TW202026659A - 一種與錐形反射鏡製作二維光學雷達的感測裝置 - Google Patents

一種與錐形反射鏡製作二維光學雷達的感測裝置 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種與錐形反射鏡製作二維光學雷達的感測裝置，主要係一擴散元件擴散一光源以形成一擴散光，且將該光源導向一反射元件的反射面上，再透過該反射面將該擴散光反射至一反射物後，該反射物則再將該擴散光反射以形成一反射光，且將該反射光反射至該反射面上，以透過該反射面將該反射光反射至一光學透鏡上，最後則透過該光學透鏡將該反射光導向一感測模組上，以透過該感測模組接收該反射光，藉此達成全方位即時掃描之功效，以一次性的偵測360度的環境特性點，進而準確且穩定的提供各特性點與機器人之間的相對位置。

Description

一種與錐形反射鏡製作二維光學雷達的感測裝置
本發明係提供一種與錐形反射鏡製作二維光學雷達的感測裝置，尤指一種由二維光學雷達進行全方位掃描的感測裝置。
光學雷達是一種光學遙感技術，可向一目標物體發射一雷射光束(通常是脈衝雷射)。現今的光學雷達感測裝置，通常是由一個具有旋轉雲台的雷射感測裝置與各種定位或定向系統(POS)所組成，其包括全球衛星定位系統(GPS)、慣性測量單位(IMU)和其他感應器。雷射感測裝置係採用二維(2D)雷射掃描，以存取360度的水平面全景資料，以及40度左右的垂直視野。光學雷達感測裝置則會利用各雷射光束的反射時間來判定與目標之間的範圍距離。每次的雷射光束反射，係可利用光學雷達感測裝置的位置、方向、旋轉雲台上的掃描鏡的角度以及與目標之間的斜距計算得出，並根據共同參考系統做調整，而這些反射資料的集合則稱為「點雲」(Point Cloud)。
然而，習知的光學雷達感測裝置需要旋轉雲台才可進行360度的環境掃描及存取水平面全景資料，但因所述旋轉雲台係需透過馬達驅動及電力供應才可進行旋轉掃描之作動，故當馬達進行驅動時，則可能因馬達轉速不穩定，又或是供電系統故障而不敷使用，以致旋轉雲台無法有效的進行360度環境掃描，而無法輸出量測值，且在不同時間上掃描同一點 位置上的360度環境時，則會出現誤差。
再者，於機器人上設置所述旋轉雲台時，係會增加機器人本身的動件及體積，進而增加機器人本身的電力消耗；又因旋轉雲台的掃描頻率低(5~6Hz)，進而導致地圖掃描的精確度低。
如此，於本領域上提供可一次性且無誤差的進行360度環境掃描，且無需設置所述旋轉雲台以增加機器人的動件及體積，即是現今亟需改善的問題。
為解決前揭之問題，本發明之一目的在於提供一種與錐形反射鏡製作二維光學雷達的感測裝置，其係利用一擴散元件擴散一光源，且將該光源導向一反射元件的反射面上，以透過該反射面將已擴散的該光源反射至一反射物後，該反射物則再將該光學反射以形成一反射光，且將該反射光反射至該反射面上，以透過該反射面將該反射光反射至一光學透鏡上，最後則透過該光學透鏡將該反射光導向一感測模組上，以透過該感測模組接收該反射光，藉此達成全方位即時掃描之功效，以一次性的偵測360度的環境特性點，進而準確且穩定的提供各特性點與機器人之間的相對位置。
為達上述之目的，本發明係提供一種與錐形反射鏡製作二維光學雷達的感測裝置，其包括：一感測模組；一光源模組，該光學模組設於該感測模組相鄰處的一第一方向上，該光學模組提供一光源： 一擴散元件，該擴散元件設於該光源模組相鄰處的該第一方向上，該擴散元件接收該光源，且將該光源朝該第一方向上擴散，以形成一擴散光；一反射元件，該反射元件設於該擴散元件擴散該光源的該第一方向上，該反射元件環設有一反射面，該反射面接收該擴散光，以將該擴散光反射至一反射物上，當該反射物接收到該擴散光時，該反射物則反射該擴散光以形成一反射光，且將該反射光反射至該反射面上，以利用該反射面反射該反射光；以及一光學透鏡，該光學透鏡設於該光學模組與該反射元件之間，該光學透鏡內部設有一中空部，該中空部係設於該光學模組提供該光源的第一方向上，以提供該光源穿透該中空部，該光學透鏡接收該反射光，且將該反射光導向該感測模組上。
