距离感测装置及其方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种距离感测装置及其方法，该距离感测装置包括时钟产生器、光发射器、光传感器、以及测距控制电路。时钟产生器输出参考时钟信号。光发射器由参考时钟信号调制产生发射光信号，并发射该发射光信号至待测物体。光传感器包括单光子崩溃二极管，光传感器接收反射自待测物体的反射光信号以产生光感测信号。测距控制电路包括可调式延迟线，测距控制电路接收参考时钟信号及光感测信号，据以产生测距信号追踪该光感测信号的能量特征点。

【技术实现步骤摘要】
距离感测装置及其方法
本专利技术涉及一种距离感测装置及距离感测方法。
技术介绍
距离感测技术在现代科技中具有广泛的应用层面，例如移动电话的接近传感器(proximitysensor)、深度感知摄影、自动化机械的检测设备等等。一种光学距离感测技术为测量飞行时间(TimeofFlight，TOF)，藉由计算光线往返的飞行时间以计算距离。然而，由于硬件元件非理想效应以及工艺变异，可能会影响到距离感测结果的精确程度。因此，如何提高光学距离感测装置的精确程度，乃目前业界所致力课题之一。
技术实现思路
本专利技术涉及一种距离感测装置及距离感测方法，能够有效提高距离感测的精确度。根据本专利技术的一实施例，提出一种距离感测装置，包括时钟产生器、光发射器、光传感器、以及测距控制电路。时钟产生器输出参考时钟信号。光发射器由参考时钟信号调制产生发射光信号，并发射该发射光信号至待测物体。光传感器包括单光子崩溃二极管，光传感器接收反射自待测物体的反射光信号以产生光感测信号。测距控制电路包括可调式延迟线，测距控制电路接收参考时钟信号及光感测信号，据以产生测距信号追踪光感测信号的能量特征点。根据本专利技术的另一实施例，提出一种距离感测方法，包括下列步骤。提供参考时钟信号。由参考时钟信号调制产生发射光信号，并发射该发射光信号至待测物体。以光传感器接收反射自待测物体的反射光信号，据以产生光感测信号，光传感器包括单光子崩溃二极管。以测距控制电路接收参考时钟信号及光感测信号，据以产生测距信号追踪该光感测信号的能量特征点，测距控制电路包括可调式延迟线。为了对本专利技术的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举实施例，并配合附图详细说明如下：附图说明图1A绘示一种包括单光子崩溃二极管的光传感器示意图。图1B绘示如图1A所示电路的输出电压波形图。图2绘示依照本专利技术一实施例的距离感测装置示意图。图3绘示依照本专利技术一实施例的距离感测方法流程图。图4绘示依照本专利技术一实施例的计算飞行时间示意图。图5绘示依照本专利技术一实施例的光传感器与测距控制电路的示意图。图6绘示如图5所示电路在延迟时钟信号工作周期等于50％的信号波形图。图7绘示如图5所示电路在延迟时钟信号工作周期不等于50％的信号波形图。图8绘示依照本专利技术一实施例的测距控制电路示意图。图9绘示依照本专利技术一实施例以时间数字转换器产生测距信号的示意图。图10绘示依照本专利技术一实施例以模拟数字转换器产生测距信号的示意图。【符号说明】10：距离感测装置100：时钟产生器110：光发射器120：光传感器121：单光子崩溃二极管122：电阻123：脉冲整形电路130：测距控制电路131：可调式延迟线132：反相器133：第一D触发器134：第二D触发器135：充电泵电路136：电容137：第一乘法累加器138：第二乘法累加器139：加法器141：时间数字转换器142：模拟数字转换器90：待测物体clk：参考时钟信号D_clk：延迟时钟信号EC：能量特征点Q1：第一充放电控制信号Q2：第二充放电控制信号R1：反射光信号S1：光感测信号T1：发射光信号ta、tb：时间Vc：电容电压Vout：输出电压Z：测距信号S201、S202、S203、S204：步骤具体实施方式由于单光子崩溃二极管(SinglePhotonAvalancheDiode，SPAD)的电流增益大，对于光的敏感度高，可使用于高精确度的距离感测装置，单光子崩溃二极管通常搭配截止电路(quenchingcircuit)使用。