WO2022011974A1 - 一种距离测量系统、方法及计算机可读存储介质 - Google Patents

一种距离测量系统、方法及计算机可读存储介质 Download PDF

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WO2022011974A1
WO2022011974A1 PCT/CN2020/138448 CN2020138448W WO2022011974A1 WO 2022011974 A1 WO2022011974 A1 WO 2022011974A1 CN 2020138448 W CN2020138448 W CN 2020138448W WO 2022011974 A1 WO2022011974 A1 WO 2022011974A1
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time
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李国花
胡小龙
朱亮
闫敏
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深圳奥锐达科技有限公司
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/08—Systems determining position data of a target for measuring distance only
    • G01S17/10—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse-modulated waves

Definitions

  • the distance of the target can be measured, and based on the distance of the target, a depth image containing the depth value of the target can be further obtained.
  • Distance measurement systems based on time-of-flight technology have been widely used in consumer electronics, unmanned aerial vehicles, virtual reality, augmented reality and other fields.
  • the distance measurement system based on time-of-flight technology usually includes an emitter and a collector.
  • the emitter is used to emit a pulsed beam to illuminate the target and the collector is used to receive the pulsed beam reflected by the target.
  • the distance to the distance measuring system can be divided into coaxial and off-axis systems.
  • the pulse beam emitted by the transmitter will be collected by the corresponding pixels in the collector after being reflected by the target, and the distance of the target will not affect the accuracy of the measurement results;
  • the position of the pulsed beam reflected from the targets at distance and close range will change on the collector, causing errors in the measurement results.
  • the embodiments of the present application provide a distance measurement system, method, and computer-readable storage medium, so as to solve the problem that the accuracy of the measurement result of the existing off-axis distance measurement system will be affected by the distance of the target. error problem.
  • a control and processing circuit is respectively connected with the transmitter and the collector, and the control and processing circuit is used for calculating the flight time of the pulsed beam according to the photon signal.
  • the turn-on time of the TDC circuit connected to the sub-pixel block with a large measurement distance lags the turn-on time of the TDC circuit connected to the sub-pixel block with a small measurement distance.
  • the preset direction is the vertical direction
  • the first distance is greater than or equal to the diameter of the light source
  • the second distance is greater than or equal to the light source array included in the emitter The product of the total number of and the first distance.
  • the transmitter includes:
  • a driver connected with the light source unit, is used to control the light source unit to emit a pulse beam to the target at a preset frequency or a preset pulse period, the preset frequency and the preset pulse period are based on the distance measurement system. Range setting.
  • the distance measurement system further comprises a memory connected to the driver, the memory is used for storing the pulse coding program;
  • the driver is further configured to use the pulse coding program to control the excitation time and the emission frequency of the pulsed light beam emitted by the light source unit.
  • a second aspect of the embodiments of the present application provides a distance measurement method, including:
  • each sub-pixel block of the collector controls each sub-pixel block of the collector to collect photons in the pulsed beam reflected by the target located within its ranging range and output photon signals, the collector includes at least one pixel block, and each pixel block includes a size increasing or at least two sub-pixel blocks arranged in descending order, the size of each sub-pixel block is negatively correlated with the measurement distance;
  • All the time codes are stored and a histogram is generated from the time codes stored in at least one cycle of the pulsed beam, the time of flight of the pulsed beam is determined based on the histogram, the histogram is used to characterize the reflection of the target The waveform of the pulsed beam.
  • FIG. 1 is a first structural schematic diagram of a distance measurement system provided by an embodiment of the present application.
  • an embodiment of the present application provides a distance measurement system 100, including:
  • the distance measurement system can be divided into coaxial system and off-axis system according to the different setting methods between the transmitter and the collector.
  • the beam emitted by the transmitter will be collected by the corresponding pixels in the collector after being reflected by the target.
  • the distance between the target and the distance measurement system will not affect the position of the pulse beam reflected by the target falling on the collector.
  • the pulse beams reflected by targets at different distances fall on the collector at different positions.
  • the spot size of the pulse beam falling on the collector, the pulse beam reflected by the short-range target is affected by the parallax of the system, and the spot shift is large.
  • the size of the sub-pixel block is positively related to the number of pixels it contains, that is, the larger the size of the sub-pixel block, the more pixels it contains.
  • the collector includes at least two pixel blocks, the structure of each pixel block is the same, and the size of the sub-pixel block is negatively correlated with the measurement distance, that is, the larger the size of the sub-pixel block, the smaller the measurement distance.
  • the number, size and measurement distance of sub-pixel blocks in each pixel block can be set according to the ranging range of the distance measurement system. The greater the number of sub-pixel blocks, the higher the measurement accuracy of the distance measurement system.
  • the ranging range includes an upper limit value and a lower limit value
  • the measurement distance can be the upper limit value, the lower limit value or the average value of the upper limit value and the lower limit value of the ranging range.
