一种基于MEMS的3D结构光测量系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种基于MEMS的3D结构光测量系统，该系统包括同步控制电路、微镜驱动控制电路、微镜位置检测电路、激光驱动控制电路、图像运算处理器电路、图像采集设备、光源和MEMS微镜；所述同步控制电路分别与所述微镜驱动控制电路、所述微镜位置检测电路、所述激光驱动控制电路、所述图像运算处理器电路和所述图像采集设备连接；所述激光驱动控制电路与所述光源连接；所述微镜驱动控制电路分别与所述微镜位置检测电路和所述MEMS微镜连接；所述图像运算处理器电路与所述图像采集设备连接。本实用新型专利技术有效地解决了现有结构光测量系统速度低、功耗高、体积大的问题。体积大的问题。体积大的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于MEMS的3D结构光测量系统


[0001]本技术属于三维视觉结构光成像
，尤其涉及一种基于MEMS的3D结构光测量系统。

技术介绍

[0002]随着近年来信息技术和光电技术的进一步发展，针对三维结构光测量系统的速度、精度、功耗等方面的要求也越来越高。
[0003]传统的基于DLP投影方案的结构光测量系统依赖的核心是数字微镜器件(DMD)。DMD是由很多MEMS微镜单元组成的微镜阵列，其上的每一个MEMS微镜单元对应着投影出的图案上的每一个像素点，且每一个微镜单元均可以单独控制。通过控制微镜单元的偏转角度，可以实现使光线进入(开)或离开(关)光学投影系统，从而实现投影图案上的某一像素点的亮和灭。
[0004]由于DMD芯片上的每一个微镜单元对应着投影图案上的每一个像素点，DMD芯片上的微镜单元的数量决定了DLP投影方案的精度，因此为了实现尽可能高的精度，DMD芯片上的投影单元数量通常高达数十万甚至上百万，这就导致了DMD芯片存在体积较大的问题。而且，数量巨大的微镜单元增加了DMD芯片制造工艺的复杂度，导致其成本较高。此外，DLP投影方案的光学系统十分复杂，使得整个DLP投影系统的体积难以减小。最后，由于DLP投影系统的LED光源处于一直开启的状态，即使在没有投影图案的时候也不会关闭，这就导致了DLP投影系统存在光源功耗大的问题。
[0005]因此，目前的基于DLP的三维结构光测量系统存在体积大，功耗高，成本高，光学系统复杂的问题，不利于小型化和集成化，限制了其进一步的推广应用。r/>[0006]区别于DLP投影，本技术采用的LBS结构光投影方案使用的核心投影芯片是MEMS微镜。与DMD阵列不同，LBS投影方案使用的是单颗MEMS微镜芯片和激光光源。MEMS微镜芯片在特定的驱动电压下可以实现高速的、谐振式的扭转，通过将被高速调制的激光光源照射到MEMS微镜的镜面，再通过MEMS微镜的扫描即可实现对结构光图案的投影。基于LBS投影方案的三维结构光测量系统的分辨率由MEMS微镜的镜面尺寸、扫描角度和扫描频率决定。
[0007]由于LBS方案采用的MEMS微镜是单个微镜单元，相比于DMD具有制造工艺简单，成本低和体积小的优势；而且由于MEMS微镜是谐振式的扫描，其谐振频率高达2kHz及以上，因此LBS的投影帧率远高于DLP；且半导体激光器的调制频率可以高达GHz，相比于DLP方案，LBS方案还具有响应速度快的优势；另外，LBS的投影方案的光学系统通常采用激光光源，其光学系统简单，功耗低。因此，相比于DLP方案，LBS方案具有体积小，功耗低，成本低，光学系统简单，响应速度快，扫描帧率高的优势。
[0008]目前现有的基于LBS方案的三维结构光测量系统缺少对MEMS微镜的位置检测手段，无法高效获取MEMS微镜在偏转过程中的角度和相位信息，从而导致系统工作在开环状态下，无法得知系统的运行状态。当微镜的偏转角度发生变化时，会导致投影系统的视场发
生变化，从而导致对三维信息解算的不准确。由于MEMS微镜是一个二阶系统，且工作在谐振频率附近，其相频响应极易受环境因素(例如温度、振动、气压等)的影响，且在结构光三维测量系统中，三维重建的精度依赖于投影系统对结构光相位信息的准确表达。当微镜工作的相位发生变化时，会大大影响系统工作的准确度。因此，现有LBS投影方案对MEMS微镜角度和相位检测方法的缺失，或检测精度不够，大大制约了基于LBS方案的三维测量系统的发展和推广。

