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一種微型光學(xué)掃描測距裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種微型光學(xué)掃描測距裝置及方法，包括固定于裝置底座，且由一成像透鏡、一準(zhǔn)直光源以及一感光芯片和一處理電路構(gòu)成的一小基線光學(xué)測距系統(tǒng)，實現(xiàn)非接觸式的高精度測距；還包括安裝于所述測距系統(tǒng)上方的一可連續(xù)旋轉(zhuǎn)的反光鏡片，接收所述準(zhǔn)直光源發(fā)射的準(zhǔn)直光束，其中，測距模塊中光源發(fā)出的準(zhǔn)直光束始終保持與鏡片旋轉(zhuǎn)中軸線平行，實現(xiàn)掃描測距并在縱向范圍上增加測距的視角范圍，以及用于測量所述反光鏡片方位角的一編碼器，用于獲取測距光束的角度信息。相比于現(xiàn)有設(shè)計，該光學(xué)掃描測距裝置具有更小的體積以及更輕的重量，成本低，并無需測距電子設(shè)備進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，可大幅提高設(shè)備的可靠性和工作壽命。
【專利說明】一種微型光學(xué)掃描測距裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光學(xué)掃描測距裝置及方法，尤其涉及一種微型光學(xué)掃描測距裝置及相應(yīng)的掃描測距方法，通過減小基線，使裝置具有更小的設(shè)備尺寸，并通過使用單一的反光鏡片旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)測距光束的掃描，并增加縱向掃描的視角范圍，使制造工藝更加簡單，可大幅提高設(shè)備的可靠性和工作壽命。

【背景技術(shù)】
[0002]光學(xué)掃描測距裝置是一種使用準(zhǔn)直光束進(jìn)行非接觸式目標(biāo)物體掃描測距的設(shè)備。通過將用于測距的準(zhǔn)直光束(如激光)進(jìn)行一定范圍內(nèi)的旋轉(zhuǎn)，即可實現(xiàn)對所在環(huán)境一定環(huán)境內(nèi)物體進(jìn)行掃描測距，并提取出環(huán)境的輪廓信息。相比超聲波、圖像檢測等手段，使用光學(xué)掃描測距裝置可以實現(xiàn)非常高的掃描測距精度，并且測距速度快。因此在工業(yè)和民用領(lǐng)域具有非常高的應(yīng)用價值，目前廣泛的應(yīng)用于機(jī)器人自主建圖與導(dǎo)航定位(SLAM)、3D場景重建、安防檢測等領(lǐng)域。
[0003]早期的光學(xué)掃描測距裝置使用了光學(xué)飛行時間測量原理(Time of Flight1TOF)的激光測距并配合多組光學(xué)鏡片實現(xiàn)掃描式測距。由于使用的TOF測距模塊尺寸較大，并且包含的多組光學(xué)鏡片需要在工作中保證精密的固定，因此給設(shè)計和生產(chǎn)這類掃描測距裝置帶來了很大挑戰(zhàn)，并導(dǎo)致這類掃描測距裝置的成本較高。同時，復(fù)雜的光學(xué)設(shè)備也增加了裝置的尺寸和重量。這些因素很大的限制了這類掃描測距裝置在成本和體積敏感的消費(fèi)品領(lǐng)域應(yīng)用。
[0004]為解決尺寸和成本問題，目前出現(xiàn)了使用三角測距方式的小型化光學(xué)掃描測距裝置。這類裝置將實現(xiàn)三角測距的激光器、成像透鏡、感光芯片等設(shè)備安裝在一可連續(xù)旋轉(zhuǎn)的平臺上實現(xiàn)測距光束的掃描。由于避免了使用復(fù)雜的光學(xué)鏡片，因此有效地降低了體積和成本。然而，為了實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)部件供電和通訊，這類裝置需要使用導(dǎo)電滑環(huán)等實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)體間電信號傳遞的設(shè)備。這極大地影響了這類裝置的使用壽命，一般持續(xù)工作一年，就會出現(xiàn)機(jī)械磨損老化導(dǎo)致故障。此外，測距模塊整體旋轉(zhuǎn)也會因為離心力作用，對外界產(chǎn)生振動。持續(xù)的振動會干擾外部系統(tǒng)的正常工作，也會使得掃描測距裝置內(nèi)部出現(xiàn)零件松動的風(fēng)險，降低了可靠性。
[0005]同時，傳統(tǒng)的掃描測距裝置只能實現(xiàn)一個二維平面內(nèi)的輪廓掃描。這給諸如機(jī)器人自主環(huán)境壁障等應(yīng)用帶來了不便。為了解決這個問題，現(xiàn)有的設(shè)計通過增加額外的掃描振鏡，實現(xiàn)測距光束在縱向高度上實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)。也有的設(shè)計在縱向上設(shè)置多個測距模塊實現(xiàn)同時采集多個高度平面的掃描測距數(shù)據(jù)。這類設(shè)計又額外的增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度、體積和成本。
[0006]此外，傳統(tǒng)三角法測距系統(tǒng)不易小型化，限制了其應(yīng)用范圍，且感光芯片無法檢測出小于一個單位像素尺寸的位移變化，而這將影響三角測距模塊的測量解析度，又加之芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，芯片的像素尺寸越來越小，對其配套的相應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)的成像要求也越來越高，傳統(tǒng)的光學(xué)設(shè)備已不能完全滿足需求。如果既能保證激光測距儀器的精度和響應(yīng)速度，又能縮小激光測距系統(tǒng)的尺寸，則可以極大的增加光學(xué)掃描測距裝置的應(yīng)用范圍。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的主要目的在于提供一種微型光學(xué)掃描測距裝置，解決了傳統(tǒng)的光學(xué)掃描測距裝置存在的問題，相對于傳統(tǒng)的掃描測距裝置而言，該光學(xué)掃描測距裝置具有更小的體積、更輕的質(zhì)量、更高的可靠性和更長的工作壽命。
