用于直接飞行时间传感器的发射端装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及3D深度传感领域，具体涉及一种直接飞行时间(DToF,direct time offlight)传感器的人眼安全保护和起始时间计量方法和系统。

背景技术

随着激光雷达的技术发展，直接飞行时间测距法被受到了越来越多的关注，DTOF原理是通过给被测物体连续发射光脉冲，然后用传感器接收从被测物体反射的光，通过探测光脉冲的飞行的时间来得到被测物体的距离。

直接飞行时间(DToF)传感器是一种主动光传感器，至少包含发射端Tx和接收端Rx两个主要部分。Tx发射短脉冲激光，照射到被测物体，部分激光被被测物反射后被Rx接受。

在直接飞行时间(DToF)传感器中，通过记录Tx与Rx的接收信号时间差来计算被测物体的距离。常见的为通过控制电路信号，传递发光信号开始记录起始时间，Rx接收到被测光信号记录终止时间。时间差为激光在空中来回飞行的时间t,已知光速C，可以得到物体的距离d＝1/2*C*t。

然而，由于VCSEL激光器本身具有电感效应，导致电信号传输后，驱动VCSEL激光器发光时间具有一定的抖动，而系统只记录信号驱动的开始时间，导致发光时间记录的不准确，进而导致距离探测结果不准确。

发射端Tx的垂直腔面发射激光器(VCSEL,Vertical-cavity surface-emittinglaser)发射经过衍射光学元件(Diffractive Optical Element)后在远场形成离散光斑。由于激光器的光斑被光学元件扩散，正常工作下激光束不会对人眼造成损伤。但如果光学元件破裂，则无法起到分光的作用，未经分光的激光束照射到人眼时会产生不可逆的损伤。解决方案为可以在衍射光学元件上制作金属电路，系统实时测试电路的电阻情况，如果衍射光学元件破裂，则电路断开或电阻发生大幅度变化，系统检测到后关闭Tx端激光输出，起到保护人眼安全的效果。

然而，通过增加结构或部件来记录光学元件破裂后的信号变化，来控制Tx是否发射激光来保护人眼安全，未能解决探测距离准确度的改善问题。

针对上述技术问题，需要一种改善探测距离准确度以及控制发射端Tx是否发射激光来保护人眼安全的直接飞行时间(DToF)传感器。

发明内容

本发明的一方面提供了一种用于直接飞行时间DTOF传感器的发射端装置，包括：发射激光源，其被配置为用于发射光；发射端光学元件，其被配置为使得由发射激光源发射的第一部分光透射通过所述发射端光学元件，并且使得由发射激光源发射的第二部分光由所述发射端光学元件反射；以及至少一个单光子雪崩二极管SPAD感光单元，所述至少一个SPAD感光单元接收由所述发射端光学元件反射的第二部分光，并且输出与返回的光相关的光信号，其中，根据由所述至少一个SPAD感光单元输出的光信号确定所述发射激光源发射光的起始时间。

本发明的一方面提供了一种用于直接飞行时间DTOF传感器的发射端装置，其中，通过确定所述光信号的峰值来确定所述发射激光源发射光的起始时间。

本发明的一方面提供了一种用于直接飞行时间DTOF传感器的发射端装置，还包括发射激光源驱动电路，其被配置为在确定标定后的光信号的峰值变化超过第一阈值时，关断所述发射端装置。

本发明的一方面提供了一种用于直接飞行时间DTOF传感器的发射端装置，其中，所述第一阈值为±20％。

本发明的一方面提供了一种用于直接飞行时间DTOF传感器的发射端装置，其中，所述发射端光学元件包括准直透镜。

本发明的一方面提供了一种用于直接飞行时间DTOF传感器的发射端装置，其中，所述发射端光学元件包括用于生成干涉效应光斑的衍射光学元件。

本发明的一方面提供了一种用于直接飞行时间DTOF传感器的发射端装置，其中，所述衍射光学元件包括光学微结构和光学基板，其中，所述光学微结构和光学基板在工作波段为透明材料。

本发明的一方面提供了一种用于直接飞行时间DTOF传感器的发射端装置，其中，所述发射端光学元件包括匀光片。

本发明的一方面提供了一种用于直接飞行时间DTOF传感器的发射端装置，其中，所述匀光片包括光学微透镜阵列和光学基板，其中，所述光学微透镜阵列和光学基板在工作波段为透明材料。

本发明的一方面提供了一种用于直接飞行时间DTOF传感器的发射端装置，其中，所述匀光片包括光学微透镜阵列和光学基板，其中，所述光学微透镜阵列和光学基板在工作波段为透明材料。

