CN109309794B - 一种检测距离的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种检测距离的方法，包括发射光脉冲，从第一曝光开始时间到第一曝光结束时间，在第一检测器处接收反射的光脉冲，生成第一检测器信号，从第n曝光开始时间到第n曝光结束时间，在第n检测器处接收反射的光脉冲，生成第n检测器信号，其中第一曝光开始时间开始于第n曝光开始时间之前，并且第1曝光结束时间结束于第n曝光结束时间之前，并且所述第一曝光持续时间与所述第n曝光持续时间部分重叠，并且基于所述第一检测器信号和所述第n检测器信号确定物体的距离。

Description

一种检测距离的方法
技术领域
本公开涉及一种使用图像传感器上的偏移快门来测量距离的方法。
背景技术
由于图像传感器中的多个像素可以同时收集光，全局快门图像传感器可以用于检测物体的运动。该优点可以用于检测从物体反射的很短的红外光脉冲，以便检测装置和物体之间的距离。光的速度使得在汽车市场中，门控互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器仅有几十皮秒的曝光时间来捕获可以使用的反射的远红外(IR)光。该皮秒曝光时间使传感器设计和生产复杂化，并且由于光子捕获时间短而限制了灵敏度。
因此，已经公开了一种更具有成本效益和更有效的距离检测方法。
发明内容
在一个实施例中，一种检测距离的方法，包括发射光脉冲，所述光脉冲具有脉冲开始时间和脉冲结束时间，在第一检测器处接收反射的光脉冲，其中该光脉冲是在第一检测器处，从第一曝光开始时间到第一曝光结束时间被检测，并且其具有第一曝光持续时间，基于第一检测器对该反射的光脉冲的第一响应生成第一检测器信号，在第n检测器处接收该反射的光脉冲，其中该光脉冲是在第n检测器处，从第n曝光开始时间到第n曝光结束时间被检测，并且其具有第n曝光持续时间，基于第n检测器对该反射的光脉冲的第n响应生成第n检测器信号，其中所述第一曝光开始时间开始于所述第n曝光开始时间之前，并且所述第一曝光结束时间结束于所述第n曝光结束时间之前，并且所述第一曝光持续时间与所述第n曝光持续时间部分重叠，并且基于所述第一检测器信号和所述第n检测器信号确定物体的距离。
在另一个实施例中，一种检测距离的方法，包括发射光脉冲，所述光脉冲具有脉冲开始时间和脉冲结束时间，在第一检测器处接收反射的光脉冲，其中该光脉冲是在第一检测器处，从第一曝光开始时间到第一曝光结束时间被检测，并且其具有第一曝光持续时间，基于第一检测器对该反射的光脉冲的第一响应生成第一检测信号，在第m检测器处接收该反射的光脉冲，其中该光脉冲是在第m检测器处，从第m曝光开始时间到第m曝光结束时间被检测，并且其具有第m曝光持续时间，基于第m检测器对该反射的光脉冲的第m响应生成第m检测器信号，其中所述第一曝光开始时间开始于所述第m曝光开始时间之后，并且所述第一曝光结束时间结束于所述第m曝光结束时间之前，并且所述第一曝光持续时间在所述第m曝光持续时间内，并且基于所述第一检测器信号和所述第m检测器信号确定物体的距离。
在又一个实施例中，一种检测距离的方法，包括发射光脉冲，所述光脉冲具有脉冲开始时间和脉冲结束时间，在第一检测器处接收反射的光脉冲，其中该光脉冲是在第一检测器处，从第一曝光开始时间到第一曝光结束时间被检测，并且其具有第一曝光持续时间，基于第一检测器对该反射的光脉冲的第一响应生成第一检测信号，在第n检测器处接收该反射的光脉冲，其中该光脉冲是在第n检测器处，从第n曝光开始时间到第n曝光结束时间被检测，并且其具有第n曝光持续时间，基于第n检测器对该反射的光脉冲的第n响应生成第n检测器信号，在第m检测器处接收该反射的光脉冲，其中该光脉冲是在第m检测器处，从第m曝光开始时间到第m曝光结束时间被检测，并且其具有第m曝光持续时间，基于第m检测器对该反射的光脉冲的第m响应生成第m检测器信号，其中所述第n曝光开始时间开始于所述第一曝光开始时间之后，并且所述第m曝光开始时间开始于所述第一曝光开始时间之前，并且所述第n曝光结束时间和所述第m曝光结束时间结束于所述第一曝光结束时间之后，并且所述第一曝光持续时间与所述第n曝光持续时间部分重叠，并且所述第一曝光持续时间在所述第m曝光持续时间内，并且基于所述第一检测器信号、所述第n检测器信号和所述第m 检测器信号确定物体的距离。
