CN114488526B - 一种用于激光3d扫描的光学系统及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于激光3D扫描的光学系统及设计方法，光学系统包括激光器，用于发射激光；振镜，可往复摆动，用于使激光在工作面上发生运动；同时，通过本发明的设计方法设计一个补偿镜头，并将其设置在振镜和工作面之间，所述激光器的聚焦点位于所述补偿镜头和所述工作面之间，所述补偿镜头的焦距为负，通过补偿镜头产生的正场曲来补偿振镜扫描产生的离焦，使得激光的聚焦点都在工作面上，改善扫描系统的离焦现象，同时通过矫正扫描产生的畸变，使得扫描角度与扫描距离成线性关系。

Description

一种用于激光3D扫描的光学系统及设计方法

技术领域

本发明涉及光学及电子技术领域，特别是涉及一种用于激光3D扫描的光学系统及设计方法。

背景技术

基于线激光的3D测量方法被广泛的应用于各个领域，但该方法一般一次只能获得一条线或者多条线的深度信息，若需要获取整个面的深度信息，则需要运动装置。

基于运动装置的不同，一般有两种方法：一种方法是利用线性运动机构移动传感 器，该方法比较适合流水线，对于普通应用场景，特别是传感器或被测物比较大的情况，线 性运动机构与传感器组成的扫描成像系统体积大，装配不方便；另一种方法是在传感器内 部安装一个振镜，通过振镜旋转使激光照射到工作面的不同位置，这个方法的优点为传感 器紧凑，扫描速度快，可以当做面光源使用，但也存在缺点。具体为，如附图1所示，激光器的 聚焦位置在以振镜为中心的圆弧上AB’上，实际工作位置是AB的连线，因此在B点激光器存 在离焦情况，激光器线宽也会相应的变宽，从而影响测量精度，该离焦量与扫描角度θ相关， 离焦量

，角度越大，离焦越大。此外，激光在工作面的扫描距离

，当振镜运动时，不同位置，相同时间内激光线移动距离不同，这就对相机曝 光的控制提出了更高的要求，导致整体成本增加。

对于如何解决上述问题，在其他技术领域，比如激光打标等激光加工领域有较为成熟的解决方法，即增加一个F-theta镜头，但这类镜头无法简单应用到3D测量领域，因为该镜头会使线激光的线长方向发生畸变，显然无法满足使用要求。另外，对于部分工作距较长的3D测量设备，如果采用普通的F-Theta镜头方案，镜头焦距需要等于工作距，则镜头尺寸也会随之变大。因此，在3D测量领域未发现解决激光扫描过程中的离焦问题的较好解决方案。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的缺陷，从而提供一种用于激光3D扫描的光学系统及设计方法。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种用于激光3D扫描的光学系统的设计方法，包括如下步骤：

步骤一、设置理想透镜，获取虚拟物面的物高和物距；

步骤二、利用虚拟光学系统获得补偿镜头的参数；虚拟光学系统包含步骤一获得的所述虚拟物面和所述理想透镜，并在所述理想透镜和工作面之间设置补偿镜头，虚拟物面经过理想透镜后再经过补偿镜头后聚焦到工作面上，光阑设置在理想透镜的位置，同时，将补偿镜头的各参数及理想透镜到补偿镜头的距离设为变量；

优化补偿镜头，通过光学软件对虚拟光学系统的场曲、畸变进行优化，且畸变优化目标满足下列关系式：

，

θ为振镜的转动角度，q为对不同θ角度时的畸变矫正目标值。

优选地，所述步骤一中，还包括：

构建虚拟光学系统，引入虚拟物面和理想透镜，物面的物高为y，物距为u(y)，设定理想透镜的位置与振镜位置重合，以振镜扫描到的弧面作为像面，弧面的像高为y’,像距为v(y’)，虚拟物面的物高y、物距u(y)通过高斯成像公式获得：

