JP2016095298A - 飛行時間カメラの位相整列誤差の能動的補償 - Google Patents

Abstract

【課題】照明およびシャッタパルスを電気的に検知または監視し、それらを能動的に調整して、パルス間の所望の位相関係／差を維持するよう、能動的フィードバックを実装するための方法、装置、およびシステムの提供。
【解決手段】所望の位相差を維持する位相調整回路２１４及び２１６により、飛行時間カメラ２０２の状態が変化しても（例えば、温度、経年など）、距離の計算はより正確になり得る。能動的補償により、「オンザフライ」で誤差を補正することができ、操作中の詳細な特性化および手動での調整が不要になる。
【選択図】図２

Description

優先権のデータ
本出願は、２０１４年１０月２４日出願の米国仮特許出願第６２／０６８，１３７号の非仮出願であり、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、集積回路の分野に関し、具体的には、飛行時間カメラの位相整列誤差の能動的補償を提供するように構成された回路に関する。

飛行時間カメラは、物体の距離情報を測定するために使用される光学系である。具体的には、飛行時間カメラは、光の既知の速度および信号がカメラと物体との間を移動するのにかかる時間に基づいて、距離を解像する。このような飛行時間カメラの１つの例が、ＬＩＤＡＲで、これは、物体の距離を測定するための光源としてレーザーを用いる。飛行時間カメラは、レンジファインダーでよく見られる。深度、距離、および／または速度を決定するよう設計された光学系も、スポーツ用電子機器、家庭用電化製品、医療機器、航空宇宙装置／軍装備品、自動車エレクトロニクス、セキュリティーシステムなどその他多くのシステムで見られ得る。

本開示およびその特徴ならびに利点のより完全な理解を提供するために、添付の図面を用いた以下の説明を参照する。以下の添付の図面では、同種の表記番号は、同種の部品を示す。

図１は、例示的な飛行時間カメラの図である。

図２は、本開示の一部の実施形態による、飛行時間カメラの位相整列誤差の能動的補償を提供する例示的なシステムの図である。

図３は、本開示の一部の実施形態による、飛行時間カメラの位相整列誤差の能動的補償を提供する別の例示的なシステムの図である。

図４は、本開示の一部の実施形態による、飛行時間カメラの位相整列誤差の能動的補償を提供するさらに別の例示的なシステムの図である。

図５は、本開示の一部の実施形態による、飛行時間カメラの位相整列誤差の能動的補償のための方法を示すフロー図である。

図６は、本開示の一部の実施形態による、フィードバックのための、電気パルス出力を含む例示的な照明器設計の図である。

飛行時間カメラの理解

図１は、例示的な飛行時間カメラの図である。飛行時間カメラは、一般的に、照明器１０４（能動照明パルスまたは光パルスを放つ）、および電子シャッタを備えた画像センサ１０２を含む。図示しないが、飛行時間カメラは、カメラの視野にある物体（例えば、野球選手、野球のバットなど）の距離を計算できる部品を含む。典型的には、飛行時間カメラは、情景内の物体に反射する照明器１０４を用いて能動照明パルスを発生することによって、かつ画像センサ１０２の反射光を捕捉することによって情景深度を測定する。例えば、照明器１０４は、情景内の物体に赤外光を発し得る発光ダイオードまたはレーザーダイオードを含み得、反射光は、例えば、電荷結合素子（ＣＣＤ）画像センサアレイまたは他の種類のセンサアレイなどの画像センサ１０２によって捕捉され得る。照明器１０４は、照明器１０４を発光させる電気パルスによって駆動される。画像センサ１０２のシャッタドライバは、画像が捕捉され、かつ／または画像信号が発生されるようにシャッタを開かせる電気パルスによって駆動される。

照明器１０４から物体に、および物体から画像センサ１０２に移動する光の往復時間は、飛行時間カメラからの物体の距離に基づいて変わるということに留意されたい。また、光の速度は既知である。それゆえ、物体と飛行時間カメラとの間の距離に応じて、画像センサ１０２に当たる反射光は、照明器１０４が光を発生させた時間に対して遅延を有する。この情報に基づいて、反射光を捕捉するよう、照明器１０４の位相および画像センサ１０２のシャッタドライバを連動させることが可能である。複数のタイミング位相差を有する照明器１０４および画像センサ１０２をトリガすることによって、それらのパルス差および画像センサ１０２から捕捉された画像信号を直接用いて、カメラからの物体の距離を計算することができる。当業者は、飛行時間カメラが距離を決定するために用いられ得るいくつかの適切な手法／アルゴリズムがあることを理解しよう（例えば、照明とシャッタパルスとの間の既知の位相差を利用する手法）。

飛行時間カメラの位相／タイミング誤差

照明器１０４に提供されるパルスおよび画像センサ１０２に提供されるパルス間の所定の位相差は、飛行時間カメラからの物体の距離の決定において、直接用いられる。その理由のため、距離決定の精度は、２つのパルスのタイミング誤差（例えば、オフセット、歪んだ分散）によって劣化する可能性がある。２つのパルス間の実位相差は、所定の／所望の位相差よりも大きいか、または所定の／所望の位相差よりも小さくなる場合がある。２つのパルス間の位相差が不正確な場合、距離の計算も不正確になる。換言すれば、２つのパルス間の位相差が既知か、高精度で提供されるようにすることが望ましい。

換言すれば、深度計算の精度は、例えば、パルスが所望の位相差と整列されない場合に発生し得る歪み（図１に示す）を低減させることによって、照明およびシャッタパルスの位相整列が正確なようにすることに直接基づく。照明およびシャッタパルスのいずれかまたはその両方は、深度計算の誤差の一因となり得る歪みを示し得る。例えば、位相整列の誤差のピコ秒は、深度計算のミリメートルまたはセンチメートル（あるいはそれ以上）の誤差に直接つながる場合がある。

誤差の複数の原因は、位相配列に誤差を生じさせる、単一の連鎖、静的および動的の両方において存在する。一部の解決法では、照明およびシャッタパルスのタイミング整列を特性化および調整するための強引な手法によってこの問題を解決しようとしてきた。しかしながら、これらの手法の多くが動的源に簡単に対処できないため、誤差のこれらの解決法は最適ではない。例えば、一般的に、強引な手法では、温度変化（例えば、電圧源の変化につながる）またはパルスを発生させる回路の経年によって生じる誤差に対処することはできない。

