CN206848476U - 一种光学测距模组 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光学测距模组，包括：用于产生强度经过正弦波调制的测量光、并将测量光发射至被测目标的光源部；用于接收由被测目标反射回的返回光、并根据测得的返回光与测量光间的相位差计算被测目标到所述测距模组的基础距离的光接收部；与光接收部相连的、用于根据获取的环境参数值对所述基础距离进行修正、以计算得到被测目标到所述测距模组的距离的处理器。本实用新型光学测距模组基于“飞行时间”相位法测距原理，实现对被测目标的距离测量，其中通过获取的环境参数值对测量距离进行修正，因此将环境因素对距离测量的影响考虑在内，可提高距离测量的准确性和测量精度。

Description

一种光学测距模组

技术领域

本实用新型涉及光学应用技术领域，特别是涉及一种光学测距模组。

背景技术

在许多应用领域，比如无人机定高、避障等应用场景，安防或者轨道交通等工业领域中，会应用到测距设备。

目前，利用光测距的方法有很多种，其中，基于飞行时间(Time of flight，TOF)测距法是应用较多的方法之一。飞行时间测距法包括脉冲式时间差测距与相位式测距，脉冲式时间差测距是通过计量激光脉冲在空间中飞行的时间，利用计量时间与光速相乘得到两点间的距离；相位法测距是通过测量强度经过正弦调制的发射光和由目标反射回的返回光间的相位差，将相位差转化为距离信息实现距离测量，相位法测距相比可获得更高的测量精度。

现有技术中，基于“飞行时间”测距法的测距设备，没有考虑环境因素对测量的影响，在距离测量中由于受环境因素的影响，导致距离测量准确性低，测量精度低。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种光学测距模组，基于“飞行时间”相位法测距原理实现对目标物的距离测量，提高了距离测量的测量准确性和测量精度。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种光学测距模组，包括：

用于产生强度经过正弦波调制的测量光、并将测量光发射至被测目标的光源部；

用于接收由被测目标反射回的返回光、并根据测得的返回光与测量光间的相位差计算被测目标到所述测距模组的基础距离的光接收部；

与所述光接收部相连的、用于根据获取的环境参数值对所述基础距离进行修正、以计算得到被测目标到所述测距模组的距离的处理器。

可选地，还包括模组本体和端盖；

所述模组本体设置有第一导孔和第二导孔，所述光源部、所述光接收部、所述处理电路设置在所述模组本体背向被测目标一侧，由所述端盖封装；

所述光源部产生的测量光沿所述第一导孔传播，发射至被测目标；

由被测目标反射回的返回光沿所述第二导孔传播至所述光接收部。

可选地，还包括分别设置在所述第一导孔、所述第二导孔朝向被测目标一端端口的第一透镜和第二透镜；

所述第一透镜用于将传播的测量光准直为平行光；

所述第二透镜用于将由被测目标反射回的返回光汇聚入所述第二导孔。

可选地，所述第一透镜和所述第二透镜的边缘均设置有安装边，所述第一透镜、所述第二透镜通过安装边以卡扣形式与所述模组本体固定。

可选地，所述光源部包括安装在所述第一导孔背向被测目标一端端口的激光器和激光器端板；所述激光器端板设置有用于穿过所述激光器引脚的过孔，还设置有螺孔；

在所述模组本体上设置有螺孔，通过螺丝钉穿过所述激光器端板上的螺孔以及所述模组本体上的螺孔，将所述激光器与所述模组本体固定。

可选地，在所述第一导孔背向被测目标一端的端口设置为凹孔，所述凹孔用于安装所述激光器；

在端口边缘设置有凹槽，在所述激光器边缘设置有与凹槽契合的凸起。

可选地，还包括设置在所述第二导孔背向被测目标一侧的滤光片；

在所述第二导孔背向被测目标一端端口设置有用于安装所述滤光片的安装槽。

可选地，所述第一导孔、所述第二导孔的内壁为黑色，且设置有哑光条纹。

可选地，所述光接收部、所述处理器设置在线路板上；

在所述模组本体背向被测目标一侧的端面边缘设置有与所述端面垂直的边，在所述模组本体背向被测目标一侧的端面还设置有与所述端面垂直的定位柱，在所述线路板上与所述定位柱对应的位置处设置有定位孔；