  • the ranging range of the distance measurement system is 0.3m (meters) to 100m
  • the two sub-pixel blocks are arranged in the order of increasing size, then the two sub-pixel blocks are
  • the ranging range of the two sub-pixel blocks can be 3m ⁇ 100m and 0.3m ⁇ 3m respectively.
  • the ranging ranges of the two sub-pixel blocks can be 0.3m ⁇ 3m and 3m ⁇ 100m respectively;
  • the ranging ranges of the three sub-pixel blocks can be 10m ⁇ 100m, 3m ⁇ 10m and 0.3m respectively.
  • the ranging ranges of the three sub-pixel blocks may be 0.3m-3m, 3m-10m and 10m-100m respectively.
  • the collector includes a pixel unit, the pixel unit includes at least one pixel block, and each pixel block includes at least two sub-pixel blocks.
  • the pixel unit is a pixel array composed of multiple single-photon avalanche photodiodes (SPADs).
  • the single-photon avalanche photodiodes can respond to an incident single photon and output an indication of the time when the photon arrives at the single-photon avalanche photodiode.
  • the acquisition of weak light signals and the calculation of time-of-flight are realized by using methods such as Time-Correlated Single Photon Counting (TCSPC).

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Abstract

一种距离测量系统（100）、方法及计算机可读存储介质，适用于飞行时间技术领域。通过发射器（1）向目标（200）发射脉冲光束（300）；通过使采集器（2）包括至少一个像素块（20），每个像素块（20）包括按照尺寸递增或递减的顺序依次排列的的至少两个子像素块（211、212、…、21m），每个子像素块（211、212、…、21m）的尺寸和测量距离负相关，使每个子像素块（211、212、…、21m）采集位于其测距范围内的目标（200）反射的脉冲光束（400）中的光子并输出光子信号；通过控制和处理电路（3）分别与发射器（1）和采集器（2）连接并根据光子信号计算脉冲光束的飞行时间，可以实现对位于至少两个测量距离处的不同目标与距离测量系统之间的距离的精确测量，有效降低测量误差。

Description

一种距离测量系统、方法及计算机可读存储介质 技术领域
本申请属于飞行时间(Time Of Flight，TOF)技术领域，尤其涉及一种距离测量系统、方法及计算机可读存储介质。
背景技术
利用飞行时间技术可以测量目标的距离，基于目标的距离可以进一步获取包含目标的深度值的深度图像。基于飞行时间技术的距离测量系统已被广泛应用于消费电子、无人架驶、虚拟现实、增强现实等领域。基于飞行时间技术的距离测量系统通常包括发射器和采集器，利用发射器发射脉冲光束照射目标并利用采集器接收目标反射的脉冲光束，通过计算脉冲光束由被发射到被接收的时间来计算目标与距离测量系统之间的距离。根据发射器和采集器设置方式的不同，距离测量系统可以分成共轴系统和离轴系统。对于共轴系统，发射器发出的脉冲光束经过目标反射后将由采集器中对应的像素采集，目标的距离远近不会对测量结果的准确性造成影响；对于离轴系统，由于视差的存在，远距离和近距离的目标反射的脉冲光束落在采集器上的位置会发生变化，从而导致测量结果出现误差。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例提供了一种距离测量系统、方法及计算机可读存储介质，以解决现有的离轴距离测量系统的测量结果的准确性会受到目标的距离远近的影响而出现误差的问题。
本申请实施例的第一方面提供了一种距离测量系统，包括：
发射器，用于向目标发射脉冲光束；
采集器，包括至少一个像素块，每个所述像素块包括按照尺寸递增或递减的顺序依次排列的至少两个子像素块，每个所述子像素块的尺寸和测量距离负相关，每个所述子像素块用于采集位于其测距范围内的目标反射的脉冲光束中的光子并输出光子信号；
