飞行时间传感器和感测方法技术

一种飞行时间传感器包括飞行时间(TOF)处理器，所述飞行时间(TOF)处理器具有数字TOF端口、数字输入端口和数字输出端口，所述TOF处理器包括相位检测器，所述相位检测器包括循环旋转解复用器(DEMUX)、耦接到第一DEMUX输出的第一求和器、耦接到第二DEMUX输出的第二求和器、耦接到第三DEMUX输出的第三求和器、耦接到第四DEMUX输出的第四求和器，以及耦接到所述第一求和器、所述第二求和器、所述第三求和器和所述第四求和器的输出并且具有相位估计输出的相位估计器；具有耦接到数字TOF端口的数字驱动器端口和驱动器输出端口的驱动器；以及具有耦接到数字TOF处理器的数字输入端口的输出端口的模数转换器(ADC)。

Time of flight sensors and sensing methods

【技术实现步骤摘要】
飞行时间传感器和感测方法相关申请的交叉引用本申请要求享有于2018年7月31日提交的共同未决美国临时专利申请序列号62/712,952的权益，以引用方式将其并入本文。
技术介绍
飞行时间(TOF)是物体、颗粒或波(例如，声波或电子波)的属性，涉及所述物体、颗粒或波通过介质行进花费多长时间。可以将TOF技术用于多种目的，包括测距和3D成像。3D飞行时间(TOF)技术通过使用低成本CMOS像素阵列连同有源调制光源来提供3D成像而使机器视觉行业发生革命。构造紧凑、容易使用连同高精确度和帧速率使得TOF相机成为诸如计算机视觉、无人机和机器人应用的宽范围应用的有吸引力解决方案，。3D飞行时间(TOF)相机通过利用调制光源照射场景并观测反射光来工作。测量照明和反射之间的相移并转换成距离。典型地，照明来自工作于人眼不可见的近红外范围(～850nm)中的固态激光器或LED。被设计成对同一光谱做出响应的成像传感器接收光并将光子能量转换成电流。注意，进入传感器中的光具有环境分量和反射分量。距离(深度)信息仅嵌入在反射分量中。因此，高的环境分量降低了信噪比(SNR)。为了检测照明和反射之间的相移，通过连续波(CW)源，通常是正弦或方波来使光源脉冲化或被调制。方波调制更普遍，因为容易使用数字电路来实现。不过，正弦波可能导致较少失真。脉冲方法简单直接。光源照射短暂周期(Δt)，在每个像素处，利用两个具有相同Δt的异相窗口C1和C2并行地对反射能量进行采样。测量在这些采样期间累积的电荷Q1和Q2并用于计算距离。相反地，CW方法每次测量获取多个样本，例如，通常调制频率的每个周期至少四个样本。使用这种技术，可以计算照明和反射之间的相位角φ以及距物体的距离d。CW测量基于相位(其每2π循环一次(“相位缠绕”))的事实表示距离也将具有混叠距离。发生混叠的距离被称为歧义距离(damb)。由于距离缠绕，所以damb也是最大可测量距离。如前所述，如果希望延长可测量距离，则必须要减小调制频率，从而降低了距离测量的精确度。市面上存在利用前述处理的TOF系统。不过，现有TOF系统并非集成方案，典型地涉及几个通用部件，以固件和软件对其编程以进行TOF测量，从而可以推导出深度和3D数据。这样的系统往往很笨重且昂贵。此外，由于先前TOF传感器的检测器的光源和采样约束，通常采用方波信号，这导致更大的歧义和深度误差。由于相位缠绕，在距离测量范围和测量精确度之间还有折衷。相位缠绕是指从物体反射的信号有歧义的距离。高精确度的方法需要高频调制，而高频调制限制了能够检测的物体的范围。在基于反射波进行TOF测量时，可能有来自具有周期性调制的其他光源的干涉。这些其他光源可能与TOF传感器无关，或者可以是工作于相同物理空间中的其他TOF传感器。尤其有问题的是工作于同一物理空间中的其他TOF传感器，因为检测到的光可能是来自其他TOF传感器的直射光。本领域的技术人员在阅读以下描述并研究附图的几幅图之后，现有技术的这些和其他限制将显而易见。
技术实现思路
