CN211148917U - 一种距离测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种距离测量系统，包括：发射器，其包含由多个子光源组成的光源阵列，所述发射器经配置以发射多个线状光束；采集器，经配置以采集被物体反射回的所述线状光束中的至少部分光信号；处理电路，与所述发射器以及所述采集器连接，用于根据所述光信号以计算所述线状光束从被发射到被采集之间的飞行时间。所述光源阵列包括至少两个子光源阵列，所述多个线状光束包含至少两个线状光束组，所述子光源阵列与所述线状光束组一一对应。通过点阵光源实现扫描距离成像，由于一次仅有部分像素单元需要读出数据，不仅可以降低读出电路的规模以及存储，还可以提高信噪比。

Description

一种距离测量系统

技术领域

本实用新型涉及计算机技术领域，尤其涉及一种距离测量系统。

背景技术

飞行时间(Time of flight,TOF)法通过测量光束在空间中的飞行时间来计算物体的距离，由于其具有精度高、测量范围大等优点而被广泛应用于消费电子、无人架驶、AR/VR等领域。

基于飞行时间原理的距离测量系统比如飞行时间深度相机、激光雷达等系统往往包含一个光源发射端以及接收端，光源向目标空间发射光束以提供照明，接收端接收由目标反射回的光束，系统再通过计算光束由发射到反射接收所需要的时间来计算物体的距离。

目前基于飞行时间法的激光雷达主要有机械式与非机械式两种，机械式通过旋转基座来实现360度大视场的距离测量，其发射端一般采用单点光源以及线光源，优点是光束强度集中、测量范围大、精度高，缺点是扫描时间较长导致帧率低；而非机械式中面阵激光雷达一般通过面光源一次性向空间上发射一定视场的面光束，并通过面阵接收器进行接收，因此其分辨率及帧率均得到了提升，但缺点是光强较弱、信噪比差、测量范围较小，另外由于同时需要对面阵接收器上每个像素进行解调，对读出电路(例如TDC电路)的规模、存储以及功耗要求都比较高。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本实用新型的创作构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种距离测量系统，以解决上述背景技术问题中的至少一种。

为达到上述目的，本实用新型实施例的技术方案是这样实现的：

一种距离测量系统，包括：发射器，其包含由多个子光源组成的光源阵列，所述发射器经配置以发射多个线状光束；采集器，经配置以采集被物体反射回的所述线状光束中的至少部分光信号；处理电路，与所述发射器以及所述采集器连接，用于根据所述光信号以计算所述线状光束从被发射到被采集之间的飞行时间；其中，所述光源阵列包括至少两个子光源阵列，所述多个线状光束包含至少两个线状光束组，所述子光源阵列与所述线状光束组一一对应。

在一些实施例中，所述至少两个子光源阵列中的子光源交错排列以使得相邻的三个子光源形成三角形排列图案。

在一些实施例中，所述处理电路还用于控制所述子光源阵列依次开启以实现扫描。

在一些实施例中，所述线状光束由多个所述子光源所发射出的光斑光束相互连接形成。

在一些实施例中，所述采集器包含阵列像素单元，所述阵列像素单元包含超像素，所述超像素的大小与所述线状光束组中相邻线状光束在像素中成像的间距一致。

在一些实施例中，所述采集器包括像素单元、以及成像透镜单元；其中,所述成像透镜单元接收并将由物体反射回的至少部分调制光束引导到像素单元上。

在一些实施例中，所述光源阵列由设置在单片基底上的多个子光源组成，子光源以一定的图案形式排列在基底上。

在一些实施例中，所述至少两个子光源阵列中的子光源规则交错排列以使得相邻的四个子光源形成矩形排列图案。

在一些实施例中，所述像素单元包括像素阵列以及读出电路；其中像素阵列用于采集由物体反射回的至少部分光束并生成相应的光子信号，读出电路用于对光子信号进行处理以计算飞行时间。

在一些实施例中，所述像素阵列包括由多个像素组成的二维阵列。

本实用新型技术方案的有益效果是：

本实用新型通过点阵光源实现扫描距离成像，由于一次仅有部分像素单元需要读出数据，不仅可以降低读出电路的规模以及存储，还可以提高信噪比。

附图说明

为了更清楚地说明本创作实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本创作的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本创作一个实施例的距离测量系统示意图。

