CN114415198A - 一种分区寻址dTOF测距系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种分区寻址dTOF测距系统，包括：分区可寻址光源，内包含N个光源分区，N≥2；成像芯片，内有SPAD像素阵列，所述SPAD像素阵列分为N个像素分区，N≥2；存储器，内存储有所述光源分区与像素分区之间的映射表关系；光源启动控制器，根据所述的映射表关系，控制光源分区和与之对应的像素分区同时启动。本发明采用使用可寻址的光源激，光投射器光源进行分区，同一时间只启动一个或多个区域的激光发光点以及与发光点对应的SPAD工作像素阵列，使用多个SPAD像素构成宏像素，以宏像素作为激光探测的基本单元，且不同宏像素之间的TDC可以复用，降低成像的噪声，提高信噪比，降低了电路设计复杂度，降低功耗的同时，也降低了设计成本和芯片面积。

Description

一种分区寻址dTOF测距系统

技术领域

本发明涉及光电子技术领域，具体涉及一种分区寻址dTOF测距系统。

背景技术

随着人工智能和消费电子的发展，越来越多的场景下需要用到机器视觉，2D视觉发展遇到诸多瓶颈，如深度测量、活体识别、定位等，3D视觉可以解决这些问题，站在当前时点可以看到，摄像头从2D向3D的转变将成为继黑白到彩色、低分辨率到高分辨率、静态图像到动态影像后的“第四次影像革命”。

目前使用较多的3D成像技术主要有：3D结构光成像、飞行时间法成像(TOF)、双目立体法成像；3D结构光和双目测量基于三角测量原理，受基线限制，对测量距离有一定的局限。TOF通过测量发射光发出到接收的时间差来计算被测物的距离，目前存在两种TOF技术：iTOF(间接飞行时间)和dTOF(直接飞行时间)，其中iTOF通过发射特定频率的调制光，检测反射调制光和发射调制光之间的相位差，转化成飞行时间，计算得到待测物体的深度信息，由于采用能量积分，不同位置的反射光带来多路径干扰，且功耗较大；dToF直接测量飞行时间，原理是通过直接向测量物体发射光脉冲，直接测量反射光脉冲和发射光脉冲之间的时间间隔，得到光的飞行时间，算法简单，可测量距离远，能实现高频测量，在自动驾驶、扫地机、无人机等机器视觉上都有很大的优势。

dTOF模组主要包含：激光投射器、红外接收相机；现有比较成熟的方案是激光投射器中激光光源(如vcsel、LD等)经过diffuser发出均匀红外光(泛光照明)，均匀红外光照射在待测物上，待测物反射的光经红外接收相机的成像镜头聚焦在红外接收相机的像素阵列上(一般是SPAD、APD)，像素阵列通过解析激光发出光束到接收到从物体反射的红外光之间的时间，得到物体的深度信息。

例如公开号为CN213149250U的专利申请提供的一种DToF距离传感器系统，包括接收端和发射端；接收端包括DToF传感器；发射端包括驱动电路、激光器、探测器及光学元件；激光器及探测器与所述驱动电路相连；所述激光器发射光线经过所述光学元件至待测物表面后反射至所述DToF传感器；以及公开号为CN113777583A的专利申请提供的一种DToF测距装置包括：光源发射装置，被配置为发射脉冲激光；控制器，被配置为在第一距离范围内执行主动探测；接收装置，被配置为基于控制器的控制来接收光子、读出探测信号。

现有技术中，光源发出整面的光束，实际SPAD受限于工艺，SPAD阵列只支持rolling-shutter，同一时刻只能处理光源发出的部分光点的深度解析，这样光源发出的光束利用率较低，极大浪费了光源的发光能量，且方案中每个SPAD像素配用一个数据处理电路，大大增加芯片整体功耗，相邻SPAD像素之间串扰严重且环境光对成像质量影响较大，限制了整个系统的测量精度和测距范围。

