ToF传感装置及其距离检测方法与流程

tof传感装置及其距离检测方法
技术领域
1.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：

2.飞行时间(tof，time of flight)传感器通过检测发出的调制检测光从发射到接收的时间间隔或往返被测物体一次所产生的相位差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。
3.现有技术中，对检测视场内的各个区域的检测视场通常具有相同的检测精度。在实际tof测量中，由于被测视场内环境复杂，通常会存在多路径反射以及散射光等非直接反射光，会影响到距离检测的准确性，而且通常可视角越大，越容易受到非直接反射光的影响，且影响也越严重。在实际的距离检测过程中，对不同的应用需求通常具有不同的检测精度和可视角要求。例如对于扫地机器人的避障应用，只需要判断其正前方一定距离范围内的地面上是否存在障碍物，横纵方向均需要有较大的可视角，对障碍物的距离精度要求较低；而对于即时定位与地图构建(slam)的应用，对障碍物的距离精度要求较高，而不需要较大的纵向可视角。而通常现有技术中的距离检测装置无法同时兼顾高检测精度与较大可视角的要求，通常只能满足单一的测距目标需求，导致应用场景较为单一。
4.因此，如何获得较高的距离检测精度，同时获得较大可见区域，是目前需要解决的问题。


技术实现要素：

5.鉴于此，本申请提供一种tof传感装置及距离检测方法，可在局部区域获得较高的检测精度，同时提供较大可见区域。
6.本申请提供一种tof传感装置，包括：两个以上的检测光源，用于产生两种以上的检测光，其中包括至少一个线光源；两个以上的检测光源，用于产生两种以上的检测光，其中包括至少一个线光源；传感阵列，包括若干阵列分布的像素单元，用于接收检测视场内的被测物体的反射光，并产生相应的传感信号；控制模块，连接所述至少两个检测光源及所述传感阵列，用于控制所述两个以上的检测光源依次照射检测视场，以及控制所述传感阵列输出相应的传感信号；处理模块，连接所述控制模块和所述传感阵列，用于获取所述传感阵列输出的传感信号，获取与所述两个以上的检测光源分别对应的两个以上检测子帧的距离检测信息。
7.可选的，所述处理模块还用于将所述两个以上的检测子帧的距离检测信息合并，获取单个检测帧的距离检测信息。
8.可选的，所述线光源产生的检测光被反射后，在所述传感阵列上形成的线状亮区域的宽度方向上占据的像素单元个数为所述传感阵列的像素单元行数或像素单元列数的0.1％～10％。
9.可选的，线状亮区域的宽度方向上占据的像素单元个数为1～10。
10.可选的，所述两个以上的检测光源包括两个以上的线光源，且各个线光源产生的所述线状亮区域的长度方向不同和/或在传感阵列的不同位置处。
11.可选的，所述两个以上的检测光源还包括面光源。
12.可选的，所述检测光源的中心与所述传感阵列的中心像素单元位于同一条直线上，且所述线光源的光场的长度延伸方向位于所述直线上。
13.本发明的实施例还提供一种tof传感装置的距离检测方法，包括：采用两个以上的检测光源依次照射检测视场，所述两个以上的检测光源包括至少一个线光源；依次获取与所述两个以上的检测光源对应的两个以上的检测子帧的距离检测信息。
14.可选的，还包括：将所述两个以上的检测子帧的距离检测信息合并，获取单个检测帧的距离检测信息。
15.可选的，所述tof传感装置包括传感阵列，所述传感阵列包括若干阵列分布的像素单元；所述检测光源的中心与所述传感阵列的中心像素单元位于同一条直线上；且，所述线光源的光场的长度延伸方向位于所述直线上。
16.可选的，采用线光源照射所述被测视场内检测精度需求高的区域。
17.可选的，所述两个以上的检测光源还包括面光源，采用所述面光源照射整个检测视场。
