飞行时间距离测量装置及用于检测多路径误差的方法与流程

本发明涉及一种飞行时间距离测量装置和用于检测多路径误差的方法。

背景技术

作为一种在场景中测量与物体相距的距离的方法，飞行时间(tof)技术被开发出来。这种tof技术可以应用于各种领域，如汽车工业、人机界面和游戏、机器人等。一般来说，tof技术的工作原理是用光源发出的已调制光照射场景，并观察场景中物体反射的反射光。通过测量发射光和反射光之间的相位差，计算出与物体相距的距离(参见，举例说明的专利文献1到4)。

在使用这种传统的tof技术的距离测量装置中，多路径干扰可能影响所测距离的精度。当发射光沿着具有不同路径长度的多条路径传播时，多路径干扰就会产生，然后作为集成光被单个光接收器所感测。虽然沿不同路径长度的光的相位是互不相同的，但传统的距离测量装置是根据集成光的混合相位来计算距离的。因此，计算的距离可以包括由多路径干扰引起的误差值。

专利文献5提出了一种基于光接收器的曝光量检测多路径误差的技术。在专利文献5中，光发射器发射照亮给定区域的光。该区域被划分为多个子区域，并且控制器被配置为控制光发射器以改变每个子区域的发射光量，从而在不同的时间发射不同的光发射模式。控制器计算每个子区域的光接收器处接收的曝光量，并根据所计算的曝光量检测多路径误差。具体地，控制器在第一时序计算在第一发射模式下光接收器处的曝光量，然后控制器在第二时序计算在第二发射模式下光接收器处的曝光量。基于在第一时序计算的曝光量与在第二时序计算的曝光量之间的差异，控制器确定是否发生多路径误差。

然而，根据专利文献5的技术为了检测多路径误差，必须在两种不同的光发射模式(即在第一时序和第二时序)计算曝光量。因此，根据专利文献5的方法，由于曝光量的按顺序计算而不可避免地产生时间延迟。由于时间延迟，多路径误差的检测精度可能会下降。例如，在第一时序期间发生多路径干扰但在第二时序之前该多路径干扰已被解决的情况下，控制器可能无法正确地检测多路径误差，这可能会影响到所计算到的与物体相距的距离的精度。

引用列表

专利文献

ptl1:jp5579893b

ptl2:jp2010-96730a

ptl3:jp5585903b

ptl4:jp2010-025906a

ptl5:wo2014/097539a1

技术实现要素：

本节提供了本发明的简要概述，并不是对其全部范围或所有特征的全面公开。

本发明的目的是提供一种飞行时间距离测量装置和一种用于检测多路径误差的方法，所述多路径误差可以在不存在时间延迟(lag)情况下检测多路径误差。

在本公开的第一个方面中，飞行时间距离测量装置包括发射光的光源，作为发射光用于照亮指定区域；光接收器，用于检测由指定区域内的物体反射的发射光，由指定区域内的物体反射的发射光作为反射光；第一控制器，用于控制光源；第二控制器，控制光接收器；计算器，基于光接收器检测到的反射光计算与物体相距的距离；多路径检测器，用于检测多路径误差的发生的。指定区域被划分为多个子区域。光源包括多个发射部分，多个发射部分中的每一个分别照亮多个子区域中的相应一个。光接收器包括与多个发射部分中的各个部分相对应的多个接收部分，多个接收部分中的每一个彼此分开以感测由子区域反射的反射光，子区域被相应发射部分照亮。第一控制器控制(i)多个发射部分中的第一发射部分发射作为包括基频的n阶(n^th-order)谐波分量的调幅波形的发射光；(ii)多个发射部分的第二发射部分发射作为包括基频的m阶(m^th-order)谐波分量的调幅波形的发射光，其中n和m是不同的正整数。第二控制器控制多个接收部分中的特定接收部分对n阶谐波分量和m阶谐波分量敏感(sensible)，多个接收部分中的特定接收部分对应于多个发射部分的第一发射部分。当特定接收部分同时感测n阶分量和m阶分量时，多路径检测器检测多路径误差的发生。

根据本发明的第一方面，第一控制器控制第二发射部分发射包括m阶谐波分量的发射光，第二控制器控制特定接收部分对n阶谐波分量和m阶谐波分量敏感。当特定接收部分同时感测n阶谐波分量和m阶谐波分量时，多路径检测器检测多路径误差的发生。因此，可以检测多路径误差的发生而不产生时间延迟。

在本公开的第二方面中，飞行时间距离测量装置包括发射光的光源，作为发射光用于照亮指定区域；光接收器，用于检测由指定区域内的物体反射的发射光，由指定区域内的物体反射的发射光作为反射光；第一控制器，用于控制光源；第二控制器，控制光接收器；计算器，基于光接收器检测到的反射光计算与物体相距的距离；多路径检测器，用于检测多路径误差的发生。指定区域被划分为多个子区域。光源包括多个发射部分，多个发射部分中的每一个分别照亮多个子区域中的相应一个。光接收器包括与多个发射部分中的各个部分相对应的多个接收部分，多个接收部分中的每一个彼此间隔开以感测由子区域反射的反射光，子区域被相应发射部分照亮。第一控制器在第一时序(timing)控制(i)多个发射部分的第一发射部分发射作为包括基频的n阶谐波分量的调幅波形的发射光＝和(ii)多个发射部分的第二发射部分发射作为包括基频的m阶谐波分量的调幅波形的发射光，其中n和m是不同的正整数；在第二时序控制(i)第二发射部分发射作为包括基频的n阶谐波分量的调幅波形的发射光(ii)第一发射部分发射作为包括基频的m阶谐波分量的调幅波形的发射光。在第一时序，第二控制器控制多个接收部分中的第一接收部分对n阶谐波分量和m阶谐波分量敏感，第一接收部分对应于多个发射部分的第一发射部分；在第二时序，第二控制器控制多个接收部分中的第二接收部分对n阶谐波分量和m阶谐波分量敏感，第二接收部分对应于多个发射部分的第二发射部分。当(i)在第一时序第一接收部分同时感测n阶分量和m阶分量或(ii)在第二时序第二接收部分同时感测n阶分量和m阶分量时，多路径检测器检测多路径误差的发生。

