CN111090100A - 飞行时间测距装置以及飞行时间测距方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种飞行时间测距装置以及飞行时间测距方法。飞行时间测距装置包括信号处理器、偏极化光发射器以及光传感器。偏极化光发射器发射偏极化的脉冲光至感测目标。光传感器感测感测目标，以输出第一感测信号以及第二感测信号。第一感测信号包括脉冲信号以及第一背景噪音信号。第二感测信号包括第二背景噪音信号。信号处理器对第一感测信号以及第二感测信号执行信号强度相减运算，以取得脉冲信号。信号处理器依据发射脉冲光与感测到脉冲信号之间的时间差，来准确地决定飞行时间测距装置与感测目标之间的距离。

Description

飞行时间测距装置以及飞行时间测距方法
技术领域
本发明涉及一种测距技术，尤其涉及一种飞行时间(Time to Flight,ToF)测距装置以及飞行时间测距方法。
背景技术
随着测距技术的演进，各种测距技术不断地被发展出来，并且被广泛地应用于例如车距检测、人脸识别以及各种物联网(Internet of Things,IoT)设备。常见的测距技术例如是红外线测距(Infrared,IR)技术、超声波(Ultrasound)测距技术以及激光光(Laser)测距技术。然而，随着测距的精准度要求越来越高，采用飞行时间(Time to Flight,ToF)测量方法的光测距技术是目前本领域主要的研究方向之一。对此，如何提升飞行时间测距的精准度，以下将提出几个实施例的解决方案。
发明内容
本发明提供一种飞行时间(Time to Flight,ToF)测距装置以及飞行时间测距方法，可提供能准确地感测飞行时间测距装置与感测目标之间的距离的效果。
本发明的飞行时间测距装置包括信号处理器、偏极化光发射器以及光传感器。偏极化光发射器耦接信号处理器，并且用以发射偏极化的脉冲光至感测目标。光传感器耦接信号处理器。光传感器用以感测感测目标，以输出第一感测信号以及第二感测信号。第一感测信号包括对应于脉冲电压的脉冲信号以及第一背景噪音信号。第二感测信号包括第二背景噪音信号。信号处理器对第一感测信号以及第二感测信号执行信号强度相减运算，以取得脉冲信号。信号处理器依据偏极化光发射器发射偏极化的脉冲光与光传感器感测到脉冲信号之间的时间差，来决定飞行时间测距装置与感测目标之间的距离。
本发明的飞行时间测距方法适用于飞行时间测距装置。所述飞行时间测距方法包括以下步骤：经由偏极化光发射器发射偏极化的脉冲光至感测目标；通过光传感器感测感测目标，以输出第一感测信号以及第二感测信号，其中第一感测信号包括对应于脉冲电压的脉冲信号以及第一背景噪音信号，并且第二感测信号包括第二背景噪音信号；通过信号处理器对第一感测信号以及第二感测信号执行信号强度相减运算，以取得脉冲信号；以及通过信号处理器依据偏极化光发射器发射偏极化的脉冲光与光传感器感测到脉冲信号之间的时间差，来决定飞行时间测距装置与感测目标之间的距离。
基于上述，本发明的飞行时间测距装置以及飞行时间测距方法，可对感测目标发射偏极化的脉冲光，以及通过偏极化的像素单元来进行感测，以使感测结果可经由简单的运算后即可取得准确的距离信息。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1是依照本发明的一实施例的飞行时间测距装置的功能方块图；
图2是依照本发明的一实施例的一个图框操作的感测示意图；
图3是依照本发明的一实施例的两个图框操作的感测示意图；
图4是依照本发明的另一实施例的飞行时间测距装置的功能方块图；
图5是依照本发明的一实施例的信号波形图；
图6是依照本发明的一实施例的飞行时间测距方法的流程图。
附图标号说明：
100、400：飞行时间测距装置；
110、410：信号处理器；
120、420：偏极化光发射器；
130、430：光传感器；
131、431：第一像素单元；
132、432：第二像素单元；
200：感测目标；
411：驱动电路；
412：比较器电路；
413：时间数字转换器；
I1、I1’、I2、I2’、I3、I4、I4’：脉冲光；
Sa、Sb、Sp、Sr：电压信号；
P、P’：脉冲信号；
BN、BN’：背景噪音信号；
S610～S640：步骤。
具体实施方式
为了使本发明的内容可以被更容易明了，以下特举实施例做为本发明确实能够据以实施的范例。另外，凡可能之处，在附图及实施方式中使用相同标号的元件/构件/步骤，代表相同或类似部件。
