CN205958751U - 一种具有聚光光学透镜的测距装置 - Google Patents
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Abstract
为了克服现有的光学扫描测距装置发射端使用大角度LED光源时准直性较难，以及常规聚光透镜占用空间大的问题，本实用新型提供一种具有聚光光学透镜的测距装置，包括光发射装置、光接收装置及聚光光学透镜，光发射装置设置于测距装置内部，发出红外探测光，红外探测光经过聚光光学透镜后出射到外部环境中，遇到障碍物被反射，设置于测距装置内部的光接收装置接收被障碍物反射的红外探测光，并计算测距装置与障碍物之间的距离。本实用新型利用一次折射和一次全内反射，达到大发射光源的准直整型效果，并且可以减小整个发射光学系统的尺寸大小。
Description
技术领域
本实用新型涉及光学测距领域，尤其是一种具有聚光光学透镜的测距装置。
背景技术
光学扫描测距装置是一种使用准直光束，通过三角测距、飞行时间（Time ofFlight，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。
考虑到人眼安全以及成本等原因，采用LED作为光发射装置的光源成为比较理想的选择。由于LED的发光面积普遍较大，发光角度也较大（发射模型基本满足朗伯体），如果用常规凸透镜等聚光透镜，准直到小角度需要较大的焦距和较大的外部直径，对集成化、小型化造成很大的难度。
针对以上所述缺点，本实用新型用折射以及全内反射原理，对大角度光源发射光进行全角度的聚光准直，大大的提高利用率，缩小整体的体积和尺寸高度。
实用新型内容
普通的准直透镜，只能对满足透镜数值孔径的光线进行整形和准直操作，其他的光能就直接浪费。为了克服现有的光学扫描测距装置发射端使用大角度光源时准直性较难，以及常规聚光透镜占用空间大的问题，本实用新型专利提供一种折射以及全内反射的聚光光学透镜结构，把边缘的光线进行一次向侧边的折射的操作，然后对这些光线进行全内反射，再进行优化设计，可以得到准直发射光，不仅能解决常规聚光透镜尺寸较大的问题，而且可以有效提高整个发射端的利用率。
根据本实用新型的一个方面，提供了一种具有聚光光学透镜的测距装置，该测距装置包括光发射装置、光接收装置及聚光光学透镜，其中，该光发射装置设置于测距装置内部，发出红外探测光，红外探测光经过聚光光学透镜后出射到外部环境中，遇到障碍物被反射，设置于测距装置内部的光接收装置接收被障碍物反射的红外探测光，并计算测距装置与障碍物之间的距离，该测距装置通过设置于光发射装置的LED光源发出红外探测光，该聚光光学透镜设置于LED光源的光路上，聚光光学透镜包括折射面、全反射面、内准直透镜面及出光面。
其中，该折射面，将LED光源发出的一部分红外探测光折射，全反射面设置于聚光光学透镜的侧面，将由折射面折射的红外探测光反射至出光面，内准直透镜面位于LED光源的正前方，将LED光源发出的一部分红外探测光准直，LED光源发出的红外探测光最终从出光面出射到外部环境中。
可选地，聚光光学透镜的外形为碗形形状，所述出光面为平面。
可选地，LED光源的红外探测光发散角为10度，由聚光光学透镜的出光面发射出的红外探测光发散角为2度或者3度。
可选地，内准直透镜面将LED光源近轴部分的红外探测光准直。
可选地，测距装置的光接收装置中具有光电传感器，光电传感器为单独一个传感器、或者为由多个独立工作光电传感器所组成的一块阵列光电传感器。
可选地，测距装置基于飞行时间法得到测距装置与障碍物之间的距离。
可选地，聚光光学透镜的出光面上设置有红外光透过滤光膜。
可选地，测距装置用于扫地机器人、无人机、或无人驾驶汽车对周围环境的扫描探测。
