CN106839991A - 应用于三维场景测量的激光扫描装置和激光扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于三维场景测量的激光扫描装置和激光扫描方法，包括光源、激光相位调制器、光栅、反射镜、透镜、测距受光部和成像受光部组成；所述激光相位调制器和光栅组成激光偏转部对激光进行调制，取代了传统的转镜偏转的方法，可以实现高频的激光扫描。本发明采用激光相位调制器和光栅的组合取代转镜，对光束进行偏转扫描，扫描频率只受限于相位调制器的调制频率，可达到GHz量级，且偏转部件不存在机械运动，一方面避免了部件惯性带来的启动延迟，另一方面避免了运动摩擦对装置寿命的影响。

Description

应用于三维场景测量的激光扫描装置和激光扫描方法

技术领域

本发明涉及激光扫描领域，具体涉及一种应用于三维场景测量的激光扫描装置和激光扫描方法。

背景技术

激光扫描装置是一种利用特定器件将光源发出的激光进行方向偏转，从而实现对目标物进行一维或二维扫描的装置。结合测距部件和成像部件，可对目标物进行三维成像。目前该技术应用于地形探测、自动驾驶及三维模型快速生成等方面。

当前实现激光扫描的方法主要是使用电机驱动的可旋转反射镜(转镜，参考专利文献200710153106.5)对激光束进行周期性偏转，从而实现扫描。但受限于电机的驱动转速，转镜方法的扫描频率最高只能达到MHz量级。同时受限于运动部件的惯性，其启动时间较长。且机械运动无法避免摩擦损耗带来的寿命限制。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种应用于三维场景测量的激光扫描装置，包括：

用于发出脉冲激光的光源；

位于激光光路上的用于调制激光方向偏转的激光调制单元；

反射镜，其将激光调制单元调节后的激光进行反射并沿大致水平方向射出扫描目标物，同时将从目标物反射回的光束反射至成像受光部和测距受光部进行目标物的三维成像。

优选的是，所述激光调制单元包括：用于调制激光水平偏转角的水平轴调制单元，其位于激光光路上；

用于调制激光竖直偏转角的竖直轴调制单元，其位于水平轴调制单元调制后的激光光路上。

优选的是，所述水平轴调制单元包括依次位于脉冲激光光路上的水平轴相位调制器和水平轴光栅；所述竖直轴调制单元包括依次位于脉冲激光光路上的竖直轴相位调制器和竖直轴光栅。

优选的是，所述水平轴光栅和竖直轴光栅的刻线方向相互垂直，其偏转激光的偏转面相互垂直。

优选的是，还包括：第一半透半反镜，其位于激光调制单元和反射镜之间的激光光路上，并将激光调制单元调制后的激光透射至反射镜；所述反射镜将激光进行反射并沿大致水平方向射出扫描目标物；

透镜，其位于第一半透半反镜的反射光路上；

第二半透半反镜，其位于透镜的透射光路上；

其中，所述成像受光部位于第二半透半反镜的透射光路上；所述测距受光部位于第二半透半反镜的反射光路上；所述反射镜将从目标物反射回的光束反射至第一半透半反镜的反射面，并水平反射至透镜；所述透镜将目标物光束透射至第二半透半反镜；从第二半透半反镜透射的光束进入成像受光部、反射的光束进入测距受光部。

优选的是，所述第二半透半反镜至成像受光部和至测距受光部的距离相同。

优选的是，所述反射镜上连接有用于驱动反射镜的反射镜驱动单元。

本发明还提供一种采用上述的应用于三维场景测量的激光扫描装置进行激光扫描的方法，包括以下步骤：

步骤一、设水平轴相位调制器对激光的相位调制函数为竖直轴相位调制器激光的相位调制函数为则出射光的水平偏转角α(t)和竖直偏转角β(t)分别为：

其中，λ为光源发出的激光波长，c为真空中的光速，k_u＝dα/dλ,k_v＝dβ/dλ分别为水平轴光栅和竖直轴光栅的色散系数；和分别表示两个相位调制器在t时刻的波形斜率；

