测量飞行时间传感器中的光学串扰的方法和对应的飞行时间传感器

文档序号:1850795 发布日期:2021-11-16 浏览:29次 >En<

阅读说明:本技术 测量飞行时间传感器中的光学串扰的方法和对应的飞行时间传感器 (Method for measuring optical crosstalk in a time-of-flight sensor and corresponding time-of-flight sensor ) 是由 道格.尼尔逊 P.赫格德 T.科根 于 2020-04-02 设计创作,主要内容包括:一种测量飞行时间传感器中的光学串扰的方法,该传感器包括覆盖光发射器和一个或多个光电探测器的基本透明的盖子。该方法包括从光发射器发射一系列的光脉冲;以及使用一个或多个光电探测器来获得,在该系列的光脉冲的每次发射之后该一个或多个光电探测器中的至少一个光电探测器探测到光子的时间的分布。该方法还包括如果分布包括两个或更多个单独的峰,则记录最早的峰的一个或多个参数。(A method of measuring optical crosstalk in a time-of-flight sensor comprising a substantially transparent cover covering a light emitter and one or more photodetectors. The method includes emitting a series of light pulses from a light emitter; and obtaining using one or more photodetectors a distribution of times at which at least one photodetector of the one or more photodetectors detects a photon after each emission of the series of light pulses. The method further includes recording one or more parameters of an earliest peak if the distribution includes two or more individual peaks.)

测量飞行时间传感器中的光学串扰的方法和对应的飞行时间 传感器

背景技术

飞行时间(ToF)传感器是通过发射光和探测来自目标的光反射来确定到目标的距离的传感器。飞行时间传感器可以是直接测量发射与反射探测之间的时间的直接飞行时间传感器,或者是间接飞行时间传感器,其发射经调制的光,并通过测量发射的光与探测到的反射之间的相位差来间接测量发射与反射探测之间的时间。

在飞行时间传感器中,并非传感器探测到的所有光起初都是由传感器发射,然后从目标反射的。传感器还可能探测源自环境中其他源的光和/或从目标以外的物体反射的光,这可能造成背景噪声。由传感器探测到的不是来自传感器的发射并且从目标反射的光有时被称为光学串扰。

飞行时间传感器的发射器和探测器被诸如玻璃片之类的透明盖子所包围。在一些飞行时间传感器中,发射器和探测器位于由单独的透明盖子所覆盖的单独的邻近空腔内。在其他飞行时间传感器中,发射器和探测器都位于单个透明盖子的下方,要么位于同一空腔中,要么位于共享的盖子后面的单独空腔中。

在只有单个透明盖子的飞行时间传感器中,光学串扰的主要来源是来自发射器的光,其被盖子反射,或者被盖子上的污染物反射(有时称为污渍或污迹)。在发射器和探测器位于单个盖子之间的单独空腔中的传感器中,来自发射器的光可能在盖子内被完全内反射而到达发射器,从而导致光学串扰。由于盖子靠近发射器和探测器,从盖子反射的光学串扰将传播相对较短的距离,因此将被记录为具有相对较短的飞行时间。

在一些飞行时间传感器中,到目标的距离是通过对探测器在测量过程中探测到的所有光子传播的距离进行求平均来确定的。在这种传感器中,如上所述从盖子反射的光学串扰将减小到目标的测量范围,从而降低传感器的精度。

在其他飞行时间传感器中,到目标的距离是通过测量来自目标的反射的飞行时间与来自盖子的反射的飞行时间之间的差来确定的(例如,通过测量直方图中两个峰之间的分隔(separation))。然而,在这些传感器中,很难测量靠近传感器的物体的距离,因为从目标和玻璃反射的光可能在时间上重叠,或者可能在其他方面难以区分。

因此,在一些飞行时间传感器中,测量和校准从玻璃反射的光学串扰水平。

测量从飞行时间传感器的盖子反射的光学串扰的现有方法包括在没有目标存在或在范围内没有目标的情况下进行飞行时间测量的校准,例如通过在足够大的房间中,或者当传感器瞄准夜空时进行测量。其他方法包括在用遮光或吸光材料覆盖传感器盖子(或盖子在探测器上的部分)的同时进行飞行时间测量,以便只有从盖子上反射的光才能到达探测器。然后传感器探测到的光量被记录为用于校准传感器的光学串扰量。

这些校准方法需要进行特定的测量,以确定盖子反射的光学串扰水平,从而确定校准传感器达到的水平。但是,如果盖子上的外部污染物(如灰尘或油)的密度发生变化,则从盖子反射的光学串扰水平将发生变化,并且传感器的校准将变得不准确。

瑞萨(Renesas)(RTM)电子应用笔记AN1983 TOF串扰校准的最佳实践公开了测量飞行时间传感器中串扰的已知方法。

发明内容

根据一个实施例,提供了一种测量飞行时间传感器中的光学串扰的方法,该飞行时间传感器包括覆盖光发射器和一个或多个光电探测器的基本透明的盖子。该方法包括:从光发射器发射一系列的光脉冲,并使用一个或多个光电探测器来获得在该一系列的光脉冲的每次发射之后该一个或多个光电探测器中的至少一个光电探测器探测到光子的时间的分布。该方法还包括,如果分布包括两个或更多个单独的峰,则记录最早的峰的一个或多个参数。

该方法有利地允许测量由于盖子或其上的材料的反射而引起的光学串扰,而无需在特定环境下执行特定的校准测量。该方法还有利地允许在还测量到目标的距离的测量过程中,测量由于盖子或其上的材料的反射而引起的光学串扰。

在该一系列的光脉冲的每次发射之后,至少一个光电探测器探测到光子的时间的分布可以包括光学串扰,其可以包括来自除了光发射器之外的源的背景光或噪声光和/或从光发射器发射并从盖子或其上的材料反射的光。如果在至少一个光电探测器的范围和视场内不存在物体,则该分布可以包括具有单个峰的背景噪声,该单个峰在对应于由光发射器发射的光子从盖子或其上的材料反射以被至少一个光电探测器中的一个探测到所花费的时间处。

