CN111208528B - 飞时测距传感器以及飞时测距方法 - Google Patents

飞时测距传感器以及飞时测距方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种飞时测距传感器以及飞时测距方法。飞时测距传感器包括信号处理电路、光发射器以及光传感器。光发射器发射具有第一偏极化方向的脉冲光至感测目标。光传感器感测感测目标反射的脉冲光，以通过第一子像素重复单元输出第一感测信号以及通过第二子像素重复单元输出第二感测信号至信号处理电路。信号处理电路依据第一感测信号以及第二感测信号来决定脉冲信号，并且信号处理电路依据脉冲光以及脉冲信号来决定感测目标的深度信息。

Description

飞时测距传感器以及飞时测距方法
技术领域
本发明涉及一种传感器，尤其涉及一种飞时(Time-of-Flight,ToF)测距传感器以及飞时测距方法。
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 Radiation,IR)技术、超声波(Ultrasound)测距技术以及脉冲光(Intense Pulsed Light,IPL)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-of-Flight,ToF)量测方法的脉冲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
本发明提供一种飞时(Time-of-Flight,ToF)测距传感器以及飞时测距方法，可提供能准确地感测飞时测距传感器与感测目标之间的距离的效果。
本发明的飞时测距传感器包括信号处理电路、光发射器以及光传感器。光发射器耦接信号处理电路。光发射器用以发射具有第一偏极化方向的脉冲光至感测目标。光传感器耦接信号处理电路。光传感器用以感测感测目标反射的脉冲光，以通过第一子像素重复单元输出第一感测信号以及通过第二子像素重复单元输出第二感测信号至信号处理电路。第一子像素重复单元包括多个彩色子像素单元以及具有第一偏极化方向的第一脉冲光感测单元。第二子像素重复单元包括另多个彩色子像素单元以及具有第二偏极化方向的第二脉冲光感测单元。信号处理电路依据第一感测信号以及第二感测信号来决定脉冲信号。信号处理电路依据脉冲光以及脉冲信号来决定感测目标的深度信息。
本发明的飞时测距方法包括以下步骤：通过光发射器发射具有第一偏极化方向的脉冲光至感测目标；通过光传感器感测感测目标反射的脉冲光，以通过第一子像素重复单元输出第一感测信号以及通过第二子像素重复单元输出第二感测信号；以及通过信号处理电路依据第一感测信号以及第二感测信号来决定脉冲信号，并且依据脉冲光以及脉冲信号来决定感测目标的深度信息。第一子像素重复单元包括多个彩色子像素单元以及具有第一偏极化方向的第一脉冲光感测单元。第二子像素重复单元包括另多个彩色子像素单元以及具有第二偏极化方向的第二脉冲光感测单元。
基于上述，本发明的飞时测距传感器以及飞时测距方法可通过脉冲光以及光传感器的偏极化设计，来有效地降低或消除背景噪声的影响，以提升测距的精准度。
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时测距传感器的方块示意图；
图2是依照本发明的一实施例的光传感器的方块示意图；
图3A是依照本发明的一实施例的第一子像素重复单元的示意图；
图3B是依照本发明的一实施例的第二子像素重复单元的示意图；
图4是依照本发明的一实施例的多个信号波形的时序图；
图5是依照本发明的一实施例的脉冲信号的时序图；
图6是依照本发明的另一实施例的脉冲信号的时序图；
图7是依照本发明的一实施例的飞时测距方法的流程图。
附图标号说明：
100：飞时测距传感器
110：信号处理电路
120：光发射器
130：光传感器
200：感测目标
211：时序控制电路
212：读出电路
231：像素阵列
331、332：子像素重复单元
R、R’：红色子像素单元
G、G’：绿色子像素单元
B、B’：蓝色子像素单元
IR1、IR2：脉冲光感测单元
Sa、Sb、Sp、Sr：电压信号
P、P’、P1、P1’、P2、P2’：脉冲信号
BN、BN’：背景噪声信号
QA、QB：进光量
T：脉冲宽度
Trt：往返时间
S710～S730：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，以下特举实施例作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时测距传感器的方块示意图。参考图1，飞时测距传感器100包括信号处理电路110(Signal Processor)、光发射器120以及光传感器130。信号处理电路110耦接光发射器120以及光传感器130。信号处理电路110可包括数字电路及模拟电路，本发明并不加以限制。在本实施例中，光发射器120可例如是脉冲光发射器或激光二极管(Laser Diode)，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(CMOS Image Sensor,CIS)。光发射器120用以发射出红外光(Infrared Radiation,IR)的光脉冲。在本实施例中，信号处理电路110驱动光发射器120以及光传感器130，以使光发射器120发射脉冲光至感测目标200，并且光传感器130感测经由感测目标200反射的脉冲光。
