一种非机械式激光三维扫描系统的制作方法

本发明属于光学技术领域，具体涉及一种非机械式激光三维扫描系统。

背景技术：

在三维精密测量领域，基于激光扫描技术的三维成像系统被广泛应用，激光三维扫描技术主要分为机械式和非机械式两种，现有的机械式激光扫描技术的扫描机构结构较复杂，购买和维护成本较高。而目前非机械式激光扫描技术相关研究较少，其普遍的缺点是精度低，扫描范围小。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种非机械式激光三维扫描系统，通过非机械式的光学装置结合相位法测距原理，实现一定范围的激光三维扫描测量。

本发明包括上位机、激光器控制器、可调谐激光器、准直透镜、光强调制器、柱面镜、虚像相位阵列、闪耀光栅、接收镜头、光电探测器、放大滤波电路、相位法数据处理系统和信号源；所述的可调谐激光器由激光器控制器控制启停。可调谐激光器发出波长在1520nm～1560nm内循环变化的激光。可调谐激光器发出的激光通过准直透镜进入由信号源输入电信号的光强调制器，光强调制器对激光的光强进行频率为k的正弦波信号调制，k取值为20mhz～300mhz。调制后的激光经过柱面镜聚焦在虚像相位阵列上，并通过虚像相位阵列在垂直方向上发生偏转，偏转角度与调制后的激光波长成正比。偏转后的激光打到闪耀光栅上，闪耀光栅的入射光与闪耀光栅的光栅宏观平面成一个角度，闪耀光栅的入射光通过闪耀光栅在水平方向上也发生偏转，偏转角度与闪耀光栅的入射光波长成正比。闪耀光栅的出射光反射到目标上，再通过漫反射由接收镜头汇聚，然后被光电探测器接收。光电探测器将光信号转化为电信号，再经过放大滤波电路传给相位法数据处理系统，相位法数据处理系统同时接收信号源的正弦波电信号，通过对放大滤波电路传来的电信号和信号源传来的正弦波电信号进行检相得到目标的距离；相位法数据处理系统将测距结果传至上位机。上位机对信号源和激光器控制器进行控制。上位机通过两个偏转角度、虚像相位阵列的出射光出射点到闪耀光栅的光栅宏观平面的距离、以及结合相位法测距原理测得反射到目标表面的激光点对应的距离数据，得到反射到目标表面的激光点三维测量数据。

所述波长循环变化的规律为先按步长10pm由最小变化到最大，然后按步长-10pm由最大变化到最小。

在激光波长变化一个周期时，激光通过虚像相位阵列发生偏转的周期数是通过闪耀光栅发生偏转周期数的10～20倍；激光通过虚像相位阵列偏转角度达到最大时重新回到起始角度，使得在激光波长一个变化周期内，目标表面的激光轨迹存在多个激光点轨迹斜线。

本发明具有的有益效果：

本发明通过非机械式的光学装置结合相位法测距原理，实现一定范围的激光三维扫描测量，具有精度高、扫描范围大、成本低和结构简单等优点，为非机械式激光三维测量技术提供了新的思路。

附图说明

图1为本发明的系统原理示意图；

图2为本发明在目标表面形成的激光轨迹示意图。

图中：1、上位机，2、激光器控制器，3、可调谐激光器，4、准直透镜，5、光强调制器，6、柱面镜，7、虚像相位阵列，8、闪耀光栅，9、目标，10、接收镜头，11、光电探测器，12、放大滤波电路，13、相位法数据处理系统，14、信号源。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术方案作进一步描述。

