基于moems器件的雙聯(lián)動仿人眼激光掃描成像系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于激光三維成像領(lǐng)域，特別是涉及基于MOEMS器件的雙聯(lián)動仿人眼激光 掃描成像系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著計算機(jī)技術(shù)和數(shù)字信息化技術(shù)的發(fā)展，以及對探測目標(biāo)三維信息的需求，在 測距原理的基礎(chǔ)上，發(fā)展出了激光三維成像。目前激光三維成像按照成像方式可以分為掃 描與非掃描（陣列）方式，其中掃描方式能夠?qū)崿F(xiàn)較高分辨率成像，但傳統(tǒng)的機(jī)械掃描方 式成像速率低，因此無法同時兼顧高分辨率與高成像速率；與掃描成像方式相比，非掃描方 式主要依靠面陣探測器對一定視場范圍內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行成像，能夠直接對目標(biāo)成像，成像速 率快，但其核心部件（高靈敏度探測器）受到目前加工工藝的嚴(yán)重制約，大面陣Aro探測器 陣列難以獲取，所以目前成像方式仍以掃描成像方式為主。由于傳統(tǒng)掃描方法無法滿足目 前對成像系統(tǒng)的高分辨率同時高成像速率的要求，因此如何實(shí)現(xiàn)高分辨率和高速率成像是 激光三維成像亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。研究表明，人眼中視網(wǎng)膜的感光細(xì)胞是非均勻排 布的，呈現(xiàn)出中央密集、周邊稀疏分布特點(diǎn)，一方面這使得人眼具有大視場觀察的同時，還 能夠高分辨率凝視觀察目標(biāo)；另一方面，由于人眼視網(wǎng)膜與腦皮層存在近似對數(shù)極坐標(biāo)映 射關(guān)系，使得人眼在高分辨率凝視觀察目標(biāo)的同時能夠壓縮周邊冗余數(shù)據(jù)，從而能夠?qū)⒋?數(shù)據(jù)量的目標(biāo)圖像處理轉(zhuǎn)變成針對目標(biāo)的少數(shù)據(jù)量圖像處理，使人眼具有對信息壓縮的特 性。這些特點(diǎn)為解決兼顧高分辨率和高成像速率的問題提供了一種新的解決途徑。
[0003] 為此，受人眼視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，本專利提出了一種雙聯(lián)動MOEMS型仿人眼掃描 激光三維成像系統(tǒng)。在掃描方式方面，與傳統(tǒng)矩形掃描方式相比，本專利提出了一種仿人 眼的非均勻掃描方式，能夠?qū)Ω信d趣的目標(biāo)高分辨率成像的同時，對外圍區(qū)域進(jìn)行低分辨 率成像，而且能夠?qū)?shù)極坐標(biāo)變換，有效降低數(shù)據(jù)處理量，提高成像速率；在掃描器件方面， 與機(jī)械、聲光、電光、光柵等掃描結(jié)構(gòu)相比，利用了微光學(xué)技術(shù)與MEMS制造工藝相結(jié)合的 MOEMS作為掃描器件，它具有如下特點(diǎn)：1)體積小、重量輕，能夠在滿足成像條件的前提下， 減小系統(tǒng)體積；2)掃描頻率高，能夠達(dá)到kHz級掃描頻率，在探測器相同的條件下，是傳統(tǒng) 掃描器件幀頻的若干倍，為此可大幅度提高激光三維成像速率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為了解決傳統(tǒng)激光三維成像存在的不能兼顧高分辨率和成像速 率問題，提供了基于MOEMS器件的雙聯(lián)動仿人眼激光掃描成像系統(tǒng)。
