一种用于TOF传感器的像素一致性校正方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于TOF传感器的像素一致性校正方法及装置，包括暗箱，可调平行光源和控制及数据处理器三个部分。本发明专利技术对多TAP像素结构TOF传感器的像素一致性经行校正，解决了此类传感器像素间的差异问题，提高了传感器上各个像素点在空间分布上的一致性，大大提高了多TAP像素结构TOF深度相机对空间目标测量的准确性。量的准确性。量的准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种用于TOF传感器的像素一致性校正方法及装置


[0001]本专利技术属于TOF深度相机
，具体涉及一种用于多TAP像素结构TOF传感器的像素一致性校正方法及装置。

技术介绍

[0002]TOF深度相机包括发射模组、接收模组以及控制处理模组。其中，发射模组发射光束至目标物体，经物体反射后光束被接收模组采集；控制处理器分别与发射模组和接收模组连接，同步发射模组采集模组的触发信号以计算光束由发射模组发出并被接收模组接收所需要的时间，即发射出的光束飞行时间t。目标物体的距离D可由下式计算出：D＝c
·
t/2其中，c为光速。
[0003]对于多TAP像素结构的TOF图像传感器，传感器包括由多个像素构成的像素阵列，每个像素则包含多个抽头(tap)，用于在相应电极的控制下存储并读取或者转移由入射光子产生的电荷信号。比如像素可以包括3个抽头，根据调制信号分时积累并读取光电探测器产生电荷信号数据。
[0004]控制处理器根据各像素中抽头中解调出的包含待测物反射回的脉冲光束所产生的电荷信号，计算出相位差以获得物体的距离。比如，在像素采用2抽头的情况下，计算物体的距离表达式如下：
[0005][0006]其中，c为光速；T为单个曝光周期的激光脉宽；Q1、Q2分别为2个抽头的总电荷量。
[0007]采用读入单元、解调存储单元、读出单元像素设计，如图1所示。其中读入单元主要包含光电二极管(PD)，将照射至像素上的光子转换成电荷；解调存储单元主要包含多个曝光控制晶体管(MG)和多个积分电容(TAP)，PD中的电荷在MG的控制下被转移至不同的TAP中；读出单元包括读出控制晶体管(TG)、存储电容(FD)和读出电路，负责将TAP中的电荷信号转换成数字信号读出，供后端处理器计算目标到TOF深度相机的距离；
[0008]现有的多TAP像素结构TOF图像传感器，受到制造工艺和各个像素点的工作条件及物理性质的细微不同，传感器上各个像素点之间存在差异，导致TOF传感器在空间上的测距存在误差，其误差来源主要分为以下两大类：
[0009]1、电荷转移效率差异。在理想情况下，一个多TAP像素结构的TOF传感器像素的工作模式如图2所示，PD所产生电荷由MG经行转移并存储至TAP中进行积分，在积分结束后由TG转移至FD中进行读出。对于多TAP像素结构的TOF传感器，需要进行多次曝光积分，以3
‑
TAP像素结构的TOF传感器为例，曝光时序如图3所示：MG1开启，PD中产生的电荷被完全转移，并在MG1关闭后完全存储至TAP_A中积分；MG1关闭的同时MG2打开，PD中产生的电荷被完全转移，并在MG2关闭后完全存储至TAP_B中；MG2关闭的同时MG3打开，PD中产生的电荷被完全转移，并在MG3关闭后完全存储至TAP_C中；MG3关闭后MG1开启，以此循环。
[0010]由于不同解调存储单元之间参杂浓度调整在现有工艺上难以实现完全一致，虽然
整个像素对PD中的电荷的转移能力是足够的，但是不同解调存储单元之间对PD中电荷的转移能力有强有弱，使得在像素实际工作时，电荷转移能力较弱的解调存储单元无法将PD中的电荷完全转移，会有一定比例的电荷遗留在PD中被转移入下一曝光时序的解调存储单元中；例设有一个三TAP像素结构的TOF传感器，其TAP_A与TAP_C所在的解调存储单元的转移能力较弱，无法完全转移PD中的电荷，只有TAP_B所在的解调存储单元能够将PD中的电荷完全转移，则会出现以下现象：MG3打开时PD中产生的电荷一部分转移进TAP_C，一部分遗留在PD中，遗留的这部分电荷与MG1打开时PD中产生的电荷合并后，一部分转移TAP_A，一部分遗留在PD中，遗留的这部分电荷与MG2打开时PD中产生的电荷合并后全部转移进TAP_B。因上诉原因导致各TAP中存储的电荷量失真，从而影响该像素的测距准确性。
[0011]2、MG时序差异。在理想情况下，曝光时序因如图3所示，在实际情况中，为了防止MG之间存在时序上的交叠，会适当缩小MG的占空比，如图4所示，箭头所标宽度为等效脉宽，从时序图中可以得知，上升沿时间上的微小偏差不会照成等效脉宽的变化，只有下降沿时间上的偏差会照成等效脉宽的变化。
[0012]像素间的各MG上升/下降沿的触发电信号几乎不会存在差异，但是在物理层执行时因制造工艺等原因会产生时间上的先后偏差，下降沿时间的偏差会导致各TAP中存储的电荷量失真，从而影响该像素的测距准确性。
[0013]上诉两个影响像素的测距准确性的原因可以如图5表示，电荷转移效率差异引起的偏差与时序无关，只与MG转移电荷的能力相关，而MG时序差异引起的偏差与时序有直接关联，由下降沿时间前后偏差有关。由于两个差异形成原因维度不同，需要将它们拆解开分别经行标定校正。

