飛行時間相機中相位對準誤差的主動補償的制作方法
【專利說明】飛行時間相機中相位對準誤差的主動補償
[0001]優先權請求
[0002]本申請是于10月24日提交的非臨時的美國臨時專利申請序列號62/068137，在此通過引用以其整體并入。
技術領域
[0003]本發明涉及集成電路領域，尤其涉及被配置為用于飛行時間的相機(time-of-flight camera)的相位對準誤差提供主動補償的電路。
【背景技術】
[0004]飛行時間的相機是用于測量關于對象距離的信息的光學系統。具體而言，飛行時間的相機基于光的已知速度和信號在相機與對象之間傳播所花費的時間而解析距離。該飛行時間的相機的一個示例例子是LIDAR，它使用激光作為光源，用于測量對象的距離。飛行時間的相機經常用于測距儀。經設計用于確定深度、距離和/或速度的光學系統也可以用于許多其他系統，包括運動電子、消費電子、醫療設備、航空/軍用設備、汽車電子、安防系統等。
【附圖說明】
[0005]為了提供本公開內容的更完整的理解和其特征和優點，可結合附圖參考下面的描述，其中，類似的參考數字表示相同的部件，其中:
[0006]圖1示出示例的飛行時間的相機；
[0007]圖2示出根據本發明一些實施例，用于為飛行時間的相機的相位對準誤差提供主動補償的示例性系統；
[0008]圖3示出根據本公開的一些實施例，用于為飛行時間的相機的相位對準誤差提供主動補償的另一示例性系統；
[0009]圖4示出根據本公開的一些實施例，用于為飛行時間的相機的相位對準誤差提供主動補償的另一示例性系統；
[0010]圖5示出根據本公開的一些實施例，說明用于為飛行時間的相機的相位對準誤差的主動補償的方法的流程圖；和
[0011]圖6示出根據本公開的一些實施例的對于反饋具有電脈沖輸出的示例性照明器設計。
【具體實施方式】
[0012]了解飛行時間的相機
[0013]圖1示出示例性的飛行時間的相機。飛行時間的相機一般包括照明器104(它散發出主動照明脈沖或光脈沖)，和具有電子快門的圖像傳感器102。雖然未示出，飛行時間的相機將包括可以計算在相機的視場中的物體的距離的部件(例如，棒球運動員、棒球棍等)。通常情況下，飛行時間的相機通過使用照明器104生成主動照明脈沖以及捕獲在圖像傳感器102中的反射光而測量場景深度，所述照明器104反射在場景中的對象。例如，照明器104可以包括發光二極管或激光二極管，其可以在場景中的對象脈沖紅外光，以及反射光由圖像傳感器102捕獲，例如，電荷耦合設備(CCD)圖像傳感器陣列或其它類型的圖像傳感器陣列。照明器104由電脈沖驅動，其引起照明器104閃爍。圖像傳感器102的快門驅動器由電脈沖驅動，其引起快門打開以允許圖像被捕獲和/圖像信號產生。
[0014]需要注意，從照明器104到對象以及從對象到圖像傳感器102行進的光的往返時間將基于從飛行時間的相機的物體距離而變化。另外，光的速度是已知的。因此，根據于對象到飛行時間的相機之間的距離，擊中圖像傳感器102的反射光將具有相對于照明器104產生的光的時間的延遲。基于這些信息，可以協調照明器104的相位和圖像傳感器102的快門驅動器以捕獲反射光。通過觸發脈沖到具有多分時相位差的照明器104和圖像傳感器102，圖像傳感器的那些相位差和拍攝圖像信號102可直接用于計算對象與相機的距離。本領域技術人員應該理解，多種可用技術/算法可用于飛行時間的相機以確定距離(例如，利用照明和快門脈沖之間的已知相位差的技術)。
[0015]飛行時間的相機中的相位/定時誤差
[0016]在提供給照明器104的脈沖和提供給圖像傳感器102的脈沖之間的預定相位差直接用于確定對象與飛行時間的相機的距離。出于這個原因，距離確定的準確性通過兩個脈沖中的定時誤差(例如，偏移量、歪斜變化)被降低。兩個脈沖之間的實際相位差有時可大于預定/期望的相位差或小于預定/期望的相位差。當兩個脈沖之間的相位差是不準確的時，距離計算也變得不準確。換言之，理想的是保證兩個脈沖之間的相位差是已知的或設置有很高的準確度。
[0017]換而言之，深度計算的準確度直接依賴于確保照明和快門脈沖的相位對準是正確的，例如減少歪斜(圖1中示出)，當脈沖不與所需的相位差對準時，歪斜可發生。照明和快門脈沖的任一個或兩個可以呈現歪斜，從而引起深度計算中的錯誤。例如，相位對準中的誤差皮秒可直接導致在深度計算中的毫米到厘米(或更多)誤差。
[0018]多個誤差源存在信號鏈中，包括靜態和動態的，從而導致錯誤的相位對準。一些解決方案試圖通過蠻力(brute-force)技術以手動表征和調整照明和快門脈沖的定時對準而解決該問題。然而，這些解決方案不是最佳的，因為許多這些技術不能容易解決動態的錯誤來源。例如，蠻力技術一般不能解決因溫度變化(例如，導致電壓供應的變化)或生成該脈沖的電路的老化引起的誤差。
