CN104136882A - 具有改进的激光光斑的非接触传感器 - Google Patents

具有改进的激光光斑的非接触传感器 Download PDF

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CN104136882A CN201280069987.1A CN201280069987A CN104136882A CN 104136882 A CN104136882 A CN 104136882A CN 201280069987 A CN201280069987 A CN 201280069987A CN 104136882 A CN104136882 A CN 104136882A
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Abstract

一种用于获取三维信息的非接触感测系统，包括激光光源和产生高斯光束的光纤。可移动的镜被角度调整以将该束扫描到照射区域。在该光源和该可移动的镜之间的透镜封装件聚焦该光束，欠填充该可移动的镜的光学表面且控制光束扫描体积。使用折叠镜将由该可移动的镜反射的光束重定向为正交于光束取向。通过镜和透镜将该光束维持为高斯的。具有与该照射区域相交的视场的成像设备接收从该照射区域反射的光束图像数据。与该成像设备通信的控制模块从该图像数据接收成像设备视场中的物体位置且将物体位置数据报告给一个坐标系。

Description

具有改进的激光光斑的非接触传感器
技术领域
本公开内容涉及激光投射系统以及用于使用微机电系统(MEMS)或其他可移动的镜以及多个透镜或镜部件对被扫描体积中的物体的坐标进行测量以感测结构化的光轮廓的方法。
背景技术
通过使用可见光或红外光测量与初始光束或投射光束相比较的反射光束来确定物体表面的表面尺寸或轮廓的系统是已知的。这样的系统可以包含一个或多个镜，以引导投射光和将入射光反射回接收设备。
将必要的部件结合成系统所要求的空间罩(诸如，传感器头)常常太大而不能在不引起束聚焦问题、且因此不引起有缺陷的表面映射的前提下提供预期束尺寸。由于难于在控制束宽度的同时使失真最小化，因此减小用于光学部件的空间罩成为问题。在空间限制不允许将镜倾斜到预期角度的情形下，聚焦光学部件的能力也可以成为问题。
此部分提供涉及本公开内容的背景信息，该背景信息不必然是现有技术。
发明内容
根据若干方面，用于获取三维信息的非接触感测系统包含生成激光束的激光光源。光纤接收该激光束且形成高斯分布的光束。可移动的镜接收该光束。该可移动的镜被角度调整，以将该光束扫描到照射区域。定位在该激光光源和该可移动的镜之间的透镜封装件(lens package)从该光纤接收该光束且设定该光束的尺寸，以欠填充(under-fill)该可移动的镜的光学表面。成像设备从返回自照射区域的光束中接收该照射区域的图像数据。与该成像设备数据通信的控制模块运行以由该图像数据确定物体的位置数据且在一个坐标系中报告该位置数据。
根据另一些方面，用于获取三维信息的非接触感测系统包含生成椭圆形激光束的激光光源。输出光纤接收该激光束且形成高斯分布的光束。可移动的镜接收该光束且被角度调整以将该光束扫描到照射区域。定位在该激光光源和该可移动的镜之间的透镜封装件从该输出光纤接收该光束且聚焦该光束以欠填充该可移动的镜的光学表面。固定的折叠镜从该可移动的镜接收该光束。该折叠镜和该可移动的镜一起使该光束相对于由该激光光源生成的光束的取向正交地重定向。成像设备具有与照射区域相交的视场，从而接收从该照射区域反射的光束的图像数据。与该成像设备数据通信的控制模块运行以由该图像数据确定物体在该成像设备的视场中的位置且将该物体的位置数据报告给一个坐标系。
根据其他若干方面，用户获取三维信息的非接触感测系统包含一个二极管，该二极管限定运行以发出激光束的激光光源。接收该激光束的输出光纤形成高斯分布的光束。透镜封装件接收并聚焦该光束。该透镜封装件依次包含：准直透镜；以及限定缩束器的第一透镜和第二透镜。可移动的镜从透镜封装件接收该光束，该光束被该准直透镜准直且具有由该第一透镜和该第二透镜减小的直径，以欠填充该可移动的镜的表面面积(呈现比该可移动的镜的表面面积小的面积)。固定的折叠镜从该可移动的镜接收该光束。该可移动的镜和该折叠镜运行以将该光束扫描到照射区域。成像设备具有与该照射区域相交的视场，从而接收从该照射区域反射的光束的图像数据。与该成像设备数据通信的控制模块从该图像数据接收物体在该成像设备的视场中的位置且将该物体的位置数据报告给一个坐标系。
根据又另一些方面，提供了一种用于使用非接触感测系统获取三维信息的方法，该非接触感测系统包含：光纤耦合激光器；透镜封装件，包含准直透镜和限定缩束器的第一透镜和第二透镜；可移动的镜；折叠镜；成像设备；以及控制模块。该方法包含：使用该光纤耦合激光器生成高斯分布的光束；使用该透镜封装件通过改变该第一透镜和该第二透镜之间的间隔来接收和聚焦该光束，从而减小该光束的直径以对应于该可移动的镜的表面面积；使用该可移动的镜将该光束引导到该折叠镜；角度调整该可移动的镜，以从该折叠镜反射该光束，从而将该光束扫描到一个照射区域；运行该成像设备以接收从该照射区域反射的光束的图像数据；以及使用该控制模块由该图像数据确定物体在该成像设备的视场中的位置。
