結構光測距裝置的製造方法

2023-08-05 20:15:36 2

結構光測距裝置的製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種結構光測距裝置。所述裝置包括：向被測空間投射結構光的光源；以及與所述光源之間具有預定相對空間位置關係並且包括圖像傳感器、成像透鏡和附加光學組件的成像裝置，被所述被測空間內障礙物反射的結構光經由所述附加光學組件和所述成像透鏡在所述圖像傳感器上成像，其中所述附加光學組件被設置為增大所述被測空間內特定位置範圍內的障礙物的反射光在所述圖像傳感器上的成像比例。優選地，所述附加光學組件還可被設置為減小被測空間其他位置在圖像傳感器上的成像比例，或是使得空間靈敏度在整個被測空間內保持不變。由此，能夠克服深度測量精度隨距離增加而劣化的固有缺陷，提高測距裝置的整體精度。
【專利說明】
結構光測距裝置
技術領域
[0001] 本實用新型設及一種結構光測距裝置，尤其設及一種利用結構光來測量目標距離 的裝置。
【背景技術】
[0002] 為了四處行進或者在預備信息不足的地方執行作業，保潔機器人或自移動機器人 需要具有自主規劃路徑，檢測障礙物並避免碰撞的能力。為此，測量到障礙物的距離W估算 位置是自移動機器人應該具備的基本能力。此外，在例如安保系統的入侵感測系統中，測量 到目標物的距離的能力也是必需的。
[0003] 業已使用了各種方法來進行上述距離測量。在其中，利用結構光和成像裝置（例 如，相機)進行測距的方法非常有效。該方法所需計算量較小並能用於亮度較小的場所(例 如，陰暗室內）。
[0004] 根據該方法，如圖1所示，利用光源10主動將結構光（例如，線形光）照射到障礙物 30上，並且利用諸如相機的傳感器20獲得反射光的圖像。然後，可W根據=角法測量法從圖 2A中的圖像高度來計算光發射位置與障礙物30之間的距離。圖2B-D進一步示出了發光位置 到障礙物之間距離對成像的影響。採用=角測量法，測量夾角0會隨著檢測距離的加大而迅 速變小。因此，較遠位置處的範圍解析度(深度測量精度)變差。
[0005] 此外，出於成本的考慮，優選結構更為簡單緊湊的測距系統。
[0006] 因此，需要一種能夠解決上述至少一個問題的結構光測距裝置。 【實用新型內容】
[0007] 為了解決上述至少一個問題，本實用新型提供了一種結構光測距裝置夠通過簡單 附加光學組件來均勻化整個被測空間的成像比例，由此解決現有技術中被測空間內成像精 度不均的問題，並實現現有配置下的精度最大化。
[000引根據本實用新型的一個方面，提供了一種結構光測距裝置，包括：向被測空間投射 結構光的光源；W及與所述光源之間具有預定相對空間位置關係並且包括圖像傳感器、成 像透鏡和附加光學組件的成像裝置，被所述被測空間內障礙物反射的結構光經由所述附加 光學組件和所述成像透鏡在所述圖像傳感器上成像，其中所述附加光學組件被設置為增大 所述被測空間內特定位置範圍內的障礙物的反射光在所述圖像傳感器上的成像比例。
[0009] 由此，通過簡單地附加光學組件來調整對被測空間的成像比例，就能夠增大被測 空間內期望位置內的成像比例，由此克服成像精度隨距離增加而降低的固有缺陷，並從整 體上提升測距精度。
[0010] 優選地，所述附加光學組件還被設置為減小所述被測空間內其他位置範圍內的障 礙物的反射光在所述圖像傳感器上的成像比例。更為優選地，所述附加光學組件被設置為 使得所述圖像傳感器豎直方向上的每個像素都代表所述被測空間內距所述裝置的相同距 離的變化。
[0011] 運樣，通過進一步均勻化被測空間各處的成像比例，從而能夠在成像裝置配置不 變的情況下實現最大化的精度。
[0012] 優選地，附加光學組件可W用來光學矯正所述成像裝置固有圖像崎變的至少一部 分，由此降低或是消除數字矯正的計算負擔。
