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VisionChina2024（深圳）机器视觉展汇聚创新力量，盛大启幕！
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MEMS微镜原理及其在3D视觉中的应用

一、引言传统的二维成像系统利用图像传感器将三维物体获取为2D图像，但物体深度信息的缺失会限制对现实世界的真实感知。结构光技术将空间光调制后投射到物体表面，空间光在被测物体表面产生变形，用相机对变形图案拍照，即可计算出被测物的3D信息。MEMS微镜是一种硅基光速调制结构。使用MEMS微镜来调制空间光，具有结构简单、速度快等优点，有助于实现3D结构光模组的小型化、低成本和高集成，从事实现更丰富场景的落地应用。本文结合知芯传感多年在MEMS微镜领域的开发实践，对1D和2D MEMS微镜原理进行了系统介绍，并对其在3D视觉中的应用进行了简要阐述，最后对MEMS微镜未来发展进行了展望。二、1D MEMS微镜1D MEMS微镜指微镜的镜面绕扭转轴做反复运动，通常的使用场景是将调制为平行于扭转轴的线段光束在垂直于扭转轴的方向上展开，在通过控制光束的开光、亮暗来产生条纹空间结构光。主流1D MEMS微镜的驱动原理为静电和电磁式。电磁MEMS微镜具有双行程使用、高光效利用率、抗灰尘能力强等优点，但是同时又具有封装复杂、体积大、温漂和功耗略高等缺点；静电MEMS微镜具有功耗低、体积小等优点，但是封装洁净度高、光效利用率低。在1D MEMS微镜领域，知芯传感同时开展了电磁和静电MEMS微镜研究，其中静电MEMS微镜是重点。同时开发出了尺寸为5x4.5mm、3x3mm、3x4mm不同镜面尺寸的1D静电MEMS微镜。知芯传感微镜工作在1~2k Hz的谐振状态下，投射50~60°的光学角度。具有镜面大、角度广、功耗低、体积小、可靠性强、重复度好等特点。表面镀金或铝，对可见光与红外光有较高的反射率。三、2D MEMS微镜2D MEMS微镜连接镜面处具有两个扭转轴，可确保镜面在两个正交方向上均可以产生转动。虽然1D MEMS微镜可以通过线段激光来产生条纹空间结构光，但这种方案生成的结构光图案单一，只能是多组相互平行的光线，对空间光的调制仅限于三个参数，平行光线的宽度、间距、亮度，不能对投影结构光图案的动态调制。相比 1D MEMS 微镜，2D MEMS微镜拥有更为简单的光学，可以放弃复杂的线激光产生透镜组，可以用更简单的聚焦光路来实现更为紧凑的 MEMS 空间结构光系统。通常2D MEMS微镜有两种使用方式，光栅式扫描和李萨如扫描。光栅式扫描又可称逐行扫描，扭转轴的工作状态为一轴谐振+一轴准静态，谐振轴高频扫描提升点云和角度，准静态轴慢速扫描实现帧对帧。此种扫描方式的微镜多使用电磁和压电驱动方式，其结构光系统多用于MEMS激光雷达、投影成像领域，如intel realsense的L515系列使用电磁微镜的光栅扫描式的散斑TOF成像原理，具有小体积、高精度、价格便宜等优点。李萨如扫描的扭转轴工作在双轴谐振状态下，通过调节相位和双轴谐振频率比来变动扫描图形。此种扫描方式的微镜多使用电磁和压电驱动方式，其结构光系统多用于MEMS激光雷达、投影成像领域。知芯传感开发出的电磁和压电MEMS微镜，根据驱动信号灵活实现光栅扫描和李萨如扫描。该系列2D微镜具有5x6mm、3x3mm、7x7mm不同镜面尺寸的2D MEMS微镜。该系列2D MEMS微镜工作在0.6~20k Hz的谐振区间，快慢轴投射FOV角度可达30x50°。具有镜面大、角度广、功耗低、体积小、可靠性强、重复度好等优点。四、MEMS微镜在3D视觉中的应用1.3D视觉方案3D视觉发展至今已有多种方案，双目、TOF、激光三角法、双目+传统结构光、双目+MEMS结构光三维视觉方案，各有优缺点：MEMS结构光由于其功耗低体积小，镀层可支持红外以及蓝光、红光激光等波段，在小体积低功耗应用场景使用较多。激光准直性较好，在黑色工件以及表面反光物体情况下激光条纹较好，能得到较好的三维恢复数据。2.MEMS结构光投射模组知芯传感基于自研MEMS微镜，开发了适用于近距离（小于1米）的M系列MEMS结构光投射模组：ZX-M020，ZX-M050，适用于远距离（0.5-3.5米）的L系列MEMS结构光投射模组：ZX-L090，ZX-L250，这些模组与双目镜头组成了MEMS结构光方案。在MEMS高频扫描过程中，知芯传感系列MEMS结构光投射模组控制同步逻辑通过控制激光器电流实现不同的条纹输出。3.MEMS微镜在3D视觉中的典型应用实践中，客户基于知芯传感M、L系列模组，开发了应用于不同场景的3D结构光相机，构成了MEMS微镜在3D视觉中的典型应用。一方面，3D结构光相机可以应用于机器人协作、焊接导航、缺陷检测、智能物流等，提供高效、精准的3D视觉方案，助力各行业自动化作业。另一方面，3D结构光相机也可应用于物品/人体等的三维扫描建模，助力消费升级。五、展望随着MEMS微镜技术的不断发展和完善，其在3D结构光领域的应用前景将更加广阔：高分辨率与高速度结合：未来的MEMS微镜将趋向于实现更高的分辨率和更快的速度，以满足对于高精度、实时性要求更高的应用场景。多模式光调制：MEMS微镜可能会向多模式光调制方向发展，实现更加复杂的光场调制和投影，为虚拟现实、增强现实等领域带来更加丰富的体验。智能化集成：MEMS微镜可能会与人工智能、机器学习等技术智能化集成，实现更智能、自适应的光学系统，为自动化控制、智能感知等领域提供更好的支持。量产与商业化：随着MEMS微镜技术成熟度的提升，未来有望实现大规模量产和商业化应用，推动其在机器人协作、工业自动化、智能物流、安防监控、医疗诊断和消费级三维建模等领域的广泛应用。未来，知芯传感将继续专注于3D机器视觉核心部件——MEMS微镜及结构光投射模组的研发、生产和销售，实现中高端MEMS器件的国产化替代。
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该报告调研统计了中国机器视觉市场近200家企业2023年相关业务数据，对机器视觉技术在多个行业关键领域的广泛应用与趋势展开刨析

中国机器视觉网 | 2024-08-27
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