此部分提供了本公开内容的总体概述，并且不是其全部范围或其所有特征的全面公开。
根据本文提供的描述，另一些应用领域将变得明显。该发明内容中的描述和具体实施例仅是出于例示目的而非旨在限制本公开内容的范围。
附图说明
图1是本公开内容的非接触传感器的图解；
图2是图1的区域2的图解；
图3是非接触传感器系统的方框图，其中进一步示出控制模块和图像处理单元；
图4是用于在机动车辆测量站中示例性使用的多传感器系统的左前立体视图；
图5是采用了本公开内容的两个非接触传感器的车辆和机器人系统的右前立体视图；以及
图6是由传感器在物体表面处发出的光束的高斯分布的前正视图。
在此描述的附图仅是为了例示所选择的实施方案而非所有可能的实施方式，且并不意在限制本公开内容的范围。
在附图的全部视图中相应的参考数字指示相应的部分。
具体实施方式
现参照附图更充分地描述示例性实施方案。
参照图1，用于获取三维轮廓信息的传感器系统10包含传感器头12，该传感器头含有5个光学部件。这些光学部件包含透镜封装件13，该透镜封装件具有准直透镜14、第一缩束器透镜16和第二缩束器透镜18，第一缩束器透镜和第二缩束器透镜共同限定缩束器(beam reducer)19。所述光学部件还包含精密可移动的镜20，诸如微机电系统(MEMS)镜、静电驱动镜、压电驱动镜或在角度方面可训练的镜。最后，所述光学部件包含固定就位的折叠镜22(诸如，折叠镜)以及发散透镜24。这五个光学部件调适且扫描由光源28生成且从光源28(诸如，光纤耦合激光器)接收的高斯分布的光束26，光源28结合成像设备30起作用，以获得物体32在限定扫描区域34的指定照射区域中的三维坐标测量。扫描区域34的总表面面积和任何物体或不规则处限定光束扫描体积。根据若干实施方案，成像设备30是CCD摄像机。为了获取三维坐标测量，传感器系统10充当“非接触”系统，在该系统中传感器头12保持远离物体32且因此不直接物理地接触该物体。精密“可移动的”镜20可以被移动(诸如，通过角旋转或移位)，以使得精密可移动的镜20的反射表面的取向可以被调整和/或被训练。
准直透镜14去除由光纤耦合激光光源28生成的光束26中固有的发散。光纤耦合激光光源28包含二极管35，该二极管形成椭圆形激光束。二极管35被光学地耦合到光纤，诸如输出光纤36,该光纤扰乱该椭圆形激光束的能量且递送限定高斯分布的光束26的圆形高斯光或光斑，此后高斯分布的光束26被传感器头12的光学部件引导和控制。输出光纤36在准直透镜14的焦点38处发出光束26，准直透镜14使光束26准直，以将其作为经准直的光束40发出，经准直的光束40具有近似1.0至1.5毫米的直径“A”。此后，经准直的光束40通过缩束器19重新聚焦，以约束光束尺寸且将经准直的光束40维持在经准直状况下，从而完全配合在精密可移动的镜20的表面上，同时也在由成像设备30视场和光束的扫描区域34的交集所限定的整个扫描体积内具有受控的尺寸。
本公开内容设想了多个不同尺寸的传感器头12，传感器头12可以根据可用的空间罩且到测量扫描区域34的束相隔距离而变化。该标准要求使用短焦距且因此宽视场的透镜。为了将传感器头12的部件约制在多个不同尺寸的传感器头12的包装约束中，整个光学系42被维持为尽可能小。光学系42包含准直透镜14、第一缩束器透镜16和第二缩束器透镜18、精密可移动的镜20和折叠镜22。为了维持光束26的焦点，由两个固定地接合的透镜组成的消色差双合透镜44被用来形成缩束器19的单个透镜。根据若干实施方案，消色差双合透镜被用于第一缩束器透镜16。根据若干实施方案，第二缩束器透镜18是单透镜(singlet lens)。消色差双合透镜的使用使球面像差最小化，球面像差可以形成光学缺陷，该光学缺陷导致光束26在远处的增加的束直径和退化的高斯特性。
第一缩束器16和第二缩束器18从准直透镜14接收经准直的束40且将经准直的束40的设定尺寸成为直径减小的输出束46，该直径减小的输出束46具有小于直径“A”的减小的直径“B”，因此该束将欠填充精密可移动的镜20的光学表面48。期望保持直径减小的输出束46的减小的直径“B”小于精密可移动的镜20的表面面积“Z”，以欠填充精密可移动的镜20的表面面积“Z”(呈现比表面面积“Z”更小的面积)，从而使得从可移动的支撑表面50周围散射的光最小化。来自支撑表面50的散射光可潜在地导致虚假的或错误的传感器测量。根据若干实施方案，减小的直径“B”的最大值在精密可移动的镜20处是0.5mm。
