CN103424748A - 光敏恒流电容积分面阵列距离传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明一种光敏恒流电容积分面阵列距离传感器，其特征在于：由m乘n个光敏像素（0，0）到光敏像素（m-1，n-1）、水平选择单元U112、垂直选择单元U111、基准单元U113、主控单元U110组成，其中：光敏像素是指光敏恒流电容积分传感器；基准单元U113由电阻R、R2、放大器Q1组成；可对视场中所有目标点在同一时刻进行测距采样完成测距，因此对运动变化的场景进行多点测距时，不存在各测量点的距离值会相对扭曲的问题。
Description
技术领域
本发明涉及光敏恒流电容积分面阵列距离传感器技术领域，具体涉及一种包含光敏传感器技术、电容充电积分技术，信号放大技术、数字信号处理技术等。
背景技术
目前的光学测距技术主要是主动发射光波信号，再接收返回的光波信号，通过测量发送信号到返回信号的时间，计算出被测目标的距离，目前已公开的与光学测距有关的专利有：
CN94113323.0，使用相位变异的光学测距装置及其方法。
CN94113328.1，光学测距装置及其方法。
CN00135636.4，回波触发近距离激光测距方法。
CN01136400.9，一种光纤干涉测量距离的方法及测量设备。
CN03275757.3，一种激光扫描获取近距离物体表面三维数据的测量装置。
CN02233123.9，远距光学测量仪。
这些专利技术，在测距时，每次发出测距信号，只能测量一个目标点的距离。对于需要测量视场中所有目标点的距离时，只有通过一次测量一个点的方式逐点扫描来实现。存在的问题是，因是逐点扫描方式，对于运动变化的场景来说，各测量点的距离值会相对扭曲。
需要一种发明可将部件集成在一个IC器件上，同时配合镜头、受控光源、控制电路等组成的装置，可对视场中所有目标点在同一时刻进行测距采样完成测距，因此对运动变化的场景进行多点测距时，不存在各测量点的距离值会相对扭曲的问题。
发明内容
为克服现有技术中在测距时，每次发出测距信号，只能测量一个目标点的距离。对于需要测量视场中所有目标点的距离时，只有通过一次测量一个点的方式逐点扫描来实现。存在的问题是，因是逐点扫描方式，对于运动变化的场景来说，各测量点的距离值会相对扭曲的不足，发明一种光敏恒流电容积分面阵列距离传感器。
一种光敏恒流电容积分面阵列距离传感器，其特征在于：由m乘n个光敏像素（0，0）到光敏像素（m-1，n-1）、水平选择单元U112、垂直选择单元U111、基准单元U113、主控单元U110组成，其中：光敏像素是指光敏恒流电容积分传感器；基准单元U113由电阻R、R2、放大器Q1组成。
光敏恒流电容积分面阵列距离传感器的相互连接关系是：
每个光敏像素的选通信号1与水平选择单元U112连接，选通信号2与垂直选择单元U111连接，光敏像素的基准信号与主控单元U110的基准信号连接，光敏像素的A/D与主控单元U110的A/D连接，光敏像素的复位信号与主控单元U110的复位信号连接。
主控单元U110的水平选择控制与水平选择单元U112连接，垂直选择控制与垂直选择单元U111连接，基准信号、A/D转换、复位信号分别与光敏像素的基准信号、A/D转换、复位信号连接，与基准单元U113连接，与外部接口U114连接，连接线有：光源触发线、场同步、行同步、K位数据线（K为正整数）、串行通信线等。
水平选择单元U112与主控单元U110的水平选择控制连接，与光敏像素的选通信号1连接。
垂直选择单元U111与主控单元U110的垂直选择控制连接，与光敏像素的选通信号2连接。
基准单元U113与主控单元U110连接，通过基准源正、基准源负与外部接口U114连接。
基准单元U113的内部连接说明：电阻R1一端与放大器Q1的栅极连接，另一端与电源VDD连接；电阻R2的一端与放大器Q1的漏极连接，另一端与模拟电源AVDD连接；放大器Q1的漏极还与主控单元连接，源极与电源地和外部接口U114的基准源负连接，栅极还与外部接口U114的基准源正连接。
所述的光敏像素的所有光敏像素的像素排列在一个焦距平面上。
所述的光敏像素之间是并行且同时测距的，各自分别对应光敏像素各自的目标测距。
所述的光敏像素共同使用一个基准单元信号、控制单元复位信号。
