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CN102741651A - 用于飞行时间测距系统的多个同步光源 - Google Patents

用于飞行时间测距系统的多个同步光源 Download PDF

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CN102741651A CN201180007792XA CN201180007792A CN102741651A CN 102741651 A CN102741651 A CN 102741651A CN 201180007792X A CN201180007792X A CN 201180007792XA CN 201180007792 A CN201180007792 A CN 201180007792A CN 102741651 A CN102741651 A CN 102741651A
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Abstract

使用可以是无线(WOE)或插线(PWOE)的辅助光发射器单元来扩充TOF系统光能。WOE单元感测所发射的TOF系统光能Sout，并发射光能Sout-n，该光能Sout-n较佳地在频率和相位上被同步至WOE所接收的Sout。每个WOE包括用于检测Sout的至少一个光学传感器，以及内部反馈，该内部反馈确保WOE发射的Sout-n光能的频率和相位与TOF发射的Sout光能的频率和相位被动态同步。PWOE单元无需内部反馈，但由TOF系统来校准，以使PWOE发射的光能的频率和相位与可由TOF系统初级光源发射的光能的频率和相位之间的密切匹配。如果PWOE被隔离地使用，则PWOE与TOF初级光能源之间的延迟差异可被软件补偿。

Description

用于飞行时间测距系统的多个同步光源
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 SensorIC)”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 forCMOS-Compatible Three-Dimensional Image Sensing Using Quantum EfficiencyModulation)”(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Sout(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。Sout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，Sout可被表示为A·cos(ωt)。Sout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Sout中的一些可作为返回能量Sin(S输入)被从目标对象20的表面反射掉，返回能量Sin可被表示为A·cos(ωt+Φ)，其中Φ为相对相移。返回能量Sin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，Sin可包括除有源发射Sout分量之外的环境能量分量。
每个像素155测量接收到的Sin的强度(或振幅)，以及接收到的Sin与发射的Sout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Sout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Sin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)。
在系统100’中将存在相移Φ，它归因于由发射器120传送的横越至目标对象20的距离z的能量(S1＝cos(ωt))以及由阵列130’中的照片检测器140’所检测到的返回能量((S2＝A·cos(ωt+Φ)))所需的飞行时间(TOF)，其中A表示检测到的反射信号的亮度，并且可使用由像素检测器接收到的相同的返回信号来测量。图1B和1C描绘了出于描述简便起见在假定正弦波形的周期为T＝2π/ω的情况下的相移Φ与飞行时间之间的关系。
归因于飞行时间的相移Φ为：
