CN205594162U - 光学扫描测距装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光学扫描测距装置。该光学扫描测距装置包括：光源，用于发出探测光；第一透镜，用于使探测光形成预设形状的光束；曲面反射镜，用于将预设形状的光束反射得到第一光束，第一光束照射到被测物体上，其中，被测物体在接收到第一光束后发出反射光，反射光经过曲面反射镜的反射，形成第二光束；第二透镜，用于将第二光束会聚，得到会聚光束；距离传感器，用于接收会聚光束，并根据会聚光束形成的图像计算光学扫描测距装置与被测物体的距离。通过本实用新型，解决了有滑环的光学扫描测距装置寿命低的问题，进而达到了提高光学扫描测距装置寿命的效果。

Description

光学扫描测距装置

技术领域

本实用新型涉及光学测距领域，具体而言，涉及一种光学扫描测距装置。

背景技术

光学扫描测距装置是一种使用准直光束，通过飞行时间(Time of Flight，简称为TOF)等方法进行非接触式扫描测距的设备。目前，通常的光学扫描测距装置包括：光发射模块、光学镜头、接收并处理信号的芯片、电机、轴承及导电滑环。光发射模块发出光束，光学镜头位于光发射模块的光路上，经过准直的光束发射到被测物体表面，遇到障碍物后光束被反射到接收芯片上，接收芯片通过测量发射到接收之间的时间、相位差、已知光速，即可求出被测物体到装置的距离。这类装置将用于测距的光发射模块、光学透镜、光接收模块等部件安装在一可连续旋转的平台上实现准直光束的扫描，通过电机旋转可以得到一周360度的环境距离信号，旋转部件和固定部件之间通过导电滑环供电并传输数据。目前广泛应用于机器人环境扫描、规划路径、避障导航、安防检测等。

此类光学扫描测距装置旋转部件和固定部件之间采用导电滑环供电并传输数据。而传统的导电滑环存在以下问题：1、滑环实际是单端支撑的悬臂梁结构，故电机在运行过程中，由于离心力和径向不平衡力矩的作用，滑环将不可避免地产生径向抖动，滑环的抖动振幅、频率很高，电刷的压力弹簧根本无法响应，因此造成电刷和滑环的接触不良；2、滑环的线速度高造成电刷磨损大，寿命短。具有关资料介绍，电刷的寿命和滑环的线速度的平方成反比，故机载滑环的传统结构电刷的寿命较低；3、传统的滑环、电刷结构在散热方面也存在困难，通常，滑环表面的温升多超过80℃，加剧了磨损，使滑环电刷可靠性进一步降低。同时，电刷磨损产生很多的碳粉，散落在绝缘的各相滑环之间，极容易产生滑环相间短路和造成接地，滑环系统将彻底损坏。

一般的导电滑环在3-5Hz的转速下，实际工作寿命不足1000小时，导电滑环的寿命是光学扫描测距装置寿命的短板，这极大地限制了此类设备的使用寿命。

针对相关技术中有滑环的光学扫描测距装置寿命低的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种光学扫描测距装置，以解决有滑环的光学扫描测距装置寿命低的问题。

为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种光学扫描测距装置，该装置包括：光源，用于发出探测光；第一透镜，用于使探测光形成预设形状的光束；曲面反射镜，用于将预设形状的光束反射得到第一光束，第一光束照射到被测物体上，其中，被测物体在接收到第一光束后发出反射光，反射光经过曲面反射镜的反射，形成第二光束；第二透镜，用于将第二光束会聚，得到会聚光束；距离传感器，用于接收会聚光束，并根据会聚光束形成的图像计算光学扫描测距装置与被测物体的距离。

