CN112230661A - 一种用于轨迹追踪的光学系统及其机器视觉传感器系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于轨迹追踪的光学系统，其包括光学成像系统，设置在光学成像系统一侧用于投射透明表面、镜面、光滑表面或亮面的窄角度照明系统，设置在光学成像系统另一侧用于投射漫反射表面的宽角度照明系统，所述光学成像系统为透镜组，其包括至少一片的成像镜片；还公开了一种采用该光学系统的机器视觉传感器系统，使得机器人既能够投射透明表面、镜面、光滑表面或亮面，又可以投射漫反射表面、具有不规则纹理及非光滑粗糙表面，能够识别表面各种特征的属性，便于机器人收集轨迹信息进行追踪，使机器人对所有位置都花完全一样的时间清扫，确保实现清扫无死角，使机器人具有更高的灵活性和工作效率。

Description

一种用于轨迹追踪的光学系统及其机器视觉传感器系统

技术领域

本发明涉及光学传感器系统内的光学系统，特别是涉及一种用于轨迹追踪的光学系统及其机器视觉传感器系统。

背景技术

近年来随着计算机技术、人工智能技术、传感技术以及移动机器人技术的迅速发展，扫地机器人控制系统的研究和开发已具备了坚实的基础和良好的发展前景。

扫地机器人，又称自动打扫机、智能吸尘、机器人吸尘器等，是智能家居的一种，能凭借一定的人工智能，自动在房间内完成地板清理工作。现有的扫地机器人系统通常由四个部分组成：感知系统、移动机构、控制系统和吸尘系统。

感知系统是扫地机器人比较重要的环节，相当于人类的感知器官。感知系统用来探测环境、分析信号，以及通过适当的建模方法来理解环境。

现有的扫地机器人一般设置有激光雷达/或超声波测距仪系统，通过360度旋转该传感器，进行环境的3D建模、建立精准地图、以及制定障碍物规避路线。

近年来对智能机器人的研究表明，对于工作在复杂非结构环境中的自主式移动机器人，要进一步提高其自动化程度，除了采用最基本的采用超声波/或激光雷达、接触和接近传感器、PSD红外沿墙传感器，进行自动导航、障碍物规避、以及在墙边和经过障碍物时能于墙面或是障碍物更好的贴合，确保实现清扫无死角之外，用于爬行表面的轨迹计算及表面特征属性的侦测(如爬行表面的颜色，纹理，灰尘的数量等级)、实时数据传输及适当人工智能方法，对于扫地机器人的升级及智能化发展变得至关重要，其可以准确地决定哪些位置需要花更多时间进行仔细清扫，而哪些位置可以快速略过。因此现有技术扫地机器人传感器中的光学系统不够完善，无法有效地侦测轨迹计算地面表面特征属性(如爬行表面的颜色，纹理，灰尘的数量等级)，无法确保实现清扫无死角。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提供了一种用于轨迹追踪的光学系统及其机器视觉传感器系统，其中光学系统能够折射或反射表面各种特征的属性(如爬行表面的颜色，纹理，灰尘的数量等级)，便于机器视觉传感器系统收集轨迹信息进行追踪，使机器人对所有位置都花完全一样的时间清扫，确保实现清扫无死角，使机器人具有更高的灵活性和工作效率。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于轨迹追踪的光学系统，其包括光学成像系统，设置在光学成像系统一侧用于投射透明表面、镜面、光滑表面或亮面的窄角度照明系统，设置在光学成像系统另一侧用于投射漫反射表面、具有不规则纹理及非光滑粗糙表面的宽角度照明系统；所述光学成像系统为透镜组，其包括至少一片的成像镜片，所述窄角度照明系统设置在所述成像镜片的一侧，所述宽角度照明系统设置在所述成像镜片的另一侧。

优选的，所述光学成像系统成像的景深范围为1-100mm。

优选的，所述窄角度照明系统和宽角度照明系统中的一者或两者为一体式或拼接式的折叠光路棱镜结构，或者为倒锥形的全反射透镜结构，或者为折叠反射镜结构，若其为折叠光路棱镜结构，则其包括至少一个倾斜反射面。

优选的，所述窄角度照明系统为一体式的折叠光路棱镜结构，其包括入光面A、第一反射面A、第二反射面A以及出光面A；所述宽角度照明系统为一体式的折叠光路棱镜结构，其包括入光面B、第一反射面B、第二反射面B以及出光面B。

优选的，所述入光面A和入光面B均为环形锯齿状的菲涅尔面或凹面，若其为环形锯齿状的菲涅尔面，则其中心部位为凸面，从中心往边缘方向其包括一圈圈较细的锯齿状表面。

优选的，所述第一反射面A、第二反射面A、第一反射面B和第二反射面B分别为倾斜的平面反射面或自由曲面反射面。

优选的，所述出光面A和出光面B分别为倾斜的平面、弧面、波纹面、微透镜阵列面或磨砂面。

优选的，所述窄角度照明系统为倒锥形的全反射透镜结构，其包括内凹圆柱面、内凹处凸面、全反射面以及出光面C。

优选的，所述出光面C为锯齿形面。

优选的，所述窄角度照明系统和宽角度照明系统均为拼接式的折叠光路棱镜结构，所述窄角度照明系统包括相邻设置的第一三角棱镜和第二三角棱镜，所述宽角度照明系统包括相邻设置的第三三角棱镜和第四三角棱镜。

