CN111487639A - 一种激光测距装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光测距装置，包括：发射模块、接收模块以及控制与处理电路；其中，发射模块包括第一光源、合束元件和第二光源；所述合束元件将第一光源发射的光束耦合到一起形成第二光源，以发射第二光束；接收模块包括由多个像素组成的像素阵列；控制与处理电路用于同步发射模块与接收模块的触发信号以计算光束从发射到被接收所需要的飞行时间，根据飞行时间计算目标物体的距离；本发明将多个第一光源耦合到一起形成第二光源，增加发射光束的光能量以及峰值功率，实现发射光束在窄脉冲宽度下具有高峰值功率的优点，结合扫描元件实现不同的扫描测距方式，以使激光测距装置能够同时提升测距精度和测距能力。

Description

一种激光测距装置及方法

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种激光测距装置及方法。

背景技术

利用飞行时间原理(Time of Flight)、结构光原理可以对目标进行距离测量以获取包含目标深度值的深度图像，进一步基于该深度图像可以实现三维重建、人脸识别、人机交互等功能，相关的距离测量系统已被广泛应用于消费电子、无人架驶、AR/VR等领域。其中，基于飞行时间原理的激光测距装置通常包括激光器和传感器，利用激光器发射脉冲光束照射目标视场并利用传感器采集反射回的光束，计算光束由发射到反射回来被接收所需要的时间，根据计算出的时间来计算目标物体的距离；而结构光距离测量系统则是通过对反射回来的光束图案进行处理，并利用三角法计算目标物体的距离。

然而，结构光测距方案测量距离有限，只适合较近的场景，物体距离相机越远，物体上的投影图案越大，精度也越差，相对应的测量精度也越差。而基于飞行时间原理的距离测量方案的测距能力和测距精度在一定程度上受到激光峰值功率的影响。其中，激光的峰值功率越高，可探测的距离越远；而窄脉宽能够提高计时精度，但脉宽减小到一定程度时，会减弱峰值功率，所以很难同时兼顾测距精度和测距能力。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光测距装置及方法，以解决上述背景技术问题中的至少一种。

为达到上述目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：

一种激光测距装置，包括：

发射模块，所述发射模块包括第一光源、合束元件和第二光源；其中，所述合束元件用于将所述第一光源发射的第一光束耦合到一起形成所述第二光源，所述第二光源用于朝向目标区域发射第二光束；

接收模块，所述接收模块包括由多个像素组成的像素阵列；

控制与处理电路，所述控制与处理电路分别与所述发射模块以及所述接收模块连接，以用于同步所述发射模块与所述接收模块的触发信号以计算光束从发射到被接收所需要的飞行时间，并根据所述飞行时间计算目标物体的距离。

在一些实施例中，所述合束元件包括多个输入端口和一个或多个输出端口，以用于将至少两个所述第一光束的峰值功率耦合到一起形成所述第二光束。

在一些实施例中，所述第二光源用于发射线光束；或，所述第二光源以线性方式排列形成一维第二光源线阵列，所述一维第二光源线阵列用于发射线光束。

在一些实施例中，所述发射模块还包括扫描单元，所述扫描单元接收所述线光束并进行偏转后向所述目标区域发射第三光束。

在一些实施例中，所述发射模块可以同时发射多条所述线光束，多条所述线光束经过所述扫描单元偏转后实现对所述目标区域的分区域扫描。

在一些实施例中，所述第二光源以规则方式排列形成二维第二光源面阵列，所述二维第二光源面阵列用于发射斑点图案光束。

在一些实施例中，所述二维第二光源面阵列中的所述第二光源与所述像素阵列中的像素具有一一对应的关系。

在一些实施例中，所述激光发射模块还包括扫描单元，所述扫描单元接收所述所述二维第二光源面阵列发射的所述斑点图案光束并进行小角度偏转后向所述目标区域发射第三光束。

在一些实施例中，所述控制与处理电路调控所述第一光源发光以实现对所述第二光源发射光束的控制。

本发明另一技术方案为：

一种激光测距方法，包括如下步骤：

通过发射模块向目标区域发射光束，其中，所述发射模块包括第一光源阵列、合束元件和第二光源阵列；所述合束元件用于将所述第一光源阵列发射的所述第一光束耦合到一起形成所述第二光源阵列，所述第二光源阵列用于朝向所述目标区域发射第二光束；

