飞行时间量测电路及相关飞行时间量测系统及量测方法与流程

1.本技术涉及一种量测电路，尤其涉及一种飞行时间量测电路及相关飞行时间量测系统及量测方法。


背景技术：

2.飞行时间量测技术包含直接飞行时间量测技术以及非直接飞行时间量测技术，其中直接飞行时间量测技术是利用发射一个光脉冲，之后测量反射光脉冲和发射光脉冲之间的时间间隔，就可以得到光的飞行时间，再用测得的飞行时间推算出深度信息。直接飞行时间量测技术的困难之处在于需要能分辨出非常精细的时间差，例如如果需要实现1.5厘米的测距精准度，则分辨率需要达到10皮秒。
3.然而，现实上在实现直接飞行时间量测技术时，各种非理想误差都可能会对测得的飞行时间贡献误差，因此如何提升精准度，已成为本领域亟需解决的问题之一。


技术实现要素：

4.本技术的目的之一在于公开一种飞行时间量测电路及相关飞行时间量测系统、量测方法、芯片及电子装置，来解决上述问题。
5.本技术的一实施例公开了一种用来量测脉冲产生单元所发射的多个光脉冲从出发到目标物后，反射回所述飞行时间量测电路的时间间隔，所述飞行时间量测电路包括：像素阵列，包括m行
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n列像素单元，其中m,n为正整数，且每一所述像素单元包括：光敏传感器，其中所述多个光脉冲至少包括于不同时间发射的第一光脉冲与第二光脉冲，所述光敏传感器用来在接收到所述第一光脉冲时，产生第一触发信号，以及在接收到所述第二光脉冲时，产生第二触发信号；以及时间数字转换器，包括：n个第一时间数字转换单元，包括第1所述第一时间数字转换单元到第n所述第一时间数字转换单元，相邻并对应地耦接至第m行的第1到第n列所述像素单元的n个输出端，所述n个第一时间数字转换单元分别基于从第m行所述像素单元中的每一个的输出端所接收到的所述第一触发信号进行时间数字转换，以相对应地得到n个转换结果，其中所述n个第一时间数字转换单元不对所述第二触发信号进行时间数字转换；以及n个第二时间数字转换单元，包括第1所述第二时间数字转换单元到第n所述第二时间数字转换单元，相邻并对应地耦接至第m行的第1到第n列所述像素单元的n个输出端，所述n个第二时间数字转换单元分别基于从第m行所述像素单元中的每一个的输出端所接收到的所述第二触发信号进行时间数字转换，以相对应地得到n个转换结果，其中所述n个第二时间数字转换单元不对所述第一触发信号进行时间数字转换；其中所述n个第一时间数字转换单元与所述n个第二时间数字转换单元交错设置。
6.本技术的一实施例公开了一种飞行时间量测系统，包括：脉冲产生单元，用来发射多个光脉冲至目标物；以及上述的飞行时间量测电路，用来量测所述脉冲产生单元所发射的所述多个光脉冲从出发到所述目标物后，反射回所述飞行时间量测电路的时间间隔。本技术的一实施例公开了一种。
7.本技术的一实施例公开了一种飞行时间量测方法，包括：在第一时间段控制n个第一时间数字转换单元对m
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n像素阵列产生的n个第一触发信号进行时间数字转换，以得到n个第一转换结果，其中m,n为正整数；在第二时间控制所述n个第一时间数字转换单元输出所述n个第一转换结果；在所述第二时间段控制n个第二时间数字转换单元对所述m
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n像素阵列产生的n个第二触发信号进行时间数字转换，以得到n个第二转换结果；以及在第三时间段控制所述n个第二时间数字转换单元输出所述n个第二转换结果，且在所述第三时间段控制所述n个第一时间数字转换单元对所述m
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n像素阵列产生的n个第三触发信号进行时间数字转换，以得到n个第三转换结果；其中所述n个第一时间数字转换单元与所述n个第二时间数字转换单元交错设置，所述第一时间段、第二时间段和第三时间段交错且不重叠。
8.本技术的一实施例公开了一种芯片，包括上述的飞行时间量测电路。