附图说明
图1是光脉冲反射和单个快门采样的描述。
图2是根据示例实施例的反射的光脉冲的重叠顺序采样的描述。
图3是根据示例实施例的反射的光脉冲的重叠嵌套采样的描述。
图4是根据示例实施例的反射的光脉冲的重叠混合采样的描述。
图5是根据示例实施例的第一和第n分立传感器的描述。
图6是根据示例实施例的第一和第m分立传感器的描述。
图7是根据示例实施例的第一、第n、和第m分立传感器的描述。
图8是根据示例实施例的第一和第n复合传感器的描述。
图9是根据示例实施例的第一和第m复合传感器的描述。
图10是根据示例实施例的第一、第n、和第m复合传感器的描述。
具体实施方式
可以容易地理解，如本文附图中一般描述和图示的本申请的部件，可以以多种多样的配置来布置和设计。因此，以下对附图中所示的方法的示例的详细说明，并不旨在限制所要求保护的本申请的范围，而仅仅是代表本申请的所选择的示例。
贯穿本说明书描述的特征、结构或特性可以在一个或多个示例中以合适的方式组合。例如，贯穿本说明书的短语示例、示例、一些示例或其他类似语言的使用，指的事实是结合示例描述的特定的特征、结构或特性可包括在本申请的至少一个示例中。因此，贯穿该说明书中的，在一些示例中、在另一个示例中或其他类似语言中出现的短语示例、示例，不一定是指同一组示例，并且所描述的特征、结构或特性可以在一个或多个示例中以合适的方式组合。
可以利用全局快门图像传感器对红外光束的反射来计算与传感器的距离，而不管何种脉冲图案。例如，红外(IR)光源可以被放置在第一端，并且全局快门图像传感器被放置在第二端。光速为299,792,458米/秒。红外光的开始发射和全局快门传感器的开始曝光可以被对准用于同时触发。如果全局快门传感器的曝光持续时间是66.7ns并且接收图案与光源的发射图案匹配，那么红外光束已经行进了大约20米。曝光持续时间是快门开启的时间与快门关闭的时间之间的差。还应注意，发射的光可以被图案化以将其与各种其他IR信号区分开。
299,792,458÷1000,000×0.0667＝19.996米
如果光源和图像传感器被放在同一端，则传感器接收被物体反射的光的图案。那么传感器和物体之间的计算距离约为10米。
19.996÷2＝9.998米
如果假设汽车以200km/hr的速度向检测器移动，该检测器配备有以每秒120帧触发的全局快门传感器。当检测器收集红外图案的一个图像帧时，汽车已经移动了0.46米。因此，该装置可以在该车从其原始位置移动超过10米之前发射和收集21个样本。如果曝光时间和光源脉冲持续时间都保持在66.7ns，并且红外光的开始发射的时刻是在传感器开始收集光的时刻之前1us，当图像与光源图案匹配时，该汽车与检测器之间的距离是：
299,792,458÷1,000,000÷2＝149.896米
根据发射光源和捕获匹配的图像之间的时间差计算距离。如果使用更快的帧速率，则可以收集更多样本以增强图像图案的搜索。传感器的曝光时间越短，精度越高。在一个示例中，具有100MHz系统时钟的传感器设计可以支持10ns的曝光时间以用于±3米的精度。
短曝光时间限制了传感器的灵敏度，当它们降低时，图像的信噪比(SNR)增加，这可能导致准确性问题。本公开描绘了可以在不缩短曝光时间的情况下提高准确性的多种配置。
图1描绘了从物体反射的光脉冲120。反射的光脉冲120具有上升沿130和下降沿140。光接收器具有在时间X开始并在时间Y结束的快门曝光。在一个实例中，快门曝光开始142 在经过反射的光脉冲的下降沿后开始，并且曝光结束144也在反射光脉冲下降沿之后结束。在另一个例子中，快门曝光开始146在脉冲上升沿之前开始，并且曝光结束148在脉冲下降沿之后结束。在另一个实例中，快门曝光开始150在脉冲上升沿之前开始，并且曝光结束152 在脉冲上升沿的开始处结束。脉冲本身可以被图案化，使得它可以与杂散光脉冲被正确区分。而且，明显地，脉冲和快门的并发可能根本不会发生，或者可能是微不足道的。
