本發(fā)明涉及3D成像技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于MEMS微振鏡的激光光源結(jié)構(gòu)光生成方法與系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前的3D成像和3D投影等大多都是用散斑光源或者LED光源來成像。但是傳統(tǒng)的散斑成像，由于高空間相干性的問題，會產(chǎn)生大量隨機的斑點或顆粒狀的圖案，嚴重影響成像效果；LED光源成像雖然能夠避免這種失真，但是對于高速成像來說由于自身的亮度不夠使得它的應(yīng)用具有一定的局限性。由于激光的亮度極高，相干性好，閃光時間短，能量密度極大等優(yōu)點，使得激光的應(yīng)用越來越廣泛，被廣泛應(yīng)用到各種各樣的領(lǐng)域?；谖⒄耒R的均勻能量等間距激光光源的結(jié)構(gòu)光控制器中的激光器不僅解決了失真問題，而且具有高亮度的特點能夠在高速成像中有很好的應(yīng)用。

MEMS微振鏡在偏轉(zhuǎn)激光束的時候由于偏轉(zhuǎn)過程中線速度的不同，使得得到的機構(gòu)光的寬度不同和亮度不均勻，使得在3D建模成像過程中的應(yīng)用受到限制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述發(fā)明問題，本發(fā)明提供了一種基于MEMS微振鏡的激光光源結(jié)構(gòu)光生成方法，包括由激光器、透鏡、及MEMS微振鏡依次排列組成的光路，還包括由ARM模塊、FPGA模塊、振鏡驅(qū)動電路模塊、激光器驅(qū)動模塊組成的控制電路，

步驟一，通過ARM模塊計算出等間距等亮度激光機構(gòu)光的激光器的出光時刻點；

步驟二，ARM模塊將計算結(jié)果發(fā)送至FPGA模塊，F(xiàn)PGA模塊按照步驟一中的計算結(jié)果通過激光器驅(qū)動模塊對激光器進行控制、通過振鏡驅(qū)動模塊對MEMS微振鏡進行控制；

步驟三，激光器在FPGA模塊的控制下出射激光光束至透鏡；

步驟四，透鏡將激光器的入射光調(diào)制成散射均勻的激光線條，并入射至MEMS微振鏡；

步驟五，MEMS微振鏡在FPGA模塊的控制下進行諧振，將入射的激光線條輸出為均勻能量的等間距結(jié)構(gòu)光。

優(yōu)選為，所述步驟二中，ARM模塊根據(jù)如下公式獲得所述MEMS微振鏡的最大偏轉(zhuǎn)角度與所述激光器出光時刻點，

其中，β_i為第i時刻出射光線距最大出射光線的角度，N為掃描半周期內(nèi)的明線條或者暗線條的數(shù)量；

其中，t_i為激光器的出光時刻點，f為振鏡頻率，T為振鏡的轉(zhuǎn)動周期；FPGA模塊控制MEMS微振鏡進行諧振；FPGA模塊控制激光器以ti為出光時刻點進行通斷。

優(yōu)選為，所述激光器為LD激光器。

優(yōu)選為，所述透鏡為雙面透鏡，其中一面為可以對入射光束進行聚焦和準直的入射面，另外一面為可將入射的光束發(fā)散成均勻線條的出射面。

一種均勻能量等間距的激光光源結(jié)構(gòu)光控制算法

由于MEMS振鏡和激光器協(xié)同控制過程中，得到的結(jié)構(gòu)光的具有寬度和亮度的不均勻的缺陷，本方法通過建模得到了等間距和等亮度的結(jié)構(gòu)光，克服了這兩個缺陷，得到均勻能量的等間距結(jié)構(gòu)光。

