CN221406028U - 激光三维扫描测量设备的光纤光路系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型描述一种激光三维扫描测量设备的光纤光路系统，激光三维扫描测量设备包括基座、设置于基座的第一旋转部、设置于第一旋转部的第二旋转部、以及设置于第二旋转部的光束偏转主体，光束偏转主体包括测量干涉仪，光纤光路系统设置于基座，光纤光路系统包括调频激光光源和探测组件，测量干涉仪与调频激光光源通过保偏光纤进行连接，保偏光纤依次经过基座、第一旋转部和第二旋转部以将测量光束从调频激光光源引导至测量干涉仪。根据本实用新型，能够提供一种通过提高设备的轻量化程度、结构的紧凑性和抗干扰性以提高测量精度的激光三维扫描测量设备的光纤光路系统。

Description

激光三维扫描测量设备的光纤光路系统

技术领域

本实用新型大体涉及智能制造装备产业领域，具体涉及一种激光三维扫描测量设备的光纤光路系统。

背景技术

激光雷达技术具有测距测速算法简单、对发射机的功率要求较低、回波信号不存在距离盲区以及能够获得更高的距离分辨率及速度分辨率等特点，因而其能够很好地解决前述问题以更好地对大尺寸工件进行检测。

现有的激光雷达设备通常具有可俯仰旋转、水平旋转运动功能的双轴转台(即运动平台)，其中光路在俯仰方向的偏转通常采用反射镜方式，即将光路系统全部安装放置在底座上，测量光束和指示光束经过聚焦组件后垂直向上发射并最终经由俯仰轴上的旋转反射镜反射聚焦到样品表面以进行测量。这种激光雷达设备可以实现光路系统与运动平台的分离，从而能够减少运动平台的震动对光路的影响，由此能够减少测量中的干扰，同时可以单独对光路系统进行密封保护或者恒温恒湿控制，减小环境变化对光路系统的影响。

然而，上述现有技术中，由于激光雷达设备采用反射镜方式进行光路折射或反射(即引导光束)，而反射镜的保偏效果会直接影响到测量信号的稳定性和信噪比，因此整个光路系统需要进行保偏，即需要保证反射镜在大角度范围内实现保偏反射，这对于反射镜的加工要求非常高，供应链难以达到这样的加工要求。另外，将整个光路系统、聚焦组件等结构放置在底座内会使得激光雷达设备的底座体积大、重量大且结构不紧凑，在操作激光雷达设备时存在诸多不便。

发明内容

本实用新型有鉴于上述现有技术的状况而完成，其目的在于提供一种能够提高设备的轻量化程度、结构的紧凑性和测量精度的抗干扰性的激光三维扫描测量设备的光纤光路系统。

为此，本实用新型提供一种激光三维扫描测量设备的光纤光路系统，所述激光三维扫描测量设备包括基座、设置于所述基座的第一旋转部、设置于所述第一旋转部的第二旋转部、以及设置于所述第二旋转部的光束偏转主体，所述光束偏转主体包括测量干涉仪，所述光纤光路系统设置于所述基座，所述光纤光路系统包括激光光源，所述测量干涉仪与所述激光光源通过保偏光纤进行连接，保偏光纤依次经过所述基座、所述第一旋转部和所述第二旋转部以将测量光束从所述激光光源引导至所述测量干涉仪。

在本实用新型中，设置于基座的光纤光路系统中，激光光源发出激光束经过光纤光路系统内部保偏光纤传播获得测量光束，将测量光束从基座引导至设置于第二旋转部的光束偏转主体的测量干涉仪，由此形成光纤光路。在这种情况下，能够通过光纤光路代替现有的反射镜式光路方案对测量光束进行引导以便于完成测量工作；另外，采用设置于第二旋转部的光束偏转主体相较于现有的反射镜式光路方案，其对空间的适应性较高，能够便于优化激光三维扫描测量设备的结构布置并提高激光三维扫描测量设备的轻量化程度和结构的紧凑性；另外，测量干涉仪能够将测量信号与本振信号形成共模信号以通过差分形式减少设备在旋转时形成的震动和光纤拉扯以及温度变化等因素对测量精度的影响，也即能够提高测量的抗干扰性，提高测量精度。

另外，根据本实用新型所涉及的激光三维扫描测量设备，可选地，所述光纤光路系统还包括辅助干涉仪，所述辅助干涉仪用于实现所述激光光源的非线性校正。在这种情况下，通过对激光光源进行线性补偿，即通过辅助干涉仪对激光光源进行非线性校正，从而提升测量激光的调频线性度，能够提升测量光束的稳定性，由此能够提升测量的精确性。

另外，根据本实用新型所涉及的激光三维扫描测量设备，可选地，所述光纤光路系统还包括光纤耦合组件，所述光纤耦合组件用于实现所述测量光束的分束或合束。在这种情况下，通过光纤耦合组件能够更好地将测量光束或其他辅助光束引导至特定的组件中。

另外，根据本实用新型所涉及的激光三维扫描测量设备，可选地，所述光纤光路系统还包括指示光源，所述指示光源用于产生指示光束以指示所述目标，所述指示光束经保偏光纤引导并经所述光纤耦合组件耦合至所述光纤光路系统。在这种情况下，通过光纤耦合组件将测量光束和指示光束(即辅助光束)进行合束后使指示光束和测量光束同步在一个光路中能够便于通过指示光束辨别测量光束是否对准目标。

