CN111175774B - 一种tof传感器模块的控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种TOF传感器模块的控制方法。该TOF传感器模块，其包含像素矩阵，该像素矩阵包含规律排布的若干子矩阵区域、通过控制不同的子矩阵的曝光时序，有效提高传感器模块的动态范围，使得传感器模块在弱光环境或强光环境下都能发挥出最优的性能。并且利用TOF传感器模块的不同子矩阵区内的发光时间和传感器像素接收光信号的时间的相对关系不同，使传感器模块无论在长距测试和短距测试中都能满足精度要求。该控制方法不需要对种TOF传感器模块额外增加配置，有效地丰富了TOF传感器模块的应用场景。

Description

一种TOF传感器模块的控制方法

技术领域

本发明涉及TOF传感器技术领域，具体涉及一种TOF传感器模块的控制方法。

背景技术

近年来，基于TOF(飞行时间法)原理的测距方案的应用范围变得越来越广。相比传统的结构光测距的方案，TOF具有测量速度快，功耗低，数据处理量及复杂度降低等显著的优势。TOF的基本原理如图1所示，其通过对目标发射光脉冲，然后通过传感器接收物体返回的光，利用光速固定的原理由探测到的光脉冲的往返飞行时间(T1+T2)计算得到目标物到光发射点的距离(D)。

然而目前TOF中使用的光传感器是由大量单点像素组成的。每个单点像素通过曝光吸收光子转换成电信号，再由ADC(模/数转换器)转化成数字信号进行计算和处理。如果每个像素点选用固定的曝光时间，传感器的动态范围会受到环境的极大限制。在弱光源的应用环境下,像素矩阵通过固定曝光时间累积的电荷过少，所以ADC的输入信号幅度也很小，ADC输出信噪比随之降低。而在强光环境下，同样的曝光时间却会造成像素矩阵里过多的感光元件发生过曝，过曝的像素点对应的ADC输出信噪比将会非常低。

因此需要一种TOF传感器模块及其控制方法。

发明内容

为此，本发明目的在于，提供一种TOF传感器模块控制方法。该方法可以对不同子矩阵区域获取的传感器输出数据进行最优化选择，依据预设的规则自动剔除过曝或信号幅度过小信噪比偏低的数据，从而达到提高TOF传感器模块输出动态范围的目的。

本发明的另一目的在于，提供一种TOF传感器模块控制方法，该方法利用不同子矩阵区内的发光时间和传感器像素接收光信号的时间的相对关系不同，因而不同的矩阵区域对应了不同的测距量程来精准测量距离信息，从而有效扩大了TOF传感器模块用于测距时的高精度量程范围。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，

一种TOF传感器模块的控制方法，其特征在于，所述TOF传感器模块，包含，像素矩阵，其由若干个子矩阵构成，发光装置，

控制模块，其分别电性连接发光装置及由若干个子矩阵构成的像素矩阵，所述控制方法包含，

所述控制模块基于指令向所述发光装置发出发光控制指令，所述发光装置接收并响应所述指令向被测物体发射光，并控制其电性连接的若干个子矩阵分别响应发光控制指令以接收被测物体反射回的光信号，ADC转换模块基于接收若干子矩阵传输的信号将其转换成数字信号并估算出每个所述子矩阵响应指令而接收到的信息，

数据处理模块基于最优化规则选择估算出信息中最佳的数据。

优选的，该控制模块包含第一控制模块，其电性连接发光装置，用以向发光装置发出发光控制指令，所述发光装置接收并响应所述发光控制指令向被测物体发射光；

第二控制模块控制其电性连接的若干个子矩阵响应所述发光控制指令分别接收被测物体反射回的光信号。

优选的，该控制模块包含第一控制模块，其电性连接发光装置，用以向发光装置发出发光控制指令，所述发光装置接收并响应所述发光控制指令向被测物体发射光；

第二控制模块响应发光控制指令而生成以匹配控制每个子矩阵的接收指令，每个所述子矩阵接收并响应其匹配的接收指令，分别接收被测物体反射回的光信号。

优选的，该TOF传感器模块的控制方法中，利用不同子矩阵区内的发光时间和接收光信号的时间之间的对应关系，数据处理模块基于获得的不同子矩阵的测距量程并进行最优化选择。