18.可选的，所述线光源产生的检测光由被测物体反射后，在所述tof传感装置的传感阵列上形成线状亮区域，所述线状亮区域的宽度方向上占据的像素单元个数为所述传感阵列的像素单元行数或像素单元列数的0.1％～10％，或者所述线状亮区域的宽度方向上占据的像素单元个数为1～10。
19.可选的，所述两个以上的检测光源包括两个以上的线光源，且各个线光源产生的所述线状亮区域的长度方向不同和/或在传感阵列的不同位置处。
20.本发明的tof传感装置具有两个以上的检测光源，其中至少包括一个线光源，利用线光源进行距离检测，可以提高被线光源照射区域处的距离检测精度。所述两个以上的检测光源还可以包括面光源，满足较大可见区域的要求。
附图说明
21.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。
22.图1a是本申请一实施例的tof传感装置的结构示意图；
23.图1b是本申请一实施例的tof传感装置的结构示意图；
24.图2a是本申请一实施例的面光源在传感阵列内产生的亮区域的示意图；
25.图2b是本申请一实施例的线光源在传感阵列内产生的亮区域的示意图；
26.图3是本申请一实施例的距离检测的流程的示意图；
27.图4是本申请一实施例的两个检测光源的检测光切换的时序示意图；
28.图5是本申请一实施例的距离检测过程的电荷累积窗口及检测光、反射光的时序
示意图；
29.图6是本申请一实施例的距离检测的流程的示意图；
30.图7是本申请一实施例的距离检测过程的电荷累积窗口及检测光、反射光的时序示意图；
31.图8是本申请一实施例的将两个检测子帧的距离检测信息合并为单个检测帧的距离检测信息的示意图。
具体实施方式
32.如背景技术中所述，现有技术对检测视场内的各个区域的检测视场通常具有相同的距离检测精度，且随着可视角度增加，由于非直接反射光干扰增大，距离检测精度通常更难以保证。而在实际的距离检测过程中，对不同的应用需求通常具有不同的检测精度和可见视场范围要求。
33.本申请通过至少具有线光源在内的两种以上的检测光源依次进行检测，并将距离检测信息进行合并，既实现局部高检测精度的要求，又可满足可视角的要求。
34.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。
35.请参考图1a，为本发明一实施例的tof传感装置的结构示意图。
36.所述tof传感装置包括两个以上的检测光源、具有多个阵列排布的像素单元的传感阵列102、以及处理模块103、控制模块104。
37.所述两个以上的检测光源分别用于产生不同的检测光，其中至少包括一个线光源，用于产生线状检测光。所述传感阵列102，用于接收检测视场内的被测物体的反射光，并产生相应的传感信号；所述控制模块104连接所述至少两个检测光源及所述传感阵列102，用于控制所述两个以上的检测光源依次照射检测视场，以及控制所述传感阵列102输出相应的传感信号；所述处理模块103，连接所述控制模块104和所述传感阵列102用于获取所述传感阵列输出的传感信号，并根据所述传感信号，获取与所述两个以上的检测光源对应的多个检测子帧的距离检测信息。进一步的，所述处理模块103还可以将所述多个检测子帧的距离检测信息合并，获取单个检测帧的检测信息。
38.该实施例中，所述tof传感装置包括第一光源1011和第二光源1012，其中，第一光源1011为面光源，第二光源1012为线光源。具体的，所述第一光源1011产生的检测光能够照射整个检测视场，而所述第二光源1012则产生长条状的检测光，照射检测视场内的局部区域。该实施例中，所述第一光源1011与所述第二光源1012产生的检测光均为经过调制的周期性光波，具体的，可以为具有一定占空比的周期性脉冲光，还可以为正弦波等经过调制的具有一定周期以及相位的检测光。该实施例中，所述第一光源1011和所述第二光源1012具有相同的频率与波形，仅光场分布图形不同。在其他实施例中，所述第二光源1012与所述第一光源1011还可以具有不同的频率或脉宽。