另外，根据本实用新型所涉及的激光三维扫描测量设备，可选地，所述测量干涉仪包括部分反射组件，所述部分反射组件将所述测量光束分为第一光束和第二光束，所述第一光束经由所述部分反射组件透射至所述目标并被所述目标反射以形成第一反射光束，所述第二光束为所述测量光束经由所述部分反射组件反射以获得的光束。在这种情况下，能够使得第一反射光束和第二光束共用一个光纤光路，部分反射组件和目标能够组成“法布里-珀罗”(F-P)干涉仪以使得第一反射光束和第二光束在一个光纤光路中发生干涉，由此能够在后续利用第一反射光束和第二光束在光纤光路中的干涉结果获得目标的距离，同时还能够基于“法布里-珀罗”(F-P)仪的特点将第一反射光束和第二光束形成共模信号以便于后续通过差分形式减少旋转震动、温度变化等环境干扰对测量精度的影响。

另外，根据本实用新型所涉及的激光三维扫描测量设备，可选地，所述光纤光路系统还包括探测组件，所述光纤耦合组件利用保偏光纤形成光纤光路以将所述测量光束从所述基座引导至所述部分反射组件，并且所述光纤耦合组件将所述第一反射光束和所述第二光束引导至所述探测组件。在这种情况下，由于光纤光路结构简单、空间占用程度小，能够减少激光三维扫描测量设备的体积，优化设备结构，由此能够使激光三维扫描测量设备实现轻量化和结构紧凑的效果。

另外，根据本实用新型所涉及的激光三维扫描测量设备，可选地，所述光纤耦合组件包括保偏光纤偏振分束器，所述保偏光纤偏振分束器设置于所述光纤光路中且位于所述激光光源和所述部分反射组件之间。在这种情况下，通过采用保偏光纤偏振分束器能够将激光光源射出的测量光束分离为例如功率分别为5％和95％的光束。

另外，根据本实用新型所涉及的激光三维扫描测量设备，可选地，所述光纤耦合组件包括保偏光纤波分复用器，所述保偏光纤波分复用器设置于所述光纤光路中且位于所述激光光源和所述部分反射组件之间。在这种情况下，能够将已被分离的测量光束或其他光束(例如指示光束)引入光纤光路中，例如引入指示光束时，指示光束和测量光束一起发射到目标，由此能够便于通过指示光束判断目标的测量区域是否准确。

另外，根据本实用新型所涉及的激光三维扫描测量设备，可选地，所述光纤耦合组件包括保偏光纤环形器，所述保偏光纤环形器设置于所述光纤光路中且位于所述激光光源和所述部分反射组件之间。在这种情况下，能够将光纤光路中的特定光束引导至特定的部件中，例如能够将激光光源射出的测量光束准确引导至部分反射组件，或能够将反射回的第一反射光束或第二光束准确地引导至光电探测器中，由此能够进一步简化光纤光路系统，提升设备结构的紧凑程度。

另外，根据本实用新型所涉及的激光三维扫描测量设备，可选地，所述保偏光纤偏振分束器、所述保偏光纤环形器以及所述保偏光纤波分复用器依次设置于所述光纤光路中。在这种情况下，最先分束获得的测量光束能够在辅助干涉仪中进行检测以获得更准确的检测结果，最后通过保偏光纤波分复用器引入的指示光束能够减少指示光束在较长的光纤光路中的能量损耗，保偏光纤环形器在保偏光纤偏振分束器之后能够便于简化光纤光路。

根据本实用新型，能够提供一种能够提高设备的轻量化程度、结构的紧凑性和测量精度的抗干扰性的激光三维扫描测量设备的光纤光路系统。

附图说明

现在将仅通过参考附图的例子进一步详细地解释本实用新型的实施例。

图1是示出了本实用新型示例所涉及的激光三维扫描测量设备用于探测目标的应用场景示意图。

图2是示出了本实用新型示例所涉及的激光三维扫描测量设备的第一种实施例的结构示意图。

图3是示出了本实用新型示例所涉及的激光三维扫描测量设备中的光纤光路系统的第一种实施例的结构框图。

图4是示出了本实用新型示例所涉及的激光三维扫描测量设备中的光纤光路系统的第二种实施例的结构框图。

图5是示出了本实用新型示例所涉及的激光三维扫描测量设备的第二种实施例的结构示意图。

图6是示出了本实用新型示例所涉及的激光三维扫描测量设备中的光束偏转主体的结构框图。

图7是示出了本实用新型示例所涉及的激光三维扫描测量设备中的测量干涉仪的结构框图。

图8是示出了本实用新型示例所涉及的第一种实施例的激光三维扫描测量设备的工作原理示意图。

图9是示出了本实用新型示例所涉及的第二种实施例的激光三维扫描测量设备的工作原理示意图。

附图标记说明：

1…激光三维扫描测量设备，11…第一旋转部，12…第二旋转部，13…基座，14…光束偏转主体，15…光纤光路系统，16…温控结构，Z…第一轴线，X…第二轴线，110…第一旋转机构，111…第一驱动电机，112…第一固定轴承，113…第一转轴，114…第一角度测量装置，120…第二旋转机构，121…第二驱动电机，122…第二固定轴承，123…第二转轴，124…第二角度测量装置，151…调频激光光源，141…测量干涉仪，152…探测组件，154…光纤耦合组件，F-P…“法布里-珀罗”干涉仪结构，1411…准直模块，1412…偏振模块，1413…部分反射组件，1541…保偏光纤偏振分束器，1542…保偏光纤波分复用器，1543…保偏光纤环形器，1544…保偏光纤隔离器，142…聚焦装置，143…概览相机装置，1431…反射镜，1432…概览相机，1433…图像处理电路，153…辅助干涉仪，

2…目标。

具体实施方式

以下，参考附图，详细地说明本实用新型的优选实施方式。在下面的说明中，对于相同的部件赋予相同的符号，省略重复的说明。另外，附图只是示意性的图，部件相互之间的尺寸的比例或者部件的形状等可以与实际的不同。

需要说明的是，本实用新型中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，例如所包括或所具有的一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可以包括或具有没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

