CN113900113A - Tof传感装置及其距离检测方法 - Google Patents

Tof传感装置及其距离检测方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开一种TOF传感装置及其距离检测方法，所述距离检测方法包括：发射脉冲检测光照射被测视场；像素单元接收所述脉冲检测光的反射光，并产生与所述反射光能量对应的感应电荷；采用三个连续的电荷累积窗口对每一个像素单元所产生的所述感应电荷进行累积，第一个电荷累积窗口的开启边沿与所述脉冲检测光的脉冲产生边沿对齐，分别获得对应的三个感应电荷量Q1、Q2和Q3，以及第一测量系数R1和第二测量系数R2，其中，
Figure DDA0003271010270000011
根据所述第一测量系数R1获得对应像素单元的测量距离；当第二测量系数R2大于第一阈值时，该像素单元对应的测量距离无效。上述方法能够提高距离检测的准确性。

Description

TOF传感装置及其距离检测方法
技术领域
本申请涉及传感技术领域，具体涉及一种TOF传感装置及其距离检测方法。
背景技术
飞行时间(ToF，Time of Flight)传感器通过检测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距离、三维结构或三维轮廓的测量。TOF传感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。
在实际的距离检测过程中，由于被测视场内环境复杂，通常会存在多个反射表面，导致多路径反射问题，包括：检测光从发射后可能经过多次反射后到达被测物体表面，而被测物体反射的反射光也可能会经过多次反射后再被飞行时间传感器接收。多路径反射问题会导致检测光自发出至被反射后接收所飞行的距离大于被测物体的实际距离的2倍，从而影响距离检测的准确性。但是现有的距离检测方法中，无法判断检测结果是否受到了多路径反射光的影响，因此，无法对检测结果进行修正。
如何能够准确识别检测结果是否受到多路径反射光的影响，是目前亟待解决的问题。
发明内容
鉴于此，本申请提供一种TOF传感装置及其距离检测方法，以解决现有的无法判断检测结果是否受到多路径干扰的问题，以提高距离检测的准确性。
本申请提供的一种TOF传感装置的距离检测方法，包括：发射脉冲检测光照射被测视场；像素单元接收所述脉冲检测光的反射光，并产生与所述反射光能量对应的感应电荷；采用三个连续的电荷累积窗口对每一个像素单元所产生的所述感应电荷进行累积，第一个电荷累积窗口的开启边沿与所述脉冲检测光的脉冲产生边沿对齐，分别获得对应的三个感应电荷量Q1、Q2和Q3，以及第一测量系数R1和第二测量系数R2，其中，
Figure BDA0003271010250000021
根据所述第一测量系数R1获得对应像素单元的测量距离；当第二测量系数R2大于第一阈值时，该像素单元对应的测量距离无效。
可选的，所述第一阈值的范围为0～1。
可选的，还包括：采用环境光电荷累积窗口对每一个像素单元所产生的环境光的感应电荷进行累积，获得环境光的感应电荷量Q0，此时，
Figure BDA0003271010250000022
可选的，还包括：将第二测量系数与标定测量系数R0进行比较，当
Figure BDA0003271010250000023
大于第二阈值时，该像素单元对应的测量距离无效。
可选的，所述第二阈值的范围为1～5。
可选的，所述标定测量系数R0对应于在不受多路径反射光干扰的标定环境下，获得的第二测量系数。
可选的，还包括对无效的测量距离进行修正。
可选的，所述修正方法包括：预先建立一修正表，所述修正表记录有一一对应的R2/R0值和修正值；根据检测过程中得到的R2/R0的实际值，从修正表中找到对应的修正值；根据所述修正值对当前测量距离进行修正，获得修正测量距离，以消除多路径反射光的影响。
本发明技术方案还提供一种TOF传感装置，包括：光源模块，用于发射脉冲检测光；传感模块，用于接收所述脉冲检测光被待测物体反射的反射光，并产生对应的感应电荷；处理器，与所述光源模块和所述传感模块连接，用于对所述光源模块和所述传感模块进行控制；存储器，存储有能够在所述处理器上运行的计算机应用程序；其中，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上述任一项所述的距离检测方法。
