用于使用单次曝光的渡越时间测量的系统和方法与流程

渡越时间系统是使用光来分辨对物体的差异的系统。通常，使用光源来照亮物体，摄像机测量光，包括来自物体的光，且测量被缓存并处理以确定距离。使用光速来确定距离。

例如，连续波渡越时间系统一般使用在不同相位、曝光下的四个测量来确定距离。从原始传感器数据计算距离一般要求将被存储为数据的大量光测量存储在缓冲器中，这在渡越时间传感器芯片的外部完成。所存储的数据可以相对大，因为它必须包括多次曝光，例如对应于四个不同的相位的曝光。此外，使用所存储的数据确定距离的计算可能是复杂的。结果，要求复杂的电路和相对大量的功率来确定在渡越时间系统中的距离。

所需要的是在减小的复杂度和功率消耗的情况下使用光速来确定距离的技术。

附图说明

图1是示出使用单次曝光的渡越时间测量的系统的图解。

图2是示出由深度地图发生器产生的深度地图的绘图。

图3是示出基于变化的参考信号来产生像素传感器信号的传感器的图解。

图4是示出邻近像素的布置以基于变化的相位参考信号来产生像素信号的的图解。

图5是示出基于变化的传感器信号的组合深度像素的距离确定的曲线图。

图6是示出操作渡越时间系统的方法的流程图。

具体实施方式

现在将参考所附附图描述本发明，其中相似的参考数字始终用于指代相似的元件，以及其中所示结构和设备不必然按比例绘制。

图1是示出使用单次曝光的渡越时间测量的系统100的图解。系统100可被利用来检测物体和对于检测到的物体的距离。曝光以单个时间间隔同时得到多个像素测量。代替多次曝光，单次曝光用于产生距离信息。结果，减小了功率消耗、记忆和复杂度。

渡越时间（ToF）测量通常指的是使用光速和图像/像素传感器确定的距离测量。距离一般每像素被计算，且一旦被计算就可用于深度检测、手势识别、物体检测等。每像素距离被组合以创建提供三维图像的深度地图。

其它方法要求也被称为拷贝的多次连续曝光。每次曝光要求从光源产生的光，其以相应的相位进行振幅调制，该相位对于不同的曝光是不同的。例如，一种方法要求四次分开的曝光，例如0°、90°、180°和270°。来自四次曝光的信息或测量被收集并比较以确定深度地图。大量信息需要被存储并处理。结果，需要相对大量的存储和功率。然后在产生深度地图时使用所存储的多次曝光。

系统100包括传感器104、模数转换器（ADC）106、参考信号发生器108、深度地图发生器110、光源124和控制单元112。系统100确定至场景102中的一个或多个物体的距离。系统100可以是连续波渡越时间系统，例如基于光子调制设备（PMD）的渡越时间系统。

传感器104是图像传感器并包括一般布置在行和列中的像素的阵列。像素、行和列的数量可改变并基于包括分辨率、强度等的因素来选择。在一个示例中，基于待检测的物体和至物体的预期距离来选择这些传感器特性。

较小的物体要求较高的分辨率用于检测。例如，手指检测要求在大约0.5米的距离或范围处每像素< 5mm的分辨率。中等大小的物体例如手检测要求在大约1.5米的范围处每像素< 20mm的分辨率。较大大小的物体例如人身体要求在大约2.5米处每像素< 60mm的分辨率。认识到的是，上面的示例仅为了例证性目的而被提供，以及包括其它物体、分辨率和用于检测的距离的变化可出现。适当分辨率的一些示例包括VGA – 640x400像素、CIF – 352x288像素、QQ-VGA – 160x120像素等。

光源124配置成调制光的振幅并朝着场景102发射振幅调制后的光。振幅调制可基于由参考信号发生器108产生的参考信号。参考信号可以是例如在MHz范围中的RF信号，虽然可使用其它调制频率。发射的光可包括具有波长的变化的范围的光，例如太阳光和红外线。光反射离开场景中的一个或多个物体并返回到传感器104。

