技术领域
[0001] 本
发明有关一种光学式物体检测装置，更特别有关一种根据
雪崩二极管的雪崩事件的计数值计算飞行时间的物体检测装置。
背景技术
[0002] 目前，光学式测距装置大部分均采用基于CCD图像
传感器或CMOS图像传感器的成像技术进行。估计
光源打出的光束经由物体反射后被传感器检测到的时间差来计算物体距离的方式，则称为飞行时间(time of flight)技术。
[0003] 在处理弱光环境和高频光
信号时，单
光子探测是另一种选择。
[0004] 例如，
单光子雪崩二极管(single photon avalanche diode,SPAD)可用作为反射光检测器。当光子被SPAD接收时，会激活雪崩
电流(avalanche current)以反应一个光子被检测。雪崩电流所造成的脉冲，可视为一个事件。
[0005] 然而，测距装置的操作环境通常是光源信号与环境光同时存在的情形，SPAD除了相对光源信号发生雪崩事件，同时也会相对环境光发生雪崩事件而形成噪声，导致检测
精度降低。
[0006] 再者，在环境光的强度具有交流变化时，也会影响检测结果。
[0007] 有鉴于此，一种能够消除环境光影响的基于雪崩二极管的物体检测装置即为所需。
发明内容
[0008] 本发明提供一种使用雪崩二极管及飞行时间技术的物体检测装置。
[0009] 本发明还提供一种物体检测装置，其仅需要通过计数雪崩电流的发生次数即能计算物体距离并消除环境噪声。
[0010] 本发明提供一种物体检测装置，包含光源、雪崩二极管、第一计数器、第二计数器以及处理器。所述光源用于在第一期间朝向物体发光，并在第二期间、第三期间及第四期间熄灭。所述雪崩二极管用于相对所述第一期间、所述第二期间、所述第三期间及所述及第四期间进行曝光以产生电脉冲。所述第一计数器用于对所述第一期间的所述电脉冲进行上数计数接着对述第三期间的所述电脉冲进行下数计数以产生第一计数值。所述第二计数器用于对所述第二期间的所述电脉冲进行上数计数接着对所述第四期间的所述电脉冲进行下数计数以产生第二计数值。所述处理器用于根据所述第一计数值与所述第二计数值计算飞行时间。
[0011] 本发明还提供一种物体检测装置，包含光源、感测阵列、多个第一计数器、多个第二计数器以及处理器。所述光源用于在第一期间朝向物体发光，并在第二期间、第三期间及第四期间熄灭。所述感测阵列包含多个阵列排列的雪崩二极管。所述多个雪崩二极管相对所述第一期间、所述第二期间、所述第三期间及所述第四期间进行曝光以产生电脉冲。每个第一计数器对应所述多个雪崩二极管其中一者，用于在所述第一期间对相对应的雪崩二极管产生的所述电脉冲进行上数计数接着在所述第三期间对所述相对应的雪崩二极管产生的所述电脉冲进行下数计数以产生第一计数值。每个第二计数器对应所述多个雪崩二极管其中一者，用于在所述第二期间对相对应的雪崩二极管产生的所述电脉冲进行上数计数接着在所述第四期间对所述相对应的雪崩二极管产生的所述电脉冲进行下数计数以产生第二计数值。所述处理器用于根据每个雪崩二极管相关的所述第一计数值与所述第二计数值计算所述每个雪崩二极管相关的飞行时间。
[0012] 本发明还提供一种物体检测装置，包含光源、雪崩二极管以及两计数器。所述光源用于被开启或关闭。所述雪崩二极管用于相对所述光源被开启时进行亮曝光并相对所述光源被关闭时进行暗曝光以产生电脉冲。所述两计数器的每一者包含多级计数单元，其中所述雪崩二极管在所述亮曝光的期间产生的所述电脉冲输入至所述多级计数单元的第一级而所述雪崩二极管在所述暗曝光的期间产生的所述电脉冲切换为输入至所述多级计数单元的所述第一级以后的其他计数单元。
