一种固态多线测距装置的制作方法

本申请涉及一种测距装置，特别涉及一种固态多线测距装置。

背景技术：

光学扫描测距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测距装置包括：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。该常见的光学扫描测距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测距装置：（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测距装置的低价滑环来说，极易磨损，不能满足测距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：

针对现有旋转扫光学扫描测距装置的不足，本申请提供一种不包含任何机械旋转结构的固态多线测距装置。

一种固态多线测距装置，包括发射光模块、测距模块、图像传感器及分光镜。述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和环境可见光入射到分光镜上，所述分光镜将红外探测光与环境可见光分离；所述测距模块接收被分光镜透过或者反射的红外探测光，基于飞行时间法，得到所述测距装置与被测物体之间的距离，和/或所述测距模块得到所接收到的红外探测光强度；所述图像传感器接收被分光镜反射或者透过的环境可见光，得到被测物体的影像色彩信息。

在其中的任一实施例中，所述分光镜透过红外探测光并反射环境可见光，或者所述分光镜反射红外探测光并透过环境可见光。

一种固态多线测距装置包括发射光模块、测距模块、图像传感器。所述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测距模块上，测距模块基于飞行时间法，得到所述测距装置与被测物体之间的距离，和/或所述测距模块得到所接收到的红外探测光强度；所述图像传感器接收由被测物体反射的环境可见光，得到被测物体的影像色彩信息。

在其中的任一实施例中，测距模块的光轴与图像传感器的光轴垂直设置，测距模块、图像传感器分别于分光镜呈45度夹角设置。

在其中的任一实施例中，测距模块的光轴与图像传感器的光轴非垂直设置。

在其中的任一实施例中，所述发射光模块具有红外发射光源，所述红外发射光源为激光光源或者为LED光源。

在其中的任一实施例中，所述光源的个数为1、2、4、6、8或10个。

在其中的任一实施例中，所述测距模块具有光电传感器，所述光电传感器将接收到的红外探测光转换为电信号。

在其中的任一实施例中，所述光电传感器为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。

在其中的任一实施例中，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。

在其中的任一实施例中，所述发射光模块所发射的红外探测光光路上，设置有发射光会聚透镜，所述发射光会聚透镜将从发射光模块发出的红外探测光会聚。

在其中的任一实施例中，所述会聚透镜为TIR透镜、凸透镜、或双凸透镜。

在其中的任一实施例中，在测距模块和/或图像传感器的接收光光路上，设置有接收光会聚透镜，所述接收光会聚透镜将由被测物体反射的红外探测光会聚。

在其中的任一实施例中，所述接收光会聚透镜为成像镜头。

在其中的任一实施例中，所述测距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扫描探测。

一种固态多线测距方法，通过固态多线测距装置，所述测距方法能够获得被测物体的影像色彩、距离信息、所反射的光强信息，所述固态多线测距装置为权利要求1-15之一所述的测距装置，其中，固态多线测距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测距模块中，测得被测物体与测距装置之间的距离信息；同时，该测距模块还能够得到由被测物体反射回的探测光的光强；图像传感器接收由被测物体反射的环境可见光，得到被测物体的影像色彩信息。

在其中的任一实施例中，所述测距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。

在其中的任一实施例中，所述固态多线测距装置通过测距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。

在其中的任一实施例中，所述固态多线测距装置通过测距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。

在其中的任一实施例中，所述固态多线测距装置通过测距模块得到的三维点云数据、图像传感器得到的影像色彩信息，得到被测物体的影像色彩及距离信息的图像。

本申请所涉及的固态多线测距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。分光镜的设置进一步节省装置所占用的空间；减少了接收透镜设置的数量；使得图像传感器与测距模块得到的影响色彩信息与距离信息更容易一一对应。所述固态多线测距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影像色彩、距离信息、反射率信息以及运动变化信息。其中，单独的测距模块即可得到环境中物体距离信息、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为不具有分光镜的固态多线测距装置结构示意图。

图2为具有分光镜的固态多线测距装置结构示意图。

图3为测距模块中面阵光电传感器的结构示意图。

具体实施方式

不具有分光镜的实施例。

本申请所涉及的固态多线测距装置的其中一实施例如图1所示，一种固态多线测距装置，包括发射光模块10、测距模块20、以及图像传感器30。

发射光模块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（或者障碍物）40被反射；由被测物体40反射的红外探测光入射到测距模块20中，测距模块接收由被测物体反射的红外探测光，测距模块基于飞行时间法，测得被测物体与测距装置之间的距离信息。该测距模块同时还能够得到由被测物体反射回的探测光的光强。测距装置依据测距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。

测距模块中包括有光电传感器50，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，计算距离值。

所述图像传感器30接收由被测物体反射的环境可见光，得到被测物体的影像及色彩信息。所述图像传感器为CMOS或者CCD图像传感器，像素为现有常见的规格。图像传感器优选的像素为1920*1080或者1280*720。

具有分光镜的实施例。

在其中的一实施例中，如附图2所示，该固态多线测距装置还包括分光镜60。该固态多线测距装置，包括发射光模块10、测距模块20、图像传感器30与分光镜60。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40被反射。由被测物体反射的红外探测光和环境可见光入射到分光镜上，所述分光镜将红外探测光透过、并且将入射到分光镜上的环境可见光反射。

