CN109696690B - 飞行时间传感器及其发光检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种飞行时间传感器及其发光检测方法，所述飞行时间传感器用于发出脉冲光，所述发光检测方法包括：以至少两种采样周期对所述脉冲光进行采样，所述采样周期包括采样窗口期和采样停止期；获取各采样周期内采样的脉冲光能量；根据所述脉冲光能量，获取各采样周期内的脉冲光的发光功率。上述发光检测方法能够提高发光检测的准确性。

Description

飞行时间传感器及其发光检测方法
技术领域
本发明涉及传感技术领域，尤其涉及一种飞行时间传感器及其发光检测方法。
背景技术
飞行时间法(Time Of Flight，TOF)通过测量仪器发出的脉冲信号从发射到接收的时间间隔或激光往返被测物体一次所产生的相位来实现对被测物体的三维结构或三维轮廓的测量。TOF测量仪器可同时获得灰度图像和距离图像，广泛应用在体感控制、行为分析、监控、自动驾驶、人工智能、机器视觉和自动3D建模等诸多领域。
飞行时间(TOF)传感器一般包括：光源模块和感光模块；所述光源模块用于发射特定波段和频率的脉冲检测光，所述检测光在被测物体的表面发生反射，反射光被所述感光模块所接收；所述感光模块根据发射光波和接收光波之间的时间差或者相位差计算出被测物体的距离信息。
由于飞行时间传感器采用的光源通常为LED或激光二极管等，随着消费市场的不断升级，现在用到越来越多种的光源，例如红外激光光源等较大功率的光源。而人眼无法直接看到红外波段的光，该波段的激光照射到人眼后，瞳孔无法自动调节，容易对视网膜造成不可恢复的伤害，甚至失明。因此，飞行时间传感器在工作过程中的光源模块的发光功率需要控制在安全范围内，以避免对人员造成伤害。
因此，如何检测并控制光源的功率成为了非常重要的技术问题，而现有技术中对飞行时间传感器的光功率检测效率较低，无法高效地对光源的最大功率进行监控。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种飞行时间传感器及其发光检测方法。
为了解决所述问题，本发明提供了一种飞行时间传感器的发光检测方法，所述飞行时间传感器用于发出脉冲光，包括：以至少两种采样周期对所述脉冲光进行采样，所述采样周期包括采样窗口期和采样停止期，每个采样周期内对所述脉冲光的多个光脉冲进行采样；获取各采样周期内的脉冲光的发光功率，所述发光功率为一采样周期内所采样到的所有光脉冲的功率之和。
可选的，不同采样周期具有相同的采样窗口期。
可选的，不同采样周期之间的时间差为脉冲光的发光周期的非整数倍。
可选的，依次交替以单个不同的采样周期进行采样。
可选的，依次以不同的采样周期对所述脉冲光进行采样，且每一次的采样均持续n个采样周期，n大于等于2。
可选的，还包括：针对每一种采样周期，对所述n个采样周期内采样获取的脉冲光的发光功率取最大值，以所述最大值作为与该采样周期对应的脉冲光的发光功率。
可选的，各采样周期随机变化，或以一固定值逐次发生变化。
可选的，还包括根据各采样周期内的脉冲光的发光功率，对脉冲光功率进行调整。
可选的，所述飞行时间传感器包括发光元件，由所述发光元件发出脉冲光，对所述脉冲光进行采样的方法包括：对发光元件的发光电流或驱动电流进行采样，或者将脉冲光信号转换为电信号进行采样。
本发明的技术方案还提供一种飞行时间传感器，包括：发光模块，用于发出脉冲光；检测模块，用于以至少两种采样周期对所述脉冲光进行采样，所述采样周期包括采样窗口期和采样停止期，每个采样周期内对所述脉冲光的多个光脉冲进行采样，获取各采样周期内的脉冲光的发光功率，所述发光功率为一采样周期内所采样到的所有光脉冲的功率之和。