优选的，该TOF传感器模块包含多个子矩阵区域。

优选的，该TOF传感器模块包含3个子矩阵区域，第一子矩阵区域、第二子矩阵区域、第三子矩阵区域，其分别由GTXi，i＝1，2，3控制，

当第一控制模块的发光控制信号drv_in为高电平时，发光元器件开始发射光源，当drv_in为低电平时，发光元器件停止发光；

当第二控制模块的GTXi为高电平时，其对应的子矩阵区域的像素点开始接收反射回来的光信号，当GTXi为低电平时，其对应的子矩阵区域的像素点开始停止接收光信号。

优选的，该TOF传感器模块包含多个规律排布的子矩阵区域。

优选的，该TOF传感器模块包含3个规律排布的子矩阵区域，第一子矩阵区域、第二子矩阵区域、第三子矩阵区域，GTX为初始的曝光控制信号，GTX1、GTX2和GTX3分别为预设的第一子矩阵区域、第二子矩阵区域、第三子矩阵区域所采用的实际曝光控制信号，当GTX为高电平时，所述TOF传感器模块的像素点的感光元件进行曝光，采集光信号转换成电子并存储在该像素点所对应的电信号存储元件内；

当GTX为低电平时，所述TOF传感器模块的像素点的停止将采集转换得到的电子转移到存储单元上。

优选的，该TOF传感器模块的控制方法中，数据处理模块基于指令对获得三种曝光时间获得的ADC数据进行最优化选择。

优选的，该TOF传感器模块的控制方法中不同类别的子矩阵，采用不同的曝光时间。

有益效果

相对于现有技术中的方案，本发明的优点：

本申请提出的TOF传感器模块的控制方法，其利用像素矩阵探测的特点，使得传感器模块在弱光环境或强光环境下都能发挥出最优的性能。而且整个过程不需要外围系统干预，有效地丰富了TOF传感器模块应用场景。

另外，本申请提出的TOF传感器模块控制方法，通过将TOF传感器模块的子矩阵区域类别调整发射光和传感器接收光的相对时间的方式达到提高TOF传感器模块测量量程范围。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1所示为现有的TOF的基本原理示意图；

图2a所示为本发明实施例的像素矩阵的示意图；

图2b为2a像素矩阵曝光控制信号的示意图；

图2c为2a中像素矩阵发光控制以及不同区域类别的接收光控制信号的关系。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以如具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

本申请提出一种TOF传感器模块，其包含，由若干个子矩阵(也称子矩阵区域)构成的像素矩阵，控制模块其电性连接发光装置基于指令控制发光装置向被测物体发射光，及电性连接像素矩阵，以响应所述指令控制电性连接的若干个子矩阵分别接收被测物体反射回的光信号，该控制方法包含，控制模块基于指令发出发光控制指令，发光装置接收并响应指令向被测物体发射光，并控制其电性连接的若干个子矩阵分别响应发光控制指令、接收被测物体反射回的光信号，ADC转换模块基于接收若干子矩阵传输的信号将其转换成数字信号并估算出每个子矩阵响应发光控制指令而接收到的信息，数据处理模块基于最优化规则选择ADC转换模块估算出的每个每个子矩阵响应的信息中最佳的数据。该数据处理模块电性连接控制模块，较佳的，该控制模块包含第一控制模块、第二控制模块。该数据处理模块电性连接第一控制模块、第二控制模块、ADC转换模块、发光装置。该像素矩阵包含规律地排布的若干子矩阵区域(可以有规律的重复排布不同类别的子矩阵。例如，每个按类别1，类别2，类别3，类别1，类别2，类别3这样的固定顺序摆放着3种类别的子矩阵参考图2a中的方式)。驱动模块其分别电性连接第一控制模块、第二控制模块。数字处理模块(该数据处理模块可集成于驱动模块中)依据预设的规则择出采用若干子矩阵区域对应的曝光时间获得的ADC数据中最优的那一组，这样以达到提高TOF传感器动态范围的目的。或利用TOF传感器模块的不同子矩阵区内的发光时间和传感器像素接收光信号的时间之间的相对关系不同，从而得到不同子矩阵区域对应的ADC数据，并根据预设的规则选择ADC数据中最优的那一组，以达到提高TOF传感器量程范围的目的。该TOF传感器模块的控制方法无需外围系统干预，也不需要增加硬件开销或外围控制信号。

