TWI696842B - 飛時測距感測器以及飛時測距方法 - Google Patents

飛時測距感測器以及飛時測距方法 Download PDF

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Abstract

本發明提出一種飛時測距感測器以及飛時測距方法。飛時測距感測器包括信號處理電路、光發射器及光感測器。光發射器發射脈衝光至感測目標。光感測器感測經由感測目標反射的脈衝光。在感測期間中，光感測器的第一像素單元操作在感測狀態，以接收脈衝光，並輸出感測信號至信號處理電路。在感測期間中，光感測器的第二像素單元操作在重置狀態，以輸出重置信號至信號處理電路。信號處理電路比較感測信號以及重置信號，以取得脈衝信號，並依據光發射器發射脈衝光與信號處理電路讀出脈衝信號的時間差，來決定飛時測距感測器與感測目標之間的距離。

Description

飛時測距感測器以及飛時測距方法
本發明是有關於一種感測器，且特別是有關於一種飛時（Time to Flight, ToF）測距感測器以及飛時測距方法。
隨著測距技術的演進，各種測距技術不斷地被發展出來，並且被廣泛地應用於例如車距偵測、人臉辨識以及各種物聯網（Internet of Things, IoT）設備。常見的測距技術例如是紅外線測距（Infrared Radiation, IR）技術、超聲波（Ultrasound）測距技術以及脈衝光（Intense Pulsed Light, IPL）測距技術。然而，隨著測距的精準度要求越來越高，採用飛行時間（Time to Flight, ToF）量測方法的脈衝光測距技術是目前本領域主要的研究方向之一。對此，如何提升飛行時間測距的精準度，特別是在近場（near field）應用中，以下將提出幾個實施例的解決方案。
本發明提供一種飛時（Time to Flight, ToF）測距感測器以及飛時測距方法，可提供能準確地感測飛時測距感測器與感測目標之間的距離的效果。
本發明的飛時測距感測器包括信號處理電路、光發射器以及光感測器。光發射器耦接信號處理電路。光發射器用以發射脈衝光至感測目標。光感測器耦接信號處理電路。光感測器用以感測經由感測目標反射的脈衝光。在感測期間中，光感測器的第一像素單元操作在感測狀態，以接收脈衝光，並且輸出感測信號至信號處理電路。在感測期間中，光感測器的第二像素單元操作在重置狀態，以輸出重置信號至信號處理電路。信號處理電路比較感測信號以及重置信號，以取得脈衝信號。信號處理電路依據光發射器發射脈衝光與信號處理電路讀出脈衝信號的時間差，來決定飛時測距感測器與感測目標之間的距離。
本發明的飛時測距方法包括以下步驟：在感測期間中，藉由光發射器發射脈衝光至感測目標；在感測期間中，藉由光感測器的第一像素單元操作在感測狀態，以接收脈衝光，並且輸出感測信號；在感測期間中，藉由光感測器的第二像素單元操作在重置狀態，以輸出重置信號；藉由信號處理電路比較感測信號以及重置信號，以取得脈衝信號；以及藉由信號處理電路依據光發射器發射脈衝光與信號處理電路讀出脈衝信號的時間差，來決定飛時測距感測器與感測目標之間的距離。
基於上述，本發明的飛時測距感測器以及飛時測距方法可有效地取得無背景雜訊干擾的脈衝信號，以正確地計算出飛時測距感測器與感測目標之間的距離。
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飛時測距感測器的方塊示意圖。參考圖1，飛時測距感測器100包括信號處理電路110（Signal Processor）、光發射器120以及光感測器130。信號處理電路110耦接光發射器120以及光感測器130。信號處理電路110可包括數位電路及類比電路，本發明並不加以限制。在本實施例中，光發射器120可例如是脈衝光發射器或雷射二極體（Laser Diode），並且光感測器130可例如是互補式金屬氧化物半導體影像感測器（CMOS Image Sensor, CIS）。光發射器120用以發射出紅外光（Infrared Radiation, IR）的光脈衝。具體而言，信號處理電路110驅動光發射器120以及光感測器130，以使光發射器120發射脈衝光P L（脈衝信號）至感測目標200，並且光感測器130感測經由感測目標200反射的脈衝光P R（脈衝信號）。
