本实用新型涉及光学测距技术领域，尤其涉及一种距离测量系统。
背景技术：
利用飞行时间原理(timeofflight)可以对目标进行距离测量以获取包含目标的距离信息，而基于飞行时间原理的距离测量系统比如飞行时间深度相机、激光雷达(lidar)等系统已被广泛应用于消费电子、无人架驶、ar/vr等领域。此类基于飞行时间原理的距离测量系统通常包括发射器和采集器，利用发射器发射脉冲光束照射目标视场并利用采集器采集反射光束，通过计算光束由发射到反射被接收所需要的时间来计算物体的距离。
目前基于飞行时间原理的lidar主要包括机械lidar系统和固态lidar系统；其中，机械式lidar系统通过旋转基座实现360度大视场的距离测量，其发射器一般为点光源以及线光源，具有光束强度集中、精度高的特点，但扫描时间较长导致帧率较低。
而固态式lidar系统不包括可移动的机械零件，发射器包括发射器阵列，用于一次性向空间上发射一定视场的面光束，并通过面阵接收器接收，使分辨率及帧率均得到了提升，但由于在测量时利用面阵接收器采集整个视场的反射光束，容易受到外部的干扰，相邻像素之间也会产生信号的串扰。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本实用新型的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
技术实现要素：
本实用新型的目的在于提供一种距离测量系统，以解决上述背景技术问题中的至少一种。
为达到上述目的，本实用新型实施例的技术方案是这样实现的：
一种距离测量系统，包括：
发射器，经配置以发射脉冲光束，所述发射器包括由多个光源组成的光源阵列，所述光源阵列包括至少两个子光源阵列，每个所述子光源阵列包括至少一个光源；
采集器，所述采集器包括由多个像素组成的像素阵列，所述像素阵列包括至少两个子像素阵列，每个所述子像素阵列包括至少一个像素，经配置分别采集由所述子光源阵列发射的所述脉冲光束经待测目标物体反射回的光子，并形成光子信号；
控制和处理电路，与所述发射器以及所述采集器连接，用于根据所述光子信号计算所述脉冲光束从发射到被采集之间的飞行时间；
其中，所述控制与处理电路被配置为在一个测量阶段仅激活一个所述子光源阵列发射所述脉冲光束，并同步激活大于对应的所述子像素阵列中对应数量的所述像素。
在一些实施例中，所述像素阵列被配置为对应所述光源阵列设置，其中，所述子光源阵列之间不具有重叠的部分。
在一些实施例中，所述每个子光源阵列由所述光源阵列中的一列或多列光源组成；或者，所述每个子光源阵列由所述光源阵列中的一行或多行光源组成。
在一些实施例中，所述每个子像素阵列由所述像素阵列中的一列或多列像素组成；或者，所述每个子像素阵列由像素阵列中的一行或多行像素组成。
在一些实施例中，所述子像素阵列中的至少两个像素与所述子光源阵列中的一个光源配对。
在一些实施例中，所述子光源阵列和对应的所述子像素阵列按顺序或者基于伪随机序列被激活，每个所述子光源阵列在视场扫描测量期间被激活至少一次。
在一些实施例中，所述光源阵列包括第一子光源阵列和第二子光源阵列，对应所述光源阵列，所述像素阵列包括第一子像素阵列和第二子像素阵列。
在一些实施例中，还包括有驱动电路，通过所述驱动电路控制所述光源阵列中的光源分组发光。
在一些实施例中，还包括有读出电路，用于对所述光子信号进行处理以计算飞行时间。
在一些实施例中，所述读出电路包括tdc电路和直方图电路，所述tdc电路用于接收和计算所述光子信号的时间间隔，并将所述时间间隔转化为时间码；所述直方图电路根据所述tdc电路输出的所述时间码进行计数以绘制出直方图。
本实用新型技术方案的有益效果是：
本实用新型距离测量系统通过设置光源依次开启实现了在不设置扫描单元的情况下对目标视场的扫描，提高了系统的抗干扰能力；而通过激活超像素采集光子以实现同时对距离不同的物体进行测量。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本实用新型一个实施例距离测量系统的示意图。
