CN111399124A - 激光扫描系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学系统技术领域，具体涉及一种激光扫描系统。该激光扫描系统包括：光纤激光器、准直镜、共轴连接器及光电探测器；共轴连接器包括第一光学通道及第二光学通道；光纤激光器通过第一光学通道与准直镜连接构成激光发射通道；准直镜通过第二光学通道与光电探测器连接构成激光接收通道；第一光学通道与第二光学通道共轴设置，以使激光发射通道与激光接收通道通同轴。本发明使用全光纤器件构成，具有整体系统体积小，重量轻，结构紧凑等特点；采用共轴连接器使得发射光路与接收光路共轴，降低了光学系统装配调试难度；同时采用光纤作为光信号传输介质，可以有效地抑制杂散光的影响，增加回波光信号的信噪比。
Description
技术领域
本发明涉及光学系统技术领域，具体而言，涉及一种激光扫描系统。
背景技术
现有发射接收共轴激光扫描仪结构中，一般由准直镜、反射镜、聚光镜、滤光片及结构筒体等大尺寸元件装配构成。由于在发射接收共轴光学系统中，必须对发射光轴与接收光轴同轴进行调试和使得发射光轴与接收光轴同轴，才能实现远距离的数据采集。然而，在调试过程中由于空气湍流、震动或人为操作误差等原因造成发射光轴与接收光轴不共轴，从而影响激光扫描仪测距能力。
发明内容
本发明的目的包括，例如，提供了一种激光扫描系统，其能够改善现有的激光扫描系统发射光轴与接收光轴不同轴等问题。
本发明的实施例可以这样实现：
第一方面，本发明实施例提供一种激光扫描系统，所述激光扫描系统包括：光纤激光器、准直镜、共轴连接器及光电探测器；
所述共轴连接器包括第一光学通道及第二光学通道；
所述光纤激光器通过所述第一光学通道与所述准直镜连接，构成激光发射通道；
所述准直镜还通过所述第二光学通道与所述光电探测器连接，构成激光接收通道；
所述第一光学通道与所述第二光学通道共轴设置，以使所述激光发射通道通过所述准直镜发出的脉冲激光与所述激光接收通道通过所述准直镜接收的回波光信号同轴。
在可选的实施方式中，所述共轴连接器为光纤环形器；
所述光纤环形器包括第一端、第二端及第三端；
所述第一端与所述光纤激光器连接，所述第二端与所述准直镜连接，所述第三端与所述光电探测器连接；
所述第一端与所述第二端之间形成所述第一光学通道；所述第二端与所述第三端之间形成所述第二光学通道。
在可选的实施方式中，所述激光扫描系统还包括滤光器件，所述滤光器件设置于所述第二光学通道，所述滤光器件用于将所述准直镜所接收到的杂光滤除。
在可选的实施方式中，所述共轴连接器为光纤环形器；
所述光纤环形器包括第一端、第二端、第三端及第四端；
所述第一端与所述光纤激光器连接，所述第二端与所述准直镜连接，所述第三端与所述滤光器件连接，所述第四端与所述光电探测器连接；
所述第一端与所述第二端之间形成所述第一光学通道；
所述第二端通过所述第三端及第四端形成所述第二光学通道。
在可选的实施方式中，所述共轴连接器为耦合器；
所述耦合器为一分二光纤耦合器，所述耦合器包括第一支路及第二支路；
所述第二支路形成所述第一光学通道；所述第一支路形成所述第二光学通道。
在可选的实施方式中，所述第一支路的分光比大于所述第二支路的分光比。
在可选的实施方式中，所述激光扫描系统包括第一隔离器，所述第一隔离器包括输入端及输出端；
所述输入端与所述光纤激光器连接，所述输出端与所述耦合器的所述第二支路连接；
所述第一隔离器用于使光线由所述光纤激光器向所述耦合器单向传播。
在可选的实施方式中，所述激光扫描系统包括第二隔离器，所述第二隔离器包括输入端及输出端；
所述输入端与所述耦合器的所述第一支路连接，所述输出端与所述光电探测器连接；
所述第二隔离器用于使光线由所述耦合器向所述光电探测器单向传播。
在可选的实施方式中，所述激光扫描系统的各个光学器件之间采用光纤熔接的方式连接。
在可选的实施方式中，所述激光扫描系统还包括信号处理模块，所述信号处理模块与所述光电探测器连接，所述信号处理模块用于根据所述光纤激光器发出脉冲激光的时间和所述光电探测器接收回波光信号的时间计算得到目标与所述激光扫描系统之间的距离与信号强度。
