CN117192562A - 一种激光测距传感器及其测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光测距技术领域，具体涉及一种激光测距传感器及其测距方法。本发明设计的一种激光测距传感器及其测距方法，通过在激光接收芯片上设置固有固定相邻偏移的感光像素行，并通过激光发射器发射长条形的激光光束在激光接收芯片上形成穿过多行感光像素行的光斑，突破了像素尺寸对测距精度的限制，从而有效提升了测距精度，实现了高精度的基于三角测量法的激光测距传感器的测距方法。

Description

一种激光测距传感器及其测距方法

技术领域

本发明属于激光测距技术领域，具体涉及一种激光测距传感器及其测距方法。

背景技术

三角测量法广泛应用于各类测距传感器中，参照图1所示，其测距原理是：激光器Laser以一定的角度射出一束激光，沿激光方向距离为d的物体反射激光。反射光被激光接收芯片接收形成接收光斑，通过接收光斑的位置x反推出激光器与物体的距离d。

这种测距系统的测距性能由对光斑位置x的计算精确性和速度决定。参照图2和图3所示，在传统的三角测距传感器中，往往采用线性激光接收传感器接收激光，并通过重心法计算光斑的中心位置x，因此x的精确性受限于计算光斑两端像素的精确性，并受限于光斑包络的完整性，如图2所示，边界a、b包含了整个光斑计算的起点与终点，不同的取值对中心位置x的计算具有重要的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中三角测距传感器及其测距方法测距精度较低的缺陷，从而提供一种激光测距传感器及其测距方法。

一种激光测距传感器，包括激光发射器、激光接收芯片和光线调整组件，所述激光发射器发射竖直长条形的激光光束，所述激光光束经过所述光线调整组件和物体反射在所述激光接收芯片上成像；所述激光接收芯片的感光区域包括多个感光像素，所述感光像素水平方向上整齐排列成感光像素行，多个所述感光像素行在竖直方向上排列形成感光像素阵列，并且每个所述感光像素行与相邻的所述感光像素行在水平方向上偏移固定的距离；并且所述激光光束在所有所述感光像素行上成像形成光斑；

所述激光测距传感器测距时扫描每一行所述感光像素行上的每一个感光像素，获取每一行所述感光像素行上每个像素的亮度值，从而获得所述光斑在所述感光像素上的左边界位置和右边界位置；并根据所述左边界位置和右边界位置进行光斑中心位置的计算从而实现测距。

进一步的，还包括PCB板，所述PCB板分别与所述激光发射器和所述激光接收芯片电连接，用于控制所述激光发射器发射激光，获取激光接收芯片上的成像数据，并计算测距。

进一步的，所述每个所述感光像素行与相邻的所述感光像素行在水平方向上偏移的距离大于所述激光接收芯片的制程并且小于所述感光像素的宽度。

进一步的，所述光线调整组件包括设置于所述发射器前端的激光发射透镜和设置于所述激光接收芯片前端的激光接收透镜。

进一步的，所述感光像素行设置有4~6行。

一种如上述激光测距传感器的测距方法，包括以下步骤：

步骤S1：所述激光发射器发射竖直长条形的激光光束，所述激光接收芯片的连续的多行所述感光像素行上成像形成光斑；

步骤S2：扫描每一行所述感光像素行上的每一个感光像素，获取每一行所述感光像素行上每个像素的亮度值，并获得所述光斑在所述感光像素上的左右边界像素位置和右边界位置；

步骤S3：选择光斑质量最优的一行所述感光像素行，根据所述左边界位置和右边界位置进行光斑中心像素位置的计算。进一步的，

进一步的，所述步骤S2中，扫描每一行所述感光像素行上的每一个感光像素，获取每一行所述感光像素行上每个像素的亮度值，并获得所述光斑在所述感光像素上的左右边界像素，包括以下方法：

