CN110261872A - 激光侦测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种激光侦测装置，用于侦测目标物体的图像，所述目标物体上定义有至少两个扫描点组，每个扫描点组包括至少两个扫描点，所述激光侦测装置包括：光源模块，用于发射光源光；衍射模块，设置于所述光源光出射路径上，用于对入射的所述光源光进行衍射，以产生多束侦测光束，所述多束侦测光束分时扫描所述目标物体的所述至少两个扫描点组；光束接收模块，用于接收所述目标物体对所述多束侦测光束进行反射而形成的多束反射光；及中央控制模块，用于控制所述光源模块开启与关断，并根据所述多束反射光进行数据处理以获取所述目标物体的图像。本发明提供的激光侦测装置扫描效率高且扫描范围广。

Description

激光侦测装置
技术领域
本发明涉及物体三维图像侦测仪器领域，尤其涉及一种激光侦测装置。
背景技术
基于激光探测的深度感测技术目前被广泛的应用于地形描绘、三维物件扫瞄、无人驾驶等领域，其优势相较于其他深度感测技术，量测距离范围较大，且可适应更低亮度的测量环境。激光探测***可分为闪光式激光探测***与扫描式激光探测***两类。
闪光式激光探测***主要包含一照明模组和一飞行时间(Time-of-Flight,ToF)阵列侦测器。照明模组用于发出一扩束的脉冲光线照射于待探测物体上，该待探测物体反射脉冲光线以成像于阵列侦测器上，阵列侦测器上定义有多个像素，利用各像素侦测到光线的时间侦测该待探测物体各点与激光探测***之间的距离，进而获取空间深度影像。上述激光探测***的优势在于扫瞄速度快，但空间解析度较差、光源功耗较大且造价昂贵。扫描式激光探测***可视为一个点扫描的激光测距仪。扫描式激光探测***主要包括一照明模组、空间扫描装置及单一飞行时间侦测器。该照明模组多使用激光光源，该激光光源可发出脉冲光线照射于待检测物体上，并利用所述单一飞行时间侦测器接收待检测物体的反射光，利用反射光的接收时间侦测该待探测物体各点与激光探测***之间的距离。该空间扫描装置用于搭载该激光光源，使得该激光光源出射的脉冲光线能以不同角度发射至空间中，进而取得空间深度影像，其优势在于空间解析度较高，且能随使用者需求进行角度调整，而缺点在于扫描速度、范围与耐用性皆受限于本身结构，难以满足需求。
发明内容
本发明提供一种激光侦测装置，用于侦测目标物体的图像，所述目标物体上定义有至少两个扫描点组，每个扫描点组包括至少两个扫描点，所述激光侦测装置包括：
光源模块，用于发射光源光；
衍射模块，设置于所述光源光出射路径上，用于对入射的所述光源光进行衍射，以产生多束侦测光束，所述多束侦测光束分时扫描所述目标物体的所述至少两个扫描点组；
光束接收模块，用于接收所述目标物体对所述多束侦测光束进行反射而形成的多束反射光；及
中央控制模块，用于控制所述光源模块开启与关断，并根据所述多束反射光进行数据处理以获取所述目标物体的图像。
本发明实施例提供的激光侦测装置，包括光源模块、衍射模块、光束接收模块及中央控制模块，其中，光源模块发出光源光通过衍射模块将其衍射为多束侦测光束，多束侦测光束同时对目标物体进行扫描，目标物体反射所述多束侦测光束产生多束反射光，光束接收模块接收目标物体反射的多束反射光，控制模块则可根据所述目标物体反射的所述多束反射光进行数据处理从而获取目标物体的图像。由于多束侦测光束同时对目标物体进行扫描，有利于提高激光侦测装置的扫描效率。并且，目标物体上定义有多个扫描点组，多束侦测光束可分时扫描所述多个扫描点组，也即多束侦测光束扫描范围可变，从而有利于增大激光侦测装置的扫描范围。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的激光侦测装置的结构示意图。
图2为图1中衍射模块的平面结构示意图。
图3为图2中一个衍射单元的平面结构示意图。
图4为图2中衍射模块发射的侦测光束的空间角分布示意图。
