CN113777582A - 飞行时间tof传感装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种飞行时间TOF传感装置以及其控制方法，所述传感装置包括：单光子雪崩二极管SPAD阵列，所述SPAD阵列包括N种不同的灵敏度的SPAD像素组，其中N为大于等于2的自然数；逻辑控制电路，所述逻辑控制电路被配置为连接在所述SPAD阵列和读出电路之间，用于根据测量距离来控制所述SPAD像素组选通或关断；读出电路，所述读出电路包括TDC和SRAM，其中，所述TDC用于记录SPAD像素组的击穿时刻信息，所述SRAM用于存储关于所述TDC记录的击穿时刻信息的直方图，以供控制器调用。

Description

飞行时间TOF传感装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及3D深度传感领域，并且具体地，涉及飞行时间(Time of Flight，TOF)传感器的感测控制装置及其控制方法。
背景技术
随着激光雷达的技术发展，飞行时间测距法(Time of flight，TOF)被受到了越来越多的关注，TOF原理是通过给被测物体连续发射光脉冲，然后用传感器接收从被测物体反射的光，通过探测光脉冲的飞行的时间来得到被测物体的距离。
TOF传感器是一种主动光传感器，至少包含发射装置和接收装置两个主要部分。发射装置发射短脉冲激光，照射到被测物体，部分激光反射后被接收装置接收。
近距离测距时，由于反射光较强，可能会出现信号饱和无法测距，或者产生堆积效应，使得记录的信号(直方图)发生畸变，测距精度下降。在强背景光下，由于背景光的影响，可能会使单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode，SPAD)类型的探测器在真实信号到来之前就发生雪崩击穿，并且由于死时间的限制，导致SPAD无法对真实信号做出响应，导致最远探测距离受限。
针对上述技术问题，亟需增强TOF 3D传感装置的性能，从而实现TOF 3D传感装置在近距离光强较强的测距场景中的精确测距。
发明内容
解决的技术问题
近距离测距时，由于反射光较强，TOF传感器可能会出现信号饱和导致无法测距，或者产生堆积效应，使得记录的信号产生畸变，测距精度下降。
技术方案
为了解决上述问题，本发明提供了一种具有更高精度的TOF传感装置，通过在SPAD阵列中配置多组不同灵敏度的像素组，每组像素可以独立控制开启时间，以应对不同距离的探测。此外，通过多组像素复用同一个多事件时间数字转换器，通过分时复用相对应的TDC和SRAM资源，使得TDC和SRAM的资源最省，提高了装置的效率，降低了成本。
本发明提供了一种飞行时间TOF传感装置，包括：SPAD阵列，所述SPAD阵列包括N种不同的灵敏度的SPAD像素组，其中N为大于等于2的自然数；逻辑控制电路，所述逻辑控制电路被配置为连接在所述SPAD阵列和读出电路之间，用于根据测量距离来控制所述SPAD像素组选通或关断；读出电路，所述读出电路包括TDC和SRAM，其中，所述TDC用于记录SPAD像素组的击穿时刻信息，所述SRAM用于存储关于所述TDC记录的击穿时刻信息直方图，以供控制器调用。
本发明提供了一种飞行时间TOF传感装置，其中，所述SPAD像素组包括具有高灵敏度的SPAD像素组，具有中间灵敏度的SPAD像素组以及具有低灵敏度的SPAD像素组。
本发明提供了一种飞行时间TOF传感装置，其中，所述SPAD像素组的灵敏度通过：不同的像素尺寸、不同的填充效率、不同透过率的过滤器、以及不同的过载电压中的至少一个来确定。
本发明提供了一种飞行时间TOF传感装置，其中，所述逻辑控制电路被配置为在测量距离小于第一阈值时，在第一时间段内选通具有低灵敏度的SPAD像素组。
本发明提供了一种飞行时间TOF传感装置，其中，所述逻辑控制电路被配置为在测量距离大于第二阈值时，在第二时间段内选通具有高灵敏度的SPAD像素组。
本发明提供了一种飞行时间TOF传感装置，其中，所述逻辑控制电路被配置为在测量距离大于第一阈值并且小于第二阈值时，在第三时间段内选通具有中灵敏度的SPAD像素组。
本发明提供了一种飞行时间TOF传感装置，其中，所述第一时间段、第二时间段和第三时间段根据之前帧的信息动态调整。
