技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明屬于光學檢測領(lǐng)域，涉及一種自適應(yīng)線結(jié)構(gòu)光的閉環(huán)調(diào)制方法，特別是一種大景深、自適應(yīng)、可懸停、快速移動的線結(jié)構(gòu)光的生成方法。

背景技術(shù)：
：

三維測量技術(shù)作為溝通現(xiàn)實世界和虛擬的數(shù)字世界的橋梁，其重要作用越來越凸顯。被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)檢測、醫(yī)療健康、數(shù)字娛樂、電子商務(wù)、文物保護等諸多行業(yè)。光學三維測量由于具有非接觸、精度高、速度快的優(yōu)勢，已經(jīng)發(fā)展成為三維檢測領(lǐng)域最重要的技術(shù)。光學三維測量又可分為主動式和被動式兩種。被動式測量方法以立體視覺為代表。雖然立體視覺技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但存在著“匹配難”的瓶頸，而且運算量巨大，魯棒性差的缺點。主動三維測量技術(shù)包括飛行時間法、結(jié)構(gòu)光投影法、干涉法等。其中，由于結(jié)構(gòu)光投影法系統(tǒng)簡便，成本比較低，而且精度較高，因此應(yīng)用最為廣泛。

結(jié)構(gòu)光投影法，通常向被測物體表面投影特定的編碼光，利用相機拍攝編碼光在物體表面的調(diào)制信號，在進一步解調(diào)得到和深度信息有關(guān)的調(diào)制信號，最后經(jīng)過標定得到物體表面的三維形貌。投射的編碼光通常包括：線結(jié)構(gòu)光圖、正余弦光柵圖，格雷碼，顏色編碼，隨機形狀編碼等。

其中線結(jié)構(gòu)光投影測量方法在工業(yè)檢測領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛，傳統(tǒng)的線結(jié)構(gòu)光生成方式主要有兩種：第一種，通過旋轉(zhuǎn)馬達將點激光轉(zhuǎn)換成線結(jié)構(gòu)光；第二種，通過光學透鏡將點激光轉(zhuǎn)換成線結(jié)構(gòu)光；第一種方法，通過機械裝置產(chǎn)生線結(jié)構(gòu)光，精度低；第二種方法，點激光通過光學透鏡，光功率有損失，產(chǎn)生的線結(jié)構(gòu)光亮度低，嚴重影響三維測量精度；并且上面兩種線結(jié)構(gòu)光投影方法，需要在機械運動機構(gòu)的配合下才能實現(xiàn)線結(jié)構(gòu)光掃描，導致測量系統(tǒng)體積大、成本高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種自適應(yīng)線結(jié)構(gòu)光的閉環(huán)調(diào)制方法，能夠在被測物的表面形成具有大景深、自適應(yīng)光強、可懸停、可快速移動的線結(jié)構(gòu)光，相比于傳統(tǒng)的線結(jié)構(gòu)光，光強更強、線結(jié)構(gòu)光的直線特性更好；并且具有精度高、自適應(yīng)光強調(diào)節(jié)、可懸停、可快速移動的特點。不需要機械移動裝置便可實現(xiàn)線結(jié)構(gòu)光掃描，降低三維掃描系統(tǒng)的復雜度和成本，并且可提升測量精度。同時，自適應(yīng)調(diào)節(jié)激光器光強的技術(shù)，可以用來測量具有不同反射率的物體，提升了線結(jié)構(gòu)光的應(yīng)用范圍。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：

一種自適應(yīng)線結(jié)構(gòu)光的閉環(huán)調(diào)制方法，按照如下步驟：以激光光束作為點光源，通過微振鏡將點光源轉(zhuǎn)換成線結(jié)構(gòu)光，或者通過光學透鏡將點光源轉(zhuǎn)換成線結(jié)構(gòu)光；同時，激光器的光強被反饋信號調(diào)制，調(diào)節(jié)激光器的輸出光強，生成自適應(yīng)、可懸停、快速移動的線結(jié)構(gòu)光。