可选的，不同采样周期具有相同的采样窗口期。
可选的，不同采样周期之间的时间差为脉冲光的发光周期的非整数倍。
可选的，所述检测模块用于依次交替以单个不同的采样周期进行采样。
可选的，所述检测模块用于依次以不同的采样周期对所述脉冲光进行采样，且每一次的采样均持续n个采样周期，n大于等于2。
可选的，所述检测模块还用于针对每一种采样周期，对所述n个采样周期内采样获取的脉冲光的发光功率取最大值，以所述最大值作为与该采样周期对应的脉冲光的发光功率。
可选的，所述检测模块的采样周期随机变化，或以一固定值逐次发生变化。
可选的，还包括控制器，与所述发光模块和检测模块连接，根据所述检测模块获取的各采样周期内的脉冲光的发光功率，对所述发光模块发出的脉冲光功率进行调整。
所述检测模块对所述脉冲光进行采样的方法包括：对发光元件的发光电流或驱动电流进行采样，或者将脉冲光信号转换为电信号进行采样。
本发明的飞行时间传感器及其发光检测方法，以变化的采样周期对脉冲光进行实时采样，获取不同采样周期内的脉冲光功率，可以提高搜索这段时间的最大光功率的精度，，从而快速搜索出采样窗口期内的最大脉冲光能量，进而准确判定脉冲光能量是否符合安全要求。
附图说明
图1为本发明现有技术光源脉冲与采样周期的时序图；
图2为本发明一具体实施方式的光源脉冲与采样周期的时序图；
图3为本发明一具体实施方式的飞行时间传感器的结构示意图；
图4A为本发明一具体实施方式的飞行时间传感器的发光模块和检测模块的结构示意图；
图4B为本发明一具体实施方式的飞行时间传感器的检测模块的结构示意图；
图4C为本发明一具体实施方式的飞行时间传感器的发光模块和检测模块的结构示意图。
具体实施方式
如背景技术中所述，现有技术中对飞行时间传感器的光功率检测效率较低，无法获得光源任意时间内的发光功率。
由于目前的飞行时间测距传感器是以脉冲驱动方式发出脉冲检测光，对检测光的发光功率的检测电路也需要以一定的时序进行采样，以获得一定长度的采样窗口，例如5μs，内的一个或多个光脉冲的发光功率，将发光功率与标准值进行比较，若超过标准值，则光源功率过大，需要进行调整。
由于脉冲光源的发光时序并不一定与检测采样窗口同步，即便光源以同一周期和脉宽设定进行发光，但是由于脉冲光源的功率不稳定性，不同时间的检测光脉冲强度等参数也会有一定的变化，从而使得不同采样窗口内检测到的光功率会具有一定的波动性。
请参考图1，为现有技术中，光源脉冲与采样周期的时序图，目前的采样检测过程中，检测脉冲以一固定的间隔周期及固定的采样窗口Tsample进行采样，从而每个采样窗口Tsample之间的间隔固定。每个采样周期内，采样窗口采集到的光脉冲数量一致，位于采样窗口之间的部分脉冲能量无法被采样，从而无法获得任意采样周期内的光源发光功率，使得光源检测的准确性较低。
为了克服上述问题，本发明的技术方案提出一种新的飞行时间传感器及其发光检测方法。
下面结合附图对本发明提供的飞行时间传感器及其发光检测方法的具体实施方式做详细说明。
所述飞行时间传感器包括发光模块，用于发出脉冲光，作为飞行时间距离检测的检测光。对于一特定的检测场景和检测范围，所述脉冲光的脉宽和发光周期是固定的。
以一定的采样周期进行采样，可以得到相应采样周期内的脉冲光能量，从而反推出发光模块的发光功率。为了提高发光功率检测的准确性和完整性，最佳的，需要对各个时间内的脉冲光功率进行检测，以获取任意采样周期内的发光功率。而如果以固定的采样周期进行采样时无法实现这一目标的。
