一种二维扫描式激光测距装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种二维扫描式激光测距装置，该装置包括：激光发射单元，用于产生一束脉冲式激光，穿过中间打孔的倾斜反光镜105，打到反光转镜106上，经反射打到被测物上；扫描单元：用于将所述脉冲式激光在空间内形成一个二维扫描面；聚光接收单元，与激光发射方向所在轴线垂直，用于聚焦、接收并放大激光打到被测物上产生的漫反射回波能量号；计时处理单元，获取激光飞行时间，根据所述飞行时间计算各点距离，实现对于目标区域扫描式的激光测距。本实用新型成功将发射与接收光路的光路分离，利用在倾斜反光镜中间打孔的设计最大化避免激光发射与接收的光路遮挡问题，大幅提高激光发射功率；并且检测精度高，成本低廉，易于推广。
【专利说明】一种二维扫描式激光测距装置
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及激光应用【技术领域】，尤其涉及一种二维扫描式激光测距装置。
【背景技术】
[0002] 激光技术作为近年来高新科技发展的尖端技术，已经被越来越多的应用于社会生 产生活的各个领域。激光具有单色性好、方向性强、亮度高等特点。现已发现的激光工作物 质有几千种，波长范围从软X射线到远红外。
[0003] 而其中激光测距技术，更是激光技术扩展领域的一个重要方面。激光测距仪是利 用激光对目标的距离进行准确测定（又称激光测距）的仪器。激光测距仪在工作时向目标 射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接 收的时间，计算出从观测者到目标的距离。
[0004] 近几年来，随着科技的发展，扫描式激光测距技术也逐渐成熟。激光扫描仪是利用 时间飞行原理来测量工件的尺寸及形状等工作的一种仪器，激光扫描测量系统基于激光测 距原理。通过旋转的光学部件发射形成二维的扫描面，以实现区域扫描及轮廓测量功能。产 品被广泛用于防撞、测量、导航、安防等，如设备防撞、散货体积测量、车型检测、自行小车导 航、敏感区域防护等。
[0005] 而现阶段，扫描式激光测距装置通常使用的都是同轴系统来实现的。接收和发射 的同轴系统设计，虽然可以有效保证光路的原路返回，但是在光路遮挡方面，会导致大量能 量的损失，影响实际的测距效果。而现有的垂直轴方案，一般采取较小的反光镜，可以讲准 直光路反射出去，而对于小反光镜的支撑结构，则会对于光路部分具有较大的遮挡。
[0006] 因此现有的扫描式激光测距方案，都存在各种各样的光路设计缺陷与弊端。 实用新型内容
[0007]本实用新型实施例提供一种二维扫描式激光测距装置，有利于收发垂直的扫描式 激光测距装置的广泛推广，该装置包括：
[0008] 激光发射单元,用于产生一束脉冲式激光,并触发计时START信号；
[0009] 扫描单元：用电机带动45°反光转镜旋转的方式，将所述脉冲式激光在空间内形 成一个二维扫描面；
[0010] 聚光接收单元，与激光发射方向所在轴线垂直，利用一块中间打孔的倾斜反光镜， 在保证所述激光发射单元，可以将激光从所述倾斜反光镜中间的小孔中打出的同时，将回 波能量的方向从水平方向反射到垂直方向，并配合聚焦、接收并放大激光打到被测物上产 生的漫反射回波能量，并触发计时STOP信号；
[0011] 计时处理单元，根据所述发射和接收的触发信号，获取激光飞行时间，根据所述飞 行时间计算各点距离，实现对于目标区域扫描式的激光测距；一个实施例中，所述激光发射 单元采用驱动电路驱动激光二极管，并匹配准直透镜；
[0012] 其中，所述倾斜反光镜利用中间打孔的方式，在保证所述激光发射单元按产生的 脉冲激光可以沿水平光路平行射出的同时，将回波能量反射到一个合适的接收角度。
[0013] 其中，所述倾斜反光镜的倾斜角度范围区间为：30° -60°。
[0014] 其中，所述倾斜反光镜与所述扫描单元中45°反光转镜反光面相对，用于改变回 波能量的方向便于接收。
[0015] 其中，所述倾斜反光镜的形状可以为椭圆形和八边形。
[0016] 一个实施例中，所述分光单元包括：光学元器件与运动控制件的组合；
[0017] -个实施例中，所述光学兀器件包括：反光镜和/或分光镜；
[0018] 一个实施例中，所述运动控制件包括：电机；
[0019] 一个实施例中，所述聚光接收单元包括：反光镜、聚焦透镜、光电二极管和放大电 路；
[0020] -个实施例中，所述反光镜与分光单元反光镜同轴；
[0021] 一个实施例中，所述聚焦透镜与准直透镜所在轴线通过反光镜分离；