所述通過微振鏡將光源轉(zhuǎn)換線結(jié)構(gòu)光是按照如下步驟：通過二維微振鏡反射到被測物體表面，二維微振鏡在快慢兩個方向的驅(qū)動電流激勵下進行二維掃描，快軸用于產(chǎn)生線結(jié)構(gòu)光圖案，慢軸用于實現(xiàn)線結(jié)構(gòu)光的移動和懸停。

所述通過光學透鏡將光源轉(zhuǎn)換成線結(jié)構(gòu)光是按照如下步驟：通過光學透鏡將點光源轉(zhuǎn)換為線光源，產(chǎn)生線結(jié)構(gòu)光，通過微振鏡的一維掃描實現(xiàn)線結(jié)構(gòu)光的移動和懸停。

所述線結(jié)構(gòu)光光強在相機和上位機的輔助下完成自適應(yīng)調(diào)節(jié)，或者采用具有嵌入算法的智能相機來實現(xiàn)線結(jié)構(gòu)光光強的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

所述激光器為一個；或者為多個激光器，多個激光器發(fā)出的光束通過整合匯聚成一個光束。

技術(shù)方案一：

第一步，設(shè)計系統(tǒng)工作參數(shù)。根據(jù)線結(jié)構(gòu)光的工作距離確定最大工作距離l2，最小工作距離l1；景深范圍內(nèi)δl的最大光斑ωmax；線結(jié)構(gòu)光步進式移動的行數(shù)r，r由激光光束特性決定。

第二步，生成驅(qū)動信號。涉及的驅(qū)動信號有三種。1)微振鏡快軸驅(qū)動信號，這是一種正弦(或余弦)波形的電流信號，其頻率fx等于微振鏡快軸方向諧振頻率f，其峰值ix峰由微振鏡的具體參數(shù)確定。2)微振鏡慢軸驅(qū)動信號，這是一種臺階電流信號。其頻率為fy＝fx/r，其峰值iy峰由微振鏡的參數(shù)確定。3)激光器的驅(qū)動信號，為可調(diào)節(jié)的方波電流信號。其最高頻率fld由其激光光束的特性決定，其峰值和偏置電流均由激光器的特性決定。上述三種驅(qū)動信號均為模擬信號。

第三步，生成有懸停效果的、可移動的線結(jié)構(gòu)光。利用第二步中產(chǎn)生的微振鏡快軸驅(qū)動信號，驅(qū)動微振鏡進行一維掃描，產(chǎn)生線結(jié)構(gòu)光，線結(jié)構(gòu)光的長度與微振鏡的偏轉(zhuǎn)角度有關(guān)。利用第二步中產(chǎn)生的微振鏡慢軸驅(qū)動信號，驅(qū)動微振鏡在慢軸方向步進式偏轉(zhuǎn)，實現(xiàn)線結(jié)構(gòu)光的步進式移動。激光器通過可調(diào)節(jié)的恒定電流產(chǎn)生不同光強的的激光光束，激光光束以一定的入射角照射到振鏡表面，再經(jīng)過振鏡反射到物體表面，形成具有懸停效果的、可移動的線結(jié)構(gòu)光。

第四步，生成自適應(yīng)的線結(jié)構(gòu)光。相機通過采集線激光的圖片并進行分析，可分析出目前電流下的激光器發(fā)出的光強是否合適，并將反饋信號傳輸給上位機，由上位機發(fā)送校正信號給激光器，進而提升或降低激光器的光強，實現(xiàn)線結(jié)構(gòu)光的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

技術(shù)方案二：

第一步，設(shè)計系統(tǒng)工作參數(shù)。根據(jù)線結(jié)構(gòu)光的工作距離確定最大工作距離l2，最小工作距離l1；景深范圍內(nèi)δl的最大光斑ωmax；線結(jié)構(gòu)光步進式移動的行數(shù)r，r由激光光束特性決定。

