CN108572369A - 一种微镜扫描探测装置及探测方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种具有微镜的扫描探测方法，光发射模块发出红外探测光；所述微镜在工作过程中不断转动，将红外探测光以不同的角度反射到外部环境中；数据处理模块通过飞行时间法计算扫描探测装置与障碍物之间的距离；其中，所述接收模块中具有面阵光电传感器；所述接收模块与光发射模块采取收发分置的结构。采用本申请所涉及的微镜扫描探测装置及方法：（1）不需要精确知道微镜的转动角度，只需要探测范围覆盖接收模块接收视场的范围；（2）通过面阵光电传感器来确定障碍物的方位角度；（3）由于通过微镜来将探测光进行反射，使得光发射模块直接发出的探测光光束集中，增加了探测光的光强，进而使得探测装置能够探测到更远处的障碍物。

Description

一种微镜扫描探测装置及探测方法
技术领域
本申请涉及一种探测装置，特别涉及一种具有微镜的扫描探测装置。以及该探测装置的扫描探测方法。
背景技术
3D视觉装置能够对周围环境3D图像的深度信息进行探测，在机器人、智能移动平台等领域具有广泛的应用场景。目前的3D视觉装置一种方式是使用全固态的结构，即在装置中没有任何机械旋转结构，通过对装置发射模块的探测光发散角、接收模块的接收视场角设计，来对一定距离内、一定范围内的物体进行距离探测。其他的一种3D视觉装置采用旋转扫描的方式来进行探测，即通过电机驱动探测装置360度不断旋转，从而实现对周围环境的360度扫描。还有一种3D视觉装置采用介于上述两种装置之间的一种方式，装置本身整体不发生旋转，而在装置内部设置有微机械转动结构，例如微反射镜，来对发射模块中光源发出的探测光进行方向改变，从而以不同角度发射到周围环境中，实现对探测局域的扫描探测。
然而，在现有技术中，采用微镜结构的探测装置：（1）通常需要准确获知微镜的转动角度多少和/或微镜的角度位置状态；（2）通常探测光源在探测局域内要求不能够重合，以防止造成扫描成像信息不准确，对探测光的出射角度以及光束准直质量要求较高；（3）在每个角度需要完成对信号的接收以及数据处理之后，才进行下一个角度的探测。
发明内容
本申请提供一种微镜扫描探测方法，光发射模块发出红外探测光，所述红外探测光照射到微镜上；所述微镜在工作过程中不断转动，将红外探测光以不同的角度反射到外部环境中；被微镜反射的红外探测光遇到障碍物后，被障碍物反射；接收模块接收由被障碍物反射的红外探测光，将光信号转换为电信号；数据处理模块依据接收模块接转换的电信号，通过飞行时间法计算扫描探测装置与障碍物之间的距离；其中，所述接收模块中具有面阵光电传感器；所述接收模块与光发射模块采取收发分置的结构。
进一步地，所述面阵光电传感器为由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，其中，M大于等于1，N大于等于1，但M和N非同时等于1。
在其中的任一实施例中，所述微镜为单轴转动微镜，或者为X-Y两个轴的双轴转动微镜，被微镜反射的红外探测光所覆盖的视场范围大于或者等于接收模块的接收视场范围。
在其中的任一实施例中，在微镜工作过程中每两个相邻的不同转动角度状态中，被微镜反射的红外探测光在探测视场范围具有重叠的部分，或者不具有重叠的部分。
在其中的任一实施例中，通过面阵光电传感器的其中每个光电传感器单元在面阵光电传感器中所处的位置，来确定探测区域中障碍的方位角度。
在其中的任一实施例中，光发射模块发出线光源，所述微镜单轴转动，所述微镜在与线光源正交的方向上转动。
在其中的任一实施例中，在接收模块接收到被障碍物反射的红外探测光，将光信号转换为电信号后，在数据处理模块基于所述电信号进行距离计算的过程中，同时控制微镜转动到下一个探测角度。
在其中的任一实施例中，当所述接收模块中光电传感单元接收到的被障碍物反射的红外探测光的光强数值低于置信值时，放弃依据该光电传感器单元所得到的距离值；当所述接收模块中光电传感单元接收到的被障碍物反射的红外探测光的光强数值高于置信值时，保留依据该光电传感器单元所得到的距离值。
进一步地，同一光电传感器单元，在微镜处于不同的角度状态时，对重复得到的保留的距离值进行平均。
