CN206470403U - 一种具有均匀接收光学系统的探测装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种具有均匀接收光学系统的探测装置。为了使得照射到传感器上的光为均匀的，本申请公开了一种探测装置，包括发射模块、接收模块、以及数据处理控制模块，其中，发射模块发出红外探测光，所述红外探测光射向环境中，遇到被测物体被反射；由被测物体反射的红外探测光入射到接收模块中；数据处理控制模块与接收模块相连接，所述数据处理控制模块基于飞行时间法计算出探测装置与被测物体之间的距离；所述探测装置还包括均光光学装置，所述均光光学装置设置于接收模块接收由被测物体反射的红外探测光的光路上。本申请的有益效果是，可以在原有多感光像素点光学探测装置中，扩大视场角和消除探测区域不同和照度不均引起的像素点差异。

Description

一种具有均匀接收光学系统的探测装置

技术领域

本申请涉及一种探测装置，特别涉及一种具有均匀接收光学系统的探测装置。

背景技术

目前，通常的光学测距装置包括：发射模块、发射整形镜头、光学接收透镜、接收并处理信号的芯片等。发射单元发出经过整形的光束照射到被测物体表面，接收透镜把从待测物体表面反射回来的光线汇聚到接收芯片上，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。

相位法ToF（Time of Flight，简称ToF）测距中，需要依次接收4次连续调制的回波（在其中可选的模式中，使用2次回波测量，但是测量精确度会降低）进行测量，所述回波为被障碍物反射回的探测光，所带来缺点就是单次测量需要4倍的测量时间，极大的限制了测距装置的测试速度。

实用新型内容

本申请提供一种具有面阵光电传感器的探测装置。一种探测装置，包括发射模块10、接收模块50、以及数据处理控制模块，其中，发射模块10发出红外探测光20，所述红外探测光20射向环境中，遇到被测物体被反射；由被测物体反射的红外探测光30入射到接收模块50中；数据处理控制模块与接收模块50相连接，所述数据处理控制模块基于飞行时间法计算出探测装置与被测物体之间的距离；所述探测装置还包括均光光学装置，所述均光光学装置设置于接收模块接收由被测物体反射的红外探测光30的光路上。

进一步地，所述接收模块50中包含光电传感器，所述光电传感器为面阵光电传感器或者单点光电传感器。

在其中的任一实施例中，所述接收模块50得到由被测物体反射的红外探测光30的信号采样信息；数据处理控制模块依据接收模块50得到的信号采样信息，计算出发射模块10发出的红外探测光20与由被测物体反射的红外探测光30之间的相位差，基于飞行时间法计算出探测装置与被测物体之间的距离。

在其中的任一实施例中，所述接收模块50对由被测物体反射的红外探测光30的信号采样次数为四次或者两次。

在其中的任一实施例中，所述接收模块50在一次的探测采样时间内，完成距离计算所需的所有四次或者两次探测采样。

在其中的任一实施例中，所述接收模块50还得到由被测物体反射的红外探测光30的灰度图像。

在其中的任一实施例中，所述发射模块10包括主动光源，所述主动光源为LED光源或者为激光光源。

在其中的任一实施例中，所述发射模块10发出经过调制的正弦调制红外探测光20或者方波调制红外探测光20。

在其中的任一实施例中，所述发射模块10中还包括具有光束整形效果的光束整形透镜或者光束整形透镜组，所述光束整形透镜或者所述光束整形透镜组设置于发射模块10中主动光源发出红外光20的光路上。