如果在执行该方法时,在该一系列的光脉冲的每次发射之后,至少一个光电探测器探测到光子的时间的分布仅包括单个峰,则该峰可以是由于光仅从盖子或其上的材料反射,或者可以是由于光盖子或其上的材料反射并且光从靠近盖子的目标反射这两者,使得本来分开的盖子反射峰和目标峰重叠并组合形成单个峰。在这种情况下,由于玻璃的反射,可能无法准确地确定光学串扰的水平。

相反,如果分布包括两个或更多个单独的峰,则最早的峰可以被假设为仅由来自盖子的光学串扰反射产生,而一个或多个较晚的峰可以被假设为由来自目标的反射产生。可以抛弃最早的峰包括来自靠近盖子的目标的反射的可能性,因为这样的目标会阻挡来自其他更远的目标的光,防止后面的单独的峰。在这种情况下,可以假设第一个峰完全是来自盖子的光学串扰反射的结果,记录该峰的一个或多个参数来测量该光学串扰。该测量可以有利地用于校准传感器,以补偿这种光学串扰。

因此,该方法有利地允许在飞行时间传感器的正常使用期间进行光学串扰校准测量,只要进行测量时该测量探测距离盖子足够远的目标。这可以允许校准和补偿来自盖子或其上材料的反射的光学串扰水平,而无需用户进行特定的校准测量。在一些实施例中,传感器可以根据该方法自动和/或按计划执行测量。

飞行时间传感器包括覆盖光发射器和一个或多个光电探测器的基本透明的盖子。

传感器包括覆盖发射器和一个或多个光电探测器的盖子或窗口,并且该盖子或窗口至少基本上是透明的并且可以是完全透明的。该方法可以用于测量由于由光发射器发射并从盖子和/或其上的材料反射的光的反射而引起的光学串扰。

发射器和一个或多个光电探测器可以在盖子下面的共享凹口或空腔中,或者发射器可以在盖子下面的第一凹口或空腔中,而一个或多个光电探测器可以在盖子下面的第二凹口或空腔中。盖子优选是透明的,并且可以由玻璃或塑料形成。

盖子可以保护一个或多个光电探测器和光发射器免受撞击、灰尘或碎片,并且可以为传感器提供额外的光学滤波。在使用中,当光脉冲被发射以执行飞行时间和/或校准测量时,一些光可能从盖子反射到一个或多个光电探测器。

在发射器和一个或多个光电探测器位于盖下面的单独空腔或凹口中的实施例中,或者在其中在共享的凹口或空腔内的发射器与一个或多个光电探测器之间提供屏障的实施例中,光可能无法通过从空腔或凹口内的盖子的外部反射而从发射器传递到一个或多个光电探测器。然而,来自发射器的光可以在盖子内被完全内部反射,从而在单独的凹口或空腔之间穿过盖子的内部到达一个或多个光电探测器。

在发射器和光电探测器在同一凹口或空腔内并且它们没有被分开的实施例中,光可以从盖子的外部被反射,并且在盖子内被完全内部反射,以到达一个或多个光电探测器。

从盖子和/或其上的材料反射的光子将在它们从光发射器发射之后的较早时间被探测到。在一些实施例中,探测到这些光子的时间可以用于提供、确定或校准飞行时间距离测量的零距离(因为目标与盖子玻璃之间的距离可以基本上对应于目标与飞行时间传感器的外部之间的距离)。

一个或多个光电探测器优选地探测入射到其上的光子和/或优选地被布置成探测由发射器发射并从一个或多个目标反射的光子。

传感器所包括的一个或多个光电探测器优选为多个光电探测器,其可以各自单独地并且独立地探测光子。例如,一个或多个光电探测器可以是光电探测器阵列。

在优选实施例中,多个光电探测器可以用于获得多个分布,每个分布是在该一系列的光脉冲的每次发射之后多个光电探测器中的至少一个光电探测器探测到光子的时间的分布。该方法优选地还包括,如果任何分布包括两个或更多个单独的峰,则记录这些分布的最早的峰的一个或多个参数。本文描述的分布的任何可选特征可以被认为适用于多个分布中的一个、一些或全部。

多个分布优选地各自是在每次发射后不同的光电探测器或一组相关联的光电探测器探测到光子的时间的分布。在一些实施例中,传感器所包括的多个光电探测器中的每一个的时间被包括在多个分布之一中。

多个分布中的一个、一些或全部可以具有单个光电探测器探测到光子的时间。替代地或附加地,多个分布中的一个、一些或全部可以具有一组相关联的光电探测器探测到光子的时间。单个光电探测器或一组相关联的光电探测器可以是阵列像素的光电探测器。如果至少一个光电探测器是多个光电探测器,则该多个光电探测器可以被物理地分组在一起,例如包括阵列内的邻近光电探测器的块。

在一些实施例中,光电探测器是否以这种方式分组,或者它们由哪个组或像素所包括,可以被重新配置,例如,来改变由每个组或像素包括的光电探测器的数量,以便改变光电探测器的阵列的分辨率和由每组相关联的光电探测器探测到的光子数量。

包括多个光电探测器并且用于获得在每次发射之后不同的单个光电探测器或不同组相关联的光电探测器探测到光子的时间的多个分布的传感器,可以允许该传感器成为或充当飞行时间相机和/或产生具有多个像素的深度图像(range iamge),每个像素具有从一个或多个不同的光电探测器探测到光子的时间的不同分布导出的相关联的距离测量。

如果对于至少一个光电探测器探测到光子的时间的分布的至少一个光电探测器,是多个或一组相关联的光电探测器,则时间的分布优选地是在光脉冲的每次发射之后那些光电探测器中的任何一个探测到光子的时间的分布。

飞行时间传感器可以包括一个或多个无源光学组件,其可以用于将入射光(例如从目标反射的光)聚焦和/或被布置成将其聚焦到一个或多个光电探测器上。例如,飞行时间传感器可以包括被布置成将入射光聚焦到一个或多个光电探测器上的透镜。一个或多个无源光学组件可以在一个或多个光电探测器和盖子之间,或者可以由盖子所包括或者与盖子一体形成。

