一種掃描式結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種掃描式結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)及其控制方法，包括：激光光源、微扭轉(zhuǎn)鏡、反饋模塊，以及控制模塊，其中，激光線沿平行于微扭轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)軸方向入射，該入射激光線被轉(zhuǎn)動的微扭轉(zhuǎn)鏡反射后，形成二維結(jié)構(gòu)光投影；反饋模塊與微扭轉(zhuǎn)鏡連接用以采集微扭轉(zhuǎn)鏡的振動頻率和位置，控制模塊的輸入端與反饋模塊的輸出端連接，用以接收反饋模塊的信號，控制模塊的輸出端與激光光源和微扭轉(zhuǎn)鏡連接，用以控制微扭轉(zhuǎn)鏡的運(yùn)動和激光光源的光功率，保證微扭轉(zhuǎn)鏡在相同扭轉(zhuǎn)角的情況下，激光光源輸出相同的光功率。
【專利說明】一種掃描式結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)及其控制方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于物體測量領(lǐng)域，特別是一種三維表面測量裝置，具體的涉及基于一維 自聚焦透鏡，利用MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡得到穩(wěn)定的掃描式結(jié)構(gòu)光投影圖像。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 三維物體表面輪廓測量，在機(jī)器視覺、生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)檢測、CAD/CAM等領(lǐng)域具有重 要意義，是反向工程和計(jì)算機(jī)視覺中的重要組成部分?；诠鈱W(xué)的三維測量技術(shù)，由于其具 有非接觸、高精度、易于自動控制等優(yōu)點(diǎn)獲得很大發(fā)展。現(xiàn)有的光學(xué)三維測量方法應(yīng)用最廣 泛的是通過對受三維物體面形調(diào)制的空間結(jié)構(gòu)光場進(jìn)行解調(diào)制來獲得三維物體面形信息， 所以得到穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)光是實(shí)現(xiàn)三維表面輪廓精確測量的前提。
[0003] 光學(xué)位相輪廓技術(shù)(PMP)是采用相移技術(shù)和正弦光柵投影相結(jié)合的三維測量方 法，對設(shè)備要求簡單，是目前最成熟可靠、高精度的三維測量方法，但對正弦光柵的標(biāo)準(zhǔn)性 和相移的準(zhǔn)確度要求較高，也需保證投射結(jié)構(gòu)光的穩(wěn)定性。
[0004] 現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)光投影技術(shù)主要利用LCD或DLP投影儀產(chǎn)生特定結(jié)構(gòu)光投射到被測物 體上，但系統(tǒng)復(fù)雜、體積龐大，成本高昂；另一種是，利用光柵投影出結(jié)構(gòu)光，在投影過程中 整體移動結(jié)構(gòu)光投影裝置、或調(diào)節(jié)投影焦距實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)光對投影對像的掃描，但刷新率低，測 量精度也不高。
[0005] 2013年6月英特爾公司提出了一種基于MEMS微反射鏡投影結(jié)構(gòu)光，利用柱面鏡把 激光束生成激光線，控制器控制激光光源開關(guān)和微扭轉(zhuǎn)鏡的傾斜得到二值編碼條紋的結(jié)構(gòu) 光;但用二值編碼條紋進(jìn)行3D測量，空間分辨率低;且結(jié)構(gòu)光的生成無反饋控制，無法保證 結(jié)構(gòu)光的穩(wěn)定。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0006] 本發(fā)明提出了一種掃描式結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)及其控制方法，以得到穩(wěn)定的掃描式結(jié) 構(gòu)光。
[0007] 本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0008] -種掃描式結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)，包括:激光光源、微扭轉(zhuǎn)鏡、反饋模塊，以及控制模 塊，其中，激光線沿平行于微扭轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)軸方向入射，該入射光線被轉(zhuǎn)動的微扭轉(zhuǎn)鏡反射后， 形成二維結(jié)構(gòu)光投影;反饋模塊與微扭轉(zhuǎn)鏡連接用以采集微扭轉(zhuǎn)鏡的振動頻率和位置，控 制模塊的輸入端與反饋模塊的輸出端連接，用以接收反饋模塊的信號，控制模塊的輸出端 與激光光源和微扭轉(zhuǎn)鏡連接，用以控制微扭轉(zhuǎn)鏡的運(yùn)動和激光光源的光功率，保證微扭轉(zhuǎn) 鏡在相同扭轉(zhuǎn)角的情況下，激光光源輸出相同的光功率。
[0009] 進(jìn)一步，激光光源發(fā)出的激光束通過自聚焦透鏡轉(zhuǎn)變?yōu)榧す饩€。