通过接收模块接收经所述目标区域反射回的至少部分反射光束，其中，所述接收模块包括有由多个像素组成的像素阵列；

通过控制与处理电路同步所述发射模块与所述接收模块的触发信号以计算光束从发射到反射回被接收所需要的飞行时间，根据所述飞行时间计算目标物体的距离。

本发明技术方案的有益效果是：

本发明激光测距装置通过将多个第一光源耦合到一起形成第二光源，使得第二光源的光能量大于第一光源，在相同的脉冲宽度下第二光源发射的光束的峰值功率大于第一光源发射的光束的峰值功率，从而实现发射光束在窄脉冲宽度下具有高峰值功率的优点，而且通过设置第二光源的排列方式，结合扫描元件实现不同的扫描测距方式，以使激光测距装置能够同时提升测距精度和测距能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明一个实施例激光发射单元的示意图。

图2是根据本发明一个实施例激光发射模块的示意图。

图3是根据本发明另一个实施例激光发射模块的示意图。

图4是根据本发明一个实施例激光测距装置的示意图。

图5是根据本发明另一个实施例激光测距方法的流程图示。

图6是采用图4激光测距装置的电子设备的示意图。

具体实施方式

为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接即可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

图1所示为本发明一个实施例激光发射单元的示意图，激光发射单元100包括第一光源阵列101、合束元件102、第二光源阵列103以及驱动器104。其中，第一光源阵列101包括多个第一光源1011，第一光源1011被配置为朝向目标区域发射第一光束。在一些实施例中，第一光源1011可以是发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、边发射激光器(EEL)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)等。第一光源阵列101中多个第一光源1011以任意的排列方式排列在基底上(未图示)排列方式可以是规则的也可以是不规则的；基底可以是半导体基底、金属基底等；第一光源1011所发射的光束可以是可见光、红外光、紫外光等。优选地，第一光源阵列101是设置在半导体基底上的多个VCSEL子光源组成的阵列光源芯片。第一光源1011在驱动器104的调制驱动下进行发光，比如幅度调制、相位调制、频率调制、脉冲调制等。

合束元件102包括有输入端口和输出端口，其中至少两个第一光源1011发射的第一光束通过输入端口经合束元件102合成一束光束(可称合成光束)，合成光束经输出端口输出形成第二光源1031，多组第一光源1011在多个合束元件102的作用下形成多个第二光源1031，多个第二光源1031形成第二光源阵列103，第二光源阵列103向外发射第二光束。图1中，合束元件102包括多个输入端口和一个输出端口；在一些实施例中，合束元件102包括多个输入端口和多个输出端口，多组第一光源1011在驱动器104的驱动下发射光束并输入到合束元件102中，同时从多个输出端口输出形成相应的第二光源1031。合束元件102可以是光纤耦合器、合束器、波分复用器中的一种，优选地，合束元件102为多合一光纤耦合器。

在一个实施例中，合束元件102可以是鲍威尔棱镜，一个点光源发射的光束经过鲍威尔棱镜后形成一束均匀的线光束，基于此将至少两个第一光源发射的第一光束通过鲍威尔棱镜后耦合在一起形成一个第二光源，该第二光源用于发射第二光束，即用于发射线光束。

第一光源1011具有相同的结构与性能参数，优选地，第一光源1011具有较小的脉冲宽度，经过合束元件102后将多个第一光源1011发射光束的峰值功率耦合到一起，使得第二光源1031发射光束的峰值功率大于第一光源1011发射光束的峰值功率。在脉冲宽度和频率相同的情况下，第二光源1031发射光束的光强度大于第一光源1011发射光束的光强度。

在一个实施例中，如图1所述，每四个第一光源1011经由一个合束元件102形成一个第二光源1031，多个第二光源1031形成第二光源阵列，第二光源阵列朝向目标区域发射第二光束，假设第一光源1011的峰值功率是100w，经过耦合的第二光源1031的峰值功率约为400w。

可以理解的是，在本实施例中的数量只做示例性说明，在实际应用中可以是任意数量的第一光源组合成一个第二光源，合束元件可以设置为多个，分别对应形成多个第二光源；也可以设计为具有多个输入端和多个输出端的一个合束元件用于形成多个第二光源。