[0008]本發(fā)明的另一目的在于提供一種微型光學(xué)掃描測距裝置，通過提供一個360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)的反光鏡片和固定于裝置底座的一光學(xué)測距系統(tǒng)，實現(xiàn)非接觸式掃描測距，在縱向范圍上增加測距的視角范圍，同時減少了光學(xué)測距系統(tǒng)的摩擦和振動，增加了測距的可靠性，使測距精度提高，并延長了裝置的使用壽命。
[0009]本發(fā)明的另一目的在于提供一種微型光學(xué)掃描測距裝置，同時使用一小基線的光學(xué)測距模塊和一單一的反光鏡片，降低了裝置的復(fù)雜度，使得裝置的制造工藝更加簡單，易于生產(chǎn)制造，并降低了成本。
[0010]本發(fā)明的另一目的在于提供一種微型光學(xué)掃描測距裝置，通過使用小基線的光學(xué)測距系統(tǒng)，使得裝置具有更小的尺寸和更輕的質(zhì)量，使得裝置可以應(yīng)用于體積敏感的領(lǐng)域，增大了裝置的應(yīng)用范圍。
[0011]本發(fā)明的另一目的在于提供一種微型光學(xué)測距裝置，通過安裝一編碼器，計量所述反光鏡片旋轉(zhuǎn)的角度信息，用于獲取測距光束的角度信息，以進(jìn)一步獲取目標(biāo)物體的環(huán)境信息。
[0012]本發(fā)明的另一目的在于提供一種微型光學(xué)測距裝置，通過將反光鏡片安裝于光學(xué)測距系統(tǒng)上方，光學(xué)測距系統(tǒng)的準(zhǔn)直光源發(fā)出的準(zhǔn)直光束射向反光鏡片，改變光路結(jié)構(gòu)，進(jìn)而擴(kuò)大掃描范圍。
[0013]本發(fā)明的另一目的在于提供一種小基線光學(xué)測距系統(tǒng)，包括一成像透鏡、一感光芯片和一準(zhǔn)直光源，其中所述感光芯片和所述成像透鏡光軸之間保持一個非90°的夾角，以保證在使用大焦距鏡頭的情況下使得所述成像透鏡始終能在所述感光芯片表面清晰成像。
[0014]本發(fā)明的另一目的在于提供一種光學(xué)掃描測距系統(tǒng)，包括至少一光學(xué)測距系統(tǒng)，一反光鏡片和一轉(zhuǎn)盤，其中所述光學(xué)測距系統(tǒng)固定不動，所述反光鏡片隨著所述轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動而進(jìn)行360°轉(zhuǎn)動，以擴(kuò)大掃描范圍，獲取更多的環(huán)境信息。
[0015]本發(fā)明的另一目的在于提供一種光學(xué)掃描測距方法，使一感光芯片與一成像透鏡的中心光軸之間保持一大于0°并小于90°的夾角，使得基線縮小。
[0016]本發(fā)明的另一目的在于提供一種光學(xué)掃描測距方法，通過提供一可連續(xù)旋轉(zhuǎn)的反光鏡片，接收準(zhǔn)直光束，改變準(zhǔn)直光束的光路分布，在無需安裝多個測距模塊和掃描振鏡的情況下，就可以擴(kuò)大掃描范圍，并增加縱向掃描測距的視角范圍，操作簡單、可靠性強(qiáng)、測距精度高。
[0017]本發(fā)明的另一目的在于提供一種光學(xué)掃描測距方法，在使用小基線光學(xué)測距系統(tǒng)的情況下，使準(zhǔn)直光束直接射向目標(biāo)物體，掃描物體的環(huán)境信息。
[0018]為滿足本發(fā)明的以上目的和優(yōu)勢以及本發(fā)明的其他目的和優(yōu)勢，本發(fā)明提供一種微型光學(xué)掃描測距裝置，包括一底座；一光學(xué)測距系統(tǒng)，安裝于所述底座；一掃描模塊，其包括一轉(zhuǎn)盤和傾斜地連接于所述轉(zhuǎn)盤的一反光鏡片，其中所述反光鏡片位于所述光學(xué)測距系統(tǒng)的上方，所述轉(zhuǎn)盤可轉(zhuǎn)動地連接于所述底座；和一數(shù)據(jù)處理模塊，連接于轉(zhuǎn)盤和所述底座，計量所述反光鏡片旋轉(zhuǎn)的角度信息。其中所述光學(xué)測距系統(tǒng)固定于所述底座。
[0019]進(jìn)一步地，所述數(shù)據(jù)處理模塊為一編碼器，包括一編碼器碼盤和一脈沖感應(yīng)元件，其中所述編碼器碼盤固定于所述轉(zhuǎn)盤，所述脈沖感應(yīng)元件固定于所述底座，且所述脈沖感應(yīng)元件位于所述編碼器碼盤附近不產(chǎn)生接觸的空間處，在本優(yōu)選實施例中，安裝于所述編碼器碼盤的上方一距離處。
[0020]所述微型光學(xué)測距系統(tǒng)進(jìn)一步包括安裝于所述底座的一動力模塊，其包括一動力部件和一傳動部件，其中所述傳動部件連接于所述動力部件和所述轉(zhuǎn)盤，得以使所述動力部件施加動力給所述轉(zhuǎn)盤，促使所述轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動。
[0021]更進(jìn)一步地，所述光學(xué)測距系統(tǒng)包括一成像透鏡、一感光芯片、一準(zhǔn)直光源以及連接于所述感光芯片的一處理器電路，其中所述感光芯片和所述成像透鏡光軸保持一個大于0°并小于90°的夾角，所述成像透鏡的中心光軸與所述準(zhǔn)直光源之間形成一基線，所述準(zhǔn)直光源發(fā)射的準(zhǔn)直光束與所述基線的垂線呈一夾角。
[0022]值得一提的是，所述光學(xué)測距系統(tǒng)進(jìn)一步包括一固定結(jié)構(gòu)，得以使所述成像透鏡、所述感光芯片、所述準(zhǔn)直光源和所述處理器電路固定于所述底座。
[0023]本發(fā)明進(jìn)一步提供一種小基線光學(xué)測距系統(tǒng)，包括:一成像透鏡；一感光芯片，安裝于所述成像透鏡的后方，其中所述感光芯片與所述成像透鏡光軸呈一大于0°并小于90°的夾角；一準(zhǔn)直光源，其與所述成像透鏡的中心光軸之間形成一間隔距離；和一處理器電路，連接于所述感光芯片。
