具有运动识别的光飞行时间照相机的制作方法

具有运动识别的光飞行时间照相机的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及按照独立权利要求的范畴的一种具有运动识别的光飞行时间照相机 和一种相应的方法。
【背景技术】
[0002] 光飞行时间照相机尤其涉及光飞行时间照相机系统或者TOF照相机系统，所述光 飞行时间照相机系统或者TOF照相机系统从发射和接收的射线的相位移获取飞行时间信 息。具有光子混合探测器（PMD)的PMD照相机尤其适合于作为光飞行时间照相机或者TOF 照相机，如所述PMD照相机还在申请EP1777747B1、US6587186B2和DE19704496C2中被描述 并且例如可从公司"易福门电子有限公司"或者"PMD技术有限公司"作为帧接收器03D或 者作为CamCube或PMD [影像]CamBoardNano得到。PMD照相机尤其允许光源和探测器灵活 布置，该光源和探测器不仅可以设置在一个壳体中而且可以分开设置。

【发明内容】

[0003] 本发明的任务在于，在监控任务方面改善光飞行时间照相机的应用范围。
[0004] 所述任务以有利的方式通过按照独立权利要求的范畴的根据本发明的光飞行时 间照相机和一种相应的方法来实现。
[0005] 特别有利地可设定一种用于操作具有光飞行时间传感器的光飞行时间照相机的 方法，该光飞行时间传感器具有包括至少两个积分节点的光飞行时间像素的阵列，其中该 光飞行时间传感器和照明装置在3D模式下是利用调制信号来操作的，并且距离值是由聚 集在积分节点上的电荷来确定的，在节能模式下利用控制信号来操作光飞行时间传感器用 于识别运动，该控制信号的频率小于用于在3D模式下确定距离的调制信号的最小频率，其 中根据在积分节点上的差值来确定物体运动。
[0006] 所述方法具有如下优点，即光飞行时间照相机可以利用同一个传感器在不同的识 别模式下操作。除了纯距离测量之外，在节能模式下可以仅基于由运动的物体产生的亮度 差别来识别这样的运动。
[0007] 优选地设定，在节能模式下将差值与阈值进行比较并且将超出阈值识别为物体运 动。
[0008] 所述方法具有如下优点，即将运动识别基本上简化成评价差值并且无需额外的图 像分析。
[0009] 特别有利的是，一旦在节能模式下识别出物体运动，就从节能模式转换到3D模 式。
[0010] 节能模式在此尤其可以如此构成，使得光飞行时间照相机的照明装置未被激活并 且运动识别仅依据存在的周围环境光来实施。此外也可想到，照明装置在节能模式下利用 比在3D模式下更小的功率操作。此外，照明装置在节能模式下也不必强制调制，而是可以 利用恒定光操作。如果照明装置在节能模式期间应当被进一步调制，则有利的是，照明装置 的调制频率明显高于控制信号的频率，光飞行时间传感器利用该控制信号来操作。
[0011] 优选地，在节能模式下控制信号的频率小于用于在3D模式下确定距离的调制信 号的最小频率的10%。该工作方法一方面具有如下优点，即当照明装置以对应于3D模式的 调制频率操作时，该照明装置不进一步干扰将亮度信号分成两个A通道和B通道。另一方 面，通过控制信号的较低时钟频率得到在亮度变化时在两个积分节点之间的较大信号差。
[0012] 在一种优选的设计方案中设定，在节能模式下以小于200Hz并且尤其小于50Hz的 速率检测差值。如果应用允许的话，通过降低检测速率可以节约进一步的能量。在要求低 的特定应用中也可想到IHz的或者还要更长的检测速率。
[0013] 同样有利的是，构造出用于实施上述方法之一的光飞行时间照相机。
【附图说明】
[0014] 接下来根据实施例参照附图进一步阐述本发明。
[0015] 其中示意性地示出：
[0016] 图1示出光飞行时间照相机系统；
[0017] 图2示出以光子学方式产生的载流子的调制的积分；
[0018] 图3示出PMD像素的横截面；
[0019] 图4示出对光飞行时间照相机系统的在时间上的驱控；
[0020] 图5示出TOF传感器的一种典型操作；
[0021] 图6示出根据本发明的对用于检测运动的光飞行时间传感器的在时间上的驱控；
[0022] 图7示出可能的通道和差分图像的实例；
[0023] 图8示出一种根据本发明的对于每个通道具有两个时钟脉冲的驱控；
[0024] 图9示出一个具有唤醒模式的光飞行时间照相机的实施例。
【具体实施方式】
[0025] 在接下来对优选实施方式的描述中，相同的附图标记标示相同或类似的部件。
[0026] 图1示出利用光飞行时间照相机来光学测量距离的测量情况，该光飞行时间照相 机例如由DE19704496C2已知。
[0027] 光飞行时间照相机系统1包括具有照明光源12和配属于该照明光源的光束成形 光学器件15的发射单元或者照明模块10以及具有接收用光学器件25和光飞行时间传感 器22的接收单元、光飞行时间照相机或者TOF照相机20。光飞行时间传感器22具有光飞 行时间像素的阵列并且尤其构成为PMD传感器。为了改善成像特性，接收用光学器件25典 型地包括多个光学元件。发射单元10的光束成形光学器件15优选构成为反射器。不过也 可以使用衍射元件或者由反射元件和衍射元件构成的组合。
