CN111133329A - 校准飞行时间系统的方法和飞行时间系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于校准飞行时间系统的方法，所述飞行时间系统具有位于盖板(CP)后面的飞行时间传感器。所述方法包括响应于控制信号(CS1)的相应的触发脉冲而发射多个光的发送脉冲(EP)，并且检测光的接收脉冲(RP、RP')。确定表示发送脉冲(EP)之一与接收脉冲(RP、RP')之一之间的时间周期的相应的差值。差值累积到至少一个直方图的许多的区间(1，...，N)中。所述方法还涉及在预定的区间范围(1，...，M)内在直方图中记录至少一个串扰响应(CTP)，并且使用记录的串扰响应(CTP)来校准直方图。最终，基于对校准的直方图的评估，生成指示飞行时间的输出信号(OS)。

Description

校准飞行时间系统的方法和飞行时间系统

本发明涉及校准飞行时间系统的领域。

飞行时间传感器有许多与距离测量相关的应用，例如包括接近检测、辅助数码相机自动对焦、多区域自动对焦、手势检测或3D相机应用。飞行时间(ToF)能够通过发射电磁辐射脉冲并且检测对象反射来确定。该技术能够在多周期内利用多个脉冲来收集更多的数据以提高信噪比。反射是用表示传感器与对象之间距离的时间延迟来检测的。时间延迟或下文中的飞行时间t_D能够计算为：

其中D表示传感器与对象之间的距离，以及c表示空气中的光速。

这项技术的挑战性方面之一涉及光学串扰。位于盖后面的飞行时间传感器的实施方式经常受到盖上的污染，例如移动设备或相机的玻璃上的污迹。继而，这经常会导致失真并且精度降低。

在典型的实施方式中，激光二极管或表面发射器，例如垂直腔表面发射激光器VCSEL用作发射电磁辐射脉冲的发射器。脉冲宽度很宽，反射脉冲覆盖很长的距离。如上所述，由返回脉冲的延迟确定到对象的距离。然而，发射和反射的脉冲都穿过盖并且可能受到盖表面的任何污染的影响。例如，当盖上有污迹时，这可能会在更早的时间提供更多的光返回。一些ToF方法在整个距离上取平均值，并且提供平均距离测量值。然后，污染可能作为非常接近传感器的对象出现，并且导致测量值偏向较短的距离。因此，测量值表明距离比实际距离短。

在这样的系统中，可能需要复杂的校准来消除由于盖引起的串扰。另外，附加的系统串扰应该非常低，以便可以进行补偿。该校准是整个系统制造过程中的附加步骤，这增加了复杂性。然而，在初始校准之后，很难甚至不可能知道何时引入了附加串扰。因此，无法动态校准系统以针对这种附加串扰进行调整。已经引入了一些方法来确定是否存在过多的串扰，但缺乏概念来消除工作期间附加串扰的影响。

因此，本发明的目的是为飞行时间系统提供一种改进的概念和一种校准飞行时间系统的方法，该系统不太复杂，并且允许提高精度。

该任务通过独立权利要求的主题解决。进一步的实施方式和实施例是从属权利要求的主题。

应当理解的是，除非明确描述为替代方案，否则下文中描述的与任何一个实施例相关的任何特征可以单独使用，或者与下文中描述的其他特征结合使用，并且还可以与任何其他实施例的一个或更多个特征结合使用，或者可以与任何其他实施例的任何组合结合使用。此外，在不脱离所附权利要求中定义的飞行时间系统和用于校准飞行时间系统的方法的范围的情况下，也可以采用以下未描述的等效物和修改。

改进的概念涉及一种位于盖板后面的飞行时间ToF系统，例如嵌入在移动设备或数码相机中。ToF系统基于飞行时间传感器。这种ToF传感器设置成测量发送脉冲从外部目标反射并且再次到达ToF传感器所需的时间。传感器可以在多个时间周期内利用多个发送脉冲来收集更多的数据，以提高信噪比。该数据包括表示在发送脉冲的发射与反射脉冲的检测之间的时间周期的差值。将这些值收集到一个或更多个直方图中，然后进行处理以确定飞行时间值并且导出距离

改进的概念的一方面是使用发送脉冲的窄脉冲宽度，其允许检测直方图中的多个感兴趣的对象，包括ToF传感器上方的盖板。窄脉冲意味着在能够检测到来自外部的目标对象的反射之前，可以结束来自盖板的反射。例如，在500ps的发送脉冲的情况下，脉冲宽度覆盖大约75mm的距离。如果最近的目标对象位于200mm以外(这是许多相机系统的典型的情况)，则来自盖板的反射可能不会干扰该对象的反射。

在其他情况下，例如接近检测，例如，能够通过从ToF传感器的输出信号中减去校准值或串扰响应来校准来自盖板的串扰。然而，这可能会影响确定近距离事件的能力，例如当对象处于很近或为零距离时。此外，改进的概念提供了动态地调整ToF传感器的输出信号的手段。动态调整具有好处的一个示例涉及盖板暴露于环境中的情况。例如，在手机或相机中，盖板能够与用户的手或脸接触，从而在传感器上方的板上积聚灰尘、指纹、化妆品等。对于传感器而言，这会是半透明涂层，可能会增加串扰。在先前的系统中，半透明涂层会降低距离测量的精度。然而，改进的概念提供了用于消除半透明涂层的影响、减少串扰同时保持高精度的手段。

