CN109696787B - 自适应发射光控制 - Google Patents

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Abstract

本公开的实施例涉及自适应发射光控制。一种装置，具有发射光功率/能量监测器和控制器，发射光功率/能量监测器被配置为监测由光源发射的光的发射功率/能量，控制器被配置为基于发射光功率/能量以及基于时间的发射光功率/能量阈值来确定和控制最大发射光时间。

Description

自适应发射光控制
背景技术
飞行时间(ToF)相机与物体之间的ToF距离测量是基于主动照明。距离测量精度是由ToF相机所发射的光能量的函数。然而，最大光能量受到眼睛和皮肤安全标准的限制。
现有的解决方案仅允许几种ToF相机设置，已知这些设置是安全的。曝光时间是ToF相机发射和接收光的时间，其被限制在不能超过的预定时间段。一些先进的调制方案允许更长的曝光时间，因为由ToF相机发射的平均光能量低于最大允许值。附加地，一些ToF相机包括监测电路，监测电路被配置为检测发射光以及当发射光能量超过预定值时关闭ToF相机。ToF相机的性能因此受限。
附图说明
图1图示根据本公开的一个方面的装置的示意图。
图2图示根据本公开的另一方面的装置的示意图。
图3A图示允许的输出功率相对于曝光时间的图示。
图3B图示允许的曝光时间相对于输出功率的图示。
图4图示能量相对于曝光时间的示图，示出了安全限制。
图5图示根据本公开的一个方面的方法的流程图。
具体实施方式
本公开内容针对具有控制器的装置，控制器被配置为基于由光源发射的光的发射光功率/能量以及基于时间的发射光功率/能量阈值来确定和控制最大发射光时间。因此，该装置在保持眼睛和皮肤安全的同时最大化测量精度。
图1图示根据本公开的一个方面的装置100的示意图。
装置100可以是ToF装置的安全电路。备选地，装置100可以是光探测和测距(LIDAR)装置的安全电路。
装置100包括集成电路110、光源120、调制开关130、电容器140和分流电阻器150。
光源120可以包括发光二极管(LED)、激光器和/或任何其它合适的光源。调制开关130被配置为通过基于所接收的控制信号打开和关闭光源120来调制发射光。电容器140仅被配置为汲取调节电压无法提供的任何瞬时电流。
分流电阻器150被配置为测量其电压降，以确定通过光源120的电流。电流与发射光输出功率/能量成比例，并且将被用于生成控制信号。应当理解，本发明不限于分流电阻器，而是备选地可以包括可以测量光源电流的任何电路元件。
集成电路110包括取样器112、模拟-数字转换器(ADC)114、发射光功率/能量监测器116和控制器118。
取样器112被配置为对分流电阻器150两端的电压降进行取样，分流电阻器150与光源120串联耦合。然后，ADC 114被配置为将该取样电压从模拟形式转换为数字形式。
发射光功率/能量监测器116基于数字化取样电压来确定通过光源120的电流。光源电流基本上与发射光功率/能量成比例。发射光功率/能量监测器116被配置为监测由光源120所发射的光的发射功率/能量。
如所知的，功率是能量除以时间。贯穿本公开，可以使用这些术语中的任何一个或者两者，并且应当理解，当使用这些术语中的任何一个时，另一个可以基于适当的转换而被替代。
控制器118被配置为基于发射光功率/能量以及基于时间的发射光功率/能量阈值来确定和控制最大发射光时间。控制光功率/能量发射，使得光功率/能量发射相对接近但是不超过基于时间的发射光功率/能量阈值，从而改进性能。基于时间的发射光功率/能量阈值可以是安全阈值(诸如，眼睛或者皮肤安全阈值)。阈值可以被预先编程。控制器118可以进一步被配置为自适应地缩放最大发射光时间，以在不超过基于时间的发射光功率/能量阈值的情况下最大化发射光功率/能量。
发射光功率/能量监测器116和控制器118示出为独立部件。备选地，发射光功率/能量监测器116和控制器118可以形成为单个部件。
