[发明专利]测距仪系统及对其校准并确定到外部对象的距离的方法

说明书

提供了测距仪系统以及校准测距仪系统并确定所述测距仪系统与外部对象之间的距离的方法。本公开内容的实施方式使用“芯片上”硅光子发射器如在热载流子注入条件下偏置的MOSFET或硅LED来生成用于校准测距仪的光信号。来自硅LED的光信号可以由测距仪的参考路径和接收路径中的光电检测器检测以生成校准相位偏移，可以从测距仪的相位偏移测量值中减去该校准相位偏移以校正由于例如环境、工艺变化、老化等造成的部件不匹配引起的相位偏移测量。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年3月14日提交的美国非临时申请第15458969号的优先权，其整体通过引用并入本文中。

技术领域

本公开内容总体上涉及激光测距仪，并且更具体地涉及激光测距仪中的相位偏移校准。

背景技术

目前的激光测距仪或者使用直接飞行时间方法来测量到对象的距离，或者使用射频(RF)调制光信号，在使用RF调制光信号的情况下，将发射光信号的相位与反射光信号的相位进行比较以使用光速来得到距离。后一种方法更为广泛，因为它更容易实现。确定距离测量精度的因素是校准装置。存在使精度降低的许多随机变量如温度、元件漂移和内部增益设置。要达到1毫米或者更高的精度，需要频繁校准。这要求激光测距仪是自校准的。对包含在移动装置(例如手机)中的要求是使测距仪高度集成并且使用非常小的功率。

用于移动装置(例如移动电话)中的光电测距仪系统包括：透镜系统；激光二极管，其发射高频强度调制的测量光信号；以及至少一个接收器光电检测器，用于接收从测量对象表面反射的测量光信号。来自激光器的光信号的一小部分被耦合到参考光电检测器并且与参考本地振荡器频率混合，以生成用于相位测量的中频参考信号，该参考本地振荡器频率与激光器调制频率之间存在小的偏移频率。接收器光电检测器将从测量对象表面反射的高频光信号转换成高频电信号。接收器高频光电检测器信号在高频解调器中与参考本地振荡器混合以生成中频信号，同时保留相位延迟信息。结合模数转换器(ADC)的微控制器测量激光发射参考信号或者校准信号与接收到的反射信号之间的中频的相位差。考虑到光速，这些信号之间的相位差与待测量的距离成正比。

对于移动电话应用中的激光测距仪，理想的是激光发射功率限于食品药品监督管理局规定的1级。对于连续波操作，通常需要在可见光谱范围内具有低于1毫瓦的激光光功率。为了能够适应移动电话的外形尺寸，在激光测距仪中不应存在任何机械移动部件。透镜组件也受限于通常的手机尺寸限制。优选的是，透镜直径不超过4毫米，同时整个测距仪组件的高度不超过3毫米。

由于光电检测器处的光信号强度以一比飞行距离的平方(1/R2)下降，所以光电检测器和随后的放大器应该具有显著的动态范围，以确保测距仪对于从10毫米到10米的范围具有1毫米的分辨率。另外，测量对象的表面光反射率是未知的。需要专用的自动增益控制机制来调节光电检测器的增益，以确保有足够的信噪比来恢复相位信息。

除了恢复光信号之外，理想的是测距仪在不同的增益设置下使相位信息一致。同样理想的是，校准光电检测器和随后的中频滤波器的相位，以确保激光测距仪操作基本上与测量对象表面反射率、光学部件变化以及电子部件变化和老化效应无关。

发明内容

一种测距仪系统，包括：激光器，其被配置成在测量模式下生成第一光束；硅发光二极管(LED)，其被配置成在校准模式下生成第二光束；第一光电检测器，其中，在所述测量模式下，所述第一光电检测器被配置成检测从所述测距仪系统中的透镜反射的第一光束的一部分；以及第二光电检测器，其中，在所述测量模式下，所述第二光电检测器被配置成检测从所述测距仪系统外部的对象反射的第一光束的一部分；其中，在所述校准模式下，所述第一光电检测器和所述第二光电检测器二者都被配置成检测来自所述硅LED的第二光束。