CN110673153A - 飞行时间传感器及其测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种飞行时间测距传感器及其测距方法，测距方法包括：发射脉冲检测光照射飞行时间传感器的检测视场；接收经被测物体反射后的反射光，并产生与反射光能量对应的感应电荷，反射光包括被测物体对脉冲检测光反射后的脉冲反射光以及环境光；依次在连续的第一电荷累积窗口、第二电荷累积窗口内对感应电荷进行累积；在第三电荷累积窗口内累积由环境光产生的感应电荷，第三电荷累积窗口在第一电荷累积窗口之前或者位于第二电荷累积窗口之后，并且具有一定时间间隔；根据第一电荷累积窗口、第二电荷累积窗口以及第三电荷累积窗口分别获得的电荷量进行计算，获得被测物体的距离信息。上述飞行时间测距传感器的检测准确性提高。

Description

飞行时间传感器及其测距方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种飞行时间传感器及其测距方法。

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。

在检测过程中,感光模块接收到的光包括检测光的反射光以及环境光,因此,需要对环境光进行单独检测，以消除环境光的影响。但是，现有技术在实际检测过程中，通常会受到检测光的干扰，无法准确检测到环境光能量，导致获得的测量距离准确性较差。

因此，如何进一步提高测量距离的准确性，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，提供一种飞行时间传感器及其测距方法，提高测量距离的准确性。

为了解决上述问题，本发明提供了一种飞行时间传感器的测距方法，包括：发射脉冲检测光照射所述飞行时间传感器的检测视场；接收经被测物体反射后的反射光，并产生与所述反射光能量对应的感应电荷，所述反射光包括被测物体对所述脉冲检测光反射后的脉冲反射光以及环境光；依次在连续的第一电荷累积窗口、第二电荷累积窗口内对所述感应电荷进行累积；在第三电荷累积窗口内累积由环境光产生的感应电荷，所述第三电荷累积窗口在所述第一电荷累积窗口之前或者位于所述第二电荷累积窗口之后，并且所述第三电荷累积窗口与相邻的第一电荷累积窗口或第二电荷累积窗口之间具有一定时间间隔；根据所述第一电荷累积窗口、第二电荷累积窗口以及第三电荷累积窗口分别获得的电荷量进行计算，从而获得被测物体的距离信息。

可选的，在一个检测帧内，所述检测光的脉冲产生时刻与所述第一个电荷累积窗口的开启时刻同步。

可选的，还包括：在所述时间间隔及不积累电荷的时间内，将产生的感应电荷均泄放掉。

可选的，所述第一电荷累积窗口、第二电荷累积窗口以及第三电荷累积窗口的窗口持续时间相同。

可选的，所述时间间隔的长度长度大于等于所述脉冲检测光的脉冲宽度。

为解决上述问题，本发明的技术方案还提供一种飞行时间传感器，包括：光源模块，用于按照检测帧的顺序，逐帧发射脉冲检测光照射所述飞行时间传感器的检测视场，所述反射光包括被测物体对所述脉冲检测光反射后的脉冲反射光以及环境光；感应模块，用于接收经被测物体反射后的反射光，并产生与所述反射光能量对应的感应电荷；电荷累积模块，用于依次在第一电荷累积窗口、第二电荷累积窗口内对所述感应电荷进行累积，还用于在第三电荷累积窗口内累积由环境光产生的感应电荷，所述第三电荷累积窗口在所述第一电荷累积窗口之前或者位于所述第二电荷累积窗口之后，并且所述第三电荷累积窗口与相邻的第一电荷累积窗口或第二电荷累积窗口之间具有一定的时间间隔；处理模块，与所述电荷累积模块连接，用于根据所述第一电荷累积窗口、第二电荷累积窗口、第三电荷累积窗口分别获得的电荷量进行计算，从而获得被测物体的距离信息。