建议使用其曝光开始时间可能会以各种方式触发的多个传感器。使用外部信号在时域中展开(spread out)传感器的曝光时间以从多个传感器收集多个图像，可以增加图案样本。在这些传感器之间叠加曝光时段可以提高精度。
在一个示例中，两个传感器以相同的帧速率和相同的曝光时间配置，并且第二传感器在第一传感器曝光之后的半途开始曝光。如果在第一传感器上找到匹配图案,但在第二个传感器上没有找到匹配图案，则在第一传感器曝光的前半部分接收脉冲，并且精度被提高四倍。如果两个传感器都捕获图案，则在两次曝光的重叠处截取脉冲，并且精度被再次提高四倍。通过计算这两个图像之间的图案密度差来确定反射的脉冲的位置。
图2描绘了如图1中所反射的相同的光脉冲。在该示例中，N个重叠快门曝光捕获光脉冲120的多个部分。第一快门曝光在时间A 210开始并在时间B 220结束。光脉冲的一部分已被该第一传感器捕获。第n快门曝光在时间C 230开始并在时间D 240结束。光脉冲的另一部分已被该第n传感器捕获。如果测量第一和第n传感器的光强度，则可以从时间角度确定脉冲的中心，并确定近似距离。如果第n快门曝光持续时间与第一快门曝光持续时间相同，并且偏移快门曝光持续时间的1/2，则测量距离的精度可以被提高到四倍。
通过该方法结合的传感器越多，以进一步划分曝光重叠周期，可以进一步提高精度。另外，两个传感器的曝光时间可能不同。例如，第一传感器可以具有30ns的曝光时间，第二传感器可以具有60ns的曝光时间，并且在第一脉冲之前10ns开始曝光和第一脉冲之后20ns结束曝光。只要确定图像是在非重叠曝光时段期间发生的，就可以通过密度差的适当图像处理来提高精度。
图3描绘了如图1中所反射的相同的光脉冲。在该示例中，M嵌套快门曝光捕获光脉冲 120的多个部分。第一快门曝光在时间A 210开始并在时间B 220结束。一部分光脉冲已被该第一传感器捕获。第m快门曝光在时间A 210之前的时间E 310开始，并且经过B 220延伸到时间F 320。以这种方式，可以利用第一传感器和第m传感器的光强度确定物体的距离。
图4描绘了一种混合方法，引用了如图1中所反射的相同的光脉冲。第一快门曝光在时间A 210开始并在时间B 220结束。光脉冲已被该第一传感器捕获。第n快门曝光在时间C 230开始并在时间D 240结束。光脉冲的另一部分已被该第n传感器捕获。第m快门曝光在时间E 310开始，该时间在时间A 210之前并且经过B 220延伸到时间F 320。在该示例中，偏移和嵌套曝光都可以用于确定物体的距离。
图5描绘了两个传感器的示例，第一传感器510和第N传感器520以平面配置来布置。该传感器配置也可以用于图2中所示的示例。传感器可以是共面的以测量延伸的距离或以非共面方位来区分近场物体。
图6描绘了另外两个传感器的示例，第一传感器510和第m传感器610以平面配置来布置。该传感器配置也可以用于图3中所示的示例。传感器可以是共面的以测量延伸的距离或以非共面方位来区分近场物体。
图7描绘了三个传感器的示例，第一传感器510、第n传感器520和第m传感器610以平面配置来布置。该传感器配置也可以用于图1中所示的示例。传感器可以是共面的以测量延伸的距离或以非共面方位来区分近场物体。
如果传感器具有多个曝光控制电路，例如高动态范围(HDR)传感器，则所描述的多种传感器配置方法可以用在单个传感器中。HDR传感器可以将其阵列分成几个子阵列，并且每个子阵列具有曝光控制电路以展开重叠曝光时段。
图8描绘了具有多个子阵列的单个传感器的第一示例，第一传感器是810并且以X和/或 Y方向偏移到第n传感器820。该传感器配置也可以用于图2中所示的示例。
图9描绘了具有多个子阵列的单个传感器的第二示例，第一传感器是810并且以X和/或 Y方向偏移到第m传感器910。该传感器配置也可以用于图3中所示的示例。
