鲍威尔棱镜、激光器、激光投影模组及激光3D相机的制作方法

鲍威尔棱镜、激光器、激光投影模组及激光3d相机
技术领域
1.本实用新型属于光学相机领域，具体涉及一种鲍威尔棱镜、激光器、激光投影模组及激光3d相机。


背景技术：

2.一字线激光器是半导体激光器的一种，其可以提供一条激光标线，以用于机械、建筑、物流等行业中进行非接触式定位。例如，一字线激光器可以和机器人结合以用于物流行业中，还可以应用于3d相机中以向检测区域中进行激光投影，便于3d相机根据投影的激光线条采集检测区域的3d点云图像。
3.一字线激光器通常包括依次设置的激光二极管、准直透镜和鲍威尔棱镜，准直透镜对激光二极管发射的激光进行准直处理，得到平行光束，平行光束经过鲍威尔棱镜调理后，可以得到一字线型激光。为了得到均匀的一字线型光斑，需要激光二极管、准直透镜和鲍威尔棱镜相匹配。


技术实现要素：

4.为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本实用新型提供了一种鲍威尔棱镜、激光器、激光投影模组及激光3d相机。
5.根据本实用新型实施例的第一方面，本实用新型提供了一种鲍威尔棱镜，其包括柱状棱镜本体，所述柱状棱镜本体的入光面为非球面，所述非球面的圆锥系数为-1.6～-1.3，曲率半径为0.15～0.31。
6.根据本实用新型实施例的第二方面，本实用新型提供了一种激光器，所述激光器为一字线激光器，其包括固定机构、激光二极管、准直透镜、电路板和上述任一项所述的鲍威尔棱镜；所述固定机构包括壳体和棱镜固定座，所述壳体中开设有光源通道，所述激光二极管和准直透镜设置在所述光源通道中；所述激光二极管的发光面位于所述准直透镜的焦平面处；所述激光二极管中封装有两个发光芯片或者封装有一个发光芯片的所述激光二极管设置为两个；
7.沿所述光源通道中的光路方向，所述壳体的一端设置有第一连接部，所述第一连接部用于固定与所述激光二极管连接的所述电路板；所述壳体的另一端设置有第二连接部，所述第二连接部中开设有连接通道，所述连接通道与光源通道同轴连通；
8.所述鲍威尔棱镜设置在所述棱镜固定座中，所述棱镜固定座能够与第二连接部相对转动；所述棱镜固定座转动到所需位置后与所述第二连接部固定。
9.上述激光器中，所述棱镜固定座包括棱镜筒和转盘，所述鲍威尔棱镜固定设置在所述棱镜筒中，所述转盘沿所述棱镜筒的径向卡设在所述棱镜筒上；所述转盘上开设有至少一个弧形通孔；
10.所述棱镜筒靠近鲍威尔棱镜的入光面的一端配合连接在所述第二连接部的连接通道中，所述第二连接部在朝向所述棱镜筒的端面上开设有至少一个连接孔；在所述转盘
转动的情况下，所述弧形通孔能够与至少一个连接孔对齐。
11.根据本实用新型实施例的第三方面，本实用新型提供了一种激光投影模组，其包括上述任一项所述的激光器、振镜组件和固定装置；
12.所述一字线激光器和振镜组件均设置在所述固定装置上，所述一字线激光器用于输出线性激光；所述振镜组件包括振镜和驱动电机，所述振镜和驱动电机连接，所述驱动电机在工作状态下能够驱动所述振镜转动，以使所述一字线激光器输出的线性激光投射在所述振镜上后以不同角度投影至检测区域。
13.上述激光投影模组中，所述固定装置上还设置有保护挡板，所述保护挡板用于对所述振镜进行保护以及对所述一字线激光器射出工作范围之外的激光进行阻挡。
14.上述激光投影模组中，所述固定装置包括激光器固定座和振镜组件固定座；
15.所述激光器固定座用于安装固定所述激光器，所述振镜组件固定座用于安装固定所述振镜组件；沿所述激光器固定座上安装的激光器的激光发射方向，所述振镜组件固定座与激光器固定座的一侧连接，以使所述激光器发射的激光打在所述振镜组件固定座上安装的振镜上。
16.进一步地，所述激光器固定座包括固定座本体以及设置所述在固定座本体顶部的钣金卡扣，所述钣金卡扣用于扣在所述固定座本体上放置的所述一字线激光器的上方，以对所述一字线激光器进行固定。