可选的，还包括控制模块，与所述光源模块和所述电荷累积模块连接，用于控制所述光源模块发出的脉冲检测光的脉宽，以及控制所述第一电荷累积窗口、第二电荷累积窗口、第三电荷累积窗口的开启时刻和窗口持续时间。

可选的，在一个检测帧内，所述控制模块用于控制所述检测光的脉冲产生时刻与所述第一个电荷累积窗口的开启时刻同步。

可选的，所述控制模块用于控制所述第一电荷累积窗口、第二电荷累积窗口以及第三电荷累积窗口的窗口持续时间相同。

可选的，还包括：泄放模块，与所述感应模块连接，用于在所述时间间隔及不积累电荷的时间内，将所述感应模块产生的感应电荷均泄放掉。

可选的，所述时间间隔的长度长度大于等于所述脉冲检测光的脉冲宽度。

本发明的飞行时间传感器及其测距方法能够在对环境光检测的过程中，避免脉冲检测光及脉冲反射光的干扰，提高对环境光的检测准确性，从而提高距离检测的准确性。

附图说明

图1为本发明一具体实施方式的飞行时间传感器的测距方法的流程示意图；

图2为本发明一具体实施方式的一个检测帧内光脉冲与各电荷累积窗口的时序示意图。

图3为本发明另一具体方式的一个检测帧内光脉冲与各电荷累积窗口的时序示意图；

图4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5为本发明一具体实施方式的电荷累积模块的结构示意图；

图6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。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的飞行时间传感器及其测距方法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飞行时间传感器的测距方法的流程示意图。

本发明的具体实施方式的飞行时间传感器的测距方法包括如下步骤：

步骤S101：逐帧发射脉冲检测光，照射所述飞行时间传感器的检测视场。

所述脉冲检测光为经过调制的脉冲光，所述脉冲光可以为LED光或激光等易于进行调制的光，通过所述检测光照射所述飞行时间传感器的视场范围内的所有物体。

可以通过控制飞行时间传感器的光源按照一定的时序发出检测光，每一检测帧对应一个检测光的脉冲，所述检测光脉冲的脉宽决定了所述飞行时间传感器能够检测的距离范围。本发明的具体实施方式中，脉冲检测光的脉冲为矩形脉冲。

步骤S102：接收经被测物体反射后的反射光，并产生与所述反射光能量对应的感应电荷。

脉冲光到达被测物体表面，会在被测物体表面被反射形成脉冲反射光信号；同时被测物体所处环境中还存在环境光。在实际的使用场景下，所述飞行时间传感器通过光学传感像素阵列获取的光信号既包括脉冲反射光还包括环境光。后续具体实施的描述中，光学传感像素阵列所接收到的反射光均指包括脉冲反射光及环境光。

所述飞行时间传感器包括传感阵列，所述传感阵列多个光学传感单元，能够将光信号转换为电信号，从而可以通过所述传感阵列将接受到的反射光转变为与反射光能量对应的感应电荷。所述光学传感单元可以为光电二极管。

步骤S103：依次在连续的第一电荷累积窗口、第二电荷累积窗口内对所述感应电荷进行累积。

可以分别通过不同的电荷累积单元，对由于反射光产生的感应电荷进行累积。通过电荷累积，在所述第一电荷累积窗口和所述第二电荷累积窗口内可以获得与相应时间内产生的光电荷数量(对应于该相应时间段内接收到的反射光能量)对应的电信号。在单位时间内光强相同的情况下，光能量大小与接收到光的时长成正比。

在一个检测帧内，所述检测光的脉冲产生时刻与所述第一电荷累积窗口的开启时刻同步。通过控制所述第一电荷累积窗口、第二电荷累积的窗口持续时间，使得脉冲反射光所产生的感应电荷能够依次被所述第一电荷累积窗口和第二电荷累积的窗口累积。较佳的，所述第一电荷累积窗口、第二电荷累积的窗口持续时间相同，且等于或大于所述脉冲检测光的脉冲宽度。

