CN113206442A - 激光驱动器脉冲成形控制 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及激光驱动器脉冲成形控制。需要使用脉冲激光二极管的飞行时间(ToF)系统，以高精度和可控制的方式测量距离。本公开提供一种用于控制激光二极管、特别是脉冲激光二极管的时间响应的方法和相应的系统。特别地，本公开提供一种用于驱动激光二极管以主要获得峰值脉冲响应同时最小化或完全避免激光二极管的时间响应中的峰后响应的方法和相关系统。

Description

激光驱动器脉冲成形控制
技术领域
本公开涉及用于确定用于激光驱动信号的持续时间Tdr以最小化由激 光驱动信号驱动的激光二极管的时间响应中的峰后响应的方法和相关系 统。
背景技术
飞行时间(ToF)相机系统是一种范围成像系统，可通过测量从ToF 相机系统发出的光信号的往返时间来解析摄像头与物体之间的距离。该系 统通常包括光源(例如激光器或LED)、控制来自光源的光的光源驱动器、 用于对对象反射的光进行成像的图像传感器、用于控制图像传感器的操作 的图像传感器驱动器、用于使从光源发射的光成形以及将由对象反射的光 聚焦到图像传感器上的光学器件、以及计算单元，该计算单元被配置为通过确定从光源发出的光与从对象产生的相应反射之间的时间量来确定到 对象的距离。
ToF相机系统可以测量的距离范围从几厘米到100到1000或1000米。 考虑到光的高速，光的发射与反射光的接收之间的时间差仅为16.66ns，对 应于来自相机系统的2.5m物体。因此，ToF相机系统需要高水平的时间精 度和控制，以便准确地测量距离。
发明内容
本公开提供一种用于确定用于激光驱动信号的持续时间Tdr以最小化 由激光驱动信号驱动的激光二极管的时间响应中的峰后响应的方法和相 关系统。
本发明提出的方法具有可以使用低带宽系统来实现的优点。也就是 说，与尝试在单个步骤中校准响应相反，所提出的方法使用迭代过程来校 准脉冲激光二极管的时间响应。该方法包括：将测试驱动信号迭代地施加 到激光二极管，并且在每次迭代中，监测光电检测器的输出，其中所述输 出指示响应于所述测试驱动信号的施加而由所述激光二极管输出的光脉 冲的能量。所提出的方法基于连续迭代中的监测输出来确定优化的激光驱 动信号持续时间。
当所提出的方法和相关系统用于在ToF系统中校准脉冲激光二极管 时，其具有提高距离测量精度的优点，因为该方法能够使激光二极管的峰 后发射最小化。该方法还可以使得能够确定用于ToF测量的真实零时间。
根据本公开的第一方面，提供一种确定激光驱动信号的持续时间Tdr以最小化由所述激光驱动信号驱动的激光二极管的时间响应中的峰后响 应的方法，该方法包括：迭代地：将具有测试持续时间Tt的测试激光驱动 信号施加于所述激光二极管；和监测光电检测器的输出，其中所述输出指 示响应于所述测试驱动信号的施加而由所述激光二极管输出的光脉冲的 能量；使用连续的迭代来改变所述测试驱动信号的测试持续时间Tt；和基 于以连续迭代对所述光电检测器输出的监测，确定所述持续时间Tdr。
根据本公开的第二方面，提供一种控制单元，用于确定激光驱动信号 的持续时间Tdr以最小化由所述激光驱动信号驱动的激光二极管的时间响 应中的峰后响应，其中控制单元的输入被配置为耦合到光电检测器的输 出；控制单元的输出被配置为耦合到激光二极管的输入，其中所述控制单 元被配置为：迭代地：将具有测试持续时间Tt的测试激光驱动信号施加于 所述激光二极管；和监测所述光电检测器的输出，其中所述输出指示响应于所述测试驱动信号的施加而由所述激光二极管输出的光脉冲的能量；使 用连续的迭代来改变所述测试驱动信号的测试持续时间Tt；和基于以连续 迭代对所述光电检测器输出的监测，确定所述持续时间Tdr。
根据本公开的第三方面，提供一种用于确定激光驱动信号的持续时间 Tdr以最小化由所述激光驱动信号驱动的激光二极管的时间响应中的峰后 响应的系统，该系统包括：激光二极管；光电检测器；耦合在激光二极管 和光电检测器之间的控制单元，其中所述控制单元被配置为：迭代地：将 具有测试持续时间Tt的测试激光驱动信号施加于所述激光二极管；和监测 所述光电检测器的输出，其中所述输出指示响应于所述测试驱动信号的施加而由所述激光二极管输出的光脉冲的能量；使用连续的迭代来改变所述 测试驱动信号的测试持续时间Tt；和基于以连续迭代对所述光电检测器输 出的监测，确定所述持续时间Tdr。
本公开的其他特征在所附权利要求中定义。
附图说明
将参考附图通过非限制性示例来讨论本公开的教导，其中：
图1是激光二极管的时间响应曲线图，显示了峰值响应和峰后响应。
图2A是根据本公开的一方面的方法的流程图，该方法确定最佳激光 驱动信号持续时间以最小化激光二极管的时间响应中的峰后响应。
图2B是当图4的系统用于实现图2A或图3中的任何一种方法时，集 成光电检测器输出与测试信号持续时间的关系图。
图2C是激光二极管的时间响应的曲线图，示出了第一峰后最小值。