17.更进一步地，所述固定座本体的底面上开设有限位孔，所述限位孔中安装有限位插销；所述限位插销用于对所述振镜组件中的电机进行限位。
18.进一步地，沿所述振镜组件固定座顶面的垂直方向，在所述振镜组件固定座上设置有贯穿所述振镜组件固定座的固定孔；
19.所述振镜组件固定座与激光器固定座连接一侧的相对侧边缘布设豁口，所述豁口从所述固定孔始、沿所述振镜组件固定座顶面的平行方向贯穿所述振镜组件固定座，且所述豁口还沿所述振镜组件固定座顶面的垂直方向贯穿所述振镜组件固定座，以使得所述固定孔周壁具有形变能力；
20.所述豁口的两相对面设有相匹配的螺孔，所述螺孔沿所述振镜组件固定座顶面的平行方向贯穿，以配合螺钉实现所述振镜组件在所述固定孔内的紧固。
21.根据本实用新型实施例的第四方面，本实用新型提供了一种激光3d相机，其包括盒体以及设置在所述盒体中的上述任一项所述的激光投影模组、激光投影控制组件、至少一个光学相机、相机控制器、处理器和电源板；
22.所述激光投影模组与所述激光投影控制组件连接，所述激光投影控制组件用于控制所述激光投影模组向被拍摄物体表面发射线性激光条纹；所述光学相机与所述相机控制器连接，所述相机控制器用于控制所述光学相机在线性激光条纹扫描被拍摄物体表面时记录线性激光条纹的图像；所述处理器与相机控制器连接，其用于根据所述光学相机在多个时间点采集的图像生成所述被拍摄物体对应的点云图像；所述电源板用于为所述激光投影驱动组件、相机控制器和处理器供电。
23.上述激光3d相机中，所述盒体中设置有第一光学相机和第二光学相机；所述盒体包括顶盖和底盒，所述顶盖与底盒顶部的开口匹配设置；
24.所述底盒的前面板上开设有激光投影窗口、第一采集窗口和第二采集窗口，所述
第一采集窗口和第二采集窗口对称设置在所述激光投影窗口的两侧；
25.所述激光投影模组的出光端对应设置在所述激光投影窗口处，所述第一光学相机的取景窗口对应设置在所述第一采集窗口处，所述第二光学相机的取景窗口对应设置在所述第二采集窗口处。
26.根据本实用新型的上述具体实施方式可知，至少具有以下有益效果：本实用新型提供的鲍威尔棱镜通过改进柱状棱镜本体入光面的圆锥系数和曲率半径，能够有效地对封装有两个发光芯片的激光二极管发射的激光经过准直透镜准直后得到的平行光束或近似平行光束进行整形，得到均匀的线性光斑。
27.本实用新型提供的激光器为一字线激光器，其通过采用改进后的鲍威尔棱镜，能够得到均匀的线性光斑。
28.本实用新型提供的激光投影模组通过采用改进后的一字线激光器，能够将输出的线性光斑以不同角度投影至检测区域。
29.本实用新型提供的激光3d相机通过采用改进后的激光投影模组，在采集表面光滑、反光率较高的物体的点云图像的情况下，能够提高点云图像的分辨率，避免采集的点云图像中出现点云缺失。
30.应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本实用新型所欲主张的范围。
附图说明
31.下面的所附附图是本实用新型的说明书的一部分，其示出了本实用新型的实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明本实用新型的原理。
32.图1是一字线激光器采用现有的鲍威尔棱镜得到的光斑长度方向的辐射照度图。
33.图2是本实用新型实施例提供的一种鲍威尔棱镜的侧视图。
34.图3是本实用新型实施例提供的一种激光器的剖视图
35.图4是本实用新型实施例提供的一种激光器中棱镜固定座的结构示意图。
36.图5是本实用新型实施例提供的一种激光器得到的光斑长度方向的辐射照度图。
37.图6是本实用新型实施例提供的一种激光投影模组的整体结构示意图之一。
38.图7是本实用新型实施例提供的一种激光投影模组的整体结构示意图之二。
39.图8是本实用新型实施例提供的一种激光投影模组的整体结构示意图之三。
40.图9是本实用新型实施例提供的一种激光投影模组中固定装置的结构示意图之一。
