CN111090101B - 飞行时间测距装置以及飞行时间测距方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种飞行时间测距装置以及飞行时间测距方法。飞行时间测距装置包括信号处理器、光发射器以及光传感器。光发射器依序发射多个脉冲光至感测目标。光传感器依序接收经由感测目标反射的所述多个脉冲光，以对应输出多个像素电压信号。信号处理器依据所述多个像素电压信号产生多个读出电压信号。信号处理器比对所述多个读出信号以及多个计数信号，以取得多个计数值。信号处理器计算所述多个计数值的平均值，并且依据平均值来准确地决定飞行时间测距装置与感测目标之间的距离。

Description

飞行时间测距装置以及飞行时间测距方法
技术领域
本发明涉及一种测距技术，尤其涉及一种飞行时间(Time to Flight,ToF)测距装置以及飞行时间测距方法。
背景技术
随着测距技术的演进，各种测距技术不断地被发展出来，并且被广泛地应用于例如车距检测、人脸识别以及各种物联网(Internet of Things,IoT)设备。常见的测距技术例如是红外线测距(Infrared,IR)技术、超声波(Ultrasound)测距技术以及脉冲光(Intense Pulsed Light,IPL)测距技术。然而，随着测距的精准度要求越来越高，采用飞行时间(Time to Flight,ToF)量测方法的脉冲光测距技术是目前本领域主要的研究方向之一。对此，如何提升飞行时间测距的精准度，以下将提出几个实施例的解决方案。
发明内容
本发明提供一种飞行时间(Time to Flight,ToF)测距装置以及飞行时间测距方法，可提供能准确地感测飞行时间测距装置与感测目标之间的距离的效果。
本发明的飞行时间测距装置包括信号处理器、光发射器以及光传感器。光发射器耦接信号处理器。光发射器用以依序发射多个脉冲光至感测目标。光传感器耦接信号处理器。光传感器用以依序接收经由感测目标反射的所述多个脉冲光，以对应输出多个像素电压信号。信号处理器依据所述多个像素电压信号产生多个读出电压信号。信号处理器比对所述多个读出信号以及多个计数信号，以取得多个计数值。信号处理器计算所述多个计数值的平均值。信号处理器依据平均值来决定飞行时间测距装置与感测目标之间的距离。
本发明的飞行时间测距方法适用于飞行时间测距装置。所述方法包括以下步骤：通过光发射器依序发射多个脉冲光至感测目标；通过光传感器依序接收经由感测目标反射的所述多个脉冲光，以对应输出多个像素电压信号；通过信号处理器依据所述多个像素电压信号产生多个读出电压信号；通过信号处理器比对所述多个读出信号以及多个计数信号，以取得多个计数值；通过信号处理器计算所述多个计数值的平均值；以及通过信号处理器依据平均值来决定飞行时间测距装置与感测目标之间的距离。
基于上述，本发明的飞行时间测距装置以及飞行时间测距方法，可通过计算多次感测所取得的多个计数值的平均值，来换算飞行时间测距装置与感测目标之间的距离。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。
附图说明
图1是依照本发明的一实施例的飞行时间测距装置的功能方块图。
图2是依照本发明的一实施例的信号处理器的功能方块图。
图3是依照本发明的图2实施例的信号时序图。
图4是依照本发明的一实施例的读出多个计数值的示意图。
图5是依照本发明的一实施例的飞行时间测距方法的流程图。
【符号说明】
100：飞行时间测距装置；
110：信号处理器；
111：比较器电路；
112：存储模块；
113：时脉产生电路；
114：计数器电路；
120：光发射器；
130：光传感器；
200：感测目标；
400_1～400_10：计数信号；
Vp：像素电压；
Vr：参考信号；
Vc：电压信号；
Sc：时脉信号；
Lp：脉冲信号；
Dc：计数信号；Dm：存储数据；
S510～S560：步骤。
具体实施方式
为了使本发明的内容可以被更容易明了，以下特举实施例做为本发明确实能够据以实施的范例。另外，凡可能之处，在附图及实施方式中使用相同标号的元件/构件/步骤，代表相同或类似部件。
图1是依照本发明的一实施例的飞行时间测距装置的功能方块图。参考图1，飞行时间测距装置100包括信号处理器110、光发射器120以及光传感器130。信号处理器110耦接光发射器120以及光传感器130。在本实施例中，光发射器120可例如是脉冲光发射器或激光二极管(Laser Diode)。光传感器130可例如是互补式金属氧化物半导体图像传感器(CMOSImage Sensor,CIS)。光发射器120可发射脉冲光(Intense Pulse Light,IPL)至感测目标200，并且光传感器130可接收经由感测目标200反射的脉冲光。
