CN105973150A - 带有倾斜式窗口镜的三维激光扫描仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了带有倾斜式窗口镜的三维激光扫描仪，涉及激光扫描仪领域。本发明提供的带有倾斜式窗口镜的三维激光扫描仪，通过倾斜窗口镜，使窗口镜与三棱镜反射面的棱边形成一个小角度的夹角，这样在任何情况下，从扫描三棱镜所反射出的光线就不会垂直的照射在窗口镜上，就避免了经窗口镜反射的光线沿原路返回进入探测器中，从而有效降低了这种杂光干扰。

Description

带有倾斜式窗口镜的三维激光扫描仪

技术领域

本发明涉及激光扫描仪领域，具体而言，涉及带有倾斜式窗口镜的三维激光扫描仪。

背景技术

三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，是测绘领域继GPS技术之后的一次技术革命。它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势.三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，因此可以用于获取高精度高分辨率的数字地形模型。

它是利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。由于三维激光扫描系统可以密集地大量获取目标对象的数据点，因此相对于传统的单点测量，三维激光扫描技术也被称为从单点测量进化到面测量的革命性技术突破。

按照测量方式的不同对三维激光扫描仪进行分类，可以分为如下三类：基于脉冲式基于相位差；基于三角测距原理。不论是上述哪种扫描仪，均需要使用激光发射器将激光发出，并且通过探测器接收被测物所返回的激光，进而才能够通过测距模块进行计算(计算的内容如发出光线和收到光线之间的时间差等)。下面对一般的三维激光扫描仪的光线传播过程进行简要介绍。如图1所示，激光发射端产生激光光线，激光光线首先穿过反射镜到达扫描三棱镜(扫描三棱镜的作用是通过转动三棱镜来改变激光发射的角度，进而进行全方位的扫描)，激光光线经过扫描三棱镜改变角度后，通过窗口镜射出。当激 光光线到达被测物体之后，产生反射光线，之后，反射光线经过窗口镜反射到扫描三棱镜上，进而通过反射镜传播到探测器上，之后探测器的测距模块工作，进行后续计算，再更进一步的完成被测物体的三维建模。

除了上述所说的激光光线的一般传播过程外，传统的三位激光扫描仪在工作的时候，即激光光线在传播的时候还会产生一些不应该出现的光线。比如发射激光的时候，经过扫描三棱镜改变角度的激光光线在通过窗口镜射出的同时，还会有一部分激光光线被窗口镜反射回来，这部分被窗口镜反射回来的光线同样会经过扫描三棱镜和反射镜，进而传播到探测器中，这会影响到探测器接收到被测物体发出的反射光线，也就会影响后续的实物建模。

发明内容

本发明的目的在于提供带有倾斜式窗口镜的三维激光扫描仪，以提高三维激光扫描仪中探测器的工作精度。

第一方面，本发明实施例提供了带有倾斜式窗口镜的三维激光扫描仪，包括：

固定框架，所述固定框架的一端设置有窗口镜，所述固定框架的内部设置有扫描三棱镜和激光发射端；所述激光发射端所发出的发射激光能够经过扫描三棱镜的反射面反射后，经过所述窗口镜后射出；

参考直线与参考平面的夹角为锐角；其中，所述参考直线是所述反射面的棱边所在的直线；所述参考平面是所述窗口镜所在的平面。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述参考直线与所述参考平面的夹角大于0度，且小于15度。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述参考直线与所述参考平面的夹角大于2度，且小于10度。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述参考直线与所述参考平面的夹角为4.8度。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述参考直线与所述参考平面的夹角为5.5度。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述窗口镜与重力线的夹角大于8度，小于25度。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述窗口镜与重力线的夹角大于10度，小于22度。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，还包括连接在窗口镜和所述固定框架之间的方形窗框，所述窗框包括长条形的上固定沿和下固定沿，所述上固定沿与所述下固定沿相互平行，所述上固定沿所在的直线与所述参考直线的夹角为4.8度；

所述窗口镜的上边沿和下边沿分别与所述上固定沿和下固定沿重合式连接，以使所述窗口镜固定在所述窗框上。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述窗框包括长条形的左固定沿和右固定沿，所述左固定沿与所述右固定沿相互平行，所述左固定沿所在的直线与重力线的夹角为19.5度；