第二步，生成驅(qū)動信號。涉及的驅(qū)動信號有兩種。1)微振鏡驅(qū)動信號，這是一種臺階信號。2)激光器的驅(qū)動信號，為可調(diào)節(jié)的方波信號。其方波周期根據(jù)實際情況而定。上述兩種驅(qū)動信號均為模擬信號。

第三步，生成有懸停效果的、可移動的線結(jié)構(gòu)光。利用光學透鏡將點激光轉(zhuǎn)換為線結(jié)構(gòu)光，線結(jié)構(gòu)光的長度與光學透鏡有關(guān)。利用第二步中產(chǎn)生的微振鏡驅(qū)動信號，驅(qū)動微振鏡在垂直于線結(jié)構(gòu)光的方向上步進式偏轉(zhuǎn)，實現(xiàn)線結(jié)構(gòu)光的步進式移動和懸停。線結(jié)構(gòu)光以一定的入射角照射到振鏡表面，再經(jīng)過振鏡反射到物體表面，形成具有懸停效果的、可移動的線結(jié)構(gòu)光。

第四步，生成自適應(yīng)的線結(jié)構(gòu)光。相機通過采集線激光的圖片并進行分析，可分析出目前電流下的激光器發(fā)出的光強是否合適，并將反饋信號傳輸給上位機，由上位機發(fā)送校正信號給激光器，進而提升或降低激光器的光強，實現(xiàn)線結(jié)構(gòu)光的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

有益效果

本發(fā)明利用激光光束的掃描生成自適應(yīng)、可懸停、可快速移動的線結(jié)構(gòu)光。

本發(fā)明所產(chǎn)生的線結(jié)構(gòu)光是可編程的空間連續(xù)分布的模擬線結(jié)構(gòu)光，相比于傳統(tǒng)的線結(jié)構(gòu)光，光強更強、線結(jié)構(gòu)光的直線特性更好；并且具有精度高、自適應(yīng)光強調(diào)節(jié)、可懸停、可快速移動的特點。不需要機械移動裝置便可實現(xiàn)線結(jié)構(gòu)光掃描，降低三維掃描系統(tǒng)的復雜度和成本，并且可提升測量精度。同時，自適應(yīng)調(diào)節(jié)激光器光強的技術(shù)，可以用來測量具有不同反射率的物體，提升了線結(jié)構(gòu)光的應(yīng)用范圍。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明的光學系統(tǒng)傳播模型；

圖2為本發(fā)明振鏡電流信號與時間的關(guān)系圖；

圖3為本發(fā)明的微振鏡慢軸轉(zhuǎn)角與輸入電流的關(guān)系圖；

圖4為本發(fā)明的方案一的系統(tǒng)控制信號的時序關(guān)系圖；

圖5為本發(fā)明的方案一的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意簡圖；

圖6為本發(fā)明的方案二的系統(tǒng)控制信號的時序關(guān)系圖；

圖7為本發(fā)明的方案二的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意簡圖；

其中：1為激光器；2為第一光學透鏡；3為反射鏡；4為光闌；5為微振鏡；6為投影畫面；7為激光器控制芯片；8為時序算法芯片；9為微振鏡控制芯片；10為相機；11為上位機；2a為第二光學透鏡。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述：

參見圖1、2、3、4、5、6和7，一種大景深、自適應(yīng)、可懸停、快速移動的線結(jié)構(gòu)光的生成方法，具體包括以下步驟：

第一步，設(shè)計系統(tǒng)參數(shù)。

1)確定線結(jié)構(gòu)光的工作距離的范圍

如圖1，激光器1發(fā)出的高斯激光光束經(jīng)過第一光學透鏡(非球面透鏡)2后，入射到反射鏡鏡3上，再反射到被測物體表面。高斯光束的聚焦面在l0處，設(shè)計景深為δl，其中δl＝l2-l1。根據(jù)abcd矩陣計算可得光束在穿過透鏡后的光斑大小，最大工作距離l2處光斑大小ω2，最小工作距離l1處光斑大小為ω1。線結(jié)構(gòu)光的長度d0、d1、d2分別對應(yīng)工作距離l0、l1、l2。