对上述每个传感单元所产生的感应电荷均采用该步骤所述的方法进行电荷累积，以便获取每个传感单元对应的检测结果。

步骤S104：在第三电荷累积窗口内累积由环境光产生的感应电荷，所述第三电荷累积窗口在所述第一电荷累积窗口之前或者位于所述第二电荷累积窗口之后，并且所述第三电荷累积窗口与相邻的第一电荷累积窗口或第二电荷累积窗口之间具有一定时间间隔。

由于一个检测帧内，仅对应一个检测光脉冲，因此，在所述第一电荷累积窗口、第二电荷累积窗口以外的所述第三电荷累积窗口仅能累积到由环境光产生的感应电荷。

为了便于后续对距离的计算，可以使得所述第三电荷累积窗口的窗口持续时间与所述第一电荷累积窗口和所述第二电荷累积窗口的窗口持续时间相同。

在一个具体实施方式中，所述第三电荷累积窗口可以位于所述第一电荷累积窗口之前，在检测光脉冲还未产生之前。并且，所述第三电荷累积窗口与所述第一电荷累积窗口之间具有一定时间间隔。

在另一个具体实施方式中，所述第三电荷累积窗口还可以位于所述第二电荷累积窗口之后。并且，所述第三电荷累积窗口与所述第二电荷累积窗口之间具有一定时间间隔。

步骤S105：根据所述第一电荷累积窗口、第二电荷累积窗口以及第三电荷累积窗口分别获得的电荷量进行计算，从而获得被测物体的距离信息。

根据所述第一电荷累积窗口、第二电荷累积窗口以及第三电荷累积窗口分别获得的电荷量进行飞行时间计算，从而获得与所述飞行时间对应的距离信息。对每个传感单元累积的电荷量进行计算，从而获得所有传感单元对应的检测结果，从而获得整个检测视场内的距离分布。

上述具体实施方式中的飞行时间传感器的测距方法能够提高对环境光能量累积的准确性，从而提高距离检测的准确性。

请参考图2，为本发明的一个实施例中，一个检测帧内的，检测光脉冲与各电荷累积窗口的时序示意图。

其中G1所示为第一电荷累积窗口，G2所示为第二电荷累积窗口，G3为第三电荷累积窗口。LO为发出的脉冲检测光的示意图，LB为脉冲反射光示意图。

所述第三电荷累积窗口G3位于所述第一电荷累积窗口G1之前，且与所述第一电荷累积窗口G1之间具有一时间间隔t。所述第三电荷累积窗口G3、所述第一电荷累积窗口G1以及所述述第二电荷累积窗口G2依次开启，所述第一电荷累积窗口G1与所述第二电荷累积窗口G2之间无间隔。所述第三电荷累积窗口G1、第一电荷累积窗口G2，所述第二电荷累积窗口G3的窗口持续时间都为T，检测光LO的脉冲宽度也为T。

由于第三电荷累积窗口G3的结束时刻与所述第一电荷累积窗口G1的开启时刻以及脉冲检测光LO的产生时刻很难严格对齐。脉冲检测光LO容易提前产生，使得所述第三电荷累积窗口G3内累积到所述脉冲检测光LO或者脉冲反射光LB产生的感应电荷，导致检测结果发生误差。因此，该具体实施方式中，将所述第三电荷累积窗口G3进一步前移，可以避免脉冲检测光LO与所述第三电荷累积窗口G3之间产生交叠。

