專利名稱：測距設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測距設(shè)備，特別涉及一種基于ToF(飛行時(shí)間)測量的主動(dòng)式測距設(shè)備。
背景技術(shù)：
文獻(xiàn)1(JP 2004-45304)公開一種基于飛行時(shí)間測量的測距設(shè)備。文獻(xiàn)1中公開的測距設(shè)備被配置成發(fā)射強(qiáng)度以恒定周期振動(dòng)的強(qiáng)度調(diào)制光(比如正弦波)。測距設(shè)備被配置成測量發(fā)射時(shí)的強(qiáng)度調(diào)制光的波形和接收時(shí)的強(qiáng)度調(diào)制光的波形之間的相差，根據(jù)測量的相差，計(jì)算到目標(biāo)的距離。在文獻(xiàn)1中公開的測距設(shè)備中，發(fā)射時(shí)波形和接收時(shí)波形之間的相差對(duì)應(yīng)于從發(fā)射強(qiáng)度調(diào)制光開始，到收到目標(biāo)反射的強(qiáng)度調(diào)制光為止的時(shí)段(發(fā)射時(shí)間和接收時(shí)間之間的時(shí)間差)。時(shí)間差τ用等式τ =T(WAji)表示，其中T [s]是強(qiáng)度調(diào)制光的周期，c [m/ s]是光速，W[rad]是波形之間的相差。到目標(biāo)的距離L用等式L= (1/2) cT (Ψ/2 π )表
7J\ ο文獻(xiàn)1中公開的測距設(shè)備的最大測量距離對(duì)應(yīng)于強(qiáng)度調(diào)制光的半周期。于是，最大測量距離可隨著強(qiáng)度調(diào)制光的頻率的降低而增大。然而，降低強(qiáng)度調(diào)制光的頻率來增大最大測量距離會(huì)導(dǎo)致距離分辨率的降低。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述不足，本發(fā)明目的在于提出一種能夠增大最大測量距離而不會(huì)導(dǎo)致距離分辨率的降低的測距設(shè)備。按照本發(fā)明的測距設(shè)備包括光源，其被配置成向其中存在目標(biāo)的目標(biāo)空間發(fā)射光；光電轉(zhuǎn)換器，其被配置成在受光時(shí)段內(nèi)從目標(biāo)空間接收光，并產(chǎn)生與所接收光的強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的電荷量；電荷積累器，其被配置成在比受光時(shí)段長的預(yù)定積累時(shí)段內(nèi)積累由光電轉(zhuǎn)換器生成的電荷；定時(shí)控制器；延遲控制器和距離計(jì)算器。定時(shí)控制器被配置成向光源輸出調(diào)制信號(hào)，并被配置成向延遲控制器輸出多個(gè)基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)。調(diào)制信號(hào)被定義成具有交替出現(xiàn)的高低電平時(shí)段的方波信號(hào)。每個(gè)高低電平時(shí)段都使其長度隨機(jī)地選自預(yù)定單位時(shí)段的整數(shù)倍。多個(gè)基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)包括波形與調(diào)制信號(hào)相同的非反相基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)，和作為非反相基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)的反相信號(hào)的反相基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)。光源被配置成根據(jù)從定時(shí)控制器接收的調(diào)制信號(hào)來改變光的強(qiáng)度。延遲控制器被配置成使從定時(shí)控制器接收的多個(gè)基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)分別延遲預(yù)定的延遲時(shí)段，從而產(chǎn)生多個(gè)定時(shí)信號(hào)，和把所述多個(gè)定時(shí)信號(hào)輸出給光電轉(zhuǎn)換器。光電轉(zhuǎn)換器被配置成選擇從延遲控制器接收的多個(gè)定時(shí)信號(hào)的高電平時(shí)段和低電平時(shí)段之一，作為受光時(shí)段。電荷積累器被配置成與多個(gè)定時(shí)信號(hào)中的每個(gè)定時(shí)信號(hào)相關(guān)聯(lián)地積累光電轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的電荷。距離計(jì)算器被配置成根據(jù)分別與多個(gè)定時(shí)信號(hào)關(guān)聯(lián)的電荷量來計(jì)算時(shí)間差，并根據(jù)計(jì)算的時(shí)間差和延遲時(shí)段計(jì)算到目標(biāo)的距離。在一個(gè)優(yōu)選方面，多個(gè)基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)包括與調(diào)制信號(hào)相同的第一基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)，定義為通過反相第一基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)而獲得的信號(hào)的第二基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)，波形與調(diào)制信號(hào)相同，并相對(duì)于調(diào)制信號(hào)延遲單位時(shí)段的第三基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)，和定義為通過反相第三基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)而獲得的信號(hào)的第四基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)。距離計(jì)算器被配置成根據(jù)分別與第一、第二、第三和第四基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)相關(guān)聯(lián)的電荷量來計(jì)算時(shí)間差。在一個(gè)優(yōu)選方面，距離計(jì)算器被配置成按照把由延遲時(shí)段確定的距離與由時(shí)間差確定的距離相加的方式，計(jì)算到目標(biāo)的距離。在一個(gè)優(yōu)選方面，測距設(shè)備還包括距離范圍設(shè)定單元。