[0013] 優選地，結構光測距裝置還可W包括圖像矯正裝置，後者用於對經由所述附加光 學組件和所述成像透鏡成像的圖像進行數字矯正，由此獲取更為精確的計算結果。
[0014] 優選地，結構光可W是線形雷射，用W實現測量精度和成本的平衡。
[0015] 優選地，附加光學組件可W與所述成像透鏡緊密相接W使得所述成像裝置形成一 體化器件。由此，通過僅對現有成像裝置進行小幅改動，就能夠得到提升精度的緊湊設備。
[0016] 優選地，圖像傳感器是被旋轉90度放置的逐行掃描圖像傳感器。運樣，由於每一行 僅需緩存若干像素，因此能夠提升計算效率並加快檢測速度。
[0017] 優選地，光源包括雷射器和二級光學衍射元件，從所述雷射器出射的雷射束經準 直後入射所述二級光學衍射元件，得到在福射角方向上經拼接的線形雷射。由此就能夠獲 得大福射角且強度均勻的線形雷射。
[0018] 利用本實用新型的測距裝置，能夠在彌補被測空間遠端測量精度不足的同時保證 測距結構的簡單緊湊，由此實現低成本高精度的測距。
【附圖說明】

[0019] 通過結合附圖對本公開示例性實施方式進行更詳細的描述，本公開的上述W及其 它目的、特徵和優勢將變得更加明顯，其中，在本公開示例性實施方式中，相同的參考標號 通常代表相同部件。
[0020] 圖1示出了不包括本實用新型所示附加光學組件的測距系統的側視圖。
[0021] 圖2A-D示出了計算障礙物深度距離的原理圖。
[0022] 圖3是S角測量法中採用的基本幾何原理的簡化原理圖。
[0023] 圖4示出了根據本實用新型的一個實施例的測距裝置的示意圖。
[0024] 圖5示出了投射的線形光在圖像傳感器上成像的兩個例子。
[0025] 圖6示出了根據本實用新型的一個實施例的光源的示意圖。
[0026] 圖7A和7B示出了根據實用新型的二級光學衍射元件的示例。
[0027] 圖8示出了根據本實用新型原理的包括二級衍射元件的光源的最終投影的實拍 圖。
【具體實施方式】
[0028] 下面將參照附圖更詳細地描述本公開的優選實施方式。雖然附圖中顯示了本公開 的優選實施方式，然而應該理解，可W W各種形式實現本公開而不應被運裡闡述的實施方 式所限制。相反，提供運些實施方式是為了使本公開更加透徹和完整，並且能夠將本公開的 範圍完整地傳達給本領域的技術人員。
[0029] 圖1示出了不包括本實用新型所示附加光學組件的測距系統的示意圖。圖中的測 距系統包括光源10和成像裝置(例如，相機)20。光源10主動發射光，光照射到障礙物30上被 反射，並由相機20捕捉並成像關於障礙物30所反射的圖像的信息。在運裡，發射的光可W是 點光，也可W是任何具有結構的光（即，結構光），例如線形光。優選地，光源10可W是雷射 源，W保證線形光在被測空間範圍內的會聚性。更優選地，光源10可W是近紅外雷射源，由 此保證測距系統能夠適應各種光照條件而不與可見光相混淆。
[0030] 圖2A-D示出了計算障礙物深度原理的示意圖。參照圖2A，光源10發出的線形光照 射到障礙物30。運裡假設光源具有視場a(即，福射角a),在實際應用中，該福射角可W設定 在90~150度之間。圖2B示出由相機20獲得的圖像40。由於線性光照射到的障礙物30各處深 度相等(例如，障礙物30可W是垂直於線性光行進方向的豎直牆面），因此障礙物的反射光 在圖像40上仍然呈一條水平直線。相應地參考圖2C和圖2D，當障礙物30深度不一致時，則該 障礙物反射光在相機圖像40上呈現為高度不一的線段。即，圖像傳感器上的成像高度（即，y 方向上的值)能夠反應傳感器20和障礙物30之間的距離。在此例中，障礙物距離越遠，反射 光成像的高度就越低，在y方向上的值就越小。如下將參考圖3說明如何根據成像高度來求 取物體到裝置的距離。
