CN114089354A - 探测装置及方法 - Google Patents

Abstract

探测装置，该探测装置，包括：脉冲光源，被配置为发射脉冲光信号；探测器阵列，包含多个像素单元，所述像素单元至少部分为工作单元，其接响应于多个窗口期间入射在其上的背景光和/或信号光光子而获得激发信息；处理模块，依据所述工作单元的激发信息，获取时间范围信息。

Description

探测装置及方法

技术领域

本申请涉及探测技术领域，特别涉及一种探测装置及方法。

背景技术

飞行时间测距法(Time of flight，TOF)，其原理是通过给目标物连续发送光脉冲，然后用传感器接收从物体返回的光，通过探测光脉冲的飞行(往返)时间来得到目标物距离。

而直接飞行时间探测(Direct Time of flight，DTOF)作为TOF的一种，DTOF技术通过计算光脉冲的发射和接收时间，直接获得目标距离，具有原理简单，信噪比好、灵敏度高、精确度高等优点，受到了越来越广泛的关注，同样采用ITOF的方案也能够获得高精度和高灵敏度的距离检测方案。

直接飞行时间探测包括直接测量发射辐射与从物体或其他目标反射后检测辐射之间的时间长度。由此，可以确定到目标的距离。

在一些应用中，可以使用包括单光子检测器(例如单光子)

在内的光电探测器阵列来执行反射辐射的感测

雪崩二极管(SPAD)阵列。一个或多个光电探测器可以限定阵列的探测器像素。SPAD阵列可以在可能需要高灵敏度和定时分辨率的成像应用中用作固态光电探测器。SPAD基于半导体结(例如，p-n结)，当例如通过或响应于具有期望脉冲宽度的选通信号而被偏置到其击穿区域之外时，该半导体结可以检测入射光子。高的反向偏置电压会产生足够大小的电场，从而使引入器件耗尽层的单个电荷载流子可以通过碰撞电离引起自持雪崩。可以通过淬火电路主动(例如，通过降低偏置电压)或被动地(例如，通过使用串联电阻两端的压降)对雪崩进行淬火，以使设备“复位”以进一步检测光子。起始电荷载流子可以通过单个入射光子撞击高电场区域而光电产生。正是这一功能使人们产生了“单光子雪崩二极管”的名称。这种单光子检测操作模式通常称为“盖革模式”。

为了计数入射在SPAD阵列上的光子，某些ToF像素方法可能使用数字计数器或模拟计数器来指示光子的检测和到达时间，也称为时间戳记。数字计数器可能更易于实现和扩展，但是就面积而言(例如，相对于阵列的物理尺寸而言)可能更昂贵。模拟计数器可能更紧凑，但是可能会受到光子计数深度(位深)，噪声和/或均匀性问题的限制。

为了给入射光子加上时间戳，一些基于SPAD阵列的ToF像素方法使用了时间数字转换器(TDC)。TDC可以在飞行时间成像应用中使用，以提高单个时钟周期的定时分辨率。这种数字方法的一些优势可能包括TDC的大小倾向于随着技术节点而扩展，并且所存储的值可以对泄漏更健壮。

但是，TDC电路可能只能在单个事件中处理一个事件

测量周期，这样一排SPAD可能需要多个TDC。TDC可能也比较耗电，这使得更大的阵列更难以实现。TDC还可能生成相对大量的数据，例如，每个光子一个16位时间戳。连接到TDC的单个SPAD可能每秒产生数百万个这样的时间戳。因此，相对于可用的输入/输出带宽或功能，大于100,000像素的成像阵列会产生不可行的大数据速率。

发明内容

本申请的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种探测装置及方法，以解决现有的探测装置大数据速率技术问题。

为实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本申请实施例提供了一种探测装置，包括：脉冲光源，被配置为发射脉冲光信号；探测器阵列，包含多个像素单元，所述像素单元至少部分为工作单元，其接响应于多个窗口期间入射在其上的背景光和/或信号光光子而获得激发信息；处理模块，依据所述工作单元的激发信息，获取时间范围信息。