图2是根据本创作一个实施例的光源示意图。

图3是根据本创作一个实施例的发射器所投射的发射光束示意图。

图4是根据本创作一个实施例的采集器中像素单元的示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接即可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本实用新型实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

作为本实用新型的一实施例，提供一种距离测量系统，其具有更强的抗环境光能力以及更高的分辨率。

参照图1所示，图1是根据本实用新型一个实施例的距离测量系统示意图。所述距离测量系统10包括发射器11、采集器12以及处理电路13；其中发射器11提供发射光束30至目标空间中以照明空间中的物体20，至少部分发射光束30经物体20反射后形成反射光束40，反射光束40的至少部分光信号(光子)被采集器12采集，处理电路13分别与发射器11以及采集器12连接，同步发射器11以及采集器12的触发信号，并根据光信号以计算光束由发射器11发出并被采集器12接收所需要的时间，即发射光束30与反射光束40之间的飞行时间t，进一步的，物体上对应点的距离D可由下式计算出：

D＝c·t/2 (1)

其中，c为光速。

发射器11包括光源111、光学元件112。光源111可以是发光二极管(LED)、边发射激光器(EEL)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)等光源，也可以是多个光源组成的阵列光源，优选地，阵列光源111是在单块半导体基底上生成多个VCSEL光源以形成的VCSEL阵列光源芯片。光源111所发射的光束可以是可见光、红外光、紫外光等。光源111在处理电路13的控制下向外发射光束，比如在一个实施例中，光源111在处理电路13的控制下以一定的频率(脉冲周期)发射脉冲光束，可以用于直接飞行时间法(Direct TOF)测量中,频率根据测量距离进行设定，比如可以设置成1MHz-100MHz，测量距离在几米至几百米。可以理解的是，可以是处理电路13中的一部分或者独立于处理电路13存在的子电路来控制光源111发射相关的光束，比如脉冲信号发生器。

光学元件112接收来自光源111的脉冲光束，并将脉冲光束进行光学调制，比如衍射、折射、反射等调制，随后向空间中发射被调制后的光束，比如聚焦光束、泛光光束、结构光光束等。光学元件112可以是透镜、衍射光学元件、掩膜板、反射镜、MEMS振镜等形式中的一种或多种组合。

处理电路13可以是独立的专用电路，比如专用SOC芯片、FPGA芯片、ASIC芯片等等，也可以包含通用处理器，比如当该深度相机被集成到如手机、电视、电脑等智能终端中去，终端中的处理器可以作为该处理电路13的至少一部分。

采集器12包括像素单元121、成像透镜单元122，成像透镜单元122接收并将由物体反射回的至少部分调制光束引导到像素单元121上。在一个实施例中，像素单元121由单光子雪崩光电二极管(SPAD)组成，也可以由多个SPAD像素组成的阵列像素单元，阵列像素单元的阵列大小代表着该深度相机的分辨率，比如320×240等。SPAD可以对入射的单个光子进行响应从而实现对单光子的检测，由于其具备灵敏度高、响应速度快等优点，可以实现远距离、高精度地测量。与CCD/CMOS等组成的以光积分为原理的图像传感器相比，SPAD可以通过对单光子进行计数，比如利用时间相关单光子计数法(TCSPC)实现对微弱光信号的采集以及飞行时间的计算。一般地，与像素单元121连接的还包括由信号放大器、时数转换器(TDC)、模数转换器(ADC)等器件中的一种或多种组成的读出电路(图中未示出)。这些电路即可以与像素整合在一起，这也可以是处理电路13中的一部分，为了便于描述，将统一视作处理电路13。

在一些实施例中，距离测量系统10还可以包括彩色相机、红外相机、IMU等器件，与这些器件的组合可以实现更加丰富的功能，比如3D纹理建模、红外人脸识别、SLAM等功能。