本发明提供了一种飞行时间TOF传感装置，其中，SPAD阵列中的具有不同灵敏度的N个SPAD像素组被配置为彼此间隔排列，使得同一像素组的像素彼此不相邻。
本发明提供了一种飞行时间TOF传感装置，其中，所述逻辑控制电路被配置为控制所述SPAD像素组选通或关断，以间隔开启像素。
本发明提供了一种控制飞行时间TOF传感装置的方法，所述TOF传感器的感测控制装置包括SPAD阵列、逻辑控制电路、以及读出电路，所述方法包括：将测量距离划分为N个组；通过逻辑控制电路根据测量距离来选通和关断SPAD阵列中具有不同灵敏度的N个SPAD像素组；以及通过读出电路记录选通的SPAD像素组的击穿时刻信息以及存储关于击穿时刻信息的直方图，其中，N为大于等于2的自然数。
本发明提供了一种控制飞行时间TOF传感装置的方法，其中，通过逻辑控制电路根据测量距离来选通和关断SPAD阵列中具有不同灵敏度的N个SPAD像素组包括：在测量距离小于第一阈值时，在第一时间段选通具有低灵敏度的SPAD像素组。
本发明提供了一种控制飞行时间TOF传感装置的方法，其中，通过逻辑控制电路根据测量距离来选通和关断SPAD阵列中具有不同灵敏度的N个SPAD像素组包括：在测量距离大于第二阈值时，在第二时间段选通具有低高敏度的SPAD像素组。
本发明提供了一种控制飞行时间TOF传感装置的方法，其中，通过逻辑控制电路根据测量距离来选通和关断SPAD阵列中具有不同灵敏度的N个SPAD像素组包括：在测量距离大于第一阈值并且小于第二阈值时，在第三时间段选通具有中高敏度的SPAD像素组。
本发明提供了一种控制飞行时间TOF传感装置的方法，其中，所述第一时间段、第二时间段和第三时间段根据之前帧的信息动态调整。
本发明提供了一种控制飞行时间TOF传感装置的方法，其中，通过逻辑控制电路根据测量距离来选通和关断SPAD阵列中具有不同灵敏度的N个SPAD像素组包括：控制所述N个SPAD像素组选通或关断，以间隔开启像素。
有益效果
与现有技术相比，本发明提供了TOF传感器的感测控制方法和装置，具备以下有益效果：低灵敏度SPAD像素的存在，避免了近距离测距时候，反射光太强导致的信号饱和与堆积效应，有效提升了近距离的测距精度；针对较远距离开启高灵敏度像素，降低背景光的干扰；分时开启SPAD阵列，降低整体系统的死时间；间隔开启像素，有效降低像素之间串扰。
附图说明
图1是根据本发明实施例的TOF传感装置的示意图，
图2是根据本发明实施例的SPAD阵列的示意图，以及
图3是根据本发明实施例的SPAD阵列的工作时序的示意图。
具体实施方式
在进行下面的详细描述之前，阐述贯穿本专利文件使用的某些单词和短语的定义可能是有利的。术语“耦接”“连接”及其派生词指两个或多个元件之间的任何直接或间接通信或者连接，而无论那些元件是否彼此物理接触。术语“传输”、“接收”和“通信”及其派生词涵盖直接和间接通信。术语“包括”和“包含”及其派生词是指包括但不限于。术语“或”是包含性的，意思是和/或。短语“与……相关联”及其派生词是指包括、包括在……内、互连、包含、包含在……内、连接或与……连接、耦接或与……耦接、与……通信、配合、交织、并列、接近、绑定或与……绑定、具有、具有属性、具有关系或与……有关系等。术语“控制器”是指控制至少一个操作的任何设备、系统或其一部分。这种控制器可以用硬件、或者硬件和软件和/或固件的组合来实施。与任何特定控制器相关联的功能可以是集中式的或分布式的，无论是本地的还是远程的。短语“至少一个”，当与项目列表一起使用时，意指可以使用所列项目中的一个或多个的不同组合，并且可能只需要列表中的一个项目。例如，“A、B、C中的至少一个”包括以下组合中的任意一个：A、B、C、A和B、A和C、B和C、A和B和C。
贯穿本专利文件提供了其他特定单词和短语的定义。本领域普通技术人员应该理解，在许多情况下，即使不是大多数情况下，这种定义也适用于这样定义的单词和短语的先前和将来使用。
在本专利文件中，模块的应用组合以及子模块的划分层级仅用于说明，在不脱离本公开的范围内，模块的应用组合以及子模块的划分层级可以具有不同的方式。
图1是根据本发明实施例的TOF传感装置的示意图。
参考图1，飞行时间TOF传感装置的感测控制装置包括SPAD阵列、逻辑控制电路140、读出电路以及控制器130。
SPAD阵列包括N种不同的灵敏度的SPAD像素组，其中N为大于等于2的自然数。SPAD阵列能够检测到光子的入射并输出一个脉冲信号。