图1是依照本发明的一实施例的飞行时间测距装置的功能方块图。参考图1，飞行时间测距装置100包括信号处理器110、偏极化光发射器120以及光传感器130。信号处理器(Signal Processor)110耦接偏极化光发射器120以及光传感器130。在本实施例中，偏极化光发射器120可例如是激光光发射器或激光二极管(Laser Diode)，但本发明的脉冲光并不限于激光光的类型。并且光传感器130可例如是互补式金属氧化物半导体图像传感器(CMOSImage Sensor,CIS)。偏极化光发射器120可发射偏极化的脉冲(pulse)光至感测目标200。光传感器130可接收经由感测目标200反射的偏极化的脉冲光，例如水平偏极化的脉冲光或垂直偏极化的脉冲光。
然而，由于光传感器130在感测过程中，将同时感测到背景噪音，因此本实施例的光传感器130可通过不同偏极化的多个像素单元来分别输出多个感测结果。在本实施例中，这些像素单元例如是阵列排列在像素基板上，并且不同偏极化的这些像素单元为交错排列。在本实施例中，信号处理器110将这些感测结果经由运算后可正确地取得对应于脉冲光的信号波形，以便能准确地计算飞行时间测距装置100与感测目标200之间的距离。举例而言，信号处理器110可依据脉冲光从被发射到感测到反射的脉冲光的时间来换算脉冲光的光路径长度，并且光路径长度的二分之一为飞行时间测距装置100与感测目标200之间的距离。换言之，本实施例的飞行时间测距装置100可利用不同的偏极化的感测结果来区分经由感测目标200反射的偏极化的脉冲光以及对应于环境光的背景噪音，并且可适用于各种信号强度的脉冲光。
图2是依照本发明的一实施例的一个图框操作的感测示意图。参考图1以及图2，本实施例以一个图框操作为例来说明。偏极化光发射器120可发射例如是具有垂直偏极化方向的脉冲光I1至感测目标200，并且感测目标200反射具有垂直偏极化方向的脉冲光I1’至具有垂直偏极化方向的第一像素单元131以及具有水平偏极化方向的第二像素单元132。因此，第一像素单元131可依据垂直偏极化方向的脉冲光I1’以及对应于环境光来输出第一感测信号，其中所述第一感测信号包括对应于脉冲光I1’的脉冲信号以及对应于整体背景噪音的一部分具有垂直偏极化方向的第一背景噪音信号。第二像素单元132可输出第二感测信号，其中所述第二感测信号包括对应于环境光的整体背景噪音的另一部分具有水平偏极化方向的第二背景噪音信号。并且，第一背景噪音信号的信号强度与第二背景噪音信号的信号强度相同。换言之，信号处理器110可将经由不同偏极化的不同像素单元在一个图框操作中所取得的第一感测信号以及第二感测信号进行信号强度相减运算，即可取得无背景噪音的脉冲信号的信号波形。因此，信号处理器110可依据偏极化光发射器120发射偏极化的脉冲光与光传感器130感测到脉冲信号之间的时间差，来准确地计算出飞行时间测距装置100与感测目标200之间的距离。
图3是依照本发明的一实施例的两个图框(frame)操作的感测示意图。参考图1以及图3，本实施例以两个连续图框操作为例来说明之。在第一个图框期间中，偏极化光发射器120可先发射例如是具有垂直偏极化方向的脉冲光I1至感测目标200，并且感测目标200反射具有垂直偏极化方向的脉冲光I1’至具有垂直偏极化方向的第一像素单元131以及具有水平偏极化方向的第二像素单元132。因此，如同上述一个图框操作的方式，信号处理器110可将第一像素单元131以及第二像素单元132的感测结果进行信号强度相减运算。因此，在本实施例中，信号处理器110可取得由第一像素单元131提供的无背景噪音的脉冲信号的信号波形。并且，信号处理器110可依据偏极化光发射器120发射的脉冲光的信号波形与由第一像素单元131提供的无背景噪音的脉冲信号的信号波形之间的时间差，来准确地计算出第一像素单元131与感测目标200之间的距离。
接着，在第二个图框期间中，偏极化光发射器120可接续发射例如是具有水平偏极化方向的脉冲光I2至感测目标200，并且感测目标200反射具有水平偏极化方向的脉冲光I2’至具有垂直偏极化方向的第一像素单元131以及第二像素单元132。因此，如同上述一个图框操作的方式，信号处理器110可将第一像素单元131以及第二像素单元132的感测结果进行信号强度相减运算。因此，在本实施例中，信号处理器110可取得由第二像素单元132提供的无背景噪音的脉冲信号的信号波形。并且，信号处理器110可依据偏极化光发射器120发射的脉冲光的信号波形与由第二像素单元132提供的无背景噪音的脉冲信号的信号波形之间的时间差，来准确地计算出第二像素单元132与感测目标200之间的距离。