[0005] 本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0006] 基于MOEMS器件的雙聯(lián)動仿人眼激光掃描成像系統(tǒng)，采用雙聯(lián)動MOEMS實(shí)現(xiàn)仿人 眼視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)的掃描方式，即按照人眼感光細(xì)胞的排布方式進(jìn)行非均勻環(huán)形掃描和接收， 因此能夠?qū)崿F(xiàn)對目標(biāo)進(jìn)行分辨率可變的成像。由于掃描方式是按照由內(nèi)向外環(huán)選的方式掃 描，整個視場得到的圖像信息即為目標(biāo)的對數(shù)極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換形式，因此該方法的最大特點(diǎn)是 得到的圖像即為對數(shù)極坐標(biāo)深度圖像，而對數(shù)極坐標(biāo)轉(zhuǎn)化的一個重要特點(diǎn)是具有數(shù)據(jù)冗余 壓縮的性質(zhì)，因而能夠?qū)崿F(xiàn)快速成像的目的。為了實(shí)現(xiàn)仿人眼非均勻分辨率掃描與接收，本 發(fā)明利用兩個MOEMS雙聯(lián)動結(jié)構(gòu)，同時根據(jù)MOEMS器件特性，通過一定算法控制MOEMS器件 驅(qū)動電壓，形成仿人眼的變分辨率掃描軌跡。
[0007] 基于MOEMS器件的雙聯(lián)動仿人眼激光掃描成像系統(tǒng)，包括現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA)、脈沖激光器、第一透鏡、第二透鏡、分束器、光電二極管、發(fā)射模塊、接收模塊、APD探 測器、信號處理電路。
[0008] 其信號走向和連接關(guān)系為：
[0009] FPGA向脈沖激光器發(fā)送觸發(fā)信號，觸發(fā)脈沖激光器發(fā)出一束窄的激光脈沖，激光 脈沖經(jīng)過第一透鏡后，進(jìn)入分束器，分束器將激光脈沖分為兩束。一部分通過第二透鏡匯聚 于光電二極管，光電二極管產(chǎn)生的電信號作為計時開始信號輸入給FPGA;另一部分經(jīng)過發(fā) 射模塊后照射在目標(biāo)上，對目標(biāo)進(jìn)行仿人眼非均勻分辨率的掃描，由目標(biāo)反射或散射的回 波同時被接收模塊按照仿人眼非均勻分辨率接收后匯聚于Aro探測器上，Aro探測器產(chǎn)生 的電流信號經(jīng)過信號處理電路后生成計時停止信號輸入給FPGA。通過一定時刻鑒別方式和 數(shù)據(jù)讀取，進(jìn)行對數(shù)極坐標(biāo)轉(zhuǎn)化并計算出系統(tǒng)與目標(biāo)之間的距離，實(shí)現(xiàn)激光三維成像。
[0010] 其中，發(fā)射模塊包括發(fā)射MOEMS、控制信號、第三透鏡、第四透鏡。
[0011] 其信號走向和連接關(guān)系為：
[0012] 從分束器分離出的激光脈沖首先打在發(fā)射MOEMS反射鏡上，由FPGA產(chǎn)生控制信號 控制發(fā)射MOEMS旋轉(zhuǎn)，生成仿人眼非均勻分辨率的環(huán)形掃描形狀，經(jīng)過第三透鏡、第四透鏡 的擴(kuò)束、準(zhǔn)直作用后照射在目標(biāo)上。
[0013] 其中，接收模塊包括第五透鏡、接收MOEMS、控制信號。
[0014] 其信號走向和連接關(guān)系為：
[0015] 從目標(biāo)反射或散射的回波首先經(jīng)過第五透鏡的匯聚作用，然后被接收MOEMS反射 鏡反射于APD探測器上。此時FPGA產(chǎn)生的控制信號同時也控制接收MOEMS旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)兩個 MOHMS的雙聯(lián)動。
[0016] 有益效果
[0017] (1)本發(fā)明提出的基于MOEMS器件的雙聯(lián)動仿人眼激光掃描成像系統(tǒng)，按照仿人 眼的環(huán)形掃描方式實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的變分辨率采集，能在具有較大視場觀察的同時，還能夠高 分辨率觀察目標(biāo)。
