CN113646663A - 距离测量设备、距离测量系统、距离测量方法和程序 - Google Patents

距离测量设备、距离测量系统、距离测量方法和程序 Download PDF

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广濑裕
冲野彻
斋藤繁
石井基范
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Abstract

本发明的问题是提供距离测量设备、距离测量系统、距离测量方法和程序，它们均配置或设计为提高到目标的距离的测量精度。距离测量设备(10)包括控制单元(11)和测量单元(12)。控制单元(11)控制光电探测器单元(3)。光电探测器单元(3)包括光电转换器元件(D10)和输出单元(32)。光电转换器元件(D10)在接收到作为从发光单元(2)发射的测量光的一部分从目标反射的光时产生电荷。输出单元(32)输出表示由光电转换器元件(D10)产生的电荷的量的电信号。测量单元(12)根据电信号在可测量范围内计算到目标的距离。控制单元(11)在构成可测量范围(FR)的多个区间(R1‑R7)中的每一个区间中，设置光电转换器元件(D10)产生的电荷的量相对于光电转换器元件(D10)接收到的光的量的比率。

Description

距离测量设备、距离测量系统、距离测量方法和程序
技术领域
本公开一般涉及距离测量设备、距离测量系统、距离测量方法和程序。更具体地，本公开涉及配置或设计为测量到目标的距离的距离测量设备、距离测量系统、距离测量方法和程序。
背景技术
专利文献1公开了一种距离测量设备。专利文献1的距离测量设备包括固态图像传感器、信号处理器、计算机和光源。固态图像传感器包括二维排列的多个像素。每个像素包括：光感测电路，用于检测在预定曝光时间内到达光敏元件的入射光束；计数器电路，用于基于从光感测电路提供的光感测信号来对入射光束的到达次数进行计数；比较器电路，用于基于从计数器电路提供的计数值来输出比较信号；以及存储电路，当从比较器电路提供的比较信号为ON时，存储时间信号作为距离信号。
专利文献1记载了通过具有这种结构的固态图像传感器可以扩大可测量距离范围。然而，专利文献1没有教导如何在到目标的距离的整个可测量范围内提高测量精度。
引文列表
专利文献
专利文献1：JP 2018-169162 A
发明内容
问题是提供一种距离测量设备、距离测量系统、距离测量方法和程序，所有这些都配置或设计为在到目标的距离的整个可测量范围内提高测量精度。
根据本公开的一个方面的距离测量设备包括控制单元和测量单元。所述控制单元控制光电探测器单元。所述光电探测器单元包括光电转换器元件和输出单元。在接收到作为从发光单元发射的测量光的一部分从目标反射的光时，所述光电转换器元件产生电荷。所述输出单元输出表示由所述光电转换器元件产生的电荷的量的电信号。所述测量单元根据所述电信号在可测量范围内计算到目标的距离。所述控制单元在构成可测量范围的多个区间的每一个区间中，设置所述光电转换器元件产生的电荷的量相对于所述光电转换器元件接收到的光的量的转换率。
根据本公开另一个方面的距离测量系统包括上述距离测量设备、发光单元和光电探测器单元。
根据本公开又一个方面的距离测量方法包括控制步骤和测量步骤。所述控制步骤包括控制光电探测器单元。所述光电探测器单元包括光电转换器元件和输出单元。在接收到作为从发光单元发射的测量光的一部分从目标反射的光时，所述光电转换器元件产生电荷。所述输出单元输出表示由所述光电转换器元件产生的电荷的量的电信号。所述测量单元根据所述电信号在可测量范围内计算到目标的距离。所述控制步骤包括：在构成可测量范围的多个区间的每一个区间中设置所述光电转换器元件产生的电荷的量相对于所述光电转换器元件接收到的光的量的转换率。
根据本公开的又一个方面的程序被设计为使一个或多个处理器执行上述距离测量方法。
附图说明
图1是根据示例性实施例的距离测量系统的框图；
图2示出了距离测量系统；
图3是距离测量系统的光电转换器元件的电路图；
图4示意性地示出了距离测量系统如何操作；
图5示意性地示出了距离测量系统如何操作；
图6示意性地示出了距离测量系统如何操作；
图7示出了用于控制距离测量系统的第一种方法；
图8示出了用于控制距离测量系统的第二种方法；以及
图9示出了根据变型的构成可测量范围的多个区间的示例性结构。
具体实施方式
1.实施例
1.1.概述
图1示出了根据示例性实施例的距离测量系统1。距离测量系统1包括距离测量设备10。距离测量设备10包括控制单元11和测量单元12。控制单元11控制光电探测器单元3。光电探测器单元3包括如图1和图2所示的光电转换器元件D10和输出单元32。光电转换器元件D10在接收作为从发光单元2发射的测量光L1的一部分从目标100反射的光L2时产生电荷。输出单元32输出表示由光电转换器元件D10产生的电荷的量的电信号。测量单元12根据电信号在可测量范围FR内计算到目标的距离。控制单元11在构成可测量范围FR的多个区间R1-R7的每一个中设置光电转换器元件D10产生的电荷的量相对于光电转换器D10接收的光的量的比率。
这种距离测量设备10可以在构成可测量范围FR的多个区间R1-R7的每一个中适当地设置转换率。也就是说，距离测量设备10可以根据目标100的位置将转换率设置为适当的值。因此，该距离测量设备10有助于在到目标100的距离的整个可测量范围内改善测量精度。
1.2.详情
将参照图1至图8更详细地描述距离测量系统1。距离测量系统1通过飞行时间(TOF)技术测量到目标100的距离。距离测量系统1包括距离测量设备10、发光单元2、光电探测器单元3、电压源4和电流测量单元5。如图2所示，距离测量系统1通过使用作为从发光单元2发出的测量光L1的一部分从目标100反射的光(反射光)L2，来测量到目标100的距离。距离测量系统1适用于例如用作汽车的车载设备以检测障碍物的物体识别系统、用于检测物体(人类)的监控摄像机以及安全摄像机。
