CN114096801B - 镜头模块和物体探测装置 - Google Patents

Abstract

一种镜头模块和物体探测装置。镜头模块包括：透镜(1)，具有穿过其中心的主轴(10)以及物侧表面(11)和像侧表面(12)，并且具有排列为网状的多个单元透镜(2)；以及图像传感器(3)，位于透镜(1)的像侧表面(12)对应的一侧并且具有朝向像侧表面(12)的成像表面(30)，成像表面(30)具有与单元透镜(2)一一对应的单元成像区域(31)，每个单元成像区域(31)中的图像有序排列的集合能够表达对应的成像特征，该成像特征能够反映所检测到的物体(5)的尺寸和轮廓以及所检测到的物体(5)相对镜头模块的距离、方位和姿态，成像特征的变化能够反映所检测到的物体(5)相对于镜头模块的姿态变化和运动速度。由此能够在所需距离内进行有效探测，还具有低成本、低重量、小体积、低功耗的优点。

Description

镜头模块和物体探测装置

技术领域

本公开涉及物体检测领域，具体地，涉及一种镜头模块以及包括该镜头模块的物体探测装置。

背景技术

当前，在机器人产业和其他相关产业中，大多运用超声、红外、激光雷达等传感装置作为导航避障器件，然而，这些传感装置都存在各种各样的问题。例如，超声和红外传感装置虽然比较便宜，但只能做近距离防碰撞，且当情况复杂时，失败的次数会比较多。而激光雷达虽准确度高、能够探测的距离远，但价格昂贵、主动扫描耗电高，并且其体积和重量相对较大，对于大多数自动化设备来说并不适合。

发明内容

本公开的一个目的在于提供一种镜头模块，以能够至少解决部分上述问题，例如，在所需距离内进行有效探测，同时还具有低成本、低重量、小体积、低功耗的优点。

为了实现上述目的，本公开提供一种镜头模块，其特征在于，所述镜头模块包括：透镜，所述透镜具有穿过其中心的主轴以及彼此相对的物侧表面和像侧表面，所述透镜具有排列为网状的多个单元透镜；以及图像传感器，所述图像传感器位于所述透镜的所述像侧表面对应的一侧并且具有朝向所述像侧表面的成像表面，所述成像表面具有与所述单元透镜一一对应的单元成像区域，每个所述单元成像区域中的图像有序排列的集合能够表达对应的成像特征，该成像特征能够反映所检测到的物体的尺寸和轮廓以及所述所检测到的物体相对于所述镜头模块的距离、方位和姿态，所述成像特征的变化能够反映所述所检测到的物体相对于所述镜头模块的姿态变化和运动速度。

可选择地，每个单元透镜均具有各自的视场角，单元透镜的视场角的朝向与所述主轴之间的夹角为该单元透镜的偏斜角，靠近所述主轴处的单元透镜的偏斜角小于边缘处的单元透镜的偏斜角。

可选择地，沿远离所述主轴的方向，每个单元透镜的偏斜角随着该单元透镜到所述主轴之间的距离的增大而增大。

可选择地，沿远离所述主轴的方向，每个单元透镜的偏斜角以等差值的方式递增。

可选择地，到所述主轴距离不相等的任意两个单元透镜的偏斜角不相等，到所述主轴距离相等的任意两个单元透镜的偏斜角均相等。

可选择地，位于所述透镜中心位置处的单元透镜的偏斜角的值为零。

可选择地，所述单元透镜的尺寸的量级不大于微米级，所述视场角不大于0.1°，任意相邻两个单元透镜的偏斜角之间的差值不大于0.1°。

可选择地，每个所述单元透镜的形状和大小均相等。

可选择地，所述单元透镜的形状构造为正多边形。

可选择地，所述成像特征包括满成像的单元成像区域的数量和位置，以及非满成像的收敛延续长度。

可选择地，所述单元透镜沿所述主轴在所述成像表面上的正投影区域为该单元透镜所对应的单元成像区域。

可选择地，所述单元透镜通过光刻工艺形成在所述透镜的物侧表面上；或者，所述透镜的物侧表面覆盖有薄膜，所述薄膜上一体成型地形成有所述单元透镜。

可选择地，所述成像表面和所述像侧表面贴合设置；或者，所述成像表面和所述像侧表面之间具有间隙，所述镜头模块包括密封件，该密封件用于密封所述透镜和所述图像传感器之间的空间，并且所述透镜和所述图像传感器相对于所述密封件固定安装。

