基于MEMS扫描微镜的小型化无镜头激光三维成像系统及其成像方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于MEMS扫描微镜的小型化无镜头激光三维成像系统及其成像方法，该系统采用红、绿、蓝三色激光器作为照明光源，三色激光输出光功率经调制后组合为一束白光投射到目标表面；使用光电接收器组接收目标表面散射光中的红、绿、蓝光分量，并由测量电路获得单个被测像素的距离值和三色光分量的幅度值。微控制器根据三色光分量的幅度值计算单个被测像素的三色亮度值，并利用实时距离平方修正方法获得该像素的三色真实亮度值。微控制器控制MEMS微镜进行扫描，获得全部像素的距离值和真实亮度值，并组合生成目标的深度图像和灰度图像，最终获得目标的三维彩色图像。本发明专利技术无需光学镜头，成像分辨率高、速度快、结构简单、便于小型化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及三维成像
，特别涉及一种基于MEMS扫描微镜的小型化无镜头激光三维成像系统及其成像方法。技术背景与传统的二维成像技术相比，三维成像技术包含了第三维的距离或深度信息，能够更加充分地描述真实三维场景中物体的位置和运动信息，因此具有许多突出的优点和广阔的应用前景；特别是近年来，随着计算机视觉技术的不断发展，在目标识别、实物仿形、移动机器人防撞、无人车导航、立体电影、虚拟现实等应用领域对高性能三维成像的需求十分迫切。基于光学测距的三维成像技术由于方向性好、测量范围大、分辨率高、无需接触、 抗外界环境干扰强，而逐渐成为国内外的研究热点，而目前研究的大部分光学三维成像系统均是基于三角法或飞行时间原理来测量距离的。基于三角法测距的三维成像系统，例如双目视觉系统和结构光成像系统，需要处理“阴影”效应(Shadow effects)或投影条纹“模糊”问题(Ambiguity problems)，因此一般只能使用在对比度高的测量场合。与该类成像系统相比，基于飞行时间测距的三维成像系统由于光的发射和接收几乎在同一条直线上，可以明显“分辨”各个被测点的信息，因此不会出现三角法测距中存在的“阴影”或投影“模糊”问题；此外，基于飞行时间测距的三维成像系统还具有原理简单、测距精度高、无需参考面等优点。在传统的基于飞行时间测距的三维成像系统中，最典型的代表是扫描式激光成像雷达，它在单点飞行时间测距的基础上，通过二维扫描实现整个三维空间的测量，例如美国的HDL-64E扫描激光雷达。这种三维成像技术原理简单、可探测距离远、精度高，但是由于使用了精密、笨重且价格昂贵的宏观机械扫描装置和光学元件，该类系统一般抗振性能差、 体积大、成本高；同时，由于宏观的机械扫描装置自身扫描速度慢，在长时间使用过程中存在老化和磨损现象，使用该方法获得的三维图像的套准精度低，实时性差，且常常不适用于动态目标或场景的测量；此外，传统的扫描激光成像雷达获取的三维图像往往都是单色的灰度图像，成像颜色真实感较差
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述传统三维成像技术所存在的不足，提供一种基于MEMS 扫描微镜的小型化无镜头激光三维成像系统，用于实现实时、高精度和低成本的彩色三维4成像，满足现有诸多领域对高性能三维成像的迫切需求。本专利技术解决其技术问题所采取的技术方案是一种基于MEMS扫描微镜的小型化无镜头激光三维成像系统，包括激光器组、光电调制电路、分束镜组、反射镜组、双轴MEMS微镜、微镜驱动电路、滤光片组、光电接收器组、幅度测量电路组和幅度-距离测量电路；所述光电调制电路与激光器组相连接，所述光电接收器组经幅度测量电路组和幅度-距离测量电路与微控制器相连接，所述微控制器与显示器交互连接；所述微控制器输出端与微镜驱动电路输入端相连接，并由微镜驱动电路驱动双轴MEMS微镜。