飞时测距方法与相关系统与流程

本申请涉及一种飞时测距方法与相关系统，尤其涉及一种使用结构光来感测与目标物距离的飞行测距方法以及相关飞时测距系统。

背景技术：

飞时测距是通过传感器来测量入射光和反射光的相位差而完成测距，其运算复杂度高，耗电较大和运算时间也较长。现有技术为了增加准确度，将光信号的频率提升。然而，提升光信号的频率造成波长下降，使得在相同的测量距离下，因波长变短，相位模糊的问题变严重。因此，现有技术感测多个不同频率的光信号以确保相位的准确度，相应地，耗电与操作时间又再增加。如何在不影响准确度的前提下解决上述问题，已成为本领域重要的工作项目。

技术实现要素：

本申请的目的之一在于公开一种飞时测距方法及相关系统，来解决现有技术中飞时测距方法耗时耗电的技术问题。

本申请的一实施例公开了一种飞时测距方法，用来测量与目标物的距离。飞时测距方法包括下列步骤：通过光学传感器，感测由目标物反射的反射光信号，并得到反射光信号与入射光信号之间的相位移，其中相位移小于2π；依据相位移得到多个第一深度信息；通过处理单元得到反射光信号对应于入射光信号的像差（disparity）；依据像差，得到第二深度信息；以及依据第二深度信息，从多个第一深度信息中取得距离。

本申请的一实施例公开了一种飞时测距系统，用来测量与目标物间的距离。飞时测距装置包括光学传感器以及处理单元。光学传感器用以感测由目标物反射的反射光信号。处理单元依据感测的反射光信号，用以得到反射光信号与入射光信号之间的相位移以及反射光信号对应于入射光信号的像差，并依据相位移得到多个第一深度信息，以及依据像差得到第二深度信息，其中相位移小于2π。处理单元还依据第二深度信息，用以从多个第一深度信息中取得距离。

具体来说，本申请所公开的飞时测距方法以新颖的方式解决飞时距离的相位模糊度(phaseambiguity)的问题，进而降低功耗与处理时间。

附图说明

图1为本申请的飞时测距系统的实施例的方框示意图。

图2为在感测操作中光信号的波形图。

图3为本申请的飞时测距系统的实施例的操作示意图。

图4为本申请的飞时测距系统的几何模拟图。

图5为本申请的飞时测距方法的流程图。

具体实施方式

以下揭示内容提供了多种实施方式或例示，其能用以实现本揭示内容的不同特征。下文所述之组件与配置的具体例子系用以简化本揭示内容。当可想见，这些叙述仅为例示，其本意并非用于限制本揭示内容。举例来说，在下文的描述中，将一第一特征形成于一第二特征上或之上，可能包括某些实施例其中所述的第一与第二特征彼此直接接触；且也可能包括某些实施例其中还有额外的组件形成于上述第一与第二特征之间，而使得第一与第二特征可能没有直接接触。此外，本揭示内容可能会在多个实施例中重复使用组件符号和/或标号。此种重复使用乃是基于简洁与清楚的目的，且其本身不代表所讨论的不同实施例和/或组态之间的关系。

现有的三维图像传感器主要有三种实现方式：立体双目，结构光和飞时测距（timeofflight，tof）。通常，在飞时测距的实现方式当中，是利用传感器来测量光信号飞行的时间，再结合光速计算得到飞时距离，即传感器与被测物体之间的距离，其中光信号飞行的时间，是从发射出的激光和返回的激光之间的相位延迟所反推得知。

然而，和目标物（即待测物体）之间的距离长度有可能会使上述相位延迟超过一个周期（即2π），也就是相位模糊度所造成的相位混迭。

因此，需要利用光信号的像差以帮助判断上述相位延迟重迭了几个周期，以得到和目标物之间的距离。其细节说明如下。

图1为本申请的飞时测距系统100的实施例的方框示意图。参照图1，飞时测距系统100用于感测入射光信号lt和反射光信号lr的相位移θ，并依据入射光信号lt的频率与相位移θ来计算与目标物101的距离，其中入射光信号lt与反射光信号lr为激光信号。一般情况下，相位移θ小于2π，但如前所述，若发射的入射光信号lt频率较高，或测量距离太大时，实际的相位延迟可能会大于2π，亦即相位延迟等于θ+2nπ（n为整数）。举例来说，当相位延迟等于θ+2nπ时，计算与目标物101的深度信息为z1，而当相位延迟等于［θ+2（n+1）π］时，计算与目标物101的深度信息为z2。其中深度信息z2与深度信息z1相差一个入射光信号lt的波长的长度。图2至图4的实施例中叙述的飞时测距方法可分辨相位延迟θ+2nπ中的n为多少，并据以计算出实际距离z。相较于一般作法，本申请的方法可减少入射光信号的照射次数，由于照射入射光信号需要大量能量亦占用每一帧的操作时间，因此飞时测距系统100的功耗可以被降低且维持帧速率（framerate）。