如图1所示，一种非机械式激光三维扫描系统，包括上位机1、激光器控制器2、可调谐激光器3、准直透镜4、光强调制器5、柱面镜6、虚像相位阵列7、闪耀光栅8、接收镜头10、光电探测器11、放大滤波电路12、相位法数据处理系统13和信号源14；可调谐激光器3由激光器控制器2控制启停。可调谐激光器3发出波长在1520nm～1560nm内循环变化的激光，波长循环变化的规律为先按步长10pm由最小变化到最大，然后按步长-10pm由最大变化到最小。可调谐激光器3发出的激光通过准直透镜4进入由信号源14输入电信号的光强调制器5，光强调制器5对激光的光强进行频率为k的正弦波信号调制，k取值为20mhz～300mhz中的一个值。调制后的激光经过柱面镜6聚焦在虚像相位阵列7上，并通过虚像相位阵列7在垂直方向上发生偏转，偏转角度与调制后的激光波长成正比。偏转后的激光打到闪耀光栅8上，闪耀光栅的入射光与闪耀光栅的光栅宏观平面成一个角度，闪耀光栅的入射光通过闪耀光栅在水平方向上也发生偏转，偏转角度与闪耀光栅的入射光波长成正比。

调制后的激光经过两次偏转反射到目标9上，再通过漫反射由接收镜头10汇聚，然后被光电探测器11接收。光电探测器11将光信号转化为电信号，再经过放大滤波电路12传给相位法数据处理系统13，相位法数据处理系统13同时接收信号源14的正弦波电信号(正弦波电信号作为参考信号)，通过对放大滤波电路12传来的电信号和信号源14传来的正弦波电信号进行检相得到目标的距离；相位法数据处理系统13将测距结果传至上位机1。上位机1对信号源14和激光器控制器2进行控制。上位机1通过两个偏转角度、虚像相位阵列7的出射光出射点到闪耀光栅8的光栅宏观平面的距离、以及结合相位法测距原理测得反射到目标9表面的激光点对应的距离数据，得到反射到目标9表面的激光点三维测量数据。

虚像相位阵列7的自由光谱范围一般为50ghz，这比闪耀光栅8的自由光谱范围小，也就是说虚像相位阵列7的偏转角度分辨率比闪耀光栅8高，所以在激光波长变化一个周期时，激光通过虚像相位阵列7发生偏转的周期数(本实施例在8～18个中取值)大于通过闪耀光栅8发生偏转的周期数，且是通过闪耀光栅8发生偏转周期数的10～20倍(本实施例中取15倍)，激光通过虚像相位阵列7偏转角度达到最大时重新回到起始角度，这样在激光波长一个变化周期(本实施例为1520nm～1560nm)内，目标表面的激光轨迹存在多个激光点轨迹斜线；由于可调谐激光器3发出的激光波长步长很小，所以，相邻两条激光点轨迹斜线的间距很小，扫描测量精度高；另外，激光通过闪耀光栅8发生偏转时最大偏转角度与最小偏转角度之差相对较大，所以扫描测量范围大。

本发明中目标9表面上的激光轨迹如图2所示，实心圆点为激光轨迹的起始点，实线为激光点轨迹斜线，虚线为相邻两条激光点轨迹斜线的首尾连线，激光点从起始点沿激光点轨迹斜线从下到上扫，直到一个波长周期结束；下一个波长周期时，激光点再沿下一条激光点轨迹斜线从下到上扫，直到该波长周期结束，如此重复。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种非机械式激光三维扫描系统。现有非机械式激光扫描技术精度低，扫描范围小。本发明的可调谐激光器发出的激光通过准直透镜进入光强调制器，调制后的激光经过柱面镜聚焦在虚像相位阵列上，在垂直方向上发生偏转，偏转后的激光打到闪耀光栅上，在水平方向上也发生偏转，闪耀光栅的出射光反射到目标上，再通过漫反射由接收镜头汇聚，然后被光电探测器接收；光电探测器将光信号转化为电信号，再经过放大滤波电路传给相位法数据处理系统，相位法数据处理系统对放大滤波电路传来的电信号和信号源传来的正弦波电信号进行检相得到目标距离，将测距结果传至上位机。本发明精度高、扫描范围大。

技术研发人员：时光;黑克非;郑磊珏;王文
受保护的技术使用者：杭州电子科技大学
技术研发日：2018.04.04
技术公布日：2018.11.06