一种小型化激光同步扫描三角测距系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种小型化激光同步扫描三角测距系统。它包括M1镜部件、M2镜部件、M3镜部件、M4镜部件、激光部件、透镜部件、PSD部件和底板。激光器发出的准直激光束经双面反射镜M3镜上反射面、反射镜M1镜、反射镜M4镜，到达被测曲面某一点并发生漫反射，部分漫反射光再经反射镜M4镜、双面反射镜M3镜下反射面反射，经透镜汇聚光斑于PSD表面，PSD采集光斑位置信息并输出电压值，多通道采集系统同时对角度传感器和PSD输出的电压值进行采集传输至上位机，上位机计算后可得空间点位置坐标。本发明测量距离范围为0.5m～10m，具有测量精度高，实时采集，系统结构体积较小等优点。
【专利说明】
一种小型化激光同步扫描三角测距系统
技术领域
[0001]本发明主要应用于光学非接触精密测量领域，涉及一种小型化激光同步扫描三角 测距系统，可用于测量物体的三维面型，适应不同测量范围和分辨率的要求。
【背景技术】
[0002] 随着科技的进步，工业测量领域在不断发展，对测量技术的要求越来越高。传统接 触式三维测量由于与被测物接触产生形变，造成误差，影响测量精度，更主要是损坏物体表 面，磨损接触头，速度慢，已经不能满足现代工业发展的需要。光学非接触三维测量是对物 体空间和结构进行扫描，从而获取物体的三维轮廓及表面点的三维空间坐标的一种方法。 光学非接触三维测量是随着近年来光学、电子、计算机技术的广泛应用而发展起来的，具有 高效率、高精度、无破坏性、小型化、智能化等特点，广泛应用于地形地貌测量、机械制造、航 空航天等领域，如自主交汇对接、三维自动目标识别、探测等。光学非接触三维测量的主要 方法有飞行时间法T0F( Time OF FI ight )、干涉法（Interf erome try )、结构光法 (Structured Light)、立体视觉（Stereo Vision)和激光三角法（Laser Triangulation) 等。激光三角测量法由于光束能量集中、测量精度高、结构简单和工作范围大而得到广泛应 用。
[0003] 但传统激光三角法存在局限性，其分辨率随着距离的增长而迅速变差。M.Rioux等 人提出同步扫描三角测距成像的思想，并在APPLIED OPTICS上发表了《Laser range finder based on synchronized scanners))一文，该方法主要在扫描光路与接收成像光路 中增加一扫描器，使得发射光与接收光同步偏转，扩大了系统横向扫描测量范围和纵向测 距范围。但系统的测量范围，包括横向扫描测量范围和纵向测距范围，以及距离测量分辨率 都是固定不变的。
[0004] 国内唐圣彪、屠大维进一步研究了激光同步扫描三角测距成像系统的特点，从理 论上推出了一般意义轨迹圆方程，并得出系统所能测量的最大和最小范围、距离分辨率等 与系统参数的规律。研究论文《激光同步扫描三角测距成像系统的理论分析》和《激光同步 扫描三角测距成像系统的设计》发表在"光电子?激光"期刊上。
[0005] 目前在国外，基于传统三角法的光学非接触测量技术已经发展的比较成熟，并且 已有想当多成型产品投入使用。比较典型的激光位移传感器有美国的MIT公司Mirotrak系 列；德国Micro-Eps i Ion (米铱）公司的optoNCDT系列和日本Keyence(基恩士）公司LB、LK、 LS、LD等系列产品，甚至有精度达到纳米级的产品。国内对于激光三角法的研究大部分都停 留在实验室阶段，成型的产品较少，较早的产品是深圳光学测量有限公司和华科合作开发 的LT系列激光位移传感器。近年来也有少数公司开发的一些产品，如有北京飞拓信达激光 技术有限公司生产的型号为FTCJ-A激光位移传感器，测量距离最大可达100m，精度已经优 于 lmm〇
