一種小型化激光同步掃描三角測距系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種小型化激光同步掃描三角測距系統(tǒng)。它包括M1鏡部件、M2鏡部件、M3鏡部件、M4鏡部件、激光部件、透鏡部件、PSD部件和底板。激光器發(fā)出的準(zhǔn)直激光束經(jīng)雙面反射鏡M3鏡上反射面、反射鏡M1鏡、反射鏡M4鏡，到達(dá)被測曲面某一點(diǎn)并發(fā)生漫反射，部分漫反射光再經(jīng)反射鏡M4鏡、雙面反射鏡M3鏡下反射面反射，經(jīng)透鏡匯聚光斑于PSD表面，PSD采集光斑位置信息并輸出電壓值，多通道采集系統(tǒng)同時(shí)對角度傳感器和PSD輸出的電壓值進(jìn)行采集傳輸至上位機(jī)，上位機(jī)計(jì)算后可得空間點(diǎn)位置坐標(biāo)。本發(fā)明測量距離范圍為0.5m～10m，具有測量精度高，實(shí)時(shí)采集，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體積較小等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】
一種小型化激光同步掃描三角測距系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明主要應(yīng)用于光學(xué)非接觸精密測量領(lǐng)域，涉及一種小型化激光同步掃描三角 測距系統(tǒng)，可用于測量物體的三維面型，適應(yīng)不同測量范圍和分辨率的要求。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科技的進(jìn)步，工業(yè)測量領(lǐng)域在不斷發(fā)展，對測量技術(shù)的要求越來越高。傳統(tǒng)接 觸式三維測量由于與被測物接觸產(chǎn)生形變，造成誤差，影響測量精度，更主要是損壞物體表 面，磨損接觸頭，速度慢，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需要。光學(xué)非接觸三維測量是對物 體空間和結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，從而獲取物體的三維輪廓及表面點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)的一種方法。 光學(xué)非接觸三維測量是隨著近年來光學(xué)、電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用而發(fā)展起來的，具有 高效率、高精度、無破壞性、小型化、智能化等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于地形地貌測量、機(jī)械制造、航 空航天等領(lǐng)域，如自主交匯對接、三維自動(dòng)目標(biāo)識別、探測等。光學(xué)非接觸三維測量的主要 方法有飛行時(shí)間法T0F( Time OF FI ight )、干涉法（Interf erome try )、結(jié)構(gòu)光法 (Structured Light)、立體視覺（Stereo Vision)和激光三角法（Laser Triangulation) 等。激光三角測量法由于光束能量集中、測量精度高、結(jié)構(gòu)簡單和工作范圍大而得到廣泛應(yīng) 用。
[0003] 但傳統(tǒng)激光三角法存在局限性，其分辨率隨著距離的增長而迅速變差。M.Rioux等 人提出同步掃描三角測距成像的思想，并在APPLIED OPTICS上發(fā)表了《Laser range finder based on synchronized scanners))一文，該方法主要在掃描光路與接收成像光路 中增加一掃描器，使得發(fā)射光與接收光同步偏轉(zhuǎn)，擴(kuò)大了系統(tǒng)橫向掃描測量范圍和縱向測 距范圍。但系統(tǒng)的測量范圍，包括橫向掃描測量范圍和縱向測距范圍，以及距離測量分辨率 都是固定不變的。
[0004] 國內(nèi)唐圣彪、屠大維進(jìn)一步研究了激光同步掃描三角測距成像系統(tǒng)的特點(diǎn)，從理 論上推出了一般意義軌跡圓方程，并得出系統(tǒng)所能測量的最大和最小范圍、距離分辨率等 與系統(tǒng)參數(shù)的規(guī)律。研究論文《激光同步掃描三角測距成像系統(tǒng)的理論分析》和《激光同步 掃描三角測距成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)》發(fā)表在"光電子?激光"期刊上。