可选地，所述脉冲光源发射N次脉冲，所述探测阵列的工作像素单元获得所述N次脉冲中背景光和/或信号光光子激发的统计信息。

可选地，所述探测器阵列为SPAD阵列。

可选地，述多个窗口期间的时间宽度相同。

可选地，所述多个窗口期间的时间宽度与背景光相关。

可选地，所述多个窗口期间的时间宽度按照背景光触发所述探测器阵列中的工作像素单元的概率阈值配置。

可选地，所述多个窗口期间的时间宽度按照至少如下之一的方式配置：

预设固定值或函数关系、表格关系对应时间固定校正，开机标定，自适应调整。

可选地，所述多个窗口期间的时间宽度与距离相关，且至少部分时间宽度不相等。

可选地，所述处理模块输出的时间范围为N次脉冲中背景光和/或信号光光子激发的统计信息中工作单元最多触发次数对应的时间范围。

第二方面，本申请实施例提供了一种探测方法，应用于上述第一方面所述的探测装置，所述探测方法包括：

光源向探测物发射探测脉冲；

探测阵列在多个探测窗口检测入射的光子；

根据统计得到的在不同探测窗口入射的光子数，获取时间范围信息。

可选地，所述多个探测窗口的时间宽度相同。

可选地，所述探测窗口的时间宽度与背景光相关。

可选地，所述多个窗口期间的时间宽度按照背景光触发所述探测器阵列中的工作像素单元的概率阈值配置。

可选地，所述多个窗口期间的时间宽度与距离相关，且至少部分时间宽度不相等。

可选地，所述多个窗口期间的时间宽度按照至少如下之一的方式配置：

预设固定值或函数关系、表格关系对应时间固定校正，开机标定，自适应调整。

本申请的有益效果是：

本申请实施例提供的一种探测装置及方法，该探测装置包括：脉冲光源，被配置为发射脉冲光信号；探测器阵列，包含多个像素单元，所述像素单元至少部分为工作单元，其接响应于多个窗口期间入射在其上的背景光和/或信号光光子而获得激发信息；处理模块，依据所述工作单元的激发信息，获取时间范围信息。如此，本发明的一些实施例针对光学检测器元件(例如,单光子检测器,诸如SPAD)的阵列，可以被配置为在不使用TDC的情况下(即,不执行对各个光子到达时间到数字的转换)对入射光子进行计数，并得到光子到达的时间范围。其计算强度和/或功率消耗比某些常规方法少。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种探测装置的功能模块示意图；

图2为本申请实施例提供的一种检测光子的时序示意图；

图3为本申请实施例提供的另一种检测光子的时序示意图；

图4为本申请实施例提供的另一种检测光子的时序示意图；

图5为本申请实施例提供的另一种检测光子的时序示意图；

图6为本申请实施例提供的一种探测方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

图1为本申请实施例提供的一种探测装置的功能模块示意图。如图1所示，该探测装置包括：脉冲光源101、待测物102、探测器阵列103以及处理模块104。

其中，脉冲光源101，用于发射探测脉冲到待测物102，待测物102反射部分的脉冲光源至探测器阵列103。探测阵列103可以是SPAD阵列，探测阵列103接收到反射回来的光子，当反射回来的光子撞击高电场区域而光电产生引起SAPD的雪崩。SPAD阵列的每个像元在一定的窗口检测期间，检测到达光子引起的雪崩时间，当在某个检测窗口时间段内检测到了光子引起的雪崩就认为检测到了事件，并标记在该检测窗口期检测到事件。标记方式可以是累积加1或者其他的标识本发明的实施列中不做限制。

处理模块103根据统计到的各个检测窗口期间标识出的检测事件，就可以确定出反射的光子是在哪个检测窗口期间。如果检测窗口时间段的精度够细的话就可以根据光子的到达时间检测出待测物的距离。距离D可由下式计算出：

D＝c·t/2 (1)

其中，c为光速。

图2为本申请实施例提供的一种检测光子的时序示意图。如图2所示，脉冲光源发射脉冲201，探测阵列中的202SPAD1，204SPAD2，206SPAD3，分别为探测器阵列中的SPAD单元用来检测201发射脉冲经待测物反射回来的光子，与202，204，206分别对应的检测时间段分别为203，205，207。其中203，205，207中的检测窗口对应的时间宽度是相同的。当检测到光子触发的SPAD雪崩事件时，标识为1。在本是实施列中检测到的触发事件并不完全是由反射回来的光子触发的，当环境光比较强的情况下有些触发事件是由环境光触发的。但是所选择的检测窗口的时间段必须保证有些触发事件是由反射回来的光子触发的，而不能全部由环境光触发，如果全部由环境光触发那么将不能检测到反射回来的光子。一般在工程实践中由环境光引起的事件触发不能超过70％的概率。检测事件的统计208统计每个检测窗口检测到的触发事件，包括最多检测事件的检测窗口被认为是反射光子到达的时间段。例如检测窗口的时间段为1ns，那么就可以确定反射光子是在第几个1ns到达探测器阵列的。在本实施列中检测事件统计208是基于一次探测统计的，在其他实施列中也可以基于多次的探测来统计。本实施列对此不做限制。在本实施例中检测事件统计208是基于202，204，206的探测结果一起统计的。在其他实施例中202，204，206可以分别统计本身的检测事件，根据多个探测结果分别统计得到多个时间段，提高探测分辨率。本发明对此不作限制。

