一种激光扫描成像系统的制作方法

本申请涉及激光成像领域，特别是涉及一种激光扫描成像系统。

背景技术：

激光成像方法是利用激光束对周围物体进行感知，以点云数据的形式反映周围物体的位置及形貌，具有测量分辨率高、速度快，体积小、重量轻等特点。扫描式激光成像系统是被广泛应用的一种激光成像系统，其利用机械扫描控制激光在空间中的运动实现激光扫描成像的功能。光学系统控制激光在系统中的传播方向及汇聚发散，光学系统的结构形式决定了整个激光成像系统的结构形式，其难点在于如何将机械扫描结构与光学系统有效的结合在一起。

技术实现要素：

本申请提供一种激光扫描成像系统，能够减小激光成像系统中光机结构的体积以及实现对目标物体进行多线扫描。

为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供一种激光扫描成像系统，所述系统包括：激光发射光学系统，用于发射激光；旋转扫描单元，包括旋转机构以及至少两个反射元件，所述至少两个反射元件固定于所述旋转机构，且每个所述反射元件的反射面与所述旋转机构的旋转轴之间均存在预设的夹角，用于将所述激光投射至目标物体；激光接收光学系统，和所述激光发射光学系统设置于所述旋转扫描单元的同侧或对侧，用于接收所述目标物体反射回的所述激光。

本申请的有益效果是：提供一种激光扫描成像系统，通过将多个反射元件的反射面相对于旋转机构的旋转轴之间存在预设夹角，且进一步结合激光发射光学系统以及激光接收光学系统，能够减小激光成像系统中光机结构的体积以及实现对目标物体进行多线扫描。

附图说明

图1是本申请激光扫描成像系统第一实施方式的结构示意图；

图2是本申请激光扫描成像系统第二实施方式的侧视示意图；

图3是本申请旋转扫描单元第一实施方式的扫描示意图；

图4是本申请旋转扫描单元第一实施方式的扫描结果示意图；

图5是本申请激光扫描成像系统第三实施方式的侧视示意图；

图6是本申请激光扫描成像系统第四实施方式的俯视示意图；

图7是本申请激光扫描成像系统第四实施方式的侧视示意图；

图8是本申请旋转扫描单元第二实施方式的扫描示意图；

图9是本申请旋转扫描单元第二实施方式的扫描结果示意图；

图10是本申请激光扫描成像系统第五实施方式的结构示意图；

图11是本申请旋转扫描单元第三实施方式的扫描示意图；

图12是本申请激光扫描成像系统第六实施方式的结构示意图；

图13是本申请激光扫描成像系统第七实施方式的结构示意图；

图14是本申请旋转扫描单元第四实施方式的扫描示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

下文术语第一、第二等可在本文中用于描述各种元器件，但这些元器件不应由这些术语限制，这些术语仅用于将元件彼此区分开。例如，第一元件可以称作第二元件，并且相似地，第二元件可以称作第一元件，而不偏离本申请的范围。

请参阅图，图1为本申请激光扫描成像系统第一实施方式的结构示意图。本实施例中所提供的激光扫描成像系统10包括：激光发射光学系统11、旋转扫描单元12以及激光接收光学系统13。

其中，激光发射光学系统11用于发射激光，包括激光器111及第一准直组件112。本实施例中，激光器111的个数为1，且本实施例中采用的激光器111可以为包括但不限于半导体激光器、光纤激光器、固体激光器以及发光二极管(LED)中的一种。在本申请的一应用场景中所采用的激光器111为半导体激光器，其优点是体积小、结构简单、可直接调制以及效率高。当然，在其它实施例中也可以采用上述任一所述的发射元件作为激光器，本申请不做进一步地限定。

第一准直组件112用于改善激光器111发射的激光光束的性能，因激光发射器111发射的激光光束可能存在象散、形状不对称以及具有几度到几十度不等的发散角度，为保证其定位的准确性，故需对激光光束进行准直和整形，使得激光光束发散角有效的压缩，成为符合要求形状的光束，进而使得激光能够传输更远的距离。其中，第一准直组件112可以为包括但不限于普通透镜组合准直系统、非球面单透镜的准直系统、长焦距大孔径的光学系统、柱面镜加普通光学系统、宏/围观光学元件结合准直系统以及光纤和普通透镜组合准直系统中的一种。本实施例中所采用的第一准直组件112为普通透镜组合准直系统，在其它实施例中可以采用上述任一所述的准直光学系统对激光发射器111发出的激光光束进行准直和整形处理，本申请不做进一步限定。此外，在本申请具体的应用场景中，激光发射器111和第一准直组件112可共同装载于同一载体，也可安装在不同的载体上，以使得最终满足激光发射器111出射的激光光束在第一准直组件112的焦点上。

