CN110888140B - 测距装置以及测距方法 - Google Patents

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Abstract

测距装置以及测距方法。具体地，所述测距装置包括：光发射部，其被配置成发射光；光接收部，其被配置成接收由所述光发射部发射并被测量对象反射的测量光，所述光接收部包括多个像素，各个像素具有至少一个光接收部并且被配置成输出取决于入射在所述像素上的所述测量光的光接收信号；区分部，其被配置成区分所述像素是否接收到测量光；像素输出控制部，其被配置成根据所述区分部的确定结果单独地选择性地输出各个像素的光接收信号；以及评估部，其被配置成接收由所述像素输出控制部输出的光接收信号并基于这些光接收信号来输出表示所述测量装置与所述测量对象之间的距离的距离信号。

Description

测距装置以及测距方法
技术领域
本发明涉及测距装置，更具体地，涉及包括具有多个像素的光接收部的测距装置，以及使用该测距装置的测量方法。
背景技术
已知各种测距装置，在这些测距装置中，测量光入射在由光接收元件或像素的阵列构成的光接收区域上。这种测距装置例如用作如下距离传感器：该距离传感器对从测距装置发射、由测量对象反射并利用测距装置的光接收区域来接收的光束的飞行时间进行评估。
如果像素不仅接收到测量光而且接收到环境光或杂散光，则这可能影响(falsify)或破坏测距装置对距测量对象的距离进行确定。
JP2014-77658A公开了一种光学测距装置，该光学测距装置包括对照射光进行投射的光源、接收来自对象的反射光并且设置有多个光电二极管(其中各个光电二极管可以独立地关闭)的光接收装置以及将多个光电二极管的输出相加起来的加合装置(additionmeans)。
本发明的一个目的是减轻环境光对测量结果的影响并提高测距装置的准确度。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种测距装置包括：
光发射部，其被配置成发射光；
光接收部，其被配置成接收由光发射部发射并被测量对象反射的测量光，所述光接收部包括多个像素，各个像素具有至少一个光接收部并且被配置成输出取决于入射在该像素上的测量光的光接收信号；
区分部，其被配置成区分像素是否接收到测量光；
像素输出控制部，其被配置成根据区分部的确定结果单独地选择性地输出(转发)各个像素的光接收信号；以及
评估部，其被配置成接收由像素输出控制部输出(转发)的光接收信号，并基于这些光接收信号输出表示测量装置与测量对象之间的距离的距离信号。
光发射部可以发射光作为脉冲。在这种情况下，测量光也可以采用脉冲的形式。具体地，所接收的测量光的脉冲相对于发射光的脉冲在时间上延迟。测量光的飞行时间(其与光从测距装置行进到测量对象并返回所花费的时间相对应)可以根据脉冲的时延来确定。可以基于飞行时间来计算距测量对象的距离作为测量对象的特征。除了距测量对象的距离之外，测量对象的其它属性或特征(例如，其形状、颜色、反射率和/或发光)也可以由测距装置来确定。
由光接收部接收的光不仅可以包括被测量对象反射一次的光，还可以包括被反射多次的光、漫射光、散射光、来自环境的背景光、透过测量对象然后被反射或以其它方式返回到光接收部的光。
这里，“表示距离的距离信号”可以意指包含使得能够指定距离的信息的任何信号。这种信号的示例是表示返回的光束的测量距离或飞行时间(“飞行时间”)的数字信号以及幅度与测量距离或飞行时间成比例的模拟信号。
光接收信号可以表示入射在像素上的光量和/或入射在像素上的光的光强度。像素输出控制部可以被配置成转发区分部确定接收到测量光的那些像素的光接收信号。具体地，像素输出控制部可以被配置成不转发光接收部的所有其它像素(例如，仅接收到环境光或背景噪声、或仅接收到较低信号强度的那些像素)的光接收信号。这增加了信噪比，从而提高了测量准确度。具体地，测量结果未考虑未被转发的光接收信号。
测距装置还可以包括评估部，该评估部被配置成接收由像素输出控制部转发的光接收信号，并基于这些光接收信号来确定测量装置与测量对象之间的距离。评估部可以被配置成输出表示该距离的信号。
评估部可以仅基于由像素输出控制部转发的光接收信号来确定测量装置与测量对象之间的距离。具体地，在确定距测量对象的距离时，仅考虑来自确实接收到测量光的像素的光接收信号。这样，可以以较高的准确度来执行测量，因为忽略了由环境光产生的信号。
区分部可以包括检测部，该检测部用于检测在预定时段内的多个第一预定时间间隔期间以及在预定时段内的多个第二预定时间间隔期间、在连接到区分部的像素(下文还称为“关联像素”)处是否接收到光；以及，例如计数部，该计数部用于对检测部在预定时段内的第一预定时间间隔期间和第二预定时间间隔期间检测到光的接收的次数进行计数；其中，区分部被配置成基于计数部的计数结果来确定各个像素是否接收到测量光。当在第一预定时间间隔或第二预定时间间隔期间在关联像素处检测到至少一个光子或至少预定数量的光子时，检测部可以检测到在第一预定时间间隔或第二预定时间间隔期间接收到光信号。到达像素的环境光可以采用随机散射光子的形式。在仅接收到环境光的像素处，在预定时段期间的任何时间接收到光子的概率基本上是恒定的。也就是说，环境光可以随时间波动或在空间上变化，但是为了距离检测的目的可以被认为是恒定的，只要这种变化基本上不影响距离测量即可。换句话说，所接收的环境光光子的分布在空间上和/或时间上与测量光的分布不同。
