一种固态面阵探测装置及探测方法与流程

本申请涉及一种探测装置，特别涉及一种固态面阵探测装置。

背景技术：

光学扫描探测装置是一种使用准直光束，通过三角测量、飞行时间（Time of Flight，简称为TOF）等方法进行非接触式扫描测距的设备。目前，通常的飞行时间光学扫描探测装置包括：光发射模块、接收并处理信号的芯片、电机、轴承及导电滑环。光发射模块发出红外探测光束，该红外探测光束发射到被测物体表面，遇到障碍物后光束反射到接收并处理信号的芯片上，芯片通过测量发射到接收之间的时间（或者相位差）、已知光速，即可求出被测物体到装置的距离。这类装置将用于测距的光发射模块、光接收模块等部件安装在一可连续旋转的平台上实现光束的扫描，通过电机旋转可以得到一周360度的环境距离信号。该常见的光学扫描探测装置在每个角度只能得到单点的距离信息。

然而，上述通过电机旋转来探测距离的光学扫描探测装置：（1）需要设置连接旋转部分与固定部分的滑环，但是对于用于大众消费级量产探测装置的低价滑环来说，极易磨损，不能满足探测装置的使用寿命要求；（2）上述以旋转方式来探测距离的装置占用的体积大，在未来的应用中，很难再进一步缩小装置占用的体积；（3）目前依靠旋转来实现多线（例如64、32线）的激光雷达，价格很高，并且对光发射模块与接收模块以成对方式设置，对发射模块与接收模块角度设置要求高，不利于量产。

技术实现要素：

本申请提供一种不包含任何机械旋转结构的固态面阵探测装置。

一种固态面阵探测装置，包括光发射模块、接收模块、和主板，所述光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；所述接收模块与所述光发射模块连接，由被测物体反射的红外探测光入射到接收模块中，接收模块接收由被测物体反射的红外探测光；所述主板与所述接收模块相连接，所述主板计算出光发射模块出的红外探测与由被测物体反射的红外探测光之间相位差，基于飞行时间法计算探测装置与被测物体之间的距离；其中，所述接收模块具有光电传感器，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。

上述任一实施例中，所述接收模块得到由被测物体反射的红外探测光的信号采样信息。

上述任一实施例中，所述接收模块同时得到由被测物体反射的红外探测光的光强。

上述任一实施例中，所述光发射模块具有光源，所述光源为LED光源或者激光光源。

上述任一实施例中，所述光源为LED光源，所述LED光源的个数为2、4、6、8或者10个。

上述任一实施例中，所述光源为LED光源，所述光发射模块的发散角为水平120度、垂直90度。

上述任一实施例中，所述光发射模块包括调制电路及光源；所述光发射模块的调制电路和光源集成于同一电路板上。

上述任一实施例中，所述调制电路通过正弦波调制光源发出红外探测光，或者通过方波调制光源发出红外探测光。

上述任一实施例中，所述光发射模块位于接收模块下方；所述接收模块通过所述电路板中的通孔，接收由被测物体反射的红外探测光。

上述任一实施例中，所述电路板具有通孔，所述光源围绕通孔设置。

上述任一实施例中，所述面阵光电传感器为CMOS传感器、CCD传感器、雪崩二极管、光电倍增管或者光电二极管。

上述任一实施例中，所述面阵光电传感器具有MxN个像素单元，所述固态面阵探测装置能够得到被测物体在水平方向上N个不同位置、以及得到在垂直于水平方向上的M个不同位置的距离信息。

