CN115047435A - 光学感测组件、光学感测设备、电子设备及光学感测设备的感测方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种光学感测设备,该光学感测设备包括光发射器、光接收器、TDC电路、计数器、以及数据处理模块。光发射器,用于发射光脉冲。光接收器包括多个像素,每个像素用于接收被物体反射的光脉冲并转换成与接收的光脉冲相对应的电信号。TDC电路,用于计算所述电信号的时间间隔,并将所述时间间隔转换为时间戳。计数器,用于对所述TDC电路输出的时间戳进行计数。数据处理模块包括统计模块和纠错模块。统计模块,用于在与所述时间戳相对应的时间单位上进行计数得到第一直方图。纠错模块,利用计数器统计的总计数对所述第一直方图进行纠错得到第二直方图。此外,本申请还提供了一种电子设备、光学感测组件以及光学感测设备的感测方法。
Description
技术领域
本申请涉及光检测与测距传感器领域,尤其涉及一种光学感测组件、光学感测设备、电子设备及光学感测设备的感测方法。
背景技术
目前使用飞行时间(TOF)的测距传感技术正在快速发展,飞行时间(Time offlight,TOF)的测距传感技术已经广泛使用在手机等设备上用于激光对焦、存在识别等,未来更将广泛用于增强现实(AR)、三维建模、实景导航等领域。当前直接飞行时间(directtime of flight,dTOF)的测量方案是周期性的发射短激光脉冲,经过物体反射回来后通过单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode,SPAD)阵列进行接收,收到的光子的时间由时数转换器(time-to-digital converter,TDC)转换为时间戳,然后在与时间戳对应的内存中存储光子计数,经过很多个脉冲周期(统计周期)生成光信号的直方图,提取直方图的峰值位置或质心位置得到飞行时间,从而确定物体的距离。在环境光比较强时,会出现所谓的堆叠(pile-up)效应,导致强光下测距错误甚至无法进行。因此,解决堆叠效应对直接飞行时间测量方案造成的影响是亟需解决的问题。
发明内容
本申请提供一种提高测量准确性的光学感测设备、光学感测组件、感测方法及电子设备。
第一方面,本申请实施例提供一种光学感测设备,该光学感测设备包括光发射器、光接收器、TDC电路、计数器、以及数据处理模块。光发射器用于发射光脉冲。光接收器包括多个像素,每个像素用于接收被物体反射的光脉冲并转换成与接收的光脉冲相对应的电信号。TDC电路,用于计算所述电信号的时间间隔,并将所述时间间隔转换为时间戳。计数器,用于对所述TDC电路输出的时间戳进行计数。据处理模块包括统计模块和纠错模块。统计模块,用于在与所述时间戳相对应的时间单位上进行计数得到第一直方图。纠错模块,利用计数器统计的总计数对所述第一直方图进行纠错得到第二直方图。此外,本申请还提供了一种电子设备、光学感测组件以及光学感测设备的感测方法。
第二方面,本申请实施例提供一种应用光学感测设备的电子设备,该电子设备包括主体以及设置于主体的一个或者多个上述的光学感测设备。
第三方面,本申请实施例提供一种应用于光学感测设备的光学感测组件,该光学感测组件包括光接收器、TDC电路、计数器、以及数据处理模块。光发射器用于发射光脉冲。光接收器包括多个像素,每个像素用于接收被物体反射的光脉冲并转换成与接收的光脉冲相对应的电信号。TDC电路,用于计算所述电信号的时间间隔,并将所述时间间隔转换为时间戳。计数器,用于对所述TDC电路输出的时间戳进行计数。据处理模块包括统计模块和纠错模块。统计模块,用于在与所述时间戳相对应的时间单位上进行计数得到第一直方图。纠错模块,利用计数器统计的总计数对所述第一直方图进行纠错得到第二直方图。此外,本申请还提供了一种电子设备、光学感测组件以及光学感测设备的感测方法。
第四方面,本申请第一实施例提供一种光学感测设备的感测方法,该光学感测设备的感测方法包括下面步骤:发射光脉冲;接收被物体反射的光脉冲并转换成与接收的光脉冲相对应的电信号;计算所述电信号的时间间隔,并将所述时间间隔转换为时间戳;利用计数器对所述时间戳进行计数;根据所述时间戳在与所述时间戳相对应的时间单位上进行计数得到第一直方图;利用所述计数器统计的总计数对所述第一直方图进行纠错得到第二直方图。
上述光学感测设备,通过计数器为纠错算法提供准确的光子数总计数,为光学感测设备在存储器读写数据速度受限情况下提供正确的光子数,利用正确的光子数进行有效纠错,提高光学感测设备对环境强光影响的抵抗能力。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术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,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本申请第一实施例提供的光学感测设备的内部结构示意图。