所述线路板的表面与所述边接触，所述定位柱穿过所述线路板上的定位孔。

可选地，在所述模组本体横向的两端设置有对称的、用于与外部设备安装的安装柱，所述安装柱具有中空型的通孔。

由上述技术方案可知，本实用新型所提供的光学测距模组，包括光源部、光接收部和处理器。光源部产生强度经过正弦波调制的测量光，发射至被测目标，测量光到达被测目标发生漫反射，光接收部接收由被测目标返回的反射光，根据测量的返回光与测量光间的相位差，计算出被测目标到测距模组的基础距离，处理器根据获取的环境参数值对基础距离进行修正，以计算得到被测目标到测距模组的距离。

本实用新型光学测距模组基于“飞行时间”相位法测距原理，实现对被测目标的距离测量，其中通过获取的环境参数值对测量距离进行修正，因此将环境因素对距离测量的影响考虑在内，可提高距离测量的准确性和测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种光学测距模组的示意图；

图2为本实用新型实施例光学测距模组产生的调制光与接收的返回光的波形示意图；

图3为本实用新型又一实施例提供的一种光学测距模组的结构分解示意图；

图4为图3所示光学测距模组的外部结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的光学测距模组测量的距离误差随温度变化的曲线；

图6为本实用新型实施例提供的一种光学测距模组的内部电路示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型中的技术方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。

请参考图1，本实用新型实施例提供的一种光学测距模组，包括：

用于产生强度经过正弦波调制的测量光、并将测量光发射至被测目标的光源部10；

用于接收由被测目标反射回的返回光、并根据测得的返回光与测量光间的相位差计算被测目标到所述测距模组的基础距离的光接收部11；

与所述光接收部11相连的、用于根据获取的环境参数值对所述基础距离进行修正、以计算得到被测目标到所述测距模组的距离的处理器12。

本实施例光学测距模组，由光源部产生强度经过正弦波调制的测量光，发射至被测目标，测量光到达被测目标发生漫反射，光接收部接收由被测目标返回的反射光，根据测量的返回光与测量光间的相位差，计算出被测目标到测距模组的基础距离，处理器根据获取的环境参数值对基础距离进行修正，以计算得到被测目标到测距模组的距离。

本实施例光学测距模组基于“飞行时间”相位法测距原理，实现对被测目标的距离测量，其中通过获取的环境参数值对测量距离进行修正，因此将环境因素对距离测量的影响考虑在内，可提高距离测量的准确性和测量精度。

本实施例光学测距模组中，光源部10包括驱动电路和光源，由驱动电路对光源进行驱动和调制，产生连续的强度经过正弦波调制的测量光。请参考图2，为本实施例光学测距模组发射的测量光与接收的返回光的波形示意图。光源部10产生的测量光具有固定的调制频率f，调制周期T_MOD，光接收部11接收的由被测目标返回的返回光与光源部10产生的测量光具有相位差通过对测量光以及返回光进行采样，测得返回光与测量光之间的相位差可根据如下公式计算被测目标到测距模组的距离：

其中，c表示光速，f表示正弦波调制频率，L表示被测目标到光学测距模组的距离。

下面对本实施例光学测距模组具体结构做详细说明。

在一种具体实施例中，请参考图3，所述光学测距模组包括光源部、光接收部和处理器，还包括模组本体20和端盖21。

其中，所述模组本体20设置有第一导孔和第二导孔，所述光源部、所述光接收部、所述处理器设置在所述模组本体20背向被测目标一侧，由所述端盖21封装，其中光接收部、处理器设置在线路板22上。