相对于现有技术，本发明实施例的有益效果如下：
本发明实施例提供的激光扫描系统包括：光纤激光器、准直镜、共轴连接器及光电探测器；共轴连接器包括第一光学通道及第二光学通道；光纤激光器通过第一光学通道与准直镜连接，构成激光发射通道；准直镜还通过第二光学通道与光电探测器连接，构成激光接收通道；第一光学通道与第二光学通道共轴设置，以使激光发射通道通过准直镜发出的脉冲激光与激光接收通道通过准直镜接收的回波光信号同轴。本发明使用全光纤器件构成的激光扫描系统，具有整体系统体积小，重量轻，结构紧凑等特点；采用光纤环形器或耦合器等共轴连接器使得发射光路与接收光路共轴，降低了共轴激光扫描系统光学系统装配调试难度；同时采用光纤作为光信号传输介质，可以有效地抑制杂散光的影响，从而增加回波光信号的信噪比。
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为本发明提供的一种激光扫描系统示意图。
图2为本发明提供的另一种激光扫描系统示意图。
图3为本发明提供的另一种激光扫描系统示意图。
图4为本发明提供的另一种激光扫描系统示意图。
图标：100-激光扫描系统；110-光纤激光器；111-共轴连接器；120-光纤环形器；121-第一端；122-第二端；123-第三端；124-第四端；130-准直镜；140-光电探测器；150-信号处理模块；160-滤光器件；170-耦合器；171-第一端；172-第二端；173-第三端；180-第一隔离器；181-输入端；182-输出端；190-第二隔离器；191-输入端；192-输出端。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
现有发射接收共轴激光扫描仪结构中，一般由准直镜、反射镜、聚光镜、滤光片及结构筒体等大尺寸元件装配构成。由于在发射接收共轴光学系统中，必须对发射光轴与接收光轴同轴进行调试和使得发射光轴与接收光轴同轴，才能实现远距离的数据采集。然而，在调试过程中由于空气湍流、震动或人为操作误差等原因造成发射光轴与接收光轴不共轴，从而影响激光扫描仪测距能力。
第一实施例
为了改善现有的激光扫描系统100发射光轴与接收光轴不同轴等问题，参阅图1，本发明实施例提供一种激光扫描系统100，该激光扫描系统100包括：光纤激光器110、准直镜130、共轴连接器111、光电探测器140及信号处理模块150。
激光扫描系统100包括激光发射通道及激光接收通道，其中激光发射通道用于发出激光，射向目标；激光射向目标，在目标的表面发生漫反射，激光接收通道接收目标表面反射回的回波光信号，信号处理模块150根据发射脉冲激光时间与回波光信号进行处理计算。
其中，共轴连接器111包括第一光学通道及第二光学通道；光纤激光器110通过第一光学通道与准直镜130连接，构成激光发射通道，准直镜130还通过第二光学通道与光电探测器140连接，构成激光接收通道，光电探测器140与信号处理模块150连接，光电探测器140将接收的回波光信号转换为电信号，并将将转换后的电信号发送至信号处理模块150，信号处理模块150根据发射脉冲激光时间与回波光信号进行处理计算。
于本实施例中，共轴连接器111的第一光学通道与第二光学通道共轴设置，以使激光发射通道通过准直镜130发出的脉冲激光与激光接收通道通过准直镜130接收的回波光信号同轴，通过共轴连接器111将激光发射通道与激光接收通道连接，传统的扫描系统需要进行调试以使发射通道与接收通道同轴，即使调试完成还可能因为震动或人为操作误差等原因造成发射光轴与接收光轴不共轴，从而影响激光扫描仪测距能力。本方案通过共轴连接器111将激光发射通道与激光接收通道连接，安装完成后无需进行调试，激光发射通道与激光接收通道同轴设置，并且避免了震动或人为操作误差等原因对系统的影响，提高激光扫描系统100的扫描测距性能。
共轴连接器111可以有多种实现方式，在一种可能的实现方式中，参阅图2，该共轴连接器111为光纤环形器120。光纤环形器120包括第一端121、第二端122及第三端123；其中，第一端121与光纤激光器110连接，第二端122与准直镜130连接，第三端123与光电探测器140连接。
