CN110161529A - Tof传感器及其形成方法、机器视觉系统 - Google Patents

Tof传感器及其形成方法、机器视觉系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种TOF传感器及其形成方法以及一种机器视觉系统，所述TOF传感器包括：像素阵列，所述像素阵列至少包括两个以上具有不同传感精度的传感区域，传感精度越大的传感区域输出的传感信号越强。所述TOF传感器在满足检测精度要求的前提下，能够降低成本。

Description

TOF传感器及其形成方法、机器视觉系统
技术领域
本发明涉及传感技术领域，尤其涉及一种TOF传感器及其形成方法、一种机器视觉系统。
背景技术
机器视觉是人工智能正在快速发展的一个分支。简单说来，机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉系统通过传感器将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，得到被摄目标的形态信息，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。例如扫地机器人、自动驾驶、地图建模等，均需要通过视觉系统实现物体识别、避障等目的。
通常，机器人在前进方向上，对于与机器人自身高度相当的场景更为关心，而对于旁侧或者全场景的环境只需要一定程度的了解，精度需求较低。例如对于扫地机器人的避障操作中，需要能够在前进方向上遇到障碍物时作及时刹车或转向，只需要能够判断前进方向时是否有障碍物，但是对于障碍物的视觉精度要求并不高。
因此，对于机器人视觉范围内的不同区域，具有不同的检测精度需求。而现有技术中，通常采用的传感器均以机器人视觉范围内的最高精度需求进行设计，对整个视觉范围内的检测精度均满足最高精度需求，虽然能够实现视觉精度要求，但是却导致成本较高。或者，后期需要通过对局部区域进行算法校正，以提高精度，实现难度较高。
如何在满足机器视觉精度要求的前提下，进一步降低产品成本，是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种TOF传感器及其形成方法以及机器视觉系统，在满足实际应用场景的传感精度要求的前提下，降低产品成本。
为了解决上述问题，本发明提供了一种TOF传感器，包括像素阵列，所述像素阵列至少包括两个以上具有不同传感精度的传感区域，传感精度越大的传感区域输出的传感信号越强。
可选的，所述两个以上具有不同传感精度的传感区域的像素单元的尺寸与各传感区域的传感精度正相关。
可选的，所述两个以上具有不同传感精度的传感区域的像素单元内的感光元件的数量与各传感区域的传感精度正相关
可选的，所述两个以上具有不同传感精度的传感区域的像素单元的感光性能与各传感区域的传感精度正相关。
可选的，不同传感精度的传感区域间隔分布。
可选的，不同传感精度的传感区域具有相同的像素单元；还包括处理单元，所述处理单元以传感区域内一个以上的像素单元的传感信号之和作为一个有效传感信号进行处理，所述有效传感信号对应的像素单元的数量与传感区域的传感精度正相关。
本发明的技术方案还提供一种机器视觉系统，包括：上述任一项所述的TOF传感器；所述机器视觉系统的视觉范围包括两个以上的不同精度要求的视觉区域，不同的视觉区域对应于所述TOF传感器的像素阵列的不同传感区域，各个传感区域的传感精度与各视觉区域的精度要求对应。
为了解决上述问题，本发明的技术方案还提供一种TOF传感器的形成方法，包括：形成像素阵列，所述像素阵列至少包括两个以上具有不同传感精度的传感区域，传感精度越大的传感区域输出的传感信号越强。
可选的，在不同传感区域形成像素尺寸与各传感区域的传感精度正相关的像素单元；或者，在不同传感区域形成感光元件数量与各传感区域的传感精度正相关的像素单元；或者，在不同传感区域形成感光性能与各传感区域的传感精度正相关的像素单元。
