一种TOF三维测距系统技术方案

本发明专利技术属于测距系统技术领域，尤其涉及一种TOF三维测距系统，包括LED阵列光源、与LED阵列光源相连接的信号处理电路和与信号处理电路相连接的CMOS感光芯片，在信号处理电路与LED阵列光源之间设有驱动电路，在LED阵列光源的发射方向上设有将LED阵列光源光束准直的发射透镜，在信号处理电路与CMOS感光芯片之间设有信号调理电路，在CMOS感光芯片的接收方向上设有将反射光束聚焦的接收透镜。相比于现有技术，本发明专利技术通过光源+信号调理电路的双重控制，使得本发明专利技术测量精度高、测量距离大，实际测量距离可以达到15～25m。此外，本发明专利技术测量结果不受环境光条件影响，因而能够满足汽车应用场景需求。

A TOF three dimensional range finder system

The invention belongs to the technical field of measuring system, especially relates to a TOF three-dimensional measuring system, CMOS sensor signal processing circuit and signal processing circuit is connected with the connected array light source, including LED and LED light source array, a driving circuit in the signal processing circuit and LED array light source, in the direction of the LED light source array the LED will launch with lens array light source beam collimation, between the signal processing circuit and the CMOS sensor chip with signal conditioning circuit in the receiving direction of CMOS sensor chip is arranged on the lens will receive the reflected beam focusing. Compared with the existing technology, the invention has dual control of light source + signal conditioning circuit, so that the invention has high measuring accuracy and large measuring distance, and the actual measuring distance can reach 15 ~ 25m. In addition, the measurement results of the invention are not affected by environmental light conditions, and thus can meet the requirements of the automobile application scene.

