CN208255413U - 集成相位补偿校正控制器的ToF飞行时间三维测距传感器 - Google Patents

Abstract

集成相位补偿校正控制器的ToF飞行时间三维测距传感器，包括像素阵列、行列地址扫描模块、模拟信号处理模块、模数转换模块、调制模块、混频信号驱动模块、时序产生器、输出模块、温度传感器、I2C从机模块和相位补偿校正控制器。时序产生器与调制模块、像素阵列、模数转换模块、相位补偿校正控制器和输出模块连接，调制模块经混频信号驱动模块与像素阵列连接，像素阵列与行列地址扫描模块、模拟信号处理模块的输入端连接，模拟信号处理模块的输出端经模数转换模块与相位补偿校正控制器连接，相位补偿校正控制器与I2C从机模块及输出模块连接。本实用新型实现相位偏移校正、温度补偿校正、照明路径延迟校正和相位非线性校正，提高三维测距精度。

Description

集成相位补偿校正控制器的ToF飞行时间三维测距传感器

技术领域

本实用新型涉及三维测距传感器技术领域，具体涉及一种集成相位补偿校正控制器的ToF飞行时间三维测距传感器。

背景技术

三维ToF相机通过主动发射调制过的光源到目标面上，然后观察计算反射回来的对应光。发射和反射光之间的相位差通过运算和转换得到距离。一般来说，主动发射光源是850nm波长的固态激光管或者发光二极管LED，对人眼来说是不可见光(可见光波长范围：400～700nm)。一个特制的成像传感器用来接受同样频谱的光线，并且转换光子能量到电信号。需要注意，光线进入该传感器有一个环境光分量和反射光分量。距离(景深)信息就存在反射光分量中。因此，高环境光分量会降低测量的信噪比。

为了检测发射与反射光之间相位差，光源采用连续调制波，一般是正弦波或者方波。这样就存在相位偏移不能及时校正的问题，ToF三维测距的精度和稳定性不够高。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是，针对现有三维ToF相机存在的上述不足，提供一种集成相位补偿校正控制器的ToF飞行时间三维测距传感器，实现了相位偏移校正、温度补偿校正、照明路径延迟校正和相位非线性校正，可以显著提高ToF三维测距的精度和稳定性。

本实用新型为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

集成相位补偿校正控制器的ToF飞行时间三维测距传感器，包括像素阵列、行列地址扫描模块、模拟信号处理模块、模数转换模块、调制模块、混频信号驱动模块、时序产生器、输出模块、温度传感器、I2C从机模块和一个相位补偿校正控制器，其中时序产生器与调制模块、像素阵列、模数转换模块、相位补偿校正控制器和输出模块连接，调制模块经混频信号驱动模块与像素阵列连接，像素阵列与行列地址扫描模块、模拟信号处理模块的输入端连接，模拟信号处理模块的输出端经模数转换模块与相位补偿校正控制器连接，相位补偿校正控制器与I2C从机模块及输出模块连接。

按上述方案，所述相位补偿校正控制器包括基频偏移校正模块、去混叠频率偏移校正模块、高动态范围模式基频偏移校正模块、高动态范围模式去混叠频率偏移校正模块，照明驱动器温度补偿模块、ToF传感器温度补偿模块，延迟补偿模块和相位非线性校正模块；基频偏移校正模块、去混叠频率偏移校正模块、高动态范围模式基频偏移校正模块、高动态范围模式去混叠频率偏移校正模块与照明驱动器温度补偿模块连接，照明驱动器温度补偿模块、ToF传感器温度补偿模块、延迟补偿模块和相位非线性校正模块依次连接。

本实用新型的工作原理：调制模块在时序产生器的控制下产生调制信号，调制信号一方面输出到芯片外面、另一方面经过片内混频信号驱动模块后提供给像素阵列；像素阵列是感光部分，像素阵列的每个像素将接收到的光转化为电信号；行列地址扫描模块产生行列地址选通信号，逐行逐列读出像素的电信号；模拟信号处理模块将像素阵列输出的电信号进行处理然后输出给模数转换模块，模数转换模块完成信号的数字化；相位补偿校正控制器将模数转换模块产生的原始数据进行相位补偿校正，相位补偿校正控制器的基频偏移校正模块、去混叠频率偏移校正模块、高动态范围模式基频偏移校正模块、高动态范围模式去混叠频率偏移校正模块实现相位偏移校正；照明驱动器温度补偿模块和ToF传感器温度补偿模块实现温度补偿校正；延迟补偿模块补偿照明调制路径延迟以降低绝对和温度相关的相位偏移；相位非线性校正模块将获得的相位转换为线性相位；输出模块将校正后的数据以一定的格式输出。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：通过集成相位补偿校正控制器实现了相位偏移校正、温度补偿校正、照明路径延迟校正和相位非线性校正，可以显著提高ToF三维测距的精度和稳定性。

附图说明

图1为本实用新型集成相位补偿校正控制器的ToF飞行时间三维测距传感器的结构框图；

图2为图1中相位补偿校正控制器的电路框图；

图3为本实用新型使用反馈的照明路径延迟校正的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型技术方案进行详细的描述。

