一种大景深可编程模拟光栅生成方法技术

本发明专利技术公开了一种大景深可编程模拟光栅生成方法，激光器发出的激光光束，经过准直透镜聚焦和准直之后，得到了满足要求的准直高斯激光光束；激光光束经过一次镜面反射，穿过圆孔光阑入射到MEMS振镜；光束经过MEMS振镜反射到被测物体表面；激光器在驱动板生成的正弦电流信号的控制下，对激光光束的亮度进行正弦调制；MEMS振镜在驱动板生成的驱动信号激励下，做二维的转动，从而带动激光光束进行扫描，产生光栅图。改变激光器驱动信号的周期和相位，以得到不同周期和相位的光栅图。本发明专利技术产生的光栅，兼具数字光栅可编程优势以及物理光栅高分辨率的优势。此外，所产生的光栅的景深扩大了10倍以上，测量范围得到了大幅度的提升。

A large depth of field programmable analog grating generation method

The invention discloses a large depth of field programmable analog grating generation method, the laser beam emitted from the laser, after collimating lens focusing and collimation, meet the requirements of Gauss beam of laser collimation; laser beam through a mirror reflection, through the round hole light mix is sent to a MEMS mirror; MEMS beam through the galvanometer the measured object surface; laser in control of sinusoidal current signal generated by the driving plate, the brightness of laser beam is modulated sinusoidally; drive excitation signal of MEMS mirror generated in the drive plate, rotating two dimension, so as to drive the laser beam scanning, raster image generation. Changing the period and phase of the laser drive signal to obtain grating patterns with different periods and phases. The grating produced by the invention has advantages of programmable advantages of digital grating and high resolution of physical grating. In addition, the depth of field produced by the grating is enlarged more than 10 times, and the measuring range is greatly improved.

