基於mems掃描微鏡的小型化無鏡頭雷射三維成像系統及其成像方法
2023-06-02 07:20:11 3
專利名稱：基於mems掃描微鏡的小型化無鏡頭雷射三維成像系統及其成像方法
技術領域：
本發明涉及三維成像技術領域，特別涉及一種基於MEMS掃描微鏡的小型化無鏡頭雷射三維成像系統及其成像方法。
技術背景
與傳統的二維成像技術相比，三維成像技術包含了第三維的距離或深度信息，能夠更加充分地描述真實三維場景中物體的位置和運動信息，因此具有許多突出的優點和廣闊的應用前景；特別是近年來，隨著計算機視覺技術的不斷發展，在目標識別、實物仿形、移動機器人防撞、無人車導航、立體電影、虛擬實境等應用領域對高性能三維成像的需求十分迫切。
基於光學測距的三維成像技術由於方向性好、測量範圍大、解析度高、無需接觸、 抗外界環境幹擾強，而逐漸成為國內外的研究熱點，而目前研究的大部分光學三維成像系統均是基於三角法或飛行時間原理來測量距離的。
基於三角法測距的三維成像系統，例如雙目視覺系統和結構光成像系統，需要處理「陰影」效應(Shadow effects)或投影條紋「模糊」問題(Ambiguity problems)，因此一般只能使用在對比度高的測量場合。與該類成像系統相比，基於飛行時間測距的三維成像系統由於光的發射和接收幾乎在同一條直線上，可以明顯「分辨」各個被測點的信息，因此不會出現三角法測距中存在的「陰影」或投影「模糊」問題；此外，基於飛行時間測距的三維成像系統還具有原理簡單、測距精度高、無需參考面等優點。
在傳統的基於飛行時間測距的三維成像系統中，最典型的代表是掃描式雷射成像雷達，它在單點飛行時間測距的基礎上，通過二維掃描實現整個三維空間的測量，例如美國的HDL-64E掃描雷射雷達。這種三維成像技術原理簡單、可探測距離遠、精度高，但是由於使用了精密、笨重且價格昂貴的宏觀機械掃描裝置和光學元件，該類系統一般抗振性能差、 體積大、成本高；同時，由於宏觀的機械掃描裝置自身掃描速度慢，在長時間使用過程中存在老化和磨損現象，使用該方法獲得的三維圖像的套準精度低，實時性差，且常常不適用於動態目標或場景的測量；此外，傳統的掃描雷射成像雷達獲取的三維圖像往往都是單色的灰度圖像，成像顏色真實感較差
發明內容
本發明的目的是針對上述傳統三維成像技術所存在的不足，提供一種基於MEMS 掃描微鏡的小型化無鏡頭雷射三維成像系統，用於實現實時、高精度和低成本的彩色三維4成像，滿足現有諸多領域對高性能三維成像的迫切需求。
本發明解決其技術問題所採取的技術方案是一種基於MEMS掃描微鏡的小型化無鏡頭雷射三維成像系統，包括雷射器組、光電調製電路、分束鏡組、反射鏡組、雙軸MEMS微鏡、微鏡驅動電路、濾光片組、光電接收器組、幅度測量電路組和幅度-距離測量電路；所述光電調製電路與雷射器組相連接，所述光電接收器組經幅度測量電路組和幅度-距離測量電路與微控制器相連接，所述微控制器與顯示器交互連接；所述微控制器輸出端與微鏡驅動電路輸入端相連接，並由微鏡驅動電路驅動雙軸MEMS微鏡。