控制和处理电路，分别与所述发射器和所述采集器连接，所述控制和处理电路用于根据所述光子信号计算所述脉冲光束的飞行时间。
在一个实施例中，所述控制和处理电路包括与所有所述子像素块的数量相等的TDC电路，每个所述TDC电路与一个所述子像素块连接，每个所述TDC电路的时间宽度与其连接的子像素块的测量距离正相关，每个所述TDC电路的时间分辨率与其连接的子像素块的测量距离负相关。
在一个实施例中，与一个所述像素块连接的所有TDC电路中，测量距离大的子像素块连接的TDC电路的开启时间滞后于测量距离小的子像素块连接的TDC电路的开启时间。
在一个实施例中，尺寸大于预设尺寸阈值的子像素块包括未设置像素的空白区域，所述空白区域设置于其所在的子像素块的非边缘区域或与其他子像素块相邻的区域。
在一个实施例中，所述发射器包括在预设方向上依次偏移第一距离的至少两个光源列，每个所述光源列包括在预设方向上依次排列的至少两个光源，每个所述光源列中相邻的两个光源在预设方向上的距离大于或等于第二距离；
所述采集器包括在预设方向上依次偏移第一距离的至少两个像素列，每个所述像素列包括在预设方向上依次排列的至少两个像素块，每个所述像素列中相邻的两个像素块在预设方向上的距离大于或等于第二距离；
其中，所述距离测量系统放置于水平面时所述预设方向为垂直方向，所述第一距离大于或等于所述光源的直径，所述第二距离大于或等于所述发射器包括的光源列的总数量与所述第一距离的乘积。
在一个实施例中，所述发射器包括：
光源单元，包括至少一个光源；
驱动器，与所述光源单元连接，用于控制所述光源单元以预设频率或预设脉冲周期向目标发射脉冲光束，所述预设频率和所述预设脉冲周期根据所述距离测量系统的测距范围设定。
在一个实施例中，所述距离测量系统还包括存储器，与所述驱动器连接，所述存储器用于存储脉冲编码程序；
所述驱动器还用于利用所述脉冲编码程序控制所述光源单元发射脉冲光束的激发时间和发射频率。
本申请实施例的第二方面提供一种距离测量方法，包括：
控制发射器向目标发射脉冲光束；
控制采集器的每个子像素块采集位于其测距范围内的目标反射的脉冲光束中的光子并输出光子信号，所述采集器包括至少一个像素块，每个所述像素块包括按照尺寸递增或递减的顺序依次排列的的至少两个子像素块，每个所述子像素块的尺寸和测量距离负相关；
根据所述光子信号计算所述脉冲光束的飞行时间。
在一个实施例中，所述根据所述光子信号计算所述脉冲光束的飞行时间，包括：
分别根据每个所述子像素块输出的光子信号计算飞行时间并转换为时间码；
保存所有所述时间码并根据在所述脉冲光束的至少一个周期内保存的时间码生成直方图，基于所述直方图确定所述脉冲光束的飞行时间，所述直方图用于表征目标反射的脉冲光束的波形。
本申请实施例的第三方面提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如本申请实施例的第二方面所述的距离测量方法的步骤。
本申请实施例的第一方面提供的距离测量系统，通过发射器向目标发射脉 冲光束；通过使采集器包括至少一个像素块，每个像素块包括按照尺寸递增或递减的顺序依次排列的的至少两个子像素块，每个子像素块的尺寸和测量距离负相关，使每个子像素块采集位于其测距范围内的目标反射的脉冲光束中的光子并输出光子信号；通过控制和处理电路分别与发射器和采集器连接并根据光子信号计算脉冲光束的飞行时间，可以实现对位于至少两个测量距离处的不同目标与距离测量系统之间的距离的精确测量，有效降低测量误差。
可以理解的是，上述第二方面、第三方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的距离测量系统的第一种结构示意图；
图2是本申请实施例提供的像素块的第一种结构示意图；
图3是本申请实施例提供的控制和处理电路的结构示意图；
图4是本申请实施例提供的像素块的第二种结构示意图；
图5是本申请实施例提供的像素块的第三种结构示意图；
图6是本申请实施例提供的距离测量系统的第二种结构示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节 妨碍本申请的描述。
应当理解，当在本申请说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或阵列的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、阵列和/或其集合的存在或添加。
另外，在本申请说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”及其变形表示“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。
如图1所示，本申请实施例提供一种距离测量系统100，包括：
发射器1，用于向目标200发射脉冲光束300；
采集器2，包括至少一个像素块，每个像素块包括按照尺寸递增或递减的顺序依次排列的的至少两个子像素块，每个子像素块的尺寸和测量距离负相关，每个子像素块用于采集位于其测距范围内的目标200反射的脉冲光束400中的光子并转换为光子信号；
控制和处理电路3，分别与发射器1和采集器2连接，控制和处理电路3用于根据光子信号计算脉冲光束的飞行时间。
如图2所示，示例性的示出了一个像素块20的结构示意图；其中，像素块20包括按照尺寸递减的顺序依次排列的第一子像素块211、第二子像素块212、…、第m子像素块21m，m≥2且为整数。