9.本技术的一实施例公开了一种电子装置，包括上述的芯片。
10.本技术的一实施例公开了一种电子装置，包括上述的飞行时间量测系统。
11.本技术的飞行时间量测电路利用两套时间数字转换单元来降低相邻的数字转换单元同时操作时造成的耦合效应，并且进一步降低读取时间数字转换单元时的电压降，可以使量测飞行时间的准确度提高。
附图说明
12.图1为本技术的飞行时间量测电路的第一实施例的示意图。
13.图2为控制本技术的飞行时间量测电路进行时间数字转换的时序图。
14.图3为控制本技术的飞行时间量测电路进行输出操作的时序图。
具体实施方式
15.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。
16.再者，在此处使用空间上相对的词汇，譬如「之下」、「下方」、「低于」、「之上」、「上方」及与其相似者，可能是为了方便说明图中所绘示的一组件或特征相对于另一或多个组件或特征之间的关系。这些空间上相对的词汇其本意除了图中所绘示的方位之外，还涵盖了装置在使用或操作中所处的多种不同方位。可能将所述设备放置于其他方位(如，旋转90度或处于其他方位)，而这些空间上相对的描述词汇就应该做相应的解释。
17.虽然用以界定本技术较广范围的数值范围与参数皆是约略的数值，此处已尽可能精确地呈现具体实施例中的相关数值。然而，任何数值本质上不可避免地含有因个别测试方法所致的标准偏差。在此处，「约」通常系指实际数值在一特定数值或范围的正负10％、5％、1％或0.5％之内。或者是，「约」一词代表实际数值落在平均值的可接受标准误差之内，
视本技术所属技术领域中具有通常知识者的考虑而定。当可理解，除了实验例之外，或除非另有明确的说明，此处所用的所有范围、数量、数值与百分比(例如用以描述材料用量、时间长短、温度、操作条件、数量比例及其他相似者)均经过「约」的修饰。因此，除非另有相反的说明，本说明书与附随申请专利范围所揭示的数值参数皆为约略的数值，且可视需求而更动。至少应将这些数值参数理解为所指出的有效位数与套用一般进位法所得到的数值。在此处，将数值范围表示成由一端点至另一端点或介于二端点之间；除非另有说明，此处所述的数值范围皆包括端点。
18.现实上在实现直接飞行时间量测技术时，各种非理想误差都可能会对测得的飞行时间贡献误差，举例来说，当时间数字转换器以延时线的方式实现时，时间数字转换器中的延时线上的信号和相邻的时间数字转换器中的延时线上的信号发生耦合会造成时序偏差，而多个时间数字转换器产生的转换结果同时输出(即被读出)时会造成电压降(ir drop)，从而可能导致输出的转换结果发生错误。本技术的飞行时间量测电路能够改善上述的问题，其细节说明如下。
19.图1为本技术的飞行时间量测电路的第一实施例的示意图，飞行时间量测电路100用来量测脉冲产生单元(未绘示于图中)所发射的多个光脉冲从出发到目标物(未绘示于图中)后，反射回飞行时间量测电路100的时间间隔。举例来说，所述脉冲产生单元可包括(但不限于)一驱动电路和一发光单元。所述驱动电路用以驱动所述发光单元，使所述发光单元间歇性地发出光脉冲。所述发光单元可以是(但不限于)半导体激光器，其也可称作激光二极管(laser diode，ld)；发光单元也可以是发光二极管(light emitting diode，led)或其他可以产生光脉冲的发光单元，其半导体激光器所产生的光脉冲是相干光(coherent light)，而发光二极管所产生的光脉冲是非相干光(incoherent light)。
20.飞行时间量测电路100包含像素阵列102、时间数字转换器104以及控制器106。具体来说，像素阵列102包括m行
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n列像素单元，其中m,n为正整数，举例来说，像素单元p11代表像素阵列102中第1行第1列像素单元，像素单元pmn代表像素阵列102中第m行第n列像素单元，在本实施例中，像素阵列102中的每一像素单元皆相同。像素阵列102中每一像素单元包括光敏传感器，用来在接收到反射回飞行时间量测电路100的所述多个光脉冲时，分别产生触发信号。一般来说，所述光敏传感器可用单光子雪崩二极管实现，但本技术不以此限。