飛行時間カメラの位相整列誤差の能動的補償手法

これらの問題の一部を緩和するために、照明およびシャッタパルスを電気的に検知または監視し、それらを能動的に調整して、パルス間の所望の位相関係／差を維持するよう、能動的フィードバックを実装するための改良された方法、装置、およびシステムが提供され得る。所望の位相差を維持することによって、飛行時間カメラの状態が変化しても（例えば、温度、経年など）、距離の計算はより正確になり得る。有利なことに、能動的補償は、「オンザフライ」で誤差を修正することができ、操作中の詳細な特性化および手動での調整が不要になり得る。

図２は、本開示の一部の実施形態による、飛行時間カメラの位相整列誤差の能動的補償を提供する例示的なシステムの図である。図示されたシステムは、電子シャッタドライバ２０４がそこに連結されてもよい画像センサ２０２（図１の画像センサ１０２に類似した）を含む。典型的には、シャッタドライバ２０４は、画像センサ２０２の電子シャッタを制御する。このシステムはまた、照明器２０６（図１の照明器１０４に類似する）を含む。この照明器は、光源およびこの光源を駆動するためのドライバを含んでもよい。この光源は、発光ダイオードなどでもよく、用途に応じて、異なる種類の光源を用いてもよい。さらに、このシステムは、照明器２０６（ＯＵＴ１）およびシャッタドライバ２０４（ＯＵＴ２）に高速パルス出力を発生させる（精度）タイミング発生器２０８を含む。これらの２つのパルスは、理想的には、相互間に所望の／既知の／所定の位相差を有する。画像センサ２０２から捕捉された画像信号および出力電気パルス間の所望の／既知の／所定の位相差は、飛行時間システムから物体の距離を計算するために用いられる。デジタルシグナルプロセッサまたはマイクロプロセッサなどのプロセッサは、この計算を行う飛行時間カメラに含まれていてもよい。

前述の通り、実位相差は、所望の／既知の／所定の位相差から静的にも動的にもドリフトし得るため、距離の計算の精度が下がる。本開示の１つの様態は、「実」電気パルスが、パルス出力ＯＵＴ１およびＯＵＴ２を調整するためのフィードバック情報として使用され得るように、シャッタドライバ２０４および照明器２０６からの能動的フィードバックを提供することに関する。シャッタドライバ２０４および照明器２０６の「実」電気パルスを取得するために、特殊な回路が、照明器２０６（ＡＣＴ１）およびシャッタドライバ２０４（ＡＣＴ２）で実電気パルスを検知するために提供され得る。特殊な回路は、照明器２０６の光源を駆動するドライバで、第１の実電気パルス（ＡＣＴ１）を検知する第１の検知回路と、電気シャッタドライバ２０４で、第２の実電気パルス（ＡＣＴ２）を検知する第２の検知回路とを含んでいてもよい。特殊な回路は、一部の実施形態ではシステムが高圧および高速の状態があるので、その意味は小さくはない。さらに、シャッタドライバ２０４および照明器２０６がそれぞれ相互に全く異なる独自の回路を有しているため、特殊な回路の持つ意味は、小さくはない。

本発明は、能動的フィードバックをどのように用いて、照明器とシャッタパルスとの間の位相誤差、または理想／必要／予想位相差からの偏差を低減させるかに関する。「実」電気パルス（例えば、ＡＣＴ１およびＡＣＴ２）は、所定の基準パルス（例えば、ＲＥＦ１およびＲＥＦ２それぞれ）で実パルスの位相差を測定するために、特殊な回路（例えば、位相検出２１０および位相検出２１２）への入力として提供される。例えば、ＲＥＦ１およびＲＥＦ２などの基準パルスは、既知の／所定の位相差を有する理想／必要／予想位相差を示してもよい。換言すれば、第１の基準電気パルスＲＥＦ１および第２の基準電気パルスＲＥＦ２が、所定の位相差を有する所望の電気パルスを示してもよい。

（基準パルスの）位相差／誤差が測定されると、特殊な回路（例えば、位相調整２１４および位相調整２１６）は、位相補正アルゴリズムを実装して、実パルスと基準パルスとの間の位相差／誤差をゼロにするよう、タイミング発生器２０８によって生成されるパルス出力ＯＵＴ１およびＯＵＴ２を調整し得る。

一部の実施形態では、この特殊な回路は、第１の実電気パルス（例えば、ＡＣＴ１）および第１の基準電気パルス（例えば、ＲＥＦ１）に基づいて光源を駆動するドライバに提供される第１の出力電気パルス（例えば、ＯＵＴ１）を調整する第１の補償回路と、第２の実電気パルス（例えば、ＡＣＴ２）および第２の基準電気パルス（例えば、ＲＥＦ２）に基づいて電気シャッタドライバに提供される第２の出力電気パルス（例えば、ＯＵＴ２）を調整する第２の補償回路とを含んでいてもよい。第１の補償回路は、照明器２０６に提供される第１の出力電気パルス（例えば、ＯＵＴ１）を調整し、第１の基準電気パルス（例えば、ＲＥＦ１）により近い第１の実電気パルス（例えば、ＡＣＴ１）を駆動する第１の位相補正アルゴリズムを実装してもよい。第２の補償回路は、シャッタドライバ２０４に提供される第２の出力電気パルス（例えば、ＯＵＴ２）を調整し、第２の基準電気パルス（例えば、ＲＥＦ２）により近い第２の実電気パルス（例えば、ＡＣＴ２）を駆動する第２の位相補正アルゴリズムを実装してもよい。

当業者は、パルスの位相誤差（距離の決定における誤差の原因となり得る誤差）を測定する異なる手法を実装する他の適切なシステムも本開示によって想定されることを理解するであろう。このシステムの異なる変形形態を図３および４に示す。