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是为了解决一般激光同步扫描三角测距成像系统中横向扫描测量 范围、纵向测距范围、距离分辨率不能适应被测物体尺寸和距离变化而调节的问题，提出一 种小型化激光同步扫描三角测距系统，能适应不同测量范围和分辨率要求的同步扫描三角 测距成像，同时尽可能使激光同步扫描三角测距系统的结构体积最小。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案： 一种小型化激光同步扫描三角测距系统，用于测量物体的三维面型。系统采用同步扫 描三角测距法，对空间物体表面做光栅轨迹扫描获取光斑位置信息，继而获得空间点位置 坐标。
[0008] 所述小型化激光同步扫描三角测距系统主要部件包括Ml镜部件、M2镜部件、M3镜 部件、M4镜部件、激光部件、透镜部件、PSD部件和底板。M3镜部件位于设定的空间坐标系原 点，通过内六角螺栓垂直固定在底板上;Ml镜部件和M2镜部件分别位于M3镜部件左、右两 侧，且到M3镜部件距离相等，其中Ml镜部件与水平轴夹角为135° ±2°，M2镜部件与水平轴夹 角为45° ±1°，通过内六角螺栓垂直固定在底板上;M4镜部件垂直固定在底板上，保证镜面 圆锥孔位于坐标原点正上方;激光部件、透镜部件和M3镜部件处于同一竖直方向，激光部件 通过内六角螺栓固定在底板上的M3镜部件正上方位置处，透镜部件通过内六角螺栓固定在 底板上的M3镜部件正下方位置处;PSD部件通过内六角螺栓水平固定在底板上的M3镜部件 正下方位置处。激光部件发出激光后经M3镜部件、Ml镜部件、M2镜部件、M4镜部件到达被测 曲面某一点β并发生漫反射，部分漫反射光再经M4镜部件、M3镜部件反射，经透镜部件汇聚 光斑于PSD部件表面，再由工控机采集信号得到空间点坐标信息。
[0009] 所述小型化激光同步扫描三角测距系统的Ml镜部件结构主要由Ml镜支座和Ml镜 组成，其中Ml镜为单面反射镜，Ml镜支座开槽宽度略大于Ml镜宽度，确保Ml镜能水平放置在 Ml镜支座上，通过盖片固定Ml镜;M2镜部件结构主要由M2镜支座和M2镜组成，其中M2镜为单 面反射镜，M2镜支座开槽宽度略大于M2镜宽度，确保M2镜能水平放置在M2镜支座上，通过盖 片固定M2镜;M3镜部件结构主要由M3镜和M3镜振镜电机、M3镜套筒组成和M3镜支座四部分 组成，其中M3镜为双面反射镜，装夹在M3镜振镜电机上，M3镜振镜电机与M3镜支座过盈配 合，通过M3镜支座上预留的螺纹孔锁紧，其中M3镜套筒轴向定位功能，确保M3镜几何中心位 置满足设计要求;M4镜部件结构主要由M4镜和M4镜振镜电机、M4镜套筒组成和M4镜支座四 部分组成，其中M4镜为单面反射镜，装夹在M4镜振镜电机上，M4镜振镜电机与M4镜支座过盈 配合，通过M4镜支座上预留的螺纹孔锁紧，其中M4镜套筒轴向定位功能，确保M4镜上孔的位 置满足设计要求;M3镜起始摆角为45° ±1°，当期绕轴往复摆动时，光点0在被测物体表面 上沿X轴方向进行行扫描;M4镜起始摆角为45° ± 1°，当期绕轴往复摆动时，光点0在被测 物体表面上沿Y轴方向进行行扫描；当M3镜和M4镜同时绕轴往复摆动时，则光点◎在被测物 体表面做光栅轨迹扫描。
