CN107272010A - 距离传感器及其距离测量方法、3d图像传感器 - Google Patents

Abstract

一种距离传感器及其距离测量方法、3D图像传感器，所述距离测量方法包括：获取多个计数信号，每一计数信号具有计数开始沿和计数停止沿，其中，首个计数信号的计数开始沿是在光源发出光子时产生的，首个计数信号的计数停止沿是在检测到经目标对象反射得到的反射光子时产生的，其他的计数信号的计数停止沿相对于所述首个计数信号的计数停止沿具有不同的延时；在首个计数信号的计数开始沿和每一计数信号的计数停止沿所界定的时间窗口内，对输入时钟信号进行计数，以得到对应的计数值；利用各个计数值确定所述目标对象与所述距离传感器之间的距离。采用本发明技术方案可以有效地提高基于光子检测技术的3D图像传感器的测量精度。

Description

距离传感器及其距离测量方法、3D图像传感器

技术领域

本发明涉及3D图像传感器技术领域，特别涉及一种距离传感器及其距离测量方法、3D图像传感器。

背景技术

光具有波动性和粒子性。根据光的粒子性，光是由大量的光子组成的，光子的能量由光的频率决定。由于可见光波段的单个光子的能量特别低，为了能够探测到低能量的光子，需要特殊的光电检测器件，也即单光子探测器。单光子探测器主要有两种：光电倍增管和单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode,简称SPAD)。其中，基于半导体工艺的SPAD具有在红外通讯波段量测效率高、功耗低、体积小、工作频谱范围大、工作电压低等优点，广泛应用于距离测量领域、3D图像重构等场景，尤其适用于对弱光信号的检测。

现有技术中存在一种基于SPAD的3D图像传感器，该3D图像传感器包括多个如图1所示的距离传感器100，其中，该3D图像传感器中的SPAD(参见D1)呈阵列排布。如图1所示，所述距离传感器100是通过检测光子的飞行时间(Time Of Flight，简称TOF)来实现距离测量的。在具体实施中，所述距离传感器100可以包括：光源控制电路10、光源20、SPAD、脉冲产生电路30和计数器40。在所述光源控制电路10控制所述光源20发射光子的同时，产生计数开始信号counter_start，以触发计数器40开始计数，光子照射到目标对象经过其反射到达SPAD，在SPAD中引发雪崩，产生的雪崩电流被所述脉冲产生电路30检测到，以生成计数停止信号counter_stop。其中，所述计数开始信号counter_start和计数停止信号counter_stop的波形可以参见图2。

一并参见图1和图2，在具体实施中，可以根据在所述计数开始信号counter_start的上升沿和计数停止信号counter_stop的上升沿所界定的时间窗口内，所述计数器40对一高速时钟(图未示)的计数结果得到所述目标对象至所述距离传感器100的距离。进一步地，所述3D图像传感器可以通过控制光源20对所述目标对象进行阵列式扫描，获得所述目标对象上的各个位置至所述距离传感器100的距离，来对所述目标对象的图像进行重构。

由于所述计数器40工作于所述高速时钟的频率下，按所述高速时钟的周期数衡量所述时间窗口，也即光子的飞行时间，所述高速时钟的周期就决定了所述距离传感器100的测量精度。对于3D图像传感器而言，需要每个像素或每列像素使用一个计数器。然而，出于面积、功耗和工艺的制约，提高所述高速时钟的频率会付出很大的代价。因此，如何提高基于光子检测技术的3D图像传感器的测量精度是一个亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是如何提高基于光子检测技术的3D图像传感器的测量精度。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种距离传感器的距离测量方法，该距离测量方法包括：获取多个计数信号，每一计数信号具有计数开始沿和计数停止沿，其中，首个计数信号的计数开始沿是在光源发出光子时产生的，首个计数信号的计数停止沿是在检测到经目标对象反射得到的反射光子时产生的，其他的计数信号的计数停止沿相对于所述首个计数信号的计数停止沿具有不同的延时；在首个计数信号的计数开始沿和每一计数信号的计数停止沿所界定的时间窗口内，对输入时钟信号进行计数，以得到对应的计数值；利用各个计数值确定所述目标对象与所述距离传感器之间的距离。

可选地，所述获取多个计数信号包括：控制所述光源分别在不同的时刻发出光子，在所述光源生成光子时产生对应的计数信号的计数开始沿；在检测到经所述目标对象反射得到的反射光子时产生对应的计数信号的计数停止沿；其中，其他的计数信号的计数开始沿相对于所述首个计数信号的计数开始沿具有不同的延时。