光源部用于产生强度经过正弦波调制的测量光、将测量光发射至被测目标。所述光源部产生的测量光沿所述第一导孔传播，发射出。由被测目标反射回的返回光沿所述第二导孔传播至所述光接收部。

可选地，所述光接收部包括光电传感器，由光接收部接收由被测目标反射回的返回光。

其中，第一导孔、第二导孔呈喇叭形，背向被测目标一侧端口较窄，朝向被测目标一侧端口较宽。

进一步的，所述光学测距模组还包括分别设置在所述第一导孔、所述第二导孔朝向被测目标一端端口的第一透镜23和第二透镜24；

所述第一透镜23用于将传播的测量光准直为平行光；

所述第二透镜24用于将由被测目标反射回的返回光汇聚入所述第二导孔。

可选的，第一透镜23可采用球面透镜或者非球面透镜，所述第二透镜24可采用球面透镜或者非球面透镜。

本实施例中，可参考图3所示，第一透镜23的边缘设置有安装边，在安装边上设置有凸起，相应在模组本体第一导孔的端口处设置有穿孔，通过安装边的凸起穿入对应的穿孔内，将所述第一透镜23通过安装边以卡扣形式与所述模组本体20固定，这样将第一透镜23在模组本体20上的位置固定，能很好地限制第一透镜23到光源部的距离，也不会因为安装影响光束的准直。

所述第二透镜24的边缘设置有安装边，在安装边上设置有凸起，相应在模组本体20第二导孔的端口处设置有穿孔，通过安装边的凸起穿入对应穿孔内，将所述第二透镜24通过安装边以卡扣形式与所述模组本体20固定，这样将第二透镜24在模组本体20上的位置固定。

优选的，所述第一透镜23和所述第二透镜24的直径尺寸一致，这样设计使测距模组的结构更匀称，方便客户安装。

优选的，所述第一导孔的内壁为黑色，且设置有哑光条纹，示例性的可设置为细十字哑光条纹，可以很好地防止眩光。所述第二导孔的内壁为黑色，且设置有哑光条纹，可设置为细十字哑光条纹，能有效地将设计波段外的杂光反射出去或者吸收，减少进入光接收部的杂光。提高测量距离的信噪比。

本实施例中，所述光源部可采用LED光源或者激光光源，可以理解的是，也可采用其它类型光源。

在本具体实施例中，所述光源部采用激光光源，参考图3所示，具体包括安装在所述第一导孔背向被测目标一端端口的激光器25和激光器端板26；所述激光器端板26设置有用于穿过所述激光器25引脚的过孔，还设置有螺孔；在所述模组本体20上设置有螺孔，通过螺丝穿过所述激光器端板26上的螺孔以及所述模组本体20上的螺孔，将所述激光器25与所述模组本体20固定，通过所述激光器端板26将所述激光器25与所述模组本体20固定，

具体的，在所述第一导孔背向被测目标一端的端口设置为凹孔，所述凹孔用于安装所述激光器25；在端口边缘设置有凹槽，在所述激光器25边缘设置有与凹槽契合的凸起，采用这种防呆扣设计，将激光器25圆周方向的位置固定，防止其转动。

激光器25安装在凹孔内，激光器端面与凹孔内台阶接触，这样限制了激光器25到第一透镜23的最近距离。

通过激光器端板26将激光器固定安装到模组本体20的第一导孔端口处。激光器25的后端面与激光器端板26接触，这样限制了激光器25到第一透镜23的最远距离。从而，激光器25到第一透镜23的最近距离和最远距离都被限制，通过第一导孔端口处的防呆扣将激光器圆周方向的位置限制，在设计公差范围内，可以很好的准直，不需要在生产时再进行调节。

激光器25的引脚穿过激光器端板26，可以插到线路板22上。本实施例中，优选的，激光器端板26上的过孔设计为喇叭形状，其中插入端口大，可以使激光器25的引脚能比较容易地插入到过孔中，即使在工人操作时激光器引脚有轻微的歪斜，也能使引脚较容易的穿过；穿出端口较小，可约束激光器引脚方向，可以起到校正激光器引脚的作用，可以将歪斜的引脚校正，更准确地插入到线路板中。

