飞时测距系统及校正方法与流程

本申请涉及一种飞时测距系统及校正方法，尤其涉及一种可避免偏置的飞时测距系统及校正方法。

背景技术：

随着科学与技术的飞速发展，物体三维信息的获取在很多应用领域都有着广泛的应用前景，如生产自动化、人机交互、医学诊断、逆向工程、数字化建模等。其中，结构光三维测量法作为一种非接触式的三维信息获取技术，因其实现简单、速度快和精度高等优点得到了广泛应用。

飞时(timeofflight，tof)测距法为常用的三维深度测量方法。然而，现有飞时测距系统具有许多非理想性，如应用于飞时测距的感光像素电路中二个传输闸(transmissiongate)的二个导通时间必须间隔一时间间隔，或是传送至发光单元的脉冲可能为非理想连续方波，而导致利用飞时测距法计算出的量测距离与实际距离之间具有偏置(offset)。

因此，现有技术实有改进的必要。

技术实现要素：

因此，本申请部分实施例的目的即在于提供一种可避免偏置的飞时测距系统及校正方法，以改善现有技术的缺点。

为了解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种飞时测距系统，包括延迟单元，接收多个延迟信号，用来根据所述多个延迟信号，产生多个延迟脉冲，其中所述多个延迟信号对应于多个延迟时间；发光单元，耦接于所述延迟单元，用来根据所述多个延迟脉冲，产生多个延迟脉冲光；感光像素电路，用来接收对应于所述多个延迟脉冲光的多个延迟反射光，以产生对应于所述多个延迟时间的多个像素信号；储存单元，用来储存所述多个延迟时间与所述多个像素信号之间的对应关系；以及控制单元，耦接于所述延迟单元，用来产生所述多个延迟信号；其中，所述飞时测距系统根据所述多个延迟时间与所述多个像素信号之间的对应关系，进行飞时测距。

例如，所述控制单元根据所述多个延迟时间与所述多个像素信号之间的对应关系，产生最佳延迟信号至所述延迟单元，所述飞时测距系统根据所述最佳延迟信号进行飞时测距，其中所述最佳延迟信号对应于最佳延迟时间。

例如，所述延迟单元根据所述最佳延迟信号产生最佳延迟脉冲，发光单元根据所述最佳延迟脉冲产生最佳延迟脉冲光，所述感光像素电路接收对应于所述最佳延迟脉冲光的最佳延迟反射光以产生最佳延迟像素信号，所述飞时测距系统根据所述最佳延迟像素信号计算对应于目标物件的飞时距离。

例如，所述多个延迟反射光反射自反射板，所述反射板与所述飞时测距系统之间具有固定距离。

例如，所述感光像素电路包括感光元件；第一读取电路，包括第一传输闸，所述第一传输闸耦接于所述感光元件，所述第一传输闸接收第一传输信号而于第一导通时间导通；以及第二读取电路，包括第二传输闸，所述第二传输闸耦接于所述感光元件，所述第二传输闸接收第二传输信号而于第二导通时间导通，其中所述第二读取电路输出所述多个像素信号；其中，所述第一导通时间与所述第二导通时间相隔一时间间隔。

为了解决上述技术问题，本申请实施例另提供了一种像素传感单元，一种校正方法，应用于飞时测距系统，所述校正方法包括产生多个延迟信号，其中所述多个延迟信号对应于多个延迟时间；根据所述多个延迟信号，产生多个延迟脉冲；发射对应于所述多个延迟脉冲的多个延迟脉冲光；接收对应于所述多个延迟脉冲光的多个延迟反射光，以产生对应于所述多个延迟时间的多个像素信号；储存所述多个延迟时间与所述多个像素信号之间的对应关系；以及根据所述多个延迟时间与所述多个像素信号之间的对应关系，进行飞时测距。

为了解决上述技术问题，本申请实施例另提供了一种飞时测距方法，应用于飞时测距系统，所述飞时测距方法包括获取多个延迟时间与所述多个像素信号之间的对应关系；以及根据所述多个延迟时间与所述多个像素信号之间的对应关系，进行飞时测距，其中，多个延迟时间与多个像素信号之间的对应关系通过飞时校正方法获得并存储于所述飞时测距系统，所述飞时校正方法包括产生多个延迟信号，其中所述多个延迟信号对应于多个延迟时间；根据所述多个延迟信号，产生多个延迟脉冲；发射对应于所述多个延迟脉冲的多个延迟脉冲光；接收对应于所述多个延迟脉冲光的多个延迟反射光，以产生对应于所述多个延迟时间的多个像素信号；以及输出所述多个延迟时间与所述多个像素信号之间的对应关系。