根据本发明的第二方面，在第一时序第二控制器控制第一接收部分对n阶谐波分量和m阶谐波分量敏感。当第一接收部分在第一时序同时感测n阶谐波分量和m阶谐波分量时，多路径检测器检测多路径误差的发生。因此，可以在第一时序检测多路径误差的发生而不产生时间延迟。类似地，在第二时序，所述第二控制器控制第二接收部分感测n阶谐波分量和m阶谐波分量。当第二接收部分在第二时序同时感测n阶谐波分量和m阶谐波分量时，多路径检测器检测多路径误差的发生。因此，可以在第二时序检测多路径误差的发生而不产生时间延迟。

从本文提供的说明书中可以看出更广的应用领域。本发明内容中的描述和具体示例仅用于说明目的，并不是为了限制本发明的范围。

附图说明

本发明的内容及本发明的其他目标、特点和优点将从下列说明书、所附权利要求和附图中得到最好的理解，其中：

[图1]图1是根据第一实施例的飞行时间距离测量装置的示意图。

[图2]图2是根据第一实施例的飞行时间距离测量装置的框图。

[图3]图3是根据第一实施例的第一接收部分和第二接收部分的俯视图。

[图4]图4是根据第一实施例的像素传感器的俯视图。

[图5]图5是根据第一实施例的像素传感器的示意图。

[图6]图6是控制信号序列的一个示例。

[图7]图7是差分信号序列的一个示例。

[图8]图8是根据第一实施例，占空比为在25％的发射光。

[图9]图9示出了基波分量、二阶谐波分量和三阶谐波分量的幅值和占空比之间的关系。

[图10]图10是根据第一实施例的反射光的二阶谐波分量和控制信号的一个示例。

[图11]图11是当一个像素传感器处于第三种状态时该像素传感器的示意图。

[图12]图12(a)是第一控制信号的差分(differential)序列，图12(b)是第二控制信号的差分序列。

[图13]图13是根据第一实施例的处理单元的框图。

[图14]图14是根据第二实施例的像素传感器处于第三状态时该像素传感器的示意图。

[图15]图15(a)是第一控制信号的差分序列，图15(b)是根据第三实施例的第二控制信号的差分序列。

[图16]图16(a)是当第一个子区域是目标区域时飞行时间距离测量装置的示意图，而图16(b)是根据第四实施例当第二个子区域是目标区域时飞行时间距离测量装置的示意图。

[图17]图17(a)是在第一时序，第一控制信号和第二控制信号的差分序列，图17(b)是根据第四实施例，在第二时序，第一控制信号和第二控制信号的差分序列。

[图18]图18是根据第五实施例的飞行时间距离测量装置的示意图。

[图19]图19(a)是第一控制信号的差分序列，图19(b)是第二控制信号的差分序列，图19(c)是根据第五实施例的第三控制信号的差分序列。

具体实施方式

下面将参考附图来描述本发明的多个实施例。在实施例中，与前一实施例中描述的内容相对应的部分可以用相同的附图标记表示，并且可以省略对该部分的额外的解释。当在实施例中只描述结构的一部分时，可以将另一个前一实施例应用于该结构的其他部分。即使没有明确描述这些部分可以组合，也是可以对这些部分进行组合。即使没有明确描述实施例可以组合，但只要在这样的组合不存在危害也可以部分地组合实施例。

(第一实施例)

这里，将参照附图描述根据第一实施例的飞行时间距离测量装置和用于检测多路径误差的方法。在本实施例和其他后面的实施例中，飞行时间测量装置(以下统称为“tof装置”)用于在车辆中计算从车辆到物体的距离(即从tof装置到物体的距离)，但tof装置的使用不限于车辆。例如，tof装置可用于人机界面装置、游戏控制台、机器人等。对于该装置而言的，“物体”可包括行人78、其他车辆、道路上的障碍物、建筑物等。

(一般配置)

图1示意性地示出了根据第一实施例的tof装置20和图20示出了tof装置20的框图。tof装置20包括时钟发生器22、光源24、光接收器26、发射器控制器(第一控制器)28、接收器控制器(第二控制器)30、共模扼流圈32、差分放大器34、a/d转换器36和处理单元38。在本实施例中，光源24包括第一发射部分(发射部分)70和第二发射部分(发射部分)72、和光接收器26，光接收器26包括第一接收部分(接收部分、特定接收部分)74和第二接收部分(接收部分)76。

时钟发生器22生成时钟信号并将时钟信号输出到发射器控制器28和接收器控制器30，以建立光源24和光接收器26之间的同步。当从时钟发生器22接收时钟信号时，发射器控制器28和接收器控制器30分别生成和输出各种信号到光源24和光接收器26，以便彼此同步工作。

