結(jié)構(gòu)光測距裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種結(jié)構(gòu)光測距裝置和方法。所述裝置包括：向被測空間投射結(jié)構(gòu)光的光源；以及與所述光源之間具有預(yù)定的相對空間位置關(guān)系并且包括圖像傳感器、成像透鏡和附加光學(xué)組件的成像單元，被該被測空間內(nèi)障礙物反射的結(jié)構(gòu)光經(jīng)由附加光學(xué)組件和所述成像透鏡在圖像傳感器上成像，其中附加光學(xué)組件被設(shè)置為增大被測空間內(nèi)特定位置范圍內(nèi)的障礙物的反射光在圖像傳感器上的成像比例；以及用于根據(jù)上述信息計(jì)算深度距離的處理器。優(yōu)選地，附加光學(xué)組件還可被設(shè)置為減小被測空間其他位置在圖像傳感器上的成像比例，或使得空間靈敏度在整個(gè)被測空間內(nèi)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(jié)構(gòu)光測距裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種結(jié)構(gòu)光測距裝置及方法，尤其涉及一種利用結(jié)構(gòu)光來測量目標(biāo)距 離的裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 為了四處行進(jìn)或者在預(yù)備信息不足的地方執(zhí)行作業(yè)，保潔機(jī)器人或自移動(dòng)機(jī)器人 需要具有自主規(guī)劃路徑，檢測障礙物并避免碰撞的能力。為此，測量到障礙物的距離以估算 位置是自移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)該具備的基本能力。此外，在例如安保系統(tǒng)的入侵感測系統(tǒng)中，測量 到目標(biāo)物的距離的能力也是必需的。
[0003] 業(yè)已使用了各種方法來進(jìn)行上述距離測量。在其中，利用結(jié)構(gòu)光和成像裝置（例 如，相機(jī))進(jìn)行測距的方法非常有效。該方法所需計(jì)算量較小并能用于亮度較小的場所(例 如，陰暗室內(nèi)）。
[0004] 根據(jù)該方法，如圖1所示，利用光源10主動(dòng)將結(jié)構(gòu)光（例如，線形光）照射到障礙物 30上，并且利用諸如相機(jī)的傳感器20獲得反射光的圖像。然后，可以根據(jù)三角法測量法從圖 2A中的圖像高度來計(jì)算光發(fā)射位置與障礙物30之間的距離。圖2B-D進(jìn)一步示出了發(fā)光位置 到障礙物之間距離對成像的影響。采用三角測量法，測量夾角Θ會(huì)隨著檢測距離的加大而迅 速變小。因此，較遠(yuǎn)位置處的范圍分辨率(深度測量精度)變差。
[0005] 此外，出于成本的考慮，優(yōu)選結(jié)構(gòu)更為簡單緊湊的測距系統(tǒng)。
[0006] 因此，需要一種能夠解決上述至少一個(gè)問題的結(jié)構(gòu)光測距裝置以及相應(yīng)的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了解決上述至少一個(gè)問題，本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)光測距系統(tǒng)和方法，能夠通 過簡單附加光學(xué)組件來均勻化整個(gè)被測空間的成像比例，由此解決現(xiàn)有技術(shù)中被測空間內(nèi) 成像精度不均的問題，并實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有配置下的精度最大化。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種結(jié)構(gòu)光測距裝置，包括：向被測空間投射結(jié)構(gòu) 光的光源；以及與所述光源之間具有預(yù)定相對空間位置關(guān)系并且包括圖像傳感器、成像透 鏡和附加光學(xué)組件的成像單元，被所述被測空間內(nèi)障礙物反射的結(jié)構(gòu)光經(jīng)由所述附加光學(xué) 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(xué)組件被設(shè)置為增大所述 被測空間內(nèi)特定位置范圍內(nèi)的障礙物的反射光在所述圖像傳感器上的成像比例；以及連接 至所述光源的處理器，所述處理器根據(jù)所述相對空間位置關(guān)系、所述障礙物在所述圖像傳 感器上的成像、以及所述成像比例來計(jì)算所述障礙物的深度距離。
