飞行相机的时间的制作方法

背景

“连续波”飞行时间(tof)相机(cw-tof)传送具有通常是周期性地p的强度的电磁辐照(任选地ir光)的经幅度调制的“连续波”，以照亮相机对其进行成像的场景。由场景中的特征从透射光反射的光作为具有与透射光相同的调制但在相位上偏移了相移的反射光的波形到达相机。相机将反射光成像在光电传感器的一个或多个像素上，并且控制光电传感器的曝光周期使得对特征进行成像的像素响应于曝光周期与作为相移的函数的反射光的互相关来累积一定量的电荷。

概述

本公开的一实施例的一个方面涉及提供一种用第一和第二光波来照亮场景的cw-tof相机，第一和第二光波具有分别在第一和第二调制频率f1和f2处被调制的强度以针对调制频率中的每一个获取场景中的特征的经卷绕的相移。cw-tof相机将至少一个经卷绕的相移解卷绕，以响应于分段常数或线性“指示”函数来确定该至少一个经卷绕的相移的卷绕数n，并由此确定到特征的距离。指示函数是光从cw-tof相机到特征并返回到相机的往返时间tr的函数，并且任选地在函数的相邻分段的域的边界处不连续。该函数采用在指示函数的相邻分段的域中的往返时间的值的基本上不重叠的范围内的值，并且可被称为“离散化指示函数”(din或din函数)。沿din函数的常数或线性分段的din函数的值通常被称为离散化指示值或din值。对于相同调制频率的经卷绕的相移，与din函数的相邻分段的域中的往返时间相关联的不同卷绕数由不同的din值指示。

为了确定至少一个经卷绕的相移的卷绕数，cw-tof相机对第一和第二经卷绕的相移进行处理以提供一值，其可被称为“试验指示”，其在经卷绕的相移中不存在误差的情况下任选地等于din函数的din值。cw-tof相机响应于试验指示来确定特征的最有可能的din值，并由此确定至少一个经卷绕的相移的卷绕数和到特征的距离。

提供本概述以便以简化的形式介绍以下在详细描述中进一步描述的一些概念。本概述并不旨在标识所要求保护主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护主题的范围。

附图简述

下面将参考在此所附的在此段落之后列出的附图来描述本公开的各实施例的非限制性示例。在多于一幅附图中出现的相同的特征通常在其出现的所有附图中都以相同的标记来标记。标记表示附图中的本公开的实施例的一个给定特征的图标的标记可被用于参考该给定的特征。附图中所示的特征的维度是为了方便和清楚呈现而选择的，并且不必按比例显示。

图1a示意性地示出了根据本公开的一实施例的cw-tof相机，该cw-tof相机传送具有分别在第一和第二不同的调制频率处被连续地调制的强度的第一和第二光波以照亮场景并响应于din来确定到该场景中的特征的距离；

图1b示出了例示根据本公开的一实施例的第一和第二频率与din及其判别值的关系的曲线图；以及

图2示出了根据本公开的一实施例的图1a所示的cw-tof相机将经卷绕的相移解卷绕并确定到场景中的特征的距离的过程的流程图。

详细描述

在下面的讨论中，参考图1a讨论根据本公开的一实施例的cw-tof相机的特征。该图示意性地示出了用相机传送以照亮场景的光来对场景进行成像的cw-tof相机，并且图形地例示了从场景中的不同特征到达相机的反射自透射光的光的相移的特征。

由场景中的给定特征从透射光反射回cw-tof相机的光的相移等于2π乘以往返该特征的往返时间除以透射光的调制周期。用符号表示，其中“d”是特征距相机的距离，“f”是调制的频率，“t”是调制的周期，“c”是光速，而tr是往返时间。cw-tof相机根据相机光电传感器中的像素所累积的电荷来确定“经卷绕的”相移该相机光电传感器响应于入射在像素上的来自特征的反射光来对给定特征成像。然而，特征的经卷绕的相移是实际相移对2π取模，并因此与在特征距相机的距离d以及距相机的距离(d+nc/2f)的倍增常数之内是一样的，其中n是等于或大于1的任何整数。因此，由cw-tof相机获取的经卷绕的相移相对于距cw-tof相机的距离是不明确的，并且给定的经卷绕的相移可例如指代就等于或大于0的任何n而言的距离(d+nc/2f)。根据本公开的一实施例，cw-tof相机因此将给定特征的经卷绕的相位解卷绕以确定经卷绕的相位的卷绕数n，并且根据该卷绕数来确定对应的实际相位和到特征的距离d。

图1a示出了根据本公开的一实施例的，被包括在cw-tof相机中的处理器用来区分从场景中的特征反射的光的经卷绕的相位的卷绕数的din(tr)函数的曲线图。图1b示出了根据本公开的一实施例的din(tr)的细节形式以及如何将其用来确定卷绕数的图示。图2示出了根据本公开的一实施例的用于将来自场景中的特征的反射光的相移解卷绕并且响应于经解卷绕的相移来确定到该特征的距离的算法的流程图。

在下文中，经卷绕的相移可由带撇号的符号来表示，而其对应的经解卷绕的或实际相移由不带撇号的符号来表示。针对给定的调制频率f和场景中的给定特征的实际相移可被称为物理相移，等于2πftr＝4πdf/c。距离范围0≤d<c/2f(针对其相移卷绕数n等于零被称为是cw-tof相机提供了明确的相移的范围)可被称为cw-tof相机的明确的深度范围。明确的深度范围具有等于c/2f的最大的、明确的范围。

