CN112114322A - 飞时测距装置及飞时测距方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种飞时测距装置及飞时测距方法。飞时测距装置包括第一时间至数字转换器、第二时间至数字转换器、驱动电路、感测光源、感测像素及处理电路。驱动电路同时提供脉冲信号以及参考脉冲信号。第一时间至数字转换器依据参考脉冲信号来决定第一深度数据。感测光源依据脉冲信号来发射光脉冲至感测物。感测像素接收感测物反射的反射光脉冲，并且输出反射脉冲信号至第二时间至数字转换器，以使第二时间至数字转换器依据反射脉冲信号来决定第二深度数据。处理电路将第二深度数据与第一深度数据进行相减，以取得真实深度数据。

Description

飞时测距装置及飞时测距方法
技术领域
本发明涉及一种测距技术，尤其涉及一种飞时测距装置及飞时测距方法。
背景技术
对于一般的飞时测距(Time-of-Flight,ToF)电路而言，飞时测距电路包括时间至数字转换器(Time-to-Digital Converter,TDC)，并且时间至数字转换器用于时间至深度数据的转换。然而，时间至数字转换器通常在启动后的一段时间区间内的转换特征曲线容易为非线性，并且由于飞时测距的感测期间往往较为短暂，因此时间长度的测量上非常容易受到抖动(jitter)的影响。也就是说，一般的飞时测距电路往往受到非线性转换特征曲线与抖动的影响而取得失真的时间至深度数据的转换结果。有鉴于此，以下将提出几个实施例的解决方案。
发明内容
本发明是针对一种飞时测距装置及飞时测距方法，可提供可靠的测距效果。
根据本发明的实施例，本发明的飞时测距装置包括第一时间至数字转换器、第二时间至数字转换器、驱动电路、感测光源、感测像素及处理电路。驱动电路用以同时提供脉冲信号以及参考脉冲信号。驱动电路耦接第一时间至数字转换器。参考脉冲信号提供至第一时间至数字转换器，以使第一时间至数字转换器依据参考脉冲信号来决定第一深度数据。感测光源耦接驱动电路，并且用以依据脉冲信号来发射光脉冲至感测物。感测像素耦接第二时间至数字转换器，并且用以接收感测物反射的反射光脉冲，并且输出反射脉冲信号至第二时间至数字转换器，以使第二时间至数字转换器依据反射脉冲信号来决定第二深度数据。处理电路耦接第一时间至数字转换器以及第二时间至数字转换器，并且用以将第二深度数据与第一深度数据进行相减，以取得真实深度数据。
根据本发明的实施例，本发明的飞时测距方法包括以下步骤：同时提供参考脉冲信号至第一时间至数字转换器，以及脉冲信号至感测光源；通过第一时间至数字转换器依据参考脉冲信号来决定第一深度数据；通过感测光源依据脉冲信号来发射光脉冲至感测物；通过感测像素接收感测物反射的反射光脉冲，并且输出反射脉冲信号至第二时间至数字转换器；通过第二时间至数字转换器依据反射脉冲信号来决定第二深度数据；以及通过处理电路将第二深度数据与第一深度数据进行相减，以取得真实深度数据。
基于上述，飞时测距装置及飞时测距方法可通过两个时间至数字转换器来进行深度数据的校正，以有效取得真实深度数据。
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是本发明的一实施例的一种飞时测距装置的方块示意图；
图2是本发明的一实施例的各种信号及光脉冲的信号时序图；
图3是本发明的一实施例的飞时测距方法的流程图。
附图标记说明
100:飞时测距装置；
110:驱动电路；
120:感测光源；
130:第一时间至数字转换器；
140:感测像素；
150:第二时间至数字转换器；
160:处理电路；
D1:第一深度数据；
D2:第二深度数据；
D3:真实深度数据；
RP:反射脉冲信号；
RPL:参考脉冲信号；
RLP:反射光脉冲；
LP:光脉冲；
PL:脉冲信号；
T1:第一时间；
T2:第二时间；
T3:第三时间；
TDC1_EN、TDC2_EN:启动时序；
S310～S360:步骤。
具体实施方式
现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在附图和描述中用来表示相同或相似部分。
