它降低了对于照明源和驱动器的速度要求并且增加了调制和解调效率。诸如高功率LED之类通常对于飞行时间测量太慢的高效高功率光源可被应用。
[0025]在一些实施例中，成像系统适于对飞行时间传感器的像素的电平执行直接减除。飞行时间像素的像素上背景光消除在其他系统中利用主动照明源帮助避免由于背景光导致的饱和。此外，模拟至数字转换的要求被放松，因为背景电平已经在像素电平上被减除并且不再需要被转换。另外，具有主动照明的系统内的光调制，在相同的帧采集期间交插信号光和背景光的积分，以及在数个周期上的积分减少了在场景中运动的挑战，并且在适当时间调制方案的情形下甚至使得能够进行具有降低的干扰的数个系统的并行操作。
[0026]在一些实施例中，成像系统适于使用结构化照明源。结构化照明源与飞行时间图像传感器同步并且被用于捕获基于结构化照明源的图像和推导深度信息。
[0027]在一些实施例中，成像系统包括飞行时间图像传感器和至少一个照明源。飞行时间图像传感器被用于采样经背向反射的光。信号的评估是基于每个帧的采集和获得的样本的数量，其不足以基于飞行时间原理推导出深度信息。
[0028]在一些实施例中，成像系统适于使用经伪随机调制的照明源，从而使得不同采集系统之间的不同干扰被最小化。
[0029]在一些实施例中，成像系统适于使用具有至少两个不同波长的至少两个照明源。通过差分读出或像素上减除，两个照明源的差分图像可被直接测量。这例如使得能够构建高度稳健的眼跟踪系统。
[0030]在一些实施例中，本发明提供使用飞行时间传感器的成像系统，其中照明源具有低于在三维飞行时间测量中使用的调制频率的调制频率。
[0031]在一些实施例中，成像系统适于每帧获得比执行飞行时间测量所需的样本数量减少的样本。
[0032]在一些实施例中，包括飞行时间传感器和至少一个照明源的成像系统的时序适于每帧获得比推导飞行时间测量所需的样本数量减少的样本。
[0033]另外，本发明涉及使用飞行时间传感器的成像方法。具有低于在飞行时间测量中使用的调制频率的调制频率的照明源被使用。在变体中，所使用的调制频率在10Hz和IMHz之间。在变体中，对飞行时间传感器的像素的电平执行直接减除。在变体中，结构化照明源被使用。在变体中，具有至少两个不同波长的两个照明源被使用。在变体中，经伪随机时间调制的照明源被使用。在变体中，获得比在飞行时间测量中减少的每帧样本数量。
[0034]根据本发明，成像系统适于获得比在飞行时间测量中减少的每帧样本数量。
[0035]在一些实施例中，成像系统适于使用具有低于在飞行时间测量中使用的调制频率的调制频率的照明源，具体地，调制频率在I OOHz至IMHz之间。
[0036]在一些实施例中，成像系统适于对飞行时间传感器的像素的电平执行直接减除。
[0037]在一些实施例中，成像系统适于使用结构化照明源。
[0038]在一些实施例中，成像系统适于使用具有至少两个不同波长的至少两个照明源。
[0039]在一些实施例中，成像系统适于使用被伪随机时间调制的照明源。
[0040]另外，本发明涉及使用飞行时间传感器的成像方法。获得比在飞行时间测量中减少的每帧样本数量。在变体中，具有低于在飞行时间测量中使用的调制频率的调制频率的照明源被使用，具体地调制频率在10Hz至IMHz之间。在变体中，对飞行时间传感器的像素的电平上的直接减除被执行。在变体中，结构化照明源被使用。在变体中，具有至少两个不同波长的两个照明源被使用。在变体中，经伪随机时间调制的照明源被使用。
【附图说明】
[0041]这里所描述的发明将根据这里在下文给出的【具体实施方式】以及附图而被更全面地理解，其不应被视为限制了所附权利要求中所述的发明。图示示出了:
[0042]图1a示出了具有不同构造块的当前技术的TOF像素的图示，图1b至Id绘出了现有技术的时序图和采样来基于飞行时间原理推导深度测量；