[0010] 進(jìn)一步，在激光線的入射光路上設(shè)置有截面光闌，以限制激光線兩側(cè)光強(qiáng)較弱的 部分繼續(xù)傳輸，改善結(jié)構(gòu)光光強(qiáng)的均勻性。
[0011] 進(jìn)一步，設(shè)激光線傳輸至截面光闌處的截面半徑為rx、ry，則截面光闌的尺寸a滿 足:a〈2rx，其中，a為激光線的寬度尺寸。
[0012] 進(jìn)一步，所述微扭轉(zhuǎn)鏡布置在自聚焦透鏡的焦點(diǎn)附近，保證入射到微扭轉(zhuǎn)鏡的激 光線光斑小于微扭轉(zhuǎn)鏡的反射面尺寸，以保證激光線完全入射到微扭轉(zhuǎn)鏡上，從而被完全 反射。
[0013] 進(jìn)一步，微扭轉(zhuǎn)鏡的可動鏡面上設(shè)置有金屬鍍層，作為反射層。
[0014] 進(jìn)一步，所述的反饋模塊包括采集單元和運(yùn)算器，所述采集單元用于采集微扭轉(zhuǎn) 鏡的振動頻率和位置，所述運(yùn)算器根據(jù)微扭轉(zhuǎn)鏡的位置計(jì)算得到微扭轉(zhuǎn)鏡的振動幅值和相 位。
[0015] 進(jìn)一步，微扭轉(zhuǎn)鏡的振動頻率和位置通過采集反射光信號得到，或者微扭轉(zhuǎn)鏡的 振動頻率和位置通過微扭轉(zhuǎn)鏡上設(shè)置的傳感器得到，所述傳感器反應(yīng)微扭轉(zhuǎn)鏡的位置、速 度、角速度、加速度、角加速度;所述傳感器包括電容傳感器、壓阻傳感器、壓電傳感器，或電 磁傳感器。
[0016] -種掃描式結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟：
[0017] (1)激光光源發(fā)出的光經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榧す饩€后，沿平行于微扭轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)軸方向入射到微 扭轉(zhuǎn)鏡上，該入射光線被轉(zhuǎn)動的微扭轉(zhuǎn)鏡反射后，形成二維結(jié)構(gòu)光投影；
[0018] (2)反饋模塊采集微扭轉(zhuǎn)鏡的位置和振動頻率，經(jīng)計(jì)算后，將微扭轉(zhuǎn)鏡的振動幅 值、相位和振動頻率傳送給控制模塊，控制模塊據(jù)此，調(diào)整微扭轉(zhuǎn)鏡的運(yùn)動和激光光源的光 功率，保證微扭轉(zhuǎn)鏡在相同扭轉(zhuǎn)角的情況下，激光光源輸出相同的光功率。
[0019] 進(jìn)一步，微扭轉(zhuǎn)鏡的振動頻率和位置通過采集反射光信號得到，或者微扭轉(zhuǎn)鏡的 振動頻率和位置通過微扭轉(zhuǎn)鏡上設(shè)置的傳感器得到，所述傳感器反應(yīng)微扭轉(zhuǎn)鏡的位置、速 度、角速度、加速度、角加速度。
[0020] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果:本發(fā)明提出了一種基于自聚焦 透鏡和MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的掃描式結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)，體積小、功耗低；同時(shí)結(jié)構(gòu)光刷新率最大可 與微扭轉(zhuǎn)鏡的振動頻率一致，刷新率高;反饋模塊實(shí)時(shí)反饋MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡反射鏡面的位置， 控制模塊同步控制MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡和激光光源光功率，可得到穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)光。
[0021 ]進(jìn)一步，自聚焦透鏡把激光束轉(zhuǎn)化點(diǎn)激光線，且該自聚焦透鏡是雙平面透鏡，調(diào)透 鏡長度即可調(diào)節(jié)焦距，焦距可做到很小，可會聚到其端面上，便于和準(zhǔn)直系統(tǒng)等光學(xué)系統(tǒng)集 成，也可大大簡化并減小光機(jī)系統(tǒng)體積。 【【附圖說明】】
[0022]圖1掃描式結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)圖；
[0023]圖2(a)為光闌截面圖；
[0024]圖2(b)激光束光功率高斯分布圖；
[0025]圖3(a)為多值結(jié)構(gòu)光光功率分布不意圖；
[0026]圖3(b)為二值結(jié)構(gòu)光光功率分布不意圖；
[0027]圖4結(jié)構(gòu)光生成與控制示意圖；
[0028] 圖5基于光電反饋的掃描式結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)圖；
[0029] 圖6基于電容反饋的掃描式結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)圖；
[0030] 圖7為單高速光電探器微扭轉(zhuǎn)鏡光電檢測系統(tǒng)示意圖；
[0031] 圖8為微扭轉(zhuǎn)鏡光電檢測信號流程圖；
[0032] 圖9為單高速光電探器光電檢測系統(tǒng)各部分信號圖，其中，（9-a)微扭轉(zhuǎn)鏡的運(yùn)動 圖；（9_b)高速光電探測器的感測信號圖；
[0033] 圖10為雙高速光電探器微扭轉(zhuǎn)鏡光電檢測系統(tǒng)示意圖；
[0034] 圖11為雙高速光電探器光電檢測系統(tǒng)各部分信號圖，其中，（ll_a)微扭轉(zhuǎn)鏡的運(yùn) 動圖；（11-b)高速光電探測器的感測信號圖；（11-c)高速光電探測器的感測信號圖；