在本实施例中，光传感器130可包括第一子像素重复单元以及第二子像素重复单元。第一子像素重复单元包括多个彩色子像素单元以及具有第一偏极化方向的第一脉冲光感测单元。第二子像素重复单元包括另多个彩色子像素单元以及具有第二偏极化方向的第二脉冲光感测单元。因此，本实施例的光传感器130可用于取得彩色图像信息、红外光图像信息以及深度信息。此外，在本实施例中，光发射器120可发射例如是具有垂直偏极化方向的脉冲光或水平偏极化方向的脉冲光至感测目标200。
具体而言，由于光传感器130在感测过程中，将同时感测到背景噪声，因此本实施例的光传感器130可通过不同偏极化的第一脉冲光感测单元以及第二脉冲光感测单元来分别输出多个感测结果。在本实施例中，第一子像素重复单元以及第二子像素重复单元例如是交错重复且阵列排列在像素基板上，但本发明并不加以限制。在本实施例中，信号处理器110将第一子像素重复单元以及第二子像素重复单元的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时测距传感器100与感测目标200之间的距离。
举例而言，信号处理电路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时测距传感器100与感测目标200之间的距离。换言之，本实施例的飞时测距传感器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声，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光传感器的方块示意图。图3A是依照本发明的一实施例的第一子像素重复单元的示意图。图3B是依照本发明的一实施例的第二子像素重复单元的示意图。参考图1至图3B，上述图1的光传感器130可进一步包括如图2的像素阵列231，并且像素阵列231耦接时序控制电路211以及读出电路212。在本实施例中，图2的像素阵列231可包括如图3A的第一子像素重复单元331以及如图3B的第二子像素重复单元332。换言之，多个第一子像素重复单元331以及多个第二子像素重复单元332可交错排列以形成阵列，但本发明并不限制第一子像素重复单元331以及第二子像素重复单元332在像素阵列231中的排列方式。
更进一步而言，像素阵列231的每一个子像素单元上可分别设置或形成彩色滤光片(color filter)。在本实施例中，第一子像素重复单元331可包括多个彩色像素单元以及第一脉冲光感测单元IR1。所述多个彩色像素单元例如包括红色子像素单元R、绿色子像素单元G以及蓝色子像素单元B。在本实施例中，第二子像素重复单元332可包括另多个彩色像素单元以及第二脉冲光感测单元IR2。所述另多个彩色像素单元例如包括红色子像素单元R’、绿色子像素单元G’以及蓝色子像素单元B’。
在本实施例中，时序控制电路211用以提供时序信号，以控制像素阵列231进行图像感测操作或测距操作。当像素阵列231执行图像感测操作时，第一子像素重复单元331以及第二子像素重复单元332的红色子像素单元R、R’、绿色子像素单元G、G’以及蓝色子像素单元B、B’可提供彩色图像信息，并且可搭配第一脉冲光感测单元IR1以及第二脉冲光感测单元IR2来提供红外光图像信息。然而，当像素阵列231执行测距操作时，第一子像素重复单元331以及第二子像素重复单元332的红色子像素单元R、R’、绿色子像素单元G、G’以及蓝色子像素单元B、B’可被禁能，并且第一子像素重复单元331以及第二子像素重复单元332可仅通过第一脉冲光感测单元IR1以及第二脉冲光感测单元IR2来进行测距。
在本实施例中，第一脉冲光感测单元IR1可具有第一偏极化方向，并且第二脉冲光感测单元IR2可具有第二偏极化方向。对此，光发射器120可发射例如是具有垂直偏极化方向的脉冲光至感测目标200，并且感测目标200反射具有垂直偏极化方向的脉冲光至在光传感器130当中具有垂直偏极化方向的第一脉冲光感测单元IR1以及具有水平偏极化方向的第二脉冲光感测单元IR2。因此，光传感器130的第一脉冲光感测单元IR1可依据垂直偏极化方向的脉冲光以及对应于环境光来输出第一感测信号，并且所述第一感测信号包括对应于脉冲光的脉冲信号以及对应于整体背景噪声的一部分具有垂直偏极化方向的第一背景噪声信号。光传感器130的第二脉冲光感测单元IR2可输出第二感测信号，并且所述第二感测信号包括对应于环境光的整体背景噪声的另一部分具有水平偏极化方向的第二背景噪声信号。值得注意的是，由于第二脉冲光感测单元IR2与脉冲光的偏极化方向不同，因此第二感测信号不包括对应于脉冲光的脉冲信号。