根据本发明的实施例，灵敏度可以由a)不同的像素尺寸或填充效率；b)不同透过率的过滤器；以及c)不同的过载电压来确定。
根据本发明的实施例，SPAD像素组包括1个或并联连接的多个相同的灵敏度的SPAD像素。
逻辑控制电路140被配置为连接在SPAD阵列和读出电路之间，用于控制SPAD像素组选通或关断，其中，根据本发明的实施例，每个SPAD像素组都可以通过逻辑控制电路140经由外部使能信号而控制SPAD选通/关断时间。具体地，逻辑控制电路140可以被配置为对N个SPAD像素组进行独立地控制。例如，逻辑控制电路140可以被配置为根据测量距离来在不同时间段选通具有不同灵敏度的SPAD像素组。根据本发明实施例，逻辑控制电路140可以被配置为在较近距离内只开启灵敏度较低的SPAD像素组，以避免事件堆积对精度的影响，此外，逻辑控制电路140还可以被配置为在较远距离内只开启灵敏度较高的SPAD像素组，以降低背景光的干扰。此外，通过逻辑控制电路140分时导通(开启)SPAD阵列中的SPAD像素组，降低整体系统的死时间。此外，逻辑控制电路140还可以被配置为分时导通(开启)SPAD阵列中的不同SPAD像素组，以间隔开启像素，从而有效降低像素之间串扰。
读出电路包括时间数字转换器(Time to Digital Convertor，TDC)110和静态随机存取存储器(Static Random-Access Memory，SRAM)120。
TDC 110被配置为高精度的时钟，用于记录SPAD像素的击穿时刻信息，即，SPAD阵列被击穿并产生脉冲信号的时刻。
SRAM 120以直方图的形式存储TDC 110记录的SPAD击穿时刻信息，用于存储关于击穿时刻的直方图，即存储关于SPAD击穿时刻信息的光子信息直方图。
控制器130被配置为根据关于击穿时刻的直方图调用和处理数据处理。
图2是根据本发明实施例的SPAD阵列的示意图。
参考图2，在图2中示出的是N＝3时的SPAD阵列，在其中，具有不同灵敏度的像素组被配置为彼此间隔排列，使得同一像素组的像素彼此不相邻。具体地，在SPAD阵列的第一行中以第二SPAD像素组中的像素开始间隔布置第二SPAD像素组和第三SPAD像素组中的像素；以及在SPAD阵列的第二行中以第三SPAD像素组中的像素开始间隔布置第三SPAD像素组和第一SPAD像素组中的像素，重复第一行和第二行的排列，以形成SPAD阵列。通过图2中所示的阵列排列，使得在通过逻辑控制电路140分时导通(开启)SPAD阵列中的不同SPAD像素组时，可以间隔开启像素，以有效降低像素之间串扰。虽然在图2中示出了N＝3时的SPAD阵列的排列，然而本领域技术人员应该理解，本发明的原理同样可以应用到N为其他值时的SPAD阵列中，其并没有脱离本发明的范围。
图3是根据本发明实施例的SPAD阵列的工作时序的示意图。
在图3中示出了N＝3时的工作时序图，然而本领域技术人员应该理解，本发明的原理可以同样应用到N为其他值时的SPAD阵列中，其并没有脱离本发明的范围。
参考图3，在第一时间段T1中，仅仅使能灵敏度最低的第一SPAD像素组；在第二时间段T2时间段中，使能灵敏度居中的第二SPAD像素组，同时继续保持第一SPAD像素组开启；在第三时间段T3时间段中，打开包括具有最高灵敏度的第三SPAD像素组的全部像素组。当SPAD发生雪崩击穿时，生成短脉冲并经由逻辑控制电路传递到TDC，并记录下到来时刻；将TDC记录下的时刻写入SRAM中。一帧测距完成，重复上述过程，持续工作。
根据本发明的实施例，第一时间段T1、第二时间段T2、第三时间段T3可以根据之前帧的信息动态调整。
根据本发明的实施例，提供了一种控制TOF传感装置的方法，包括：将测量距离划分为N个组，其中，N为大于等于2的自然数；通过逻辑控制电路根据测量距离来选通和关断SPAD阵列中具有不同灵敏度的N个SPAD像素组；以及通过读出电路记录选通的SPAD像素组的击穿时刻信息以及存储关于击穿时刻的直方图。一帧测距完成，重复上述过程，持续工作。
根据本发明的实施例的控制TOF传感装置的方法，还包括：在测量距离小于第一阈值时，在第一时间段选通具有低灵敏度的SPAD像素组；在测量距离大于第二阈值时，在第二时间段选通具有低高敏度的SPAD像素组；以及在测量距离大于第一阈值并且小于第二阈值时，在第三时间段选通具有中高敏度的SPAD像素组。
根据本发明的实施例的控制TOF传感装置的方法，还包括：控制所述N个SPAD像素组选通或关断，以间隔开启像素。