[0035]圖12為圖7的另一種變形結(jié)構(gòu)不意圖。 【【具體實(shí)施方式】】
[0036]本發(fā)明提出了一種掃描式結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)，以得到穩(wěn)定的掃描式結(jié)構(gòu)光，采用技 術(shù)方案如下：
[0037] -種掃描式結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)，如圖1，包括激光光源10、自聚焦透鏡11，MEMS微扭轉(zhuǎn) 鏡13,反饋模塊16,控制模塊17。其中激光光源發(fā)出的激光束由自聚焦透鏡生成激光線12; 激光線12由MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡反射層反射，形成反射光線14,進(jìn)而得到二維結(jié)構(gòu)光15;反饋模塊 實(shí)時(shí)反饋MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的振動頻率與反射鏡面位置;控制模塊同步控制MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡運(yùn)動 和激光光源光功率。
[0038] 激光光源可被高速調(diào)制，其光功率在零到其最大功率之間可被連續(xù)調(diào)節(jié)或數(shù)字調(diào)
[0039] 自聚焦透鏡用來把激光束生成激光線，選擇合適長度的一維自聚焦透鏡，可得到 一定焦距一定發(fā)散角的激光線;優(yōu)選的一維自聚焦透鏡是長方體透鏡。
[0040] 自聚焦透鏡是一種面對稱輸自聚焦透鏡，即自聚焦透鏡的折射率關(guān)于中間面對 稱，并在重直于對稱面的方向上呈梯度變化，具體為折射率從對稱面向兩側(cè)逐漸減小，激光 光源發(fā)出的激光束沿平行于對稱面的方向入射到自聚焦透鏡上，從而得到重直于對稱面的 具有特定發(fā)散角的激光線。
[0041 ] MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的可動鏡面可繞其轉(zhuǎn)軸(X軸)實(shí)現(xiàn)一定頻率一定角度的扭轉(zhuǎn);激光 線沿平行于MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)軸方向入射，被繞其轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)的MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡反射面反射，從 而得到二維結(jié)構(gòu)光投影。
[0042] MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡，布置在自聚焦透鏡焦點(diǎn)附近，保證入射到微扭轉(zhuǎn)鏡的激光線光斑 小于其反射面尺寸，以保證激光線完全入射到MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡上，從而可被完全反射。
[0043] MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡具有可動鏡面，其上有金屬鍍層(具體根據(jù)激光光源波長選擇)作為 反射層，從而實(shí)現(xiàn)對入射激光線的高效率反射。
[0044]激光光源發(fā)出的激光束是高斯光束，由激光束轉(zhuǎn)變?yōu)榧す饩€后，激光線兩端光功 率會明顯小于中間部分，由此帶來2D結(jié)構(gòu)光光功率中間強(qiáng)兩邊很弱的情況，在此可選的，如 圖2,在激光束或者激光線的傳播路徑上設(shè)置一矩形截面光闌，設(shè)激光傳輸至該處截面半徑 為r x、ry，則矩形光闌X向?qū)挾萢(或者說光闌在激光線的寬度方向尺寸a)，a〈2rx，以限制激光 束X方向兩側(cè)光強(qiáng)弱的部分繼續(xù)傳輸，從而改善結(jié)構(gòu)光光強(qiáng)的均勻性;光闌高h(yuǎn)設(shè)置足夠大 或根據(jù)具體需求設(shè)置。
[0045]反饋模塊，實(shí)時(shí)采集MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的位置信號和振動頻率信號，經(jīng)其運(yùn)算器運(yùn)算 后實(shí)時(shí)得到MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的振動幅值和相位，并反饋給控制器。
[0046]反饋信號可通過高速光電探測器采集反射光信號得到;反饋信號也可由電信號提 供：電信號可以由MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡上集成的電容傳感器、或壓阻傳感器、或壓電傳感器、或電 磁傳感器等可反應(yīng)可動鏡面位置、（角)速度、（角)加速度等的傳感器提供。
[0047]控制模塊可同步控制MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡振動和激光光源光功率。控制器可控制MEMS微 扭轉(zhuǎn)鏡繞其扭轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)一定頻率和幅值的扭轉(zhuǎn);控制器可實(shí)現(xiàn)激光光源的調(diào)制，控制激光 光源的功率，其功率可在零到其最大功率之間任意設(shè)置，所以得到的結(jié)構(gòu)光可以是多值編 碼條紋，如光功率按正弦規(guī)律變化的正弦結(jié)構(gòu)光，如圖3(a);當(dāng)然也可以是二值編碼條紋， 如圖3(b)。