飞时测距系统100包括发光装置120、光学传感器140以及处理单元160。发光装置120用以发射入射光信号lt至目标物101。光学传感器140用以接收从目标物101反射的反射光信号lr，并依据接收的反射光信号lr产生电子信号。处理单元160耦接发光装置120与光学传感器140，并用以控制发光装置120与光学传感器140的操作，例如通过时钟信号控制发光装置120与光学传感器140的开启与关闭。处理单元160更用以处理光学传感器140所产生的电子信号。在一些实施例中，处理单元160包括微控制单元（microcontrollerunit，mcu）、中央处理器（centralprocessingunit，cpu）或图形处理器（graphicsprocessingunit，gpu）。

由于发光装置120发射的入射光信号lt的相位为已知，因此当光学传感器140接收到反射光信号lr后，可得到相位移θ。为了清楚起见，入射光信号lt与反射光信号lr以下列信号方程式1~2表示。

（方程式1）

（方程式2）

其中a与a'为振幅，f为频率，t为时间，以及b为飞时测距系统100内产生的噪声，具体来说，当发光装置120产生入射光信号lt时，连带产生系统噪声b。当系统噪声b经目标物反射后变成b'，随着反射光信号lr反射回光学传感器140。

参照图2，在量测相位移θ时，发光装置120产生入射光信号lt照射目标物101，且光学传感器140在四个不同时点t1、t2、t3与t4分别感测反射光信号lr随相位变化的光强度q1、q2、q3与q4。在一些实施例中，发光装置120产生入射光信号lt照射目标物101四次，在每一次的照射中光学传感器140仅感测光强度q1、q2、q3与q4其中之一（即，获得四张图像）。因为入射光信号lt的频率f已知，且反射后的反射光信号lr频率不改变，因此将时点t1、t2、t3与t4与光强度q1、q2、q3与q4带入反射光信号lr的方程式2后即可得出振幅a'、相位移θ与系统噪声b'。其中，相位移θ为小于2π的值。

为了计算方便，选择时点t1与t3相距半个周期。换算成相位变化，从时点t1到t3相位变化了π，比如从0°变化到180°。相应的，时点t2与t4亦选择相距半个周期，比如从90°变化到270°。在此条件下，反射光信号lr方程式2可解出如下。

（方程式3）

（方程式4）

（方程式5）

其中k为时点t2与t1之间的相变化，参数a1~a4可由下列方程式表示。

（方程式6）

（方程式7）

（方程式8）

（方程式9）

在一些实施例中，可将k设为0.5π，以进一步简化反射光信号lr方程式中参数如下。

（方程式10）

（方程式11）

相位移θ可通过光强度q1~q4计算得到，因此，相位延迟θ+2nπ多个（多个不同的n）可能的值也可得知。处理单元160通过相位延迟θ+2nπ得到多个可能的深度信息z（n）。深度信息z（n）由下列方程式表示。

（方程式12）

其中c为光速。

但飞时测距系统100无法单单依据入射光信号lt与反射光信号lr判断真实的相位延迟θ+2nπ中的n为多少，因此，飞时测距系统100需通过入射光信号lt与反射光信号lr之间的像差d，以从多个可能的深度信息中取得真实距离z。其细节说明如下。

请参照图3。为了得到入射光信号lt与反射光信号lr之间的像差d，发光装置120产生具有预定图案（pattern）的光，比如结构光（structuredlight）作为入射光信号lt，光学传感器140再通过感测反射光信号lr，使处理单元160依据反射光信号lr上的图案与入射光信号lt上的图案来取得像差d。在一个例子中，入射光可以是矩阵分布的散斑光。

发光装置120包括光源122与光学微结构124。光源122产生激光信号ls照射至光学微结构124，光学微结构124改变激光信号ls的行进路线以产生入射光信号lt。其中入射光信号lt具有预定图案，使能量集中在预定图案。在图3的实施例中，入射光信号lt投影在目标物101上可形成彼此分开的多个光点s1~s5的光斑图案。

