一種掃描式結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型提供了一種掃描式結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)，包括：激光光源、微扭轉(zhuǎn)鏡、反饋模塊，以及控制模塊，其中，激光線沿平行于微扭轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)軸方向入射，該入射激光線被轉(zhuǎn)動(dòng)的微扭轉(zhuǎn)鏡反射后，形成二維結(jié)構(gòu)光投影；反饋模塊與微扭轉(zhuǎn)鏡連接用以采集微扭轉(zhuǎn)鏡的振動(dòng)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(hào)，控制模塊的輸出端與激光光源和微扭轉(zhuǎn)鏡連接，用以控制微扭轉(zhuǎn)鏡的運(yùn)動(dòng)和激光光源的光功率，保證微扭轉(zhuǎn)鏡在相同扭轉(zhuǎn)角的情況下，激光光源輸出相同的光功率。
【專(zhuān)利說(shuō)明】-種掃描式結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng) 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型屬于物體測(cè)量領(lǐng)域，特別是一種=維表面測(cè)量裝置，具體的設(shè)及基于 一維自聚焦透鏡，利用MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡得到穩(wěn)定的掃描式結(jié)構(gòu)光投影圖像。 【【背景技術(shù)】】
[0002] =維物體表面輪廓測(cè)量，在機(jī)器視覺(jué)、生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)檢測(cè)、CAD/CAM等領(lǐng)域具有重 要意義，是反向工程和計(jì)算機(jī)視覺(jué)中的重要組成部分。基于光學(xué)的=維測(cè)量技術(shù)，由于其具 有非接觸、高精度、易于自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)獲得很大發(fā)展?，F(xiàn)有的光學(xué)=維測(cè)量方法應(yīng)用最廣 泛的是通過(guò)對(duì)受=維物體面形調(diào)制的空間結(jié)構(gòu)光場(chǎng)進(jìn)行解調(diào)制來(lái)獲得=維物體面形信息， 所W得到穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)光是實(shí)現(xiàn)=維表面輪廓精確測(cè)量的前提。
[0003] 光學(xué)位相輪廓技術(shù)(PMP)是采用相移技術(shù)和正弦光柵投影相結(jié)合的S維測(cè)量方 法，對(duì)設(shè)備要求簡(jiǎn)單，是目前最成熟可靠、高精度的=維測(cè)量方法，但對(duì)正弦光柵的標(biāo)準(zhǔn)性 和相移的準(zhǔn)確度要求較高，也需保證投射結(jié)構(gòu)光的穩(wěn)定性。
[0004] 現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)光投影技術(shù)主要利用LCD或化P投影儀產(chǎn)生特定結(jié)構(gòu)光投射到被測(cè)物 體上，但系統(tǒng)復(fù)雜、體積龐大，成本高昂；另一種是，利用光柵投影出結(jié)構(gòu)光，在投影過(guò)程中 整體移動(dòng)結(jié)構(gòu)光投影裝置、或調(diào)節(jié)投影焦距實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)光對(duì)投影對(duì)像的掃描，但刷新率低，測(cè) 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(jié)構(gòu)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(kāi)關(guān)和微扭轉(zhuǎn)鏡的傾斜得到二值編碼條紋的結(jié)構(gòu) 光;但用二值編碼條紋進(jìn)行3D測(cè)量，空間分辨率低;且結(jié)構(gòu)光的生成無(wú)反饋控制，無(wú)法保證 結(jié)構(gòu)光的穩(wěn)定。 【【實(shí)用新型內(nèi)容】】
[0006] 本實(shí)用新型提出了一種掃描式結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)，W得到穩(wěn)定的掃描式結(jié)構(gòu)光。
[0007] 本實(shí)用新型采用W下技術(shù)方案：
[000引一種掃描式結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)，包括:激光光源、微扭轉(zhuǎn)鏡、反饋模塊，W及控制模 塊，其中，激光線沿平行于微扭轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)軸方向入射，該入射光線被轉(zhuǎn)動(dòng)的微扭轉(zhuǎn)鏡反射后， 形成二維結(jié)構(gòu)光投影;反饋模塊與微扭轉(zhuǎn)鏡連接用W采集微扭轉(zhuǎn)鏡的振動(dòng)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W接收反饋模塊的信號(hào)，控制模塊的輸出端 與激光光源和微扭轉(zhuǎn)鏡連接，用W控制微扭轉(zhuǎn)鏡的運(yùn)動(dòng)和激光光源的光功率，保證微扭轉(zhuǎn) 鏡在相同扭轉(zhuǎn)角的情況下，激光光源輸出相同的光功率。