[0048]控制模塊可根據(jù)反饋模塊得到的MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的幅值、相位、頻率，實(shí)時(shí)控制MEMS 微扭轉(zhuǎn)鏡和激光光源功率，從而保證激光光源的功率和MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的轉(zhuǎn)角位置成一一對 應(yīng)關(guān)系，得到穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)光。如圖4,入射激光線12保持不變，微扭轉(zhuǎn)鏡13繞其轉(zhuǎn)軸(X軸)扭 轉(zhuǎn)，反射激光線14的投影位置取決于MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的具體扭轉(zhuǎn)角，根據(jù)反饋模塊實(shí)時(shí)反饋 的MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的幅值、相位、頻率，控制各個(gè)時(shí)刻激光光源的功率，從而保證MEMS微扭轉(zhuǎn) 鏡相同扭轉(zhuǎn)角下，激光光源可輸出相同的光功率，從而得到穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)光。
[0049] 本發(fā)明專利提出的基于自聚焦透鏡和MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的掃描式結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)及 其控制方法，體積小、功耗低；同時(shí)結(jié)構(gòu)光刷新率最大可與微扭轉(zhuǎn)鏡的振動頻率一致，刷新 率高;增加反饋模塊，實(shí)時(shí)反饋MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡反射鏡面的位置，控制器同步控制MEMS微扭轉(zhuǎn) 鏡和激光光源光功率，可得到穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)光;且激光光源光功率可被高速調(diào)制，不僅可到二 值亮度的結(jié)構(gòu)光，還可根據(jù)實(shí)際需要得到多值亮度的結(jié)構(gòu)光，如正弦結(jié)構(gòu)光，滿足高精度三 維光學(xué)測量所需結(jié)構(gòu)光的需要。
[0050] 下面根據(jù)附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做詳細(xì)闡述：
[0051 ] 實(shí)施例一
[0052]本實(shí)施例采用以下技術(shù)方案：
[0053] 一種基于光電反饋的掃描式結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)，如圖5,包括激光光源10、自聚焦透 鏡11，一MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡13，一光電反饋模塊46及控制模塊17。其中激光光源發(fā)出的激光束由 自聚焦透鏡生成激光線12;激光線12由MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡反射層反射，形成反射光線14,進(jìn)而得 到二維結(jié)構(gòu)光15;光電反饋模塊實(shí)時(shí)反饋MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的振動頻率與反射鏡面位置;控制 模塊同步控制MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡運(yùn)動和激光光源光功率。
[0054] 激光光源波長808nm，最大功率100mW，可被高速調(diào)制，其光功率從0到100mW之間可 被連續(xù)調(diào)節(jié)或數(shù)字調(diào)節(jié)。
[0055]在此選用長方體一維自聚焦透鏡，用來把激光束生成激光線，自聚焦透鏡長度設(shè) 為2.2mm，焦距1.8mm，可得到發(fā)散角45°的激光線。
[0056] MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的可動鏡面可繞其轉(zhuǎn)軸(X軸)實(shí)現(xiàn)5KHz左右，±20度的機(jī)械角扭轉(zhuǎn)， 從而線光源沿平行于MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)軸方向入射時(shí)，被正在繞其轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)的MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡 的反射面反射，得到二維結(jié)構(gòu)光投影。
[0057] MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡，布置在自聚焦透鏡焦點(diǎn)附近，保證入射到微扭轉(zhuǎn)鏡的激光線光斑 小于其反射面尺寸，以保證激光線完全入射到MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡上，從而可被完全反射。
[0058] MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡具有可動鏡面，其上有有金膜作為反射層，提高對激光線光源的反 射率。