在其中的任一实施例中，接收模块还得到被障碍物反射回的探测光的灰度数据。
采用本申请所涉及的微镜扫描探测装置及方法：（1）不需要精确知道微镜的转动角度，只需要将光发射模块中发出的探测光反射后，其探测范围覆盖接收模块接收视场的范围；（2）由于采用面阵光电传感器，通过面阵光电传感器来确定物体（障碍物）的方位角度；（3）由于通过微镜来将探测光进行反射，使得光发射模块直接发出的探测光光束集中，增加了探测光的光强，进而使得探测装置能够探测到更远处的物体（障碍物）。
附图说明
图1为具有微镜的扫描探测装置结构示意图。
图2为接收模块中面阵光电传感器的结构示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
本申请所涉及的一种微镜扫描探测装置的其中一实施例如图1所示，一种具有微镜结构的扫描探测装置，包括光发射模块10、微镜30、接收模块30、数据处理模块。该微镜扫描探测装置基于飞行时间法计算所述装置与环境中被测物体（即障碍物）之间的距离。
该微镜扫描探测装置的探测过程为：光发射模块发出红外探测光，所述红外探测光射向微镜上；微镜将红外探测光发射到外部环境中，其中，在工作过程中控制该微镜不断转动，将红外探测光以不同的角度反射到外部环境中；出射到探测装置外部环境中的红外探测光遇到被测物体（即障碍物）被反射；由被测物体反射的红外探测光入射到接收模块中，接收模块接收由被测物体反射的红外探测光；该接收模块还能够得到由被测物体反射回的探测光的光强和灰度数据；数据处理模块与接收模块相连接，基于飞行时间法，数据处理模块计算出探测装置与被测物体之间的距离。
数据处理模块还能够依据接收模块得到的距离信息和光强信息。接收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。所述接收模块将光转换为电信号。数据处理模块基于接收模块将光转换为的电信号，通过飞行时间法计算扫描探测装置与障碍物之间的距离。
所述微镜可以为单轴转动微镜，或者为X-Y两个轴的双轴转动微镜。所述微镜在工作过程中不断转动，将红外探测光以不同角度发射到外部环境中。该通过微镜反射的红外探测光所覆盖的视场范围大于或者等于接收模块的接收视场范围。所述微镜为微小的反光镜。
上述的任意一实施例中，所述光发射模块具有光源，所述光源为激光光源或者为LED光源。
光发射模块中光源发出探测光，在优选的实施例中，发出红外探测光。根据光源的类型，在光源的光路上，还根据需要，选择设置有对光源发出的红外探测光进行整形的透镜装置。例如当使用LED作为光源时，由于LED光源具有较大的发散角，在LED光源发出的红外探测光光路上，还设置有会聚透镜。该会聚透镜将由LED光源发出的红外探测光会聚到微镜上。在优选的实施例中，所述会聚透镜将LED光源发出的红外探测光准直，出射到微镜上。例如当时用激光光源时，可以根据激光光束的形状不设置透镜装置。或者，可以当激光光源发出的红外探测光光束过于集中，在激光光源发出红外探测光的光路上设置有扩束透镜；进一步地，为了将经过扩束的透镜准直，还可以选择设置有准直透镜。
上述的任意一实施例中，所述接收模块与光发射模块采取收发分置的结构。所述收发分置的结构，即接收模块接收被障碍物反射的红外探测光不需要经过微镜的反射。
上述的任意一实施例中，所述接收模块中包含光电传感器。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2所示，微镜扫描探测装置采用由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，数据处理模块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，其中的每个光电传感器单元可以单独独立工作。数据处理模块能够独立根据光电传感器单元的数据来进行距离计算。M以及N的个数可以根据具体应用设置。其中，M大于等于1，N大于等于1，但非同时等于1。
本申请所涉及的微镜扫描探测装置，能够得到被测物体在水平方向上N个位置、以及得到在垂直于水平方向上的M个位置的距离信息。