在讨论中，除非另行说明，修改本公开的实施例的特征的条件或关系特性的诸如“基本上”和“大约”的形容词应被理解为该条件或特性被定义为针对该实施例所意图的应用在该实施例的操作可接受的容差范围以内。除非另外指示，本描述和权利要求书中的单词“或”被认为是包含性“或”而不是排他性或，并且指示其结合的各项目中的至少一者或其组合。

图1a示意性地示出了根据本公开的一实施例的进行操作以确定到具有对象31和32的场景30中的特征的距离的cw-tof相机20。被非常示意性地表示的cw-tof相机20包括由透镜21表示的光学系统以及具有像素23的光电传感器22，透镜系统在像素23上对场景30进行成像。cw-tof相机任选地包括光源26和控制器24，控制器24控制光源26以及任选地光电传感器22。控制器24控制光源26以用经连续调制的光来照亮场景30，场景中的特征将光从该经连续调制的光反射回cw-tof相机20。控制器控制像素23来配准反射光以提供用于确定场景30中的特征的经卷绕的相移并由此确定到该特征的距离的数据。处理器25根据如下所述的本公开的一实施例来接收该像素23提供的数据并且对该数据进行处理以获取并处理场景30中的特征的经卷绕的相移，从而确定到该特征的距离。

相机光电传感器中的像素(诸如光电传感器22中的像素23)通过累积由入射光中的光子生成的电子－空穴对所提供的正或负电荷(也被称为“光电荷”)来配准入射光。tof相机中的电路系统将由各像素累积的光电荷转换成电压，这些电压被用作对这些像素分别累积的光电荷量的测量。表示经累积的光电荷以及由各像素配准的对应的光量的一组电压可被称为光电传感器的“帧”。获取光电传感器的帧可被称为“读取”光电传感器、读取像素或者读取像素中的光电荷。像素配准的光量可指入射到该像素上的光能量的量、由像素响应于入射光所累积的光电荷量或者响应于经累积的光电荷所生成的电压。

根据本公开的一实施例，光电传感器22可以是由控制器24可控制的任何光电传感器以配准由场景30中的特征反射的光，并从而提供足以确定经卷绕的相移并由此确定到该特征的距离的数据。对于每个调制频率，控制器24作为示例可控制光电传感器22中的像素23的曝光周期，以针对多个固定采样“相位偏移”中的每一个，相对于透射光的调制以等于透射光的调制频率的采样频率来对入射到像素上的反射光进行采样和配准。对相位偏移中的每一个而言，由光电传感器22中的像素配准的来自场景30中的给定特征的光量和来自该给定特征的反射光与用于对相位偏移进行采样的光电传感器的曝光周期的互相关成比例。任选地，cw-tof相机20可使用分别等于0、π/2、π和3/2π的四个偏移相位，以确定经卷绕的相移并由此确定到cw-tof相机对其进行成像的场景中的特征的距离d。对于四个采样相位偏移，令q1、q2、q3和q4分别表示针对来自特征的反射光与光电传感器中的像素的曝光周期的互相关所累积的光电荷量。相移可随后根据表达式来确定。

为了针对场景30中的特征获取四个光电荷累积q1、q2、q3和q4，每个特征作为示例可同时地被成像在光电传感器22的四个相邻的像素23上，控制器24控制像素23中的每一个以获取表示四个采样相移中的不同的一个的互相关的光电荷累积。任选地，控制器24控制cw-tof相机20来对场景30成像四次，针对每个采样相位偏移成像一次，以提供其光电传感器22的四个帧，从而针对场景中的特征获取四个光电荷q1、q2、q3和q4。作为另一示例，光电传感器22控制的像素23可以是被配置成作为光子混合器件(pmd)的cmos智能像素，控制器24控制每一个光子混合器以配准处于多个不同的偏移相位的来自场景30的特征的反射光。控制器可读取由光电传感器22的单个帧中的pmd像素所配准的光。

注意到，尽管图1a中控制器24和处理器25被示意性地指示成分开的模块，但是它们可由相同的单个模块和/或适当的处理电路系统的任何组合提供。控制器24和处理器25可包括和/或具有由适当的电路系统(诸如作为示例，微处理器、微控制器、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)、多芯片模块(mcm)和/或片上系统(soc))的任何组合提供的任何它们的各自的功能。

在本公开的一实施例中，控制器24控制光源26来传送具有在第一频率f1处被调制的强度的光以照亮场景30，并且传送在第二、更高的频率f2处被调制的光以照亮该场景。由光源26传送的在第一、较低的频率f1处被调制的光由标记为40的实的、经“协调地”调制的线来示意性地表示，伴随频率f1在括号中被示出。经调制的线40具有相对大的调制波长，以在视觉上指示其与较低的频率调制相关联。由光源26传送的在频率f2处被调制的光由标记为50的实的、经“协调地”调制的线来示意性地表示，伴随频率f2在括号中被示出。经调制的线50具有相对小的调制波长，以在视觉上指示其与较高的频率调制相关联。

根据本公开的一实施例，由场景30中的特征从透射光波40和50反射回cw-tof相机20的光被透镜21成像在光电传感器22的像素32上，以确定可被用来确定到特征的距离的反射光的相移。对于每个调制频率f1和f2，任选地相对于反射光到达光电传感器22时的透射光的调制的相位来确定相移。