在本实施例中，信号处理器110可将上述由第一像素单元131提供的距离感测结果以及上述由第二像素单元132提供的距离感测结果进行拼凑，以取得具有较高空间解析度的感测结果。举例而言，两个连续图框操作的距离感测方式可应用于人脸识别。光传感器130例如具有交错且阵列排列的多个第一像素单元131以及多个第二像素单元132。当进行人脸识别时，光传感器130可分由多个第一像素单元131以及多个第二像素单元132在两个连续图框操作过程中来分别贡献距离感测结果，并且经拼凑分由多个第一像素单元131以及多个第二像素单元132提供的多个距离感测结果来对应于人脸图像的每一像素。也就是说，信号处理器110可产生具有高空间解析度的立体感测信息，以有助于提供良好的人脸识别结果。
图4是依照本发明的另一实施例的飞行时间测距装置的功能方块图。图5是依照本发明的一实施例的信号波形图。参考图4以及图5，飞行时间测距装置400包括信号处理器410、光发射器420以及光传感器430。信号处理器410包括驱动电路411、比较器电路412以及时间数字转换器(Time to Digital Converter,TDC)413。光传感器430包括第一像素单元431以及第二像素单元432。比较器电路412耦接第一像素单元431、第二像素单元432以及时间数字转换器413。驱动电路411耦接时间数字转换器413以及光发射器420。
在本实施例中，首先，驱动电路411驱动光发射器420以发射具有第一偏极化方向的脉冲光I3至感测目标。脉冲光I3可对应如图5所示的电压信号Sa。电压信号Sa包括脉冲信号P。在本实施例中，光传感器430的第一像素单元431具有第一偏极化方向，并且第二像素单元432具有第二偏极化方向。第一偏极化方向可例如是水平偏极化方向或垂直偏极化方向。接着，第一像素单元431可接收第一感测光I4，并且第一感测光I4包括经由感测目标反射的脉冲光以及对应于环境光的一部分具有第一偏极化方向的背景噪音。第二像素单元432可接收第二感测光I4’，并且第二感测光I4’仅包括对应于环境光的另一部分具有第二偏极化方向的背景噪音。
在本实施例中，第一像素单元431可输出如图5所示的电压信号Sp，并且第二像素单元432可输出如图5所示的电压信号Sb。电压信号Sp包括对应于环境光的背景噪音信号BN’以及脉冲信号P’。电压信号Sb包括对应于环境光的背景噪音信号BN。背景噪音信号BN、BN’具有相同信号强度。因此，比较器电路412接收电压信号Sp、Sb，并且可输出如图5所示的电压信号Sr。在本实施例中，时间数字转换器413可依据电压信号Sr的脉冲信号P’的上升缘来取得读出信号。因此，时间数字转换器413可依据偏极化光发射器420发射脉冲光I3的时间(例如电压信号Sa的脉冲信号P的上升缘)与脉冲信号P’的上升缘所对应的读出信号的发生时间之间的时间差，来决定飞行时间测距装置400与感测目标之间的距离。值得注意的是，即使背景噪音信号BN、BN’具有背景噪音的信号强度高于脉冲信号P、P’，本实施例的飞行时间测距装置400仍可有效地进行距离感测，并且可获得准确的距离感测结果。
图6是依照本发明的一实施例的飞行时间测距方法的流程图。参考图1以及图6，本实施例的飞行时间测距方法可至少适用于图1实施例的飞行时间测距装置100，以使飞行时间测距装置100执行步骤S610～S640。在步骤S610中，偏极化光发射器120发射偏极化的脉冲光至感测目标200。在步骤S620中，光传感器130感测感测目标200，以输出第一感测信号以及第二感测信号。第一感测信号包括对应于脉冲光的脉冲信号以及第一背景噪音信号，并且第二感测信号包括第二背景噪音信号。在步骤S630中，信号处理器110对第一感测信号以及第二感测信号执行信号强度相减运算，以取得脉冲信号。在步骤S640中，信号处理器110依据偏极化光发射器120发射偏极化的脉冲光与光传感器130感测到脉冲信号之间的时间差，来决定飞行时间测距装置100与感测目标200之间的距离。因此，本实施例的飞行时间测距方法可有效地对感测目标200进行测距操作，并且可取得准确的距离信息。
另外，关于本实施例的飞行时间测距装置100的其他电路特征、实施手段以及技术细节可参考上述图1至图5的实施例而获致足够的教示、建议以及实施说明，因此不再赘述。
