光检测和测距装置及其操作方法与流程

本申请要求于2017年9月13日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2017-0117227号的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。

与示例性实施例一致的装置和方法涉及光检测和测距(lidar)装置及其操作方法。

背景技术：

光飞行时间(tof)测量方法是用于通过使用三维(3d)相机或光检测和测距(lidar)来测量到物体的距离的多种方法之一。tof测量方法基本上涉及下述过程：将具有特定波形的光投射到物体上，通过使用光电二极管(pd)或相机对从物体反射的具有相同波长的光进行测量或成像，并提取深度图像。

技术实现要素：

一个或多个示例性实施例提供了光检测和测距(lidar)装置及其操作方法。

附加的示例性方面和优点将部分地在下面的描述中被阐述，并且部分地从描述中将是明白的，或者可以通过实践所呈现的示例性实施例来了解。

根据示例性实施例的一个方面，lidar装置包括：光源，被配置为将光照射到物体上；光检测器，被配置为检测从多个不同方向入射的光；光识别器，被配置为基于关于照射的光的照射角度的信息，在从多个不同方向入射的光之中识别从物体反射的光；以及处理器，被配置为通过使用所识别的光来确定到物体的距离。

光检测器可以包括被配置为单独地检测从多个不同方向入射的光的多个光检测元件，并且光识别器还可以被配置为从多个光检测元件中识别与照射的光的照射角度相对应的光检测元件，并将由所确定的光检测元件检测到的光识别为从物体反射的光。

光源照射光的照射角度可以被预设为与多个光检测元件之一相对应。

多个光检测元件中的每一个可以包括雪崩光电二极管(apd)和单光子雪崩二极管(spad)中的至少一个。

光识别器可以包括：多个时间计数器，被配置为测量从多个不同方向中的每一个入射的光的飞行时间(tof)；以及选择器，被配置为基于关于照射的光的照射角度的信息，在从多个不同方向中的每一个入射的光的tof之中选择从物体反射的光的tof，并且处理器还可以被配置为基于从物体反射的光的tof来确定到物体的距离。

多个时间计数器中的每一个可以是时间-数字转换器(tdc)，并且选择器可以是复用器。

光识别器可以包括：多个模数转换器(adc)，被配置为测量从多个不同方向中的每一个入射的光的飞行时间(tof)和强度；以及选择器，被配置为基于关于照射的光的照射角度的信息，在从多个不同方向中的每一个入射的光的tof和强度之中选择从物体反射的光的tof和强度，并且处理器还可以被配置为执行用于基于从物体反射的光的tof和强度来获取关于物体的信息的数据处理。

光检测器可以包括：透镜，被配置为收集从多个不同方向中的每一个入射的光；多个光检测元件，每个光检测元件被配置为单独地检测从多个不同方向中的一个方向入射的光并输出电流信号；多个电流-电压转换电路，每个电流-电压转换电路被配置为将从多个光检测元件之一输出的电流信号转换成电压信号；多个放大器，每个放大器被配置为放大从多个电流-电压转换电路之一输出的电压信号；以及多个峰值检测器，每个峰值检测器被配置为从由多个放大器之一放大的电压信号中检测峰值。

根据另一示例性实施例的一个方面，一种操作lidar装置的方法包括：将光照射到物体上；检测从多个不同方向入射的光；基于关于照射的光的照射角度的信息，在从多个不同方向入射的光之中识别从物体反射的光；以及通过使用所识别的光来确定到物体的距离。

