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TWI700507B - 飛行時間測距裝置以及飛行時間測距方法 - Google Patents

飛行時間測距裝置以及飛行時間測距方法 Download PDF

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TWI700507B
TWI700507B TW108113480A TW108113480A TWI700507B TW I700507 B TWI700507 B TW I700507B TW 108113480 A TW108113480 A TW 108113480A TW 108113480 A TW108113480 A TW 108113480A TW I700507 B TWI700507 B TW I700507B
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Abstract

本發明提出一種飛行時間測距裝置以及飛行時間測距方法。飛行時間測距裝置包括信號處理器、光發射器以及光感測器。光發射器依序發射多個脈衝光至感測目標。光感測器依序接收經由感測目標反射的所述多個脈衝光，以對應輸出多個畫素電壓信號。信號處理器依據所述多個畫素電壓信號產生多個讀出電壓信號。信號處理器比對所述多個讀出信號以及多個計數信號，以取得多個計數值。信號處理器計算所述多個計數值的平均值，並且依據平均值來決定飛行時間測距裝置與感測目標之間的距離。

Description

飛行時間測距裝置以及飛行時間測距方法
本發明是有關於一種測距技術，且特別是有關於一種飛行時間(Time to Flight,ToF)測距裝置以及飛行時間測距方法。
隨著測距技術的演進，各種測距技術不斷地被發展出來，並且被廣泛地應用於例如車距偵測、人臉辨識以及各種物聯網(Internet of Things,IoT)設備。常見的測距技術例如是紅外線測距(Infrared,IR)技術、超聲波(Ultrasound)測距技術以及脈衝光(Intense Pulsed Light,IPL)測距技術。然而，隨著測距的精準度要求越來越高，採用飛行時間(Time to Flight,ToF)量測方法的脈衝光測距技術是目前本領域主要的研究方向之一。對此，如何提升飛行時間測距的精準度，以下將提出幾個實施例的解決方案。
本發明提供一種飛行時間(Time to Flight,ToF)測距裝 置以及飛行時間測距方法，可提供能準確地感測飛行時間測距裝置與感測目標之間的距離的效果。
本發明的飛行時間測距裝置包括信號處理器、光發射器以及光感測器。光發射器耦接信號處理器。光發射器用以依序發射多個脈衝光至感測目標。光感測器耦接信號處理器。光感測器用以依序接收經由感測目標反射的所述多個脈衝光，以對應輸出多個畫素電壓信號。信號處理器依據所述多個畫素電壓信號產生多個讀出電壓信號。信號處理器比對所述多個讀出信號以及多個計數信號，以取得多個計數值。信號處理器計算所述多個計數值的平均值。信號處理器依據平均值來決定飛行時間測距裝置與感測目標之間的距離。
本發明的飛行時間測距方法適用於飛行時間測距裝置。所述方法包括以下步驟：藉由光發射器依序發射多個脈衝光至感測目標；藉由光感測器依序接收經由感測目標反射的所述多個脈衝光，以對應輸出多個畫素電壓信號；藉由信號處理器依據所述多個畫素電壓信號產生多個讀出電壓信號；藉由信號處理器比對所述多個讀出信號以及多個計數信號，以取得多個計數值；藉由信號處理器計算所述多個計數值的平均值；以及藉由信號處理器依據平均值來決定飛行時間測距裝置與感測目標之間的距離。
基於上述，本發明的飛行時間測距裝置以及飛行時間測距方法，可藉由計算多次感測所取得的多個計數值的平均值，來換算飛行時間測距裝置與感測目標之間的距離。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
100:飛行時間測距裝置
110:信號處理器
111:比較器電路
112:記憶模組
113:時脈產生電路
114:計數器電路
120:光發射器
130:光感測器
200:感測目標
400_1~400_10:計數信號
Vp:畫素電壓
Vr:參考信號
Vc:讀出電壓信號
Sc:時脈信號
Lp:脈衝信號
Dc:計數信號
Dm:記憶數據
S510~S560:步驟
圖1是依照本發明的一實施例的飛行時間測距裝置的功能方塊圖。
圖2是依照本發明的一實施例的信號處理器的功能方塊圖。
圖3是依照本發明的圖2實施例的信號時序圖。
圖4是依照本發明的一實施例的讀出多個計數值的示意圖。
圖5是依照本發明的一實施例的飛行時間測距方法的流程圖。
為了使本發明之內容可以被更容易明瞭，以下特舉實施例做為本發明確實能夠據以實施的範例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件/步驟，係代表相同或類似部件。
圖1是依照本發明的一實施例的飛行時間測距裝置的功能方塊圖。參考圖1，飛行時間測距裝置100包括信號處理器110、光發射器120以及光感測器130。信號處理器110耦接光發射器120以及光感測器130。在本實施例中，光發射器120可例如是脈 衝光發射器或雷射二極體(Laser Diode)。光感測器130可例如是互補式金屬氧化物半導體影像感測器(CMOS Image Sensor,CIS)。光發射器120可發射脈衝光(Intense Pulse Light,IPL)至感測目標200，並且光感測器130可接收經由感測目標200反射的脈衝光。
在本實施例中，光發射器120可在極短時間內依序發射多個脈衝光至感測目標200，並且光感測器130可依序接收經由感測目標200反射的所述多個脈衝光，以對應輸出多個畫素電壓信號。因此，信號處理器110可依據所述多個畫素電壓信號來產生對應的多個讀出電壓信號。信號處理器110比對所述多個讀出信號以及多個計數信號，以取得多個計數值。在本實施例中，信號處理器110可計算所述多個計數值的平均值，並且依據所述平均值來決定飛行時間測距裝置100與感測目標200之間的距離。
