一种探测方法及应用其的探测系统与流程

本申请涉及探测技术领域，特别涉及一种探测方法及应用其的探测系统。

背景技术：

近年来，随着半导体技术的进步，用于测量到物体的距离的测距模块的小型化已经取得了进展。因此，例如，已经实现了在诸如所谓的智能电话等移动终端中安装测距模块，所述智能电话是具有通信功能的小型信息处理装置随着科技的进步，在距离或者深度信息探测过程中，经常使用的方法为飞行时间测距法(timeofflight，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，在tof技术中直接对光飞行时间进行测量的技术被称为dtof(direct-tof)；对发射光信号进行周期性调制，通过对反射光信号相对于发射光信号的相位延迟进行测量，再由相位延迟对飞行时间进行计算的测量技术被成为itof(indirect-tof)技术。按照调制解调类型方式的不同可以分为连续波(continuouswave，cw)调制解调方式和脉冲调制(pulsemodulated，pm)调制解调方式，直接飞行时间探测(directtimeofflight，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。

然而在实际的应用中，测距距离和测距的精度依赖于光源特性，例如对于光源集中能量发射，将能量集中在更小的视场角上可以实现更高的能量集中，同时对于dtof测距中如果将阵列中每个单元的探测数据输出，会要求系统具有特别大的存储设计，处理大量数据的运算也将非常庞大，这样在芯片小型化还需要保证足够的感光面积，这些问题持续困扰着dtof探测系统的实现。

另外在dtof中使用部分发射区工作方式进行探测，为了降低能耗和存储计算量，同时需要保证探测结果的准确性，必须使得工作的像素单元为对应于光源发射区域的最佳组合，这样才能保证结果的准确性，然而实际加工生产过程中又存在较多的引入误差，使得探测器阵列本身具有一定的偏差而造成探测结果偏差甚至造成探测结果的不可信等等。

因此，设计出一种能够可靠高效测距并且输出数据量小，后续处理简便，同时能够保证高效准确的探测结果的探测方法与探测系统是亟待解决的问题。

技术实现要素：

本申请的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种探测方法及使用其的探测系统，以解决现有技术存在的各类问题。

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探测方法，包括

光源，所述光源可被设置为至少部分区域输出发射光；

控制器，可与所述光源电性连接，所述光源接收控制器信号，并可至少部分区域输出发射光；

由单光子雪崩二极管(spad)组成的探测器阵列，其可与所述控制器电性连接，并接收所述控制器的控制信号，所述探测器阵列可依据所接收不同控制信号按照如下之一的方式工作:

所有探测器阵列的探测器单元均为工作像素或者探测器阵列的部分探测器单元为工作像素；

处理单元，其可依据所述工作像素单元获得的信息处理得到最终的目标信息。

可选地，在所述的探测器阵列中，l*k个像素单元组成一个像素组，其中l和k均为大于等于1的整数，所述之一像素组中的至少之一像素在第一时间段电性连接所述像素驱动单元使所述至少之一像素为工作像素单元。

可选地，所述之一像素组中不同于所述至少之一像素的至少另一像素在第二时间段电性连接所述像素驱动单元使所述至少另一像素为工作像素单元，同时所述至少之一像素单元转为非工作单元。

可选地，所述第一时间段电性连接的工作像素单元与所述光源具有预定对应关系，所述工作像素单元还按照预设规则调整所述工作像素单元。

可选地，所述预设规则为将所述预定关系对应的工作单元探测结果，与按照预设偏移量多次偏移后探测结果比较的最大值确认的单元重新确认为工作单元。

可选地，所述预定关系对应的工作单元探测结果为x，按照预设偏移量多次偏移后的探测结果为：xup，xdown，xleft，xright，xupleft,xdownleft,xupright,xdownright,所述调整后的最终工作单元的探测结果为：xmax＝max{xup，xdown，xleft，xright，xupleft,xdownleft,xupright,xdownright,x}。

第二方面，本申请实施例提供了一种应用于第一方面探测方法的探测系统包括光源，所述光源被设置为至少部分区域输出发射光；

控制器，与所述光源电性连接，所述光源接收控制器信号，并可至少部分区域输出发射光；

由单光子雪崩二极管(spad)组成的探测器阵列，其可与所述控制器电性连接，并接收所述控制器的控制信号，所述探测器阵列可依据所接收不同控制信号按照如下之一的方式工作：

