TWI435051B - 位置及深度之檢出裝置及其方法 - Google Patents
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Description
本發明係有關於一種位置及深度之檢出裝置及其方法，特別是有關於一種光學式位置及深度之檢出裝置及其方法。
現今量測一物體表面的曲率之方式有許多種，舉例來說，有投射疊紋法、干涉法、像差法以及雷射掃描三角定位法；其中疊紋量測技術一般採用穿透式或斜向反射式以形成疊紋，雖具有低成本、系統架構簡單與穩定性高的優點，但穿透式量測架構只適用於透明物體表面曲率之量測，並無法運用至不具透光性之物體表面之曲率量測。而斜向反射式則存在理論計算複雜的缺點，並且受限於反射影像的強度較弱，因此影像對比度差而將導致表面曲率之誤差值提高。
此外，干涉法、像差法以及雷射掃描三角定位法，其不僅理論計算複雜，且其量測系統及裝置更是相當複雜且昂貴，因此具有高成本之缺點。
因此，如何設計出簡單的架構，其可量測物體的表面深淺變化，實為目前研究發展之一重要方向。
本發明係有關於一種位置及深度之檢出裝置及其方法，其具有簡易的組成構件，不需要複雜的檢測方式即可檢測出待測物的位置及深度資訊。
根據本發明之一方面，提出一種位置及深度之檢出裝置，用以檢出具有一表面之待測物的位置及深度，此位置及深度之檢出裝置至少包括一電控擺動元件、一光源、一光學系統、一儲存單元以及一計算單元。該電控擺動元件係經由以電氣驅動之一致動器控制此電控擺動元件的擺動角度。該光源係藉由此電控擺動元件將該光源的光束反射至此表面以產生光點。該光學系統係用以接收投射至此表面的光點之投射資訊。該儲存單元係用以儲存投射至一預設平面的光點之預設資訊。該計算單元係依據此投射資訊與此預設資訊計算出待測物的深度資訊。
根據本發明另一方面，提出一種檢出位置及深度之方法，用以檢出具有一表面之待測物的位置及深度，此檢出位置及深度之方法包括下列步驟：利用一光源發射一光束；此光束藉由一電控擺動元件之往復擺動來反射至此表面，使得此光束掃描範圍涵蓋此表面並產生複數光點；經由一光學系統接收投射至此表面的此些光點之複數投射資訊；以及根據此些光點投射至一預設平面之複數預設資訊與此些投射資訊，計算出待測物的深度資訊。
為使本發明之上述內容能更明顯易懂，下文特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
請參照第一圖，其繪示本發明一實施例之一種位置及深度檢出系統100的示意圖。本實施例之位置及深度檢出系統100包括一待測物110、一光源120、一光學系統130、一光感測元件140、一電控擺動元件150、一計算單元160以及一儲存單元170。
該待測物110可為一種具有至少一表面之物體，此表面可能係具有一凹凸不平整的輪廓。該光源120可為可見光或不可見光，其可提供一平行光束，例如雷射光束，使得該光源120所發射之光束經過一段距離後其發散程度不至於太大。此外，該光源120在空間平面上所產生的光點形狀可為圓形、長條圓形、或圓形與長條圓形的反覆漸變形狀，其中長條圓形光點係由脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)控制或脈衝頻率調變(Pulse Frequency Modulation，PFM)控制所產生。而光點形狀可藉由該電控擺動元件150之擺動角度與該光源120之開啟與關閉所控制。
該光學系統130係包括至少一鏡片，用以接收光學資訊，且其視角係涵蓋所需之空間平面。該光感測元件140，例如是線狀CMOS感測器與線狀CCD感測器，其係位於該光學系統130的一成像端，用以感測影像資訊。於一實施例中，該光學系統130與該光感測元件140係可以一攝頭鏡頭來實現。該電控擺動元件150係進行週期性擺動，其擺動角度之範圍係使得反射的光束可涵蓋所需之空間平面，且擺動角度可經由擺動頻率或給定訊號決定。該計算單元160例如是一中央微處理器，其可接收該光源120等所傳送之資料，並依據所接收的資料計算出所需資訊。該儲存單元170例如是硬碟、快閃記憶體等，用以儲存資訊。
請參照第二圖，其繪示本發明前述實施例之檢出位置及深度之方法流程圖，用以檢出具有一表面之一待測物的位置及深度。請同時參照第一圖。於步驟S210中，利用該光源120發射一光束。舉例來說，該光源120可以朝向該電控擺動元件150之方向發射光束。