接下来结合图2a、图2b来描述本申请提出的TOF传感器模块的控制方法，其基于若干子矩阵区并有规律地重复排布不同子矩阵的阵列类别。不同类别的子矩阵可选用不同的感光元件曝光时间。在实际实现时，可以根据应用环境的复杂程度以及对图像分辨率的具体要求选择更少或更多的区域类别，在此不作限定。接下来以3个子矩阵类别为例(参见图2a)。

其像素阵列曝光控制信号如图2b所示，其中，GTX为初始的曝光控制信号，GTX1、GTX2和GTX3分别为预设的三个子矩阵(区域类别)所采用的实际曝光控制信号，当曝光控制信号为高电平时，TOF传感器模块的像素点的感光元件进行曝光，采集光信号转换成电子并存储在该像素点所对应的电信号存储元件内。当曝光控制信号为低电平时，像素点停止将采集转换得到的电子转移到该存储单元上。若曝光时间过长，存储器内积累的电荷超过了单个像素点所能接受的范围(该范围取决于存储器结构和尺寸，像素电路实现工艺的选择等因素)，会发生过曝，造成ADC输出信噪比变差的现象。若曝光时间过短，累积的电荷太少，则会造成ADC输入幅度太小同样限制了ADC的信噪比。

针对不同的子矩阵，对初始的曝光信号GTX实现了不同的屏蔽效果(如图2b所示，不同类别的子矩阵，采用不同的曝光时间(GTX1,GTX2,GTX3))，从而非常方便地使像素矩阵在不同的子矩阵(也称类别)实现不同的曝光时间。本实施方式中，在相同的时间周期里，由于类别1区域的像素点曝光次数最多，所以GTX1累积的曝光时间最长。同理，GTX3累积的曝光时间最短。各个像素点的电荷信息通过ADC转换成对应的数字信号后，数字处理模块可以选择出采用这三种曝光时间得到的三组ADC数据中最优的那一组(另外2个ADC的结果会被丢弃)。选择标准为，ADC在没有发生输入溢出(过曝)的前提下检测到的有用信号幅度最大即为最优，因为这种情况下ADC输出信噪比最高。该控制方法虽然最终输出的有效像素信息个数比实际实现的像素点个数少(例如图2a分了三种类别，实际输出的有效像素信息个数则是实际像素点个数的三分之一)，但却非常有效地提高了像素阵列实际输出动态范围，使其即使在环境光变化非常大的条件或者需要同时探测近距和远距目标物体距离时也能发挥出最优的性能，大大丰富了TOF的应用场景。该实施方式，利用子矩阵(像素矩阵)探测的特点，采用像素矩阵多列(多组)数据从优选择的方式，有效提高传感器模块的动态范围，使得传感器模块在弱光环境或强光环境下都能发挥出最优的性能。

