本實(shí)用新型涉及激光掃描領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用于三維場景測量的激光掃描裝置。

背景技術(shù)：

激光掃描裝置是一種利用特定器件將光源發(fā)出的激光進(jìn)行方向偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物進(jìn)行一維或二維掃描的裝置。結(jié)合測距部件和成像部件，可對目標(biāo)物進(jìn)行三維成像。目前該技術(shù)應(yīng)用于地形探測、自動駕駛及三維模型快速生成等方面。

當(dāng)前實(shí)現(xiàn)激光掃描的方法主要是使用電機(jī)驅(qū)動的可旋轉(zhuǎn)反射鏡(轉(zhuǎn)鏡，參考專利文獻(xiàn)200710153106.5)對激光束進(jìn)行周期性偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)掃描。但受限于電機(jī)的驅(qū)動轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)鏡方法的掃描頻率最高只能達(dá)到MHz量級。同時受限于運(yùn)動部件的慣性，其啟動時間較長。且機(jī)械運(yùn)動無法避免摩擦損耗帶來的壽命限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的一個目的是解決至少上述問題和/或缺陷，并提供至少后面將說明的優(yōu)點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)根據(jù)本實(shí)用新型的這些目的和其它優(yōu)點(diǎn)，提供了一種應(yīng)用于三維場景測量的激光掃描裝置，包括：

用于發(fā)出脈沖激光的光源；

位于激光光路上的用于調(diào)制激光方向偏轉(zhuǎn)的激光調(diào)制單元；

反射鏡，其將激光調(diào)制單元調(diào)節(jié)后的激光進(jìn)行反射并沿大致水平方向射出掃描目標(biāo)物，同時將從目標(biāo)物反射回的光束反射至成像受光部和測距受光部進(jìn)行目標(biāo)物的三維成像。

優(yōu)選的是，所述激光調(diào)制單元包括：用于調(diào)制激光水平偏轉(zhuǎn)角的水平軸調(diào)制單元，其位于激光光路上；

用于調(diào)制激光豎直偏轉(zhuǎn)角的豎直軸調(diào)制單元，其位于水平軸調(diào)制單元調(diào)制后的激光光路上。

優(yōu)選的是，所述水平軸調(diào)制單元包括依次位于脈沖激光光路上的水平軸相位調(diào)制器和水平軸光柵；所述豎直軸調(diào)制單元包括依次位于脈沖激光光路上的豎直軸相位調(diào)制器和豎直軸光柵。

優(yōu)選的是，所述水平軸光柵和豎直軸光柵的刻線方向相互垂直，其偏轉(zhuǎn)激光的偏轉(zhuǎn)面相互垂直。

優(yōu)選的是，還包括：第一半透半反鏡，其位于激光調(diào)制單元和反射鏡之間的激光光路上，并將激光調(diào)制單元調(diào)制后的激光透射至反射鏡；所述反射鏡將激光進(jìn)行反射并沿大致水平方向射出掃描目標(biāo)物；

透鏡，其位于第一半透半反鏡的反射光路上；

第二半透半反鏡，其位于透鏡的透射光路上；

其中，所述成像受光部位于第二半透半反鏡的透射光路上；所述測距受光部位于第二半透半反鏡的反射光路上；所述反射鏡將從目標(biāo)物反射回的光束反射至第一半透半反鏡的反射面，并水平反射至透鏡；所述透鏡將目標(biāo)物光束透射至第二半透半反鏡；從第二半透半反鏡透射的光束進(jìn)入成像受光部、反射的光束進(jìn)入測距受光部。

優(yōu)選的是，所述第二半透半反鏡至成像受光部和至測距受光部的距離相同。

優(yōu)選的是，所述反射鏡上連接有用于驅(qū)動反射鏡的反射鏡驅(qū)動單元。

本實(shí)用新型的一種應(yīng)用于三維場景測量的激光掃描裝置的工作原理為：從光源發(fā)出高重復(fù)頻率的脈沖激光，經(jīng)激光相位調(diào)制器進(jìn)行周期性的相位調(diào)制，相位調(diào)制使得激光的波長發(fā)生小量的平移，該平移量隨時間變化。接著，激光通過光柵反射，其反射角與入射光的波長相關(guān)，從而使得反射光的角度隨著相位調(diào)制的調(diào)制波形發(fā)生周期性變化，達(dá)到激光掃描的目的。使用兩組相位調(diào)制器和光柵的組合可以實(shí)現(xiàn)二維的激光掃描，其中，兩個光柵的刻線方向相互垂直，其偏轉(zhuǎn)激光的偏轉(zhuǎn)面相互垂直。