41.图10是本实用新型实施例提供的一种激光投影模组中固定装置的结构示意图之二。
42.图11是本实用新型实施例提供的一种激光3d相机拆去顶盖后的结构示意图。
43.附图标记说明：
44.111、鲍威尔棱镜；1111、柱状棱镜本体；1112、入光面；
45.112、固定机构；1121、壳体；1122、棱镜固定座；11221、棱镜筒；11222、转盘；1123、光源通道；1124、第一连接部；1125、第二连接部；
46.113、激光二极管；
47.114、准直透镜；
48.115、电路板；
49.11、激光器；
50.12、振镜组件；121、振镜；122、驱动电机；
51.13、固定装置；131、激光器固定座；1311、固定座本体；1312、钣金卡扣；1313、限位孔；1314、限位插销；132、振镜组件固定座；1321、固定孔；1322、螺孔；
52.14、保护挡板；
53.15、照明固定板；
54.16、灯板；
55.17、遮光板；
56.1、激光投影模组；2、激光投影控制组件；3、第一光学相机；4、第二光学相机；5、相机控制器；6、处理器；7、电源板；
57.10、底盒；101、激光投影窗口；102、第一采集窗口；103、第二采集窗口。
具体实施方式
58.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述清楚说明本实用新型所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本实用新型内容的实施例后，当可由本实用新型内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本实用新型内容的精神与范围。
59.本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。另外，在附图及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。
60.关于本文中所使用的“第一”、“第二”、
…
等，并非特别指称次序或顺位的意思，也非用以限定本实用新型，其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或操作。
61.关于本文中所使用的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本创作。
62.关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
63.关于本文中所使用的“及/或”，包括所述事物的任一或全部组合。
64.关于本文中的“多个”包括“两个”及“两个以上”；关于本文中的“多组”包括“两组”及“两组以上”。
65.某些用以描述本实用新型的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本实用新型的描述上额外的引导。
66.在一些使用场景中，例如光线较强的使用场景，或者为了提高激光器的的信噪比，使激光器发射的线性条纹投影在物体表面后能够被精确的识别，通常可以在激光器中安装两个激光二极管。
67.然而，本实用新型发明人在研发过程中发现，两个激光二极管发射的激光经过鲍威尔棱镜后投影在物体表面时会产生两个光斑；与一个光斑相比，两个光斑形成的光斑尺寸更大，且光斑范围内亮度出现不均匀的情况。究其原因，现有的鲍威尔棱镜通常适用于内
置一个激光二极管的激光器，两个激光二极管的激光器与现有的鲍威尔棱镜入光面的面型参数不相匹配，导致经过鲍威尔棱镜后得到的一字线型光斑不均匀。例如，结合图1可见，线型光斑在其长度方向上的能量主要集中在两端，中间部分较弱，整体均匀性较差。因此需要重新设计一种能够与两个激光二极管匹配使用的鲍威尔棱镜。
68.图2是本实用新型实施例提供的一种鲍威尔棱镜的侧视图。