优选的，所述光学成像系统包括分别设置在窄角度照明系统和宽角度照明系统之间的第一成像物镜、用于阻挡杂光的孔径光阑、第二成像物镜、用于消杂光的暗盒以及成像传感器；所述第一成像物镜和孔径光阑设置在第二成像物镜的一侧，所述暗盒和成像传感器设置在第二成像物镜的另一侧，所述孔径光阑设置在第一成像物镜和第二成像物镜之间，所述暗盒设置在成像传感器和第二成像物镜之间。

优选的，所述第一成像物镜为单独设置的镜片，其带有光焦度，其上下两个面都为弧面。

优选的，所述第二成像物镜、窄角度照明系统和宽角度照明系统为一体成型的构件，所述第二成像物镜带有光焦度，其上下两个面部为弧面。

优选的，所述成像传感器为红外的图像传感器，其像素等级为VGA以上。

优选的，所述第一成像物镜包括第一光学面A和第二光学面A，所述第二成像物镜包括第一光学面B和第二光学面B，所述第一光学面A、第二光学面A、第一光学面B和第二光学面B均为偶次非球面。

与现有技术相比，本发明提供的一种用于轨迹追踪的光学系统的有益效果在于：

其设置了光学成像系统、窄角度照明系统和宽角度照明系统，光源通过窄角度照明系统将光束投射到爬行表面，通过光滑亮面的反射使部分光束进入到传感器中，通过成像镜头及光学成像传感器读取亮表面的图像特征，这是主要用于在光滑表面的具有镜面反射特性的亮表面的特征识别，光源通过宽角度照明系统将宽角度的光束投射到爬行表面，通过粗糙表面的漫反射，使粗糙表面的细节可以通过成像镜头进行成像并通过光学成像传感器进行特征识别，因此使得该光学系统既能够投射透明表面、镜面、光滑表面或亮面，如瓷砖、大理石、玻璃、亮面金属等表面，又可以投射漫反射表面、具有不规则纹理及非光滑粗糙表面，如普通木质地板、地毯、水泥地，沙石质地等表面，该光学系统能够折射或反射表面各种特征的属性(如爬行表面的颜色，纹理，灰尘的数量等级)，便于机器视觉传感器系统收集轨迹信息进行追踪，使机器人对所有位置都花完全一样的时间清扫，确保实现清扫无死角，使机器人具有更高的灵活性和工作效率，在实际应用中，可以根据爬行表面的表面特征选择两种照明系统一起设置使用，也可以只选用其中一种照明系统单独使用。

本发明还提供了一种机器视觉传感器系统，其包括基板，设置在基板一侧的PCB板，设置在PCB板一侧的组合棱镜，以及设置在PCB板上的照明装置，还包括上述所述的一种用于轨迹追踪的光学系统，所述组合棱镜包括窄角度照明系统、宽角度照明系统以及光学成像系统中至少一片的成像镜片。

优选的，所述照明装置所发出的光为红外光源、可见光源或太赫兹源。

优选的，所述照明装置包括装设在PCB板上的第一红外LED和第二红外LED，所述第一红外LED的装设位置与窄角度照明系统相对应，所述第二红外LED的装设位置与宽角度照明系统相对应。

优选的，所述第一红外LED和第二红外LED所发射的光的波长均介于780nm至1um之间。

与现有技术相比，本发明提供的一种机器视觉传感器系统的有益效果在于：

由于采用了上述的一种用于轨迹追踪的光学系统，因此该机器视觉传感器系统能够识别透明表面、镜面、光滑表面或亮面，如瓷砖、大理石、玻璃、亮面金属等表面，又可以识别漫反射表面、具有不规则纹理及非光滑粗糙表面，如普通木质地板、地毯、水泥地，沙石质地等表面，因此该机器视觉传感器系统能够识别表面各种特征的属性(如爬行表面的颜色，纹理，灰尘的数量等级)，使机器人对所有位置都花完全一样的时间清扫，确保实现清扫无死角，使机器人具有更高的灵活性和工作效率，在实际应用中，可以根据爬行表面的表面特征选择两种照明系统一起设置使用，也可以只选用其中一种照明系统单独使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一的等轴侧爆炸图；

图2是本发明实施例一的正视爆炸图；

图3是本发明实施例一的俯视图；

图4是图3中A-A处的剖视图；

图5是本发明实施例一中窄角度照明系统的光路图；

图6是本发明实施例一中宽角度照明系统的光路图；

图7是本发明实施例一中光学成像系统的前后景深平面示意图；

图8是本发明实施例一中光学成像系统的光路布局图；

图9是本发明实施例一中光学成像系统的调制传递函数曲线示意图；

图10是本发明实施例一中光学成像系统的点阵图；

图11是本发明实施例一中光学成像系统的场曲及畸变曲线示意图；

图12是本发明实施例一中光学成像系统的成像格线图；

图13是本发明实施例二的剖视图；

图14是本发明实施例二中窄角度照明系统的光路图；

图15是本发明实施例三的剖视图；

图16是本发明实施例三中宽角度照明系统的光路图；

图17是本发明实施例四的剖视图；

图18是本发明实施例四中窄角度照明系统的光路图；

图19是本发明实施例五的剖视图；

图20是本发明实施例五中窄角度照明系统的光路图；

图21是本发明实施例五中宽角度照明系统的光路图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本实施例提供一种用于智能扫地机器人轨迹追踪的机器视觉传感器系统，其包括光学系统，该光学系统又包括以下三个部分：