传感器104的每个像素基于时变参考信号和在单个时间点或时间间隔处所接收的光114来产生像素信号。时间间隔在一个示例中是连续时间，其中像素被暴露于光且对光敏感。在像素中用于产生像素信号的时变参考信号和被提供到光源124的时变参考信号具有基本上相同的频率。像素信号基于在像素处所接收的光来共同产生图像或表示。此外，像素信号116用于确定在从光源124发射的光和所接收的光114之间的相位差。也被称为或深度的相位差然后用于确定至物体之一的距离。

多种适当的设备可用于传感器104的像素。在一个示例中，每个像素包括光子混合设备（PMD）。这个PMD包括读出二极管A和B以及调制门A和B。参考信号差分地被施加在调制门A和B两端，同时进入的光在光电门（photo gate）/二极管处被接收。差分传感器信号跨越读出二极管A和B产生。可在某一时间内集成来自像素的传感器信号，以便确定相位测量信息。

在操作中，例如，给第一像素提供参考信号122的第一参考信号。相邻的像素被提供有信号122的第二参考信号并从第一参考信号偏移了一相位偏移。该相位偏移可以用度表示并包括90、180和270度。光源124使用第一参考信号发射光，且第一和第二像素接收反射光，其中光从物体反射。发射的光在一个示例中是根据第一参考信号以选定占空比和选定频率接通和断开的调制后的光。此外，发射的光在适当的波长处，例如红外。第一像素和相邻像素可被称为组合深度像素。因此，第一像素基于第一参考信号和所接收的光提供第一像素信号，且相邻像素基于具有相位偏移的第二参考信号提供相邻像素信号。

第一参考信号和第二参考信号分别同时被施加到第一和第二像素。第一像素因此测量在第一相位点处的进入的光，且第二像素测量在不同于第一相位点的第二相位点处的进入的光。第一像素信号和相邻像素信号可因此用于使用渡越时间确定从传感器104至物体的距离。系统100只使用一次曝光从在两个相邻像素中的测量确定距离信息，而不是通过随后使用不同的曝光以及具有到前一曝光的相移的每次曝光来确定每个像素的距离信息。因为只有一次曝光被使用，发射的光的振幅调制在相位中保持不变，以便确定距离信息。

两个相邻像素使用具有相对于彼此的相移的参考信号来同时被调制，且像素接着组合来自这两个像素的测量信息以确定距离信息。在第一和第二参考信号之间的相移未改变，以便确定距离信息。因此，确定距离信息所必需的进入的光信号的不同相位点的感测随后在不同的时间间隔中（如在多次曝光模式中）针对每个像素不被完成，但通过使用不同的参考信号在相邻像素中同时感测进入的光信号的不同相位点。因为像素是相邻像素，在两个相邻像素处的进入的光的相位（其指示距离）不应改变太多，且组合深度信息可通过利用这两个相邻像素的所感测的信号来得到。因此，在这两个相邻像素处的这两个相位测量的组合允许确定进入的光的距离，尽管考虑到具有如同多次曝光一样的稍微更小的准确度的在两个像素之间的横向距离。

在一些实施例中，第一组像素可接收第一参考信号，而第二组像素可接收第二参考信号。在一些实施例中，第一参考信号、第二参考信号和振幅调制信号具有相同的频率。在一些实施例中，第一参考信号、第二参考信号和振幅调制信号可保持它们的相应相位，以便确定3D信息。因此，只有一次曝光被要求而没有调制后的光信号的相移，以便从PMD设备确定3D信息。

通常，传感器104接收参考信号122并提供像素信号116。参考信号122在一个示例中包括第一参考信号和第二参考信号，其中第二参考信号具有从第一信号的相位偏移。参考信号122一般被调制并具有选定频率和占空比。相位偏移包括例如90、180和270度。第一参考信号被提供到传感器104的阵列的奇数列，而第二参考信号被提供到传感器104的阵列的偶数列。结果，像素信号116包括根据该列使用第一参考信号和第二参考信号产生的信号。