在上述技术方案的基础上，本公开还提供一种物体探测装置，其中，所述物体探测装置包括上述的镜头模块。

通过上述技术方案，本公开提供的镜头模块采用密集排布的单元透镜对空间中被探测到的物体进行成像，该物体会位于多个单元透镜的捕获范围内，相应在与这多个单元透镜对应的单元成像区域上都会有该物体的成像。基于该物体的自身尺寸以及相对于镜头模块的位置和姿态，对应有不同的上述集合，这些集合可以相应地表达出对应的成像特征，那么通过对成像特征的分析、计算等处理，可以得到所探测到的物体的自身尺寸以及相对于镜头模块的距离、方位和姿态，并且，通过对成像特征变化的分析、计算等处理，可以得到所探测到的物体的姿态的变化和位置的变化，即能够获得该物体的动态情况，包括姿态的变化以及运动速度(包括方向和大小)。因此，本公开提供的镜头模块可以用于无人作业领域，例如机器人的导航避障、目标物体的抓取和其它相关的应用场景中，其不需要对物体进行图像识别，因此，不需要设计相关的结构对此进行支持，从该角度来讲，能够显著地降低本公开所提供的镜头模块的研发和生产制造成本，同时其体积和重量也相应较小，同时其体积和重量也相应较小，另外，也有益于降低镜头模块、使用该镜头模块的物体探测装置或设备的功耗。并且，本公开所提供的镜头模块其本身结构较为简单，有利于降低其成本，同时，只需对单元透镜进行相应参数的改变，即可实现对预定距离内物体的有效探测，因而能够满足性能上的需求。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本公开一种实施例提供的镜头模块的结构示意图；

图2是根据本公开另一种实施例提供的镜头模块的结构示意图；

图3是根据本公开实施例提供的镜头模块处于对一些物体探测的状态的示意图；

图4是根据本公开实施例提供的镜头模块处于对另一些物体探测的状态的示意图；

图5示意出图3和图4中的探测结果；

图6是根据本公开实施例提供的镜头模块中单元透镜的一种网状排列形式。

附图标记说明

1-透镜，10-主轴，11-物侧表面，12-像侧表面，2-单元透镜，3-图像传感器，30-成像表面，31-单元成像区域，4-密封件，5-物体，51-第一物体，52-第二物体，53-第三物体，54-第四物体。

具体实施方式

以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。

图1示出了根据本公开一种实施方式的镜头模块。参考图1所示，所述镜头模块包括透镜1和图像传感器3。透镜1具有穿过其中心的主轴10(在图2中示出)以及彼此相对的物侧表面11和像侧表面12，所述透镜1具有排列为网状的多个单元透镜2。图像传感器3位于所述透镜1的所述像侧表面12对应的一侧并且具有朝向所述像侧表面12的成像表面30，所述成像表面30具有与所述单元透镜2一一对应的单元成像区域31，每个所述单元成像区域31中图像有序排列的集合能够表达对应的成像特征，该成像特征能够反映所检测到的物体5的尺寸和轮廓以及所述所检测到的物体相对于所述镜头模块的距离、方位和姿态，所述成像特征的变化能够反映所述所检测到的物体相对于所述镜头模块的姿态变化和运动速度。

