[發明專利]基于MEMS微鏡的全景光學系統、全景掃描系統及成像系統

有效

• 申請號: 202110333307.3
• 申請日: 2021-03-29
• 公開（公告）號: CN113031003B
• 公開（公告）日: 2022-09-27
• 發明（設計）人: 李青巖;張雨;閆詩雨;張斌;楊國輝;王春暉
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01S17/894
• 分類號: G01S17/894;G01S7/481;G01S7/4865
• 代理公司: 哈爾濱華夏松花江知識產權代理有限公司 23213
• 代理人: 岳昕

1.基于MEMS微鏡的全景光學系統，其特征在于，所述的基于MEMS微鏡的全景光學系統，包括一個折反式全景棱鏡；

所述的折反式全景棱鏡為一個圓柱體，圓柱體中心設置有通孔，且圓柱體內設有圓錐形空間，圓錐形空間的高度小于圓柱體的高度，圓錐形空間與通孔相連通，圓錐形空間與圓柱體軸線重合，且圓錐形空間的最大擴口面為圓柱體未設有圓錐形空間時的一個端面；圓錐形空間沿軸線的切面的底角為36.5°；

所述折反式全景棱鏡的材料選用玻璃BK7，折射率n為1.52；

所述的基于MEMS微鏡的全景光學系統還包括一個補償棱鏡；

所述補償棱鏡呈斜臺形狀，其設有四個側面和上下兩個底面，四個側面中的三個側面為平面，一個側面為曲面，三個側面中相對的兩個側面為梯形且相互平行，上下兩個底面平行且面積不等；

所述的補償棱鏡的曲面對應的中心半徑是160mm，補償棱鏡中心焦距為300mm；

所述補償棱鏡置于折反式全景棱鏡的光路前端，即激光出射后，先經過補償棱鏡，之后經過折反式全景棱鏡折反射；

所述的補償棱鏡的材料是玻璃BK7，n＝1.52。

2.基于MEMS微鏡的全景掃描系統，其特征在于，所述基于MEMS微鏡的全景掃描系統包括：發射系統、光學隔離器、基于MEMS微鏡的全景光學系統、MEMS微鏡和MEMS微鏡控制系統，以及接收系統和信號處理控制系統；所述基于MEMS微鏡的全景光學系統為權利要求1所述的基于MEMS微鏡的全景光學系統；

發射系統包括激光器及激光器控制系統；

接收系統包括高速APD光電探測器；

信號處理控制系統包括定時和測時系統；

基于MEMS微鏡的全景掃描系統采用收發合置的方式，基于MEMS微鏡的全景掃描系統工作時，激光器控制系統、MEMS微鏡控制系統和測時系統接收到同步信號后同時開始工作；激光器控制系統接收到信號之后控制激光器產生脈沖激光束，脈沖激光束入射到光學隔離器發生反射，之后通過折反式全景棱鏡的通孔打到MEMS掃描微鏡上，MEMS微鏡控制系統控制MEMS微鏡按照掃描軌跡將光束反射至折反式全景棱鏡上，經過折反式全景棱鏡中折反將光束打到目標空間中；

經目標反射回來的散射信號被高速APD光電探測器接收，探測器將光信號轉化為電信號，然后將處理后的電信號送入定時和測時系統。

3.根據權利要求2所述的基于MEMS微鏡的全景掃描系統，其特征在于，所述激光器采用高重頻高功率1550nm脈沖光纖激光器，重頻為100KHz。

4.根據權利要求2所述的基于MEMS微鏡的全景掃描系統，其特征在于，MEMS微鏡控制系統控制MEMS微鏡進行掃描的過程包括以下步驟：

MEMS微鏡繞中心軸旋轉角速度為ω，上升線速度為v_z，螺旋線在xoy坐標面上投影曲線為等距阿基米德螺旋線，則運動和參數方程為：

其中，δ為掃描點在掃描平面的極角；R為折反式全景棱鏡內部的圓錐形空間的圓錐底面半徑，H為圓錐空間高度；t為時間；

所述xoy坐標面為全景棱鏡內部的圓錐形空間的圓錐底面所在平面，或者與全景棱鏡內部的圓錐形空間的圓錐底面平行的平面，z軸為垂直于xoy坐標面的坐標軸；

令h＝H/n為螺旋線每圈上升的距離，則每圈螺旋線半徑伸長長度d＝(H/R)×h；根據運動方程，螺旋線的軌跡長度L為：

式中，n為螺旋線的圈數，螺旋線極徑δ_min為初始極角，δ_max為結束極角。

5.根據權利要求4所述的基于MEMS微鏡的全景掃描系統，其特征在于，MEMS微鏡控制系統控制MEMS微鏡進行掃描的過程中，初始極角δ_min＝2πr_min/d，結束極角δ_max＝2πr_max/d；其中r_min為最小螺旋線極徑，r_max為最大螺旋線極徑。