應(yīng)用于單目 3D 相機(jī)中 MEMS 鏡的掃描角度補(bǔ)償

　　摘 要：為了提高單目視覺相機(jī)的測(cè)量精度及測(cè)試數(shù)據(jù)的可重復(fù)性，提出了一種應(yīng)用于激光掃描投影中掃描鏡的閉環(huán)控制方式來提高投影出的條紋位置的穩(wěn)定性。利用集成在掃描鏡上的壓阻傳感器提供的反饋信號(hào)進(jìn)行閉環(huán)控制，同時(shí)針對(duì)壓阻傳感器的溫度特性，設(shè)計(jì)了測(cè)試系統(tǒng)來標(biāo)定壓阻輸出與溫度關(guān)系曲線。通過記錄每一個(gè)溫度下壓阻的反饋輸出值，生成反饋輸出與溫度的關(guān)系表。在室溫至 70 ℃的溫度區(qū)間內(nèi)，掃描鏡的掃描角度的變化量由 3.52°減小到 0.05°。通過對(duì)掃描鏡的掃描角度補(bǔ)償控制后，單目視覺相機(jī)的三維測(cè)試精度以及測(cè)試數(shù)據(jù)的可重復(fù)性都得到了大幅提升。

　　關(guān)鍵詞：激光掃描投影;單目視覺;微機(jī)電系統(tǒng)掃描鏡;壓阻傳感器;溫度標(biāo)定;掃描角補(bǔ)償

　　余暉俊; 李小光; 沈文江 光子學(xué)報(bào) 2021-12-21

　　0 引言

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和成像設(shè)備的發(fā)展，結(jié)構(gòu)光三維成像技術(shù)[1-2]已廣泛應(yīng)用于航空航天、工業(yè)檢測(cè)、文物保護(hù)、人工智能以及游戲娛樂等各個(gè)領(lǐng)域，其中，相位測(cè)量輪廓術(shù)憑借其速度快、精度高、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景[3]。基于條紋投影的光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)，無論是雙目還是單目結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)的測(cè)量精度均依賴于高精準(zhǔn)的相位投影和計(jì)算精度[4]。傳統(tǒng)方法基于數(shù)字光處理(Digital Light Processing，DLP)投影儀實(shí)現(xiàn)條紋圖像，而基于微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-electromechanical Systems，MEMS)激光掃描投影來投射可編程的圖案可實(shí)現(xiàn)低成本、小尺寸的結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量應(yīng)用[5-6]。但是，基于掃描鏡的條紋投影因受溫度等影響造成投影條紋變形、位置發(fā)生變化，導(dǎo)致相位計(jì)算漂移帶來三維測(cè)量精度下降的問題[7]。

　　要保證投影條紋不變形、位置不變化，首先需要保證掃描鏡的掃描角不發(fā)生變化，而 MEMS 鏡在工作過程中會(huì)受到溫度影響使掃描角發(fā)生變化。為了保證掃描角度的穩(wěn)定，需要有反饋信號(hào)來實(shí)現(xiàn)對(duì)掃描角度的閉環(huán)控制[8-10]。目前對(duì)于 MEMS 掃描鏡有多種反饋方式，如光學(xué)傳感器反饋、電容傳感器反饋以及壓阻傳感器反饋等[10-11]。國內(nèi)外大部分研究采用光學(xué)傳感器來做閉環(huán)控制，光學(xué)傳感器通常放置在外部檢測(cè)，一般采用光電二極管或光電位置傳感器，但勢(shì)必會(huì)增加系統(tǒng)的體積，無法集成到小系統(tǒng)中。本文將采用壓阻傳感器作為反饋元件，將其集成到 MEMS 掃描鏡的扭轉(zhuǎn)梁上。當(dāng) MEMS 鏡掃描角為一定值，即應(yīng)力為一定值，壓阻傳感器的電壓輸出也為一定值。然而壓阻傳感器為溫度敏感型器件，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，即使 MEMS 掃描鏡保持掃描視場(chǎng)角(Field Of View，F(xiàn)OV)不變，壓阻器件的電阻率還是會(huì)發(fā)生變化，這將導(dǎo)致壓阻傳感器輸出的幅值變化。為了解決此問題，ARYAFAR M[12]等提出了溫度補(bǔ)償應(yīng)用于壓阻式壓力傳感器。本文標(biāo)定壓阻輸出隨溫度變化曲線，當(dāng)溫度變化時(shí)，由溫度傳感器讀取當(dāng)前溫度，使 MEMS 鏡反饋輸出幅值目標(biāo)值，即為此溫度下對(duì)應(yīng)的壓阻輸出，并控制 MEMS 鏡掃描角的驅(qū)動(dòng)幅度也隨溫度變化，直到實(shí)際 MEMS 鏡的壓阻輸出幅值滿足標(biāo)定的值，以此來實(shí)時(shí)改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅值，使得 MEMS 掃描角度保持恒定，以提升單目相機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)的重復(fù)性與精度。