[0005] 目前在國外，基于傳統(tǒng)三角法的光學(xué)非接觸測量技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的比較成熟，并且 已有想當(dāng)多成型產(chǎn)品投入使用。比較典型的激光位移傳感器有美國的MIT公司Mirotrak系 列；德國Micro-Eps i Ion (米銥）公司的optoNCDT系列和日本Keyence(基恩士）公司LB、LK、 LS、LD等系列產(chǎn)品，甚至有精度達(dá)到納米級的產(chǎn)品。國內(nèi)對于激光三角法的研究大部分都停 留在實(shí)驗(yàn)室階段，成型的產(chǎn)品較少，較早的產(chǎn)品是深圳光學(xué)測量有限公司和華科合作開發(fā) 的LT系列激光位移傳感器。近年來也有少數(shù)公司開發(fā)的一些產(chǎn)品，如有北京飛拓信達(dá)激光 技術(shù)有限公司生產(chǎn)的型號為FTCJ-A激光位移傳感器，測量距離最大可達(dá)100m，精度已經(jīng)優(yōu) 于 lmm〇

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是為了解決一般激光同步掃描三角測距成像系統(tǒng)中橫向掃描測量 范圍、縱向測距范圍、距離分辨率不能適應(yīng)被測物體尺寸和距離變化而調(diào)節(jié)的問題，提出一 種小型化激光同步掃描三角測距系統(tǒng)，能適應(yīng)不同測量范圍和分辨率要求的同步掃描三角 測距成像，同時(shí)盡可能使激光同步掃描三角測距系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體積最小。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案： 一種小型化激光同步掃描三角測距系統(tǒng)，用于測量物體的三維面型。系統(tǒng)采用同步掃 描三角測距法，對空間物體表面做光柵軌跡掃描獲取光斑位置信息，繼而獲得空間點(diǎn)位置 坐標(biāo)。
[0008] 所述小型化激光同步掃描三角測距系統(tǒng)主要部件包括Ml鏡部件、M2鏡部件、M3鏡 部件、M4鏡部件、激光部件、透鏡部件、PSD部件和底板。M3鏡部件位于設(shè)定的空間坐標(biāo)系原 點(diǎn)，通過內(nèi)六角螺栓垂直固定在底板上;Ml鏡部件和M2鏡部件分別位于M3鏡部件左、右兩 側(cè)，且到M3鏡部件距離相等，其中Ml鏡部件與水平軸夾角為135° ±2°，M2鏡部件與水平軸夾 角為45° ±1°，通過內(nèi)六角螺栓垂直固定在底板上;M4鏡部件垂直固定在底板上，保證鏡面 圓錐孔位于坐標(biāo)原點(diǎn)正上方;激光部件、透鏡部件和M3鏡部件處于同一豎直方向，激光部件 通過內(nèi)六角螺栓固定在底板上的M3鏡部件正上方位置處，透鏡部件通過內(nèi)六角螺栓固定在 底板上的M3鏡部件正下方位置處;PSD部件通過內(nèi)六角螺栓水平固定在底板上的M3鏡部件 正下方位置處。激光部件發(fā)出激光后經(jīng)M3鏡部件、Ml鏡部件、M2鏡部件、M4鏡部件到達(dá)被測 曲面某一點(diǎn)β并發(fā)生漫反射，部分漫反射光再經(jīng)M4鏡部件、M3鏡部件反射，經(jīng)透鏡部件匯聚 光斑于PSD部件表面，再由工控機(jī)采集信號得到空間點(diǎn)坐標(biāo)信息。
[0009] 所述小型化激光同步掃描三角測距系統(tǒng)的Ml鏡部件結(jié)構(gòu)主要由Ml鏡支座和Ml鏡 組成，其中Ml鏡為單面反射鏡，Ml鏡支座開槽寬度略大于Ml鏡寬度，確保Ml鏡能水平放置在 Ml鏡支座上，通過蓋片固定Ml鏡;M2鏡部件結(jié)構(gòu)主要由M2鏡支座和M2鏡組成，其中M2鏡為單 面反射鏡，M2鏡支座開槽寬度略大于M2鏡寬度，確保M2鏡能水平放置在M2鏡支座上，通過蓋 片固定M2鏡;M3鏡部件結(jié)構(gòu)主要由M3鏡和M3鏡振鏡電機(jī)、M3鏡套筒組成和M3鏡支座四部分 組成，其中M3鏡為雙面反射鏡，裝夾在M3鏡振鏡電機(jī)上，M3鏡振鏡電機(jī)與M3鏡支座過盈配 