[0009]由此，通過簡單地附加光學(xué)組件來調(diào)整對被測空間的成像比例，就能夠增大被測 空間內(nèi)期望位置內(nèi)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，并從整 體上提升測距精度。
[0010]優(yōu)選地，所述附加光學(xué)組件還被設(shè)置為減小所述被測空間內(nèi)其他位置范圍內(nèi)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(yōu)選地，所述附加光學(xué)組件被設(shè)置為 使得所述圖像傳感器豎直方向上的每個(gè)像素都代表所述被測空間內(nèi)距所述裝置的相同距 離的變化。
[0011] 這樣，通過進(jìn)一步均勻化被測空間各處的成像比例，從而能夠在成像單元配置不 變的情況下實(shí)現(xiàn)最大化的精度。
[0012] 優(yōu)選地，附加光學(xué)組件可以用來光學(xué)矯正所述成像單元固有圖像畸變的至少一部 分，由此降低或是消除數(shù)字矯正的計(jì)算負(fù)擔(dān)。
[0013] 優(yōu)選地，結(jié)構(gòu)光測距裝置還可以包括圖像矯正單元，后者用于對經(jīng)由所述附加光 學(xué)組件和所述成像透鏡成像的圖像進(jìn)行數(shù)字矯正，由此獲取更為精確的計(jì)算結(jié)果。
[0014] 優(yōu)選地，結(jié)構(gòu)光可以是線形激光，從而實(shí)現(xiàn)測量精度和成本的良好平衡。
[0015] 優(yōu)選地，附加光學(xué)組件可以與所述成像透鏡緊密相接以使得所述成像單元形成一 體化器件。由此，通過僅對現(xiàn)有成像裝置進(jìn)行小幅改動(dòng)，就能夠得到提升精度的緊湊設(shè)備。
[0016] 優(yōu)選地，圖像傳感器是被旋轉(zhuǎn)90度放置的逐行掃描圖像傳感器。這樣，由于每一行 僅需緩存若干像素，因此能夠提升計(jì)算效率并加快檢測速度。
[0017] 優(yōu)選地，光源包括激光器和二級(jí)光學(xué)衍射元件，從所述激光器出射的激光束經(jīng)準(zhǔn) 直后入射所述二級(jí)光學(xué)衍射元件，得到在輻射角方向上經(jīng)拼接的線形激光。由此就能夠獲 得大輻射角且強(qiáng)度均勻的線形激光。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)發(fā)明，提供了一種結(jié)構(gòu)光測距方法，包括:用光源向被測空間 投射結(jié)構(gòu)光;用與所述光源之間具有預(yù)定相對空間位置關(guān)系的成像單元對被所述被測空間 內(nèi)障礙物反射的結(jié)構(gòu)光進(jìn)行成像，所述成像單元包括圖像傳感器、成像透鏡和附加光學(xué)組 件，所述反射的結(jié)構(gòu)光經(jīng)由所述附加光學(xué)組件和所述成像透鏡在所述圖像傳感器上成像， 其中所述被測空間內(nèi)特定位置范圍內(nèi)的障礙物在所述圖像傳感器上的成像比例被所述附 加光學(xué)組件增大；以及根據(jù)所述預(yù)定關(guān)系、所述障礙物在所述圖像傳感器上的成像以及所 述成像比例計(jì)算所述障礙物的深度距離。
[0019] 優(yōu)選地，所述被測空間內(nèi)其他位置范圍內(nèi)的障礙物在所述圖像傳感器上的成像比 例被所述附加光學(xué)組件減小，更優(yōu)選地，可以用所述附加光學(xué)組件使得所述圖像傳感器豎 直方向上的每個(gè)像素都代表所述被測空間內(nèi)距所述裝置的相同單位的變化。
[0020] 利用本發(fā)明的測距裝置和方法，能夠在彌補(bǔ)被測空間遠(yuǎn)端測量精度不足的同時(shí)保 證測距結(jié)構(gòu)的簡單緊湊，由此實(shí)現(xiàn)低成本高精度的測距。
【附圖說明】
[0021] 通過結(jié)合附圖對本公開示例性實(shí)施方式進(jìn)行更詳細(xì)的描述，本公開的上述以及其 它目的、特征和優(yōu)勢將變得更加明顯，其中，在本公開示例性實(shí)施方式中，相同的參考標(biāo)號(hào) 通常代表相同部件。
[0022]圖1示出了不包括本發(fā)明的附加光學(xué)組件的測距系統(tǒng)的側(cè)視圖。
[0023]圖2A-D示出了計(jì)算障礙物深度距離的原理示意圖。
[0024]圖3是三角測量法中采用的基本幾何原理的簡化示意圖。
[0025] 圖4示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的測距裝置的示意圖。
[0026] 圖5示出了投射的線形光在圖像傳感器上成像的兩個(gè)例子。
[0027] 圖6示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的光源的示意圖。
