时间飞行深度相机及单频调制解调的降低噪声的距离测量方法技术

本发明专利技术提供一种时间飞行深度相机及单频调制解调的降低噪声的距离测量方法，时间飞行深度相机包括：发射模组，包括光源，用于向待测物发射脉冲光束；采集模组，包括由至少一个像素组成的图像传感器，每个所述像素包括至少3个抽头，所述抽头用于采集由所述待测物反射回的反射脉冲光束所产生的电荷信号和/或背景光的电荷信号；处理电路，用于控制至少3个抽头在宏周期的至少3个帧周期之间轮换采集所述电荷信号，并接收电荷信号的数据以计算出所述脉冲光束的飞行时间和/或所述待测物的距离。测量距离的扩展不再受限于脉宽，另外通过抽头轮换采集方法以降低或消除由于工艺制造误差等原因造成抽头之间或者读出电路之间的失配而引起的固定噪声。

A distance measurement method for noise reduction of time-flight depth camera and single frequency modulation and demodulation

【技术实现步骤摘要】
时间飞行深度相机及单频调制解调的降低噪声的距离测量方法
本专利技术涉及光学测量
，尤其涉及一种时间飞行深度相机及单频调制解的降低噪声的距离测量方法。
技术介绍
ToF的全称是Time-of-Flight，即飞行时间，ToF测距法是一种通过测量光脉冲在发射/接收装置和目标物体间的往返飞行时间来实现精确测距的技术。在ToF技术中直接对光飞行时间进行测量的技术被称为dToF(direct-TOF)；对发射光信号进行周期性调制，通过对反射光信号相对于发射光信号的相位延迟进行测量，再由相位延迟对飞行时间进行计算的测量技术被成为iToF(Indirect-TOF)技术。按照调制解调类型方式的不同可以分为连续波(ContinuousWave，CW)调制解调方式和脉冲调制(PulseModulated，PM)调制解调方式。目前，CW-iToF技术主要应用于基于两抽头传感器构建的测量系统，核心测量算法是一种四相位的调制解调方式，至少需要进行两次曝光(为了保证测量精度，通常需要进行四次曝光)才能完成对四个相位数据的采集输出一帧深度图像，因而难以获得较高的帧频。PM-iToF调制技术主要应用于四抽头像素传感器(三个抽头用于信号的采集和输出，一个抽头用于对无效电子进行释放)，这一测量手段的测量距离目前受限于调制解调信号的脉宽，当需要进行远距测量时，需要延长调制解调信号的脉宽，而调制解调信号脉宽的延长会导致功耗的增加和测量精度的下降。另外，对于多抽头像素传感器而言，往往面临着由于工艺制造误差等原因造成抽头之间或者读出电路之间的失配，从而引入固定噪声(Fixed-PatternNoise,FPN)，进一步影响测量精度。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有技术的问题，提供一种时间飞行深度相机及单频调制解调的降低噪声的距离测量方法。本专利技术的技术问题通过以下的技术方案予以解决：一种时间飞行深度相机，包括：发射模组，包括光源，用于向待测物发射脉冲光束；采集模组，包括由至少一个像素组成的图像传感器，每个所述像素包括至少3个抽头，所述抽头用于采集由所述待测物反射回的反射脉冲光束所产生的电荷信号和/或背景光的电荷信号；处理电路，用于控制所述至少3个抽头在宏周期的至少3个帧周期之间轮采集所述电荷信号，并接收所述电荷信号的数据以计算出所述脉冲光束的飞行时间和/或所述待测物的距离。在本专利技术的一种实施例中，所述处理电路根据下式计算所述脉冲光束的飞行时间：其中，Q11、Q21、Q31、Q12、Q22、Q32、Q13、Q23、Q33分别表示在所述宏周期的连续3个帧周期内3个抽头所采集到的信号。所述处理电路通过控制所述至少3个抽头的采集时序不断发生变化或者控制所述光源发射所述脉冲光束的时间延迟以实现所述至少3个抽头进行轮换采集电荷信号。在连续的所述帧周期之间的所述时间延迟是规则递增、规则递减或不规则变化的；在连续的所述帧周期之间的的时间延迟的差距是脉冲宽度的整数倍。所述处理电路还用于对所述电荷信号的数据进行判断以确定所述电荷信号的数据中是否包含所述反射脉冲光束的所述电荷信号，再根据判断结果计算所述脉冲光束的飞行时间和/或所述待测物的距离。本专利技术还提供一种单频调制解调的降低噪声的距离测量方法，包括：S1：利用光源向待测物发射脉冲光束；S2：利用包括由至少一个像素组成的图像传感器采集由所述待测物反射回的反射脉冲光束的电荷信号，每个所述像素包括至少3个抽头，所述抽头用于采集所述电荷信号和/或背景光的电荷信号；S3：控制所述至少3个抽头在宏周期的至少3个帧周期之间轮换采集电荷信号，并接收所述电荷信号的数据以计算出所述脉冲光束的飞行时间和/或所述待测物的距离。在本专利技术的一种实施例中，所述脉冲光束的飞行时间根据下式计算：其中，Q11、Q21、Q31、Q12、Q22、Q32、Q13、Q23、Q33分别表示在连续3个帧周期内所述3个抽头所采集到的信号。所述处理电路通过控制所述至少3个抽头的采集时序不断发生变化或者控制所述光源发射所述脉冲光束的时间延迟以实现所述至少3个抽头进行轮换采集电荷信号。在连续的所述帧周期之间的所述时间延迟是规则递增、规则递减或不规则变化的；在连续的所述帧周期之间的时间延迟的差距是脉冲宽度的整数倍。本专利技术的方法还包括对所述电荷信号的数据进行判断以确定所述电荷信号的数据中是否包含所述反射脉冲光束的所述电荷信号，再根据判断结果计算所述脉冲光束的飞行时间和/或所述待测物的距离。本专利技术的有益效果为：提供一种时间飞行深度相机及单频调制解调的降低噪声的距离测量方法，摆脱了现在PM-iToF测量方案中脉宽与测量距离和功耗成正比，而与测量精度负相关的矛盾；使测量距离的扩展不再受限于脉宽，从而在具有较远测量距离的情况下仍能保持较低的测量功耗和较高的测量精度，另外通过抽头轮换采集方法以降低或消除由于工艺制造误差等原因造成抽头之间或者读出电路之间的失配而引起的固定噪声(Fixed-PatternNoise,FPN)。相对于CW-iToF测量方案，本方案中单组调制解调频率而言只需要一次曝光输出三个抽头的信号量即可获得一帧深度信息，因而显著降低了整体的测量功耗并提高了测量帧频。因此，本方案相对于现有的iToF技术方案均具有明显的优势。附图说明图1是根据本专利技术实施例的一种时间飞行深度相机原理示意图。图2是根据本专利技术实施例的一种时间飞行深度相机光信号发射与采集方法示意图。图3是根据本专利技术实施例的一种降低噪声的时间飞行深度相机光信号发射与采集方法示意图。图4是根据本专利技术实施例的又一种降低噪声的时间飞行深度相机光信号发射与采集方法示意图。图5是根据本专利技术实施例的单频调制解调的降低噪声的距离测量方法的示意图。图6是根据本专利技术实施例的又一种时间飞行深度相机的光信号发射与采集示意图。图7是根据本专利技术实施例的一种前后帧顺延采集方法。图8(a)是根据本专利技术实施例的又一种前后帧顺延采集方法。图8(b)是根据本专利技术实施例的再一种前后帧顺延采集方法。图9是是根据本专利技术实施例的多频调制解调的降低噪声的距离测量方法的示意图。具体实施方式为了使本专利技术实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接即可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种时间飞行深度相机，其特征在于，包括：发射模组，包括光源，用于向待测物发射脉冲光束；采集模组，包括由至少一个像素组成的图像传感器，每个所述像素包括至少3个抽头，所述抽头用于采集由所述待测物反射回的反射脉冲光束所产生的电荷信号和/或背景光的电荷信号；处理电路，用于控制所述至少3个抽头在宏周期的至少3个帧周期之间轮换采集所述电荷信号，并接收所述电荷信号的数据以计算出所述脉冲光束的飞行时间和/或所述待测物的距离。