[0019]飛行時間的相機相位校準誤差的主動補償技術
[0020]為了減輕這些問題，可提供改進的方法、裝置和系統以實施主動反饋，用于電傳感或監視照明和快門脈沖并積極地進行調整，以保持脈沖之間的期望的相位關系/差。通過維持所需的相位差，距離計算可以更準確，甚至當飛行時間的相機的條件變化(例如，溫度、老化等)時。有利地，主動補償可以糾正關于’即時’錯誤，在操作期間消除詳細表征和手動調整。
[0021]圖2示出根據本發明一些實施例，用于向飛行時間的相機的相位對準誤差提供主動補償的示例性系統。所示的系統包括圖像傳感器202 (類似于圖1的圖像傳感器102)，其可以具有與其耦合的電子快門驅動器204。通常情況下，快門驅動器204控制圖像傳感器202的電子快門。系統還包括照明器206(類似于圖1的照明器104)。所述照明器可包括光源和用于驅動光源的驅動器。所述光源可以是發光二極管、激光二極管等，以及取決于應用可使用不同類型的光源。而且，該系統包括(精度)定時發生器208以產生高速脈沖輸出，用于照明器206(0UT1)和快門驅動器204(0UT2)。這兩個脈沖最好具有彼此之間的期望/已知/預定相位差。從圖像傳感器202的捕獲的圖像信號和輸出電脈沖之間的期望/已知/預定相位差異用于計算對象與飛行時間的系統的距離。處理器(諸如，數字信號處理器或微處理器)可以包括在飛行時間的相機中，用于執行該計算。
[0022]如先前解釋地，實際的相位差可以靜態和動態漂移遠離期望/已知/預定的相位差，從而使得距離確定變得不準確。本公開的一個方面涉及提供在快門驅動器204和照明器206的脈沖的主動反饋，使得“實際”的電脈沖可用于反饋信息以調整脈沖輸出OUTl和0UT2從。為了獲得快門驅動器204和照明器206的“實際”電脈沖，可提供專用電路以感測在所述照明器206 (ACTl)和快門驅動器204(ACT2)的實際電脈沖。專門電路可包括第一傳感電路，用于感測在照明器206中驅動光源的驅動器的第一實際電脈沖(ACT1)，和第二傳感電路，用于感測在電子快門驅動器204的第二實際電脈沖(ACT2)。專用電路是不普通的，由于在一些實施例中該系統的高壓和高速條件。此外，專用電路是不普通的，因為快門驅動器204和照明器206各自具有獨特的設計電路，其彼此差異很大。
[0023]本發明的另一方面涉及主動反饋如何用于減小相位誤差，或與照明和快門脈沖之間理想/期望/預期相位差的偏差。“實際”的電脈沖(例如，ACTl和ACT2)被作為輸入提供給專門電路(例如，相位檢測器210和相位檢測212)，以測量具有預定參考脈沖(例如，分別REFl和REF2)實際的脈沖的相位差。參考脈沖(例如，REFl和REF2)可以代表具有已知/預定相位差的理想/期望/預期脈沖。換而言之，第一參考電脈沖REFl和第二參考電脈沖REF2可以代表具有預定相位差的期望電脈沖。
[0024]一旦相位差/誤差被測量(相對于參考脈沖)，專用電路(例如，相位調整器214和相位調整216)可以實施相位校正算法，以調整由定時發生器208生成的脈沖輸出OUTl和0UT2，用于驅動實際和參考脈沖之間的相位差/誤差為零。
[0025]在一些實施例中，專用電路可以包括第一補償電路，用于基于第一實際電脈沖(例如，ACT1)和第一參考電脈沖(例如，REF1)而調整被提供給驅動光源的驅動器的第一輸出電脈沖(例如，0UT1)，以及第二補償電路，用于基于所述第二實際電脈沖(例如，ACT2)和第二參考電脈沖(例如，REF2)而調整被提供給電子快門驅動器的第二輸出電脈沖(例如，0UT2)。第一補償電路可以實施第一相位校正算法，以調整被提供給照明器206的第一輸出電脈沖(例如，0UT1)并驅動所述第一實際電脈沖(例如，ACT1)更接近第一參考電脈沖(例如，REF1) ο第二補償電路可以實施第二相位校正算法，以調整被提供給快門驅動器204的第二輸出電脈沖(例如，0UT2)并驅動所述第二實際電脈沖(例如，ACT2)更接近所述第二參考電脈沖(例如，REF2)。
[0026]本領域的技術人員將理解，實施不同技術用于測量脈沖的相位誤差(這可引起距離確定的錯誤的誤差)的其他合適系統也可由本公開設想。系統的不同變化結合圖3和4所示。
[0027]用于調整脈沖輸出的相位的控制回路
[0028]如示于圖2，主動補償方案感測實際的電脈沖，并使用所檢測的脈沖作為主動反饋，以控制驅動該照明器和快門驅動器的輸出脈沖。因此，主動補償方案可以看作