CN106896367A - 一种光学测距装置及光学测距系统 - Google Patents
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Abstract
一种光学测距装置，所述光学测距装置包括外壳、底盖、发射透镜、接收透镜以及电路板，其中，发射透镜和接收透镜固定于电路板上，电路板包括光发射模块、接收模块以及数据处理与控制模块，外壳与底盖将电路板、接收透镜以及发射透镜固定设置于外壳与底盖所形成的空间内；光发射模块中的光源发射红外探测光，依次经过发射透镜和外壳，入射到外部环境中，所述红外探测光遇到物体被反射，依次经过外壳和接收透镜后，接收模块接收被物体反射的红外探测光，信号处理与控制模块与接收模块相连接，所述光学测距装置基于飞行时间法计算所述光学测距装置与物体之间的距离。由于采用飞行时间法的光学测距装置，结构设计更为灵活。
Description
技术领域
本申请涉及一种光学测距装置以及一种光学测距系统。
背景技术
现有技术中，三角测距法主要采用激光光源发出探测光。但是，采用三角测量法：需要将激光光源与测距单元设置成具有一定的角度与距离，且处于同一平面内的支撑结构，这样就限制了测距装置的结构设计，使得测距装置的体积较大。
为了解决上述问题，本申请公开了一种基于飞行时间（Time of Flight，TOF）法的光学测距装置以及测距系统。由于采用飞行时间法的光学测距装置中不受上述三角位置关系的制约，结构设计更为灵活。
发明内容
一种光学测距装置，所述光学测距装置包括外壳、底盖、发射透镜、接收透镜以及电路板，其中，电路板包括光发射模块、接收模块以及数据处理与控制模块，外壳与底盖将电路板、接收透镜以及发射透镜固定设置于外壳与底盖所形成的空间内；光发射模块中的光源发射红外探测光，依次经过发射透镜和外壳，入射到外部环境中，所述红外探测光遇到物体被反射，依次经过外壳和接收透镜后，接收模块接收被物体反射的红外探测光，信号处理与控制模块与接收模块相连接，所述光学测距装置基于飞行时间法计算所述光学测距装置与物体之间的距离。
进一步地，所述光学测距装置还包括密封圈，所述密封圈设置于外壳与底盖之间。
在其中的一个方面，所述密封圈由硅胶制作。
在其中的一个方面，所述接收模块中具有光电传感器，所述光电传感器将光信号转换为电信号。
在其中的一个方面，所述发射透镜固定于电路板上，并且位于光发射模块中光源发出的红外探测光的光路上。
在其中的一个方面，所述接收透镜固定于电路板上，并且位于接收模块接收被物体反射回的红外探测光的光路上。
在其中的一个方面，所述接收透镜为成像镜头，将被物体反射的红外探测光聚集或者成像到接收模块中的光电传感器上。
在其中的一个方面，所述光发射模块中具有光源，所述光源为LED光源，由LED光源发出红外探测光。
在其中的一个方面，所述光学测距装置还包括接收滤光片和发射滤光片，所述接收滤光片和发射滤光片设置于外壳前端的光透过面上。
在其中的一个方面，所述接收滤光片设置于外壳前端的通孔处，所述接收滤光片的形状与通孔相匹配，形成密封结构，并且所述接收滤光片位于接收透镜接收被物体反射回的红外探测光的光路上。
在其中的一个方面，所述发射滤光片设置于外壳前端的通孔处，所述发射滤光片的形状与通孔相匹配，形成密封结构，并且所述发射滤光片位于由发射透镜透过的红外探测光的光路上。
在其中的一个方面，所述发射滤光片以及所述接收滤光片为选择透过性滤光片，透过光发射模块中光源发出的红外探测光所对应波长的光线，其中，所述发射滤光片和/或所述接收滤光片为带通滤光片，透过光发射模块中光源发出的红外探测光所对应波长的光线，阻止其他波长的光线透过；或者，所述发射滤光片和/或所述接收滤光片为高通滤光片，透过光发射模块中光源发出的红外探测光所对应波长以及比对应波长更长的光线，阻止其他波长的光线透过；或者，所述发射滤光片和/或接收滤光片为低通滤光片，透过光发射模块中光源发出的红外探测光所对应波长以及比对应波长更短的光线，阻止其他波长的光线透过。
在其中的一个方面，所述外壳整体一体成型设计，所述外壳整体由红外光选择透过性材料制作而成，所述外壳整体透过光发射模块中光源发出的红外探测光所对应波长的光线，而阻止其他波长的环境光线透过；或者所述外壳整体透过光发射模块中光源发出的红外探测光所对应波长及比对应波长更长的光线，而阻止其他波长的光线透过；或者所述外壳整体透过光发射模块中光源发出的红外探测光所对应波长及比对应波长更短的光线，而阻止其他波长的光线透过。