本申请利用发射对应不同延迟时间的多个延迟脉冲光，仿真出飞时测距系统与反射板之间不同的仿真距离，进而取得仿真距离与量测距离的对应关系，并根据此对应关系，进行飞时测距。相较于现有技术，本申请于校正阶段中不需透过人为操作即可得到仿真距离与量测距离的对应关系，具有操作简便及可取得精准飞时距离的优点。

附图说明

图1为本申请实施例一飞时测距系统的示意图；

图2为本申请实施例多个信号的时序图；

图3为本申请实施例一感光像素电路的示意图；

图4为本申请实施例多条对应曲线的的示意图；

图5为本申请实施例多个信号的波形图；

图6为本申请实施例一流程的示意图；

图7为本申请实施例一流程的示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

请一并参考图1，图1为本申请实施例飞时测距系统10的示意图，飞时测距系统10包括延迟单元12、发光单元13、感光像素阵列14、储存单元16以及控制单元18。于飞时测距系统10的校正(calibration)阶段中，反射板(reflector)11设置于距离飞时测距系统10已知固定距离gd的地方，发光单元13朝反射板11发光而感光像素阵列14接收来自反射板11的反射光。

详细来说，于校正阶段中，控制单元18产生多个延迟信号ds1～dsn至延迟单元12，多个延迟信号ds1～dsn分别对应多个延迟时间td,1～td,n，或者说延迟信号ds1～dsn是用于表示延迟时间td,1～td,n的信号，或者说延迟信号ds1～dsn包含与延迟时间td,1～td,n对应的信息。延迟单元12接收多个延迟信号ds1～dsn，并根据多个延迟信号ds1～dsn产生多个延迟脉冲dp1～dpn，而延迟脉冲dp1～dpn对应于延迟时间td,1～td,n。发光单元13可为发光二极管(light-emittingdiode，led)，如红外线(infraredray，ir)发光二极管。发光单元13耦接于延迟单元12以接收延迟脉冲dp1～dpn，用来根据延迟脉冲dp1～dpn，于时间区间t1～tn分别产生对应于延迟脉冲dp1～dpn的多个延迟脉冲光ld1～ldn。其中，延迟脉冲dp1～dpn可形成一延迟脉冲信号dp(即延迟脉冲信号dp由多个延迟脉冲dp1～dpn组成，其于后叙述)，发光单元13可用于接收延迟脉冲信号dp而产生延迟脉冲光ld1～ldn。延迟脉冲光ld1～ldn朝反射板11发射，而反射板11反射多个延迟反射光r1～rn至感光像素阵列14，其中反射板11与飞时测距系统10之间具有已知的固定距离gd。感光像素阵列14包括多个感光像素电路140而多个感光像素电路140排列成一阵列。在不失去一般性的原则下，以下将以感光像素阵列14中一个感光像素电路140为例进行说明。感光像素电路140于时间区间t1～tn中接收对应于多个延迟脉冲光ld1～ldn的多个延迟反射光r1～rn，并根据延迟反射光r1～rn产生对应于多个延迟时间td,1～td,n的多个像素信号p1～pn，多个像素信号p1～pn可组成一路输出信号。储存单元16用来储存多个延迟时间td,1～td,n与多个像素信号p1～pn之间的对应关系。

于飞时测距系统10的测距阶段中，发光单元13不再对反射板11发光，而朝向待测对象或目标物件发光，此时飞时测距系统10可利用储存单元16所储存多个延迟时间td,1～td,n与多个像素信号p1～pn-之间的对应关系，对目标物件进行飞时测距。

请参考图2，图2绘示本申请实施例第一脉冲信号pp以及延迟脉冲信号dp的时序图，其中第一脉冲信号pp可作为延迟脉冲信号dp的参考比照对象。延迟脉冲信号dp具有延迟脉冲dp1～dpn，第一脉冲信号pp可于时间区间t1～tn中分别具有参考脉冲pref，即多个参考脉冲pref可形成第一脉冲信号pp，其中时间区间t1～tn可具有相同的时间长度。延迟脉冲dp1～dpn可相对于参考脉冲pref而分别具有延迟时间td,1～td,n，举例来说，延迟脉冲dp1～dpn的上升沿(risingedge)相对于参考脉冲pref的上升沿分别具有延迟时间td,1～td,n，或延迟脉冲dp1～dpn的下降沿(fallingedge)相对于参考脉冲pref的下降沿分别具有延迟时间td,1～td,n。其中，延迟脉冲dp1～dpn与参考脉冲pref可具有相同的脉冲宽度及脉冲振幅。

