CN109239724A - 用于测量距离的设备和用于测量所述距离的方法 - Google Patents

用于测量距离的设备和用于测量所述距离的方法 Download PDF

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Abstract

一种适合于测量参考对象(O)的距离(d)的测量设备(1)，该测量设备构造成使得其连续地执行多个测量操作(Ai)，并且包括发射装置(2)、接收装置(3)和第一处理单元(5)，发射装置(2)适合于发射光辐射(R)，接收装置(3)包含感测区域(31)，该感测区域(31)对光辐射(R)感测并设置有M个数量的感测单元(4)，感测单元(4)中的每一个构造成产生电信号(S)，第一处理单元(5)包括Ne个处理元件(6)，所述Ne个处理元件(6)中的每一个构造成接收电信号(S)，以用于确定光子(F)在感测单元(4)上的撞击时间(t)和用于计算所述距离(d)的值。

Description

用于测量距离的设备和用于测量所述距离的方法
本发明涉及一种改进的设备，其适合于通过使用光辐射来测量设备自身与参考对象之间的距离。
此外，本发明涉及一种通过所述测量设备测量所述距离的方法。
用于测量距离的设备是已知的，该设备基于指向参考对象的光辐射的发射和由参考对象自身反射的所述光辐射的检测。
具体地，所述测量设备包括适合于发射所述光辐射的装置和包含对所述光辐射感测的区域的接收装置。属于已知技术的测量设备还包括处理单元，处理单元能够确定由发射装置发射所述光辐射与接收装置检测到所述光辐射的时刻之间经过的时间段。
所述时间段的值(在技术术语中称为飞行时间(ToF)并通常指属于所述光辐射的光子)与测量设备和参考对象之间的距离成正比。在这方面，已知测量设备的处理单元通常构造成通过ToF来确定所述距离的值。除其它方面之外，重要的是要强调，表述“属于所述光辐射的光子”只是指且仅指由所述发射装置产生的光子，因此，其不同于由背景辐射，即环境光产生的光子。
从实现的角度来看，基于SPAD(单光子雪崩二极管)以及下面简要描述的，至少三种可能的结构对于所述测量设备而言是已知的。
首先，应指出，属于已知技术的测量设备的大多数结构共有所述接收装置的感测区域由多个感测单元(在技术术语中也称为“像素”)界定的特征。
所述感测单元或像素中的每一个实际上包含至少一个SPAD。
除了上述之外，本领域已知的所有实施方案所共有的另一特征由以下事实构成，即，所述处理单元设置有多个处理元件，该多个处理元件中的每一个构造成将所述ToF转换成数字表示(digital representation)，该处理单元使用该数字表示来确定测量设备和参考对象之间的距离。
通常，所述处理元件中的每一个都包括已知的首字母缩写为TDC(Time-to-Digital Converter，时间-数字转换器)的电子设备，其界定在产生感测区域的同一表面上，并且能够执行所述转换。
关于用于构造已知技术的测量设备的第一种可能的结构，这包括在属于感测区域的所述感测单元中的每一个和属于处理单元的处理元件之间创建“一对一”的关联。
这种构造有利地使得能够获得信噪比(SNR)的最佳值，因为对于所述感测单元中的每一个，测量设备能够独立地检测至少一个光子的撞击，因此没有丢失有用信息的风险。
然而，该解决方案引起了一些公认的缺点，首先，事实是，在实际应用中，上面描述的结构难以实现，因为至少等于感测单元数量的多个处理元件的限定将导致接收装置的过大尺寸，并从而导致整个设备的过大尺寸。此外，这种解决方案的成本也将过高。此外，利用所述解决方案，由于需要为所述处理元件提供空间，由接收装置(即，能够检测一个或更多个光子的撞击的多个感测单元)的感测区域占据的部分将显著减少。
换言之，利用上面所说明的解决方案可获得的所谓的“填充系数(fill factor)”的值，即实际光敏区域与接收装置的整个表面之间的比率将非常低，甚至低于5％。
因此，所述结构不利地受到以下事实的影响，即，由参考对象反射并在处理元件的水平处撞击接收装置的光辐射的光子(其大量存在)不能被检测到，从而导致有用信息的过度损失。
最后，对于接收装置的操作以及因此整个测量设备的操作而言，所需要的大量处理元件不利地导致了高能量消耗。
为了至少部分地克服上面所说明的缺点，已经开发了测量设备的所述接收装置的第二种结构。
根据所述替代性的第二种结构，事实上，处理元件中的每一个与多个感测单元相关联。因此，这种解决方案可以减少管理感测单元所需的处理元件的数量，从而相应减少接收装置占用的总表面。此外，在所述接收装置占据相同表面的情况下，与上面所描述的第一解决方案相比，该第二实施方案可以获得更高的填充系数。
然而，所述第二实施方案引起一个重要的缺点，与第一种结构相比，其表现为在确定所述距离方面效率较低。事实上，所述第二实施方案导致了放置在与每个处理元件相关联的每个感测单元的布置处的每个处理单元的有用区带(band)的减小。更准确地说，在所述处理元件需要忙于管理在与其相关联的感测单元之一中发生的事件的情况下，该同一感测单元不能够同时检测在属于所述多个的不同感测单元中发生的另一事件。
因此，不利的是，由于刚才已经解释的原因，与上面所描述的第一类型的测量设备相比，所述结构在统计学上导致了信噪比的降低。
换句话说，根据已知技术实现的第二种类型的测量设备虽然与前述测量设备相比，以更紧凑的结构为特征，但是仅能够在存在减少的光通量的情况下以有效的方式操作。
所述测量设备的第三实施方案也是已知的，其被认为是上面所描述的两者之间的中间解决方案。事实上，它包括在每个处理元件和多个感测单元之间的选择设备(其在技术术语中已知为名称“多路复用器(multiplexer)”)的存在。
所述选择设备能够以不同的时间段将所述感测单元中的每一个产生的信号发送到对应的处理元件。这样，由与同一处理元件相关联的所有感测单元产生的信号可以由该同一处理元件处理。然而，当光子在处理元件忙于管理不同处理单元的时间段期间撞击感测单元的感测表面时，也可能在这种情况下发生有用信息的丢失。此外，所述第三实施方案引起了另一个公认的缺点，即由于由多路复用器执行的选择顺序，与现有技术的先前测量设备相比，执行测量操作需要更多的时间。
在试图提高刚刚上面所描述的测量设备的信噪比时，专利US8773642建议在设置步骤期间执行第一评估操作，以便评估实际上受到发射装置发射的光辐射撞击的感测单元，并且只考虑且仅考虑由所识别的感测单元产生的信号来连续确定所述距离的值。