[0013] 本发明还提供一种物体检测装置，包含光源、雪崩二极管、第一计数器、第二计数器以及处理器。所述光源用于在第一期间朝向物体发光，并在第二期间、第三期间及第四期间熄灭。所述雪崩二极管用于相对所述第一期间、所述第二期间、所述第三期间及所述及第四期间进行曝光以产生电脉冲。所述第一计数器用于对所述第一期间及所述第三期间的所述电脉冲进行计数以产生第一计数值。所述第二计数器用于对所述第二期间及所述第四期间的所述电脉冲进行计数以产生第二计数值。所述处理器用于处理所述第一计数值与所述第二计数值以计算所述物体与所述物体检测装置之间的飞行时间或距离。
[0014] 本发明
实施例的物体检测装置中，是将雪崩电流的事件计数视为
能量累积，并直接根据所述事件计数来计算可代表
相位偏移的计数比，该计数比可进而使用调变
频率被转换为飞行时间。
[0015] 本发明实施例的物体检测装置中，环境光的能量也是以事件计数表示。只要将仅由环境光激活的事件计数从同时由光源信号和环境光激活的事件计数中扣除，即可消除环境光的影响。
[0016] 为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显，下文将配合所
附图示，详细说明如下。此外，于本发明的说明中，相同的构件以相同的符号表示，于此合先述明。
附图说明
[0017] 图1是本发明实施例的物体检测装置的方
框图；
[0018] 图2是本发明第一实施例的物体检测装置的运作示意图；
[0019] 图3是本发明第二实施例的物体检测装置的运作示意图；
[0020] 图4是本发明第三实施例的物体检测装置的运作示意图；
[0021] 图5是本发明第四实施例的物体检测装置的运作示意图；
[0022] 图6是本发明第四实施例的物体检测装置的滤波转移函数的示意图；
[0023] 图7是本发明第四实施例的物体检测装置中连接计数器的
开关控制的示意图。
[0024] 附图标记说明
[0025] 100 物体检测装置
[0026] 11 光源
[0027] 13 取样开关
[0028] 15 第一计数器
[0029] 17 第二计数器
[0030] 19 处理器
[0031] O 物体
[0032] AD 雪崩二极管
具体实施方式
[0033] 请参照图1所示，其为本发明实施例的物体检测装置100的方框示意图。物体检测装置100用于根据光检测元件的曝光期间中两个计数器对雪崩事件分别的累积计数来计算光的传递时间。由时光速为已知，物体检测装置100则可根据所述传递时间计算物体O与物体检测装置100(更详言之是与其光检测元件)的距离。
[0034] 如图1所示，物体检测装置100包含光源11、光检测元件(例如雪崩二极管AD)、取样开关13、第一计数器15、第二计数器17以及处理器19。
[0035] 请参照图2所示，接着说明本发明第一实施例的物体检测装置100的一种实施方式。
[0036] 光源11是
激光二极管(LD)，例如垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)。光源11以可辨识
光谱(例如红光和/或红外光)朝向物体O发光；其中，所述物体O是位于物体检测装置100的可检测距离范围内的任何物体，只要能反射光源11发出的光即可，并无特定限制。例如，图2显示光源11在曝光期间的第一期间T1发光而于第二期间T2熄灭，并以此方式反复运作。例如，曝光期间＝T1+T2。
[0037] 图2显示光源11开始发光后，发射光经过时间间隔Tf后从物体O反射回雪崩二极管AD。雪崩二极管AD例如是单光子雪崩二极管(SPAD)。可以了解的是，每当SPAD接收或检测一个光子时则激活一个雪崩电流(或称雪崩事件)以产生电脉冲，例如电流脉冲。本发明的物体检测装置100即是利用此雪崩事件在预定时间(例如第一期间T1及第二期间T2)的发生次数来计算飞行时间(TOF)，并据以进而求得物体O的距离。可以了解的是，Tf的长度是根据物体距离所决定，同时t1、t2也连带受到影响。
[0038] 取样开关13例如是开关组件或是多任务器(MUX)，用于在第一期间T1导通雪崩二极管AD与第一计数器15，以使第一计数器15能够对雪崩二极管AD进行取样(此处称为第一频道)。取样开关13还用于在第二期间T2导通雪崩二极管AD与第二计数器17，以使第二计数器17能够对雪崩二极管AD进行取样(此处第二频道)。
