本申請(qǐng)涉及一種小型光學(xué)測(cè)距裝置，尤其涉及一種基于飛行時(shí)間法（Time of Flight，簡(jiǎn)稱TOF）的小型光學(xué)測(cè)距裝置，以及一種光學(xué)透鏡、一種測(cè)距系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有技術(shù)中，最常見(jiàn)的光學(xué)測(cè)距方法為三角測(cè)距法，主要采用激光光源發(fā)出探測(cè)光。在采用激光光源的三角測(cè)距方法或者采用單點(diǎn)光源的飛行時(shí)間方法測(cè)距中，在探測(cè)復(fù)雜物體，比如草叢等物體，由于激光光源或者單點(diǎn)光源的高準(zhǔn)直性，用于低空飛行器探測(cè)自身與地面的高度時(shí)，測(cè)距結(jié)果會(huì)產(chǎn)生很大波動(dòng)。

另外，在現(xiàn)有的光學(xué)測(cè)距方法中，發(fā)出的探測(cè)光光束通常與接收裝置所接收的返回光束不在同一光軸上，并且，發(fā)出的探測(cè)光光束通常為接近準(zhǔn)直的光束，這樣的結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致當(dāng)障礙物與測(cè)距裝置的距離很近時(shí)，接收裝置視場(chǎng)角內(nèi)的障礙物不能被探測(cè)光束照射到，會(huì)出現(xiàn)探測(cè)盲區(qū)，從而使得測(cè)距裝置對(duì)近距離內(nèi)的障礙物測(cè)距不準(zhǔn)確或者無(wú)法探測(cè)到。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足：光學(xué)測(cè)距裝置近距離存在探測(cè)盲區(qū)，根據(jù)本申請(qǐng)的一個(gè)方面，提供了一種光學(xué)透鏡，一種小型光學(xué)測(cè)距裝置及測(cè)距方法，一種測(cè)距系統(tǒng)。

本申請(qǐng)所涉及的一種小型光學(xué)測(cè)距裝置，包括紅外光發(fā)射模塊、接收模塊、信號(hào)處理與控制模塊，其中，信號(hào)處理與控制模塊分別與紅外光發(fā)射模塊和接收模塊相連接，紅外光發(fā)射模塊發(fā)射紅外探測(cè)光，遇到物體被反射，接收模塊接收被物體反射的紅外探測(cè)光，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，信號(hào)處理與控制模塊基于飛行時(shí)間法計(jì)算所述小型光學(xué)測(cè)距裝置與物體之間的距離，在紅外光發(fā)射模塊發(fā)出的紅外探測(cè)光光路上，設(shè)置有TIR透鏡，所述TIR透鏡具有導(dǎo)光結(jié)構(gòu)，所述導(dǎo)光結(jié)構(gòu)為一凹槽，該凹槽位于TIR透鏡的出光面靠近接收模塊一側(cè)的位置。

進(jìn)一步地，所述凹槽在TIR透鏡的出光面表面形成為直條形狀的凹槽。

進(jìn)一步地，所述直條形狀的凹槽垂直于接收模塊接收視場(chǎng)光軸與TIR透鏡光軸共同所在的平面。

本申請(qǐng)的其中一個(gè)方面，所述凹槽在TIR透鏡的出光面表面形成為弧形形狀的凹槽。

本申請(qǐng)的其中一個(gè)方面，所述凹槽在TIR透鏡的出光面表面形成為圓弧形狀的凹槽。

本申請(qǐng)的其中一個(gè)方面，所述弧形形狀的凹槽或者圓弧形狀的凹槽，以接收模塊接收視場(chǎng)光軸與TIR透鏡光軸共同所在的平面呈幾何對(duì)稱。

本申請(qǐng)的其中一個(gè)方面，所述凹槽的凹陷面為弧面、四分之一圓柱面或者為斜平面。

本申請(qǐng)的其中一個(gè)方面，所述直條形狀的凹槽的深度以TIR透鏡的圓心向接收模塊方向依次變淺，所述直條形狀的凹槽的靠近TIR透鏡圓心側(cè)為一直面，所述直面與TIR透鏡的出光面垂直。

本申請(qǐng)的其中一個(gè)方面，所述弧形形狀或者圓弧形形狀的凹槽的深度以TIR透鏡的圓心為中心向外方向依次變淺，所述弧形形狀或者圓弧形形狀的凹槽的靠近TIR透鏡圓心側(cè)為一直面，所述直面與TIR透鏡的出光面垂直。