距離范圍設(shè)定單元被配置成按照接收的輸入信號(hào)，從不同的時(shí)段中選擇延遲時(shí)段，并把選擇的延遲時(shí)段發(fā)送給延遲控制器。延遲控制器被配置成使基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)延遲從距離范圍設(shè)定單元接收的延遲時(shí)段， 從而產(chǎn)生定時(shí)信號(hào)。在一個(gè)優(yōu)選方面，測距設(shè)備包括多個(gè)光電轉(zhuǎn)換器。光電轉(zhuǎn)換器被布置在公共平面中，從而形成成像區(qū)。距離計(jì)算器被配置成產(chǎn)生由分別與多個(gè)光電轉(zhuǎn)換器關(guān)聯(lián)的多個(gè)像素限定的距離圖像。每個(gè)像素具有其像素值。距離計(jì)算器被配置成關(guān)于每個(gè)像素，確定到目標(biāo)的距離是否等于預(yù)定距離，并區(qū)分到目標(biāo)的距離等于預(yù)定距離的像素的像素值和到目標(biāo)的距離不等于預(yù)定距離的像素的像素值。預(yù)定距離被定義成由如下的時(shí)間差所確定的距離 該時(shí)間差是與光源發(fā)光時(shí)的時(shí)間和從光源發(fā)光時(shí)起經(jīng)過延遲時(shí)段之后，與非反相基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)相關(guān)聯(lián)的電荷量首次變得與反相基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)相關(guān)聯(lián)的電荷量相等時(shí)的時(shí)間之間的時(shí)間差。在一個(gè)優(yōu)選方面，測距設(shè)備還包括距離范圍設(shè)定單元。距離范圍設(shè)定單元被配置成從不同的時(shí)段中選擇延遲時(shí)段，并把選擇的延遲時(shí)段發(fā)送給延遲控制器。延遲控制器被配置成使基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)延遲從距離范圍設(shè)定單元接收的延遲時(shí)段，從而產(chǎn)生定時(shí)信號(hào)。在一個(gè)優(yōu)選方面，測距設(shè)備還包括事件檢測器，其被配置成檢測在目標(biāo)空間中是否發(fā)生預(yù)定事件；和多個(gè)光電轉(zhuǎn)換器。光電轉(zhuǎn)換器被布置在公共平面中，從而形成成像區(qū)。 距離范圍設(shè)定單元被配置成當(dāng)事件檢測器檢測到發(fā)生所述事件時(shí)，根據(jù)到事件在目標(biāo)空間中發(fā)生的位置的距離來選擇延遲時(shí)段。距離計(jì)算器被配置成產(chǎn)生由分別與多個(gè)光電轉(zhuǎn)換器關(guān)聯(lián)的多個(gè)像素限定的距離圖像，每個(gè)像素具有與到目標(biāo)的距離對(duì)應(yīng)的像素值。在一個(gè)優(yōu)選方面，測距設(shè)備包括多個(gè)光電轉(zhuǎn)換器。光電轉(zhuǎn)換器被布置在公共平面中，從而形成成像區(qū)。距離范圍設(shè)定單元被配置成選擇定義不同測量范圍的多個(gè)延遲時(shí)段。 距離計(jì)算器被配置成產(chǎn)生分別對(duì)應(yīng)于多個(gè)延遲時(shí)段的多個(gè)距離圖像，多個(gè)距離圖像中的每一個(gè)由分別與多個(gè)光電轉(zhuǎn)換器相關(guān)聯(lián)的多個(gè)像素限定。像素中的每一個(gè)具有像素值。距離計(jì)算器被配置成所述距離計(jì)算器被配置成把像素所對(duì)應(yīng)的到所述目標(biāo)的距離在測量范圍內(nèi)的像素的像素值選擇為有效像素值。有效像素值表示到目標(biāo)的距離。距離計(jì)算器被配置成把像素所對(duì)應(yīng)的到所述目標(biāo)的距離在測量范圍外的像素的像素值選擇為無效像素值。無效像素值表示到目標(biāo)的距離在測量范圍之外。距離計(jì)算器被配置成按照減少具有無效像素值的像素的數(shù)量的方式，把多個(gè)距離圖像合成為合成距離圖像。在一個(gè)優(yōu)選方面，按照使相應(yīng)的測量范圍連續(xù)的方式選擇多個(gè)延遲時(shí)段。在一個(gè)優(yōu)選方面，距離計(jì)算器被配置成把像素所對(duì)應(yīng)應(yīng)的到目標(biāo)的距離等于預(yù)定距離的像素的像素值選擇為有效像素值，并且把像素所對(duì)應(yīng)的到目標(biāo)的距離不等于預(yù)定距離的像素的像素值選擇為無效像素值。預(yù)定距離被定義成由如下時(shí)間差所確定的距離該時(shí)間差是與光源發(fā)光時(shí)的時(shí)間和從光源發(fā)光時(shí)起經(jīng)過延遲時(shí)段之后，與非反相基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)相關(guān)聯(lián)的電荷量首次變得與反相基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)相關(guān)聯(lián)的電荷量相等時(shí)的時(shí)間之間的時(shí)間差。在一個(gè)優(yōu)選方面，測距設(shè)備還包括有效性檢查單元。有效性檢查單元被配置成查閱分別與多個(gè)定時(shí)信號(hào)相關(guān)的電荷量之間的關(guān)系是否滿足預(yù)定判定條件，并確定到目標(biāo)的距離是否在測量范圍之內(nèi)。距離計(jì)算器被配置成根據(jù)有效性檢查單元做出的確定結(jié)果來產(chǎn)生距離圖像。在一個(gè)優(yōu)選方面，多個(gè)基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)包括波形與調(diào)制信號(hào)相同、并且相對(duì)于調(diào)制信號(hào)被延遲單位時(shí)段的延遲非反相基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)，和定義為通過反相延遲非反相基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)而獲得的信號(hào)的延遲反相基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)。距離計(jì)算器被配置成根據(jù)分別與延遲非反相基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)和延遲反相基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)對(duì)應(yīng)的電荷量來計(jì)算時(shí)間差。


