一種掃描式結構光投影系統(tǒng)及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種掃描式結構光投影系統(tǒng)及其控制方法，包括：激光光源、微扭轉鏡、反饋模塊，以及控制模塊，其中，激光線沿平行于微扭轉鏡轉軸方向入射，該入射激光線被轉動的微扭轉鏡反射后，形成二維結構光投影；反饋模塊與微扭轉鏡連接用以采集微扭轉鏡的振動頻率和位置，控制模塊的輸入端與反饋模塊的輸出端連接，用以接收反饋模塊的信號，控制模塊的輸出端與激光光源和微扭轉鏡連接，用以控制微扭轉鏡的運動和激光光源的光功率，保證微扭轉鏡在相同扭轉角的情況下，激光光源輸出相同的光功率。
【專利說明】一種掃描式結構光投影系統(tǒng)及其控制方法 【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于物體測量領域，特別是一種三維表面測量裝置，具體的涉及基于一維 自聚焦透鏡，利用MEMS微扭轉鏡得到穩(wěn)定的掃描式結構光投影圖像。 【【背景技術】】
[0002] 三維物體表面輪廓測量，在機器視覺、生物醫(yī)學、工業(yè)檢測、CAD/CAM等領域具有重 要意義，是反向工程和計算機視覺中的重要組成部分?；诠鈱W的三維測量技術，由于其具 有非接觸、高精度、易于自動控制等優(yōu)點獲得很大發(fā)展?，F(xiàn)有的光學三維測量方法應用最廣 泛的是通過對受三維物體面形調制的空間結構光場進行解調制來獲得三維物體面形信息， 所以得到穩(wěn)定的結構光是實現(xiàn)三維表面輪廓精確測量的前提。
[0003] 光學位相輪廓技術(PMP)是采用相移技術和正弦光柵投影相結合的三維測量方 法，對設備要求簡單，是目前最成熟可靠、高精度的三維測量方法，但對正弦光柵的標準性 和相移的準確度要求較高，也需保證投射結構光的穩(wěn)定性。
[0004] 現(xiàn)有的結構光投影技術主要利用LCD或DLP投影儀產(chǎn)生特定結構光投射到被測物 體上，但系統(tǒng)復雜、體積龐大，成本高昂；另一種是，利用光柵投影出結構光，在投影過程中 整體移動結構光投影裝置、或調節(jié)投影焦距實現(xiàn)結構光對投影對像的掃描，但刷新率低，測 量精度也不高。
[0005] 2013年6月英特爾公司提出了一種基于MEMS微反射鏡投影結構光，利用柱面鏡把 激光束生成激光線，控制器控制激光光源開關和微扭轉鏡的傾斜得到二值編碼條紋的結構 光;但用二值編碼條紋進行3D測量，空間分辨率低;且結構光的生成無反饋控制，無法保證 結構光的穩(wěn)定。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0006] 本發(fā)明提出了一種掃描式結構光投影系統(tǒng)及其控制方法，以得到穩(wěn)定的掃描式結 構光。
[0007] 本發(fā)明采用以下技術方案：
[0008] -種掃描式結構光投影系統(tǒng)，包括:激光光源、微扭轉鏡、反饋模塊，以及控制模 塊，其中，激光線沿平行于微扭轉鏡轉軸方向入射，該入射光線被轉動的微扭轉鏡反射后， 形成二維結構光投影;反饋模塊與微扭轉鏡連接用以采集微扭轉鏡的振動頻率和位置，控 制模塊的輸入端與反饋模塊的輸出端連接，用以接收反饋模塊的信號，控制模塊的輸出端 與激光光源和微扭轉鏡連接，用以控制微扭轉鏡的運動和激光光源的光功率，保證微扭轉 鏡在相同扭轉角的情況下，激光光源輸出相同的光功率。
[0009] 進一步，激光光源發(fā)出的激光束通過自聚焦透鏡轉變?yōu)榧す饩€。
