飛行時間相機(jī)中相位對準(zhǔn)誤差的主動補(bǔ)償?shù)闹谱鞣椒?br>【專利說明】飛行時間相機(jī)中相位對準(zhǔn)誤差的主動補(bǔ)償
[0001]優(yōu)先權(quán)請求
[0002]本申請是于10月24日提交的非臨時的美國臨時專利申請序列號62/068137，在此通過引用以其整體并入。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及集成電路領(lǐng)域，尤其涉及被配置為用于飛行時間的相機(jī)(time-of-flight camera)的相位對準(zhǔn)誤差提供主動補(bǔ)償?shù)碾娐贰?br>【背景技術(shù)】
[0004]飛行時間的相機(jī)是用于測量關(guān)于對象距離的信息的光學(xué)系統(tǒng)。具體而言，飛行時間的相機(jī)基于光的已知速度和信號在相機(jī)與對象之間傳播所花費(fèi)的時間而解析距離。該飛行時間的相機(jī)的一個示例例子是LIDAR，它使用激光作為光源，用于測量對象的距離。飛行時間的相機(jī)經(jīng)常用于測距儀。經(jīng)設(shè)計用于確定深度、距離和/或速度的光學(xué)系統(tǒng)也可以用于許多其他系統(tǒng)，包括運(yùn)動電子、消費(fèi)電子、醫(yī)療設(shè)備、航空/軍用設(shè)備、汽車電子、安防系統(tǒng)等。
【附圖說明】
[0005]為了提供本公開內(nèi)容的更完整的理解和其特征和優(yōu)點(diǎn)，可結(jié)合附圖參考下面的描述，其中，類似的參考數(shù)字表示相同的部件，其中:
[0006]圖1示出示例的飛行時間的相機(jī)；
[0007]圖2示出根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施例，用于為飛行時間的相機(jī)的相位對準(zhǔn)誤差提供主動補(bǔ)償?shù)氖纠韵到y(tǒng)；
[0008]圖3示出根據(jù)本公開的一些實(shí)施例，用于為飛行時間的相機(jī)的相位對準(zhǔn)誤差提供主動補(bǔ)償?shù)牧硪皇纠韵到y(tǒng)；
[0009]圖4示出根據(jù)本公開的一些實(shí)施例，用于為飛行時間的相機(jī)的相位對準(zhǔn)誤差提供主動補(bǔ)償?shù)牧硪皇纠韵到y(tǒng)；
[0010]圖5示出根據(jù)本公開的一些實(shí)施例，說明用于為飛行時間的相機(jī)的相位對準(zhǔn)誤差的主動補(bǔ)償?shù)姆椒ǖ牧鞒虉D；和
[0011]圖6示出根據(jù)本公開的一些實(shí)施例的對于反饋具有電脈沖輸出的示例性照明器設(shè)計。
【具體實(shí)施方式】
[0012]了解飛行時間的相機(jī)
[0013]圖1示出示例性的飛行時間的相機(jī)。飛行時間的相機(jī)一般包括照明器104(它散發(fā)出主動照明脈沖或光脈沖)，和具有電子快門的圖像傳感器102。雖然未示出，飛行時間的相機(jī)將包括可以計算在相機(jī)的視場中的物體的距離的部件(例如，棒球運(yùn)動員、棒球棍等)。通常情況下，飛行時間的相機(jī)通過使用照明器104生成主動照明脈沖以及捕獲在圖像傳感器102中的反射光而測量場景深度，所述照明器104反射在場景中的對象。例如，照明器104可以包括發(fā)光二極管或激光二極管，其可以在場景中的對象脈沖紅外光，以及反射光由圖像傳感器102捕獲，例如，電荷耦合設(shè)備(CCD)圖像傳感器陣列或其它類型的圖像傳感器陣列。照明器104由電脈沖驅(qū)動，其引起照明器104閃爍。圖像傳感器102的快門驅(qū)動器由電脈沖驅(qū)動，其引起快門打開以允許圖像被捕獲和/圖像信號產(chǎn)生。
