專利名稱：采用顯示器作為照明源的基于飛行時(shí)間的成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及 基于飛行時(shí)間的成像系統(tǒng)，尤其涉及低功率、多用途和低成本的基 于飛行時(shí)間的成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
三維(3D)光學(xué)成像的新的潛在高容量應(yīng)用的出現(xiàn)使得這些設(shè)備重新開始引起 關(guān)注。這些應(yīng)用包括陸地和海洋測(cè)量器、虛擬鍵盤、臉識(shí)別系統(tǒng)、非電離醫(yī)學(xué)層析成像 器、舞臺(tái)和編舞分析工具等。新一代的固態(tài)成像器已經(jīng)被設(shè)計(jì)以解決所關(guān)心的致密性和 速度。然而，功率、安全和成本限制仍然存在。當(dāng)前的固態(tài)三維光學(xué)成像基于三種主要技術(shù)三角測(cè)量、干涉測(cè)量和使用調(diào)制 且脈沖的激光源的飛行時(shí)間(TOF)。所有的這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，并已被廣泛地研究。 在三角測(cè)量系統(tǒng)中，到場(chǎng)景中的精確點(diǎn)的距離由已知點(diǎn)源的入射角度和反射光的角度導(dǎo) 出，其中通常常規(guī)的光學(xué)傳感器捕捉這些反射。這些系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是傳感器上的速度 要求、功率耗散和稍微受限的精度。干涉測(cè)量用于其確保的高精確度水平。然而干涉測(cè) 量?jī)x通常體積龐大并且非常昂貴。使用高準(zhǔn)直相干光源的光學(xué)TOF測(cè)距儀在技術(shù)上已經(jīng)可行幾十年。基于脈沖方 法的這些設(shè)備，通過計(jì)算光線完成來回行程需要的時(shí)間，測(cè)量對(duì)象的距離和速度。該時(shí) 間可以由快速記時(shí)器或者時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)明確測(cè)量。可替換的，隱含的測(cè)量也可 以通過估計(jì)調(diào)制光源和來自對(duì)象的反射光之間的相位差實(shí)現(xiàn)。這里，光子傳感器和目標(biāo) 之間的距離與測(cè)量的相位差直接成比例。對(duì)于這些成像器，兆赫或更高的調(diào)制頻率，連 同零差鑒相和像素級(jí)的平均，已成功地用來放寬電路規(guī)格。連續(xù)調(diào)制提供了在照明子系統(tǒng)中使用現(xiàn)成的和因此低成本的部件的優(yōu)勢(shì)。與脈 沖方法相比，由于不需要非?？焖偕仙拖陆禃r(shí)間，更多種類的光源對(duì)于這種操作模式 是可行的?？捎糜谶B續(xù)調(diào)制方法的低成本光源的例子是發(fā)光二極管(LED)陣列。基于TOF距離測(cè)量原理的采用連續(xù)調(diào)制的高分辨率3D相機(jī)描述在T.Oggier等， "An all-solid-state optical range camera for 3D real-time imaging with sub-centimeter depth
resolution (SwissRanger ) ”，SPIE Proc Vol.5249-65, St.Etienne, 2003。在此文中，從 包括48個(gè)LED陣列的照明單元產(chǎn)生的調(diào)制的紅外光(IR)被場(chǎng)景中的目標(biāo)反射，并行進(jìn) 返回到相機(jī)，其中基于CMOS/CCD技術(shù)，其到達(dá)的準(zhǔn)確時(shí)間由3D傳感器的每個(gè)光子傳 感器像素獨(dú)立地測(cè)量。由于多數(shù)CCD的電荷載體傳送機(jī)制是基于熱擴(kuò)散過程而不是漂移 效應(yīng)，可達(dá)到的最大解調(diào)頻率是嚴(yán)格受限的。據(jù)報(bào)道的最大可接受頻率是20MHz，因此 防止測(cè)距儀達(dá)到毫米級(jí)精度。本申請(qǐng)人的專利申請(qǐng)US2007182949描述了包括LED陣列的測(cè)距儀系統(tǒng)，該 LED發(fā)出周期性的連續(xù)調(diào)制光學(xué)信號(hào)用于照射目標(biāo)。反射的調(diào)制光學(xué)信號(hào)成像在固態(tài)光 子傳感器上，該傳感器包括雪崩光電二極管和電路的陣列，以便得到測(cè)距儀和目標(biāo)之間 的距離。雪崩光電二極管的使用增加了對(duì)光的靈敏度，允許甚至單個(gè)光子的檢測(cè)。