本发明的具体实施方式中，以至少两种采样周期对脉冲光进行采样，所述采样周期包括采样窗口期和采样停止期；获取各采样周期内采样的脉冲光能量；根据所述脉冲光能量，获取各采样周期内的脉冲光的发光功率。
请参考图2，为本发明一具体实施方式的采样脉冲与光源脉冲的时序示意图。
该具体实施方式中，飞行时间传感器的发光模块以一固定周期及脉宽发出光源脉冲光，作为距离检测的检测光。在其他具体实施方式中，所述发光模块也可以根据检测场景实时改变检测光的脉冲和发光周期。
以一定的采样周期，对光源脉冲持续进行采样，图2仅为示意图，用虚线省略了其中大量的脉冲图形。由于脉冲光功率与发光电流对应，本发明的具体实施方式中，可以通过对发光模块的发光元件的发光电流或驱动电流进行ADC采样而间接获取脉冲光能量。在其他具体实施方式中，也可以通过将脉冲光信号转换为电信号进行采样，例如通过光电二极管，将脉冲光能量以一定能量比例转换为电信号进行采样，采样获得的电信号功率与脉冲光功率成正比。上述采样方式获取的采样结果，经过一定的比例转换和校准，可以准确获取脉冲光的发光功率。
采样过程中，至少采样两种采样周期，每一采样周期均包括采样窗口期(即采样脉冲高电平)和采样窗口期(即采样脉冲高电平)之后的采样停止期。在一个具体实施方式中，在采样窗口期获取该段窗口期内的多个光脉冲的能量，在采样停止期，对采样的数据进行处理和计算。通常采样窗口期时间较长，可以为1μs～100μs；而采样停止期的时间则较短，通常为10ns～1μs，改变采样停止期的时间，对采样效率影响不大。每个采样窗口的发光功率为该采样窗口内的若干光脉冲的功率之和。
在一个具体实施方式中，不同采样周期中，采样窗口期保持不变，而仅改变采样窗口期之后的采样停止期的长度，导致后一采样周期内的采样窗口期提前或推迟，例如采样周期随机变化、逐渐增加或减小，从而在一定之间范围内，可以遍历脉冲光的能量分布，从而与安全标准值比较，判定光源是否符合人眼安全，所述安全标准值为在一定时间内保证人眼安全的发光功率最大值。采样窗口期保持不变，可以使得每个采样窗口期采样获取的光源功率对应的安全标准值固定，便于与安全标准值进行比较。在其他具体实施方式中，采样窗口期也可以发生变化。通过采样窗口期的提前和推迟，可以在一定范围内以一定的精度进行搜索，通过不同的提前和推迟时间，可以提高搜索这段时间的最大光功率的精度，使得光源功率波动带来的发光功率变化也能被及时检测到。
请参考图2，示出了采样过程中，由于采样周期变化，导致采样窗口与光源脉冲相对时序的变化。采样窗口期Tsample1与采样窗口内被采样的第一个光脉冲之间的时间相差Td1，而采样窗口期Tsamplei发生前移，与采样窗口内被采样的第一个光脉冲之间的时间相差Tdi，Tdi>Td1，采样窗口期Tsamplej发生后移，与采样窗口内被采样的第一个光脉冲之间的时间相差Tdj，Tdj<Td1。
为了能够在较短时间内，尽量多的覆盖光源脉冲，不同采样周期之间的时间差为脉冲光的发光周期的非整数倍，从而使得各采样周期的采样窗口与对应的脉冲光之间的相对时序位置均不同，以具有非相干性。例如，脉冲光宽度为33ns，周期为300ns，那么通过调整采样窗口的位置，在5μs采样周期范围内可能出现15～17个光脉冲能量。通过提高采样周期起始时刻的随机性，可以在不同的采样窗口内快速搜索最大光能量值。通过使得采样窗口前移或后移，可以尽可能准确的获得一段时间内采样窗口内的发光功率最大值。
