CN211928172U - 一种光学测距模块、光学扫描测距装置和机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光学测距模块、光学扫描测距装置和机器人，所述光学测距模块，包括：准直光源、感光芯片以及连接所述感光芯片的处理器电路，和至少两个不同焦距的成像透镜；所述成像透镜至少包括第一成像透镜和第二成像透镜，所述第一成像透镜的焦距较小，其光轴和准直光源的光轴成一个大于0°并小于90°的夹角，用于实现中近距离的测距；所述第二成像透镜的焦距较大，其光轴于准直光源的光轴的夹角小于所述第一成像透镜和准直光源的光轴的夹角；用于实现中远距离的测距。本实用新型通过采用两个不同焦距的成像透镜，既能减小近距离的测距盲区，又能解决远距离的质心跳动问题，提高了远距离的测量精度。

Description

一种光学测距模块、光学扫描测距装置和机器人

技术领域

本实用新型涉及三角法激光雷达领域，尤其涉及一种基于三角法的光学测距模块和光学扫描测距装置。

背景技术

激光雷达具有结构相对简单、高单色性、高方向性、相干性好、测量精度较高、空间分辨率高、探测距离远、价格便宜等优点；已被广泛地应用，应用范围大至大气、海洋和陆地进行高精度遥感探测的有效方法，小至家用智能扫地机器人导航避障。

目前机械式单线扫描激光雷达多采用三角法获取距离信息。三角测距原理为：准直光源发射一束准直激光，光束照射到待测目标后发生漫反射，反射光束被镜头接收并成像在成像传感器上，当光束照到不同距离的物体的反射光束从不同角度进入镜头，在成像传感器上的成像光斑位置也不同，根据成像传感器上光斑的位置可以得到对应距离信息。如图1所示，待测目标距离准直光源距离可由如下公式求得：

q＝(f·s)/x (1)

L＝q/cos(β) (2)

对(1)式转换成

x＝(f·s)/q (3)

再对(3)式对q求导得：

dq/dx＝-q2/(f·s) (4)

其中，q：系统至待测目标的距离，s：准直光源和成像透镜的中心光轴的间距，L：准直光源至待测目标的距离，f：镜头焦距，x：光斑在成像传感器上的位移量，β：激光出射方向与成像透镜的中心光轴的夹角。

可以看出，当待测目标的距离变远后，从成像传感器获得的像素点每移动一个单位距离，求出的距离值的跳变(质心跳动)会大幅增大，也即精度变低，所以，要保证dq控制在一定范围内，那么就要求较大的f·s值，或者更小的传感器分辨率dx。而由于结构小型化的需求以及现有成像传感器的分辨率的限制，镜头焦距f需保持较大值，也即镜头的视场角受限，无法取很大，导致现有基于三角法测距的单个镜头的激光雷达测距存在较大的盲区，这会限制雷达的安装位置和功能使用。

现有的激光雷达结构，采用镜头作为接收件核心成本高，且在安装时需要调整镜头焦距安装不易。

实用新型内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种超小盲区，又满足小型化、低成本的基于三角法的光学测距模块和光学扫描测距装置。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种光学测距模块，包括：准直光源、感光芯片以及连接所述感光芯片的信号处理电路，和至少两个不同焦距的成像透镜；所述成像透镜至少包括第一成像透镜和第二成像透镜，所述第一成像透镜的焦距较小，其中心光轴和准直光源的光轴成一个大于0°并小于90°的夹角；所述第二成像透镜的焦距较大，其中心光轴于准直光源的光轴的夹角小于所述第一成像透镜和准直光源的光轴的夹角；

所述第一成像透镜设置在所述准直光源和所述第二成像透镜之间，从而满足：所述第一成像透镜的中心光轴与所述准直光源间形成的第一间隔距离小于所述第二成像透镜的中心光轴与所述准直光源间形成的第二间隔距离；

所述感光芯片包括有第一区域和第二区域，所述准直光源的光束经反射后，经所述第一成像透镜成像于所述感光芯片的第一区域，和/或经所述第二成像透镜成像于所述感光芯片的第二区域。