パルス出力の位相を調整する制御ループ

図２に示すように、能動的補償スキームは、実電気パルスを検知し、検知されたパルスを能動的フィードバックとして用いて、出力パルスを制御する。したがって、能動的補償スキームは、出力パルスを制御して、飛行時間システムの位相整列誤差を低減させる制御ループ、具体的には、閉制御ループとして見てもよい。出力パルスは、位相検出器によって検出された個々の誤差に基づいて、動的に調整される。システムの安定性を確保するために、この閉制御ループは、能動的補償スキームが位相検出器によって検出された誤差を補正する速度を制御できるフィルタを実装してもよい。

図３は、本開示の一部の実施形態による、飛行時間カメラの位相整列誤差の能動的補償を提供する別の例示的なシステムの図である。この例では、第１のフィルタ３０２は、位相検出２１０と位相検出２１４との間に追加され、第２のフィルタ３０４は、位相検出２１２と位相検出２１６との間に追加される。第１のフィルタ３０２は、第１の時定数ＴＣ１を受け取り、第２のフィルタ３０２は、第２の時定数ＴＣ２を受け取ってもよい。第１および第２の時定数は、事前にプログラムされてもよい（例えば、起動時または工場で）。一部の例では、第１および第２の時定数は、ユーザによって指定されるか、または、飛行時間カメラの他の回路によって指定されてもよい。

これらのフィルタは、閉制御ループの応答時間が制御し得るように、個々の時定数に基づいて、位相検出誤差出力（例えば、位相誤差）を平均化および／または平等化してもよい。例えば、これらのフィルタは、時定数に基づいて、位相誤差が更新されるたびに、位相調整パラメーター（出力パルスのタイミングを調整するために、位相調整２１４および２１６によって使用される）が更新される速度を制御してもよい。これらのフィルタおよび時定数は、有利には、出力パルスの位相調整が過剰に急激にまたは急速に発生しないようにし（つまり、制御ループを振動させる）、出力パルスの位相調整が過剰に遅く発生しないようにする。単一のパルス間隔が出力パルスの大体１００ナノ秒であるシステムの場合、時定数と関連付けられた応答時間は、数１００分のナノ秒からマイクロ秒、ミリ秒の範囲になってもよい。

パルス出力を発生させる一般化制御ループ

図４は、本開示の一部の実施形態による、飛行時間カメラの位相整列誤差の能動的補償を提供するさらに別の例示的なシステムの図である。この図は、例えば、ＯＵＴ１およびＯＵＴ２などのパルス出力を発生させるのに使用される制御ループの１つのモデルを示す。このシステムは、照明器２０６とシャッタドライバ２０４を備える飛行時間カメラの位相整列誤差の能動的補償の電子回路を備える。この回路は、照明器２０６に対する制御ループのフィードバック経路内の第１の能動的補償回路４０２を含む。第１の能動的補償回路４０２は、第１のコンパレータ回路４１０および第１のアクチュエータ回路４１２を含む。この回路はまた、シャッタドライバ２０４に対する制御ループのフィードバック経路内の第２の能動的補償回路４０４も含む。第２の能動的補償回路４０４は、第２のコンパレータ回路４２０および第２のアクチュエータ回路４２２を含む。

第１のコンパレータ回路４１０は、照明器２０６で第１の実電気パルスＡＣＴ１を検知し、第１の実電気パルスＡＣＴ１と第１の基準電気パルスＲＥＦ１との間の第１の位相誤差を決定する。第１の位相誤差は、第１の実電気パルスＡＣＴ１と第１の基準電気パルスＲＥＦ１との間の第１の位相差またはタイミング差を含んでいてもよい。第２のコンパレータ回路４２０は、シャッタドライバ２０４で第２の実電気パルスＡＣＴ１を検知し、第２の実電気パルスＡＣＴ２と第２の基準電気パルスＲＥＦ２との間の第２の位相誤差を決定する。第２の位相誤差は、第２の実電気パルスＡＣＴ２と第２の基準電気パルスＲＥＦ２との間の第２の位相差またはタイミング差を含む。第１の基準電気パルスＲＥＦ１および第２の基準電気パルスＲＥＦが所望の／既知の／所定の位相差を有する２つのパルスを示す場合、これらのコンパレータ回路は、位相誤差を決定するため、実パルスの位相が基準パルスに一致するかを決定する。

第１の位相誤差に基づいて、第１のアクチュエータ回路４１２は、第１の位相誤差に基づいて、照明器２０６に提供される第１の出力電気パルスＯＵＴ１を発生させ、第２の位相誤差に基づいて、第２のアクチュエータ回路４２２は、第２の位相誤差に基づいて、シャッタドライバ２０４に提供される第２の出力電気パルスＯＵＴ２を発生させる。アクチュエータ回路は、位相誤差をゼロにするか、または低減され得るように、位相誤差に基づいて（ある場合）、正確なタイミングパルスを発生し、位相誤差に基づいて、正確なタイミングパルスの位相を動的に調整してもよい。具体的には、第１のアクチュエータ回路４１２は、照明器２０６に提供される第１の出力電気パルスＯＵＴ１を適応的に調整して、第１の位相誤差をゼロにし、第２のアクチュエータ回路４２２は、シャッタドライバ２０４に提供される第２の出力電気パルスＯＵＴ２を適応的に調整して、第２の位相誤差をゼロにしてもよい。

制御ループの安定性と望ましい動作を確保するために、第１のアクチュエータ回路４１２は、第１の位相誤差を用いて、第１の出力電気パルスを調整する前に、第１の位相誤差をフィルタリングする第１のプログラム可能な時定数ＴＣ１を含んでいてもよく、第２のアクチュエータ回路は、第２の位相誤差を用いて、第２の出力電気パルスを調整する前に、第２の位相誤差をフィルタリングする第２のプログラム可能な時定数ＴＣ２を含んでいてもよい。このフィルタリングは、タイミング定数に基づいて、平均化および／または平等化を含んでいてもよい。

一部の実施形態では、図４に示す電子回路は、照明器２０６によって照明された物体に関する距離情報を決定するための所定のタイミングまたは位相差で、第１の基準電気パルスＲＥＦ１および第２の基準電気パルスＲＥＦ２を発生させるように構成されたパルス発生器４８０をさらに含む。