可选地，所述其他的计数信号的计数停止沿相对于所述首个计数信号的计数停止沿的延时均小于等于所述输入时钟信号的周期。

可选地，对于第i个计数信号，所述延时等于T/(N-1)×(i-1)，其中，T为所述输入时钟信号的周期，N为所述计数信号的总数量，i和N为整数，2≤i≤N。

可选地，所述利用各个计数值确定所述目标对象与所述距离传感器之间的距离包括：根据得到的各个计数值的平均值、所述输入时钟信号的周期和光子的传播速度确定所述目标对象与所述距离传感器之间的距离。

可选地，在所述利用各个计数值确定所述目标对象与所述距离传感器之间的距离之前，还包括：将当前次计数得到的计数值与在当前次之前得到的计数值进行比较；若当前次计数得到的计数值大于在当前次之前得到的计数值中的最大值与1之和，或小于在当前次之前得到的计数值中的最大值，则判定当前次计数得到的计数值为异常计数值，并对其进行剔除。

为解决上述技术问题，本发明实施例还提供一种距离传感器，该距离传感器包括：计数信号获取模块，适于获取多个计数信号，每一计数信号具有计数开始沿和计数停止沿，其中，首个计数信号的计数开始沿是在光源发出光子时产生的，首个计数信号的计数停止沿是在检测到经目标对象反射得到的反射光子时产生的，其他的计数信号的计数停止沿相对于所述首个计数信号的计数停止沿具有不同的延时；计数器，适于在首个计数信号的计数开始沿和每一计数信号的计数停止沿所界定的时间窗口内，对输入时钟信号进行计数，以得到对应的计数值；其中，各个计数值用于确定所述目标对象与所述距离传感器之间的距离。

可选地，所述计数信号获取模块包括：延时电路，适于控制所述光源分别在不同的时刻发出光子，在所述光源生成光子时产生对应的计数信号的计数开始沿，其中，其他的计数信号的计数开始沿相对于所述首个计数信号的计数开始沿具有不同的延时；光子检测电路，适于分别对经所述目标对象反射得到的反射光子进行检测，以得到每一计数信号的计数停止沿。

可选地，所述其他的计数信号的计数停止沿相对于所述首个计数信号的计数停止沿的延时均小于等于所述输入时钟信号的周期。

可选地，对于第i个计数信号，所述延时等于T/(N-1)×(i-1)，其中，T为所述输入时钟信号的周期，N为所述计数信号的总数量，i和N为整数，2≤i≤N。

可选地，所述距离传感器还包括：控制模块，适于根据得到的各个计数值的平均值、所述输入时钟信号的周期和光子的传播速度确定所述目标对象与所述距离传感器之间的距离。

可选地，所述控制模块在利用各个计数值确定所述目标对象与所述距离传感器之间的距离之前，还适于将当前次计数得到的计数值与在当前次之前得到的计数值进行比较，若当前次计数得到的计数值大于在当前次之前得到的计数值中的最大值与1之和，或小于在当前次之前得到的计数值中的最大值，则判定当前次计数得到的计数值为异常计数值，并对其进行剔除。

可选地，所述延时电路包括：可控延时链，其时钟输入端接入所述输入时钟信号，适于在相位选择信号的控制下产生输出时钟信号，所述输出时钟信号相对于所述输入时钟信号的延时等于T/(N-1)×(i-1)；触发器，其数据输入端接入所述首个计数信号的计数开始沿，在所述输出时钟信号的作用下，其数据输出端输出所述其他的计数信号的计数开始沿。

可选地，所述光子检测电路包括：SPAD，适于在检测到所述反射光子时产生雪崩电流；脉冲生成电路，适于根据所述雪崩电流产生所述计数信号的计数停止沿。

为解决上述技术问题，本发明实施例还提供一种3D图像传感器，该3D图像传感器包括数量是多个的上述距离传感器，其中，所述光子检测电路呈阵列排布。

与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：

本发明实施例中的距离传感器的距离测量方法通过获取多个计数信号，每一计数信号具有计数开始沿和计数停止沿，其中，首个计数信号的计数开始沿是在光源发出光子时产生的，首个计数信号的计数停止沿是在检测到经目标对象反射得到的反射光子时产生的，其他的计数信号的计数停止沿相对于所述首个计数信号的计数停止沿具有不同的延时，再在首个计数信号的计数开始沿和每一计数信号的计数停止沿所界定的时间窗口内，对输入时钟信号进行计数，以得到对应的计数值，最后利用各个计数值确定所述目标对象与所述距离传感器之间的距离。所述目标对象与所述距离传感器之间的距离对应于光子的飞行时间，上述各个计数值可以指示出光子的飞行时间未被计入计数结果的时间占所述输入时钟信号的周期的比例，因此，本发明实施例可以将计数器的量化分辨率提升为原计数周期的1/N，可以有效地提高基于光子检测技术的距离传感器的测量精度，进而可以提高包括所述距离传感器的3D图像传感器的测量精度。