可选地，测距装置还包括旋转探测部分、固定基座以及驱动电机，所述光发射装置、光接收装置及聚光光学透镜固定于旋转探测部分内部，固定基座位于旋转探测部分下部，所述驱动电机驱动旋转探测部分相对于固定基座不断旋转，对环境中360度范围内的障碍物进行扫描探测。
可选地，在旋转探测部分底部或者在固定基座上部、并且以旋转探测部分中心转轴为中心，固定设置有光电编码盘，所述光电编码盘用于确定旋转探测部分相对于固定基座的旋转角度位置。驱动电机为三相电机或直流电机
本实用新型的有益效果是，利用一次折射和一次全内反射，达到大发射光源的准直整型效果，并且可以减小整个发射光学系统的尺寸大小。
附图说明
图1是本实用新型具有聚光光学透镜的测距装置结构示意图。
图2是本实用新型聚光光学透镜结构示意图。
图3是本实用新型具有聚光光学透镜的测距装置另一实施例结构示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型所揭示的技术内容更加详尽与完备，可参照附图以及本实用新型的下述各种具体实施例，附图中相同的标记代表相同或相似的组件。然而，本领域的普通技术人员应当理解，下文中所提供的实施例并非用来限制本实用新型所涵盖的范围。此外，附图仅仅用于示意性地加以说明，并未依照其原尺寸进行绘制。
下面参照附图，对本实用新型各个方面的具体实施方式作进一步的详细描述。如图1-3所示，一种具有聚光光学透镜的测距装置10，该测距装置包括光发射装置20、光接收装置30及聚光光学透镜40，其中，该光发射装置20设置于测距装置10内部，发出红外探测光，红外探测光经过聚光光学透镜40后出射到外部环境中，遇到障碍物50被反射，设置于测距装置10内部的光接收装置30接收被障碍物50反射的红外探测光，并计算测距装置与障碍物之间的距离，该测距装置通过设置于光发射装置的LED光源60发出红外探测光，该聚光光学透40镜设置于LED光源60的光路上，聚光光学透镜40包括折射面41、全反射面42、内准直透镜面43及出光面44。
其中，该折射面41，将LED光源发出的一部分红外探测光折射，全反射面42设置于聚光光学透镜的侧面，将由折射面41折射的红外探测光反射至出光面44，内准直透镜面43位于LED光源60的正前方，将LED光源发出的一部分红外探测光准直，LED光源60发出的红外探测光最终从出光面44出射到外部环境中。
在可选的实施例中，测距装置的光接收装置30中具有光电传感器，光电传感器为单独一个传感器、或者为由多个独立工作光电传感器所组成的一块阵列光电传感器。上述光电传感器接收被障碍物反射回的红外探测光，将光信号转换为电信号。
在可选的实施例中，测距装置基于飞行时间法得到测距装置与障碍物之间的距离。
其中，测距装置的光发射部分通过LED光源发出红外探测光，在LED光源的发光光路上，LED的正前方设置有准直作用的聚光光学透镜。
聚光光学透镜40包括四个光学面，分别为内准直透镜面43、折射面41、全反射面42以及出光面44。在本实用新型中，LED光源发出的红外探测光分为两部分处理，其中一部分为发散角较大的光线，另一部分为发散角小的近轴部分。LED光源发出的大角度光线，被此聚光光学透镜分为两部分，近轴部分被中心的内准直透镜面43准直，再经由出光面44准直出去。大角度部分的光线经由侧面的折射面41，进入聚光光学透镜材料内部，然后在全反射面42进行反射，再经由出光面44准直出射出去。
本聚光光学透镜采用高折射率的材料制作，更有利于全反射的设计，以及尺寸的小型化。
出光面为平面，在可选的实施例中，出光面不局限于平面。
在可选的实施例中，聚光光学透镜的出光面上设置有红外光透过滤光膜。在优选的实施例中，聚光光学透镜的出光面上设置有中心波长为850nm的带通滤光膜。
在其中的一实施例中，聚光光学透镜的外形为碗形形状，所述出光面为平面。