在一些实施例中，发射器11与采集器12也可以被设置成共轴形式，即二者之间通过具备反射及透射功能的光学器件来实现，比如半透半反镜等。

在一些实施例中，发射器包含由多个子光源组成的光源阵列，所述发射器经配置以发射多个线状光束；采集器经配置以采集被物体反射回的所述线状光束中的至少部分光信号；处理电路与所述发射器以及所述采集器连接，用于根据所述光信号以计算所述线状光束从被发射到被采集之间的飞行时间；其中，所述光源阵列包括至少两个子光源阵列，所述多个线状光束包含至少两个线状光束组，所述子光源阵列与所述线状光束组一一对应。

在利用SPAD的直接飞行时间法距离测量系统中，单个光子入射SPAD像素将引起雪崩，SPAD将输出雪崩信号至TDC电路，再由TDC电路检测出光子从发射器11发出到引起雪崩的时间间隔。通过多次测量之后将时间间隔通过时间相关单光子计数(TCSPC)电路进行直方图统计以恢复出整个脉冲信号的波形，进一步可以确定该波形对应的时间，根据这一时间就可以确定出飞行时间，从而实现精确的飞行时间检测，最后根据飞行时间计算出物体的距离信息。

为了便于统一描述，假定发射器11与采集器12之间的连线所在方向为横向(x方向)。

图2是根据本实用新型一个实施例的光源示意图。光源111由设置在单片基底111(或多片基底)上的多个子光源组成，子光源以一定的图案形式排列在基底上。基底可以是半导体基底、金属基底等，子光源可以是发光二极管、边发射激光发射器、垂直腔面激光发射器(VCSEL)等，优选地，光源111由设置在半导体基底上的多个VCSEL子光源所组成的阵列VCSEL芯片。子光源用于发射任意需要波长的光束，比如可见光、红外光、紫外光等。光源111在驱动电路(可以是处理电路13的一部分)的调制驱动下进行发光，比如连续波调制、脉冲调制等。

在一个实施例中，光源111也可以在驱动电路的控制下分组发光或者整体发光，比如光源111包含第一子光源阵列201(图2中用带横线的圆表示)、第二子光源阵列202(图2中用带竖线的圆表示)等，第一子光源阵列201在第一驱动电路的控制下发光、第二子光源阵列202在第二驱动电路的控制下发光。子光源的排列可以是一维排列、也可以是二维排列，可以是规则排列、也可以是不规则排列。可以理解的是，光源111也可以包括第三子光源阵列、第四子光源阵列等等。

图2中仅示意性地给出一种示例，该示例中第一子光源阵列201以及第二子光源阵列202均为8×5的规则阵列子光源，第一子光源阵列201与第二子光源阵列202沿横向交错排列以使得相邻的三个子光源形成三角形排列图案。可以理解的是，第一子光源阵列201与第二子光源阵列202也可以规则交错排列以使得相邻的四个子光源形成矩形排列图案。由于子光源本身孔径等属性要求以及制造工艺要求，相邻两个子光源之间的间距一般有最小的物理限制，对于矩形排列图案或者三角形排列图案而言，矩形或三角形的边长将不低于最小物理限制，但不同的是，采用三角形排列图案将会使得相邻子光源沿横向和/或纵向方向上的距离小于最小物理限制，从而在一定程度上可以提升光源密度以进一步提升发射器11所发射光束的功率、分辨率等特性。

在一个实施例中，当子光源阵列超过2个时，相互之间的交错还可以沿纵向交错。

图3是根据本实用新型一个实施例的发射器所投射的发射光束示意图。其中，发射光束30包含多个线状光束，该多个线状光束分成多个组，比如本实施例中分成了两个线状光束组301以及302，光束组指的是在同一时刻仅该组内的线状光束被发射。这里所发射的每条线状光束是由光源111中每一列子光源所形成，比如在一些实施例中，子光源所发射光束通过光学元件112之后向空间中发射出斑点光束，当相邻两个斑点光束之间有连接时即形成了类似线条状的线状光束；而在另一些实施例中，子光源所发射光束通过光学元件112之后向空间发射子线状光束，例如柱面镜，多个子光源的子线状光束组合在一起形成

图3中的线状光束。

可以理解的是，线状光束组与子光源阵列一一对应，即当子光源阵列开启时，将产生与之对应的线状光束组并向空间中发射。因此子光源阵列的分组数量与线状光束组的分组数量相同，比如N个子光源阵列将产生N个线状光束组。由此，在一个实施例中，通过依次开启各个子光源阵列，即可以完成对空间区域的光束扫描，子光源阵列开启的方向决定了扫描的方向。比如图2与图3所示实施例中，依次开启子光源阵列201与202，将依次产生线状光束组301(如