在应用中，根据发射器和采集器之间设置方式的不同，距离测量系统可以分成共轴系统和离轴系统。对于共轴系统，发射器发出的光束经过目标反射后将由采集器中对应的像素采集，目标与距离测量系统之间的距离的远近不会影 响目标反射的脉冲光束落在采集器上的位置。对于离轴系统，由于视差的存在，位于不同距离处的目标反射的脉冲光束落在采集器上的位置不同，近距离目标反射的脉冲光束落在采集器上的光斑尺寸大于远距离目标反射的脉冲光束落在采集器上的光斑尺寸，近距离目标反射的脉冲光束受到系统视差的影响所造成的光斑偏移量较大。
本申请实施例所提供的距离测量系统为离轴系统，通过在采集器中设置测量距离不同的至少两个子像素块，使每个子像素块的测量距离和尺寸负相关，通过每个子像素块采集位于其测距范围内的目标反射的脉冲光束进行采集并转换为光子信号，使得目标位于采集器的采集视场内较近或较远的位置时，距离测量系统都可以实现对目标与距离测量系统之间的距离的精确测量，有效降低测量误差；其中，测量距离较小的子像素块的尺寸大于测量距离较大的子像素块的尺寸。
在应用中，子像素块的尺寸与其所包含的像素数量正相关，也即子像素块的尺寸越大其包含的像素越多。当采集器包括至少两个像素块时，每个像素块的结构相同，子像素块的尺寸与测量距离负相关，也即子像素块的尺寸越大其测量距离越小。每个像素块中子像素块的数量、尺寸及测量距离，可以根据距离测量系统的测距范围进行设置，子像素块的数量越多，距离测量系统的测量精度越高。
在应用中，测距范围包括上限值和下限值，测量距离可以是测距范围的上限值、下限值或上限值和下限值的平均值，当像素块中的子像素块按照尺寸递增的顺序依次排列时，在前的子像素块的测距范围的下限值等于在后的子像素块的测距范围的上限值；当像素块中的子像素块按照尺寸递减的顺序依次排列时，在前的子像素块的测距范围的上限值等于在后的子像素块的测距范围的下限值。例如，假设距离测量系统的测距范围为0.3m(米)～100m，则当每个像素块包括两个子像素块时，若两个子像素块按照尺寸递增的顺序依次排列，则两个子像素块的测距范围可以分别为3m～100m和0.3m～3m，若两个子像素块 按照尺寸递减的顺序依次排列，则两个子像素块的测距范围可以分别为0.3m～3m和3m～100m；同理，当每个像素块包括三个子像素块时，若三个子像素块按照尺寸递增的顺序依次排列，则三个子像素块的测距范围可以分别为10m～100m、3m～10m和0.3m～3m，若三个子像素块按照尺寸递减的顺序依次排列，则三个子像素块的测距范围可以分别为0.3m～3m、3m～10m和10m～100m。
在应用中，目标可以是自由空间中的任意物体。发射器向目标发射的脉冲光束中的至少部分脉冲光束被目标反射回采集器，使采集器可以采集目标反射的脉冲光束并进行光电转换得到对应的光子信号，然后将光子信号输出至控制和处理电路。控制和处理电路同步发送触发信号至发射器和采集器，以同步触发发射器发射脉冲光束和采集器采集目标反射的脉冲光束。触发信号可以是时钟信号，用于触发发射器向目标发射脉冲光束的时钟信号可以定义为起始时钟信号。控制和处理电路通过计算脉冲光束从被发射到被采集所需的时间，来获得脉冲光束的飞行时间。具体的，控制和处理电路可以计算其发出起始时钟信号到其接收到光子信号的间隔时间，该时间间隔即为飞行时间。进一步地，目标的距离可以根据飞行时间计算得到，计算公式如下：
D＝c*t/2；
其中，D表示目标的距离，c表示光速，t表示飞行时间。
在应用中，发射器包括光源单元，光源单元包括至少一个光源。光源可以是发光二极管(Light Emitting Diode，LED)、激光二极管(Laser Diode，LD)、边缘发射激光器(Edge Emitting Laser，EEL)、垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)等。光源单元所包括的光源数量可以根据实际需要进行设置，光源单元可以是由至少两个光源组成的一维或二维光源阵列。光源阵列可以是在单块半导体基底上生成多个垂直腔面发射激光器形成的垂直腔面发射激光器阵列芯片，光源阵列中光源的排列方式可以是规则的也可以是不规则的。光源所发射的脉冲光束可以是可见光、红外光、紫外光等。
在一个实施例中，发射器还包括驱动器，用于控制光源单元以预设频率或 预设脉冲周期向目标发射脉冲光束，预设频率和预设脉冲周期根据距离测量系统的测距范围设定，驱动器与光源单元连接。
在应用中，光源单元在驱动器的控制下向目标发射脉冲光束。可以理解的是，还可以利用控制和处理电路中的一部分或者独立于控制和处理电路存在的其他电路来控制光源单元发射脉冲光束。预设频率与距离测量系统的测距范围正相关，预设脉冲周期与距离测量系统的测距范围负相关。
在一个实施例中，发射器还包括第一光学元件，用于对光源单元发射的脉冲光束进行光学调制后投射至目标。
在应用中，光学调制可以是衍射、折射、反射等，调制后的脉冲光束可以是聚焦光束、泛光光束、结构光光束等。第一光学元件可以包括透镜、液晶元件、衍射光学元件、微透镜阵列、超表面(Metasurface)光学元件、掩膜板、反射镜、微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)振镜等中的至少一种。
图1示例性的示出发射器1包括光源单元11、第一光学元件12以及驱动器13，光源单元11与驱动器13连接。