在本发明实施例中对光源、合束元件以及合束元件的输入端口和输出端口数量不作特别限定；同时，对合束元件的输入端口、输出端口与第一光源、第二光源的配置关系也不作特别限定，例如：可以是多组第一光源共用同一个合束元件，每组第一光源中的单个第一光源对应通过合束元件的一个输入端输入；当然，合束元件的输出端也可以被配置为每个输出端对应一个第二光源，或者同一个输出端对应多个第二光源。不管采取何种配置，只要不脱离本发明的主体创作构思，均应属于本申请保护的范围。

驱动器104用于控制第一光源1011发光以实现对第二光源1031发射光束的控制。在一个实施例中，通过控制第二光源1031发射光束的时间和顺序，以实现分组或者整体发射光束。在一些实施例中，对于探测不同距离处、不同环境背景下或者不同反射率的物体时，可以通过调整第一光源1011发射光束的数量或者峰值功率调整第二光源1031的峰值功率，以此调控发射第二光束的光强度。

根据图1所示，假设每4个第一光源1011耦合为一个第二光源1031，第二光源1031发射光束的光强度远大于第一光源1011。当探测近距离物体时，可控制部分第一光源1011关闭，比如关闭其中的两个以减小第二光源1031发射的光强度，或者控制每个第一光源1011的峰值功率减小，导致第二光源1031的峰值功率减小，从而减小发射光束的光强度。在一些实施例中，驱动器104也可以为控制与处理电路的一部分。通过调控第一光源1011以实现对第二光源1031发射光束的光强度的控制；在具体应用中，可根据实际需要进行合理的配置，以实现自适应调节，从而有效的降低能量消耗并且可提高探测准确性。

其中，第二光源阵列103中的第二光源1031可以是规则排列也可以是不规则排列的。在一个实施例中，第二光源阵列103是一维光源阵列。在一个实施例中，第二光源阵列103也可以是二维光源阵列。

在本发明实施例中，通过将多个第一光源耦合到一起形成第二光源，使得第二光源的光能量大于第一光源，在相同的脉冲宽度下第二光源发射的光束的峰值功率大于第一光源发射光束的峰值功率，第二光束的光强度大于第一光束的光强度，从而实现发射光束在窄脉冲宽度下具有高峰值功率的优点。

作为本发明另一实施例，还提供一种发射单元的制造方法，包括如下步骤：

提供一基底，并于基底上设置第一光源阵列，以用于发射第一光束；

在本发明实施例中，基底为半导体基底；将第一光源设置在半导体基底上以形成第一光源阵列。

提供合束元件，合束元件包括输入端口和输出端口，通过输入端口采集至少两束第一光束合成一束，经输出端口输出形成第二光源；其中，多个第二光源组成第二光源阵列，用于发射第二光束。在一些实施例中，第二光束即为发射至目标区域空间中以照明目标物体的光束。

在一些实施例中，还包括如下步骤：

提供驱动器，以用于控制第一光源阵列中的第一光源发光，进而实现对第二光源发射光束的控制。在一些实施例中，合束元件将至少两个第一光束的峰值功率耦合到一起形成第二光束，使得第二光束的光强度大于第一光束。

在一些实施例中，所述合束元件包括多个所述输入端口和一个或多个所述输出端口。

在一个实施例中，多个所述第一光源以任意的排列方式排列在所述基底上，形成第一光源阵列；多个所述第二光源以规则/或不规则的方式排列，形成第二光源阵列。参照图2所示，作为本发明的另一实施例，还提供一种激光发射模块，图2所示为本发明另一实施例激光发射模块的示意图，激光发射模块20包括激光发射单元200和扫描单元204。其中，激光发射单元200包括第一光源阵列201、第二光源阵列203、合束元件202以及驱动器(未图示)。第一光源阵列201包括多个第一光源2011，第一光源2011被配置为朝向目标区域发射第一光束。在一些实施例中，第一光源2011可以是发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、边发射激光器(EEL)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)等。第一光源阵列201中多个第一光源2011以任意的排列方式排列在基底上(未图示)，排列方式可以是规则的也可以是不规则的；基底可以是半导体基底、金属基底等；第一光源2011所发射的光束可以是可见光、红外光、紫外光等。优选地，第一光源阵列201是设置在半导体基底上的多个VCSEL子光源组成的阵列光源芯片。第一光源201在驱动器的调制驱动下进行发光，比如幅度调制、相位调制、频率调制、脉冲调制等。