[0024]本發(fā)明又提供一種光學(xué)掃描測距系統(tǒng)，包括:一轉(zhuǎn)盤；一反光鏡片，其傾斜地連接于所述轉(zhuǎn)盤；一動力部件，其連接于所述轉(zhuǎn)盤，傳遞動力給所述轉(zhuǎn)盤，得以使所述反光鏡片在所述轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動下轉(zhuǎn)動；和一光學(xué)測距系統(tǒng)，安裝于所述反光鏡片的下方。其中所述光學(xué)測距系統(tǒng)包括一準(zhǔn)直光源，其中所述準(zhǔn)直光源發(fā)射的準(zhǔn)直光束與所述反光鏡的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸平行，并與所述反光鏡的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸之間呈一間距，其中所述間距大于零或者所述準(zhǔn)直光源發(fā)射的準(zhǔn)直光束與所述反光鏡的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸重合。
[0025]本發(fā)明再提供一種光學(xué)掃描測距方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0026](a)藉由一準(zhǔn)直光束射向一旋轉(zhuǎn)的反光鏡片；
[0027](b)經(jīng)所述反光鏡片偏轉(zhuǎn)的所述準(zhǔn)直光束照射一目標(biāo)物體；
[0028](C)所述目標(biāo)物體對所述準(zhǔn)直光束進(jìn)行光信號反射；
[0029](d)所述反射的光信號通過一成像透鏡進(jìn)行聚焦，投射到一感光芯片所在平面；和
[0030](e)所述感光芯片進(jìn)行光電信號轉(zhuǎn)換，得到目標(biāo)物體的環(huán)境信息。
[0031]本發(fā)明提供一種小基線光學(xué)掃描測距方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0032](a)藉由一準(zhǔn)直光束射向一目標(biāo)物體；
[0033](b)所述目標(biāo)物體對所述準(zhǔn)直光束進(jìn)行光信號反射；
[0034](C)所述反射的光信號通過一成像透鏡進(jìn)行聚焦，投射到一感光芯片所在平面，其中所述感光芯片與所述成像透鏡的中心光軸呈一大于0°小于90°的夾角；和
[0035](d)所述感光芯片進(jìn)行光電信號轉(zhuǎn)換，得到目標(biāo)物體的環(huán)境信息。
[0036]通過提供上述裝置和方法，本發(fā)明達(dá)到了以上目的和有益效果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的微型光學(xué)掃描測距裝置的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0038]圖2是傳統(tǒng)的三角測距系統(tǒng)的平面幾何原理示意圖。
[0039]圖3是根據(jù)本發(fā)明的上述優(yōu)選實施例的三角測距系統(tǒng)的平面幾何原理示意圖。
[0040]圖4是根據(jù)本發(fā)明的上述優(yōu)選實施例的單一反光鏡實現(xiàn)測距光束的360°廣視角掃描的基本設(shè)置示意圖。
[0041]圖5是根據(jù)本發(fā)明的上述優(yōu)選實施例的危險光學(xué)測距裝置旋轉(zhuǎn)過程中光路等效分析示意圖。
[0042]圖6是根據(jù)本發(fā)明的上述優(yōu)選實施例的微型光學(xué)測距裝置測距過程的一個光路效果分析示意圖。
[0043]圖7是根據(jù)本發(fā)明的上述優(yōu)選實施例的微型光學(xué)測距裝置的反光鏡片旋轉(zhuǎn)過程中掃描軌跡示意圖。
[0044]圖8是根據(jù)本發(fā)明的上述優(yōu)選實施例的產(chǎn)生的光斑軌跡在平面上鋪展的函數(shù)圖形示意圖。
[0045]圖9是根據(jù)本發(fā)明的上述優(yōu)選實施例的掃描覆蓋區(qū)域示意圖。

【具體實施方式】
[0046]以下描述用于揭露本發(fā)明以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明。以下描述中的優(yōu)選實施例只作為舉例，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到其他顯而易見的變型。在以下描述中界定的本發(fā)明的基本原理可以應(yīng)用于其他實施方案、變形方案、改進(jìn)方案、等同方案以及沒有背離本發(fā)明的精神和范圍的其他技術(shù)方案。
[0047]圖1所示為本發(fā)明提供的一種微型光學(xué)掃描測距裝置。如圖1所示，一種微型光學(xué)掃描測距裝置，包括一光學(xué)測距系統(tǒng)10、一掃描模塊20、一數(shù)據(jù)處理模塊30、一動力模塊40和一底座50，其中所述動力模塊40為所述掃描模塊20提供動力，使所述掃描模塊20對測距光束進(jìn)行偏轉(zhuǎn)并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃描，因而實現(xiàn)裝置的360°掃描測距，并通過所述數(shù)據(jù)處理模塊30處理轉(zhuǎn)化得出測距光束的角度信息，進(jìn)而計算出所述光學(xué)測距系統(tǒng)10測得的環(huán)境信息，且所述光學(xué)測距系統(tǒng)10固定于所述底座50，所述掃描模塊20、所述數(shù)據(jù)處理模塊30和所述動力模塊40均安裝于所述底座50。
