CN114089351A - 测距装置和测距方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种测距装置，其特征在于，包括：发射模块，包括发射单元，所述发射单元用于向被测物体发射探测信号；探测模块，包括由多个像素构成的像素阵列，用于接收所述被测物体发射的所述探测信号；其中，所述像素的驱动信号由驱动模块提供，所述驱动模块还用于对所述发射单元提供驱动信号。通过在测距装置中使用一个驱动模块同时对发射模块和探测模块提供驱动信号，相比于在发射模块和探测模块分别设置驱动模块，减小了设计的复杂度和设计的成本。

Description

测距装置和测距方法

技术领域

本申请涉及探测技术领域，特别涉及一种测距装置和测距方法。

背景技术

飞行时间测距法(Time of flight，TOF)，其原理是通过给目标物连续发送光脉冲，然后用传感器接收从物体返回的光，通过探测光脉冲的飞行(往返)时间来得到目标物距离。

而直接飞行时间探测(Direct Time of flight，DTOF)作为TOF的一种，DTOF技术通过计算光脉冲的发射和接收时间，直接获得目标距离，具有原理简单，信噪比好、灵敏度高、精确度高等优点，受到了越来越广泛的关注。

一般地，在DTOF测距***中，包括发射部分和接收部分，发射部分用于发射光脉冲信号，接收部分用于接收被反射的光脉冲信号。接收部分通常使用单光子雪崩光电二极管(Single Photon Avalanche Diode，SPAD)对光信号进行探测，示例性地，在携带距离信息的图像传感器(即，3D图像传感器)中，例如，采用像素阵列，其中将使用SPAD(单光子雪崩二极管)的像素排列成矩阵。在SPAD中，当一个光子进入高电场PN结区域，同时施加高于击穿电压的电压时，雪崩就会发生放大。通过检测电流瞬时流过的时刻，可以高精度地测量距离。由于SPAD是工作在盖革模式下的雪崩光电二极管(Avalanche Photon Diode，APD)，在该模式下，需要向SPAD提供很高的反向的偏置电压，即需要在该接收部分中设置高电压产生模块。由于必须向SPAD施加高于击穿电压的电压，因此在SPAD的后级中驱动SPAD的驱动电路和信号处理电路的功耗往往会很大。

相应地，用于发射光脉冲信号的发射部分也需要设置高电压产生模块，用于像发射部分中发射光脉冲信号的发光单元提供驱动。一般的，在DTOF测距***中，高电压产生模块分别设置在发射部分和接收部分中，即高电压产生模块分别设置在用于发射光信号的发射芯片和用于接收光信号的传感芯片中，然而，传感芯片中设置高电压产生模块会增加其设计成本和设计难度。

发明内容

本申请的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种测距装置和测距方法，以解决现有的芯片设计难度大和设计成本高的技术问题。

为实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本申请实施例提供了一种测距装置，其特征在于，包括：发射模块，包括发射单元，所述发射单元用于向被测物体发射探测信号；探测模块，包括由多个像素构成的像素阵列，用于接收所述被测物体发射的所述探测信号；其中，所述像素的驱动信号由驱动模块提供，所述驱动模块还用于对所述发射单元提供驱动信号。

可选地，所述像素包括单光子雪崩二极管，所述单光子雪崩二极管的驱动信号与所述发射模块的所述驱动信号为同一信号。

可选地，所述驱动信号的电压低于所述单光子雪崩二极管的盖格模式的偏置电压。

可选地，所述发射模块由发光二极管构成。

可选地，所述驱动模块与所述探测模块分布在两个不同的基板。

第二方面，本申请实施例提供了一种测距方法，其特征在于，包括：向被测目标发送探测信号；向探测模块发送驱动信号，所述探测模块接收所述被测目标反射的所述探测信号；其中，所述驱动信号还用于驱动向被测目标发送的所述探测信号。

可选地，所述探测模块包括单光子雪崩二极管，所述驱动信号用于提供所述单光子雪崩二极管的偏置。

可选地，驱动信号的电压低于所述单光子雪崩二极管的盖格模式的偏置电压。

可选地，所述探测信号为激光脉冲信号。

本申请的有益效果是：通过在测距装置中使用一个驱动模块同时对发射模块和探测模块提供驱动信号，相比于在发射模块和探测模块分别设置驱动模块，减小了设计的复杂度和设计的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本申请实施例提供的测距装置的一种模块框图；

