CN108445499A - 一种tof传感器的环境光抑制系统及方法 - Google Patents

一种tof传感器的环境光抑制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种TOF传感器的环境光抑制系统及方法，系统包括光源、调制解调模块和TOF传感器，光源在调制解调模块的调制信号控制作用下发出调制后的近红外光照射到目标上，TOF传感器包括像素阵列，像素阵列包括像素，每个像素对应有一对电荷存储池，该对电荷存储池在调制解调模块的一对解调信号控制作用下对目标反射光激发的电荷进行积分，并在测量结束后输出该对电荷存储池的差分信号作为该像素抑制环境光后的测量信号，目标反射光包括环境光和目标反射的近红外光，光源发出的近红外光是窄带通近红外光。本发明利用了差分原理有效抑制了环境光的干扰，从而能将TOF传感器在室外使用，适用范围广。本发明可广泛应用于距离测量领域。

Description

一种TOF传感器的环境光抑制系统及方法
技术领域
本发明涉及距离测量领域，尤其是一种TOF传感器的环境光抑制系统及方法。
背景技术
TOF是飞行时间(Time of Flight)技术的缩写，即传感器发出经调制的近红外光，遇物体后反射，传感器通过计算光线发射和反射时间差或相位差来换算被拍摄景物的距离，以产生深度信息，此外再结合传统的相机拍摄，就能将物体的三维轮廓以不同颜色代表不同距离的地形图方式呈现出来。TOF技术在三维视觉、无人机、三维人脸识别、机器人等领域得到了广泛的应用，将会成为实现我们未来智能社会生活环境的最基础技术之一。
现有的TOF传感器是光谱型传感器，即对从可见光到红外波段都很敏感，因此其难以实现户外和环境光较强场景下的应用。故像无人坦克、无人装甲等对室外环境要求较高的设备将不得不使用基于双目视觉技术的双目摄像头来取代TOF传感器，然而双目摄像头成本高且在昏暗环境下以及特征不明显的情况下并不适用。
为此，有必要设计一款能在室外使用且对环境光有抑制能力的TOF传感器系统。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种能在室外使用且对环境光有抑制能力的TOF传感器的环境光抑制系统及方法。
本发明所采取的第一技术方案是：
一种TOF传感器的环境光抑制系统，包括光源、调制解调模块和TOF传感器，所述光源在调制解调模块的调制信号控制作用下发出调制后的近红外光照射到目标上，所述TOF传感器包括像素阵列，所述像素阵列包括像素，所述每个像素对应有一对电荷存储池，该对电荷存储池在调制解调模块的一对解调信号控制作用下对目标反射光激发的电荷进行积分，并在测量结束后输出该对电荷存储池的差分信号作为该像素抑制环境光后的测量信号，所述目标反射光包括环境光和目标反射的近红外光，所述光源发出的近红外光是窄带通近红外光。
进一步，所述TOF传感器还包括饱和检测模块，所述饱和检测模块的2个输入端分别与一对电荷存储池的输出端连接。
进一步，所述TOF传感器还包括ADC转换器，所述ADC转换器的2个输入端分别与一对电荷存储池的输出端连接。
进一步，所述ADC转换器的读出模式包括差分测距模式和单端近红外图像模式，所述差分测距模式对单个TOF传感器组成的相机模组采用正弦调制方式，所述差分测距模式对多个TOF传感器的集中应用采用伪随机噪声调制方式。
进一步，在所述目标与TOF传感器之间还设有窄带通过滤镜。
本发明所采取的第二技术方案是：
一种TOF传感器的环境光抑制方法，包括以下步骤：
在调制解调模块的调制信号控制作用下，光源发出调制后的近红外光照射到目标上；
在调制解调模块的解调信号控制作用下，TOF传感器接收目标反射光并进行解调，以得到抑制环境光后的测量信号，其中，TOF传感器的每个像素对应有一对电荷存储池，该对电荷存储池在调制解调模块的一对解调信号控制作用下对目标反射光激发的电荷进行积分，并在测量结束后输出该对电荷存储池的差分信号作为该像素抑制环境光后的测量信号，所述目标反射光包括环境光和目标反射的近红外光，所述光源发出的近红外光是窄带通近红外光。
