三维激光扫描装置的制作方法

本发明涉及激光扫描领域，具体而言，涉及一种三维激光扫描装置。

背景技术：

三维激光扫描仪是一种利用激光进行非接触测量，在短时间内提取物体空间三维(3D)数据的设备。三维激光扫描仪收集的三维数据以点的形式组成，通过软件解算点云数据可以得到完整的3D模型数据。利用三维激光扫描仪获取外部空间3D数据信息，并以此作为底层数据进行进一步开发的领域越来越广。现有的三维激光扫描仪主要有：(1)激光发射模块采用单点激光发射，激光接收模块采用单点接收，系统通过二维扫描振镜或者扫描棱镜实现二维扫描，从而得到一定空间范围内的三维点云数据。比如中国专利CN201280010933.8；(2)激光发射模块采用多元激光发射，激光接收模块采用一一对应的多元接收模块，并且系统在水平方向进行旋转来获取空间点云数据，如中国专利CN 201410347673.4。以上提到激光扫描雷达的均可得到点云数据，但实际应用中方法(1)需要配合光学机构扫描，光机结构形式复杂，需要对旋转的光学结构件进行编码，因而光学结构调试困难。同时，通过一个点对空间进行扫描成像一次只能测一个目标，效率相对较低。方法(2)中的激光发射单元与激光接收单元为一一对应关系，需要将激光发射单元与激光接收单元设计成可插拔的小型电路板，然后以一定的空间关系插在主板上，因此，对于激光发射单元与激光接收单元需要进行单独定制。另外，此方法在后期装配调试时，需要发射单元与接收单元进行同光轴调试使得每个发射单元与接收单元一一对应，因此线数越多其装配与调试越困难。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种三维激光扫描装置，通过发出线列激光进行多线扫描，提高了三维激光扫描装置的扫描效率，且结构简单，易于安装，价格低廉。

为了达到上述的目的，本发明实施例采用的技术方案如下所述：

一种三维激光扫描装置，包括旋转模块、固定模块和激光发生单元，所述旋转模块可转动地设置在所述固定模块上，所述旋转模块包括激光发射组件、激光接收组件和数据处理组件，所述激光发生单元被配置为发出激光，所述激光发射组件被配置为将所述激光发生单元发出的激光整形为具有视场角的线列激光并向目标物体所在的空间发射所述线列激光，所述激光接收组件被配置为接收经由目标物体反射的线列激光并进行光电转换以得到电信号，所述数据处理组件被配置为处理所述电信号以得到目标物体的空间三维数据。

进一步地，所述激光发射组件包括激光准直装置和线列激光发生装置，所述激光准直装置被配置为将所述激光发生单元发出的激光调整为准直的激光，所述线列激光发生装置被配置为将所述调整后的准直的激光整形为具有视场角的线列激光。

进一步地，所述线列激光发生装置为非球面棱镜。

进一步地，所述激光发射组件还包括光路引导单元，所述光路引导单元被配置为将所述激光准直装置调整后的激光进行引导，使所述调整后的激光准直地进入所述线列激光发生装置。

进一步地，所述光路引导单元包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜设置于所述固定模块，所述第二反射镜设置于所述旋转模块，所述第一反射镜被配置为将所述激光准直装置调整后的激光反射至所述第二反射镜，所述第二反射镜被配置为将所述第一反射镜反射的激光准直地反射至所述线列激光发生装置。

进一步地，所述激光接收组件包括聚光单元和阵列探测单元，所述聚光单元被配置为将目标物体反射的线列激光进行汇聚，所述阵列探测单元被配置为接收所述被汇聚的线列激光。

进一步地，所述旋转模块还包括转台和角度位置编码器，所述角度位置编码器、激光发射组件和激光接收组件均安装于所述转台，所述固定模块包括角度位置解码器和电机，所述电机与所述转台连接，所述角度位置编码器被配置为测量所述转台的旋转角度数据，所述角度位置解码器被配置为解读所述旋转角度数据以得到所述转台的旋转角度。

进一步地，所述数据处理组件包括激光驱动电路、种子光探测电路、回光探测电路、电机控制电路和数据处理电路，所述数据处理电路与所述激光驱动电路、种子光探测电路、回光探测电路、电机控制电路均连接，

所述数据处理电路被配置为控制所述激光驱动电路驱动所述激光发生单元发出激光及接收所述激光发生单元反馈的信息，以及

被配置为控制所述种子光探测电路探测所述激光发生单元发出的种子光及接收所述种子光探测电路反馈的种子光脉冲信号，以及

被配置为控制所述回光探测电路探测所述激光接收单元接收到的经由目标物体反射的线列激光以及接收所述回光探测电路反馈的回光脉冲信号，以及

被配置为控制所述电机控制电路驱动所述电机及接收所述电机控制电路反馈的信息。

进一步地，所述数据处理电路包括第一数据处理电路和第二数据处理电路，所述第一数据电路与所述种子光探路电路、所述回光探测电路均连接，所述第二数据电路与所述激光驱动电路、电机控制电路均电连接，所述第一数据电路和所述第二数据电路通信连接，所述第一数据处理电路被配置为根据接收到的所述种子光探测电路反馈的种子光脉冲信号以及所述回光探测电路反馈的回光脉冲信号进行测距计算，得到目标物体的距离和灰度，所述第二数据处理电路被配置为完成激光驱动电路的算法和电机控制电路的算法，以及向外部设备输出数据和进行通信。

