具有運動識別的光飛行時間照相機的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及按照獨立權(quán)利要求的范疇的一種具有運動識別的光飛行時間照相機 和一種相應(yīng)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光飛行時間照相機尤其涉及光飛行時間照相機系統(tǒng)或者TOF照相機系統(tǒng)，所述光 飛行時間照相機系統(tǒng)或者TOF照相機系統(tǒng)從發(fā)射和接收的射線的相位移獲取飛行時間信 息。具有光子混合探測器（PMD)的PMD照相機尤其適合于作為光飛行時間照相機或者TOF 照相機，如所述PMD照相機還在申請EP1777747B1、US6587186B2和DE19704496C2中被描述 并且例如可從公司"易福門電子有限公司"或者"PMD技術(shù)有限公司"作為幀接收器03D或 者作為CamCube或PMD [影像]CamBoardNano得到。PMD照相機尤其允許光源和探測器靈活 布置，該光源和探測器不僅可以設(shè)置在一個殼體中而且可以分開設(shè)置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的任務(wù)在于，在監(jiān)控任務(wù)方面改善光飛行時間照相機的應(yīng)用范圍。
[0004] 所述任務(wù)以有利的方式通過按照獨立權(quán)利要求的范疇的根據(jù)本發(fā)明的光飛行時 間照相機和一種相應(yīng)的方法來實現(xiàn)。
[0005] 特別有利地可設(shè)定一種用于操作具有光飛行時間傳感器的光飛行時間照相機的 方法，該光飛行時間傳感器具有包括至少兩個積分節(jié)點的光飛行時間像素的陣列，其中該 光飛行時間傳感器和照明裝置在3D模式下是利用調(diào)制信號來操作的，并且距離值是由聚 集在積分節(jié)點上的電荷來確定的，在節(jié)能模式下利用控制信號來操作光飛行時間傳感器用 于識別運動，該控制信號的頻率小于用于在3D模式下確定距離的調(diào)制信號的最小頻率，其 中根據(jù)在積分節(jié)點上的差值來確定物體運動。
[0006] 所述方法具有如下優(yōu)點，即光飛行時間照相機可以利用同一個傳感器在不同的識 別模式下操作。除了純距離測量之外，在節(jié)能模式下可以僅基于由運動的物體產(chǎn)生的亮度 差別來識別這樣的運動。
[0007] 優(yōu)選地設(shè)定，在節(jié)能模式下將差值與閾值進行比較并且將超出閾值識別為物體運 動。
[0008] 所述方法具有如下優(yōu)點，即將運動識別基本上簡化成評價差值并且無需額外的圖 像分析。
[0009] 特別有利的是，一旦在節(jié)能模式下識別出物體運動，就從節(jié)能模式轉(zhuǎn)換到3D模 式。
[0010] 節(jié)能模式在此尤其可以如此構(gòu)成，使得光飛行時間照相機的照明裝置未被激活并 且運動識別僅依據(jù)存在的周圍環(huán)境光來實施。此外也可想到，照明裝置在節(jié)能模式下利用 比在3D模式下更小的功率操作。此外，照明裝置在節(jié)能模式下也不必強制調(diào)制，而是可以 利用恒定光操作。如果照明裝置在節(jié)能模式期間應(yīng)當被進一步調(diào)制，則有利的是，照明裝置 的調(diào)制頻率明顯高于控制信號的頻率，光飛行時間傳感器利用該控制信號來操作。
[0011] 優(yōu)選地，在節(jié)能模式下控制信號的頻率小于用于在3D模式下確定距離的調(diào)制信 號的最小頻率的10%。該工作方法一方面具有如下優(yōu)點，即當照明裝置以對應(yīng)于3D模式的 調(diào)制頻率操作時，該照明裝置不進一步干擾將亮度信號分成兩個A通道和B通道。另一方 面，通過控制信號的較低時鐘頻率得到在亮度變化時在兩個積分節(jié)點之間的較大信號差。