Φ＝2·ω·z/C＝2·(2πf)·z/C
其中C是光在空气中的速度，300,000千米/秒。因而，从能量发射器(以及从检测器阵列)至目标对象的距离z通过以下给出：
z＝Φ·C/2ω＝Φ·C/{2·(2πf)}
用于获取和处理由TOF系统获取的三维成像数据的各种技术在本领域中是已知的。例如，授予Bamji等人的美国专利No.6,522,395(2003)公开了适于可通过CMOS兼容图像传感器IC获取的三维信息的噪声降低技术。
由目标对象120所看到的由Sout提供的有效照明与Z的平方成反比地变化。因而，增大来自发射器120的输出功率会提升系统100的性能，从而提供优于增大Z的量值的更准确的测量。然而，在一些系统中，发射器120可被结合到IC 110，以使得会难以用更强大(更高瓦数)的设备来替代发射器。
因而，需要这样的一种方法：藉由该方法，可提供一个或多个附加光源来增大由目标对象所看到的Sout照明的强度。此类附加源可包括可位于系统100的附近的相对大功率的发射器，和/或比起TOF初级光功率源更靠近目标对象定位的较小功率的发射器。然而，结果系统的适当操作指示来自每个附加源的光能应与光能Sout同步。
本发明提供了用于提供与由发射器120生成的作为源能量Sout的光能同步的至少一个附加光源的方法和系统。此类附加光源可被无线同步至TOF系统初级光源，和/或可被可移动地附连至TOF系统外壳并由此是有线的而非无线的。
发明概述
本发明认识到，在许多应用中，扩充由基于相位的TOF系统所发射的有效光功率来将更多光能指引到目标对象的至少一区域是合意的。有效光功率扩充在一个实施例中通过包括至少一个辅助无线光发射器(WOE)单元来实现，该至少一个辅助无线光发射器较佳地在调制频率和相位上被光学且无线动态地同步至来自TOF系统的Sout发射。WOE单元被布置成用其发射的光能来对目标对象的至少一部分进行照明。由此类单元发射的光功率可小于、大于由TOF系统所发射的光功率Sout，或者甚至与之相同。相对低功率WOE单元的优点在于它们合理的低成本和形状因子，以及将其布置成相对靠近目标对象的能力。由布置成靠近目标对象的此类单元提供的有效光能照明可以是非常丰富的。较佳地，每个辅助光发射器是独立单元，并且可以，但不必，是电池操作的。
如所述的，由TOF系统获取的深度图像的质量是传入反射的Sin光能的函数。适当的深度图像的生成要求所有Sout光能源(即，TOF系统光发射器和所有WOE)相对于TOF系统Sout发射的光能就调制频率和相位两者被动态同步。较佳地，每个WOE单元包括：响应于由TOF系统发射的传入Sout光能的第一光学传感器；输出光能的光发射器；自由运行的压控振荡器(VCO)，其名义上在TOF振荡器的频率下操作；响应于由WOE发射的光能的第二光学传感器；以及较佳地，锁相环(PLL)系统，其在闭环反馈下操作以迫使由WOE发射的光能的频率和相位与传入TOF光能Sout的频率和相位匹配。在每个WOE内，较佳地使用PLL电路将VCO的频率动态同步至TOF系统Sout频率，并且通过采样WOE单元发射的光能来确认频率同步。将WOE单元发射的光能与TOF系统Sout相位进行同步，且通过采样WOE单元发射的光能来确认相位同步。较佳地，每个WOE单元中的第一光学传感器和光发射器是机械可旋转的，以便更好地检测传入Sout光能，并将单元发射的光能更好地指向目标对象。较佳地通过硬件支持，较佳地在TOF系统内执行的软件可忽略Sin信号的初始时间区域，在该初始时间区域期间，尚未达到时间区域同步锁定。另外，在TOF系统内执行的软件可根据需要智能地帮助处理Sin信息——根据需要考虑动态锁定WOE单元的频率和相位的所需的时间、FOV、输出功率、以及个体WOE单元的其他特性。较佳地，每个WOE单元内的存储器可存储最近PLL同步参数，当Sout光能在频率和/或相位上改变时该同步参数潜在可能加速重新同步。
在第二实施例中，至少一个辅助插线光发射器(PWOE)单元较佳地通过插头连接(其短的电线长度最小化传播延迟)被动态可移动地附连到TOF系统的外壳。插头连接使得非常短的电线长度能耦合POWE以将信号驱动到TOF初级光发射器。TOF系统内的电路检查仅通过使用每个此类PWOE单元(每次一个地)获取的图像中的延迟滞后，并与使仅使用TOF初级光发射器获取的图像进行比较。TOF系统电路可补偿与通过使用来自每个PWOE单元的光能获取的数据相关联的延迟滞后，该每个PWOE单元是在隔离的情况下且在没有来自初级光学单元的光能的情况下使用的。替换地，TOF电路可调整每个PWOE的延迟以匹配初级光学单元的延迟。任何数目的由此经恰当延迟补偿或选择的PWOE可在随后与TOF系统初级光源并行地使用，以增大落在目标对象上的光能的量。如果需要，TOF系统可采用至少一个WOE和至少一个PWOE单元。