[0031] 圖3是=角測量法中採用的基本幾何原理的簡化圖。如圖所示，由光源10發射出的 光照射到目標物體(例如，圖1中的牆面30)上，所述光在目標物體處反射並進入相機傳感器 的成像平面。光源10發出的光可W是光點，也可W是諸如線形光的結構光。在對結構光進行 成像的情況下，可W將該結構光看作是多個光點的集合，並且對於一定範圍W內的結構光， 仍然可由=角測量法進行距離計算。
[0032] 由此，根據相似=角形，可W認為測距裝置到物體的距離q被定義為：
[0033]
(1)
[0034] 其中f是相機的焦距，S是光源到相機的基線距離，並且X是成像平面上的視差，即 平行於源束的光線與從物體反射的光線之間的距離。因此，可W根據從物體反射到圖像中 的光點的位置來確定測距裝置到物體的距離。
[0035] 由於光源相對於成像軸線的角度固定，因此可W根據=角關係進一步推導出下 式：
[0036]
(2)
[0037] 由此可知，範圍靈敏度隨著距離的增加迅速下降。運種非線性關係會導致遠端的 測量精度大幅下降。例如，如果傳感器中對應於深度距離的方向上（例如，y方向上)單個像 素的偏移對應於Im處的Icm偏移，則傳感器圖像上相同的單像素偏移對應於2m處的4cm偏 移，直至5m處的25cm偏移。
[0038] 因此，對於傳統的測距系統，由於範圍靈敏度隨景深深度的增加而迅速下降，會存 在空間靈敏度分布不均的固有缺陷。
[0039] 為了解決上述問題，本實用新型提出了一種結構光測距裝置。圖4示出了根據本實 用新型一個實施例的測距裝置的示意圖。該裝置包括光源100和成像裝置200。光源100用於 向被測空間投射結構光。該光源可W是發射線形雷射的雷射器。成像裝置200與光源100之 間具有預定相對空間位置關係。例如，可W具有基線距離S和夾角0。該基線距離S和夾角0能 夠根據具體應用而加W調整。本實用新型的成像裝置200除了包括常規的圖像傳感器和成 像透鏡201之外，還包括附加光學組件202。成像透鏡201可W在圖像傳感器上實現符合上式 (1)和(2)描述的圖像。通過在光路中添加附加光學組件202,則可W對常規成像裝置的固有 成像比例進行調整。
[0040] 在一個實施例中，附加光學組件202被設置為增大被測空間內特定位置範圍內的 障礙物的反射光在圖像傳感器上的成像比例。例如，可W將該附加光學組件202設置為增大 被測空間遠端在成像面上的成像比例。更進一步地，還可W將附加光學組件202設置為減小 所述被測空間內其他位置範圍內的障礙物的反射光在所述圖像傳感器上的成像比例。換句 話說，通過在光路中添加附加光學組件202,可W減緩空間靈敏度隨景深增加的劣化趨勢。
[0041] 圖4的結構光測距裝置還可W包括用於進行控制和運算的處理器。該處理器可W 連接至成像裝置200,並根據成像裝置200與光源100之間具有預定相對空間位置關係、障礙 物在圖像傳感器上的成像、W及由附加光學組件202調整後的成像比例來計算障礙物的深 度距離。處理器還可W控制成像裝置的成像，優選地，還可W與光源100相連，W控制光源的 結構光投射。
[0042] 在沒有添加本實用新型的附加光學組件202的常規配置下（例如，圖1的配置），線 形雷射的投影的移動對近處的變化反應靈敏(例如，在Im處Icm的移動就能夠實現傳感器對 應於深度距離方向上一個像素的移動），對遠處的變化遲純(例如，在5m處需要25cm的移動 才能夠實現一個像素的移動）。而在向成像光路添加附加光學組件202之後，能夠調整深度 距離與圖像位置的關係，使得近景變化在圖像傳感器上所佔據的像素數減小，遠景變化所 佔據的像素數增大。
[0043] 在一個優選實施例中，可W將附加光學組件202設置為使得所述圖像傳感器對應 於深度距離的方向上(例如，圖2所示的y方向上)的每個像素都代表所述被測空間內距所述 裝置的相同距離的變化。也就是說，實現空間靈敏度的均勻分布，其關係式如下：
[0044]
巧）