较佳的，所述时间间隔t长度大于等于所述脉冲检测光的脉冲宽度T。较佳的，t＝T。

在所述第三电荷累积窗口G3和第一电荷累积窗口G1之间的时间间隔t内，由于传感器的传感阵列内的光学传感单元依旧会接收到环境光而产生感应电荷。由于这段时间内，不对感应电荷进行累积，使得感应电荷会在光传感单元上累积，当第一电荷累积窗口G1开启时，产生瞬间的电信号被第一电荷累积窗口G1所累积，影响检测的准确性，因此，在该具体实施方式中，可以在第三电荷累积窗口G3和第一电荷累积窗口G1之间的时间间隔t内，将光传感单元产生的感应电荷泄放掉，例如通过将光传感单元接地等方式实现。在其他不对电荷积累的时间内，例如在G1、G2和G3均关闭时，也需要将光传感单元产生的感应电荷泄放掉。

以G1、G2、和G3分别代表每个电荷累积窗口累积的电荷量，当前检测帧下，测得的距离如下：

上述具体实施方式中，第三电荷累积窗口累积到的环境光能量不受其他光信号的干扰，能够更加准确反映环境光能量，从而提高检测的准确性。

请参考图3，为本发明另一具体实施方式中，一个检测帧内的脉冲检测光与各电荷累积窗口的时序示意图。

该具体实施方式中，所述第三电荷累积窗口G3’位于所述第二电荷累积窗口G2之后，所述第三电荷累积窗口G3’与所述第二电荷累积窗口G2之间具有一定时间间隔t’。

由于检测光LO在被反射的过程中，会出现多路径反射的问题，部分脉冲反射光到达光学传感单元的光程会大于实际被测物体的距离，这就导致脉冲反射光的脉宽会大于检测光脉冲宽度T。

在第三电荷累积窗口G3’与第二电荷累积窗口G2之间无间隔的情况下，由于第三电荷累积窗口G3’的开启时刻与所述第二电荷累积窗口G2的关闭时刻严格同步也较难实现，容易发生第三电荷累积窗口G3’与第二电荷累积窗口G2之间有部分时间重叠的情况，这就会使得所述第三电荷累积窗口G3’可能会累积到多路径反射光以及单次反射光所产生的感应电荷，从而导致对环境光强度测量结果不准确。

该具体实施方式中，第三电荷累积窗口G3’与第二电荷累积窗口G2之间具有时间间隔t’,使得所述第三电荷累积窗口G3’不会累积到脉冲反射光产生的感应电荷，从而提高测量的准确性。所述时间间隔t’的长度范围大于等于脉冲检测光的脉冲宽度T，较佳的t’＝T。

但是在第三电荷累积窗口G3’和第二电荷累积窗口G2之间的时间间隔t’段内，由于传感器的传感阵列内的光学传感单元依旧会接收到环境光而产生感应电荷。由于这段时间内不会对感应电荷进行累积，使得感应电荷会在光传感单元上累积，当第三电荷累积窗口G3’开启时，产生瞬间的电信号被第三电荷累积窗口G3’所累积，影响检测的准确性，因此，在该具体实施方式中，可以在第三电荷累积窗口G3’和第二电荷累积窗口G2的间隔时间段内，将光传感单元产生的感应电荷泄放掉，例如通过将光传感单元接地等方式实现。在其他不对电荷积累的时间内，例如在G1、G2和G3均关闭时，也需要将光传感单元产生的感应电荷泄放掉。

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4，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：光源模块401，用于发出脉冲检测光；感应模块402，用于接收经被测物体反射后的反射光，并产生与所述反射光能量对应的感应电荷；电荷累积模块403，用于在一个检测帧内，依次在第一电荷累积窗口、第二电荷累积窗口内对所述感应电荷进行累积，还用于在第三电荷累积窗口内累积由环境光产生的感应电荷，所述第三电荷累积窗口在所述第一电荷累积窗口之前或者位于所述第二电荷累积窗口之后，并且所述第三电荷累积窗口与相邻的第一电荷累积窗口或第二电荷累积窗口之间具有一定的时间间隔；处理模块404，与所述电荷累积模块403连接，用于根据所述第一电荷累积窗口、第二电荷累积窗口、第三电荷累积窗口分别获得的电荷量进行计算，从而获得被测物体的距离信息。