在应用中，采集器包含像素单元，像素单元包括至少一个像素块，每个像素块包括至少两个子像素块。像素单元是由多个单光子雪崩光电二极管(Single Photon Avalanche Diode，SPAD)组成的像素阵列，单光子雪崩光电二极管可以对入射的单个光子进行响应并输出指示光子到达单光子雪崩光电二极管处的时间的信号，利用诸如时间相关单光子计数法(Time-Correlated Single Photon Counting，TCSPC)实现对微弱光信号的采集以及飞行时间的计算。
在应用中，采集器还包括与像素单元连接的信号放大器、时数转换器(Time to Digital Converter，TDC)、模数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)等器件中的至少一种。这些器件既可以与像素单元整合在一起，也可以作为控制和处理电路的一部分。
在一个实施例中，采集器还包括第二光学元件，用于将目标反射的脉冲光 束聚焦至像素单元。
在应用中，第二光学元件可以包括依次设置的成像透镜以及与所有子像素块数量相等的第一聚焦透镜和微透镜阵列，微透镜阵列包括与所有子像素块的总像素数量相等的第二聚焦透镜，一个第一聚焦透镜对应一个子像素块，一个第二聚焦透镜对应子像素块中的一个像素。每个第一聚焦透镜用于将位于其对应的子像素块的测距范围内的目标反射并经过成像透镜进行成像聚焦后的脉冲光束聚焦至子像素块对应的多个第二聚焦透镜，每个第二聚焦透镜用于将其接收到的脉冲光束聚焦至与其对应的像素。
在一个实施例中，第二光学元件还包括过滤单元，用于滤除入射至所有像素块的背景光和杂散光，过滤单元设置在成像透镜和第一透镜之间。过滤单元可以为低通滤光片。
图1中示例性的示出采集器2包含像素单元21、过滤单元22和第二光学元件23。应理解，图1中是为了便于示意而将过滤单元22设置在像素单元21与第二光学元件23之间，并不用于限定过滤单元22和第二光学元件23在实际应用中的相对位置。
在一个实施例中，单光子雪崩光电二极管对入射的单个光子进行响应以输出光子信号，控制和处理电路接收光子信号并进行信号处理获取目标反射的光信号的飞行时间。具体的，控制和处理电路计算采集到的光子信号的数量形成连续的时间单元(bin)，这些时间单元连在一起形成统计直方图用于重现目标反射的光信号的时间序列，利用峰值匹配和滤波检测识别出目标反射的光信号从被发射到被接收的飞行时间。控制和处理电路可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、系统级芯片(System-on-a-Chip，SOC)、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件阵列等。通用处理器可以是微处理器或者任 何常规的处理器等。
在一个实施例中，距离测量系统还包括存储器，用于存储脉冲编码程序。驱动器与储存器连接，用于利用脉冲编码程序控制光源单元发射脉冲光束的激发时间、发射频率等。
在一个实施例中，距离测量系统还可以包括RGB相机、红外相机和惯性测量单元(Inertialmeasurementunit，IMU)中至少一种，用于实现3D纹理建模、红外人脸识别、时定位与地图构建(simultaneous localization and mapping，SLAM)等功能。
在一个实施例中，控制和处理电路包括：
与所有子像素块的数量相等的TDC电路，每个TDC电路与一个子像素块连接，每个TDC电路用于根据与其连接的子像素块输出的光子信号计算飞行时间并转换为时间码；或者，与所有子像素块的总像素数量相等的TDC电路，每个TDC电路与一个像素连接，每个TDC电路用于根据与其连接的像素输出的光子信号计算飞行时间并转换为时间码；
与所有像素块的数量相等的直方图电路，每个直方图电路与一个像素块所连接的所有TDC电路连接，直方图电路用于保存与其连接的所有TDC电路输出的时间码并根据在脉冲光束至少一个脉冲周期内保存的时间码生成直方图，基于直方图确定脉冲光束的飞行时间，直方图用于表征目标反射的脉冲光束的波形。
图3在图2的基础上示例性的示出了控制和处理电路3包括与一个像素块20中的第一子像素块211、第二子像素块212、…、第m子像素块21m一一对应并连接的第一TDC电路311、第二TDC电路312、…、第mTDC电路31m，还包括与第一TDC电路311、第二TDC电路312、…、第mTDC电路31m连接的一个直方图电路32。
在应用中，控制和处理电路所包括的所有TDC电路可以组成阵列式电路，每个TDC电路对应连接一个子像素块或一个像素。TDC电路用于根据接收到 光子信号的接收时间与发射器向目标发射脉冲光束发射时间，计算脉冲光束的飞行时间，也即接收时间与发射时间之间的时间差，并将飞行时间转换为时间码并保存在与其连接的直方图电路中，时间码可以是温度码或二进制码，目标是位于与TDC电路连接的子像素块的测距范围内的目标。直方图电路用于将距离测试系统在至少一次测量结束后保存的时间码绘制成可以表征目标反射的脉冲光束的波形的直方图，每次测量的时间为脉冲光束的至少一个脉冲周期。
在一个实施例中，每个TDC电路的时间宽度与其连接的子像素块的测量距离正相关，每个TDC电路的时间分辨率与其连接的子像素块的测量距离负相关。
在一个实施例中，时间码为温度码或二进制码。