现在将参考附图描述几个示例实施例，其中为类似部件提供类似附图标记。示例实施例意在例示，而并非要限制本专利技术。附图包括以下图：图1是飞行时间(TOF)传感器的第一示例实施例的框图；图2是TOF传感器的第二示例实施例的框图；图3是用于操作TOF传感器的方法的流程图；图4是示意图，示出了TOF传感器在第一频率f1和第二频率f2处的操作；图5是TOF传感器的第三示例实施例的框图；图6是最大长度序列(MLS)发生器的框图；图7是用于将所传输波形的相移反射波形与其他波形区分开的方法的流程图；图8A是示出了MLS信号的示意图；图8B是示出了MLS调制余弦波的示意图；以及图9A和9B是MLS调制的余弦波脉冲的示意图。具体实施方式在图1中，通过举例而非限制阐述的飞行时间(TOF)传感器10包括TOF处理器12、驱动器14、模数转换器(ADC)16和信号调节器18。在某些实施例中，飞行时间传感器10被耦接到或还包括接口20、波形发射器22和波形接收器24。例如，接口20可以是外部发光二极管(LED)或激光器接口，波形发射器可以是LED或激光器，且波形接收器24可以是光电检测器件。在示例实施例中，飞行时间传感器10被实现为集成电路26。其他部件，例如接口20、波形发射器22和/或波形接收器24也可以被实现为集成电路26的部分。TOF处理器12包括数字TOF端口28、数字输入端口30和数字输出端口32。驱动器14包括耦接到TOF处理器12的数字TOF端口28的数字驱动器端口34。ADC16具有耦接到数字TOF处理器的数字输入端口的输出端口36。信号调节器18将波形接收器24耦接到ADC16的输入端。接口20将驱动器14耦接到波形发射器22。应当指出，TOF处理器12可以充当以相关波形(例如，从反射波形导出)作为一个输入的相关器。应当意识到，在本示例实施例中，集成电路26提供控制信号40以驱动(或调制)光源22。控制信号40优选耦接到驱动器14的额外驱动电子器件(例如，FET或MOSFET)以增大至光源(LED、激光二极管等)的功率，或者它可以独立提供电力以驱动光源22。控制信号40生成可以用于确定由光源22发射的调制波形和光电检测器件24接收的反射波形之间的相位差的计算之间的相位差的时钟。作为非限制性示例，光电检测器件24可以是单光子雪崩二极管(SPAD)、硅光电倍增管(SiPM)、硅光电二极管、III-V族光电二极管、光电导体等。在某些实施例中，光电检测器件24可以是能够产生图像的光电检测器的阵列。光电检测器件24可以与透镜或镜筒(未示出)相关联，以增强光收集并方便像普通相机系统那样生成场景或对象/目标的图像。光电二极管被传感器系统中的电子器件单独读取。读出可以包括低噪声放大器和滤波器。读出还可以提供必要的反向偏置电压。在增益和放大和滤波之后，对信号进行采样并由快速ADC进行数字化，并将数据发送到电路进行计算。图2中示出了进行这种计算的控制器/微控制器的框图，再次示出了光电二极管和读出以更容易参考。在图2中，通过举例而非限制阐述的TOF传感器10’包括TOF处理器12’、ADC16和信号调节器18’，其中类似附图标记是指类似部件。在这一非限制性示例中，TOF处理器12’包括解复用器(DMUX)44、计数器46、第一求和器48、第二求和器50、第三求和器52、第四求和器54、第一时钟控制寄存器56、第二时钟控制寄存器58、第三时钟控制寄存器60、第四时钟控制寄存器62和CORDIC旋转器64。求和器48-54、时钟控制寄存器56-62和CORDIC旋转器64共同地包括相位估计器66。在本示例中，DEMUX44是1:2n(1:4)解复用器，其中n＝2。因此，DEMUX44是n比特(2比特)受控解复用器，其包括两个控制端口S0和S1、第一DEMUX输出Y0、第二DEMUX输出Y本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种飞行时间传感器，包括：/n飞行时间(TOF)处理器，所述飞行时间(TOF)处理器具有数字TOF端口、数字输入端口和数字输出端口，所述TOF处理器包括相位检测器，所述相位检测器包括循环旋转解复用器(DEMUX)、耦接到第一DEMUX输出的第一求和器、耦接到第二DEMUX输出的第二求和器、耦接到第三DEMUX输出的第三求和器、耦接到第四DEMUX输出的第四求和器、以及耦接到所述第一求和器、所述第二求和器、所述第三求和器和所述第四求和器的输出并且具有相位估计输出的相位估计器；/n驱动器，所述驱动器具有耦接到所述数字TOF端口和驱动器输出端口的数字驱动器端口；以及/n模数转换器(ADC)，所述模数转换器(ADC)具有耦接到所述数字TOF处理器的所述数字输入端口的输出端口。/n