然而，不利的是，在各种测量操作期间，所述事实方案当外部操作条件相对于在所述设置步骤期间观察到的条件改变时的时刻失去其有效性。
除了上面刚描述的关于根据已知技术制造的测量设备的特定结构的缺点之外，可能要提及它们全部共有的另一个缺点。
这一缺点尤其发生在有高光通量撞击接收装置的感测区域的情况下，而不管是由于发射装置所发射的光辐射还是由于背景噪声，例如太阳光。
事实上，高光通量可能导致被称为“积存(pile-up)”的现象，这进而导致了属于感测区域的感测单元的快速饱和。更具体地，在感测单元中的每一个包括一个或更多个SPAD的情况下，所述高光通量的存在进而导致了同一SPAD的不活动时间(在技术术语中称为空闲时间(idle time))的增加。这意味着，不利的是，丢失有用信息的风险(意味着未能检测属于由发射装置所发射的光辐射的光子的撞击的风险)可能达到不可接受的值。
同样，在高光通量的情况下，所述“积存”现象的存在不利地导致了感测单元的所述突然饱和之后，实际填充系数值的急剧减少。
这意味着，即使接收装置静态地具有高填充系数值，如果它们过度暴露于高光通量，则所述填充系数值动态地减小，并且甚至可以被归零。
本发明旨在克服上面所描述的所有缺点。
特别地，本发明的目的之一是提供一种测量设备，其能够在任何操作条件下保持高信噪比，在高光通量的存在下也是如此。
因此，本发明的目的是提供一种测量设备，该测量设备能够高精度地确定设备本身与参考对象之间的距离值，在高光通量的情况下也是如此。
本发明的另一个目的是提供一种测量设备，其能够在所述距离的确定方面保持高精度，在存在外部测量条件突然变化的情况下也是如此。
因此，本发明的进一步的目的是提供一种具有高的静态和动态填充系数的测量设备。
本发明的另一个目的是提供一种以减小的尺寸和简化的结构为特征的测量设备。
本发明的进一步的目的是提供包含适度能量消耗的测量设备。
所述目的通过开发根据主权利要求的测量设备来实现。
作为本发明的主题的测量设备的其它特征在从属权利要求中进行描述。
所述目的也通过借助于作为本发明主题的测量设备实现的根据权利要求13的测量方法来实现。
在参照附图通过非限制性示例提供的本发明的一些优选实施方案的描述中，突出了所述目的以及下面所说明的优点，在附图中：
-图1示出了作为本发明主题的测量设备的示意图；
-图2示出了借助于作为本发明主题的测量设备依次实施的两个测量操作Ai的时间图；
-图3示出了本发明的接收装置、属于作为本发明主题的测量设备的第一处理单元和第二处理单元的示意图；
-图4示出了根据作为本发明主题的测量设备的变型实施方案的感测单元的结构的示意图；
-图5示出了根据本发明的两个测量设备的UP-DOWN计数的顺序的时间图；
-图6示出了当测量设备与参考对象之间的距离变化时，撞击本发明的测量设备的感测区域的光辐射的典型楔形形状。
作为本发明的主题并且适合于测量参考对象O或多个参考对象O的距离d的测量设备在图1中表示，其中测量设备整体上由1表示。
如下面所解释的，为了高精度地确定所述距离d的值，测量设备1构造成连续地执行多个测量操作Ai。
如图1中所示，本发明的测量设备1包括发射装置2，该发射装置2适合于顺序地对于所述测量操作Ai中的每一个在预定时间段I期间发射指向参考对象O的光辐射R。
所述多个顺序的测量操作Ai在图2中所示的时间表中示出。
根据本发明的优选实施方案，所述发射装置2构造成以与测量操作Ai中的每一个相关的每个时间段I发射具有预定数量X个脉冲B的脉冲类型的光辐射R，如图2中所示。
此外，关于发射装置2，它们优选但不必包括点状类型(punctiform type)的激光光源。然而，不能排除的是，根据本发明的测量设备1的不同实施方案，所述发射装置2可以包括LED源或一个或更多个激光二极管。
作为本发明主题的测量设备1还包括接收装置3，该接收装置3设置有区域31，区域31对由参考对象O反射的所述光辐射R敏感，如图1中示意性地所示。一般来说，明显的是，感测区域31对任何光通量(其光子F撞击感测区域31)是敏感的。
如图3中所示，感测区域31设置有M个数量的感测单元4，优选地布置成矩阵以便界定一列或更多个列和一行或更多个行。特别地，根据本发明，所述M个感测单元4中的每一个构造成使得感测单元在至少一个光子F撞击其感测表面41之后产生电信号S。
更详细地说，根据本发明的测量设备1的优选实施方案，感测区域31包括L个数量的感测单元4。
在这种情况下，在所有L个感测单元4中，M个感测单元4表示实际上能够用于产生所述电信号S的那些感测单元。
因此，显然，数量M可以小于或等于数量L。
换句话说，剩余的L-M个感测单元4，除了其中所有L个感测单元被启用(M＝L)的情况外，虽然物理上存在于接收装置3的所述感测区域31中，但是被禁用，并因此在光子F撞击其感测表面41的情况下不能产生电信号S。如以下详细描述的，在本发明的测量设备1上执行设置步骤期间，可以预先决定是否启用L个感测单元4中的一个。
同样，在此下面描述了通过实施所述设置步骤获得的优点。
然而，本发明的测量设备1的替代性实施方案可以不包括启用或不启用感测单元4的可能性。
因此，在这种情况下，在感测区域31中界定的所有L个感测单元4都被启用。换句话说，M与L一致。
根据作为本发明主题的测量设备1的优选实施方案，所述L个(M个，如果仅考虑被启用的感测单元的话)感测单元4包括SPAD(单光子雪崩二极管)81。
不能排除的是，根据本发明的变型实施方案，所述L(M)个感测单元4中的一个或更多个可以包括两个SPAD 81和SPAD 82，它们的感测表面具有不同的尺寸，如图4中示意性地所示。
此外，不能排除的是，在本发明的不同的替代性实施方案中，每个感测单元4可以包括多于两个的SPAD。
下面详细描述与在L(M)个感测单元4中的一个或更多个中存在所述两个SPAD相关的功能和优点。
属于本发明的测量设备1的另一个功能部件是第一处理单元5，该第一处理单元5进而包括Ne个数量的处理元件6，其中，根据本发明，Ne＜M。Ne个处理元件6中的每一个特别地构造成使得其接收由M个感测单元4中的一个产生的电信号S，并确定撞击该感测单元4的光子F的撞击时间(time of impact)t。
更准确地说，在本发明的测量设备1中，在M个感测单元4中的一个和处理元件6之间产生唯一的“一对一”关联。