图1是示出了本实用新型示例所涉及的激光三维扫描测量设备1用于探测目标2的应用场景示意图。图2是示出了本实用新型示例所涉及的激光三维扫描测量设备1的第一种实施例的结构示意图。图3是示出了本实用新型示例所涉及的激光三维扫描测量设备1中的光纤光路系统15的第一种实施例的结构框图。图4是示出了本实用新型示例所涉及的激光三维扫描测量设备1中的光纤光路系统15的第二种实施例的结构框图。图5是示出了本实用新型示例所涉及的激光三维扫描测量设备1的第二种实施例的结构示意图。图6是示出了本实用新型示例所涉及的激光三维扫描测量设备1中的光束偏转主体14的结构框图。图7是示出了本实用新型示例所涉及的激光三维扫描测量设备1中的测量干涉仪141的结构框图。

如图1所示，本实用新型提供一种激光三维扫描测量设备1，是用于探测目标2的距离的激光三维扫描测量设备1，特别指基于激光雷达的工作原理探测目标2的距离的激光三维扫描测量设备1。

本实用新型所涉及激光三维扫描测量设备1通过采用光纤光路以实现轻量化和结构紧凑，且测量精度不易受到环境干扰。

在一些示例中，本实用新型所涉及激光三维扫描测量设备1可以特别指激光雷达装置，激光雷达装置是以发射激光束探测目标2的位置、速度等特征量的雷达装置。激光雷达装置的工作原理是向目标2发射探测信号(即测量光束)，然后将接收到的从目标2反射回来的信号(即反射光束)与探测信号进行比较，通过特定算法获得目标2的相关信息，如目标2的距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，由此能够对目标2进行探测、跟踪和识别。

结合图1和图2所示，本实用新型所涉及激光三维扫描测量设备1可以包括第一旋转部11。在一些示例中，激光三维扫描测量设备1还可以包括第二旋转部12。在一些示例中，激光三维扫描测量设备1还可以包括基座13。在一些示例中，激光三维扫描测量设备1还可以包括光束偏转主体14。在一些示例中，激光三维扫描测量设备1还可以包括光纤光路系统15。即，本实用新型所涉及激光三维扫描测量设备1可以包括第一旋转部11、第二旋转部12、基座13、光束偏转主体14以及光纤光路系统15。具体地，光束偏转主体14可以设置于第二旋转部12且可以与第二旋转部12联动，基座13可以设置有光纤光路系统15。

在一些示例中，光纤光路系统15可以包括激光光源。如图3所示，在一些示例中，光纤光路系统15可以包括探测组件152。在一些示例中，激光光源可以是调频激光光源151。换言之，光纤光路系统15可以包括调频激光光源151和探测组件152。

如图3所示，在一些示例中，光纤光路系统15还可以包括保偏光纤150。即，本实用新型所涉及的光纤光路系统15可以包括调频激光光源151、探测组件152和保偏光纤150。

如图2或图5所示，在一些示例中，保偏光纤150可以将基座13和光束偏转主体14进行光路连接以将测量光束从基座13引导至光束偏转主体14。在这种情况下，保偏光纤150能够保证线偏振方向不变，提高相干信噪比，以实现对目标2的距离的高精度测量，由此，即使光束偏转主体14不采用反射镜式的光路结构也能够具有满足测量需求的保偏效果。

在另一些示例中，激光光源可以不限于调频激光，例如激光光源也可以是白光光源。

在一些示例中，第一旋转部11可以设置于基座13。具体地，如图5所示，基座13和第一旋转部11可以通过第一旋转机构110可转动地连接。在一些示例中，第一旋转机构110可以以第一轴线Z为旋转轴。也即，第一旋转部11可以设置于基座13并以第一轴线Z为旋转轴相对基座13进行转动。

如图5所示，在一些示例中，第一轴线Z可以为第一旋转机构110的中心轴线。在一些示例中，第一旋转机构110可以包括驱动电机、固定轴承、转轴、和角度测量装置，为了便于区分，此处称“第一驱动电机111”、“第一固定轴承112”、“第一转轴113”和“第一角度测量装置114”。

如图5所示，在一些示例中，第一转轴113可以用于连接第一旋转部11和基座13。在一些示例中，第一转轴113和第一固定轴承112的配合可以使第一旋转部11相对基座13转动，第一驱动电机111可以驱动第一转轴113和第一固定轴承112相对转动以使得第一旋转部11相对基座13转动。其中，第一旋转部11相对基座13转动的旋转轴可以为第一轴线Z。

在一些示例中，第一角度测量装置114可以获取第一旋转部11的旋转角度，第一旋转部11的旋转角度可以表征目标2的第一偏转角度。在一些示例中，第一偏转角度为目标2相对第一轴线Z的偏转角。在这种情况下，能够通过获得目标2的第一偏转角度以对目标2进行精确地跟踪测量。

在一些示例中，调频激光光源151可以设置于基座13且用于产生测量光束。

在一些示例中，如图5所示，保偏光纤150可以将测量光束从基座13沿第一轴线Z引导至光束偏转主体14。具体地，保偏光纤150可以沿第一轴线Z从基座13引导测量光束经第一旋转部11再到达光束偏转主体14。在这种情况下，基座13和第一旋转部11能够相对转动的同时，能够利用光纤光路(即：保偏光纤150)将测量光束从基座13引导至光束偏转主体14，由此能够便于激光三维扫描测量设备1以第一轴线Z为旋转轴对目标2进行跟踪测量，例如驱使第一旋转部11在水平方向转动以使光束偏转主体14可以跟踪目标2(即目标2的第一偏转角度可以为水平偏转角度)。