在本实施例中，光发射器120可在极短时间内依序发射多个脉冲光至感测目标200，并且光传感器130可依序接收经由感测目标200反射的所述多个脉冲光，以对应输出多个像素电压信号。因此，信号处理器110可依据所述多个像素电压信号来产生对应的多个读出电压信号。信号处理器110比对所述多个读出信号以及多个计数信号，以取得多个计数值。在本实施例中，信号处理器110可计算所述多个计数值的平均值，并且依据所述平均值来决定飞行时间测距装置100与感测目标200之间的距离。
举例而言，信号处理器110可依据所述多个计数值的平均值来换算脉冲光的光路径长度，并且光路径长度的二分之一为飞行时间测距装置100与感测目标200之间的距离。换言之，本实施例的飞行时间测距装置100可在极短时间内进行多次感测，并且对多次感测结果进行平均值的计算，以取得高精度以及高精确度的计数结果。因此，本实施例的飞行时间测距装置100可提供高精度以及高精确度的距离感测结果。
图2是依照本发明的一实施例的信号处理器的功能方块图。图3是依照本发明的图2实施例的信号时序图。参考图1至图3，本实施例的信号处理器110可例如包括如图2所示的多个功能电路。在本实施例中，信号处理器110可包括比较器电路111、存储模块112、时脉产生电路113以及计数器电路114。比较器电路111耦接存储模块112。时脉产生电路113耦接计数器电路114。存储模块112耦接比较器电路111以及计数器电路114。
以下说明取得一个计数值的操作方式。在本实施例中，比较器电路111可接收由光传感器130的像素单元提供的像素电压Vp，并且可接收参考信号Vr。像素电压Vp与参考信号Vr的关系如图3所示。当光传感器130的像素单元感测到经由感测目标200反射的脉冲光的脉冲信号Lp时，从脉冲信号Lp的上升缘开始，像素电压Vp发生电压变化(下降)，并且当像素电压Vp与参考信号Vr交错时，读出电压信号Vc对应发生电压变化，其中读出电压信号Vc出现下降缘。在本实施例中，时脉产生电路113提供时脉信号Sc至计数器电路114，以使计数器电路114依据时脉信号Sc产生计数信号Dc。计数信号Dc随时间变化可用于对应不同的计数值。
在本实施例中，存储模块112可例如包括锁存电路以及比较电路等，本发明并不加以限制。存储模块112接收读出电压信号Vc以及计数信号Dc。当读出电压信号Vc出现下降缘时，存储模块112将对应于计数信号Dc的多个计数值的其中之一读出。如图3所示，存储模块112的存储数据Dm可例如记录“120”的计数值。值得注意的是，在一实施例中，时脉产生电路113可例如依据时变延迟时脉(time variant delay)或依据展频时脉(Spread SpectrumClock,SSC)来产生时脉信号Sc，但本发明并不加以限制。另外，图3是用以表示各信号随时间变化的波形变化关系，而图3的纵轴并不表示具体电压值大小。
图4是依照本发明的一实施例的读出多个计数值的示意图。参考图1以及图4，以下说明取得多个计数值的操作方式。在本实施例中，信号处理器110可包括如上述图2的多个功能电路，并且执行多次如上述图3所示的计数值的取得操作。在本实施例中，由于光传感器130在极短时间内接收经由感测目标200反射的多个脉冲光，因此所述多个脉冲光可视为如图4所示的脉冲信号Lp。在本实施例中，信号处理器110可依据脉冲信号Lp的上升缘与依序的多个计数信号400_1～400_10对应，以读出对应的计数值。在本实施例中，信号处理器110依据时变延迟时脉来产生计数信号400_1～400_10，因此计数信号400_1～400_10彼此之间具有相同且高解析度的延迟。
如图4所示，信号处理器110可依序读出例如是“124”、“124”、“123”、“123”、“123”、“123”、“123”、“123”、“123”、“123”。信号处理器110计算这些计数值的加总为“1232”，并且可计算其平均值为“123.2”。因此，相较于只取一次计数值的结果，本实施例的飞行时间测距装置100可提供高精度以及高精确度的距离感测结果。值得注意的是，本实施例的飞行时间测距装置100感测次数(或计数次)不限于图4所示，图4仅为一种范例实施例的说明。另外，在一实施例中，信号处理器110也可依据展频时脉来产生计数信号400_1～400_10，以提供高精度以及高精确度的距离感测结果。