[0009] 進(jìn)一步，激光光源發(fā)出的激光束通過(guò)自聚焦透鏡轉(zhuǎn)變?yōu)榧す饩€。
[0010] 進(jìn)一步，在激光線的入射光路上設(shè)置有截面光闊，W限制激光線兩側(cè)光強(qiáng)較弱的 部分繼續(xù)傳輸，改善結(jié)構(gòu)光光強(qiáng)的均勻性。
[0011] 進(jìn)一步，設(shè)激光線傳輸至截面光闊處的截面半徑為。Jy,則截面光闊的尺寸a滿(mǎn) 足:曰<2。，其中，a為激光線的寬度尺寸。
[0012] 進(jìn)一步，所述微扭轉(zhuǎn)鏡布置在自聚焦透鏡的焦點(diǎn)附近，保證入射到微扭轉(zhuǎn)鏡的激 光線光斑小于微扭轉(zhuǎn)鏡的反射面尺寸，W保證激光線完全入射到微扭轉(zhuǎn)鏡上，從而被完全 反射。
[0013] 進(jìn)一步，微扭轉(zhuǎn)鏡的可動(dòng)鏡面上設(shè)置有金屬鍛層，作為反射層。
[0014] 進(jìn)一步，所述的反饋模塊包括采集單元和運(yùn)算器，所述采集單元用于采集微扭轉(zhuǎn) 鏡的振動(dòng)頻率和位置，所述運(yùn)算器根據(jù)微扭轉(zhuǎn)鏡的位置計(jì)算得到微扭轉(zhuǎn)鏡的振動(dòng)幅值和相 位。
[0015] 進(jìn)一步，微扭轉(zhuǎn)鏡的振動(dòng)頻率和位置通過(guò)采集反射光信號(hào)得到，或者微扭轉(zhuǎn)鏡的 振動(dòng)頻率和位置通過(guò)微扭轉(zhuǎn)鏡上設(shè)置的傳感器得到，所述傳感器反應(yīng)微扭轉(zhuǎn)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] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型至少具有W下有益效果：
[0017] 本實(shí)用新型提出了一種基于自聚焦透鏡和MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的掃描式結(jié)構(gòu)光投影系 統(tǒng)，體積小、功耗低；同時(shí)結(jié)構(gòu)光刷新率最大可與微扭轉(zhuǎn)鏡的振動(dòng)頻率一致，刷新率高;反饋 模塊實(shí)時(shí)反饋MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡反射鏡面的位置，控制模塊同步控制MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡和激光光源 光功率，可得到穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)光。
[0018] 進(jìn)一步，自聚焦透鏡把激光束轉(zhuǎn)化點(diǎn)激光線，且該自聚焦透鏡是雙平面透鏡，調(diào)透 鏡長(zhǎng)度即可調(diào)節(jié)焦距，焦距可做到很小，可會(huì)聚到其端面上，便于和準(zhǔn)直系統(tǒng)等光學(xué)系統(tǒng)集 成，也可大大簡(jiǎn)化并減小光機(jī)系統(tǒng)體積。 【【附圖說(shuō)明】
】
[0019] 圖1掃描式結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)圖；
[0020] 圖2(a)為光闊截面圖；
[0021 ]圖2(b)激光束光功率高斯分布圖；
[0022] 圖3(a)為多值結(jié)構(gòu)光光功率分布示意圖；
[0023] 圖3(b)為二值結(jié)構(gòu)光光功率分布示意圖；
[0024] 圖4結(jié)構(gòu)光生成與控制示意圖；
[0025] 圖5基于光電反饋的掃描式結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)圖；
[0026] 圖6基于電容反饋的掃描式結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)圖；
[0027] 圖7為單高速光電探器微扭轉(zhuǎn)鏡光電檢測(cè)系統(tǒng)示意圖；
[0028] 圖8為微扭轉(zhuǎn)鏡光電檢測(cè)信號(hào)流程圖；
[0029] 圖9為單高速光電探器光電檢測(cè)系統(tǒng)各部分信號(hào)圖，其中，（9-a)微扭轉(zhuǎn)鏡的運(yùn)動(dòng) 圖；（9-b)高速光電探測(cè)器的感測(cè)信號(hào)圖；
[0030] 圖10為雙高速光電探器微扭轉(zhuǎn)鏡光電檢測(cè)系統(tǒng)示意圖；
[0031] 圖11為雙高速光電探器光電檢測(cè)系統(tǒng)各部分信號(hào)圖，其中，（11-a)微扭轉(zhuǎn)鏡的運(yùn) 動(dòng)圖；（11-b)高速光電探測(cè)器的感測(cè)信號(hào)圖；（Il-C)高速光電探測(cè)器的感測(cè)信號(hào)圖；
[0032] 圖12為圖7的另一種變形結(jié)構(gòu)示意圖。 【【具體實(shí)施方式】】
[0033] 本實(shí)用新型提出了一種掃描式結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)，W得到穩(wěn)定的掃描式結(jié)構(gòu)光，采 用技術(shù)方案如下：