合束元件202包括有输入端口和输出端口；在图2所示实施例中，合束元件202包括多个输入端口和一个输出端口，将至少两个第一光源2011发射的第一光束合成一束输出形成第二光源2031。

在一个实施例中，多组第一光源2011在多个合束元件202的作用下形成多个第二光源2031，多个第二光源2031形成第二光源阵列203；优选地，第二光源阵列203中的第二光源2031是规则排列的。合束元件202包括多个输入端口和多个输出端口，多组第一光源2011在驱动器的驱动下发射光束并输入到合束元件202中，同时从多个输出端口输出形成相应的第二光源2031。第二光源3031以线性方式排列形成一维第二光源阵列203。图2中示出了规则排列成一列的一维线光源阵列。在一些实施例中，也可以是规则排列成一行的一维线光源阵列。如图2所示，每10个第一光源2011经由一个合束元件202后形成一个第二光源2031，多个第二光源2031形成一维第二光源阵列203，第二光源阵列203朝向目标区域发射第二线光束，这种发射线光束的方式中线光束的长度由第二光源的数量决定。可以理解的是，在本实施例中的数量只做示例性说明，在实际应用中可以是任意数量的第一光源组合成一个第一光源阵列，合束元件可以设置为多个，分别对应形成每个第二光源；也可以设计为具有多个输入端和输出端的一个合束元件用于形成多个第二光源。

扫描单元204接收第二光源阵列203发射的光束并进行偏转扫描后向外发射第三光束，通过控制扫描单元204连续偏转可获得连续的扫描线，以在目标空间形成扫描投影图案205。扫描线中每个照明光斑(图2中用空心圆表示)经目标物体反射后成像到传感器阵列中对应的像素或像素单元(超像素)上。控制和处理电路可以控制每次扫描时第三光束经目标区域反射后对应的像素开启以接收光束，而其他像素处于关闭状态，有效减少了系统功耗也降低了相邻像素的干扰。

其中，扫描单元204可以是液晶空间光调制器、声光调制器、MEMS振镜、旋转棱镜对、单个棱镜+电机、反射式二维OPA器件、液晶超表面器件(LC-Metasurface)等器件中的一种或几种的组合。在一个实施例中，扫描单元204为MEMS振镜，MEMS振镜在驱动器的控制下发生偏转使投射到MEMS振镜上的一维光束反射到目标场景中形成二维投影图案，经过目标反射成像到二维传感器阵列中，最终完成整个视场的扫描。

在本发明实施例中，扫描分辨率由连续扫描线之间的间隔确定，通过减小连续扫描线之间的间隔可以增加扫描分辨率，采用一维线性扫描可以利用较小的光束数量获得足够的空间分辨率，相比二维扫描操作更简单。

在一些实施例中，第二光源阵列可包括多个线光源阵列，经扫描单元对发射的光束进行偏转可同时实现多个区域的扫描，以提升扫描速度。具体的，可设置第二光源阵列包括多个一维第二光源阵列，相互之间设置一定的间隔，同时朝向目标区域发射多条第二线光束，经过扫描单元后分别向外发射多条第三光束，实现对目标区域的分区域扫描，每个一维第二光源阵列对应扫描一个子目标区域。相应的，传感器阵列也对应分成多个子传感器阵列，接收与其对应的线光源发射的第二光束。通过设置多条线光源阵列同时对目标区域进行分区域扫描，有效增加了扫描速度，提升帧率。

在一个实施例中，合束元件可以是鲍威尔棱镜，将至少两个第一光源发射的第一光束通过鲍威尔棱镜后耦合在一起形成一个第二光源，该第二光源用于发射第二光束，即用于发射线光束，可以理解的是，这种发射线光束的方式中线光束的长度由鲍威尔棱镜的长度决定。扫描单元接收第二光源发射的线光束进行偏转扫描获得连续的扫描线，以在目标空间中形成扫描投影图案。同理，可以设计多组位于不同位置处的第一光源发射第一光束通过鲍威尔棱镜耦合后形成多个第二光源，每个第二光源用于发射一个线光束，多个第二光源发射多条线光束经过扫描单元后对目标区域实现分区域扫描。