較佳地，該反射面將該擴散光以非平行的角度反射至該反射物上，該反射物則將該反射光反射至與該擴散光投射至該反射面上的區域的不同區域上。
較佳地，該擴散元件的直徑係小於該光學透鏡的直徑。
所述二維光學雷達的感測裝置進一步包括一外殼，該外殼係將該感測模組、該光學模組、該擴散元件、該反射元件及該光學透鏡容納於內，該外殼係設有一視窗以供該擴散光反射至該反射物上。
較佳地，該感測模組係為三維(3D)飛時測距感應器(Time-of-flight sensors)。
為解決先前技術之問題，本發明之另一目的在於提供一種與錐形反射鏡製作二維光學雷達的感測裝置，其係利用一擴散元件擴散一光 源，且將該光源導向一反射元件的反射面上，以透過該反射面將已擴散的該光源反射至一反射物後，該反射物則再將該光學反射以形成一反射光，且將該反射光反射至該反射面上，以透過該反射面將該反射光反射至一光學透鏡上，最後則透過該光學透鏡將該反射光導向一感測模組上，以透過該感測模組接收該反射光，藉此達成全方位即時掃描之功效。
為達上述之另一目的，本發明係另提供一種與錐形反射鏡製作二維光學雷達的感測裝置，其包括：一感測模組；一光源模組，該光學模組設於該感測模組相鄰處的一第一方向上，該光學模組提供一光源：一擴散元件，該擴散元件設於該光源模組相鄰處的該第一方向上，該擴散元件接收該光源，且將該光源朝該第一方向上擴散，以形成一擴散光；一反射元件，該反射元件設於該擴散元件擴散該光源的該第一方向上，該反射元件環設有一反射面，該反射面接收該擴散光，以將該擴散光反射至一反射物上，當該反射物接收到該擴散光時，該反射物則反射該擴散光以形成一反射光，且將該反射光反射至該反射面上，以利用該反射面反射該反射光；以及一光學透鏡，該光學透鏡設於該感測模組與該光學模組之間，該光學透鏡接收該反射光，且將該反射光導向該感測模組上。
較佳地，該反射面將該擴散光以非平行的角度反射至該反射物上，該反射物則將該反射光反射至與該擴散光投射至該反射面上的區域的不同區域上。
較佳地，該擴散元件的直徑係小於該光學透鏡的直徑。
較佳地，所述二維光學雷達的感測裝置進一步包括一外殼，該外殼係將該感測模組、該光學模組、該擴散元件、該反射元件及該光學透鏡容納於內，該外殼係設有一視窗以供該擴散光反射至該反射物上。
較佳地，該感測模組係為三維飛時測距感應器。
如此，透過上述所揭露之技術特徵，本發明即可達成全方位即時掃描之功效，以一次性的偵測360度的環境特性點，進而準確且穩定的提供各特性點與機器人之間的相對位置。
10‧‧‧感測模組
20‧‧‧光源模組
21‧‧‧光源
30‧‧‧擴散元件
31‧‧‧擴散光
40‧‧‧反射元件
41‧‧‧反射面
50‧‧‧光學透鏡
51‧‧‧中空部
60‧‧‧反射物
61‧‧‧反射光
70‧‧‧外殼
71‧‧‧視窗
Y‧‧‧第一方向
圖1係為本發明之二維光學雷達的感測裝置之內部元件之設置關係示意圖。
圖2係為本發明之二維光學雷達的感測裝置之內部元件之使用狀態示意圖。
圖3係為本發明之另一實施例的二維光學雷達的感測裝置之內部元件之使用狀態示意圖。
以下將描述具體之實施例以說明本發明之實施態樣，惟其並非用以限制本發明所欲保護之範疇。
請參閱圖1及圖2，其係為本發明之二維光學雷達的感測裝置之內部元件之設置關係示意圖及內部元件之使用狀態示意圖。如圖所示，本發明主要是由一感測模組10、一光源模組20、一擴散元件30、一反射元件40及一光學透鏡50所構成，其中，該光源模組20設於該感測模組10相鄰處的一第一方向Y上，該擴散元件30設於該光源模組20相鄰處的該第一方向 上，該反射元件40設於該擴散元件30擴散一光源21的該第一方向Y上，而該光學透鏡50則設於該光學模組20與該反射元件40之間，在本實施例中，該光學透鏡50係設於該光學模組20與該擴散元件30之間，且該光學透鏡50內部係設有一中空部51，以使得該光學透鏡50形成一環形之該光學透鏡50。
