CN111537977B - 一种通过锥形反射镜制作的二维光学雷达的感测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种通过锥形反射镜制作的二维光学雷达的感测装置，主要系扩散组件扩散光源以形成扩散光，且将该光源导向反射组件的反射面上，再透过该反射面将该扩散光反射至反射物后，该反射物则再将该扩散光反射以形成反射光，且将该反射光反射至该反射面上，以透过该反射面将该反射光反射至光学透镜上，最后则透过该光学透镜将该反射光导向感测模块上，以透过该感测模块接收该反射光，藉此达成全方位实时扫描之功效，以一次性的侦测360度的环境特性点，进而准确且稳定的提供各特性点与机器人之间的相对位置。

Description

一种通过锥形反射镜制作的二维光学雷达的感测装置
技术领域
本发明提供一种通过锥形反射镜制作的二维光学雷达的感测装置，尤指一种通过二维光学雷达进行全方位扫描的感测装置。
背景技术
光学雷达是一种光学遥感技术，可向目标物体发射激光束(通常是脉冲激光)。现今的光学雷达感测装置，通常是由一个具有旋转云台的激光感测装置与各种定位或定向系统(POS)所组成，其包括全球卫星定位系统(GPS)、惯性测量单位(IMU)和其他传感器。激光感测装置采用二维(2D)激光扫描，以存取360度的水平面全景数据，以及40度左右的垂直视野。光学雷达感测装置则会利用各激光束的反射时间来判定与目标之间的范围距离。每次的激光束反射，可利用光学雷达感测装置的位置、方向、旋转云台上的扫描镜的角度以及与目标之间的斜距计算得出，并根据共同参考系统做调整，而这些反射数据的集合则称为「点云」(Point Cloud)。
然而，习知的光学雷达感测装置需要旋转云台才可进行360度的环境扫描及存取水平面全景数据，但因所述旋转云台需透过马达驱动及电力供应才可进行旋转扫描之作动，故当马达进行驱动时，则可能因马达转速不稳定，又或是供电系统故障而不敷使用，以致旋转云台无法有效的进行360度环境扫描，而无法输出量测值，且在不同时间上扫描同一点位置上的360度环境时，则会出现误差。
再者，于机器人上设置所述旋转云台时，会增加机器人本身的动件及体积，进而增加机器人本身的电力消耗；又因旋转云台的扫描频率低(5～6Hz)，进而导致地图扫描的精确度低。
如此，于本领域上提供可一次性且无误差的进行360度环境扫描，且无需设置所述旋转云台以增加机器人的动件及体积，即是现今亟需改善的问题。
发明内容
为解决前揭之问题，本发明之一目的在于提供一种通过锥形反射镜制作的二维光学雷达的感测装置，其利用扩散组件扩散光源，且将该光源导向反射组件的反射面上，以透过该反射面将已扩散的该光源反射至反射物后，该反射物则再将该光学反射以形成反射光，且将该反射光反射至该反射面上，以透过该反射面将该反射光反射至光学透镜上，最后则透过该光学透镜将该反射光导向感测模块上，以透过该感测模块接收该反射光，藉此达成全方位实时扫描之功效，以一次性的侦测360度的环境特性点，进而准确且稳定的提供各特性点与机器人之间的相对位置。
为达上述之目的，本发明提供一种通过锥形反射镜制作的二维光学雷达的感测装置，其包括：
感测模块；
光源模块，该光源模块设于该感测模块相邻处的第一方向上，该光源模块提供光源：
扩散组件，该扩散组件设于该光源模块相邻处的该第一方向上，该扩散组件接收该光源，且将该光源朝该第一方向上扩散，以形成扩散光；
反射组件，该反射组件设于该扩散组件扩散该光源的该第一方向上，该反射组件环设有反射面，该反射面接收该扩散光，以将该扩散光反射至反射物上，当该反射物接收到该扩散光时，该反射物则反射该扩散光以形成反射光，且将该反射光反射至该反射面上，以利用该反射面反射该反射光；以及
