[发明专利]用于飞行时间测距系统的多个同步光源

说明书

技术领域

本发明一般涉及基于相位的飞行时间(TOF)测距系统，尤其涉及通过向此类系统所用的光能源扩充至少一个附加光源，该附加光源被动态频率同步或相位同步至初级光能源(primary optical energy)。此类附加光源可无线地远离TOF系统，或者可以是可移动可插入地附连至TOF系统本身。

本发明的背景技术

飞行时间(TOF)系统在本领域中是公知的，并且包括诸如题为“CMOS兼容三维图像传感器IC(CMOS-Compatible Three-Dimensional Image Sensor IC)”的美国专利No.6,323,942(2001)中描述的基于非相位的系统，以及诸如题为“用于使用量子效率调制进行CMOS兼容三维图像感测的系统(Systems for CMOS-Compatible Three-Dimensional Image Sensing Using Quantum Efficiency Modulation)”(2003)的美国专利No.6,580,496中描述的基于相位的系统，该专利通过援引作为进一步的背景材料被纳入于此。

图1A示例了基于相位的TOF系统100，例如诸如美国专利6,580,496中描述的系统。系统100可实现在不带移动部件且带有相对较少片外(off-chip)组件的单个IC 110上。系统100包括二维检测器(或传感器)140阵列130，其中的每一个都具有用于处理由相关联的检测器输出的检测电荷的专用电路150。检测器140及其电路150共同构成像素155。在典型应用中，阵列130可包括100x100像素155。IC 110还包括微处理器或微控制器单元160、存储器170(优选地包括随机存取存储器或RAM以及只读存储器或ROM)、高速的可分发时钟180、以及各种计算和输入/输出(I/O)电路190。

在微处理器160的控制下，振荡器115使得光能源120被周期性地激励，并经由透镜125朝对象目标20发射光能S_out(S_输出)。典型地，光能是例如由激光二极管或LED器件120发射的光。S_out较佳地为调制频率分量可能为200MHz的周期信号。出于方便起见，S_out可被表示为A·cos(ωt)。S_out通常具有在数十mW范围内的较低平均和峰值功率，这使得发射器120可以是具有较窄带宽(例如，几百KHz)的廉价光源。所发射的光能S_out中的一些可作为返回能量S_in(S_输入)被从目标对象20的表面反射掉，返回能量S_in可被表示为A·cos(ωt+Φ)，其中Φ为相对相移。返回能量S_in穿过孔径视场光阑和透镜(统称为135)，并落在二维像素检测器140阵列130上(图像形成于阵列上)。注意，S_in可包括除有源发射S_out分量之外的环境能量分量。

每个像素155测量接收到的S_in的强度(或振幅)，以及接收到的S_in与发射的S_out之间的相对相移(Φ)，该相对相移表示对系统100与目标对象20之间的往返行程距离Z的测量。针对由发射器120传送的每个光能脉冲，获取目标对象20的一部分的三维图像，其中相移(Φ)被解析以确定距离Z。

与落在目标对象的较接近的表面部分(或较靠近的目标对象)上并从其上被反射的辐射相比，在被朝系统100反射回之前横越目标对象20的更远表面范围的所发射的光能S_out将定义更长的飞行时间。另外，距离Z的不同的值将表示为相对相移(Φ)的不同量值。因而，相对相移(Φ)可提供对系统100与目标对象20之间的距离Z的测量。对像素阵列130中多个位置上的S_in信号的检测导致被称为深度图像的测量信号。所获取的数据包括亮度数据(例如，信号振幅A)，以及用于确定至目标对象20的表面区域的距离Z值的真实TOF相对相移(Φ)。