调制开关130被配置为基于来自控制器118的控制信号来调制光源的发射光，使得发射光功率/能量保持低于最大发射光时间。调制开关130包括晶体管，晶体管与光源串联耦合，其中晶体管的基极被耦合到控制器118。晶体管可以是任何适用的晶体管(例如，双极型晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管等)。控制信号可以是脉冲控制信号，脉冲控制信号控制光源的发射光的占空比。更特别地，可以测量控制信号的脉冲序列的平均值，并且可以通过增加和/或减小控制信号的脉冲序列的平均值来接近发射光功率/能量阈值。
调制开关130可以进一步被配置为基于来自控制器118的控制信号，在发射功率/能量超过基于时间的发射光功率/能量阈值的情况下关闭光源120。相反地，调制开关130可以进一步被配置为基于来自控制器118的控制信号，在发射能量降低到发射光功率/能量阈值之下的情况下打开光源120。
本公开的装置100不是如先前所进行的那样仅仅确定何时发射光功率/能量超过安全阈值并触发关机，而是随时间评估发射光功率/能量，并且预先计算在不触发关机的情况下的最大可能的曝光时间。因为可以减小实际发射光功率/能量和安全阈值之间的“保护带”，因此提升了性能。在保持眼睛和皮肤安全的同时最大化测量精度。
图2图示根据本公开的另一方面的装置200的示意图。
装置200类似于图1的装置100，除了不是通过分流电阻器150两端的电压降来确定光源120所发射的光，而是利用光电二极管250来测量发射和/或反射光，光电二极管250是传感器。
在装置200中，发射光功率/能量监测器116被配置为从光电二极管250接收来自光源120的光的测量。光电二极管250与光源120足够近，以获得准确的光测量。发射光功率/能量监测器116可以被配置为经由光纤来接收基于来自光源120的光的测量的、由光电二极管250产生的光信号的至少一部分。
发射光功率/能量监测器116、控制器118和光电二极管传感器250可以在单个集成电路210上实现。光电二极管250示出为在IC 210上，但是可以备选地位于不在IC 210上的另一位置处。
图3A和图3B图示允许的输出功率和允许的曝光时间的图示300。
图3A图示最大输出功率相对于曝光时间的图示300A。图示300A示出安全标准如何基于曝光时间来定义最大平均允许的输出功率。如果光源120随时间持续发射光，那么存在最大允许的输出功率。光源120发射光越久，那么最大允许的输出功率就越低。
图3B图示最大曝光时间相对于输出功率的图示300B。图示300B仅仅通过改变图示的轴线示出了如何将图示300A中的信息用于控制曝光时间。如果输出功率降低，那么光源可以在该输出功率发射光达较长的时间段。如果已知光输出功率，那么可以估计最大持续时间，即，在不超过安全限制的情况下，在已知的输出功率可以发射光多长时间。
图4图示能量相对于曝光时间的图示400，示出了安全限制。
安全规定限制了随时间发射的光功率/能量。线410表示眼睛安全限制。线430表示皮肤安全限制。线420表示实际的发射光功率/能量。
装置100/200被配置为防止光功率/能量发射超过基于时间的安全限制。可以监测光功率/能量发射，使得光功率/能量发射相对接近但是不超过限制，从而提升性能。然而，如果超过了阈值，那么关断光源。
图5图示根据本公开的一个方面的方法的流程图500。
在510，发射光功率/能量监测器116监测光源所发射的光的发射功率/能量。
在520，控制器118基于发射光功率/能量以及基于时间的发射光功率/能量阈值来确定和控制最大发射光时间。
根据本公开的主题，测量发射光功率/能量，并且将ToF相机的曝光时间设置为可接受的值，而不是将用例限制到几个预先计算的值。
进一步地，通过将功能集成在使用外部的片外部件先前完成的集成电路上来降低成本和尺寸。因为可以减小实际发射光功率/能量和安全阈值之间的“保护带”，因此提升了性能。此外，因为客户不需要解决眼睛和皮肤的安全，因此减少了客户导入设计的努力。
虽然上述已经结合示例性实施例进行了描述，但是应当理解，术语“示例性”仅仅意味着一个示例，而不是最佳或者最优。相应地，本公开旨在覆盖可以包括在本公开的范围内的备选、修改和等同。
尽管本文中已经说明和描述了具体的实施例，但是本领域普通技术人员应当理解，各种备选和/或等同的实现可以代替为示出的和描述的具体实施例，而不偏离本公开的范围。本公开旨在覆盖本文中所讨论的具体实施例的任何修改或变化。