光敏恒流电容积分面阵列距离传感器的数据处理流程如下：
步骤U401，主控单元初U110始化行、场同步寄存器，初始化水平选择单元U112、垂直选择单元U111，初始化其它工作参数。
步骤U402，主控单元U110按设定的帧率采样，当未到达一帧的采样时间时，继续等待，当到达一帧的采用时间时，进入步骤U403。
步骤U403，主控单元U110通过复位信号对所有像素的电容放电复位，之后停止复位放电，进入步骤U404。
步骤U404，主控单元U110发出光源触发信号，使外部光源亮一下后熄灭。基准单元U113根据外部基准源的信号输出外部基准状态到主控单元U110。同时每个光敏像素对接收的光线信号和基准信号进行处理，各自对自己的电容充电，进入步骤U405。
步骤U405，主控单元U110输出场同步信号，进入步骤U406。
步骤U406，主控单元输U110出场同步信号，进入步骤U407。
步骤U407，垂直选择单元U111和水平选择单元U112顺序选择一个像素的电容电压信号输出到主控单元U110进行A/D转换，A/D转换数据经距离计算后输出到数据外部接口U114，进入步骤U408。
步骤U408，主控单元U110判断一行像素距离数据是否处理、输出完毕，如果未完毕，则转到步骤U407，继续处理下一像素距离数据，如果已完毕，则转到步骤U409。
步骤U409，主控单元U110判断是否已处理完一场的所有像素行，如未完成，则转到步骤U406，继续下一行的像素距离数据处理，如已完毕，则转到步骤U402，准备下一场的距离数据采样和处理。
本发明中，当主控单元U110的基准信号有效后，其开始时间与光敏像素接收到特定光线的时间有一时间差，这时间差通过光敏像素进行处理，并在光敏像素被主控单元选通后，光敏像素输出与时间差对应的电压到主控单元U110的A/D转换，因此主控单元通过A/D转换并计算得到该时间差。当外部受控光源和本发明到反射物体的距离相近似时，利用该时间则可计算出发光源到反射物体的距离。
可以将本发明制造成一个CMOS光敏恒流电容积分面阵列距离传感器。
用本发明组成一个平面阵列，放置在镜头的成像焦距平面上，与镜头、受控光源、控制电路一起，可组成一个面阵列测距装置，可同时对镜头视场中的物体进行多目标测距。如图5所示的运用中，当触发光源（U503）受本发明（U501）控制发出特定的光波照射视场中的物体后，视场中物体将该光波反射，光学镜头（U502）在本发明（U501）上成像。本发明（U501）的每个像素根据接收的光线和基准源的信号进行逻辑运算并对其像素电容线性充电，之后通过对电容电压的A/D转换，并计算出每个像素对应视场物体的距离数值，送到其它电路（U504）处理。
本发明的光敏像素是指由光敏恒流电容积分传感器，已申请的专利：专利申请号：201310372353.X中有明确描述。
本发明的CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）是指互补金属氧化物半导体。
本发明的m、n是大于0的正整数。
本发明的K为正整数。
本发明的AVDD是指模拟电源。
本发明的VDD是指电源。
本发明的光敏恒流电容积分面阵列距离传感器的实质性特点和显著进步是：可对视场中所有目标点在同一时刻进行测距采样完成测距，因此对运动变化的场景进行多点测距时，不存在各测量点的距离值会相对扭曲的问题。
附图说明
图1：电路原理图。
图2：光敏像素与外围连接图。
图3：基准单元电路原理图。
图4：信号处理流程图。
图5：运用示例图。
图1、图2中，本发明主要由m乘n个光敏像素（0，0）到光敏像素（m-1，n-1）、水平选择单元U112、垂直选择单元U111、基准单元U113、主控单元U110等组成，其中：光敏像素是指由光敏恒流电容积分传感器；基准单元U113由电阻R、R2、放大器Q1等组成。
它们的相互连接关系是：
每个光敏像素的选通信号1与水平选择单元U112连接，光敏像素的选通信号2与垂直选择单元U111连接，光敏像素的基准信号与主控单元U110的基准信号连接，光敏像素的A/D与主控单元U110的A/D连接，光敏像素的复位信号与主控单元U110的复位信号连接。