[0014]需要注意，從照明器104到對象以及從對象到圖像傳感器102行進(jìn)的光的往返時間將基于從飛行時間的相機(jī)的物體距離而變化。另外，光的速度是已知的。因此，根據(jù)于對象到飛行時間的相機(jī)之間的距離，擊中圖像傳感器102的反射光將具有相對于照明器104產(chǎn)生的光的時間的延遲?；谶@些信息，可以協(xié)調(diào)照明器104的相位和圖像傳感器102的快門驅(qū)動器以捕獲反射光。通過觸發(fā)脈沖到具有多分時相位差的照明器104和圖像傳感器102，圖像傳感器的那些相位差和拍攝圖像信號102可直接用于計算對象與相機(jī)的距離。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，多種可用技術(shù)/算法可用于飛行時間的相機(jī)以確定距離(例如，利用照明和快門脈沖之間的已知相位差的技術(shù))。
[0015]飛行時間的相機(jī)中的相位/定時誤差
[0016]在提供給照明器104的脈沖和提供給圖像傳感器102的脈沖之間的預(yù)定相位差直接用于確定對象與飛行時間的相機(jī)的距離。出于這個原因，距離確定的準(zhǔn)確性通過兩個脈沖中的定時誤差(例如，偏移量、歪斜變化)被降低。兩個脈沖之間的實(shí)際相位差有時可大于預(yù)定/期望的相位差或小于預(yù)定/期望的相位差。當(dāng)兩個脈沖之間的相位差是不準(zhǔn)確的時，距離計算也變得不準(zhǔn)確。換言之，理想的是保證兩個脈沖之間的相位差是已知的或設(shè)置有很高的準(zhǔn)確度。
[0017]換而言之，深度計算的準(zhǔn)確度直接依賴于確保照明和快門脈沖的相位對準(zhǔn)是正確的，例如減少歪斜(圖1中示出)，當(dāng)脈沖不與所需的相位差對準(zhǔn)時，歪斜可發(fā)生。照明和快門脈沖的任一個或兩個可以呈現(xiàn)歪斜，從而引起深度計算中的錯誤。例如，相位對準(zhǔn)中的誤差皮秒可直接導(dǎo)致在深度計算中的毫米到厘米(或更多)誤差。
[0018]多個誤差源存在信號鏈中，包括靜態(tài)和動態(tài)的，從而導(dǎo)致錯誤的相位對準(zhǔn)。一些解決方案試圖通過蠻力(brute-force)技術(shù)以手動表征和調(diào)整照明和快門脈沖的定時對準(zhǔn)而解決該問題。然而，這些解決方案不是最佳的，因?yàn)樵S多這些技術(shù)不能容易解決動態(tài)的錯誤來源。例如，蠻力技術(shù)一般不能解決因溫度變化(例如，導(dǎo)致電壓供應(yīng)的變化)或生成該脈沖的電路的老化引起的誤差。
[0019]飛行時間的相機(jī)相位校準(zhǔn)誤差的主動補(bǔ)償技術(shù)
[0020]為了減輕這些問題，可提供改進(jìn)的方法、裝置和系統(tǒng)以實(shí)施主動反饋，用于電傳感或監(jiān)視照明和快門脈沖并積極地進(jìn)行調(diào)整，以保持脈沖之間的期望的相位關(guān)系/差。通過維持所需的相位差，距離計算可以更準(zhǔn)確，甚至當(dāng)飛行時間的相機(jī)的條件變化(例如，溫度、老化等)時。有利地，主動補(bǔ)償可以糾正關(guān)于’即時’錯誤，在操作期間消除詳細(xì)表征和手動調(diào)整。
[0021]圖2示出根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施例，用于向飛行時間的相機(jī)的相位對準(zhǔn)誤差提供主動補(bǔ)償?shù)氖纠韵到y(tǒng)。所示的系統(tǒng)包括圖像傳感器202 (類似于圖1的圖像傳感器102)，其可以具有與其耦合的電子快門驅(qū)動器204。通常情況下，快門驅(qū)動器204控制圖像傳感器202的電子快門。系統(tǒng)還包括照明器206(類似于圖1的照明器104)。所述照明器可包括光源和用于驅(qū)動光源的驅(qū)動器。所述光源可以是發(fā)光二極管、激光二極管等，以及取決于應(yīng)用可使用不同類型的光源。而且，該系統(tǒng)包括(精度)定時發(fā)生器208以產(chǎn)生高速脈沖輸出，用于照明器206(0UT1)和快門驅(qū)動器204(0UT2)。這兩個脈沖最好具有彼此之間的期望/已知/預(yù)定相位差。從圖像傳感器202的捕獲的圖像信號和輸出電脈沖之間的期望/已知/預(yù)定相位差異用于計算對象與飛行時間的系統(tǒng)的距離。處理器(諸如，數(shù)字信號處理器或微處理器)可以包括在飛行時間的相機(jī)中，用于執(zhí)行該計算。
