。

优选地，上述基座为具有开口的箱体，上述激光线光源、振镜、第一光电探测器及第二光电探测器位于箱体内部，上述遮挡窗固定在开口处。

与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果：本实用新型充分利用遮挡窗不同区域屏蔽激光线光源两头光功率不均匀的部分，在振镜反射的线光源传播过程中，于振镜的初始位置处和设定最大幅值附近分别设置两个光电探测器，分别用来计算振镜振动的相位和幅值，大大提高了反馈精度，也不损失振镜的扫描角度。

附图说明

图1为条纹结构光的产生示意图；

图2a为遮挡窗对光路的影响示意图；

图2b为遮挡窗正视图；

图3为实施例中基于MEMS振镜的结构光模块光电检测反馈系统结构示意图；

图4a为一幅条纹结构光反射激光线同时扫过两个光电探测器感光区示意图；

图4b为两幅条纹结构光反射激光线扫过第一光电探测器感光区示意图；

图4c为两幅结构光反射激光线扫过第二光电探测器感光区示意图。

图中附图标记为：1-振镜，11-振镜转轴，12-振镜镜面，2-激光线光源，3-线激光，4-条纹结构光；

21-线光源，22-反射光线传播路径，23-遮挡窗反射区域，24-遮挡窗透射区；

31-基座，33-振镜，34-遮挡窗，35-第一光电探测器，36-第二光电探测器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做详细阐述。

如图1示，发散型的激光线光源2发射的激光线沿振镜转轴11方向入射到振镜镜面12并被反射，得到发散的激光线3，在驱动振镜1振动过程中，激光线光源2发射的激光线便被扫描到一定角度范围的区域，调制激光线光源2的光功率，便可得到特定亮度变化的条纹结构光4。

因为激光线光源的产生一般是由点激光经特定光学透镜产生，线光源的两端部分光功率会明显不均匀，影响条纹结构光的质量，所以一般采取特定光阑屏蔽两头光功率不均匀的部分，本实施例用反射与透射组合镜片做遮挡窗(其他实施例中反射区域为非透光区域即可)，如图2a所示，遮挡窗透射部分24允许激光线光源21中间部分光功率均匀部分出射，遮挡窗反射部分23把线光源两头光功率不均匀部分激光线反射，阻止其沿光路继续传播，同时在其一侧反射光线传播路径22上布置光电探测器，用以探测振镜振动的幅值和相位(具体方法参见CN201610221201.3)，给控制系统提供振镜的位置和运动信息，从而实现振镜闭环反馈控制。

其中遮挡窗，如图2b所示，由激光线光源透过率比较高材质构成，如石英玻璃、K9玻璃等光学玻璃或光学塑料，并在其上沉积图形化的反射膜形成反射区域，透光区域可加镀其他介质膜，来实现增透或带通滤波的效果。

从图3可以看出，本实施例系统具体包括基座31，在该实施例中基座为具有开口的箱体，基座31内安装并固定激光线光源32、振镜33、第一光电探测器35和第二光电探测器36，还包括固定在开孔处的组合镜片(透射、反射)遮挡窗34，其他实施例中遮挡窗也可以只包括透光区域与遮光区域。

其中，激光线光源32发出的激光线沿振镜33转轴方向发散并入射到振镜33的反射镜面，再经过振镜33的反射镜面反射至组合镜片遮挡窗34，激光线光源32发出的激光线中间段部分从组合镜片遮挡窗34的透光区域24出射，两端部分被组合镜片遮挡窗34的反射区域23反射(当遮挡窗包括遮光区域时，两端部分被遮光区域遮挡)。

其中，组合镜片遮挡窗34在装配到基座上后，其透光区域24在振镜扫描方向保证足够扫描角度光线出射；反射区域(或遮光区域)布置在激光线发散方向较大发散角处即激光线光功率不均匀处，使该部分线光源反射(或入射)至光电探测器。第一光电探测器35设置在振镜于初始位置处遮挡窗反射激光线路径上，用来测振镜的相位(或直接设置在遮挡窗遮光区域，直接接收经振镜反射的激光线)；第二光电探测器36设置于振镜接近其振动到其最大幅值处遮挡窗反射激光线的路径上(或直接设置在遮挡窗遮光区域，直接接收经振镜反射的激光线)，用来测振镜的幅值，从而得到振镜的位置和运动信息，以实现振镜精确控制和提高投射结构光条纹图案的精度。