此外，如上面已经解释的，撞击时间t是由发射装置2发射所述脉冲光辐射R和其光子F中的至少一个撞击在特定感测单元4的感测表面41之间经过的时间段(或ToF)。
此外，在根据本发明的测量设备1中，第一处理单元5构造成使得其在测量操作Ai中的每一个时，基于与M个感测单元4中的至少一个相关的撞击时间t计算距离d的值。将很快清楚的是，在描述了本发明的测量设备1与已知设备相区别的特征之后，如何界定在每次测量操作Ai时，计算所述距离d时要考虑的感测单元4的数量。
然而，在考虑数个感测单元4并因此考虑由数个处理元件6处理的数个电信号S的情况下，第一处理单元5构造成启动已知类型的处理逻辑和算法，以确定实际上从所述多个电信号S开始的所述距离d的单个值。
根据本发明的优选实施方案，第一处理单元5的Ne个处理元件6是Ne个TDC(时间-数字转换器)，如上面所解释的，该Ne个TDC能够测量参考信号(时钟)和与所述撞击时间相关的电信号S的到达时间之间经过的时间，并且能够将所述测量转换成数字表示。
此外，第一处理单元5包括另一电子计算元件51，其可操作地连接到所述Ne个处理元件6中的每一个，并且构造成实际上计算所述距离d。
优选但不是必须地，第一处理单元5物理地制造在所述接收装置3的感测区域31界定在其中的同一支撑件中。
然而，不能排除的是，根据本发明的不同实施方案，第一处理单元5可以被制成相对于接收装置3的独立元件，显然地，只要它可操作地连接到接收装置3即可。
此外，根据本发明的测量设备1的替代性实施方案，可以在用于所述感测区域31的同一支撑件上界定Ne个处理元件6，而电子计算元件51被界定为独立元件。
根据本发明，测量设备1还包括第二处理单元7，该第二处理单元7构造成使得在测量操作Ai中的每一个时，该第二处理单元执行一系列动作，该一系列的动作将在下面描述。首先，第二处理单元7构造成接收由M个感测单元4产生的电信号S作为输入。因此，更准确地说，第二处理单元7可操作地连接到感测区域31，使得它可以独立于第一处理单元5接收所述电信号S。
第二处理单元7构造成使得一旦已经接收到所述电信号S，则在测量操作Ai中的每一个的发射时间段I结束时，第二处理单元处理电信号S以便选择由实际上属于光辐射R的至少一个光子F撞击的感测单元4的数量Nu。如将要简要解释的，感测单元4的数量Nu被选择成使得其低于或甚至等于处理元件6的数量Ne(Nu≤Ne)。
第二处理单元7构造成使得一旦已经选择了所述Nu个感测单元4，则第二处理单元7将它们中的每一个与Ne个处理元件6中的一个相关联，使得在连续测量操作Ai+1时，所述距离d由所述第一处理单元5基于与所选择的Nu个感测单元4中的每一个相关联的至少一个光子F的撞击时间t来确定。
通过在每次测量操作Ai时循环执行的所述过程获得的第一个优点在于识别关注区域(region of interest)，该关注区域包括感测区域31内的一个或更多个感测单元4，属于由发射装置2发射的光辐射R的光子F实际上预期在该关注区域上发生撞击。
换句话说，仅考虑由所述选择的Nu个感测单元4产生的电信号S，信号S很可能源自于所述光辐射R的光子F中的一个的撞击，获得信噪比的显著增加，这进而确保了在确定距离d的值方面的更高精度。事实上，所有未选择的剩余M-Nu个感测单元4可以在与背景噪声，例如太阳光相关的光子F在感测表面41上的撞击之后产生电信号S，并从而导致所述信噪比的急剧降低。
由第二处理单元7构造成在每个测量操作Ai时循环地执行所述动作顺序的事实确定的另一优点在于，当参考对象O相对于测量设备1的位置变化时和/或当接收装置3上的光强度由于外部环境状况中发生的或所发射的光辐射R自身中发生的改变而变化时，由所述Nu个感测单元4构成的所述关注区域的位置、形状和/或尺寸的周期性的适应。
简而言之，本发明的测量设备1能够基于在前一测量操作Ai-1期间检测到的光条件来动态地改变所述关注区域的位置、形状和/或尺寸，以提高信噪比，并因此从而在每次测量操作Ai期间，提高在确定所述距离d方面的精度。
更具体地，关于第二处理单元7，根据本发明，其构造成在与每个测量操作Ai相关的预定时间段I期间，对于M个感测单元4中的每一个感测单元，计算与属于光辐射R的至少一个光子F(下文中由Fp表示)的撞击相关的出现的次数。换句话说，第二处理单元7构造成确定多个矩形图(histogram)，矩形图中的每一个与事件相关，意味着在发射时间段I期间发生在感测单元4中的每一个上的所述出现的次数，单独地选取M个感测单元4或与其它感测单元4一起被选取。
更准确地说，当在感测单元4上检测到事件时，与所述感测单元4相关联的处理单元7(优选地TDC)生成关于相对于参考信号(时钟)的所述事件的飞行时间的数字代码。然而，为了推算ToF中的信息，需要累积多次飞行时间，并产生以X轴上的TDC代码(从零到满刻度)和在Y轴上所产生的每个代码的出现的次数为特征的矩形图。
更详细地说，为了使撞击M个感测单元4的属于光辐射R的光子F和与背景噪声相关的光子F(更精确地由Fb指示)区分开，第二处理单元7构造成使得其通过以下方式来计算“出现(occurrences)”：顺序地在由发射装置2发射光辐射R期间对所述出现进行至少一次第一计数UP和在没有所述光辐射R的情况下进行至少一次第二计数DOWN。该步骤顺序的表示在图2中示意性地示出。第二处理单元7构造成这样：在至少一次第一计数UP之后接着至少一次第二计数DOWN的每个顺序后，其从彼此减去所述两次计数期间所计算的出现。这最后的动作有利地使得可以过滤由属于背景噪声的光子Fb对M个感测单元4中的每一个的撞击产生的电信号S，从而也允许第二处理单元7针对出现的计算仅考虑由实际上属于光辐射R的至少一个光子Fp的撞击产生的那些电信号S。
为了阐明这一方面，考虑给定感测单元4的情况，在该给定感测单元4上没有属于光辐射R的任何光子Fp的撞击，但是在该给定感测单元4上可能在第一计数UP和第二计数DOWN期间检测背景噪声的存在。在这种情况下，取决于所述背景噪声的光强度，可能观察到或者可能观察不到具有与在计数UP和计数DOWN两者期间产生的相同强度的电信号S的事件。因此，在这两种情况下，由第二处理单元7执行的减法计算使得可以过滤由于背景噪声引起的异常事件，并且因此使得可以排除它以便计算出现。相反，在给定的感测单元4上存在属于光辐射R的光子Fp的撞击的情况下，与背景噪声的存在或不存在无关，在第一计数UP期间一定发生的事件将产生强度比第二计数DOWN期间来自背景噪声的潜在事件产生的任何电信号S的强度高得多的电信号S。因此，在这种情况下，当执行所述减法计算时，由于实际上属于光辐射R的光子Fp的撞击的事件未被第二处理单元7过滤，并因此被正确地认为是出现。