发光单元2包括用于用测量光L1照射目标100的光源21。测量光L1是脉冲光束。在图2中，测量光L1由虚线概念性地表示。就此而言，当通过TOF技术测量距离时，测量光L1适当地具有单一波长、相对短的脉冲宽度和相对高的峰值强度。另外，考虑到距离测量系统1(距离测量设备10)在例如市区的使用，测量光L1的波长适当地落入对于人眼而言光度因子较低并且不易受到来自太阳的环境光影响的近红外波长范围内。在本实施例中，光源21例如实现为激光二极管，并且发射脉冲激光束。从光源21发射的脉冲激光束的强度满足日本制定的“激光产品安全”标准(JIS C 6802)的1级或2级。注意，光源21不必是激光二极管，也可以是例如发光二极管(LED)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)或卤素灯。可选地，测量光L1也可以落入与近红外波长范围不同的波长范围内。
光电探测器单元3包括光电转换器元件D10和输出单元32。光电转换器元件D10在接收到作为从发光单元2发射的测量光L1的一部分从目标100反射的光L2时产生电荷。输出单元32输出表示由光电转换器元件D10产生的电荷的量的电信号(像素信号)。在本实施例中，光电探测器单元3包括图像传感器31和输出单元32。如图1所示，图像传感器31包括二维排列的多个像素311。多个像素311中的每一个可以仅在曝光持续时间期间接收光。输出单元32将从图像传感器31(的像素311)提供的电信号输出到距离测量设备10。
图3是每个像素311的电路图。如图3所示，像素311包括光电转换器元件D10、电荷存储器件C10、浮置扩散元件FD、放大器A10、传送晶体管ST1、ST2、ST3和复位晶体管SR1、SR2、SR3。
光电转换器元件D10在接收作为从发光单元2发出的测量光L1的一部分从目标100反射的光L2时产生电荷。光电转换器元件D10配置为根据(向光电转换器元件D10本身)施加的电压来改变转换率。如本文所使用的，转换率是指光电转换器元件D10产生的电荷的量对光电转换器元件D10接收到的光的量(光子数)的比率。例如，光电转换器元件D10的转换率在等于或大于1的范围内能够改变。在本实施例中，光电转换器元件D10实现为雪崩光电二极管。雪崩光电二极管具有线性倍增模式和盖革倍增模式。当施加第一偏压(例如-25V)时，雪崩光电二极管以线性倍增模式工作。在线性倍增模式中，当光子入射到雪崩光电二极管时，在雪崩光电二极管的阴极收集与引起光电转换的光子数通常成比例的电荷量。另一方面，当对雪崩光电二极管施加绝对值大于第一偏压的第二偏压(例如-27V)时，雪崩光电二极管以盖革倍增模式操作。在盖革倍增模式中，当入射到雪崩光电二极管上的光子之一引起光电转换时，在雪崩光电二极管的阴极收集饱和量的电荷(即饱和电荷量)。也就是说，响应于一个光子的入射而产生的电荷量变得恒定。可以看出，雪崩光电二极管的倍增因子根据偏压的大小而变化，即根据施加到雪崩光电二极管的电压(反向电压)的大小而变化。在本实施例中，光电转换器元件D10的转换率是雪崩光电二极管的倍增系数。
电荷存储器件C10存储由光电转换器元件D10产生的电荷中的至少一部分。电荷存储器件C10是电容器。电荷存储器件C10的电容设定为允许多次存储由光电转换器元件D10产生的电荷的值。也就是说，电荷存储器件C10允许光电转换器元件D10产生的电荷进行累积，从而有助于增加作为图像传感器31的输出信号的电信号的信噪比SNR，并且最终提高测量精度。在本实施例中，电荷存储器件C10的第一端子接地。
浮置扩散元件FD设置在光电转换器元件D10和电荷存储器件C10之间，并且用于存储电荷。放大器A10向输出单元32输出电信号(像素信号)，所述电信号的大小与光电转换器元件D10产生的电荷的量相对应(即，与在电荷存储器件C10中存储的电荷的量相对应的大小)。晶体管ST1将光电转换器元件D10的阴极连接到浮置扩散元件FD。晶体管ST2将浮置扩散元件FD连接到电荷存储器件C10的第二端子。晶体管ST3将浮置扩散元件FD连接到放大器A10的输入端子。晶体管SR1将光电转换器元件D10的阴极连接到内部电源VDD。晶体管SR2将电荷存储器件C10的第二端子连接到内部电源VDD。晶体管SR3将浮置扩散元件FD连接到内部电源VDD。
在像素311中，由光电转换器元件D10产生的电荷通过晶体管ST1、ST2被传送并存储到电荷存储器件C10中。在光电转换器元件D10产生的电荷已多次储存在电荷存储器件C10中之后，电荷由晶体管ST3从电荷存储器件C10传送到放大器A10。这使得放大器A10输出电信号(像素信号)，所述电信号的大小与光电转换器元件D10产生的电荷的量相对应(即，所述大小与在电荷存储器件C10中存储的电荷的量相对应)。随后，通过晶体管SR1、SR2、SR3适当地去除光电转换器元件D10、浮置扩散元件FD和电荷存储器件C10中残留的不需要的电荷。通过控制单元11执行对像素311的这种控制。
电压源4向光电探测器单元3施加DC控制电压。电压源4施加的控制电压的大小可以改变。在该实施例中，电压源4电连接到光电探测器单元3的图像传感器31的多个像素311的每一个中的光电转换器元件D10的阳极。这允许电压源4向光电探测器单元3的图像传感器31的多个像素311的每一个中的光电转换器元件D10施加控制电压。具体地，电压源4可用于向光电转换器元件D10施加反向电压(反向偏压)作为控制电压。也就是说，光电转换器元件D10的操作模式可以通过电压源4从线性倍增模式切换到盖革倍增模式，或反之亦然。电压源4由控制单元11控制。这允许控制单元11使电压源4切换光电转换器元件D10的操作模式。注意，电压源4可以实现为已知的电源，例如开关电源，因此这里将省略其详细说明。
电流测量单元5测量从电压源4流到光电探测器单元3的电流的大小。电流测量单元5将这样测量的值提供给控制单元11。电流测量单元5可以实现为电流互感器等公知的电流测量仪器(安培计)，并且在此省略其详细说明。
距离测量设备10在可测量范围FR内计算到目标100的距离。在距离测量设备10中，可测量范围FR被划分为多个(例如七个)区间R1-R7，如图2所示。换句话说，可测量范围FR由多个区间R1-R7组成。例如，可测量范围FR可以具有几十厘米到几十米的长度，但这不是必须的。多个区间R1-R7中的每一个均具有相同的长度。例如，多个区间R1-R7中的每一个可以具有几厘米到几米的长度。注意，多个区间R1-R7不必具有相同的长度，并且所提供的区间的数目不限于任何特定的数目。