[0045] 其中，a是常數，X'是經附加光學組件202調整後的新視差。將式（1)帶入上式(3)， 得到d(fs/x)/dx' =a，運算得到-
對兩邊進行積分後得到：
[0046]
(4)
[0047] 不同於在常規光學系統中，視差X隨深度距離q的增大而減小。在新的光學系統中， X'隨深度距離q的增大而增大，在實際應用中，常規系統的視差X會非常小。運時，可W通過 合理選擇a來實現能夠符合光學加工要求的X'。由此，就能夠實現在被測空間內均勻分布的 空間靈敏度。例如，在0.1米至6米的被測空間範圍內，保持在各個深度距離上Icm的移動對 應圖像上1個像素的移動。
[004引通常情況下，由於成像裝置本身存在的結構缺陷，會導致所拍攝的圖像在一定程 度上發生變形，尤其是越往圖像邊緣方向，變形就越嚴重。因此需要通過崎變矯正來對變形 的圖像進行矯正，例如，將成像為兩邊彎曲的形狀矯正成真實的直線型。在一個實施例中， 可W通過加工非球面透鏡得到低崎變的附加光學組件，並使用該附加光學組件光學矯正成 像裝置固有圖像崎變的至少一部分。在另一個實施例中，本實用新型的測距系統還可W包 括圖像矯正裝置，用於對經由附加光學組件和成像透鏡成像的圖像進行數字矯正。例如，將 視差像素與深度距離之間建立起對應關係，比如，每2個像素視差對應於被測空間內4cm的 移動。另外，也可W不對圖像進行矯正，而是逐行或是逐列像素的進行標定，W計算第n行或 第n列的像素視差所對應的深度距離。
[0049] 雖然在圖4中為了方便說明，將附加光學組件202示出為與固有的光學透鏡201分 開，但實際上附加光學組件可W與成像透鏡緊密相接，W使得包括該附加光學組件的成像 裝置形成一體化器件。例如，在現有的相機組件外直接添加該附加光學組件的鏡頭，W實現 例如滿足保潔機器人所需的簡單且緊湊的結構。另外，雖然圖4中示出附加光學組件202位 於光學透鏡201和被測空間之間，但在其他的實施例中，附加光學組件202也可W根據需要 位於光學透鏡201和圖像傳感器之間。
[0050] 對於上述測距裝置的日常應用而言，例如設置在保潔機器人上時，可W將光源和 成像裝置設置在機器人的正前方，其中光源設置在機器人前端的頂部，與圖像傳感器大致 在同一豎直平面上。兩者與機器人的主板相連，為主板提供當前所在的位置信息，W供主板 進行處理和行動決策。
[0051] 在實際使用中，可W採用1280*720解析度的圖像傳感器。但由於本實用新型的測 距裝置改善了整體的深度成像精度（即，使得成像精度更為均勻），因此也可W採用1280* 360或W下解析度的圖像傳感器，由此獲得更大的圖像帖率，W實現對環境變化反應更為靈 敏的測距和導航。
[0052] 此外，本實用新型還可W通過旋轉圖像傳感器的方向來提升距離檢測裝置的效 率。圖5示出了投射的線形光在圖像傳感器上成像的兩個例子。圖5A示出的是障礙物等深的 情況(例如，圖2A所示的平坦牆面），圖5B示出的是障礙物不等深的情況(例如，圖2C所示的 凹入牆面，外加近處散亂各處的物品）。由圖可知並且根據線形光的特點，只有在障礙物等 深的理想情況下，線形光會成像在圖像傳感器的特定幾行像素內，即在圖像傳感器上成像 為具有一定寬度的直線。通常情況下，由於投射出的線形光會被處在不同位置的各種障礙 物反射，因此線形光會在傳感器的列方向上移動而分段成像在不同的像素行內。但是，由於 投射的是寬度有限的線形光，因此每一個像素列中必然僅有幾個相連的像素（即，與線形光 寬度相對應的像素)包含圖像數據信息。
[0053] 市販圖像傳感器多為逐行讀取圖像像素的傳感器(例如，CMOS圖像傳感器）。在正 常使用圖像傳感器的情況下，需要對每個像素行進行逐行掃描才能提取有效的成像信息。 在本實用新型的一個實施例中，將圖像傳感器旋轉90°放置，使得線性光變為在原圖像傳感 器的行方向移動。在逐行(在旋轉後變為逐列）讀取圖像像素時，每一行均能獲得具有視差 位移的若干相連光點（視線性光寬度而定），並據此計算出深度距離。由於每一行僅需緩存 若干像素，因此能夠提升計算效率，加快檢測速度。