飞行时间传感器可以包括一个或多个光滤波器,其可以被布置成对入射到一个或多个光电探测器上的光进行滤波。例如,飞行时间传感器可以包括在一个或多个光电探测器和盖子之间,或者在一个或多个光电探测器和诸如透镜的无源光学组件之间的一个或多个光滤波器。

一个或多个光电探测器可以邻近和/或接近光发射器布置,例如,在同一凹口或空腔内,或者在邻近的凹口或空腔内,如上所述优选地在共享的盖子下方。光电探测器优选被布置成探测由光发射器发射并从目标反射的光;例如,光电探测器可以包括面向与光发射器相同方向的探测元件或表面。

飞行时间传感器优选地是直接飞行时间传感器,其可以直接测量光脉冲的发射与光子的后续接收之间的时间(在测量步骤之一中),例如通过使发射器和一个或多个光电探测器同步。传感器可以包括驱动电子器件,该驱动电子器件可以提供用于控制和同步发射器和一个或多个光电探测器的高速信号。

或者,飞行时间传感器可以是间接飞行时间传感器。发射的光脉冲可以被调制,并且光电探测器可以探测入射到其上的光脉冲,并且探测所探测到的波形与发射的光脉冲波形之间的相位差。例如,由光电探测器探测到的光的波形可以与光电探测器波形(例如,其调制光电探测器的增益)相关联。这可以产生相关波形,该相关波形可以被采样以计算发射的波形与探测到的波形之间的相位差。该相位延迟可以对应于并且可以被转换成传播的距离或时间。

该方法包括从光发射器发射一系列的光脉冲。

光脉冲优选地具有相等或基本相等的持续时间(例如,持续500皮秒),并且连续光脉冲之间的时间间隙优选地具有基本相等的持续时间。例如,每个光脉冲可以在一系列的探测周期之一中或与一系列的探测周期之一有关的同一时间点发射,每个探测周期具有相等的持续时间。

发射的光脉冲优选地具有固定的波长,并且光发射器优选地是激光器,例如半导体激光二极管。在一些实施例中,光发射器可以是垂直空腔面发射激光器(VCSEL)。在光发射器仅发射特定波长的光的实施例中,光电探测器可以仅在该波长或其附近探测入射光子,这可以最小化由光电探测器探测到的不是源自光发射器的背景光子的数量。

该一系列光脉冲可以包括超过50,000个光脉冲,或者超过75,000个光脉冲,超过100,000个光脉冲,超过250,000个光脉冲,超过500,000个光脉冲,或者超过750,000个光脉冲。

系列中光脉冲的数量可以是可变的。例如,传感器可以在一个或多个低功率和/或短测量持续时间模式下操作,具有相对低的光脉冲数量,并且可以在具有相对高的光脉冲数量的模式下操作,以确保在一个或多个分布中获得显著的峰。例如,该方法可以采用具有80,000到800,000个光脉冲之间的多个光脉冲数量中的任何数量的系列执行。

发射一系列光脉冲并在每次发射后使用一个或多个光电探测器探测光子允许该一个或多个光电探测器中的每一个探测大量光子以及在每次发射后至少一个光电探测器探测到光子的时间的一个或多个分布。

重复测量步骤可能是必要的,因为对于在探测到第一光子之后的时间窗口光电探测器可能无法探测到第二光子,因此每个光电探测器在单个测量步骤期间可以探测到的光子数量可能是有限的,这可能导致不准确的分布。

该方法还包括使用一个或多个光电探测器来获得在该一系列的光脉冲的每次发射之后一个或多个光电探测器中的至少一个光电探测器探测到光子的时间的分布。

一个或多个光电探测器中的一个、一些或全部可以是光电二极管或用于探测入射到其上的光子的其他传感器。光电探测器的一个、一些或所有可以是单光子雪崩二极管(SPAD),其在探测到光子时可以产生大的短持续时间雪崩电流。在优选实施例中,一个或多个光电探测器中的每一个都是单光子雪崩二极管(SPAD)。

至少一个光电探测器(例如单个光电探测器,或如上所述的一组相关联的光电探测器)探测到光子的、由分布或每个分布所包含的时间,除了之后的时间之外,还可以包括该一系列的光脉冲的每次发射期间和/或之前的时间。

例如,时间的分布或时间的每个分布优选地是在光脉冲每次发射之前、期间和之后至少一个光电探测器(例如单个光电探测器或如上所述的一组相关联的光电探测器)探测到光子的时间的分布。

在针对至少一个光电探测器获得的分布中包括在光脉冲的每次发射期间和/或之前该至少一个光电探测器探测到光子的时间,可以有利地允许更精确地确定排除被反射的发射的光子的光子探测的背景或噪声水平(例如每单位时间光子探测的背景或噪声频率)。这可以例如通过有助于探测阈值的确定,促进对从目标或其他结构反射的光子的探测。

至少一个光电探测器探测光子的时间(其由分布或每个分布包括)可以相对于该一系列的光脉冲的发射之一和/或相对于探测到光子的探测周期。在优选实施例中,至少一个光电探测器探测到光子的时间与在探测到光子的探测周期期间或紧接在其之前的该一系列的光脉冲之一的发射有关。

执行该方法可以包括多个这样的探测周期,优选地,对于该一系列的光脉冲的每次发射,包括一个这样的探测周期。每个探测周期优选地在该系列的一次发射之前、期间和/或紧接之后开始(探测周期可以被认为与之相关联),并且优选地在该系列的后续发射之前结束。

多个探测周期优选地具有相等的持续时间。探测周期的持续时间优选等于、基本等于或小于光脉冲之一的持续时间和该一系列的发射光脉冲之间的时间间隙之一的持续时间的总和。

光脉冲的每次发射优选地在与该发射相关联的探测周期内和/或相对于与该发射相关联的探测周期同时进行。

探测周期可以在与探测周期相关联的光脉冲发射之前小于5000皮秒、小于2500皮秒、大于500皮秒和/或大于1000皮秒开始。探测周期可以在与探测周期相关联的光脉冲发射之后大于5000皮秒、大于10,000皮秒、大于20,000皮秒、大于30,000皮秒和/或小于50,000皮秒开始。

