激光测距装置的制作方法

本实用新型涉及一种激光测距装置，属于传感器制造技术领域。

背景技术：

现有的室内机器人通常使用激光测距装置作为主要传感器对其工作环境进行建模，2008年在帕萨迪纳(Pasadena，CA，USA)由电气和电子工程师协会举办的机器人与自动化国际会议(IEEE International Conference on Robotics and Automation)上曾公开过一篇名为“A Low-Cost Laser Distance Sensor”的文章，在这篇文章中对激光测距原理、激光测距装置特性及其在室内机器人上的应用进行了详细的介绍。该文献有介绍激光测距装置(LDS)有效(准确)测量距离为3cm-6m，而激光测距装置(LDS)实际的测距范围则比有效测量距离大一些。

现有技术中，线激光测距装置包括呈一定角度设置的线激光发射器和图像传感器，图像传感器接收线激光发射器发射的光线从周边障碍物反馈回来的光线。根据镜头的不同规格，其测距范围也有所不同，因此需要根据测距范围的需求，采用合适规格且与图像传感器适配的镜头。激光测距装置的镜头通常匹配有用于滤掉背景光的滤光片和CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)图像传感器芯片，简称CMOS芯片。现有镜头中匹配的CMOS芯片均为单一的感光芯片。为了保证测距范围，传统的CMOS芯片的感光面积较大，需对应扫描和处理更多的数据，不能满足激光测距装置的实时性要求，且成本太高。

中国专利CN 203672362U中公开了一种CMOS芯片，其由两个较小的芯片拼接而成，使其长边方向的长度满足镜头规格要求的同时，测距范围和测距精度也能够达到一般要求，并且由于其CMOS芯片的尺寸较小，加快了测距装置的实时响应速度。然而，由于其短边方向上的长度小于传统的图像传感器芯片，使得其测距范围小于传统的线激光测距装置，若采用传统的芯片安装方式，即将感光芯片的中心放置的高度与透镜中心等高，则会导致LDS的测距范围非常狭小，不能满足建图测距或避障测距等实际需求。因此，如何安装面积较小的拼接芯片以获得合适的测距范围成为本领域技术人员急需解决的问题。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于针对现有技术的不足，提供一种激光测距装置，通过使感光芯片组件两个长边之间的感光面覆盖激光测距装置预设最远距离测量点、预设最近距离测量点与透镜中心连线的延长线分别与所述感光芯片组件所在平面的交点，使得本领域的技术人员可以根据需要测量的距离范围来决定感光芯片的安装位置，激光测距装置的测距范围能够满足使用者的需求。

本实用新型所要解决的技术问题是通过如下技术方案实现的：

一种激光测距装置，包括设置在固定座上的线激光发射器和图像传感器，所述图像传感器包括透镜和电路板，所述电路板上固设有感光芯片组件，且该感光芯片组件是由两个相同的子感光芯片沿长边方向拼接而成，所述透镜与子感光芯片的适配关系为：与1/n英寸的图像传感器适配的透镜，对应设置由两个1/2n英寸的子感光芯片拼接而成的感光芯片组件，所述感光芯片组件两个长边之间的感光面覆盖激光测距装置预设最远距离测量点、预设最近距离测量点与透镜中心连线的延长线分别与所述感光芯片组件所在平面的交点。

具体的，为了获得更好的测距范围或预防感光芯片安装时的误差，以所述感光芯片组件距离线激光发射器近的长边为上长边，以所述感光芯片组件距离线激光发射器远的长边为下长边，所述下长边到透镜中心的竖直距离大于等于所述预设最近距离测量点与透镜中心连线的延长线与所述感光芯片组件所在平面的交点到透镜中心的竖直距离。