[0010]所述小型化激光同步扫描三角测距系统的激光部件结构主要由激光支座、光纤接 头、激光器三部分组成，光纤接头和激光器通过螺纹连接固定在激光支座上，在激光支座上 预留紧定螺钉孔;透镜部件结构主要由透镜支座、透镜接口、透镜三部分组成，通过螺纹连 接固定在透镜支座上;PSD部件结构主要由PSD、PSD支座、滤光片、滤光片盖片、PSD连接架、 移动平台连接架、移动平台七部分组成，各零件通过螺纹连接，其中PSD支座开槽尺寸略大 于滤光片尺寸;为保证安装后的位置精度，底板上各部件安装位置处都预留定位销孔。 [0011]所述小型化激光同步扫描三角测距系统为保证由激光器发出的激光束经各镜面 反射后光路仍处于同一平面上，要求Ml镜、M2镜、M3镜、M4镜、激光器、透镜、PSD的几何中心 距离底板的高度必须保持一致。其中透镜焦距为100mm ± 2mm，孔径D为10mm ± 0.1mm。
[0012]所述小型化激光同步扫描三角测距系统的Ml镜的尺寸是由激光角度扫描范围所 确定，该系统设计要求激光扫描范围为30° ±1°，扫描激光与Ml镜的极限交点构成Ml镜的长 度范围。Ml镜在Z方向的尺寸在点激光模型下无需考虑，若激光存在一定宽度，Ml镜在Z方向 应大于激光宽度。
[0013]所述小型化激光同步扫描三角测距系统的M2镜、M3镜的尺寸是由透镜孔径D和M3 镜角度扫描范围所确定。M2镜、M3镜的尺寸要求对任意角度涔和?50上任意点??都能包含透 镜孔径决定的左右极限点；M2镜、M3镜与透镜主平面平行，根据相似三角形原理，可决定M2 镜、M3镜在Ζ轴上的极限点。
[0014] 所述小型化激光同步扫描三角测距系统的Μ4镜不仅反射出射激光到物体上，而且 反射物体光线通过透镜，其尺寸要综合考虑激光摆动角度和透镜成像的约束。激光扫描范 围为30° ±1°，ΧΥ平面扫描激光与Μ4镜的极限交点构成Μ4镜长度范围约束。Μ4镜在Ζ方向的 尺寸在点激光模型下无需考虑，若激光存在一定宽度，Μ4镜在Ζ方向应大于激光宽度。Μ4镜 上直接开孔，使激光束直接穿过镜面，考虑到Μ4镜作往复摆动，所开孔应为圆锥孔，当镜片 摆动一定角度后不会因为镜面的厚度遮挡激光束。镜面厚度不应低于4_，过薄将造成强度 不够。
[0015] 所述小型化激光同步扫描三角测距系统经透镜聚焦的光斑，由PSD检测光斑位置。 为保证PSD上理想成像，根据沙式准则确定PSD倾斜角度方向，在底板上预留沙式角度的安 装孔。PSD的安放角度、位置参数是由Ml镜、M2镜、M3镜的初始角度，Ml镜和M2镜距离，透镜焦 距和安放位置决定的。
[0016] 所述小型化激光同步扫描三角测距系统所用激光为波段为850nm的红外光，且PSD 易受环境光干扰，造成光斑位置误差较大。故将PSD支座完全包裹住PSD，仅预留接收激光的 入光孔。为排除环境光影响，给PSD支座入光孔上加上滤光片，滤光片带通为850mm。同时为 保证经过透镜聚焦的光斑能准确落在PSD接收表面，采用二维移动平台保证在两个方向都 能移动。移动平台通过PSD连接架与PSD支座相连，通过移动平台连接架与底板相连。
[0017] 本发明对与已有技术相比具有以下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步： 1. 系统横向扫描测量范围、纵向距离测量范围、距离测量分辨率可灵活改变； 2. 根据被测物体横向尺寸、表面最大最小距离范围，可以获得最高距离分辨率，同时 满足被测物体表面横向、纵向测量范围和距离分辨率的要求。