在一些示例中，第二旋转部12可以设置于第一旋转部11。具体地，如图5所示，第一旋转部11和第二旋转部12可以通过第二旋转机构120可转动地连接。在一些示例中，第二旋转部12可以以第二轴线X为旋转轴。在一些示例中，第二轴线X可以与第一轴线Z正交。也即，第二旋转部12可以设置于第一旋转部11并以与第一轴线Z正交的第二轴线X为旋转轴相对第一旋转部11转动。

如图5所示，在一些示例中，第二轴线X可以为第二旋转机构120的中心轴线。在一些示例中，第二旋转机构120也可以包括驱动电机、固定轴承、转轴、和角度测量装置，为了便于区分，此处称“第二驱动电机121”、“第二固定轴承122”、“第二转轴123”和“第二角度测量装置124”。在一些示例中，第二转轴123可以用于连接第二旋转部12和第一旋转部11。

如图5所示，在一些示例中，第二转轴123和第二固定轴承122的配合可以使第二旋转部12相对第一旋转部11转动，第二驱动电机121可以驱动第二转轴123和第二固定轴承122相对转动以使得第二旋转部12相对第一旋转部11转动。其中，第二旋转部12相对第一旋转部11转动的旋转轴可以为第二轴线X。

在一些示例中，第二角度测量装置124可以获取第二旋转部12的旋转角度，第二旋转部12的旋转角度可以表征目标2的第二偏转角度。在一些示例中，第二偏转角度为目标2相对第二轴线X的偏转角。在这种情况下，能够通过获得目标2的第二偏转角度以对目标2进行精确地跟踪测量。

如图2或图5所示，在一些示例中，保偏光纤150可以将测量光束从第一旋转部11沿第二轴线X引导至光束偏转主体14。具体地，保偏光纤150可以将测量光束先沿第一轴线Z从基座13引导至第一旋转部11后，再从第一旋转部11沿第二轴线X引导至光束偏转主体14中的测量干涉仪141(稍后描述)。在这种情况下，在第一旋转部11和第二旋转部12相对转动的同时能够利用光纤光路将测量光束从基座13引导至测量干涉仪141，由此能够便于激光三维扫描测量设备1以第二轴线X为旋转轴对目标2进行跟踪测量，例如驱使第二旋转部12在竖直方向转动以使光束偏转主体14跟踪目标2(即目标2的第二偏转角度可以为俯仰偏转角度)。

如图2或图5所示，在一些示例中，第一旋转部11可以呈对称形状且中部具有凹陷部。在一些示例中，第二旋转部12可以位于凹陷部的中间。在一些示例中，第一轴线Z可以与第一旋转部11的对称线重合。在这种情况下，能够使激光三维扫描测量设备1具有更好的平衡性。

在一些示例中，保偏光纤150可以依次经过基座13、第一旋转部11和第二旋转部12。由此能够将测量光束从基座13引导至测量干涉仪141。

如图6所示，在一些示例中，光束偏转主体14可以包括测量干涉仪141。在这种情况下，由于测量干涉仪141设置于光束偏转主体14，测量信号和本振信号共用光束偏转主体14和基座13之间的保偏光纤150，能够提高测量精度。具体而言，保偏光纤150容易受温度和震动的干扰，保偏光纤150连接准直模块1411(后续描述)后，也可能会因为光束偏转主体14运动而使保偏光纤150被拉扯而引入误差，而测量信号(即后续的第一反射光束)和本振信号(即后续的第二光束)共用光束偏转主体14和基座13之间的保偏光纤150，测量干涉仪141能够将测量信号与本振信号干涉形成共模信号(即测量干涉信号)以通过差分形式减少旋转震动、温度变化等环境干扰对测量精度的影响，也即能够提高测量的抗干扰性，提高测量精度。

在一些示例中，测量干涉仪141可以配置为基于测量光束产生测量干涉信号。在一些示例中，测量干涉仪141可以配置为“法布里-珀罗”(F-P)干涉仪结构并基于测量光束产生测量干涉信号。

在本实用新型中，调频激光光源151设置于基座13，调频激光光源151发出激光束经过光纤光路系统15内部的保偏光纤150传播后获得测量光束，保偏光纤150再将测量光束从基座13引导至光束偏转主体14中的测量干涉仪141，测量干涉仪141的测量信号(即测量光束经目标2反射后获得的信号)通过保偏光纤150的引导返回基座13内的探测组件152，由此形成光纤光路。在这种情况下，能够通过光纤光路代替现有的反射镜式光路方案对测量光束进行引导以便于完成测量工作，即能够降低采用反射镜式光路方案中对反射镜的较高的加工要求。

另外，采用设置于第二旋转部12的光束偏转主体14相较于现有的反射镜式光路方案，其对空间的适应性较高，例如调频激光光源151设置于基座13，测量干涉仪141、聚焦装置142(后续描述)和概览相机装置143(后续描述)设置于光束偏转主体14，避免了现有的反射镜式光路方案将光纤光路系统15、测量干涉仪141、聚焦装置142、概览相机装置143等结构均设置在基座13，造成基座13结构冗长、体积笨重等缺点。由此能够便于优化激光三维扫描测量设备1的结构布置并提高激光三维扫描测量设备1的轻量化程度和结构的紧凑性。

图8是示出了本实用新型示例所涉及的第一种实施例的激光三维扫描测量设备1的工作原理示意图。图9是示出了本实用新型示例所涉及的第二种实施例的激光三维扫描测量设备1的工作原理示意图。其中，带箭头的实线示意的是在激光三维扫描测量设备1中的光束及其方向，调频激光光源151中的虚线示意的是其调频波形，在图9中的准直模块1411之后的虚线示意的是光线的透射、反射和聚焦。

