CN112098978A - 提高tof相机激光器导通速度、降低驱动功耗的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种提高TOF相机激光器导通速度、降低驱动功耗的系统及方法，涉及3D相机传感器技术领域，解决如何提高3D TOF相机激光器导通速度以及降低激光器驱动功耗的问题，包括同步调制信号发生器、电流配置输入接口、电感控制电路、恒流控制电路、电源、电感电路和激光器；所述同步调制信号分别输入到所述电感控制电路和所述恒流控制电路；所述电流配置输入与所述恒流控制电路相连；所述电感控制电路输出两路信号到所述电感电路；所述电源与所述电感电路相连；所述电感电路与所述激光器相连；所述激光器与所述恒流控制电路相连，增加了电感电路及电感控制电路，再通过信号调制可有效提高激光器的导通速度并降低驱动功耗。

Description

提高TOF相机激光器导通速度、降低驱动功耗的系统及方法
技术领域
本发明涉及3D相机传感器技术领域，具体来说是一种提高TOF相机激光器导通速度、降低驱动功耗的系统及方法。
背景技术
3D视觉技术的三种主流方案分别是：TOF、结构光、双目立体成像。结构光和ToF在智能手机行业受到广泛关注和应用；TOF深度相机是3D相机中的一种，TOF深度相机技术起步较晚，最近几年才被逐渐开发应用于手机人脸识别、机器人导航、汽车ADAS等领域。
TOF是飞行时间(Time of Flight)技术的缩写，其原理是：传感器发出经调制的脉冲红外光，遇物体后反射，传感器通过计算光线发射和反射时间差或相位差，来换算被拍摄景物的距离，以产生深度信息，此外再结合传统的相机拍摄，就能将物体的三维轮廓以不同颜色代表不同距离的地形图方式呈现出来。
TOF技术相比于结构光和双目有其自身的优势，因为其可以发出特定波长的激光到被测目标物体上，返回的激光通过镜头聚焦到传感器成像平面上，再通过数模信号的处理和计算最终获得传感器每个像素点到目标物体的距离，并且受环境光干扰较小。这里面激光的控制、发射和接受至关重要，没有激光稳定有序的激光脉冲波，就无法获得精确的数据。
现有技术中，申请号为201410291965.0、公开日为2015年07月01日的发明专利《车用TOF相机及其驱动方法》公开了一种车用TOF相机及其驱动方法，包括：光线发射装置、光线接收装置及控制装置。该光线发射装置将光线照射至目标；该光线接收装置根据从该目标反射并返回的光线而检测到该目标的距离，并为光线频率调制产生一调制信号；以及该控制装置根据该调制信号控制该光线发射装置的驱动。该光线发射装置包括有多个激光二极管。该控制装置根据该调制信号决定这些激光二极管的驱动顺序以控制这些激光二极管的驱动，以及根据该调制信号决定这些激光二极管的电流值以控制被驱动的激光二极管的电流量。
该发明专利申请简述了相机模组的组成部分以及激光发射和接受的基本原理，可以依据调制信号而连续扡操作多个激光二极管，从而提高检测范围、改善相机性能。但是该发明专利申请并未详述激光的控制方法，并且在说明书中提到激光二极管的工作周期长，所以需要较长的冷却时间以移除在光发射时间所产生的热量，热量积累过多会影响光源的发光效率，这也是TOF相机需要重点解决的问题。
目前TOF相机激光器控制和驱动主要有两个优化方法，一个是降低激光器的供电电压或者控制更小的驱动电流，来减小激光器部分带来的功耗和发热，但这种方法牺牲的激光器的开通速度和整个TOF相机的测量精度，另一个方法就是在TOF相机模组上增加激光器散热结构模块，但是会增加模组的体积不利于产品小型化，上述方法在优化TOF相机激光器方面均存在不同程度的欠缺。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于如何提高3D TOF相机激光器导通速度以及降低激光器驱动功耗。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