在至少一个实施例中，飞行时间系统具有位于盖板后面的飞行时间传感器。盖板可以是玻璃或任何其他透明材料，例如塑料。

一种用于校准飞行时间系统的方法涉及响应于控制信号的相应的触发脉冲而发射多个光的发送脉冲。继而，光的接收脉冲被检测到，例如通过在外部对象上的反射或通过在盖板上的反射。确定表示发送脉冲之一与接收脉冲之一之间的时间周期的相应的差值。将差值累积到至少一个直方图的许多的区间中。

在直方图中，记录至少一个串扰响应。串扰响应处于预定的区间范围内。然后，使用记录的串扰响应校准直方图。最终，基于校准的直方图的评估，生成飞行时间传感器的输出信号，并且该输出信号指示飞行时间。

通过在直方图中记录串扰响应，例如通过识别串扰峰值，系统能够减少或甚至消除来自盖板的串扰的影响，并且，进一步消除来自半透明涂层，例如盖板上的污迹的影响，并且使ToF系统能够以较小的精度测量到外部对象的距离，即，即使存在半透明涂层，也不会受到污染的影响。该系统即使在存在污染的环境中也很健壮。该系统能够依靠来自TOF传感器的结果作为距离的精确测量。另外，校准ToF系统是较简单的，例如在初始制造过程期间。

假设串扰源自飞行时间传感器上方的盖板，该盖板可以处于零距离(或一些非常小的距离)。因此，发送脉冲可以立即被反射回到飞行时间传感器。如果直方图区间大小与发送脉冲的脉冲宽度相同，并且该脉冲是方脉冲，则由于在盖板处的反射而导致的接收脉冲可能会主要落在预定的区间范围内，例如，直方图的第一个区间或两个第一个区间对。在大多数应用中，串扰响应可能会落在前几个区间中。脉冲宽度越窄并且直方图越宽，由于在盖板处的反射而接收脉冲越不会影响直方图的后面区间。

在至少一个实施例中，通过忽略串扰响应来校准直方图。输出信号指示在除预定的区间范围之外的区间或区间范围处的直方图中的一个或多个峰值的飞行时间。例如，飞行时间系统能够用在数码相机的自动聚焦系统中。相机透镜具有最短的焦距，这是通过镜头的光学设计得知的。给定的焦距确定直方图中的区间位置。如果串扰响应记录在比评估期间可以忽略的区间位置更小的位置，因为它可以对确定飞行时间以辅助自动对焦没有影响。

在至少一个实施例中，通过仅针对除预定的区间范围之外的较高的区间或区间号评估直方图来校准直方图。例如，源自在盖板处的反射的串扰区间能够确定飞行时间系统能够解析的最近距离。因此，与所确定的串扰响应相比，任何目标对象通常都在较大的距离处，并且其差值仅可以累积到较高的区间中。

在至少一个实施例中，通过从直方图中减去串扰响应来校准直方图。串扰响应能够乘以比例因子。所述比例因数能够是任何数字，例如包括1。例如，在诸如接近检测的应用中，感兴趣的距离可以包括到盖板的零距离。然后应该记录串扰量，例如由在预定的区间范围内的串扰响应表示的串扰量，以便随后能够从直方图中减去该串扰量以仅显示感兴趣的输出信号。能够将单个直方图中的相应的串扰响应进行平均，并且将其记录为公共串扰响应。

在至少一个实施例中，重复发射多个发送脉冲、重复检测接收脉冲并且确定相应的差值，使得一系列直方图累积有差值。例如，该多个发送脉冲的发射能够从几个脉冲重复直到数千甚至数百万个发送脉冲。检测接收脉冲和确定差值的后续步骤能够以类似或相同的方式重复。此外，给定直方图的累积还可以涉及重复从几个脉冲到数千个甚至数百万个发送脉冲的上述步骤。每个直方图或一系列直方图的实际重复数由应用确定，例如通过所需的信噪比。

在一系列直方图中的至少一个实施例中，即在直方图中的每一个中或某些中，确定一个或更多个另外的峰值。在一系列直方图中监测确定的另外的峰值。最终，如果监测峰值中的一个或更多个移动到预定的区间范围中，则校准一系列直方图中的一个或更多个直方图。

监测另外的峰值的一种方法是确定它们相应的差值并将其记录在存储器中。这样，可以从串扰响应中辨别出另外的峰值。例如，另外的峰值可以指示在接近传感器应用中外部对象的距离。在这种应用中，可能还需能够检测零距离，即外部对象与盖板接触。在这种情况下，当对象靠近盖板时，串扰响应和指示零距离的另外的峰值可能无法区分或重叠。然后，监测提供了一种确定这种情况的方法。

在至少一个实施例中，累积一系列直方图，使得直方图累积重复并且中间结果以足够快的速率存储以记录外部对象的运动。

在至少一个实施例中，在飞行时间系统启动时以预校准模式确定校准值。预校准模式涉及定义的校准条件。能够定义一种这样的条件，除了盖板(CP)以外不存在其他对象。这样，直方图中的任何响应都仅是由于例如在盖板处的反射。另一个情况可以涉及置于距传感器一定距离处的外部对象，这允许区分串扰和对象贡献。附加地或替代地，启动能够是在制造时的初始启动或者是嵌入到飞行时间系统的设备的启动。通过监测串扰响应和/或另外的峰值动态地调整校准值。

实施预校准模式的一种方法，例如对于接近应用，应进行初始基线校准，在此基础上收集直方图并取其平均值。能够用乘法因子调整该基线以解决散粒噪声，然后能够从正常工作模式期间记录的任何未来的直方图中减去该基线，以减少或消除由于在盖板处的反射引起的串扰。到ToF传感器的接近距离或近距离通常在直方图中作为峰值出现。这种峰值应该特别高，以使得串扰响应和串扰影响能够至少从直方图中减小甚至消除。

