CN104132639A - 一种微型光学扫描测距装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微型光学扫描测距装置及方法，包括固定于装置底座，且由一成像透镜、一准直光源以及一感光芯片和一处理电路构成的一小基线光学测距系统，实现非接触式的高精度测距；还包括安装于所述测距系统上方的一可连续旋转的反光镜片，接收所述准直光源发射的准直光束，其中，测距模块中光源发出的准直光束始终保持与镜片旋转中轴线平行，实现扫描测距并在纵向范围上增加测距的视角范围，以及用于测量所述反光镜片方位角的一编码器，用于获取测距光束的角度信息。相比于现有设计，该光学扫描测距装置具有更小的体积以及更轻的重量，成本低，并无需测距电子设备进行旋转，可大幅提高设备的可靠性和工作寿命。

Description

一种微型光学扫描测距装置及方法

技术领域

本发明涉及一种光学扫描测距装置及方法，尤其涉及一种微型光学扫描测距装置及相应的扫描测距方法，通过减小基线，使装置具有更小的设备尺寸，并通过使用单一的反光镜片旋转实现测距光束的扫描，并增加纵向扫描的视角范围，使制造工艺更加简单，可大幅提高设备的可靠性和工作寿命。

背景技术

光学扫描测距装置是一种使用准直光束进行非接触式目标物体扫描测距的设备。通过将用于测距的准直光束(如激光)进行一定范围内的旋转，即可实现对所在环境一定环境内物体进行扫描测距，并提取出环境的轮廓信息。相比超声波、图像检测等手段，使用光学扫描测距装置可以实现非常高的扫描测距精度，并且测距速度快。因此在工业和民用领域具有非常高的应用价值，目前广泛的应用于机器人自主建图与导航定位(SLAM)、3D场景重建、安防检测等领域。

早期的光学扫描测距装置使用了光学飞行时间测量原理(Time of Flight,TOF)的激光测距并配合多组光学镜片实现扫描式测距。由于使用的TOF测距模块尺寸较大，并且包含的多组光学镜片需要在工作中保证精密的固定，因此给设计和生产这类扫描测距装置带来了很大挑战，并导致这类扫描测距装置的成本较高。同时，复杂的光学设备也增加了装置的尺寸和重量。这些因素很大的限制了这类扫描测距装置在成本和体积敏感的消费品领域应用。

为解决尺寸和成本问题，目前出现了使用三角测距方式的小型化光学扫描测距装置。这类装置将实现三角测距的激光器、成像透镜、感光芯片等设备安装在一可连续旋转的平台上实现测距光束的扫描。由于避免了使用复杂的光学镜片，因此有效地降低了体积和成本。然而，为了实现对旋转部件供电和通讯，这类装置需要使用导电滑环等实现旋转体间电信号传递的设备。这极大地影响了这类装置的使用寿命，一般持续工作一年，就会出现机械磨损老化导致故障。此外，测距模块整体旋转也会因为离心力作用，对外界产生振动。持续的振动会干扰外部系统的正常工作，也会使得扫描测距装置内部出现零件松动的风险，降低了可靠性。

同时，传统的扫描测距装置只能实现一个二维平面内的轮廓扫描。这给诸如机器人自主环境壁障等应用带来了不便。为了解决这个问题，现有的设计通过增加额外的扫描振镜，实现测距光束在纵向高度上实现偏转。也有的设计在纵向上设置多个测距模块实现同时采集多个高度平面的扫描测距数据。这类设计又额外的增加了系统的复杂度、体积和成本。

此外，传统三角法测距系统不易小型化，限制了其应用范围，且感光芯片无法检测出小于一个单位像素尺寸的位移变化，而这将影响三角测距模块的测量解析度，又加之芯片技术的不断发展，芯片的像素尺寸越来越小，对其配套的相应的光学系统的成像要求也越来越高，传统的光学设备已不能完全满足需求。如果既能保证激光测距仪器的精度和响应速度，又能缩小激光测距系统的尺寸，则可以极大的增加光学扫描测距装置的应用范围。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种微型光学扫描测距装置，解决了传统的光学扫描测距装置存在的问题，相对于传统的扫描测距装置而言，该光学扫描测距装置具有更小的体积、更轻的质量、更高的可靠性和更长的工作寿命。

本发明的另一目的在于提供一种微型光学扫描测距装置，通过提供一个360°连续旋转的反光镜片和固定于装置底座的一光学测距系统，实现非接触式扫描测距，在纵向范围上增加测距的视角范围，同时减少了光学测距系统的摩擦和振动，增加了测距的可靠性，使测距精度提高，并延长了装置的使用寿命。

本发明的另一目的在于提供一种微型光学扫描测距装置，同时使用一小基线的光学测距模块和一单一的反光镜片，降低了装置的复杂度，使得装置的制造工艺更加简单，易于生产制造，并降低了成本。

本发明的另一目的在于提供一种微型光学扫描测距装置，通过使用小基线的光学测距系统，使得装置具有更小的尺寸和更轻的质量，使得装置可以应用于体积敏感的领域，增大了装置的应用范围。

本发明的另一目的在于提供一种微型光学测距装置，通过安装一编码器，计量所述反光镜片旋转的角度信息，用于获取测距光束的角度信息，以进一步获取目标物体的环境信息。

本发明的另一目的在于提供一种微型光学测距装置，通过将反光镜片安装于光学测距系统上方，光学测距系统的准直光源发出的准直光束射向反光镜片，改变光路结构，进而扩大扫描范围。

本发明的另一目的在于提供一种小基线光学测距系统，包括一成像透镜、一感光芯片和一准直光源，其中所述感光芯片和所述成像透镜光轴之间保持一个非90°的夹角，以保证在使用大焦距镜头的情况下使得所述成像透镜始终能在所述感光芯片表面清晰成像。

