校准飞行时间系统的方法和飞行时间系统技术方案

本发明专利技术提出了一种用于校准飞行时间系统的方法，所述飞行时间系统具有位于盖板(CP)后面的飞行时间传感器。所述方法包括响应于控制信号(CS1)的相应的触发脉冲而发射多个光的发送脉冲(EP)，并且检测光的接收脉冲(RP、RP')。确定表示发送脉冲(EP)之一与接收脉冲(RP、RP')之一之间的时间周期的相应的差值。差值累积到至少一个直方图的许多的区间(1，...，N)中。所述方法还涉及在预定的区间范围(1，...，M)内在直方图中记录至少一个串扰响应(CTP)，并且使用记录的串扰响应(CTP)来校准直方图。最终，基于对校准的直方图的评估，生成指示飞行时间的输出信号(OS)。

Method of calibrating flight time system and flight time system

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】校准飞行时间系统的方法和飞行时间系统本专利技术涉及校准飞行时间系统的领域。飞行时间传感器有许多与距离测量相关的应用，例如包括接近检测、辅助数码相机自动对焦、多区域自动对焦、手势检测或3D相机应用。飞行时间(ToF)能够通过发射电磁辐射脉冲并且检测对象反射来确定。该技术能够在多周期内利用多个脉冲来收集更多的数据以提高信噪比。反射是用表示传感器与对象之间距离的时间延迟来检测的。时间延迟或下文中的飞行时间tD能够计算为：其中D表示传感器与对象之间的距离，以及c表示空气中的光速。这项技术的挑战性方面之一涉及光学串扰。位于盖后面的飞行时间传感器的实施方式经常受到盖上的污染，例如移动设备或相机的玻璃上的污迹。继而，这经常会导致失真并且精度降低。在典型的实施方式中，激光二极管或表面发射器，例如垂直腔表面发射激光器VCSEL用作发射电磁辐射脉冲的发射器。脉冲宽度很宽，反射脉冲覆盖很长的距离。如上所述，由返回脉冲的延迟确定到对象的距离。然而，发射和反射的脉冲都穿过盖并且可能受到盖表面的任何污染的影响。例如，当盖上有污迹时，这可能会在更早的时间提供更多的光返回。一些ToF方法在整个距离上取平均值，并且提供平均距离测量值。然后，污染可能作为非常接近传感器的对象出现，并且导致测量值偏向较短的距离。因此，测量值表明距离比实际距离短。在这样的系统中，可能需要复杂的校准来消除由于盖引起的串扰。另外，附加的系统串扰应该非常低，以便可以进行补偿。该校准是整个系统制造过程中的附加步骤，这增加了复杂性。然而，在初始校准之后，很难甚至不可能知道何时引入了附加串扰。因此，无法动态校准系统以针对这种附加串扰进行调整。已经引入了一些方法来确定是否存在过多的串扰，但缺乏概念来消除工作期间附加串扰的影响。因此，本专利技术的目的是为飞行时间系统提供一种改进的概念和一种校准飞行时间系统的方法，该系统不太复杂，并且允许提高精度。该任务通过独立权利要求的主题解决。进一步的实施方式和实施例是从属权利要求的主题。应当理解的是，除非明确描述为替代方案，否则下文中描述的与任何一个实施例相关的任何特征可以单独使用，或者与下文中描述的其他特征结合使用，并且还可以与任何其他实施例的一个或更多个特征结合使用，或者可以与任何其他实施例的任何组合结合使用。此外，在不脱离所附权利要求中定义的飞行时间系统和用于校准飞行时间系统的方法的范围的情况下，也可以采用以下未描述的等效物和修改。改进的概念涉及一种位于盖板后面的飞行时间ToF系统，例如嵌入在移动设备或数码相机中。ToF系统基于飞行时间传感器。这种ToF传感器设置成测量发送脉冲从外部目标反射并且再次到达ToF传感器所需的时间。传感器可以在多个时间周期内利用多个发送脉冲来收集更多的数据，以提高信噪比。该数据包括表示在发送脉冲的发射与反射脉冲的检测之间的时间周期的差值。将这些值收集到一个或更多个直方图中，然后进行处理以确定飞行时间值并且导出距离改进的概念的一方面是使用发送脉冲的窄脉冲宽度，其允许检测直方图中的多个感兴趣的对象，包括ToF传感器上方的盖板。窄脉冲意味着在能够检测到来自外部的目标对象的反射之前，可以结束来自盖板的反射。例如，在500ps的发送脉冲的情况下，脉冲宽度覆盖大约75mm的距离。如果最近的目标对象位于200mm以外(这是许多相机系统的典型的情况)，则来自盖板的反射可能不会干扰该对象的反射。在其他情况下，例如接近检测，例如，能够通过从ToF传感器的输出信号中减去校准值或串扰响应来校准来自盖板的串扰。然而，这可能会影响确定近距离事件的能力，例如当对象处于很近或为零距离时。此外，改进的概念提供了动态地调整ToF传感器的输出信号的手段。动态调整具有好处的一个示例涉及盖板暴露于环境中的情况。例如，在手机或相机中，盖板能够与用户的手或脸接触，从而在传感器上方的板上积聚灰尘、指纹、化妆品等。