共有n行感光像素行，每个感光像素行具有m个感光像素，并且依次标记为1~m；

步骤S2.1：寻找左边界位置，依次从位置下标0~m同时扫描n行感光像素行，当扫描到一个位置下标的所有对应感光像素中，一个第一感光像素具有最高亮度并且向上下两侧的对应感光像素亮度递减，或者位于上下一端具有最高亮度并且向另一侧的对应感光像素亮度递减，则所述第一感光像素的位置为左边界位置，其所在的感光像素行为最优行；

步骤S2.2：寻找右边界位置，依次从第一感光像素的位置下标到最右端同时扫描n行感光像素行，当扫描到一个位置下标的所有对应感光像素中，一个第二感光像素具有最高亮度并且向上下两侧的对应感光像素亮度递减，或者位于上下其中一端具有最高亮度并且向另一侧的对应感光像素亮度递减，则所述第二感光像素的位置为右边界位置。

进一步的，所述步骤S3中，选择光斑质量最优的一行所述感光像素行，包括以下方法：去除有过曝像素值的行、去除有亮度值不足的行、选择整体明亮度最高的行。

进一步的，所述步骤S3中，进行光斑中心像素的计算，包括以下方法：通过重心法计算光斑的中心：。

有益效果：本发明设计了一种激光测距传感器及其测距方法，通过在激光接收芯片上设置固有固定相邻偏移的感光像素行，并通过激光发射器发射长条形的激光光束在激光接收芯片上形成穿过多行感光像素行的光斑，突破了像素尺寸对测距精度的限制，从而有效提升了测距精度，实现了高精度的基于三角测量法的激光测距传感器的测距方法。

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获得其他的附图。

图1为本发明三角测量法的原理示意图；

图2为本发明线性激光接收传感器的结构示意图；

图3为本发明边缘感光像素的选取方法示意图；

图4为本发明的激光接收传感器的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

实施例1：

参照图4所示，虚线区域为光斑成像示意，小方格为感光像素，本实施例提供了一种激光测距传感器，包括激光发射器、激光接收芯片和光线调整组件，所述激光发射器发射竖直长条形的激光光束，所述激光光束经过所述光线调整组件和物体反射在所述激光接收芯片上成像；所述激光接收芯片的感光区域包括多个感光像素，所述感光像素水平方向上整齐排列成感光像素行，多个所述感光像素行在竖直方向上排列形成感光像素阵列，并且每个所述感光像素行与相邻的所述感光像素行在水平方向上偏移固定的距离；并且所述激光光束在所有所述感光像素行上成像形成光斑；

所述激光测距传感器测距时扫描每一行所述感光像素行上的每一个感光像素，获取每一行所述感光像素行上每个像素的亮度值，从而获得所述光斑在所述感光像素上的左边界位置和右边界位置；并根据所述左边界位置和右边界位置进行光斑中心位置的计算从而实现测距。

具体来说，还包括PCB板，所述PCB板分别与所述激光发射器和所述激光接收芯片电连接，用于控制所述激光发射器发射激光，获取激光接收芯片上的成像数据，并计算测距。在本实施例中，所述PCB上设置用于计算测距的数字电路芯片。

所述每个所述感光像素行与相邻的所述感光像素行在水平方向上偏移的距离大于所述激光接收芯片的制程并且小于所述感光像素的宽度。在本实施例中，所述激光接接收芯片的制程为28nm或90nm，每个所述感光像素行与相邻的所述感光像素行在水平方向上偏移的距离大于所述激光接接收芯片的制程的28nm或90nm。

所述光线调整组件包括设置于所述发射器前端的激光发射透镜和设置于所述激光接收芯片前端的激光接收透镜，从而使所述激光光束经过所述光线调整组件和物体反射在所述激光接收芯片上成像。

在本实施例中，所述感光像素行的行数约为感光像素宽度/感光像素行水平偏移距离。所述感光像素行一般 设置有4~6行，作为本实施例的优选，所述感光像素行设置有5行，能够确保具有可观的测距精度提升的同时减少计算量，从而确保具有较高的测距帧率。

