用于测量距离的设备和用于测量所述距离的方法技术

一种适合于测量参考对象(O)的距离(d)的测量设备(1)，该测量设备构造成使得其连续地执行多个测量操作(Ai)，并且包括发射装置(2)、接收装置(3)和第一处理单元(5)，发射装置(2)适合于发射光辐射(R)，接收装置(3)包含感测区域(31)，该感测区域(31)对光辐射(R)感测并设置有M个数量的感测单元(4)，感测单元(4)中的每一个构造成产生电信号(S)，第一处理单元(5)包括Ne个处理元件(6)，所述Ne个处理元件(6)中的每一个构造成接收电信号(S)，以用于确定光子(F)在感测单元(4)上的撞击时间(t)和用于计算所述距离(d)的值。

【技术实现步骤摘要】
用于测量距离的设备和用于测量所述距离的方法本专利技术涉及一种改进的设备，其适合于通过使用光辐射来测量设备自身与参考对象之间的距离。此外，本专利技术涉及一种通过所述测量设备测量所述距离的方法。用于测量距离的设备是已知的，该设备基于指向参考对象的光辐射的发射和由参考对象自身反射的所述光辐射的检测。具体地，所述测量设备包括适合于发射所述光辐射的装置和包含对所述光辐射感测的区域的接收装置。属于已知技术的测量设备还包括处理单元，处理单元能够确定由发射装置发射所述光辐射与接收装置检测到所述光辐射的时刻之间经过的时间段。所述时间段的值(在技术术语中称为飞行时间(ToF)并通常指属于所述光辐射的光子)与测量设备和参考对象之间的距离成正比。在这方面，已知测量设备的处理单元通常构造成通过ToF来确定所述距离的值。除其它方面之外，重要的是要强调，表述“属于所述光辐射的光子”只是指且仅指由所述发射装置产生的光子，因此，其不同于由背景辐射，即环境光产生的光子。从实现的角度来看，基于SPAD(单光子雪崩二极管)以及下面简要描述的，至少三种可能的结构对于所述测量设备而言是已知的。首先，应指出，属于已知技术的测量设备的大多数结构共有所述接收装置的感测区域由多个感测单元(在技术术语中也称为“像素”)界定的特征。所述感测单元或像素中的每一个实际上包含至少一个SPAD。除了上述之外，本领域已知的所有实施方案所共有的另一特征由以下事实构成，即，所述处理单元设置有多个处理元件，该多个处理元件中的每一个构造成将所述ToF转换成数字表示(digitalrepresentation)，该处理单元使用该数字表示来确定测量设备和参考对象之间的距离。通常，所述处理元件中的每一个都包括已知的首字母缩写为TDC(Time-to-DigitalConverter，时间-数字转换器)的电子设备，其界定在产生感测区域的同一表面上，并且能够执行所述转换。关于用于构造已知技术的测量设备的第一种可能的结构，这包括在属于感测区域的所述感测单元中的每一个和属于处理单元的处理元件之间创建“一对一”的关联。这种构造有利地使得能够获得信噪比(SNR)的最佳值，因为对于所述感测单元中的每一个，测量设备能够独立地检测至少一个光子的撞击，因此没有丢失有用信息的风险。然而，该解决方案引起了一些公认的缺点，首先，事实是，在实际应用中，上面描述的结构难以实现，因为至少等于感测单元数量的多个处理元件的限定将导致接收装置的过大尺寸，并从而导致整个设备的过大尺寸。此外，这种解决方案的成本也将过高。此外，利用所述解决方案，由于需要为所述处理元件提供空间，由接收装置(即，能够检测一个或更多个光子的撞击的多个感测单元)的感测区域占据的部分将显著减少。换言之，利用上面所说明的解决方案可获得的所谓的“填充系数(fillfactor)”的值，即实际光敏区域与接收装置的整个表面之间的比率将非常低，甚至低于5％。因此，所述结构不利地受到以下事实的影响，即，由参考对象反射并在处理元件的水平处撞击接收装置的光辐射的光子(其大量存在)不能被检测到，从而导致有用信息的过度损失。最后，对于接收装置的操作以及因此整个测量设备的操作而言，所需要的大量处理元件不利地导致了高能量消耗。为了至少部分地克服上面所说明的缺点，已经开发了测量设备的所述接收装置的第二种结构。根据所述替代性的第二种结构，事实上，处理元件中的每一个与多个感测单元相关联。因此，这种解决方案可以减少管理感测单元所需的处理元件的数量，从而相应减少接收装置占用的总表面。此外，在所述接收装置占据相同表面的情况下，与上面所描述的第一解决方案相比，该第二实施方案可以获得更高的填充系数。然而，所述第二实施方案引起一个重要的缺点，与第一种结构相比，其表现为在确定所述距离方面效率较低。事实上，所述第二实施方案导致了放置在与每个处理元件相关联的每个感测单元的布置处的每个处理单元的有用区带(band)的减小。更准确地说，在所述处理元件需要忙于管理在与其相关联的感测单元之一中发生的事件的情况下，该同一感测单元不能够同时检测在属于所述多个的不同感测单元中发生的另一事件。因此，不利的是，由于刚才已经解释的原因，与上面所描述的第一类型的测量设备相比，所述结构在统计学上导致了信噪比的降低。