本申请上述TOF传感装置及其测距方法，通过在距离检测采用的电荷累积窗口之后，增加一电荷累积窗口，用于累积多路径反射光产生的感应电荷，通过累积到的电荷数量相关的测量系数，能够及时判断各像素单元获得的测量距离受到多路径反射光影响的程度，判断测量距离是否有效，并及时进行修正，从而可以提高距离检测的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请一实施例的TOF传感装置的结构示意图；
图2是本申请一实施例的TOF传感装置的距离检测方法流程示意图；
图3是本申请一实施例的距离检测过程中的各电荷累积窗口，脉冲检测光和反射光的时序示意图；
图4是本申请一实施例的第一测量系数和标定距离、标定测量系数的关系曲线示意图。
具体实施方式
现有技术中，通常无法根据实际检测过程中的各个检测结果判断当前的检测结果是否受到多路反射光的影响，通常只能在计算测量距离的过程中，通过算法运算，减少测量结果中可能存在的多路径反射的影响，而无法判断每个像素单元实际收到的多路反射光的影响程度。
下面结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而非全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。在不冲突的情况下，下述各个实施例及其技术特征可以相互组合。
请参考图1，为本发明一实施例的TOF传感装置的结构示意图。
所述TOF传感装置包括：光源模块101、传感模块102以及处理器103和储存器104。
所述光源模块101用于发射脉冲检测光。所述光源模块101可以为红外光源，由所述处理器103可以向所述光源模块101发送控制信号，以调整所述光源模块101的发光强度、脉宽、周期等参数。
所述传感模块102用于接收所述脉冲检测光被待测物体反射的反射光。所述传感模块102包括像素单元阵列，能够接受光信号，并将光信号转换成电信号，产生与接收到的光能够对应的感应电荷。所述处理器103与所述传感模块102连接，用于获取所述传感模块102的感应信号。
所述存储器104可以为非易失性存储器，存储有能够在所述处理器103上运行的计算机应用程序，其中，所述计算机程序被所述处理器703执行时实现后续实施例中所述的距离检测方法。
在一些实施例中，在距离检测过程中，所述处理器103能够控制所述光源模块101发射脉冲检测光照射被测视场，所述脉冲检测光至少包括两种不同脉宽的脉冲；通过传感模块102接收被反射回的脉冲检测光，所述处理器103可以调用存储器103内的计算机应用程序，根据所述脉冲检测光的脉冲从发射到接收的时间间隔，获得被测视场内各位置处的初始距离信息，并将根据不同脉宽的脉冲获得的初始距离信息进行合并，获得被测视场内各位置处的测量距离信息。
请参考图2，为本发明一实施例的距离检测方法的流程示意图。
该实施例中，所述距离检测包括如下步骤：
步骤S201:发射脉冲检测光照射被测视场，像素单元接收所述脉冲检测光的反射光，并产生与所述反射光能量对应的感应电荷。
所述脉冲检测光为经过调制的脉冲光，所述脉冲检测光可以为LED光或激光等易于进行调制的光，通过所述脉冲检测光照射被测视场范围内的所有物体。脉冲检测光到达被测物体表面，会在被测物体表面被反射并形成反射光。
所述TOF传感装置的传感模块102的像素阵列包括多个像素单元能够将光信号转换为电信号，从而可以通过所述传感模块将接受到的反射光转变为与反射光能量对应的一定数量的感应电荷。
步骤S202:采用三个连续的电荷累积窗口对每一个像素单元所产生的所述感应电荷进行累积，分别获得第一测量系数R1和第二测量系数R2。
请参考图3，为本发明一实施例的各个电荷累积窗口、脉冲检测光和反射光的时序示意图。
由于通常情况下，被测物体所处环境中都会存在环境光，因此通过通过传感模块接收的光信号既包括脉冲检测光的反射光还包括环境光。因此，该实施例中，还采用一环境光电荷累积窗口G0对每一个像素单元所产生的环境光的感应电荷进行累积。所述环境光电荷累积窗口G0、第一电荷累积窗口G1、第二电荷累积窗口G2和第三电荷累积窗口G3依次开启，且每个电荷累积窗口的窗口时间与脉冲检测光LO的脉冲宽度相同，均为T，且所述第一电荷累积窗口G1的开启边沿和所述脉冲检测检测光LO的脉冲产生边沿对齐。
