[发明专利]基于MOEMS器件的双联动仿人眼激光扫描成像系统

说明书

技术领域

本发明属于激光三维成像领域，特别是涉及基于MOEMS器件的双联动仿人眼激光扫描成像系统。

背景技术

随着计算机技术和数字信息化技术的发展，以及对探测目标三维信息的需求，在测距原理的基础上，发展出了激光三维成像。目前激光三维成像按照成像方式可以分为扫描与非扫描(阵列)方式，其中扫描方式能够实现较高分辨率成像，但传统的机械扫描方式成像速率低，因此无法同时兼顾高分辨率与高成像速率；与扫描成像方式相比，非扫描方式主要依靠面阵探测器对一定视场范围内的目标进行成像，能够直接对目标成像，成像速率快，但其核心部件(高灵敏度探测器)受到目前加工工艺的严重制约，大面阵APD探测器阵列难以获取，所以目前成像方式仍以扫描成像方式为主。由于传统扫描方法无法满足目前对成像系统的高分辨率同时高成像速率的要求，因此如何实现高分辨率和高速率成像是激光三维成像亟待解决的关键技术难题。研究表明，人眼中视网膜的感光细胞是非均匀排布的，呈现出中央密集、周边稀疏分布特点，一方面这使得人眼具有大视场观察的同时，还能够高分辨率凝视观察目标；另一方面，由于人眼视网膜与脑皮层存在近似对数极坐标映射关系，使得人眼在高分辨率凝视观察目标的同时能够压缩周边冗余数据，从而能够将大数据量的目标图像处理转变成针对目标的少数据量图像处理，使人眼具有对信息压缩的特性。这些特点为解决兼顾高分辨率和高成像速率的问题提供了一种新的解决途径。

为此，受人眼视网膜结构的启发，本专利提出了一种双联动MOEMS型仿人眼扫描激光三维成像系统。在扫描方式方面，与传统矩形扫描方式相比，本专利提出了一种仿人眼的非均匀扫描方式，能够对感兴趣的目标高分辨率成像的同时，对外围区域进行低分辨率成像，而且能够对数极坐标变换，有效降低数据处理量，提高成像速率；在扫描器件方面，与机械、声光、电光、光栅等扫描结构相比，利用了微光学技术与MEMS制造工艺相结合的MOEMS作为扫描器件，它具有如下特点：1)体积小、重量轻，能够在满足成像条件的前提下，减小系统体积；2)扫描频率高，能够达到kHz级扫描频率，在探测器相同的条件下，是传统扫描器件帧频的若干倍，为此可大幅度提高激光三维成像速率。

发明内容

本发明的目的是为了解决传统激光三维成像存在的不能兼顾高分辨率和成像速率问题，提供了基于MOEMS器件的双联动仿人眼激光扫描成像系统。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

基于MOEMS器件的双联动仿人眼激光扫描成像系统，采用双联动MOEMS实现仿人眼视网膜结构的扫描方式，即按照人眼感光细胞的排布方式进行非均匀环形扫描和接收，因此能够实现对目标进行分辨率可变的成像。由于扫描方式是按照由内向外环选的方式扫描，整个视场得到的图像信息即为目标的对数极坐标转换形式，因此该方法的最大特点是得到的图像即为对数极坐标深度图像，而对数极坐标转化的一个重要特点是具有数据冗余压缩的性质，因而能够实现快速成像的目的。为了实现仿人眼非均匀分辨率扫描与接收，本发明利用两个MOEMS双联动结构，同时根据MOEMS器件特性，通过一定算法控制MOEMS器件驱动电压，形成仿人眼的变分辨率扫描轨迹。

基于MOEMS器件的双联动仿人眼激光扫描成像系统，包括现场可编程门阵列(FPGA)、脉冲激光器、第一透镜、第二透镜、分束器、光电二极管、发射模块、接收模块、APD探测器、信号处理电路。

其信号走向和连接关系为：

FPGA向脉冲激光器发送触发信号，触发脉冲激光器发出一束窄的激光脉冲，激光脉冲经过第一透镜后，进入分束器，分束器将激光脉冲分为两束。一部分通过第二透镜汇聚于光电二极管，光电二极管产生的电信号作为计时开始信号输入给FPGA；另一部分经过发射模块后照射在目标上，对目标进行仿人眼非均匀分辨率的扫描，由目标反射或散射的回波同时被接收模块按照仿人眼非均匀分辨率接收后汇聚于APD探测器上，APD探测器产生的电流信号经过信号处理电路后生成计时停止信号输入给FPGA。通过一定时刻鉴别方式和数据读取，进行对数极坐标转化并计算出系统与目标之间的距离，实现激光三维成像。

其中，发射模块包括发射MOEMS、控制信号、第三透镜、第四透镜。

其信号走向和连接关系为：

从分束器分离出的激光脉冲首先打在发射MOEMS反射镜上，由FPGA产生控制信号控制发射MOEMS旋转，生成仿人眼非均匀分辨率的环形扫描形状，经过第三透镜、第四透镜的扩束、准直作用后照射在目标上。

其中，接收模块包括第五透镜、接收MOEMS、控制信号。

其信号走向和连接关系为：