所有探测器阵列的探测器单元均为工作像素或者探测器阵列的部分探测器单元为工作像素；

处理单元，其可依据所述工作像素单元获得的信息处理得到最终的目标信息。

可选地，在所述的探测器阵列中，l*k个像素单元组成一个像素组，其中l和k均为大于等于1的整数，所述之一像素组中的至少之一像素在第一时间段电性连接所述像素驱动单元使所述至少之一像素为工作像素单元。

可选地，所述之一像素组中不同于所述至少之一像素的至少另一像素在第二时间段电性连接所述像素驱动单元使所述至少另一像素为工作像素单元，同时所述至少之一像素单元转为非工作单元。

可选地，所述像素组的所有像素单元中至少部分连接相同的输出线。

可选地，所述第一时间段电性连接的工作像素单元与所述光源具有预定对应关系，所述工作像素单元还按照预设规则调整所述工作像素单元。

可选地，所述预设规则为将所述预定关系对应的工作单元探测结果，与按照预设偏移量多次偏移后探测结果比较的最大值确认的单元重新确认为工作单元。

本申请的有益效果是：

提供一种探测方法，其特征在于，包括：光源，所述光源可被设置为至少部分区域输出发射光；控制器，可与所述光源电性连接，所述光源接收控制器信号，并可至少部分区域输出发射光；由单光子雪崩二极管(spad)组成的探测器阵列，其可与所述控制器电性连接，并接收所述控制器的控制信号，所述探测器阵列可依据所接收不同控制信号按照如下之一的方式工作：所有探测器阵列的探测器单元均为工作像素或者探测器阵列的部分探测器单元为工作像素；处理单元，其可依据所述工作像素单元获得的信息处理得到最终的目标信息。通过将系统按照不同的场景适应性地调整不同的工作模式，同时也能够在探测过程中或者出厂时等等情况下校正工作单元，使得最终的工作单元为最高效和最准确的。

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一种测距原理示意图；

图2为本申请实施例提供的一种spad阵列单元结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种工作单元分布结构示意图；

图4为本申请实施例提供的另一种工作单元分布结构示意图；

图5为本申请实施例提供的一种像素组内像素单元与布线结构示意图；

图6为本申请实施例提供的另一种像素组内像素单元示意图；

图7为本申请实施例提供的另一种像素组内像素单元与布线结构示意图；

图8为本申请实施例提供的一种接收光斑状态下工作单元示意图；

图9为本申请实施例提供的一种校正确定工作单元示意图。

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。

图1为本申请实施例提供的一种测距原理示意图，在测距中由于阵列传感器的像素单元为spad(单光子雪崩光电二极管)器件，其工作在盖格模式下，在盖革模式下，雪崩光电二极管吸收光子会产生电子-空穴对，在高反偏电压产生的强电场作用下电子-空穴对被加速，从而获得足够的能量，然后与晶格发生碰撞，形成连锁效应，结果形成大量的电子-空穴对，引发雪崩现象，电流成指数增长。此时spad的增益理论上是无穷的，单个光子就能够使spad的光电流达到饱和，因此spad成为高性能单光子探测系统的首选。

测距原理实际非常简单，光源110发射具有一定脉宽的脉冲激光例如几纳秒级别，脉冲激光经过探测目标140反射返回处于包含雪崩状态spad的阵列型接收模块，其中处于雪崩状态的探测单元可以接收返回的信号，经过处理模块120的处理可以输出探测系统至探测目标之间的距离，从而完成探测，其中为了获得高可信度的结果可以发射数万次的激光脉冲，探测单元获得一个统计结果，这样通过对于统计结果的处理可以获得更精确的距离，当然实际上发射的激光脉冲数量达到数万次，探测器的spad阵列工作的像素单元也将获得统计类型的光子计数结果，此时通过处理模块按照一定的方法例如峰值获得与探测目标对应的距离结果，本发明并不进行限定，光源110可以以片状光源输出发射光，也可以以光点的形式输出发射光，光源110模块可以采用vcsel垂直腔面发射激光器或者其他类似光源模块110，此处并不限定。

