TW202101024A - 飛時測距裝置及飛時測距方法 - Google Patents

飛時測距裝置及飛時測距方法 Download PDF

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Abstract

本發明提出一種飛時測距裝置及飛時測距方法。飛時測距裝置包括第一時間至數位轉換器、第二時間至數位轉換器、驅動電路、感測光源、感測畫素及處理電路。驅動電路同時提供脈衝信號以及參考脈衝信號。第一時間至數位轉換器依據參考脈衝信號來決定第一深度資料。感測光源依據脈衝信號來發射光脈衝至感測物。感測畫素接收感測物反射的反射光脈衝，並且輸出反射脈衝信號至第二時間至數位轉換器，以使第二時間至數位轉換器依據反射脈衝信號來決定第二深度資料。處理電路將第二深度資料與第一深度資料進行相減，以取得真實深度資料。

Description

飛時測距裝置及飛時測距方法
本發明是有關於一種測距技術，且特別是有關於一種飛時測距裝置及飛時測距方法。
對於一般的飛時測距(Time-of-Flight, ToF)電路而言，飛時測距電路包括時間至數位轉換器(Time-to-Digital Converter, TDC)，並且時間至數位轉換器用於時間至深度資料的轉換。然而，時間至數位轉換器通常在啟動後的一段時間區間內的轉換特徵曲線容易為非線性，並且由於飛時測距的感測期間往往較為短暫，因此時間長度的測量上非常容易受到抖動(jitter)的影響。也就是說，一般的飛時測距電路往往受到非線性轉換特徵曲線與抖動的影響而取得失真的時間至深度資料的轉換結果。有鑑於此，以下將提出幾個實施例的解決方案。
本發明提供一種飛時測距裝置及飛時測距方法，可提供可靠的測距效果。
本發明的飛時測距裝置包括第一時間至數位轉換器、第二時間至數位轉換器、驅動電路、感測光源、感測畫素及處理電路。驅動電路用以同時提供脈衝信號以及參考脈衝信號。驅動電路耦接第一時間至數位轉換器。參考脈衝信號提供至第一時間至數位轉換器，以使第一時間至數位轉換器依據參考脈衝信號來決定第一深度資料。感測光源耦接驅動電路，並且用以依據脈衝信號來發射光脈衝至感測物。感測畫素耦接第二時間至數位轉換器，並且用以接收感測物反射的反射光脈衝，並且輸出反射脈衝信號至第二時間至數位轉換器，以使第二時間至數位轉換器依據反射脈衝信號來決定第二深度資料。處理電路耦接第一時間至數位轉換器以及第二時間至數位轉換器，並且用以將第二深度資料與第一深度資料進行相減，以取得真實深度資料。
本發明的飛時測距方法包括以下步驟：同時提供參考脈衝信號至第一時間至數位轉換器，以及脈衝信號至感測光源；藉由第一時間至數位轉換器依據參考脈衝信號來決定第一深度資料；藉由感測光源依據脈衝信號來發射光脈衝至感測物；藉由感測畫素接收感測物反射的反射光脈衝，並且輸出反射脈衝信號至第二時間至數位轉換器；藉由第二時間至數位轉換器依據反射脈衝信號來決定第二深度資料；以及藉由處理電路將第二深度資料與第一深度資料進行相減，以取得真實深度資料。
基於上述，飛時測距裝置及飛時測距方法可藉由兩個時間至數位轉換器來進行深度資料的校正，以有效取得真實深度資料。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
為了使本發明之內容可以被更容易明瞭，以下特舉實施例做為本發明確實能夠據以實施的範例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件/步驟，係代表相同或類似部件。
圖1是依照本發明的一實施例的一種飛時測距裝置的方塊示意圖。參考圖1，飛時測距裝置100包括驅動電路110、感測光源120、第一時間至數位轉換器130、感測畫素140、第二時間至數位轉換器150以及處理電路160。驅動電路110耦接感測光源120以及第一時間至數位轉換器130。第二時間至數位轉換器150耦接感測畫素140。處理電路160耦接第一時間至數位轉換器130以及第二時間至數位轉換器150。在本實施例中，驅動電路110可同時提供脈衝信號PL至感測光源120以及參考脈衝信號RPL至第一時間至數位轉換器130。第一時間至數位轉換器130可依據參考脈衝信號RPL來決定第一深度資料D1，並且提供第一深度資料D1至處理電路160。感測光源120依據脈衝信號PL來發射光脈衝LP至感測物200。感測畫素140接收感測物200反射的反射光脈衝RLP，並且輸出反射脈衝信號RP至第二時間至數位轉換器150。第二時間至數位轉換器150依據反射脈衝信號RP來決定第二深度資料D2，並且提供第二深度資料D2至處理電路160。在本實施例中，處理電路160可將第二深度資料D2與第一深度資料D1進行相減，以取得真實深度資料。