举例来说（但本公开不限于此），光学微结构124包括衍射光学元件（diffractiveopticalelement，doe）或折射光学元件（refractiveopticalelement，roe），用以将激光信号ls进行锥形衍射（或锥形折射）以产生入射光信号lt，使入射光信号lt投影在目标物101上可形成彼此分开的多个光点。在某些实施例中，在光源122及光学微结构124之间还包含有准直透镜，用来将激光信号ls整形成平行光。

示于图3的光点s1~s5的数量仅为示意之用途，其并不限制本申请中光点的数量。例如，在一些实施例中，光源122产生的激光信号ls包括由m个激光组成的激光阵列。当激光阵列通过光学微结构124，光学微结构124将激光阵列中每个激光复制成n*n个，以在目标物101上形成m*n*n个光点。m与n为正整数。

在光学传感器140接收具有多个光点s1~s5图案的反射光信号lr后，处理单元160利用对极几何（epipolargeometry）解算每个光点s1~s5图案的像差d，再利用像差计算深度信息z'，其以下列方程式表示。

（方程式13）

其中b为对极几何中的基线距离，f为光学传感器140的焦距。举例来说，请参照图4，光点s1在光学微结构124（第一成像面）s1a上的坐标与在光学传感器140（第二成像面）s1b上的坐标的偏移距离为像差d，其中s1a对应光学传感器140之位置为s1a'，像差d为s1a'与s1b之差距。通过基线距离b与焦距f，得知光点s1在目标物101上离飞时测距系统100的距离z'，其中基线距离b为光源122至光学传感器140后虚拟焦点vf的距离。

因利用对极几何是以几何光学的基础来计算，因此计算的像差d无关于光信号的相位，因此，深度信息z'不会有相位模糊度的问题。然而，因为几何光学本身终究存在误差，因此深度信息z'的计算具有一定程度的误差。在此情况下，处理单元160可依据深度信息z'去判断深度信息z（n）中的哪一个为真实距离z。

取得真实距离z的过程中，处理单元160先比较深度信息z'与多个不同n值的深度信息z（n），再选择多个深度信息z（n）中与深度信息z'最近的一个，最后决定被选择的深度信息z（n）为真实距离z。在一些实施例中，处理单元160将多个深度信息z（n）分别与深度信息z'相减取绝对值，接着从多个绝对值中选择最小的一个，然后决定所选择的绝对值对应的深度信息z（n）为真实距离z。

此外，像差d会随着目标物的距离z而改变。由方程式13可知，像差d与距离z'成反比。对于相同的入射光信号lt与目标物101而言，当距离z很近的时候，像差d较大，当距离z很远的时候，像差d较小。以图1的例子来说，当光点s1~s5在z1的深度反射回来的像差d比当光点s1~s5投影在z2反射回来的像差d大。为了避免光点s1~s5反射回光学传感器140时相互干扰，发光装置120必须控制光点s1~s5之间的间隔不能过于密集，好让光点s1~s5反射回光学传感器140时可以确定地被辨识出来。具体来说，因为像差d与距离z成反比的关系，因此发光装置120依据飞时测距系统100的最短测量距离zmin来决定光点s1~s5之间的间隔，以确保光点s1~s5即使受到像差d最大值bxf/zmin（参照方程式13）的影响后，光点s1~s5仍能确定地被辨识出来，相邻的点不会互相混淆。

在一些实施例中，发光装置120控制入射光信号lt具有规律排列的光点的图案。在一些实施例中，发光装置120控制入射光信号lt具有不规则排列的光点的图案，其中，所有光点与相邻光点的间隔符合飞时测距系统100的最短测量距离zmin的限制。

综上所述，相较于现有技术，飞时测距系统100不需要再额外发射与频率f不同的光信号来辅助判断n值，从而减少了入射光信号lt照射的次数，并利用像差d的辅助以解决相位模糊度的问题，因此取得与目标物之间的真实距离z。飞时测距系统100在不降低感测的准确度下，因为降低入射光信号lt照射的次数，降低了系统功耗，且没有降低帧速率。

由上述说明可知，本申请的飞时测距系统100可使用了图5中的飞时测距方法500，以感测与目标物101之间的距离z。首先，通过发光装置120产生入射光信号lt，照射至目标物101后并产生反射光信号lr（s510）。光学传感器140接着感测反射光信号lr，使得处理单元160依据感测的反射光信号lr取得反射光信号lr与入射光信号lt之间的相位移θ（s520），并依据相位移θ得到多个深度信息z（n）（s530）。处理单元160再利用对极几何取得反射光信号lr与入射光信号lt之间的像差d（s540），并依据像差d取得深度信息z'（s550）。最后，依据深度信息z'，从多个深度信息z（n）中取得与目标物101之间的距离z（s560）。