[0012] 在一種優(yōu)選的設(shè)計方案中設(shè)定，在節(jié)能模式下以小于200Hz并且尤其小于50Hz的 速率檢測差值。如果應(yīng)用允許的話，通過降低檢測速率可以節(jié)約進一步的能量。在要求低 的特定應(yīng)用中也可想到IHz的或者還要更長的檢測速率。
[0013] 同樣有利的是，構(gòu)造出用于實施上述方法之一的光飛行時間照相機。
【附圖說明】
[0014] 接下來根據(jù)實施例參照附圖進一步闡述本發(fā)明。
[0015] 其中示意性地示出：
[0016] 圖1示出光飛行時間照相機系統(tǒng)；
[0017] 圖2示出以光子學(xué)方式產(chǎn)生的載流子的調(diào)制的積分；
[0018] 圖3示出PMD像素的橫截面；
[0019] 圖4示出對光飛行時間照相機系統(tǒng)的在時間上的驅(qū)控；
[0020] 圖5示出TOF傳感器的一種典型操作；
[0021] 圖6示出根據(jù)本發(fā)明的對用于檢測運動的光飛行時間傳感器的在時間上的驅(qū)控；
[0022] 圖7示出可能的通道和差分圖像的實例；
[0023] 圖8示出一種根據(jù)本發(fā)明的對于每個通道具有兩個時鐘脈沖的驅(qū)控；
[0024] 圖9示出一個具有喚醒模式的光飛行時間照相機的實施例。
【具體實施方式】
[0025] 在接下來對優(yōu)選實施方式的描述中，相同的附圖標記標示相同或類似的部件。
[0026] 圖1示出利用光飛行時間照相機來光學(xué)測量距離的測量情況，該光飛行時間照相 機例如由DE19704496C2已知。
[0027] 光飛行時間照相機系統(tǒng)1包括具有照明光源12和配屬于該照明光源的光束成形 光學(xué)器件15的發(fā)射單元或者照明模塊10以及具有接收用光學(xué)器件25和光飛行時間傳感 器22的接收單元、光飛行時間照相機或者TOF照相機20。光飛行時間傳感器22具有光飛 行時間像素的陣列并且尤其構(gòu)成為PMD傳感器。為了改善成像特性，接收用光學(xué)器件25典 型地包括多個光學(xué)元件。發(fā)射單元10的光束成形光學(xué)器件15優(yōu)選構(gòu)成為反射器。不過也 可以使用衍射元件或者由反射元件和衍射元件構(gòu)成的組合。
[0028] 該布置結(jié)構(gòu)的測量原理主要基于，由發(fā)射的和接收的光的相位移出發(fā)可以確定發(fā) 射的和反射的光的飛行時間。為了該目的，光源12和光飛行時間傳感器22經(jīng)由一個調(diào)制 器30被共同加載特定的調(diào)制頻率或者具有第一相位a的調(diào)制信號。光源12根據(jù)調(diào)制頻率 發(fā)射具有相位 a的已調(diào)幅的信號。該信號或者電磁輻射在示出的情形下被物體40反射并 且基于經(jīng)過的路程相應(yīng)地以第二相位b移過相位地入射到光飛行時間傳感器22上。在光 飛行時間傳感器22中，調(diào)制器30的第一相位a的信號與接收到的具有取決于飛行時間的 第二相位b的信號混合，其中，由合成的信號確定相位移或者說物體距離d。
[0029] 為了更精確地確定第二相位b并且因此確定物體距離d，可以設(shè)定，使借以操作光 飛行時間傳感器22的相位a改變預(yù)定的相位移Δφ。同等效果地也可以設(shè)定，使借以驅(qū)動照 明裝置的相位有針對性地移動。
[0030] 測量相位的原理在圖2中示意性示出。上面的曲線示出調(diào)制信號隨時間變化的走 向，在此無相位移地利用該調(diào)制信號驅(qū)控照明裝置12和光飛行時間傳感器22。被物體40 反射的光b按照該光的光飛行時間\移過相位地入射到光飛行時間傳感器22上。光飛行 時間傳感器22將以光子學(xué)方式產(chǎn)生的電荷q在第一半調(diào)制周期期間聚集在第一積分節(jié)點 Ga中并在第二半個周期中聚集在第二積分節(jié)點Gb中。電荷典型地在多個調(diào)制周期期間聚 集或積分。由在第一和第二門Ga、Gb中聚集的電荷qa、qb的比例能夠確定相位移并且因此 確定物體的距離。
