[发明专利]对飞行时间信号处理的改进或与之相关的改进有效

专利信息
申请号: 201380003257.6 申请日: 2013-01-10
公开(公告)号: CN103998949A 公开(公告)日: 2014-08-20
发明(设计)人: D·范纽温霍夫;T·范登哈维;R·格罗特简斯;W·范德腾佩尔 申请(专利权)人: 索弗特凯耐提克传感器股份有限公司
主分类号: G01S7/486 分类号: G01S7/486;G01S17/89
代理公司: 上海专利商标事务所有限公司 31100 代理人: 管琦琦
地址: 比利时*** 国省代码: 比利时;BE
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摘要:
搜索关键词: 飞行 时间 信号 处理 改进 与之 相关
【说明书】:

技术领域

发明涉及对飞行时间(TOF)信号处理的改进或与之相关的改进,并且尤其有关对此类飞行时间信号的解混叠。具体而言,本发明涉及包括飞行时间信号解混叠的TOF传感器、相机等。 

背景技术

已知用于通过从光源到对象及返回的飞行时间的分析来提供有关到对象距离信息的飞行时间(TOF)相机系统。一个特定应用是能够捕捉场景三维(3D)图像(即,二维信息以及深度或距离信息)的相机。在需要确定距固定点的深度或距离的许多应用中使用了此类相机系统。典型地,从TOF相机系统测量深度或距离信息。 

TOF相机系统的基本操作原理是用经调制光(诸如,脉冲)照明场景。经调制光(诸如,这些光脉冲)从场景中的对象反射回来,并且透镜收集反射光并在图像传感器上(尤其在传感器的传感器平面上)形成场景中对象的图像。取决于对象距相机的距离,在经调制光(例如,脉冲)的发射及其反射在相机处的接收之间经历延迟,例如,距相机2.5m的对象导致16.66ns的延迟。然而,当使用脉冲时,每一光脉冲的脉冲宽度确定相机范围,并且例如对于50ns的脉冲宽度范围限于7.5m。结果,场景照明对TOF相机系统的操作变得至关重要,并且照明单元的要求让用以生成此类短光脉冲的专业光源(诸如,发光二极管(LED)或激光)的使用成为必要。 

TOF相机系统的另一主要组件是成像传感器。成像传感器通常包括形成场景图像的像素阵列。此外,像素的输出可用于确定从照明单元到场景中对象的光以及从该对象反射回抵图像传感器的光的飞行时间。可在分开的处理单元中计算飞行时间,该分开的处理单元可耦合到传感器或可集成到传感器中。已知用于光从照明单元行进至对象且从对象回抵成像传感器时测量光的定时的各种方法。 

如众所周知的,每一像素有效地包括光敏元件,该光敏元件接收入射光并将其 转换成电信号(例如,电流信号)。在模拟定时成像传感器中,像素被连接至开关,其把电流信号引导至充当求和器件的存储器。在数字定时成像传感器中,高频计数器用于感测电流信号。背景光的存在可能导致错误地确定距离,因为像素接收并非从场景中对象反射的附加光。 

自然,成像光学器件和处理电学器件也形成TOF相机的部分。成像光学器件收集来自场景中对象的反射光并且滤除与照明单元所发光的波长或频率不相同的光。通过滤除不想要波长或频率的光,可有效地抑制背景光。处理电学器件包括用于照明单元和图像传感器两者的驱动器,以便准确地控制这些组件来确保获得场景的高分辨率图像。 

取决于所使用的成像传感器的类型,TOF相机系统趋于覆盖从几毫米到若干千米的宽广范围。取决于在特定应用中所使用的TOF相机系统的配置,此类TOF相机系统可具有从亚厘米变化到若干厘米甚至到诸米的距离分辨率。可与TOF相机系统联用的诸技术包括带数字计时器的脉冲光源、带相位检测器的射频(RF)调制光源以及距离选通成像器。 

尽管对场景中的对象而言从成像传感器的输出提取距离信息相对容易,但是TOF系统遭受:上文讨论的背景光的影响;如果多于一个TOF相机系统操作时重叠的场景视野干扰;以及多个反射。通过使用时间复用技术或通过为每一TOF相机系统使用不同的调制频率可减少不同TOF相机系统间的干扰。由于TOF相机系统照明整个场景,当照明光抵达沿若干路径的每一对象时可获得多个反射。这具有这样的效果:对象距TOF相机系统的测量距离被确定为大于或小于其距TOF相机系统的实际距离。这是传统TOF相机系统的主要缺点。 

对距离成像系统测量不确定性的去除已经由A.D.Payne等人在题名为“Multiple Frequency Range Imaging to Remove Measurement Ambiguity(多频率距离成像以去除测量模糊性)”的论文中描述过,其中两个不同调制频率被叠加在单个捕捉中以克服导致错误距离测量的相位模糊性问题(http://researchcommons.waikato.ac.nz/bitstram/10289/4032/1/Multiple%20Frequency%20Range%20Imaging.pdf)。 

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