本发明的另一目的在于提供一种光学扫描测距系统，包括至少一光学测距系统，一反光镜片和一转盘，其中所述光学测距系统固定不动，所述反光镜片随着所述转盘的转动而进行360°转动，以扩大扫描范围，获取更多的环境信息。

本发明的另一目的在于提供一种光学扫描测距方法，使一感光芯片与一成像透镜的中心光轴之间保持一大于0°并小于90°的夹角，使得基线缩小。

本发明的另一目的在于提供一种光学扫描测距方法，通过提供一可连续旋转的反光镜片，接收准直光束，改变准直光束的光路分布，在无需安装多个测距模块和扫描振镜的情况下，就可以扩大扫描范围，并增加纵向扫描测距的视角范围，操作简单、可靠性强、测距精度高。

本发明的另一目的在于提供一种光学扫描测距方法，在使用小基线光学测距系统的情况下，使准直光束直接射向目标物体，扫描物体的环境信息。

为满足本发明的以上目的和优势以及本发明的其他目的和优势，本发明提供一种微型光学扫描测距装置，包括一底座；一光学测距系统，安装于所述底座；一扫描模块，其包括一转盘和倾斜地连接于所述转盘的一反光镜片，其中所述反光镜片位于所述光学测距系统的上方，所述转盘可转动地连接于所述底座；和一数据处理模块，连接于转盘和所述底座，计量所述反光镜片旋转的角度信息。其中所述光学测距系统固定于所述底座。

进一步地，所述数据处理模块为一编码器，包括一编码器码盘和一脉冲感应元件，其中所述编码器码盘固定于所述转盘，所述脉冲感应元件固定于所述底座，且所述脉冲感应元件位于所述编码器码盘附近不产生接触的空间处，在本优选实施例中，安装于所述编码器码盘的上方一距离处。

所述微型光学测距系统进一步包括安装于所述底座的一动力模块，其包括一动力部件和一传动部件，其中所述传动部件连接于所述动力部件和所述转盘，得以使所述动力部件施加动力给所述转盘，促使所述转盘的转动。

更进一步地，所述光学测距系统包括一成像透镜、一感光芯片、一准直光源以及连接于所述感光芯片的一处理器电路，其中所述感光芯片和所述成像透镜光轴保持一个大于0°并小于90°的夹角，所述成像透镜的中心光轴与所述准直光源之间形成一基线，所述准直光源发射的准直光束与所述基线的垂线呈一夹角。

值得一提的是，所述光学测距系统进一步包括一固定结构，得以使所述成像透镜、所述感光芯片、所述准直光源和所述处理器电路固定于所述底座。

本发明进一步提供一种小基线光学测距系统，包括：一成像透镜；一感光芯片，安装于所述成像透镜的后方，其中所述感光芯片与所述成像透镜光轴呈一大于0°并小于90°的夹角；一准直光源，其与所述成像透镜的中心光轴之间形成一间隔距离；和一处理器电路，连接于所述感光芯片。

本发明又提供一种光学扫描测距系统，包括：一转盘；一反光镜片，其倾斜地连接于所述转盘；一动力部件，其连接于所述转盘，传递动力给所述转盘，得以使所述反光镜片在所述转盘的转动下转动；和一光学测距系统，安装于所述反光镜片的下方。其中所述光学测距系统包括一准直光源，其中所述准直光源发射的准直光束与所述反光镜的旋转转轴平行，并与所述反光镜的旋转转轴之间呈一间距，其中所述间距大于零或者所述准直光源发射的准直光束与所述反光镜的旋转转轴重合。

本发明再提供一种光学扫描测距方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)藉由一准直光束射向一旋转的反光镜片；

(b)经所述反光镜片偏转的所述准直光束照射一目标物体；

(c)所述目标物体对所述准直光束进行光信号反射；

(d)所述反射的光信号通过一成像透镜进行聚焦，投射到一感光芯片所在平面；和

(e)所述感光芯片进行光电信号转换，得到目标物体的环境信息。

本发明提供一种小基线光学扫描测距方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)藉由一准直光束射向一目标物体；

(b)所述目标物体对所述准直光束进行光信号反射；

(c)所述反射的光信号通过一成像透镜进行聚焦，投射到一感光芯片所在平面，其中所述感光芯片与所述成像透镜的中心光轴呈一大于0°小于90°的夹角；和

(d)所述感光芯片进行光电信号转换，得到目标物体的环境信息。

通过提供上述装置和方法，本发明达到了以上目的和有益效果。

附图说明

图1是根据本发明的一个优选实施例的微型光学扫描测距装置的立体结构示意图。

图2是传统的三角测距系统的平面几何原理示意图。

图3是根据本发明的上述优选实施例的三角测距系统的平面几何原理示意图。

图4是根据本发明的上述优选实施例的单一反光镜实现测距光束的360°广视角扫描的基本设置示意图。

图5是根据本发明的上述优选实施例的危险光学测距装置旋转过程中光路等效分析示意图。

图6是根据本发明的上述优选实施例的微型光学测距装置测距过程的一个光路效果分析示意图。

图7是根据本发明的上述优选实施例的微型光学测距装置的反光镜片旋转过程中扫描轨迹示意图。

图8是根据本发明的上述优选实施例的产生的光斑轨迹在平面上铺展的函数图形示意图。

图9是根据本发明的上述优选实施例的扫描覆盖区域示意图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

图1所示为本发明提供的一种微型光学扫描测距装置。如图1所示，一种微型光学扫描测距装置，包括一光学测距系统10、一扫描模块20、一数据处理模块30、一动力模块40和一底座50，其中所述动力模块40为所述扫描模块20提供动力，使所述扫描模块20对测距光束进行偏转并进行旋转扫描，因而实现装置的360°扫描测距，并通过所述数据处理模块30处理转化得出测距光束的角度信息，进而计算出所述光学测距系统10测得的环境信息，且所述光学测距系统10固定于所述底座50，所述扫描模块20、所述数据处理模块30和所述动力模块40均安装于所述底座50。

