一种基于MEMS微镜的快速条纹投射与采集系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于MEMS微镜的快速条纹投射与采集系统，其包括点激光器、棱镜、一维MEMS微镜、正弦信号调制器、驱动控制电路、同步控制电路、频率控制电路、高速摄像机以及计算机。频率控制电路与正弦信号调制器以及点激光器相连接，点激光器输出端对应方向依次设置棱镜与一维MEMS微镜，一维MEMS微镜与驱动控制电路相连接，高速摄像机与同步控制电路和计算机相连接。点激光器发射出的点激光在棱镜的光学作用下形成线型激光并将其投射到一维MEMS微镜镜面，一维MEMS微镜在驱动控制电路的作用下进行高速谐振，对投射的线型激光进行反射形成一定范围的扫描面，结合频率控制电路对点激光器的开与关可在扫描面形成明暗相间的条纹图案，最后由同步控制电路控制高速摄像机采集条纹图像并传至计算机进行数据处理。本发明专利技术能够解决现有技术中三维测量中条纹投射速度不足的问题，结构简单可靠、可调节性强、检测速度快。

【技术实现步骤摘要】
一种基于MEMS微镜的快速条纹投射与采集系统
本专利技术属于三维视觉结构光成像领域，涉及一种基于MEMS微镜的快速条纹投射与采集系统。
技术介绍
三维视觉信息获取可分为两大类:被动视觉信息获取技术和主动视觉信息获取技术。被动视觉信息获取技术不采用主动照明进行三维重建，立体视觉是最常用的方法之一，立体视觉系统从至少两个不同的角度捕获图像，并对图像进行分析，从这些图像中找到对应的点，进行基于三角剖分的三维坐标计算，而主动视觉信息获取技术则是投射结构光进行三维重建，其具有技术成熟，重建精度高等优点。故三维视觉信息获取技术在面对高精度工业逆向工程及产品几何尺寸检测、辅助制造、产品数字化记录存档、大型设备虚拟装配验证起到重要作用。随着三维视觉信息获取技术应用到动态场景领域，其测量速度要求也越来越高，传统的DLP投影仪由于硬件结构设计将条纹投射频率限制于120Hz，这已经开始限制其在高速动态场景领域的使用。对于新型精密仪器三坐标测量机，其造价昂贵，结构庞大，且需与物体接触，对于易损害的文物并不适用，同样其测量速度慢，也限制其在高速动态场景下的应用。因此将结构光投射进行高速化，便携化将对人脸识别、人机交互、自动化测量、视觉导航、虚拟现实、航空航天以及医疗诊断等领域具有广阔的发展场景与重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于MEMS微镜的快速条纹投射与采集系统，能够实现高达1Khz的高速条纹投射。解决现有商用DLP投影仪与三坐标测量仪投射速度慢，体积大的问题。本专利技术所采用的技术方案是提供一种基于MEMS微镜的快速条纹投射系与采集系统，其包括点激光器、棱镜、一维MEMS微镜、正弦信号调制器、驱动控制电路、同步控制电路、频率控制电路、高速摄像机以及计算机。频率控制电路与正弦信号调制器以及点激光器相连接；点激光器输出端对应方向依次设置棱镜与一维MEMS微镜相连接；一维MEMS微镜与驱动控制电路相连接；高速摄像机与同步控制电路和计算机相连接。驱动控制电路为一维MEMS微镜提供驱动信号；棱镜使点激光转化为线激光；正弦信号调制器对激光进行正弦调制；频率控制电路控制点激光器的亮灭；同步控制电路为高速摄像机，一维MEMS微镜，激光器提供同步信号。点激光器发射出的点激光在棱镜的光学作用下形成线激光投射到一维MEMS微镜镜面，一维MEMS微镜在驱动控制电路的作用下进行高速谐振，对投射的线型激光进行反射形成一定范围的扫描面，结合频率控制电路对点激光器的开与关可在扫描面形成明暗相间的条纹图案，再经高速摄像机进行图像采集，将数据发送至计算机进行处理分析。本专利技术与现有技术相比，其优点有（1）器件小型化，便于携带，系统价格低廉（2）与传统的DLP投影仪相比，其投射速度进一步提升，可达1khz，更适合高速动态场景三维重建。附图说明图1是本专利技术一种基于MEMS微镜的快速条纹投射与采集系统的结构示意图图2是本专利技术点激光转为线激光的原理示意图图3是本专利技术线激光光束宽度与一维MEMS镜面的原理示意图图4是本专利技术棱镜与一维MEMS镜面距离的结构示意图图5是本专利技术能产生的二值码图案示意图图6是本专利技术能产生的格雷码图案示意图图7是本专利技术能产生的正弦光栅图案示意图图8是本专利技术激光调制信号与驱动信号的时序图图9是高速摄像机与图像切换的时序图图中标号:1-一维MEMS微镜2-点激光器3-棱镜4-高速摄像机5-待测物体6-正弦信号调制器7-频率控制电路8-驱动控制电路9-同步控制电路10-计算机。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进一步详细说明。