於步驟S220中，前述光束藉由該電控擺動元件150之往復擺動來反射至該待測物110的一表面，使得光束掃描範圍涵蓋該待測物110的該表面並於其上產生複數光點。其中該電控擺動元件150係經由以電氣驅動之一致動器控制該電控擺動元件150的擺動角度，使得該電控擺動元件150可為往復擺動並涵蓋該待測物110的該表面。此外，該光源120係藉由該電控擺動元件150而將該光源120的光束反射至該待測物110的該表面以於其上產生光點。
於步驟S230中，經由該光學系統130接收投射至該待測物110的該表面的此些光點之複數投射資訊。舉例來說，該光源120所發出之光束係經由該電控擺動元件150的往復擺動，使得光束於該待測物110的該表面上於不同時間點產生光點，而該光學系統130則於不同時間點個別接收此些光點的投射資訊。舉例來說，於一特定時間點上，也就是該電控擺動元件150係為一特定擺動角度時，投射於該待測物110該表面的光點係只有一個，此時該光學系統130接收具有一特定光點投射於該待測物110表面的影像資訊。
於步驟S240中，該計算單元160根據此些光點投射至一預設平面之複數預設資訊與此些投射資訊，計算出該待測物110的該表面的深度資訊。舉例來說，該光源120所發出之光束投射至該待測物110前，先經由該電控擺動元件150反射至一預設平面(Default Plane，DP)，並於其上產生複數光點，而該光學系統130接收產生於該預設平面DP上的光點之資訊，並以預設資訊的方式將其儲存於該儲存單元170。也就是該儲存單元170將儲存投射至該預設平面的光點之預設資訊。而該計算單元160將依據此些投射資訊與此些預設資訊計算出該待測物110的該表面的深度資訊與軸向位置，其中深度資訊可為該表面的深度變化。如此一來，該計算單元160即可結合此光點的深度資訊與軸向位置而計算出該待測物110表面上特定光點的二維位置。而由於該電控擺動元件150係往復擺動並涵蓋該待測物110的表面，所以當該待測物110的表面上所有光點的個別深度資訊與軸向位置皆計算出後，即可統整此些資訊而構成該待測物110表面的二維資訊，也就是計算出該待測物110在空間上之二維位置。
以下將詳細介紹如何依據投射資訊與預設資訊計算出深度資訊。
請參照第三圖，其繪示本發明一實施例之一種位置及深度檢出系統300利用光點中心偏移量來計算深度資訊之示意圖。其中待測物310、光源320、光學系統330、光感測元件340、電控擺動元件350、計算單元360以及儲存單元370類似於第一圖中的待測物110、光源120、光學系統130、光感測元件140、電控擺動元件150、計算單元160以及儲存單元170，於此不再贅述。其中β係電控擺動元件150可擺動的角度。
當該電控擺動元件350的擺動角度係一特定角度時，光束投射至一預設平面(Default Plane，DP)與該待測物310表面的光點例如係分別為PLP(Plane Light Point，PLP)與OLP(Object Light Point，OLP)。舉例來說，當該電控擺動元件350的擺動角度係一第一角度時，投射至該預設平面DP與該待測物310表面的光點係分別為PLP1與OLP1，而該光學系統330各別接收PLP1與OLP1的資訊並成像於該光感測元件340，藉此分別產生對應至OLP1之物體光點影像ROLP1(Reflection OLP)之投射資訊以及對應至PLP1之平面光點影像RPLP1(Reflection PLP)之預設資訊。其中，ROLP1與RPLP1之中心偏移量係D1。
其中，由於該預設平面DP係已知，所以成像於該光感測元件340的RPLP1之預設資訊係預先儲存於該儲存單元370。而該計算單元360則依據此預設資訊與此投射資訊得到之此光點的一中心偏移量來計算出該待測物的一深度資訊。舉例來說，當該電控擺動元件350的擺動角度係固定時，當ROLP1與RPLP1之中心偏移量愈大時，則代表光束投射至該待測物310上的光點OLP1與PLP1距離愈遠，藉此計算單元360可計算出該待測物310表面上的OLP1距離該預設平面DP的距離H1。
