用于驅動飛行時間系統(tǒng)的方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及飛行時間系統(tǒng)且更具體地涉及用于驅動飛行時間系統(tǒng)的方法。
【背景技術】
[0002] 計算機視覺是包括用于獲取、處理、分析以及理解各圖像的方法的正在增長的研 究領域。該領域中主要的起推動作用的觀點是通過電感知和理解場景的各圖像來復制人類 視覺的能力。值得注意的是，計算機視覺中的一個研究主題是深度感知或換言之三維(3-D) 視覺。
[0003] 飛行時間（ToF)系統(tǒng)(包括相機和數(shù)據(jù)處理裝置)最近出現(xiàn)且能夠通過分析光從光 源到物體的飛行時間來捕捉場景的3-D圖像。這樣的相機系統(tǒng)被用在許多應用中，其中需要 距固定點的深度或距離信息。
[0004] 如圖1所示的ToF系統(tǒng)3的基本操作原理是用經調制的光16(如脈沖）照亮場景15。 經調制的光16從場景15內的對象反射回來并且透鏡收集反射光17并在成像傳感器35上且 具體地在傳感器的傳感器平面上形成場景中物體的圖像。取決于物體距相機的距離，在經 調制的光(例如，脈沖）的發(fā)射和它們在相機處的反射的接收之間體驗到延遲。例如，距相機 2.5米遠的物體造成1.66納秒的時延。通過分析這一延遲，且具體地通過實現(xiàn)相關計算，所 述物體距相機的距離可被取回。
[0005] 物體距相機的距離可如下計算。為清楚起見，各信號的示例在圖2中給出。調制信 號16(S)被朝物體發(fā)送。在物體上反射之后，信號17(5 Φ)被光電檢測器檢測。與原始信號S相 比，這一信號各由于行進時間而相移了相位φ。
[0006] Φ是用于測量物體距相機的距離的關鍵參數(shù)。為測量這一參數(shù)，光電檢測的信號 S*通常與電參考信號（即，SJ^Sq、以及％)相關，51為、々、以及％是與原始光信號3相比 分別相移0°、180°、90°以及270°的電參考信號，如圖2所示。獲得的相關信號如下定義：
[0007]
[0008]
[0009]
[0010] )
[0011]隨后，兩個參數(shù)I和Q被計算，使得：
[0014] As和α分別是光電檢測的信號5；的振幅變化和相關的效率。[0015] 的提取依賴于調制信號S的形狀。例如，如果S是正弦波，則
[0012]
[0013]
[0016]
[0017] -旦知曉了相位φ，物體距相機的距離Dp就可由于以下公式而被取回：
[0018]
[0019] 其中fm〇d是調制頻率且η是整數(shù)
[0020] 從式1-4可以注意到，理論上，應當是同一信號&與參考信號SkfpSQ、以及％分 別進行相關以獲得&/、_ ,7、以及*。
[0021] 在實踐中，ToF測量一般由包括ToF像素陣列的ToF傳感器來執(zhí)行。在現(xiàn)有技術中， 這些像素中的每一者一般包括一個或兩個"抽頭(tap)"。"抽頭"是包括控制節(jié)點和檢測區(qū) 的組件，用于在暴露到光信號（如&)時光生電荷。每像素只具有一個或兩個抽頭的事實涉 及實際上&的測量是按時間順序的。例如，只包括一個抽頭的像素必須連續(xù)測量4個不同信 號5^_ 4,以計算I，Q并隨后計算在這些配置中，若干曝光發(fā)生且如果在每一曝光之間物 體已移動，則深度數(shù)據(jù)Dp被破壞。
[0022]每像素只使用一個或兩個抽頭的事實對于深度計算的一致性而言是有問題的，但 不僅如此。它對于設計原因而言也是有問題的。確實，如果測量到若干不同信號'則必 須在像素中、傳感器上或系統(tǒng)級添加存儲器，以在計算步驟之前存儲信號、%4 ToF系統(tǒng)的 :〇 大小隨后極大地增加。
[0023]最后，在若干抽頭被包括在單個像素中時，用來驅動它們的驅動信號通常不是最 優(yōu)的，因為所需帶寬過高。在正電勢被施加到一抽頭(相對于其他抽頭)上時，該抽頭被激活 且檢測性很高，從而意味著激活的抽頭的檢測區(qū)將接收像素中的大多數(shù)光生少數(shù)載流子。 對于4-抽頭像素體系結構，一種直接方法是啟用四個抽頭中的每一個達25%的調制周期， 如圖3所示。對于所發(fā)送的具有頻率50MHz的經調制信號，由于每一抽頭25%的占空比，4-抽 頭設備抽頭將需要等于100MHz的響應時間。
[0024]不管現(xiàn)有技術中呈現(xiàn)了什么，仍提出了一種方法和系統(tǒng)，以測量物體距ToF系統(tǒng)的 非偏置距離，同時降低ToF系統(tǒng)的大小以及抽頭所需的帶寬兩者。