[0039] 本发明中的所述取样是计数雪崩事件，例如在期间t1中，雪崩二极管AD同时接收光源信号及环境光的光能量，故第一计数器15能够计数到较高的计数值，其包含光源信号及环境光所引发的雪崩电流脉冲；而在期间Tf中，雪崩二极管AD仅接收环境光的光能量，故第一计数器15计数到较低的计数值，其仅包含环境光所引发的雪崩电流脉冲。图2亦显示第二频道的事件。密集事件的期间表示同时存在光源信号及环境光，而稀疏事件的期间表示仅存在环境光。
[0040] 第一计数器15及第二计数器17可以是异步计数器(asynchronous counter)，例如连波计数器(ripple counter)。
[0041] 第一频道的预定时间(例如第一期间T1)内的雪崩事件的次数理论上可以方程式(1)表示：
[0042] CN1＝t1×FF×PDP×(PLD/Eph)+tp×FF×PDP×(PAMB/Eph) (1)，
[0043] 第二频道的预定时间(例如第二期间T2)内的雪崩事件的次数理论上可以方程式(2)表示：
[0044] CN2＝t2×FF×PDP×(PLD/Eph)+tp×FF×PDP×(PAMB/Eph) (2)
[0045] 其中，FF是雪崩二极管AD的填充因子(fill factor)、PDP是光子检测机率(photon detection probability)、PLD是检测的光源信号能量、PAMB是检测的环境光能量、Eph是光子能量。本发明中，飞行时间定义为方程式(3)
[0046] TOF1＝(1/2fmod)×(CN2/(CN1+CN2)) (3)
[0047] 其中，fmod是光源11的调变频率、第一频道取样频率或第二频道取样频率。实际上CM1和CN2是分别由第一计数器15及第二计数器17所检测。
[0048] 由于光速为已知，处理器19则可根据飞行时间TOF1(其相关于Tf)计算物体O与物体检测装置100的距离或深度。
[0049] 从方程式(1)至(3)可清楚看出，由于存在环境光能量PAMB，飞行时间TOF1受到环境光的影响。同时，由于每个雪崩二极管AD的PDP不尽相同，因此在包含多个雪崩二极管的感测阵列中，会出现相素之间检测能量不均匀而产生距离歧义(ambiguity)的情形。
[0050] 为了降低环境光的影响，可采用亮暗曝光差分的方式。例如参照图3所示，其为本发明第二实施例的物体检测装置的运作示意图，其同样适用于图1的物体检测装置100。
[0051] 图3的实施例中，在第一曝光期间中包含多个亮曝光，每个亮曝光的运作模式与图2的曝光期间(T1+T2)相同，故图3省略了事件时序图。因此，在第一曝光期间，第一计数器15累计有N个图2的曝光期间中第一频道的雪崩事件的第一计数值Q1ON，例如，Q1ON＝N×CN1(参照方程式1)。同理，第二计数器17累计有N个图2的曝光期间中第二频道的雪崩事件的第二计数值Q2ON，例如，Q2ON＝N×CN2(参照方程式2)。处理器19则在第一读取期间读取所述第一计数值Q1ON及所述第二计数值Q2ON并储存于物体检测装置100的内存(未绘示)中。
[0052] 接着，在第二曝光期间中，除了光源11不点亮外，取样开关13、第一计数器15及第二计数器17的操作均与第一曝光期间相同。由于光源11在第二曝光期间未点亮，因此此处称每一个曝光期间称为暗曝光。同理，在经过N次暗曝光后，第一计数器15累计有N个暗曝光期间中第一频道的雪崩事件的第三计数值Q1OFF，而第二计数器17累计有N个暗曝光期间中第二频道的雪崩事件的第四计数值Q2OFF。
[0053] 本实施例中，所述N值则根据第一计数值Q1ON、第二计数值Q2ON、第三计数值Q1OFF及第四计数值Q2OFF的期望值以及物体检测装置100的可检测距离预先设定。第三计数值Q1OFF用于消除第一计数值Q1ON中环境光的影响，而第四计数值Q2OFF用于消除第二计数值Q2ON中环境光的影响。
