CN221124870U - 距离测量装置 - Google Patents

Abstract

一种距离测量装置，包含发射模块和接收模块。发射模块包含光学组件、反射模块和光源。光学组件具有第一照射区及第二照射区，第一照射区与第二照射区彼此相邻。光线经由反射模块反射而照射第一照射区或第二照射区。光源产生光线，光线于穿过第一照射区后产生第一光斑，光线于穿过第二照射区后产生第二光斑。接收模块相邻发射模块，接收模块包含透镜组及感测组件，感测组件包含多个第一传感器和多个第二传感器，第一传感器经透镜组接收自投射平面反射的第一光斑的反射光，第二传感器经透镜组接收自投射平面反射的第二光斑的反射光。

Description

距离测量装置

技术领域

本实用新型是关于一种对目标物进行距离量测的装置。

背景技术

随着近些年来自动化技术的发展以及物联网时代的崛起，对物体进行实时距离量测的需求日益增加，例如在机器人、自动化生产、自动驾驶中，实时距离量测可用于导航和避开障碍物；在手机的应用中，量测物体与装置之间的距离可以帮助相机自动对焦或依据使用者和手机之间的距离控制手机屏幕的亮度或解锁手机。

除此之外，在虚拟现实和增强现实的应用中，实时距离量测也可依据使用者和环境物品之间的距离，增加虚拟和现实之间的交互，增进使用者在虚拟现实和增加实境中的体验。

目前运用于距离量测的技术包含超声波测距、声纳测距、红外测距及调频测距等，而各种测距的技术皆有其可感测的距离范围和适用的场所。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供一种距离测量装置，包含发射模块和接收模块。发射模块包含光学组件、反射模块和光源。光学组件具有第一照射区及第二照射区，第一照射区与第二照射区彼此相邻。光线经由反射模块反射而照射第一照射区或第二照射区。光源产生光线，光线于穿过第一照射区后产生第一光斑，光线于穿过第二照射区后产生第二光斑。接收模块相邻发射模块，接收模块包含透镜组及感测组件，感测组件包含多个第一传感器和多个第二传感器，第一传感器经透镜组接收自投射平面反射的第一光斑的反射光，第二传感器经透镜组接收自投射平面反射的第二光斑的反射光。

在一实施例中，包含准直镜，用以准直光源产生的光线。

在一实施例中，其中，准直镜位于光源及反射模块之间。

在一实施例中，其中，准直镜位于反射模块及光学组件之间。

在一实施例中，其中，反射模块包含反射镜及驱动模块，驱动模块驱动反射镜调整镜面角度，以使光线经由反射镜反射而照射第一照射区或第二照射区。

在一实施例中，其中，驱动模块依据切换指令驱动反射镜调整镜面角度。

在一实施例中，其中，驱动模块连续多次驱动反射镜调整镜面角度。

在一实施例中，其中，驱动模块依据多个第一传感器之感测结果驱动反射镜调整镜面角度。

在一实施例中，其中多个第一传感器具有测量临界值，于感测结果达到或超过测量临界值时，驱动模块驱动反射镜调整镜面角度。

在一实施例中，其中，多个第一传感器与多个第二传感器彼此交错排列。

附图说明

图1为依据一实施例的距离测量装置的侧视示意图。

图2为图1的距离测量装置的顶视图，且显示光线照射第一照射区的路径。

图3A为显示图2中光线照射第二照射区的路径的示意图。

图3B为依据一实施例的光源的光线照射第二照射区的路径的示意图。

图4为图2的距离测量装置运用于较近距离量测的示意图。

图5为依据一实施例的第一光斑的示意图。

图6为图2的距离测量装置运用于较远距离量测的示意图。

图7为依据一实施例的第二光斑的示意图。

图8为依据一实施例的感测组件的示意图。

图9为依据另一实施例的感测组件的示意图。

图10为依据又一实施例的感测组件的示意图。

其中，附图标记：

10:距离测量装置

100:发射模块

120:光学组件

122:第一照射区

124:第二照射区

140:反射模块

142:反射镜

144:驱动模块

160:光源

170:准直镜

180:投射平面

200:接收模块

220:透镜组

240:感测组件

242:第一传感器

244:第二传感器

LGT:光线

θ:入射角

Z1:中心

Z2:中心

具体实施方式

参考图1，图1为依据一实施例的距离测量装置的侧视示意图。距离测量装置10包含发射模块100和接收模块200，接收模块200相邻于发射模块100。进一步参考图2，图2为图1的距离测量装置的顶视图，且显示光线照射第一照射区的路径。发射模块100包含光学组件120、反射模块140和光源160。光学组件120具有第一照射区122及第二照射区124，第一照射区122与第二照射区124相邻。光线LGT经由反射模块140反射而照射第一照射区122或第二照射区124。光线LGT由光源160产生，光线LGT于穿过第一照射区122后产生第一光斑，光线LGT于穿过第二照射区124后产生第二光斑。

