CN206450829U - 一种无盲区同轴装置及红外测距装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种无盲区同轴装置，所述装置包括：接收单元、发射单元、分光镜和反射镜，发射单元发射光束到分光镜上，一部分光被分光镜反射形成光束a，另一部分透过分光镜被反射镜反射形成光束b，光束a和光束b在空气中传播遇到物体被反射回分光镜和反射镜，接收单元接收反射光。本实用新型满足远距离测量时发射能量损失较少，近距离时得益于分光片的共轴结构，可以达到无盲区的效果。

Description

一种无盲区同轴装置及红外测距装置

技术领域

本实用新型涉及雷达测距领域，具体涉及一种提高整机效率的无盲区同轴装置以及一种红外测距装置。

背景技术

无盲区同轴光学测距装置是一种使用分光镜来实现无盲区测距的设备。目前，通常的光学测距装置包括：光发射模块、准直镜片、光学接收镜头、接收并处理信号的芯片等。发射单元和接收单元通常垂直安装，通过分光镜的分光作用（通常半透半反镜），达到发射和接收共轴的目的，见图1。整个系统的工作原理为发射单元发出经过准直光束照射到被测物体表面，经过被测表面的漫反射（通常为朗伯散射），被接收镜头接收，会聚到接收芯片上，通过测量发射到接收之间的时间差，已知光速，即可求出被测物体到装置的距离。目前广泛应用于机器人避障、环境检测、定高等。

但是，由于分光镜（半透半反镜）的原理性问题，导致从发射单元出射的光经过分光镜后有50%的损耗，接收单元经过分光镜后依然存在50%的损耗，最后被探测芯片接收到的能量会衰减严重，特别是对能量要求高的场合，这种系统所带来的测量距离的减小将是巨大的。

实用新型内容

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供一种提高整机光利用效率的无盲区同轴装置，在分光镜一定的距离安装全反射镜，从而可以达到无盲区的目的，同时增加对光的利用效率。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型采取如下技术方案：

一种同轴装置，包括：接收单元、发射单元、分光镜和反射镜，发射单元发射光束到分光镜上，一部分光被分光镜反射形成光束a，另一部分透过分光镜被反射镜反射形成光束b，光束a和光束b在空气中传播遇到物体被反射回分光镜和反射镜，接收单元接收反射光。

可选地，所述接收单元包括：感光芯片，会聚透镜或者透镜组，其中所述会聚透镜或者透镜组设置于所述感光芯片的接收光路上。

可选地，所述发射单元包括：光源，光束准直透镜或者透镜组，其中所述光束准直透镜或者透镜组设置于所述发射单元光源的光路上。

可选地，所述接收单元和所述发射单元的光轴垂直，并分别与所述分光镜成45度放置，所述反射镜平行于所述分光镜。

可选地，所述接收单元的接收光路上设置有接收镜头，所述接收单元的接收镜头视场角大于发射单元的发散角。

可选地，所述发射单元中的光源为激光光源或LED光源。

可选地，所述装置可在光束a的发出光路上放置两个相互平行且与所述分光镜成90度夹角的第一补偿反射镜和第二补偿反射镜，两个补偿反射镜之间的距离等于所述分光镜和所述反射镜之间的距离。

可选地，所述第一补偿反射镜和所述第二补偿反射镜组成的光程差消除模块可整体绕着接收单元的接收主光轴旋转的位置上固定设置。

可选地，所述发射单元的光轴和所述接收单元的光轴小于90度放置，所述分光镜与所述反射镜平行设置。

一种红外测距装置，包括外壳、同轴装置、信号处理单元，所述同轴装置为上述实施例之一所述的同轴装置，所述同轴装置和所述信号处理单元设置于所述外壳内部，所述信号处理单元与接收单元相连接，所述信号处理单元根据接收单元的信号数据，基于飞行时间法，计算自身与障碍物之间的距离。

优选的，所述红外测距装置用于无人机、扫地机器人以及移动机器人中。

与最接近的现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

满足远距离测量时发射能量损失较少，近距离时得益于分光片的共轴结构，可以达到无盲区的效果。设置光程差消除模块，解决系统装置造成的光程差。

附图说明

图1是现有技术的无盲区同轴光学测距装置结构图。

图2是本实用新型实施例中的无盲区同轴光学测距装置结构图。

图3是本实用新型实施例中的消除基线影响的无盲区同轴光学测距装置结构图。

图4是本实用新型实施例中的具有夹角的光轴结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

在现有的结构上，平行于分光镜一定的距离安装全反射镜。通过分光镜，会产生与接收共轴的反射出去的光束a，产生的另一部分透射光经过反射镜的反射，生成光束b。由于发散角的存在，在一定的距离后，两束光束会逐渐的接近和重合，达到极低光学损耗发射的目的。同时，兼顾了同轴方案的优点，从而可以达到无盲区的目的，见图2。