第一端121与第二端122之间形成第一光学通道，第二端122与第三端123之间形成第二光学通道。在光纤环形器120中，光线只能单向传播，于本实施例中，在光纤环形器120中，第一端121接收的光线只能向第二端122传播，第二端122接收的光线只能向第三端123传播，利用光纤环形器120单向传播并且共轴传播的特性，将激光发射通道与激光接收通道同轴设置，同时降低环境因素或外部因素对光线传播的影响。
在使用过程中，光纤环形器120的第一端121连接光纤激光器110，光纤环形器120的第二端122连接准直镜130，光纤环形器120的第三端123连接光电探测器140，光纤激光器110发出的脉冲激光经由第一端121从第二端122输出至准直镜130出射进行探测，构成激光发射通道；回波光信号经由准直镜130接收从光纤环形器120的第二端122输入从第三端123输出至光电探测器140，进行后端信号转换放大处理。
在一种可能的实现方式中，光纤激光器110、准直镜130、光电探测器140与光纤环形器120之间通过光纤熔接的方法对器件进行连接，用于降低光在器件间的传输损耗。
光纤环形器120的第二端122采用FC/APC标准端口形式，光纤端面纤芯位于准直镜130的焦面处，与准直镜130实现出射激光准直与回波光信号聚焦接收的功能。在本实施例中，光纤环形器120为多模光纤，数值孔径NA≥0.18，从而可以具有较大接收角度，能够有效减小准直镜130的焦距，缩小准直镜130尺寸，有利于实现器件的小型化。
本实施例的工作原理：光纤激光器110发出脉冲激光经过光纤环形器120，通过光纤传输到准直镜130准直后射向远距离目标，激光在目标物表面发生漫反射；漫反射的回波光信号通过准直镜130接收再次耦合进光纤，再通过光纤环形器120传输至光电探测器140中转变为电信号进行放大处理，通过发射光脉冲的时间与接收的回波光信号时间计算出目标物与激光扫描系统100之间的距离与强度信息。
本实施例提供的激光扫描系统100，利用光纤激光器110、光纤环形器120、光电探测器140等全光纤器件构成，具有整体系统体积小、重量轻、结构紧凑等特点，采用光纤环形器120使得发射光路与接收光路共轴，降低了共轴激光扫描系统100光学系统装配调试难度；采用光纤作为光信号传输介质，可以有效地抑制杂散光的影响，从而增加回波光信号的信噪比，提高系统的扫描测距性能。
第二实施例
在图2的基础上，请参阅图3，在一种可能的实现方式中，本实施例还提供了另一种激光扫描系统100的实现方式，该激光扫描系统100包括：光纤激光器110、准直镜130、共轴连接器111、滤光器件160、光电探测器140及信号处理模块150。
需要说明的是，本实施例与前述实施例的原理基本相似，因此本实施例对相同部分不再详细叙述，仅对其中的差异部分进行举例说明。
于本实施例中，光纤环形器120包括第一端121、第二端122、第三端123及第四端124；光纤环形器120的第一端121与光纤激光器110连接，光纤环形器120的第二端122与准直镜130连接，光纤环形器120的第三端123与滤光器件160连接，光纤环形器120的第四端124与光电探测器140连接。第一端121与第二端122之间形成第一光学通道；第二端122通过第三端123及第四端124形成第二光学通道。
光纤激光器110发出的脉冲激光经由光纤环形器120的第一端121从第二端122输出至准直镜130出射进行探测，构成发射通道；回波光信号经由准直镜130接收从光纤环形器120的第二端122输入从第三端123输出至滤波器件，由滤波器件对回波光信号进行滤波，滤波过后的回波光信号经过滤波器件反射回第三端123，从第三端123输入从第四端124输出至光电探测器140，进行后端信号转换放大处理。
于本实施例中，光纤激光器110、光纤环形器120和滤波器件之间通过光纤熔接的方法对各器件进行连接，用于降低光在器件间的传输损耗。
光纤环形器120的第二端122选用FC/APC标准端口形式，光纤端面纤芯位于准直镜130焦面处，与准直镜130实现出射激光准直与回波光信号聚焦接收的功能。光纤环形器120为单模光纤，在一种可能的实现方式中，光纤环形器120单模光纤的数值孔径小于0.15，例如可以设置数值孔径NA＝0.14。