一种光学成像系统，其为透镜组，其包括一片以上的成像镜片；

一种窄角度照明系统111，其为一种一体式棱镜结构，主要用于投射表面为透明表面、镜面、光滑表面，以及具有亮面反射的情况，如瓷砖、大理石、玻璃、亮面金属等表面。光源通过此棱镜将光束投射到爬行表面，通过光滑亮面的反射使部分光束进入到传感器中，通过成像镜头及光学图像传感器读取亮表面的图像特征，这是主要用于在光滑表面的具有镜面反射特性的亮表面的特征识别；

一种宽角度照明系统112，其为一种一体式棱镜结构，主要用于投射表面为漫反射表面、具有不规则纹理及非光滑的粗糙表面，如普通木质地板、地毯、水泥地，沙石质地等表面的照明。LED光源通过此棱镜将宽角度的光束投射到爬行表面，通过粗糙表面的漫反射，使粗糙表面的细节可以通过成像镜头进行成像并通过光学图像传感器进行特征识别。

本实施例所述的机器视觉传感器系统，其等轴侧爆炸图如图1所示，正视爆炸图如图2所示，俯视图如图3所示，沿A-A方向的剖视图如图4所示。其包括组合棱镜110、第一成像物镜120、孔径光阑130、第一红外LED140、第二红外LED150、PCB板160、暗盒170、成像传感器180以及基板190。

其中组合棱镜110集成有窄角度照明系统111、宽角度照明系统112、以及光学成像系统的其中一片第二成像物镜113。

所述窄角度照明系统111为折叠光路一体式的棱镜结构，其包括入光面A111a、第一反射面A111b、第二反射面A111c、以及出光面A111d。所述入光面A111a为环形锯齿状的菲涅尔面，其中心部位为凸面，从中心往边缘方向其包括一圈圈较细的锯齿状表面。所述第一反射面A111b为倾斜平面反射面或者为自由曲面反射面，本实施例中优选其为倾斜的平面反射面。所述第二反射面A111c也为倾斜的平面反射面或者为自由曲面反射面，本实施例中优选其为倾斜的平面反射面。所述出光面A111d为稍微倾斜的平面或者弧面，本实施例中优选其为稍微倾斜的平面，其与水平方向的倾斜角为4°-10°。

所述的宽角度照明系统112，其为折叠光路棱镜系统，其包括入光面B112a、第一反射面B112b、第二反射面B112c以及出光面B112d。所述入光面B112a为环形锯齿状的菲涅尔面，其中心部位为凸面，从中心往边缘方向其包括一圈圈较细的锯齿状表面。所述第一反射面B112b为倾斜平面反射面或者为自由曲面反射面，本实施例优选其为倾斜的平面反射面。所述第二反射面B112c也为倾斜的平面反射面或者为自由曲面反射面，本具体实施例优选其为倾斜的自由曲面反射面。所述出光面B112d为稍微倾斜的平面或者弧面，本实施例优选其为稍微倾斜的弧面。

所述窄角度照明系统111的下方设置有第一红外LED140，第一红外LED140的波长介于780nm至1um之间，本实施例优选该第一红外LED140的中心波长为810nm。

所述宽角度照明系统112的下方设置有第二红外LED150，第二红外LED150的波长介于780nm至1um之间，本实施例优选该红外发射LED的中心波长为810nm。

所述第一红外LED140及第二红外LED150均位于下方的PCB板160上。

其中分别设置在窄角度照明系统111和宽角度照明系统112之间的第一成像物镜120、用于阻挡杂光的孔径光阑130、第二成像物镜113、用于消杂光的暗盒170以及成像传感器180组成了上述所说的光学成像系统；第一成像物镜120和孔径光阑130设置在第二成像物镜113的一侧，暗盒170和成像传感器180设置在第二成像物镜113的另一侧，孔径光阑130设置在第一成像物镜120和第二成像物镜113之间，暗盒170设置在成像传感器180和第二成像物镜113之间。

所述第一成像物镜120为单独设置的镜片，其带有光焦度，上下两个面部为弧面，本实施例中优选这两个弧面为非球面。

所述第二成像物镜113位于组合棱镜110的中间位置，以及位于成像传感器180的正上方，其与左右两侧的窄角度照明系统111以及宽角度照明系统112的折叠光路棱镜结合成一个整体，生产的时候一起注塑成型。该第二成像物镜113为带有光焦度的镜片，其上下两个面都为弧面，本实施例优选这两个弧面为非球面。

所述的暗盒170，其位于成像传感器180的上方，其中间有一个瞳孔让成像光学系统的光线穿过进行成像。其将爬行表面的表面特征属性(如爬行表面的颜色、纹理、灰尘的数量等级)成像到成像传感器180中，通过图像处理及数据分析，从而实时指导智能扫地机器人的爬行轨迹，以及所需清扫停留的时间。

所述成像传感器180为红外的图像传感器，其像素等级为VGA以上，其位于基板190上。

本实施例中窄角度照明系统111为折叠光路的棱镜系统，其光路图如图5所示。其包括入光面A111a、第一反射面A111b、第二反射面A111c、以及出光面A111d。