上述任一实施例中，所述面阵光电传感器的接收光路上设置有成像镜头。

上述任一实施例中，所述成像镜头镀有红外带通滤光膜，所述带通滤光膜的透过率峰值波长与光发射模块光源发出的红外探测光波长相同。

上述任一实施例中，信号采样的次数为四次或者两次，相邻两次信号采样的间隔为90度。

上述任一实施例中，所述接收模块的接收光路上设置有带通滤光片，所述带通滤光片的透过率峰值波长与光发射模块光源发出的红外探测光波长相同。

上述任一实施例中，所述带通滤光片设置于所述光电传感器的光接收面上。

上述任一实施例中，所述固态面阵探测装置还包括外壳，所述光发射模块、接收模块与主板设置于外壳内；其中，所述光发射模块紧贴于外壳内。

上述任一实施例中，所述外壳由金属材料制作，所述光发射模块与外壳之间具有导热硅脂。

上述任一实施例中，所述外壳侧面上设置有散热鳍片。

上述任一实施例中，所述光发射模块具有光源，所述光源所发出的红外探测光光路上设置有均光装置、或者扩散片、或者衍射光学元件。

上述任一实施例中，所述光发射模块与所述接收模块设置于同一块电路板上；或者所述光发射模块、接收模块、主板都设置于同一块电路板上。

上述任一实施例中，所述固态面阵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。

一种固态多线探测方法，通过固态多线探测装置，所述测距方法能够获得被测物体的距离信息、所反射的光强信息，所述固态多线探测装置为权利要求1-23之一所述的测距装置，其中，固态多线探测装置的发射光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，接收模块得到由被测物体反射的红外探测光探测采样信息，主板计算得到被测物体与测距装置之间的距离信息；同时，所述接收模块得到由被测物体反射回的探测光的光强。

上述任一实施例中，所述接收模块测得到被测物体在水平方向上的N个不同位置、以及在垂直方向上M个不同位置的距离信息，共MxN个距离信息值。

上述任一实施例中，所述固态多线探测装置通过接收模块得到的距离信息以及光强信息，识别出被测物体的反射率信息。

上述任一实施例中，所述固态多线探测装置通过接收模块不同时间内测得的被测物体距离信息，算得被测物体的运动变化信息。

本申请所涉及的固态面阵探测装置不具有任何机械旋转结构，提高了装置的稳定性与寿命。该固态面阵探测装置中具有面阵光电传感器，得到被测物体或者障碍物的三维点云数据。基于该多线测距装置的测距方法，能够得到环境中物体的距离信息、反射率信息以及运动变化信息。该固态多线测距装置可广泛用于移动机器人、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为固态面阵探测装置结构框图。

图2为固态面阵探测装置外壳上盖结构图。

图3为接收模块中面阵光电传感器示意图。

具体实施方式

本申请所涉及的固态面阵探测装置的其中一实施例如图1所示，一种固态面阵探测装置，包括外壳50、光发射模块10、接收模块20、主板30。该固态面阵探测装置基于飞行时间法计算所述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，所述固态面阵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法测距。

该固态面阵探测装置的主要工作过程为：光发射模块10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；接收模块20与光发射模块10相连接，由被测物体反射的红外探测光入射到接收模块中，接收模块接收由被测物体反射的红外探测光；接收模块得到由被测物体反射的红外探测光的信号采样信息；该接收模块还能够得到由被测物体反射回的探测光的光强；主板30与接收模块20相连接，主板30依据接收模块得到的信号采样信息，计算出光发射模块发出的红外探测光与由被测物体反射的红外探测光之间的相位差，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。

主板30依据接收模块得到的距离信息和光强信息，经过计算能够得到被测物体的反射率信息。接收模块中包括有光电传感器40，该传感器接收被障碍物反射回的红外探测光，将光转换为电信号，信号处理单元依据该电信号。

上述的任意一实施例中，所述光发射模块具有光源，所述光源为激光光源或者为LED光源。所述光源的个数为1个，或者多个。例如，所述光源的个数为2、4、6、8或者10个等。在优选的实施例中，为了更好的满足人眼安全问题，LED作为主动光源的优选，激光为备选方案。该LED光源发射出发光峰值所对应的波长为850nm的红外探测光。在其中的一实施例中，LED光源的个数为8个。其中，光发射模块所发出的红外探测光具有足够的视场角，以覆盖足够的探测区域，例如，在其中的一实施例中，所述光发射模块具有水平94度，垂直69度的视场角。在改进的实施例中，该光发射模块具有水平120度，垂直90度的视场角。