[0031] 如由DE19704496C2已經(jīng)已知的那樣，例如通過所謂的IQ(同相位-正交）法可以 確定被物體反射的光的相位移并且因此確定距離。為了確定距離，兩次測量優(yōu)選以調(diào)制信 號的移動了 90°的相位來實施、也就是例如Cpm〇d+(pO和Cpm〇d+(p90,其中由在這些相位中 確定的電荷差Δα(〇° )、Aq(90° )可以經(jīng)由已知的反正切關(guān)系來確定反射光的相位移。
[0032]
[0033] 此外為了改善精度，其它的測量可以以例如移動了 180°的相位來實施。
[0034]
[0035] 當然也可想到具有多于四個相位及其多倍和相應(yīng)調(diào)整的評價的測量。
[0036] 圖3示出一種光子混合探測器的像素的橫截面，該光子混合探測器例如由 DE19704496C2已知。調(diào)制光門Gam、G0、Gbm形成PMD像素的光敏區(qū)域。根據(jù)施加到調(diào)制門 Gam、GO、Gbm上的電壓，以光子學(xué)方式產(chǎn)生的電荷q轉(zhuǎn)向一個或另一個與門或者積分節(jié)點 Ga、Gb〇
[0037] 圖3b示出電勢變化曲線，其中，電荷q朝向第一積分節(jié)點Ga流下，而電勢按照圖 3c使電荷q朝向第二積分節(jié)點Gb流動。電勢按照施加的調(diào)制信號預(yù)設(shè)。按照使用情況，調(diào) 制頻率優(yōu)選在1至IOOMHz的范圍內(nèi)。在調(diào)制頻率例如為IMHz時得到一微秒的周期持續(xù)時 間，從而調(diào)制電勢相應(yīng)地每隔500納秒就變換。
[0038] 此外，在圖3a中示出讀取單元400,該讀取單元必要時已經(jīng)可以是構(gòu)成為CMOS的 PMD光飛行時間傳感器的組成部分。構(gòu)成為電容或者二極管的積分節(jié)點Ga、Gb在多個調(diào)制 周期上積分以光子學(xué)方式產(chǎn)生的電荷。然后施加到門Ga、Gb上的電壓例如可以按已知的方 式經(jīng)由讀取單元400高阻抗地被截取。積分時間優(yōu)選可這樣選擇，使得為了期待的光量，光 飛行時間傳感器或者積分節(jié)點和/或感光區(qū)域未處于飽和。
[0039] 此外已知其它的飛行時間原理，在這些原理中，感光區(qū)域例如具有遮光器 (Shutter)，并且光飛行時間經(jīng)由在由遮光器預(yù)定的積分時間內(nèi)聚集的載流子確定。
[0040] 所述TOF傳感器的突出之處在于以下的共同點：1.傳感器具有感光區(qū)域和不感光 區(qū)域。2.傳感器具有如下裝置，該裝置將光學(xué)生成的信號從感光區(qū)域通過電控制參數(shù)、例如 電流、電壓或者電荷移動到不同的存儲區(qū)域（一個、兩個或多個）。3.這些獲得的信號必要 時可以在緩存之后或者在緩存期間也已經(jīng)被進一步處理。一個實例是通過在PMD傳感器中 的SBI電路（抑制背景照明）的差分成像。
[0041] 通常，將這樣的解調(diào)傳感器用于T〇F-3D距離測量，不過也可想到其它的應(yīng)用，如 熒光壽命顯微術(shù)（FLIM)。但是在任何情況下，傳感器用于（類似于鎖定放大器）以振幅和 相位來確定一定頻率的光學(xué)信號。
[0042] 圖4示出一種通常用于TOF傳感器的、并且尤其是用于按照圖2的PMD傳感器的 典型的時間測定（Timing)。在此基于如下考慮，即電荷信號被按照積分節(jié)點Ga、Gb分成A 通道和B通道。兩個通道A、B的調(diào)制以180°的相位移來進行。對于在IOOMHz至20MHz之 間的典型的調(diào)制頻率，調(diào)制的周期時間在IOns至50ns之間。
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