进一步而言，本发明实施例控制所述光源分别在不同的时刻发出光子，在所述光源生成光子时产生对应的计数信号的计数开始沿，在检测到经所述目标对象反射得到的反射光子时产生对应的计数信号的计数停止沿，其中，其他的计数信号的计数开始沿相对于所述首个计数信号的计数开始沿具有不同的延时。也就是说，本发明实施例通过多次量化得到上述多个计数信号，多次量化的方式可以采用相同的计数器多次进行计数，以节约计数器的资源，还可以通过多次量化降低噪声对测量的影响。

进一步而言，所述距离测量方法在确定所述目标对象与所述距离传感器之间的距离之前，还将当前次计数得到的计数值与在当前次之前得到的计数值进行比较，若当前次计数得到的计数值大于在当前次之前得到的计数值中的最大值与1之和，或当前次计数得到的计数值小于在当前次之前得到的计数值中的最大值，则判定当前次计数得到的计数值为异常计数值，并对其进行剔除，将异常计数值进行剔除可以进一步地提升所述距离传感器的测量的精度。

附图说明

图1是现有技术中的一种距离传感器的示意图。

图2是图1所示的距离传感器的工作波形示意图。

图3是本发明实施例的一种距离传感器的示意性结构框图。

图4是图3所示的距离传感器的工作波形示意图。

图5是图3所示的计数器的计数示意图。

图6是本发明实施例的另一种距离传感器的示意性结构框图。

图7是本发明实施例的一种距离传感器的距离测量方法的流程图。

图8是本发明实施例的另一种距离传感器的距离测量方法的流程图。

具体实施方式

如背景技术部分所述，在现有技术中的基于光子检测技术的距离传感器中，计数器按高速时钟的周期数衡量光子的飞行时间，高速时钟的周期决定了距离传感器的测量精度。对于3D图像传感器而言，需要每个像素或每列像素使用一个计数器。然而，出于面积、功耗和工艺的制约，提高所述高速时钟的频率会付出很大的代价。因此，如何提高基于光子检测技术的3D图像传感器的测量精度是一个亟待解决的技术问题。

本发明实施例提供一种距离传感器的测量方法，通过获取多个计数信号，并在在首个计数信号的计数开始沿和每一计数信号的计数停止沿所界定的时间窗口内，对输入时钟信号进行计数的方式，有效地提高了对光子的飞行时间的量化精度，进而有效地提高所述距离传感器的测量精度。

为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

一并参见图3和图4，本发明实施例公开了一种距离传感器200，该距离传感器200可以包括计数信号获取模块10和计数器20。

其中，所述计数信号获取模块10适于获取多个计数信号Ctrl、Ctr2……和CtrN，N为正整数，也即N为所述计数信号Ctr2至CtrN的总数量，每一计数信号Ctr1至CtrN具有计数开始沿(图中未标示)和计数停止沿(图中未标示)，其中，首个计数信号Ctrl的计数开始沿是在光源40发出光子时产生的，首个计数信号Ctrl的计数停止沿是在检测到经目标对象反射得到的反射光子时产生的，其他的计数信号Ctr2至CtrN的计数停止沿相对于所述首个计数信号Ctrl的计数停止沿具有不同的延时。

所述计数器20适于在首个计数信号Ctr1的计数开始沿和每一计数信号Ctr1至CtrN的计数停止沿所界定的时间窗口TOF1～N内，对输入时钟信号CLKin进行计数，以得到对应的计数值，每次计数完成一次量化。其中，各个计数值用于确定所述目标对象与所述距离传感器200之间的距离。

在具体实施中，所述计数器20可以是任意可实施的计数器结构，例如常规的纹波计数器(Ripple Counter)，但不限于此。

在本发明实施例中，所述计数器20计数得到的各个计数值用于确定所述目标对象与所述距离传感器200之间的距离。需要说明的是，该距离为所述光子的传播路径的一半，而所述光子的传播路径为从所述光源40至所述目标对象，再由所述目标对象至所述光子检测电路102。

在本实施例中，所述目标对象与所述距离传感器200之间的距离对应于光子的飞行时间(Time Of Flight，简称TOF)，上述各个计数值可以指示出光子的飞行时间未被计入计数结果的时间占所述输入时钟信号CLKin的周期的比例，因此，本发明实施例可以将计数器20的量化分辨率提升为原计数周期T的1/N，可以有效地提高基于光子检测技术的距离传感器200的测量精度，进而可以提高包括所述距离传感器200的3D图像传感器的测量精度。