[0054] 另外，本實用新型的測距系統還可W利用改進的投射裝置來投射線形雷射。圖6示 出了根據本實用新型一個實施例的光源100的示意圖。光源100包括雷射器101和二級光學 衍射元件102。從雷射發生器101出射的雷射束A經準直後入射二級光學衍射元件102,得到 在福射角方向上經拼接的線形雷射C，即由N個福射角為a的線形雷射打-Cn(圖中示例為扣- C3,即取N=3)拼接成的福射角為NXa的線形雷射C。
[0055] 具體地，圖7A和7B示出了根據本實用新型的二級光學衍射元件的兩個例子。
[0056] 如圖7A所示，光束A入射到二級光學衍射元件102,後者包括第一級光學元件1021 和第二級光學元件1022。
[0057] 第一級光學元件1021對入射光束進行分束。在一個實施例中，第一級光學元件 1021可W被設計為將入射光束在第一方向上分束成N個子光束B，相鄰兩個所述子光束之間 的夾角a相同，其中N為奇數。N個子光束B可W是N個點狀雷射。雖然圖中示出了3個子光束 200(即，N為3)，但是在實際應用中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是豎直方向。相應地，下面描述的第二方向可W 是豎直方向，也可W是水平方向。一些情況下，第一方向和第二方向也可W是相互垂直但與 水平方向成一夾角的方向。該夾角是銳角。
[0059] 第二級光學元件1022對N個子光束B進行衍射。在一個實施例中，第二級光學元件 1022可W被設計為將N個子光束衍射成N個在第一方向上的福射角為a的線形光束Ci-Cn。第 一級光學元件1021和第二級光學元件1022被設計為將運N個線形光束Ci-Cn在所述第一方向 上相互拼接，從而形成一個福射角為NXa的線形光束C。
[0060] 如圖7B所示，二級光學衍射元件102包括第一級光學元件1021'和第二級光學元件 1022'。
[0061] 第一級光學元件1021'對入射光束進行衍射。在一個實施例中，第一級光學元件 1021'可W被設計為將入射光束衍射成在第一方向上福射角為a的線形雷射。
[0062] 第二級光學元件1022'對福射角為a的線形雷射進行複製和拼接。在一個實施例 中，第二級光學元件1022'可W被設計為將線形雷射衍射為N個在第一方向上的福射角為a 的線形光束Ci-Cn。第一級光學元件1021'和第二級光學元件1022 '被設計為使得N個線形光 束Ci-Cn在所述第一方向上相互拼接，從而形成一個福射角為NXa的線形光束C，其中N為奇 數。雖然圖中示出了3個子光束B'（即，N為3)，但是在實際應用中N可W取5、7、9,甚至更多。
[0063] 圖6-7中的光學衍射元件是指利用光波的衍射原理對光波傳播方向進行偏折的光 學元件。二級光學衍射元件的光軸可W重合，如圖中虛線所示。
[0064] 由於投射出的線形雷射打-Cn其兩端的亮度會略低，因此可W允許相鄰線形光束有 一定程度的交疊，如圖2中亮線301和302所示。在實際應用中，可W允許100個像素W內的交 疊。
[0065] 當兩級光學元件之間的距離很近時(例如，接近為零時），可W視作N個子光束從一 個入射點入射。如果兩級光學元件之間的距離拉開，可W視作N個子光束從N個入射點入射。 隨著兩級光學元件之間的距離的增大，拼接的線（即，從第二級光學元件出射的N條線形光） 之間的距離會增大。因此，可W恰當設計兩級光學元件之間的距離，W保證運N個線形光束 的恰當拼接。