所述采样脉冲可以是具有两个以上固定的采样周期，例如具有三种采样周期，分别为4μs、5μs和6μs，可以依次按照三种周期逐次交替进行采样。在另一具体实施方式中，也可以依次以不同的采样周期对脉冲光进行采样，且每一次的采样均持续n个采样周期，n≥2，不同采样周期交替进行。进一步的，对于所述n个采样周期内采样获取的脉冲光的发光功率取最大值，作为与该采样周期对应的脉冲光的发光功率，以对单个周期内的采样值进行校准，使得光检测数据更加准确，避免采样窗口头尾部的光能量的漏数或者边缘光脉冲的缺失，提高对检测光安全的防护。在另一具体实施方式中，也可以随机采用设定的采样周期。通过提高采样周期起始时刻的随机性，在不同的采样窗口内快速搜索最大光能量值。
在其他具体实施方式中，随着采样过程的进行，可以逐渐增大或减小采样周期，每次增大或减小的时间可以为一固定值也可以为随机值。
本发明的具体实施方式还包括：根据各采样周期内的脉冲光的发光功率，对脉冲光功率进行调整。在一个具体实施方式中，可以获取多个采样窗口的发光功率的最大值，以该最大功率值与安全标准值进行比较，若超过所述安全标准值，则降低发光功率。在其他具体实施方式中，也可以采用其他脉冲光功率的调整方式，在此不作限定。
在一些具体实施方式中，飞行时间传感器在出厂之前都经过严格测试，软件部分已经能够将发光功率严格控制在安全范围内。在飞行时间传感器的使用过程中，进行发光检测，主要是为了防止意外发生的，如果检测的光功率超过安全标准值，可以直接提交给软件报错信息，同时关闭光源、提醒客户去进行维修等。
在另一些具体实施方式中，如果超过安全标准值的程度有限，也可能是因为飞行时间传感器的光源老化或者驱动电路老化等问题，这时候可以通过调整光源的脉冲功率，使得发出的检测光功率达到安全的范畴。
因此，用户可以根据具体情况，对所述飞行时间传感器进行设置，根据各采样周期内的脉冲光的发光功率，对脉冲光功率进行调整，关闭脉冲光或者降低脉冲光的功率。例如，将脉冲光功率超过安全标准值时，降低发光功率；当小于安全标准值时，可以根据当前测距要求，适当增大发光功率。
上述飞行时间传感器的光检测方法，以变化的采样周期对脉冲光进行实时采样，获取不同采样周期内的脉冲光功率，通过一定时间，能够在不同的采样窗口内快速搜索最大光能量值，从而高效地对光源的最大功率进行监控。
本发明的具体实施方式还提供一种飞行时间传感器。
请参考图3，为本发明一具体实施方式的飞行时间传感器的结构示意图。
所述飞行时间传感器包括发光模块301以及检测模块302。
所述发光模块301包括发光元件，例如发光二极管、LED激光器等。
所述检测模块302，用于对发光模块301发出的脉冲光进行采样。具体的，用于以至少两种采样周期对所述脉冲光进行采样，所述采样周期包括采样窗口期和采样停止期。通过采样可以获取各采样周期内采样的脉冲光能量以及根据所述脉冲光能量获取各采样周期内的脉冲光的发光功率。所述检测模块302可以通过对发光模块301的发光元件的发光电流或驱动电流进行ADC采样而间接获取脉冲光能量。在其他具体实施方式中，也可以通过将脉冲光信号按照一定能量比例转换为电信号进行采样。
在一个具体实施方式中，不同采样周期具有相同的采样窗口期，仅改变采样窗口期之后的采样停止期的长度，导致后一采样周期内的采样窗口期提前或推迟，例如采样周期随机变化、逐渐增加或减小，从而在一定之间范围内，可以在不同的采样窗口内快速搜索最大光能量值，从而高效地对光源的最大功率进行监控。
为了能够在较短时间内，尽量多的覆盖光源脉冲，不同采样周期之间的时间差为脉冲光的发光周期的非整数倍，从而使得各采样周期的采样窗口与对应的脉冲光之间的相对时序位置均不同。
