具体实施方式

现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在图式和描述中用来表示相同或相似部分。

图1是本发明的一实施例的飞时测距装置的示意图。参考图1，飞时测距装置100包括飞时测距感测器110、控制电路120以及存储装置130。飞时测距感测器110包括感测阵列111、时间至数字转换器(Time-to-digital converter，TDC)112以及光源113。控制电路120耦接时间至数字转换器112、光源113以及存储装置130。时间至数字转换器112耦接感测阵列111。在本实施例中，飞时测距感测器110可进行直接飞时测距(Direct Time of Flight，D-ToF)感测操作。感测阵列111可包括阵列排列的多个感测单元(感测像素)。在本实施例中，前述的多个感测单元可为多个单光子崩溃二极管(Single Photon Avalanche Diode，SPAD)。光源113可为雷射光源，并且用以发射雷射脉冲光，其中雷射脉冲光可为红外线(Infrared，IR)雷射。

在本实施例中，控制电路120可为设置在飞时测距装置100中的一种微控制器(Microcontroller Unit，MCU)，但本发明并不限于此。在一实施例中，控制电路120可为终端设备的中央处理器(Central Processing Unit，CPU)，并且飞时测距装置100设置在终端设备上。在本实施例中，存储装置130可为设置在飞时测距装置100中的存储器(memory)，但本发明也不限于此。在一实施例中，存储装置130可为终端设备的存储装置。

在本实施例中，光源113可朝感测目标200发射雷射脉冲光。雷射脉冲光可发射至感测目标200的表面，并经由感测目标200的表面发生反射，以产生对应的反射脉冲光。感测阵列111的多个感测单元可感测经由感测目标200反射雷射脉冲光所产生的反射脉冲光，并且感测阵列111可输出多个感测单元的感测结果至时间至数字转换器112。基于单光子崩溃二极管的特性，每一个单光子崩溃二极管可在接收到一个或少数个光子后即产生感测信号，并且可将感测信号存储至感测单元的存储电容中。在本实施例中，时间至数字转换器112可在连续的多个积分期间对单光子崩溃二极管的多个感测结果进行多次积分操作，以产生直方图数据(histogram data)。直方图数据可存储在飞时测距感测器110的存储器或是时间至数字转换器112的缓冲器(buffer)中。在本实施例中，控制电路120可读出直方图数据，并且对直方图数据进行分析，以根据直方图数据来计算飞时测距装置100与感测目标200之间的距离参数。

图2是本发明的第一实施例的飞时测距方法的流程图。参考图1及图2，飞时测距装置100可执行如图2的步骤S210～S230，以实现飞时测距操作。在步骤S210，飞时测距装置100可透过光源113朝感测目标200发射雷射脉冲光。在步骤S220，飞时测距装置100可透过感测阵列111的多个感测单元感测经由感测目标200反射雷射脉冲光所产生的反射脉冲光。在步骤S230，飞时测距装置100可透过时间至数字转换器112在连续的多个积分期间对多个感测单元的多个感测结果进行积分操作，以产生直方图数据。值得注意的是，在本实施例中，前述的多个积分期间的至少一部分可具有不同时间长度，以使直方图数据中的多个直条(bin)的至少一部分具有不同组距(bin width)。

参考图1、图3A及图3B，图3A是本发明的第一实施例的积分时序图，并且图3B是本发明的第一实施例的直方图数据的示意图。举例而言，如图3A所示，在感测阵列111感测经由感测目标200反射雷射脉冲光所产生的反射脉冲光的过程中，时间至数字转换器112可在时间t0至时间t12之间的连续的积分期间EP1～EP12对多个感测单元的多个感测结果进行积分操作，以产生如图3B的直方图数据310。在本实施例中，积分期间EP5～EP10可与积分期间EP1～EP4、EP11、EP12具有不同积分时间长度。例如，积分期间EP5～EP10的积分时间长度可短于积分期间EP1～EP4、EP11、EP12的积分时间长度。换言之，时间t4至时间t10之间的时间解析度可高于其他时间区间。