在应用中，TDC电路的时间宽度受到其所连接的子像素块的测量距离的影响，TDC电路的时间分辨率影响距离测量系统的测量精度，TDC电路输出的时间码的位数越多，对与其连接的直方图电路的存储量要求也越高。为了减小数据存储量，降低直方图电路的存储空间的消耗、节约成本，需要对每个TDC电路的时间宽度和时间分辨率进行合理设置，使与测量距离较小的子像素块连接的TDC电路的时间宽度小于与测量距离较大的子像素块连接的TDC电路的时间宽度，与测量距离较小的子像素块连接的TDC电路的时间分辨率高于与测量距离较大的子像素块连接的TDC电路的时间分辨率。例如，子像素块的测距范围为0.3m～3m时，与其连接的TDC电路的时间分辨率为125皮秒(ps)；子像素块的测距范围为3m～100m时，与其连接的TDC电路的时间分辨率为0.5纳秒(ns)。直方图电路根据与其连接的每个TDC电路输出的时间码(time code)形成时间单元宽度不同的直方图，时间单元的宽度由TDC电路的时间分辨率决定。
在一个实施例中，与一个所述像素块电连接的所有TDC电路中，测量距离大的子像素块连接的TDC电路的开启时间滞后于测量距离小的子像素块连接的TDC电路的开启时间。
在应用中，对于测量距离较大的子像素块，由于其所测量的目标距离较远，目标反射的脉冲光束的传输时间更长，因此，与其连接的TDC电路的开启时间可以相对于起始时钟信号延时一定时间。
在一个实施例中，与一个像素块连接的所有TDC电路的开启时间按照子像素块的测量距离递增的顺序依次延时；其中，第一个TDC电路的开启时间与脉冲光束的发射时间同步，其他TDC电路的开启时间相对于发射时间的延时时间大于或等于与其连接的子像素块的测距范围的下限值对应的飞行时间。
在应用中，与每个像素块中测量距离最小的子像素块连接的TDC电路的开启时间与起始时钟信号(也即脉冲光束的发射时间)同步，其他TDC电路的开启时间相对起始时钟信号依次延时，每个TDC电路的延时时间可根据与其连接的子像素块的测距范围的下限值对应的飞行时间确定，例如，与一个TDC电路连接的子像素块的测距范围为3m-100m，则该TDC电路延时时间可以设定为3m-100m的下限值3m对应的飞行时间即3m/c＝20ns，直方图电路根据该TDC电路输出的时间码绘制直方图时，从相对于起始时钟信号延时20ns对应的时间单元处开始绘制。
在一个实施例中，尺寸大于预设尺寸阈值的子像素块包括未设置像素的空白区域，空白区域设置于其所在的子像素块的非边缘区域或与其他子像素块相邻的区域。
在应用中，由于子像素块的尺寸越大、包含的像素越多，因此，为了降低尺寸较大的子像素块中像素的数量，可以在子像素块中设置空白区域，从而可以降低与子像素块连接的TDC电路接收的光子信号的数量，对应的，也可以降低所需耗费的直方图电路的存储容量，使得直方图电路可以使用内存更小的储存器，通过降低子像素块的像素数量，可以降低单片子像素块的集成难度。
图4示例性的示出了一个像素块20包括第一子像素块211和第二子像素块212，第一子像素块211包括空白区域2111和3×6个像素，空白区域2111设置于第一子像素块211与第二子像素块212相邻的区域，第二子像素块212包 括3×3个像素。
图5示例性的示出了一个像素块20包括第一子像素块211和第二子像素块212，第一子像素块211包括3×8个像素区域，第一子像素块211中位于第二行的第二列、第四列和第六列的像素区域未设置像素、其余像素区域设置有像素，第二子像素块212包括3×3个像素,。
在一个实施例中，发射器包括在预设方向(例如，垂直方向)上依次偏移第一距离的至少两个光源列，每个光源列包括在预设方向上依次排列的至少两个光源，每个光源列中相邻的两个光源在预设方向上的距离大于或等于第二距离；
采集器包括在预设方向上依次偏移第一距离的至少两个像素列，每个像素列包括在预设方向上依次排列的至少两个像素块，每个像素列中相邻的两个像素块在预设方向上的距离大于或等于第二距离；
其中，距离测量系统放置于水平面时预设方向为垂直方向，第一距离大于或等于光源的直径，第二距离大于或等于发射器包括的光源列的总数量与第一距离的乘积。
在应用中，预设方向可以根据实际需要自定义为任意方向，当距离测量系统放置于水平面时，预设方向是垂直于水平面的垂直方向，无论距离测量系统如何放置，只要保证预设方向垂直于距离测量系统所放置的平面即可。
在应用中，第一距离可以根据实际需要设置为大于或等于光源直径的任意值，第二距离可以根据实际需要设置为大于或等于发射器所包括的光源列的总数量与第一距离的乘积的任意值。光源单元的这种设置方式，可以理解为在一个光源列的相邻光源之间插入至少一个光源形成光源数量更多且均匀分布的光源列，以使光源单元投射到目标的脉冲光束形成光斑连续的扫描线。通过增加单个光源列中相邻光源之间的间距，可以有效降低相邻光源发出的脉冲光束之间的串扰；通过设置至少两个光源列，对目标进行旋转扫描获得点云图，相对一个光源列的旋转扫描分辨率更高；并且在像素单元的面积相同的情况下，设 置至少两个光源列相对于设置一个光源列，可以降低每个光源列中的光源数量，降低了光源单元的制造难度，还可以在预设方向上获得更大视场，同时提升了距离测量系统的测量帧率。
图6中示例性的示出光源单元11包括三个光源列101、102和103，每个光源列包括6个光源10，对应的，像素单元21也包括三个像素列201、202和203，每个像素列包括6个像素块20，相邻两个光源10之间的距离为d，第一距离为d/3。
在一个实施例中，距离测量系统还包括旋转底座，发射器和采集器安装于旋转底座，使得发射器和采集器可以在控制和处理电路的控制下旋转扫描实现对360度大视场内的目标的距离测量。
图6中示例性的示出旋转底座4。