提高TOF相机激光器导通速度、降低驱动功耗的系统，包括同步调制信号发生器(11)、电流配置输入接口(12)、电感控制电路(13)、恒流控制电路(14)、电源(15)、电感电路(16)和激光器(17)；所述的同步调制信号发生器(11)分别与电感控制电路(13)和恒流控制电路(14)连接；电流配置输入接口(12)与恒流控制电路(14)连接；电感控制电路(13)输出两路信号到电感电路(16)；电源(15)与电感电路(16)连接；电感电路(16)与激光器(17)连接；激光器(17)与恒流控制电路(14)连接；所述的电感电路(16)包括有电感回路和无电感回路；所述的同步调制信号发生器(11)输出同步调制信号给电感控制电路(13)，所述的电感控制电路(13)在同步调制信号的上升沿将有电感回路接入到激光器(17)回路中，在同步调制信号的下降沿将无电感回路接入激光器(17)回路中。
同步调制信号发生器(11)输出同步调制信号给电感控制电路(13)，所述的电感控制电路(13)在同步调制信号的上升沿将有电感回路接入到激光器(17)回路中，在同步调制信号的下降沿将无电感回路接入激光器(17)回路中；同步调制信号发生器(11)输出同步调制信号给恒流控制电路(14)，输送给恒流控制电路(14)的同步调制信号用来调制激光器(17)，使其工作在的调制状态；通过恒流控制电路(14)配置的流过激光器(17)的电流，保持激光器(17)开通的电流为恒定值；电感电路(16)通过自感原理，在开通激光器(17)瞬间，给激光器(17)加入高压，提高激光器(17)的开启速度；在激光器彻底导通后，高压消失并恢复到常规电源电压，使得激光器(17)在常开阶段仍保持为较低的电源电压；在所述激光器打开的瞬间，利用电感的自感作用在较低的电源电压上再叠加所述电感自感电压，产生一个高压供给所述激光器，可以使得激光器在高压下更加快速地开通，在所述电感的自感电压消失后，所述电源的电压恢复到低压状态，保证所述激光器驱动的开通功耗维持的较低的水平。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的同步调制信号发生器(11)输出同步调制信号给恒流控制电路(14)，输送给恒流控制电路(14)的同步调制信号用来调制激光器(17)，使其工作在的调制状态。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的电感控制电路(13)包括：信号触发器(130)、同相端保持器(131)、反相端保持器(132)；所述的信号触发器(130)的输入端与同步调制信号发生器(11)连接，信号触发器(130)的同相端与同相端保持器(131)连接，信号触发器(130)的反相端与反相端保持器(132)连接。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的电感电路(16)包括：电感(160)、无电感回路开关器件(161)、有电感回路开关器件(162)；所述的电感160与有电感回路开关器件(162)串联，电感(160)与有电感回路开关器件(162)的串联支路与无电感回路开关器件(161)并联，并联后的输入端接电源(15)，输出端接激光器(17)，所述的无电感回路开关器件(161)的控制端与同相端保持器(131)的输出连接，所述的有电感回路开关器件(162)的控制端与反相端保持器(132)连接。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的恒流控制电路(14)包括：使能信号发生器(140)、逻辑门电路(141)、栅极电容(142)、MOS管(143)、调制开关器件(144)；所述的同步调制信号发生器(11)、使能信号发生器(140)分别与逻辑门电路(141)的两个输入端连接，所述的逻辑门电路(141)的输出端与调制开关器件(144)的控制端连接，所述的电流配置输入接口(12)与MOS管(143)的栅极连接，所述的MOS管(143)的漏极与激光器(17)连接，所述的MOS管(143)的源极与调制开关器件(144)的输入端连接，所述的调制开关器件(144)的输出端接地，所述的栅极电容(142)的一端连接在MOS管(143)的栅极，另一端接地。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的MOS管(143)工作在放大区，用于控制流过激光器(17)的电流为恒定值。