[0018] 3.扫描运动采用振镜电机，通过输入电压控制振镜摆动角度，摆动角度由电容传 感器检测，确保位置精度的控制。
[0019] 4.采用多通道采集系统对对扫描振镜的角度传感器和光斑位置传感器进行实时 同步采集。
[0020] 5.该系统结构简单，体积较小，测量效率高，能够快速获取三维点云信息。
【附图说明】
[0021]下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明： 图1为本发明测距系统立体示意图 图2为本发明测距系统正面主示意图 图3为本发明测距系统主要部件组成示意图 图4为本发明测距系统Ml镜部件组成示意图 图5为本发明测距系统M2镜部件组成示意图 图6为本发明测距系统M3镜部件组成示意图 图7为本发明测距系统M4镜部件组成示意图 图8为本发明测距系统M4镜结构示意图 图9为本发明测距系统激光部件组成示意图 图10为本发明测距系统透镜部件组成示意图 图11为本发明测距系统PSD部件组成示意图 图12为本发明测距系统工作原理示意图 图13为本发明测距系统透镜对扫描镜长度约束示意图 图14为本发明测距系统沙氏准则计算PSD倾斜角示意图 图15为本发明测距系统工作流程示意图 图16为本发明测距系统成像效果示意图 其中：1. Ml镜部件、2 . M2镜部件、3. M3镜部件、4. M4镜部件、5.激光部件、6 .透镜部件、 7. PSD部件、8.底板、9. Ml镜支座、10. Ml镜、11. M2镜支座、12. M2镜、13. M3镜、14. M3镜振镜 电机、15. M3镜套筒、16.M3镜支座、17.M4镜、18.M4镜振镜电机、19. M4镜套筒、20.M4镜支 座、21.激光支座、22.光纤接头、23.透镜支座、24.激光器、25.透镜接口、26.透镜、27. PSD、 28. PSD支座、29.滤光片、30.滤光片盖片、31. PSD连接架、32.移动平台连接架、33.移动平 台。
【具体实施方式】
[0022]本发明的优选实施例结合附图对本发明作进一步的说明如下。
[0023] 实施例一： 本小型化激光同步扫描三角测距系统，包括Ml镜部件（1)、M2镜部件(2)、M3镜部件(3)、 M4镜部件(4)、激光部件(5)、透镜部件(6)、PSD部件(7)和底板(8)，其特征在于所述M3镜部 件(3)位于设定的空间坐标系原点，通过内六角螺栓垂直固定在底板(8)上;Ml镜部件（1)和 M2镜部件（2)分别位于M3镜部件（3)的左、右两侧，且到M3镜部件(3)距离相等，其中Ml镜部 件（1)与水平轴夹角为135° ±2°，M2镜部件(2)与水平轴夹角为45° ±1°，通过内六角螺栓垂 直固定在底板(8)上;M4镜部件(4)垂直固定在底板(8)上，保证镜面圆锥孔位于坐标原点正 上方;激光部件(5)、透镜部件(6)和M3镜部件(3 )处于同一竖直方向，激光部件(5 )通过内六 角螺栓固定在底板(8)上的M3镜部件(3)正上方位置处，透镜部件(6)通过内六角螺栓固定 在底板(8)上的M3镜部件（3)正下方位置处;PSD部件（7)通过内六角螺栓水平固定在底板 (8)上的M3镜部件（3)正下方位置处。激光部件（5)发出激光后经M3镜部件（3)、M1镜部件 (1)、M2镜部件(2)、M4镜部件(4)到达被测曲面某一点并发生漫反射，部分漫反射光再经M4 镜部件(4)、M3镜部件(3)反射，经透镜部件(6)汇聚光斑于PSD部件(7)表面，再由工控机采 集PSD部件(7)输出的电压信号，计算得到空间点坐标信息；即采用同步扫描三角测距法，对 空间物体表面做光栅轨迹扫描获取光斑位置信息，继而获得空间位置坐标。