在其中的一个方面，所述发射透镜为TIR透镜，所述TIR透镜具有导光结构，所述导光结构为一凹槽，该凹槽位于TIR透镜的出光面靠近接收模块一侧的位置。
在其中的一个方面，所述凹槽在TIR透镜的出光面表面形成为直条形状的凹槽。
在其中的一个方面，所述直条形状的凹槽垂直于接收模块接收视场光轴与TIR透镜光轴共同所在的平面。
在其中的一个方面，所述凹槽在TIR透镜的出光面表面形成为弧形形状的凹槽。
在其中的一个方面，所述凹槽在TIR透镜的出光面表面形成为圆弧形状的凹槽。
在其中的一个方面，所述弧形形状的凹槽或者圆弧形状的凹槽，以接收模块接收视场光轴与TIR透镜光轴共同所在的平面呈几何对称。
在其中的一个方面，所述凹槽的凹陷面为弧面、四分之一圆柱面或者为斜平面。
在其中的一个方面，所述直条形状的凹槽的深度以TIR透镜的圆心向接收模块方向依次变浅，所述直条形状的凹槽的靠近TIR透镜圆心侧为一直面，所述直面与TIR透镜的出光面垂直。
在其中的一个方面，所述弧形形状或者圆弧形形状的凹槽的深度以TIR透镜的圆心为中心向外方向依次变浅，所述弧形形状或者圆弧形形状的凹槽的靠近TIR透镜圆心侧为一直面，所述直面与TIR透镜的出光面垂直。
一种测距系统，其特征在于，所述测距系统包括装置主体和如上述任意一个实施例所述的光学测距装置，所述光学测距装置固定于装置主体之上，用于探测装置主体与周围环境中物体之间的距离。
进一步地，所述装置主体为移动服务机器人、扫地机器人、或飞行器。
进一步地，所述装置主体为飞行器，所述光学测距装置设置于飞行器的下方，并且与飞行器中的飞行控制模块相连接，所述光学测距装置测量自身与地面间的高度，将高度数据传输给飞行器的飞行控制模块，飞行控制模块控制飞行器的飞行高度。
由于采用飞行时间法的光学测距装置中不受上述三角位置关系的制约，结构设计更为灵活。由于在TIR透镜上设置有导光结构，有效减小了测距装置近距离的探测盲区。
附图说明
图1是本申请光学测距装置结构示意图。
图2是本申请TIR透镜其中一实施例的结构示意图。
图3是本申请TIR透镜结构另一实施例的结构示意图。
图4是本申请TIR透镜其中一实施例的截面示意图。
具体实施方式
本申请提供了一种光学测距装置，如附图1所示，该光学测距装置包括外壳1、底盖2、发射透镜3、接收透镜4、电路板5。其中，电路板中包括接收模块和光发射模块。其中接收模块中包括光电传感器51，光发射模中包括光源。接收透镜固定设置于电路板上，并且设置于光电传感器接收光线的光路上。发射透镜固定设置于电路板上，并且设置于光发射模块发射红外探测光的光路上。外壳与底盖将电路板、接收透镜以及发射透镜固定设置于外壳与底盖所形成的内部空间内。在优选的实施例中，为了增强光学测距装置的密闭性，在外壳1与底盖2之间还设置有密封圈6。在优选的实施例中，所述密封圈6由硅胶制作。
该光学测距装置中，由电路板中的光发射模块发出红外探测光，所述光发射模块中具有光源。所述光源为激光光源或者为LED光源。在优选的实施例中，为了避免激光潜在的对人眼伤害的可能，优选为LED光源。
为了将由LED光源发出的红外探测光聚集，减小由LED发出的红外探测光的发散角，在光发射模块中LED发出的红外探测光的光路上，还设置有发射透镜。所述发射透镜固定于电路板上。在优选的实施例中，为了在有限的空间内将由LED发射出的光有效聚集，所述发射透镜为全内反射（TIR）透镜7。
经过发射透镜聚集的红外探测光，透过外壳1，出射到外部环境中。该出射到外部环境中的红外探测光遇到物体或者障碍物之后被反射，该被物体或者障碍物反射的红外探测光（回波）经过外壳后，经过接收透镜，入射到电路板上的接收模块中。电路板中还包括信号处理与控制模块，该信号处理与控制模块与接收模块相连接，基于飞行时间法计算光学测距装置与外部环境中物体或者障碍物之间的距离。由于采用飞行时间法的光学测距装置中不受上述三角位置关系的制约，结构设计更为灵活。
其中，接收模块包括接收被物体反射回的红外探测光的光电传感器51。所述光电传感器将光信号转换为电信号。