[0022] -个实施例中，所述计时处理单元包括：
[0023] 计时芯片模块，用于通过接受激光发射单元与激光接收单元的触发信号，获取激 光在空中飞行的时间；
[0024] 距离计算模块，用于通过激光在空中飞行的时间，计算扫描区域各点的距离信息。
[0025] 本实用新型实施例中一体式激光扫描交通情况调查装置基于激光测距技术，无需 与其它装置配合使用，即可实现对于目标区域的一个二维扫描面内各点的动态扫描，实现 非接触式的对于目标区域的精确距离测量。
[0026] 本实用新型用一块倾斜反光镜实现对于传统扫描式激光测距仪光路的发射与接 收的同轴设计的大幅度改进。通过反光镜将整体光路在一个垂直轴上进行翻转，从而能够 实现光路接收与发送的彻底分离。而且在发送与接收光路分离的同时，可以极大程度上保 证光路的完整性，通过在倾斜反光镜上打洞的设计方式，可以最大化接收光线的能量，大幅 度提高扫描式激光检测器接收回波能量的能力，对于现阶段市面上扫描式激光测距的产品 与方案，有着突破性的进展。
【专利附图】
【附图说明】
[0027] 为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例 或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅 是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提 下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
[0028] 图1为本实用新型实施例中一种二维扫描式激光测距装置的整体示意图；
[0029] 图2为本实用新型实施例中一种二维扫描式激光测距装置的流程简图；
[0030] 图3为本实用新型实施例中一种二维扫描式激光测距装置的具体流程图；
[0031] 图4为本实用新型实施例中对于目标区域的测距实现方法示意图；
【具体实施方式】
[0032] 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，下面结合附图对 本实用新型实施例做进一步详细说明。在此，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。
[0033] 为了解决上述现有技术中存在的问题，本实用新型实施例基于单点激光测距原 理，提供一种成本低、检测精度和可靠性高、现场安装调试简单的一种二维扫描式激光测距 装置。通过增加一块45°反光镜的方式，实现对于现有常见方案光路的大大优化，有效提高 扫描式激光测距仪的各项检测指标。
[0034]图1为本实用新型实施例中一种二维扫描式激光测距装置的结构示意图。如图1所示，本实用新型实施例中一体式激光扫描交通情况调查装置可以包括：
[0035] 激光发射单元，分光单元，聚光接受单元，计时处理单元。
[0036] 所述激光发射单元又可以包括：
[0037] 激光驱动101，用于驱动激光发光，同时触发计时电路的STRAT信号；
[0038] 激光准直102,用于在收到激光驱动信号之后，产生脉冲激光，同时利用光学透镜 将所述脉冲激光准直，垂直射出；
[0039] 所述分光电源又可以包括：
[0040] 扫描电机103,用于带动转镜旋转，通过旋转在空间内形成二维扫描面；
[0041] 45°反光转镜104,用于安装在所述扫描电机103上，将所述激光准直102产生的 准直激光进行旋转分光，在空间内形成二维扫描面。同时还能将所述准直激光打到被测物 上返回的平行光反射到聚光接受系统中；
[0042] 所述聚光接收单元又可以包括：
[0043] 倾斜反光镜105,所述准直激光打到被测物上反射回的回波能量，射到所述45° 反光转镜104上,经过反射打到倾斜反光镜105上,在经过一次反射进入聚焦透镜筒中；
[0044] 聚光系统106,用于将经过多次反射到回波能量用聚焦透镜进行聚焦；
[0045] 光电二极管107,用于将聚焦后的光信号转换成电信号；
[0046] 所述计时处理单元又可以包括：
[0047] 前置放大电路108,用于将所述光电二极管107产生的电信号进行放大，同时触发 计时电路109 ;
[0048] 计时电路109,用于通过利用所述激光驱动101产生的START信号和所述前置放大 电路108产生的STOP信号，计算激光飞行的时间；
[0049] 主控板110,利用所述及时电路109产生的激光飞行时间，配合相关的处理算法， 计算出所属激光器到被测物之间的距离；
[0050] 上位机111，将主控板110计算出来的距离进行分析显示。