圖1是圖解說明按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的測距設(shè)備的方框圖，圖2是圖解說明在所述測距設(shè)備中使用的調(diào)制信號(hào)的示意圖，圖3是圖解說明所述測距設(shè)備的操作的說明圖，圖4是圖解說明所述測距設(shè)備的操作的說明圖，圖5是圖解說明所述測距設(shè)備的操作的說明圖，圖6是圖解說明所述測距設(shè)備的操作的說明圖，圖7是圖解說明所述測距設(shè)備的測距原理的說明圖，圖8是圖解說明所述測距設(shè)備的操作的說明圖，以及圖9是圖解說明所述測距設(shè)備的操作的說明圖。
具體實(shí)施例方式如圖1中所示，本實(shí)施例的測距設(shè)備是一種主動(dòng)式測距設(shè)備。本實(shí)施例的測距設(shè)備包括光源1、受光傳感器2、代碼發(fā)生器4、定時(shí)控制器5、距離計(jì)算器6、有效性檢查單元 7、延遲控制器8和距離范圍設(shè)定單元9。光源1被配置成把光發(fā)射到其中存在作為測距候選物的目標(biāo)3的空間(目標(biāo)空間)中。受光傳感器2被配置成從目標(biāo)空間接收光。本實(shí)施例的測距設(shè)備根據(jù)與從光源1向目標(biāo)3發(fā)射光開始，到受光傳感器2收到目標(biāo)3反射的光為止的時(shí)段(飛行時(shí)間)Tf (參見圖3的(b))對(duì)應(yīng)的物理量，測量到目標(biāo)3的距離。換句話說，本實(shí)施例的測距設(shè)備借助飛行時(shí)間測量，測量到目標(biāo)3的距離。光源1是能夠?qū)崿F(xiàn)高頻(例如，IOMHz)光輸出(光的強(qiáng)度)的調(diào)制的發(fā)光元件(例如，發(fā)光二極管和激光二極管)。受光傳感器2是配置成感測在短時(shí)段內(nèi)觀測到的接收光的強(qiáng)度變化的受光元件， 所述短時(shí)段大體上和觀測到從光源1發(fā)射的光的光輸出的變化的時(shí)段相同。受光傳感器2是如CXD區(qū)圖像傳感器和CMOS區(qū)圖像傳感器那樣具有多個(gè)受光區(qū)域(對(duì)應(yīng)于像素的區(qū)域)的受光元件(攝像元件)。在這種情況下，能夠同時(shí)測量到存在于由受光元件的視野確定的空間區(qū)域中的目標(biāo)3的距離。簡言之，能夠在不利用從光源1發(fā)射的光搜索所述空間區(qū)域，和/或掃描受光元件的視野的情況下，生成由多個(gè)像素定義的距離圖像，每個(gè)像素具有其表示距離值(與到目標(biāo)3的距離相符的值)的像素值。下面說明彼此相鄰的四個(gè)受光區(qū)域。所述四個(gè)受光區(qū)域構(gòu)成與距離圖像的單個(gè)像素對(duì)應(yīng)的單像素(單元)。在本實(shí)施例中，能夠從單一單元的受光量獲得關(guān)于距離圖像的單像素的信息。利用關(guān)于四個(gè)受光區(qū)域的操作，可解釋關(guān)于距離圖像的單像素的操作。受光傳感器2的每個(gè)受光區(qū)域相當(dāng)于具有單一受光區(qū)域的受光元件(例如，光電二極管和光電晶體管)。簡言之，受光傳感器2生成與接收光的強(qiáng)度(實(shí)際上，預(yù)定時(shí)段內(nèi)的受光量) 對(duì)應(yīng)的電荷量，并收集所述電荷。四個(gè)受光區(qū)域被排列成例如一行，或者排列成2X2矩陣。 此外，單一的受光區(qū)域可用作與距離圖像的單像素對(duì)應(yīng)的像素。當(dāng)受光傳感器2是光電二極管或光電晶體管時(shí)，設(shè)置諸如模擬開關(guān)之類的選通電路，以取出在受光時(shí)段內(nèi)，受光傳感器2生成的電荷。例如，當(dāng)受光傳感器2是成像器件時(shí)， 利用成像器件的電動(dòng)快門，確定收集電荷的受光時(shí)段的長度。在針對(duì)受光傳感器2的每個(gè)受光區(qū)域的電荷積累被重復(fù)多次(例如，1000次)之后，將所積累的電荷排出(下面，積累電荷的時(shí)段被稱為“積累時(shí)段”)。受光時(shí)段被定義成其中接收光的強(qiáng)度被認(rèn)為恒定的短時(shí)段。于是，在受光時(shí)段中，受光量等同于接收光的強(qiáng)度。換句話說，受光傳感器2包括多個(gè)光電轉(zhuǎn)換器、電荷積累器和電荷排出器。每個(gè)光電轉(zhuǎn)換器生成與在受光時(shí)段內(nèi)從目標(biāo)空間接收的光的強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的電荷量。換句話說，光電轉(zhuǎn)換器生成與在受光時(shí)段內(nèi)的受光量對(duì)應(yīng)的電荷量，并收集所述電荷。在本實(shí)施例中，多個(gè)電荷變換器被排列在公共平面中，以形成成像區(qū)。電荷積累器在比受光時(shí)段長很多的預(yù)定積累時(shí)段內(nèi)，積累光電轉(zhuǎn)換器收集的電荷(光電轉(zhuǎn)換器生成的電荷)。電荷排出器排出電荷積累器積累的電荷。就FT型CCD圖像傳感器來說，光電轉(zhuǎn)換器對(duì)應(yīng)于成像區(qū)域的一個(gè)像素，電荷積累器對(duì)應(yīng)于積累區(qū)域，電荷排出器對(duì)應(yīng)于水平傳送單元。此外，就IT型CCD圖像傳感器來說，光電轉(zhuǎn)換器對(duì)應(yīng)于成像區(qū)域的一個(gè)像素，電荷積累器對(duì)應(yīng)于垂直傳送單元，電荷排出器對(duì)應(yīng)于水平傳送單元。通過積累光電轉(zhuǎn)換器收集的電荷，能夠增大與受光區(qū)相關(guān)的排出電荷量。于是，能夠增強(qiáng)信號(hào)電平，從而能夠降低散粒噪聲導(dǎo)致的影響。在用IOMHz頻率調(diào)制的光源1的光輸出的情形下，即使積累次數(shù)約為10000，從受光傳感器2排出電荷的次數(shù)也可以是30次/ 秒以上。換句話說，利用距離圖像，能夠產(chǎn)生平滑的動(dòng)態(tài)圖像。如圖2中所示，調(diào)制信號(hào)是方波信號(hào)。在圖2中，為“1”的信號(hào)值指示調(diào)制信號(hào)是高電平，為“ 0 ”的信號(hào)值指示調(diào)制信號(hào)是低電平。調(diào)制信號(hào)無規(guī)律地變成高電平或低電平。 調(diào)制信號(hào)為高電平的概率與調(diào)制信號(hào)為低電平的概率相同。調(diào)制信號(hào)是利用產(chǎn)生在擴(kuò)展頻譜技術(shù)中使用的PN(偽隨機(jī)噪聲)碼的技術(shù)(例如，金氏碼發(fā)生器)產(chǎn)生的。按照和PN碼類似的方式產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)，以使每個(gè)高低電平時(shí)段的長度選自預(yù)定單位時(shí)段的整數(shù)倍。下面，和PN碼相一致，所述單位時(shí)段被稱為“碼片時(shí)間(chip duration)”。例如，碼片時(shí)間為 100 [ns]，不過并不局限于此。簡言之，調(diào)制信號(hào)是信號(hào)值(第一信號(hào)值)在第一值(例如，對(duì)應(yīng)于高電平的值) 和第二值(例如，對(duì)應(yīng)于低電平的值之間交替變化的方波信號(hào)。第一信號(hào)值為第一值的第一時(shí)段，和第一信號(hào)值為第二值的第二時(shí)段都具有選自預(yù)定單位時(shí)段的整數(shù)倍的長度。第一時(shí)段和第二時(shí)段的長度都是隨機(jī)確定的。此外，第一值可以是對(duì)應(yīng)于低電平的值，第二值可以是對(duì)應(yīng)于高電平的值。