[0054] 同理，根据方程式(3)，可定义出第二实施例的飞行时间如方程式(4)：
[0055] TOF2＝(1/2fmod)×(Q2ON-Q2OFF)/((Q1ON-Q1OFF)+(Q2ON-Q2OFF)) (4)[0056] 同理，处理器19可根据飞行时间TOF2计算物体O与检测装置100的距离或深度。
[0057] 图3中，虽然通过亮暗曝光的差分运算(参照方程式4)来消除环境光所造成的噪声，但由于第一曝光期间经过了N次亮曝光的时间且第二曝光期间经过了N次暗曝光的时间，当环境光的强度随时间改变时，则会削减除噪的效果。
[0058] 请参照图4所示，其为本发明第三实施例的物体检测装置的运作示意图，其同样是以图1的物体检测装置100来实施。图4与图3的差异在于，图4中亮暗曝光的期间配置为彼此相邻，以进而降低环境光随时间变化的影响。
[0059] 如图4所示，光源11用于在第一期间T1朝向物体O发光，并在第二期间T2、第三期间T3及第四期T4间熄灭。本实施例中，第一期间T1、第二期间T2、第三期间T3及第四期间T4间形成一个曝光期间。例如，曝光期间＝T1+T2+T3+T4且T1至T4优选为相等。由于第一取样频道在第一期间T1且第二取样频道在第二期间T2会检测到光源信号的能量，因此第一期间T1与第二期间T2称为亮曝光。例如，亮曝光期间＝T1+T2。另一方面，由于第一取样频道在第三期间T3且第二取样频道在第四期间T4不会检测到光源信号的能量，因此第三期间T3与第四期间T4称为暗曝光。例如，暗曝光期间＝T3+T4。
[0060] 雪崩二极管AD相对第一期间T1、第二期间T2、第三期间T3及第四期间T4进行曝光以当接收到光子时产生电脉冲。
[0061] 取样开关13在第一期间T1及第三期间T3导通雪崩二极管AD与第一计数器15，以使所述第一计数器15在所述第一期间T1及所述第三期间T3计数所述雪崩二极管AD产生的电脉冲以产生第一计数值。本实施例中，第一计数器15用于在第一期间T1对电脉冲进行上数计数(例如读取一个脉冲则计数加1)接着在第三期间T3对电脉冲进行下数计数(例如读取一个脉冲则计数减1)以产生第一计数值。换句话说，第一计数器15可包含一个上数计数器及一个下数计数器或使用一个可进行上数及下数的计数器进行计数，并无特定限制，只要能当从处理器19接收
控制信号值改变计数方向即可。本实施例中，在第一期间T1结束后第一计数器15的最终计数值不被重置，而进入第三期间T3时从第一期间T1的最终计数值开始下数计数。第三期间T3的下数计数可视为从第一期间T1计数的电脉冲中消去环境光激活的电脉冲，以作为消除环境光影响的方法。
[0062] 类似地，取样开关13在第二期间T2及第四期间T4导通雪崩二极管AD与第二计数器17，以使所述第二计数器17在所述第二期间T2及所述第四期间T4计数所述雪崩二极管AD产生的电脉冲以产生第二计数值。本实施例中，第二计数器17用于在第二期间T2对电脉冲进行上数计数(例如读取一个脉冲则计数加1)接着在第四期间T4对电脉冲进行下数计数(例如读取一个脉冲则计数减1)以产生第二计数值。第二计数器17可选择与第一计数器15相同的计数器。同理，在第二期间T2结束后第二计数器17的最终计数值不被重置，而进入第四期间T4时从第二期间T2的最终计数值开始下数计数。第四期间T4的下数计数可视为从第二期间T2计数的电脉冲中消去环境光激活的电脉冲，以作为消除环境光影响的方法。
[0063] 本实施例在第三期间T3结束后所得到的第一计数值及第四期间T4结束后所得到的第二计数值即表示已消除环境光影响的结果，而无需另外进行差分或减法运算。
[0064] 处理器19用于处理所述第一计数值与所述第二计数值以计算所物体O与所述物体检测装置100之间的飞行时间或距离。例如，处理器19基于方程式(3)的相同概念根据所述第一计数值与所述第二计数值计算飞行时间。同理，根据方程式(1)的相同概念，预定时间(例如一个曝光期间)中第一计数值可以方程式(5)表示：