进一步地，第一透镜为凸透镜或圆锥透镜，第二透镜为凸透镜。

进一步地，光源为LED光源或者激光光源，探测光为红外光。

进一步地，曲面反射镜为双曲面反射镜，抛物面反射镜，或圆锥面反射镜。

进一步地，该装置还包括：半透半反镜，与水平面的夹角为45°，用于将预设形状的光束中的一半光反射到圆锥面反射镜，其中，圆锥面反射镜的锥角为90°。

进一步地，该装置还包括：旋转驱动电机，用于驱动光源、第一透镜、半透半反镜、第二透镜以及距离传感器绕曲面反射镜的中心轴旋转。

进一步地，第一透镜用于使探测光形成横截面为环形或圆形的光束。

进一步地，距离传感器包括光电传感器和电路组件，光电传感器集成于光电测距芯片EPC600、EPC610或者EPC660中。

进一步地，距离传感器用于根据飞行时间算法计算与被测物体的距离。

进一步地，第一光束为水平光束，距离传感器为面阵距离传感器或者环形距离传感器。

本实用新型通过光源，用于发出探测光；第一透镜，用于使探测光形成预设形状的光束；曲面反射镜，用于将预设形状的光束反射得到第一光束，第一光束照射到被测物体上，其中，被测物体在接收到第一光束后发出反射光，反射光经过曲面反射镜的反射，形成第二光束；第二透镜，用于将第二光束会聚，得到会聚光束；距离传感器，用于接收会聚光束，并根据会聚光束形成的图像计算光学扫描测距装置与被测物体的距离，解决了有滑环的光学扫描测距装置寿命低的问题，进而达到了提高光学扫描测距装置寿命的效果。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是根据本实用新型第一实施例的光学扫描测距装置的示意图；

图2是根据本实用新型第二实施例的光学扫描测距装置的示意图；

图3是根据本实用新型第三实施例的光学扫描测距装置的示意图；

图4是根据本实用新型第四实施例的光学扫描测距装置的示意图；以及

图5是根据本实用新型实施例的光学扫描测距装置成像的示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本实用新型实施例提供了一种光学扫描测距装置。

图1是根据本实用新型第一实施例的光学扫描测距装置的示意图，如图1所示，该光学扫描测距装置包括：

光源10，用于发出探测光。

光源10可以是发光二级管(Light Emitting Diode，简称为LED)，也可以是激光光源，激光光源能够发出红外光，光源10也可以是其他能发出红外光的光源。在优选的实施方式中，发光光源为LED，发出红外光。光源10发出的探测光可以是准直光束。

第一透镜20，用于使探测光形成预设形状的光束。

光源10发出的探测光经过第一透镜20后，形成预设形状的光束。第一透镜20可以是凸透镜，也可以是圆锥透镜，或者其他形状的透镜，以使探测光形成预设形状的光束。

曲面反射镜30，用于将预设形状的光束反射得到第一光束，第一光束照射到被测物体上，其中，被测物体在接收到第一光束后发出反射光，反射光经过曲面反射镜30的反射，形成第二光束。曲面反射镜30可以是双曲面反射镜，抛物面反射镜，或圆锥面反射镜，也可以是其他形状的曲面反射镜。优选地，曲面反射镜在水平方向360°都可以将预设形状的光束反射得到第一光束，因此，可以探测360°方向上距离周围环境物体的距离。可选地，第一光束为水平光束，第二光束也为水平光束。

第二透镜40，用于将第二光束会聚，得到会聚光束。

在反射光经过曲面反射镜30的反射后，形成第二光束，第二光束经过第二透镜40后，得到会聚光束，第二透镜40可以是凸透镜，将被测物体反射的光会聚，得到会聚光束。

距离传感器50，用于接收会聚光束，并根据会聚光束形成的图像计算光学扫描测距装置与被测物体的距离。

在第二透镜40将第二光束会聚后，距离传感器50接收会聚光束，根据会聚光束形成的图像计算光学扫描测距装置与被测物体的距离。其中，距离传感器50可以包括光电传感器和电路组件，会聚光束聚焦到距离传感器50的光电传感器上，光信号转换成电信号，距离传感器50根据光源10发出的光与被测物体反射的光相位之差，能够计算出光学扫描测距装置与被测物体之间的距离。可选地，光源10发出的光可以是红外光，可以通过飞行时间算法(Time of Flight，简称为TOF)计算距离。例如，光电传感器测量发射光到接收光之间的时间、相位差、已知光速，即可求出被测物体到光学扫描测距装置之间的距离。光电传感器可以集成于光电测距芯片EPC600、EPC610或者EPC660中。可选地，距离传感器50为面阵距离传感器或者环形距离传感器，距离传感器50也可以是其他类型的距离传感器。