代碼發(fā)生器4被配置成生成和輸出調(diào)制信號(hào)。從代碼發(fā)生器4輸出的調(diào)制信號(hào)經(jīng)定時(shí)控制器5，被提供給光源1。在調(diào)制信號(hào)為高電平的時(shí)候，使光源1保持打開狀態(tài)，在調(diào)制信號(hào)為低電平的時(shí)候，使光源1保持關(guān)閉狀態(tài)。簡言之，按照信號(hào)值(第一信號(hào)值)打開和關(guān)閉光源1 (改變光的強(qiáng)度)。定時(shí)控制器5被配置成從代碼發(fā)生器4接收調(diào)制信號(hào)，并把接收的調(diào)制信號(hào)輸出給光源1。此外，定時(shí)控制器5被配置成把多個(gè)基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)輸出給延遲控制器8。定時(shí)控制器5被配置成根據(jù)從代碼發(fā)生器4接收的調(diào)制信號(hào)，生成基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)。 基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)用于確定受光傳感器2收集生成的電荷的受光時(shí)段。在本實(shí)施例中，為了產(chǎn)生單個(gè)距離圖像，生成4個(gè)不同的基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)。所述4個(gè)不同的基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)分別對(duì)應(yīng)于受光傳感器2的4個(gè)受光區(qū)域，并且分別確定4個(gè)受光區(qū)域的受光時(shí)段。此外，定時(shí)控制器5被配置成輸出時(shí)鐘信號(hào)。時(shí)鐘信號(hào)用于確定排出受光傳感器2積累的電荷的定時(shí)，及距離計(jì)算器6和有效性檢查單元7的操作定時(shí)。圖3圖解說明調(diào)制信號(hào)和基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)之間的關(guān)系。參見圖3，(a)圖解說明調(diào)制信號(hào)(從光源1發(fā)出的光的強(qiáng)度)，和(b)圖解說明受光傳感器2接收的光的強(qiáng)度。定時(shí)控制器5根據(jù)調(diào)制信號(hào)，產(chǎn)生第一基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)(參見圖3的(C))，第二基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)(參
見圖3的(d))，第三基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)(參見圖3的(e))，和第四基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)(參見圖3的 ⑴)。如圖3的(C)中所示，第一基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)與調(diào)制信號(hào)相同。簡言之，第一基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)具有與調(diào)制信號(hào)相同的波形，并不相對(duì)于調(diào)制信號(hào)被延遲。如圖3的(d)中所示，第二基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)是通過反相調(diào)制信號(hào)的高低電平獲得的信號(hào)(反轉(zhuǎn)的調(diào)制信號(hào))。簡言之，第二基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)具有與反相的調(diào)制信號(hào)相同的波形，并不相對(duì)于反相的調(diào)制信號(hào)被延遲。 換句話說，第二基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)被定義成通過第一基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)的反轉(zhuǎn)而獲得的信號(hào)。如圖3 的(e)中所示，第三基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)是從調(diào)制信號(hào)延遲單個(gè)碼片時(shí)間(單位時(shí)段) 的信號(hào)。 簡言之，第三基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)具有與調(diào)制信號(hào)相同的波形，并且相對(duì)于調(diào)制信號(hào)被延遲。如圖 3的(f)中所示，第四基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)是利用使調(diào)制信號(hào)延遲單個(gè)碼片時(shí)間Tc，并反相延遲的調(diào)制信號(hào)的高低電平的步驟獲得的信號(hào)。簡言之，第四基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)具有與反相的調(diào)制信號(hào)相同的波形，并且相對(duì)于反相的調(diào)制信號(hào)被延遲。換句話說，第四基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)被定義成利用第三基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)的反相而獲得的信號(hào)。