其中，接收透镜起到将被障碍物反射回的红外探测光进行聚集到光电传感器上的作用。在其中的一实施例中，所述接收透镜为成像镜头。
其中，如附图1所示，所述外壳前端的红外探测光的出射面上设置有两个通孔，在所述两个通孔处分别设置有接收滤光片11以及发射滤光片12。所述接收滤光片11与发射滤光片12与通孔形状匹配，形成密封结构。在该实施例中，在小于或者等于1200nm的光束波长范围内，所述外壳由不透光材料制作而成。所述发射滤光片12设置于外壳前端光出射面的其中一个通孔上，并且位于由发射透镜3透射出的红外探测光的光路上。所述接收滤光片11设置于外壳前端光出射面的另一个通孔上，并且位于接收透镜4接收被障碍物反射回的红外探测光的光路上。该发射滤光片以及接收滤光片为选择透过性滤光片，透过LED光源发出的红外探测光所对应波长的光线。在其中的一实施例中，所述发射滤光片和/或接收滤光片为带通滤光片，透过LED光源发出的红外探测光所对应波长的光线，而阻止其他波长的光线透过。在其中的一实施例中，所述发射滤光片和/或接收滤光片为高通滤光片，透过LED光源发出的红外探测光所对应波长以及比对应波长更长的光线，阻止其他波长范围的光线透过。在其中的一实施例中，所述发射滤光片和/或接收滤光片为低通滤光片，透过LED光源发出的红外探测光所对应波长以及比对应波长更短的光线，阻止其他波长范围的光线透过。
在其中的一实施例中，所述外壳整体一体成型设计，所述外壳整体由红外光选择透过性材料制作而成。在其中的一实施例中，所述外壳整体透过LED光源发出的红外探测光所对应波长的光线，而阻止其他波长的环境光线透过；或者所述外壳整体透过LED光源发出的红外探测光所对应波长及比对应波长更长的光线，而阻止比LED光源发出的红外探测光所对应波长短的光线透过；或者所述外壳整体透过LED光源发出的红外探测光所对应波长及比对应波长更短的光线，而阻止比LED光源发出的红外探测光所对应波长长的光线透过。
由于光发射模块与接收模块为非同轴结构，因此，在接收模块的接收视场与经过TIR透镜出射的红外探测光之间存在探测盲区。为了减小光发射模块与接收模块间的探测盲区，本申请的一个方面，公开了一种具有导光结构的TIR透镜。
本申请还涉及一种具有导光结构的TIR透镜7，在TIR透镜7的出光面71上，设置有导光结构。所述导光结构为一凹槽，该凹槽位于TIR透镜7的出光面71靠近接收模块一侧的位置。
在其中的一实施例中，如附图2所示，该凹槽在TIR透镜7的出光面71表面形成为直条形状凹槽72。优选地，该直条形状凹槽72垂直于接收模块接收视场光轴与TIR透镜光轴共同所在的平面。即，接收模块的接收视场具有第一光轴，TIR透镜具有第二光轴，上述直条形状凹槽72优选垂直于第一光轴和第二光轴共同所在的平面。
在其中的一实施例中，如附图3所示，该凹槽在TIR透镜7的出光面71表面形成为弧形形状凹槽73，该弧形形状凹槽73位于TIR透镜7出光面71靠近接收模块一侧的位置。在优选的实施例中，所述弧形形状凹槽为圆弧形状凹槽。其中，所述弧形形状凹槽或者圆弧形状凹槽靠近接收模块设置，优选地，所述弧形形状凹槽或者圆弧形状凹槽在TIR透镜出光面上，以接收模块接收视场光轴与TIR透镜光轴共同所在的平面呈几何对称。
上述的任意一实施例中，如附图4所示，所述凹槽具有凹陷面74，所述凹槽的凹陷面74为弧面。在其中的一实施例中，所述凹槽的凹陷面74为四分之一圆柱面。在其中的一实施例中，所述凹槽的凹陷面74为斜平面。
所述凹槽靠近TIR透镜圆心侧的位置为直面，该直面与TIR透镜的出光面71垂直。所述直条形状的凹槽的深度以TIR透镜的圆心向垂直于接收模块的方向依次变浅。所述弧形形状或者圆弧形形状的凹槽的深度以TIR透镜的圆心为中心向外方向依次变浅，即在相同半径处，凹槽的深度相同。
在优选的实施例中，所述密封圈6由硅胶制作，由于硅胶具有相对柔软的特性，使得底盖在于外壳相固定的过程中，不会由于密封圈太硬而导致底盖的压力变形。
根据本申请的一个方面，提供了一种测距系统，该测距系统包括装置主体、光学测距装置，所述光学测距装置用于探测装置主体与周围环境中物体之间的距离。所述装置主体为行走机器人、扫地机器人、无人机，或者移动服务机器人。该光学测距装置设置于上述装置主体上，用于探测外部障碍物与装置主体间的距离。所述光学测距装置为上述所涉及的任意一实施例中的光学测距装置。
