CN114696193A - 用于3d测量的多线激光系统、产生及扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于3D测量的多线激光系统、产生及扫描方法，包括激光器、准直透镜和用于产生初始线激光的光学元件；还包括反射镜阵列，沿光轴设置在光学元件之后，包括若干可独立控制的反射镜单元；其中，若干反射镜单元沿初始线激光的线宽方向并排设置，每个反射镜单元均用于将初始线激光反射至工作面的任意位置形成单独的工作激光线，反射镜单元的数量与所需的工作激光线的数量一致。其优点在于，通过若干彼此独立的反射镜单元生成多线激光，且由于每个反射镜单元都可独立控制，可调节角度，从而可以改变对应产生的线激光和线激光之间的夹角，且不会使线激光产生畸变；还可以用于扫描其他类型图像，如二值图形，应用范围更广。

Description

用于3D测量的多线激光系统、产生及扫描方法

技术领域

本发明涉及3D测量技术领域，特别是涉及一种用于3D测量的多线激光产生方法和系统。

背景技术

3D测量由于其可以获得物体的深度信息，正在被越来越广泛的应用到各个领域。3D测量按技术原理可分为线扫描方式和面扫描方式。面扫描方式速度快，效率高。但产生面结构光器件的复杂、成本高，且对比度低。单线扫描采用的主动光源是线激光，产生线激光的方法简单，且能够做到更高的对比度。但需通过移动激光线或者被测物获得整个物体的信息，这样效率较低。采用多线扫描的方式与单线扫描相比，可以有效的提高效率，因此多线扫描正在得到越来越多的应用。

多线激光一般由激光通过光学衍射器件产生。这种方式产生的线激光之间的夹角固定，无法根据应用实时改变线激光与线激光之间的夹角，给实际应用带来了不便，因此，一般需要增加一个移动系统（如振镜等）才能实现对被测物进行扫描测试，获得被测物的表面全貌。由此产生的多线激光会发生畸变，出现部分区域重复扫描或部分区域扫描不到情况。另外，该方法的功能单一，无法实现其他类型图像如二值图的扫描。

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3D测量的多线激光系统、产生及扫描方法。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种用于3D测量的多线激光系统，包括：

激光器，用于发射激光；

准直透镜，设置在光轴上，用于准直激光；

光学元件，沿光轴设置在所述准直透镜之后，用于产生初始线激光，所述初始线激光的线长方向垂直于光轴；

反射镜阵列，沿光轴设置在所述光学元件之后，包括若干独立控制的反射镜单元；

定义光轴为Z轴方向，初始线激光的线长方向为Y轴方向，线宽方向为X轴方向；

其中，若干所述反射镜单元沿所述X轴方向并排设置，每个所述反射镜单元均用于将初始线激光反射至工作面的任意位置形成单独的工作激光线，所述反射镜单元的数量与所需的工作激光线的数量一致。

优选地，所述初始线激光在所述反射镜阵列处形成光斑，所述反射镜阵列在X轴方向上的尺寸小于所述光斑在X轴方向上的尺寸。

优选地，当所述光学元件的焦点位于所述光学元件的本体之外时，所述反射镜阵列与所述光学元件的距离使光斑在Y轴方向的尺寸小于所述反射镜阵列在Y轴方向的尺寸，且所述反射镜阵列与所述光学元件互不干涉；