[0010] 進一步，在激光線的入射光路上設置有截面光闌，以限制激光線兩側光強較弱的 部分繼續(xù)傳輸，改善結構光光強的均勻性。
[0011] 進一步，設激光線傳輸至截面光闌處的截面半徑為rx、ry，則截面光闌的尺寸a滿 足:a〈2rx，其中，a為激光線的寬度尺寸。
[0012] 進一步，所述微扭轉鏡布置在自聚焦透鏡的焦點附近，保證入射到微扭轉鏡的激 光線光斑小于微扭轉鏡的反射面尺寸，以保證激光線完全入射到微扭轉鏡上，從而被完全 反射。
[0013] 進一步，微扭轉鏡的可動鏡面上設置有金屬鍍層，作為反射層。
[0014] 進一步，所述的反饋模塊包括采集單元和運算器，所述采集單元用于采集微扭轉 鏡的振動頻率和位置，所述運算器根據(jù)微扭轉鏡的位置計算得到微扭轉鏡的振動幅值和相 位。
[0015] 進一步，微扭轉鏡的振動頻率和位置通過采集反射光信號得到，或者微扭轉鏡的 振動頻率和位置通過微扭轉鏡上設置的傳感器得到，所述傳感器反應微扭轉鏡的位置、速 度、角速度、加速度、角加速度;所述傳感器包括電容傳感器、壓阻傳感器、壓電傳感器，或電 磁傳感器。
[0016] -種掃描式結構光投影系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟：
[0017] (1)激光光源發(fā)出的光經(jīng)轉變?yōu)榧す饩€后，沿平行于微扭轉鏡轉軸方向入射到微 扭轉鏡上，該入射光線被轉動的微扭轉鏡反射后，形成二維結構光投影；
[0018] (2)反饋模塊采集微扭轉鏡的位置和振動頻率，經(jīng)計算后，將微扭轉鏡的振動幅 值、相位和振動頻率傳送給控制模塊，控制模塊據(jù)此，調整微扭轉鏡的運動和激光光源的光 功率，保證微扭轉鏡在相同扭轉角的情況下，激光光源輸出相同的光功率。
[0019] 進一步，微扭轉鏡的振動頻率和位置通過采集反射光信號得到，或者微扭轉鏡的 振動頻率和位置通過微扭轉鏡上設置的傳感器得到，所述傳感器反應微扭轉鏡的位置、速 度、角速度、加速度、角加速度。
[0020] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果:本發(fā)明提出了一種基于自聚焦 透鏡和MEMS微扭轉鏡的掃描式結構光投影系統(tǒng)，體積小、功耗低；同時結構光刷新率最大可 與微扭轉鏡的振動頻率一致，刷新率高;反饋模塊實時反饋MEMS微扭轉鏡反射鏡面的位置， 控制模塊同步控制MEMS微扭轉鏡和激光光源光功率，可得到穩(wěn)定的結構光。
[0021 ]進一步，自聚焦透鏡把激光束轉化點激光線，且該自聚焦透鏡是雙平面透鏡，調透 鏡長度即可調節(jié)焦距，焦距可做到很小，可會聚到其端面上，便于和準直系統(tǒng)等光學系統(tǒng)集 成，也可大大簡化并減小光機系統(tǒng)體積。 【【附圖說明】】
[0022]圖1掃描式結構光投影系統(tǒng)圖；
[0023]圖2(a)為光闌截面圖；
[0024]圖2(b)激光束光功率高斯分布圖；
[0025]圖3(a)為多值結構光光功率分布不意圖；
[0026]圖3(b)為二值結構光光功率分布不意圖；
[0027]圖4結構光生成與控制示意圖；
[0028] 圖5基于光電反饋的掃描式結構光投影系統(tǒng)圖；
[0029] 圖6基于電容反饋的掃描式結構光投影系統(tǒng)圖；
[0030] 圖7為單高速光電探器微扭轉鏡光電檢測系統(tǒng)示意圖；
[0031] 圖8為微扭轉鏡光電檢測信號流程圖；