例示的な能動補償

図５は、本開示の一部の実施形態による、照明器およびシャッタドライバを備える飛行時間カメラの位相整列誤差の能動的補償のための方法を示すフロー図である。以下の信号の参照記号は、図２〜４で説明／図示する参照記号に対応している。この方法は、照明器（タスク５０２）で、第１の実電気パルス（ＡＣＴ１）を検知することと、シャッタドライバ（タスク５０４）で、第２の実電気パルス（ＡＣＴ２）を検知することを含む。この方法は、第１の実電気パルスＡＣＴ１および第１の基準電気パルスＲＥＦ１に基づいて、照明器に提供される第１の出力電気パルスＯＵＴ１および第２の実電気パルスＡＣＴ２および第２の基準電気パルスＲＥＦ２に基づいて、シャッタドライバ４に提供される第２の出力電気パルスＯＵＴ２のうちの１つ以上（タスク５０６）を調整することをさらに含む。

第１の出力電気パルスＯＵＴ１を調整することは、位相検出器を用いて、第１の実電気パルスＡＣＴ１と第１の基準電気パルスＲＥＦ１を比較して、第１の位相誤差を決定することと、第１の位相誤差に基づいて、第１の出力電気パルスＯＵＴ１を調整することとを含む。第２の出力電気パルスＯＵＴ２を調整することは、位相検出器を用いて、第２の実電気パルスＡＣＴ２と第２の基準電気パルスＲＥＦ２を比較して、第２の位相誤差を決定することと、第２の位相誤差に基づいて、第２の出力電気パルスＯＵＴ２を調整することとを含む。

能動的補償スキームでは、第１の出力電気パルスＯＵＴ１を調整することが、第１の出力電気パルスＯＵＴ１を調整して、第１の実電気パルスＡＣＴ１と第１の基準電気パルスＲＥＦ１との間の第１の位相誤差をゼロにするか、または第１の位相誤差を低減させることを含む。一部の実施形態では、第１の出力電気パルスＯＵＴ１を調整することは、第１の実電気パルスＡＣＴ１と第１の基準電気パルスＲＥＦ１との間の第１の位相誤差を決定することと、第１の位相誤差を用いる前に第１の実電気パルスＡＣＴ１を有する第１のフィードバックループの第１の時定数ＴＣ１に従って第１の位相誤差をフィルタリングして、第１の出力電気パルスＯＵＴ１を調整することとを含む。

同様に、第２の出力電気パルスＯＵＴ２を調整することが、第２の出力電気パルスＯＵＴ２を調整して、第２の実電気パルスＡＣＴ２と第２の基準電気パルスＲＥＦ２との間の第２の位相誤差をゼロにするか、または第２の位相誤差を低減させることを含む。一部の実施形態では、第２の出力電気パルスＯＵＴ２を調整することは、第２の実電気パルスＡＣＴ２と第２の基準電気パルスＲＥＦ２との間の第２の位相誤差を決定することと、第２の位相誤差を用いる前に第２の実電気パルスＡＣＴ２を有する第２のフィードバックループの第２の時定数ＴＣ２に従って第２の位相誤差をフィルタリングして、第２の出力電気パルスＯＵＴ２を調整することとを含む。

照明パルスを検知する例示的な回路

図６は、本開示の一部の実施形態による、フィードバックのための、電気パルス出力を含む例示的な照明器設計の図である。この設計は、例えば、そのゲートが、図２〜４のＯＵＴ２などの、（タイミング発生器から）照明器に提供されるパルス出力によって駆動されるトランジスタ素子Ｍ１を含む。この照明器設計は、ダイオードＤ１がオンになると、飛行時間カメラに対して光を放ち得るダイオードＤ１を含む。トランジスタ素子Ｍ１がオフになると、貯留電圧がコンデンサーＣ１の正極に蓄積するため、コンデンサーＣ１が帯電される。ノードＮ１の電圧も「高」となる。パルス（例えば、ＯＵＴ２）が到達し、トランジスタ素子Ｍ１（例えば、パワー電界効果トランジスタ）がオンになると、ダイオードＤ１は短絡状態（低抵抗）になり、相当の電荷量がコンデンサーＣ１から放電され、ダイオードＤ１を流れる電流として放出され、Ｄ１によって光が放たれる。

照明器にある実電気パルスを検知するために、例えば、図２〜４のＡＣＴ１などの、照明器における「実」電気パルスとして使用されるノードＮ１での電圧を抽出できる。タイミング発生器によって提供されたパルスの結果、ダイオードＤ１がオンになると、抵抗素子Ｒ２およびコンデンサーＣ１の放電によって、ノードＮ１での電圧が接地にまで下げられる。その結果、ノードＮ１での電圧は、入ってくる正のパルス（ＯＵＴ１）に応答して、負のパルス（ＡＣＴ１）を持つ。負のパルス（ＡＣＴ１）は、位相誤差を補償するための能動的フィードバックとして効果的に用いることができる。

図６に示すように、第１の実電気パルス（ＡＣＴ１）は、照明器（例えば、ノードＮ１）内の回路ノードで電気パルスを検知することを含み、第１の実電気パルス（ＡＣＴ１）は、照明器の光源（例えば、ダイオードＤ１）をオンにするパルスを表す。本開示によって、照明器設計に他の回路アーキテクチャを用いてもよいことが想定される。回路アーキテクチャに応じて、能動的フィードバックに対して、照明器で「実」電気パルスを提供するのに、他の適切なノードを用いてもよい。その精度がダイオードがオンになった時に、実際の時間に対する「実」または検知された電気パルスのタイミングの近さによって決定される、照明器で「実」電気パルスを提供することにおいて、一部のノードがより正確であり得ることに留意されたい。したがって、ノードの選択は、所定のシステムに「実」電気パルスを提供する特定のノードの使いやすさまたは連結しやすさの他、「実」電気パルスの精度により得る。

一部の実施形態では、第２の実電気パルス（ＡＣＴ１）を検出することが、照明器の感光素子（例えば、フォトダイオードまたは光源および光源を駆動するドライバと共同設置された同様の感光センサ）を用いて、照明器の光源によって放出された光を検知することを含む。この感光素子は、光源によって放出された光を検知したことに応答して、第１の実電気パルス（ＡＣＴ１）として、実電気パルスを発生させ得る。この感光素子は、画像センサに付属したものとして提供しないのが好ましい。非常に正確な実電気パルスを発生させ得るように、感光素子は、照明器の光源に非常に近いところに配置するのが望ましい。