[0028] 圖7A和7B示出了根據(jù)圖6的二級(jí)光學(xué)衍射元件的兩個(gè)例子。
[0029] 圖8示出了根據(jù)本發(fā)明原理的包括二級(jí)衍射元件的光源的最終投影的實(shí)拍圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面將參照附圖更詳細(xì)地描述本公開的優(yōu)選實(shí)施方式。雖然附圖中顯示了本公開 的優(yōu)選實(shí)施方式，然而應(yīng)該理解，可以以各種形式實(shí)現(xiàn)本公開而不應(yīng)被這里闡述的實(shí)施方 式所限制。相反，提供這些實(shí)施方式是為了使本公開更加透徹和完整，并且能夠?qū)⒈竟_的 范圍完整地傳達(dá)給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。
[0031] 圖1示出了不包括本發(fā)明的附加光學(xué)組件的測距系統(tǒng)的示意圖。圖中的測距系統(tǒng) 包括光源10和成像裝置(例如，相機(jī))20。光源10主動(dòng)發(fā)射光，光照射到障礙物30上被反射， 并由相機(jī)20捕捉并成像關(guān)于障礙物30所反射的圖像的信息。在這里，發(fā)射的光可以是點(diǎn)光， 也可以是任何具有結(jié)構(gòu)的光（即，結(jié)構(gòu)光），例如線形光。優(yōu)選地，光源10可以是激光源，以保 證線形光在被測空間范圍內(nèi)的會(huì)聚性。更優(yōu)選地，光源10可以是近紅外激光源，由此保證測 距系統(tǒng)能夠適應(yīng)各種光照條件而不與可見光相混淆。雖然圖中未示出，該系統(tǒng)還可以包括 用于根據(jù)獲取的各類信息計(jì)算深度距離的處理器。
[0032]圖2A-D示出了計(jì)算障礙物深度原理的示意圖。參照圖2A，光源10發(fā)出的線形光照 射到障礙物30。這里假設(shè)光源具有視場a(即，輻射角a)，在實(shí)際應(yīng)用中，該輻射角可以設(shè)定 在90~150度之間。圖2B示出由相機(jī)20獲得的圖像40。由于線性光照射到的障礙物30各處深 度相等(例如，障礙物30可以是垂直于線性光行進(jìn)方向的豎直墻面），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(yīng)地參考圖2C和圖2D，當(dāng)障礙物30深度不一致時(shí)，則該 障礙物反射光在相機(jī)圖像40上呈現(xiàn)為高度不一的線段。即，圖像傳感器上的成像高度（SP，y 方向上的值)能夠反應(yīng)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(yuǎn)，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(jù)成像高度來求 取物體到裝置的距離。
[0033]圖3是三角測量法中采用的基本幾何原理的簡化圖。如圖所示，由光源10發(fā)射出的 光照射到目標(biāo)物體(例如，圖1中的墻面30)上，所述光在目標(biāo)物體處反射并進(jìn)入相機(jī)傳感器 的成像平面。光源10發(fā)出的光可以是光點(diǎn)，也可以是諸如線形光的結(jié)構(gòu)光。在對結(jié)構(gòu)光進(jìn)行 成像的情況下，可以將該結(jié)構(gòu)光看作是多個(gè)光點(diǎn)的集合，并且對于一定范圍以內(nèi)的結(jié)構(gòu)光， 仍然可由三角測量法進(jìn)行距離計(jì)算。
[0034]由此，根據(jù)相似三角形，可以認(rèn)為測距裝置到物體的距離q被定義為：
[0035]
[0036]其中f是相機(jī)的焦距，s是光源到相機(jī)的基線距離，并且X是成像平面上的視差，即 平行于源束的光線與從物體反射的光線之間的距離。因此，可以根據(jù)從物體反射到圖像中 的光點(diǎn)的位置來確定測距裝置到物體的距離。
[0037] 由于光源相對于成像軸線的角度固定，因此可以根據(jù)三角關(guān)系進(jìn)一步推導(dǎo)出下 式：
[0038]
[0039] 由此可知，范圍靈敏度隨著距離的增加迅速下降。這種非線性關(guān)系會(huì)導(dǎo)致遠(yuǎn)端的 測量精度大幅下降。例如，如果傳感器中對應(yīng)于深度距離的方向上（例如，y方向上)單個(gè)像 素的偏移對應(yīng)于lm處的1 cm偏移，則傳感器圖像上相同的單像素偏移對應(yīng)于2m處的4cm偏 移，直至5m處的25cm偏移。
[0040] 因此，對于傳統(tǒng)的測距系統(tǒng)，由于范圍靈敏度隨景深深度的增加而迅速下降，會(huì)存 在空間靈敏度分布不均的固有缺陷。