根据另一示例性实施例的一个方面，提供了一种非暂时性计算机可读记录介质，其上记录有用于在计算机上执行操作lidar装置的方法的程序。

附图说明

从以下结合附图进行的示例性实施例的描述中，这些和/或其它示例性方面和优点将变得明显且更容易理解，在附图中：

图1是示出根据示例性实施例的光检测和测距(lidar)装置的操作的图；

图2是根据示例性实施例的lidar装置的图；

图3是示出根据示例性实施例的光的照射角度与多个检测元件之间的对应的图；

图4是根据示例性实施例的光检测器和光识别器的图；

图5是根据具体实施例的光识别器的图；

图6是根据另一示例性实施例的光检测器和光识别器的图；以及

图7是用于描述根据示例性实施例的操作lidar装置的方法的图。

具体实施方式

现在将详细提及在附图中示出的示例性实施例，在附图中相似的附图标记始终指代相似的元件。就这一点而言，本示例性实施例可以具有不同的形式，并且不应被解释为限于在此阐述的描述。因此，下面通过参考附图仅描述了示例性实施例以说明各方面。如本文所使用的，术语“和/或”包括相关所列项目中的一个或多个的任何和所有组合。诸如“…中的至少一个”的表达当在元素列表后面时修饰整个元素列表，而不是修饰列表的个体的元素。

在下文中，将参考附图详细描述本公开的示例性实施例。以下实施例的描述不应被解释为限制本公开的范围，并且可由本领域的普通技术人员容易地推断的事物将被解释为落入本公开的范围内。

将理解，诸如“包括(comprise)”、“包含(include)”和“具有”的术语在本文中使用时指定阐述的元素的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他元素。而且，如本文所使用的术语“单元”和“模块”表示用于处理至少一个功能或操作的单元，其可以通过硬件、软件或其组合来实现。

将理解，虽然术语“第一”、“第二”等可以在本文中用于描述各种元件，但是这些术语仅用于区分一个元素和另一个元素。

图1是示出根据示例性实施例的光检测和测距(lidar)装置的操作的图。

lidar装置100可以被用作传感器，该传感器被配置为实时获取诸如关于设置在装置的前方的物体的距离信息的三维(3d)信息。例如，lidar装置100可以被应用于无人驾驶车辆、自主车辆、机器人或无人机。

lidar装置100可以向物体ob照射光l1。所照射的光l1可以从物体ob被反射，并且lidar装置100可以检测从物体ob反射的光l1。而且，lidar装置100可以检测从环境入射的光l2和l3以及从物体ob反射的光l1。换句话说，lidar装置100可以检测从不同方向入射的光l1、l2和l3。例如，从环境入射的光l2和l3可以是从不同的外部lidar装置入射的光。而且，lidar装置100可以检测不期望的光l2和l3以及从进行距离测量的物体ob反射的光l1。也就是说，可能发生串扰现象。

lidar装置100可以基于关于光l1的照射角度的信息来从检测到的光l1、l2和l3中识别从物体ob反射的光l1。具体地，lidar装置100可以包括被配置为单独地检测从不同方向入射的光l1、l2和l3的多个光检测元件。lidar装置100可以从光检测元件中选择与光l1的照射角度相对应的光检测元件，并将由所选择的光检测元件检测到的光识别为从物体ob反射的光l1。lidar装置100可以通过使用所识别的光l1来计算到物体ob的距离。

以这种方式，lidar装置100可以从检测到的光中识别从物体ob反射的光，从而防止发生串扰。

图2是根据示例性实施例的lidar装置100的图。

lidar装置100可以包括光源110、光检测器120、光识别器130和处理器140。在图2中仅示出了与根据本示例性实施例的lidar装置100相关联的元件。因此，本领域普通技术人员将理解，除了图2中具体示出的元件之外，lidar装置100还可以包括其他通用元件。

光源110可以向物体ob照射光l1。例如，光源110可以发射红外波长波段的光。使用红外光可以防止所照射的光与可见光波长波段的自然光(如阳光)的混合。然而，光源110不一定限于红外光，并且光源110可以发射各种波长波段中的任一种的光。在这种情况下，可能需要校正以去除混合的自然光的信息。例如，光源110可以是激光光源，并且不限于具体示例。光源110可以是边发射激光器、垂直腔面发射激光器(vcsel)和分布反馈激光器中的任一种。例如，光源110可以是激光二极管。根据示例性实施例，光源110可以被包括在另一装置中，并且不一定需要由包括在lidar装置100中的硬件来配置。