控制电路120可将图3B的直方图数据存储至存储装置130中，并且可分析图3B的直方图数据。如图3B所示，在连续的积分期间EP1～EP12对多个感测单元的多个感测结果可表示如图3B的直方图数据310的多个直条。由于时间t4至时间t10之间的多个直条的组距较窄，因此时间解析度较高。换言之，若感测阵列111接收到反射脉冲光的时间介于时间t4至时间t10之间，则本实施例的飞时测距装置100可透过分析图3B的直方图数据310来取得具有距离精准度较高的距离参数的感测结果。

在本实施例中，控制电路120可根据图3B的直方图数据310的多个直条所分别对应的多个计数值来判断感测阵列111接收到反射脉冲光的时间。并且，控制电路120可根据光源113发射雷射脉冲光(已知发射时间)以及感测阵列111接收到反射脉冲光的时间差来计算飞时测距装置100与感测目标200之间的距离参数。在本实施例中，由于感测阵列111亦可能感测到环境光而输出环境光的感测结果，因此控制电路120可判断直方图数据310的多个直条中是否有连续多个直条的多个计数值分别超过预设计数值，并且此连续多个直条的数量超过预设连续直条数量。若有，控制电路120可透过计算此连续多个直条的多个计数值来决定感测阵列111接收到反射脉冲光的时间。例如，控制电路120可将前述的连续多个计数值进行平均运算，以取得平均计数值。接着，控制电路120可根据平均计数值来计算光源113发射雷射脉冲光与感测阵列111感测到反射脉冲光的时间差(td)，并且根据此时间差计算对应的距离参数，例如D＝td×c，其中D为距离参数，c为光速。或者是，在另一实施例中，控制电路120可判断超过阈值的一直条作为判断基准，并且分析此一直条的邻近复数直条分布(前后邻近直条)是否符合反射物光子分布。若此一直条的邻近复数直条分布符合反射物光子分布，则控制电路120可透过计算此连续多个直条的多个计数值来决定感测阵列111接收到反射脉冲光的时间。又或者是，在又一实施例中，控制电路120亦可透过其他方式来分析直方图数据310的多个直条，以决定反射脉冲光的时间，而本发明不限于上述提出的实施方式。

值得注意的是，积分期间EP1～EP12的多个积分时间长度可为预设，并且不限于图3A所示的时间长度分布。在一实施例中，积分期间EP1～EP12的多个积分时间长度可包括多种时间长度设计而不限于图3A的两种。积分期间EP1～EP12的多个积分时间长度也可为渐进变化，例如时间长度逐渐增加或逐渐减少。甚至，积分期间的数量也不限于图3A所示。在另一实施例中，控制电路120还可根据图3B的直方图数据310的分析及计算结果所取得的距离参数来动态调整在下一次感测操作中的另多个积分期间的多个时间长度。换言之，如图3B所示，当控制电路120判断积分期间EP4所对应的计数值为最高时，控制电路120可适应性调整积分期间EP1～EP12的多个积分时间长度。

图4A是本发明的第一实施例的另一积分时序图。图4B是本发明的第一实施例的另一直方图数据的示意图。举例而言，参考图1、图4A以及图4B，如前所述，控制电路120可缩短在下一感测操作中接近于感测阵列111接收到反射脉冲光的时间的多个积分期间。延续图3A及图3B的说明，在下一感测操作中，控制电路120可缩短积分期间EP1’～EP12’的至少其中之一(即对应于前次感测计数值为最高的邻近至少一个积分期间)，并且增长其他积分期间的时间长度。如图4A所示，控制电路120可缩短积分期间EP3’～EP6’的时间长度，并且增长其他积分期间的时间长度。在感测阵列111下一次感测经由感测目标200反射雷射脉冲光所产生的反射脉冲光的过程中，时间至数字转换器112可在时间t0’至时间t12’之间的连续的积分期间EP1’～EP12’对多个感测单元的多个感测结果进行积分操作，以产生如图4B的直方图数据410。

控制电路120可将图4B的直方图数据410存储至存储装置130中，并且可分析图4B的直方图数据410。如图4B所示，由于时间t2’至时间t6’之间的多个直条的组距较窄，因此时间解析度较高。换言之，若感测阵列111接收到反射脉冲光的时间介于时间t2’至时间t6’之间，则本实施例的飞时测距装置100可透过分析图4B的直方图数据410来取得具有距离精准度较高的距离参数的感测结果。换言之，本实施例的飞时测距装置100可透过自适应性地调整(动态调整)多个积分期间的至少一部份的时间长度，以有效增加感测结果的感测精度。

