飞行时间相机中相位对准误差的主动补偿的制作方法
【专利说明】飞行时间相机中相位对准误差的主动补偿
[0001]优先权请求
[0002]本申请是于10月24日提交的非临时的美国临时专利申请序列号62/068137，在此通过引用以其整体并入。
技术领域
[0003]本发明涉及集成电路领域，尤其涉及被配置为用于飞行时间的相机(time-of-flight camera)的相位对准误差提供主动补偿的电路。
【背景技术】
[0004]飞行时间的相机是用于测量关于对象距离的信息的光学系统。具体而言，飞行时间的相机基于光的已知速度和信号在相机与对象之间传播所花费的时间而解析距离。该飞行时间的相机的一个示例例子是LIDAR，它使用激光作为光源，用于测量对象的距离。飞行时间的相机经常用于测距仪。经设计用于确定深度、距离和/或速度的光学系统也可以用于许多其他系统，包括运动电子、消费电子、医疗设备、航空/军用设备、汽车电子、安防系统等。
【附图说明】
[0005]为了提供本公开内容的更完整的理解和其特征和优点，可结合附图参考下面的描述，其中，类似的参考数字表示相同的部件，其中:
[0006]图1示出示例的飞行时间的相机；
[0007]图2示出根据本发明一些实施例，用于为飞行时间的相机的相位对准误差提供主动补偿的示例性系统；
[0008]图3示出根据本公开的一些实施例，用于为飞行时间的相机的相位对准误差提供主动补偿的另一示例性系统；
[0009]图4示出根据本公开的一些实施例，用于为飞行时间的相机的相位对准误差提供主动补偿的另一示例性系统；
[0010]图5示出根据本公开的一些实施例，说明用于为飞行时间的相机的相位对准误差的主动补偿的方法的流程图；和
[0011]图6示出根据本公开的一些实施例的对于反馈具有电脉冲输出的示例性照明器设计。
【具体实施方式】
[0012]了解飞行时间的相机
[0013]图1示出示例性的飞行时间的相机。飞行时间的相机一般包括照明器104(它散发出主动照明脉冲或光脉冲)，和具有电子快门的图像传感器102。虽然未示出，飞行时间的相机将包括可以计算在相机的视场中的物体的距离的部件(例如，棒球运动员、棒球棍等)。通常情况下，飞行时间的相机通过使用照明器104生成主动照明脉冲以及捕获在图像传感器102中的反射光而测量场景深度，所述照明器104反射在场景中的对象。例如，照明器104可以包括发光二极管或激光二极管，其可以在场景中的对象脉冲红外光，以及反射光由图像传感器102捕获，例如，电荷耦合设备(CCD)图像传感器阵列或其它类型的图像传感器阵列。照明器104由电脉冲驱动，其引起照明器104闪烁。图像传感器102的快门驱动器由电脉冲驱动，其引起快门打开以允许图像被捕获和/图像信号产生。
[0014]需要注意，从照明器104到对象以及从对象到图像传感器102行进的光的往返时间将基于从飞行时间的相机的物体距离而变化。另外，光的速度是已知的。因此，根据于对象到飞行时间的相机之间的距离，击中图像传感器102的反射光将具有相对于照明器104产生的光的时间的延迟。基于这些信息，可以协调照明器104的相位和图像传感器102的快门驱动器以捕获反射光。通过触发脉冲到具有多分时相位差的照明器104和图像传感器102，图像传感器的那些相位差和拍摄图像信号102可直接用于计算对象与相机的距离。本领域技术人员应该理解，多种可用技术/算法可用于飞行时间的相机以确定距离(例如，利用照明和快门脉冲之间的已知相位差的技术)。
[0015]飞行时间的相机中的相位/定时误差
[0016]在提供给照明器104的脉冲和提供给图像传感器102的脉冲之间的预定相位差直接用于确定对象与飞行时间的相机的距离。出于这个原因，距离确定的准确性通过两个脉冲中的定时误差(例如，偏移量、歪斜变化)被降低。两个脉冲之间的实际相位差有时可大于预定/期望的相位差或小于预定/期望的相位差。当两个脉冲之间的相位差是不准确的时，距离计算也变得不准确。换言之，理想的是保证两个脉冲之间的相位差是已知的或设置有很高的准确度。
[0017]换而言之，深度计算的准确度直接依赖于确保照明和快门脉冲的相位对准是正确的，例如减少歪斜(图1中示出)，当脉冲不与所需的相位差对准时，歪斜可发生。照明和快门脉冲的任一个或两个可以呈现歪斜，从而引起深度计算中的错误。例如，相位对准中的误差皮秒可直接导致在深度计算中的毫米到厘米(或更多)误差。
[0018]多个误差源存在信号链中，包括静态和动态的，从而导致错误的相位对准。一些解决方案试图通过蛮力(brute-force)技术以手动表征和调整照明和快门脉冲的定时对准而解决该问题。然而，这些解决方案不是最佳的，因为许多这些技术不能容易解决动态的错误来源。例如，蛮力技术一般不能解决因温度变化(例如，导致电压供应的变化)或生成该脉冲的电路的老化引起的误差。