就准直透镜14而言，直径减小的输出束46以准直或接近准直的状况离开第一缩束器透镜16和第二缩束器透镜18，以使得直径减小的输出束46的减小的直径“B”随后随着远离第二缩束器透镜18的距离而增长的速率最小化。在第一缩束器透镜16和第二缩束器透镜18之后，为进一步使得直径减小的输出束46的直径随距离的增加最小化，还期望直径减小的输出束46中的少量会聚。在传感器头12的组装期间通过手动调整实现第一缩束器透镜16和第二缩束器透镜18之间的间隔“C”的改变，且然后间隔“C”被固定。在组装期间对间隔“C”的调整允许束腰52的位置被调整且然后在组装期间被固定，从而优化传感器系统10的性能。束腰52将直径减小的输出束46的最窄的直径限定为对应于小于光学表面48的表面面积的面积。如上所述，根据若干实施方案，束腰52的直径是≤0.5mm。将束腰52处的直径控制到≤0.5mm提供了待要在给定的扫描区域34上任何位置实现的从近似1.0mm到1.5mm范围的平均束光斑尺寸“D”。
与准直透镜14一起，传感器头12的包装约束包含使用短焦距透镜。如先前所述，消色差双合透镜可以被使用以使球面像差最小化且维持准确测量所必须的束特性。在包装不是主要设计动机的传感器系统10中，较长焦距的单透镜(未示出)也可以代替第一缩束器透镜16中的消色差双合透镜44。
参见图2且再次参见图1，精密可移动的镜20提供两个正交的角扫描轴线“E”、“F”(如在图2中看到的，扫描轴线“F”被引导朝向观看者和远离观看者)，其将直径减小的输出光束46扫掠过传感器测量扫描区域34。精密可移动的镜20的“精密”移动被定义为在一个限定的旋转范围或移动范围上使用限定的扫描频率控制镜移动的能力。根据若干实施方案，使用在一个约6度的角度范围上扫描频率约1kHz至3kHz的可移动的镜。操作上，精密可移动的镜20被视为近平面镜，镜20绕其光学表面48的至少一个轴线枢转，然而，由于精密可移动的镜20的制造技术中的限制，在制造期间可能在光学表面48中引起少量的光学功率。当有必要使该少量的功率无效时，还使用通过第一缩束器透镜16和第二缩束器18之间的间隔“C”的调整提供的焦点调整，否则该少量的功率可能使得在测量扫描区域34上的束尺寸和质量退化。精密可移动的镜20在被设为MEMS镜时优选地采用静电致动以定位该镜，从而将光束26引向物体32。示例性精密可移动的镜是可购自MirrorcleTechnologies,Inc.in Richmond,California的双轴扫描微型镜设备。如本文中提到的，本公开内容还设想了多种类型的可移动的镜设备。
继续参照图1和2，折叠镜22连同精密可移动的镜20使得出射束54、56、58相对于直径减小的输出束46折叠或取向通过一直角。通过向后朝向第二缩束器透镜18定位折叠镜22，出射束的该正交折叠提供了减小总体光学包装长度的额外益处。折叠镜22不仅将从精密可移动的镜20反射的直径减小的输出束46重定向，而且还帮助维持光束26的圆形光点和高斯能量分布。折叠镜22的使用还允许精密可移动的镜20最初以相对于直径减小的输出束46的最浅(约5至20度)的倾斜角度(α)倾斜，因此直径减小的输出束46不被反射回到其自身上。以比倾斜角度(α)更大的角度(即，大于20°)翻转精密可移动的镜20会增大光学系42所要求的空间罩，且会将扫描失真引入到测量数据中。该失真是非线性的且将需要在系统级被映射出，并且被从每次测量中去除。在整个传感器系统10的光学系42中通过所述镜和透镜维持光束26为高斯的。
通过使精密可移动的镜20的倾斜角度α最小化以及对于直角折叠的大部分使用折叠镜22的倾斜角度β(倾斜角度β＝45°-倾斜角度α)，为光学系42实现了紧凑的光学包装，同时使扫描失真最小化。根据一个实施方案，传感器系统10的示例性尺寸包含约62mm的光学系42长度、约100mm(10mm×10mm)的折叠镜22的表面面积以及直径减小的输出束46到发散透镜24的输出的约23mm的间隔。这些尺寸是示例性的且可以在本公开内容的范围内被修改。与使用大于倾斜角度α的倾斜角度相比，该方法改进系统准确度且减小了测量后的数据处理时间。
当精密可移动的镜20的角程不能够独自提供扫描区域34的预期扫描测量而有必要增加出射束54、58的扫描角度(δ)时，发散透镜24被提供以用于应用。对于传感器头12和物体32之间具有最大相隔距离(约1200至1600mm)的应用，发散透镜24可以被省去。在发散透镜24的安装期间，发散透镜24是手动地可调整的，以允许改变扫描角度δ，且此后发散透镜24被固定就位。因为发散透镜24对温度变化是敏感的，因此发散透镜24会随距离引起束减小的直径“B”中的一些额外的不希望的增长(散焦)。如先前本文中所描述的，因此通过移动第一缩束器透镜16和/或第二缩束器透镜18来进行对间隔“C”的小调整，以减轻该散焦效应。当精密可移动的镜20以其运行频率被扫描时，出射束54、56、58的直径“G”在发散透镜24处足够小，使得球面像差不被认为是问题，因此在该位置处不要求消色差双合透镜。
参见图3且再次参见图1和2，本公开内容的用于获取三维轮廓信息的非接触传感器系统10包含：光源子系统60，该光源子系统具有精密可移动的镜20(被表示为例如MEMS镜)和可运行以投射光点的光源28；且非接触传感器系统10包含成像设备30，该成像设备运行以扫描在扫描区域34的照射区域中的光点。在一个示例性实施方案中，光源子系统60是光纤耦合激光器(被定义为输出激光束的激光器，其中该激光束被耦合到用于传输该激光束的光纤)，其引导光束通过准直透镜14和缩束器19至精密可移动的镜20；且还包含折叠镜22。