当发射器控制器28从时钟发生器22处接收时钟信号时，发射器控制器28将作为发射控制信号的方波输出到光源24。在本实施例中，光源24发射具有与发射控制信号相对应的方波(即调幅波形)的光，作为发射光。因此，发射光具有与发射控制信号相同的波形。然而，光源24可以发射具有正弦波形、三角形波形或具有伪随机图案的波形的光。

第一发射部分70和第二发射部分72是发光二极管(led)。或者，发射红外光的激光二极管(ld)可用作光源24。光源24向指定区域发射红外光以照亮指定区域。在本实施例中，指定区域被划分为第一子区域r1和第二子区域r2。第一子区域r1和第二子区域r2被设置为互不重叠。第一发射部分70被配置为只照亮第一子区域r1，第二发射部分72被配置为只照亮第二子区域r2。

在本实施例中，发射器控制器28控制第一发射部分70发射出发射光，发射光包括基频(例如，10mhz)的基波分量(即一阶谐波分量(n＝1，奇数))。相反，发射器控制器28控制第二发射部分72发射出发射光，发射光包括基波分量和两倍基频(例如，20mhz)二阶谐波分量(m＝2，偶数)。

接收器控制器30生成并输出多个控制信号dn到光接收器26，以控制光接收器26的光接收模式(曝光模式)。更具体地，接收器控制器30输出控制信号dn作为多个第一控制信号(特定控制信号)d1n和多个第二控制信号d2n。在这里，多个第一控制信号d1n输出到第一接收部分74，从而控制第一接收部分74同时对反射光的基波分量和二阶谐波分量敏感。进一步地，接收器控制器30将多个第二控制信号d2n输出到第二接收部分76，从而控制第二接收部分76同时对反射光的基波分量和二阶谐波分量敏感。

光接收器26检测反射光，反射光是由指定区域内的物体(例如行人78和图1所示的另一车辆80)反射的发射光。如图3所示，第一接收部分74和第二接收部分76设置在单层基板82上，并且彼此分开。第一接收部分74对应于第一发射部分70，第二接收部分76对应于第二发射部分72。换句话说，第一接收部分74与第一发射部分70配对，第二接收部分76与第二发射部分72配对。

第一接收部分74和第一发射部分70的配对是被配置成建立光学关系，其中第一接收部分74只感测从第一子区域r1反射的反射光，第一子区域r1是被第一发射部分70照亮。换句话说，第一接收部分74不感测从第二子区域r2直接反射的反射光，第二子区域r2是被第二发射部分72照亮。类似地，第二接收部分76和第二发射部分72的配对是被配置成建立光学关系，其中第二接收部分76只感测从第二子区域r2反射的反射光，第二子区域r2是被第二发射部分72照亮。也就是说，第二接收部分76不感测从第一子区域r1直接反射的光，第一子区域r1是被第一发射部分70照亮。

当从第一发射部分70发射的发射光在没有多路径干扰情况下直接到达第一子区域r1中的行人78身上时(如图1中的实线所示)，行人78反射的反射光仅由第一接收部分74感测，而第二接收部分76不能从第一子区域r1感测反射光。然而，在另一车辆80进入第二子区域r2的情况下，如果从第二发射部分72发射的发射光被另一车辆80向第一子区域r1反射，然后反射光被行人78进一步反射，则发生多路径干扰，如图1中的虚线所示。在这种情况下，第一接收部分74除了感测从第一发射部分70发射的反射光外，还感测到由于多路径干扰而从第二发射部分72发射的反射光。换句话说，可以通过控制第一接收部分74来检测多路径干扰，以便感测基波分量和二阶谐波分量，如下文将描述的。

第一接收部分74和第二接收部分76由布置成规则阵列形式的多个感测单元40构成。具体地，第一接收部分74包括第一组感测单元40，第二接收部分76包括第二组感测单元40。进一步地，如图4所示，每个感测单元40由6个单独的像素传感器80构成。换句话说，第一接收部分74在物理上是由第一组单独的像素传感器80(在下文称为“第一像素传感器”)构成，类似地，第二接收部分76在物理上是由第二组单独的像素传感器80(下称“第二像素传感器”)构成。下面将对第一接收部分74和第二接收部分76的每个部分中的特定传感器单元40集中讨论。具体地，构成第一接收部分74中的特定传感器单元40的六个像素传感器80被称为第一像素传感器(特定光检测器)a1到f1。类似地，构成第二接收部分76中的特定传感器单元40的六个像素传感器80被称为第二像素传感器a2到f2。

接收器控制器30控制每个传感单元40，每个传感单元40作为单一的单元。接收器控制器30通过连接ctl1到ctl6将每一个第一控制信号d1n输出到第一像素传感器a1到f1中对应的一个。类似地，接收器控制器30将第二控制信号d2n中的每一个分别输出到第二像素传感器a2到f2中的一个。如下所述，每个控制信号dn是一个差分信号，包括一对通常情况下是互补的门信号tg1、tg2。