Claims (20)

1.一种用于光控制的装置，包括：
发射光功率/能量监测器，被配置为监测由光源发射的光的发射光功率/能量；以及
控制器，被配置为基于所述发射光功率/能量以及基于时间的发射光功率/能量阈值来确定和控制所述光源的最大发射光时间。
2.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：
调制开关，被配置为：基于来自所述控制器的控制信号来调制发射光，使得所述发射光功率/能量保持低于所述最大发射光时间。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述调制开关是与所述光源串联耦合的晶体管。
4.根据权利要求2所述的装置，其中所述控制信号是控制所述发射光的占空比的脉冲控制信号。
5.根据权利要求1所述的装置，
进一步包括取样器，所述取样器被配置为对分流电阻器两端的电压进行取样，所述分流电阻器与所述光源串联耦合；
其中所述发射光功率/能量监测器进一步被配置为，基于取样电压来确定通过所述光源的电流，通过所述光源的电流基本上与发射光功率/能量成比例。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述发射光功率/能量监测器进一步被配置为从光电二极管接收由所述光源发射的光的测量。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述发射光功率/能量监测器被配置为经由光纤来接收基于由所述光源发射的光的测量的、由所述光电二极管产生的光信号的至少一部分。
8.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：
调制开关，被配置为：基于来自所述控制器的控制信号，在所述发射光功率/能量超过基于时间的所述发射光功率/能量阈值的情况下关闭所述光源。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述调制开关进一步被配置为，基于来自所述控制器的控制信号，在所述发射光 功率/能量下降到低于所述发射光功率/能量阈值的情况下打开所述光源。
10.根据权利要求1所述的装置，其中所述控制器进一步被配置为自适应地缩放所述最大发射光时间，以在不超过基于时间的所述发射光功率/能量阈值的情况下最大化所述发射光功率/能量。
11.根据权利要求10所述的装置，其中基于时间的所述发射光功率/能量阈值是安全阈值。
12.根据权利要求11所述的装置，其中基于时间的所述发射光功率/能量阈值是眼睛或者皮肤安全阈值。
13.根据权利要求1所述的装置，其中所述光源是发光二极管(LED)。
14.根据权利要求1所述的装置，其中所述光源是激光器。
15.根据权利要求6所述的装置，其中所述发射光功率/能量监测器、所述控制器和所述光电二极管在单个集成电路上实现。
16.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置是飞行时间(ToF)装置的安全电路。
17.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置是光探测和测距(LIDAR)装置的安全电路。
18.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：
调制开关，被配置为：基于来自所述控制器的控制信号，在所述发射光功率/能量超过基于时间的所述发射光功率/能量阈值的情况下关闭所述光源，以及在所述发射光功率/能量降低到低于所述发射光功率/能量阈值的情况下打开所述光源。
19.一种用于光控制的方法，包括：
由发射光功率/能量监测器监测由光源发射的光的发射光功率/能量；以及
由控制器基于所述发射光功率/能量以及基于时间的发射光功率/能量阈值来确定和控制所述光源的最大发射光时间。
20.根据权利要求19所述的方法，进一步包括：
由调制开关基于来自所述控制器的控制信号来调制发射光，使得所述发射光功率/能量保持低于所述最大发射光时间。
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