具体地，对于恒定、均匀的环境光，在预定时段期间的任何时间接收到光子的概率是恒定的，而仅在预定时间间隔期间接收到测量光，使得在那些时间间隔期间接收到光子的概率不是恒定的。换句话说，接收到的测量光光子的分布不是恒定的。对在预定时段的第一预定时间间隔或第二预定时间间隔期间多久接收到一次光信号进行计数或区分表示了在给定像素处接收到的光的类型，即，是接收到测量光还是仅接收到杂散光。
区分部可以被配置成：如果检测部在预定时段内的第一预定时间间隔期间检测到光的接收的次数(或时间分布)与检测部在预定时段内的第二预定时间间隔期间检测到光的接收的次数(或时间分布)相差至少预定比较阈值，则确定像素接收到测量光。如果像素接收到测量光，则所接收到的光子的分布尤其不恒定(并且与仅接收到环境光的情况不同)。因此，在第一预定时间间隔期间接收到光信号的次数(或时间分布)预期与在第二预定时间间隔期间接收到光信号的次数(或时间分布)显著不同。因此，在第一预定时间间隔期间接收到光信号的次数(或时间分布)与在第二预定时间间隔期间接收到光信号的次数的比较可以提供在该像素处接收到测量光还是仅接收到环境光的表示。
在一些实施方式中，区分部被配置成：如果检测部在预定时段内的第一预定时间间隔期间检测到光的接收的次数的计数小于绝对阈值或自调节阈值，并且如果检测部在预定时段内的第二预定时间间隔期间检测到光的接收的次数的计数大于绝对阈值或自调节阈值，则确定像素接收到测量光，反之亦然。
区分部可以被配置成：如果检测部在预定时段内的第一预定时间间隔期间检测到光的接收的次数的计数与检测部在预定时段内的第二预定时间间隔期间检测到光的接收的次数的计数的差小于预定比较阈值，则确定像素未接收到测量光。
第一预定时间间隔和/或第二预定时间间隔可以是周期性的。由此，可以提高测量精度。此外，第一预定时间间隔的长度可以与第二预定时间间隔的持续时间相同。然而，也可以实现不同的定时或持续时间并且由另一实施方式涵盖。例如，第一预定时间间隔和/或第二预定时间间隔可以是伪随机间隔。
测距装置还可以包括加权部，该加权部用于将第一权重分配给检测部检测到光的接收的各个第一预定时间间隔的计数和/或用于将第二权重分配给检测部在第二预定时间间隔期间检测到光的接收的各个第二预定时间间隔的计数。例如，加权部可以将数字“+1”与检测到光信号的每个第一预定时间间隔相关联，并且将数字“-1”与检测到光信号的每个第二预定时间间隔相关联。数字“0”可以与根本没有检测到光信号的第一预定时间间隔和第二预定时间间隔相关联。然后，通过简单地将这些加权计数相加，可以容易地确定在第一预定时间间隔期间检测到光信号的次数与在第二预定时间间隔期间检测到光信号的次数之间的差。
计数部还可以被配置成对第一预定时间间隔的加权计数进行求和，并且对第二预定时间间隔的加权计数进行求和。第一预定时间间隔的权重和第二预定时间间隔的权重相加的结果使得能够容易地对检测部在第一预定时间间隔期间检测到光的接收的次数与检测部在第二预定时间间隔期间检测到光的接收的次数进行比较，并根据该比较来确定是否接收到测量光。
多个像素输出控制部可以连接到单个评估部。此外，可以为各个像素提供区分部和像素输出控制部。由若干像素输出控制部转发的光接收信号可以被馈送到单个评估部。所有像素输出控制部可以连接到单个评估部。此外，多个像素输出控制部可以连接到单个区分部。
区分部可以接收多个像素中的各个像素的光接收信号。更具体地，多个像素可以连接到同一区分部，以便为区分部提供该多个像素的光接收信号。接收多个像素中的各个像素的光接收信号的区分部也可以连接到单个输出控制部，该单个输出控制部连接到单个评估部。构成像素的光接收部可以是单光子雪崩二极管。
连接到同一区分部的多个像素可以彼此不相邻。非相邻像素可以是具有布置在它们之间的至少一个其它像素的非毗邻像素。具体地，在非相邻像素之间没有不与该非相邻像素之间设置的任何其它像素交叉的直接路径。
一种使用根据本发明的一个方面的测距装置执行测量的测量方法，所述测量方法包括以下步骤：
利用光发射部发射光；
通过光接收部来接收由光发射部发射并被测量对象反射的测量光，光接收部包括多个像素，各个像素具有至少一个光接收部并且被配置成输出光接收信号，该光接收信号取决于入射在该像素上的测量光；
区分(具体地针对各个像素单独地区分)像素是否接收到测量光；
根据针对各个像素单独地确定该像素是否接收到测量光的步骤的确定结果来单独地选择性地输出(转发)各个像素的光接收信号；以及
基于所接收到的光接收信号来输出表示测量装置与测量对象之间的距离的距离信号。