接收模块200包含透镜组220和感测组件240，其中感测组件240包含多个第一传感器242和多个第二传感器244。第一传感器242经透镜组220接收自投射平面180(见于图4，容后详述)反射的第一光斑的反射光，第二传感器244经透镜组220接收自投射平面180反射的第二光斑的反射光。

在一实施例中，接收模块200和发射模块100之间的相邻关系可以是以接收模块200位于发射模块100的左、右侧或上、下侧。另，可以发射模块100的中心与接收模块200的中心位于同一水平位置(参考图1的Z轴)，以确保接收模块200得准确接收第一光斑或第二光斑的光讯号并避免光讯号的损失。举例而言，如图1实施例所示，接收模块200设置于发射模块100的侧边，发射模块100的中心Z1的高度(参考图1中标示Z1于Z轴上的位置)与接收模块200的中心Z2的高度(参考图1中标示Z2于Z轴上的位置)相同，而达到接收模块200和发射模块100之间相邻且发射模块100的中心与接收模块200的中心位于同一水平位置。

在一实施例中，光源160产生的光线LGT为准直光(collimated light)。在另一实施例中，光源160产生的光线LGT为发散光(divergent light)，例如点光源(单点光源或多点光源)、几何图像或线条图样的光源160产生的光线LGT。

当光线LGT为发散光时，距离测量装置10可包含准直镜170，准直镜170用以准直光线LGT。将发散光准直为准直光的用意在于使光线LGT通过光学组件120时可产生绕射效应，进而得以在投射平面180上形成第一光斑或第二光斑。具体而言，一般市售的光学组件120于设计时，可能以准直光线入射光学组件120为前提进行绕射结构的设计，若以发散光入射光学组件120，则可能无法产生预期的绕射效应，进而无法形成第一光斑或第二光斑予以进行距离的量测。然应能明白的是光学组件120并不限制为以准直光线入射光学组件120为前提进行绕射结构的设计。

准直镜170可位于光源160与反射模块140之间(如图2所示)，也可位于反射模块140和光学组件120之间(如图3A所示)，而使光线LGT在穿过第一照射区122或第二照射区124时已为准直光。在一实施例中，光学组件120本身带有准直设计，故当光源160产生的光线LGT为发散光时，不需另外整合准直镜170，也可达到前述增加装置于距离量测的精准度的效果。

参考图2及图3A，图3A为显示图2中光线照射第二照射区的路径的示意图。在一实施例中，光源160的光线LGT所照射的是第一照射区122或是第二照射区124系由反射模块140控制。反射模块140包含反射镜142和驱动模块144，反射镜142使光源160产生的光线LGT得以反射，而驱动模块144驱动反射镜142调整镜面角度以使光线LGT分别照射到第一照射区122或第二照射区124。

反射镜142的镜面角度包含使光线LGT照射第一照射区122的第一角度、及使光线LGT照射第二照射区124的第二角度。具体而言，反射镜142的反射面朝向光源160发射光线LGT的方向以第一角度设置，此时光线LGT经反射镜142反射后照射第一照射区122，通过驱动模块144驱动反射镜142以第二角度设置，光线LGT入射平面镜的入射角θ产生改变(见于图2及图3A，入射角θ具有不同角度大小)，进而改变光线LGT于反射镜142反射的角度，从而使光线LGT由照射第一照射区122改为照射第二照射区124。

距离测量装置10的设计者可于光源160及光学组件120的位置固定后，对应光源160产生光线LGT的方向及第一照射区122、第二照射区124的位置设计反射镜142的镜面角度，并使驱动模块144可驱动反射镜142进行两段式调整，以分别反射光线LGT照射第一照射区122或第二照射区124。

在一实施例中，驱动模块144依据切换指令驱动反射镜142调整镜面角度。距离测量装置10可包含输入组件或与外部的输入组件连接，用户通过输入组件产生切换指令来控制驱动模块144。以输入组件为按键为例，当用户按下按键，输入组件产生切换指令，驱动模块144接收切换指令后驱动反射镜142于第一角度及第二角度之间切换。

在另一实施例中，驱动模块144连续多次驱动反射镜142调整镜面角度。详细而言，当距离测量装置10启动时，驱动模块144开始连续驱动反射镜142于第一角度及第二角度之间切换，光线LGT随反射镜142的镜面角度调整而先后多次照射第一照射区122或第二照射区124。另，通过调整驱动模块144驱动反射镜142调整镜面角度的速度，可使第一照射区122及第二照射区124在极短的时间段内皆被光线LGT所照射，而产生类似于同时以光线LGT照射第一照射区122及第二照射区124的效果。