以此類推，該電控擺動元件350的擺動角度係第二、第三、第四、第五角度時，投射至該預設平面DP與該待測物310表面的光點係分別為PLP2~PLP5與OLP2~OLP5，而該光學系統330各別接收PLP2~PLP5與OLP2~OLP5的資訊並成像於該光感測元件340，藉此分別產生對應至OLP2~OLP5之物體光點影像ROLP2~ROLP5之投射資訊以及對應至PLP2~PLP5之平面光點影像RPLP2~RPLP5之預設資訊。其中，ROLP2~ROLP5與RPLP2~RPLP5之中心偏移量係各別為D2~D5。而由於該光源320所產生之光束非常的小，且該電控擺動元件350的可控制之擺動角度也相當精密，使得藉由光點中心偏移量來計算深度資訊之誤差係可接受的。而由於該光源320所發出之光束可涵蓋該待測物310的表面，故此該計算單元360可計算出該待測物310一表面的深淺變化，進而獲得該待測物310的深度資訊。
於另一實施例中，可藉由光點的大小變形量來計算出待測物的深度資訊。
請參照第四圖，其繪示本發明一實施例之一種位置及深度檢出系統400利用光點大小變形量來計算深度資訊之示意圖。其中待測物410、光源420、光學系統430、光感測元件440、電控擺動元件450、計算單元460、儲存單元470、OLP1~OLP5、PLP1~PLP5、ROLP1~ROLP5、RPLP1~RPLP5、H1~H5係類似於第三圖中的待測物310、光源320、光學系統330、光感測元件340、電控擺動元件350、計算單元360、儲存單元370、OLP1~OLP5、PLP1~PLP5、ROLP1~ROLP5、RPLP1~RPLP5、H1~H5，於此不再贅述。
其中，由於該預設平面DP係已知，所以成像於該光感測元件440的RPLP1之預設資訊係預先儲存於該儲存單元470。而該計算單元460則依據此RPLP1之預設資訊與此ROLP1之投射資訊得到此光點的一大小變形量，並藉此計算出該待測物410的深度資訊。舉例來說，由於該電控擺動元件450的擺動角度係固定，所以當ROLP1與RPLP1兩者之間的大小變形量愈大時，例如是RPLP1與ROLP1之大小差異愈大，則代表光束投射至該待測物410上的光點OLP1與PLP1距離愈遠，藉此計算單元460可計算出該待測物410中OLP1所處之表面距離預設平面DP的距離H1。
以此類推，該電控擺動元件450的擺動角度係第二、第三、第四、第五角度時，投射至該預設平面DP與該待測物410的光點係分別為PLP2~PLP5與OLP2~OLP5，而該光學系統430各別接收PLP2~PLP5與OLP2~OLP5的資訊並成像於該光感測元件340，藉此分別產生對應至OLP2~OLP5之物體光點影像ROLP2~ROLP5之投射資訊以及對應至PLP2~PLP5之平面光點影像RPLP2~RPLP5之預設資訊。其中，該計算單元460分別依據ROLP2~ROLP5之投射資訊與RPLP2~RPLP5之預設資訊得到之光點的各別大小變形量，並藉此各別計算出各光點OLP2~OLP5各別距離該預設平面DP之距離H2~H5。故該計算單元460可計算出該待測物410之一表面的深淺變化，進而獲得該待測物410的深度資訊。
於再一實施例中，可藉由光點的強度中心變異量來計算出待測物的深度資訊。
請參照第五圖，其繪示本發明一實施例之一種位置及深度檢出系統500利用光點的強度中心變異量來計算深度資訊之示意圖。其中待測物510、光源520、光學系統530、光感測元件540、電控擺動元件550、計算單元560、儲存單元570、OLP1及PLP1係類似於第三圖中的待測物310、光源320、光學系統330、光感測元件340、電控擺動元件350、計算單元360、儲存單元370、OLP1及PLP1，於此不再贅述。
其中，當該電控擺動元件550的擺動角度係一特定角度時，投射於該待測物510表面上的光點為OLP1，投射於預設平面DP的光點為PLP1。E1與E2係分別為光束投射於該預設平面DP之光點PLP1右側與左側的強度，而E1’與E2’係分別為光束投射於該待測物510之光點OLP1右側與左側的強度。
由於該預設平面DP係已知，所以該光感測元件440感測到投射於該預設平面DP的光點PLP1強度E1、E2之預設資訊係預先儲存於該儲存單元570中。而當該光感測元件440感測到投射於該待測物510表面的光點OLP1強度E1’與E2’之投射資訊時，該計算單元560可依據此E1、E2之預設資訊與E1’與E2’之投射資訊得到之光點的強度中心變異量來計算出光點的深度資訊。舉例來說，投射於該預設平面DP的光點PLP1的強度中心係E1與E2之平均，投射於該待測物510表面的光點OLP1的強度中心係E1’與E2’之平均，而光點的強度中心變異量即為E1、E2之平均與E1’、E2’之平均之差異。其中由於光束的強度與行經路徑長短成反比，也就是當光束行進路徑愈長，其強度愈弱；所以，當光點的強度中心變異量愈大時，則代表投射於該待測物510表面的光點OLP1距離該預設平面DP的距離愈遠，據此該計算單元560可估算出該待測物510表面上光點OLP1距離該預設平面DP的距離H1。