进一步的，所述准直光源是激光。

进一步的，所述第一成像透镜和所述准直光源的夹角为3°～12°，所述第二成像透镜和所述准直光源的夹角为0°。

进一步的，所述第一成像透镜和所述第二成像透镜为非球面透镜。

进一步的，所述感光芯片和所述第二成像透镜的中心光轴成90°夹角。

进一步的，所述感光芯片的第一区域位于所述第二区域和所述准直光源中间。

进一步的，所述感光芯片为CMOS感光阵列芯片、CCD感光阵列芯片或PSD。

本实用新型还提供了一种光学扫描测距装置,包括光学测距模块和底盘，所述光学测距模块安装于底盘上，并在底盘的带动下旋转扫描，所述光学测距模块为如上所述的光学测距模块。

本实用新型还提供了一种机器人，包括如上所述的光学测距模块。

本实用新型实现了如下技术效果：

(1)采用成像透镜替代镜头安装，调试方便、成本低；

(2)通过设置焦距不同的两个成像透镜，焦距较小的透镜与准直光源形成一定夹角，可以减小近距离的测距盲区；焦距较大的成像透镜，可以解决远距离的质心跳动问题，即提高了远距离的测量精度。

附图说明

图1为激光雷达三角测距法原理示意图；

图2是本实用新型的激光测距模块的一个较佳实施例的结构示意图；

图3是本实用新型的激光测距模块的短焦距透镜的成像示意图；

图4是本实用新型的激光测距模块的长焦距透镜的成像示意图；

图5是本实用新型的激光雷达的结构示意图。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本实用新型提供有附图。这些附图为本实用新型揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本实用新型的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

现结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步说明。

如图2、图3、图4所示，本实用新型公开了一种光学测距模块(激光测距模块)的具体实施例，包括准直光源1、短焦距透镜2、长焦距透镜3、感光芯片4、支架5及相关驱动控制电路、信号处理电路。在工作状态下，准直光源1发射激光，激光在遇到障碍物后被发射。在遇到近距离的障碍物的反射光束经由短焦距透镜2聚焦至感光芯片4的感光平面上形成一个光斑，或遇到远距离的障碍物的反射光束经由长焦距透镜3聚焦到感光芯片4的感光平面上形成一个光斑，或者遇到中距离的障碍物的发射光通过短焦距透镜2和长焦距透镜3分别聚焦至感光芯片的感光平面上形成两个光斑，感光芯片4的输出信号经过处理后得到光斑在感光芯片4的感光平面的位置，进而通过换算得到障碍物与激光测距模块的距离。

如图3和图4所示，激光在A、B、C、D、E点出遇到障碍物，反射后分别成像在感光芯片4的A'、B'、C'、D'、E'。

在本实施例中，短焦距透镜2设置在准直光源1和长焦距透镜3之间，并使通过短焦距透镜2的反射信号成像于感光芯片4的左半区域41(即感光芯片4更靠近准直光源1的部分)，通过长焦距透镜3的反射信号成像于感光芯片4的右半区域42(即感光芯片4远离准直光源1的部分)。

在本实施例中，短焦距透镜2的光轴21与准直光源1的光轴11沿逆时针方向呈一个夹角α，此时短焦距透镜2的视场角可以兼顾较近的距离，近距离范围内的反射光束经由短焦距透镜2聚焦至感光芯片4，将第一近点和第一远点之间的反射信号有效成像在感光芯片4的左半区域41上。为方便说明，设定A点为第一近点，设定C点为第一远点，分别成像于感光芯片4的左半区域41的A'和C'。

在本实施例中，短焦距透镜2的尺寸及短焦距透镜2的光轴与准直光源1的光轴逆时针方向的夹角可以根据实际情况予以设定，从而调节短焦距透镜2的视场角的大小及近点、远点的位置，如将激光测距模块的盲区控制在小于0.1米，满足激光测距模块在扫地机器人等机器人上的应用。如在本实施例中，短焦距透镜2的光轴21与准直光源1的光轴11的夹角优选为3°～12°。在此不做进一步阐述。

通过双透镜的设置，可以减少激光测距模块在近距离的盲区，同时解决远距离测距时的质心跳动。

在本实施例中，长焦距透镜3的光轴与准直光源1的光轴平行，由于长焦距透镜3的视场角较小，只允许远距离的反射光束入射。将长焦距透镜3支持的能被有效识别的入射距离范围定义为第二近点至第二远点之间。为方便图示说明，设定D点为第二近点，设定E点为第二远点，第二近点和第二远点的反射信号通过长焦距透镜3分别成像于感光芯片4的右半区域42的D'和E'。

