专利名称：基于mems扫描微镜的小型化无镜头激光三维成像系统及其成像方法
技术领域：
本发明涉及三维成像技术领域，特别涉及一种基于MEMS扫描微镜的小型化无镜头激光三维成像系统及其成像方法。
技术背景
与传统的二维成像技术相比，三维成像技术包含了第三维的距离或深度信息，能够更加充分地描述真实三维场景中物体的位置和运动信息，因此具有许多突出的优点和广阔的应用前景；特别是近年来，随着计算机视觉技术的不断发展，在目标识别、实物仿形、移动机器人防撞、无人车导航、立体电影、虚拟现实等应用领域对高性能三维成像的需求十分迫切。
基于光学测距的三维成像技术由于方向性好、测量范围大、分辨率高、无需接触、 抗外界环境干扰强，而逐渐成为国内外的研究热点，而目前研究的大部分光学三维成像系统均是基于三角法或飞行时间原理来测量距离的。
基于三角法测距的三维成像系统，例如双目视觉系统和结构光成像系统，需要处理“阴影”效应(Shadow effects)或投影条纹“�：蔽侍�(Ambiguity problems)，因此一般只能使用在对比度高的测量场合。与该类成像系统相比，基于飞行时间测距的三维成像系统由于光的发射和接收几乎在同一条直线上，可以明显“分辨”各个被测点的信息，因此不会出现三角法测距中存在的“阴影”或投影“�：蔽侍猓淮送猓诜尚惺奔洳饩嗟娜上裣低郴咕哂性砑虻�、测距精度高、无需参考面等优点。
在传统的基于飞行时间测距的三维成像系统中，最典型的代表是扫描式激光成像雷达，它在单点飞行时间测距的基础上，通过二维扫描实现整个三维空间的测量，例如美国的HDL-64E扫描激光雷达。这种三维成像技术原理简单、可探测距离远、精度高，但是由于使用了精密、笨重且价格昂贵的宏观机械扫描装置和光学元件，该类系统一般抗振性能差、 体积大、成本高；同时，由于宏观的机械扫描装置自身扫描速度慢，在长时间使用过程中存在老化和磨损现象，使用该方法获得的三维图像的套准精度低，实时性差，且常常不适用于动态目标或场景的测量；此外，传统的扫描激光成像雷达获取的三维图像往往都是单色的灰度图像，成像颜色真实感较差
发明内容
本发明的目的是针对上述传统三维成像技术所存在的不足，提供一种基于MEMS 扫描微镜的小型化无镜头激光三维成像系统，用于实现实时、高精度和低成本的彩色三维4成像，满足现有诸多领域对高性能三维成像的迫切需求。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是一种基于MEMS扫描微镜的小型化无镜头激光三维成像系统，包括激光器组、光电调制电路、分束镜组、反射镜组、双轴MEMS微镜、微镜驱动电路、滤光片组、光电接收器组、幅度测量电路组和幅度-距离测量电路；所述光电调制电路与激光器组相连接，所述光电接收器组经幅度测量电路组和幅度-距离测量电路与微控制器相连接，所述微控制器与显示器交互连接；所述微控制器输出端与微镜驱动电路输入端相连接，并由微镜驱动电路驱动双轴MEMS微镜。
所述激光器组由蓝光激光器、绿光激光器和红光激光器构成，三者分别与光电调制电路连接并由光电调制电路对三者的输出光功率进行调制；所述分束镜组由第一分束镜、第二分束镜和第三分束镜构成；所述反射镜组由第一反射镜和第二反射镜构成；所述滤光片组由第一蓝光滤光片、红色滤光片、绿色滤光片和第二蓝色滤光片构成；所述光电接收器组由第一光电接收器、第二光电接收器、第三光电接收器和第四光电接收器构成；所述幅度测量电路组由第一幅度测量电路和第二幅度测量电路构成；所述蓝光激光器发射的调制光到达分束镜组中的第一分束镜后，被分成蓝光透射光和蓝光反射光，所述蓝光透射光经反射镜组中的第一反射镜反射到达滤光片组中的第一蓝光滤光片，并被光电接收器组中的第一光电接收器接收；所述绿光激光器和红光激光器发射的调制光分别经第二分束镜和第三分束镜获得绿光反射光和红光反射光；所述蓝光反射光与所述的绿光反射光以及所述的红光反射光合为一束白光；所述白光经第二反射镜到达双轴MEMS微镜，并被投射在目标的表面；所述滤光片组中的红色滤光片和光电接收器组中的第二光电接收器接收所述目标表面散射光的红光分量，所述滤光片组中的绿色滤光片