作为图2b的实施方式的变形，其利用不同像素矩阵区域内的发光时间和传感器像素接收光信号的时间的相对关系不同，来精准测量距离信息，有效扩大了TOF测距方案的高精度量程范围。这时TOF传感器模块分成若干子矩阵(也称区域类别,如，3个，或多个)，并有规律地重复排布，其控制方法如图2c所示，发光控制信号drv_in和像素阵列不同区域类别的像素点接收光的控制信号GTX1，GTX2和GTX3的相对关系，当drv_in为高电平时，发光元器件开始发射光源，当drv_in为低电平时，发光元器件停止发光。包含3个子矩阵区域，第一子矩阵区域、第二子矩阵区域、第三子矩阵区域，其分别由GTXi(i＝1，2，3)控制，当GTXi(i＝1，2，3)为高电平时，其对应的区域类别的像素点开始接收反射回来的光信号。当GTXi为低电平时，其对应的区域类别的像素点开始停止接收光信号。相比于传统方案采用的整个像素矩阵的发光控制信号drv_in和像素点接收光的控制信号GTX的时间关系都是统一的实施方式。图2c实施方式中，不同区域类别下的接收光控制信号GTXi与发射光控制信号drv_in的时间关系是不同的。在图中所示的例子中，drv_in与GTX1的时间间隔最近，与GTX3的时间间隔最远。如果被测的目标物距离很近的话，光的往返时间很短，则GTX1采集到的反射光信号最强，因此这个区域类别的测量结果是最优的。而等到GTX3开始采集光信号时，已经错过了最佳检测时间，采集到的反射光能量已经非常弱了。因此这个区域类别的测量结果是最差的。反之亦然。所以GTX1的结果最适用于近距测量，GTX2的结果最适用于中距测量，GTX3的结果最适用于远距测量。采用这种方式，虽然最终输出的有效像素信息个数比实际实现的像素点个数少(例如图2a分了三种区域类别，实际输出的有效像素信息个数则是实际像素点个数的三分之一)，但却在保证精度的前提下非常有效地提高了像素阵列的量程范围，使其在需要同时探测近处和远处或正在移动的目标物体的距离时也能发挥出最优的性能，大大丰富了TOF的应用场景。

上述的实施方式中，TOF传感器模块曝光时间的控制方法。其对预设的不同区域类别得到的传感器输出数据预计预设的规则进行最优化选择，较佳的选择标准：ADC在没有发生输入溢出(过曝)的前提下检测到的有用信号幅度最大即为最优，因为这种情况下ADC输出信噪比最高。从而达到提高TOF传感器模块输出动态范围的目的。这样即使在环境光变化非常大的条件下或者需要同时探测近距和远距或正在移动的目标物体的距离时都能发挥TOF模块最优的性能。如图2a所示的实施方式牺牲了一部分像素点信息为代价(利用三个像素点检测，但仅输出其中一个像素点的信息)，但由于该方法在每一帧像素矩阵检测中直接大幅提高了检测的动态范围，无需牺牲检测和数据处理的速度，在捕捉正在移动的目标物体距离时有着很大优势。

上述的TOF传感器模块，其包含像素矩阵，将该像素矩阵分成若干子矩阵区并有规律地重复排布、不同子矩阵区内的发光时间和传感器像素接收光信号的时间的相对关系也是不同的。因此不同矩阵区域对应了不同的测距量程。或利用不同子矩阵区实现不同的曝光时间，基于预设规则选择最优的曝光时间。这样大大丰富了TOF的应用场景。

上述的TOF传感器模块，其包含，由若干个子矩阵构成的像素矩阵，第一控制模块，其电性连接发光装置，基于指令向发光装置发出发光控制指令，发光装置接收并响应该指令向被测物体发射光，第二控制模块电性连接像素矩阵，其响应发光控制指令控制其电性连接的像素矩阵接收被测物体反射回的光信号，像素矩阵将接收的信号传输至ADC转换模块，该ADC转换模块接收若干个子矩阵反馈的信号并将其转换成数字信号并运算，该TOF传感器模块运行时其控制方法包含，第一控制模块基于指令发出发光控制指令，第二控制模块响应该发光指令并控制其电性连接的若干个子矩阵分别接收被测物体反射回的光信号，ADC转换模块接收若干个子矩阵传输的信号并将其转换成数字信号并进行运算以获得若干该子矩阵分别响应其对应的控制指令而获得的信息，进行最优化选择。