[0041] 為了解決上述問題，本發(fā)明提出了一種結(jié)構(gòu)光測距裝置。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明一 個(gè)實(shí)施例的測距裝置的示意圖。該裝置包括光源100、成像單元200和處理器400。光源100用 于向被測空間投射結(jié)構(gòu)光。該光源可以是發(fā)射線形激光的激光器。成像單元200與光源100 之間具有預(yù)定相對空間位置關(guān)系。例如，可以具有基線距離s和夾角β。該基線距離s和夾角β 能夠根據(jù)具體應(yīng)用而加以調(diào)整。本發(fā)明的成像單元200除了包括常規(guī)的圖像傳感器和成像 透鏡201之外，還包括附加光學(xué)組件202。成像透鏡201可以在圖像傳感器上實(shí)現(xiàn)符合上式 (1)和(2)描述的圖像。通過在光路中添加附加光學(xué)組件202,則可以對常規(guī)成像裝置的固有 成像比例進(jìn)行調(diào)整。
[0042]在一個(gè)實(shí)施例中，附加光學(xué)組件202被設(shè)置為增大被測空間內(nèi)特定位置范圍內(nèi)的 障礙物的反射光在圖像傳感器上的成像比例。例如，可以將該附加光學(xué)組件202設(shè)置為增大 被測空間遠(yuǎn)端在成像面上的成像比例。更進(jìn)一步地，還可以將附加光學(xué)組件202設(shè)置為減小 所述被測空間內(nèi)其他位置范圍內(nèi)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(xué)組件202,可以減緩空間靈敏度隨景深增加的劣化趨勢。 [0043] 處理器400連接至成像單元200。處理器400根據(jù)成像單元200與光源100之間具有 預(yù)定相對空間位置關(guān)系、障礙物在圖像傳感器上的成像、以及由附加光學(xué)組件202調(diào)整后的 成像比例來計(jì)算障礙物的深度距離。處理器400還可以控制成像單元的成像。優(yōu)選地，處理 器400還可以與光源100相連，以控制光源的結(jié)構(gòu)光投射。
[0044] 在沒有添加本發(fā)明的附加光學(xué)組件202的常規(guī)配置下（例如，圖1的配置），線形激 光的投影的移動(dòng)對近處的變化反應(yīng)靈敏(例如，在lm處lcm的移動(dòng)就能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器對應(yīng)于 深度距離方向上一個(gè)像素的移動(dòng)），對遠(yuǎn)處的變化遲鈍(例如，在5m處需要25cm的移動(dòng)才能 夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)像素的移動(dòng)）。而在向成像光路添加附加光學(xué)組件202之后，能夠調(diào)整深度距離 與圖像位置的關(guān)系，使得近景變化在圖像傳感器上所占據(jù)的像素?cái)?shù)減小，遠(yuǎn)景變化所占據(jù) 的像素?cái)?shù)增大。
[0045] 在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，可以將附加光學(xué)組件202設(shè)置為使得所述圖像傳感器對應(yīng) 于深度距離的方向上(例如，圖2所示的y方向上)的每個(gè)像素都代表所述被測空間內(nèi)距所述 裝置的相同距離的變化。也就是說，實(shí)現(xiàn)空間靈敏度的均勻分布，其關(guān)系式如下：
[0046]
[0047]其中，a是常數(shù)，X'是經(jīng)附加光學(xué)組件202調(diào)整后的新視差。將式（1)帶入上式（3)， 得到d(fS/X)/dx' =a，運(yùn)算得到= dx%對兩邊進(jìn)行積分后得到：
[0048]
[0049] 不同于在常規(guī)光學(xué)系統(tǒng)中，視差X隨深度距離q的增大而減小。在新的光學(xué)系統(tǒng)中， X'隨深度距離q的增大而增大，在實(shí)際應(yīng)用中，常規(guī)系統(tǒng)的視差X會(huì)非常小。這時(shí)，可以通過 合理選擇a來實(shí)現(xiàn)能夠符合光學(xué)加工要求的X'。由此，就能夠?qū)崿F(xiàn)在被測空間內(nèi)均勻分布的 空間靈敏度。例如，在0.1米至6米的被測空間范圍內(nèi)，保持在各個(gè)深度距離上lcm的移動(dòng)對 應(yīng)圖像上1個(gè)像素的移動(dòng)。