对于传感器而言，这会是半透明涂层，可能会增加串扰。在先前的系统中，半透明涂层会降低距离测量的精度。然而，改进的概念提供了用于消除半透明涂层的影响、减少串扰同时保持高精度的手段。在至少一个实施例中，飞行时间系统具有位于盖板后面的飞行时间传感器。盖板可以是玻璃或任何其他透明材料，例如塑料。一种用于校准飞行时间系统的方法涉及响应于控制信号的相应的触发脉冲而发射多个光的发送脉冲。继而，光的接收脉冲被检测到，例如通过在外部对象上的反射或通过在盖板上的反射。确定表示发送脉冲之一与接收脉冲之一之间的时间周期的相应的差值。将差值累积到至少一个直方图的许多的区间中。在直方图中，记录至少一个串扰响应。串扰响应处于预定的区间范围内。然后，使用记录的串扰响应校准直方图。最终，基于校准的直方图的评估，生成飞行时间传感器的输出信号，并且该输出信号指示飞行时间。通过在直方图中记录串扰响应，例如通过识别串扰峰值，系统能够减少或甚至消除来自盖板的串扰的影响，并且，进一步消除来自半透明涂层，例如盖板上的污迹的影响，并且使ToF系统能够以较小的精度测量到外部对象的距离，即，即使存在半透明涂层，也不会受到污染的影响。该系统即使在存在污染的环境中也很健壮。该系统能够依靠来自TOF传感器的结果作为距离的精确测量。另外，校准ToF系统是较简单的，例如在初始制造过程期间。假设串扰源自飞行时间传感器上方的盖板，该盖板可以处于零距离(或一些非常小的距离)。因此，发送脉冲可以立即被反射回到飞行时间传感器。如果直方图区间大小与发送脉冲的脉冲宽度相同，并且该脉冲是方脉冲，则由于在盖板处的反射而导致的接收脉冲可能会主要落在预定的区间范围内，例如，直方图的第一个区间或两个第一个区间对。在大多数应用中，串扰响应可能会落在前几个区间中。脉冲宽度越窄并且直方图越宽，由于在盖板处的反射而接收脉冲越不会影响直方图的后面区间。在至少一个实施例中，通过忽略串扰响应来校准直方图。输出信号指示在除预定的区间范围之外的区间或区间范围处的直方图中的一个或多个峰值的飞行时间。例如，飞行时间系统能够用在数码相机的自动聚焦系统中。相机透镜具有最短的焦距，这是通过镜头的光学设计得知的。给定的焦距确定直方图中的区间位置。如果串扰响应记录在比评估期间可以忽略的区间位置更小的位置，因为它可以对确定飞行时间以辅助自动对焦没有影响。在至少一个实施例中，通过仅针对除预定的区间范围之外的较高的区间或区间号评估直方图来校准直方图。例如，源自在盖板处的反射的串扰区间能够确定飞行时间系统能够解析的最近距离。因此，与所确定的串扰响应相比，任何目标对象通常都在较大的距离处，并且其差值仅可以累积到较高的区间中。在至少一个实施例中，通过从直方图中减去串扰响应来校准直方图。串扰响应能够乘以比例因子。所述比例因数能够是任何数字，例如包括1。例如，在诸如接近检测的应用中，感兴趣的距离可以包括到盖板的零距离。然后应该记录串扰量，例如由在预定的区间范围内的串扰响应表示的串扰量，以便随后能够从直方图中减去该串扰量以仅显示感兴趣的输出信号。能够将单个直方图中的相应的串扰响应进行平均，并且将其记录为公共本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于校准飞行时间系统的方法，所述飞行时间系统具有位于盖板(CP)后面的飞行时间传感器，/n-响应于控制信号(CS1)的相应的触发脉冲而发射多个光的发送脉冲(EP)，/n-检测光的接收脉冲(RP、RP')，/n-确定表示所述发送脉冲(EP)之一与所述接收脉冲之一(RP、RP')之间的时间周期的相应的差值，/n-将差值累积到至少一个直方图的许多的区间(1，...，N)中，/n-在预定的区间范围(1，...，M)内的直方图中记录至少一个串扰响应(CTP)，/n-使用所记录的串扰响应(CTP)校准所述直方图，以及/n-基于对校准的直方图的评估来生成指示飞行时间的输出信号(OS)。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171026 EP 17198595.5;20170922 US 62/562,3071.一种用于校准飞行时间系统的方法，所述飞行时间系统具有位于盖板(CP)后面的飞行时间传感器，
-响应于控制信号(CS1)的相应的触发脉冲而发射多个光的发送脉冲(EP)，
-检测光的接收脉冲(RP、RP')，
-确定表示所述发送脉冲(EP)之一与所述接收脉冲之一(RP、RP')之间的时间周期的相应的差值，
-将差值累积到至少一个直方图的许多的区间(1，...，N)中，
-在预定的区间范围(1，...，M)内的直方图中记录至少一个串扰响应(CTP)，
-使用所记录的串扰响应(CTP)校准所述直方图，以及
-基于对校准的直方图的评估来生成指示飞行时间的输出信号(OS)。