本发明还提供了一种计算机存储介质，该计算机存储介质包括计算机程序，该计算机程序运行上述的控制方法对TOF传感器模块控制。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于计算机(处理器)可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡如本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种TOF传感器模块的控制方法，其特征在于，所述TOF传感器模块包含，像素矩阵，其由若干个子矩阵构成，发光装置，

控制模块，其分别电性连接发光装置及由若干个子矩阵构成的像素矩阵，

所述控制方法包含，不同类别的子矩阵，采用不同的曝光时间，

所述控制模块基于指令向所述发光装置发出发光控制指令，所述发光装置接收并响应所述指令向被测物体发射光，并控制其电性连接的若干个子矩阵分别响应发光控制指令以接收被测物体反射回的光信号，ADC转换模块基于接收若干子矩阵传输的信号将其转换成数字信号并估算出每个所述子矩阵响应指令而接收到的信息，

基于最优化规则选择估算出信息中最佳的数据。

2.如权利要求1所述的TOF传感器模块的控制方法，其特征在于，所述控制模块包含第一控制模块，其电性连接发光装置，用以向发光装置发出发光控制指令，所述发光装置接收并响应所述发光控制指令向被测物体发射光；

第二控制模块控制其电性连接的若干个子矩阵响应所述发光控制指令分别接收被测物体反射回的光信号。

3.如权利要求1所述的TOF传感器模块的控制方法，其特征在于，所述控制模块包含第一控制模块，其电性连接发光装置，用以向发光装置发出发光控制指令，所述发光装置接收并响应所述发光控制指令向被测物体发射光；

第二控制模块响应发光控制指令而生成以匹配控制每个子矩阵的接收指令，每个所述子矩阵接收并响应其匹配的接收指令，分别接收被测物体反射回的光信号。

4.如权利要求1所述的TOF传感器模块的控制方法，其特征在于，

利用不同子矩阵区内的发光时间和接收光信号的时间之间的对应关系，数据处理模块基于获得的不同子矩阵的测距量程并进行最优化选择。

5.如权利要求1所述的TOF传感器模块的控制方法，其特征在于，

所述TOF传感器模块包含3个子矩阵区域，

第一子矩阵区域、第二子矩阵区域、第三子矩阵区域，其分别由GTXi，i＝1，2，3控制，

当第一控制模块的发光控制信号drv_in为高电平时，发光元器件开始发射光源，当drv_in为低电平时，发光元器件停止发光；

当第二控制模块的GTXi为高电平时，其对应的子矩阵区域的像素点开始接收反射回来的光信号，当GTXi为低电平时，其对应的子矩阵区域的像素点开始停止接收光信号。

6.如权利要求1所述的TOF传感器模块的控制方法，其特征在于，所述TOF传感器模块包含多个规律排布的子矩阵区域。

7.如权利要求1所述的TOF传感器模块的控制方法，其特征在于，所述TOF传感器模块包含3个规律排布的子矩阵区域，

第一子矩阵区域、第二子矩阵区域、第三子矩阵区域，

GTX为初始的曝光控制信号，GTX1、GTX2和GTX3分别为预设的第一子矩阵区域、第二子矩阵区域、第三子矩阵区域所采用的实际曝光控制信号，

当GTX为高电平时，所述TOF传感器模块的像素点的感光元件进行曝光，采集光信号转换成电子并存储在该像素点所对应的电信号存储元件内；

当GTX为低电平时，所述TOF传感器模块的像素点的停止将采集转换得到的电子转移到存储单元上。

8.如权利要求7所述的TOF传感器模块的控制方法，其特征在于，

基于指令对获得三种曝光时间获得的ADC转换模块转换的数据进行最优化选择。

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