本實(shí)用新型至少包括以下有益效果：本實(shí)用新型采用激光相位調(diào)制器和光柵的組合取代轉(zhuǎn)鏡，對光束進(jìn)行偏轉(zhuǎn)掃描，掃描頻率只受限于相位調(diào)制器的調(diào)制頻率，可達(dá)到GHz量級，且偏轉(zhuǎn)部件不存在機(jī)械運(yùn)動，一方面避免了部件慣性帶來的啟動延遲，另一方面避免了運(yùn)動摩擦對裝置壽命的影響。

本實(shí)用新型的其它優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征將部分通過下面的說明體現(xiàn)，部分還將通過對本實(shí)用新型的研究和實(shí)踐而為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解。

附圖說明：

圖1為本實(shí)用新型激光掃描裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)，及內(nèi)部坐標(biāo)定義示意圖；

圖2激光掃描裝置對目標(biāo)物的掃描示意，及外部坐標(biāo)定義示意圖；

圖3實(shí)施例1中激光掃描的范圍及路徑示意圖；

圖4實(shí)施例1中的光源1脈沖波形I(t)、水平軸相位調(diào)制器2的相位調(diào)制波形φ_u(t)，以及豎直軸相位調(diào)制器4的相位調(diào)制波形φ_v(t)。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，以令本領(lǐng)域技術(shù)人員參照說明書文字能夠據(jù)以實(shí)施。

應(yīng)當(dāng)理解，本文所使用的諸如“具有”、“包含”以及“包括”術(shù)語并不配出一個或多個其它元件或其組合的存在或添加。

圖1和2示出了一種應(yīng)用于三維場景測量的激光掃描裝置，包括：

用于發(fā)出脈沖激光的光源1；

位于激光光路上的用于調(diào)制激光方向偏轉(zhuǎn)的激光調(diào)制單元；

反射鏡7，其將激光調(diào)制單元調(diào)節(jié)后的激光進(jìn)行反射并沿大致水平方向射出掃描目標(biāo)物13，同時將從目標(biāo)物反射回的光束反射至成像受光部10和測距受光部11進(jìn)行目標(biāo)物的三維成像。

在上述技術(shù)方案中，所述激光調(diào)制單元包括：用于調(diào)制激光水平偏轉(zhuǎn)角的水平軸調(diào)制單元，其位于激光光路上；所述水平軸調(diào)制單元包括依次位于脈沖激光光路上的水平軸相位調(diào)制器2和水平軸光柵3；

用于調(diào)制激光豎直偏轉(zhuǎn)角的豎直軸調(diào)制單元，其位于水平軸調(diào)制單元調(diào)制后的激光光路上；所述豎直軸調(diào)制單元包括依次位于脈沖激光光路上的豎直軸相位調(diào)制器4和豎直軸光柵5；所述水平軸光柵和豎直軸光柵的刻線方向相互垂直，其偏轉(zhuǎn)激光的偏轉(zhuǎn)面相互垂直；如圖1所示的結(jié)構(gòu)示意圖，建立相應(yīng)的三維坐標(biāo)系(x,y,z)，其中水平軸光柵3的刻線平行xz平面；豎直軸光柵5的刻線平行yz平面。

在上述技術(shù)方案中，還包括：第一半透半反鏡6，其位于激光調(diào)制單元和反射鏡之間的激光光路上，并將激光調(diào)制單元調(diào)制后的激光透射至反射鏡7；所述反射鏡7將激光進(jìn)行反射并沿大致水平方向射出掃描目標(biāo)物13；

透鏡8，其位于第一半透半反鏡的反射光路上；

第二半透半反鏡9，其位于透鏡的透射光路上；

其中，所述成像受光部10位于第二半透半反鏡的透射光路上；所述測距受光部11位于第二半透半反鏡的反射光路上；所述反射鏡將從目標(biāo)物反射回的光束反射至第一半透半反鏡的反射面，并水平反射至透鏡；所述透鏡將目標(biāo)物光束透射至第二半透半反鏡；從第二半透半反鏡透射的光束進(jìn)入成像受光部10、反射的光束進(jìn)入測距受光部11。

在上述技術(shù)方案中，所述第二半透半反鏡至成像受光部和至測距受光部的距離相同。

在上述技術(shù)方案中，所述反射鏡上連接有用于驅(qū)動反射鏡的反射鏡驅(qū)動單元。

本實(shí)用新型的應(yīng)用于三維場景測量的激光掃描裝置進(jìn)行激光掃描的方法，包括以下步驟：

步驟一、如圖1所示，光源1發(fā)出高重復(fù)頻率的脈沖激光，水平軸相位調(diào)制器2和水平軸光柵3對激光的水平偏轉(zhuǎn)角(沿圖2中u軸方向)進(jìn)行調(diào)制，豎直軸相位調(diào)制器4和豎直軸光柵5對激光的豎直偏轉(zhuǎn)角(沿圖2中v軸方向)進(jìn)行調(diào)制，然后激光經(jīng)第一半透半反鏡6透射、反射鏡7反射后沿大致水平的方向出射至目標(biāo)物13；

