本发明专利技术公开了一种基于数字锁相环的结构光投影扫描方法，包括FPGA控制模块控制MEMS微镜通过自检模式自动匹配谐振频率，并通过振镜驱动电路驱动MEMS微镜至谐振状态；MEMS微镜输出正弦反馈信号；正弦反馈信号经比较器整形为方波信号，发送给数字锁相环电路；数字锁相环电路产生基准信号；将基准信号调制成任意周期的正弦畸变序列；FPGA控制模块开启激光器，激光器对正弦畸变序列均匀化处理后，出射光束通过整形透镜到达谐振运动的MEMS微镜上，反射投影出结构光；本发明专利技术基于锁相环原理的激光器出射光束与微镜扭转轨迹，实时动态同步，保证了光栅条纹等周期，动态调整相位，投影清晰稳定等亮度等周期的结构光光栅。定等亮度等周期的结构光光栅。定等亮度等周期的结构光光栅。
【技术实现步骤摘要】
一种基于数字锁相环的结构光投影扫描方法及系统
[0001]本专利技术涉及一种基于数字锁相环的结构光投影扫描方法及系统，属于条纹结构光扫描3D成像领域。
技术介绍
[0002]随着人工智能的发展，3D测量在工业检测、人机交互、生物识别等领域潜在巨大的应用空间，通常采用主动测量技术，即向被测物体投射经过调制的结构光，供后端摄像头获取物体表面的轮廓信息。由于激光单色性、方向性和相干性好，3D扫描通常用激光扫描来实现。
[0003]当前正弦条纹结构光生成技术仍然存在很大的改进和发展空间，首先因为不同的MEMS微镜谐振频率不同，即便同一批次生产的微镜谐振频率也会有的差别，在生产测试的过程中，需针对每一颗MEMS微镜，手动设置谐振频率；其次经过调制的激光光束，投射到高速振动的MEMS微镜上反射出去，如何让出射光束与微镜的运动轨迹同步，也是一个难题，传统的方式是设置一个对齐参数，通过摄像头观察扫描出的光栅条纹，手动调节该参数，以求达到散射出去的条纹空间周期相同，同时需要将谐振频率及对齐参数写入到外置存储器中保存，这需要依赖生产调试人员，大大降低了生产效率，所以如何改进现有技术，加快生产效率成为目前一项迫在眉睫的任务。
[0004]现有公开专利，专利号201710376171.X，专利名称为一种正弦结构光生成方法和系统，该专利技术公开了一种正弦结构光生成方法及系统，包括由以此排列设置的微振镜、双面透镜和激光器组成的光路，还包括微振镜驱动模块、激光器驱动模块、FPGA模块、ARM模块、微振镜反馈模块及激光器反馈模块组成的控制电路，系统上电后，激光器和微振镜在FPGA模块控制下形成初级稳定的正弦结构光光栅，在此过程中，ARM模块利用光电探测器和微镜反馈模块计算得到基于光电探测器位置的时刻点，FPGA模块利用预先存储的亮度时刻对应表匹配该时刻所对应的激光器亮度值，并利用该激光器亮度值调制激光器的亮度正弦分布特性，从而得到相对稳定的正弦结构光光栅。
[0005]但是，该专利技术存在以下不足：首先该专利技术需要ARM模块和光电探测器，成本偏高，结构复杂；其次针对不同频率MEMS微镜需要手动设置谐振频率保存到外置存储器中，效率较低；再次微镜反馈模块是由一个三极管共射放大电路构成，通过检测光电探测器的通断来判断MEMS微镜是否按指定轨迹运动，本身由分立元件搭成的反馈回路，一是集成度不高，二是误差受环境影响较大，MEMS微镜运动轨迹和激光器光束比较难同步。
技术实现思路
[0006]针对上述存在的技术问题，本专利技术的目的是：提出了一种基于数字锁相环的结构光投影扫描方法及系统，有效的提高条纹结构光空间均匀性及加快生产效率。
[0007]本专利技术的技术解决方案是这样实现的：一种基于数字锁相环的结构光投影扫描方法，包括如下步骤，