舉例而言，信號處理器110可依據所述多個計數值的平均值來換算脈衝光的光路徑長度，並且光路徑長度的二分之一為飛行時間測距裝置100與感測目標200之間的距離。換言之，本實施例的飛行時間測距裝置100可在極短時間內進行多次感測，並且對多次感測結果進行平均值的計算，以取得高精度以及高精確度的計數結果。因此，本實施例的飛行時間測距裝置100可提供高精度以及高精確度的距離感測結果。
圖2是依照本發明的一實施例的信號處理器的功能方塊圖。圖3是依照本發明的圖2實施例的信號時序圖。參考圖1至 圖3，本實施例的信號處理器110可例如包括如圖2所示的多個功能電路。在本實施例中，信號處理器110可包括比較器電路111、記憶模組112、時脈產生電路113以及計數器電路114。比較器電路111耦接記憶模組112。時脈產生電路113耦接計數器電路114。記憶模組112耦接比較器電路111以及計數器電路114。
以下說明取得一個計數值的操作方式。在本實施例中，比較器電路111可接收由光感測器130的畫素單元提供的畫素電壓Vp，並且可接收參考信號Vr。畫素電壓Vp與參考信號Vr的關係如圖3所示。當光感測器130的畫素單元感測到經由感測目標200反射的脈衝光的脈衝信號Lp時，從脈衝信號Lp的上升緣開始，畫素電壓Vp發生電壓變化(下降)，並且當畫素電壓Vp與參考信號Vr交錯時，讀出電壓信號Vc對應發生電壓變化，其中讀出電壓信號Vc出現下降緣。在本實施例中，時脈產生電路113提供時脈信號Sc至計數器電路114，以使計數器電路114依據時脈信號Sc產生計數信號Dc。計數信號Dc隨時間變化可用於對應不同的計數值。
在本實施例中，記憶模組112可例如包括鎖存電路以及比較電路等，本發明並不加以限制。記憶模組112接收讀出電壓信號Vc以及計數信號Dc。當讀出電壓信號Vc出現下降緣時，記憶模組112將對應於計數信號Dc的多個計數值的其中之一讀出。如圖3所示，記憶模組112的記憶數據Dm可例如記錄“120”的計數值。值得注意的是，在一實施例中，時脈產生電路113可例如 依據時變延遲時脈(time variant delay)或依據展頻時脈(Spread Spectrum Clock,SSC)來產生時脈信號Sc，但本發明並不加以限制。另外，圖3是用以表示各信號隨時間變化的波形變化關係，而圖3的縱軸並不表示具體電壓值大小。
圖4是依照本發明的一實施例的讀出多個計數值的示意圖。參考圖1以及圖4，以下說明取得多個計數值的操作方式。在本實施例中，信號處理器110可包括如上述圖2的多個功能電路，並且執行多次如上述圖3所示的計數值的取得操作。在本實施例中，由於光感測器130在極短時間內接收經由感測目標200反射的多個脈衝光，因此所述多個脈衝光可視為如圖4所示的脈衝信號Lp。在本實施例中，信號處理器110可依據脈衝信號Lp的上升緣與依序的多個計數信號400_1~400_10對應，以讀出對應的計數值。在本實施例中，信號處理器110依據時變延遲時脈來產生計數信號400_1~400_10，因此計數信號400_1~400_10彼此之間具有相同且高解析度的延遲。
如圖4所示，信號處理器110可依序讀出例如是“124”、“124”、“123”、“123”、“123”、“123”、“123”、“123”、“123”、“123”。信號處理器110計算這些計數值的加總為“1232”，並且可計算其平均值為“123.2”。因此，相較於只取一次計數值的結果，本實施例的飛行時間測距裝置100可提供高精度以及高精確度的距離感測結果。值得注意的是，本實施例的飛行時間測距裝置100感測次數(或計數次)不限於圖4所示，圖4僅為一種範例實施例的 說明。另外，在一實施例中，信號處理器110也可依據展頻時脈來產生計數信號400_1~400_10，以提供高精度以及高精確度的距離感測結果。
圖5是依照本發明的一實施例的飛行時間測距方法的流程圖。參考圖1以及圖5，本實施例的飛行時間測距方法可至少適用於圖1實施例的飛行時間測距裝置100，以使飛行時間測距裝置100執行步驟S510~S560。在步驟S510中，光發射器120依序發射多個脈衝光至感測目標200。在步驟S520中，光感測器130依序接收經由感測目標200反射的所述多個脈衝光，以對應輸出多個畫素電壓信號至信號處理器。在步驟S530中，信號處理器110依據所述多個畫素電壓信號產生多個讀出電壓信號。在步驟S540中，信號處理器110比對所述多個讀出信號以及多個計數信號，以取得多個計數值。在步驟S550中，信號處理器110計算所述多個計數值的平均值。在步驟S560中，信號處理器110依據平均值來決定飛行時間測距裝置100與感測目標200之間的距離。因此，本實施例的飛行時間測距方法可有效地對感測目標200進行測距操作，並且可提供高精度以及高精確度的距離感測結果。
另外，關於本實施例的飛行時間測距裝置100的其他電路特徵、實施手段以及技術細節可參考上述圖1至圖4的實施例而獲致足夠的教示、建議以及實施說明，因此不再贅述。
綜上所述，本發明的飛行時間測距裝置以及飛行時間測距方法可提供高精度以及高精確度的距離感測結果。首先，本發 明的飛行時間測距裝置可藉由光發射器在極短時間內發射多個脈衝光至感測目標，並且藉由光感測器擷取感測目標反射的所述多個脈衝光，以產生對應的多個畫素電壓信號。接著，本發明的飛行時間測距裝置可利用所述多個畫素電壓信號來產生對應的多個計數值。因此，本發明的飛行時間測距裝置可藉由計算所述多個計數值的平均值來對應換算具有高精度以及高精確度的距離值。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100:飛行時間測距裝置
110:信號處理器
120:光發射器
130:光感測器
200:感測目標