距离测量设备10包括控制单元11、测量单元12和输出单元13。注意，控制单元11和测量单元12中的每一个都可以实现为包括一个或多个处理器(微处理器)以及一个或多个存储器的计算机系统。也就是说，计算机系统通过使一个或多个处理器执行在一个或多个存储器中存储的一个或多个程序(应用)来执行控制单元11和测量单元12的功能。在本实施例中，程序预先存储在一个或多个存储器中。然而，这只是一个例子，不应解释为限制。程序还可以通过诸如因特网之类的电信线路下载，或在存储在诸如存储卡之类的非暂时性存储介质中之后进行分发。
控制单元11配置为控制发光单元2和光电探测器单元3。对于发光单元2，控制单元11例如控制光源21发射测量光L1的定时(即，发光定时)和从光源21发射的测量光L1的脉冲宽度。另一方面，对于光电探测器单元3，控制单元11控制例如每个像素311(光电转换器元件D10)进入曝光状态的定时(即曝光定时)、曝光持续时间(曝光时间段)和各个晶体管ST1-ST3的操作时间。
此外，控制单元11还配置为控制每个光电转换器元件D10的转换率。具体地，控制单元11在构成可测量范围FR的多个区间R1-R7的每一个中控制光电转换器元件D10的转换率。由于该距离测量设备10使用TOF技术，所以距离的多个区间R1-R7分别对应于多个时间段T1-T7，如图4所示。因此，控制单元11利用在分别与多个区间R1-R7相对应的多个时间段T1-T7的每一个中施加到光电转换器元件D10的电压，来设置转换率。也就是说，控制单元11通过在多个区间R1-R7(对应于多个时间段T1-T7)中设置由电压源4施加到光电转换器元件D10的控制电压，来设置光电转换器元件D10的转换率。在本实施例中，光电转换器元件D10的转换率是雪崩光电二极管的倍增因子。控制单元11将雪崩光电二极管的倍增因子设置为线性倍增模式的倍增因子或盖革倍增模式的倍增因子。在图4中，VSUB表示由电压源4施加到光电转换器元件D10的控制电压。V1表示第一偏压(即，将光电转换器元件D10切换到线性倍增模式的电压)。V2表示第二偏压(即，将光电转换器元件D10切换到盖革倍增模式的电压)。
如上所述，在线性倍增模式中，由光电转换器元件D10产生的电荷的量与入射到光电转换器元件D10上的光子数通常成比例。另一方面，在盖革倍增模式中，由光电转换器元件D10产生的电荷的量是恒定的，而与入射到光电转换器元件D10上的光子数无关。因此，当光电转换器元件D10切换到线性倍增模式时，与光电转换器元件D10切换到盖革倍增模式时相比，到目标100的距离可以具有更高的分辨率。另一方面，盖革倍增模式与线性倍增模式相比，光电转换器元件D10响应于光子的入射而产生更多的电荷量。因此，如果相对大量的光子入射到光电转换器元件D10上(即，如果光电转换器元件D10接收到相对大量的光)，则光电转换器元件D10适当地以线性倍增模式操作。另一方面，如果相对少量的光子入射到光电转换器元件D10上(即，如果光电转换器元件D10接收到相对少量的光)，则光电转换器元件D10适当地以盖革倍增模式操作。光电转换器元件D10接收的光包括从目标100反射的光L2和环境光(主要是来自光电探测器单元3周围环境的光)。光电转换器元件D10接收的光的量根据光电转换器元件D10可以从目标100接收光的持续时间(即曝光持续时间)而变化。此外，从目标100反射的光L2的量还受到到目标100的距离和目标100的表面状况的影响。目标100的表面状况的示例包括目标100的(表面)反射率。
在本实施例中，控制单元11基于各种因素来设置转换率，这些因素包括到目标100的估计距离、环境光的量、曝光持续时间以及光电转换器元件D10从目标100接收到的光的量等。在这种情况下，控制单元11在需要增加到目标100的距离的分辨率时降低转换率(线性倍增模式)，并在需要降低分辨率时增加转换率(盖革倍增模式)。
控制单元11将多个区间R1-R7分类为第一区间和第二区间，与所述第一区间相比，第二区间对应于距光电转换器元件D10(即，距离测量系统1)的更长的距离。控制单元11在第一区间中降低转换率，并在第二区间中增加转换率。在本实施例中，控制单元11在第一区间中使光电转换器元件D10以线性倍增模式操作，而在第二区间中使光电转换器元件D10以盖革倍增模式操作。例如在图4所示的示例中，控制单元11将区间R1-R5视为第一区间，并且将区间R6、R7视为第二区间。在这种情况下，控制单元11在分别与区间R1-R5相对应的时间段T1-T5期间通过将电压源4的控制电压VSUB设置为V1，来使光电转换器元件D10以线性倍增模式操作。另一方面，控制单元11在分别与区间R6、R7相对应的时间段T6、T7期间通过将电压源4的控制电压VSUB设置为V2，来使光电转换器元件D10以盖革倍增模式操作。
此外，控制单元11还根据环境光的量来改变转换率。更具体地，如果环境光的量大，则控制单元11降低转换率，而如果环境光的量少，则控制单元11增加转换率。在本实施例中，控制单元11在多个区间R1-R7的每一个中将环境光的量与阈值进行比较。当发现环境光的量等于或小于阈值时，控制单元11使光电转换器元件D10以盖革倍增模式操作，当发现环境光的量大于阈值时，控制单元D10使光电转换器元件D10以线性倍增模式操作。例如，假设在区间R1-R5中环境光的量大于阈值，并且在区间R6、R7中环境光的量等于或小于阈值。在这种情况下，如图4所示，控制单元11在分别与区间R1-R5相对应的时间段T1-T5期间通过将电压源4的控制电压VSUB设置为V1，来使光电转换器元件D10以线性倍增模式操作。另一方面，控制单元11在分别与区间R6、R7相对应的时间段T6、T7期间通过将电压源4的控制电压VSUB设置为V2，来使光电转换器元件D10以盖革倍增模式操作。假设在区间R5中环境光的量已经减少到等于或小于阈值。在这种情况下，控制单元11在分别与区间R1-R4相对应的时间段T1-T4期间通过将电压源4的控制电压VSUB设置为V1，来使光电转换器元件D10以线性倍增模式操作，如图5所示。另一方面，控制单元11在与区间R5-R7相对应的时间段T5-T7期间通过将电压源4的控制电压VSUB设置为V2，来使光电转换器元件D10以盖革倍增模式操作。