首先建立MEMS振鏡和激光器的參考模型，α是結(jié)構(gòu)光的最大角度，β_i為第i時刻出射光線距最大出射光線的角度，l₁和l₂為振鏡轉(zhuǎn)動過程中的兩個不同位置。N為掃描半周期內(nèi)的明線條或者暗線條的數(shù)量。D為振鏡中心到掃描屏的距離。設(shè)定掃描線數(shù)N＝8192、α＝60°、MEMS振鏡的頻率f＝456Hz，以MEMS振鏡的偏轉(zhuǎn)的最大角度為參考點，求出它所對應(yīng)的運動軌跡表達式：

根據(jù)參考模型，推導得到

以此得到所對應(yīng)時刻MEMS振鏡的偏轉(zhuǎn)角度；

將得到角度代入下式得到等間距的激光器出光時刻點，

分析得到結(jié)構(gòu)光亮度最大的時間間隔的兩個時刻點t₈₁₉₂到t₈₁₉₃，用0～255這256個數(shù)來量化每個結(jié)構(gòu)光的能量，通過計算每個結(jié)構(gòu)光的的時間間隔，用255來表示最大亮度的結(jié)構(gòu)光，求出最大亮度的時刻差，進行如下運算：

Δt_min＝t₈₁₉₂-t₈₁₉₃

Δt_min*255＝ξ(常數(shù)，量化的最大亮度)

求出每個結(jié)構(gòu)光對應(yīng)的能量，即可得到均勻亮度的結(jié)構(gòu)光條紋：

P_u(t)＝ξ/Δt_min

用得到的16384根等間距等亮度的結(jié)構(gòu)光來重構(gòu)得到不同的明暗條紋數(shù)，即可得到等間距等亮度的明暗條紋。

通過硬件和軟件實現(xiàn)得到的等間距等亮度的結(jié)構(gòu)光條紋。

一種結(jié)構(gòu)光生成系統(tǒng)，包括由依次排列的激光器、透鏡、振鏡組成的光路，振鏡與振鏡驅(qū)動電路模塊連接，激光器與激光器驅(qū)動模塊連接，所述振鏡驅(qū)動電路模塊與激光器驅(qū)動模塊均連接FPGA模塊，F(xiàn)PGA模塊還連接ARM模塊，所述振鏡為MEMS微振鏡。

所述FPGA模塊還接收上位機關(guān)于激光結(jié)構(gòu)光格式的指令，然后所述FPGA模塊向所述振鏡驅(qū)動電路模塊傳輸運行指令，振鏡驅(qū)動電路模塊控制振鏡進行諧振。所述FPGA模塊向所述激光器驅(qū)動模塊傳輸運行指令，激光器驅(qū)動電路模塊根據(jù)ARM模塊發(fā)送給FPGA模塊的出光時刻點控制激光器進行相應(yīng)的通斷。在FPGA模塊的協(xié)同控制下的得到上位機所要求的結(jié)構(gòu)光格式。

優(yōu)選為，所述透鏡為雙面透鏡，其中一面為可以對入射光束進行聚焦和準直的入射面，另外一面為可將入射的光束發(fā)散成均勻線條的出射面。

優(yōu)選為，所述激光器為LD激光器。即半導體激光器。

優(yōu)選為，ARM模塊根據(jù)如下公式獲得所述MEMS微振鏡的最大偏轉(zhuǎn)角度與所述激光器出光時刻點，

其中，β_i為第i時刻出射光線距最大出射光線的角度，N為掃描半周期內(nèi)的明線條或者暗線條的數(shù)量；

其中，t_i為激光器的出光時刻點，f為振鏡頻率，T為振鏡的轉(zhuǎn)動周期；FPGA模塊控制MEMS微振鏡以β_i為諧振角度進行諧振；FPGA模塊控制激光器以t_i為出光時刻點進行通斷。