旋转扫描单元12，包括旋转机构(图未示)以及至少两个反射元件A。其中，至少两个反射元件A固定于旋转机构，且每个反射元件A的反射面与旋转机构的旋转轴B之间均存在预设的夹角，用于将激光投射至目标物体。在具体的实施例中，旋转扫描单元12至少包括两个与旋转机构的旋转轴B之间存在预设倾角反射元件A，具体可以是两个、四个、六个等等，此处不做进一步限定。

本申请中反射元件A具体可以为平面反射镜，当然在其它应用场景中，也可以采用其他反射元件，此处不做进一步限定。本实施例中，第一准直组件112对激光器111出射的激光束进行整形，使得激光光束的发散角有效的压缩，使其能够传输更远的距离，且准直后的激光束经过旋转扫描单元12改变激光的传播方向，以使得所述激光投射到空间的目标物体上。

进一步参阅图1，激光接收光学系统13进一步包括第二准直组件131及激光接收器132。激光接收光学系统13的作用是尽可能的收集经目标反射后的光能量，并将其汇聚到激光接收器132的光敏面上，以提高探测距离，且一般接收光学系统的光学增益越大，对提高探测距离所起的作用就越大。其中，本实施例中的激光接收光学系统13以及激光发射光学系统11设置于旋转扫描单元12的同侧，且激光接收光学系统13以及激光发射光学系统11的光轴平行，其中可以包括光轴平行且重合或者光轴平行但不重合的情况。

其中，第二准直组件131用于改善接收经过目标物体漫反射反射回的激光光束的性能，并将性能改善后的激光光束汇聚至激光接收器132。可选地，第二准直组件131可以为包括但不限于采用普通透镜组合准直系统、非球面单透镜的准直系统、长焦距大孔径的光学系统、柱面镜加普通光学系统、宏/围观光学元件结合准直系统以及光纤和普通透镜组合准直系统中的一种。本实施例中所采用的第二准直组件131为普通透镜组合准直系统，用于将经过目标物体漫反射反射回来的激光光束进行准直和整形，使得激光光束进行汇聚变成激光点光斑投射到激光接收器132的光敏面上。

激光接收器132，用于接收经过第二准直组件131后性能改善的激光光束，本实施例中激光接收器132的个数为1个，且采用的激光接收器132可以为包括但不限于光电探测器、硅光电池以及成像探测器中的一种。在激光接收光学系统中，激光接收器132是核心部件，故本申请中采用光电探测器作为激光接收器132，具体可以是光电二极管，再进一步可以为高内部增益、体积小以及可靠性高的雪崩光电二极管。在其它实施例中也可以采用上述任一所述的激光接收器，本申请不做进一步地限定。此外，在本申请一应用场景中，激光接收器132和第二准直组件131可共同装载于同一载体，也可安装在不同的载体上，以使得最终满足激光接收器132接收的激光光束在第二准直组件131的焦点上。

上述实施方式，通过将至少两个反射元件固定于旋转机构，设置每个反射元件的反射面和旋转机构的旋转轴之间存在预设夹角，且进一步结合激光发射光学系统以及激光接收光学系统，能够减小激光成像系统中光机结构的体积以及实现对目标物体进行多线扫描。

请进一步参阅图2-3，图2为本申请激光扫描成像系统第二实施方式的侧视示意图，图3为本申请旋转扫描单元第一实施方式的扫描示意图。具体地，本实施例中的旋转扫描单元12包括第五反射元件A5以及第六反射元件A6。其中，第五反射元件A5以及第六反射元件A6的反射面和旋转机构的旋转轴B之间均存在预设夹角，且本实施例中的反射元件的个数为2个，且采用平面反射镜，激光器的个数为1个。

与传统反射镜不一样的是，本申请中的第五反射元件A5以及第六反射元件A6两个反射面与旋转轴B有一定的倾角，如图3所示，第五反射元件A5以及第六反射元件A6与旋转轴B的夹角相同，均为θ。其中θ的范围可以为0到5度之间的任意角度值均可，具体可以是0度、2.5度以及5度等等。当然在其它实施例中，第五反射元件A5以及第六反射元件A6与旋转轴B之间的夹角也可以不相同。