[0034] -種掃描式結(jié)構(gòu)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(zhuǎn) 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(zhuǎn)鏡反射層反射，形成反射光線14,進(jìn)而得到二維結(jié)構(gòu)光15;反饋模塊 實(shí)時(shí)反饋MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的振動(dòng)頻率與反射鏡面位置;控制模塊同步控制MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡運(yùn)動(dòng) 和激光光源光功率。
[0035] 激光光源可被高速調(diào)制，其光功率在零到其最大功率之間可被連續(xù)調(diào)節(jié)或數(shù)字調(diào) -H- T。
[0036] 自聚焦透鏡用來(lái)把激光束生成激光線，選擇合適長(zhǎng)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(zhǎng)方體透鏡。
[0037] 自聚焦透鏡是一種面對(duì)稱(chēng)自聚焦透鏡，即自聚焦透鏡的折射率關(guān)于中間面對(duì)稱(chēng)， 并在重直于對(duì)稱(chēng)面的方向上呈梯度變化，具體為折射率從對(duì)稱(chēng)面向兩側(cè)逐漸減小，激光光 源發(fā)出的激光束沿平行于對(duì)稱(chēng)面的方向入射到自聚焦透鏡上，從而得到重直于對(duì)稱(chēng)面的具 有特定發(fā)散角的激光線。
[0038] MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的可動(dòng)鏡面可繞其轉(zhuǎn)軸(X軸)實(shí)現(xiàn)一定頻率一定角度的扭轉(zhuǎn);激光 線沿平行于MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)軸方向入射，被繞其轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)的MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡反射面反射，從 而得到二維結(jié)構(gòu)光投影。
[0039] MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡，布置在自聚焦透鏡焦點(diǎn)附近，保證入射到微扭轉(zhuǎn)鏡的激光線光斑 小于其反射面尺寸，W保證激光線完全入射到MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡上，從而可被完全反射。
[0040] MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡具有可動(dòng)鏡面，其上有金屬鍛層(具體根據(jù)激光光源波長(zhǎng)選擇)作為 反射層，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)入射激光線的高效率反射。
[0041 ]激光光源發(fā)出的激光束是高斯光束，由激光束轉(zhuǎn)變?yōu)榧す饩€后，激光線兩端光功 率會(huì)明顯小于中間部分，由此帶來(lái)2D結(jié)構(gòu)光光功率中間強(qiáng)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(shè)置一矩形截面光闊，設(shè)激光傳輸至該處截面半徑 為。Jy,則矩形光闊X向?qū)挾萢(或者說(shuō)光闊在激光線的寬度方向尺寸a), a<2。，W限制激光 束X方向兩側(cè)光強(qiáng)弱的部分繼續(xù)傳輸，從而改善結(jié)構(gòu)光光強(qiáng)的均勻性;光闊高h(yuǎn)設(shè)置足夠大 或根據(jù)具體需求設(shè)置。
[0042] 反饋模塊，實(shí)時(shí)采集MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的位置信號(hào)和振動(dòng)頻率信號(hào)，經(jīng)其運(yùn)算器運(yùn)算 后實(shí)時(shí)得到MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的振動(dòng)幅值和相位，并反饋給控制器。
[0043] 反饋信號(hào)可通過(guò)高速光電探測(cè)器采集反射光信號(hào)得到;反饋信號(hào)也可由電信號(hào)提 供：電信號(hào)可W由MEMS微扭轉(zhuǎn)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(yīng)可動(dòng)鏡面位置、（角)速度、（角)加速度等的傳感器提供。
[0044] 控制模塊可同步控制MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡振動(dòng)和激光光源光功率?？刂破骺煽刂芃EMS微 扭轉(zhuǎn)鏡繞其扭轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)一定頻率和幅值的扭轉(zhuǎn);控制器可實(shí)現(xiàn)激光光源的調(diào)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(shè)置，所W得到的結(jié)構(gòu)光可W是多值編 碼條紋，如光功率按正弦規(guī)律變化的正弦結(jié)構(gòu)光，如圖3(a);當(dāng)然也可W是二值編碼條紋， 如圖3(b)。