該光源模組20係可提供該光源21，該光源21具體係為一雷射光束，該光源模組20係將該光源21投射於設在該第一方向Y上的該擴散元件30，當該擴散元件30的一面接收到該光源21時，該擴散元件30則會從該接收面31的相對面，將該光源21朝該第一方向上Y擴散，而該第一方向Y具體為垂直方向或近似垂直的方向，如此，假設該光源21是垂直的往上投射，以使得該擴散元件30的底面接收到垂直方向的該光源21時，該擴散元件30的頂面則會輸出擴散後的該光源21，且雖該光源21被擴散後會具有多個不同角度的光線以向上投射，但總體來說，各該光源21的投射方向皆是向上(亦如該第一方向Y)，並非平行或近似平行的投射，故該光源21投射到該擴散元件30上後，則會朝著該第一方向Y上進行擴散，以形成一擴散光31。
當該擴散元件30將該擴散光31朝該第一方向Y擴射出去時，該反射元件40則會接收到該擴散光31以反射至外，具體來說，該反射元件40係於面對該擴散元件30的位置上設有一反射面41，該反射面41係為一具有斜度的面，且環設於該反射元件40上，以使得該反射元件40形成一錐形柱的形狀，如此，當該擴散光31投射於該反射面41上後，該擴散光31則會因該反射面41的斜度而以360度的近似平行的環射方式反射至外。當一反射物60接收到該擴散光31時，則會再將該擴散光31反射回去以形成一反射光61，然而，該擴散光31所投射出去的角度係為一非平行的投射角度(例 如10度角)，故當該反射物60接收到該擴散光31時，則會將該擴散光31反射以形成的該反射光61，反射至與該擴散光31投射至該反射面60上的區域的不同區域上。
如此，當該反射光61被反射至該反射面41上時，因該反射光61投射到該反射面41上的區域與該擴散光31投射的區域不同，故該反射光61被該反射面41所反射的區域也不會相同，而當該反射光61被該反射面41反射後，該反射光61則會再投射至該光學透鏡50上，以藉由該光學透鏡50將該反射光61導至該感測模組10上，以藉由該感測模組10進行相關量測運算。
上述之該感測模組10、該光源模組20、該擴散元件30、該反射元件40及該光學透鏡50係可容納至一外殼70內，其中，該外殼係設有一視窗71以供該擴散光31放射至該反射物60上。
請參閱圖3，其係為本發明之另一實施例的二維光學雷達的感測裝置之內部元件之使用狀態示意圖。如圖所示，該光學透鏡50係可進一步設於該感測模組10與該光源模組20之間，且該光學透鏡50內部無須設置該中空部51，亦可有效的將該反射光61導向該感測模組10上。
藉由上述所揭露之技述特徵，本發明係可有效達成下列所述之功效：
1.該感測模組10可同時取得影像及量測各該反射物60的距離。
2.高達每秒150的顯示幀數的掃描頻率。
3.即時的進行全方位掃描。
4.一次曝光成像，以準確且穩定的提供各特性點與機器人之間的相對位置。
5.減少機器人的體積。
6.沒有了原先旋轉雲台進行旋轉掃描時所發出的噪音。
在上列詳細說明係針對本發明之一可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。
10‧‧‧感測模組
20‧‧‧光源模組
21‧‧‧光源
30‧‧‧擴散元件
31‧‧‧擴散光
40‧‧‧反射元件
41‧‧‧反射面
50‧‧‧光學透鏡
51‧‧‧中空部
60‧‧‧反射物
61‧‧‧反射光
70‧‧‧外殼
71‧‧‧視窗
Y‧‧‧第一方向

Claims (10)

