一种激光扫描系统的制作方法

1.本实用新型实施例中涉及激光领域，特别涉及一种激光扫描系统。


背景技术：

2.远程高精度传感机械臂技术可以代替人工对目标物进行精细操作，从而可以起到保护操作者生命安全和提高工作效率的作用。该技术在生物医疗实验，微纳器件加工，航空航天工程，高危环境作业与探测等诸多领域具有巨大的发展空间。操作者需要远程利用数字模拟信号传输对机械臂的定位姿态进行实时调整，在此过程中会产生数十微米甚至纳米的微小移动量，但是机械臂的空间位置单靠电子元件的控制与反馈可能会产生较大的误差，导致了机械臂的操作精度很难达到人们的需求目标，因此需要一种可实时监控其空间位置坐标的光电系统作为反馈单元，快速地对机械臂的姿态进行实时测量和校正，提高操作准确性。
3.随着高精度激光扫描技术的研究开展和广泛应用，实现了其对复杂轮廓表面的成像和测绘，并且该技术具有反应速度快，数据处理准确和系统集成度高等优势，受到了科研人员的关注。结合软件算法的拟合处理，新一代激光扫描技术可以达到纳米量级的测量精度。
4.由于目前应用激光扫描技术的光电系统，普遍具有测量模式单一和系统灵活性差的不足之处，不能直接将其作为远程传感机械臂的监测系统。为了实现激光扫描监测与高精度机械臂的配合，利用激光多点测量和扫描成像技术相结合，在自由空间内完成对机械臂的姿态定位，使得机械臂可以准确地按照操作者的意愿完成复杂精密的工作。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本实用新型实施例中提供一种激光扫描系统，不仅实现对目标物的轮廓采集、精准定位和反馈校正，而且降低了光学结构的复杂性，有助于提升整体系统的集成效果。
6.第一方面，本实用新型实施例中提供一种激光扫描系统，包括：
7.激光器，用于发射工作激光；
8.准直单元，用于所述工作激光进行准直；
9.激光模式切换组件，用于对准直后的工作激光进行光束选择得到模式激光，所述激光模式切换组件包括三组不同模式的光学元件以及用于驱动所述光学元件切换的动力组件，所述三组不同模式的光学元件分别为柱面镜、光阑和衍射光学元件，所述柱面镜窗口对应的是线激光扫描模式，所述光阑窗口对应的是单点细光束测量模式，所述衍射光学元件窗口对应的是多点激光定位测量模式；
10.反射元件，用于按照数字模拟信号的指令产生不同角度的变形振动，以使得所述模式激光定位在需要被监测的目标区域；
11.成像系统，用于接收并汇聚所述模式激光在所述目标区域漫反射形成的漫反射光
束，对所述漫反射光束进行解析；
12.光电探测器，用于对所述成像系统汇聚的光斑进行光电转化，记录产生电信号数据。
13.作为一种可选的方案，还包括：
14.滤光单元，用于对所述目标区域漫反射形成的漫反射光束进行杂光过滤。
15.作为一种可选的方案，所述激光模式切换组件还包括用于放置所述三组不同模式的光学元件的安装部，所述动力组件带动所述安装部移动，以实现所述光学元件的窗口切换。
16.作为一种可选的方案，所述动力组件为步进电机或气动装置。
17.作为一种可选的方案，所述安装部包括载体、设置在所述载体上用于安装所述三组不同模式的光学元件的通孔以及传动组件，所述动力组件通过所述传动组件带动所述载体移动。
18.作为一种可选的方案，所述载体包括长方形板以及用于支撑所述长方形板滑动的导轨，所述传动组件包括沿长度方向设置在所述长方形板的侧面的直齿条以及与所述直齿条啮合传动的直齿轮，所述直齿轮套设在所述步进电机的转轴上，所述长方形板在所述步进电机带动下沿所述导轨实现往复移动，沿所述长方形板的长度方向依次三个所述通孔，三个所述通孔分别安装所述柱面镜、所述光阑和所述衍射光学元件。
19.作为一种可选的方案，所述安装部与所述步进电机的转轴传动连接，沿所述安装部的圆周方向间隔设有三个通孔，所述三个通孔分别安装所述柱面镜、所述光阑和所述衍射光学元件。
20.作为一种可选的方案，所述安装部为金属板，在所述金属板的表面进行阳极氧化处理。
21.作为一种可选的方案，所述光电探测器为面阵光电探测器，所述面阵光电探测器的响应区域包括单排像素线阵列、全局像素响应。