在至少一个实施例中，根据已经移动到预定的区间范围内的监测峰值来确定校准值。在这种情况下，监测峰值定义为校准峰值。附加地或替代地，根据串扰响应与已经移动到预定的区间范围内的监测峰值的比较来确定校准值。附加地或替代地，根据组合的串扰响应确定所述校准值，所述组合的串扰响应包括串扰响应和已经移动到预定的区间范围内的监测峰值两者。

例如，能够通过监测与临近和移开对象有关的另外的峰值来解决例如沉积在盖板上的污迹或污垢等污染。如果当对象远离目标移动时，串扰响应增加了或减少了，则能够应用滤波器动态改变校准值，以解决由污染(例如污迹或污垢)引起的附加串扰的增加或减少。

在至少一个实施例中，使用时间平均滤波器根据组合的串扰响应来确定校准值。滤波器具有缓慢的起振，即随着组合的串扰响应的信号幅度增大时缓慢时间求平均。滤波器具有快速衰减，即随着组合的串扰响应的信号幅度的减小而快速求平均。

在至少一个实施例中，利用一系列触发脉冲来生成控制信号。后续触发脉冲之间的时间周期由飞行时间传感器的所需最大检测范围确定。例如，时间周期对应于采样速率。飞行时间系统只能在由触发脉冲确定的时间周期内区分反射脉冲。来自较大距离的反射可能导致直方图或输出信号中的附加的串扰或混叠。

在至少一个实施例中，发送脉冲的脉冲宽度等于或小于表示飞行时间传感器的最小检测范围的差值。例如，发送脉冲的脉冲宽度能够是后续触发脉冲之间的时间周期的三分之一或更小，例如所述时间周期的1/10或1/120。脉冲宽度能够等于或小于10ns、1ns、500ps、250ps或100ps。

“窄脉冲”是能够被认为是脉冲宽度远小于上述时间周期或采样周期的脉冲。这允许串扰落在预定的区间范围内，例如，直方图的前几个区间。例如，这能够是从四分之一的采样周期到小的多的区间大小。在四分之一的示例中，如果串扰全部落在第一个区间中，那么对于第二个、第三个和第四个区间的直方图评估将不会受到玻璃上其它污迹的影响。同样适用于较小的脉冲宽度。如果目标距离在预定的区间范围之外，例如直方图的前几个区间，则在确定飞行时间时能够忽略这些区间，而仅使用较高的区间来确定距离。

在至少一个实施例中，直方图的范围由所需的最大检测范围确定。直方图的区间大小设置为等于或小于发送脉冲的脉冲宽度。例如，对于500ps的脉冲宽度，区间大小可以是1ns、5ns或1ns宽。

直方图由许多的区间组成。每个区间的大小应该等于或小于脉冲宽度，以提供足够的分辨率，例如以便区分串扰响应与其他贡献，例如与待检测的实际对象相关的峰值。在现有技术的脉冲间接飞行时间系统中，VCSEL脉冲占据采样周期的一半，并且所接收的光被收集成两个时间周期。这与直接飞行时间系统相同，直方图中只有两个区间。基于直方图的系统的一个好处是，只要在多个脉冲宽度的的周期内收集信息，发送脉冲的脉冲宽度能够小于采样周期的一半。能够使用时间数字转换器TDC来确定差值，至少应该与脉冲宽度一样快。

在至少一个实施例中，发送脉冲的脉冲宽度、后续触发脉冲之间的时间周期和/或许多的发送脉冲是可调整的或可编程的。

在至少一个实施例中，飞行时间系统包括位于盖板后面的飞行时间传感器。飞行时间传感器包括光学发射器，该光学发射器配置为响应于控制信号的相应的触发脉冲而发射多个光的发送脉冲。检测器配置为检测光的接收脉冲。测量块配置为确定表示所述发送脉冲之一与接收脉冲之一之间的时间周期的相应的差值。

直方图块配置为将差值累积到直方图的许多的区间中。此外，处理电路配置为在预定的区间范围内在直方图中记录至少一个串扰响应。此外，处理电路配置为使用所记录的串扰响应来校准直方图，并且基于对校准后的直方图的评估来生成指示飞行时间的输出信号。最后，控制单元配置为生成具有一系列触发脉冲的控制信号。

在至少一个实施例中，飞行时间系统嵌入在数码相机的移动设备和/或自动聚焦系统中。飞行时间传感器是接近传感器和/或测距仪。

在至少一个实施例中，飞行时间传感器包括驱动器，该驱动器设置为根据触发脉冲的序列来驱动发射器。驱动器设置为驱动发射器，使得发送脉冲的脉冲宽度在时间上是窄的。发送脉冲的窄脉冲宽度等于或小于表示在盖板处反射的发送脉冲之一与接收脉冲之一之间的时间周期的差值。例如，发送脉冲的脉冲宽度能够是后续触发脉冲之间的时间周期的三分之一或更小，例如所述时间周期的1/10或1/120等。脉冲宽度能够等于或小于10ns、1ns、500ps、250ps或100ps。

飞行时间系统的另外的实施方式能容易地从该方法的各种实施方式和实施例中导出，反之亦然。

改进的概念的另外的方面涉及以下方面。

在至少一个实施例中，发射器包括激光二极管或例如VCSEL的表面发射激光二极管。

在至少一个实施例中，驱动器包括用于激光二极管或例如VCSEL的表面发射激光二极管的驱动器电路。

驱动器设置成驱动激光二极管或表面发射激光二极管以发射皮秒范围内的发送脉冲。

在至少一个实施例中，检测器包括光子传感器，例如单光子雪崩二极管、SPAD或SPAD阵列。

在至少一个实施例中，测量块包括时间数字转换器TDC，例如，该时间数字转换器还包括一个或更多个环形振荡器。一个时间数字转换器或几个时间数字转换器配置为确定一个或更多个直方图中的差值。

