CN113474672A - 投光装置及具备其的tof传感器、距离图像生成装置 - Google Patents

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Abstract

投光装置(10)具备：LED(15)、LED电源(16)和驱动电路(10a)。LED(15)向规定的方向照射光。LED电源(16)向LED(15)供电。驱动电路(10a)使以规定的频率调制后的驱动电流的波形DC偏置并输入给LED(15)。

Description

投光装置及具备其的TOF传感器、距离图像生成装置
技术领域
本发明涉及一种例如用作TOF(Time of Flight)传感器的光源的投光装置以及具备该投光装置的TOF传感器、距离图像生成装置。
背景技术
近年来，使用的TOF传感器是接受从作为光源的LED(Light emitting diode)向测量对象物照射的光的反射光，测量直至测量对象物的距离。
这种TOF传感器将以规定的频率调制后的光从LED向测量对象物照射，测量直至接受被测量对象物反射而返回的反射光为止的光的飞行时间，由此测量直至测量对象物的距离。
例如，在专利文献1中，公开了在测量直至对象物的距离时，抑制相对于温度变化的距离的测量精度的降低的距离传感器。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2017－53769号公报
但是，在上述现有的测距装置中，存在以下所示的问题。
在上述公报所公开的距离传感器中，包含零点的发光控制信号被输入到发光元件(LED等)。
在这种情况下，由于在以规定的频率调制后的驱动电流中容易产生高频失真，所以照射的光的亮度相对于输入到LED的驱动电流非线性地变动，有可能在照射的光的波形中产生失真。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够有效地抑制所照射的光的失真的投光装置以及具备该投光装置的TOF传感器、距离图像生成装置。
本发明第一方面的投光装置具备：LED、电源部和驱动电路。LED向规定的方向照射光。电源部向LED供电。驱动电路使以规定的频率调制后的驱动电流的波形DC偏置并输入给LED。
在此，驱动电路以使对LED输入的驱动电流的波形DC偏置的方式进行控制。
在此，驱动电流以规定的调制频率进行处理后输入到LED。此时，相对于以调制频率处理的驱动电流的光量，特别是在零点附近产生非线性区域，从LED照射的光的波形有可能产生失真。
因此，例如在将投光装置用作TOF传感器的光源的情况下，若从LED照射的光的波形产生失真，则使用TOF传感器测量的直至测量对象物的距离有可能产生误差。
于是，在本发明的投光装置中，为了避开相对于容易产生非线性区域的驱动电流的光量的波形的零点附近，驱动电路使驱动电流的波形DC偏置并输入给LED。
由此，在相对于通过DC偏置避开零点附近而输入的驱动电流的光量的波形中，难以产生非线性区域，因此，能够有效地抑制从LED照射的光的波形产生失真。
其结果是，例如，即使在用作TOF传感器等的光源的情况下，通过从LED照射具有抑制了发生失真的波形的光，能够提高距离测量的精度。
本发明第二方面的投光装置是在本发明的第一方面的投光装置中，驱动电路具有使驱动电流DC偏置的偏置生成电路。
在此，设置在驱动电路中的偏置生成电路生成使输入到LED的驱动电流DC偏置的信号。
由此，能够基于在偏置生成电路中生成的偏置信号，对驱动电流进行DC偏置。
本发明第三方面的投光装置是在第一或第二方面的投光装置中，驱动电路对LED输入以4MHz以上的频率调制后的驱动电流。
在此，使用4MHz以上的频率作为输入到LED的驱动电流的调制频率。
由此，在以4MHz以上的调制频率处理的驱动电流和光量的关系中，主要在零点附近容易产生非线性区域，但通过进行上述的DC偏置，能够抑制相对于驱动电流的光量的波形中产生非线性区域。
因此，能够有效地抑制从由以4MHz以上的调制频率处理的驱动电流驱动的LED照射的光的波形产生失真。
本发明的第四方面的投光装置是在本发明的第一～第三方面中任一个的投光装置中，驱动电路向LED输入正弦波的驱动电流。
在此，输入到LED的驱动电流例如经由低通滤波器以正弦波输入。
由此，为了抑制相对于驱动电流的光量的正弦波的零点附近的非线性区域的产生而进行DC偏置，因此，能够有效地抑制从LED照射的光的波形中包含失真。
本发明第五方面的TOF传感器具备：本发明第一～第四方面中任一项所述的投光装置、受光部和测量部。受光部接受从投光装置向测量对象物照射的光的反射光。测量部基于从投光装置照射光开始直至在受光部接受反射光为止的光的飞行时间，测量直至测量对象物的距离。