在一些实施例中,在连续或连贯的探测周期之间可以没有时间间隙。或者,在连续或连贯的探测周期之间可以有时间间隙,这些时间间隙可以具有相等的持续时间。

在发射光脉冲之后的测量步骤的探测周期的一部分的持续时间可以对应于飞行时间传感器在执行该方法时可以探测目标的最大范围。例如,在探测周期持续35000皮秒的实施例中,在探测周期开始后2000皮秒发射光脉冲,可以探测到的反射光子的最大飞行时间是33000皮秒,对应于9.89米(到3个有效数字)的往返行程传播距离和4.95米(到3个有效数字)的传感器范围。或者,传感器的最大范围可以小于根据探测周期计算的范围;例如,传感器可以仅探测和/或测量目标是在分布内达到最长时间的距离。

至少一个光电探测器探测到光子的分布或每个分布的时间优选地是其中探测到该光子的探测周期中和与该探测周期有关的时间。

因此,分布优选地包括探测到光子的多个时间,每个时间与其中探测到该光子的探测周期有关。在探测周期具有相等持续时间的优选实施例中,这将是在等于探测周期持续时间的范围内的多个时间。

在一些实施例中,每个探测周期可以被分成一系列的时间间隔(time interval)。在优选的这样的实施例中,每个探测周期被分成相同的一系列的时间间隔。该系列的时间间隔可以与紧接在探测周期之前、期间或以其他方式与探测周期相关联的发射有关。

在这样的实施例中,光电探测器探测光子的时间可以是在多个时间间隔中的哪个时间间隔期间探测到光子。分布或每个分布可以包括在给定时间(跨越给定时间范围)的所有时间间隔期间由至少一个光电探测器探测到的光子总数的计数,该给定时间与包括该时间间隔和/或其中探测到该光子的探测周期期间、紧接在该探测周期之前、或以其他方式与该探测周期(包括时间间隔)相关联的发射有关。

分布优选地包括在每个探测周期被划分成的该相同的一系列的时间间隔的每个时间间隔的所有实例期间,由至少一个光电探测器探测到的光子总数的计数。

时间的分布或每个分布可以通过在探测周期的多个循环时间间隔中的每一个期间对由至少一个光电探测器探测到的光子数量进行计数来获得。

在多个时间中的每一个的所有时间间隔期间,由一个或多个光电探测器探测到的光子的计数数量可以是或可以贡献于在多个时间的时间间隔的分布值。

在多个时间间隔的时间间隔期间由至少一个光电探测器探测到的光子的计数数量可以是或者可以贡献于多个时间间隔的时间间隔的分布值。该时间间隔可以是分布的区间(bin)。

探测周期被相同地分成的该相同的一系列的时间间隔的重复时间间隔可以对应于为至少一个光电探测器或每个至少一个光电探测器获得的分布的区间。分布或每个分布可以包括具有计数的多个区间,每个区间的计数是在该一系列的过程中,在与多个时间中的每个时间的所有时间间隔期间由至少一个光电探测器探测到的光子的总数,该多个时间与它们发生的测量步骤的光脉冲发射有关。

每个探测周期的时间间隔中的每一个可以具有相等或基本相等的持续时间。在这样的实施例中,不同时间间隔之间的光子探测频率的比率将与在那些时间间隔期间计数的光子探测的数量的比率成比例。

每个时间间隔可以大于50皮秒、大于70皮秒或大于90皮秒。每个时间间隔可以小于200皮秒、小于150皮秒、小于125皮秒或小于110皮秒。在一些实施例中,时间间隔可以是100皮秒。

例如,每个探测周期可以由350个连续的时间间隔组成,每个时间间隔为100皮秒。如上所述,在探测周期开始后2000皮秒发射的光脉冲导致传感器范围为4.95米(到3个有效数字)。

分布或每个分布可以包括在与系列的每次发射有关的多个不同时间处或在多个不同时间间隔内由至少一个光电探测器探测到的光子数的计数。因此,分布或每个分布可以是频率分布。

多个时间间隔可以与在探测到光子的探测周期期间、紧接在该探测周期之前或以其他方式与该探测周期相关联的光脉冲的发射有关。多个时间间隔可以是分布的区间。

例如,分布可以是或可以包括在相同的该一系列的时间间隔中的每一个的所有重复中由至少一个光电探测器探测到的光子总数的计数,这些时间间隔随着每个探测周期和与之相关联的光脉冲发射而重复。

在时间间隔的每一个中的光子探测的频率可以是该时间间隔的计数除以该时间间隔的持续时间。频率分布的每个时间间隔的频率与光子在该时间间隔内被光电探测器探测到的概率成正比。在时间间隔具有相等持续时间的实施例中,时间间隔的频率与时间间隔的计数成比例。

在一些实施例中,分布可以是或可以包括测量的时间的图形表示。在优选的这样的实施例中,分布可以是直方图。直方图可以包括具有分别对应于时间间隔(例如与在其中检测到计数光子的检测周期和/或与之相关联的发射有关的时间间隔)和其中探测到的光子数量的计数的区间。

在时间间隔和/或区间期间探测到的光子的数量的计数可以存储在一个或多个存储器或硬件位置中。例如,每个区间的计数和/或每个至少一个光电探测器的分布的时间间隔的计数可以存储在单独的存储器位置中。当光电探测器探测到光子时,它可以增加存储器或硬件位置中的计数(例如,在光电探测器是SPAD的实施例中,通过向其产生雪崩电流)。计数器增加的多个存储器或硬件位置中的哪一个可以由来自驱动电子器件的高速信号来确定,该驱动电子器件可以包括在传感器中,每个存储器或硬件位置可以对应于特定的重复时间间隔。

在其中分布仅包括在多个时间间隔的每一个时间间隔中由该光电探测器探测到的光子的数量的计数的实施例中,可以通过对这些数量进行计数的过程来获得分布,并且可以通过将这些数量存储在一个或多个存储器或硬件位置中来实现分布。在分布是或包括测量的时间的图形表示(例如直方图)的实施例中,图形表示可以通过由处理器生成或绘制来获得。