图1是本发明的一实施例的一种飞时测距装置的方块示意图。参考图1，飞时测距装置100包括驱动电路110、感测光源120、第一时间至数字转换器130、感测像素140、第二时间至数字转换器150以及处理电路160。驱动电路110耦接感测光源120以及第一时间至数字转换器130。第二时间至数字转换器150耦接感测像素140。处理电路160耦接第一时间至数字转换器130以及第二时间至数字转换器150。在本实施例中，驱动电路110可同时提供脉冲信号PL至感测光源120以及参考脉冲信号RPL至第一时间至数字转换器130。第一时间至数字转换器130可依据参考脉冲信号RPL来决定第一深度数据D1，并且提供第一深度数据D1至处理电路160。感测光源120依据脉冲信号PL来发射光脉冲LP至感测物200。感测像素140接收感测物200反射的反射光脉冲RLP，并且输出反射脉冲信号RP至第二时间至数字转换器150。第二时间至数字转换器150依据反射脉冲信号RP来决定第二深度数据D2，并且提供第二深度数据D2至处理电路160。在本实施例中，处理电路160可将第二深度数据D2与第一深度数据D1进行相减，以取得真实深度数据。
在本实施例中，感测光源120可例如是脉冲光发射器或激光二极管(Laserdiode)，并且感测光源120可例如用以发射红外光(Infrared Radiation,IR)的光脉冲LP至感测物200。在本实施例中，感测像素140可例如是互补式金属氧化物半导体图像传感器(CMOS Image Sensor,CIS)，并且感测像素140可接收或感测感测物200所反射的红外光的反射光脉冲RLP。另外，值得注意的是，本实施例的第一深度数据D1为一参考数据(或称校正数据)而非真实的感测结果，并且本实施例的第二深度数据D2是指飞时测距装置100与感测物200之间的距离的感测结果或感测物200的表面深度信息。
在本实施例中，驱动电路110可进一步包括时序产生电路(Timing circuit)。时序产生电路可用以提供时序至第一时间至数字转换器130以及第二时间至数字转换器150，以使第一时间至数字转换器130以及第二时间至数字转换器150可依据时序而被同时启动。并且，第一时间至数字转换器130以及第二时间至数字转换器150会在驱动电路110同时提供脉冲信号PL以及参考脉冲信号RPL之前被启动。
另外，本实施例的飞时测距装置100还可包括像素数组，并且包括感测像素140以及暗像素(Dark pixel)，并且暗像素耦接第一时间至数字转换器130。所述暗像素是指位于像素数组中，而不进行感测的像素组件。换言之，本实施例的飞时测距装置100可通过在像素数组中的一个或多个暗像素的区域中所设置的时间至数字转换器来直接接收驱动电路110参考脉冲信号RPL，而所述一个或多个暗像素不进行感测，以取得第一深度数据D1。在一实施例中，像素数组的多个像素可分类为多个像素群组，并且所述多个像素群组可各别包括感测像素140以及暗像素。举例而言，所述像素群组可例如是两两相邻的四个像素，并且其中三个像素可用于进行测距以取得三笔深度数据，而其中另一个像素可用于取得第一深度数据D1。第一深度数据D1可用于校正所述三笔深度数据。或者，像素数组的其中某一整行或其中某一整列的多个像素可都作为上述的暗像素来使用，并且用于校正对应的各行或各列的感测像素所取得的深度数据。
图2是本发明的一实施例的各种信号及光脉冲的信号时序图。参考图1以及图2，图2为图1所示的各种信号及光脉冲的信号时序。首先参考图2所示的第一时间至数字转换器130的启动时序TDC1_EN以及的第二时间至数字转换器150的启动时序TDC2_EN，第一时间至数字转换器130以及第二时间至数字转换器150在第一时间T1被同时启动，以开始计数，并且其计数结果如图2所示的特征转换曲线TDC_C。值得注意的是，如图2所示的特征转换曲线TDC_C在启动初期具有非线性(Non-linear)的曲线变化。接着，驱动电路110可在第二时间T2同时输出脉冲信号PL以及参考脉冲信号RPL。