采用激光或LED的單獨(dú)照明單元的使用增加了相機(jī)單元制造的成本和復(fù)雜性， 因?yàn)楦郊拥牟考?，LED模塊必須連同合適的接線盒、電源和電子設(shè)備被提供。單獨(dú)的 照明也增加了相機(jī)的體積并需要額外的功率。這些缺點(diǎn)在大多數(shù)應(yīng)用中是不希望的，并 且特別是在要求低功率、小體積和低成本的移動(dòng)消費(fèi)者應(yīng)用中，這些缺點(diǎn)變得危險(xiǎn)。確 實(shí)，當(dāng)前使用的照明單元的這些缺點(diǎn)限制了移動(dòng)設(shè)備上3D TOF成像的使用
發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目標(biāo)是提出一種新的系統(tǒng)和方法，其克服現(xiàn)有技術(shù)的至少一些局限。按照本發(fā)明，這些目標(biāo)是借助于包括獨(dú)立權(quán)利要求特征的系統(tǒng)和方法來實(shí)現(xiàn)， 在從屬權(quán)利要求和說明書中指示了優(yōu)選實(shí)施例。這些目標(biāo)還由TOF成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，其特征在于背光顯示器包括用作照明源的背 光組件和放置在背光組件前面的電子顯示器。在本發(fā)明的實(shí)施例中，背光組件包括在可見光譜中發(fā)射的LED，其可能用正弦 信號(hào)連續(xù)調(diào)制，持續(xù)周期小于幾十微秒，持續(xù)周期可能為幾十納秒，以便為成像系統(tǒng)的 光子傳感器產(chǎn)生調(diào)制照明。在另一個(gè)實(shí)施例中，背光組件包括IRLED，這些IRLED被連續(xù)調(diào)制并用作成像 系統(tǒng)的光子傳感器的照明源。在又另一個(gè)實(shí)施例中，背光組件的LED以如下方式驅(qū)動(dòng)從顯示器的連續(xù)區(qū)域 連續(xù)發(fā)射光以照明光子傳感器。在本發(fā)明的又另一個(gè)實(shí)施例中，光子傳感器安裝在遠(yuǎn)離顯示器的設(shè)備上，例 如，遠(yuǎn)程控制器。在又另一個(gè)實(shí)施例中，背光組件的LED用脈沖方法中的脈沖或脈沖串調(diào)制，以 便為成像系統(tǒng)的光子傳感器產(chǎn)生調(diào)制照明。本發(fā)明的成像系統(tǒng)不要求單獨(dú)的照明單元，并且能夠被優(yōu)化以在低功率下操 作。成像系統(tǒng)還多用途，因?yàn)樗梢匀菀椎卦诎ɡ缫苿?dòng)設(shè)備、計(jì)算機(jī)顯示器和游戲 控制臺(tái)的各種配置中，可能在低成本配置中實(shí)現(xiàn)。


借助于由示例和附圖示意給出的實(shí)施例的描述，可以更好地理解本發(fā)明，其 中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像系統(tǒng)；圖2是直下式背光組件(direct backlight assembly)的截面圖；
圖3是非直下式背光組件(indirect backlight assembly)的截面圖；圖4示出了在計(jì)算機(jī)監(jiān)視器的情況下使用小照明區(qū)域；并且圖5示出了成像系統(tǒng)，其中光子傳感器安裝在遠(yuǎn)程設(shè)備上。
具體實(shí)施例方式圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的成像系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)實(shí)例。成像系統(tǒng)包括背光顯示器(backlit) 1，背光顯示器1包括諸如LCD顯示器的電子顯示器2、放置在電子顯示器 2后面的背光組件3，該背光組件包括用于照明電子顯示器2的LED5陣列。成像系統(tǒng)還 包括背光驅(qū)動(dòng)器4，用于調(diào)節(jié)提供給背光組件3的電流量和LED5的相應(yīng)光強(qiáng)度；以及光 子傳感器6或傳感器陣列，在本例中放置在電子顯示器2的一側(cè)或可能放置在后面。在 本發(fā)明中，光信號(hào)7由光子發(fā)射器發(fā)射，這里是背光顯示器1。