所述光学测距系统10可以为任意的光学测距系统，包括传统的光学测距系统。在本实施例中，所述光学测距系统10选为小基线三角测距系统，其包括一成像透镜11、一准直光源12、一感光芯片13、一处理器电路14和一固定结构15，其中所述成像透镜11、所述准直光源12、所述感光芯片13连接于所述处理器电路14，并固定地安装于所述底座50，即所述固定结构15得以使所述成像透镜11、所述准直光源12、所述感光芯片13和所述处理器电路14位于所述底座50的上部，并与所述底座50保持固定状态，不会随着所述扫描模块20的转动而转动。换句话说，当所述微型光学测距装置进行旋转扫描时，所述光学测距系统10与所述底座50保持静止状态，不参与装置工作中的旋转运动。

所述扫描模块20包括一反光镜片21、一支撑元件22、一转盘23和至少一轴承24，其中所述转盘23通过所述轴承24连接于所述底座50，且位于所述底座50的上部，并可以相对于所述底座50的平面自由地进行360°任意多圈的旋转。所述反光镜片21通过所述支撑元件22与所述转盘23的一边缘相连接，并随着所述转盘23的转动而进行相应的转动，其中所述反光镜片21倾斜地位于装置的正上方，并位于所述成像透镜11、所述准直光源12和所述感光芯片13的上方，得以接收所述准直光源12发射的准直光束。在本实施例中，所述反光镜片21为单个反光镜片，并保持与所述底座50所在平面呈45°夹角的状态，换句话说，所述反光镜片21与其自身的旋转转轴呈现45°夹角，得以使所述反光镜片21能够改变所述准直光源12发射的所述准直光束的光路，扩大扫描范围，并可在纵向范围上增加测距的视角范围，以获取更多的环境信息。

值得一提的是，所述准直光源12可以安装于与所述反光镜片21的旋转转轴平行的位置，也可以以任意姿态放置于设备当中。在本实施例中，优选为安装于与所述反光镜片21的旋转转轴平行的位置，使得所述准直光源12可以向所述反光镜片21发射准直光束，换句话说，当所述准直光源12可以安装于与所述反光镜片21的旋转转轴平行的位置，直接向着所述反光镜片21发射所述准直光束，即所述准直光束直接射向所述反光镜片21。此外，所述反光镜片21也可以以任意姿态放置于设备当中，再通过安装至少一附加反光镜对所述准直光束进行预先偏转，使得偏转后的所述准直光束平行于所述反光镜片21的旋转转轴，最终实现与本实施例优选的安装方式相同的效果，即将所述准直光束平行于所述反光镜片21的旋转转轴并朝向所述反光镜片21的方向发射。

另外，所述准直光源12发射的所述准直光束可以与所述反光镜片21的旋转转轴之间保持一大于零的间距，也可以与其重合。当所述准直光源12与所述反光镜片21的旋转转轴之间保持一间距，且所述间距大于零时，本发明的光学扫描测距装置可以实现三维平面的扫描。当所述准直光源12与所述反光镜片21的旋转转轴重合时，即所述准直光源与所述反光镜片21的旋转转轴之间的间距为零时，本发明的光学扫描测距装置可以实现二维平面的扫描。在本实施例中，优选为所述准直光源12与所述反光镜片21的旋转转轴之间保持一大于零的间距。

所述数据处理模块30主要用于获取测距光束的角度信息，以便于计算装置的测距信息，可以选择多种数据处理工具。在本实施例中，所述数据处理模块30优选为一编码器，其包括一编码器码盘31和一脉冲感应元件32，其中所述编码器码盘31安装于所述转盘23上，并随着所述转盘23的转动而转动，所述脉冲感应元件32位于所述编码器码盘31的上方一距离处，即二者之间有一定的间隙，换句话说，所述脉冲感应元件32与所述编码器码盘31不存在机械接触，且所述脉冲感应元件32连接于所述底座50，与所述底座50保持固定状态，即不会随着所述转盘23的转动而转动。这样的话，当所述反光镜片21随着所述转盘23的转动而转动时，所述编码器码盘31随着转动，此时，固定不动的所述脉冲感应元件32将读出所述编码器码盘31当前位置的编码信号，并通过相应的处理转化为所述反光镜片21的角度数据，以得出目标物体的环境信息。

值得一提的是，所述成像透镜11、所述准直光源12、所述感光芯片13和所述处理器电路14均位于所述编码器码盘31的上方，而所述编码器码盘31位于所述转盘23的上方，其中所述处理器电路14连接于所述脉冲感应元件32和所述感光芯片13，并位于所述成像透镜11和所述准直光源12的下方，且位于所述编码器码盘31的上方，其中所述编码器码盘31位于所述转盘23和所述处理器电路14之间，且所述转盘23位于所述底座50的上方。换句话说，所述底座50得以支撑所述光学测距系统10、所述扫描模块20和所述数据处理模块30。