和光电接收器组中的第三光电接收器接收所述目标表面散射光的绿光分量，所述滤光片组中的第二蓝色滤光片和光电接收器组中的第四光电接收器接收所述目标表面散射光的蓝光分量；所述第一幅度测量电路和第二幅度测量电路分别与第二光电接收器和第三光电接收器连接并处理二者的输出的光电信号，获得单个被测像素的所述散射光红光分量和绿光分量的幅度值；所述幅度-距离测量电路分别与第一光电接收器和第四光电接收器连接并分别处理二者输出的光电信号，同时获得所述单个被测像素的距离值和所述散射光蓝光分量的幅度值；所述的第一光电接收器的输出信号被作为幅度-距离测量电路测量像素距离值的参考信号；所述微控制器根据所述的红光、绿光和蓝光分量幅度值分别计算出所述单个被测像素的红、绿、蓝三色真实亮度值。
所述微控制器采用可编程单片机、可编程DSP芯片或高性能FPGA/CPLD芯片。
所述幅度-距离测量电路由依次连接的低噪声放大器组、带通滤波器组和模数转换器组构成；所述低噪声放大器组包括第一低噪声放大器和第二低噪声放大器；所述带通滤波器组包括第一带通滤波器和第二带通滤波器；所述模数转换器组包括第一模数转换器和第二模数转换器。
本发明的另一目的是提供基于MEMS扫描微镜的小型化无镜头激光三维成像系统的成像方法，其包括下述步骤(a)、采用红、绿、蓝三色激光器作为照明光源，并分别对三色激光器的输出光功率进行调制，调制过的红、绿、蓝三色激光经反射镜组和分束镜组后合为一束白光，所述白光经双轴MEMS微镜投射到目标的表面；使用光电接收器组分别接收目标表面散射光中的红光、绿光和蓝光分量，并由幅度测量电路组和幅度-距离测量电路获得单个被测像素的距离值和红光、绿光、蓝光分量的幅度值；(b)、微控制器获得单个被测像素的距离值后，利用实时距离平方修正方法计算单个被测像素的红、绿、蓝三色真实亮度值，完成单个像素值的测量；(c)、微控制器控制微镜驱动电路，驱动双轴MEMS微镜进行二维扫描，重复所述单个像素值的测量过程，获取全部像素的距离值和真实亮度值，并组合生成目标的深度图像和灰度图像；(d)、深度图像与灰度图像在微控制器中，通过图像处理算法，融合生成目标的三维彩色图像，并被发送至显示器进行显示。
由于成像过程中未使用透镜，单个被测像素的红、绿、蓝三色亮度值不能真实的反映被测目标的亮度信息，因此微控制器再根据测得的所述单个被测像素的距离值，利用实时距离平方修正方法计算获得所述单个被测像素的红、绿、蓝三色真实亮度值，完成单个像素值的测量。
所述实时距离平方修正方法为，首先，利用第一幅度测量电路和第二幅度测量电路获得单个被测像素的散射光红光分量和绿光分量的幅度值；同时，利用所述幅度-距离测量电路获得单个被测像素的距离值和散射光蓝光分量的幅度值；然后，根据无镜头成像辐射度学模型，目标成像的亮度值跟距离值的平方成反比，利用单个被测像素的距离值，对单个被测像素的红光分量、绿光分量和蓝光分量的亮度值进行实时平方修正，获得单个被测像素的红、绿、蓝三色真实亮度值。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在1、本发明的三维成像系统无需任何光学镜头，不存在传统光学成像技术中的景深和焦深问题，成像系统光路简单、体积小、抗震性能好；2、与传统扫描激光成像雷达中使用的双摆镜、旋转多面体反射棱镜、双检流计镜或两轴的驱动旋转镜相比，本发明采用的双轴MEMS微镜不仅便于精确驱动和控制，同时也具有更小的体积、更低的功耗和成本；3、本发明使用面积小、质量轻、共振频率高的双轴MEMS微镜作为高速二维扫描器件， 三维成像的空间分辨率高、测量速度快，能适用于动态目标或场景的测量；4、本发明成像系统获得的深度图像与二维图像套准精度高；5、本发明能够实现彩色的三维成像，成像真实性更强；6、本发明成像系统结构简单、体积小、功耗和成本低，便于小型化。
图1为本发明的结构原理示意图。
图2为幅度-距离测量电路10的一个具体实施方案。