[0048]所述光學(xué)測距系統(tǒng)10可以為任意的光學(xué)測距系統(tǒng)，包括傳統(tǒng)的光學(xué)測距系統(tǒng)。在本實施例中，所述光學(xué)測距系統(tǒng)10選為小基線三角測距系統(tǒng)，其包括一成像透鏡11、一準(zhǔn)直光源12、一感光芯片13、一處理器電路14和一固定結(jié)構(gòu)15,其中所述成像透鏡11、所述準(zhǔn)直光源12、所述感光芯片13連接于所述處理器電路14，并固定地安裝于所述底座50，即所述固定結(jié)構(gòu)15得以使所述成像透鏡11、所述準(zhǔn)直光源12、所述感光芯片13和所述處理器電路14位于所述底座50的上部，并與所述底座50保持固定狀態(tài)，不會隨著所述掃描模塊20的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動。換句話說，當(dāng)所述微型光學(xué)測距裝置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃描時，所述光學(xué)測距系統(tǒng)10與所述底座50保持靜止?fàn)顟B(tài)，不參與裝置工作中的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。
[0049]所述掃描模塊20包括一反光鏡片21、一支撐元件22、一轉(zhuǎn)盤23和至少一軸承24，其中所述轉(zhuǎn)盤23通過所述軸承24連接于所述底座50，且位于所述底座50的上部，并可以相對于所述底座50的平面自由地進(jìn)行360°任意多圈的旋轉(zhuǎn)。所述反光鏡片21通過所述支撐元件22與所述轉(zhuǎn)盤23的一邊緣相連接，并隨著所述轉(zhuǎn)盤23的轉(zhuǎn)動而進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)動，其中所述反光鏡片21傾斜地位于裝置的正上方，并位于所述成像透鏡11、所述準(zhǔn)直光源12和所述感光芯片13的上方，得以接收所述準(zhǔn)直光源12發(fā)射的準(zhǔn)直光束。在本實施例中，所述反光鏡片21為單個反光鏡片，并保持與所述底座50所在平面呈45°夾角的狀態(tài)，換句話說，所述反光鏡片21與其自身的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸呈現(xiàn)45°夾角，得以使所述反光鏡片21能夠改變所述準(zhǔn)直光源12發(fā)射的所述準(zhǔn)直光束的光路，擴(kuò)大掃描范圍，并可在縱向范圍上增加測距的視角范圍，以獲取更多的環(huán)境信息。
[0050]值得一提的是，所述準(zhǔn)直光源12可以安裝于與所述反光鏡片21的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸平行的位置，也可以以任意姿態(tài)放置于設(shè)備當(dāng)中。在本實施例中，優(yōu)選為安裝于與所述反光鏡片21的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸平行的位置，使得所述準(zhǔn)直光源12可以向所述反光鏡片21發(fā)射準(zhǔn)直光束，換句話說，當(dāng)所述準(zhǔn)直光源12可以安裝于與所述反光鏡片21的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸平行的位置，直接向著所述反光鏡片21發(fā)射所述準(zhǔn)直光束，即所述準(zhǔn)直光束直接射向所述反光鏡片21。此夕卜，所述反光鏡片21也可以以任意姿態(tài)放置于設(shè)備當(dāng)中，再通過安裝至少一附加反光鏡對所述準(zhǔn)直光束進(jìn)行預(yù)先偏轉(zhuǎn)，使得偏轉(zhuǎn)后的所述準(zhǔn)直光束平行于所述反光鏡片21的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸，最終實現(xiàn)與本實施例優(yōu)選的安裝方式相同的效果，即將所述準(zhǔn)直光束平行于所述反光鏡片21的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸并朝向所述反光鏡片21的方向發(fā)射。
[0051]另外，所述準(zhǔn)直光源12發(fā)射的所述準(zhǔn)直光束可以與所述反光鏡片21的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸之間保持一大于零的間距，也可以與其重合。當(dāng)所述準(zhǔn)直光源12與所述反光鏡片21的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸之間保持一間距，且所述間距大于零時，本發(fā)明的光學(xué)掃描測距裝置可以實現(xiàn)三維平面的掃描。當(dāng)所述準(zhǔn)直光源12與所述反光鏡片21的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸重合時，即所述準(zhǔn)直光源與所述反光鏡片21的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸之間的間距為零時，本發(fā)明的光學(xué)掃描測距裝置可以實現(xiàn)二維平面的掃描。在本實施例中，優(yōu)選為所述準(zhǔn)直光源12與所述反光鏡片21的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸之間保持一大于零的間距。
[0052]所述數(shù)據(jù)處理模塊30主要用于獲取測距光束的角度信息，以便于計算裝置的測距信息，可以選擇多種數(shù)據(jù)處理工具。在本實施例中，所述數(shù)據(jù)處理模塊30優(yōu)選為一編碼器，其包括一編碼器碼盤31和一脈沖感應(yīng)元件32，其中所述編碼器碼盤31安裝于所述轉(zhuǎn)盤23上，并隨著所述轉(zhuǎn)盤23的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，所述脈沖感應(yīng)元件32位于所述編碼器碼盤31的上方一距離處，即二者之間有一定的間隙，換句話說，所述脈沖感應(yīng)元件32與所述編碼器碼盤31不存在機(jī)械接觸，且所述脈沖感應(yīng)元件32連接于所述底座50，與所述底座50保持固定狀態(tài)，即不會隨著所述轉(zhuǎn)盤23的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動。這樣的話，當(dāng)所述反光鏡片21隨著所述轉(zhuǎn)盤23的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動時，所述編碼器碼盤31隨著轉(zhuǎn)動，此時，固定不動的所述脈沖感應(yīng)元件32將讀出所述編碼器碼盤31當(dāng)前位置的編碼信號，并通過相應(yīng)的處理轉(zhuǎn)化為所述反光鏡片21的角度數(shù)據(jù)，以得出目標(biāo)物體的環(huán)境信息。