进一步地，所述动力模块40安装于所述底座50，可以实现所述反光镜片21的自动转动，即所述动力模块40包括一动力部件41和一传动部件42，其中所述动力部件41安装于所述底座50的下部，并连接于所述传动部件42，所述传动部件42进一步通过所述轴承24连接于所述转盘23，将所述动力部件41给予的动力传递给所述轴承24，其中所述轴承24和所述传动部件42安装于所述底座50并位于所述转动23的下方，带动所述转盘23进行360°转动，而所述转盘23将动力传递给所述反光镜片21，进而促使所述反光镜片21进行360°的旋转，实现全方位扫描测距。在本实施例中，所述动力部件41优选为一电机，通过供电的方式带动所述转盘23自动旋转，进而促使所述反光镜片21自动旋转，实现自动扫描测距。另外，所述传动部件42可以选为皮带或者齿轮等其他能够传动动力的部件，进而给所述反光镜片21提供动力，在本实施例中，所述传动部件42选为皮带。

所述准直光源12用于测距，可以是通过激光发射器发射的激光，也可以是经过透镜聚焦的LED光源，在本实施例中，优选为激光，这是由于激光具有良好的单色性，方向性和相干性，能量集中，方向性好，测距精度高，测程远，抗电磁波干扰能力强，隐蔽性好，亮度高，是绝大多数主动光学探测系统的首选光源，自然也是作为利用主动光学探测方法的激光测距的首选光源。

在本发明中，所述光学测距系统10可以实现超小基线的光学三角测距，使得本发明的光学测距装置具有更小的体积以及更轻的重量。此外，在扫描测距的过程中，所述光学测距系统10无需旋转，提高了测距的可靠性，并延长了装置的使用寿命。这主要是因为本发明提供了相应的光路结构设计，改变了传统的光路结构。

此外，本发明的光学测距系统10，也可以使用采用光飞行时间(TOF)测量方式的测距系统，结合实施例中的相应的所述扫描模块20、所述数据处理模块30、所述动力模块40和所述底座50进行扫描测距，同样可以达到在单个反光镜片的作用下，实现扩大纵向扫描视角的目的，并且生产制造简单，成本较低，使用寿命长，工作性能稳定可靠。

在本实施例中，本发明提供的微型光学扫描测距装置的工作方法称为小基线光学扫描测距方法：具体为开启所述微型光学扫描测距装置，使所述准直光源12发射所述准直光束，所述准直光束射向所述反光镜片21，所述反光镜片21对所述准直光束进行偏转，经偏转的所述准直光束再射向一目标物体，在所述目标物体表面形成一光斑(如图3中的P)，其中所述光斑产生光信号反射，射向所述成像透镜11，通过所述成像透镜11聚焦，然后在所述感光芯片13表面形成一投影点(如图中的P’)，所述感光芯片13进行光电信号转换为所述投影点的位置坐标，并结合所述编码器30获取的所述反光镜片21方位角信息转换得到的测距光束的角度信息，并通过相应的光学计算，获得所述目标物体的环境信息。

在上述各过程中，所述转盘23进行360°的连续转动，所述反光镜片21随着所述转盘23进行360°的转动，对使得偏转后的所述准直光束可以照射所述目标物体的不同位置，同时所述编码器30连续记录所述反光镜片21的方位角信息，并转化为所述测距光束的角度信息，且所述感光芯片13也同时记录不同投影点的位置坐标，结合所述编码器30和所述感光芯片13纪录的信息，可以全方位的得到所述目标物体的环境信息。以上是针对本发明优选的所述准直光源12安装于与所述反光镜片21的旋转转轴平行的位置的扫描测距方法。此外，当所述准直光源12以任意姿态放置于装置中的时候，为了使装置更好的工作，增加了所述的附加反光镜片，所述准直光源12发射的所述准直光束首先射向所述附加反光镜片，所述附加反光镜片将所述准直光束偏转至与所述反光镜片21旋转转轴平行时再射向所述反光镜片21，而不是上述的直接射向所述反光镜片21，其他测距方法与上述步骤相同。

一种小基线光学扫描测距方法，可以总结为主要包括以下步骤：

(a)藉由所述准直光束射向所述旋转的反光镜片21；

(b)经所述反光镜片21偏转的所述准直光束照射所述目标物体；

(c)所述目标物体对所述准直光束进行光信号反射；

(d)所述反射的光信号通过所述成像透镜11进行聚焦，投射到所述感光芯片13所在平面；和

(e)所述感光芯片13进行光电信号转换，并结合一编码器获取的所述反光镜片的方位角信息，得到目标物体的环境信息。

一个标准的光学三角测距系统主要由如下各核心部件构成：准直光源、成像透镜及感光芯片。传统的三角测距系统的主要组成即平面几何原理示意图如图2所示，为进行三角测距，设计上要求成像透镜的中心光轴与准直光源之间有一定的间隔距离，该间隔距离称为基线(baseline)。而缩小基线的长度是减小三角测距系统尺寸的关键，从而可以实现光学扫描测距系统的微型化。

产生用于测距使用的准直光束与基线的垂线呈现一夹角β。在进行测距时，准直光束会在目标物体表面产生一个光斑并产生光信号反射，如图2所示的P点就是一个被准直光束照射到的光斑。通过检测来自该光斑反射的光信号，就可计算出测距系统距离该光斑的距离信息。该距离值可以用如图中准直光源发射至P点的长度L来表示。

反射的光信号会先经过测距系统内的一个成像透镜进行聚焦，随后投影到位于成像透镜后方焦距f距离的感光芯片所在表面上。感光芯片表面一般与镜头光轴保持垂直并于基线平行。在目标物体的光斑P会在感光芯片表面产生一个投影点：P’。通过感光芯片进行光电信号转换，可以得到该投影点P’位于感光芯片成像表面的位置坐标：x。感光芯片一般使用CMOS或者CCD技术的感光阵列芯片，也可以是位置敏感元件(PSD)。