评估部可以被配置成检测来自多个对象的多个光接收信号，以确定对象的布置所依据的形状，和/或确定距相应对象的距离。
本发明的其它可能的实现方式或另选解决方案还包括上文或下文关于实施方式描述的特征的组合(本文未明确提及该组合)。本领域技术人员还可以将单独的或孤立的方面和特征添加到本发明的最基本的形式。
附图说明
根据结合附图的后续说明，本发明的其它实施方式、特征和优点将变得明显，附图中：
图1示出了根据第一实施方式的具有测距装置的光学系统的示例；
图2示出了光接收部的示例；
图3示出了根据第一实施方式的测距装置；
图4示出了根据第二实施方式的测距装置；
图5是例示根据第一实施方式的用于确定距测量对象的距离的测量方法的流程图；
图6示出了根据第三实施方式的测距装置；
图7A示出了随时间的发射光强度的示例；
图7B示出了随时间的接收光强度的示例；
图7C示出了随时间的接收光强度的另一示例；
图7D示出了信号检测处理的示例；
图7E示出了表示来自信号检测处理的结果的示例的表；
图8是例示根据第二实施方式的用于确定距测量对象的距离的测量方法的流程图；
图9示出了用于确定距测量对象的距离的直方图的示例；以及
图10A-图10G示出了根据其它实施方式的测距装置的布局的示例。
附图标记
1 测距装置
2 测量对象
3 光发射部
4 光接收部
5 测量光
6 准直器
7 (会聚)透镜
8 发射的光束
9 光接收面
10 像素
10a-10c 像素
11 区分部
11a-11c 区分部
12 像素输出控制部
12a-12c 像素输出控制部
13、13’ 评估部
14 检测部
15 计数部
17 光脉冲
18 环境光
19 光斑
19a-19d 光斑
20 光学系统
21、22 矩形
27 脉冲
100 测距装置
101 测距装置
tA1-tA6 时间
tB1-tB6 时间
TM1-TM6 第一预定时间间隔
TP1-TP6 第二预定时间间隔
Δc 计数时段
Δd 时移
Δt 时段
DR 区分信号
DRa-DRc 区分信号
RS1、RS2 光接收信号
RS1a-RS1c 光接收信号
RS2a-RS2c 光接收信号
S1-S9 方法步骤
具体实施方式
在附图中，除非另有说明，否则相同的附图标记表示相同或功能等同的要素。
图1示出了包括根据第一实施方式的测距装置1和测量对象2的光学系统20的示例。该实施方式的测距装置1被配置成光电传感器，并且是用于确定距测量对象2的距离的距离确定装置，测量对象2在下文中也称为“对象2”。测距装置1包括光发射部3、光接收部4、准直器6以及会聚透镜7。
光发射部3是以预定频率和预定强度来发射脉冲光的激光源。另选地，脉冲可以以非周期性方式发射和/或脉冲可以不具有恒定幅度。例如，脉冲的幅度和频率可以基于信噪比来自确定。
由光发射部3发射的光在离开测距装置1时经过准直器6。准直器6将光发射部3发射的光形成为基本平行的光束，该光束在下文称为发射光8。
当发射光8到达测量对象2时，该发射光8被测量对象2朝着测距装置1反射回来。由测量对象2反射的发射光形成测量光5。换句话说，通过在测量对象2处反射发射光8来获得测量光5。测量光5通过位于测距装置1的入口处的会聚透镜7被会聚到光接收部4的光斑(spot)19上。光斑19是光接收部4的接收入射测量光5的面。虽然光斑19被示出为圆形，但技术人员应该清楚，它也可以具有不同的形状，例如椭圆形。
取决于对象2距测距装置1有多远，光斑19的尺寸可以改变。这在图2中例示，该图示出了光接收部4的示例。如图2所示，光接收部4形成检测区，该检测区具有按阵列布置的多个像素10。作为示例，该阵列具有七列和七行。光接收部4可以用于检测入射光，特别是入射测量光5。在本示例中，各个像素10具有方形的光接收面9。应注意到，出于例示的原因，在图2中将像素10示出为彼此邻接，但它们通常将不是彼此邻接的，而是稍微间隔开，使得可以将信号线等布置在相邻像素之间。此外，在图2中，像素10以具有多行和多列的图案布置。然而，也可以按不同的几何形状来布置像素，例如按圆形、按径向布置、按不对称布置等。对于下文讨论的附图也是如此。
图2示出了四个光斑19a-19d作为图1所示的光斑19的示例。大致圆形的光斑19a-19d的直径彼此不同。取决于光斑19a-19d的直径，测量光5照射不同数量的像素10。各个光斑19a-19d的直径例如根据对象2(从该对象2处接收测量光5)定位在多远而不同。光斑19a-19d的直径越小，对象2越远离(或者越接近，取决于所述光学系统)测距装置1而定位。在图2的示例中，因此从比产生光斑19c的对象2更近的对象2处获得光斑19d，以此类推。如图2所示，由于视差效应，光斑19a-19d的中心也可能根据对象2的距离而发生偏移。
可以通过分析测量光5的飞行时间来确定距对象2的距离。测量光5的飞行时间与测量光5从测距装置1行进至对象2并返回至测距装置1所花费的时间相对应。通过对光发射部3发射特定光脉冲的时刻与光接收部4接收到该光脉冲的时刻之间的时间差进行测量，可以检测测量光5的飞行时间。下文将参照图7A-图7E更详细地描述这些飞行时间测量。