作为本发明技术方案的进一步改进，同步调制信号的频率为40MHz。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的激光器(17)包括多个发光二极管，所述的多个发光二极管依次串联。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的多个发光二极管包括第一发光二极管V1、第二发光二极管V2、第三发光二极管V3、第四发光二极管V4，所述的第一发光二极管V1、第二发光二极管V2、第三发光二极管V3、第四发光二极管V4依次串联，所述的第一发光二极管V1的阳极与电感电路(16)连接，所述的第四发光二极管V4的阴极与恒流控制电路(14)连接。
一种应用于所述的提高TOF相机激光器导通速度、降低驱动功耗的系统的方法，包括以下步骤：
步骤一：同步调制信号发生器(11)输出同步调制信号给电感控制电路(13)，所述的电感控制电路(13)在同步调制信号的上升沿将有电感回路接入到激光器(17)回路中，在同步调制信号的下降沿将无电感回路接入激光器(17)回路中；
步骤二：同步调制信号发生器(11)输出同步调制信号给恒流控制电路(14)，输送给恒流控制电路(14)的同步调制信号用来调制激光器(17)，使其工作在的调制状态；
步骤三：通过恒流控制电路(14)配置的流过激光器(17)的电流，保持激光器(17)开通的电流为恒定值；
步骤四：电感电路(16)通过自感原理，在开通激光器(17)瞬间，给激光器(17)加入高压，提高激光器(17)的开启速度；在激光器彻底导通后，高压消失并恢复到常规电源电压，使得激光器(17)在常开阶段仍保持为较低的电源电压。
本发明相比现有技术具有以下优点：
同步调制信号发生器(11)输出同步调制信号给电感控制电路(13)，所述的电感控制电路(13)在同步调制信号的上升沿将有电感回路接入到激光器(17)回路中，在同步调制信号的下降沿将无电感回路接入激光器(17)回路中；同步调制信号发生器(11)输出同步调制信号给恒流控制电路(14)，输送给恒流控制电路(14)的同步调制信号用来调制激光器(17)，使其工作在的调制状态；通过恒流控制电路(14)配置的流过激光器(17)的电流，保持激光器(17)开通的电流为恒定值；电感电路(16)通过自感原理，在开通激光器(17)瞬间，给激光器(17)加入高压，提高激光器(17)的开启速度；在激光器彻底导通后，高压消失并恢复到常规电源电压，使得激光器(17)在常开阶段仍保持为较低的电源电压；在所述激光器打开的瞬间，利用电感的自感作用在较低的电源电压上再叠加所述电感自感电压，产生一个高压供给所述激光器，可以使得激光器在高压下更加快速地开通，在所述电感的自感电压消失后，所述电源的电压恢复到低压状态，保证所述激光器驱动的开通功耗维持的较低的水平。
附图说明
图1为本发明实施例的TOF相机激光器控制原理框图；
图2为本发明实施例的电感控制电路和电感电路详细电路图；
图3为本发明实施例的恒流控制电路；
图4为本发明实施例的激光器输出端的电压波形。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：
实施例一
如图1所示，一种提高TOF相机激光器导通速度、降低驱动功耗的系统，包括同步调制信号发生器11、电流配置输入接口12、电感控制电路13、恒流控制电路14、电源15、电感电路16和激光器17。
所述的同步调制信号发生器11分别与电感控制电路13和恒流控制电路14连接；电流配置输入接口12与恒流控制电路14连接；电感控制电路13输出两路信号到电感电路16；电源15与电感电路16连接；电感电路16与激光器17连接；激光器17与恒流控制电路14连接。
所述的激光器17包括第一发光二极管V1、第二发光二极管V2、第三发光二极管V3、第四发光二极管V4，所述的第一发光二极管V1、第二发光二极管V2、第三发光二极管V3、第四发光二极管V4依次串联，所述的第一发光二极管V1的阳极与电感电路16连接，所述的第四发光二极管V4的阴极与恒流控制电路14连接。
如图2所示，所述的电感控制电路13包括：信号触发器130、同相端保持器131、反相端保持器132；所述的信号触发器130的输入端与同步调制信号发生器11连接，信号触发器130的同相端与同相端保持器131连接，信号触发器130的反相端与反相端保持器132连接。
所述的电感电路16包括：电感160、无电感回路开关器件161、有电感回路开关器件162；所述的电感160与有电感回路开关器件162串联，电感160与有电感回路开关器件162的串联支路与无电感回路开关器件161并联，并联后的输入端接电源15，输出端接激光器17，所述的无电感回路开关器件161的控制端与同相端保持器131的输出连接，所述的有电感回路开关器件162的控制端与反相端保持器132连接。