　　1 壓阻傳感器設(shè)計(jì)

　　應(yīng)用于單目相機(jī)中的 MEMS 掃描鏡為一維掃描鏡，即只繞一個(gè)方向扭轉(zhuǎn)。圖 1 展示了一維 MEMS 掃描鏡的基本結(jié)構(gòu)，內(nèi)部鏡面繞著扭轉(zhuǎn)梁來回偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)在一個(gè)方向的掃描。內(nèi)部鏡面產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的力是來自外框上的線圈與外部磁場(chǎng)作用產(chǎn)生的安培力。給線圈一定頻率的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，在外部磁場(chǎng)的作用下 MEMS 掃描鏡開始偏轉(zhuǎn)。四端壓阻傳感器放置在扭轉(zhuǎn)梁的根部，當(dāng) MEMS 掃描鏡發(fā)生偏轉(zhuǎn)即在扭轉(zhuǎn)梁上產(chǎn)生剪切應(yīng)力，應(yīng)力導(dǎo)致壓阻單元的電阻率發(fā)生變化。當(dāng)有電壓施加在壓阻單元兩端上時(shí)，通過探測(cè)另外兩端即可檢測(cè)到電壓的變化信號(hào)，且隨著扭轉(zhuǎn)梁的變形程度，檢測(cè)到的信號(hào)也會(huì)變化，從而達(dá)到檢測(cè) MEMS 掃描鏡運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的目的。

　　在加工壓阻傳感器之前需要先確定壓阻的摻雜類型、MEMS 掃描鏡扭轉(zhuǎn)梁的晶向以及摻雜工藝參數(shù)。圖 2 展示了位于 MEMS 掃描鏡扭轉(zhuǎn)梁上的壓阻單元，壓阻單元與扭轉(zhuǎn)梁的夾角為 θ，與<100>晶向的夾角為 ? [13]。式(1)展示了壓阻輸出電壓 Voutput受到不同系數(shù)的影響，由于 MEMS 掃描鏡只發(fā)生扭轉(zhuǎn)，僅考慮壓阻單元受到剪切應(yīng)力的輸出電壓[13]。

　　Voutput = W L V ρ6 ρ1 = W L V [ sin (2θ) sin (2?)(π11 - π12 ) + cos ( 2θ ) cos ( 2? ) π44 ] T6 (1)式中，L、W 為壓阻單元的長寬尺寸，V 為壓阻傳感器輸入電壓，ρ1為無應(yīng)力時(shí)摻雜硅的電阻率，ρ6為受到剪切應(yīng)力時(shí)摻雜硅的電阻率，π11、π12和 π44均為壓阻系數(shù)，T6為壓阻單元受到的剪切應(yīng)力。