設(shè)水平軸相位調(diào)制器對激光的相位調(diào)制函數(shù)為豎直軸相位調(diào)制器激光的相位調(diào)制函數(shù)為則出射光的水平偏轉(zhuǎn)角α(t)和豎直偏轉(zhuǎn)角β(t)分別為：

其中，λ為光源發(fā)出的激光波長，c為真空中的光速，k_u＝dα/dλ,k_v＝dβ/dλ分別為水平軸光柵和豎直軸光柵的色散系數(shù)；和分別表示兩個相位調(diào)制器在t時刻的波形斜率；

步驟二、從目標(biāo)物13反射回激光掃描裝置14的光束(圖1中虛線表示)經(jīng)過反射鏡7和第一半透半反鏡6反射后經(jīng)透鏡8聚焦，經(jīng)第二半透半反鏡9后分為兩束光，一束透射聚焦于成像受光部10的成像面，另一束反射進(jìn)入測距受光部11。半透半反鏡9至成像受光部10和至測距受光部11的距離相同；以反射鏡的中心為圖2中外部坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)建立三維坐標(biāo)系；具體包括：以水平偏轉(zhuǎn)角方向?yàn)閡軸，以豎直偏轉(zhuǎn)角方向?yàn)関軸，以反射光出射方向?yàn)閣軸；其中，從目標(biāo)物不同反光點(diǎn)反射回的光入射反射鏡7的角度不同，從而在成像受光部10的焦點(diǎn)位置不同，所以成像受光部能夠測量目標(biāo)物13上的反光點(diǎn)在uv平面的坐標(biāo)；測距受光部11測量激光脈沖從光源發(fā)出到返回測距受光部11的時間Δt，扣除光脈沖在激光掃描裝置14內(nèi)部的傳輸時間Δt₀后，可計算得目標(biāo)物反光點(diǎn)距離激光掃描裝置14的距離，從而確定目標(biāo)物反光點(diǎn)在w軸的坐標(biāo)。其中，Δt₀包括激光從光源發(fā)出后傳輸至反射鏡7的時間，以及從目標(biāo)物返回的激光經(jīng)反射鏡7發(fā)射后傳輸至測距受光部11的時間。以反射鏡7的中心為圖2中外部坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)，則w軸坐標(biāo)為

綜上，在激光掃描裝置14的掃描范圍內(nèi)，目標(biāo)物各反光點(diǎn)的三維(uvw)坐標(biāo)得到測量，從而能夠?qū)δ繕?biāo)物進(jìn)行三維成像。

同時，調(diào)整水平軸光柵3和豎直軸光柵5的色散系數(shù)k_u和k_v可在u軸和v軸方向獲得不同的分辨率。

實(shí)施例1：

設(shè)需要的掃描目標(biāo)范圍和路徑如圖3所示，為5×5的矩陣，激光從坐標(biāo)(-2,-2)以之字形路徑逐行掃描至坐標(biāo)(2,2)。則光源1的脈沖時序和兩個相位調(diào)制器2和4的調(diào)制波形如圖4所示。在一個脈沖周期內(nèi)，相位調(diào)制器2和4的波形保持線性變化，其斜率對應(yīng)掃描的角度，保持不變，下一個脈沖周期，φ_u(t)的斜率變化，φ_v(t)保持不變，則掃描點(diǎn)在u軸方向移動。待掃描完一行以后，φ_v(t)變化，則掃描點(diǎn)在v軸方向移動，跳入下一行。

設(shè)光源1發(fā)出激光的重復(fù)頻率為1GHz，水平軸相位調(diào)制器2和豎直軸相位調(diào)制器4的調(diào)制頻率相應(yīng)地設(shè)為1GHz，則激光掃描裝置14掃描一個像素點(diǎn)的時間為1ns，1ms內(nèi)可以掃描10⁶個像素，從而可以對高速運(yùn)動物體進(jìn)行快速清晰的三維成像。

盡管本實(shí)用新型的實(shí)施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實(shí)施方式中所列運(yùn)用，它完全可以被適用于各種適合本實(shí)用新型的領(lǐng)域，對于熟悉本領(lǐng)域的人員而言，可容易地實(shí)現(xiàn)另外的修改，因此在不背離權(quán)利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本實(shí)用新型并不限于特定的細(xì)節(jié)和這里示出與描述的圖例。