在图1a中，由光源26从透射光40和50反射以照亮场景30的光分别针对场景中的两个特征(即，对象31和32的特征131和132)被示意性地示出。由特征131从较低频率透射光40和较高频率透射光50反射的光由具有指向相机20的方向箭头的虚线41和51示意性地表示。线41和51分别具有相对大的以及相对小的调制波长，以指示它们表示在较低和较高调制频率f1和f2处被调制的反射光。类似地，由特征132从透射光40以及由特征132从透射光50反射的光分别由具有指向相机20的方向箭头的虚线42和52示意性地表示。线42和52被示为具有相对小的以及相对大的调制波长，以指示它们各自与较低和较高的调制频率f1和f2关联性。

来自特征131和132的光由透镜21成像在分别由标记231和232区分的像素23上，并且来自特征131和132的入射在像素上的反射光41和42分别由同样标记为41和42的虚线示意性地指示，虚线41和42从透镜21向像素231和232延伸。来自特征131和132的反射光51和52也分别被成像在像素231和232上，但是未被示意性地示为被成像在像素上以减少图的杂乱。

在频率f1处的对透射光40的调制，以及在反射光41和42到达像素131和132时的被传送的透射光40的相位由像素处的实“谐波”线40*示意性地指示。在调制频率f1处被调制的透射光40与反射光41的调制相位之间的由于从光源26到特征131并返回到相机20的往返时间造成的实际相移在像素231处由标记为的证示线之间的距离示意性地指示。类似地，在透射光40与反射光42的调制相位之间的由于从光源26到特征132并返回到相机20的往返时间造成的实际相移在像素132处由标记为的证示线之间的距离示意性地指示。为了清晰呈现以及在插图100中易于比较，相移和及它们的相关联的证示线分上下地在同一列中被示意性地示出。

作为示例，假设特征132距cw-tof相机20要更远一距离δd1＝c/2f1。作为结果，如插图100所示，比大2π。然而，cw-tof相机的给定像素响应于相机的曝光周期与来自像素成像的场景中的特征的反射光的互相关而累积的光电荷与在特征距相机的距离d以及距相机的距离(d+nc/2f)的倍增常数之内是一样的，其中n是等于或大于1的任何整数。因此，cw-tof相机将对应于场景中的特征的距离(d+nc/2f)的实际相移映射到对应于距离0≤d<c/2f的经卷绕的相移因此，由cw-tof相机获取的经卷绕的相移相对于距cw-tof相机的距离是不明确的，并且给定的经卷绕的相移可例如指代就等于或大于0的任何n而言的距离(d+nc/2f)。因此，cw-tof相机20将实际相移和分别映射到经卷绕的相移和经卷绕的相移和小于2π，而对于特征131和132的假设的情况是相等的。在不进行解卷绕的情况下，和(即使它们是从不同的实际相移生成的)不会被cw-tof相机区分开。经卷绕的相移是不明确的，并且响应于相移而被确定的距离仅在距离δd1的整数倍内是确定的。

在调制频率f2处被调制的透射光50的调制相位与分别在像素231和232处的来自特征131和132的反射光51和52的相位之间的相移和也在插图100中分上下地在同一列中被示意性地示出。反射光51和52到达像素231和232时的透射光50的相位在插图100中由实谐波线50*示意性地表示。鉴于由于f2大于f1，相移和分别大于相移和相移和被映射到经卷绕的相移和两者都小于2π。类似于经卷绕的相移和经卷绕的相移和相对于特征131和132距相机20的距离是不明确的，并且在不进行解卷绕的情况下，响应于经卷绕的相移而被确定的距离在δd2＝c/2f2的整数倍内是不确定的。

根据本公开的一实施例，为了将由cw-tof相机20针对场景30中的诸如特征131或特征132之类的特征所获得的在调制频率f1和/或调制频率f2处的反射光的相移解卷绕，处理器25对相移进行处理以提供相移的din函数的试验指示。处理器25响应于试验指示和din来确定din值并由此确定针对特征所获得的至少一个相移的卷绕数，并且使用该卷绕数来确定特征的经解卷绕的相移并由此确定到该特征的距离。

对于在频率f1处被调制的光，令表示来自场景30中的特征的反射光的“理论的”经卷绕的相移，并且光到该特征并返回到相机(该特征距cw-tof相机20的距离)的往返时间等于“tr”。理论的经卷绕的相移等于tr的实际相移对2π取模。对于在调制频率f2处被调制的光，令表示特征的理论的经卷绕的相移。在本公开的一实施例中，处理器25用来将由cw-tof相机20针对场景30的特征所获取的经卷绕的相移解卷绕的cw-tof相机20的离散化din函数可通过形式的表达式来定义，其中α和β是任选地具有相同符号的常数。

在一实施例中，β/α＝f1/f2而根据本公开的一实施例，通过选择β/α＝f1/f2，din(tr)基本上仅是和的卷绕数的函数，并且采用通过相位差的整数倍分开的离散din值。

分段常数阶跃函数形式的din(tr)和函数的步长之间的差异可通过注意到场景30中的给定特征的实际相移和对于相同的往返时间tr具有比率来得到展示。理论的经卷绕的相移可被写成其中n1是将实际相移与其理论的经卷绕的相移相关的卷绕数。类似地，其中n2是将实际相移与理论的经卷绕的相移相关的卷绕数。因此，din(tr)可被表示成其可被重新写成由于所以din(tr)的表达式简化成din(tr)＝2π[(f1/f2)n2-n1]。令δn＝(n2–n1)。则，din(tr)的上一个表达式显示出din(tr)在常数系数2π以内是卷绕数n1和n2的函数(δn＝(n2–n1))，并且采用通过相位差的整数倍分开的离散din值。

