基于MOEMS器件的双联动仿人眼激光扫描成像系统 |
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| 申请号 | CN201510453995.1 | 申请日 | 2015-07-29 | 公开(公告)号 | CN105158769A | 公开(公告)日 | 2015-12-16 |
| 申请人 | 北京理工大学; | 发明人 | 曹杰; 郝群; 程阳; 穆嘉星; 王鹏; 程杭林; | ||||
| 摘要 | 本 发明 属于激光三维成像领域，特别是涉及一种基于MOEMS器件的双联动仿人眼扫描激光三维成像系统。包括现场可编程 门 阵列、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 。该系统采用双联动MOEMS实现仿人眼 视网膜 结构的扫描方式，同时根据MOEMS器件特性，通过 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，实现对目标可变分辨率成像。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。本发明不仅能够实现大视场成像，同时能够压缩冗余数据，具有分辨率高、成像速度快、 数据压缩 比大、适用性广等优点。 | ||||||
| 权利要求 | 1.基于MOEMS器件的双联动仿人眼激光扫描成像系统，其特征在于：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，利用两个MOEMS双联动结构，同时根据MOEMS器件特性，通过算法控制MOEMS器件驱动电压，形成仿人眼的变分辨率扫描轨迹。 |
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| 说明书全文 | 基于MOEMS器件的双联动仿人眼激光扫描成像系统技术领域[0001] 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[0002] 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。 [0003] 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[0004] 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。 [0005] 本发明的目的是通过下述技术方案实现的。 [0006] 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。 [0008] 其信号走向和连接关系为： [0009] 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。 [0010] 其中，发射模块包括发射MOEMS、控制信号、第三透镜、第四透镜。 [0011] 其信号走向和连接关系为： [0012] 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。 [0013] 其中，接收模块包括第五透镜、接收MOEMS、控制信号。 [0014] 其信号走向和连接关系为： [0015] 从目标反射或散射的回波首先经过第五透镜的汇聚作用，然后被接收MOEMS反射镜反射于APD探测器上。此时FPGA产生的控制信号同时也控制接收MOEMS旋转，实现两个MOEMS的双联动。 [0016] 有益效果 [0017] (1)本发明提出的基于MOEMS器件的双联动仿人眼激光扫描成像系统，按照仿人眼的环形扫描方式实现对目标的变分辨率采集，能在具有较大视场观察的同时，还能够高分辨率观察目标。 [0018] (2)本发明提出的基于MOEMS器件的双联动仿人眼激光扫描成像系统，数据提取是按照由内向外环选的方式读取的，因此可实现图像的对数极坐标变换，可对数据进行冗余压缩，减少系统数据处理量，适合对成像速率有较高要求的场合。 [0019] (3)本发明提出的基于MOEMS器件的双联动仿人眼激光扫描成像系统，利用两个MOEMS双联动结构实现仿人眼的环形扫描和接收，具有扫描速度快，体积小的优点，可克服传统机械扫描的效率低下,体积庞大的缺点。附图说明 [0020] 图1为本发明系统原理图； [0021] 图2为本发明环形扫描轨迹图； [0022] 图3为本发明扫描目标示意图； [0023] 图4为本发明环形扫描电压生成流程图； [0024] 图5为本发明对数极坐标映射图； [0025] 其中，1-FPGA、2-触发信号、3-脉冲激光器、4-第一透镜、5-分束器、6-第二透镜、7-光电二极管、8-计时开始信号、9-电压控制信号、10-发射模块、11-发射MOEMS、12-第三透镜、13-第四透镜、14-空气、15-目标、16-接收模块、17-第五透镜、18-接收MOEMS、 19-APD探测器、20-信号处理电路、21-计时停止信号、22-盲孔半径、23-第一圆环半径、 24-第二圆环半径、25-第三圆环半径、26-第M圆环半径、27-盲孔区域、28-第一环扫描半径、29-第二环扫描半径、30-第三环扫描半径、31-第i环扫描半径、32-第M环扫描半径、 33-笛卡尔坐标、34-对数极坐标。 具体实施方式[0026] 以下结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。 [0027] 基于MOEMS器件的双联动仿人眼激光扫描成像系统，包括FPGA1、脉冲激光器3、第一透镜4、分束器5、光电二极管7、发射模块10、接收模块16、APD探测器19、信号处理电路20。 [0028] 系统原理：如图1所示，图中的实线代表电信号，虚线代表光波信号，FPGA1向脉冲激光器3发送触发信号，使得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4后，进入分束器5。一部分通过第二透镜6汇聚在光电二极管7上，作为计时开始信号输入给FPGA1；另一部分经过发射模块10后照射在目标15上，发射模块10包括发射MOEMS、控制信号9、第三透镜12、第四透镜13，FPGA1产生电压控制信号9，驱动发射MOEMS 11旋转，使得激光脉冲经过第三透镜12、第四透镜14的准直、扩束作用后，按照仿人眼变分辨率的环形扫描轨迹对目标15进行扫描，经过目标15反射或散射的回波被接收模块16也按照仿人眼变分辨率的环形扫描轨迹接收，接收模块16包括第五透镜17、接收MOEMS 18、电压控制信号9。脉冲回波经过第五透镜17汇聚后打在接收MOEMS 18，电压控制信号9同时驱动接收MOEMS 18旋转，实现与发射MOEMS 11的双联动。脉冲回波汇聚于APD探测器19上，产生的电流信号经过信号处理电路20后生成计时停止信号，输入给FPGA1停止计时，FPGA1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。 [0029] 其中，FPGA1、脉冲激光器3、第一透镜4、分束器5、光电二极管7、APD探测器19、信号处理电路20为常规的结构装置，非本专利论述重点。FPGA1生成的电压控制信号9同时控制发射MOEMS11和接收MOEMS18旋转方向和角度，按照仿人眼变分辨率的环形方式对目标15进行扫描和回波接收，其中环形扫描轨迹如图2虚线所示，其中每条虚线均通过N个相切圆环的圆心，共M条。每条虚线上的圆环两两相切，相邻虚线的圆环两两相切，第一条扫轨迹上的圆环与盲孔相切，中心处为盲孔。假设扫描点的盲孔半径22为r0，与盲孔相切的第一圆环半径23为r1。盲孔圆心与相切第一圆环23的两相邻圆心连线夹角为 则可由下式计算得出第一圆环半径23r1。 [0030] [0031] 为了实现仿人眼的对数极坐标转化，相邻两个相切圆环的半径满足等比条件，设环间半径增长系数为q，则 [0032] [0033] 第i圆环半径可表示为：i-1 [0034] ri＝r1q (i＝1,2,...,M) (3)M-1 [0035] 第M圆环半径26则为rM＝r1q 。 [0036] 图3为扫描目标示意图，设第一环扫描半径28为D1，第二环扫描半径29为D2，第三环扫描半径30为D3，第i环扫描半径31为Di，第M环扫描半径32为DM，则 [0037] D1＝r1+r0 (4) [0038] D2＝r2+2r1+r0 (5) [0039] D3＝r3+2r2+2r1+r0 (6) [0040] Di＝ri+2ri-1+......+2r1+r0 (7) [0041] 假设视场的大小2ω以及目标的距离L，扫描轨迹的每一环上扫描点圆心对应测量脉冲激光束发出点的张角为θi，则各环张角可表示为： [0042] [0043] 在计算MOEMS控制的每一个扫描点的确切管脚电压数据之前，需先得到单环的电压控制数据。由于MOEMS的四个管脚对应的压控伸缩臂是正交对称分布的，因此为了产生扫描环形轨迹，需要输出四路相位间隔为90°的正弦信号。 [0044] 根据MOEMS的技术参数，在管脚压差-4000～4000mV时转角范围为-β～β。因此生成电压控制信号9的关键是获取环组间电压的变化系数Ui。 [0045] [0046] 在得到单环扫描电压控制数据及环组间电压变化系数后，为了得到M环，每环N个点的扫描数据，需要在单环扫描电压控制数据上进行N等份分割得基组环组电压数据，然后在基组环组数据前加上环组间电压变化系数Ui，即可得到每一环上每一点的电压控制数据，流程图如图4所示。 [0047] 为了产生仿人眼变分辨率环形扫描轨迹，需要输入两个参数即扫描环数和每环包含的点数。依据单环扫描点数N，计算获得单环角内的周细分度数，即扫描点沿环形扫描轨迹移动一次所对应的角度数，由圆周细分度数形成单环扫描控制算法。依据扫描环数M，计算获得环形扫描径向细分数，获得扫描圆环半径变换算法。将单环扫描控制算法和扫描圆环半径变换算法进行合成，得到合成算法，生成环形扫描点的数字电压。将该电压数据点输入FPGA1，产生电压控制信号9同时驱动发射MOEMS11和接收MOEMS18，实现双联动并对目标15进行仿人眼变分辨率的扫描和激光脉冲回波的接收。FPGA通过一定时刻鉴别方式计算出系统与目标之间的距离，实现高分辨率、快速的激光三维成像。 [0048] 人眼视网膜结构的一个重要特点是满足对数极坐标映射，具有数据冗余压缩的性质，可减少数据处理量，提高成像效率。对数极坐标34是不同于笛卡尔坐标33的另一种图像表达方式，以笛卡尔坐标33代表场景平面坐标位置，对数极坐标34对应的坐标转换关系如图5所示，由于扫描方式是按照由内向外环选形的方式扫描，只需将各个测量数据点数据按照图5的方式读取，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。 [0049] 综上所述，相比较传统的激光三维成像系统，一种双联动MOEMS型仿人眼扫描激光三维成像系统，不仅能够实现大视场成像，同时能够压缩冗余数据，具有分辨率高、成像速度快、数据压缩比大、适用性广等优点。 |
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