所述入光面A111a为环形锯齿状的菲涅尔面，其中心部位为凸面，从中心往边缘方向其包括一圈圈较细的锯齿状表面，其为会聚光束的作用，其将下方第一红外LED140入射进来的光线先进行准直，并入射到上方第一反射面A111b位置。

所述第一反射面A111b为倾斜平面反射面或者为自由曲面反射面，本实施例优选其为倾斜的平面反射面，其将入射过来的会聚光线，进行全反射转折，并入射到左侧的第二反射面A111c位置。

所述第二反射面A111c也为倾斜的平面反射面或者为自由曲面反射面，本实施例优选其为倾斜的平面反射面，其将从第一反射面A111b反射过来的光线，进行再次全反射转折，并入射到上方的出光面A111d的位置。

所述出光面A111d为稍微倾斜的平面或者弧面，本实施例优选其为稍微倾斜的平面，其与水平方向的倾斜角为4°-10°，其将从第二反射面A111c反射过来的光线进行输出，输出角度与光轴OZ的夹角为α，所述的α介于2-5°之间。

本实施例窄角度照明系统111主要用于投射表面为透明表面、镜面、光滑表面，以及具有亮面反射的情况，如瓷砖、大理石、玻璃、亮面金属等表面。LED光源通过此棱镜将光束投射到爬行表面，通过光滑亮面的反射使部分光束进入到传感器中，通过成像镜头及光学图像传感器读取亮表面的图像特征，这是主要用于在光滑表面的具有镜面反射特性的亮表面的特征识别。

本实施例中所述宽角度照明系统112为折叠光路的棱镜系统，其光路图如图6所示。其包括入光面B112a、第一反射面B112b、第二反射面B112c、以及出光面B112d。

所述入光面B112a为环形锯齿状的菲涅尔面，其中心部位为凸面，从中心往边缘方向其包括一圈圈较细的锯齿状表面，其为会聚光束的作用，其将下方第二红外LED150入射进来的光线先进行准直，并入射到上方第一反射面B112b位置。

所述第一反射面B112b，其为倾斜平面反射面或者为自由曲面反射面，本实施例中优选其为倾斜的平面反射面，其将入射过来的会聚光线，进行全反射转折，并入射到右侧的第二反射面B112c位置。

所述第二反射面B112c也为倾斜的平面反射面或者为自由曲面反射面，本实施例中优选其为倾斜的自由曲面反射面，其将从第一反射面B112b反射过来的光线，进行再次全反射转折，并按照一定角度进行配光，将反射光线进行扩束，配光后光线入射到上方的出光面B112d的位置。

所述出光面B112d为稍微倾斜的平面或者弧面，本实施例中优选其为稍微倾斜的弧面，其将从第二反射面B112c反射过来的光线进行再次配光，配光后输出的光束角度为ω，所述的配光角ω，其介于25°以上至120°之间，本具体实施方案1优选该配光角度ω为30°。

本实施例中宽角度照明系统112主要用于投射表面为漫反射表面、具有不规则纹理及非光滑的粗糙表面，如普通木质地板、地毯、水泥地，沙石质地等表面的照明。LED光源通过此棱镜将宽角度的光束投射到爬行表面，通过粗糙表面的漫反射，使粗糙表面的细节可以通过成像镜头进行成像并通过光学图像传感器进行特征识别。

本实施例光学成像系统，其为透镜组，其包括一片以上的成像镜片，其景深范围为1～100mm，该光学成像系统的前后景深如图7所示。

假设该光学成像系统对-l位置的物体进行成像，其具有一个清晰的成像范围，即从前方-l1以及后方-12位置，其成像都清楚。那么假设从-l1到-l的距离为Δ1，及从-l到-l2的距离为Δ2，两者为其前后景深，前景深与后景深的总和Δ＝Δ1+Δ2为该成像系统的总景深。那么有如下公式(1)的关系式：

公式(1)中，l，l1，l2分别为物距、以及前景深到第一个镜片120的距离、后景深到第一个镜片120的距离，D为所述光学系统的入瞳直径，Z为弥散斑大小，其为物点所成像的弥散圆直径与接收器中心之张角小于1’视角。

本实施例中的光学成像系统的光路图如图8所示，该光学成像系统由单独设置的第一成像物镜120、孔径光阑130、设置于组合棱镜110中间的第二成像物镜113、用于消杂光的暗盒170、以及成像传感器180组成。

所述第一成像物镜120具有光焦度，其包括第一光学面A120a和第二光学面A120b，所述第一光学面A120a为凸面，所述第二光学面A120b为凹面，所述第一光学面A120a和第二光学面A120b都为非球面。

所述的第二成像物镜113设置于组合棱镜110中间，并与组合棱镜110合为一体，其包括第一光学面B113a和第二光学面B113b，所述第一光学面B113a和第二光学面B113b都为凸面，所述第一光学面B113a和第二光学面B113b都为非球面。

本实施例的光学成像系统，其成像的结果的调制传递函数如图9所示，其点列图如图10所示，其场曲及畸变如图11所示，其成像格线图如图12所示。可以从调制传递函数曲线中看出，其60线对以上所有视场的分辨率都在0.6以上。从点列图中可以看出，所有视场的点列图，最小的弥散斑均方根在1um左右，最大的弥散斑均方根在3um以内。从场曲及畸变图以及成像格线图中可以看出，其最大视场的F-theta畸变在3.5％以内，成像图基本上无变形，以便于图像处理及数据分析。