图2为本申请第一实施例提供的光学感测设备的光接收器内部示意图。
图3为本申请第一实施例提供的纠错模块内部结构示意图。
图4为本申请第一实施例提供的光学感测设备的感测方法的流程图。
图5为本申请第二实施例提供的光学感测设备的感测方法的子流程图。
图6为本申请第一实施例提供的应用光学感测设备的电子设备示意图。
图7为本申请第三实施例提供的感测组件内部示意图。
图8为本申请第一实施例提供的第一直方图示意图。
图9为本申请第一实施例提供的第二直方图示意图。
图10为本申请第一实施例提供的在光学感测设备读写速度足够快的情况下利用现有的纠错算法纠错后效果示意图。
图11为本申请第一实施例提供的在光学感测设备读写速度比较慢的情况下利用现有的纠错算法纠错后的统计效果示意图。
图12为本申请第一实施例提供的在光学感测设备速度比较慢的情况下利用本申请计数器的总计数辅助纠错后的统计效果示意图。
本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例,参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本申请进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请,并不用于限定本申请。基于本申请中的实施例,本领域普通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。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象,而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换,以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外,术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形,意图在于覆盖不排他的包含,例如,包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元,而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
需要说明的是,在本申请中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外,各个实施例之间的技术方案可以相互结合,但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础,当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在,也不在本申请要求的保护范围之内。
光学感测设备,例如,dTOF,由于环境光引起光学感测设备出现堆叠效应,从而需要对测量出的直方采用相应的纠错算法进行纠错来消除堆叠效应的影响,从而得到准确的测量结果。现有的纠错算法一般采用Coates’s correction纠错公式。其中,所述Coates’scorrection纠错公式如下:
其中,Nc为一个统计周期的脉冲周期总数,Ni为修正前第i个分箱的计数,为修正后第i个分箱的计数。上述纠错算法是基于一个统计周期下所统计的光子进行纠错,即在上述纠错算法中基于每个脉冲周期反射回来的光子都被统计的情况下进行纠错的。然而,光学感测设备受限于数字电路的制程工艺和面积等读写速度无法跟上光子探测的频率,从而导致不是每个脉冲周期的光子计数都能被写入存储器,超出读写速度的光子计数会被扔掉,即在光子计数率很高的情况下直方图中被统计的光子数所对应的脉冲周期数(下称有效光脉冲周期数)小于一个统计周期中的光脉冲周期总数,因此,即便利用纠错算法也往往因为部分光子计数被扔掉而无法得到正确的修正数据。本申请提供的光学感测设备可以准确统计出统计周期内的光子的数量,用于辅助纠错计算,从而修正后可以得到准确的修正数据,进而提高光学感测设备的测量准确性。
请参看图1,其为本申请第一实施例提供的光学感测设备的内部结构示意图。光学感测设备100包括光发射器101、光接收器102、TDC电路103、计数器105、和数据处理模块104。其中,TDC电路103分别与计数器105和数据处理模块104通讯连接。在本申请实施例中,光学感测设备100为直接测量飞行时间器(indirect time of flight,dTOF)。光发射器101,用于发射光脉冲。
请结合参看图2,光接收器102包括多个像素,每个像素用于接收被物体反射的光脉冲并转换成与接收的光脉冲相对应的电信号。光接收器102包括多个像素1021,每个像素1021包含一个或者多个像素单元,每个像素单元包含一个或者多个光电感测元件,光电感测元件可以为但不限于单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode,SPAD)或者是雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode,APD)。