合，通過M3鏡支座上預(yù)留的螺紋孔鎖緊，其中M3鏡套筒軸向定位功能，確保M3鏡幾何中心位 置滿足設(shè)計(jì)要求;M4鏡部件結(jié)構(gòu)主要由M4鏡和M4鏡振鏡電機(jī)、M4鏡套筒組成和M4鏡支座四 部分組成，其中M4鏡為單面反射鏡，裝夾在M4鏡振鏡電機(jī)上，M4鏡振鏡電機(jī)與M4鏡支座過盈 配合，通過M4鏡支座上預(yù)留的螺紋孔鎖緊，其中M4鏡套筒軸向定位功能，確保M4鏡上孔的位 置滿足設(shè)計(jì)要求;M3鏡起始擺角為45° ±1°，當(dāng)期繞軸往復(fù)擺動(dòng)時(shí)，光點(diǎn)0在被測物體表面 上沿X軸方向進(jìn)行行掃描;M4鏡起始擺角為45° ± 1°，當(dāng)期繞軸往復(fù)擺動(dòng)時(shí)，光點(diǎn)0在被測 物體表面上沿Y軸方向進(jìn)行行掃描；當(dāng)M3鏡和M4鏡同時(shí)繞軸往復(fù)擺動(dòng)時(shí)，則光點(diǎn)◎在被測物 體表面做光柵軌跡掃描。
[0010]所述小型化激光同步掃描三角測距系統(tǒng)的激光部件結(jié)構(gòu)主要由激光支座、光纖接 頭、激光器三部分組成，光纖接頭和激光器通過螺紋連接固定在激光支座上，在激光支座上 預(yù)留緊定螺釘孔;透鏡部件結(jié)構(gòu)主要由透鏡支座、透鏡接口、透鏡三部分組成，通過螺紋連 接固定在透鏡支座上;PSD部件結(jié)構(gòu)主要由PSD、PSD支座、濾光片、濾光片蓋片、PSD連接架、 移動(dòng)平臺(tái)連接架、移動(dòng)平臺(tái)七部分組成，各零件通過螺紋連接，其中PSD支座開槽尺寸略大 于濾光片尺寸;為保證安裝后的位置精度，底板上各部件安裝位置處都預(yù)留定位銷孔。 [0011]所述小型化激光同步掃描三角測距系統(tǒng)為保證由激光器發(fā)出的激光束經(jīng)各鏡面 反射后光路仍處于同一平面上，要求Ml鏡、M2鏡、M3鏡、M4鏡、激光器、透鏡、PSD的幾何中心 距離底板的高度必須保持一致。其中透鏡焦距為100mm ± 2mm，孔徑D為10mm ± 0.1mm。
[0012]所述小型化激光同步掃描三角測距系統(tǒng)的Ml鏡的尺寸是由激光角度掃描范圍所 確定，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求激光掃描范圍為30° ±1°，掃描激光與Ml鏡的極限交點(diǎn)構(gòu)成Ml鏡的長 度范圍。Ml鏡在Z方向的尺寸在點(diǎn)激光模型下無需考慮，若激光存在一定寬度，Ml鏡在Z方向 應(yīng)大于激光寬度。
[0013]所述小型化激光同步掃描三角測距系統(tǒng)的M2鏡、M3鏡的尺寸是由透鏡孔徑D和M3 鏡角度掃描范圍所確定。M2鏡、M3鏡的尺寸要求對任意角度涔和?50上任意點(diǎn)??都能包含透 鏡孔徑?jīng)Q定的左右極限點(diǎn)；M2鏡、M3鏡與透鏡主平面平行，根據(jù)相似三角形原理，可決定M2 鏡、M3鏡在Ζ軸上的極限點(diǎn)。
[0014] 所述小型化激光同步掃描三角測距系統(tǒng)的Μ4鏡不僅反射出射激光到物體上，而且 反射物體光線通過透鏡，其尺寸要綜合考慮激光擺動(dòng)角度和透鏡成像的約束。激光掃描范 圍為30° ±1°，ΧΥ平面掃描激光與Μ4鏡的極限交點(diǎn)構(gòu)成Μ4鏡長度范圍約束。Μ4鏡在Ζ方向的 尺寸在點(diǎn)激光模型下無需考慮，若激光存在一定寬度，Μ4鏡在Ζ方向應(yīng)大于激光寬度。Μ4鏡 上直接開孔，使激光束直接穿過鏡面，考慮到Μ4鏡作往復(fù)擺動(dòng)，所開孔應(yīng)為圓錐孔，當(dāng)鏡片 擺動(dòng)一定角度后不會(huì)因?yàn)殓R面的厚度遮擋激光束。鏡面厚度不應(yīng)低于4_，過薄將造成強(qiáng)度 不夠。
[0015] 所述小型化激光同步掃描三角測距系統(tǒng)經(jīng)透鏡聚焦的光斑，由PSD檢測光斑位置。 為保證PSD上理想成像，根據(jù)沙式準(zhǔn)則確定PSD傾斜角度方向，在底板上預(yù)留沙式角度的安 裝孔。PSD的安放角度、位置參數(shù)是由Ml鏡、M2鏡、M3鏡的初始角度，Ml鏡和M2鏡距離，透鏡焦 距和安放位置決定的。