根据作为本发明主题的测量设备1的优选实施方案，第二处理单元7构造成重复X次这样的顺序，该顺序包括单个第一计数UP之后接着是单个第二计数DOWN，其中，如上面已经解释的，X表示在时间段I期间对于测量操作Ai中的每一个发射的光辐射R的脉冲B的数量。
然而，不能排除的是，根据替代性实施方案，本发明的测量设备1可以构造成使得在所述时间段I期间对于每个计数顺序，可以执行两个或多个连续的第一计数UP，接着是两个或多个连续的第二计数DOWN。具体而言，优选地，测量设备1可以构造成能够将每个顺序的连续的第一计数UP的数量和连续的第二计数DOWN的数量选择为等于2的乘方。
在需要将本发明的两个测量设备1布置在相邻位置时，优选的实施方案的所述可能的替代性方案有利地具有相当大的重要性。事实上，它们的接近可能引起相互干扰，因为由所述测量设备1中的第一个发射的光辐射R可能照亮第二测量设备1的接收装置3，并且反之亦然。换言之，在这种情况下，除由于环境条件受到背景噪声存在的负面影响外，存在每个测量设备1的效率(特别是正确选择Nu个感测单元4的能力)将由于由两个测量设备1中的第二个测量设备发射的光辐射R的存在而进一步降低的风险。
有利的是，为了避免或限制所述另外的干扰源，本发明使得可以为两个相邻的测量设备1选择第一计数UP和第二计数DOWN的连续重复数量的不同值，如已经所述的，唯一的限制是所述数量必须是2的乘方。
为了阐明这一方面，例如，考虑这样的情况，其中第一测量设备1构造成使得其数次重复包括单个第一计数UP接着是单个第二计数DOWN的顺序，而第二测量设备1构造成使得其数次重复包括两个连续的第一计数UP接着是两个连续的第二计数DOWN的顺序，如图5中示意性地所示。
以这种方式，有利地，即使第一测量设备1的光辐射R万会不期望地照亮第二测量设备1，并且反过来第二测量设备1的光辐射R会不期望地照亮第一测量设备1，以及两个第二处理单元7对于计算顺序中的每一个会执行上面所描述的减法计算，那么在第一测量设备1上检测到的并由第二测量设备1的光辐射R导致的事件将被有利地过滤并因此不被考虑用于所述出现的计算。如果两个测量设备1的角色交换，则该相同状况也是有效的。
然而，不能排除的是，为了获得相同的优点，两个测量设备1的第二处理单元7和发射装置2可以构造成在发射时间段I内的随机时刻重复第一计数UP接着第二计数DOWN的顺序。同样，在这种情况下，实际上，执行所述第一计数UP和所述第二计数DOWN的时刻在两个相邻测量设备1中的不一致使得可以消除它们之间的相互干扰。
在存在多于两个的根据本发明的测量设备1的情况下，上面所描述的用于两个测量设备1的解决方案仍然同样有效。
再次，关于与本发明的优选实施方案相关的第二处理单元7，其构造成在确定所述出现之后，在每次测量操作Ai时，基于所述出现的数量的降序排列，在M个感测单元4中选择数量Nu的感测单元4。
更准确地说，根据优选实施方案，以降序排列选择与处理元件6的数量Ne相等的感测单元4的数量Nu，以使得Nu个感测单元4中的一个与Ne个处理元件6中的每一个相关联。
替代性地，根据本发明的第二实施方案，第二处理单元7可以构造成仅选择以出现的数量超过某个预定值为特征的M个感测单元4。因此，在这种情况下，对于每个测量操作Ai，将可以选择甚至小于处理元件6的数量Ne的感测单元4的数量Nu。在这种情况下，仅等于Nu的Ne个处理元件6的数量与Nu个感测单元4中的一个相关联。
此外，根据本发明的测量设备1的第三不同实施方案，第二处理单元7可以构造成总是根据出现来选择感测单元4的数量Nu，数量Nu小于处理元件6的数量Ne。该第二处理单元7可以构造成这样：在所述选择之后，所述Ne个处理元件6中的每一个根据预定分配模式与所选择的Nu个感测单元4或位于所述Nu个感测单元4中的一个附近的另外的感测单元4相关联。显然，所选择的Nu个感测单元4以及可能地与它们相邻的感测单元的总数不可以超过感测元件6的数量Ne，因为本发明的测量设备1的主要目的是获得感测单元4和处理元件6之间的“一对一”关联。
如上面已经提到的，本发明的测量设备1优选地但不是必须构造成允许执行接收装置3的设置步骤。特别地，所述设置步骤具有这样的目的，即，可以预先设置L个感测单元4中的每一个的“启用”或“禁用”状态，接着是所述M个感测单元4被选择为仅实际被启用的感测单元4用于产生所述电信号S。
为此，作为本发明主题的测量设备1包括存储寄存器9，在存储寄存器9中可以预先存储所述L个感测单元4中的每一个的“启用”或“禁用”状态。
有利的是，通过所述设置步骤，启用与它们的总数(L个感测单元4)相比的有限数量的M个感测单元4，使得可以以永久的方式增加信噪比，并且在每次测量操作时限制待被分析的感测单元4的数量，以便选择所述Nu个感测单元4。
事实上，由于测量设备1与参考对象O之间的距离变化，通过经由所述设置步骤来预先检查L个感测单元4中的哪些感测单元4实际上被由发射装置2发射的光辐射R照亮，可以永久地排除L个感测单元中的那些反过来将永远不会是有用信息的来源的感测单元4。
可以预先确定被启用的感测单元4的所述数量M的确信源于这样的认知：如已知的，撞击接收装置3的感测区域31的光辐射R的尺寸与测量设备1和对象O之间的所述距离d的值成反比。另外，还已知的是，由于三角测量效应，由对象O反射的所述光辐射R倾向于在感测区域31上以线性方式移动，通常取决于所述距离d。图6示出了当所述距离d变化时，撞击感测区域31的光辐射R的典型楔形形态。特别地，Y轴指示所述光辐射R在距离d变化时的移动方向，并且箭头指示在该距离d增加时其移动的程度。
从该表示可以观察到，属于图6中由Z表示的感测区域31的L个感测单元4的部分从未被光辐射R照亮。因此，所述感测单元4将从不产生用于计算所述距离d的值的电信号S。因此，它们可以被永久禁用。相反，在其中从未照亮的所述感测单元4会被启用的情况下，它们可能有助于引入噪声，并因此可能降低所述信噪比的值。
在所述设置步骤后，启用的感测单元4的数量M可以进一步减少，如图6中由V表示的感测单元4，虽然当对象O相对于测量设备1处于靠近位置时，由V表示的感测单元4被光辐射R照亮，但是其不能提供与从属于由U表示的区带的感测单元4所产生的电信号S获得的有用信息相比的任何另外的有用信息。