在此，TOF(Time of Flight)传感器构成为，在受光部接受从上述投光装置照射的光的反射光，测量部基于从照射开始直至受光为止的光的飞行时间，测量直至测量对象物的距离。
由此，即使在将上述投光装置用作TOF传感器的光源的情况下，也从LED照射具有抑制了产生失真的波形的光，因此，能够提高利用TOF传感器测量的距离的测量精度。
本发明的第六方面的距离图像生成装置具备第五方面的TOF传感器，受光部是具有多个像素的受光元件，测量部基于在受光元件所包含的多个像素的各自中，直至接受反射光为止的光的飞行时间，测量直至测量对象物的距离。而且，还具备使用在多个像素的各自中测量的直至测量对象物的距离，生成距离图像的图像生成部。
在此，构成包含上述TOF传感器的距离图像生成装置。
由此，即使在使用包含上述投光装置的TOF传感器构成距离图像生成装置的情况下，由于从投光装置(LED)照射具有抑制了产生失真的波形的光，因此，能够提高由TOF传感器测量的距离的测量精度。
因此，能够提高使用在TOF传感器中测量的距离数据而生成的距离图像的精度。
(发明的效果)
根据本发明的投光装置，能够有效地抑制投射的光的失真。
附图说明
图1是表示包含具备本发明的一实施方式的投光装置的TOF传感器的距离图像生成装置的结构的控制框图。
图2是说明利用图1的距离图像生成装置中包含的TOF传感器测量直至测量对象物的距离的测量原理的图。
图3是图1的TOF传感器中所包含的投光装置的控制框图。
图4是表示在LED的驱动电流和光量的关系中产生的非线性部分的曲线图。
图5(a)是表示与图4的驱动电流对应的电流波形和从LED照射的光波形的曲线图。图5(b)是将该电流波形和光波形重叠显示的曲线图。
图6(a)是表示与将图4的驱动电流DC偏置后的电流波形对应的电流波形和从LED照射的光波形的曲线图。图6(b)是将该电流波形和光波形重叠显示的曲线图。
具体实施方式
如下所述利用图1～图6(b)说明包含具备本发明的一实施方式的投光装置10的TOF传感器20的距离图像生成装置30。
(1)距离图像生成装置30的结构
本实施方式的距离图像生成装置30在摄像元件22中接受从TOF传感器20所包含的投光装置10向测量对象物40照射的光的反射光，根据从照射光开始直至接受光为止的光的飞行时间(TOF)，生成显示直至测量对象物40的距离的距离图像。而且，如图1所示，距离图像生成装置30具备TOF传感器20和距离图像生成部31。
距离图像生成部31基于在TOF传感器20所包含的摄像元件22的各像素中接受到来自测量对象物40的反射光的时刻与从LED15照射与该反射光对应的光的时刻的时间差(飞行时间)，生成包含对摄像元件22的多个像素的各自测量的距离信息的距离图像。
(2)TOF传感器20的结构
TOF传感器20接受从投光装置10向测量对象物40照射的光的反射光，根据从照射光开始直至接受光为止的光的飞行时间(TOF)，显示直至测量对象物40的距离。而且，如图1所示，TOF传感器20具备：投光装置10、受光透镜21、摄像元件(受光元件)22、控制部(测量部)23、存储部24。
投光装置10具有LED15(参照图3)，对测量对象物40照射例如以12MHz的调制频率处理后的期望的光。另外，在投光装置10中设置有将从LED15照射的光聚光并向测量对象物40的方向引导的投光透镜(未图示)。另外，关于投光装置10的详细结构，在后面进行详细说明。
受光透镜21用于接受从投光装置10对测量对象物40照射并在测量对象物40反射的反射光，并引导至摄像元件22而设置。
摄像元件(受光元件)22具有多个像素，如图1所示，在多个像素的各自中接受由受光透镜21接受到的反射光，并将光电转换后的电信号发送给控制部23。
如图1所示，控制部23与投光装置10、摄像元件22、存储部24以及距离图像生成部31连接。而且，控制部23读取保存在存储部24中的各种程序，控制利用投光装置10的光的照射。进而，控制部23接收在摄像元件22所包含的多个像素中受光的时刻等的数据，基于从投光装置10向测量对象物40照射光开始直至在摄像元件22中接收到其反射光为止的光的飞行时间，测量直至测量对象物40的距离。测量结果从控制部23发送到距离图像生成部31，在距离图像生成部31中，利用与摄像元件22的各像素对应的距离数据生成距离图像。
如图2所示，在本实施方式的TOF传感器20中，基于从投光装置10照射的投光光波与在摄像元件22中接受到的受光光波的相位差Φ，控制部23运算从TOF传感器20直至测量对象物40的距离。