如上所述，光束偏转主体14可以包括测量干涉仪141。在一些示例中，光束偏转主体14可以设置于第二旋转部12，即测量干涉仪141可以位于第二旋转部12中。

在一些示例中，如图7或8所示，测量干涉仪141可以包括准直模块1411、偏振模块1412和部分反射组件1413。

在一些示例中，部分反射组件1413可以接收测量光束并将测量光束分为第一光束和第二光束。

如图8所示，在一些示例中，第一光束经由部分反射组件1413透射至目标2后被目标2反射的光束，即第一反射光束。在一些示例中，第二光束可以为测量光束经由部分反射组件1413反射以获得的光束。在这种情况下，能够使得第一反射光束和第二光束共用一个光纤光路，即部分反射组件1413和目标2能够组成“法布里-珀罗”(F-P)干涉仪结构以使得第一反射光束和第二光束在一个光纤光路中发生干涉，由此能够在后续利用第一反射光束和第二光束在光纤光路中的干涉结果获得目标2的距离，同时还能够基于“法布里-珀罗”(F-P)干涉仪结构的特点将第一反射光束和第二光束形成共模信号以便于后续通过差分形式减少旋转震动、温度变化等环境干扰对测量精度的影响。

如上所述，测量干涉仪141还可以包括准直模块1411。在一些示例中，准直模块1411可以用于准直测量光束。在一些示例中，准直模块1411可以与部分反射组件1413配合以准直测量光束。在这种情况下，通过准直模块1411对测量光束准直后，能够降低测量光束的发散程度使测量光束呈准直光(平行光)，由此能够提升测量光束入射至部分反射组件1413的光束质量。

在一些示例中，准直模块1411可以设置于部分反射组件1413与保偏光纤150的末端光纤之间。即末端光纤连接准直模块1411，准直模块1411的出射端对应部分反射组件1413的入射端。在这种情况下，当测量光束经由准直模块1411准直后能够直接进入部分反射组件1413以在部分反射组件1413中被透射或反射形成第一光束和第二光束。

如上所述，测量干涉仪141还可以包括偏振模块1412。在一些示例中，测量光束的偏振态可以通过偏振模块1412进行调节。在这种情况下，测量光束中的第一光束(或第一反射光束)和第二光束经由偏振模块1412调节后，分别转换成特定偏振态的偏振光束，例如线偏振的第一光束转变为圆偏振光或椭圆偏振光，能够提升测量光束中的第一光束和第二光束的独立性和稳定性，由此能够提升在光纤光路中的传输质量。

在一些示例中，偏振模块1412可以是偏振波片，例如二分之一波片、四分之一波片、八分之一波片等。在一些示例中，优选地，偏振模块1412可以设置于准直模块1411和部分反射组件1413之间。在这种情况下，测量光束中的第一光束(或第一反射光束)和第二光束经由准直模块1411准直后能够直接进入偏振模块1412以调节偏振态，从而能够分别转换成特定偏振态的偏振光束并进入部分反射组件1413。例如，具有P线偏振的测量光束经过偏振模块1412后，测量光束的偏振态变为圆偏振光，经过部分反射组件1413透射的并经过目标2反射的第一反射光束和经过部分反射组件1413反射的第二光束再次经过偏振模块1412后，第一反射光束和第二光束的偏振态变为与出射的测量光束的P线偏振光成90°的S线偏振光，从而使得出射的测量光束和反射光束(即第一反射光束和第二光束)偏振分离，最终在探测组件152中探测到信噪比更高的干涉信号(即第一反射光束与第二光束发生干涉所产生的信号)。

如图9所示，在一些示例中，光束偏转主体14可以包括聚焦装置142。具体地，光纤光路系统15可以包括用于将第一光束聚焦到目标2的聚焦装置142。

在一些示例中，聚焦装置142可以位于测量干涉仪141与目标2之间。

在一些示例中，聚焦装置142可以具有多个透镜和驱动机构，并通过驱动机构移动至少一个透镜以调整聚焦装置142的聚焦位置。在这种情况下，通过聚焦装置142能够压缩第一光束的光斑尺寸，使得测量光束聚焦到目标2的一个点位上(聚焦点位的大小取决于聚焦光斑的尺寸，聚焦光斑的尺寸与距离相关，从几米到几十米距离，聚焦光斑大小可以从几十微米到几个毫米)。

在本实用新型中，聚焦装置142能够使得经过目标2反射的光的信号更强，同时使得测量的横向分辨率更高，测量距离稳定性更高。同样的，当具有指示光束(稍后描述)，例如红色指示光束时，红色指示光束也能够被聚焦装置142聚焦至目标2，红色指示光束用于辅助辨别测量光束是否对准目标2或聚焦到目标2。

在一些示例中，红色指示光束可以通过光纤耦合组件154与测量光束耦合至光纤光路系统15，具体地，可以耦合至保偏光纤150，并与测量光束一起被引导至光束偏转主体14。

在一些示例中，聚焦装置142聚焦第一光束的方式可以包括自动聚焦方式或手动聚焦方式中的至少一种方式。

在一些示例中，聚焦装置142可以配置为跨波段消色差聚焦光学系统，例如实现波长为650nm(纳米)的红色指示光和波长为1550nm的测量光束的跨波段光束聚焦到目标2。

在一些示例中，聚焦装置142可以是透镜组合，也可以是离轴抛物面反射镜组合。

在一些示例中，聚焦装置142可以设置于第二旋转部12。在一些示例中，聚焦装置142可以设置于部分反射组件1413之后且和部分反射组件1413配合。在这种情况下，测量光束能够在经过部分反射组件1413透射后入射至聚焦装置142并通过聚焦装置142聚集于目标2。

如图9所示，在一些示例中，光束偏转主体14可以包括概览相机装置143。具体地，激光三维扫描测量设备1可以包括设置于第二旋转部12且用于获取目标2的图像的概览相机装置143。在一些示例中，概览相机1432可以用于获取目标2的概览图像、目标2的测量区域、以及指示光束位于目标2的图像中的至少一种图像。