在工作中，由于感光芯片、成像透镜以及准直光源之间需要保持严格的固定，baseline和f是固定不变的，并且其取值可以事先通过校正的手段明确。

通过相似三角形的法则，由于上述的几个参数x、f、β、baseline的数值可以确定，因此目标物体表面上光斑到三角测距系统基线的垂直距离d就可以通过如下公式求出：

$d=\frac{\mathrm{baseline}*f}{x}$

并进一步的可以得到准直光源到P点的距离：

$L=\frac{\mathrm{baseline}*f}{x*\cos \left(\mathrm{\β}\right)}$

为了缩小三角测距系统的尺寸，最直接的方法就是缩小系统的基线baseline的数值。对于本发明提出的微型光学扫描测距装置而言，应当控制理想的基线长度，在本实施例中，例如，将理想的基线长度控制在2cm以内。

然而在实际中受到清晰度、测量误差等各种因素制约，三角测距系统的基线并不能随便的缩小。这是因为在实际测量中，三角法测距系统有许多定位参数要求，在测量设备上标定非常繁琐和费时，测量中若无法正确获得系统的某项参数值，将对测量造成误差，此外，当测量设备有微小变化时，系统中的每项参数值必须进行重新标定，其对测量环境的适应性差，所以，任何一个参数的改变都应该经过严格的设计，都不能随意改变，改变后，需要对装置进行重新设计。而为了缩小设备的尺寸，增加其应用范围，需要缩小基线，为了在保证成像清晰度的情况下实现更小基线的三角测距系统，就有必要对整个系统的设计做出修改。

此外，受到目前感光芯片工艺的限制，对上述公式中x的检测会因为感光芯片上单像素尺寸的制约从而丢失精度：感光芯片无法检测出小于一个单位像素尺寸的x位移变化。而这将影响三角测距模块的测量解析度。对于在给定位置d处，一个三角测距系统所能实现的理论解析度d_res由如下公式决定：

$d_{\mathrm{res}}=\frac{d^2*x_{\mathrm{res}}}{\mathrm{baseline}*f}$

d_res不但受到x分辨率x_res的影响，也受到基线baseline和镜头焦距f的影响。当被测物体较远时，d_res会以二次指数的趋势降低(d_res增大表示解析度降低)。

为满足设备的实用性，对于三角测距系统的测距解析度做出要求是必须的，即每一种三角测距系统的测距解析度都需要满足相应的条件。根据测距解析度的公式可知，在x_res固定的条件下，为了保证测距系统的解析度满足要求，同时又要降低基线长度来缩小设备尺寸，就需要增大焦距f，即使用更大的镜头焦距f，否则，成像清晰度将严重下降，测量精度也较低，将导致装置不能使用。

对于本发明，如果要在使用2cm长度基线的同时，测距系统在5米处的解析度在1cm左右。结合上述公式，就需要对感光芯片提取x的解析度x_res以及镜头焦距做如下的要求：

例如，针对目前市面上低成本的CMOS感光芯片的像素的最小尺寸是2.2um的宽度。如果需要更小的像素尺寸，势必会大幅增加设备成本。而在相关算法的配合下，可以将x的定位解析度控制在0.1个次像素的级别。即目前可以最优可实现x_res＝0.22um。通过上述公式计算，可得镜头焦距f需要满足：

$f\≥\frac{{5m}^2*0.22\mathrm{um}}{2\mathrm{cm}*1\mathrm{cm}}=27.5\mathrm{mm}$

而为了实现如此大焦距镜头在不同量程范围内都能在感光芯片表面清晰成像，因此就需要对传统的三角测距系统做出修改，修改后的光学测距系统的主要构成部分及平面几何原理光路示意图如图3所示，相对于传统的光学测距系统的光路分布而言，本发明修改后的光学测距系统改变了光路的分布方向，这对降低设备尺寸同时满足其精度要求至关重要。

如图3所示，为了使用保证在大焦距镜头的情况下使得所述成像透镜11始终能在所述感光芯片13表面清晰成像，确保所述三角测距系统10正常工作，就需要对所述感光芯片13与所述成像透镜11的光轴保持一个非90°的夹角θ，换句话说，在本实施例中，所述夹角θ大于0°小于90°。该夹角的取值可以按照斯凯姆普夫拉格条件(Scheimpflug principle)确定：

f₀*tan(θ)＝baseline

其中，f₀是透镜中心点透过主光轴到感光芯片表面的距离。它可由如下公式确定：

$f_0=\frac{1}{\frac{1}{f}-\frac{1}{\mathrm{baseline}*\cot \left(\mathrm{\β}\right)}}$

其中，β一般可以取经验数据83°。因此，可以求出感光芯片与成像透镜光轴的夹角是：25°。

由于修改了三角测距的光路结构，因此上述的测距公式对应做出修改为：

$L=\mathrm{baseline}*\frac{x\cos \mathrm{\θ}+f_0}{f_0*\sin \left(\mathrm{\β}\right)+x*\sin (\mathrm{\β}+\mathrm{\θ})}$

在实际实现中，由于上述公式的绝大部分参数均为常数，因此可以省去处理器对大部分三角函数运算的处理，极大地加快了运算速度。

另外，为了使本发明提供的微型光学测距装置能够实现扫描测距，并实现纵向范围的广视角扫描，以获取更多的环境信息。本发明还提供了一个可连续旋转的所述反光镜片21，其中所述反光镜片21使得装置实现了扫描测距并可以在纵向范围上增加测距的视角范围。所述反光镜片21实现测距光束的360°广视角扫描的基本设置如图1和图4所示，需要对所述反光镜片21的尺寸和安装进行精密的设计，以使满足所述微型光学测距装置在实际使用中的需求。

如图1和图4所示，在装置的顶部安装了一个可以连续360°旋转的所述反光镜片21，可以选为平面镜，其中所述反光镜片21旋转的转轴由图4中的与所述反光镜片21接触的垂直虚线表示，所述反光镜片21与所述旋转转轴呈现45°夹角。