69.如图2所示，本实用新型实施例提供的鲍威尔棱镜111包括柱状棱镜本体1111，柱状棱镜本体1111的入光面1112为非球面，非球面的圆锥系数为
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1.6～-1.3，曲率半径为0.15～0.31。优选地，曲率半径可以为0.20～0.24。
70.其中，柱状棱镜本体1111可以为圆柱体或n面棱体结构，n为大于或等于3的整数。例如，当n＝4时，柱状棱镜本体1111可以为立方体，鲍威尔棱镜111为四棱镜；当n＝5时，柱状棱镜本体1111可以为五棱体结构，鲍威尔棱镜111为五棱镜。
71.采用本实用新型提供的鲍威尔棱镜111能够有效地对两个激光二极管 113发射的激光经过准直透镜114准直后得到的平行光束或近似平行光束进行整形，得到均匀的线性光斑。
72.如图3所示，基于本实用新型提供的鲍威尔棱镜111，本实用新型还提供了一种激光器11，该激光器11为一字线激光器，其包括上述鲍威尔棱镜 111、固定机构112、激光二极管113、准直透镜114和电路板115；固定机构112包括壳体1121和棱镜固定座1122，壳体1121中开设有光源通道1123，激光二极管113和准直透镜114设置在光源通道1123中；激光二极管113 的发光面位于准直透镜114的焦平面处。其中，激光二极管113中封装有两个发光芯片。也可以设置两个激光二极管113。
73.沿光源通道1123中的光路方向，壳体1121的一端设置有第一连接部 1124，第一连接部1124用于固定与激光二极管113连接的电路板115；壳体 1121的另一端设置有第二连接部1125，第二连接部1125中开设有连接通道，连接通道与光源通道1123同轴连通。
74.鲍威尔棱镜111设置在棱镜固定座1122中，棱镜固定座1122能够与第二连接部1125相对转动。根据调试需要，当棱镜固定座1122转动到所需位置后与第二连接部1125固定。
75.需要说明的是，第一连接部1124可以与壳体1121一体成型，例如，第一连接部1124可以为壳体1121沿光源通道1123中光路方向的一端面，电路板115直接固定在该端面上。第一连接部1124还可以为一独立的部件，其与壳体1121固定连接在一起；例如，第一连接部1124可以为一端板，该端板与壳体1121沿光源通道1123中光路方向的一端面连接，电路板115固定设置在端板上。
76.第二连接部1125可以与壳体1121一体成型；也可以为一独立的部件，其与壳体1121固定连接在一起。
77.棱镜固定座1122的一端配合连接在连接通道中，具体地，棱镜固定座 1122的一端可以通过过盈配合的方式与连接通道连接。连接通道的直径大于光源通道1123的直径，以便于棱镜固定座1122配合连接在连接通道中时，棱镜固定座1122中安装的鲍威尔棱镜111的直径与光源通道1123的直径相当，进而使得激光二极管113发射的激光透过准直透镜114后能够沿鲍威尔棱镜111的轴线射入。
78.在本实施例中，如图4所示，棱镜固定座1122包括棱镜筒11221和转盘11222，鲍威
尔棱镜111固定设置在棱镜筒11221中，转盘11222沿棱镜筒11221的径向卡设在棱镜筒11221上。
79.转盘11222上开设有至少一个弧形通孔。第二连接部1125在朝向棱镜筒11221的端面上开设有至少一个连接孔。连接孔可以采用圆形孔。在转盘 11222转动的情况下，弧形通孔能够与至少一个连接孔对齐。棱镜固定座1122 通过弧形通孔、对齐的连接孔以及螺钉与第二连接部1125进行固定。
80.具体地，弧形通孔的尺寸大于连接孔的尺寸，这样使得转盘11222总能通过螺钉、弧形通孔和连接孔与第二连接部1125进行固定连接。
81.在一个具体的实施例中，激光二极管113的封装直径为7.5mm～9.5mm，激光二极管113的视窗尺寸为3.5mm～4mm。准直透镜114的进光孔径为 5.5mm～7.5mm，其焦距为3.0mm～6.0mm。