所述雷射器組由藍光雷射器、綠光雷射器和紅光雷射器構成，三者分別與光電調製電路連接並由光電調製電路對三者的輸出光功率進行調製；所述分束鏡組由第一分束鏡、第二分束鏡和第三分束鏡構成；所述反射鏡組由第一反射鏡和第二反射鏡構成；所述濾光片組由第一藍光濾光片、紅色濾光片、綠色濾光片和第二藍色濾光片構成；所述光電接收器組由第一光電接收器、第二光電接收器、第三光電接收器和第四光電接收器構成；所述幅度測量電路組由第一幅度測量電路和第二幅度測量電路構成；所述藍光雷射器發射的調製光到達分束鏡組中的第一分束鏡後，被分成藍光透射光和藍光反射光，所述藍光透射光經反射鏡組中的第一反射鏡反射到達濾光片組中的第一藍光濾光片，並被光電接收器組中的第一光電接收器接收；所述綠光雷射器和紅光雷射器發射的調製光分別經第二分束鏡和第三分束鏡獲得綠光反射光和紅光反射光；所述藍光反射光與所述的綠光反射光以及所述的紅光反射光合為一束白光；所述白光經第二反射鏡到達雙軸MEMS微鏡，並被投射在目標的表面；所述濾光片組中的紅色濾光片和光電接收器組中的第二光電接收器接收所述目標表面散射光的紅光分量，所述濾光片組中的綠色濾光片和光電接收器組中的第三光電接收器接收所述目標表面散射光的綠光分量，所述濾光片組中的第二藍色濾光片和光電接收器組中的第四光電接收器接收所述目標表面散射光的藍光分量；所述第一幅度測量電路和第二幅度測量電路分別與第二光電接收器和第三光電接收器連接並處理二者的輸出的光電信號，獲得單個被測像素的所述散射光紅光分量和綠光分量的幅度值；所述幅度-距離測量電路分別與第一光電接收器和第四光電接收器連接並分別處理二者輸出的光電信號，同時獲得所述單個被測像素的距離值和所述散射光藍光分量的幅度值；所述的第一光電接收器的輸出信號被作為幅度-距離測量電路測量像素距離值的參考信號；所述微控制器根據所述的紅光、綠光和藍光分量幅度值分別計算出所述單個被測像素的紅、綠、藍三色真實亮度值。
所述微控制器採用可編程單片機、可編程DSP晶片或高性能FPGA/CPLD晶片。
所述幅度-距離測量電路由依次連接的低噪聲放大器組、帶通濾波器組和模數轉換器組構成；所述低噪聲放大器組包括第一低噪聲放大器和第二低噪聲放大器；所述帶通濾波器組包括第一帶通濾波器和第二帶通濾波器；所述模數轉換器組包括第一模數轉換器和第二模數轉換器。
本發明的另一目的是提供基於MEMS掃描微鏡的小型化無鏡頭雷射三維成像系統的成像方法，其包括下述步驟(a)、採用紅、綠、藍三色雷射器作為照明光源，並分別對三色雷射器的輸出光功率進行調製，調製過的紅、綠、藍三色雷射經反射鏡組和分束鏡組後合為一束白光，所述白光經雙軸MEMS微鏡投射到目標的表面；使用光電接收器組分別接收目標表面散射光中的紅光、綠光和藍光分量，並由幅度測量電路組和幅度-距離測量電路獲得單個被測像素的距離值和紅光、綠光、藍光分量的幅度值；(b)、微控制器獲得單個被測像素的距離值後，利用實時距離平方修正方法計算單個被測像素的紅、綠、藍三色真實亮度值，完成單個像素值的測量；(c)、微控制器控制微鏡驅動電路，驅動雙軸MEMS微鏡進行二維掃描，重複所述單個像素值的測量過程，獲取全部像素的距離值和真實亮度值，並組合生成目標的深度圖像和灰度圖像；(d)、深度圖像與灰度圖像在微控制器中，通過圖像處理算法，融合生成目標的三維彩色圖像，並被發送至顯示器進行顯示。
由於成像過程中未使用透鏡，單個被測像素的紅、綠、藍三色亮度值不能真實的反映被測目標的亮度信息，因此微控制器再根據測得的所述單個被測像素的距離值，利用實時距離平方修正方法計算獲得所述單個被測像素的紅、綠、藍三色真實亮度值，完成單個像素值的測量。