综上所述，本发明的飞行时间测距装置以及飞行时间测距方法，可通过对感测目标发射偏极化的脉冲光，以取得具有脉冲信号以及第一背景噪音信号的第一感测信号以及具有第二背景噪音信号的第二感测信号。并且，本发明的飞行时间测距装置将第一感测信号以及第二感测信号进行信号强度相减运算后，可正确地取得脉冲信号。因此，本发明的飞行时间测距装置可依据对感测目标发射偏极化的脉冲光以及取得脉冲信号之间的时间来准确的计算出飞行时间测距装置与感测目标之间的距离，并且可有效降低背噪音的影响，以有效提升测距的精准度。
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定的为准。

Claims (10)

1.一种飞行时间测距装置，其特征在于，包括：
信号处理器；
偏极化光发射器，耦接所述信号处理器，并且用以发射偏极化的脉冲光至感测目标；以及
光传感器，耦接所述信号处理器，并且用以感测所述感测目标，以输出第一感测信号以及第二感测信号，
其中所述第一感测信号包括对应于所述脉冲光的脉冲信号以及第一背景噪音信号，并且所述第二感测信号包括第二背景噪音信号，
其中所述信号处理器对所述第一感测信号以及所述第二感测信号执行信号强度相减运算，以取得所述脉冲信号，并且所述信号处理器依据所述偏极化光发射器发射偏极化的所述脉冲光与所述光传感器感测到所述脉冲信号之间的时间差，来决定所述飞行时间测距装置与所述感测目标之间的距离。
2.根据权利要求1的飞行时间测距装置，其中所述偏极化光发射器发射具有第一偏极化方向的所述脉冲光至所述感测目标，以使所述光传感器的具有所述第一偏极化方向的第一像素单元感测所述感测目标反射的所述脉冲光以及环境光，以输出所述第一感测信号，并且所述光传感器的具有第二偏极化方向的第二像素单元感测所述环境光，以输出所述第二感测信号。
3.根据权利要求2的飞行时间测距装置，其中所述第一背景噪音信号具有所述第一偏极化方向，并且所述第二背景噪音信号具有所述第二偏极化方向，其中所述第一背景噪音信号的信号强度与所述第二背景噪音信号的信号强度相同。
4.根据权利要求2的飞行时间测距装置，其中所述第一偏极化方向为水平偏极化方向以及垂直偏极化方向的其中之一，并且所述第二偏极化方向为所述水平偏极化方向以及所述垂直偏极化方向的其中的另一。
5.根据权利要求1的飞行时间测距装置，其中所述信号处理器依据所述脉冲信号的上升缘来取得读出信号，并且所述信号处理器依据所述偏极化光发射器发射偏极化的所述脉冲光与所述信号处理器取得所述读出信号之间的所述时间差，来决定所述飞行时间测距装置与所述感测目标之间的所述距离。
6.一种飞行时间测距方法，适用于飞行时间测距装置，其特征在于，包括：
经由偏极化光发射器发射偏极化的脉冲光至感测目标；
通过光传感器感测所述感测目标，以输出第一感测信号以及第二感测信号，其中所述第一感测信号包括对应于所述脉冲光的脉冲信号以及第一背景噪音信号，并且所述第二感测信号包括第二背景噪音信号；
通过信号处理器对所述第一感测信号以及所述第二感测信号执行信号强度相减运算，以取得所述脉冲信号；以及
通过所述信号处理器依据所述偏极化光发射器发射偏极化的所述脉冲光与所述光传感器感测到所述脉冲信号之间的时间差，来决定所述飞行时间测距装置与所述感测目标之间的一距离。
7.根据权利要求6所述的飞行时间测距方法，其中发射偏极化的所述脉冲光的步骤包括：
通过所述偏极化光发射器发射具有第一偏极化方向的所述脉冲光至所述感测目标，以使所述光传感器的具有所述第一偏极化方向的第一像素单元感测所述感测目标反射的所述脉冲光以及环境光，以输出所述第一感测信号，并且所述光传感器的具有第二偏极化方向的第二像素单元感测所述环境光，以输出所述第二感测信号。
8.根据权利要求7所述的飞行时间测距方法，其中所述第一背景噪音信号具有所述第一偏极化方向，并且所述第二背景噪音信号具有所述第二偏极化方向，其中所述第一背景噪音信号的信号强度与所述第二背景噪音信号的信号强度相同。
9.根据权利要求7所述的飞行时间测距方法，其中所述第一偏极化方向为水平偏极化方向以及垂直偏极化方向的其中之一，并且所述第二偏极化方向为所述水平偏极化方向以及所述垂直偏极化方向的其中的另一。
10.根据权利要求6的飞行时间测距方法，其中决定所述飞行时间测距装置与所述感测目标之间的所述距离的步骤包括：
通过所述信号处理器依据所述脉冲信号的上升缘来取得读出信号；以及
通过所述信号处理器依据所述偏极化光发射器发射偏极化的所述脉冲光与所述信号处理器取得所述读出信号之间的所述时间差，来决定所述飞行时间测距装置与所述感测目标之间的所述距离。
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