继续参照图3，通过控制模块62经由通信路径57来提供对精密可移动的镜20的扫掠角度和扫掠频率的控制。由成像设备30接收的图像数据也经由通信路径59被通信到控制模块62。控制模块62进而经由通信路径61被连接到图像处理单元64，图像处理单元64运行以计算工件表面相对于z-轴的轮廓角度(θ)。控制模块62还经由通信路径63被连接到光源28且起到如下作用：在精密可移动的镜20扫描(镜角旋转)开始时接通光源28，在精密可移动的镜20扫描结束时断开光源28，以及在精密可移动的镜20扫描期间调整系统功率。
继续参照图1-3，如先前提到的，精密可移动的镜20的扫描角度δ可以被限制。为了使含有传感器头12的壳体65的空间罩(体积和/或表面面积)最小，折叠镜22被定位在精密可移动的镜20的透镜侧上，而经准直的减小直径输出束46被精密可移动的镜20重定向返回朝向折叠镜22。另外，为了满足短相隔传感器的视场，期望的是将精密可移动的镜20的角扫描能力放大。为了做到这一点，如先前提到的，来自精密可移动的镜20、反射离开折叠镜22的光被引导朝向发散透镜24，发散透镜24根据若干实施方案是平凹透镜。由发散透镜24提供的角放大的量是发散透镜24的曲率半径以及光源28、精密可移动的镜20和折叠镜22之间的各自的几何结构的函数。
继续参照图3，在运行期间，由光源子系统60投射的光点被相关联的控制模块62控制，其中光源子系统60至少包含精密可移动的镜20、准直透镜14和缩束器19加上光源28。在成像设备30的曝光周期期间优选地以非常高的频率扫描来自光源子系统60的光。光源子系统60的扫描速度比成像设备30的快门速度显著更快(例如，快约100倍)。通过使用扫描速度和快门速度的组合，成像设备30可以获得行数据、多行数据或区域照射。区域照射的质量与通过泛光照射源(诸如，LED)获得的质量相似。该照射方法的优点是，它使用能够执行可复制的精确路径的经准直的MEMS或可移动的镜设备的能力。因此，在扫描期间，精密可移动的镜20的每个位置连同折叠镜22的固定位置/方向是对相关联的控制模块62精确已知的和/或被报告给相关联的控制模块62。在一个示例性实施方案中，传感器系统10的部件被集成到单个壳体65中。为了减小部件之间的间隔和光学系42的长度，且因此减小壳体65的总体尺寸，所述部件被安排成如图1中所示出的使得直径减小的输出束46被精密可移动的镜20在返回朝向缩束器19的方向上重定向到折叠镜22。
每个部件相对于其他部件的实际位置被定制以在整个成像设备30景深(从近场至远场)上匹配最好的视野覆盖范围(field coverage)配置。容易理解的是，传感器系统10的部件(在壳体65内)的精确布置取决于预期视野覆盖范围和图像分辨率。
成像设备30被校准到外部参考系(reference frame)。假定成像设备30被校准以在本地参考系中报告测量数据。用于相对于外部参考系校准成像设备的技术是本领域容易已知的。例如，可在美国专利No.6,134,507中发现与采用激光跟踪器的合适的校准程序相关的其他细节，该美国专利以引用的方式纳入本文。无论校准技术为何，该步骤都为成像设备产生转换，该转换将测量从其本地参考系映射到外部参考系。该外部参考系指的是公共坐标系且可以是与被测量的工件、总体测量站或某个其他参考系相关联。
参照图4，用于获取工件(诸如，机动车辆零件102)的测量数据的典型测量站100可以采取示出的形式。在测量站100处待被计量的工件停留在运输货盘104上，运输货盘104经由货盘导引件106沿着组装线移动，货盘导引件106穿过货盘104中的导引槽108。在测量站100处，传感器安装框架110(图1中仅示出传感器安装架110的一半)围绕待被计量的工件(诸如，机动车辆零件102)且为从112-1到112-n的一系列非接触传感器提供多个安装位置。
可以上文所描述的方式配置从112-1到112-n的每个非接触传感器。换言之，每个传感器包括以紧凑方式安排在单个壳体65中的光源子系统60和成像设备30，如关于图1所描述的。由每个传感器捕获的图像数据可以在该传感器处或在远程计算机处被翻译成到测量数据，远程计算机114具有视觉读取板116，视觉读取板116提供数据，诸如指示机动车辆零件102的特征或表面的依从(compliant)状况或非依从状况的信号。无论在哪种情况下，数据从传感器发送到远程计算机114，以用于进一步处理和/或储存。在一些实施方案中，两个或更多个传感器可以具有重叠的视场且因此可以被校准到一个公共坐标系117中。用于输入校准传感器所要求的代码的或用于输入运行测量站100的系统命令的输入设备118可以被定位在测量站100附近。如果所述传感器之一需要被替换或以其他方式被重新校准，则给定的传感器可以被校准到该公共坐标系。