所述环境光电荷累积窗口G0、第一电荷累积窗口G1、第二电荷累积窗口G2和第三电荷累积窗口G3分别累积到感应电荷Q0、Q1、Q2和Q3。电荷累积窗口包括电容结构，通过产生的感应电荷对电容极板充电，根据电容极板电压即能够获得累积到的感应电荷的数量。
所述环境光电荷累积窗口G0仅能够累积到环境光所产生的感应电荷；所述第一电荷累积窗口G1和第二电荷累积窗口G2用于累积反射光所产生的感应电荷，其中，在有多路径反射光(MPI)存在的情况下，第一电荷累积窗口G1和第二电荷累积窗口G2还会累积到多路径反射光所产生的感应电荷。第三电荷累积窗口G3仅能够累积到多路径反射光光(MPI)所产生的感应电荷。由于多路径反射光经过多次反射光，光程大于直接反射光，因此，落后于直接反射光被接收，会导致距离检测结果偏大，MPI落后程度越大，对检测结果的影响越大。因此，由所述第三电荷累积窗口G3所累积到的感应电荷量越大，则反射光中，MPI的比例越高，或MPI落后程度越大，即检测结果受到MPI的影响越大。
根据各个电荷累积窗口累积到的电荷量，可以计算出第一测量系数R1和第二测量系数R2，具体的，
Figure BDA0003271010250000061
其中，第一测量系数R1与检测距离正相关，第二测量系数R2与多路径反射光的能量正相关。
在其他实施中，在不存在环境光，例如在黑暗状态进行检测构成中，也可以仅采用G1、G2和G3进行电荷累积，此时，
Figure BDA0003271010250000062
步骤S203:根据所述第一测量系数R1获得对应像素单元的测量距离。
可以通过第一测量系数R1，计算得到测量距离：
Figure BDA0003271010250000071
由于检测系统存在系统误差，通常采用上述理论计算获得的计算结构具有较大的误差。在实际的检测过程中，需要进行校准。通过在标准环境下，对第一测量系数R1和对应的实际距离进行标定，可以获得第一测量系数R1与标定距离depth之间的对应的测量曲线，第一测量系数R1与标定距离depth之间成正相关关系(请参考图4)。在实际距离检测过程中，可以根据获得的第一测量系数R1的数值，通过预先标定的测量曲线，获得对应的测量距离。
由于R1的计算结果受到MPI的影响，因此判断测量距离的准确性，取决于MPI的影响程度，即MPI落后于直接反射光的程度。
步骤S204:判断第二测量系数R2是否大于第一阈值；若是则执行步骤S205:判定该像素单元对应的测量距离无效；若否，则执行步骤S206:判定该像素单元对应的测量距离有效。
由于实际测量过程中，会面对各种不同的反射率情况，在反射率不同的情况下，相同强度的脉冲检测光所产生的直接反射光以及多路径反射光所产生的感应电荷量是不同的，因此，采用累积的电荷量Q3是无法直接判断接收到的多路径反射光的比例的。
该实施例中，利用第二测量系数R2进行判断，第二测量系数R2为Q3与Q2+Q1的比例(不考虑环境光)，可以消除反射率的影响。
若第二测量系数R2较小，或者R2＝0，表明第三电荷累积窗口G3没有累积到的多路径反射光所产生的电荷量(R2＝0)，或者与第二电荷累积窗口G2和第一电荷累积窗口将G1累积到的电荷量相比，Q3占比很小，从而可以判断处来，对应像素单元接收到的反射光中，多路径反射光比例较少，或者多路径反射光延迟较小，对于检测结果影响较小，测量距离有效。根据实际的测量精度要求，可以设置第一阈值，当第二测量系数R2小于等于所述第一阈值时，测量距离有效。
若第二测量系数R2大于所述第一阈值，表明对应的像素单元所接收到的多路径反射光的比例较大，延迟较为严重，对测量距离的影响较大，因此可以认为对应像素单元的测量距离无效，放弃该测量距离。
所述第一阈值可以根据测量精度要求进行设定，所述第一阈值范围可以为0～1。
在本发明的另一实施例中，还可以将第二测量系数R2与标定测量系数R0进行比较，当
Figure BDA0003271010250000081
大于第二阈值时，该像素单元的测量距离无效。
所述标定测量系数R0对应于在不受多路径反射光干扰或影响较小的标定测量环境下，获得的第二测量系数
Figure BDA0003271010250000082
在标定过程中，除了能够获得第一测量系数R1对应的实际距离depth，还可以获得第一测量系数R1对应的标定测量系数R0，形成图4所示的曲线，第一测量系数R1对应的标定测量系数R0之间成正相关关系。在步骤S203中，除了可以通过步骤S202中得到的第一测量系数R1得到对应的测量距离，还可以根据所述第一测量系数R1得到对应的标定测量系数R0，以便将第二测量系数R2与所述标定测量系数R0进行比较。