图3为本申请实施例提供的另一种检测光子的时序示意图。如图3所示，脉冲光源发射脉冲301，探测阵列中的302SPAD1，304SPAD2，306SPAD3，分别为探测器阵列中的SPAD单元用来检测301发射脉冲经待测物反射回来的光子，与302，304，306分别对应的检测时间段分别为303，305，307。其中303，305，307中的检测窗口对应的时间宽度是相同的。当检测到光子触发的SPAD雪崩事件时，标识为1。在发射一次探测脉冲301，检测时间段中的某个检测窗口检测到触发时间后，处于该检测窗口之后的的检测窗口就不会的触发时间就不会被标识为1。即整个检测时间段只能检测到一次的触发事件。

在本是实施列中检测到的触发事件并不完全是由反射回来的光子触发的，当环境光比较强的情况下有些触发事件是由环境光触发的。但是所选择的检测窗口的时间段必须保证有些触发事件是由反射回来的光子触发的，而不能全部由环境光触发，如果全部由环境光触发那么将不能检测到反射回来的光子。一般在工程实践中由环境光引起的事件触发不能超过70％的概率。检测事件的统计308统计每个检测窗口检测到的触发事件，包括最多检测事件的检测窗口被认为是反射光子到达的时间段。例如检测窗口的时间段为1ns，那么就可以确定反射光子是在第几个1ns到达探测器阵列的。在本实施列中检测事件的统计308是基于一次探测统计的，在其他实施列中也可以基于多次的探测来统计。本实施列对此不做限制。在本实施列中检测事件统计308是基于一次探测统计的，在其他实施列中也可以基于多次的探测来统计。本实施列对此不做限制。在本实施例中检测事件统计308是基于302，304，306的探测结果一起统计的。在其他实施例中302，304，306可以分别统计本身的检测事件，根据多个探测结果分别统计得到多个时间段，提高探测分辨率。本发明对此不作限制。

图4为本申请实施例提供的另一种检测光子的时序示意图。如图4所示，脉冲光源发射脉冲401，探测阵列中的402SPAD1，404SPAD2，406SPAD3，分别为探测器阵列中的SPAD单元用来检测401发射脉冲经待测物反射回来的光子，与402，404，406分别对应的检测时间段分别为403，405，407。其中403，405，407中的检测窗口对应的时间宽度是不同的。设定每个检测窗口的时间宽度可以是预设固定值或函数关系、表格关系对应时间固定校正，开机标定，或者自适应调整。当检测到光子触发的SPAD雪崩事件时，标识为1。在本是实施列中检测到的触发事件并不完全是由反射回来的光子触发的，当环境光比较强的情况下有些触发事件是由环境光触发的。但是所选择的检测窗口的时间段必须保证有些触发事件是由反射回来的光子触发的，而不能全部由环境光触发，如果全部由环境光触发那么将不能检测到反射回来的光子。一般在工程实践中由环境光引起的事件触发不能超过70％的概率。在本实施列中检测事件统计可以是基于一次探测统计的，在其他实施列中也可以基于多次的探测来统计。本发明列对此不做限制。在本实施例中检测事件统计可以是基于402，404，406的探测结果一起统计的。在其他实施例中402，404，406可以分别统计本身的检测事件，根据多个探测结果分别统计得到多个时间段，提高探测分辨率。本发明对此不作限制。

图5为本申请实施例提供的另一种检测光子的时序示意图。如图5所示，脉冲光源发射脉冲501，探测阵列中的502SPAD1，504SPAD2，506SPAD3，分别为探测器阵列中的SPAD单元用来检测501发射脉冲经待测物反射回来的光子，与502，504，506分别对应的检测时间段分别为503，505，507。其中503，505，507中的检测窗口对应的时间宽度是不同的。设定每个检测窗口的时间宽度可以是预设固定值或函数关系、表格关系对应时间固定校正，开机标定，或者自适应调整。当检测到光子触发的SPAD雪崩事件时，标识为1。在发射一次探测脉冲501，检测时间段中的某个检测窗口检测到触发时间后，处于该检测窗口之后的的检测窗口就不会的触发时间就不会被标识为1。即整个检测时间段只能检测到一次的触发事件。