图10描绘了具有多个子阵列的单个传感器的第三示例，第一传感器是810并且以X和/ 或Y方向偏移到第n传感器820和第m传感器910。该传感器配置也可以用于图4中所示的示例。
这些传感器之间的视角差异也可用于检测深度信息以映射近场距离。该示例的合适应用是当物体靠近检测器并且由于帧速率限制时，可能无法收集多个图案样本。在这种情况下，使用视角差可以增加距离测量的准确性。
目前市场上有几种类型的传感器，它们在一个传感器内同时具有可见光和红外光感测能力像素，例如红色、蓝色、绿色、红外(RGBIR)传感器。可以在同一图像帧中捕获可见光信息和IR光信息。这种类型的传感器可用于计算可见光和IR光中的视角差异。
因此，使用具有可见光和IR光感测能力的单个或多个全局快门传感器可以用于检测距离。在相同的捕获图像内，可见图像和IR图像中的视角差异可用于计算近场物体的距离。这些传感器的曝光时间可以被布置为具有重叠时段。IR光行进时间差可以用于检测远场物体的距离，并且可以在IR图像图案搜索中参考远物体的可见光信息。
尽管已经在附图中示出，并且在前面的详细描述中描述了本公开的方法的示例性的例子，但是应该理解，本申请不限于所公开的示例，并且在不脱离由下面权利要求阐述和定义的本公开的精神或范围的情况下，能够进行多次重新布置、修改和替换。
以上示例是出于说明性目的，并且不旨在限制本公开的范围或将本文描述的特征适配于特定部件。本领域技术人员还将理解，可以在不脱离本公开的范围和精神的情况下，配置上述优选示例的各种改编和修改。因此，应该理解，在所附权利要求的范围内，本公开可以通过除具体描述的那些之外的实例来实践。

Claims (6)

1.一种检测距离的方法，包括：
发射光脉冲，所述光脉冲具有脉冲开始时间和脉冲结束时间；
在第一检测器处接收反射的光脉冲，其中该光脉冲是在所述第一检测器处，从第一曝光开始时间到第一曝光结束时间被检测，并且其具有第一曝光持续时间；
基于所述第一检测器对所述反射的光脉冲的第一响应生成第一检测器信号；
在第n检测器处接收所述反射的光脉冲，其中该光脉冲是在第n检测器处，从第n曝光开始时间到第n曝光结束时间被检测，并且其具有第n曝光持续时间；
基于所述第n检测器对所述反射的光脉冲的第n响应生成第n检测器信号；
在第m检测器处接收所述反射的光脉冲，其中该光脉冲是在所述第m检测器处，从第m曝光开始时间到第m曝光结束时间被检测，并且其具有第m曝光持续时间；
基于所述第m检测器对所述反射的光脉冲的第m响应生成第m检测器信号；
其中所述第n曝光开始时间开始于所述第一曝光开始时间之后，并且所述第m曝光开始时间开始于所述第一曝光开始时间之前，并且所述第n曝光结束时间和所述第m曝光结束时间结束于所述第一曝光结束时间之后，并且所述第一曝光持续时间与所述第n曝光持续时间部分重叠，并且所述第一曝光持续时间在所述第m曝光持续时间内；和
基于所述第一检测器信号、所述第n检测器信号和所述第m检测器信号确定物体的距离。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定物体的距离是基于所述第一检测器信号的强度、所述第n检测器信号的强度和所述第m检测器信号的强度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一曝光持续时间等于所述第n曝光持续时间。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一曝光持续时间长于所述第n曝光持续时间。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一曝光持续时间短于所述第n曝光持续时间。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一检测器、所述第n检测器和所述第m检测器是分立的。
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