CN110531342A - 一种tir透镜及一种小型光学测距装置 - Google Patents
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Abstract
为了解决非同轴光学结构测距装置的探测盲区，本申请公开了一种小型光学测距装置以及一种TIR透镜。其中涉及的一种小型光学测距装置，包括红外光发射模块、接收模块、信号处理与控制模块，信号处理与控制模块分别与红外光发射模块和接收模块相连接，红外光发射模块发射红外探测光，遇到物体被反射，接收模块接收被物体反射的红外探测光，将光信号转换为电信号，信号处理与控制模块基于飞行时间法计算所述小型光学测距装置与物体之间的距离，在红外光发射模块发出的红外探测光光路上，设置有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。
Description
本申请是申请日为2017年4月8日、申请号为2017102260238、发明创造名称为：一种光学透镜、光学测距装置及测距方法、测距系统的分案申请。
技术领域
本申请涉及一种小型光学测距装置，尤其涉及一种基于飞行时间法（Time ofFlight，简称TOF）的小型光学测距装置，以及一种TIR透镜。
背景技术
现有技术中，最常见的光学测距方法为三角测距法，主要采用激光光源发出探测光。在采用激光光源的三角测距方法或者采用单点光源的飞行时间方法测距中，在探测复杂物体，比如草丛等物体，由于激光光源或者单点光源的高准直性，用于低空飞行器探测自身与地面的高度时，测距结果会产生很大波动。
另外，在现有的光学测距方法中，发出的探测光光束通常与接收装置所接收的返回光束不在同一光轴上，并且，发出的探测光光束通常为接近准直的光束，这样的结构会导致当障碍物与测距装置的距离很近时，接收装置视场角内的障碍物不能被探测光束照射到，会出现探测盲区，从而使得测距装置对近距离内的障碍物测距不准确或者无法探测到。
发明内容
针对现有技术存在的不足：光学测距装置近距离存在探测盲区，根据本申请的一个方面，提供了一种光学透镜，一种小型光学测距装置及测距方法，一种测距系统。
本申请所涉及的一种小型光学测距装置，包括红外光发射模块、接收模块、信号处理与控制模块，其中，信号处理与控制模块分别与红外光发射模块和接收模块相连接，红外光发射模块发射红外探测光，遇到物体被反射，接收模块接收被物体反射的红外探测光，将光信号转换为电信号，信号处理与控制模块基于飞行时间法计算所述小型光学测距装置与物体之间的距离，在红外光发射模块发出的红外探测光光路上，设置有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。
进一步地，所述凹槽在TIR透镜的出光面表面形成为直条形状的凹槽。
进一步地，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。
本申请的其中一个方面，所述凹槽在TIR透镜的出光面表面形成为弧形形状的凹槽。
本申请的其中一个方面，所述凹槽在TIR透镜的出光面表面形成为圆弧形状的凹槽。
本申请的其中一个方面，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。
本申请的其中一个方面，所述凹槽的凹陷面为弧面、四分之一圆柱面或者为斜平面。
本申请的其中一个方面，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。
本申请的其中一个方面，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。
根据本申请的另一方面，提供了一种光学透镜，一种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，所述凹槽在TIR透镜的出光面表面形成为直条形状的凹槽或者弧形形状的凹槽。
进一步地，所述凹槽在TIR透镜的出光面表面形成为圆弧形状的凹槽。
本申请的其中一个方面，所述凹槽的凹陷面为弧面、四分之一圆柱面或者为斜平面。
本申请的其中一个方面，所述直条形状的凹槽的深度以TIR透镜的圆心向所述直条形状凹槽的垂直方向依次变浅，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。
本申请的其中一个方面，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。
根据本申请的另一方面，提供了一种测距系统，所述测距系统包括装置主体和以上之一所述的小型光学测距装置，所述小型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。
本申请的其中一个方面，所述装置主体为飞行器，所述小型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，所述小型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。
根据本申请的另一方面，提供了一种小型光学测距装置的测距方法，信号处理与控制模块调制红外光发射模块发射红外探测光，遇到物体被反射；接收模块接收被物体反射的红外探测光，将光信号转换为电信号；信号处理与控制模块分别与红外光发射模块和接收模块相连接，信号处理与控制模块基于飞行时间法计算所述小型光学测距装置与物体之间的距离；在红外光发射模块发出的红外探测光光路上，设置有以上之一所述的TIR透镜，所述TIR透镜具有凹槽，所述凹槽位于TIR透镜的出光面靠近接收模块一侧的位置，减小测距盲区。
本申请基于飞行时间法的小型光学测距装置：采用基于TOF方法的测距技术，计算公式为：
其中，D为所计算的距离值，C为光在真空中的速度，f为调制信号的频率，DCS0~DCS3为信号采样幅值，发出的探测光为经过调制的矩形或者正弦信号，在距离计算过程中由于进行了相减的计算，可以滤除背景光的干扰；并且测距装置还可以根据探测出的环境光强，变换信号光强，以此提高信噪比，因此拥有室外抗强光特性。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是本申请小型光学测距装置整体结构方框示意图。
图2是本申请小型光学测距装置测距盲区示意图。
图3是本申请TIR透镜结构其中一实施例示意图。
图4是本申请TIR透镜结构另一实施例示意图。
图5是本申请TIR透镜其中一实施例的截面示意图。
图6是本申请具有导光结构的TIR透镜对测距盲区的减小示意图。
具体实施方式
本申请提供了一种小型光学测距装置，如附图1所示，包括红外光发射模块10、接收模块20、信号处理与控制模块30。其中，所述信号处理与控制模块30分别与红外光发射模块10和接收模块20相连接。在其中的一个实施例中，在红外光发射模块发出红外探测光的光路上还设置有TIR透镜40。