发明内容

针对上面提到的问题，本发明提出一种分区寻址dTOF测距系统；搭配使用可寻址的光源(如与专利CN202110460175.0搭配使用)，激光投射器光源进行分区，同一时间只启动一个或多个区域的激光发光点以及与发光点对应的SPAD工作像素阵列，使用多个SPAD像素构成宏像素，以宏像素作为激光探测的基本单元，且不同宏像素之间的TDC可以复用，这样大大降低成像的噪声，提高信噪比，降低了电路设计复杂度，降低功耗的同时，也降低了设计成本和芯片面积。

一种分区寻址dTOF测距系统，包括：

分区可寻址光源，内包含N个光源分区，N≥2；

成像芯片，内有SPAD像素阵列，所述SPAD像素阵列分为N个像素分区，N≥2；

存储器，内存储有所述光源分区与像素分区之间的映射表关系；

光源启动控制器，根据所述的映射表关系，控制光源分区和与之对应的像素分区同时启动。

以下还提供了若干可选方式，但并不作为对上述总体方案的额外限定，仅仅是进一步的增补或优选，在没有技术或逻辑矛盾的前提下，各可选方式可单独针对上述总体方案进行组合，还可以是多个可选方式之间进行组合。

如上分区寻址dTOF测距系统，必须要保证激光发光点经过物体反射后成像的点位置与同时启动SAPD宏像素点的位置一一对应，由于光学元件的像差、结构公差及生产时的组装误差，导致部分模组在生产时，不论怎么调整位置都没办法将成像光点的位置与SPAD宏像素点的位置调整得一一对应，造成较大比例的不良率。

可选的，所述SPAD像素阵列包括一SPAD宏像素阵列，所述SPAD宏像素阵列内包括多个宏像素，每个宏像素由M*N个SPAD像素构成，每个宏像素独立地进行单光子探测。每个宏像素中的SPAD像素单元共用同一TDC，在某些场合不同像素分区的宏像素也可以共用同一TDC。

本申请进一步对成像芯片进行改进，不同的宏像素并行工作，独立地进行单光子探测，减少了单个SPAD之间串扰对测量精度的影响，且此处一个宏像素共用一个TDC，不同像素分区的宏像素也可以共用一个TDC，极大简化了电路设计，降低了整个芯片工作的功耗

可选的，所述宏像素与TDC之间设有一个光子并发检测电路，当开启的宏像素中SPAD像素产生的光子脉冲时间差不满足光子并发性时，光子并发性检测电路无法输出有效雪崩信号。宏像素与光子并发性检测电路共同完成并发性光子的检测工作，排除非同步产生的光子雪崩脉冲信号，来减少环境光、后脉冲信号及暗计数误触发导致的雪崩信号输出，输出高分辨率的2D图像和信噪比高的深度图像。

可选的，所述SPAD像素阵列还包括在SPAD宏像素阵列外的预留像素点，所述预留像素点为列SPAD像素点或/和行SPAD像素点。进一步的，根据光斑落在成像芯片上的位置，动态调节spad像素间的bining，使光斑位置与SPAD宏像素阵列内宏像素位置对应。

本申请的成像芯片预留有SPAD像素点，使得在组装误差较大的情况下，可以及时调整sensor的宏像素binning配置，使得光源打出来的光点也能成像在像素区域，大大提升dtof lidar模组的生产良率。

可选的，所述每个SPAD像素阵列内，每个SPAD像素与周围的四个像素点建立是否导通的逻辑关系，选择被同一光斑覆盖的多个像素点导通并联作为一个宏像素感光成像。

本发明通过记录或识别光斑点的位置，预留多行或列个像素点，动态调节spad像素间的bining，让光斑全部落在成像像素点上，并动态调整宏像素的位置，使原始不良品也能变成良品正常成像。

可选的，所述光源启动控制器用于控制不同光源分区和像素分区工作，当启动某一光源分区时，会同时启动对该分区光源成像的像素分区，光源分区依次点亮，对应的成像像素分区也一一对应地启动，一个周期即能完成对整个待测场景的照明与成像，得到整个待测场景的深度信息。

