[发明专利]一种基于单光子雪崩二极管的激光三角法测距装置及方法

说明书

本发明涉及激光测距技术领域，具体涉及一种基于单光子雪崩二极管的激光三角法测距装置及方法，该测量装置包括：激光发射器、单光子雪崩二极管传感器和信号处理单元；单光子雪崩二极管传感器包括：单光子雪崩二极管像素阵列和计数器阵列，单光子雪崩二极管像素阵列包括依次排列的单光子雪崩二极管，单光子雪崩二极管将目标的反射光信号转化为脉冲信号，计数器阵列包括与单光子雪崩二极管对应的计数器，计数器记录曝光时间内单光子雪崩二极管输出的脉冲信号；信号处理单元根据曝光时间内各单光子雪崩二极管输出的脉冲信号，确定目标的位移或间隔距离，能够解决现有技术中采用PD像素阵列，会造成检测结果不准确，或者曝光窗口难以确定的问题。

技术领域

本发明涉及激光测距技术领域，具体涉及一种基于单光子雪崩二极管的激光三角法测距装置及方法。

背景技术

激光三角测量法是利用光线空间传播过程中的光学反射规律和相似三角形原理，在接收透镜的物空间与像空间构成相似关系，同时利用边角关系计算出待测位移。

采用激光三角测量法测距的图像传感器芯片一般采用PD(Photo-Diode，光电二极管)作为像素，如CIS(Contact Image Sensor，接触式图像传感器)、CCD(Charge CoupledDevice，电荷耦合器件图像传感器)。PD像素随感光强度输出模拟信号，ADC(analog todigital converter，模拟数字转换器)将模拟信号转换为数字信号，一般为传感器芯片外部的分立器件，ADC和传感器芯片间需要加入放大器，数字信号处理单元，如MCU、DSP或FPGA，接收对应像素阵列感光强度的数字信号，寻找光斑中心位置，并通过光路关系解算目标距离测量系统的精确距离。

但是，由于光电二极管的工作原理是在设定时间内不断的积累光子，当光电二极管接收的光子积累到一定量时，就会输出电压信号。参见图1所示，CCD或CIS的像素在累积光子的时候，光电二极管探测到(接收)的光子数量具有随入射光子通量增大而线性增大至饱和状态的特点，在弱光情况下，需要较长的时间才能达到饱和状态；但是，在强光下，曝光时间内若累积光子已经达到饱和状态，饱和状态后的光子不会对电压产生影响。如图2所示，P1处的光照强度较低，例如，处于隧道内；P2处的光照强度较强，例如，处于从隧道出来的大夏天晴朗的阳光下。光电二极管对于P1处光照强度下的光子均可以进行线性累积，按照一定的斜率产生响应曲线，也就是，当光电二极管接收的光子积累到一定量时，就会输出电压信号，但是光子积累至饱和状态后，继续检测到达的光子不会对电压产生影响，即设定时间内光电二极管接收的光子能够产生电压信号后，再接收的光子基本不会改变输出电压的大小，ADC(analog to digital converter，模拟数字转换器)将输出的电压信号转化为数字信号。因此，如果环境处于P2处的光强强度下，当设定时间内某一区域的连续几个像素的光电二极管都达到检测光子饱和状态时，输出的电压信号基本一致，由ADC转化的数字信号是一样的，这样会导致无法从PD像素阵列中找到最准确反应目标位置的像素(即找到光斑中心位置)，以使检测的结果不准确；此外，ADC会产生噪音问题以及ADC存在转换速率较慢的问题，即使采用转换速率较快的ADC，或者采用与PD数量对应的多个ADC，又会急剧增加成本。为了使检测结果更加精确，通常的做法是在CCD和CIS尚未处于饱和状态的时候，不断的调整曝光时间窗口，使PD像素阵列中在曝光时间窗口内某一产生电压的像素能够更加准确反应目标位置，但是这样的曝光时间窗口很难准确设置，或者导致识别不到目标。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于单光子雪崩二极管的激光三角法测距装置及方法，能够解决现有技术中采用PD像素阵列，由于CCD或者CIS检测光子的线性增大至饱和的特点，造成在强光下对到达的光子不再继续累积，会造成检测结果不准确，或者曝光窗口难以确定的问题。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一方面，本发明提供一种基于单光子雪崩二极管的激光三角法测距装置，包括：

激光发射器，其用于向目标发射激光；