图3是根据本公开的另一方面的方法的流程图，该方法确定最佳激光 驱动信号持续时间以最小化激光二极管的时间响应中的峰后响应。
图4是表示根据本公开的一个方面的系统的框图，该系统用于确定最 佳激光驱动信号持续时间以最小化激光二极管的时间响应中的峰后响应。
图5是根据本公开的另一方面的方法的流程图，该方法确定最佳激光 驱动信号持续时间以最小化激光二极管的时间响应中的峰后响应。
图6是表示根据本公开的一个方面的系统的框图，该系统用于确定最 佳激光驱动信号持续时间以最小化激光二极管的时间响应中的峰后响应。
图7A是根据本公开的另一方面的表示系统的框图。
图7B是示出图7A中的系统的操作的一方面的时序图。
具体实施方式
可能需要使用脉冲激光二极管的飞行时间(ToF)相机系统来以高精 确度和控制水平测量距离。发明人已经认识到，通过使用激光二极管可以 提高距离测量的空间分辨率，该激光二极管的驱动方式是产生时间上较窄 的光脉冲，例如，光脉冲持续时间为100ps或更短。短持续时间的光脉冲 可以提高ToF摄像机的精度，部分原因是因为从ToF摄像机发出光的确切 时间可能在较小的误差范围内。
发明人还已经意识到，许多安全法规限制了从ToF照相机系统发射的 平均光功率，而对峰值光功率输出没有限制。通过从激光器发出非常短的 持续时间光脉冲，这些光脉冲可以具有较高的峰值光功率，同时保持在安 全规定之内。较高的峰值光功率可能会在改善ToF相机的精度和/或最大距 离范围方面带来更多好处。
图1显示了典型脉冲激光二极管，特别是垂直腔表面发射激光器 (VCSEL)的时间响应的示例图。如图1的曲线所示，该特定示例高功率 脉冲激光二极管在峰值脉冲宽度相对较窄(即大约10-20ps)时表现出响应。 峰值响应之后是功率相对较低的峰值后响应，持续时间更长。
发明人已经认识到，如果可以将激光二极管驱动足够长的时间以主要 获得峰值响应，同时最小化或完全消除峰后响应，则可以从激光二极管输 出短持续时间的高光功率光脉冲。发明人已经认识到，最小化或基本消除 峰后响应的一种方式是在峰后响应开始之前(例如，大约在时间响应的第 一个骤降或峰后的第一个最小值处)，在峰值响应结束时禁用激光(即， 停止驱动激光器)。
鉴于以上所述，发明人已经认识到需要一种鲁棒且有效的方法来确定 激光驱动信号的持续时间，该持续时间将使激光输出大部分或全部初始峰 值响应，同时又使峰后响应最小化，则可以实现持续时间短、光功率高的 光脉冲。
然而，由于激光二极管的制造过程中的过程可变性，所以二极管之间 所需的驱动信号持续时间可能会变化。同样，所需的驱动信号持续时间可 能会因温度或与电源、偏置目标输出等相关的其他工作条件而发生变化。 此外，例如由于设备漂移、环境条件、温度条件等，最佳驱动信号持续时 间也可能在激光二极管的整个寿命中发生变化。此外，如果驱动信号的持 续时间或驱动时间太长，则激光二极管的时间响应也可能包括不期望的峰 后响应。如果驱动信号的持续时间或驱动时间太短，则可能会丢失一些有 用的激光峰值响应，在最极端的情况下，激光二极管的驱动时间可能不够 长，无法开始发射激光。因此，在制造时和/或在其寿命期间间歇地校准激 光二极管可能是有益的，从而可以优化激光驱动信号的持续时间。
然而，为了确定激光二极管的最佳激光驱动信号持续时间，发明人已 经认识到，采样典型地具有100ps或更小的峰值脉冲持续时间的激光二极 管的时间响应是实际挑战。也就是说，将需要一个非常高带宽的系统(例 如，带宽约为GHz)，以便以足够的分辨率对时间上较窄的峰值脉冲进行 采样，以甚至识别出峰值响应的结束位置。这样的高带宽系统可能是昂贵 且复杂的，并且对于实际实现是不期望的。
发明人设计了可以用于优化驱动信号持续时间或驱动信号时间的校 准方法，以便避免或至少最小化激光二极管的峰后响应，而无需非常高的 带宽采样系统。
图2A示出了根据本公开的一个方面的方法200的流程图。如将在下 面更详细地描述的，方法200包括将测试驱动信号迭代地施加到激光二极 管，并且在每次迭代中，监测光电检测器的输出，其中所述输出指示响应 于所述测试驱动信号的施加而由所述激光二极管输出的光脉冲的能量。
测试驱动信号的持续时间在连续的迭代之间变化。测试驱动信号的持 续时间可以在预定的时间范围内逐步变化。该方法包括基于在连续迭代中 对光电检测器的输出的监视来确定激光驱动信号的最佳持续时间。
图2B示出了光电检测器的监视输出(在这种情况下为集成光电检测 器输出)相对于测试驱动信号的结束时间的曲线图。图2C显示了激光二 极管随时间变化的相应时间响应。现在将在适当时参考图2B和图2C的曲 线图解释图2A的流程图，以增强对图2A中方法的理解。