本实施例中，具体参见图3，当激光光束水平入射到第五反射元件A5时，激光被反射到入射的水平面上方，并扫描出一条直线，其出射面与入射面的夹角为2θ；当激光水平入射到第六反射元件A6时，激光被反射到入射的水平面下方，并扫描出一条直线，其出射面与入射面的夹角为-2θ。最终，旋转扫描单元12在入射水平面上下方各扫描出一条直线，如图4所示，图4为本申请旋转扫描单元第一实施方式的扫描结果示意图，两条直线的角度由第五反射元件A5以及第六反射元件A6的反射面与旋转机构的旋转轴B之间的夹角θ决定。根据应用需求，第五反射元件A5以及第六反射元件A6与旋转轴的倾角可以设置为相等，也可以不相等，扫描出来的直线也可以都在入射面上方或者下方，或者是一条直线在上方，另一条直线在下方，此处本申请不做进一步限定。

进一步，旋转扫描单元12将经过反射元件后扫描出来的激光投射至空间中，对目标物体进行测量，经目标物体漫反射回的激光进入第二准直组件，第二准直组件对接收到的目标物体反射回的激光光束进行准直和整形，使得激光光束进行汇聚变成激光点光斑投射到激光接收器的光敏面上进行光电转换，再经由后续的放大和检测等来实现对目标的探测。

相对于传统的将反射元件的反射面与旋转轴轴平面平行设置的方式来说，本实施例中通过设置第五反射元件A5以及第六反射元件A6的反射面与旋转机构的旋转轴之间的夹角相同或者不相同，从而实现空间的两线扫描。

请进一步参阅图5，图5为本申请激光扫描成像系统第三实施方式的侧视示意图。本实施例和激光扫描成像系统第三实施方式大致相同，不同之处在于本实施例中，旋转扫描单元的两侧同时放置两组对应的激光发射光学系统和激光接收光学系统，且相同之处不再赘述，具体描述如下：

本实施例中所提供的激光扫描成像系统20包括：激光发射光学系统21及激光接收光学系统22、旋转扫描单元23以及激光发射光学系统24和激光接收光学系统25。

其中，激光发射光学系统21、24用于发射激光，旋转扫描单元23，包括旋转机构(图未示)以及至少两个反射元件，本实施例中的采用两个反射元件A5和A6，且均选用平面反射镜。激光接收光学系统22、25用于接收目标物体漫反射回的反射光线，并进一步将该反射光线进行光电转化，以实现对目标物体的多线扫描。

本实施例中，通过对设置于旋转扫描单元23两侧的激光收发光学系统进行分时工作，可以实现对目标物体的四线扫描。即在一预设的时间周期内，激光发射光学系统21及激光接收光学系统22先进行工作，可以实现对目标物体的两线扫描，在预设周期的下一时刻激光发射光学系统24和激光接收光学系统25开始工作，则也可以实现对目标物体的两线扫描，即通过对两组激光收发光学系统进行分时工作，可实现对目标物体的四线扫描。

当然，本实施例中只是示意性的举例，在具体实施方式中还可以是在旋转单元的两侧分别设置多组激光收发光学系统，且对其进行分时工作，可以实现对空间目标物体的多线扫描。

本实施例中，通过在旋转单元的两侧分别对应设置两组激光收发光学系统可以实现对目标物体两线扫描的水平角度测量范围扩展。

请进一步参阅图6-8，图6为本申请激光扫描成像系统第四实施方式的俯视示意图，图7为本申请激光扫描成像系统第四实施方式的侧视示意图，图8为本申请旋转扫描单元第二实施方式的扫描示意图。

具体地，本实施例中的激光扫描成像系统30包括：激光发射光学系统31、旋转扫描单元32以及激光接收光学系统33。其中，激光发射光学系统31以及激光接收光学系统33的详细描述可以参照上文的具体描述，此处不再赘述。且本实施例中所采用的激光器和激光接收器的个数均为1个，且激光发射光学系统31和激光接收光学系统33设置于旋转扫描单元32的同侧。

具体地，本实施例中的旋转扫描单元32包括第一反射元件A1、第二反射元件A2、第三反射元件A3以及第四反射元件A4。可选地，第一反射元件A1、第二反射元件A2、第三反射元件A3以及第四反射元件A4的反射面和与旋转机构的旋转轴B之间均存在夹角不同。