[0018] (2)本發(fā)明提出的基于MOEMS器件的雙聯(lián)動仿人眼激光掃描成像系統(tǒng)，數(shù)據(jù)提取 是按照由內(nèi)向外環(huán)選的方式讀取的，因此可實(shí)現(xiàn)圖像的對數(shù)極坐標(biāo)變換，可對數(shù)據(jù)進(jìn)行冗 余壓縮，減少系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理量，適合對成像速率有較高要求的場合。
[0019] (3)本發(fā)明提出的基于MOEMS器件的雙聯(lián)動仿人眼激光掃描成像系統(tǒng)，利用兩個 MOEMS雙聯(lián)動結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)仿人眼的環(huán)形掃描和接收，具有掃描速度快，體積小的優(yōu)點(diǎn)，可克服 傳統(tǒng)機(jī)械掃描的效率低下，體積龐大的缺點(diǎn)。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發(fā)明系統(tǒng)原理圖；
[0021] 圖2為本發(fā)明環(huán)形掃描軌跡圖；
[0022] 圖3為本發(fā)明掃描目標(biāo)示意圖；
[0023] 圖4為本發(fā)明環(huán)形掃描電壓生成流程圖；
[0024] 圖5為本發(fā)明對數(shù)極坐標(biāo)映射圖；
[0025] 其中，1-FPGA、2-觸發(fā)信號、3-脈沖激光器、4-第一透鏡、5_分束器、6_第二透鏡、 7_光電二極管、8-計時開始信號、9-電壓控制信號、10-發(fā)射模塊、11-發(fā)射M0EMS、12-第 三透鏡、13-第四透鏡、14-空氣、15-目標(biāo)、16-接收模塊、17-第五透鏡、18-接收M0EMS、 19-AH)探測器、20-信號處理電路、21-計時停止信號、22-盲孔半徑、23-第一圓環(huán)半徑、 24-第二圓環(huán)半徑、25-第三圓環(huán)半徑、26-第M圓環(huán)半徑、27-盲孔區(qū)域、28-第一環(huán)掃描半 徑、29-第二環(huán)掃描半徑、30-第三環(huán)掃描半徑、31-第i環(huán)掃描半徑、32-第M環(huán)掃描半徑、 33-笛卡爾坐標(biāo)、34-對數(shù)極坐標(biāo)。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行說明。
[0027] 基于MOEMS器件的雙聯(lián)動仿人眼激光掃描成像系統(tǒng)，包括FPGAl、脈沖激光器3、第 一透鏡4、分束器5、光電二極管7、發(fā)射模塊10、接收模塊16、APD探測器19、信號處理電路 20 〇
[0028] 系統(tǒng)原理：如圖1所示，圖中的實(shí)線代表電信號，虛線代表光波信號，F(xiàn)PGAl向脈沖 激光器3發(fā)送觸發(fā)信號，使得脈沖激光器發(fā)出一束窄的激光脈沖，激光脈沖經(jīng)過第一透鏡4 后，進(jìn)入分束器5。一部分通過第二透鏡6匯聚在光電二極管7上，作為計時開始信號輸入 給FPGAl ;另一部分經(jīng)過發(fā)射模塊10后照射在目標(biāo)15上，發(fā)射模塊10包括發(fā)射M0EMS、控 制信號9、第三透鏡12、第四透鏡13, FPGAl產(chǎn)生電壓控制信號9,驅(qū)動發(fā)射MOEMS 11旋轉(zhuǎn)， 使得激光脈沖經(jīng)過第三透鏡12、第四透鏡14的準(zhǔn)直、擴(kuò)束作用后，按照仿人眼變分辨率的 環(huán)形掃描軌跡對目標(biāo)15進(jìn)行掃描，經(jīng)過目標(biāo)15反射或散射的回波被接收模塊16也按照仿 人眼變分辨率的環(huán)形掃描軌跡接收，接收模塊16包括第五透鏡17、接收MOEMS 18、電壓控 制信號9。脈沖回波經(jīng)過第五透鏡17匯聚后打在接收MOEMS 18,電壓控制信號9同時驅(qū)動 接收MOEMS 18旋轉(zhuǎn)