21.像素阵列102中，m行所述像素单元会依序地被使能，例如当第a行像素单元pa1～pan被使能时，各像素单元pa1～pan根据所接收到的光脉冲所产生的触发信号会分别从各像素单元pa1～pan的输出端输出至下一行像素单元的输入端，即以图1来说，呈现向下的纵向传递，也就是说，当a小于m时，触发信号会从第a行像素单元pa1～pan各自的输出端输出后，再依序通过第(a 1)行到第m行像素单元并输出为触发信号tdci1～tdcin；当a等于m时，触发信号会直接从第m行像素单元pm1～pmn各自的输出端输出为触发信号tdci1～tdcin。在本实施例中，当第a行像素被使能并产生触发信号以及将触发信号传递到时间数字转换器期间，其他行像素仍处于非使能状态，触发信号所经过的那些行像素，起到信号传输路径的作用。
22.时间数字转换器104包括n个第一时间数字转换单元1041a～104na以及n个第二时间数字转换单元1041b～104nb相邻第m行像素单元pm1～pmn，具体来说，n个第一时间数字转换单元1041a～104na相邻并对应地耦接至第m行的第1到第n列所述像素单元pm1～pmn的
n个输出端，n个第二时间数字转换单元1041b～104nb亦相邻并对应地耦接至第m行的第1到第n列所述像素单元pm1～pmn的n个输出端。
23.因此，当由第a行第1列像素单元pa1产生的触发信号tdci1从第m行像素单元pm1的输出端输出时，会同时进入第一时间数字转换单元1041a及第二时间数字转换单元1041b；当由第a行第2列像素单元pa2产生的触发信号tdci2从第m行像素单元pm2的输出端输出时，会同时进入第一时间数字转换单元1042a及第二时间数字转换单元1042b，并依此类推。也就是说，n个第一时间数字转换单元1041a～104na分别基于从第m行像素单元pm1～pmn的输出端所接收到的触发信号tdci1～tdcin进行时间数字转换，以相对应地得到n个转换结果tdco1a～tdcona。同样地，n个第二时间数字转换单元1041b～104nb也分别基于从第m行像素单元pm1～pmn的输出端所接收到的触发信号tdci1～tdcin进行时间数字转换，以相对应地得到n个转换结果tdco1b～tdconb。不过第一时间数字转换单元1041a～104na和第二时间数字转换单元1041b～104nb会交错地进行转换，简单来说，本技术将时间数字转换单元的数量增加一倍，以换取两倍的时间来进行时间数字转换与输出操作，其细节说明于后。
24.如图1所示，可以发现，像素阵列102中每一列所述像素单元都对应到一个第一时间数字转换单元以及一个第二时间数字转换单元。即像素单元p11～pm1对应到第一时间数字转换单元1041a及第二时间数字转换单元1041b；像素单元p12～pm2对应到第一时间数字转换单元1042a及第二时间数字转换单元1042b...，依此类推。在本实施例中，n个第一时间数字转换单元1041a～104na与n个第二时间数字转换单元1041b～104nb中的每一个的结构都相同，且n个第一时间数字转换单元1041a～104na与n个第二时间数字转换单元1041b～104nb交错设置。具体来说，此处所指之交错设置，是在以硬件(例如芯片)实现飞行时间量测电路100时，在布局图上，n个第一时间数字转换单元1041a～104na与n个第二时间数字转换单元1041b～104nb以1041a、1041b、1042a、1042b、...、104na、104n2b的顺序排列，或以1041b、1041a、1042b、1042a、...、104nb、104n2a的顺序排列。这种排列可以简单理解为多个第一时间数字转换单元和多个第二时间数字转换单元交叉排列，使得两个第一时间数字转换单元之间被一个第二时间数字转换单元间隔开，而两个第二时间数字转换单元之间被一个第一时间数字转换单元间隔开。