在本是实施列中检测到的触发事件并不完全是由反射回来的光子触发的，当环境光比较强的情况下有些触发事件是由环境光触发的。但是所选择的检测窗口的时间段必须保证有些触发事件是由反射回来的光子触发的，而不能全部由环境光触发，如果全部由环境光触发那么将不能检测到反射回来的光子。一般在工程实践中由环境光引起的事件触发不能超过70％的概率。在本实施列中检测事件统计可以是基于一次探测统计的，在其他实施列中也可以基于多次的探测来统计。本发明列对此不做限制。在本实施例中检测事件统计可以是基于502，504，506的探测结果一起统计的。在其他实施例中502，504，506可以分别统计本身的检测事件，根据多个探测结果分别统计得到多个时间段，提高探测分辨率。本发明对此不作限制。

图6为本申请实施例提供的一种探测方法的流程示意图。该方法可以应用于前述的探测装置，该方法基本原理及产生的技术效果与前述对应的装置实施例相同，为简要描述，本实施例中未提及部分，可参考装置实施例中的相应内容。如图6所示，该探测方法包括：

S101、光源向探测物发射探测脉冲。

S102、探测阵列在多个探测窗口检测入射的光子。

S103、根据统计得到的在不同探测窗口入射的光子数，获取时间范围信息。

可选地，所述多个探测窗口的时间宽度相同。

可选地，所述探测窗口的时间宽度与背景光相关。

可选地，所述多个窗口期间的时间宽度按照背景光触发所述探测器阵列中的工作像素单元的概率阈值配置。

可选地，所述多个窗口期间的时间宽度与距离相关，且至少部分时间宽度不相等。

可选地，所述多个窗口期间的时间宽度按照至少如下之一的方式配置：

预设固定值或函数关系、表格关系对应时间固定校正，开机标定，自适应调整。

上述方法应用于前述实施例提供的探测装置，其实现原理和技术效果类似，在此不再赘述。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种探测装置，其特征在于，包括：脉冲光源，被配置为发射脉冲光信号；探测器阵列，包含多个像素单元，所述像素单元至少部分为工作单元，其接响应于多个窗口期间入射在其上的背景光和/或信号光光子而获得激发信息；处理模块，依据所述工作单元的激发信息，获取时间范围信息。

2.根据权利要求1所述的探测模块，其特征在于，所述脉冲光源发射N次脉冲，所述探测阵列的工作像素单元获得所述N次脉冲中背景光和/或信号光光子激发的统计信息。

3.根据权利要求1所述的探测模块，其特征在于，所述探测器阵列为SPAD阵列。

4.根据权利要求1所述的探测模块，其特征在于，所述多个窗口期间的时间宽度相同。

5.根据权利要求4所述的探测模块，其特征在于，所述多个窗口期间的时间宽度与背景光相关。

6.根据权利要求5所述的探测模块，其特征在于，所述多个窗口期间的时间宽度按照背景光触发所述探测器阵列中的工作像素单元的概率阈值配置。

7.根据权利要求4所述的探测模块，其特征在于，所述多个窗口期间的时间宽度按照至少如下之一的方式配置：

预设固定值或函数关系、表格关系对应时间固定校正，开机标定，自适应调整。

8.根据权利要求1所述的探测模块，其特征在于，所述多个窗口期间的时间宽度与距离相关，且至少部分时间宽度不相等。

9.根据权利要求2所述的探测模块，其特征在于，所述处理模块输出的时间范围为N次脉冲中背景光和/或信号光光子激发的统计信息中工作单元最多触发次数对应的时间范围。

10.一种探测方法，其特征在于，所述方法应用于上述权利要求1所述的探测装置，所述方法包括：

光源向探测物发射探测脉冲；

探测阵列在多个探测窗口检测入射的光子；

根据统计得到的在不同探测窗口入射的光子数，获取时间范围信息。

11.根据权利要求10所述的探测方法，其特征在于，所述多个探测窗口的时间宽度相同。

12.根据权利要求11所述的探测方法，其特征在于，所述探测窗口的时间宽度与背景光相关。

13.根据权利要求12所述的探测方法，其特征在于，所述多个窗口期间的时间宽度按照背景光触发所述探测器阵列中的工作像素单元的概率阈值配置。

14.根据权利要求10所述的探测方法，其特征在于，所述多个窗口期间的时间宽度与距离相关，且至少部分时间宽度不相等。

15.根据权利要求10所述的探测方法，其特征在于，所述多个窗口期间的时间宽度按照至少如下之一的方式配置：

预设固定值或函数关系、表格关系对应时间固定校正，开机标定，自适应调整。

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