如上所述，定時(shí)控制器5被配置成產(chǎn)生多個(gè)基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)。所述多個(gè)基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)包括具有和調(diào)制信號(hào)相同的波形的非反相基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)(例如，第一基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)和第三基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào))，和定義成利用非反相基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)的反轉(zhuǎn)而獲得的信號(hào)的反相基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)(例如，第二基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)和第四基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào))。第三基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)被定義成具有與調(diào)制信號(hào)相同的波形，并且相對(duì)于調(diào)制信號(hào)被延遲單位時(shí)段的延遲的非反相基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)。第四基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)被定義成利用延遲的非反相基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)(第三基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào))的反轉(zhuǎn)而獲得的延遲的反相基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)。延遲控制器8被置于定時(shí)控制器5和受光傳感器2之間。延遲控制器8被配置成使從定時(shí)控制器5接收的每個(gè)基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)推遲延遲時(shí)段Td，以產(chǎn)生多個(gè)定時(shí)信號(hào)，并把所述多個(gè)定時(shí)信號(hào)輸出給受光傳感器2。在本實(shí)施例中，在保持基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)之間的相對(duì)時(shí)間關(guān)系的同時(shí)，延遲控制器8使在圖3的(C) (f)中分別圖解說明的基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)沿著時(shí)間軸向后移動(dòng)(即，延遲信號(hào))。從而，延遲控制器8產(chǎn)生通過使第一基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)推遲延遲時(shí)段而獲得的第一定時(shí)信號(hào)(參見圖6的(c))，通過使第二基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)推遲延遲時(shí)段而獲得的第二定時(shí)信號(hào)(參見圖6的(d))，通過使第三基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)推遲延遲時(shí)段而獲得的第三定時(shí)信號(hào)(參見圖6的(e))，和通過使第四基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)推遲延遲時(shí)段而獲得的第四定時(shí)信號(hào)(參見圖6的(f))。在圖6的(c) (f)中所示的實(shí)例中，延遲時(shí)段為(2/3) Tc。此外，當(dāng)延遲時(shí)段為“0”時(shí)，定時(shí)信號(hào)等同于對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)。距離范圍設(shè)定單元9用于確定延遲控制器8的延遲時(shí)段。距離范圍設(shè)定單元9被配置成從不同的時(shí)段中選擇延遲時(shí)段。距離范圍設(shè)定單元9向延遲控制器8指出延遲控制器8應(yīng)選擇哪個(gè)時(shí)段。距離范圍設(shè)定單元9按照來自控制器(例如，開關(guān))的輸入(用戶的輸入)或者指定延遲時(shí)段的信號(hào)的輸入來確定延遲時(shí)段。簡言之，距離范圍設(shè)定單元9 被配置成從不同的時(shí)段中選擇延遲時(shí)段，并把選擇的延遲時(shí)段發(fā)給延遲控制器8。延遲控制器8被配置成使基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)延遲從距離范圍設(shè)定單元9接收的延遲時(shí)段，從而產(chǎn)生定時(shí)信號(hào)。受光傳感器2接收從光源1發(fā)出并在經(jīng)過與到目標(biāo)3的距離對(duì)應(yīng)的時(shí)間(從發(fā)射所述光的時(shí)間起)之后由目標(biāo)3反射的光。受光傳感器2的每個(gè)受光區(qū)域在當(dāng)對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)為高電平的時(shí)段內(nèi)生成電荷。由與第一基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)相關(guān)的受光區(qū)域(第一受光區(qū)域)生成的電荷量AO對(duì)應(yīng)于用圖3的(c)中的陰影指示的面積。由與第二基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)相關(guān)的受光區(qū)域(第二受光區(qū)域)生成的電荷量A2對(duì)應(yīng)于用圖3的(d)中的陰影指示的面積。由與第三基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)相關(guān)的受光區(qū)域(第三受光區(qū)域)生成的電荷量Al對(duì)應(yīng)于用圖3的(e)中的陰影指示的面積。