專(zhuān)利名稱(chēng)：基于mems掃描微鏡的小型化無(wú)鏡頭激光三維成像系統(tǒng)及其成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及三維成像技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于MEMS掃描微鏡的小型化無(wú)鏡頭激光三維成像系統(tǒng)及其成像方法。
技術(shù)背景
與傳統(tǒng)的二維成像技術(shù)相比，三維成像技術(shù)包含了第三維的距離或深度信息，能夠更加充分地描述真實(shí)三維場(chǎng)景中物體的位置和運(yùn)動(dòng)信息，因此具有許多突出的優(yōu)點(diǎn)和廣闊的應(yīng)用前景；特別是近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在目標(biāo)識(shí)別、實(shí)物仿形、移動(dòng)機(jī)器人防撞、無(wú)人車(chē)導(dǎo)航、立體電影、虛擬現(xiàn)實(shí)等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ω咝阅苋S成像的需求十分迫切。
基于光學(xué)測(cè)距的三維成像技術(shù)由于方向性好、測(cè)量范圍大、分辨率高、無(wú)需接觸、 抗外界環(huán)境干擾強(qiáng)，而逐漸成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)，而目前研究的大部分光學(xué)三維成像系統(tǒng)均是基于三角法或飛行時(shí)間原理來(lái)測(cè)量距離的。
基于三角法測(cè)距的三維成像系統(tǒng)，例如雙目視覺(jué)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)光成像系統(tǒng)，需要處理“陰影”效應(yīng)(Shadow effects)或投影條紋“模糊”問(wèn)題(Ambiguity problems)，因此一般只能使用在對(duì)比度高的測(cè)量場(chǎng)合。與該類(lèi)成像系統(tǒng)相比，基于飛行時(shí)間測(cè)距的三維成像系統(tǒng)由于光的發(fā)射和接收幾乎在同一條直線上，可以明顯“分辨”各個(gè)被測(cè)點(diǎn)的信息，因此不會(huì)出現(xiàn)三角法測(cè)距中存在的“陰影”或投影“模糊”問(wèn)題；此外，基于飛行時(shí)間測(cè)距的三維成像系統(tǒng)還具有原理簡(jiǎn)單、測(cè)距精度高、無(wú)需參考面等優(yōu)點(diǎn)。
在傳統(tǒng)的基于飛行時(shí)間測(cè)距的三維成像系統(tǒng)中，最典型的代表是掃描式激光成像雷達(dá)，它在單點(diǎn)飛行時(shí)間測(cè)距的基礎(chǔ)上，通過(guò)二維掃描實(shí)現(xiàn)整個(gè)三維空間的測(cè)量，例如美國(guó)的HDL-64E掃描激光雷達(dá)。這種三維成像技術(shù)原理簡(jiǎn)單、可探測(cè)距離遠(yuǎn)、精度高，但是由于使用了精密、笨重且價(jià)格昂貴的宏觀機(jī)械掃描裝置和光學(xué)元件，該類(lèi)系統(tǒng)一般抗振性能差、 體積大、成本高；同時(shí)，由于宏觀的機(jī)械掃描裝置自身掃描速度慢，在長(zhǎng)時(shí)間使用過(guò)程中存在老化和磨損現(xiàn)象，使用該方法獲得的三維圖像的套準(zhǔn)精度低，實(shí)時(shí)性差，且常常不適用于動(dòng)態(tài)目標(biāo)或場(chǎng)景的測(cè)量；此外，傳統(tǒng)的掃描激光成像雷達(dá)獲取的三維圖像往往都是單色的灰度圖像，成像顏色真實(shí)感較差
