[发明专利]一种基于数字锁相环的结构光投影扫描方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于数字锁相环的结构光投影扫描方法，包括FPGA控制模块控制MEMS微镜通过自检模式自动匹配谐振频率，并通过振镜驱动电路驱动MEMS微镜至谐振状态；MEMS微镜输出正弦反馈信号；正弦反馈信号经比较器整形为方波信号，发送给数字锁相环电路；数字锁相环电路产生基准信号；将基准信号调制成任意周期的正弦畸变序列；FPGA控制模块开启激光器，激光器对正弦畸变序列均匀化处理后，出射光束通过整形透镜到达谐振运动的MEMS微镜上，反射投影出结构光；本发明基于锁相环原理的激光器出射光束与微镜扭转轨迹，实时动态同步，保证了光栅条纹等周期，动态调整相位，投影清晰稳定等亮度等周期的结构光光栅。

技术领域

本发明涉及一种基于数字锁相环的结构光投影扫描方法及系统，属于条纹结构光扫描3D成像领域。

背景技术

随着人工智能的发展，3D测量在工业检测、人机交互、生物识别等领域潜在巨大的应用空间，通常采用主动测量技术，即向被测物体投射经过调制的结构光，供后端摄像头获取物体表面的轮廓信息。由于激光单色性、方向性和相干性好，3D扫描通常用激光扫描来实现。

当前正弦条纹结构光生成技术仍然存在很大的改进和发展空间，首先因为不同的MEMS微镜谐振频率不同，即便同一批次生产的微镜谐振频率也会有的差别，在生产测试的过程中，需针对每一颗MEMS微镜，手动设置谐振频率；其次经过调制的激光光束，投射到高速振动的MEMS微镜上反射出去，如何让出射光束与微镜的运动轨迹同步，也是一个难题，传统的方式是设置一个对齐参数，通过摄像头观察扫描出的光栅条纹，手动调节该参数，以求达到散射出去的条纹空间周期相同，同时需要将谐振频率及对齐参数写入到外置存储器中保存，这需要依赖生产调试人员，大大降低了生产效率，所以如何改进现有技术，加快生产效率成为目前一项迫在眉睫的任务。

现有公开专利，专利号201710376171.X，专利名称为一种正弦结构光生成方法和系统，该发明公开了一种正弦结构光生成方法及系统，包括由以此排列设置的微振镜、双面透镜和激光器组成的光路，还包括微振镜驱动模块、激光器驱动模块、FPGA模块、ARM模块、微振镜反馈模块及激光器反馈模块组成的控制电路，系统上电后，激光器和微振镜在FPGA模块控制下形成初级稳定的正弦结构光光栅，在此过程中，ARM模块利用光电探测器和微镜反馈模块计算得到基于光电探测器位置的时刻点，FPGA模块利用预先存储的亮度时刻对应表匹配该时刻所对应的激光器亮度值，并利用该激光器亮度值调制激光器的亮度正弦分布特性，从而得到相对稳定的正弦结构光光栅。

但是，该发明存在以下不足：首先该发明需要ARM模块和光电探测器，成本偏高，结构复杂；其次针对不同频率MEMS微镜需要手动设置谐振频率保存到外置存储器中，效率较低；再次微镜反馈模块是由一个三极管共射放大电路构成，通过检测光电探测器的通断来判断MEMS微镜是否按指定轨迹运动，本身由分立元件搭成的反馈回路，一是集成度不高，二是误差受环境影响较大，MEMS微镜运动轨迹和激光器光束比较难同步。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明的目的是：提出了一种基于数字锁相环的结构光投影扫描方法及系统，有效的提高条纹结构光空间均匀性及加快生产效率。

本发明的技术解决方案是这样实现的：一种基于数字锁相环的结构光投影扫描方法，包括如下步骤，

FPGA控制模块控制MEMS微镜通过自检模式自动匹配谐振频率，通过谐振频率追踪调节驱动MEMS微镜信号的频率产生稳定正弦信号，并通过振镜驱动电路驱动MEMS微镜至谐振状态；

MEMS微镜在正弦信号作用下做谐振运动，实时输出与正弦信号同频不同相的正弦反馈信号；正弦反馈信号经比较器整形为方波信号，发送给FPGA控制模块内部的数字锁相环电路；数字锁相环电路根据输入的方波信号，产生在频率和相位上与方波信号同步的基准信号；将所述基准信号经过软件控制，调制成任意周期的正弦畸变序列；