【技术特征摘要】
1.一种时间飞行深度相机，其特征在于，包括：发射模组，包括光源，用于向待测物发射脉冲光束；采集模组，包括由至少一个像素组成的图像传感器，每个所述像素包括至少3个抽头，所述抽头用于采集由所述待测物反射回的反射脉冲光束所产生的电荷信号和/或背景光的电荷信号；处理电路，用于控制所述至少3个抽头在宏周期的至少3个帧周期之间轮换采集所述电荷信号，并接收所述电荷信号的数据以计算出所述脉冲光束的飞行时间和/或所述待测物的距离。2.如权利要求1所述的时间飞行深度相机，其特征在于，所述处理电路根据下式计算所述脉冲光束的飞行时间：其中，Q11、Q21、Q31、Q12、Q22、Q32、Q13、Q23、Q33分别表示在所述宏周期的连续3个帧周期内3个抽头所采集到的信号。3.如权利要求1所述的时间飞行深度相机，其特征在于，所述处理电路通过控制所述至少3个抽头的采集时序不断发生变化或者控制所述光源发射所述脉冲光束的时间延迟以实现所述至少3个抽头进行轮换采集电荷信号。4.如权利要求3所述的时间飞行深度相机，其特征在于，在连续的所述帧周期之间的所述时间延迟是规则递增、规则递减或不规则变化的；在连续的所述帧周期之间的的时间延迟的差距是脉冲宽度的整数倍。5.如权利要求1所述的时间飞行深度相机，其特征在于，所述处理电路还用于对所述电荷信号的数据进行判断以确定所述电荷信号的数据中是否包含所述反射脉冲光束的所述电荷信号，再根据判断结果计算所述脉冲光束的飞行时间和/或所述待测物的距离。6.一种单频调制解调的降低噪...

【专利技术属性】
技术研发人员：王飞，朱亮，胡小龙，
申请(专利权)人：深圳奥比中光科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44