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)上述傳統(tǒng)三維成像技術(shù)所存在的不足，提供一種基于MEMS 掃描微鏡的小型化無(wú)鏡頭激光三維成像系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、高精度和低成本的彩色三維4成像，滿足現(xiàn)有諸多領(lǐng)域?qū)Ω咝阅苋S成像的迫切需求。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案是一種基于MEMS掃描微鏡的小型化無(wú)鏡頭激光三維成像系統(tǒng)，包括激光器組、光電調(diào)制電路、分束鏡組、反射鏡組、雙軸MEMS微鏡、微鏡驅(qū)動(dòng)電路、濾光片組、光電接收器組、幅度測(cè)量電路組和幅度-距離測(cè)量電路；所述光電調(diào)制電路與激光器組相連接，所述光電接收器組經(jīng)幅度測(cè)量電路組和幅度-距離測(cè)量電路與微控制器相連接，所述微控制器與顯示器交互連接；所述微控制器輸出端與微鏡驅(qū)動(dòng)電路輸入端相連接，并由微鏡驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)雙軸MEMS微鏡。
所述激光器組由藍(lán)光激光器、綠光激光器和紅光激光器構(gòu)成，三者分別與光電調(diào)制電路連接并由光電調(diào)制電路對(duì)三者的輸出光功率進(jìn)行調(diào)制；所述分束鏡組由第一分束鏡、第二分束鏡和第三分束鏡構(gòu)成；所述反射鏡組由第一反射鏡和第二反射鏡構(gòu)成；所述濾光片組由第一藍(lán)光濾光片、紅色濾光片、綠色濾光片和第二藍(lán)色濾光片構(gòu)成；所述光電接收器組由第一光電接收器、第二光電接收器、第三光電接收器和第四光電接收器構(gòu)成；所述幅度測(cè)量電路組由第一幅度測(cè)量電路和第二幅度測(cè)量電路構(gòu)成；所述藍(lán)光激光器發(fā)射的調(diào)制光到達(dá)分束鏡組中的第一分束鏡后，被分成藍(lán)光透射光和藍(lán)光反射光，所述藍(lán)光透射光經(jīng)反射鏡組中的第一反射鏡反射到達(dá)濾光片組中的第一藍(lán)光濾光片，并被光電接收器組中的第一光電接收器接收；所述綠光激光器和紅光激光器發(fā)射的調(diào)制光分別經(jīng)第二分束鏡和第三分束鏡獲得綠光反射光和紅光反射光；所述藍(lán)光反射光與所述的綠光反射光以及所述的紅光反射光合為一束白光；所述白光經(jīng)第二反射鏡到達(dá)雙軸MEMS微鏡，并被投射在目標(biāo)的表面；所述濾光片組中的紅色濾光片和光電接收器組中的第二光電接收器接收所述目標(biāo)表面散射光的紅光分量，所述濾光片組中的綠色濾光片和光電接收器組中的第三光電接收器接收所述目標(biāo)表面散射光的綠光分量，所述濾光片組中的第二藍(lán)色濾光片和光電接收器組中的第四光電接收器接收所述目標(biāo)表面散射光的藍(lán)光分量；所述第一幅度測(cè)量電路和第二幅度測(cè)量電路分別與第二光電接收器和第三光電接收器連接并處理二者的輸出的光電信號(hào)，獲得單個(gè)被測(cè)像素的所述散射光紅光分量和綠光分量的幅度值；所述幅度-距離測(cè)量電路分別與第一光電接收器和第四光電接收器連接并分別處理二者輸出的光電信號(hào)，同時(shí)獲得所述單個(gè)被測(cè)像素的距離值和所述散射光藍(lán)光分量的幅度值；所述的第一光電接收器的輸出信號(hào)被作為幅度-距離測(cè)量電路測(cè)量像素距離值的參考信號(hào)；所述微控制器根據(jù)所述的紅光、綠光和藍(lán)光分量幅度值分別計(jì)算出所述單個(gè)被測(cè)像素的紅、綠、藍(lán)三色真實(shí)亮度值。
所述微控制器采用可編程單片機(jī)、可編程DSP芯片或高性能FPGA/CPLD芯片。
所述幅度-距離測(cè)量電路由依次連接的低噪聲放大器組、帶通濾波器組和模數(shù)轉(zhuǎn)換器組構(gòu)成；所述低噪聲放大器組包括第一低噪聲放大器和第二低噪聲放大器；所述帶通濾波器組包括第一帶通濾波器和第二帶通濾波器；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器組包括第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器和第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