其中一种情况，所述下长边的中心位于激光测距装置预设最近距离测量点与透镜中心连线的延长线上。

进一步地，所述下长边到透镜中心的竖直距离小于所述子感光芯片的短边长度。

当激光测距装置线激光发射平面与感光芯片组件所在平面正交设置时，假设O点为透镜的中心，O’点为O点在感光芯片组件上的投影，OO’为透镜到感光芯片组件的距离，激光测距装置预设最远距离测量点、预设最近距离测量点与透镜中心连线的延长线与所述感光芯片组件所在平面的交点分别为B、A，m为感光芯片组件的上长边到线激光发射平面的距离，n为下长边到透镜中心的竖直距离，MN为感光芯片组件的短边长度，OC为O点到线激光发射平面的距离，激光测距装置测距范围内的预设最远距离为Dmax，预设最近距离为Dmin，则AO’＝OC×OO’/Dmin，BO’＝OC×OO’/Dmax，n＞AO’，m＜OC。

优选的，所述线激光发射器沿第一方向发射线激光，所述两个相同的子感光芯片的长边方向与所述第一方向平行。

综上所述，本实用新型通过使感光芯片组件两个长边之间的感光面覆盖激光测距装置预设最远距离测量点、预设最近距离测量点与透镜中心连线的延长线分别与所述感光芯片组件所在平面的交点，使得本领域的技术人员可以根据需要测量的距离范围来决定感光芯片的安装位置，激光测距装置的测距范围能够满足使用者的需求。

下面结合附图和具体实施例，对本实用新型的技术方案进行详细地说明。

附图说明

图1和图2分别为本实用新型激光测距装置的整体结构示意图；

图3为本实用新型激光测距装置的零件爆炸图；

图4为本实用新型实施例一的测量原理图；

图5为本实用新型实施例一感光芯片组件和透镜的位置示意图；

图6为本实用新型实施例一改变测量距离后感光芯片组件和透镜的位置示意图；

图7为本实用新型实施例二的测量原理图。

具体实施方式

图1和图2分别为本实用新型激光测距装置的整体结构示意图；图3为本实用新型激光测距装置的零件爆炸图。如图1至图3所示，本实用新型提供一种激光测距装置，包括设置在固定座100上的线激光发射器200和图像传感器，所述图像传感器包括透镜(图中未示出)和电路板400，所述电路板400上固设有感光芯片组件500，且该感光芯片组件500是由两个相同的子感光芯片501沿长边方向拼接而成，所述透镜与子感光芯片501的适配关系为：与1/n英寸的图像传感器适配的透镜，对应设置由两个1/2n英寸的子感光芯片拼接而成的感光芯片组件。优选的，子感光芯片的长边方向与线激光条纹的方向平行，即线激光发射器发射第一方向的线激光，则两个相同的子感光芯片的长边方向与第一方向平行。所述感光芯片组件两个长边之间的感光面覆盖激光测距装置预设最远距离测量点(对应预设最远距离)、预设最近距离测量点(对应预设最近距离)与透镜中心连线的延长线分别与所述感光芯片组件所在平面的交点。

具体的，以所述感光芯片组件500距离线激光发射器200近的长边为上长边，以所述感光芯片组件距离线激光发射器远的长边为下长边，所述下长边到透镜中心的竖直距离大于等于所述预设最近距离测量点与透镜中心连线的延长线与所述感光芯片组件所在平面的交点到透镜中心的竖直距离。在实际使用时，由于感光芯片本身具有一定高度，使用者一般根据需要的预设最近距离测量点设置感光芯片组件500的位置，在安装完成后，根据系统参数便可得到激光测距装置能够测量的预设最远距离测量点。

极限的，所述下长边的中心位于激光测距装置预设最近距离测量点与透镜中心连线的延长线上。也即感光芯片组件500安装时，其下长边距离透镜中心的最小竖直距离。

优选的，所述下长边到透镜中心的竖直距离小于所述子感光芯片的短边长度。这样设置，使得感光芯片组件500在预设的最近或最远距离后均有一定的余量，更有利于感光芯片组件500的实际安装。