参照图1所示，本实用新型所述的集成相位补偿校正控制器的ToF飞行时间三维测距传感器，包括像素阵列、行列地址扫描模块、模拟信号处理模块、模数转换模块、调制模块、混频信号驱动模块、时序产生器、输出模块、温度传感器(内置在ToF控制器中)、I2C从机模块和一个相位补偿校正控制器，其中时序产生器与调制模块、像素阵列、模数转换模块、相位补偿校正控制器和输出模块连接，调制模块经混频信号驱动模块与像素阵列连接，像素阵列与行列地址扫描模块、模拟信号处理模块的输入端连接，模拟信号处理模块的输出端经模数转换模块与相位补偿校正控制器连接，相位补偿校正控制器与I2C从机模块及输出模块连接。

参照图2所示，相位补偿校正控制器包括基频偏移校正模块、去混叠频率偏移校正模块、高动态范围模式基频偏移校正模块、高动态范围模式去混叠频率偏移校正模块，照明驱动器温度补偿模块、ToF传感器温度补偿模块，延迟补偿模块和相位非线性校正模块；基频偏移校正模块、去混叠频率偏移校正模块、高动态范围模式基频偏移校正模块、高动态范围模式去混叠频率偏移校正模块与照明驱动器温度补偿模块连接，照明驱动器温度补偿模块、ToF传感器温度补偿模块、延迟补偿模块和相位非线性校正模块依次连接。

相位补偿校正控制器实现了相位偏移校正、温度补偿校正、照明路径延迟校正和相位非线性校正，可以显著提高ToF三维测距的精度和稳定性。

一、相位偏移校正

传感器调制和照明调制之间的时间延迟表现为相位偏移。由于它可能因系统而异，因此必须为每个系统分别校准偏移量。测量到的偏移量编写到芯片内部，ToF控制器将得到的相位减去这个偏移量即得到真正的相位。相位补偿校正控制器由基频相位偏移校正模块、去混叠频率相位偏移校正模块、高动态范围模式基频相位偏移校正模块、高动态范围模式去混叠频率相位偏移校正模块来完成相位偏移校正。

当启用高动态范围模式时，相应的帧可以使用不同的积分时间。与正常帧相比，高动态范围帧的积分时间按比例缩小。

二、温度补偿校正

由于温度变化，照明和传感器调制路径中的系统延迟可能会有所不同。这种变化将导致测量相位发生变化。为了补偿相变温度，相位补偿校正控制器使用照明驱动器温度补偿模块和ToF传感器温度补偿模块。ToF传感器温度补偿模块根据ToF控制器内置的温度传感器读取的温度，并结合ToF传感器基频相位温度系数进行校正计算。照明驱动器温度补偿模块使用外部基于I2C接口的温度传感器来测量照明驱动器的温度并结合照明驱动器基频相位温度系数进行校正计算。

三、使用反馈的照明路径延迟校正

相位补偿校正控制器使用延迟补偿模块来补偿照明调制路径延迟以降低绝对和温度相关的相位偏移，通过传感器和照明调制的反馈来测量照明调制路径延迟，在系统中实现适当的反馈，这种反馈系统的典型框图如图3所示。

延迟补偿模块测量积分期间从P到P_FB的延迟，并在传感器读出期间测量外部反馈电路从REF到REF_FB的延迟。测量的两个延迟之间的差值被用作校正所获得的相位的相位偏移，反馈电路工作频率必须大于调制频率。

四、相位非线性校正

理论上传感器获得的相位与距离应该是一条直线。但实际上，相位距离的函数可能是非线性的。相位补偿校正控制器通过相位非线性校正模块来线性化所获得的相位，相位非线性校正模块中设置一个可编程的查找表，查找表用于将获得的相位转换为线性相位，查找表提供了在一段时间内均匀分布的N点，查找表中的第一个条目对应于获得的零相位值，查找表中的最后一点对应于周期×(N-1/N)所获得的相位值。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，依本实用新型的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。

Claims (2)

1.集成相位补偿校正控制器的ToF飞行时间三维测距传感器，其特征在于：包括像素阵列、行列地址扫描模块、模拟信号处理模块、模数转换模块、调制模块、混频信号驱动模块、时序产生器、输出模块、温度传感器、I2C从机模块和一个相位补偿校正控制器，其中时序产生器与调制模块、像素阵列、模数转换模块、相位补偿校正控制器和输出模块连接，调制模块经混频信号驱动模块与像素阵列连接，像素阵列与行列地址扫描模块、模拟信号处理模块的输入端连接，模拟信号处理模块的输出端经模数转换模块与相位补偿校正控制器连接，相位补偿校正控制器与I2C从机模块及输出模块连接。

2.根据权利要求1所述的集成相位补偿校正控制器的ToF飞行时间三维测距传感器，其特征在于：所述相位补偿校正控制器包括基频偏移校正模块、去混叠频率偏移校正模块、高动态范围模式基频偏移校正模块、高动态范围模式去混叠频率偏移校正模块，照明驱动器温度补偿模块、ToF传感器温度补偿模块，延迟补偿模块和相位非线性校正模块；基频偏移校正模块、去混叠频率偏移校正模块、高动态范围模式基频偏移校正模块、高动态范围模式去混叠频率偏移校正模块与照明驱动器温度补偿模块连接，照明驱动器温度补偿模块、ToF传感器温度补偿模块、延迟补偿模块和相位非线性校正模块依次连接。