需說明的是，本實施例的飛時測距感測器100適用於近場（near field）應用。換言之，本實施例的飛時測距感測器100的反應時間（response time）介於1奈秒（ns）至20奈秒之間，或者飛時測距感測器100的感測距離介於15公分（cm）至300公分之間。在本實施例中，由於光感測器130在感測過程中，將同時感測到背景雜訊，因此本實施例的光感測器130將藉由兩種操作在不同狀態下的像素單元來進行測距，以消除在近場應用中的背景雜訊的影響。
詳細而言，光感測器130的第一像素單元可操作在感測狀態，以接收脈衝光P R，並且輸出感測信號至信號處理電路110。同時，光感測器130的第二像素單元可操作在重置狀態，以輸出重置信號至信號處理電路110。對此，由於在近場應用中，背景雜訊的信號波形類似於操作在重置狀態的第二像素單元所提供的重置信號波形，本實施例的信號處理電路110可藉由比較感測信號以及重置信號，來有效地取得正確的脈衝信號。因此，本實施例的信號處理電路110可依據光發射器120發射脈衝光P L與光感測器130輸出脈衝信號的時間差，來決定飛時測距感測器100與感測目標200之間的距離。
圖2是依照本發明的一實施例的比較器的電路示意圖。參考圖2，上述圖1實施例的信號處理電路110可包括如圖2的比較器240。在本實施例中，比較器240的第一輸入端241耦接光感測器的第一像素單元231。比較器240的第二輸入端242耦接光感測器的第二像素單元232。具體而言，在感測（測距）期間中，第一像素單元231可操作在感測狀態，以接收脈衝光，並且輸出感測信號至比較器240的第一輸入端241。同時，第二像素單元232可操作在重置狀態，以輸出重置信號至比較器240的第二輸入端242。在本實施例中，比較器240依據感測信號以及重置信號來經由輸出端243輸出脈衝信號。
圖3是依照本發明的一實施例的第一像素單元以及第二像素單元的電路示意圖。參考圖3，第一像素單元331包括第一光電二極體3311、第一像素開關3312、第一重置開關3313以及讀出電路3314。在本實施例中，第一像素開關3312的第一端耦接第一光電二極體3311的第一端，並且第一像素開關3312的第二端耦接第一重置開關3313。第一重置開關3313的第一端耦接電壓VDD，並且第一重置開關3313的第二端耦接第一像素開關3312的第二端。在本實施例中，讀出電路3314耦接第一像素開關3312的第二端。並且，讀出電路3314還耦接如上述圖2實施例的比較器240的第一輸入端241，以提供感測信號Vpix1至比較器240的第一輸入端241。
第二像素單元332包括第二光電二極體3321、第二像素開關3322、第二重置開關3323以及讀出電路3324。在本實施例中，第二像素開關3322的第一端耦接第二光電二極體3321的第一端，並且第二像素開關3322的第二端耦接第二重置開關3323。第二重置開關3323的第一端耦接電壓VDD，並且第二重置開關3323的第二端耦接第二像素開關3322的第二端。在本實施例中，讀出電路3324耦接第二像素開關3322的第二端。並且，讀出電路3324還耦接如上述圖2實施例的比較器240的第二輸入端242，以提供重置信號Vpix2至比較器240的第二輸入端242。然而，關於第一像素單元331以及第二像素單元332的操作以及信號波形，以下搭配圖4來說明之。