在一实施例中，f1/f2＝m/(m+1)，δn等于0或1，并且din(tr)具有交错的正和负值。各连续正值相差而各连续负值相差din(tr)是循环的，在透射光波50的高的f2调制频率的每个周期，以及透射光波40的低的f1调制频率的每个周期重复其自身。经卷绕的相移的不同的卷绕数(从零(包括零)直到最大卷绕数(m1-1)(包括最大卷绕数))与din(tr)的不同din值相关联。类似地，经卷绕的相移的不同的卷绕数(从零(包括零)直到最大卷绕数(m2-1)(包括最大卷绕数))与din(tr)的不同din值相关联。在图1a的处理器25以及下面讨论的图1b中示出了针对f1/f2＝4/5的din(tr)的曲线图。在曲线图中，din(tr)中的步长用它们各自的din值来标记，并且指示了din值的步长大小

处理器25确定供与din(tr)一起使用的试验指示，以根据由cw-tof相机20响应于由特征从透射光波40和透射光波50反射的光而获取的调制频率f1和f2的经卷绕的相移来确定到场景30中的特征的距离。如果场景30中的特征的对于频率f1和f2的试验指示由“x12(k)”(其中“k”是标识特征的索引)表示，而由特征从光波40和50反射的光的特征的经卷绕的相移由和表示，则x12(k)任选地根据表达式来确定。处理器任选地将试验指示与din(tr)进行比较，以确定特征的经卷绕的相移的相移，并由此确定到该特征的距离。

例如，对于在像素231和232上被成像的特征131和132，试验指示可被写成以及在图1a中的处理器25中示出了x12(131)和x12(132)的表达式。如插图100中示意性地示出的，实际相移和都小于2π。作为结果，它们各自的经卷绕的相移和的卷绕数n1和n2均等于零，并且它们各自的理论的相移比率等于(f1/f2)。经卷绕的相移和若以零误差被确定的话，则它们将分别等于它们理论的相移和并且试验指示x12(131)将等于零。具有2π和4π之间的值的实际相移和在插图100中得到指示。因此，对应于实际相移和的经卷绕的相移和具有分别等于1的卷绕数n1和n2。经卷绕的相移和若以零误差被确定的话，则它们将分别等于它们理论的相移以及它们的试验指示x(132)将等于

然而，由于在实践中对相移的测量伴随着误差，所以试验指示x12(131)和x12(132)与0和分别地不完全相等，而是被误差偏移。因此，沿着处理器25中的din(tr)的曲线图的纵坐标的由实心点141和142示意性地表示的试验指示x12(131)和x12(132)的值在图示中得到了指示，作为示例，沿纵坐标从它们的无误差值移开。

尽管试验指示x12(131)和x12(132)的值不是无误差的，并且不等于它们的无误差值，但是处理器25使用各种合适的准则中的任一种来确定x12(131)和x12(132)最接近并且应该与din值0以及相关联。din值0与卷绕数n1＝0和n2＝0相关联。din值分别与卷绕数n1＝1和n2＝1相关联。作为结果，处理器25指派经卷绕的相移和卷绕数等于零，并且经卷绕的相移和卷绕数等于一。处理器使用针对每个特征131和132所获取的至少一个经卷绕的相位及其相关联的卷绕数来确定到特征的距离。例如，处理器25可根据表达式来确定到特征131的距离d131，并且根据表达式来确定到特征132的距离d132。

图1b示出了根据本公开的一实施例的曲线图200，其例示了调制频率f1、f2、din(tr)以及由cw-tof相机20针对场景30中的特征获取的经卷绕的相移的卷绕数之间的关系。该曲线图具有三个往返时间轴201、202和203，到场景30中的特征的往返时间tr沿该三个往返时间轴201、202和203如所测得的被指示。往返轴201、202和203被校准并且彼此对准，并且任何两个轴上的相同的往返时间tr是同源的。

沿往返轴201的实线的和虚线的相移曲线图线和将场景30中的特征的实际相移分别指示为在调制频率f1和f2处的反射光的tr的函数的。与沿往返轴201的往返时间tr相对应的沿实际相移曲线图线和的各点的实际相移的值沿一纵轴(即，相移轴204)被示出。沿相移轴204的经卷绕的相移的值是带撇号的。实际相移的值是不带撇号的。场景30(图1a)中的特征131和132的往返时间tr(131)和tr(132)各自沿往返时间轴201得到指示。与往返时间tr(131)和tr(132)相对应的相移曲线图线和上的各点由相移曲线图线与穿过往返时间的和纵坐标轴204平行的线的交点指示。交点由实心圆强调，并且它们对应的实际相移和沿相移轴204被标记。

因为光电传感器22(图1a)提供了定义在调制频率f1和f2各自对2π/f1和2π/f2取模处被调制的光的实际相移的数据，所以由相移曲线图线和上的点表示的大于2π的实际相移被映射到由曲线图线和上的点分别到锯齿相移曲线图线和上的点的投影所表示的经卷绕的相移。作为结果，沿相移曲线图线和的大于2π的每个实际相移分别被映射到锯齿相移线和的“相位齿”的经卷绕的相移，并且是小于2π的。

锯齿相移曲线图线中的相位齿由实线椭圆中所示的数字m1进行编号。锯齿相移曲线图线中的相位齿由虚线椭圆中所示的数字m2进行编号。在图1b中，如图1a所示，假设f1/f2等于4/5。作为结果，并且在锯齿曲线图线的锯齿模式重复之前，锯齿曲线图线具有而锯齿曲线图线具有

