CN106705889B - 一种大景深可编程模拟光栅生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大景深可编程模拟光栅生成方法，激光器发出的激光光束，经过准直透镜聚焦和准直之后，得到了满足要求的准直高斯激光光束；激光光束经过一次镜面反射，穿过圆孔光阑入射到MEMS振镜；光束经过MEMS振镜反射到被测物体表面；激光器在驱动板生成的正弦电流信号的控制下，对激光光束的亮度进行正弦调制；MEMS振镜在驱动板生成的驱动信号激励下，做二维的转动，从而带动激光光束进行扫描，产生光栅图。改变激光器驱动信号的周期和相位，以得到不同周期和相位的光栅图。本发明产生的光栅，兼具数字光栅可编程优势以及物理光栅高分辨率的优势。此外，所产生的光栅的景深扩大了10倍以上，测量范围得到了大幅度的提升。

Description

一种大景深可编程模拟光栅生成方法

技术领域：

本发明属于光学检测领域，涉及一种光栅的产生方法，特别是一种大景深可编程模拟光栅的生成方法。

背景技术：

三维测量技术作为沟通现实世界和虚拟的数字世界的桥梁，其重要作用越来越凸显。被广泛的应用于工业检测、医疗健康、数字娱乐、电子商务、文物保护等诸多行业。光学三维测量由于具有非接触、精度高、速度快的优势，已经发展成为三维检测领域最重要的技术。光学三维测量又可分为主动式和被动式两种。被动式测量方法以立体视觉为代表。但立体视觉技术系统结构简单，成本低。但存在着“匹配难”的瓶颈，而且运算量巨大，鲁棒性差的缺点。主动三维测量技术包括飞行时间法、结构光投影法、干涉法等。其中，由于结构光投影法系统简便，成本比较低，而且精度较高，因此应用最为广泛。

结构光投影法，通常向被测物体表面投影特定的编码光，利用相机拍摄编码光在物体表面的调制信号，在进一步解调得到和深度信息有关的调制信号，最后经过标定得到物体表面的三维形貌。投射的编码光通常包括：正余弦光栅图，格雷码，颜色编码，随机形状编码等。其中正余弦光栅图投影测量法由于是相位测量法，精度较高、鲁棒性好，最为常用。在投射方式上，早期主要通过在玻璃等材质上刻蚀来产生投影图案，如罗奇光栅。随着半导体工业的飞速发展，20世纪90年代先后出现了多种数字化投影器件，如数字光投影测量技术包括LCD(Liquid Crystal Display)技术，DLP(Digital Light Processing)技术和LCOS(Liquid Crystal On Silicon)技术。数字光技术向物体表面投射的经过数字化的信号，因此具有信号可编程的优势，这种优势使得时域去包裹技术成为可能，并能通过向物体表面投影不同的编码信号来提高测量精度。数字光技术的缺点在于存在分辨率的限制，通常分辨率在1280x800的水平，高分辨率的数字投影芯片的价格非常的昂贵。通过物理光栅向物体表面投影的则是模拟信号，即连续信号，因此分辨率很高(可认为是无限大的分辨率)。但物理光栅的缺点在于投影图案固定，使用不灵活。此外，无论数字光投影技术还是物理光栅投影的模拟图案，都是对底片的呈像，是一种成像关系，因此都存在着景深的限制。大大限制了三维测量的范围。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种大景深可编程的模拟光栅产生方法。该方法以激光光束作为光源，通过二维MEMS扫描振镜反射到被测物体表面，二维MEMS扫描振镜在快慢两个方向的驱动电流激励下进行二维扫描。同时，激光器的光强被正弦(或余弦)调制。从而在被测物的表面形成连续分布的正(或余弦)弦光场。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