本申请实施例还提供一种基于距离测量系统100实现的距离测量方法，包括：
控制发射器向目标发射脉冲光束；
控制采集器的每个子像素块采集位于其测距范围内的目标反射的脉冲光束中的光子并输出光子信号，所述采集器包括至少一个像素块，每个所述像素块包括按照尺寸递增或递减的顺序依次排列的的至少两个子像素块，每个所述子像素块的尺寸和测量距离负相关；
根据所述光子信号计算所述脉冲光束的飞行时间。
在一个实施例中，所述根据所述光子信号计算所述脉冲光束的飞行时间，包括：
分别根据每个所述子像素块输出的光子信号计算飞行时间并转换为时间码；
保存所有所述时间码并根据在所述脉冲光束的至少一个周期内保存的时间码生成直方图，基于所述直方图确定所述脉冲光束的飞行时间，所述直方图用于表征目标反射的脉冲光束的波形。
在应用中，距离测量方法可以由控制和处理电路在运行存储于控制和处理电路或存储器中的计算机程序时执行。
本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述距离测量方法实施例中的步骤。
本申请实施例提供了一种计算机程序产品，当计算机程序产品在距离测量系统上运行时，使得距离测量系统执行上述距离测量方法实施例中的步骤。
本申请实施例通过发射器向目标发射脉冲光束；通过使采集器包括至少一个像素块，每个像素块包括按照尺寸递增或递减的顺序依次排列的的至少两个子像素块，每个子像素块的尺寸和测量距离负相关，使每个子像素块采集位于其测距范围内的目标反射的脉冲光束中的光子并输出光子信号；通过控制和处理电路分别与发射器和采集器连接并根据光子信号计算脉冲光束的飞行时间，可以实现对位于至少两个测量距离处的不同目标与距离测量系统之间的距离的精确测量，有效降低测量误差。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

  1. 一种距离测量系统，其特征在于，包括：
    发射器，用于向目标发射脉冲光束；
    采集器，包括至少一个像素块，每个所述像素块包括按照尺寸递增或递减的顺序依次排列的至少两个子像素块，每个所述子像素块的尺寸和测量距离负相关，每个所述子像素块用于采集位于其测距范围内的目标反射的脉冲光束中的光子并输出光子信号；
    控制和处理电路，分别与所述发射器和所述采集器连接，所述控制和处理电路用于根据所述光子信号计算所述脉冲光束的飞行时间。
  2. 如权利要求1所述的距离测量系统，其特征在于，所述控制和处理电路包括与所有所述子像素块的数量相等的TDC电路，每个所述TDC电路与一个所述子像素块连接，每个所述TDC电路的时间宽度与其连接的子像素块的测量距离正相关，每个所述TDC电路的时间分辨率与其连接的子像素块的测量距离负相关。
  3. 如权利要求2所述的距离测量系统，其特征在于，与一个所述像素块连接的所有TDC电路中，测量距离大的子像素块连接的TDC电路的开启时间滞后于测量距离小的子像素块连接的TDC电路的开启时间。
  4. 如权利要求1～3任一项所述的距离测量系统，其特征在于，尺寸大于预设尺寸阈值的子像素块包括未设置像素的空白区域，所述空白区域设置于其所在的子像素块的非边缘区域或与其他子像素块相邻的区域。
  5. 如权利要求1～3任一项所述的距离测量系统，其特征在于，所述发射器包括在预设方向上依次偏移第一距离的至少两个光源列，每个所述光源列包括在预设方向上依次排列的至少两个光源，每个所述光源列中相邻的两个光源在预设方向上的距离大于或等于第二距离；
    所述采集器包括在预设方向上依次偏移第一距离的至少两个像素列，每个 所述像素列包括在预设方向上依次排列的至少两个像素块，每个所述像素列中相邻的两个像素块在预设方向上的距离大于或等于第二距离；
    其中，所述距离测量系统放置于水平面时所述预设方向为垂直方向，所述第一距离大于或等于所述光源的直径，所述第二距离大于或等于所述发射器包括的光源列的总数量与所述第一距离的乘积。
  6. 如权利要求1～3任一项所述的距离测量系统，其特征在于，所述发射器包括：
    光源单元，包括至少一个光源；
    驱动器，与所述光源单元连接，用于控制所述光源单元以预设频率或预设脉冲周期向目标发射脉冲光束，所述预设频率和所述预设脉冲周期根据所述距离测量系统的测距范围设定。
  7. 如权利要求6所述的距离测量系统，其特征在于，还包括存储器，与所述驱动器连接，所述存储器用于存储脉冲编码程序；
    所述驱动器还用于利用所述脉冲编码程序控制所述光源单元发射脉冲光束的激发时间和发射频率。
  8. 一种距离测量方法，其特征在于，包括：
    控制发射器向目标发射脉冲光束；
    控制采集器的每个子像素块采集位于其测距范围内的目标反射的脉冲光束中的光子并输出光子信号，所述采集器包括至少一个像素块，每个所述像素块包括按照尺寸递增或递减的顺序依次排列的的至少两个子像素块，每个所述子像素块的尺寸和测量距离负相关；
    根据所述光子信号计算所述脉冲光束的飞行时间。
  9. 如权利要求8所述的距离测量方法，其特征在于，所述根据所述光子信号计算所述脉冲光束的飞行时间，包括：
    分别根据每个所述子像素块输出的光子信号计算飞行时间并转换为时间码；
    保存所有所述时间码并根据在所述脉冲光束的至少一个周期内保存的时间码生成直方图，基于所述直方图确定所述脉冲光束的飞行时间，所述直方图用于表征目标反射的脉冲光束的波形。