锯齿相移曲线图线中的第m1相位齿将等于2π(m1-1)的实际相移与小于2πm1的实际相移之间的沿相移曲线图线的调制频率f1的实际相移映射到具有卷绕数n＝(m1-1)的不明确的、经卷绕的相移。类似地，锯齿相移曲线图线中的第m2相位齿将等于2π(m2-1)的实际相移与小于2πm2的实际相移之间的沿相移曲线图线的调制频率f2的实际相移映射到具有卷绕数n＝(m2-1)的不明确的经卷绕的相移。注意到，虽然小于2π的实际相移由光电传感器22映射到它们的实际值，但是它们实际上通常是不明确的，因为它们的值可能已由大于2π的实际相移生成。

作为示例，沿实际相移曲线图线示出的实际相移被映射到由沿锯齿相移曲线图线的相位齿m1＝2(实线椭圆中的数字2)的点(由空心圆)指示的经卷绕的相移空心圆被标记，并且其值由沿相移轴204示出的指示。类似地，沿实际相移曲线图线示出的实际相移被映射到由锯齿相移曲线图线的相位齿m2＝2(虚线椭圆中的数字2)上的点(由空心圆)指示的经卷绕的相移空心圆被标记，并且其值由沿相移轴204示出的指示。作为示例，由沿实际相移曲线图线和的实心圆指示的实际相移和等于并且与在锯齿相移曲线图线和的相位齿m1＝1上的它们各自的经卷绕的相移和相一致。因此，沿着相移曲线图线和没有区分开经卷绕的相移和与实际相移和

根据本公开的一实施例的任选地被用来将经卷绕的相移解卷绕的上述离散化指示函数被示作沿往返轴202的tr的函数。将din(tr)的值指示成沿纵坐标din轴205所示。din(tr)可采用离散步长值(即“din值”)，其中第一个din值等于零，并且随后的din值在正和负值之间交替。正din值和负din值随着tr增加而单调减小，伴随着顺序正din值之间以及顺序负din值之间的差等于

对于比例f1/f2＝m/(m+1)(其中m是整数)，din值中的每一个等于的不同的整数倍。每个din值与仅一个齿数m1和仅一个齿数m2相关联。一些din值用它们的值来标记，并且每个din值以实线椭圆示出与din数相关联的相位齿曲线图线中的齿的齿数m1，并以虚线椭圆示出与din值相关联的相位齿曲线图线中的齿的齿数m2。锯齿相移曲线图线中的每个齿数m1(直到并包括最大齿数m1)与不同的din值相关联。类似地，锯齿相移曲线图线中的每个齿数m2(直到并包括最大齿数m2)与不同的din值相关联。

根据本公开的一实施例，通过将给定的经卷绕的相移的试验指示与din(tr)的din值进行比较，cw-tof相机20将经卷绕的相移与特定相位齿数m1和特定相位齿数m2相关联。与经卷绕的相移相关联的相位齿数m1和m2分别为调制频率f1和调制频率f2的经卷绕的相移提供卷绕数n1＝(m1-1)以及n2＝(m2-1)。

例如，沿din轴205示出了根据经卷绕的相移和确定的特征131的试验指示x12(131)的可能值。其中，如图1a所示，x12(131)被示为具有大于0的值，x12(131)的值最接近等于零的din(tr)的din值，并且对于m1＝m2＝1，处理器25将x12(131)与等于零的din(tr)相关联。作为结果，处理器25确定经卷绕的相移和两者具有它们各自的等于零的卷绕数n1＝(m1-1)和n2＝(m2-1)。因此，处理器可响应于距离和/或距离来确定到特征131的距离d(131)。距离d(131)可例如被确定为等于具有距离的最小的、经估计的标准偏差或平均值或加权平均值的距离d(131,f1)或d(131,f2)。

类似地，处理器25确定沿din轴205示意性地示出的x12(132)最接近等于的din(tr)的din值，并且将x12(132)与相位齿数m1＝2和m2＝2相关联。因此，处理器可确定经卷绕的相位和经卷绕的相位具有等于1的卷绕数，并且响应于距离和/或距离来确定到特征132的距离d(132)。

在本公开的一实施例中，din(tr)可例如通过以下被配置成其din值为整数的整数函数：用等于的量化步长来量化并且定义其中“nint”是最接近的整数函数。被定义成整数函数的din(tr)具有等于m1的最大值，以及以一为单位随tr单调减少的正和负整数值。沿往返轴203示出了与沿往返轴201示出的din(tr)相对应的整数din(tr)230。根据本公开的一实施例，处理器25可使用试验整数指示来与整数din(tr)进行比较，以确定由cw-tof相机20获取的经卷绕的相移的卷绕数。第k特征的整数试验指示可被定义成

根据本公开的一实施例，整数din(tr)和整数试验函数ix12(k)可有利于执行对确定卷绕数有用的计算。例如，如果din(tr)是整数函数，则ix12(k)的整数值等于场景30中第k特征的din值，根据该din值可确定针对特征所获得的经卷绕的相移的对应的卷绕数。