进一步地，所述激光发生单元设置于所述固定模块。

本发明提供了一种三维激光扫描装置，包括旋转模块、固定模块和激光发生单元，旋转模块可转动地设置在固定模块上，旋转模块包括激光发射组件、激光接收组件和数据处理组件。本发明通过激光发生单元产生激光，激光发射组件将激光整形为具有视场角的线列激光并投射到物体所在的空间，并由激光接收组件接收物体反射回的线列激光进行光电转换得到电信号，数据处理组件对电信号进行处理以得到目标物体的空间三维数据。本发明通过线列激光旋转扫描目标物体，提高了三维激光扫描装置的扫描效率，且结构简单，易于安装，价格低廉。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1是本发明实施例提供的三维激光扫描装置的结构示意图。

图2是本发明实施例提供的三维激光扫描装置的结构原理示意图。

图3是本发明实施例提供的激光发射组件的工作原理图。

图4是本发明实施例提供的数据处理组件的电气连接结构示意图。

图标：100-三维激光扫描装置；10-旋转模块；11-激光发射组件；111-激光准直装置；112-线列激光发生装置；113-光路引导单元；113a-第一反射镜；113b-第二反射镜；12-激光接收组件；121-聚光单元；122-阵列探测单元；123-模拟放大单元；13-数据处理组件；131-第一数据处理电路；132-第二数据处理电路；133-种子光探路电路；134-回光探测电路；135-激光驱动电路；136-电机控制电路；137-网口；14-转台；15-角度位置编码器；20-固定模块；21-角度位置解码器；22-电机；30-激光发生装置；200-目标物体；300-外部设备。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

请参照图1，是本发明实施例提供的三维激光扫描装置100的结构示意图，该三维激光扫描装置100包括旋转模块10、固定模块20和激光发生单元30。旋转模块10可转动地设置在固定模块20上。在本实施例中，激光发生单元30设置于固定模块20。

旋转模块10包括转台14和角度位置编码器15。角度位置编码器15安装于转台14，固定模块20包括角度位置解码器21和电机22。电机22与转台14连接，在本实施例中，电机22通过带轮带动转台14旋转。角度位置编码器15被配置为测量转台14的旋转角度数据，角度位置解码器21被配置为解读该旋转角度数据以得到转台14的旋转角度。

请参照图2，是本发明实施例提供的三维激光扫描装置100的结构原理示意图。该三维激光扫描装置100的旋转模块10还包括激光发射组件11、激光接收组件12和数据处理组件13，激光发射组件11和激光接收组件12均安装于转台14。激光发生单元30被配置为发出激光，该激光发生单元30可以为激光器。激光发射组件11被配置为将激光发生单元30发出的激光整形为具有视场角的线列激光并向目标物体200所在的空间发射该线列激光，线列激光为排列均匀形成阵列的激光，视场角即线列激光的发散角，视场角包括水平视场角和垂直视场角，线列激光的视场角根据实际需要而自由设定，本实施例对此不做限定。

在本实施例中，激光发射组件11包括激光准直装置111和线列激光发生装置112。激光准直装置111被配置为将激光发生单元30发出的激光调整为准直的激光，可以理解为将激光发生单元30发出的具有发散角的激光调整为相互平行的激光束。线列激光发生装置112被配置为将调整后的准直的激光整形为具有视场角的线列激光。线列激光发生装置112将准直的激光进行扩散，形成具有视场角的线列激光，该线列激光各光束排列均匀笔直，在本实施例中，激光准直装置111为准直镜，线列激光发生装置112为非球面棱镜，如鲍威尔棱镜。采用鲍威尔棱镜可以产生一条笔直均匀的激光线。请参照图3，是激光发射组件11的工作原理图。激光发生单元30产生的激光经由激光准直装置111准直后进入线列激光发生装置112，整形形成线列激光。其中，从准直镜出射的光斑尺寸与鲍威尔柱面非球面棱进行匹配设计，使得激光从鲍威尔棱镜出射后达到指定的发散角。它们可通过在一个维度上以扇形发散一束准直光而产生一条笔直、均匀的激光线。

由于在某些设计需要中，激光发生单元30与线列激光发生装置112的距离较远，使得激光发生单元30发出的激光与线列激光发生装置112并未在一条水平线上，需要将激光发生单元30发出的激光进行引导，使激光进入线列激光发生装置112，为了达到此目的，作为优选的，本实施例提供的激光发射组件11还包括光路引导单元113，该光路引导单元113被配置为将激光准直装置111调整后的激光进行引导，使调整后的激光准直地进入线列激光发生装置112。作为一种较佳的实施方式，光路引导单元113包括第一反射镜113a和第二反射镜113b。第一反射镜113a设置于固定模块20，第二反射镜113b设置于旋转模块10。激光准直装置111调整后的激光照射在第一反射镜113a上，第一反射镜113a被配置为将激光准直装置111调整后的激光反射至第二反射镜113b，第二反射镜113b被配置为将第一反射镜113a反射的激光准直地反射至线列激光发生装置112。作为优选地，第一反射镜113a和第二反射镜113b均可以自由地转动，以便于调整角度。需要说明的是，在其他实施例中，光路引导单元113还可以增加或者减少反射镜的数量，以达到调整光路方向的作用，本发明实施例对此不做限定。