两个透镜的视场角会有一定的重叠，以保证在中间距离不会出现测量盲区。此时第二近点和第一远点之间的反射光束会同时成像在感光芯片4上。参考图2和图3所示，第二近点和第一远点之间的反射信号会同时成像在感光芯片4会同时成像在感光芯片4的两端，通过控制程序可以择一选择一个信号作为测距依据。

在本实施例中，还包括转盘200，激光测距模块100安装在转盘200的上表面，转盘200绕其中心轴做360°旋转。激光测距模块通过旋转扫描周围的障碍物以获得二维的扫描图像，以获得其与周围的障碍物在各个角度的距离。

在本实施例中，准直光源1是单个光源，感光芯片4采用一维(线型)的图像传感器，结合旋转扫描获得二维的扫描图像；准直光源1也可以是一竖向设置的一列光源，感光芯片4采用二维的图像传感器，结合旋转扫描，获得周围的障碍物的三维扫描图像。图像传感器一般采用CMOS技术或CCD技术的感光阵列芯片，也可以是位置敏感芯片(PSD)。

在本实施例中，作为优选的实施方式，短焦距透镜2和长焦距透镜3均是采用非球面透镜而不是球面透镜，非球面透镜相对球面透镜，最显著的优势在于可以修正球面透镜在准直和聚焦系统中所带来的球差，提高测量精度。非球面透镜的具体面型和光学参数的选择，本领域技术人员可以根据应用场合的光学条件要求和生产成本的角度在现有技术的非球面透镜中根据实际需要做出选择，于此不再一一赘述。

在其它实施例中，根据透镜入射角的大小也可以设置更多的不同焦距的透镜，如3个或4个，本发明通过在原有的三角法测距的激光雷达基础上设置不同焦距的透镜，并设置不同的光轴角度，以形成由近及远的多段的测距范围，将多个透镜的测距范围进行结合，以获得大的反射光束入射角度，即可实现超小盲区，又无需增大激光雷达装置的面积。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本实用新型，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本实用新型的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本实用新型做出各种变化，均为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种光学测距模块，其特征在于，包括：准直光源、感光芯片以及连接所述感光芯片的处理器电路，和至少两个不同焦距的成像透镜；所述成像透镜至少包括第一成像透镜和第二成像透镜，所述第一成像透镜的焦距较小，其光轴和准直光源的光轴成一个大于0°并小于90°的夹角；所述第二成像透镜的焦距较大，其光轴于准直光源的光轴的夹角小于所述第一成像透镜和准直光源的光轴的夹角；

所述第一成像透镜设置在所述准直光源和所述第二成像透镜之间，从而满足：所述第一成像透镜与所述准直光源间形成的第一间隔距离小于所述第二成像透镜与所述准直光源间形成的第二间隔距离；

所述感光芯片包括有第一区域和第二区域，所述准直光源的光束经反射后，经所述第一成像透镜成像于所述感光芯片的第一区域，和/或经所述第二成像透镜成像于所述感光芯片的第二区域。

2.如权利要求1所述的光学测距模块，其特征在于：所述第一成像透镜和所述准直光源的夹角为3°～12°，所述第二成像透镜和所述准直光源的夹角为0°。

3.如权利要求1所述的光学测距模块，其特征在于：所述第一成像透镜和所述第二成像透镜为非球面透镜。

4.如权利要求1所述的光学测距模块，其特征在于：所述感光芯片和所述第二成像透镜的中心光轴成90°夹角。

5.如权利要求1所述的光学测距模块，其特征在于：所述感光芯片的第一区域位于所述第二区域和所述准直光源中间。

6.如权利要求1所述的光学测距模块，其特征在于：所述感光芯片为CMOS感光阵列芯片、CCD感光阵列芯片或PSD。

7.如权利要求1所述的光学测距模块，其特征在于：所述准直光源是激光。

8.一种光学扫描测距装置，其特征在于：包括光学测距模块和底盘，所述光学测距模块安装于底盘上，并在底盘的带动下旋转扫描，所述光学测距模块为如权利要求1-7任一项所述的光学测距模块。

9.一种机器人，其特征在于：包括如权利要求8所述的光学扫描测距装置。

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