图5为图1中光束接收模块的平面结构示意图。
图6为图1中目标物体的平面结构示意图。
图7为本发明实施例二提供的激光侦测装置的结构示意图。
主要元件符号说明
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
实施例一
请参阅图1，本实施例提供的激光侦测装置10，用于侦测环境中目标物体20的图像，具体的，用于侦测目标物体20的三维图像。
请继续参阅图1，激光侦测装置10包括光源模块11、衍射模块12、光束接收模块13及连接光源模块11与光束接收模块13的中央控制模块14。
请继续参阅图1，光源模块11用于发射光源光L1，光源模块11包括至少一台激光器，用于发射激光光束作为光源光L1。光源模块11包括多台激光器时，各台激光器的激光光束输出方向设置为相同。光源模块11包括的激光器数量主要影响出射的光源光L1照射在衍射模块12上时的光斑大小，进而影响衍射模块12产生的多束侦测光束L2照射目标物体20时在目标物体20上形成的光斑大小。因此光源模块11包括的激光器数量可根据衍射模块12的面积、目标物体20的尺寸等因素进行设置。
请继续参阅图1，衍射模块12设置于光源光L1的出射路径上，衍射模块12用于对入射其的光源光L1进行衍射以产生多束侦测光束L2并出射多束侦测光束L2。多束侦测光束L2用于对目标物体20进行扫描，换句话说，多束侦测光束L2用于照射目标物体20。多束侦测光束L2扫描目标物体20时皆被目标物体20所反射从而形成与多束侦测光束一一对应的多束反射光L3。
请参阅图2，衍射模块12整体为一薄片状结构，其包括至少两个紧密排列的衍射单元121。本实施例中，衍射模块12包括多个阵列式排布的衍射单元121。
请参阅图3，每一个衍射单元121包括一基板1211以及形成于基板1211上的衍射图案1222。本实施例中，基板1211为透明绝缘基板，例如为玻璃基板。基板1211设置为边长为2.8微米的正方形且厚度为2微米的结构。衍射图案1222各处厚度相同，本实施例中，衍射图案1222厚度设置为2微米。衍射图案1222包括一个“十”字图案1222a及围绕“十”字图案1222a依序设置的椭圆图案1222b、椭圆图案1222c、椭圆图案1222d及椭圆图案1222e。其中，椭圆图案1222b与椭圆图案1222d形状大小相等，椭圆图案1222c与椭圆图案1222e形状大小相等。椭圆图案1222b具有长轴l1及短轴l5，椭圆图案1222c具有长轴l2及短轴l6，椭圆图案1222d具有长轴l3及短轴l7，椭圆图案1222e具有长轴l4及短轴l8。长轴l1及长轴l3尺寸相等，为0.7微米，长轴l2及长轴l4尺寸相等，为0.5微米，短轴l5及短轴l7尺寸相等，为0.4微米，短轴l6及短轴l8尺寸相等，为0.3微米。“十”字图案1222a具有长边l9及短边l10，长边l9为1微米，短边l10为0.7微米，且长边l9与短边l10的宽度w皆为0.175微米。
请同时参阅图1及图3，衍射图案1222用于控制衍射单元121产生的侦测光束L2的发射形态。侦测光束L2的发射形态包括侦测光束L2的发射角度、光束在一平行于衍射模块12的投影面上的投影形状、光束光强分布等等。因此，可以理解的，衍射单元121中衍射图案1222的具体结构根据所需求的侦测光束的发射形态所确定。本发明不对衍射单元121中衍射图案1222的具体形状作限定，如图3中所示的衍射图案1222的结构仅作为示例。
衍射模块12可产生至少九个衍射等级。本实施例中，衍射模块12可产生九个衍射等级，也即，衍射模块12可以对接收到的光源光L1进行衍射产生九束侦测光束L2。
请参阅图4，图4示出的为光源光L1垂直入射衍射模块12时，衍射模块12所产生的多束侦测光束L2的空间角分布。
