CN111256611A - 一种三维扫描光输出装置及三维扫描系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种三维扫描光输出装置及三维扫描系统。该三维扫描光输出装置包括红外激光光源、光纤、光分路单元、光准直单元以及光束方向调整单元；红外激光光源的输出端与光纤的一端连接，通过光纤输出红外激光；光分路单元包括一个输入端和多个输出端，输入端与光纤的另一端连接；光准直单元与光分路单元的多个输出端耦合连接，用于准直光分路单元的输出端输出的红外激光；光束方向调整单元，位于光准直单元的出射光路上，用于改变红外激光的传播方向。本发明实施例的技术方案，提供具有高光束质量的三维扫描光源，红外光能避免投影光和可见光之间的相互干扰，以利于制造更高扫描精度的三维扫描系统。

Description

一种三维扫描光输出装置及三维扫描系统

技术领域

本发明实施例涉及三维成像技术，尤其涉及一种三维扫描光输出装置及三维扫描系统。

背景技术

三维激光扫描技术是20世纪90年代中期出现的一项高新技术，这是一种新的全自动高精度立体扫描技术，它可以直接通过激光的扫描，将各种复杂的、不规则的实物和实景的三维数据完整的采集到电脑中，从而快速重构出目标的三维模型，同时，其采集的三维激光点云数据可进行多种后期处理工作，如计量、测绘、模拟、检测、虚拟现实等，在汽车制造、船舶制造以及飞机制造等现代工业中，经常通过这种具备高精度的三维激光扫描技术辅助零部件的对接。

在激光扫描过程中，选择合适的激光光源往往是影响整个扫描结果的重要因素。伴随着电子技术和激光技术的发展，激光扫描仪的投影光由原来的点激光发展到了线激光，大大提升了扫描的速度和精度，但输出光所采用的光源依然是传统的半导体激光器，且输出光是可见的红光，这种光源虽然清晰可见，但光束质量差，易发散，光线对人眼刺激大，并且容易同可见光相互干扰，不利于未来真彩色成像的发展。

发明内容

本发明实施例提供一种三维扫描光输出装置及三维扫描系统，以提供具有高光束质量的三维扫描光源，红外光能避免投影光和可见光之间的相互干扰，以利于制造更高扫描精度的三维扫描系统。

第一方面，本发明实施例提供一种三维扫描光输出装置，包括红外激光光源、光纤、光分路单元、光准直单元以及光束方向调整单元；

所述红外激光光源的输出端与所述光纤的一端连接，通过所述光纤输出红外激光；

所述光分路单元包括一个输入端和多个输出端，所述输入端与所述光纤的另一端连接；

所述光准直单元与所述光分路单元的多个所述输出端耦合连接，用于准直所述光分路单元的输出端输出的红外激光；

所述光束方向调整单元，位于所述光准直单元的出射光路上，用于改变红外激光的传播方向。

可选的，所述红外激光光源包括发射红外激光的光纤激光器。

可选的，所述红外激光的波长范围为2μm～5μm。

可选的，所述光纤激光器为拉曼光纤激光器。

可选的，所述光纤激光器为掺稀土元素光纤激光器。

可选的，所述稀土元素包括镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪和钇中的至少一种。

可选的，所述光准直单元包括多个透镜组，每个所述透镜组与所述光分路单元的所述输出端一一对应设置。

可选的，每个所述透镜组包括一个准直透镜和一个柱面透镜；

所述准直透镜用于准直所述光分路单元的所述输出端输出的红外激光；

所述柱面透镜用于将所述准直透镜准直后的红外激光汇聚为线状红外激光。

可选的，所述光束方向调整单元包括平面反射镜与旋转机构，所述旋转机构带动所述平面反射镜旋转，以改变红外激光的传播方向。

第二方面，本发明实施例还提供一种三维扫描系统，包括上述的三维扫描光输出装置。

本发明实施例提供的三维扫描光输出装置，包括红外激光光源、光纤、光分路单元、光准直单元以及光束方向调整单元；红外激光光源的输出端与光纤的一端连接，通过光纤输出红外激光；光分路单元包括一个输入端和多个输出端，输入端与光纤的另一端连接；光准直单元与光分路单元的多个输出端耦合连接，用于准直光分路单元的输出端输出的红外激光；光束方向调整单元，位于光准直单元的出射光路上，用于改变红外激光的传播方向。通过红外激光光源产生红外激光，并通过光纤传输给带有多个输出端的光分路单元，通过光准直单元准直分路单元的输出端输出红外激光，输出高光束质量的红外激光，通过光束方向调整单元调整红外激光的传播方向，提供具有高光束质量的三维扫描光源，红外光能避免投影光和可见光之间的相互干扰，以利于制造更高扫描精度的三维扫描系统。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种三维扫描光输出装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的另一种三维扫描光输出装置的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的又一种三维扫描光输出装置的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种柱面透镜的光路示意图；

