TWI703341B - 飛行時間測距裝置以及飛行時間測距方法 - Google Patents

Abstract

本發明提出一種飛行時間測距裝置以及飛行時間測距方法。飛行時間測距裝置包括信號處理器、光發射器以及光感測器。光發射器發射具有第一波長的脈衝光至感測目標。光感測器感測感測目標，以輸出第一感測信號以及第二感測信號。第一感測信號包括脈衝信號以及第一背景雜訊信號。第二感測信號包括第二背景雜訊信號。信號處理器對第一感測信號以及第二感測信號執行信號強度相減運算，以取得脈衝信號。信號處理器依據發射脈衝光與感測到脈衝信號之間的時間差，來決定飛行時間測距裝置與感測目標之間的距離。

Description

飛行時間測距裝置以及飛行時間測距方法

本發明是有關於一種測距技術，且特別是有關於一種飛行時間（Time to Flight, ToF）測距裝置以及飛行時間測距方法。

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, IR）技術、超聲波（Ultrasound）測距技術以及雷射光（Laser）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，以下將提出幾個實施例的解決方案。

本發明提供一種飛行時間（Time to Flight, ToF）測距裝置以及飛行時間測距方法，可提供能準確地感測飛行時間測距裝置與感測目標之間的距離的效果。

本發明的飛行時間測距裝置包括信號處理器、光發射器以及光感測器。光發射器耦接信號處理器，並且用以發射具有第一波長的脈衝光至感測目標。光感測器耦接信號處理器。光感測器用以感測感測目標，以輸出第一感測信號以及第二感測信號。第一感測信號包括對應於脈衝光的脈衝信號以及第一背景雜訊信號。第二感測信號包括第二背景雜訊信號。信號處理器對第一感測信號以及第二感測信號執行信號強度相減運算，以取得脈衝信號。信號處理器依據光發射器發射的具有第一波長的脈衝光與光感測器感測到脈衝信號之間的時間差，來決定飛行時間測距裝置與感測目標之間的距離。

本發明的飛行時間測距方法適用於飛行時間測距裝置。所述飛行時間測距方法包括以下步驟：經由光發射器發射具有第一波長的脈衝光至感測目標；藉由光感測器感測感測目標，以輸出第一感測信號以及第二感測信號，其中第一感測信號包括對應於脈衝光的脈衝信號以及第一背景雜訊信號，並且第二感測信號包括第二背景雜訊信號；藉由信號處理器對第一感測信號以及第二感測信號執行信號強度相減運算，以取得脈衝信號；以及藉由信號處理器依據光發射器發射的具有第一波長的脈衝光與光感測器感測到脈衝信號之間的時間差，來決定飛行時間測距裝置與感測目標之間的距離。

基於上述，本發明的飛行時間測距裝置以及飛行時間測距方法，可對感測目標發射具有特定波長的脈衝光，以及透過具有可濾除特定波長以外的光濾波器的像素單元來進行感測，以使感測結果可經由簡單的運算後即可取得準確的距離資訊。

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行時間測距裝置的功能方塊圖。參考圖1，飛行時間測距裝置100包括信號處理器110、光發射器120以及光感測器130。信號處理器（Signal Processor）110耦接光發射器120以及光感測器130。在本實施例中，光發射器120可例如是雷射光發射器或雷射二極體（Laser Diode），但本發明的脈衝光並不限於雷射光的類型。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可發射具有特定波長的脈衝（pulse）光至感測目標200。光感測器130可具有可濾除特定波長以外的光濾波器的像素單元，以接收經由感測目標200反射的具有特定波長的脈衝光。在本實施例中，所述光濾波器為光學鍍膜或光學材料，並且形成在像素單元上。

然而，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可藉由具有不同光濾波器的多個像素單元來分別輸出多個感測結果。在本實施例中，這些像素單元例如是陣列排列在像素基板上，並且具有不同光濾波器的這些像素單元為交錯排列。在本實施例中，信號處理器110將這些感測結果經由運算後可正確地取得對應於脈衝光的信號波形，以便能準確地計算飛行時間測距裝置100與感測目標200之間的距離。舉例而言，信號處理器110可依據脈衝光從被發射到感測到反射的脈衝光的時間來換算脈衝光的光路徑長度，並且光路徑長度的二分之一為飛行時間測距裝置100與感測目標200之間的距離。換言之，本實施例的飛行時間測距裝置100可利用不同的濾波器的多個像素單元的感測結果來區分經由感測目標200反射的具有特定波長的脈衝光以及對應於環境光的背景雜訊，並且可適用於各種信號強度的脈衝光。