在一些示例中，图像处理电路1433可以对目标2的概览图像、目标2的测量区域或指示光束位于目标2的图像进行识别处理，由此能够准确判断测量光束是否位于目标2上。在这种情况下，能够通过目标2的图像进行测量目标2的定位和根据图像坐标进行光束偏转控制以及根据图像制定测量计划实现区域快速测量。

在一些示例中，概览图像可以是指目标2在概览相机装置143中所成的图像。在一些示例中，测量区域可以是指目标2的图像中可以选择作为测量点位的区域。在一些示例中，指示光束位于目标2的图像可以通过目标2在概览相机装置143中所成的图像中观察确认。

在一些示例中，如图9所示，概览相机装置143可以包括至少一个反射镜1431、概览相机1432以及图像处理电路1433。在一些示例中，反射镜1431用于光路折反，使得概览相机1432的光轴与测量光束光轴对准(如重叠)，实现概览相机装置143与测量光束同轴设置。

在一些示例中，概览相机装置143与测量光束同轴设置可以是指利用反射镜1431将概览相机1432的光轴折射耦合到测量光束的光轴。在一些示例中，反射镜1431的数量可以是1个也可以是多个。优选地，反射镜1431的数量可以是2个。由此，通过2个反射镜1431能够便于使概览相机装置143和光束偏转主体14的出射口平行设置。

在一些示例中，概览相机装置143可以根据获取的图像，获取图像上任意点的图像坐标，根据与图像中心坐标的相对坐标以及概览相机1432的焦距，可以计算第一旋转部11和第二旋转部12的旋转角度，控制激光三维扫描测量设备的光束偏转主体14瞄准到获取图像的指定坐标点位置，也即概览相机装置143可以根据图像坐标进行光束偏转控制。

在一些示例中，概览相机装置143可以根据获取的图像，在获取的图像上框选工作区域，设置扫描范围和扫描点距，也即根据图像制定测量计划，实现区域快速扫描测量。工作区域可以是在获取图像上框选任意形状，如矩形、正方形、三角形、圆形、多边形或不规则形状等。

在一些示例中，设置于光束偏转主体14的光路系统也可以称为空间光路系统。在一些示例中，空间光路系统可以是指各个镜面的配合将测量光束射出到目标2并反射回光束偏转主体14中的光路结构。激光三维扫描测量设备1可以将光纤光路系统15和空间光路系统的位置分开。由于空间光路系统涉及目标2的对焦和获取预览图像等任务，需要对准目标2，因此将空间光路系统应设置于运动比较灵活的光束偏转主体14。同时，由于光纤光路系统15包括光纤、调频激光光源151等部件，容易受温度和设备运动的影响，需要较多的检测设备(例如辅助干涉仪153和温控结构16)实时控制监控光纤光路系统15的工作环境，为了实现结构轻量化，简化光束偏转主体14的结构，可以将光纤光路系统15设置于基座13。此外，利用光纤连接光纤光路系统15和空间光路系统，能够利用保偏光纤150的柔韧性实现光纤光路系统15和空间光路系统的稳定耦合。

在一些示例中，如图9所示，激光三维扫描测量设备1还可以包括辅助干涉仪153。在一些示例中，辅助干涉仪153可以基于测量光束产生辅助测量信号对调频激光光源151的非线性校正。具体地，辅助干涉仪153可以基于第三光束对调频激光光源151进行线性校正或补偿。在一些示例中，为测量光束经由光纤耦合组件154分束后可以获得第三光束。在这种情况下，通过对调频激光光源151进行线性补偿，即通过辅助干涉仪153对调频激光光源151进行非线性校正，从而提升测量激光的调频线性度，能够提升测量光束的稳定性，由此能够提升测量的精确性。

在一些示例中，辅助干涉仪153可以从保偏光纤偏振分束器1541获得部分测量光束，即辅助干涉仪153可以从保偏光纤偏振分束器1541获得第三光束。

在一些示例中，辅助干涉仪153的校正原理可以为将第三光束的一部分通过延迟光纤延迟后与原来的第三光束形成光程差，基于光程差计算获得基准距离。

在一些示例中，激光三维扫描测量设备1可以基于基准距离判断实际的测量信息是否准确，并可以根据判断结果对调频激光光源151进行线性补偿。

在一些示例中，辅助干涉仪153中至少包括一个光电探测器，该光电探测器可用于探测第三光束通过延迟光纤延迟后的部分以及第三光束的剩余部分，以便于获得前述的光程差。即，光电探测器可以接收辅助测量信号以实现基准距离的解析(即获得目标2的参考距离)。

在一些示例中，由于光纤光路系统15可以共用，因此基于逻辑上的划分，辅助干涉仪153中的光电探测器也可以划分于探测组件152。也即，探测组件152可以包括多个光电探测器，其中至少一个光电探测器可以用于探测第一反射光束和第二光束，至少另一个光电探测器可以用于探测第三光束通过延迟光纤延迟后的部分以及第三光束的剩余部分。换言之，探测组件152可以接收辅助测量信号和测量干涉仪141的干涉信号以实现绝对距离解析(即获得目标2的测量距离)。

如上所述，光纤光路系统15可以包括探测组件152。在一些示例中，探测组件152可以接收测量干涉信号以获得目标2的距离。具体地，如图7或图8所示，在一些示例中，探测组件152可以接收第一反射光束和第二光束的干涉信号以探测目标2。

在一些示例中，探测组件152可以配置为基于第一反射光束和第二光束的干涉信号获得部分反射组件1413与目标2之间的距离。在这种情况下，能够利用第一反射光束和第二光束在光纤光路中的干涉结果获得目标2的距离，同时基于“法布里-珀罗”(F-P)干涉仪结构的特点能够将第一反射光束和第二光束作为共模信号，由此能够通过差分形式减少旋转震动、温度变化等环境干扰对测量精度的影响。