此外，控制单元11还根据曝光持续时间的长度来改变转换率。更具体地，如果曝光持续时间长，则控制单元11降低转换率，而如果曝光持续时间短，则控制单元11增加转换率。在本实施例中，控制单元11在多个区间R1-R7的每一个中将曝光持续时间的长度与阈值进行比较。控制单元11在发现曝光持续时间的长度等于或小于阈值时，使光电转换器元件D10以盖革倍增模式操作，在发现曝光持续时间的长度大于阈值时，使光电转换器元件D10以线性倍增模式操作。
此外，控制单元11还根据光电转换器元件D10从目标100接收的光的量(即，从目标100反射的光L2的量)改变转换率。更具体地，如果光L2的量大，则控制单元11降低转换率，而如果光L2的量少，则控制单元11增加转换率。在本实施例中，控制单元11在多个区间R1-R7的每一个中将光L2的量与阈值进行比较。当发现光L2的量等于或小于阈值时，控制单元11可以将光电转换器元件D10的转换率设置为第一值，当发现光L2的量大于阈值时，可以将光电转换器元件D10的转换率设置为比第一值大的第二值。在这种情况下，第一值是与光电转换器元件D10的线性倍增模式相对应的转换率，第二值是与光电转换器元件D10的盖革倍增模式相对应的转换率。例如，假设光L2的量在区间R1-R5内大于阈值。在这种情况下，如图4所示，控制单元11在分别与区间R1-R5相对应的时间段T1-T5期间通过将电压源4的控制电压VSUB设置为V1，来使光电转换器元件D10以线性倍增模式操作。此外，假设光L2的量在区间R3中已经减少到等于或小于阈值。在这种情况下，控制单元11在与区间R3相对应的时间段T3期间通过将电压源4的控制电压VSUB设置为V2，来使光电转换器元件D10以盖革倍增模式操作，如图6所示。
此外，控制单元11根据流过光电转换器元件D10的电流量改变转换率。更具体地，控制单元11根据电流测量单元5获得的测量值来改变光电转换器元件D10的转换率。也就是说，控制单元11根据电流测量单元5获得的测量值，将光电转换器元件D10的操作模式从线性倍增模式转换为盖革倍增模式，或反之亦然。具体地，当发现电流测量单元5获得的测量值等于或小于第一阈值、同时光电转换器元件D10以线性倍增模式操作时，控制单元11将光电转换器元件D10切换到盖革倍增模式。另一方面，当发现电流测量单元5获得的测量值大于第二阈值、同时光电转换器元件D10以盖革倍增模式操作时，控制单元11将光电转换器元件D10切换到线性倍增模式。也就是说，当流过光电转换器元件D10的电流量较小时，光电转换器元件D10产生的电荷的量也较小，因此入射到光电转换器元件D10上的光的量应该也较小。因此，控制单元11将光电转换器元件D10切换到盖革倍增模式，而不是线性倍增模式。相反，当流过光电转换器元件D10的电流量较大时，光电转换器元件D10产生的电荷的量也较大，因此入射到光电转换器元件D10上的光的量应该也较大。因此，控制单元11将光电转换器元件D10切换到线性倍增模式，而不是盖革倍增模式。在这种情况下，第一阈值和第二阈值可以是相同的值，也可以是互不相同的值。
此外，控制单元11根据光电转换器元件D10是以线性倍增模式还是盖革倍增模式操作，以不同的方式控制发光单元2和光电探测器单元3。更具体地，如果光电转换器元件D10以线性倍增模式操作，则控制单元11执行第一控制方法。另一方面，如果光电转换器元件D10以盖革倍增模式操作，则控制单元11执行第二控制方法。也就是说，第一控制方法适用于分辨率较高的情况(即光电转换器元件D10接收到的光的量相对较大的情况)。另一方面，第二控制方法适用于分辨率较低的情况(即光电转换器元件D10接收的光的量相对较小的情况)。
图7说明了如何执行第一方法，图8说明了如何执行第二种方法。在图7和图8中，VE表示曝光定时。Q1表示光电转换器元件D10产生的电荷的量。VA表示晶体管ST1、ST2的操作定时。Q2表示电荷存储器件C10中存储的电荷的量。VT表示晶体管ST3的操作定时。VR表示晶体管SR1-SR3的操作定时。
首先，将参考图7描述第一控制方法。在该示例中，晶体管ST1-ST3和SR1-SR3应该在时间t0之前全部关断。
在时间t0，控制单元11接通晶体管SR1-SR3以从电荷存储器件C10移除电荷。接下来，在从时间t1至时间t3的时间段内，控制单元11使发光单元2的光源21发出测量光L1。因此，在从时间t2到时间t4的时间段内，光电探测器单元3的光电转换器元件D10接收从目标100反射的光L2。然而，由于控制单元11设置从时间t3开始的曝光持续时间，所以光电转换器元件D10在从时间t3至时间t4的时间段内接收光L2，并产生与光L2的量相对应的电荷。接下来，在时间t4之后的时间t5，控制单元11接通晶体管ST1、ST2，以将光电转换器元件D10产生的电荷通过浮置扩散元件FD传送到电荷存储器件C10。
随后，在从时间t6至时间t8的时间段内，控制单元11使发光单元2的光源21发出测量光L1。因此，在从时间t7到时间t9的时间段内，光电探测器单元3的光电转换器元件D10接收从目标100反射的光L2。然而，由于控制单元11设置从时间t8开始的曝光持续时间，所以光电转换器元件D10在从时间t8至时间t9的时间段内接收光L2，并产生与光L2的量相对应的电荷。接下来，在时间t9之后的时间t10，控制单元11接通晶体管ST1、ST2以将光电转换器元件D10产生的电荷通过浮置扩散元件FD传送到电荷存储器件C10。
控制单元11重复预定次数的将光电转换器元件D10产生的电荷传送到电荷存储器件C10的处理。当最后一次执行该处理时，控制单元11在从时间t11到时间t13的时间段内使发光单元2的光源21发射测量光L1。因此，在从时间t12到时间t14的时间段内，光电探测器单元3的光电转换器元件D10接收从目标100反射的光L2。然而，由于控制单元11设置从时间t13开始的曝光持续时间，所以光电转换器元件D10在时间t13至时间t14的时间段内接收光L2，并产生与光L2的量相对应的电荷。接下来，在时刻t14之后的时刻t15，控制单元11接通晶体管ST1、ST2，以将光电转换器元件D10产生的电荷通过浮置扩散元件FD传送到电荷存储器件C10。随后，控制单元11在从时间t16到时间t17的时间段期间通过保持晶体管ST3接通来提取存储在电荷存储器件C10中的电荷。这样，控制单元11使电信号(像素信号)从像素311输出。