[0024] 实施例二： 参考图4~图14,本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下： 所述Ml镜部件（1)包括Ml镜支座(9)和Ml镜（10)，其中Ml镜（10)为单面反射镜，Ml镜支 座(9)开槽宽度略大于Ml镜（10)宽度，确保Ml镜（10)能水平放置在Ml镜支座(9)上，通过一 个盖片（10 ?固定Ml镜（10);所述M2镜部件（2)包括M2镜支座（11)和M2镜（12 )，其中M2镜 (12) 为单面反射镜，M2镜支座（11)开槽宽度略大于M2镜（12)宽度，确保M2镜（12)能水平放 置在M2镜支座（11)上，通过一个盖片（12 〇固定M2镜（12);所述M3镜部件(3)包括M3镜（13)、 M3镜振镜电机（14)、M3镜套筒（15)和M3镜支座（16)，其中M3镜（13)为双面反射镜，装夹在M3 镜振镜电机（14)上，M3镜振镜电机（14)与M3镜支座（16)过盈配合，通过M3镜支座（16)上预 留的螺纹孔锁紧，其中M3镜套筒（15)起轴向定位功能，确保M3镜（13)几何中心位置满足设 计要求；所述M4镜部件（4)包括M4镜（17)、M4镜振镜电机（18)、M4镜套筒（19)和M4镜支座 (20)，其中M4镜（17)为单面反射镜，装夹在M4镜振镜电机（18)上，M4镜振镜电机（18)与M4镜 支座（20)过盈配合，通过M4镜支座（20)上预留的螺纹孔锁紧，其中M4镜套筒（19)起轴向定 位功能，确保M4镜（17)上孔的位置满足设计要求;所述M3镜（13)起始摆角为45° ± 1 °，当其 绕轴往复摆动时，光点β在被测物体表面上沿X轴方向进行行扫描;所述M4镜（17)起始摆角 为45° ± 1°，当其绕轴往复摆动时，光点g在被测物体表面上沿Y轴方向进行行扫描；当M3镜 (13) 和M4镜(17)同时绕轴往复摆动时，则光点0在被测物体表面做光栅轨迹扫描。
[0025] 所述激光部件(5)包括激光支座(21)、光纤接头(22)和激光器(23)，光纤接头(22) 和激光器(23)通过螺纹连接固定在激光支座(21)上，在激光支座(21)上预留紧定螺钉孔； 所述透镜部件(6)包括透镜支座(24)、透镜接口（25)和透镜(26)，通过螺纹连接固定在透镜 支座（24)上；所述PSD部件（7)包括PSD(27)、PSD支座（28)、滤光片（29)、滤光片盖片（30)、 PSD连接架(31)、移动平台连接架(32)和移动平台（33)，各零件通过螺纹连接，其中PSD支座 (28)开槽尺寸略大于滤光片(29)尺寸;为保证安装后的位置精度，所述底板(8)上各部件安 装位置处都预留定位销孔。
[0026] 所述 Ml 镜（10)、M2 镜（11)、M3 镜（13)、M4 镜（17)、激光器(23)、透镜(26)、PSD(27)的 几何中心距离底板(8)的高度保持一致。其中透镜(26)焦距为100mm± 2mm，孔径D为10mm土 0.lmm〇
[0027] 所述Ml镜（10)的尺寸是由激光角度扫描范围所确定，激光扫描范围为30° ±1°，扫 描激光与Ml镜（10)的极限交点构成Ml镜（10)的长度范围;Ml镜（10)在Z方向的尺寸在点激 光模型下无需考虑，若激光存在一定宽度，Ml镜(10)在Z方向应大于激光宽度。