一种大景深可编程模拟光栅生成方法，按照如下步骤：激光器发出的激光光束，经过准直透镜聚焦和准直之后，得到了满足要求的准直高斯激光光束；激光光束经过一次镜面反射，穿过圆孔光阑入射到MEMS振镜；光束经过MEMS振镜反射到被测物体表面；激光器在驱动板生成的正弦电流信号的控制下，对激光光束的亮度进行正弦调制；MEMS振镜在驱动板生成的驱动信号激励下，做二维的转动，从而带动激光光束进行扫描，产生光栅图。

具体步骤如下：

第一步，设置系统光学参数：确定光栅的工作范围，根据光栅的工作距离确定最大工作距离L₂，最小工作距离L₁；景深范围内ΔL的最大光斑ω_max；单帧光栅图扫描的行数M，M由激光光束特性决定；

第二步，生成MEMS振镜驱动信号：1)MEMS扫描振镜快轴驱动信号；2)MEMS扫描振镜慢轴驱动信号；3)激光器的驱动信号；

第三步，生成光栅：利用第二步中产生的振镜驱动信号，驱动MEMS振镜进行二维扫描；利用第二步中产生的激光器驱动信号驱动激光器产生光强连续调制的激光光束；激光光束以一定的入射角照射到振镜表面，再经过振镜反射到物体表面，形成光强连续调制的模拟光栅光场；通过改变激光器驱动信号频率、相位；得到不同栅距、相位的光栅。

所述MEMS振镜快轴驱动信号，是一种正弦波形的电流信号或余弦波形的电流信号，其频率f_x等于MEMS扫描振镜快轴方向谐振频率f，其峰峰值I_x峰峰由MEMS振镜的参数确定。

所述MEMS扫描振镜慢轴驱动信号，是一种正弦波形的电流信号、余弦波形的电流信号或者三角波形的电流信号，其频率为f_y＝f_x/M，其峰峰值I_y峰峰由MEMS振镜的参数确定。

所述激光器的驱动信号，是一种正弦电流信号或余弦电流信号，信号的频率决定了投影正弦电流信号或余弦电流信号光栅的宽度，其最高频率f_LD由其激光光束的特性决定。

所述最高频率f_LD计算方法如下：

高斯光束的在不同距离处扫描得到的光栅，相当于理想光栅图通过一个线性高斯低通滤波器滤波，简单起见，只考虑一个方向，激光高斯光斑光强分布的傅立叶变换表示为:

其中ω(L₀)为投影面L₀处的高斯光斑束腰半径，e是自然常数，u为频率；

理想光栅的傅立叶变换为：

F(u)＝δ(u)+0.5×B[δ(u+u₀)+δ(u-u₀)]；

其中δ为冲击函数，B为三角函数的对比度，u₀为三角函数对应的基准频率；

根据卷积定理，空域滤波等价于频域相乘,即：

F(u)H(u)＝H(u)+0.5×B[H(u+u₀)+H(u-u₀)]

假设光栅图的对比度下降到原来的1/K,会模糊到严重影响测量精度程度，则H(u)＝H(0)/K时，解出对应的u即为光栅不模糊的最大频率f0；同理计算L1和L2处最大频率f₁和f₂；激光器驱动信号的的最大频率f_LD＝max(f₁，f₂)。

设置系统光学参数，按照如下步骤：

1)确定光栅的工作范围：

激光器发出的高斯激光光束经过准直透镜后，入射到MEMS扫描振镜上，再反射到物体表面，高斯光束的聚焦面在L₀处，设计景深为ΔL，根据ABCD矩阵计算得光束在穿过透镜后的光斑大小，最大工作距离L₂处光斑大小ω₂，最小工作距离L₁处光斑大小为ω₁，通过下式1－1约束，最终确定L₁和L₂；

2)计算光学分辨率：

光学分辨率由光斑特性和振镜的转角确定。振镜快慢轴的转角为θ_x和θ_y，行数M的计算满足式1－2；

生成光栅，按照如下步骤：激光器，发出的激光光束，经过准直透镜聚焦和准直之后，得到了满足第一步设计要求的准直高斯激光光束；为了减小光路体积，激光光束经过一次镜面反射，穿过圆孔光阑入射到MEMS振镜；光阑的作用是去除光束外围的杂散光，并改善光斑形状质量；光束经过MEMS振镜反射到被测物体表面；激光器在驱动板生成的正弦电流信号的控制下，对激光光束的光强进行正弦、或余弦调制；MEMS振镜在驱动板生成的驱动信号激励下，做二维的转动，从而带动激光光束进行扫描，产生光栅。

