飞时测距传感器以及飞时测距方法与流程

本发明涉及一种传感器，尤其涉及一种飞时(timetoflight,tof)测距传感器以及飞时测距方法。

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(internetofthings,iot)设备。常见的测距技术例如是红外线测距(infraredradiation,ir)技术、超声波(ultrasound)测距技术以及脉冲光(intensepulsedlight,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(timetoflight,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，特别是在近场(nearfield)应用中，以下将提出几个实施例的解决方案。

技术实现要素：

本发明提供一种飞时(timetoflight,tof)测距传感器以及飞时测距方法，可提供能准确地感测飞时测距传感器与感测目标之间的距离的效果。

本发明的飞时测距传感器包括信号处理电路、光发射器以及光传感器。光发射器耦接信号处理电路。光发射器用以发射脉冲光至感测目标。光传感器耦接信号处理电路。光传感器用以感测经由感测目标反射的脉冲光。在感测期间中，光传感器的第一像素单元操作在感测状态，以接收脉冲光，并且输出感测信号至信号处理电路。在感测期间中，光传感器的第二像素单元操作在重置状态，以输出重置信号至信号处理电路。信号处理电路比较感测信号以及重置信号，以取得脉冲信号。信号处理电路依据光发射器发射脉冲光与信号处理电路读出脉冲信号的时间差，来决定飞时测距传感器与感测目标之间的距离。

本发明的飞时测距方法包括以下步骤：在感测期间中，通过光发射器发射脉冲光至感测目标；在感测期间中，通过光传感器的第一像素单元操作在感测状态，以接收脉冲光，并且输出感测信号；在感测期间中，通过光传感器的第二像素单元操作在重置状态，以输出重置信号；通过信号处理电路比较感测信号以及重置信号，以取得脉冲信号；以及通过信号处理电路依据光发射器发射脉冲光与信号处理电路读出脉冲信号的时间差，来决定飞时测距传感器与感测目标之间的距离。

基于上述，本发明的飞时测距传感器以及飞时测距方法可有效地取得无背景噪声干扰的脉冲信号，以正确地计算出飞时测距传感器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时测距传感器的方块示意图。

图2是依照本发明的一实施例的比较器的电路示意图。

图3是依照本发明的一实施例的第一像素单元以及第二像素单元的电路示意图。

图4是依照本发明的图3实施例的各种信号波形的时序图。

图5是依照本发明的一实施例的飞时测距方法的流程图。

【符号说明】

100：飞时测距传感器

110：信号处理电路

120：光发射器

130：光传感器

200：感测目标

231、331：第一像素单元

232、332：第二像素单元

240：比较器

241：第一输入端

242：第二输入端

243：输出端

3311：第一光电二极管

3312：第一像素开关

3313：第一重置开关

3314、3324：读出电路

3321：第二光电二极管

3322：第二像素开关

3323：第二重置开关

vdd：电压

vpix1：感测信号

vpix2：重置信号

vrst1、vrst2：重置电压

vtx1、vtx2：控制电压

vcomp_out：比较信号

pl、pr：脉冲光

s510～s550：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，以下特举实施例作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时测距传感器的方块示意图。参考图1，飞时测距传感器100包括信号处理电路110(signalprocessor)、光发射器120以及光传感器130。信号处理电路110耦接光发射器120以及光传感器130。信号处理电路110可包括数字电路及模拟电路，本发明并不加以限制。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(laserdiode)，并且光传感器130可例如是互补式金属氧化物半导体图像传感器(cmosimagesensor,cis)。光发射器120用以发射出红外光(infraredradiation,ir)的光脉冲。具体而言，信号处理电路110驱动光发射器120以及光传感器130，以使光发射器120发射脉冲光pl(脉冲信号)至感测目标200，并且光传感器130感测经由感测目标200反射的脉冲光pr(脉冲信号)。

需说明的是，本实施例的飞时测距传感器100适用于近场(nearfield)应用。换言之，本实施例的飞时测距传感器100的反应时间(responsetime)介于1纳秒(ns)至20纳秒之间，或者飞时测距传感器100的感测距离介于15厘米(cm)至300厘米之间。在本实施例中，由于光传感器130在感测过程中，将同时感测到背景噪声，因此本实施例的光传感器130将通过两种操作在不同状态下的像素单元来进行测距，以消除在近场应用中的背景噪声的影响。

详细而言，光传感器130的第一像素单元可操作在感测状态，以接收脉冲光pr，并且输出感测信号至信号处理电路110。同时，光传感器130的第二像素单元可操作在重置状态，以输出重置信号至信号处理电路110。对此，由于在近场应用中，背景噪声的信号波形类似于操作在重置状态的第二像素单元所提供的重置信号波形，本实施例的信号处理电路110可通过比较感测信号以及重置信号，来有效地取得正确的脉冲信号。因此，本实施例的信号处理电路110可依据光发射器120发射脉冲光pl与光传感器130输出脉冲信号的时间差，来决定飞时测距传感器100与感测目标200之间的距离。

图2是依照本发明的一实施例的比较器的电路示意图。参考图2，上述图1实施例的信号处理电路110可包括如图2的比较器240。在本实施例中，比较器240的第一输入端241耦接光传感器的第一像素单元231。比较器240的第二输入端242耦接光传感器的第二像素单元232。具体而言，在感测(测距)期间中，第一像素单元231可操作在感测状态，以接收脉冲光，并且输出感测信号至比较器240的第一输入端241。同时，第二像素单元232可操作在重置状态，以输出重置信号至比较器240的第二输入端242。在本实施例中，比较器240依据感测信号以及重置信号来经由输出端243输出脉冲信号。