[0050] 通常情況下，由于成像單元本身存在的結(jié)構(gòu)缺陷，會(huì)導(dǎo)致所拍攝的圖像在一定程 度上發(fā)生變形，尤其是越往圖像邊緣方向，變形就越嚴(yán)重。因此需要通過畸變矯正來對變形 的圖像進(jìn)行矯正，例如，將成像為兩邊彎曲的形狀矯正成真實(shí)的直線型。在一個(gè)實(shí)施例中， 可以通過加工非球面透鏡得到低畸變的附加光學(xué)組件，并使用該附加光學(xué)組件光學(xué)矯正成 像單元固有圖像畸變的至少一部分。在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明的測距系統(tǒng)還可以包括圖 像矯正單元，用于對經(jīng)由附加光學(xué)組件和成像透鏡成像的圖像進(jìn)行數(shù)字矯正。例如，將視差 像素與深度距離之間建立起對應(yīng)關(guān)系，比如，每2個(gè)像素視差對應(yīng)于被測空間內(nèi)4cm的移動(dòng)。 另外，也可以不對圖像進(jìn)行矯正，而是逐行或是逐列像素的進(jìn)行標(biāo)定，以計(jì)算第η行或第η列 的像素視差所對應(yīng)的深度距離。
[0051] 雖然在圖4中為了方便說明，將附加光學(xué)組件202示出為與固有的光學(xué)透鏡201分 開，但實(shí)際上附加光學(xué)組件可以與成像透鏡緊密相接，以使得包括該附加光學(xué)組件的成像 單元形成一體化器件。例如，在現(xiàn)有的相機(jī)組件外直接添加該附加光學(xué)組件的鏡頭，以實(shí)現(xiàn) 例如滿足保潔機(jī)器人所需的簡單且緊湊的結(jié)構(gòu)。另外，雖然圖4中示出附加光學(xué)組件202位 于光學(xué)透鏡201和被測空間之間，但在其他的實(shí)施例中，附加光學(xué)組件202也可以根據(jù)需要 位于光學(xué)透鏡201和圖像傳感器之間。
[0052] 對于上述測距裝置的日常應(yīng)用而言，例如設(shè)置在保潔機(jī)器人上時(shí)，可以將光源和 成像單元設(shè)置在機(jī)器人的正前方，其中光源設(shè)置在機(jī)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(jī)器人的主板相連，為主板提供當(dāng)前所在的位置信息，以供主板 進(jìn)行處理和行動(dòng)決策。
[0053]在實(shí)際使用中，可以采用1280*720分辨率的圖像傳感器。但由于本發(fā)明的測距裝 置改善了整體的深度成像精度（即，使得成像精度更為均勻），因此也可以采用1280*360或 以下分辨率的圖像傳感器，由此獲得更大的圖像幀率，以實(shí)現(xiàn)對環(huán)境變化反應(yīng)更為靈敏的 測距和導(dǎo)航。
[0054]此外，本發(fā)明還可以通過旋轉(zhuǎn)圖像傳感器的方向來提升距離檢測裝置和方法的效 率。圖5示出了投射的線形光在圖像傳感器上成像的兩個(gè)例子。圖5Α示出的是障礙物等深的 情況(例如，圖2Α所示的平坦墻面），圖5Β示出的是障礙物不等深的情況(例如，圖2C所示的 凹入墻面，外加近處散亂各處的物品）。由圖可知并且根據(jù)線形光的特點(diǎn)，只有在障礙物等 深的理想情況下，線形光會(huì)成像在圖像傳感器的特定幾行像素內(nèi)，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，由于投射出的線形光會(huì)被處在不同位置的各種障礙 物反射，因此線形光會(huì)在傳感器的列方向上移動(dòng)而分段成像在不同的像素行內(nèi)。但是，由于 投射的是寬度有限的線形光，因此每一個(gè)像素列中必然僅有幾個(gè)相連的像素（即，與線形光 寬度相對應(yīng)的像素)包含圖像數(shù)據(jù)信息。
[0055]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(gè)像素行進(jìn)行逐行掃描才能提取有效的成像信息。 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，將圖像傳感器旋轉(zhuǎn)90°放置，使得線性光變?yōu)樵谠瓐D像傳感器的 行方向移動(dòng)。在逐行(在旋轉(zhuǎn)后變?yōu)橹鹆校┳x取圖像像素時(shí)，每一行均能獲得具有視差位移 的若干相連光點(diǎn)（視線性光寬度而定），并據(jù)此計(jì)算出深度距離。由于每一行僅需緩存若干 像素，因此能夠提升計(jì)算效率，加快檢測速度。
[0056]另外，本發(fā)明的測距系統(tǒng)還可以利用改進(jìn)的投射裝置來投射線形激光。圖6示出了 根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的光源100的示意圖。光源100包括激光器101和二級(jí)光學(xué)衍射元件 102。從激光發(fā)生器101出射的激光束A經(jīng)準(zhǔn)直后入射二級(jí)光學(xué)衍射元件102,得到在輻射角 方向上經(jīng)拼接的線形激光C，即由N個(gè)輻射角為α的線形激光Q-Cn(圖中示例為&-C3，即取N =3)拼接成的輻射角為N X α的線形激光C。