本发明的其他特征和优点将在以下描述中出现，其中已经结合其附图阐述了优选实施例。
附图简述
图1A是根据现有技术的基于通用相位(generic phase-based)的TOF系统。
图1B描绘了根据现有技术的由图1A的系统发射的具有高频分量的所发射的周期Sout信号。
图1C描绘了根据现有技术的图1B的所发射信号的具有相位延迟的返回Sin波形。
图2是根据本发明的实施例的配备有辅助无线光发射器(WOE)单元且配备有辅助插线光发射器(PWOE)单元的基于通用相位的TOF系统的框图。
图3是示出根据本发明的实施例的WOE单元的示例性细节的框图。
优选实施例的详细描述
由TOF系统获取的深度图像和数据的质量和分辨率部分取决于由TOF系统所发射的光能的量值。随着Sout的能量量值的增大，有效Z范围增大，且在给定深度Z处所获取的深度数据的分辨率增大。在一些应用中，增大仅对目标对象的一部分进行照明的有效Sout光功率是合意或必须的。有效Sout光功率照明的量值同Sout的源与目标对象相隔的距离Z的平方呈反比地变化。因而，一种用于增大有效光功率的方案是减小距离Z。这可通过将至少一个附加辅助光能单元(WOE)放置成更靠近目标对象来实现。然而，挑战在于确保来自每个WOE的发射的频率和相位动态地与来自TOF发射器120的TOF 100′Sout发射的频率和相位(这由TOF主振荡器115来控制)同步。此挑战会是令人气馁的，因为由TOF系统100’生成的光能Sout会展现扩频特性。
本发明的实施例可提供基于辅助插线光能(PWOE)单元和/或辅助无线光能(WOE)单元的TOF系统。首先将参照图2来描述PWOE单元。TOF系统100’可通过一个或多个PWOE单元210-1、210-2、通过一个或多个WOE单元220-1、220-2等、或通过至少一个PWOE单元和至少一个WOE单元来增大来自其初级发射器120的光能。来自PWOE单元或来自WOE单元的输出光能可以大于、等于或小于由TOF系统初级源120发射的光能Sout的功率。如果有需要，则可使用一个或多个PWOE单元来代替发射器120来生成系统100’光功率。
首先转到辅助插线光发射器(PWOE)单元，如图2中所示的，图2TOF系统100’具有内部初级发射光能源120，其可被至少一个辅助插线光发射器(PWOE)单元(诸如210-1、210-2)扩充和/或取代。PWOE单元较佳地配合地插入到连接器220-1、220-2(或从中拔出)，连接器220-n被安装到TOF系统100’的外壳，接近(即使不是非常靠近)初级光发射器源120。
当TOF系统100’被制造时，初级光发射器源120将已被校准至系统。但是个体PWOE单元将不这样被校准，并且即使TOF系统100’内的单元与电路之间的相对有线长度将很短，未经校准延迟时间也是固有的。除非被校正，否则与各种PWOE单元相关联的延迟时间将导致具有不正确Z值的所获取的深度数据。
在一个实施例中，PWOE单元对照其固有延迟时间来校准如下。最初TOF系统100′仅使用由初级光能源120发射的Sout能量来从已知目标对象20获取深度数据。接着，源120被临时禁用，且在不移动TOF系统100’或目标对象20的情况下，使用所谓的Sout210-1(S输出210-1)来获取新深度数据，Sout210-1是仅由PWOE单元210-1发射的。当在没有初级光单元120的情况下使用单个PWOE时，TOF系统内的软件较佳地可在不需要任何附加电路的情况下补偿该PWOE的延迟差。
替换地，TOF系统100′内的软件和/或硬件177可在随后精细地调节PWOE单元210-1的延迟，以迫使其获取的数据与在仅使用初级源120时获得的数据相匹配。一旦被如此校准，由PWOE单元210-1所发射的光能对于目标对象20而言与来自由初级源120发射的光能是基本上不可区分的。目标对象20所见的来自各个光源的能量将显得具有公共相位和公共频率。此校准过程可被重复，以单独补偿将与TOF系统100’联用的每个PWOE单元的延迟，其中较佳地TOF系统100’中的模块177因此进行补偿。