[0022]如先前解釋地，實(shí)際的相位差可以靜態(tài)和動態(tài)漂移遠(yuǎn)離期望/已知/預(yù)定的相位差，從而使得距離確定變得不準(zhǔn)確。本公開的一個方面涉及提供在快門驅(qū)動器204和照明器206的脈沖的主動反饋，使得“實(shí)際”的電脈沖可用于反饋信息以調(diào)整脈沖輸出OUTl和0UT2從。為了獲得快門驅(qū)動器204和照明器206的“實(shí)際”電脈沖，可提供專用電路以感測在所述照明器206 (ACTl)和快門驅(qū)動器204(ACT2)的實(shí)際電脈沖。專門電路可包括第一傳感電路，用于感測在照明器206中驅(qū)動光源的驅(qū)動器的第一實(shí)際電脈沖(ACT1)，和第二傳感電路，用于感測在電子快門驅(qū)動器204的第二實(shí)際電脈沖(ACT2)。專用電路是不普通的，由于在一些實(shí)施例中該系統(tǒng)的高壓和高速條件。此外，專用電路是不普通的，因?yàn)榭扉T驅(qū)動器204和照明器206各自具有獨(dú)特的設(shè)計電路，其彼此差異很大。
[0023]本發(fā)明的另一方面涉及主動反饋如何用于減小相位誤差，或與照明和快門脈沖之間理想/期望/預(yù)期相位差的偏差?！皩?shí)際”的電脈沖(例如，ACTl和ACT2)被作為輸入提供給專門電路(例如，相位檢測器210和相位檢測212)，以測量具有預(yù)定參考脈沖(例如，分別REFl和REF2)實(shí)際的脈沖的相位差。參考脈沖(例如，REFl和REF2)可以代表具有已知/預(yù)定相位差的理想/期望/預(yù)期脈沖。換而言之，第一參考電脈沖REFl和第二參考電脈沖REF2可以代表具有預(yù)定相位差的期望電脈沖。
[0024]一旦相位差/誤差被測量(相對于參考脈沖)，專用電路(例如，相位調(diào)整器214和相位調(diào)整216)可以實(shí)施相位校正算法，以調(diào)整由定時發(fā)生器208生成的脈沖輸出OUTl和0UT2，用于驅(qū)動實(shí)際和參考脈沖之間的相位差/誤差為零。
[0025]在一些實(shí)施例中，專用電路可以包括第一補(bǔ)償電路，用于基于第一實(shí)際電脈沖(例如，ACT1)和第一參考電脈沖(例如，REF1)而調(diào)整被提供給驅(qū)動光源的驅(qū)動器的第一輸出電脈沖(例如，0UT1)，以及第二補(bǔ)償電路，用于基于所述第二實(shí)際電脈沖(例如，ACT2)和第二參考電脈沖(例如，REF2)而調(diào)整被提供給電子快門驅(qū)動器的第二輸出電脈沖(例如，0UT2)。第一補(bǔ)償電路可以實(shí)施第一相位校正算法，以調(diào)整被提供給照明器206的第一輸出電脈沖(例如，0UT1)并驅(qū)動所述第一實(shí)際電脈沖(例如，ACT1)更接近第一參考電脈沖(例如，REF1) ο第二補(bǔ)償電路可以實(shí)施第二相位校正算法，以調(diào)整被提供給快門驅(qū)動器204的第二輸出電脈沖(例如，0UT2)并驅(qū)動所述第二實(shí)際電脈沖(例如，ACT2)更接近所述第二參考電脈沖(例如，REF2)。
[0026]本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，實(shí)施不同技術(shù)用于測量脈沖的相位誤差(這可引起距離確定的錯誤的誤差)的其他合適系統(tǒng)也可由本公開設(shè)想。系統(tǒng)的不同變化結(jié)合圖3和4所示。
[0027]用于調(diào)整脈沖輸出的相位的控制回路
[0028]如示于圖2，主動補(bǔ)償方案感測實(shí)際的電脈沖，并使用所檢測的脈沖作為主動反饋，以控制驅(qū)動該照明器和快門驅(qū)動器的輸出脈沖。因此，主動補(bǔ)償方案可以看作