Claims (12)

  1. 一種飛行時間測距裝置，包括： 一信號處理器； 一光發射器，耦接該信號處理器，並且用以依序發射多個脈衝光至一感測目標；以及 一光感測器，耦接該信號處理器，並且用以依序接收經由該感測目標反射的該些脈衝光，以對應輸出多個畫素電壓信號， 其中該信號處理器依據該些畫素電壓信號產生多個讀出電壓信號，並且該信號處理器比對該些讀出信號以及多個計數信號，以取得多個計數值， 其中該信號處理器計算該些計數值的一平均值，並且該信號處理器依據該平均值來決定該飛行時間測距裝置與該感測目標之間的一距離。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的飛行時間測距裝置，其中該信號處理器包括一比較器電路，並且該光感測器感測該些脈衝光的多個脈衝信號，以輸出對應於該些脈衝信號的該些畫素電壓信號，其中該比較器電路比較該些畫素電壓信號與各別對應的一參考信號，以輸出該些讀出電壓信號。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的飛行時間測距裝置，其中該信號處理器包括一記憶模組，並且該記憶模組依據該些讀出電壓信號各別的一下降緣來讀出在對應的計數信號中的對應的計數值。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的飛行時間測距裝置，其中該信號處理器包括一時脈產生電路以及一計數器電路，並且該時脈產生電路用以提供多個時脈信號，以使該計數器電路依據該些時脈信號來產生該些計數信號。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的飛行時間測距裝置，其中該時脈產生電路依據一時變延遲時脈來產生該些時脈信號。
  6. 如申請專利範圍第4項所述的飛行時間測距裝置，其中該時脈產生電路依據一展頻時脈來產生該些時脈信號。
  7. 一種飛行時間測距方法，適用於一飛行時間測距裝置，其中該方法包括： 藉由一光發射器依序發射多個脈衝光至一感測目標； 藉由一光感測器依序接收經由該感測目標反射的該些脈衝光，以對應輸出多個畫素電壓信號； 藉由一信號處理器依據該些畫素電壓信號產生多個讀出電壓信號； 藉由該信號處理器比對該些讀出信號以及多個計數信號，以取得多個計數值； 藉由該信號處理器計算該些計數值的一平均值；以及 藉由該信號處理器依據該平均值來決定該飛行時間測距裝置與該感測目標之間的一距離。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的飛行時間測距方法，其中輸出該些畫素電壓信號的步驟包括： 藉由該光感測器感測該些脈衝光的多個脈衝信號，以輸出對應於該些脈衝信號的該些畫素電壓信號， 其中產生該些讀出信號的步驟包括： 藉由一比較器電路比較該些畫素電壓信號與各別對應的一參考信號，以輸出該些讀出電壓信號。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的飛行時間測距方法，其中取得該些計數值的步驟包括： 藉由一記憶模組依據該些讀出電壓信號各別的一下降緣來讀出在對應的計數信號中的對應的計數值。
  10. 如申請專利範圍第7項所述的飛行時間測距方法，更包括： 藉由一時脈產生電路提供多個時脈信號；以及 藉由一計數器電路依據該些時脈信號來產生該些計數信號。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的飛行時間測距方法，其中該時脈產生電路依據一時變延遲時脈來產生該些時脈信號。
  12. 如申請專利範圍第10項所述的飛行時間測距方法，其中該時脈產生電路依據一展頻時脈來產生該些時脈信號。
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