本實用新型涉及激光掃描領域，具體涉及一種應用于三維場景測量的激光掃描裝置。

背景技術：

激光掃描裝置是一種利用特定器件將光源發(fā)出的激光進行方向偏轉，從而實現對目標物進行一維或二維掃描的裝置。結合測距部件和成像部件，可對目標物進行三維成像。目前該技術應用于地形探測、自動駕駛及三維模型快速生成等方面。

當前實現激光掃描的方法主要是使用電機驅動的可旋轉反射鏡(轉鏡，參考專利文獻200710153106.5)對激光束進行周期性偏轉，從而實現掃描。但受限于電機的驅動轉速，轉鏡方法的掃描頻率最高只能達到MHz量級。同時受限于運動部件的慣性，其啟動時間較長。且機械運動無法避免摩擦損耗帶來的壽命限制。

技術實現要素：

本實用新型的一個目的是解決至少上述問題和/或缺陷，并提供至少后面將說明的優(yōu)點。

為了實現根據本實用新型的這些目的和其它優(yōu)點，提供了一種應用于三維場景測量的激光掃描裝置，包括：

用于發(fā)出脈沖激光的光源；

位于激光光路上的用于調制激光方向偏轉的激光調制單元；

反射鏡，其將激光調制單元調節(jié)后的激光進行反射并沿大致水平方向射出掃描目標物，同時將從目標物反射回的光束反射至成像受光部和測距受光部進行目標物的三維成像。

優(yōu)選的是，所述激光調制單元包括：用于調制激光水平偏轉角的水平軸調制單元，其位于激光光路上；

用于調制激光豎直偏轉角的豎直軸調制單元，其位于水平軸調制單元調制后的激光光路上。

優(yōu)選的是，所述水平軸調制單元包括依次位于脈沖激光光路上的水平軸相位調制器和水平軸光柵；所述豎直軸調制單元包括依次位于脈沖激光光路上的豎直軸相位調制器和豎直軸光柵。

優(yōu)選的是，所述水平軸光柵和豎直軸光柵的刻線方向相互垂直，其偏轉激光的偏轉面相互垂直。

優(yōu)選的是，還包括：第一半透半反鏡，其位于激光調制單元和反射鏡之間的激光光路上，并將激光調制單元調制后的激光透射至反射鏡；所述反射鏡將激光進行反射并沿大致水平方向射出掃描目標物；

透鏡，其位于第一半透半反鏡的反射光路上；

第二半透半反鏡，其位于透鏡的透射光路上；

其中，所述成像受光部位于第二半透半反鏡的透射光路上；所述測距受光部位于第二半透半反鏡的反射光路上；所述反射鏡將從目標物反射回的光束反射至第一半透半反鏡的反射面，并水平反射至透鏡；所述透鏡將目標物光束透射至第二半透半反鏡；從第二半透半反鏡透射的光束進入成像受光部、反射的光束進入測距受光部。

優(yōu)選的是，所述第二半透半反鏡至成像受光部和至測距受光部的距離相同。

優(yōu)選的是，所述反射鏡上連接有用于驅動反射鏡的反射鏡驅動單元。

本實用新型的一種應用于三維場景測量的激光掃描裝置的工作原理為：從光源發(fā)出高重復頻率的脈沖激光，經激光相位調制器進行周期性的相位調制，相位調制使得激光的波長發(fā)生小量的平移，該平移量隨時間變化。接著，激光通過光柵反射，其反射角與入射光的波長相關，從而使得反射光的角度隨著相位調制的調制波形發(fā)生周期性變化，達到激光掃描的目的。使用兩組相位調制器和光柵的組合可以實現二維的激光掃描，其中，兩個光柵的刻線方向相互垂直，其偏轉激光的偏轉面相互垂直。

本實用新型至少包括以下有益效果：本實用新型采用激光相位調制器和光柵的組合取代轉鏡，對光束進行偏轉掃描，掃描頻率只受限于相位調制器的調制頻率，可達到GHz量級，且偏轉部件不存在機械運動，一方面避免了部件慣性帶來的啟動延遲，另一方面避免了運動摩擦對裝置壽命的影響。

本實用新型的其它優(yōu)點、目標和特征將部分通過下面的說明體現，部分還將通過對本實用新型的研究和實踐而為本領域的技術人員所理解。

附圖說明：

圖1為本實用新型激光掃描裝置內部結構，及內部坐標定義示意圖；

圖2激光掃描裝置對目標物的掃描示意，及外部坐標定義示意圖；

圖3實施例1中激光掃描的范圍及路徑示意圖；

圖4實施例1中的光源1脈沖波形I(t)、水平軸相位調制器2的相位調制波形φ_u(t)，以及豎直軸相位調制器4的相位調制波形φ_v(t)。

具體實施方式：

下面結合附圖對本實用新型做進一步的詳細說明，以令本領域技術人員參照說明書文字能夠據以實施。

應當理解，本文所使用的諸如“具有”、“包含”以及“包括”術語并不配出一個或多個其它元件或其組合的存在或添加。

圖1和2示出了一種應用于三維場景測量的激光掃描裝置，包括：

用于發(fā)出脈沖激光的光源1；

位于激光光路上的用于調制激光方向偏轉的激光調制單元；

反射鏡7，其將激光調制單元調節(jié)后的激光進行反射并沿大致水平方向射出掃描目標物13，同時將從目標物反射回的光束反射至成像受光部10和測距受光部11進行目標物的三維成像。