本发明采用使用可寻址的光源激，光投射器光源进行分区，同一时间只启动一个或多个区域的激光发光点以及与发光点对应的SPAD工作像素阵列，使用多个SPAD像素构成宏像素，以宏像素作为激光探测的基本单元，且不同宏像素之间的TDC可以复用，这样大大降低成像的噪声，提高信噪比，降低了电路设计复杂度，降低功耗的同时，也降低了设计成本和芯片面积。

本发明的成像芯片，在原有SPAD像素阵列的基础上预留了一些备用像素点用于与激光发光点对准，降低了生产时的激光投射器和红外接收相机的对准难度，大大提高了dtof模组的生产良率。同时，设计动态bining的SPAD芯片，也可以根据实际接收光斑的尺寸动态调整宏像素中包含单个SPAD像素的数量，使实际工作的宏像素与接收到的光斑尺寸能更好的对应起来，从而可以兼顾芯片的功耗、测量速度和精度，达到更好的测量效果。

附图说明

图1为本发明提供的一种分区寻址dTOF测距系统的示意图；

图2为常规单个SPAD像素基本结构示意图；

图3是本发明提供的一种SPAD宏像素分布示意图；

图4为组装误差较大时SPAD宏像素上对应光斑点的分布示意图；

图5为本发明提供的一种新的SPAD像素分布示意图；

图6是本发明提供的一种SPAD像素动态bining的示意图；

图7为图5经过动态bining后SPAD阵列宏像素分布示意图；

图8为同一发射光点在不同距离待测场景下在SPAD像素阵列上成的光斑点示意图。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。本文中所涉及的方位词“上”、“下”、“左”和“右”，是以对应附图为基准而设定的，可以理解，上述方位词的出现并不限定本发明的保护范围。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为本发明提供的一种分区寻址dTOF测距系统的示意图；图中包括分区可寻址光源1、存储器2、光源启动控制器3、成像芯片4；其中分区可寻址光源1包含N个光源分区，N≥2，存储器2中存储了生产时测试得到的光源点与对应像素点之间的映射表关系，如当启动光源分区一时，光源发出的光点在系统工作距离范围内成像，光斑全部对应地落在像素分区1中，将此映射表关系通过记录对应寄存器的方式存储在存储器2中(即存储驱动光源的寄存器地址与驱动相关像素的寄存器地址)，光源启动控制器3用于控制不同光源和像素区工作，当启动光源分区一时，会同时启动对该分区光源成像的像素分区一，光源分区依次点亮，对应的成像像素分区也一一对应地启动，一个周期即能完成对整个待测场景的照明与成像，最终得到整个待测场景的深度信息。红外接收相机的成像芯片4，是由SPAD像素阵列和相关的处理电路组成，SPAD像素阵列分为N个像素分区，N≥2，处理电路用于将像素输出的stop脉冲信号转换成待测的时间停止信号，4在工作时，每次只启动与分区可寻址光源1对应的像素点，这样大大减少了系统的功耗，并降低了背景噪声对系统成像的影响。

图2为常规单个SPAD像素基本结构示意图；单个SPAD像素包含SPAD感光区域、偏压电路、淬灭电路、信号处理电路、TDC转换器和计算单元等，感光区和电路部分可以同时设计在一片wafer电路上，通过FSI生产工艺实现，也可以设计在两块不同的wafer电路上，最后通过Direct Bonding Interface技术将感光像素与电路芯片键合在一起，即BSI生产工艺。当SPAD感光区的PN结处于高反向偏置电压时，PN结进入盖革模式，感光区接收到物体反射的光子后，PN结中光生载流子触发产生雪崩电流，雪崩电流脉冲输出到信号处理器处理后(信号处理器主要用于对脉冲信号的鉴别、比较、整形等处理)到TDC(时间数字转换电路)，TDC会将接收到的脉冲信号转换为时间信号输出，传送到计算单元统计，计算单元会统计多次的时间测量结果，输出时间概率直方图，最终取最大概率对应的时间段作为发射和接收光的时间差，计算得到物体的深度信息；同时为防止感光区长时间处于雪崩状态被烧坏，淬灭电路会降低加在PN结上的电压，使感光区脱离雪崩状态。对于传统单个SPAD阵列单元，由于每个像素单元都包含TDC，单独计数，整个电路设计较复杂，感光区域占比较小，且像素间还容易收到串扰的影响，导致最终输出的深度信息精度不高且测量范围较小。