[0032] 圖9為單高速光電探器光電檢測系統(tǒng)各部分信號圖，其中，（9-a)微扭轉鏡的運動 圖；（9_b)高速光電探測器的感測信號圖；
[0033] 圖10為雙高速光電探器微扭轉鏡光電檢測系統(tǒng)示意圖；
[0034] 圖11為雙高速光電探器光電檢測系統(tǒng)各部分信號圖，其中，（ll_a)微扭轉鏡的運 動圖；（11-b)高速光電探測器的感測信號圖；（11-c)高速光電探測器的感測信號圖；
[0035]圖12為圖7的另一種變形結構不意圖。 【【具體實施方式】】
[0036]本發(fā)明提出了一種掃描式結構光投影系統(tǒng)，以得到穩(wěn)定的掃描式結構光，采用技 術方案如下：
[0037] -種掃描式結構光投影系統(tǒng)，如圖1，包括激光光源10、自聚焦透鏡11，MEMS微扭轉 鏡13,反饋模塊16,控制模塊17。其中激光光源發(fā)出的激光束由自聚焦透鏡生成激光線12; 激光線12由MEMS微扭轉鏡反射層反射，形成反射光線14,進而得到二維結構光15;反饋模塊 實時反饋MEMS微扭轉鏡的振動頻率與反射鏡面位置;控制模塊同步控制MEMS微扭轉鏡運動 和激光光源光功率。
[0038] 激光光源可被高速調制，其光功率在零到其最大功率之間可被連續(xù)調節(jié)或數(shù)字調
[0039] 自聚焦透鏡用來把激光束生成激光線，選擇合適長度的一維自聚焦透鏡，可得到 一定焦距一定發(fā)散角的激光線;優(yōu)選的一維自聚焦透鏡是長方體透鏡。
[0040] 自聚焦透鏡是一種面對稱輸自聚焦透鏡，即自聚焦透鏡的折射率關于中間面對 稱，并在重直于對稱面的方向上呈梯度變化，具體為折射率從對稱面向兩側逐漸減小，激光 光源發(fā)出的激光束沿平行于對稱面的方向入射到自聚焦透鏡上，從而得到重直于對稱面的 具有特定發(fā)散角的激光線。
[0041 ] MEMS微扭轉鏡的可動鏡面可繞其轉軸(X軸)實現(xiàn)一定頻率一定角度的扭轉;激光 線沿平行于MEMS微扭轉鏡轉軸方向入射，被繞其轉軸扭轉的MEMS微扭轉鏡反射面反射，從 而得到二維結構光投影。
[0042] MEMS微扭轉鏡，布置在自聚焦透鏡焦點附近，保證入射到微扭轉鏡的激光線光斑 小于其反射面尺寸，以保證激光線完全入射到MEMS微扭轉鏡上，從而可被完全反射。
[0043] MEMS微扭轉鏡具有可動鏡面，其上有金屬鍍層(具體根據(jù)激光光源波長選擇)作為 反射層，從而實現(xiàn)對入射激光線的高效率反射。
[0044]激光光源發(fā)出的激光束是高斯光束，由激光束轉變?yōu)榧す饩€后，激光線兩端光功 率會明顯小于中間部分，由此帶來2D結構光光功率中間強兩邊很弱的情況，在此可選的，如 圖2,在激光束或者激光線的傳播路徑上設置一矩形截面光闌，設激光傳輸至該處截面半徑 為r x、ry，則矩形光闌X向寬度a(或者說光闌在激光線的寬度方向尺寸a)，a〈2rx，以限制激光 束X方向兩側光強弱的部分繼續(xù)傳輸，從而改善結構光光強的均勻性;光闌高h設置足夠大 或根據(jù)具體需求設置。
[0045]反饋模塊，實時采集MEMS微扭轉鏡的位置信號和振動頻率信號，經(jīng)其運算器運算 后實時得到MEMS微扭轉鏡的振動幅值和相位，并反饋給控制器。
[0046]反饋信號可通過高速光電探測器采集反射光信號得到;反饋信號也可由電信號提 供：電信號可以由MEMS微扭轉鏡上集成的電容傳感器、或壓阻傳感器、或壓電傳感器、或電 磁傳感器等可反應可動鏡面位置、（角)速度、（角)加速度等的傳感器提供。