[0053]值得一提的是，所述成像透鏡11、所述準(zhǔn)直光源12、所述感光芯片13和所述處理器電路14均位于所述編碼器碼盤31的上方，而所述編碼器碼盤31位于所述轉(zhuǎn)盤23的上方，其中所述處理器電路14連接于所述脈沖感應(yīng)元件32和所述感光芯片13，并位于所述成像透鏡11和所述準(zhǔn)直光源12的下方，且位于所述編碼器碼盤31的上方，其中所述編碼器碼盤31位于所述轉(zhuǎn)盤23和所述處理器電路14之間，且所述轉(zhuǎn)盤23位于所述底座50的上方。換句話說，所述底座50得以支撐所述光學(xué)測距系統(tǒng)10、所述掃描模塊20和所述數(shù)據(jù)處理模塊30。
[0054]進(jìn)一步地，所述動力模塊40安裝于所述底座50，可以實現(xiàn)所述反光鏡片21的自動轉(zhuǎn)動，即所述動力模塊40包括一動力部件41和一傳動部件42，其中所述動力部件41安裝于所述底座50的下部，并連接于所述傳動部件42，所述傳動部件42進(jìn)一步通過所述軸承24連接于所述轉(zhuǎn)盤23，將所述動力部件41給予的動力傳遞給所述軸承24，其中所述軸承24和所述傳動部件42安裝于所述底座50并位于所述轉(zhuǎn)動23的下方，帶動所述轉(zhuǎn)盤23進(jìn)行360°轉(zhuǎn)動，而所述轉(zhuǎn)盤23將動力傳遞給所述反光鏡片21，進(jìn)而促使所述反光鏡片21進(jìn)行360°的旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)全方位掃描測距。在本實施例中，所述動力部件41優(yōu)選為一電機(jī)，通過供電的方式帶動所述轉(zhuǎn)盤23自動旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而促使所述反光鏡片21自動旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)自動掃描測距。另外，所述傳動部件42可以選為皮帶或者齒輪等其他能夠傳動動力的部件，進(jìn)而給所述反光鏡片21提供動力，在本實施例中，所述傳動部件42選為皮帶。
[0055]所述準(zhǔn)直光源12用于測距，可以是通過激光發(fā)射器發(fā)射的激光，也可以是經(jīng)過透鏡聚焦的LED光源，在本實施例中，優(yōu)選為激光，這是由于激光具有良好的單色性，方向性和相干性，能量集中，方向性好，測距精度高，測程遠(yuǎn)，抗電磁波干擾能力強(qiáng)，隱蔽性好，亮度高，是絕大多數(shù)主動光學(xué)探測系統(tǒng)的首選光源，自然也是作為利用主動光學(xué)探測方法的激光測距的首選光源。
[0056]在本發(fā)明中，所述光學(xué)測距系統(tǒng)10可以實現(xiàn)超小基線的光學(xué)三角測距，使得本發(fā)明的光學(xué)測距裝置具有更小的體積以及更輕的重量。此外，在掃描測距的過程中，所述光學(xué)測距系統(tǒng)10無需旋轉(zhuǎn)，提高了測距的可靠性，并延長了裝置的使用壽命。這主要是因為本發(fā)明提供了相應(yīng)的光路結(jié)構(gòu)設(shè)計，改變了傳統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)。
[0057]此外，本發(fā)明的光學(xué)測距系統(tǒng)10，也可以使用采用光飛行時間(TOF)測量方式的測距系統(tǒng)，結(jié)合實施例中的相應(yīng)的所述掃描模塊20、所述數(shù)據(jù)處理模塊30、所述動力模塊40和所述底座50進(jìn)行掃描測距，同樣可以達(dá)到在單個反光鏡片的作用下，實現(xiàn)擴(kuò)大縱向掃描視角的目的，并且生產(chǎn)制造簡單，成本較低，使用壽命長，工作性能穩(wěn)定可靠。
[0058]在本實施例中，本發(fā)明提供的微型光學(xué)掃描測距裝置的工作方法稱為小基線光學(xué)掃描測距方法:具體為開啟所述微型光學(xué)掃描測距裝置，使所述準(zhǔn)直光源12發(fā)射所述準(zhǔn)直光束，所述準(zhǔn)直光束射向所述反光鏡片21，所述反光鏡片21對所述準(zhǔn)直光束進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，經(jīng)偏轉(zhuǎn)的所述準(zhǔn)直光束再射向一目標(biāo)物體，在所述目標(biāo)物體表面形成一光斑(如圖3中的P),其中所述光斑產(chǎn)生光信號反射，射向所述成像透鏡11，通過所述成像透鏡11聚焦，然后在所述感光芯片13表面形成一投影點(如圖中的P’)，所述感光芯片13進(jìn)行光電信號轉(zhuǎn)換為所述投影點的位置坐標(biāo)，并結(jié)合所述編碼器30獲取的所述反光鏡片21方位角信息轉(zhuǎn)換得到的測距光束的角度信息，并通過相應(yīng)的光學(xué)計算，獲得所述目標(biāo)物體的環(huán)境信息。