[0016] 所述小型化激光同步掃描三角測距系統(tǒng)所用激光為波段為850nm的紅外光，且PSD 易受環(huán)境光干擾，造成光斑位置誤差較大。故將PSD支座完全包裹住PSD，僅預(yù)留接收激光的 入光孔。為排除環(huán)境光影響，給PSD支座入光孔上加上濾光片，濾光片帶通為850mm。同時(shí)為 保證經(jīng)過透鏡聚焦的光斑能準(zhǔn)確落在PSD接收表面，采用二維移動(dòng)平臺(tái)保證在兩個(gè)方向都 能移動(dòng)。移動(dòng)平臺(tái)通過PSD連接架與PSD支座相連，通過移動(dòng)平臺(tái)連接架與底板相連。
[0017] 本發(fā)明對與已有技術(shù)相比具有以下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著技術(shù)進(jìn)步： 1. 系統(tǒng)橫向掃描測量范圍、縱向距離測量范圍、距離測量分辨率可靈活改變； 2. 根據(jù)被測物體橫向尺寸、表面最大最小距離范圍，可以獲得最高距離分辨率，同時(shí) 滿足被測物體表面橫向、縱向測量范圍和距離分辨率的要求。
[0018] 3.掃描運(yùn)動(dòng)采用振鏡電機(jī)，通過輸入電壓控制振鏡擺動(dòng)角度，擺動(dòng)角度由電容傳 感器檢測，確保位置精度的控制。
[0019] 4.采用多通道采集系統(tǒng)對對掃描振鏡的角度傳感器和光斑位置傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí) 同步采集。
[0020] 5.該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，體積較小，測量效率高，能夠快速獲取三維點(diǎn)云信息。
【附圖說明】
[0021]下面結(jié)合附圖及實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明： 圖1為本發(fā)明測距系統(tǒng)立體示意圖 圖2為本發(fā)明測距系統(tǒng)正面主示意圖 圖3為本發(fā)明測距系統(tǒng)主要部件組成示意圖 圖4為本發(fā)明測距系統(tǒng)Ml鏡部件組成示意圖 圖5為本發(fā)明測距系統(tǒng)M2鏡部件組成示意圖 圖6為本發(fā)明測距系統(tǒng)M3鏡部件組成示意圖 圖7為本發(fā)明測距系統(tǒng)M4鏡部件組成示意圖 圖8為本發(fā)明測距系統(tǒng)M4鏡結(jié)構(gòu)示意圖 圖9為本發(fā)明測距系統(tǒng)激光部件組成示意圖 圖10為本發(fā)明測距系統(tǒng)透鏡部件組成示意圖 圖11為本發(fā)明測距系統(tǒng)PSD部件組成示意圖 圖12為本發(fā)明測距系統(tǒng)工作原理示意圖 圖13為本發(fā)明測距系統(tǒng)透鏡對掃描鏡長度約束示意圖 圖14為本發(fā)明測距系統(tǒng)沙氏準(zhǔn)則計(jì)算PSD傾斜角示意圖 圖15為本發(fā)明測距系統(tǒng)工作流程示意圖 圖16為本發(fā)明測距系統(tǒng)成像效果示意圖 其中：1. Ml鏡部件、2 . M2鏡部件、3. M3鏡部件、4. M4鏡部件、5.激光部件、6 .透鏡部件、 7. PSD部件、8.底板、9. Ml鏡支座、10. Ml鏡、11. M2鏡支座、12. M2鏡、13. M3鏡、14. M3鏡振鏡 電機(jī)、15. M3鏡套筒、16.M3鏡支座、17.M4鏡、18.M4鏡振鏡電機(jī)、19. M4鏡套筒、20.M4鏡支 座、21.激光支座、22.光纖接頭、23.透鏡支座、24.激光器、25.透鏡接口、26.透鏡、27. PSD、 28. PSD支座、29.濾光片、30.濾光片蓋片、31. PSD連接架、32.移動(dòng)平臺(tái)連接架、33.移動(dòng)平 臺(tái)。
【具體實(shí)施方式】
[0022]本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明如下。
[0023] 實(shí)施例一： 本小型化激光同步掃描三角測距系統(tǒng)，包括Ml鏡部件（1)、M2鏡部件(2)、M3鏡部件(3)、 M4鏡部件(4)、激光部件(5)、透鏡部件(6)、PSD部件(7)和底板(8)，其特征在于所述M3鏡部 件(3)位于設(shè)定的空間坐標(biāo)系原點(diǎn)，通過內(nèi)六角螺栓垂直固定在底板(8)上;Ml鏡部件（1)和 M2鏡部件（2)分別位于M3鏡部件（3)的左、右兩側(cè)，且到M3鏡部件(3)距離相等，其中Ml鏡部 件（1)與水平軸夾角為135° ±2°，M2鏡部件(2)與水平軸夾角為45° ±1°，通過內(nèi)六角螺栓垂 直固定在底板(8)上;M4鏡部件(4)垂直固定在底板(8)上，保證鏡面圓錐孔位于坐標(biāo)原點(diǎn)正 上方;激光部件(5)、透鏡部件(6)和M3鏡部件(3 )處于同一豎直方向，激光部件(5 )通過內(nèi)六 角螺栓固定在底板(8)上的M3鏡部件(3)正上方位置處，透鏡部件(6)通過內(nèi)六角螺栓固定 在底板(8)上的M3鏡部件（3)正下方位置處;PSD部件（7)通過內(nèi)六角螺栓水平固定在底板 (8)上的M3鏡部件（3)正下方位置處。