CN113475056A - 广角高分辨率距离测量装置 - Google Patents

Abstract

根据本发明的一方面的广角高分辨率距离测量装置包括：光源，发射结构光；相机，通过捕捉反射光来形成图像，其中，所述反射光是从所述光源发射并且在被障碍物反射之后入射在所述相机上的结构光；以及分辨率校正透镜，被设置在所述相机的前方，并且校正由所述障碍物反射并入射到所述相机上的所述反射光，使得由所述相机形成的图像的分辨率是均匀的，而不论距离如何。

Description

广角高分辨率距离测量装置

技术领域

本公开涉及一种使用结构光的距离测量装置，并且更具体地，涉及一种具有宽水平视角和高远场分辨率的广角高分辨率距离测量装置。

背景技术

移动机器人(诸如，清洁机器人、引导机器人等)需要自主规划路线、检测障碍物和避免碰撞以便移动或执行任务的能力。为此，移动机器人需要检测它自己的位置，并且需要测量距障碍物的距离以检测它自己的位置的能力。

为了测量距障碍物的距离，广泛使用利用结构光和图像传感器的距离测量装置。

在图1至图3中示出根据现有技术的距离测量装置的示例。

图1是示出根据现有技术的距离测量装置的透视图。图2是示出由图1的相机捕捉的图像的视图，并且图3是示出图1的距离测量装置的侧视图。

如在图1中所示出的，根据现有技术的距离测量装置100通过使用光源101(诸如，激光器)将结构光105以线形式发射到障碍物107上，并且通过使用传感器(诸如，相机)103获得如在图2中所示出的反射光的图像110。图2中的附图标号112表示障碍物。

然后，根据获得的图像110，使用相机103的图像坐标、此时的扫描角度以及相机103与结构光的发射点之间的距离，可通过三角测量来计算结构光的发射点与障碍物107之间的距离。

然而，在根据现有技术的距离测量装置中，如在图3中所示出的，分辨率随着距障碍物107的距离增加而降低。换句话说，随着从光源101距障碍物107的距离增加，相同角度间隔处的距离变化增加，使得长距离处的距离误差增加。

在图3中，作为示例，在相机103的图像传感器中存在四个像素(未示出)，并且从激光光源101照射的结构光从相对于相机103以相同的角度间隔开的五个位置进入相机103。

在图3中，在点P1与点P2之间穿过的光被输入到一个像素，在点P2和P3之间穿过的光被输入到一个像素，在点P3与点P4之间穿过的光被输入到一个像素，并且在点P4与点P5之间穿过的光被输入到一个像素。在这种情况下，五个点P1、P2、P3、P4和P5之间的间距从P1至P5增加。换句话说，点P4与点P5之间的间隔G5远大于点P1与点P2之间的间隔G1。因此，随着距障碍物107的距离增加，每个像素的输入距离增加，使得可由相机103区分的远处障碍物的分辨率降低。换句话说，根据现有技术的距离测量装置100具有低的远场分辨率。

可通过使用具有高分辨率的传感器来解决长距离处的低分辨率问题。然而，因为具有高分辨率的传感器是昂贵的，并且能够处理该传感器的处理器也需要高性能，所以存在距离测量装置的价格增加的问题。

提高远场分辨率的另一种方式是增加光源与相机之间的距离。然而，增加光源与相机之间的距离增加了距离测量装置的尺寸。因此，存在安装有距离测量装置的装置(诸如，移动机器人)的尺寸可能不会减小的问题。

提高远场分辨率的另一种方式是使用具有窄视角的光学系统。然而，当使用具有窄视角的光学系统时，水平视角也减小，因此，存在其不适合于需要宽水平视场的距离测量装置的问题。

因此，需要一种能够提高远场分辨率而不增加成本和尺寸并且不会使水平视场劣化的距离测量装置。

发明内容

技术问题

本公开是鉴于上述问题而发明的，并且涉及一种在水平方向上具有宽视角并且同时具有高远场分辨率的广角高分辨率距离测量装置。

技术方案

根据本公开的实施例的广角高分辨率距离测量装置可包括：光源，被配置为照射结构光；相机，被配置为通过捕捉反射光来形成图像，其中，所述反射光是从所述光源照射并从障碍物反射的结构光；以及分辨率校正透镜，被设置在所述相机的前方并且被配置为校正从障碍物反射并入射在所述相机上的所述反射光，其中，由所述相机形成的图像的分辨率变得均匀而不论距离如何。

所述分辨率校正透镜可被形成为顺序地改变分辨率，使得中心部分具有高分辨率并且外周部分具有低分辨率。

所述相机可包括图像传感器，所述光源可被设置为使得从远处的障碍物反射的反射光朝向所述图像传感器的第一端入射，并且从附近的障碍物反射的反射光朝向所述图像传感器的第二端入射，并且所述分辨率校正透镜可被设置为使得所述中心部分与所述图像传感器的第一端相邻，并且所述外周部分与所述图像传感器的第二端相邻。