本發(fā)明的另一目的是提供基于MEMS掃描微鏡的小型化無(wú)鏡頭激光三維成像系統(tǒng)的成像方法，其包括下述步驟(a)、采用紅、綠、藍(lán)三色激光器作為照明光源，并分別對(duì)三色激光器的輸出光功率進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制過(guò)的紅、綠、藍(lán)三色激光經(jīng)反射鏡組和分束鏡組后合為一束白光，所述白光經(jīng)雙軸MEMS微鏡投射到目標(biāo)的表面；使用光電接收器組分別接收目標(biāo)表面散射光中的紅光、綠光和藍(lán)光分量，并由幅度測(cè)量電路組和幅度-距離測(cè)量電路獲得單個(gè)被測(cè)像素的距離值和紅光、綠光、藍(lán)光分量的幅度值；(b)、微控制器獲得單個(gè)被測(cè)像素的距離值后，利用實(shí)時(shí)距離平方修正方法計(jì)算單個(gè)被測(cè)像素的紅、綠、藍(lán)三色真實(shí)亮度值，完成單個(gè)像素值的測(cè)量；(c)、微控制器控制微鏡驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)雙軸MEMS微鏡進(jìn)行二維掃描，重復(fù)所述單個(gè)像素值的測(cè)量過(guò)程，獲取全部像素的距離值和真實(shí)亮度值，并組合生成目標(biāo)的深度圖像和灰度圖像；(d)、深度圖像與灰度圖像在微控制器中，通過(guò)圖像處理算法，融合生成目標(biāo)的三維彩色圖像，并被發(fā)送至顯示器進(jìn)行顯示。
由于成像過(guò)程中未使用透鏡，單個(gè)被測(cè)像素的紅、綠、藍(lán)三色亮度值不能真實(shí)的反映被測(cè)目標(biāo)的亮度信息，因此微控制器再根據(jù)測(cè)得的所述單個(gè)被測(cè)像素的距離值，利用實(shí)時(shí)距離平方修正方法計(jì)算獲得所述單個(gè)被測(cè)像素的紅、綠、藍(lán)三色真實(shí)亮度值，完成單個(gè)像素值的測(cè)量。
所述實(shí)時(shí)距離平方修正方法為，首先，利用第一幅度測(cè)量電路和第二幅度測(cè)量電路獲得單個(gè)被測(cè)像素的散射光紅光分量和綠光分量的幅度值；同時(shí)，利用所述幅度-距離測(cè)量電路獲得單個(gè)被測(cè)像素的距離值和散射光藍(lán)光分量的幅度值；然后，根據(jù)無(wú)鏡頭成像輻射度學(xué)模型，目標(biāo)成像的亮度值跟距離值的平方成反比，利用單個(gè)被測(cè)像素的距離值，對(duì)單個(gè)被測(cè)像素的紅光分量、綠光分量和藍(lán)光分量的亮度值進(jìn)行實(shí)時(shí)平方修正，獲得單個(gè)被測(cè)像素的紅、綠、藍(lán)三色真實(shí)亮度值。
與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在1、本發(fā)明的三維成像系統(tǒng)無(wú)需任何光學(xué)鏡頭，不存在傳統(tǒng)光學(xué)成像技術(shù)中的景深和焦深問(wèn)題，成像系統(tǒng)光路簡(jiǎn)單、體積小、抗震性能好；2、與傳統(tǒng)掃描激光成像雷達(dá)中使用的雙擺鏡、旋轉(zhuǎn)多面體反射棱鏡、雙檢流計(jì)鏡或兩軸的驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)鏡相比，本發(fā)明采用的雙軸MEMS微鏡不僅便于精確驅(qū)動(dòng)和控制，同時(shí)也具有更小的體積、更低的功耗和成本；3、本發(fā)明使用面積小、質(zhì)量輕、共振頻率高的雙軸MEMS微鏡作為高速二維掃描器件， 三維成像的空間分辨率高、測(cè)量速度快，能適用于動(dòng)態(tài)目標(biāo)或場(chǎng)景的測(cè)量；4、本發(fā)明成像系統(tǒng)獲得的深度圖像與二維圖像套準(zhǔn)精度高；5、本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)彩色的三維成像，成像真實(shí)性更強(qiáng)；6、本發(fā)明成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、功耗和成本低，便于小型化。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理示意圖。