由與第四基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)相關(guān)的受光區(qū)域(第四受光區(qū)域)生成的電荷量A3對(duì)應(yīng)于用圖3的(f)中的陰影指示的面積。在對(duì)于每個(gè)受光區(qū)域多次重復(fù)電荷的積累之后(在多個(gè)碼片時(shí)間Tc內(nèi)積累電荷之后)，從受光傳感器2排出電荷。于是，由于調(diào)制信號(hào)的隨機(jī)性(即，第一時(shí)段和第二時(shí)段的長度是隨機(jī)確定的)，分別從受光區(qū)域排出的電荷量收斂于用飛行時(shí)間Tf的線性函數(shù)表示的值。飛行時(shí)間Tf等于通過相加時(shí)間差τ和延遲時(shí)段Td而獲得的值(Tf = Td+T)。 時(shí)間差τ是利用從受光傳感器2排出的電荷量AO A3計(jì)算的。在圖3中所示的實(shí)例中， 由于延遲時(shí)段Td為“0”，因此時(shí)間差τ等于飛行時(shí)間Tf。如圖4中所示，當(dāng)時(shí)間差τ在“0” Tc的范圍中時(shí)，電荷量AO和A3隨著時(shí)間差 τ的增大而減小，電荷量Al和Α2隨著時(shí)間差τ的增大而增大。理論上，電荷量AO A3滿足關(guān)系A(chǔ)0+A1+A2+A3 =恒量。此外，當(dāng)時(shí)間差τ為“0” 時(shí)，電荷量AO等于在整個(gè)積累時(shí)段內(nèi)受光的受光傳感器2( S卩，受光時(shí)段等于積累時(shí)段)產(chǎn)生的電荷量的一半。當(dāng)時(shí)間差τ等于單一碼片時(shí)間Tc時(shí)，電荷量Al等于在整個(gè)積累時(shí)段內(nèi)受光(即，受光時(shí)段等于積累時(shí)段)的受光傳感器2產(chǎn)生的電荷量的一半。當(dāng)τ在“0” Tc的范圍內(nèi)時(shí)，如下表述各個(gè)電荷量AO A3。下面，滿足關(guān)系 (Α0+Α2) /2 = (Al+A3)/2 = B，當(dāng)時(shí)間差 τ [s]為 “0” 時(shí)，電荷量 AO 為 “A+B”。[等式1]AO = - α · τ +A+BAl = α · τ +B
A2 = α · τ +Β_ΑA3 = - α · τ +B上面，“α ”表示指示電荷量與時(shí)間差τ的比率的常數(shù)，滿足關(guān)系α = A/Tc。鑒于上面所述，用下述等式確定時(shí)間差τ [s]。[等式2]
「 ^(Al-Ai)-Tc"{"Ο」種 U)}當(dāng)?shù)侥繕?biāo)3的距離被表示成L[m]，并且光速被表示成“C” [m/s]時(shí)，距離L用關(guān)系 L = C-A- τ /2 表示。當(dāng)單一碼片時(shí)間Tc為100[ns]時(shí)，τ在0 100[ns]的范圍內(nèi)。于是，L在 15 [m]的范圍內(nèi)。當(dāng)延遲時(shí)段Td為0 [s]，并且單一碼片時(shí)間Tc為100 [ns]時(shí)，最大可測距離(下面稱為“最大測量距離”)為15 [m]。距離計(jì)算器6根據(jù)受光傳感器2在用定時(shí)控制器5生成的基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)定義的時(shí)段內(nèi)生成的電荷，來進(jìn)行上述計(jì)算，從而確定到目標(biāo)3的距離L。此外，根據(jù)上述等式顯然可知，利用4個(gè)電荷量AO A4中的3個(gè)，能夠確定時(shí)間差 τ [s]。當(dāng)使用3個(gè)電荷量Al，Α2和A3時(shí)，Α1-Α2 = Α，并且Α1-Α3 = 2α τ。于是，τ被表
述成關(guān)系τ = (Tc/2) (A1-A3)/(A1-A2)0 當(dāng)使用 3 個(gè)電荷量 AO，Al 和 A2 時(shí)，AO = -(A/ Tc) τ+Α+Β，Α1 = (A/Tc) τ+Β，*Α2= (A/Tc) τ-A+B。于是，時(shí)間差 τ 被表述成下述等式。[等式3]
2A\-(AQ + A2) ^τ =-Ic
2(Α1-Α2)當(dāng)忽略干擾光(干擾分量)(即，B = Α)時(shí)，存在兩個(gè)未知數(shù)，即，時(shí)間差τ [s]和 Α。從而，僅僅利用4個(gè)電荷量AO A4中的2個(gè)，就能夠確定時(shí)間差τ [s]。當(dāng)使用2個(gè)電荷量AO和A2時(shí)，AO = - (A/Tc) τ +2Α，和Α2 = (A/Tc) τ。于是，時(shí)間差τ被表述成下述
等式ο[等式4] 2Α2τ =-Tc
AO+ Α2此外，當(dāng)預(yù)先根據(jù)已知距離計(jì)算了常數(shù)α?xí)r(或者當(dāng)目標(biāo)3具有恒定的反射率時(shí))，“Α”已知。在這種情形下，未知數(shù)有兩個(gè)，即，時(shí)間差τ [s]和“B”。從而，僅僅利用 4個(gè)電荷量AO Α4中的2個(gè)，就能夠確定時(shí)間差τ [s]。當(dāng)使用2個(gè)電荷量AO和Α2時(shí)， AO = - (A/Tc) τ +A+B,并且A2 = (A/Tc) τ-A+B。于是，時(shí)間差τ被表述成關(guān)系τ = {(2Α-Α0+Α2)/2Α} ^。當(dāng)在積累時(shí)段內(nèi)，使光源1保持關(guān)閉時(shí)，電荷量Α2等于當(dāng)時(shí)間差τ為“0”時(shí)獲得的電荷量(=B-A)。從而，根據(jù)在光源1被關(guān)閉的時(shí)候，受光傳感器2生成的電荷量，能夠確定“Β-Α”。于是，當(dāng)預(yù)先確定了“Β-Α”時(shí)，僅僅利用4個(gè)電荷量AO Α4中的2個(gè)，就能夠確定時(shí)間差τ [s]。當(dāng)使用2個(gè)電荷量AO和Α2時(shí)，時(shí)間差τ被表述成下述等式，其中AL =B-A。[等式5]
1權(quán)利要求