在一些示例中，可以通过光纤光路系统15将第一反射光束和第二光束引导进入至探测组件152的光电探测器中。在一些示例中，光电探测器可以用于探测第一反射光束和第二光束。在一些示例中，光电探测器可以将第一反射光束和第二光束的光频信号转换成电信号后再传送给信号处理系统进行处理。在这种情况下，能够对第一反射光束和第二光束进行探测并获得目标2的距离。也即，光电探测器可以接收测量干涉仪141的干涉信号以实现绝对距离的解析。

在一些示例中，探测组件152可以设置于调频激光光源151和测量干涉仪141之间，并且通过光纤耦合组件154(例如保偏光纤环形器1543，稍后描述)和保偏光纤150而与测量干涉仪141进行连接。

在一些示例中，探测组件152可以设置于基座13。在一些示例中，第一反射光束和第二光束可以通过光纤耦合组件154和保偏光纤150被引导至位于基座13的探测组件152。

在一些示例中，光纤光路系统15还可以包括光纤耦合组件154。

如图8或图9所示，在一些示例中，光纤耦合组件154可以利用保偏光纤150形成光纤光路将测量光束从基座13引导至部分反射组件1413，并且还可以将第一反射光束和第二光束引导至探测组件152。在这种情况下，由于光纤光路结构简单、空间占用程度小，能够便于在后续将聚焦装置142和概览相机装置143等设置于第二旋转部12，而基座13设置调频激光光源151和部分光纤光路，进而能够减少激光三维扫描测量设备1的体积，优化设备结构，由此能够使激光三维扫描测量设备1实现轻量化和结构紧凑的效果。

在一些示例中，光纤耦合组件154可以用于对测量光束进行多种预处理，例如分束、调整射出方向、以及与辅助光束进行合束等。在这种情况下，通过光纤耦合组件154能够更好地将测量光束或其他辅助光束引导至特定的组件中。

在一些示例中，指示光束(如红色指示光束)可以经保偏光纤150引导并经光纤耦合组件154耦合至光纤光路系统15。

具体地，例如通过光纤耦合组件154将测量光束进行分束后能够便于后续设置的辅助干涉仪153对测量光束进行检测和校正；例如通过光纤耦合组件154将测量光束和指示光束(即辅助光束)进行合束后使指示光束和测量光束同步在一个光路中能够便于通过指示光束辨别测量光束是否对准目标2；例如通过光纤耦合组件154将测量光束的射出方向进行调整变换能够便于将调频激光光源151射出的测量光束准确引导至部分反射组件1413且将第一反射光束或第二光束准确地引导至光电探测器中。

在一些示例中，如图9所示，光纤耦合组件154可以包括保偏光纤偏振分束器1541(Polarization Beam Splitter，简称PBS，又称偏振分光棱镜)。在一些示例中，保偏光纤偏振分束器1541可以设置于光纤光路中且位于调频激光光源151和部分反射组件1413之间。通过采用保偏光纤偏振分束器1541将调频激光光源151射出的测量光束分离为例如功率分别为5％和95％的光束，功率为5％的光束可以用于在辅助干涉仪153(稍后描述)中进行检测并获得检测结果以校正调频激光光源151的调制非线性，功率为95％的光束可以继续输出到部分反射组件1413以继续用于探测目标2的距离。

在一些示例中，如图9所示，光纤耦合组件154可以包括保偏光纤波分复用器1542。在一些示例中，保偏光纤波分复用器1542可以设置于光纤光路中且位于调频激光光源151和部分反射组件1413之间。在这种情况下，能够将已被分离的测量光束或其他光束(例如指示光束)引入光纤光路中，例如引入指示光束时，指示光束和测量光束一起发射到目标2，由此能够便于通过指示光束判断目标2的测量区域是否准确。

在一些示例中，如图9所示，光纤耦合组件154可以包括保偏光纤环形器1543。在一些示例中，保偏光纤环形器1543可以设置于光纤光路中且位于调频激光光源151和部分反射组件1413之间。在这种情况下，能够将光纤光路中的特定光束引导至特定的部件中，例如能够将调频激光光源151射出的测量光束准确引导至部分反射组件1413，或能够将反射回的第一反射光束或第二光束准确地引导至光电探测器中，由此能够进一步简化光纤光路系统15，提升设备结构的紧凑程度。

在一些示例中，保偏光纤环形器1543还可以替换为保偏光纤偏振分束器1541，保偏光纤偏振分束器1541可以具有三个端口，公共端口可以同时传输P偏振和S偏振光，分束端口包括P偏振端口和S偏振端口(当偏振方向位于入射光束和反射光束所跨越的平面内时，线性偏振状态就表示为P偏振。方向与之垂直的偏振被称为S偏振)，P线偏振测量光束从保偏光纤偏振分束器1541的P偏振端口进入从公共端口输出，经过偏振模块1412后，测量光束的偏振态变为圆偏振光，经过部分反射组件1413反射的第一反射光束和经过部分反射组件1413透射的并经过目标2反射的第二光束再次经过偏振模块1412后，第一反射光束和第二光束的偏振态变为与出射测量光束的P线偏振光成90°的S线偏振光，再次经过保偏光纤偏振分束器1541后，从S偏振端口输出引导至探测组件152，如引导至光电探测器中。由此能够实现出射光束和反射光束在同一光轴传输时偏振分离，降低偏振串扰，最终在探测模块中探测到信噪比更高的干涉信号，从而有利于提高测量精度。