图2A指示方法200是在迭代中执行的。具有最小测试持续时间Tt的 测试驱动信号被施加到激光二极管(步骤201)。监视光电检测器的输出(步 骤202)，其中该输出指示由激光二极管输出的光脉冲的能量。输出的监视 可以包括在测试驱动信号的测试持续时间上或者在比测试驱动信号的测 试持续时间更长的积分时间上积分光电检测器的输出(步骤202a)，以及 记录或存储该输出。作为非限制性示例，每个迭代可以每0.1μs-10μs重复 一次，这对应于100KKHz-10MHz的频率，这对于直接ToF系统可能是相 当典型的。积分持续时间可以设置为大于测试驱动信号的最大预期测试持 续时间且小于迭代重复周期的任何持续时间(例如，大约1ns至80ns之间 的任何持续时间，例如大约5ns至10ns的持续时间)。无论如何，每次迭 代或激光脉冲只需要读取或采样一次积分值，因此在给出的非限制性示例中，大约每0.1μs-1μs一次，结果对应于大约100KHz-10 MHz的采样频率， 可以看出系统需要相对较低的采样带宽(比在单个光脉冲发射中准确采样 图1和2C所示的激光二极管的时间响应所需的数量级低)，这可能会降低 检测器和积分器的带宽和/或功率要求。可以绘制与每个测试驱动信号相对 应的集成光电检测器输出，如图2B所示。然后确定连续迭代之间的积分 值的变化率(步骤202b)。参考图2B，可以理解，连续迭代之间的积分值 的变化率是连续迭代之间的积分光电检测器输出的斜率(或导数)。集成 的光电检测器输出指示在测试驱动信号的测试持续时间内激光二极管输 出的光脉冲的总能量。因此，该积分输出的变化率(或导数)可以理解为 指示在测试驱动信号结束时激光二极管输出的光脉冲的功率(参见图2C)。
输出监视可以进一步包括将确定的变化率与当前迭代之前的先前迭 代中的先前确定的变化率进行比较–在图2A中，进行比较以检查所确定的 变化率(或导数)是否大于先前迭代中先前确定的变化率(步骤202c)。 参考图2B，步骤202c等于比较以检查在当前测试信号持续时间上的集成 光电检测器输出曲线的斜率是否比在先前测试信号持续时间上的集成光 电检测器输出曲线的斜率相对更陡。如果所述比较的结果为真，则增加测 试驱动信号的测试持续时间以进行另一迭代(步骤203)，并且该方法返回 至步骤202a。参考图2B，可以看出，集成光电检测器输出曲线的斜率至 少增加到大约0.2ns，这表明峰值功率脉冲出现上升沿(请参见图2C中激 光二极管的相应时间响应)。如果所述比较的结果为假，则该结果表示已 经检测到光学峰。这在图2B中示出，其中在大约0.2ns处的集成光电检测 器输出曲线的斜率比在例如0.1ns处的集成输出检测曲线的斜率相对较小。 如图2C所示，激光二极管的峰值功率输出发生在0.1ns和0.2ns之间的时 间。图2A中的流程图示出，如果所述比较的结果为假，则增加测试驱动 信号的测试持续时间以进行另一迭代(步骤204)，并且该方法前进至步骤 205a。在步骤205中，如上所述，对光电检测器的输出进行监视，特别是，在当前迭代之前，对当前迭代中的积分值的变化率是否小于前一迭代中的 积分值的变化率进行后续比较(步骤205c)。连续迭代之间积分值的变化 率的这种比较用于识别激光二极管的时间响应中的第一峰后最小值。如果 在步骤205c的比较结果为真，则对于另一个迭代增加测试驱动信号的测试 持续时间(步骤206)。如果在步骤205c的比较结果为假，则表明已经识 别出激光二极管的时间响应中的第一峰后最小值(步骤207)。这在图2B 中进行了说明，其中曲线区域的斜率大约为0.3ns，陡度开始增加，并且已 经达到较早的平稳状态。如在图2C中的相应时间响应中所见，这对应于 激光二极管的时间响应中的第一峰后最小值。激光二极管的时间响应中的 第一峰后最小值标志着激光二极管的峰值响应的结束。因此，如果在步骤 205c的比较结果为假，则该方法结束(步骤207)，然后可以将最佳驱动信号持续时间Tdr设置为与峰值响应结束相对应的测试驱动信号的测试持续 时间Tt。理想地，将Tdr设置为测试驱动信号持续时间，该持续时间对应 于激光二极管的时间响应中的第一峰值后最小值。然而，在一些实施例中， 可以将Tdr设置为大约等于确定峰值后最小值的测试持续时间Tt的测试驱 动信号持续时间，使得最终的时间响应主要是峰值响应，但可能未在峰后 的第一个最小值处完全结束。例如，可以将其设置为稍长的持续时间，以 确保应该实现所有的峰值响应，即使因此也会出现少量的峰后响应。或者， 可以将其设置为稍短的持续时间，以确保应避免所有峰后响应，即使因此 也会损失少量的峰值响应。因此，可以看出，方法200首先检测激光二极 管的时间响应的峰值输出，然后在该峰值之后识别激光二极管的时间响应 的第一最小值。
可选地，由于光电检测器可能会受到来自激光二极管以外的其他光源 的光(例如，来自现场的激光光学器件发出的环境光)或具有暗电流，因 此可能有必要通过在不激活激光器的情况下第二次测量光电检测器的响 应来解决该背景信号，以了解和解决任何背景信号电平。