圖2為幅度-距離測(cè)量電路10的一個(gè)具體實(shí)施方案。
圖中標(biāo)號(hào)1a、藍(lán)光激光器；lb、綠光激光器；lc、紅光激光器；2、光電調(diào)制電路； 3a、第一分束鏡；3b、第二分束鏡；3c、第三分束鏡；4a、第一反射鏡；4b、第二反射鏡；5、雙軸MEMS微鏡；6、微鏡驅(qū)動(dòng)電路；7a、第一藍(lán)光濾光片；7b、紅光濾光片；7c、綠光濾光片；7d、第二藍(lán)光濾光片；8a、第一光電接收器；Sb、第二光電接收器；Sc、第三光電接收器；8d、第四光電接收器；9a、第一幅度測(cè)量電路；％、第二幅度測(cè)量電路；10、幅度-距離測(cè)量電路；11、 微控制器；12、顯示器；13、目標(biāo)；14、目標(biāo)表面法線方向；15、激光入射方向與目標(biāo)表面法線方向的夾角θ i ；16a、第一低噪聲放大器；16b、第二低噪聲放大器；17a、第一帶通濾波器； 17b、第二帶通濾波器；18a、第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器；18b、第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
參見(jiàn)圖1，設(shè)置光電調(diào)制電路2分別對(duì)激光器組中藍(lán)光激光器la、綠光激光器Ib 和紅光激光器Ic的輸出光功率進(jìn)行調(diào)制，藍(lán)光激光器Ia發(fā)射的調(diào)制光到達(dá)分束鏡組中的第一分束鏡3a后，被分成藍(lán)光透射光和藍(lán)光反射光，所述藍(lán)光透射光經(jīng)反射鏡組中的第一反射鏡如反射達(dá)到濾光片組中的第一藍(lán)光濾光片7a，并被光電接收器組中的第一光電接收器8a接收；所述綠光激光器(Ib)和紅光激光器(Ic)發(fā)射的調(diào)制光分別經(jīng)第二分束鏡 (3b)和第三分束鏡(3c)獲得綠光反射光和紅光反射光；所述藍(lán)光反射光與所述的綠光反射光以及所述的紅光反射光合為一束白光；所述白光經(jīng)第二反射鏡4b到達(dá)雙軸MEMS微鏡 5，并被投射在目標(biāo)13的表面；使用濾光片組中的紅色濾光片7b和光電接收器組中的第二光電接收器8b接收所述目標(biāo)13表面散射光的紅光分量，使用濾光片組中的綠色濾光片7c 和光電接收器組中的第三光電接收器8c接收所述目標(biāo)13表面散射光的綠光分量，以及使用濾光片組中的第二藍(lán)色濾光片7d和光電接收器組中的第四光電接收器8d接收所述目標(biāo) 13表面散射光的藍(lán)光分量；設(shè)置幅度測(cè)量電路組中的第一幅度測(cè)量電路9a和第二幅度測(cè)量電路9b，以所述幅度測(cè)量電路9a和9b分別處理第二光電接收器8b和第三光電接收器8c輸出的光電信號(hào)，獲得單個(gè)被測(cè)像素的所述紅光分量和所述綠光分量的幅度值；設(shè)置幅度-距離測(cè)量電路10，以所述幅度-距離測(cè)量電路10分別處理第一光電接收器8a和第四光電接收器8d輸出的光電信號(hào)，同時(shí)獲得所述單個(gè)被測(cè)像素的距離值和所述散射光藍(lán)光分量的幅度值；微控制器 11利用實(shí)時(shí)距離平方修正方法獲得所述單個(gè)被測(cè)像素的紅、綠、藍(lán)三色真實(shí)亮度值，完成單個(gè)像素值的測(cè)量；微控制器11控制微鏡驅(qū)動(dòng)電路6，驅(qū)動(dòng)雙軸MEMS微鏡5進(jìn)行二維掃描，重復(fù)所述單個(gè)像素值的測(cè)量過(guò)程，獲得全部像素的距離值和亮度值，并組合生成目標(biāo)13的深度圖像和灰度圖像；所述深度圖像與灰度圖像在微控制器11中融合生成目標(biāo)13的三維彩色圖像，并被發(fā)送至顯示器12進(jìn)行顯示。