参与图8，第一反射元件A1的反射面与旋转机构的旋转轴B之间的夹角θ1为正0.4度，第二反射元件A2的反射面与旋转机构的旋转轴B之间的夹角θ2为负0.4度，第三反射元件A3的反射面与旋转机构的旋转轴B之间的夹角θ3为0度，第四反射元件A4的反射面与旋转机构的旋转轴B之间的夹角θ4为正0.8度。如图8，当水平入射的激光束经过与旋转轴B之间的夹角为θ1的第一反射元件A1后，激光束将第一反射元件A1反射出去，且其反射激光束所在的反射光束平面与水平面的夹角为2θ1，即正0.8度，并在此平面上扫描出一条直线。当水平入射的激光经过与旋转轴B之间的夹角为θ2的第二反射元件A2后，激光将被第二反射元件A2反射出去，且其反射激光所在的反射光束平面与水平面的夹角为2θ2，即负0.8度，并在此平面上扫描出一条直线。当水平入射的激光束经过与旋转轴轴平面的倾角为θ3的第三反射元件A3后，由于反射面3与旋转轴B之间的夹角为0度(即两者平行)，激光被第三反射元件A3反射出去后，在水平面上扫描出一条直线。同理，当水平入射的激光束经过与旋转轴B之间的夹角为θ4的第四反射元件A4后，激光将被第四反射元件A4反射出去，且其反射激光所在的反射光束平面与水平面的夹角为2θ4，即正1.6度，并在此平面上扫描出一条直线。最终，旋转扫描单元22的旋转机构绕着旋转轴B旋转一圈，即360度后，四个反射元件的反射面分别在出射空间扫描出四条平行的直线，形成四线的二维扫描，参见图9，图9为本申请旋转扫描单元第二实施方式的扫描结果示意图。

进一步，旋转扫描单元32将经过反射元件后扫描出来的激光投射至空间中，对目标物体进行测量，经目标物体漫反射回的激光进入第二准直组件，第二准直组件对接收到的目标物体反射回的激光光束进行准直和整形，使得激光光束进行汇聚变成激光点光斑投射到激光接收器的光敏面上进行光电转换，再经由后续的放大和检测等来实现对目标的探测。

相对于传统的将反射元件的反射面与旋转轴轴平面平行设置的方式来说，本实施例中第一反射元件A1、第二反射元件A2、第三反射元件A3以及第四反射元件A4的反射面与旋转轴之间均设置预设的角度不相同的夹角，从而实现空间的四线扫描。

由此可以类推，如果需要进行五线以上的扫描，可采用与五个以上的反射元件的反射面分别与旋转机构的旋转轴之间设置不同的夹角，以此来来实现空间的五线扫描。但是，采用增加反射元件的方式来提高扫描的线束会使得扫描角度范围减小，即会反射元件的数量增加，其可扫描的范围减少。进一步反射元件越多，其加工难度越大，成本越高。

请进一步参阅图10-11，图10为本申请激光扫描成像系统第五实施方式的结构示意图，图11本申请旋转扫描单元第三实施方式的扫描示意图。本实施例中的扫描成像系统是在第一及第三实施方式的基础上的进一步扩展，不同之处在于本实施例中的激光发射光学系统中可以包括两个激光器，用于产生具有两束互不平行的激光，即两个激光器所发射的激光之间存在一定的夹角，且本实施例中激光接收器的个数为1个，具体描述如下：

具体地，本实施例中的激光扫描成像系统40包括：激光发射光学系统41、旋转扫描单元42以及激光接收光学系统43。其中，旋转扫描单元42及激光接收光学系统43的详细描述可以参照上文的具体描述，此处不再赘述。

可选地，激光发射光学系统41用于发射激光，第一激光器411、第一准直组件412、第二激光器413以及第三准直组件414。且本实施例中的激光器和准直组件和本申请第一及第二实施方式中所采用的激光器和准直组件相同，可以参见上文的具体描述，此处不再赘述。

可选地，本实施例中的第一激光器411、第一准直组件412和第二激光器413以及第三准直组件414可以同侧放置也可以重叠放置，本实施例中采用重叠放置的方式放置。如图10，当激光发射光学系统41中的第一激光器411及第二激光器413发出激光光束分别经过第一准直组件412及第三准直组件414准直后，成为两束具有一定夹角a的激光光束，参见图11。在经过每一个反射元件被反射后，都会在反射空间扫描出两条平行的直线，当旋转轴旋转一圈后，两束具有一定夹角a的激光分别经过四个反射元件进行反射后，可以在反射空间扫描出八条平行的直线(图未示)，形成空间的八线扫描。本实施例中旋转扫描单元的具体扫描方式可以详见上文的两线以及四线的扫描方式类似，详细描述请参照上文的具体描述，此处不再赘述。且本实施例中，也可以采用两个激光器共用一个准直组件来实现出射激光进行准直。当然，除此之外，还可以设置3个、4个、5个激光器，以此来提高目标物体空间的扫描线束。