[0047]控制模塊可同步控制MEMS微扭轉鏡振動和激光光源光功率?？刂破骺煽刂芃EMS微 扭轉鏡繞其扭轉軸實現(xiàn)一定頻率和幅值的扭轉;控制器可實現(xiàn)激光光源的調制，控制激光 光源的功率，其功率可在零到其最大功率之間任意設置，所以得到的結構光可以是多值編 碼條紋，如光功率按正弦規(guī)律變化的正弦結構光，如圖3(a);當然也可以是二值編碼條紋， 如圖3(b)。
[0048]控制模塊可根據(jù)反饋模塊得到的MEMS微扭轉鏡的幅值、相位、頻率，實時控制MEMS 微扭轉鏡和激光光源功率，從而保證激光光源的功率和MEMS微扭轉鏡的轉角位置成一一對 應關系，得到穩(wěn)定的結構光。如圖4,入射激光線12保持不變，微扭轉鏡13繞其轉軸(X軸)扭 轉，反射激光線14的投影位置取決于MEMS微扭轉鏡的具體扭轉角，根據(jù)反饋模塊實時反饋 的MEMS微扭轉鏡的幅值、相位、頻率，控制各個時刻激光光源的功率，從而保證MEMS微扭轉 鏡相同扭轉角下，激光光源可輸出相同的光功率，從而得到穩(wěn)定的結構光。
[0049] 本發(fā)明專利提出的基于自聚焦透鏡和MEMS微扭轉鏡的掃描式結構光投影系統(tǒng)及 其控制方法，體積小、功耗低；同時結構光刷新率最大可與微扭轉鏡的振動頻率一致，刷新 率高;增加反饋模塊，實時反饋MEMS微扭轉鏡反射鏡面的位置，控制器同步控制MEMS微扭轉 鏡和激光光源光功率，可得到穩(wěn)定的結構光;且激光光源光功率可被高速調制，不僅可到二 值亮度的結構光，還可根據(jù)實際需要得到多值亮度的結構光，如正弦結構光，滿足高精度三 維光學測量所需結構光的需要。
[0050] 下面根據(jù)附圖和實施例對本發(fā)明做詳細闡述：
[0051 ] 實施例一
[0052]本實施例采用以下技術方案：
[0053] 一種基于光電反饋的掃描式結構光投影系統(tǒng)，如圖5,包括激光光源10、自聚焦透 鏡11，一MEMS微扭轉鏡13，一光電反饋模塊46及控制模塊17。其中激光光源發(fā)出的激光束由 自聚焦透鏡生成激光線12;激光線12由MEMS微扭轉鏡反射層反射，形成反射光線14,進而得 到二維結構光15;光電反饋模塊實時反饋MEMS微扭轉鏡的振動頻率與反射鏡面位置;控制 模塊同步控制MEMS微扭轉鏡運動和激光光源光功率。
[0054] 激光光源波長808nm，最大功率100mW，可被高速調制，其光功率從0到100mW之間可 被連續(xù)調節(jié)或數(shù)字調節(jié)。
[0055]在此選用長方體一維自聚焦透鏡，用來把激光束生成激光線，自聚焦透鏡長度設 為2.2mm，焦距1.8mm，可得到發(fā)散角45°的激光線。
[0056] MEMS微扭轉鏡的可動鏡面可繞其轉軸(X軸)實現(xiàn)5KHz左右，±20度的機械角扭轉， 從而線光源沿平行于MEMS微扭轉鏡轉軸方向入射時，被正在繞其轉軸扭轉的MEMS微扭轉鏡 的反射面反射，得到二維結構光投影。
[0057] MEMS微扭轉鏡，布置在自聚焦透鏡焦點附近，保證入射到微扭轉鏡的激光線光斑 小于其反射面尺寸，以保證激光線完全入射到MEMS微扭轉鏡上，從而可被完全反射。
[0058] MEMS微扭轉鏡具有可動鏡面，其上有有金膜作為反射層，提高對激光線光源的反 射率。
[0059] 激光光源發(fā)出的激光束光斑直徑約0.8mm，在光束入射到自聚焦透鏡前用a = 0.6mm，h = 1 mm的矩形截面光闌限制激光束沿X向兩側較小光功率部分的繼續(xù)傳輸，從而改 善得到的結構光的均勻性。