接下来，将参考图8描述第二控制方法。在该示例中，晶体管ST1-ST3和SR1-SR3应该在时间t20之前全部关断。
在时间t20，控制单元11接通晶体管SR1-SR3以从电荷存储器件C10移除电荷。接下来，在从时间t21至时间t22的时间段内，控制单元11使发光单元2的光源21发出测量光L1。因此，光电探测器单元3的光电转换器元件D10接收光束L21、L22作为从目标100反射的光L2。光束L21、L22来自位置与距离测量系统1相距相对较远的目标100。在从时间t22到时间t23的时间段期间，光束L21、L22到达光电转换器元件D10。然而，由于控制单元11设置从时间t23起的曝光持续时间，所以光电转换器元件D10尚未产生与光束L2的量相对应的电荷。接下来，在时间t24之后的时间t25至t26的时间段内，控制单元11接通晶体管ST1、ST2，将光电转换器元件D10产生的电荷经由浮置扩散元件FD传送到电荷存储器件C10。在这种情况下，光电转换器元件D10没有产生电荷，因此电荷不会存储在电荷存储器件C10中。
随后，在从时间t27至时间t28的时间段内，控制单元11使发光单元2的光源21发出测量光L1。因此，光电探测器单元3的光电转换器元件D10接收光束L23、L24作为从目标100反射的光L2。光束L23、L24与光束L21、L22同样来自位置与距离测量系统1相距相对较远的目标100。光束L23在从时间t28到时间t29的时间段期间到达光电转换器元件D10。另一方面，光束L24在从时间t29到时间t30的时间段期间到达光电转换器元件D10。然而，由于控制单元11设置从时间t29起的曝光持续时间，所以光电转换器元件D10不会产生与光束L23的量相对应的电荷，而是产生与光束L24的量相对应的电荷。接下来，在时间t30之后的时间t31，控制单元11接通晶体管ST1、ST2，以将光电转换器元件D10产生的电荷经由浮置扩散元件FD传送到电荷存储器件C10。
控制单元11重复预定次数的将光电转换器元件D10产生的电荷传送到电荷存储器件C10的处理。当最后一次执行该处理时，控制单元11在从时间t32到时间t33的时间段内使发光单元2的光源21发射测量光L1。因此，光电探测器单元3的光电转换器元件D10接收光束L25、L26作为从目标100反射的光L2。光束L25、L26与光束L21、L22同样来自位置与距离测量系统1相距相对较远的目标100。光束L25在从时间t33到时间t34的时间段期间到达光电转换器元件D10。另一方面，光束L26在从时间t34到时间t35的时间段期间到达光电转换器元件D10。然而，由于控制单元11设定从时间t34起的曝光持续时间，所以光电转换器元件D10不会产生与光束L25的量相对应的电荷，而是产生与光束L26的量相对应的电荷。接下来，在时间t35之后的时间t36，控制单元11接通晶体管ST1、ST2，以将光电转换器元件D10产生的电荷经由浮置扩散元件FD传送到电荷存储器件C10。此后，控制单元11在从时间t37到时间t38的时间段期间通过保持晶体管ST3接通来提取存储在电荷存储器件C10中的电荷。这样，控制单元11使电信号(像素信号)从像素311输出。
可以看出，控制单元11在构成可测量范围FR的多个区间R1-R7的每一个中适当地设置转换率(在本实施例中，从线性倍增模式到盖革倍增模式)。然后，控制单元11基于如此设置的转换率来控制发光单元2和光电探测器单元3，以使电信号(像素信号)从光电探测器单元3输出到测量单元12。
测量单元12基于从光电探测器单元3提供的电信号(像素信号)，在可测量范围FR内计算到目标100的距离。测量单元12针对光电探测器单元3的图像传感器31的多个像素311(光电转换器元件D10)中的每一个计算到目标100的距离。在该实施例中，测量单元12通过两种方法计算到目标100的距离。这两种方法是两种不同类型的TOF技术。第一种方法是相移TOF，而第二种方法是范围选通TOF。相移TOF能够以厘米的数量级计算距离。另一方面，范围选通TOF能够以米的数量级计算距离，但允许计算比相移TOF更长的距离。对于多个区间R1-R7中的第一组，测量单元12通过相移TOF方法计算到目标100的距离。另一方面，对于多个区间R1-R7中的第二组，测量单元12通过范围选通TOF方法计算到目标100的距离。在这种情况下，第一组包括多个区间R1-R7中的一系列区间，而第二组包括多个区间R1-R7中的与第一组不同的一个或多个区间。第一组中包括的每个区间的转换率都小于第二组。也就是说，在本实施例中，第一组中包括的每个区间(即应用相移TOF的区间)是光电转换器元件D10切换到线性倍增模式的区间(即设置高分辨率的区间)，如图4至图6所示。另一方面，第二组中包括的每个区间(即应用范围选通TOF的区间)是光电转换器元件D10切换到盖革倍增模式的区间(即设置低分辨率的区间)。
测量单元12在应用相移TOF的情况下(即对于第一组)，基于与第一组中包括的一系列区间中的多个相邻区间分别对应的电信号的比率来获得距离。更具体地，测量单元12从第一组中包括的一系列区间中提取相邻区间的组合，在该相邻区间的组合中电信号的大小之和大于阈值并且为最大。到目标100的距离D由D＝k×Sk+1/(Sk+Sk+1)给出，其中Sk和Sk+1是提取的区间组合中的电信号的大小。注意k是可以适当设置的比例因子。另一方面，在应用范围选通TOF的情况下(即，对于第二组)，测量单元12基于第二组中包括的一个或多个区间中的电信号大小最大的区间来获得距离。更具体地，将到电信号大小最大的区间的距离用作到目标100的距离。测量单元12采用从由针对第一组确定的距离和针对第二组确定的距离组成的组中选择的较长距离，作为到目标100的距离。