在其中的任一实施例中，所述光束整形透镜组包括准直透镜。

在其中的任一实施例中，所述光束整形透镜组包括球面、非球面透镜组合、非对称自由去面透镜、或者二元衍射光学器件。

在其中的任一实施例中，在接收模块50接收由被测物体反射的红外探测光30的光路上，设置有接收透镜40。

在其中的任一实施例中，所述均光光学装置为场镜60，所述场镜60设置于接收模块50与接收透镜40之间。

在其中的任一实施例中，所述场镜60设置于接收透镜40的焦平面上。

在其中的任一实施例中，所述接收透镜40上设置有增透膜，和/或所述均光光学装置上设置有增透膜。

在其中的任一实施例中，所述均光光学装置为均光锥或者为均光柱。

在其中的任一实施例中，所述均光锥为空心均光锥70或者实心均光锥71，所述均光柱为空心均光柱或者实心均光柱。

在其中的任一实施例中，所述均光光学装置为均光光纤或者为扩散片，所述均光光纤或者所述扩散片位于接收模块50与接收透镜40之间。

在其中的任一实施例中，所述均光光学装置为场镜与均光锥的结合，或者所述均光光学装置为场镜与均光柱的结合。

在其中的任一实施例中，所述均光光学装置为场镜与均光锥为一体成型结构，或者所述均光光学装置为场镜与均光柱为一体成型结构。

进一步地，所述场镜由均光光纤或者扩散片替代。

在其中的任一实施例中，所述探测装置用于移动机器人、扫地机器人、无人机或无人驾驶汽车中对周围环境的探测。

附图说明

图1为探测装置结构示意图。

图2为探测装置中面阵光电传感器的结构示意图。

图3为探测装置中均光光学装置为场镜的结构示意图。

图4为探测装置中均光光学装置为均光锥的结构示意图。

图5为探测装置中均光光学装置为实心均光锥的结构示意图。

图6为探测装置的均光光学装置为场镜与均光锥相结合的结构示意图。

图7为探测装置的均光光学装置为场镜与均光锥一体成型的结构示意图。

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申请。

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。

探测装置的探测原理为，如图1所示探测原理图。发射模块10发出红外探测光20，所述红外探测光20射向环境中，遇到被测物体（即障碍物）被反射；由被测物体反射的红外探测光（即回波）30入射到接收模块50中，接收模块50接收回波30；接收模块50得到回波30的信号采样信息；该接收模块还能够得到回波的光强和/或灰度图像；数据处理控制模块与接收模块50相连接，数据处理控制模块依据接收模块50得到的回波30的信号采样信息，计算出发射模块发出的红外探测光20与回波30之间的相位差，进而基于飞行时间法计算出探测装置与被测物体之间的距离。

在可选的技术方案中，上述的测距方法不需要计算红外探测光与回波30之间的相位差，而是在装置内设置时钟电路，直接探测红外探测光20与回波30之间的时间差，进而基于飞行时间法计算出探测装置与被测物体之间的距离。即由被测物体反射的红外探测光30入射到接收模块50中，接收模块50不需要对回波30进行两次或者四次的信号采样，数据处理控制模块不需要计算相位差，而是直接计算出时间差，通过脉冲飞行时间法计算距离数据，而该通过直接通过测得红外探测光20与回波30之间的时间差的方法，为本领域常规的方法，其结构也为本领域的常规结构，具体内容不在此处赘述。

在其中的一实施例中，发射模块10与接收模块50设置于同一块电路板上。

为了将回波30会聚或者成像于接收模块50上，在接收模块50接收回波30的光路上，设置有接收透镜40。该接收透镜40将回波30会聚到接收模块50中、或者该接收透镜40将回波30成像到接收模块50上。

所述接收模块50中包含光电传感器。上述的任意一实施例中，所述光电传感器为由M行N列个光电传感器单元所组成的一块面阵光电传感器。共有M*N个像素单元，即M*N个光电传感器单元。由于采用了面阵光电传感器，本申请所涉及的探测装置在每次的探测过程中，能够得到共M*N个不同的信息，所述M*N个距离值与被测物体的M*N个不同区域一一对应。

其中，发射模块10包括主动光源，该主动光源为LED光源或者激光光源。该发射模块10发出经过调制的正弦调制红外探测光20或者方波调制红外探测光20。为了得到合适的发射视场角或者得到具有特定结构的光束，发射模块中还包括具有光束整形效果的透镜或者透镜组，该透镜或者透镜组设置于主动光源发出红外光的光路上。所述的光束整形透镜或者透镜组，可以完全根据接收单元的接收视场而设计，完全覆盖接收视场并且达到均匀的照明效果，并且提高利用率的同时增加信噪比。其中的一种实施方式中，光束整形透镜组包括准直透镜以及光斑整形透镜。可选的一种实施方式中，光束整形透镜组包括球面、非球面透镜组合以及非对称自由去面透镜，也可以是二元衍射光学器件（DOE）。

本申请公开的探测装置基于飞行时间法（ToF）计算所述探测装置与环境中被测物体（即障碍物）之间的距离。在优选的实施例中，所述探测装置根据发射探测光与接收到的被障碍物反射的探测光相位差，进而计算出发出的探测光与接收到的探测光所需要的时间，最终算出距离值，即基于相位差的飞行时间测距方法。

在采用基于相位差的ToF测距方法中，每次的距离探测过程需要测得由发射模块发射的红外探测光、被障碍物反射回的红外探测光之间的相位差。所采用的方法是，设置由发射模块发射的红外探测光相位为初始相位。接收模块对被障碍物反射回的红外探测光进行探测采样，得到反射回的红外探测光的探测采样数据信息。在其中的一个实施例中，接收模块对被障碍物反射回的红外探测光进行四次探测采样，分别记为D0、D1、D2及D3。其中，接收模块面阵光电传感器中的每个像素单元都能够独立进行上述探测采样过程。其中，所述的被障碍物反射回的红外探测光，即回波30。