[0060] 光電反饋模塊由反射鏡和高速光電探測器檢測模塊組成，其中反射鏡把對應位置 處出射的激光線反射到高速光電探測器上，高速光電探測器產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)其運算器運 算后可實時得到MEMS微扭轉鏡的振動幅值、相位和頻率，并反饋給控制器。
[0061 ] 控制模塊可同步控制MEMS微扭轉鏡振動和激光光源光功率?？刂破骺蓪崿F(xiàn)激光光 源的調制，控制激光光源的功率，其功率可在〇到l〇〇mW之間任意設置，所以得到的結構光可 以是多值編碼條紋，如光功率按正弦規(guī)律變化的正弦結構光，如圖3(a);當然也可以是二值 編碼條紋，如圖3(b)?？刂颇K可根據(jù)反饋模塊提供的MEMS微扭轉振動信息，通過控制其驅 動信號，使MEMS微扭轉鏡繞其扭轉軸實現(xiàn)穩(wěn)定頻率和穩(wěn)定幅值的扭轉。
[0062]控制模塊可根據(jù)反饋模塊得到的MEMS微扭轉鏡的幅值、相位、頻率，實時控制MEMS 微扭轉鏡和激光光源功率，從而保證激光光源的功率和MEMS微扭轉鏡的轉角位置成一一對 應關系，得到穩(wěn)定的結構光。如圖4,入射激光線12保持不變，微扭轉鏡13繞其轉軸(X軸)扭 轉，反射激光線14的投影位置取決于MEMS微扭轉鏡的具體扭轉角，根據(jù)反饋模塊實時反饋 的MEMS微扭轉鏡的幅值、相位、頻率，控制各個時刻激光光源的功率，從而保證MEMS微扭轉 鏡相同扭轉角下，激光光源可輸出相同的光功率，從而得到穩(wěn)定的結構光。
[0063] 實施例二
[0064]本實施例采用以下技術方案：
[0065] -種基于電容反饋的掃描式結構光投影系統(tǒng)，如圖5,包括激光光源10、自聚焦透 鏡11，一MEMS微扭轉鏡13，一電容反饋模塊46及控制模塊17。其中激光光源發(fā)出的激光束由 自聚焦透鏡生成激光線12;激光線12由MEMS微扭轉鏡反射層反射，形成反射光線14,進而得 到二維結構光15;反饋模塊實時反饋MEMS微扭轉鏡的振動頻率與反射鏡面位置;控制模塊 同步控制MEMS微扭轉鏡運動和激光光源光功率。
[0066] 激光光源波長660nm，最大功率50mW，可被高速調制，其光功率從0到50mW之間可被 連續(xù)調節(jié)或數(shù)字調節(jié)。
[0067]在此選用長方體自聚焦透鏡，用來把激光束生成激光線，自聚焦透鏡長度設為 2mm，焦距2mm，可得到發(fā)散角55°的激光線；
[0068] MEMS微扭轉鏡的可動鏡面可繞其轉軸(X軸）實現(xiàn)1 lKHz左右，± 20度的機械角扭 轉，從而線光源沿平行于MEMS微扭轉鏡轉軸方向入射時，被正在繞其轉軸扭轉的MEMS微扭 轉鏡的反射面反射，得到二維結構光投影。
[0069] MEMS微扭轉鏡具有可動鏡面，其上有金膜作為反射層，提高對激光線光源的反射 率。
[0070] MEMS微扭轉鏡自身集成了電容傳感器。
[0071 ]電容反饋模塊可根據(jù)MEMS微扭轉鏡振動過程中電容傳感器提供的電容變化信號， 經(jīng)其運算器運算后可實時得到MEMS微扭轉鏡的振動幅值、相位和頻率，并反饋給控制模塊。 [0072] 控制模塊可同步控制MEMS微扭轉鏡振動和激光光源光功率?？刂破骺蓪崿F(xiàn)激光光 源的調制，控制激光光源的功率，其功率可在0_50mW之間任意設置，所以得到的結構光可以 是多值編碼條紋，如光功率按正弦規(guī)律變化的正弦結構光，如圖3(a);當然也可以是二值編 碼條紋，如圖3 (b)?？刂颇K可根據(jù)反饋模塊提供的MEMS微扭轉振動信息，通過控制其驅動 信號，使MEMS微扭轉鏡繞其扭轉軸實現(xiàn)穩(wěn)定頻率和穩(wěn)定幅值的扭轉。