[0045] 控制模塊可根據(jù)反饋模塊得到的MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的幅值、相位、頻率，實(shí)時(shí)控制MEMS 微扭轉(zhuǎn)鏡和激光光源功率，從而保證激光光源的功率和MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的轉(zhuǎn)角位置成一一對(duì) 應(yīng)關(guān)系，得到穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)光。如圖4,入射激光線12保持不變，微扭轉(zhuǎn)鏡13繞其轉(zhuǎn)軸(X軸)扭 轉(zhuǎn)，反射激光線14的投影位置取決于MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的具體扭轉(zhuǎn)角，根據(jù)反饋模塊實(shí)時(shí)反饋 的MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的幅值、相位、頻率，控制各個(gè)時(shí)刻激光光源的功率，從而保證MEMS微扭轉(zhuǎn) 鏡相同扭轉(zhuǎn)角下，激光光源可輸出相同的光功率，從而得到穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)光。
[0046] 本實(shí)用新型專(zhuān)利提出的基于自聚焦透鏡和MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的掃描式結(jié)構(gòu)光投影系 統(tǒng)及其控制方法，體積小、功耗低；同時(shí)結(jié)構(gòu)光刷新率最大可與微扭轉(zhuǎn)鏡的振動(dòng)頻率一致， 刷新率高;增加反饋模塊，實(shí)時(shí)反饋MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡反射鏡面的位置，控制器同步控制MEMS微 扭轉(zhuǎn)鏡和激光光源光功率，可得到穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)光;且激光光源光功率可被高速調(diào)制，不僅可 到二值亮度的結(jié)構(gòu)光，還可根據(jù)實(shí)際需要得到多值亮度的結(jié)構(gòu)光，如正弦結(jié)構(gòu)光，滿(mǎn)足高精 度=維光學(xué)測(cè)量所需結(jié)構(gòu)光的需要。
[0047] 下面根據(jù)附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做詳細(xì)闡述：
[004引實(shí)施例一
[0049] 本實(shí)施例采用W下技術(shù)方案：
[0050] -種基于光電反饋的掃描式結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(zhuǎn)鏡反射層反射，形成反射光線14,進(jìn)而得 到二維結(jié)構(gòu)光15;光電反饋模塊實(shí)時(shí)反饋MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的振動(dòng)頻率與反射鏡面位置;控制 模塊同步控制MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡運(yùn)動(dòng)和激光光源光功率。
[0051] 激光光源波長(zhǎng)808nm，最大功率lOOmW，可被高速調(diào)制，其光功率從0到IOOmW之間可 被連續(xù)調(diào)節(jié)或數(shù)字調(diào)節(jié)。
[0052] 在此選用長(zhǎng)方體一維自聚焦透鏡，用來(lái)把激光束生成激光線，自聚焦透鏡長(zhǎng)度設(shè) 為2.2mm，焦距1.8mm，可得到發(fā)散角45。的激光線。
[0053] MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的可動(dòng)鏡面可繞其轉(zhuǎn)軸(X軸)實(shí)現(xiàn)5KHZ左右，±20度的機(jī)械角扭轉(zhuǎn)， 從而線光源沿平行于MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)軸方向入射時(shí)，被正在繞其轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)的MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡 的反射面反射，得到二維結(jié)構(gòu)光投影。
[0054] MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡，布置在自聚焦透鏡焦點(diǎn)附近，保證入射到微扭轉(zhuǎn)鏡的激光線光斑 小于其反射面尺寸，W保證激光線完全入射到MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡上，從而可被完全反射。
[0055] MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡具有可動(dòng)鏡面，其上有有金膜作為反射層，提高對(duì)激光線光源的反 射率。
[0056] 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 = lmm的矩形截面光闊限制激光束沿X向兩側(cè)較小光功率部分的繼續(xù)傳輸，從而改 善得到的結(jié)構(gòu)光的均勻性。