参考信号发生器108产生由传感器104和光源124使用的参考信号122。在一个示例中，参考信号发生器108包括产生第一参考信号的锁相环。发生器108还包括通过选定的相位偏移例如90度产生第二参考信号的相位偏移部件。

模数转换器（ADC）106包括多个模数转换器单元。每个单元配置成将像素信号116之一转换成数字信号。多个转换器单元因此将传感器信号116转换成数字传感器信号118。ADC 106可包括用于传感器信号116中的每一个的至少一个转换器单元。如果多个转换器单元是可用的，则多个像素可同时被转换。如果至少两个转换器单元是可用的，则相邻像素可同时被转换，且它们的输出可立即被组合以在没有缓冲的情况下计算一个距离值。然后两个转换器单元可转换下一对相邻像素。在一些实施例中，第一多个像素例如来自偶数列的像素可使用第一模数转换器单元，而第二多个像素例如来自奇数列的像素可使用第二模数转换器单元。

认识到的是，可使用从传感器信号116产生数字传感器信号118的其它配置。

深度地图发生器110配置成基于数字传感器信号118产生深度地图120。通常，深度地图发生器110使用第一信号和信号118的相邻信号来计算相关联的像素的深度。在一个示例中，与奇数列相关联的第一信号和来自邻近列的第二相邻信号用于确定组合深度像素的深度。针对阵列的像素确定深度以发展深度地图120。通常，一对相邻信号提供用于组合对的单个深度测量。

在一个示例中，使用第一参考信号和相关联的像素和传感器信号得到第一图像，并使用第二参考信号和相关联的像素和传感器信号得到第二图像。由深度地图发生器通过组合第一图像的像素与第二图像的相同或相邻像素来计算深度信息。如稍后将概述的，第一和第二参考信号可以是用于在相关联的像素中解调进入的光的信号。

深度地图120可表示以多种适当的方式为每个像素测量的距离或深度。例如，深度地图120可针对更近或更短的距离显示得更暗。深度地图120可检测物体和所检测的物体的物体距离。

控制单元112配置成控制包括传感器104、信号发生器108和深度地图发生器110的部件。控制单元112可包括处理器和存储器以便执行。控制单元112可配置成选择参考信号122的包括相位和振幅的特性。控制单元112可配置成控制在传感器104内的像素传感器的阵列的操作。例如，控制单元112可选择阵列的行和/或列，以便产生传感器信号116。

控制单元112还可配置成控制深度地图发生器110并促进深度地图120的产生。

深度地图120可每隔一段时间和/或在其它时间点重新产生并与以前的深度地图比较。

一般，系统100用于低功率应用和模式，以便减轻功率消耗。然而，认识到的是，系统100可用于其它应用和模式。也认识到的是，设想在系统100的部件中的变化，包括附加部件和/或所示部件的省略。

在一个变化中，系统100使用组合像素在低功率模式中产生深度地图120。然而，在高分辨率模式中，系统100使用多次曝光来得到较高分辨率的深度地图。在一些实施例中，系统100可以选择性地在使用组合像素的模式和使用多次曝光的模式之间切换以得到较高的分辨率。使用组合像素的模式当与多次曝光模式或方法比较时可以是具有更低分辨率的低功率模式。此外，在组合像素模式中，系统100可以能够直接在传感器芯片上粗略地计算3D数据而不需要在传感器芯片外部的数据处理。如稍后将描述的，从两个相位测量确定所接收的光的相位信息（其对应于距离信息）可以例如只要求简单的反正切计算。可使用门和/或在硬件中可得到的其它逻辑直接在传感器芯片上完全在硬件中实现这样的计算。因此，组合像素模式可允许完全在传感器芯片上确定3D数据而没有外部计算器设备。

系统100可基于多个因素或条件从较低功率模式切换到较高分辨率模式。低功率模式也被称为低分辨率模式。例如，无触摸手势控制系统可最初使用较低功率模式，且一旦活动被检测到以使能更精确的测量就切换到较高分辨率模式。另一示例是面部检测，其中较低功率模式用于形状检测。一旦形状被检测到，系统就切换到较高分辨率模式以测量面部特征。也为系统100设想其它变化和使用。