[0025] 發(fā)明概述
[0026] 本發(fā)明首先涉及一種用于驅動飛行時間系統(tǒng)以與適配成用經調制信號照亮場景 的照明系統(tǒng)一起使用的方法，該ToF系統(tǒng)具有包括至少一個像素的成像傳感器，所述像素包 括由驅動信號驅動以檢測從場景反射的經調制信號的抽頭，對于每一像素，該方法包括以 下步驟:確定至少第一和第二對抽頭以及在經調制信號的預定數(shù)量N個周期期間驅動每一 對抽頭來檢測反射的經調制信號。
[0027] 本發(fā)明的一優(yōu)點是每一對抽頭在經調制信號的N個周期的時間期間以50%占空比 來操作，這使得能夠降低抽頭所需的帶寬。
[0028] 本發(fā)明的另一優(yōu)點是在確定相關測量時，運動穩(wěn)健性被改進，因為信號^!是幾 乎同時被測量到的。
[0029] 又一優(yōu)點是不需要更多存儲器來首先存儲單獨的〖數(shù)據(jù)，這使得能夠降低ToF 系統(tǒng)的大小。
[0030] 本發(fā)明還涉及一種用于與適配成用經調制信號照亮場景的照明系統(tǒng)一起使用的 飛行時間系統(tǒng)，該飛行時間系統(tǒng)包括包含至少兩個像素的成像傳感器，每一像素包括抽頭， 用于生成驅動信號以驅動所述抽頭的信號生成器，適配成接收來自信號生成器的驅動信號 以及將它們傳送給抽頭的抽頭驅動器，所述飛行時間系統(tǒng)的特征在于，每一像素包括至少 兩對抽頭，每一像素的兩對抽頭分別連接到不同驅動器，以及每一驅動器連接到每一像素 的抽頭，成像傳感器的像素的連接到所述每一驅動器的抽頭形成一組抽頭。
[0031] 本發(fā)明實例的方法和系統(tǒng)明顯由驅動各對抽頭的同一發(fā)明概念聯(lián)系，優(yōu)選地在經 調制信號的預定數(shù)量N個周期期間。
[0032] 本發(fā)明的系統(tǒng)的一優(yōu)點是每一像素包括4個抽頭，這使得能夠幾乎同時確定4個相 關測量，BP \,/、、足喊、以及。
[0033] 本發(fā)明的另一優(yōu)點是每一像素在空間上組織成定義多個對稱軸，這使得能夠獲得 更準確的測量。
[0034]又一優(yōu)點是每一像素是八邊形形狀，這使得能夠在多個像素之間共享電路系統(tǒng)， 同時獲得甚至更準確的測量。
【附圖說明】
[0035]根據(jù)以下描述和附圖應更好地理解本發(fā)明。
[0036]圖1示出ToF系統(tǒng)的基本操作原理；
[0037]圖2示出用來確定ToF系統(tǒng)中的相關測量的信號的示例；
[0038]圖3示出普遍使用的4抽頭驅動模式，其中每一抽頭被啟用達調制時段的25%; [0039 ]圖4示出根據(jù)本發(fā)明的一實施例的ToF系統(tǒng)。
[0040]圖5示出包括多個抽頭驅動器、多個復用器以及信號生成器的驅動單元；
[0041]圖6示出根據(jù)本發(fā)明的一實施例的像素的4抽頭拓撲結構；
[0042] 圖7示出沿圖6中所示的4抽頭像素的虛線的截面圖；
[0043] 圖8示出根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的像素的4抽頭拓撲結構；
[0044]圖9示出根據(jù)本發(fā)明的又一實施例的像素的4抽頭拓撲結構；以及
[0045] 圖10示出根據(jù)本發(fā)明的一實施例的驅動信號的示例。
[0046] 結合附圖，本發(fā)明的優(yōu)點和新穎特征將從以下詳細描述中變得更明顯。
[0047]發(fā)明描述
[0048] 現(xiàn)在將參考4抽頭像素來描述本發(fā)明，但不限于此。本發(fā)明可用包括多個抽頭的像 素來實現(xiàn)，優(yōu)選地至少三個抽頭，且甚至更優(yōu)選地是四個抽頭。
[0049] 圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的飛行時間系統(tǒng)3 JoF系統(tǒng)3與適配成用由包 括數(shù)個周期的經調制光16照亮場景的照明系統(tǒng)18-起使用。照明單元18可包括用于發(fā)出經 調制光16的一個或多個光源。經調制光16可以是周期性光。該周期性光可以是波或脈沖的 形式或這兩者的組合。光可以在光譜的可見光區(qū)或非可見光區(qū)，例如優(yōu)選地在紅外域以處 于傳感