[0059]在上述各過程中，所述轉(zhuǎn)盤23進(jìn)行360°的連續(xù)轉(zhuǎn)動，所述反光鏡片21隨著所述轉(zhuǎn)盤23進(jìn)行360°的轉(zhuǎn)動，對使得偏轉(zhuǎn)后的所述準(zhǔn)直光束可以照射所述目標(biāo)物體的不同位置，同時所述編碼器30連續(xù)記錄所述反光鏡片21的方位角信息，并轉(zhuǎn)化為所述測距光束的角度信息，且所述感光芯片13也同時記錄不同投影點的位置坐標(biāo)，結(jié)合所述編碼器30和所述感光芯片13紀(jì)錄的信息，可以全方位的得到所述目標(biāo)物體的環(huán)境信息。以上是針對本發(fā)明優(yōu)選的所述準(zhǔn)直光源12安裝于與所述反光鏡片21的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸平行的位置的掃描測距方法。此外，當(dāng)所述準(zhǔn)直光源12以任意姿態(tài)放置于裝置中的時候，為了使裝置更好的工作，增加了所述的附加反光鏡片，所述準(zhǔn)直光源12發(fā)射的所述準(zhǔn)直光束首先射向所述附加反光鏡片，所述附加反光鏡片將所述準(zhǔn)直光束偏轉(zhuǎn)至與所述反光鏡片21旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸平行時再射向所述反光鏡片21，而不是上述的直接射向所述反光鏡片21，其他測距方法與上述步驟相同。
[0060]一種小基線光學(xué)掃描測距方法，可以總結(jié)為主要包括以下步驟:
[0061](a)藉由所述準(zhǔn)直光束射向所述旋轉(zhuǎn)的反光鏡片21 ；
[0062](b)經(jīng)所述反光鏡片21偏轉(zhuǎn)的所述準(zhǔn)直光束照射所述目標(biāo)物體；
[0063](c)所述目標(biāo)物體對所述準(zhǔn)直光束進(jìn)行光信號反射；
[0064](d)所述反射的光信號通過所述成像透鏡11進(jìn)行聚焦，投射到所述感光芯片13所在平面；和
[0065](e)所述感光芯片13進(jìn)行光電信號轉(zhuǎn)換,并結(jié)合一編碼器獲取的所述反光鏡片的方位角信息，得到目標(biāo)物體的環(huán)境信息。
[0066]一個標(biāo)準(zhǔn)的光學(xué)三角測距系統(tǒng)主要由如下各核心部件構(gòu)成:準(zhǔn)直光源、成像透鏡及感光芯片。傳統(tǒng)的三角測距系統(tǒng)的主要組成即平面幾何原理示意圖如圖2所示，為進(jìn)行三角測距，設(shè)計上要求成像透鏡的中心光軸與準(zhǔn)直光源之間有一定的間隔距離，該間隔距離稱為基線(baseline)。而縮小基線的長度是減小三角測距系統(tǒng)尺寸的關(guān)鍵，從而可以實現(xiàn)光學(xué)掃描測距系統(tǒng)的微型化。
[0067]產(chǎn)生用于測距使用的準(zhǔn)直光束與基線的垂線呈現(xiàn)一夾角β。在進(jìn)行測距時，準(zhǔn)直光束會在目標(biāo)物體表面產(chǎn)生一個光斑并產(chǎn)生光信號反射，如圖2所示的P點就是一個被準(zhǔn)直光束照射到的光斑。通過檢測來自該光斑反射的光信號，就可計算出測距系統(tǒng)距離該光斑的距離信息。該距離值可以用如圖中準(zhǔn)直光源發(fā)射至P點的長度L來表示。
[0068]反射的光信號會先經(jīng)過測距系統(tǒng)內(nèi)的一個成像透鏡進(jìn)行聚焦，隨后投影到位于成像透鏡后方焦距f距離的感光芯片所在表面上。感光芯片表面一般與鏡頭光軸保持垂直并于基線平行。在目標(biāo)物體的光斑P會在感光芯片表面產(chǎn)生一個投影點:P’。通過感光芯片進(jìn)行光電信號轉(zhuǎn)換，可以得到該投影點P’位于感光芯片成像表面的位置坐標(biāo):x。感光芯片一般使用CMOS或者CXD技術(shù)的感光陣列芯片，也可以是位置敏感元件(PSD)。
[0069]在工作中，由于感光芯片、成像透鏡以及準(zhǔn)直光源之間需要保持嚴(yán)格的固定，baseline和f是固定不變的，并且其取值可以事先通過校正的手段明確。
[0070]通過相似三角形的法則，由于上述的幾個參數(shù)X、f、β、baseline的數(shù)值可以確定，因此目標(biāo)物體表面上光斑到三角測距系統(tǒng)基線的垂直距離d就可以通過如下公式求出:

【權(quán)利要求】
1.一種微型光學(xué)掃描測距裝置，其特征在于，包括: 一底座； 一小基線光學(xué)測距系統(tǒng)，安裝于所述底座； 一掃描模塊，其包括一轉(zhuǎn)盤和傾斜地連接于所述轉(zhuǎn)盤的一反光鏡片，其中所述反光鏡片位于所述光學(xué)測距系統(tǒng)的上方，所述轉(zhuǎn)盤可轉(zhuǎn)動地連接于所述底座；和 一數(shù)據(jù)處理模塊，連接于所述轉(zhuǎn)盤和所述底座，計量所述反光鏡片旋轉(zhuǎn)的角度信息。
2.如權(quán)利要求1所述的微型光學(xué)掃描測距裝置，其特征在于，所述小基線光學(xué)測距系統(tǒng)固定于所述底座。
3.如權(quán)利要求1或2所述的微型光學(xué)掃描測距裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理模塊為一編碼器，包括一編碼器碼盤和一脈沖感應(yīng)元件，其中所述編碼器碼盤固定于所述轉(zhuǎn)盤，所述脈沖感應(yīng)元件固定于所述底座，且所述脈沖感應(yīng)元件位于所述編碼器碼盤附近不產(chǎn)生接觸的空間處。
4.如權(quán)利要求1，2或3所述的微型光學(xué)掃描測距裝置，其特征在于，進(jìn)一步包括安裝于所述底座的一動力模塊，其包括一動力部件和一傳動部件，其中所述傳動部件連接于所述動力部件和所述轉(zhuǎn)盤，得以使所述動力部件施加動力給所述轉(zhuǎn)盤，促使所述轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動。
5.如權(quán)利要求1，2，3或4所述的微型光學(xué)測距裝置，其特征在于，所述小基線光學(xué)測距系統(tǒng)包括一成像透鏡、一感光芯片、一準(zhǔn)直光源以及連接于所述感光芯片的一處理器電路，其中所述感光芯片和所述成像透鏡光軸保持一個大于0°并小于90°的夾角，所述成像透鏡的中心光軸與所述準(zhǔn)直光源之間形成一基線，所述準(zhǔn)直光源發(fā)射的準(zhǔn)直光束與所述基線的垂線呈一角度。