图2是示出由深度地图发生器产生的深度地图200的图。深度地图200可由深度地图发生器110和/或其变体提供。深度地图200作为示例仅为了例证性目的而被提供。

深度地图200如所示布置在行和列的阵列中。地图200的每个个别块对应于传感器阵列的像素。地图块包括和/或表示距离值。对于这个示例，较暗的阴影指示较短的距离或较近的物体。

示出物体202和204。物体202被示为具有较暗的阴影并比物体204更靠近。部件例如控制单元、深度地图发生器等可分析地图并检测物体。

图3是示出基于变化的参考信号来产生像素传感器信号的传感器300的图解。传感器300包括布置在行和列中的像素的阵列。每个像素基于参考信号和在像素处的所接收的光产生信号。

在这个示例中，阵列包括像素的N列。每列包括布置在各行中的相同数量的像素。给奇数列例如C1、C3等提供具有0度的相位偏移的第一参考信号。给偶数列例如C2、C4、CN等提供具有离第一参考信号90度的相位偏移的第二参考信号。结果，在奇数列中的像素基于第一参考信号产生像素信号。在偶数列中的像素基于第二参考信号产生像素信号。

使用列选择部件304来处理或选择列。使用行选择部件306来处理或选择行。可以选择列和行，以便提供第一和第二参考信号之一和/或基于所接收的光读取像素输出。像素输出对应于所产生的像素传感器信号。来自第一像素的像素信号和来自相邻像素的像素可被提供到不同的模数转换器单元，其中像素信号可基本上同时转换成数字信息。因此在一些实施例中，具有偶数的列的像素可与第一模数转换器单元相关联，而具有奇数的列的像素可与第一模数转换器相关联。在这两种像素的数字信息同时可用的情况下，信号可直接被传输以计算可例如在传感器芯片上完全在硬件中实现的距离信息。系统不需要广泛的缓冲，以便计算距离信息，如下面将解释的。

在其它实施例中，可提供三个模数转换器单元，第一个与第一列相关联，第二个与左边的相邻列相关联，而第三个与右边的相邻列相关联。然后，第一列的像素信号可与左边相邻像素的像素信号组合以得到第一组合像素深度信息，且第一列的相同像素信号也可与右边相邻像素的像素信号组合以得到第二组合像素深度信息。应理解的是，这样得到的3D图像的像素密度关于多次曝光模式可以是相同的。应进一步注意的是，由于在仅在两个不同的相位点处采样的情况下在不同位置处像素信息的使用，与多次曝光模式相比较，组合像素模式可提供降低的质量的图像。然而，对于某些应用，例如低功率模式或要求3D图像的更快计算的模式，这样的降低的质量可以是完全可接受的。上述系统因此允许渡越时间系统快速地且以低功率提供3D图像。

为了从像素测量确定距离，像素和来自邻近列的相邻像素产生像素信号。在这个示例中，在C1中的第一行的像素和在C2中的第一行的像素是邻近的并为了距离确定的目的而形成组合深度像素302。C1的像素和C2的像素分别用于基于第一和第二参考信号而产生像素信号。注意的是，光源例如光源124在振幅调制基于参考信号之一并具有与参考信号基本上相同的频率的情况下产生光。例如，光源124可调制与第一参考信号一致的发射的光的振幅，该光接着被反射并由传感器300接收。

图4是示出用于基于变化的相位参考信号来产生像素信号的相邻或邻近像素的布置400的图解。布置400被提供以促进理解且只示出简化格式的邻近像素。认识到的是，可利用其它像素或像素传感器。参考传感器302。

该布置包括第一像素402和第二像素404。第一像素402和第二像素404在这个示例中被配置为图3的组合深度像素302。第一像素402是列C1的而第二像素404是列C2的，且它们在同一行中。