所述激光器组由蓝光激光器、绿光激光器和红光激光器构成，三者分别与光电调制电路连接并由光电调制电路对三者的输出光功率进行调制；所述分束镜组由第一分束镜、第二分束镜和第三分束镜构成；所述反射镜组由第一反射镜和第二反射镜构成；所述滤光片组由第一蓝光滤光片、红色滤光片、绿色滤光片和第二蓝色滤光片构成；所述光电接收器组由第一光电接收器、第二光电接收器、第三光电接收器和第四光电接收器构成；所述幅度测量电路组由第一幅度测量电路和第二幅度测量电路构成；所述蓝光激光器发射的调制光到达分束镜组中的第一分束镜后，被分成蓝光透射光和蓝光反射光，所述蓝光透射光经反射镜组中的第一反射镜反射到达滤光片组中的第一蓝光滤光片，并被光电接收器组中的第一光电接收器接收；所述绿光激光器和红光激光器发射的调制光分别经第二分束镜和第三分束镜获得绿光反射光和红光反射光；所述蓝光反射光与所述的绿光反射光以及所述的红光反射光合为一束白光；所述白光经第二反射镜到达双轴MEMS微镜，并被投射在目标的表面；所述滤光片组中的红色滤光片和光电接收器组中的第二光电接收器接收所述目标表面散射光的红光分量，所述滤光片组中的绿色滤光片和光电接收器组中的第三光电接收器接收所述目标表面散射光的绿光分量，所述滤光片组中的第二蓝色滤光片和光电接收器组中的第四光电接收器接收所述目标表面散射光的蓝光分量；所述第一幅度测量电路和第二幅度测量电路分别与第二光电接收器和第三光电接收器连接并处理二者的输出的光电信号，获得单个被测像素的所述散射光红光分量和绿光分量的幅度值；所述幅度-距离测量电路分别与第一光电接收器和第四光电接收器连接并分别处理二者输出的光电信号，同时获得所述单个被测像素的距离值和所述散射光蓝光分量的幅度值；所述的第一光电接收器的输出信号被作为幅度-距离测量电路测量像素距离值的参考信号；所述微控制器根据所述的红光、绿光和蓝光分量幅度值分别计算出所述单个被测像素的红、绿、蓝三色真实亮度值。所述微控制器采用可编程单片机、可编程DSP芯片或高性能FPGA/CPLD芯片。所述幅度-距离测量电路由依次连接的低噪声放大器组、带通滤波器组和模数转换器组构成；所述低噪声放大器组包括第一低噪声放大器和第二低噪声放大器；所述带通滤波器组包括第一带通滤波器和第二带通滤波器；所述模数转换器组包括第一模数转换器和第二模数转换器。本专利技术的另一目的是提供基于MEMS扫描微镜的小型化无镜头激光三维成像系统的成像方法，其包括下述步骤(a)、采用红、绿、蓝三色激光器作为照明光源，并分别对三色激光器的输出光功率进行调制，调制过的红、绿、蓝三色激光经反射镜组和分束镜组后合为一束白光，所述白光经双轴MEMS微镜投射到目标的表面；使用光电接收器组分别接收目标表面散射光中的红光、绿光和蓝光分量，并由幅度测量电路组和幅度-距离测量电路获得单个被测像素的距离值和红光、绿光、蓝光分量的幅度值；(b)、微控制器获得单个被测像素的距离值后，利用实时距离平方修正方法计算单个被测像素的红、绿、蓝三色真实亮度值，完成单个像素值的测量；(c)、微控制器控制微镜驱动电路，驱动双轴MEMS微镜进行二维扫描，重复所述单个像素值的测量过程，获取全部像素的距离值和真实亮度值，并组合生成目标的深度图像和灰度图像；(d)、深度图像与灰度图像在微控制器中，通过图像处理算法，融合生成目标的三维彩色图像，并被发送至显示器进行显示。由于成像过程中未使用透镜，单个被测像素的红、绿、蓝三色亮度值不能真实的反映被测目标的亮度信息，因此微控制器再根据测得的所述单个被测像素的距离值，利用实时距离平方修正方法计算获得所述单个被测像素的红、绿、蓝三色真实亮度值，完成单个像素值的测量。所述实时距离平方修正方法为，首先，利用第一幅度测量电路和第二幅度测量电路获得单个被测像素的散射光红光分量和绿光分量的幅度值；同时，利用所述幅度-距离测量电路获得单个被测像素的距离值和散射光蓝光分量的幅度值；然后，根据无镜头成像辐射度学模型，目标成像的亮度值跟距离值的平方成反比，利用单个被测像素的距离值，对单个被测像素的红光分量、绿光分量和蓝光分量的亮度值进行实时平方修正，获得单个被测像素的红、绿、蓝三色真实亮度值。与已有技术相比，本专利技术的有益效果体现在1、本专利技术的三维成像系统无需任何光学镜头，不存在传统光学成像技术中的景深和焦深问题，成像系统光路简单、体积小、抗本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王焕钦，王莹，陈然，徐军，何德勇，赵天鹏，明海，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：