所述分辨率校正透镜可具有圆形横截面，所述图像传感器可被形成为矩形平板，并且所述图像传感器可被设置为使得所述图像传感器的第一端从穿过所述分辨率校正透镜的中心的直线向下间隔开预定距离，并且图像传感器的第二端的两个角与分辨率校正透镜的圆形横截面的内表面接触。

所述分辨率校正透镜可具有圆形横截面，其中，所述图像传感器可被形成为矩形平板，并且所述图像传感器可被设置为使得所述图像传感器的第一端从穿过所述分辨率校正透镜的中心的直线向下间隔开预定距离，并且所述图像传感器的第二端与所述分辨率校正透镜的圆形横截面的外圆周表面接触。

所述分辨率校正透镜可包括广角透镜。

所述分辨率校正透镜可被形成为在沿着外圆周表面的一个端部处具有最高分辨率并且在面向该一个端部的另一端部处具有最低分辨率。

所述相机可包括图像传感器，所述光源可被设置为使得从远处的障碍物反射的反射光通过分辨率校正透镜的一个端部朝向图像传感器的第一端入射，并且从附近的障碍物反射的反射光通过所述分辨率校正透镜的所述另一端部朝向所述图像传感器的第二端入射，并且所述分辨率校正透镜可被设置为使得所述分辨率校正透镜的中心与所述图像传感器的中心重合。

所述分辨率校正透镜可包括第一轴和垂直于第一轴的第二轴，并且所述分辨率校正透镜可被形成为使得第二轴方向上的变形大于第一轴方向上的变形。

当所述相机在水平方向上为广角时，所述分辨率校正透镜可以是半圆柱透镜，并且所述半圆柱透镜可被置为使得第一轴平行于从光源照射的结构光。

当所述相机在水平方向上为窄角时，所述分辨率校正透镜可以是双凹柱面透镜，并且所述双凹柱面透镜可被设置为使得第二轴平行于从所述光源照射的结构光。

所述广角高分辨率距离测量装置可包括：处理器，被配置为控制所述光源和所述相机，其中，处理器可进行控制使得所述光源以预定时间间隔开启以照射结构光并且所述相机捕捉图像。

当所述相机在所述光源未开启的情况下捕捉到图像时，处理器可将开启所述光源的时刻偏移预定时间。

有益效果

利用根据本公开的实施例的广角高分辨率距离测量装置，当广角透镜被用于获得宽水平视角并且远场分辨率被降低时，分辨率校正透镜被用于保持水平视角并提高远场分辨率。

附图说明

图1是示出根据现有技术的距离测量装置的透视图；

图2是示出由图1的相机捕捉的图像的视图；

图3是示出图1的距离测量装置的侧视图；

图4是示出根据本公开的实施例的广角高分辨率距离测量装置的侧视图；

图5是示意性地示出在图4中使用的相机的结构的横截面图；

图6是示出相机的透镜与图像传感器之间的关系的视图；

图7是示出相机的透镜与图像传感器之间的关系的视图；

图8是示出图4的广角高分辨率距离测量装置中的图像传感器与分辨率校正透镜之间的布置关系的视图；

图9是示出图4的广角高分辨率距离测量装置中的图像传感器与分辨率校正透镜之间的布置关系的另一示例的视图；

图10是示出图4的广角高分辨率距离测量装置中的图像传感器与分辨率校正透镜之间的布置关系的另一示例的视图；

图11是示出根据本公开的另一实施例的广角高分辨率距离测量装置的侧视图；

图12是示出图11的广角高分辨率距离测量装置的俯视图；

图13是示出在图11的广角高分辨率距离测量装置中使用的半圆柱透镜的透视图；

图14是示出根据本公开的另一实施例的广角高分辨率距离测量装置的侧视图；

图15是示出图14的广角高分辨率距离测量装置的俯视图；

图16是示出在图14的广角高分辨率距离测量装置中使用的双凹柱面透镜的透视图；

图17是示出根据本公开的实施例的广角高分辨率距离测量装置的功能框图；

图18是示出当在设置在两个移动机器人中的根据本公开的实施例的两个广角高分辨率距离测量装置之间发生光干涉时光源的时序图的示图；以及

图19是示出当避免设置在两个移动机器人中的根据本公开的实施例的两个广角高分辨率距离测量装置之间的光干涉时的光源的时序图的示图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细描述根据本公开的广角高分辨率距离测量装置的实施例。

示例性地示出了下文描述的实施例以帮助理解本公开。应当理解的是，本公开可与这里描述的实施例不同地进行各种修改和实现。然而，省略了公知的功能或构造以提供示例性实施例的清楚和简明的描述。此外，可任意增加或减小附图中的各种元件的尺寸以帮助全面理解。

术语“第一”、“第二”等可被用于描述多种组件，但组件不受这些术语的限制。这些术语可仅被用于将一个组件与其他组件区分开。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第一组件可被称为第二组件，并且类似地，第二组件也可被称为第一组件。