第一像素402配置成接收光114并基于所接收的光114和第一参考信号406产生第一传感器信号410。在这个示例中，第一参考信号406在0度的相位处。

第二像素404配置成接收光114并基于所接收的光114和第二参考信号408产生第二传感器信号412。由于其极接近，所接收的光114基本上与在第一像素402处接收的光相同。与第一参考信号406相比较，第二参考信号408在90度的相位偏移处。在一个示例中，所接收的光14基本上来自利用第一和第二参考信号406和408之一的光源。

基于第一传感器信号410和第二传感器信号412来确定组合深度像素的距离。因此，每对像素或每组合深度像素产生一个距离值。

图5是示出基于变化的传感器信号的组合深度像素的距离确定的曲线图500。曲线图500为了例证目的而被提供且仅仅是示例。参考图4和上面提供的图4的描述讨论曲线图500。

曲线图包括使用第一参考信号410的第一值A₁和使用第二参考信号412的第二值A₂。第一参考信号410和第二参考信号412偏移了90度。

第一值A₁在稍微大于零度和稍微小于180度进行交叉的点处。第二值A₂在大于零度和小于360度的点处。来自交叉点的线被绘制以在502识别振幅A和角。

提供这些值的方程包括例如：

，其中是相位深度，

其中A₁是第一传感器信号410，而A₂是第二传感器信号412。

，其中A是振幅。

上述方程作为适当的示例被提供。认识到的是，其它适当的技术可用于确定相位深度。

图6是示出操作渡越时间系统的方法600的流程图。方法600只使用单次曝光产生深度地图。此外，方法600比使用多次曝光来产生深度地图的其它系统使用更少的功率。

光源在块602使用第一参考信号产生发射的光。光源配置成产生具有选定波长和强度或功率的发射的光。可根据预期物体和/或预期物体距离来选择波长和强度。

传感器在块604接收反射光。传感器包括一般布置在行和列的阵列中的多个像素。像素中的每一个接收反射光的至少一部分。可根据预期物体和/或预期物体距离来选择像素的数量和布置。更小和/或更远的物体一般要求更大的分辨率和因而更多的像素。

在一个示例中，多个像素布置在被编号的列和被编号的行中。传感器包括列和行选择部件，其配置成选择多个像素中的一个或多个以便施加参考信号和/或读取/测量选定像素的输出。

在块606产生第一参考信号和第二参考信号。从第一参考信号产生具有相位偏移例如90度的第二参考信号。在一个示例中，锁相环配置成产生第一参考信号，且相移部件配置成通过将第一参考信号移位了相位偏移来从具有相位偏移的第一参考信号产生第二参考信号。注意的是，块602、604和606在大约相同的时间614出现，但被示出在分开的块中以促进理解。

传感器在块608产生多个像素传感器信号。传感器根据所接收的反射光、第一参考信号和第二参考信号产生多个像素传感器信号。

在一个示例中，像素的奇数列使用第一参考信号而像素的偶数列使用第二参考信号。因此，来自奇数列和偶数列的像素信号具有基于第二参考信号到第一参考信号的相位偏移的相位差。结果，在邻近列的同一行中的像素接收基本上类似的光，但使用变化的参考信号。结果，它们的所产生的像素传感器信号基于相位偏移而改变。

深度测量发生器在块610根据单次曝光的多个像素传感器信号来确定多个深度距离测量。深度测量发生器识别像素信号或使像素信号与组合深度像素相关联，所述组合深度像素是接收变化的参考信号的两个邻近像素。邻近像素信号然后用于确定深度或距离测量。深度测量发生器确定用于剩余多个像素的所测量的距离。注意的是，使用单次曝光来产生所确定的多个距离测量。

深度测量发生器在块612基于多个距离测量来产生深度地图。深度地图包括或表示在每个像素处的多个距离测量。可以以多种适当的格式表示深度地图。在一个示例中，较暗的像素对应于较近或较短的距离。