由于采用了上述结构，本领域的技术人员可以根据需要测量的距离范围来决定感光芯片的安装位置，使得所述激光测距装置能够满足使用者的需求。

实施例一

图4为本实用新型实施例一的测量原理图；图5为本实用新型实施例一感光芯片组件和透镜的位置示意图；图6为本实用新型实施例一改变测量距离后感光芯片组件和透镜的位置示意图。如图1至图6所示，在本实施例中，感光芯片组件500的设置位置与激光测距装置线激光发射平面正交，即激光测距装置线激光发射平面与感光芯片组件500所在平面正交，在这种结构下，所述感光芯片组件500的具体位置可以根据三角测距原理得出。具体的，假设O点为透镜300的中心，O’点为O点在感光芯片组件500上的投影，OO’为透镜300到感光芯片组件500的距离(OO’距离通常等于透镜的焦距)，激光测距装置预设最远距离测量点、预设最近距离测量点与透镜中心连线的延长线与所述感光芯片组件所在平面的交点分别为B、A，m为感光芯片组件的上长边到线激光发射平面的距离，n为下长边到透镜中心的竖直距离，MN为感光芯片组件的短边长度，OC为O点到线激光发射平面的距离，激光测距装置测距范围内的预设最远距离为Dmax，预设最近距离为Dmin，则根据三角测距原理可知：

BO’＝OC×OO’/Dmax；

Dmax＝OC×OO’/BO’。

由于激光测距装置中，线激光发射器200、透镜300的位置固定，透镜300与感光芯片组件500之间的距离固定，即OO’和OC的数值固定，当使用者需要调整激光测距装置测距范围内的预设最远距离Dmax时，仅需改变BO’的大小即可实现测距范围的调整，同理，也可根据测距范围内的预设最近距离Dmin来调整AO’的大小，从而实现测距范围的调整，具体关系为：

AO’＝OC×OO’/Dmin；

Dmin＝OC×OO’/AO’。

从图4至图6中可以看出，当使用者需要将实际测距范围(Dmax和Dmin)调整至Dmax’和Dmin’，仅需简单调整感光芯片组件500的位置，将m、n调整至m’、n’即可，具体的，将AO’调整至A’O’，将BO’调整至B’O’，其中A’O’＝OC×OO’/Dmin’，B’O’＝OC×OO’/Dmax’，感光芯片组件500的位置需要始终覆盖激光测距装置预设最远距离测量点、预设最近距离测量点与透镜中心连线的延长线分别与所述感光芯片组件所在平面的交点。

实际使用时，使用者在安装感光芯片组件500的过程中，一般可以根据设定的最近距离Dmin(预设最近距离)来设定感光芯片组件500的安装位置，在安装完成后，根据系统参数便可得到激光测距装置能够测量的最远距离，为了保证激光测距装置的测距效果，通常将预设最远距离测量控制在激光测距装能够测量的最远距离之内。

举例来说，当焦距(OO’)为4.2mm(通常范围为3.6-4.2mm)，OC为50mm，预设最远距离Dmax为4500mm，预设最近距离Dmin为150mm时，由上述可知：

AO’＝OC×OO’/Dmin＝50*4.2/150＝1.4(mm)

BO’＝OC×OO’/Dmax＝50*4.2/4500＝0.047(mm)

AB＝AO’-BO’＝1.353mm

此时采用1/4英寸的cmos芯片，两个子感光芯片的尺寸为3.2mm*2.4mm，对角线长4mm，即子感光芯片的宽度为3.2mm，高度为2.4mm，其高度大于AB，即1/4英寸的感光芯片组件500能满足上述测量距离。为了满足上述测量需求，感光芯片组件500的最高安装高度AO’为1.4mm，为了更好的测距效果和允许适当的安装误差(感光芯片的感光范围尽量贴近感光芯片的中心)，实际安装时，使得下长边到透镜中心的竖直距离略大于AO’且小于子感光芯片短边的长度(也即子感光芯片本身的高度)，例如实际安装高度为(下长边到透镜中心的竖直距离)1.8-2.0mm。

当使用者需要的测量范围为200mm～2500mm时，由上述可知：

A’O’＝OC×OO’/Dmin’＝4.2*50/200＝1.05(mm)

