一種二維掃描式雷射測距裝置製造方法

2023-04-24 18:10:51 1

一種二維掃描式雷射測距裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種二維掃描式雷射測距裝置，該裝置包括：雷射發射單元，用於產生一束脈衝式雷射，穿過中間打孔的傾斜反光鏡105，打到反光轉鏡106上，經反射打到被測物上；掃描單元：用於將所述脈衝式雷射在空間內形成一個二維掃描面；聚光接收單元，與雷射發射方向所在軸線垂直，用於聚焦、接收並放大雷射打到被測物上產生的漫反射回波能量號；計時處理單元，獲取雷射飛行時間，根據所述飛行時間計算各點距離，實現對於目標區域掃描式的雷射測距。本實用新型成功將發射與接收光路的光路分離，利用在傾斜反光鏡中間打孔的設計最大化避免雷射發射與接收的光路遮擋問題，大幅提高雷射發射功率；並且檢測精度高，成本低廉，易於推廣。
【專利說明】一種二維掃描式雷射測距裝置

【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及雷射應用【技術領域】，尤其涉及一種二維掃描式雷射測距裝置。

【背景技術】
[0002] 雷射技術作為近年來高新科技發展的尖端技術，已經被越來越多的應用於社會生 產生活的各個領域。雷射具有單色性好、方向性強、亮度高等特點。現已發現的雷射工作物 質有幾千種，波長範圍從軟X射線到遠紅外。
[0003] 而其中雷射測距技術，更是雷射技術擴展領域的一個重要方面。雷射測距儀是利 用雷射對目標的距離進行準確測定（又稱雷射測距）的儀器。雷射測距儀在工作時向目標 射出一束很細的雷射，由光電元件接收目標反射的雷射束，計時器測定雷射束從發射到接 收的時間，計算出從觀測者到目標的距離。
[0004] 近幾年來，隨著科技的發展，掃描式雷射測距技術也逐漸成熟。雷射掃描儀是利用 時間飛行原理來測量工件的尺寸及形狀等工作的一種儀器，雷射掃描測量系統基於雷射測 距原理。通過旋轉的光學部件發射形成二維的掃描面，以實現區域掃描及輪廓測量功能。產 品被廣泛用於防撞、測量、導航、安防等，如設備防撞、散貨體積測量、車型檢測、自行小車導 航、敏感區域防護等。
[0005] 而現階段，掃描式雷射測距裝置通常使用的都是同軸系統來實現的。接收和發射 的同軸系統設計，雖然可以有效保證光路的原路返回，但是在光路遮擋方面，會導致大量能 量的損失，影響實際的測距效果。而現有的垂直軸方案，一般採取較小的反光鏡，可以講準 直光路反射出去，而對於小反光鏡的支撐結構，則會對於光路部分具有較大的遮擋。
[0006] 因此現有的掃描式雷射測距方案，都存在各種各樣的光路設計缺陷與弊端。 實用新型內容
[0007]本實用新型實施例提供一種二維掃描式雷射測距裝置，有利於收發垂直的掃描式 雷射測距裝置的廣泛推廣，該裝置包括：
[0008] 雷射發射單元,用於產生一束脈衝式雷射,並觸發計時START信號；
[0009] 掃描單元：用電機帶動45°反光轉鏡旋轉的方式，將所述脈衝式雷射在空間內形 成一個二維掃描面；
[0010] 聚光接收單元，與雷射發射方向所在軸線垂直，利用一塊中間打孔的傾斜反光鏡， 在保證所述雷射發射單元，可以將雷射從所述傾斜反光鏡中間的小孔中打出的同時，將回 波能量的方向從水平方向反射到垂直方向，並配合聚焦、接收並放大雷射打到被測物上產 生的漫反射回波能量，並觸發計時STOP信號；
[0011] 計時處理單元，根據所述發射和接收的觸發信號，獲取雷射飛行時間，根據所述飛 行時間計算各點距離，實現對於目標區域掃描式的雷射測距；一個實施例中，所述雷射發射 單元採用驅動電路驅動雷射二極體，並匹配準直透鏡；
[0012] 其中，所述傾斜反光鏡利用中間打孔的方式，在保證所述雷射發射單元按產生的 脈衝雷射可以沿水平光路平行射出的同時，將回波能量反射到一個合適的接收角度。
[0013] 其中，所述傾斜反光鏡的傾斜角度範圍區間為：30° -60°。
[0014] 其中，所述傾斜反光鏡與所述掃描單元中45°反光轉鏡反光面相對，用於改變回 波能量的方向便於接收。
[0015] 其中，所述傾斜反光鏡的形狀可以為橢圓形和八邊形。
[0016] 一個實施例中，所述分光單元包括：光學元器件與運動控制件的組合；
[0017] -個實施例中，所述光學兀器件包括：反光鏡和/或分光鏡；
[0018] 一個實施例中，所述運動控制件包括：電機；
[0019] 一個實施例中，所述聚光接收單元包括：反光鏡、聚焦透鏡、光電二極體和放大電 路；
[0020] -個實施例中，所述反光鏡與分光單元反光鏡同軸；