所述测距模块接收被分光镜透过的红外探测光，基于飞行时间法，得到所述测距装置与被测物体之间的距离。该测距模块还能够得到所接收到的红外探测光的光强。测距装置依据测距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。测距模块中包括有光电传感器，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，计算距离值。

该分光镜的设置一方面可以减小固态多线测距装置在水平方向上所占用的体积。而且，由于测距模块与图像传感器共用同一个接收光路，然后再被分光镜分束，将红外探测光与环境自然光分离，进而分别由测距模块和图像传感器所接收，减小了固态多线测距装置上的接收光路开口设计。另外，通常在无分光镜的结构中，测距模块与图像传感器模块都需要设置各自的接收透镜，而在具有分光镜的结构中，只需要一个接收光路，减少了接收透镜的设置数量。该分光镜的其他好处是，由于照射到分光镜上的由被测物体反射的环境自然光和红外探测光来源于被测物体的同一区域，使得图像传感器与测距模块得到的影像色彩信息与距离信息更容易一一对应。

所述图像传感器接收被分光镜反射的环境可见光，得到被测物体的影像及色彩信息。该图像传感器为CMOS或者CCD图像传感器，像素为现有常见的规格。图像传感器优选的像素为1920*1080或者1280*720。

所述分光镜也可以设置成反射红外探测光而透过环境可见光，其作用是将红外探测光与环境自然光分离。图像传感器和测距模块的位置根据分光镜的选择透过性来设置，总之，图像传感器接收被分光镜反射或者透过的环境可见光，而测距模块接收被分光镜反射或者透过的红外探测光。

在该具有分光镜的实施例中，优选测距模块的光轴与图像传感器的光轴垂直设置，测距模块、图像传感器分别于分光镜呈45度夹角设置。其中测距模块与图像传感器模块的位置可以互换。上述测距模块、图像传感器、分光镜的位置设置不限于此，测距模块与图像传感器模块的光轴也可以不垂直设置。只要是分光镜能够将环境可见光与红外探测光分离，并且由图像传感器接收环境可见光、测距模块接收红外探测光的光路结构，都能够实现本申请测距装置的功能。

上述的任意一实施例中，所述发射光模块具有红外光源，所述红外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，为了避免激光所产生的潜在人眼安全危害，使用LED作为光源，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。其中，在上述实施例基础之上，为了控制LED光源的发散角度，以能够覆盖测距装置的探测范围，同时还要能够得到足够的红外探测光强度，将LED光源的光会聚。在LED光源所发出的红外探测光光路上，还设置有发射光会聚透镜70。在其中的一实施例中，LED光源的个数为8个。

上述的任意一实施例中，所述测距模块20中的光电传感器50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，固态多线测距装置采用由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多线测距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的大小可以根据具体应用设置。

本申请所涉及的固态多线测距装置，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。

上述的任意一实施例中，发射光模块所发射的红外探测光光路上，可以选择性设置有发射光会聚透镜70，该发射光会聚透镜将从发射光模块发出的红外探测光会聚。所述发射光会聚透镜为TIR透镜、凸透镜、双凸透镜等或者其他能够起到将光线会聚作用的透镜。

在上述的不具有分光镜的实施例中，在图像传感器的接收光路以及测距模块的接收光路上都分别设置有各自适合的接收光会聚透镜80，该接收光会聚透镜80将由被测物体反射回的环境可见光以及红外探测光会聚。所述接收光会聚透镜80优选为成像透镜或者成像透镜组。

在上述的具有分光镜的实施例中，由于图像传感器与测距模块共用同一接收光路，所以在分光镜接收由被测物体反射回的光路上，只需要一个接收光会聚透镜，该会聚透镜将由被测物体反射回的分散光束，会聚到分光镜上。该会聚透镜优选为成像透镜、成像透镜组或者成像镜头。

上述的任意一实施例中，固态多线测距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。

一种固态多线测距方法，所述测距方法能够获得被测物体的影像色彩、距离、反射率信息和速度信息。

上述的任意一实施例中，所述固态多线测距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测距模块中，测距模块基于飞行时间法，测得被测物体与测距装置之间的距离信息。同时，该测距模块还能够得到由被测物体反射回的探测光的光强。即测距模块可以得到距离信息以及光强信息。其中，测距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。

图像传感器接收由被测物体反射的环境可见光，得到被测物体的影像色彩信息。

通过测距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。由发射光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，通过测距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）；测距模块能够探测到由被测物体反射回的光强强度；固态多线测距装置中的计算模块根据测距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，测距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，单单通过测距模块，就可识别出公司路上的行驶区域以及行驶车道边界标识。

通过测距模块测得的距离信息，算得被测物体的运动变化信息。固态多线测距装置在每次测量过程中，可以得到M*N个不同距离信息。以测距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。固态测距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。

将通过测距模块得到的三维点云数据、通过图像传感器得到的影像色彩信息合成在一起，得到能够显示被测区域影像色彩及距离信息的图像。其中，图像传感器的像素个数可以与测距模块面阵光电传感器中的光电传感器单元个数不同，也可以相同。在固定多线测距装置使用前，可以对图像传感器得到的影像色彩信息、测距模块得到的距离信息进行标定，使得距离信息的XY位置与图像传感器中像素所对应的XY位置想对应一致。

综上所述，本申请涉及的固态多线测距装置，可以得到环境中物体的影像色彩、距离信息、反射率信息以及运动变化信息。其中，单独的测距模块即可得到环境中物体距离信息、反射率信息以及运动变化信息。