本實(shí)施例中，所述激光器組中綠光激光器Ib和紅光激光器Ic為小功率激光器，可以選用常見(jiàn)小體積的半導(dǎo)體激光器，因此可以直接通過(guò)調(diào)制激光器的工作電流達(dá)到光強(qiáng)調(diào)制的目的；所述激光器組中藍(lán)光激光器Ia發(fā)射的調(diào)制光到達(dá)第一分束鏡3a后，被分成藍(lán)光透射光和藍(lán)光反射光；所述的藍(lán)光反射光在合成白光后，經(jīng)雙軸MEMS微鏡5投射在目標(biāo)13 的表面，其散射光中的藍(lán)光分量被用于目標(biāo)13的距離測(cè)量；為了提高接收光電信號(hào)信噪比并改善最終成像系統(tǒng)的測(cè)距精度，所述激光器組中藍(lán)光激光器Ia需選用大功率激光器，例如小體積的固體激光器，同時(shí)需使用電光晶體對(duì)激光器的出射光進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制；7所述光電調(diào)制電路2產(chǎn)生的調(diào)制信號(hào)為三個(gè)不同頻率/ml，/m2，/m3的連續(xù)正弦波，且分別對(duì)激光器組中藍(lán)光激光器la、綠光激光器Ib和紅光激光器Ic的輸出光功率進(jìn)行調(diào)制； 考慮到最大測(cè)距范圍和提高接收光電信號(hào)信噪比的要求，所述調(diào)制頻率/ml，/m2，Zffl3的取值范圍一般在1 20 MHz之間；所述的雙軸MEMS微鏡5是一個(gè)雙軸掃描微鏡，微鏡的面積范圍為10X10 1000X IOOOMffl2,能在兩個(gè)正交方向?qū)λ瞿繕?biāo)13進(jìn)行掃描，掃描速度范圍為1幀/秒 85幀/秒，掃描分辨率不低于800 X 600 ；在本實(shí)施例中，該微鏡的面積大小為700 X 700Mm2， 二維掃描角度為52° X 43° (水平角X垂直角)，掃描速度為30幀/秒，分辨率為10 X 768。
所述激光器組中藍(lán)光激光器la、綠光激光器Ib和紅光激光器Ic的輸出波長(zhǎng)范圍分別處于典型的藍(lán)光波段(455 492nm)、綠光波段(492 577nm)和紅光波段(622 770nm)，在本實(shí)施例中，藍(lán)光激光器la、綠光激光器Ib和紅光激光器Ic的波長(zhǎng)分別為 488nm、520nm和660nm;因此，所述濾光片組中的紅色濾光片7b、綠色濾光片7c、藍(lán)色濾光片 7a和7d的透光中心波長(zhǎng)選取應(yīng)該分別與所選激光器的輸出波長(zhǎng)一致。在本實(shí)施例中，藍(lán)色濾光片、綠色濾光片和紅色濾光片的透光中心波長(zhǎng)分別為488nm、520nm和660nm，且所有濾光片的帶寬均為士 10nm。
在本實(shí)施例中，所述幅度-距離測(cè)量電路10分別處理第一光電接收器8a和第四光電接收器8d輸出的光電信號(hào)，使用基于“四點(diǎn)算法”(Rmr-bucket algorithm)的相移式飛行時(shí)間(TOF)測(cè)距方法，同時(shí)獲得所述單個(gè)被測(cè)像素的距離值和所述散射光藍(lán)光分量的幅度值。
所述TOF測(cè)距方法的原理是應(yīng)用光速c不變和測(cè)量光的飛行時(shí)間t來(lái)獲得被測(cè)距離的，而相移式TOF測(cè)距是使用頻率為/m的連續(xù)正弦波對(duì)激光器的輸出光功率進(jìn)行調(diào)制， 將直接測(cè)量光的往返飛行時(shí)間t轉(zhuǎn)化為間接測(cè)量與t對(duì)應(yīng)的調(diào)制電信號(hào)的相位延遲Δ Φ 來(lái)獲得被測(cè)距離d
權(quán)利要求
1.一種基于MEMS掃描微鏡的小型化無(wú)鏡頭激光三維成像系統(tǒng)，其特征在于包括激光器組、光電調(diào)制電路(2 )、分束鏡組、反射鏡組、雙軸MEMS微鏡(5 )、微鏡驅(qū)動(dòng)電路(6 )、濾光片組、光電接收器組、幅度測(cè)量電路組和幅度-距離測(cè)量電路(10)；所述光電調(diào)制電路(2) 