在此，相位差Φ由以下的式(1)表示。
Φ＝atan(y/x)(1)
(x＝a2-a0，y＝a3-a1，a0～a3是以90度间隔对受光光波采样4次的点的振幅)
而且，从相位差Φ向距离D的变换式由以下的式(2)表示。
D＝(c/(2×fLED))×(Φ/2π)+DOFFSET(2)
(c为光速(≒3×108m/s)，fLED为LED的投光光波的频率，DOFFSET为距离偏置。)
如图1所示，存储部24与控制部23连接，保存有用于控制投光装置10及摄像元件22的控制程序、在摄像元件22中检测出的反射光的光量、以及受光时刻等数据。
(3)投光装置10的构造
本实施方式的投光装置10是将从LED15照射的光向测量对象物40投光的装置，为了尽可能照射失真少的光，具有以下结构。具体地，如图3所示，投光装置10具备：LED15、LED电源(电源部)16和LED驱动电路(驱动电路)10a。
如图3所示，LED驱动电路10a具有：偏置生成电路11、低通滤波器12、运算放大器13、电流感应电阻14和FET(Field Effect Transistor)17，进行控制以对从LED电源16输入到LED15的驱动电流进行DC偏置。
偏置生成电路11例如接收由12MHz下0.3V的脉冲信号构成的时钟信号，进行用于对输入到LED15的驱动电流进行DC偏置的偏置处理之后，向低通滤波器12发送。
低通滤波器12从偏置生成电路11接收到的经过偏置处理的脉冲信号中除去超过规定的截止频率的高频成分，将仅使低频成分通过而生成的正弦波的信号波形输出给运算放大器13的同相输入端子(+)。
运算放大器13是用于控制FET 17而设置的，在同相输入端子(+)输入来自低通滤波器12的输出(DC偏置后的信号)，在反相输入端子(-)输入在电流感应电阻14中产生的反馈电压。
电流感应电阻14与LED15和FET 17直接连接，用于检测流过LED15的电流而设置。
LED15由n个LED串联连接而构成，从LED电源16施加比n个LED的合计正向电压n·Vf更高的电压而发光。
另外，在图3中省略了图示，但将对从LED15照射的光进行聚光并向测量对象物40投光的投光透镜设置在LED15的附近。
LED电源16与LED15串联连接，施加上述电压n·Vf。
FET 17由运算放大器13控制，使得在电流感应电阻14中产生的电压成为与从低通滤波器12输入的电压一致的电压。由此，在LED15中，在与从低通滤波器12输入的信号一致的时刻，流过与从低通滤波器12输入的电压相当的驱动电流。
如上所述，在本实施方式的投光装置10中，通过使用运算放大器13从电流感应电阻14反馈电压，能够实施高精度的恒流驱动，并且，能够使用偏置生成电路11对LED15以DC偏置后的状态输入驱动电流。
(输入到LED15的电流波形的偏置处理)
在本实施方式的投光装置10中，通过以上的结构，从LED15经由投光透镜(未图示)对测量对象物40进行投光。而且，在本实施方式的投光装置10中，如上所述，为了使输入到LED15的驱动电流DC偏置，设置有偏置生成电路11。
在此，如图4所示，从LED15投射的光，特别是在输入的驱动电流较低的零点附近的区域(例如，小于400mA)，包含光量(亮度)为非线性的部分。
如上所述，若包含相对于输入电流的光量为非线性的部分，则存在从LED15照射的调制后的光产生失真，使用该光进行距离运算的TOF传感器20的距离测量的精度会降低的危险。
另一方面，当驱动电流为400mA以上时，如图4所示，电流波形大致为线性，驱动电流的值越大越接近线性。
图5(a)是表示与图4所示的曲线图的驱动电流对应的电流波形和从LED照射的光波形的曲线图，图5(b)表示将该电流波形和光波形重叠显示的曲线图。即，在图5(a)和图5(b)中，示出了在相对于驱动电流的光量的波形包含非线性区域的情况下驱动LED15时产生了失真的光波形。
即，在驱动电流和光量的关系中，由于非线性的部分包含在零点附近，所以如图5(b)所示，即使对驱动电流进行正弦波驱动，从LED15输出的光波形(光量)也会产生失真。
在本实施方式的投光装置10中，着眼于输入到LED15的驱动电流和从LED15照射的光的亮度(光量)的非线性，通过改善该非线性，来抑制从LED15照射的光产生失真。
具体而言，如图6(a)所示，偏置生成电路11为了避开包含非线性区域的零点附近，仅使用线性区域，对表示输入到LED15的驱动电流与光量的关系的波形进行DC偏置处理，以400mA以上进行DC偏置。
由此，如图6(b)所示，与DC偏置后的驱动电流的电流波形对应的光波形与图5(b)所示的光波形进行比较，能够成为几乎没有失真的光波形。