为了将被障碍物反射回来的探测光成像于接收模块中的光电传感器上，在光电传感器接收红外探测光的光路上，还设置有成像镜头。接收模块具有大的接收视场角，以对外部环境中足够大的区域进行探测。成像镜头的视场角可根据探测区域的需要来选择。
在优选的实施例中，该成像镜头上镀有峰值位于850nm的红外带通滤光膜。850nm的选取依据光发射模块发出的红外探测光的发光峰值而定，只需满足该红外带通滤光膜的透过峰值位置与光发射模块的红外探测光光谱峰值位置相匹配即可。该红外带通滤光膜将环境光滤除，提高固态面阵测距装置的信噪比。该带通滤光膜可由滤光片替代，直接设置于光电传感器的红外探测光接收面上。在可选的实施例中，上述滤光膜可以用滤光片代替，该滤光片设置于接收光路中，不限于设置于成像镜头或者传感器的红外探测光接收面上。
在不具有微镜结构的全固态探测装置中，所谓全固态是探测装置中完全没有机械转动结构，需要光源发出的探测光完全覆盖接收模块的接收视场角，以完成较大探测范围的探测。但是由于光发射模块中的光源固定，要想完全覆盖接收模块的视场范围，需要设置多个光源光源来完成，然而光发射模块中的光源为了满足大的视场角，牺牲了探测光的光强，例如只能在10米以内有效探测到较大的视场范围，更远的距离由于探测光的光强弱，不能有效得到有效准确的距离数据。
而本申请涉及的一种微镜扫描探测装置，由于采用了微镜来将光发射模块中光源发出的探测光反射，通过微镜的角度变换，来实现对较大视场范围内的物体（障碍物）进行探测，即一方面将光源的光束集中到微镜上，增加了探测光在单个角度上的光强，可以探测到相对于全固态探测装置更远的探测距离，另一方面通过微镜角度的变化，实现大视场角的探测光覆盖范围。例如覆盖水平160度，垂直90度的视场范围。
另外，在本申请所涉及的一种微镜扫描探测装置，由于采用了面阵光电传感器，因而，并不需要精确知道微镜的转动角度，只要在微镜的转动过程中能够覆盖到探测区域即可。即使在每两个相邻的不同转动角度状态中，允许两个角度的红外探测光探测视场范围具有重叠的部分。
该探测装置对角度的确定方法，根据面阵光电传感器的接收视场以及面阵光电传感器中M和N的个数来确定，例如在320*240的面阵光电传感器结构中，如果接收模块的接收视场角为水平160度，垂直90度，那么每个像素所对应的视场角为水平0.5度，垂直0.375度，每个像素对应一个方位角度，即通过面阵光电传感器的其中每个像素单元（光电传感器单元）在面阵光电传感器中所处的位置，来确定探测区域中物体（障碍物）的距离以及方位角度。
在本申请所涉及的微镜扫描探测装置中，微镜可以为单轴转动或者X-Y双轴转动。在单轴转动中，为了达到较大的探测覆盖范围，优选光发射模块中的光源为线光源，而单轴转动的微镜在与线光源正交的方向上转动，以实现在水平及垂直方向都能够具有较大的探测覆盖范围，并且该探测覆盖范围不小于接收模块的接收视场范围。而在X-Y双周的微镜结构中，其适合的对应光源优选为发出具有一定横截面积的光束。在优选的实施例中，该光束的横截面积不大于微镜的面积，以防止产生额外的没有照射到微镜上，而照射到装置内部，形成干扰光。其中，无论是在单轴或者X-Y双轴结构的微镜，在探测装置的工作过程中都不需要精确知道其旋转的角度，允许相邻的转动角度中，反射到环境中的探测光有重叠的部分。
因此，采用本申请所涉及的微镜扫描探测装置，相对于全固态的探测装置：（1）不需要精确知道微镜的转动角度，只需要将光发射模块中发出的探测光反射后，其探测范围覆盖接收模块接收视场的范围；（2）由于采用面阵光电传感器，通过面阵光电传感器来确定物体（障碍物）的方位角度；（3）由于通过微镜来将探测光进行反射，使得光发射模块直接发出的探测光光束集中，增加了探测光的光强，进而使得探测装置能够探测到更远处的物体（障碍物）。
由于本申请中所涉及的探测装置具有微镜结构，以及面阵光电传感器，该探测装置具有更灵活以及有效的探测方式方法。
（一）分时工作。由于面阵光电传感器在工作过程中是先进行对被障碍物反射回的探测光的传感，即将被障碍物反射回的探测光信号转换为电信号，在此之后，数据处理模块基于上述电信号进行距离计算，并且通常，该数据处理模块的计算过程需要花费与传感过程相当的时间。