TDC电路103,用于计算电信号的时间间隔,并将时间间隔转换为时间戳。
计数器105,用于对TDC电路103输出的时间戳进行计数。
请结合参看图8和图9,数据处理模块104包括统计模块1041和纠错模块1042。统计模块数据1041用于根据时间戳在与时间戳相对应的时间单位上进行计数得到第一直方图10。具体地,数据处理模块104根据时间单位划分出直方图中对应的多个分箱,每个分箱中对应不同的时间戳,并用于累计相对应的时间戳数量。在本实施例中,统计模块1041采用直方图电路来统计时间戳的数量和生成第一直方图10。本实施例中提到的所有数据仅做示例不做限定。
纠错模块1042,利用计数器105统计的总计数对所述第一直方图进行纠错得到第二直方图。具体地,首先,纠错模块1042包括有效周期计算单元10421和纠错单元10422。有效周期计算单元10421用于根据计数器统计的总计数、第一直方图统计出来的时间戳数量和设定的脉冲周期数得到有效脉冲周期数。纠错单元10422基于有效脉冲周期数对第一直方图10进行纠错得到第二直方图20。其中,所述设定的脉冲周期数为一个统计周期包含的光脉冲周期总数。
在一些可行的实施例中,数据处理模块104还用于根据第二直方图得到感测信息。感测信息包括但不限于物体的深度图像、物体与光学感测设备100之间的距离、物体的二维图像等。
进一步地,数据处理模块104还包括判断模块1043。判断模块1043用于判断计数器105统计的时间戳数量在一个统计周期内是否达到预设值。当计数器105统计的时间戳数量达到预设值的情况下,所述纠错模块1042利用计数器105统计的总计数对第一直方图10进行纠错得到所述第二直方图20。可以理解地,若计数器105统计的时间戳数量达到预设值,表示当前环境光处于强光环境,会出现堆叠效应,此时,统计模块1041统计出来的是时间戳数量受堆叠效应影响的直方图,因此需要纠错消除堆叠效应的影响。在本实施例中,判断模块1043可以在统计周期结束后进行判断计数器105统计的时间戳数是否达到预设值。可变更地,判断模块1043也可以在统计周期结束之前判断计数器105统计的时间戳数是否达到预设值、或者实时判断计数器105统计的时间戳数是否达到预设值。
进一步地,数据处理模块104还包括FIFO存储器1044,FIFO存储器1044用于存储TDC电路103输出的时间戳。
进一步地,数据处理模块104还包括感测信息产生模块1045,感测信息产生模块1045用于根据第二直方图生成感测信息。例如,感测信息包括但不限于物体的深度图像、物体与光学感测设备100之间的距离、物体的二维图像等。
进一步地,数据处理模块104还包括随机存取存储器1046,随机存取存储器1046(Random Access Memory,RAM)用于存储第一直方图和第二直方图。随机存取存储器也可以用于存储感测数据。
请结合参看图3,纠错模块1042包括有效周期计算单元10421和纠错单元10422。其中,有效周期计算单元10421用于计算有效脉冲周期数。在本实施例中,纠错单元10422利用第一预设公式和有效脉冲周期数对第一直方图进行纠错得到第二直方图。具体地,第一预设公式为:
进一步地,有效周期计算单元10421利用第二预设公式得到有效脉冲周期数,其中,第二预设公式为:
为有效脉冲周期数,Nhist为第一直方图统计出来的时间戳数量,Ncout为计数器统计的总计数,Nc为设定的脉冲周期数,Nhist、Ncout、Nc、为正整数。其中,[x]=floor(x),floor(x)表示取小于x的最大整数。[x]也称之为取整函数,即[x]是x的整数部分。
上述申请实施例中,纠错单元10422利用有效脉冲周期数而不是一个统计周期的脉冲总数对第一直方图进行纠错得到第二直方图,可以抑制环境光较强时堆叠效应对计算飞行时间带来的影响,可以获取更准确的感测信息,进而提高光学感测设备对环境中强光干扰的抵抗性。
上述实施例提供的光学感测设备可以通过增加一个光子计数器,提供额外的光子计数的辅助信息,实现直方图读写速度受限情况下对堆叠效应正确的计数,从而得到准确的纠正数据,计算出正确的飞行时间。进一步地,结合参看图10-图12可以更清楚地展示利用计数器辅助计算纠错后得到的直方图可以较好地消除堆叠效应的影响,从而得到比较准确的感测结果。其中,图10为光学感测设备读写速度足够快的情况下利用现有的纠错算法纠错后效果示意图、图11为光学感测设备读写速度比较慢的情况下利用现有的纠错算法纠错后的统计效果示意图、图12为光学感测设备速度比较慢的情况下利用本申请计数器的总计数辅助纠错后的统计效果示意图。在图10-图12中,分别展示了理想的光子统计数据11、堆叠效应的光子数据13、纠错前的直方图统计数据12、纠错后的直方图统计数据14。