FPGA控制模块控制MEMS微镜通过自检模式自动匹配谐振频率，通过谐振频率追踪调节驱动MEMS微镜信号的频率产生稳定正弦信号，并通过振镜驱动电路驱动MEMS微镜至谐振状态；MEMS微镜在正弦信号作用下做谐振运动，实时输出与正弦信号同频不同相的正弦反馈信号；正弦反馈信号经比较器整形为方波信号，发送给FPGA控制模块内部的数字锁相环电路；数字锁相环电路根据输入的方波信号，产生在频率和相位上与方波信号同步的基准信号；将所述基准信号经过软件控制，调制成任意周期的正弦畸变序列；FPGA控制模块将产生的正弦畸变序列通过激光器驱动电路产生电流信号，开启激光器，激光器对正弦畸变序列均匀化处理后，出射光束通过整形透镜到达谐振运动的MEMS微镜上，反射投影出结构光。
[0008]优选的，FPGA控制模块控制MEMS微镜通过自检模式自动匹配谐振频率包括如下步骤，设定MEMS微镜固有频率范围，每次上电时，遍历该频率范围，通过ADC芯片采样MEMS微镜压阻的反馈信号，实时监测MEMS微镜振幅，得到MEMS微镜的固有频率；存储得到MEMS微镜的固有频率，作为基准频率；MEMS微镜处于谐振状态时，质点位移的相位与驱动信号的相位差为固定值A，若MEMS微镜的固有频率发生变化，则根据受迫振动的数学分析，得到受迫振动的频率与驱动信号频率相同，其中，驱动信号频率记为f，MEMS微镜的固有频率记为，受迫振动质点的位移相位与驱动信号相位差记为θ；当f<时，
‑
A<θ<0，质点位移的相位落后驱动信号的相位；当f=时，θ=
‑
A，质点位移的相位落后驱动信号的相位A；当f>时，
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π<θ<
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A，质点位移的相位超前驱动信号的相位；根据上述不同情况，MEMS微镜每振动到平衡位置时，比较器输出发生翻转产生方波信号，反馈信号处理模块检测方波信号上升沿产生脉冲信号，频率追踪模块根据脉冲信号，判断相位差并实时调整驱动信号频率，使MEMS微镜工作在谐振频率上。
[0009]优选的，所述FPGA控制模块内部通过DDS信号发生器产生驱动MEMS微镜的离散正弦信号，并输出给MEMS微镜驱动电路产生正弦电压信号，从而驱动MEMS微镜周期性振动。
[0010]优选的，所述数字锁相环电路实时动态追踪MEMS微镜的扭转轨迹，使出射光束与MEMS微镜运动轨迹同步。
[0011]优选的，所述数字锁相环电路实时动态追踪MEMS微镜的扭转轨迹，使出射光束与MEMS微镜运动轨迹同步，其步骤包括，DDS信号发生器产生MEMS微镜驱动正弦信号的同时产生相位信号，相位信号经过调制作为正弦波相位
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幅度表的地址输入信号，通过该地址输入信号查找得到一个新的离散正弦信号，对该正弦信号整形变换得到方波信号；将方波信号和输入到鉴相器，鉴相器比较和之间的相位差异，产生K变模可逆计数器的计数方向控制信号，K变模可逆计数器根据计数方向控制信号调整计数值，当计数方向控制信号为高进行减计数，并当计数值到达0时，则输出借位脉冲信号；当计数方向
控制信号为低进行加计数，并当计数值达到预设的K模值时，输出进位脉冲信号；脉冲加减电路根据借位脉冲信号和进位脉冲信号进行脉冲的增加和扣除来调整相位信号；经过数字锁相环的不断反馈调节，使基准信号不断追踪正弦反馈信号。
[0012]一种基于数字锁相环的结构光投影扫描系统，包括FPGA控制模块、微镜驱动模块、MEMS微镜、比较器、调制模块、激光器驱动模块、激光器和整形透镜；所述FPGA控制模块内设有DDS信号发生器和数字锁相环；所述DDS信号发生器与微镜驱动模块连接；所述微镜驱动模块与MEMS微镜连接；所述MEMS微镜内设有自动匹配模块；所述比较器分别与自动匹配模块和数字锁相环连接；所述数字锁相环与调制模块连接；所述调制模块与激光器驱动模块连接；所述激光器驱动模块与激光器连接；所述整形透镜分别与激光器和MEMS微镜配合使用。