以图4所示的例子为例，第一组包括区间R1-R5，而第二组包括区间R6、R7。假设分别与区间R1-R7相对应的电信号的大小分别用S1-S7表示。根据相移TOF，测量单元12获得两个相邻区间R1、R2中的电信号大小之和(S1+S2)、两个相邻区间R2、R3中的电信号大小之和(S2+S3)以及两个相邻区间R3、R4中的电信号大小之和(S3+S4)。在这种情况下，假设两个相邻区间R2、R3中的电信号大小之和(S2+S3)等于或大于阈值并且大于这些和中的任何一个。在这种情况下，到目标100的距离D由D＝k×S3/(S2+S3)给出。另一方面，根据范围选通TOF，基于分别与区间R5-R7相对应的电信号中大小最大的电信号获得距离。在这种情况下，如果S6大于S5或S7，则到区间R6的距离用作到目标100的距离。如果针对第一组确定的距离大于针对第二组确定的距离，则控制单元11采用针对第一组确定的距离作为到目标100的距离。
输出单元13配置为将测量单元12获得的到目标100的距离的计算结果(测量结果)输出到外部设备6。外部设备6可以是显示设备，例如液晶显示器或有机电致发光(EL)显示器。输出单元13将测量单元12获得的测量结果输出到外部设备6，以使外部设备6显示测量单元12获得的测量结果。另外，输出单元13也可以将基于像素信号生成的图像数据输出到外部设备6，以使外部设备6显示图像数据。注意，外部设备6不必是显示设备，也可以是任何其他类型的设备。
1.3.总结
从以上描述可以看出，距离测量设备10包括控制单元11和测量单元12。控制单元11控制光电探测器单元3。如图1和图2所示，光电探测器单元3包括光电转换器元件D10和输出单元32。光电转换器元件D10在接收作为从发光单元2发射的测量光L1的一部分从目标100反射的光L2时产生电荷。输出单元32输出表示光电转换器元件D10产生的电荷的量的电信号。测量单元12根据电信号在可测量范围FR内计算到目标的距离。控制单元11在构成可测量范围FR的多个区间R1-R7的每一个中，设置光电转换器元件D10产生的电荷的量与光电转换器元件D10接收的光的量的比率。因此，距离测量设备10有助于提高到目标100的距离的测量精度。
换句话说，可以说距离测量设备10执行以下方法(距离测量方法)。距离测量方法包括控制步骤和测量步骤。控制步骤包括控制光电探测器单元3。光电探测器单元3包括光电转换器元件D10和输出单元32。光电转换器元件D10在接收到作为从发光单元2发出的测量光L1的一部分从目标100反射的光L2时产生电荷。输出单元32输出表示光电转换器元件D10产生的电荷的量的电信号。测量步骤包括根据电信号在可测量范围FR内计算到目标100的距离。控制步骤包括在构成可测量范围FR的多个区间R1-R7的每一个中，设置光电转换器元件D10产生的电荷的量相对于光电转换器元件D10接收的光的量的转换率。这种距离测量方法与距离测量设备10同样有助于改善到目标100的距离的测量精度。
距离测量设备10实现为计算机系统(包括一个或多个处理器)。也就是说，距离测量设备10的功能是通过使一个或多个处理器执行程序(计算机程序)来实现的。该程序被设计为使一个或多个处理器执行距离测量方法。这种程序与距离测量方法同样有助于改善到目标100的距离的测量精度。
2.变型
注意，上述实施例仅是本公开的各种实施例中的示例性实施例之一，不应解释为限制。在不脱离本公开的范围的情况下，可以根据设计选择或任何其他因素以各种方式容易地修改示例性实施例。接下来，将逐一列举示例性实施例的变型。
在上述实施例中，可测量范围FR由彼此不重叠的多个区间R1-R7组成。替代地，可测量范围FR也可以由图9所示的多个区间R1-R7组成。具体来说，区间R1对应于时间段T10-T12，区间R2对应于时间段T11-T13，区间R3对应于时间段T12-T14，区间R4对应于时间段T13-T15，区间R5对应于时间段T15-T16，区间R6对应于时间段T16-T17，区间R7对应于时间段T17-T18。在该示例中，区间R1、R2彼此部分重叠，区间R2、R3彼此部分重叠，并且区间R3、R4彼此部分重叠。对于这样的可测量范围FR，也可以通过如上所述的实施例的相移TOF法来计算距离。
在上述实施例中，控制单元11将光电转换器元件D10的转换率从与线性倍增模式对应的值改变为与盖革倍增模式对应的值，反之亦然。然而，这只是示例，并且不应解释为限制。替代地，控制单元11也可以在与线性倍增模式相对应的多个值之间改变光电转换器元件D10的转换率。
在上述实施例中，控制单元11基于各种因素来设置转换率，这些因素包括到目标100的距离、环境光的量、曝光持续时间、光电转换器元件D10从目标100接收的光的量以及流过光电转换器元件D10的电流量。然而，这只是示例，并且不应解释为限制。根据一个变型，控制单元11可以基于这些各种因素中的至少一个来设置转换率，这些因素包括到目标100的距离、环境光的量、曝光持续时间、光电转换器元件D10从目标100接收的光的量以及流过光电转换器元件D10的电流量。
在如上所述的实施例中，针对图像传感器31的所有多个像素311中的光电转换器元件D10来改变转换率。然而，这仅是示例，并且不应解释为限制。根据另一变型，控制单元11可以针对多个像素311中的至少一个像素311中的光电转换器元件D10改变转换率。也就是说，控制单元11可以只针对多个光电转换器元件D10中必要的一个(或多个)来改变转换率(或多个转换率)。
另外，在如上所述的实施例中，光电转换器元件D10实现为雪崩光电二极管。然而，这只是示例，并且不应解释为限制。光电转换器元件D10可以是任何光电转换器，只要该光电转换器可以改变转换率即可。光电转换器元件D10也可以是与雪崩光电二极管不同类型的光电二极管、或固态图像传感器。可选地，光电探测器单元3可以包括具有多种不同转换率的多个光电转换器元件D10。在这种情况下，控制单元11可以针对每个区间确定应该使用多个光电转换器元件D10中的哪一个。
根据另一变型，距离测量设备10也可以实现为多个计算机。例如，距离测量设备10的功能(特别是控制单元11和测量单元12的功能)也可以分布在多个设备中。