图5是本发明实施例提供的又一种三维扫描光输出装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1所示为本发明实施例提供的一种三维扫描光输出装置的结构示意图。参考图1，该三维扫描光输出装置包括红外激光光源10、光纤20、光分路单元30、光准直单元40以及光束方向调整单元50；红外激光光源10的输出端与光纤20的一端连接，通过光纤20输出红外激光；光分路单元30包括一个输入端和多个输出端，输入端与光纤20的另一端连接；光准直单元40与光分路单元30的多个输出端耦合连接，用于准直光分路单元30的输出端输出的红外激光；光束方向调整单元50，位于光准直单元40的出射光路上，用于改变红外激光的传播方向。

可以理解的是，激光是受激辐射光放大(Light Amplification by StimulatedEmission of Radiation，LASER)的简称，具有亮度高、方向性强、单色性好、相干性强等优点。红外光指的是波长大于760nm的电磁波。红外激光光源10可以为产生红外激光的激光器，例如可以是固体激光器、半导体激光器、光纤激光器等，激光器通过尾纤输出，与光纤20连接。光纤是光导纤维的简称，利用光的全反射原理将光束束缚到光纤内传播，一般由高折射率的纤芯、低折射率的包层以及起保护作用的涂覆层组成。光分路单元30可以为一个输入，N个输出的1×N的光纤耦合器，其中N为大于或等于2的整数，可以将红外激光等分为N份输出。光准直单元40与光分路单元30的N个输出端对应，将红外激光准直并调整为一束线状光线，然后通过光束方向调整单元50，使光线传播方向发生改变，例如绕某个轴旋转，以在进行三维扫描时依次扫过待测物体表面。示例性的，如果本发明实施例提供的三维扫描光输出装置用于反射式的三维扫描系统，则可以将三维扫描系统的光接收端(例如可以是CCD)设置于待测物体的反射光路上，通过光束方向调整单元50改变光线的传播方向以实现整个待测物体的扫描过程。

本实施例的技术方案，通过红外激光光源产生红外激光，并通过光纤传输给带有多个输出端的光分路单元，通过光准直单元准直分路单元的输出端输出红外激光，输出高光束质量的红外激光，通过光束方向调整单元调整红外激光的传播方向，提供具有高光束质量的三维扫描光源，红外光能避免投影光和可见光之间的相互干扰，以利于制造更高扫描精度的三维扫描系统。

在上述技术方案的基础上，可选的，红外激光光源包括发射红外激光的光纤激光器。

可以理解的是，激光器包括泵浦源、激光工作物质和谐振腔，泵浦源提供外界能量(例如电、光等)，激光工作物质产生光增益，谐振腔提供光学正反馈，形成激光模式输出。由于光纤激光器是波导式结构，易于实现和光纤的耦合，且与传统的固体和气体激光器相比，光纤激光器具有光束质量好、体积小、转换效率高、散热效果好等优点。具体实施时，可以采用线性腔光纤激光器、环形腔光纤激光器或8字形腔光纤激光器，本领域技术人员可以根据实际条件选择，本发明实施例对此不作限定。

可选的，红外激光的波长范围为2μm～5μm。

可以理解的是，波长范围为2μm～5μm处于中红外波段，此波段位于大气“透明窗口”，且水分子在中红外波段具有更好的吸收系数，可以降低该波段的光对人眼造成的伤害。由于中红外光能避免投影光和可见光之间的相互干扰，因此有利于未来实现真彩色成像。

可选的，光纤激光器为拉曼光纤激光器。

可以理解的是，拉曼光纤激光器是基于拉曼效应产生激光的激光器。拉曼效应是指当光线照射一个物体时，它会造成在此物体内部的原子同步震动，碰撞到这个物体的光子中，有部分光子会取得或是丧失能量，造成不同波长的光出现。将这个不同波长的光，导入一个特定装置，经过反射及碰撞，增强它的能量，就可以产生出一个同步的激光光束，这就是拉曼激光。