优选地，所述计数信号获取模块10可以包括延时电路101和光子检测电路102。

其中，所述延时电路101适于控制所述光源40分别在不同的时刻发出光子，在所述光源40生成光子时产生对应的计数信号的计数开始沿，其中，其他的计数信号Ctr2至CtrN的计数开始沿相对于所述首个计数信号Ctr1的计数开始沿具有不同的延时。

所述光子检测电路102适于分别对经所述目标对象反射得到的反射光子进行检测，以得到每一计数信号Ctr1至CtrN的计数停止沿。

也就是说，本发明实施例中的距离传感器200可以通过多次量化得到上述多个计数信号Ctr1至CtrN，多次量化的方式可以采用相同的计数器多次进行计数，以节约计数器的资源，还可以通过多次量化降低噪声对测量的影响。

在具体实施中，所述光子检测电路102可以包括单光子雪崩二极管(SinglePhoton Avalanche Diode，简称SPAD)(图未示)和脉冲生成电路(图未示)。其中，基于SPAD的雪崩特性，所述SPAD适于在检测到所述反射光子时产生雪崩电流；所述脉冲生成电路适于根据所述雪崩电流产生所述计数信号Ctr1至CtrN的计数停止沿。

在本实施例一变化例中，所述光子检测电路102还可以包括光电倍增管(图未示)和脉冲生成电路(图未示)。其中，由所述光电倍增管检测所述反射光子，以产生光电流，并由所述脉冲生成电路根据所述光电流产生所述计数信号Ctr1至CtrN的计数停止沿。

上述SPAD和光电倍增管均可以完成对光子的检测。在具体实施中，可以根据实际的应用需求对检测光子的器件进行选择。进一步而言，二者均可检测单光子，因此具有极高的光子检测效率。

在具体实施中，所述延时电路101中可以包括延时链(图未示)，可通过控制与所述光源40相耦接的光源控制模块(图未示)来控制所述光源40分别在不同的时刻发出光子。例如，对应于第一次量化，所述光源控制模块产生发光控制信号(图未示)以控制所述光源40首次发出光子，所述光源40生成光子时产生首个计数信号Ctr1的计数开始沿；对应于第二次量化，所述光源控制模块产生的发光控制信号经过所述延时链的延迟，使得所述光源40相对于第一次量化时延迟发出光子，并产生第二个计数信号Ctr2的计数开始沿；以此类推，对应于第N次量化，所述光源控制模块产生的发光控制信号经过所述延时链的延迟，使得所述光源40相对于第N-1次量化时延迟发出光子，并产生第N个计数信号CtrN的计数开始沿。因此，其他的计数信号Ctr2至CtrN的计数开始沿相对于所述首个计数信号Ctr1的计数开始沿具有不同的延时。

举例而言，当所述光源40为半导体激光器时，所述光源控制模块可以为激光控制器。所述光源控制模块可以对所述光源40进行温度控制以及提供电流驱动。需要说明的是，所述光源控制模块可以外部耦接于或者内部集成于所述距离传感器200，本实施例不进行特殊限制。

优选地，所述其他的计数信号Ctr2至CtrN的计数停止沿相对于所述首个计数信号Ctr1的计数停止沿的延时均小于等于所述输入时钟信号CLKin的周期T。

进一步优选地，对于第i个计数信号Ctri，所述延时等于T/(N-1)×(i-1)，其中，T为所述输入时钟信号CLKin的周期，i为整数，且2≤i≤N。

以N＝16为例：对于第二个计数信号Ctr2，所述延时等于T/15；对于第三个计数信号Ctr3，所述延时等于2×T/15；对于第四个计数信号Ctr4，所述延时等于3×T/15；……；对于第十六个计数信号Ctr16，所述延时等于T。

继续参见图4，以所述计数器20由所述输入时钟信号CLKin的上升沿触发进行计数为例，假设现有技术中针对首个计数信号Ctr1的计数开始沿和计数停止沿所界定的时间窗口TOF1对所述输入时钟信号CLKin进行计数，由于无法等到下一个上升沿的到来，图4中的Δt1是无法被计入计数结果的，使得当所述目标对象与所述距离传感器200之间的距离对应的光子的飞行时间在输入时钟信号CLKin的周期T内变化时，无法被所述距离传感器200所识别。所述输入时钟信号CLKin的周期T越小，所述距离传感器200可以识别的距离变化越小，测量分辨率越高。