图3示出了根据本公开的另一方面的方法300的流程图。方法300类 似于图2中的方法200，因为该方法也是迭代过程。具有最小测试持续时 间Tt的测试驱动信号被施加到激光二极管(步骤301)。监视光电检测器的 输出(步骤302)，其中该输出指示由激光二极管输出的光脉冲的能量。以 与以上关于图2中的步骤202a和202b所述相同的方式执行步骤302a和302b。如图3所示，在步骤302c中，执行检查以查看测试持续时间Tt是 否已经扫过驱动信号时间的预定时间范围Trange。可以将预定时间范围Trange设置为足够长，以确保激光二极管的时间响应包括峰值响应以及峰后响应 的至少一部分。如果步骤302c的结果指示测试驱动信号持续时间Tt尚未 在整个预定时间范围内被扫过，则增加测试驱动信号持续时间Tt以进行另 一迭代(步骤303)，并且该方法返回步骤302a。一旦在整个预定时间范围 内扫过测试信号持续时间Tt，就可以执行连续迭代之间的积分值变化率的 比较，如上面针对方法200所述，以识别第一峰值后最小化激光二极管的 时间响应(步骤304)。可以使用任何合适的分析(例如，上面参考图2A 所述的积分值的逐步比较，或任何其他合适的过程)来识别时间响应中的 第一最小值，在该最小值处，积分输出为非-零(排除时间响应中的第一个最小值，该时间最小值是在激光器发出任何时间之前的时间，例如，图2C 中的时间0ns用于此标识)。然后可以将最佳驱动信号持续时间Tdr设置为 与峰值响应的末端相对应的测试驱动信号的测试持续时间Tt，最好对应于 在激光二极管的时间响应中识别出的第一峰后最小值(步骤305)。
在本公开的一些其他方面，步骤302b可以替代地是记录/存储在步骤 302a中确定的积分输出。在这种情况下，在步骤304，可以针对相应的测 试驱动信号持续时间，如图2B所示绘制积分的光电检测器输出，并且通 过使用任何合适的数学方法识别积分的输出的最小导数来识别第一峰后 最小值。
尽管图2A和图3中的方法显示在连续迭代中增加了测试驱动信号的 测试持续时间Tt，但也可以通过在连续迭代中减小测试驱动信号的测试持 续时间Tt来实现此方法，该过程从第一次迭代的预定Tt最大值开始。
如图2A和3所示的方法的优点在于，可以优化确定的驱动信号持续 时间，以主要获得峰值响应，同时最小化并且理想地消除峰后响应。
图4示出了根据本公开的实施例的系统400的框图。图4的系统400 可以用于实现图2A或图3所示的方法中的任一个。系统400包括激光二 极管401、光电检测器402和耦合在激光二极管401和光电检测器402之 间的控制单元403。特别地，控制单元403的输入耦合至光电检测器402 的输出，并且控制单元403的输出耦合至激光二极管401的输入。光电检 测器402用于检测激光二极管401输出的光的至少一部分。光电检测器402 的输出指示激光二极管401输出的光脉冲的能量。在图4中，控制单元403 包括被配置为接收来自光电检测器的输出并对该输出进行积分的积分器 404。即，控制单元403的积分器404可以用于实现图2A的方法200中的 步骤202a或图3的方法300中的步骤302a。积分器404可以使用任何标 准积分器电路或技术来实现，并且可以被配置为将其数据输出到控制算法 单元405。积分周期的开始和结束可以由任何合适的实体控制，例如控制 算法405或任何其他实体，以与施加到激光二极管401的测试驱动信号一 致，如先前参考图2A和图3所述。控制算法单元405被配置为执行激光 驱动信号持续时间校准，如先前相对于图2A和3所述。特别地，控制算法405可以处理从积分器404输出的积分数据，并且将测试驱动信号持续 时间输出到时间控制单元406，该时间控制单元406被配置为控制激光驱 动器407的驱动时间。即，控制算法单元405可以被配置为执行确定积分 值的导数的步骤(步骤202b)、存储/记录所确定的导数的步骤(步骤202b) 以及比较连续迭代之间的导数值的步骤(步骤202c)，如以上参考图2中 的方法200所描述的。关于图3中的方法300，控制算法单元405可以被 配置为执行以下步骤：确定积分值的导数(步骤302b)，存储/记录所确定 的导数(步骤302b)，检查是否测试将驱动信号持续时间Tt扫过驱动信号 时间的预定时间范围Trange(步骤302c)，并比较连续迭代之间的导数值(步 骤304)。时间控制单元406被配置为将测试驱动信号施加到激光驱动器 407，其持续时间由从控制算法单元获得的针对每次迭代的测试信号驱动 持续时间设置。在确定了最佳驱动信号持续时间Tdr之后(方法200中的 步骤207或方法300中的步骤305)，可以将其记录/存储(例如，存储在 定时控件406中的存储器中，或其他位置)，然后在将来用于驱动激光驱 动器407，这导致激光二极管401的时间响应主要是峰值响应，而峰后响 应最小。
尽管图4将激光驱动器407示出为控制单元403的一部分，但是激光 驱动器407可以替代地是耦合到控制单元403的单独的设备。在另一替代 中，定时控制器406也可以是单独的设备(可选地与激光驱动器407集成 在一起，或者如图4所示与激光驱动器407分离)，其中控制单元403被 配置为耦合到光电二极管402和定时控制器406，并且被配置为执行上述 校准过程。这样，控制单元403可以是可以加装到诸如现有ToF激光封装 的现有激光系统的独立设备。在包装产品中，控制单元403可以与激光驱 动器408在相同的裸片上或在不同的裸片上。在另一替代方案中，光电检 测器402可以被集成到控制单元403中。由光电检测器402检测到的光可 以包括从激光二极管401输出的光的杂散反射，该杂散反射例如是由ToF 系统中的激光二极管401和光电检测器402的光学封装引起的。