根据图1，是本专利技术一种基于MEMS微镜的快速条纹投射与采集系统的结构示意图，该系统是由一维MEMS微镜1、点激光器2、棱镜3、高速摄像机4、待测物体5、正弦信号调制器6、频率控制电路7、驱动控制电路8、同步控制电路9以及计算机10。点激光器2与棱镜3相连接，棱镜使发射出的点激光形成线型激光。一维MEMS微镜1与棱镜3相对应，通过一维MEMS微镜1，使线型激光实现偏转，棱镜3与一维MEMS微镜1所成水平夹角为45°，通过一维MEMS微镜1的镜面反射下，将条纹图案投射于待测物体5。正弦信号调制器6与点激光器2相连接，负责点激光2进行正弦信号调制或者不调制。频率控制电路7与点激光器2相连接，负责点激光器2的打开与关闭。驱动控制电路8与一维MEMS微镜1相连接，负责一维MEMS微镜1的谐振驱动。同步控制电路9与频率控制电路7以及高速摄像机4相连接，负责相互之间的同步时序控制。正弦信号调制器6、频率控制电路7、驱动控制电路8、同步控制电路9与计算机10相连接，由计算机10统一控制。上述电路同时负责点激光器2开闭频率的控制，使点激光器2以及棱镜3投射出条纹图案并打在待测物体5，其由高速摄像机4进行采集，并将数据传至计算机10进行数据处理。根据图1与图2，要能使本专利技术投射出平面化的条纹图案，则需要使点激光器2通过棱镜3的光学作用，使点激光成为光密度均匀、稳定性好、直线性好的的线激光，同时通过一维MEMS微镜1对点激光进行反射才能形成稳定的条纹图案。根据图3，图中的圆形区域为一维MEMS微镜1镜面区域，矩形区域为打在一维MEMS微镜1镜面上线激光的光斑区域，图中r为一维MEMS微镜1镜面的半径，M为线激光的最大高度，为一维MEMS微镜1镜面圆心处半径与竖直方向的夹角，n为圆心到激光器左侧的距离。为使得点激光器2与棱镜3所形成的线激光光束全部打在一维MEMS微镜1镜面上，则线激光光束的高度不应大于M。通过几何关系可知。。根据图4，r为一维MEMS微镜1镜面的半径，l为棱镜3的宽度，L为棱镜3初始端到一维MEMS微镜1镜面的距离，h为棱镜3末端到一维MEMS微镜1镜面的距离，为棱镜3的发散角的一半。为使点激光2通过棱镜3后所形成的线激光高度小于图3中的M，让线激光光束完全打在一维MEMS微镜1镜面上，通过几何关系可知。。。即根据所得公式棱镜3末端到一维MEMS微镜1镜面的距离必须小于。。如此即可将线激光光束完全打在一维MEMS微镜1镜面之内。图5、图6与图7所相对应的二值码条纹图案，格雷码条纹图案以及正弦条纹图案。根据图8，一维MEMS微镜1驱动频率为其谐振频率的两倍，以保证一维MEMS微镜1的正常工作。单个一维MEMS微镜1的周期内，应包含多个正弦调制信号周期，以此保证进行正弦条纹图案投射时，每个微镜的扫描周期内有多个明暗相间的条纹。根据图9，当进行正弦条纹图案的移相或者不同条纹图案的切换时，并且位于图像切换信号的上升沿时，同时进行高速摄像机4的触发，保证条纹图案的拍摄。工作时，点激光器2发射出的点激光光束通过棱镜3后形线激光光束打在一维MEMS微镜1的中央，通过一维MEMS微镜1镜面的偏转将光束反射，再由频率控制电路7控制点激光器2的高速打开与关闭，驱动控制电路8控制一维MEMS微镜1的高速振动，则可形成相对应的明暗本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于MEMS微镜的快速条纹投射与采集系统，其特征在于，频率控制电路与正弦信号调制器以及点激光器相连接，点激光器输出端对应方向依次设置棱镜与一维MEMS微镜相连接，一维MEMS微镜与驱动控制电路相连接，高速摄像机与同步控制电路以及计算机相连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于MEMS微镜的快速条纹投射与采集系统，其特征在于，频率控制电路与正弦信号调制器以及点激光器相连接，点激光器输出端对应方向依次设置棱镜与一维MEMS微镜相连接，一维MEMS微镜与驱动控制电路相连接，高速摄像机与同步控制电路以及计算机相连接。


2.根据权利要求书1所述的一种基于MEMS微镜的快速条纹投射与采集系统，其特征在于，所述点激光器输出端与棱镜相对应，棱镜与一维MEMS微镜相对应，其中一维MEMS微镜成倾斜放置，高速摄像机与一维MEMS微镜相对应，并且两者应位于同一水平面。


3.根据权利要求书2所述的一种基于MEMS微镜的快速条纹投射与采集系统，其特征在于，所述线型激光可通过点激光器投射的激光光束在棱镜的光学作用下形成或利用完整的线激光器直接生成。


4.根据权利要求书1所述的一种基于MEMS微镜的快速条纹投射与采集系统，其特征在于，所述驱动控制电路驱动一维MEMS微镜进行谐振，其驱动频率应为其谐振频率的两倍。

【专利技术属性】
技术研发人员：徐锋，王康嘉，李瑾，
申请(专利权)人：西南科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51