步骤二、以反射镜的中心为原点建立三维坐标系；具体包括：以水平偏转角方向为u轴，以竖直偏转角方向为v轴，以反射光出射方向为w轴；其中，从目标物不同反光点反射回的光入射反射镜的角度不同，从而在成像受光部的焦点位置不同，所以成像受光部能够测量目标物上的反光点在uv平面的坐标；测距受光部测量激光脉冲从光源发出到返回测距受光部的时间Δt，扣除光脉冲在激光扫描装置内部的传输时间Δt₀后，可计算得目标物反光点距离激光扫描装置的距离，从而确定目标物反光点在w轴的坐标；以反射镜的中心为外部坐标系的坐标原点，则w轴坐标为：

在激光扫描装置的扫描范围内，目标物各反光点的三维(uvw)坐标得到测量，从而能够对目标物进行三维成像；

同时，调整水平轴光栅和竖直轴光栅的色散系数k_u和k_v可在u轴和v轴方向获得不同的分辨率。

优选的是，所述Δt₀包括激光从光源发出后传输至反射镜的时间，以及从目标物返回的激光经反射镜发射后传输至测距受光部的时间。。

本发明的一种应用于三维场景测量的激光扫描装置的工作原理为：从光源发出高重复频率的脉冲激光，经激光相位调制器进行周期性的相位调制，相位调制使得激光的波长发生小量的平移，该平移量随时间变化。接着，激光通过光栅反射，其反射角与入射光的波长相关，从而使得反射光的角度随着相位调制的调制波形发生周期性变化，达到激光扫描的目的。使用两组相位调制器和光栅的组合可以实现二维的激光扫描，其中，两个光栅的刻线方向相互垂直，其偏转激光的偏转面相互垂直。

本发明至少包括以下有益效果：本发明采用激光相位调制器和光栅的组合取代转镜，对光束进行偏转扫描，扫描频率只受限于相位调制器的调制频率，可达到GHz量级，且偏转部件不存在机械运动，一方面避免了部件惯性带来的启动延迟，另一方面避免了运动摩擦对装置寿命的影响。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明：

图1为本发明激光扫描装置内部结构，及内部坐标定义示意图；

图2激光扫描装置对目标物的扫描示意，及外部坐标定义示意图；

图3实施例1中激光扫描的范围及路径示意图；

图4实施例1中的光源1脉冲波形I(t)、水平轴相位调制器2的相位调制波形φ_u(t)，以及竖直轴相位调制器4的相位调制波形φ_v(t)。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

图1和2示出了一种应用于三维场景测量的激光扫描装置，包括：

用于发出脉冲激光的光源1；

位于激光光路上的用于调制激光方向偏转的激光调制单元；

反射镜7，其将激光调制单元调节后的激光进行反射并沿大致水平方向射出扫描目标物13，同时将从目标物反射回的光束反射至成像受光部10和测距受光部11进行目标物的三维成像。

在上述技术方案中，所述激光调制单元包括：用于调制激光水平偏转角的水平轴调制单元，其位于激光光路上；所述水平轴调制单元包括依次位于脉冲激光光路上的水平轴相位调制器2和水平轴光栅3；

用于调制激光竖直偏转角的竖直轴调制单元，其位于水平轴调制单元调制后的激光光路上；所述竖直轴调制单元包括依次位于脉冲激光光路上的竖直轴相位调制器4和竖直轴光栅5；所述水平轴光栅和竖直轴光栅的刻线方向相互垂直，其偏转激光的偏转面相互垂直；如图1所示的结构示意图，建立相应的三维坐标系(x,y,z)，其中水平轴光栅3的刻线平行xz平面；竖直轴光栅5的刻线平行yz平面。

在上述技术方案中，还包括：第一半透半反镜6，其位于激光调制单元和反射镜之间的激光光路上，并将激光调制单元调制后的激光透射至反射镜7；所述反射镜7将激光进行反射并沿大致水平方向射出扫描目标物13；

透镜8，其位于第一半透半反镜的反射光路上；

第二半透半反镜9，其位于透镜的透射光路上；

其中，所述成像受光部10位于第二半透半反镜的透射光路上；所述测距受光部11位于第二半透半反镜的反射光路上；所述反射镜将从目标物反射回的光束反射至第一半透半反镜的反射面，并水平反射至透镜；所述透镜将目标物光束透射至第二半透半反镜；从第二半透半反镜透射的光束进入成像受光部、反射的光束进入测距受光部。