尽管已经用示例性实施例描述了本公开，但是可以向本领域技术人员建议各种改变和修改。本公开旨在涵盖落入所附权利要求范围内的这种改变和修改。
本发明中的任何描述都不应被理解为暗示任何特定的元件、步骤或功能是必须包括在权利要求范围内的必要元件。专利主题的范围仅由权利要求限定。

Claims (15)

1.一种飞行时间TOF传感装置，包括：
单光子雪崩二极管SPAD阵列，所述SPAD阵列包括N种不同的灵敏度的SPAD像素组，其中N为大于等于2的自然数；
逻辑控制电路，所述逻辑控制电路被配置为连接在所述SPAD阵列和读出电路之间，用于根据测量距离来控制所述SPAD像素组选通或关断；
读出电路，所述读出电路包括时间数字转换器TDC和静态随机存取存储器SRAM，其中，所述TDC用于记录SPAD像素组的击穿时刻信息，所述SRAM用于存储关于所述TDC记录的击穿时刻信息的直方图，以供控制器调用。
2.根据权利要求1所述的飞行时间TOF传感装置，其中所述SPAD像素组包括具有高灵敏度的SPAD像素组，具有中间灵敏度的SPAD像素组以及具有低灵敏度的SPAD像素组。
3.根据权利要求1所述的飞行时间TOF传感装置，所述SPAD像素组的灵敏度通过：不同的像素尺寸、不同的填充效率、不同透过率的过滤器、以及不同的过载电压中的至少一个来确定。
4.根据权利要求2所述的飞行时间TOF传感装置，其中，所述逻辑控制电路被配置为在测量距离小于第一阈值时，在第一时间段内选通具有低灵敏度的SPAD像素组。
5.根据权利要求2所述的飞行时间TOF传感装置，其中，所述逻辑控制电路被配置为在测量距离大于第二阈值时，在第二时间段内选通具有高灵敏度的SPAD像素组。
6.根据权利要求2所述的飞行时间TOF传感装置，其中，所述逻辑控制电路被配置为在测量距离大于第一阈值并且小于第二阈值时，在第三时间段内选通具有中灵敏度的SPAD像素组。
7.根据权利要求4、5或者6所述的飞行时间TOF传感装置，其中，所述第一时间段、第二时间段和第三时间段根据之前帧的信息动态调整。
8.根据权利要求1所述的飞行时间TOF传感装置，其中，SPAD阵列中的具有不同灵敏度的N个SPAD像素组被配置为彼此间隔排列，使得同一像素组的像素彼此不相邻。
9.根据权利要求1所述的飞行时间TOF传感装置，其中，所述逻辑控制电路被配置为控制所述SPAD像素组选通或关断，以间隔开启像素。
10.一种控制飞行时间TOF传感装置的方法，所述TOF传感器的感测控制装置包括单光子雪崩二极管SPAD阵列、逻辑控制电路、以及读出电路，所述方法包括：
将测量距离划分为N个组；
通过逻辑控制电路根据测量距离来选通和关断SPAD阵列中具有不同灵敏度的N个SPAD像素组；以及
通过读出电路记录选通的SPAD像素组的击穿时刻信息以及存储关于记录的击穿时刻信息的直方图，
其中，N为大于等于2的自然数。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，通过逻辑控制电路根据测量距离来选通和关断SPAD阵列中具有不同灵敏度的N个SPAD像素组包括：
在测量距离小于第一阈值时，在第一时间段选通具有低灵敏度的SPAD像素组。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，通过逻辑控制电路根据测量距离来选通和关断SPAD阵列中具有不同灵敏度的N个SPAD像素组包括：
在测量距离大于第二阈值时，在第二时间段选通具有低高敏度的SPAD像素组。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，通过逻辑控制电路根据测量距离来选通和关断SPAD阵列中具有不同灵敏度的N个SPAD像素组包括：
在测量距离大于第一阈值并且小于第二阈值时，在第三时间段选通具有中高敏度的SPAD像素组。
14.根据权利要求11、12或者13所述的方法，其中，所述第一时间段、第二时间段和第三时间段根据之前帧的信息动态调整。
15.根据权利要求10所述的方法，其中，通过逻辑控制电路根据测量距离来选通和关断SPAD阵列中具有不同灵敏度的N个SPAD像素组包括：控制所述N个SPAD像素组选通或关断，以间隔开启像素。
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