一旦PWOE单元被校准，其输出光能与初级源120的输出光能被并行有效地组合。的确，在一些应用中，可能需要使用一个或多个PWOE单元来代替使用初级源120。一个或多个PWOE单元可以是例如实际上比初级源120输出更多光能。当然，PWOE输出的功率可以与初级源120输出的功率相同或者少于它。
现在考虑本发明的实施例，其中诸如220-1、220-2、220-3等辅助无线光发射器(WOE)单元被用来扩充或甚至替代由TOF系统100’初级源120生成的光能。然而，以上所讨论的PWOE单元通常将被安装成极度靠近初级光源120，WOE单元通常将被布置成远离TOF系统100’。
接下来考虑使用辅助无线光发射器(WOE)单元。根据本发明的WOE单元比PWOE单元更复杂。如图2中所示的，本发明的实施例通过布置至少一个WOE单元220-1、220-2、220-3、220-4(其较佳地是无线的，且较佳地在频率和相位上与来自TOF系统100的Sout发射光学且动态同步)来扩充由TOF系统100’发射的有效光功率。如所述的，由此类单元发射的光功率可小于、大于由TOF系统所发射的光功率Sout，或者甚至与之相同。相对低功率WOE的优点在于它们合理的低成本和形状因子，以及将其布置成相对靠近目标对象的能力。较佳地，每个WOE是单独单元，并且可以是电池操作的。每个WOE将具有输出光能视场(FOV)，其可与具有不同特性的单元不同。一些实施例可包括用于截取来自TOF系统100’的一些Sout能量并将其反射到WOE单元的诸如反射镜185之类的反射表面。可以理解的是，在一些应用中，理想地定位各个WOE单元可能是困难的，而反射表面可更好地调节不及WOE单元的计划放置。
可理解的是，WOE单元与其个体FOV的位置或定位之间存在折衷。例如，如果WOE单元220-3可具有相对低输出功率(可能为150mW)，但具有相对宽的FOV。可根据需要将准直器添加到WOE单元220-3中的光发射器，以将更多的光能集中在较窄的有效FOV内。如果FOV过小，则可将扩散器添加到光发射器以扩展和散射所发射的光，从而有效地提高FOV。对于大多数部分，TOF系统100’与图1A中的TOF系统100相同，但是将较佳地包括存储或可存储在存储器170中的可由例如处理器160之类的处理器执行的至少一个软件例程175。例程175的执行便于TOF系统100’与一个或多个WOE单元的操作，如以上所描述的。
WOE单元的一些位置好于其他的。在图2中，清楚的是，由从TOF 100’直接到目标对象20的光能所经的路经短于由从TOF 100’到WOE单元220-1以及从WOE 220-1到目标对象的光能所经的组合路经。如果WOE单元可被布置在TOF 100’与目标对象20之间半径上，则可实现更好的性能。当WOE单元被布置成相对靠近TOF 100’时，通常近似满足理想辐射性(radiality)状态。实际上，实体辐射性可能不发生，且较佳地，与TOF 100’更相关联的软件可导致作出恰当的校正。
TOF系统的操作特性通常由要执行的应用所决定。通用TOF系统100’的示例性系统特性可以从发射器120输出的可能的1W光功率，且TOF系统调制频率ω可以是可能50MHz-100MHz量级的，其中数据是在30-60帧/秒下获取的。结果TOF系统将具有可能3M的有效范围。示例性WOE单元当然可被动态同步至相同的系统调制频率，并且也可被动态同步成具有与TOF Sout发射相同的相位。从个体WOE输出的示例性光功率可以低至可能的100mW，或者高达数瓦。
图3描绘了示例性WOE 220-n，例如图2中的单元220-1、或220-2、或220-3、220-4等。每个WOE 220-n存在这样的函数：接收由TOF系统100’所发射的Sout光能的至少一部分作为传入信号Sin，以及输出在传入信号Sin的情况下被锁定在频率ω和相位
Figure BDA00001952006900081
的输出光能Sout-n(S输出-n)。此功能较佳地通过较佳地向每个WOE单元220-n提供锁相环(PLL)系统230来实现。PLL230接收包含Sin频率和相位
Figure BDA00001952006900082
信息的信号作为第一输入，并接收包含Sout-nω和相位信息的信号作为第二输入。闭环返回导致由WOE 220-n发射的Sout-n光能的频率ω和相位
Figure BDA00001952006900083
被锁定在检测到的TOF发射Sin的频率ω和相位
Figure BDA00001952006900084