本发明的一方面提供了一种用于直接飞行时间DTOF传感器的发射端装置，其中，所述发射端光学元件还包括带通滤光片，所述带通滤光片被配置为只允许DTOF传感器的工作波长附近的光线透过。

本发明的一方面提供了一种包括如上所述的发射端装置的直接飞行时间DTOF传感器装置，所述DTOF传感器装置包括：发射端装置，其被配置为发射短脉冲激光以照射到被测物体，并且记录发射短脉冲激光的起始时间；以及接收端装置，其被配置为接收由被测物反射后的部分激光，并且记录接收到被测光信号的终止时间，以通过所述起始时间和所述终止时间之间的时间差获取被测物体的距离。

本发明的一方面提供了一种控制用于直接飞行时间DTOF传感器的发射端装置的方法，所述发射端装置包括发射激光源、发射端光学元件、至少一个单光子雪崩二极管SPAD感光单元以及发射激光源驱动电路，所述方法包括：通过发射激光源发射光；通过发射端光学元件透射由发射激光源发射的第一部分光，并且通过发射端光学元件反射由发射激光源发射的第二部分光；以及通过至少一个SPAD感光单元接收由所述发射端光学元件反射的第二部分光，并且输出与返回的光相关的光信号，其中，根据由所述至少一个SPAD感光单元输出的光信号确定所述发射激光源发射光的起始时间；以及通过发射激光源驱动电路在确定标定后的光信号的峰值变化超过第一阈值时，关断所述发射端装置。

有益效果

根据本发明提出的直接飞行时间(DToF)传感器装置，其能够保护人眼安全以及提高起始时间记录准确度进而改善探测距离结果的系统方案，只通过一个器件完成多项功能，丰富了系统的功能集成度，改善了器件的探测准确度，提高了系统的安全性能。

附图说明

图1是根据本发明实施例的直接飞行时间DToF传感器的发射端的示意图；

图2a是根据本发明实施例的正常工作情况下Tx远场散斑分布的示意图；

图2b是根据本发明实施例的衍射光学元件失效情况下Tx远场散斑分布的示意图；

图3a是根据本发明实施例的正常工作情况下SPAD直方图输出的示意图；

图3b是根据本发明实施例的衍射光学元件失效情况下SPAD直方图输出的示意图；

图4是根据本发明实施例的直接飞行时间DToF传感器的发射端的示意图；

图5a是根据本发明实施例的正常工作情况下Tx远场光斑分布的示意图；

图5b是根据本发明实施例的匀光片失效情况下Tx远场光斑分布的示意图；

图6a是根据本发明实施例的正常工作情况下SPAD直方图输出的示意图；

图6b是根据本发明实施例的匀光片失效情况下SPAD直方图输出的示意图；

图7是根据本发明实施例的带滤光片的直接飞行时间DToF传感器的发射端的示意图；以及

图8是根据本发明实施例的滤光片的光谱透射率的示意图。

具体实施方式

在进行下面的详细描述之前，阐述贯穿本专利文件使用的某些单词和短语的定义可能是有利的。术语“耦接”“连接”及其派生词指两个或多个元件之间的任何直接或间接通信或者连接，而无论那些元件是否彼此物理接触。术语“传输”、“接收”和“通信”及其派生词涵盖直接和间接通信。术语“包括”和“包含”及其派生词是指包括但不限于。术语“或”是包含性的，意思是和/或。短语“与……相关联”及其派生词是指包括、包括在……内、互连、包含、包含在……内、连接或与……连接、耦接或与……耦接、与……通信、配合、交织、并列、接近、绑定或与……绑定、具有、具有属性、具有关系或与……有关系等。术语“驱动器”是指控制至少一个操作的任何设备、系统或其一部分。这种驱动器可以用硬件、或者硬件和软件和/或固件的组合来实施。与任何特定驱动器相关联的功能可以是集中式的或分布式的，无论是本地的还是远程的。短语“至少一个”，当与项目列表一起使用时，意指可以使用所列项目中的一个或多个的不同组合，并且可能只需要列表中的一个项目。例如，“A、B、C中的至少一个”包括以下组合中的任意一个：A、B、C、A和B、A和C、B和C、A和B和C。

贯穿本专利文件提供了其他特定单词和短语的定义。本领域普通技术人员应该理解，在许多情况下，即使不是大多数情况下，这种定义也适用于这样定义的单词和短语的先前和将来使用。