[0059] 激光光源發(fā)出的激光束光斑直徑約0.8mm，在光束入射到自聚焦透鏡前用a = 0.6mm，h = 1 mm的矩形截面光闌限制激光束沿X向兩側(cè)較小光功率部分的繼續(xù)傳輸，從而改 善得到的結(jié)構(gòu)光的均勻性。
[0060] 光電反饋模塊由反射鏡和高速光電探測器檢測模塊組成，其中反射鏡把對應(yīng)位置 處出射的激光線反射到高速光電探測器上，高速光電探測器產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)其運(yùn)算器運(yùn) 算后可實(shí)時(shí)得到MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的振動幅值、相位和頻率，并反饋給控制器。
[0061 ] 控制模塊可同步控制MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡振動和激光光源光功率?？刂破骺蓪?shí)現(xiàn)激光光 源的調(diào)制，控制激光光源的功率，其功率可在〇到l〇〇mW之間任意設(shè)置，所以得到的結(jié)構(gòu)光可 以是多值編碼條紋，如光功率按正弦規(guī)律變化的正弦結(jié)構(gòu)光，如圖3(a);當(dāng)然也可以是二值 編碼條紋，如圖3(b)?？刂颇K可根據(jù)反饋模塊提供的MEMS微扭轉(zhuǎn)振動信息，通過控制其驅(qū) 動信號，使MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡繞其扭轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定頻率和穩(wěn)定幅值的扭轉(zhuǎn)。
[0062]控制模塊可根據(jù)反饋模塊得到的MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的幅值、相位、頻率，實(shí)時(shí)控制MEMS 微扭轉(zhuǎn)鏡和激光光源功率，從而保證激光光源的功率和MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的轉(zhuǎn)角位置成一一對 應(yīng)關(guān)系，得到穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)光。如圖4,入射激光線12保持不變，微扭轉(zhuǎn)鏡13繞其轉(zhuǎn)軸(X軸)扭 轉(zhuǎn)，反射激光線14的投影位置取決于MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的具體扭轉(zhuǎn)角，根據(jù)反饋模塊實(shí)時(shí)反饋 的MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的幅值、相位、頻率，控制各個(gè)時(shí)刻激光光源的功率，從而保證MEMS微扭轉(zhuǎn) 鏡相同扭轉(zhuǎn)角下，激光光源可輸出相同的光功率，從而得到穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)光。
[0063] 實(shí)施例二
[0064]本實(shí)施例采用以下技術(shù)方案：
[0065] -種基于電容反饋的掃描式結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)，如圖5,包括激光光源10、自聚焦透 鏡11，一MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡13，一電容反饋模塊46及控制模塊17。其中激光光源發(fā)出的激光束由 自聚焦透鏡生成激光線12;激光線12由MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡反射層反射，形成反射光線14,進(jìn)而得 到二維結(jié)構(gòu)光15;反饋模塊實(shí)時(shí)反饋MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的振動頻率與反射鏡面位置;控制模塊 同步控制MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡運(yùn)動和激光光源光功率。
[0066] 激光光源波長660nm，最大功率50mW，可被高速調(diào)制，其光功率從0到50mW之間可被 連續(xù)調(diào)節(jié)或數(shù)字調(diào)節(jié)。
[0067]在此選用長方體自聚焦透鏡，用來把激光束生成激光線，自聚焦透鏡長度設(shè)為 2mm，焦距2mm，可得到發(fā)散角55°的激光線；
[0068] MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的可動鏡面可繞其轉(zhuǎn)軸(X軸）實(shí)現(xiàn)1 lKHz左右，± 20度的機(jī)械角扭 轉(zhuǎn)，從而線光源沿平行于MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)軸方向入射時(shí)，被正在繞其轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)的MEMS微扭 轉(zhuǎn)鏡的反射面反射，得到二維結(jié)構(gòu)光投影。
[0069] MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡具有可動鏡面，其上有金膜作為反射層，提高對激光線光源的反射 率。