图5示出了根据本公开的另一方面的方法500的流程图。方法500以 迭代方式执行。在每次迭代中，将具有测试驱动信号持续时间Tt的测试驱 动信号施加到激光二极管。测试驱动信号持续时间最初被设置为起始值或 最小值Tmin(步骤501)。最小测试驱动信号持续时间Tmin可以被设置为小 于激光二极管的预期激射延迟的驱动信号持续时间，从而期望没有光输 出。在每次迭代中，监测光电检测器的输出(步骤502)，其中该输出指示 激光二极管输出的光的能量。在该方法中，监视光电检测器的输出以指示 光电检测器已经检测到激光二极管输出的光(步骤502b)。如果没有检测 到光输出的指示，则增加测试驱动信号持续时间以进行另一次迭代(步骤 503)，并且该方法返回到步骤502a。在光电检测器已经检测到激光二极管 输出的光的第一指示处，可以将与该检测的定时相对应的测试驱动信号持 续时间Tt设置为激光延迟Tdl(步骤504)，因为它表示激光二极管在施加 驱动信号和开始输出光之间的延迟时间。然后可以基于所确定的激射延迟 Tdl和由激光器输出的光脉冲的预定持续时间Tp，来设置用于主要获得峰值 响应，同时使峰后响应最小的最佳驱动信号持续时间Tdr(步骤505)。特 别地，最佳驱动信号持续时间Tdr可以被设置为确定的激射延迟Tdl和预定 脉冲持续时间Tp之和。预定脉冲持续时间Tp可以是激光二极管输出的光 脉冲的期望持续时间，其可以是激光二极管的时间响应中的峰值响应的期 望持续时间。由于制造差异等，对于不同的激光二极管，激光二极管的激 射延迟可能会有所不同，并且会导致不同激光二极管之间最佳激光驱动时 间的变化。因此，与使用默认的未校准的驱动信号持续时间相比，确定激 射延迟Tdl并基于激射延迟Tdl设置驱动信号持续时间Tdr可以导致更优化 的驱动信号持续时间Tdr。
尽管图5中的方法500显示在连续的迭代中增加了测试驱动信号的测 试持续时间Tt，但是也可以通过在连续的迭代中减小测试驱动信号的测试 持续时间Tt来实现此方法，从第一次迭代的预定Tt最大值开始(例如，可 以将其设置为一定的持续时间，几乎可以肯定会导致激光二极管发出的 光)。在这种情况下，监视光电探测器的输出，以指示光电探测器未检测 到激光二极管输出的光。当光电检测器检测到发光时(步骤502b的等效 量)，对于下一次迭代，测试驱动信号时间Tt减小(步骤503的等效量)。 对于光电探测器尚未检测到激光二极管输出的光的第一次迭代(相当于步 骤502)，可以将与该检测时间相对应的测试驱动信号持续时间Tt设置为激 射延迟Tdl。然后，基于确定的激射延迟Tdl和预定持续时间Tp设置最佳驱 动信号Tdr，如上面关于方法500所述。
方法500提供了以提高的精度(即，通过考虑激射延迟)确定激光器 输出的光脉冲的有效开始时间的优点。在配置为实施此方法以校准激光二 极管的ToF系统中，了解激光二极管输出的光脉冲的有效开始时间对于后 续距离测量非常有用。
如前所述，方法200或方法300可以通过识别激光二极管的时间响应 中的第一峰后最小值来检测峰值响应的结束。方法500通过确定在向激光 二极管施加驱动信号的时间点与响应于激光二极管开始发射光脉冲的时 间点之间的激射延迟，来响应施加的驱动信号发出一个光脉冲。尽管也可 以使用方法500来确定驱动信号持续时间Tdr，可以针对许多应用和目的对 其进行充分优化，但是使用此方法确定的驱动信号持续时间Tdr可能不如 方法200或方法300所确定的那样优化，因为它基于假定的脉冲持续时间 Tp，它可能会受到激光二极管之间的某些变化。因此，可选地可以将200 或300的方法与方法500结合使用，从而确定激射延迟，同时还可以优化 驱动时间，以最大程度地减少时间响应中的峰后发射，从而利用两种方法 的优势。
图6示出了根据本公开的另一方面的系统600。该系统适合于实现图 5中的方法。系统600类似于系统400，因为它包括激光二极管601、光电 检测器602和耦合在激光二极管601和光电检测器602之间的控制单元 603。光电检测器602可以是具有高灵敏度的光电二极管，例如单光子雪 崩二极管(SPAD)，或者可以是任何其他合适类型的光电二极管。SPAD对单个光子敏感，因此即使与激光二极管601的峰值输出功率相比，该发 射以相对较低的功率发生，SPAD也会改善对激光二极管601输出的光脉 冲的检测。例如，SPAD可以使得能够检测由激光二极管601输出的光脉 冲的上升沿，其中该上升沿具有比由激光二极管601输出的峰值功率相对 较低的功率(参见图1)。