在本實施例中，感測光源120可例如是脈衝光發射器或雷射二極體（Laser diode），並且感測光源120可例如用以發射紅外光（Infrared Radiation, IR）的光脈衝LP至感測物200。在本實施例中，感測畫素140可例如是互補式金屬氧化物半導體影像感測器（CMOS Image Sensor, CIS），並且感測畫素140可接收或感測感測物200所反射的紅外光的反射光脈衝RLP。另外，值得注意的是，本實施例的第一深度資料D1為一參考資料(或稱校正資料)而非真實的感測結果，並且本實施例的第二深度資料D2係指飛時測距裝置100與感測物200之間的距離的感測結果或感測物200的表面深度資訊。
在本實施例中，驅動電路110可進一步包括時序產生電路(Timing circuit)。時序產生電路可用以提供時序至第一時間至數位轉換器130以及第二時間至數位轉換器150，以使第一時間至數位轉換器130以及第二時間至數位轉換器150可依據時序而被同時啟動。並且，第一時間至數位轉換器130以及第二時間至數位轉換器150會在驅動電路110同時提供脈衝信號PL以及參考脈衝信號RPL之前被啟動。
另外，本實施例的飛時測距裝置100還可包括畫素陣列，並且包括感測畫素140以及暗畫素(Dark pixel)，並且暗畫素耦接第一時間至數位轉換器130。所述暗畫素係指位於畫素陣列中，而不進行感測的畫素元件。換言之，本實施例的飛時測距裝置100可藉由在畫素陣列中的一個或多個暗畫素的區域中所設置的時間至數位轉換器來直接接收驅動電路110參考脈衝信號RPL，而所述一個或多個暗畫素不進行感測，以取得第一深度資料D1。在一實施例中，畫素陣列的多個畫素可分類為多個畫素群組，並且所述多個畫素群組可各別包括感測畫素140以及暗畫素。舉例而言，所述畫素群組可例如是兩兩相鄰的四個畫素，並且其中三個畫素可用於進行測距以取得三筆深度資料，而其中另一個畫素可用於取得第一深度資料D1。第一深度資料D1可用於校正所述三筆深度資料。或者，畫素陣列的其中某一整行或其中某一整列的多個畫素可都作為上述的暗畫素來使用，並且用於校正對應的各行或各列的感測畫素所取得的深度資料。
圖2是依照本發明的一實施例的各種信號及光脈衝的信號時序圖。參考圖1以及圖2，圖2為圖1所示的各種信號及光脈衝的信號時序。首先參考圖2所示的第一時間至數位轉換器130的啟動時序TDC1_EN以及的第二時間至數位轉換器150的啟動時序TDC2_EN，第一時間至數位轉換器130以及第二時間至數位轉換器150在第一時間T1被同時啟動，以開始計數，並且其計數結果如圖2所示的特徵轉換曲線TDC_C。值得注意的是，如圖2所示的特徵轉換曲線TDC_C在啟動初期具有非線性(Non-linear)的曲線變化。接著，驅動電路110可在第二時間T2同時輸出脈衝信號PL以及參考脈衝信號RPL。對此，驅動電路110輸出脈衝信號PL至感測光源120，以使感測光源120依據脈衝信號PL來發射光脈衝LP至感測物200。並且，由於驅動電路110輸出脈衝信號PL與感測光源120發射光脈衝LP的時間差極短，為了方便說明，因此在圖2中視為同時產生。(但在脈衝信號PL與光脈衝LP不同時的情況下，並不影響本發明的操作。)同時，驅動電路110輸出參考脈衝信號RPL至第一時間至數位轉換器130，以使第一時間至數位轉換器130依據第一時間T1以及接收參考脈衝信號RPL的第二時間T2來決定第一深度資料D1。如圖2所示，第一深度資料D1係對應於特徵轉換曲線TDC_C在第一時間T1至第二時間T2之間的可能具有失真的深度資訊。
接著，經由一段期間，光脈衝LP射至感測物200的表面，以使感測畫素140在第三時間T3感測或接收到反射光脈衝RLP。因此，感測畫素140提供反射脈衝信號RP至第二時間至數位轉換器150。對此，由於感測畫素140接收或感測反射光脈衝RLP與感測畫素140輸出反射脈衝信號RP的時間差極短，因此在圖2中視為同時產生。(但在反射光脈衝RPL與反射脈衝信號RP不同時的情況下，並不影響本發明的操作。)第二時間至數位轉換器150依據第一時間T1以及接收反射脈衝信號RP的第三時間T3來決定第二深度資料D2。第二時間T2介於第一時間T1以及第三時間T3之間。如圖2所示，第二深度資料D2係對應於特徵轉換曲線TDC_C在第一時間T1至第三時間T3之間的深度資訊。最後，本實施例的處理電路160可接收第一時間至數位轉換器130與第二時間至數位轉換器150提供的第一深度資料D1以及第二深度資料D2，並且處理電路160將第二深度資料D2與第一深度資料D1進行相減，以取得真實深度資料D3。換言之，本實施例的處理電路160將第二深度資料D2當中可能具有失真的深度資訊的部分扣除後，即可取得對應於特徵轉換曲線TDC_C在第二時間T2至第三時間T3之間的深度資訊。對此，特徵轉換曲線TDC_C在第二時間T2至第三時間T3之間為線性的曲線變化。因此，本實施例的飛時測距裝置100可準確地取得感測物200的深度資訊。