所述窗口镜的左边沿和右边沿分别与所述左固定沿和右固定沿重合式连接，以使所述窗口镜固定在所述窗框上。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第九种可能的实施方式，其中，还包括连接在窗口镜和所述固定框架之间的窗框，所 述窗框上设置有左固定件、右固定件、上固定件和下固定件，所述窗口镜的左边沿与所述左固定件连接，所述窗口镜的右边沿与所述右固定件连接，所述窗口镜的上边沿与所述上固定件连接，所述窗口镜的下边沿与所述下固定件连接；

所述左固定件与所述右固定件之间的连线与所述参考直线的夹角大于2度，小于8度；

所述上固定件与所述下固定件之间的连线与所述重力线的夹角

本发明实施例提供的带有倾斜式窗口镜的三维激光扫描仪，采用改变三棱镜反射面的棱边与窗口镜之间夹角的方式，与现有技术中由于三棱镜反射面的棱边与窗口镜平行，当三棱镜旋转到某个角度的时候，激光发射端射出的光线经过三棱镜反射后，照射到窗口镜的时，光线会被窗口镜按照原光路反射回来(此时窗口镜所在的平面与照射到窗口镜上的光线所在的直线垂直)，之后窗口镜反射回来的光线会照射入探测器中，由于探测器的目的是接受目标所反射回来的光线，因此当探测器接收到窗口镜所发射回来的光线后便会影响探测器的正常工作相比，其在改变了三棱镜反射面的棱边与窗口镜之间夹角后，任何情况下，从扫描三棱镜所反射出的光线不会垂直的照射在窗口镜上，进而窗口镜虽然还是会反射该光线，但反射光线不再原路返回，避免了窗口镜反射回来的光线射入探测器中，从而提高了探测器的工作精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1示出了相关技术中，带有倾斜式窗口镜的三维激光扫描仪的工作原理示意图；

图2示出了本发明实施例所提供的带有倾斜式窗口镜的三维激光扫描仪的俯视结构图；

图3示出了相关技术中的带有倾斜式窗口镜的三维激光扫描仪的俯视结构图；

图4示出了本发明实施例所提供的带有倾斜式窗口镜的三维激光扫描仪的侧视结构图；

图5示出了本发明实施例所提供的带有倾斜式窗口镜的三维激光扫描仪的立体图。

主要元件符号说明：

101，窗口镜；102，扫描三棱镜；103，反射面的棱边；104，激光发射端。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

三维激光扫描仪是进行三维空间建模的常用设备，其工作时需要将激光进行扇形扫描，以对被测物进行全面的探测。如图1所示，示出了三维激光扫描仪的基本内部结构，下面，结合图1对其工作过程进行说明。

激光发射端产生激光光线，激光光线首先穿过反射镜到达扫描三棱镜，激光光线经过扫描三棱镜反射改变角度后，通过窗口镜射出。当激光光线到达被测物体之后，产生被测物反射光线，之后，被测物反射光线经过窗口镜反射到扫描三棱镜上，进而通过反射镜照射到探测器上，之后探测器的测距模块工作，进行后续计算，再更进一步的完成被测物体的三维建模。

传统的三维激光扫描仪在工作的时候，除了激光光线和被测物反射光线会传播，还会产生窗口镜反射光线，具体是指激光发射端所射出的激光光线在经过扫描三棱镜的反射后，会照射到窗口镜上，由于扫描三棱镜一直在转动(扫描三棱镜转动才能够改变激光光线的俯仰角，进而使扫描光线扇形的进行全方位的扫描)，当扫描三棱镜转动到某个角度的时候，从扫描三棱镜射出的光线会垂直的照射到窗口镜上，此时，一部分光线会透过窗口镜射出(后续在遇到被测物后，返回生成被测物反射光线)，另一部分会被窗口镜直接反射会扫描三棱镜，这部分被窗口镜直接反射回来的光线可以被称为窗口镜反射光线。三维激光扫描仪的探测器只需要接收被测物反射光线，窗口镜反射光线会影响探测器正常接收被测物反射光线，进而影响后续的三维建模。同时，这部分光还有可能会进入到激光发射端，对激光发射端也造成影响。

有鉴于此，本申请提供了一种改良的带有倾斜式窗口镜的三维激光扫描仪，如图2(带有倾斜式窗口镜的三维激光扫描仪的内部结构俯视图)、图4(带有倾斜式窗口镜的三维激光扫描仪的内部结构侧 视图)和图5所示，其中，为避免出现视图混乱的问题，图2和图4只表达出了窗口镜101的侧面边沿，并没有完全绘制出该视角状态下窗口镜101的全部结构，图5则通过三维图表达出窗口镜101和扫描三棱镜102的在三维空间中的相对位置关系。该带有倾斜式窗口镜的三维激光扫描仪，包括：