激光部件（5)發(fā)出激光后經(jīng)M3鏡部件（3)、M1鏡部件 (1)、M2鏡部件(2)、M4鏡部件(4)到達(dá)被測曲面某一點(diǎn)并發(fā)生漫反射，部分漫反射光再經(jīng)M4 鏡部件(4)、M3鏡部件(3)反射，經(jīng)透鏡部件(6)匯聚光斑于PSD部件(7)表面，再由工控機(jī)采 集PSD部件(7)輸出的電壓信號，計(jì)算得到空間點(diǎn)坐標(biāo)信息；即采用同步掃描三角測距法，對 空間物體表面做光柵軌跡掃描獲取光斑位置信息，繼而獲得空間位置坐標(biāo)。
[0024] 實(shí)施例二： 參考圖4~圖14,本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，特別之處如下： 所述Ml鏡部件（1)包括Ml鏡支座(9)和Ml鏡（10)，其中Ml鏡（10)為單面反射鏡，Ml鏡支 座(9)開槽寬度略大于Ml鏡（10)寬度，確保Ml鏡（10)能水平放置在Ml鏡支座(9)上，通過一 個(gè)蓋片（10 ?固定Ml鏡（10);所述M2鏡部件（2)包括M2鏡支座（11)和M2鏡（12 )，其中M2鏡 (12) 為單面反射鏡，M2鏡支座（11)開槽寬度略大于M2鏡（12)寬度，確保M2鏡（12)能水平放 置在M2鏡支座（11)上，通過一個(gè)蓋片（12 〇固定M2鏡（12);所述M3鏡部件(3)包括M3鏡（13)、 M3鏡振鏡電機(jī)（14)、M3鏡套筒（15)和M3鏡支座（16)，其中M3鏡（13)為雙面反射鏡，裝夾在M3 鏡振鏡電機(jī)（14)上，M3鏡振鏡電機(jī)（14)與M3鏡支座（16)過盈配合，通過M3鏡支座（16)上預(yù) 留的螺紋孔鎖緊，其中M3鏡套筒（15)起軸向定位功能，確保M3鏡（13)幾何中心位置滿足設(shè) 計(jì)要求；所述M4鏡部件（4)包括M4鏡（17)、M4鏡振鏡電機(jī)（18)、M4鏡套筒（19)和M4鏡支座 (20)，其中M4鏡（17)為單面反射鏡，裝夾在M4鏡振鏡電機(jī)（18)上，M4鏡振鏡電機(jī)（18)與M4鏡 支座（20)過盈配合，通過M4鏡支座（20)上預(yù)留的螺紋孔鎖緊，其中M4鏡套筒（19)起軸向定 位功能，確保M4鏡（17)上孔的位置滿足設(shè)計(jì)要求;所述M3鏡（13)起始擺角為45° ± 1 °，當(dāng)其 繞軸往復(fù)擺動(dòng)時(shí)，光點(diǎn)β在被測物體表面上沿X軸方向進(jìn)行行掃描;所述M4鏡（17)起始擺角 為45° ± 1°，當(dāng)其繞軸往復(fù)擺動(dòng)時(shí)，光點(diǎn)g在被測物體表面上沿Y軸方向進(jìn)行行掃描；當(dāng)M3鏡 (13) 和M4鏡(17)同時(shí)繞軸往復(fù)擺動(dòng)時(shí)，則光點(diǎn)0在被測物體表面做光柵軌跡掃描。
[0025] 所述激光部件(5)包括激光支座(21)、光纖接頭(22)和激光器(23)，光纖接頭(22) 和激光器(23)通過螺紋連接固定在激光支座(21)上，在激光支座(21)上預(yù)留緊定螺釘孔； 所述透鏡部件(6)包括透鏡支座(24)、透鏡接口（25)和透鏡(26)，通過螺紋連接固定在透鏡 支座（24)上；所述PSD部件（7)包括PSD(27)、PSD支座（28)、濾光片（29)、濾光片蓋片（30)、 PSD連接架(31)、移動(dòng)平臺(tái)連接架(32)和移動(dòng)平臺(tái)（33)，各零件通過螺紋連接，其中PSD支座 (28)開槽尺寸略大于濾光片(29)尺寸;為保證安裝后的位置精度，所述底板(8)上各部件安 裝位置處都預(yù)留定位銷孔。
[0026] 所述 Ml 鏡（10)、M2 鏡（11)、M3 鏡（13)、M4 鏡（17)、激光器(23)、透鏡(26)、PSD(27)的 幾何中心距離底板(8)的高度保持一致。其中透鏡(26)焦距為100mm± 2mm，孔徑D為10mm土 0.lmm〇