22.作为一种可选的方案，所述成像系统为四片式成像系统，所述四片式成像系统包括双凸透镜、平凸透镜、平凹透镜以及正焦度透镜。
23.作为一种可选的方案，所述激光器为垂直腔面发射激光器。
24.作为一种可选的方案，所述激光模式切换组件具体用于：
25.在切换至线激光扫描模式时，所述微机电结构反射元件绕着其中心垂轴角度做单一方向地扭摆，完成对目标区域的扫描，所述光电探测器的响应区域为单排像素线阵列，读取出每一组单排像素的图像数据，进行图像拼接处理；
26.在切换至单点测量模式时，所述微机电结构反射元件增加俯仰方向的运动，使得模式激光照射在之前扫描过的区域中，漫反射激光传播至所述光电探测器的中心响应区域时，将得到的单点图像作为精准测量的基准点；
27.在切换至多点定位模式时，所述微机电结构反射元件增加多方向预置角度运动，调整多条模式激光定位在目标区域的有效位置，所述光电探测器的响应区域为全局像素响应，得到的多点图像数据实时与基准点进行差值计算，得到的结果与对目标物操作的源命令进行对比，根据对比结果实时地对所述目标物进行姿态调整，完成对误差的校正。
28.作为一种可选的方案，所述目标物为机械臂。
29.作为一种可选的方案，所述滤光单元为滤光片。
30.作为一种可选的方案，所述准直单元为抛光面反射镜、快慢轴矫正准直镜或非球面准直透镜。
31.作为一种可选的方案，所述反射元件由至少两面平面镜组成，每个所述平面镜具有独立的驱动单元，通过所述驱动单元实现所述平面镜的角度调整。
32.第二方面，本实用新型实施例中提供一种基于机械臂的激光扫描系统，具有如上述的激光扫描系统和机械臂。
33.本实用新型实施例中提供一种激光扫描系统，包括：用于发射工作激光的激光器，用于所述工作激光进行准直的准直单元，用于对准直后的工作激光进行光束选择得到模式激光的激光模式切换组件，所述激光模式切换组件包括至少两组不同模式的光学元件以及用于驱动所述光学元件切换的动力组件；用于按照数字模拟信号的指令产生不同角度的变形振动，以使得所述模式激光定位在需要被监测的目标区域的反射元件，用于接收并汇聚所述模式激光在所述目标区域漫反射形成的漫反射光束，对所述漫反射光束进行解析的成像系统，用于对所述成像系统汇聚的光斑进行光电转化，记录产生电信号数据的光电探测器，可以解决激光扫描系统测量模式单一和系统灵活性差的问题，并实现激光扫描监测系统与高精度机械臂的配合。通过激光模式切换组件和反射元件对高斯光束进行光束整形处理和特异性角度控制，使其可以精准地定位在需要成像和监测的机械臂位置上，提高了测量的灵活性和准确性；利用四片式成像系统将机械臂上反射回来的光束进行解析，不仅实现对机械臂的轮廓采集、精准定位和反馈校正，而且降低了光学结构的复杂性，有助于提升整体系统的集成效果。
附图说明
34.图1为本实用新型实施例中提供一种激光扫描系统的结构示意图；
35.图2为本实用新型实施例中提供一种激光扫描系统中动力组件的结构示意图。
具体实施方式
36.为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型实施例中方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型实施例中一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型实施例中的实施例，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，都应当属于本实用新型实施例中保护的范围。
37.本实用新型实施例中的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
38.结合图1所示，本实用新型实施例中提供一种激光扫描系统，包括：
39.激光器1，用于发射工作激光；
40.准直单元2，用于所述工作激光进行准直；
41.激光模式切换组件3，用于对准直后的工作激光进行光束选择得到模式激光，所述激光模式切换组件包括三组不同模式的光学元件以及用于驱动所述光学元件切换的动力组件(图中未示出)，所述三组不同模式的光学元件分别为柱面镜、光阑和衍射光学元件，所述柱面镜窗口对应的是线激光扫描模式，所述光阑窗口对应的是单点细光束测量模式，所述衍射光学元件窗口对应的是多点激光定位测量模式；