有益效果：

本发明利用激光光束的扫描产生光栅，相比数字光和物理光栅技术，所产生的光栅的景深扩大了10倍以上，测量范围得到了大幅度的提升；本发明所产生的光栅是可编程的空间连续分布的模拟光栅，相比数字光技术，减小了离散化的舍入误差。此外，所生成的光栅最小栅距很小。能大幅度提高三维测量精度。

附图说明：

图1为本发明的工作原理图；

图2为本发明行同步信号的时序关系图；

图3为本发明的系统结构图；

图4为本发明的光栅工作范围内对比度示意图。

其中：1为驱动板；2为激光器；3为准直透镜；4为镜面；5为MEMS振镜；6为非球面透镜；7为光栅图；8为圆孔光阑；9为激光光束；10为电脑。

具体实施方式：

下面具体结合附图对本发明做详细描述。

技术方案为：

第一步，设计系统工作参数。根据光栅的工作距离确定最大工作距离L₂，最小工作距离L₁；景深范围内ΔL的最大光斑ω_max；单帧光栅图扫描的行数M，M由激光光束特性决定。

第二步，生成驱动信号。涉及的驱动信号有三种。1)MEMS扫描振镜快轴驱动信号，这是一种正弦(或余弦)波形的电流信号，其频率f_x等于MEMS扫描振镜快轴方向谐振频率f，其峰峰值I_x峰峰由MEMS振镜的参数确定。2)MEMS扫描振镜慢轴驱动信号，这是一种正弦(余弦)或者三角波电流信号。其频率为f_y＝f_x/M，其峰峰值I_y峰峰由MEMS振镜的参数确定。3)激光器的驱动信号，这是一种正弦(余弦)电流信号。其最高频率f_LD由其激光光束的特性决定，其峰峰值和偏置电流均由激光器的特性决定。上述三种驱动信号均为模拟信号。

第三步，生成光栅。利用第二步中产生的振镜驱动信号，驱动MEMS振镜进行二维扫描。利用第二步中产生的激光器驱动信号驱动激光器产生光强连续调制的激光光束。激光光束以一定的入射角照射到振镜表面，再经过振镜反射到物体表面，形成光强连续调制的模拟光栅光场。通过改变激光器驱动信号频率、相位，就可以得到不同栅距、相位的光栅。

具体包括以下步骤：

第一步，设计系统参数。

3)确定光栅的工作范围。

如图1，激光器11发出的高斯激光光束经过准直透镜12后，入射到MEMS扫描振镜13上，再反射到物体表面。高斯光束的聚焦面在L₀处，设计景深为ΔL。根据ABCD矩阵计算可得光束在穿过透镜后的光斑大小，最大工作距离L₂处光斑大小ω₂，最小工作距离L₁处光斑大小为ω₁，通过下式1－1约束，最终确定L₁和L₂。

4)计算光学分辨率。

光学分辨率由光斑特性和振镜的转角确定。振镜快慢轴的转角为θ_x和θ_y。行数M的计算满足式1－2。

第二步，生成驱动信号。

1)MEMS扫描振镜快轴驱动信号。

该驱动信号是一种电流信号，信号的电流和电压特性由所使用的MEMS振镜的电学特性决定。其频率f_x等于MEMS扫描振镜快轴方向谐振频率f。

2)MEMS扫描振镜慢轴驱动信号。该驱动信号是一种电流信号，一般为正弦或者三角波信号，其电流和电压特性由所使用的MEMS振镜的电学特性决定。其频率为f_y＝f_x/M。