请进一步参阅图12，图12为本申请激光扫描成像系统第六实施方式的结构示意图。本实施例和激光扫描成像系统第五实施方式大致相同，不同之处在于本实施例中的激光接收光学系统包括两个激光接收器，和激光发射光学系统中的两个激光器对应，且相同之处不再赘述，具体描述如下：

具体地，本实施例中的激光扫描成像系统50包括：激光发射光学系统51、旋转扫描单元52以及激光接收光学系统53。其中，旋转扫描单元52及激光接收光学系统53的详细描述可以参照上文的具体描述，此处不再赘述。

激光接收光学系统53包括第一激光接收器531和第二激光接收器532以及对应设置于第一激光接收器531和第二激光接收器532光路上的第三准直组件514及第四准直组件515。且本实施例中的激光器和准直组件和本申请第一及第五实施方式中所采用的激光器和准直组件相同，可以参见上文的具体描述，此处不再赘述。

可选地，本实施例中的第一激光接收器531和第三准直组件可以514、第二激光接收器532和第四准直组件515可以同侧放置也可以重叠放置，本实施例中采用重叠放置的方式放置。本实施例中的激光扫描成像系统的具体原理和第一到第五实施方式的成像原理相同，不同之处在于本实施例中的激光发射光学系统中的两个激光器光激光接收光学系统中的激光接收器一一对应，故具体的实施方式此处不再赘述，详见上述实施方式的具体描述。

当然，在其它实施例中，还可以将多个激光发射光学系统和多个激光接收光学系统分别设置在旋转扫描单元的两侧，以此来实现对空间目标物体多线扫描的水平角度测量范围扩展。

请进一步参阅图13-14，图13为本申请激光扫描成像系统第七实施方式的结构示意图，图14为本申请旋转扫描单元第四实施方式的扫描示意图。本实施例中的扫描成像系统是在第一及第二实施方式的基础上的进一步扩展，不同之处在于本申请中的激光发射光学系统中还可以包括分光元件，用于将激光器发射的激光分为多束，且每一所述激光之间互不平行，即具有一定的夹角入射至旋转扫描单元，具体描述如下：

具体地，本实施例中的激光扫描成像系统60包括：激光发射光学系统61、旋转扫描单元62以及激光接收光学系统63。其中，旋转扫描单元62及激光接收光学系统63的详细描述可以参照上文的具体描述，此处不再赘述。

可选地，激光发射光学系统61还包括分光元件E，所述分光元件E可以设置在第一准直组件612后，用于将经过第一准直组件612后的激光按照一定的分光比分为至少两束，本实施例中，分光元件E将激光分为三束，且该三束激光之间互不平行，即存在一定夹角，三束激光经过每一个反射元件被反射后，都会在反射空间扫描出两条平行的直线，当旋转轴B旋转一圈后，三束具有一定夹角的激光分别经过四个反射元件进行反射后，可以在反射空间扫描出十二条平行的直线(图未示)，形成空间的十二线扫描。本实施例中旋转扫描单元的具体扫描方式可以详见上文的两线以及四线的扫描方式类似，详细描述请参照上文的具体描述，此处不再赘述。

当然，本申请只是示意性的列举了几种多线扫描方式，在其它实施例中还可以是十六线、二十线等等，本申请不做进一步的限定。

进一步，在其它实施例中，还可以通过在旋转扫描单元的同侧设置多个激光发射光学系统和多个激光接收光学系统，且每一激光发射光学系统前可以设置一分光元件，当然也可以是共用同一分光元件。

当然，也可以是在旋转扫描单元的对侧分别设置多个激光发射光学系统和多个激光接收光学系统，以此来实现对空间目标物体多线扫描的水平角度测量范围扩展。

上述实施方式，通过多束激光同时或异步工作方式，可以实现空间目标物体的多线扫描。

综上所述，本领域技术人员容易理解，本申请提供一种激光扫描成像系统，通过将多个反射元件相对于旋转轴轴方向以预设的倾角固定于旋转扫描单元，且进一步结合激光发射光学系统以及激光接收光学系统，能够减小激光成像系统中光机结构的体积以及实现对目标物体进行多线扫描。

以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。