1.一種測距設(shè)備，包括光源，其被配置成向其中存在目標(biāo)的目標(biāo)空間發(fā)射光；光電轉(zhuǎn)換器，其被配置成在受光時(shí)段內(nèi)從所述目標(biāo)空間接收光，并產(chǎn)生與所接收的光的強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的電荷量；電荷積累器，其被配置成在比所述受光時(shí)段長的預(yù)定積累時(shí)段內(nèi)積累由所述光電轉(zhuǎn)換器生成的電荷； 定時(shí)控制器； 延遲控制器；和距離計(jì)算器， 其中所述定時(shí)控制器被配置成向所述光源輸出調(diào)制信號(hào)，并被配置成向所述延遲控制器輸出多個(gè)基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)，所述調(diào)制信號(hào)被定義成具有交替出現(xiàn)的高低電平時(shí)段的方波信號(hào)，每個(gè)高低電平時(shí)段都使其長度隨機(jī)地選自預(yù)定單位時(shí)段的整數(shù)倍，所述多個(gè)基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)包括波形與所述調(diào)制信號(hào)相同的非反相基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)，和作為所述非反相基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)的反相信號(hào)的反相基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)，所述光源被配置成根據(jù)從所述定時(shí)控制器接收的所述調(diào)制信號(hào)來改變光的強(qiáng)度， 所述延遲控制器被配置成使從所述定時(shí)控制器接收的所述多個(gè)基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)分別延遲預(yù)定的延遲時(shí)段，從而產(chǎn)生多個(gè)定時(shí)信號(hào)，并把所述多個(gè)定時(shí)信號(hào)輸出給所述光電轉(zhuǎn)換器，所述光電轉(zhuǎn)換器被配置成選擇從所述延遲控制器接收的所述多個(gè)定時(shí)信號(hào)的高電平時(shí)段和低電平時(shí)段之一，作為受光時(shí)段，所述電荷積累器被配置成與所述多個(gè)定時(shí)信號(hào)中的每個(gè)定時(shí)信號(hào)相關(guān)聯(lián)地積累所述光電轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的電荷，所述距離計(jì)算器被配置成根據(jù)分別與所述多個(gè)定時(shí)信號(hào)關(guān)聯(lián)的電荷量來計(jì)算時(shí)間差， 并根據(jù)計(jì)算的所述時(shí)間差和所述延遲時(shí)段計(jì)算到所述目標(biāo)的距離。
2.按照權(quán)利要求1所述的測距設(shè)備，其中所述多個(gè)基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)包括與所述調(diào)制信號(hào)相同的第一基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)；定義為通過反相所述第一基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)而獲得的信號(hào)的第二基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)；波形與所述調(diào)制信號(hào)相同， 并相對(duì)于所述調(diào)制信號(hào)延遲單位時(shí)段的第三基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)；以及定義為通過反相所述第三基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)而獲得的信號(hào)的第四基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)，所述距離計(jì)算器被配置成根據(jù)分別與所述第一、第二、第三和第四基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)相關(guān)聯(lián)的電荷量來計(jì)算所述時(shí)間差。
3.按照權(quán)利要求1所述的測距設(shè)備，其中所述距離計(jì)算器被配置成按照把由所述延遲時(shí)段確定的距離與由所述時(shí)間差確定的距離相加的方式，計(jì)算到目標(biāo)的距離。
4.按照權(quán)利要求1所述的測距設(shè)備，其中所述測距設(shè)備還包括距離范圍設(shè)定單元，所述距離范圍設(shè)定單元被配置成按照接收的輸入信號(hào)，從不同的時(shí)段中選擇所述延遲時(shí)段，并把選擇的延遲時(shí)段發(fā)送給所述延遲控制器，以及所述延遲控制器被配置成使所述基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)延遲從所述距離范圍設(shè)定單元接收的所述延遲時(shí)段，從而產(chǎn)生定時(shí)信號(hào)。
5.按照權(quán)利要求4所述的測距設(shè)備，其中所述測距設(shè)備包括多個(gè)所述光電轉(zhuǎn)換器， 其中所述多個(gè)光電轉(zhuǎn)換器被布置在公共平面中，從而形成成像區(qū)，所述距離計(jì)算器被配置成產(chǎn)生由分別與所述多個(gè)光電轉(zhuǎn)換器關(guān)聯(lián)的多個(gè)像素限定的距離圖像，每個(gè)像素具有其像素值，所述距離計(jì)算器被配置成關(guān)于每個(gè)像素，確定到所述目標(biāo)的距離是否等于預(yù)定距離， 并區(qū)分到所述目標(biāo)的距離等于所述預(yù)定距離的像素的像素值和到所述目標(biāo)的距離不等于所述預(yù)定距離的像素的像素值，所述預(yù)定距離被定義成由如下時(shí)間差所確定的距離該時(shí)間差是與所述光源發(fā)光時(shí)的時(shí)間和從所述光源發(fā)光時(shí)起經(jīng)過所述延遲時(shí)段之后，與所述非反相基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)相關(guān)聯(lián)的電荷量首次變得與所述反相基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)相關(guān)聯(lián)的電荷量相等時(shí)的時(shí)間之間的時(shí)間差。
6.按照權(quán)利要求1所述的測距設(shè)備，其中所述測距設(shè)備還包括距離范圍設(shè)定單元，所述距離范圍設(shè)定單元被配置成從不同的時(shí)段中選擇所述延遲時(shí)段，并把所述選擇的延遲時(shí)段發(fā)送給所述延遲控制器，以及所述延遲控制器被配置成使所述基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)延遲從所述距離范圍設(shè)定單元接收的所述延遲時(shí)段，從而產(chǎn)生定時(shí)信號(hào)。