除非另有定义，否则本公开的实施例中使用的术语可被解释为本领域技术人员通常已知的。

此外，参照附图定义在本公开中使用的术语“前端”、“后端”、“上侧”、“下侧”、“顶端”、“底端”等。然而，每一个组件的形状和位置不受这些术语的限制。

图4是示出根据本公开的实施例的广角高分辨率距离测量装置的侧视图。图5是示意性地示出在图4中使用的相机的结构的横截面图。图6是示出相机的透镜与图像传感器之间的关系的视图，并且图7是示出相机的透镜与图像传感器之间的关系的视图。

参照图4，根据本公开的实施例的广角高分辨率距离测量装置1可包括光源10、相机20和分辨率校正透镜30。

光源10可形成为照射具有预定形状的结构光。在该实施例的情况下，线激光器被用作光源10。如在图1中所示出的，线激光器10可形成为将结构光以直线照射到障碍物107。换句话说，线激光器10可形成为以扇形输出平光。

相机20可被设置在光源10下方。换句话说，光源10和相机20可被布置为使得光源10的中心线与相机20的中心线位于相同的虚拟竖直平面上。相机20可被配置为捕捉反射光以形成图像，其中，所述反射光是从光源10照射、从障碍物反射并且然后进入相机20的结构光。如在图5中所示出的，相机20可包括图像传感器21和用于将光聚焦在图像传感器21上的聚焦透镜23。

图像传感器21可被配置为通过捕捉从障碍物反射的反射光来形成图像。图像传感器21可形成为具有大致矩形形状的平板，并且可以以集成多个像素的形式来形成。图像传感器21可使用与根据现有技术的距离测量装置中使用的图像传感器相同的图像传感器。例如，可使用500万至1000万像素的图像传感器。图像传感器21的宽高比可以是4:3或16:9。

聚焦透镜23可形成为使得从障碍物反射的反射光入射以聚焦在图像传感器21上。在图5所示出的实施例中，聚焦透镜23由一个透镜形成，但聚焦透镜23不限于此。聚焦透镜23可形成为包括两个或更多个透镜的透镜构件，只要该透镜构件可将反射光聚焦在图像传感器上即可。

通常，因为入射在透镜上的所有方向上的光路是相同的，所以可根据图像传感器21的尺寸来确定视角。例如，当使用水平视角为90度的透镜25并且图像传感器21具有如在图6中所示出的4:3的宽高比时，垂直视角为67.5度。当图像传感器21'具有如在图7中所示出的16:9的宽高比时，垂直视角为50.6度。换句话说，当将具有宽水平视角的广角透镜用于加宽视场时，垂直视角也同时增加。随着垂直视角增加，距离测量装置的远场分辨率可能劣化。为了提高远场分辨率，有必要减小垂直视角。

因此，根据本公开的实施例的广角高分辨率距离测量装置1可将分辨率校正透镜30用于加宽水平视角并缩小垂直视角。

分辨率校正透镜30可被设置在相机20的前方，并且可被配置为校正从障碍物反射并入射在相机20上的反射光，使得在相机20的图像传感器21上形成的图像的分辨率是均匀的。分辨率校正透镜30可与相机20分开被制造并且被设置在相机20的前方。可选地，作为另一示例，分辨率校正透镜30可在相机20的聚焦透镜23的前方与聚焦透镜23一体地形成。作为另一示例，分辨率校正透镜30可形成为包括两个或更多个透镜而不是单个透镜的透镜构件。

这里，如在图4中所示出，均匀分辨率表示位于从光源10照射的光束L上的多个点P1、P2、P3、P4、P5和P6之间的间隔相同。在这种情况下，多个点之间的每一个间隔G对应于图像传感器21的一个像素。如上所述，当多个点之间的间隔G全部相同时，具有相同间隔的光被输入到一个像素而不论距离如何，使得图像传感器21可准确地识别障碍物而不论距离如何。因此，可提高距离测量装置1的远场分辨率。

为了解释分辨率与距障碍物的距离之间的关系，图4示出相机20的图像传感器21具有五个像素(未示出)并且从光源10照射的结构光从六个位置P1、P2、P3、P4、P5和P6输入到图像传感器21的像素的情况。在图4中，在P1与P2之间穿过的光被输入到一个像素，在P2与P3之间穿过的光被输入到一个像素，在P3与P4之间穿过的光被输入到一个像素，在P4与P5之间穿过的光被输入到一个像素，并且在P5与P6之间穿过的光被输入到一个像素。在这种情况下，六个点之间的间隔G相同。换句话说，点P1与点P2之间的间隔G、点P2与点P3之间的间隔G、点P3与点P4之间的间隔G、点P4与点P5之间的间隔G以及点P5与点P6之间的间隔G全部相同。