[0057]具體地，圖7Α和7Β示出了根據(jù)圖6的二級(jí)光學(xué)衍射元件的兩個(gè)例子。
[0058] 如圖7Α所示，光束Α入射到二級(jí)光學(xué)衍射元件102,后者包括第一級(jí)光學(xué)元件1021 和第二級(jí)光學(xué)元件1022。
[0059] 第一級(jí)光學(xué)元件1021對入射光束進(jìn)行分束。在一個(gè)實(shí)施例中，第一級(jí)光學(xué)元件 1021可以被設(shè)計(jì)為將入射光束在第一方向上分束成N個(gè)子光束B，相鄰兩個(gè)所述子光束之間 的夾角α相同，其中N為奇數(shù)。N個(gè)子光束B可以是N個(gè)點(diǎn)狀激光。雖然圖中示出了3個(gè)子光束 200(即，Ν為3)，但是在實(shí)際應(yīng)用中Ν可以取5、7、9,甚至更多。
[0060] 第一方向可以是水平方向，也可以是豎直方向。相應(yīng)地，下面描述的第二方向可以 是豎直方向，也可以是水平方向。一些情況下，第一方向和第二方向也可以是相互垂直但與 水平方向成一夾角的方向。該夾角是銳角。
[0061] 第二級(jí)光學(xué)元件1022對Ν個(gè)子光束Β進(jìn)行衍射。在一個(gè)實(shí)施例中，第二級(jí)光學(xué)元件 1022可以被設(shè)計(jì)為將Ν個(gè)子光束衍射成Ν個(gè)在第一方向上的輻射角為α的線形光束Ci-Cn。第 一級(jí)光學(xué)元件1021和第二級(jí)光學(xué)元件1022被設(shè)計(jì)為將這N個(gè)線形光束&-C N在所述第一方向 上相互拼接，從而形成一個(gè)輻射角為ΝΧα的線形光束C。
[0062] 如圖7Β所示，二級(jí)光學(xué)衍射元件102包括第一級(jí)光學(xué)元件1021'和第二級(jí)光學(xué)元件 1022,。
[0063] 第一級(jí)光學(xué)元件1021'對入射光束進(jìn)行衍射。在一個(gè)實(shí)施例中，第一級(jí)光學(xué)元件 1021'可以被設(shè)計(jì)為將入射光束衍射成在第一方向上輻射角為α的線形激光。
[0064] 第二級(jí)光學(xué)元件1022'對輻射角為α的線形激光進(jìn)行復(fù)制和拼接。在一個(gè)實(shí)施例 中，第二級(jí)光學(xué)元件1022'可以被設(shè)計(jì)為將線形激光衍射為Ν個(gè)在第一方向上的輻射角為α 的線形光束Ci-C N。第一級(jí)光學(xué)元件1021'和第二級(jí)光學(xué)元件1022 '被設(shè)計(jì)為使得Ν個(gè)線形光 束(^-&在所述第一方向上相互拼接，從而形成一個(gè)輻射角為ΝΧα的線形光束C，其中N為奇 數(shù)。雖然圖中示出了 3個(gè)子光束B'（即，Ν為3)，但是在實(shí)際應(yīng)用中Ν可以取5、7、9,甚至更多。 [0065]圖6-7中的光學(xué)衍射元件是指利用光波的衍射原理對光波傳播方向進(jìn)行偏折的光 學(xué)元件。二級(jí)光學(xué)衍射元件的光軸可以重合，如圖中虛線所示。
[0066]由于投射出的線形激光C其兩端的亮度會(huì)略低，因此可以允許相鄰線形光束有一 定程度的交疊，如圖中亮線301和302所示。在實(shí)際應(yīng)用中，可以允許100個(gè)像素以內(nèi)的交疊。 [0067]當(dāng)兩級(jí)光學(xué)元件之間的距離很近時(shí)(例如，接近為零時(shí)），可以視作N個(gè)子光束從一 個(gè)入射點(diǎn)入射。如果兩級(jí)光學(xué)元件之間的距離拉開，可以視作N個(gè)子光束從N個(gè)入射點(diǎn)入射。 隨著兩級(jí)光學(xué)元件之間的距離的增大，拼接的線（即，從第二級(jí)光學(xué)元件出射的N條線形光） 之間的距離會(huì)增大。因此，可以恰當(dāng)設(shè)計(jì)兩級(jí)光學(xué)元件之間的距離，以保證這N個(gè)線形光束 的恰當(dāng)拼接。
[0068] 通常情況下，為了得到強(qiáng)度均勻的線形激光，希望經(jīng)過第二級(jí)光學(xué)元件得到的N個(gè) 線性光束的能量相同。但考慮到透鏡設(shè)計(jì)及成像中通常會(huì)遇到的圖像暗角問題（即，圖像兩 側(cè)成像亮度略低于中心亮度），所以可以將第一級(jí)光學(xué)元件和第二級(jí)光學(xué)元件設(shè)計(jì)為使得N 個(gè)線形光束中兩側(cè)的線形光束的能量高于其他的線形光束的能量。這可以通過將第一級(jí)光 學(xué)元件設(shè)計(jì)為使得N個(gè)點(diǎn)狀激光中兩側(cè)的點(diǎn)狀激光的能量要高于其他的點(diǎn)狀激光的能量來 實(shí)現(xiàn)。在N = 3,即三束點(diǎn)狀激光的情況下，可以采取兩側(cè)激光能量略高于中心激光約5%左 右的數(shù)值。另外，還可以通過調(diào)整第二級(jí)光學(xué)元件的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。