换句话说，根据已知技术实现的第二种类型的测量设备虽然与前述测量设备相比，以更紧凑的结构为特征，但是仅能够在存在减少的光通量的情况下以有效的方式操作。所述测量设备的第三实施方案也是已知的，其被认为是上面所描述的两者之间的中间解决方案。事实上，它包括在每个处理元件和多个感测单元之间的选择设备(其在技术术语中已知为名称“多路复用器(multiplexer)”)的存在。所述选择设备能够以不同的时间段将所述感测单元中的每一个产生的信号发送到对应的处理元件。这样，由与同一处理元件相关联的所有感测单元产生的信号可以由该同一处理元件处理。然而，当光子在处理元件忙于管理不同处理单元的时间段期间撞击感测单元的感测表面时，也可能在这种情况下发生有用信息的丢失。此外，所述第三实施方案引起了另一个公认的缺点，即由于由多路复用器执行的选择顺序，与现有技术的先前测量设备相比，执行测量操作需要更多的时间。在试图提高刚刚上面所描述的测量设备的信噪比时，专利US8773642建议在设置步骤期间执行第一评估操作，以便评估实际上受到发射装置发射的光辐射撞击的感测单元，并且只考虑且仅考虑由所识别的感测单元产生的信号来连续确定所述距离的值。然而，不利的是，在各种测量操作期间，所述事实方案当外部操作条件相对于在所述设置步骤期间观察到的条件改变时的时刻失去其有效性。除了上面刚描述的关于根据已知技术制造的测量设备的特定结构的缺点之外，可能要提及它们全部共有的另一个缺点。这一缺点尤其发生在有高光通量撞击接收装置的感测区域的情况下，而不管是由于发射装置所发射的光辐射还是由于背景噪声，例如太阳光。事实上，高光通量可能导致被称为“积存(pile-up)”的现象，这进而导致了属于感测区域的感测单元的快速饱和。更具体地，在感测单元中的每一个包括一个或更多个SPAD的情况下，所述高光通量的存在进而导致了同一SPAD的不活动时间(在技术术语中称为空闲时间(idletime))的增加。这意味着，不利的是，丢失有用信息的风险(意味着未能检测属于由发射装置所发射的光辐射的光子的撞击的风险)可能达到不可接受的值。同样，在高光通量的情况下，所述“积存”现象的存在不利地导致了感测单元的所述突然饱和之后，实际填充系数值的急剧减少。这意味着，即使接收装置静态地具有高填充系数值，如果它们过度暴露于高光通量，则所述填充系数值动态地减小，并且甚至可以被归零。本专利技术旨在克服上面所描述的所有缺点。特别地，本专利技术的目的之一是提供一种测量设备，其能够在任何操作条件下保持高信噪比，在高光通量的存在下也是如此。因此，本专利技术的目的是提供一种测量设备，该测量设备能够高精度地确定设备本身与参考对象之间的距离值，在高光通量的情况下也是如此。本专利技术的另一个目的是提供一种测量设备，其能够在所述距离的确定方面保持高精度，在存在外部测量条件突然变化的情况下也是如此。因此，本专利技术的进一步的目的是提供一种具有高的静态和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种测量设备(1)，其适合于测量至少一个参考对象(O)的距离(d)，所述测量设备(1)构造成连续地执行多个测量操作(Ai)，并且包括：‑发射装置(2)，对于所述测量操作(Ai)中的每一个，其适合于在预定时间段(I)期间发射指向所述参考对象(O)的光辐射(R)；‑接收装置(3)，其包括感测区域(31)，所述感测区域(31)对由所述参考对象(O)反射的所述光辐射(R)敏感，所述感测区域(31)设置有M个数量的感测单元(4)，所述感测单元(4)中的每一个构造成在至少一个光子(F)撞击其感测表面(41)之后产生电信号(S)；‑第一处理单元(5)，其包括Ne个处理元件(6)，其中Ne＜M，所述Ne个处理元件(6)中的每一个构造成接收由所述M个感测单元(4)中的一个产生的电信号(S)，并且构造成确定所述至少一个光子(F)相对于参考电信号(时钟)在所述感测单元(4)上的撞击时间(t)，所述第一处理单元(5)构造成，在所述测量操作(Ai)中的每一个时，基于与所述M个感测单元(4)中的至少一个相关的撞击时间(t)计算所述距离(d)的值，其特征在于，所述测量设备(1)包括第二处理单元(7)，所述第二处理单元(7)构造成在所述测量操作(Ai)中的每一个时执行以下步骤：‑接收由所述M个感测单元(4)产生的所述电信号(S)作为输入；‑对所述电信号(S)进行处理，以便选择被属于所述光辐射(R)的光子(F)撞击的Nu个数量的感测单元(4)，其中Nu≤Ne；‑将所述Nu个感测单元(4)中的每一个与所述Ne个处理元件(6)中的一个相关联，以便在接续的测量操作(Ai+1)时，所述距离(d)由所述第一处理单元(5)基于与所选择的所述Nu个感测单元(4)中的每一个相关的至少一个所述光子(F)的撞击时间(t)来确定。...