本实施例中所述的光学成像系统，其光学参数(包括光学面顺序、类型、曲率半径、厚度、材料折射率/阿贝系数、净孔径、圆锥系数)，如表格1所示。所述的第一成像物镜120，其第一面光学面A120a，及第二光学面A120b为偶次非球面，其材料为光学塑料。所述的第二成像物镜113，其第一光学面B113a，及第二光学面B113b为偶次非球面，其材料为光学塑料。

表格1该实施例中所述光学成像系统的参数

所述第一成像物镜120中的第一面光学面A120a及第二光学面A120b的非球面系数，以及所述第二成像物镜113的第一光学面B113a及第二光学面B113b的非球面系数如表格2所示。所述成像物镜120中的第一面光学面A120a的2次项到8次项具有非零的非球面系数，10次项到16次项的非球面系数为零。其他几个非球面的都是2次项到6次项具有非零的非球面系数，而8次项到16次项的非球面系数为零。

表格2该实施例所述光学成像系统的非球面系数

实施例二

本实施例提供一种用于智能扫地机器人轨迹追踪的机器视觉传感器系统，其包括光学系统，该光学系统除了实施例一中所述宽角度照明系统212采用自由曲面反射面之外，所述窄角度照明系统211的折叠光路棱镜也可以采用自由曲面反射面，其余结构与实施例一相同，此处不作过多的表述。

本实施例中的窄角度照明系统211为折叠光路棱镜，其靠近第一红外LED240的入光面A211a除了采用锯齿状的聚光面之外，也可以设置为凹面。其第一反射面A及第二反射面A至少有一个面可以设置为自由曲面。

本实施例所述的一种用于智能扫地机器人轨迹追踪的机器视觉传感器系统，其剖面图如图13所示、其配光的光路图如图14所示。

本实施例所述窄角度照明系统211包括入光面A211a、第一反射面A211b、第二反射面A211c，以及出光面A211d。

如光路图14所示，所述入光面A211a为凹面，其曲率中心位于第一红外LED240发光面中心C点的位置。从第一红外LED240发光面中心C点发出的光线，经过入光面A211a入射后，其光线沿原路前进。

所述第一反射面A211b为自由曲面反射镜，光路经过其反射并转折，反射光线的反向延长线会聚于C1点，C1点为C点的虚像，即C1和C相对于第一反射面A211b为物象共轭关系。

所述第二反射面A211c以C1点为焦点，将入射光线进行反射并转折，反射转折后的光线平行从上方的出光面A211d射出，形成与光轴夹角为α的窄角度光束。

所述出光面A211d为稍微倾斜的平面或者弧面，本实施例优选其为稍微倾斜的平面，其与水平方向的倾斜角为4°-10°，其将从211c反射过来的光线进行输出，输出角度与光轴OZ的夹角为α，所述的α介于2-5°之间。

本实施例所述窄角度照明系统211主要用于投射表面为透明表面、镜面、光滑表面，以及具有亮面反射的情况，如瓷砖、大理石、玻璃、亮面金属等表面。第一红外LED240光源通过此棱镜将光束投射到爬行表面，通过光滑亮面的反射使部分光束进入到传感器中，通过成像镜头及光学图像传感器读取亮表面的图像特征，这是主要用于在光滑表面的具有镜面反射特性的亮表面的特征识别。

本实施例所述宽角度照明系统212为折叠光路的棱镜系统，其具体实施方法与实施例所述的相同。其包括入光面B212a、第一反射面B212b、第二反射面B212c、以及出光面B212d。

所述入光面B212a为环形锯齿状的菲涅尔面，其中心部位为凸面，从中心往边缘方向其包括一圈圈较细的锯齿状表面，其为会聚光束的作用，其将下方第二红外LED250入射进来的光线先进行准直，并入射到上方第一反射面B212b位置。

所述第一反射面B212b为倾斜平面反射面或者为自由曲面反射面，本实施例优选其为倾斜的平面反射面，其将入射过来的会聚光线，进行全反射转折，并入射到右侧的第二反射面B212c的位置。

所述第二反射面B212c也为倾斜的平面反射面或者为自由曲面反射面，本实施例优选其为倾斜的自由曲面反射面，其将从第一反射面B212b反射过来的光线，进行再次全反射转折，并按照一定角度进行配光，将反射光线进行扩束，配光后光线入射到上方的出光面B212d的位置。

所述出光面B212d为稍微倾斜的平面或者弧面，本实施例优选其为稍微倾斜的弧面，其将从第二反射面B212c反射过来的光线进行再次配光，配光后输出的光束角度为ω，所述的配光角ω，其介于25°以上至120°之间，本实施例优选该配光角度ω为30°。

本实施例所述宽角度照明系统212主要用于投射表面为漫反射表面、具有不规则纹理及非光滑的粗糙表面，如普通木质地板、地毯、水泥地，沙石质地等表面的照明。LED250光源通过此棱镜将宽角度的光束投射到爬行表面，通过粗糙表面的漫反射，使粗糙表面的细节可以通过成像镜头进行成像并通过光学图像传感器进行特征识别。

实施例三

本实施例提供一种用于智能扫地机器人轨迹追踪的机器视觉传感器系统，其包括光学系统，该光学系统中宽角度照明系统的折叠光路棱镜，除了实施例一所述的采用自由曲面反射面进行大角度配光之外，其也可以采用倾斜的平面反射面，并采用出光面加入波纹面/微透镜阵列面/磨砂面进行扩束和配光，其余结构与实施例一相同，此处不作过多的表述。