2)確定線結(jié)構(gòu)光工作視場

線結(jié)構(gòu)光工作視場由激光光斑特性和微振鏡的轉(zhuǎn)角確定。振鏡快慢軸的轉(zhuǎn)角為θx和θy。線結(jié)構(gòu)光的長度d，由計算公式(1.1)求出，線結(jié)構(gòu)光步進的行數(shù)r，由計算公式(1.2)求出。

公式(1.1)、(1.2)中的l為線結(jié)構(gòu)光的工作距離，l在區(qū)間[l1,l2]內(nèi)，ω為在工作距離為l處時，激光的光斑大小，ω在區(qū)間[ω1,ω2]內(nèi)。

第二步，生成驅(qū)動信號。

1)微振鏡快軸驅(qū)動信號

該驅(qū)動信號是一種電流信號，信號的電流和電壓特性由所使用的微振鏡的電學特性決定。其頻率fx等于微振鏡快軸方向諧振頻率f。

2)微振鏡慢軸驅(qū)動信號

該驅(qū)動信號是一種電流信號，一般為梯形信號，其電流和電壓特性由所使用的微振鏡的電學特性決定。圖2為電流信號與時間的關(guān)系，懸停時間t可變動；圖3為微振鏡慢軸轉(zhuǎn)角與輸入電流的關(guān)系。

3)激光器的驅(qū)動信號

該驅(qū)動信號是可調(diào)節(jié)的方波信號，可調(diào)節(jié)的范圍在激光器的正常驅(qū)動電流內(nèi)。

4)信號的時序關(guān)系

線結(jié)構(gòu)光實現(xiàn)步進時，微振鏡快軸、慢軸驅(qū)動信號，以及激光器驅(qū)動信號，線結(jié)構(gòu)光步進同步信號的時序關(guān)系如圖4所示。

第三步，生成可懸停、快速移動的線結(jié)構(gòu)光。

如圖5，上位機11發(fā)送開始命令，激光器控制芯片7控制激光器1發(fā)出激光光束，通過第二光學透鏡2將光束整合或聚焦，激光光束經(jīng)過鏡面3反射，通過光闌4，入射到微振鏡5上，微振鏡在微振鏡控制芯片9的控制下，沿快軸方向左右快速擺動，形成線結(jié)構(gòu)光圖案，6為投影畫面，激光器控制芯片7與微振鏡控制芯片9的協(xié)同控制，是通過時序算法芯片8來實現(xiàn)的，微振鏡的慢軸控制線結(jié)構(gòu)光步進和懸停的時間；此時，慢軸的懸停時間控制著相機采集到的線結(jié)構(gòu)光的光強和線結(jié)構(gòu)光移動的速度。

第四步，生成自適應(yīng)的線結(jié)構(gòu)光。

第三步所說，當慢軸的懸停時間增加時，相機采集的線結(jié)構(gòu)光的光強也會增加；在線結(jié)構(gòu)光三維測量領(lǐng)域，相機10負責采集到經(jīng)被測物體表面調(diào)制的線結(jié)構(gòu)光，若線結(jié)構(gòu)光的光強過高，導致采集到的調(diào)制后的線結(jié)構(gòu)光的線寬增大、高斯性降低，進而影響三維測量精度。此外，不同被測物體的表面反射率不一樣，需要用不同的強度的線結(jié)構(gòu)光，以完成對具有不同反射率的被測物體的測量。