图3中实线表示的线条)与302(如图3中虚线表示的线条)，从而完成对空间区域的扫描。与传统线性扫描相比，这种方式将大大减少扫描次数从而提升扫描时间。

图4是根据本实用新型一个实施例的采集器中像素单元的示意图。像素单元包括像素阵列41以及读出电路42，其中像素阵列41包括由多个像素410组成的二维阵列，其中像素阵列用于采集由物体反射回的至少部分光束并生成相应的光子信号，读出电路42用于对光子信号进行处理以计算飞行时间。

在一个实施例中，读出电路42包括TDC电路421、直方图电路422，用于绘制反映发射器中光源所发射脉冲波形的直方图，进一步地，也可以根据直方图计算飞行时间，最后将结果进行输出。其中，读出电路42可以是单个TDC电路及直方图电路组成，也可以由多个TDC电路单元及直方图电路单元组成的阵列读出电路。

在一个实施例中，当发射器11向被测物体发射线状光束时，采集器12中的光学元件112会引导该线状光束至相应的像素上，一般地，为了尽可能多地接受反射光束的光信号，单个线状光束的大小被设置成对应于多个像素(这里的对应可以理解成成像，光学元件112一般包括成像透镜)，比如图4中单个线状光束对应14x2＝28个像素，即该线状光束反射回的光子会以一定的概率被对应的28个像素接受。

当依次打开子光源阵列时，将依次产生线状光束组，并成像在像素单元上，比如图4中所示的用实线表示的线状光束组411以及虚线表示的线状光束组412。因此通过多次测量就可以完成对所有像素单元的飞行时间计算。与传统面阵光源方案相比，本实用新型中由于一次仅有部分像素单元需要读出数据，因此不仅可以降低读出电路的规模以及存储，还可以提高信噪比。

一般地，发射器11与采集器12之间根据设置方式的不同测量系统10可以分为共轴与离轴。对于共轴情形，对于共轴情形，发射器11发出的线状光束经被测物体反射后将由采集器12中对应的像素采集，像素的位置不会因为被测物体的远近有影响；但对于离轴情形，由于视差的存在，当被测物体远近不同时，线状光束落在像素单元上的位置也会发生变化，一般地会沿着基线(发射器11与采集器12之间的连线，本实用新型中统一用横向来表示基线方向)方向发生偏移，因此当被测物体的距离未知时，像素的位置是不确定的，这里的不确定即包括线状光束整体位置不确定，也包括单个线状光束自身位置的不确定，比如出现弯曲、倾斜等，为了解决这一问题，需要采用超像素技术(所述超像素技术可以参考中国专利申请第CN 201910888951.X号中的相关内容，在此不再赘述)，即设置超过线状光束对应像素中像素数量的多个像素组成的像素区域413(这里称为“超像素”)用于接受反射回的线状光束，超像素的大小在设置时(主要是沿着基线方向上的大小)，需要同时考虑系统10的测量范围以及基线的长度，使得在测量范围内不同距离上物体反射回的斑点所对应的像素均会落入在超像素区域内。在一个实施例中，超像素的大小被设置成与线状光束组中相邻线状光束在像素单元上成像位置之间的距离一致，图4所示实施例中，线状光束沿横向占用2个像素，同一个线状光束组中相邻线状光束间距是6个像素，因此超像素沿横向上的大小可以设置成6个像素；沿纵向上的大小则可以根据读出电路的规模来设定，可以是1也可以是其他数值，比如图4中是2个像素。

在一些应用中，场景不同、测量范围不同或者测量要求不同都会对测量系统有着不同的需求，对此，本实用新型还提供一种可调距离测量系统。以下对可调距离测量系统方案进行说明，与前述距离测量系统不同的是，可调距离测量系统中光源111中的子光源可以被至少部分独立寻址以被动态控制以改变线状光束的线方向、线宽、间距、扫描方向中的至少一项，此外，在一些实施例中，还需要对像素端做适应性的调整，比如超像素大小等。

