CN110703449A - 一种采用调制激光扫描技术的空间编码光栅发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种采用调制激光扫描技术的空间编码光栅发生器，包括电机、可调制激光准直光源和安装有反射镜和柱面镜的旋转框，电机带动旋转框恒速转动，可调制激光准直光源发射的激光束自旋转框的光入口进入照射在柱面镜上，柱面镜和反射镜能够将轴对称圆形光束扩展为扇形面光束，并将光轴方向扭转90度自出光口射出，形成垂直光带，电机以高转速保证摄像机可以拍到稳定的光栅图案，由于采用激光束作为光源，提高了成像的清晰度，同时采用电机旋转带动反射镜转动，能够实现360°旋转，大大提高了光栅宽幅。该空间编码光栅发生器结构简单，降低了空间编码光栅发生器的制作成本。
Description
技术领域
本发明涉及3D扫描领域，具体为一种采用调制激光扫描技术的空间编码光栅发生器。
背景技术
在3D扫描领域采用结构光栅投影，配合摄像头，拍摄被结构光照明的物体，解析出物体的三维形态，目前是普遍采用的技术方案。与单线或单点结构光相比，所需拍摄的图像数量少，后处理难度也不大因而获得广泛应用。
结构光栅的产生有许多不同方法。早期采用机械光栅，用金属薄片或玻璃干板制作一套n片不同空间频率和相位的光栅片，用光学放映系统，机电控制切换光栅片。后来多用电子光栅，即用液晶光阀以电信号控制透光区域，实现光栅图案的变换。近来由于LED光源的进步，微型投影仪的普及，用微型投影仪当做光栅发生器使用,只需用PPT软件事先做好一套图案，使用时投射在测量区域即可。有的3D扫描商品就是用微型投影仪充做光栅发生器。
较新的技术是用微震镜技术实现光栅投射，面积很小的一片微型反光镜片在电信号的驱动下高速震动，将入射的经过柱面镜扩展的激光束在一定的空间角度内往复扫描，同时同步控制光源亮度，实现结构光栅的透射。
类似微型投影仪的方法有焦深的限制，在一定的距离内光栅投影是清晰的，其他距离由于离焦而模糊。投影镜头的几何畸变也会对精度有不良影响。
微震镜方法仪器的体积小，功耗低，但是震镜工作角度小，不能输出宽幅光栅，镜片面积小，限制了透射距离和功率。而且以上两种技术的共同不利是成本较高，目前均在1000元以上，不利于推广。
发明内容
针对现有技术中光栅发生器因变焦后导致成像不清楚，以及不能输出宽幅光栅的问题，本发明提供一种采用调制激光扫描技术的空间编码光栅发生器，解决了现有光栅发生器成像不清楚的问题，以及输出光栅宽幅小的问题，并且结构简单，成本低廉。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种采用调制激光扫描技术的空间编码光栅发生器，其特征在于，包括电机、反射镜、旋转框、柱面镜和可调制激光准直光源；
所述旋转框的侧壁上设置有出光口，顶部设置有进光口，反射镜设置在旋转框中，旋转框安装在电机的输出轴上，可调制激光准直光源位于旋转框的顶部，柱面镜设置在可调制激光准直光源的照射路径上；
可调制激光准直光源发射的激光束经柱面镜垂直扩展后，照射至反射镜，经反射后自出光口射出并形成光带。
优选的，所述旋转框的侧壁上设置有反射镜安装孔，反射镜配装在反射镜安装孔中，柱面镜设置在旋转框上，并位于反射镜的顶部，入射光穿过柱面镜照射在反射镜上。
优选的，所述旋转框的底部设置有用于和电机输出轴连接的安装孔，安装孔与进光口同轴设置。
优选的，所述反射镜的反射光路上还设置有零度传感器，零度传感器用于确定光栅投射的起始位置。
优选的，所述零度传感器和可调制激光准直光源分别与控制器连接，控制器根据零度传感器的反馈信号，控制可调制激光准直光源的开闭。
优选的，所述可调制激光准直光源通过激光器架安装在旋转框的顶部。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的一种采用调制激光扫描技术的空间编码光栅发生器，包括电机、可调制激光准直光源和安装有反射镜和柱面镜的旋转框，电机带动旋转框恒速转动，可调制激光准直光源发射的激光束自旋转框的光入口进入照射在柱面镜上，柱面镜和反射镜能够将轴对称圆形光束扩展为扇形面光束，并将光轴方向扭转90度自出光口射出，形成垂直光带，电机以高转速保证摄像机可以拍到稳定的光栅图案，由于采用激光束作为光源，提高了成像的清晰度，同时采用电机旋转带动反射镜转动，能够实现360°旋转，大大提高了光栅宽幅。该空间编码光栅发生器结构简单，降低了空间编码光栅发生器的制作成本。
附图说明
图1为本发明光栅发生器的结构图；
图2为本发明十六分空间光栅示意图；
图3为本发明转动框的主视图；
图4为本发明转动框的剖视图；
图5为本发明转动框的侧视图；
图6为本发明转动框的俯视图。
图中：1电机；2.电机安装板；3、45度反射镜；4、旋转框；5、柱面镜；6、激光器架；7、可调制激光准直光源。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参阅图1，一种采用调制激光扫描技术的空间编码光栅发生器，包括电机1、电机安装板2、45度反射镜3、旋转框4、柱面镜5、激光器架6和可调制激光准直光源。
其中，电机安装板2安装在电机的顶部，且电机的输出轴穿过电机安装板2，旋转框4位于电机安装板2的顶部，并与电机的输出轴连接，电机1能够带动旋转框4转动。