2.根据权利要求1所述的方法，其中
-通过忽略所述串扰响应(CTP)来校准直方图，并且
-输出信号(OS)指示直方图中的在除预定的区间范围(1，...，M)之外的区间或区间范围处的一个或多个峰值(PK1)的飞行时间。


3.根据权利要求2所述的方法，其中，通过仅针对除所述预定的区间范围(1，...，M)之外的较高的区间评估直方图来校准所述直方图。


4.根据权利要求1所述的方法，其中，通过从所述直方图中减去串扰响应(CTP)乘以比例因子的值来校准所述直方图。


5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其中
-重复发射多个发送脉冲(EP)、重复检测接收脉冲(RP)并且重复确定相应的差值，使得一系列直方图累积有差值、和/或相应的串扰响应被平均并且记录为串扰响应。


6.根据权利要求5所述的方法，包括另外的步骤：
-确定所述一系列直方图中的一个或更多个另外的峰值(PK1)，
-在所述一系列直方图中至少监测所述另外的峰值(PK1)，以及
-如果监测到的峰值(PK1)中的一个或更多个被移到预定的区间范围(1，...，M)中，则校准所述一系列直方图中的一个或更多个直方图。


7.根据权利要求1至6之一所述的方法，其中
-在飞行时间系统启动时在定义的校准条件下以预校准模式确定校准值，所述校准条件特别是除所述盖板(CP)之外不存在其他对象，和/或
-通过监测所述串扰响应(CTP)和/或所述另外的峰值(PK1)动态地调整所述校准值。


8.根据权利要求6所述的方法，其中
-根据已经移动到所述预定的区间范围内的监测峰值(PK1)来确定所述校准值，
-根据所述串扰响应(CTP)与已经移动到所述预定的区间范围内的监测峰值(PK1)的比较来确定所述校准值，和/或
-根据组合的串扰响应确定所述校准值，所述组合的串扰响应包括串扰响应(CTP)和已经移动到所述预定的区间范围内的监测峰值(PK1)两者。


9.根据权利要求8所述的方法，其中，使用时间平均滤波器根据所述组合的串扰响应来确定所述校准值，所述滤波器具有：
-具有缓慢的起振，即随着所述组合的串扰响应的信号幅度增大时缓慢时间求平均，和/或
-具有快速衰减，即随着所述组合的串扰响应的信号幅度的减小而快速求平均。


10.根据权利要求1至9之一所述的方法，其中
控制信号(CS1)是通过一系列触发脉冲生成的，其中后续触发脉冲之间的时间周期由所述飞行时间传感器的所需最大检测范围确定。


11.根据权利要求1至10之一所述的方法，其中，所述发送脉冲(EP)的脉冲宽度等于或小于表示所述飞行时间传感器的最小检测范围的差值。


12.根据权利要求11所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：克里·格洛弗，曼弗雷德·卢埃格尔，罗伯特·卡佩尔，克里斯蒂安·莫特娜，马里奥·曼宁格，
申请(专利权)人：AMS有限公司，
类型：发明
国别省市：奥地利;AT