圖2是依照本發明的一實施例的一個圖框操作的感測示意圖。參考圖1以及圖2，本實施例以一個圖框操作為例來說明之。光發射器120可發射例如是具有第一波長的脈衝光I1至感測目標200，並且感測目標200反射具有第一波長的脈衝光I1’至具有第一光濾波器的第一像素單元131以及具有第二光濾波器的第二像素單元132。因此，第一像素單元131可依據具有第一波長的脈衝光I1’以及環境光來輸出第一感測信號，其中所述第一感測信號包括對應於脈衝光I1’的脈衝信號以及對應於整體背景雜訊的一部分具有第一波長的第一背景雜訊信號。第二像素單元132可輸出第二感測信號，其中所述第二感測信號包括對應於環境光的整體背景雜訊的另一部分具有第二波長的第二背景雜訊信號。值得注意的是，本實施例的第一光濾波器是用以濾除第一波長以外的光，並且本實施例的第二光濾波器是用以濾除第二波長以外的光。

在本實施例中，第一波長例如是540毫米（mm），並且第二波長例如是550毫米，但本發明並不限於此。也就是說，雖然第一像素單元131以及第二像素單元132分別感測不同波長的光，但由於第一波長以及第二波長可被設計為相當接近，因此對應於第一波長的第一背景雜訊信號的信號強度與對應於第二波長的第二背景雜訊信號的信號強度可同樣視為相近或相同。並且，具有第一光濾波器的第一像素單元131可感測到同樣為第一波長的脈衝光I1’，而具有第二光濾波器的第二像素單元132無法感測到具有第一波長的脈衝光I1’。

換言之，在本實施例中，信號處理器110可將經由不同光濾波器的不同像素單元在一個圖框操作中所取得的第一感測信號以及第二感測信號進行信號強度相減運算，即可取得近似於無背景雜訊的脈衝信號的信號波形。也就是說，本實施例的信號處理器110可依據光發射器120發射具有第一波長的脈衝光與光感測器130感測到脈衝信號之間的時間差，來準確地計算出飛行時間測距裝置100與感測目標200之間的距離。

圖3是依照本發明的一實施例的兩個圖框（frame）操作的感測示意圖。參考圖1以及圖3，本實施例以兩個連續圖框操作為例來說明之。在第一個圖框期間中，光發射器120可先發射例如是具有第一波長的脈衝光I1至感測目標200，並且感測目標200反射具有第一波長的脈衝光I1’至具有第一光濾波器的第一像素單元131以及具有第二光濾波器的第二像素單元132。所述第一光濾波器用以濾除第一波長以外的光，並且所述第二光濾波器用以濾除第二波長以外的光。因此，如同上述一個圖框操作的方式，信號處理器110可將第一像素單元131以及第二像素單元132的感測結果進行信號強度相減運算。因此，在本實施例中，信號處理器110可取得由第一像素單元131提供的近似於無背景雜訊的脈衝信號的信號波形。並且，信號處理器110可依據光發射器120發射的脈衝光的信號波形與由第一像素單元131提供的近似於無背景雜訊的脈衝信號的信號波形之間的時間差，來準確地計算出第一像素單元131與感測目標200之間的距離。

接著，在第二個圖框期間中，光發射器120可接續發射例如是具有第二波長的脈衝光I2至感測目標200，並且感測目標200反射具有第二波長的脈衝光I2’至具有第一光濾波器的第一像素單元131以及具有第二光濾波器的第二像素單元132。所述第一光濾波器用以濾除第一波長以外的光，並且所述第二光濾波器用以濾除第二波長以外的光。因此，如同上述一個圖框操作的方式，信號處理器110可將第一像素單元131以及第二像素單元132的感測結果進行信號強度相減運算。因此，在本實施例中，信號處理器110可取得由第二像素單元132提供的近似於無背景雜訊的脈衝信號的信號波形。並且，信號處理器110可依據光發射器120發射的脈衝光的信號波形與由第二像素單元132提供的近似於無背景雜訊的脈衝信號的信號波形之間的時間差，來準確地計算出第二像素單元132與感測目標200之間的距離。

在本實施例中，信號處理器110可將上述由第一像素單元131提供的距離感測結果以及上述由第二像素單元132提供的距離感測結果進行拼湊，以取得具有較高空間解析度的感測結果。舉例而言，兩個連續圖框操作的距離感測方式可應用於人臉辨識。光感測器130例如具有交錯且陣列排列的多個第一像素單元131以及多個第二像素單元132。當進行人臉辨識時，光感測器130可分由多個第一像素單元131以及多個第二像素單元132在兩個連續圖框操作過程中來分別貢獻距離感測結果，並且經拼湊分由多個第一像素單元131以及多個第二像素單元132提供的多個距離感測結果來對應於人臉影像的每一像素。也就是說，信號處理器110可產生具有高空間解析度的立體感測資訊，以有助於提供良好的人臉辨識結果。