[0027] 所述Ml鏡（10)的尺寸是由激光角度掃描范圍所確定，激光掃描范圍為30° ±1°，掃 描激光與Ml鏡（10)的極限交點(diǎn)構(gòu)成Ml鏡（10)的長度范圍;Ml鏡（10)在Z方向的尺寸在點(diǎn)激 光模型下無需考慮，若激光存在一定寬度，Ml鏡(10)在Z方向應(yīng)大于激光寬度。
[0028] 所述M2鏡（12 )、M3鏡（13 )的尺寸是由透鏡（26 )孔徑D和M3鏡（13 )角度掃描范圍所 確定;M2鏡（12)、M3鏡（13)的尺寸要求對任意角度和PSD(27)上任意點(diǎn)都能包含透鏡(26) 孔徑?jīng)Q定的左右極限點(diǎn)；M2鏡（12)、M3鏡（13)與透鏡(26)主平面平行，根據(jù)相似三角形原 理決定M2鏡（12 )、M3鏡（13 )在Z軸上的極限點(diǎn)。
[0029]所述M4鏡（17)不僅反射出射激光到物體上，而且反射物體光線通過透鏡（26)，其 尺寸要綜合考慮激光擺動(dòng)角度和透鏡成像的約束。激光掃描范圍為30° ±1°，XY平面掃描激 光與M4鏡（17 )的極限交點(diǎn)構(gòu)成M4鏡長度范圍約束;M4鏡（17 )在Z方向的尺寸在點(diǎn)激光模型 下無需考慮，若激光存在一定寬度，M4鏡（17)在Z方向應(yīng)大于激光寬度;M4鏡（17)上直接開 孔，使激光束直接穿過鏡面，考慮到M4鏡（17)作往復(fù)擺動(dòng)，所開孔應(yīng)為圓錐孔，當(dāng)鏡片擺動(dòng) 一定角度后不會(huì)因?yàn)殓R面的厚度遮擋激光束;鏡面厚度不應(yīng)低于4_。
[0030] 經(jīng)透鏡(26)聚焦的光斑，由PSD(27)檢測光斑位置;為保證PSD(27)上理想成像，根 據(jù)沙式準(zhǔn)則確定PSD(27)傾斜角度方向，在底板(8)上預(yù)留沙式角度的安裝孔;PSD(27)的安 放角度、位置參數(shù)是由Ml鏡（10)、M2鏡（12)、M3鏡（13)的初始角度，Ml鏡（10)和M2鏡（12)距 離，透鏡焦距和安放位置決定的。
[0031] 系統(tǒng)所用激光為波段為850nm的紅外光，且PSD(27)易受環(huán)境光干擾，造成光斑位 置誤差較大。故將PSD支座(28)完全包裹住PSD(27)，僅預(yù)留接收激光的入光孔。為排除環(huán)境 光影響，給PSD支座(28)入光孔上加上濾光片(28)，濾光片帶通為850mm。同時(shí)為保證經(jīng)過透 鏡(26)聚焦的光斑能準(zhǔn)確落在PSD(27)接收表面，采用二維移動(dòng)平臺(tái)（33)保證在兩個(gè)方向 都能移動(dòng)。移動(dòng)平臺(tái)（33)通過PSD連接架(31)與PSD支座（28)上螺紋孔相連，通過移動(dòng)平臺(tái) 連接架(32)與底板(8)相連。
[0032] 實(shí)施例三： 參見圖15,本發(fā)明小型化激光同步掃描三角測距系統(tǒng)如下： 1、 開啟激光器和PSD，調(diào)節(jié)合適的激光功率，激光能量不宜太弱。初始化測距系統(tǒng)，打開 振鏡控制軟件復(fù)位，使M3和M4鏡回到初始角度位置； 2、 上位機(jī)發(fā)出指令，控制振鏡電機(jī)擺動(dòng)角度，M3和M4鏡同時(shí)做繞軸往復(fù)擺運(yùn)動(dòng)，激光在 被測物體表面做光柵軌跡掃描，漫反射光經(jīng)透鏡聚焦光斑于PSD表面； 3、 PSD檢測光斑位置，將位置信息轉(zhuǎn)化為電壓值輸出，多通道采集系統(tǒng)同時(shí)對角度傳感 器和PSD輸出的電壓值進(jìn)行采集傳輸至上位機(jī)； 4、 上位機(jī)計(jì)算得出被測物體的三維點(diǎn)云信息。
[0033]參見圖16,為該測距系統(tǒng)在實(shí)際使用中的成像效果，在實(shí)際環(huán)境中對人物進(jìn)行掃 描，獲取三維點(diǎn)云。由測量結(jié)果可見，系統(tǒng)所測得的三維點(diǎn)云真實(shí)反應(yīng)了被測物體的實(shí)際位 姿。