被發(fā)射的光信號(hào)7到達(dá) 目標(biāo)8，并且反射光信號(hào)9行進(jìn)返回到光子傳感器6。被發(fā)射的光信號(hào)下面將 詳細(xì)描述。 成像透鏡10能夠放置在光子傳感器6的前面，以便為目標(biāo)8的不同點(diǎn)成像。傳感器6或 傳感器的陣列傳遞信號(hào)(該信號(hào)取決于光的TOF以及從其到目標(biāo)8的距離，或者該目標(biāo) 的3D表示)可通過信號(hào)處理模塊11或者直接在該陣列中計(jì)算，并且借助于通信接口模塊 12顯不。圖2示出背光顯示器1的截面圖，背光顯示器1包括電子顯示器2和背光組件 3。背光組件3包括在可見光譜發(fā)射的LED5的陣列，其被布置在基板13上，并直接在 顯示器2后面提供照明。這樣的配置也稱為直下式背光。陣列中的LED的數(shù)量常常取 決于諸如顯示器2的尺寸和期望的強(qiáng)度之類的因素。LED 5可以被設(shè)置在提供期望的照 明量的任何模式中。LED可以單獨(dú)地被尋址或者支持一個(gè)或多個(gè)LED的不同區(qū)域可以被 連續(xù)地尋址。典型的背光組件3通常包括擴(kuò)散器15，用于散布具有基本均勻性的光線。 擴(kuò)散的光穿過顯示視頻內(nèi)容的顯示器2并射向目標(biāo)。可替換地，顯示器2可以使用非直下背光組件被間接照明，該非直下背光組件 包括邊緣照明組件16和光導(dǎo)17，邊緣照明組件16包括位于邊緣照明16 —側(cè)的至少一行 LED 5。這樣的非直下背光組件如圖3所示。反射器19反射LED 5的輸出到光導(dǎo)17， 在其中其通過全反射傳播，并通過孔徑或者經(jīng)由沿光導(dǎo)17在擴(kuò)散器15和顯示器2中的其 他光提取特征(未示出)退出。背光顯示器1也可以組合邊緣照明組件16和上述的直下 式背光組件3。本發(fā)明的背光組件3能夠被安裝在標(biāo)準(zhǔn)的背光配置中，或者能夠被安裝在顯示 器的后面、上面、下面或者一側(cè)，或者在這些配置的組合中。在本發(fā)明的實(shí)施例中，整個(gè)顯示器表面產(chǎn)生的光被用于TOF測(cè)量。的確，對(duì) 于典型地用在諸如移動(dòng)電話、MP3/便攜式媒體播放器或PDA之類的便攜式設(shè)備上的小 LCD顯示器，可以應(yīng)用點(diǎn)源的近似。在優(yōu)選實(shí)施例中，背光組件3的LED以持續(xù)時(shí)間周 期P連續(xù)調(diào)制，該周期小于幾微秒，優(yōu)選的，周期為幾納秒，例如50ns。積分時(shí)間優(yōu)選 為至少幾微秒，優(yōu)選的是至少幾毫秒，可能33ms的持續(xù)時(shí)間。調(diào)制優(yōu)選為正弦信號(hào)，雖 然還可以利用方波信號(hào)或者任何其他的信號(hào)調(diào)制形狀。調(diào)制的光能夠疊加(superimposed) LED強(qiáng)度，通常用于照亮顯示器2。調(diào)制信號(hào)由背光驅(qū)動(dòng)器4提供，或可替換地，由放 置在背光驅(qū)動(dòng)器4內(nèi)或外部設(shè)備內(nèi)的第一調(diào)制發(fā)生器(未圖示)提供。調(diào)制的發(fā)射光7穿過顯示器2，被目標(biāo)8反射，并行進(jìn)返回到光子傳感器6，在 其中記錄在發(fā)射光7和調(diào)制的反射光9之間的相位延遲。該相位通過在光子傳感器6內(nèi) 同步解調(diào)調(diào)制的反射光9而檢測(cè)。通過與原始調(diào)制信號(hào)的相關(guān)能夠執(zhí)行這個(gè)解調(diào)，產(chǎn)生 所謂的互相關(guān)，從該所謂的互相關(guān)能夠計(jì)算目標(biāo)的距離。單一調(diào)制頻率的使用稱為零差 調(diào)制/解調(diào)技術(shù)。可替換地，光子傳感器6內(nèi)的TDC輸出與脈沖發(fā)送時(shí)間和脈沖接收時(shí) 間之間的時(shí)間成比例的信號(hào)。