图2是根据本实用新型一个实施例距离测量系统的光源阵列的示意图。
图3是根据本实用新型一个实施例距离测量系统的采集器中像素单元的示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接即可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本实用新型实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
图1所示为本实用新型一个实施例的距离测量系统的示意图，该距离测量系统10包括发射器11、采集器12以及控制和处理电路13。其中，发射器11用于向目标区域200发射光束300，该光束发射至目标区域空间中以照明空间中的目标物体，至少部分发射光束300经目标区域200反射后形成反射光束400，反射光束400中的至少部分光束被采集器12接收；控制和处理电路13分别与发射器11以及采集器12连接，同步发射器11与采集器12的触发信号以计算光束从发射到反射回来被接收所需要的时间，即发射光束300与反射光束400之间的飞行时间t，进一步，目标物体上对应点的距离d可由下式计算出：
d＝c·t/21)
其中，c为光速。
具体的，发射器11包括光源111、发射光学元件112以及驱动器113等。其中，光源111可以是发光二极管(led)、激光二极管(ld)、边发射激光器(eel)、垂直腔面发射激光器(vcsel)等，也可以是由多个光源组成的一维或二维光源阵列；优选地，光源阵列是在单块半导体基底上生成多个vcsel光源以形成的vcsel阵列光源芯片，光源阵列中光源的排列方式可以是规则的也可以是不规则的。光源111所发射的光束可以是可见光、红外光、紫外光等。光源111在驱动器113的控制下向外发射光束。在一个实施例中，光源111在驱动器113的控制下以一定频率(脉冲周期)向外发射脉冲光束，可以用于直接飞行时间(directtof)测量中，频率根据测量距离进行设定。可以理解的是，还可以利用控制和处理电路13中的一部分或者独立于控制和处理电路13存在的子电路来控制光源111发射光束。
发射光学元件112接收来自光源111发射的光束并整形后投射到目标区域。在一个实施例中，发射光学元件112接收来自光源111的脉冲光束，并将脉冲光束进行光学调制，比如衍射、折射、反射等调制，随后向空间中发射被调制后的光束，比如聚焦光束、泛光光束、结构光光束等。发射光学元件112可以是透镜、液晶元件、衍射光学元件、微透镜阵列、超表面(metasurface)光学元件、掩膜板、反射镜、mems振镜等形式中的一种或多种的组合。
采集器12包括像素单元121、过滤单元122和接收光学元件123；其中，接收光学元件123用于接收由目标反射回的至少部分光束并引导到像素单元121上；过滤单元122用于滤除背景光或杂散光。像素单元121包括由多个像素组成的二维像素阵列，在一个实施例中，像素单元121为由单光子雪崩光电二极管(spad)组成的像素阵列，spad可以对入射的单个光子进行响应并输出指示所接收光子在每个spad处相应到达时间的信号，利用诸如时间相关单光子计数法(tcspc)实现对微弱光信号的采集以及飞行时间的计算。
控制和处理电路13同步发射器11与采集器12的触发信号，对像素采集光束的光子信号进行处理，并基于反射光束的飞行时间计算出待测目标物体的距离信息。在一个实施例中，spad对入射的单个光子进行响应而输出光子信号，控制和处理电路13接收光子信号并进行信号处理以获取光束的飞行时间。