除了接收由光发射部3发射并被对象2反射回来的测量光5之外，光接收部4还可以接收环境(杂散)光。这种环境光可以由其它光源引起，或者可以是发射光束在其它反射面处的多次反射(回波)的结果。这种环境光的接收影响了由测距装置1执行的距对象2的距离的确定，因此是不希望的。如下文将描述的，测距装置1能够在接收到测量光5的像素与未接收到测量光5但仅接收到环境光的像素之间进行区分。
图3示出了测距装置1的一部分的视图。具体地，图3示出了光接收部4的连接到区分部11的一个像素10、像素输出控制部12和评估部13。区分部11连续地从像素10接收光接收信号RS1，并基于光接收信号RS1来确定像素10是否接收到测量光5。根据光接收信号RS1，区分部11输出表示由像素10接收的光是包括测量光5还是仅包括环境光的区分信号DR(区分结果)。区分信号DR可以是在低电平与高电平之间变化的二进制信号。例如，高电平可以表示由像素10接收的光包括测量光5，低电平可以表示由像素接收的光不包括测量光5而仅包括环境光。
该区分信号DR被发送到像素输出控制部12，该像素输出控制部12根据接收到的区分信号DR启用或禁用像素10的输出。也就是说，如果区分信号DR表示像素10接收到测量光5，则像素输出控制部12启用像素10的输出并将光接收信号RS1作为光接收信号RS2转发到评估部13。换句话说，如果像素10接收到测量光5，则像素输出控制部将光接收信号RS2发送到评估部，其中光接收信号RS2与来自像素10的光接收信号RS1相对应。
相反，如果区分信号DR表示像素10仅接收到环境光，则像素输出控制部12禁用像素10的输出，并且将与光接收信号RS1不等同的光接收信号RS2转发到评估部13。在这种情况下，光接收信号RS2可以是例如恒定的低电平信号。
因此，如果像素10接收到测量光5，则从像素输出控制部12传送到评估部13的光接收信号RS2与来自像素10的光接收信号RS1相对应。另一方面，如果如区分结果DR所表示，像素10没有接收到任何测量光5，则光接收信号RS2是恒定的低电平，等等。
为了启用和禁用像素10的输出，像素输出控制部12可以实现为开关。例如，像素输出控制部12可以是晶体管，例如FET(场效应晶体管)，其中区分信号DR被施加到FET的栅极。像素输出控制部12还可以包括一个或更多个逻辑门。应当注意，像素输出控制部12设置在像素10与评估部13之间。另外，在当前示例中，像素输出控制部12直接连接到像素10。换句话说，在像素10与像素输出控制部12之间不再设置另外的电路元件。
评估部13生成这样的信号：该信号包含与由测距装置1发射并由与该评估部13相关联的像素10接收的光束的飞行时间有关的信息。
在本实施方式中，仅当像素10接收到测量光5时，评估部13才对光接收信号RS进行评估。如果像素10仅接收到环境光，则光接收信号RS被丢弃并且不被考虑用于评估距对象2的距离。
可以为光接收部4的像素10中的各个像素提供具有上述功能的区分部11和像素输出控制部12。换句话说，像素10、区分部11和像素输出控制部12之间可以存在一对一对一的关系。图4示出了具有这种配置的测距装置100。在该测距装置100中，区分部11a-11c以及像素输出控制部12a-12c与光接收部4的像素10a-10c中的各个像素相关联。尽管图4仅示出了具有对应的区分部11a-11c和像素输出控制部12a-12c的三个像素10a-10c，但是应该理解，光接收部4可以包括更多的像素10a-10c，其中各个像素也具有其自己的区分部11a-11c和像素输出控制部12a-12c。在一个优选实施方式中，测距装置100包括按各行8个像素的50行或各行40个像素的10行的阵列布置的400个像素。
与各个像素相关联的区分部11a-11c和像素输出控制部12a-12c的功能，与在图3的视图中描述的区分部11和像素输出控制部12的功能相类似，因此下文将仅简要地进行说明。区分部11a-11c也可以被视为共同构成单个区分部11。像素输出控制部12a-12c也可以被视为共同构成单个像素输出控制部12。
区分部11a基于由像素10a接收的信号RS1a来确定像素10a是否接收到测量光5，并相应地将区分信号DRa发送到像素输出控制部12a。像素输出控制部12a根据区分信号DRa(即，根据像素10a是接收到测量光5还是仅接收到环境光)来启用或禁用像素10a的输出。仅当像素输出控制部12a激活像素10a的输出时，光接收信号RS1a才作为光接收信号RS2a被转发到评估部13a。否则，如果像素10a没有接收到测量光5，则光接收信号RS1a不被发送到评估部13a。
类似地，区分部11b基于由像素10b接收的信号RS1b来确定像素10b是否接收到测量光5，并相应地将区分信号DRb发送到像素输出控制部12b。像素输出控制部12b根据区分信号DRb(即，根据像素10b是接收到测量光5还是仅接收到环境光)来启用或禁用像素10b的输出。仅当像素输出控制部12b激活像素10b的输出时，光接收信号RS1b才作为光接收信号RS2b被转发到评估部13b。否则，如果像素10b没有接收到测量光5，则光接收信号RS1b不被发送到评估部13b。