执行上述距离测量设备10的功能的主体包括计算机系统。计算机系统包括作为主要硬件组件的处理器和存储器。根据本公开的距离测量设备10的功能可以由主体通过使处理器执行在计算机系统的存储器中存储的程序来执行。程序可以预先存储在计算机系统的存储器中。替代地，程序也可以通过电信线路下载，或者将程序记录在存储卡、光盘或硬盘驱动器等计算机可读的非暂时性存储介质中后分发。计算机系统的处理器可以实现为包括半导体集成电路(IC)或大规模集成电路(LSI)的单个或多个电子电路。可选地，在制造LSI之后编程的现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)或允许重新配置LSI内部的连接或电路部分的可重构逻辑器件也可以用于同一目的。这些电子电路可以适当地集成在单个芯片上，也可以分布在多个芯片上。这些多个芯片可以不加限制地集成在单个设备中，或分布在多个设备中。
3.多个方面
从实施例及其变型的以上描述可以看出，本公开具有以下多个方面。在以下描述中，将附图标记插入括号中只是为了阐明本公开的以下方面与上述示例性实施例之间的构成要素的对应关系。
第一方面实现为距离测量设备(10)。根据第一方面的距离测量设备(10)包括控制单元(11)和测量单元(12)。控制单元(11)控制光电探测器单元(3)。光电探测器单元(3)包括光电转换器元件(D10)和输出单元(32)。光电转换器元件(D10)在接收到作为从发光单元(2)发射的测量光(L1)的一部分从目标(100)反射的光(L2)时产生电荷。输出单元(32)输出表示由光电转换器元件(D10)产生的电荷的量的电信号。测量单元(12)根据电信号在可测量范围(FR)内计算到目标(100)的距离。控制单元(11)在构成可测量范围(FR)的多个区间(R1-R7)中的每一个区间中，设置光电转换器元件(D10)产生的电荷的量相对于光电转换器元件(D10)接收到的光的量的转换率。这一方面有助于在到目标(100)的距离的整个可测量范围(FR)上提高测量精度。
第二方面是根据第一方面的距离测量设备(10)的具体实施方式。在第二方面中，光电转换器元件(D10)根据施加到其上的电压改变转换率。控制单元(11)在多个区间(R1-R7)中的每一个区间中，通过施加到光电转换器元件(D10)的电压来设置转换率。这一方面有利于设置转换率。
第三方面是根据第二方面的距离测量设备(10)的具体实施方式。在第三方面中，光电转换器元件(D10)包括雪崩光电二极管。转换率是雪崩光电二极管的倍增因子。这一方面有利于设置转换率。
第四方面是根据第二方面或第三方面的距离测量设备(10)的具体实施方式。在第四方面中，控制单元(11)根据环境光的量来改变转换率。这一方面可以减少环境光对测量精度的影响。
第五方面是根据第二至第四方面中任一方面的距离测量设备(10)的具体实施方式。在第五方面中，控制单元(11)在要增加到目标(100)的距离的分辨率时降低转换率，并在要降低分辨率时增加转换率。这一方面有助于在到目标(100)的距离的整个可测量范围(FR)上提高测量精度。
第六方面是根据第五方面的距离测量设备(10)的具体实施方式。在第六方面中，多个区间(R1-R7)包括：第一区间(R1-R7)；以及第二区间(R1-R7)，第二区间(R1-R7)与第一区间(R1-R7)相比与到光电转换器元件(D10)的更长的距离相对应。控制单元(11)在第一区间(R1-R7)中降低转换率并在第二区间(R1-R7)中增加转换率。这一方面有助于在到目标(100)的距离的整个可测量范围(FR)上提高测量精度。
第七方面是根据第二至第六方面中任一方面的距离测量设备(10)的具体实施方式。在第七方面中，控制单元(11)在多个区间(R1-R7)中的至少一个区间中，根据光电转换器元件(D10)从目标(100)接收到的光的量来改变转换率。这一方面有助于在到目标(100)的距离的整个可测量范围(FR)上提高测量精度。
第八方面是根据第二至第七方面中任一方面的距离测量设备(10)的具体实施方式。在第八方面中，控制单元(11)根据流过光电转换器元件(D10)的电流量改变转换率。这一方面有助于在到目标(100)的距离的整个可测量范围(FR)上提高测量精度。
第九方面是根据第二至第八方面中任一方面的距离测量设备(10)的具体实施方式。在第九方面中，控制单元(11)根据允许光电转换器元件(D10)从目标(100)接收光的曝光持续时间的长度来改变转换率。这一方面有助于在到目标(100)的距离的整个可测量范围(FR)上提高测量精度。
第十方面是根据第一至第九方面中任一方面的距离测量设备(10)的具体实施方式。在第十方面中，多个区间(R1-R7)包括：第一组，所述第一组包括一系列区间(R1-R7)；第二组，所述第二组包括与第一组不同的一个或多个区间(RI-R7)。第一组的转换率小于第二组的转换率。对于第一组，测量单元(12)基于分别与从第一组中包括的一系列区间(R1-R7)中选择的多个相邻区间(R1-R7)相对应的电信号的比率来确定所述距离。这一方面有助于在到目标(100)的距离的整个可测量范围(FR)上提高测量精度。
第十一方面是根据第十方面的距离测量设备(10)的具体实施方式。在第十一方面中，对于第二组，测量单元(12)通过参考从第二组中包括的一个或多个区间中选择的与最大大小的电信号相对应的特定区间(R1-R7)来确定所述距离。测量单元(12)采用从由针对第一组确定的距离和针对第二组确定的距离组成的组中选择的较长距离，作为到目标(100)的距离。这一方面有助于在到目标(100)的距离的整个可测量范围(FR)上提高测量精度。
第十二方面是根据第一至第十一方面中任一方面的距离测量设备(10)的具体实施方式。在第十二方面中，光电探测器单元(3)包括电荷存储器件(C10)，以存储由光电转换器元件(D10)产生的电荷中的至少一部分。控制单元(11)将光电转换器元件(D10)产生的电荷多次存储在电荷存储器件(C10)中。电信号具有与在电荷存储器件(C10)中存储的电荷的量相对应的大小。这一方面有助于在到目标(100)的距离的整个可测量范围(FR)上提高测量精度。