[0021] 一個實施例中，所述聚焦透鏡與準直透鏡所在軸線通過反光鏡分離；
[0022] -個實施例中，所述計時處理單元包括：
[0023] 計時晶片模塊，用於通過接受雷射發射單元與雷射接收單元的觸發信號，獲取激 光在空中飛行的時間；
[0024] 距離計算模塊，用於通過雷射在空中飛行的時間，計算掃描區域各點的距離信息。
[0025] 本實用新型實施例中一體式雷射掃描交通情況調查裝置基於雷射測距技術，無需 與其它裝置配合使用，即可實現對於目標區域的一個二維掃描面內各點的動態掃描，實現 非接觸式的對於目標區域的精確距離測量。
[0026] 本實用新型用一塊傾斜反光鏡實現對於傳統掃描式雷射測距儀光路的發射與接 收的同軸設計的大幅度改進。通過反光鏡將整體光路在一個垂直軸上進行翻轉，從而能夠 實現光路接收與發送的徹底分離。而且在發送與接收光路分離的同時，可以極大程度上保 證光路的完整性，通過在傾斜反光鏡上打洞的設計方式，可以最大化接收光線的能量，大幅 度提高掃描式雷射檢測器接收回波能量的能力，對於現階段市面上掃描式雷射測距的產品 與方案，有著突破性的進展。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027] 為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例 或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅 是本實用新型的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提 下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。在附圖中：
[0028] 圖1為本實用新型實施例中一種二維掃描式雷射測距裝置的整體示意圖；
[0029] 圖2為本實用新型實施例中一種二維掃描式雷射測距裝置的流程簡圖；
[0030] 圖3為本實用新型實施例中一種二維掃描式雷射測距裝置的具體流程圖；
[0031] 圖4為本實用新型實施例中對於目標區域的測距實現方法示意圖；

【具體實施方式】
[0032] 為使本實用新型實施例的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下面結合附圖對 本實用新型實施例做進一步詳細說明。在此，本實用新型的示意性實施例及其說明用於解 釋本實用新型，但並不作為對本實用新型的限定。
[0033] 為了解決上述現有技術中存在的問題，本實用新型實施例基於單點雷射測距原 理，提供一種成本低、檢測精度和可靠性高、現場安裝調試簡單的一種二維掃描式雷射測距 裝置。通過增加一塊45°反光鏡的方式，實現對於現有常見方案光路的大大優化，有效提高 掃描式雷射測距儀的各項檢測指標。
[0034]圖1為本實用新型實施例中一種二維掃描式雷射測距裝置的結構示意圖。如圖1所示，本實用新型實施例中一體式雷射掃描交通情況調查裝置可以包括：
[0035] 雷射發射單元，分光單元，聚光接受單元，計時處理單元。
[0036] 所述雷射發射單元又可以包括：
[0037] 雷射驅動101，用於驅動雷射發光，同時觸發計時電路的STRAT信號；
[0038] 雷射準直102,用於在收到雷射驅動信號之後，產生脈衝雷射，同時利用光學透鏡 將所述脈衝雷射準直，垂直射出；
[0039] 所述分光電源又可以包括：
[0040] 掃描電機103,用於帶動轉鏡旋轉，通過旋轉在空間內形成二維掃描面；
[0041] 45°反光轉鏡104,用於安裝在所述掃描電機103上，將所述雷射準直102產生的 準直雷射進行旋轉分光，在空間內形成二維掃描面。同時還能將所述準直雷射打到被測物 上返回的平行光反射到聚光接受系統中；
[0042] 所述聚光接收單元又可以包括：
[0043] 傾斜反光鏡105,所述準直雷射打到被測物上反射回的回波能量，射到所述45° 反光轉鏡104上,經過反射打到傾斜反光鏡105上,在經過一次反射進入聚焦透鏡筒中；
[0044] 聚光系統106,用於將經過多次反射到回波能量用聚焦透鏡進行聚焦；
[0045] 光電二極體107,用於將聚焦後的光信號轉換成電信號；
[0046] 所述計時處理單元又可以包括：
[0047] 前置放大電路108,用於將所述光電二極體107產生的電信號進行放大，同時觸發 計時電路109 ;
[0048] 計時電路109,用於通過利用所述雷射驅動101產生的START信號和所述前置放大 電路108產生的STOP信號，計算雷射飛行的時間；