图2为本申请实施例提供的一种spad阵列单元结构示意图，此处以16行20列的阵列为例进行说明，实际的探测器阵列行列数量将更大此处仅为示例说明并不进行限定，为了能够高效探测目标物同时为了能过够获得更高的探测覆盖率和更广泛的探测适应性，将阵列划分为不同的像素组，至少部分像素组的像素单元连接相同的输出线，这样可以大幅度减小后续处理和运算数据量，其中像素组由l行和k列组成，在本示例中l为8，k为4，为了更精确地获得被探测物的表面信息一般需要获得阵列中相邻近的像素单元的数据，为了适应这一技术方案将像素组设计为长方形结构，此时的行单元数量与列单元数量不相等，更优化地将行方向的单元数量设置为大于列方向数量的结构，这样一方面保证了之前所需要的获得相邻近的像素单元的数据，另一方面也使得整个阵列有了一定的指向性特征，这样再结合本发明所提出的在不同时间段的不同像素单元为工作单元，保证了整个被探测的视场能够更广泛的覆盖到进一步补充上述指向性特征所探测结果，使得整个探测系统能够在像素组部分单元工作的前提下获得更高分辨率也保证了对物体特征变化较大的信息的精确捕捉，实际使用中l和k并不限定，例如l也可以为12，k可以为4，。当然具体不限于此，在l和k不相等的前提下进行布置均可，实际上为了适应被探测物的特征也为了降低激光源发射的能量保证系统的可靠性，发射光源可以以n个光点的类型发射出射光，而激光具有特别强的指向性在传播过程中基本不扩散，返回的光点范围也比较小，设置l和k类型的像素组框架更适应这种，能够保证快速准确定位到返回光点，为了更全面获得信息可以在一个像素组内设置接收不同时间段光源发射光返回光信息的工作单元，可以分为四个时间段，通过四个时间段每次的结果称为一个子帧，利用4个子帧的信息获得最终的目标信息，当然此处仅为一种示例，实际可以用1子帧、2子帧、3子帧的信息获得最终目标信息，所有相邻的工作像素最优地将返回光斑包含，最优地光斑内切或者光斑直径小于相邻的像素边长之和，再将像素组设置为相邻的像素边长之和的2倍关系，可以保证另一方面也能够适应加工缺陷和使用时间较长之后所引起的偏差快速校正，当像素阵列中的行布置数量为列布置数量的两倍及以上，这样布置可以保证一个单元之中包含不同时间段光源发射光的返回光均能够被包含，也保证了整个阵列中像素组基本均能在不同时间段包含工作单元，也保证了整个探测系统的高效性，这也是将探测的像素单元布置为矩形的重要原因之一，n个光点可以按照至少之一方法获得的规则排列：预设函数或者表格关系式，自适应校正，随机函数等等，这样能够保证光源随着应用场景或者随着时间等等因素自由调整，可以始终保证整个探测结果的高效准确性。

在实际工作中通过对于场景的自适应，可以使得探测器阵列的所有单元均处于工作状态，此时vcsel发光元可以全部输出发射光或者部分输出发射光，在vcsel只有部分输出发射光所有探测器阵列的像素单元均为工作状态的情况下可以消除噪音等等的影响，当然也可以使部分像素单元处于被激发的工作状态，也可以通过场景进行调整每次工作单元的数量，进而依靠后续不同的子帧合成一幅完整的探测结果信息，此处并不限定，例如采用开机标定，依据背景光切换，自适应调整等等方式以获得最优的工作模式，来保证系统的运行效率和探测结果的准确性。

图3为本申请实施例提供的一种工作单元分布结构示意图，像素组可以包含不同的工作单元，结合图3，工作单元以2*2的正方形排列分布，这样能够保证工作单元在工作的光源为点状分布时对于返回光的较全面覆盖，当然工作单元组成的工作单元簇gbn可以跨像素组，通过后续的布置可以使跨越像素组的工作单元簇的每个工作单元所获得的信息被准确充分传递，工作单元簇按照不同的颜色深度做以区分，不同颜色深度值的工作簇在不同的时间段进行工作，这样可以获得多个子帧的探测结果，结合多个子帧的探测结果最终获得视场内的被探测物更全面的信息，此处仅示例了部分工作单元，并未示意全部的工作单元，不应限定理解为仅包含图中示意出的工作单元。

图4为本申请实施例提供的另一种工作单元分布结构示意图，与图3不同的是工作单元组成的工作单元簇并不一定按照正方形、矩形等形式排列，也可以排列为l形等等，此处并不限定，这样可以适应被探测的视场内被探测物具有更复杂的轮廓或者对象为多个具有较大差异特征的情形，此处仅示例了部分工作单元，并未示意全部的工作单元，不应限定理解为仅包含图中示意出的工作单元。