图3是依照本发明的一实施例的第一像素单元以及第二像素单元的电路示意图。参考图3，第一像素单元331包括第一光电二极管3311、第一像素开关3312、第一重置开关3313以及读出电路3314。在本实施例中，第一像素开关3312的第一端耦接第一光电二极管3311的第一端，并且第一像素开关3312的第二端耦接第一重置开关3313。第一重置开关3313的第一端耦接电压vdd，并且第一重置开关3313的第二端耦接第一像素开关3312的第二端。在本实施例中，读出电路3314耦接第一像素开关3312的第二端。并且，读出电路3314还耦接如上述图2实施例的比较器240的第一输入端241，以提供感测信号vpix1至比较器240的第一输入端241。

第二像素单元332包括第二光电二极管3321、第二像素开关3322、第二重置开关3323以及读出电路3324。在本实施例中，第二像素开关3322的第一端耦接第二光电二极管3321的第一端，并且第二像素开关3322的第二端耦接第二重置开关3323。第二重置开关3323的第一端耦接电压vdd，并且第二重置开关3323的第二端耦接第二像素开关3322的第二端。在本实施例中，读出电路3324耦接第二像素开关3322的第二端。并且，读出电路3324还耦接如上述图2实施例的比较器240的第二输入端242，以提供重置信号vpix2至比较器240的第二输入端242。然而，关于第一像素单元331以及第二像素单元332的操作以及信号波形，以下搭配图4来说明之。

图4是依照本发明的图3实施例的各种信号波形的时序图。参考图3以及图4，具体而言，在进行感测(测距)前，第一像素单元331的第一重置开关3313接收如图4的重置电压vrst1，并且第一像素开关3312接收如图4的控制电压vtx1，以使第一光电二极管3311重置，并且读出电路3314可读出如图4的感测信号vpix1。控制电压vtx1维持高电压电平，以持续导通第一像素开关3312。换言之，第一光电二极管3311经重置后，感测信号vpix1将上升至较高的电压电平，并且感测信号vpix1包括背景噪声信号。接着，光发射器来发射脉冲光pl至感测目标。当第一光电二极管3311接收到感测目标反射的脉冲光pr后，第一光电二极管3311产生相应的电流(电子)，以使感测信号vpix1的波形将对应地变化。

相对地，在进行感测(测距)前，第二像素单元332的第二重置开关3323接收如图4的重置电压vrst2，并且第二像素开关3322接收如图4的控制电压vtx2，以使第二光电二极管3321持续维持在重置状态，并且读出电路3324可读出如图4的重置信号vpix2。控制电压vtx2维持高电压电平，以持续导通第二像素开关3322。换言之，第二光电二极管3321经由持续重置，重置信号vpix2将持续为较高的电压电平。并且，当第二光电二极管3321接收到感测目标反射的脉冲光pr时，第二光电二极管3321产生相应的电流(电子)将从第二重置开关3323放电，以使重置信号vpix2的波形不会对应地变化。

值得注意的是，由于本实施例适用在近场应用，因此重置信号vpix2的信号波形的微小波动可近似于感测信号vpix1中的背景噪声的信号波动。因此，本实施例的第一像素单元331以及第二像素单元332输出的感测信号vpix1以及重置信号vpix2经由比较器比较后，比较器可输出如图4的比较信号vcomp_out。对此，比较信号vcomp_out在相应于脉冲光pr的上升缘将产生对应的信号变化。此外，在一实施例中，信号处理电路还可先将重置信号vpix2偏移一个固定的电压电平再进行信号比较，以避免因背景噪声以及重置信号的信号波形的微小波动差异而使比较器输出的比较信号vcomp_out产生不必要的信号变化。对此，应用有本实施例的第一像素单元331以及第二像素单元332的信号处理电路将可有效且正确地判断光发射器发射脉冲光pl与信号处理电路读出脉冲信号pr的时间差t，以经由直接飞行时间法(directtime-of-flight,d-tof)，来有效且正确地计算飞时测距传感器与感测目标之间的距离。在本实施例中，信号处理电路可例如计算时间差t乘以光速(c)再除以2(距离＝(t×c)/2)。

图5是依照本发明的一实施例的飞时测距方法的流程图。参考图1以及图5，本实施例的飞时测距方法可至少适用于图1实施例的飞时测距传感器。在步骤s510中，在感测(测距)期间中，光发射器120发射脉冲光pl至感测目标200。在步骤s520中，在感测期间中，光传感器130的第一像素单元操作在感测状态，以接收脉冲光pr，并且输出感测信号。在步骤s530中，在感测期间中，光传感器130的第二像素单元操作在重置状态，以输出重置信号。步骤s510～s530可同时或在同一期间中执行。在步骤s540中，信号处理电路110比较感测信号以及重置信号，以取得脉冲信号。在步骤s550中，信号处理电路110依据光发射器120发射脉冲光pl与信号处理电路110读出脉冲信号的时间差，来正确地计算飞时测距传感器100与感测目标200之间的距离。

另外，关于本实施例的飞时测距传感器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，本发明的飞时测距传感器以及飞时测距方法适用于近场应用，并且可通过在光传感器中操作在感测状态的第一像素单元以及操作在重置状态的第二像素单元来分别提供感测信号以及重置信号，以依据感测信号以及重置信号来有效地读出无背景噪声干扰的脉冲信号。因此，本发明的飞时测距传感器可依据无背景噪声干扰的脉冲信号来准确地计算出飞行时间测距装置与感测目标之间的距离。

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。