优选的，所述激光器端板26还设置有导热开孔，使激光器产生的热量可通过导热开孔散失，保证激光器良好的散热效果。

通过激光器端板26将激光器25与模组本体20锁紧固定，将线路板22与模组本体20固定后，再将激光器25引脚焊接到线路板22上。本安装方式中，激光器与线路板的安装很简单，而对于目前市面上的其它测距模组，有的是需要通过引线，有的要通过掰弯激光器引脚与线路板焊接，这样焊接的话需要调整激光器与透镜的位置，以达到激光器与透镜同心。但本安装方式已经限制激光器的位置，可以保证激光器与透镜同心，不需要额外调节。

所述光学测距模组还包括设置在所述第二导孔背向被测目标一侧的滤光片27，通过滤光片27过滤掉作用波段以外的杂光，避免杂光干扰。在所述第二导孔背向被测目标一端端口设置有用于安装所述滤光片27的安装槽。安装槽与滤光片的形状匹配，通过将滤光片放置到所述安装槽内从而将滤光片安装。

进一步的，将滤光片安装到安装槽内，在滤光片27外侧面设置垫片28，通过垫片28将滤光片27压紧到安装槽内。垫片28可采用有弹性的EVA材料，厚度设计增加了一点预压量，使得可以通过线路板26将滤光片27压紧安装在模组本体20上。垫片28为中空型，中空部分与光电传感器光感应面匹配，使光照射到光电传感器。本测距模组不需要点胶即可将滤光片安装好，工艺简单。

本实施例中，优选的，第二导孔背向被测目标一端端口，即朝向光接收部一端端口设计为小孔，可以有效地将杂光阻挡在外，以提高本测距模组的信噪比，提高测距的准确性。本实施例中，线路板22设置在模组本体20背向被测目标一侧，由端盖21封装。通过端盖21封装起到保护模组内各电子元器件并且屏蔽环境光的作用。

在所述模组本体20背向被测目标一侧的端面边缘设置有与所述端面垂直的边30，在所述模组本体20背向被测目标一侧的端面还设置有与所述端面垂直的定位柱31，在所述线路板22上与所述定位柱31对应的位置处设置有定位孔。在将线路板22与模组本体20封装时，所述线路板22的表面与所述边30接触，所述定位柱穿过所述线路板22上的定位孔，这样将线路板22的位置固定。

示例性的，可在模组本体20背向被测目标一侧的端面的四个边缘分别设置与端面垂直的边30，可在模组本体20背向被测目标一侧的端面设置至少两个定位柱31。

通过确定和固定线路板22的安装位置，可将光接收部的位置固定，另外透镜以卡扣形式与模组本体固定，这样透镜与光接收部的相对位置和距离固定，保证接收的返回光能准确地被聚焦到光接收部，而不再需要调焦。因此本测距模组在设计时将生产冗余考虑进去，可节省生产成本。

光接收部、处理器设置在线路板22上，光接收部接收由被测目标反射回的返回光、并根据测得的返回光与测量光间的相位差计算被测目标到所述测距模组的基础距离；处理器根据获取的环境参数值对所述基础距离进行修正、以计算得到被测目标到所述测距模组的距离。

进一步的，本实施例光学测距模组，在所述模组本体20横向的两端设置有对称的、用于与外部设备安装的安装柱29，所述安装柱具有中空型的通孔。用户可以通过该安装柱29在设备任意一面安装本测距模组。另外、在模组本体20的一面可设置定位柱，例如可在模组本体一面设置两个定位柱，使客户安装的时候可以快速定位。因此，本模组安装方式采用嵌入式设计，方便客户嵌入到客户产品中，快速集成。