圖4是依照本發明的另一實施例的飛行時間測距裝置的功能方塊圖。圖5是依照本發明的一實施例的信號波形圖。參考圖4以及圖5，飛行時間測距裝置400包括信號處理器410、光發射器420以及光感測器430。信號處理器410包括驅動電路411、比較器電路412以及時間數位轉換器（Time to Digital Converter, TDC）413。光感測器430包括第一像素單元431以及第二像素單元432。比較器電路412耦接第一像素單元431、第二像素單元432以及時間數位轉換器413。驅動電路411耦接時間數位轉換器413以及光發射器420。

在本實施例中，首先，驅動電路411驅動光發射器420以發射具有第一波長的脈衝光I3至感測目標。脈衝光I3可對應如圖5所示的電壓信號Sa。電壓信號Sa包括脈衝信號P。在本實施例中，光感測器430的第一像素單元431具有第一光濾波器，並且第二像素單元432具有第二光濾波器。接著，第一像素單元431可接收第一感測光I4，並且第一感測光I4包括經由感測目標反射的具有第一波長的脈衝光以及對應於環境光的一部分具有第一波長的背景雜訊。第二像素單元432可接收第二感測光I4’，並且第二感測光I4’僅包括對應於環境光的另一部分具有第二波長的背景雜訊。

在本實施例中，第一像素單元431可輸出如圖5所示的電壓信號Sp，並且第二像素單元432可輸出如圖5所示的電壓信號Sb。電壓信號Sp包括對應於環境光的背景雜訊信號BN’以及脈衝信號P’。電壓信號Sb包括對應於環境光的背景雜訊信號BN。背景雜訊信號BN、BN’具有相近或相同的信號強度（可視為相同）。因此，比較器電路412接收電壓信號Sp、Sb，並且可輸出如圖5所示的電壓信號Sr（雜訊信號的部分可大致被扣除）。在本實施例中，時間數位轉換器413可依據電壓信號Sr的脈衝信號P’的上升緣來取得讀出信號。因此，時間數位轉換器413可依據光發射器420發射脈衝光I3的時間（例如電壓信號Sa的脈衝信號P的上升緣）與脈衝信號P’的上升緣所對應的讀出信號的發生時間之間的時間差，來決定飛行時間測距裝置400與感測目標之間的距離。值得注意的是，即使背景雜訊信號BN、BN’具有背景雜訊的信號強度高於脈衝信號P、P’，本實施例的飛行時間測距裝置400仍可有效地進行距離感測，並且可獲得準確的距離感測結果。

圖6是依照本發明的一實施例的飛行時間測距方法的流程圖。參考圖1以及圖6，本實施例的飛行時間測距方法可至少適用於圖1實施例的飛行時間測距裝置100，以使飛行時間測距裝置100執行步驟S610~S640。在步驟S610中，光發射器120發射具有第一波長的脈衝光至感測目標200。在步驟S620中，光感測器130感測感測目標200，以輸出第一感測信號以及第二感測信號。第一感測信號包括對應於脈衝光的脈衝信號以及第一背景雜訊信號，並且第二感測信號包括第二背景雜訊信號。在步驟S630中，信號處理器110對第一感測信號以及第二感測信號執行信號強度相減運算，以取得脈衝信號。在步驟S640中，信號處理器110依據光發射器120發射具有第一波長的脈衝光與光感測器130感測到脈衝信號之間的時間差，來決定飛行時間測距裝置100與感測目標200之間的距離。因此，本實施例的飛行時間測距方法可有效地對感測目標200進行測距操作，並且可取得準確的距離資訊。

另外，關於本實施例的飛行時間測距裝置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5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，本發明的飛行時間測距裝置以及飛行時間測距方法，可藉由對感測目標發射特定波長的脈衝光，以取得具有特定波長的脈衝信號以及第一背景雜訊信號的第一感測信號以及具有相近於特定波長的第二背景雜訊信號的第二感測信號。並且，本發明的飛行時間測距裝置將第一感測信號以及第二感測信號進行信號強度相減運算後，以大致或完全扣除背景雜訊，以使取得具有特定波長的脈衝信號。因此，本發明的飛行時間測距裝置可依據對感測目標發射具有特定波長的脈衝光以及取得具有同樣特定波長的脈衝信號之間的時間差來準確的計算出飛行時間測距裝置與感測目標之間的距離，並且可有效降低背景雜訊的影響，以有效提升測距的精準度。

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、400:飛行時間測距裝置 110、410:信號處理器 120、420:光發射器 130、430:光感測器 131、431:第一像素單元 132、432:第二像素單元 200:感測目標 411:驅動電路 412:比較器電路 413:時間數位轉換器 I1、I1’、I2、I2’、I3、I4、I4’:脈衝光 Sa、Sb、Sp、Sr:電壓信號 P、P’:脈衝信號 BN、BN’:背景雜訊信號 S610~S640:步驟