图1A绘示一种包括单光子崩溃二极管的光传感器示意图，当单光子崩溃二极管121的阴极端接收到光子时，单光子崩溃二极管121操作于盖格模式(Geigermode)，此时单光子崩溃二极管121的反相偏压超过其崩溃电压，而会产生电流，使得单光子崩溃二极管121阳极端的输出电压Vout上升。请参考图1B，其绘示如图1A所示电路的输出信号波形图，图1B箭头所绘示处即为接收到光子的事件时间，输出电压Vout快速上升。而在图1A所示的范例中使用电阻122作为被动(passive)截止电路，当电压Vout上升后会使得单光子崩溃二极管121关闭，而使得输出电压Vout慢慢回复到原先电位。一种距离感测方法为发射脉冲光线至待测物体，使用图1A所示的电路做为光传感器，根据如图1B所示的输出电压Vout信号波形，以计算光线往返的飞行时间，根据飞行时间以及光速即可计算得到待测物体的距离。然而，由于脉冲光线本身具有非理想效应，例如非理想元件所产生的脉冲波形可能具有非零(non-zero)的上升时间(risetime)、下降时间(falltime)、以及非理想的脉冲波形平坦度，可能会造成计算误差。此外，工艺变异、不同元件制造商的光发射器，皆可能导致不同的光学性质，再加上环境光源的影响，可能会导致距离感测系统的精确度下降。图2绘示依照本专利技术一实施例的距离感测装置示意图。距离感测装置10包括时钟产生器100、光发射器110、光传感器120、以及测距控制电路130。时钟产生器100输出参考时钟信号clk，参考时钟信号clk的频率例如为MHz等级。光发射器110由参考时钟信号clk调制(modulate)产生发射光信号T1，并发射该发射光信号T1至待测物体90。举例而言，光发射器110可包括发光二极管(LightEmittingDiode，LED)或是激光二极管，发射光信号T1例如为可见光或是红外光，发射光信号T1具有的调制频率为参考时钟信号clk的频率。光传感器120包括单光子崩溃二极管，光传感器120接收反射自待测物体90的反射光信号R1以产生光感测信号S1，光感测信号S1的波形例如为图1B所示。测距控制电路130包括可调式延迟线(variabledelayline)131，测距控制电路130接收参考时钟信号clk及光感测信号S1以产生测距信号Z追踪该光感测信号S1的能量特征点。在一实施例中，可调式延迟线131将参考时钟信号clk延迟以产生延迟时钟信号D_clk，延迟时钟信号D_clk追踪(track)光感测信号S1的能量特征点，使得光感测信号S1在延迟时钟信号D_clk致能(enable)期间的第一能量相对于光感测信号S1在延迟时钟信号D_clk禁能(disable)期间的第二能量的比例为一固定比例。对应于图2所示距离感测装置10的距离感测方法可参考图3，其绘示依照本专利技术一实施例的距离感测方法流程图，距离感测方法包括下列步骤。步骤S201：提供参考时钟信号clk，步骤S201例如可由时钟产生器100所执行。步骤S202：由参考时钟信号clk调制产生发射光信号T1，并发射该发射光信号T1至待测物体90，步骤S202例如可由光发射器201所执行。步骤S203：以光传感器120接收反射自待测物体90的反射光信号R1，据以产生光感测信号S1。步骤S204：以测距控制电路130接收参考时钟信号clk及光感测信号S1，据以产生测距信号Z追踪光感测信号S1的能量特征点，测距控制电路130包括可调式延迟线。在一实施例中，可调式延迟线将参考时钟信号clk延迟以产生延迟时钟信号D_clk，延迟时钟信号D_clk追踪光感测信号S1的能量特征点。