在至少一个实施例中，处理电路包括微处理器或CPU。该处理电路可以是较大的设备的一部分，该较大的设备例如是嵌入到飞行时间系统的移动设备或数码相机。

在至少一个实施例中，发送脉冲的脉冲宽度窄于由直方图中许多的最低区间确定的最小距离。

在至少一个实施例中，许多的第一最低区间记录在存储器中。

在至少一个实施例中，所记录的第一区间，即其相应的差值，也从直方图上分散开，以确定到对象的相应距离是否位于所述第一区间内，例如用于确定零距离。

在至少一个实施例中，报告改变的串扰以指示盖板上的污染。

通过使用耦合有直方图的短VCSEL脉冲，该系统能够减少污染的影响，例如盖上的污迹，并且使ToF传感器在即使存在半透明涂层时也能够测量准确的距离。有几种方法用于完成这一点，包括忽略直方图的初始区间并且记录指示直方图的串扰响应的初始峰值，然后从进行中的值中减去相应的差值。此外，校准可以涉及动态地补偿半用于盖板的半透明涂层增加或减少。在报告了另外的峰值(例如两个对象)的情况下，该方法能够确定一个峰值是否是由于串扰引起的，以及另一个峰值是否是由于外部对象引起的，例如，移动的外部对象。

在下文中，通过参考附图，借助示例性实施方式来详细说明改进的概念。在功能上相同或具有相同效果的部件可以由相同的附图标记表示。相同的部件和/或具有相同效果的组件可以仅关于首先出现的附图进行描述，并且在后续附图中不必重复描述。

在附图中：

图1示出了根据改进的概念的在盖后面的飞行时间传感器的示例实施方式；

图2示出了根据改进的概念的飞行时间传感器的示例性实施方式；

图3示出了根据改进的概念的飞行时间传感器的另一个示例实施方式；

图4A示出了单个对象的测量过程的示意性示例；

图4B示出了单个对象的测量过程的示意性直方图；

图5A示出了对象和盖的测量过程的示意性示例；

图5B示出了对象和盖的测量过程的示意性直方图。

图1示出了根据改进的概念的在盖后面的飞行时间传感器的示例实施方式。特别地，该图示出了作为光学传感器模块，例如作为飞行时间系统的一部分实施的飞行时间传感器的侧视图。该模块包括载体CA和设置在载体上的不透明壳体。壳体包括光栅LB，其将壳体分成第一腔室C1和第二腔室C2。第一腔室C1和第二腔室C2进一步由设置在壳体中的框架体FB在横向上限制。盖部分CS位于载体CA的对面，从而覆盖腔室C1、C2。盖部分CS具有基本上与载体CA的主表面平行的主表面MS。

例如，盖部分CS、框架体FB和光栅LB可以由连续的材料片，例如模具材料制造。载体CA为集成到光学传感器模块中的电子部件提供机械支持和电气连接。例如，载体CA包括印刷电路板(PCB)。然而，在其它实施例(未示出)中，载体CA也能够是壳体的一部分，例如作为上述连续的材料片(例如模具材料)中的一部分，并且电子部件嵌入到壳体中。

光学发射器OE位于第一腔室C1的内部。在这个特定实施例中，光学发射器OE设置在载体CA上并且电连接到该载体，例如连接到PCB。光学发射器OE是激光二极管，例如VCSEL或VECSEL。例如，这些类型的激光器被配置为发射电磁光谱的红外部分中的光。

主检测器MD和参考检测器RD集成到单个检测器裸片中，例如以CMOS工艺制造的单个半导体集成电路。检测器由光栅LB在光学和空间上分开，使得主检测器MD位于第二腔室C2内部，参考检测器RD与发射器OE一起位于第一腔室C1内部。检测器MD、RD能够实施为单个SPAD或SPAD阵列。它们分别用于测量光学参考信号和测量信号(见下文)。

第一孔A1和第二孔A2设置在盖部分CS中。第一孔A1和第二孔A2分别定位在光学发射器OE和主检测器MD的上方。实际上，孔A1、A2分别位于光学发射器OE的发射锥形内和主检测器MD的视场内。其中，发射锥包括空间中的至少在理论上可以被光学发射器OE照射的所有点，例如对于光学传感器模块内的固定发射器位置和方向。类似地，主检测器MD的视场包括空间中的所有点，至少在理论上，在外部目标TG处反射后的光可以朝向主检测器MD行进，例如对于光学传感器模块内的固定检测器位置和方向。

可选地，第一和第二透镜(未示出)能够分别设置在第一孔A1和第二孔A2中。透镜具有光学透镜形状，例如球形或圆柱形。透镜可以用作凹透镜和/或凸透镜(或其组合)，并且可以将发射光或反射光聚焦在目标TG和/或主检测器MD上。此外，盖部分CS的主表面MS能够被透明或半透明的盖(未示出)覆盖以将光学模块从其环境中密封。透镜能够是盖的组成部分，或者能够连接到盖。

光学传感器模块位于光学透明或半透明盖板CP后面，例如由玻璃或塑性材料制成。盖板CP可以不是光学模块的一部分，而是集成了光学传感器模块的较大设备，例如移动设备或相机的一部分。盖板CP，或简称盖，定位于距盖部分CS的主表面MS的一定距离处，在下文中将该一定距离表示为气隙。