本結(jié)構(gòu)光生成系統(tǒng)的工作過程為：

1)采用高功率的激光器出射激光光斑，通過雙面透鏡的一面聚焦和準值，另一面發(fā)散激光束，散射成均勻的激光線條；

2)振鏡驅(qū)動電路模塊控制MEMS振鏡，使之按照一定的軌跡運動，達到諧振狀態(tài)；

3)ARM模塊，計算出等間距等亮度激光機構(gòu)光的LD激光器的出光時刻點，并將之傳遞給FPGA模塊。

4)FPGA模塊，協(xié)同控制MEMS振鏡和LD激光器，伴隨著MEMS振鏡的諧振，均勻的激光機構(gòu)光變成等間距等亮度的激光機構(gòu)光。

本發(fā)明實施例提供的技術(shù)方案帶來的有益效果是：基于MEMS微振鏡的均勻能量等間距激光光源的結(jié)構(gòu)光控制器解決了兩個問題：一是能夠產(chǎn)生等間距的掃描機構(gòu)光；二是能夠得到等亮度的掃描機構(gòu)光。

基于MEMS微振鏡的均勻能量等間距激光光源的結(jié)構(gòu)光控制器得到的等間距等亮度的機構(gòu)光以其良好的特性，在激光投影、增強現(xiàn)實、結(jié)構(gòu)光掃描、激光雷達和醫(yī)療顯像與掃描等各種各樣的領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前途。

解決了激光器出射光線在MEMS在偏轉(zhuǎn)過程中得到的機構(gòu)光條紋寬度和亮度的不均勻的問題，得到了等間距和等亮度的激光機構(gòu)光，能夠在3D建模、3D成像中能夠有很好的應(yīng)用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的MEMS振鏡和激光器的參考建模圖。

圖2為本發(fā)明實施例的激光器出光時刻點所對應(yīng)的結(jié)構(gòu)光間距線圖。

圖3為本發(fā)明實施例的等間距結(jié)構(gòu)光所對應(yīng)的激光器的出光時刻曲線圖。

圖4為本發(fā)明實施例的N＝4時，等間距結(jié)構(gòu)光所對應(yīng)的優(yōu)化前后的激光器出光時刻和對比曲線。

圖5為本發(fā)明實施例的N＝8時，等間距結(jié)構(gòu)光所對應(yīng)的優(yōu)化前后的激光器出光時刻和對比曲線。

圖6為本發(fā)明實施例的N＝1024時，等間距結(jié)構(gòu)光所對應(yīng)的優(yōu)化前后的激光器出光時刻和對比曲線。

圖7為本發(fā)明實施例的8個等間距等亮度條紋。

圖8為本發(fā)明實施例的32個等間距等亮度條紋。

圖9為本發(fā)明實施例的64個等間距等亮度條紋。

圖10為本發(fā)明實施例的128個等間距等亮度條紋。

圖11為本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)光生成系統(tǒng)的原理框圖。

圖12為本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)光生成系統(tǒng)的實現(xiàn)流程圖。

圖13為本發(fā)明實施例的振鏡驅(qū)動電路圖。

圖14為本發(fā)明實施例的電壓變換電路圖一。

圖15為本發(fā)明實施例的電壓變換電路圖二。

圖16為本發(fā)明實施例的電壓變換電路圖三。

圖17為本發(fā)明實施例的電壓變換電路圖四。

圖18為本發(fā)明實施例的激光器供電電路圖。

圖19為本發(fā)明實施例的激光器驅(qū)動電路圖。

具體實施方式

實施例1

參見圖1至圖19，本發(fā)明提供一種基于MEMS微振鏡的激光光源結(jié)構(gòu)光生成方法與系統(tǒng)。

一種基于MEMS微振鏡的激光光源結(jié)構(gòu)光生成方法，包括由激光器、透鏡、及MEMS微振鏡依次排列組成的光路，還包括由ARM模塊、FPGA模塊、振鏡驅(qū)動電路模塊、激光器驅(qū)動模塊組成的控制電路，