39.请参考图1b，为一个实施例内的所述第一光源1011、第二光源1012以及传感阵列102在tof传感装置内的相对位置设置示意图。
40.该实施例中，所述第一光源1011和第二光源1012分布于所述传感阵列102的两侧，且所述第一光源1011中心、第二光源1012中心和传感阵列102的中心像素单元位于同一直线上。且第二光源1012的线光源的长度延伸方向也位于这条直线上。这样可以保证线光源照射物体在传感器阵列上的成像像素位置固定，避免物体距离发生变化时，线光源照射物体后的反射光在传感器阵列上的成像像素单元位置也会变化。线光源检测区域对应的成像像素单元位置固定，有利于后续对不同光源的检测信号进行处理。所述传感阵列102为一图像传感芯片，除了阵列排布的像素单元之外，还包括设置于像素单元外围的外围电路，用于读取并输出像素单元的传感信号。所述传感阵列102上方还会设置镜头，以聚焦入射的光线至像素单元阵列，其中所述镜头的中心位置位于传感阵列102的像素阵列中心的中心像素单元正上方。
41.请继续参考图1a，所述控制模块104连接所述第一光源1011、第二光源1012以及传感阵列102，用于根据一定的时序控制所述第一光源1011和第二光源1012依次发射检测光，并控制传感阵列102内的外围读取电路的时序，以输出所述传感阵列102内的像素单元在接收到反射光后所产生的传感信号。在一些实施例中，所述传感信号对应于像素单元在一定时间内多个光脉冲产生的感应电荷总量，具体的，可以为电压或电流等模拟或数字形式的电信号。所述处理模块103连接所述控制模块104和所述传感阵列102，用于接收所述传感信号，并进行处理得到距离检测信息。
42.检测视场内的各区域与传感阵列102内的各个像素单元对应。当检测光照射检测视场，检测视场内的被测物体对所述检测光产生反射，产生反射光，反射光返回至tof传感装置，被所述传感阵列102接收。实际检测过程中，检测光直接到达被测物体表面后被反射，直接被传感阵列接收的反射光为直接反射光，直接反射光的飞行时间对应于被测物体的距离。在一些情况下，部分反射光会经过多次反射之后才会到达传感阵列或者检测光经过多次反射后才会由被测物体反射到达传感阵列，此时的反射光为多路径反射光(mpi)。传感阵列接收到的反射光中，大部分为直接反射光，mpi或其他非直接反射光占少量，但是所述非直接反射光依旧会对距离检测结果造成影响。同时，反射光在经过镜头进入tof检测装置照射在传感阵列的过程中，由于镜头的光学结构或其他因素，部分反射光会被散射，变成散射光，照射在非对应位置处的像素单元，对接收到散射光的像素单元的距离检测结果造成影响。因此，降低mpi等非直接反射光的干扰，能够提高检测精度。
43.检测光被反射后，直接反射光到达传感阵列，在传感阵列102内形成亮区域，所述亮区域内的像素单元均能够接收到直接反射光，且亮区域的图形与检测光的光场分布图形对应。
44.请参考图2a，为该实施例中第一光源1011产生的检测光被反射后，在传感阵列102内产生的亮区域1021的示意图。图中仅示出了传感阵列102的像素单元所在区域。
45.该实施例中，由于第一光源1011产生的检测光能够照射整个检测视场内区域，所述传感阵列102内的所有像素单元均能接收到直接反射光。
46.请参考图2b，为该实施例中，第二光源1012产生的检测光被反射后在传感阵列102内产生的亮区域1022的示意图。
47.该实施例中，所述第二光源1012产生的检测光的光场分布为沿像素单元行方向的长条状，被反射后，在传感阵列102内产生长条状沿像素单元行方向的亮区域1022，所述亮
区域1022包括若干行像素单元。