图中标号1a、蓝光激光器；lb、绿光激光器；lc、红光激光器；2、光电调制电路； 3a、第一分束镜；3b、第二分束镜；3c、第三分束镜；4a、第一反射镜；4b、第二反射镜；5、双轴MEMS微镜；6、微镜驱动电路；7a、第一蓝光滤光片；7b、红光滤光片；7c、绿光滤光片；7d、第二蓝光滤光片；8a、第一光电接收器；Sb、第二光电接收器；Sc、第三光电接收器；8d、第四光电接收器；9a、第一幅度测量电路；％、第二幅度测量电路；10、幅度-距离测量电路；11、 微控制器；12、显示器；13、目标；14、目标表面法线方向；15、激光入射方向与目标表面法线方向的夹角θ i ；16a、第一低噪声放大器；16b、第二低噪声放大器；17a、第一带通滤波器； 17b、第二带通滤波器；18a、第一模数转换器；18b、第二模数转换器。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明进行详细描述。
参见图1，设置光电调制电路2分别对激光器组中蓝光激光器la、绿光激光器Ib 和红光激光器Ic的输出光功率进行调制，蓝光激光器Ia发射的调制光到达分束镜组中的第一分束镜3a后，被分成蓝光透射光和蓝光反射光，所述蓝光透射光经反射镜组中的第一反射镜如反射达到滤光片组中的第一蓝光滤光片7a，并被光电接收器组中的第一光电接收器8a接收；所述绿光激光器(Ib)和红光激光器(Ic)发射的调制光分别经第二分束镜 (3b)和第三分束镜(3c)获得绿光反射光和红光反射光；所述蓝光反射光与所述的绿光反射光以及所述的红光反射光合为一束白光；所述白光经第二反射镜4b到达双轴MEMS微镜 5，并被投射在目标13的表面；使用滤光片组中的红色滤光片7b和光电接收器组中的第二光电接收器8b接收所述目标13表面散射光的红光分量，使用滤光片组中的绿色滤光片7c 和光电接收器组中的第三光电接收器8c接收所述目标13表面散射光的绿光分量，以及使用滤光片组中的第二蓝色滤光片7d和光电接收器组中的第四光电接收器8d接收所述目标 13表面散射光的蓝光分量；设置幅度测量电路组中的第一幅度测量电路9a和第二幅度测量电路9b，以所述幅度测量电路9a和9b分别处理第二光电接收器8b和第三光电接收器8c输出的光电信号，获得单个被测像素的所述红光分量和所述绿光分量的幅度值；设置幅度-距离测量电路10，以所述幅度-距离测量电路10分别处理第一光电接收器8a和第四光电接收器8d输出的光电信号，同时获得所述单个被测像素的距离值和所述散射光蓝光分量的幅度值；微控制器 11利用实时距离平方修正方法获得所述单个被测像素的红、绿、蓝三色真实亮度值，完成单个像素值的测量；微控制器11控制微镜驱动电路6，驱动双轴MEMS微镜5进行二维扫描，重复所述单个像素值的测量过程，获得全部像素的距离值和亮度值，并组合生成目标13的深度图像和灰度图像；所述深度图像与灰度图像在微控制器11中融合生成目标13的三维彩色图像，并被发送至显示器12进行显示。
本实施例中，所述激光器组中绿光激光器Ib和红光激光器Ic为小功率激光器，可以选用常见小体积的半导体激光器，因此可以直接通过调制激光器的工作电流达到光强调制的目的；所述激光器组中蓝光激光器Ia发射的调制光到达第一分束镜3a后，被分成蓝光透射光和蓝光反射光；所述的蓝光反射光在合成白光后，经双轴MEMS微镜5投射在目标13 的表面，其散射光中的蓝光分量被用于目标13的距离测量；为了提高接收光电信号信噪比并改善最终成像系统的测距精度，所述激光器组中蓝光激光器Ia需选用大功率激光器，例如小体积的固体激光器，同时需使用电光晶体对激光器的出射光进行光强调制；7所述光电调制电路2产生的调制信号为三个不同频率/ml，/m2，/m3的连续正弦波，且分别对激光器组中蓝光激光器la、绿光激光器Ib和红光激光器Ic的输出光功率进行调制； 考虑到最大测距范围和提高接收光电信号信噪比的要求，所述调制频率/ml，/m2，Zffl3的取值范围一般在1 20 MHz之间；所述的双轴MEMS微镜5是一个双轴扫描微镜，微镜的面积范围为10X10 1000X IOOOMffl2,能在两个正交方向对所述目标13进行扫描，扫描速度范围为1帧/秒 85帧/秒，扫描分辨率不低于800 X 600 ；在本实施例中，该微镜的面积大小为700 X 700Mm2， 二维扫描角度为52° X 43° (水平角X垂直角)，扫描速度为30帧/秒，分辨率为10 X 768。