[0070] MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡自身集成了電容傳感器。
[0071 ]電容反饋模塊可根據(jù)MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡振動過程中電容傳感器提供的電容變化信號， 經(jīng)其運(yùn)算器運(yùn)算后可實(shí)時(shí)得到MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的振動幅值、相位和頻率，并反饋給控制模塊。 [0072] 控制模塊可同步控制MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡振動和激光光源光功率。控制器可實(shí)現(xiàn)激光光 源的調(diào)制，控制激光光源的功率，其功率可在0_50mW之間任意設(shè)置，所以得到的結(jié)構(gòu)光可以 是多值編碼條紋，如光功率按正弦規(guī)律變化的正弦結(jié)構(gòu)光，如圖3(a);當(dāng)然也可以是二值編 碼條紋，如圖3 (b)?？刂颇K可根據(jù)反饋模塊提供的MEMS微扭轉(zhuǎn)振動信息，通過控制其驅(qū)動 信號，使MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡繞其扭轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定頻率和穩(wěn)定幅值的扭轉(zhuǎn)。
[0073]控制模塊可根據(jù)反饋模塊得到的MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的幅值、相位、頻率，實(shí)時(shí)控制MEMS 微扭轉(zhuǎn)鏡和激光光源功率，從而保證激光光源的功率和MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的轉(zhuǎn)角位置成一一對 應(yīng)關(guān)系，得到穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)光。如圖4,入射激光線12保持不變，微扭轉(zhuǎn)鏡13繞其轉(zhuǎn)軸(X軸)扭 轉(zhuǎn)，反射激光線14的投影位置取決于MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的具體扭轉(zhuǎn)角，根據(jù)反饋模塊實(shí)時(shí)反饋 的MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的幅值、相位、頻率，控制各個(gè)時(shí)刻激光光源的功率，從而保證MEMS微扭轉(zhuǎn) 鏡相同扭轉(zhuǎn)角下，激光光源可輸出相同的光功率，從而得到穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)光。
[0074] 本發(fā)明、電容反饋模塊根據(jù)MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡振動過程中高速光電探測器產(chǎn)生脈沖信 號或者電容傳感器提供的電容變化信號，經(jīng)其運(yùn)算器運(yùn)算后可實(shí)時(shí)得到MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的振 動幅值、相位和頻率，具體是通過以下系統(tǒng)和方法實(shí)現(xiàn)的：
[0075] 第一種情況:采用一個(gè)光電探測器，實(shí)現(xiàn)微扭轉(zhuǎn)鏡振動幅值和相位的計(jì)算。
[0076]請參閱圖7所示，系統(tǒng)10'主要包括具有透光區(qū)12'的固定框11'、靠近透光區(qū)12'邊 緣的固定框內(nèi)一側(cè)布有一個(gè)高速光電探測器13'、固定在固定框11'內(nèi)的諧振式微扭轉(zhuǎn)鏡 14'和激光器15'。
[0077] 高速光電探測器13'、固定在固定框內(nèi)的微扭轉(zhuǎn)鏡14 '和激光器15 '均固定在固定 框11'上，并保證各組件的定位關(guān)系和定位精度，該固定框11'透光區(qū)12'的四周為不透光材 質(zhì)；從激光器15'出射的激光光線經(jīng)微扭轉(zhuǎn)鏡14'反射后射出，掃描范圍為比高速光電探測 器位于0范圍內(nèi)掃描角度為a的邊界處(a〈0)，并在微扭轉(zhuǎn)鏡的掃描路徑上，即固定框內(nèi)部透 光區(qū)與不透光交界處。具體地說，高速光電探測器13'布置在固定框11'的邊緣，且設(shè)置在微 扭轉(zhuǎn)鏡的掃描范圍內(nèi)，但是高速光電探測器13'沒有布置在透光區(qū)12'。
[0078] 請結(jié)合圖8和圖9所示：當(dāng)激光器15'射出的光經(jīng)微扭轉(zhuǎn)鏡14'反射，掃描經(jīng)過高速 光電探測器13'時(shí)，光電探測器13'可感知到微扭轉(zhuǎn)鏡的位置信號，控制系統(tǒng)根據(jù)時(shí)間等因 素運(yùn)算可得到微扭轉(zhuǎn)鏡振動的幅值和相位。
[0079]計(jì)算原理具體如下:激光器15'、微扭轉(zhuǎn)鏡14'、光電探測器13'安裝固定在固定框 11'內(nèi)，位置明確，均為已知；以光電探測器產(chǎn)生的兩相鄰(時(shí)間間隔小于T/2)脈沖信號中首 個(gè)脈沖信號產(chǎn)生的時(shí)刻點(diǎn)為計(jì)時(shí)起始點(diǎn)，取微扭轉(zhuǎn)鏡14'的一個(gè)振動周期T，^時(shí)刻和^時(shí) 亥IJ，微扭轉(zhuǎn)鏡反射的光線經(jīng)過光電探測器13'，此時(shí)微扭轉(zhuǎn)鏡的位置幅值為cU，探測器感測 到微扭轉(zhuǎn)鏡反射光掃描經(jīng)過的信號，t#Pt2時(shí)刻的中間