  1. 一種與錐形反射鏡製作二維光學雷達的感測裝置，其包括：一感測模組；一光源模組，該光學模組設於該感測模組相鄰處的一第一方向上，該光學模組提供一光源：一擴散元件，該擴散元件設於該光源模組相鄰處的該第一方向上，該擴散元件接收該光源，且將該光源朝該第一方向上擴散，以形成一擴散光；一反射元件，該反射元件設於該擴散元件擴散該光源的該第一方向上，該反射元件環設有一反射面，該反射面接收該擴散光，以將該擴散光反射至一反射物上，當該反射物接收到該擴散光時，該反射物則反射該擴散光以形成一反射光，且將該反射光反射至該反射面上，以利用該反射面反射該反射光；以及一光學透鏡，該光學透鏡設於該光學模組與該反射元件之間，該光學透鏡內部設有一中空部，該中空部係設於該光學模組提供該光源的第一方向上，以提供該光源穿透該中空部，該光學透鏡接收該反射光，且將該反射光導向該感測模組上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之二維光學雷達的感測裝置，其中，該反射面將該擴散光以非平行的角度反射至該反射物上，該反射物則將該反射光反射至與該擴散光投射至該反射面上的區域的不同區域上。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之二維光學雷達的感測裝置，其中，該擴散元件的直徑係小於該光學透鏡的直徑。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之二維光學雷達的感測裝置，其進一步包括一外殼，該外殼係將該感測模組、該光學模組、該擴散元件、該反射元 件及該光學透鏡容納於內，該外殼係設有一視窗以供該擴散光反射至該反射物上。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之二維光學雷達的感測裝置，其中，該感測模組係為三維飛時測距感應器。
  6. 一種與錐形反射鏡製作二維光學雷達的感測裝置，其包括：一感測模組；一光源模組，該光學模組設於該感測模組相鄰處的一第一方向上，該光學模組提供一光源：一擴散元件，該擴散元件設於該光源模組相鄰處的該第一方向上，該擴散元件接收該光源，且將該光源朝該第一方向上擴散，以形成一擴散光；一反射元件，該反射元件設於該擴散元件擴散該光源的該第一方向上，該反射元件環設有一反射面，該反射面接收該擴散光，以將該擴散光反射至一反射物上，當該反射物接收到該擴散光時，該反射物則反射該擴散光以形成一反射光，且將該反射光反射至該反射面上，以利用該反射面反射該反射光；以及一光學透鏡，該光學透鏡設於該感測模組與該光學模組之間，該光學透鏡接收該反射光，且將該反射光導向該感測模組上。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之二維光學雷達的感測裝置，其中，該反射面將該擴散光以非平行的角度反射至該反射物上，該反射物則將該反射光反射至與該擴散光投射至該反射面上的區域的不同區域上。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之二維光學雷達的感測裝置，其中，該擴散元件的直徑係小於該光學透鏡的直徑。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之二維光學雷達的感測裝置，其進一步包括 一外殼，該外殼係將該感測模組、該光學模組、該擴散元件、該反射元件及該光學透鏡容納於內，該外殼係設有一視窗以供該擴散光反射至該反射物上。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之二維光學雷達的感測裝置，其中，該感測模組係為三維飛時測距感應器。
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