25.在本实施例中，控制器106用来控制n个第一时间数字转换单元1041a～104na与n个第二时间数字转换单元1041b～104nb的操作，简而言之，相较于传统的作法，本技术使用两套时间数字转换单元，使控制器106可使用n个第一时间数字转换单元1041a～104na或n个第二时间数字转换单元1041b～104nb来进行时间数字转换以产生转换结果。当n个第一时间数字转换单元1041a～104na在进行时间数字转换时，n个第二时间数字转换单元1041b～104nb就不会进行时间数字转换。
26.由于n个第一时间数字转换单元1041a～104na与n个第二时间数字转换单元1041b～104nb交错设置，故n个第一时间数字转换单元1041a～104na的间距都保持有1个第二时间数字转换单元的宽度；n个第二时间数字转换单元1041b～104nb的间距都保持有1个第一时间数字转换单元的宽度，因此，当n个第一时间数字转换单元1041a～104na在进行时间数字转换时，第二时间数字转换单元造成的间距及提供的屏蔽，可以使n个第一时间数字转换单元1041a～104na彼此互相耦合的程度降低；同样地，当n个第二时间数字转换单元1041b～104nb在进行时间数字转换时，第一时间数字转换单元造成的间距及提供的屏蔽，可以使
n个第二时间数字转换单元1041b～104nb彼此互相耦合的程度降低。即，在n个第一时间数字转换单元在做转换期间，由于被不用作转换的第二时间数字转换单元所间隔开，使得第一时间数字转换单元相互的耦合程度降低；在n个第二时间数字转换单元在做转换期间，由于被不用作转换的第一时间数字转换单元所间隔开，使得第二时间数字转换单元相互的耦合程度降低。
27.一般来说，以延时线为实现方式的时间数字转换单元较以计数器为实现方式的时间数字转换单元更容易与相邻的时间数字转换单元发生耦合而造成时序偏差，因此本实施例应用在以延时线为实现方式的第一时间数字转换单元1041a～104na及第二时间数字转换单元1041b～104nb，效果会更为明显。
28.请同时参考图1及图2，图2为控制本技术的飞行时间量测电路进行时间数字转换的时序图。控制器106利用信号sa控制n个第一时间数字转换单元1041a～104na是否进行时间数字转换；以及利用信号sb控制n个第二时间数字转换单元1041b～104nb是否进行时间数字转换。在图2的时序图中，当信号sa为高电平时，使能n个第一时间数字转换单元1041a～104na进行时间数字转换，当信号sa为低电平时，不使能n个第一时间数字转换单元1041a～104na进行时间数字转换；当信号sb为高电平时，使能n个第二时间数字转换单元1041b～104nb进行时间数字转换，当信号sb为低电平时，不使能n个第二时间数字转换单元1041b～104nb进行时间数字转换。
29.以图2来说，可以把信号sa为高电平的时间段当作第一时间段，把信号sb为高电平的时间段当作第二时间段，因此在整个操作过程中，多个第一时间段和多个第二时间段交错且不重叠，以实现交替使用第一时间数字转换单元和第二时间数字转换单元进行转换。控制器106在多个第一时间段皆控制n个第一时间数字转换单元1041a～104na进行时间数字转换，以及在多个第二时间段皆控制n个第二时间数字转换单元1041b～104nb进行时间数字转换。
30.当所述脉冲产生单元发射光脉冲时，控制单元106以转换控制信号tx通知时间数字转换器104，图2中的tx1～tx4对应所述脉冲产生单元连续发射的四个光脉冲。对应信号tx1，像素阵列102会产生触发信号tdci1～tdcin，其中每一个的触发时间点可能不同。
31.其中，信号tx1对应第一时间段，因此只有n个第一时间数字转换单元1041a～104na被使能以进行时间数字转换，其中第一时间数字转换单元1041a用来把信号tx1到触发信号tdci1的时间间隔转为数字信号(内容为d1_1)；第一时间数字转换单元1042a用来把信号tx1到触发信号tdci2的时间间隔转为数字信号(内容为d2_1)，并依此类推，第一时间数字转换单元104na用来把信号tx1到触发信号tdcin的时间间隔转为数字信号(内容为dn_1)。