光学透镜，该光学透镜设于该光源模块与该反射组件之间，该光学透镜内部设有中空部，该中空部设于该光源模块提供该光源的第一方向上，以提供该光源穿透该中空部，该光学透镜接收该反射光，且将该反射光导向该感测模块上。
较佳地，该反射面将该扩散光以非平行的角度反射至该反射物上，该反射物则将该反射光反射至与该扩散光投射至该反射面上的区域的不同区域上。
较佳地，该扩散组件的直径小于该光学透镜的直径。
所述二维光学雷达的感测装置进一步包括外壳，该外壳将该感测模块、该光源模块、该扩散组件、该反射组件及该光学透镜容纳于内，该外壳设有窗口以供该扩散光反射至该反射物上。
较佳地，该感测模块为三维(3D)飞时测距传感器(Time-of-flight sensors)。
为解决先前技术之问题，本发明之另一目的在于提供一种通过锥形反射镜制作的二维光学雷达的感测装置，其利用扩散组件扩散光源，且将该光源导向反射组件的反射面上，以透过该反射面将已扩散的该光源反射至反射物后，该反射物则再将该光学反射以形成反射光，且将该反射光反射至该反射面上，以透过该反射面将该反射光反射至光学透镜上，最后则透过该光学透镜将该反射光导向感测模块上，以透过该感测模块接收该反射光，藉此达成全方位实时扫描之功效。
为达上述之另一目的，本发明另提供一种通过锥形反射镜制作的二维光学雷达的感测装置，其包括：
感测模块；
光源模块，该光源模块设于该感测模块相邻处的第一方向上，该光源模块提供光源：
扩散组件，该扩散组件设于该光源模块相邻处的该第一方向上，该扩散组件接收该光源，且将该光源朝该第一方向上扩散，以形成扩散光；
反射组件，该反射组件设于该扩散组件扩散该光源的该第一方向上，该反射组件环设有反射面，该反射面接收该扩散光，以将该扩散光反射至反射物上，当该反射物接收到该扩散光时，该反射物则反射该扩散光以形成反射光，且将该反射光反射至该反射面上，以利用该反射面反射该反射光；以及
光学透镜，该光学透镜设于该感测模块与该光源模块之间，该光学透镜接收该反射光，且将该反射光导向该感测模块上。
较佳地，该反射面将该扩散光以非平行的角度反射至该反射物上，该反射物则将该反射光反射至与该扩散光投射至该反射面上的区域的不同区域上。
较佳地，该扩散组件的直径小于该光学透镜的直径。
较佳地，所述二维光学雷达的感测装置进一步包括外壳，该外壳将该感测模块、该光源模块、该扩散组件、该反射组件及该光学透镜容纳于内，该外壳设有窗口以供该扩散光反射至该反射物上。
较佳地，该感测模块为三维飞时测距传感器。
如此，透过上述所揭露之技术特征，本发明即可达成全方位实时扫描之功效，以一次性的侦测360度的环境特性点，进而准确且稳定的提供各特性点与机器人之间的相对位置。
附图说明
图1为本发明之二维光学雷达的感测装置之内部组件之设置关系示意图。
图2为本发明之二维光学雷达的感测装置之内部组件之使用状态示意图。
图3为本发明之另一实施例的二维光学雷达的感测装置之内部组件之使用状态示意图。
具体实施方式
以下将描述具体之实施例以说明本发明之实施态样，惟其并非用以限制本发明所欲保护之范畴。
请参阅图1及图2，其为本发明之二维光学雷达的感测装置之内部组件之设置关系示意图及内部组件之使用状态示意图。如图所示，本发明主要是由感测模块10、光源模块20、扩散组件30、反射组件40及光学透镜50所构成，其中，该光源模块20设于该感测模块10相邻处的第一方向Y上，该扩散组件30设于该光源模块20相邻处的该第一方向上，该反射组件40设于该扩散组件30扩散光源21的该第一方向Y上，而该光学透镜50则设于该光源模块20与该反射组件40之间，在本实施例中，该光学透镜50设于该光源模块20与该扩散组件30之间，且该光学透镜50内部设有中空部51，以使得该光学透镜50形成环形之该光学透镜50。
