本发明专利技术公开了在飞行时间系统中用于三维(3D)传感器的多相位动态校准的系统和方法。基于相位的TOF系统优选地生成快速上升和下降时间的光学波形，以便增强调制对比度，尽管将存在许多高阶谐波。该系统优选地按奇数个相位来操作，以便减小由于较高阶谐波引起的系统偏置误差，同时保持良好的调制对比度，而不会过度增加系统存储器的要求。优选地，该系统可随时间和温度自动地校准(以及补偿)在TOF所生成的光能波形中较高阶谐波。在光能传输通道内或在光能检测通道内，可修改检测放大器增益，和/或可变化检测信号集成时间，和/或可采用数字值以实现校准以及误差减少。可以操作带有改进的相位对比距离特征、减小的校准要求的结果TOF系统。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及通信技术，尤其涉及飞行时间系统中的数据校准技术。
技术介绍
基于飞行时间(TOF)原理的三维(3D)相机从被成像的场景中的对象获得距离信息。距离信息在相机的传感器阵列的每一像素处被独立地产生。这样的示例性系统在美国专利号 6，323，942“CMOS-Compatible Three-Dimensional Image Sensor IC(CM0S 兼容的三维图像传感器 IC)”(2001)以及美国专利号 6，515，740 "Methods for CMOS-Compatible Three-Dimensional Image Sensing Using Quantum Efficiency Modulation(用于使用量子效率调整的CMOS兼容的三维图像感测)”2003中描述，这两个专利最初被转让给Canesta 公司，而现在被转让给微软公司。如在美国专利号6，323，942中描述的，TOF系统发射光能(主动光能)，并确定由目标对象所反射的该能量的至少某一些回到该系统以由传感器阵列进行检测要花费多久。 在被反射回TOF系统之前被发射通向目标对象的更远表面区域的光能将比如果目标对象更接近于该系统具有更长的T0F。如果往返TOF时间被表示为t1;则目标对象与TOF系统之间的距离为Z1，其中Z1=、</2，其中C为光速。这样的系统可获得亮度数据(信号幅度)以及TOF距离两者，并可实时实现目标对象的三维图像。有利地，这样的系统可在带有或不带有环境光(被动光能)的情况下操作，并可不带有例如快门、电动机等移动部分而操作。更复杂的TOF系统在US专利6，515，740中描述，其中TOF通过检测已调制的所发送的光信号与从目标对象所反射的光信号之间的相对相移来确定。图1描绘了根据‘740 专利的示例性相移检测系统100。对系统像素阵列中多个位置上所反射的光信号的检测导致被称为深度图像的测量信号。深度图像表示目标对象表面的三维图像。参考图1，TOF系统100包括像素检测器140的二维阵列130，每一个都具有用于处理由相关联的检测器输出的电荷的专用电路150。在典型的应用中，阵列130可包括 100X 100个像素230，并由此可包括100X 100个处理电路150。IC 110还可包括微处理器或微控制器单元160、存储器170 (较佳地包括随机存取存储器或RAM以及只读存储器或 ROM)、高速的可分发时钟180、以及各种计算和输入/输出(1/0)电路190。控制器单元160可执行对到对象的距离以及对象速度的计算，以及其他功能。在微处理器160的控制下，光能的源120经由激励器115来周期性地通电，并经由透镜125朝对象目标20发射光能。通常该光能是例如由激光二极管、VCSEL(垂直腔表面发射激光器)或LED设备120所发射的光。从设备120所发射的光能的某一些将从目标对象20的表面被反射，并将通过光圈视场光阑以及透镜(统称135)，并将落在形成图像的像素检测器140的二维阵列130上。在某些实现中，每一成像像素检测器140捕捉发射器 120所发送的光能到达目标对象20并被反射以供二维传感器阵列130检测所需的飞行时间 (TOF) 0使用这一 TOF信息，距离Z可被确定。有利地，系统100可实现在 带有相对较少片外(off-chip)组件的单个IC 110上。通常，光能的源20较佳地发射低功率(例如，可能IW峰值)的周期性波形，从而产生被称为快门时间的时间段(可能IOms)的已知频率(可能30MHz到数百MHz)的光能发射。来自发射器120的光能以及像素检测器140内检测到的光能信号彼此同步，使得对于每一像素检测器的可测量相位差并由此可测量距离Z。所使用的该测量方法在‘740和‘496 专利中被称为零差检测。