该方法包括,如果分布或每个分布包括两个或更多个单独的峰,则记录该分布的最早的峰的一个或多个参数。

在分布是或包括图形表示(例如直方图)的实施例中,峰可以是图形表示的峰。

替代地或附加地,峰可以是高于预定阈值的分布的部分(例如一个或多个连续的时间间隔)。例如,高于阈值频率(每单位时间光子探测的阈值数量),这可以是分布的每个区间或时间间隔的光子探测的阈值计数。在一些实施例中,峰可以是包括局部最大频率(和/或每个时间间隔或区间的局部最大计数)并且高于预定阈值频率的分布的部分。

这种阈值频率可以取决于分布的背景或噪声频率、系列包括的光脉冲的数量、分布的部分的局部最大频率、分布的平均频率、分布的绝对最大频率和/或其他统计测量,例如与平均频率的标准偏差。

在一些实施例中,要探测的峰的阈值频率或计数可以是分布中时间的函数。例如,阈值可以在较早的时间更高,由于盖子的反射该时间可能更接近预期的峰。

例如,在一些实施例中,峰可以是或者可以包括其频率是局部最大值并且高于阈值频率的任何时间间隔,以及与其相邻并且具有高于该阈值频率或者不同阈值频率的频率的任何时间间隔。

在一些实施例中,每个峰可以包括具有分布的局部最大值的时间间隔,以及高于阈值的任何其相邻的时间间隔。

例如,峰可以是任何时间间隔,其频率为局部最大值且是噪声频率基线以上的分布的至少六个标准差,以及与之相邻的任何时间间隔,其频率至少为峰的局部最大频率的一半或是分布的背景或噪声频率的至少两倍的。

平均背景或噪声频率或计数可以通过对不包含在峰中的时间间隔的频率或计数进行求平均,或者通过对在光脉冲的发射之前的时间间隔的频率或计数进行求平均来确定。例如,在该方法的一个实施例中,其中每个探测周期被分成相同的一系列的时间间隔,这些时间间隔随着每个测量步骤重复,并且在每个探测周期的相同点发射光脉冲,可以通过对在光脉冲发射之前的重复时间间隔的频率进行求平均来确定频率分布的平均背景或噪声探测频率。

如果分布包括预定的时间长度,或者在两个峰中间的区间或时间间隔(例如,在由两个峰包括的区间中间,或者在两个峰的最大值出现的时间中间)的预定数量,其不被峰包括和/或低于最大频率(这可能取决于背景或噪声频率、取决于两个峰中的一者或两者的局部最大和/或阈值频率、取决于系列包括的光脉冲的数量、取决于分布的平均频率、取决于分布的绝对最大频率、取决于其他统计测量(例如与平均频率的标准偏差)和/或取决于使时间间隔分开的实际或最小数量),则这两个峰可以被确定为是单独的。

例如,如果频率分布包括一个或多个时间间隔,其频率小于两个峰之间的平均背景或噪声频率之上的标准偏差的设定倍数(例如2.5个标准偏差),则两个峰可以是独立的。

在一些实施例中,如果峰被分开至少预定的时间长度,则可以确定峰是单独的。在进一步的实施例中,如果最早的峰在预定的盖子反射峰窗口内,并且两个峰中较晚的峰与较早的峰分开至少预定的时间长度,则可以确定两个峰是单独的。预定的时间长度可以是预定数量的分布的区间或时间间隔,例如1.5个区间。

在替代实施例中,如果分布包括峰之间的部分(例如一个或多个时间间隔),该部分未被峰包括和/或处于、围绕或低于阈值或噪声水平,则可以确定两个峰是单独的。替代地或附加地,如果两个峰不重叠或不相互干扰,则它们可以是单独的。

在一些实施例中,如果分布包括两个或更多个峰,并且第二最早的峰在阈值时间之后,则分布可以包括两个单独的峰(并且可以记录最早的峰的一个或多个参数)。如果第二最早的峰的最大值在阈值时间之后,或者如果峰的任何部分在阈值时间之后,则第二最早的峰可以在阈值时间之后。阈值时间优选地是这样的时间,在该时间之前,由于从盖子或其上的材料的反射,峰将与峰重叠、干涉和/或不与峰分开。

在一些实施例中,阈值时间可以取决于一个或多个先前测量的最早的峰的一个或多个记录的参数,例如在先前测量中最早的峰出现的时间。替代地或附加地,阈值时间可以取决于频率分布的最早的峰所处的时间。

在一些实施例中,该方法可以包括以下附加步骤:如果分布或多个分布中的一个包括两个或更多个单独的峰,确定最早的峰与一个或多个其它峰中的至少一个峰之间的时间上的分隔。可以确定最早的峰与第二早的峰、最大的较晚峰或每个较晚峰之间的时间上的分隔。可以在峰的最大值之间测量峰之间的分隔。

时间上的分隔可以除以光速的两倍,以确定传感器的盖子与目标之间的距离,它们的反射产生了测量了分隔的峰。频率分布是否包括两个或多个单独的峰可以通过处理部件来确定,该处理部件可以由飞行时间传感器所包括,或者与飞行时间传感器通信。

如果分布或每个分布包括两个或更多个单独的峰,则记录最早的峰的一个或多个参数,如上所述,该最早的峰可以被假设为由于从盖子反射而产生的峰。

一个或多个记录的参数可以是或可以包括分布中峰出现的时间、峰的面积、峰的高度、峰的时间宽度、峰在其最大高度一半处的全宽度和/或峰的形状。

在分布是频率分布的实施例中,一个或多个参数可以是或可以包括峰的最大频率、峰的平均频率、峰的时间宽度、峰在其最大频率一半的全宽度、峰的形状、峰由哪个时间间隔定义或位于哪个时间间隔、和/或时间间隔中的一个、一些或所有的频率。

任何记录的频率可以相对于频率分布的总频率或平均频率进行归一化(这可以允许它们与在其他测量中记录的参数进行比较,在其他测量中光探测器接收到更多或更少的光,或者在其他测量中发射不同数量的光脉冲)。

在一些实施例中,记录的参数可以覆盖传感器或与其通信的存储器中先前存储的盖子反射峰的参数,这种先前存储的参数可以是由该方法的先前执行或根据该方法的测量记录的参数,或者可以是工厂校准值。或者,除了先前存储的参数之外,还可以存储记录的参数。