在上述技術方案中，所述激光調制單元包括：用于調制激光水平偏轉角的水平軸調制單元，其位于激光光路上；所述水平軸調制單元包括依次位于脈沖激光光路上的水平軸相位調制器2和水平軸光柵3；

用于調制激光豎直偏轉角的豎直軸調制單元，其位于水平軸調制單元調制后的激光光路上；所述豎直軸調制單元包括依次位于脈沖激光光路上的豎直軸相位調制器4和豎直軸光柵5；所述水平軸光柵和豎直軸光柵的刻線方向相互垂直，其偏轉激光的偏轉面相互垂直；如圖1所示的結構示意圖，建立相應的三維坐標系(x,y,z)，其中水平軸光柵3的刻線平行xz平面；豎直軸光柵5的刻線平行yz平面。

在上述技術方案中，還包括：第一半透半反鏡6，其位于激光調制單元和反射鏡之間的激光光路上，并將激光調制單元調制后的激光透射至反射鏡7；所述反射鏡7將激光進行反射并沿大致水平方向射出掃描目標物13；

透鏡8，其位于第一半透半反鏡的反射光路上；

第二半透半反鏡9，其位于透鏡的透射光路上；

其中，所述成像受光部10位于第二半透半反鏡的透射光路上；所述測距受光部11位于第二半透半反鏡的反射光路上；所述反射鏡將從目標物反射回的光束反射至第一半透半反鏡的反射面，并水平反射至透鏡；所述透鏡將目標物光束透射至第二半透半反鏡；從第二半透半反鏡透射的光束進入成像受光部10、反射的光束進入測距受光部11。

在上述技術方案中，所述第二半透半反鏡至成像受光部和至測距受光部的距離相同。

在上述技術方案中，所述反射鏡上連接有用于驅動反射鏡的反射鏡驅動單元。

本實用新型的應用于三維場景測量的激光掃描裝置進行激光掃描的方法，包括以下步驟：

步驟一、如圖1所示，光源1發(fā)出高重復頻率的脈沖激光，水平軸相位調制器2和水平軸光柵3對激光的水平偏轉角(沿圖2中u軸方向)進行調制，豎直軸相位調制器4和豎直軸光柵5對激光的豎直偏轉角(沿圖2中v軸方向)進行調制，然后激光經第一半透半反鏡6透射、反射鏡7反射后沿大致水平的方向出射至目標物13；

設水平軸相位調制器對激光的相位調制函數為豎直軸相位調制器激光的相位調制函數為則出射光的水平偏轉角α(t)和豎直偏轉角β(t)分別為：

其中，λ為光源發(fā)出的激光波長，c為真空中的光速，k_u＝dα/dλ,k_v＝dβ/dλ分別為水平軸光柵和豎直軸光柵的色散系數；和分別表示兩個相位調制器在t時刻的波形斜率；

步驟二、從目標物13反射回激光掃描裝置14的光束(圖1中虛線表示)經過反射鏡7和第一半透半反鏡6反射后經透鏡8聚焦，經第二半透半反鏡9后分為兩束光，一束透射聚焦于成像受光部10的成像面，另一束反射進入測距受光部11。半透半反鏡9至成像受光部10和至測距受光部11的距離相同；以反射鏡的中心為圖2中外部坐標系的坐標原點建立三維坐標系；具體包括：以水平偏轉角方向為u軸，以豎直偏轉角方向為v軸，以反射光出射方向為w軸；其中，從目標物不同反光點反射回的光入射反射鏡7的角度不同，從而在成像受光部10的焦點位置不同，所以成像受光部能夠測量目標物13上的反光點在uv平面的坐標；測距受光部11測量激光脈沖從光源發(fā)出到返回測距受光部11的時間Δt，扣除光脈沖在激光掃描裝置14內部的傳輸時間Δt₀后，可計算得目標物反光點距離激光掃描裝置14的距離，從而確定目標物反光點在w軸的坐標。其中，Δt₀包括激光從光源發(fā)出后傳輸至反射鏡7的時間，以及從目標物返回的激光經反射鏡7發(fā)射后傳輸至測距受光部11的時間。以反射鏡7的中心為圖2中外部坐標系的坐標原點，則w軸坐標為

綜上，在激光掃描裝置14的掃描范圍內，目標物各反光點的三維(uvw)坐標得到測量，從而能夠對目標物進行三維成像。

同時，調整水平軸光柵3和豎直軸光柵5的色散系數k_u和k_v可在u軸和v軸方向獲得不同的分辨率。

實施例1：

設需要的掃描目標范圍和路徑如圖3所示，為5×5的矩陣，激光從坐標(-2,-2)以之字形路徑逐行掃描至坐標(2,2)。則光源1的脈沖時序和兩個相位調制器2和4的調制波形如圖4所示。在一個脈沖周期內，相位調制器2和4的波形保持線性變化，其斜率對應掃描的角度，保持不變，下一個脈沖周期，φ_u(t)的斜率變化，φ_v(t)保持不變，則掃描點在u軸方向移動。待掃描完一行以后，φ_v(t)變化，則掃描點在v軸方向移動，跳入下一行。

設光源1發(fā)出激光的重復頻率為1GHz，水平軸相位調制器2和豎直軸相位調制器4的調制頻率相應地設為1GHz，則激光掃描裝置14掃描一個像素點的時間為1ns，1ms內可以掃描10⁶個像素，從而可以對高速運動物體進行快速清晰的三維成像。

盡管本實用新型的實施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用于各種適合本實用新型的領域，對于熟悉本領域的人員而言，可容易地實現另外的修改，因此在不背離權利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本實用新型并不限于特定的細節(jié)和這里示出與描述的圖例。