当小型光学测距装置接收到工作指令后，信号处理与控制模块30发送调制信号到红外光发射模块10，红外光发射模块10发出经过调制信号调制的红外探测光，该红外探测光出射到外部需要探测的环境中。红外探测光遇到物体（即障碍物）后被反射，接收模块20收到被反射的红外探测光，接收模块将光信号转换为电信号，信号处理与控制模块30依据接收模块转换的电信号，基于飞行时间法计算所述小型光学测距装置与物体之间的距离。
其中，红外光发射模块10上固定设置有红外光源，所述红外光源发出具有一定横截面积的发散红外探测光光束。在优选的实施例中，所述红外光源为LED光源。
由于红外光源发出具有一定横截面积的发散红外探测光光束，但是光源具有较大发散角，为了将红外光源发出的发散光会聚，以小发散角/或者平行发射出，在优选的实施例中，还在红外光源发出的红外探测光光路上，设置有TIR（全内反射）透镜40。
由于红外光发射模块10与接收模块20为非同轴结构，因此，如附图2所示， 在接收模块的接收视场A与经过TIR透镜出射的红外探测光B之间存在探测盲区C。为了减小红外光发射模块与接收模块间的探测盲区C，本申请的一个方面，公开了一种光学透镜，特别是一种具有导光结构的TIR透镜以及具有该TIR透镜的小型光学测距装置、测距系统、测距方法。
本申请所涉及的一种具有导光结构的TIR透镜，如附图3-5所示，在TIR透镜40的出光面41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40的出光面41靠近接收模块20一侧的位置。
在其中的一实施例中，如附图3所示，该凹槽在TIR透镜40的出光面41表面形成为直条形状凹槽42。优选地，该直条形状凹槽42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42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4所示，该凹槽在TIR透镜40的出光面41表面形成为弧形形状凹槽43，该弧形形状凹槽43位于TIR透镜40出光面41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，如图5所示，所述凹槽具有凹陷面44，所述凹槽的凹陷面44为弧面。在其中的一实施例中，所述凹槽的凹陷面44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44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41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。
如图6所示，由于在TIR透镜上设置了导光结构，使得小型光学测距装置的探测盲区有效减小。
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。
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、小型光学测距装置，所述小型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。该小型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。所述小型光学测距装置为上述所涉及的任意一实施例中的小型光学测距装置。
在其中一实施例中，所述装置主体为飞行器，小型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。上述小型光学测距装置与飞行器中的飞行控制模块相连接，小型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。
一种小型光学测距装置的测距方法，信号处理与控制模块调制红外光发射模块发射红外探测光，遇到物体被反射；接收模块接收被物体反射的红外探测光，将光信号转换为电信号；信号处理与控制模块分别与红外光发射模块和接收模块相连接，信号处理与控制模块基于飞行时间法计算所述小型光学测距装置与物体之间的距离；在红外光发射模块发出的红外探测光光路上，设置有以上所述的任意一实施例中的TIR透镜，所述TIR透镜具有凹槽，所述凹槽位于TIR透镜的出光面靠近接收模块一侧的位置，减小测距盲区。
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 (8)
1.一种TIR透镜，所述TIR透镜将红外光源发出的红外探测光会聚，其特征在于，所述TIR透镜的出光面上设置有导光结构，所述导光结构为一凹槽，该凹槽位于TIR透镜的出光面，所述凹槽在TIR透镜的出光面表面形成为直条形状的凹槽或者弧形形状的凹槽，所述凹槽的凹陷面为弧面、四分之一圆柱面或者为斜平面。
2.根据权利要求1所述的TIR透镜，其特征在于，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。
3.根据权利要求1所述的TIR透镜，其特征在于，所述弧形形状的凹槽，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。
4.根据权利要求1或2所述的TIR透镜，其特征在于，所述直条形状的凹槽的深度以TIR透镜的圆心向所述直条形状凹槽的垂直方向依次变浅，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。
5.根据权利要求1或3所述的TIR透镜，其特征在于，所述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。
6.一种小型光学测距装置，包括红外光发射模块、接收模块、信号处理与控制模块，其中，信号处理与控制模块分别与红外光发射模块和接收模块相连接，红外光发射模块发射红外探测光，遇到物体被反射，接收模块接收被物体反射的红外探测光，将光信号转换为电信号，信号处理与控制模块基于飞行时间法计算所述小型光学测距装置与物体之间的距离，
其特征在于，在红外光发射模块发出的红外探测光光路上，设置有TIR透镜，所述TIR透镜将红外光源发出的红外探测光会聚，所述TIR透镜的出光面上设置有导光结构，所述导光结构为一弧形形状的凹槽，所述凹槽的凹陷面为弧面、四分之一圆柱面或者为斜平面，所述凹槽位于TIR透镜的出光面靠近接收模块一侧的位置，用于减小所述小型光学测距装置的探测盲区。
7.根据权利要求6所述的小型光学测距装置，其特征在于，所述弧形形状的凹槽，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。
8.根据权利要求6或7所述的小型光学测距装置，其特征在于，所述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。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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