根據(jù)本申請(qǐng)的另一方面，提供了一種光學(xué)透鏡，一種TIR透鏡，所述TIR透鏡具有導(dǎo)光結(jié)構(gòu)，所述導(dǎo)光結(jié)構(gòu)為一凹槽，該凹槽位于TIR透鏡的出光面，所述凹槽在TIR透鏡的出光面表面形成為直條形狀的凹槽或者弧形形狀的凹槽。

進(jìn)一步地，所述凹槽在TIR透鏡的出光面表面形成為圓弧形狀的凹槽。

本申請(qǐng)的其中一個(gè)方面，所述凹槽的凹陷面為弧面、四分之一圓柱面或者為斜平面。

本申請(qǐng)的其中一個(gè)方面，所述直條形狀的凹槽的深度以TIR透鏡的圓心向所述直條形狀凹槽的垂直方向依次變淺，所述直條形狀的凹槽的靠近TIR透鏡圓心側(cè)為一直面，所述直面與TIR透鏡的出光面垂直。

本申請(qǐng)的其中一個(gè)方面，所述弧形形狀或者圓弧形形狀的凹槽的深度以TIR透鏡的圓心為中心向外方向依次變淺，所述弧形形狀或者圓弧形形狀的凹槽的靠近TIR透鏡圓心側(cè)為一直面，所述直面與TIR透鏡的出光面垂直。

根據(jù)本申請(qǐng)的另一方面，提供了一種測(cè)距系統(tǒng)，所述測(cè)距系統(tǒng)包括裝置主體和以上之一所述的小型光學(xué)測(cè)距裝置，所述小型光學(xué)測(cè)距裝置固定于裝置主體之上，用于探測(cè)裝置主體與周圍環(huán)境中物體之間的距離。

進(jìn)一步地，所述裝置主體為移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人、掃地機(jī)器人、或飛行器。

本申請(qǐng)的其中一個(gè)方面，所述裝置主體為飛行器，所述小型光學(xué)測(cè)距裝置設(shè)置于飛行器的下方，并且與飛行器中的飛行控制模塊相連接，所述小型光學(xué)測(cè)距裝置測(cè)量自身與地面間的高度，將高度數(shù)據(jù)傳輸給飛行器的飛行控制模塊，飛行控制模塊控制飛行器的飛行高度。

根據(jù)本申請(qǐng)的另一方面，提供了一種小型光學(xué)測(cè)距裝置的測(cè)距方法，信號(hào)處理與控制模塊調(diào)制紅外光發(fā)射模塊發(fā)射紅外探測(cè)光，遇到物體被反射；接收模塊接收被物體反射的紅外探測(cè)光，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；信號(hào)處理與控制模塊分別與紅外光發(fā)射模塊和接收模塊相連接，信號(hào)處理與控制模塊基于飛行時(shí)間法計(jì)算所述小型光學(xué)測(cè)距裝置與物體之間的距離；在紅外光發(fā)射模塊發(fā)出的紅外探測(cè)光光路上，設(shè)置有以上之一所述的TIR透鏡，所述TIR透鏡具有凹槽，所述凹槽位于TIR透鏡的出光面靠近接收模塊一側(cè)的位置，減小測(cè)距盲區(qū)。

本申請(qǐng)基于飛行時(shí)間法的小型光學(xué)測(cè)距裝置：采用基于TOF方法的測(cè)距技術(shù)，計(jì)算公式為：

其中，D為所計(jì)算的距離值，C為光在真空中的速度，f為調(diào)制信號(hào)的頻率，DCS0~DCS3為信號(hào)采樣幅值，發(fā)出的探測(cè)光為經(jīng)過(guò)調(diào)制的矩形或者正弦信號(hào)，在距離計(jì)算過(guò)程中由于進(jìn)行了相減的計(jì)算，可以濾除背景光的干擾；并且測(cè)距裝置還可以根據(jù)探測(cè)出的環(huán)境光強(qiáng)，變換信號(hào)光強(qiáng)，以此提高信噪比，因此擁有室外抗強(qiáng)光特性。由于在TIR透鏡上設(shè)置有導(dǎo)光結(jié)構(gòu)，有效減小了測(cè)距裝置近距離的探測(cè)盲區(qū)。