在一实施例中，驱动模块144可以但不限于微机电系统(Micro ElectroMechanical Systems，MEMS)。

在一实施例中，除以驱动模块144驱动反射镜142调整镜面角度外，也可以固定反射模块140而调整光源160的角度的方式使光线LGT分别照射第一照射区122或第二照射区124。于光源160产生的光线LGT的角度调整后，光线LGT入射反射镜142的入射角θ也会产生改变(见于图2及图3B，入射角θ具有不同角度大小)，进而改变光线LGT于反射镜142反射的角度，从而使光线LGT由照射第一照射区122改为照射第二照射区124。

在一实施例中，光学组件120的第一照射区122和第二照射区124可分别以量测不同远近距离的绕射光学组件(Diffractive Optical Element，DOE)来实现，例如第一照射区122为适用于较近距离的绕射光学组件，第二照射区124则为适用于较远距离的绕射光学组件。当光线LGT分别照射在第一照射区122或第二照射区124后，光线LGT穿过第一照射区122或第二照射区124产生绕射现象，进而调制光线LGT的相位、振幅和强度而在投射平面180产生第一光斑或第二光斑。

参考图4至图7，图4为图2的距离测量装置运用于较近距离量测的示意图，图5为依据一实施例的第一光斑的示意图，图6为图2的距离测量装置运用于较远距离量测的示意图，图7为依据一实施例的第二光斑的示意图。在一实施例中，投射平面180为距离量测的目标物朝向距离测量装置10的表面。

以第一照射区122为适用于较近距离的绕射光学组件、第二照射区124为适用于较远距离的绕射光学组件为例，光线LGT穿过第一照射区122后于投射平面180产生的第一光斑可为随机光斑，由第一照射区122改变光线LGT的相位及振幅形成的随机分布或具有复杂特征的光斑；光线LGT穿过第二照射区124后于投射平面180产生第二光斑则可为规则光斑，由第二照射区124改变光线LGT的相位及振幅形成的具有一定排列方式的多点光斑或几何图形光斑。

在进行距离量测时，接收模块200可通过分析第一光斑(随机光斑)或第二光斑(规则光斑)的大小、形状、亮度分布或光子数量与时间的关系等，即可计算出投射平面180与距离测量装置10之间的距离。

接收模块200分析第一光斑或第二光斑是指对第一光斑或第二光斑自投射平面180反射的反射光进行分析。具体而言，光线LGT于光学组件120绕射后在投射平面180形成第一光斑或第二光斑且第一光斑和第二光斑的反射光会由接收模块200的感测组件240接收。

而感测组件240接收第一光斑和第二光斑的反射光前，所述反射光会先穿过透镜组220，并经由透镜组220聚焦此反射光，将原为散射光线的反射光聚焦到感测组件240上。透镜组220除限制反射光的散射，使其更可以被感测组件240精准接收外，也可提高距离测量装置10的空间分辨率。透镜组220可为单片透镜也可为多个透镜所组成，在此不作限制。

参考图8，图8为依据一实施例的感测组件的示意图。在一实施例中，感测组件240包含的第一传感器242及第二传感器244分别用于进行不同远近距离的物体的量测，且第一传感器242及第二传感器244分别具有不同的感测距离。以第一光斑为随机光斑、第二光斑为规则光斑为例，第一传感器242可为用于近距离量测的传感器(例如感测距离介于0至1.5公尺之间)，以第一传感器242接收自投射平面180反射的第一光斑的反射光得到距离测量装置10与较近的投射平面180之间的距离。

第二传感器244则为用于较远距离量测的传感器(例如感测距离介于1至8公尺之间)，以第二传感器244接收自投射平面180反射的第二光斑的反射光得到距离测量装置10与较远的投射平面180之间的距离。即通过整合第一传感器242和第二传感器244，距离测量装置10可同时用于近距离及远距离物体的量测。

在一实施例中，第一传感器242具有测量临界值，于第一传感器242的感测结果达到或超过测量临界值时，驱动模块144驱动反射镜142调整镜面角度。感测结果是指经第一传感器242依据第一光斑的反射光计算得的距离测量装置10与投射平面180之间的距离。测量临界值则与第一传感器242的感测距离相关，并可依据第一传感器242及第二传感器244对于量测距离的敏感度设计所述测量临界值的大小。

再引用前述第一传感器242的感测距离介于1.5公尺以内，第二传感器244的感测距离介于1至8公尺之间的例子，其中与距离测量装置10相距1公尺至1.5公尺之间的物体的表面(即投射平面180)同时位于第一传感器242和第二传感器244可量测的范围内，则1公尺至1.5公尺之间皆可以作为此测量临界值的数值。