6.如權(quán)利要求5所述的微型光學(xué)掃描測距裝置，其特征在于，所述小基線光學(xué)測距系統(tǒng)進(jìn)一步包括一固定結(jié)構(gòu)，得以使所述成像透鏡、所述感光芯片、所述準(zhǔn)直光源和所述處理器電路固定于所述底座。
7.如權(quán)利要求6所述的微型光學(xué)掃描測距裝置，其特征在于，所述掃描模塊進(jìn)一步包括一支撐元件，其中所述支撐元件得以使所述反光鏡片傾斜地安裝于所述轉(zhuǎn)盤的邊緣。
8.如權(quán)利要求1，2，3，4，5或7所述的微型光學(xué)掃描測距系統(tǒng)，所述反光鏡片與所述底座所在平面呈45°夾角。
9.如權(quán)利要求8所述的微型光學(xué)掃描測距裝置，其特征在于，所述掃描模塊進(jìn)一步包括一軸承，其連接于所述轉(zhuǎn)盤和所述傳動部件之間，得以傳遞動力給所述轉(zhuǎn)盤。
10.如權(quán)利要求1，2或9所述的微型光學(xué)掃描測距裝置，其特征在于，所述光學(xué)測距系統(tǒng)為三角光學(xué)測距系統(tǒng)或TOF測距系統(tǒng)。
11.一種小基線光學(xué)測距系統(tǒng)，其特征在于，包括: 一成像透鏡； 一感光芯片，安裝于所述成像透鏡的后方，其中所述感光芯片與所述成像透鏡光軸呈一夾角，其中所述夾角大于0°并小于90° ; 一準(zhǔn)直光源，其與所述成像透鏡的中心光軸之間形成一間隔距離；和 一處理器電路，連接于所述感光芯片。
12.如權(quán)利要求11所述的光學(xué)測距系統(tǒng)，其特征在于，所述準(zhǔn)直光源為激光。
13.如權(quán)利要求11所述的光學(xué)測距系統(tǒng)，其特征在于，所述準(zhǔn)直光源為LED光源，且所述光學(xué)測距系統(tǒng)進(jìn)一步包括一聚焦透鏡，安裝于所述LED光源的前方，以聚焦所述LED光源。
14.如權(quán)利要求11，12或13所述的光學(xué)測距系統(tǒng)，其特征在于，所述感光芯片為CMOS感光陣列芯片、CXD感光陣列芯片或PSD。
15.如權(quán)利要求14所述的光學(xué)測距系統(tǒng)，其特征在于，所述感光芯片與所述成像透鏡之間呈25°夾角。
16.—種光學(xué)掃描測距系統(tǒng),其特征在于,包括: 一轉(zhuǎn)盤; 一反光鏡片，其傾斜地連接于所述轉(zhuǎn)盤； 一數(shù)據(jù)處理模塊，連接于轉(zhuǎn)盤，計量所述反光鏡片旋轉(zhuǎn)的角度信息。 一動力部件，其連接于所述轉(zhuǎn)盤，傳遞動力給所述轉(zhuǎn)盤，得以使所述反光鏡片在所述轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動下轉(zhuǎn)動；和 一光學(xué)測距系統(tǒng)，安裝于所述反光鏡片的下方。
17.如權(quán)利要求16所述的光學(xué)掃描測距系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理模塊為一編碼器，包括一編碼器碼盤和一脈沖感應(yīng)元件，其中所述編碼器碼盤固定于所述轉(zhuǎn)盤，所述脈沖感應(yīng)元件位于所述編碼器碼盤的上方一距離處，記錄所述編碼器碼盤的位置信息。
18.如權(quán)利要求16或17所述的光學(xué)掃描測距系統(tǒng)，其特征在于，所述反光鏡片與其旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸呈45°夾角。
19.如權(quán)利要求16，17或18所述的光學(xué)掃描測距系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)測距系統(tǒng)包括一準(zhǔn)直光源，其中所述準(zhǔn)直光源發(fā)射的準(zhǔn)直光束與所述反光鏡的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸平行，并與所述反光鏡的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸之間呈一間距，其中所述間距大于零。
20.如權(quán)利要求16，17或18所述的光學(xué)掃描測距系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)測距系統(tǒng)包括一準(zhǔn)直光源，其中所述準(zhǔn)直光源發(fā)射的準(zhǔn)直光束與所述反光鏡的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸重合。
21.如權(quán)利要求19所述的光學(xué)掃描測距系統(tǒng)，其特征在于，所述準(zhǔn)直光源安裝于與所述反光鏡旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸平行的位置。
22.如權(quán)利要求19所述的光學(xué)掃描測距系統(tǒng)，其特征在于，所述準(zhǔn)直光源任意安裝，并包括至少一附加反光鏡，其中所述附加反光鏡對所述準(zhǔn)直光束進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，得以使所述準(zhǔn)直光束與所述反光鏡的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸平行。
23.如權(quán)利要求20所述的光學(xué)掃描測距系統(tǒng)，其特征在于，所述準(zhǔn)直光源安裝于與所述反光鏡旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸重合的位置。
24.如權(quán)利要求20所述的光學(xué)掃描測距系統(tǒng)，其特征在于，所述準(zhǔn)直光源任意安裝，并包括至少一附件反光鏡，其中所述附加反光鏡對所述準(zhǔn)直光束進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，得以使所述準(zhǔn)直光束與所述反光鏡的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸重合。