技术实现思路

[0009]本技术的目的在于，为克服现有技术缺陷，提供了一种基于MEMS的3D结构光测量系统,有效地解决了现有结构光测量系统速度低、功耗高、体积大的问题。
[0010]本技术目的通过下述技术方案来实现：
[0011]一种基于MEMS的3D结构光测量系统，所述系统包括同步控制电路、微镜驱动控制电路、微镜位置检测电路、激光驱动控制电路、图像运算处理器电路、图像采集设备、光源和MEMS微镜；
[0012]所述同步控制电路分别与所述微镜驱动控制电路、所述微镜位置检测电路、所述激光驱动控制电路、所述图像运算处理器电路和所述图像采集设备连接；
[0013]所述激光驱动控制电路与所述光源连接；
[0014]所述微镜驱动控制电路分别与所述微镜位置检测电路和所述MEMS微镜连接；
[0015]所述图像运算处理器电路与所述图像采集设备连接。
[0016]进一步的，所述光源包括激光器与光学单元，光学单元将点激光转换为准直均匀线激光。
[0017]进一步的，所述光学单元包括棱镜和透镜组合。
[0018]进一步的，所述图像采集设备包括角度可调节的黑白相机。
[0019]进一步的，所述图像运算处理器电路包括ARM处理器电路。
[0020]进一步的，所述同步控制电路包括FPGA同步控制电路。
[0021]进一步的，所述MEMS微镜角度可调，所述MEMS微镜反射后的出射光与所述黑白相机的采集视场在待测物体上中心重合。
[0022]进一步的，所述MEMS微镜包括一维静电微振镜。
[0023]另一方面，本技术还提供了一种采用前述任一种的基于MEMS的3D结构光测量系统的测量方法，所述方法包括：
[0024]同步控制电路按照预设频率驱动MEMS微镜进入谐振状态，同时通过MEMS位置检测电路实时反馈MEMS微镜的空间偏转角度；
[0025]将光源发射出的激光通过MEMS微镜反射形成面结构光模式图投影；
[0026]同步控制电路完成预设模式图投影后同步控制图像采集设备对待测物体上反射调制后的模式图进行采集；
[0027]图像运算处理器电路在获取图像数据后还原待测物的三维立体图像。
[0028]进一步的，所述将光源发射出的激光通过MEMS微镜反射形成面结构光模式图投影具体包括：
[0029]驱动激光器按照设定功率以及持续时间投射出明暗相间的点激光；
[0030]经光学单元和MEMS微镜反射后形成面结构光模式图投影；
[0031]线激光经过MEMS微镜反射后形成面激光；
[0032]其中，所述光学单元包括棱镜和透镜组合，用于将点激光转换为准直均匀线激光。
[0033]进一步的，所述面激光与所述图像采集设备相对待测物体呈一定角度，使结构光投影视场与图像采集设备在待测物体上中心重合。
[0034]进一步的，所述图像运算处理器电路在获取图像数据后还原待测物的三维立体图像具体包括：
[0035]对采集的图像数据进行包裹相位提取、相位解包裹、标定和3D重构，获得待测物三维立体图像。
[0036]进一步的，所述待测物三维立体图像包括待测物的三维深度信息和待测物的点云图与深度图。
[0037]本技术的有益效果在于：
[0038](1)本技术提供的基于MEMS的3D结构光测量系统及测量方法通过将高速MEMS微振镜、光本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于MEMS的3D结构光测量系统，其特征在于，所述系统包括同步控制电路、微镜驱动控制电路、微镜位置检测电路、激光驱动控制电路、图像运算处理器电路、图像采集设备、光源和MEMS微镜；所述同步控制电路分别与所述微镜驱动控制电路、所述微镜位置检测电路、所述激光驱动控制电路、所述图像运算处理器电路和所述图像采集设备连接；所述激光驱动控制电路与所述光源连接；所述微镜驱动控制电路分别与所述微镜位置检测电路和所述MEMS微镜连接；所述图像运算处理器电路与所述图像采集设备连接。2.如权利要求1所述的基于MEMS的3D结构光测量系统，其特征在于，所述光源包括激光器与光学单元，光学单元将点激光转换为准直均匀线激光。3.如权利要求2所述的基于MEMS的3D结构光测量系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：张新超，张瑞浩，谢会开，郑栋，
申请(专利权)人：北京理工大学重庆微电子研究院，
类型：新型
国别省市：