在其中一实施例中，所述装置主体为飞行器，光学测距装置设置于飞行器的下方，用于测量飞行器与地面间的高度。该飞行器例如为无人机，特别地为植保无人机。上述光学测距装置与飞行器中的飞行控制模块相连接，光学测距装置测量自身与地面间的高度，将距离数据传输给飞行器的飞行控制模块，飞行控制模块控制飞行器的飞行高度。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化，在不矛盾的前提下，各个技术特征可以互相组合。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光学测距装置，其特征在于，所述光学测距装置包括外壳、底盖、发射透镜、接收透镜以及电路板，其中，电路板包括光发射模块、接收模块以及数据处理与控制模块，外壳与底盖将电路板、接收透镜以及发射透镜固定设置于外壳与底盖所形成的空间内；光发射模块中的光源发射红外探测光，依次经过发射透镜和外壳，入射到外部环境中，所述红外探测光遇到物体被反射，依次经过外壳和接收透镜后，接收模块接收被物体反射的红外探测光，信号处理与控制模块与接收模块相连接，所述光学测距装置基于飞行时间法计算所述光学测距装置与物体之间的距离。
2.根据权利要求1所述的光学测距装置，其特征在于，所述接收模块中具有光电传感器，所述光电传感器将光信号转换为电信号。
3.根据权利要求1所述的光学测距装置，其特征在于，所述发射透镜固定于电路板上，并且位于光发射模块中光源发出的红外探测光的光路上；所述接收透镜固定于电路板上，并且位于接收模块接收被物体反射回的红外探测光的光路上。
4.根据权利要求1所述的光学测距装置，其特征在于，所述光学测距装置还包括接收滤光片和发射滤光片，所述接收滤光片和发射滤光片设置于外壳前端的光透过面上。
5.根据权利要求4所述的光学测距装置，其特征在于，所述接收滤光片设置于外壳前端的通孔处，所述接收滤光片的形状与通孔相匹配，形成密封结构，并且所述接收滤光片位于接收透镜接收被物体反射回的红外探测光的光路上；所述发射滤光片设置于外壳前端的通孔处，所述发射滤光片的形状与通孔相匹配，形成密封结构，并且所述发射滤光片位于由发射透镜透过的红外探测光的光路上。
6.根据权利要求4所述的光学测距装置，其特征在于，所述发射滤光片以及所述接收滤光片为选择透过性滤光片，透过光发射模块中光源发出的红外探测光所对应波长的光线，其中，所述发射滤光片和/或所述接收滤光片为带通滤光片，透过光发射模块中光源发出的红外探测光所对应波长的光线，阻止其他波长的光线透过；或者，所述发射滤光片和/或所述接收滤光片为高通滤光片，透过光发射模块中光源发出的红外探测光所对应波长以及比对应波长更长的光线，阻止其他波长的光线透过；或者，所述发射滤光片和/或接收滤光片为低通滤光片，透过光发射模块中光源发出的红外探测光所对应波长以及比对应波长更短的光线，阻止其他波长的光线透过。
7.根据权利要求1所述的光学测距装置，其特征在于，所述外壳整体一体成型设计，所述外壳整体由红外光选择透过性材料制作而成，所述外壳整体透过光发射模块中光源发出的红外探测光所对应波长的光线，而阻止其他波长的环境光线透过；或者所述外壳整体透过光发射模块中光源发出的红外探测光所对应波长及比对应波长更长的光线，而阻止其他波长的光线透过；或者所述外壳整体透过光发射模块中光源发出的红外探测光所对应波长及比对应波长更短的光线，而阻止其他波长的光线透过。
8.根据权利要求3所述的光学测距装置，其特征在于，所述发射透镜为TIR透镜，所述TIR透镜具有导光结构，所述导光结构为一凹槽，该凹槽位于TIR透镜的出光面靠近接收模块一侧的位置。
9.一种测距系统，其特征在于，所述测距系统包括装置主体和如权利要求1-8之一所述的光学测距装置，所述光学测距装置固定于装置主体之上，用于探测装置主体与周围环境中物体之间的距离。
10.根据权利要求9所述的一种测距系统，其特征在于，所述装置主体为飞行器，所述光学测距装置设置于飞行器的下方，并且与飞行器中的飞行控制模块相连接，所述光学测距装置测量自身与地面间的高度，将高度数据传输给飞行器的飞行控制模块，飞行控制模块控制飞行器的飞行高度。
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