像素传感器80是使用cmos(互补金属氧化物半导体)技术或ccd(电荷耦合器件)技术或这两种技术的组合的图像传感器。如图5所示，每个像素传感器80包括pd(光电二极管，光电管)42、第一电容器44、第二电容器46、第一开关48和第二开关50。第一开关48和第二开关50是mos型器件，如mos晶体管或传输门，或电荷耦合器件(ccd)。第一电容器44和第二电容器46是诸如mos、ccd或mim(金属绝缘体金属)等的电容元件。第一电容器44电连接到第一开关48，第一开关48电连接到pd42。因此，第一电容器44通过第一开关48电连接到pd42。类似地，第二电容器46电连接到第二开关50，第二开关50电连接到pd42。因此，第二电容器46通过第二开关50电连接到pd42。

pd42在被反射光照射时产生电。从接收器控制器30接收的控制信号通过控制第一开关48和第二开关50的开/关状态来操作像素传感器80。如前所述，控制信号dn包括一对通常情况下是互补的门信号tg1、tg2。例如，当第一开关48接通、第二开关50断开时，第一电容器44存储由pd42产生的电荷。另一方面，当第一开关48断开、第二开关50接通时，第二电容器46存储由pd42产生的电荷。虽然在本实施例中使用了两个开关/电容器对(即，第一开关48和第一电容器44，以及第二开关50和第二电容器46)，但可以使用三个或三个以上的开关/电容器对。存储在第一电容器44中的电荷和存储在第二电容器46中的电荷作为模拟数据分别输出到共模扼流圈32。

共模扼流圈32通过从像素传感器80输出的数据中去除共模(cm)分量来避免光饱和现象。当出现光饱和现象时，即当场景中出现足够高的背景光时，就会产生cm分量。除去cm分量后，对应于第一电容器44的数据和对应于第二电容器46的数据被输入到差分放大器34。差分放大器34将每对电荷数据之间的差值输出到a/d转换器36。也就是说，从差分放大器34输出对应于存储在第一电容器44中的电荷的数据与对应于存储在第二电容器46中的电荷的数据之间的差值。

a/d转换器36将来自差分放大器34的模拟数据转换为数字数据，并将数字数据输出到处理单元38。处理单元38包括cpu、rom、ram等，并执行存储在rom中的程序以执行各种处理。特别地，处理单元38基于从a/d转换器36输出的数字数据计算到物体的距离。进一步地，处理单元38基于数字数据(即反射光)检测多路径误差的发生。

(一阶和二阶谐波分量的同时感测)

接下来，详细解释tof技术的距离计算机制。为了便于理解，首先将参照基本的tof距离传感器的实现给出解释。

(tof测量的一般原则)

图6示出了信号序列(调制周期：tm，曝光周期：tw)的一个示例，其中发射光具有50％的占空比，通过具有彼此不同的相位的门信号tg1、tg2对两个像素传感器(在下文中称为“第一像素传感器”和“第二像素传感器”)80进行控制。如图6所示，首先通过第一对门信号tg1-1、tg2-1控制第一像素传感器80，通过第二对门信号tg1-2、tg2-2控制第二像素传感器80。换句话说，在这个模型中执行四个采样。来自光源24的发射光的波形(发射光波形52)是方形的，与门(gate)信号tg1、tg2同步。

反射光的波形(反射光波形54)相对于发射光波形52具有时间差，因此反射光波形54被感测为一种相对于发射光波形52的具有相位差为φ的相位延迟的波形。第一对门信号tg1-1、tg2-1相位差为180°，第二对门信号tg1-2、tg2-2相位差为180°。进一步地，第一对门信号tg1-1、tg2-1和第二对门信号tg1-2、tg2-2的相位差为90°。

在这个示例中，门信号tg1-1、tg2-1被输出到第一个像素传感器80，进行数次到数十万次循环。门信号tg1-2、tg2-2也被输出到第二像素传感器80，进行数次到数十万次循环。由第一对门信号tg1-1、tg2-1产生的电荷为数据q1、q2，而由第二对门信号tg1-2、tg2-2产生的电荷为数据q3、q4。具体地，数据是一个电压值，该电压值是通过电荷电压转换产生的电荷转换值。然后，用离散傅里叶变换(dft)计算相位差φ的估计值θ，通过四个采样得到的数据q1到q4。

θ＝tan^-1((q1-q3)/(q2-q4))(1)

虽然方程(1)表示执行了四个采样时的方程，但方程(1)可以展开成方程(2)中所表示的n个相位(即n个样本)。

θ＝tan^-1((∑qk*sin(2π/n*k)/(∑qk*cos(2π/n*k)))(2)

此后，可以基于θ和光速之间的关系来计算与物体的距离。

(差分信号序列的一般解释)

如图7所示，第一对门信号tg1-1、tg2-1和第二对门信号tg1-2、tg2-2可由各自的差分信号d1、d2表示。应该注意，差分信号d1、d2是表示这对门信号tg1、tg2的状态的虚构信号。如前所述，门信号tg1、tg2通常是互补的。因此，在图7中，当第一门信号tg1为“h”，第二门信号tg2为“l”时，差分信号d1、d2的值为“1”。换句话说，当差分信号d1、d2的值为“1”时，第一开关48和第二开关50的接通/断开状态是处于第一状态，其中第一开关48是接通的和第二开关50是断开的。

相反，当第一门信号为“l”而第二门信号为“h”时，差分信号d1、d2的值为“-1”。换句话说，当差分信号d1、d2具有值“-1”时，第一开关48和第二开关50的接通/断开状态是处于第二状态，其中第一开关48是断开的和第二开关50是接通的。因此，该对门信号tg1、tg2的状态(即第一开关和第二开关48、50的接通/断开状态)可以用通常为“1”或“-1”的差分信号(控制信号dn)来表示。

(本实施例中的发射光)