还包括：控制模块405，与所述光源模块401和所述电荷累积模块403连接，用于控制所述光源模块401发出的脉冲检测光的脉宽，以及控制所述第一电荷累积窗口、第二电荷累积窗口、第三电荷累积窗口的开启时刻和窗口持续时间。

所述光源模块401包括单个或多个发光元件，例如光电二极管、LED激光器等，用于发出检测光，照射所述飞行时间传感器的检测视场。

所述感应模块402包括传感阵列，所述传感阵列由多个光电传感单元组成，所述光电传感单元用于将光信号转换为电信号，例如将光能量转换为与光能量成正比的一定数量的电荷。所述光电传感单元可以为CMOS光学传感器、或光电二极管等光敏器件。

所述电荷累积模块403包括多个与各感应单元分别对应的电荷累积电路，分别对各个光学感应单元产生的感应电荷进行累积，每个电荷累积电路具有多个电荷累积单元。所述电荷累积单元可以为电容器，将电荷累积于电容器的极板上，对电容器进行充电，从而产生与电荷数量对应的电信号。该具体实施方式中，所述电荷累积模块403的每个电荷累积电路至少包括第一电荷累积单元、第二电荷累积单元以及第三电荷累积单元，所述第一电荷累积单元用于在第一电荷累积窗口内对感应电荷进行累积，所述第二电荷累积单元用于在所述第二电荷累积窗口内对感应电荷进行累积；所述第三电荷累积单元用于在所述第二电荷累积窗口内对环境光所产生的感应电荷进行累积。

请参考图5，为本发明一具体实施方式的电荷累积模块的结构示意图。

图5中仅示出了电荷累积模块中对应于单个传感单元的电荷累积电路，用于累积单个传感单元上产生的感应电荷。

该具体实施方式中，所述光学传感单元501为一光电二极管，所述光学传感单元501的负极与所述电荷累积电路502连接，所述电荷累积电路502包括三组并列的电容，分别为电容C1～C3，所述电容C1～C3的一端分别通过开关K1、K2和K3与所述光学传感单元501的负极连接，另一端接地，三个电容器分别对应于第一电荷累积单元、第二电荷累积单元和第三电荷累积单元。通过控制所述开关K1～K3各自的导通和断开时间，实现对第一电荷累积窗口、第二电荷累积窗口以及第三电荷累积窗口的时序控制。当开关K1～K3中任一开关导通，与之连接的电容即对所述光学传感单元501上产生的感应电荷进行累积，产生与电荷数量对应的电压信号。

请继续参考图4，在一个检测帧内，所述控制模405用于控制所述检测光的脉冲产生时刻与所述第一个电荷累积窗口的开启时刻同步。

在一个具体实施方式中，所述控制模块405还用于控制所述第三电荷累积窗口位于所述第一电荷累积窗口之前,并且使得所述第三电荷累积窗口与所述第一电荷累积窗口之间具有一定间隔时间。

在另一具体实施方式中，所述控制模块405用于控制所述第三电荷累积窗口位于所述第二电荷累积窗口之后，并且使得所述第三电荷累积窗口与所述第二电荷累积窗口具有一定时间间隔。

请参考图6，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。

该具体实施方式中，所述飞行时间传感器中还包括泄放模块601，与所述感应模块402和所述控制模块405连接。所述泄放模块601用于在第三电荷累积窗口与所述第二电荷累积窗口或所述第一电荷累积窗口之间的所述时间间隔内，将所述感应模块402产生的感应电荷完全泄放掉。在其他不对电荷积累的时间内，例如在第一电荷累积窗口、第二电荷累积窗口以及第三电荷累积窗口均关闭时，也需要将光传感单元产生的感应电荷泄放掉。

所述控制模块405用于控制所述泄放模块601的电荷泄放时间。

上述飞行时间传感器能够提高对环境光检测的准确性，从而提高距离检测的准确性。

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 (11)