光发射模块中还包括用于调制光源的调制电路。所述调制电路发出调制信号，与光源相连接，用于调制光发射模块中的光源发出正弦波调制红外探测光，或者发出方波调制红外探测光。光发射模块中还包括供电电路和驱动电路，分别用于为光发射模块中的光源提供电源以及驱动信号。所述供电电路和驱动电路分别于光源连接。所述光发射模块中的光源、调制电路、供电电路及驱动电路集成于同一块电路板上。该电路板中部具有通孔，接收模块设置于该光发射模块下方，被障碍物反射回的红外探测光，穿过光发射模块电路板中的通孔，入射到接收模块中的光电传感器上。其中，光发射模块中的光源围绕该通孔设置，在优选的实施例中，该光发射模块中的光源由8个LED光源，该8个LED光源围绕通孔设置。通孔的形状优选为圆形。

接收模块与光发射模块相连。接收模块接收由被测物体反射的红外探测光。在其中的一实施例中，接收模块位于光发射模块下方。上述的任意一实施例中，所述接收模块中包含光电传感器。该光电传感器为CMOS传感器、CCD传感器、雪崩二极管、光电倍增管或者光电二极管。所述接收模块位于光发射模块下方，光发射模块中具有通孔，以将被障碍物反射回的红外探测光透过，入射到接收模块中的光电传感器上。在可选的实施例中，所述光发射模块、所述接收模块设置于同一块电路板上。在可选的实施例中，所述光发射模块与所述接收模块设置于同一块电路板上。

所述光电传感器为由M行N列个独立光电传感器单元所组成的一块面阵光电传感器。共有M*N个测距单元。如附图3所示，固态面阵探测装置采用由M行N列个能够独立工作光电传感器单元所组成的一块面阵光电传感器，其中的每个光电传感器单元都能够独立工作，将被障碍物反射回的红外探测光转换为电信号，信号处理单元能够根据每个该电信号，根据飞行时间法计算得到距离信息。由于采用了面阵光电传感器，本申请所涉及的固态面阵探测装置在每次的距离探测过程中，能够得到共M*N个不同的距离值，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M*N的值可以为8*8、20*20、60*80、320*240、640*480、800*600、1280*960等，但不限于此，M*N的大小可以根据具体应用设置。

本申请所涉及的固态面阵探测装置，能够得到被测物体在水平方向上N个不同位置、以及得到在垂直于水平方向上的M个不同位置的距离信息，即在每次测距过程中得到被测物体的M*N个距离信息，从而得到三维点云距离数据。

为了将被障碍物反射回来的探测光成像于接收模块中的光电传感器上，在光电传感器接收红外探测光的光路上，还设置有成像镜头。在优选的实施例中，该成像镜头上镀有峰值位于850nm的红外带通滤光膜。该红外带通滤光膜将环境光滤除，提高固态面阵测距装置的信噪比。该带通滤光膜可由滤光片替代，直接设置于光电传感器的红外探测光接收面上。在可选的实施例中，上述滤光膜可以用滤光片代替，该滤光片设置于接收光路中，不限于设置于成像镜头或者传感器的红外探测光接收面上。

在采用基于相位差的飞行时间测距方法中，需要测得由光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，设置由光发射模块发射的红外探测光相位为零。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。在优选的实施例中，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。

主板与接收模块相连接。在其中的一实施例中，主板位于接收模块下方。主板依据接收模块得到的D0、D1、D2及D3，基于飞行时间法，计算最终距离值D：

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0度，90度，180度和270度的信号探测采样幅值。D为测距装置与障碍物之间的距离值。

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，该四次采样可简化为两次采样，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：