本实施例所述的一种用于智能扫地机器人轨迹追踪的机器视觉传感器系统的剖面图如图15所示。所述宽角度照明系统312的配光光路图如图16所示。所述宽角度照明系统312为折叠光路的棱镜结构，其由入光面B312a、第一反射面B312b、第二反射面B312c、以及出光面B312d组成。所述入光面B312a为环形锯齿状的菲涅尔面，其中心部位为凸面，从中心往边缘方向其包括一圈圈较细的锯齿状表面，其为会聚光束的作用，其将下方第二红外LED350入射进来的光线先进行准直，并入射到上方第一反射面B312b的位置。

所述第一反射面B312b为倾斜平面反射面，其没有配光作用，其只是将从入光面B312a处准直入射过来的光线，进行第一次全反射转折，并入射到右侧的第二反射面B312c位置。

所述第二反射面B312c也为倾斜的平面反射面，其也没有配光作用，其只是将从第一反射面B312b反射过来的光线，进行再次全反射转折，反射转折光后的光线入射到上方的出光面B312d的位置。

所述出光面B312d为波纹面/微透镜阵列面/磨砂面，其稍作倾斜，本实施例优选其为稍微倾斜的波纹面，其将从第二反射面B312c反射过来的平行光线进行配光，配光后输出的光束角度为ψ，所述的配光角ψ，其介于25°以上至120°之间，本具体实施方案3优选该配光角度ψ为40°。

本实施例所述宽角度照明系统312主要用于投射表面为漫反射表面、具有不规则纹理及非光滑的粗糙表面，如普通木质地板、地毯、水泥地，沙石质地等表面的照明。第二红外LED350光源通过此棱镜将宽角度的光束投射到爬行表面，通过粗糙表面的漫反射，使粗糙表面的细节可以通过成像镜头进行成像并通过光学图像传感器进行特征识别。

本实施例所述窄角度照明系统311，其实施方案与实施例一所述的相同，其为折叠光路的棱镜结构。其包括入光面A311a、第一反射面A311b、第二反射面A311c、以及出光面A311d。

所述入光面A311a为环形锯齿状的菲涅尔面，其中心部位为凸面，从中心往边缘方向其包括一圈圈较细的锯齿状表面，其为会聚光束的作用，其将下方第一红外LED340入射进来的光线先进行准直，并入射到上方第一反射面A311b位置。

所述第一反射面A311b为倾斜平面反射面或者为自由曲面反射面，本实施例优选其为倾斜的平面反射面，其将入射过来的会聚光线，进行全反射转折，并入射到左侧的第二反射面A311c位置。

所述第二反射面A311c也为倾斜的平面反射面或者为自由曲面反射面，本实施例优选其为倾斜的平面反射面，其将从第一反射面A311b反射过来的光线，进行再次全反射转折，并入射到上方的出光面A311d的位置。

所述出光面A311d为稍微倾斜的平面或者弧面，本实施例优选其为稍微倾斜的平面，其与水平方向的倾斜角为4°-10°，其将从第二反射面A311c反射过来的光线进行输出，输出角度与光轴OZ的夹角为α，所述的α介于2-5°之间。

本实施例所述的窄角度照明系统311主要用于投射表面为透明表面、镜面、光滑表面，以及具有亮面反射的情况，如瓷砖、大理石、玻璃、亮面金属等表面。第一红外LED340光源通过此棱镜将光束投射到爬行表面，通过光滑亮面的反射使部分光束进入到传感器中，通过成像镜头及光学图像传感器读取亮表面的图像特征，这是主要用于在光滑表面的具有镜面反射特性的亮表面的特征识别。

实施例四

本实施例提供一种用于智能扫地机器人轨迹追踪的机器视觉传感器系统，其包括光学系统，该光学系统中的窄角度/宽角度照明系统，除了采用上述倾斜平面或者自由曲面反射面之外，所述窄角度或者宽角度照明系统，还可以采用倒锥形的全反射透镜结构，其余结构与实施例一相同，此处不作过多的表述。

本实施例所述窄角度照明系统411，其为倒锥形的全反射透镜结构，本实施例所述的一种用于智能扫地机器人轨迹追踪的机器视觉传感器系统的剖面图如图17所示，其配光光路图如图18所示，其包括内凹圆柱面411a、内凹处凸面411b、全反射面411c、以及出光面C411d。

如图18所示，从第一红外LED440发出的光线，其分成两部分进行配光，一部分经过内凹圆柱面411a折射，并入射到外侧反射面411c上，外侧反射面411c将入射光线进行全反射准直，准直光线入射到上方的出光面411d位置。另一部分的光线直接通过内凹凸面411b进行准直，准直光线入射到上方的出光面C411d的位置。

所述出光面C411d为往一个方向倾斜的锯齿面，其将入射的准直光线进行一定角度的偏转，偏转后的光线与光轴OZ的夹角为α。所述的α介于2-5°之间。

本实施例中的窄角度照明系统411主要用于投射表面为透明表面、镜面、光滑表面，以及具有亮面反射的情况，如瓷砖、大理石、玻璃、亮面金属等表面。第一红外LED440光源通过此棱镜将光束投射到爬行表面，通过光滑亮面的反射使部分光束进入到传感器中，通过成像镜头及光学图像传感器读取亮表面的图像特征，这是主要用于在光滑表面的具有镜面反射特性的亮表面的特征识别。