  10. 一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求8或9所述的距离测量方法的步骤。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023201160A1 (en) * 2022-04-13 2023-10-19 Allegro Microsystems, Llc Detector having parallax compensation

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111965658B (zh) * 2020-07-17 2023-12-12 深圳奥锐达科技有限公司 一种距离测量系统、方法及计算机可读存储介质
CN114545427A (zh) * 2020-11-24 2022-05-27 奥比中光科技集团股份有限公司 一种距离测量系统、方法及计算机可读存储介质
TWM621938U (zh) * 2020-12-04 2022-01-01 神盾股份有限公司 飛時測距裝置
CN114690195A (zh) * 2020-12-28 2022-07-01 奥比中光科技集团股份有限公司 一种距离测量方法、系统及计算机可读存储介质
CN112764048B (zh) * 2020-12-30 2022-03-18 深圳市灵明光子科技有限公司 基于飞行时间的寻址和测距方法及测距系统
CN114236505A (zh) * 2021-12-20 2022-03-25 奥诚信息科技(上海)有限公司 一种基于DToF的测量系统及方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103415784A (zh) * 2011-03-18 2013-11-27 罗伯特·博世有限公司 用于多维地测量目标对象的测量装置和测量设备
CN105066953A (zh) * 2009-09-11 2015-11-18 罗伯特·博世有限公司 光学距离测量装置
CN109212538A (zh) * 2017-06-29 2019-01-15 苹果公司 具有视差补偿的飞行时间深度映射
US20190174120A1 (en) * 2017-05-16 2019-06-06 Samsung Electronics Co., Ltd. Time-resolving sensor using shared ppd+spad pixel and spatial-temporal correlation for range measurement
CN110596722A (zh) * 2019-09-19 2019-12-20 深圳奥锐达科技有限公司 直方图可调的飞行时间距离测量系统及测量方法
CN111965658A (zh) * 2020-07-17 2020-11-20 深圳奥锐达科技有限公司 一种距离测量系统、方法及计算机可读存储介质

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10620300B2 (en) * 2015-08-20 2020-04-14 Apple Inc. SPAD array with gated histogram construction
AU2017315762B2 (en) * 2016-08-24 2020-04-09 Ouster, Inc. Optical system for collecting distance information within a field

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105066953A (zh) * 2009-09-11 2015-11-18 罗伯特·博世有限公司 光学距离测量装置
CN103415784A (zh) * 2011-03-18 2013-11-27 罗伯特·博世有限公司 用于多维地测量目标对象的测量装置和测量设备
US20190174120A1 (en) * 2017-05-16 2019-06-06 Samsung Electronics Co., Ltd. Time-resolving sensor using shared ppd+spad pixel and spatial-temporal correlation for range measurement
CN109212538A (zh) * 2017-06-29 2019-01-15 苹果公司 具有视差补偿的飞行时间深度映射
CN110596722A (zh) * 2019-09-19 2019-12-20 深圳奥锐达科技有限公司 直方图可调的飞行时间距离测量系统及测量方法
CN111965658A (zh) * 2020-07-17 2020-11-20 深圳奥锐达科技有限公司 一种距离测量系统、方法及计算机可读存储介质

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023201160A1 (en) * 2022-04-13 2023-10-19 Allegro Microsystems, Llc Detector having parallax compensation

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