25.如權(quán)利要求22或24所述的光學(xué)掃描系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)測距系統(tǒng)為三角測距系統(tǒng)或TOF測距系統(tǒng)。
26.—種小基線光學(xué)掃描測距方法，其特征在于，包括以下步驟: (a)藉由一準(zhǔn)直光束射向一旋轉(zhuǎn)的反光鏡片； (b)經(jīng)所述反光鏡片偏轉(zhuǎn)的所述準(zhǔn)直光束照射一目標(biāo)物體； (c)所述目標(biāo)物體對所述準(zhǔn)直光束進(jìn)行光信號反射； (d)所述反射的光信號通過一成像透鏡進(jìn)行聚焦，投射到一感光芯片所在平面；和 (e)所述感光芯片進(jìn)行光電信號轉(zhuǎn)換，并結(jié)合一編碼器獲取的所述反光鏡片的方位角信息，得到目標(biāo)物體的環(huán)境信息。
27.如權(quán)利要求26所述的小基線光學(xué)掃描測距方法，其特征在于，在所述步驟(a)中，所述準(zhǔn)直光束由一準(zhǔn)直光源發(fā)射，其中所述準(zhǔn)直光源安裝于平行于所述反光鏡片旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸的位置，并朝向所述反光鏡片發(fā)射所述準(zhǔn)直光束。
28.如權(quán)利要求26所述的小基線光學(xué)掃描測距方法，其特征在于，在所述步驟(a)中，所述準(zhǔn)直光束由一準(zhǔn)直光源發(fā)射，其中所述準(zhǔn)直光源安裝于與所述反光鏡片旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸之間形成一角度的位置，所述準(zhǔn)直光束首先射向至少一附加反光鏡片，所述附加反光鏡片將所述準(zhǔn)直光束偏轉(zhuǎn)至與所述反光鏡片旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸平行時再射向所述反光鏡片。
29.如權(quán)利要求26，27或28所述的小基線光學(xué)掃描測距方法，其特征在于，在所述步驟(a)至(e)中，經(jīng)偏轉(zhuǎn)的所述準(zhǔn)直光束在所述目標(biāo)物體表面形成一光斑，其中所述光斑產(chǎn)生光信號反射，通過所述成像透鏡聚焦，然后在所述感光芯片表面形成一投影點，所述感光芯片進(jìn)行光電信號轉(zhuǎn)換為所述投影點的位置坐標(biāo)，并結(jié)合所述編碼器獲取的所述反光鏡片方位角信息轉(zhuǎn)換得到的測距光束的角度信息，獲得所述目標(biāo)物體的環(huán)境信息。
30.如權(quán)利要求26，27，28或29所述的小基線光學(xué)掃描測距方法，其特征在于，在所述步驟(a)和所述步驟(b)中，所述準(zhǔn)直光束保持固定，所述反光鏡片通過一轉(zhuǎn)盤連續(xù)旋轉(zhuǎn)，掃描所述目標(biāo)物體。
31.如權(quán)利要求30所述的小基線光學(xué)掃描測距方法，其特征在于，在所述步驟(a)中，隨著所述轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)，所述反光鏡片進(jìn)行連續(xù)旋轉(zhuǎn)，對所述目標(biāo)物體進(jìn)行360°的掃描測距。
32.如權(quán)利要求31所述的小基線光學(xué)掃描測距方法，其特征在于，所述反光鏡片通過與其旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸呈一 45°夾角，并傾斜地安裝于所述轉(zhuǎn)盤，對所述目標(biāo)物體的縱向范圍進(jìn)行掃描。
33.如權(quán)利要求26，27，28，29，30，31，32或33所述的小基線光學(xué)掃描測距方法，其特征在于，在所述步驟(d)中，所述感光芯片與所述成像透鏡的中心光軸保持一夾角，其中所述夾角大于0°小于90°。
34.一種光學(xué)掃描測距方法，其特征在于，包括以下步驟: (a)藉由一準(zhǔn)直光束射向一目標(biāo)物體； (b)所述目標(biāo)物體對所述準(zhǔn)直光束進(jìn)行光信號反射； (C)所述反射的光信號通過一成像透鏡進(jìn)行聚焦，投射到一感光芯片所在平面，其中所述感光芯片與所述成像透鏡的中心光軸呈一大于0°小于90°的夾角；和 (d)所述感光芯片進(jìn)行光電信號轉(zhuǎn)換，得到目標(biāo)物體的環(huán)境信息。
35.如權(quán)利要求34所述的光學(xué)掃描測距方法，其特征在于，在所述步驟(a)中，通過所述準(zhǔn)直光束的連續(xù)旋轉(zhuǎn)，對所述目標(biāo)物體進(jìn)行360。掃描。
36.如權(quán)利要求35所述的光學(xué)掃描測距方法,其特征在于,所述準(zhǔn)直光束由一準(zhǔn)直光源發(fā)射，其中所述準(zhǔn)直光源、所述成像透鏡和所述感光芯片均安裝于一旋轉(zhuǎn)的平臺，得以使所述準(zhǔn)直光束可旋轉(zhuǎn)地掃描所述目標(biāo)物體。
37.如權(quán)利要求34，35或36所述的光學(xué)掃描測距方法，其特征在于，在所述步驟(a)中，通過在縱向范圍內(nèi)安裝多個所述感光芯片、所述成像透鏡和所述準(zhǔn)直光源，對所述目標(biāo)物體進(jìn)行縱向掃描，其中所述感光芯片與所述成像透鏡之間呈一大于0°小于90°的夾角。
38.如權(quán)利要求37所述的光學(xué)掃描測距方法，其特征在于，在所述步驟(a)中，所述準(zhǔn)直光束由一激光器發(fā)射或由經(jīng)至少一透鏡聚焦的一 LED光源發(fā)射。
【文檔編號】G01C3/10GK104132639SQ201410401631
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年8月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月15日
【發(fā)明者】陳士凱, 劉義春, 李宇翔, 黃玨珅, 林凌 申請人:上海思嵐科技有限公司