值得注意的是，在本实施例中，下一感测操作中的积分期间EP1’～EP12’的多个时间长度经调整后，积分期间EP1’～EP12’所对应的感测总时间长度可为不变。换言之，积分期间EP1～EP12所对应的感测总时间长度相同于积分期间EP1’～EP12’所对应的感测总时间长度，但本发明并不限于此。并且，下一感测操作中的积分期间EP1’～EP12’的多个时间长度经调整后，积分期间EP1’～EP12’的积分期间数量可为不变。换言之，积分期间EP1～EP12的积分期间数量相同于积分期间EP1’～EP12’的积分期间数量，但本发明并不限于此。换言之，若感测总时间长度以及积分期间数量可不变，则图3B的直方图数据310与图4B的直方图数据410可分别在存储装置130中而占有相同的存储空间大小。如此一来，本实施例的飞时测距装置100可无需增加存储空间即可获得具有距离精准度较高的距离参数的感测结果。

图5是本发明的第二实施例的飞时测距方法的流程图。参考图5，参考图1及图5，飞时测距装置100可执行如图5的步骤S510～S540，以实现飞时测距操作。在步骤S510，飞时测距装置100可透过光源113朝感测目标200依序发射多个雷射脉冲光。在本实施例中，光源113可以相同时间间隔发射多个雷射脉冲光。在步骤S520，飞时测距装置100可透过感测阵列111的多个感测单元感测经由感测目标200分别反射多个雷射脉冲光所产生的多个反射脉冲光。在步骤S530，飞时测距装置100可透过时间至数字转换器112在连续的多个测距期间分别对多个感测单元的多个感测结果进行多次积分操作，以产生多个第一直方图数据。在步骤S540，飞时测距装置100可对多个第一直方图数据进行数学运算，以产生第二直方图数据。值得注意的是，前述的数学运算可例如是指累加运算、平均运算或差分运算等方式，而以下图6及图7实施例将以累加运算的方式来举例说明之。

值得注意的是，前述的多个测距期间彼此之间具有多个延迟期间，以使多个第一直方图数据的多个起始时间为依序延迟多个时间长度。并且，这些延迟期间的这些时间长度小于多个第一直方图数据中的多个直条的多个组距。如此一来，第一直方图数据分别的多个第一直条数量小于第二直方图数据的直条数量，并且多个第一直方图数据分别的多个第一组距大于第二直方图数据的多个第二组距。

参考图6，图6是本发明的第二实施例的直方图数据的示意图。举例而言，时间至数字转换器112可在连续的三个测距期间(未重迭)分别对感测阵列111的多个感测单元的多个感测结果进行多次积分操作，以产生如图6所示的三个第一直方图数据610～630，其中时间a0至时间a14为用于表示第一直方图数据610～630在不同测距期间中的相对时间的时序关系。在此范例中，连续的三个测距期间分别与光源113朝感测目标200依序发射三个雷射脉冲光的时间同步。在第一测距期间，时间至数字转换器112所产生的第一直方图数据610可在时间a0至时间a12之间具有六个直条。在第二测距期间，时间至数字转换器112所产生的第一直方图数据620可在时间a1至时间a13之间具有六个直条。在第三测距期间，时间至数字转换器112所产生的第一直方图数据630可在时间a2至时间a14之间具有六个直条。第一测距期间分别的多个积分期间具有相同时间长度，以使第一直方图数据610～630中的每个直条具有相同组距，即例如时间长度t(例如时间a0至时间a2的时间长度)。第一测距期间与第二测距期间之间可具有时间长度为t/2的延迟期间(例如时间a0至时间a1的时间长度)，并且第二测距期间与第三测距期间之间可具有时间长度为t/2的延迟期间(例如时间a1至时间a2的时间长度)。

在此范例中，控制电路120可累加第一直方图数据610～630，以产生第二直方图数据640，其中第二直方图数据640可在时间a0至时间a14之间具有十二个直条。换言之，第一直方图数据610～630分别的多个直条数量小于第二直方图数据640的直条数量，并且第一直方图数据610～630分别的多个组距大于第二直方图数据640的多个组距。因此，相较于第一直方图数据610～630，控制电路120可根据第二直方图数据640来计算飞时测距装置100与感测目标200之间具有距离精准度较高的距离参数的感测结果。如图6所示，控制电路120可透过第二直方图数据640来判断时间a5至时间a6之间具有最高的计数值，并进一步计算距离参数。相较于第一直方图数据610，控制电路120仅可透过第一直方图数据610来判断时间a4至时间a6之间具有最高的计数值。