,

其中，f为理想透镜的焦距。

优选地，所述步骤一中，还包括：设置至少3个视场获得像高y’、像距v(y’)。

优选地，所述步骤一中，还包括：通过仿真软件模拟获得虚拟物面的物高y、物距u(y)；

在仿真软件zemax中设置理想透镜，将像面的半径设置成振镜到激光聚焦点的距离L，将虚拟物面的面型参数半径、以及虚拟物面与理想透镜的间距设置为变量，采用软件自带的默认优化函数，经过自动优化后获得虚拟物面的物高y、物距u(y)。

优选地，所述步骤二中，调整补偿镜头的参数，使畸变与q的差值在0.5%以内。

优选地，所述步骤二中，所述补偿镜头的参数包括所含透镜的类型、数量、各曲面的曲率以及所含透镜的材料。

优选地，所述步骤二中，还包括：

当所述设计方法用于线激光3D扫描时，所述补偿镜头所含透镜的类型为柱面镜，数量为一个或多个。

优选地，所述步骤二中，还包括：

当所述设计方法用于双振镜的点激光扫描时，所述补偿镜头所含透镜的类型为球面镜。

为实现上述目的，本发明还采用了如下技术方案：

一种用于激光3D扫描的光学系统，包括：

激光器，用于发射激光；

振镜，可往复摆动，用于使激光在工作面上发生运动；

补偿镜头，设置在所述振镜和所述工作面之间；所述激光器的聚焦点位于所述补偿镜头和所述工作面之间，所述补偿镜头的焦距为负；

所述补偿镜头的参数由上述的设计方法确定，用于产生正场曲补偿振镜扫描产生的离焦，使得激光的聚焦点都在工作面上。

优选地，当所述激光器为线激光器时，所述补偿镜头包括一个或多个柱面镜；

当所述激光器为点激光器，振镜为双振镜时，所述补偿镜头包括球面镜。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

上述技术方案中所提供的用于激光3D扫描的光学系统及设计方法，设计一个补偿镜头，并将其设置在振镜和工作面之间，通过补偿镜头产生的正场曲来补偿振镜扫描产生的离焦，使得激光的聚焦点都在工作面上，使得激光的聚焦点都在工作面上。通过本发明的设计方法来确定补偿镜头的各个参数和振镜的距离，从而保证补偿镜头能够改善离焦现象和畸变现象，同时，将由本发明的设计方法确定的补偿镜头设置在对应位置，能够使得激光移动距离与振镜扫描角度成线性关系，易于系统控制，改善激光在扫描过程中的离焦现象，同时，对于线激光而言，本发明的补偿镜头不会产生线激光的畸变。采用本发明设计方法设计而成的光学系统，整体尺寸不受工作距的影响，且尺寸较小，较为紧凑，易于集成，且应用广泛。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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的附图。

图1为现有技术的内置有振镜的线激光传感器。

图2为基于本发明的设计方法设计的线激光3D扫描光学系统的结构示意图。

图3为本发明的设计方法的步骤一中建立虚拟光学系统，获取虚拟物面的物距u(y)的示意图。

图4为本发明的设计方法的步骤二中修正后虚拟光学系统的示意图。

图5为图4中的补偿镜头的结构和光路示意图。

图6a为未采用补偿镜头的离焦情况；图6b为采用实施例一的补偿镜头后的离焦情况。

图7a为未采用补偿镜头时光学系统匀速扫描时产生的畸变情况；图7b为采用了补偿镜头后光学系统匀速扫描时产生的畸变情况。

附图标记说明：

1、激光器；11、虚拟物面；

2、振镜；21、理想透镜；

3、补偿镜头；

4、工作面；41、像面。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，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，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如附图1所示，为现有技术中内置有振镜的线激光传感器，激光器的聚焦位置在以振镜为中心的圆弧上AB’上，实际工作位置是AB的连线，因此在B点激光器存在离焦情况，激光器线宽也会相应的变宽，从而影响测量精度。