参照图5且再次参照图1，替代于使工件移动经过本公开内容的固定位置传感器头，可以使用具有例如机器臂120的可移动的机器人系统，机器臂120可以将第一传感器头122和第二传感器头124(类似于传感器头12)移置到绕工件(诸如，机动车辆126)的预定位置。在这些实施方案中，在扫描期间该工件可以保持在静止位置中。机器臂120使第一传感器头122和第二传感器头124相对于表面或扫描区域128(在该实施例中被示出为车辆门板)移动。机器臂120还可以被配置以允许第一传感器头122和/或第二传感器头124的重定向，以适合车辆126的不同的表面几何结构。在本公开内容的范围内，机器臂120还可以提供单个或多于两个的传感器头。
参照图6且再次参照图1和2，在已知的系统中，未使用本公开内容的传感器头12准直和聚焦的出射束在具有物体的束反射位置处具有非圆形、椭圆形或不规则形状的束面或光斑。因为准确的位置数据要求在物体表面处形成束中心或束光斑，所以该不规则性在形成该束中心时导致误差和/或不准确，且因此导致反射/接收信号中的误差和/或不准确。通过使用准直透镜14的准直能力以及在控制精密可移动的镜20处的束腰52时使用传感器头12的可调整的缩束器19而实现的聚焦/缩减特性，且使用折叠镜22来控制光学系42的总体长度，对于出射束54、56、58中的每一个(在该视图中仅示出了束56)，当出射束延伸到物体32的表面时，形成且维持出射束的高斯分布130。
由输出光纤36形成高斯分布130，输出光纤36接收从激光光源28输出的椭圆形束，扰乱输出光纤36中的激光能量，且输出圆形高斯光斑。传感器头12的光学部件此后在整个扫描路径和测量体积上控制高斯分布130的尺寸和位置。在使用发散透镜24或未使用发散透镜24的情况下，当在精密可移动的镜20的运行频率上扫描该精密可移动的镜时，为所述束中的每一个维持高斯分布130。通过本公开内容的传感器头12形成的出射束的高斯分布130在物体32处形成基本圆形的束面132，从而增大了识别束面32的中心134的准确度和随后在成像设备30处接收的信号的准确度。
传感器系统10的示例性运行如下。限定激光光源28的二极管运行以发出激光束。输出光纤36接收该激光束且形成高斯分布的光束26。透镜封装件接收光束26且将其聚焦。该透镜封装件依次包含准直透镜14、第一透镜16和第二透镜18，第一透镜16和第二透镜18二者限定缩束器19。精密可移动的镜20从该透镜封装件接收光束26。光束26被准直透镜14准直且具有由第一透镜16和第二透镜18减小的直径“A”，以对应于精密可移动的镜20的表面面积“Z”。固定的折叠镜22接收从精密可移动的镜20反射的光束26。精密可移动的镜20和折叠镜22被用来将光束26扫描到照射区域或扫描区域34。成像设备30具有与该照射区域或扫描区域34相交的视场，且接收从该照射区域反射的光束26的图像数据。与成像设备30数据通信的控制模块62从图像数据接收物体32在成像设备30的视场中的位置且将物体32的位置数据报告给一个坐标系。
如本文中所使用的，术语“模块”可指下列各项的一部分或者包括下列各项：专用集成电路(ASIC)；电子电路；组合逻辑电路；现场可编程门阵列(FPGA)；执行代码的处理器(共享的、专用的或群组)；其它提供所述功能的合适的部件；或上述的若干或所有的组合，例如在片上系统中。术语“模块”可以包含存储由处理器执行的代码的存储器(共享的、专用的或群组)。术语“代码”可包含软件、固件和/或微码，并且可以指程序、例程、函数、类和/或对象。上文使用的术语“共享”意味着可以使用单个(共享的)处理器执行来自多个模块的若干或全部代码。此外，来自多个模块的若干或全部代码可以由单个(共享的)存储器存储。上文使用的术语“群组”意味着可以使用一组处理器执行来自单个模块的若干或全部代码。此外，可以使用一组存储器存储来自单个模块的若干或全部代码。
提供了若干示例实施方案，以使得本公开内容将是透彻的，且会把本公开内容的范围传达给本领域技术人员。阐明了众多具体细节(诸如，具体部件、设备以及方法的实施例)，以提供对本公开内容的实施方案的透彻理解。本领域技术人员将明了的是：不需要采用具体细节，可以许多不同形式实现示例性实施方案且不应被认为限制本公开内容的范围。在某些示例性实施方案中，未详细描述公知的工艺、公知的设备结构以及公知的技术。
本文所使用的术语仅仅是为了描述特定的示例实施方案而并不旨在限制。如本文所用的，单数形式“一”，“一个”和“该”可旨在包含复数形式，除非上下文另有明确指示。术语“包括”、“包括(comprising)”、“包含”及其“具有”是包容性的，且因此指定声明的特征、整数、步骤、操作、元素和/或部件的存在，但是不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或上述各项组成的组的存在或添加。本文所描述方法步骤、过程以及操作不应当被理解成必然地要求按所讨论的或所例示的特定顺序执行它们，除非具体地指定为顺序执行。还应该理解的是可以采用附加的或替代的步骤。