在图2中，此光学测距装置的同轴装置包括：接收单元1、发射单元2、分光镜3、反射镜4。该同轴装置为红外测距雷达中的一部分，在红外测距雷达工作过程中，发射单元2发出红外探测光，该红外探测光入射到分光镜3上，其中一部分光被分光镜3反射，形成光束a，另一部分光透过分光镜3，射向反射镜4，反射镜4将光束反射形成光束b，光束a和光束b出射到外部环境中，遇到障碍物被反射。被障碍物反射回的光束分别射向分光镜3和反射镜4，其中，直接射向分光镜3的光束部分透过，入射到接收单元1，其中被障碍物反射回的一部分反射光射向反射镜4的光束经过反射镜4反射后射向分光镜3，被分光镜3反射的光束射入到接收单元1中。接收单元1接收被分光镜3反射和透射的光束，将光信号转换为电信号。红外测距雷达中的信号处理单元根据接收单元1的信号数据，基于飞行时间法，计算自身与障碍物之间的距离。

发射单元2包括主动光源，具有光束准直的透镜或者透镜组。该主动光源为激光或者LED。接收单元1包括感光芯片，会聚透镜或者透镜组。接收单元和发射单元主光轴垂直放置，并分别与分光镜45度放置，平行于分光镜安装全反射镜。该分光镜为半透半反镜。可选的，在图2中的接收单元1与发射单元2的位置可以互换。

发射单元2发出探测光束，射向分光镜3。光束通过分光镜3，其中一部分会产生与接收单元1共轴的反射出去的光束a，由发射单元2发出的另一部分光束透过分光镜3，该透射光经过反射镜4的反射，生成光束b。由于发散角的存在，在一定的距离后，两束光束会逐渐的接近和重合。在此实施例中，由发射单元2发出的全部探测光束，分别形成光束a和光束b发射到外部环境中，发射单元2所发出的探测光束全部被利用，达到极低光学损耗发射的目的。同时，兼顾了同轴方案的优点，可以达到无盲区的目的。

在其中的一实施例中，在发射单元2的发射光路上设置有光束准直透镜或者透镜组。该光束准直透镜或者透镜组设置于分光镜3与发射单元2之间。可选地，该光束准直透镜或者透镜组还可以设置于光束a和光束b的出射光路上。光束a与光束b通过光束准直透镜或者透镜组后，射向外部环境中，如果选用该方案，该光束准直透镜或者透镜组同时也起到了将由障碍物反射回的探测光会聚的作用，使得接收单元1能够接收到更多的被障碍物反射会的探测光束。光束准直透镜或者透镜组，把具有大的发散角的主动光源（激光二极管、LED等）进行光学上的准直，达到较小的发散角。该光束准直透镜或者透镜组，包括球面、非球面透镜组合以及非对称自由曲面透镜，也可以是二元衍射光学器件（Diffractive OpticalElements，DOE）。

所述的分光镜是半透半反镜，反射率和透过率各50%。所述分光镜也可以是不同反射透射比的分光镜。

所述的分光镜的透射反射比，可以通过实际需要解决盲区的大小来进行配比，以达到最大的光能利用率。由于发射光的透过率很高，整机的效率主要取决于接收单元的通过分光镜的损耗，因此可以增加分光镜的透射反射比，来显著增加远距离时的光能利用率。

接收单元1包括感光芯片，会聚透镜或者透镜组。在接收单元1的感光芯片接收光路上，设置会聚透镜或者透镜组。优选地，所述会聚透镜或者透明组为接收镜头。所述会聚透镜或者透镜组将被分光镜3反射向接收单元1中感光芯片的光线成像和/或会聚。所述会聚透镜或者透镜组设置于接收单元1的感光芯片与分光镜3之间。可选地，所述会聚透镜或者透镜组设置于光束a出射的光路上，如果采用如此设置，该会聚透镜或者透镜组同时起到将由分光镜3反射的光束a准直的作用。所述的接收单元的接收镜头，需要有大于发射单元2中光源发散角的视场角（Field of View，FOV），在远距离时可以有效的利用还未完全重合的两束光a和b，达到最大的光能利用率。

