[发明专利]基于动态视觉传感器芯片的光电式接近传感器及探测方法

说明书

本发明提供一种基于动态视觉传感器芯片的光电式接近传感器，使用DVS传感器作为光电感应器件，光源发出的瞬时光束经目标反射后由DVS采样。通过对DVS输出的AE流进行分析可以得到反射位置D，进而计算出目标距离H。通过比对发射光和反射光的强度变化模式，可以排除环境光源和噪声的干扰，提高准确率。

技术领域

本发明属于光电领域，特别涉及一种基于仿生视觉、图像处理以及电路设计等多技术的光电式接近传感器。

背景技术

接近传感器(Proximity sensors)(接近开关)使用非接触的方式来探测物体间的移动信息和距离，广泛应用于包装印刷、金属与塑料加工等工业领域的自动化设备中，典型应用包括物体靠近探测、位置检测、质量检测以及产品计数等。根据工作原理，接近传感器可以分为以下几大类：

(1)电磁感应型接近传感器，用于探测金属物体。其主要构成包括一个高频振荡电路和一个感应线圈。当附近出现金属物体时会导致感应线圈的感应电流发生变化。其工作范围取决于感应线圈的大小以及金属目标的形状、大小以及材质。

(2)电容型接近传感器，可用于金属及非金属物体的非接触式距离测量。其工作原理是通过检测接近传感器与目标物体间的电场的电容变化来检测距离。当目标物体接近传感器达到预设距离时，传感器内部的振荡电路开始振荡，这种振荡的开始和停止即可作为目标物接近和离开的标识。

(3)电磁型接近传感器，适用于永磁体的探测。当外部磁场靠近时，传感器内部的两个低磁阻铁磁体弹簧会由于外磁场的增强而相互接触构成电路回路，电路的导通与闭合即可作为物体接近的标识。

(4)超声波测距传感器，包括一个超声波发射端和一个接收端，通过比较超声波束的发射和反射波束的接收时间差来计算目标的远近。这种方法适用于测量距离较远的目标，例如广泛使用的倒车雷达。

(5)光电型接近传感器，包括一个光源和感光元件构成的接收器。光源发出的光束经目标物反射(或阻断)后由接收器接受，根据光电感应的强弱来判断物体的接近程度。近年来随着移动式便携设备的功能不断增多，光电型接近传感器逐步开始在手机等移动设备中获得越来越多的使用。例如可以使用接近传感器来判断人在接听电话时手机触摸屏与人脸的接近程度，以关闭触摸功能，防止误动作。

半导体硅基图像传感器(CCD及CMOS)是目前最主要的可见光成像(光电感应)器件。其工作原理与最初的碘化银胶片一样，采用“帧采样”方式完成光强测量：所有像素同步复位后开始收集光电荷，在达到设定曝光时间后读出每个像素所收集的光电荷，并将其转换为电压；该电压经模数转换后变为数字量，输出后存储。所有像素光生电压值组成的二维矩阵即为图像。通常情况下的拍摄帧频为25/30帧/秒，即电荷收集时间(曝光时间)为几十毫秒，最终每个像素的输出值是曝光期间感光量的总和，而此期间中的具体变化过程则无法得知。这种方式类似与我们使用积分来计算图形的面积，面积相同的图形很可能具有不同的形状。“帧采样”图像采集方式的最主要优点一是能够获取场景中每一点的光强值(彩色通常由单色插补得到)，二是像素只被动的进行光电荷收集，电路结构简单，像素尺寸小，空间分辨率高。然而这种采样方式同样存在着一些缺点：一是静止背景重复采样，数据冗余度高，给图像处理和传输存储带来很大压力；二是时间分辨率低，像素无法分辨电荷积分时间内光强内的具体变化，而只测量此期间内的光电荷累积总和，不利于高速运动目标的跟踪与识别。而如果使用高频帧拍摄，则由高帧频带来的海量视觉信号更是无法做到实时处理。

近年来出现了一种模仿生物视觉感知与处理原理、采样超大规模集成电路技术实现的新型光电感知器件—视觉传感器(VS)。其工作原理包括：

(1)、模仿生物视觉的成像机理，VS像素只对场景中的光强变化(称之为ActiveEvent，AE)敏感并采样输出。AE按照性质可分为空间变化(与周边像素比较)和时间变化(自身亮度变化)两类。其中对时间变化敏感的VS称为动态时域视觉传感器(Dynamic VisionSensor，DVS)；