当所述光学元件的焦点位于所述光学元件的本体中时，所述反射镜阵列沿光轴设置，且被配置成在不与所述光学元件干涉的前提下靠近所述光学元件；

所述反射镜阵列与所述光学元件的最小距离≥1mm。

优选地，所述光学元件为柱面镜或鲍威尔棱镜、DOE衍射元器件。

优选地，所述反射镜阵列为MEMS反射镜阵列。

为实现上述目的，本发明还采用了如下技术方案：

一种用于3D测量的多线激光产生及扫描方法，采用上述多线激光系统，包括如下步骤；

设置用于发射激光的激光器；

在激光的光轴上设置准直透镜；

沿光轴在所述准直透镜的后方设置光学元件，通过所述光学元件产生线长方向垂直于光轴的初始线激光；

沿光轴在所述光学元件的后方设置反射镜阵列，根据工作激光线的数量选择反射镜单元，并将其中的若干可独立控制的反射镜单元沿初始线激光的线宽方向并排设置；

控制每个反射镜单元与所述光轴的夹角，将初始线激光反射至工作面的所需位置，形成工作激光线。

优选地，方法还包括如下步骤：

确定所需的工作激光线的数量N，若干相邻工作激光线之间的夹角均为θ；

当反射镜阵列的反射镜单元的数量为奇数时，位于反射镜阵列中心的反射镜单元为中心反射镜，根据中心反射镜与工作面中心的连线和光轴的夹角α’，确定所述中心反射镜的法线与光轴的夹角α，α=α’/2；

以所述中心反射镜为基准，每个反射镜单元的法线与光轴的起始夹角为β=α±θ*t/2，其中，t为反射镜单元与所述中心反射镜的位置关系，当反射镜单元与所述中心反射镜的相邻时，t=1，当反射镜单元与所述中心反射镜之间有1块反射镜单元时，则t=2，以此类推；符号为负，表示反射镜单元在所述中心反射镜的X轴方向的上方，符号为正，表示反射镜单元在所述中心反射镜的X轴方向的下方；

当所述反射镜单元的数量为偶数时，根据反射镜阵列中心与工作面中心的连线和光轴的夹角α’，确定反射镜阵列中心的法线与光轴的夹角α，α=α’/2；

以反射镜阵列中心为基准，每个反射镜单元的法线与光轴的起始夹角为β=α±θ*(2t-1)/4，t为反射镜单元与反射镜阵列中心的位置关系，当反射镜单元与反射镜阵列中心的相邻时，t=1，当反射镜单元与反射镜阵列中心之间有1块反射镜单元时，则t=2，以此类推；符号为负，表示反射镜单元在反射镜阵列中心的X轴方向的上方，符号为正，表示反射镜单元在反射镜阵列中心的X轴方向的下方。

优选地，方法还包括如下步骤：

由工作激光线的数量N和相邻工作激光线之间的夹角θ，确定系统在工作面的视场角，即工作面在线宽方向的两端部与反射镜阵列的两端对应连接形成的夹角γ=(N-1)θ，同时确定每个反射镜单元的法线与光轴的起始夹角为β=α±θ*t/2，或，β=α±θ*(2t-1)/4；

还包括扫描步骤：

控制所述反射镜阵列中的所有反射镜单元向同一方向同步进行转动，最大转动角度为θ/2，使所述反射镜阵列产生的若干工作激光线扫描整个工作面。

优选地，方法还包括利用所述多线激光系统对二值图形进行扫描，包括如下步骤：

根据反射镜单元数量和所需扫描的图形，确定工作激光线的数量N为2k和需扫描区域的数量为2i，

如果需扫描区域的数量大于工作激光线的数量i＞k，则前2k个需扫描区域每个分配1条工作激光线，剩余的需扫描区域，等此次扫描结束后，重新分配工作激光线；

如果需扫描区域的数量小于等于工作激光线的数量i≤k，则每个需扫描区域分配2k-i条工作激光线；

根据位于两端的需扫描区域的扫描起始位置确定此次扫描的工作面的中心位置，根据反射镜阵列的中心与每次扫描时的工作面的中心位置的连线与光轴之间的夹角α’确定反射镜阵列的中心的法线与所述光轴之间的夹角α，α=α’/2；