一并参见图4和图5，图5中的虚线代表了本实施例中的计数信号的总数量，也即N＝16。其中，第1条虚线代表首个计数信号Ctr1的计数停止沿，第2条虚线代表第二个计数信号Ctr2的计数停止沿，以此类推，第16条虚线代表第十六个计数信号Ctr16的计数停止沿。第2至第16条虚线之间的时间长度等于所述输入时钟信号CLKin的周期T。在本实施例中，假设在时间窗口TOF1内的计数值为A，A为正整数，在时间窗口TOF1～6内的计数值也为A，在时间窗口TOF7～16内的计数值变为A+1，也即6次为A，10次为A+1。因此，上述计数值的平均值为[6×A+10×(A+1)]/16＝A+5/8，是一个分数，该分数指示了图4中所述目标对象与所述距离传感器200之间的距离对应的光子的飞行时间未被计入计数结果的Δt1占所述输入时钟信号CLKin的周期T的比例。其中，N的取值越大，所述距离传感器200对Δt1的识别越精确。

综上所述，在N次量化过程中，假设有n(n为大于等于0且小于N的整数)次的计数结果为A，而其余的N-n次计数结果为A+1，那么最终的量化结果应该为各个计数结果的平均值：

本实施例可以根据得到的各个计数值的平均值所述输入时钟信号CLKin的周期T和光子的传播速度C确定所述目标对象与所述距离传感器200之间的距离。具体地，所述光子的飞行时间为则所述目标对象至所述距离传感器200的距离本发明实施例通过多次量化可以将计数器20的量化分辨率提升为原计数周期的1/N，可以有效地提高基于光子检测技术的距离传感器200的测量精度。若N＝2^m，m为正整数，则所述距离传感器200相对比现有技术，其测距精度提升m位。

需要说明的是，现有技术中还存在有通过时间数字转换(Time-to-DigitalConverter，简称TDC)技术提高时间测量分辨率的方案。本发明实施例方案可以与所述TDC技术相结合进一步地提高所述距离传感器200的测距精度。

还需要说明的是，本发明实施例对所述其他的计数信号Ctr2至CtrN的计数停止沿相对于所述首个计数信号Ctr1的计数停止沿的延时不进行特殊限制。它们互相之间的延迟可以相等，也可以不等。进一步而言，上述延迟也并非被限定于均小于等于所述输入时钟信号CLKin的周期T，当大于周期T时，则在计数结果中将正整数个周期T减掉即可。

还需要说明的是，在具体实施中，所述计数器20对所述输入时钟信号CLKin的上升沿或下降沿计数均可，本实施例不进行特殊限制。尽管计数的起始点有误差会影响对所述目标对象的一个像素点进行测距的测量结果，然而，当对多个像素点进行测量时，可以将该误差作为偏置值予以整体消除，并不影响对所述目标对象进行图像重构时的景深。

可选地，所述距离传感器200还可以包括设置于所述目标对象和所述光子检测电路102之间的透镜或透镜组件(图未示)，适于对所述反射光子进行光学调整(例如成像)后，再由所述光子检测电路102进行检测。

在本发明另一实施例中，所述延时电路20还可以对首个计数信号Ctr1的计数停止沿进行延时，以得到其他的计数信号Ctr2至CtrN的计数停止沿，以使得其他的计数信号Ctr2至CtrN的计数停止沿相对于首个计数信号Ctr1的计数停止沿具有不同的延时。进一步而言，所述计数器20可以包括多个子计数器(图未示)，各个子计数器分别在首个计数信号Ctr1的计数开始沿和对应的计数信号的计数停止沿所界定的时间窗口TOF1～N内，对所述输入时钟信号CLKin进行计数，以得到对应的计数值。

图6是本发明实施例的另一种距离传感器的示意性结构框图。

优选地，图6所示的距离传感器300可以包括延时电路101、光子检测电路102、计数器20和控制模块50。其中，所述控制模块50适于根据得到的各个计数值的平均值、所述输入时钟信号CLKin的周期和光子的传播速度确定所述目标对象与所述距离传感器300之间的距离。

在具体实施中，所述控制模块50可以为诸如单片机、可编程逻辑器件(Programmable Logic Device，简称PLD)、现场可编程门阵列(Field Programmable GateArray，简称FPGA)等控制部件。

需要说明的是，所述控制模块50可以外部耦接或者内部集成于所述距离传感器300，本实施例不进行特殊限制。

优选地，所述控制模块50在利用各个计数值确定所述目标对象与所述距离传感器300之间的距离之前，还适于将当前次计数得到的计数值与在当前次之前得到的计数值进行比较，若当前次计数得到的计数值大于在当前次之前得到的计数值中的最大值与1之和，或小于在当前次之前得到的计数值中的最大值，则判定当前次计数得到的计数值为异常计数值，并对其进行剔除。