[0065] CN1＝(t1×FF×PDP×PLD/Eph+tp×FF×PDP×PAMB/Eph)-(tp×FF×PDP×PAMB/Eph)(5)
[0066] 同理，根据方程式(2)的相同概念，预定时间(例如一个曝光期间)中第二计数值可以方程式(6)表示：
[0067] CN2＝(t2×FF×PDP×PLD/Eph+tp×FF×PDP×PAMB/Eph)-(tp×FF×PDP×PAMB/Eph)(6)
[0068] 飞行时间则可基于方程式(3)来计算。
[0069] 如前所述，由于方程式(5)、(6)中均包含机率值PDP，处理器19优选在图4的累积曝光期间中累积多个曝光期间的第一计数值CN1及第二计数值CN2；其中，所述多个曝光期间的数目是由所述第一计数值及所述第二计数值的期望值以及物体检测装置100的可检测距离决定。最后，在读取期间读出N倍的第一计数值CN1及N倍的第二计数值CN2后，再根据方程式(3)来计算飞行时间。
[0070] 如前所述，当飞行时间求得后，处理器19还可根据求得的飞行时间计算所述物体O的距离或深度。
[0071] 上述实施例是以单一个雪崩二极管AD为例进行说明。其他实施例中，物体检测装置100包含多个阵列排列的雪崩二极管AD的感测阵列相对所述第一期间T1、所述第二期间T2、所述第三期间T3及所述第四期间T4进行曝光，以使每个雪崩二极管AD产生电脉冲。
[0072] 此时，物体检测装置100包含多个第一计数器15。每个第一计数器15对应多个雪崩二极管AD其中一者。每个第一计数器15在第一期间T1对相对应的雪崩二极管AD产生的电脉冲进行上数计数，接着在第三期间T3对所述相对应的雪崩二极管AD产生的电脉冲进行下数计数以产生第一计数值，例如CN1。物体检测装置100还包含多个第二计数器17。每个第二计数器17对应多个雪崩二极管AD其中一者。每个第二计数器17在第二期间T2对相对应的雪崩二极管AD产生的电脉冲进行上数计数，接着在第四期间T4对所述相对应的雪崩二极管AD产生的电脉冲进行下数计数以产生第二计数值，例如CN2。
[0073] 本实施例中，每个雪崩二极管AD的运作如上所述并显示于图4中，故于此不再赘述。
[0074] 处理器19则根据每个雪崩二极管AD相关的第一计数值CN1与第二计数值CN2计算每个雪崩二极管AD相关的飞行时间，故可得到多个飞行时间。
[0075] 处理器19还根据所述多个雪崩二极管AD的多个飞行时间计算所述物体O的
深度图(或称物体的3D影像)。
[0076] 本实施例中，每个雪崩二极管AD均配置一个相对应的取样开关13。每个取样开关13在第一期间T1及第三期间T3导通雪崩二极管AD与相对应的第一计数器15，以使所述第一计数器15计数所述雪崩二极管AD产生的电脉冲。每个取样开关13并在第二期间T2及第四期间T4导通雪崩二极管AD与相对应第二计数器17，以使所述第二计数器17计数所述雪崩二极管AD产生的电脉冲。
[0077] 当环境光具有交流频率(例如电
力系统的频率)时，还可以利用计数器的计数值达到类似
滤波器的效果，以降低所述交流频率的影响。
[0078] 请参照图5所示，其为本发明第四实施例的物体检测装置的运作示意图，其同样可以图1的物体检测装置100来实现。如前所述，物体检测装置100包含光源11用于被开启或关闭，例如由处理器19所控制。雪崩二极管AD用于相对光源11被开启时进行亮曝光并相对光源11被关闭时进行暗曝光以产生电脉冲。本发明中，所述亮曝光的期间并非意指光源11一直被点亮，而是指在部分时间中点亮，而所述暗曝光的期间中光源11完全不点亮。