可选地，LED光源的红外探测光发散角为10度，由聚光光学透镜的出光面发射出的红外探测光发散角为2度或者3度。
如图2所示，在其中的一实施例中，测距装置10还包括旋转探测部分11、固定基座12以及驱动电机，所述光发射装置20、光接收装置30及聚光光学透镜40固定于旋转探测部分11内部，固定基座12位于旋转探测部分11下部，所述驱动电机驱动旋转探测部分11相对于固定基座12不断旋转，对环境中360度范围内的障碍物进行扫描探测。其中，驱动电机可以设置于固定基座12内部，通过直接驱动旋转探测部分11的方式使得旋转探测部分11旋转；在可选的实施例中，驱动电机设置于固定基座12的侧面或者下部，驱动电机通过传动带带动旋转探测部分11相对于固定基座12旋转。
在上述测距装置包括旋转探测部分的实施例中，旋转探测部分底部或者固定基座上部、并且以旋转探测部分中心转轴为中心，固定设置有光电编码盘，所述光电编码盘用于确定旋转探测部分相对于固定基座的旋转角度位置。驱动电机为三相电机或直流电机。
以上所述各个实施例所描述的测距装置，用于扫地机器人、无人机，或无人驾驶汽车对周围环境的扫描探测。
Claims (10)
1.一种具有聚光光学透镜的测距装置，所述测距装置包括光发射装置、光接收装置及聚光光学透镜，
其中，所述光发射装置设置于测距装置内部，发出红外探测光，红外探测光经过聚光光学透镜后出射到外部环境中，遇到障碍物被反射，设置于测距装置内部的光接收装置接收被障碍物反射的红外探测光，并计算测距装置与障碍物之间的距离，
其特征在于，所述测距装置通过设置于光发射装置的LED光源发出红外探测光，所述聚光光学透镜设置于LED光源的光路上，所述聚光光学透镜包括折射面、全反射面、内准直透镜面及出光面，
所述折射面，将LED光源发出的一部分红外探测光折射，
所述全反射面设置于聚光光学透镜的侧面，将由折射面折射的红外探测光反射至出光面，
所述内准直透镜面位于LED光源的正前方，将LED光源发出的一部分红外探测光准直，
所述LED光源发出的红外探测光最终从出光面出射到外部环境中。
2.根据权利要求1所述的测距装置，其特征在于，所述聚光光学透镜的外形为碗形形状，所述出光面为平面。
3.根据权利要求1所述的测距装置，其特征在于，所述LED光源的红外探测光发散角为10度，由聚光光学透镜的出光面发射出的红外探测光发散角为2度或者3度。
4.根据权利要求1所述的测距装置，其特征在于，所述内准直透镜面将LED光源近轴部分的红外探测光准直。
5.根据权利要求1所述的测距装置，其特征在于，所述测距装置的光接收装置中具有光电传感器，所述光电传感器为单独一个传感器、或者为由多个独立工作光电传感器所组成的一块阵列光电传感器。
6.根据权利要求1-5之一所述的测距装置，其特征在于，所述测距装置基于飞行时间法得到测距装置与障碍物之间的距离。
7.根据权利要求1-5之一所述的测距装置，其特征在于，所述聚光光学透镜的出光面上设置有红外光透过滤光膜。
8.根据权利要求1-5之一所述的测距装置，其特征在于，所述测距装置用于扫地机器人、无人机、或无人驾驶汽车对周围环境的扫描探测。
9.根据权利要求1-5之一所述的测距装置，其特征在于，所述测距装置还包括旋转探测部分、固定基座以及驱动电机，所述光发射装置、光接收装置及聚光光学透镜固定于旋转探测部分内部，固定基座位于旋转探测部分下部，所述驱动电机驱动旋转探测部分相对于固定基座不断旋转，对环境中360度范围内的障碍物进行扫描探测。
10.根据权利要求9所述的测距装置，其特征在于，在所述旋转探测部分底部或者在所述固定基座上部、并且以旋转探测部分中心转轴为中心，固定设置有光电编码盘，所述光电编码盘用于确定旋转探测部分相对于固定基座的旋转角度位置。
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