【技术实现步骤摘要】
一种大景深可编程模拟光栅生成方法
：本专利技术属于光学检测领域，涉及一种光栅的产生方法，特别是一种大景深可编程模拟光栅的生成方法。
技术介绍
：三维测量技术作为沟通现实世界和虚拟的数字世界的桥梁，其重要作用越来越凸显。被广泛的应用于工业检测、医疗健康、数字娱乐、电子商务、文物保护等诸多行业。光学三维测量由于具有非接触、精度高、速度快的优势，已经发展成为三维检测领域最重要的技术。光学三维测量又可分为主动式和被动式两种。被动式测量方法以立体视觉为代表。但立体视觉技术系统结构简单，成本低。但存在着“匹配难”的瓶颈，而且运算量巨大，鲁棒性差的缺点。主动三维测量技术包括飞行时间法、结构光投影法、干涉法等。其中，由于结构光投影法系统简便，成本比较低，而且精度较高，因此应用最为广泛。结构光投影法，通常向被测物体表面投影特定的编码光，利用相机拍摄编码光在物体表面的调制信号，在进一步解调得到和深度信息有关的调制信号，最后经过标定得到物体表面的三维形貌。投射的编码光通常包括：正余弦光栅图，格雷码，颜色编码，随机形状编码等。其中正余弦光栅图投影测量法由于是相位测量法，精度较高、鲁棒性好，最为常用。在投射方式上，早期主要通过在玻璃等材质上刻蚀来产生投影图案，如罗奇光栅。随着半导体工业的飞速发展，20世纪90年代先后出现了多种数字化投影器件，如数字光投影测量技术包括LCD(LiquidCrystalDisplay)技术，DLP(DigitalLightProcessing)技术和LCOS(LiquidCrystalOnSilicon)技术。数字光技术向物体表面投射的经过数字化的信号，因此具有信号可编程的优势，这种优势使得时域去包裹技术成为可能，并能通过向物体表面投影不同的编码信号来提高测量精度。数字光技术的缺点在于存在分辨率的限制，通常分辨率在1280x800的水平，高分辨率的数字投影芯片的价格非常的昂贵。通过物理光栅向物体表面投影的则是模拟信号，即连续信号，因此分辨率很高(可认为是无限大的分辨率)。但物理光栅的缺点在于投影图案固定，使用不灵活。此外，无论数字光投影技术还是物理光栅投影的模拟图案，都是对底片的呈像，是一种成像关系，因此都存在着景深的限制。大大限制了三维测量的范围。
技术实现思路
：本专利技术的目的在于提供一种大景深可编程的模拟光栅产生方法。该方法以激光光束作为光源，通过二维MEMS扫描振镜反射到被测物体表面，二维MEMS扫描振镜在快慢两个方向的驱动电流激励下进行二维扫描。同时，激光器的光强被正弦(或余弦)调制。从而在被测物的表面形成连续分布的正(或余弦)弦光场。本专利技术的目的是通过以下技术方案来解决的：一种大景深可编程模拟光栅生成方法，按照如下步骤：激光器发出的激光光束，经过准直透镜聚焦和准直之后，得到了满足要求的准直高斯激光光束；激光光束经过一次镜面反射，穿过圆孔光阑入射到MEMS振镜；光束经过MEMS振镜反射到被测物体表面；激光器在驱动板生成的正弦电流信号的控制下，对激光光束的亮度进行正弦调制；MEMS振镜在驱动板生成的驱动信号激励下，做二维的转动，从而带动激光光束进行扫描，产生光栅图。具体步骤如下：第一步，设置系统光学参数：确定光栅的工作范围，根据光栅的工作距离确定最大工作距离L2，最小工作距离L1；景深范围内ΔL的最大光斑ωmax；单帧光栅图扫描的行数M，M由激光光束特性决定；第二步，生成MEMS振镜驱动信号：1)MEMS扫描振镜快轴驱动信号；2)MEMS扫描振镜慢轴驱动信号；3)激光器的驱动信号；第三步，生成光栅：利用第二步中产生的振镜驱动信号，驱动MEMS振镜进行二维扫描；利用第二步中产生的激光器驱动信号驱动激光器产生光强连续调制的激光光束；激光光束以一定的入射角照射到振镜表面，再经过振镜反射到物体表面，形成光强连续调制的模拟光栅光场；通过改变激光器驱动信号频率、相位；得到不同栅距、相位的光栅。所述MEMS振镜快轴驱动信号，是一种正弦波形的电流信号或余弦波形的电流信号，其频率fx等于MEMS扫描振镜快轴方向谐振频率f，其峰峰值Ix峰峰由MEMS振镜的参数确定。所述MEMS扫描振镜慢轴驱动信号，是一种正弦波形的电流信号、余弦波形的电流信号或者三角波形的电流信号，其频率为fy＝fx/M，其峰峰值Iy峰峰由MEMS振镜的参数确定。所述激光器的驱动信号，是一种正弦电流信号或余弦电流信号，信号的频率决定了投影正弦电流信号或余弦电流信号光栅的宽度，其最高频率fLD由其激光光束的特性决定。所述最高频率fLD计算方法如下：高斯光束的在不同距离处扫描得到的光栅，相当于理想光栅图通过一个线性高斯低通滤波器滤波，简单起见，只考虑一个方向，激光高斯光斑光强分布的傅立叶变换表示为:其中ω(L0)为投影面L0处的高斯光斑束腰半径，e是自然常数，u为频率；理想光栅的傅立叶变换为：F(u)＝δ(u)+0.5×B[δ(u+u0)+δ(u-u0)]；其中δ为冲击函数，B为三角函数的对比度，u0为三角函数对应的基准频率；根据卷积定理，空域滤波等价于频域相乘,即：F(u)H(u)＝H(u)+0.5×B[H(u+u0)+H(u-u0)]假设光栅图的对比度下降到原来的1/K,会模糊到严重影响测量精度程度，则H(u)＝H(0)/K时，解出对应的u即为光栅不模糊的最大频率f0；同理计算L1和L2处最大频率f1和f2；激光器驱动信号的的最大频率fLD＝max(f1，f2)。设置系统光学参数，按照如下步骤：1)确定光栅的工作范围：激光器发出的高斯激光光束经过准直透镜后，入射到MEMS扫描振镜上，再反射到物体表面，高斯光束的聚焦面在L0处，设计景深为ΔL，根据ABCD矩阵计算得光束在穿过透镜后的光斑大小，最大工作距离L2处光斑大小ω2，最小工作距离L1处光斑大小为ω1，通过下式1－1约束，最终确定L1和L2；2)计算光学分辨率：光学分辨率由光斑特性和振镜的转角确定。振镜快慢轴的转角为θx和θy，行数M的计算满足式1－2；生成光栅，按照如下步骤：激光器，发出的激光光束，经过准直透镜聚焦和准直之后，得到了满足第一步设计要求的准直高斯激光光束；为了减小光路体积，激光光束经过一次镜面反射，穿过圆孔光阑入射到MEMS振镜；光阑的作用是去除光束外围的杂散光，并改善光斑形状质量；光束经过MEMS振镜反射到被测物体表面；激光器在驱动板生成的正弦电流信号的控制下，对激光光束的光强进行正弦、或余弦调制；MEMS振镜在驱动板生成的驱动信号激励下，做二维的转动，从而带动激光光束进行扫描，产生光栅。有益效果：本专利技术利用激光光束的扫描产生光栅，相比数字光和物理光栅技术，所产生的光栅的景深扩大了10倍以上，测量范围得到了大幅度的提升；本专利技术所产生的光栅是可编程的空间连续分布的模拟光栅，相比数字光技术，减小了离散化的舍入误差。此外，所生成的光栅最小栅距很小。能大幅度提高三维测量精度。附图说明：图1为本专利技术的工作原理图；图2为本专利技术行同步信号的时序关系图；图3为本专利技术的系统结构图；图4为本专利技术的光栅工作范围内对比度示意图。其中：1为驱动板；2为激光器；3为准直透镜；4为镜面；5为MEMS振镜；6为非球面透镜；7为光栅图；8为圆孔光阑；9为激光光束；10为电脑。具体实施方式：下面具体结合本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大景深可编程模拟光栅生成方法，其特征在于，按照如下步骤：激光器发出的激光光束，经过准直透镜聚焦和准直之后，得到了满足要求的准直高斯激光光束；激光光束穿过光阑入射到MEMS扫描振镜；光束经过MEMS扫描振镜反射到被测物体表面；激光器在驱动板生成的正弦电流信号的控制下，对激光光束的亮度进行正弦调制；MEMS扫描振镜在驱动板生成的驱动信号激励下，做二维的转动，从而带动激光光束进行扫描，产生光栅图；改变激光器驱动信号的周期和相位，以得到不同周期和相位的光栅图。