可选的，在不同传感精度的传感区域内形成相同的像素单元；还包括提供处理单元，所述处理单元以传感区域内一个以上的像素单元的传感信号之和作为一个有效传感信号进行处理，所述有效传感信号对应的像素单元的数量与传感区域的传感精度正相关。
本发明的TOF传感器的像素阵列具有不同传感精度的传感区域，通过调整像素单元的结构分布或者检测光的能量分布，在满足局部传感精度的前提下，降低产品成本。
附图说明
图1为本发明一具体实施方式的TOF传感器的像素阵列的结构示意图；
图2为本发明一具体实施方式的TOF传感器的像素阵列的结构示意图；
图3为本发明一具体实施方式的TOF传感器的像素阵列与检测光分布区的对应示意图；
图4为本发明一具体实施方式的TOF传感器的像素阵列的结构示意图；
图5为本发明一具体实施方式扫地机器人的机器视觉范围示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的TOF传感器机器形成方法以及机器人视觉系统的具体实施方式做详细说明。
请参考图1，为本发明一具体实施方式的TOF传感器像素阵列的结构示意图。
所述TOF传感器包括像素阵列，所述像素阵列由若干像素单元阵列排列而成。该具体实施方式中，所述像素阵列包括两个具有不同传感精度的传感区域，分别为第一传感区域101以及第二传感区域102。每个传感区域内都包括若干阵列排列的像素单元。所述传感精度是指通过对应传感区域内的像素单元获得的传感信号所得到的距离检测值的精度。在特定的传感距离范围内，传感精度越高，获得的距离检测值越准确。
传感精度越大的传感区域输出的传感信号的信噪比越大。在该具体实施方式中，在所述TOF传感器工作过程中，所述像素阵列接收到反射光，并输出传感信号。所述第一传感区域101内的各像素单元输出的传感信号大于所述第二传感区域102内输出的传感信号，或者所述第一传感区域101内的各像素单元输出的传感信号的噪声小于所述第二传感区域102内输出的传感信号的噪声，从而使得通过对所述第一传感区域101对应的检测范围内的物体距离就有更高的检测精度。
所述TOF传感器的像素阵列的各个传感精度的传感区域分布，主要根据检测范围内，对各检测区域的精度要求进行设置，使得高检测精度要求的检测区域的反射光被具有高传感精度的传感区域接收，低检测精度要求的检测区域的反射光则被具有低传感精度的传感区域接收。
在一些具体实施方式中，所述两个以上具有不同传感精度的传感区域的像素单元的尺寸与各传感区域的传感精度正相关。每个像素传感单元均包括感光元件，例如光电二极管，用于将光信号装换为电信号。像素传感单元尺寸越大，可形成面积更大的感光元件或更多的感光元件，使得接收到的光电子更多，从而产生更大的感应信号。请参考图2，该具体实施方式中，第一传感区域101内的像素单元1011的尺寸为第二传感区域102内像素单元1021的两倍。
在一些具体实施方式中，传感区域的像素单元内的感光元件的数量与各传感区域的传感精度正相关。在一个实施例中，感光元件的大小相同，可以通过调整不同传感区域的像素单元内的感光元件的数量调整像素单元输出的感应信号的大小，从而调整传感精度。例如，该具体实施方式中，第一传感区域101内每个像素单元均包含两个并联的光电二极管，而所述第二传感区域102的每个像素单元则仅包括一个光电二极管。
为了便于像素阵列的形成，在一个具体实施方式中，所述像素阵列由若干结构相同的标准像素单元组成；不同传感区域的实际像素单元可以包括至少一个标准像素单元，传感精度与实际像素单元内的标准像素单元数量正相关，例如传感精度可以与实际像素单元内的标准像素单元数量N倍成正比。所述TOF传感器还包括处理单元，所述处理单元以传感区域内一个以上的标准像素单元的传感信号之和作为一个有效传感信号进行处理，即以实际像素单元输出的有效传感信号进行处理。所述有效传感信号所对应的标准像素单元的数量与传感区域的传感精度正相关。