[0066] 通常情況下，為了得到強度均勻的線形雷射，希望經過第二級光學元件得到的N個 線性光束的能量相同。但考慮到透鏡設計及成像中通常會遇到的圖像暗角問題（即，圖像兩 側成像亮度略低於中屯、亮度），所W可W將第一級光學元件和第二級光學元件設計為使得N 個線形光束中兩側的線形光束的能量高於其他的線形光束的能量。運可W通過將第一級光 學元件設計為使得N個點狀雷射中兩側的點狀雷射的能量要高於其他的點狀雷射的能量來 實現。在N = 3,即=束點狀雷射的情況下，可W採取兩側雷射能量略高於中屯、雷射約5%左 右的數值。另外，還可W通過調整第二級光學元件的設計來實現。
[0067] 在本實用新型中，二級光學衍射元件102優選由二元光學元件實現。在運裡，可W 認為二元光學元件是指基於光波的衍射理論，利用計算機輔助設計，並用超大規模集成 (VLSI)電路製作工藝，在片基上(或傳統光學器件表面)刻蝕產生兩個或多個臺階深度的浮 雕結構，形成純相位、同軸再現、具有極高衍射效率的一類衍射光學元件。由於二元光學元 件是一種純相位衍射光學元件，為得到高衍射效率，可做成多相位階數的浮雕結構。由於隨 著階數的增大，加工難度和成本也相應增加。因此在實際應用中會在選擇適當的階數來對 效率和成本加W平衡。圖8示出了根據本實用新型原理的包括二級衍射裝置的光源的最終 投影的實拍圖。在此例中，兩側與中央的強度比可達9:10。
[0068] 在另一個實施例中，也可W在雷射準直之後直接通過一級二元光學元件（即，光源 包括雷射發生器和一級的二元光學元件），同樣能夠得到強度均勻的線形雷射。但受到現有 技術的限制，一級二元光學元件的福射角不大於90°。
[0069] 上文中已經參考附圖詳細描述了根據本實用新型的結構光測距裝置。W上描述的 本實用新型的各實施例，上述說明是示例性的，並非窮盡性的，並且也不限於所披露的各實 施例。在不偏離所說明的各實施例的範圍和精神的情況下，對於本技術領域的普通技術人 員來說許多修改和變更都是顯而易見的。本文中所用術語的選擇，旨在最好地解釋各實施 例的原理、實際應用或對市場中的技術的改進，或者使本技術領域的其它普通技術人員能 理解本文披露的各實施例。
【主權項】
1. 一種結構光測距裝置，包括： 向被測空間投射結構光的光源；以及 與所述光源之間具有預定的相對空間位置關係並且包括圖像傳感器、成像透鏡和附加 光學組件的成像裝置，被所述被測空間內障礙物反射的結構光經由所述附加光學組件和所 述成像透鏡在所述圖像傳感器上成像， 其中所述附加光學組件被設置為增大所述被測空間內特定位置範圍內的障礙物的反 射光在所述圖像傳感器上的成像比例。2. 如權利要求1所述的裝置，其中，所述附加光學組件還被設置為減小所述被測空間內 其他位置範圍內的障礙物的反射光在所述圖像傳感器上的成像比例。3. 如權利要求2所述的裝置，其中所述附加光學組件被設置為使得所述圖像傳感器對 應於深度距離的方向上的每個像素都代表所述被測空間內距所述裝置的相同深度距離的 變化。4. 如權利要求1所述的裝置，其中所述附加光學組件光學矯正所述成像裝置固有圖像 畸變的至少一部分。5. 如權利要求1所述的裝置，還包括圖像矯正裝置，對經由所述附加光學組件和所述成 像透鏡成像的圖像進行數字矯正。6. 如權利要求1所述的裝置，其中所述附加光學組件與所述成像透鏡緊密相接以使得 所述成像裝置形成一體化器件。7. 如權利要求1所述的裝置，其中所述光源向被測空間投射線形雷射。8. 如權利要求7所述的裝置，其中所述圖像傳感器是被旋轉90度放置的逐行掃描圖像 傳感器。9. 如權利要求7所述的裝置，其中所述光源包括雷射器和二級光學衍射元件，從所述激 光器出射的雷射束經準直後入射所述二級光學衍射元件，得到在輻射角方向上經拼接的線 形雷射。
【文檔編號】G01S17/08GK205720668SQ201620641333
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年6月24日
【發明人】王敏捷, 梁雨時
【申請人】上海圖漾信息科技有限公司