[0049] 主控板110,利用所述及時電路109產生的雷射飛行時間，配合相關的處理算法， 計算出所屬雷射器到被測物之間的距離；
[0050] 上位機111，將主控板110計算出來的距離進行分析顯示。
[0051] 具體實施時，雷射驅動101可以由能夠實現其功能的裝置來實施，例如可以是由 驅動信號驅動的雷射二極體，也可以是雷射器，或者是其他能夠產生脈衝式雷射的方式發 出雷射。
[0052] 具體實施時，雷射準直102可以由夠實現其功能的裝置來實施，例如可以是採用 光纖耦合和/或準直透鏡準直的方法實現，或者是其他能夠實現光纖準直的方法實現；
[0053] 具體實施時，掃描電機103可以由電機實現，也可以由其他旋轉結構件實現；
[0054] 具體實施時，45°反光轉鏡104可以用一塊安裝在所述掃描電機103上的平面反 射鏡實現，或者是其他能夠實現光路反射的方法實現；
[0055] 具體實施時，傾斜反光鏡105可以用一塊與所述45°反光轉鏡104正面相對的平 面反射鏡實現，或者是其他能夠實現光路反射的方法實現；
[0056] 具體實施時，聚光系統106可以是用一塊或多塊聚焦透鏡實現，或者是其他能夠 實現光路聚焦的方法實現；
[0057] 具體實施時，光電二極體107,可以用APD (Avalanche Photo Diode，雪崩光電二極 管）將光信號轉換為電信號，或者是其他能夠實現光電轉換的方法實現；
[0058] 具體實施時，前置放大電路108,可以用運算放大電路對電信號進行放大，或者是 其他能夠實現信號處理的方法實現；
[0059] 具體實施時，計時電路109,也可以用精確的計時晶片實現，或者是其他能夠實現 計時功能的晶片和/或電路實現；
[0060] 具體實施時，主控板110,可以用帶有控制處理功能的晶片實現，或者是其他能夠 實現控制功能的晶片和/或電路實現；
[0061] 具體實施時，上位機111，可以用上位機電腦實現，或者是其他能夠實現控制輸出 顯示的方法實現；
[0062] 圖2為本實用新型實施例中一種二維掃描式雷射測距裝置的流程簡圖，結合圖2， 對於系統的測距流程進行簡單闡述，如圖所示：脈衝雷射經過發射單元201產生、分光單元 202將單束脈衝雷射在空間內形成二維掃描面，然後打到被測物體上，然後通過聚光接受單 元203,聚焦所述雷射的回波能量，並將其轉換為電信號，傳輸到後級計時處理單元，對所述 信號進行放大處理，實現計時測距。
[0063] 圖3為本實用新型實施例中一種二維掃描式雷射測距裝置的具體流程圖，結合圖 2,對於系統的整個測距流程進行系統描述，如圖所示：
[0064] 301，雷射器在雷射驅動下，產生一束脈衝式雷射，所述脈衝式雷射經過準直透鏡 的準直，水平方向射出，穿過中間鑽孔45度反光鏡1，打到安裝在電機負載的反光轉鏡2上， 再反射出去，打到被測物上進行測距，同時雷射驅動在驅動雷射器發光的同時，觸發計時芯 片的START信號；
[0065] 302,電機帶動反光轉鏡2進行高速旋轉，即可將301中所述打到反光轉鏡2的脈 衝式雷射在空間上形成二維掃描面，實現對於目標區域的二維掃描；
[0066] 303,所述301中所述脈衝雷射打到被測物上，產生的回波能量返回之後，打回到 反光轉鏡2上，經過反射打到45度反光鏡1，經過兩次反射，重新回到接收透鏡筒內，被接受 透鏡對該雷射回波能量進行聚焦放大；
[0067] 304,所述接收透鏡筒將303所述的雷射反射的回撥能量進行聚焦後，打到光敏元 件Aro上，觸發光電二極體產生電信號，經過後級的放大處理，並再次觸發計時晶片的STOP 信號；
[0068] 305,通過所述計時晶片的START與STOP兩個信號差對雷射飛行時間進行準確計 時，即可計算出雷射飛行的光程，實現掃描式雷射測距。
[0069] 圖4為本實用新型實施例中對於目標區域的測距實現方法示意圖，定義如下數 據，對雷射測距的計算方面進行簡單闡述，如圖所示：
[0070] t :所述計時晶片START與STOP兩個信號的時間差；
[0071] c:光速； TC.t
[0072] 通過所述時間差，可以計算出雷射測距裝置到被測物體之間的距離為J=
[0073] 由上述實施例可知，本實用新型實施例中種收發垂直的掃描式雷射測距裝置基於 雷射測距技術，通過垂直軸的設計，可以大大優化整個系統光路，有效避免現階段主流的激 光測距裝置的同軸系統等各種方案的光路遮擋現象，成功最大化光路能量輸出，具有較大 的現實意義；僅用光路設計的優化，即可實現光學遮擋的最小化，大幅度提高測距精度；並 且檢測精度高，成本低廉，易於推廣。