该滤波器件可以采用光纤光栅，例如可以采用光纤布拉格光栅或其他具有窄带滤波功能的光栅，用于对回光信号中的背景噪声进行滤除，增加信噪比。
本实施例的工作原理：光纤激光器110发出脉冲激光经过光纤环形器120，通过光纤传输到准直镜130准直后射向远距离目标，激光在目标物表面发生漫反射；漫反射的回波光信号通过准直镜130接收再次耦合进光纤，再通过光纤环形器120传输到光纤光栅出进行背景噪声滤除，有效回波光信号再反射回光纤环形器120传输至光电探测器140中转变为电信号进行放大处理，通过发射脉冲激光的时间与接收的回波光信号时间计算出目标物与激光扫描系统100之间的距离与信号强度信息。
第三实施例
上述实施例中，该共轴连接器111均为光纤环形器，在一种可能的实现方式中，该共轴连接器111还可以设置为耦合器170，参阅图4，图4示出了本实施例提供的另一种激光扫描系统100的示意图。
该激光扫描系统100包括光纤激光器110、准直镜130、耦合器170、光电探测器140及信号处理模块150，于本实施例中，利用耦合器170使得激光发射通道与激光接收通道同轴，该耦合器170为一分二光纤耦合器170，耦合器170包括第一端171、第二端172及第三端173，其中，第一端171与第三端173之间形成第一支路，第二端172与第三端173之间形成第二支路；第一端171与光纤激光器110连接，第二端172与光电探测器140连接，第三端173与准直镜130连接。
其中，第一支路为大分光比支路，第二支路为小分光比支路，第一支路的分光比大于第二支路的分光比。第二支路形成第一光学通道；第一支路形成第二光学通道。利用大分光比支路形成第二光学通道，用以构成激光接收通道，可以将回波光信号最大化，提高扫描或测距的灵敏度。
耦合器170与光纤环形器不同，不具有单向传播的特性，为了避免回波光信号对光纤激光器造成损伤以及背景噪声对信号的影响，于本实施例中，在激光发射通道与激光接收通道中均设置有隔离器。具体地，该激光扫描系统100包括第一隔离器180及第二隔离器190，第一隔离器180包括输入端181及输出端182；第一隔离器180的输入端181与光纤激光器110连接，第一隔离器180的输出端182与耦合器170的第二支路连接；第一隔离器180用于使光线由光纤激光器110向耦合器170单向传播，避免光线由耦合器170反射回光纤激光器110，防止光纤激光器110被损坏。
第二隔离器190包括输入端191及输出端192，第二隔离器190的输入端191与耦合器170的第一支路连接，第二隔离器190的输出端192与光电探测器140连接；第二隔离器190用于使回波光信号由耦合器170向光电探测器140用于对背景噪声进行滤除。
于本实施例中，该隔离器为偏振不相关光纤隔离器，其中第一隔离器180主要控制光线单向传输，防止回波光信号进入光纤激光器110对其造成损伤，另一方面，第二隔离器190具有一定的背景噪声滤除的功能。
在一种可能的实现方式中，该耦合器170为一分二多模光纤耦合器170，分光比为10/90，多模光纤数值孔径NA≥0.18，从而具有较大接收角度且有效减小准直镜130的焦距，缩小准直镜130的尺寸。耦合器170主路输出端口(即第三端)选用FC/APC标准端口形式，光纤端面纤芯位于准直镜130焦面处，与准直镜130实现出射激光准直与回波光信号聚焦接收的功能。
于本实施例中，光纤激光器110、隔离器和耦合器170之间均通过光纤熔接的方法对各器件进行连接，用于降低光在器件间的传输损耗。
本实施例的工作原理：光纤激光器110发出脉冲激光经过隔离器传输至小分光比支路进入耦合器170，通过光纤传输到准直镜130准直后射向远距离目标，激光在目标物表面发生漫反射；漫反射的回波光信号通过准直镜130接收再次耦合进光纤，再通过耦合器170传输到大分光比支路进入隔离器出进行背景噪声滤除，有效回光信号再传输至光电探测器140中转变为电信号进行放大处理，通过发射脉冲激光的时间与接收的回波光信号时间计算出目标物与扫描仪之间的距离与强度信息。