附圖說(shuō)明

圖1是本申請(qǐng)小型光學(xué)測(cè)距裝置整體結(jié)構(gòu)方框示意圖。

圖2是本申請(qǐng)小型光學(xué)測(cè)距裝置測(cè)距盲區(qū)示意圖。

圖3是本申請(qǐng)TIR透鏡結(jié)構(gòu)其中一實(shí)施例示意圖。

圖4是本申請(qǐng)TIR透鏡結(jié)構(gòu)另一實(shí)施例示意圖。

圖5是本申請(qǐng)TIR透鏡其中一實(shí)施例的截面示意圖。

圖6是本申請(qǐng)具有導(dǎo)光結(jié)構(gòu)的TIR透鏡對(duì)測(cè)距盲區(qū)的減小示意圖。

具體實(shí)施方式

本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N小型光學(xué)測(cè)距裝置，如附圖1所示，包括紅外光發(fā)射模塊10、接收模塊20、信號(hào)處理與控制模塊30。其中，所述信號(hào)處理與控制模塊30分別與紅外光發(fā)射模塊10和接收模塊20相連接。在其中的一個(gè)實(shí)施例中，在紅外光發(fā)射模塊發(fā)出紅外探測(cè)光的光路上還設(shè)置有TIR透鏡40。

當(dāng)小型光學(xué)測(cè)距裝置接收到工作指令后，信號(hào)處理與控制模塊30發(fā)送調(diào)制信號(hào)到紅外光發(fā)射模塊10，紅外光發(fā)射模塊10發(fā)出經(jīng)過(guò)調(diào)制信號(hào)調(diào)制的紅外探測(cè)光，該紅外探測(cè)光出射到外部需要探測(cè)的環(huán)境中。紅外探測(cè)光遇到物體（即障礙物）后被反射，接收模塊20收到被反射的紅外探測(cè)光，接收模塊將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，信號(hào)處理與控制模塊30依據(jù)接收模塊轉(zhuǎn)換的電信號(hào)，基于飛行時(shí)間法計(jì)算所述小型光學(xué)測(cè)距裝置與物體之間的距離。

其中，紅外光發(fā)射模塊10上固定設(shè)置有紅外光源，所述紅外光源發(fā)出具有一定橫截面積的發(fā)散紅外探測(cè)光光束。在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述紅外光源為L(zhǎng)ED光源。

由于紅外光源發(fā)出具有一定橫截面積的發(fā)散紅外探測(cè)光光束，但是光源具有較大發(fā)散角，為了將紅外光源發(fā)出的發(fā)散光會(huì)聚，以小發(fā)散角/或者平行發(fā)射出，在優(yōu)選的實(shí)施例中，還在紅外光源發(fā)出的紅外探測(cè)光光路上，設(shè)置有TIR（全內(nèi)反射）透鏡40。

由于紅外光發(fā)射模塊10與接收模塊20為非同軸結(jié)構(gòu)，因此，如附圖2所示， 在接收模塊的接收視場(chǎng)A與經(jīng)過(guò)TIR透鏡出射的紅外探測(cè)光B之間存在探測(cè)盲區(qū)C。為了減小紅外光發(fā)射模塊與接收模塊間的探測(cè)盲區(qū)C，本申請(qǐng)的一個(gè)方面，公開(kāi)了一種光學(xué)透鏡，特別是一種具有導(dǎo)光結(jié)構(gòu)的TIR透鏡以及具有該TIR透鏡的小型光學(xué)測(cè)距裝置、測(cè)距系統(tǒng)、測(cè)距方法。

本申請(qǐng)所涉及的一種具有導(dǎo)光結(jié)構(gòu)的TIR透鏡，如附圖3-5所示，在TIR透鏡40的出光面41上，設(shè)置有導(dǎo)光結(jié)構(gòu)。所述導(dǎo)光結(jié)構(gòu)為一凹槽，該凹槽位于TIR透鏡40的出光面41靠近接收模塊20一側(cè)的位置。

在其中的一實(shí)施例中，如附圖3所示，該凹槽在TIR透鏡40的出光面41表面形成為直條形狀凹槽42。優(yōu)選地，該直條形狀凹槽42垂直于接收模塊接收視場(chǎng)光軸與TIR透鏡光軸共同所在的平面。即，接收模塊的接收視場(chǎng)具有第一光軸，TIR透鏡具有第二光軸，上述直條形狀凹槽42優(yōu)選垂直于第一光軸和第二光軸共同所在的平面。