　　由式(1)計(jì)算得到的不同晶向、不同夾角下的壓阻系數(shù)見表 1。當(dāng)壓阻單元的摻雜類型為 n 型摻雜，扭轉(zhuǎn)梁沿<110>晶向，壓阻單元與扭轉(zhuǎn)梁的夾角為 45°時(shí)，壓阻系數(shù)最高為 155.6。壓阻系數(shù)越高，在相同的偏轉(zhuǎn)角與壓阻單元供電電壓一定的情況下，壓阻輸出越大。確定摻雜類型以及扭轉(zhuǎn)梁的晶向后，可將式(1)簡化成[14-15]

　　從式(2)看到壓阻輸出電壓只與壓阻圖形、供電電壓、壓阻系數(shù)與剪切應(yīng)力有關(guān)。在壓阻圖形、供電電壓以及剪切應(yīng)力確定的前提下，要提高壓阻單元的靈敏度只能提高壓阻系數(shù)。壓阻系數(shù)與工藝的摻雜濃度有關(guān)，摻雜濃度越低，壓阻系數(shù)越高，反之摻雜濃度越高，壓阻系數(shù)越低。壓阻系數(shù)直接由摻雜濃度決定，壓阻系數(shù)與摻雜濃度關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式為[16] π n 11 = 71.695lnC - 3739.6 (3) π n 12 = -23.479lnC - 1319.6 (4)通過式(3)和(4)計(jì)算得到當(dāng)摻雜類型為 n 型時(shí)，壓阻系數(shù) π n 11 和 π n 12 與摻雜濃度 C 的關(guān)系如圖 3，結(jié)合考慮工藝難度等因素，最終將工藝摻雜濃度定為 1×1018/cm3 與 3×1018/cm3 ，對(duì)這兩種不同的濃度進(jìn)行靈敏度比較。

　　2 MEMS 掃描鏡的掃描角控制

　　圖 4 展示了應(yīng)用于單目相機(jī)中的投射光機(jī)與投射出的正弦條紋圖案。投射光機(jī)由激光器、透鏡、MEMS 掃描鏡與驅(qū)動(dòng)電路四部分組成，并在光機(jī)系統(tǒng)中加入溫度傳感器測(cè)試光機(jī)溫度。由于 MEMS 微鏡的掃描角以及反饋電壓輸出值會(huì)隨溫度的變化而發(fā)生改變，如果不對(duì)掃描角進(jìn)行補(bǔ)償，將無法用于單目相機(jī)中。這是由于單目相機(jī)是以投射條紋圖案的位置為標(biāo)定依據(jù)，投射條紋圖案位置變化將直接影響單目相機(jī)的重構(gòu)精度，條紋位置變化越大，重構(gòu)精度越低。圖 5 為 MEMS 掃描鏡開環(huán)控制單目相機(jī)的測(cè)試相機(jī)與白墻之間相對(duì)距離的結(jié)果，得到的測(cè)試數(shù)據(jù)重復(fù)性差，將大大影響單目相機(jī)的性能，故有必要保持投射條紋位置不發(fā)生變化。對(duì)于使用 MEMS 掃描鏡作為核心掃描器件的投射光機(jī)而言，保持投射條紋位置的穩(wěn)定，最重要是保證 MEMS 掃描角的穩(wěn)定。

　　2.1 MEMS 掃描鏡開環(huán)控制時(shí)的角度變化

　　圖 6 展示了只對(duì) MEMS 掃描角進(jìn)行開環(huán)控制，掃描角隨溫度的變化而變化的情況。驅(qū)動(dòng)板提供 MEMS 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅度保持恒定，隨著溫度從室溫升高到 70 ℃，掃描角 FOV 逐漸減小，由最初的 54.77°降低到 51.52°，其變化將直接影響單目相機(jī)的性能。