综上所述，本发明提供的激光扫描系统包括光纤激光器、准直镜、共轴连接器及光电探测器；共轴连接器包括第一光学通道及第二光学通道；光纤激光器通过第一光学通道与准直镜连接，构成激光发射通道；准直镜还通过第二光学通道与光电探测器连接，构成激光接收通道；第一光学通道与第二光学通道共轴设置，以使激光发射通道通过准直镜发出的脉冲激光与激光接收通道通过准直镜接收的回波光信号同轴。本发明使用全光纤器件构成的激光扫描系统，具有整体系统体积小，重量轻，结构紧凑等特点；采用光纤环形器或耦合器等共轴连接器使得发射光路与接收光路共轴，降低了共轴激光扫描系统光学系统装配调试难度；同时采用光纤作为光信号传输介质，可以有效地抑制杂散光的影响，从而增加回波光信号的信噪比。
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，可轻易想到的变化或替换，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以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种激光扫描系统，其特征在于，所述激光扫描系统包括：光纤激光器、准直镜、共轴连接器及光电探测器；
所述共轴连接器包括第一光学通道及第二光学通道；
所述光纤激光器通过所述第一光学通道与所述准直镜连接，构成激光发射通道；
所述准直镜还通过所述第二光学通道与所述光电探测器连接，构成激光接收通道；
所述第一光学通道与所述第二光学通道共轴设置，以使所述激光发射通道通过所述准直镜发出的脉冲激光与所述激光接收通道通过所述准直镜接收的回波光信号同轴。
2.根据权利要求1所述的激光扫描系统，其特征在于，所述共轴连接器为光纤环形器；
所述光纤环形器包括第一端、第二端及第三端；
所述第一端与所述光纤激光器连接，所述第二端与所述准直镜连接，所述第三端与所述光电探测器连接；
所述第一端与所述第二端之间形成所述第一光学通道；所述第二端与所述第三端之间形成所述第二光学通道。
3.根据权利要求1所述的激光扫描系统，其特征在于，所述激光扫描系统还包括滤光器件，所述滤光器件设置于所述第二光学通道，所述滤光器件用于将所述准直镜所接收到的杂光滤除。
4.根据权利要求3所述的激光扫描系统，其特征在于，所述共轴连接器为光纤环形器；
所述光纤环形器包括第一端、第二端、第三端及第四端；
所述第一端与所述光纤激光器连接，所述第二端与所述准直镜连接，所述第三端与所述滤光器件连接，所述第四端与所述光电探测器连接；
所述第一端与所述第二端之间形成所述第一光学通道；
所述第二端通过所述第三端及第四端形成所述第二光学通道。
5.根据权利要求1所述的激光扫描系统，其特征在于，所述共轴连接器为耦合器；
所述耦合器为一分二光纤耦合器，所述耦合器包括第一支路及第二支路；
所述第二支路形成所述第一光学通道；所述第一支路形成所述第二光学通道。
6.根据权利要求5所述的激光扫描系统，其特征在于，所述第一支路的分光比大于所述第二支路的分光比。
7.根据权利要求6所述的激光扫描系统，其特征在于，所述激光扫描系统包括第一隔离器，所述第一隔离器包括输入端及输出端；
所述输入端与所述光纤激光器连接，所述输出端与所述耦合器的所述第二支路连接；
所述第一隔离器用于使光线由所述光纤激光器向所述耦合器单向传播。
8.根据权利要求7所述的激光扫描系统，其特征在于，所述激光扫描系统包括第二隔离器，所述第二隔离器包括输入端及输出端；
所述输入端与所述耦合器的所述第一支路连接，所述输出端与所述光电探测器连接；
所述第二隔离器用于使光线由所述耦合器向所述光电探测器单向传播。
9.根据权利要求1～8任意一项所述的激光扫描系统，其特征在于，所述激光扫描系统的各个光学器件之间采用光纤熔接的方式连接。
10.根据权利要求1～8任意一项所述的激光扫描系统，其特征在于，所述激光扫描系统还包括信号处理模块，所述信号处理模块与所述光电探测器连接，所述信号处理模块用于根据所述光纤激光器发出脉冲激光的时间和所述光电探测器接收回波光信号的时间计算得到目标与所述激光扫描系统之间的距离与信号强度。
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