因此，总之，执行所述设置步骤的可能性使得可以仅识别和启用沿所述Y轴分布的有限数量的M个感测单元4，从而有助于增加所述信噪比，同时保持可用信息的质量不改变。
然而，根据本发明的替代性实施方案，本发明的测量设备1可以不构造成允许执行所述设置步骤，并从而使得可以预先设置所述L个感测单元4的“启用”或“禁用”状态。
同样，替代性地，不能排除的是，本发明的测量设备可以构造成允许执行所述设置步骤，而不需要循环性地选择Nu个感测单元4。
此外，再次关注图4中所示的并且包括一个或更多个感测单元4(其设置有两个SPAD 81和82，它们的感测表面具有不同的尺寸)的本发明的测量设备1的变型实施方案，对应的第二处理单元7构造成在测量操作Ai中的每一个时，对于所述感测单元4中的每一个，所述两个SPAD 81和82被单独地或共同地被启用。
优选但非必须地，在所述变型实施方案的情况下，第二处理单元7构造成基于光子F的数量，即，在先前的测量操作Ai-1期间撞击感测区域31的光强度，单独地或共同地启用所述两个SPAD 81和82。特别地，第二处理单元7构造成基于由M个感测单元4产生并由所述第二处理单元7接收作为输入的电信号S来确定光子F的所述数量。该另外的特征有利地允许作为本发明主题的测量设备1在每次测量操作Ai时，基于在先前周期中检测到的光辐射R的强度和背景噪声(如果有的话)，动态和自动地重置每个感测单元4的填充系数的值，并因此重置感测区域31对光辐射R的灵敏度。
特别地，对于包括所述两个SPAD 81和82的每个感测单元4，当仅启用具有较小感测表面的SPAD 81时获得最小填充系数值，当仅启用具有较大感测表面的SPAD 82时获得中间填充系数值，以及最后，当启用SPAD 81和82两者时获得最大填充系数值。
因此，在强光通量的情况下，即，在撞击感测区域31的大量光子F存在的情况下，本发明的测量设备1的所述功能自动降低M个感测单元4的灵敏度，从而避免它们的突然饱和(“积存”)和接收装置3的总填充系数值的急剧降低。
作为上面刚刚描述的解决方案的替代性方案，为了改变感测区域31对光辐射R和背景噪声的灵敏度，并因此避免高光通量的情况下上面所描述的缺点，在根据本发明的不同实施方案的测量设备1中，第二处理单元7可以构造成：在测量操作Ai中的每一个时，以与在先前的测量操作Ai-1期间撞击感测区域31的光子F的数量成反比的方式改变M个感测单元4中的一个或更多个的偏置电压Vbias。
此外，根据包括到目前为止描述的全部或部分特性的本发明的变型实施方案，测量设备1可以构造成：在测量操作Ai中的每一个时，基于感测区域31的水平面上的M个感测单元4中的每一个的空间坐标，在预定时间段I内的不同时刻激活M个感测单元4。
词语“激活(activate)”指的是技术术语中称为“选通(gating)”的指令，其确定M个感测单元4中的每一个的观察窗的打开，在该观察窗内可以检测到撞击相应感测表面41的光子F。显然，在SPAD的情况下，所述观察窗将在所述撞击发生的瞬间关闭。
另外，本发明的测量设备1的这种进一步的功能有助于提高信噪比。
事实上，如上面已经解释的，由于光辐射R的光子Fp撞击感测区域31的位置由于所述三角测量效应，根据同一设备1和参考对象O之间的距离d沿着Y轴变化，并且由于所述光子Fp的撞击时间t也根据所述距离d明显变化，所以在发射时间段I期间，可以基于M个感测单元4在感测区域31中的空间位置来延迟M个感测单元4的激活，而不导致有用信息的任何损失。相反，基于感测单元4的位置逐渐延迟感测单元4的激活成比例地减小了它们的观察窗的幅度，并因此减小了由于不属于发射的光辐射R的光子Fb的撞击而发生异常事件的风险。
最后，关于根据本发明的测量设备1的优选实施方案的处理单元7的精确结构，所述结构包括由属于上面提到的矩阵的相同列的所有感测单元4共享的第一电子计数器10和第二电子计数器11的界定。特别地，所述第一电子计数器10构造成在第一计数UP期间计数与同一列的所述感测单元4中的任一个相关的出现，而第二电子计数器11构造成在第二计数DOWN期间计数所述出现。
不能排除的是，在本发明的不同实施方案中，第二处理单元7可以包括仅与L个感测单元4中的每一个相关联的第一电子计数器10和第二电子计数器11。此外，不能排除的是，在本发明的测量设备1的不同变型实施方案中，可以存在第一电子计数器10和第二电子计数器11与属于所述矩阵的行，或总体上属于预定子阵列的多个感测单元4的共同关联。
此外，第二处理单元7包括电子计算元件71，该电子计算元件71可操作地连接到所述电子计数器10和11，并且构造成接收所述计数UP和计数DOWN的结果作为输入并且构造成执行连续的减法计算。最后，第二处理单元7包括在技术术语中定义为“切换矩阵(switching matrix)”的切换连接装置72，该切换连接装置72可操作地连接在所述多个L个感测单元4和Ne个处理元件6之间。特别地，电子计算元件71构造成使得其控制所述切换连接装置72，以便基于在设置步骤期间存储在所述存储寄存器9中的设置以及基于与指定感测单元4相关联的所述出现的次数，能够在Nu个感测单元4中的一个和Ne个处理元件6中的一个之间实现电连接。
如上面已经提到的，本发明还包括通过本发明的测量设备1实现的用于测量至少一个参考对象O的距离d的方法。
特别地，根据该方法，多个测量操作Ai顺序的实施，其中所述测量操作Ai中的每个包括通过所述发射装置2发射指向参考对象O的光辐射R达预定时间段I。
依次地，根据该方法，在至少一个光子Fp撞击在相应的感测表面41之后，通过M个感测单元4中的每一个产生电信号S。
此外，根据该方法，距离d的值由所述第一处理单元5基于所述光子Fp在M个感测单元4中的至少一个上的撞击时间t来确定，其中撞击时间t由与所述感测单元4相关联的Ne个处理元件6中的至少一个来确定。
根据作为本发明主题的方法，对于测量操作Ai中的每一个，所有M个启用的感测单元4的电信号S通过第二处理单元7来处理，以便在所述M个感测单元4中选择属于由实际上被影响的参考元件O反射的光辐射R的至少一个光子Fp实际撞击在其上的感测单元4的数量Nu。
依次地，根据本发明的方法，所选择的Nu个感测单元4中的每一个与Ne个处理元件6中的一个相关联，使得在连续的测量操作Ai+1时，基于与所选择的所述Nu个感测单元4中的每一个相关的光子Fp中的至少一个的撞击时间t来确定距离d的值。
