(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202011520293.8
(22)申请日 2020.12.21
(71)申请人 奥比中光科技集团股份有限公司
地址 518000 广东省深圳市南山区粤海街
道学府路63号高新区联合总部大厦
11-13楼
(72)发明人 马宣 王兆民 朱亮 何燃 苏健
周兴 王多勇 黄源浩 肖振中
(74)专利代理机构 深圳汉世知识产权代理事务
所(特殊普通合伙) 44578
代理人 田志立
(51)Int.Cl.
G01S 17/10(2020.01)
G01S 7/484(2006.01)
(54)发明名称
设备
(57)摘要
本发明公开了一种基于TOF的距离测量系
向目标区域发射脉冲波形上升沿趋于0的脉冲光
后形成反射光束；采集器，经配置以采集所述反
射光束中的光子；控制和处理电路，分别与所述
发射器以及所述采集器连接，同步所述发射器与
所述采集器的触发信号以计算光束从发射到接
收所需要的飞行时间。本发明通过调制发射器发
射脉冲波形上升沿趋于无限小的脉冲光束，从而
可有效地消除或减小堆积效应造成的系统误差。权利要求书1页 说明书7页 附图4页CN 112731427 A 2021.04.30
C N 112731427
A
1.一种基于TOF的距离测量系统，其特征在于，包括：
发射器，经配置以朝向目标区域发射脉冲波形上升沿趋于0的脉冲光束，至少部分所述脉冲光束经所述目标区域反射后形成反射光束；
采集器，经配置以采集所述反射光束中的光子；
控制和处理电路，分别与所述发射器以及所述采集器连接，同步所述发射器与所述采集器的触发信号以计算光束从发射到接收所需要的时间。
2.如权利要求1所述的基于TOF的距离测量系统，其特征在于：所述脉冲光束的波形呈类三角形。
3.如权利要求1所述的基于TOF的距离测量系统，其特征在于：还包括有调节电路，所述调节电路包括有电源，以为所述发射器的光源提供电流。 4.如权利要求3所述的基于TOF的距离测量系统，其特征在于：所述电源被配置为通过提高电流输出速率以使得所述光源的输出功率达到额定功率的时间趋于无限小。
5.如权利要求3所述的基于TOF的距离测量系统，其特征在于：所述电源被配置为通过调控以为所述光源提供偏置电流，使得注入所述光源的电流从所述偏置电流开始，以减小所述光源的发射功率达到额定功率的持续时间。
6.一种基于TOF的距离测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S60、控制发射器朝向目标区域发射脉冲波形上升沿趋于0的脉冲光束；
S61、控制采集器采集经所述目标区域的物体反射回的至少部分脉冲光束中的光子；S62、通过控制和处理电路计算所采集光子的数量形成连续的时间bin，并绘制直方图，根据所述直方图确定飞行时间。
7.如权利要求6所述的基于TOF的距离测量方法，其特征在于：步骤S60中，通过调制光源发射脉冲光束的上升沿，使得所述光源发射脉冲光束的波形为类三角形。
8.如权利要求6所述的基于TOF的距离测量方法，其特征在于：步骤S60中，提高输入所述发射器中光源的电流输入速率，使得光源的输出功率达到额定功率的时间趋于无限小。
9.如权利要求6所述的基于TOF的距离测量方法，其特征在于：步骤S60中，调控电源以为光源提供偏置电流，使输入所述光源的电流从所述偏置电流开始，减小所述光源的发射功率达到额定功率的持续时间。
10.如权利要求6所述的基于TOF的距离测量方法，其特征在于：步骤S60中，通过降低所述发射器的等效电感和/或提高所述等效电感两端的电压，使得所述发射器发射脉冲光束的上升沿趋于无限小。
11.一种电子设备，其特征在于：包括壳体、屏幕、以及权利要求1‑5任一项所述的基于TOF的距离测量系统；其中，所述距离测量系统的发射器与采集器设置于电子设备的同一面，以用于向目标物体发射光
束以及接收所述目标物体反射回来的泛光光束并形成电信号。
权 利 要 求 书1/1页CN 112731427 A
一种基于TOF的距离测量系统、方法及电子设备
[0001]本发明涉及测距技术领域，尤其涉及一种基于TOF的距离测量系统、方法及电子设备。
背景技术
[0002]利用飞行时间原理(TOF，Time of Flight)可以对目标进行距离测量，以获取包含目标深度值的深度图像，而基于飞行时间原理的距离测量系统已被广泛应用于消费电子、无人架驶、AR/VR等领域。通常，基于飞行时间原理的距离测量系统包括发射器和采集器，利用发射器发射脉冲光束照射目标视场并利用采集器采集被目标视场中的物体反射回的反射光束，计算光束由发射到反射接收所需要的时间来计算目标物体的距离。其中，采集器包括有像素阵列，特别是包括单光子雪崩光电二极管(SPAD)的像素阵列，当发射光束中的一个光子入射到SPAD时，即可触发雪崩事件输出信号用于记录光子到达SPAD的时间，基于此计算光束从发射到接收所需要的时间。
[0003]然而，由于SPAD等单光子探测器件的雪崩光子事件探测能力有限，当大量光子入射时，会发生先入射的光子容易被探测(产生雪崩单光子事件概率大)，而后入射的光子不容易被探测(产生雪崩单光子事件概率小)的情况。这将导致系统探测雪崩光子累计生成的直方图前高后低，如图1所示，对比发射波形的峰顶(图1中(a)所示)，生成的直方图发生了侧削(图1中(b)所示)，这就是堆积效应(pile up)。当被测物距离增大或者反射率减小等条件改变时，堆积效应逐渐消失，这使得通过质心等解距方法测量得到的近/远距会有偏差，这种偏差即是堆积效应造成的系统误差。虽然可以通过出厂检测、标定等方法消除这种系统误差，但预标定储存的数据量对芯片有特殊要求，这限制了时间飞行测量系统的应用场景；例如，无储存芯片的机器人、以及需要大量、快速测量的机器人等使用就会受到限制。[0004]上述背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
[0005]本发明的目的在于提供一种基于TOF的距离测量系统、方法及电子设备，以解决上述背景技术问题中的至少一种问题。