所述實時距離平方修正方法為，首先，利用第一幅度測量電路和第二幅度測量電路獲得單個被測像素的散射光紅光分量和綠光分量的幅度值；同時，利用所述幅度-距離測量電路獲得單個被測像素的距離值和散射光藍光分量的幅度值；然後，根據無鏡頭成像輻射度學模型，目標成像的亮度值跟距離值的平方成反比，利用單個被測像素的距離值，對單個被測像素的紅光分量、綠光分量和藍光分量的亮度值進行實時平方修正，獲得單個被測像素的紅、綠、藍三色真實亮度值。
與已有技術相比，本發明的有益效果體現在1、本發明的三維成像系統無需任何光學鏡頭，不存在傳統光學成像技術中的景深和焦深問題，成像系統光路簡單、體積小、抗震性能好；2、與傳統掃描雷射成像雷達中使用的雙擺鏡、旋轉多面體反射稜鏡、雙檢流計鏡或兩軸的驅動旋轉鏡相比，本發明採用的雙軸MEMS微鏡不僅便於精確驅動和控制，同時也具有更小的體積、更低的功耗和成本；3、本發明使用面積小、質量輕、共振頻率高的雙軸MEMS微鏡作為高速二維掃描器件， 三維成像的空間解析度高、測量速度快，能適用於動態目標或場景的測量；4、本發明成像系統獲得的深度圖像與二維圖像套準精度高；5、本發明能夠實現彩色的三維成像，成像真實性更強；6、本發明成像系統結構簡單、體積小、功耗和成本低，便於小型化。
圖1為本發明的結構原理示意圖。
圖2為幅度-距離測量電路10的一個具體實施方案。
圖中標號1a、藍光雷射器；lb、綠光雷射器；lc、紅光雷射器；2、光電調製電路； 3a、第一分束鏡；3b、第二分束鏡；3c、第三分束鏡；4a、第一反射鏡；4b、第二反射鏡；5、雙軸MEMS微鏡；6、微鏡驅動電路；7a、第一藍光濾光片；7b、紅光濾光片；7c、綠光濾光片；7d、第二藍光濾光片；8a、第一光電接收器；Sb、第二光電接收器；Sc、第三光電接收器；8d、第四光電接收器；9a、第一幅度測量電路；％、第二幅度測量電路；10、幅度-距離測量電路；11、 微控制器；12、顯示器；13、目標；14、目標表面法線方向；15、雷射入射方向與目標表面法線方向的夾角θ i ；16a、第一低噪聲放大器；16b、第二低噪聲放大器；17a、第一帶通濾波器； 17b、第二帶通濾波器；18a、第一模數轉換器；18b、第二模數轉換器。
具體實施方式
下面結合具體實施例，對本發明進行詳細描述。
參見圖1，設置光電調製電路2分別對雷射器組中藍光雷射器la、綠光雷射器Ib 和紅光雷射器Ic的輸出光功率進行調製，藍光雷射器Ia發射的調製光到達分束鏡組中的第一分束鏡3a後，被分成藍光透射光和藍光反射光，所述藍光透射光經反射鏡組中的第一反射鏡如反射達到濾光片組中的第一藍光濾光片7a，並被光電接收器組中的第一光電接收器8a接收；所述綠光雷射器(Ib)和紅光雷射器(Ic)發射的調製光分別經第二分束鏡 (3b)和第三分束鏡(3c)獲得綠光反射光和紅光反射光；所述藍光反射光與所述的綠光反射光以及所述的紅光反射光合為一束白光；所述白光經第二反射鏡4b到達雙軸MEMS微鏡 5，並被投射在目標13的表面；使用濾光片組中的紅色濾光片7b和光電接收器組中的第二光電接收器8b接收所述目標13表面散射光的紅光分量，使用濾光片組中的綠色濾光片7c 和光電接收器組中的第三光電接收器8c接收所述目標13表面散射光的綠光分量，以及使用濾光片組中的第二藍色濾光片7d和光電接收器組中的第四光電接收器8d接收所述目標 