技术实现思路

[0014]针对现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种用于TOF传感器的像素一致性校正方法及装置。
[0015]对上诉两种导致像素内各TAP中存储的电荷量失真的原因，提出了两步对应的校正方法：
[0016]第一步：针对电荷转移效率差异，使用一种特殊的方法及装置，标定得到不同解调存储单元转移电荷遗留比例系数，并用此系数对数据进行校正。
[0017]第二步：对于MG时序差异，因为在TOF系统中，时序上的差异最终都会传导成为测距距离上的固定偏差，距离的偏差与时序时间的偏差成正比。因此使用相机测量一个特定距离下的标准平板，使用经过第一步校正后的数据进行深度解算，将解算后的距离与标准平板的实际距离建立误差校准表，并在实际测量中利用此误差校准表对各个像素进行距离校正。
[0018]一种用于TOF传感器的像素一致性校正装置，包括：暗箱，可调平行光源和控制及数据处理器三个部分。所述的暗箱由内部贴满吸光材质(如黑色棉布)的金属箱(如铝合金)制成，用于保证校正过程数据不受环境光干扰；所述的可调平行光源受控制及数据处理器控制，输出特定调制激光脉冲的平行光，可调平行光源在使用时应与TOF传感器正对，使得所发出的平行光正入射进TOF传感器；所述的控制及数据处理器负责TOF传感器及平行光源的时序调制，并且采集传感器所获得的图像。
[0019]一种用于TOF传感器的像素一致性校正方法，步骤如下：
[0020]首先对电荷转移效率差异进行标定校正，多TAP像素结构的TOF传感器有三个或者四个TAP，且至少有一个TAP所在的解调存储单元能够将PD中的电荷完全转移。
[0021]S1，将TOF传感器安装至校正装置的暗箱内，正对可调平行光源，使得可调平行光源发射的平行光能够正入射至TOF传感器上的多个像素。
[0022]S2，通过控制及数据处理器控制可调平行光源发射的平行光脉冲时序。
[0023]S3，记录多张传感器暗场图像，并计算平均值，得到暗场平均图像，记为Dark；
[0024]S4，开启可调平行光源，记录多张传感器平场图像，并计算平均值，得到平场平均图像，记为Flat；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于TOF传感器的像素一致性校正装置，其特征在于，包括：暗箱，可调平行光源和控制及数据处理器三个部分；所述的暗箱由内部贴满吸光材质的金属箱制成，用于保证校正过程数据不受环境光干扰；所述的可调平行光源受控制及数据处理器控制，输出特定调制激光脉冲的平行光，可调平行光源在使用时应与TOF传感器正对，使得所发出的平行光正入射进TOF传感器；所述的控制及数据处理器负责TOF传感器及平行光源的时序调制，并且采集传感器所获得的图像。2.一种用于TOF传感器的像素一致性校正方法，其特征在于，步骤如下：S1，将TOF传感器安装至校正装置的暗箱内，正对可调平行光源，使得可调平行光源发射的平行光能够正入射至TOF传感器上的多个像素；S2，通过控制及数据处理器控制可调平行光源发射的平行光脉冲时序；S3，记录多张传感器暗场图像，并计算平均值，得到暗场平均图像，记为Dark；S4，开启可调平行光源，记录多张传感器平场图像，并计算平均值，得到平场平均图像，记为Flat；S5，将平场平均图像减暗场平均图像，并按TAP进行拆分；S6，计算无法完全转移的解调存储单元中电荷遗留在PD中的比例系数；S7，调节平行光亮度，重复步骤S4～S6，计算得到无法完全转移的解调存储单元的电子遗留比例系数；S8，通过电子遗留比例系数得到校正公式；S9，根据校正公式对MG时序差异进行标定校正。