图5为本申请实施例提供的一种像素组内像素单元与布线结构示意图，在每一个像素组中，至少部分单元连接相同的输出线，结合图5像素组内的像素单元被分为1、2、3和4四个类别，所有1类的像素单元被连接至相同的输出线，这样对于一个像素组只需要四个输出即可获得被探测物的信息，更进一步结合图5任何相邻的两个点均属于不同的类别，这样能够保证获得信息的全面和准确性，在这一实施例中任何相邻的四个单元组成的正方形模块均包含了四个类别，通过此设计，相邻的像素组也能够具有这样的规律，进而使得整个探测阵列均具有任何相邻的四个单元组成的正方形模块均包含了四个类别，对于一个光斑返回光而言，只要在探测器范围内被探测器阵列所吸收，就能够保证返回光的信息被准确获取，这样也保证了在获得的数据量小的前提下精确定位出视场内被探测对象的所有轮廓特征，以本方案的4*8组成的像素组为例，在32个单元中只需要包含4个输出，这样能够大大减少获得的数据量，简化计算，并保证了细节特征还可以被精确探测的效果，实际使用中也可以使用12*4组成像素组，这样48个单元只需要4个输出，此处也不限定于此，进一步通过安排更多的子帧，例如4个子帧的信息，进而可以获得视场内被探测物的详细特征信息。在本示例中相同类别的单元连接至相同的输出，每个输出可以连接一个tdc处理模块，将阵列中获得的信息处理为数字信息，进一步配合后续处理运算模块完成数据处理，由于采用类别化的方案，大大降低了tdc模块的数量，也使得整个探测器架构变得简单易实现。

图6为本申请实施例提供的另一种像素组内像素单元示意图，与图5的差别在于各个类别中的不同类单元布置方式不同，也就是此处并不限定布置方式，但是需要注意的一点是，布置各个单元需要最优地满足整个阵列中任意相邻的四个单元所组成的正方形区域需要包含所有的四个类别，这样才能保证如图5结构所需要的效果，当然实际构建的探测器阵列类别也不限于四个类别这种方式，也可以采用两个类别、3个类别、5个类别等等，或者采用两个类别与四个类别混合等等方式，此处并不限定。

图7为本申请实施例提供的另一种像素组内像素单元与布线结构示意图；在此示例中示意性地画出了所有同类的a像素单元的基本结构示意图和连接示意图，在此实施例中像素组由6*8个像素单元组成，分为四个类别，也就是按照此方案该像素组需要配备的tdc仅仅为4个，这样能够大大简化探测器阵列设计的复杂性和后续数据处理的难度，像素内电路不再详细描述，其包含像素单元被施加高压再被激发，激发后淬灭恢复等等功能。

图8为本申请实施例提供的一种接收光斑状态下工作单元示意图；当光源以点阵方式输出发射光的方法进行测距时，为了降低功耗，需要确定接收单元与光斑的对应关系，从而做到只打开与发射光斑相对应的接收单元。理想状态下探测器阵列中的工作单元为预设的对应于光斑的工作单元，例如图中所圈定的范围内的四个像素单元为工作单元，如此预设的对应关系即可确定所有的其他工作单元。

然而实际生产制造过程中由于组装的偏差等等，使得实际光斑与接收单元的对应关系与设计总会有偏差，因此需要对这个偏差进行校准。可以校准某一类像素中的一个或者几个，由发射光源输出的发光斑的规则来确定其他接收器阵列工作单元的位置，如此可以实现对于整个阵列的校正，此处并不限定具体的实现方式。

图9为本申请实施例提供的一种校正确定工作单元示意图，以校正一个光斑对应的接收阵列工作像素单元为例，首先按照预定的对应规则，光源按照预定次数输出发射光，预定对应规则确定的工作像素单元为901，获得该光斑对应的工作单元abcd获得总的触发次数统计结果为x，然而组装或者制造中会造成接收对应关系偏差例如实际接收光斑的接收区域为902，为了保证测距的准确性和高效性，需要确认出最终的工作像素单元，此处以一个像素单元为偏移基准量进行示意说明，预定对应规则的工单元901的中心按照上移，下移，左移，右移，左上移，左下移，右上移，右下移1个像素，对应的触发次数分别记为：

xup，xdown，xleft，xright，xupleft,xdownleft,xupright,xdownright,之后处理器按照寻找最大触发次数的算法确认最终的工作像素单元，

xmax＝max{xup，xdown，xleft，xright，xupleft,xdownleft,xupright,xdownright,x}。如图9所示偏移之后的光斑实际位置为902，本示例中相当于光斑整体向右偏移一个像素单元的位置，对于所有工作像素单元均可按照类似规则进行逐一校正，也可以通过此校正确定整个探测器阵列的所有工作单元按照被校正的单元统一向右偏移一个单元，此处并不进行限定，整个校正过程也可以在不同的阶段进行，例如可以是开机标定，生产过程中组装完成后，预设时间段，按照预定规则产生校正时间段，使用过程中自适应等等方式安排校正发生的时间段，从而保证探测系统对于场景的自适应和系统始终高效探测的技术效果。

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。