基于此，本发明实施例提供了一种用于激光3D扫描的光学系统及其设计方法，设计一个补偿镜头3，并将其设置在振镜2和工作面4之间，通过补偿镜头3产生的正场曲来补偿振镜2扫描产生的离焦，使得激光的聚焦点都在工作面4上。

如附图2所示，以线激光3D扫描系统为例，激光器1发出线激光（或多线激光）经振镜2反射后进入补偿镜头3，然后照射到工作面4上。振镜2的转动可以使线激光在工作面4上发生运动，对整个工作面4进行扫描。激光器1的聚焦点在补偿镜头3与工作面4之间，补偿镜头3的焦距为负，为了使线激光的线长方向不因畸变而产生形变，本实施例的补偿镜头3采用一片或多片柱面镜，柱面镜可为球面柱面镜，也可为非球面柱面镜，同时，柱面镜的光焦度方向沿线激光的线宽方向，即附图2上的Y轴方向。补偿镜头3的作用是产生正场曲来补偿振镜2扫描产生的离焦，使得激光的聚焦点都在或尽量靠近工作面4，同时，通过补偿镜头3的畸变优化，将扫描距离与扫描角θ的关系校正为接近线性的关系。此外，通过改变补偿镜头3与振镜2之间的距离，还可以实现对线激光的聚焦距离的调整，使扫描精度更高。

由于补偿镜头3的焦距为负，且物面为弧形，本发明实施例设计一种新的设计方法，来确定补偿镜头的各参数和设置位置，使补偿镜头能够实现通过产生正场曲补偿振镜2扫描产生的离焦，使得激光的聚焦点都在工作面4上。

如上所示，本发明实施例的用于激光3D扫描的光学系统的设计方法，包括如下步骤：

步骤一、设置理想透镜21，获取虚拟物面11的物高和物距；

在未设置补偿镜头的虚拟光学系统中，虚拟物面与振镜扫描的弧面成共轭关系，虚拟物面11的物高和物距的一个具体获取方法为：如附图3所示，构建虚拟光学系统，引入虚拟物面11和理想透镜21，物面的物高为y，物距为u(y)，设定理想透镜21的位置与未设置补偿镜头的虚拟光学系统中的振镜2位置重合，以振镜2扫描到的弧面作为像面41，弧面的像高为y’,像距为v(y’)，光轴上（像高y’为0时）的像距为振镜2到激光聚焦点的距离L，当未设置补偿镜头时，振镜到线激光聚焦位置的距离相当于振镜到工作面的距离，为避免与有补偿镜头的工作面混淆，将像高y’为0时的像距v(0)限定为振镜2到激光聚焦点的距离L，虚拟物面11的物距u(y)通过高斯成像公式获得：

，

其中，f为理想透镜21的焦距。在构建虚拟光学系统时，理想透镜21的焦距可以任意取值，对后续步骤中，设计补偿镜头3起到辅助作用。

像面41距离v(y)至少需要2个视场，即至少获得两组y’和v(y’)，优选地，在构建虚拟光学系统时，设置至少3个视场来获得至少三组像高y’和像距v(y’)。

在其他实施例中，还可以通过zemax等仿真软件直接获得虚拟物面11的物高和物距。具体为，利用zemax仿真软件中的面类型设置一个理想透镜（将surface tye设置为Paraxial），并将像面的半径设置成振镜到激光聚焦点（一般为工作面4）的距离L，将虚拟物面11的面型参数半径、以及虚拟物面11与理想透镜21的间距设置为变量，采用软件自带的默认优化函数，经过自动优化后获得虚拟物面11的半径和与理想透镜21的间距，从而获得物面11的物高和物距的关系。具体的优化函数为zemax仿真软件自带，用户基于需要自动选择即可，在此不作具体展开。