可以采样两个以上固定的采样周期进行采样，例如采样三种采样周期逐次交替进行采样。也可以依次以不同的采样周期对脉冲光进行采样，且每一次的采样均持续n个采样周期，n≥2，不同采样周期交替进行。进一步的，对于所述n个采样周期内采样获取的脉冲光的发光功率取最大值，作为与该采样周期对应的脉冲光的发光功率，以对单个周期内的采样值进行校准，使得光检测数据更加准确。在另一具体实施方式中，也可以随机采用设定的采样周期。通过提高采样周期起始时刻的随机性，在不同的采样窗口内快速搜索最大光能量值。
在其他具体实施方式中，随着采样过程的进行，可以逐渐增大或减小采样周期，每次增大或减小的时间可以为一固定值也可以为随机值。
通过对光源脉冲进行实时采样，检测光源脉冲的光功率，根据各采样周期内的脉冲光的发光功率，可以对脉冲光功率进行调整。例如，将脉冲光功率与安全标准值进行比较，当超过安全标准值时，降低发光功率；当小于安全标准值时，可以根据当前测距要求，适当增大发光功率。
该具体实施方式中，所述飞行时间传感器还包括控制器303，与所述检测模块302和发光模块301连接，所述控制器303可以包括光源驱动电路、逻辑控制电路等，根据所述检测模块302获取的各采样周期内的脉冲光的发光功率，对所述发光模块301发出的脉冲光功率进行调整。以确保飞行时间传感器在工作过程中，发出的脉冲光功率始终保持在安全标准值以内。
请参考图4A，为本发明一具体实施方式的飞行时间传感器的结构示意图。
该飞行时间传感器包括发光模块401以及检测模块402。
所述发光模块401包括发光元件D1和驱动单元，所述发光元件D1的阳极连接至电源端VDD_LD,所述驱动单元包括开关元件M1，连接于所述发光元件D1的阴极与接地端之间，一电压或电流源S通过一缓冲器B1，连接至所述开关元件M1的控制端，用于控制所述开关元件M1的通断状态，从而控制所述发光元件D1的导通或断开状态。该具体实施方式中，所述开关元件M1为MOS管。
所述检测模块402包括光电二极管D2，所述光电二极管D2一端通过电阻R接地，另一端连接至偏压端VDD_Bias，所述光电二极管D2能够以一定比例接收发光元件D1发出的光能量，并形成光电流。所述检测模块402还包括采样单元ADC，对电阻R端的电压进行采样，从而获取与发光元件D1发光能量成比例的采样数据，通过处理单元MCU进行一定比例的转换和校准等运算，能够准确获取发光元件D1在采样周期内的发光能量和发光功率。
请参考图4B，为本发明另一具体实施方式的检测模块403的结构示意图。
该具体实施方式中，所述检测模块402包括光电二极管D2、放大单元A1以及采样单元ADC。所述光电二极管D2以一定比例接收发光元件D1发出的光能量，并形成光电流；通过放大单元A1对光电二极管D2的光电流进行放大，由采样单元ADC进行采样，获取与发光元件D1发光能量成比例的采样数据。
请参考图4C，为本发明另一具体实施方式的飞行时间传感器的结构示意图。
该飞行时间传感器包括发光模块401以及检测模块404。所述发光模块401结构与图4A中一致，在此不再赘述。
所述检测模块404包括开关元件M2，该具体实施方式中，所述开关元件M2为MOS管，所述开关元件M2的栅极连接至发光模块M1的栅极，所述开关元件M2的源极连接至电源端VDD_LD，所述开关元件M2的漏极通过一电阻R2接地。所述检测模块404通过采样单元ADC采样电阻R2两端的而电压，从而获取与发光元件D1驱动电流大小对应的采样数据，并发送至处理单元MCU以一定比例进行转换和校准等计算，从而进行计算，从而准确获取发光元件D1在采样周期内的发光能量和发光功率。