【技术实现步骤摘要】
一种TOF三维测距系统
本专利技术属于测距系统
,尤其涉及一种TOF三维测距系统。
技术介绍
随着科技的发展和观测手段的进步，人们对光学的研究越来越深入，标志之一是对光传播速度的准确测量，并且这一数据应用在各种各样的领域中。其中利用光的传播速度来进行距离测量是测距方法上的一项革新，这种方法被称为飞行时间(TimeofFlight，TOF)测距法。飞行时间(TOF)测距方法的目标是测量实时信息，需要调制光源和高精度的接收器，其原理是光源发出调制光波，光照射到目标上并反射回来，高精度的接收器接收到反射光，通过计算光发射到接收器接受反射光的时间，就可以计算出目标的距离，这一过程中光传播的距离其实是目标距离的两倍，因为光的传播速度很快，为3×10-8m/s，所以这一方法对接收器的速度和灵敏度有较高的要求，此外光源和接收器必须同时工作才能实现功能，因此TOF测距法需要光源和接收器的配合。但是由于受制于光接收器件，传统的激光测距仪只能测量某一点的距离，只能得到一维的信息，假如想得到三维的信息，激光束必须从两个方向扫描被测物体，就必须在测距仪上加入高精度的激光扫描仪，这样不但大大增加了仪器的体积，还引入了震动误差。随着图像传感器技术的发展和成熟，飞行时间测距仪器出现了新的变化，相比于传统的测距仪器，飞行时间三维测距仪器的图像传感器经过设计拥有独特的功能，每一个像素都是一个完整的解调接收器，因此不再需要激光扫描仪逐个点扫描后组合成三维图像，而是各个像素并行工作直接完成三维信息的实时测量。TOF三维测距仪器具有小型化、高速度和成本低等优点，并且可以通过距离信息对目标图像进行分割、跟踪等图像处理，此外，多维度的信息获取使TOF三维测距仪器可以完成分析目标的复杂姿态和三维建模等工作，因此TOF三维测距仪器有非常广泛的应用领域，可以与其他媒体平台联合起来，应用于人机交互、室内测距、机器视觉、机器人科学、医学成像、电子游戏和汽车电子等领域，有非常光明的发展前景。现有技术的TOF三维测距产品主要是由激光发射器、信号处理器和激光接收器组成，其一定程度上可以完成距离测试，然而现有技术的TOF三维测距产品对于远距离激光测距而言，由于被测物体的反射条件未知、反射信号强度变化也较大，现有技术中由于没有相应的调理结构，一定程度上影响测量的精度和测量的稳定性，实用性一定程度上受到限制。此外，由于现有的TOF三维测距产品没有配套的光学设计，工作距离和抗环境光能力均有待提高，目前市面上的TOF三维测距产品的距离测量范围都在10米左右甚至更短，并且在室外强环境光下使用会出现数据偏差大，数据丢失等问题，导致其无法在汽车领域得到广泛推广。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：针对现有的TOF三维测距仪器测量距离短，易受环境光干扰，测量准确度不高的缺陷，而提供一种TOF三维测距系统，以解决测量距离不远，测量准确度低，稳定性差的问题。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种TOF三维测距系统，包括LED阵列光源、与所述LED阵列光源相连接的信号处理电路和与所述信号处理电路相连接的CMOS感光芯片，在所述信号处理电路与所述LED阵列光源之间设有驱动电路，在所述LED阵列光源的发射方向上设有将LED阵列光源光束准直的发射透镜，在所述信号处理电路与所述CMOS感光芯片之间设有信号调理电路，在所述CMOS感光芯片的接收方向上设有将反射光束聚焦的接收透镜；所述信号调理电路包括电流-电压转换电路、与所述电流-电压转换电路电连接的阻抗匹配预放大电路、与所述阻抗匹配预放大电路电连接的可调增益放大电路、与所述可调增益放大电路电连接的阻抗匹配电路，所述可调增益放大电路与所述信号处理电路的增益放大控制信号端电连接；所述LED阵列光源发射的调制光的调制频率为大于100MHz；所述LED阵列光源的功率Psource满足关系式：其中：Ne是感光芯片像素上产生的电子数；Aimage是感光芯片的面积；Apix是感光芯片感光部分的面积；h是普朗克常量，c是光速，λ是调制光源的波长；ρ是物体反射率，Klen是接收透镜的通过效率；D是接收透镜直径，R是被测物体到接收透镜的距离；Tint是积分时间；QE(λ)是量子效率；所述LED阵列光源的发散角大于θ，其中θ满足关系式：其中：R是物距，f是接收透镜焦距，p是物高，q是像高。作为本专利技术所述的TOF三维测距系统的一种改进，还包括与所述信号处理电路电连接的无线信号接收电路。作为本专利技术所述的TOF三维测距系统的一种改进，还包括与所述信号处理电路电连接的指示灯电路。作为本专利技术所述的TOF三维测距系统的一种改进，还包括与所述信号处理电路相连接的通迅接口电路。作为本专利技术所述的TOF三维测距系统的一种改进，所述发射透镜和接收透镜的前表面平面折射面和透镜后表面自由曲面折射面为中心轴对称形状。作为本专利技术所述的TOF三维测距系统的一种改进，所述发射透镜和接收透镜的材料均为PMMA，折射率为n＝1.4935。作为本专利技术所述的TOF三维测距系统的一种改进，所述测距系统的测距范围为15～25m。作为本专利技术所述的TOF三维测距系统的一种改进，所述LED阵列光源发射的光线波长处于红外波段。作为本专利技术所述的TOF三维测距系统的一种改进，所述LED阵列光源的功率Psource为100～150W。作为本专利技术所述的TOF三维测距系统的一种改进，所述LED阵列光源的发散角大于8度。本专利技术的有益效果在于：一方面，本专利技术的结构简单，设有信号调理电路，对于远距离激光测距而言，可以根据被测物体反射信号的强度改变，及时将接收的信号进行调理，一定程度上可以减少因信号畸形所带来的测量误差，有效的提高了测距的精确度和稳定度，适用性强实用性好；另一方面，本产品通过有效控制光源的频率、功率和发散角度，使得本专利技术测量精度高、测量距离大，实际测量距离可以达到15～25m。因此，本专利技术通过光源+信号调理电路的双重控制，使得本专利技术测量结果完全不受振动、声音等信号的干扰，大大提高产品的稳定性和测量的准确性。此外，本专利技术测量结果不受环境光条件影响，无论白天黑夜、夏天、雪地、沙漠等场景都能够稳定工作，因而能够满足大部分汽车应用场景需求。附图说明图1为本专利技术的结构框图。图2为图1中的信号调理电路的结构框图。图3为朗伯特反射结构示意图。图4为光源的发散角与成像系统的关系图。图中：1-LED阵列光源；2-信号处理电路；3-CMOS感光芯片；4-驱动电路；5-发射透镜；6-信号调理电路；7-接收透镜；8-无线信号接收电路；9-指示灯电路；10-通迅接口电路；11-被测物体。具体实施方式为使本专利技术的技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施方式和说明书附图，对本专利技术及其有益效果作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。如图1～2所示，本专利技术一种TOF三维测距系统，包括LED阵列光源1、与LED阵列光源1相连接的信号处理电路2和与信号处理电路2相连接的CMOS感光芯片3，在信号处理电路2与LED阵列光源1之间设有驱动电路4，在LED阵列光源1的发射方向上设有将LED阵列光源1光束准直的发射透镜5，在信号处理电路2与CMOS感光芯片3之间设有信号调理电路6，在CMOS感光芯片3的接收方向上设有将反射光束聚焦的接收本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种TOF三维测距系统，其特征在于：包括LED阵列光源、与所述LED阵列光源相连接的信号处理电路和与所述信号处理电路相连接的CMOS感光芯片，在所述信号处理电路与所述LED阵列光源之间设有驱动电路，在所述LED阵列光源的发射方向上设有将LED阵列光源光束准直的发射透镜，在所述信号处理电路与所述CMOS感光芯片之间设有信号调理电路，在所述CMOS感光芯片的接收方向上设有将反射光束聚焦的接收透镜；所述信号调理电路包括电流‑电压转换电路、与所述电流‑电压转换电路电连接的阻抗匹配预放大电路、与所述阻抗匹配预放大电路电连接的可调增益放大电路、与所述可调增益放大电路电连接的阻抗匹配电路，所述可调增益放大电路与所述信号处理电路的增益放大控制信号端电连接；所述LED阵列光源发射的调制光的调制频率为大于100MHz；所述LED阵列光源的功率Psource满足关系式：

