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激光3D视觉系统高效扫描光学系统的设计与实现

唐甜甜  
【摘要】:激光3D视觉系统是集激光技术、成像技术、测时技术及控制技术于一体的新一代三维图像信息获取技术,具有非常高的角分辨率、距离分辨率和速度分辨率,是目前复杂环境三维图像感知的最有效技术手段之一。因此,其在智能机器人、无人车或无人机等军事和民用领域得到了广泛应用。 低成本、小型化和高清晰是激光3D视觉系统未来的发展趋势。本文以X-Y检流计振镜作为扫描成像器件,从光机扫描光学系统设计与实现入手,重点解决X-Y检流计振镜扫描技术中的高效关键问题,初步构建了一个扫描式激光3D视觉实验平台,并进行实验验证。论文主要从以下几个方面展开: 首先,重点介绍了激光3D视觉系统设计中理论基础知识,即目标距离信息提取方法、目标俯仰方位信息提取方法以及扫描光学系统设计方法等,确定了检流计振镜二维扫描、直接探测和偏振隔离的激光3D视觉系统的设计方案。 其次,利用ZEMAX光学设计软件,设计与加工完成检流计振镜扫描光学系统、预扩束光学系统以及物镜加场镜的接收光学系统。选择物方方式以实现扫描光学系统的高效性。推导X-Y检流计扫描振镜的坐标位置、扫描角度和扫描距离之间的关系式。仿真研究扫描轨迹如“折线扫描”和“蛇形扫描”与扫描速度之间关系,以实现扫描光学系统高速性。 最后,利用连续632.8nm和1550nm脉冲光纤激光器以及本论文设计加工完成的光学系统、光电探测器和控制系统,搭建一套扫描式激光3D视觉实验系统。实验研究扫描振镜驱动电压与扫描角度的线性关系、在不同扫描角度下振镜每秒能够实现的最大扫描行数,验证本论文设计的可行性。


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