因而，由每个WOE单元发射的Sout-n光能在频率和相位上复制检测到的由TOF系统100’发射的传入光能Sin。实现增益，因为Sout-n的量值可大于Sin的量值，且因为WOE单元可被放置成比起TOF系统100’更靠近目标对象。
在图3中，来自TOF系统100’的光能Sout(标示为信号Sin)由至少一个光学传感器240-A、240-A’来检测。各个240-A传感器较佳地机械地安放到旋转机构250，以便于瞄准TOF系统100’，从而改善检测到的Sout发射。参看图3的右边部分，由WOE发射器260发射的光能由WOE传感器240-B来直接地或通过使用光纤270等来检测。较佳地，发射器260机械地安装放到旋转机构280，以便于将Sout-n光能朝目标对象20瞄准或瞄准其上的区域。.旋转机构250、280等更好地使得WOE单元提升并可能最大化来自TOF系统的传入Sout光能的量值，和/或提升并可能最大化来自WOE单元的落在目标对象上的发射光能Sout-n的量值。应当理解的是，期望增大落在目标对象上的光能的量值，提升的光能的量值意味着较大振幅的Sin信号将被反射回TOF系统来供检测。当然，相对于TOF系统发射了什么，来自各个WOE模块的光能Sout-n贡献希望具有恰当的调制频率和相位。注意，来自传感器240-B的信号包含与WOE发射的光能Sout-n有关的频率ω和相位
Figure BDA00001952006900091
信息。
在PLL 230内，比较器单元290接收Sin和Sout-n信号两者作为输入，并由此接收关于传入光能Sin和WOE复制的输出光能Sout-n两者的频率ω和相位
Figure BDA00001952006900092
这些信号在比较器290内被比较，且比较器输出信号被耦合至低通滤波器300。来自滤波器300的输出信号驱动较佳压控振荡器310，反馈迫使其输出频率ω和输出相位
Figure BDA00001952006900093
被锁定在Sin的频率和相位。应当理解，从发射器26输出的功率可与由TOF系统发射器120(参见图1A)发射的光功率不同。
以此方式，每个WOE单元220-n输出在频率和相位上被动态同步至TOF发射的光能信号Sout的光能Sout-n。至于所关心的TOF传感器阵列130(参见图1A)，所有传入光能Sin可被认为好像是由TOF发射器120发射的。其实，每个WOE 220-n接收来自TOF系统100的输入波阵面，并通过生成在频率和相位上与输入波阵面同步的输出波阵面Sout-n来复制该波阵面。
如图3中进一步所示的，每个WOE单元220-n较佳地包括电源Vcc(例如，电池)以及存储器300和处理器310，它们被耦合以任选地执行存储在存储器中的至少一个例程。在一些实施例中，存储器300可存储WOE单元220-n的最近PLL锁定参数。这是有益的，因为每个WOE内的频率和相位同步可通过动态存储每个单元的锁定状况的最近PLL参数来加速。存储器310较佳地访问最近存储的锁定数据并将此信息提供给PLL系统250。PLL系统250将实现其频率和相位锁定，但是始于最近存储的锁定参数会加快每个WOE内的锁定的完成。在TOF系统100’内生成好的深度数据要求所有Sin信号在频率和相位上相对于TOF发射的Sout信号被同步。实际上，每个WOE单元花费有限的时间量来生成相对于TOF Sout光发射的频率ω和相位
Figure BDA00001952006900101
被稳定同步的Sout-n。较佳地，存储器170中的例程175(参见附图2)可存储WOE的最长(即，最优稳定的)的此类锁定信息。此信息可被处理器160(参见图1A)用来有效地指令TOF系统100’来忽略Sin信号中包含达到稳定锁定状况之前来自WOE的信息的部分。
可以理解的是，实际上，光能Sout落在230上，并且由此单元220-1可包含具有多个相位(可能归因于多径和/或来自在附近邻近区中操作的可能的另一TOF系统的贡献)的光能。Sout光能可例如在落在单元220-1上之前从当地环境中的墙壁或家具上弹回。在一个实施例中，传入Sout光能在空间上区分，例如，可能按穿过透镜(例如图3中的透镜232)。透镜232的存在导致仅从给定瞄准线发射的传入TOF系统光能射线聚焦在240-A上。在另一实施例中，可提供多个传感器240-A、240-A’，它们各自较佳地具有其自己的瞄准线。这多个传感器可共享公共透镜(例如，232′)，或者可具有就传感器240-A示出的诸如透镜232之类的单独透镜。这些传感器可按阵列状方式在公共衬底上实现，或者较佳地，可以是如在授予加利福尼亚州桑尼维尔市的Canesta有限公司且现在被转让给Microsoft有限公司的许多美国专利中描述的基于相位的像素。多个传感器240-A可被用来形成基本深度图像234。例如存储在与WOE220-1相关联的存储器300中的软件例程较佳地可智能地从图像234中标识和选择最适合的传感器240-A、240-A’等，其光学输出信号将被PLL250使用。替换地，进入WOE220-1、在其内或从其出来的光学或电磁能量可使用其他技术来操纵，包括而不限于光纤、电缆等。