此外，深度地图可包括所识别/检测的物体。可分析多个深度地图以检测所检测的物体的移动、手势等。相应地，方法600和/或方法600的部分可被重复。

虽然该方法在下面被示出和描述为一系列动作或事件，但将认识到的是，这样的动作或事件的所述排序不应在限制性意义上被解释。例如，除了本文所示和/或所述的那些之外，一些动作可以以不同的次序出现和/或与其它动作或事件同时出现。此外，可以不要求所有所示动作来实现本文公开的一个或多个方面或实施例。而且，可在一个或多个分开的动作和/或阶段中执行本文描绘的动作中的一个或多个。

认识到的是，所要求保护的主题可被实现为使用标准编程和/或工程技术来产生软件、固件、硬件或其任何组合以控制计算机来实现所公开的主题的方法、装置或制品（例如图1、2等所示的系统是可用于实现上述方法的系统的非限制性示例）。如在本文使用的术语“制造的物品”意图包括从任何计算机可读设备、载体或介质可访问的计算机程序。当然，本领域中的技术人员将认识到，可对这个配置做出很多修改而不脱离所要求保护的主题的范围或精神。

渡越时间系统被公开并包括传感器、参考信号发生器和深度地图发生器。传感器配置成响应于所接收的光而产生多个像素信号。传感器配置成并行地使用分别用于在第一和第二像素中解调所接收的光的第一和第二参考信号。参考信号发生器配置成产生第一和第二参考信号。第二参考信号在从第一参考信号的相位偏移处。深度地图发生器配置成基于多个像素信号产生深度地图。

在系统的一个变体中，系统还包括配置成使用第一和第二参考信号之一发射光的光源，其中发射的光的至少一部分朝着传感器反射作为所接收的光。

在另一变体中，系统还包括耦合到传感器和参考信号发生器的控制单元，其中控制单元配置成选择相位偏移并选择传感器的像素行和列。

公开了渡越时间测量系统的传感器阵列布置。该布置包括多个像素和电路。多个像素配置成使得第一多个像素接收第一参考信号而第二多个像素接收第二参考信号。第一和第二参考信号相对于彼此被相移。电路通过组合来自第一和第二像素传感器信号的信息来计算深度信息。第一像素传感器信号基于第一参考信号。第二像素传感器信号基于第二参考信号。

在一个变体中，该布置还包括配置成得到基于第一参考信号的第一图像、基于第二参考信号的第二图像并基于第一图像和第二图像来产生深度地图的深度地图发生器。

公开了操作渡越时间系统的方法。产生第一和第二参考信号。第一和第二参考信号中的每一个具有相对于时变信号的相位关系。此外，第二参考信号具有从第一参考信号的相位偏移。在传感器处接收反射光。传感器产生第一和第二像素传感器信号，其中第一像素传感器信号在第一像素中基于反射光和第一参考信号来产生，而第二像素传感器信号在第二像素中基于反射光和第二参考信号来产生。根据多个像素传感器信号由深度地图发生器来确定距离信息。

在一个变体中，光源通过根据时变信号调制光来产生发射的光。

在该方法的另一变体中，根据多个深度距离测量来产生深度地图。

在另一变体中，产生第一参考信号和第二参考信号。第二参考信号被产生有从第一参考信号的相位偏移。

在另一变体中，使用第一参考信号产生第一图像，并使用第二参考信号产生第二图像。

特别是关于由上述部件或结构（组件、设备、电路、系统等）执行的各种功能，用于描述这样的部件的术语（包括对“装置”的提及）意图对应于——除非另外指示——执行所述部件的特定功能的任何部件或结构（例如其在功能上等效），即使在结构上不等效于执行在本文中所示的本发明的示例性实现中的功能的所公开的结构。此外，虽然已经关于几个实现中的仅仅一个公开本发明的特定特征，但这样的特征可与其它实现的一个或多个其它特征组合，如可对于任何给定或特定的应用是期望和有利的。此外，就术语“正包含”、“包含”、“具有”、“含有”、“带有”或其变形在详细描述和权利要求的任一个中被使用来说，这样的术语以类似于术语“包括”的方式意在是包含性的。