请同时参阅图1及图5，光束接收模块13用于接收目标物体20反射的多束反射光L3。光束接收模块13包括多个阵列式排布的像素区域131，各个像素区域131面积相等，每个像素区域131用于对应接收一束目标物体20所反射的反射光L3。因此可以理解的，光束接收模块13上的像素区域131的数量大于等于反射光L3的数量。本实施例中，光束接收模块13上的像素区域131的数量等于反射光L3的数量。
请参阅图6，目标物体20上定义有至少两个扫描点组，每个扫描点组包括至少两个扫描点。本实施例中，目标物体20上定义有四个扫描点组，每一扫描点组中包括九个扫描点。请同时参阅图1及图6，扫描点即为侦测光束L2照射在目标物体20上时的照射位置。具体的，第一个扫描点组包括扫描点a1、扫描点a2、扫描点a3……及扫描点a9，第二个扫描点组包括扫描点b1、扫描点b2、扫描点b3……及扫描点b9，第三个扫描点组包括扫描点c1、扫描点c2、扫描点c3……及扫描点c9，第四个扫描点组包括扫描点d1、扫描点d2、扫描点d3……及扫描点d9。
请再参阅图1，本实施例提供的激光侦测装置10，用于分时对所述四个扫描点组进行扫描，以分时获取各个扫描点组中的所有扫描点距离光束接收模块13的距离，以获取目标物体20的完整三维图像。其中，分时扫描各个扫描点组通过改变光源光L1入射衍射模块12的入射角实现，也即，光源光L1以不同入射角入射衍射模块12时，衍射模块12出射的多束侦测光束L2扫描目标物体20上的不同扫描点组。
请继续参阅图1，具体的，本实施例提供的激光侦测装置10，还包括位于光源模块11与衍射模块12之间的扫描控制模块15。扫描控制模块15设置于光源光L1的出射路径上，接收光源光L1，用于控制光源光L1入射至衍射模块12时的入射角。本实施例中，扫描控制模块15为一反射片，用于将接收到的光源光L1反射至衍射模块12。通过改变反射片(也即扫描控制模块15)的与衍射模块12之间的倾角，改变光源光L1入射至衍射模块12时的入射角，从而改变衍射模块12出射的多束侦测光束L2扫描目标物体20上的扫描点组。
中央控制模块14与光源模块11、光束接收模块13及扫描控制模块15皆电连接，用于控制光源模块11的开启与关断，记录光束接收模块13接收的每一束反射光L3的时间并进行数据处理以获取目标物体20的三维图像，以及控制扫描控制模块15的摆放角度的调整。于一实施例中，中央控制模块14为一芯片或芯片组；于另一实施例中，中央控制模块14为一计算机。
以下对上述激光侦测装置10的工作过程进行描述：
请同时参阅图1及图6，在第一时段，中央控制模块14控制光源模块11开启，光源模块11发射光源光L1，此时扫描控制模块15处于第一摆放角度，其接收光源光L1并将光源光L1以第一入射角反射至衍射模块12，衍射模块12对光源光L1进行衍射以产生多束侦测光束L2并出射。本实施例中，衍射模块12对光源光L1进行衍射以产生九束侦测光束L2并出射。九束侦测光束L2分别各自扫描扫描点a1、扫描点a2、扫描点a3……及扫描点a9中的一个扫描点，且九束侦测光束L2皆被目标物体20反射产生九束与侦测光束L2一一对应的反射光L3。光束接收模块13接收被目标物体20反射的九束反射光L3，其中，光束接收模块13中每一个像素区域131接收一束反射光L3。中央控制模块14与光束接收模块13电连接，用于记录光束接收模块13上各个像素区域131接收到的被目标物体20反射的九束反射光L3的时间。由于中央控制模块14记录有所有反射光L3的发射时间，则可知上述所有侦测光束L2的发射时间及反射光L3的接收时间的时间差，而侦测光束L2与反射光L3的传播速度相等，且为已知的，则每束侦测光束L2的发射时间及反射光L3的接收时间的时间差与传播速度的乘积的二分之一即分别为扫描点a1、扫描点a2、扫描点a3……及扫描点a9与光束接收模块13的距离，也即分别为扫描点a1、扫描点a2、扫描点a3……及扫描点a9中每个扫描点与激光侦测装置10的距离。