类似地，区分部11c基于由像素10c接收的信号RS1c来确定像素10c是否接收到测量光5，并相应地将区分信号DRc发送到像素输出控制部12c。像素输出控制部12c根据区分信号DRc(即，根据像素10c是接收到测量光5还是仅接收到环境光)来启用或禁用像素10c的输出。仅当像素输出控制部12c激活像素10c的输出时，光接收信号RS1c才作为光接收信号RS2c被转发到评估部13c。否则，如果像素10c没有接收到测量光5，则光接收信号RS1c不被发送到评估部13c。
基于光接收信号RS2a、RS2b、RS2c，评估部13a、13b和13c分别输出表示距对象2的距离的距离信号。例如，评估部13a、13b、13c可以计算根据光接收信号RS2a、RS2b、RS2c确定的飞行时间值的平均值。另选地，评估部13a、13b、13c可以利用直方图来确定距对象2的距离，如下文进一步说明的。评估部13a、13b、13c可以硬接线在与像素10相同的半导体芯片上，但是也可以利用执行必要计算的CPU来实现评估部13a、13b、13c的功能。
评估的结果(即，距对象2的距离)可以在测距装置100具有的显示器(未示出)上输出。另选地，也可以将距对象2的距离输出到另一处理部(例如控制器、CPU、计算机、另一电子电路等)，或者用于控制另一处理。
仅基于来自接收到测量光5的像素10a-10c的信号来确定距对象2的距离。在确定距对象2的距离时，不考虑来自仅入射有环境光的像素10a-10c的信号。因此，以较高的精度确定距对象2的距离。
在根据该实施方式的测距装置100中，各个像素10a-10c具有与其相关联的其自己的评估部13a、13b、13c。测距装置100不包括任何组合器或多路复用器，从而简化了测距装置100的结构。在另选实施方式中，来自相应像素10a-10c的、由相应像素输出控制部12a-12c转发的信号也可以使用组合器或多路复用器(未示出)来组合。组合器或多路复用器的使用可以是有利的，因为来自若干像素10的光接收信号RS1可以经由组合器或多路复用器被转发到单个区分部11。由此可以减小测距装置100的尺寸。
图5是例示使用测距装置1或100来确定距测量对象2的距离的测量方法的流程图。
在步骤S1中，测距装置1、100使用光发射部3发射光8。在步骤S2中，测距装置1、100的光接收部4接收从对象2反射的测量光5。
在步骤S3中，区分部11、11a-11c针对各个像素10、10a-10c确定接收到的光是否是测量光5，并相应地生成区分信号DR、DRa-DRc。如果在步骤S3中确定由像素10、10a-10c接收的光是测量光5，则在步骤S4中，像素输出控制部12启用将像素10、10a-10c的光接收信号RS1作为光接收信号RS2来输出，并将该输出转发到评估部13。然后，在步骤S5中，评估部13、13a-13c基于光接收信号RS2来确定距对象2的距离。
另选地，如果在步骤S3中确定由像素10、10a-10c接收的光不是测量光5(即，当它是环境光或噪声时)，则在步骤S6中，像素输出控制部12禁用像素10、10a-10c的输出，并且不将光接收信号RS1作为光接收信号RS2来转发。应当注意，“启用输出”和“禁用输出”可以分别与接通或断开像素输出控制部12的开关相对应。
图6示出了根据第二实施方式的测距装置101。在该实施方式的测距装置101中，区分部11包括检测部14和计数部15。检测部14和计数部15有助于确定由关联像素10接收的光是测量光5还是环境光。下文将参照图7A-图7E和图8更详细地说明检测部14和计数部15的功能。
图7A示出了由光发射部3发射的光的强度随时间的示例。如图7A所示，光发射部3按规则的间隔向对象2发射光8。即，在预定时段ΔT期间，在时刻tA1、tA2、tA3、tA4、tA5和tA6发射光的光脉冲17，这些时刻彼此隔开时间间隔Δt。时间间隔Δt可以是固定的，但不限于此。
图7B示出了由光接收部4的接收测量光5的像素10接收的光的、作为时间的函数的光强度。由像素10接收的光具有两个分量：基本上与背景噪声相对应的环境光分量18以及叠加在环境光18上的测量光5。测量光5的强度远大于环境光18的强度。
环境光18是到达像素10的光子的随机分布。测量光5作为由间隔开发射脉冲的相同的固定时间间隔Δt隔开的脉冲27被接收。在时刻tB1、tB2、tB3、tB4、tB5和tB6接收测量光5的脉冲27，这些时刻与时刻tA1、tA2、tA3、tA4、tA5和tA6相比分别偏移了时移Δd。时移Δd是因为由光发射部3发射的光8行进到对象2并返回到测距装置101所花费的时间加上由于例如电子元件、布线等引起的任何其它时延而造成的。时移Δd作为距对象2的距离的函数(飞行时间)而变化，并且可以被评估以确定距对象2的距离。在图7B中，时移Δd不一定按与时间间隔Δt相同的比例来描绘。