对此，驱动电路110输出脉冲信号PL至感测光源120，以使感测光源120依据脉冲信号PL来发射光脉冲LP至感测物200。并且，由于驱动电路110输出脉冲信号PL与感测光源120发射光脉冲LP的时间差极短，为了方便说明，因此在图2中视为同时产生。(但在脉冲信号PL与光脉冲LP不同时的情况下，并不影响本发明的操作。)同时，驱动电路110输出参考脉冲信号RPL至第一时间至数字转换器130，以使第一时间至数字转换器130依据第一时间T1以及接收参考脉冲信号RPL的第二时间T2来决定第一深度数据D1。如图2所示，第一深度数据D1是对应于特征转换曲线TDC_C在第一时间T1至第二时间T2之间的可能具有失真的深度信息。
接着，经由一段期间，光脉冲LP射至感测物200的表面，以使感测像素140在第三时间T3感测或接收到反射光脉冲RLP。因此，感测像素140提供反射脉冲信号RP至第二时间至数字转换器150。对此，由于感测像素140接收或感测反射光脉冲RLP与感测像素140输出反射脉冲信号RP的时间差极短，因此在图2中视为同时产生。(但在反射光脉冲RPL与反射脉冲信号RP不同时的情况下，并不影响本发明的操作。)第二时间至数字转换器150依据第一时间T1以及接收反射脉冲信号RP的第三时间T3来决定第二深度数据D2。第二时间T2介于第一时间T1以及第三时间T3之间。如图2所示，第二深度数据D2是对应于特征转换曲线TDC_C在第一时间T1至第三时间T3之间的深度信息。最后，本实施例的处理电路160可接收第一时间至数字转换器130与第二时间至数字转换器150提供的第一深度数据D1以及第二深度数据D2，并且处理电路160将第二深度数据D2与第一深度数据D1进行相减，以取得真实深度数据D3。换言之，本实施例的处理电路160将第二深度数据D2当中可能具有失真的深度信息的部分扣除后，即可取得对应于特征转换曲线TDC_C在第二时间T2至第三时间T3之间的深度信息。对此，特征转换曲线TDC_C在第二时间T2至第三时间T3之间为线性的曲线变化。因此，本实施例的飞时测距装置100可准确地取得感测物200的深度信息。
此处须特别注意的是，由于时间至数字转换器100的启动时间(第一时间T1)与驱动电路输出脉冲信号PL的时间(第二时间T2)并不是同时，因此前述的启动时间(第一时间T1)与输出脉冲信号PL的时间(第二时间T2)之间的时间长度(T2-T1)会受到抖动(jitter)的影响。换言之，若不搭配如本实施例所述的参考脉冲信号RPL与第二时间至数字转换器150的架构设计，则每次飞时测距的结果将会受到抖动影响而不同。并且，由于传统的飞时测距架构无法得知抖动的信息，因此无法将抖动的影响扣除。对此，由于本实施例搭配了参考脉冲信号RPL与第二时间至数字转换器150的架构设计，本实施例的飞时测距装置100便可通过参考脉冲信号RPL与第二时间至数字转换器150的输出结果D1而得到抖动的信息。并且，由于脉冲信号PL与参考脉冲信号RPL是同时发生，因此本实施例的飞时测距装置100便可得到脉冲信号PL的抖动信息，并且可将抖动的影响扣除，以得到真正的深度信息。也就是说，对于本实施例的飞时测距装置100而言，在固定场景下，每次飞时测距的结果将会相同，不会受到抖动的影响。
图3是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3，本实施例的飞时测距方法可适用于图1实施例的飞时测距装置100。在步骤S310，驱动电路110同时提供参考脉冲信号RPL至第一时间至数字转换器130，以及脉冲信号PL至感测光源120。在步骤S320，第一时间至数字转换器130依据参考脉冲信号RPL来决定第一深度数据D1。在步骤S330，感测光源120依据脉冲信号PL来发射光脉冲LP至感测物200。在步骤S340，感测像素140接收感测物200反射的反射光脉冲RLP，并且输出反射脉冲信号RP至第二时间至数字转换器150。在步骤S350，第二时间至数字转换器150依据反射脉冲信号RP来决定第二深度数据D2。在步骤S360，处理电路160将第二深度数据D2与第一深度数据D1进行相减，以取得真实深度数据。因此，本实施例的飞时测距方法可使飞时测距装置100可准确地取得感测物200的深度信息。