[0069] 在本發(fā)明中，二級(jí)光學(xué)衍射元件102優(yōu)選由二元光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)。在這里，可以認(rèn)為 二元光學(xué)元件是指基于光波的衍射理論，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，并用超大規(guī)模集成(VLSI) 電路制作工藝，在片基上（或傳統(tǒng)光學(xué)器件表面)刻蝕產(chǎn)生兩個(gè)或多個(gè)臺(tái)階深度的浮雕結(jié) 構(gòu)，形成純相位、同軸再現(xiàn)、具有極高衍射效率的一類衍射光學(xué)元件。由于二元光學(xué)元件是 一種純相位衍射光學(xué)元件，為得到高衍射效率，可做成多相位階數(shù)的浮雕結(jié)構(gòu)。由于隨著階 數(shù)的增大，加工難度和成本也相應(yīng)增加。因此在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)在選擇適當(dāng)?shù)碾A數(shù)來對效率 和成本加以平衡。圖8示出了根據(jù)本發(fā)明原理的包括二級(jí)衍射裝置的光源的最終投影的實(shí) 拍圖。在此例中，兩側(cè)與中央的強(qiáng)度比可達(dá)9:10。
[0070] 在另一個(gè)實(shí)施例中，也可以在激光準(zhǔn)直之后直接通過一級(jí)二元光學(xué)元件（即，光源 包括激光發(fā)生器和一級(jí)的二元光學(xué)元件），同樣能夠得到強(qiáng)度均勻的線形激光。但受到現(xiàn)有 技術(shù)的限制，一級(jí)二元光學(xué)元件的輻射角不大于90°。
[0071] 如上描述了根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)光測距裝置?？梢允褂帽景l(fā)明的結(jié)構(gòu)光測距裝置， 來實(shí)現(xiàn)一種新穎的結(jié)構(gòu)光測距方法。該方法包括:用光源向被測空間投射結(jié)構(gòu)光；用與所述 光源之間具有預(yù)定相對空間位置關(guān)系的成像單元對被所述被測空間內(nèi)障礙物反射的結(jié)構(gòu) 光進(jìn)行成像，所述成像單元包括圖像傳感器、成像透鏡和附加光學(xué)組件，所述反射的結(jié)構(gòu)光 經(jīng)由所述附加光學(xué)組件和所述成像透鏡在所述圖像傳感器上成像，其中所述被測空間內(nèi)特 定位置范圍內(nèi)的障礙物在所述圖像傳感器上的成像比例被所述附加光學(xué)組件增大。
[0072] 同樣地，被測空間內(nèi)其他位置范圍內(nèi)的障礙物在所述圖像傳感器上的成像比例被 所述附加光學(xué)組件減小，并且可以進(jìn)一步地用附加光學(xué)組件使得圖像傳感器豎直方向上的 每個(gè)像素都代表所述被測空間內(nèi)距所述裝置的相同單位的變化。
[0073] 此外，該實(shí)施例中的結(jié)構(gòu)光可以是線形激光。因此該方法還可以相應(yīng)地包括將逐 行掃描的所述圖像傳感器旋轉(zhuǎn)90度放置，并在逐行讀取像素時(shí)僅需每行緩存對應(yīng)于線性激 光寬度的像素。
[0074]上文中已經(jīng)參考附圖詳細(xì)描述了根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)光測距裝置和方法。以上描述 的本發(fā)明的各實(shí)施例，上述說明是示例性的，并非窮盡性的，并且也不限于所披露的各實(shí)施 例。在不偏離所說明的各實(shí)施例的范圍和精神的情況下，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員 來說許多修改和變更都是顯而易見的。本文中所用術(shù)語的選擇，旨在最好地解釋各實(shí)施例 的原理、實(shí)際應(yīng)用或?qū)κ袌鲋械募夹g(shù)的改進(jìn)，或者使本技術(shù)領(lǐng)域的其它普通技術(shù)人員能理 解本文披露的各實(shí)施例。