本專利通過使用三維重建的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的相機10與激光微振鏡投影裝置相結(jié)合，將相機采集的線結(jié)構(gòu)光圖片，經(jīng)過上位機處理后，由上位機11發(fā)送命令致激光控制芯片7，進而控制激光器的發(fā)光強度，生成自適應(yīng)的線結(jié)構(gòu)光，用于測量不同反射率的物體。

相機隨機采集幾張經(jīng)被測物體調(diào)制后的線結(jié)構(gòu)光圖片，并將采集的數(shù)據(jù)傳送給上位機，上位機11嵌入式的算法用于判斷目前光強的線結(jié)構(gòu)光是否合適，通過分析調(diào)制后的線結(jié)構(gòu)光的高斯特性和線寬，計算出合適光強的激光器的驅(qū)動信號，激光器的光強是由輸入的驅(qū)動信號控制的，不同的光強對應(yīng)著不同的驅(qū)動信號，上位機嵌入式的算法計算出合適的光強，查找出這個合適的光強對應(yīng)的驅(qū)動信號，這個信號就是反饋信號，并將反饋信號傳輸給激光器的控制芯片，進而實現(xiàn)線結(jié)構(gòu)光的自適應(yīng)調(diào)制，這種自適應(yīng)調(diào)制機制，可以使線結(jié)構(gòu)光用于測量具有不同反射率的物體表面，提升了測量的范圍和測量精度。

具體實施步驟方案二：

下面具體結(jié)合附圖對本發(fā)明做詳細描述。

一種大景深、自適應(yīng)、可懸停、快速移動的線結(jié)構(gòu)光的生成方法，具體包括以下步驟：

第一步，設(shè)計系統(tǒng)參數(shù)。

1)確定線結(jié)構(gòu)光的工作距離的范圍

如圖1，激光器1發(fā)出的高斯激光光束經(jīng)過光學透鏡2后，入射到反射鏡3上，再反射到被測物體表面。高斯光束的聚焦面在l0處，設(shè)計景深為δl，其中δl＝l2-l1。根據(jù)abcd矩陣計算可得光束在穿過透鏡后的線寬大小，最大工作距離l2處線寬大小ω2，最小工作距離l1處線寬大小為ω1。線結(jié)構(gòu)光的長度d0、d1、d2分別對應(yīng)工作距離l0、l1、l2。

2)確定線結(jié)構(gòu)光工作視場

線結(jié)構(gòu)光工作視場由光學透鏡的特性和微振鏡的轉(zhuǎn)角確定。線結(jié)構(gòu)光的長度d，由光學透鏡的特性決定。線結(jié)構(gòu)光步進的行數(shù)r，由計算公式(1.2)求出。

第二步，生成驅(qū)動信號。

1)mems掃描振鏡驅(qū)動信號。

該驅(qū)動信號是一種電流信號，一般為梯形信號，其電流和電壓特性由所使用的mems振鏡的電學特性決定。圖2為電流信號與時間的關(guān)系，懸停時間t可變動。

2)激光器的驅(qū)動信號。

該驅(qū)動信號是可調(diào)節(jié)的方波信號，可調(diào)節(jié)的范圍在激光器的正常驅(qū)動電流內(nèi)。

3)信號的時序關(guān)系(時序圖)

線結(jié)構(gòu)光實現(xiàn)步進時，微振鏡驅(qū)動信號，以及激光器驅(qū)動信號，線結(jié)構(gòu)光步進同步信號的時序關(guān)系如圖6所示。

第三步，生成可懸停、快速移動的線結(jié)構(gòu)光。

如圖7，上位機11發(fā)送開始命令，激光器控制芯片7控制激光器1發(fā)出激光光束，通過第二光學透鏡2a將點激光轉(zhuǎn)換為線結(jié)構(gòu)光，入射到微振5上，微振鏡在微振鏡控制芯片9的控制下，實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)和懸停，進而實現(xiàn)線結(jié)構(gòu)光的步進和懸停，激光器控制芯片7與微振鏡控制芯片9的協(xié)同控制，是通過時序算法8來實現(xiàn)的；此時，微振鏡的懸停時間控制著相機采集到的線結(jié)構(gòu)光的光強和線結(jié)構(gòu)光移動的速度。