从图10可以得出,当光学感测设备100读写速度比较快时,利用现有的纠错算法得到的直方图可以消除堆叠效应的影响,即纠错后的直方图峰值所对应的时间戳(20s)为接收光脉冲反射回来的时间戳(20s)。从图11可以得出,在光学感测设备100读写速度较慢的情况下,仍使用现有的纠错算法进行纠错时,纠错后的直方图无法消除堆叠效应的影响,即纠错后直方图的信号峰峰值是在光脉冲周期的起始时间(0s),而不是为接收光脉冲反射回来的时间戳(20s)。本申请第一实施例提供的光学感测设备读写足够快时光子计数变化示意图。从图12可以得出,在光学感测设备100读写速度较慢的情况下,使用计数器的统计数来辅助计算纠错时,纠错后的直方图可以消除堆叠效应的影响,即纠错后直方图的峰峰值是在接收光脉冲反射回来的时间戳(20s)。
请结合参看图6,本申请还提供一种应用光学感测设备的电子设备200。在本申请第一实施例中电子设备200为机器人,例如,学习机机器人、扫地机机器人。在一些可行的实施例中,电子设备200还可以是智能终端等。该电子设备200包括主体201以及设置于主体包含一个或者多个如上所述的光学感测设备100。由于电子设备200采用了上述所有实施例的全部技术方案,因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果,在此不再赘述。
请结合参照图7,本申请还提供一种应用于光学感测设备的光学感测组件300,光学感测组件300包括光接收器301、TDC电路302、计数器303和数据处理模块304。其中,光接收器301、TDC电路302、计数器303和数据处理模块304分别与上述光学感测设备100的光接收器102、TDC电路103、计数器105和数据处理模块104相同在此不再赘述。
请结合参看图4,其为本申请第一实施例提供的光学感测设备的感测方法的流程图。其中,本申请第一实施例提供的光学感测设备的感测方法具体包括下面步骤。
步骤S101,发射光脉冲。具体地,光学感测设备利用光发射器发射光脉冲。
步骤S102,接收被物体反射的光脉冲并转换成与接收的光脉冲相对应的电信号。具体地,光学感测设备利用光接收器接收被物体反射的光脉冲并转换成与接收的光脉冲相对应的电信号。光接收器包括多个像素,每个像素包含一个或者多个光感测元件,光感测元件可以为单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode,SPAD)或者是雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode,APD)。
步骤S103,计算电信号的时间间隔,并将时间间隔转换为时间戳。
步骤S104,利用计数器对时间戳进行计数。具体地,利用光学感测设备的计数器对TDC电路输出的时间戳进行计数。在本申请实施例中,计数器为光子计数器。
步骤S105,根据时间戳在与时间戳相对应的时间单位上进行计数得到第一直方图。具体地,步骤S105为光学感测设备利用直方图电路来得到所述第一直方图。直方图包括多个分箱,每个分箱与一个时间单位对应,数据处理模块根据时间戳在第一直方图中对应的分箱进行计数。
步骤S106,利用计数器统计的总计数对第一直方图进行纠错得到第二直方图。具体地,步骤S106进一步包括:根据计数器统计的总计数、第一直方图统计出来的时间戳数量和设定的脉冲周期数得到有效脉冲周期数;利用第一预设公式和所述有效脉冲周期数对所述第一直方图进行纠错得到所述第二直方图,所述第一预设公式为:
其中,为第二直方图中第i个分箱包含的数值,Ni为第一直方图中第i个分箱包含的数值,为有效脉冲周期数,i为正整数。根据计数器统计的总计数、第一直方图统计出来的时间戳数量和设定的脉冲周期数得到有效脉冲周期数具体为:利用第二预设公式对计数器统计的总计数、第一直方图统计出来的时间戳数量和设定的脉冲周期数进行运算得到有效脉冲周期数,所述第二预设公式为:
其中,为有效脉冲周期数,Nhist为第一直方图统计出来的时间戳数量,Ncout为计数器统计的总计数,Nc为设定的脉冲周期数,Nhist、Ncout、Nc为正整数。在本申请实施例中,有效脉冲周期数取的是小于计算数值的最大整数值。在一些其他的可行实施例中,有效脉冲周期数取的是大于计算数值的最小整数值。实际应用中的取值根据实际情况进行取值,本申请实施例仅做示例,不做限定。
在一些可行的实施例中,光学感测设备的根据第二直方图得到感测信息。具体地,感测信息不限于物体的深度图像、物体与光学感测设备100之间的距离、物体的二维图像等。
请结合参看图5,其为本申请第二实施例提供的光学感测设备的感测方法的流程图。本申请第二实施例提供的光学感测设备的感测方法与本申请第一实施例提供的光学感测设备的感测方法的差异在于,本申请第二实施例提供的光学感测设备的感测方法还包括下面步骤。