确定每个工作激光线的起始扫描角，即每个反射镜单元的法线与光轴的起始夹角β，且分配到同一个需扫描区域的工作激光线的起始扫描角相同；

同步转动所有反射镜单元，使每个需扫描区域分配到的工作激光线对需扫描区域进行扫描，得到所需的图形；

若存在剩余的需扫描区域，再次确定工作激光线的数量和剩余的需扫描区域的数量，进行工作激光线分配和扫描，直至将所有需扫描区域扫描完毕。

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3D测量的多线激光系统、产生及扫描方法，通过若干彼此独立的反射镜单元生成多线激光，而不是由光学衍射器件产生；由于若干反射镜单元的反射角不同，照射在不同反射镜单元上的光被反射到工作面的不同位置，从而产生了多条工作激光线，且由于每个反射镜单元都是独立控制，可调节角度，从而可以改变对应产生的相邻工作激光线之间的夹角，且不会使线激光产生畸变，实现完整扫描被测物的表面全貌的效果。另外，基于每个反射镜单元都是独立控制，可调节角度，本发明的多线激光系统还可以用于扫描其他类型图像，如二值图形，应用范围更广。

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为本发明的实施方式中提供的用于3D测量的多线激光系统的结构示意图。

图2为图1所示的系统确定每个反射镜单元与光轴的起始夹角的示意图。

图3为本发明的一种实施方式中提供的用于3D测量的多线激光产生及扫描方法的流程示意图。

图4为用于3D测量的典型二值图案。

图5为本发明的另一种实施方式中提供的用于3D测量的多线激光产生及扫描方法的流程示意图。

图6为用于3D测量的另一张典型二值图案。

附图标记说明：

1、激光器；2、准直透镜；3、光学元件；4、反射镜阵列；41、反射镜单元；42、中心反射镜；5、工作面；51、需扫描区域；52、扫描起始位置；53、中心位置；6、工作激光线；7、光轴。

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。

在现有的一些技术方案中，有使用组合分光镜和振镜方式产生多线激光扫描的，该方案产生的多线之间的夹角固定，与采用衍射的方案一致。另外组合分光镜每个分光面的反射率和透过率不同，导致工艺复杂成本高，且会随着线束增加，体积明显增加。

如附图1所示，本发明实施例提供了一种用于3D测量的多线激光系统，包括：用于发射激光的激光器1，激光沿光轴7（Z轴方向）传播；准直透镜2，设置在光轴7上，用于准直激光；光学元件3，沿光轴7设置在准直透镜2之后，将经过准直的激光转化为线激光，即产生初始线激光，初始线激光的线长方向和线宽方向均垂直于光轴7，分别为Y轴方向和X轴方向，光学元件3的屈光方向为Y轴方向，可控制线激光在工作面5上的线长；还包括反射镜阵列4，沿光轴7设置在光学元件3之后，其作用主要为将初始线激光分为所需数量的工作激光线6，反射镜阵列4包括若干可独立控制的反射镜单元41；其中，若干反射镜单元41沿X轴方向（即线宽方向）并排设置，反射镜单元41可独立转动，转动轴与Y轴方向重合，每个反射镜单元41均用于将初始线激光反射至工作面5的任意位置形成单独的工作激光线6，反射镜单元41的数量与所需的工作激光线6的数量一致，需要多少条工作激光线6就设置多少反射镜单元41。

本发明的多线激光不是由光学衍射器件产生，而是由若干彼此独立的反射镜单元41反射分离出来的，由于若干反射镜单元41的反射角不同，照射在不同反射镜单元41上的光被反射到工作面5的不同位置，从而产生了多条工作激光线6，且由于每个反射镜单元41都是独立控制，可调节角度，从而可以改变对应产生的相邻工作激光线之间的夹角，且不会使线激光产生畸变，实现完整扫描被测物（即为工作面5）的表面全貌的效果。另外，基于每个反射镜单元41都是独立控制，可调节角度，本发明的多线激光系统还可以用于扫描其他类型图像，如二值图形。

优选地，本发明实施例的光学元件3可为单个元件，也可以为多个元件的组合，可为单个柱面镜，多个柱面镜的组合或者鲍威尔棱镜，还可以其他能产生线激光的元件。光学元件3的作用为产生线激光，优选为能够产生均匀性较好的线激光的光学元件3，比如鲍威尔棱镜和柱面镜阵列。

光学元件3产生的初始线激光照射在反射镜阵列4处时形成的光斑一般接近椭圆形，两端的线激光能量比较低，因此，控制反射镜阵列4在X轴方向上的尺寸小于光斑在X轴方向上的尺寸，避免能量较低的线激光照射到反射镜阵列4上，生成质量不好的工作激光线6。