所述感光像素行中的相邻所述感光像素紧贴设置，相邻所述感光像素行紧贴设置。

实施例2：

本实施例提供了一种如上述激光测距传感器的测距方法，包括以下步骤：

步骤S1：所述激光发射器发射竖直长条形的激光光束，所述激光接收芯片的连续的多行所述感光像素行上成像形成光斑；

步骤S2：扫描每一行所述感光像素行上的每一个感光像素，获取每一行所述感光像素行上每个像素的亮度值，并获得所述光斑在所述感光像素上的左右边界像素位置和右边界位置；所述步骤S2中，扫描每一行所述感光像素行上的每一个感光像素，获取每一行所述感光像素行上每个像素的亮度值，并获得所述光斑在所述感光像素上的左右边界像素，包括以下方法：

共有n行感光像素行，每个感光像素行具有m个感光像素，并且依次标记为1~m；

步骤S2.1：寻找左边界位置，依次从位置下标0~m同时扫描n行感光像素行，当扫描到一个位置下标的所有对应感光像素中，一个第一感光像素具有最高亮度并且向上下两侧的对应感光像素亮度递减，或者位于上下一端具有最高亮度并且向另一侧的对应感光像素亮度递减，则所述第一感光像素的位置为左边界位置，其所在的感光像素行为最优行；

具体来说，当Pxl_0[i]~Pxl_n[i]的亮度存在如下任意一种情况：

1）Pxl_0[i]≤Pxl_1[i]≤Pxl_2[i]≤......≤Pxl_n[i];

2）Pxl_0[i]≤Pxl_1[i]≤......≤Pxl_j[i]≥......≥Pxl_n-1[i]≥Pxl_n[i];

3）Pxl_0[i]≥Pxl_1[i]≥Pxl_2[i]≥......≥Pxl_n[i];

那么Pxl_0[i]~Pxl_n[i]中，亮度最高的行K为最优行，其下标L的实际坐标为左边界位置，其中Pxl_0[i]表示第零感光像素行的第i个像素的亮度。

步骤S2.2：寻找右边界位置，依次从第一感光像素的位置下标到最右端同时扫描n行感光像素行，当扫描到一个位置下标的所有对应感光像素中，一个第二感光像素具有最高亮度并且向上下两侧的对应感光像素亮度递减，或者位于上下其中一端具有最高亮度并且向另一侧的对应感光像素亮度递减，则所述第二感光像素的位置为右边界位置。

具体来说，当Pxl_0[i]~Pxl_n[i]的明亮度存在如下任意一种情况：

4）Pxl_0[i]≤Pxl_1[i]≤Pxl_2[i]≤......≤Pxl_n[i];

5）Pxl_0[i]≤Pxl_1[i]≤......≤Pxl_j[i]≥......≥Pxl_n-1[i]≥Pxl_n[i];

6）Pxl_0[i]≥Pxl_1[i]≥Pxl_2[i]≥......≥Pxl_n[i];

那么将第K行像素的下标R的实际坐标设为右边界。

步骤S3：选择光斑质量最优的一行所述感光像素行，根据所述左边界位置和右边界位置进行光斑中心像素位置的计算。

所述步骤S3中，获取所述感光像素行的左边界位置和右边界位置，进行光斑中心位置的计算，包括以下方法：通过重心法计算光斑中心位置：，其中，a为左边界位置，b为右边界位置，/>为位置i的实际位置。