然而，与根据现有技术的距离测量装置100不同，连接图像传感器21的像素与点P1的线L1、连接图像传感器21的像素与点P2的线L2、连接图像传感器21的像素与点P3的线L3、连接图像传感器21的像素与点P4的线L4、连接图像传感器21的像素与点P5的线L5、以及连接图像传感器21的像素与点P6的线L6之间的角度不同。换句话说，穿过一个像素以及点P1和点P2的两条线L1与L2之间的角度、穿过一个像素和点P2以及穿过所述一个像素和点P3的两条线L2与L3之间的角度、穿过一个像素和点P3以及穿过所述一个像素和点P4的两条线L3与L4之间的角度、穿过一个像素和点P4以及穿过所述一个像素和点P5的两条线L4与L5之间的角度、以及穿过一个像素和点P5以及穿过所述一个像素和点P6的两条线L5与L6之间的角度全部不同。穿过一个像素和点P1以及穿过所述一个像素和点P2的两条线L1与L2之间的角度最大，两条线之间的角度逐渐减小，并且穿过一个像素和点P5以及穿过所述一个像素和点P6的两条线L5与L6之间的角度最小。

如上所述为了使输入到图像传感器21的光的分辨率均匀，在该实施例的情况下，将具有高分辨率的中心部分31和低分辨率的外周部分32的广角透镜用作分辨率校正透镜30。分辨率校正透镜30可被设计为使得其中心部分31具有高分辨率，其外周部分32具有低分辨率，并且其中心部分31和外周部分32之间的分辨率通过使用透镜变形而顺序地改变。

在这种情况下，光源10和图像传感器21被设置为使得从长距离反射的反射光穿过分辨率校正透镜30的中心部分31并进入图像传感器21。详细地讲，光源10被设置为使得从远处的障碍物反射的反射光朝向图像传感器21的第一端21a(参见图8)入射，并且从附近的障碍物反射的反射光朝向图像传感器21的面向第一端21a的第二端21b(参见图8)入射。此时，分辨率校正透镜30被设置为使得中心部分31与图像传感器21的第一端21a相邻，并且外周部分32与图像传感器21的第二端21b相邻。

在下文中，将参照图8和图9详细描述分辨率校正透镜和图像传感器的布置。

图8是示出图4的广角高分辨率距离测量装置中的图像传感器和分辨率校正透镜之间的布置关系的视图。

参照图8，分辨率校正透镜30可具有圆形横截面，并且可形成为使得分辨率从中心部分31朝向外周部分32减小。换句话说，分辨率校正透镜30的中心部分31是高分辨率的，并且外周部分32是低分辨率的。作为分辨率校正透镜30的示例，可使用一般的广角透镜。

图像传感器21可形成为矩形平板。在该实施例中，图像传感器21具有4:3的宽高比。图像传感器21被设置为使得图像传感器21的第一端21a位于这样的位置：与穿过分辨率校正透镜30的中心的中心线CL平行地位于中心线CL下方预定距离d处，并且图像传感器21的第二端21b的两个角接触分辨率校正透镜30的圆形横截面的内表面。在这种情况下，图像传感器21与分辨率校正透镜30的中心线CL之间的距离d可由分辨率校正透镜30的可增加远场分辨率的高分辨率区域来确定。作为另一示例，尽管未示出，但图像传感器21的第一端21a可被设置为与分辨率校正透镜30的中心线CL重合。

在图8中，从短距离反射的反射光入射在图像传感器21的上端部分上(即，朝向第二端21b)，并且从远距离反射的反射光入射在图像传感器21的下端部分上(即，朝向第一端21a)。换句话说，从短距离反射的反射光通过分辨率校正透镜30的具有低分辨率的外周部分32进入图像传感器21，并且从远距离反射的反射光通过分辨率校正透镜30的具有高分辨率的中心部分31进入图像传感器21。

图9是示出图4的广角高分辨率距离测量装置中的图像传感器与分辨率校正透镜之间的布置关系的另一示例的视图。

参照图9，分辨率校正透镜30可具有圆形横截面，并且可形成为使得分辨率从中心部分31朝向外周部分32减小。换句话说，分辨率校正透镜30的中心部分31是高分辨率的，并且外周部分32是低分辨率的。作为分辨率校正透镜30的示例，可使用一般的广角透镜。

图像传感器21可形成为矩形平板。在该实施例中，图像传感器21具有4:3的宽高比。图像传感器21被设置为使得图像传感器21的第一端21a位于这样的位置：与穿过分辨率校正透镜30的中心的中心线CL平行地位于中心线CL下方预定距离d处，并且图像传感器21的第二端21b与分辨率校正透镜30的圆形横截面的外圆周表面接触。在这种情况下，图像传感器21与分辨率校正透镜30的中心线CL之间的距离d可由分辨率校正透镜30的可增加远场分辨率的高分辨率区域来确定。作为另一示例，尽管未示出，但图像传感器21的第一端21a可被设置为与分辨率校正透镜30的中心线CL重合。