第四步，生成自適應(yīng)的線結(jié)構(gòu)光。

第三步所說，當慢軸的懸停時間增加時，相機采集的線結(jié)構(gòu)光的光強也會增加；在線結(jié)構(gòu)光三維測量領(lǐng)域，相機10負責采集到經(jīng)被測物體表面調(diào)制的線結(jié)構(gòu)光，若線結(jié)構(gòu)光的光強過高，導致采集到的調(diào)制后的線結(jié)構(gòu)光的線寬增大、高斯性降低，進而影響三維測量精度。此外，不同被測物體的表面反射率不一樣，需要用不同的強度的線結(jié)構(gòu)光，以完成對具有不同反射率的被測物體的測量。

本專利通過使用三維重建的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的相機10與激光微振鏡投影裝置相結(jié)合，將相機采集的線結(jié)構(gòu)光圖片，經(jīng)過上位機處理后，由上位機11發(fā)送命令致激光控制芯片7，進而控制激光器的發(fā)光強度，生成自適應(yīng)的線結(jié)構(gòu)光，用于測量不同反射率的物體。

相機隨機采集幾張經(jīng)被測物體調(diào)制后的線結(jié)構(gòu)光圖片，并將采集的數(shù)據(jù)傳送給上位機，上位機11嵌入式的算法用于判斷目前光強的線結(jié)構(gòu)光是否合適，通過分析調(diào)制后的線結(jié)構(gòu)光的高斯特性和線寬，計算出合適光強的激光器的驅(qū)動信號，并將反饋信號傳輸給激光器的控制芯片，進而實現(xiàn)線結(jié)構(gòu)光的自適應(yīng)調(diào)制，這種自適應(yīng)調(diào)制機制，可以使線結(jié)構(gòu)光用于測量具有不同反射率的物體表面，提升了測量的范圍和測量精度。

本文發(fā)明的線結(jié)構(gòu)光微振鏡調(diào)制方法可以通過兩種技術(shù)方案來實現(xiàn)。方案一：該方法以激光光束作為點光源，通過二維微振鏡反射到被測物體表面，二維微振鏡在快慢兩個方向的驅(qū)動電流激勵下進行二維掃描，快軸用于產(chǎn)生線結(jié)構(gòu)光圖案，慢軸用于實現(xiàn)線結(jié)構(gòu)光的移動和懸停。同時，激光器的光強被反饋信號調(diào)制，調(diào)節(jié)激光器的輸出光強。從而在被測物的表面形成具有大景深、自適應(yīng)光強、可懸停、可快速移動的線結(jié)構(gòu)光。方案二：該方法以激光光束作為點光源，通過光學透鏡將點光源轉(zhuǎn)換為線光源，產(chǎn)生線結(jié)構(gòu)光，通過微振鏡的一維掃描實現(xiàn)線結(jié)構(gòu)光的步進和懸停。同時，激光器的光強被反饋信號調(diào)制，調(diào)節(jié)激光器的輸出光強。從而在被測物的表面形成具有大景深、自適應(yīng)光強、可懸停、可快速移動的線結(jié)構(gòu)光。這兩種方案的區(qū)別在于產(chǎn)生線結(jié)構(gòu)光的方式不同。方案一通過控制微振鏡的快軸掃描來產(chǎn)生線結(jié)構(gòu)光，方案二通過光學透鏡將點光源轉(zhuǎn)換成線結(jié)構(gòu)光；兩種方案在控制線結(jié)構(gòu)光的懸停、移動以及自適應(yīng)的原理上相同。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明,任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員,在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當可利用上述揭示的方法及技術(shù)內(nèi)容作出些許的更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。