图3是本发明提供的一种SPAD宏像素分布示意图。图中光源分区一的光点在红外接收相机上成的光斑11(a)、SPAD宏像素阵列4、单个宏像素41、单个SPAD像素411；该示意图中SPAD宏像素阵列4由4*4个宏像素构成，实际数量不做限制，这里主要是为了方便说明以4*4的个数举例，单个宏像素41由3*3个411构成，实际宏像素中单个SPAD像素的个数可以是2*2,2*4等，不同的宏像素并行工作，独立地进行单光子探测，减少了单个SPAD之间串扰对测量精度的影响，且此处一个宏像素共用一个TDC，不同像素分区的宏像素也可以共用一个TDC，极大简化了电路设计，降低了整个芯片工作的功耗，如之前每个SPAD单元都要配备一个TDC，即总共需要配备144个TDC，现在只需要4个TDC即能完成时间信号转换任务，大大简化了电路设计，为像素获得更好的填充率提供了可能，在大大降低整个芯片成像功耗的同时，可提高芯片的光电转化效率；另外本发明中宏像素与TDC之间还有一个光子并发检测电路，当开启的宏像素中SPAD像素产生的光子脉冲时间差不满足光子并发性时，光子并发性检测电路无法输出有效雪崩信号。光子并发性即保证启动的宏像素中的SPAD像素有两个及两个以上的像素点输出雪崩脉冲信号，且脉冲信号间隔小于光源脉宽时，认为是有效输出，将有效脉冲信号再输入到TDC(时间数字转换电路)，并进行时间统计，最终存储并依次读出，宏像素与光子并发性检测电路相连接，宏像素与光子并发性检测电路共同完成并发性光子的检测工作，排除非同步产生的光子雪崩脉冲信号，来减少环境光、后脉冲信号及暗计数误触发导致的雪崩信号输出，输出高分辨率的2D图像和信噪比高的深度图像。

图3显示的是在较理想的情况下，激光投射器发出的光点在工作距离下的成像光斑正好能与宏像素的每个点一一对应；图4为组装误差较大时SPAD宏像素上对应光斑点的分布示意图；由于光学元件的像差、结构公差及生产时的组装误差，导致部分模组在生产时，不论怎么调整位置都没办法将成像光点的位置与SPAD宏像素点的位置调整得一一对应，如11(b)的光斑大部分已经超出了像素区域，对于某些场景距离的光斑可能直接完全超出像素区域，激光发出的光斑没有成像在对应宏像素感光单元上，会直接影响到深度计算的准确度，在实际生产中这种情况的模组(dtof模组包含激光投射器+红外接收相机)会判为不良品，这样造成较高比例的不良品，增加了产品生产成本。

图5为本发明提供的一种新的SPAD像素分布示意图，即在图4像素点的基础上多预留了两行SPAD像素点，解决图5中出现的问题，使得在组装误差较大得情况下，可以及时调整sensor的宏像素binning配置，使得光源打出来的光点也能成像在像素区域，大大提升dtof lidar模组的生产良率。当然实际设计像素时也可以预留一行或多行，一列或多列像素点，这里为了方便说明，只列出了预留两行SPAD像素点，实际预留的行数和列数的多少在兼顾模组生产良率的情况下尽量少的增加像素行数或列数。