在图9中，从短距离反射的反射光入射在图像传感器21的上端部分上(即，朝向第二端21b)，并且从远距离反射的反射光入射在图像传感器21的下端部分上(即，朝向第一端21a)。因此，从短距离反射的反射光通过分辨率校正透镜30的具有低分辨率的外周部分32进入图像传感器21，并且从远距离反射的反射光通过分辨率校正透镜30的具有高分辨率的中心部分31进入图像传感器21。

因此，当使用如图8和图9所示出的分辨率校正透镜30和图像传感器21的布置时，如图4所示出的，输入到图像传感器21的每一个像素的光的间隔可大致相同地形成。因此，可提高距离测量装置的远场分辨率。

例如，当如上所述布置分辨率校正透镜30和图像传感器21时，根据本公开实施例的广角高分辨率距离测量装置1可以以约1％的误差检测室内长距离(例如，6米)处的障碍物，并且可以以约1％的误差检测室外长距离(例如，15米)处的障碍物。

另外，当分辨率校正透镜30形成为如图8和图9所示出的圆形形状时，具有易于制造分辨率校正透镜30的优点。

在上文中，图像传感器21的中心和分辨率校正透镜30的中心被布置为离心的。然而，如在图10中所示出的，图像传感器21和分辨率校正透镜30可被设置为使得图像传感器21的中心与分辨率校正透镜30的中心彼此对准。

图10是示出图4的广角高分辨率距离测量装置中的图像传感器与分辨率校正透镜之间的布置关系的另一示例的视图。

分辨率校正透镜30'可具有圆形横截面，并且可形成为在分辨率校正透镜30'的外圆周表面的一端处具有最高分辨率，并且在与外圆周表面的所述一端相对的外圆周表面的另一端处具有最低分辨率。例如，在图10中，分辨率校正透镜30'可形成为使得分辨率从上端30a至下端30b逐渐降低。换句话说，与分辨率校正透镜30'的上端30a相邻的上方部分是高分辨率的，并且与分辨率校正透镜30'的下端30b相邻的下方部分是低分辨率的。另外，上端30a与下端30b之间的中间部分的分辨率形成为与图像传感器21的上端平行地顺序改变。在图10中，多条平行虚线30c表示分辨率改变的区域。

图像传感器21可形成为矩形平板。在该实施例中，图像传感器21具有4:3的宽高比。图像传感器21被设置为使得图像传感器21的中心与分辨率校正透镜30'的中心对准。

在图10中，从短距离反射的反射光入射在图像传感器21的下端部分上(即，朝向第一端21a)，并且从远距离反射的反射光入射在图像传感器21的上端部分上(即，朝向第二端21b)。因此，从短距离反射的反射光通过分辨率校正透镜30'的具有低分辨率的下端部分进入图像传感器21，并且从远距离反射的反射光通过分辨率校正透镜30'的具有高分辨率的上端部分进入图像传感器21。

在图10所示出的实施例的情况下，尽管未示出，但分辨率校正透镜可形成为具有与图像传感器21对应的矩形横截面而不是圆形形状。

在下文中，将参照图11至图13详细描述根据本公开的另一实施例的广角高分辨率距离测量装置。

图11是示出根据本公开的另一实施例的广角高分辨率距离测量装置的侧视图。图12是示出图11的广角高分辨率距离测量装置的俯视图，图13是示出在图11的广角高分辨率距离测量装置中使用的半圆柱透镜的透视图。

参照图11至图13，根据本公开的实施例的广角高分辨率距离测量装置2可包括光源10、相机20和分辨率校正透镜40。

光源10可形成为照射具有预定形状的结构光。在该实施例的情况下，线激光器被用作光源10。如在图1中所示出的，线激光器10可将结构光以直线照射到障碍物107。换句话说，线激光器10可形成为以扇形输出平光。

相机20可被设置在光源10下方。换句话说，光源10和相机20可被布置为使得光源10的中心线CL1与相机20的中心线CL2位于相同的虚拟竖直平面上。相机20可被配置为捕捉反射光以形成图像，其中，所述反射光是从光源10照射、从障碍物反射并且然后进入相机20的结构光。相机20可包括图像传感器21和用于将光聚焦在图像传感器21上的聚焦透镜23(参见图5)。另外，相机20可使用在水平方向上具有广角的透镜。例如，可使用水平视角为90度且垂直视角约为60度的相机20。

一个方向上的变形大于另一方向上的变形的透镜可被用作分辨率校正透镜40。例如，分辨率校正透镜40可具有第一轴A1和垂直于第一轴A1的第二轴A2，并且可形成为使得第二轴A2的方向上的变形大于第一轴A1的方向上的变形。在这种情况下，分辨率校正透镜40可被设置为使得具有大变形的第二轴A2的方向与将改变视角的方向一致。因此，分辨率校正透镜40可被设置在相机20的前方，使得具有小变形的第一轴A1的方向平行于由从光源10照射的结构光形成的光平面LP。

如在图11和图12所示出的实施例中，当相机20使用在水平方向上具有广角的透镜时，可将半圆柱透镜用作分辨率校正透镜40以减小垂直方向上的视角。例如，半圆柱透镜40可被用于将约60度的垂直视角减小至约20度。图13示出半圆柱透镜40的示例。