在一些实施例中，发射模块20还包括分束单元(未图示)，利用分束单元将第二光源阵列发出的一列第二光束分束成多列第二光束，经过扫描单元对发射的光束进行偏转同时实现对多个区域的扫描。分束单元可以是衍射光学元件、光栅、光学掩膜板、超表面(Metasurface)光学元件等任意可以实现分束的光学器件中的一种或多种的组合。

可以理解的是，第二光源阵列也可配置为二维光源阵列，具体的如图3所示。图3所示为本发明另一实施例激光发射模块的示意图。图3所示实施例中，激光发射模块30包括激光发射单元300。与图2所示的实施例中的激光发射单元相比，多组第一光源3011发射的光束经由合束元件302耦合后输出形成多个第二光源3031，多个第二光源3031形成面阵光源阵列303，优选地，多个第二光源3031以规则的排列方式形成二维面阵光源阵列303，二维面阵光源阵列303朝向目标场景投射规则的斑点图案光束，图3中用实线空心圆表示，每一光束经目标反射后成像到对应的像素上，像素单元接收反射光束中的光子并形成响应信号。

本发明实施例中通过利用面阵光源阵列对视场区域进行测量，不需要设置复杂的扫描元件，将第二光源阵列与传感器阵列设计相同的形状和尺寸，第二光源与传感器具有一一对应的关系，每一光源发射的光束经目标反射后成像到对应的像素上，有效的测距系统的体积。在一个实施例中，控制和处理电路可以控制部分第二光源与对应的部分传感器开启，实现对指定区域的扫描。

在一实施例中，发射模块30还包括扫描单元304，扫描单元304将第二光源3031发射的第二光束沿一定方向进行小角度偏转后向外发射第三光束；优选地，该小角度小于两个相邻第二光束之间的夹角，偏转后的第三光束投射到目标空间中形成的投影图案光束位于相邻两个第二光束所形成的投影图案光束之间，图3中用虚线空心圆表示，从而使得投射到目标场景的投影图案305具有更高的密度，以此提升系统的分辨率。可以理解的是，在实际应用中可以根据实际需要任意设置光束的偏转方向。扫描单元304可以是液晶空间光调制器、声光调制器、MEMS振镜、旋转棱镜对、单个棱镜+电机、反射式二维OPA器件、液晶超表面器件(LC-Metasurface)等器件中的一种或多种的组合。

在一些实施例中，发射模块30还可以包括分束单元(未图示)，分束单元接收第二光源3031发射的第二光束进行复制分束以形成数量更多的第二光束，分束后的第二光束经由扫描单元偏转投射到目标视场，从而获得更大的视场角度以及更高的分辨率。分束单元可以是衍射光学元件、光栅、光学掩膜板、超表面(Metasurface)光学元件等任意可以实现分束的光学器件中的一种或多种的组合。

可以理解的是，在一些实施例中，可以通过调控第一光源发光以实现对第二光源发射光束的控制。具体的，对于探测不同距离处、不同环境背景下或者不同反射率的物体时，可以通过调整第一光源发射光束的数量或者输出功率从而调整第二光源的输出功率，以此调控发射光束的光强度。例如当探测近距离物体时，可控制部分第一光源关闭以减小第二光源发射的光强度，或者控制每个第一光源的输出功率减小，以调控第二光源的输出功率减小，从而减小发射第二光束的光强度。通过调控第一光源以实现对第二光源发射光束光强度的控制，可根据实际需要进行合理的配置，甚至可实现自适应调节，有效的降低能量消耗并且可以提高探测准确性。

参照图4所示，作为本发明另一实施例，还提供一种激光测距装置。图4所示为本发明一个实施例的激光测距装置示意图，该激光测距装置40包括发射模块41、接收模块42以及控制与处理电路43；其中，发射模块41为前述任一实施例中描述的发射模块，以用于向目标区域20发射光束50，该光束发射至目标区域空间中以照明空间中的目标物体，至少部分发射光束50经目标区域20反射后形成反射光束60，经过一段时间延迟后，反射光束60中的至少部分光束被接收模块42接收。控制与处理电路43分别与发射模块41以及接收模块42连接，同步发射模块41与接收模块42的触发信号以计算光束从发射与反射回来被接收所需要的时间，即发射光束50与反射光束60之间的飞行时间t，根据该飞行时间t，目标物体上对应点的距离D可由下式计算出：