优选地但不是必须地，本发明的方法可以包括另外的操作步骤，该另外的操作步骤在根据前面所描述的优选实施方案或根据前面描述的变型实施方案的测量设备1的描述中详细地说明。
因此，根据上述内容，作为本发明主题的测量设备和测量方法实现了所有设定的目的。
特别地，本发明实现了提供一种测量设备的目的，该测量设备能够在在任何操作条件下，甚至在高光通量的存在下，保持高信噪比。
因此，本发明实现了提供一种测量设备的目的，该测量设备即使在存在高光通量的情况下，也能够高精度地确定该同一设备与参考对象之间的距离值。
本发明还实现了提供一种测量设备的目的，该测量设备即使在外部测量条件突然改变的情况下也能够在所述距离的确定时保持高精度。
本发明还实现了提供一种具有高静态和动态填充系数的测量设备的目的。
本发明还实现了提供一种具有有限的尺寸和简化的结构的测量设备的目的。
最后，本发明还实现了提供一种需要适度能耗的测量设备的目的。

Claims (13)

1.一种测量设备(1)，其适合于测量至少一个参考对象(O)的距离(d)，所述测量设备(1)构造成连续地执行多个测量操作(Ai)，并且包括：
-发射装置(2)，对于所述测量操作(Ai)中的每一个，其适合于在预定时间段(I)期间发射指向所述参考对象(O)的光辐射(R)；
-接收装置(3)，其包括感测区域(31)，所述感测区域(31)对由所述参考对象(O)反射的所述光辐射(R)敏感，所述感测区域(31)设置有M个数量的感测单元(4)，所述感测单元(4)中的每一个构造成在至少一个光子(F)撞击其感测表面(41)之后产生电信号(S)；
-第一处理单元(5)，其包括Ne个处理元件(6)，其中Ne＜M，所述Ne个处理元件(6)中的每一个构造成接收由所述M个感测单元(4)中的一个产生的电信号(S)，并且构造成确定所述至少一个光子(F)相对于参考电信号(时钟)在所述感测单元(4)上的撞击时间(t)，所述第一处理单元(5)构造成，在所述测量操作(Ai)中的每一个时，基于与所述M个感测单元(4)中的至少一个相关的撞击时间(t)计算所述距离(d)的值，
其特征在于，所述测量设备(1)包括第二处理单元(7)，所述第二处理单元(7)构造成在所述测量操作(Ai)中的每一个时执行以下步骤：
-接收由所述M个感测单元(4)产生的所述电信号(S)作为输入；
-对所述电信号(S)进行处理，以便选择被属于所述光辐射(R)的光子(F)撞击的Nu个数量的感测单元(4)，其中Nu≤Ne；
-将所述Nu个感测单元(4)中的每一个与所述Ne个处理元件(6)中的一个相关联，以便在接续的测量操作(Ai+1)时，所述距离(d)由所述第一处理单元(5)基于与所选择的所述Nu个感测单元(4)中的每一个相关的至少一个所述光子(F)的撞击时间(t)来确定。
2.根据权利要求1所述的设备(1)，其特征在于，所述发射装置(2)发射脉冲类型的光辐射(R)，该脉冲类型的光辐射(R)对于与所述测量操作(Ai)中的每一个相关的每个时间段(I)具有预定数量为X的脉冲(B)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于，所述第二处理单元(7)构造成这样：在所述测量操作(Ai)中的每一个时，处理所述电信号(S)的所述步骤包括在所述预定时间段(I)期间，对于所述M个感测单元(4)中的每一个，计算与属于所述光辐射(R)的至少一个光子(F)的撞击相关的出现的次数。
4.根据权利要求3所述的设备(1)，其特征在于，所述第二处理单元(7)构造成，对于所述M个感测单元(4)中的每一个，通过依次执行以下操作来计算的所述出现的次数：
-在由所述发射装置(2)发射所述光辐射(R)期间，执行所述出现的至少一个第一计数(UP)；
-在没有所述光辐射(R)的情况下，执行至少一个第二计数(DOWN)；
-执行所述第一计数(UP)和所述第二计数(DOWN)之间的减法计算。
5.根据权利要求3或4所述的设备(1)，其特征在于，所述第二处理单元(7)构造成，在所述测量操作(Ai)中的每一个时并且在所述出现的次数的所述计算之后，所述第二处理单元基于所述出现的所述次数的降序排列而在所述M个数量的感测单元(4)中选择所述Nu个数量的感测单元(4)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于，所述感测单元(4)中的每一个包括至少一个SPAD(单光子雪崩二极管)(81)。
7.根据权利要求6所述的设备(1)，其特征在于，所述感测单元(4)中的每一个包括至少两个SPAD(81、82)，所述至少两个SPAD的感测表面具有不同的尺寸，所述第二处理单元(7)构造成，在所述测量操作(Ai)中的每一个时，所述M个感测单元(4)中的每一个的所述两个SPAD(81、82)在所述时间段(I)期间被单独地或共同地启用。
8.根据权利要求7所述的设备(1)，其特征在于，所述第二处理单元(7)构造成，基于在先前的测量操作(Ai-1)期间撞击在所述感测区域(31)上的光子(F)的数量，单独地或共同地启用所述感测单元(4)中的每一个的所述两个SPAD(81、82)，所述光子(F)的数量基于由所述M个感测单元(4)产生并由所述第二处理单元(7)接收作为输入的所述电信号(S)确定。
9.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于，所述第一处理单元(5)的所述Ne个处理元件(6)是Ne个TDC(时间-数字转换器)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于，所述接收装置(3)的所述感测区域(31)包括L个数量的感测单元(4)，所述设备(1)包括存储寄存器(9)，在所述存储寄存器(9)中可以预先存储所述L个感测单元(4)中的每一个的“启用”或“禁用”状态，所述M个感测单元(4)仅是处于所述“启用”状态的所述感测单元(4)，其中M≤L，其中所述存储寄存器(9)能够在所述设备(1)的设置期间被设置。
11.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于，所述第二处理单元(7)构造成这样：在所述测量操作(Ai)中的每一个时，所述第二处理单元以与在先前测量操作(Ai-1)期间撞击所述感测区域(31)的光子(F)的数量成反比的方式改变所述M个感测单元(4)中的一个或更多个的偏置电压(Vbias)的值，所述光子(F)的数量基于由所述M个感测单元(4)产生并由所述第二处理单元(7)接收作为输入的所述电信号(S)确定。