图7C示出了由光接收部4的不接收测量光5的像素10接收的光的光强度。这种像素10接收到的光信号仅包括环境光18和噪声，其特征在于到达像素10的光子的随机分布。
图7D示出了使用计数部15执行的计数处理的示例。检测部14和计数部15有助于确定由关联像素10接收的光是测量光5还是环境光18。为此目的。检测部14确定在多个第一预定时间间隔TM1-TM6和多个第二预定时间间隔TP1-TP6期间，是否在对应像素10处接收到光。
第一预定时间间隔TM1-TM6被设定成使得它们包括脉冲测量光5入射到测距装置101上的时刻tB1、tB2......，第二预定时间间隔TP1-TP6被设定成使得它们不包括这些时刻tB1、tB2......。例如，第一预定时间间隔TM1-TM6可以被设定成在测距装置101发射脉冲光8的时刻开始，并且在足够长以使得从对象2反射的测量光5被包括在时间间隔中的时间处停止。第一预定时间间隔TM1-TM6的长度等于第二预定时间间隔TP1-TP6的长度，并且可以是几纳秒(例如5纳秒至500纳秒)，这取决于测距装置101的量程。此外，这个长度可能是变化的。例如，可以由用户手动调节该时段的长度，或者可以根据环境光的亮度或要测量的期望距离范围来自动调节该时段的长度。因此，可以将感测条件调节为环境光条件，从而更进一步提高精度。
在该示例中，各个像素10由一个单光子检测器(例如，单光子雪崩二极管(SPAD))构成，该单光子检测器使得能够检测入射在像素10上的单个光子。即，每次光子入射在像素10上，该像素生成由检测部14检测的SPAD电流。
在受到特定统计分布的影响的离散事件中，光子入射在像素10上。相应地，在给定时间间隔T期间，可能存在入射在像素10上的零个、一个或更多个光子。检测部14被配置成：如果在给定时间间隔T期间有最小数量n的光子入射在像素上，则该检测部14确定像素10在该间隔T期间已接收到光。例如，该最小数量n可以是1，但也可以是更大的数量。
图7E示出了表示检测部14的检测结果的表。即，该表示出了针对第一预定时间间隔TM1-TM6和第二预定时间间隔TP1-TP6中的各个预定时间间隔，是否接收到光(即，是否已接收到最小数量n的光子)。在图7E中，“+1”表示在像素10处接收到光的第一预定时间间隔TM1-TM6，“-1”表示在像素10处接收到光的第二预定时间间隔TP1-TP6，“0”表示在像素10处没有接收到信号。
将数字“+1”分配给在像素10处接收到信号的第一预定时间间隔TM1-TM6与将第一权重(即“+1”)分配给所述第一预定时间间隔TM1-TM6相对应。将数字“-1”分配给在像素10处接收到信号的第二预定时间间隔TP1-TP6与将第二权重(即“-1”)分配给所述第二预定时间间隔TP1-TP6相对应。该加权可以通过加权部(未示出)来执行。如果在间隔T期间，像素10没有接收到光子，则为其分配权重“0”。
在图7E中，第一行(“光斑内”)包括当对应像素10在光斑19的内部并且被包括测量光5的光照射时(如图7B所示)来自检测部14的结果的示例，而第二行(“光斑外”)包括当对应像素10在光斑19的外部并且被仅包括环境光18的光照射时(如图7C所示)来自检测部14的结果的示例。
仅接收到环境光18的像素10由光子随机地照射。因此，当检测部14在足够长的时间间隔ΔT内在第一预定时间间隔TM1-TM6和第二预定时间间隔TP1-TP6测量光的存在时，在统计上，检测部14在第一预定时间间隔TM1-TM6检测到光的次数应该或多或少地等于它在第二预定时间间隔TP1-TP6检测到光的次数。
相反，接收测量光5的像素10可靠地接收到测量信号5，使得总体上，区分部11在第一预定时间间隔TM1-TM6检测到光的次数大于它在第二预定时间间隔TP1-TP6检测到光的次数。应当注意，由于光作为光子入射在像素10上是随机过程，因此即使像素10在光斑19内部并因此经受测量光5，也不一定在所有时间间隔TM1-TM6期间检测到光。针对时段TM3给出了这样的示例，在该时段期间，在测量光5的光斑内部没有检测到光。然而，一般而言，相比于在时间间隔TP1-TP6期间，在时间间隔TM1-TM6期间在测量光5的光斑内部检测到光的概率大得多。
计数部15对检测部14在第一预定时间间隔TM1-TM6检测到信号的次数以及检测部14在第二预定时间间隔TP1-TP6检测到信号的次数进行计数，并比较这些次数。当该比较的结果等于或大于预定的比较阈值，例如大于或等于+2时，检测部14确定由像素10接收的信号包括测量光5。否则，如果该比较的结果小于预定的比较阈值，则检测部14确定由像素10接收的信号仅包括环境光18。像素输出控制部12相应地启用或禁用像素10的输出，如上文所述。该计算与对图7E的表的各行中的加权计数进行求和(积分)相对应。例如，针对被标记为“光斑内”的行，总和为+2，其等于比较阈值，使得区分部11认为像素10在光斑内部，并将对应的区分结果信号DR发送到像素输出控制部12。