信号触发器130的输入来自同步调制信号发生器11，信号触发器130的同相端输出到同相端保持器131，信号触发器130的反相端输出到反相端保持器132，同相端保持器131控制无电感回路开关器件161的导通与关断，反相端保持器132控制有电感回路开关器件162的导通与关断，电源15给电感电路供电，本部分的电路是控制激光器17达到高压和降低驱动功耗的关键。
如图3所示，所述的恒流控制电路14包括：使能信号发生器140、逻辑门电路141、栅极电容142、MOS管143、调制开关器件144；所述的同步调制信号发生器11、使能信号发生器140分别与逻辑门电路141的两个输入端连接，所述的逻辑门电路141的输出端与调制开关器件144的控制端连接，所述的电流配置输入接口12与MOS管143的栅极连接，所述的MOS管143的漏极与激光器17连接，所述的MOS管143的源极与调制开关器件144的输入端连接，所述的调制开关器件144的输出端接地，所述的栅极电容142的一端连接在MOS管143的栅极，另一端接地。
恒流控制电路14的作用是使激光器17在开通阶段的电流保持恒定值，通过MOS管143工作在放大区，控制流过激光器17的电流为恒定值Iv。
输送给恒流控制电路的同步调制信号是用来调制激光器，让其工作在的调制状态，输送给电感控制电路的同步调制信号是给电感控制电路提供一个时序信号，让其在调制信号的上升沿把电感接入到激光器回路中，在调制信号的下降沿把无电感回路开关器件161接入到激光器回路中，通过电感自身的自感原理，在开通激光器瞬间给激光器加入高压，提高激光器的打开速度，选择合适的电感值，在激光器彻底导通后高压消失并恢复到常规电源电压，让激光器在常开阶段仍保持较低的电源电压。流过激光器的电流是通过恒流控制电路配置的，激光器开通的电流是恒定值。激光器驱动的电流恒定，只有在开通的短暂瞬间才在激光器回路加入高压，开通后又恢复到电源电压，整个系统功耗都会降低，而且还提高了激光器的开通速度。
图4为本发明实施例的激光器17输出端的电压波形，结合图2、图3和图4阐述本发明实施例提高TOF相机激光器导通速度、降低驱动功耗的方法：
1)电流配置输入接口12使MOS管143工作在放大区，即使得激光器17回路电流为恒定值IV，在激光器17导通阶段驱动的功耗为P＝U*Iv，U为激光器17驱动上加载的电压，或者说是激光器17输出端的电压，其在调制阶段的电压波形如图4呈现；
2)在激光器17导通后，激光器17输出端上的电压会恢复到常规电压，同时电压U会恢复到较低电压水平，功耗P较低。
3)电感电路16输出给激光器17的电压是变化的，在激光器17刚打开的瞬间将电感160切入到激光器17回路中，开通瞬间供给激光器17的电压Uv＝UP+UL，其中UL＝L*di/dt，Uv为供给激光器17的电压，UP为电源电压，UL为电感感应电压，L为电感值，di/dt为流过电感的电流的瞬态变化值；
4)在激光器17关断之前再将无电感回路开关器件161切入到激光器17电路，同时将有电感回路开关器件162切出激光器17。
5)在调制的每个周期都这样操作，既保证在激光器17开通加高压促进激光器17快速开通，同时在激光器17开通后电压再恢复到低压状态，此时驱动功耗较低。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.提高TOF相机激光器导通速度、降低驱动功耗的系统，其特征在于，包括同步调制信号发生器(11)、电流配置输入接口(12)、电感控制电路(13)、恒流控制电路(14)、电源(15)、电感电路(16)和激光器(17)；所述的同步调制信号发生器(11)分别与电感控制电路(13)和恒流控制电路(14)连接；电流配置输入接口(12)与恒流控制电路(14)连接；电感控制电路(13)输出两路信号到电感电路(16)；电源(15)与电感电路(16)连接；电感电路(16)与激光器(17)连接；激光器(17)与恒流控制电路(14)连接；所述的电感电路(16)包括有电感回路和无电感回路；所述的同步调制信号发生器(11)输出同步调制信号给电感控制电路(13)，所述的电感控制电路(13)在同步调制信号的上升沿将有电感回路接入到激光器(17)回路中，在同步调制信号的下降沿将无电感回路接入激光器(17)回路中。