进一步，所述在调制解调模块的解调信号控制作用下，TOF传感器接收目标反射光并进行解调，以得到抑制环境光后的测量信号这一步骤，具体包括：
TOF传感器的每个像素在光电转换期间，通过一对相应的电荷存储池对目标反射光激发的电荷进行积分，该对电荷存储池受调制解调模块的一对解调信号控制；
TOF传感器的每个像素在测量结束后，输出该对电荷存储池的差分信号作为该像素抑制环境光后的测量信号。
进一步，所述TOF传感器的每个像素在测量结束后，输出该对电荷存储池的差分信号作为该像素抑制环境光后的测量信号这一步骤，具体包括：
TOF传感器的每个像素在测量结束后，将该对电荷存储池的差分信号输出至ADC转换器转换为12bit数据信号。
进一步，所述TOF传感器的每个像素在测量结束后，输出该对电荷存储池的差分信号作为该像素抑制环境光后的测量信号这一步骤，还具体包括：
TOF传感器在输出12bit数据信号时同步输出1bit与该对电荷存储池相对应的饱和检测标志，并在TOF传感器的像素饱和时将该像素相应的12bit数据信号舍弃。
进一步，所述ADC转换器的读出模式包括差分测距模式和单端近红外图像模式，所述差分测距模式对单个TOF传感器组成的相机模组采用正弦调制方式，所述差分测距模式对多个TOF传感器的集中应用采用伪随机噪声调制方式。
本发明的有益效果是：本发明一种TOF传感器的环境光抑制系统及方法，采用了窄带通近红外光作为测距光源，TOF传感器的每个像素对应有一对电荷存储池进行电荷积，并在测量结束后输出该对电荷存储池的差分信号作为抑制环境光后的信号，利用了差分原理有效抑制了环境光的干扰，从而能将TOF传感器在室外使用，不受昏暗环境以及特征不明显的限制，适用范围广。
附图说明
图1为本发明一种TOF传感器的环境光抑制系统的整体结构框图；
图2为本发明一种TOF传感器的环境光抑制方法的整体流程图；
图3为本发明窄带通近红外光的光谱敏感曲线图；
图4为本发明TOF传感器的调制信号、近红外光发射调制信号以及传感器像素所需的解调信号的第一种波形关系图；
图5为本发明TOF传感器的调制信号、近红外光发射调制信号以及传感器像素所需的解调信号的第二种波形关系图；
图6为本发明TOF传感器的调制信号、近红外光发射调制信号以及传感器像素所需的解调信号的第三种波形关系图；
图7为本发明TOF传感器的调制信号、近红外光发射调制信号以及传感器像素所需的解调信号的第四种波形关系图；
图8为本发明TOF传感器的不同阶段实现原理示意图。
具体实施方式
参照图1，一种TOF传感器的环境光抑制系统，包括光源、调制解调模块和TOF传感器，所述光源在调制解调模块的调制信号控制作用下发出调制后的近红外光照射到目标上，所述TOF传感器包括像素阵列，所述像素阵列包括像素，所述每个像素对应有一对电荷存储池SGA和SGB，该对电荷存储池在调制解调模块的一对解调信号控制作用下对目标反射光激发的电荷进行积分，并在测量结束后输出该对电荷存储池的差分信号作为该像素抑制环境光后的测量信号，所述目标反射光包括环境光和目标反射的近红外光，所述光源发出的近红外光是窄带通近红外光。
其中，调制解调模块的一对解调信号的相位相差180度以便于解调出电荷存储池的差分信号。
本发明抑制环境光的原理为：因SGA和SGB受到相位差180度的解调信号控制，故它们在读出时一个信号的波形在波峰另一个就在波谷，所以它们中有一个信号只采样到环境光，另一个信号就采样到目标反射光，因此根据这两个信号的差分就可以获得剔除环境光后的有效测量信号。
参照图1，进一步作为优选的实施方式，所述TOF传感器还包括饱和检测模块，所述饱和检测模块的2个输入端分别与一对电荷存储池的输出端连接。
参照图1，进一步作为优选的实施方式，所述TOF传感器还包括ADC转换器，所述ADC转换器的2个输入端分别与一对电荷存储池的输出端连接。