参照图13，半圆柱透镜40可包括在矩形平面41上彼此垂直的第一轴A1和第二轴A2。第一轴A1是在半圆柱透镜40的垂直方向上的轴，并且第二轴A2是半圆柱透镜40的宽度方向的轴并且在矩形平面41上垂直于第一轴A1。因为该形状在第一轴A1的方向上是均匀的，所以几乎没有变形。然而，在第二轴A2的方向上(即，在半圆柱透镜40的宽度方向上)存在变形。因此，在第二轴A2的方向上的变形大于在第一轴A1的方向上的变形。

因此，为了减小垂直方向上的视角，如在图11和图12中所示出的，半圆柱透镜40可被设置在相机20的前方，使得半圆柱透镜40的第二轴A2平行于设置有光源10和相机20的虚拟垂直平面。当如上所述半圆柱透镜40被设置在相机20的前方时，可减小相机20的垂直方向上的视角，使得入射在相机20上的反射光的光间隔均匀而不论距离如何，从而提高分辨率。

因此，利用如在图11和图12所示出的根据本公开实施例的广角高分辨率距离测量装置2，因为水平方向上的视角可保持为广角，并且垂直方向上的视角可被设置为窄角，所以可提高远场分辨率。

在下文中，将参照图14至图16详细描述根据本公开的另一实施例的广角高分辨率距离测量装置。

图14是示出根据本公开的另一实施例的广角高分辨率距离测量装置的侧视图。图15是示出图14的广角高分辨率距离测量装置的俯视图，图16是示出在图14的广角高分辨率距离测量装置中使用的双凹柱面透镜的透视图。

参照图14至图16，根据本公开的实施例的广角高分辨率距离测量装置3可包括光源10、相机20和分辨率校正透镜50。

光源10可形成为照射具有预定形状的结构光。在该实施例的情况下，线激光器被用作光源10。如在图1中所示出的，线激光器10可将结构光以直线照射到障碍物107。换句话说，线激光器10可形成为以扇形输出平光。

相机20可被设置在光源10下方。换言之，光源10和相机20可被布置为使得光源10的中心线CL1与相机20的中心线CL2位于相同的虚拟竖直平面上。相机20可被配置为捕捉反射光以形成图像，其中，所述反射光是从光源10照射、从障碍物反射并且然后进入相机20的结构光。相机20可包括图像传感器21和用于将光聚焦在图像传感器21上的聚焦透镜23(参见图5)。另外，相机20可使用在水平方向上具有窄角的透镜。例如，可使用水平视角为30度和垂直视角为20度的相机20。在这种情况下，可加宽相机20的水平方向上的视角，以便加宽距离测量装置3的视场。

可将一个方向上的变形大于另一个方向上的变形的透镜用作分辨率校正透镜50，以便增加水平方向上的视角，例如，将水平方向上的视角从30度增加至90度。例如，分辨率校正透镜50可具有第一轴A1和垂直于第一轴A1的第二轴A2，并且可形成为使得第二轴A2的方向上的变形大于第一轴A1的方向上的变形。在这种情况下，分辨率校正透镜50可被设置为使得具有大变形的第二轴A2的方向与将改变视角的方向一致。因此，分辨率校正透镜50可被设置在相机20的前方，使得具有大变形的第二轴A2的方向平行于从光源10照射的结构光。

如在图14和图15所示出的实施例中，当相机20使用在水平方向上具有窄角的透镜时，可将双凹柱面透镜用作分辨率校正透镜50以增加水平方向上的视角。例如，可使用能够将相机20的水平视角从30度增加至90度的双凹柱面透镜50。图16示出双凹柱面透镜50的示例。

参照图16，双凹柱面透镜50可形成为在矩形平板中沿纵向方向形成凹槽的形状。换句话说，双凹柱面透镜50在两侧表面中的每一个表面上具有凹形形状，使得平板的中间部分比其边缘薄。因为双凹柱面透镜50被用作一般凹透镜，所以双凹柱面透镜50可使入射光扩散。双凹柱面透镜50可包括在假想中心平面51上彼此垂直的第一轴A1和第二轴A2。第一轴A1是在中心平面51上沿双凹柱面透镜50的垂直方向延伸的轴，并且第二轴A2是垂直于第一轴A1并且在中心平面51上沿双凹柱面透镜50的左右方向延伸的轴。因为该形状在第一轴A1的方向上是均匀的，所以几乎没有变形。然而，在第二轴A2的方向上(即，在双凹柱面透镜50的宽度方向上)存在变形。因此，在第二轴A2的方向上的变形大于在第一轴A1的方向上的变形。

因此，为了增加水平方向上的视角，如在图14和图15所示出的，双凹柱面透镜50可被设置在相机20的前方，使得双凹柱面透镜50的第二轴A2平行于由从光源10照射的结构光形成的光平面LP。当如上所述双凹柱面透镜50被设置在相机20的前方时，可增加相机20的水平视角，使得相机20的水平视角可成为广角。