7.按照權(quán)利要求6所述的測距設(shè)備，其中所述測距設(shè)備還包括事件檢測器，其被配置成檢測在所述目標(biāo)空間中是否發(fā)生預(yù)定事件；以及多個(gè)所述光電轉(zhuǎn)換器， 其中所述多個(gè)光電轉(zhuǎn)換器被布置在公共平面中，從而形成成像區(qū)，所述距離范圍設(shè)定單元被配置成當(dāng)所述事件檢測器檢測到發(fā)生所述事件時(shí)，根據(jù)到所述事件在所述目標(biāo)空間中發(fā)生的位置的距離來選擇所述延遲時(shí)段，所述距離計(jì)算器被配置成產(chǎn)生由分別與所述多個(gè)光電轉(zhuǎn)換器關(guān)聯(lián)的多個(gè)像素限定的距離圖像，每個(gè)像素具有與到所述目標(biāo)的距離對(duì)應(yīng)的像素值。
8.按照權(quán)利要求6所述的測距設(shè)備，其中所述測距設(shè)備包括多個(gè)所述光電轉(zhuǎn)換器， 其中所述多個(gè)光電轉(zhuǎn)換器被布置在公共平面中，從而形成成像區(qū)， 所述距離范圍設(shè)定單元被配置成選擇定義不同測量范圍的多個(gè)所述延遲時(shí)段， 所述距離計(jì)算器被配置成產(chǎn)生分別對(duì)應(yīng)于所述多個(gè)延遲時(shí)段的多個(gè)距離圖像，所述多個(gè)距離圖像中的每一個(gè)由分別與所述多個(gè)光電轉(zhuǎn)換器相關(guān)聯(lián)的多個(gè)像素限定，像素中的每一個(gè)具有像素值，所述距離計(jì)算器被配置成把像素所對(duì)應(yīng)的到所述目標(biāo)的距離在測量范圍內(nèi)的像素的像素值選擇為有效像素值，所述有效像素值表示到所述目標(biāo)的距離，所述距離計(jì)算器被配置成把像素所對(duì)應(yīng)的到所述目標(biāo)的距離在測量范圍外的像素的像素值選擇為無效像素值， 所述無效像素值表示到所述目標(biāo)的距離在測量范圍之外，和所述距離計(jì)算器被配置成按照減少具有所述無效像素值的像素的數(shù)量的方式，把所述多個(gè)距離圖像合成為合成距離圖像。
9.按照權(quán)利要求8所述的測距設(shè)備，其中按照使相應(yīng)的測量范圍連續(xù)的方式選擇所述多個(gè)延遲時(shí)段。
10.按照權(quán)利要求8所述的測距設(shè)備，其中所述距離計(jì)算器被配置成把像素所對(duì)應(yīng)的到所述目標(biāo)的距離等于預(yù)定距離的像素的像素值選擇為有效像素值，并且把像素所對(duì)應(yīng)的到所述目標(biāo)的距離不等于所述預(yù)定距離的像素的像素值選擇為無效像素值，所述預(yù)定距離被定義成由如下時(shí)間差所確定的距離該時(shí)間差是與所述光源發(fā)光時(shí)的時(shí)間和從所述光源發(fā)光時(shí)起經(jīng)過所述延遲時(shí)段之后，與所述非反相基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)相關(guān)聯(lián)的電荷量首次變得與所述反相基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)相關(guān)聯(lián)的電荷量相等時(shí)的時(shí)間之間的時(shí)間差。
11.按照權(quán)利要求8所述的測距設(shè)備，其中所述測距設(shè)備還包括有效性檢查單元，所述有效性檢查單元被配置成查閱分別與所述多個(gè)定時(shí)信號(hào)相關(guān)的電荷量之間的關(guān)系是否滿足預(yù)定判定條件，并確定到所述目標(biāo)的距離是否在測量范圍之內(nèi)，所述距離計(jì)算器被配置成根據(jù)所述有效性檢查單元做出的確定結(jié)果來產(chǎn)生距離圖像。
12.按照權(quán)利要求1所述的測距設(shè)備，其中所述多個(gè)基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)包括波形與所述調(diào)制信號(hào)相同、并且相對(duì)于所述調(diào)制信號(hào)被延遲單位時(shí)段的延遲非反相基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)，和定義為通過反相所述延遲非反相基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)而獲得的信號(hào)的延遲反相基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)，所述距離計(jì)算器被配置成根據(jù)分別與所述延遲非反相基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)和所述延遲反相基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)對(duì)應(yīng)的電荷量來計(jì)算所述時(shí)間差。
全文摘要
測距設(shè)備包括光源(1)，受光傳感器(2)，定時(shí)控制器(5)，距離計(jì)算器(6)和延遲控制器(8)。定時(shí)控制器(5)輸出調(diào)制信號(hào)和多個(gè)基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)。調(diào)制信號(hào)是具有交替出現(xiàn)的高低電平時(shí)段的方波信號(hào)。每個(gè)高低電平時(shí)段都使其長度隨機(jī)地選自預(yù)定單位時(shí)段的整數(shù)倍?；鶞?zhǔn)定時(shí)信號(hào)包括波形與調(diào)制信號(hào)相同的信號(hào)，和波形與反相的調(diào)制信號(hào)相同的信號(hào)。光源(1)根據(jù)調(diào)制信號(hào)改變光的強(qiáng)度。延遲控制器(8)使多個(gè)基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)推遲延遲時(shí)段(Td)，從而分別產(chǎn)生多個(gè)定時(shí)信號(hào)。受光傳感器(2)關(guān)于每個(gè)定時(shí)信號(hào)，積累在受光時(shí)段內(nèi)產(chǎn)生的電荷。距離計(jì)算器(6)根據(jù)分別與定時(shí)信號(hào)相關(guān)的電荷量，計(jì)算時(shí)間差(τ)，并根據(jù)時(shí)間差(τ)和延遲時(shí)段(Td)，計(jì)算到目標(biāo)(3)的距離(L)。
文檔編號(hào)H01L27/14GK102378920SQ20108001482
公開日2012年3月14日 申請(qǐng)日期2010年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月27日
發(fā)明者村上憲一, 橋本裕介 申請(qǐng)人:松下電工株式會(huì)社