主控单元U110的水平选择控制与水平选择单元U112连接，垂直选择控制与垂直选择单元U111连接，基准信号、A/D转换、复位信号分别与光敏像素的基准信号、A/D转换、复位信号连接，与基准单元U113连接，与外部接口U114连接，连接线有：光源触发线、场同步、行同步、K位数据线、串行通信线等。
水平选择单元U112与主控单元U110的水平选择控制连接，与光敏像素的选通信号1连接。
垂直选择单元U111与主控单元U110的垂直选择控制连接，与光敏像素的选通信号2连接。
基准单元U113与主控单元U110连接，通过基准源正、基准源负与外部接口U114连接。
图3中，电阻R1一端与放大器Q1的栅极连接，另一端与电源VDD连接；电阻R2的一端与放大器Q1的漏极连接，另一端与模拟电源AVDD连接；放大器Q1的漏极还与主控单元连接，源极与电源地和外部接口U114的基准源负连接，栅极还与外部接口U114的基准源正连接。
图4中，步骤U401，主控单元初U110始化行、场同步寄存器，初始化水平选择单元U112、垂直选择单元U111，初始化其它工作参数。
步骤U402，主控单元U110按设定的帧率采样，当未到达一帧的采样时间时，继续等待，当到达一帧的采用时间时，进入步骤U403。
步骤U403，主控单元U110通过复位信号对所有像素的电容放电复位，之后停止复位放电，进入步骤U404。
步骤U404，主控单元U110发出光源触发信号，使外部光源亮一下后熄灭。基准单元U113根据外部基准源的信号输出外部基准状态到主控单元U110。同时每个光敏像素对接收的光线信号和基准信号进行处理，各自对自己的电容充电，进入步骤U405。
步骤U405，主控单元U110输出场同步信号，进入步骤U406。
步骤U406，主控单元输U110出场同步信号，进入步骤U407。
步骤U407，垂直选择单元U111和水平选择单元U112顺序选择一个像素的电容电压信号输出到主控单元U110进行A/D转换，A/D转换数据经距离计算后输出到数据外部接口U114，进入步骤U408。
步骤U408，主控单元U110判断一行像素距离数据是否处理、输出完毕，如果未完毕，则转到步骤U407，继续处理下一像素距离数据，如果已完毕，则转到步骤U409。
步骤U409，主控单元U110判断是否已处理完一场的所有像素行，如未完成，则转到步骤U406，继续下一行的像素距离数据处理，如已完毕，则转到步骤U402，准备下一场的距离数据采样和处理。
图5，本发明的运用系统示例，系统由本发明（U501）、光学镜头（U502）、触发光源（U503）、其它电路（U504）等组成。本发明（U501）通过其外部接口（U114）与触发光源（U503）和其它电路（U504）连接。
具体实施例
在需要对物体进行测距的场所，实施本发明光敏恒流电容积分面阵列距离传感器，用本发明组成一个平面阵列，放置在镜头的成像焦距平面上，与镜头、受控光源、控制电路一起，可组成一个面阵列测距装置，可同时对镜头视场中的物体进行多目标测距。
本发明由m乘n个光敏像素（0，0）到光敏像素（m-1，n-1）、水平选择单元U112、垂直选择单元U111、基准单元U113、主控单元U110等组成，-1）、水平选择单元U112、垂直选择单元U111、基准单元U113、主控单元U110等组成，其中：光敏像素是指由光敏恒流电容积分传感器；基准单元U113由电阻R、R2、放大器Q1等组成。
光敏恒流电容积分面阵列距离传感器的相互连接关系是：
每个光敏像素的选通信号1与水平选择单元U112连接，光敏像素的选通信号2与垂直选择单元U111连接，光敏像素的基准信号与主控单元U110的基准信号连接，光敏像素的A/D与主控单元U110的A/D连接，光敏像素的复位信号与主控单元U110的复位信号连接。
主控单元U110的水平选择控制与水平选择单元U112连接，垂直选择控制与垂直选择单元U111连接，基准信号、A/D转换、复位信号分别与光敏像素的基准信号、A/D转换、复位信号连接，与基准单元U113连接，与外部接口U114连接，连接线有：光源触发线、场同步、行同步、K位数据线、串行通信线等。
水平选择单元U112与主控单元U110的水平选择控制连接，与光敏像素的选通信号1连接。
垂直选择单元U111与主控单元U110的垂直选择控制连接，与光敏像素的选通信号2连接。