步驟一，通過ARM模塊計算出等間距等亮度激光機構(gòu)光的激光器的出光時刻點；

步驟二，ARM模塊將計算結(jié)果發(fā)送至FPGA模塊，F(xiàn)PGA模塊按照步驟一中的計算結(jié)果通過激光器驅(qū)動模塊對激光器進行控制、通過振鏡驅(qū)動模塊對MEMS微振鏡進行控制；

步驟三，激光器在FPGA模塊的控制下出射激光光束至透鏡；

步驟四，透鏡將激光器的入射光調(diào)制成散射均勻的激光線條，并入射至MEMS微振鏡；

步驟五，MEMS微振鏡在FPGA模塊的控制下進行諧振，將入射的激光線條輸出為均勻能量的等間距結(jié)構(gòu)光。

優(yōu)選為，步驟二中，ARM模塊根據(jù)如下公式獲得MEMS微振鏡的最大偏轉(zhuǎn)角度與激光器出光時刻點，

其中，β_i為第i時刻出射光線距最大出射光線的角度，N為掃描半周期內(nèi)的明線條或者暗線條的數(shù)量；

其中，t_i為激光器的出光時刻點，f為振鏡頻率，T為振鏡的轉(zhuǎn)動周期；FPGA模塊控制MEMS微振鏡進行諧振；FPGA模塊控制激光器以t_i為出光時刻點進行通斷。

優(yōu)選為，激光器為LD激光器。

優(yōu)選為，透鏡為雙面透鏡，其中一面為可以對入射光束進行聚焦和準直的入射面，另外一面為可將入射的光束發(fā)散成均勻線條的出射面。

一種均勻能量等間距的激光光源結(jié)構(gòu)光控制算法

由于MEMS振鏡和激光器協(xié)同控制過程中，得到的結(jié)構(gòu)光的具有寬度和亮度的不均勻的缺陷，本方法通過建模得到了等間距和等亮度的結(jié)構(gòu)光，克服了這兩個缺陷，得到均勻能量的等間距結(jié)構(gòu)光。

首先建立MEMS振鏡和激光器的參考模型，設(shè)定掃描線數(shù)N＝8192、α＝60°、MEMS振鏡的頻率f＝456Hz，以MEMS振鏡的偏轉(zhuǎn)的最大角度為參考點，求出它所對應(yīng)的運動軌跡表達式：

根據(jù)參考模型，推導得到

以此得到所對應(yīng)時刻MEMS振鏡的偏轉(zhuǎn)角度；

將得到角度代入下式得到等間距的激光器出光時刻點，

分析得到結(jié)構(gòu)光亮度最大的時間間隔的兩個時刻點t₈₁₉₂到t₈₁₉₃，用0～255這256個數(shù)來量化每個結(jié)構(gòu)光的能量，通過計算每個結(jié)構(gòu)光的的時間間隔，用255來表示最大亮度的結(jié)構(gòu)光，求出最大亮度的時刻差，進行如下運算：

Δt_min＝t₈₁₉₂-t₈₁₉₃

Δt_min*255＝ξ(常數(shù)，量化的最大亮度)

求出每個結(jié)構(gòu)光對應(yīng)的能量，即可得到均勻亮度的結(jié)構(gòu)光條紋：

P_u(t)＝ξ/Δt_min

用得到的16384根等間距等亮度的結(jié)構(gòu)光來重構(gòu)得到不同的明暗條紋數(shù)，即可得到等間距等亮度的明暗條紋。

通過硬件和軟件實現(xiàn)得到的等間距等亮度的結(jié)構(gòu)光條紋。

一種結(jié)構(gòu)光生成系統(tǒng)，包括由依次排列的激光器、透鏡、振鏡組成的光路，振鏡與振鏡驅(qū)動電路模塊連接，激光器與激光器驅(qū)動模塊連接，振鏡驅(qū)動電路模塊與激光器驅(qū)動模塊均連接FPGA模塊，F(xiàn)PGA模塊還連接ARM模塊，振鏡為MEMS微振鏡。