在本专利文件中，模块的应用组合以及子模块的划分仅用于说明，在不脱离本公开的范围内，模块的应用组合以及子模块的划分可以具有不同的方式。

图1是根据本发明实施例的直接飞行时间DToF传感器的发射端的示意图。

根据本发明实施例的直接飞行时间(DToF)传感器的发射端Tx 100的组成部分包括：发射激光源VCSEL 103、VCSEL驱动电路102、准直透镜105、衍射光学元件110、至少一个单光子雪崩二极管(SPAD)感光单元104、以及SPAD控制电路和SPAD读出电路(未示出)。参考图1，VCSEL光源103安置在腔体101内部，其下部连接到相关的驱动电路102，在VCSEL光源103附近设置至少一个SPAD感光单元104。VCSEL光源103发出的光经过准直透镜105到达衍射光学元件110，衍射光学元件110包含两部分，分别为光学微结构111和光学基板112，两者均在工作波段为透明材料。其中，所述光学微结构111为一种类光栅结构，通常整体结构厚度在100μm以内。所述光学微结构111表面由一系列高低起伏的台阶状结构组成，其具体结构的设计根据实际实现的光斑图案不同而不同，但其原理是将入射的一束光通过干涉作用分解为多束光，起到增加最终光斑数量的效果。光学基板112一般为平板玻璃，作为光学结构的基材，起支撑和保护的效果。

光线经过衍射光学元件110后由于干涉效应光斑被复制，在远场形成了如图2a所示的光斑分布。由于光斑被复制，因此每个光斑的光强减弱。同时，由于在衍射光学器件110表面一部分光线被反射，返回到腔体101中，SPAD感光单元104接收到返回的光信号，经过读出电路并经过信号处理后形成的用于测距的一帧的直方图结果如图3a所示，可以认为直方图最高的位置就是发光的起始时间。其中，本领域技术人员应该清楚，用于测距的一帧可以根据需要测距的范围而不同。

当衍射光学元件110被破坏后(如光学基板112破裂，或光学微结构111被划伤或吸附水汽等)，其光学功能失效，无法起到复制光斑的作用，则光源VCSEL103发出的光经过准直透镜105后在远场形成了如图2b所示的光斑分布。由于光斑没有被复制，因此每个光斑的光强会变强，这种情况下的激光强度会对人眼造成损伤。此时SPAD感光单元104接收到的信号经处理后的直方图如图3b所示。由于衍射光学元件110被破坏，则反射回腔体101的光强会变弱，导致SPAD感光单元104接收到返回的光子数变少，触发的次数减小，经过读出电路并经过信号处理后形成的直方图结果如图3b所示，可以看到直方图的峰值有明显下降。本领域技术人员应该清楚，上述参考图1-图3b来描述的实施例仅仅用于说明本发明的概念，其并不旨在将本发明限制在图1-图3b所示的实施例中，例如，当衍射光学元件110被破坏后，由SPAD感光单元104接收到的信号经处理后的直方图的峰值也可能有明显上升(当被破坏的衍射光学元件110将大部分准直光线反射回SPAD感光单元104时)。因此，通过在标定后，当确定在一帧中的峰值相对于标定值的变化超过一定范围(如±20％)时，即可认为衍射光学元件失效，需要驱动器关断Tx模组。

至此，整个Tx模组完成了信号发射时间的测量和人眼安全保护的两个功能。

图4是根据本发明实施例的直接飞行时间DToF传感器的发射端的示意图。

根据本发明实施例的直接飞行时间(DToF)传感器是一种主动光传感器，其发射端Tx的组成部分包括：发射激光源VCSEL 403、VCSEL驱动电路402、匀光片410、至少一个SPAD感光单元404、以及SPAD控制电路和SPAD读出电路(未示出)。参考图4，VCSEL光源403安置在保护腔体401内部，其下部连接到相关驱动电路402，在VCSEL光源403周围放置至少一个SPAD感光单元404。VCSEL光源403发出的光到达匀光片410，匀光片410包含两部分，分别为光学微透镜阵列411和光学基板412，两者均在工作波段为透明材料。其中光学微透镜阵列411由一系列子透镜在光学基板上按一定排列顺序而组成，其直径在几百纳米到几毫米。光学基板412一般为平板玻璃，作为光学结构的基材，起支撑和保护的效果。

