结构光测距装置的制造方法

结构光测距装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种结构光测距装置。所述装置包括：向被测空间投射结构光的光源；以及与所述光源之间具有预定相对空间位置关系并且包括图像传感器、成像透镜和附加光学组件的成像装置，被所述被测空间内障碍物反射的结构光经由所述附加光学组件和所述成像透镜在所述图像传感器上成像，其中所述附加光学组件被设置为增大所述被测空间内特定位置范围内的障碍物的反射光在所述图像传感器上的成像比例。优选地，所述附加光学组件还可被设置为减小被测空间其他位置在图像传感器上的成像比例，或是使得空间灵敏度在整个被测空间内保持不变。由此，能够克服深度测量精度随距离增加而劣化的固有缺陷，提高测距装置的整体精度。
【专利说明】
结构光测距装置
技术领域
[0001] 本实用新型设及一种结构光测距装置，尤其设及一种利用结构光来测量目标距离 的装置。
【背景技术】
[0002] 为了四处行进或者在预备信息不足的地方执行作业，保洁机器人或自移动机器人 需要具有自主规划路径，检测障碍物并避免碰撞的能力。为此，测量到障碍物的距离W估算 位置是自移动机器人应该具备的基本能力。此外，在例如安保系统的入侵感测系统中，测量 到目标物的距离的能力也是必需的。
[0003] 业已使用了各种方法来进行上述距离测量。在其中，利用结构光和成像装置（例 如，相机)进行测距的方法非常有效。该方法所需计算量较小并能用于亮度较小的场所(例 如，阴暗室内）。
[0004] 根据该方法，如图1所示，利用光源10主动将结构光（例如，线形光）照射到障碍物 30上，并且利用诸如相机的传感器20获得反射光的图像。然后，可W根据=角法测量法从图 2A中的图像高度来计算光发射位置与障碍物30之间的距离。图2B-D进一步示出了发光位置 到障碍物之间距离对成像的影响。采用=角测量法，测量夹角0会随着检测距离的加大而迅 速变小。因此，较远位置处的范围分辨率(深度测量精度)变差。
[0005] 此外，出于成本的考虑，优选结构更为简单紧凑的测距系统。
[0006] 因此，需要一种能够解决上述至少一个问题的结构光测距装置。 【实用新型内容】
[0007] 为了解决上述至少一个问题，本实用新型提供了一种结构光测距装置够通过简单 附加光学组件来均匀化整个被测空间的成像比例，由此解决现有技术中被测空间内成像精 度不均的问题，并实现现有配置下的精度最大化。
[000引根据本实用新型的一个方面，提供了一种结构光测距装置，包括：向被测空间投射 结构光的光源；W及与所述光源之间具有预定相对空间位置关系并且包括图像传感器、成 像透镜和附加光学组件的成像装置，被所述被测空间内障碍物反射的结构光经由所述附加 光学组件和所述成像透镜在所述图像传感器上成像，其中所述附加光学组件被设置为增大 所述被测空间内特定位置范围内的障碍物的反射光在所述图像传感器上的成像比例。
[0009] 由此，通过简单地附加光学组件来调整对被测空间的成像比例，就能够增大被测 空间内期望位置内的成像比例，由此克服成像精度随距离增加而降低的固有缺陷，并从整 体上提升测距精度。
[0010] 优选地，所述附加光学组件还被设置为减小所述被测空间内其他位置范围内的障 碍物的反射光在所述图像传感器上的成像比例。更为优选地，所述附加光学组件被设置为 使得所述图像传感器竖直方向上的每个像素都代表所述被测空间内距所述装置的相同距 离的变化。
[0011] 运样，通过进一步均匀化被测空间各处的成像比例，从而能够在成像装置配置不 变的情况下实现最大化的精度。
[0012] 优选地，附加光学组件可W用来光学矫正所述成像装置固有图像崎变的至少一部 分，由此降低或是消除数字矫正的计算负担。
[0013] 优选地，结构光测距装置还可W包括图像矫正装置，后者用于对经由所述附加光 学组件和所述成像透镜成像的图像进行数字矫正，由此获取更为精确的计算结果。
