一种用于激光3D扫描的光学系统及设计方法技术方案

本发明专利技术涉及一种用于激光3D扫描的光学系统及设计方法，光学系统包括激光器，用于发射激光；振镜，可往复摆动，用于使激光在工作面上发生运动；同时，通过本发明专利技术的设计方法设计一个补偿镜头，并将其设置在振镜和工作面之间，所述激光器的聚焦点位于所述补偿镜头和所述工作面之间，所述补偿镜头的焦距为负，通过补偿镜头产生的正场曲来补偿振镜扫描产生的离焦，使得激光的聚焦点都在工作面上，改善扫描系统的离焦现象，同时通过矫正扫描产生的畸变，使得扫描角度与扫描距离成线性关系。使得扫描角度与扫描距离成线性关系。使得扫描角度与扫描距离成线性关系。

【技术实现步骤摘要】
一种用于激光3D扫描的光学系统及设计方法


[0001]本专利技术涉及光学及电子
，特别是涉及一种用于激光3D扫描的光学系统及设计方法。

技术介绍

[0002]基于线激光的3D测量方法被广泛的应用于各个领域，但该方法一般一次只能获得一条线或者多条线的深度信息，若需要获取整个面的深度信息，则需要运动装置。
[0003]基于运动装置的不同，一般有两种方法：一种方法是利用线性运动机构移动传感器，该方法比较适合流水线，对于普通应用场景，特别是传感器或被测物比较大的情况，线性运动机构与传感器组成的扫描成像系统体积大，装配不方便；另一种方法是在传感器内部安装一个振镜，通过振镜旋转使激光照射到工作面的不同位置，这个方法的优点为传感器紧凑，扫描速度快，可以当做面光源使用，但也存在缺点。具体为，如附图1所示，激光器的聚焦位置在以振镜为中心的圆弧上AB
’
上，实际工作位置是AB的连线，因此在B点激光器存在离焦情况，激光器线宽也会相应的变宽，从而影响测量精度，该离焦量与扫描角度θ相关，离焦量，角度越大，离焦越大。此外，激光在工作面的扫描距离，当振镜运动时，不同位置，相同时间内激光线移动距离不同，这就对相机曝光的控制提出了更高的要求，导致整体成本增加。
[0004]对于如何解决上述问题，在其他
，比如激光打标等激光加工领域有较为成熟的解决方法，即增加一个F
‑
theta镜头，但这类镜头无法简单应用到3D测量领域，因为该镜头会使线激光的线长方向发生畸变，显然无法满足使用要求。另外，对于部分工作距较长的3D测量设备，如果采用普通的F
‑
Theta镜头方案，镜头焦距需要等于工作距，则镜头尺寸也会随之变大。因此，在3D测量领域未发现解决激光扫描过程中的离焦问题的较好解决方案。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题在于克服现有技术中的缺陷，从而提供一种用于激光3D扫描的光学系统及设计方法。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：一种用于激光3D扫描的光学系统的设计方法，包括如下步骤：步骤一、设置理想透镜，获取虚拟物面的物高和物距；步骤二、利用虚拟光学系统获得补偿镜头的参数；虚拟光学系统包含步骤一获得的所述虚拟物面和所述理想透镜，并在所述理想透镜和工作面之间设置补偿镜头，虚拟物面经过理想透镜后再经过补偿镜头后聚焦到工作面上，光阑设置在理想透镜的位置，同时，将补偿镜头的各参数及理想透镜到补偿镜头的距离设为变量；优化补偿镜头，通过光学软件对虚拟光学系统的场曲、畸变进行优化，且畸变优化
目标满足下列关系式：，θ为振镜的转动角度，q为对不同θ角度时的畸变矫正目标值。
[0007]优选地，所述步骤一中，还包括：构建虚拟光学系统，引入虚拟物面和理想透镜，物面的物高为y，物距为u(y)，设定理想透镜的位置与振镜位置重合，以振镜扫描到的弧面作为像面，弧面的像高为y
’
,像距为v(y
’
)，虚拟物面的物高y、物距u(y)通过高斯成像公式获得：,其中，f为理想透镜的焦距。
[0008]优选地，所述步骤一中，还包括：设置至少3个视场获得像高y
’
、像距v(y
’
)。
[0009]优选地，所述步骤一中，还包括：通过仿真软件模拟获得虚拟物面的物高y、物距u(y)；在仿真软件zemax中设置理想透镜，将像面的半径设置成振镜到激光聚焦点的距离L，将虚拟物面的面型参数半径、以及虚拟物面与理想透镜的间距设置为变量，采用软件自带的默认优化函数，经过自动优化后获得虚拟物面的物高y、物距u(y)。
[0010]优选地，所述步骤二中，调整补偿镜头的参数，使畸变与q的差值在0.5%以内。
[0011]优选地，所述步骤二中，所述补偿镜头的参数包括所含透镜的类型、数量、各曲面的曲率以及所含透镜的材料。
[0012]优选地，所述步骤二中，还包括：当所述设计方法用于线激光3D扫描时，所述补偿镜头所含透镜的类型为柱面镜，数量为一个或多个。