固定框架，固定框架的一端设置有窗口镜101，固定框架的内部设置有扫描三棱镜102和激光发射端104；激光发射端104所发出的发射激光能够经过扫描三棱镜102的反射面反射后，经过窗口镜101后射出；

参考直线与参考平面的夹角为锐角；其中，参考直线是反射面的棱边103所在的直线；参考平面是窗口镜101所在的平面。

此处，扫描三棱镜102的反射面指的是三棱镜当前反射激光发射端104所发出的光线的一个镜面。扫描三棱镜102有三个镜面，任意个镜面两两之间的夹角均为60度。带有倾斜式窗口镜的三维激光扫描仪在工作的时候，需要通过驱动轴来使扫描三棱镜102沿中轴线进行转动，那么扫描三棱镜102的这三个镜面就依次作为反射面使用。通常情况下，扫描三棱镜102的具有三个棱边，这三个棱边之间也是相互平行的关系，即反射面的棱边103与非反射面的棱边之间也相互平行的。

当参考直线与参考平面的夹角为锐角时，扫描三棱镜102所反射出的光线与窗口镜101之间的夹角不会达到90度(即扫描三棱镜102绕其旋转轴旋转一周，也不会使由激光发射端104所发出的光线，经过扫描三棱镜102反射后，垂直照射到窗口镜101上)。

一般情况下，固定框架指的可以是带有倾斜式窗口镜的三维激光扫描仪的整体包装外壳，也可以是内部设置有激光发射端104、扫描三棱镜102和窗口镜101的外壳。本申请所提供的带有倾斜式窗口镜 的三维激光扫描仪的基本工作原理与传统技术中的带有倾斜式窗口镜的三维激光扫描仪的工作原理是相同的，因此激光发射端104、扫描三棱镜102和窗口镜101之间的相对位置的设置方式可以参考相关技术，此处不过多说明。当然，除了以上三个结构，带有倾斜式窗口镜的三维激光扫描仪中还可以设置有探测器，用来接收被测物反射光线。

如图3所示，相关技术中，窗口镜101所在的平面与扫描三棱镜102的棱边所在的直线是平行关系，本申请所提供的方案中，对该平行关系进行了调整，使二者之间形成了锐角的夹角。一般情况下，当带有倾斜式窗口镜的三维激光扫描仪放置在地面上的时候，窗口镜101相对于相关技术中的窗口镜101而言，窗口镜101以重力线为轴进行了转动，以使反射面的棱边103与窗口镜101之间有夹角，进而使由扫描三棱镜102射向窗口镜101的光线始终与窗口镜101有夹角，且夹角为锐角。

优选的，参考直线与参考平面的夹角大于0度，且小于15度。

更优选的，参考直线与参考平面的夹角大于2度，且小于10度。

经过发明人的实际测量和验证，认为可以采用如下两个角度来设置窗口镜101和扫描三维棱镜的相对位置关系。即，参考直线与参考平面的夹角为4.8度或5.5度。以使从窗口镜101反射回来的返回光超出接收光学系统的接收范围。

除了上述设置窗口镜101和扫描三棱镜102相对位置关系的方式，还可以同时采用如下方式来设置窗口镜101。具体而言，窗口镜101与重力线的夹角大于8度，小于25度。

优选的，窗口镜101与重力线的夹角大于10度，小于22度。

将窗口镜101与重力线设置为有一定夹角的方式，能够使得从扫描三棱镜102照射到窗口镜101上的光线更不容易被原路反射回去。

进一步，当窗口镜101与扫描三棱镜102之间的相对位置被调整之后(实际上，相对于传统技术而言，可以只改动窗口镜101的方式、角度，而不用改动扫描三棱镜102的位置和角度)，还需要对应的调整固定窗口镜101的方式、结构，下面提供了两种不同的固定窗口镜101的方式。

第一种，采用设置方形窗框，并将窗口镜101的边各个沿对应固定在窗框各个固定沿上的方式进行固定。

具体而言，本申请所提供的带有倾斜式窗口镜的三维激光扫描仪，还包括连接在窗口镜101和固定框架之间的方形窗框，窗框包括长条形的上固定沿和下固定沿，上固定沿与下固定沿相互平行，上固定沿所在的直线与参考直线的夹角为4.8度；窗口镜101的上边沿和下边沿分别与上固定沿和下固定沿重合式连接，以使窗口镜101固定在窗框上。