サンプルの特性

例１は、照明器とシャッタドライバを備える飛行時間カメラの位相整列誤差の能動的補償のための方法である。この方法は、照明器で第１の実電気パルスを検出すること、シャッタドライバで第２の実電気パルスを検出すること、第１の実電気パルスおよび第１の基準電気パルスに基づいて、照明器に提供される第１の出力電気パルスを調整すること、および第２の実電気パルスおよび第２の基準電気パルスに基づいて、シャッタドライバに提供される第２の出力電気パルスを調整することとを含む。

例２は、例１の方法で、第１の出力電気パルスを調整することが、位相検出器を用いて第１の実電気パルスを第１の基準電気パルスと比較して、第１の位相誤差を決定することと、第１の位相誤差に基づいて、照明器の第１の出力電気パルスを調整することとを含む。

例３は、例１の方法で、第２の出力電気パルスを調整することが、位相検出器を用いて第２の実電気パルスを第２の基準電気パルスと比較して、第２の位相誤差を決定することと、第２の位相誤差に基づいて、シャッタドライバの第２の出力電気パルスを調整することとを含む。

例４は、例１による方法で、第１の実電気パルスを検出することが、図６に示す設計を用いて実行される。

例５は、例１による方法で、位相検出器が、２つの入力信号パルス間の位相差またはタイミング差、または２つの入力信号パルス間のタイミング差を決定するように構成される。

例６は、例１による方法で、第１の実電気パルスを検出することが、第１の実電気パルスと第１の基準電気パルスとの間の第１の位相誤差を低減させることを含む。

例７は、例１による方法で、第２の実電気パルスを検出することが、第２の実電気パルスと第２の基準電気パルスとの間の第２の位相誤差を低減させることを含む。

例８は、照明器とシャッタドライバを備える飛行時間カメラの位相整列誤差の能動的補償の装置である。この装置は、照明器で第１の実電気パルスを検出する手段と、シャッタドライバで第２の実電気パルスを検出する手段と、第１の実電気パルスおよび第１の基準電気パルスに基づいて、照明器に提供される第１の出力電気パルスを調整する手段と、第２の実電気パルスおよび第２の基準電気パルスに基づいて、シャッタドライバに提供される第２の出力電気パルスを調整する手段とを含む。

例９は、例８による装置で、例１〜７のうちいずれか１つを実装する手段を含む。

例１０は、照明器とシャッタドライバを備える飛行時間カメラの位相整列誤差の能動的補償の装置である。この装置は、照明器で第１の実電気パルスを検出する第１の検知回路と、シャッタドライバで第２の実電気パルスを検出する第２の検知回路と、第１の実電気パルスおよび第１の基準電気パルスに基づいて、照明器に提供される第１の出力電気パルスを調整する第１の補償回路と、第２の実電気パルスおよび第２の基準電気パルスに基づいて、シャッタドライバに提供される第２の出力電気パルスを調整する第２の補償回路とを含む。

例１１は、例１〜７のうちいずれか１つを実装する回路をさらに含み得る装置である。

変形形態および実装形態

（図２〜３の他）図４に示すシステムは、動的および能動的補償スキームを示すが、これは、工場での較正または強引な解決法とは混同されない。工場での較正または強引な解決法は、電流位相誤差を測定すること、および該誤差を能動的に補償することを伴わない。

能動的補償スキームは、定期的に実行されてもよい（制御ループが各期間ごとに１回繰り返される）。一部の場合、能動的補償スキームは、ユーザからの信号に応答してオンになってもよい。一部の場合、能動的補償スキームは、繰り返し、かつ連続で実行される（バックグラウンドでの動作中）。

本明細書に記載の一部の実施形態は、電気的解決法に基づいて、照明器でパルスを検出すること（つまり、照明器の回路ノード内の電気信号を検知すること）を伴うが、これは、光学的解決法（つまり、実電気パルスを発生させる感光素子を使用すること）とは区別される。一部の場合、電気的解決法によって、このような基準センサまたは画像センサを伴うピクセルを有する必要性がなくなり得るため、電気的解決法が好ましい。

また、本明細書に記載の一部の実施形態は、（１）照明器に提供される第１の出力電気パルスおよび（２）シャッタドライバに提供される第２の出力電気パルスの両方を調整することに関する、ということに留意することが重要である。しかしながら、一部の実施形態では、（１）および（２）のうちいずれか１つのみが調整されることが、当業者には理解されよう。一部の場合、（１）および（２）のうちいずれか１つは、大きな歪みを見せない（または比較的精度が高いことが予想される）ため、位相は調整されない可能性がある。このような実施形態も、本開示によって想定される。

本開示は、単一のシャッタドライバ／画像センサおよび単一の照明器を有する飛行時間システムに限定されない。飛行時間システムは、複数のシャッタドライバ／画像センサおよび／または複数の照明器を含んでいてもよい。これらのシステムは、それにもかかわらず、本明細書に記載の位相整列誤差を被るだろう。したがって、対応する回路は、位相整列誤差を低減させ、かつ能動的に補償するために、複数のシャッタドライバ／画像センサおよび／または複数の照明器に提供され得る。

位相検出器および／またはコンパレータ回路の実装形態は、些末なことがらとはいえない場合がある。シャッタドライバおよび照明器が全く異なるサブシステム（例えば、異なる電圧、信号の形状、プロセス技術など）であるため、シャッタドライバおよび照明器の回路および実電気パルスは、全く異なる場合がある。実電気パルスは、必ずしも基準電気パルスと同じ種類の信号になるとは限らない場合がある。電気的に、これらの差によって、実電気パルスと基準電気パルスを比較して、２種類の信号間の位相誤差を抽出することが難しくなる。実電気パルスが基準電気パルスと比較される前に、ゲインの差に対して、実電気パルスが形成、測定、調整などされ得る。一部の場合、全く異なる２種類の入力信号からエッジ情報を抽出して、位相誤差を決定するために、位相検出器および／またはコンパレータ回路が実装される。例えば、位相検出器および／またはコンパレータ回路は、エッジ情報を抽出するために、閾値検出器および論理回路を含んでいてもよい。