在上述技术方案中，所述第二半透半反镜至成像受光部和至测距受光部的距离相同。

在上述技术方案中，所述反射镜上连接有用于驱动反射镜的反射镜驱动单元。

本发明一种采用上述的应用于三维场景测量的激光扫描装置进行激光扫描的方法，包括以下步骤：

步骤一、如图1所示，光源1发出高重复频率的脉冲激光，水平轴相位调制器2和水平轴光栅3对激光的水平偏转角(沿图2中u轴方向)进行调制，竖直轴相位调制器4和竖直轴光栅5对激光的竖直偏转角(沿图2中v轴方向)进行调制，然后激光经第一半透半反镜6透射、反射镜7反射后沿大致水平的方向出射至目标物13；

设水平轴相位调制器对激光的相位调制函数为竖直轴相位调制器激光的相位调制函数为则出射光的水平偏转角α(t)和竖直偏转角β(t)分别为：

其中，λ为光源发出的激光波长，c为真空中的光速，k_u＝dα/dλ,k_v＝dβ/dλ分别为水平轴光栅和竖直轴光栅的色散系数；和分别表示两个相位调制器在t时刻的波形斜率；

步骤二、从目标物13反射回激光扫描装置14的光束(图1中虚线表示)经过反射镜7和第一半透半反镜6反射后经透镜8聚焦，经第二半透半反镜9后分为两束光，一束透射聚焦于成像受光部10的成像面，另一束反射进入测距受光部11。半透半反镜9至成像受光部10和至测距受光部11的距离相同；以反射镜的中心为图2中外部坐标系的坐标原点建立三维坐标系；具体包括：以水平偏转角方向为u轴，以竖直偏转角方向为v轴，以反射光出射方向为w轴；其中，从目标物不同反光点反射回的光入射反射镜7的角度不同，从而在成像受光部10的焦点位置不同，所以成像受光部能够测量目标物13上的反光点在uv平面的坐标；测距受光部11测量激光脉冲从光源发出到返回测距受光部11的时间Δt，扣除光脉冲在激光扫描装置14内部的传输时间Δt₀后，可计算得目标物反光点距离激光扫描装置14的距离，从而确定目标物反光点在w轴的坐标。其中，Δt₀包括激光从光源发出后传输至反射镜7的时间，以及从目标物返回的激光经反射镜7发射后传输至测距受光部11的时间。以反射镜7的中心为图2中外部坐标系的坐标原点，则w轴坐标为

综上，在激光扫描装置14的扫描范围内，目标物各反光点的三维(uvw)坐标得到测量，从而能够对目标物进行三维成像。

同时，调整水平轴光栅3和竖直轴光栅5的色散系数k_u和k_v可在u轴和v轴方向获得不同的分辨率。

实施例1：

设需要的扫描目标范围和路径如图3所示，为5×5的矩阵，激光从坐标(-2,-2)以之字形路径逐行扫描至坐标(2,2)。则光源1的脉冲时序和两个相位调制器2和4的调制波形如图4所示。在一个脉冲周期内，相位调制器2和4的波形保持线性变化，其斜率对应扫描的角度，保持不变，下一个脉冲周期，φ_u(t)的斜率变化，φ_v(t)保持不变，则扫描点在u轴方向移动。待扫描完一行以后，φ_v(t)变化，则扫描点在v轴方向移动，跳入下一行。

设光源1发出激光的重复频率为1GHz，水平轴相位调制器2和竖直轴相位调制器4的调制频率相应地设为1GHz，则激光扫描装置14扫描一个像素点的时间为1ns，1ms内可以扫描10⁶个像素，从而可以对高速运动物体进行快速清晰的三维成像。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种应用于三维场景测量的激光扫描装置，其特征在于，包括：