光子傳感器6典型地是固態(tài)傳感器，包括單光子雪崩光電二極管(SPAD)的一 維或二維陣列和用于處理由雪崩光電二極管輸出的信號(hào)的多個(gè)電路。光子傳感器6或傳 感器陣列也可以是基于例如CMOS技術(shù)(CIS)的有源像素傳感器(APS)、電荷耦合器件 (CCD)、半導(dǎo)體檢測(cè)器或者任何其他類型的能夠以電信號(hào)轉(zhuǎn)換光學(xué)圖像或光的圖像傳感 器。處理后的信號(hào)然后輸入到信號(hào)處理模塊11，該模塊實(shí)時(shí)計(jì)算距離或者xyz位置。也 可以從光子傳感器6中直接遞送距離和/或位置。計(jì)算的距離和/或位置能夠進(jìn)一步被 處理以便應(yīng)用圖像濾波器和/或執(zhí)行應(yīng)用專用(application-dedicated)的算法。距離值和 /或處理的數(shù)據(jù)輸出到通信接口模塊12，該模塊可以是USB連接器、以太網(wǎng)或者CAN總 線或無線連接。可替換地，TOF測(cè)量可采用脈沖方法來執(zhí)行，其中測(cè)量光束脈沖的直接來回行 程時(shí)間。在此方法中，背光組件的LED用非常短的脈沖或例如幾百微微秒的非常短的 脈沖串調(diào)制。這樣的技術(shù)在 C.Niclass 等，〃 A CMOS 3D Camera with Millimetric Depth Resolution"，IEEE Custom Integrated Circuits Conference, 705-708 頁，2004 年 10 月中描
述。在該參考文獻(xiàn)中報(bào)道了使用低功率脈沖激光照明源在幾米距離上實(shí)現(xiàn)毫米分辨率的 固態(tài) SPAD傳感器。在實(shí)施例中，背光組件3包括白色LED，例如，取決于磷光層(phosphor coating)產(chǎn)生可見“冷”白光或“較暖”白光的磷光藍(lán)色LED。在這種情況下，光子傳 感器6能夠與濾波器相關(guān)聯(lián)，用于改進(jìn)對(duì)所述白色LED直接發(fā)射的藍(lán)光的靈敏性，不會(huì) 由于涂層的重發(fā)射而延遲。還可以使用白色LED與不同顏色溫度的混合物?？商鎿Q地，背光組件3可包括發(fā)射紅色(R)、綠色(G)和藍(lán)色(B)的LED，其 中當(dāng)不同RGB LED的光線在直下式背光組件3的背光腔14或者邊緣照明組件16的光混 合腔18中混合時(shí)，獲得白光。由于RGB LED能夠顯示在不同顏色之間的定時(shí)色散(具 有不同的定時(shí)特性)，濾波器能夠用在一種顏色(例如，綠色)周圍并且忽略另一個(gè)。還 可以在不同時(shí)間上照明和/或調(diào)制不同顏色的LED。這要求不同顏色的LED被獨(dú)立地尋 址。LED5能夠是任何類型的固態(tài)發(fā)光設(shè)備，包括有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)或者聚合 物發(fā)光二極管(PLED)等。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，背光組件3包括紅外或近紅外LED，在本文的其余 部分稱為IRLED，用作TOF測(cè)量的專用調(diào)制光源。IRLED可以被添加到背光組件3和 /或邊緣照明組件16的可見LED的陣列，優(yōu)選地橫跨該陣列被均勻地分布?？蛇x地，可 以由IRLED代替背光組件3和/或邊緣照明組件16中的一些可見LED。IR LED的主要優(yōu)點(diǎn)是它們的調(diào)制不會(huì)被用戶感知，因此不會(huì)在視頻顯示圖像中 產(chǎn)生假象。IRLED的使用應(yīng)由對(duì)眼睛無害的發(fā)光二極管產(chǎn)生，并且相比于可見光，由于 對(duì)IR光較低的光子傳感器靈敏度并且需要專用部件進(jìn)行IR感測(cè)使得成像設(shè)備更加昂貴， IRLED的使用受到限制。在此，通過背光驅(qū)動(dòng)器4能夠與其它可見LED無關(guān)地調(diào)制:[R LED。為了增加 IR調(diào)制光相對(duì)于可見照明的對(duì)比度，在TOF測(cè)量周期期間調(diào)制IRLED的同時(shí)能夠減少可 見LED的強(qiáng)度，或者IR濾波器可以用在光子傳感器6的前面?？蛇x地，在人類視覺不 能檢測(cè)到的速率上能夠時(shí)分多路復(fù)用可見LED和IRLED。這個(gè)解決方案要求可見LED背光被調(diào)制打開和關(guān)閉。多路復(fù)用速率比IRLED的調(diào)制頻率慢，并且還能夠用于防止兩 個(gè)或更多顯示器之間的干擾?？商鎿Q地，顯示器的一部分專用于IR LED產(chǎn)生的調(diào)制光照明。IR LED也可以 放置在顯示器的一側(cè)。IR濾波器可放置在光子探測(cè)器6的前面，以便改進(jìn)對(duì)IR或近IR 光的靈敏度。 當(dāng)使用諸如計(jì)算機(jī)監(jiān)視器、筆記本LCD顯示器，平板電視器等大顯示器的整個(gè) 表面用于TOF測(cè)量時(shí)，采用TOF方法的目標(biāo)的誤差距離估計(jì)可能由使用空間擴(kuò)展光源引 起。