[0014] 优选地，结构光可W是线形激光，用W实现测量精度和成本的平衡。
[0015] 优选地，附加光学组件可W与所述成像透镜紧密相接W使得所述成像装置形成一 体化器件。由此，通过仅对现有成像装置进行小幅改动，就能够得到提升精度的紧凑设备。
[0016] 优选地，图像传感器是被旋转90度放置的逐行扫描图像传感器。运样，由于每一行 仅需缓存若干像素，因此能够提升计算效率并加快检测速度。
[0017] 优选地，光源包括激光器和二级光学衍射元件，从所述激光器出射的激光束经准 直后入射所述二级光学衍射元件，得到在福射角方向上经拼接的线形激光。由此就能够获 得大福射角且强度均匀的线形激光。
[0018] 利用本实用新型的测距装置，能够在弥补被测空间远端测量精度不足的同时保证 测距结构的简单紧凑，由此实现低成本高精度的测距。
【附图说明】

[0019] 通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述W及其 它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号 通常代表相同部件。
[0020] 图1示出了不包括本实用新型所示附加光学组件的测距系统的侧视图。
[0021] 图2A-D示出了计算障碍物深度距离的原理图。
[0022] 图3是S角测量法中采用的基本几何原理的简化原理图。
[0023] 图4示出了根据本实用新型的一个实施例的测距装置的示意图。
[0024] 图5示出了投射的线形光在图像传感器上成像的两个例子。
[0025] 图6示出了根据本实用新型的一个实施例的光源的示意图。
[0026] 图7A和7B示出了根据实用新型的二级光学衍射元件的示例。
[0027] 图8示出了根据本实用新型原理的包括二级衍射元件的光源的最终投影的实拍 图。
【具体实施方式】
[0028] 下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开 的优选实施方式，然而应该理解，可W W各种形式实现本公开而不应被运里阐述的实施方 式所限制。相反，提供运些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的 范围完整地传达给本领域的技术人员。
[0029] 图1示出了不包括本实用新型所示附加光学组件的测距系统的示意图。图中的测 距系统包括光源10和成像装置(例如，相机)20。光源10主动发射光，光照射到障碍物30上被 反射，并由相机20捕捉并成像关于障碍物30所反射的图像的信息。在运里，发射的光可W是 点光，也可W是任何具有结构的光（即，结构光），例如线形光。优选地，光源10可W是激光 源，W保证线形光在被测空间范围内的会聚性。更优选地，光源10可W是近红外激光源，由 此保证测距系统能够适应各种光照条件而不与可见光相混淆。
[0030] 图2A-D示出了计算障碍物深度原理的示意图。参照图2A，光源10发出的线形光照 射到障碍物30。运里假设光源具有视场a(即，福射角a),在实际应用中，该福射角可W设定 在90~150度之间。图2B示出由相机20获得的图像40。由于线性光照射到的障碍物30各处深 度相等(例如，障碍物30可W是垂直于线性光行进方向的竖直墙面），因此障碍物的反射光 在图像40上仍然呈一条水平直线。相应地参考图2C和图2D，当障碍物30深度不一致时，则该 障碍物反射光在相机图像40上呈现为高度不一的线段。即，图像传感器上的成像高度（即，y 方向上的值)能够反应传感器20和障碍物30之间的距离。在此例中，障碍物距离越远，反射 光成像的高度就越低，在y方向上的值就越小。如下将参考图3说明如何根据成像高度来求 取物体到装置的距离。