具体的，控制和处理电路13计算采集光子的数量形成连续的时间bin，这些时间bin连在一起形成统计直方图，以用于重现反射光束的时间序列，利用峰值匹配和滤波检测识别出反射光束从发射到接收的飞行时间。在一些实施例中，控制和处理电路13包括信号放大器、时数转换器(tdc)、数模转换器(adc)等器件中的一种或多种组成的读出电路(图中未示出)。这些电路即可以与像素整合在一起，也可以作为控制和处理电路13的一部分，为便于描述，将统一视作控制和处理电路13的一部分。可以理解的是，控制和处理电路13可以是独立的专用电路，比如专用soc芯片、fpga芯片、asic芯片等等，也可以包含通用处理电路。
在一些实施例中，距离测量系统10还包括存储器，用于存储脉冲编码程序，利用编码程序控制光源111发射光束的激发时间、发射频率等。
在一些实施例中，距离测量系统10还可以包括彩色相机、红外相机、imu等器件，与这些器件的组合可以实现更加丰富的功能，比如3d纹理建模、红外人脸识别、slam等功能。
在一些实施例中，发射器11与采集器12也可以被设置成共轴形式，即二者之间通过具备反射及透射功能的光学器件来实现，比如半透半反镜等。
图2所示为本实用新型一个实施例的光源阵列的示意图。光源被配置为由设置在单片基底(或多片基底上的)上的多个光源组成的光源阵列20，光源阵列20可以是一维的也可以是二维的，可以是规则排列的也可以是不规则排列的，优选地，是由设置在半导体基底上的多个vcsel光源组成的阵列vcsel芯片。光源阵列20可以发射任意波长的光束，比如可见光、红外光、紫外光等。光源阵列20在驱动电路(可以是控制与处理电路13的一部分)的调制驱动下进行发光，比如连续波调制、脉冲调制等，光源阵列20也可以在驱动电路的控制下进行分组发光。
在本实用新型中，光源阵列20被配置为包括至少两个子光源阵列，子光源阵列之间不具有重叠的部分。在一些实施例中，可以是利用驱动电路控制光源阵列20中的光源分组发光实现不重叠。在一个实施例中，每个子光源阵列也可以设置在单独的基底上，分别由不同的驱动电路控制进行分组发光。在下文实施例的描述中，统一将驱动电路设置为控制和处理电路13的一部分。
如图2所示的一个实施例，光源阵列20包括第一子光源阵列210、第二子光源阵列220，每个子光源阵列由光源阵列20中的一列光源组成，在其他实施例中，也可以是由多列光源组成子光源阵列。在进行距离测量时，控制与处理电路13被配置为在每个测量阶段仅激活其中一个子光源阵列用于发射脉冲光束，例如在第一测量阶段，仅激活第一子光源阵列210，在第二测量阶段，仅激活第二子光源阵列220；优选地，第二测量阶段在第一测量阶段之后。可以理解的是，光源阵列20还可以包括第三子光源阵列、第四子光源阵列等。光源阵列20中的多个子光源阵列按照从左到右或从右到左的顺序依次激活，直到所有子光源阵列均被激活后，完成对整个目标视场的扫描，其中，每个子光源阵列发射的光束能够照射目标视场的局部区域。
图3所示是根据本实用新型一个实施例的采集器中像素单元的示意图。像素单元包括像素阵列30以及读出电路40；其中，像素阵列30包括由多个像素组成的二维阵列，以用于采集由物体反射回的至少部分光束并生成相应的光子信号；读出电路40用于对光子信号进行处理以计算飞行时间。
在一个实施例中个，读出电路40包括tdc电路411和直方图电路412，用于绘制反映发射器中光源所发射脉冲波形的直方图，进一步地，也可以根据直方图计算飞行时间，最后将结果进行输出。其中，tdc电路用于接收和计算光子信号的时间间隔，并将时间间隔转化为时间码；直方图电路根据tdc电路输出的时间码进行计数以绘制出直方图。读出电路40可以是由单个tdc电路及直方图电路组成，也可以是由多个tdc电路单元及直方图电路单元组成的阵列读出电路。
在一个实施例中，像素阵列30是由多个spad组成的像素阵列，当发射器11向被测物体发射斑点光束时，采集器12中的接收光学元件112引导该光斑光束至相应的像素上；一般地，为了尽可能多地接收反射光束中的光子信号，通常将单个斑点的大小设置为对应多个像素(这里的对应可以理解为成像，光学元件112一般包括成像透镜)，比如图3所示单个斑点对应2×2＝4个像素314，即该斑点光束反射回的光子会以一定的概率被对应的4个像素接收，图3中阴影方框表示反射光束入射到对应像素上的可能出现的情况。