13表面散射光的藍光分量；設置幅度測量電路組中的第一幅度測量電路9a和第二幅度測量電路9b，以所述幅度測量電路9a和9b分別處理第二光電接收器8b和第三光電接收器8c輸出的光電信號，獲得單個被測像素的所述紅光分量和所述綠光分量的幅度值；設置幅度-距離測量電路10，以所述幅度-距離測量電路10分別處理第一光電接收器8a和第四光電接收器8d輸出的光電信號，同時獲得所述單個被測像素的距離值和所述散射光藍光分量的幅度值；微控制器 11利用實時距離平方修正方法獲得所述單個被測像素的紅、綠、藍三色真實亮度值，完成單個像素值的測量；微控制器11控制微鏡驅動電路6，驅動雙軸MEMS微鏡5進行二維掃描，重複所述單個像素值的測量過程，獲得全部像素的距離值和亮度值，並組合生成目標13的深度圖像和灰度圖像；所述深度圖像與灰度圖像在微控制器11中融合生成目標13的三維彩色圖像，並被發送至顯示器12進行顯示。
本實施例中，所述雷射器組中綠光雷射器Ib和紅光雷射器Ic為小功率雷射器，可以選用常見小體積的半導體雷射器，因此可以直接通過調製雷射器的工作電流達到光強調製的目的；所述雷射器組中藍光雷射器Ia發射的調製光到達第一分束鏡3a後，被分成藍光透射光和藍光反射光；所述的藍光反射光在合成白光後，經雙軸MEMS微鏡5投射在目標13 的表面，其散射光中的藍光分量被用於目標13的距離測量；為了提高接收光電信號信噪比並改善最終成像系統的測距精度，所述雷射器組中藍光雷射器Ia需選用大功率雷射器，例如小體積的固體雷射器，同時需使用電光晶體對雷射器的出射光進行光強調製；7所述光電調製電路2產生的調製信號為三個不同頻率/ml，/m2，/m3的連續正弦波，且分別對雷射器組中藍光雷射器la、綠光雷射器Ib和紅光雷射器Ic的輸出光功率進行調製； 考慮到最大測距範圍和提高接收光電信號信噪比的要求，所述調製頻率/ml，/m2，Zffl3的取值範圍一般在1 20 MHz之間；所述的雙軸MEMS微鏡5是一個雙軸掃描微鏡，微鏡的面積範圍為10X10 1000X IOOOMffl2,能在兩個正交方向對所述目標13進行掃描，掃描速度範圍為1幀/秒 85幀/秒，掃描解析度不低於800 X 600 ；在本實施例中，該微鏡的面積大小為700 X 700Mm2， 二維掃描角度為52° X 43° (水平角X垂直角)，掃描速度為30幀/秒，解析度為10 X 768。
所述雷射器組中藍光雷射器la、綠光雷射器Ib和紅光雷射器Ic的輸出波長範圍分別處於典型的藍光波段(455 492nm)、綠光波段(492 577nm)和紅光波段(622 770nm)，在本實施例中，藍光雷射器la、綠光雷射器Ib和紅光雷射器Ic的波長分別為 488nm、520nm和660nm;因此，所述濾光片組中的紅色濾光片7b、綠色濾光片7c、藍色濾光片 7a和7d的透光中心波長選取應該分別與所選雷射器的輸出波長一致。在本實施例中，藍色濾光片、綠色濾光片和紅色濾光片的透光中心波長分別為488nm、520nm和660nm，且所有濾光片的帶寬均為士 10nm。
在本實施例中，所述幅度-距離測量電路10分別處理第一光電接收器8a和第四光電接收器8d輸出的光電信號，使用基於「四點算法」(Rmr-bucket algorithm)的相移式飛行時間(TOF)測距方法，同時獲得所述單個被測像素的距離值和所述散射光藍光分量的幅度值。
所述TOF測距方法的原理是應用光速c不變和測量光的飛行時間t來獲得被測距離的，而相移式TOF測距是使用頻率為/m的連續正弦波對雷射器的輸出光功率進行調製， 將直接測量光的往返飛行時間t轉化為間接測量與t對應的調製電信號的相位延遲Δ Φ 來獲得被測距離d