[0013]优选地，所述步骤二中，还包括：当所述设计方法用于双振镜的点激光扫描时，所述补偿镜头所含透镜的类型为球面镜。
[0014]为实现上述目的，本专利技术还采用了如下技术方案：一种用于激光3D扫描的光学系统，包括：激光器，用于发射激光；振镜，可往复摆动，用于使激光在工作面上发生运动；补偿镜头，设置在所述振镜和所述工作面之间；所述激光器的聚焦点位于所述补偿镜头和所述工作面之间，所述补偿镜头的焦距为负；所述补偿镜头的参数由上述的设计方法确定，用于产生正场曲补偿振镜扫描产生的离焦，使得激光的聚焦点都在工作面上。
[0015]优选地，当所述激光器为线激光器时，所述补偿镜头包括一个或多个柱面镜；当所述激光器为点激光器，振镜为双振镜时，所述补偿镜头包括球面镜。
[0016]相比现有技术，本专利技术的有益效果在于：上述技术方案中所提供的用于激光3D扫描的光学系统及设计方法，设计一个补偿镜头，并将其设置在振镜和工作面之间，通过补偿镜头产生的正场曲来补偿振镜扫描产生的离焦，使得激光的聚焦点都在工作面上，使得激光的聚焦点都在工作面上。通过本专利技术的设计方法来确定补偿镜头的各个参数和振镜的距离，从而保证补偿镜头能够改善离焦现象和畸变现象，同时，将由本专利技术的设计方法确定的补偿镜头设置在对应位置，能够使得激光移动距离与振镜扫描角度成线性关系，易于系统控制，改善激光在扫描过程中的离焦现象，同时，对于线激光而言，本专利技术的补偿镜头不会产生线激光的畸变。采用本专利技术设计方法设计而成的光学系统，整体尺寸不受工作距的影响，且尺寸较小，较为紧凑，易于集成，且应用广泛。
附图说明
[0017]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0018]图1为现有技术的内置有振镜的线激光传感器。
[0019]图2为基于本专利技术的设计方法设计的线激光3D扫描光学系统的结构示意图。
[0020]图3为本专利技术的设计方法的步骤一中建立虚拟光学系统，获取虚拟物面的物距u(y)的示意图。
[0021]图4为本专利技术的设计方法的步骤二中修正后虚拟光学系统的示意图。
[0022]图5为图4中的补偿镜头的结构和光路示意图。
[0023]图6a为未采用补偿镜头的离焦情况；图6b为采用实施例一的补偿镜头后的离焦情况。
[0024]图7a为未采用补偿镜头时光学系统匀速扫描时产生的畸变情况；图7b为采用了补偿镜头后光学系统匀速扫描时产生的畸变情况。
[0025]附图标记说明：1、激光器；11、虚拟物面；2、振镜；21、理想透镜；3、补偿镜头；4、工作面；41、像面。
具体实施方式
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于激光3D扫描的光学系统的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、设置理想透镜，获取虚拟物面的物高和物距；步骤二、利用虚拟光学系统获得补偿镜头的参数；虚拟光学系统包含步骤一获得的所述虚拟物面和所述理想透镜，并在所述理想透镜和工作面之间设置补偿镜头，虚拟物面经过理想透镜后再经过补偿镜头后聚焦到工作面上，光阑设置在理想透镜的位置，同时，将补偿镜头的各参数及理想透镜到补偿镜头的距离设为变量；优化补偿镜头，通过光学软件对虚拟光学系统的场曲、畸变进行优化，且畸变优化目标满足下列关系式：，其中，θ为振镜的转动角度，q为对不同θ角度时的畸变矫正目标值。2.根据权利要求1所述的用于激光3D扫描的光学系统的设计方法，其特征在于，所述步骤一中，还包括：构建虚拟光学系统，引入虚拟物面和理想透镜，物面的物高为y，物距为u(y)，设定理想透镜的位置与振镜位置重合，以振镜扫描到的弧面作为像面，弧面的像高为y
’
,像距为v(y
’
)，虚拟物面的物高y、物距u(y)通过高斯成像公式获得：,其中，f为理想透镜的焦距。3.根据权利要求2所述的用于激光3D扫描的光学系统的设计方法，其特征在于，所述步骤一中，还包括：设置至少3个视场获得像高y
’
、像距v(y
’
)。4.根据权利要求1所述的用于激光3D扫描的光学系统的设计方法，其特征在于，所述步骤一中，还包括：通过仿真软件模拟获得虚拟物面的物高y、物距u(y)；在仿真软件zemax中设置理想透镜，将像面的半径设置成振镜到激光聚焦点的距离L，将...

【专利技术属性】
技术研发人员：王灿，姜毅，蔡芳芳，丁丁，
申请(专利权)人：杭州灵西机器人智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：