如前所述，当第一接收部分74感测到基波分量及其二阶谐波分量时，多路径误差能够被检测到。为了同时感测基波分量和二阶谐波分量的反射光，(i)控制第二发射部分72发射包括基波分量及其二阶谐波分量的发射光，占空比小于50％；(ii)生成第一控制信号d1n，使第一接收部分74同时对二阶谐波分量以及基波分量进行感测。进一步地，在没有出现多路径干扰时，为了通过第一接收部分74仅感测反射光的基波分量，控制第一发射部分70发射包括基波分量的发射光，占空比为50％。

也就是说，虽然在图6的基本实现中所描述的发射光具有50％占空比，但是在本实施例中的发射器控制器28控制第二发射部分72发射具有小于50％的占空比的发射光。例如，来自第二发射部分72的发射光可以具有25％的占空比。如下所述，通过设置发射光具有25％的占空比，二阶谐波分量可以有效地被感测，图8示出了在本实施例中第二发射部分72的发射光56，发射光56具有25％的占空比并由实线表示，以及示出了相比较的发射光58，具有50％占空比并用虚线表示。

图9给出了基波分量、二阶谐波分量和三阶谐波分量的幅值与占空比[％]之间的关系。如图所示9，随着占空比从50％减小，二阶谐波分量和三阶谐波分量的幅值逐渐增大。特别是在占空比为25％时，二阶谐波分量的幅值最大。因此，在本实施例中，通过将第二发射部分72的发射光设置为具有25％的占空比，二阶谐波分量的幅值能够被第二接收部分76灵敏地检测到(并且如果出现多路径干扰，也能由第一接收部分74检测到)。然而，应当理解占空比并不限于25％。如图9所示，在占空比不超过25％时，二阶分量和三阶分量的幅值为正。例如，如果发射光包括三阶谐波分量，则所述占空比可设置为大约18％，此时三阶谐波分量具有最大值。

相反，如上所述，第一发射部分70被控制发射包括基波分量的发射光，发射光占空比为50％。如图9所示，在占空比为50％时，二阶谐波分量为0，然而在占空比为50％时，基波分量具有最大值。因此，通过设置第一发射部分70的发射光具有50％的占空比，第一接收部分74灵敏地感测从第一发射部分70发射的反射光的基波分量，然而在不存在多路径干扰时第一接收部分74不会感测到从第一发射部分70发射的反射光的二阶谐波分量。换言之，第一接收部分74仅在多路径误差发生时感测到从第二发射部72发射的反射光的二次谐波分量，反射光的占空比为25％。

(本实施例中的控制信号)

在本实施例中，接收器控制器30生成多个控制信号dn，并将多个控制信号dn中的每一个分别发送到多个像素传感器80中的一个。虽然在后面的描述中，控制信号dn被描述为第一开关48和第二开关50的门信号tg1、tg2的差分信号，但如前面所解释，差分信号是物理上为一对通常互补的门信号tg1、tg2的代表信号。和图7中的描述一样，在本实施例中如图10所示的控制信号dn在由“1”指示的第一状态和由“-1”指示的第二状态之间切换，进而切换第一开关和第二开关的接通/断开状态48、50。

进一步地，如图10所示，为了同时感知反射光的基波分量和二阶谐波分量，接收器控制器30生成控制信号dn(第一控制信号d1n和第二控制信号d2n)，其值为“0”，该值表示零周期。如果仅存在第一周期和第二周期，如图10中的虚线所示，二阶谐波分量在第一状态下(即当dn是“1”)的积分值为0(即+s+(-s)＝0)。类似地，二阶谐波分量在第二状态下(即当dn是“-1”)的积分值也是0(即-[+s+(-s)]＝0)。因此，当零周期不存在时，在控制信号dn的第一和第二状态中的每个状态下二阶谐波分量的积分值为零，因此二阶谐波分量不会被感测到。相反，通过设置如图10中的实线所示的零周期，零周期内二阶谐波分量的积分值不被考虑。在这种情况下，第一状态下二阶谐波分量的积分值被计算为“+s”，而在第二状态下二阶谐波分量的积分值则被计算为“-s”。换句话说，在第一状态和第二状态下，二阶谐波分量的积分值被计算为非零值。因此，通过在控制信号dn中引入零周期，除了基波分量外，还可以感测到二阶谐波分量。

在本实施例中，当通常情况下是互补的第一和第二门信号tg1、tg2都被设置为“h”时，控制信号dn的值为“0”(即空周期)。换句话说，当控制信号的值为“0”时，第一开关48和第二开关50的接通/断开状态是第三状态，其中第一开关48是接通的，第二开关50是接通的。进一步地，生成的控制信号dn使得第三状态发生在第一状态和第二状态之间。

更具体地，在图10中所示的控制信号dn的一个周期中，将第三状态(空周期)从1/2π相位插入到3/2π相位(即90°到270°)。换句话说，相位从0到1/2π的第一状态(“1”)、相位从1/2π到3/2π的第三状态(“0”)和相位从3/2π到2π的第二状态(“-1”)形成了控制信号的一个周期。

如图11所示，在第三状态期间，从pd42产生的电均匀地分配到第一电容器44和第二电容器46。因此，第一电容器44存储电荷qa，第二电容器46存储电荷qb，在第三状态(即零周期)期间qb等于qa。因此，在第三状态期间存储的电荷qa和qb通过共模扼流圈32和差分放大器34被抵消。通过抵消电荷qa和qb，从差分放大器34输出的数据可以包括与二阶谐波分量相关的信息。因此，如果反射光同时包括基波分量和二阶谐波分量，则与基波分量和二阶分量相关联的数据可以同时被获得。应该注意的是，虽然第一接收部分74是被控制为对基波分量和二阶谐波分量进行感测，但是当不存在多路径干扰时，第一接收部分74只感测从第一发射部分70发射的反射光的基波分量。