结合图2和图3所示，像素阵列30被配置为对应光源阵列20设置，其包括至少两个子像素阵列，分别在控制和处理电路13的控制下激活，以用于接收对应子光源阵列发射出的光束经目标视场反射的光子，其中每个子像素阵列中包括至少一个像素，子像素阵列之间不具有重叠的部分。可以理解的是，在其它实施例中，子像素阵列之间也可以具有部分重叠的情况，对应可以减小光源阵列中尺寸或者获得密度更高的光源阵列。
例如，当控制与处理电路13控制第一子光源阵列210发光时，同步激活对应的第一子像素阵列310；其中，光源211发射的光束经目标视场反射后形成成像光斑312被对应的4个子像素接收，第一子光源阵列210包括的6个子光源同时发射光束时，被第一子像素阵列310中的24个子像素接收。当控制与处理电路13控制第二子光源阵列发光时，同步控制对应的第二子像素阵列320开启。控制和处理电路13控制子光源阵列和子像素阵列按照从左到右或从右到左的顺序依次激活，沿着水平方向(基线方向)顺序完成对目标视场的扫描测量。
在一个实施例中，每个子光源阵列也可包括一个光源，对应的每个子像素阵列中也包括至少一个像素，优选地，设置子像素阵列中的至少两个像素与子光源阵列中的一个光源配对，以此实现对目标视场的逐点扫描测量。
在一些实施例中，在每一测量阶段，子光源阵列和对应的子像素阵列的激活不一定是从左到右或从右到左的顺序移动，也可以是非顺序的激活以减小串扰，例如基于伪随机序列。在整个测量过程中，每个子光源阵列在视场扫描测量期间被激活至少一次；优选地，每个子光源阵列在视场扫描测量期间被激活被激活一次。
一般地，发射器和采集器之间根据设置方式的不同，可以将距离测量系统分成共轴和离轴。对于共轴情形，发射器发出的光束经过被测物体反射后将由采集器中对应的像素采集，像素的位置不会因为被测物体的远近有影响。以图2所示的光源阵列为例，子光源211发射的光束在子像素中形成对应的成像光斑310，子光源221发射的光束在子像素中形成对应的成像光斑320。
对于离轴情形，由于视差的存在，当被测物体远近不同时，光斑落在像素单元上的位置也会发生变化，一般地会沿着基线(发射器与采集器之间的连线，在本实用新型实施例中统一用横线来表示基线方向)方向发生偏移，当被测物体的距离未知时像素的位置不确定；比如，对应第一子光源阵列210中的子光源213，受到视差的影响，反射光束形成成像光斑313不落在第一子像素阵列310中，为解决这一问题，控制与处理电路13被配置为当激活一个子光源阵列发射脉冲光束时，同步激活大于对应的子像素阵列中对应数量的像素，将此时的子像素阵列中接收每个光斑的多个像素记为超像素。超像素的大小在设置时(主要沿着基线方向上的大小)需要同时考虑系统的测量范围以及基线长度，使得在测量范围内不同距离上的物体反射回的光束均入射到超像素的区域内。
在一个实施例中，超像素被设置成：当在测量范围下限时，近距离时的反射光束入射到超像素的一侧；当在测量范围上限时，远距离时反射光束落在超像素的另一侧。通过设置超像素可以有效补偿近距盲区的情况。图3所示的一个实施例中，当第一子光源阵列210发射光束时，控制和处理电路13同步激活第一、第二、第三子光源阵列310、320、330；其中，采集一个光斑的超像素311被设置为2×6的大小，当第二子光源阵列220发射光束时，控制和处理电路13同步激活第二、第三、第四子光源阵列320、330、340。
在一个实施例中个，超像素共享一个tdc电路，即由一个tdc电路与超像素中的每个像素连接，当超像素中的任意一个像素接收到光子并产生光子信号时，tdc电路单元均可以计算出该光子对应的飞行时间。
可以理解的是，以上说明只做示意性说明，并不能作为对本实用新型内容的限制。在一些实施例中，如图2所示，每个子光源阵列也可以是由光源阵列中的一行或多行光源组成，对应的子像素阵列也是由像素阵列中的一行或多行像素组成。在进行扫描时，控制和处理单元13激活每个子光源阵列以及同步激活大于对应的子像素阵列中像素数量的像素，实现垂直方向的扫描。具体的实现方式与上述描述相同，不在进行重复说明。