注意到，在上述示例中，相同的特征131或132的经卷绕的相移被描述成具有相同的卷绕数。当然，针对调制频率f1和f2以及相同的特征所获取的经卷绕的相位的卷绕数不一定是相同的。例如，如果处理器25已根据试验指示x12(132)的值确定了试验指示应该与等于的din值相关联，则处理器将已确定了经卷绕的相位与相位齿数2相关联，并且确定了经卷绕的相位与相位齿数3相关联。处理器将已确定经卷绕的相位和分别具有卷绕数n1＝1和n2＝2。

如上所述并且如图1b所示的离散化指示函数din(tr)是周期的。该功能具有等于的重复周期，其中t1和t2分别是频率f1和f2的周期，并且对应的重复频率等于拍频(beatfrequency)fb＝(f2-f1)。根据本公开的一实施例，使用在调制频率f1和f2处被调制的光以及din(tr)来确定到场景30中的特征的距离的cw-tof相机20为被定位直到与相机的最大距离等于c/2(f2-f1)的场景30中的特征提供了明确的相移。cw-tof相机操作起来就好像其用具有在等于拍频fb的“虚拟调制频率”处被调制的强度的光来照亮场景一样，并且为被定位直到与相机的最大距离等于c/2fb的场景中的特征提供了虚拟调制频率的明确的相移。

尽管上面描述了cw-tof相机20用两个光波(每个光波在不同的频率处被幅度调制)来照亮其成像的场景，但是根据本公开的一实施例的cw-tof相机不限于用仅在两个频率处被幅度调制的光来照亮场景。根据本公开的一实施例的cw-tof相机可用多于两个的光波的多个光波来照亮场景，每个光波具有其在不同的调制频率处被调制的强度。并且cw-tof相机可针对调制频率中的每一个来获取并解卷绕经卷绕的相移，以确定到场景中的特征的距离。任选地，到场景中的给定特征的距离可以是响应于所有或某些调制频率的经解卷绕的相移而提供的到该特征的距离的加权平均值。在本公开的一实施例中，如果多个调制频率包括n个不同的调制频率fn，1≤n≤n，则这些频率满足关系fn+1＝[(n+1)/n]fn。

任选地，cw-tof相机响应于针对调制频率对的经卷绕的相移而提供的din来将多个调制频率的每个调制频率的经卷绕的相移解卷绕。cw-tof可响应于针对给定的调制频率而定义的din以及针对光波的一对调制频率而确定的虚拟调制频率来将光波的给定的调制频率的经卷绕的相移解卷绕。

在一实施例中，cw-tof相机可将第一和第二对频率中的每一者的经卷绕的相移解卷绕，以提供针对相机的分别等于第一和第二对频率的拍频fb1和fb2的第一和第二虚拟调制频率。如果特征分别位于距cw-tof相机小于最大明确范围c/2fb1和c/2fb1的距离处，则第一和第二虚拟调制频率fb1和fb2为场景中的特征提供明确的相移和对应的明确的距离。如果场景包括位于大于最大明确范围的距离处的特征，则由cw-tof相机提供的经解卷绕的相移通常是不明确的，并且可被认为是经卷绕的虚拟相移。

在一实施例中，cw-tof相机针对第一和第二虚拟调制频率确定虚拟经卷绕的相移的din，以将经卷绕的虚拟相移解卷绕并消除歧义。cw-tof相机看上去工作在等于fb1和fb2的拍频的第三虚拟调制频率fb3处。虚拟调制频率fb3将cw-tof相机的最大明确范围扩展到c/2fb3＝c/2/(|fb1-fb2|)。使用cw-tof相机的虚拟调制频率来确定该cw-tof相机的另一个虚拟调制频率可被称为“级联”虚拟操作频率。

处理器25可使用各种合适的处理架构中的任一种来执行级联虚拟调制频率。例如，处理器25可具有一架构，该架构被配置成使用相同的数字信号处理(dsp)块来处理针对包括实际和/或虚拟调制频率的任何组合的第一和第二对调制频率所确定的经卷绕的相移并提供针对第一和第二虚拟调制频率中的每一个的经卷绕的虚拟相移。第一和第二虚拟调制频率分别是第一和第二对调制频率的拍频。处理器25接着可使用相同的dsp块来处理第一和第二虚拟调制频率的经卷绕的虚拟相移，以提供针对第三虚拟调制频率的虚拟相移，第三虚拟调制频率是第一和第二虚拟调制频率的拍频。替代地，处理器25可包括用于级联虚拟调制频率的dsp块的树形配置。树形配置中的第一和第二dsp块中的每一个处理包括实际和虚拟调制频率的任何组合的不同对的调制频率的相移，以分别提供针对第一和第二虚拟调制频率的虚拟相移。第一和第二dsp块将它们分别产生的第一和第二虚拟调制频率的相移传送到dsp树中的第三、共享的dsp块。第三dsp块处理其从第一和第二dsp块接收的相移，以生成第三虚拟调制频率的虚拟相移。

在图1a和对cw-tof20的讨论中，cw-tof相机20看上去是用分别在频率f1和f2处被调制的两支分开的光束40和50来照明场景30的，并且可被认为是首先用光束中的一支并接着用另一支来顺序地照亮场景。尽管根据本公开的一实施例的cw-tof相机可用在不同频率处被调制的光波来顺序地照亮场景以获取并解卷绕多个不同的调制频率中的每一个的相移，从而确定到场景中的特征的距离，但是对本公开的一实施例的实践不限于“顺序地照亮”。根据本公开的一实施例的cw-tof相机可例如用在多个不同的调制频率中的每一个处被调制的光来同时地照亮场景并且/或者用同时地在多个不同的调制频率处被调制的光来照亮场景，以获取每个调制频率的经卷绕的相移并确定到场景中的特征的距离。为了获取每个调制频率的经卷绕的相移，相机作为示例可控制被包括在相机中的至少一个光电传感器中的像素，以同时地以等于调制频率和/或调制频率的谐频中的每一者的采样频率来采样并配准来自场景的反射光。