[0057] 光電反饋模塊由反射鏡和高速光電探測(cè)器檢測(cè)模塊組成，其中反射鏡把對(duì)應(yīng)位置 處出射的激光線反射到高速光電探測(cè)器上，高速光電探測(cè)器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，經(jīng)其運(yùn)算器運(yùn) 算后可實(shí)時(shí)得到MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的振動(dòng)幅值、相位和頻率，并反饋給控制器。
[0058] 控制模塊可同步控制MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡振動(dòng)和激光光源光功率?？刂破骺蓪?shí)現(xiàn)激光光 源的調(diào)制，控制激光光源的功率，其功率可在0到IOOmW之間任意設(shè)置，所W得到的結(jié)構(gòu)光可 W是多值編碼條紋，如光功率按正弦規(guī)律變化的正弦結(jié)構(gòu)光，如圖3(a);當(dāng)然也可W是二值 編碼條紋，如圖3(b)。控制模塊可根據(jù)反饋模塊提供的MEMS微扭轉(zhuǎn)振動(dòng)信息，通過(guò)控制其驅(qū) 動(dòng)信號(hào)，使MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡繞其扭轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定頻率和穩(wěn)定幅值的扭轉(zhuǎn)。
[0059] 控制模塊可根據(jù)反饋模塊得到的MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的幅值、相位、頻率，實(shí)時(shí)控制MEMS 微扭轉(zhuǎn)鏡和激光光源功率，從而保證激光光源的功率和MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的轉(zhuǎn)角位置成一一對(duì) 應(yīng)關(guān)系，得到穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)光。如圖4,入射激光線12保持不變，微扭轉(zhuǎn)鏡13繞其轉(zhuǎn)軸(X軸)扭 轉(zhuǎn)，反射激光線14的投影位置取決于MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的具體扭轉(zhuǎn)角，根據(jù)反饋模塊實(shí)時(shí)反饋 的MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的幅值、相位、頻率，控制各個(gè)時(shí)刻激光光源的功率，從而保證MEMS微扭轉(zhuǎn) 鏡相同扭轉(zhuǎn)角下，激光光源可輸出相同的光功率，從而得到穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)光。
[0060] 實(shí)施例二
[0061] 本實(shí)施例采用W下技術(shù)方案：
[0062] -種基于電容反饋的掃描式結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(zhuǎn)鏡反射層反射，形成反射光線14,進(jìn)而得 到二維結(jié)構(gòu)光15;反饋模塊實(shí)時(shí)反饋MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的振動(dòng)頻率與反射鏡面位置;控制模塊 同步控制MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡運(yùn)動(dòng)和激光光源光功率。
[0063] 激光光源波長(zhǎng)660nm，最大功率50mW，可被高速調(diào)制，其光功率從0到50mW之間可被 連續(xù)調(diào)節(jié)或數(shù)字調(diào)節(jié)。
[0064] 在此選用長(zhǎng)方體自聚焦透鏡，用來(lái)把激光束生成激光線，自聚焦透鏡長(zhǎng)度設(shè)為 2mm，焦距2mm，可得到發(fā)散角55°的激光線；
[0065] MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的可動(dòng)鏡面可繞其轉(zhuǎn)軸(X軸）實(shí)現(xiàn)UKHz左右，± 20度的機(jī)械角扭 轉(zhuǎn)，從而線光源沿平行于MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)軸方向入射時(shí)，被正在繞其轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)的MEMS微扭 轉(zhuǎn)鏡的反射面反射，得到二維結(jié)構(gòu)光投影。
[0066] MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡具有可動(dòng)鏡面，其上有金膜作為反射層，提高對(duì)激光線光源的反射 率。
[0067] MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡自身集成了電容傳感器。