在各个实施例中，应当理解，在PLL 250内达成锁定不会即刻发生。因而，为了补偿此固有延迟，在TOF系统100’内，命令从初级光能发射器或源120开始光输出的时钟模块180将在时间上比控制阵列130内的信号整合和光能检测的时钟信号更早地发出。在其他实施例中，在各个WOE内，内部存储器(例如，300)可存储先前遇到且观测的频率-相位状态，并且可由此快速访问此信息以缩短锁定频率和相位所需的时间。在一些应用中，允许至少一个WOE发射相位并非是零相位(例如，以有意识地使得WOE能“看到”反射的光能或电磁辐射)的至少一些光能可能是合意的。
还可使用除所描述的之外的实施例。例如，参看图1A和图2，可使用像素阵列130内的第一像素155来从WOE采样传入Sout能量。阵列内的第二像素155可被用来采样TOF系统100’Sout，可能通过使用诸如270之类的光纤。来自这两个像素输出的输出信号之间的误差可生成驱动同步的信号。如图3中所示的，各种WOE可以(但不必)是电池操作的，并且较佳地，当没有检测到光能或电磁传入能量时，可关闭各种WOE，以保存操作功率。当然，这些单元将处在低功率消耗待机模式，以使得对传入能量的检测将导致WOE再次完全上电。任选地，各种WOE操作参数可经由电缆或无线地(例如RF)或者也许任选地使用来自TOF系统100’的特殊调制来下载到个体单元中。
可对所公开的各实施例作出修改和改变，而不背离所附权利要求书所定义的本发明的主题和精神。

Claims (25)

1.一种基于相位的飞行时间(TOF)系统，所述系统包括发射具有调制频率ω和相位
Figure FDA00001952006800011
的光能Sout并检测Sin的初级光源，所述Sin是所发射的光能中被距离Z之外的目标对象反射回的至少一部分，并且所述系统根据Sin中的所述相位
Figure FDA00001952006800012
的相移来确定所述距离Z，所述TOF系统还包括：
至少一个辅助光发射单元，其输出光能对于所述目标对象而言与来自由所述TOF系统发射的光能是基本上不可区分的；
所述辅助光发射单元包括无线光发射(WOE)单元以及插线光发射(PWOE)单元中的至少一个；
其中由每个所述辅助光发射单元发射的光能在调制频率和相位上对于所述目标对象而言与由所述TOF系统发射的光能一样是基本上不可区分的。
2.如权利要求1所述的TOF系统，其特征在于，所述至少一个辅助光发射单元是被布置成接收所发射的由所述TOF系统生成的所述光能Sout的一部分的WOE单元，所述Sout具有与所述WOE单元接收的一样的调制频率和相移，所述WOE单元生成输出光能Sout-n，所述输出光能Sout-n被相对于所述WOE单元接收到的光能动态地锁定到调制频率和相位
Figure FDA00001952006800013
中的至少一个；
其中对所述至少一个WOE单元的操作增大被所述目标对象朝所述TOF系统反射回的光能的有效功率。
3.如权利要求1所述的TOF系统，其特征在于，所述至少一个WOE单元被布置在从由以下各项构成的组中选择的至少一个位置中：(a)布置在所述TOF系统的外部；以及(b)布置在与所述目标对象相距短于所述距离Z的一距离处。
4.如权利要求1所述的TOF系统，其特征在于，所述至少一个WOE单元包括：
用于接收所发射的所述Sout光能的一部分的装置；以及
用于生成光能Sout-n的装置，所述光能Sout-n能与TOF生成的由所述WOE接收到的所述Sout光能————的调制频率和相位中的至少一个同步。
5.如权利要求1所述的TOF系统，其特征在于，所述至少一个WOE单元包括：
压控振荡器(VCO)；
生成误差信号的锁相环(PLL)单元，所述误差信号表示所述调制频率中的误差以及所述Sout与Sout-n之间的所述相位中的误差中的至少一个，所述误差信号以闭环反馈耦合到所述用于生成的装置，以将Sout-n的调制频率和相位中的至少一个锁定至所述Sout的调制频率和相位。