【技术特征摘要】
2017.07.11 EP 17180791.01.一种测量设备(1)，其适合于测量至少一个参考对象(O)的距离(d)，所述测量设备(1)构造成连续地执行多个测量操作(Ai)，并且包括：-发射装置(2)，对于所述测量操作(Ai)中的每一个，其适合于在预定时间段(I)期间发射指向所述参考对象(O)的光辐射(R)；-接收装置(3)，其包括感测区域(31)，所述感测区域(31)对由所述参考对象(O)反射的所述光辐射(R)敏感，所述感测区域(31)设置有M个数量的感测单元(4)，所述感测单元(4)中的每一个构造成在至少一个光子(F)撞击其感测表面(41)之后产生电信号(S)；-第一处理单元(5)，其包括Ne个处理元件(6)，其中Ne＜M，所述Ne个处理元件(6)中的每一个构造成接收由所述M个感测单元(4)中的一个产生的电信号(S)，并且构造成确定所述至少一个光子(F)相对于参考电信号(时钟)在所述感测单元(4)上的撞击时间(t)，所述第一处理单元(5)构造成，在所述测量操作(Ai)中的每一个时，基于与所述M个感测单元(4)中的至少一个相关的撞击时间(t)计算所述距离(d)的值，其特征在于，所述测量设备(1)包括第二处理单元(7)，所述第二处理单元(7)构造成在所述测量操作(Ai)中的每一个时执行以下步骤：-接收由所述M个感测单元(4)产生的所述电信号(S)作为输入；-对所述电信号(S)进行处理，以便选择被属于所述光辐射(R)的光子(F)撞击的Nu个数量的感测单元(4)，其中Nu≤Ne；-将所述Nu个感测单元(4)中的每一个与所述Ne个处理元件(6)中的一个相关联，以便在接续的测量操作(Ai+1)时，所述距离(d)由所述第一处理单元(5)基于与所选择的所述Nu个感测单元(4)中的每一个相关的至少一个所述光子(F)的撞击时间(t)来确定。2.根据权利要求1所述的设备(1)，其特征在于，所述发射装置(2)发射脉冲类型的光辐射(R)，该脉冲类型的光辐射(R)对于与所述测量操作(Ai)中的每一个相关的每个时间段(I)具有预定数量为X的脉冲(B)。3.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于，所述第二处理单元(7)构造成这样：在所述测量操作(Ai)中的每一个时，处理所述电信号(S)的所述步骤包括在所述预定时间段(I)期间，对于所述M个感测单元(4)中的每一个，计算与属于所述光辐射(R)的至少一个光子(F)的撞击相关的出现的次数。4.根据权利要求3所述的设备(1)，其特征在于，所述第二处理单元(7)构造成，对于所述M个感测单元(4)中的每一个，通过依次执行以下操作来计算的所述出现的次数：-在由所述发射装置(2)发射所述光辐射(R)期间，执行所述出现的至少一个第一计数(UP)；-在没有所述光辐射(R)的情况下，执行至少一个第二计数(DOWN)；-执行所述第一计数(UP)和所述第二计数(DOWN)之间的减法计算。5.根据权利要求3或4所述的设备(1)，其特征在于，所述第二处理单元(7)构造成，在所述测量操作(Ai)中的每一个时并且在所述出现的次数的所述计算之后，所述第二处理单元基于所述出现的所述次数的降序排列而在所述M个数量的感测单元(4)中选择所述Nu个数量的感测单元(4)。6.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于，所述感测单元(4)中的每一个包括至少一个SPAD(单光子雪崩二极管)(81)。7.根据权利要求6所述的设备(1)，其特征在于，所述感测单元(4)中的每一个包括至少两个SPAD(81、...

【专利技术属性】
技术研发人员：达妮埃莱·佩伦佐尼，大卫·斯托帕，莱昂纳多·加斯帕里尼，马泰奥·佩伦佐尼，尼古拉·马萨里，
申请(专利权)人：布鲁诺凯斯勒基金会，
类型：发明
国别省市：意大利,IT