32.其中，信号tx2对应第二时间段，因此只有n个第二时间数字转换单元1041b～104nb被使能以进行时间数字转换，其中第二时间数字转换单元1041b用来把信号tx2到触发信号tdci1的时间间隔转为数字信号(内容为d1_2)；第二时间数字转换单元1042b用来把信号tx2到触发信号tdci2的时间间隔转为数字信号(内容为d2_2)，并依此类推，第二时间数字转换单元104nb用来把信号tx2到触发信号tdcin的时间间隔转为数字信号(内容为dn_2)。
33.持续发送如图所示的转换控制信号通信，其中信号tx3对应第一时间段，n个第一
时间数字转换单元1041a～104na被使能以进行时间数字转换；信号tx4对应第二时间段，n个第二时间数字转换单元1041b～104nb被使能以进行时间数字转换，如此交替使能第一时间数字转换单元和第二时间数字转换单元，更多的交替周期过程不再赘述。
34.请同时参考图1及图3，图3为控制本技术的飞行时间量测电路进行输出操作的时序图。控制器106利用信号st1a～stna控制n个第一时间数字转换单元1041a～104na是否将n个转换结果tdco1a～tdcona输出或被读出；以及利用信号st1b～stnb控制n个第二时间数字转换单元1041b～104nb是否将n个转换结果tdco1b～tdconb输出或被读出。在图3的时序图中，当信号sa为低电平时(即第二时间段)，使n个第一时间数字转换单元1041a～104na的n个转换结果tdco1a～tdcona输出或被读出；当信号sb为低电平时(即第一时间段)，使n个第二时间数字转换单元1041b～104nb的n个转换结果tdco1b～tdconb输出或被读出。
35.由于相较于传统的作法，本技术使用两套时间数字转换单元，因此，每套时间数字转换单元可以有两倍的时间来进行时间数字转换与输出操作。这样一来，每次要输出n个转换结果tdco1a～tdcona或n个转换结果tdco1b～tdconb时，可以有馀裕将tdco1a～tdcona分批输出，或将tdco1b～tdconb分批输出。这样一来可以降低电压降(ir drop)，以降低发生错误的机率
36.上述的分批读取的实现方式可以是将n个转换结果tdco1a～tdcona拆分为s组，即每次读取n/s个转换结果，并分s次读取。本技术并不限制s的数量，可理解为只要s大于1即可较现有方式降低电压降，且s越大，越能够降低电压降。举例来说，图3的时序图中s为8，在第二时间段中，因此将n个转换结果tdco1a～tdcona拆分为8个一组分批读取，因此需要分n/8次输出；在第一时间段中，将n个转换结果tdco1b～tdconb也拆分为8个一组分批读取，因此需要分n/8次输出。连同图2的时序图一起观看时，可知对于n个第一时间数字转换单元1041a～104na来说，在第一时间段进行时间数字转换得到的转换结果tdco1a～tdcona会在紧接而来的第二时间段输出；对于n个第二时间数字转换单元1041b～104nb来说，在第二时间段进行时间数字转换得到的转换结果tdco1b～tdconb会在紧接而来的第一时间段输出。因此当n个第一时间数字转换单元1041a～104na在进行时间数字转换操作时，n个第二时间数字转换单元1041b～104nb会进行输出操作，反之亦然。
37.本技术还提供了一种飞行时间量测系统，其包括所述脉冲产生单元及飞行时间量测电路100。本技术还提供了一种芯片，其包括飞行时间量测电路100。本技术还提供了一种电子装置，其包括所述芯片或所述飞行时间量测系统。其中，所述电子装置可为例如智能型手机、个人数字助理、手持式计算机系统、平板计算机或数码相机等任何电子装置。
38.本技术的飞行时间量测电路100利用两套时间数字转换单元来降低相邻的数字转换单元同时操作时造成的耦合效应，并且进一步降低读取时间数字转换单元时的电压降，可以使量测飞行时间的准确度提高。
39.上文的叙述简要地提出了本技术某些实施例之特征，而使得本技术所属技术领域具有通常知识者能够更全面地理解本揭示内容的多种态样。本技术所属技术领域具有通常知识者当可明了，其可轻易地利用本揭示内容作为基础，来设计或更动其他工艺与结构，以实现与此处所述之实施方式相同的目的和/或达到相同的优点。本技术所属技术领域具有通常知识者应当明白，这些均等的实施方式仍属于本揭示内容之精神与范围，且其可进行各种变更、替代与更动，而不会悖离本揭示内容之精神与范围。