42.反射元件7，用于按照数字模拟信号的指令产生不同角度的变形振动，以使得所述模式激光定位在需要被监测的目标区域；
43.成像系统10，用于接收并汇聚所述模式激光在所述目标区域漫反射形成的漫反射光束，对所述漫反射光束进行解析；
44.光电探测器11，用于对所述成像系统汇聚的光斑进行光电转化，记录产生电信号数据。
45.本实用新型实施例中提供一种激光扫描系统，包括：用于发射工作激光的激光器，用于所述工作激光进行准直的准直单元，用于对准直后的工作激光进行光束选择得到模式激光的激光模式切换组件，所述激光模式切换组件包括三组不同模式的光学元件以及用于驱动所述光学元件切换的动力组件；用于按照数字模拟信号的指令产生不同角度的变形振动，以使得所述模式激光定位在需要被监测的目标区域的反射元件，用于接收并汇聚所述模式激光在所述目标区域漫反射形成的漫反射光束，对所述漫反射光束进行解析的成像系统，用于对所述成像系统汇聚的光斑进行光电转化，记录产生电信号数据的光电探测器，可以解决激光扫描系统测量模式单一和系统灵活性差的问题，并实现激光扫描监测系统与高精度机械臂的配合。通过激光模式切换组件和反射元件对高斯光束进行光束整形处理和特异性角度控制，使其可以精准地定位在需要成像和监测的机械臂位置上，提高了测量的灵活性和准确性；利用四片式成像系统将机械臂上反射回来的光束进行解析，不仅实现对机械臂的轮廓采集、精准定位和反馈校正，而且降低了光学结构的复杂性，有助于提升整体系统的集成效果。
46.具体地，激光器1可以采用垂直腔面发射激光器，垂直腔面发射激光器可以发出类圆形光束作为工作激光，保证后续的光学整形可以顺利进行，降低了光路的设计难度并提高了光束的准直性，对于激光器1的类型可以根据需要选择，对此不做限定。
47.准直单元2可以由反射式光学元件或透射式光学元件组成，例如抛光面反射镜，快慢轴矫正准直镜等，也可以为非球面准直透镜，对激光器发出的激光进行准直处理，使得光束的发散角小于1mrad，需要说明的是，对于准直单元还可以采用其他结构，实现激光的准直即可，对此不做限定。
48.激光模式切换组件3还包括用于放置所述三组不同模式的光学元件的安装部，动力组件可以为步进电机或气动装置，通过动力组件带动安装部移动，以实现光学元件的窗口切换，激光模式切换组件3可以用来选择工作激光的输出模式，分为线激光、单点细光束和多点定位光束，具体地，柱面镜窗口对应的是线激扫描模式，光阑窗口对应的是单点细光束测量模式，衍射光学元件窗口对应的是多点激光定位测量模式。
49.在一些实施例中，安装部包括载体、设置在载体上用于安装所述三组不同模式的
光学元件的通孔以及传动组件，所述动力组件通过所述传动组件带动所述载体移动，载体可以是圆形板、长方形板或者多边形板，材质可以采用金属，例如铝制，可以根据需要进行选择，对此不做限定。
50.结合图2所示，在一种实施例中，载体31包括长方形板以及用于支撑长方形板滑动的导轨，传动组件包括沿长度方向设置在长方形板的侧面的直齿条32以及与直齿条32啮合传动的直齿轮33，长方形板在步进电机带动下沿导轨实现往复移动，沿长方形板的长度方向依次三个通孔34，三个通孔分别安装所述柱面镜、所述光阑和所述衍射光学元件，通过控制步进电机的正转和反转实现窗口的切换。
51.在另一种实施例中，安装部采用圆形板或多边形板，优选平板结构，对此不做限定。本实施例中安装部选用圆形板，沿圆形板的圆周方向间隔设有三个通孔，三个通孔分别安装所述柱面镜、所述光阑和所述衍射光学元件，为了进行窗口切换，圆形板与步进电机的转轴传动连接，传动连接具体可以是在圆形板的圆心处设有安装孔，步进电机的转轴与安装孔过盈配合，也可以通过齿轮啮合传动的方式，也可以采用皮带传动的方式，对于传动连接的方式，本领域普通技术人员可以灵活选择，对此不做限定。
52.在一些实施例中，长方形板或圆形板为铝制金属板，铝制金属板的表面进行阳极氧化处理，采用铝制金属板实现元器件的轻质，减轻设备重量，通过阳极氧化提高铝制金属板表面硬度和耐磨性，需要说明的是，对于安装部的材质还可以选用其他金属材质，满足需要即可，对此不做限定。