在一些实施例中,仅当最早的峰(或其最大频率值)在最大阈值时间之前和/或第二最早的峰(或其最大频率值)在最小阈值时间之后时,才可以记录最早的峰的一个或多个参数。这些阈值时间可以取决于盖子与一个或多个光电探测器和光发射器之间的距离,或者可以取决于如上所述的先前存储的参数。这些要求可以确保最早的峰是由于从盖子或其上材料的反射。

替代地或附加地,一个或多个参数只有在它们落在那些参数的预定预期范围内时才可以被记录,这可以防止记录错误结果。

在一些实施例中,飞行时间传感器的分辨率和在由该方法产生的分布中进行的测量的分辨率(例如峰所处的时间、峰之间的距离和/或峰的高度或幅度)可以使用数据处理技术(例如二次插值)来增强。例如,这些技术可以使用具有局部最大计数或频率的区间的幅度或强度以及一个或多个附近或邻近区间的幅度或强度来更精确地确定到该峰的距离。这可以允许峰出现的时间或者峰之间的分隔被测量到比分布所包括的区间的宽度更高的分辨率。

例如,如果峰包括多个在时间上等间距的区间,其中一个区间具有最大计数,其前面是具有最大计数的一半的区间,其后面是具有最大计数的四分之三的区间。峰的真实最大值可以被估计在具有最大计数的区间的中心与具有最大计数的四分之三的之后的区间的中心之间。峰的真实最大计数频率也可以被估计为高于具有最大计数的区间的计数频率。峰的估计真实最大值可以通过将曲线(例如抛物线)拟合到由峰所包括的区间的计数所定义的点来确定。

在上述方法的特征中,其中一个或多个峰的参数,例如峰的最大值出现的时间或峰的最大频率,可以是拟合到多个区间的计数或频率的峰曲线的参数,而不是区间本身的计数或频率的参数。

在一些实施例中,光发射器可以形成光学堆叠的一部分,和/或可以包括在光学堆叠中。在这样的实施例中,该方法可以测量由于盖子的反射引起的光学串扰水平和/或可以结合光学堆叠校准飞行时间传感器。

根据另一个实施例,提供了一种被配置为执行上述方法的飞行时间传感器。

飞行时间传感器可以包括上面参照执行该方法的传感器描述的任何可选特征,和/或可以被配置为执行上面描述的方法的任何可选特征。

根据另一个实施例,提供了一种包括一个或多个上述传感器的设备。

例如,包括上述传感器中的一个或多个的移动通信设备,例如智能手机。

根据另一个实施例,提供了一种非暂时性存储介质,其包括可由一个或多个处理器执行的计算机指令,该一个或多个处理器由包括光发射器和一个或多个光电探测器的飞行时间传感器所包括或与其通信,当由一个或多个处理器执行时,该计算机指令使得飞行时间传感器执行如上所述的方法。

当由一个或多个处理器执行时,计算机指令可以使飞行时间传感器执行上述方法的任何可选特征。

附图说明

现在将参考附图以示例的方式描述实施例。

图1A是飞行时间传感器的剖视图,其中光发射器和光电探测器阵列位于盖子下面的共享空腔中;

图1B是飞行时间传感器的剖视图,其中光发射器和光电探测器阵列位于共享盖子下面的独立空腔中;

图2是飞行时间传感器的示意图;

图3是用于测量飞行时间传感器中的光学串扰的方法的流程图;

图4A是由飞行时间传感器在没有目标存在的情况下获得的直方图;

图4B是由飞行时间传感器在有目标靠近盖子的情况下获得的直方图;

图4C是由飞行时间传感器在目标远离盖子的情况下获得的直方图。

具体实施方式

图1A和1B分别示出了飞行时间传感器100、150的两个实施例的光学组件的剖视图。每个传感器100、150包括用于发射光脉冲的光发射器102、152;被布置成探测光脉冲反射的光电探测器阵列104、154;以及被布置成覆盖光发射器102、152和光电探测器阵列104、154的透明盖子108、158。

光发射器102、152和光电探测器阵列104、154位于盖108、158下面的空腔106、156、157中。在第一飞行时间传感器100中,光发射器102和光电探测器阵列104都布置在共享空腔106内。在第二飞行时间传感器150中,光发射器152位于第一空腔156内,光电探测器154位于第二单独的空腔157内。

在一个实施例中,第二传感器150的两个空腔156、157都被同一盖子158覆盖,尽管可以设想,在另一个实施例中,两个单独的盖子可以用于分别覆盖两个空腔156和157。

在一些飞行时间传感器中,空腔106、156、157可以由穿过间隔晶片(spacerwafer)或间隔构件(spacer member)的孔径来限定,该间隔晶片或间隔构件布置在盖108、158与其上安装有光发射器102、152和光电探测器阵列104、154的基板之间。

在使用中,光发射器102、152发射光脉冲,光电探测器阵列104、154探测入射到其上的光子。相对于光发射器102、152发射光脉冲的时间来测量光电探测器阵列104、154的光电探测器探测光子的时间,以便确定由光发射器102、152发射并从目标110、160反射到光电探测器阵列104、154上的光子的传播时间。这些测量的时间允许确定传感器100、150与目标110、160之间的距离。

然而,除了由光发射器102、152发射并从目标110、160反射的光120、170之外,光电探测器阵列104、154还探测来自其他源的光,这可以被称为光学串扰。光学串扰包括不由光发射器102、152发射的光,以及由光发射器102、152发射并被盖子108、158反射的光122、124、172。

在第一传感器100中,光124从邻近空腔106的盖子108表面的外部反射,光122从远离空腔106的盖子108表面的内部完全内反射。在第二传感器150中,由于光发射器152和光电探测器阵列154位于单独的空腔156、157中,从盖子158的表面外部反射的光将不会到达光电探测器阵列154。从盖子158的表面的内部完全内反射的光172从第一腔156传播到第二腔157,从而从光发射器152传播到光电探测器阵列154。光也可以被盖子上的材料(如灰尘或其他污染物)反射。

从盖子或其上的材料反射的光122、124、172比从目标110反射的光120、170传播更短的距离,因此将在光发射器102、152发射光脉冲之后的较早时间被探测到。