出于例示和描述目的提供了实施方案的前述描述。并非旨在穷举或限制本公开内容。特定实施方案的个体元件或特征通常不限制于此特定的实施方案，而是在可应用的情况下是互换的且可以被用在选择的实施方案中，即使未被具体地示出或描述。同样也可以多种方式进行改变。这样的变化不被认为脱离本公开内容，且所有这样的改型旨在被包括在本公开内容的范围内。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于获取三维信息的非接触感测系统，包括：
一个激光光源，生成激光束；
一个光纤，被配置以接收该激光束并能够运行以输出具有圆形形状和高斯分布的能量的光束；
一个可移动的镜，其接收该光束，该可移动的镜被角度调整以在一个照射区域中扫描该光束，且该可移动的镜还被限定为微机电系统；
一个透镜封装件，被定位在该激光光源和该可移动的镜之间，该透镜封装件从该光纤接收该光束且将该光束的尺寸设定为欠填充该可移动的镜的一个光学表面；
一个成像设备，从返回自该照射区域的光束中接收该照射区域的图像数据；以及
一个控制模块，其与该成像设备数据通信，运行以由该图像数据确定物体的位置数据且在一个坐标系中报告该位置数据。
2.根据权利要求1所述的用于获取三维信息的非接触感测系统，其中该透镜封装件依次包括：
一个准直透镜，运行以将该光束转换成经准直的光束；以及
一个缩束器，从该准直透镜接收该经准直的光束且运行以减小该经准直的光束的直径，从而欠填充该可移动的镜的该光学表面。
3.根据权利要求2所述的用于获取三维信息的非接触感测系统，其中该缩束器包括：
第一透镜，从该准直透镜接收该经准直的光束；以及
第二透镜，从该第一透镜接收该经准直的光束。
4.根据权利要求3所述的用于获取三维信息的非接触感测系统，其中该第一透镜和该第二透镜之间的间隔是可调整的，以改变该经准直的光束的直径。
5.根据权利要求3所述的用于获取三维信息的非接触感测系统，其中该第一透镜和该第二透镜中的至少一个限定一个消色差双合透镜。
6.根据权利要求2所述的用于获取三维信息的非接触感测系统，其中该激光光源被耦合到一个光纤，该光纤具有一个被定位在该准直透镜的焦点处的输出。
7.根据权利要求1所述的用于获取三维信息的非接触感测系统，还包括一个运动设备，该运动设备运行以改变该可移动的镜的一个面的相对于该光束的进入取向路径测量的角度。
8.根据权利要求7所述的用于获取三维信息的非接触感测系统，其中该运动设备被运行以在从约1度至约6度的范围内改变该可移动的镜面的角度。
9.根据权利要求8所述的用于获取三维信息的非接触感测系统，还包括一个折叠镜，该折叠镜被定向以相对于在该可移动的镜处接收的光束的取向路径正交地重定向从该可移动的镜接收的光束，且维持该光束为圆形形状。
10.根据权利要求1所述的用于获取三维信息的非接触感测系统，还包括一个发散透镜，该发散透镜从该可移动的镜接收光束且增大该光束的扫描角度，该发散透镜的位置能够调整以改变该照射区域，从而实现预期的扫描测量体积。
11.根据权利要求10所述的用于获取三维信息的非接触感测系统，其中该发散透镜的焦距被选择以增大或减小该照射区域，从而改变扫描测量体积。
12.根据权利要求1所述的用于获取三维信息的非接触感测系统，其中该透镜封装件包括限定一个消色差双合透镜的至少一个透镜。
13.根据权利要求1所述的用于获取三维信息的非接触感测系统，其中该成像设备包括一个CCD摄像机。
14.一种用于获取三维信息的非接触系统，包括：
一个激光光源，产生椭圆形激光束；
一个输出光纤，接收该激光束并形成高斯分布的光束；
一个可移动的镜，其接收该光束，该可移动的镜被角度调整以将该光束扫描到一个照射区域；
一个透镜封装件，被定位在该激光光源和该可移动的镜之间，该透镜封装件从该输出光纤接收该光束且聚焦该光束，以欠填充该可移动的镜的一个光学表面；
一个固定的折叠镜，从该可移动的镜接收该光束，该折叠镜和该可移动的镜共同地将该光束相对于由该激光光源产生的光束的取向正交地重定向；
一个成像设备，具有与该照射区域相交的视场，从而接收从该照射区域反射的光束的图像数据；以及
一个控制模块，其与该成像设备数据通信，运行以由该图像数据确定物体在该成像设备的视场中的位置且将该物体的位置数据报告给一个坐标系。
15.根据权利要求14所述的用于获取三维信息的非接触感测系统，其中该可移动的镜的角度相对于该光束最大被调整至20度的角度α。
16.根据权利要求15所述的用于获取三维信息的非接触感测系统，其中通过函数β＝45°-α来确定该折叠镜的角度取向β。
17.根据权利要求15所述的用于获取三维信息的非接触感测系统，其中角度α相对于该光束具有从约5度到最大20度的角度范围。
18.根据权利要求14所述的用于获取三维信息的非接触感测系统，其中一个光学系包括该激光光源、该透镜封装件、该可移动的镜和该折叠镜，该光学系具有通过相对于该光束的一个取向正交地重新取向该光束来最小化的长度。
19.根据权利要求18所述的用于获取三维信息的非接触感测系统，其中该光学系长度是约62mm。
20.根据权利要求18所述的用于获取三维信息的非接触感测系统，其中该折叠镜被定位在该可移动的镜和该透镜封装件之间且相对于该光束偏移。