可选的，光纤激光器为掺稀土元素光纤激光器。

可选的，稀土元素包括镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪和钇中的至少一种。

可以理解的是，稀土元素具有相同的外层电子结构，具有多个跃迁能级，在光纤中掺杂一种或多种稀土元素，可以产生增益范围为2μm～5μm的光纤激光器。

图2所示为本发明实施例提供的另一种三维扫描光输出装置的结构示意图。参考图2，可选的，光准直单元40包括多个透镜组41，每个透镜组41与光分路单元30的输出端一一对应设置。

可以理解的是，由于光纤半径较小，光纤的出射端面可以视为点光源，其出射的光线为发散光，将光分路单元30的输出端置于透镜组41的焦点位置，通过透镜组41对光线进行准直，并整形成一条线性光束，以用于三维扫描系统中。

图3所示为本发明实施例提供的又一种三维扫描光输出装置的结构示意图。参考图3，可选的，每个透镜组41包括一个准直透镜411和一个柱面透镜412；准直透镜411用于准直光分路单元30的输出端输出的红外激光；柱面透镜412用于将准直透镜411准直后的红外激光汇聚为线状红外激光。

图4所示为本发明实施例提供的一种柱面透镜的光路示意图。参考图4，柱面透镜可以将一束平行光线汇聚为一束线状光线。

图5所示为本发明实施例提供的又一种三维扫描光输出装置的结构示意图。参考图5，可选的，光束方向调整单元50包括平面反射镜51与旋转机构52，旋转机构52带动平面反射镜51旋转，以改变红外激光的传播方向。

可以理解的是，图5中所示的平面反射镜51反射的多条光线为水平方向并列的多条线状光束，即图5中光线与平面反射镜51的交点位于同一条水平线上，图中上面的交点位于下面交点垂直纸面向里的内侧，当旋转机构52带动平面反射镜51旋转时(图5中虚线所示)，光线会发生旋转，以用于三维扫描系统中。

本发明实施例还提供一种三维扫描系统，包括上述实施例提供的任意一种三维扫描光输出装置。由于本发明实施例提供的三维扫描系统包括上述任意实施例提供的三维扫描光输出装置，其与所包括的三维扫描光输出装置具有相同和相应的有益效果，此处不再赘述。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种三维扫描光输出装置，其特征在于，包括红外激光光源、光纤、光分路单元、光准直单元以及光束方向调整单元；

所述红外激光光源的输出端与所述光纤的一端连接，通过所述光纤输出红外激光；

所述光分路单元包括一个输入端和多个输出端，所述输入端与所述光纤的另一端连接；

所述光准直单元与所述光分路单元的多个所述输出端耦合连接，用于准直所述光分路单元的输出端输出的红外激光；

所述光束方向调整单元，位于所述光准直单元的出射光路上，用于改变红外激光的传播方向。

2.根据权利要求1所述的三维扫描光输出装置，其特征在于，所述红外激光光源包括发射红外激光的光纤激光器。

3.根据权利要求1所述的三维扫描光输出装置，其特征在于，所述红外激光的波长范围为2μm～5μm。

4.根据权利要求2所述的三维扫描光输出装置，其特征在于，所述光纤激光器为拉曼光纤激光器。

5.根据权利要求2所述的三维扫描光输出装置，其特征在于，所述光纤激光器为掺稀土元素光纤激光器。

6.根据权利要求5所述的三维扫描光输出装置，其特征在于，所述稀土元素包括镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪和钇中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的三维扫描光输出装置，其特征在于，所述光准直单元包括多个透镜组，每个所述透镜组与所述光分路单元的所述输出端一一对应设置。

8.根据权利要求7所述的三维扫描光输出装置，其特征在于，每个所述透镜组包括一个准直透镜和一个柱面透镜；

所述准直透镜用于准直所述光分路单元的所述输出端输出的红外激光；

所述柱面透镜用于将所述准直透镜准直后的红外激光汇聚为线状红外激光。

9.根据权利要求1所述的三维扫描光输出装置，其特征在于，所述光束方向调整单元包括平面反射镜与旋转机构，所述旋转机构带动所述平面反射镜旋转，以改变红外激光的传播方向。

10.一种三维扫描系统，其特征在于，包括如权利要求1～9任一所述的三维扫描光输出装置。

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