通过上述技术方案，本公开提供的镜头模块采用密集排布的单元透镜2对空间中被探测到的物体进行成像，该物体会位于多个单元透镜2的捕获范围内(可以参考图1、图3和图4中所示)，相应在与这多个单元透镜2对应的单元成像区域31上都会有该物体的成像。基于该物体的自身尺寸以及相对于镜头模块的位置和姿态，对应有不同的上述集合，这些集合可以相应地表达出对应的成像特征，那么通过对成像特征的分析、计算等处理，可以得到所探测到的物体的自身尺寸以及相对于镜头模块的距离、方位和姿态，并且，通过对成像特征变化的分析、计算等处理，可以得到所探测到的物体的姿态的变化和位置的变化，即能够获得该物体的动态情况，包括姿态的变化以及运动速度(包括方向和大小)。因此，本公开提供的镜头模块可以用于无人作业领域，例如机器人的导航避障、目标物体的抓取和其它相关的应用场景中，其不需要对物体进行图像识别，因此，不需要设计相关的结构对此进行支持，从该角度来讲，能够显著地降低本公开所提供的镜头模块的研发和生产制造成本，同时其体积和重量也相应较小，另外，也有益于降低镜头模块、使用该镜头模块的物体探测装置或设备的功耗。并且，本公开所提供的镜头模块其本身结构较为简单，有利于降低其成本，同时，只需对单元透镜2进行相应参数的改变，即可实现对预定距离内物体的有效探测，因而能够满足性能上的需求。

在本公开提供的实施方式中，对成像特征的分析处理方式可以有多种，示例的，可以使用本公开提供的镜头模块对多个已知物体分别进行探测，获得每一已知物体各自对应的成像特征及其变化。之后，根据每一已知物体的尺寸、轮廓以及相对速度、距离、方位、姿态及其变化等变量信息，和探测所得的成像特征或其变化信息，建立物体信息库。这样，在实际应用时，根据本公开提供的镜头模块进行探测所得的成像特征或其变化，去查询物体信息库，从中确定出与该成像特征或其变化匹配的物体的变量信息，从而获得所探测到的物体的尺寸、轮廓以及相对速度、距离、方位、姿态及其变化。

这里，将结合图3至图5所示的实施例对本公开的方案进行示例性说明。图3示出了根据本公开实施例提供的镜头模块探测到第一物体51和第二物体52。图4示出了根据本公开实施例提供的镜头模块探测到第三物体53和第四物体54。图5示出了图3和图4的成像结果。若使用上述这种物体信息库，则可以将图5中对应于四个物体51-54的成像分别与物体信息库中所存储的信息相匹配，即可获知：第一物体51是近处小物体，第二物体52是远处小物体、第三物体53是近处大物体，第四物体54是远处大物体。

另外，从图5中还能够看出，四个物体51-54各自对应的成像特征均不相同，且可以理解的是，其均遵从于一定的规律。因此，图像传感器3中图像有序排列的集合以及是有规律可循的，客观上来说存在对应的公式算法，可以算出各物体的对应的变量信息。

在本公开提供的具体实施方式中，所述成像特征可以包括满成像的单元成像区域31的数量和位置，以及非满成像的收敛延续长度等相关的参数。在本公开提供的具体实施方式中，这些参数的种类可以有很多，本公开在此对这些参数不进行具体限制，对于与这些参数相对应的计算方法也相应有很多，为了避免偏离本公开的发明构思，此处也不再进一步展开描述。

此外，在本公开提供的具体实施方式中，单元透镜2与单元成像区域31的关系可以为：所述单元透镜2沿所述主轴10在所述成像表面30上的正投影区域为该单元透镜2所对应的单元成像区域31，参考图1、图3和图4中英文字母a至c甚至d至l。例如，当单元透镜2为方形时，单元成像区域31也为方形。

在本公开提供的具体实施方式中，每个单元透镜2均具有各自的视场角，根据不同的探测功能需求，可以对这些单元透镜2的视场角进行相应设计。在此，为了便于描述，定义单元透镜2的视场角α的朝向与所述主轴10之间的夹角为该单元透镜2的偏斜角，为了便于理解，认为视场角α的角平分线代表视场角α的朝向。在本公开提供的一些具体实施方式中，靠近所述主轴10处的单元透镜2的偏斜角小于边缘处的单元透镜2的偏斜角，以使得镜头模块具有相对大一些的视野，即成为一种广义上的广角镜头。例如，靠近主轴10出的单元透镜2的偏斜角在1°以内，位于边缘处的单元透镜2的偏斜角在60°左右。在本公开提供的另一些具体实施方式中，所有的单元透镜2的偏斜角均相等且等于零，此时，镜头模块的视野是相对较小的，可以满足定向甚至定范围的探测需求。也就是说，通过对偏斜角的设置，可以相应获得镜头模块所需的视野，满足不同应用场景的需求。