[0031] 图3是=角测量法中采用的基本几何原理的简化图。如图所示，由光源10发射出的 光照射到目标物体(例如，图1中的墙面30)上，所述光在目标物体处反射并进入相机传感器 的成像平面。光源10发出的光可W是光点，也可W是诸如线形光的结构光。在对结构光进行 成像的情况下，可W将该结构光看作是多个光点的集合，并且对于一定范围W内的结构光， 仍然可由=角测量法进行距离计算。
[0032] 由此，根据相似=角形，可W认为测距装置到物体的距离q被定义为：
[0033]
(1)
[0034] 其中f是相机的焦距，S是光源到相机的基线距离，并且X是成像平面上的视差，即 平行于源束的光线与从物体反射的光线之间的距离。因此，可W根据从物体反射到图像中 的光点的位置来确定测距装置到物体的距离。
[0035] 由于光源相对于成像轴线的角度固定，因此可W根据=角关系进一步推导出下 式：
[0036]
(2)
[0037] 由此可知，范围灵敏度随着距离的增加迅速下降。运种非线性关系会导致远端的 测量精度大幅下降。例如，如果传感器中对应于深度距离的方向上（例如，y方向上)单个像 素的偏移对应于Im处的Icm偏移，则传感器图像上相同的单像素偏移对应于2m处的4cm偏 移，直至5m处的25cm偏移。
[0038] 因此，对于传统的测距系统，由于范围灵敏度随景深深度的增加而迅速下降，会存 在空间灵敏度分布不均的固有缺陷。
[0039] 为了解决上述问题，本实用新型提出了一种结构光测距装置。图4示出了根据本实 用新型一个实施例的测距装置的示意图。该装置包括光源100和成像装置200。光源100用于 向被测空间投射结构光。该光源可W是发射线形激光的激光器。成像装置200与光源100之 间具有预定相对空间位置关系。例如，可W具有基线距离S和夹角0。该基线距离S和夹角0能 够根据具体应用而加W调整。本实用新型的成像装置200除了包括常规的图像传感器和成 像透镜201之外，还包括附加光学组件202。成像透镜201可W在图像传感器上实现符合上式 (1)和(2)描述的图像。通过在光路中添加附加光学组件202,则可W对常规成像装置的固有 成像比例进行调整。
[0040] 在一个实施例中，附加光学组件202被设置为增大被测空间内特定位置范围内的 障碍物的反射光在图像传感器上的成像比例。例如，可W将该附加光学组件202设置为增大 被测空间远端在成像面上的成像比例。更进一步地，还可W将附加光学组件202设置为减小 所述被测空间内其他位置范围内的障碍物的反射光在所述图像传感器上的成像比例。换句 话说，通过在光路中添加附加光学组件202,可W减缓空间灵敏度随景深增加的劣化趋势。
[0041] 图4的结构光测距装置还可W包括用于进行控制和运算的处理器。该处理器可W 连接至成像装置200,并根据成像装置200与光源100之间具有预定相对空间位置关系、障碍 物在图像传感器上的成像、W及由附加光学组件202调整后的成像比例来计算障碍物的深 度距离。处理器还可W控制成像装置的成像，优选地，还可W与光源100相连，W控制光源的 结构光投射。
[0042] 在没有添加本实用新型的附加光学组件202的常规配置下（例如，图1的配置），线 形激光的投影的移动对近处的变化反应灵敏(例如，在Im处Icm的移动就能够实现传感器对 应于深度距离方向上一个像素的移动），对远处的变化迟纯(例如，在5m处需要25cm的移动 才能够实现一个像素的移动）。而在向成像光路添加附加光学组件202之后，能够调整深度 距离与图像位置的关系，使得近景变化在图像传感器上所占据的像素数减小，远景变化所 占据的像素数增大。
[0043] 在一个优选实施例中，可W将附加光学组件202设置为使得所述图像传感器对应 于深度距离的方向上(例如，图2所示的y方向上)的每个像素都代表所述被测空间内距所述 装置的相同距离的变化。也就是说，实现空间灵敏度的均匀分布，其关系式如下：
[0044]
巧）