优选地，由于光学元件3生成的线激光在线长方向（Y轴方向）是先聚焦后扩散的，因此，可使反射镜阵列4在X轴方向上的尺寸小于光斑在X轴方向上的尺寸并尽量靠近光学元件3的焦点，此时，形成在反射镜阵列4上的光斑在线长方向的长度较短，在线宽方向的长度较长，使得反射镜在Y轴方向的尺寸可适当缩小，易于设计生产及选型，如选择MEMS阵列作为反射镜阵列。

为缩小反射镜阵列的尺寸，优选使反射镜阵列尽量靠近光学元件的焦点，当光学元件的焦点位于光学元件的本体之外时，比如光学元件为柱面镜时，反射镜阵列沿光轴设置在光学元件的焦点附近，可位于焦点上，或位于焦点之前，或位于焦点之后，且控制反射镜阵列与光学元件的距离，使得光斑在Y轴方向的尺寸小于所述反射镜阵列在Y轴方向的尺寸，同时保证反射镜阵列中的反射镜单元在转动时不与光学元件干涉即可，比如在一些实施例中国，可设定反射镜阵列与光学元件的距离为±5mm；当光学元件的焦点位于光学元件的本体中时，比如光学元件为鲍威尔棱镜，反射镜阵列沿光轴设置，且被配置成在不与光学元件干涉的前提下靠近光学元件，保证反射镜阵列中的反射镜单元在转动时不与光学元件干涉即可。优选地，为避免反射镜单元与光学元件的本体干涉，反射镜阵列与光学元件的最小距离≥1mm，而反射镜阵列与光学元件的具体距离依据光学元件和反射镜阵列的具体尺寸设置。

在不同的产品应用中，对反射镜阵列4的尺寸和其中的反射镜单元41的数量需求互不相同，由于从光学元件3出射的光随距离变化尺寸发生变化。当反射镜阵列4尺寸确定时，可以通过在设计阶段改变反射镜阵列4与光学元件3之间的距离来控制光斑在反射镜阵列4上的尺寸。

如图3所示，本发明实施例还公开一种用于3D测量的多线激光产生及扫描方法，采用上述实施例的多线激光系统，包括如下步骤：

先设置多线激光系统，而后根据需要调整每个反射镜单元41的角度，生成所需数量和位置的工作激光线6；

具体步骤如下：

S11.设置用于发射激光的激光器1；在激光的光轴7上设置准直透镜2；沿光轴7在准直透镜2的后方设置光学元件3，通过光学元件3产生线长方向垂直于光轴7的初始线激光；沿光轴7在光学元件3的后方设置反射镜阵列4，根据工作激光线6的数量选择反射镜单元41，并将其中的若干可独立控制的反射镜单元41沿初始线激光的线宽方向并排设置；该步骤为设置多线激光系统，在设计阶段确定了激光器的型号、准直透镜的类型和尺寸、光学元件的类型和尺寸以及反射镜阵列的反射镜单元数量、反射镜阵列的整体尺寸、与光学元件的距离等，而后将多线激光系统的所有元件全部固定，以待使用。

S12.控制每个反射镜单元41与光轴7的夹角，将初始线激光反射至工作面5的所需位置，形成工作激光线6，该步骤为多线激光的产生步骤。

其中，如附图2所示，控制每个反射镜单元41与光轴7的夹角的方法为：

确定所需的工作激光线6的数量N，若干相邻工作激光线之间的夹角均为θ；根据反射镜阵列中心与工作面中心的连线和光轴的夹角α’，确定反射镜阵列中心的法线与光轴的夹角α，α=α’/2；反射镜阵列中心与工作面中心的连线和光轴的夹角α’可由系统通过相关算法自动测的，具体在此不再赘述。