在具有相对大视野的镜头模块中，从成像的角度考虑，可以对单元透镜2的偏斜角进行相应的设计，那么由此所获得的图像集合则按照不同的规律表达对应的成像特征。可选择地，沿远离所述主轴10的方向，每个单元透镜2的偏斜角随着该单元透镜2到所述主轴10之间的距离的增大而增大，这种设计可以使得单元透镜2的视场角呈放射状地扩散，对镜头模块视野内的物体进行全方位的探测。

其中，偏斜角沿远离主轴10的方向的递增方式可以根据不同的需求进行设计，例如，沿远离所述主轴10的方向，每个透镜1单元的偏斜角以等差值的方式递增，或者差值逐渐增大/减小的方式递增，或者差值以一定规律周期变化的方式递增。

另外，在环绕主轴10的方向上，一些实施方式中可以设计为：到所述主轴10距离不相等的任意两个单元透镜2的偏斜角不相等，到所述主轴10距离相等的任意两个单元透镜2的偏斜角均相等。另一些实施方式中可以设计为所有的单元透镜2的偏斜角均不相等。对此，本公开不作具体展开。在此需要说明的是，上述“单元透镜2到主轴10的距离”可以理解为单元透镜2的中心点到主轴10的距离。

在本公开提供的一些实施方式中，位于所述透镜1中心位置处的单元透镜2的偏斜角的值为零，可以一定程度上降低中心盲区存在的机率，从而提高探测的可靠性。

在本公开提供的一些实施方式中，单元透镜2的尺寸、视场角的大小以及相邻两个单元透镜2的偏斜角之间的差值可以根据实际需求进行相应设计。可选择地，所述单元透镜2的尺寸的量级可以不大于微米级，所述视场角可以不大于0.1°，任意相邻两个单元透镜2的偏斜角之间的差值可以不大于0.1°。在这些实施方式中，单元透镜2呈致密状排列，并且每个单元透镜2的视场角都很小，偏斜梯度也较小，因此，能够在视野范围内探测到尺寸、轮廓更小甚至距离更远的物体，从而提高探测的精准性。

这里，还可以通过对单元成像区域31的像素点进行设计，以提高探测的精准性和可靠性，可选择地，单元成像区域31可以有大于2*2个的像素点，例如，可以有10*10个像素点。

此外，在本公开提供的具体实施方式中，任意两个单元透镜2的形状和大小可以根据需要进行设置，例如，可以设置为每个所述单元透镜2的形状和大小均相等。其中，对于形状来说，所述单元透镜2的形状可以构造为正多边形，如正三角形、正四边形(如图6中所示)、正六边形等，当然在其它实施方式也可以构造为其它形状的多边形甚至是具有曲线轮廓的形状。

在本公开提供的具体实施方式中，单元透镜2可以以任意合适的方式构造。可选择地，所述单元透镜2通过光刻等工艺形成在所述透镜1的物侧表面11上；或者，所述透镜1的物侧表面11覆盖有薄膜，所述薄膜上一体成型地形成有所述单元透镜2。另外，单元透镜2可以为单个独立的透镜体，全部的单元透镜2拼接可以形成透镜1。

此外，在本公开提供的一种实施方式中，所述成像表面30和所述像侧表面12贴合设置，以增大单元成像区域31所接收的光强；或者，若考虑工艺精度问题，即两者无法完全贴合，则可以如此设置：所述成像表面30和所述像侧表面12之间具有间隙(此间隙对单元成像区域31所接收的光强的影响可忽略不计)，在这种情况下，需要保证透镜1和图像传感器3之间的关系以及两者之间的空间的密封性，因此，所述镜头模块可以包括密封件4，如图2中所示，该密封件4用于密封所述透镜1和所述图像传感器3之间的空间，同时透镜1和图像传感器3均相对于密封件4固定安装。这里，密封件4可以是封装材料，也可以是镜头外壳，对此本公开不作具体限制。此外，成像表面30可以为平面，对应地，像侧表面12可以为平面，可以兼顾工艺和性能。另外，本公开提供的镜头模块的外轮廓形状并无特别限制，圆形、方形(如图6中所示的透镜1的外轮廓形状)等均可，可以在实际应用时根据不同的需求进行设计。