图2为本申请实施例提供的另一种测距装置的模块框图；

图3为本申请实施例提供的一种SPAD像素的电路结构；

图4为本申请实施例提供的又一种测距装置的模块框图；

图5为本申请实施例提供的又一种测距方法的流程框图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

近几年，为了自动驾驶能够在生活中得到应用，雷达测距***的研究得到了长足的发展。图1为一般的DTOF测距***的模块图，DTOF通过计算发射光信号和反射的回波信号之间的时间差，得到该测距装置和待测物体之间的飞行时间，进而计算得到距离信息。如图1所示，从发射模块101中的发射单元102发出一束发射光信号。所述发射光信号可以为经过伪随机序列调制后的激光脉冲信号或者普通的激光脉冲信号。该发射光信号经过物体射后被探测模块103中的像素阵列104的像素接收。探测模块103接收的信号为回波信号和背景光信号或仅有背景光信号，且假设背景光信号一定时间内时均匀的。通过探测模块103中的处理电路(未图示)对接收到的信号进行信号消除或信号提取，去除背景光部分，得到纯回波信号，最后通过检测发射脉冲和返回的光中回波信号的时间差值可以得出被测物体的距离。

一般地，在测距装置100中，发射模块101和探测模块103都需要通过驱动模块105对这两个模块中的发射单元102和像素阵列104提供驱动信号。现有技术中，分别在发射模块101和探测模块103中设置两个独立的驱动模块，导致该测距装置100的设计成本较高，且设计难度较为复杂。

因此，本申请提供一种测距装置100，使得发射模块101和探测模块103共用同一驱动模块105，这样，节约了设计成本并降低了设计的复杂性。

示例性的，如图2所示的测距装置200，包括发射模块201和探测模块204，发射模块201可以是激光发射芯片，其中，发射模块201包括发射单元202和驱动模块203，发射单元202可以用于向被测物体发射激光脉冲，该激光脉冲可以是经过伪随机序列调制后的激光脉冲信号或者普通的激光脉冲信号。该发射单元202可以由半导体激光器组成，也可以由多个激光二极管构成的阵列组成，本申请对此不作限定。驱动模块203包括高压产生电路，该高压产生电路用于驱动发射单元202中的半导体激光器或激光二极管发射激光脉冲，此外，该高压产生电路还用于驱动探测模块204中的像素阵列205，使得该像素阵列205中的像素处于偏置状态。该探测模块204可以是SPAD接收阵列芯片，该像素阵列205可以是由SPAD像素构成的阵列，其中。每个像素的偏置电路可以是如图3所示的电路。

其中，每一个SPAD的阴极连接驱动模块203的输出，更具体的，连接该驱动模块203中高压产生电路的输出，如图3所示，雪崩光电二极管301(即，SPAD)的阳极连接钳位晶体管302(即，晶体管M1)的漏极，M1的源极连接至地电压，钳位晶体管M1用于SPAD退出雪崩模式后钳位阳极电压，使得其电压不会降的过低，此外，该电路中还包括钳位晶体管302(即，晶体管M2)，复位晶体管304(即，晶体管M3)，和输出晶体管305(即，晶体管M4)，输出晶体管(即，晶体管M5)。

需要说明的是，该发射模块与探测模块可以分布在两个不同的半导体基板上。这两个不同的半导体基板可以通过3D堆叠工艺连接。

下面结合图4，以探测模块是传感芯片401，发射模块是发射芯片402为例，说明本申请又一实施例提供的测距装置400的工作原理。

传感器芯片401包括SPAD阵列403和逻辑控制电路404，发射芯片402包括驱动电路405和高压产生电路406，在测距过程中，发射芯片402中的驱动电路405接收到高压产生电路406的高压信号后，向半导体激光器Q1发射驱动信号，该半导体激光器Q1接收到驱动信号后，向被测物体发射激光脉冲，该脉冲可以是经过伪随机码调制的激光脉冲。当被测物体接收到激光脉冲并反射该脉冲后，测距***400中的传感芯片401接收被测物体反射的脉冲。更具体地，在传感芯片401中的SPAD阵列403接收被测物体反射的激光脉冲，其中，传感芯片401中的逻辑控制电路404控制SPAD阵列403中的SPAD的时序和复位等信息，需要说明的是，在SPAD阵列403接收发射的激光脉冲时，设置在发射芯片402中的高压产生电路406向该阵列403提供高压信号，如图3所示，示例性地，该高压信号可以用于向SPAD的阴极提供-22V的偏置电压。