在本發(fā)明的實(shí)施例中，通過將TOF測(cè)量技術(shù)和三角測(cè)量方法結(jié)合最小化該誤差。這 可通過僅使用電子顯示器的一個(gè)區(qū)域作為TOF照明源來執(zhí)行。該區(qū)域的表面面積必須足 夠的小以近似有效的點(diǎn)源。例如，表面面積為幾平方厘米的區(qū)域可以足以估計(jì)位于顯示 器大約一米距離的目標(biāo)的距離。該區(qū)域可以是矩形形狀或者任意其他實(shí)用的形狀。圖4說明了在計(jì)算機(jī)監(jiān)視器情況下的小照明區(qū)域的使用，其中顯示器1的表面包 括相同矩形區(qū)域的矩陣。對(duì)于任意給定時(shí)間，通過利用例如頻率為20MHz的正弦信號(hào)連 續(xù)調(diào)制直接放置在相應(yīng)區(qū)域后面的LED，僅僅一個(gè)區(qū)域被用作照明源。用于TOF照明 的區(qū)域可以在優(yōu)選地不被人類視覺感知的頻率上，例如，5kHz頻率橫跨顯示器移動(dòng)，該 頻率相應(yīng)于200 μ s的測(cè)量周期。區(qū)域可以橫跨顯示器連續(xù)移動(dòng)或者遵照其他任何順序模 式，例如隨機(jī)模式。對(duì)于每一個(gè)測(cè)量周期，使用照明區(qū)域的中心和光子傳感器6之間的 已確定的距離計(jì)算目標(biāo)的距離或者位置。在一個(gè)實(shí)施例中，不同的照明區(qū)域橫跨顯示器移動(dòng)，覆蓋整個(gè)顯示器表面。例 如，在20英寸顯示器，41厘米寬和30厘米高的情況下，遵循由符號(hào)R1, R2, R3, R1, R49的序列在圖中所指示的隨機(jī)序列，能夠照明覆蓋整個(gè)顯示器表面的49個(gè)邊長(zhǎng)為5cm的 正方形區(qū)域的矩陣。在此，對(duì)于每個(gè)連續(xù)照明區(qū)域使用200 μ s照明周期，大約IOms執(zhí)行 橫跨整個(gè)顯示器表面的完整照明周期。該附圖還示出根據(jù)顯示器上區(qū)域的不同位置的不 同發(fā)射光路徑7。在另一個(gè)實(shí)施例中，不同的照明區(qū)域在顯示器的區(qū)段(zone)內(nèi)移動(dòng)， 該顯示器的區(qū)段的表面面積小于整個(gè)顯示器表面面積。該區(qū)段可以例如通過在完整的照 明周期期間橫跨顯示器表面面積的僅僅一部分以連續(xù)或隨機(jī)方式移動(dòng)照明區(qū)域來覆蓋顯 示器上的連接或不連接的表面。對(duì)應(yīng)于不同49個(gè)照明區(qū)域的不同測(cè)量能夠被組合以便提 供圖像或估計(jì)的距離。在又另一個(gè)實(shí)施例中，單一區(qū)域作為照明源并位于顯示器的固定部分，專門用 于調(diào)制光照明。用于TOF照明的不同顯示區(qū)域通過連續(xù)地調(diào)制對(duì)應(yīng)于不同區(qū)域的背光LED使用 背光驅(qū)動(dòng)器4來連續(xù)產(chǎn)生，背光LED被單獨(dú)地或通過LED的部分尋址。在一個(gè)實(shí)施例中，通過增加用于TOF照明的LED的強(qiáng)度來改進(jìn)調(diào)制區(qū)域關(guān)于整 個(gè)背光照明的對(duì)比度。增加LED強(qiáng)度可以導(dǎo)致調(diào)制LED的發(fā)熱，但是由于短的調(diào)制周 期，這個(gè)效應(yīng)應(yīng)該是有限的。在另一個(gè)實(shí)施例中，在TOF照明區(qū)域中照明僅僅相應(yīng)于三個(gè)RGB顏色之一的 LED。例如，在TOF照明區(qū)域內(nèi)，在TOF測(cè)量周期期間調(diào)制僅僅紅色LED，同時(shí)在顯 示器的其余地方，所有RGB LED打開。當(dāng)使用IR LED作為TOF照明源時(shí)，根據(jù)上面描述的順序，僅后者被背光驅(qū)動(dòng)器4調(diào)制。相似的，通過在整個(gè)顯示器表面上或僅僅在調(diào)制IR LED的區(qū)域中在測(cè)量周期期 間減少可見LED5的強(qiáng)度能夠改進(jìn)IR調(diào)制光關(guān)于整個(gè)背光照明的對(duì)比度。可選地，在人 類視覺不能檢測(cè)到的速率上能夠時(shí)分多路復(fù)用可見和IRLED。該解決方案要求可見LED 背光被調(diào)制打開和關(guān)閉。多路復(fù)用速率比IRLED的調(diào)制頻率慢，并且還能夠用于防止兩 個(gè)或更多顯示器之間的干擾。