3)激光器的驱动信号。

该驱动信号是一种正弦(或余弦)电流信号。其电流和电压特性由激光器的电学特性决定。信号的频率决定了投影正弦(或余弦)光栅的宽度，从而影响测量精度。其最高频率计算方法如下：

高斯光束的在不同距离处扫描得到的光栅，相当于理想光栅图通过一个线性高斯低通滤波器滤波。在MEMS振镜扫描过程中，由于激光高斯光斑具有一定的大小，会对光栅图产生模糊效应。其作用相当于理想光栅图通过一个线性高斯低通滤波器。简单起见，只考虑X方向，激光高斯光斑光强分布的傅立叶变换可表示为:

其中ω(L₀)为投影面L₀处的高斯光斑束腰半径。理想光栅的傅立叶变换为

F(u)＝δ(u)+0.5×B[δ(u-u₀)+δ(u-u₀)]；

根据卷积定理，空域滤波等价于频域相乘,即：

F(u)H(u)＝H(0)+0.5×B[H(u-u₀)+H(u-u₀)]

假设光栅图的对比度下降到原来的1/e,会模糊到严重影响测量精度程度，则H(u-u₀)＝H(0)/e时，解出对应的u₀＝1/[πω(L₀)]为光栅不模糊的最大频率f₀。同理计算L1和L2处最大频率f₁和f₂。

激光器驱动信号的的最大频率f_LD＝max(f₁，f₂)。

信号的时序关系

完成一帧光栅图投影，MEMS振镜快轴、慢轴驱动信号，以及激光器驱动信号，行同步信号的时序关系如图2所示。

第三步，生成光栅。

如图3。激光器(可以是不同波段的多个激光器)，发出的激光光束，经过准直透镜聚焦和准直之后，得到了满足第一步设计要求的准直高斯激光光束。为了减小光路体积，激光光束经过一次镜面反射，穿过圆孔光阑入射到MEMS振镜。光阑的作用是去除光束外围的杂散光，并改善光斑形状质量。光束经过MEMS振镜反射到被测物体表面。激光器在驱动板生成的正弦电流信号的控制下，对激光光束的光强进行正弦(或余弦)调制。MEMS振镜在驱动板生成的驱动信号激励下，做二维的转动，从而带动激光光束进行扫描，产生光栅。非球面透镜的可以对光栅图进行畸变校正，确保得到无畸变的高质量光栅图。通过改变激光器驱动信号的频率和相位，就可以完成对光栅栅距、相位的编程控制。此方法中，由于激光光束的发散角较小，在第二步中对光栅频率进行了估计，所以所得到的光栅在工作范围内均具有很好的对比度，如图4。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种大景深可编程模拟光栅生成方法，其特征在于，按照如下步骤：激光器发出的激光光束，经过准直透镜聚焦和准直之后，得到了满足要求的准直高斯激光光束；激光光束穿过光阑入射到MEMS扫描振镜；光束经过MEMS扫描振镜反射到被测物体表面；激光器在驱动板生成的正弦电流信号的控制下，对激光光束的亮度进行正弦调制；MEMS扫描振镜在驱动板生成的驱动信号激励下，做二维的转动，从而带动激光光束进行扫描，产生光栅图；改变激光器驱动信号的周期和相位，以得到不同周期和相位的光栅图；

第一步，设置系统光学参数：确定光栅的工作范围，根据光栅的工作距离确定最大工作距离L₂，最小工作距离L₁；景深范围内ΔL的最大光斑半径ω_max；单帧光栅图扫描的行数M；

第二步，生成驱动信号：根据第一步确定的系统参数计算MEMS扫描振镜和激光器驱动信号的参数，并生成驱动信号；1)MEMS扫描振镜快轴驱动信号；2)MEMS扫描振镜慢轴驱动信号；3)激光器的驱动信号；