图4中的底部为一个光学测距系统，它可以是本发明提到的所述光学测距系统10，也可以是传统的三角测距系统(即感光芯片与成像透镜中心光轴垂直)，也可以是其他类型的光学测距系统，例如上文提到的TOF测距系统。其基线长度为b，其中准直光源向着反光镜发射准直光束，准直光束始终保持与反光镜的旋转转轴平行，并可与旋转转轴保持一定间距，用d表示，其中d≥0，在本实施例中，选取d＞0。

反光镜在外形设计上要求是一个可以完整的包含直径为L的圆形的任意几何图形。只有满足上述设计，反光镜在旋转过程当中才能始终有足够的反射面积用于对测距系统的光路进行偏转。其中，直径L的取值需要满足：

$L\≥\sqrt{2}b$

为了实现最小的外形尺寸，可以直接使用直径为L的圆形反光镜片，以达到最小的装置尺寸。

在反光镜与底部的测距系统的安装上，要求准直光源与反光镜转轴的间距d不能超过b的一半。即要求：

$d\≤\frac{b}{2}$

从上述关系可见，测距系统的基线大小同时也决定着反光镜的尺寸。对于本发明采用的2cm基线的测距系统，则至少需要直径是的圆形反光镜片。

扫描光路信号的计算

当反光镜进行旋转开始扫描时，由测距模块发出的准直光束将被反光镜表面反射，并产生90°的偏转，实现水平面的旋转式扫描测距。为了简化分析其中的光路结构，可以将反光镜看作静止参照系。此时，测距模块相对于反光镜沿着反光镜的旋转中心做360°旋转，旋转过程中的光路等效分析如图5所示。

在以反光镜做为静止参照系后，底部的测距系统中的准直光源相对于反光镜绕着反光镜转轴以d为半径作圆周运动。做圆周运动的准直光束通过反光镜反射后，将产生90°的偏转，并向水平方向射出。若此时在水平射出的光束方向上垂直于光束放置一面平面白墙，则可观测到一作圆周运动的光斑轨迹。本发明的扫描测距装置在运行过程中需要求出图中光斑轨迹上各点相对于反光镜旋转中心O点为坐标系原点的坐标信息。如图中P₁,P₂,P₃分别是准直光源相对于反光镜旋转在不同角度位置处的光斑点，而P'₁,P'₂,P'₃是各光斑点在透镜中产生的虚像位置。准直光源到P'₁,P'₂,P'₃的距离可以通过激光测距系统按照上文介绍的公式求得，并可以得出对上图P'₁,P'₂,P'₃各点到光源的距离值是一致的。因此圆形轨迹的各点到对应的光源的距离L_a+L_b可通过上述虚像求出。

进一步的，光斑P点的坐标信息使用如下方式求出，这里将参考图6进行说明。

图6中光斑点P相对于反光镜旋转中心的坐标使用了球坐标系方式表示：

P(r,θ,φ)

其中各项值可由如下公式求出：

$\left\{\begin{array}{c}r=\sqrt{{(l_a+l_b-l_0)}^2+d^2}\\ \mathrm{\θ}={\sin }^{-1}\left(\frac{d*\cos \left(\mathrm{\ψ}\right)}{\sqrt{{(l_a+l_b-l_0)}^2+d^2}}\right)+\frac{\mathrm{\π}}{2}\\ \mathrm{\φ}={\tan }^{-1}\left(\frac{d*\sin \left(\mathrm{\ψ}\right)}{l_a+l_b-l_0}\right)\end{array}\right.$

其中，l_a+l_b为使用测距系统求出的点P至准直光源的距离，它可由前文给出的公式求出。l₀为反光镜旋转中点O到准直光源旋转平面中心点O’的距离。该数值在测距装置组装完毕后为一常数，可通过校正等手段求得。ψ为准直光源相对于反光镜作圆周运动的转角，它实质上是反光镜旋转的角度，可通过扫描测距装置的编码器求出。

采用上述反光镜装置的扫描测距装置在工作时，测距光束将在以反光镜旋转中心点为中心，高度为2d的扫描区域内做360°旋转扫描。其测距光束的扫描轨迹如图7所示。

当扫描测距装置自身保持静止，反光镜完成一周360°扫描后，其光斑轨迹在平面上的平铺展开为一接近d*sin(ψ)的函数图形，如图8所示。

相比传统二维的光学扫描测距，本发明的扫描轨迹具有2d高度的纵向扩展，提高了测试范围。并且通过扫描测距装置本身的旋转或者外加其他的机构，可以实现对2d高度区域的完整扫描覆盖，如图9所示。

另外，值得一提的是，本发明提供的小基线三角测距系统以及安装可旋转地单个反光镜片实现360°扫描的扫描模块可以结合使用，即在同一个装置中使用，构成本发明提供的微型光学扫描测距装置。也可以变形，将小基线三角测距系统和可旋转地单个反光镜片的扫描模块分开使用，通过与其他设备结合构成包含小基线三角测距系统、但不包含可旋转地单个反光镜片的扫描模块的第一种光学扫描测距装置，或者构成包含可旋转地单个反光镜片但不包含小基线三角测距系统的第二种光学扫描测距装置，换句话说，可旋转地单个反光镜片的扫描模块可以与其他的光学测距系统结合形成所述第一种光学扫描测距装置，而小基线三角测距系统也可以与其他的元件结合使其旋转形成所述第二种光学扫描测距装置。

例如，对于第一种光学扫描测距装置，单个反光镜片的安装及编码器的安装可以与本发明实施例中的微型光学测距装置的安装方法相同，将小基线三角测距系统换为传统的三角测距系统或TOF光学测距系统及其他的光学测距系统。当使用第一种光学扫描测距装置时，通过相应的光学测距系统发射光束，通过单个反光镜片进行360°扫描纪录即可，扫描模块的旋转同本发明的实施例中的旋转扫描方式。