圖4是依照本發明的圖3實施例的各種信號波形的時序圖。參考圖3以及圖4，具體而言，在進行感測（測距）前，第一像素單元331的第一重置開關3313接收如圖4的重置電壓Vrst1，並且第一像素開關3312接收如圖4的控制電壓Vtx1，以使第一光電二極體3311重置，並且讀出電路3314可讀出如圖4的感測信號Vpix1。控制電壓Vtx1維持高電壓位準，以持續導通第一像素開關3312。換言之，第一光電二極體3311經重置後，感測信號Vpix1將上升至較高的電壓位準，並且感測信號Vpix1包括背景雜訊信號。接著，光發射器來發射脈衝光P L至感測目標。當第一光電二極體3311接收到感測目標反射的脈衝光P R後，第一光電二極體3311產生相應的電流（電子），以使感測信號Vpix1的波形將對應地變化。
相對地，在進行感測（測距）前，第二像素單元332的第二重置開關3323接收如圖4的重置電壓Vrst2，並且第二像素開關3322接收如圖4的控制電壓Vtx2，以使第二光電二極體3321持續維持在重置狀態，並且讀出電路3324可讀出如圖4的重置信號Vpix2。控制電壓Vtx2維持高電壓位準，以持續導通第二像素開關3322。換言之，第二光電二極體3321經由持續重置，重置信號Vpix2將持續為較高的電壓位準。並且，當第二光電二極體3321接收到感測目標反射的脈衝光P R時，第二光電二極體3321產生相應的電流（電子）將從第二重置開關3323放電，以使重置信號Vpix2的波形不會對應地變化。
值得注意的是，由於本實施例適用在近場應用，因此重置信號Vpix2的信號波形的微小波動可近似於感測信號Vpix1中的背景雜訊的信號波動。因此，本實施例的第一像素單元331以及第二像素單元332輸出的感測信號Vpix1以及重置信號Vpix2經由比較器比較後，比較器可輸出如圖4的比較信號Vcomp_out。對此，比較信號Vcomp_out在相應於脈衝光P R的上升緣將產生對應的信號變化。此外，在一實施例中，信號處理電路還可先將重置信號Vpix2偏移一個固定的電壓位準再進行信號比較，以避免因背景雜訊以及重置信號的信號波形的微小波動差異而使比較器輸出的比較信號Vcomp_out產生不必要的信號變化。對此，應用有本實施例的第一像素單元331以及第二像素單元332的信號處理電路將可有效且正確地判斷光發射器發射脈衝光P L與信號處理電路讀出脈衝信號P R的時間差T，以經由直接飛行時間法（Direct Time-of-Flight, D-ToF），來有效且正確地計算飛時測距感測器與感測目標之間的距離。在本實施例中，信號處理電路可例如計算時間差T乘以光速（C）再除以2（距離＝（T×C）/2）。
圖5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5，本實施例的飛時測距方法可至少適用於圖1實施例的飛時測距方法。在步驟S510中，在感測（測距）期間中，光發射器120發射脈衝光P L至感測目標200。在步驟S520中，在感測期間中，光感測器130的第一像素單元操作在感測狀態，以接收脈衝光P R，並且輸出感測信號。在步驟S530中，在感測期間中，光感測器130的第二像素單元操作在重置狀態，以輸出重置信號。步驟S510~S530可同時或在同一期間中執行。在步驟S540中，信號處理電路110比較感測信號以及重置信號，以取得脈衝信號。在步驟S550中，信號處理電路110依據光發射器120發射脈衝光P L與信號處理電路110讀出脈衝信號的時間差，來正確地計算飛時測距感測器100與感測目標200之間的距離。
另外，關於本實施例的飛時測距感測器100的其他電路特徵、實施手段以及技術細節可參考上述圖1至圖4的實施例而獲致足夠的教示、建議以及實施說明，因此不再贅述。
綜上所述，本發明的飛時測距感測器以及飛時測距方法適用於近場應用，並且可藉由在光感測器中操作在感測狀態的第一像素單元以及操作在重置狀態的第二像素單元來分別提供感測信號以及重置信號，以依據感測信號以及重置信號來有效地讀出無背景雜訊干擾的脈衝信號。因此，本發明的飛時測距感測器可依據無背景雜訊干擾的脈衝信號來準確地計算出飛行時間測距裝置與感測目標之間的距離。