權利要求
1.一種基於MEMS掃描微鏡的小型化無鏡頭雷射三維成像系統，其特徵在於包括雷射器組、光電調製電路(2 )、分束鏡組、反射鏡組、雙軸MEMS微鏡(5 )、微鏡驅動電路(6 )、濾光片組、光電接收器組、幅度測量電路組和幅度-距離測量電路(10)；所述光電調製電路(2) 與雷射器組相連接，所述光電接收器組經幅度測量電路組和幅度-距離測量電路(10)與微控制器(11)相連接，所述微控制器(11)與顯示器(12)交互連接；所述微控制器(11)輸出端與微鏡驅動電路(6)輸入端相連接，並由微鏡驅動電路(6)驅動雙軸MEMS微鏡(5)。
2.根據權利要求1所述的基於MEMS掃描微鏡的小型化無鏡頭雷射三維成像系統，其特徵在於所述雷射器組由藍光雷射器(la)、綠光雷射器(Ib)和紅光雷射器(Ic)構成，三者分別與光電調製電路(2)連接並由光電調製電路(2)對三者的輸出光功率進行調製；所述分束鏡組由第一分束鏡(3a)、第二分束鏡(3b)和第三分束鏡(3c)構成；所述反射鏡組由第一反射鏡(4a)和第二反射鏡(4b)構成；所述濾光片組由第一藍光濾光片(7a)、紅色濾光片(7b)、綠色濾光片(7c)和第二藍色濾光片(7d)構成；所述光電接收器組由第一光電接收器(8a)、第二光電接收器(Sb)、第三光電接收器(8c)和第四光電接收器(8d)構成；所述幅度測量電路組由第一幅度測量電路(9a)和第二幅度測量電路(9b)構成；所述藍光雷射器 (Ia)發射的調製光到達分束鏡組中的第一分束鏡(3a)後，被分成藍光透射光和藍光反射光，所述藍光透射光經反射鏡組中的第一反射鏡(4a)反射到達濾光片組中的第一藍光濾光片(7a)，並被光電接收器組中的第一光電接收器(8a)接收；所述綠光雷射器(Ib )和紅光雷射器(Ic)發射的調製光分別經第二分束鏡(3b)和第三分束鏡(3c)獲得綠光反射光和紅光反射光；所述藍光反射光與所述的綠光反射光以及所述的紅光反射光合為一束白光；所述白光經第二反射鏡(4b)到達雙軸MEMS微鏡(5)，並被投射在目標(13)的表面；所述濾光片組中的紅色濾光片(7b )和光電接收器組中的第二光電接收器(8b )接收所述目標(13 )表面散射光中的紅光分量，所述濾光片組中的綠色濾光片(7c)和光電接收器組中的第三光電接收器(8c)接收所述目標(13)表面散射光中的綠光分量，所述濾光片組中的第二藍色濾光片(7d)和光電接收器組中的第四光電接收器(8d)接收所述目標(13)表面散射光中的藍光分量；所述第一幅度測量電路(9a)和第二幅度測量電路(9b)分別與第二光電接收器(8b) 和第三光電接收器(8c )連接並處理二者的輸出的光電信號，獲得單個被測像素的所述散射光紅光分量和綠光分量的幅度值；所述幅度-距離測量電路(10)分別與第一光電接收器 (8a)和第四光電接收器(8d)連接並分別處理二者輸出的光電信號，同時獲得所述單個被測像素的距離值和所述散射光藍光分量的幅度值；所述第一光電接收器(8a)的輸出信號被作為幅度-距離測量電路(10)測量像素距離值的參考信號；微控制器(11)根據所述的紅光、綠光和藍光分量幅度值分別計算出所述單個被測像素的紅、綠、藍三色真實亮度值。
3.根據權利要求1或2所述的基於MEMS掃描微鏡的小型化無鏡頭雷射三維成像系統， 其特徵在於所述微控制器(11)採用可編程單片機、可編程DSP晶片或高性能FPGA/CPLD-H-· I I心片。