请继续同时参阅图1及图6，在第二时段，中央控制单元14控制光源模块11开启，光源模块11发射光源光L1，此时扫描控制模块15处于第二摆放角度，其接收光源光L1并将光源光L1以第二入射角反射至衍射模块12，衍射模块12对光源光L1进行衍射以产生多束侦测光束L2并出射。本实施例中，衍射模块12对光源光L1进行衍射以产生九束侦测光束L2并出射。九束侦测光束L2分别各自扫描扫描点b1、扫描点b2、扫描点b3……及扫描点b9中的一个扫描点，且九束侦测光束L2皆被目标物体20反射。光束接收模块13接收被目标物体20反射的九束反射光L3，其中，光束接收模块13中每一个像素区域131接收一束反射光L3。中央控制模块14与光束接收模块13电连接，用于记录光束接收模块13上各个像素区域131接收到的被目标物体20反射的九束反射光L3的时间。由于中央控制模块14记录有所有侦测光束L2的发射时间，则可知上述所有侦测光束L2的发射时间及接收反射光L3的时间的时间差，而侦测光束L2与反射光L3的传播速度相等，且为已知的，则每束侦测光束L2的发射时间及反射光L3的接收时间的时间差与传播速度的乘积的二分之一即分别为扫描点b1、扫描点b2、扫描点b3……及扫描点b9与光束接收模块13的距离，也即分别为扫描点b1、扫描点b2、扫描点b3……及扫描点b9中每个扫描点与激光侦测装置10的距离。
在第三时段，衍射模块12发射九束侦测光束L2扫描目标物体20的扫描点c1、扫描点c2、扫描点c3……及扫描点c9，在第四时段，衍射模块12发射九束侦测光束L2扫描目标物体20的扫描点d1、扫描点d2、扫描点d3……及扫描点d9，具体扫描过程与上述扫描扫描点a1、扫描点a2、扫描点a3……及扫描点a9和扫描点b1、扫描点b2、扫描点b3……及扫描点b9的过程类似，不再赘述。激光侦测装置10分时扫描上述四个扫描点组后，中央控制模块14已记录目标物体20上所有扫描点与激光侦测装置10之间的距离，根据上述距离，即可得到目标物体20的完整三维图像。在上述四个时段中，中央控制模块14始终控制光源模块11保持开启状态，仅通过改变扫描控制模块15与衍射模块12之间的倾角以改变所有侦测光束L2所照射的目标物体20上的扫描点组。
应当理解，实际操作中，通常目标物体20上会定义较多数量的扫描点，进而提高扫描精准度。具体的，增加扫描点数量可通过改变衍射模块12中的衍射图案1222的结构、材质、排列规律等实现。
本实施例提供的激光侦测装置10，包括光源模块11、衍射模块12、光束接收模块13、中央控制模块14及扫描控制模块15，其中光源模块11发出光源光L1，通过衍射模块12将其衍射为多束侦测光束L2，可同时由所述多束侦测光束对目标物体20进行扫描，可以有效提高扫描效率。并且，目标物体20定义有至少两个扫描点组，扫描控制模块15用于控制光源光L1入射至衍射模块12的入射角，入射至衍射模块12的光源光L1入射角不同时，衍射模块12产生的侦测光束L2出射后扫描的目标物体20上的扫描点组不同，则中央控制模块14可通过改变扫描控制模块15与衍射模块12之间的倾角以改变光源光L1入射至衍射模块12的入射角，从而改变衍射模块12产生的侦测光束L2出射后扫描的目标物体20上的扫描点组。因此中央控制模块14及扫描控制模块15使得侦测光束L2的扫描范围增大。
实施例二
请参阅图7，本实施例提供的激光侦测装置30，与实施例一中的激光侦测装置10的区别主要在于光源模块11的结构不同且本实施例提供的激光侦测装置30不包括扫描控制模块15。以下仅对区别部分进行详细描述。
请继续参阅图7，激光侦测装置30包括光源模块31、衍射模块12、光束接收模块13及连接光源模块11与光束接收模块13的中央控制模块14。其中，衍射模块12、光束接收模块13及中央控制模块14的结构与实施例一中类似。
光源模块31包括至少两个发光单元，本实施例中，光源模块31包括四个发光单元，分别为发光单元311、发光单元312、发光单元313及发光单元314。本实施例中，所述四个发光单元并排设置，于另一实施例中，所述四个发光单元可阵列式排列。