[0045] 其中，a是常数，X'是经附加光学组件202调整后的新视差。将式（1)带入上式(3)， 得到d(fs/x)/dx' =a，运算得到-
对两边进行积分后得到：
[0046]
(4)
[0047] 不同于在常规光学系统中，视差X随深度距离q的增大而减小。在新的光学系统中， X'随深度距离q的增大而增大，在实际应用中，常规系统的视差X会非常小。运时，可W通过 合理选择a来实现能够符合光学加工要求的X'。由此，就能够实现在被测空间内均匀分布的 空间灵敏度。例如，在0.1米至6米的被测空间范围内，保持在各个深度距离上Icm的移动对 应图像上1个像素的移动。
[004引通常情况下，由于成像装置本身存在的结构缺陷，会导致所拍摄的图像在一定程 度上发生变形，尤其是越往图像边缘方向，变形就越严重。因此需要通过崎变矫正来对变形 的图像进行矫正，例如，将成像为两边弯曲的形状矫正成真实的直线型。在一个实施例中， 可W通过加工非球面透镜得到低崎变的附加光学组件，并使用该附加光学组件光学矫正成 像装置固有图像崎变的至少一部分。在另一个实施例中，本实用新型的测距系统还可W包 括图像矫正装置，用于对经由附加光学组件和成像透镜成像的图像进行数字矫正。例如，将 视差像素与深度距离之间建立起对应关系，比如，每2个像素视差对应于被测空间内4cm的 移动。另外，也可W不对图像进行矫正，而是逐行或是逐列像素的进行标定，W计算第n行或 第n列的像素视差所对应的深度距离。
[0049] 虽然在图4中为了方便说明，将附加光学组件202示出为与固有的光学透镜201分 开，但实际上附加光学组件可W与成像透镜紧密相接，W使得包括该附加光学组件的成像 装置形成一体化器件。例如，在现有的相机组件外直接添加该附加光学组件的镜头，W实现 例如满足保洁机器人所需的简单且紧凑的结构。另外，虽然图4中示出附加光学组件202位 于光学透镜201和被测空间之间，但在其他的实施例中，附加光学组件202也可W根据需要 位于光学透镜201和图像传感器之间。
[0050] 对于上述测距装置的日常应用而言，例如设置在保洁机器人上时，可W将光源和 成像装置设置在机器人的正前方，其中光源设置在机器人前端的顶部，与图像传感器大致 在同一竖直平面上。两者与机器人的主板相连，为主板提供当前所在的位置信息，W供主板 进行处理和行动决策。
[0051] 在实际使用中，可W采用1280*720分辨率的图像传感器。但由于本实用新型的测 距装置改善了整体的深度成像精度（即，使得成像精度更为均匀），因此也可W采用1280* 360或W下分辨率的图像传感器，由此获得更大的图像帖率，W实现对环境变化反应更为灵 敏的测距和导航。
[0052] 此外，本实用新型还可W通过旋转图像传感器的方向来提升距离检测装置的效 率。图5示出了投射的线形光在图像传感器上成像的两个例子。图5A示出的是障碍物等深的 情况(例如，图2A所示的平坦墙面），图5B示出的是障碍物不等深的情况(例如，图2C所示的 凹入墙面，外加近处散乱各处的物品）。由图可知并且根据线形光的特点，只有在障碍物等 深的理想情况下，线形光会成像在图像传感器的特定几行像素内，即在图像传感器上成像 为具有一定宽度的直线。通常情况下，由于投射出的线形光会被处在不同位置的各种障碍 物反射，因此线形光会在传感器的列方向上移动而分段成像在不同的像素行内。但是，由于 投射的是宽度有限的线形光，因此每一个像素列中必然仅有几个相连的像素（即，与线形光 宽度相对应的像素)包含图像数据信息。
[0053] 市贩图像传感器多为逐行读取图像像素的传感器(例如，CMOS图像传感器）。在正 常使用图像传感器的情况下，需要对每个像素行进行逐行扫描才能提取有效的成像信息。 在本实用新型的一个实施例中，将图像传感器旋转90°放置，使得线性光变为在原图像传感 器的行方向移动。在逐行(在旋转后变为逐列）读取图像像素时，每一行均能获得具有视差 位移的若干相连光点（视线性光宽度而定），并据此计算出深度距离。由于每一行仅需缓存 若干像素，因此能够提升计算效率，加快检测速度。