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種小型化激光同步掃描三角測距系統(tǒng)，包括Ml鏡部件（I)、M2鏡部件(2)、M3鏡部件 (3)、M4鏡部件(4)、激光部件(5)、透鏡部件(6)、PSD部件(7)和底板(8)，其特征在于所述M3 鏡部件(3)位于設(shè)定的空間坐標(biāo)系原點(diǎn)，通過內(nèi)六角螺栓垂直固定在底板(8)上;Ml鏡部件 (1)和M2鏡部件(2)分別位于M3鏡部件(3)的左、右兩側(cè)，且到M3鏡部件(3)距離相等，其中Ml 鏡部件（1)與水平軸夾角為135° ±2°，M2鏡部件(2)與水平軸夾角為45° ±1°，通過內(nèi)六角螺 栓垂直固定在底板(8)上;M4鏡部件(4)垂直固定在底板(8)上，保證鏡面圓錐孔位于坐標(biāo)原 點(diǎn)正上方;激光部件(5 )、透鏡部件(6)和M3鏡部件(3)處于同一豎直方向，激光部件(5)通過 內(nèi)六角螺栓固定在底板(8)上的M3鏡部件(3)正上方位置處，透鏡部件(6)通過內(nèi)六角螺栓 固定在底板(8)上的M3鏡部件(3)正下方位置處;PSD部件(7)通過內(nèi)六角螺栓水平固定在底 板(8)上的M3鏡部件(3)正下方位置處。激光部件(5)發(fā)出激光后經(jīng)M3鏡部件(3)、M1鏡部件 (1)、M2鏡部件（2)、M4鏡部件(4)到達(dá)被測曲面某一點(diǎn)g并發(fā)生漫反射，部分漫反射光再經(jīng) M4鏡部件(4)、M3鏡部件(3)反射，經(jīng)透鏡部件(6)匯聚光斑于PSD部件（7)表面，再由工控機(jī) 采集PSD部件(7)輸出的電壓信號，計(jì)算得到空間點(diǎn)坐標(biāo)信息；即采用同步掃描三角測距法， 對空間物體表面做光柵軌跡掃描獲取光斑位置信息，繼而獲得空間位置坐標(biāo)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型化激光同步掃描三角測距系統(tǒng)，其特征在于:所述Ml鏡部 件（1)包括Ml鏡支座(9)和Ml鏡（10)，其中Ml鏡（10)為單面反射鏡，Ml鏡支座(9)開槽寬度略 大于Ml鏡（10)寬度，確保Ml鏡（10)能水平放置在Ml鏡支座(9)上，通過一個(gè)蓋片（10〇固定 Ml鏡（10);所述M2鏡部件(2)包括M2鏡支座（I 1)和M2鏡（12 )，其中M2鏡（12)為單面反射鏡， M2鏡支座（11)開槽寬度略大于M2鏡（12)寬度，確保M2鏡（12)能水平放置在M2鏡支座（11) 上，通過一個(gè)蓋片（12 〇固定M2鏡（12);所述M3鏡部件（3)包括M3鏡（13)、M3鏡振鏡電機(jī) (14)、M3鏡套筒（15)和M3鏡支座（16 )，其中M3鏡（13)為雙面反射鏡，裝夾在M3鏡振鏡電機(jī) (14)上，M3鏡振鏡電機(jī)（14)與M3鏡支座（16)過盈配合，通過M3鏡支座（16)上預(yù)留的螺紋孔 鎖緊，其中M3鏡套筒（15)起軸向定位功能，確保M3鏡（13)幾何中心位置滿足設(shè)計(jì)要求;所述 M4鏡部件(4)包括M4鏡（17)、M4鏡振鏡電機(jī)（18)、M4鏡套筒（19)和M4鏡支座(20)，其中M4鏡 (17)為單面反射鏡，裝夾在M4鏡振鏡電機(jī)（18)上，M4鏡振鏡電機(jī)（18)與M4鏡支座(20)過盈 配合，通過M4鏡支座(20)上預(yù)留的螺紋孔鎖緊，其中M4鏡套筒（19)起軸向定位功能，確保M4 鏡（17)上孔的位置滿足設(shè)計(jì)要求;所述M3鏡（13)起始擺角為45° ±1°，當(dāng)其繞軸往復(fù)擺動(dòng) 時(shí)，光點(diǎn)0在被測物體表面上沿X軸方向進(jìn)行行掃描;所述M4鏡（17)起始擺角為45° ± 1°，當(dāng) 其繞軸往復(fù)擺動(dòng)時(shí)，光點(diǎn)@在被測物體表面上沿Y軸方向進(jìn)行行掃描；當(dāng)M3鏡（13)和M4鏡 (17)同時(shí)繞軸往復(fù)擺動(dòng)時(shí)，則光點(diǎn)g在被測物體表面做光柵軌跡掃描。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型化激光同步掃描三角測距系統(tǒng)，其特征在于:所述激光部 件(5)包括激光支座(21)、光纖接頭(22)和激光器(23)，光纖接頭(22)和激光器(23)通過螺 紋連接固定在激光支座(21)上，在激光支座(21)上預(yù)留緊定螺釘孔;所述透鏡部件(6)包括 透鏡支座（24)、透鏡接口（ 25)和透鏡（26)，通過螺紋連接固定在透鏡支座（24)上;所述PSD 部件(7)包括PSD(27)、PSD支座(28)、濾光片(29)、濾光片蓋片(30)、PSD連接架(31)、移動(dòng)平 臺(tái)連接架(32)和移動(dòng)平臺(tái)（33)，各零件通過螺紋連接，其中PSD支座(28)開槽尺寸略大于濾 光片(29)尺寸;為保證安裝后的位置精度，所述底板(8)上各部件安裝位置處都預(yù)留定位銷 孔。