所述步骤S3中，进行光斑中心像素的计算，包括以下方法：通过重心法计算光斑的中心：。

具体来说，f / x = q / s，则，由于sin(β) = q / d，故d = q / sin(β)，得/>。

其中f、s、β是常量，f为接收端透镜到芯片的焦距、s为激光收发元器件之间的距离，β为发射端光路的倾斜角度；

获得x的位置就能获得物理量最后距离d，x的位置通过重心法计算光斑的中心，a、b作为左右两边边界，单位坐标为δx。

本发明实施例提供了一种激光测距传感器及其测距方法，通过在激光接收芯片上设置固有固定相邻偏移的感光像素行，并通过激光发射器发射长条形的激光光束在激光接收芯片上形成穿过多行感光像素行的光斑，突破了像素尺寸对测距精度的限制，从而有效提升了测距精度，实现了高精度的基于三角测量法的激光测距传感器的测距方法。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种激光测距传感器，包括激光发射器、激光接收芯片和光线调整组件，其特征在于，所述激光发射器发射竖直长条形的激光光束，所述激光光束经过所述光线调整组件和物体反射在所述激光接收芯片上成像；所述激光接收芯片的感光区域包括多个感光像素，所述感光像素水平方向上整齐排列成感光像素行，多个所述感光像素行在竖直方向上排列形成感光像素阵列，并且每个所述感光像素行与相邻的所述感光像素行在水平方向上偏移固定的距离；并且所述激光光束在所有所述感光像素行上成像形成光斑；

所述激光测距传感器测距时扫描每一行所述感光像素行上的每一个感光像素，获取每一行所述感光像素行上每个像素的亮度值，从而获得所述光斑在所述感光像素上的左边界位置和右边界位置；并根据所述左边界位置和右边界位置进行光斑中心位置的计算从而实现测距。

2.根据权利要求1所述的一种激光测距传感器，其特征在于，还包括PCB板，所述PCB板分别与所述激光发射器和所述激光接收芯片电连接，用于控制所述激光发射器发射激光，获取激光接收芯片上的成像数据，并计算测距。

3.根据权利要求1所述的一种激光测距传感器，其特征在于，所述每个所述感光像素行与相邻的所述感光像素行在水平方向上偏移的距离大于所述激光接收芯片的制程并且小于所述感光像素的宽度。

4.根据权利要求1所述的一种激光测距传感器，其特征在于，所述光线调整组件包括设置于所述发射器前端的激光发射透镜和设置于所述激光接收芯片前端的激光接收透镜。

5.根据权利要求1所述的一种激光测距传感器，其特征在于，所述感光像素行设置有4~6行。

6.一种如权利要求1-5任一项所述的激光测距传感器的测距方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：所述激光发射器发射竖直长条形的激光光束，所述激光接收芯片的连续的多行所述感光像素行上成像形成光斑；

步骤S2：扫描每一行所述感光像素行上的每一个感光像素，获取每一行所述感光像素行上每个像素的亮度值，并获得所述光斑在所述感光像素上的左边界位置和右边界位置；

步骤S3：根据所述左边界位置和右边界位置进行光斑中心位置的计算。

7.根据权利要求6所述一种激光测距传感器的测距方法，其特征在于，所述步骤S2中，扫描每一行所述感光像素行上的每一个感光像素，获取每一行所述感光像素行上每个像素的亮度值，并获得所述光斑在所述感光像素上的左右边界像素，包括以下方法：

共有n行感光像素行，每个感光像素行具有m个感光像素，并且依次标记为1~m；

步骤S2.1：寻找左边界位置，依次从位置下标0~m同时扫描n行感光像素行，当扫描到一个位置下标的所有对应感光像素中，一个第一感光像素具有最高亮度并且向上下两侧的对应感光像素亮度递减，或者位于上下一端具有最高亮度并且向另一侧的对应感光像素亮度递减，则所述第一感光像素的位置为左边界位置，其所在的感光像素行为最优行；

步骤S2.2：寻找右边界位置，依次从第一感光像素的位置下标到最右端同时扫描n行感光像素行，当扫描到一个位置下标的所有对应感光像素中，一个第二感光像素具有最高亮度并且向上下两侧的对应感光像素亮度递减，或者位于上下其中一端具有最高亮度并且向另一侧的对应感光像素亮度递减，则所述第二感光像素的位置为右边界位置。

8.根据权利要求6所述的一种激光测距传感器的测距方法，其特征在于，所述步骤S3中，获取所述感光像素行的左边界位置和右边界位置，进行光斑中心位置的计算，包括以下方法：通过重心法计算光斑中心位置：，其中，a为左边界位置，b为右边界位置，/>为位置i的实际位置。