更进一步而言，由于第一背景噪声信号的信号强度与第二背景噪声信号的信号强度相同或相近，因此本实施例的信号处理电路110可在一个图框操作中将经由不同偏极化的不同像素单元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，即可取得无背景噪声的脉冲信号的信号波形。也就是说，本实施例的信号处理电路110可依据光发射器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，来准确地计算出飞时测距传感器100与感测目标200之间的距离。
图4是依照本发明的一实施例的多个信号波形的时序图。参考图1至图4，举例而言，光发射器120可依据电压信号Sa来发射具有垂直偏极化方向的脉冲光。电压信号Sa包括脉冲信号P。接着，具有垂直偏极化方向的第一脉冲光感测单元IR1以及具有水平偏极化方向的第二脉冲光感测单元IR2被致能，以持续进行感测。第一脉冲光感测单元IR1可输出如图4所示的电压信号Sp，并且第二脉冲光感测单元IR2可输出如图4所示的电压信号Sb。
在本实施例中，由于第一脉冲光感测单元IR1与脉冲光的偏极化方向相同，因此第一脉冲光感测单元IR1输出的电压信号Sp可包括对应于环境光的背景噪声信号BN’以及脉冲信号P’。在本实施例中，由于第二脉冲光感测单元IR2与脉冲光的偏极化方向不同，因此第二脉冲光感测单元IR2输出的电压信号Sp包括对应于环境光的背景噪声信号BN’。在本实施例中，背景噪声信号BN、BN’具有相同信号强度。因此，信号处理电路110可通过比较电压信号Sp、Sb来输出电压信号Sr，并且电压信号Sr仅具有脉冲信号P’，而无背景噪声的信号。
在本实施例中，信号处理电路110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，信号处理电路110可依据光发射器120发射脉冲光的时间与脉冲信号P’的上升缘所对应的读出信号的发生时间之间的时间差，来决定飞时测距传感器100与感测目标200之间的距离。值得注意的是，依照上述信号处理方式，即使背景噪声信号BN、BN’的信号强度高于脉冲信号P、P’，本实施例的信号处理电路110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5是依照本发明的一实施例的脉冲信号的信号时序图。参考图1以及
图5，当信号处理电路110取得对应于光传感器130感测到的脉冲光的无背景噪声的脉冲信号后，信号处理电路110可通过执行直接飞时(Direct Time-of-Flight,D-ToF)测距运算来取得脉冲光的传递时间，以计算感测目标200的深度信息。感测目标200的深度信息是指飞时测距传感器100与感测目标200之间的距离。具体而言，信号处理电路110可依据光发射器120发射脉冲光(脉冲信号P1)与光传感器130感测到反射的脉冲光(脉冲信号P1’)之间的时间差T1来计算感测目标200的深度信息。时间差T1可例如是脉冲信号P1的上升缘至脉冲信号P1’的上升缘之间的时间长度。也就是说，在本实施例中，信号处理电路110可例如将时间差T1乘以光速(C)再除以2，以取得距离(距离＝(T1×C)/2)。
图6是依照本发明的另一实施例的脉冲信号的信号时序图。参考图1以及图6，当信号处理电路110取得对应于光传感器130感测到的脉冲光的无背景噪声的脉冲信号后，信号处理电路110可通过执行间接飞时(Indirect Time-of-Flight,I-ToF)测距运算来取得脉冲光的传递时间，以计算感测目标200的深度信息。具体而言，信号处理电路110可计算光发射器120发射脉冲光(脉冲信号P2)以及光传感器130感测到由感测目标200反射的脉冲光(脉冲信号P2’)之间的往返时间(round trip time)Trt，并且依据往返时间Trt来计算感测目标200的深度信息。
举例而言，光传感器130的脉冲光感测单元可进一步包括两个电容单元，并且当脉冲光感测单元感测到由感测目标200反射的脉冲光时，脉冲光感测单元通过电容单元来储能，以取得对应于进光量QA的电量以及对应于进光量QB的电量。因此，信号处理电路110可例如取得进光量QA以及进光量QB的对应参数、数值或电量，以进行以下公式(1)～(4)的计算。
对此，如下公式(1)～(4)的推导，进光量QA等于往返时间Trt乘以反射的光强度R，并且进光量QB等于脉冲宽度T减去往返时间(T-Trt)再乘以反射的光强度R。因此，信号处理电路110可计算如以下公式(4)以取得距离D，其中C为光速参数。距离D为感测目标200的深度信息。换言之，距离D为飞时测距传感器100与感测目标200之间的距离。
QA＝Trt×R…………(1)
QB＝(T-Trt)×R…………(2)
QA+QB＝T×R…………(3)
Figure BDA0002152256830000081
图7是依照本发明的一实施例的飞时测距方法的流程图。参考图1以及图7，本实施例的飞时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。在步骤S710中，光发射器120发射具有第一偏极化方向的脉冲光至感测目标200。在步骤S720中，光传感器130感测感测目标200反射的脉冲光，以通过第一子像素重复单元输出第一感测信号以及通过第二子像素重复单元输出第二感测信号。在步骤S730中，信号处理电路110依据第一感测信号以及第二感测信号来决定脉冲信号，并且依据脉冲光以及脉冲信号来决定感测目标200的深度信息。因此，本实施例的飞时测距方法能准确地感测感测目标200的深度信息。感测目标200的深度信息是指飞时测距传感器100与感测目标200之间的距离。