可选地，该装置还包括：半透半反镜，与水平面的夹角为45°，用于将预设形状的光束中的一半光反射到圆锥面反射镜，其中，圆锥面反射镜的锥角为90°。在第一透镜20使探测光形成预设形状的光束之后，入射到半透半反镜上，半透半反镜可以是半透半反玻璃，也可以是其他材料，半透半反镜可以将入射光线的一半透过，另一半反射。在一个可选的实施方式中，半透半反镜与水平面的夹角为45°，将预设形状的光束中的一半光反射到圆锥面反射镜上，圆锥面反射镜的锥角为90°，因此，圆锥面反射镜的入射光和出射光都是水平光线，以减少测量误差。

可选地，该装置还包括：旋转驱动电机，用于驱动光源10、第一透镜20、半透半反镜、第二透镜40以及距离传感器50绕曲面反射镜30的中心轴旋转。在一种可选的实时方式中，曲面反射镜30可以固定不动，由驱动电机驱动光源10、第一透镜20、半透半反镜、第二透镜40和距离传感器50围绕曲面反射镜30的中心轴旋转。曲面反射镜30的中心轴可以是对称中心轴，对称中心轴过底面圆心和顶点，围绕曲面反射镜30的中心轴旋转360°可以探测360°方向上距离周围环境物体的距离。驱动电机的控制方式可以是齿轮组传动、曲柄传动机构传动等，驱动电机驱动光源10、第一透镜20、半透半反镜、第二透镜40以及距离传感器50绕曲面反射镜30的中心轴360°匀速旋转，因此，光学扫描测距装置本身不产生自转，因此导线不会绞在一起，不需要使用滑环，本实用新型实施例可以实现在无滑环的情况下完成对水平360度范围被测物体的距离测量，提高了光学扫描测距装置的使用寿命。

可选地，第一透镜20是圆锥透镜，圆锥透镜用于使探测光形成横截面为环形或圆形的光束。圆锥透镜的大小和锥角可以根据具体的测试需求进行确定或调整。

图1中的各部件的设置位置只是一种可选的实施方式，在实际应用中也可以以不同于图1的位置设置。

该实施例采用光源10，用于发出探测光；第一透镜20，用于使探测光形成预设形状的光束；曲面反射镜30，用于将预设形状的光束反射得到第一光束，第一光束照射到被测物体上，其中，被测物体在接收到第一光束后发出反射光，反射光经过曲面反射镜的反射，形成第二光束；第二透镜40，用于将第二光束会聚，得到会聚光束；距离传感器50，用于接收会聚光束，并根据会聚光束形成的图像计算光学扫描测距装置与被测物体的距离，能够替代滑环，完成360°扫描测距，从而解决了有滑环的光学扫描测距装置寿命低的问题，进而达到了提高光学扫描测距装置寿命的效果。

下面结合具体的实施例，对本实用新型的技术方案进行解释：

图2是根据本实用新型第二实施例的光学扫描测距装置的示意图，如图2所示，该光学扫描测距装置包括：光源10、第一透镜20、曲面反射镜30、第二透镜40、距离传感器50、半透半反玻璃60和旋转部件70。在本实施例中，第一透镜20是凸透镜，第二透镜40也为凸透镜，曲面反射镜30为圆锥反射镜，圆锥反射镜固定设置于测距装置中心旋转轴(如图2中虚线)正上方，具体测量原理为：光源10发射探测光，第一透镜20位于光源10发出的光路上，光源10发出的光束经过第一透镜20聚焦准直，然后经过半透半反玻璃60的反射，一半的光入射到圆锥反射镜上，经过圆锥反射镜的反射，照射到被测物体1上，经过被测物体1的反射，反射光射向圆锥反射镜1，经由圆锥反射镜1的反射，然后透过半透半反玻璃60，再经过第二透镜40的聚焦，入射到距离传感器50，完成对被测物体1的距离测量。通过一片与水平面成一定夹角的半透半反玻璃60，将光学扫描测距装置的准直光束发射系统和接收系统变为共光路系统。

光源10固定在旋转部件70上，以水平方向发出红外光。其中光源10可以LED或者激光，在本实施例中，发光光源为LED，发出红外光。半透半反玻璃60将光源10发射的探测光一半反射向圆锥反射镜，另一半透过，将由圆锥反射镜反射向半透半反玻璃60的光同样一半反射，一半透过。半透半反玻璃60位于光源10的发射光路与圆锥反射镜反射光路的交汇处。在优选的实施例中，半透半反玻璃60与水平面夹角为45°，圆锥反射镜的锥角为90°。照向被测物体的光为水平方向，被测物体反射回的光也从水平方向入射至圆锥反射镜，旋转部件70绕中心轴旋转即可完成水平360度光学扫描测距。