-微扭轉(zhuǎn)鏡達(dá)到最大幅值，
時(shí)刻掃描鏡位于初始位置;微扭轉(zhuǎn)鏡的振動幅值A(chǔ)o和初相位0的運(yùn)算如下：
[0080] 幅值運(yùn)算：
[0086] 如上兩式相加得：
[0091]第二種情況:采用兩個(gè)光電探測器，其中，一個(gè)光電探測器是用于計(jì)算微扭轉(zhuǎn)鏡的 振動幅值和相位，另外一個(gè)光電探測器是用于抵消因封蓋在固定框架上的裝配、及微扭轉(zhuǎn) 鏡和激光器安裝引起的微扭轉(zhuǎn)鏡幅值偏差。
[0092]系統(tǒng)組成如圖10'，該系統(tǒng)20'主要包括具有透光區(qū)12'的固定框11'、靠近透光區(qū) 12'邊緣的固定框11'內(nèi)兩側(cè)各布有一個(gè)高速光電探測器13'和46'、固定在固定框11'內(nèi)的 諧振式微扭轉(zhuǎn)鏡14'和激光器15'。
[0093]高速光電探測器13 '和46 '、固定在固定框11'內(nèi)的微扭轉(zhuǎn)鏡14 '和激光器15 '均固 定在固定框11'上，并保證各組件的定位關(guān)系和定位精度，該固定框11'透光區(qū)12'的四周為 不透光材質(zhì)；從激光器15'出射的激光光線經(jīng)微扭轉(zhuǎn)鏡14'反射后射出，掃描范圍為比高速 光電探測器13'和46'位于0范圍內(nèi)掃描角度為a的邊界處(a〈0)，并在微扭轉(zhuǎn)鏡的掃描路徑 上，即固定框內(nèi)部透光區(qū)與不透光交界處。
[0094]與采用一個(gè)光電探測器相比，增加了第二高速光電探測器46'，目的在于可減少由 于裝配誤差帶來的振動幅值計(jì)算的誤差。裝配過程中把兩高速光電探測器裝配到固定框封 蓋上各自的位置偏差帶來的微扭轉(zhuǎn)鏡振動幅值偏差為A :和A 2，設(shè)封蓋與固定框之間的裝 配誤差與微扭轉(zhuǎn)鏡、激光器裝配誤差帶來的微扭轉(zhuǎn)鏡振動幅值總偏差A(yù) :如圖10示：當(dāng)激光 器射出的光經(jīng)微扭轉(zhuǎn)鏡反射，掃描經(jīng)過高速光電探測器13 '和46 '時(shí)，光電探測器可感知到 微扭轉(zhuǎn)鏡的位置信號，控制系統(tǒng)根據(jù)時(shí)間等因素運(yùn)算可得到微扭轉(zhuǎn)鏡振動的幅值和相位， 微扭轉(zhuǎn)鏡的運(yùn)動、光電探測器感知的信號如圖11示。
[0095]激光器15 '、微扭轉(zhuǎn)鏡14 '、光電探測器13 '和46 '安裝固定在固定框內(nèi)，位置明確， 均為已知；以光電探測器13'或46'其中一個(gè)(此處以光電探測器13'為例)產(chǎn)生的兩相鄰(時(shí) 間間隔小于T/2)脈沖信號中首個(gè)脈沖信號產(chǎn)生的時(shí)刻點(diǎn)為計(jì)時(shí)起始點(diǎn)，如圖11示，取微扭 轉(zhuǎn)鏡的一個(gè)振動周期T，^時(shí)刻和t 2時(shí)刻，微扭轉(zhuǎn)鏡反射的光線經(jīng)過光電探測器13'，此時(shí)微 扭轉(zhuǎn)鏡的位置幅值為cU，探測器13'感測到微扭轉(zhuǎn)鏡反射光掃描經(jīng)過的信號，并產(chǎn)生脈沖信 號;t 3時(shí)刻和t4時(shí)刻，微扭轉(zhuǎn)鏡反射的光線經(jīng)過光電探測器46'，此時(shí)微扭轉(zhuǎn)鏡的位置幅值為 d2，探測器46 '感測到微扭轉(zhuǎn)鏡反射光掃描經(jīng)過的信號，并產(chǎn)生脈沖信號，
刻掃描鏡位于初始位置;考慮裝配誤差，微扭轉(zhuǎn)鏡的振動幅值A(chǔ)o運(yùn)算原理如下：
[0096] 對于高速光電探測器13'：
[0105] Aq*cos(jt A ti/T) =di+A i+A [0106] 對于高速光電探測器46'：
[0115] Ao*cos(jt A t2/T) =d2+ A 2- A
[0116] 綜合高速光電傳感器13'和46'：
[0118]從式中可看出，綜合考慮高速光電傳感器13'和46'，封蓋與固定框之間的裝配誤 差與微扭轉(zhuǎn)鏡、激光器裝配誤差引起的微扭轉(zhuǎn)鏡振動幅值總偏差A(yù)被抵消，減小了幅值計(jì) 算誤差。
[0119]采用一個(gè)光電探測器，還可以有變形形式，例如在微扭轉(zhuǎn)鏡掃描角度為a的邊界處 (a〈0)，并在1D微扭轉(zhuǎn)鏡的掃描路徑上設(shè)置一反射鏡66'，當(dāng)微扭轉(zhuǎn)鏡掃描至該處時(shí)，掃描光 線經(jīng)反射鏡反射至光電探測器13 '上，如圖12，同樣可測得微扭轉(zhuǎn)鏡的相位和幅值信息。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種掃描式結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)，其特征在于:包括:激光光源（10)、微扭轉(zhuǎn)鏡、反饋模塊 (16)，以及控制模塊（17)，其中，激光線（12)沿平行于微扭轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)軸方向入射，該入射光線 被轉(zhuǎn)動的微扭轉(zhuǎn)鏡反射后，形成二維結(jié)構(gòu)光投影;反饋模塊與微扭轉(zhuǎn)鏡連接用以采集微扭 轉(zhuǎn)鏡的振動頻率和位置，控制模塊的輸入端與反饋模塊的輸出端連接，用以接收反饋模塊 的信號，控制模塊的輸出端與激光光源和微扭轉(zhuǎn)鏡連接，用以控制微扭轉(zhuǎn)鏡的運(yùn)動和激光 光源的光功率，保證微扭轉(zhuǎn)鏡在相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角下，激光光源輸出與目標(biāo)結(jié)構(gòu)光圖案相符的 光功率。