[0074] 本領域內的技術人員應明白，本實用新型的實施例可提供為方法、系統、或計算機 程序產品。因此，本實用新型可採用完全硬體實施例、完全軟體實施例、或結合軟體和硬體 方面的實施例的形式。而且，本實用新型可採用在一個或多個其中包含有計算機可用程序 代碼的計算機可用存儲介質（包括但不限於磁碟存儲器、CD-ROM、光學存儲器等）上實施的 電腦程式產品的形式。
[0075] 本實用新型是參照根據本實用新型實施例的方法、設備（系統）、和電腦程式產 品的流程圖和/或方框圖來描述的。應理解可由電腦程式指令實現流程圖和/或方框圖 中的每一流程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結合。可提供 這些電腦程式指令到通用計算機、專用計算機、嵌入式處理機或其他可編程數據處理設 備的處理器以產生一個機器，使得通過計算機或其他可編程數據處理設備的處理器執行的 指令產生用於實現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指 定的功能的裝置。
[0076] 這些電腦程式指令也可存儲在能引導計算機或其他可編程數據處理設備以特 定方式工作的計算機可讀存儲器中，使得存儲在該計算機可讀存儲器中的指令產生包括指 令裝置的製造品，該指令裝置實現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或 多個方框中指定的功能。
[0077] 這些電腦程式指令也可裝載到計算機或其他可編程數據處理設備上，使得在計 算機或其他可編程設備上執行一系列操作步驟以產生計算機實現的處理，從而在計算機 或其他可編程設備上執行的指令提供用於實現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框 圖一個方框或多個方框中指定的功能的步驟。
[0078] 以上所述的具體實施例，對本實用新型的目的、技術方案和有益效果進行了進一 步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本實用新型的具體實施例而已，並不用於限定本 實用新型的保護範圍，凡在本實用新型的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改 進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。
【權利要求】
1. 一種二維掃描式雷射測距裝置，其特徵在於，包括： 雷射發射單元，用於產生一束脈衝式雷射，並觸發計時START信號； 掃描單元：用電機帶動45°反光轉鏡旋轉的方式，將所述脈衝式雷射在空間內形成一 個二維掃描面； 聚光接收單元，與雷射發射方向所在軸線垂直，利用一塊中間打孔的傾斜反光鏡，在保 證所述雷射發射單元，可以將雷射從所述傾斜反光鏡中間的小孔中打出的同時，將回波能 量的方向從水平方向反射到垂直方向，並配合聚焦、接收並放大雷射打到被測物上產生的 漫反射回波能量，並觸發計時STOP信號； 計時處理單元，根據所述發射和接收的觸發信號，獲取雷射飛行時間，根據所述飛行時 間計算各點距離，實現對於目標區域掃描式的雷射測距。
2. 如權利要求1所述的一種二維掃描式雷射測距裝置，其特徵在於，所述聚光接收單 元包括：傾斜反光鏡、聚焦透鏡、光電二極體和放大電路。
3. 如權利要求2所述的一種二維掃描式雷射測距裝置，其特徵在於，所述傾斜反光鏡 利用中間打孔的方式，在保證所述雷射發射單元按產生的脈衝雷射可以沿水平光路平行射 出的同時，將回波能量反射到一個合適的接收角度。
4. 如權利要求2所述的一種二維掃描式雷射測距裝置，其特徵在於，所述傾斜反光鏡 的傾斜角度範圍區間為：30° -60°。
5. 如權利要求2所述的一種二維掃描式雷射測距裝置，其特徵在於，所述傾斜反光鏡 與所述掃描單兀中45°反光轉鏡反光面相對，用於改變回波能量的方向便於接收。
6. 如權利要求2所述的一種二維掃描式雷射測距裝置，其特徵在於，所述傾斜反光鏡 的形狀可以為橢圓形和八邊形。
【文檔編號】G01S17/08GK204044359SQ201420382564
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年7月11日 優先權日:2014年7月11日
【發明者】熊若訥, 鄧永強, 張英傑, 劉一郎, 姚飛 申請人:武漢萬集信息技術有限公司