82.激光二极管113发出的激光经过准直透镜114形成准直光束，准直光束垂直入射鲍威尔棱镜111的入光面1112，经过鲍威尔棱镜111形成扇形发散光束，扇形发散光束照射在被测目标表面为线型光斑。
83.其中，鲍威尔棱镜111与准直透镜114之间的距离可以根据激光器11 的长度进行设置。具体地，鲍威尔棱镜111与准直透镜114之间的距离可以设置为1.0mm～5.0mm。
84.采用本实用新型实施例提供的鲍威尔棱镜111的激光器11发射的激光条纹的亮度均匀，得到了均匀的线性光斑。
85.从图5所示的采用本实用新型实施例提供的鲍威尔棱镜111得到的线型光斑长度方向的辐射照度图可以看出，在线型光斑长度方向-12mm～+12mm 的范围内，线性光斑的辐射照度基本保持在4watts/cm2左右。
86.与现有的激光器相比，本实用新型实施例提供的激光器11的出光能量大大提升，是现有激光器出光能量的4倍左右。本实用新型实施例提供的激光器11主要从以下两方面提升其出光能量：1)使用封装有两个发光芯片的激光二极管113作为激光器11的发光光源。2)从两个方面提升激光器11 的光能利用率：减小准直透镜114的焦距，从而减小准直透镜114到激光二极管113的距离；增大准直透镜114的进光孔径。
87.如图6和图7所示，基于本实用新型提供的激光器11，本实用新型还提供了一种激光投影模组1，其包括上述激光器11、振镜组件12和固定装置 13。其中，激光器11和振镜组件12均设置在固定装置13上，激光器11用于输出线性光斑。
88.振镜组件12包括振镜121和驱动电机122，振镜121和驱动电机122 连接，驱动电机122在工作状态下能够驱动振镜121转动，以使激光器11 输出的线性光斑投射在振镜121上后以不同角度投影至检测区域。
89.在上述实施例中，固定装置13上设置有保护挡板14，保护挡板14用于对振镜121进行保护以及对激光器11射出工作范围之外的激光进行阻挡。
90.在一个具体的实施例中，如图7～图9所示，固定装置13包括激光器固定座131和振镜组件固定座132。其中，激光器固定座131用于安装固定激光器11，振镜组件固定座132用于安装固定振镜组件12。沿激光器固定座 131上安装的激光器11的激光发射方向，振镜组件固定座132与激光器固定座131的一侧连接，以便于激光器11发射的激光打在振镜组件固定座132 上安装的振镜121上。
91.具体地，保护挡板14设置在振镜组件固定座132与激光器固定座131 连接侧的相对侧，且与振镜组件固定座132连接，以便于对振镜121进行保护以及对激光器11射出工作范围之外的激光进行阻挡。
92.具体地，保护挡板14的高度大于激光器固定座131中安装的激光器射出的激光束的高度，这样，如果激光器11发射的激光束未打在振镜组件12 中的振镜121上，可以打在保护挡板14上，从而避免照射到工作人员对其造成伤害。
93.在本实施例中，如图7和图8所示，激光器固定座131包括固定座本体 1311以及设置在固定座本体1311顶部的钣金卡扣1312，钣金卡扣1312用于扣在固定座本体1311上放置的激光器11的上方，以对激光器11进行固定。具体地，钣金卡扣1312采用几字型结构，其底部的两端分别与固定座本体1311连接。
94.在一个具体的实施例中，如图6和图7所示，固定装置13上还设置有照明固定板15，照明固定板15与保护挡板14中的纵板设置在振镜组件固定座132的同一侧。照明固定板15的端面上固定安装有灯板16和遮光板17，灯板16可以提高3d相机拍摄区域的亮度。遮光板17可以和灯板16配合使用，其用于对灯板16发射的光进行部分遮挡，避免灯板16发射的光照射到地面的范围太大，对临近的其他作业工位产生干扰。
95.需要说明的是，保护挡板14与照明固定板15可以一体成型，也可以为两个独立的部件。当保护挡板14与照明固定板15为两个独立的部件时，二者可以固定连接在一起，也可以相互分离。