数据处理控制模块依据接收模块50得到的D0、D1、D2及D3，基于飞行时间法，计算最终距离值D：

公式A

其中， C为光在真空中的速度，f为调制信号的频率，D0、D1、D2、D3分别为在0度，90度，180度和270度的信号探测采样。D为探测装置与障碍物之间的距离值。即该探测装置每次的距离探测过程，都需要四次的探测采样才能计算得到。

在其中的一实施例中，根据ToF相位法的原理，不限于四次相位探测采样，也可只进行相差1/4调制周期的两次相位采集，该四次探测采样可简化为两次探测采样，即接收模块只得到两次探测采样D0、D1，计算最终距离值D为：

公式B

其中， C为光在真空中的速度，f为调制信号的频率，D0、D1分别为0度，90度信号探测采样幅值。D为探测装置与障碍物之间的距离值。即该实施例中，本申请涉及的探测装置每次的距离探测过程，都需要两次的探测采样才能计算得到。但采用两次探测采样的实施例中，计算得到的距离数据精度相对于四次探测采样的实施例中的距离数据精度低。其中，D0与D1不限于分别为0度及90度的信号探测采样幅值，只要D0与D1的为相差1/4调制周期的两次探测采样即可。

为了提高在基于相位的ToF测距方法中，探测装置的探测速度，本申请所提出的一种使用多像素协同的快速探测方法是：用相邻的四个光电传感器单元同时探测同一探测区域，如附图2所示，同一时间读取计算距离所需要的4次回波数据，这样可以达到使用单个探测周期即可完成整个测试过程的效果，探测时间可以减少到原先的1/4，大大减少了探测周期，提高探测速度。即在一次的探测采样时间内，通过不同像素，接收模块50完成距离计算所需的所有4次探测采样。

在探测过程需要2次回波数据的实施例中，用相邻的两个光电传感器单元同时探测同一区域，同一时间读取计算距离所需要的2次回波数据，这样可以达到使用单个探测周期即可完成整个测试过程的效果，探测时间可以减少到原先的1/2。即在一次的探测采样时间内，通过不同像素，接收模块50完成距离计算所需的所有2次探测采样。

但是，此种方式4个（或者2个）光电传感器单元所对应的探测区域为不同的位置，假如是个平面，将会返回正确的数据从而算出正确的距离值，假如为非平面或者某个探测区域有物体边界等，返回的数据值将不能正确的解析出距离值，从而出现无法预测的异常点。同时，由于探测区域主动光源照射均匀性问题依然会造成不同光电传感器单元差异从而影响探测精度。

为了克服在使用多像素（即光电传感器单元）协同快速探测时造成的像素点差异和测试区域差异对测试结果造成的影响，本申请所涉及的技术方案中，在接收端加入均光光学装置，在保证光能利用率的情况下达到高精度测距的目的。

本申请为解决其所要解决的技术问题采用的技术方案是：在常规的光学测距装置基础之上，额外添加一片能够起到均光作用的均光光学装置，达到各个光电传感器单元能量差异均匀化的效果。该均光光学装置位于接收模块50接收回波30的光路上。

其中的一实施例中，所述能够起到均光作用的均光光学装置为场镜60。该场镜使物镜与sensor面共轭。所述使用的场镜，加入系统之后，从场镜60透过的光会均匀地分布在整个光电传感器所有的像素点上，从而使得照射到接收模块50中光电传感器上的光强均匀化。所述场镜设置于接收模块50与接收透镜40之间。工作在物镜焦面附近的透镜称为场镜。

位于回波30光路上的光学装置，可以通过设置增透膜提高整体透过率，提高像面照度值，增强探测距离。所述增透膜可以镀于接收透镜40上、或者镀于均光光学装置上。

所述场镜的效果，如图4-5所示，可以用均光锥或者均光柱代替，所述均光锥或者均光柱为空心均光锥70、空心均光柱、实心均光锥71、或实心均光柱，都是经过多次反射达到均光的目的。其中的均光锥或者均光柱，为圆锥状体或圆柱状体。所述的均光锥或者均光柱的内壁为圆的反射面，能够更有效将光均匀化。当选用圆锥状体时，回波30从面积大的界面出入射。

在可选的实施例中，所述的场镜效果，可以用场镜与均光锥、或者场镜与均光柱结合的形式进行实现，并集成在接收模块10上。如图6所示，场镜60与均光锥或者均光柱的回波入射面相连接，接收模块50与均光锥或者均光柱的回波透过面相连接。在可选的实施例中，如图7所示，均光锥（或者均光柱）与场镜结合为一体80的结构。该均光锥（或者均光柱）与场镜结合为一体80的结构采用一体成型来制作。