12.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于，所述设备(1)构造成，在所述测量操作(Ai)中的每一个时，基于在所述接收装置(3)的所述感测区域(31)上的所述M个感测单元(4)中的每一个的空间坐标，所述设备在所述预定时间段(I)期间在不同时刻激活所述M个感测单元(4)。
13.一种用于测量至少一个参考对象(O)的距离(d)的方法，所述方法通过根据前述权利要求中任一项所述的测量设备(1)来实现，并且包括依次执行多个测量操作(Ai)，所述测量操作(Ai)中的每一个包括以下步骤：
-在预定时间段(I)通过所述发射装置(2)发射指向所述参考对象(O)的光辐射(R)；
-通过所述接收装置(3)的所述M个感测单元(4)中的每一个，在至少一个光子(F)撞击在所述感测单元(4)的感测表面(41)之后，产生电信号(S)；
-基于所述至少一个光子(F)在所述M个感测单元(4)中的至少一个上的撞击时间(t)，借助于所述第一处理单元(5)确定所述距离(d)的值，所述撞击时间(t)由所述Ne个处理元件(6)中的至少一个确定，
其特征在于，对于所述测量操作(Ai)中的每一个，所述方法包括以下步骤：
-通过所述第二处理单元(7)处理所述M个感测单元(4)的所述电信号(S)，以便在所述M个感测单元(4)中选择所述Nu个数量的感测单元(4)，属于所述反射的光辐射(R)的至少一个光子(F)撞击在所述Nu个数量的感测单元(4)处；
-将所述Nu个感测单元(4)中的每一个与所述Ne个处理元件(6)中的一个相关联，以便在接续的测量操作(Ai+1)时，基于与所选择的所述Nu个感测单元(4)中的每一个相关的至少一个所述光子(F)的撞击时间(t)来确定所述距离(d)的所述值。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112611368A (zh) * 2020-12-01 2021-04-06 西南交通大学 一种大地精密检测仪自动对齐信标装置

Families Citing this family (11)

* 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
US20180341009A1 (en) 2016-06-23 2018-11-29 Apple Inc. Multi-range time of flight sensing
US10830879B2 (en) 2017-06-29 2020-11-10 Apple Inc. Time-of-flight depth mapping with parallax compensation
US10955552B2 (en) 2017-09-27 2021-03-23 Apple Inc. Waveform design for a LiDAR system with closely-spaced pulses
WO2019125349A1 (en) 2017-12-18 2019-06-27 Montrose Laboratories Llc Time-of-flight sensing using an addressable array of emitters
KR102604902B1 (ko) 2019-02-11 2023-11-21 애플 인크. 펄스형 빔들의 희소 어레이를 사용하는 깊이 감지
CN110221272B (zh) * 2019-05-09 2021-11-19 奥比中光科技集团股份有限公司 时间飞行深度相机及抗干扰的距离测量方法
US11500094B2 (en) 2019-06-10 2022-11-15 Apple Inc. Selection of pulse repetition intervals for sensing time of flight
US11555900B1 (en) 2019-07-17 2023-01-17 Apple Inc. LiDAR system with enhanced area coverage
US11733359B2 (en) 2019-12-03 2023-08-22 Apple Inc. Configurable array of single-photon detectors
US11681028B2 (en) 2021-07-18 2023-06-20 Apple Inc. Close-range measurement of time of flight using parallax shift

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070091294A1 (en) * 2003-10-06 2007-04-26 Triple-In Holding Ag Distance measurement
CN101918858A (zh) * 2007-08-09 2010-12-15 欧洲原子能研究组织 辐射监测设备
CN102036023A (zh) * 2009-10-01 2011-04-27 索尼公司 图像传感器、电子***和用于控制图像传感器的方法
CN102246058A (zh) * 2008-12-15 2011-11-16 皇家飞利浦电子股份有限公司 用于硅光电倍增管和其他单光子计数器的温度补偿电路
CN102341727A (zh) * 2009-03-06 2012-02-01 皇家飞利浦电子股份有限公司 用于单光子计数器的温度补偿和控制电路
US20120249998A1 (en) * 2009-09-11 2012-10-04 Robert Bosch Gmbh Optical Distance Measuring Device
CN103733609A (zh) * 2011-08-03 2014-04-16 皇家飞利浦有限公司 用于数字硅光电倍增器阵列的位置敏感的读出模式