由背光組 件3的LED產(chǎn)生的照明的亮度和特性可以根據(jù)顯示器視頻內(nèi)容而變 化。的確，顯示圖像可以包含非常亮和黑的部分，在顯示器上具有快速改變的位置，特 別是在游戲應(yīng)用中。暗的部分甚至可以阻止調(diào)制背光到達(dá)傳感器6。特別如上所述當(dāng)TOF 測(cè)量技術(shù)與三角測(cè)量方法結(jié)合時(shí)，視頻內(nèi)容的影響可以是重要的。在此的確，調(diào)制光的 強(qiáng)度將根據(jù)光必須穿過的顯示器的亮區(qū)或暗區(qū)而變化，產(chǎn)生不可靠的TOF測(cè)量。為了避免或至少最小化該缺點(diǎn)，在對(duì)應(yīng)于照明的背光區(qū)域的顯示器的部分中可 以本地地修改視頻內(nèi)容。所述修改可以在于在TOF測(cè)量周期期間在對(duì)應(yīng)于照明的背光區(qū) 域的一部分中顯示白色(透明)圖像。在此，白色照明區(qū)域的對(duì)比度可以被減少，特別 當(dāng)發(fā)生在視頻圖像上的白色部分中時(shí)?？商鎿Q地，在TOF測(cè)量周期期間能夠增加用于產(chǎn) 生調(diào)制光的LED的強(qiáng)度。這些特性是可選的，并且能夠被激活或減活。依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，背光驅(qū)動(dòng)器4包括驅(qū)動(dòng)電路，用于按照本發(fā)明的實(shí)施 例驅(qū)動(dòng)背光組件3的LED。例如，這樣的驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)該允許獨(dú)立控制和/或調(diào)制可見和 /或IR背光LED的強(qiáng)度。驅(qū)動(dòng)電路也應(yīng)該允許連續(xù)驅(qū)動(dòng)背光組件3的不同區(qū)域的LED， 以及將顯示器視頻內(nèi)容與驅(qū)動(dòng)背光LED同步。例如，Austriamicrosystems AG生產(chǎn)的用 于大型顯示器的驅(qū)動(dòng)器AS3693A，提供了多個(gè)LED通道的獨(dú)立控制并允許顯示器視頻信 號(hào)和LCD背光的同步。依據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，其被配置為在位于背光 驅(qū)動(dòng)器4內(nèi)的處理裝置(未圖示)上是可操作的，以便按照本發(fā)明的實(shí)施例實(shí)現(xiàn)背光組件 3的可見和/或IRLED的驅(qū)動(dòng)。該軟件產(chǎn)品可被下載到與處理裝置相關(guān)聯(lián)的存儲(chǔ)器(未 圖示)中。下載操作可以使用在成像系統(tǒng)上集成的存儲(chǔ)讀取器設(shè)備(未示出)，例如CD 或DVD讀取器，或者通過USB連接器或任何其他類型的連接器連接到成像系統(tǒng)的可移動(dòng) 存儲(chǔ)讀取器設(shè)備(未圖示)，諸如外部CD或者DVD讀取器、USB存儲(chǔ)鑰匙或閃存來執(zhí) 行。下載操作也可以以無線方式執(zhí)行。在另一實(shí)施例中，調(diào)制光源是由顯示器視頻內(nèi)容提供。這里例如，整個(gè)顯示器 可以變暗，并且顯示器的一個(gè)區(qū)域發(fā)射更明亮的白光。在另一實(shí)施例中，使用窄視角的顯示器以便降低成像系統(tǒng)的功率消耗。擴(kuò)散覆 蓋物(diffusing overlay)經(jīng)常放置在顯示器的前面，以增加視角高達(dá)接近180°的值。然 而，寬視角可能對(duì)TOF測(cè)量是不利的，因?yàn)榭傉彰鞴β逝c該角度的平方相關(guān)。低消耗的 成像傳感器因此將是具有較窄視角的顯示器的優(yōu)點(diǎn)。例如，具有包括在60°到120°范 圍內(nèi)視角的覆蓋物對(duì)應(yīng)于最優(yōu)視角和最大化TOF照明功效之間的較好折衷。也可以使用 具有用于可見和IRLED的不同視角的覆蓋物。本發(fā)明的成像系統(tǒng)可嵌入計(jì)算機(jī)監(jiān)視器、筆記本、便攜設(shè)備中，其中便攜設(shè)備 諸如移動(dòng)電話、MP3/便攜式媒體播放器或PDA等?？赡艿膽?yīng)用包括成像，諸如臉識(shí)別 或距離測(cè)量。例如，光子傳感器6可以放置在移動(dòng)電話的相機(jī)和電話LCD顯示屏的附近，作為照明源。