具体的，当反射镜单元的数量为奇数时，确定位于反射镜阵列4中心的反射镜单元41为中心反射镜42，

根据中心反射镜与工作面中心的连线和光轴的夹角α’确定中心反射镜与光轴之间的夹角α，α=α’/2；

以中心反射镜42为基准，每个反射镜单元41的法线与光轴7的起始夹角为β=α±θ*t/2，其中t为表示反射镜单元41与中心反射镜42的位置关系，当反射镜单元41与中心反射镜42相邻时，t=1；当反射镜单元与中心反射镜42之间有1块反射镜单元时，则t=2，以此类推；符号为负，表示反射镜单元41在中心反射镜42的X轴方向的上方，符号为正，表示反射镜单元41在中心反射镜42的X轴方向的下方。

以附图2中的五个反射镜单元为例，中心反射镜的法线与光轴的夹角为α，最上方的反射镜单元的法线与光轴的起始夹角为β=α-θ，上方第二个反射镜单元的法线与光轴的起始夹角为β=α-θ/2，中心反射镜下方的第一个反射镜单元的法线与光轴的起始夹角为β=α+θ/2，最下方的反射镜单元的法线与光轴的起始夹角为β=α+θ。

当反射镜单元的数量为偶数时，反射镜阵列的中心没有反射镜单元，则直接以反射镜阵列中心为基准，确定每个反射镜单元的法线与光轴的起始夹角β，β=α±θ*(2t-1)/4，其中，t为反射镜单元与反射镜阵列中心的位置关系，当反射镜单元与反射镜阵列中心的相邻时，即最靠近反射镜阵列中心的反射镜单元，t=1，当反射镜单元与反射镜阵列中心之间有1块反射镜单元时，则t=2，以此类推；符号为负，表示反射镜单元在反射镜阵列中心的X轴方向的上方，符号为正，表示反射镜单元在反射镜阵列中心的X轴方向的下方。

同时，系统在工作面5的视场角——工作面5在线宽方向的两端部与反射镜阵列的两端对应连接形成的夹角γ，由工作激光线的数量N和相邻工作激光线之间的夹角θ决定，即γ=(N-1)θ，同时确定每个反射镜单元41法线与光轴7的起始夹角为β，当反射镜单元的数量为奇数时，β=α±θ*t/2，当反射镜单元的数量为偶数时，β=α±θ*(2t-1)/4。

在设置完成反射镜阵列中心的法线与光轴的夹角α和每个反射镜单元41的法线与光轴7的起始夹角β后，启动激光器1，激光依次通过准直透镜2和光学元件3，通过反射镜阵列4反射到工作面5上，形成若干工作激光线6。

S13.开始扫描，控制反射镜阵列4的所有反射镜单元41向同一方向同步进行转动，转动的最大角度为θ/2，使反射镜阵列4产生的若干工作激光线6扫描整个工作面5，该步骤为多线激光的扫描步骤。

由于反射镜阵列4中的每个反射镜单元41都可以单独控制，因此可以根据测量物体（工作面5）的大小与位置，动态地改变α角和β角，从而实现节约时间、提高点云密度和效率的目的。

本发明的多线激光系统不仅可以产生普通多线激光扫描，也可以用于其他二值图形的扫描（只有黑和白两种状态，没有其他灰度的图案），如3D测量中经常用到的格雷码。用于3D测量的典型二值图案如图4所示，一张图中包含多个黑白区域，白色部分为需扫描区域，需扫描区域的数量一般为2幂次方，各个需扫描区域区域的宽度相同，因此对于该应用场景，工作激光线的数量优选为2^k次，即选取的多线激光系统中的反射镜阵列的反射镜单元数量为偶数。

如图5所示，为扫描二值图形，本发明实施例的产生及扫描方法还包括如下步骤：

S21.根据反射镜单元41数量和所需在工作面上扫描的图形，确定工作激光线6的数量N为2^k和需扫描区域的数量为2ⁱ，k和i均为正整数；

S22.如果需扫描区域51的数量大于工作激光线6的数量i＞k，则前2k个需扫描区域每个分配1条工作激光线6，剩余的需扫描区域，等此次扫描结束后，重新分配工作激光线6；