[0051] 具体实施时，激光驱动101可以由能够实现其功能的装置来实施，例如可以是由 驱动信号驱动的激光二极管，也可以是激光器，或者是其他能够产生脉冲式激光的方式发 出激光。
[0052] 具体实施时，激光准直102可以由够实现其功能的装置来实施，例如可以是采用 光纤耦合和/或准直透镜准直的方法实现，或者是其他能够实现光纤准直的方法实现；
[0053] 具体实施时，扫描电机103可以由电机实现，也可以由其他旋转结构件实现；
[0054] 具体实施时，45°反光转镜104可以用一块安装在所述扫描电机103上的平面反 射镜实现，或者是其他能够实现光路反射的方法实现；
[0055] 具体实施时，倾斜反光镜105可以用一块与所述45°反光转镜104正面相对的平 面反射镜实现，或者是其他能够实现光路反射的方法实现；
[0056] 具体实施时，聚光系统106可以是用一块或多块聚焦透镜实现，或者是其他能够 实现光路聚焦的方法实现；
[0057] 具体实施时，光电二极管107,可以用APD (Avalanche Photo Diode，雪崩光电二极 管）将光信号转换为电信号，或者是其他能够实现光电转换的方法实现；
[0058] 具体实施时，前置放大电路108,可以用运算放大电路对电信号进行放大，或者是 其他能够实现信号处理的方法实现；
[0059] 具体实施时，计时电路109,也可以用精确的计时芯片实现，或者是其他能够实现 计时功能的芯片和/或电路实现；
[0060] 具体实施时，主控板110,可以用带有控制处理功能的芯片实现，或者是其他能够 实现控制功能的芯片和/或电路实现；
[0061] 具体实施时，上位机111，可以用上位机电脑实现，或者是其他能够实现控制输出 显示的方法实现；
[0062] 图2为本实用新型实施例中一种二维扫描式激光测距装置的流程简图，结合图2， 对于系统的测距流程进行简单阐述，如图所示：脉冲激光经过发射单元201产生、分光单元 202将单束脉冲激光在空间内形成二维扫描面，然后打到被测物体上，然后通过聚光接受单 元203,聚焦所述激光的回波能量，并将其转换为电信号，传输到后级计时处理单元，对所述 信号进行放大处理，实现计时测距。
[0063] 图3为本实用新型实施例中一种二维扫描式激光测距装置的具体流程图，结合图 2,对于系统的整个测距流程进行系统描述，如图所示：
[0064] 301，激光器在激光驱动下，产生一束脉冲式激光，所述脉冲式激光经过准直透镜 的准直，水平方向射出，穿过中间钻孔45度反光镜1，打到安装在电机负载的反光转镜2上， 再反射出去，打到被测物上进行测距，同时激光驱动在驱动激光器发光的同时，触发计时芯 片的START信号；
[0065] 302,电机带动反光转镜2进行高速旋转，即可将301中所述打到反光转镜2的脉 冲式激光在空间上形成二维扫描面，实现对于目标区域的二维扫描；
[0066] 303,所述301中所述脉冲激光打到被测物上，产生的回波能量返回之后，打回到 反光转镜2上，经过反射打到45度反光镜1，经过两次反射，重新回到接收透镜筒内，被接受 透镜对该激光回波能量进行聚焦放大；
[0067] 304,所述接收透镜筒将303所述的激光反射的回拨能量进行聚焦后，打到光敏元 件Aro上，触发光电二极管产生电信号，经过后级的放大处理，并再次触发计时芯片的STOP 信号；
[0068] 305,通过所述计时芯片的START与STOP两个信号差对激光飞行时间进行准确计 时，即可计算出激光飞行的光程，实现扫描式激光测距。
[0069] 图4为本实用新型实施例中对于目标区域的测距实现方法示意图，定义如下数 据，对激光测距的计算方面进行简单阐述，如图所示：
[0070] t :所述计时芯片START与STOP两个信号的时间差；
[0071] c:光速； TC.t
[0072] 通过所述时间差，可以计算出激光测距装置到被测物体之间的距离为J=
[0073] 由上述实施例可知，本实用新型实施例中种收发垂直的扫描式激光测距装置基于 激光测距技术，通过垂直轴的设计，可以大大优化整个系统光路，有效避免现阶段主流的激 光测距装置的同轴系统等各种方案的光路遮挡现象，成功最大化光路能量输出，具有较大 的现实意义；仅用光路设计的优化，即可实现光学遮挡的最小化，大幅度提高测距精度；并 且检测精度高，成本低廉，易于推广。
[0074] 本领域内的技术人员应明白，本实用新型的实施例可提供为方法、系统、或计算机 程序产品。因此，本实用新型可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件 方面的实施例的形式。而且，本实用新型可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序 代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的 计算机程序产品的形式。