距离传感器50位于由圆锥反射镜的下方，用于接收经过被测物体1反射的红外光，在距离传感器50接收红外光的光路上方设置有第二透镜40。第二透镜40为凸透镜，第二透镜40将接收到的红外光聚焦到距离传感器50上的光电传感器上。距离传感器50包括光电传感器及电路组件，其中，光电传感器集成于光电测距芯片EPC600、EPC610或者EPC660中。经障碍物(也即被测物体)反射回来的反射光聚焦在距离传感器50的光电传感器后，光信号转换成电信号。距离传感器50获取电源10发射的红外光与接收到的经过障碍物反射的红外光相位之差，通过飞行时间算法，测得距离传感器50与被测物体1之间的距离。

在光学扫描测距装置工作过程中，旋转部件70，例如，旋转驱动电机带动光学扫描测距装置以中心旋转轴360度匀速旋转、自身不发生自转，实现对360度各个角度方向上的障碍物进行距离测量。旋转部件70可以包括电机、齿轮组，旋转驱动电机的控制方式可以为齿轮组传动、曲柄传动机构等，电机可以是一个，也可以是两个或者多个。光学扫描测距装置中心轴正上方固定一个圆锥反射镜(也可以是其他旋转曲面反射镜)，由于光学扫描测距装置不产生自转，因此供电线和信号线不通过导电滑环，而直接连接到装置的固定部件上。

在一种可选的实施方式中，光学扫描测距步骤为：

第一步：光学扫描测距装置旋转部件70的光源10发出光束，光束经过光学透镜准直，形成准直光束。准直光束通过半透半反玻璃60的反射，然后经过圆锥反射镜的反射，照射到被测物体。

步骤二：经过被测物体的反射，反射光经由圆锥反射镜的反射，透过半透半反玻璃60进入和光学透镜最终进入距离传感器50对被测物体第一次扫描测距；

步骤三：光学扫描测距装置的旋转部件70绕设备中心轴连续旋转，重复以上步骤，完成360度方向扫描测距。

光学扫描测距装置的旋转部件70可以直接用导线与光学扫描测距装置固定端连接完成供电和信号传输，光学扫描测距装置旋转部件70绕中心旋转轴转动，但是本身不产生自转。由于光学扫描测距装置旋转部件70不产生自转，因此导线不会绞在一起，通过曲面反射镜和电机旋转机械结构的改进，在无滑环的情况下完成了对水平360度范围被测物体的距离测量，提高了光学扫描测距装置的使用寿命。

图3是根据本实用新型第三实施例的光学扫描测距装置的示意图，如图3所示，该光学扫描测距装置包括：光源10、第一透镜20、曲面反射镜30、第二透镜40、距离传感器50和半透半反玻璃60。在本实施例中，第一透镜20、第二透镜40都是凸透镜，曲面反射镜30为双曲面反射镜。双曲面反射镜与第二透镜40、距离传感器50的中心同轴，光源10发射光束经过第一透镜20准直，然后依次通过半透半反玻璃60和双曲面反射镜的反射，照射到水平360度方向，经过环境中被测物体的反射，形成反射光，反射光经由双曲面反射镜的反射，透过半透半反玻璃60和第二透镜40进入距离传感器50，在距离传感器50上形成环形的像，通过对环形像的处理，分解到水平360度方向，得到距离信号，即可完成对被周围环境的距离测量。

在该实施例中，光源10固定于光学扫描测距装置内部，发出探测光，探测光的光路上设置第一透镜20，经过第一透镜20后，探测光被整形为具有一定横截面积的面光束。该面光束射向与水平面成45度角的半透半反玻璃60，半透半反玻璃60将探测光一半透过，一半反射。经过反射的面探测光照射到双曲面反射镜上，经过双曲面反射镜的反射，探测光束在360度全方位从光学扫描测距装置发射出去，以360度全方位发出的探测光在360度内探测周围物体，经过周围物体的反射，反射光束反射回双曲面反射镜，双曲面反射镜将反射光束发射到半透半反玻璃60，一半的反射光经过第二透镜40入射到距离传感器50中。