[0028] 所述M2镜（12 )、M3镜（13 )的尺寸是由透镜（26 )孔径D和M3镜（13 )角度扫描范围所 确定;M2镜（12)、M3镜（13)的尺寸要求对任意角度和PSD(27)上任意点都能包含透镜(26) 孔径决定的左右极限点；M2镜（12)、M3镜（13)与透镜(26)主平面平行，根据相似三角形原 理决定M2镜（12 )、M3镜（13 )在Z轴上的极限点。
[0029]所述M4镜（17)不仅反射出射激光到物体上，而且反射物体光线通过透镜（26)，其 尺寸要综合考虑激光摆动角度和透镜成像的约束。激光扫描范围为30° ±1°，XY平面扫描激 光与M4镜（17 )的极限交点构成M4镜长度范围约束;M4镜（17 )在Z方向的尺寸在点激光模型 下无需考虑，若激光存在一定宽度，M4镜（17)在Z方向应大于激光宽度;M4镜（17)上直接开 孔，使激光束直接穿过镜面，考虑到M4镜（17)作往复摆动，所开孔应为圆锥孔，当镜片摆动 一定角度后不会因为镜面的厚度遮挡激光束;镜面厚度不应低于4_。
[0030] 经透镜(26)聚焦的光斑，由PSD(27)检测光斑位置;为保证PSD(27)上理想成像，根 据沙式准则确定PSD(27)倾斜角度方向，在底板(8)上预留沙式角度的安装孔;PSD(27)的安 放角度、位置参数是由Ml镜（10)、M2镜（12)、M3镜（13)的初始角度，Ml镜（10)和M2镜（12)距 离，透镜焦距和安放位置决定的。
[0031] 系统所用激光为波段为850nm的红外光，且PSD(27)易受环境光干扰，造成光斑位 置误差较大。故将PSD支座(28)完全包裹住PSD(27)，仅预留接收激光的入光孔。为排除环境 光影响，给PSD支座(28)入光孔上加上滤光片(28)，滤光片带通为850mm。同时为保证经过透 镜(26)聚焦的光斑能准确落在PSD(27)接收表面，采用二维移动平台（33)保证在两个方向 都能移动。移动平台（33)通过PSD连接架(31)与PSD支座（28)上螺纹孔相连，通过移动平台 连接架(32)与底板(8)相连。
[0032] 实施例三： 参见图15,本发明小型化激光同步扫描三角测距系统如下： 1、 开启激光器和PSD，调节合适的激光功率，激光能量不宜太弱。初始化测距系统，打开 振镜控制软件复位，使M3和M4镜回到初始角度位置； 2、 上位机发出指令，控制振镜电机摆动角度，M3和M4镜同时做绕轴往复摆运动，激光在 被测物体表面做光栅轨迹扫描，漫反射光经透镜聚焦光斑于PSD表面； 3、 PSD检测光斑位置，将位置信息转化为电压值输出，多通道采集系统同时对角度传感 器和PSD输出的电压值进行采集传输至上位机； 4、 上位机计算得出被测物体的三维点云信息。
[0033]参见图16,为该测距系统在实际使用中的成像效果，在实际环境中对人物进行扫 描，获取三维点云。由测量结果可见，系统所测得的三维点云真实反应了被测物体的实际位 姿。
【主权项】