图6是本发明提供的一种SPAD像素动态bining的示意图；411(a)是成像芯片预留的一列SPAD像素点，411(b)是成像芯片预留的一行SPAD像素点，11(a)是激光投射器与红外接收相机位置对齐比较理想的情况下，发射光斑落在成像芯片上的位置示意；11(b)是激光投射器与红外接收相机位置相对于理想对齐状态下，在上下方向上有一定的偏移时，发射光斑落在成像芯片上的位置示意；11(c)是激光投射器与红外接收相机位置相对于理想对齐状态下，在左右方向上有一定的偏移时，发射光斑落在成像芯片上的位置示意；对于现有设计如果出现11(b)和11(c)的情况，认为是不良品(当然也有部分dtof模组，激光投射器与红外接收相机位置相对于理想对齐状态下，即有上下方向上的偏移，又有左右方向上的偏移，这里未一一列出)；本发明通过记录或识别光斑点的位置，预留多行或列个像素点，动态调节spad像素间的bining，让光斑全部落在成像像素点上，并动态调整宏像素的位置，使原始不良品也能变成良品正常成像。如对于原有设计(1,1)，(1,2)，(1,3)，(2,1)，(2,2)，(2,3)，(3,1)，(3,2)，(3,3)九个像素并联在一起，作为一个宏像素感光成像，现在在单个SPAD像素上建立与周围所有像素的逻辑关系，如图7，(1,1)与周围4个像素点都建立了逻辑关系，当光斑在11(a)处，(1,1)与(0,1)、(1,0)选择不导通，(1,1)与(1,2)、(2,1)选择导通，导通是否可以通过寄存器地址来控制连接像素的相关电路，以此类推(1,1)，(1,2)，(1,3)，(2,1)，(2,2)，(2,3)，(3,1)，(3,2)，(3,3)九个像素并联在一起，作为一个宏像素感光成像，当光斑在11(b)处，(1,1)与(1,0)选择不导通，(1,1)与(0,1)、(1,2)、(2,1)选择导通，以此类推(0,1)、(0,2)、(0,3)(1,1)，(1,2)，(1,3)，(2,1)，(2,2)，(2,3)九个像素并联在一起，作为一个宏像素感光成像，当光斑在11(c)处，(1,1)与(0,1)选择不导通，(1,1)与(1,0)、(1,2)、(2,1)选择导通，以此类推(1,0)、(1,1)，(1,2)，(2,0)，(2,1)，(2,2)，(3,0)，(3,1)，(3,2)，九个像素并联在一起，作为一个宏像素感光成像；这里作为示意图只画了一个宏像素的位置确认图，且宏像素的SPAD像素单元定义为3*3，实际宏像素的像素可以是任意多个像素构成，此外剩余没有配成宏像素的像素点也可以用作dtof测距的校准像素。

图7为图5经过动态bining后SPAD阵列宏像素分布示意图；11(b)为发射光点对应的光斑，41(b)是经过调整后新的宏像素，这样原来超出像素区域的光斑也能成像在对应的宏像素上正常成像，大大提高整个dtof模组的生产良率。