本实施例所述宽角度照明系统412，其实施方法与实施例三所述的相同，其出光面B412d为波纹面的折叠光路的棱镜系统，其包括入光面B412a、第一反射面B412b、第二反射面B412c、以及出光面B412d。

所述入光面B412a为环形锯齿状的菲涅尔面，其中心部位为凸面，从中心往边缘方向其包括一圈圈较细的锯齿状表面，其为会聚光束的作用，其将下方第二红外LED450入射进来的光线先进行准直，并入射到上方第一反射面B412b位置。

所述第一反射面B412b为倾斜平面反射面，其没有配光作用，其只是将从入光面B412a处准直入射过来的光线，进行第一次全反射转折，并入射到右侧的第二反射面B412c的位置。

所述第二反射面B412c也为倾斜的平面反射面，其也没有配光作用，其只是将从第一反射面B412b反射过来的光线，进行再次全反射转折，反射转折光后的光线入射到上方的出光面B412d的位置。

所述出光面B412d为波纹面/微透镜阵列面/磨砂面，其稍作倾斜，本实施例优选其为稍微倾斜的波纹面，其将从第二反射面B412c反射过来的平行光线进行配光，配光后输出的光束角度为ψ，所述的配光角ψ，其介于25°以上至120°之间，本具体实施方案4优选该配光角度ψ为40°。

本实施例所述的宽角度照明系统412其主要用于投射表面为漫反射表面、具有不规则纹理及非光滑的粗糙表面，如普通木质地板、地毯、水泥地，沙石质地等表面的照明。第二红外LED450光源通过此棱镜将宽角度的光束投射到爬行表面，通过粗糙表面的漫反射，使粗糙表面的细节可以通过成像镜头进行成像并通过光学图像传感器进行特征识别。

实施例五

本实施例提供一种用于智能扫地机器人轨迹追踪的机器视觉传感器系统，其包括光学系统，该光学系统中所述的窄角度/宽角度照明系统，除了采用上述实施例一体式的折叠光路组合棱镜以外，其还可以采用多个棱镜拼接的方法，只要采取折叠光路的方式，都在本发明权利的保护范围，如本具体实施方案5所述，其余结构与实施例一相同，此处不作过多的表述。

本实施例所述的一种用于智能扫地机器人轨迹追踪的机器视觉传感器系统的剖视图如图19所示，所述窄角度照明系统及宽角度照明系统的折叠光路棱镜，其为采用多个棱镜拼接的方法来实现。

其实施方式为将原来实施例一中所述的窄角度照明系统的折叠光路棱镜111以及宽角度照明系统的折叠光路棱镜112分别都拆分成两组三角棱镜，其中窄角度照明系统包括相邻设置的第一三角棱镜511-1和第二三角棱镜511-2，所述宽角度照明系统包括相邻设置的第三三角棱镜512-1和第四三角棱镜512-2。

所述第一三角棱镜511-1和第二三角棱镜511-2之间、以及第三三角棱镜512-1和第四三角棱镜512-2之间都可以为空气隙间隔，或者采用加拿大胶进行胶合，其对配光光路不影响。

本实施例所述窄角度照明系统，其为由第一三角棱镜511-1和第二三角棱镜511-2组合而成的折叠光路的棱镜系统，其光路图如图20所示。经过该组合棱镜配光后输出的光束，其与光轴OZ的夹角为α，所述的α介于2-5°之间。

所述窄角度照明系统主要用于投射表面为透明表面、镜面、光滑表面，以及具有亮面反射的情况，如瓷砖、大理石、玻璃、亮面金属等表面。第一红外LEDS40光源通过此组折叠光路棱镜将光束投射到爬行表面，通过光滑亮面的反射使部分光束进入到传感器中，通过成像镜头及光学图像传感器读取亮表面的图像特征，这是主要用于在光滑表面的具有镜面反射特性的亮表面的特征识别。

本实施例所述宽角度照明系统其为由第三三角棱镜512-1和第四三角棱镜512-2组合而成的折叠光路的棱镜系统，其光路图如图21所示。经过组合棱镜配光后输出的光束角度为ω，所述的配光角ω，其介于25°以上至120°之间，本实施例优选该配光角度ω为30°。

所述宽角度照明系统主要用于投射表面为漫反射表面、具有不规则纹理及非光滑的粗糙表面，如普通木质地板、地毯、水泥地，沙石质地等表面的照明。第二红外LED550光源通过此棱镜将宽角度的光束投射到爬行表面，通过粗糙表面的漫反射，使粗糙表面的细节可以通过成像镜头进行成像并通过光学图像传感器进行特征识别。

综上以上多个实施例所述，本发明所涉及的一种用于智能扫地机器人轨迹追踪的机器视觉传感器系统，所述窄角度照明系统及宽角度照明系统，除了上述采用折叠光路棱镜之外，其还可以采用折叠反射镜的方法。其也可以采用透镜与折叠反射镜组合使用的方式，只要配光方式采用折叠光路，同时实现窄角度及宽角度的照明，都在本发明的权利保护范围。所述照明装置的光源，其可以为红外光源、可见光源或太赫兹源，光源的形式为LED光源、激光二极管或VCSEL光源。

另外所述光学成像系统，其可以为1片式、两片式、三片式以及多片式，其材料可以为塑料、玻璃。其面型可以为球面、非球面及自由曲面。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (19)