1. 一种小型化激光同步扫描三角测距系统，包括Ml镜部件（I)、M2镜部件(2)、M3镜部件 (3)、M4镜部件(4)、激光部件(5)、透镜部件(6)、PSD部件(7)和底板(8)，其特征在于所述M3 镜部件(3)位于设定的空间坐标系原点，通过内六角螺栓垂直固定在底板(8)上;Ml镜部件 (1)和M2镜部件(2)分别位于M3镜部件(3)的左、右两侧，且到M3镜部件(3)距离相等，其中Ml 镜部件（1)与水平轴夹角为135° ±2°，M2镜部件(2)与水平轴夹角为45° ±1°，通过内六角螺 栓垂直固定在底板(8)上;M4镜部件(4)垂直固定在底板(8)上，保证镜面圆锥孔位于坐标原 点正上方;激光部件(5 )、透镜部件(6)和M3镜部件(3)处于同一竖直方向，激光部件(5)通过 内六角螺栓固定在底板(8)上的M3镜部件(3)正上方位置处，透镜部件(6)通过内六角螺栓 固定在底板(8)上的M3镜部件(3)正下方位置处;PSD部件(7)通过内六角螺栓水平固定在底 板(8)上的M3镜部件(3)正下方位置处。激光部件(5)发出激光后经M3镜部件(3)、M1镜部件 (1)、M2镜部件（2)、M4镜部件(4)到达被测曲面某一点g并发生漫反射，部分漫反射光再经 M4镜部件(4)、M3镜部件(3)反射，经透镜部件(6)汇聚光斑于PSD部件（7)表面，再由工控机 采集PSD部件(7)输出的电压信号，计算得到空间点坐标信息；即采用同步扫描三角测距法， 对空间物体表面做光栅轨迹扫描获取光斑位置信息，继而获得空间位置坐标。2. 根据权利要求1所述的小型化激光同步扫描三角测距系统，其特征在于:所述Ml镜部 件（1)包括Ml镜支座(9)和Ml镜（10)，其中Ml镜（10)为单面反射镜，Ml镜支座(9)开槽宽度略 大于Ml镜（10)宽度，确保Ml镜（10)能水平放置在Ml镜支座(9)上，通过一个盖片（10〇固定 Ml镜（10);所述M2镜部件(2)包括M2镜支座（I 1)和M2镜（12 )，其中M2镜（12)为单面反射镜， M2镜支座（11)开槽宽度略大于M2镜（12)宽度，确保M2镜（12)能水平放置在M2镜支座（11) 上，通过一个盖片（12 〇固定M2镜（12);所述M3镜部件（3)包括M3镜（13)、M3镜振镜电机 (14)、M3镜套筒（15)和M3镜支座（16 )，其中M3镜（13)为双面反射镜，装夹在M3镜振镜电机 (14)上，M3镜振镜电机（14)与M3镜支座（16)过盈配合，通过M3镜支座（16)上预留的螺纹孔 锁紧，其中M3镜套筒（15)起轴向定位功能，确保M3镜（13)几何中心位置满足设计要求;所述 M4镜部件(4)包括M4镜（17)、M4镜振镜电机（18)、M4镜套筒（19)和M4镜支座(20)，其中M4镜 (17)为单面反射镜，装夹在M4镜振镜电机（18)上，M4镜振镜电机（18)与M4镜支座(20)过盈 配合，通过M4镜支座(20)上预留的螺纹孔锁紧，其中M4镜套筒（19)起轴向定位功能，确保M4 镜（17)上孔的位置满足设计要求;所述M3镜（13)起始摆角为45° ±1°，当其绕轴往复摆动 时，光点0在被测物体表面上沿X轴方向进行行扫描;所述M4镜（17)起始摆角为45° ± 1°，当 其绕轴往复摆动时，光点@在被测物体表面上沿Y轴方向进行行扫描；当M3镜（13)和M4镜 (17)同时绕轴往复摆动时，则光点g在被测物体表面做光栅轨迹扫描。3. 根据权利要求1所述的小型化激光同步扫描三角测距系统，其特征在于:所述激光部 件(5)包括激光支座(21)、光纤接头(22)和激光器(23)，光纤接头(22)和激光器(23)通过螺 纹连接固定在激光支座(21)上，在激光支座(21)上预留紧定螺钉孔;所述透镜部件(6)包括 透镜支座（24)、透镜接口（ 25)和透镜（26)，通过螺纹连接固定在透镜支座（24)上;所述PSD 部件(7)包括PSD(27)、PSD支座(28)、滤光片(29)、滤光片盖片(30)、PSD连接架(31)、移动平 台连接架(32)和移动平台（33)，各零件通过螺纹连接，其中PSD支座(28)开槽尺寸略大于滤 光片(29)尺寸;为保证安装后的位置精度，所述底板(8)上各部件安装位置处都预留定位销 孔。