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为测距装置与障碍物之间的距离值。

其中，主板的一部分功能用于对接收板数据的处理，计算成最终的距离数据，并将该距离数据传输给外部设备。该主板的一部分功能为接收模块以及发射模块提供控制信号。

该主板中包括处理器、存储器、随机存储器、视频接口、视频处理器、音频接口、以及操作系统等。其中所述处理器可为ARM处理器，所述视频接口可为HDMI等。

该固态面阵探测装置的外部设置有外壳50，上述的光发射模块10、接收模块20与主板30都设置于外壳内。其中，优选的实施例中，光发射模块紧贴于外壳，该外壳由金属或者合金材料制作，便于对光发射模块中的光源进行散热。在其中的一实施例中，外壳四个侧面上还设置有散热鳍片51结构，增加散热面积，提高对光发射模块光源的散热。在优选的实施例中，在光发射模块与外壳之间具有导热硅脂。可选的实施例中，散热鳍片51结构设置于外壳的正面，即外壳与光发射模块紧贴的面上设置散热鳍片。如附图2所示，所述外壳50的上盖上还具有允许光发射模块中光源发出光束的发射光通光孔52，以及允许接收模块接收被障碍物反射回探测光的接收光通光孔53。

上述的任意一实施例中，光发射模块所发射的红外探测光光路上，可以选择性设置有均光装置，以使得LED发出的光源均匀出射到外部环境中。在其他可选的实施例中，该均光装置为匀光透镜或扩散片、衍射光学元件等。光发射模块包含光源整形的发射透镜，整形之后的发光效果和接收系统匹配以提高利用率。

上述的任意一实施例中，固态面阵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。

一种固态面阵测距方法，所述测距方法能够获得被测物体的距离、反射率信息和速度信息。

上述的任意一实施例中，所述固态面阵探测装置的光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，接收模块得到由被测物体反射的红外探测光的信号采样信息。同时，该接收模块还能够得到由被测物体反射回的探测光的光强。即接收模块可以得到距离信息以及光强信息。主板依据接收模块得到的信号采样信息，计算出光发射模块发出的红外探测光与由被测物体反射的红外探测光之间的相位差，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。其中，接收模块测得到被测物体在水平方向上的N个不同位置、以及在垂直方向上M个不同位置的距离信息，共M*N个距离信息值。

通过接收模块得到的距离信息以及光强信息，识别出被测物体的反射率信息。由光发射模块发出的红外探测光在不同距离出的发射光光强是已知的，通过接收模块可以测量被测物体的距离信息，依据该距离信息即可确定照射到处于该距离位置上被测物体上的光强值（或者光通量）；接收模块能够探测到由被测物体反射回的光强强度；固态面阵探测装置中的计算模块根据接收模块探测到的光强强度值、以及照射到被测物体上的光强强度值，计算出被测物体的反射率。

对于同一位置处的不同反射率物体，接收模块得到的距离信息是一致的，但是得到的光强信息是不同的，反射率高的物体得到的光强值大，而反射率低的物体得到的光强小。该功能可以用于识别出不同的物体材质，例如在无人驾驶技术中，无人车在公路上行驶，由于柏油路与车道标识的反射率（或者材质）不同，反射的光强信息不同，单单通过接收模块，就可识别出公司路上的行驶区域以及行驶车道边界标识。

通过接收模块测得的距离信息，算得被测物体的运动变化信息。固态面阵探测装置在每次测量过程中，可以得到M*N个不同距离信息。以接收模块中传感器的最左、最下（矩形的左下角）的光电传感器测距单元为原点，水平方向为X轴，垂直向上为Y轴，垂直与XY平面为Z轴，建立三维坐标。其中，XY平面代表面阵光电传感器的各个传感器所探测区域的位置坐标，即得到被测物体的XY位置坐标；测得的被测物体距离信息为Z轴所表示的值，最终形成被测物体位置、距离的三维点云数据。固态探测装置的完成的每一次测距时间是固定的，例如以每秒10-60帧的速度得到被测物体的三维点云数据值。因此，已知时间以及在该时间内被测物体的XYZ坐标的变化，即可得到被测物体的运动变化、速度信息。

综上所述，本申请涉及的固态面阵探测装置，可以得到环境中物体距离信息、反射率信息以及运动变化信息。