1.一种飞行时间传感器的测距方法，其特征在于，包括：

发射脉冲检测光照射所述飞行时间传感器的检测视场；

接收经被测物体反射后的反射光，并产生与所述反射光能量对应的感应电荷，所述反射光包括被测物体对所述脉冲检测光反射后的脉冲反射光以及环境光；

依次在连续的第一电荷累积窗口、第二电荷累积窗口内对所述感应电荷进行累积；

在第三电荷累积窗口内累积由环境光产生的感应电荷，所述第三电荷累积窗口在所述第一电荷累积窗口之前或者位于所述第二电荷累积窗口之后，并且所述第三电荷累积窗口与相邻的第一电荷累积窗口或第二电荷累积窗口之间具有一定时间间隔；

根据所述第一电荷累积窗口、第二电荷累积窗口以及第三电荷累积窗口分别获得的电荷量进行计算，从而获得被测物体的距离信息。

2.根据权利要求1所述的飞行时间传感器的测距方法，其特征在于，在一个检测帧内，所述检测光的脉冲产生时刻与所述第一个电荷累积窗口的开启时刻同步。

3.根据权利要求1所述的飞行时间传感器的测距方法，其特征在于，还包括：在所述时间间隔及不积累电荷的时间内，将产生的感应电荷均泄放掉。

4.根据权利要求1所述的飞行时间传感器的测距方法，其特征在于，所述第一电荷累积窗口、第二电荷累积窗口以及第三电荷累积窗口的窗口持续时间相同。

5.根据权利要求1所述的飞行时间传感器的测距方法，其特征在于，所述时间间隔的长度大于等于所述脉冲检测光的脉冲宽度。

6.一种飞行时间传感器，其特征在于，包括：

光源模块，用于按照检测帧的顺序，逐帧发射脉冲检测光照射所述飞行时间传感器的检测视场，所述反射光包括被测物体对所述脉冲检测光反射后的脉冲反射光以及环境光；

感应模块，用于接收经被测物体反射后的反射光，并产生与所述反射光能量对应的感应电荷；

电荷累积模块，用于依次在第一电荷累积窗口、第二电荷累积窗口内对所述感应电荷进行累积，还用于在第三电荷累积窗口内累积由环境光产生的感应电荷，所述第三电荷累积窗口在所述第一电荷累积窗口之前或者位于所述第二电荷累积窗口之后，并且所述第三电荷累积窗口与相邻的第一电荷累积窗口或第二电荷累积窗口之间具有一定的时间间隔；

处理模块，与所述电荷累积模块连接，用于根据所述第一电荷累积窗口、第二电荷累积窗口、第三电荷累积窗口分别获得的电荷量进行计算，从而获得被测物体的距离信息。

7.根据权利要求6所述的飞行时间传感器，其特征在于，还包括控制模块，与所述光源模块和所述电荷累积模块连接，用于控制所述光源模块发出的脉冲检测光的脉宽，以及控制所述第一电荷累积窗口、第二电荷累积窗口、第三电荷累积窗口的开启时刻和窗口持续时间。

8.根据权利要求7所述的飞行时间传感器，其特征在于，在一个检测帧内，所述控制模块用于控制所述检测光的脉冲产生时刻与所述第一个电荷累积窗口的开启时刻同步。

9.根据权利要求7所述的飞行时间传感器，其特征在于，所述控制模块用于控制所述第一电荷累积窗口、第二电荷累积窗口以及第三电荷累积窗口的窗口持续时间相同。

10.根据权利要求6所述的飞行时间传感器，其特征在于，还包括：泄放模块，与所述感应模块连接，用于在所述时间间隔及不积累电荷的时间内，将所述感应模块产生的感应电荷均泄放掉。

11.根据权利要求1所述的飞行时间传感器，其特征在于，所述时间间隔的长度大于等于所述脉冲检测光的脉冲宽度。

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