　　2.2 壓阻傳感器的性能參數(shù)測(cè)試與溫度曲線標(biāo)定

　　圖 7 展示了 MEMS 微鏡的壓阻傳感器性能參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)。將激光點(diǎn)入射到微鏡鏡面上，經(jīng)鏡面發(fā)射后光電入射到光電位置傳感器上。此時(shí)信號(hào)發(fā)生器提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)給 MEMS 微鏡使其發(fā)生偏轉(zhuǎn)，當(dāng)微鏡發(fā)生偏轉(zhuǎn)后入射到光電位置傳感器上的光電也會(huì)發(fā)生偏移，此時(shí)記錄下偏移位置并通過三角計(jì)算得到微鏡的偏轉(zhuǎn)角度，同時(shí)將壓阻傳感器的輸出接入示波器中，記錄壓阻傳感器輸出幅度。測(cè)試系統(tǒng)中給微鏡上壓阻傳感器的供電電壓為 3.3 V。通過此測(cè)試系統(tǒng)能夠得到壓阻輸出幅值與 MEMS 鏡掃描角的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖 8 所示，隨著掃描角的增大，壓阻輸出幅值也隨之增大，且壓阻輸出幅值與掃描角的大小呈線性關(guān)系。同時(shí)展示了不同摻雜濃度對(duì)壓阻傳感器靈敏度的影響，當(dāng)掃描角與壓阻供電電壓不變時(shí)，在 FOV 為 50°的情況下，摻雜濃度為 3×1018/cm3的器件，壓阻輸出為 290 mV，而摻雜濃度為 1×1018/cm3的器件，壓阻輸出為 356 mV。當(dāng)壓阻傳感器的輸入電壓為 3.3 V 時(shí)，隨著摻雜濃度的降低，壓阻輸出靈敏度增加，由 11.55 mV/(°)提升到了14.19 mV/(°)。

　　只對(duì) MEMS 鏡開環(huán)控制時(shí) FOV 會(huì)隨溫度變化而變化，此時(shí)通過壓阻傳感器的輸出信號(hào)作為反饋的判斷依據(jù)來控制 MEMS 掃描鏡的 FOV 變化。壓阻傳感器也是溫度敏感型器件，當(dāng) MEMS 掃描角不變且壓阻傳感器的供電電壓不變，壓阻傳感器的輸出信號(hào)依然會(huì)隨溫度的改變而變化，僅通過控制壓阻傳感器的輸出幅值不變來作為反饋判定依據(jù)而調(diào)整 MEMS 掃描鏡的驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅度，無法保證 MEMS 掃描角的穩(wěn)定。鑒于壓阻傳感器的溫度特性，在做反饋控制之前需標(biāo)定 MEMS 掃描鏡上壓阻傳感器的溫度曲線。圖 9 展示了搭建的壓阻輸出與溫度的標(biāo)定系統(tǒng)。將光機(jī)放置在溫度臺(tái)上(熱板或制冷板)，固定光機(jī)到屏幕的距離、相機(jī)到屏幕的距離并固定溫度臺(tái)。通過相機(jī)判斷光機(jī)掃描 FOV 的角度，相機(jī)判斷的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，當(dāng)溫度臺(tái)溫度變化造成 FOV 角度發(fā)生變化時(shí)通過補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)幅度來保證 FOV 不變，此時(shí)記錄下當(dāng)前溫度(通過溫度傳感器讀取)下的壓阻輸出幅值，以此得到反饋輸出與溫度的關(guān)系曲線，以 1 ℃為最小溫度單位。壓阻反饋輸出與溫度的關(guān)系曲線如圖 10 所示，X 軸為溫度，Y 軸為通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog Digital Converter， ADC)采樣的壓阻輸出的數(shù)字量。隨著溫度的增加，壓阻輸出呈減小趨勢(shì)。

