结构光测距装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种结构光测距装置和方法。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单元，被该被测空间内障碍物反射的结构光经由附加光学组件和所述成像透镜在图像传感器上成像，其中附加光学组件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；以及用于根据上述信息计算深度距离的处理器。优选地，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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种结构光测距装置及方法，尤其涉及一种利用结构光来测量目标距离的装置和方法。
技术介绍
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以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。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)。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，可以根据三角法测量法从图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。采用三角测量法，测量夹角θ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。此外，出于成本的考虑，优选结构更为简单紧凑的测距系统。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以及相应的方法。
技术实现思路
为了解决上述至少一个问题，本专利技术提供了一种结构光测距系统和方法，能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。根据本专利技术的一个方面，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；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单元，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；以及连接至所述光源的处理器，所述处理器根据所述相对空间位置关系、所述障碍物在所述图像传感器上的成像、以及所述成像比例来计算所述障碍物的深度距离。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。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。这样，通过进一步均匀化被测空间各处的成像比例，从而能够在成像单元配置不变的情况下实现最大化的精度。优选地，附加光学组件可以用来光学矫正所述成像单元固有图像畸变的至少一部分，由此降低或是消除数字矫正的计算负担。优选地，结构光测距装置还可以包括图像矫正单元，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。优选地，结构光可以是线形激光，从而实现测量精度和成本的良好平衡。优选地，附加光学组件可以与所述成像透镜紧密相接以使得所述成像单元形成一体化器件。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。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。这样，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。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，得到在辐射角方向上经拼接的线形激光。由此就能够获得大辐射角且强度均匀的线形激光。根据本专利技术的另一个专利技术，提供了一种结构光测距方法，包括：用光源向被测空间投射结构光；用与所述光源之间具有预定相对空间位置关系的成像单元对被所述被测空间内障碍物反射的结构光进行成像，所述成像单元包括图像传感器、成像透镜和附加光学组件，所述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，其中所述被测空间内特定位置范围内的障碍物在所述图像传感器上的成像比例被所述附加光学组件增大；以及根据所述预定关系、所述障碍物在所述图像传感器上的成像以及所述成像比例计算所述障碍物的深度距离。优选地，所述被测空间内其他位置范围内的障碍物在所述图像传感器上的成像比例被所述附加光学组件减小，更优选地，可以用所述附加光学组件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单位的变化。利用本专利技术的测距装置和方法，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，本公开的上述以及其它目的、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。图1示出了不包括本专利技术的附加光学组件的测距系统的侧视图。图2A-D示出了计算障碍物深度距离的原理示意图。图3是三角测量法中采用的基本几何原理的简化示意图。图4示出了根据本专利技术一个实施例的测距装置的示意图。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6示出了根据本专利技术一个实施例的光源的示意图。图7A和7B示出了根据图6的二级光学衍射元件的两个例子。图8示出了根据本专利技术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，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这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。图1示出了不包括本专利技术的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。在这里，发射的光可以是点光，也可以是任何具有结构的光(即，结构光)，例如线形光。优选地，光源10可以是激光源，以保证线形光在被测空间范围内的会聚性。更优选地，光源10可以是近红外激光源，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。虽然图中未示出，该系统还可以包括用于根据获取的各类信息计算深度距离的处理器。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。这里假设光源具有视场a(即，辐射角a)，在实际应用中，该辐射角可以设定在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可以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。图3是三角测量法本文档来自技高网...

【技术保护点】
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单元，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；以及连接至所述成像单元的处理器，所述处理器根据所述相对空间位置关系、所述障碍物在所述图像传感器上的成像、以及所述成像比例计算所述障碍物的深度距离。

【技术特征摘要】
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单元，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；以及连接至所述成像单元的处理器，所述处理器根据所述相对空间位置关系、所述障碍物在所述图像传感器上的成像、以及所述成像比例计算所述障碍物的深度距离。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单元固有图像畸变的至少一部分。5.如权利要求1所述的装置，还包括图像矫正单元，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。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单元形成一体化器件。7.如权利要求1所述的装置，其中所述结构光是线形激光。8...

【专利技术属性】
技术研发人员：王敏捷，梁雨时，
申请(专利权)人：上海图漾信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31