本实用新型距离测量系统通过设置光源依次开启实现了在不设置扫描单元的情况下对目标视场的扫描，提高了系统的抗干扰能力；而通过激活超像素采集光子以实现同时对距离不同的物体进行测量。
可以理解的是，以上内容是结合具体/优选的实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本实用新型的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。
在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本实用新型的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。
此外，本实用新型的范围不旨在限于说明书中所述的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。本领域普通技术人员将容易理解，可以利用执行与本文所述相应实施例基本相同功能或获得与本文所述实施例基本相同结果的目前存在的或稍后要开发的上述披露、过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在将这些过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其范围内。
1.一种距离测量系统，其特征在于，包括：
发射器，经配置以发射脉冲光束，所述发射器包括由多个光源组成的光源阵列，所述光源阵列包括至少两个子光源阵列，每个所述子光源阵列包括至少一个光源；
采集器，所述采集器包括由多个像素组成的像素阵列，所述像素阵列包括至少两个子像素阵列，每个所述子像素阵列包括至少一个像素，经配置分别采集由所述子光源阵列发射的所述脉冲光束经待测目标物体反射回的光子，并形成光子信号；
控制和处理电路，与所述发射器以及所述采集器连接，用于根据所述光子信号计算所述脉冲光束从发射到被采集之间的飞行时间；
其中，所述控制与处理电路被配置为在一个测量阶段仅激活一个所述子光源阵列发射所述脉冲光束，并同步激活大于对应的所述子像素阵列中对应数量的所述像素。
2.如权利要求1所述的距离测量系统，其特征在于：所述像素阵列被配置为对应所述光源阵列设置，其中，所述子光源阵列之间不具有重叠的部分。
3.如权利要求2所述的距离测量系统，其特征在于：所述每个子光源阵列由所述光源阵列中的一列或多列光源组成；或者，所述每个子光源阵列由所述光源阵列中的一行或多行光源组成。
4.如权利要求2所述的距离测量系统，其特征在于：所述每个子像素阵列由所述像素阵列中的一列或多列像素组成；或者，所述每个子像素阵列由像素阵列中的一行或多行像素组成。
5.如权利要求2所述的距离测量系统，其特征在于：所述子像素阵列中的至少两个像素与所述子光源阵列中的一个光源配对。
6.如权利要求1所述的距离测量系统，其特征在于：所述子光源阵列和对应的所述子像素阵列按顺序或者基于伪随机序列被激活，每个所述子光源阵列在视场扫描测量期间被激活至少一次。
7.如权利要求1所述的距离测量系统，其特征在于：所述光源阵列包括第一子光源阵列和第二子光源阵列，对应所述光源阵列，所述像素阵列包括第一子像素阵列和第二子像素阵列。
8.如权利要求2所述的距离测量系统，其特征在于：还包括有驱动电路，通过所述驱动电路控制所述光源阵列中的光源分组发光。
9.如权利要求1所述的距离测量系统，其特征在于：还包括有读出电路，用于对所述光子信号进行处理以计算飞行时间。
10.如权利要求9所述的距离测量系统，其特征在于：所述读出电路包括tdc电路和直方图电路；所述tdc电路用于接收和计算所述光子信号的时间间隔，并将所述时间间隔转化为时间码；所述直方图电路根据所述tdc电路输出的所述时间码进行计数以绘制出直方图。
技术总结