[0054] 另外，本实用新型的测距系统还可W利用改进的投射装置来投射线形激光。图6示 出了根据本实用新型一个实施例的光源100的示意图。光源100包括激光器101和二级光学 衍射元件102。从激光发生器101出射的激光束A经准直后入射二级光学衍射元件102,得到 在福射角方向上经拼接的线形激光C，即由N个福射角为a的线形激光打-Cn(图中示例为扣- C3,即取N=3)拼接成的福射角为NXa的线形激光C。
[0055] 具体地，图7A和7B示出了根据本实用新型的二级光学衍射元件的两个例子。
[0056] 如图7A所示，光束A入射到二级光学衍射元件102,后者包括第一级光学元件1021 和第二级光学元件1022。
[0057] 第一级光学元件1021对入射光束进行分束。在一个实施例中，第一级光学元件 1021可W被设计为将入射光束在第一方向上分束成N个子光束B，相邻两个所述子光束之间 的夹角a相同，其中N为奇数。N个子光束B可W是N个点状激光。虽然图中示出了3个子光束 200(即，N为3)，但是在实际应用中N可W取5、7、9,甚至更多。
[0058] 第一方向可W是水平方向，也可W是竖直方向。相应地，下面描述的第二方向可W 是竖直方向，也可W是水平方向。一些情况下，第一方向和第二方向也可W是相互垂直但与 水平方向成一夹角的方向。该夹角是锐角。
[0059] 第二级光学元件1022对N个子光束B进行衍射。在一个实施例中，第二级光学元件 1022可W被设计为将N个子光束衍射成N个在第一方向上的福射角为a的线形光束Ci-Cn。第 一级光学元件1021和第二级光学元件1022被设计为将运N个线形光束Ci-Cn在所述第一方向 上相互拼接，从而形成一个福射角为NXa的线形光束C。
[0060] 如图7B所示，二级光学衍射元件102包括第一级光学元件1021'和第二级光学元件 1022'。
[0061] 第一级光学元件1021'对入射光束进行衍射。在一个实施例中，第一级光学元件 1021'可W被设计为将入射光束衍射成在第一方向上福射角为a的线形激光。
[0062] 第二级光学元件1022'对福射角为a的线形激光进行复制和拼接。在一个实施例 中，第二级光学元件1022'可W被设计为将线形激光衍射为N个在第一方向上的福射角为a 的线形光束Ci-Cn。第一级光学元件1021'和第二级光学元件1022 '被设计为使得N个线形光 束Ci-Cn在所述第一方向上相互拼接，从而形成一个福射角为NXa的线形光束C，其中N为奇 数。虽然图中示出了3个子光束B'（即，N为3)，但是在实际应用中N可W取5、7、9,甚至更多。
[0063] 图6-7中的光学衍射元件是指利用光波的衍射原理对光波传播方向进行偏折的光 学元件。二级光学衍射元件的光轴可W重合，如图中虚线所示。
[0064] 由于投射出的线形激光打-Cn其两端的亮度会略低，因此可W允许相邻线形光束有 一定程度的交叠，如图2中亮线301和302所示。在实际应用中，可W允许100个像素W内的交 叠。
[0065] 当两级光学元件之间的距离很近时(例如，接近为零时），可W视作N个子光束从一 个入射点入射。如果两级光学元件之间的距离拉开，可W视作N个子光束从N个入射点入射。 随着两级光学元件之间的距离的增大，拼接的线（即，从第二级光学元件出射的N条线形光） 之间的距离会增大。因此，可W恰当设计两级光学元件之间的距离，W保证运N个线形光束 的恰当拼接。
[0066] 通常情况下，为了得到强度均匀的线形激光，希望经过第二级光学元件得到的N个 线性光束的能量相同。但考虑到透镜设计及成像中通常会遇到的图像暗角问题（即，图像两 侧成像亮度略低于中屯、亮度），所W可W将第一级光学元件和第二级光学元件设计为使得N 个线形光束中两侧的线形光束的能量高于其他的线形光束的能量。运可W通过将第一级光 学元件设计为使得N个点状激光中两侧的点状激光的能量要高于其他的点状激光的能量来 实现。在N = 3,即=束点状激光的情况下，可W采取两侧激光能量略高于中屯、激光约5%左 右的数值。另外，还可W通过调整第二级光学元件的设计来实现。