双曲面反射镜也可以是抛物面反射镜、圆锥反射镜等。距离传感器50可以是面阵距离传感器、环形距离传感器阵列等。第一透镜20和第二透镜40表示一种光学透镜，可以是多个种类的透镜，可以是一般的准直透镜，也可以是圆锥镜等光学棱镜。发射的准直光束与接收的光束通过半透半反玻璃60达到共光路系统，以减小装置体积，具体的光路不限于此种固定方式，也可以通过排布两个双曲面反射镜来实现。

图4是根据本实用新型第四实施例的光学扫描测距装置的示意图，如图4所示，该光学扫描测距装置包括：光源10、第一透镜20、曲面反射镜30、第二透镜40和距离传感器50。在本实施例中，第一透镜20为圆锥镜，第二透镜40为凸透镜，曲面反射镜30为双曲面反射镜。

双曲面反射镜与第二透镜40、距离传感器50、光源10、圆锥镜的中心同轴。光源10发射光束经过圆锥镜后形成横截面为环状或者圆形的光束，然后通过双曲面反射镜的反射，照射到水平360度方向，经过周围环境中被测物体的反射，反射光经由双曲面反射镜的反射和第二透镜40进入距离传感器50，在距离传感器50上形成环形的像，通过对环形距离信号的处理，分解到水平360度方向，即可完成对被周围环境的距离测量。

双曲面反射镜也可以用抛物面反射镜、圆锥反射镜等代替。距离传感器50可以是面阵距离传感器、环形距离传感器阵列等。第二透镜40表示一种光学透镜，其种类不受限制，可以是一般的准直透镜，也可以是圆锥镜等光学棱镜。使用圆锥镜的目的是形成环状的出射光束，圆锥镜的种类不受限制，可以是单透镜，也可以是自由曲面透镜或棱镜等。可选地，圆锥镜通过透光率高的材料与光学扫描测距装置的主体固定，透光率高的材料可以是聚碳酸酯(PC)。

图5是根据本实用新型实施例的光学扫描测距装置成像的示意图，如图5所示，在距离传感器50中成像的俯视图11可以是环形，根据全景成像原理，全景图像在距离传感器50中成的像与周围环境有映射关系，距离传感器50通过对环形距离信号的处理，分解到水平360°方向，即可完成对周围环境的距离测量。

通过上述实施方式，本实用新型实施例可以实现在去导电滑环的情况下，实现光学扫描测距功能，极大地提高了光学扫描测距装置的使用寿命。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光学扫描测距装置，其特征在于，包括：

光源，用于发出探测光；

第一透镜，用于使所述探测光形成预设形状的光束；

曲面反射镜，用于将所述预设形状的光束反射得到第一光束，所述第一光束照射到被测物体上，其中，所述被测物体在接收到所述第一光束后发出反射光，所述反射光经过所述曲面反射镜的反射，形成第二光束；

第二透镜，用于将所述第二光束会聚，得到会聚光束；以及

距离传感器，用于接收所述会聚光束，并根据所述会聚光束形成的图像计算光学扫描测距装置与所述被测物体的距离。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一透镜为凸透镜或圆锥透镜，所述第二透镜为凸透镜。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光源为LED光源或者激光光源，所述探测光为红外光。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述曲面反射镜为双曲面反射镜，抛物面反射镜，或圆锥面反射镜。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

半透半反镜，与水平面的夹角为45°，用于将所述预设形状的光束中的一半光反射到所述圆锥面反射镜，其中，所述圆锥面反射镜的锥角为90°。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

旋转驱动电机，用于驱动所述光源、所述第一透镜、所述半透半反镜、所述第二透镜以及所述距离传感器绕所述曲面反射镜的中心轴旋转。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一透镜用于使所述探测光形成横截面为环形或圆形的光束。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述距离传感器包括光电传感器和电路组件，所述光电传感器集成于光电测距芯片EPC600、EPC610或者EPC660中。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述距离传感器用于根据飞行时间算法计算与所述被测物体的距离。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一光束为水平光束，所述距离传感器为面阵距离传感器或者环形距离传感器。