由于所述计数器20结束计数的时间越晚，计数结果将会越大，如果实际计数的结果出现越小或者过大，那么将判定为计数错误，被所述控制模块50所识别，并控制所述计数器20重新进行计数。最后，将所述异常计数值剔除，将正确的计数值进行平均，从而提升所述距离传感器300的测量的精度。

继续以图5中示出的N＝16为例，若已知得到的6个计数值分别为A、A、A、A、A、A，当第7个计数值为A+1时为正常，为A-1或者更小或为A+1甚至更大则为异常；若已知得到的6个计数值分别为A、A、A、A、A和A+1，当第7个计数值为A+1为正常，为A或者更小或为A+2甚至更大则为异常。

在具体实施中，所述延时电路101包括可控延时链1011和触发器1012。

其中，所述可控延时链1011的时钟输入端Clk接入所述输入时钟信号CLKin，适于在相位选择信号Sel的控制下产生输出时钟信号CLKout，所述输出时钟信号CLKout相对于所述输入时钟信号CLKin的延时等于T/(N-1)×(i-1)。其中，所述相位选择信号Sel可以由所述控制模块50提供，但不限于此。所述可控延时链1011可以是延迟锁相环(Delay-lockedLoop，简称DLL)。

所述触发器1012可以是D触发器。所述触发器1012的数据输入端D接入所述首个计数信号Ctr1的计数开始沿Ctr1_Up，在所述输出时钟信号CLKout的作用下，其数据输出端Q输出所述其他的计数信号Ctr2至CtrN的计数开始沿Ctr2..N_Up。由于D触发器的结构和工作原理为本领域技术人员所熟知的，为了简化，此处不再一一赘述。

在具体实施中，所述相位选择信号Sel可以控制所述可控延时链1011输出的输出时钟信号CLKout相对于所述输入时钟信号CLKin具有大小为T/(N-1)×(i-1)的延时。以所述计数器20为上升沿计数为例，所述触发器1012也为上升沿触发。当所述输出时钟信号CLKout的上升沿作用于所述触发器1012时，所述触发器1012的数据输出端Q的逻辑电平等于其数据输入端D的逻辑电平，也即可以根据所述可控延时链1011所提供的延迟大小，产生各个计数信号的计数开始沿并传输至所述光源40，以控制其在不同时刻发出光子。

需要说明的是，所述延时电路101并不限定于上述方案，例如其还可以仅包括可控延时链，所述可控延时链可以由缓冲器和若干开关。所述可控延时链在所述相位选择信号Sel的作用下，可以直接对首个计数信号Ctr1的计数开始沿Ctr1_Up，以得到各个计数信号的计数开始沿。

关于所述距离传感器300的更多信息请参见前文对所述距离传感器200的相关描述，此处不再一一赘述。

本发明实施例提供了一种距离传感器的距离测量方法。一并参见图7、图3和图4，距离传感器200的距离测量方法可以包括以下步骤：

步骤S101，获取多个计数信号Ctrl、Ctr2……和CtrN，N为正整数，也即N为所述计数信号Ctr2至CtrN的总数量，每一计数信号Ctr1至CtrN具有计数开始沿(图中未标示)和计数停止沿(图中未标示)，其中，首个计数信号Ctrl的计数开始沿是在光源40发出光子时产生的，首个计数信号Ctrl的计数停止沿是在检测到经目标对象反射得到的反射光子时产生的，其他的计数信号Ctr2至CtrN的计数停止沿相对于所述首个计数信号Ctrl的计数停止沿具有不同的延时；

步骤S102，首个计数信号Ctr1的计数开始沿和每一计数信号Ctr1至CtrN的计数停止沿所界定的时间窗口TOF1～N内，对输入时钟信号CLKin进行计数，以得到对应的计数值；

步骤S103，利用各个计数值确定所述目标对象与所述距离传感器200之间的距离。

在本实施例中，所述目标对象与所述距离传感器200之间的距离对应于光子的飞行时间(Time Of Flight，简称TOF)，上述各个计数值可以指示出光子的飞行时间未被计入计数结果的时间占所述输入时钟信号CLKin的周期的比例，因此，本发明实施例可以将计数的量化分辨率提升为原计数周期的1/N，可以有效地提高基于光子检测技术的距离传感器200的测量精度。

优选地，所述步骤S101中所述获取多个计数信号Ctr1至CtrN可以包括如下步骤：控制所述光源40分别在不同的时刻发出光子，在所述光源40生成光子时产生对应的计数信号的计数开始沿；在检测到经所述目标对象反射得到的反射光子时产生对应的计数信号的计数停止沿；其中，其他的计数信号Ctr2至CtrN的计数开始沿相对于所述首个计数信号Ctr1的计数开始沿具有不同的延时。