由于SPAD可能会受到非光的暗计数事件的影响，并且系统可能会暴 露于非来自激光二极管的环境光子(例如，来自场景的激光光学系统发出 的环境光)，因此系统600可以可选地配置为多次重复迭代(例如，在检 测到光输出脉冲时多次重复特定的测试信号持续时间)，并使用诸如直方 图分析和/或滤波和/或加窗之类的技术来避免基于错误的发光事件锁定驱 动信号持续时间Tdr。
在系统600中，控制单元603被配置为确定激射延迟并基于所确定的 激射延迟Tdl和激光二极管601输出的光脉冲的预定持续时间Tp来设置最 佳驱动信号持续时间Tdr。
图6示出了控制单元603的一个这样的示例，其中控制单元603包括 控制算法单元604、时序控制单元605和激光驱动器606。控制算法单元 603耦合至光电检测器602的输出以接收光电检测器602的输出。控制算 法单元603被配置为处理光电检测器的输出以确定激射延迟Tdl。关于图5 中的方法500，控制算法单元603被配置为通过获得光电检测器的输出来 执行激光驱动信号持续时间校准(步骤502a)，根据步骤502b中的检查结 果，检查是否由光电检测器602检测到来自激光二极管601的光脉冲(步 骤502b)，并将测试驱动信号持续时间的各个值输出到定时控制单元605。 在第一次检测到由激光二极管601输出的光脉冲之后，由光电检测器602， 控制算法可以确定激射延迟Tdl(步骤504)并且可选地存储所确定的激射 延迟Tdl(例如，存储在控制单元603中的存储器中或其他地方)。控制算 法405可以基于所确定的激射延迟Tdl和预定持续时间Tp来确定驱动信号 持续时间Tdr(步骤505)，其可以例如已经预先存储在控制单元603中的 存储器中或由操作员设置。在这种情况下，控制算法单元604可以将所确 定的驱动信号持续时间Tdr输出到时序控制单元605，并且时序控制单元可 以被配置为施加该驱动信号持续时间以驱动激光驱动器606以在将来驱动激光二极管601。
尽管图6将激光驱动器606显示为控制单元603的一部分，但是激光 驱动器606也可以是耦合到控制单元603的单独的设备。在另一种选择中， 时序控制605也可以是单独的设备(可选地与激光驱动器606集成在一起， 或者如图6所示与激光驱动器606分离)，其中控制单元603被配置为耦 合到光电二极管602和定时控制器605，并且被配置为执行上述校准过程。 这样，控制单元603可以是可以加装到诸如现有ToF激光器封装之类的现 有激光系统的独立设备。在包装产品中，控制单元603可以与激光驱动器 606在相同的芯片上，也可以在不同的芯片上。在另一替代方案中，光电 检测器602可以被集成在控制单元603中。光电检测器602检测到的光还 可以包括从激光二极管601输出的光的杂散反射，该杂散反射例如由ToF 系统中的激光二极管601和光电检测器602的光学封装引起。
图7A示出了根据本公开的另一方面的系统700。系统700是系统600 的变体，并且还可以用于实现方法500。图7A包括激光二极管601、光电 检测器602和控制单元703。控制单元703的输入耦合至光电检测器602 的输出。控制单元703的输出耦合到激光二极管601的输入。
控制单元703包括控制算法单元704。控制算法单元704被配置为确 定并输出激射延迟Tdl。在一些实施方式中，控制算法单元704可以包括例 如延迟锁定环或时间数字转换器。控制单元703还包括定时控制单元705， 该定时控制单元705被配置为设置用于激光驱动器706的驱动信号的持续 时间，该激光驱动器依次驱动激光二极管701。在系统700中，定时控制 单元705被配置为接收和/或存储激光二极管701输出的光脉冲的预定脉冲 持续时间Tp，其中Tp是从激光二极管601输出的光脉冲的期望持续时间， 并且可以是激光二极管601的时间响应中的峰值脉冲的预期持续时间。定 时控制单元705通过输出“脉冲开始”信号和“脉冲停止信号”(即，“脉冲开 始”信号的施加时间与“脉冲停止”信号的施加时间之间的差对应于激光二 极管601输出的光脉冲的预定脉冲持续时间Tp)将预定脉冲持续时间施加 到激光驱动器。
关于利用系统700实施图5中的方法500，控制算法被配置为对脉冲 停止信号施加最小延迟，使得在方法500的开始处，“脉冲开始”和“校正的 停止”之间的时间差对应于最小测试驱动信号持续时间Ttmin。在这种情况 下，最小延迟时段可以是例如0，使得Ttmin等于预定信号持续时间Tp。然 后，激光驱动器706利用测试信号持续时间Ttmin的测试驱动信号来驱动激 光二极管601。由定时控制单元705输出的“脉冲开始”信号触发控制算法 单元704以监视光电检测器602的输出(步骤502a)。然后，控制算法单 元704被配置为处理所获得的光电检测器输出以检查光电检测器702是否 已经检测到由激光二极管701输出的光脉冲(步骤502b)。如果未检测到 光脉冲，则控制算法单元704被配置为增加施加到“脉冲停止”信号的延迟 的长度，使得在下一次迭代中，施加到激光驱动器706的测试驱动信号持 续时间增加了(步骤503)。