在工作中，光学发射器OE发射在IR或UV/vis中具有发射波长或发射光谱的光。在许多应用中，红外发射是优选的，因为它是人眼看不见的。通常对光学发射器OE的发射进行调制，例如发射是由连续波(例如正弦波或方波)脉冲或调制的。实际的调制频率取决于传感器是用于接近应用还是用于例如包括自动对焦的测距仪应用，并且确定飞行时间的范围。

光学发射器OE位于壳体内部，使得发射光的至少一部分经由第一孔A1离开模块。这部分光(表示测量部分)最终至少部分地被外部对象或目标TG反射。主检测器MD位于模块中，使得反射光可以通过第二孔A2进入第二腔室C2，并且因此被主检测器MD检测。主检测器MD响应于检测到的光生成测量信号。通过目标TG将光学发射器OE与主检测器MD连接的光学路径建立测量路径P1，并且沿着测量路径P1行进的光形成测量光束。

然而，可以由盖CP建立另一个测量路径P2(由图中的箭头指示)。例如，发射光的一部分能够在盖CP处反射，并且沿着气隙引导，最终到达主检测器MD。然后，主检测器MD可以响应于在盖CP处反射的光而生成测量信号。沿着测量路径P2行进的光形成另一个测量光束。

此外，建立了参考路径P3，并且在不通过任何外部目标的情况下将光学发射器OE与参考检测器RD光学连接。例如，当发射器OE和参考检测器RD都位于同一腔室内部时，参考路径P3保持在第一腔室C1内部。然而，在主检测器MD和参考检测器RD都设置在同一腔室中或彼此靠近以使得参考路径RP在例如第一腔室和第二腔室之间延伸的情况下，实施方式是可能的。

对于飞行时间测量，另一个部分，在下文中表示为参考部分沿着参考路径P3行进并且形成参考光束。参考光束的光至少部分地由参考检测器RD检测，继而该参考检测器基于检测到的光生成参考信号。

测量信号和参考信号是测量路径P1的飞行时间特性的测量，并且能够转换为距离(模块与目标之间)。然而，在引起测量路径P2的盖CP处反射的光有助于测量信号。该串扰经受如下所述的专用信号处理。

信号处理和飞行时间计算在包括主检测器MD和参考检测器RD的同一芯片上执行，如图2所示。必要的部件一起集成到由同一半导体裸片SD制成的集成电路IC中，并且包括主检测器MD和参考检测器RD。

图2示出了根据改进的概念的飞行时间传感器的示例实施方式。例如，飞行时间传感器装置实施为图1中讨论的光学传感器模块。集成电路IC包括驱动器DRV以驱动光学发射器OE。然而，发射器OE通常构成电连接但不能集成到半导体裸片中的外部部件。在本实施例中，只有驱动器DRV集成到集成电路IC中，并且发射器OE是设置在模块的载体CA上的VCSEL激光二极管。

集成电路IC还包括主检测器MD和参考检测器RD。主检测器MD的输出耦合到测量块MB。集成电路IC还包括耦合到测量块MB和处理电路PRC的直方图块HIST。控制单元CTRL连接到处理电路PRC和测量块MB。控制单元CTRL向驱动器DRV提供控制信号CS1以驱动发射器OE。

图2还示出了可选的光束分离器BS(其可以表示参考路径RP的部分)、第一透镜L1和第二透镜L2以及可选的滤光片F，它们是未集成到集成电路IC中但包含光学模块的部件。该图还指示了位于模块外部的外部目标TG。

例如，驱动器DRV配置为根据控制信号CS1来驱动发射器OE。继而，发射器OE响应于控制信号的相应的触发脉冲而发射一系列电磁辐射的感测脉冲。通常，发射器OE针对控制信号CS1中的每个触发脉冲发射一个发送脉冲。磁辐射具有来自光谱的可见、IR或UV部分的波长。

发送脉冲被引导通过第一孔A1并且沿着测量路径P1、P2行进，该发送脉冲在下文中表示为发射脉冲EP。反射脉冲表示为反射脉冲RP、RP'。最后，由测量检测器MD来检测反射脉冲。通过第一腔室C1内部的反射或者借助于光束分离器BS，发送脉冲的一部分可以被耦合出来并且作为起始脉冲SP被指向到参考检测器RD，以光学方式指示发送脉冲(即发射脉冲EP)的发射的时间瞬间。在检测到起始脉冲SP时，参考检测器RD向测量块MB提供起始信号，用于开始测量发射脉冲与接收脉冲之间的时间周期。因此，检测器MD在检测到接收脉冲时向测量块MB提供停止信号。测量块MB确定表示发送脉冲与接收脉冲之间的时间周期的相应差值。

对于熟练的读者应该显而易见的是，起始信号和停止信号的使用只是确定所述时间周期的可能的几种选择之一。例如，也能够由例如控制信号CS1的相应触发脉冲来触发开始。

测量块将先前确定的差值提供给直方图块HIST，用于将值累积到直方图中。处理电路PRC配置为基于直方图的评估来生成指示飞行时间的输出信号OS。控制单元CTRL配置为利用一系列触发脉冲生成控制信号CS1。该触发脉冲的序列包括第一触发脉冲和多个后续触发脉冲。生成控制信号CS1，使得对于后续触发脉冲中的每个，相应的先前触发脉冲之间的时间周期相同。然而，为了减少混叠效应，所述时间周期也能够与该触发脉冲和相应的后续触发脉冲之间的另外的时间周期不同。

图3示出了单个对象的测量过程的示意性示例。测量过程允许确定飞行时间值和与其相关的距离。在这个示例中，ToF传感器可以包含在相机中，用于测量相机与外部对象TG之间的距离，在这个示例中该对象由人表示。因此，光的发送脉冲作为脉冲EP发射，在对象TG处反射并且作为接收脉冲RP返回到ToF传感器。包括飞行时间传感器的相机与对象之间的距离能够基于脉冲EP、RP的飞行时间来确定。这能够通过评估直方图来完成，如图4B所示。