在一些示例中，如图9所示，调频激光光源151的测量光束可以先到达保偏光纤偏振分束器1541，再到达保偏光纤环形器1543，最后到达保偏光纤波分复用器1542，即保偏光纤偏振分束器1541、保偏光纤环形器1543以及保偏光纤波分复用器1542可以依次设置于光纤光路中。在这种情况下，最先分束获得的测量光束能够在辅助干涉仪153(稍后描述)中进行检测以获得更准确的检测结果，最后通过保偏光纤波分复用器1542引入的指示光束能够减少指示光束在较长的光纤光路中的能量损耗，保偏光纤环形器1543在保偏光纤偏振分束器1541之后能够便于简化光纤光路。

在一些示例中，光纤耦合组件154的保偏光纤偏振分束器1541、保偏光纤环形器1543以及保偏光纤波分复用器1542可以设置于基座13。

在一些示例中，如图9所示，光纤耦合组件154还可以包括保偏光纤隔离器1544。在一些示例中，保偏光纤隔离器1544可以用于对调频激光光源151和保偏光纤150进行耦合隔离。在这种情况下，能够通过保偏光纤隔离器1544减少因第一反射光束和第二光束反向传播的影响而导致调频激光光源151的光谱纯度降低的情形或者光源调制不稳定或者输出功率不稳定的情况。

在一些示例中，如图9所示，光纤光路系统15还可以包括指示光源155。指示光源155用于产生例如红色指示光的指示光束以指示目标2，指示光束经保偏光纤150引导并经光纤耦合组件154耦合至光纤光路系统15中的保偏光纤150。在具有指示光束情况下，指示光束可以通过光纤耦合组件154与测量光束耦合至保偏光纤150，并与测量光束一起被引导至光束偏转主体14，指示光束也可以被聚焦装置142聚焦至目标2，用于辅助辨别测量光束是否对准目标2或聚焦到目标2。

在一些示例中，调频激光光源151可以为线性的调频激光光源151。在一些示例中，调频激光光源151可以发射波长在900纳米至1600纳米的调频激光。优选地，本实用新型的调频激光光源151发射的发射光的长为1550纳米的调频激光。

在一些示例中，如图2或图5所示，激光三维扫描测量设备1还可以包括温控结构16。在一些示例中，温控结构16可以是多重温控结构，即温控结构16可以具有多层用于调节温度的层级结构。在一些示例中，温控结构16可以设置于基座13。

在一些示例中，温控结构16可以用于提高光纤光路系统15的环境稳定性。在一些示例中，光纤光路系统15可以位于温控结构16中。在这种情况下，能够实现基座13和保偏光纤150的温度调节，由此能够实现保偏光纤150和光纤光路系统15的恒温工作以提升测量的精确性。

根据本实用新型，能够提供一种能够提高设备的轻量化程度、结构的紧凑性和测量精度的抗干扰性的激光三维扫描测量设备1。

虽然以上结合附图和实施例对本实用新型进行了具体说明，但是可以理解，上述说明不以任何形式限制本实用新型。本领域技术人员在不偏离本实用新型的实质精神和范围的情况下可以根据需要对本实用新型进行变形和变化，这些变形和变化均落入本实用新型的范围内。

Claims (10)

1.一种激光三维扫描测量设备的光纤光路系统，其特征在于，所述激光三维扫描测量设备包括基座、设置于所述基座的第一旋转部、设置于所述第一旋转部的第二旋转部、以及设置于所述第二旋转部的光束偏转主体，所述光束偏转主体包括测量干涉仪，所述光纤光路系统设置于所述基座，所述光纤光路系统包括激光光源，所述测量干涉仪与所述激光光源通过保偏光纤进行连接，保偏光纤依次经过所述基座、所述第一旋转部和所述第二旋转部以将测量光束从所述激光光源引导至所述测量干涉仪。

2.如权利要求1所述的光纤光路系统，其特征在于，所述光纤光路系统还包括辅助干涉仪，所述辅助干涉仪用于实现所述激光光源的非线性校正。

3.如权利要求1所述的光纤光路系统，其特征在于，所述光纤光路系统还包括光纤耦合组件，所述光纤耦合组件用于实现所述测量光束的分束或合束。

4.如权利要求3所述的光纤光路系统，其特征在于，所述光纤光路系统还包括指示光源，所述指示光源用于产生指示光束以指示目标，所述指示光束经保偏光纤引导并经所述光纤耦合组件耦合至所述光纤光路系统。

5.如权利要求3所述的光纤光路系统，其特征在于，所述测量干涉仪包括部分反射组件，所述部分反射组件将所述测量光束分为第一光束和第二光束，所述第一光束经由所述部分反射组件透射至目标并被所述目标反射以形成第一反射光束，所述第二光束为所述测量光束经由所述部分反射组件反射以获得的光束。

6.如权利要求5所述的光纤光路系统，其特征在于，所述光纤光路系统还包括探测组件，所述光纤耦合组件利用保偏光纤形成光纤光路以将所述测量光束从所述基座引导至所述部分反射组件，并且所述光纤耦合组件将所述第一反射光束和所述第二光束引导至所述探测组件。

7.如权利要求6所述的光纤光路系统，其特征在于，所述光纤耦合组件包括保偏光纤偏振分束器，所述保偏光纤偏振分束器设置于所述光纤光路中且位于所述激光光源和所述部分反射组件之间。

8.如权利要求7所述的光纤光路系统，其特征在于，所述光纤耦合组件包括保偏光纤波分复用器，所述保偏光纤波分复用器设置于所述光纤光路中且位于所述激光光源和所述部分反射组件之间。

9.如权利要求8所述的光纤光路系统，其特征在于，所述光纤耦合组件包括保偏光纤环形器，所述保偏光纤环形器设置于所述光纤光路中且位于所述激光光源和所述部分反射组件之间。

10.如权利要求9所述的光纤光路系统，其特征在于，所述保偏光纤偏振分束器、所述保偏光纤环形器以及所述保偏光纤波分复用器依次设置于所述光纤光路中。