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種掃描式結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)，其特征在于:激光光源發(fā)出的激 光束通過自聚焦透鏡(11)轉(zhuǎn)變?yōu)榧す饩€。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種掃描式結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)，其特征在于:在激光線的入射光 路上設(shè)置有截面光闌，以限制激光線兩側(cè)光強(qiáng)較弱的部分繼續(xù)傳輸，改善結(jié)構(gòu)光光強(qiáng)的均 勻性。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種掃描式結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)，其特征在于:設(shè)激光線傳輸至截 面光闌處的截面半徑為rx、r y，則截面光闌的尺寸a滿足:a〈2rx，其中，a為激光線的寬度尺 寸。5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種掃描式結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)，其特征在于:所述微扭轉(zhuǎn)鏡布置 在自聚焦透鏡的焦點(diǎn)附近，保證入射到微扭轉(zhuǎn)鏡的激光線光斑小于微扭轉(zhuǎn)鏡的反射面尺 寸，以保證激光線完全入射到微扭轉(zhuǎn)鏡上，從而被完全反射。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種掃描式結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)，其特征在于:微扭轉(zhuǎn)鏡的可動鏡 面上設(shè)置有金屬鍍層，作為反射層。7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的一種掃描式結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)，其特征在于:所述 的反饋模塊包括采集單元和運(yùn)算器，所述采集單元用于采集微扭轉(zhuǎn)鏡的振動頻率和位置， 所述運(yùn)算器根據(jù)微扭轉(zhuǎn)鏡的位置計(jì)算得到微扭轉(zhuǎn)鏡的振動幅值和相位。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種掃描式結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)，其特征在于:微扭轉(zhuǎn)鏡的振動頻 率和位置通過采集反射光信號得到，或者微扭轉(zhuǎn)鏡的振動頻率和位置通過微扭轉(zhuǎn)鏡上設(shè)置 的傳感器得到，所述傳感器反應(yīng)微扭轉(zhuǎn)鏡的位置、速度、角速度、加速度、角加速度;所述傳 感器包括電容傳感器、壓阻傳感器、壓電傳感器，或電磁傳感器。9. 一種基于權(quán)利要求1至8中任意一項(xiàng)所述的掃描式結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)的控制方法，其特 征在于:包括以下步驟： (1) 激光光源發(fā)出的光經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榧す饩€后，沿平行于微扭轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)軸方向入射到微扭轉(zhuǎn) 鏡上，該入射光線被轉(zhuǎn)動的微扭轉(zhuǎn)鏡反射后，形成二維結(jié)構(gòu)光投影； (2) 反饋模塊采集微扭轉(zhuǎn)鏡的位置和振動頻率，經(jīng)計(jì)算后，將微扭轉(zhuǎn)鏡的振動幅值、相 位和振動頻率傳送給控制模塊，控制模塊據(jù)此，調(diào)整微扭轉(zhuǎn)鏡的運(yùn)動和激光光源的光功率， 保證微扭轉(zhuǎn)鏡在相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角下，激光光源輸出與圖案相符的光功率。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種掃描式結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)的控制方法，其特征在于:微扭 轉(zhuǎn)鏡的振動頻率和位置通過采集反射光信號得到，或者微扭轉(zhuǎn)鏡的振動頻率和位置通過微 扭轉(zhuǎn)鏡上設(shè)置的傳感器得到，所述傳感器反應(yīng)微扭轉(zhuǎn)鏡的位置、速度、角速度、加速度、角加 速度。
【文檔編號】G02B26/08GK106052592SQ201610497717
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月28日
【發(fā)明人】夏長鋒, 宋秀敏, 喬大勇, 游橋明
【申請人】西安勵德微系統(tǒng)科技有限公司