因此，本实施例光学测距模组基于“飞行时间”相位法测距原理，实现对被测目标的距离测量，具有高精度、宽量程、宽动态范围的测量性能。本模组组装结构简单，便于设计和生产，不需要复杂的生产工艺即可实现，适用于大批量生产。并且本光学测距模组为模组化产品，可以方便地集成到其他产品上。实用性强。可应用于无人机定高、避障或者扫地机建图，以及轨道交通等领域。

本实用新型光学测距模组基于“飞行时间”相位法测距，在实际测量中测量相位的准确性直接影响测量距离的准确性。由于电子器件的工作性能受温度影响，当实际温度偏离模组的工作温度时模组内电子器件对信号的传输存在滞后，会造成相位测量不准确，最终会造成测量的距离产生偏移。

鉴于此，在本实用新型光学测距模组的一种实施例中，在上述实施例内容的基础上，还包括与所述处理器相连的、用于获取所述测距模组内温度的温度采集电路；所述处理器具体用于根据获取的温度值对基础距离值进行修正，计算得到被测目标到所述测距模组的距离值。

处理器根据采集的模组内温度对基础距离值进行修正。具体的，可根据如下公式进行温度补偿：

D_Tcorr＝D_meas-a·(T-T₀)²-b·(T-T₀)；

其中，D_Tcorr表示修正后的距离值，D_meas表示计算得到的基础距离值，T₀表示测距模组的标准工作温度，T表示当前环境下测得的测距模组内温度。可参考图5，为本实施例中测量距离误差随温度变化的曲线。

当测距模组应用在室外，环境光较强，环境光进入模组内被光电传感器接收，会影响测距精度，这样会使在不同强度的环境光背景下，测距精度差别大。鉴于此，在本实用新型光学测距模组的一种实施例中，所述光接收部还用于获取环境光强度；所述处理器具体用于根据获取的环境光强度对所述基础距离值进行修正，计算得到被测目标到所述测距模组的距离值。

测量中产生的距离误差与环境光强度的依赖关系是非线性的，但经实验得出，在两个不同的背景光范围内会表现两个线性拟合。基于上述的校准测量，对应的两个线性系数可以用如下线性方程计算：

其中，m₀表示第一线性范围的曲线斜率，m₁表示第二线性范围的曲线斜率，E表示距离误差，B表示环境光强度，B₁表示两个线性范围的环境光强度分界值。

根据计算得到的基础距离值以及当前测得的环境光强度，可以根据校准方程计算得到修正后的距离值。

在经过环境光修正后，再根据测得的模组内温度对距离值进行修正。

进一步的，目标物的反射率对测距模组的距离测量也存在影响。目标物的反射率不同，即使在同样的距离下，光电传感器探测到的光强会不同，这对距离测量的精度影响也非常大，会使得对同一距离下的不同反射率物体测得不一样的距离。鉴于此，在本实用新型光学测距模组的一种实施例中，所述处理器具体用于根据返回光的强度和基础距离值计算目标物的反射率，根据获取的目标物的反射率对所述基础距离值进行修正，计算得到被测目标到所述测距模组的距离值。

目标物的反射率不能通过测量直接得到，但可以利用光电传感器探测到的返回光强度进行估计。根据不同距离下测到的光强度，建立反射率查找表记录不同反射率下同样距离下的误差，这样在测量时通过查表将反射率对基础距离值进行补偿。