B’O’＝OC×OO’/Dmax’＝4.2*50/2500＝0.084(mm)

为了满足上述测量需求，将感光芯片组件500的最高安装高度AO’调整至1.05mm，其中A’B’＝A’O’-B’O’＝0.996mm＜2.4mm，故上述1/4英寸的感光芯片组件500在调整后依然能够测量上述测量范围。

在本实施例中，为了使激光测距装置具有更好的测距能力，设置感光芯片组件500时，下长边到透镜中心的竖直距离需大于等于AO’，优选大于AO’，同时上长边到到线激光发射平面的距离需小于透镜中心O点到线激光发射平面的距离，即n＞AO’，m＜OC。

实施例二

图7为本实用新型实施例二的测量原理图。如图7所示，本实施例与实施例一的区别在于，激光测距装置线激光发射平面与感光芯片组件500所在平面的位置由正交改变为呈α角。在这种结构下，所述感光芯片组件500的具体位置同样可以根据三角测距原理得出。

具体的，在本实施例中，假设O点为透镜300的中心，O’点为O点在感光芯片组件500上的投影，OO’为透镜300到感光芯片组件500的距离，当激光测距装置线激光发射平面与感光芯片组件500所在平面的位置正交时，预设最远距离测量点、预设最近距离测量点与透镜中心连线的延长线与所述感光芯片组件所在平面的交点分别为B1、A1，激光测距装置测距范围的预设最远距离为dmax，预设最近距离为dmin，当激光测距装置线激光发射平面与感光芯片组件500所在平面的位置由正交改变为呈α角时，预设最远距离测量点、预设最近距离测量点与透镜中心连线的延长线与所述感光芯片组件所在平面的交点分别为B1’、B1’，OC为O点到线激光发射平面的距离，测距范围内的预设最远距离为dmax’，预设最近距离为dmin’，则根据三角测距原理可知：A10’＝OC×OO’/dmin’-OO’/tanα，假设激光测距装置的预设测距范围不变，即dmin＝dmin’,dmax＝dmax’，则A10’＝OC×OO’/dmin’-OO’/tanα，仅需简单调整感光芯片组件500的位置，将其从覆盖A1B1调整至覆盖A1’B1’即可。

上述激光测距装置中感光芯片的安装方法，包括：

步骤1：在接收激光的路径上设置一透镜，

步骤2：在经过所述透镜的激光路径上设置一感光芯片组件，

其中，所述感光芯片组件是由两个相同的子感光芯片沿长边方向拼接而成，所述透镜与子感光芯片的适配关系为：与1/n英寸的图像传感器适配的透镜，对应设置由两个1/2n英寸的子感光芯片拼接而成的感光芯片组件。

为使所述激光测距装置的测距范围能够满足使用者的需求，在所述步骤2中，使感光芯片组件两个长边之间的感光面覆盖激光测距装置预设最远距离测量点、预设最近距离测量点与透镜中心连线的延长线分别与所述感光芯片组件所在平面的交点。

优选的，以所述感光芯片组件500距离线激光发射器200近的长边为上长边，以所述感光芯片组件500距离线激光发射器200远的长边为下长边，在所述步骤2中将所述下长边到透镜中心的竖直距离配置成大于所述预设最近距离测量点与透镜中心连线的延长线与所述感光芯片组件所在平面的交点到透镜中心的竖直距离，且配置下长边到透镜中心的竖直距离小于所述子感光芯片的短边长度。

具体设置方法可根据三角测距原理得出，详见上述内容，在此不再赘述。

综上所述，本实用新型提供一种激光测距装置，通过使感光芯片组件两个长边之间的感光面覆盖激光测距装置预设最远距离测量点、预设最近距离测量点与透镜中心连线的延长线分别与所述感光芯片组件所在平面的交点，使得本领域的技术人员可以根据需要测量的距离范围来决定感光芯片的安装位置，激光测距装置的测距范围能够满足使用者的需求。