[0068] 電容反饋模塊可根據(jù)MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡振動(dòng)過(guò)程中電容傳感器提供的電容變化信號(hào)， 經(jīng)其運(yùn)算器運(yùn)算后可實(shí)時(shí)得到MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的振動(dòng)幅值、相位和頻率，并反饋給控制模塊。
[0069] 控制模塊可同步控制MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡振動(dòng)和激光光源光功率?？刂破骺蓪?shí)現(xiàn)激光光 源的調(diào)制，控制激光光源的功率，其功率可在O-SOmW之間任意設(shè)置，所W得到的結(jié)構(gòu)光可W 是多值編碼條紋，如光功率按正弦規(guī)律變化的正弦結(jié)構(gòu)光，如圖3(a);當(dāng)然也可W是二值編 碼條紋，如圖3 (b)。控制模塊可根據(jù)反饋模塊提供的MEMS微扭轉(zhuǎn)振動(dòng)信息，通過(guò)控制其驅(qū)動(dòng) 信號(hào)，使MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡繞其扭轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定頻率和穩(wěn)定幅值的扭轉(zhuǎn)。
[0070] 控制模塊可根據(jù)反饋模塊得到的MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的幅值、相位、頻率，實(shí)時(shí)控制MEMS 微扭轉(zhuǎn)鏡和激光光源功率，從而保證激光光源的功率和MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的轉(zhuǎn)角位置成一一對(duì) 應(yīng)關(guān)系，得到穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)光。如圖4,入射激光線12保持不變，微扭轉(zhuǎn)鏡13繞其轉(zhuǎn)軸(X軸)扭 轉(zhuǎn)，反射激光線14的投影位置取決于MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的具體扭轉(zhuǎn)角，根據(jù)反饋模塊實(shí)時(shí)反饋 的MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的幅值、相位、頻率，控制各個(gè)時(shí)刻激光光源的功率，從而保證MEMS微扭轉(zhuǎn) 鏡相同扭轉(zhuǎn)角下，激光光源可輸出相同的光功率，從而得到穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)光。
[0071] 本實(shí)用新型反饋模塊根據(jù)MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡振動(dòng)過(guò)程中高速光電探測(cè)器產(chǎn)生脈沖信 號(hào)或者電容傳感器提供的電容變化信號(hào)，經(jīng)其運(yùn)算器運(yùn)算后可實(shí)時(shí)得到MEMS微扭轉(zhuǎn)鏡的振 動(dòng)幅值、相位和頻率，具體是通過(guò)W下系統(tǒng)和方法實(shí)現(xiàn)的：
[0072] 第一種情況:采用一個(gè)光電探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)微扭轉(zhuǎn)鏡振動(dòng)幅值和相位的計(jì)算。
[0073] 請(qǐng)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(cè)布有一個(gè)高速光電探測(cè)器13'、固定在固定框11'內(nèi)的諧振式微扭轉(zhuǎn)鏡 14'和激光器15'。
[0074] 高速光電探測(cè)器13'、固定在固定框內(nèi)的微扭轉(zhuǎn)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(guān)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(zhì)；從激光器15'出射的激光光線經(jīng)微扭轉(zhuǎn)鏡14'反射后射出，掃描范圍為0;高速光電探測(cè) 器位于e范圍內(nèi)掃描角度為a的邊界處(曰冰），并在微扭轉(zhuǎn)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(shuō)，高速光電探測(cè)器13'布置在固定框11'的邊緣，且設(shè)置在微 扭轉(zhuǎn)鏡的掃描范圍內(nèi)，但是高速光電探測(cè)器13'沒(méi)有布置在透光區(qū)12'。
[0075] 請(qǐng)結(jié)合圖8和圖9所示：當(dāng)激光器15'射出的光經(jīng)微扭轉(zhuǎn)鏡14'反射，掃描經(jīng)過(guò)高速 光電探測(cè)器13'時(shí)，光電探測(cè)器13'可感知到微扭轉(zhuǎn)鏡的位置信號(hào)，控制系統(tǒng)根據(jù)時(shí)間等因 素運(yùn)算可得到微扭轉(zhuǎn)鏡振動(dòng)的幅值和相位。