與激光器組相連接，所述光電接收器組經(jīng)幅度測(cè)量電路組和幅度-距離測(cè)量電路(10)與微控制器(11)相連接，所述微控制器(11)與顯示器(12)交互連接；所述微控制器(11)輸出端與微鏡驅(qū)動(dòng)電路(6)輸入端相連接，并由微鏡驅(qū)動(dòng)電路(6)驅(qū)動(dòng)雙軸MEMS微鏡(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MEMS掃描微鏡的小型化無(wú)鏡頭激光三維成像系統(tǒng)，其特征在于所述激光器組由藍(lán)光激光器(la)、綠光激光器(Ib)和紅光激光器(Ic)構(gòu)成，三者分別與光電調(diào)制電路(2)連接并由光電調(diào)制電路(2)對(duì)三者的輸出光功率進(jìn)行調(diào)制；所述分束鏡組由第一分束鏡(3a)、第二分束鏡(3b)和第三分束鏡(3c)構(gòu)成；所述反射鏡組由第一反射鏡(4a)和第二反射鏡(4b)構(gòu)成；所述濾光片組由第一藍(lán)光濾光片(7a)、紅色濾光片(7b)、綠色濾光片(7c)和第二藍(lán)色濾光片(7d)構(gòu)成；所述光電接收器組由第一光電接收器(8a)、第二光電接收器(Sb)、第三光電接收器(8c)和第四光電接收器(8d)構(gòu)成；所述幅度測(cè)量電路組由第一幅度測(cè)量電路(9a)和第二幅度測(cè)量電路(9b)構(gòu)成；所述藍(lán)光激光器 (Ia)發(fā)射的調(diào)制光到達(dá)分束鏡組中的第一分束鏡(3a)后，被分成藍(lán)光透射光和藍(lán)光反射光，所述藍(lán)光透射光經(jīng)反射鏡組中的第一反射鏡(4a)反射到達(dá)濾光片組中的第一藍(lán)光濾光片(7a)，并被光電接收器組中的第一光電接收器(8a)接收；所述綠光激光器(Ib )和紅光激光器(Ic)發(fā)射的調(diào)制光分別經(jīng)第二分束鏡(3b)和第三分束鏡(3c)獲得綠光反射光和紅光反射光；所述藍(lán)光反射光與所述的綠光反射光以及所述的紅光反射光合為一束白光；所述白光經(jīng)第二反射鏡(4b)到達(dá)雙軸MEMS微鏡(5)，并被投射在目標(biāo)(13)的表面；所述濾光片組中的紅色濾光片(7b )和光電接收器組中的第二光電接收器(8b )接收所述目標(biāo)(13 )表面散射光中的紅光分量，所述濾光片組中的綠色濾光片(7c)和光電接收器組中的第三光電接收器(8c)接收所述目標(biāo)(13)表面散射光中的綠光分量，所述濾光片組中的第二藍(lán)色濾光片(7d)和光電接收器組中的第四光電接收器(8d)接收所述目標(biāo)(13)表面散射光中的藍(lán)光分量；所述第一幅度測(cè)量電路(9a)和第二幅度測(cè)量電路(9b)分別與第二光電接收器(8b) 和第三光電接收器(8c )連接并處理二者的輸出的光電信號(hào)，獲得單個(gè)被測(cè)像素的所述散射光紅光分量和綠光分量的幅度值；所述幅度-距離測(cè)量電路(10)分別與第一光電接收器 (8a)和第四光電接收器(8d)連接并分別處理二者輸出的光電信號(hào)，同時(shí)獲得所述單個(gè)被測(cè)像素的距離值和所述散射光藍(lán)光分量的幅度值；所述第一光電接收器(8a)的輸出信號(hào)被作為幅度-距離測(cè)量電路(10)測(cè)量像素距離值的參考信號(hào)；微控制器(11)根據(jù)所述的紅光、綠光和藍(lán)光分量幅度值分別計(jì)算出所述單個(gè)被測(cè)像素的紅、綠、藍(lán)三色真實(shí)亮度值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于MEMS掃描微鏡的小型化無(wú)鏡頭激光三維成像系統(tǒng)， 其特征在于所述微控制器(11)采用可編程單片機(jī)、可編程DSP芯片或高性能FPGA/CPLD-H-· I I心片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于MEMS掃描微鏡的小型化無(wú)鏡頭激光三維成像系統(tǒng)， 其特征在于所述幅度-距離測(cè)量電路(10)由依次連接的低噪聲放大器組、帶通濾波器組和模數(shù)轉(zhuǎn)換器組構(gòu)成；所述低噪聲放大器組包括第一低噪聲放大器(16a)和第二低噪聲放大器(16b)；所述帶通濾波器組包括第一帶通濾波器(17a)和第二帶通濾波器(17b)；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器組包括第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器(18a)和第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