图3中宏像素包含单个SPAD像素点的个数可以由光点在工作距离范围内在成像芯片上的光斑尺寸和位置决定，对于非共轴系统，红外接收相机相对激光投射器在横向位置上有一定的偏移，激光投射器发出的同一光束在不同距离场景的反射光斑会照射在SPAD的不同像素上(主要是在横轴方向位置存在偏移，我们将此偏移定义为视差)，另外由于激光投射器和红外接收相机本身的光学特性，对于同一光束在不同距离场景的反射光斑在SPAD上大小也会有差异(可以定义为光学系统的离焦)，具体可以参考图8，图8为同一发射光点在不同距离待测场景下在SPAD像素阵列上成的光斑点示意图；41：SPAD像素阵列，10、20、30、40分别为不同距离待测场景下同一发射光点在SPAD像素阵列上的光斑点，从左到右对应的测试距离由大变小，测试距离越远，所成的光斑越靠近激光投射器(这里假定激光投射器在红外接收相机的左边)，且不同测试距离对应的光斑大小与投射器的光学设计有关，一般是测试距离越近在芯片上的成像光斑尺寸越大，10与40光斑间的距离即是由激光投射器与红外接收相机之间的横向偏移距离带来的视差；在设计一个宏像素的大小(由几个SPAD像素点构成)时，必须考虑视差和光学透镜成像特性对实际成像光斑尺寸和位置的影响，这样在解算深度信息时，光源发光点才能与SPAD的宏像素一一对应。一个宏像素的大小可以设计为包含工作距离内一个光点所有光斑成像的位置，但对于基线(激光投射器和红外相机横向偏移距离)较大或成像光学元件离焦光斑点较大的情况，这样设计的宏像素大小会很大，并且多数情况下宏像素中的多个像素点没有完成有效信号输出，产生较大的浪费和背景噪声，所以在这些情况下宏像素点的个数也可以由打在远处光斑的尺寸决定，因为远处反射到芯片上的光信号很弱，用多个像素增加感光强度的情况下，最小化背景噪声的影响，而在近距离，由于打到sensor的光强较大，用较少像素的宏像素也可以达到比较高的测量精度；另外在确定宏像素大小和边界时，也可以让发光区先发出一个脉冲光，确认对应光斑在SPAD像素点上的位置后，再根据光斑点的大小，动态地调整宏像素的边界和尺寸，再对该发光区的光束进行测量，这样能让宏像素与光斑大小更好的匹配，达到更好的测量效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种分区寻址dTOF测距系统，其特征在于，包括：

分区可寻址光源，内包含N个光源分区，N≥2；

成像芯片，内有SPAD像素阵列，所述SPAD像素阵列分为N个像素分区，N≥2；

存储器，内存储有所述光源分区与像素分区之间的映射表关系；

光源启动控制器，根据所述的映射表关系，控制光源分区和与之对应的像素分区同时启动。

2.根据权利要求1所述的分区寻址dTOF测距系统，其特征在于，所述SPAD像素阵列包括一SPAD宏像素阵列，所述SPAD宏像素阵列内包括多个宏像素，每个宏像素由M*N个SPAD像素构成，每个宏像素独立地进行单光子探测。

3.根据权利要求2所述的分区寻址dTOF测距系统，其特征在于，每个宏像素中的SPAD像素单元共用同一TDC，或不同像素分区的宏像素共同一TDC。

4.根据权利要求3所述的分区寻址dTOF测距系统，其特征在于，所述宏像素与TDC之间设有一个光子并发检测电路，当开启的宏像素中SPAD像素产生的光子脉冲时间差不满足光子并发性时，光子并发性检测电路无法输出有效雪崩信号。

5.根据权利要求2所述的分区寻址dTOF测距系统，其特征在于，所述SPAD像素阵列还包括在SPAD宏像素阵列外的预留像素点，所述预留像素点为列SPAD像素点或/和行SPAD像素点。

6.根据权利要求5所述的分区寻址dTOF测距系统，其特征在于，根据光斑落在成像芯片上的位置，动态调节spad像素间的bining，使光斑位置与SPAD宏像素阵列内宏像素位置对应。

7.根据权利要求6所述的分区寻址dTOF测距系统，其特征在于，所述每个SPAD像素阵列内，每个SPAD像素与周围的四个像素点建立是否导通的逻辑关系，选择被同一光斑覆盖的多个像素点导通并联作为一个宏像素感光成像。

8.根据权利要求1所述的分区寻址dTOF测距系统，其特征在于，所述光源启动控制器用于控制不同光源分区和像素分区工作，当启动某一光源分区时，会同时启动对该分区光源成像的像素分区，光源分区依次点亮，对应的成像像素分区也一一对应地启动，一个周期即能完成对整个待测场景的照明与成像，得到整个待测场景的深度信息。

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