图12示出了六个第一像素传感器a1到f1(图12(a))中的一个感测单元40的差分信号序列和用于6个第二像素传感器a2到f2中的一个感测单元40的差分序列(图12(b))。如图12所示，第一控制信号由六个不同类型的信号d11到d16构成，不同类型的信号具有彼此不同的相位，第二控制信号由六个不同类型的信号d21到d26组成，不同类型的信号具有彼此不同的相位。更具体地，信号d11到d16具有彼此不同的相位差，例如，彼此相位差为60°；信号d21到d26具有彼此不同的相位差，例如，彼此相位差为60°。进一步地，第一控制信号d11到d16和第二控制信号d21到d26分别是具有相同的相位。

接收器控制器30基本上同时将六个不同类型的信号d11到d16输出到六个第一像素传感器a1到f1，以及六个不同类型的信号d21到d26输出到六个第二像素传感器a2到f2。信号d11到d16和d21到d26的输出是进行数百到数千个循环。每个像素传感器a1到f1和a2到f2分别接收6个不同信号d11到d16、d21到d26中的一个。换言之，在一个感测单元40中的每个像素传感器a1到f1、a2到f2是由不同的相位控制，并且因此输出具有不同值的电荷数据。应当注意，接收器控制器30将六个不同类型的信号d11到d16的相同子集输出到第一接收部分74的每个传感单元40，以及六个不同类型的信号d21到d26的相同子集输出到第二接收部分76的每个传感单元40。因此，每个感测单元40被控制以感测反射光，采用的感光模式和另一个感测单元40采用的相同。

(在处理单元计算)

如图13所示，处理单元包括离散傅里叶变换(dft)电路60、距离计算器66和多路径检测器82。dft60将a/d转换器36输出的数据分解为基波分量和二阶分量，并计算基波分量和二阶谐波分量的实部和虚部。更具体地，dft60将与第一控制信号d11到d16相对应的数据分解为基波分量和二阶谐波分量(如果有的话)，并计算其实部和虚部。进一步地，dft60将与第二控制信号d21到d26相对应的数据分解为基波分量和二阶谐波分量，并计算其实部和虚部。dft60的计算值被输出到距离计算器66和多路径检测器82。

距离计算器66基于dft60的计算值计算与物体相距的距离。具体地，距离计算器66基于第一控制信号d11到d16中相应的实部和虚部(参考方程(2))计算基波分量的相位角θ1(换言之，相位差的估计值)。然后，距离计算器66基于相位角θ1计算与第一子区域r1内的物体(例如图1中的行人78)相距的距离l1。更具体地，距离计算器66通过方程(3)计算出由相位角θ1得到的l1，其中c是光速，f1是基波分量的频率。

l1＝(1/2)(c/f1)(θ1/2π)(3)

对于第二子区域r2，距离计算器66基于第二控制信号d21到d26中相应的实部和虚部计算基波分量的第一相位角θ21(换句话说，是相位差的估计值)和第二相角θ22(换句话说，是相位差的估计值)。然后，距离计算器66基于第一相角θ21和第二相角θ22计算与第二分区r2(例如其他车辆80)内的物体相距的距离l2。更具体地，距离计算器66通过方程(4)计算由第一相角θ21得出的l2-1。

l2-1＝(1/2)(c/f1)(θ21/2π)(4)

类似地，距离计算器66通过方程(5)计算出由第二相角θ22得到的l2-2，其中f2是二阶谐波分量的频率，即f2＝2f1。

l2-2＝(1/2)(c/f2)(θ22/2π)

＝(1/2)(c/2f1)(θ22/2π)

＝(1/2)(c/f1)(θ22/2/2π)(5)

然后，距离计算器66通过例如结合l2-1和l2-2，即线性组合来获得距离l2。

多路径检测器82基于由dft60输出的计算值检测多路径误差的发生。在本实施例中，多路径检测器82确定对于第一子区域r1内的物体(即行人78)是否发生多路径误差。换句话说，第一子区域r1是用于检测多路径误差发生的目标区域。当多路径检测器82从dft60接收对应于第一控制信号d11到d16的基波分量和二次谐波分量的计算值时，换言之，第一接收部分74检测基波分量和二阶谐波分量，多路径检测器82检测在第一子区域r1中的多路径误差的发生。在这种情况下，由方程(3)计算的距离l1包括由多路径误差引起的误差值。因此，处理单元38可以删去距离l1或校正距离l1。相反，当dft60只接收来自dft60的基波分量的计算值时，多路径检测器82确定在第一子区域r1中没有发生多路径误差。

如上所述，第一发射部分70被控制发射占空比为50％的包括基波分量的发射光，第二发射部分72被控制发射占空比为25％的包括基波分量和二阶谐波分量的发射光。生成控制信号dn，使得第一接收部分74可以同时感测基波分量和二次谐波分量。因此，如果发生如图1所示多路径干扰。第一接收部分74同时感测由第一发射部分70发射的反射光的基波分量(见图1中的实线)以及由第二发射部分72发射的反射光的基波分量和二阶谐波分量(见图1中的虚线)。因此，多路径检测器82可以检测多路径误差的发生，而不存在时间延迟。换句话说，由于及时检测到多路径误差，可以提高由tof装置20计算的距离值的准确性。