在步骤S204，可调式延迟线藉由调整延迟时钟信号D_clk相对于参本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种距离感测装置，包括：时钟产生器，输出参考时钟信号；光发射器，由该参考时钟信号调制产生发射光信号，并发射该发射光信号至待测物体；光传感器，包括单光子崩溃二极管，该光传感器接收反射自该待测物体的反射光信号以产生光感测信号；以及测距控制电路，包括可调式延迟线，该测距控制电路接收该参考时钟信号及该光感测信号，据以产生测距信号追踪该光感测信号的能量特征点。

【技术特征摘要】
2017.12.08 TW 1061432691.一种距离感测装置，包括：时钟产生器，输出参考时钟信号；光发射器，由该参考时钟信号调制产生发射光信号，并发射该发射光信号至待测物体；光传感器，包括单光子崩溃二极管，该光传感器接收反射自该待测物体的反射光信号以产生光感测信号；以及测距控制电路，包括可调式延迟线，该测距控制电路接收该参考时钟信号及该光感测信号，据以产生测距信号追踪该光感测信号的能量特征点。2.如权利要求1所述的距离感测装置，其中该可调式延迟线将该参考时钟信号延迟产生延迟时钟信号，该延迟时钟信号追踪该光感测信号的该能量特征点，使得该光感测信号在该延迟时钟信号致能期间的第一能量相对于该光感测信号在该延迟时钟信号禁能期间的第二能量的比例为固定比例。3.如权利要求2所述的距离感测装置，其中当该第一能量大约相等于该第二能量时，即该延迟时钟信号已追踪到该光感测信号的该能量特征点。4.如权利要求2所述的距离感测装置，其中该第一能量相关于该光感测信号在该延迟时钟信号致能期间的脉冲数量，该第二能量相关于该光感测信号在该延迟时钟信号禁能期间的脉冲数量。5.如权利要求2所述的距离感测装置，其中该第一能量相关于该光感测信号与该延迟时钟信号致能期间重叠的时间长度，该第二能量相关于该光感测信号与该延迟时钟信号禁能期间重叠的时间长度。6.如权利要求1所述的距离感测装置，其中该测距控制电路还包括充电泵电路以及电容，当该延迟时钟信号已追踪到该光感测信号的该能量特征点时，该充电泵电路对该电容充电的能量大约相等于该充电泵电路对于该电容放电的能量。7.如权利要求1所述的距离感测装置，其中该测距控制电路还包括：反相器，接收该延迟时钟信号以产生反相延迟时钟信号；第一D触发器，具有D输入端接收该延迟时钟信号、时钟输入端接收该光感测信号、以及Q输出端输出第一充放电控制信号；第二D触发器，具有D输入端接收该反相延迟时钟信号、时钟输入端接收该光感测信号、以及Q输出端输出第二充放电控制信号；电容，其中该可调式延迟线受控于该电容的电压而产生该延迟时钟信号；以及充电泵电路，接收该第一充放电控制信号以及该第二充放电控制信号以对该电容充电及放电。8.如权利要求7所述的距离感测装置，其中该测距控制电路还包括：模拟数字转换器，将该电容的电压转换为该测距信号。9.如权利要求7所述的距离感测装置，其中该测距控制电路还包括：时间数字转换器，接收该参考时钟信号以及该延迟时钟信号以产生该测距信号。10.如权利要求1所述的距离感测装置，其中该测距控制电路还包括：反相器，接收该延迟时钟信号以产生反相延迟时钟信号；第一乘法累加器，接收该延迟时钟信号以及该光感测信号以输出第一乘积累加信号；第二乘法累加器，接收该反相延迟时钟信号以及该光感测信号以输出第二乘积累加信号；以及加法器，将该第一乘积累加信号与该第二乘积累加信号相减以输出差值信号；其中该可调式延迟线受控于该差值信号而产生该延迟时钟信号。11.一种距离感测方法，包...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡嘉明，赖志维，巫朝阳，
申请(专利权)人：财团法人工业技术研究院，
类型：发明
国别省市：中国台湾,71