进一步作为优选的实施方式，所述ADC转换器的读出模式包括差分测距模式和单端近红外图像模式，所述差分测距模式对单个TOF传感器组成的相机模组采用正弦调制方式，所述差分测距模式对多个TOF传感器的集中应用采用伪随机噪声调制方式。
参照图1，进一步作为优选的实施方式，在所述目标与TOF传感器之间还设有窄带通过滤镜。优选地，窄带通过滤镜可选用850nm的窄带通过滤镜来阻挡可见光，只允许850nm附近的光线照射到TOF传感器上，进一步强化了环境光抑制作用。
参照图2，一种TOF传感器的环境光抑制方法，包括以下步骤：
在调制解调模块的调制信号控制作用下，光源发出调制后的近红外光照射到目标上；
在调制解调模块的解调信号控制作用下，TOF传感器接收目标反射光并进行解调，以得到抑制环境光后的测量信号，其中，TOF传感器的每个像素对应有一对电荷存储池，该对电荷存储池在调制解调模块的一对解调信号控制作用下对目标反射光激发的电荷进行积分，并在测量结束后输出该对电荷存储池的差分信号作为该像素抑制环境光后的测量信号，所述目标反射光包括环境光和目标反射的近红外光，所述光源发出的近红外光是窄带通近红外光。
进一步作为优选的实施方式，所述在调制解调模块的解调信号控制作用下，TOF传感器接收目标反射光并进行解调，以得到抑制环境光后的测量信号这一步骤，具体包括：
TOF传感器的每个像素在光电转换期间，通过一对相应的电荷存储池对目标反射光激发的电荷进行积分，该对电荷存储池受调制解调模块的一对解调信号控制；
TOF传感器的每个像素在测量结束后，输出该对电荷存储池的差分信号作为该像素抑制环境光后的测量信号。
进一步作为优选的实施方式，所述TOF传感器的每个像素在测量结束后，输出该对电荷存储池的差分信号作为该像素抑制环境光后的测量信号这一步骤，具体包括：
TOF传感器的每个像素在测量结束后，将该对电荷存储池的差分信号输出至ADC转换器转换为12bit数据信号。
进一步作为优选的实施方式，所述TOF传感器的每个像素在测量结束后，输出该对电荷存储池的差分信号作为该像素抑制环境光后的测量信号这一步骤，还具体包括：
TOF传感器在输出12bit数据信号时同步输出1bit与该对电荷存储池相对应的饱和检测标志，并在TOF传感器的像素饱和时将该像素相应的12bit数据信号舍弃。
其中，饱和检测标志由TOF传感器的XSYNC_SAT管脚传送，它和12位的采样数据DATA[11:0]同步传输。如果像素饱和，则DATA[11:0]管脚会置为0xFFF，这种配置下，ADC转换器输出所连接的后续处理器(如MCU等)上的应用程序需要丢弃采样结果为0xFFF的数据。
进一步作为优选的实施方式，所述ADC转换器的读出模式包括差分测距模式和单端近红外图像模式，所述差分测距模式对单个TOF传感器组成的相机模组采用正弦调制方式，所述差分测距模式对多个TOF传感器的集中应用采用伪随机噪声调制方式。
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步解释和说明。
针对现有技术TOF传感器难以应用于室外和强光环境的缺陷，本实施例提出了一种TOF传感器的环境光抑制方案，该方案主要包括以下内容：
(一)确定TOF传感器所采用的光电转换材料
为例满足室外应用的要求，本实施例的光谱敏感曲线选用如图3所示的窄带型光谱敏感曲线。也就是说，根据波长和灵敏度，本实施例的TOF传感器采用近红外LED光源作为测距用光源。而目前大多数红外LED的发射光谱(性价比最好的红外LED就是850nm波段和940nm波段的，而其中850nm波段的红外LED最经济)最高效的区间正好和图3的近红外LED窄带型传感器材料的光谱敏感峰值区间吻合(800～900nm)。
(二)环境光抑制原理