该图示出了一个信号时间图，该信号时序图具有一系列的五个发送脉冲EP1至EP5、从对象TG反射的相关联的反射脉冲RP1和RP2以及源自噪声光子或背景光光子的附加反射脉冲RP3。此外，很显然的是，并非所有间隔都可以接收到接收脉冲。

仅作为示例，对应于传感器装置和对象TG之间0.9米的距离，使用光速c作为脉冲，图4A中所示脉冲的脉冲宽度大约为500皮秒或更小，并且对于单个发射脉冲及其反射脉冲RP的飞行时间具有6纳秒的恒定值。再次参考图1，这是通过控制信号CS1中的相应的触发脉冲来实现的。

图4B示出了单个对象的测量过程的示意性直方图。如图2所述，差值在测量块MB中确定，并且累积到直方图块HIST中的直方图区间中。因此，在本示例中，将具有6纳秒的时间值的五个接收脉冲分类或累积到直方图的单个区间中。区间用1至N的数字表示，并且通常具有相同的区间大小。将每个相同的差值分类到同一个区间中。给定区间中的差值的数目表示为发生次数OCC或事件的数目。

在这个示例中，500皮秒的脉冲宽度表示75mm或3英寸的距离。柱状图具有表示最大距离大约为4.8m的64个区间。对象位于0.9米处。背景噪声，例如环境光或噪声将显示为恒定的背景等级。这种系统的好处之一是只要对象之间隔开一定的距离，就能够检测出多个对象，该距离能够通过使用的脉冲宽度和区间大小来解决。任何附加的反射脉冲及其相应的差值在单独的区间中进行分类。

处理电路PRC现在能够评估直方图。峰值由相应的区间中的较高的计数确定，例如高于平均等级或背景等级。处理电路可以输出对应于6纳秒的区间值作为输出信号。显然，该值可以是时间值、计算出的距离值或能够从与直方图区间相关联的时间值导出的任何其他值的形式。

在该示例中，仅使用分别由控制信号CS1的相应的触发脉冲触发的五个发送脉冲。然而，也能够使用较高或较低数目的触发脉冲，即发送脉冲。通常在飞行时间系统中，脉冲重复多次，可能高达几百万个脉冲。脉冲能够累积在一个或更多个直方图中。例如，直方图记录目标对象的背景光子和反射光子。另外，还能够分别调整发送脉冲的触发脉冲之间的时序，例如，考虑到期望的距离测量的最大距离。因此，图4B的图中的所有数字和值仅作为非限制性示例。

图5A示出了对象和盖的测量过程的示意性示例。在许多系统中，飞行时间传感器必须靠近盖板，例如移动设备或相机的玻璃盖的后面。在这种情况下，盖能够是光学发射器与检测器之间的串扰源。如果盖上的这种污染，例如污迹或灰尘，会进一步增加串扰。

该图示出了发送脉冲EP，该发送脉冲沿着测量路径P1朝向外部对象TG发射。此外，发送脉冲EP朝向盖板CP发射并且沿着测量路径P2行进。反射脉冲表示为反射脉冲RP、RP'，并且分别在目标TG和盖板CP处反射。另外，该图还示出了直方图的区间(以虚线表示，编号范围为1至12)。接收脉冲RP'即相应的差值分类到区间1中，并且对应于盖板CP处的反射。另一个接收脉冲RP分类到区间9中，并且对应于对象TG处的反射。图5B示出了对象和盖的测量过程的示意性直方图。接收脉冲RP'引起由于在盖板CP处的反射而导致的差值的范围。这个范围表示串扰响应。这很明显是直方图的区间1中的峰值。这个峰值在下文中表示为串扰峰值。作为示例，接收脉冲RP引起由于在目标对象TG处的反射而导致的差值。这个峰值在下文中表示为峰值PK1。为了校准飞行时间系统，必须识别串扰响应，并且将其与峰值PK1分离，该峰值表示与实际对象的距离。

在直方图中表示差值的一个好处是，它有助于识别峰值。例如，通过使用窄的脉冲宽度和小的区间大小，可以将串扰响应放入直方图的第一个或两个区间中。一般来说，飞行时间系统的设计，以及特别是盖板CP相对于飞行时间传感器的距离，确定了预定的区间范围1，...，M，在该范围内，在盖板上的反射(和相应的差值)是可以预期的。串扰响应的高度或发生次数能够从串扰峰值导出，并且其随时间的变化能够用作盖板上的串扰或污染的测量。串扰和污染能够通过各种方式考虑，如下所述。该方法通常取决于实施方式和是否需要测量零距离。源自零距离处的实际对象的峰值可能与串扰响应重叠，并且因此，在没有附加的方法步骤的情况下可能无法彼此区分。

首先，能够通过忽略表示串扰响应的区间或区间范围从直方图中消除串扰。例如，当飞行时间系统嵌入数码相机时，它能够用来辅助自动对焦。典型的光学透镜具有最短的焦距，该焦距基本上限定了系统的最小距离。累积到表示较小距离的区间中的所有信息或差值都能够忽略，因为它们表示的距离小于最小距离。换句话说，相机自动对焦系统具有最小的焦距，并且不需要知道到零的距离。例如，具有150mm的最小距离将允许忽略直方图的前两个区间。

其次，串扰响应所定义的稳态量或发生次数也能够从所述预定的区间范围内的区间中减去。例如，串扰响应能够从直方图的前两个区间中减去。例如，能够建立基线并且从直方图中减去基线。