4. 根据权利要求1所述的小型化激光同步扫描三角测距系统，其特征在于：所述Ml镜 (10)、12镜（11)、1〇镜（13)、14镜（17)、激光器(23)、透镜(26)、？30(27)的几何中心距离底板 (8)的高度保持一致，其中透镜(26)焦距为100mm±2mm，孔径D为10mm±0.1mm。5. 根据权利要求1所述的小型化激光同步扫描三角测距系统，其特征在于：所述Ml镜 (10)的尺寸是由激光角度扫描范围所确定，激光扫描范围为30° ±1°，扫描激光与Ml镜（10) 的极限交点构成Ml镜（10)的长度范围;Ml镜（10)在Z方向的尺寸在点激光模型下无需考虑， 若激光存在一定宽度，Ml镜(10)在Z方向应大于激光宽度。6. 根据权利要求1所述的小型化激光同步扫描三角测距系统，其特征在于：所述M2镜 (12)、M3镜（13)的尺寸是由透镜（26)孔径D和M3镜（13)角度扫描范围所确定;M2镜（12)、M3 镜（13)的尺寸要求对任意角度鹌和?30(27)上任意点f都能包含透镜(26)孔径决定的左右 极限点；M2镜（12)、M3镜（13)与透镜(26)主平面平行，根据相似三角形原理决定M2镜（12)、 M3镜（13)在Z轴上的极限点。7. 根据权利要求1所述的小型化激光同步扫描三角测距系统，其特征在于：所述M4镜 (17)不仅反射出射激光到物体上，而且反射物体光线通过透镜(26)，其尺寸要综合考虑激 光摆动角度和透镜成像的约束，激光扫描范围为30° ± 1°，XY平面扫描激光与M4镜（17)的极 限交点构成M4镜长度范围约束;M4镜（17)在Z方向的尺寸在点激光模型下无需考虑，若激光 存在一定宽度，M4镜（17)在Z方向应大于激光宽度;M4镜（17)上直接开孔，使激光束直接穿 过镜面，考虑到M4镜（17)作往复摆动，所开孔应为圆锥孔，当镜片摆动一定角度后不会因为 镜面的厚度遮挡激光束;镜面厚度不应低于4mm。8. 根据权利要求1所述的小型化激光同步扫描三角测距系统，其特征在于:经透镜（26) 聚焦的光斑，由PSD(27)检测光斑位置;为保证PSD(27)上理想成像，根据沙式准则确定PSD (27) 倾斜角度方向，在底板(8)上预留沙式角度的安装孔;PSD(27)的安放角度、位置参数是 由Ml镜（10)、M2镜（12)、M3镜（13)的初始角度，Ml镜（10)和M2镜（12)距离，透镜焦距和安放 位置决定的。9. 根据权利要求1所述的小型化激光同步扫描三角测距系统，其特征在于:系统所用激 光为波段为850nm的红外光，且PSD(27)易受环境光干扰，造成光斑位置误差较大，故将PSD 支座（28)完全包裹住PSD(27)，仅预留接收激光的入光孔，为排除环境光影响，给PSD支座 (28) 入光孔上加上滤光片（28)，滤光片带通为850mm，同时为保证经过透镜(26)聚焦的光斑 能准确落在PSD(27)接收表面，采用二维移动平台（33)保证在两个方向都能移动，移动平台 (33)通过PSD连接架（31)与PSD支座（28)上螺纹孔相连，通过移动平台连接架（32)与底板 (8)相连。
【文档编号】G01B11/02GK106017329SQ201610199572
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年4月4日
【发明人】张旭, 杨浩
【申请人】上海大学