步骤二、利用虚拟光学系统获得补偿镜头3的参数；虚拟光学系统包含步骤一获得的虚拟物面11和理想透镜21，并在理想透镜21和工作面4之间设置补偿镜头3，如附图4所示，虚拟物面11经过理想透镜21后再经过补偿镜头3后聚焦到工作面4上，光阑设置在理想透镜21的位置，同时，将补偿镜头3的各参数及理想透镜21到补偿镜头3的距离（即图2实际光路系统中振镜2到补偿镜头3的距离）设为变量；其中，补偿镜头3的参数包括所含透镜的类型、数量、各曲面的曲率以及所含透镜的材料，

优化补偿镜头3，通过光学软件对虚拟光学系统的场曲、畸变进行优化，且畸变优化目标满足下列关系式：

，θ为振镜的转动角度，q为对不同θ角度时的畸变矫正目标值， 即需要补偿镜头3产生一个畸变来抵消原有带振镜的系统扫描时产生的畸变，激光通过补 偿镜头3后的畸变应尽可能靠近q。优选地，可通过调整补偿镜头3的参数，使畸变与q的差值 在0.5%以内。

对于不同的激光3D扫描系统，补偿镜头3的类型也不相同，具体的，当设计方法用于线激光3D扫描时，补偿镜头3所含透镜的类型为柱面镜，数量为一个或多个，而当设计方法用于双振镜的点激光扫描时，补偿镜头3所含透镜的类型为球面镜，其他参数可采用同样的逻辑确定。

基于上述设计方法，本发明还提供一种用于激光3D扫描的光学系统，包括：

激光器1，用于发射激光；基于不同的激光3D扫描系统，激光可为线激光或点激光，同时，激光的数量可为一个或多个；

振镜2，可往复摆动，用于使激光在工作面4上发生运动；对于线激光3D扫描系统而言，振镜2的数量可为一个，振镜的转动可以使线激光在工作面上发生运动，对整个工作面进行扫描；对于点激光3D扫描系统来说，可采用双振镜2的结构；

补偿镜头3，设置在振镜2和工作面4之间；激光器1的聚焦点位于补偿镜头3和工作面4之间，补偿镜头3的焦距为负；

补偿镜头3的参数由上述设计方法确定，用于产生正场曲补偿振镜2扫描产生的离焦，使得激光的聚焦点都在工作面4上，同时补偿由扫描产生的畸变。

具体的，基于不同的激光3D扫描的光学系统，补偿镜头3包含透镜的类型和数量不同。当激光器1为线激光器时，补偿镜头3所含透镜包括一个或多个柱面镜；

当激光器1为点激光器，振镜2为双振镜时，补偿镜头3所含透镜包括球面镜。

下面以线激光3D扫描系统为具体实施例进行说明。

虚拟光学系统如附图4所示，附图5为本实施例的补偿镜头3的结构和光路示意图，本实施例中，设定振镜2到线激光聚焦点的距离l为110mm，补偿镜头3到振镜2的距离是56.2mm，系统的工作距为1500mm，工作距为补偿镜头靠近工作面的一侧到工作面的距离，补偿镜头3为3片柱面镜L1、L2、L3，补偿镜头3的具体参数如下：

经过仿真软件计算，如附图6a所示，未采用补偿镜头的虚拟光学系统的离焦情况较为严重，如附图6b所示，采用了本实施例设定参数的补偿镜头3的虚拟光学系统的离焦情况明显改善，采用补偿镜头3后离焦量明显降低。如附图7a所示，未采用补偿镜头的虚拟系统在匀速扫描时产生的畸变较为严重，而如附图7b所示，采用了本实施例设定参数的补偿镜头3的虚拟系统在匀速扫描时产生的畸变明显改善，说明通过本发明的设计方法确定参数的补偿镜头3应用在线激光3D扫描系统中能够有效改善离焦现象和畸变现象，从而保证测量精度，降低对系统控制的要求。