所述的反射镜是全反射镜，需要与分光镜平行放置，且中心的基线距离需要尽量变小，以最大限度的减小两束光接近的距离，提高利用率。

所述的反射镜，可以通过镀高反膜等提高反射率。

所述的同轴装置，会造成一些等于反射镜4与分光镜3之间的基线距离的光程差问题，在一些要求不高的场合，配合较小的基线，影响可以忽略。

在其他的实施例中，如图3所示，所述的系统装置造成的光程差的问题，可以通过引入额外的两片补偿反射镜进行解决。第一补偿反射镜5与第二补偿反射镜6组成光程差消除模块7，第一补偿反射镜5和第二补偿反射镜6之间引入的光程差与之前系统造成的光程差相抵消。第一补偿反射镜5和第二补偿反射镜6之间的距离等于分光镜3和反射镜4之间的基线距离。第一补偿反射镜5与第二补偿反射镜6平行设置。第一补偿反射镜5和第二补偿反射镜6与所述分光镜3成90度夹角。

第一补偿反射镜5与第二补偿反射镜6组成的光程差消除模块7，可整体绕着接收单元1的接收主光轴旋转的位置上固定设置，来实现两束出射光束a’和光束b之间的夹角最小，从而减小同轴装置的探测盲区。

所述的光程差消除的光学元件，不仅仅限于反射镜，也可以是棱镜、特殊的光学材料等。

如图4所示，所述的发射单元光轴和接收单元光轴不仅限于垂直放置，可以根据实际需要调整夹角。

在可选的实施例中，反射镜4与分光镜3可以不平行设置，而成小的角度，只需要满足光束a与光束b的出射方向相近，能够出射向同一方向上的障碍物。或者调整反射镜4与分光镜3的夹角，使得光束a与光束b聚集，使得在照射到障碍物上时，光束a与光束b接近照射到同一区域。

一种红外测距装置，包括外壳、同轴装置、信号处理单元，所述同轴装置为上述实施例之一所述的同轴装置，所述同轴装置和所述信号处理单元设置于所述外壳内部，所述信号处理单元与接收单元相连接，所述信号处理单元根据接收单元的信号数据，基于飞行时间法，计算自身与障碍物之间的距离。优选的，所述红外测距装置用于无人机、扫地机器人以及移动机器人中。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本实用新型的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种同轴装置，其特征在于，所述装置包括：接收单元（1）、发射单元（2）、分光镜（3）和反射镜（4），发射单元（2）发射光束到分光镜（3）上，一部分光被分光镜（3）反射形成光束a，另一部分透过分光镜（3）被反射镜（4）反射形成光束b，光束a和光束b在空气中传播遇到物体被反射回分光镜（3）和反射镜（4），接收单元（1）接收反射光。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述接收单元（1）包括：感光芯片，会聚透镜或者透镜组，其中所述会聚透镜或者透镜组设置于所述感光芯片的接收光路上。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发射单元（2）包括：光源，光束准直透镜或者透镜组，其中所述光束准直透镜或者透镜组设置于所述发射单元（2）光源的光路上。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述接收单元（1）和所述发射单元（2）的光轴垂直，并分别与所述分光镜（3）成45度放置，所述反射镜（4）平行于所述分光镜（3）。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述接收单元（1）的接收光路上设置有接收镜头，所述接收单元（1）的接收镜头视场角大于发射单元（2）的发散角。

6.如权利要求1-5之一所述的装置，其特征在于，发射单元（2）中所包括的光源为激光光源或LED光源。

7.如权利要求1-5之一所述的装置，其特征在于，所述装置可在光束a的发出光路上放置相互平行且与所述分光镜（3）成90度夹角的第一补偿反射镜（5）和第二补偿反射镜（6），两个补偿反射镜之间的距离等于所述分光镜（3）和所述反射镜（4）之间的距离。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第一补偿反射镜（5）和所述第二补偿反射镜（6）组成的光程差消除模块（7）可整体绕着接收单元（1）的接收主光轴旋转的位置上固定设置。

9.如权利要求1-3、5之一所述的装置，其特征在于，所述发射单元（2）的光轴和所述接收单元（1）的光轴小于90度放置，所述分光镜（3）与所述反射镜（4）平行设置。

10.一种红外测距装置，其特征在于，包括外壳、同轴装置、信号处理单元，所述同轴装置为权利要求1-9之一所述的同轴装置，所述同轴装置和所述信号处理单元设置于所述外壳内部，所述信号处理单元与同轴装置中的接收单元（1）相连接，所述信号处理单元根据接收单元（1）的信号数据，基于飞行时间法，计算自身与障碍物之间的距离。