因此，利用如在图14和图15所示出的根据本公开实施例的广角高分辨率距离测量装置3，因为相机20的垂直方向上的视角可保持为窄角，并且水平方向上的视角可增加至广角，所以可增加视场，同时保持长距离处的高分辨率。

在以上描述中，分辨率校正透镜40和分辨率校正透镜50被用作设置在相机20的前方以调整视角的光学系统。然而，透镜可以不被用作用于调整视角的光学系统。作为另一示例，尽管未示出，但根据本公开实施例的广角高分辨率距离测量装置可被配置为使用能够与透镜起相同作用的凹面镜或凸面镜来配置。

可使用多个具有根据本公开的实施例的广角高分辨率距离测量装置1、广角高分辨率距离测量装置2和广角高分辨率距离测量装置3的移动机器人。在这种情况下，可能因从多个广角高分辨率距离测量装置的光源照射的结构光而发生光干涉。

在下文中，将参照图17至图19详细描述防止在使用多个广角高分辨率距离测量装置时发生光干涉的方法。

图17是示出根据本公开的实施例的广角高分辨率距离测量装置的功能框图。图18是示出当设置在两个移动机器人中的根据本公开实施例的两个广角高分辨率距离测量装置之间发生光干涉时光源的时序图的示图。图19是示出当避免设置在两个移动机器人中的根据本公开的实施例的两个广角高分辨率距离测量装置之间的光干涉时的光源的时序图的示图。

参照图17，根据本公开的实施例的广角高分辨率距离测量装置1可包括光源10、相机20和处理器60。

光源10可被配置为照射结构光，并且相机20可被配置为通过捕捉从障碍物反射并入射在相机20上的反射光来形成图像。光源10和相机20与根据上述实施例的光源10和相机20相同或相似；因此，省略其详细描述。

处理器60可被配置为控制光源10和相机20，并且使用光源10发射光时的位置来识别距障碍物的距离。详细地讲，处理器60以预定间隔开启光源10以照射结构光，并且控制相机20通过捕捉反射光来形成图像，其中，所述反射光是被障碍物反射并入射在相机20上的结构光。在这种情况下，处理器60可同步地控制光源10和相机20以仅在光源10被开启时形成图像。另外，处理器60可使用光源10与相机20之间的距离和所获取的图像来计算距障碍物的距离。

如在图18所示出的，处理器60可控制光源10以预定时间间隔发射结构光。

然而，当使用配备有根据本公开的实施例的广角高分辨率距离测量装置1的两个或更多个移动机器人R1和R2时，两个距离测量装置1的光源10发射光，使得两个距离测量装置1之间可能发生光干涉。

例如，当在光源10未开启的状态下由相机20捕捉到结构光信号时，第一移动机器人R1的距离测量装置1的处理器60识别出第二移动机器人R2的距离测量装置1发生了光干涉。然后，第一移动机器人R1的距离测量装置1的处理器60可将开启光源10的时刻偏移预定时间以避免光干涉。

详细地讲，如在图18中所示出的，第一移动机器人R1的距离测量装置1的光源10可以以脉冲的形式以预定时间间隔发射结构光，并且第二移动机器人R2的距离测量装置1的光源10可以以脉冲的形式发射结构光。此时，当第一移动机器人R1的距离测量装置1的处理器60在将开启光源10的时刻(图18中的部分C)在处理器60未开启光源10的状态下通过相机20检测到结构光信号时，可得知因从第二移动机器人R2的光源10照射的结构光而发生光干涉。

在这种情况下，如在图19所示出的，第一移动机器人R1的距离测量装置1的处理器60可将开启光源10的时刻偏移预定时间△T。在这种情况下，偏移时间△T可小于开启光源10的时间间隔T。因此，第一移动机器人R1的距离测量装置1发射光的时刻可与第二移动机器人R2的距离测量装置1发射光的时刻不一致。因此，可避免两个移动机器人R1和R2的距离测量装置之间的光干涉。

利用如上所述的根据本公开实施例的广角高分辨率距离测量装置，当通过使用广角透镜获得宽水平视角而降低了远场分辨率时，可使用分辨率校正透镜来提高远场分辨率，同时保持水平视角。

另外，利用根据本公开实施例的广角高分辨率距离测量装置，当通过使用窄角透镜获得窄垂直视角而使水平视角变窄时，可通过使用分辨率校正透镜将水平视角增加为广角，同时保持垂直视角。

如上所述，根据本公开实施例的广角高分辨率距离测量装置可通过改变光学系统而无需使用高分辨率图像传感器来提高远场分辨率，从而降低制造成本。

另外，根据本公开实施例的广角高分辨率距离测量装置可通过改变光学系统而不增加光源与相机之间的距离(这导致距离测量装置的尺寸增加)来提高远场分辨率。因此，可实现配备有距离测量装置的移动机器人等的小型化。