通过
Figure BDA0003271010250000083
能够更准确的反映多路径反射光对于距离检测的影响程度。所述第二阈值可以根据测量精度要求进行设定，所述第二阈值范围可以为1～5。
在另一实施例中，当像素单元的测量距离被认为无效后，还包括对无效的测量距离进行修正。
所述修正方法可以包括：预先建立一修正表，所述修正表记录有一一对应的R2/R0值和修正值；根据检测过程中得到的R2和R0的实际比值，从修正表中找到对应的修正值；根据所述修正值对当前测量距离进行修正，获得修正测量距离，以消除多路径反射光的影响。所述修正表，可以预先通过多次测量得到的R2/R0值、测量距离以及实际距离获得。
所述修正值可以为具体的修正距离d，则修正测量距离D'＝D+d。
所述修正值还可以为修正比例k，则修正测量距离D'＝D(1+k)。
上述TOF传感装置及其测距方法能够及时判断各像素单元获得的测量距离受到多路径反射光影响的程度，判断测量距离是否有效，并及时进行修正，从而可以提高距离检测的准确性。
即，以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，例如各实施例之间技术特征的相互结合，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种TOF传感装置的距离检测方法，其特征在于，
发射脉冲检测光照射被测视场；
像素单元接收所述脉冲检测光的反射光，并产生与所述反射光能量对应的感应电荷；
采用三个连续的电荷累积窗口对每一个像素单元所产生的所述感应电荷进行累积，第一个电荷累积窗口的开启边沿与所述脉冲检测光的脉冲产生边沿对齐，分别获得对应的三个感应电荷量Q1、Q2和Q3，以及第一测量系数R1和第二测量系数R2，其中，
Figure FDA0003271010240000011
根据所述第一测量系数R1获得对应像素单元的测量距离；
当第二测量系数R2大于第一阈值时，该像素单元对应的测量距离无效。
2.根据权利要求1所述的距离检测方法，其特征在于，所述第一阈值的范围为0～1。
3.根据权利要求1所述的距离检测方法，其特征在于，还包括：采用环境光电荷累积窗口对每一个像素单元所产生的环境光的感应电荷进行累积，获得环境光的感应电荷量Q0，此时，
Figure FDA0003271010240000012
Figure FDA0003271010240000013
4.根据权利要求1所述的距离检测方法，其特征在于，还包括：将第二测量系数与标定测量系数R0进行比较，当
Figure FDA0003271010240000014
大于第二阈值时，该像素单元对应的测量距离无效。
5.根据权利要求1所述的距离检测方法，其特征在于，所述第二阈值的范围为1～5。
6.根据权利要求4所述的距离检测方法，其特征在于，所述标定测量系数R0对应于在不受多路径反射光干扰的标定环境下，获得的第二测量系数。
7.根据权利要求3所述的距离检测方法，其特征在于，还包括对无效的测量距离进行修正。
8.根据权利要求7所述的距离检测方法，其特征在于，所述修正方法包括：预先建立一修正表，所述修正表记录有一一对应的R2/R0值和修正值；根据检测过程中得到的R2/R0的实际值，从修正表中找到对应的修正值；根据所述修正值对当前测量距离进行修正，获得修正测量距离，以消除多路径反射光的影响。
9.一种TOF传感装置，其特征在于，包括：
光源模块，用于发射脉冲检测光；
传感模块，用于接收所述脉冲检测光被待测物体反射的反射光，并产生对应的感应电荷；
处理器，与所述光源模块和所述传感模块连接，用于对所述光源模块和所述传感模块进行控制；
存储器，存储有能够在所述处理器上运行的计算机应用程序；其中，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如所述权利要求1至8中任一项所述的距离检测方法。
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WO2023155093A1 (zh) * 2022-02-17 2023-08-24 华为技术有限公司 探测装置及探测方法

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