而若在此实施例中，第二传感器244对与其距离1公尺至1.5公尺之间的物体的距离量测精准度大于第一传感器242，则可将测量临界值的数值设定为1公尺。当第一传感器242的感测结果大于、等于1公尺或第一传感器242无法感测出距离测量装置10与投射平面180之间的距离时，驱动模块144驱动反射镜142调整镜面角度至光线LGT照射于第二照射区124上，直至第一传感器242的感测结果小于1公尺。

在一实施例中，多个第一传感器242可以为红外线光电二极管(Infrared PhotonDiode，IPRD)但不限于此。红外线光电二极管根据其拍摄的红外图像与经投射平面180反射的第一光斑(如随机光斑)的反射光进行三角运算得到前述感测结果。

在一实施例中，多个第二传感器244可以为单光子雪崩二极管(Single PhotonAvalanche Diode，SPAD)或电流辅助光子调节器(Current Assisted PhotonicDemodulator，CAPD)但不限于此。单光子雪崩二极管依据经投射平面180反射的第二光斑(如规则光斑)的反射光、最多光子数目的时间点，得计算光子的飞行时间，进而得出前述感测结果。

第一传感器242及第二传感器244的数量和排列方式并无限制，举例而言，各列中第一传感器242与第二传感器244的数量比例可为1：1，并以一个第一传感器242、一个第二传感器244的顺序彼此交错排列；各列中第一传感器242与第二传感器244的数量比例也可为3：1，并以三个第一传感器242、一个第二传感器244的顺序排列(如图9所示)；除此之外，也可以一列第一传感器242、一列第二传感器244的方式排列(如图10所示)。再者，感测组件240中各列的第一传感器242与第二传感器244数量比例不需一致，例如感测组件240中可具有一列以三个第一传感器242、一个第二传感器244的顺序排列，另一列则以全部皆为第一传感器242排列(如图9所示)。由此可见，感测组件240中的第一传感器242及第二传感器244的数量和排列方式可具有多种变化。

在一实施例中，光源160可以为雷射光源、LED光源、白光光源、红外光源等。

在一实施例中，准直镜170可以为球面透镜、柏松透镜、非球面透镜或以上透镜类型的组合等。准直镜170的类型可取决于光源160的波长、光束直径及发散度等。

综上所述，以发射模块100整合接收模块200的距离测量装置10可以测得装置与物体之间的距离，而可调整角度的反射模块140、第一传感器242及第二传感器244则使距离测量装置10得感测的距离范围大幅增加，而可同时涵盖较近距离物品的距离测量及较远距离物品的距离测量。

Claims (10)

1.一种距离测量装置，其特征在于，包含：

一发射模块，包含：

一光学组件，具有一第一照射区及一第二照射区，所述第一照射区与所述第二照射区彼此相邻；

一反射模块，使一光线经由所述反射模块反射而照射所述第一照射区或所述第二照射区；及

一光源，产生所述光线，所述光线于穿过所述第一照射区后产生一第一光斑，所述光线于穿过所述第二照射区后产生一第二光斑；及

一接收模块，相邻所述发射模块，包含一透镜组及一感测组件，所述感测组件包含多个第一传感器和多个第二传感器，所述第一传感器经所述透镜组接收自一投射平面反射的所述第一光斑的反射光，所述第二传感器经所述透镜组接收自所述投射平面反射的所述第二光斑的反射光。

2.如权利要求1所述的距离测量装置，其特征在于，还包含一准直镜，用以准直所述光源产生的所述光线。

3.如权利要求2所述的距离测量装置，其特征在于，所述准直镜位于所述光源及所述反射模块之间。

4.如权利要求2所述的距离测量装置，其特征在于，所述准直镜位于所述反射模块及所述光学组件之间。

5.如权利要求1所述的距离测量装置，其特征在于，所述反射模块包含一反射镜及一驱动模块，所述驱动模块驱动所述反射镜调整一镜面角度，以使所述光线经由所述反射镜反射而照射所述第一照射区或所述第二照射区。

6.如权利要求5所述的距离测量装置，其特征在于，所述驱动模块依据一切换指令驱动所述反射镜调整所述镜面角度。

7.如权利要求5所述的距离测量装置，其特征在于，所述驱动模块连续多次驱动所述反射镜调整所述镜面角度。

8.如权利要求5所述的距离测量装置，其特征在于，所述驱动模块依据所述多个第一传感器的一感测结果驱动所述反射镜调整所述镜面角度。

9.如权利要求8所述的距离测量装置，其特征在于，所述多个第一传感器具有一测量临界值，于所述感测结果达到或超过所述测量临界值时，所述驱动模块驱动所述反射镜调整所述镜面角度。

10.如权利要求1所述的距离测量装置，其特征在于，所述第一传感器与所述第二传感器彼此交错排列。