步骤S201,判断计数器统计的时间戳数量在一个统计周期是否达到预设值。
步骤S202,在所述计数器统计的时间戳数量在一个统计周期内达到预设值的情况下,利用所述计数器统计的总计数对所述第一直方图进行纠错得到所述第二直方图。具体地,当计数器统计的时间戳数量达到预设值时,判定当前环境中处于强光环境,因此使用计数器统计的总计数对第一直方图进行纠错。
本领域的技术人员可以清楚地了解到,为描述的方便和简洁,上述描述的光学感测设备,电子设备和光学感测组件的具体工作过程,可以参考上述方法实施例中的对应过程,在此不再赘述。
在本申请本实施例中,将现有的纠错算法中的设定的脉冲周期数被替换为有效脉冲周期数,从而保证感测周期内光子数接近实际产生的光子数,从而能被用于对第一直方图各个分箱的光子计数进行修正后得到正确的感测数据,从而提高光学感测设备对环境光的抵抗性。
在本申请所提供的实施例中,应该理解到,所揭露的光学感测设备的感测方法、光学感测设备和应用光学感测设备的电子设备,可以通过其它的方式实现。例如,以上所描述的光学感测设备的感测方法的实施例仅仅是示意性的,例如,该单元的划分,仅仅为一种逻辑功能划分,实际实现时可以有另外的划分方式,例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统,或一些特征可以忽略,或不执行。另一点,所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口,装置或单元的间接耦合或通信连接,可以是电性,机械或其它的形式。
该作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外,在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中,也可以是各个单元单独物理存在,也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现,也可以采用软件功能单元的形式实现。
显然,本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样,倘且本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内,则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
以上所列举的仅为本申请较佳实施例而已,当然不能以此来限定本申请之权利范围,因此依本申请权利要求所作的等同变化,仍属于本申请所涵盖的范围。
Claims (10)
1.一种光学感测组件,其特征在于,所述光学感测组件包括:
光接收器,包括多个像素,每个像素用于接收被物体反射的光脉冲并转换成与接收的光脉冲相对应的电信号;
TDC电路,用于计算所述电信号的时间间隔,并将所述时间间隔转换为时间戳;
计数器,用于对所述TDC电路输出的时间戳进行计数;以及
数据处理模块,包括:
统计模块,用于在与所述时间戳相对应的时间单位上进行计数得到第一直方图;以及
纠错模块,利用计数器统计的总计数对所述第一直方图进行纠错得到第二直方图。
2.如权利要求1所述的光学感测组件,其特征在于,所述数据处理模块还包括判断模块,所述判断模块用于判断所述计数器统计的时间戳数量在统计周期内是否达到预设值;当所述计数器统计的时间戳数量达到预设值的情况下,所述纠错模块利用所述计数器统计的总计数对所述第一直方图进行纠错得到所述第二直方图。
5.一种光学感测设备,其特征在于,所述光学感测设备包括:
光发射器,用于发射光脉冲;以及
如权利要求1-4中任意一项所述的光学感测组件,所述数据处理模块还包括感测信息产生模块,用于根据所述第二直方图生成感测信息。
6.一种应用光学感测设备的电子设备,其特征在于,所述电子设备包括主体以及设置于所述主体的如权利要求5所述的光学感测设备。
7.一种光学感测设备的感测方法,其特征在于,所述光学感测设备的感测方法包括:
发射光脉冲;
接收被物体反射的光脉冲并转换成与接收的光脉冲相对应的电信号;
计算所述电信号的时间间隔,并将所述时间间隔转换为时间戳;
利用计数器对所述时间戳进行计数;
根据所述时间戳在与所述时间戳相对应的时间单位上进行计数得到第一直方图;
利用所述计数器统计的总计数对所述第一直方图进行纠错得到第二直方图。
8.如权利要求7所述的光学感测设备的感测方法,其特征在于,所述的光学感测设备的感测方法还包括:
判断所述计数器统计的时间戳数量在一个统计周期内是否达到预设值;
在所述计数器统计的时间戳数量在一个统计周期内达到预设值的情况下,利用所述计数器统计的总计数对所述第一直方图进行纠错得到所述第二直方图。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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