在飞行时间系统的一些实施方式中，飞行时间传感器用作接近传感器。对于接近传感器，可能重要的是检测到零距离，使得预定的区间范围中的区间记录可以在直方图的评估中考虑的差值。

一种可能的方法涉及在飞行时间系统的制造或启动时在预校准中检测串扰响应，并且例如通过基线从直方图中减去预校准串扰响应。能够使用处理电路PRC，例如CPU或微控制器执行该附加校准和减法。进行这种预校准的能力能够用于在设备最初启动时确定预定的区间范围的区间，例如前两个区间的校准值。这个校准值将表示预期为串扰的最小值。

当对象朝向飞行时间传感器移动时，能够用于接近应用的另一种实施方式将提供动态校准。例如，能够通过记录一系列直方图的几个直方图来监测峰值PK1。峰值能够移动，并且能够在一系列直方图中检测到移动。最终，峰值移动到预定的区间范围内，并且移动到与零距离相对应的区间中。在这种情况下，峰值PK1和串扰响应可能无法区分。预校准中记录的校准值能够用于确定由于在盖处的反射引起的许多的差值，以及确定由于在预定的区间范围内的目标对象而引起的许多的差值。通过将这些值与测得的峰值进行比较，能够确定在盖板处是否存在污染，或者甚至是否增加了或减少了污染。

此外，当对象(和监测峰值PK1)从传感器(或直方图中的区间)移开时，剩余的串扰响应能够用于重新校准新的校准值。如果串扰响应保持不变，或在高度(或发生次数)上增加了或减少了，则能够验证这种方法。校准值的变化提供了盖板污染的指示。此外，能够利用例如增加的或减少的校准值来调整在相应的区间中累积的值。

另一种实施方法是向嵌入飞行时间系统的设备的工作系统报告两个或更多个对象以及直方图中的相应的峰值，即串扰响应和监测峰值PK1何时被识别。该系统设置成确定哪个峰值对应于串扰和实际对象。因此，所提出的方法的至少一部分能够被设备的工作系统施行或补充。

例如，在移动电话系统中，飞行时间传感器既能够用作接近检测器，也能够用作相机自动对焦的距离测量系统。如果飞行时间传感器用作相机自动对焦，它能够忽略对应于小于最小焦距的距离。然而，如果飞行时间系统报告了多个对象，系统能够忽略近的对象，并且只聚焦在焦距范围内对应于对象的峰值。另一方面，如果飞行时间传感器用作接近传感器，则能够将多个对象及其强度(例如，差值的出现)一起记录在直方图中。由于系统对工作条件有了更多的了解，所以它能够有更多的信息来决定关于强度的减小或增加，以及对象是真实对象还是临时对象，例如盖板上的污染。

在另一个实施方式中，处理电路PRC报告串扰响应的变化(例如由不同的校准值指示)作为传感器污染的指示。如果传感器嵌入相机系统中并且靠近相机，传感器上的污染也能够指示相机受到污染。报告污染，例如通过专用输出信号，能够用于通知用户，用户可能需要清洁像机子系统上的镜头的潜在的污染和摄入。

附图标记

A1 孔

A2 孔

BS 光束分离器

C1 腔室

C2 腔室

CA 载体

CS 盖部分

CS1 控制信号

CTRL 控制单元

CTP 串扰峰值

DRV 驱动器

EP 发射脉冲

EP1 发射脉冲

EP2 发射脉冲

EP3 发射脉冲

EP4 发射脉冲

EP5 发射脉冲

FB 框架体

HIST 直方图块

IC 集成电路

L1 透镜

L2 透镜

LB 光栅

MB 测量块

MD 主检测器

MS 主表面

OCC 发生次数

OE 光学发射器

OS 输出信号

P1 测量路径

P2 测量路径

P3 测量路径

PK1 峰值

PRC 处理电路

RD 参考检测器

RP 反射脉冲

RP' 反射脉冲

RP” 反射脉冲

SP 起始脉冲

TG 目标

Claims (18)

1.一种用于校准飞行时间系统的方法，所述飞行时间系统具有位于盖板(CP)后面的飞行时间传感器，

-响应于控制信号(CS1)的相应的触发脉冲而发射多个光的发送脉冲(EP)，

-检测光的接收脉冲(RP、RP')，

-确定表示所述发送脉冲(EP)之一与所述接收脉冲之一(RP、RP')之间的时间周期的相应的差值，

-将差值累积到至少一个直方图的许多的区间(1，...，N)中，

-在预定的区间范围(1，...，M)内的直方图中记录至少一个串扰响应(CTP)，

-使用所记录的串扰响应(CTP)校准所述直方图，以及

-基于对校准的直方图的评估来生成指示飞行时间的输出信号(OS)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中

-通过忽略所述串扰响应(CTP)来校准直方图，并且

-输出信号(OS)指示直方图中的在除预定的区间范围(1，...，M)之外的区间或区间范围处的一个或多个峰值(PK1)的飞行时间。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，通过仅针对除所述预定的区间范围(1，...，M)之外的较高的区间评估直方图来校准所述直方图。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，通过从所述直方图中减去串扰响应(CTP)乘以比例因子的值来校准所述直方图。

