CN205880218U - 一种混合固态多线光学扫描测距装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种混合固态多线光学扫描测距装置，其特征在于，该装置包括，发射光源，用于发出红外探测光，反射镜，将发射光源发出的红外探测光反射，并且将由被测物体或者障碍物反射的红外探测光反射，道威棱镜，位于反射镜与光接收模块之间，所述道威棱镜旋转的角速度为反射镜旋转角速度的一半，光接收模块，接收由道威棱镜射出的红外探测光，光接收模块中的光电传感器将光信号转换为电信号，信号处理单元，与光电传感器连接，根据光电传感器转换的电信号计算距离。通过本实用新型，加入所述的道威棱镜结构，纠正由于旋转带来的图像旋转的问题，从而实现多线测距。

Description

一种混合固态多线光学扫描测距装置

技术领域

本申请涉及光学测距领域，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TOF）等方法测量距离的设备。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、电机及滑环。光发射模块发出光束，经过准直的光束发射到被测物体表面，反射到接收芯片上，通过测量发射到接收之间的时间，已知光速，即可求出被测物体到装置的距离。通过电机旋转可以得到一周360度的环境距离信号，目前广泛应用于机器人环境扫描、规划路径、安防检测等。

但是，由于此种光学扫描装置普遍使用的是滑环来连接旋转端和固定端的电子器件，整机的寿命严重受到滑环自身寿命的制约。

针对以上所述缺点，现有技术中的一个解决方案是，加入摆镜（或者棱镜）的方案，通过把所有电子元器件都放在固定的底座上，然后用电机带动摆镜旋转，通过360度旋转的摆镜的反射（棱镜的折射等）完成整个光路的发射与接收，从而得到360度的环境距离信息。至此，所有的转动装置只有摆镜（或者棱镜），无需电子通讯，所以滑环可以去掉。

但是，此技术方案中摆镜的旋转带来的是接收的像一直是旋转的。特别是当用于多线的扫描测量时，接收装置为固定设置的阵列传感器，由摆镜反射到阵列传感器上的像随摆镜的转动而旋转，导致阵列传感器测量的距离值与实际被测物体的位置不对应，因此摆镜方案无法实现多线的测量，所以市面上此种摆镜装置多用于单线、不需要要求成像方向的测距。

针对以上所述缺点，现有技术中的一种解决方式是，在摆镜结构（或棱镜等）与接收芯片之间加入一个旋转的道威棱镜，纠正由于摆镜的旋转带来的像面的旋转现象，从而保证接收芯片始终接收的是稳定的图片，实现测量的距离值与被测物体的位置相对应，完成多线测量的目的。

实用新型内容

为了克服现有的光学扫描测距装置的像面旋转以及只能单线测试的困难，本申请提供一种多线光学扫描装置，不仅能取代使用滑环类结构进行360度的旋转测试，来延长整个产品寿命，而且运用加入道威棱镜的方式，解决像面旋转的问题而升级为多线测距雷达。

本申请涉及一种混合固态多线光学扫描测距装置，该装置包括，发射光源，用于发出红外探测光；反射镜，将发射光源发出的红外探测光反射，并且将由被测物体或者障碍物反射的红外探测光反射；道威棱镜，位于反射镜与光接收模块的光路上，所述道威棱镜旋转的角速度为反射镜旋转角速度的一半；光接收模块，接收由被测物体或者障碍物反射并通过道威棱镜的红外探测光，光接收模块中的光电传感器将光信号转换为电信号；信号处理单元，与光电传感器连接，根据光电传感器转换的电信号计算距离。

可选地，光电传感器为由M行N列个独立工作的光电传感器所组成的一块阵列光电传感器。

可选地，反射镜由能够起到将光线传播角度偏转的光学元件替代，将发射光源发出的红外探测光反射，并且将由被测物体或者障碍物反射的红外探测光反射。可选地，反射镜由棱镜替代。

可选地，发射光源为LED光源或者激光光源，在光接收模块接收光的光路中，具有成像透镜，成像透镜将从道威棱镜出射的红外探测光成像到光接收模块的光电传感器上。

可选地，信号处理单元基于飞行时间法，计算所述混合固态多线光学扫描测距装置与被测物体或者障碍物之间的距离。

可选地，该混合固态多线光学扫描测距装置包括第一传动齿轮组和第二传动齿轮组，第一传动齿轮组用于驱动反射镜旋转，第二传动齿轮组用于驱动道威棱镜旋转，其中第一传动齿轮组与第二传动齿轮组使得反射镜的转动角速度是道威棱镜转动角速度的2倍。