53.反射元件可以对处理后的工作激光光束进行特异性角度地反射，使工作激光光束可以准确灵活地照射在监测区域。反射元件具有至少两面平面镜组成，每个平面镜具有独立的驱动单元，本实施例中，反射元件可以为微机电结构反射元件，驱动单元可以是电机、液压装置或气动装置，通过驱动单元实现平面镜的角度调整，监测区域即需要监测的目标物(如机械臂)区域，成像系统可以将光束进行成像会聚和解析。光电探测器可以用面阵光电探测器：对光斑进行光电转化，记录其电信号数据。
54.本实施例中，由垂直腔面发射激光器发射出的圆形激光(即工作激光)经过准直镜片，圆形激光的光束发散角度得到了校正，准直后的工作激光光束传播至激光模式切换组件，该激光模式切换组件可以分为柱面镜、光阑和衍射光学元件三种选择模式，可以通过步进电机作为动力组件驱动激光模式切换组件进行窗口切换，具体地，柱面镜窗口对应的是线激扫描模式，光阑窗口对应的是单点细光束测量模式，衍射光学元件窗口对应的是多点激光定位测量模式。通过模式选择之后的模式激光光束会照射在微机电结构反射元件，该微机电结构反射元件按照数字模拟信号的指令产生不同角度的变形振动，使得反射光束可以精准灵活地定位在需要被监测的目标物(如机械臂)部分区域。光束在目标物表面会再次发生漫反射现象，漫反射光束将被四片式成像系统接收，最终会聚至同一个面阵光电探测器上，在实现成像和测量的同时，提高了系统的集成度。
55.每一种模式的激光光束对应着不同的探测器响应区域和图像处理方式以及不同的微机电结构反射元件控制区域，切换至线激光扫描模式时，反射元件绕着其中心垂轴角度做单一方向地扭摆，完成对机械臂某一平面区域的扫描，此时面阵探测器的响应区域为单排像素线阵列，读取出每一组单排像素的图像数据，之后进行图像拼接处理；切换至单点测量模式时，反射元件会增加一个俯仰方向的运动，使单点光斑可以随意照射在之前扫描
过的区域中，反射光传播至面阵探测器的中心响应区域时，该单点图像会被处理作为精准测量的基准点；切换至多点定位模式时，反射元件会增加多方向微小角度运动，调整多条光束定位在机械臂扫描区域的有效位置，此时面阵探测器的响应区域为全局像素响应，多点图像数据会实时与基准点进行差值计算，得到的结果与操作者的源命令进行对比。监测反馈系统会根据对比结果，实时地对机械臂进行姿态调整，完成对误差的校正。
56.为了避免杂光对漫反射光束的干扰，本系统还包括滤光单元9，用于对所述目标区域漫反射形成的漫反射光束进行杂光过滤，漫反射光束经过滤光单元9滤除杂光后进入成像系统，本实施例中滤光单元9采用滤光片，滤光片的材质可以根据需要选择满足要求即可，对此不做限定。
57.本实施例中，所述成像系统10为四片式成像系统，所述四片式成像系统包括双凸透镜12、平凸透镜13、平凹透镜14以及正焦度透镜15，可以降低成本。需要说明的是，对于成像系统还可以根据需要进行选择，对此不做限定。
58.为了方便对本系统工作原理的理解，下面对本系统的激光模式切换组件3具体工作过程进行介绍：
59.在切换至线激光扫描模式时，所述微机电结构反射元件7绕着其中心垂轴角度做单一方向地扭摆，完成对目标区域的扫描，所述光电探测器的响应区域为单排像素线阵列，读取出每一组单排像素的图像数据，进行图像拼接处理；
60.在切换至单点测量模式时，所述微机电结构反射元件7增加俯仰方向的运动，使得模式激光照射在之前扫描过的区域中，漫反射激光传播至所述光电探测器的中心响应区域时，将得到的单点图像作为精准测量的基准点；
61.在切换至多点定位模式时，所述微机电结构反射元件7增加多方向预置角度运动，调整多条模式激光定位在目标区域的有效位置，所述光电探测器的响应区域为全局像素响应，得到的多点图像数据实时与基准点进行差值计算，得到的结果与对目标物操作的源命令进行对比，根据对比结果实时地对所述目标物进行姿态调整，完成对误差的校正。
62.作为一种可选的方案，所述目标物为机械臂，对此不做限定，可以灵活选择。
63.本实用新型实施例中提供的激光扫描系统提供一种具体实现方案，下面加以介绍：