例如，假设cw-tof相机类似于cw-tof相机20并且用在频率f1和f2处被调制的光来同时地照亮场景，控制器24可控制光电传感器22中的一对相邻像素23中的每个像素以等于调制频率f1和f2的不同的一个调制频率的采样频率来采样并配准来自场景的反射光。在频率f1或f2处的像素采样反射光累计响应于反射光的光电荷量，其可被处理以提供分别针对调制频率f1或f2的经卷绕的相移。

图2示出了步骤300的流程图，其中cw-tof相机20使用在调制频率f1和f2处被调制的光来确定到场景30中的特征的距离。任选地，如在图1a和1b中所描述的示例中，f1/f2＝m/(m+1)，并且它们的拍频的周期等于调制频率f1的m1个周期以及调制频率f2的m2个周期。

在框301中，cw-tof相机20用在调制频率f1处被调制的光来照亮场景30，以获取提供用于针对调制频率f1确定场景中的特征的经卷绕的相移的数据的场景的图像。在框303中，cw-tof相机20任选地处理数据以提供场景中的特征的经卷绕的相移其中索引k标识由cw-tof相机成像的场景中的第k特征。任选地，在框305中，cw-tof相机20用在调制频率f2处被调制的光来照亮场景30，以对该场景进行成像并提供用于针对调制频率f2确定场景中的特征的经卷绕的相移的数据。在框307中，cw-tof相机任选地处理数据以提供经卷绕的相移

在框309中，cw-tof相机20任选地根据表达式来确定场景30中的特征k的试验指示x12(k)，并且在框311中可将x12(k)转换成整数函数

在本公开的一实施例中，在框313中，cw-tof相机20任选地根据均匀化过程(也被称为“均化器”(h))来处理试验指示整数值ix12(k)以移除异常值。在一实施例中，索引k是属于k个连续整数的集合的整数，对于该集合而言，任何两个连续的整数相差一，并且对于该集合，任何相差一的两个索引k标识场景30的两个特征(光学器件21将其成像在光电传感器22(图1a)的相邻区域上)。任选地，该系列的整数中的第一整数等于1。根据均匀化步骤，cw-tof相机针对2≤k≤k来确定差分δix12(k)＝ix12(k)-ix12(k-1)。并且对于1≤k≤(k-1)的每个k，确定受限于|cb(k)|≤1的等于ix12(k+1)|δix12(k)|的校正偏差。相机确定“均匀化”试验整数指示ix12(k)*＝ix12(k)+cb(k)。均匀化步骤移除在具有量值为1的ix12(k)的值中的正和负异常峰值。异常峰值是ix12(k)的值，其与ix12(k-1)和ix12(k+1)的不同之处在于相同的正或者相同的负差。虽然均匀化的试验整数指示ix12(k)*或者非均匀化的试验整数指示ix12(k)可被使用(尽管通常具有不同的误差率)以确定经卷绕的相移的卷绕数n1(k)和n2(k)，但是如下所述，除非另有指示，否则使用ix12(k)*作为对ix12(k)*和ix12(k)两者的通用参考。

任选地，在框315中，cw-tof相机20确定经卷绕的相移和的卷绕数n1(k)和n2(k)。不同的方法中的任一种可被用来确定卷绕数n1(k)和n2(k)。在一实施例中，cw-tof相机20可具有任选地被储存在处理器25中的查找表(lut)，其将ix12(k)*的值与卷绕数n1(k)和n2(k)相关联。例如，针对图1b所示的调制频率f1和f2，对于沿往返时间轴203的ix12(k)*＝(m1-1)，根据本公开的一实施例的lut可提供m1(k)＝2和m2(k)＝3以及对应的卷绕数n1(k)＝(m1(k)-1)＝1和n2(k)＝(m2(k)-1)＝2。

在一个实施例中，在框315中，cw-tof相机20可根据ix12(k)*来计算卷绕数n1(k)和n2(k)ix12(k)*。例如，对于给定的ix12(k)*，cw-tof相机可确定：

no(k)＝0.5[(sign(ix12(k)*)+1]ix12(k)*；

n1(k)＝m1[1-fix((m1-no(k))/m1]-ix12(k)*；以及

n2(k)＝m2[1-fix((m2-no(k))/m2]-ix12(k)*。

在上面的表达式中，符号(sign)函数接受其自变量的符号，而修正(fix)函数给出在其自变量和零之间的最接近的整数。

任选地，在框317中，cw-tof相机20根据和来确定经解卷绕的相移和任选地，cw-tof相机确定测试比率并且使用tr(k)来提供对经解卷绕的相移的可靠性的测量。如果tr(k)和其期望值f2/f2)之间的差异大于预定的阈值，则经解卷绕的相移可被认为是对它们对应的实际相移和的不可靠的测量，并被丢弃。

在框319中，cw-tof相机20可响应于相机针对特征而确定的至少一个经解卷绕的相移和来确定到场景30中的第k特征的距离。在一实施例中，cw-tof相机20确定由表达式任选地定义的加权平均φw(k)，其中权重ω1和ω2相加为一，并且在确定经解卷绕的相移和时被确定为函数误差。