21.根据权利要求14所述的用于获取三维信息的非接触感测系统，其中被该透镜封装件减小的该光束的腰直径在该可移动的镜处是≤0.5mm。
22.一种用于获取三维信息的非接触感测系统，包括：
一个二极管，限定一个运行以发出激光束的激光光源；
一个光纤，被配置以在一端接收该激光束，并运行以在该光纤的相对端输出光束，该光束具有圆形形状和高斯分布的能量；
一个准直透镜，被配置以从该光纤接收该光束且使该光束的光线准直；
至少一个缩束器透镜，被配置以从该准直透镜接收经准直的光束且运行以将该经准直的光束的直径减小到一个小于由该光纤输出的光束的直径的值，该缩束器透镜包含消色差双合透镜；
一个可移动的镜，被配置以来自该至少一个缩束器透镜的光束且能够运行以在一个照射区域中角度扫描该光束，其中该可移动的镜还被限定为微机电系统，其运行以在从约1度至约6度的范围内改变该可移动的镜的角度；
一个折叠镜，被配置以从该可移动的束接收该光束且被取向以相对于入射在该可移动的镜上的光束路径正交地引导该光束；
一个成像设备，具有与该照射区域相交的视场，从而接收从该照射区域反射的光束的图像数据；以及
一个控制模块，其与该成像设备通信，运行以从该图像数据接收物体在该成像设备的视场中的位置且将该物体的位置数据报告给一个坐标系。
23.根据权利要求22所述的用于获取三维信息的非接触感测系统，还包含与该控制模块通信的一个成像处理系统，其运行以将该图像数据转换至一个坐标系。
24.根据权利要求22所述的用于获取三维信息的非接触感测系统，其中该可移动的镜和该折叠镜共同被角度调整，以相对于由该光纤耦合激光器发出的光束的取向正交地取向该光束。
25.一种用于使用非接触感测系统获取三维信息的方法，该非接触感测系统包括：一个光纤耦合激光器；一个透镜封装件，其包括一个准直透镜以及限定一个缩束器的第一透镜和第二透镜；一个可移动的镜；一个折叠镜；一个成像设备以及一个控制模块，该方法包括：
使用该光纤耦合激光器产生高斯分布的光束；
使用该透镜封装件通过改变该第一透镜和该第二透镜之间的间隔来接收和聚焦该光束，从而减小该光束的直径，以欠填充该可移动的镜的表面面积；
角度调整该可移动的镜，使得该光束反射离开该折叠镜，从而将该光束扫描到一个照射区域；
运行该成像设备以接收从该照射区域反射的光束的图像数据；以及
由该图像数据确定物体在该成像设备的视场中的位置。
26.根据权利要求25所述的方法，还包含将该物体的位置数据报告给一个坐标系。
27.根据权利要求25所述的方法，还包括使用该可移动的镜和该折叠镜相对于由该光纤耦合激光器产生的光束的取向正交地引导该光束。
28.根据权利要求25所述的方法，还包括紧邻该可移动的镜和该透镜封装件之间定位该折叠镜，以减小包括该透镜封装件、该可移动的镜和该折叠镜的光学系长度。

Claims (29)

1.一种用于获取三维信息的非接触感测系统，包括：
一个激光光源，生成激光束；
一个光纤，接收该激光束并形成高斯分布的光束；
一个可移动的镜，其接收该光束，该可移动的镜被角度调整以将该光束扫描到一个照射区域；
一个透镜封装件，被定位在该激光光源和该可移动的镜之间，该透镜封装件从该光纤接收该光束且将该光束的尺寸设定为欠填充该可移动的镜的一个光学表面；
一个成像设备，从返回自该照射区域的光束中接收该照射区域的图像数据；以及
一个控制模块，其与该成像设备数据通信，运行以由该图像数据确定物体的位置数据且在一个坐标系中报告该位置数据。
2.根据权利要求1所述的用于获取三维信息的非接触感测系统，其中该透镜封装件依次包括：
一个准直透镜，运行以将该光束转换成经准直的光束；以及
一个缩束器，从该准直透镜接收该经准直的光束且运行以减小该经准直的光束的直径，从而欠填充该可移动的镜的该光学表面。
3.根据权利要求2所述的用于获取三维信息的非接触感测系统，其中该缩束器包括：
第一透镜，从该准直透镜接收该经准直的光束；以及
第二透镜，从该第一透镜接收该经准直的光束。
4.根据权利要求3所述的用于获取三维信息的非接触感测系统，其中该第一透镜和该第二透镜之间的间隔是可调整的，以改变该经准直的光束的直径。
5.根据权利要求3所述的用于获取三维信息的非接触感测系统，其中该第一透镜和该第二透镜中的至少一个限定一个消色差双合透镜。
6.根据权利要求2所述的用于获取三维信息的非接触感测系统，其中该激光光源被耦合到一个光纤，该光纤具有一个被定位在该准直透镜的焦点处的输出。
7.根据权利要求1所述的用于获取三维信息的非接触感测系统，还包括一个运动设备，该运动设备运行以改变该可移动的镜的一个面的相对于该光束的进入取向路径测量的角度。
8.根据权利要求7所述的用于获取三维信息的非接触感测系统，其中该运动设备被运行以在从约1度至约6度的范围内改变该可移动的镜面的角度。
9.根据权利要求8所述的用于获取三维信息的非接触感测系统，还包括一个折叠镜，该折叠镜被定向以相对于在该可移动的镜处接收的光束的取向路径正交地重定向从该可移动的镜接收的光束，且维持该光束为圆形形状。
10.根据权利要求1所述的用于获取三维信息的非接触感测系统，还包括一个发散透镜，该发散透镜从该可移动的镜接收光束且增大该光束的扫描角度，该发散透镜的位置能够调整以改变该照射区域，从而实现预期的扫描测量体积。