例如，一个具体实施方式中，所述第一传感区域101的每个像素单元可以均包括至少两个并联的标准像素单元，而所述的第二传感区域102的每个像素单元则仅包括一个标准像素单元。由于传感精度较大的像素单元包括至少两个并联的标准像素单元，像素单元实际输出的有效传感信号为所述至少两个标准像素单元输出的传感信号之和。由于每个标准像素传感单元输出的传感信号不仅包括光电感应信号还包括随机出现的噪声信号，因此，两个以上标准像素单元输出的传感信号相加会抵消一部分的噪声，使得像素单元输出的传感信号的信噪比增大，从而进一步提高传感精度。一般，两个并联标准像素单元的有效信号为单个标准像素单元的有效信号强度的2倍，而两个并联标准像素单元的噪声信号为单个标准像素单元的噪声信号的21/2倍，所以，两个并联标准像素单元输出信号的信噪比为单个标准像素单元输出信号的21/2倍。
在另一些具体实施方式中，也可以通过在不同的传感区域采用具有不同感光性能的像素单元来实现不同的传感精度。例如在较低传感精度的传感区域内，像素单元内的感光元件采用普通的硅二极管，而在传感精度较高的传感区域内可以采用具有异质结或特殊感光材料制成的光电转化效率更高的光敏元件，例如单光子雪崩二极管(SPAD)、雪崩二极管(APD)或者硅光电倍增管(SIPM)等，以提高同样光通量的情况下，输出的传感信号的大小。这种情况下，即便不同的传感区域的像素单元的尺寸相同，但是采用感光性能更强的像素单元可以获得更高的传感精度。
上述具体实施方式中，不同传感区域内实际输出有效传感信号的像素单元结构不同，具有较大传感精度的传感区域内的像素单元在相同光通量的情况下，输出的传感信号较大，从而提高对该传感区域所对应的检测范围的检测精度。在所述TOF传感器的检测范围内，可以对不同区获取不通过的传感精度，满足不同区域对传感精度的需求。
所述TOF传感器还包括发光模块，所述发光模块用于发出脉冲调制的检测光。在一些具体实施方式中，所述发光模块发出的检测光具有至少两个不同光强的光分布区，各光强分布区域的检测光经反射后分别被所述像素阵列内的不同传感精度的传感区域所接收，光强越大的光分布区域对应传感精度越大的传感区域。
请参考图3，在本发明的一个具体实施方式中，所述TOF传感器的像素阵列310包括第一传感区域311以及第二传感区域312，所述第一传感区域311的传感精度大于所述第二传感区域312的传感精度。所述TOF传感器还包括发光模块，所述发光模块发出的检测光束320包括第一光分布区域321和第二光分布区域322，所述第一光分布区域321的光强大于所述第二光分布区域322的光强，所述光强为单位面积内光能量。该具体实施方式中，所述第一传感区域311和第二传感区域312内的像素单元结构相同。发光模块的光强分布对应于反射光的光强分布，像素阵列310不同区域接收到的反射光强度分布不同，使得不同传感区域的传感精度不同。检测光光强越大，TOF传感器接收到的反射光强越大，信噪比越大，从而能够提高对物体距离的检测精度。该具体实施方式中，所述第一光分布区域321的检测光被反射后，被像素阵列310的第一传感区域311接收，而第二光分布区域322的检测光被反射后，被像素阵列310的第二传感区域312接收，使得所述第一传感区域311接收到的反射光强度，大于第二传感区域312接收到的反射光强度，从而使得第二传感区域312具有更高的传感精度。
在一些具体实施方式中，所述光源模块320可以包括有若干发光单元组成的发光阵列，所述发光单元阵列包括至少两个具有不同发光单元排列密度的阵列区域，排列密度越大的阵列区域对应光强越大的光分布区域。请参考图3，所述第一光分布区域321对应更多的发光单元所发出的检测光，因此光强更大。可以通过调整所述发光阵列内发光单元的密度排列，调整检测光的光强分布。在其他具体实施方式中，所述光源模块320的发光单元阵列排布，通过各发光单元之间发出光的干涉作用，形成不同区域的光强分布。
在另一些具体实施方式中，所述光源模块320还可包括至少两个不同的聚光区域，不同聚光区域分别对应不同光强的光分布区域。具体的，可以通过具有多焦距的透镜实现对检测光能量的重分布，不同焦距对应不同的光分布区域。例如第一光分布区域321对应的透镜的焦距大于所述的第二光分布区域321对应的透镜焦距，长焦镜头的视场角更小，更善于聚光，使得所述第一光分布区321内检测光强大于所述第二光分布区域321的检测光强。