用于发出脉冲激光的光源；

位于激光光路上的用于调制激光方向偏转的激光调制单元；

反射镜，其将激光调制单元调节后的激光进行反射并沿大致水平方向射出扫描目标物，同时将从目标物反射回的光束反射至成像受光部和测距受光部进行目标物的三维成像。

2.如权利要求1所述的应用于三维场景测量的激光扫描装置，其特征在于，所述激光调制单元包括：用于调制激光水平偏转角的水平轴调制单元，其位于激光光路上；

用于调制激光竖直偏转角的竖直轴调制单元，其位于水平轴调制单元调制后的激光光路上。

3.如权利要求1所述的应用于三维场景测量的激光扫描装置，其特征在于，所述水平轴调制单元包括依次位于脉冲激光光路上的水平轴相位调制器和水平轴光栅；所述竖直轴调制单元包括依次位于脉冲激光光路上的竖直轴相位调制器和竖直轴光栅。

4.如权利要求3所述的应用于三维场景测量的激光扫描装置，其特征在于，所述水平轴光栅和竖直轴光栅的刻线方向相互垂直，其偏转激光的偏转面相互垂直。

5.如权利要求3所述的应用于三维场景测量的激光扫描装置，其特征在于，还包括：第一半透半反镜，其位于激光调制单元和反射镜之间的激光光路上，并将激光调制单元调制后的激光透射至反射镜；所述反射镜将激光进行反射并沿大致水平方向射出扫描目标物；

透镜，其位于第一半透半反镜的反射光路上；

第二半透半反镜，其位于透镜的透射光路上；

其中，所述成像受光部位于第二半透半反镜的透射光路上；所述测距受光部位于第二半透半反镜的反射光路上；所述反射镜将从目标物反射回的光束反射至第一半透半反镜的反射面，并水平反射至透镜；所述透镜将目标物光束透射至第二半透半反镜；从第二半透半反镜透射的光束进入成像受光部、反射的光束进入测距受光部。

6.如权利要求5所述的应用于三维场景测量的激光扫描装置，其特征在于，所述第二半透半反镜至成像受光部和至测距受光部的距离相同。

7.如权利要求1所述的应用于三维场景测量的激光扫描装置，其特征在于，所述反射镜上连接有用于驱动反射镜的反射镜驱动单元。

8.一种采用如权利要求5所述的应用于三维场景测量的激光扫描装置进行激光扫描的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、设水平轴相位调制器对激光的相位调制函数为竖直轴相位调制器激光的相位调制函数为则出射光的水平偏转角α(t)和竖直偏转角β(t)分别为：

$\mathrm{\α}\left(t\right)=-k_u\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{2\mathrm{\π}c}\frac{\∂{\mathrm{\φ}}_u\left(t\right)}{\∂t}$

$\mathrm{\β}\left(t\right)=-k_v\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{2\mathrm{\π}c}\frac{\∂{\mathrm{\φ}}_v\left(t\right)}{\∂t}$

其中，λ为光源发出的激光波长，c为真空中的光速，k_u＝dα/dλ,k_v＝dβ/dλ分别为水平轴光栅和竖直轴光栅的色散系数；和分别表示两个相位调制器在t时刻的波形斜率；

步骤二、以反射镜的中心为原点建立三维坐标系；具体包括：以水平偏转角方向为u轴，以竖直偏转角方向为v轴，以反射光出射方向为w轴；其中，从目标物不同反光点反射回的光入射反射镜的角度不同，从而在成像受光部的焦点位置不同，所以成像受光部能够测量目标物上的反光点在uv平面的坐标；测距受光部测量激光脉冲从光源发出到返回测距受光部的时间Δt，扣除光脉冲在激光扫描装置内部的传输时间Δt₀后，可计算得目标物反光点距离激光扫描装置的距离，从而确定目标物反光点在w轴的坐标；以反射镜的中心为外部坐标系的坐标原点，则w轴坐标为：

$w(u,v)=\frac{\mathrm{\Δ}t(u,v)-{\mathrm{\Δt}}_0}{2}$

在激光扫描装置的扫描范围内，目标物各反光点的三维(uvw)坐标得到测量，从而能够对目标物进行三维成像；

同时，调整水平轴光栅和竖直轴光栅的色散系数k_u和k_v可在u轴和v轴方向获得不同的分辨率。

9.如权利要求8所述的采用应用于三维场景测量的激光扫描装置进行激光扫描的方法，其特征在于，所述Δt₀包括激光从光源发出后传输至反射镜的时间，以及从目标物返回的激光经反射镜发射后传输至测距受光部的时间。