另外，于校正阶段中，发光单元13接收延迟脉冲信号dp并根据延迟脉冲信号dp分别于时间区间t1～tn中发射延迟脉冲光ld1～ldn，而感光像素电路140可分别于时间区间t1～tn中接收延迟反射光r1～rn。

应用于飞时测距的感光像素电路140的运作为本领域具通常知识者所知，而简述如下。请参考图3，图3为本申请实施例感光像素电路140的示意图。感光像素电路140包括感光元件pd以及光电读取电路31、32，感光元件pd可为感光二极管(photodiode)。光电读取电路31包括传输闸tg1、输出晶体管dv1以及读取晶体管rd1，光电读取电路32包括传输闸tg2、输出晶体管dv2以及读取晶体管rd2。传输闸tg1、tg2耦接于感光元件pd，输出晶体管dv1、dv2分别耦接于传输闸tg1、tg2，读取晶体管rd1、rd2分别耦接于输出晶体管dv1、dv2，并分别输出第一输出信号pout1、第二输出信号pout2。传输闸tg1、tg2分别接收传输信号tx1、tx2，读取晶体管rd1、rd2接收行选信号row，当行选信号row控制读取晶体管rd1、rd2导通时，感光像素电路140输出输出信号pout1、pout2。光电读取电路31、32另分别包括重置晶体管rt1、rt2，重置晶体管rt1、rt2接收重置信号rst，当重置信号rst控制重置晶体管rt1、rt2导通时，可将浮动扩散(floatingdiffusion)节点fd中的电荷清空。感光像素电路140另包括一防晕染(anti-blooming)晶体管ab，防晕染晶体管ab受控于防晕染信号tx5，防晕染信号tx5控制防晕染晶体管ab导通时，可将感光元件pd因接收背景光而产生的光电子汲取出来，以免影响电路的正常运作。其中，在一些实施例中，信号tx1、tx2、rst、row、tx5可由飞时测距系统10的控制单元(位绘示于图1)所产生。

请再次参考图2，图2亦绘示本申请实施例传输信号tx1、tx2的时序图。如图2所示，传输闸tg1受控于传输信号tx1而于导通时间tt1导通，传输闸tg2受控于传输信号tx2而于导通时间tt2导通，其中导通时间tt1与导通时间tt2相隔一时间间隔δt。δt可以为固定的时间间隔，也可以是变化的时间间隔。传输信号tx1可于时间区间t1～tn中(周期性地)分别具有参考脉冲pref，即传输信号tx1可与第一脉冲信号pp具有相同的时序(timing)或波形。从另一个角度来说，延迟时间td,1～td,n可为延迟脉冲dp1～dpn相对于传输信号tx1中参考脉冲pref的延迟时间。

另外，感光像素电路140输出的像素信号p1～pn可相关于第一输出信号pout1或第二输出信号pout2。由于飞时测距系统10主要根据第一输出信号pout1或第二输出信号pout2之间的相对比例关系计算距离，且第二输出信号pout2与利用飞时测距所计算出的距离成正比，即第二输出信号pout2与光飞行时间成正比，故于以下实施例中，以像素信号p1～pn相关于第二输出信号pout2为例进行说明。更进一步地，像素信号p1～pn可为第二输出信号pout2于时间区间t1～tn的多个信号值，也就是说，感光元件pd于时间区间t1～tn分别接收多个延迟反射光r1～rn，由于延迟脉冲dp1～dpn相对于传输闸tg2的导通时间tt2具有不同的时间差(其分别相关于延迟时间td,1～td,n)，因此光电读取电路32于时间区间t1～tn输出的第二输出信号pout2包含多个像素信号p1～pn，且所述多个像素信号p1～pn分别对应于多个延迟时间td,1～td,n。

储存单元16可直接储存延迟时间td,1～td,n与像素信号p1～pn之间的对应关系。除此之外，飞时测距系统10可根据已知固定距离gd以及延迟时间td,1～td,n推算仿真距离d1～dn，并根据像素信号p1～pn推算量测距离d1’～dn’，而储存单元16可储存仿真距离d1～dn与量测距离d1’～dn’之间的对应关系，其可视为间接储存延迟时间td,1～td,n与像素信号p1～pn之间的对应关系。其中，仿真距离d1～dn可为固定距离gd加上光线于时间td,1～td,n中以光速行进的距离。量测距离d1’～dn’可为根据对应于时间区间t1～tn的多个第二输出信号pout2，利用飞时测距法所计算出的飞时距离，其不一定等于实际距离。