2.根据权利要求1所述的提高TOF相机激光器导通速度、降低驱动功耗的系统，其特征在于，所述的同步调制信号发生器(11)输出同步调制信号给恒流控制电路(14)，输送给恒流控制电路(14)的同步调制信号用来调制激光器(17)，使其工作在的调制状态。
3.根据权利要求1所述的提高TOF相机激光器导通速度、降低驱动功耗的系统，其特征在于，所述的电感控制电路(13)包括：信号触发器(130)、同相端保持器(131)、反相端保持器(132)；所述的信号触发器(130)的输入端与同步调制信号发生器(11)连接，信号触发器(130)的同相端与同相端保持器(131)连接，信号触发器(130)的反相端与反相端保持器(132)连接。
4.根据权利要求3所述的提高TOF相机激光器导通速度、降低驱动功耗的系统，其特征在于，所述的电感电路(16)包括：电感(160)、无电感回路开关器件(161)、有电感回路开关器件(162)；所述的电感160与有电感回路开关器件(162)串联，电感(160)与有电感回路开关器件(162)的串联支路与无电感回路开关器件(161)并联，并联后的输入端接电源(15)，输出端接激光器(17)，所述的无电感回路开关器件(161)的控制端与同相端保持器(131)的输出连接，所述的有电感回路开关器件(162)的控制端与反相端保持器(132)连接。
5.根据权利要求1所述的提高TOF相机激光器导通速度、降低驱动功耗的系统，其特征在于，所述的恒流控制电路(14)包括：使能信号发生器(140)、逻辑门电路(141)、栅极电容(142)、MOS管(143)、调制开关器件(144)；所述的同步调制信号发生器(11)、使能信号发生器(140)分别与逻辑门电路(141)的两个输入端连接，所述的逻辑门电路(141)的输出端与调制开关器件(144)的控制端连接，所述的电流配置输入接口(12)与MOS管(143)的栅极连接，所述的MOS管(143)的漏极与激光器(17)连接，所述的MOS管(143)的源极与调制开关器件(144)的输入端连接，所述的调制开关器件(144)的输出端接地，所述的栅极电容(142)的一端连接在MOS管(143)的栅极，另一端接地。
6.根据权利要求5所述的提高TOF相机激光器导通速度、降低驱动功耗的系统，其特征在于，所述的MOS管(143)工作在放大区，用于控制流过激光器(17)的电流为恒定值。
7.根据权利要求1所述的提高TOF相机激光器导通速度、降低驱动功耗的系统，其特征在于，同步调制信号的频率为40MHz。
8.根据权利要求1所述的提高TOF相机激光器导通速度、降低驱动功耗的系统，其特征在于，所述的激光器(17)包括多个发光二极管，所述的多个发光二极管依次串联。
9.根据权利要求8所述的提高TOF相机激光器导通速度、降低驱动功耗的系统，其特征在于，所述的多个发光二极管包括第一发光二极管V1、第二发光二极管V2、第三发光二极管V3、第四发光二极管V4，所述的第一发光二极管V1、第二发光二极管V2、第三发光二极管V3、第四发光二极管V4依次串联，所述的第一发光二极管V1的阳极与电感电路(16)连接，所述的第四发光二极管V4的阴极与恒流控制电路(14)连接。
10.一种应用于权利要求1-9任一项所述的提高TOF相机激光器导通速度、降低驱动功耗的系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：同步调制信号发生器(11)输出同步调制信号给电感控制电路(13)，所述的电感控制电路(13)在同步调制信号的上升沿将有电感回路接入到激光器(17)回路中，在同步调制信号的下降沿将无电感回路接入激光器(17)回路中；
步骤二：同步调制信号发生器(11)输出同步调制信号给恒流控制电路(14)，输送给恒流控制电路(14)的同步调制信号用来调制激光器(17)，使其工作在的调制状态；
步骤三：通过恒流控制电路(14)配置的流过激光器(17)的电流，保持激光器(17)开通的电流为恒定值；
步骤四：电感电路(16)通过自感原理，在开通激光器(17)瞬间，给激光器(17)加入高压，提高激光器(17)的开启速度；在激光器彻底导通后，高压消失并恢复到常规电源电压，使得激光器(17)在常开阶段仍保持为较低的电源电压。
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