所述激光器组中蓝光激光器la、绿光激光器Ib和红光激光器Ic的输出波长范围分别处于典型的蓝光波段(455 492nm)、绿光波段(492 577nm)和红光波段(622 770nm)，在本实施例中，蓝光激光器la、绿光激光器Ib和红光激光器Ic的波长分别为 488nm、520nm和660nm;因此，所述滤光片组中的红色滤光片7b、绿色滤光片7c、蓝色滤光片 7a和7d的透光中心波长选取应该分别与所选激光器的输出波长一致。在本实施例中，蓝色滤光片、绿色滤光片和红色滤光片的透光中心波长分别为488nm、520nm和660nm，且所有滤光片的带宽均为士 10nm。
在本实施例中，所述幅度-距离测量电路10分别处理第一光电接收器8a和第四光电接收器8d输出的光电信号，使用基于“四点算法”(Rmr-bucket algorithm)的相移式飞行时间(TOF)测距方法，同时获得所述单个被测像素的距离值和所述散射光蓝光分量的幅度值。
所述TOF测距方法的原理是应用光速c不变和测量光的飞行时间t来获得被测距离的，而相移式TOF测距是使用频率为/m的连续正弦波对激光器的输出光功率进行调制， 将直接测量光的往返飞行时间t转化为间接测量与t对应的调制电信号的相位延迟Δ Φ 来获得被测距离d
权利要求
1.一种基于MEMS扫描微镜的小型化无镜头激光三维成像系统，其特征在于包括激光器组、光电调制电路(2 )、分束镜组、反射镜组、双轴MEMS微镜(5 )、微镜驱动电路(6 )、滤光片组、光电接收器组、幅度测量电路组和幅度-距离测量电路(10)；所述光电调制电路(2) 与激光器组相连接，所述光电接收器组经幅度测量电路组和幅度-距离测量电路(10)与微控制器(11)相连接，所述微控制器(11)与显示器(12)交互连接；所述微控制器(11)输出端与微镜驱动电路(6)输入端相连接，并由微镜驱动电路(6)驱动双轴MEMS微镜(5)。
2.根据权利要求1所述的基于MEMS扫描微镜的小型化无镜头激光三维成像系统，其特征在于所述激光器组由蓝光激光器(la)、绿光激光器(Ib)和红光激光器(Ic)构成，三者分别与光电调制电路(2)连接并由光电调制电路(2)对三者的输出光功率进行调制；所述分束镜组由第一分束镜(3a)、第二分束镜(3b)和第三分束镜(3c)构成；所述反射镜组由第一反射镜(4a)和第二反射镜(4b)构成；所述滤光片组由第一蓝光滤光片(7a)、红色滤光片(7b)、绿色滤光片(7c)和第二蓝色滤光片(7d)构成；所述光电接收器组由第一光电接收器(8a)、第二光电接收器(Sb)、第三光电接收器(8c)和第四光电接收器(8d)构成；所述幅度测量电路组由第一幅度测量电路(9a)和第二幅度测量电路(9b)构成；所述蓝光激光器 (Ia)发射的调制光到达分束镜组中的第一分束镜(3a)后，被分成蓝光透射光和蓝光反射光，所述蓝光透射光经反射镜组中的第一反射镜(4a)反射到达滤光片组中的第一蓝光滤光片(7a)，并被光电接收器组中的第一光电接收器(8a)接收；所述绿光激光器(Ib )和红光激光器(Ic)发射的调制光分别经第二分束镜(3b)和第三分束镜(3c)获得绿光反射光和红光反射光；所述蓝光反射光与所述的绿光反射光以及所述的红光反射光合为一束白光；所述白光经第二反射镜(4b)到达双轴MEMS微镜(5)，并被投射在目标(13)的表面；所述滤光片组中的红色滤光片(7b )和光电接收器组中的第二光电接收器(8b )接收所述目标(13 )表面散射光中的红光分量，所述滤光片组中的绿色滤光片(7c)和光电接收器组中的第三光电接收器(8c)接收所述目标(13)表面散射光中的绿光分量，所述滤光片组中的第二蓝色滤光片(7d)和光电接收器组中的第四光电接收器(8d)接收所述目标(13)表面散射光中的蓝光分量；所述第一幅度测量电路(9a)和第二幅度测量电路(9b)分别与第二光电接收器(8b) 和第三光电接收器(8c )连接并处理二者的输出的光电信号，获得单个被测像素的所述散射光红光分量和绿光分量的幅度值；所述幅度-距离测量电路(10)分别与第一光电接收器 (8a)和第四光电接收器(8d)连接并分别处理二者输出的光电信号，同时获得所述单个被测像素的距离值和所述散射光蓝光分量的幅度值；所述第一光电接收器(8a)的输出信号被作为幅度-距离测量电路(10)测量像素距离值的参考信号；微控制器(11)根据所述的红光、绿光和蓝光分量幅度值分别计算出所述单个被测像素的红、绿、蓝三色真实亮度值。
