[发明专利]飞行时间传感器和感测方法

说明书

一种飞行时间传感器包括飞行时间(TOF)处理器，所述飞行时间(TOF)处理器具有数字TOF端口、数字输入端口和数字输出端口，所述TOF处理器包括相位检测器，所述相位检测器包括循环旋转解复用器(DEMUX)、耦接到第一DEMUX输出的第一求和器、耦接到第二DEMUX输出的第二求和器、耦接到第三DEMUX输出的第三求和器、耦接到第四DEMUX输出的第四求和器，以及耦接到所述第一求和器、所述第二求和器、所述第三求和器和所述第四求和器的输出并且具有相位估计输出的相位估计器；具有耦接到数字TOF端口的数字驱动器端口和驱动器输出端口的驱动器；以及具有耦接到数字TOF处理器的数字输入端口的输出端口的模数转换器(ADC)。

相关申请的交叉引用

本申请要求享有于2018年7月31日提交的共同未决美国临时专利申请序列号62/712,952的权益，以引用方式将其并入本文。

背景技术

飞行时间(TOF)是物体、颗粒或波(例如，声波或电子波)的属性，涉及所述物体、颗粒或波通过介质行进花费多长时间。可以将TOF技术用于多种目的，包括测距和3D成像。

3D飞行时间(TOF)技术通过使用低成本CMOS像素阵列连同有源调制光源来提供3D成像而使机器视觉行业发生革命。构造紧凑、容易使用连同高精确度和帧速率使得TOF相机成为诸如计算机视觉、无人机和机器人应用的宽范围应用的有吸引力解决方案，。

3D飞行时间(TOF)相机通过利用调制光源照射场景并观测反射光来工作。测量照明和反射之间的相移并转换成距离。典型地，照明来自工作于人眼不可见的近红外范围(～850nm)中的固态激光器或LED。被设计成对同一光谱做出响应的成像传感器接收光并将光子能量转换成电流。注意，进入传感器中的光具有环境分量和反射分量。距离(深度)信息仅嵌入在反射分量中。因此，高的环境分量降低了信噪比(SNR)。

为了检测照明和反射之间的相移，通过连续波(CW)源，通常是正弦或方波来使光源脉冲化或被调制。方波调制更普遍，因为容易使用数字电路来实现。不过，正弦波可能导致较少失真。

脉冲方法简单直接。光源照射短暂周期(Δt)，在每个像素处，利用两个具有相同Δt的异相窗口C1和C2并行地对反射能量进行采样。测量在这些采样期间累积的电荷Q1和Q2并用于计算距离。相反地，CW方法每次测量获取多个样本，例如，通常调制频率的每个周期至少四个样本。使用这种技术，可以计算照明和反射之间的相位角φ以及距物体的距离d。

CW测量基于相位(其每2π循环一次(“相位缠绕”))的事实表示距离也将具有混叠距离。发生混叠的距离被称为歧义距离(damb)。由于距离缠绕，所以damb也是最大可测量距离。如前所述，如果希望延长可测量距离，则必须要减小调制频率，从而降低了距离测量的精确度。

市面上存在利用前述处理的TOF系统。不过，现有TOF系统并非集成方案，典型地涉及几个通用部件，以固件和软件对其编程以进行TOF测量，从而可以推导出深度和3D数据。这样的系统往往很笨重且昂贵。

此外，由于先前TOF传感器的检测器的光源和采样约束，通常采用方波信号，这导致更大的歧义和深度误差。

由于相位缠绕，在距离测量范围和测量精确度之间还有折衷。相位缠绕是指从物体反射的信号有歧义的距离。高精确度的方法需要高频调制，而高频调制限制了能够检测的物体的范围。

在基于反射波进行TOF测量时，可能有来自具有周期性调制的其他光源的干涉。这些其他光源可能与TOF传感器无关，或者可以是工作于相同物理空间中的其他TOF传感器。尤其有问题的是工作于同一物理空间中的其他TOF传感器，因为检测到的光可能是来自其他TOF传感器的直射光。

本领域的技术人员在阅读以下描述并研究附图的几幅图之后，现有技术的这些和其他限制将显而易见。

发明内容