[0006]为达到上述目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：
[0007]一种基于TOF的距离测量系统，包括：
[0008]发射器，经配置以朝向目标区域发射脉冲波形上升沿趋于0的脉冲光束，至少部分所述脉冲光束经所述目标区域反射后形成反射光束；
[0009]采集器，经配置以采集所述反射光束中的光子；
[0010]控制和处理电路，分别与所述发射器以及所述采集器连接，同步所述发射器与所述采集器的触发信号以计算光束从发射到接收所需要的时间。
[0011]在一些实施例中，所述脉冲光束的波形呈类三角形。
[0012]在一些实施例中，还包括有调节电路，所述调节电路包括有电源，以为所述发射器的光源提供电流。
[0013]在一些实施例中，所述电源被配置为通过提高电流输出速率以使得所述光源的输出功率达到额定功率的时间趋于无限小。
[0014]在一些实施例中，所述电源被配置为通过调控以为所述光源提供偏置电流，使得注入所述光源的电流从所述偏置电流开始，以减小所述光源的发射功率达到额定功率的持续时间。
[0015]本发明实施例另一技术方案为：
[0016]一种基于TOF的距离测量方法，包括如下步骤：
[0017]S60、控制发射器朝向目标区域发射脉冲波形上升沿趋于0的脉冲光束；[0018]S61、控制采集器采集经所述目标区域的物体反射回的至少部分脉冲光束中的光子；
[0019]S62、通过控制和处理电路计算所采集光子的数量形成连续的时间bin，并绘制直方图，根据所述直方图确定飞行时间。
[0020]在一些实施例中，步骤S60中，通过调制光源发射脉冲光束的上升沿，使得所述光源发射脉冲光束的波形为类三角形。
[0021]在一些实施例中，步骤S60中，提高输入所述发射器中光源的电流输入速率，使得光源的输出功率达到额定功率的时间趋于无限小。
[0022]在一些实施例中，步骤S60中，调控电源以为光源提供偏置电流，使输入所述光源的电流从所述偏置电流开始，减小所述光源的发射功率达到额定功率的持续时间。[0023]在一些实施例中，步骤S60中，通过降低所述发射器的等效电感和/或提高所述等效电感两端的电压，使得所述发射器发射脉冲光束的上升沿趋于无限小。
[0024]本发明又一实施例技术方案为：
[0025]一种电子设备，其特征在于：包括壳体、屏幕、以及前述任一实施例技术方案所述的基于TOF的距离测量系统；其中，所述距离测量系统的发射器与采集器设置于电子设备的同一面，以用于向目标物体发射光束以及接收所述目标物体反射回来的泛光光束并形成电信号。
[0026]本发明技术方案的有益效果是：
[0027]相较于现有技术，本发明通过调制发射器发射脉冲波形上升沿趋于无限小的脉冲光束，从而可有效地消除或减小堆积效应造成的系统误差。
附图说明
[0028]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0029]图1是现有技术发射脉冲波形直方图发生侧削的示意图。
[0030]图2是根据本发明一个实施例基于TOF距离测量系统的示意图。
[0031]图3是根据本发明一个实施例基于TOF距离测量系统发射的脉冲光束的波形示意图。
[0032]图4是根据本发明一个实施例基于TOF距离测量系统的调节电路示意图。[0033]图5是根据本发明一个实施例基于TOF距离测量系统的光源输入电流与光源发射功率的关系图示。
[0034]图6是根据本发明另一个实施例基于TOF距离测量方法的流程示意图。
[0035]图7是根据本发明又一个实施例一种电子设备的示意图。
具体实施方式
[0036]为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。
[0037]需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接即可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。
[0038]需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“
底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。[0039]此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0040]图2所示为本发明一个实施例基于TOF的距离测量系统的示意图，该距离测量系统10包括发射器11、采集器12以及控制和处理电路13。其中，发射器11用于向目标区域20发射光束30，该光束发射至目标区域空间中以照明空间中的目标物体，至少部分发射光束30经目标区域20反射后形成反射光束40，反射光束40中的至少部分光束被采集器12接收；控制和处理电路13分别与发射器11以及采集器12连接，同步发射器11与采集器12的触发信号以计算光束从发射到接收所需要的时间，即发射光束30与反射光束40之间的飞行时间t，进一步，目标物体上对应点的距离D可由下式计算出：
[0041]D＝c·t/2 (1)
[0042]其中，c为光速。
[0043]发射器11包括光源111、发射光学元件112以及驱动器113等。光源111可以是发光二极管(LED)、
激光二极管(LD)、边发射激光器(EEL)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)等，也可以是由多个光源组成的一维或二维光源阵列；优选地，光源阵列是在单块半导体基底上生成多个VCSEL光源以形成的VCSEL阵列光源芯片，光源阵列中光源的排列方式可以是规则的也可以是不规则的。光源111所发射的光束可以是可见光、红外光、紫外光等。光源111在驱动器113的控制下向外发射光束。在一个实施例中，光源111在驱动器113的控制下以一定频
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