进一步地，对于第二子区域r2，第二接收部分76还可以同时感测从第二发射部分72发射的反射光的基波分量和二阶谐波分量。换句话说，第二接收部分76能感测基波分量和二阶分量，而不存在时间延迟。因此，可以提高由tof装置20计算的第二子区域r2内的物体的距离值的准确性。

(第二实施例)

接下来，下面将描述根据第二实施例的tof装置20。在第一实施例中，控制信号dn的第三状态(即空周期)被定义为第一开关48和第二开关50都接通的状态。然而，在第二实施例中，控制信号dn的第三状态被定义为第一开关48和第二开关50都断开的状态，如图14所示。进一步地，每个像素传感器80还包括在pd42和放电目标(未示出)之间进行电连接的子开关74(未示出)。

子开关74由从接收器控制器30输出的子门信号tg3控制，使得子开关74在第一状态(即，“1”)和第二状态(即，“-1”)期间是断开的，并且在第三状态(即，“0”)期间接通。因此，在第三状态期间产生的电(qc)通过子开关74放电，而不存储在第一电容器44和第二电容器46中。因此，第三状态期间产生的电不从像素传感器80输出，因此与在第三状态期间产生的电相关联的数据不会在处理单元中被使用。因此，与第一实施例一样，基波分量和二阶谐波分量可以同时被感测。

(第三实施例)

在第一实施例中，第二接收部分76被控制对反射光的基波分量和二阶分量进行感测，换句话说，第二控制信号d2n具有第三状态。然而，为了检测第一子区域r1中的多路径误差，第二接收器不一定检测由第二发射部分72发射的反射光的二阶谐波分量。基于上面所述，根据第三实施例的第二接收部分76被控制为仅感测基波分量。具体地，如图15所示，第二控制信号d21到d26具有第一状态“1”和第二状态“-1”，但没有第三状态“0”(见图15(b))。相反，第一接收部分74被控制为对基波分量和二阶谐波分量敏感。因此，与第一实施例一样，第一控制信号d11到d16具有第一至第三状态“1”、“-1”、“0”(见图15(a))。

在第三实施例中，尽管第二发射部分72发射包括基波分量和二阶谐波分量的发射光，但是第二接收部分76仅感测反射光的基波分量。因此，处理单元基于反射光的基波分量计算距离值l2。因此，第二接收部分76的s/n(信噪比)可以得到改进。

在上述实施例中，第二发射部分72发射包括基波分量和二阶谐波分量的发射光，当第一接收部分74感测基波分量和二阶谐波分量时，多路径检测器82检测多路径误差的发生。然而，在第二发射部分72发射包括与第一发射部分70的发射光不同阶的谐波分量的发射光，第二发射部分72可以发射包括另一谐波分量的反射光。例如，可以控制第二发射部分72发射包括基波分量和三阶谐波分量(m＝3，奇数)的发射光，第一发射部分70可被控制为发射包括基波分量的发射光。第一接收部分74可被控制为感测基波分量和三阶谐波分量。在这种情况下，由于三次谐波顺序分量是奇数阶，所以第二发射部分24被控制发射占空比为50％的发射光(参见图9)。进一步地，第一控制信号不具有使第一接收部分74检测到三阶谐波分量的第三状态。如果第一接收部分74同时感测基波分量和三阶谐波分量，则多路径检测器82可检测到多路径误差的发生。

(第四实施例)

在上述实施例中，tof装置20检测到关于在第一子区域r1中物体的多路径误差的发生，即，多路径误差的目标区域是第一子区域r1。在第四实施例中，tof装置20被配置为在第一子区域r1和第二子区域r2之间切换目标区域。例如，tof设备20在第一时序将目标区域设置为第一子区域r1，如图16(a)所示；然后在第二时序将目标区域设置为第二子区域r2，如图16(b)所示。在第一时序，发射器控制器28控制第一发射部分70发射包括基波分量的发射光，并控制第二发射部分72发射包括基波分量和二阶谐波分量的发射光。另外，在第一时序和第二时序的每个上，接收器控制器30控制第一接收部分74和第二接收部分76同时感测基波分量和二阶谐波分量。

图17示出了根据本实施例的采样序列。如图17所示，用于第一像素传感器a1到f1的第一控制信号d11至d16和用于第二像素传感器a2到f2的第二控制信号d21至d26与第一实施例中的控制信号相同。换句话说，第一接收部分74和第二接收部分76都被控制为感测基波分量和二阶谐波分量。在第一时序，与第一实施例一样，来自第一发射部分70的发射光具有50％的占空比，来自第二发射部分72的发射光具有25％的占空比。然而，在第二时序，来自第一发射部分70的发射光具有25％占空比，并且来自第二发射部分72的发射光具有50％占空比。

在第四实施例中，如图16(a)所示，当第一接收部分74检测到反射光的基波分量和二阶谐波分量时，多路径检测器82在第一时序检测到与第一子区域r1内的物体(例如行人78)相距的距离的多路径误差。如图16(b)所示，在第二时序，多路径检测器82检测到与第二子区域r2内的物体(例如，另一车辆80)相距的距离的多路径误差的发生。这样，通过仅切换第一发射部分70和第二发射部分72的光发射模式，根据第四实施例的tof装置20可以检测到关于第一子区域r1和第二子区域r2两者的多路径错误的发生。

(对第四实施例的改进)