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型化激光同步掃描三角測距系統(tǒng)，其特征在于：所述Ml鏡 (10)、12鏡（11)、1〇鏡（13)、14鏡（17)、激光器(23)、透鏡(26)、？30(27)的幾何中心距離底板 (8)的高度保持一致，其中透鏡(26)焦距為100mm±2mm，孔徑D為10mm±0.1mm。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型化激光同步掃描三角測距系統(tǒng)，其特征在于：所述Ml鏡 (10)的尺寸是由激光角度掃描范圍所確定，激光掃描范圍為30° ±1°，掃描激光與Ml鏡（10) 的極限交點(diǎn)構(gòu)成Ml鏡（10)的長度范圍;Ml鏡（10)在Z方向的尺寸在點(diǎn)激光模型下無需考慮， 若激光存在一定寬度，Ml鏡(10)在Z方向應(yīng)大于激光寬度。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型化激光同步掃描三角測距系統(tǒng)，其特征在于：所述M2鏡 (12)、M3鏡（13)的尺寸是由透鏡（26)孔徑D和M3鏡（13)角度掃描范圍所確定;M2鏡（12)、M3 鏡（13)的尺寸要求對任意角度鵪和?30(27)上任意點(diǎn)f都能包含透鏡(26)孔徑?jīng)Q定的左右 極限點(diǎn)；M2鏡（12)、M3鏡（13)與透鏡(26)主平面平行，根據(jù)相似三角形原理決定M2鏡（12)、 M3鏡（13)在Z軸上的極限點(diǎn)。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型化激光同步掃描三角測距系統(tǒng)，其特征在于：所述M4鏡 (17)不僅反射出射激光到物體上，而且反射物體光線通過透鏡(26)，其尺寸要綜合考慮激 光擺動(dòng)角度和透鏡成像的約束，激光掃描范圍為30° ± 1°，XY平面掃描激光與M4鏡（17)的極 限交點(diǎn)構(gòu)成M4鏡長度范圍約束;M4鏡（17)在Z方向的尺寸在點(diǎn)激光模型下無需考慮，若激光 存在一定寬度，M4鏡（17)在Z方向應(yīng)大于激光寬度;M4鏡（17)上直接開孔，使激光束直接穿 過鏡面，考慮到M4鏡（17)作往復(fù)擺動(dòng)，所開孔應(yīng)為圓錐孔，當(dāng)鏡片擺動(dòng)一定角度后不會(huì)因?yàn)?鏡面的厚度遮擋激光束;鏡面厚度不應(yīng)低于4mm。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型化激光同步掃描三角測距系統(tǒng)，其特征在于:經(jīng)透鏡（26) 聚焦的光斑，由PSD(27)檢測光斑位置;為保證PSD(27)上理想成像，根據(jù)沙式準(zhǔn)則確定PSD (27) 傾斜角度方向，在底板(8)上預(yù)留沙式角度的安裝孔;PSD(27)的安放角度、位置參數(shù)是 由Ml鏡（10)、M2鏡（12)、M3鏡（13)的初始角度，Ml鏡（10)和M2鏡（12)距離，透鏡焦距和安放 位置決定的。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型化激光同步掃描三角測距系統(tǒng)，其特征在于:系統(tǒng)所用激 光為波段為850nm的紅外光，且PSD(27)易受環(huán)境光干擾，造成光斑位置誤差較大，故將PSD 支座（28)完全包裹住PSD(27)，僅預(yù)留接收激光的入光孔，為排除環(huán)境光影響，給PSD支座 (28) 入光孔上加上濾光片（28)，濾光片帶通為850mm，同時(shí)為保證經(jīng)過透鏡(26)聚焦的光斑 能準(zhǔn)確落在PSD(27)接收表面，采用二維移動(dòng)平臺(tái)（33)保證在兩個(gè)方向都能移動(dòng)，移動(dòng)平臺(tái) (33)通過PSD連接架（31)與PSD支座（28)上螺紋孔相連，通過移動(dòng)平臺(tái)連接架（32)與底板 (8)相連。
【文檔編號】G01B11/02GK106017329SQ201610199572
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年4月4日
【發(fā)明人】張旭, 楊浩
【申請人】上海大學(xué)