S23.如果需扫描区域51的数量小于等于工作激光线6的数量i≤k，则每个需扫描区域分配2^k-i条工作激光线6；

S24.根据位于两端的需扫描区域51的扫描起始位置52确定此次扫描的工作面5的中心位置53，根据反射镜阵列的中心与工作面5的中心位置53连线与光轴7所形成的夹角α’确定反射镜阵列的中心的法线与光轴7之间的夹角α，α=α’/2；

S25.确定每个工作激光线6的起始扫描角，即每个反射镜单元41的法线与光轴7的起始夹角β，且分配到同一个需扫描区域51的工作激光线6的起始扫描角相同；起始夹角β的确定方式如上文；

S26.同步转动所有反射镜单元41，使每个需扫描区域51分配到的工作激光线对需扫描区域51进行扫描，整个多线激光系统扫描得到所需的图形；

S27.若存在剩余的需扫描区域，再次确定工作激光线6的数量和剩余的需扫描区域51的数量，进行工作激光线6分配和扫描，直至完成所有需扫描区域51的扫描。

具体的，在一实施例中，如附图4所示，整个二值图形的需扫描区域51的数量为4（白色区域），工作激光线的数量为4，反射镜阵列中的反射镜单元数量为4个，则每个需扫描区域51分配1条工作激光线，而后根据位于两端的需扫描区域51的扫描起始位置52确定此次扫描的工作面5的中心位置53，确定反射镜阵列中心与工作面5的中心位置53的连线与光轴之间的夹角α’，进而确定反射镜阵列中心的法线与光轴之间的夹角α，α=α’/2；本实施例中，反射镜单元的数量为偶数，再以反射镜阵列中心为基准，每个反射镜单元的法线与光轴的起始夹角为β=α±θ*(2t-1)/4，其中t为表示反射镜单元与中心反射镜的位置关系，当反射镜单元与反射镜阵列中心相邻时，t=1；当反射镜单元与反射镜阵列中心之间有1块反射镜单元时，则t=2，以此类推；符号为负，表示反射镜单元在反射镜阵列中心的X轴方向的上方，符号为正，表示反射镜单元在反射镜阵列中心的X轴方向的下方，最终确定每个反射镜单元的起始夹角β，确定每个工作激光线的起始扫描角，此时，一条工作激光线负责一个需扫描区域51；而后开始扫描，同步转动所有反射镜单元，使每个需扫描区域51分配到的工作激光线对需扫描区域51进行扫描，由于需扫描区域的数量与工作激光线的数量一致，一次即可完成对二值图形的扫描。

在另一些实施例中，如附图6所示，需扫描区域的数量为8，工作激光线6的数量为4，反射镜阵列中的反射镜单元数量为4个，此时，需扫描区域的数量大于工作激光线的数量，则对整个二值图形进行分批扫描，前4个需扫描区域每个分配1条工作激光线，则第一次扫描的需扫描区域为4个，第一次扫描的工作面为位于两端需扫描区域51的扫描起始位置52之间的区域，而后确定第一次扫描的工作面5的中心位置53，确定反射镜阵列中心与该次工作面的中心位置连线与光轴之间的夹角α’，进而确定反射镜阵列中心的法线与光轴之间的夹角α，α=α’/2；本实施例中，反射镜单元的数量为偶数，再以反射镜阵列中心为基准，每个反射镜单元的法线与光轴的起始夹角为β=α±θ*(2t-1)/4，其中t为表示反射镜单元与反射镜阵列中心的位置关系，当反射镜单元与反射镜阵列中心相邻时，t=1；当反射镜单元与反射镜阵列中心之间有1块反射镜单元时，则t=2，以此类推；符号为负，表示反射镜单元在反射镜阵列中心的X轴方向的上方，符号为正，表示反射镜单元在反射镜阵列中心的X轴方向的下方，最终确定每个反射镜单元的起始夹角，确定每个工作激光线的起始扫描角，此时，1条工作激光线负责一个需扫描区域；而后开始扫描，同步转动所有反射镜单元，使每个需扫描区域分配到的工作激光线对需扫描区域进行扫描；而后开始第二次扫描，此时，剩余的需扫描区域的数量为4个，工作激光线6的数量为4，每个需扫描区域分配1条工作激光线，第二次扫描的工作面为第二次扫描对应的位于两端需扫描区域51的扫描起始位置52之间的区域，而后根据第二次扫描的工作面5的中心位置53，确定反射镜阵列中心与该次工作面5的中心位置53连线与光轴之间的夹角，采用上述方法确定每个工作激光线的起始扫描角，即每个反射镜单元的法线与光轴的起始夹角β，而后开始扫描，同步转动所有反射镜单元，使每个需扫描区域分配到的工作激光线对需扫描区域进行扫描，得到所需的图形，此时所有需扫描区域均扫描，即完成对二值图形的扫描。