控制算法单元704被配置为在连续的迭代中执 行上述步骤，每次增加施加到“脉冲停止”信号的延迟，从而增加测试驱动 信号的持续时间(步骤503)，直到由光电检测器702首次检测到光脉冲。 在光电检测器702首次检测到激光二极管701输出的光脉冲时，控制算法 单元704配置为结束其获取和处理光电检测器输出的过程(步骤505)，并且从控制算法输出并应用于延迟块的延迟持续时间设置为激射延迟Tdl，然 后可将其应用于“脉冲停止”信号以用于将来的光脉冲。因此，优化的驱动 信号持续时间Tdr(由定时控制单元705和延迟块应用于激光驱动器706) 是施加“脉冲开始”信号的时间与施加“校正脉冲停止信号”的时间之间的 差，其中校正的脉冲停止信号是延迟了激射延迟Tdl的初始“脉冲停止”信号 的施加时间。
图7B是时序图，示出了如以上关于图7A所讨论的不同信号之间的交 互。如图7B所示，使用校准方法(例如方法500)，通过应用由控制算法 单元704确定的激射延迟来校正脉冲停止信号。时序图显示最终驱动信号 脉冲持续时间是预定脉冲持续时间Tp和激射延迟Tdl的总和。图7B还示 出了在通过激光驱动器706将该优化的最终驱动信号脉冲施加至激光二极 管601时，在激光二极管701的时间响应中在峰值脉冲响应开始之前存在 激射延迟Tdl，并且所得到的时间响应主要包括峰值脉冲响应。
实施相应方法的上述校准系统(400、600、700)的优点在于，由于 这些系统相对简单且成本低廉(例如，部分原因是它们不需要对激光二极 管的时间响应进行高带宽采样，因此可以使用相对简单且低成本的硬件来 实现)，因此可以轻松地集成到例如使用脉冲激光二极管的ToF产品中。 校准系统允许在任何点进行校准，例如在制造激光产品之后，系统和/或在 产品使用期间间歇地进行。结果，即使激光器的特性随时间变化，例如由 于环境条件和/或设备漂移的结果，也可以重新校准激光器驱动时间以将其 保持在最佳值。
附加地或替代地，校准系统可以用于随时间推移的设备质量检查。例 如，可以在制造之后存储(例如在控制单元403、603、403中的存储器中， 或在控制单元可访问的其他位置的存储器中)初始校准数据(例如，Tdl和/或Tdr)。可以在产品的整个寿命期间进行随后的重新校准，以确定更新 的Tdl和/或Tdr，并与存储的初始校准数据进行比较。如果识别出显着差异 (例如，差异超过预定阈值)，则可以认识到，激光二极管和/或光电检测 器和/或控制电路的各个方面表现不佳，并且可能存在故障或失败的风险。 这可以提供在故障发生之前修理或更换产品的机会，这对于安全性至关重 要的ToF应用程序可能特别有益。在另一替代方案中，每次执行重新校准 时，可以存储更新的数据(例如，更新的Tdl和/或Tdr)。然后可以将每个 新的重新校准与历史存储的数据的至少某些部分进行比较，该历史存储的数据包括初始校准数据和/或一个或多个先前的重新校准数据。
尽管已经根据某些实施例描述了本发明，但是可以将实施例组合以提 供其他实施例。另外，在一个实施例的上下文中示出的某些特征也可以并 入其他实施例中。例如，尽管系统400被具体地描述为被配置为执行方法 200或方法300，但是在另一替代方案中，控制算法405可以附加地或可 替代地被配置为执行方法500，因为将理解积分器404的输出指示是否已 经从光电二极管输出任何光。
尽管激光二极管特别被标识为高功率脉冲VCSEL，但它不一定限于这 种类型，并且该系统和方法可以与任何其他类型的激光二极管一起使用。 可以以执行校准方法的任何方式来配置控制单元(403、603、703)，例如， 通过使用微控制器、可编程逻辑阵列或者甚至作为在一个或多个处理器上 执行以执行校准方法的软件。尽管本发明对于校准用于ToF应用中的激光 器驱动时间特别有用，但是本发明不限于该应用，并且对于实现脉冲激光二极管的任何应用可能同样有用。
在上述每种方法中，测试驱动信号的测试持续时间是迭代变化的(即， 迭代地增加或减少)。应当理解，可以根据系统的具体要求将每个迭代增 加或减少的大小设置为任何合适的值。例如，较小的增加可以导致激光二 极管的时间响应中的激射延迟和/或峰后第一最小值的更准确的确定，但是 可能导致校准花费更长的时间。

Claims (20)

1.一种确定激光驱动信号的持续时间Tdr以最小化由所述激光驱动信号驱动的激光二极管的时间响应中的峰后响应的方法，该方法包括：
迭代地：
将具有测试持续时间Tt的测试激光驱动信号施加于所述激光二极管；和
监测光电检测器的输出，其中所述输出指示响应于所述测试驱动信号的施加而由所述激光二极管输出的光脉冲的能量；
使用连续的迭代来改变所述测试驱动信号的测试持续时间Tt；和
基于以连续迭代对所述光电检测器输出的监测，确定所述持续时间Tdr。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在连续的迭代之间所述测试驱动信号的测试持续时间Tt增加。
3.根据权利要求1所述的方法，其中在连续的迭代之间所述测试驱动信号的测试持续时间Tt减小。