6.如权利要求1所述的TOF系统，其特征在于，所述至少一个WOE包括用于相对于所述TOF系统重新放置所述WOE单元以便增大以下各项中的至少一个：来自所述WOE接收的Sout的传入光能的量，以及所述WOE发射的落在所述目标对象上的所述Sout-n光能的量。
7.如权利要求1所述的TOF系统，其特征在于：
所述至少一个辅助光发射单元是PWOE单元，可移动地耦合至所述TOF系统，邻近所述初级光源；以及
所述TOF系统包括用于相对于所述初级光源针对延迟校准所述PWOE单元的装置。
8.如权利要求7所述的TOF系统，其特征在于，所述用于校准的装置包括：
用于仅使用由所述初级光源所发射的光能Sout来获取所述目标对象的初级深度图像的装置；
用于仅使用由每个所述PWOE单元每次一个单元地发射的光能来获取所述目标对象的深度图像的装置；
用于每次一个地将所述初级深度图像与使用由每个所述PWOE单元发射的光能获取的深度图像进行比较的装置；以及
用于补偿与每个所述PWOE单元相关联的延迟以在所述补偿之后最小化所述初级深度图像与通过由每个所述PWOE单元发射的光能获取的深度图像之间的差异的装置；所述装置在不调节PWOE单元的延迟的情况下使用软件来进行补偿。
9.如权利要求7所述的TOF系统，其特征在于，所述用于校准的装置包括：
用于仅使用由所述初级光源所发射的光能Sout来获取所述目标对象的初级深度图像的装置；
用于仅使用由每个所述PWOE单元每次一个单元地发射的光能来获取所述目标对象的深度图像的装置；
用于将所述初级深度图像与使用由每个所述PWOE单元发射的光能获取的深度图像进行比较的装置；以及
用于改变所述PWOE单元的延迟以使得每个所获取的深度图像中的至少一个像素之间的深度数据的差异被最小化的装置。
10.如权利要求5所述的TOF系统，其特征在于，所述系统包括至少一个WOE单元，所述至少一个WOE单元包括接收光能Sout的至少一部分的传感器，所述WOE单元包括：
用于使用由所述WOE单元内的至少第一传感器和第二传感器获取的数据来形成深度图像的装置，以及
用于从来自每个所述传感器的输出信号标识哪个传感器输出来用于驱动所述PLL的装置。
11.如权利要求10所述的TOF系统，其特征在于，所述至少一个WOE还包括存储用于同步所述PLL的最佳锁定数据的存储器。
12.一种动态地提升基于相位的飞行时间(TOF)系统的检测性能的方法，所述飞行时间系统发射具有调制频率ω和相位
Figure FDA00001952006800031
的光能Sout并检测Sin，所述Sin是所发射的光能中被距离Z之外的目标对象反射回的至少一部分，并且所述系统根据Sin中的所述相位
Figure FDA00001952006800032
的相移来确定所述距离Z，所述方法包括：
使用来自至少一个辅助光发射单元的光能，所述至少一个辅助光发射单元的输出光能对于所述目标对象而言与来自由所述TOF系统发射的光能是基本上不可区分的；
所述辅助光发射单元包括无线光发射(WOE)单元以及插线光发射(PWOE)单元中的至少一个；
其中由每个所述辅助光发射单元发射的光能对于所述目标对象而言在调制频率和相位上与由所述TOF系统发射的光能一样是基本上不可区分的。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，包括将所述至少一个辅助光发射(WOE)单元布置成接收所发射的由所述TOF系统生成的所述光能Sout的一部分，所述Sout具有与所述WOE单元接收的一样的调制频率和相移，所述WOE单元生成被相对于所述WOE单元接收到的光能动态锁定到调制频率和相位
Figure FDA00001952006800041
中的至少一个的输出光能Sout-n；
其中对所述至少一个WOE单元的操作增大被所述目标对象朝所述TOF系统反射回的光能的有效功率。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括将所述至少一个WOE单元布置在从由以下各项构成的组中选择的至少一个位置中：(a)布置在所述TOF系统的外部；以及(b)布置在与所述目标对象相距短于所述距离Z的一距离处。
15.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括向所述至少一个WOE单元提供：
用于接收所发射的所述Sout光能的一部分的装置；以及