[0073]控制模塊可根據(jù)反饋模塊得到的MEMS微扭轉鏡的幅值、相位、頻率，實時控制MEMS 微扭轉鏡和激光光源功率，從而保證激光光源的功率和MEMS微扭轉鏡的轉角位置成一一對 應關系，得到穩(wěn)定的結構光。如圖4,入射激光線12保持不變，微扭轉鏡13繞其轉軸(X軸)扭 轉，反射激光線14的投影位置取決于MEMS微扭轉鏡的具體扭轉角，根據(jù)反饋模塊實時反饋 的MEMS微扭轉鏡的幅值、相位、頻率，控制各個時刻激光光源的功率，從而保證MEMS微扭轉 鏡相同扭轉角下，激光光源可輸出相同的光功率，從而得到穩(wěn)定的結構光。
[0074] 本發(fā)明、電容反饋模塊根據(jù)MEMS微扭轉鏡振動過程中高速光電探測器產(chǎn)生脈沖信 號或者電容傳感器提供的電容變化信號，經(jīng)其運算器運算后可實時得到MEMS微扭轉鏡的振 動幅值、相位和頻率，具體是通過以下系統(tǒng)和方法實現(xiàn)的：
[0075] 第一種情況:采用一個光電探測器，實現(xiàn)微扭轉鏡振動幅值和相位的計算。
[0076]請參閱圖7所示，系統(tǒng)10'主要包括具有透光區(qū)12'的固定框11'、靠近透光區(qū)12'邊 緣的固定框內(nèi)一側布有一個高速光電探測器13'、固定在固定框11'內(nèi)的諧振式微扭轉鏡 14'和激光器15'。
[0077] 高速光電探測器13'、固定在固定框內(nèi)的微扭轉鏡14 '和激光器15 '均固定在固定 框11'上，并保證各組件的定位關系和定位精度，該固定框11'透光區(qū)12'的四周為不透光材 質；從激光器15'出射的激光光線經(jīng)微扭轉鏡14'反射后射出，掃描范圍為比高速光電探測 器位于0范圍內(nèi)掃描角度為a的邊界處(a〈0)，并在微扭轉鏡的掃描路徑上，即固定框內(nèi)部透 光區(qū)與不透光交界處。具體地說，高速光電探測器13'布置在固定框11'的邊緣，且設置在微 扭轉鏡的掃描范圍內(nèi)，但是高速光電探測器13'沒有布置在透光區(qū)12'。
[0078] 請結合圖8和圖9所示：當激光器15'射出的光經(jīng)微扭轉鏡14'反射，掃描經(jīng)過高速 光電探測器13'時，光電探測器13'可感知到微扭轉鏡的位置信號，控制系統(tǒng)根據(jù)時間等因 素運算可得到微扭轉鏡振動的幅值和相位。
[0079]計算原理具體如下:激光器15'、微扭轉鏡14'、光電探測器13'安裝固定在固定框 11'內(nèi)，位置明確，均為已知；以光電探測器產(chǎn)生的兩相鄰(時間間隔小于T/2)脈沖信號中首 個脈沖信號產(chǎn)生的時刻點為計時起始點，取微扭轉鏡14'的一個振動周期T，^時刻和^時 亥IJ，微扭轉鏡反射的光線經(jīng)過光電探測器13'，此時微扭轉鏡的位置幅值為cU，探測器感測 到微扭轉鏡反射光掃描經(jīng)過的信號，t#Pt2時刻的中間
-微扭轉鏡達到最大幅值，
時刻掃描鏡位于初始位置;微扭轉鏡的振動幅值Ao和初相位0的運算如下：
[0080] 幅值運算：
[0086] 如上兩式相加得：
[0091]第二種情況:采用兩個光電探測器，其中，一個光電探測器是用于計算微扭轉鏡的 振動幅值和相位，另外一個光電探測器是用于抵消因封蓋在固定框架上的裝配、及微扭轉 鏡和激光器安裝引起的微扭轉鏡幅值偏差。