对于双振镜的点激光扫描系统的实施例，将上述补偿镜头的参数中的柱面镜改为球面镜即可，其他参数不变，通过软件仿真构建双振镜的点激光虚拟系统，确定将该设定参数下的球面镜应用在双振镜的点激光扫描系统能够有效改善离焦现象和畸变现象。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种用于激光3D扫描的光学系统的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、设置理想透镜，获取虚拟物面的物高和物距；

步骤二、利用虚拟光学系统获得补偿镜头的参数；虚拟光学系统包含步骤一获得的所述虚拟物面和所述理想透镜，并在所述理想透镜和工作面之间设置补偿镜头，所述补偿镜头的焦距为负，虚拟物面经过理想透镜后再经过补偿镜头后聚焦到工作面上，光阑设置在理想透镜的位置，同时，将补偿镜头的各参数及理想透镜到补偿镜头的距离设为变量；

优化补偿镜头，通过光学软件对虚拟光学系统的场曲、畸变进行优化，且畸变优化目标满足下列关系式：

，

其中，θ为振镜的转动角度，q为对不同θ角度时的畸变矫正目标值。

2.根据权利要求1所述的用于激光3D扫描的光学系统的设计方法，其特征在于，所述步骤一中，还包括：

构建虚拟光学系统，引入虚拟物面和理想透镜，物面的物高为y，物距为u(y)，设定理想透镜的位置与振镜位置重合，以振镜扫描到的弧面作为像面，弧面的像高为y’,像距为v(y’)，虚拟物面的物高y、物距u(y)通过高斯成像公式获得：

,

其中，f为理想透镜的焦距。

3.根据权利要求2所述的用于激光3D扫描的光学系统的设计方法，其特征在于，所述步骤一中，还包括：

设置至少3个视场获得像高y’、像距v(y’)。

4.根据权利要求1所述的用于激光3D扫描的光学系统的设计方法，其特征在于，所述步骤一中，还包括：

通过仿真软件模拟获得虚拟物面的物高y、物距u(y)；

在仿真软件zemax中设置理想透镜，将像面的半径设置成振镜到激光聚焦点的距离L，将虚拟物面的面型参数半径、以及虚拟物面与理想透镜的间距设置为变量，采用软件自带的默认优化函数，经过自动优化后获得虚拟物面的物高y、物距u(y)。

5.根据权利要求1所述的用于激光3D扫描的光学系统的设计方法，其特征在于，所述步骤二中，

调整补偿镜头的参数，使畸变与q的差值在0.5%以内。

6.根据权利要求1所述的用于激光3D扫描的光学系统的设计方法，其特征在于，所述步骤二中，所述补偿镜头的参数包括所含透镜的类型、数量、各曲面的曲率以及所含透镜的材料。

7.根据权利要求6所述的用于激光3D扫描的光学系统的设计方法，其特征在于，所述步骤二中，还包括：

当所述设计方法用于线激光3D扫描时，所述补偿镜头所含透镜的类型为柱面镜，数量为一个或多个。

8.根据权利要求6所述的用于激光3D扫描的光学系统的设计方法，其特征在于，所述步骤二中，还包括：

当所述设计方法用于双振镜的点激光扫描时，所述补偿镜头所含透镜的类型为球面镜。

9.一种用于激光3D扫描的光学系统，其特征在于，包括：

激光器，用于发射激光；

振镜，可往复摆动，用于使激光在工作面上发生运动；

补偿镜头，设置在所述振镜和所述工作面之间；所述激光器的聚焦点位于所述补偿镜头和所述工作面之间，所述补偿镜头的焦距为负；

所述补偿镜头的参数由权利要求1至8任一项所述的设计方法确定，用于产生正场曲补偿振镜扫描产生的离焦，使得激光的聚焦点都在工作面上。

10.根据权利要求9所述的用于激光3D扫描的光学系统，其特征在于，

当所述激光器为线激光器时，所述补偿镜头包含一个或多个柱面镜；

当所述激光器为点激光器，振镜为双振镜时，所述补偿镜头包括球面镜。

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