再例如，对于第二种光学扫描测距装置，可以将小基线光学测距系统结合传统的可旋转地平台，使小基线三角测距系统中的成像透镜、感光芯片、准直光源和处理器电路安装在可旋转地平台上，随着平台的转动而转动，实现扫描测距。此外，为了扩大纵向的扫范围，可以纵向依次安装多个小基线三角测距系统。当然，也可以在装置中只使用一个小基线三角测距系统，且不使其旋转，只测定一个点的位置。进行当使用第二种光学扫描测距装置时，准直光源发射的准直光束直接照射目标物体，在目标物体表面形成光斑，且随着准直光源的旋转，准直光束可以照射目标物体的不同位置，通过成像透镜聚焦，在感光芯片表面形成投影点，感光芯片进行光电信号转换得到投影点的位置坐标，并经过相应的光学计算，获取测量的目标物体的环境信息。如果安装有多个小基线三角测距系统，则多个系统同时按照上述方法工作，得到较广的纵向范围的环境信息。

一种光学扫描测距方法，可以总结为主要包括以下步骤：

(a)藉由所述准直光束射向所述目标物体；

(b)所述目标物体对所述准直光束进行光信号反射；

(c)所述反射的光信号通过所述成像透镜进行聚焦，投射到所述感光芯片所在平面，其中所述感光芯片与所述成像透镜的中心光轴呈一大于0°小于90°的夹角；和

(d)所述感光芯片进行光电信号转换，得到目标物体的环境信息。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (38)

1.一种微型光学扫描测距装置，其特征在于，包括：

一底座；

一小基线光学测距系统，安装于所述底座；

一扫描模块，其包括一转盘和倾斜地连接于所述转盘的一反光镜片，其中所述反光镜片位于所述光学测距系统的上方，所述转盘可转动地连接于所述底座；和

一数据处理模块，连接于所述转盘和所述底座，计量所述反光镜片旋转的角度信息。

2.如权利要求1所述的微型光学扫描测距装置，其特征在于，所述小基线光学测距系统固定于所述底座。

3.如权利要求1或2所述的微型光学扫描测距装置，其特征在于，所述数据处理模块为一编码器，包括一编码器码盘和一脉冲感应元件，其中所述编码器码盘固定于所述转盘，所述脉冲感应元件固定于所述底座，且所述脉冲感应元件位于所述编码器码盘附近不产生接触的空间处。

4.如权利要求1，2或3所述的微型光学扫描测距装置，其特征在于，进一步包括安装于所述底座的一动力模块，其包括一动力部件和一传动部件，其中所述传动部件连接于所述动力部件和所述转盘，得以使所述动力部件施加动力给所述转盘，促使所述转盘的转动。

5.如权利要求1，2，3或4所述的微型光学测距装置，其特征在于，所述小基线光学测距系统包括一成像透镜、一感光芯片、一准直光源以及连接于所述感光芯片的一处理器电路，其中所述感光芯片和所述成像透镜光轴保持一个大于0°并小于90°的夹角，所述成像透镜的中心光轴与所述准直光源之间形成一基线，所述准直光源发射的准直光束与所述基线的垂线呈一角度。

6.如权利要求5所述的微型光学扫描测距装置，其特征在于，所述小基线光学测距系统进一步包括一固定结构，得以使所述成像透镜、所述感光芯片、所述准直光源和所述处理器电路固定于所述底座。

7.如权利要求6所述的微型光学扫描测距装置，其特征在于，所述扫描模块进一步包括一支撑元件，其中所述支撑元件得以使所述反光镜片倾斜地安装于所述转盘的边缘。

8.如权利要求1，2，3，4，5或7所述的微型光学扫描测距系统，所述反光镜片与所述底座所在平面呈45°夹角。

9.如权利要求8所述的微型光学扫描测距装置，其特征在于，所述扫描模块进一步包括一轴承，其连接于所述转盘和所述传动部件之间，得以传递动力给所述转盘。

10.如权利要求1，2或9所述的微型光学扫描测距装置，其特征在于，所述光学测距系统为三角光学测距系统或TOF测距系统。

11.一种小基线光学测距系统，其特征在于，包括：

一成像透镜；

一感光芯片，安装于所述成像透镜的后方，其中所述感光芯片与所述成像透镜光轴呈一夹角，其中所述夹角大于0°并小于90°；

一准直光源，其与所述成像透镜的中心光轴之间形成一间隔距离；和

一处理器电路，连接于所述感光芯片。

12.如权利要求11所述的光学测距系统，其特征在于，所述准直光源为激光。

13.如权利要求11所述的光学测距系统，其特征在于，所述准直光源为LED光源，且所述光学测距系统进一步包括一聚焦透镜，安装于所述LED光源的前方，以聚焦所述LED光源。

14.如权利要求11，12或13所述的光学测距系统，其特征在于，所述感光芯片为CMOS感光阵列芯片、CCD感光阵列芯片或PSD。

15.如权利要求14所述的光学测距系统，其特征在于，所述感光芯片与所述成像透镜之间呈25°夹角。

16.一种光学扫描测距系统，其特征在于，包括：

一转盘；

一反光镜片，其倾斜地连接于所述转盘；

一数据处理模块，连接于转盘，计量所述反光镜片旋转的角度信息。

一动力部件，其连接于所述转盘，传递动力给所述转盘，得以使所述反光镜片在所述转盘的转动下转动；和

一光学测距系统，安装于所述反光镜片的下方。

17.如权利要求16所述的光学扫描测距系统，其特征在于，所述数据处理模块为一编码器，包括一编码器码盘和一脉冲感应元件，其中所述编码器码盘固定于所述转盘，所述脉冲感应元件位于所述编码器码盘的上方一距离处，记录所述编码器码盘的位置信息。