在上述技术方案的基础上，本公开还提供一种物体探测装置，所述物体探测装置包括上面所详细描述的镜头模块，因此包括了上述的优点。其中，在其一种实施方式中，物体探测装置中可以设置有图像处理模块，以分析处理图像传感器中的成像，当然，在其它实施方式中，这里的图像处理模块可以脱离于物体探测装置而设置在使用了该物体探测装置的设备或系统中。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (13)

1.一种镜头模块，其特征在于，所述镜头模块包括：

透镜(1)，所述透镜(1)具有穿过其中心的主轴(10)以及彼此相对的物侧表面(11)和像侧表面(12)，所述透镜(1)具有排列为网状的多个单元透镜(2)；以及

图像传感器(3)，所述图像传感器(3)位于所述透镜(1)的所述像侧表面(12)对应的一侧并且具有朝向所述像侧表面(12)的成像表面(30)，所述成像表面(30)具有与所述单元透镜(2)一一对应的单元成像区域(31)，每个所述单元成像区域(31)中的图像有序排列的集合能够表达对应的成像特征，所述成像特征包括满成像的单元成像区域(31)的数量和位置，以及非满成像的收敛延续长度，该成像特征能够反映所检测到的物体的尺寸和轮廓以及所述所检测到的物体相对于所述镜头模块的距离、方位和姿态，所述成像特征的变化能够反映所述所检测到的物体相对于所述镜头模块的姿态变化和运动速度。

2.根据权利要求1所述的镜头模块，其特征在于，每个单元透镜(2)均具有各自的视场角，单元透镜(2)的视场角的朝向与所述主轴(10)之间的夹角为该单元透镜(2)的偏斜角，靠近所述主轴(10)处的单元透镜(2)的偏斜角小于边缘处的单元透镜(2)的偏斜角。

3.根据权利要求2所述的镜头模块，其特征在于，沿远离所述主轴(10)的方向，每个单元透镜(2)的偏斜角随着该单元透镜(2)到所述主轴(10)之间的距离的增大而增大。

4.根据权利要求3所述的镜头模块，其特征在于，沿远离所述主轴(10)的方向，每个单元透镜(2)的偏斜角以等差值的方式递增。

5.根据权利要求2-4中任意一项所述的镜头模块，其特征在于，到所述主轴(10)距离不相等的任意两个单元透镜(2)的偏斜角不相等，到所述主轴(10)距离相等的任意两个单元透镜(2)的偏斜角均相等。

6.根据权利要求2所述的镜头模块，其特征在于，位于所述透镜(1)中心位置处的单元透镜(2)的偏斜角的值为零。

7.根据权利要求2所述的镜头模块，其特征在于，所述单元透镜(2)的尺寸的量级不大于微米级，所述视场角不大于0.1°，任意相邻两个单元透镜(2)的偏斜角之间的差值不大于0.1°。

8.根据权利要求1所述的镜头模块，其特征在于，每个所述单元透镜(2)的形状和大小均相等。

9.根据权利要求8所述的镜头模块，其特征在于，所述单元透镜(2)的形状构造为正多边形。

10.根据权利要求1所述的镜头模块，其特征在于，所述单元透镜(2)沿所述主轴(10)在所述成像表面(30)上的正投影区域为该单元透镜(2)所对应的单元成像区域(31)。

11.根据权利要求1所述的镜头模块，其特征在于，所述单元透镜(2)通过光刻工艺形成在所述透镜(1)的物侧表面(11)上；

或者，所述透镜(1)的物侧表面(11)覆盖有薄膜，所述薄膜上一体成型地形成有所述单元透镜(2)。

12.根据权利要求1所述的镜头模块，其特征在于，所述成像表面(30)和所述像侧表面(12)贴合设置；或者，

所述成像表面(30)和所述像侧表面(12)之间具有间隙，所述镜头模块包括密封件(4)，该密封件(4)用于密封所述透镜(1)和所述图像传感器(3)之间的空间，并且所述透镜(1)和所述图像传感器(3)相对于所述密封件(4)固定安装。

13.一种物体探测装置，其特征在于，所述物体探测装置包括根据权利要求1-12中任意一项所述的镜头模块。