该光源模块20可提供该光源21，该光源21具体为一激光束，该光源模块20将该光源21投射于设在该第一方向Y上的该扩散组件30，当该扩散组件30的一面接收到该光源21时，该扩散组件30则会从该接收面31的相对面，将该光源21朝该第一方向上Y扩散，而该第一方向Y具体为垂直方向或近似垂直的方向，如此，假设该光源21是垂直的往上投射，以使得该扩散组件30的底面接收到垂直方向的该光源21时，该扩散组件30的顶面则会输出扩散后的该光源21，且虽该光源21被扩散后会具有多个不同角度的光线以向上投射，但总体来说，各该光源21的投射方向皆是向上(亦如该第一方向Y)，并非平行或近似平行的投射，故该光源21投射到该扩散组件30上后，则会朝着该第一方向Y上进行扩散，以形成扩散光31。
当该扩散组件30将该扩散光31朝该第一方向Y扩射出去时，该反射组件40则会接收到该扩散光31以反射至外，具体来说，该反射组件40于面对该扩散组件30的位置上设有反射面41，该反射面41为具有斜度的面，且环设于该反射组件40上，以使得该反射组件40形成锥形柱的形状，如此，当该扩散光31投射于该反射面41上后，该扩散光31则会因该反射面41的斜度而以360度的近似平行的环射方式反射至外。当反射物60接收到该扩散光31时，则会再将该扩散光31反射回去以形成反射光61，然而，该扩散光31所投射出去的角度为非平行的投射角度(例如10度角)，故当该反射物60接收到该扩散光31时，则会将该扩散光31反射以形成的该反射光61，反射至与该扩散光31投射至该反射面60上的区域的不同区域上。
如此，当该反射光61被反射至该反射面41上时，因该反射光61投射到该反射面41上的区域与该扩散光31投射的区域不同，故该反射光61被该反射面41所反射的区域也不会相同，而当该反射光61被该反射面41反射后，该反射光61则会再投射至该光学透镜50上，以藉由该光学透镜50将该反射光61导至该感测模块10上，以藉由该感测模块10进行相关量测运算。
上述之该感测模块10、该光源模块20、该扩散组件30、该反射组件40及该光学透镜50可容纳至外壳70内，其中，该外壳设有窗口71以供该扩散光31放射至该反射物60上。
请参阅图3，其为本发明之另一实施例的二维光学雷达的感测装置之内部组件之使用状态示意图。如图所示，该光学透镜50可进一步设于该感测模块10与该光源模块20之间，且该光学透镜50内部无须设置该中空部51，亦可有效的将该反射光61导向该感测模块10上。
藉由上述所揭露之技述特征，本发明可有效达成下列所述之功效：
1.该感测模块10可同时取得影像及量测各该反射物60的距离。
2.高达每秒150的显示帧数的扫描频率。
3.实时的进行全方位扫描。
4.一次曝光成像，以准确且稳定的提供各特性点与机器人之间的相对位置。
5.减少机器人的体积。
6.没有了原先旋转云台进行旋转扫描时所发出的噪音。
在上列详细说明系针对本发明之一可行实施例之具体说明，惟该实施例并非用以限制本发明之专利范围，凡未脱离本发明技艺精神所为之等效实施或变更，均应包含于本案之专利范围中。
附图标记
10感测模块 20光源模块
21光源 30扩散组件
31扩散光 40反射组件
41反射面 50光学透镜
51中空部 60反射物
61反射光 70外壳
71窗口 Y第一方向

Claims (10)

1.一种通过锥形反射镜制作的二维光学雷达的感测装置，其特征在于，包括：
感测模块；
光源模块，所述光源模块设于所述感测模块相邻处的第一方向上，所述光源模块提供光源；