中央控制模块14独立控制所述四个发光单元开启或关闭。具体的，中央控制模块14分时开启发光单元311、发光单元312、发光单元313及发光单元314。衍射模块12上定义有至少两个与发光单元一一对应的衍射区域，本实施例中，衍射模块12上定义有与所述四个发光单元一一对应的四个衍射区域，分别为衍射区域122、衍射区域123、衍射区域124及衍射区域125。其中，每一个衍射区域包括至少一个衍射单元121，各个衍射区域包括的衍射单元121数量相等。
本实施例中，目标物体20如实施例一中所述，具有四个扫描区域，所述四个发光单元与所述四个扫描区域一一对应，且与所述四个衍射区域一一对应。
以下将对激光侦测装置30的工作过程进行描述：
请同时参阅图6及图7，在第一时段，中央控制模块14控制光源模块31中的发光单元311开启，并控制其他发光单元关闭。发光单元311发射光源光L1至衍射模块12中的衍射区域122，衍射区域122对光源光L1进行衍射以产生九束侦测光束L2并出射。九束侦测光束L2分别各自扫描目标物体20的扫描点a1、扫描点a2、扫描点a3……及扫描点a9中的一个扫描点，且九束侦测光束L2皆被目标物体20反射形成与九束侦测光束L2一一对应的九束反射光L3。光束接收模块13接收被目标物体20反射的九束反射光L3，其中，光束接收模块13中每一个像素区域131接收一束反射光L3。中央控制模块14与光束接收模块13电连接，用于记录光束接收模块13上各个像素区域131接收到的被目标物体20反射的所有反射光L3的时间。由于中央控制模块14记录有所有侦测光束L2的发射时间，则可知上述所有侦测光束L2的发射时间及反射光L3的接收时间的时间差，而侦测光束L2与反射光L3的传播速度相同，且该传播速度是已知的，则每束侦测光束L2的发射时间及反射光L3的接收时间的时间差与传播速度的乘积的二分之一即分别为扫描点a1、扫描点a2、扫描点a3……及扫描点a9与光束接收模块13之间的距离，也即分别为扫描点a1、扫描点a2、扫描点a3……及扫描点a9与激光侦测装置10的距离，通过所有扫描点与激光侦测装置10的距离。
在第二时段，中央控制模块14控制光源模块31中的发光单元312开启，并控制其他发光单元关闭。发光单元312发射光源光L1至衍射模块12中的衍射区域123，衍射区域123对光源光L1进行衍射以产生九束侦测光束L2并出射。九束侦测光束L2分别各自扫描目标物体20的扫描点b1、扫描点b2、扫描点b3……及扫描点b9中的一个扫描点，且九束侦测光束L2皆被目标物体20反射。光束接收模块13接收被目标物体20反射的九束反射光L3，其中，光束接收模块13中每一个像素区域131接收一束反射光L3。中央控制模块14与光束接收模块13电连接，用于记录光束接收模块13上各个像素区域131接收到的被目标物体20反射的所有反射光L3的时间。由于中央控制模块14记录有所有侦测光束L2的发射时间，则可知上述所有侦测光束L2的发射时间及反射光L3的接收时间的时间差，而侦测光束L2与反射光L3的传播速度相同，且该传播速度是已知的，则每束侦测光束L2的发射时间及反射光L3的接收时间的时间差与传播速度的乘积的二分之一即分别为扫描点b1、扫描点b2、扫描点b3……及扫描点b9与光束接收模块13之间的距离，也即分别为扫描点b1、扫描点b2、扫描点b3……及扫描点b9与激光侦测装置10的距离。
在第三时段，中央控制模块14控制光源模块31中的发光单元313开启，并控制其他发光单元关闭。激光侦测装置30扫描目标物体20的扫描点c1、扫描点c2、扫描点c3……及扫描点c9，在第四时段，中央控制模块14控制光源模块31中的发光单元314开启，并控制其他发光单元关闭。激光侦测装置30扫描目标物体20的扫描点d1、扫描点d2、扫描点d3……及扫描点d9，具体扫描过程与上述扫描扫描点a1、扫描点a2、扫描点a3……及扫描点a9和扫描点b1、扫描点b2、扫描点b3……及扫描点b9类似，不再赘述。激光侦测装置10分时扫描上述四个扫描点组后，中央控制模块14已记录目标物体20上所有扫描点与激光侦测装置10之间的距离，根据上述距离，即可得到目标物体20的完整三维图像。