可选地，该混合固态多线光学扫描测距装置还包括电机和传动杆，所述电机的转子与传动杆相连，传动杆与第一传动齿轮组、第二传动齿轮组分别相连接。

可选地，反射镜的外部设置有能够将由发射光源发出的红外探测光选择透过的外罩，所述外罩固定设置，不发生旋转。

可选地，该混合固态多线光学扫描测距装置应用于飞行器、扫地机器人、移动机器人中。

本申请的有益效果是，可以在原有的摆镜单线测距装置方案的基础上，直接加入所述的道威棱镜结构，纠正由于旋转带来的图像旋转的问题，从而达到多线测距的目的。

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。

图1是本申请混合固态多线光学扫描测距装置采用反射镜的实施例结构示意图。

图2是本申请混合固态多线光学扫描测距装置采用直角棱镜的实施例结构示意图。

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。

本申请涉及一种混合固态多线光学扫描测距装置，该混合固态多线光学扫描测距装置包括：

发射光源1，用于发出红外探测光。发射光源1可以是发光二极管（Light EmittingDiode，简称为LED），也可以是激光光源，发射光源1也可以是其他能发出红外光的光源。发射光源1固定于混合固态多线光学扫描测距装置内部，在工作过程中不发生旋转。在其中的一实施例中，发射光源1所发出的红外探测光的发光峰位于850nm。可选地，发射光源1固定于混合固态多线光学扫描测距装置的底部，该发射光源与光接收模块集成于同一块电路板上，该电路板固定于所述混合固态多线光学扫描测距装置底部。

反射镜2，用于改变红外探测光的传播方向，反射镜2位于发射光源发出的红外探测光光路上。在优选的实施例中，反射镜2的反射面与水平面成45度夹角，将垂直向上射出的红外探测光变成水平方向射到外部环境的红外探测光，将由环境中障碍物或者被测物体反射回的以水平方向入射到反射镜的红外探测光转换为以垂直方向向下射出。在混合固态多线光学扫描测距装置工作过程中，反射镜以360度不断旋转。可选地，该反射镜可以由其他能够将光线传播方向改变的光学元件替代。在其中的一实施例中，反射镜由棱镜替代，用于改变红外探测光的传播方向。在优选的实施例中，该棱镜为直角棱镜7，直角棱镜7的反射面与水平面成45度夹角。

道威棱镜3，该道威棱镜3以其光轴为旋转轴旋转。该道威棱镜3与反射镜（或者棱镜）同步旋转，道威棱镜3的转动角速度为反射镜（或者棱镜）转动角速度的一半。道威棱镜3设置于光接收模块的光电传感器接收光光路上。在其中的一实施例中，该道威棱镜位于光接收模块与反射镜的光传输路径中，接收由被测物体或者障碍物反射、并结构反射镜反射的红外探测光。发射镜将被测物体或者障碍物反射回来的红外探测光反射至道威棱镜，该道威棱镜将反射镜反射的红外探测光透射出，传输至光接收模块。

光接收模块4，接收被反射镜或者棱镜反射的、且由障碍物或者被测物体反射的红外探测光。光接收模块4具有光电传感器，用于将接收到的红外探测光转换为电信号。其中，所述光电传感器可以为COMS、CCD或雪崩光电二极管（Avalanche Photo Diode，简称APD）。在其中的一实施例中，光电传感器为由M行N列个可以独立工作的光电传感器所组成的一块阵列光电传感器。在其中的一实施例中，M=N，为8行8列，共64个独立工作光电传感器所组成的一块阵列光电传感器，该阵列光电传感器能够同时得到8*8个，共64个距离值。

光学成像元件6，位于光接收模块接收光的光路上。可选地，在道威棱镜和光接收模块之间的光线传输路径上，设置有光学成像元件，该光学成像元件为会聚透镜，该会聚透镜将从道威棱镜出射的红外光成像到光接收模块的光电传感器上。在其中的一实施例中，该会聚透镜由成像透镜或者为成像镜头替代，或其他任何将从道威棱镜射出的红外探测光成像到光电传感器的光学元件。