在其中的一實(shí)施例中，如附圖4所示，該凹槽在TIR透鏡40的出光面41表面形成為弧形形狀凹槽43，該弧形形狀凹槽43位于TIR透鏡40出光面41靠近接收模塊一側(cè)的位置。在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述弧形形狀凹槽為圓弧形狀凹槽。其中，所述弧形形狀凹槽或者圓弧形狀凹槽靠近接收模塊設(shè)置，優(yōu)選地，所述弧形形狀凹槽或者圓弧形狀凹槽在TIR透鏡出光面上，以接收模塊接收視場(chǎng)光軸與TIR透鏡光軸共同所在的平面呈幾何對(duì)稱。

上述的任意一實(shí)施例中，如圖5所示，所述凹槽具有凹陷面44，所述凹槽的凹陷面44為弧面。在其中的一實(shí)施例中，所述凹槽的凹陷面44為四分之一圓柱面。在其中的一實(shí)施例中，所述凹槽的凹陷面44為斜平面。

所述凹槽靠近TIR透鏡圓心側(cè)的位置為直面，該直面與TIR透鏡的出光面41垂直。所述直條形狀的凹槽的深度以TIR透鏡的圓心向垂直于接收模塊的方向依次變淺。所述弧形形狀或者圓弧形形狀的凹槽的深度以TIR透鏡的圓心為中心向外方向依次變淺，即在相同半徑處，凹槽的深度相同。

如圖6所示，由于在TIR透鏡上設(shè)置了導(dǎo)光結(jié)構(gòu)，使得小型光學(xué)測(cè)距裝置的探測(cè)盲區(qū)有效減小。

其中，接收模塊包括接收被物體反射回的紅外探測(cè)光的光電傳感器。

根據(jù)本申請(qǐng)的一個(gè)方面，提供了一種測(cè)距系統(tǒng)，該測(cè)距系統(tǒng)包括裝置主體、小型光學(xué)測(cè)距裝置，所述小型光學(xué)測(cè)距裝置用于探測(cè)裝置主體與周圍環(huán)境中物體之間的距離。所述裝置主體為行走機(jī)器人、掃地機(jī)器人、無(wú)人機(jī)，或者移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人。該小型光學(xué)測(cè)距裝置設(shè)置于上述裝置主體上，用于探測(cè)外部障礙物與裝置主體間的距離。所述小型光學(xué)測(cè)距裝置為上述所涉及的任意一實(shí)施例中的小型光學(xué)測(cè)距裝置。

在其中一實(shí)施例中，所述裝置主體為飛行器，小型光學(xué)測(cè)距裝置設(shè)置于飛行器的下方，用于測(cè)量飛行器與地面間的高度。該飛行器例如為無(wú)人機(jī)，特別地為植保無(wú)人機(jī)。上述小型光學(xué)測(cè)距裝置與飛行器中的飛行控制模塊相連接，小型光學(xué)測(cè)距裝置測(cè)量自身與地面間的高度，將距離數(shù)據(jù)傳輸給飛行器的飛行控制模塊，飛行控制模塊控制飛行器的飛行高度。

一種小型光學(xué)測(cè)距裝置的測(cè)距方法，信號(hào)處理與控制模塊調(diào)制紅外光發(fā)射模塊發(fā)射紅外探測(cè)光，遇到物體被反射；接收模塊接收被物體反射的紅外探測(cè)光，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；信號(hào)處理與控制模塊分別與紅外光發(fā)射模塊和接收模塊相連接，信號(hào)處理與控制模塊基于飛行時(shí)間法計(jì)算所述小型光學(xué)測(cè)距裝置與物體之間的距離；在紅外光發(fā)射模塊發(fā)出的紅外探測(cè)光光路上，設(shè)置有以上所述的任意一實(shí)施例中的TIR透鏡，所述TIR透鏡具有凹槽，所述凹槽位于TIR透鏡的出光面靠近接收模塊一側(cè)的位置，減小測(cè)距盲區(qū)。

以上所述僅為本申請(qǐng)的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本申請(qǐng)，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本申請(qǐng)可以有各種更改和變化，在不矛盾的前提下，各個(gè)技術(shù)特征可以互相組合。凡在本申請(qǐng)的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本申請(qǐng)的保護(hù)范圍之內(nèi)。