优选的，窗框包括长条形的左固定沿和右固定沿，左固定沿与右固定沿相互平行，左固定沿所在的直线与重力线的夹角为19.5度；

窗口镜101的左边沿和右边沿分别与左固定沿和右固定沿重合式连接，以使窗口镜101固定在窗框上。

其中，窗框的各个固定沿(上固定沿、下固定沿、左固定沿和右固定沿)可以为凹槽形式，即将窗口镜101嵌入凹槽中，以完成对窗口镜101的固定；各个固定沿还可以是采用黏贴的方式，分别与窗口镜101相应的边沿连接。

第二种，本申请所提供的的带有倾斜式窗口镜的三维激光扫描仪，还包括连接在窗口镜101和固定框架之间的窗框，窗框上设置有左固定件、右固定件、上固定件和下固定件，窗口镜101的左边沿与左固定件连接，窗口镜101的右边沿与右固定件连接，窗口镜101的上边沿与上固定件连接，窗口镜101的下边沿与下固定件连接；

左固定件与右固定件之间的连线与参考直线的夹角大于2度，小于8度；

上固定件与下固定件之间的连线与重力线的夹角大于10度，小于22度。

相对于第一种方式中长条形的固定边沿而言，第二种方式中的上固定件、下固定件、左固定件和右固定件指的是单点固定件，如架子这种夹持件、真空吸附件等等。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.带有倾斜式窗口镜的三维激光扫描仪，其特征在于，包括：

固定框架，所述固定框架的一端设置有窗口镜，所述固定框架的内部设置有扫描三棱镜和激光发射端；所述激光发射端所发出的发射激光能够经过扫描三棱镜的反射面反射后，经过所述窗口镜后射出；

参考直线与参考平面的夹角为锐角；其中，所述参考直线是所述反射面的棱边所在的直线；所述参考平面是所述窗口镜所在的平面。

2.根据权利要求1所述的带有倾斜式窗口镜的三维激光扫描仪，其特征在于，所述参考直线与所述参考平面的夹角大于0度，且小于15度。

3.根据权利要求2所述的带有倾斜式窗口镜的三维激光扫描仪，其特征在于，所述参考直线与所述参考平面的夹角大于2度，且小于10度。

4.根据权利要求3所述的带有倾斜式窗口镜的三维激光扫描仪，其特征在于，所述参考直线与所述参考平面的夹角为4.8度。

5.根据权利要求3所述的带有倾斜式窗口镜的三维激光扫描仪，其特征在于，所述参考直线与所述参考平面的夹角为5.5度。

6.根据权利要求1所述的带有倾斜式窗口镜的三维激光扫描仪，其特征在于，所述窗口镜与重力线的夹角大于8度，小于25度。

7.根据权利要求6所述的带有倾斜式窗口镜的三维激光扫描仪，其特征在于，所述窗口镜与重力线的夹角大于10度，小于22度。

8.根据权利要求1所述的带有倾斜式窗口镜的三维激光扫描仪，其特征在于，还包括连接在窗口镜和所述固定框架之间的矩形窗框，所述窗框包括长条形的上固定沿和下固定沿，所述上固定沿与所述下固定沿相互平行，所述上固定沿所在的直线与所述参考直线的夹角为4.8度；

所述窗口镜的上边沿和下边沿分别与所述上固定沿和下固定沿重合式连接，以使所述窗口镜固定在所述窗框上。

9.根据权利要求8所述的带有倾斜式窗口镜的三维激光扫描仪，其特征在于，所述窗框包括长条形的左固定沿和右固定沿，所述左固定沿与所述右固定沿相互平行，所述左固定沿所在的直线与重力线的夹角为19.5度；

所述窗口镜的左边沿和右边沿分别与所述左固定沿和右固定沿重合式连接，以使所述窗口镜固定在所述窗框上。

10.根据权利要求1所述的带有倾斜式窗口镜的三维激光扫描仪，其特征在于，还包括连接在窗口镜和所述固定框架之间的窗框，所述窗框上设置有左固定件、右固定件、上固定件和下固定件，所述窗口镜的左边沿与所述左固定件连接，所述窗口镜的右边沿与所述右固定件连接，所述窗口镜的上边沿与所述上固定件连接，所述窗口镜的下边沿与所述下固定件连接；

所述左固定件与所述右固定件之间的连线与所述参考直线的夹角大于2度，小于8度；

所述上固定件与所述下固定件之间的连线与所述重力线的夹角大于10度，小于22度。