器(1汕)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于MEMS掃描微鏡的小型化無(wú)鏡頭激光三維成像系統(tǒng)的成像方法，其特征在于(a)、采用紅、綠、藍(lán)三色激光器作為照明光源，并分別對(duì)三色激光器的輸出光功率進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制過(guò)的紅、綠、藍(lán)三色激光經(jīng)反射鏡組和分束鏡組后合為一束白光，所述白光經(jīng)雙軸MEMS微鏡投射到目標(biāo)的表面；使用光電接收器組分別接收目標(biāo)表面散射光中的紅光、綠光和藍(lán)光分量，并由幅度測(cè)量電路組和幅度-距離測(cè)量電路獲得單個(gè)被測(cè)像素的距離值和紅光、綠光、藍(lán)光分量的幅度值；(b)、微控制器(11)獲得單個(gè)被測(cè)像素的距離值后，利用實(shí)時(shí)距離平方修正方法計(jì)算單個(gè)被測(cè)像素的紅、綠、藍(lán)三色真實(shí)亮度值，完成單個(gè)像素值的測(cè)量；(c)、微控制器(11)控制微鏡驅(qū)動(dòng)電路(6)，驅(qū)動(dòng)雙軸MEMS微鏡(5)進(jìn)行二維掃描，重復(fù)所述單個(gè)像素值的測(cè)量過(guò)程，獲取全部像素的距離值和真實(shí)亮度值，并組合生成目標(biāo)的深度圖像和灰度圖像；(d)、深度圖像與灰度圖像在微控制器(11)中，通過(guò)圖像處理算法，融合生成目標(biāo)的三維彩色圖像，并被發(fā)送至顯示器(12)進(jìn)行顯示。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于MEMS掃描微鏡的小型化無(wú)鏡頭激光三維成像系統(tǒng)的成像方法，其特征在于所述實(shí)時(shí)距離平方修正方法為，首先，利用第一幅度測(cè)量電路(9a)和第二幅度測(cè)量電路(9b)獲得單個(gè)被測(cè)像素的散射光紅光分量和綠光分量的幅度值；同時(shí)， 利用所述幅度-距離測(cè)量電路(10)獲得單個(gè)被測(cè)像素的距離值和散射光藍(lán)光分量的幅度值；然后，根據(jù)無(wú)鏡頭成像輻射度學(xué)模型，目標(biāo)成像的亮度值跟距離值的平方成反比，利用單個(gè)被測(cè)像素的距離值，對(duì)單個(gè)被測(cè)像素的紅光分量、綠光分量和藍(lán)光分量的亮度值進(jìn)行實(shí)時(shí)平方修正，獲得單個(gè)被測(cè)像素的紅、綠、藍(lán)三色真實(shí)亮度值。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于MEMS掃描微鏡的小型化無(wú)鏡頭激光三維成像系統(tǒng)及其成像方法，該系統(tǒng)采用紅、綠、藍(lán)三色激光器作為照明光源，三色激光輸出光功率經(jīng)調(diào)制后組合為一束白光投射到目標(biāo)表面；使用光電接收器組接收目標(biāo)表面散射光中的紅、綠、藍(lán)光分量，并由測(cè)量電路獲得單個(gè)被測(cè)像素的距離值和三色光分量的幅度值。微控制器根據(jù)三色光分量的幅度值計(jì)算單個(gè)被測(cè)像素的三色亮度值，并利用實(shí)時(shí)距離平方修正方法獲得該像素的三色真實(shí)亮度值。微控制器控制MEMS微鏡進(jìn)行掃描，獲得全部像素的距離值和真實(shí)亮度值，并組合生成目標(biāo)的深度圖像和灰度圖像，最終獲得目標(biāo)的三維彩色圖像。本發(fā)明無(wú)需光學(xué)鏡頭，成像分辨率高、速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于小型化。
文檔編號(hào)G01S17/36GK102508259SQ20111041178
公開(kāi)日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月12日
發(fā)明者何德勇, 徐軍, 明海, 王煥欽, 王瑩, 趙天鵬, 陳然 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院