由此可以看出，本申请实施例提供的测距装置400通过在传感芯片401和发射芯片402中复用高压产生电路406，相比于在传感芯片401中单独设置高压产生电路向SPAD阵列提供偏置电压，大大的节省了芯片的面积和节约了设计成本。

需要说明的是，传感芯片401和发射芯片402中的高压产生电路406仅仅是本申请中产生高压驱动信号实施例的一种，本申请对于高压驱动信号的实施方式不做限定。

另外，本申请提供了一种测距方法，包括：向被测目标发送探测信号；向探测模块发送驱动信号，该探测模块接收该被测目标反射的探测信号；其中，驱动信号还用于驱动向被测目标发送的探测信号。

下面，结合图5，详细说明本申请提供的测距方法的步骤，需要说明的是，该测距方法可以用于上述测距装置。

S501，向被测目标发送探测信号。

该步骤由发射模块执行，发射模块向被测目标发送探测信号可以是发送激光脉冲信号，也可以是发送经过伪随机码调制的激光脉冲信号，该发射的激光脉冲信号的强度可以通过发射模块中功率控制模块进行控制，该功率控制模块可以是在发射激光脉冲时实时变化也可以是在发射该激光脉冲之前确定所要发送的激光脉冲的功率。对此，本申请不做具体的限定。

S502，向探测模块发送驱动信号，该驱动信号还用于驱动探测信号。

在探测模块接收被测物体反射回的激光脉冲时，如图4所示，需要将探测模块(即，图4中的传感芯片401)中用于接收光脉冲的SPAD阵列403偏置在雪崩状态，因此，需要向SPAD阵列403提供高电压偏置，即该驱动信号还用于驱动SPAD阵列403接收探测信号，该驱动信号可以通过电连接的方式与SPAD阵列中的每个SPAD的阴极相连接，也可以通过电连接的方式与SPAD阵列中的部分SPAD像素的阴极相连接，该SPAD阵列可以是部分像素为工作像素，其余部分像素是非工作像素，不申请对此不作具体限定。

S503，探测阵列接收被测目标反射的探测信号。

当工作的SPAD像素接收到驱动信号后，处于盖格模式下的SPAD阵列接收被测目标反射的探测信号，该探测信号可以为回波信号和背景光信号或仅有背景光信号。通过探测阵列中的处理电路(未图示)对接收到的信号进行信号消除或信号提取，去除背景光部分，得到纯回波信号，最后通过检测发射脉冲和返回的光中回波信号的时间差值可以得出被测物体的距离。

上述方法应用于前述实施例提供的探测装置，其实现原理和技术效果类似，在此不再赘述。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种测距装置，其特征在于，包括：

发射模块，包括发射单元，所述发射单元用于向被测物体发射探测信号；探测模块，包括由多个像素构成的像素阵列，用于接收所述被测物体发射的所述探测信号；

其中，所述像素的驱动信号由驱动模块提供，所述驱动模块还用于对所述发射单元提供驱动信号。

2.如权利要求1所述的测距装置，其特征在于，所述像素包括单光子雪崩二极管，所述单光子雪崩二极管的驱动信号与所述发射模块的所述驱动信号为同一信号。

3.如权利要求2所述的测距装置，其特征在于，所述驱动信号的电压低于所述单光子雪崩二极管的盖格模式的偏置电压。

4.如权利要求3所述的测距装置，其特征在于，所述发射模块由发光二极管构成。

5.如权利要求4所述的测距装置，其特征在于，所述驱动模块与所述探测模块分布在两个不同的基板。

6.一种测距方法，其特征在于，包括：

向被测目标发送探测信号；

向探测模块发送驱动信号，所述探测模块接收所述被测目标反射的所述探测信号；

其中，所述驱动信号还用于驱动向被测目标发送的所述探测信号。

7.如权利要求6所述的测距方法，其特征在于，所述探测模块包括单光子雪崩二极管，所述驱动信号用于提供所述单光子雪崩二极管的偏置。

8.如权利要求7所述的测距方法，其特征在于，驱动信号的电压低于所述单光子雪崩二极管的盖格模式的偏置电压。

9.如权利要求8所述的测距***，其特征在于，所述探测信号为激光脉冲信号。

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