　　3 MEMS 角度補(bǔ)償后的單目相機(jī)的性能 3.1 壓阻傳感器標(biāo)定后的 FOV 角度的變化

　　通過測(cè)量壓阻傳感器的輸出與溫度的變化關(guān)系后，將標(biāo)定后的曲線輸入控制系統(tǒng)中。圖 11 展示了 MEMS 微鏡掃描角控制的邏輯框圖。當(dāng)微鏡上電后，通過外部驅(qū)動(dòng)板修改微鏡的驅(qū)動(dòng)幅值，使微鏡的掃描角達(dá)到預(yù)定值，此時(shí)對(duì)應(yīng)的反饋輸出為預(yù)先標(biāo)定好的反饋輸出目標(biāo)值 Y，對(duì)應(yīng)的溫度為 T。設(shè)定好目標(biāo)值 Y 后，增加驅(qū)動(dòng)一個(gè)單位的幅值，此時(shí)壓阻輸出為 Y1;然后減小驅(qū)動(dòng)一個(gè)單位的幅值，此時(shí)壓阻輸出為 Y2，將 Y1 - Y2 2 作為步進(jìn)單位。由于 ADC 采樣會(huì)有噪聲影響，只單次取樣作為壓阻輸出值會(huì)有一定的風(fēng)險(xiǎn)，因此采用多次采集求平均的方式來獲得壓阻的輸出值 C。外界環(huán)境溫度變化導(dǎo)致壓阻反饋值 C 發(fā)生變化，當(dāng) C>Y 時(shí)，C-Y 如果小于一個(gè)步進(jìn)單位 Y1 - Y2 2 則不做調(diào)整，如果大于 Y1 - Y2 2 則調(diào)整微鏡的驅(qū)動(dòng)幅值使 C-Y 的值小于 Y1 - Y2 2 。同樣地，當(dāng) C

　　3.2 單目相機(jī)經(jīng)過角度標(biāo)定后的性能提升

　　圖 13 展示了單目相機(jī)的結(jié)構(gòu)，包含投射光機(jī)、接收 CMOS 以及圖像處理等部分。投射光機(jī)投影出正弦或格雷碼條紋照射在測(cè)量物體或者白墻上，接收端通常為 CMOS 傳感器接收?qǐng)D像信息，接收到的圖像信息經(jīng)過圖像處理后即能重構(gòu)出測(cè)量物體的三維模型或直接測(cè)量得到單目相機(jī)至白墻的相對(duì)距離。測(cè)量數(shù)據(jù)的精度以及重復(fù)性為單目相機(jī)重要的性能指標(biāo)。將單目相機(jī)放置在相對(duì)白墻 710 mm 的地方進(jìn)行兩組 0.5 h 的測(cè)試。一組對(duì) MEMS 掃描鏡開環(huán)控制，另一組對(duì) MEMS 掃描鏡進(jìn)行壓阻溫度標(biāo)定后閉環(huán)控制。測(cè)試數(shù)據(jù)如圖 14，可以看出對(duì) MEMS 掃描鏡進(jìn)行閉環(huán)控制后，單目相機(jī)測(cè)試出數(shù)據(jù)的重復(fù)性以及精度都有明顯提升。

　　4 結(jié)論

　　本文分析了影響單目三維相機(jī)測(cè)量精度的原因，鑒于集成到 MEMS 掃描鏡上壓阻傳感器的反饋輸出受溫度的影響，對(duì)壓阻傳感器的輸出電壓進(jìn)行溫度標(biāo)定后，對(duì)標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描角度補(bǔ)償。溫度的標(biāo)定區(qū)間由室溫到 70 ℃，通過記錄每一個(gè)溫度下壓阻的反饋輸出值，生成反饋輸出與溫度的關(guān)系表，根據(jù)標(biāo)定數(shù)據(jù)建立 FOV 控制方法，將 MEMS 掃描鏡 FOV 隨溫度的變化量由 3.52°減小到 0.05°。通過提高 MEMS 掃描鏡 FOV 的穩(wěn)定性，單目三維相機(jī)的測(cè)試精度與數(shù)據(jù)重復(fù)性也大大提升，測(cè)試性能明顯提高。在后續(xù)研究中將繼續(xù)通過提高標(biāo)定精度、驅(qū)動(dòng)精度以及反饋信號(hào)信噪比來提高 MEMS 掃描鏡 FOV 的控制精度。