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：飛時測距感測器 110：信號處理電路 120：光發射器 130：光感測器 200：感測目標 231、331：第一像素單元 232、332：第二像素單元 240：比較器 241：第一輸入端 242：第二輸入端 243：輸出端 3311、3321：第一光電二極體 3312、3322：第一像素開關 3313、3323：第一重置開關 3314、3324：讀出電路 VDD：電壓 Vpix1：感測信號 Vpix2：重置信號 Vrst1、Vrst2：重置電壓 Vtx1、Vtx2：控制電壓 Vcomp_out：比較信號 P L、P R：脈衝光 S510~S550：步驟
圖1是依照本發明的一實施例的飛時測距感測器的方塊示意圖。 圖2是依照本發明的一實施例的比較器的電路示意圖。 圖3是依照本發明的一實施例的第一像素單元以及第二像素單元的電路示意圖。 圖4是依照本發明的圖3實施例的各種信號波形的時序圖。 圖5是依照本發明的一實施例的飛時測距方法的流程圖。
100：飛時測距感測器 110：信號處理電路 120：光發射器 130：光感測器 200：感測目標 P L、P R：脈衝光

Claims (16)

  1. 一種飛時測距感測器，包括： 一信號處理電路； 一光發射器，耦接該信號處理電路，並且用以發射一脈衝光至一感測目標；以及 一光感測器，耦接該信號處理電路，並且用以感測經由該感測目標反射的該脈衝光， 在一感測期間中，該光感測器的一第一像素單元操作在一感測狀態，以接收該脈衝光，並且輸出一感測信號至該信號處理電路， 在該感測期間中，該光感測器的一第二像素單元操作在一重置狀態，以輸出一重置信號至該信號處理電路， 其中該信號處理電路比較該感測信號以及該重置信號，以取得一脈衝信號，並且該信號處理電路依據該光發射器發射該脈衝光與該信號處理電路讀出該脈衝信號的一時間差，來決定該飛時測距感測器與該感測目標之間的一距離。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的飛時測距感測器，其中該信號處理電路將該重置信號偏移一電壓位準，並且比較該感測信號以及偏移後的該重置信號，以取得該脈衝信號。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的飛時測距感測器，其中該感測信號包括一背景雜訊信號。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的飛時測距感測器，其中該信號處理電路包括一比較器，其中該比較器的一第一輸入端耦接該第一像素單元，並且用以接收該感測信號，其中該比較器的一第二輸入端耦接該第二像素單元，並且用以接收該重置信號，其中該比較器依據該感測信號以及該重置信號來經由一輸出端輸出該脈衝信號。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的飛時測距感測器，其中該第一像素單元包括： 一第一光電二極體； 一第一像素開關，具有一第一端以及一第二端，並且該第一端耦接該第一光電二極體的一第一端； 一第一重置開關，耦接該第一像素開關的該第二端；以及 一第一讀出電路，耦接該第一像素開關的該第二端以及該比較器的該第一輸入端， 其中在該感測期間中，該第一重置開關為持續斷開，以使該第一光電二極體持續輸出該感測信號至該比較器的該第一輸入端，並且當該第一光電二極體接收到該經由該感測目標反射的該脈衝光時，該第一光電二極體輸出的該感測信號的信號波形對應於該脈衝信號產生變化。