96.在一个具体的实施例中，如图7～图9所示，固定座本体1311的底面上开设有限位孔1313，限位孔1313中安装有限位插销1314。限位插销1314 用于对振镜组件12中的电机进行限位。振镜组件12中的振镜121安装完成之后，可以通过检测振镜组件12中的电机与限位插销1314之间的距离来确定振镜121的角度是否调整到所需的角度。
97.在一个具体的实施例中，如图10所示，沿振镜组件固定座132顶面的垂直方向，在振镜组件固定座132上设置有贯穿振镜组件固定座132的固定孔1321。振镜组件固定座132与激光器固定座131连接一侧的相对侧边缘布设豁口，豁口从固定孔1321始、沿振镜组件固定座132顶面的平行方向贯穿振镜组件固定座132，且豁口还沿振镜组件固定座132顶面的垂直方向贯穿振镜组件固定座132，以使得固定孔1321周壁具有形变能力。豁口的两相对面设有相匹配的螺孔1322，螺孔1322沿振镜组件固定座132顶面的平行方向贯穿，以配合螺钉实现振镜组件12在固定孔1321内的紧固。
98.采用振镜组件固定座132对振镜组件12进行固定时，可以先将振镜组件12中的电机放置在固定孔1321中，通过螺钉和螺孔1322实现电机在固定孔1321内的紧固。
99.基于本实用新型提供的激光投影模组1，如图11所示，本实用新型还提供了一种激光3d相机，其包括盒体以及设置在盒体中的上述激光投影模组 1、激光投影控制组件2、至少一个光学相机、相机控制器5、处理器6和电源板7。
100.激光投影模组1与激光投影控制组件2连接，激光投影控制组件2用于控制激光投影模组1向被拍摄物体表面发射线性激光条纹；光学相机与相机控制器5连接，相机控制器5用于控制光学相机在线性激光条纹扫描被拍摄物体表面时记录线性激光条纹的图像；处理器6与相机控制器5连接，其用于根据光学相机在多个时间点采集的图像生成被拍摄物体对应的点云图像；电源板7用于为激光投影驱动组件、相机控制器5和处理器6供电。
101.在一个具体的实施例中，如图11所示，盒体中设置有第一光学相机3 和第二光学相机4；盒体包括顶盖(图中未示出)和底盒10，顶盖与底盒10 顶部的开口匹配设置，底盒10的顶部通过顶盖进行封闭。
102.底盒10的前面板上开设有激光投影窗口101、第一采集窗口102和第二采集窗口103，第一采集窗口102和第二采集窗口103对称设置在激光投影窗口101的两侧。
103.激光投影模组1的出光端对应设置在激光投影窗口101处，第一光学相机3的取景窗口对应设置在第一采集窗口102处，第二光学相机4的取景窗口对应设置在第二采集窗口103处。
104.进一步地，激光投影窗口101上镀有增透膜，以便于减少激光的反射强度，增加激光的透射的强度。第一采集窗口102和第二采集窗口103上也均镀有增透膜，以便于增加外界光透射入第一光学相机3和第二光学相机4中。
105.相机控制器5、处理器6和电源板7均设置在底盒10中第一光学相机3 与激光投影模组1之间的区域，激光投影控制组件2均设置在底盒10中激光投影模组1与第二光学相机4之间的区域。
106.采用本实用新型实施例提供的激光3d相机在采集表面光滑、反光率较高的物体的点云图像的情况下，可以提高点云图像的分辨率，避免采集的点云图像中出现点云缺失。根据视场计算及三维模拟，可以通过分别调整第一光学相机3和第二光学相机4的安装角度，能够保证可用的公共视野达到最优使用范围，使工作范围达到最大。其中，第一光学相机3的安装角度和第二光学相机4的安装角度都可以在3
°
～10
°
调节。
107.本实用新型实施例提供的激光3d相机可以在物流运输、码垛等场景中用于辅助机器人抓取包裹、零部件等物品。
108.以上所述仅为本实用新型示意性的具体实施方式，在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改，均应属于本实用新型保护的范围。