一种基于锥形反射镜的无扫描激光三维成像装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种激光三维成像装置，能够在垂直于运动方向的平面内实现360度范围的激光三维成像。
【背景技术】
[0002]在激光雷达和激光三维扫描仪领域，目前常采用旋转机械扫描的方式来实现360°范围的目标探测。机械扫描通常需要高精度的编码器和稳定的扫描伺服系统，造成整个激光雷达和激光三维扫描仪的体积庞大，成本也较高。另外，机械扫描还会造成测量时间较长的问题，而高速的机械扫描又会降低仪器的使用寿命。
[0003]目前，已有新型扫描技术被引入激光三维成像领域，包括晶体扫描、压电扫描和MEMS扫描等。晶体扫描具有高速和高可靠的特点，但是，通常的扫描角度非常小，而且晶体对激光的透过率较低，会导致光学效率的下降。压电扫描是利用压电陶瓷的特性实现镜子的偏转，单个镜片就能实现高速的二维扫描，具有高速、高可靠和小型化的特点，但是，该方式扫描角度较小，且需要较复杂的反馈系统对扫描角度进行控制和采集。MEMS扫描是在微电子技术基础上发展起来的微型机电系统，具有小型化、低功耗和高可靠性的优点，扫描功能集成在芯片内，可以实现较大角度的快速扫描，但是，其扫描镜面尺寸仅有几个_，难以满足当前接收探测的要求。
[0004]通过采用面探测器件，非扫描技术目前也已经引入三维成像激光雷达中。主要的面探测器件包括焦平面光电二极管(PIN)探测器、焦平面雪崩光电二极管(APD)探测器和像增强(XD (1C⑶)等。焦平面PIN探测器和焦平面AH)探测器的每一个像元都相当于一个PIN探测器和APD探测器，具有独立的时间测量能力，因此，面阵的PIN探测器和APD探测器可以对面目标进行距离测量，即实现目标的三维成像。ICCD的像增强部分具有增益控制功能，可以对固定时刻进行选通成像，通过这种方式可以实现对面目标的三维成像。上述的面探测器件无需扫描即可实现一定角度范围的三维测量，但是，此类器件的像素分辨率较低，造成角度分辨率较低，且价格非常高，不适于在常规商用激光三维成像仪器上使用。
[0005]为了实现高速、高分辨率、小型化和低成本的激光三维扫描仪，迫切需要一种无需扫描，且具有较高角度分辨率和较低成本的激光三维成像装置。
【发明内容】
[0006]本发明的技术解决问题是:针对目前扫描系统面临的可靠性和小型化问题，以及无扫描技术面临的指标和成本问题，提出了一种基于锥形反射镜的无扫描激光三维成像装置，该装置能够同时具有无扫描、小型化、高分辨率和低成本的技术优势，实现无扫描360度激光三维成像。
[0007]本发明的技术解决方案是:一种基于锥形反射镜的无扫描激光三维成像装置，包括激光器、发射锥形反射镜、接收锥形反射镜、接收透镜、CCD相机和图像处理模块，发射锥形反射镜和接收锥形反射镜的面形均为圆锥形，其中发射锥形反射镜的锥角为90°且锥角朝向激光器，接收锥形反射镜与发射锥形反射镜的轴心一致而锥角朝向相反，接收锥形反射镜的锥角大于90° ;激光器沿发射锥形反射镜的轴心方向发射圆光斑激光，激光经过发射锥形反射镜反射后，在垂直于发射反射镜轴心的平面内形成一个激光圆环，所述激光圆环照射到360°范围目标的回波返回到接收锥形反射镜，并经接收锥形反射镜反射到接收透镜，由接收透镜将激光回波聚焦到CCD相机上形成闭合曲线像，图像处理模块通过对所述闭合曲线像上各像点的角度和距离计算，获得所述360°范围目标的距离和角度，再经过直角坐标变换获得所述360°范围目标的三维直角坐标。
[0008]所述360 °范围目标的三维直角坐标为(X，y，z)，其中X = RXcos a，y =RXsina，z为所述圆光斑激光从发射点到发射反射镜的反射点的距离，α为所述闭合曲线像上像点的角度，R = dXtg[arctg(r/f)-( Θ /2-45) X 2]，d为发射锥形反射镜反射的激光所在平面和接收锥形反射镜的半高圆形截面所在平面的距离，f为接收透镜的焦距，r为所述闭合曲线的半径，Θ为所述接收锥形反射镜的锥角。
[0009]所述的激光器发射光斑的直径与发射锥形反射镜的直径相同。
[0010]所述的发射锥形反射镜的直径5mm，所述的接收锥形反射镜的锥角为120°，直径30_，发射锥形反射镜反射的激光所在平面和接收锥形反射镜的半高圆形截面所在平面的距离d为20_。
[0011]所述的激光器为波长808nm的半导体激光器。所述的接收透镜为直径30mm双胶合凸透镜，焦距50mm。所述的(XD相机分辨率为2592X 1944，光敏面尺寸为0.5英寸。
[0012]本发明与现有技术相比的优点在于:
[0013](1)本发明采用发射锥形反射镜形成圆形发射光，无需扫描即可连续覆盖360°范围，实现360°无扫描探测，省去了转动结构和电机，比旋转扫描三维成像技术具有更高的可靠性和紧凑型；
[0014](2)本发明通过同轴的接收锥形反射镜接收圆形发射光的回波并成像到CCD焦平面器件上，根据接收回波在CCD焦平面上闭合曲线到中心像素的距离来测量目标距离，借助于高分辨率的CCD来实现角度的高分辨率，实现360°范围连续光成像，相比点扫描激光三维成像的点密度依赖于激光重频、扫描速度和光斑直径等多个因素，连续光成像的空间分辨率仅仅受成像器件的分辨率限制，具有更高的空间分辨率，且整个装置结构简单，所用器件的成本较低，能够满足无扫描、小型化、高分辨率和低成本激光三维成像的需求；
[0015](3)本发明对激光回波信号进行连续成像，根据图像像点到图像中心的距离计算目标距离，根据像点在图像上的平面角度计算目标的角度，相比扫描三维成像技术需要高速采样和高速数字处理电路来提高探测速率，本发明装置只需要采用低速的成像器件(如CCD)和进行简单的图像坐标计算，具有更低的成本和技术难度。
【附图说明】
[0016]图1为本发明成像装置的组成及测量原理图。
【具体实施方式】
[0017]如图1所示，为本发明基于锥形反射镜的无扫描激光三维成像装置的组成及测量原理示意图，本发明装置主要包括激光器1、发射锥形反射镜2、接收锥形反射镜3、接收透镜4、(XD相机5和图像处理模块6。
[0018]激光器1沿发射锥形反射镜2的轴心方向发射圆光斑激光，激光入射到锥角为90°的发射锥形反射镜2的顶点。激光经过发射锥形反射镜2反射后，在垂直于发射反射镜2轴心的平面内形成一个激光圆环。该圆环照射到360°范围目标的回波返回到接收锥形反射镜3。接收锥形反射镜3与发射锥形反射镜2的轴心一致而顶点方向相反，接收锥形反射镜3将目标回波反射到接收透镜4，由接收透镜4将其聚焦到CCD相机5上形成闭合曲线像，也即在CCD相机5上形成的目标激光回波像为围绕原点的闭合曲线，CCD相机5的中心像素为原点，曲线上的像