第十三方面实现为距离测量系统(1)。根据第十三方面的距离测量系统(1)包括根据第一至第十二方面中任一方面的距离测量设备(10)、发光单元(2)和光电探测器单元(3)。这一方面有助于在到目标(100)的距离的整个可测量范围(FR)上提高测量精度。
第十四方面实现为距离测量方法。根据第十四方面的距离测量方法包括控制步骤和测量步骤。控制步骤包括控制光电探测器单元(3)。光电探测器单元(3)包括光电转换器元件(D10)和输出单元(32)。光电转换器元件(D10)在接收到作为从发光单元(2)发射的测量光(L1)的一部分从目标(100)反射的光(L2)时产生电荷。输出单元(32)输出表示由光电转换器元件(D10)产生的电荷的量的电信号。测量步骤包括根据电信号在可测量范围(FR)内计算到目标(100)的距离。控制步骤包括在构成可测量范围(FR)的多个区间(R1-R7)中的每一个区间中，设置光电转换器元件(D10)产生的电荷的量相对于光电转换器元件(D10)接收到的光的量的转换率。这一方面有助于在到目标(100)的距离的整个可测量范围(FR)上提高测量精度。
第十五方面实现为程序，该程序设计为使一个或多个处理器执行根据第十四方面的距离测量方法。这一方面有助于在到目标(100)的距离的整个可测量范围(FR)上提高测量精度。
附图标记列表
1距离测量系统
2发光单元
3光电探测器单元
D10光电转换器元件
C10电荷存储器件
10距离测量设备
11控制单元
12测量单元
FR可测量范围
R1-R7区间(第一区间、第二区间)
L1测量光
L2光
100目标。

Claims (15)

1.一种距离测量设备，包括：
控制单元，配置为控制光电探测器单元，所述光电探测器单元包括光电转换器元件和输出单元，所述光电转换器元件配置为在接收到作为从发光单元发射的测量光的一部分从目标反射的光时产生电荷，所述输出单元配置为输出表示由所述光电转换器元件产生的电荷的量的电信号；以及
测量单元，配置为根据所述电信号在可测量范围内计算到所述目标的距离，
所述控制单元配置为在构成所述可测量范围的多个区间中的每一个区间中，设置所述光电转换器元件产生的电荷的量相对于所述光电转换器元件接收到的光的量的转换率。
2.根据权利要求1所述的距离测量设备，其中
所述光电转换器元件配置为根据施加到其上的电压来改变所述转换率，以及
所述控制单元配置为在所述多个区间中的每一个区间中，通过施加到所述光电转换器元件的电压来设置所述转换率。
3.根据权利要求2所述的距离测量设备，其中
所述光电转换器元件包括雪崩光电二极管，以及
所述转换率是所述雪崩光电二极管的倍增因子。
4.根据权利要求2或3所述的距离测量设备，其中
所述控制单元配置为根据环境光的量来改变所述转换率。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的距离测量设备，其中
所述控制单元配置为在要增加到所述目标的距离的分辨率时降低所述转换率，并在要降低所述分辨率时增加所述转换率。
6.根据权利要求5所述的距离测量设备，其中
所述多个区间包括：第一区间；以及第二区间，所述第二区间与所述第一区间相比与到所述光电转换器元件的更长的距离相对应，以及
所述控制单元配置为在所述第一区间中降低所述转换率，并在所述第二区间中增加所述转换率。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的距离测量设备，其中
所述控制单元配置为在所述多个区间中的至少一个区间中，根据所述光电转换器元件从所述目标接收到的光的量来改变所述转换率。
8.根据权利要求2至7中任一项所述的距离测量设备，其中
所述控制单元配置为根据流过所述光电转换器元件的电流量来改变所述转换率。
9.根据权利要求2至8中任一项所述的距离测量设备，其中
所述控制单元配置为根据允许所述光电转换器元件从所述目标接收光的曝光持续时间的长度来改变所述转换率。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的距离测量设备，其中
所述多个区间包括：第一组，所述第一组包括一系列区间；以及第二组，所述第二组包括与所述第一组不同的一个或多个区间，
所述第一组的转换率小于所述第二组的转换率，以及
所述测量单元配置为：对于所述第一组，基于分别与从所述第一组中包括的一系列区间中选择的多个相邻区间相对应的电信号的比率来确定所述距离。
11.根据权利要求10所述的距离测量设备，其中
所述测量单元配置为：对于所述第二组，通过参考从所述第二组中包括的一个或多个区间中选择的与最大大小的电信号相对应的特定区间来确定所述距离，以及
所述测量单元配置为：采用从由针对所述第一组确定的距离和针对所述第二组确定的距离组成的组中选择的较长距离，作为到所述目标的距离。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的距离测量设备，其中
所述光电探测器单元包括电荷存储器件，所述电荷存储器件配置为存储由所述光电转换器元件产生的电荷中的至少一部分，
所述控制单元配置为将所述光电转换器元件产生的电荷多次存储在所述电荷存储器件中，以及
所述电信号具有与在所述电荷存储器件中存储的电荷的量相对应的大小。
13.一种距离测量系统，包括：
根据权利要求1至12中任一项所述的距离测量设备；
发光单元；以及
光电探测器单元。
14.一种距离测量方法，包括：
控制步骤，所述控制步骤包括控制光电探测器单元，所述光电探测器单元包括光电转换器元件和输出单元，所述光电转换器元件配置为在接收到作为从发光单元发射的测量光的一部分从目标反射的光时产生电荷，所述输出单元配置为输出表示由所述光电转换器元件产生的电荷的量的电信号；以及
测量步骤，所述测量步骤包括根据所述电信号在可测量范围内计算到所述目标的距离，
所述控制步骤包括：在构成所述可测量范围的多个区间中的每一个区间中，设置所述光电转换器元件产生的电荷的量相对于所述光电转换器元件接收到的光的量的转换率。
15.一种程序，设计为使一个或多个处理器执行根据权利要求14所述的距离测量方法。
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