[0076] 計(jì)算原理具體如下:激光器15'、微扭轉(zhuǎn)鏡14'、光電探測(cè)器13'安裝固定在固定框 11'內(nèi)，位置明確，均為已知；W光電探測(cè)器產(chǎn)生的兩相鄰(時(shí)間間隔小于T/2)脈沖信號(hào)中首 個(gè)脈沖信號(hào)產(chǎn)生的時(shí)刻點(diǎn)為計(jì)時(shí)起始點(diǎn)，取微扭轉(zhuǎn)鏡14'的一個(gè)振動(dòng)周期T，ti時(shí)刻和t2時(shí) 亥IJ，微扭轉(zhuǎn)鏡反射的光線經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器13'，此時(shí)微扭轉(zhuǎn)鏡的位置幅值為山，探測(cè)器感測(cè) 到微扭轉(zhuǎn)鏡反射光掃描經(jīng)過(guò)的信號(hào)，ti和t2時(shí)刻的中間時(shí)刻^微扭轉(zhuǎn)鏡達(dá)到最大幅值，
時(shí)刻掃描鏡位于初始位置;微扭轉(zhuǎn)鏡的振動(dòng)幅值A(chǔ)o和初相位夢(mèng)的運(yùn)算如下：
[0077] 幅值運(yùn)算：
[0078] 計(jì)時(shí)起始點(diǎn)tl時(shí)刻
[0079] t2 時(shí)刻：
[0080] 良P :
[0081]
[0082]
[00削如上兩式相加得：
[0084]
[0085]
[0086] 初相位：
[0087]
[0088] 第二種情況:采用兩個(gè)光電探測(cè)器，其中，一個(gè)光電探測(cè)器是用于計(jì)算微扭轉(zhuǎn)鏡的 振動(dòng)幅值和相位，另外一個(gè)光電探測(cè)器是用于抵消因封蓋在固定框架上的裝配、及微扭轉(zhuǎn) 鏡和激光器安裝引起的微扭轉(zhuǎn)鏡幅值偏差。
[0089] 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(cè)各布有一個(gè)高速光電探測(cè)器13'和46'、固定在固定框11'內(nèi)的 諧振式微扭轉(zhuǎn)鏡14'和激光器15'。
[0090] 高速光電探測(cè)器13'和46'、固定在固定框11'內(nèi)的微扭轉(zhuǎn)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(guān)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(zhì)；從激光器15'出射的激光光線經(jīng)微扭轉(zhuǎn)鏡14'反射后射出，掃描范圍為0;高速 光電探測(cè)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(zhuǎn)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。
[0091] 與采用一個(gè)光電探測(cè)器相比，增加了第二高速光電探測(cè)器46'，目的在于可減少由 于裝配誤差帶來(lái)的振動(dòng)幅值計(jì)算的誤差。裝配過(guò)程中把兩高速光電探測(cè)器裝配到固定框封 蓋上各自的位置偏差帶來(lái)的微扭轉(zhuǎn)鏡振動(dòng)幅值偏差為A 1和A 2,設(shè)封蓋與固定框之間的裝 配誤差與微扭轉(zhuǎn)鏡、激光器裝配誤差帶來(lái)的微扭轉(zhuǎn)鏡振動(dòng)幅值總偏差A(yù) :如圖10示：當(dāng)激光 器射出的光經(jīng)微扭轉(zhuǎn)鏡反射，掃描經(jīng)過(guò)高速光電探測(cè)器13 '和46 '時(shí)，光電探測(cè)器可感知到 微扭轉(zhuǎn)鏡的位置信號(hào)，控制系統(tǒng)根據(jù)時(shí)間等因素運(yùn)算可得到微扭轉(zhuǎn)鏡振動(dòng)的幅值和相位， 微扭轉(zhuǎn)鏡的運(yùn)動(dòng)、光電探測(cè)器感知的信號(hào)如圖11示。
[0092] 激光器15'、微扭轉(zhuǎn)鏡14'、光電探測(cè)器13'和46'安裝固定在固定框內(nèi)，位置明確， 均為已知；W光電探測(cè)器13'或46'其中一個(gè)(此處W光電探測(cè)器13'為例)產(chǎn)生的兩相鄰(時(shí) 間間隔小于T/2)脈沖信號(hào)中首個(gè)脈沖信號(hào)產(chǎn)生的時(shí)刻點(diǎn)為計(jì)時(shí)起始點(diǎn)，如圖11示，取微扭 轉(zhuǎn)鏡的一個(gè)振動(dòng)周期T，ti時(shí)刻和t2時(shí)刻，微扭轉(zhuǎn)鏡反射的光線經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器13'，此時(shí)微 扭轉(zhuǎn)鏡的位置幅值為山，探測(cè)器13'感測(cè)到微扭轉(zhuǎn)鏡反射光掃描經(jīng)過(guò)的信號(hào)，并產(chǎn)生脈沖信 號(hào);t3時(shí)刻和t4時(shí)刻，微扭轉(zhuǎn)鏡反射的光線經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器46'，此時(shí)微扭轉(zhuǎn)鏡的嶋估為 Cb,探測(cè)器46'感測(cè)到微扭轉(zhuǎn)鏡反射光掃描經(jīng)過(guò)的信號(hào)，并產(chǎn)生脈沖信號(hào)
才 刻掃描鏡位于初始位置;考慮裝配誤差，微扭轉(zhuǎn)鏡的振動(dòng)幅值A(chǔ)o運(yùn)算原理如下：[0093] 對(duì)于高速光電探測(cè)器13'：
[0094]
[0095]
[0096]
[0097]
[009引
[0099] 如上兩式相加得：
[0100]
[0101]
[0102] Ao*cos(3t A ti/T)=di+Ai+A[0103] 對(duì)于高速光電探測(cè)器46'：
[0104]
[0105]
[0106]
[0107]
[010 引
[0109]
[0110]