在另一实施例中，如附图4所示，需扫描区域的数量为4，工作激光线6的数量为8，反射镜阵列中的反射镜单元数量为8个，此时，需扫描区域的数量小于工作激光线的数量，则每个需扫描区域分配2条工作激光线，而后位于两端的需扫描区域51的扫描起始位置52确定此次扫描的工作面5的中心位置53，确定反射镜阵列中心与需扫描区域的中心位置的连线与光轴之间的夹角，进而确定反射镜阵列中心的法线与光轴之间的夹角，采用上述方法确定每个工作激光线的起始扫描角，即每个反射镜单元的法线与光轴的起始夹角β，而后开始扫描，同步转动所有反射镜单元，使每个需扫描区域分配到的工作激光线对需扫描区域进行扫描，得到所需的图形，一次即可完成对二值图形的扫描。

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 (9)

1.一种用于3D测量的多线激光系统，其特征在于，包括：

激光器，用于发射激光；

准直透镜，设置在光轴上，用于准直激光；

光学元件，沿光轴设置在所述准直透镜之后，用于产生初始线激光，所述初始线激光的线长方向垂直于光轴；

反射镜阵列，沿光轴设置在所述光学元件之后，包括若干独立控制的反射镜单元；

定义光轴为Z轴方向，初始线激光的线长方向为Y轴方向，线宽方向为X轴方向；

其中，若干所述反射镜单元沿所述X轴方向并排设置，每个所述反射镜单元均用于将初始线激光反射至工作面的任意位置形成单独的工作激光线，所述反射镜单元的数量与所需的工作激光线的数量一致。

2.根据权利要求1所述的用于3D测量的多线激光系统，其特征在于，所述初始线激光在所述反射镜阵列处形成光斑，所述反射镜阵列在X轴方向上的尺寸小于所述光斑在X轴方向上的尺寸。

3.根据权利要求2所述的用于3D测量的多线激光系统，其特征在于，

当所述光学元件的焦点位于所述光学元件的本体之外时，所述反射镜阵列与所述光学元件的距离使光斑在Y轴方向的尺寸小于所述反射镜阵列在Y轴方向的尺寸，且所述反射镜阵列与所述光学元件互不干涉；