光源110可以照射被用于分析物体ob的位置和形状的光。光源110可以包括诸如激光二极管(ld)、发光二极管(led)或超发光二极管(sld)的光源，其被配置为生成并照射适合于分析物体的位置和形状的预定波长波段的光，例如，红外波长波段的光。光源110可以被配置为生成并照射多个不同波长波段的光。光源110可以被配置为生成并照射脉冲光或连续光。光源110可以在处理器140的控制下向物体ob照射光。具体地，处理器140可以设置光的照射方向或光的照射角度，并且可以控制光源110根据设置的照射角度或方向照射光。

光检测器120可以包括透镜121和多个光检测元件122。透镜121可以收集从不同方向入射到其上的光。例如，透镜121可以是凸透镜。

光检测元件122可以单独地检测由透镜121收集的光。具体地，可以由透镜121在不同位置处收集从不同方向入射的光，并且光检测元件122可以单独地检测在不同位置处收集的光。光检测元件122可以在平行于透镜121的纵向方向的方向上被布置，并且可以以1xn或nxn(其中n是自然数)的形式的二维(2d)阵列被布置。

光检测元件122中的每一个可以是光接收元件。光检测元件可以是被配置为在其上施加有偏置电压的状态下操作的光接收元件。例如，光检测元件可以包括雪崩光电二极管(apd)或单光子雪崩二极管(spad)。根据包括apd和spad中的哪一个，光检测器120可以具有不同的特定电路配置，诸如模拟前端(afe)或时间-数字转换器(tdc)。本文省略了特定电路配置的详细描述，本领域技术人员会理解可以使用多种常规技术中的任一种。

光识别器130可以基于关于由光源110照射的光的照射角度或照射方向的信息，从由光检测元件122检测到的光之中识别从物体ob反射的光。

从物体反射或散射的光的方向可根据由光源110照射的光的照射角度而改变。结果，光检测元件122之中的检测从物体反射或散射的光的光检测元件也可以改变。因此，由光源110照射的光的不同的照射角度可以是预设的，并可以分别对应于多个光检测元件122，并且光识别器130可以基于关于光的照射角度与光检测元件122之间的对应的信息来识别从物体ob反射的光。

光识别器130可以从处理器140获取关于的光的照射角度或照射方向的信息。光识别器130可以从光检测元件122中确定与由光源110照射的光的照射角度相对应的光检测元件。由于与光检测元件122中的每一个相对应的光的照射角度值可以是预设的，所以光识别器130可以确定与由光源110照射的光的照射角度值相对应的光检测元件。例如，当光源110以从基准方向开始沿顺时针有30度的照射角度照射光时，光识别器130可以确定对应于30度的照射角度的光检测元件是以1xn阵列的形式布置的光检测元件122之中的左侧第四光检测元件。然后，光识别器130可以将由所确定的光检测元件检测到的光识别为从物体ob反射的光。

处理器140可以控制lidar装置100的各个元件的操作。另外，lidar装置100可以包括存储器，该存储器被配置为存储处理器140的操作所需的一个或多个程序和数据。

处理器140可以通过使用从所识别的物体ob反射的光来确定到物体ob的距离。换句话说，处理器140可以通过使用从物体ob反射的光来确定从lidar装置100到物体ob的距离。处理器140可以通过测量从物体ob反射的光的飞行时间(tof)来确定到物体ob的距离。具体而言，处理器140可以通过测量在光源110照射光的时间点与检测到从物体反射的光的时间点之间的时间来确定到物体ob的距离。由于用于通过使用所测量的光的tof来确定到物体的距离的技术是常规技术，因此将省略其详细描述。