本实施方式的优点在于，在实际测量期间可以继续在接收到测量光5的像素10与未接收到测量光的像素10之间进行区分。也就是说，区分部11可以被配置成持续地监测像素10，使得测量结果的计算仅考虑来自实际接收到测量光5的那些像素的信号。在本实施方式中，对六个光脉冲的接收进行监测，但不用说，光脉冲(其接收被监测)的数量也可以大于或小于六个。在一个可能的实施方式中，总是基于在预定时段ΔT(例如1微秒)期间发射的最后m个(例如6个)光脉冲来执行上述区分。像素10的输出的这种动态转发优于如下布置：在该布置中，首先确定哪些像素在光斑的内部，然后例如通过中断供给该光斑外部的像素的电压来关闭这些像素。
图8是例示根据第二实施方式的、确定距测量对象的距离的测量方法的流程图。图8的方法可以由根据第三实施方式的测距装置101来实现。
在下文中，将仅描述根据第一实施方式的方法(图5)与第二实施方式之间的差异。在第二实施方式中，步骤S3包括步骤S7、S8和S9。在步骤S7中，检测部11在第一预定时间间隔TM1-TM6和第二预定时间间隔TP1-TP6检测像素10处的信号。在步骤S8中，计数部15对在时间ΔT期间检测部14在第一预定时间间隔TM1-TM6检测到信号的次数以及检测部14在第二预定时间间隔TP1-TP6检测到信号的次数进行计数。
在步骤S9中，比较在时间ΔT期间检测部14在第一预定时间间隔TM1-TM6检测到信号的次数以及检测部14在第二预定时间间隔TP1-TP6检测到信号的次数，并将该比较的结果与比较阈值进行比较。如果比较结果大于或等于比较阈值，则在步骤S4中启用像素10的输出。否则，在步骤S6中禁用该输出，并且针对整个时间ΔT，重复步骤S1、S2、S7、S8和S9。
在步骤S5中由评估部13评估了像素10的输出之后，或者在步骤S6中禁用了像素10的输出之后，处理返回到步骤S1。
图9示出了在步骤S5中由评估部13生成并使得能够确定测量光5的行进时间td的直方图。通过对测量特定飞行时间所针对的像素的数量进行计数来生成该直方图，并且该直方图与所确定的飞行时间的分布相对应。将直方图的飞行时间的平均值确定为行进时间td，并且从该行进时间td得到距对象2的距离。还可以在不使用直方图的情况下估计距离，例如通过使用上述取平均的操作。
图10A至图10G示出了测距装置1、100、101的另选布局。图10A的布局与图4所示的布局相对应，其中，各个像素10a-10c具有与其相关联的其自己的区分部11a-11c、其自己的像素输出控制部12a-12c以及其自己的评估部13a-13c。
图10B中的布局与图10A中的布局的不同之处在于，三个像素10a-10c共享单个区分部11。使用单个区分部11可以是有利的，因为需要较少的部件，从而带来较少空间消耗和电力消耗的测距装置1、100、101。
图10C中的布局与图10A中的布局的不同之处在于，三个像素10a-10c共享像素输出控制部12。使用单个像素输出控制部12可以是有利的，因为需要较少的部件，从而带来较少空间消耗和电力消耗的测距装置1、100、101。
图10D中的布局与图10A中的布局的不同之处在于，三个像素10a-10c共享单个评估部13。使用单个评估部13可以是有利的，因为需要较少的部件，从而带来较少空间消耗和电力消耗的测距装置1、100、101。
图10E中的布局与图10B和图10D的布局的混合相对应，在图10E的布局中，各个像素10a-10c连接到自己的像素输出控制部12a-12c，但是针对多个(或所有)像素10a-10c，仅提供单个区分部11和单个评估部13。
图10F中的布局与图10C和图10D的布局的混合相对应，在图10F的布局中，各个像素10a-10c具有其自己的区分部11a-11c，但是在图10F的布局中，像素10a-10c共享单个像素输出控制部12和单个评估部13。
在图10G的布局中，像素10a-10c共享单个区分部11、单个像素输出控制部12和单个评估部13。
尽管已经根据优选实施方式描述了本发明，但是对于本领域技术人员显而易见的是，在所有实施方式中都可以进行修改。例如，可以增加或减少光接收元件4的像素10的数量。代替确定比较结果，计数部可以随时间对接收到的光信号进行积分，例如在模拟光电传感器的情况下，提供与输入的检测光(例如APD、CCD......)成比例的电信号，而不仅仅是如在SPAD和相关感测电路的情况下的数字脉冲。

Claims (15)

1.一种测距装置(1、100)，所述测距装置包括：
光发射部(3)，其被配置成发射光；
光接收部(4)，其被配置成接收由所述光发射部(3)发射并被测量对象(2)反射的测量光(5)，所述光接收部(4)包括多个像素(10)，各个像素具有至少一个光接收部并且被配置成输出光接收信号(RS1)，所述光接收信号(RS1)取决于入射在所述像素(10)上的所述测量光(5)；
区分部(11)，其被配置成区分所述像素(10)是否接收到测量光(5)；
像素输出控制部(12)，其被配置成根据所述区分部(11)的区分结果来单独地选择性地输出各个像素(10)的光接收信号(RS2)；以及