D＝c·t/2 (1)

其中，c为光速。

具体的，发射模块41包括激光发射单元411、发射光学元件412以及驱动器413。激光发射单元411是由多个光源组成的一维或二维光源阵列，其中，光源可以是发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、边发射激光器(EEL)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)等；优选地，光源阵列是在单块半导体基底上生成多个VCSEL光源以形成的VCSEL阵列光源芯片。光源阵列中光源的排列方式可以是规则的也可以是不规则的，光源所发射的光束可以是可见光、红外光、紫外光等。激光发射单元411在驱动器413的控制下向外发射光束。在一个实施例中，发射单元411在驱动器413的控制下向外发射脉冲光束。可以理解的是，还可以利用控制与处理电路43中的一部分或者独立于控制与处理电路43存在的子电路来控制发射单元411发射相关的光束。

发射光学元件412接收来自发射单元411发射的光束并整形后投射到目标区域。在一个实施例中，发射光学元件412接收来自发射单元411的光源阵列的脉冲光束，并将脉冲光束进行光学调制，比如：衍射、折射、反射等调制，随后向空间中发射被调制后的光束。发射光学元件412可以是透镜、液晶元件、衍射光学元件、微透镜阵列、超表面(Metasurface)光学元件、掩膜板、反射镜、MEMS振镜等形式中的一种或多种组合。

接收模块42包括接收单元421、接收光学元件422和处理电路423。其中，接收单元421包括由多个传感器组成的二维传感器阵列，在一些实施例中，每个传感器(也可称为像素)可以包括一组传感器，此时称为“超像素”。传感器可以是单光子雪崩光电二极管(SPAD)或者是雪崩光电二极管(APD)。接收光学元件122用于接收并将由目标反射回的至少部分反射光束引导到接收单元421上。接收光学元件422包括透镜单元、滤光片等。

处理电路423对传感器采集光束的信号进行处理。在一个实施例中，传感器阵列可以是由SPAD组成的阵列单元，SPAD对入射的单个光子进行响应而输出光子信号。处理电路423接收光子信号并进行信号处理以获取光束的飞行时间。具体的，处理电路423计算采集光子的数量形成连续的时间bin，这些时间bin连在一起形成统计直方图，以用于重现反射光脉冲的时间序列，利用峰值匹配和滤波检测识别出反射光束从发射到接收的飞行时间。在一些实施例中，处理电路423包括信号放大器、时数转换器(TDC)、数模转换器(ADC)等器件。可以理解的是，处理电路423也可以是控制与处理电路43中的一部分。

控制和处理电路43同步发射单元与接收单元的触发信号，并基于反射光束的飞行时间计算出待测目标的距离信息。控制与处理电路43可以是独立的专用电路，比如专用SOC芯片、FPGA芯片、ASIC芯片等等，也可以包含通用处理电路。

在一些实施例中，激光测距装置40还包括存储器，用于存储脉冲编码程序，利用编码程序控制激光发射单元411发射光束的激发时间、发射频率等。

本发明另一实施例，还提供一种激光测距方法，参照图5所示，该方法包作为括如下步骤：

501、通过发射模块向目标区域发射光束，其中，发射模块包括第一光源阵列、合束元件和第二光源阵列；具体的，合束元件用于将第一光源阵列发射的第一光束耦合到一起形成第二光源阵列，第二光源阵列用于朝向目标区域发射第二光束；

502、通过接收模块接收经目标区域反射回的至少部分反射光束，其中，接收模块包括有由多个像素组成的像素阵列；

503、通过控制与处理电路同步发射模块与接收模块的触发信号以计算光束从发射到反射回被接收所需要的飞行时间，根据飞行时间计算目标物体的距离。

具体的，合束元件包括有输入端口和输出端口，其中至少两个第一光源发射的第一光束通过输入端口经合束元件合成一束光束(可称合成光束)，合成光束经输出端口输出形成第二光源，多组第一光源在多个合束元件的作用下形成多个第二光源，多个第二光源形成第二光源阵列，第二光源阵列向外发射第二光束。在一些实施例中，合束元件包括多个输入端口和一个输出端口；当然，合束元件也可以包括多个输入端口和多个输出端口，多组第一光源发射的光束输入到合束元件中，同时从多个输出端口输出形成相应的第二光源。