本实施例整个TOF传感器的调制信号、近红外LED发射调制信号以及传感器像素所需的解调信号波形分别如图4、图5、图6和图7所示。图4、图5、图6和图7中，粗黑线代表该信号起作用(对应“1”)，mod_clk为调制时钟信号，led_mod为红外LED发射控制调制信号，mga和mgb为一对解调信号。图4中，mga为0°，mgb为180°，简称为DCS0模式；图5中，mga为90°，mgb为270°，简称为DCS1模式；图6中，mga为180°，mgb为0°，简称为DCS2模式；图7中，mga为270°，mgb为90°，简称为DCS3模式。
如图8所示，假设当前mga和mgb处于DCS0模式，TOF传感器的像素为UE，且波形中粗黑线代表该信号起作用(对应“1”)，Integration为积分阶段，Differentce SGA-SGB andsaturation detection为电荷存储池SGA和SGB差分和饱和检测阶段，saturationdetection为饱和检测，Didital read-out为数字信号读出阶段。TOF传感器的每个像素都如像素UE一样有SGA和SGB这样一对电荷存储池。如图8所示，在积分期间(即光电转换阶段，integration)，该对电荷存储池在解调信号mga和mgb(这对调制信号同样可对TOF传感器的测距用光源进行调制)的控制下对反射光激发的电荷(即e-)进行积分。测量结束后就开始进行读出，电荷存储池SGA和SGB作为差分信号A-B(已抑制了环境光干扰)读取，然后转换为12-bit数据DATA和一个1bit饱和标志SAT。
根据不同的操作模式(包括差分测距模式和单端近红外图像模式)，ADC的读出也不同，具体包括：
(1)差分测距模式：对于单个TOF传感器组成的相机模组，采用正弦调制；对于多个TOF传感器的集中应用，为了防止相互之间的干扰，采用伪随机噪声调制，确保每个TOF传感器有不同的调制光。
(2)单端近红外图像模式：这个模式下对调制信号没有特别要求，只是用于生成近红外图像。
本实施例环境光抑制原理为：因为TOF传感器接收到光子包括环境光和调制后的近红外光，而电荷存储池是由一对相位差180度的解调信号控制的，故可以对所接收的调制光进行解调。这样就可以将真正测距用的调制光区别开。因此尽管图3的整个光谱敏感区不是特别窄和快速收敛，但通过差分相减就可以将环境光产生的电荷剔除，获得真正有用的调制光电荷。
通过以上结构在阳光，农田，室内等环境下测量，用户可以不用再考虑抑制环境光，因像素通过电荷存储池差分已经自动抑制了环境光，积分时间(曝光时间)越长对环境光就越敏感。
(三)像素点的过饱和检测
在积分时，像素会连续收集已调制或者未调制的环境光(如背景)，根据环境光强度不同，有时候像素会收集到超过电荷存储池最大存储量的电荷，在这种情况下12位的数据是无效的不可用数据。因此，本实施例每个像素的采样数据都会有个“饱和检测”标志SAT，这样ADC输出的后续应用程序就知道是否放弃该数据。
在相邻像素模式下，一个或多个电荷存储池饱和或者累计饱和都会产生饱和标志，故在这种结构下两个相邻像素的饱和电荷存储池不能采集两次。
饱和检测标志SAT由TOF传感器XSYNC_SAT管脚传送，它和12位的ADC采样输出数据DATA[11:0]同步传输。如果像素饱和，则DATA[11:0]管脚会置为0xFFF，这种配置下，后续应用程序需要丢弃采样结果为0xFFF的数据。
(四)对环境光的进一步抑制
本实施例除了采用电子软硬件来抑制环境光外，还可从光学层面，采用850nm的窄带通过滤镜来阻挡可见光，从而只允许850nm附近的光线照射到TOF传感器上，进一步强化了环境光抑制。