其结果是，能够从LED15向测量对象物40照射抑制了失真的光，因此，能够排除在TOF传感器20中运算的距离的测量误差，提高测量精度。
在此，若在偏置生成电路11中设定的驱动电流的偏置量为400mA以上，则偏置量越大，越能够排除光量的波形的非线性区域对驱动电流的影响而消除光波形的失真。但是，偏置量越大，LED15的功耗就越增加，因此，优选考虑光波形的失真消除和功耗的平衡来设定偏置量。
另外，这样的驱动电流的偏置处理通过在TOF传感器20中的直至测量对象物40的距离计算中减算而被消除，因此不会对距离测量造成影响。
(其他实施方式)
以上对本发明的一实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述实施方式，在不脱离发明主旨的范围内可以进行各种变更。
(A)
在上述实施方式中，以经由低通滤波器12生成的正弦波的驱动电流输入到LED15的结构为例进行了说明。但是，本发明并不限定于此。
例如，本发明可以应用于矩形波的驱动电流输入到LED的结构。
即使在这种情况下，也能够抑制在光量相对于驱动电流的零点附近的矩形波中包含非线性区域，有效地抑制从由该驱动电流驱动的LED照射的光的波形中包含失真。能够起到与上述同样的效果。
(B)
在上述实施方式中，作为输入到LED15的驱动电流的调制频率，列举使用12MHz的频率的例子进行了说明。但是，本发明并不限定于此。
例如，作为调制频率，可以使用24MHz等比12MHz大的频率，也可以使用比12MHz小的例如4MHz以上的频率。
(C)
在上述实施方式中，作为输入到LED15的驱动电流的DC偏置量，列举设定400mA以上的例子进行了说明。但是，本发明并不限定于此。
例如，可以根据所要求的光的失真的抑制程度设定小于400mA的DC偏置量。
(D)
在上述实施例中，列举TOF传感器20的控制部23还兼作距离图像生成装置30的控制部而构成的例子进行了说明。但是，本发明并不限定于此。
例如，也可以是与TOF传感器侧的控制部不同地、单独地在距离图像生成装置侧也设置有控制部的结构。
(E)
在上述实施方式中，列举将本投光装置10用作包含TOF传感器20的距离图像生成装置30的光源的例子进行了说明。但是，本发明并不限定于此。
例如，本投光装置也可以不用作距离图像生成装置的光源，而用作测量直至测量对象物的距离的单眼距离传感器的光源。在这种情况下，使用受光元件代替摄像元件。
或者，本投光装置只要是要求照射失真少的光的装置，就可以用作TOF传感器以外的各种装置的光源。
产业上的可利用性
本发明的投光装置发挥能够有效地抑制所投射的光的失真的效果，因此，例如能够广泛地用作TOF传感器等各种传感器的光源。
符号说明
10：投光装置
10a：LED驱动电路(驱动电路)
11：偏置生成电路
12：低通滤波器
13：运算放大器
14：电流感应电阻
15：LED
16：LED电源(电源部)
17：FET
20：TOF传感器
21：受光透镜
22：摄像元件
23：控制部
24：存储部
30：距离图像生成装置
31：距离图像生成部
40：测量对象物

Claims (6)

1.一种投光装置，其特征在于，具备：
LED，其向规定的方向照射光；
电源部，其向所述LED供电；
驱动电路，其使以规定的频率调制后的驱动电流的波形DC偏置并输入给所述LED。
2.如权利要求1所述的投光装置，其中，
所述驱动电路具有使所述驱动电流DC偏置的偏置生成电路。
3.如权利要求1或2所述的投光装置，其中，
所述驱动电路向所述LED输入以4MHz以上的频率调制后的所述驱动电流。
4.如权利要求1～3中任一项所述的投光装置，其中，
所述驱动电路向所述LED输入正弦波的所述驱动电流。
5.一种TOF传感器，其特征在于，具备：
投光装置，其为权利要求1～4中任一项所述的投光装置；
受光部，其接受从所述投光装置向测量对象物照射的光的反射光；
测量部，其基于从所述投光装置照射光开始直至在所述受光部接受所述反射光为止的光的飞行时间，测量直至所述测量对象物的距离。
6.一种距离图像生成装置，其特征在于，
具备权利要求5所述的TOF传感器，
所述受光部为具有多个像素的受光元件，
所述测量部基于在所述受光元件所包含的所述多个像素的各自中，直至接受所述反射光为止的光的飞行时间，测量直至所述测量对象物的距离，
还具备图像生成部，其使用在所述多个像素的各自中测量的直至所述测量对象物的距离，生成距离图像。
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