18.如权利要求16或17所述的光学扫描测距系统，其特征在于，所述反光镜片与其旋转转轴呈45°夹角。

19.如权利要求16，17或18所述的光学扫描测距系统，其特征在于，所述光学测距系统包括一准直光源，其中所述准直光源发射的准直光束与所述反光镜的旋转转轴平行，并与所述反光镜的旋转转轴之间呈一间距，其中所述间距大于零。

20.如权利要求16，17或18所述的光学扫描测距系统，其特征在于，所述光学测距系统包括一准直光源，其中所述准直光源发射的准直光束与所述反光镜的旋转转轴重合。

21.如权利要求19所述的光学扫描测距系统，其特征在于，所述准直光源安装于与所述反光镜旋转转轴平行的位置。

22.如权利要求19所述的光学扫描测距系统，其特征在于，所述准直光源任意安装，并包括至少一附加反光镜，其中所述附加反光镜对所述准直光束进行偏转，得以使所述准直光束与所述反光镜的旋转转轴平行。

23.如权利要求20所述的光学扫描测距系统，其特征在于，所述准直光源安装于与所述反光镜旋转转轴重合的位置。

24.如权利要求20所述的光学扫描测距系统，其特征在于，所述准直光源任意安装，并包括至少一附件反光镜，其中所述附加反光镜对所述准直光束进行偏转，得以使所述准直光束与所述反光镜的旋转转轴重合。

25.如权利要求22或24所述的光学扫描系统，其特征在于，所述光学测距系统为三角测距系统或TOF测距系统。

26.一种小基线光学扫描测距方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)藉由一准直光束射向一旋转的反光镜片；

(b)经所述反光镜片偏转的所述准直光束照射一目标物体；

(c)所述目标物体对所述准直光束进行光信号反射；

(d)所述反射的光信号通过一成像透镜进行聚焦，投射到一感光芯片所在平面；和

(e)所述感光芯片进行光电信号转换，并结合一编码器获取的所述反光镜片的方位角信息，得到目标物体的环境信息。

27.如权利要求26所述的小基线光学扫描测距方法，其特征在于，在所述步骤(a)中，所述准直光束由一准直光源发射，其中所述准直光源安装于平行于所述反光镜片旋转转轴的位置，并朝向所述反光镜片发射所述准直光束。

28.如权利要求26所述的小基线光学扫描测距方法，其特征在于，在所述步骤(a)中，所述准直光束由一准直光源发射，其中所述准直光源安装于与所述反光镜片旋转转轴之间形成一角度的位置，所述准直光束首先射向至少一附加反光镜片，所述附加反光镜片将所述准直光束偏转至与所述反光镜片旋转转轴平行时再射向所述反光镜片。

29.如权利要求26，27或28所述的小基线光学扫描测距方法，其特征在于，在所述步骤(a)至(e)中，经偏转的所述准直光束在所述目标物体表面形成一光斑，其中所述光斑产生光信号反射，通过所述成像透镜聚焦，然后在所述感光芯片表面形成一投影点，所述感光芯片进行光电信号转换为所述投影点的位置坐标，并结合所述编码器获取的所述反光镜片方位角信息转换得到的测距光束的角度信息，获得所述目标物体的环境信息。

30.如权利要求26，27，28或29所述的小基线光学扫描测距方法，其特征在于，在所述步骤(a)和所述步骤(b)中，所述准直光束保持固定，所述反光镜片通过一转盘连续旋转，扫描所述目标物体。

31.如权利要求30所述的小基线光学扫描测距方法，其特征在于，在所述步骤(a)中，随着所述转盘的旋转，所述反光镜片进行连续旋转，对所述目标物体进行360°的扫描测距。

32.如权利要求31所述的小基线光学扫描测距方法，其特征在于，所述反光镜片通过与其旋转转轴呈一45°夹角，并倾斜地安装于所述转盘，对所述目标物体的纵向范围进行扫描。

33.如权利要求26，27，28，29，30，31，32或33所述的小基线光学扫描测距方法，其特征在于，在所述步骤(d)中，所述感光芯片与所述成像透镜的中心光轴保持一夹角，其中所述夹角大于0°小于90°。

34.一种光学扫描测距方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)藉由一准直光束射向一目标物体；

(b)所述目标物体对所述准直光束进行光信号反射；

(c)所述反射的光信号通过一成像透镜进行聚焦，投射到一感光芯片所在平面，其中所述感光芯片与所述成像透镜的中心光轴呈一大于0°小于90°的夹角；和

(d)所述感光芯片进行光电信号转换，得到目标物体的环境信息。

35.如权利要求34所述的光学扫描测距方法，其特征在于，在所述步骤(a)中，通过所述准直光束的连续旋转，对所述目标物体进行360°扫描。

36.如权利要求35所述的光学扫描测距方法，其特征在于，所述准直光束由一准直光源发射，其中所述准直光源、所述成像透镜和所述感光芯片均安装于一旋转的平台，得以使所述准直光束可旋转地扫描所述目标物体。

37.如权利要求34，35或36所述的光学扫描测距方法，其特征在于，在所述步骤(a)中，通过在纵向范围内安装多个所述感光芯片、所述成像透镜和所述准直光源，对所述目标物体进行纵向扫描，其中所述感光芯片与所述成像透镜之间呈一大于0°小于90°的夹角。

38.如权利要求37所述的光学扫描测距方法，其特征在于，在所述步骤(a)中，所述准直光束由一激光器发射或由经至少一透镜聚焦的一LED光源发射。