在上述四个时段中，中央控制模块14分时开启发光单元311、发光单元312、发光单元313及发光单元314，以改变侦测光束L2所照射的目标物体20上的扫描点组。
应当理解，本实施例提供的激光侦测装置30，可实现实施例一中所述的所有有益效果；并且在此基础上，相较于实施例一中的激光侦测装置10，由于本实施例中，激光侦测装置30无需扫描控制模块15，直接控制光源模块31中各个发光单元的开启与关闭即可改变所有侦测光束L2的扫描点组，有利于节省整个装置中的元器件数量，简化激光侦测装置30内部光路结构，进而有利于提高激光侦测装置30内部光路的稳定性并节省激光侦测装置30整体成本。
本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上实施例所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种激光侦测装置，用于侦测目标物体的图像，其特征在于，所述目标物体上定义有至少两个扫描点组，每个扫描点组包括至少两个扫描点，所述激光侦测装置包括：
光源模块，用于发射光源光；
衍射模块，设置于所述光源光出射路径上，用于对入射的所述光源光进行衍射，以产生多束侦测光束，所述多束侦测光束分时扫描所述目标物体的所述至少两个扫描点组；
光束接收模块，用于接收所述目标物体对所述多束侦测光束进行反射而形成的多束反射光；及
中央控制模块，用于控制所述光源模块开启与关断，并根据所述多束反射光进行数据处理以获取所述目标物体的图像。
2.如权利要求1所述的激光侦测装置，其特征在于，
在同一时段，所述多束侦测光束分别扫描所述目标物体上同一扫描点组中不同的扫描点；
所述多束侦测光束中的每一束侦测光束在不同时段扫描所述目标物体上不同扫描点组中的一扫描点。
3.如权利要求1所述的激光侦测装置，其特征在于，所述衍射模块包括至少两个衍射单元；
每一所述衍射单元包括基板及设置于所述基板上的衍射图案，所述衍射图案用于控制所述衍射模块产生的所述多束侦测光束的发射形态。
4.如权利要求1所述的激光侦测装置，其特征在于，还包括位于所述光源模块与所述衍射模块之间，且电连接所述中央控制模块的扫描控制模块；
所述扫描控制模块用于控制所述光源光入射至所述衍射模块时的入射角，所述多束侦测光束扫描的所述目标物体的所述扫描点组根据所述入射角的改变而改变。
5.如权利要求4所述的激光侦测装置，其特征在于，所述扫描控制模块为一反射片，所述中央控制模块通过控制所述反射片与所述衍射模块之间的倾角。
6.如权利要求1所述的激光侦测装置，其特征在于，所述光源模块包括至少两个发光单元，各个所述发光单元的开启与关闭被所述中央控制模块独立控制；
所述至少两个发光单元与所述至少两个扫描点组一一对应。
7.如权利要求6所述的激光侦测装置，其特征在于，所述中央控制模块控制各个所述发光单元分时开启，以使得所述多束侦测光束分时扫描所述至少两个扫描点组。
8.如权利要求6所述的激光侦测装置，其特征在于，所述衍射模块定义有与所述至少两个发光单元一一对应的至少两个衍射区域；
每一所述发光单元开启时，所述发光单元发射的光源光照射在所述发光单元所对应的一个所述衍射区域。
9.如权利要求1所述的激光侦测装置，其特征在于，所述光束接收模块定义有多个像素区域，每个所述像素区域对应接收一束所述反射光。
10.如权利要求1所述的激光侦测装置，其特征在于，
所述中央控制模块用于根据接收所述多束反射光及发射所述多束侦测光束的时间差计算所述目标物体上各个所述扫描点与所述光束接收模块的距离，并根据所述目标物体上各个所述扫描点与所述光束接收模块的距离，获取所述目标物体的图像。
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