在另一些具体实施方式中，可以通过发光单元排布密度以及透镜焦距两者结合调整检测光的光能量分布。
在所述发光模块发出的检测光具有至少两个不同光强的光分布区的情况下，所述TOF传感器的各个不同传感精度的传感区域内可以均采用相同结构的像素单元。在其他具体实施方式中，也可以根据精度需求利用像素阵列的像素单元结构进一步调整各传感区域的传感精度，例如使得不同传感精度的传感区域内的像素单元具有不同的像素单元尺寸、不同的像素单元的感光元件的数量或者像素单元的感光性能等，具体可参考前述具体实施方式，在此不再赘述。在一个具体实施方式中，若由于检测光强增大可以使得对应的传感区域的传感精度改善2倍，而由于所述传感区域内的像素单元结构可以使得传感精度改善也为2倍时，可以根据实际需求，实现2倍或这4倍的改善，最终可以综合使用，使得各传感区域的传感精度能有更大的调整范围。
在另一些具体实施方式中，可以通过调整传感器曝光时间和光源模块320的发光时间来调整不同区域的传感精度。例如，对于像素阵列的中间区域可以通过长曝光时间以及与其同步的发光时间，收集更多的反射光能量，传感精度较高；而边缘区域通过较短的曝光时间以及与其同步的发光时间实现，收集到的反射光能量相对较少，传感精度较低；从而可以实现中间区域高精度，边缘区域精度降低的设置。
由于TOF传感器的传感精度越高，相应的成本越高。而本发明的TOF传感器的像素阵列具有不同传感精度的传感区域，通过调整像素单元的结构分布或者检测光的能量分布，在满足局部传感精度的前提下，降低产品成本。
请参考图4，为本发明另一具体实施方式的像素阵列400的示意图。
所述像素阵列400包括多个第一传感区域401和多个第二传感区域402，所述第一传感区域401的传感精度大于所述第二传感区域402的传感精度。所述第一传感区域401和第二传感区域402之间相互间隔设置。该具体实施方式的TOF传感器适用于进行全场景的障碍物扫描等应用场景，由于无需精准获取障碍物各个部分的距离信息，采用该具体实施方式中的像素阵列，即便在检测范围内仅能够间隔获取精度较高的距离检测值，也能够及时判断出是否存在障碍物以及障碍物的距离。
本发明的具体实施方式还提供一种TOF传感器的形成方法，包括形成像素阵列，所述像素阵列至少包括两个以上具有不同传感精度的传感区域，传感精度越大的传感区域输出的传感信号越强。
在一些具体实施方式中，在不同传感区域形成像素尺寸与各传感区域的传感精度正相关的像素单元。
在另一些具体实施方式中，在不同传感区域形成感光元件数量与各传感区域的传感精度正相关的像素单元。
在另一些具体实施方式中，在不同传感区域形成感光性能与各传感区域的传感精度正相关的像素单元。
在一些具体实施方式中，所述TOF传感器的形成方法还包括提供发光模块，所述发光模块发出的检测光具有至少两个不同光强的光分布区域，各光强分布区域的检测光经反射后能够分别被所述像素阵列内的不同传感精度的传感区域所接收，光强越大的光分布区域对应传感精度越大的传感区域。
在一些具体实施方式中，所述发光模块包括发光单元阵列，所述发光单元阵列包括至少两个发光单元排列密度的阵列区域，排列密度越大的阵列区域对应光强越大的光分布区域。
在一些具体实施方式中，所述发光模块包括具有至少两个不同焦距的聚光区域，不同聚光区域分别对应不同光强的光分布区域。
在一些具体实施方式中，不同传感精度的传感区域间隔分布。
在一些具体实施方式中，在不同传感精度的传感区域内形成具有相同的像素单元；还包括提供处理单元，所述处理单元以传感区域内一个以上的像素单元的传感信号之和作为一个有效传感信号进行处理，所述有效传感信号对应的像素单元的数量与传感区域的传感精度正相关。
本发明的具体实施方式，还提供一种机器视觉系统，包括上述具体实施方式中所述的TOF传感器。
所述机器视觉系统可以应用于需要应用及其视觉的各种设备上，例如扫地机器人、无人机等。