信号处理单元5，与光接收模块中的光电传感器连接，根据光电传感器转换的电信号，计算扫描测距装置与被测物体（或者障碍物）之间的距离。在其中的一实施例中，信号处理单元5基于飞行时间法，计算扫描测距装置与被测物体（或者障碍物）之间的距离。在其中的一实施例中，所述信号处理单元5与光接收模块4集成于同一块测距芯片中。可选地，该测距芯片为基于TOF方法测量距离的测距芯片。在其中的一实施例中，该测距芯片为EPC600、EPC610或者EPC660。

电机11，用于驱动道威棱镜和反射镜（或者棱镜）旋转。

第一传动齿轮组8，用于带动反射镜（或者棱镜）360度旋转。电机驱动第一传动齿轮组8转动，第一传动齿轮组8带动反射镜（或者棱镜）360度旋转。

第二传动齿轮组9，用于带动道威棱镜360度旋转。电机驱动第二传动齿轮组9转动，第二传动齿轮组带动道威棱镜360度旋转。其中第一传动齿轮组与第二传动齿轮组使得反射镜（或者棱镜）的转动角速度是道威棱镜转动角速度的2倍。

传动杆10，与电机的转子轴相连接，传动杆与第一传动齿轮组、第二传动齿轮组分别相连接。在工作过程中，电机通过驱动传动杆转动，传动杆带动第一传动齿轮组和第二传动齿轮组同时转动。

在其中的一实施例中，在发射光源的红外探测光传输光路上设置有发射光会聚透镜，用于将从发射光源直接发出的红外探测光会聚成平行光。

下面以图示为例，介绍本申请所涉及的混合固态多线光学扫描测距装置的具体实施例，如附图1所示混合固态多线光学扫描测距装置的其中一具体实施例，在工作过程中：

发射光源1固定于混合固态多线光学扫描测距装置内部。在其中的一实施例中，固定于扫描测距装置的底部，在工作过程中不发生旋转。发射光源发出红外探测光，照射到反射镜2上。在其中的一实施例中，在发射光源的光路上还固定设置有会聚透镜，用于将发射光源发出的红外探测光会聚成平行光。

红外探测光照射到反射镜2上，反射镜与2水平面成45度设置，将发射光源发出的红外探测光的方向改变90度，从混合固态多线光学扫描测距装置射出到外部环境中。在工作过程中，反射镜不断以360度旋转，将红外探测光的传输方向改变90度后，像360度内各个方向射出，探测360度内的障碍物距离信息。

经过反射镜反射的红外探测光在外部环境中传输，遇到障碍物即被反射，该被障碍物反射的红外探测光入射到反射镜，反射镜将该障碍物反射回的红外探测光的传输方向改变90度，射入到混合固态多线光学扫描测距装置内。

该经过障碍物反射回的红外探测光被反射镜反射后，射入到道威棱镜3中，该道威棱镜3与反射镜同步旋转，道威棱镜的旋转轴为其光轴，并且道威棱镜旋转的角速度为反射镜旋转角速度的一半。该道威棱镜将入射到其中的红外探测光的成像改变180度射出。道威棱镜位于反射镜与光接收模块的光路之间。

从道威棱镜射出的红外探测光经过成像透镜6（或者为成像镜头、会聚透镜）后，成像在设置于成像镜头下方的光接收模块4上，光接收模块接收被反射镜反射的红外探测光。道威棱镜的作用在于，由于光接收模块固定设置，由反射镜反射到光接收模块上的像随反射镜的转动而旋转，导致阵列传感器测量的距离值与实际被测物体的位置不对应，而道威棱镜的设置，使得通过成像镜头成像到光接收模块上的像，始终为固定方向，即在光接收模块上的成像，不以反射镜的旋转而发生成像方向的转动。

光接收模块4具有光电传感器，用于经接收到的红外探测光信号转换为电信号。光信号处理单元5，与光接收模块中的光电传感器连接，根据光电传感器转换的电信号，计算扫描测距装置与被测物体（或者障碍物）之间的距离。在其中的一实施例中，光信号处理单元基于飞行时间法，计算扫描测距装置与被测物体（或者障碍物）之间的距离。