[0019]飞行时间的相机相位校准误差的主动补偿技术
[0020]为了减轻这些问题，可提供改进的方法、装置和系统以实施主动反馈，用于电传感或监视照明和快门脉冲并积极地进行调整，以保持脉冲之间的期望的相位关系/差。通过维持所需的相位差，距离计算可以更准确，甚至当飞行时间的相机的条件变化(例如，温度、老化等)时。有利地，主动补偿可以纠正关于’即时’错误，在操作期间消除详细表征和手动调整。
[0021]图2示出根据本发明一些实施例，用于向飞行时间的相机的相位对准误差提供主动补偿的示例性系统。所示的系统包括图像传感器202 (类似于图1的图像传感器102)，其可以具有与其耦合的电子快门驱动器204。通常情况下，快门驱动器204控制图像传感器202的电子快门。系统还包括照明器206(类似于图1的照明器104)。所述照明器可包括光源和用于驱动光源的驱动器。所述光源可以是发光二极管、激光二极管等，以及取决于应用可使用不同类型的光源。而且，该系统包括(精度)定时发生器208以产生高速脉冲输出，用于照明器206(0UT1)和快门驱动器204(0UT2)。这两个脉冲最好具有彼此之间的期望/已知/预定相位差。从图像传感器202的捕获的图像信号和输出电脉冲之间的期望/已知/预定相位差异用于计算对象与飞行时间的系统的距离。处理器(诸如，数字信号处理器或微处理器)可以包括在飞行时间的相机中，用于执行该计算。
[0022]如先前解释地，实际的相位差可以静态和动态漂移远离期望/已知/预定的相位差，从而使得距离确定变得不准确。本公开的一个方面涉及提供在快门驱动器204和照明器206的脉冲的主动反馈，使得“实际”的电脉冲可用于反馈信息以调整脉冲输出OUTl和0UT2从。为了获得快门驱动器204和照明器206的“实际”电脉冲，可提供专用电路以感测在所述照明器206 (ACTl)和快门驱动器204(ACT2)的实际电脉冲。专门电路可包括第一传感电路，用于感测在照明器206中驱动光源的驱动器的第一实际电脉冲(ACT1)，和第二传感电路，用于感测在电子快门驱动器204的第二实际电脉冲(ACT2)。专用电路是不普通的，由于在一些实施例中该系统的高压和高速条件。此外，专用电路是不普通的，因为快门驱动器204和照明器206各自具有独特的设计电路，其彼此差异很大。
[0023]本发明的另一方面涉及主动反馈如何用于减小相位误差，或与照明和快门脉冲之间理想/期望/预期相位差的偏差。“实际”的电脉冲(例如，ACTl和ACT2)被作为输入提供给专门电路(例如，相位检测器210和相位检测212)，以测量具有预定参考脉冲(例如，分别REFl和REF2)实际的脉冲的相位差。参考脉冲(例如，REFl和REF2)可以代表具有已知/预定相位差的理想/期望/预期脉冲。换而言之，第一参考电脉冲REFl和第二参考电脉冲REF2可以代表具有预定相位差的期望电脉冲。
[0024]一旦相位差/误差被测量(相对于参考脉冲)，专用电路(例如，相位调整器214和相位调整216)可以实施相位校正算法，以调整由定时发生器208生成的脉冲输出OUTl和0UT2，用于驱动实际和参考脉冲之间的相位差/误差为零。
[0025]在一些实施例中，专用电路可以包括第一补偿电路，用于基于第一实际电脉冲(例如，ACT1)和第一参考电脉冲(例如，REF1)而调整被提供给驱动光源的驱动器的第一输出电脉冲(例如，0UT1)，以及第二补偿电路，用于基于所述第二实际电脉冲(例如，ACT2)和第二参考电脉冲(例如，REF2)而调整被提供给电子快门驱动器的第二输出电脉冲(例如，0UT2)。第一补偿电路可以实施第一相位校正算法，以调整被提供给照明器206的第一输出电脉冲(例如，0UT1)并驱动所述第一实际电脉冲(例如，ACT1)更接近第一参考电脉冲(例如，REF1) ο第二补偿电路可以实施第二相位校正算法，以调整被提供给快门驱动器204的第二输出电脉冲(例如，0UT2)并驱动所述第二实际电脉冲(例如，ACT2)更接近所述第二参考电脉冲(例如，REF2)。
[0026]本领域的技术人员将理解，实施不同技术用于测量脉冲的相位误差(这可引起距离确定的错误的误差)的其他合适系统也可由本公开设想。系统的不同变化结合图3和4所示。
[0027]用于调整脉冲输出的相位的控制回路
[0028]如示于图2，主动补偿方案感测实际的电脉冲，并使用所检测的脉冲作为主动反馈，以控制驱动该照明器和快门驱动器的输出脉冲。因此，主动补偿方案可以看作