[0067] 在本实用新型中，二级光学衍射元件102优选由二元光学元件实现。在运里，可W 认为二元光学元件是指基于光波的衍射理论，利用计算机辅助设计，并用超大规模集成 (VLSI)电路制作工艺，在片基上(或传统光学器件表面)刻蚀产生两个或多个台阶深度的浮 雕结构，形成纯相位、同轴再现、具有极高衍射效率的一类衍射光学元件。由于二元光学元 件是一种纯相位衍射光学元件，为得到高衍射效率，可做成多相位阶数的浮雕结构。由于随 着阶数的增大，加工难度和成本也相应增加。因此在实际应用中会在选择适当的阶数来对 效率和成本加W平衡。图8示出了根据本实用新型原理的包括二级衍射装置的光源的最终 投影的实拍图。在此例中，两侧与中央的强度比可达9:10。
[0068] 在另一个实施例中，也可W在激光准直之后直接通过一级二元光学元件（即，光源 包括激光发生器和一级的二元光学元件），同样能够得到强度均匀的线形激光。但受到现有 技术的限制，一级二元光学元件的福射角不大于90°。
[0069] 上文中已经参考附图详细描述了根据本实用新型的结构光测距装置。W上描述的 本实用新型的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实 施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人 员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施 例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能 理解本文披露的各实施例。
【主权项】
1. 一种结构光测距装置，包括： 向被测空间投射结构光的光源；以及 与所述光源之间具有预定的相对空间位置关系并且包括图像传感器、成像透镜和附加 光学组件的成像装置，被所述被测空间内障碍物反射的结构光经由所述附加光学组件和所 述成像透镜在所述图像传感器上成像， 其中所述附加光学组件被设置为增大所述被测空间内特定位置范围内的障碍物的反 射光在所述图像传感器上的成像比例。2. 如权利要求1所述的装置，其中，所述附加光学组件还被设置为减小所述被测空间内 其他位置范围内的障碍物的反射光在所述图像传感器上的成像比例。3. 如权利要求2所述的装置，其中所述附加光学组件被设置为使得所述图像传感器对 应于深度距离的方向上的每个像素都代表所述被测空间内距所述装置的相同深度距离的 变化。4. 如权利要求1所述的装置，其中所述附加光学组件光学矫正所述成像装置固有图像 畸变的至少一部分。5. 如权利要求1所述的装置，还包括图像矫正装置，对经由所述附加光学组件和所述成 像透镜成像的图像进行数字矫正。6. 如权利要求1所述的装置，其中所述附加光学组件与所述成像透镜紧密相接以使得 所述成像装置形成一体化器件。7. 如权利要求1所述的装置，其中所述光源向被测空间投射线形激光。8. 如权利要求7所述的装置，其中所述图像传感器是被旋转90度放置的逐行扫描图像 传感器。9. 如权利要求7所述的装置，其中所述光源包括激光器和二级光学衍射元件，从所述激 光器出射的激光束经准直后入射所述二级光学衍射元件，得到在辐射角方向上经拼接的线 形激光。
【文档编号】G01S17/08GK205720668SQ201620641333
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年6月24日
【发明人】王敏捷, 梁雨时
【申请人】上海图漾信息科技有限公司