图3是示出根据示例性实施例的光的照射角度与多个检测元件之间的对应的图。

由光源110照射的光的照射角度可以被分别设置为对应于光检测元件122。参考图3，当光源110以角度范围(1)照射光时，光检测元件122中的光检测元件①可以检测从物体反射的光。类似地，当光源110以角度范围(2)照射光时，光检测元件122中的光检测元件②可以检测从物体反射的光。因此，与光检测元件122中的光检测元件①相对应的光的照射角度范围可以被设置为(1)，并且与光检测元件122中的光检测元件②相对应的光的照射角度范围可以被设置为(2)。

因此，光识别器130可以通过使用由光源110照射的光的照射角度来从光检测元件122中识别检测从物体反射的照射光的光检测元件。

图4是根据示例性实施例的光检测器120和光识别器130的图。

光检测器120可以包括透镜121、多个光检测元件122、多个电流-电压转换电路123、多个放大器124、以及多个峰值检测器125。

透镜121可以收集从多个不同方向入射的光。

光检测元件122可以单独地检测由透镜121收集的光并由此输出电流信号。

电流-电压转换电路123可以将从光检测元件122输出的电流信号转换为电压信号。

放大器124可以放大从电流-电压转换电路123输出的电压信号。

峰值检测器125可以从由放大器124放大的电压信号中检测峰值。根据示例性实施例，峰值检测器125可以通过检测电信号的上升沿和下降沿来检测峰值。替选地，峰值检测器125可以通过使用恒比鉴别器(cfd)方法来检测峰值。峰值检测器125还可以包括比较器并可以以脉冲信号的形式输出检测到的峰值。

光识别器130可以包括多个时间计数器131和选择器132。

时间计数器131可以测量由光检测元件122中的每一个检测到的光的tof。具体地，当输入从峰值检测器125中的每一个输出的脉冲信号时，时间计数器131中的每一个可以通过计算从由光源110照射光的时间点开始生成的时钟信号的周期数来测量光的tof。而且，时间计数器131中的每一个可以将关于所测量的光的tof中的每一个的信息存储在寄存器中。根据示例性实施例，时间计数器131中的每一个可以由时间-数字转换器(tdc)实现。

选择器132可以基于关于由光源110照射的光的照射角度的信息，从由时间计数器131测量的多个tof中选择由光源110照射并从物体反射的光的tof。具体地，如上所述，正如将光源110照射光的角度设置为与光检测元件122中的每一个相对应一样，也可以将光源110照射光的角度设置为与时间计数器131中的每一个相对应。因此，选择器132可以从时间计数器131中选择与照射光的照射角度值相对应的时间计数器，并选择由所选择的时间计数器测量的光的tof作为从物体反射的光的tof。例如，选择器132可以由诸如复用器(mux)的逻辑电路来实现。

处理器140可以通过使用由选择器132选择的光的tof来确定到物体的距离。

图5是根据示例性实施例的光识别器130的图。

光识别器130可以包括多个tdc和mux。

tdc可以测量由光检测元件122检测到的光的tof。具体地，tdc中的每一个可以接收从峰值检测器125中的一个相应的峰值检测器输出的峰值检测信号，并且可以计算从光源110照射光的时间点开始生成的时钟信号的周期数。换句话说，tdc中的每一个可以通过计算从光源110照射光的时间点到接收峰值检测信号的时间点生成的时钟信号的周期数来测量由光检测元件122中的一个相应的光检测元件检测到的光的tof。

mux可以从tdc接收光的tof。而且，mux可以从处理器140接收关于由光源110照射的光的照射角度的信息。mux可以基于关于由光源110照射的光的照射角度的信息来选择检测到的光的tof中的一个。具体地，由于分别与tdc相对应的照射角度可以是预设的，所以mux可以从光的tof中选择与光的输入照射角度相对应的光的tof。

tdc可以将所测量的光的tof各自存储在寄存器中，并且mux可以在每个设置的时段内从存储在寄存器中的光的tof中选择与光的输入照射角度相对应的光的tof。例如，mux可以每两微秒选择与光的输入照射角度相对应的光的tof。