因而，本申请涉及一种节约时间的探测方法，即在面阵光电传感器完成传感过程后，在数据处理模块基于传感过程所得的电信号进行距离计算过程中，同时进行对微镜转动的控制，转动到下一个探测角度。即在上一个距离值获得过程中的数据处理时间，同时完成微镜下一个角度的转动过程，在完成上一个距离值获得过程中的数据处理之后，马上进行新的传感器对被障碍物反射回的探测光的传感过程。这样节约了探测之间，增加探测装置的扫描频率。
（二）设置置信值。如前所述，本申请所涉及的探测装置不需要精确知道在工作过程中微镜转动的每个角度数据，允许微镜在相邻两个转动角度反射的红外探测光具有重叠的部分，因此就涉及到如何来处理重叠部分所探测得到的距离值。其中的一种方法是设置置信值。该置信值与接收模块所接收到的被障碍物反射回的探测光的光强相关。
被微镜反射出的红外探测光，存在光斑不均匀的情况，例如有可能光斑中心的光强强，而在光斑边缘的光强弱。因此，接收模块收到的被反射回的探测光的光强也不同，因而可以针对光强的不同来处理数据。例如在其中的一实施例中，设置置信值为200，该200为接收模块接收到的光强数值。当接收模块中面阵光电传感器的部分像素接收到反射回的探测光的光强数值低于200，则放弃进行该像素的距离计算值。当接收模块中面阵光电传感器的部分像素接收到反射回的探测光的光强值高于数200，则保留该像素的距离计算，如果在两个不同的微镜转动角度处，部分像素重复接收到了可信的距离值，则进行平均后，输出真实探测距离值。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种扫描探测方法，其特征在于，
光发射模块发出红外探测光，所述红外探测光照射到微镜上；
所述微镜在工作过程中不断转动，将红外探测光以不同的角度反射到外部环境中；
被微镜反射的红外探测光遇到障碍物后，被障碍物反射；
接收模块接收由被障碍物反射的红外探测光，将光信号转换为电信号；
数据处理模块依据接收模块接转换的电信号，通过飞行时间法计算扫描探测装置与障碍物之间的距离；
其中，所述接收模块中具有面阵光电传感器；所述接收模块与光发射模块采取收发分置的结构。
2.根据权利要求1所述的扫描探测方法，其特征在于，所述面阵光电传感器为由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，其中，M大于等于1，N大于等于1，但M和N非同时等于1。
3.根据权利要求1所述的扫描探测方法，其特征在于，所述微镜为单轴转动微镜，或者为X-Y两个轴的双轴转动微镜，被微镜反射的红外探测光所覆盖的视场范围大于或者等于接收模块的接收视场范围。
4.根据权利要求1所述的扫描探测方法，其特征在于，在微镜工作过程中每两个相邻的不同转动角度状态中，被微镜反射的红外探测光在探测视场范围具有重叠的部分，或者不具有重叠的部分。
5.根据权利要求1所述的扫描探测方法，其特征在于，通过面阵光电传感器的其中每个光电传感器单元在面阵光电传感器中所处的位置，来确定探测区域中障碍的方位角度。
6.根据权利要求1-5之一所述的扫描探测方法，其特征在于，光发射模块发出线光源，所述微镜单轴转动，所述微镜在与线光源正交的方向上转动。
7.根据权利要求1-5之一所述的扫描探测方法，其特征在于，在接收模块接收到被障碍物反射的红外探测光，将光信号转换为电信号后，在数据处理模块基于所述电信号进行距离计算的过程中，同时控制微镜转动到下一个探测角度。
8.根据权利要求1-5之一所述的扫描探测方法，其特征在于，当所述接收模块中光电传感单元接收到的被障碍物反射的红外探测光的光强数值低于置信值时，放弃依据该光电传感器单元所得到的距离值；当所述接收模块中光电传感单元接收到的被障碍物反射的红外探测光的光强数值高于置信值时，保留依据该光电传感器单元所得到的距离值。
9.根据权利要求8所述的扫描探测方法，其特征在于，同一光电传感器单元，在微镜处于不同的角度状态时，对重复得到的保留的距离值进行平均。
10.根据权利要求1-5之一所述的扫描探测方法，其特征在于，接收模块还得到被障碍物反射回的探测光的灰度数据。
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