所述机器视觉系统的视觉范围可以包括两个以上的不同精度要求的视觉区域。不同的视觉区域对应于所述TOF传感器的像素阵列的不同传感区域，各个传感区域的传感精度与各视觉区域的精度要求对应。所述机器视觉系统的视觉范围即所述TOF传感器可检测的空间范围。
可以根据各个视觉区域的精度要求以及位置分布，合理设置所述TOF传感器的像素阵列的各传感区域的传感精度以及位置分布。
请参考图5，为一具有机器视觉的扫地机器人500机器视觉范围示意图。
该具体实施方式中，所述扫地机器人500包括TOF传感器510，所述TOF传感器510的检测区域在垂直于水平面的方向上分别第一区域501、第二区域502以及第三区域503。所述第一区域501为与所述扫地机器人500高度相同或略大于该扫地机器人高度的区域，所述第二区域502为高于所述扫地机器人500的区域，所述第三区域503为低于所述扫地机器人500的区域。由于扫地机器人500的使用场景要求，需要能够及时避开阻碍其前进的障碍物，因此扫地机器人500的机器视觉系统同更关心第一区域501内是否有障碍物存在，以及障碍物的准确距离，而对于所述第二区域502以及第三区域503内是否有障碍物存在并不关心，这两个区域内是否有物体对扫地机器人而言并没有较大的影响。因此，对于所述第一区域501的检测精度要求较高，而对于第二区域502以及第三区域503的检测精度则较低。由此，所述TOF传感器510的像素阵列可以具有高精度传感区域和低精度传感区域，分别对应所述视觉范围内的精度要求较高的第一区域501、和对精度要求较低的第二区域502、第三区域503。从而可以降低采用的TOF传感器的成本，进而降低所述扫地机器人的成本。
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 (10)

1.一种TOF传感器，其特征在于，包括：
像素阵列，所述像素阵列至少包括两个以上具有不同传感精度的传感区域，传感精度越大的传感区域输出的传感信号越强。
2.根据权利要求1所述的TOF传感器，其特征在于，所述两个以上具有不同传感精度的传感区域的像素单元的尺寸与各传感区域的传感精度正相关。
3.根据权利要求1所述的TOF传感器，其特征在于，所述两个以上具有不同传感精度的传感区域的像素单元内的感光元件的数量与各传感区域的传感精度正相关。
4.根据权利要求1所述的TOF传感器，其特征在于，所述两个以上具有不同传感精度的传感区域的像素单元的感光性能与各传感区域的传感精度正相关。
5.根据权利要求1所述的TOF传感器，其特征在于，不同传感精度的传感区域间隔分布。
6.根据权利要求1所述的TOF传感器，其特征在于，不同传感精度的传感区域具有相同的像素单元；还包括处理单元，所述处理单元以传感区域内一个以上的像素单元的传感信号之和作为一个有效传感信号进行处理，所述有效传感信号对应的像素单元的数量与传感区域的传感精度正相关。
7.一种机器视觉系统，其特征在于，包括：
如权利要求1至6中任一项所述的TOF传感器；
所述机器视觉系统的视觉范围包括两个以上的不同精度要求的视觉区域，不同的视觉区域对应于所述TOF传感器的像素阵列的不同传感区域，各个传感区域的传感精度与各视觉区域的精度要求对应。
8.一种TOF传感器的形成方法，其特征在于，包括：
形成像素阵列，所述像素阵列至少包括两个以上具有不同传感精度的传感区域，传感精度越大的传感区域输出的传感信号越强。
9.根据权利要求8所述的TOF传感器的形成方法，其特征在于，在不同传感区域形成像素尺寸与各传感区域的传感精度正相关的像素单元；或者，在不同传感区域形成感光元件数量与各传感区域的传感精度正相关的像素单元；或者，在不同传感区域形成感光性能与各传感区域的传感精度正相关的像素单元。
10.根据权利要求8所述的TOF传感器的形成方法，其特征在于，在不同传感精度的传感区域内形成相同的像素单元；还包括提供处理单元，所述处理单元以传感区域内一个以上的像素单元的传感信号之和作为一个有效传感信号进行处理，所述有效传感信号对应的像素单元的数量与传感区域的传感精度正相关。
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