所述FPGA模塊還接收上位機關(guān)于激光結(jié)構(gòu)光格式的指令，然后所述FPGA模塊向所述振鏡驅(qū)動電路模塊傳輸運行指令，振鏡驅(qū)動電路模塊控制振鏡進行諧振。所述FPGA模塊向所述激光器驅(qū)動模塊傳輸運行指令，激光器驅(qū)動電路模塊根據(jù)ARM模塊發(fā)送給FPGA模塊的出光時刻點控制激光器進行相應(yīng)的通斷。在FPGA模塊的協(xié)同控制下的得到上位機所要求的結(jié)構(gòu)光格式。

優(yōu)選為，透鏡為雙面透鏡，其中一面為可以對入射光束進行聚焦和準直的入射面，另外一面為可將入射的光束發(fā)散成均勻線條的出射面。

優(yōu)選為，激光器為LD激光器。即半導體激光器。

優(yōu)選為，ARM模塊根據(jù)如下公式獲得MEMS微振鏡的最大偏轉(zhuǎn)角度與激光器出光時刻點，

其中，β_i為第i時刻出射光線距最大出射光線的角度，N為掃描半周期內(nèi)的明線條或者暗線條的數(shù)量；

其中，t_i為激光器的出光時刻點，f為振鏡頻率，T為振鏡的轉(zhuǎn)動周期；FPGA模塊控制MEMS微振鏡以β_i為諧振角度進行諧振；FPGA模塊控制激光器以t_i為出光時刻點進行通斷。

外圍電路方面不是本發(fā)明的技術(shù)要點，不存在必要的發(fā)明特征，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以用其它相關(guān)電路進行替換使用。

本結(jié)構(gòu)光生成系統(tǒng)的工作過程為：

1)采用高功率的激光器出射激光光斑，通過雙面透鏡的一面聚焦和準值，另一面發(fā)散激光束，散射成均勻的激光線條；

2)振鏡驅(qū)動電路模塊控制MEMS振鏡，使之按照一定的軌跡運動，達到諧振狀態(tài)；

3)ARM模塊，計算出等間距等亮度激光機構(gòu)光的LD激光器的出光時刻點，并將之傳遞給FPGA模塊。

4)FPGA模塊，協(xié)同控制MEMS振鏡和LD激光器，伴隨著MEMS振鏡的諧振，均勻的激光機構(gòu)光變成等間距等亮度的激光機構(gòu)光。

其中，雙面透鏡，有兩個反射面，一面將激光光束聚焦準直為平行光束，另一面將平行光束變化為均勻散射的激光線條；

MEMS微振鏡，采用靜電式MEMS振鏡，通過振鏡驅(qū)動電路模塊驅(qū)動振鏡使振鏡達到諧振狀態(tài)，MEMS振鏡的最大偏轉(zhuǎn)角度為60度。

激光器驅(qū)動模塊，通過驅(qū)動芯片控制LD激光器的通斷時間間隔，以及LD激光器的亮度調(diào)制等；激光器控制模塊的主控芯片型號是MAX3601A。

MEMS振鏡驅(qū)動電路模塊，主要包括直流穩(wěn)壓電源、升壓芯片、運算放大電路。該模塊用來輸出驅(qū)動MEMS振鏡所需要的電壓；MEMS振鏡驅(qū)動模塊是以LM2733YML為主控芯片控制的升壓電路

ARM模塊，計算出等間距等亮度激光機構(gòu)光的LD激光器的出光時刻點，傳遞給FPGA來控制激光器和MEMS振鏡的偏轉(zhuǎn)，ARM模塊的主控芯片型號是STM32F107VCT6。

FPGA模塊，協(xié)同控制MEMS振鏡和LD激光器，伴隨著MEMS振鏡的諧振，使得均勻的激光機構(gòu)光變成等間距等亮度的激光機構(gòu)光。FPGA模塊的主芯片XC6SLX45-2CSG32。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。