48.所述第二光源1012可以包括激光光源、聚焦透镜以及线性发散元件，通过聚焦透镜将激光光源产生的具有一定发散性的光线聚焦成点光源后，通过线性发散元件对所述点光源在单一方向上进行发散，从而形成沿单一方向延伸的线条状检测光。在其他实施例中，所述线状光源还可以具有其他结构，以产生具有线条状图形的检测光。
49.直接通过第二光源1012照射检测视场，进行距离检测能够在一定程度上减少非直接反射光对检测结果的影响，提高被所述第二光源1012照射区域内的被测物体的距离检测的准确性，能够高效便捷的提高对特定区域的距离检测的准确性。以图2b作为示例进行阐述，当对应于传感阵列102的右侧区域内存在近景物体或多路径影响时，由该物体产生的非直接反射光近似均匀分布于左侧区域内的各像素单元上。采用线条状检测光相比于面光源，使得亮区域1022占据的像素单元数量较少，亮区域1022内接收到的非直接反射光相对直接反射光的比值即会降低，从而能够降低非直接反射光对于亮区域1022内的像素单元所产生的传感信号的影响，从而提高亮区域1022检测得到的距离检测信息的准确性。
50.为了尽可能降低非直接反射光的影响，所述第二光源1012对应的亮区域1022的像素单元数量占据整个传感阵列的像素单元数量的比例要尽可能低。较佳的，所述第二光源1012产生的检测光仅具有一条线条状图形，且该线条状图形的检测光，在传感阵列内产生的亮区域1022的宽度方向上占据的像素单元个数为所述传感阵列102的像素单元行数或像素单元列数的0.1％～10％。
51.该实施例中，所述亮区域1022的长度方向沿像素单元的行方向，所述亮区域1022的宽度方向上占据的像素单元个数为所述传感阵列102的像素单元行数的0.1％～10％，较佳的，宽度方向上占据的像素单元个数可以为1至10。
52.所述第二光源1012的线条状检测光的光场分布的长度方向还可以沿竖直方向(像素单元列方向)或其他任意方向。本领域技术人员可以根据实际检测需求，设置所述线条状检测光的光场分布方向，使其照射至检测视场内的目标区域。例如，当需要判断在水平方向上某一区域内的被测物体的准确距离时，可以设置水平方向延伸的线条状检测光；当需要判断在竖直方向上障碍物的高度时，可以设置竖直方向延伸的线条状检测光。
53.在其他实施例中，所述tof传感装置还可以包括两个以上的不同位置和/或不同方向的线光源，用于分别照射检测视场内不同位置的感兴趣区域。
54.上述tof传感装置，具有两个以上的检测光源，其中至少包括一个线光源，利用线光源进行距离检测，无需校准就能够改善多路径反射问题，从而可以提高被线光源照射区域处的距离检测精度。所述两个以上的检测光源还可以包括面光源，满足较大检测视场的要求；同时，结合线光源进行检测，提高局部区域内的检测精度。
55.请参考图3，为本发明一实施例的距离检测方法的流程示意图。
56.该实施例中，所述距离检测的步骤包括：
57.步骤s101:采用两个以上的检测光源依次照射检测视场，所述两个以上的检测光源包括至少一个线光源。
58.具体的，采用上述实施例中的tof传感装置进行距离检测，通过处理模块103(请参考图1a)执行所述距离检测方法，所述处理模块103控制所述tof传感装置的两个以上的检测光源依次照射检测视场。
59.在一个实施例中，采用第一光源1011和第二光源1012依次照射检测视场，利用第一光源1011对检测视场整体进行检测，利用第二光源1012照射检测视场内的感兴趣区域，所述感兴趣区域为对检测精度要求较高的区域。利用第二光源1012提高对感兴趣区域的检测精度，在满足感兴趣区域检测精度的要求下，可以提高所述tof传感装置的检测视角，提高可见区域。
60.请参考图4，为本发明一实施例的两个光源的发光时序示意图。
61.第一光源1011发出第一检测光lo1对检测视场整体进行检测；然后由第二光源1012发出第二检测光lo2，照射检测精度要求较高的区域。该实施例中，所述第一光源1011和第二光源1012具有相同的脉宽和发光频率，其他实施例中，所述第一光源1011和第二光源1012也可以采用不同的脉宽。