mux可以将关于预选的光的tof的信息发送到处理器140。处理器140可以通过使用所选择的光的tof来确定到物体的距离。

图6是根据另一示例性实施例的光检测器120和光识别器130的图。

根据示例性实施例，光检测器120可以包括透镜121、多个光检测元件122、多个电流-电压转换电路123、以及多个放大器124。

由于透镜121、光检测元件122、电流-电压转换电路123和放大器124基本上与参照图4描述的那些相同，所以将省略其冗余描述。

根据示例性实施例，光识别器130可以包括多个模数转换器(adc)133和选择器134。

adc133可以测量由光检测元件122检测到的光的tof和强度。具体地，adc133可以通过测量从放大器124输出的电信号的幅度来测量由光检测元件122检测到的光的强度。另外，当从放大器124输出的电信号被输入时，adc133可以通过计算从光源110照射光的时间点开始生成的时钟信号的周期数来测量光的tof。

选择器134可以基于关于由光源110照射的光的照射角度的信息，从由adc133测量到的光的多个tof和强度中选择由光源110照射并从物体反射的光的tof和强度。

处理器140可以执行用于通过使用由选择器134选择的光的tof和强度来获取关于物体的信息的数据处理。

图7是根据示例性实施例的操作lidar装置的方法的流程图。

图7的方法可以由图1至图6的lidar装置100的相应元件执行，并且将省略其冗余描述。

在操作s710中，lidar装置100可以向物体照射光。lidar装置100可以通过使用光源照射被用于分析物体的位置和形状的光。lidar装置100可以生成并照射不同波长波段的光，并且可以生成并照射脉冲光或连续光。

lidar装置100可以设置光的照射方向或照射角度，并且可以根据所设置的照射角度或照射方向照射光。

在操作s720中，lidar装置100可以检测从多个不同方向入射的光。具体地，lidar装置100可以通过使用透镜收集从多个不同方向入射的光，并且可以通过使用光检测元件单独地检测收集的光。

lidar装置100可以通过使用电流-电压转换电路将从光检测元件中的每一个输出的电流信号转换为电压信号。而且，lidar装置100可以通过使用放大器来放大从电流-电压转换电路123输出的电压信号。而且，lidar装置100可以从由放大器124放大的电压信号中检测峰值。

在操作s730中，基于关于在操作s710中照射的光的照射角度的信息，lidar装置100可以从在操作s720中检测到的光之中识别从物体反射的光。可以将由光源照射的光的多个照射角度中的每一个预设为与光检测元件之一对应，并且lidar装置100可以基于关于光的照射角度与光检测元件之间的对应的信息来识别从物体反射的光。

lidar装置100可以从光检测元件中选择与由光源照射的光的照射角度相对应的光检测元件。由于与光检测元件中的每一个相对应的光的照射角度值可以是预设的，所以lidar装置100可以确定与由光源照射的光的照射角度值相对应的光检测元件。然后，lidar装置100可以将由所确定的光检测元件检测到的光识别为从物体反射的光。

lidar装置100可以通过使用时间计数器来测量由光检测元件中的每一个检测到的光的tof。具体地，当输入从每个峰值检测器输出的脉冲信号时，lidar装置100可以通过计算从光源照射光的时间点开始生成的时钟信号的周期数，通过使用时间计数器来测量光的tof。

lidar装置100可以使用选择器基于关于由光源照射的光的照射角度的信息而从由时间计数器测量的多个tof中选择由光源照射并从物体反射的光的tof。具体地，lidar装置100可以从时间计数器中确定与照射光的照射角度值对应的时间计数器，并将由所确定的时间计数器测量的光的tof选择为从物体反射的光的tof。

根据另一示例性实施例，lidar装置100可以通过使用adc来测量由光检测元件中的每一个检测到的光的tof和强度。具体地，lidar装置100可以使用adc以通过测量从放大器输出的电信号的幅度来测量由光检测元件检测到的光的强度。另外，当从放大器输出的电信号被输入时，lidar装置100可以通过计算从光源照射光的时间点开始生成的时钟信号的周期数，通过使用adc来测量光的tof。