旋转框4的侧壁上设置有光出口，顶部设置有光入口，度反射镜3设置在旋转框4的内部，柱面镜5设置在度反射镜3的顶部，可调制激光准直光源7安装在激光器架6上，激光器架6位于在旋转框4的顶部。
可调制激光准直光源7发出的准直光源经过光入口照射在柱面镜5上，在与柱面镜垂直方向被扩展，再照射在45度角反射镜，经45度反射镜，自光出口射出并形成一片垂直光带。
参阅图3-6，旋转框架4为矩形柱结构，其中一个侧壁上设置矩形盲孔，45度反射镜3配装在矩形孔中，45度反射镜3的反射面正对盲孔的开口端，在盲孔的上端设置有水平的圆孔，柱面镜5配装在圆孔中，光入口垂直设置在旋转框架4的顶部，光入口与柱面镜5的安装孔连通。旋转框架4的顶部设置有电机安装孔，电机安装孔与光入口同轴设置。
本发明的空间编码光栅发生器在工作时，电机是朝一个方向匀速连续旋转的，转速在每秒50周以上，每周扫描时为了将光栅稳定地投射在同一个位置，要设定一个起始角度，当反光镜3转到该角度时，控制器控制激光器的开关，即可将每周光栅都投射在相同的位置。
在所述45度反射镜3的反射光路上还设置有零度传感器，零度传感器用于确定反射光路的旋转起始位置。
当电机旋转，旋转框架4带动45度反射镜3转动时，当45度反射镜3的反射的激光照射到光电二极管时，产生一个脉冲信号，该信号被控制器(MCU)接收，以此信号作为每周扫描的时间起点，并控制激光器的开闭，实现光栅投影。
确定起始角度的元件为零度传感器，零度传感器采用光电二极管，安装在机箱内，光电二极管与控制器连接，也可以用磁铁和霍尔元件实现零度传感器还可以为。
所述零度传感器为光电管3DU0，光电管与控制器连接。
电机1、零度传感器和可调制激光准直光源7分别与控制器连接，控制器用于控制电机的平稳恒速旋转，同时接收零度传感器的位置信号以及控制激光亮度。
电机，采用直流12V微型电机，功率2-3瓦。转速大于3000转/分。
激光器，200Mw/650nm，调制频率大于50KHZ。
电源，AC/DC双路输出，12V/1A，5V/1A。
控制器的型号：STC15W4K32S4。
下面对本发明的一种采用调制激光扫描技术的空间编码光栅发生器的工作原理进行详细的说明。
控制器控制电机恒速转动，可调制激光准直光源7发射的激光束通过进光口进入柱面镜，在与柱面镜垂直方向被扩展，再45度反射镜，形成一片垂直光带，随电机旋转，扇形光带在水平方向移动。
在此过程中，再通过控制器控制激光束的亮度，就在空间形成光栅图案。电机轴外有零度传感器，可以辨识起点角度。控制器以一个MCU为核心，控制电机的平稳恒速旋转，同时接收零度同步信号，控制激光亮度。电机以高转速保证摄像机可以拍到稳定的光栅图案。控制器的通信接口与外部设备通信，在外部指令控制下投射特定图案，向外传送图案角度参数。
光栅编码方式
将空间分为16个扇形区为例，需要分别投射4个不同的光栅图案。
参见图1和图2，图1中，0000空间在工作角度内的最左侧，1000空间在工作角度的最右侧。图2中右侧是4个所需光栅图案的亮暗模式，左侧是对应的16个空间的一种格雷编码。之所以采用格雷码，是因为在任意一个图案中，任意一处的亮暗跳变，在其他图案相同位置均为稳定的亮或暗。所以在跳变处附近的识别错误，只有局部微小位置误差。
图中所用格雷码的生成规则很简单，n位格雷码扩展为n+1位，只需将2n行格雷码连续写出，然后将其垂直翻转后的拼接于原2n行的下方，形成2n+1行，再在前2n行前补零，后2n行前补1。这是一种递归的描述，对照图2不难理解。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种采用调制激光扫描技术的空间编码光栅发生器，其特征在于，包括电机(1)、反射镜、旋转框(4)、柱面镜(5)和可调制激光准直光源；
所述旋转框(4)的侧壁上设置有出光口，顶部设置有进光口，反射镜设置在旋转框(4)中，旋转框(4)安装在电机(1)的输出轴上，可调制激光准直光源(7)位于旋转框(4)的顶部，柱面镜(5)设置在可调制激光准直光源的照射路径上；
可调制激光准直光源(7)发射的激光束经柱面镜(5)垂直扩展后，照射至反射镜，经反射后自出光口射出并形成光带。
2.根据权利要求1所述采用调制激光扫描技术的空间编码光栅发生器，其特征在于，所述旋转框(4)的侧壁上设置有反射镜安装孔，反射镜配装在反射镜安装孔中，柱面镜(5)设置在旋转框(4)上，并位于反射镜的顶部，入射光穿过柱面镜(5)照射在反射镜上。
3.根据权利要求2所述采用调制激光扫描技术的空间编码光栅发生器，其特征在于，所述旋转框(4)的底部设置有用于和电机输出轴连接的安装孔，安装孔与进光口同轴设置。
4.根据权利要求1所述采用调制激光扫描技术的空间编码光栅发生器，其特征在于，所述反射镜的反射光路上还设置有零度传感器，零度传感器用于确定光栅投射的起始位置。
5.根据权利要求4所述采用调制激光扫描技术的空间编码光栅发生器，其特征在于，所述零度传感器和可调制激光准直光源(7)分别与控制器连接，控制器根据零度传感器的反馈信号，控制可调制激光准直光源(7)的开闭。
6.根据权利要求1所述采用调制激光扫描技术的空间编码光栅发生器，其特征在于，所述可调制激光准直光源(7)通过激光器架(6)安装在旋转框的顶部。
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