4.根據權利要求1或2所述的基於MEMS掃描微鏡的小型化無鏡頭雷射三維成像系統， 其特徵在於所述幅度-距離測量電路(10)由依次連接的低噪聲放大器組、帶通濾波器組和模數轉換器組構成；所述低噪聲放大器組包括第一低噪聲放大器(16a)和第二低噪聲放大器(16b)；所述帶通濾波器組包括第一帶通濾波器(17a)和第二帶通濾波器(17b)；所述模數轉換器組包括第一模數轉換器(18a)和第二模數轉換器(1汕)。
5.根據權利要求1或2所述的基於MEMS掃描微鏡的小型化無鏡頭雷射三維成像系統的成像方法，其特徵在於(a)、採用紅、綠、藍三色雷射器作為照明光源，並分別對三色雷射器的輸出光功率進行調製，調製過的紅、綠、藍三色雷射經反射鏡組和分束鏡組後合為一束白光，所述白光經雙軸MEMS微鏡投射到目標的表面；使用光電接收器組分別接收目標表面散射光中的紅光、綠光和藍光分量，並由幅度測量電路組和幅度-距離測量電路獲得單個被測像素的距離值和紅光、綠光、藍光分量的幅度值；(b)、微控制器(11)獲得單個被測像素的距離值後，利用實時距離平方修正方法計算單個被測像素的紅、綠、藍三色真實亮度值，完成單個像素值的測量；(c)、微控制器(11)控制微鏡驅動電路(6)，驅動雙軸MEMS微鏡(5)進行二維掃描，重複所述單個像素值的測量過程，獲取全部像素的距離值和真實亮度值，並組合生成目標的深度圖像和灰度圖像；(d)、深度圖像與灰度圖像在微控制器(11)中，通過圖像處理算法，融合生成目標的三維彩色圖像，並被發送至顯示器(12)進行顯示。
6.根據權利要求5所述的基於MEMS掃描微鏡的小型化無鏡頭雷射三維成像系統的成像方法，其特徵在於所述實時距離平方修正方法為，首先，利用第一幅度測量電路(9a)和第二幅度測量電路(9b)獲得單個被測像素的散射光紅光分量和綠光分量的幅度值；同時， 利用所述幅度-距離測量電路(10)獲得單個被測像素的距離值和散射光藍光分量的幅度值；然後，根據無鏡頭成像輻射度學模型，目標成像的亮度值跟距離值的平方成反比，利用單個被測像素的距離值，對單個被測像素的紅光分量、綠光分量和藍光分量的亮度值進行實時平方修正，獲得單個被測像素的紅、綠、藍三色真實亮度值。
全文摘要
本發明公開了一種基於MEMS掃描微鏡的小型化無鏡頭雷射三維成像系統及其成像方法，該系統採用紅、綠、藍三色雷射器作為照明光源，三色雷射輸出光功率經調製後組合為一束白光投射到目標表面；使用光電接收器組接收目標表面散射光中的紅、綠、藍光分量，並由測量電路獲得單個被測像素的距離值和三色光分量的幅度值。微控制器根據三色光分量的幅度值計算單個被測像素的三色亮度值，並利用實時距離平方修正方法獲得該像素的三色真實亮度值。微控制器控制MEMS微鏡進行掃描，獲得全部像素的距離值和真實亮度值，並組合生成目標的深度圖像和灰度圖像，最終獲得目標的三維彩色圖像。本發明無需光學鏡頭，成像解析度高、速度快、結構簡單、便於小型化。
文檔編號G01S17/36GK102508259SQ20111041178
公開日2012年6月20日 申請日期2011年12月12日 優先權日2011年12月12日
發明者何德勇, 徐軍, 明海, 王煥欽, 王瑩, 趙天鵬, 陳然 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院