在一个实施例中，比如图2所示实施例中，子光源可以被动态控制以变成3个子光源阵列(201、202、203)、4个子光源阵列(201、202、203、204)等等，相应的将会产生3组线状光束组以及4组线状光束组，光束组中相邻线状光束的间距也会不同，成像到像素单元上时，对应的像素间距也不同，此时超像素的大小以及读出电路也需要做适应性的调整，不同超像素大小所对应的测量范围也不同。因此，可以通过动态控制子光源阵列、超像素大小以及读出电路来实现同一个测量系统对不同测量范围目标的飞行时间测量。

在一个实施例中，通过控制子光源来控制子光源阵列的组成，比如将图2中多行子光源组成子光源阵列，由此所产生的线状光束为横向线状光束、与基线方向一致，扫描方向与基线方向垂直(纵向)。

在一个实施例中，还可以通过动态控制子光源阵列以产生不同宽度的线状光束，比如将两列相邻的子光源同步打开以产生比单列子光源更宽的线状光束。

在一个实施例中，可以通过对阵列光源的动态控制以控制线状光束的方向以及扫描方向。比如将阵列光源中各个子光源设置成独立寻址，可以任意组合其子光源阵列，从而可以动态调整线状光束的方向与扫描方向。比如在一次测量中，先用横向线状光束沿纵向进行扫描、再用纵向线状光束沿横向进行扫描，由此可以获取精度更高的结果。

可以理解的是，当将本实用新型的距离测距系统嵌入装置或硬件中时会作出相应的结构或部件变化以适应需求，其本质仍然采用本实用新型的距离测距系统，所以应当视为本实用新型的保护范围。以上内容是结合具体/优选的实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本创作所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本创作构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本实用新型的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。

在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本实用新型的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

此外，本实用新型的范围不旨在限于说明书中所述的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。本领域普通技术人员将容易理解，可以利用执行与本文所述相应实施例基本相同功能或获得与本文所述实施例基本相同结果的目前存在的或稍后要开发的上述披露、过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在将这些过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其范围内。

Claims (10)

1.一种距离测量系统，其特征在于，包括：

发射器，其包含由多个子光源组成的光源阵列，所述发射器经配置以发射多个线状光束；

采集器，经配置以采集被物体反射回的所述线状光束中的至少部分光信号；

处理电路，与所述发射器以及所述采集器连接，用于根据所述光信号以计算所述线状光束从被发射到被采集之间的飞行时间；

其中，所述光源阵列包括至少两个子光源阵列，所述多个线状光束包含至少两个线状光束组，所述子光源阵列与所述线状光束组一一对应。

2.如权利要求1所述的距离测量系统，其特征在于，所述至少两个子光源阵列中的子光源交错排列以使得相邻的三个子光源形成三角形排列图案。

3.如权利要求1所述的距离测量系统，其特征在于，所述处理电路还用于控制所述子光源阵列依次开启以实现扫描。

4.如权利要求1所述的距离测量系统，其特征在于，所述线状光束由多个所述子光源所发射出的光斑光束相互连接形成。

5.如权利要求1所述的距离测量系统，其特征在于，所述采集器包含阵列像素单元，所述阵列像素单元包含超像素，所述超像素的大小与所述线状光束组中相邻线状光束在像素中成像的间距一致。

6.如权利要求1所述的距离测量系统，其特征在于，所述采集器包括像素单元、以及成像透镜单元；其中,所述成像透镜单元接收并将由物体反射回的至少部分调制光束引导到像素单元上。

7.如权利要求1所述的距离测量系统，其特征在于，所述光源阵列由设置在单片基底上的多个子光源组成，子光源以一定的图案形式排列在基底上。

8.如权利要求1所述的距离测量系统，其特征在于，所述至少两个子光源阵列中的子光源规则交错排列以使得相邻的四个子光源形成矩形排列图案。

9.如权利要求5所述的距离测量系统，其特征在于，所述像素单元包括像素阵列以及读出电路；其中像素阵列用于采集由物体反射回的至少部分光束并生成相应的光子信号，读出电路用于对光子信号进行处理以计算飞行时间。

10.如权利要求9所述的距离测量系统，其特征在于，所述像素阵列包括由多个像素组成的二维阵列。

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