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種結(jié)構(gòu)光測距裝置，包括： 向被測空間投射結(jié)構(gòu)光的光源；以及 與所述光源之間具有預(yù)定的相對空間位置關(guān)系并且包括圖像傳感器、成像透鏡和附加 光學(xué)組件的成像單元，被所述被測空間內(nèi)障礙物反射的結(jié)構(gòu)光經(jīng)由所述附加光學(xué)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(xué)組件被設(shè)置為增大所述被測空間 內(nèi)特定位置范圍內(nèi)的障礙物的反射光在所述圖像傳感器上的成像比例；以及 連接至所述成像單元的處理器，所述處理器根據(jù)所述相對空間位置關(guān)系、所述障礙物 在所述圖像傳感器上的成像、以及所述成像比例計(jì)算所述障礙物的深度距離。2. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述附加光學(xué)組件還被設(shè)置為減小所述被測空間內(nèi) 其他位置范圍內(nèi)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(quán)利要求2所述的裝置，其中所述附加光學(xué)組件被設(shè)置為使得所述圖像傳感器對 應(yīng)于深度距離的方向上的每個(gè)像素都代表所述被測空間內(nèi)距所述裝置的相同深度距離的 變化。4. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述附加光學(xué)組件光學(xué)矯正所述成像單元固有圖像 畸變的至少一部分。5. 如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括圖像矯正單元，用于對經(jīng)由所述附加光學(xué)組件和所 述成像透鏡成像的圖像進(jìn)行數(shù)字矯正。6. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述附加光學(xué)組件與所述成像透鏡緊密相接以使得 所述成像單元形成一體化器件。7. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述結(jié)構(gòu)光是線形激光。8. 如權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述圖像傳感器是被旋轉(zhuǎn)90度放置的逐行掃描圖像 傳感器。9. 如權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述光源包括激光器和二級(jí)光學(xué)衍射元件，從所述激 光器出射的激光束經(jīng)準(zhǔn)直后入射所述二級(jí)光學(xué)衍射元件，得到在輻射角方向上經(jīng)拼接的線 形激光。10. -種結(jié)構(gòu)光測距方法，包括： 用光源向被測空間投射結(jié)構(gòu)光； 用與所述光源之間具有預(yù)定相對空間位置關(guān)系的成像單元對被所述被測空間內(nèi)障礙 物反射的結(jié)構(gòu)光進(jìn)行成像，所述成像單元包括圖像傳感器、成像透鏡和附加光學(xué)組件，所述 反射的結(jié)構(gòu)光經(jīng)由所述附加光學(xué)組件和所述成像透鏡在所述圖像傳感器上成像，其中所述 被測空間內(nèi)特定位置范圍內(nèi)的障礙物在所述圖像傳感器上的成像比例被所述附加光學(xué)組 件增大；以及 根據(jù)所述預(yù)定關(guān)系、所述障礙物在所述圖像傳感器上的成像以及所述成像比例計(jì)算所 述障礙物的深度距離。11. 如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述被測空間內(nèi)其他位置范圍內(nèi)的障礙物在所述 圖像傳感器上的成像比例被所述附加光學(xué)組件減小。12. 如權(quán)利要求10所述的方法，其中用所述附加光學(xué)組件使得所述圖像傳感器豎直方 向上的每個(gè)像素都代表所述被測空間內(nèi)距所述裝置的相同深度距離的變化。13. 如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述結(jié)構(gòu)光是線形激光，并且所述方法還包括： 將逐行掃描的所述圖像傳感器旋轉(zhuǎn)90度放置，并在逐行讀取像素時(shí)僅需每行緩存對應(yīng) 于線性激光寬度的像素。
【文檔編號(hào)】G01S7/481GK105974427SQ201610474501
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月24日
【發(fā)明人】王敏捷, 梁雨時(shí)
【申請人】上海圖漾信息科技有限公司