基于相位的零差检测TOF系统还在美国专利6，906，793"Methods and Devices for Charge Management for Three-Dimensional Sensing(用于三维感 贝|J白勺电荷管理的方法和设备)，，中描述，该专利最初被转让给Canesta公司，而现在被转让给此处的受让方微软公司。申请人通过引用将所述‘793专利结合于此。由二维成像传感器阵列130所检测的光能将包括光源幅度或强度信息(被表示为‘‘A”)以及相移信息(被表示为Φ)。如图IB和IC中描绘的示例性波形，所接收的相移信息(图1C)随着TOF变化，并可被处理以产生DATA(数据)，包括Z数据。对于由发射器120发送的每一光能脉冲系列，获得目标对象20的可见部分的三维图像，从中获得强度和Z数据(DATA)。如美国专利6，515，740和6，580，496中描述的，获取深度信息Z需要获得目标对象(或场景)20的至少两个样本，所发射的光能与所检测的信号的像素之间相移 90°。尽管两个样本是最小数字，但较佳地是获得相位分开90°的四个样本，以准许由于像素检测器性能中的失配、相关联的电子实现中的失配以及其他误差引起的检测误差的减小。在逐像素检测器(per pixel detector)的基础上，所测量的四个样本数据被组合以产生实际的Z深度信息数据。关于各种相移系统的实施例的实现的进一步细节可在美国专利 6，515，740 和 6，580，496 中找到。图 ID 与标题为"Systems for CMOS-Compatible Three-Dimensional Image Sensing Using Quantum Efficiency Modulation(用于使用量子效率调制的 CMOS 兼容的三维图像的系统)”的美国专利6，580，496中或标题为‘‘Methods and Devices for Charge Management for Three-Dimensional Sensing(用于三维感测的电荷管理的方法和设备)” 的美国专利7，906，793中的图10类似，这两个专利最初被转让给Canesta公司，而现在被转让给此处的受让方微软公司。(申请人通过引用将‘496和‘793专利结合于此。)在图 ID中，从每一量子效率调制的差分像素检测器(例如140-1)所生成的光电流被差分地检测 (DIF. DETECT)且差分地放大(AMP)，以产生信号B · cos(0),B · sin (Φ)，其中B是亮度系数。在TOF系统的正常运行时操作期间，固定的0°或90°相移延迟(DELAY)是响应于相位选择控制信号(PHASE SELECT)可切换地插入的。使用量子效率调制来发生零差混合，以导出所发送的信号与所接收的信号(见图1B、1C)之间的相位差并导出TOF以及其他数据。对基于相位的TOF系统中的零差检测的更详细的描述在‘496专利中找到。虽然图ID中指示正弦型的周期性波形，但可改为使用非正弦波形。与图ID类似的检测配置可与本专利技术的各实施例一起使用。由此，如图1例示的TOF系统可获得已调制的发送光与目标对象所反射的光之间的相位延迟(Φ)。尽管相位Φ与将TOF传感器阵列与目标对象分开的(Z)距离成比例， 但相位延迟是相对量并不是本质上等于Z距离。例如，随着Z增加，相位Φ本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种对飞行时间（ＴＯＦ）系统自校准以减小误差的方法，所述ＴＯＦ系统发射已知调制频率相位的光能、使用像素阵列来检测从相距为距离Ｚ的目标对象所反射的所述光能的一部分、并且通过在检测到的所反射的光能中检查相对于所发射的光能的相位的相移来确定深度Ｚ，所述方法包括以下步骤：（ａ）使用数量Ｎ个获取来从所述像素阵列获得检测数据，其中，Ｎ从包括（ｉ）偶数以及（ｉｉ）奇数的组中选出；（ｂ）使得所述ＴＯＦ系统在运行时期间按从包括以下模式的组中选择的模式来操作：（ｉ）检测增益修改模式、（ｉｉ）检测集成时间修改模式、以及（ｉｉｉ）数字值修改模式，其中，选出的所述模式为所述ＴＯＦ系统提供自校准数据；（ｃ）将在一个所述模式期间所获取的自校准数据存储在第一和第二存储器位置中；以及（ｄ）在对所述ＴＯＦ系统的运行时操作期间使用所存储的自校准数据以减小校准误差；其中，所述方法减小以下各项中的至少一个：（ｉ）由于较高阶谐波引起的偏置误差、（ｉｉ）由于所述ＴＯＦ系统所发射的光能的波形中的变化引起的偏置误差、以及（ｉｉｉ）由所述阵列中所述像素接收的波形中的变化引起的偏置误差。
【技术特征摘要】
...
【专利技术属性】
技术研发人员：Z·徐，T·佩里，G·希尔斯，
申请(专利权)人：微软公司，
类型：发明
国别省市：US
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。