图2示出了飞行时间传感器200的示意图。传感器200包括用于发射一系列的光脉冲的垂直空腔面发射激光器(VCSEL)205、用于驱动VCSEL 205的驱动器206、用于探测光子并计数在随每个光脉冲发射重复出现的多个连续时间间隔中的每一个中探测到的光子数量的探测模块210、用于控制驱动器206和探测模块210的控制模块215、数据处理模块220、光滤波器225和一对无源光学元件230。

探测模块210包括单光子雪崩二极管(SPAD)的阵列、一个或多个时间数字转换器(TDC)和存储器。SPAD是固态光电探测器,当它们探测到光子时产生短雪崩电流。一个或多个TDC测量来自控制模块的初始信号(相对于光脉冲的发射处于固定时间)与当SPAD探测到光子时该SPAD创建的信号之间的时间。存储器记录光子被SPAD探测到的时间。

存储器可以包括一组或多组计数器,每组计数器与单个SPAD或一组SPAD相关联(它们可以被布置在一起,并且可以一起定义或充当探测模块阵列的像素)。一组中的每个计数器对应于循环探测周期被划分成的多个连续时间间隔中的一个。探测周期及其时间间隔随着该系列的光脉冲发射的每次光脉冲发射而重复。

当SPAD探测到光子时,由TDC确定探测到光子的探测周期内的时间(以及因此多个时间间隔中的哪个时间间隔)。然后,对应于该时间间隔并与该SPAD相关联的计数器增加1。计数器中的哪一个增加可以由移位寄存器控制。

因此,每组计数器可以获得在与探测到光子的探测周期中的光脉冲发射有关的多个时间间隔中的每一个时间间隔中,由SPAD或一组关联的SPAD探测到的光子数量的计数。当发射光脉冲时,每个时间间隔的相对计数对应于在该时间间隔的每一个中探测到光子的相对概率。计数是可以被转换成或被可视化为直方图的分布;例如通过数据处理模块220。

可以包括驱动电子器件的控制模块215向驱动器206和探测模块210提供高速信号。这些信号使一系列的光脉冲的发射和探测模块的重复探测周期同步,使得一个光脉冲相对于探测周期的每次重复(并且优选地在探测周期的每次重复内)在相同的时间点被发射。

数据处理模块220从探测模块接收数据。该数据可以是由SPAD或SPAD组中的每一个在时间间隔的每一个中探测到的光子的计数数量或可以从其中导出。数据处理模块可以确定在一系列的发射上光子被SPAD或一组相关联的SPAD探测到的时间的分布是否包括峰;可以确定这些峰中的两个或多个是否分开,如果分开,则确定峰之间的分隔。这可以用于确定到目标250的距离。

无源光学元件230是透镜元件。无源光学元件230中的一个被布置在VCSEL 205上,另一个被布置在探测模块210上,并且被布置成将入射光聚焦在其上,使得可以由SPAD阵列产生深度图像。光滤波器235被布置在探测模块和探测模块上方的透镜元件之间。透镜元件可以包括在VCSEL 205和SPAD阵列上的盖子中。

传感器200可以在计算机指令下操作,该计算机指令可以存储在一个或多个非暂时性存储介质上,该存储介质可以包括控制模块215、数据处理模块220、探测模块210和/或与传感器和/或其模块通信的外部计算设备。计算机指令可以由一个或多个数据处理器执行,该数据处理器由控制模块215、数据处理模块220、探测模块210、和/或与传感器和/或其模块通信的外部计算设备所包括,以便使用传感器200来执行方法300,以测量由于光脉冲从传感器200的盖子反射而引起的光学串扰。

图3是方法300的流程图,该方法300用于测量由于光脉冲从飞行时间传感器的盖子上反射而引起的光学串扰,该飞行时间传感器包括光发射器(例如VCSEL)和一个或多个光电探测器(例如SPAD阵列)。

该方法包括发射一系列的光脉冲,获得一个或多个光电探测器探测光子的时间的一个或多个分布,并且如果分布中任何一个包括两个或更多个单独的峰,则记录最早的峰的一个或多个参数。一个或多个光电探测器探测光子的时间是在重复探测周期315内并相对于重复探测周期315探测到光子的时间,重复探测周期315随着光脉冲的每次发射330而重复。

在方法300的第一步骤310中,开始探测周期315。探测周期被分成一系列连续的时间间隔,其中光子可以被一个或多个光电探测器探测到。时间间隔的数量和持续时间是预先设置的,并且时间间隔优选地具有相等的持续时间。例如,探测周期可以包括三百五十个时间间隔,每个时间间隔持续一百皮秒;因此,探测周期总共持续35纳秒。

在探测周期315期间,在第二步骤320中,如果一个或多个光电探测器中的任何一个在时间间隔中的任何一个期间探测到光子,则由该光电探测器或由包括该光电探测器的一组相关联的光电探测器在该时间间隔中探测到的光子计数增加1。

在第三步骤330中,在探测周期315期间的预先设置的时间点,从光发射器发射光脉冲。光脉冲可以在预先设置数量的时间间隔之后发射,并且优选地具有固定的持续时间。例如,光脉冲可以持续500皮秒,并且可以在第二十个时间间隔之后立即发射。

在第四步骤340中,探测周期315重复预定次数。在每次重复期间,(在探测周期315的每次重复期间的相同点)发射一个光脉冲。重复探测周期315的每个时间间隔,并且如果光电探测器在其中探测任何光子,则在该时间间隔中由该光电探测器探测到的光子计数增加。探测周期的重复数量可以在80,000和800,000之间(包括80,000和800,000);例如,在传感器的低功率模式下和/或针对具有较高反射率的目标,具有较低的重复次数。

因此,在每个时间间隔中,针对每个光电探测器或相关联的光电探测器组获得由该光电探测器或光电探测器组探测到的光子数量的分布。分布包括在探测周期315的所有重复中由该光电探测器探测到的光子数量的每个时间间隔的计数。分布可以是或者可以被可视化为直方图。在图4A至图4C中示出了这种分布300、440、480的示例。