5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其中

-重复发射多个发送脉冲(EP)、重复检测接收脉冲(RP)并且重复确定相应的差值，使得一系列直方图累积有差值、和/或相应的串扰响应被平均并且记录为串扰响应。

6.根据权利要求5所述的方法，包括另外的步骤：

-确定所述一系列直方图中的一个或更多个另外的峰值(PK1)，

-在所述一系列直方图中至少监测所述另外的峰值(PK1)，以及

-如果监测到的峰值(PK1)中的一个或更多个被移到预定的区间范围(1，...，M)中，则校准所述一系列直方图中的一个或更多个直方图。

7.根据权利要求1至6之一所述的方法，其中

-在飞行时间系统启动时在定义的校准条件下以预校准模式确定校准值，所述校准条件特别是除所述盖板(CP)之外不存在其他对象，和/或

-通过监测所述串扰响应(CTP)和/或所述另外的峰值(PK1)动态地调整所述校准值。

8.根据权利要求6所述的方法，其中

-根据已经移动到所述预定的区间范围内的监测峰值(PK1)来确定所述校准值，

-根据所述串扰响应(CTP)与已经移动到所述预定的区间范围内的监测峰值(PK1)的比较来确定所述校准值，和/或

-根据组合的串扰响应确定所述校准值，所述组合的串扰响应包括串扰响应(CTP)和已经移动到所述预定的区间范围内的监测峰值(PK1)两者。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，使用时间平均滤波器根据所述组合的串扰响应来确定所述校准值，所述滤波器具有：

-具有缓慢的起振，即随着所述组合的串扰响应的信号幅度增大时缓慢时间求平均，和/或

-具有快速衰减，即随着所述组合的串扰响应的信号幅度的减小而快速求平均。

10.根据权利要求1至9之一所述的方法，其中

控制信号(CS1)是通过一系列触发脉冲生成的，其中后续触发脉冲之间的时间周期由所述飞行时间传感器的所需最大检测范围确定。

11.根据权利要求1至10之一所述的方法，其中，所述发送脉冲(EP)的脉冲宽度等于或小于表示所述飞行时间传感器的最小检测范围的差值。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述直方图的范围由所需的最大检测范围来确定，并且区间大小设置为等于或小于所述发送脉冲(EP)的脉冲宽度。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述发送脉冲(EP)的脉冲宽度、后续触发脉冲之间的时间周期和/或许多的发送脉冲(EP)是可调的。

14.一种飞行时间系统，包括位于盖板(CP)后面的飞行时间传感器，其中，所述飞行时间传感器包括：

-光学发射器(OE)，其配置为响应于控制信号(CS1)的各个触发脉冲而发射多个光的发送脉冲(EP)，

-检测器(MD)，其配置为检测所述光的接收脉冲(RP)，

-测量块(MB)，其配置为确定表示所述发送脉冲(EP)之一与所述接收脉冲(RP)之一之间的时间周期的各个差值，

-直方图块(HIST)，其配置为将所述差值累加到直方图的许多的区间(1，...，N)中，

-处理电路(PRC)，其配置为基于所述直方图的评估来生成指示飞行时间的输出信号(OS)、配置为在预定的区间范围(1，...，M)内在所述直方图中记录至少一个串扰响应，并且配置为使用所记录的串扰响应校准所述直方图，以及配置为基于校准后的直方图的评估来生成指示飞行时间的输出信号(OS)，以及

-控制单元(CTRL)，其配置为生成具有一系列触发脉冲的控制信号(CS1)。

15.根据权利要求14所述的飞行时间系统，其中

-所述飞行时间系统嵌入在移动设备和/或数码相机的自动对焦系统中，并且

-所述飞行时间传感器是接近传感器和/或测距仪。

16.根据权利要求15所述的飞行时间系统，其中

-所述飞行时间传感器包括驱动器(DRV)，所述驱动器根据触发脉冲的序列来驱动所述发射器(EM)，并且其中

-所述驱动器(DRV)设置为驱动所述发射器，使得所述发送脉冲的脉冲宽度是窄的，

-所述发送脉冲的窄脉冲宽度等于或小于表示所述发送脉冲(EP)之一与在所述盖板(CP)处反射的所述接收脉冲之一(RP、RP')之间的时间周期的差值。

17.一种用于校准飞行时间系统的方法，所述飞行时间系统具有位于盖板(CP)后面的飞行时间传感器，

-响应于控制信号(CS1)的相应的触发脉冲而发射多个光的发送脉冲(EP)，

-检测光的接收脉冲(RP、RP')，

-确定表示所述发送脉冲(EP)之一与所述接收脉冲之一(RP、RP')之间的时间周期的相应的差值，

-将所述差值累加到至少一个直方图的许多的区间(1，...，N)中，

-在预定的区间范围(1，...，M)内在所述直方图中记录至少一个串扰响应(CTP)，

-使用所述记录的串扰响应(CTP)校准所述直方图，以及

-基于对校准的直方图的评估来生成指示飞行时间的输出信号(OS)；其中

-重复发射多个发送脉冲(EP)、重复检测接收脉冲(RP)并且重复确定相应的差值，使得一系列直方图累积有差值、和/或相应的串扰响应被平均并且记录为串扰响应，所述方法包括另外的步骤：

-确定所述一系列直方图中的一个或更多个另外的峰值(PK1)，

-在所述一系列直方图中至少监测所述另外的峰值(PK1)，以及

-如果监测到的峰值(PK1)中的一个或更多个被移到预定的区间范围(1，...，M)中，则校准所述一系列直方图中的一个或更多个直方图。

18.根据权利要求17所述的方法，其中

-根据已经移动到所述预定的区间范围内的监测峰值(PK1)来确定所述校准值，

-根据所述串扰响应(CTP)与已经移动到所述预定的区间范围内的监测峰值(PK1)的比较来确定所述校准值，和/或

-根据组合的串扰响应确定所述校准值，所述组合的串扰响应包括串扰响应(CTP)和已经移动到所述预定的区间范围内的监测峰值(PK1)两者。

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