62.在其他实施例中，可以采用三种以上的检测光源，其中，至少两个以上的线光源，以对应检测视场内两个以上的具有较高检测精度要求的区域。
63.步骤s102:依次获取与所述两个以上的检测光源对应的多个检测子帧的距离检测信息。
64.在采用任一检测光源进行距离检测过程中，可以通过电荷累积窗口对传感阵列内像素单元所产生的光生电荷进行累计，以获取产生的感应信号。
65.请参考图5，在一个实施例中，所述检测光lo为经过调制的宽度为t的脉冲光，通过三个连续的累积窗口g1、g2和g3对像素单元产生的感应电荷进行累积，g1用于累积环境光产生的检测值，获得传感信号q1；g2和g3分别用于累积检测光和环境光共同产生的感应电荷，获得传感信号q2和q3。
66.该实施例中，所述累积窗口g1、g2和g3窗口持续时间与检测光的脉冲宽度相同，均为t，且检测光的脉冲上升沿与累积窗口g2的开启边沿对齐。
67.根据上述传感信号q1、q2和q3，可以得到对应的亮区域内各像素单元对应的被测位置处的距离：
[0068][0069]
在其他实施例中，所述累积窗口g1、g2和g3以及检测光lo的时序还可以进行调整，相应的距离信息d的计算也可以进行相应的调整。
[0070]
在其他实施例中，所述检测光还可以为经过调制的连续正弦波，接收到的直接反射光也是连续正弦波。
[0071]
图5中，以累积单个光脉冲产生的感应电荷作为示例，在实际的距离检测过程中，每一子帧的距离信号通过对多个光脉冲产生的电荷的总和进行计算，以获取足够的感应电荷量，提高距离计算的准确性。
[0072]
请参考图6，在一个实施例中的距离检测过程的电荷累积窗口及检测光、反射光的时序示意图。
[0073]
所述反射光周期为t，在一个周期t内，依次对反射光的感应电荷在δt时间内进行累积，获得传感信号c(τ0)、c(τ1)、c(τ2)以及c(τ3)。从而得到相位差
[0074]
从而得到距离：
[0075][0076]
无论采用何种波形的检测光，均可以通过电荷累积获取传感信号，并根据传感信号获取距离检测信息。
[0077]
对于面光源，整个传感阵列内的像素单元都能够接收到反射光，从而对每个像素单元均对应有一个距离检测信息，对应于检测视场内对应位置处的被测物的距离。而对于线光源，则仅有部分像素单元能够接收到反射光，从而仅有该部分像素单元分别对应距离检测信息，对应于检测视场内部分区域内的被测物的距离。
[0078]
请参考图7，本发明的另一实施例中，还包括步骤s103：将所述多个检测子帧的距离检测信息合并，获取单个检测帧的距离检测信息。
[0079]
该实施例中，将不同检测光源进行检测获得的多个检测子帧的距离信息进行合并的方法包括：将线光源对应的部分像素单元的距离检测信息替代面光源检测时，该部分像素单元的距离检测信息。由于线光源检测时，获得的距离信息更准确，因此在合并后的单个检测帧呢的距离检测信息中，线光源对应的检测区域的距离检测信息比其他区域的距离检测信息更准确。
[0080]
请参考图8，为进行多各子帧距离检测信息进行合并获取单个检测帧的距离检测信息的示意图。
[0081]
将线光源产生的亮区域1021内各像素单元的距离检测信息替换所述面光源产生的亮区域1021内相同位置处的像素单元的距离检测信息，获得整个传感阵列各像素单元的距离检测信息。
[0082]
通过面光源的检测，能够获得较大的可见区域，判断较大的检测视场区域内是否存在障碍物等低检测精度的要求；而通过线光源则能够提高感兴趣区域内的检测精度，获取该感兴趣区域内被测物体较为准确的距离检测信息，满足高精度应用场景的需求。
[0083]
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。