此處須特別注意的是，由於時間至數位轉換器100的啟動時間(第一時間T1)與驅動電路輸出脈衝信號PL的時間(第二時間T2)並不是同時，因此前述的啟動時間(第一時間T1)與輸出脈衝信號PL的時間(第二時間T2)之間的時間長度(T2-T1)會受到抖動(jitter)的影響。換言之，若不搭配如本實施例所述的參考脈衝信號RPL與第二時間至數位轉換器150的架構設計，則每次飛時測距的結果將會受到抖動影響而不同。並且，由於傳統的飛時測距架構無法得知抖動的資訊，因此無法將抖動的影響扣除。對此，由於本實施例搭配了參考脈衝信號RPL與第二時間至數位轉換器150的架構設計，本實施例的飛時測距裝置100便可藉由參考脈衝信號RPL與第二時間至數位轉換器150的輸出結果D1而得到抖動的資訊。並且，由於脈衝信號PL與參考脈衝信號RPL是同時發生，因此本實施例的飛時測距裝置100便可得到脈衝信號PL的抖動資訊，並且可將抖動的影響扣除，以得到真正的深度資訊。也就是說，對於本實施例的飛時測距裝置100而言，在固定場景下，每次飛時測距的結果將會相同，不會受到抖動的影響。
圖3是依照本發明的一實施例的飛時測距方法的流程圖。參考圖1以及圖3，本實施例的飛時測距方法可適用於圖1實施例的飛時測距裝置100。在步驟S310，驅動電路110同時提供參考脈衝信號RPL至第一時間至數位轉換器130，以及脈衝信號PL至感測光源120。在步驟S320，第一時間至數位轉換器130依據參考脈衝信號RPL來決定第一深度資料D1。在步驟S330，感測光源120依據脈衝信號PL來發射光脈衝LP至感測物200。在步驟S340，感測畫素140接收感測物200反射的反射光脈衝RLP，並且輸出反射脈衝信號RP至第二時間至數位轉換器150。在步驟S350，第二時間至數位轉換器150依據反射脈衝信號RP來決定第二深度資料D2。在步驟S360，處理電路160將第二深度資料D2與第一深度資料D1進行相減，以取得真實深度資料。因此，本實施例的飛時測距方法可使飛時測距裝置100可準確地取得感測物200的深度資訊。
然而，關於本實施例的飛時測距裝置100的其他裝置特徵以及實施細節可進一步參考上述圖1及圖2實施例的說明而可獲致足夠的教示、建議以及實施說明，因此在此不再贅述。
綜上所述，本發明的飛時測距裝置以及飛時測距方法，可在測距感測前提前同時啟動第一時間至數位轉換器以及第二時間至數位轉換器，並且藉由第一時間至數位轉換器來提供啟動至開始感測之間的參考資料(或稱校正資料)，以校正由第二時間至數位轉換器所產生的深度資料。因此，第二時間至數位轉換器所產生的深度資料扣除掉在深度資料前段可能具有失真資訊的部分，即可獲得未含有失真或含有低失真的真實深度資料。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100:飛時測距裝置 110:驅動電路 120:感測光源 130:第一時間至數位轉換器 140:感測畫素 150:第二時間至數位轉換器 160:處理電路 200:感測物 D1:第一深度資料 D2:第二深度資料 D3:真實深度資料 RP:反射脈衝信號 RPL:參考脈衝信號 RLP:反射光脈衝 LP:光脈衝 PL:脈衝信號 T1:第一時間 T2:第二時間 T3:第三時間 TDC1_EN、TDC2_EN:啟動時序 S310~S360:步驟
圖1是依照本發明的一實施例的一種飛時測距裝置的方塊示意圖。 圖2是依照本發明的一實施例的各種信號及光脈衝的信號時序圖。 圖3是依照本發明的一實施例的飛時測距方法的流程圖。
100:飛時測距裝置
110:驅動電路
120:感測光源
130:第一時間至數位轉換器
140:感測畫素
150:第二時間至數位轉換器
160:處理電路
200:感測物
D1:第一深度資料
D2:第二深度資料
RP:反射脈衝信號
RPL:參考脈衝信號
RLP:反射光脈衝
LP:光脈衝
PL:脈衝信號