[0092]系統(tǒng)組成如圖10'，該系統(tǒng)20'主要包括具有透光區(qū)12'的固定框11'、靠近透光區(qū) 12'邊緣的固定框11'內(nèi)兩側各布有一個高速光電探測器13'和46'、固定在固定框11'內(nèi)的 諧振式微扭轉鏡14'和激光器15'。
[0093]高速光電探測器13 '和46 '、固定在固定框11'內(nèi)的微扭轉鏡14 '和激光器15 '均固 定在固定框11'上，并保證各組件的定位關系和定位精度，該固定框11'透光區(qū)12'的四周為 不透光材質；從激光器15'出射的激光光線經(jīng)微扭轉鏡14'反射后射出，掃描范圍為比高速 光電探測器13'和46'位于0范圍內(nèi)掃描角度為a的邊界處(a〈0)，并在微扭轉鏡的掃描路徑 上，即固定框內(nèi)部透光區(qū)與不透光交界處。
[0094]與采用一個光電探測器相比，增加了第二高速光電探測器46'，目的在于可減少由 于裝配誤差帶來的振動幅值計算的誤差。裝配過程中把兩高速光電探測器裝配到固定框封 蓋上各自的位置偏差帶來的微扭轉鏡振動幅值偏差為A :和A 2，設封蓋與固定框之間的裝 配誤差與微扭轉鏡、激光器裝配誤差帶來的微扭轉鏡振動幅值總偏差A :如圖10示：當激光 器射出的光經(jīng)微扭轉鏡反射，掃描經(jīng)過高速光電探測器13 '和46 '時，光電探測器可感知到 微扭轉鏡的位置信號，控制系統(tǒng)根據(jù)時間等因素運算可得到微扭轉鏡振動的幅值和相位， 微扭轉鏡的運動、光電探測器感知的信號如圖11示。
[0095]激光器15 '、微扭轉鏡14 '、光電探測器13 '和46 '安裝固定在固定框內(nèi)，位置明確， 均為已知；以光電探測器13'或46'其中一個(此處以光電探測器13'為例)產(chǎn)生的兩相鄰(時 間間隔小于T/2)脈沖信號中首個脈沖信號產(chǎn)生的時刻點為計時起始點，如圖11示，取微扭 轉鏡的一個振動周期T，^時刻和t 2時刻，微扭轉鏡反射的光線經(jīng)過光電探測器13'，此時微 扭轉鏡的位置幅值為cU，探測器13'感測到微扭轉鏡反射光掃描經(jīng)過的信號，并產(chǎn)生脈沖信 號;t 3時刻和t4時刻，微扭轉鏡反射的光線經(jīng)過光電探測器46'，此時微扭轉鏡的位置幅值為 d2，探測器46 '感測到微扭轉鏡反射光掃描經(jīng)過的信號，并產(chǎn)生脈沖信號，
刻掃描鏡位于初始位置;考慮裝配誤差，微扭轉鏡的振動幅值Ao運算原理如下：
[0096] 對于高速光電探測器13'：
[0105] Aq*cos(jt A ti/T) =di+A i+A [0106] 對于高速光電探測器46'：
[0115] Ao*cos(jt A t2/T) =d2+ A 2- A
[0116] 綜合高速光電傳感器13'和46'：
[0118]從式中可看出，綜合考慮高速光電傳感器13'和46'，封蓋與固定框之間的裝配誤 差與微扭轉鏡、激光器裝配誤差引起的微扭轉鏡振動幅值總偏差A被抵消，減小了幅值計 算誤差。
[0119]采用一個光電探測器，還可以有變形形式，例如在微扭轉鏡掃描角度為a的邊界處 (a〈0)，并在1D微扭轉鏡的掃描路徑上設置一反射鏡66'，當微扭轉鏡掃描至該處時，掃描光 線經(jīng)反射鏡反射至光電探測器13 '上，如圖12，同樣可測得微扭轉鏡的相位和幅值信息。
【主權項】