[0111]
[0112]
[0113]
[0114]
[0115] 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(zhuǎn)鏡、激光器裝配誤差引起的微扭轉(zhuǎn)鏡振動(dòng)幅值總偏差A(yù)被抵消，減小了幅值計(jì) 算誤差。
[0116] 采用一個(gè)光電探測(cè)器，還可W有變形形式，例如在微扭轉(zhuǎn)鏡掃描角度為a的邊界處 (曰<0)，并在ID微扭轉(zhuǎn)鏡的掃描路徑上設(shè)置一反射鏡66'，當(dāng)微扭轉(zhuǎn)鏡掃描至該處時(shí)，掃描光 線經(jīng)反射鏡反射至光電探測(cè)器13 '上，如圖12，同樣可測(cè)得微扭轉(zhuǎn)鏡的相位和幅值信息。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種掃描式結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)，其特征在于:包括:激光光源（10)、微扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)軸方向入射，該入射光線 被轉(zhuǎn)動(dòng)的微扭轉(zhuǎn)鏡反射后，形成二維結(jié)構(gòu)光投影;反饋模塊與微扭轉(zhuǎn)鏡連接用以采集微扭 轉(zhuǎn)鏡的振動(dòng)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(hào)，控制模塊的輸出端與激光光源和微扭轉(zhuǎn)鏡連接，用以控制微扭轉(zhuǎn)鏡的運(yùn)動(dòng)和激光 光源的光功率，保證微扭轉(zhuǎn)鏡在相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角下，激光光源輸出與目標(biāo)結(jié)構(gòu)光圖案相符的 光功率。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種掃描式結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)，其特征在于:激光光源發(fā)出的激 光束通過(guò)自聚焦透鏡(11)轉(zhuǎn)變?yōu)榧す饩€。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種掃描式結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)，其特征在于:在激光線的入射光 路上設(shè)置有截面光闌，以限制激光線兩側(cè)光強(qiáng)較弱的部分繼續(xù)傳輸，改善結(jié)構(gòu)光光強(qiáng)的均 勻性。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種掃描式結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)，其特征在于:設(shè)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(mǎn)足:a〈2rx，其中，a為激光線的寬度尺 寸。5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種掃描式結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)，其特征在于:所述微扭轉(zhuǎn)鏡布置 在自聚焦透鏡的焦點(diǎn)附近，保證入射到微扭轉(zhuǎn)鏡的激光線光斑小于微扭轉(zhuǎn)鏡的反射面尺 寸，以保證激光線完全入射到微扭轉(zhuǎn)鏡上，從而被完全反射。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種掃描式結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)，其特征在于:微扭轉(zhuǎn)鏡的可動(dòng)鏡 面上設(shè)置有金屬鍍層，作為反射層。7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的一種掃描式結(jié)構(gòu)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(yùn)算器，所述采集單元用于采集微扭轉(zhuǎn)鏡的振動(dòng)頻率和位置， 所述運(yùn)算器根據(jù)微扭轉(zhuǎn)鏡的位置計(jì)算得到微扭轉(zhuǎn)鏡的振動(dòng)幅值和相位。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種掃描式結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)，其特征在于:微扭轉(zhuǎn)鏡的振動(dòng)頻 率和位置通過(guò)采集反射光信號(hào)得到，或者微扭轉(zhuǎn)鏡的振動(dòng)頻率和位置通過(guò)微扭轉(zhuǎn)鏡上設(shè)置 的傳感器得到，所述傳感器反應(yīng)微扭轉(zhuǎn)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。
【文檔編號(hào)】G02B26/08GK205718875SQ201620668363
【公開(kāi)日】2016年11月23日
【申請(qǐng)日】2016年6月28日
【發(fā)明人】夏長(zhǎng)鋒, 宋秀敏, 喬大勇, 游橋明
【申請(qǐng)人】西安勵(lì)德微系統(tǒng)科技有限公司