[0013]优选的，所述FPGA控制模块控制MEMS微镜通过自动匹配模块匹配谐振频率，通过谐振频率追踪调节驱动MEMS微镜信号的频率产生稳定正弦信号，并通本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于数字锁相环的结构光投影扫描方法，其特征在于：包括如下步骤，FPGA控制模块控制MEMS微镜通过自检模式自动匹配谐振频率，通过谐振频率追踪调节驱动MEMS微镜信号的频率产生稳定正弦信号，并通过振镜驱动电路驱动MEMS微镜至谐振状态；MEMS微镜在正弦信号作用下做谐振运动，实时输出与正弦信号同频不同相的正弦反馈信号；正弦反馈信号经比较器整形为方波信号，发送给FPGA控制模块内部的数字锁相环电路；数字锁相环电路根据输入的方波信号，产生在频率和相位上与方波信号同步的基准信号；将所述基准信号经过软件控制，调制成任意周期的正弦畸变序列；FPGA控制模块将产生的正弦畸变序列通过激光器驱动电路产生电流信号，开启激光器，激光器对正弦畸变序列均匀化处理后，出射光束通过整形透镜到达谐振运动的MEMS微镜上，反射投影出结构光。2.如权利要求1所述的一种基于数字锁相环的结构光投影扫描方法，其特征在于：FPGA控制模块控制MEMS微镜通过自检模式自动匹配谐振频率包括如下步骤，设定MEMS微镜固有频率范围，每次上电时，遍历该频率范围，通过ADC芯片采样MEMS微镜压阻的反馈信号，实时监测MEMS微镜振幅，得到MEMS微镜的固有频率；存储得到MEMS微镜的固有频率，作为基准频率；MEMS微镜处于谐振状态时，质点位移的相位与驱动信号的相位差为固定值A，若MEMS微镜的固有频率发生变化，则根据受迫振动的数学分析，得到受迫振动的频率与驱动信号频率相同，其中，驱动信号频率记为f，MEMS微镜的固有频率记为，受迫振动质点的位移相位与驱动信号相位差记为θ；当f<时，
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A<θ<0，质点位移的相位落后驱动信号的相位；当f=时，θ=
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A，质点位移的相位落后驱动信号的相位A；当f>时，
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π<θ<
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A，质点位移的相位超前驱动信号的相位；根据上述不同情况，MEMS微镜每振动到平衡位置时，比较器输出发生翻转产生方波信号，反馈信号处理模块检测方波信号上升沿产生脉冲信号，频率追踪模块根据脉冲信号，判断相位差并实时调整驱动信号频率，使MEMS微镜工作在谐振频率上。3.如权利要求1所述的一种基于数字锁相环的结构光投影扫描方法，其特征在于：所述FPGA控制模块内部通过DDS信号发生器产生驱动MEMS微镜的离散正弦信号，并输出给MEMS微镜驱动电路产生正弦电压信号，从而驱动MEMS微镜周期性振动。4.如权利要求3所述的一...
【专利技术属性】
技术研发人员：李彩俊，刘欣，
申请(专利权)人：中科融合感知智能研究院苏州工业园区有限公司，
类型：发明
国别省市：
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