一部の実施形態では、所望の位相差を有する基準電気パルスは、パルス発生器またはタイミング発生器によって発生されてもよい。一部の他の実施形態では、パルスの絶対タイミングが飛行時間システムの精度にとって重要ではなく、かつ飛行時間システムの精度に影響するのが相対タイミング（位相差）であるため、飛行時間システム内の１つの経路の実電気パルスは、その飛行時間システムの別の経路の基準電気パルスとして機能し得る。したがって、位相検出器および／またはコンパレータ回路は、２つの信号を比較して、２つの信号間の位相差が正しいか、または、オフか、または、一部の位相誤差による理想的な位相差から離れているかを決定する。例えば、シャッタドライバでの第２の実電気パルスを使用できる、または、該照明器での第１の実電気パルスと比較される第１の基準電気パルスとして機能し得る。別の例では、シャッタドライバでの第１の実電気パルスを使用できる、または、該シャッタドライバでの第２の実電気パルスと比較される第２の基準電気パルスとして機能し得る。

ある文脈では、本明細書に記載の特性は、物体の距離を決定することが望ましい多くのシステムに適用可能である。例示的なシステムは、スポーツ用電子機器、軍装備品、自動車システム、医療システム、科学計器、レーダー、産業用プロセス制御、および正確な飛行時間カメラを利用し得る任意の適切なシステムを含む。さらに、医療画像、患者監視、医療機器、および在宅医療において、前述の特定の実施形態が提供し得る。他の用途は、安全装置向けの自動車技術（例えば、安定性制御システム、ドライバ支援システム、ブレーキングシステム、任意の種類のインフォテインメントおよび内装用途）を伴い得る。例えば、ドライバ支援システムは、飛行時間を用いて、道路上の他の人々、車、または物体を決定する。数センチで衝突に至る可能性があるため、距離決定の精度が非常に重要な場合がある。さらに別のシナリオでは、本開示の教示は、生産性、エネルギー効率、および信頼性の向上を支援する産業用プロセス制御を含む、産業市場に適用可能である。消費者用途では、前述の信号処理回路の教示は、マンマシンインターフェース、ゲーム、画像処理、オートフォーカスなどに使用し得る。説明した手法は、容易にスマートフォン、タブレット、セキュリティーシステム、ＰＣ、ゲーム技術、バーチャルリアリティー、シミュレーショントレーニングなどの一部になり得る。

前述の実施形態の説明において、特定の回路の需要に応えるため、コンデンサー、クロック、ＤＥＦ、分割器、誘導子、抵抗器、増幅器、スイッチ、デジタルコア、トランジスタ、および／または他の構成要素は、容易に置換、代替、あるいは他の方法で修正されてもよい。さらに、補助的な電子素子、ハードウェア、ソフトウェアなどの使用が、本開示の教示を実装するために同様に実行可能な選択肢を提供することに留意されたい。

本開示／特許請求の範囲は、ＮＭＯＳトランジスタ素子を用いた実装形態を説明しているが、開示された電圧バッファーを提供するために、ＰＭＯＳトランジスタ（Ｐ型金属酸化膜半導体トランジスタ）または同等のバイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）を使用した補助的な構成も１つ以上のＮＭＯＳトランジスタ（またはトランジスタ素子）と置換し得ることが想定される。トランジスタ素子は、３つの（主）端子を有する素子として一般化され得ることが当業者には理解されよう。さらに、動作中、トランジスタ素子がＮＭＯＳ、ＰＭＯＳ、ＮＰＮ、ＢＪＴ素子（およびその他任意の同等のトランジスタ素子）に対応するトランジスタの特徴的挙動を有し得ることが当業者には理解されよう。例えば、本開示／特許請求の範囲は、全てのＮＭＯＳ素子がＰＭＯＳ素子に置換される実装形態を包含する。ＰＭＯＳ素子を使用する回路は、ＮＭＯＳ素子を用いた本明細書に記載の回路と比較して、「逆さまの」方法で構成される（Ｖ＋およびアースが置き換えられる）。種々の実装形態が、実質的に同じ結果を生む実質的に同じ方法で実質的に同じ機能を実行するため、種々の実装形態は、ＮＭＯＳトランジスタ素子を用いた開示された実装形態と同等である。

当業者には、補助的なまたは同等の構成（ＮＭＯＳトランジスタの代わりにＢＪＴを用いた）が、ＮＭＯＳトランジスタを用いた本明細書に記載の実施形態と互換性があることが考慮されよう。例えば、本開示／特許請求の範囲は、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）素子について言及する場合、本開示／特許請求の範囲もＢＪＴの「ドレイン」が「コレクタ」に対応する同等の実装形態を想定している。ＢＪＴの「エミッタ」に対応するＭＯＳＦＥＴの「ソース」、およびＢＪＴの「ベース」に対応するＭＯＳＦＥＴの「ゲート」も同様である。「ソースフォロワ」素子は、「エミッタフォロワ」素子などに対応し得る。

飛行時間カメラの位相整列誤差の能動的補償の種々の装置の部品は、本明細書に記載の機能を実行する特殊な電子回路を含み得る。一部の場合、この装置の１つ以上の部品は、本明細書に記載の機能を実行するよう、特別に構成されたプロセッサによって提供され得る。例えば、このプロセッサは、１つ以上の用途固有の構成要素を含んでいてもよく、または、本明細書に記載の機能を実行するように構成されたプログラマブルロジックゲートを含んでいてもよい。この回路は、アナログ領域、デジタル領域、または混合の単一領域で動作し得る。一部の場合、このプロセッサは、非一時性のコンピュータ媒体に格納された１つ以上の命令を実行することによって、本明細書に記載の機能を実行するように構成されてもよい。