第三步，生成光栅：利用第二步中产生的振镜驱动信号，驱动MEMS扫描振镜进行二维扫描；利用第二步中产生的激光器驱动信号驱动激光器产生光强连续调制的激光光束；激光光束以一定的入射角照射到振镜表面，再经过振镜反射到物体表面，形成光强连续调制的模拟光栅光场；通过改变激光器驱动信号频率、相位；得到不同栅距、相位的光栅。

2.如权利要求1所述大景深可编程模拟光栅生成方法，其特征在于：

所述MEMS扫描振镜快轴驱动信号，是一种正弦波形的电流信号或余弦波形的电流信号，其频率f_x等于MEMS扫描振镜快轴方向谐振频率f，其峰峰值I_x峰峰由MEMS扫描振镜的参数确定。

3.如权利要求1所述大景深可编程模拟光栅生成方法，其特征在于：

所述MEMS扫描振镜慢轴驱动信号，是一种正弦波形的电流信号、余弦波形的电流信号或者三角波形的电流信号，其频率为f_y＝f_x/M，其峰峰值I_y峰峰由MEMS扫描振镜的参数确定。

4.如权利要求1所述大景深可编程模拟光栅生成方法，其特征在于：

所述激光器的驱动信号，是一种正弦电流信号或余弦电流信号，信号的频率决定了投影正弦电流信号或余弦电流信号光栅的宽度，其最高频率f_LD由其激光光束的特性决定。

5.如权利要求4所述大景深可编程模拟光栅生成方法，其特征在于，所述最高频率f_LD计算方法如下：

高斯光束的在不同距离处扫描得到的光栅，相当于理想光栅图通过一个线性高斯低通滤波器滤波，简单起见，只考虑一个方向，激光高斯光斑光强分布的傅立叶变换表示为:

其中ω(L₀)为投影面L₀处的高斯光斑束腰半径，e是自然常数，u为频率；

理想光栅的傅立叶变换为：

F(u)＝δ(u)+0.5×B[δ(u+u₀)+δ(u-u₀)]；

其中δ为冲击函数，B为三角函数的对比度，u₀为三角函数对应的基准频率；

根据卷积定理，空域滤波等价于频域相乘,即：

F(u)H(u)＝H(u)+0.5×B[H(u+u₀)+H(u-u₀)]

假设光栅图的对比度下降到原来的1/K,会模糊到严重影响测量精度程度，则H(u)＝H(0)/K时，解出对应的u即为光栅不模糊的最大频率f0；同理计算L1和L2处最大频率f₁和f₂；激光器驱动信号的的最大频率f_LD＝max(f₁，f₂)。

6.如权利要求1所述大景深可编程模拟光栅生成方法，其特征在于，设置系统光学参数，按照如下步骤：

1)确定光栅的工作范围：

激光器发出的高斯激光光束经过准直透镜后，入射到MEMS扫描振镜上，再反射到物体表面，高斯光束的聚焦面在L₀处，设计景深为ΔL，根据ABCD矩阵计算得光束在穿过透镜后的光斑大小，最大工作距离L₂处光斑大小ω₂，最小工作距离L₁处光斑大小为ω₁，通过下式1－1约束，最终确定L₁和L₂；

2)计算光学分辨率：

光学分辨率由光斑特性和振镜的转角确定；振镜快轴和振镜慢轴的转角分别为θ_x和θ_y，行数M的计算满足式1－2；

7.如权利要求1所述大景深可编程模拟光栅生成方法，其特征在于，生成光栅，按照如下步骤：激光器，发出的激光光束，经过准直透镜聚焦和准直之后，得到了满足第一步设计要求的准直高斯激光光束；为了减小光路体积，激光光束经过一次镜面反射，穿过圆孔光阑入射到MEMS扫描振镜；光阑的作用是去除光束外围的杂散光，并改善光斑形状质量；光束经过MEMS扫描振镜反射到被测物体表面；激光器在驱动板生成的正弦电流信号的控制下，对激光光束的光强进行正弦、或余弦调制；MEMS扫描振镜在驱动板生成的驱动信号激励下，做二维的转动，从而带动激光光束进行扫描，产生光栅。