综上所述，本发明一种TOF传感器的环境光抑制系统及方法，采用了窄带通近红外光作为测距光源，TOF传感器的每个像素对应有一对电荷存储池进行电荷积，并在测量结束后输出该对电荷存储池的差分信号作为抑制环境光后的信号，利用了差分原理有效抑制了环境光的干扰，从而能将TOF传感器在室外使用，不受昏暗环境以及特征不明显的限制，适用范围广。本发明打破了现有TOF传感器难以应用于户外和环境光较强场景的局限，在无人坦克、无人装甲等对室外环境要求较高的场合具有广阔的应用前景。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种TOF传感器的环境光抑制系统，其特征在于：包括光源、调制解调模块和TOF传感器，所述光源在调制解调模块的调制信号控制作用下发出调制后的近红外光照射到目标上，所述TOF传感器包括像素阵列，所述像素阵列包括像素，所述每个像素对应有一对电荷存储池，该对电荷存储池在调制解调模块的一对解调信号控制作用下对目标反射光激发的电荷进行积分，并在测量结束后输出该对电荷存储池的差分信号作为该像素抑制环境光后的测量信号，所述目标反射光包括环境光和目标反射的近红外光，所述光源发出的近红外光是窄带通近红外光。
2.根据权利要求1所述的一种TOF传感器的环境光抑制系统，其特征在于：所述TOF传感器还包括饱和检测模块，所述饱和检测模块的2个输入端分别与一对电荷存储池的输出端连接。
3.根据权利要求2所述的一种TOF传感器的环境光抑制系统，其特征在于：所述TOF传感器还包括ADC转换器，所述ADC转换器的2个输入端分别与一对电荷存储池的输出端连接。
4.根据权利要求3所述的一种TOF传感器的环境光抑制系统，其特征在于：所述ADC转换器的读出模式包括差分测距模式和单端近红外图像模式，所述差分测距模式对单个TOF传感器组成的相机模组采用正弦调制方式，所述差分测距模式对多个TOF传感器的集中应用采用伪随机噪声调制方式。
5.根据权利要求1所述的一种TOF传感器的环境光抑制系统，其特征在于：在所述目标与TOF传感器之间还设有窄带通过滤镜。
6.一种TOF传感器的环境光抑制方法，其特征在于：包括以下步骤：
在调制解调模块的调制信号控制作用下，光源发出调制后的近红外光照射到目标上；
在调制解调模块的解调信号控制作用下，TOF传感器接收目标反射光并进行解调，以得到抑制环境光后的测量信号，其中，TOF传感器的每个像素对应有一对电荷存储池，该对电荷存储池在调制解调模块的一对解调信号控制作用下对目标反射光激发的电荷进行积分，并在测量结束后输出该对电荷存储池的差分信号作为该像素抑制环境光后的测量信号，所述目标反射光包括环境光和目标反射的近红外光，所述光源发出的近红外光是窄带通近红外光。
7.根据权利要求6所述的一种TOF传感器的环境光抑制方法，其特征在于：所述在调制解调模块的解调信号控制作用下，TOF传感器接收目标反射光并进行解调，以得到抑制环境光后的测量信号这一步骤，具体包括：
TOF传感器的每个像素在光电转换期间，通过一对相应的电荷存储池对目标反射光激发的电荷进行积分，该对电荷存储池受调制解调模块的一对解调信号控制；
TOF传感器的每个像素在测量结束后，输出该对电荷存储池的差分信号作为该像素抑制环境光后的测量信号。
8.根据权利要求7所述的一种TOF传感器的环境光抑制方法，其特征在于：所述TOF传感器的每个像素在测量结束后，输出该对电荷存储池的差分信号作为该像素抑制环境光后的测量信号这一步骤，具体包括：
TOF传感器的每个像素在测量结束后，将该对电荷存储池的差分信号输出至ADC转换器转换为12bit数据信号。
9.根据权利要求8所述的一种TOF传感器的环境光抑制方法，其特征在于：所述TOF传感器的每个像素在测量结束后，输出该对电荷存储池的差分信号作为该像素抑制环境光后的测量信号这一步骤，还具体包括：
TOF传感器在输出12bit数据信号时同步输出1bit与该对电荷存储池相对应的饱和检测标志，并在TOF传感器的像素饱和时将该像素相应的12bit数据信号舍弃。
10.根据权利要求8所述的一种TOF传感器的环境光抑制方法，其特征在于：所述ADC转换器的读出模式包括差分测距模式和单端近红外图像模式，所述差分测距模式对单个TOF传感器组成的相机模组采用正弦调制方式，所述差分测距模式对多个TOF传感器的集中应用采用伪随机噪声调制方式。
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