在上文中，已经以示例性方式描述了本公开。这里所使用的术语仅出于示例性目的，而不应被解释为限制意义。可根据上述内容进行本公开的各种修改和变化。因此，除非另有说明，否则可在权利要求的范围内自由地实践本公开。

Claims (15)

1.一种广角高分辨率距离测量装置，包括：

光源，被配置为照射结构光；

相机，被配置为通过捕捉反射光来形成图像，其中，所述反射光是从所述光源照射并从障碍物反射的结构光；以及

分辨率校正透镜，被设置在所述相机的前方并且被配置为校正从障碍物反射并入射在所述相机上的所述反射光，其中，由所述相机形成的图像的分辨率变得均匀而不论距离如何。

2.根据权利要求1所述的广角高分辨率距离测量装置，

其中，所述分辨率校正透镜被形成为顺序地改变分辨率使得中心部分具有高分辨率并且外周部分具有低分辨率。

3.根据权利要求2所述的广角高分辨率距离测量装置，

其中，所述相机包括图像传感器，

其中，所述光源被设置为使得从远处的障碍物反射的反射光朝向所述图像传感器的第一端入射，并且从附近的障碍物反射的反射光朝向所述图像传感器的第二端入射，并且

其中，所述分辨率校正透镜被设置为使得所述中心部分与所述图像传感器的第一端相邻，并且所述外周部分与所述图像传感器的第二端相邻。

4.根据权利要求3所述的广角高分辨率距离测量装置，

其中，所述分辨率校正透镜具有圆形横截面，

其中，所述图像传感器被形成为矩形平板，并且

其中，所述图像传感器被设置为使得所述图像传感器的第一端从穿过所述分辨率校正透镜的中心的直线向下间隔开预定距离，并且所述图像传感器的第二端的两个角与所述分辨率校正透镜的所述圆形横截面的内表面接触。

5.根据权利要求3所述的广角高分辨率距离测量装置，

其中，所述分辨率校正透镜具有圆形横截面，

其中，所述图像传感器被形成为矩形平板，并且

其中，所述图像传感器被设置为使得所述图像传感器的第一端从穿过所述分辨率校正透镜的中心的直线向下间隔开预定距离，并且所述图像传感器的第二端与所述分辨率校正透镜的圆形横截面的外圆周表面接触。

6.根据权利要求3所述的广角高分辨率距离测量装置，

其中，所述分辨率校正透镜包括广角透镜。

7.根据权利要求1所述的广角高分辨率距离测量装置，

其中，所述分辨率校正透镜被形成为在沿着外圆周表面的一个端部处具有最高分辨率并且在面对所述一个端部的另一端部处具有最低分辨率。

8.根据权利要求7所述的广角高分辨率距离测量装置，

其中，所述相机包括图像传感器，

其中，所述光源被设置为使得从远处的障碍物反射的反射光通过所述分辨率校正透镜的所述一个端部朝向所述图像传感器的第一端入射，并且从附近的障碍物反射的反射光通过所述分辨率校正透镜的所述另一端部朝向所述图像传感器的第二端入射，并且

其中，所述分辨率校正透镜被设置为使得所述分辨率校正透镜的中心与所述图像传感器的中心重合。

9.根据权利要求1所述的广角高分辨率距离测量装置，

其中，所述光源包括线激光器。

10.根据权利要求1所述的广角高分辨率距离测量装置，

其中，所述相机包括图像传感器和聚焦透镜，其中，所述图像传感器被配置为捕捉所述反射光以形成图像，所述聚焦透镜被形成为将所述反射光聚焦在所述图像传感器上，并且

其中，所述分辨率校正透镜在所述聚焦透镜的前方与所述聚焦透镜一体地形成。

11.根据权利要求1所述的广角高分辨率距离测量装置，

其中，所述分辨率校正透镜包括第一轴和垂直于第一轴的第二轴，并且

其中，所述分辨率校正透镜被形成为使得第二轴方向上的变形大于第一轴方向上的变形。

12.根据权利要求11所述的广角高分辨率距离测量装置，

其中，当所述相机在水平方向上为广角时，所述分辨率校正透镜为半圆柱透镜，并且

其中，所述半圆柱透镜被设置为使得第一轴平行于从所述光源照射的结构光。

13.根据权利要求11所述的广角高分辨率距离测量装置，

其中，当所述相机在水平方向上为窄角时，所述分辨率校正透镜为双凹柱面透镜，并且

其中，所述双凹柱面透镜被设置为使得第二轴平行于从所述光源照射的结构光。

14.根据权利要求1所述的广角高分辨率距离测量装置，还包括：

处理器，被配置为控制所述光源和所述相机，

其中，所述处理器进行控制使得所述光源以预定时间间隔开启以照射结构光并且所述相机捕捉图像。

15.根据权利要求14所述的广角高分辨率距离测量装置，

其中，当所述相机在所述光源未开启的情况下捕捉到图像时，所述处理器将开启所述光源的时刻偏移预定时间。

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