4.根据权利要求1所述的方法，其中基于以连续迭代对所述光电检测器输出的监测，确定所述持续时间Tdr包括：
从所述光电检测器的监测输出中识别出所述激光二极管的所述时间响应中的第一峰后最小值；和
将所述持续时间Tdr设置为测试持续时间Tt，从而对应于识别的第一峰值后最小值。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述光电检测器输出的监测包括：
对所述光电检测器的输出进行积分以确定响应于所述测试驱动信号的施加而指示所述激光二极管的累积光输出的累积值。
6.根据权利要求5所述的方法，其中识别出所述激光二极管的所述时间响应中的第一峰后最小值包括：
确定连续迭代之间累积值的变化率；和
在当前迭代之前的迭代中，将确定的变化率与先前确定的变化率进行比较。
7.根据权利要求1所述的方法，其中基于以连续迭代对所述光电检测器输出的监测，确定所述持续时间Tdr包括：
确定激射延迟，其中所述激射延迟是检测所述激光二极管输出的光脉冲所需的最小测试持续时间Ttmin；和
基于所述激射延迟和所述激光器输出的光脉冲的预定持续时间Tp确定所述持续时间Tdr。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括：
将确定的激射延迟与所述激光二极管的一个或多个先前确定的激射延迟进行比较，以检查所述激光二极管的状况。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括：
将确定的确定持续时间Tdr与所述激光二极管的一个或多个先前确定的持续时间Tdr进行比较，以检查所述激光二极管的状况。
10.一种控制单元，用于确定激光驱动信号的持续时间Tdr以最小化由所述激光驱动信号驱动的激光二极管的时间响应中的峰后响应，并且包括用于耦合到光电检测器的输出的输入和用于耦合到所述激光二极管的输入的输出，其中所述控制单元被配置为：
迭代地：
将具有测试持续时间Tt的测试激光驱动信号施加于所述激光二极管；和
监测所述光电检测器的输出，其中所述输出指示响应于所述测试驱动信号的施加而由所述激光二极管输出的光脉冲的能量；
使用连续的迭代来改变所述测试驱动信号的测试持续时间Tt；和
基于以连续迭代对所述光电检测器输出的监测，确定所述持续时间Tdr。
11.根据权利要求10所述的控制单元，其中所述控制单元被配置为在连续的迭代之间增加所述测试驱动信号的测试持续时间Tt。
12.根据权利要求10所述的控制单元，其中所述控制单元被配置为在连续的迭代之间减小所述测试驱动信号的测试持续时间Tt。
13.根据权利要求10所述的控制单元，其中所述控制单元被配置为：
从所述光电检测器的监测输出中识别出所述激光二极管的所述时间响应中的第一峰后最小值；和
将所述持续时间Tdr设置为测试持续时间Tt，从而对应于识别的第一峰值后最小值。
14.根据权利要求13所述的控制单元，其中所述控制单元包括：
积分器，被配置为接收所述光电检测器的输出，并且对所述光电检测器的输出进行积分以确定响应于所述测试驱动信号的施加而指示所述激光二极管的累积光输出的累积值。
15.根据权利要求14所述的控制单元，其中所述控制单元被配置为：
确定连续迭代之间累积值的变化率；和
将所确定的变化率与当前迭代之前的先前迭代中的先前确定的变化率进行比较，以便识别所述激光二极管的所述时间响应中的第一峰值后最小值。
16.根据权利要求10所述的控制单元，其中所述控制单元被配置为：
确定激射延迟，其中所述激射延迟是检测所述激光二极管输出的光脉冲所需的最小测试持续时间Ttmin；和
基于所述激射延迟和所述激光器输出的光脉冲的预定持续时间Tp确定所述持续时间Tdr。
17.根据权利要求10所述的控制单元，还被配置为：
将确定的确定的持续时间Tdr与所述激光二极管的一个或多个先前确定的持续时间Tdr进行比较，以检查所述激光二极管的状况。
18.一种用于确定激光驱动信号的持续时间Tdr以最小化由所述激光驱动信号驱动的激光二极管的时间响应中的峰后响应的系统，该系统包括：
激光二极管；
光电检测器；
至所述激光二极管和所述光电检测器的控制单元，其中所述控制单元被配置为：
迭代地：
将具有测试持续时间Tt的测试激光驱动信号施加于所述激光二极管；和
监测光电检测器的输出，其中所述输出指示响应于所述测试驱动信号的施加而由所述激光二极管输出的光脉冲的能量；
使用连续的迭代来改变所述测试驱动信号的测试持续时间Tt；和
基于以连续迭代对所述光电检测器输出的监测，确定所述持续时间Tdr。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述激光二极管是脉冲激光二极管。
20.根据权利要求18所述的系统，其中所述激光二极管是垂直腔表面发射激光二极管(VCSEL)。
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