[0028] 该布置结构的测量原理主要基于，由发射的和接收的光的相位移出发可以确定发 射的和反射的光的飞行时间。为了该目的，光源12和光飞行时间传感器22经由一个调制 器30被共同加载特定的调制频率或者具有第一相位a的调制信号。光源12根据调制频率 发射具有相位 a的已调幅的信号。该信号或者电磁辐射在示出的情形下被物体40反射并 且基于经过的路程相应地以第二相位b移过相位地入射到光飞行时间传感器22上。在光 飞行时间传感器22中，调制器30的第一相位a的信号与接收到的具有取决于飞行时间的 第二相位b的信号混合，其中，由合成的信号确定相位移或者说物体距离d。
[0029] 为了更精确地确定第二相位b并且因此确定物体距离d，可以设定，使借以操作光 飞行时间传感器22的相位a改变预定的相位移Δφ。同等效果地也可以设定，使借以驱动照 明装置的相位有针对性地移动。
[0030] 测量相位的原理在图2中示意性示出。上面的曲线示出调制信号随时间变化的走 向，在此无相位移地利用该调制信号驱控照明装置12和光飞行时间传感器22。被物体40 反射的光b按照该光的光飞行时间\移过相位地入射到光飞行时间传感器22上。光飞行 时间传感器22将以光子学方式产生的电荷q在第一半调制周期期间聚集在第一积分节点 Ga中并在第二半个周期中聚集在第二积分节点Gb中。电荷典型地在多个调制周期期间聚 集或积分。由在第一和第二门Ga、Gb中聚集的电荷qa、qb的比例能够确定相位移并且因此 确定物体的距离。
[0031] 如由DE19704496C2已经已知的那样，例如通过所谓的IQ(同相位-正交）法可以 确定被物体反射的光的相位移并且因此确定距离。为了确定距离，两次测量优选以调制信 号的移动了 90°的相位来实施、也就是例如Cpm〇d+(pO和Cpm〇d+(p90,其中由在这些相位中 确定的电荷差Δα(〇° )、Aq(90° )可以经由已知的反正切关系来确定反射光的相位移。
[0032]
[0033] 此外为了改善精度，其它的测量可以以例如移动了 180°的相位来实施。
[0034]
[0035] 当然也可想到具有多于四个相位及其多倍和相应调整的评价的测量。
[0036] 图3示出一种光子混合探测器的像素的横截面，该光子混合探测器例如由 DE19704496C2已知。调制光门Gam、G0、Gbm形成PMD像素的光敏区域。根据施加到调制门 Gam、GO、Gbm上的电压，以光子学方式产生的电荷q转向一个或另一个与门或者积分节点 Ga、Gb〇
[0037] 图3b示出电势变化曲线，其中，电荷q朝向第一积分节点Ga流下，而电势按照图 3c使电荷q朝向第二积分节点Gb流动。电势按照施加的调制信号预设。按照使用情况，调 制频率优选在1至IOOMHz的范围内。在调制频率例如为IMHz时得到一微秒的周期持续时 间，从而调制电势相应地每隔500纳秒就变换。
[0038] 此外，在图3a中示出读取单元400,该读取单元必要时已经可以是构成为CMOS的 PMD光飞行时间传感器的组成部分。构成为电容或者二极管的积分节点Ga、Gb在多个调制 周期上积分以光子学方式产生的电荷。然后施加到门Ga、Gb上的电压例如可以按已知的方 式经由读取单元400高阻抗地被截取。积分时间优选可这样选择，使得为了期待的光量，光 飞行时间传感器或者积分节点和/或感光区域未处于饱和。
[0039] 此外已知其它的飞行时间原理，在这些原理中，感光区域例如具有遮光器 (Shutter)，并且光飞行时间经由在由遮光器预定的积分时间内聚集的载流子确定。
[0040] 所述TOF传感器的突出之处在于以下的共同点：1.传感器具有感光区域和不感光 区域。2.传感器具有如下装置，该装置将光学生成的信号从感光区域通过电控制参数、例如 电流、电压或者电荷移动到不同的存储区域（一个、两个或多个）。3.这些获得的信号必要 时可以在缓存之后或者在缓存期间也已经被进一步处理。一个实例是通过在PMD传感器中 的SBI电路（抑制背景照明）的差分成像。
[0041] 通常，将这样的解调传感器用于T〇F-3D距离测量，不过也可想到其它的应用，如 荧光寿命显微术（FLIM)。但是在任何情况下，传感器用于（类似于锁定放大器）以振幅和 相位来确定一定频率的光学信号。
[0042] 图4示出一种通常用于TOF传感器的、并且尤其是用于按照图2的PMD传感器的 典型的时间测定（Timing)。在此基于如下考虑，即电荷信号被按照积分节点Ga、Gb分成A 通道和B通道。两个通道A、B的调制以180°的相位移来进行。对于在IOOMHz至20MHz之 间的典型的调制频率，调制的周期时间在IOns至50ns之间。
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