扩散组件，所述扩散组件设于所述光源模块相邻处的所述第一方向上，所述扩散组件接收所述光源，以形成扩散光，所述扩散光具有多个不同角度且总体上朝所述第一方向；
反射组件，所述反射组件设于所述扩散组件扩散所述光源的所述第一方向上，所述反射组件环设有反射面，所述反射面接收所述扩散光，以将所述扩散光反射至反射物上，当所述反射物接收到所述扩散光时，所述反射物则反射所述扩散光以形成反射光，且将所述反射光反射至所述反射面上，以利用所述反射面反射所述反射光，其中所述反射光投射到所述反射面上的区域与所述扩散光投射的区域不同，由此所述反射光经所述反射面反射后的光路与所述扩散光经所述反射面反射前的光路不重合；以及
光学透镜，所述光学透镜设于所述光源模块与所述扩散组件之间，所述光学透镜内部设有中空部，所述中空部设于所述光源模块提供所述光源的第一方向上，以提供所述光源穿透所述中空部，经所述反射组件的所述反射面反射的所述反射光能够投射至所述光学透镜上，所述光学透镜接收所述反射光，且将所述反射光导向所述感测模块上。
2.根据权利要求1所述之二维光学雷达的感测装置，其特征在于，所述反射面将所述扩散光以非平行的角度反射至所述反射物上，所述反射物则将所述反射光反射至与所述扩散光投射至所述反射面上的区域的不同区域上。
3.根据权利要求1所述之二维光学雷达的感测装置，其特征在于，所述扩散组件的直径小于所述光学透镜的直径。
4.根据权利要求1所述之二维光学雷达的感测装置，其特征在于，进一步包括外壳，所述外壳将所述感测模块、所述光源模块、所述扩散组件、所述反射组件及所述光学透镜容纳于内，所述外壳设有窗口以供所述扩散光反射至所述反射物上。
5.根据权利要求1所述之二维光学雷达的感测装置，其特征在于，所述感测模块为三维飞时测距传感器。
6.一种通过锥形反射镜制作的二维光学雷达的感测装置，其特征在于，包括：
感测模块；
光源模块，所述光源模块设于所述感测模块相邻处的第一方向上，所述光源模块提供光源；
扩散组件，所述扩散组件设于所述光源模块相邻处的所述第一方向上，所述扩散组件接收所述光源，以形成扩散光，所述扩散光具有多个不同角度且总体上朝所述第一方向；
反射组件，所述反射组件设于所述扩散组件扩散所述光源的所述第一方向上，所述反射组件环设有反射面，所述反射面接收所述扩散光，以将所述扩散光反射至反射物上，当所述反射物接收到所述扩散光时，所述反射物则反射所述扩散光以形成反射光，且将所述反射光反射至所述反射面上，以利用所述反射面反射所述反射光，其中所述反射光投射到所述反射面上的区域与所述扩散光投射的区域不同，由此所述反射光经所述反射面反射后的光路与所述扩散光经所述反射面反射前的光路不重合；以及
光学透镜，所述光学透镜设于所述感测模块与所述光源模块之间，所述光学透镜接收所述反射光，且将所述反射光导向所述感测模块上。
7.根据权利要求6所述之二维光学雷达的感测装置，其特征在于，所述反射面将所述扩散光以非平行的角度反射至所述反射物上，所述反射物则将所述反射光反射至与所述扩散光投射至所述反射面上的区域的不同区域上。
8.根据权利要求6所述之二维光学雷达的感测装置，其特征在于，所述扩散组件的直径小于所述光学透镜的直径。
9.根据权利要求6所述之二维光学雷达的感测装置，其特征在于，进一步包括外壳，所述外壳将所述感测模块、所述光源模块、所述扩散组件、所述反射组件及所述光学透镜容纳于内，所述外壳设有窗口以供所述扩散光反射至所述反射物上。
10.根据权利要求6所述之二维光学雷达的感测装置，其特征在于，所述感测模块为三维飞时测距传感器。
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