本发明实施例中，第一光源具有较小的脉冲宽度，经过合束元件后将多个第一光源的峰值功率耦合到一起，使得第二光源发射光束的峰值功率大于第一光源发射光束的峰值功率。在脉冲宽度和频率相同的情况下，第二光源发射光束的光强度大于第一光源发射光束的光强度，从而实现发射光束在窄脉冲宽度下具有高峰值功率的优点，以使得测距装置可达到同时兼顾测距精度和测距能力的目的。

作为本发明一实施例，还提供一种电子设备，所述电子设备可以是台式、桌面安装设备、便携式设备、可穿戴设备或车载设备以及机器人等。参照图6所示，以手机为例进行说明，所述电子设备600包括壳体61、屏幕62、以及前述实施例所述的激光测距装置；其中，所述激光测距装置的激光发射模块和接收模块设置于电子设备的同一面，以用于向目标物体发射光束以及接收目标物体反射回来的光束并形成电信号。

可以理解的是，以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。

在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

此外，本发明的范围不旨在限于说明书中所述的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。本领域普通技术人员将容易理解，可以利用执行与本文所述相应实施例基本相同功能或获得与本文所述实施例基本相同结果的目前存在的或稍后要开发的上述披露、过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在将这些过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其范围内。

Claims (10)

1.一种激光测距装置，其特征在于，包括：

发射模块，所述发射模块包括第一光源、合束元件和第二光源；其中，所述合束元件用于将所述第一光源发射的第一光束耦合到一起形成所述第二光源，所述第二光源用于朝向目标区域发射第二光束；

接收模块，所述接收模块包括由多个像素组成的像素阵列；

控制与处理电路，所述控制与处理电路分别与所述发射模块以及所述接收模块连接，以用于同步所述发射模块与所述接收模块的触发信号以计算光束从发射到反射回来被接收所需要的飞行时间，并根据所述飞行时间计算目标物体的距离。

2.如权利要求1所述的激光测距装置，其特征在于：所述合束元件包括多个输入端口和一个或多个输出端口，以用于将至少两个所述第一光束的峰值功率耦合到一起形成所述第二光束。

3.如权利要求1所述的激光测距装置，其特征在于：所述第二光源用于发射线光束；

或，所述第二光源以线性方式排列形成一维第二光源线阵列，所述一维第二光源线阵列用于发射线光束。

4.如权利要求3所述的激光测距装置，其特征在于：所述发射模块还包括扫描单元，所述扫描单元接收所述线光束并进行偏转后向所述目标区域发射第三光束。

5.如权利要求4所述的激光测距装置，其特征在于：所述发射模块可以同时发射多条所述线光束，多条所述线光束经过所述扫描单元偏转后实现对所述目标区域的分区域扫描。

6.如权利要求1所述的激光测距装置，其特征在于：所述第二光源以规则方式排列形成二维第二光源面阵列，所述二维第二光源面阵列用于朝向目标区域发射斑点图案光束。

7.如权利要求6所述的激光测距装置，其特征在于，所述二维第二光源面阵列中的所述第二光源与所述像素阵列中的像素具有一一对应的关系。

8.如权利要求6所述的激光测距装置，其特征在于：所述激光发射模块还包括扫描单元，所述扫描单元接收所述二维第二光源面阵列发射的所述斑点图案光束并进行小角度偏转后向所述目标区域发射第三光束。

9.如权利要求1-8任一项所述的激光测距装置，其特征在于：所述控制与处理电路调控所述第一光源发光以实现对所述第二光源发射光束的控制。

10.一种激光测距方法，其特征在于，包括如下步骤：

通过发射模块向目标区域发射光束，其中，所述发射模块包括第一光源、合束元件和第二光源；所述合束元件用于将所述第一光源发射的所述第一光束耦合到一起形成所述第二光源，所述第二光源用于朝向所述目标区域发射第二光束；

通过接收模块接收经所述目标区域反射回的至少部分反射光束，其中，所述接收模块包括有由多个像素组成的像素阵列；

通过控制与处理电路同步所述发射模块与所述接收模块的触发信号以计算光束从发射到反射回被接收所需要的飞行时间，根据所述飞行时间计算目标物体的距离。

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