当所述光学元件的焦点位于所述光学元件的本体中时，所述反射镜阵列沿光轴设置，且被配置成在不与所述光学元件干涉的前提下靠近所述光学元件；

所述反射镜阵列与所述光学元件的最小距离≥1mm。

4.根据权利要求1所述的用于3D测量的多线激光系统，其特征在于，所述光学元件为柱面镜或鲍威尔棱镜、DOE衍射元器件。

5.根据权利要求1所述的用于3D测量的多线激光系统，其特征在于，所述反射镜阵列为MEMS反射镜阵列。

6.一种用于3D测量的多线激光产生及扫描方法，其特征在于，采用如权利要求1至5任一项所述的多线激光系统，包括如下步骤；

设置用于发射激光的激光器；

在激光的光轴上设置准直透镜；

沿光轴在所述准直透镜的后方设置光学元件，通过所述光学元件产生线长方向垂直于光轴的初始线激光；

沿光轴在所述光学元件的后方设置反射镜阵列，根据工作激光线的数量选择反射镜单元，并将其中的若干可独立控制的反射镜单元沿初始线激光的线宽方向并排设置；

控制每个反射镜单元与所述光轴的夹角，将初始线激光反射至工作面的所需位置，形成工作激光线。

7.根据权利要求6所述的用于3D测量的多线激光产生及扫描方法，其特征在于，还包括如下步骤：

确定所需的工作激光线的数量N，若干相邻工作激光线之间的夹角均为θ；

当反射镜阵列的反射镜单元的数量为奇数时，位于反射镜阵列中心的反射镜单元为中心反射镜，根据中心反射镜与工作面中心的连线和光轴的夹角α’，确定所述中心反射镜的法线与光轴的夹角α，α=α’/2；

以所述中心反射镜为基准，每个反射镜单元的法线与光轴的起始夹角为β=α±θ*t/2，其中，t为反射镜单元与所述中心反射镜的位置关系，当反射镜单元与所述中心反射镜的相邻时，t=1，当反射镜单元与所述中心反射镜之间有1块反射镜单元时，则t=2，以此类推；符号为负，表示反射镜单元在所述中心反射镜的X轴方向的上方，符号为正，表示反射镜单元在所述中心反射镜的X轴方向的下方；

当所述反射镜单元的数量为偶数时，根据反射镜阵列中心与工作面中心的连线和光轴的夹角α’，确定反射镜阵列中心的法线与光轴的夹角α，α=α’/2；

以反射镜阵列中心为基准，每个反射镜单元的法线与光轴的起始夹角为β=α±θ*(2t-1)/4，t为反射镜单元与反射镜阵列中心的位置关系，当反射镜单元与反射镜阵列中心的相邻时，t=1，当反射镜单元与反射镜阵列中心之间有1块反射镜单元时，则t=2，以此类推；符号为负，表示反射镜单元在反射镜阵列中心的X轴方向的上方，符号为正，表示反射镜单元在反射镜阵列中心的X轴方向的下方。

8.根据权利要求7所述的用于3D测量的多线激光产生及扫描方法，其特征在于，还包括如下步骤：

由工作激光线的数量N和相邻工作激光线之间的夹角θ，确定系统在工作面的视场角，即工作面在线宽方向的两端部与反射镜阵列的两端对应连接形成的夹角γ=(N-1)θ，同时确定每个反射镜单元的法线与光轴的起始夹角为β=α±θ*t/2，或，β=α±θ*(2t-1)/4；

还包括扫描步骤：

控制所述反射镜阵列中的所有反射镜单元向同一方向同步进行转动，最大转动角度为θ/2，使所述反射镜阵列产生的若干工作激光线扫描整个工作面。

9.根据权利要求7所述的用于3D测量的多线激光产生及扫描方法，其特征在于，利用所述多线激光系统对二值图形进行扫描，包括如下步骤：

根据反射镜单元数量和所需扫描的图形，确定工作激光线的数量N为2^k和需扫描区域的数量为2ⁱ，

如果需扫描区域的数量大于工作激光线的数量i＞k，则前2^k个需扫描区域每个分配1条工作激光线，剩余的需扫描区域，等此次扫描结束后，重新分配工作激光线；

如果需扫描区域的数量小于等于工作激光线的数量i≤k，则每个需扫描区域分配2^k-i条工作激光线；

根据位于两端的需扫描区域的扫描起始位置确定此次扫描的工作面的中心位置，根据反射镜阵列的中心与每次扫描时的工作面的中心位置的连线与光轴之间的夹角α’确定反射镜阵列的中心的法线与所述光轴之间的夹角α，α=α’/2；

确定每个工作激光线的起始扫描角，即每个反射镜单元的法线与光轴的起始夹角β，且分配到同一个需扫描区域的工作激光线的起始扫描角相同；

同步转动所有反射镜单元，使每个需扫描区域分配到的工作激光线对需扫描区域进行扫描，得到所需的图形；

若存在剩余的需扫描区域，再次确定工作激光线的数量和剩余的需扫描区域的数量，进行工作激光线分配和扫描，直至将所有需扫描区域扫描完毕。

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