【技术特征摘要】
1.一种TOF三维测距系统，其特征在于：包括LED阵列光源、与所述LED阵列光源相连接的信号处理电路和与所述信号处理电路相连接的CMOS感光芯片，在所述信号处理电路与所述LED阵列光源之间设有驱动电路，在所述LED阵列光源的发射方向上设有将LED阵列光源光束准直的发射透镜，在所述信号处理电路与所述CMOS感光芯片之间设有信号调理电路，在所述CMOS感光芯片的接收方向上设有将反射光束聚焦的接收透镜；所述信号调理电路包括电流-电压转换电路、与所述电流-电压转换电路电连接的阻抗匹配预放大电路、与所述阻抗匹配预放大电路电连接的可调增益放大电路、与所述可调增益放大电路电连接的阻抗匹配电路，所述可调增益放大电路与所述信号处理电路的增益放大控制信号端电连接；所述LED阵列光源发射的调制光的调制频率为大于100MHz；所述LED阵列光源的功率Psource满足关系式：其中：Ne是感光芯片像素上产生的电子数；Aimage是感光芯片的面积；Apix是感光芯片感光部分的面积；h是普朗克常量，c是光速，λ是调...

【专利技术属性】
技术研发人员：张新河，常嵩，汤春微，张涛，李容，丁玉茹，任朴，余晓智，
申请(专利权)人：东莞市迈科新能源有限公司，东莞市迈科科技有限公司，东莞市迈科锂离子电池工业节能技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44