【技术特征摘要】
20180731 US 62/712,952;20190710 US 16/508,2761.一种飞行时间传感器，包括：
飞行时间(TOF)处理器，所述飞行时间(TOF)处理器具有数字TOF端口、数字输入端口和数字输出端口，所述TOF处理器包括相位检测器，所述相位检测器包括循环旋转解复用器(DEMUX)、耦接到第一DEMUX输出的第一求和器、耦接到第二DEMUX输出的第二求和器、耦接到第三DEMUX输出的第三求和器、耦接到第四DEMUX输出的第四求和器、以及耦接到所述第一求和器、所述第二求和器、所述第三求和器和所述第四求和器的输出并且具有相位估计输出的相位估计器；
驱动器，所述驱动器具有耦接到所述数字TOF端口和驱动器输出端口的数字驱动器端口；以及
模数转换器(ADC)，所述模数转换器(ADC)具有耦接到所述数字TOF处理器的所述数字输入端口的输出端口。


2.根据权利要求1所述的飞行时间传感器，还包括波形发射器和波形接收器，所述波形发射器耦接到所述驱动器输出端口，所述波形接收器具有耦接到所述ADC的输入端口的输出端口。


3.根据权利要求2所述的飞行时间传感器，还包括将所述波形接收器耦接到所述ADC的所述输入端口的信号调节器。


4.根据权利要求3所述的飞行时间传感器，其中所述信号调节器包括偏置电路、放大器和滤波器中的一个或多个。


5.根据权利要求4所述的飞行时间传感器，其中所述波形发射器包括发光二极管(LED)和激光器中的至少一个，从而所调制波形是调制电磁波形。


6.根据权利要求5所述的飞行时间传感器，还包括耦接到所述第一求和器的第一时钟控制寄存器、耦接到所述第二求和器的第二时钟控制寄存器、耦接到所述第三求和器的第三时钟控制寄存器以及耦接到所述第四求和器的第四时钟控制寄存器。


7.根据权利要求6所述的飞行时间传感器，其中所述第一时钟控制寄存器、所述第二时钟控制寄存器、所述第三时钟控制寄存器和所述第四时钟控制寄存器将所述第一求和器、所述第二求和器、所述第三求和器和所述第四求和器耦接到所述相位估计器。


8.根据权利要求1所述的飞行时间传感器，还包括耦接到所述DEMUX的控制端口的时钟控制计数器。


9.根据权利要求8所述的飞行时间传感器，其中所述DEMUX是1:4解复用器，并且所述时钟控制寄存器是2比特计数器。


10.根据权利要求9所述的飞行时间传感器，其中所述时钟控制计数器、所述第一时钟控制寄存器、所述第二时钟控制寄存器、所述第三时钟控制寄存器和所述第四时钟控制寄存器被同步时钟控制。


11.根据权利要求1所述的飞行时间传感器，其中所述TOF处理器被实现为专用集成电路(ASIC)。


12.根据权利要求1所述的飞行时间传感器，其中所述TOF处理器是具有n比特受控第一DEMUX的第一TOF处理器，并且还包括具有m比特受控第二DEMUX的第二TOF处理器，其中m>n，从而所述第一TOF处理器发展出第一相位估计输出并且所述第二TOF处理器发展出第二相位估计输出。


13.根据权利要求12所述的飞行时间传感器，还包括耦接到所述第一TOF处理器的时钟控制n比特计数器以及耦接到所述第二TOF处理器的时钟控制m比特计数器。


14.根据权利要求13所述的飞行时间传感器，其中所述第一DEMUX是1:2n解复用器并且所述第二DEMUX是1:25n解复用器。


15.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·伊马迪，C·J·拉泽尔，J·P·汉克斯，
申请(专利权)人：马克西姆综合产品公司，
类型：发明
国别省市：美国;US