[0075] 本实用新型是参照根据本实用新型实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产 品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图 中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供 这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设 备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的 指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指 定的功能的装置。
[0076] 这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特 定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指 令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或 多个方框中指定的功能。
[0077] 这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计 算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机 或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框 图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0078] 以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一 步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限定本 实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改 进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种二维扫描式激光测距装置，其特征在于，包括： 激光发射单元，用于产生一束脉冲式激光，并触发计时START信号； 扫描单元：用电机带动45°反光转镜旋转的方式，将所述脉冲式激光在空间内形成一 个二维扫描面； 聚光接收单元，与激光发射方向所在轴线垂直，利用一块中间打孔的倾斜反光镜，在保 证所述激光发射单元，可以将激光从所述倾斜反光镜中间的小孔中打出的同时，将回波能 量的方向从水平方向反射到垂直方向，并配合聚焦、接收并放大激光打到被测物上产生的 漫反射回波能量，并触发计时STOP信号； 计时处理单元，根据所述发射和接收的触发信号，获取激光飞行时间，根据所述飞行时 间计算各点距离，实现对于目标区域扫描式的激光测距。
2. 如权利要求1所述的一种二维扫描式激光测距装置，其特征在于，所述聚光接收单 元包括：倾斜反光镜、聚焦透镜、光电二极管和放大电路。
3. 如权利要求2所述的一种二维扫描式激光测距装置，其特征在于，所述倾斜反光镜 利用中间打孔的方式，在保证所述激光发射单元按产生的脉冲激光可以沿水平光路平行射 出的同时，将回波能量反射到一个合适的接收角度。
4. 如权利要求2所述的一种二维扫描式激光测距装置，其特征在于，所述倾斜反光镜 的倾斜角度范围区间为：30° -60°。
5. 如权利要求2所述的一种二维扫描式激光测距装置，其特征在于，所述倾斜反光镜 与所述扫描单兀中45°反光转镜反光面相对，用于改变回波能量的方向便于接收。
6. 如权利要求2所述的一种二维扫描式激光测距装置，其特征在于，所述倾斜反光镜 的形状可以为椭圆形和八边形。
【文档编号】G01S17/08GK204044359SQ201420382564
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年7月11日 优先权日:2014年7月11日
【发明者】熊若讷, 邓永强, 张英杰, 刘一郎, 姚飞 申请人:武汉万集信息技术有限公司