在可选的实施例中，所述的场镜效果，也可以用均光光纤、扩散片等代替。

在可选的实施例中，所述的均光装置不限于上述实施例中的场镜、均光锥、均光柱等，任何能够起到均光作用的光学装置，都适用于本申请中的探测装置中。

所述接收模块50中包含的光电传感器不限于面阵光电传感器，也可以是单点光电传感器。

本发明创造的有益效果是，可以在原有多感光像素点光学探测装置中，扩大视场角和消除探测区域不同和照度不均引起的像素点差异性。

上述的任意一实施例中，具有面阵光电传感器的探测装置用于移动机器人、扫地机器人、无人机或无人驾驶汽车中对周围环境的探测。

在上述任意一实施例所涉及的探测装置，其对环境中障碍物的探测方法有多种的方式。并不限于用相邻的四个光电传感器单元同时探测同一探测区域的方法。只要是需要将回波进行均匀化处理的探测方法，都适用于本申请所公开的上述任一实施例中的探测装置。

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 (18)

1.一种探测装置，包括发射模块（10）、接收模块（50）、以及数据处理控制模块，其中，

发射模块（10）发出红外探测光（20），所述红外探测光（20）射向环境中，遇到被测物体被反射；

由被测物体反射的红外探测光（30）入射到接收模块（50）中；

数据处理控制模块与接收模块（50）相连接；

其特征在于，所述接收模块（50）中包含光电传感器，所述光电传感器为面阵光电传感器或者单点光电传感器；所述探测装置还包括均光光学装置，所述均光光学装置设置于接收模块接收由被测物体反射的红外探测光（30）的光路上。

2.根据权利要求1所述的探测装置，其特征在于，所述发射模块（10）包括主动光源，所述主动光源为LED光源或者为激光光源。

3.根据权利要求1所述的探测装置，其特征在于，所述发射模块（10）发出经过调制的正弦调制红外探测光（20）或者方波调制红外探测光（20）。

4.根据权利要求1所述的探测装置，其特征在于，所述发射模块（10）中还包括具有光束整形效果的光束整形透镜或者光束整形透镜组，所述光束整形透镜或者所述光束整形透镜组设置于发射模块（10）中主动光源发出红外探测光（20）的光路上。

5.根据权利要求4所述的探测装置，其特征在于，所述光束整形透镜组包括准直透镜。

6.根据权利要求4所述的探测装置，其特征在于，所述光束整形透镜组包括球面、非球面透镜组合、非对称自由去面透镜、或者二元衍射光学器件。

7.根据权利要求1-6之一所述的探测装置，其特征在于， 在接收模块（50）接收由被测物体反射的红外探测光（30）的光路上，设置有接收透镜（40）。

8.根据权利要求7所述的探测装置，其特征在于，所述均光光学装置为场镜（60），所述场镜（60）设置于接收模块（50）与接收透镜（40）之间。

9.根据权利要求8所述的探测装置，其特征在于，所述场镜（60）设置于接收透镜（40）的焦平面上。

10.根据权利要求7所述的探测装置，其特征在于，所述接收透镜（40）上设置有增透膜，和/或所述均光光学装置上设置有增透膜。

11.根据权利要求7所述的探测装置，其特征在于，所述均光光学装置为均光锥或者为均光柱。

12.根据权利要求11所述的探测装置，其特征在于，所述均光锥为空心均光锥（70）或者实心均光锥（71），所述均光柱为空心均光柱或者实心均光柱。

13.根据权利要求7所述的探测装置，其特征在于，所述均光光学装置为均光光纤或者为扩散片，所述均光光纤或者所述扩散片位于接收模块（50）与接收透镜（40）之间。

14.根据权利要求7所述的探测装置，其特征在于，所述均光光学装置为场镜与均光锥的结合，或者所述均光光学装置为场镜与均光柱的结合。

15.根据权利要求14所述的探测装置，其特征在于，所述均光光学装置为场镜与均光锥为一体成型结构，或者所述均光光学装置为场镜与均光柱为一体成型结构。

16.根据权利要求14所述的探测装置，其特征在于，所述场镜由均光光纤或者扩散片替代。

17.根据权利要求15所述的探测装置，其特征在于，所述场镜由均光光纤或者扩散片替代。

18.根据权利要求1-6之一所述的探测装置，其特征在于，所述探测装置用于移动机器人、扫地机器人、无人机或无人驾驶汽车中对周围环境的探测。