1. 一種掃描式結構光投影系統(tǒng)，其特征在于:包括:激光光源（10)、微扭轉鏡、反饋模塊 (16)，以及控制模塊（17)，其中，激光線（12)沿平行于微扭轉鏡轉軸方向入射，該入射光線 被轉動的微扭轉鏡反射后，形成二維結構光投影;反饋模塊與微扭轉鏡連接用以采集微扭 轉鏡的振動頻率和位置，控制模塊的輸入端與反饋模塊的輸出端連接，用以接收反饋模塊 的信號，控制模塊的輸出端與激光光源和微扭轉鏡連接，用以控制微扭轉鏡的運動和激光 光源的光功率，保證微扭轉鏡在相應的扭轉角下，激光光源輸出與目標結構光圖案相符的 光功率。2. 根據(jù)權利要求1所述的一種掃描式結構光投影系統(tǒng)，其特征在于:激光光源發(fā)出的激 光束通過自聚焦透鏡(11)轉變?yōu)榧す饩€。3. 根據(jù)權利要求2所述的一種掃描式結構光投影系統(tǒng)，其特征在于:在激光線的入射光 路上設置有截面光闌，以限制激光線兩側光強較弱的部分繼續(xù)傳輸，改善結構光光強的均 勻性。4. 根據(jù)權利要求3所述的一種掃描式結構光投影系統(tǒng)，其特征在于:設激光線傳輸至截 面光闌處的截面半徑為rx、r y，則截面光闌的尺寸a滿足:a〈2rx，其中，a為激光線的寬度尺 寸。5. 根據(jù)權利要求3所述的一種掃描式結構光投影系統(tǒng)，其特征在于:所述微扭轉鏡布置 在自聚焦透鏡的焦點附近，保證入射到微扭轉鏡的激光線光斑小于微扭轉鏡的反射面尺 寸，以保證激光線完全入射到微扭轉鏡上，從而被完全反射。6. 根據(jù)權利要求5所述的一種掃描式結構光投影系統(tǒng)，其特征在于:微扭轉鏡的可動鏡 面上設置有金屬鍍層，作為反射層。7. 根據(jù)權利要求1至6中任一項所述的一種掃描式結構光投影系統(tǒng)，其特征在于:所述 的反饋模塊包括采集單元和運算器，所述采集單元用于采集微扭轉鏡的振動頻率和位置， 所述運算器根據(jù)微扭轉鏡的位置計算得到微扭轉鏡的振動幅值和相位。8. 根據(jù)權利要求7所述的一種掃描式結構光投影系統(tǒng)，其特征在于:微扭轉鏡的振動頻 率和位置通過采集反射光信號得到，或者微扭轉鏡的振動頻率和位置通過微扭轉鏡上設置 的傳感器得到，所述傳感器反應微扭轉鏡的位置、速度、角速度、加速度、角加速度;所述傳 感器包括電容傳感器、壓阻傳感器、壓電傳感器，或電磁傳感器。9. 一種基于權利要求1至8中任意一項所述的掃描式結構光投影系統(tǒng)的控制方法，其特 征在于:包括以下步驟： (1) 激光光源發(fā)出的光經(jīng)轉變?yōu)榧す饩€后，沿平行于微扭轉鏡轉軸方向入射到微扭轉 鏡上，該入射光線被轉動的微扭轉鏡反射后，形成二維結構光投影； (2) 反饋模塊采集微扭轉鏡的位置和振動頻率，經(jīng)計算后，將微扭轉鏡的振動幅值、相 位和振動頻率傳送給控制模塊，控制模塊據(jù)此，調整微扭轉鏡的運動和激光光源的光功率， 保證微扭轉鏡在相應的扭轉角下，激光光源輸出與圖案相符的光功率。10. 根據(jù)權利要求9所述的一種掃描式結構光投影系統(tǒng)的控制方法，其特征在于:微扭 轉鏡的振動頻率和位置通過采集反射光信號得到，或者微扭轉鏡的振動頻率和位置通過微 扭轉鏡上設置的傳感器得到，所述傳感器反應微扭轉鏡的位置、速度、角速度、加速度、角加 速度。
【文檔編號】G02B26/08GK106052592SQ201610497717
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月28日
【發(fā)明人】夏長鋒, 宋秀敏, 喬大勇, 游橋明
【申請人】西安勵德微系統(tǒng)科技有限公司