在這種配置下，成像系統(tǒng)可用作成像相機(jī)或用于確定用戶的位置，例 如，用于相機(jī)自動(dòng)聚焦系統(tǒng)或在視頻會(huì)議系統(tǒng)中估計(jì)用戶的位置。還可以在顯示器周圍 放置多個(gè)光子傳感器以對(duì)目標(biāo)8后面的環(huán)境成像。 在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，光子傳感器6安裝在遠(yuǎn)離顯示器的設(shè)備上，例 如，遠(yuǎn)程控制器、計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)、指示器或者任何類似的遠(yuǎn)程設(shè)備。在這種配置中，調(diào)制 的發(fā)射光7和調(diào)制的反射光9之間的同步不可用，并且相位延遲以及與目標(biāo)(這里是遠(yuǎn)程 設(shè)備)的距離不能被確定。因此，這樣的系統(tǒng)必須包括時(shí)鐘恢復(fù)(clockrecovery)系統(tǒng)， 用于使顯示器中的時(shí)鐘信號(hào)和遠(yuǎn)程設(shè)備中的時(shí)鐘信號(hào)同步。在圖5所示的例子中，光子傳感器6安裝在遠(yuǎn)程指示器21上。光子傳感器6能 夠產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)，其復(fù)制背光驅(qū)動(dòng)器4產(chǎn)生的調(diào)制信號(hào)。可替換地，復(fù)制的調(diào)制信號(hào)也 可以由信號(hào)處理模塊11產(chǎn)生或者由位于光子傳感器6內(nèi)或在外部設(shè)備中的第二調(diào)制發(fā)生 器(未示出)產(chǎn)生。背光驅(qū)動(dòng)器4包括內(nèi)部時(shí)鐘(未示出)，通過諸如藍(lán)牙、802.11UWB(超寬帶) 之類的無線傳輸設(shè)備22，或者通過有線連接，使用規(guī)則信標(biāo)分組發(fā)送時(shí)間戳，該內(nèi)部時(shí) 鐘與光子傳感器6或者外部設(shè)備的內(nèi)部時(shí)鐘(未示出)同步。這里，顯示器和/或遠(yuǎn)程 設(shè)備可以無線連接或通過有線連接到計(jì)算機(jī)或游戲控制臺(tái)。在這種配置下，遠(yuǎn)程控制器可以例如用作在觸摸屏交互顯示器中或在游戲應(yīng)用 中的指示器。這里，基于放置在指示器上的光子傳感器6和顯示器之間測(cè)量的TOF，指 示器的位置可以被檢測(cè)到?；跈z測(cè)的位置，控制序列可以被發(fā)送到計(jì)算機(jī)或游戲控制 臺(tái)以便控制，例如，幻燈片講解(power point presentation)或游戲。參考標(biāo)記1背光顯示器2電子顯示器3背光組件4背光驅(qū)動(dòng)器5 LED6光子傳感器7發(fā)射光8 目標(biāo)9反射光10成像透鏡11信號(hào)處理模塊12通信接口模塊13 基板14背光腔15擴(kuò)散器16邊緣照射組件17 光導(dǎo)18光混合腔
19反射器21遠(yuǎn)程 指示器22無線傳輸設(shè)備
權(quán)利要求
1.一種基于飛行時(shí)間的成像系統(tǒng)，包括用作照明源的光子發(fā)射器；光子傳感器(6)；用于通過所述光子傳感器傳遞取決于光子接收時(shí)間的信號(hào)的電子系統(tǒng)；其特征在于背光顯示器(1)用作為所述照明源。
2.如權(quán)利要求1所述的成像系統(tǒng)，其中，所述背光顯示器(1)包括用作所述照明源的 背光組件(3)和放置在背光組件(3)前面的電子顯示器(2)。
3.如權(quán)利要求2所述的成像系統(tǒng)，其中，所述背光組件(3)使用LED(5)。
4.如權(quán)利要求3所述的成像系統(tǒng)，其中，所述背光組件(3)包括紅外LED，所述光子 傳感器(6)與紅外濾波器相關(guān)聯(lián)用于改進(jìn)對(duì)所述紅外LED發(fā)射的紅外光的靈敏度。
5.如權(quán)利要求3或4所述的成像系統(tǒng)，其中，所述背光組件(3)使用白色LED，所述 光子檢測(cè)器與濾波器相關(guān)聯(lián)用于改進(jìn)對(duì)由所述白色LED發(fā)射的藍(lán)光的靈敏度。
6.如權(quán)利要求2到5任一項(xiàng)所述的成像系統(tǒng)，包括背光驅(qū)動(dòng)器(4)，用于從所述顯示 器(2)的連續(xù)區(qū)域連續(xù)發(fā)射所述光子傳感器(6)所使用的光。