用于生成光能Sout-n的装置，所述光能Sout-n能与TOF生成的由所述WOE接收到的所述Sout光能的调制频率和相位中的至少一个同步。
16.如权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括向所述至少一个WOE单元提供闭环反馈系统，用于迫使Sout-n的调制频率和相位与所述Sout的调制频率和相位中的至少一个同步。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述闭环反馈系统包括：
压控振荡器(VCO)；
生成误差信号的锁相环(PLL)单元，所述误差信号表示所述调制频率中的误差以及所述Sout与Sout-n之间的所述相位中的误差中的至少一个，所述误差信号以闭环反馈耦合到所述用于生成的装置，以将Sout-n的调制频率和相位中的至少一个锁定至所述Sout的调制频率和相位。
18.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括相对于所述TOF系统重新放置所述WOE单元以便增大以下各项中的至少一个：来自所述WOE接收的Sout的传入光能的量，以及所述WOE发射的落在所述目标对象上的所述Sout-n光能的量。
19.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述至少一个辅助光发射单元是插线光发射(PWOE)单元，可移动地耦合至所述TOF系统，邻近所述初级光源；以及
向所述TOF系统提供用于相对于所述初级光源针对延迟校准所述PWOE的装置。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述用于校准的装置包括：
仅使用由所述初级光源所发射的光能Sout来获取所述目标对象的初级深度图像；
仅使用由每个所述PWOE单元每次一个单元地发射的光能来获取所述目标对象的深度图像；
将所述初级深度图像与使用由每个所述PWOE单元发射的光能获取的深度图像进行比较；以及
补偿与每个所述PWOE单元相关联的延迟，以使得每个所获取的深度图像中的至少一个像素之间的深度数据的差异被最小化。
21.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述TOF系统包括至少一个WOE单元，所述至少一个WOE单元具有接收光能Sout的至少一部分的传感器，所述WOE单元执行以下步骤：
使用由所述WOE单元内的至少第一传感器和第二传感器获取的数据来形成深度图像；以及
从来自每个所述传感器的输出信号标识哪个传感器输出来用于驱动所述PLL。
22.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述用于校准的装置执行以下步骤：
仅使用由所述初级光源所发射的光能Sout来获取所述目标对象的初级深度图像；
仅使用由每个所述PWOE单元每次一个单元地发射的光能来获取所述目标对象的深度图像；
将所述初级深度图像与使用由每个所述PWOE单元发射的光能获取的深度图像进行比较；以及
改变所述PWOE单元的延迟，以使得每个所获取的深度图像中的至少一个像素之间的深度数据的差异被最小化。
23.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述辅助光发射单元是至少一个所述PWOE单元，所述方法还包括：
禁止所述初级源输出光能；以及
操作所述TOF系统，以便仅使用由至少一个所述PWOE单元输出的光能来获取数据。
24.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述TOF系统包括至少一个WOE单元，所述至少一个WOE单元包括接收光能Sout的至少一部分的传感器，所述方法还包括：
使用通过所述WOE单元内的至少第一传感器和第二传感器获取的数据来在所述至少一个WOE单元内形成深度图像；以及
在所述至少一个WOE单元内，从来自每个所述传感器的输出信号标识哪个传感器输出用来驱动所述PLL。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，还包括在每个所述WOE单元内存储用于同步所述PLL的最佳锁定数据。
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