一種基于錐形反射鏡的無掃描激光三維成像裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種激光三維成像裝置，能夠在垂直于運動方向的平面內實現360度范圍的激光三維成像。
【背景技術】
[0002]在激光雷達和激光三維掃描儀領域，目前常采用旋轉機械掃描的方式來實現360°范圍的目標探測。機械掃描通常需要高精度的編碼器和穩定的掃描伺服系統，造成整個激光雷達和激光三維掃描儀的體積龐大，成本也較高。另外，機械掃描還會造成測量時間較長的問題，而高速的機械掃描又會降低儀器的使用壽命。
[0003]目前，已有新型掃描技術被引入激光三維成像領域，包括晶體掃描、壓電掃描和MEMS掃描等。晶體掃描具有高速和高可靠的特點，但是，通常的掃描角度非常小，而且晶體對激光的透過率較低，會導致光學效率的下降。壓電掃描是利用壓電陶瓷的特性實現鏡子的偏轉，單個鏡片就能實現高速的二維掃描，具有高速、高可靠和小型化的特點，但是，該方式掃描角度較小，且需要較復雜的反饋系統對掃描角度進行控制和采集。MEMS掃描是在微電子技術基礎上發展起來的微型機電系統，具有小型化、低功耗和高可靠性的優點，掃描功能集成在芯片內，可以實現較大角度的快速掃描，但是，其掃描鏡面尺寸僅有幾個_，難以滿足當前接收探測的要求。
[0004]通過采用面探測器件，非掃描技術目前也已經引入三維成像激光雷達中。主要的面探測器件包括焦平面光電二極管(PIN)探測器、焦平面雪崩光電二極管(APD)探測器和像增強(XD (1C⑶)等。焦平面PIN探測器和焦平面AH)探測器的每一個像元都相當于一個PIN探測器和APD探測器，具有獨立的時間測量能力，因此，面陣的PIN探測器和APD探測器可以對面目標進行距離測量，即實現目標的三維成像。ICCD的像增強部分具有增益控制功能，可以對固定時刻進行選通成像，通過這種方式可以實現對面目標的三維成像。上述的面探測器件無需掃描即可實現一定角度范圍的三維測量，但是，此類器件的像素分辨率較低，造成角度分辨率較低，且價格非常高，不適于在常規商用激光三維成像儀器上使用。
[0005]為了實現高速、高分辨率、小型化和低成本的激光三維掃描儀，迫切需要一種無需掃描，且具有較高角度分辨率和較低成本的激光三維成像裝置。
【發明內容】
[0006]本發明的技術解決問題是:針對目前掃描系統面臨的可靠性和小型化問題，以及無掃描技術面臨的指標和成本問題，提出了一種基于錐形反射鏡的無掃描激光三維成像裝置，該裝置能夠同時具有無掃描、小型化、高分辨率和低成本的技術優勢，實現無掃描360度激光三維成像。
[0007]本發明的技術解決方案是:一種基于錐形反射鏡的無掃描激光三維成像裝置，包括激光器、發射錐形反射鏡、接收錐形反射鏡、接收透鏡、CCD相機和圖像處理模塊，發射錐形反射鏡和接收錐形反射鏡的面形均為圓錐形，其中發射錐形反射鏡的錐角為90°且錐角朝向激光器，接收錐形反射鏡與發射錐形反射鏡的軸心一致而錐角朝向相反，接收錐形反射鏡的錐角大于90° ;激光器沿發射錐形反射鏡的軸心方向發射圓光斑激光，激光經過發射錐形反射鏡反射后，在垂直于發射反射鏡軸心的平面內形成一個激光圓環，所述激光圓環照射到360°范圍目標的回波返回到接收錐形反射鏡，并經接收錐形反射鏡反射到接收透鏡，由接收透鏡將激光回波聚焦到CCD相機上形成閉合曲線像，圖像處理模塊通過對所述閉合曲線像上各像點的角度和距離計算，獲得所述360°范圍目標的距離和角度，再經過直角坐標變換獲得所述360°范圍目標的三維直角坐標。
[0008]所述360 °范圍目標的三維直角坐標為(X，y，z)，其中X = RXcos a，y =RXsina，z為所述圓光斑激光從發射點到發射反射鏡的反射點的距離，α為所述閉合曲線像上像點的角度，R = dXtg[arctg(r/f)-( Θ /2-45) X 2]，d為發射錐形反射鏡反射的激光所在平面和接收錐形反射鏡的半高圓形截面所在平面的距離，f為接收透鏡的焦距，r為所述閉合曲線的半徑，Θ為所述接收錐形反射鏡的錐角。
[0009]所述的激光器發射光斑的直徑與發射錐形反射鏡的直徑相同。
[0010]所述的發射錐形反射鏡的直徑5mm，所述的接收錐形反射鏡的錐角為120°，直徑30_，發射錐形反射鏡反射的激光所在平面和接收錐形反射鏡的半高圓形截面所在平面的距離d為20_。
[0011]所述的激光器為波長808nm的半導體激光器。所述的接收透鏡為直徑30mm雙膠合凸透鏡，焦距50mm。所述的(XD相機分辨率為2592X 1944，光敏面尺寸為0.5英寸。
[0012]本發明與現有技術相比的優點在于:
[0013](1)本發明采用發射錐形反射鏡形成圓形發射光，無需掃描即可連續覆蓋360°范圍，實現360°無掃描探測，省去了轉動結構和電機，比旋轉掃描三維成像技術具有更高的可靠性和緊湊型；
[0014](2)本發明通過同軸的接收錐形反射鏡接收圓形發射光的回波并成像到CCD焦平面器件上，根據接收回波在CCD焦平面上閉合曲線到中心像素的距離來測量目標距離，借助于高分辨率的CCD來實現角度的高分辨率，實現360°范圍連續光成像，相比點掃描激光三維成像的點密度依賴于激光重頻、掃描速度和光斑直徑等多個因素，連續光成像的空間分辨率僅僅受成像器件的分辨率限制，具有更高的空間分辨率，且整個裝置結構簡單，所用器件的成本較低，能夠滿足無掃描、小型化、高分辨率和低成本激光三維成像的需求；
[0015](3)本發明對激光回波信號進行連續成像，根據圖像像點到圖像中心的距離計算目標距離，根據像點在圖像上的平面角度計算目標的角度，相比掃描三維成像技術需要高速采樣和高速數字處理電路來提高探測速率，本發明裝置只需要采用低速的成像器件(如CCD)和進行簡單的圖像坐標計算，具有更低的成本和技術難度。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明成像裝置的組成及測量原理圖。
【具體實施方式】
[0017]如圖1所示，為本發明基于錐形反射鏡的無掃描激光三維成像裝置的組成及測量原理示意圖，本發明裝置主要包括激光器1、發射錐形反射鏡2、接收錐形反射鏡3、接收透鏡4、(XD相機5和圖像處理模塊6。
[0018]激光器1沿發射錐形反射鏡2的軸心方向發射圓光斑激光，激光入射到錐角為90°的發射錐形反射鏡2的頂點。激光經過發射錐形反射鏡2反射后，在垂直于發射反射鏡2軸心的平面內形成一個激光圓環。該圓環照射到360°范圍目標的回波返回到接收錐形反射鏡3。接收錐形反射鏡3與發射錐形反射鏡2的軸心一致而頂點方向相反，接收錐形反射鏡3將目標回波反射到接收透鏡4，由接收透鏡4將其聚焦到CCD相機5上形成閉合曲線像，也即在CCD相機5上形成的目標激光回波像為圍繞原點的閉合曲線，CCD相機5的中心像素為原點，曲線上的像