激光发射组件11发出的线列激光照射在目标物体200上后，会产生漫反射，使得一部分线列激光反射进入激光接收组件12。激光接收组件12被配置为接收经由目标物体200反射回的线列激光，即回波激光。具体的，激光接收组件12包括聚光单元121和阵列探测单元122。该聚光单元121被配置为将目标物体反射的线列激光进行汇聚，阵列探测单元122被配置为接收被汇聚的线列激光。在本实施例中，聚光单元121为非球面的聚光镜，阵列探测单元122为阵列探测器。作为优选的，激光接收组件12还包括模拟放大单元123，聚光镜将反射回的阵列激光汇聚到阵列探测器上，阵列探测器将汇聚的阵列激光进行光电转换得到电信号，并将得到的电信号发送至模拟放大单元123，模拟放大单元123将该电信号进行放大并将放大后的电信号发送至数据处理组件13。

数据处理组件13被配置为处理该电信号以得到目标物体的空间三维数据。具体的，请参照图4，是该数据处理组件13的组成示意图。数据处理组件13包括激光驱动电路135、种子光探测电路133、回光探测电路134、电机控制电路136和数据处理电路，数据处理电路包括第一数据处理电路131和第二数据处理电路132，第一数据处理电路131与种子光探测电路133、回光探测电路134均连接，第二数据处理电路132与激光驱动电路135、电机控制电路136均电连接，第一数据处理电路131和第二数据处理电路132通信连接。

第二数据处理电路132被配置为控制电机控制电路136驱动电机22并接收电机控制电路136反馈的信息。电机22接收到电机控制电路136的控制信号后开始工作，带动转台14旋转，转台14转动带动激光发射组件11转动，以实现水平方向360°的扫描，得到目标物体200的整体数据。

第二数据处理电路132还被配置为控制激光驱动电路135驱动激光发生单元30发出激光并接收激光发生单元30反馈的信息。

第一数据处理电路131被配置为控制种子光探测电路133探测激光发生单元30发出的种子光及接收种子光探测电路反馈的种子光脉冲信号。激光发生单元30在产生激光时，种子光被种子光探测电路133探测到并记录探测到的时间。

第一数据处理电路131还被配置为控制回光探测电路134探测激光接收单元12接收到的经由目标物体反射的线列激光以及接收回光探测电路134反馈的回光脉冲信号。激光发射组件11发出的线列激光被目标物体200发射并进入激光接收组件12后，回光探测电路134探测到经由目标物体反射的线列激光，并记录接收到反射的线列激光的时间。

第一数据处理电路131还被配置为根据接收到的种子光探测电路133反馈的种子光脉冲信号以及回光探测电路134反馈的回光脉冲信号进行测距计算，得到目标物体的距离和灰度。具体的，该测距计算依据TOF(time of flight，飞行时间)原理进行测距，即

其中，L为距离，c为光速，t为激光从发射到接收的时间，即回光探测电路134接收到回光脉冲信号的时间减去种子光探测电路133接收到种子光脉冲信号的时间。根据回光探测电路134反馈的回光脉冲信号的脉冲宽度，匹配相应的算法，还可以得带目标物体200的灰度。

第一数据处理电路131具有两种工作模式，可根据应用需要相互切换。模式一：多路回光信号同时接收处理，该模式可充分利用阵列探测器的特点，对目标物体200进行密集探测；模式二：多路回光信号编码循环周期处理，即对每路回光信号进行编码，同一时刻只解算一路回光信号，依次循环。

第二数据处理电路132还被配置为完成激光驱动电路135的算法和电机控制电路136的算法，以及向外部设备300输出数据和进行通信，改数据可以是第二数据处理电路132接收的第一数据处理电路131处理得到的数据，具体的，数据处理组件13还包括网口137，第二数据处理电路132通过网口137与外部设备300进行通信，以输出数据或接收指令。

第一数据处理电路131和第二数据处理电路132可以为各种具有数据处理功能的模块，在本实施例中，第一数据处理电路131和第二数据处理电路132为FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)。

综上所述，本发明实施例提供的三维激光扫描装置包括旋转模块、固定模块和激光发生单元。旋转模块可转动地设置在固定模块上，旋转模块包括激光发射组件、激光接收组件和数据处理组件。本发明通过激光发生单元产生激光，激光发射组件将激光整形为具有视场角的线列激光并投射到物体所在的空间，并由激光接收组件接收物体反射回的线列激光进行光电转换得到电信号，数据处理组件对电信号进行处理以得到目标物体的空间三维数据。本发明通过线列激光旋转地扫描目标物体，提高了三维激光扫描装置的扫描效率，且结构简单，易于安装，价格低廉。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接，也可以是通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。