[发明专利]光学距离计算装置和距离计算的方法

说明书

本申请公开了光学距离计算装置和距离计算的方法。一种光学距离计算装置(100)，包括：光源，该光源被配置为根据间接飞行时间测量技术发射光。光子混合器单元(102)，被配置为生成并存储分别与根据该间接飞行时间测量技术所施加的多个预定相位偏移值相对应的多个电输出信号(112)。信号处理电路(110、124)，被配置为根据该间接飞行时间测量技术处理该多个电输出信号，以便计算测量向量和来自该测量向量的所测量的相位角。该信号处理电路(110、124)被配置为使用参考照明数据来计算相位角校正值并且施加所计算的相位角校正值，以便校正该所测量的相位角；并且该信号处理电路被配置为使用经校正的所测量的相位角来计算距离。

技术领域

本发明涉及一种光学距离计算装置，该光学距离计算装置例如被配置为根据间接飞行时间测量技术来发射光和处理所接收的反射光。本发明还涉及一种距离计算的方法，该方法是例如采用间接飞行时间测量技术的类型。

背景技术

在所谓的飞行时间感测系统和其他系统(例如游戏控制台视觉系统)中，已知采用照明源来照亮在照明源的视场内的周围环境(有时被称为“场景”)，并且处理由该场景的特征反射的光。此类所谓的LiDAR(光检测和测距)系统使用照明源利用光照明场景，并且使用检测设备(例如光电二极管阵列、一些光学元件和处理单元)检测从场景中的对象反射的光。从场景中的对象反射的光由检测设备接收并且被转换成电信号，然后由处理单元通过应用飞行时间(ToF)计算来处理该电信号，以便确定该对象与该检测设备的距离。尽管已知不同种类的LiDAR系统基于不同的操作原理，但此类系统基本上是照亮场景并检测反射光。

在这方面，所谓的“闪光LiDAR”技术是一种直接ToF测距技术，该技术采用一种光源，该光源发射随后被场景的特征反射并且被检测器设备检测的光脉冲。在此类技术中，直接使用光脉冲往返于反射特征并且返回到检测器设备的所测量的时间来计算到反射特征的距离。在时域中以非常高的采样率对入射到检测器设备上的光脉冲进行采样。因此，实现此类技术的处理电路中的信号路径需要信号的高带宽以及大的硅“占地(real estate)”，即此类实现方式需要硅晶圆上相对大的面积，这进而限制了集成电路上可以支持的信道的数量。因此，此类闪光LiDAR传感器可以支持的信道的实际空间数量通常低于100。为了克服该限制，实现需要移动部件的机械扫描系统。

另一种已知的LiDAR系统采用所谓的“间接飞行时间”(iToF)测距技术。iTOF系统发射连续波光信号，并且该连续波光信号的反射被检测器设备接收和分析。获取从场景的特征反射的光的多个样本(例如四个样本)，每个样本被相位步进，例如90°。使用该照明和采样方法，可以确定照明和反射之间的相位角，并且所确定的相位角可以用于确定到场景的反射特征的距离。

在iToF系统中，高频信号处理(解调)发生在像素级，且因此在同一芯片上集成大量像素所需的信号带宽后像素(post-pixel)较低。因此，与直接ToF系统相比，iToF系统可以支持更大量的信道，且因此支持更高的空间分辨率测量。然而，iToF系统具有有限的距离测量能力。在这方面，为了实现低随机距离测量误差，iToF系统需要高调制频率，这进而又降低了可以明确测量的距离范围。例如，100MHz调制频率导致1.5m的近似明确测量范围。此外，传统的iToF系统容易受到由于多次反射和多个传播路径引起的误差的影响。

如上文所解释的，iToF系统关于不同的施加相位进行采样。典型的iToF系统包括缓冲器，该缓冲器存储由所谓的光子混合器设备生成的关于用于随后的信号处理的m个相位的模拟信号。离散傅里叶变换单元依据信号的同相分量和正交分量来计算由缓冲器存储的复信号的基频。使用同相分量和正交分量的值，可以计算复信号的相位角和振幅，并且可以使用相位角信息求解到对象的距离。