其中，反射镜2及道威棱镜3的转动分别由第一传动齿轮组8和第二传动齿轮组9驱动。第一传动齿轮组，用于带动反射镜360度旋转。电机11驱动第一传动齿轮组转动，第一传动齿轮组带动反射镜360度旋转。第二传动齿轮组，用于带动道威棱镜360度旋转。电机驱动第二传动齿轮组转动，第二传动齿轮组带动道威棱镜360度旋转。其中第一传动齿轮组与第二传动齿轮组使得反射镜的转动角速度是道威棱镜转动角速度的2倍。传动杆10，与电机的转子轴相连接，传动杆与第一传动齿轮组、第二传动齿轮组分别相连接。在工作过程中，电机通过驱动传动杆转动，传动杆带动第一传动齿轮组和第二传动齿轮组同时转动。

在该实施例中，反射镜的外部设置有能够将由发射光源发出的红外探测光选择透过的外罩12，在工作过程中该外罩12固定设置，不发生旋转。即从外部观看，该混合固态多线扫描测距装置观看不到内部反射镜的旋转。

在该实施例中，光接收模块具有光电传感器，用于将接收到的红外探测光转换为电信号。其中，所述光电传感器可以为COMS、CCD或雪崩光电二极管（Avalanche PhotoDiode，简称APD）。在其中的一实施例中，光电传感器为由M行N列个可以独立工作的光电传感器所组成的一块阵列光电传感器，其中M大于等于1，N大于等于2。在其中的一实施例中，M=N，为8行8列，共64个独立工作光电传感器所组成的一块阵列光电传感器，该阵列光电传感器每次能够得到8*8个，共64个距离值。

图2展示了同类型棱镜相同的效果。在其中的一实施例中，反射镜为棱镜，在优选的实施例中为直角棱镜7。可选地，该反射镜为由能够起到将光线传播角度转变的光学元件替代。

上述实施例所述的混合固态多线光学扫描测距装置应用于飞行器、扫地机器人、移动机器人中，用于测量所述装置与被测物体或者障碍物之间的距离。

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

Claims (10)

1.一种混合固态多线光学扫描测距装置，其特征在于，该装置包括发射光源、反射镜、道威棱镜、光接收模块及信号处理单元，其中，

发射光源，用于发出红外探测光，

反射镜，将发射光源发出的红外探测光反射，并且将由被测物体或者障碍物反射的红外探测光反射，

道威棱镜，位于反射镜与光接收模块的光路上，所述道威棱镜旋转的角速度为反射镜旋转角速度的一半，

光接收模块，接收由被测物体或者障碍物反射并通过道威棱镜的红外探测光，光接收模块中的光电传感器将光信号转换为电信号，

信号处理单元，与光电传感器连接，根据光电传感器转换的电信号计算距离。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光电传感器为由M行N列个独立工作的光电传感器所组成的一块阵列光电传感器。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述反射镜由能够起到将光线传播角度偏转的光学元件替代，将发射光源发出的红外探测光反射，并且将由被测物体或者障碍物反射的红外探测光反射。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述反射镜由棱镜替代。

5.根据权利要求1-4之一所述的装置，其特征在于，所述发射光源为LED光源或者激光光源，在光接收模块接收光的光路中，具有成像透镜，所述成像透镜将从道威棱镜出射的红外探测光成像到光接收模块的光电传感器上。

6.根据权利要求1-4之一所述的装置，其特征在于，所述信号处理单元基于飞行时间法，计算所述装置与被测物体或者障碍物之间的距离。

7.根据权利要求1-4之一所述的装置，其特征在于，所述装置包括第一传动齿轮组和第二传动齿轮组，所述第一传动齿轮组用于驱动反射镜旋转，所述第二传动齿轮组用于驱动道威棱镜旋转，其中第一传动齿轮组与第二传动齿轮组使得反射镜的转动角速度是道威棱镜转动角速度的2倍。

8.根据权利要求1-4之一所述的装置，其特征在于，所述装置还包括电机和传动杆，所述电机的转子与传动杆相连，传动杆与第一传动齿轮组、第二传动齿轮组分别相连接。

9.根据权利要求1-4之一所述的装置，其特征在于，反射镜的外部设置有能够将由发射光源发出的红外探测光选择透过的外罩，所述外罩固定设置，不发生旋转。

10.根据权利要求1-4之一所述的装置，其特征在于，所述装置应用于飞行器、扫地机器人、移动机器人中。