１つの例示的な実施形態では、任意の数の図の電気回路は、関連電子素子の基板上に実装されてもよい。この基板は、飛行時間システム向けに作成された回路基板であってもよく、この回路基板は、電子素子の内部電子システムの種々の構成要素を保持し、さらに、他の周辺機器のためのコネクターを提供してもよい。より具体的には、この基板は、システムの他の構成要素が電気的に通信できるようになる、電気的接続部を提供してもよい。任意の適切なプロセッサ（デジタル信号プロセッサ、マイクロプロセッサ、支持チップセットなど）、非一時的なコンピュータ可読メモリー要素などは、特定の構成需要、処理需要、コンピュータ設計などに基づいて、基板に適切に連結されてもよい。外部記憶装置、追加のセンサ、音声／映像表示のためのコントローラー、および周辺機器などの他の構成要素をケーブルを介して、プラグインカードとして基板に取り付けてもよく、または基板自体に統合してもよい。種々の実施形態では、本明細書に記載の機能は、これらの機能を支持する構造内に配置された１つ以上の構成可能な（例えば、プログラム可能な）要素内で実行されるソフトウェアまたはファームウェアとして、模倣の形式で実装されてもよい。模倣を提供するこのソフトウェアまたはファームウェアは、これらの機能を実行できるようにする命令を含む、非一時的なコンピュータ可読記憶媒体で提供されてもよい。

別の例示的な実施形態では、図の電気回路は、スタンドアロンモジュール（例えば、固有の用途または機能を実行するように構成された構成要素または回路と関連付けられた素子）に実装されてもよく、または、プラグインモジュールとして、電子素子の用途固有のハードウェアに実装されてもよい。本開示の特定の実施形態は、その一部または全部がシステムオンチップ（ＳＯＣ）パッケージに容易に含まれ得ることに留意されたい。ＳＯＣは、コンピュータまたは他の電子システムを１つのチップに集積するＩＣを表す。これは、デジタル、アナログ、混合信号、および、多くの場合、無線周波数機能を含んでいてもよく、これらの全ては、単一チップ基板上に提供されてもよい。他の実施形態は、単一の電子パッケージ内に配置され、電子パッケージを通じて相互に密接に作用するように構成された複数の個別のＩＣマルチチップモジュール（ＭＣＭ）を含んでいてもよい。その他種々の実施形態では、能動的補償機能は、１つ以上の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、および他の半導体チップに実装されてもよい。

本明細書に記載の全ての仕様、寸法、および関係性（例えば、プロセッサ、論理演算などの数）が例示および教示目的のためだけに提供されたことに留意することも必要である。このような情報は、本開示の精神または特許請求の範囲（ある場合）の範囲から逸脱することなく大幅に変わり得る。仕様は、１つの比限定的な例にのみ適用されるため、したがって、そのようなものとして解釈されるべきである。前述の説明において、例示的な実施形態は、特定のプロセッサおよび／または構成要素の配列を参照して説明されてきた。種々の修正および変更は、本開示の精神または特許請求の範囲（ある場合）の範囲から逸脱することなくこのような実施形態になされ得る。したがって、説明および図面は、限定的な意味ではなく、例示的な意味で考慮される。

本明細書で提供された多くの例は、２個、３個、４個、またはそれ以上の電気的構成要素の点で説明されてもよいことに留意されたい。しかしながら、これは、簡潔性および例示のためだけになされてきた。このシステムが任意の適切な方法で確立されることが理解されよう。類似の代替設計に沿って、図に図示した構成要素、モジュール、および要素のいずれかは、種々の可能な構成で結合されてもよく、その全てが明確に本明細書の広範な範囲内にある。特定の場合、限られた数の電気素子を参照するだけで、所定のフローの流れの機能のうちの１つ以上を説明することがより簡単な場合がある。図の電気回路およびその教示は容易に拡張可能で、より複雑／高度な配列および構成の他、多くの構成要素を収容でき得ることが理解されよう。したがって、提供される例は、その他多くのアーキテクチャに潜在的に適用されるように、その範囲を制限、または電気回路の広範な教示を抑制すべきではない。

本明細書において、「１つの実施形態」、「例示的な実施形態」、「１つの実施形態」、「別の実施形態」、「一部の実施形態」、「種々の実施形態」、「他の実施形態」、「代替実施形態」などに含まれる種々の特性（例えば、要素、構造、モジュール、構成要素、手順、操作、特徴など）は、任意のこのような特性が本開示の１つ以上の実施形態に含まれるが、同じ実施形態で必ずしも結合されない場合があることを意味するものであることに留意されたい。

位相誤差の能動的補償に関連する機能または方法手順が図に示すシステムによって、またはそのシステム内で実行され得る可能な機能の一部のみを示すことにも留意することが重要である。これらの操作の一部は、必要に応じて削除または除去されてもよく、またはこれらの操作は、本開示の範囲から逸脱することなく、大幅に修正または変更されてもよい。さらに、これらの操作のタイミングは、大幅に変更されてもよい。前述の操作の流れは、例示および議論のためだけに提供されてきた。本開示の教示から逸脱することなく、任意の適切な配置、出来事の順序、およびタイミング機構が提供されるという点で、大幅な柔軟性が本明細書に記載の実施形態によって提供される。

その他多くの変更、代替、変形形態、改変、および修正が当業者に解明され得、本開示または添付の特許請求の範囲（あれば）の範囲内に含まれるように、本開示がこのような全ての変更、代替、変形形態、改変、および修正を包含することが意図される。前述の装置の全ての任意の特性も本明細書に記載の方法またはプロセスに関して実装されてもよく、例における詳細は、１つ以上の実施形態の任意の場所で用いられてもよい。

Claims (20)