评估部(13)，其被配置成接收由所述像素输出控制部(12)输出的所述光接收信号(RS2)，并基于这些光接收信号(RS2)来输出表示所述测距装置(1、100)与所述测量对象(2)之间的距离的距离信号，
其中，所述区分部(11)包括：
检测部(14)，其用于检测在预定时段(ΔT)内的多个第一预定时间间隔(TM1-TM6)期间以及在所述预定时段(ΔT)内的多个第二预定时间间隔(TP1-TP6)期间、在连接到所述区分部(11)的像素(10)处是否接收到光；以及
计数部(15)，其用于对所述检测部(14)在所述预定时段(ΔT)内的所述第一预定时间间隔(TM1-TM6)期间和所述第二预定时间间隔(TP1-TP6)期间检测到光的接收的次数进行计数；其中
所述区分部(11)被配置成基于所述计数部(15)的计数结果来确定各个像素(10)是否接收到测量光(5)。
2.根据权利要求1所述的测距装置(1、100)，其中，所述像素输出控制部(12)被配置成输出所述区分部(11)确定接收到测量光(5)的那些像素(10)的光接收信号(RS2)。
3.根据权利要求1所述的测距装置(1、100)，其中，所述区分部(11)被配置成：如果所述检测部(14)在所述预定时段(ΔT)内的所述第一预定时间间隔(TM1-TM6)期间检测到光的接收的次数的计数与所述检测部(14)在所述预定时段(ΔT)内的所述第二预定时间间隔(TP1-TP6)期间检测到光的接收的次数的计数相差至少预定比较阈值，则确定像素(10)接收到测量光(5)。
4.根据权利要求1所述的测距装置(1、100)，其中，所述区分部(11)被配置成：如果所述检测部(14)在所述预定时段(ΔT)内的所述第一预定时间间隔(TM1-TM6)期间检测到光的接收的次数的计数与所述检测部(14)在所述预定时段(ΔT)内的所述第二预定时间间隔(TP1-TP6)期间检测到光的接收的次数的计数相差小于预定比较阈值，则确定像素(10)未接收到测量光(5)。
5.根据权利要求1所述的测距装置(1、100)，其中，所述区分部(11)被配置成：如果所述检测部(14)在所述预定时段(ΔT)内的所述第一预定时间间隔(TM1-TM6)期间检测到光的接收的次数小于绝对阈值或自调节阈值，并且如果所述检测部(14)在所述预定时段(ΔT)内的所述第二预定时间间隔(TP1-TP6)期间检测到光的接收的次数大于所述绝对阈值或自调节阈值，则确定像素(10)接收到测量光(5)。
6.根据权利要求1所述的测距装置(1、100)，其中，所述第一预定时间间隔(TM1-TM6)和/或所述第二预定时间间隔(TP1-TP6)是周期性的时间间隔或伪随机的时间间隔。
7.根据权利要求1所述的测距装置(1、100)，所述测距装置(1、100)还包括加权部，所述加权部用于将第一权重分配给所述检测部(14)检测到光的接收的各个第一预定时间间隔(TM1-TM6)的计数，和/或用于将第二权重分配给所述检测部(14)检测到光的接收的各个第二预定时间间隔(TP1-TP6)的计数。
8.根据权利要求7所述的测距装置(1、100)，其中，所述计数部(15)还被配置成：对所述第一预定时间间隔(TM1-TM6)的加权计数进行求和，并且对所述第二预定时间间隔(TP1-TP6)的加权计数进行求和。
9.根据权利要求1或2所述的测距装置(1、100)，其中，多个像素输出控制部(12)连接到单个评估部(13)。
10.根据权利要求9所述的测距装置(1、100)，其中，所述多个像素输出控制部(12)连接到单个区分部(11)。
11.根据权利要求1或2所述的测距装置(1、100)，其中，针对所述多个像素(10)中的各个像素设置区分部(11)。
12.根据权利要求1或2所述的测距装置(1、100)，其中，所述区分部(11)接收多个像素(10)中的各个像素的所述光接收信号(RS1)。
13.根据权利要求12所述的测距装置(1、100)，其中，连接到同一区分部(11)的所述多个像素(10)彼此不相邻。
14.根据权利要求1或2所述的测距装置(1、100)，其中，构成所述像素(10)的所述光接收部是单光子雪崩二极管。
15.一种使用根据权利要求1至14中任一项所述的测距装置(1、100)来执行测量的测距方法，所述方法包括以下步骤：
利用所述光发射部(3)发射光；
通过所述光接收部来接收由所述光发射部(3)发射并被所述测量对象(2)反射的测量光，所述光接收部包括多个像素(10)，各个像素具有至少一个光接收部并被配置成输出光接收信号(RS1)，所述光接收信号(RS1)取决于入射在所述像素(10)上的所述测量光(5)；
区分所述像素(10)是否接收到测量光(5)；
根据针对各个像素(10)单独地确定该像素(10)是否接收到测量光(5)的步骤的区分结果，来单独地选择性地输出各个像素(10)的光接收信号(RS2)；以及
基于所接收到的光接收信号(RS2)来输出表示所述测距装置与所述测量对象(2)之间的距离的距离信号。
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