另外，关于本实施例的飞时测距传感器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6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，本发明的飞时测距传感器以及飞时测距方法，可通过具有第一偏极化方向的第一子像素重复单元以及具有第二偏极化方向的第二子像素重复单元来感测由感测目标反射的具有第一偏极化方向的的脉冲光，以取得具有脉冲信号以及第一背景噪声信号的第一感测信号以及仅具有第二背景噪声信号的第二感测信号。接着，本发明的飞时测距传感器可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，以有效地取得对应于由感测目标反射的脉冲光的脉冲信号。因此，本发明的飞时测距传感器可通过直接飞时测距运算或间接飞时测距运算来计算出感测目标的深度信息，即飞时测距传感器与感测目标之间的距离。本发明的飞时测距传感器以及飞时测距方法可有效降低或消除背景噪声的影响，以提升测距的精准度。
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的技术人员，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 (9)

1.一种飞时测距传感器，其特征在于，包括：
信号处理电路；
光发射器，耦接所述信号处理电路，并且用以发射具有第一偏极化方向的脉冲光至感测目标；以及
光传感器，耦接所述信号处理电路，并且用以感测所述感测目标反射的所述脉冲光，以通过第一子像素重复单元输出第一感测信号以及通过第二子像素重复单元输出第二感测信号至所述信号处理电路，
其中所述第一子像素重复单元包括多个彩色子像素单元以及具有所述第一偏极化方向的第一脉冲光感测单元，并且所述第二子像素重复单元包括另多个彩色子像素单元以及具有第二偏极化方向的第二脉冲光感测单元，
其中所述信号处理电路依据所述第一感测信号以及所述第二感测信号来决定无背景噪声的脉冲信号，并且所述信号处理电路依据所述脉冲光以及所述脉冲信号来决定所述感测目标的深度信息，
其中所述第一感测信号包括所述脉冲信号以及第一背景噪声信号，并且所述第二感测信号包括第二背景噪声信号，其中所述第一背景噪声信号与所述第二背景噪声信号的信号强度相同，并且所述第一背景噪声信号与所述第二背景噪声信号的偏极化方向不同。
2.根据权利要求1所述的飞时测距传感器，其特征在于，在一测距期间，所述光传感器通过所述第一子像素重复单元的所述第一脉冲光感测单元以及所述第二子像素重复单元的所述第二脉冲光感测单元来取得所述第一感测信号以及所述第二感测信号。
3.根据权利要求1所述的飞时测距传感器，其特征在于，所述信号处理电路执行一直接飞时测距运算，以依据所述光发射器发射所述脉冲光与所述光传感器感测到所述脉冲信号之间的一时间差来计算所述感测目标的所述深度信息。
4.根据权利要求1所述的飞时测距传感器，其特征在于，所述信号处理电路执行一间接飞时测距运算，以计算所述脉冲光的一往返时间，并且依据所述往返时间来计算所述感测目标的所述深度信息。
5.根据权利要求1所述的飞时测距传感器，其特征在于，所述信号处理电路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。
6.根据权利要求1所述的飞时测距传感器，其特征在于，所述多个彩色子像素单元以及所述另多个彩色子像素单元均包括红色子像素单元、绿色子像素单元以及蓝色子像素单元。
7.根据权利要求1所述的飞时测距传感器，其特征在于，所述第一脉冲光感测单元以及所述第二脉冲光感测单元分别为红外光子像素单元。
8.根据权利要求1所述的飞时测距传感器，其特征在于，所述第二偏极化方向垂直所述第一偏极化方向。
9.一种飞时测距方法，其特征在于，包括：
通过光发射器发射具有第一偏极化方向的脉冲光至感测目标；
通过光传感器感测所述感测目标反射的所述脉冲光，以通过第一子像素重复单元输出第一感测信号以及通过第二子像素重复单元输出第二感测信号；以及
通过信号处理电路依据所述第一感测信号以及所述第二感测信号来决定无背景噪声的脉冲信号，并且依据所述脉冲光以及所述脉冲信号来决定所述感测目标的深度信息，
其中所述第一子像素重复单元包括多个彩色子像素单元以及具有所述第一偏极化方向的第一脉冲光感测单元，并且所述第二子像素重复单元包括另多个彩色子像素单元以及具有第二偏极化方向的第二脉冲光感测单元，
其中所述第一感测信号包括所述脉冲信号以及第一背景噪声信号，并且所述第二感测信号包括第二背景噪声信号，其中所述第一背景噪声信号与所述第二背景噪声信号的信号强度相同，并且所述第一背景噪声信号与所述第二背景噪声信号的偏极化方向不同。
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