7.如權(quán)利要求6所述的成像系統(tǒng)，所述背光驅(qū)動(dòng)器(4)被設(shè)置用于連續(xù)照明所述顯示 器(2)的連續(xù)區(qū)域。
8.如權(quán)利要求6或7所述的成像系統(tǒng)，其中，被連續(xù)照亮的每個(gè)區(qū)域和目標(biāo)(8)之間 的距離被連續(xù)地計(jì)算。
9.如權(quán)利要求6或8所述的成像系統(tǒng)，所述電子顯示器(2)被設(shè)置用來修改被所述當(dāng) 前背光區(qū)域顯示的視頻內(nèi)容，以便增加從所述區(qū)域發(fā)送的并且由所述光子傳感器(6)接 收的光的數(shù)量。
10.如權(quán)利要求2到9任一項(xiàng)所述的成像系統(tǒng)，包括背光驅(qū)動(dòng)器(4)，用于從所述顯示 器(2)的不同區(qū)域連續(xù)照明所述光子傳感器(6)，和用于基于從不同區(qū)域接收的光計(jì)算光 反射目標(biāo)的位置的計(jì)算裝置。
11.如權(quán)利要求3到10任一項(xiàng)所述的成像系統(tǒng)，包括在不同時(shí)間被照明和/或調(diào)制的 不同顏色的不同LED。
12.如權(quán)利要求1所述的成像系統(tǒng)，其中，視頻圖像被用作所述照明源。
13.如權(quán)利要求1到12任一項(xiàng)所述的成像系統(tǒng)，其中，所述光子傳感器(6)被安裝在 與所述電子顯示器不同的設(shè)備上，以致所述顯示器和所述光子傳感器(6)之間的位置不 固定。
14.如權(quán)利要求13所述的成像系統(tǒng)，包括時(shí)鐘恢復(fù)系統(tǒng)，用于在所述不同設(shè)備中恢復(fù) 來自所述顯示器的時(shí)鐘信號(hào)。
15.如權(quán)利要求1到14任一項(xiàng)所述的成像系統(tǒng)，作為游戲控制臺(tái)的一部分。
16.如權(quán)利要求1到15任一項(xiàng)所述的成像系統(tǒng)，作為個(gè)人數(shù)字助理或移動(dòng)電話的一部分。
17.如權(quán)利要求1到16任一項(xiàng)所述的成像系統(tǒng)，其中，光子傳感器(6)包括SPAD元 件的陣列。
18.用于權(quán)利要求1到17的成像系統(tǒng)的照明方法，至少包括作為照明源的背光顯示器 (1)，光子傳感器(6)和用于通過所述光子傳感器傳遞信號(hào)的電子系統(tǒng)；包括如下步驟使用背光驅(qū)動(dòng)器(4)從電子顯示器(2)的連續(xù)不同區(qū)域產(chǎn)生調(diào)制照明； 計(jì)算被連續(xù)照亮的每個(gè)區(qū)域之間的距離；使用光子傳感器(6)記錄目標(biāo)(8)反射的調(diào)制照明的接收時(shí)間或者在發(fā)射照明和反射 照明之間的相位延遲。
19.如權(quán)利要求18所述的照明方法，其中與連續(xù)照明同步修改顯示器視頻內(nèi)容。
20.如權(quán)利要求18或19所述的照明方法，其中，遵循隨機(jī)模式橫跨顯示器(2)移動(dòng) 連續(xù)照明的區(qū)域。
21.包括計(jì)算機(jī)程序的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，該計(jì)算機(jī)程序能夠由處理裝置來執(zhí)行以便實(shí) 現(xiàn)權(quán)利要求18-20之一所述的方法，當(dāng)所述程序被所述處理裝置執(zhí)行時(shí)以便實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)權(quán) 利要求1到17的成像系統(tǒng)的照明源。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于飛行時(shí)間的成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括作為照明源的光子發(fā)射器，光子傳感器(6)，用于通過所述光子傳感器傳遞取決于光子接收時(shí)間的信號(hào)的電子系統(tǒng)，其特征在于電子顯示器(2)用作所述光子源。
文檔編號(hào)G06F3/042GK102027388SQ200880128580
公開日2011年4月20日 申請(qǐng)日期2008年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月11日
發(fā)明者C·尼克拉斯, E·查爾邦, J·諾蘭 申請(qǐng)人:瑞士聯(lián)邦理工大學(xué)，洛桑(Epfl)