3.根据权利要求1或2所述的基于MEMS扫描微镜的小型化无镜头激光三维成像系统， 其特征在于所述微控制器(11)采用可编程单片机、可编程DSP芯片或高性能FPGA/CPLD-H-· I I心片。
4.根据权利要求1或2所述的基于MEMS扫描微镜的小型化无镜头激光三维成像系统， 其特征在于所述幅度-距离测量电路(10)由依次连接的低噪声放大器组、带通滤波器组和模数转换器组构成；所述低噪声放大器组包括第一低噪声放大器(16a)和第二低噪声放大器(16b)；所述带通滤波器组包括第一带通滤波器(17a)和第二带通滤波器(17b)；所述模数转换器组包括第一模数转换器(18a)和第二模数转换器(1汕)。
5.根据权利要求1或2所述的基于MEMS扫描微镜的小型化无镜头激光三维成像系统的成像方法，其特征在于(a)、采用红、绿、蓝三色激光器作为照明光源，并分别对三色激光器的输出光功率进行调制，调制过的红、绿、蓝三色激光经反射镜组和分束镜组后合为一束白光，所述白光经双轴MEMS微镜投射到目标的表面；使用光电接收器组分别接收目标表面散射光中的红光、绿光和蓝光分量，并由幅度测量电路组和幅度-距离测量电路获得单个被测像素的距离值和红光、绿光、蓝光分量的幅度值；(b)、微控制器(11)获得单个被测像素的距离值后，利用实时距离平方修正方法计算单个被测像素的红、绿、蓝三色真实亮度值，完成单个像素值的测量；(c)、微控制器(11)控制微镜驱动电路(6)，驱动双轴MEMS微镜(5)进行二维扫描，重复所述单个像素值的测量过程，获取全部像素的距离值和真实亮度值，并组合生成目标的深度图像和灰度图像；(d)、深度图像与灰度图像在微控制器(11)中，通过图像处理算法，融合生成目标的三维彩色图像，并被发送至显示器(12)进行显示。
6.根据权利要求5所述的基于MEMS扫描微镜的小型化无镜头激光三维成像系统的成像方法，其特征在于所述实时距离平方修正方法为，首先，利用第一幅度测量电路(9a)和第二幅度测量电路(9b)获得单个被测像素的散射光红光分量和绿光分量的幅度值；同时， 利用所述幅度-距离测量电路(10)获得单个被测像素的距离值和散射光蓝光分量的幅度值；然后，根据无镜头成像辐射度学模型，目标成像的亮度值跟距离值的平方成反比，利用单个被测像素的距离值，对单个被测像素的红光分量、绿光分量和蓝光分量的亮度值进行实时平方修正，获得单个被测像素的红、绿、蓝三色真实亮度值。
全文摘要
本发明公开了一种基于MEMS扫描微镜的小型化无镜头激光三维成像系统及其成像方法，该系统采用红、绿、蓝三色激光器作为照明光源，三色激光输出光功率经调制后组合为一束白光投射到目标表面；使用光电接收器组接收目标表面散射光中的红、绿、蓝光分量，并由测量电路获得单个被测像素的距离值和三色光分量的幅度值。微控制器根据三色光分量的幅度值计算单个被测像素的三色亮度值，并利用实时距离平方修正方法获得该像素的三色真实亮度值。微控制器控制MEMS微镜进行扫描，获得全部像素的距离值和真实亮度值，并组合生成目标的深度图像和灰度图像，最终获得目标的三维彩色图像。本发明无需光学镜头，成像分辨率高、速度快、结构简单、便于小型化。
文档编号G01S17/36GK102508259SQ20111041178
公开日2012年6月20日 申请日期2011年12月12日 优先权日2011年12月12日
发明者何德勇, 徐军, 明海, 王焕钦, 王莹, 赵天鹏, 陈然 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院
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