[0079] 如前所述，第一计数器15及第二计数器17可为涟波计数器。已知涟波计数器包含多个串接的D正反器以作为多级计数单元，如图7所示的元件55；其中，级数的多寡则视计数值而定。雪崩二极管AD在亮曝光的期间产生的电脉冲输入至所述多级计数单元的第一级，而雪崩二极管AD在暗曝光的期间产生的电脉冲切换(例如通过切换元件或多任务器)为输入至所述多级计数单元的所述第一级以后的其他计数单元，亦即旁路(bypass)第一级计数单元。此外，取样开关13，如图1所示，同样用于将雪崩二极管AD连接至第一计数器15及第二计数器17其中之一，以让第一计数器15或第二计数器17能够计数雪崩二极管AD产生的电脉冲。
[0080] 图6显示二阶滤波器的转移函数的示意图。请再参照图5所示，若欲实现如图6的转移函数时，每个曝光期间包含一个亮曝光的期间(例如T1+T2)以及两个暗曝光的期间(例如T3+T4和T5+T6)。可以了解的是，不同转移函数对应不同的操作，而不限于图5所示，只要曝光期间包含一个所述亮曝光的期间和多个所述暗曝光的期间即可。转移函数可根据所欲消除的环境光的交流频率决定。
[0081] 图5中，亮曝光的期间T1中，电脉冲被输入至第一计数器15的第一级计数单元以对第一频道的雪崩事件进行上数计数。在亮曝光结束后，第一计数器15的计数值不被重置。第一暗曝光期间T3中，电脉冲被输入至第一计数器15的第二级计数单元以对第一频道的雪崩事件进行下数计数，其是从亮曝光的期间T1结束时的计数值开始下数。在第一暗曝光结束后，第一计数器15的计数值仍然不被重置。第二暗曝光期间T5中，电脉冲再度被输入至第一计数器15的第一级计数单元以对第一频道的雪崩事件进行上数计数，其是从第一暗曝光的期间T3结束时的计数值开始上数。
[0082] 同理，亮曝光的期间T2中，电脉冲被输入至第二计数器17的第一级计数单元以对第二频道的雪崩事件进行上数计数。在亮曝光结束后，第二计数器17的计数值不被重置。第一暗曝光期间T4中，电脉冲被输入至第二计数器17的第二级计数单元以对第二频道的雪崩事件进行下数计数，其是从亮曝光的期间T2结束时的计数值开始下数。在第一暗曝光结束后，第二计数器17的计数值仍然不被重置。第二暗曝光期间T6中，电脉冲再度被输入至第二计数器17的第一级计数单元以对第二频道的雪崩事件进行上数计数，其是从第一暗曝光的期间T4结束时的计数值开始上数。
[0083] 一个曝光期间结束后，第一计数器15产生第一计数值且第二计数器17产生第二计数值。处理器19则基于上述方程式(3)及(4)的相同概念，根据第一计数值及第二计数值计算飞行时间Tf，并据以进而计算物体O的距离。
[0084] 本实施例中，上数计数或下数计数是由转移函数的计算系数的正负符号表示，例如正号则进行上数计数而负号则进行下数计数，亦可反向为之。电脉冲被输入所述多级计数单元中的级数是由转移函数的计算系数的数值决定，例如数值1则输入至第一级、数值2则输入至第二级、数值4则输入至第三级，并依此类推。
[0085] 同理，为了使第一计数值及第二计数值能够达到期望值，处理器19在每个曝光期间结束时不重置(例如归零)第一计数值及第二计数，并持续累加多个曝光期间的第一计数值及第二计数直到累加曝光期间结束。或者，处理器19可在每个曝光期间结束时先将第一计数值及第二计数储存至记忆体中后进行重置(归零)，并将预定次数的每个曝光期间的计数值累加至记忆体中的储存值。如前所述，累加的所述多个的曝光期间数值是根据所述期望值以及物体检测装置100的可检测距离而定。
[0086] 综上所述，虽然使用单光子雪崩二极管可检测极弱光以及高频信号，但是环境光的影响仍然需要去除以增进检测精度并降低
像素间的距离歧义。因此，本发明还提供一种直接根据雪崩二极管的雪崩事件的计数计算飞行时间的检测装置(图1)及其运作方法(图2-5)，其可通过计算亮暗曝光的累积计数来消除环光的噪声。
[0087] 虽然本发明已通过前述实例披露，但是其并非用以限定本发明，任何本发明所属技术领域中具有通常知识技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与
修改。因此本发明的保护范围当视后附的
权利要求所界定的范围为准。