在第四实施例中，在第一时序和第二时序的每个上，第一接收部分74和第二接收部分76被控制为对基波分量和二阶谐波分量敏感。然而，对于第一时序和第二时序中的每个，光接收模式(曝光模式)都可以改变。例如，在第一时序，第一接收部分74可以被控制为感测基波分量和二阶谐波分量，第二接收部分76可以被控制为只对基波分量敏感。然后，在第二时序，第一接收部分74可以被控制为只对基波分量敏感，第二接收部分76可以控制为对基波分量和二阶谐波分量敏感。

或者，第一接收部分74可以划分为两个子第一接收组，第二接收部分76可以划分为两个子第二接收组。一个子第一接收组可被控制为只感测基波分量，而另一个子第一接收组可被控制为感测基波分量和二阶谐波分量。类似地，一个子第二接收组可以被控制为感测基波分量，而另一子第二接收组可以被控制为感测基波分量和二阶谐波分量。在这种情况下，可以通过只改变第一发射部分70和第二发射部分72的发光模式而不改变光接收模式(曝光模式)来切换目标区域。

(第五实施例)

在上述实施例中，由光源24照亮的指定区域被划分为两个子区域(第一子区域r1和第二子区域r2)。然而，子区域的数量可能是可变的。在第四实施例中，如图18所示，指定区域被划分为例如3个子区域r1、r2、r3，每个子区域互不重叠。tof装置20包括第一至第三发射部分70、72、86和第一到第三接收部分74、76、88。第一发射部分70仅照射第一子区域r1，第二发射部分72仅照射第二子区域r2，第三发射部分86仅照射第三子区域r3。

第一到第三接收部分74、76、88布置在基板82上并且彼此间隔开。第一发射部分70和第一接收部分74的配对、第二发射部分72和第二接收部分76的配对以及第三发射部分86和第三接收部分88的配对各自形成光学关系。也就是说，第一接收部74只感测从第一子区域r1反射的反射光，第二接收部分76只感测从第二子区域r2反射的反射光，第三接收部分88只感测从第三子区域r3反射的反射光。

如图19(a)所示，发射控制器28控制第一发射部分70发射包括基波分量的发射光，占空比为50％。接收器控制器28控制第一接收部分74以同时感测基波分量和二阶谐波分量。也就是说，第一控制信号d11到d16具有第三状态“0”。相反，如图19(b)和图19(c)所示，发射器控制器28控制第二发射部分72和第三发射部分86以25％占空比发射基波分量和二次谐波分量。接收器控制器30控制第二接收部分76和第三接收部分88仅感测基波分量。也就是说，用于第三接收部分88的第二控制信号d21到d26和第三控制信号d31到d36不具有第三状态“0”。

在本实施例中，第一子区域r1被设置为目标区域。当第一接收部分74感测到基波分量和二阶谐波分量时，多路径检测器82检测与第一子区域r1内的物体(例如行人78)相距的距离时发生多路径误差。例如，如图18(a)所示，如果第一其他车辆80a进入第二子区域r2，并且由于第一其他车辆80a反射的反射光而产生多路径干扰，第一接收部分74感测基波分量和二阶谐波分量。当第一接收部分74感测基波分量和二阶谐波分量时，多路径检测器82检测多路径误差的发生。

类似地，如果第二其他车辆80b进入第三子区域r3并由第二其他车辆80b产生多路径干扰，则第一接收部分74感测到由第二车辆80b反射的反射光的基波分量和二阶谐波分量。在这种情况下，多路径检测器82还检测多路径错误的发生。这样，根据第五实施例的tof装置20可以检测由于反射光照射第二子区域r2或第三子区域r3而出现的多路径错误。

在第五实施例中，控制第二和第三发射部分72、86以发射包括基波分量和二次谐波分量的发射光，并且当第一接收部分74感测到基波分量和二阶谐波时，多路径检测器82检测多路径误差的发生。然而，第二和第三发射部分72、86可以被控制为发射例如包括基波分量和三阶谐波分量的发射光，并且当第一接收部分74感测到基波分量和三阶谐波分量时，多路径检测器82可检测到多路径误差。

进一步地，第二发射部分72可以被控制为发射例如基波分量和二阶谐波分量，而第三发射部分86可被控制为发射包括例如基波分量和三阶谐波分量的发射光。在这种情况下，第一接收部分74可以被控制为对基波分量、二阶谐波分量和三阶谐波分量敏感。然后，如果第一接收部分74感测到基波分量和二阶谐波分量，则多路径检测器82可检测与第二子区域r2相关联的多路径误差的发生。如果第一接收部分74感测到基波分量和三阶谐波分量，则多路径检测器82可检测与第三子区域r3相关联的多路径误差的发生。进一步地，如果第一接收部分74感测到基波分量、二阶谐波分量和三阶谐波分量，则多路径检测器82可检测与第二子区域r2和第三子区域r3相关联的多路径误差的发生。

在上述实施例中，当第二发射部分72被控制为发射包括基波分量和二阶谐波分量的发射光时，发射光被控制为具有25％的占空比(即小于50％)。然而，在难以将占空比设定为小于50％的情况下，可以控制第二发射部分72的发射光的占空比大于50％。例如，通过将占空比设置为75％，通过在控制信号中引入第三状态使二阶谐波分量可以被光接收器26感测到。因此，即使在难以将定占空比设置为小于50％的情况下，也可以检测到二阶谐波分量。

在上述实施例中，每个传感单元40由6个像素传感器80构成。然而，传感单元40可以由5个像素传感器80或7个或更多的像素传感器80构成。