1. 照明器およびシャッタドライバを備える飛行時間カメラの位相整列誤差の能動的補償のための方法であって、
   前記照明器で第１の実電気パルスを検知することと、
   前記シャッタドライバで第２の実電気パルスを検知することと、
   前記第１の実電気パルスおよび第１の基準電気パルスに基づいて、前記照明器に提供される第１の出力電気パルス、ならびに
   前記第２の実電気パルスおよび第２の基準電気パルスに基づいて、前記シャッタドライバに提供される第２の出力電気パルスのうちの、1つ以上を調整することと、を含む、方法。
2. 前記第１の出力電気パルスを調整することが、
   位相検出器を用いて前記第１の実電気パルスを前記第１の基準電気パルスと比較して、第１の位相誤差を決定することと、
   前記第１の位相誤差に基づいて、前記照明器の前記第１の出力電気パルスを調整することと、を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記第２の出力電気パルスを調整することが、
   前記位相検出器を用いて前記第２の実電気パルスを前記第２の基準電気パルスと比較して、第２の位相誤差を決定することと、
   前記第２の位相誤差に基づいて、前記シャッタドライバの前記第２の出力電気パルスを調整することと、を含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記第１の実電気パルスを検知することが、前記照明器の回路ノードで電気パルスを検知することを含み、前記第１の実電気パルスが、前記照明器の光源をオンにするパルスを表す、請求項１に記載の方法。
5. 前記第１の実電気パルスを検知することが、
   前記照明器の感光素子を用いて、前記照明器の光源によって放出された光を検知することと、
   前記光源によって放出された前記光を検知したことに応答して、前記感光素子によって、電気パルスを前記第１の実電気パルスとして発生させることと、を含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記第１の出力電気パルスを調整することが、前記第１の出力電気パルスを調整して、前記第１の実電気パルスと前記第１の基準電気パルスとの間の第１の位相誤差をゼロにするか、または前記第２の位相誤差を低減させることを含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記第１の出力電気パルスを調整することが、
   前記第１の実電気パルスと第１の基準電気パルスとの間の第１の位相誤差を決定することと、
   前記第１の位相誤差を用いる前に前記第１の実電気パルスをフィードバック信号として有する第１のフィードバックループの第１の時定数に従って前記第１の位相誤差をフィルタリングして、前記第１の出力電気パルスを調整することと、を含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記第２の出力電気パルスを調整することが、前記第２の出力電気パルスを調整して、前記第２の実電気パルスと前記第２の基準電気パルスとの間の第２の位相誤差をゼロにするか、または前記第２の位相誤差を低減させることを含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記第２の出力電気パルスを調整することが、
   前記第２の実電気パルスと第２の基準電気パルスとの間の第２の位相誤差を決定することと、
   前記第２の位相誤差を用いる前に前記第２の実電気パルスを有する第２のフィードバックループの第２の時定数に従って前記第２の位相誤差をフィルタリングして、前記第２の出力電気パルスを調整することと、を含む、請求項１に記載の方法。
10. 照明器およびシャッタドライバを備える飛行時間カメラの位相整列誤差の能動的補償のための回路であって、
    前記照明器で第１の実電気パルスを検知し、前記第１の実電気パルスと第１の基準電気パルスとの間の第１の位相誤差を決定するための第１のコンパレータ回路と、
    前記照明器で第２の実電気パルスを検知し、前記第２の実電気パルスと第２の基準電気パルスとの間の第２の位相誤差を決定するための第２のコンパレータ回路と、
    前記第１の位相誤差に基づいて、前記照明器に提供される第１の出力電気パルスを発生させるための第１のアクチュエータ回路と、
    前記第２の位相誤差に基づいて、前記シャッタドライバに提供される第２の出力電気パルスを発生させるための第２のアクチュエータ回路と、を含む、回路。
11. 前記第１の位相誤差が、前記第１の実電気パルスと前記第１の基準電気パルスとの間の第１の位相またはタイミング差を含む、請求項１０に記載の回路。
12. 前記第２の位相誤差が、前記第２の実電気パルスと前記第２の基準電気パルスとの間の第２の位相またはタイミング差を含む、請求項１０に記載の回路。
13. 前記第１のアクチュエータ回路が、前記第１の位相誤差を用いる前に前記第１の位相誤差をフィルタリングして、前記第１の出力電気パルスを調整するための第１のプログラム可能な時定数を含む、請求項１０に記載の回路。
14. 前記第２のアクチュエータ回路が、前記第２の位相誤差を用いる前に前記第２の位相誤差をフィルタリングして、前記第２の出力電気パルスを調整するための第２のプログラム可能な時定数を含む、請求項１０に記載の回路。
15. 前記第１のアクチュエータ回路が、前記照明器に提供される第１の出力電気パルスを適応的に調整して、前記第１の位相誤差をゼロにし、
    前記第２のアクチュエータ回路が、前記シャッタドライバに提供される第２の出力電気パルスを適応的に調整して、前記第２の位相誤差をゼロにする、請求項１０に記載の回路。
16. 前記照明器によって照明された物体に関する距離情報を決定するために、所定のタイミングで前記第１の基準電気パルスおよび前記第２の基準電気パルスを発生させるように構成されたパルス発生器をさらに含む、請求項１０に記載の回路。
17. 位相整列誤差の能動的補償を備えた飛行時間システムであって、
    光源を駆動するドライバと、
    画像センサに連結された電子シャッタドライバと、
    前記光源を駆動する前記ドライバで第１の実電気パルスを検知するための第１の検知回路と、
    前記電子シャッタドライバで第２の実電気パルスを検知するための第２の検知回路と、
    前記第１の実電気パルスおよび第１の基準電気パルスに基づいて、前記光源を駆動する前記ドライバに提供される第１の出力電気パルスを調整するための第１の補償回路と、
    前記第２の実電気パルスおよび第２の基準電気パルスに基づいて、前記電子シャッタドライバに提供される第２の出力電気パルスを調整するための第２の補償回路と、を含み、
    前記画像センサから捕捉された画像信号および前記第１および第２の出力電気パルスと関連付けられた所定の位相差が、飛行時間システムから物体の距離を計算するために使用される、前記飛行時間システム。
18. 前記第２の実電気パルスが、前記第１の基準電気パルスとして機能する、請求項１７に記載の飛行時間システム。
19. 前記第１の実電気パルスが、前記第２の基準電気パルスとして機能する、請求項１７に記載の飛行時間システム。
20. 前記第１の基準電気パルスおよび前記第２の基準電気パルスが、所定の位相差を有する所望の電気パルスを表し、
    前記第１の補償回路が、前記照明器に提供される第１の出力電気パルスを調整し、前記第１の基準電気パルスにより近い前記第１の実電気パルスを駆動し、
    前記第２の補償回路が、前記シャッタドライバに提供される第２の出力電気パルスを調整し、前記第２の基準電気パルスにより近い前記第１の実電気パルスを駆動する、請求項１７に記載の飛行時間システム。