因此，根据本公开的一实施例，提供了可操作以确定到场景中的特征的距离的连续波飞行时间(cw-tof)相机，该cw-tof相机包括：被配置成传送在第一和第二频率f1和f2处被调制的光以照亮场景的光源；光电传感器，该光电传感器被配置成配准由场景中的特征从在第一和第二调制频率中的每一个处被调制的经传送的光反射的光量；以及处理器，该处理器被配置成处理由光电传感器配准的来自场景中的第k特征的反射光的量，以提供频率f1和f2的经卷绕的相移以及响应于该经卷绕的相移的该经卷绕的相移的卷绕数的试验指示，并且响应于试验指示以及频率f1和f2的分段常数或线性离散指示(din)函数和针对第k特征的光往返相机的往返时间tr来将经卷绕的相移中的至少一个解卷绕。

任选地，din函数在函数的相邻分段的域的边界处是不连续的。附加地或替代地，din函数任选地包括形式的线性和，其中和作为tr的函数分别为频率f1和f2的理论的相移。任选地，第k特征的试验指示包括形式的经卷绕的相移的线性和，其中和分别为频率f1和f2的经卷绕的相移。任选地，α＝γ且β＝η。任选的，绝对值|α/β|＝f2/f1。

在本公开的一实施例中，每个调制频率f1和f2等于一相同频率的整数倍。任选地，频率f1和f2的较低调制频率和较高调制频率之间的比率等于m/(m+1)，其中m是整数。

在本公开的一实施例中，din函数是具有离散整数值的整数函数。可选地，离散整数值等于通过等于2π|(f2–f1)|/f2的量化步长来量化的线性和。试验指示可等于整数。可选地，该整数等于通过等于2π|(f2–f1)|/f2的量化步长来量化的经卷绕的相移的线性和。

在一实施例中，处理器被配置成确定试验指示整数是否为异常值，如果是，则修改该整数。如果ix(k)表示第k特征的试验指示整数而ix(k-1)和ix(k+1)表示与第k特征相邻和在第k特征的相对侧的特征的试验指示整数值，则如果[ix(k)-ix(k-1)]＝-[ix(k+1)-ix(k)]且|(ix(k)-ix(k-1)|＝1，则ix(k)被任选地确定为异常值。任选地，如果ix(k)被确定为异常值，则处理器通过将等于[ix(k+1)-ix(k)]·|(ix(k)-ix(k-1)|的和添加到ix(k)来修改ix(k)。

在本公开的一实施例中，光源被配置成选择性地传送在大于两个的多个不同调制频率处的光，并且处理器被配置成：处理由光电传感器配准的来自场景中的第k特征的反射光的量，以确定多个频率的第一和第二对不同频率的每个频率的经卷绕的相移；响应于针对该对频率确定的经卷绕的相移，确定第一和第二对频率中每对的试验指示；响应于经确定的试验指示和该对的din函数，将针对每对频率确定的至少一个经卷绕的相移解卷绕；确定等于第一对频率中的频率的拍频的第一虚拟调制频率的第一虚拟经卷绕的相移，以及等于第二对频率中的频率的拍频的第二虚拟调制频率的第二虚拟经卷绕的相移；确定第一和第二虚拟经卷绕的相移的试验指示；以及响应于经确定的试验指示以及第一和第二虚拟调制频率的din函数来将第一和第二虚拟经卷绕的相移中的至少一个解卷绕。

根据本公开的一实施例还提供了一种将来自照亮场景的经传送的光的由场景中的特征反射的光的经卷绕的相移解卷绕的方法，该方法包括：传送在第一和第二频率f1和f2处被调制的光以照亮场景；配准来自在第一和第二频率中的每一个处被调制的经传送的光的由特征反射的光的量；处理来自特征的反射光的量，以提供频率f1和f2的经卷绕的相移；响应于所提供的经卷绕的相移来确定经卷绕的相移的卷绕数的试验指示的值；以及响应于试验指示的值以及频率f1和f2的分段常数或线性、离散指示(din)函数和针对特征的光往返相机的往返时间tr来确定调制频率中的至少一个的反射光的卷绕数。

任选地，din函数包括形式的线性和，其中和作为tr的函数分别为频率f1和f2的理论的相移，而α和β是正常数。特征的试验指示包括形式的经卷绕的相移的线性和，其中和分别为频率f1和f2的经卷绕的相移，而γ和η是正的常数。任选地，α＝γ而β＝η并且|α/β|＝f2/f1。

根据本公开的一实施例还提供了一种确定到场景中的特征的距离的方法，该方法包括：确定从特征反射并且在至少两个调制频率f1和f2处被幅度调制的光的经卷绕的相移；响应于频率f1和f2的分段常数或线性离散指示(din)函数，确定调制频率f1和f2中的至少一个的反射光的卷绕数；以及响应于该卷绕数来确定到特征的距离。并且还任选地提供了使用该方法来确定到特征的距离的tof相机。

在本申请的说明书和权利要求书中，动词“包括”、“包含”和“具有”及其组合中的每一个是用来指示该动词的一个或多个宾语不一定是该动词的一个或多个主语的组件、元素、或部分的完整列表。

在本申请中作为示例提供了对本发明的各实施例的描述，而不旨在限制本发明的范围。所描述的实施例包括不同的特征，对于本发明的所有实施例来说并不是所有的特征都是必需的。一些实施例只利用部分特征或特征的可能组合。本领域的技术人员会想到所描述的本发明的各实施例的变型以及本发明的各实施例包括在所描述的各实施例中注明的特征的不同组合。