64.由垂直腔面发射激光器出射的高斯光束，其波长为940nm，x方向的光束直径为533.45μm，发散角为12.573度；y方向的光束直径为570.25μm，发散角为13.856度，经过非球面准直透镜对其进行光束整形，校正后的光束发散角小于1mrad，非球面准直透镜的直径为5mm，厚度为2.8mm，焦距为3mm。准直后的工作激光传播至激光模式切换组件3，该组件包括长方形铝制金属板，长度为40mm，宽度为15mm，厚度为5mm，表面需进行阳极氧化处理，可以利用步进电机作为其模式切换的运动单元，延长度方向依次加工出三个直径为10mm的通孔，分别放置柱面镜4、光阑5和衍射光学元件6：(1)、当切换至柱面镜4时，激光光束被整形为1mm宽度的线激光，用来对需要监测的区域进行大范围扫描成像；(2)、当切换至光阑5时，激光光斑被压缩至直径为1.5mm，用以定位扫描区域的基准点x0；(3)、当切换至衍射光学元件6时，激光被分为4束等间距的准直光束，4束激光在扫描区域内分别对应监测点x1、x2、x3和x4，这4个点将会与基准点x0做差值处理，利用计算结果的变化量实时监测目标的运动误差。此时经过模式选择的激光会继续照射在微机电结构反射元件7，直径为10mm，该元件会
按照数字模拟信号的指令产生不同角度的变形振动，使得反射光束可以精准灵活地定位在需要被监测的部分区域。光束经过反射后将会传播至目标物8的表面，此时发生漫反射现象，漫反射光束首先将会被滤光单元9进行杂光过滤，滤光片尺寸为26mm*16mm*2mm，之后被四片式成像系统10接收，最终会聚至面阵光电探测器，其像素尺寸为10微米，分辨率为5120*5120。该整体结构在实现成像和测量的同时，提高了系统的集成度。
65.需要说明的是在对应不同的激光模式时，微机电结构反射元件7将会做出特异性处理：切换至线激光扫描模式时，微机电结构反射元件7绕着其中心垂轴角度做单一方向地扭摆，完成对目标物8某一平面区域的扫描，此时面阵光电探测器11的响应区域为单排像素线阵列，读取出每一组单排像素的图像数据，之后进行图像拼接处理；切换至单点测量模式时，微机电结构反射元件7会增加一个俯仰方向的运动，使单点光斑可以随意照射在之前扫描过的区域中，反射光传播至面阵光电探测器的中心响应区域时，该单点图像会被处理作为精准测量的基准点；切换至多点定位模式时，微机电结构反射元件7会增加多方向微小角度运动，调整多条光束定位在目标物8扫描区域的有效位置，此时面阵光电探测器11的响应区域为全局像素响应，多点图像数据会实时与基准点进行差值计算，得到的结果与操作者的源命令进行对比。监测反馈系统会根据对比结果，实时地对机械臂进行姿态调整，完成对误差的校正。对于四片式成像系统10来说，可以分为4个子单元：双凸透镜12、平凸透镜13、平凹透镜14以及正焦度透镜15，该系统可以将被激光模式切换组件3处理过的不同模式光束，统一进行聚焦成像和解析。
66.本实用新型实施例中提供一种激光扫描系统，可以解决激光扫描系统测量模式单一和系统灵活性差的问题，并实现激光扫描监测系统与高精度机械臂的配合。通过激光模式切换组件和反射元件对高斯光束进行光束整形处理和特异性角度控制，使其可以精准地定位在需要成像和监测的机械臂位置上，提高了测量的灵活性和准确性；利用四片式成像系统将机械臂上反射回来的光束进行解析，不仅实现对机械臂的轮廓采集、精准定位和反馈校正，而且降低了光学结构的复杂性，有助于提升整体系统的集成效果。
67.相应地，本实用新型实施例中提供一种基于机械臂的激光扫描系统，具有如上述的激光扫描系统和机械臂。
68.应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本实用新型公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本实用新型公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
69.上述具体实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本实用新型的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型保护范围之内。