进一步而言，本发明实施例可以通过多次量化得到上述多个计数信号Ctr1至CtrN，多次量化的方式可以采用相同的计数器多次进行计数，以节约计数器的资源，还可以通过多次量化降低噪声对测量的影响。

优选地，所述其他的计数信号Ctr2至CtrN的计数停止沿相对于所述首个计数信号Ctr1的计数停止沿的延时均小于等于所述输入时钟信号CLKin的周期T。

进一步优选地，对于第i个计数信号Ctri，所述延时等于T/(N-1)×(i-1)，其中，T为所述输入时钟信号CLKin的周期，i为整数，且2≤i≤N。

在具体实施中，所述步骤S103可以包括以下步骤：根据得到的各个计数值的平均值、所述输入时钟信号CLKin的周期和光子的传播速度确定所述目标对象与所述距离传感器200之间的距离。

本发明实施例还提供了另一种距离传感器的距离测量方法。一并参见图8和图6，距离传感器300的距离测量方法可以包括以下步骤：

步骤S101，获取多个计数信号Ctrl、Ctr2……和CtrN，N为正整数，每一计数信号Ctr1至CtrN具有计数开始沿(图中未标示)和计数停止沿(图中未标示)，其中，首个计数信号Ctrl的计数开始沿是在光源40发出光子时产生的，首个计数信号Ctrl的计数停止沿是在检测到经目标对象反射得到的反射光子时产生的，其他的计数信号Ctr2至CtrN的计数停止沿相对于所述首个计数信号Ctrl的计数停止沿具有不同的延时；

步骤S102，首个计数信号Ctr1的计数开始沿和每一计数信号Ctr1至CtrN的计数停止沿所界定的时间窗口TOF1～N内，对输入时钟信号CLKin进行计数，以得到对应的计数值；

步骤S104，将当前次计数得到的计数值与在当前次之前得到的计数值进行比较；

步骤S105，判断当前次计数得到的计数值是否大于在当前次之前得到的计数值中的最大值与1之和，或小于在当前次之前得到的计数值中的最大值；若是，则执行步骤S106，判定当前次计数得到的计数值为异常计数值，并对其进行剔除；若否，则执行步骤S103。

其中，步骤S106：判定当前次计数得到的计数值为异常计数值；步骤S103：利用各个计数值确定所述目标对象与所述距离传感器300之间的距离。

由于所述计数器20结束计数的时间越晚，计数结果将会越大，如果实际计数的结果出现越小或者过大，那么将判定为计数错误，被识别出时应重新进行计数。最后，将所述异常计数值剔除，将正确的计数值进行平均，从而提升所述距离传感器300的测量的精度。

关于所述步骤S101、S102和S103的更多信息请参见前文对图7的相关描述，此处不再赘述。

关于所述距离传感器200或300的距离测量方法的更多信息请参见前文对所述距离传感器200和300的相关描述，此处也不再赘述。

本发明实施例还公开了一种3D图像传感器，所述3D图像传感器可以包括数量是多个的上述距离传感器200或300，其中，所述光子检测电路102呈阵列排布。由于相比于现有技术中的距离传感器，本发明实施例的距离传感器200或300具有更高的测量精度，因此，所述3D图像传感器对3D图像的重构精度更高，可以用来探测更细腻的3D图像。

在具体实施中，所述3D图像传感器可以应用于如单光子相机、3D打印机等3D图像重构设备。进一步地，由于本实施例中的3D图像传感器采用的光子检测电路102可以检测单光子，因此可以在弱光环境下，高效、快速、准确地重建3D场景。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (15)

1.一种距离传感器的距离测量方法，其特征在于，包括：

获取多个计数信号，每一计数信号具有计数开始沿和计数停止沿，其中，首个计数信号的计数开始沿是在光源发出光子时产生的，首个计数信号的计数停止沿是在检测到经目标对象反射得到的反射光子时产生的，其他的计数信号的计数停止沿相对于所述首个计数信号的计数停止沿具有不同的延时；