然而，关于本实施例的飞时测距装置100的其他装置特征以及实施细节可进一步参考上述图1及图2实施例的说明而可获致足够的教示、建议以及实施说明，因此在此不再赘述。
综上所述，本发明的飞时测距装置以及飞时测距方法，可在测距感测前提前同时启动第一时间至数字转换器以及第二时间至数字转换器，并且通过第一时间至数字转换器来提供启动至开始感测之间的参考数据(或称校正数据)，以校正由第二时间至数字转换器所产生的深度数据。因此，第二时间至数字转换器所产生的深度数据扣除掉在深度数据前段可能具有失真信息的部分，即可获得未含有失真或含有低失真的真实深度数据。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种飞时测距装置，其特征在于，包括：
第一时间至数字转换器；
第二时间至数字转换器；
驱动电路，耦接所述第一时间至数字转换器，并且用以同时提供脉冲信号以及参考脉冲信号，其中所述参考脉冲信号提供至所述第一时间至数字转换器，以使所述第一时间至数字转换器依据所述参考脉冲信号来决定第一深度数据；
感测光源，耦接所述驱动电路，并且用以依据所述脉冲信号来发射一光脉冲至感测物；
感测像素，耦接所述第二时间至数字转换器，并且用以接收所述感测物反射的反射光脉冲，并且输出反射脉冲信号至所述第二时间至数字转换器，以使所述第二时间至数字转换器依据所述反射脉冲信号来决定第二深度数据；以及
处理电路，耦接所述第一时间至数字转换器以及所述第二时间至数字转换器，并且用以将所述第二深度数据与所述第一深度数据进行相减，以取得真实深度数据。
2.根据权利要求1所述的飞时测距装置，其特征在于，所述第一时间至数字转换器在第一时间被启动，并且依据所述第一时间以及接收所述参考脉冲信号的第二时间来决定第一深度数据。
3.根据权利要求2所述的飞时测距装置，其特征在于，所述第二时间至数字转换器在所述第一时间被启动，并且依据所述第一时间以及接收所述反射脉冲信号的第三时间来决定所述第二深度数据。
4.根据权利要求3所述的飞时测距装置，其特征在于，所述第二时间介于所述第一时间以及所述第三时间之间。
5.根据权利要求1所述的飞时测距装置，其特征在于，所述驱动电路包括时序产生电路，并且所述驱动电路还耦接所述第二时间至数字转换器，以分别提供时序至所述第一时间至数字转换器以及所述第二时间至数字转换器，以使所述第一时间至数字转换器以及所述第二时间至数字转换器被同时启动。
6.根据权利要求1所述的飞时测距装置，其特征在于，还包括像素数组，其中所述像素数组包括所述感测像素以及暗像素，并且所述暗像素耦接所述第一时间至数字转换器。
7.根据权利要求6所述的飞时测距装置，其特征在于，所述像素数组包括多个像素群组，并且所述多个像素群组各别包括所述感测像素以及所述暗像素。
8.一种飞时测距方法，其特征在于，包括：
同时提供参考脉冲信号至第一时间至数字转换器，以及脉冲信号至第二时间至数字转换器；
通过所述第一时间至数字转换器依据所述参考脉冲信号来决定第一深度数据；
通过感测光源依据所述脉冲信号来发射光脉冲至感测物；
通过感测像素接收所述感测物反射的反射光脉冲，并且输出反射脉冲信号至所述第二时间至数字转换器；
通过所述第二时间至数字转换器依据所述反射脉冲信号来决定第二深度数据；以及
通过处理电路将所述第二深度数据与所述第一深度数据进行相减，以取得真实深度数据。
9.根据权利要求8所述的飞时测距方法，其特征在于，所述第一时间至数字转换器在第一时间被致能，并且所述第一时间至数字转换器依据所述第一时间以及接收所述参考脉冲信号的第二时间来决定第一深度数据。
10.根据权利要求9所述的飞时测距方法，其特征在于，所述第二时间至数字转换器在所述第一时间被致能，并且所述第二时间至数字转换器依据所述第一时间以及接收所述反射脉冲信号的第三时间来决定所述第二深度数据。
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