另外，由于仿真距离d1～dn与时间td,1～td,n(大致)呈线性关系，而像素信号p1～pn与量测距离d1’～dn’(大致)呈线性关系，因此，延迟时间td,1～td,n与像素信号p1～pn之间的对应关系相当于仿真距离d1～dn与量测距离d1’～dn’之间的对应关系。

请一并参考图4及图5，图4绘示实际/仿真距离与量测距离之间关系的多条曲线，其也可以代表延迟时间与像素信号之间的对应关系。图5中的子图5a绘示当感光像素电路140中传输闸tg1的导通时间tt1’与传输闸tg2的导通时间tt2’之间无时间缝隙(seamless)时，传输闸tg1所接收传输信号tx1’及传输闸tg1所接收传输信号tx2’的波形图；子图5b绘示当传输闸tg1的导通时间tt1与传输闸tg2的导通时间tt2之间具有时间间隔δt时，传输闸tg1所接收传输信号tx1及传输闸tg1所接收传输信号tx2的波形图；子图5c绘示输出至延迟脉冲dp1～dpn为理想非连续方波的波形图；子图5d绘示输出至延迟脉冲dp1～dpn为非理想连续方波的波形图。

另外，图4中曲线cv1为当传输闸tg1的导通时间tt1’与传输闸tg2的导通时间tt2’之间无时间缝隙,δt＝0(即图3中传输闸tg1、tg2接收子图5a所绘示的传输信号tx1’、tx2’)且延迟脉冲dp1～dpn为子图5c所绘示的理想非连续方波时，实际/仿真距离与量测距离的对应关系曲线；曲线cv2为当传输闸tg1的导通时间tt1与传输闸tg2的导通时间tt2之间具有非零的时间间隔δt(即传输闸tg1、tg2接收子图5b/图2所绘示的传输信号tx1、tx2)且延迟脉冲dp1～dpn为子图5c所绘示的理想非连续方波时，实际/仿真距离与量测距离的对应关系曲线；曲线cv3为当传输闸tg1的导通时间tt1’与传输闸tg2的导通时间tt2’之间无时间缝隙(对应子图5a)且延迟脉冲dp1～dpn为子图5d所绘示的非理想连续方波时，实际/仿真距离与量测距离的对应关系曲线；曲线cv4为当传输闸tg1的导通时间tt1与传输闸tg2的导通时间tt2之间具有非零的时间间隔δt(对应子图5b)且延迟脉冲dp1～dpn为子图5d所绘示的非理想连续方波时，实际/仿真距离与量测距离的对应关系曲线。其中，实际距离为飞时测距系统10与待测物(其可为目标物件或反射板)之间的距离，另外，曲线cv1～cv4亦可代表延迟时间与像素信号的对应关系曲线。

另外，储存单元16所储存的延迟时间td,1～td,n与像素信号p1～pn之间对应关系或仿真距离d1～dn与量测距离d1’～dn’之间对应关系即可由图4中曲线cv4上多个离散点(discretepoints)表示，例如，d1～dn与d1’～dn’之间对应关系可表示为离散点的横坐标与纵坐标之间的比。

由图4可知，当最理想的情境(对应曲线cv1的情境)下，飞时测距系统所计算出的量测距离会等于飞时测距系统与待测物之间的实际距离。实际上，为了因应线路而在电路设计时，传输闸tg1的导通时间tt1与传输闸tg2的导通时间tt2之间必须具有一定的时间间隔δt(也就是δt为非零)，另一方面，当延迟脉冲dp1～dpn的转态时间相较于脉冲宽度为不可忽略或可比较(comparable)时，延迟脉冲dp1～dpn呈现子图5d所绘示的波形。综合以上现实因素，曲线cv4相较于曲线cv1具有偏置(offset)，即飞时测距系统所计算出的量测距离不等于飞时测距系统与待测物之间的实际距离。