1.一种用于轨迹追踪的光学系统，其特征在于，包括光学成像系统，设置在光学成像系统一侧用于投射透明表面、镜面、光滑表面或亮面的窄角度照明系统，设置在光学成像系统另一侧用于投射漫反射表面的宽角度照明系统；

所述光学成像系统为透镜组，其包括至少一片的成像镜片，所述窄角度照明系统设置在所述成像镜片的一侧，所述宽角度照明系统设置在所述成像镜片的另一侧。

2.根据权利要求1所述的一种用于轨迹追踪的光学系统，其特征在于，所述光学成像系统成像的景深范围为1-100mm。

3.根据权利要求1所述的一种用于轨迹追踪的光学系统，其特征在于，所述窄角度照明系统和宽角度照明系统中的一者或两者为一体式或拼接式的折叠光路棱镜结构，或者为倒锥形的全反射透镜结构，或者为折叠反射镜结构，若其为折叠光路棱镜结构，则其包括至少一个倾斜反射面。

4.根据权利要求3所述的一种用于轨迹追踪的光学系统，其特征在于，所述窄角度照明系统为一体式的折叠光路棱镜结构，其包括入光面A、第一反射面A、第二反射面A以及出光面A；

所述宽角度照明系统为一体式的折叠光路棱镜结构，其包括入光面B、第一反射面B、第二反射面B以及出光面B。

5.根据权利要求4所述的一种用于轨迹追踪的光学系统，其特征在于，所述入光面A和入光面B均为环形锯齿状的菲涅尔面或凹面，若其为环形锯齿状的菲涅尔面，则其中心部位为凸面，从中心往边缘方向其包括若干圈较细的锯齿状表面。

6.根据权利耍求4所述的一种用于轨迹追踪的光学系统，其特征在于，所述第一反射面A、第二反射面A、第一反射面B和第二反射面B分别为倾斜的平面反射面或自由曲面反射面。

7.根据权利要求4所述的一种用于轨迹追踪的光学系统，其特征在于，所述出光面A和出光面B分别为倾斜的平面、弧面、波纹面、微透镜阵列面或磨砂面。

8.根据权利要求3所述的一种用于轨迹追踪的光学系统，其特征在于，所述窄角度照明系统为倒锥形的全反射透镜结构，其包括内凹圆柱面、内凹处凸面、全反射面以及出光面C。

9.根据权利要求8所述的一种用于轨迹追踪的光学系统，其特征在于，所述出光面C为锯齿形面。

10.根据权利要求3所述的一种用于轨迹追踪的光学系统，其特征在于，所述窄角度照明系统和宽角度照明系统均为拼接式的折叠光路棱镜结构，所述窄角度照明系统包括相邻设置的第一三角棱镜和第二三角棱镜，所述宽角度照明系统包括相邻设置的第三三角棱镜和第四三角棱镜。

11.根据权利要求1所述的一种用于轨迹追踪的光学系统，其特征在于，所述光学成像系统包括分别设置在窄角度照明系统和宽角度照明系统之间的第一成像物镜、用于阻挡杂光的孔径光阑、第二成像物镜、用于消杂光的暗盒以及成像传感器；

所述第一成像物镜和孔径光阑设置在第二成像物镜的一侧，所述暗盒和成像传感器设置在第二成像物镜的另一侧，所述孔径光阑设置在第一成像物镜和第二成像物镜之间，所述暗盒设置在成像传感器和第二成像物镜之间。

12.根据权利要求10所述的一种用于轨迹追踪的光学系统，其特征在于，所述第一成像物镜为单独设置的镜片，其带有光焦度，其上下两个面都为弧面。

13.根据权利要求10所述的一种用于轨迹追踪的光学系统，其特征在于，所述第二成像物镜、窄角度照明系统和宽角度照明系统为一体成型的构件，所述第二成像物镜带有光焦度，其上下两个面部为弧面。

14.根据权利要求10所述的一种用于轨迹追踪的光学系统，其特征在于，所述成像传感器为红外的图像传感器，其像素等级为VGA以上。

15.根据权利要求10所述的一种用于轨迹追踪的光学系统，其特征在于，所述第一成像物镜包括第一光学面A和第二光学面A，所述第二成像物镜包括第一光学面B和第二光学面B，所述第一光学面A、第二光学面A、第一光学面B和第二光学面B均为偶次非球面。

16.一种机器视觉传感器系统，其特征在于，包括基板，设置在基板一侧的PCB板，设置在PCB板一侧的组合棱镜，以及设置在PCB板上的照明装置，还包括权利要求1-15任一项所述的一种用于轨迹追踪的光学系统，所述组合棱镜包括窄角度照明系统、宽角度照明系统以及光学成像系统中至少一片的成像镜片。

17.根据权利要求16所述的一种机器视觉传感器系统，其特征在于，所述照明装置所发出的光为红外光源、可见光源或太赫兹源。

18.根据权利要求17所述的一种机器视觉传感器系统，其特征在于，所述照明装置包括装设在PCB板上的第一红外LED和第二红外LED，所述第一红外LED的装设位置与窄角度照明系统相对应，所述第二红外LED的装设位置与宽角度照明系统相对应。

19.根据权利要求18所述的一种机器视觉传感器系统，其特征在于，所述第一红外LED和第二红外LED所发射的光的波长均介于780nm至1um之间。

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