图5是依照本发明的一实施例的飞行时间测距方法的流程图。参考图1以及图5，本实施例的飞行时间测距方法可至少适用于图1实施例的飞行时间测距装置100，以使飞行时间测距装置100执行步骤S510～S560。在步骤S510中，光发射器120依序发射多个脉冲光至感测目标200。在步骤S520中，光传感器130依序接收经由感测目标200反射的所述多个脉冲光，以对应输出多个像素电压信号至信号处理器。在步骤S530中，信号处理器110依据所述多个像素电压信号产生多个读出电压信号。在步骤S540中，信号处理器110比对所述多个读出信号以及多个计数信号，以取得多个计数值。在步骤S550中，信号处理器110计算所述多个计数值的平均值。在步骤S560中，信号处理器110依据平均值来决定飞行时间测距装置100与感测目标200之间的距离。因此，本实施例的飞行时间测距方法可有效地对感测目标200进行测距操作，并且可提供高精度以及高精确度的距离感测结果。
另外，关于本实施例的飞行时间测距装置100的其他电路特征、实施手段以及技术细节可参考上述图1至图4的实施例而获致足够的教示、建议以及实施说明，因此不再赘述。
综上所述，本发明的飞行时间测距装置以及飞行时间测距方法可提供高精度以及高精确度的距离感测结果。首先，本发明的飞行时间测距装置可通过光发射器在极短时间内发射多个脉冲光至感测目标，并且通过光传感器获取感测目标反射的所述多个脉冲光，以产生对应的多个像素电压信号。接着，本发明的飞行时间测距装置可利用所述多个像素电压信号来产生对应的多个计数值。因此，本发明的飞行时间测距装置可通过计算所述多个计数值的平均值来对应换算具有高精度以及高精确度的距离值。
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定的为准。

Claims (12)

1.一种飞行时间测距装置，其特征在于，包括：
信号处理器；
光发射器，耦接所述信号处理器，并且用以依序发射多个脉冲光至感测目标；以及
光传感器，耦接所述信号处理器，并且用以依序接收经由所述感测目标反射的所述多个脉冲光，以对应输出多个像素电压信号，
其中所述信号处理器依据所述多个像素电压信号产生多个读出电压信号，并且所述信号处理器比对所述多个读出信号以及多个计数信号，以取得多个计数值，
其中所述信号处理器计算所述多个计数值的平均值，并且所述信号处理器依据所述平均值来决定所述飞行时间测距装置与所述感测目标之间的距离，
其中所述信号处理器包括比较器电路，所述比较器电路比较所述多个像素电压信号与各自对应的参考信号，以输出所述多个读出电压信号。
2.根据权利要求1所述的飞行时间测距装置，其中所述光传感器感测所述多个脉冲光的多个脉冲信号，以输出对应于所述多个脉冲信号的所述多个像素电压信号。
3.根据权利要求1所述的飞行时间测距装置，其中所述信号处理器包括一存储模块，并且所述存储模块依据所述多个读出电压信号各自的下降缘来读出在对应的计数信号中的对应的计数值。
4.根据权利要求1所述的飞行时间测距装置，其中所述信号处理器包括时脉产生电路以及计数器电路，并且所述时脉产生电路用以提供多个时脉信号，以使所述计数器电路依据所述多个时脉信号来产生所述多个计数信号。
5.根据权利要求4所述的飞行时间测距装置，其中所述时脉产生电路依据时变延迟时脉来产生所述多个时脉信号。
6.根据权利要求4所述的飞行时间测距装置，其中所述时脉产生电路依据展频时脉来产生所述多个时脉信号。
7.一种飞行时间测距方法，适用于飞行时间测距装置，其特征在于，所述方法包括：
通过光发射器依序发射多个脉冲光至感测目标；
通过光传感器依序接收经由所述感测目标反射的所述多个脉冲光，以对应输出多个像素电压信号；
通过信号处理器依据所述多个像素电压信号产生多个读出电压信号，包括：
通过比较器电路比较所述多个像素电压信号与各自对应的参考信号，以输出所述多个读出电压信号；
通过所述信号处理器比对所述多个读出信号以及多个计数信号，以取得多个计数值；
通过所述信号处理器计算所述多个计数值的平均值；以及
通过所述信号处理器依据所述平均值来决定所述飞行时间测距装置与所述感测目标之间的距离。
8.根据权利要求7所述的飞行时间测距方法，其中输出所述多个像素电压信号的步骤包括：
通过所述光传感器感测所述多个脉冲光的多个脉冲信号，以输出对应于所述多个脉冲信号的所述多个像素电压信号。
9.根据权利要求7所述的飞行时间测距方法，其中取得所述多个计数值的步骤包括：
通过存储模块依据所述多个读出电压信号各自的下降缘来读出在对应的计数信号中的对应的计数值。
10.根据权利要求7所述的飞行时间测距方法，还包括：
通过时脉产生电路提供多个时脉信号；以及
通过计数器电路依据所述多个时脉信号来产生所述多个计数信号。
11.根据权利要求10所述的飞行时间测距方法，其中所述时脉产生电路依据时变延迟时脉来产生所述多个时脉信号。
12.根据权利要求10所述的飞行时间测距方法，其中所述时脉产生电路依据展频时脉来产生所述多个时脉信号。
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