为了避免偏置，现有技术于校正阶段中，校正人员通过不断地移动反射板而改变飞时测距系统与反射板之间的距离，而取得图4中曲线cv4的多个离散点。现有校正方法涉及人为操作(需人为改变飞时测距系统与反射板之间的距离)，造成技术人员的不便。相较之下，本申请在飞时测距系统10与反射板11之间的距离gd为固定的前提下，通过不同的延迟时间td,1～td,n，仿真出飞时测距系统10与反射板11不同的仿真距离d1～dn，而取得图4中曲线cv4的多个离散点。于一实施例中，飞时测距系统10可根据曲线cv4的多个离散点并利用内插(interpolation)的方式，取得曲线cv4。

如此一来，于测距阶段中(取得曲线cv4之后)，飞时测距系统10可根据于测距阶段中所得到(感光像素电路140中光电读取电路32所输出)的第二输出信号pout2(其可对照图4中的纵轴)，对照曲线cv4而得到飞时测距系统10与目标物件的实际距离(其可对照图4中的横轴，此时根据测距阶段中所得到第二输出信号pout2对照曲线cv4而于图4横轴所取得的距离即为实际距离)。

飞时测距系统10的操作可归纳成为一流程，请参考图6，图6为本申请实施例一流程60的示意图。流程60包括以下步骤：

步骤600：控制单元18产生多个延迟信号ds1～dsn至延迟单元12。

步骤602：延迟单元12根据多个延迟信号ds1～dsn，产生多个延迟脉冲dp1～dpn。

步骤604：发光单元13于时间区间t1～tn发射多个延迟脉冲光ld1～ldn。

步骤606：感光像素电路140于时间区间t1～tn中接收多个延迟反射光r1～rn，并根据延迟反射光r1～rn产生对应于多个延迟时间td,1～td,n的多个像素信号p1～pn。

步骤608：储存单元16用来储存多个延迟时间td,1～td,n与多个像素信号p1～pn-之间的对应关系。

步骤610：飞时测距系统10根据多个延迟时间td,1～td,n与多个像素信号p1～pn-之间的对应关系，进行飞时测距。

关于流程60的细节，请参考前述相关段落，于此不再赘述。其中，步骤600～608可属于装置出厂前的校正阶段，步骤610可属于装置出厂后的实际测距阶段。

前述实施例用以说明本申请的发明概念，本领域具通常知识者当可据以做不同的修饰，而不限于此。举例来说，于步骤610中，飞时测距系统10可根据曲线cv4，计算出最佳延迟时间td,opt(或其所对应的仿真距离)位于曲线cv4中间较为线性的区域(简称线性区)，使得飞时测距系统10根据飞时测距法所计算出的量测距离更贴近飞时测距系统10与目标物件的真实距离。

关于飞时测距系统10计算最佳延迟时间td,opt并根据最佳延迟时间td,opt进行飞时测距的细节，请参考图7，图7为本申请实施例一流程70的示意图。流程70包括以下步骤：

步骤700：控制单元18根据多个延迟时间td,1～td,n与多个像素信号p1～pn-之间的对应关系，计算最佳延迟时间td,opt，并产生对应于最佳延迟时间td,opt的最佳延迟信号dsopt至延迟单元12。

步骤702：延迟单元12根据最佳延迟脉冲信号dsopt，产生最佳延迟脉冲dpopt。

步骤704：发光单元13根据最佳延迟脉冲dpopt，产生最佳延迟脉冲光ldopt。

步骤706：感光像素电路140接收对应于最佳延迟脉冲光ldopt的最佳延迟反射光ropt，并根据最佳延迟反射光ropt产生对应于最佳延迟时间td,opt的最佳延迟像素信号popt。

步骤708：飞时测距系统10根据最佳延迟像素信号popt，计算对应于目标物件的飞时距离。

于步骤702中，最佳延迟时间td,opt可为最佳延迟脉冲dpopt相对于传输信号tx1中参考脉冲pref的延迟时间。于步骤708中，最佳延迟像素信号popt为感光像素电路140接收最佳延迟反射光ropt且感光像素电路140中光电读取电路32相应输出的第二输出信号pout2。根据第二输出信号pout2计算对应于目标物件的飞时距离的细节为本领域具通常知识者所知，于此不再赘述。其余关于流程70的细节，与流程60类似，故不赘述。

综上所述，本申请利用发射对应不同延迟时间的多个延迟脉冲光，仿真出飞时测距系统与反射板之间不同的仿真距离，进而取得仿真距离与量测距离的对应关系，并根据此对应关系，进行飞时测距。相较于现有技术，本申请于校正阶段中不需透过人为操作即可得到仿真距离与量测距离的对应关系，具有操作简便及可取得精准飞时距离的优点。

以上所述仅为本申请的部分实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。