基于关于由光源照射的光的照射角度的信息，lidar装置100可以从由adc测量的光的多个tof和强度中选择由光源照射并从物体反射的光的tof和强度。

在操作s740中，lidar装置100可以通过使用在操作s730中识别的光来确定到物体的距离。换句话说，lidar装置100可以通过使用从物体反射的光来确定到物体的距离。

另外，lidar装置100可以执行用于通过使用由选择器选择的光的tof和强度来获取关于物体的信息的数据处理。

根据本公开的示例性实施例，lidar装置能够从由光检测元件检测到的光中识别从进行距离测量的物体反射的光，从而防止发生串扰。

本文描述的装置可以包括：处理器；被配置为存储和运行程序数据的存储器，诸如磁盘驱动器的永久存储器；被配置为处理与外部设备的通信的通信端口；以及包括触摸板、键、按钮等的用户界面设备。由软件模块或算法实现的方法可以被存储为可在处理器或非暂时性计算机可读介质上运行的程序指令或计算机可读代码。非暂时性计算机可读介质的示例可以包括磁存储介质(例如，只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、软盘、硬盘等)以及光学可读介质(例如，cd-rom、数字多功能盘(dvd)等)。非暂时性计算机可读记录介质还可以被分布在网络耦合的计算机系统上，使得非暂时性计算机可读代码以分布式被存储和运行。该介质可以由计算机读取、被存储在存储器中并由处理器运行。

可以就功能块组件和各种处理步骤的方面来描述本公开。这种功能块可以通过被配置为执行指定功能的任何数量的硬件和/或软件组件来实现。例如，本公开可以采用各种集成电路组件，例如存储器元件、处理元件、逻辑元件、查找表等，其可以在一个或多个微处理器或其他控制设备的控制下执行各种功能。类似地，在使用软件编程或软件元素来实现本公开的元件的情况下，本公开可以利用诸如c、c++、java、汇编程序等的任何编程或脚本语言来实现，其中以数据结构、对象、进程、例程或其他编程元素的任何组合来实现各种算法。可以在一个或多个处理器上执行的算法中实现功能方面。此外，本公开可以采用任何数量的用于电子配置、信号处理和/或控制、数据处理等的常规技术。词“机制”和“元件”被广泛地使用并且不限于机械或物理实施例，而是可以包括与处理器等结合的软件例程。

这里示出和描述的具体实现方式是本公开的说明性示例，并且不意图以其他方式限制本公开的范围。为了简洁起见，可能不会详细描述常规电子装置、控制系统、软件开发和系统的其他功能方面(以及系统的各个操作组件的组件)。此外，所呈现的各个附图中示出的连接线或连接器旨在表示各种元件之间的示例性功能关系和/或物理或逻辑耦合。应注意，在实际设备中可能存在许多替代或附加的功能关系、物理连接或逻辑连接。

在本文档中(特别是在权利要求书中)使用术语“该(the)”或类似的明确术语应被解释为涵盖单数和复数。另外，当在实施例中公开了范围时，可以包括应用了属于该范围的各个值的实施例(除非在此另外指出)，并且这与在实施例的详细描述中公开落入该范围的各个值中的每一个是相同的。对于根据本公开的方法的步骤，如果没有清楚地公开顺序，则可以以适当的顺序执行这些步骤。在实施例中使用所有图示或说明性术语(例如，等、等等)仅仅是为了详细描述本公开，并且本公开的范围并不由于图示或说明性术语而受限制，除非他们受到权利要求的限制。另外，本领域普通技术人员将理解，在所附权利要求或等同物的范围内，可以根据设计条件和因素进行各种修改、组合和变化。

应理解，在此描述的示例性实施例应被认为仅是描述性的而不是为了限制的目的。在每个实施例中的特征或方面的描述通常应被认为可用于其他示例性实施例中的其它类似特征或方面。

虽然参考附图描述了一个或多个示例性实施例，但本领域普通技术人员将理解，在不脱离所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可以在其中进行形式和细节上的各种改变。