基准单元U113与主控单元U110连接，通过基准源正、基准源负与外部接口U114连接。
基准单元U113的内部连接说明：电阻R1一端与放大器Q1的栅极连接，另一端与电源VDD连接；电阻R2的一端与放大器Q1的漏极连接，另一端与模拟电源AVDD连接；放大器Q1的漏极还与主控单元连接，源极与电源地和外部接口U114的基准源负连接，栅极还与外部接口U114的基准源正连接。
本发明光敏恒流电容积分面阵列距离传感器的数据处理流程如下：
图4中，步骤U401，主控单元初U110始化行、场同步寄存器，初始化水平选择单元U112、垂直选择单元U111，初始化其它工作参数。
步骤U402，主控单元U110按设定的帧率采样，当未到达一帧的采样时间时，继续等待，当到达一帧的采用时间时，进入步骤U403。
步骤U403，主控单元U110通过复位信号对所有像素的电容放电复位，之后停止复位放电，进入步骤U404。
步骤U404，主控单元U110发出光源触发信号，使外部光源亮一下后熄灭。基准单元U113根据外部基准源的信号输出外部基准状态到主控单元U110。同时每个光敏像素对接收的光线信号和基准信号进行处理，各自对自己的电容充电，进入步骤U405。
步骤U405，主控单元U110输出场同步信号，进入步骤U406。
步骤U406，主控单元输U110出场同步信号，进入步骤U407。
步骤U407，垂直选择单元U111和水平选择单元U112顺序选择一个像素的电容电压信号输出到主控单元U110进行A/D转换，A/D转换数据经距离计算后输出到数据外部接口U114，进入步骤U408。
步骤U408，主控单元U110判断一行像素距离数据是否处理、输出完毕，如果未完毕，则转到步骤U407，继续处理下一像素距离数据，如果已完毕，则转到步骤U409。
步骤U409，主控单元U110判断是否已处理完一场的所有像素行，如未完成，则转到步骤U406，继续下一行的像素距离数据处理，如已完毕，则转到步骤U402，准备下一场的距离数据采样和处理。
Claims (4)
1. 光敏恒流电容积分面阵列距离传感器，其特征在于：由m乘n个光敏像素（0，0）到光敏像素（m-1，n-1）、水平选择单元U112、垂直选择单元U111、基准单元U113、主控单元U110组成，其中：光敏像素是指光敏恒流电容积分传感器；基准单元U113由电阻R、R2、放大器Q1组成；
光敏恒流电容积分面阵列距离传感器的相互连接关系是：
每个光敏像素的选通信号1与水平选择单元U112连接，选通信号2与垂直选择单元U111连接，光敏像素的基准信号与主控单元U110的基准信号连接，光敏像素的A/D与主控单元U110的A/D连接，光敏像素的复位信号与主控单元U110的复位信号连接；
主控单元U110的水平选择控制与水平选择单元U112连接，垂直选择控制与垂直选择单元U111连接，基准信号、A/D转换、复位信号分别与光敏像素的基准信号、A/D转换、复位信号连接，与基准单元U113连接，与外部接口U114连接，连接线有：光源触发线、场同步、行同步、K位数据线、串行通信线等；
水平选择单元U112与主控单元U110的水平选择控制连接，与光敏像素的选通信号1连接；
垂直选择单元U111与主控单元U110的垂直选择控制连接，与光敏像素的选通信号2连接；
基准单元U113与主控单元U110连接，通过基准源正、基准源负与外部接口U114连接；
基准单元U113的内部连接说明：电阻R1一端与放大器Q1的栅极连接，另一端与电源VDD连接；电阻R2的一端与放大器Q1的漏极连接，另一端与模拟电源AVDD连接；放大器Q1的漏极还与主控单元连接，源极与电源地和外部接口U114的基准源负连接，栅极还与外部接口U114的基准源正连接。
2.如权利要求1所述的光敏恒流电容积分面阵列距离传感器， 其特征是：所述的光敏像素的所有光敏像素的像素排列在一个焦距平面上。
3.如权利要求1所述的光敏恒流电容积分面阵列距离传感器， 其特征是：所述的光敏像素之间是并行且同时测距的，各自分别对应光敏像素各自的目标测距。
4.如权利要求1所述的光敏恒流电容积分面阵列距离传感器， 其特征是：所述的光敏像素共同使用一个基准单元信号、控制单元复位信号。
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