在首个计数信号的计数开始沿和每一计数信号的计数停止沿所界定的时间窗口内，对输入时钟信号进行计数，以得到对应的计数值；

利用各个计数值确定所述目标对象与所述距离传感器之间的距离。

2.根据权利要求1所述的距离测量方法，其特征在于，所述获取多个计数信号包括：

控制所述光源分别在不同的时刻发出光子，在所述光源生成光子时产生对应的计数信号的计数开始沿；

在检测到经所述目标对象反射得到的反射光子时产生对应的计数信号的计数停止沿；

其中，其他的计数信号的计数开始沿相对于所述首个计数信号的计数开始沿具有不同的延时。

3.根据权利要求1所述的距离测量方法，其特征在于，所述其他的计数信号的计数停止沿相对于所述首个计数信号的计数停止沿的延时均小于等于所述输入时钟信号的周期。

4.根据权利要求3所述的距离测量方法，其特征在于，对于第i个计数信号，所述延时等于T/(N-1)×(i-1)，其中，T为所述输入时钟信号的周期，N为所述计数信号的总数量，i和N为整数，2≤i≤N。

5.根据权利要求4所述的距离测量方法，其特征在于，所述利用各个计数值确定所述目标对象与所述距离传感器之间的距离包括：根据得到的各个计数值的平均值、所述输入时钟信号的周期和光子的传播速度确定所述目标对象与所述距离传感器之间的距离。

6.根据权利要求1所述的距离测量方法，其特征在于，在所述利用各个计数值确定所述目标对象与所述距离传感器之间的距离之前，还包括：

将当前次计数得到的计数值与在当前次之前得到的计数值进行比较；

若当前次计数得到的计数值大于在当前次之前得到的计数值中的最大值与1之和，或小于在当前次之前得到的计数值中的最大值，则判定当前次计数得到的计数值为异常计数值，并对其进行剔除。

7.一种距离传感器，其特征在于，包括：

计数信号获取模块，适于获取多个计数信号，每一计数信号具有计数开始沿和计数停止沿，其中，首个计数信号的计数开始沿是在光源发出光子时产生的，首个计数信号的计数停止沿是在检测到经目标对象反射得到的反射光子时产生的，其他的计数信号的计数停止沿相对于所述首个计数信号的计数停止沿具有不同的延时；

计数器，适于在首个计数信号的计数开始沿和每一计数信号的计数停止沿所界定的时间窗口内，对输入时钟信号进行计数，以得到对应的计数值；

其中，各个计数值用于确定所述目标对象与所述距离传感器之间的距离。

8.根据权利要求7所述的距离传感器，其特征在于，所述计数信号获取模块包括：

延时电路，适于控制所述光源分别在不同的时刻发出光子，在所述光源生成光子时产生对应的计数信号的计数开始沿，其中，其他的计数信号的计数开始沿相对于所述首个计数信号的计数开始沿具有不同的延时；

光子检测电路，适于分别对经所述目标对象反射得到的反射光子进行检测，以得到每一计数信号的计数停止沿。

9.根据权利要求8所述的距离传感器，其特征在于，所述其他的计数信号的计数停止沿相对于所述首个计数信号的计数停止沿的延时均小于等于所述输入时钟信号的周期。

10.根据权利要求9所述的距离传感器，其特征在于，对于第i个计数信号，所述延时等于T/(N-1)×(i-1)，其中，T为所述输入时钟信号的周期，N为所述计数信号的总数量，i和N为整数，2≤i≤N。

11.根据权利要求10所述的距离传感器，其特征在于，还包括：控制模块，适于根据得到的各个计数值的平均值、所述输入时钟信号的周期和光子的传播速度确定所述目标对象与所述距离传感器之间的距离。

12.根据权利要求11所述的距离传感器，其特征在于，所述控制模块在利用各个计数值确定所述目标对象与所述距离传感器之间的距离之前，还适于将当前次计数得到的计数值与在当前次之前得到的计数值进行比较，若当前次计数得到的计数值大于在当前次之前得到的计数值中的最大值与1之和，或小于在当前次之前得到的计数值中的最大值，则判定当前次计数得到的计数值为异常计数值，并对其进行剔除。

13.根据权利要求9所述的距离传感器，其特征在于，所述延时电路包括：

可控延时链，其时钟输入端接入所述输入时钟信号，适于在相位选择信号的控制下产生输出时钟信号，所述输出时钟信号相对于所述输入时钟信号的延时等于T/(N-1)×(i-1)；

触发器，其数据输入端接入所述首个计数信号的计数开始沿，在所述输出时钟信号的作用下，其数据输出端输出所述其他的计数信号的计数开始沿。

14.根据权利要求7至13中任一项所述的距离传感器，其特征在于，所述光子检测电路包括：

SPAD，适于在检测到所述反射光子时产生雪崩电流；

脉冲生成电路，适于根据所述雪崩电流产生所述计数信号的计数停止沿。

15.一种3D图像传感器，其特征在于，包括数量是多个的权利要求8至14中任一项所述的距离传感器，其中，所述光子检测电路呈阵列排布。