11.根据权利要求10所述的用于获取三维信息的非接触感测系统，其中该发散透镜的焦距被选择以增大或减小该照射区域，从而改变扫描测量体积。
12.根据权利要求1所述的用于获取三维信息的非接触感测系统，其中该透镜封装件包括限定一个消色差双合透镜的至少一个透镜。
13.根据权利要求1所述的用于获取三维信息的非接触感测系统，其中该成像设备包括一个CCD摄像机。
14.一种用于获取三维信息的非接触系统，包括：
一个激光光源，产生椭圆形激光束；
一个输出光纤，接收该激光束并形成高斯分布的光束；
一个可移动的镜，其接收该光束，该可移动的镜被角度调整以将该光束扫描到一个照射区域；
一个透镜封装件，被定位在该激光光源和该可移动的镜之间，该透镜封装件从该输出光纤接收该光束且聚焦该光束，以欠填充该可移动的镜的一个光学表面；
一个固定的折叠镜，从该可移动的镜接收该光束，该折叠镜和该可移动的镜共同地将该光束相对于由该激光光源产生的光束的取向正交地重定向；
一个成像设备，具有与该照射区域相交的视场，从而接收从该照射区域反射的光束的图像数据；以及
一个控制模块，其与该成像设备数据通信，运行以由该图像数据确定物体在该成像设备的视场中的位置且将该物体的位置数据报告给一个坐标系。
15.根据权利要求14所述的用于获取三维信息的非接触感测系统，其中该可移动的镜的角度相对于该光束最大被调整至20度的角度α。
16.根据权利要求15所述的用于获取三维信息的非接触感测系统，其中通过函数β＝45°-α来确定该折叠镜的角度取向β。
17.根据权利要求15所述的用于获取三维信息的非接触感测系统，其中角度α相对于该光束具有从约5度到最大20度的角度范围。
18.根据权利要求14所述的用于获取三维信息的非接触感测系统，其中一个光学系包括该激光光源、该透镜封装件、该可移动的镜和该折叠镜，该光学系具有通过相对于该光束的一个取向正交地重新取向该光束来最小化的长度。
19.根据权利要求18所述的用于获取三维信息的非接触感测系统，其中该光学系长度是约62mm。
20.根据权利要求18所述的用于获取三维信息的非接触感测系统，其中该折叠镜被定位在该可移动的镜和该透镜封装件之间且相对于该光束偏移。
21.根据权利要求14所述的用于获取三维信息的非接触感测系统，其中被该透镜封装件减小的该光束的腰直径在该可移动的镜处是≤0.5mm。
22.一种用于获取三维信息的非接触感测系统，包括：
一个二极管，限定一个运行以发出激光束的激光光源；
一个输出光纤，接收该激光束并形成高斯分布的光束；
一个透镜封装件，接收且聚焦该光束，该透镜封装件依次包括：
一个准直透镜；以及
第一透镜和第二透镜，限定一个缩束器；
一个可移动的镜，从该透镜封装件接收该光束，该光束被该准直透镜准直且具有被该第一透镜和该第二透镜减小以对应于该可移动的镜的表面面积的直径；
一个固定的折叠镜，从该可移动的镜接收该光束，该可移动的镜和该折叠镜运行以将该光束扫描到一个照射区域；
一个成像设备，具有与该照射区域相交的视场，从而接收从该照射区域反射的光束的图像数据；以及
一个控制模块，其与该成像设备通信，运行以从该图像数据接收物体在该成像设备的视场中的位置且将该物体的位置数据报告给一个坐标系。
23.根据权利要求22所述的用于获取三维信息的非接触感测系统，还包含与该控制模块通信的一个成像处理系统，其运行以将该图像数据转换至一个坐标系。
24.根据权利要求22所述的用于获取三维信息的非接触感测系统，其中该第一透镜和该第二透镜中的至少一个包括消色差双合透镜。
25.根据权利要求22所述的用于获取三维信息的非接触感测系统，其中该可移动的镜和该折叠镜共同被角度调整，以相对于由该光纤耦合激光器发出的光束的取向正交地取向该光束。
26.一种用于使用非接触感测系统获取三维信息的方法，该非接触感测系统包括：一个光纤耦合激光器；一个透镜封装件，其包括一个准直透镜以及限定一个缩束器的第一透镜和第二透镜；一个可移动的镜；一个折叠镜；一个成像设备以及一个控制模块，该方法包括：
使用该光纤耦合激光器产生高斯分布的光束；
使用该透镜封装件通过改变该第一透镜和该第二透镜之间的间隔来接收和聚焦该光束，从而减小该光束的直径，以欠填充该可移动的镜的表面面积；
角度调整该可移动的镜，使得该光束反射离开该折叠镜，从而将该光束扫描到一个照射区域；
运行该成像设备以接收从该照射区域反射的光束的图像数据；以及
由该图像数据确定物体在该成像设备的视场中的位置。
27.根据权利要求26所述的方法，还包含将该物体的位置数据报告给一个坐标系。
28.根据权利要求26所述的方法，还包括使用该可移动的镜和该折叠镜相对于由该光纤耦合激光器产生的光束的取向正交地引导该光束。
29.根据权利要求26所述的方法，还包括紧邻该可移动的镜和该透镜封装件之间定位该折叠镜，以减小包括该透镜封装件、该可移动的镜和该折叠镜的光学系长度。
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