【技术特征摘要】
1.一种大景深可编程模拟光栅生成方法，其特征在于，按照如下步骤：激光器发出的激光光束，经过准直透镜聚焦和准直之后，得到了满足要求的准直高斯激光光束；激光光束穿过光阑入射到MEMS扫描振镜；光束经过MEMS扫描振镜反射到被测物体表面；激光器在驱动板生成的正弦电流信号的控制下，对激光光束的亮度进行正弦调制；MEMS扫描振镜在驱动板生成的驱动信号激励下，做二维的转动，从而带动激光光束进行扫描，产生光栅图；改变激光器驱动信号的周期和相位，以得到不同周期和相位的光栅图。2.如权利要求1所述大景深可编程模拟光栅生成方法，其特征在于：第一步，设置系统光学参数：确定光栅的工作范围，根据光栅的工作距离确定最大工作距离L2，最小工作距离L1；景深范围内ΔL的最大光斑半径ωmax；单帧光栅图扫描的行数M；第二步，生成驱动信号：根据第一步确定的系统参数计算MEMS扫描振镜和激光器驱动信号的参数，并生成驱动信号。1)MEMS扫描振镜快轴驱动信号；2)MEMS扫描振镜慢轴驱动信号；3)激光器的驱动信号。第三步，生成光栅：利用第二步中产生的振镜驱动信号，驱动MEMS扫描振镜进行二维扫描；利用第二步中产生的激光器驱动信号驱动激光器产生光强连续调制的激光光束；激光光束以一定的入射角照射到振镜表面，再经过振镜反射到物体表面，形成光强连续调制的模拟光栅光场；通过改变激光器驱动信号频率、相位；得到不同栅距、相位的光栅。3.如权利要求2所述大景深可编程模拟光栅生成方法，其特征在于：所述MEMS扫描振镜快轴驱动信号，是一种正弦波形的电流信号或余弦波形的电流信号，其频率fx等于MEMS扫描振镜快轴方向谐振频率f，其峰峰值Ix峰峰由MEMS扫描振镜的参数确定。4.如权利要求2所述大景深可编程模拟光栅生成方法，其特征在于：所述MEMS扫描振镜慢轴驱动信号，是一种正弦波形的电流信号、余弦波形的电流信号或者三角波形的电流信号，其频率为fy＝fx/M，其峰峰值Iy峰峰由MEMS扫描振镜的参数确定。5.如权利要求2所述大景深可编程模拟光栅生成方法，其特征在于：所述激光器的驱动信号，是一种正弦电流信号或余弦电流信号，信号的频率决定了投影正弦电流信号或余弦电流信号光栅的宽度，其最高频率fLD由其激光光束的特性决定。6.如权利要求5所述大景深可编程模拟光...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨涛，金瑞，李泉，刘涛，马力，黄军旗，
申请(专利权)人：西安知象光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61