在此，要通过上述两个光电探测器实现振镜的精确反馈，首先需要对光电传感器位置进行标定(具体标定方法见CN201710757544.6谐振式扫描镜幅值测量系统及方法)，明确光电传感器与振镜幅值的对应关系，设第一光电探测器位于振镜在转角为θ₀’处反射激光线扫描路径上，第二光电探测器转角为θ_max’处反射激光线扫描路径上；其次控制结构光条纹分布，保证每隔一定周期，结构光模块可投射特定条纹，使光电探器可探测到振镜位置信号(要求条纹亮区完全覆盖光电探测器感光区)，从而实现振镜的调节控制。振镜反馈需求的结构光条纹具体如图4a、图4b及图4c示：结构光条纹中设置几幅亮区域足够宽的条纹，保证一幅条纹结构光反射激光线可同时扫过光电探测器感光区，得到振镜的幅值和相位，如图4a；或有两幅结构光图案反射激光线可分别扫过两个光电探测器感光区，以分别得到振镜的幅值和相位，如图4b和4c。

Claims (10)

1.一种基于MEMS振镜结构光模块的光电检测反馈系统，其特征在于：包括基座、控制系统、第一光电探测器及第二光电探测器；

所述基座上固定激光线光源、振镜及遮挡窗；

所述遮挡窗包括透光区域及非透光区域；

所述激光线光源发射的激光线沿振镜转轴方向发散入射到振镜反射镜面，经振镜反射镜面反射至遮挡窗，激光线中间部分从遮挡窗的透光区域出射，两端部分被遮挡窗的非透光区域遮挡；

所述第一光电探测器用于接收当振镜位于初始位置时，经振镜反射镜面反射至遮挡窗非透光区域的激光线；

所述第二光电探测器用于接收当振镜位于最大幅值的50％-100％之间某一位置时，经振镜反射镜面反射至遮挡窗非透光区域的激光线；

所述控制系统用于根据第一光电探测器及第二光电探测器反馈信息控制振镜的振动幅值与相位，并调制激光线光源功率产生线结构光。

2.根据权利要求1所述的一种基于MEMS振镜结构光模块的光电检测反馈系统，其特征在于：第一光电探测器及第二光电探测器均固定于遮挡窗的非透光区域上。

3.根据权利要求1或2所述的基于MEMS振镜结构光模块的光电检测反馈系统，其特征在于：遮挡窗的透光区域材料为激光线光源波段透过率高的材质。

4.根据权利要求1所述的一种基于MEMS振镜结构光模块的光电检测反馈系统，其特征在于：遮挡窗的非透光区域上设有反射层，用于再次反射经振镜反射镜面反射至遮挡窗非透光区域的激光线；所述第一光电探测器及第二光电探测器均固定在基座上，用于接收通过反射层反射的激光线。

5.根据权利要求4所述的基于MEMS振镜结构光模块的光电检测反馈系统，其特征在于：遮挡窗的材料为激光线光源波段透过率高的材质，遮挡窗的非透光区域沉积反射膜。

6.根据权利要求5所述的基于MEMS振镜结构光模块的光电检测反馈系统，其特征在于：遮挡窗的透光区域或遮挡窗的材料为光学玻璃或光学塑料。

7.根据权利要求6所述的基于MEMS振镜结构光模块的光电检测反馈系统，其特征在于：每隔设定周期，线结构光条纹亮区覆盖第一光电探测器及第二光电探测器感光区。

8.根据权利要求7所述的基于MEMS振镜结构光模块的光电检测反馈系统，其特征在于：一幅线结构光条纹亮区同时覆盖第一光电探测器及第二光电探测器感光区或两幅线结构光条纹亮区分别覆盖第一光电探测器及第二光电探测器感光区。

9.根据权利要求8所述的基于MEMS振镜结构光模块的光电检测反馈系统，其特征在于：所述振镜为MEMS振镜。

10.根据权利要求9所述的基于MEMS振镜结构光模块的光电检测反馈系统，其特征在于：所述基座为具有开口的箱体，所述激光线光源、振镜、第一光电探测器及第二光电探测器位于箱体内部，所述遮挡窗固定在开口处。