Claims (10)

  1. 一種飛時測距裝置，包括： 一第一時間至數位轉換器； 一第二時間至數位轉換器； 一驅動電路，耦接該第一時間至數位轉換器，並且用以同時提供一脈衝信號以及一參考脈衝信號，其中該參考脈衝信號提供至該第一時間至數位轉換器，以使該第一時間至數位轉換器依據該參考脈衝信號來決定一第一深度資料； 一感測光源，耦接該驅動電路，並且用以依據該脈衝信號來發射一光脈衝至一感測物； 一感測畫素，耦接該第二時間至數位轉換器，並且用以接收該感測物反射的一反射光脈衝，並且輸出一反射脈衝信號至該第二時間至數位轉換器，以使該第二時間至數位轉換器依據該反射脈衝信號來決定一第二深度資料；以及 一處理電路，耦接該第一時間至數位轉換器以及該第二時間至數位轉換器，並且用以將該第二深度資料與該第一深度資料進行相減，以取得一真實深度資料。
  2. 如請求項1所述的飛時測距裝置，其中該第一時間至數位轉換器在一第一時間被啟動，並且依據該第一時間以及接收該參考脈衝信號的一第二時間來決定第一深度資料。
  3. 如請求項2所述的飛時測距裝置，其中該第二時間至數位轉換器在該第一時間被啟動，並且依據該第一時間以及接收該反射脈衝信號的一第三時間來決定該第二深度資料。
  4. 如請求項3所述的飛時測距裝置，其中該第二時間介於該第一時間以及該第三時間之間。
  5. 如請求項1所述的飛時測距裝置，其中該驅動電路包括一時序產生電路，並且該驅動電路還耦接該第二時間至數位轉換器，以分別提供時序至該第一時間至數位轉換器以及該第二時間至數位轉換器，以使該第一時間至數位轉換器以及該第二時間至數位轉換器被同時啟動。
  6. 如請求項1所述的飛時測距裝置，更包括一畫素陣列，其中該畫素陣列包括該感測畫素以及一暗畫素，並且該暗畫素耦接該第一時間至數位轉換器。
  7. 如請求項6所述的飛時測距裝置，其中該畫素陣列包括多個畫素群組，並且該些畫素群組各別包括該感測畫素以及該暗畫素。
  8. 一種飛時測距方法，包括： 同時提供一參考脈衝信號至該第一時間至數位轉換器，以及一脈衝信號至該第二時間至數位轉換器； 藉由該第一時間至數位轉換器依據該參考脈衝信號來決定一第一深度資料； 藉由一感測光源依據該脈衝信號來發射一光脈衝至一感測物； 藉由一感測畫素接收該感測物反射的一反射光脈衝，並且輸出一反射脈衝信號至該第二時間至數位轉換器； 藉由該第二時間至數位轉換器依據該反射脈衝信號來決定一第二深度資料；以及 藉由一處理電路將該第二深度資料與該第一深度資料進行相減，以取得一真實深度資料。
  9. 如請求項8所述的飛時測距方法，其中該第一時間至數位轉換器在一第一時間被致能，並且該第一時間至數位轉換器依據該第一時間以及接收該參考脈衝信號的一第二時間來決定第一深度資料。
  10. 如請求項9所述的飛時測距方法，其中該第二時間至數位轉換器在該第一時間被致能，並且該第二時間至數位轉換器依據該第一時間以及接收該反射脈衝信號的一第三時間來決定該第二深度資料。
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