优选的，在本实用新型光学测距模组的一种实施例中，在进行距离测量时，处理器的处理流程如下：

S100：从光接收部获取基础距离和返回光的强度，根据接收到的返回光强度，判断接收到的光信号是否有效。

若否，即根据返回光强度判断接收到的光信号无效，则重新开始测量，并在下次测量中增加或者减少测量时间。

S101：若是，根据返回光的强度和基础距离值，查找当前距离下被测目标的反射率，并判断被测目标的反射率是否在正常范围内。

若反射率过强，则重新开始测量，并在下次测量中减少测量时间；

若反射率过低，则重新开始测量，并在下次测量中增加测量时间；

若反射率在正常范围内，则根据反射率对基础距离值进行修正，然后进入下一步骤。

S102：根据获取的环境光强度，判断环境光强度是否在正常范围内。

若环境光强度过强，则重新开始测量，并在下次测量中减少测量时间；

若环境光强度正常，则根据环境光强度对距离值进行修正；

S103：根据获取的温度值对距离值进行修正。

计算得到被测目标到测距模组的距离值，最后结束本次测量，

进一步的，本实施例光学测距模组，可参考图6，还包括用于向所述测距模组内各器件供电的电源管理电路。所述测距模组还设置有接口，用户可以通过接口与外部设备连接，下载数据。

以上对本实用新型所提供的一种光学测距模组进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种光学测距模组，其特征在于，包括：

用于产生强度经过正弦波调制的测量光、并将测量光发射至被测目标的光源部；

用于接收由被测目标反射回的返回光、并根据测得的返回光与测量光间的相位差计算被测目标到所述测距模组的基础距离的光接收部；

与所述光接收部相连的、用于根据获取的环境参数值对所述基础距离进行修正、以计算得到被测目标到所述测距模组的距离的处理器。

2.根据权利要求1所述的光学测距模组，其特征在于，还包括模组本体和端盖；

所述模组本体设置有第一导孔和第二导孔，所述光源部、所述光接收部、所述处理器设置在所述模组本体背向被测目标一侧，由所述端盖封装；

所述光源部产生的测量光沿所述第一导孔传播，发射至被测目标；

由被测目标反射回的返回光沿所述第二导孔传播至所述光接收部。

3.根据权利要求2所述的光学测距模组，其特征在于，还包括分别设置在所述第一导孔、所述第二导孔朝向被测目标一端端口的第一透镜和第二透镜；

所述第一透镜用于将传播的测量光准直为平行光；

所述第二透镜用于将由被测目标反射回的返回光汇聚入所述第二导孔。

4.根据权利要求3所述的光学测距模组，其特征在于，所述第一透镜和所述第二透镜的边缘均设置有安装边，所述第一透镜、所述第二透镜通过安装边以卡扣形式与所述模组本体固定。

5.根据权利要求2所述的光学测距模组，其特征在于，所述光源部包括安装在所述第一导孔背向被测目标一端端口的激光器和激光器端板；所述激光器端板设置有用于穿过所述激光器引脚的过孔，还设置有螺孔；

在所述模组本体上设置有螺孔，通过螺丝钉穿过所述激光器端板上的螺孔以及所述模组本体上的螺孔，将所述激光器与所述模组本体固定。

6.根据权利要求5所述的光学测距模组，其特征在于，在所述第一导孔背向被测目标一端的端口设置为凹孔，所述凹孔用于安装所述激光器；

在端口边缘设置有凹槽，在所述激光器边缘设置有与凹槽契合的凸起。

7.根据权利要求2所述的光学测距模组，其特征在于，还包括设置在所述第二导孔背向被测目标一侧的滤光片；

在所述第二导孔背向被测目标一端端口设置有用于安装所述滤光片的安装槽。

8.根据权利要求2所述的光学测距模组，其特征在于，所述第一导孔、所述第二导孔的内壁为黑色，且设置有哑光条纹。

9.根据权利要求1-8任一项所述的光学测距模组，其特征在于，所述光接收部、所述处理器设置在线路板上；

在所述模组本体背向被测目标一侧的端面边缘设置有与所述端面垂直的边，在所述模组本体背向被测目标一侧的端面还设置有与所述端面垂直的定位柱，在所述线路板上与所述定位柱对应的位置处设置有定位孔；

所述线路板的表面与所述边接触，所述定位柱穿过所述线路板上的定位孔。

10.根据权利要求1-8任一项所述的光学测距模组，其特征在于，在所述模组本体横向的两端设置有对称的、用于与外部设备安装的安装柱，所述安装柱具有中空型的通孔。