从另一角度而言，若多个相同延迟期间的时间长度为t/M，则第二直方图数据的时间解析度可提升约为M倍，以使经由第二直方图数据计算的距离参数的距离精准度也可提升约为M倍。然而，本发明的延迟期间的时间长度并不限于上述说明。在一实施例中，多个延迟期间的多个时间长度也可为等比例增加或为非等比例增加。

图7是本发明的第三实施例的直方图数据的示意图。参考图1及图7，时间至数字转换器112可在连续的两个测距期间(未重迭)分别对感测阵列111的多个感测单元的多个感测结果进行多次积分操作，以产生如图7所示的两个第三直方图数据710～720，其中时间b0至时间b13为用于表示第三直方图数据710～720在不同测距期间中的相对时间的时序关系。在此范例中，连续的两个测距期间分别与光源113朝感测目标200依序发射两个雷射脉冲光的时间同步。在一测距期间，时间至数字转换器112所产生的第三直方图数据710可在时间b0至时间b12之间具有八个直条。在下一测距期间，时间至数字转换器112所产生的第三直方图数据720可在时间b1至时间b13之间具有八个直条。

值得注意的是，在本实施例中，多次积分操作的每一次的连续的多个积分期间的至少一部分可具有不同时间长度，以使第三直方图数据710、720中分别的多个直条的至少一部分具有不同组距。如图7所示，第三直方图数据710中的时间b0至时间b2、时间b6至时间b8、时间b8至时间b10以及时间b10至时间b12可具有时间长度t’的组距，并且第三直方图数据710中的时间b2至时间b3、时间b3至时间b4、时间b4至时间b5以及时间b5至时间b6可具有时间长度t’/2的组距。第三直方图数据720中的时间b1至时间b3、时间b3至时间b5、时间b5至时间b7以及时间b11至时间b13可具有时间长度t’的组距，并且第三直方图数据720中的时间b7至时间b8、时间b8至时间b9、时间b9至时间b10以及时间b10至时间b11可具有时间长度t’/2的组距。并且，两个测距期间之间可具有时间长度为t’的延迟期间(例如时间b0至时间b1的时间长度)。值得注意的是，在一实施例中，两个测距期间之间也可不具有延迟期间(即t’＝0)。

在本实施例中，控制电路120可累加第三直方图数据710、720，以产生第四直方图数据730，其中第四直方图数据730可在时间b0至时间a13之间具有十三个直条，并且第四直方图数据730的每一个直条都具有时间长度t’/2的组距。如图7所示，第四直方图数据730的直条数量大于第三直方图数据710、720分别的多个直条数量，并且第四直方图数据730的整体时间精度高于第三直方图数据710、720分别的整体时间精度。因此，相较于第三直方图数据710、720，控制电路120可根据第四直方图数据730来计算飞时测距装置100与感测目标200之间具有距离精准度较高的距离参数的感测结果。

值得注意的是，本实施例可适用于上述第一实施例。例如上述图3B以及图4B的两个测距期间之间也可具有延迟期间或无延迟期间。控制电路120可将图3B以及图4B的直方图数据310、410进行累加，以取得整体时间精度更高的直方图数据。并且，本实施例也可适用于上述第二实施例。例如上述图6的直方图数据610～630个别的多个直条的至少一部份可具有不同组距，因此控制电路120可透过将具有不同组距的直方图数据610～630进行累加，来取得整体时间精度更高的直方图数据。

综上所述，本发明的飞时测距装置以及飞时测距方法可透过动态调整时间至数字转换器在一测距期间的多个积分期间的时间长度，及/或可将彼此的积分期间的起始时间具有延迟期间的多次测距期间进行数学运算，以取得整体时间精度更高的直方图数据。换言之，本发明的飞时测距装置以及飞时测距方法无须增加存储空间及/或无须改变感测总时间长度，即可取得整体时间精度更高的直方图数据，以便于可进一步计算具有距离精准度较高的距离参数。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。