[0043]图2示出了在飞行时间三维成像系统上推导深度测量所需的四个样本的最常用的现有技术米集时序；
[0044]图3a示出了根据本发明、具有飞行时间图像传感器110和主动照明源120的成像系统100，飞行时间图像传感器110和主动照明源120 二者被控制器140控制和同步，图3b是根据本发明的粗略时序图的实施例并且图3c是根据本发明的更详细时序图的实施例；
[0045]图4示出了根据本发明、基于结构化照明源121的成像系统100;
[0046]图5示出了根据本发明的用于眼睛/瞳孔检测应用的成像系统100，该成像系统100基于具有处于近红外范围的不同波长的两个照明源122和123以及飞行时间图像传感器
(110)；
[0047]图6示出了根据本发明，包括第一结构化照明源121和第二不同结构化照明源125的成像系统105;
[0048]图7a示出了根据本发明的成像系统的实施例，其使得能够通过相同的光学路径和图像传感器收集来自场景/对象的三维信息以及色彩或灰度信息，图7a示出了获得深度信息的采集的操作，利用结构化照明源捕获的样本灰度图像被示出在图7c中，图7b绘出了在灰度图像的采集期间的成像系统和它的操作并且结果的灰度图像被绘制在图7d中；以及
[0049]图8示出了根据本发明的实际设计。
【具体实施方式】
[0050]飞行时间成像系统能够确定发射的光从测量系统行进至对象并返回所花费的时间。发射的光信号被某一距离处的对象反射。该距离对应于由光从测量系统到对象并返回的行进时间引起的、从发射信号到接收信号的时间延迟。在间接飞行时间测量中，距离相关的时间延迟对应于发射的信号到接收的信号的相位延迟。另外，接收的信号不仅包括所发射的、经背向反射的信号，还可具有来自例如太阳或其他光源的背景光信号。当前技术的飞行时间像素被示出在图1a中。飞行时间像素包括光敏区域P，该区域利用第一开关SWl被连接至存储节点Cl并且利用第二开关SW2被连接至存储节点C2。光生电子的采样是通过闭合开关SWl和断开SW2来完成的，或者反之。开关SWl和SW2由控制器被同步至照明源。为了使得能够进行合理的飞行时间测量，开关SWl和SW2与照明源需要在从I OMHz左右到200MHz以上的范围中操作，并且光生电荷必须在若干纳秒内从光敏区域P被转移到存储节点Cl或C2。飞行时间像素被特定设计为达到这样高速的采样。这样的高速飞行时间像素架构的可能实现方式被描述在专利US 5856667、EP1009984B1、EP1513202B1、或者US 7884310B2中。飞行时间像素的输出电路C通常包括读出放大器和重置节点。在许多飞行时间像素实现方式中，像素中输出电路C还包括对于存储节点Cl和C2中的两个样本的共同电平去除或者背景减除电路。这样的像素中共同信号电平去除急剧地增加飞行时间像素的动态范围。在积分的同时执行对样本的共同电平去除的可能实现方式被呈现在PCT公开W02009135952A2以及专利US7574190B2中。在数据的读出周期期间在曝光之后完成的对样本的另一共同信号减除的方法被描述在美国专利US7897928B2中。
[0051 ]商业可用的三维飞行时间测量系统基于正弦波或伪噪声调制。这两者都要求至少三个样本以推导出分别的相位或深度信息、偏移、和幅度信息。为了设计简化和信号稳健性原因，飞行时间系统一般对冲击的光信号进行四次采样。然而，最灵敏并因此最广泛使用的飞行时间像素架构仅包括两个存储节点，如图1a中所示。为了取得四个样本，系统则需要对至少两个连续图像的捕获。正弦波采样的时序图被示出在图1b中。此接收的光信号在来自图1a的像素上生成光电流，该光电流然后在第一次曝光El期间被采样和积分，如图1b所展示的那样。第一次曝光El跟随着读出ROl。第二次曝光E2与El相比需要被延迟90°的样本。在曝光E2之后，新获得的样本为读出R02。此时在时间D中，所有数据就绪以使得能够确定接收的信号的相位、偏移