上述采样单元ADC的采样周期可以由采样单元ADC内部程序或所述处理单元MCU进行控制。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种飞行时间传感器的发光检测方法，所述飞行时间传感器用于发出脉冲光，其特征在于，包括：
以至少两种采样周期对所述脉冲光进行采样，所述采样周期包括采样窗口期和采样停止期，每个采样周期内对所述脉冲光的多个光脉冲进行采样，且不同采用周期中，所述采样窗口期保持不变，改变所述采样停止期，以使采样窗口与脉冲光相对时序发生变化；
获取各采样周期内的脉冲光的发光功率，所述发光功率为一采样周期内所采样到的所有光脉冲的功率之和。
2.根据权利要求1所述的飞行时间传感器的发光检测方法，其特征在于，不同采样周期之间时间差为脉冲光的发光周期的非整数倍。
3.根据权利要求1所述的飞行时间传感器的发光检测方法，其特征在于，依次交替以单个不同的采样周期进行采样。
4.根据权利要求1所述的飞行时间传感器的发光检测方法，其特征在于，依次以不同的采样周期对所述脉冲光进行采样，且每一次的采样均持续n个采样周期，n大于等于2。
5.根据权利要求4 所述的飞行时间传感器的发光检测方法，其特征在于，还包括：针对每一种采样周期，对所述n个采样周期内采样获取的脉冲光的发光功率取最大值，以所述最大值作为与该采样周期对应的脉冲光的发光功率。
6.根据权利要求1所述的飞行时间传感器的发光检测方法，其特征在于，各采样周期随机变化，或以一固定值逐次发生变化。
7.根据权利要求1所述的飞行时间传感器的发光检测方法，其特征在于，所述飞行时间传感器包括发光元件，由所述发光元件发出脉冲光，对所述脉冲光进行采样的方法包括：对发光元件的发光电流或驱动电流进行采样，或者将脉冲光信号转换为电信号进行采样。
8.一种飞行时间传感器，其特征在于，包括：
发光模块，用于发出脉冲光；
检测模块，用于以至少两种采样周期对所述脉冲光进行采样，所述采样周期包括采样窗口期和采样停止期，每个采样周期内对所述脉冲光的多个光脉冲进行采样，且不同采用周期中，所述采样窗口期保持不变，改变所述采样停止期，以使采样窗口与脉冲光相对时序发生变化，获取各采样周期内的脉冲光的发光功率，所述发光功率为一采样周期内所采样到的所有光脉冲的功率之和。
9.根据权利要求8所述的飞行时间传感器，其特征在于，不同采样周期之间的时间差为脉冲光的发光周期的非整数倍。
10.根据权利要求8所述的飞行时间传感器，其特征在于，所述检测模块用于依次交替以单个不同的采样周期进行采样。
11.根据权利要求8所述的飞行时间传感器，其特征在于，所述检测模块用于依次以不同的采样周期对所述脉冲光进行采样，且每一次的采样均持续n个采样周期，n大于等于2。
12.根据权利要求11所述的飞行时间传感器，其特征在于，所述检测模块还用于针对每一种采样周期，对所述n个采样周期内采样获取的脉冲光的发光功率取最大值，以所述最大值作为与该采样周期对应的脉冲光的发光功率。
13.根据权利要求8所述的飞行时间传感器，其特征在于，所述检测模块的采样周期随机变化，或以一固定值逐次发生变化。
14.根据权利要求8所述的飞行时间传感器，其特征在于，所述检测模块对所述脉冲光进行采样的方法包括：对发光元件的发光电流或驱动电流进行采样，或者将脉冲光信号转换为电信号进行采样。
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