光线经过匀光片410后由于微透镜的作用光源被扩散整形，根据需要在远场形成了如图5a所示的光斑分布。由于光斑被扩散，因此单位角度的光强减弱。同时，由于在匀光片410表面一部分光线被反射，返回到腔体401中，SPAD感光单元401接收到返回的光信号，经过读出电路并经过信号处理后形成的直方图结果如图6a所示，可以认为直方图最高的位置就是发光的起始时间。

当匀光片410被破坏后(如光线基板412破裂，或光学微透镜阵列411脱落或被划伤等)，其光学功能失效，无法起到扩散光斑的作用，则光源VCSEL 403发出的光经过失效的匀光片410后在远场形成了如图5b所示的光斑分布，也就是VCSEL原始的发射光斑分布。由于光斑没有被扩散，因此光斑的光强会变强，这种情况下的激光强度会对人眼造成损伤。此时SPAD感光单元404接收到的信号经处理后的直方图如图6b所示。由于匀光片410被破坏，则反射会腔体101的光强会变弱，导致SPAD感光单元404接收到返回的光子数变少，触发的次数减小，经过读出电路并经过信号处理后形成的直方图结果如图6b所示，可以看到直方图的峰值有明显下降，通过在标定后，确定在一帧中的峰值相对于标定值的变化超过一定范围(如±20％)即可认为匀光片失效，需要驱动器关断Tx模组。

至此，整个Tx模组完成了信号发射时间的测量和人眼安全保护的两个功能。

图7是根据本发明又一实施例的带滤光片的直接飞行时间DToF传感器的发射端的示意图。

根据本发明实施例的直接飞行时间(DToF)传感器是一种主动光传感器，其发射端Tx的组成部分包括：发射激光源VCSEL 703、VCSEL驱动电路702、匀光片710、至少一个SPAD感光单元704、SPAD控制电路和SPAD读出电路未示出，以及一个可选的带通滤光片720。参考图7所示，VCSEL光源703安置在保护腔体701内部，其下部连接到相关驱动电路702，在VCSEL光源703周围放置至少一个SPAD感光单元704。VCSEL光源703发出的光到达匀光片710，匀光片710包含两部分，分别为光学微透镜阵列711和光学基板712，两者均在工作波段为透明材料。同时在匀光片710上表面附着一个带通滤光片720，其光谱透射率曲线如图8所示(这里选择工作波长为940nm)。

由于带通滤光片720只允许系统工作波长附近的光线透过，这样既不影响VCSEL光源703发射的激光透出，又限制了外界环境光如太阳的可见光波段的光谱对SPAD感光单元704的干扰。其优点在于极大降低SPAD感光单元在不同明暗环境中受到的环境光的干扰，避免误报警导致发射端Tx被系统关断的情况发生。在这种情况下，通过标定后，可以降低输出直方图的变化阈值范围(如±10％)，当超出此值后，即可认为光学元件失效，需要驱动器关断Tx模组。

添加可选的窄带带通滤光片可以提升系统的鲁棒性，降低误警几率，更好地实现人眼安全保护的功能。

根据本发明的实施例，提供了一种包括如上所述的发射端装置的直接飞行时间DTOF传感器装置，所述DTOF传感器装置包括：发射端装置，其被配置为发射短脉冲激光以照射到被测物体，并且记录发射短脉冲激光的起始时间；以及接收端装置，其被配置为接收由被测物反射后的部分激光，并且记录接收到被测光信号的终止时间，以通过所述起始时间和所述终止时间之间的时间差获取被测物体的距离。

根据本发明的实施例，提供了一种控制用于直接飞行时间DTOF传感器的发射端装置的方法，所述发射端装置包括发射激光源、发射端光学元件、至少一个单光子雪崩二极管SPAD感光单元以及发射激光源驱动电路，所述方法包括：通过发射激光源发射光；通过发射端光学元件透射由发射激光源发射的第一部分光，并且通过发射端光学元件反射由发射激光源发射的第二部分光；以及通过至少一个SPAD感光单元接收由所述发射端光学元件反射的第二部分光，并且输出与返回的光相关的光信号，其中，根据由所述至少一个SPAD感光单元输出的光信号确定所述发射激光源发射光的起始时间；以及通过发射激光源驱动电路在确定标定后的光信号的峰值变化超过第一阈值时，关断所述发射端装置。

尽管已经用示例性实施例描述了本公开，但是可以向本领域技术人员建议各种改变和修改。本公开旨在涵盖落入所附权利要求范围内的这种改变和修改。

本发明中的任何描述都不应被理解为暗示任何特定的元件、步骤或功能是必须包括在权利要求范围内的必要元件。专利主题的范围仅由权利要求限定。