在第五步骤350中,如果任何获得的分布包括两个或更多个单独的峰,则记录最早的峰的时间和大小。峰可以被识别为其中计数的光子的数量超过阈值的连续时间间隔的组,该阈值可以取决于分布中的背景或噪声计数水平。分布的背景或噪声计数水平可以通过对预先设置的时间之前的时间间隔中每个时间间隔的计数进行求平均来确定,例如在探测周期期间光脉冲发射之前的时间间隔。

在该方法的一些实施例中,只有当分布包括两个或更多个单独的峰,并且最早的峰是在预期由于盖子玻璃的反射而引起的峰的时间(例如,在或接近工厂校准测量记录盖子的反射的时间)时,才可以记录最早的峰的参数。

如果两个或更多个峰被不由任何峰所包括的最小数量的时间间隔分开,则它们可以被认为是单独的。例如,如果它们被一个或多个不由峰包括的时间间隔(例如如上所述计数低于阈值的时间间隔)分开。

例如,通过记录哪些时间间隔是峰的一部分来记录最早的峰所处的时间。计数中峰的大小也可以被记录,例如,通过从峰所包含的每个时间间隔的计数中减去平均噪声或背景计数,然后对峰中剩余的总计数求和。

图4A、图4B和图4C示出了在一系列的光脉冲发射以及与之重复的探测周期的过程中光电探测器(或一组相关联的光电探测器)探测光子的时间的示例直方图400、440、480。

每个直方图400、440、480包括350个区间,每个区间对应于重复探测周期的100皮秒时间间隔,以及对每个时间周期期间由光电探测器(或相关联的光电探测器组)探测到的光子的总数的计数。直方图400、440、480通过执行上述方法300的探测周期315的多次迭代而获得。

图4A中所示的第一直方图400是在光电探测器(或相关联的光电探测器组)的范围和视场内不存在目标时通过执行方法300的探测周期315的重复而获得的。直方图包括每个区间大约一百个计数的背景噪声水平402和在进入重复探测周期的2.8-2.9纳秒的时间间隔内具有大约五百九十个探测的最大计数的单个峰404。峰404在进入重复探测周期的大约2.5到3.2纳秒之间的大约7个时间间隔的最大值一半处具有全宽度。该峰404是由光脉冲中发射的光从传感器盖或其上的材料的反射引起的。

然而,直方图400不包括多个单独的峰,因此不进行光学串扰的测量。这是因为在直方图仅包括单个峰的情况下,很难仅根据这样的直方图来确定峰是否仅包含光学串扰,或者它是否还包括从靠近盖子的目标的反射。

在图4B中示出了在目标靠近盖子的情况下通过执行探测周期315的重复而获得的第二直方图440。该直方图440还包括每个区间大约一百个计数的背景噪声水平442和单个峰444。单个峰444包括从盖子反射的光子的计数和从近的目标反射的光子的技术。峰444在进入探测周期的时间间隔3.2-3.3纳秒内具有大约840个探测的最大计数,并且在进入探测周期的大约2.6到3.5纳秒之间的大约9个时间间隔的最大值一半处具有全宽度。

图4C示出了在目标存在于距离盖子一定距离的情况下通过重复执行探测周期315而获得的第三直方图480。直方图480包括每个区间大约一百个计数的背景噪声水平482和两个峰484、486。

最早的峰484在进入探测周期的2.9-3.0纳秒的时间间隔内具有大约五百九十个探测的最大计数,并且在进入重复探测周期的大约2.5到3.2纳秒之间的大约6个时间间隔的最大值一半处具有全宽度。

较晚的峰486在进入探测周期的18.0-18.1纳秒的时间间隔内具有大约530个计数探测的最大计数,在进入重复探测周期的17.7到18.4纳秒之间的大约7个时间间隔的最大值一半处具有全宽度。

由于该分布包含两个单独的峰484、486,并且因为最早的峰484在对应于从盖子上反射的光的预期传播时间的时间处,所以可以假设最早的峰484仅包含从盖子上反射的噪声和光子的计数。最早的峰484可以被假设为不包含来自靠近盖子的目标的反射,因为这样的目标将阻挡来自更远目标的光子,并阻止较晚的峰486的出现。

当在执行方法300时为光电探测器(或相关联的一组光电探测器)获得具有两个单独的峰484、486的直方图480时。记录最早峰484(该峰由于盖子玻璃的反射引起)的一个或多个参数。

参数优选地包括最早的峰出现的时间(例如,峰最大值出现的时间间隔,或者哪些时间间隔具有高于阈值数量的计数)和峰的计数总数(例如,峰所包含的所有时间间隔(其可以是计数高于阈值数量的所有时间间隔)的计数总数)。计数的总数与探测到的盖子玻璃反射的总能量成正比。当记录最早的峰的计数的总数时,可以从每个时间间隔的计数中减去平均背景或噪声计数,使得由于盖子的反射引起的光学串扰的测量独立于由于进行测量的环境中的环境光引起的光学串扰。

计数的阈值数量可以取决于整个分布的背景或噪声计数、和/或在探测周期期间发射光脉冲之前的时间间隔的背景或噪声计数。

例如,在图4B所示的直方图480中,如果峰被认为是计数大于平均噪声计数两倍的邻近区间组。每个时间间隔大于200个计数的区间被认为是由峰包括的。因此,最早的峰占据2.5-2.6到3.1-3.2纳秒的区间,峰在2.8-2.9纳秒的区间,并且总计数大约为2950个计数,或者当调整以去除背景噪声时大约为2350个计数。

当直方图480包括多个峰484、486时,可以测量峰之间的时间分隔,例如包括它们的最大值的区间之间的时间间隔。该分隔时间可用于计算入射到(例如聚焦到)一个或多个光电探测器上的光传播的距离,该光电探测器的光子探测在直方图中被计数。在图4B所示的直方图480中,最早的峰在2.8-2.9纳秒区间,第二个峰在18.0-18.1纳秒区间。因此它们相隔15.2纳秒。因此,光传播到其反射产生第二峰484的目标的时间是7.6纳秒,并且计算出的盖子与目标之间的距离是2.28米(到3个有效数字)。

仅通过示例的方式描述了实施例,应当理解,在不脱离由权利要求限定的本发明的范围的情况下,可以对上述实施例进行变化。

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