  6. 如申請專利範圍第4項所述的飛時測距感測器，其中該第二像素單元包括： 一第二光電二極體； 一第二像素開關，具有一第一端以及一第二端，並且該第一端耦接該第二光電二極體的一第一端； 一第二重置開關，耦接該第二像素開關的該第二端；以及 一第二讀出電路，耦接該第二像素開關的該第二端以及該比較器的該第二輸入端， 其中在該感測期間中，該第二重置開關為持續導通，以使該第二光電二極體持續輸出該重置信號至該比較器的該第二輸入端。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的飛時測距感測器，其中該飛時測距感測器的一反應時間介於1奈秒至20奈秒之間。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的飛時測距感測器，其中該飛時測距感測器的一感測距離介於15公分至300公分之間。
  9. 一種飛時測距方法，包括： 在一感測期間中，藉由一光發射器發射一脈衝光至一感測目標； 在該感測期間中，藉由一光感測器的一第一像素單元操作在一感測狀態，以接收該脈衝光，並且輸出一感測信號； 在該感測期間中，藉由該光感測器的一第二像素單元操作在一重置狀態，以輸出一重置信號； 藉由該信號處理電路比較該感測信號以及該重置信號，以取得一脈衝信號；以及 藉由該信號處理電路依據該光發射器發射該脈衝光與該信號處理電路讀出該脈衝信號的一時間差，來決定該飛時測距感測器與該感測目標之間的一距離。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的飛時測距方法，其中藉由該信號處理電路比較該感測信號以及該重置信號，以取得該脈衝信號的步驟包括： 藉由該信號處理電路將該重置信號偏移一電壓位準；以及 藉由該信號處理電路比較該感測信號以及偏移後的該重置信號，以取得該脈衝信號。
  11. 如申請專利範圍第9項所述的飛時測距方法，其中該感測信號包括一背景雜訊信號。
  12. 如申請專利範圍第9項所述的飛時測距方法，其中藉由該信號處理電路比較該感測信號以及該重置信號，以取得該脈衝信號的步驟包括： 藉由該信號處理電路的一比較器的一第一輸入端接收該感測信號； 藉由該比較器的一第二輸入端接收該重置信號；以及 藉由該比較器依據該感測信號以及該重置信號來經由一輸出端輸出該脈衝信號。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的飛時測距方法，其中該第一像素單元包括： 一第一光電二極體； 一第一像素開關，具有一第一端以及一第二端，並且該第一端耦接該第一光電二極體的一第一端； 一第一重置開關，耦接該第一像素開關的該第二端；以及 一第一讀出電路，耦接該第一像素開關的該第二端以及該比較器的該第一輸入端， 其中在該感測期間中，藉由該光感測器的該第一像素單元操作在該感測狀態，以接收該脈衝光，並且輸出該感測信號的步驟包括： 在該感測期間中，將該第一重置開關為持續斷開，以藉由該第一光電二極體持續輸出該感測信號至該比較器的該第一輸入端，並且當該第一光電二極體接收到該經由該感測目標反射的該脈衝光時，藉由該第一光電二極體輸出的該感測信號的信號波形對應於該脈衝信號產生變化。
  14. 如申請專利範圍第12項所述的飛時測距方法，其中該第二像素單元包括： 一第二光電二極體； 一第二像素開關，具有一第一端以及一第二端，並且該第一端耦接該第二光電二極體的一第一端； 一第二重置開關，耦接該第二像素開關的該第二端；以及 一第二讀出電路，耦接該第二像素開關的該第二端以及該比較器的該第二輸入端， 其中在該感測期間中，藉由該光感測器的該第二像素單元操作在該重置狀態，以輸出該重置信號的步驟包括： 在該感測期間中，將該第二重置開關為持續導通，以藉由該第二光電二極體持續輸出該重置信號至該比較器的該第二輸入端。
  15. 如申請專利範圍第9項所述的飛時測距方法，其中該飛時測距感測器的一反應時間介於1奈秒至20奈秒之間。
  16. 如申請專利範圍第9項所述的飛時測距方法，其中該飛時測距感測器的一感測距離介於15公分至300公分之間。
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