圖1是依照本發明的一實施例的飛行時間測距裝置的功能方塊圖。 圖2是依照本發明的一實施例的一個圖框操作的感測示意圖。 圖3是依照本發明的一實施例的兩個圖框操作的感測示意圖。 圖4是依照本發明的另一實施例的飛行時間測距裝置的功能方塊圖。 圖5是依照本發明的一實施例的信號波形圖。 圖6是依照本發明的一實施例的飛行時間測距方法的流程圖。

100:飛行時間測距裝置

110:信號處理器

120:光發射器

130:光感測器

200:感測目標

Claims (10)

1. 一種飛行時間測距裝置，包括： 一信號處理器； 一光發射器，耦接該信號處理器，並且用以發射具有一第一波長的一脈衝光至一感測目標；以及 一光感測器，耦接該信號處理器，並且用以感測該感測目標，以輸出一第一感測信號以及一第二感測信號， 其中該第一感測信號包括對應於該脈衝光的一脈衝信號以及一第一背景雜訊信號，並且該第二感測信號包括一第二背景雜訊信號， 其中該信號處理器對該第一感測信號以及該第二感測信號執行一信號強度相減運算，以取得該脈衝信號，並且該信號處理器依據該光發射器發射具有該第一波長的該脈衝光與該光感測器感測到該脈衝信號之間的一時間差，來決定該飛行時間測距裝置與該感測目標之間的一距離。
2. 如申請專利範圍第1項的飛行時間測距裝置，其中該光感測器的具有一第一光濾波器的一第一像素單元感測該感測目標反射具有該第一波長的該脈衝光以及一環境光，以輸出該第一感測信號，並且該光感測器的具有一第二光濾波器的一第二像素單元感測該環境光，以輸出該第二感測信號， 其中該第一光濾波器用以濾除該第一波長以外的光，並且該第二光濾波器用以濾除一第二波長以外的光。
3. 如申請專利範圍第2項的飛行時間測距裝置，其中該第一背景雜訊信號具有該第一波長，並且該第二背景雜訊信號具有該第二波長。
4. 如申請專利範圍第2項的飛行時間測距裝置，其中該第一光濾波器以及該第二光濾波器分別為一光學鍍膜或一光學材料，並且分別形成在該第一像素單元以及該第二像素單元上。
5. 如申請專利範圍第1項的飛行時間測距裝置，其中該信號處理器依據該脈衝信號的一上升緣來取得一讀出信號，並且該信號處理器依據該光發射器發射具有該第一波長的該脈衝光與該信號處理器取得該讀出信號之間的該時間差，來決定該飛行時間測距裝置與該感測目標之間的該距離。
6. 一種飛行時間測距方法，適用於一飛行時間測距裝置，包括： 經由一光發射器發射具有一第一波長的一脈衝光至一感測目標； 藉由一光感測器感測該感測目標，以輸出一第一感測信號以及一第二感測信號，其中該第一感測信號包括對應於該脈衝光的一脈衝信號以及一第一背景雜訊信號，並且該第二感測信號包括一第二背景雜訊信號； 藉由一信號處理器對該第一感測信號以及該第二感測信號執行一信號強度相減運算，以取得該脈衝信號；以及 藉由該信號處理器依據該光發射器發射具有該第一波長的該脈衝光與該光感測器感測到該脈衝信號之間的一時間差，來決定該飛行時間測距裝置與該感測目標之間的一距離。
7. 如申請專利範圍第6項所述的飛行時間測距方法，其中藉由該光感測器感測該感測目標的步驟包括： 藉由該光感測器的具有一第一光濾波器的一第一像素單元感測該感測目標反射具有該第一波長的該脈衝光以及一環境光，以輸出該第一感測信號；以及 藉由該光感測器的具有一第二光濾波器的一第二像素單元感測該環境光，以輸出該第二感測信號 ，其中該第一光濾波器用以濾除該第一波長以外的光，並且該第二光濾波器用以濾除一第二波長以外的光。
8. 如申請專利範圍第7項所述的飛行時間測距方法，其中該第一背景雜訊信號對應於該環境光並且具有該第一波長，並且該第二背景雜訊信號對應於該環境光並且具有該第二波長。
9. 如申請專利範圍第7項所述的飛行時間測距方法，其中該第一光濾波器以及該第二光濾波器分別為一光學鍍膜或一光學材料，並且分別形成在該第一像素單元以及該第二像素單元上。
10. 如申請專利範圍第6項的飛行時間測距方法，其中決定該飛行時間測距裝置與該感測目標之間的該距離的步驟包括： 藉由該信號處理器依據該脈衝信號的一上升緣來取得一讀出信號；以及 藉由該信號處理器依據該光發射器發射具有該第一波長的該脈衝光與該信號處理器取得該讀出信號之間的該時間差，來決定該飛行時間測距裝置與該感測目標之間的該距離。

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