3.根据权利要求1所述的一种用于TOF传感器的像素一致性校正方法，其特征在于，步骤S2具体方法如下：校正3
‑
TAP像素结构的TOF传感器时，可调平行光源发射的平行光脉冲时序应为：在一个时序周期内，发射三个激光脉冲，脉冲宽度等于MG宽度的一半，三个激光脉冲分别处于MG1、MG2、MG3的正中；校正4
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TAP像素结构的TOF传感器时，可调平行光源发射的平行光脉冲时序应为：在一个时序周期内，发射四个激光脉冲，脉冲宽度等于MG宽度的一半，四个激光脉冲分别处于MG1、MG2、MG3、MG4的正中；可调平行光源发射的平行光脉冲脉宽等于MG单次开启时长的一半，且脉冲处于MG正中。4.根据权利要求3所述的一种用于TOF传感器的像素一致性校正方法，其特征在于，步骤S3具体方法如下：根据TOF传感器像素的ADC位深，记录一组多张传感器暗场图像，并将每个像素的ADU值从所有图像中取平均，得到暗场平均图像，暗场平均图像上每个像素的值为上诉一组暗场图像中每个像素的所有图像中的ADU值的平均值，记为Dark。5.根据权利要求4所述的一种用于TOF传感器的像素一致性校正方法，其特征在于，步骤S4具体方法如下：开启可调平行光源，设定一TOF传感器不饱和前提下的任意亮度，根据TOF传感器像素的ADC位深，记录一组多张传感器平场图像，并将每个像素的ADU值从所有图像中取平均，得到平场平均图像，平场平均图像上每个像素的值为上诉一组平场图像中每个像素的所有图
像中的ADU值的平均值，记为Flat。6.根据权利要求5所述的一种用于TOF传感器的像素一致性校正方法，其特征在于，步骤S5具体方法如下：以仅有TAP_D所在的解调存储单元能够将PD中的电荷完全转移，TAP_A、TAP_B、TAP_C所在的解调存储单元无法完全转移PD中电荷的一个4
‑
TAP像素结构的TOF传感器为例；将平场平均图像各个像素的ADU值减暗场平均图像各个像素的ADU值，并按TAP进行拆分，得到四张TAP图像A，B，C，D，其中每个像素坐标(m，n)的ADU值记为A
′
(m，n)
，B
′
(m，n)
，C
′
(m，n)
，D
′
(m，n)
。7.根据权利要求6所述的一种用于TOF传感器的像素一致性校正方法，其特征在于，步骤S6具体方法如下：在时序发光的平场照明下，理论上同一像素中各TAP所存储的电荷量应该相等，即A
′
(m，n)
，B
′
(m，n)
，C
′
(m，n)
，D
′
(m，n)
...

【专利技术属性】
技术研发人员：缪洛飞，陈嵩，薛松，吴千竹，
申请(专利权)人：杭州长光产业技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：