US20150116273A1 (en) * 2013-10-28 2015-04-30 Blackberry Limited Contactless gesture recognition with sensor having asymmetric field of view
US20150177369A1 (en) * 2013-12-23 2015-06-25 Oulun Yliopisto Distance Measurement Device, Receiver Thereof And Method Of Distance Measurement
CN106210570A (zh) * 2015-05-26 2016-12-07 豪威科技股份有限公司 具有改进的起始信令的飞行时间成像

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10130763A1 (de) * 2001-06-26 2003-01-02 Bosch Gmbh Robert Vorrichtung zur optischen Distanzmessung über einen grossen Messbereich
DE102006013290A1 (de) * 2006-03-23 2007-09-27 Robert Bosch Gmbh Vorrichtung zur optischen Distanzmessung sowie Verfahren zum Betrieb einer solchen Vorrichtung
DE102009029364A1 (de) 2009-09-11 2011-03-24 Robert Bosch Gmbh Messvorrichtung zur Messung einer Entfernung zwischen der Messvorrichtung und einem Zielobjekt mit Hilfe optischer Messstrahlung
DE102011107645A1 (de) * 2011-07-12 2013-01-17 Leica Microsystems Cms Gmbh Vorrichtung und Verfahren zum Detektieren von Licht
US10324171B2 (en) * 2015-12-20 2019-06-18 Apple Inc. Light detection and ranging sensor
US9997551B2 (en) * 2015-12-20 2018-06-12 Apple Inc. Spad array with pixel-level bias control
WO2017112416A1 (en) * 2015-12-20 2017-06-29 Apple Inc. Light detection and ranging sensor
US20180341009A1 (en) * 2016-06-23 2018-11-29 Apple Inc. Multi-range time of flight sensing

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070091294A1 (en) * 2003-10-06 2007-04-26 Triple-In Holding Ag Distance measurement
CN101918858A (zh) * 2007-08-09 2010-12-15 欧洲原子能研究组织 辐射监测设备
CN102246058A (zh) * 2008-12-15 2011-11-16 皇家飞利浦电子股份有限公司 用于硅光电倍增管和其他单光子计数器的温度补偿电路
CN102341727A (zh) * 2009-03-06 2012-02-01 皇家飞利浦电子股份有限公司 用于单光子计数器的温度补偿和控制电路
US20120249998A1 (en) * 2009-09-11 2012-10-04 Robert Bosch Gmbh Optical Distance Measuring Device
CN102036023A (zh) * 2009-10-01 2011-04-27 索尼公司 图像传感器、电子***和用于控制图像传感器的方法
CN103733609A (zh) * 2011-08-03 2014-04-16 皇家飞利浦有限公司 用于数字硅光电倍增器阵列的位置敏感的读出模式
US20150116273A1 (en) * 2013-10-28 2015-04-30 Blackberry Limited Contactless gesture recognition with sensor having asymmetric field of view
US20150177369A1 (en) * 2013-12-23 2015-06-25 Oulun Yliopisto Distance Measurement Device, Receiver Thereof And Method Of Distance Measurement
CN106210570A (zh) * 2015-05-26 2016-12-07 豪威科技股份有限公司 具有改进的起始信令的飞行时间成像

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
F. GUERRIERI ET AL.: "SPAD arrays for parallel photon counting and timing", 《2010 23RD ANNUAL MEETING OF THE IEEE PHOTONICS SOCIETY》 *
寇松峰等: "基于4元APD阵列的激光测距技术研究", 《激光与红外》 *
范建兴等: "SPAD的时间响应特性及其在激光测距中的应用", 《光电工程》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112611368A (zh) * 2020-12-01 2021-04-06 西南交通大学 一种大地精密检测仪自动对齐信标装置

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