綜上所述，雖於上述係個別以光點中心偏移量、光點大小變形量以及光點的強度中心變異量來計算出待測物的深度資訊，然本發明並不限於此。舉例來說，計算單元可依據預設資訊與投射資訊得到光點的大小變形量與強度中心變異量來計算出待測物的深度資訊。如此一來，由於在某些特殊的表面凹凸狀況下，以光點的大小變形量所估算出的深度資訊之誤差較以光點的強度中心變異量所估算出的深度資訊為小；而在另一些特殊的表面凹凸狀況下，以光點的大小變形量所估算出的深度資訊之誤差較以光點的強度中心變異量所估算出的深度資訊為大。所以結合兩種估算方式可提高所計算出的深度資訊之精準度，結合方式例如是兩種計算結果的平均值。此外，本發明也不限於上述兩種估算方式之結合，「光點中心偏移量」、「光點大小變形量」、「光點的強度中心變異量」三者中任二或三者方式同時用於計算深度資訊之方法及裝置皆屬於本發明之範圍。
此外，由於可藉由計算單元計算出待測物表面的深度資訊，所以計算單元更可藉由電控擺動元件於一不同時間以相同角度反射光源的光束，以及藉由光學系統於此不同時間所接收之投射資訊，來計算出待測物於空間中的移動量。也就是說，藉由量測待測物表面的深度資訊，即可推得此特測物的移動量。由於藉由簡單的元件架構即可推知待測物的移動量，此舉可增加此裝置的用途。
再者，藉由光源在空間平面上所產生的光點形狀，例如是圓形、長條圓形、或圓形與長條圓形的反覆漸變形狀，可提升計算單元計算待測物表面的深度資訊的精確性。
如此一來，本發明僅需藉由光感測元件即可估算待測物表面的深淺變化。也就是說，本發明可以使用較少的元件及簡單的配置即可達到估算待測物表面深淺變化的需求。所以本發明具有不需複雜影像辨識處理而可提高反應效率之優點。此外，本發明的結構簡單，所需的設備成本也較低，故更具有成本低廉之優點。
綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100、300、400、500．．．位置及深度檢出系統
110、310、410、510．．．待測物
120、320、420、520．．．光源
130、330、430、530．．．光學系統
140、340、440、540．．．光感測元件
150、350、450、550．．．電控擺動元件
160、360、460、560．．．計算單元
170、370、470、570．．．儲存單元
DP．．．預設平面
D1~D5．．．光點中心偏移量
E1、E2．．．投射於預設平面之光點右側與左側的強度
E1’、E2’．．．投射於待測物之光點右側與左側的強度
H．．．預設平面距離光源的距離
H1~H5．．．光點距離預設平面的距離
OLP1~OLP5．．．光束投射至待測物表面的光點
PLP1~PLP5．．．光束投射至預設平面的光點
ROLP1~ROLP5．．．物體光點影像
RPLP1~RPLP5．．．平面光點影像
S210~S260．．．流程步驟
β．．．電控擺動元件的可擺動角度
第一圖係繪示本發明一實施例之一種位置及深度檢出系統的示意圖。
第二圖係繪示本發明一實施例之檢出位置及深度之方法流程圖。
第三圖係繪示本發明一實施例之一種位置及深度檢出系統利用光點中心偏移量來計算深度資訊之示意圖。
第四圖係繪示本發明一實施例之一種位置及深度檢出系統利用光點大小變形量來計算深度資訊之示意圖。
第五圖係繪示本發明一實施例之一種位置及深度檢出系統利用光點的強度中心變異量來計算深度資訊之示意圖。
100．．．位置及深度檢出系統
110．．．待測物
120．．．光源
130．．．光學系統
140．．．光感測元件
150．．．電控擺動元件
160．．．計算單元
170．．．儲存單元
Claims (19)
- 一種位置及深度檢出裝置，用以檢出具有一表面之一待測物的位置及深度，包括：一電控擺動元件，經由以電氣驅動之一致動器控制該電控擺動元件的擺動角度；一光源，藉由該電控擺動元件將該光源的光束反射至該表面以產生一光點；一光學系統，用以接收投射至該表面的該光點之一投射資訊；一儲存單元，用以儲存投射至一預設平面的該光點之一預設資訊；以及一計算單元，依據該投射資訊與該預設資訊計算出該待測物的一深度資訊。
- 如申請專利範圍第1項所述之位置及深度檢出裝置，其中該計算單元更用以依據該預設資訊與該投射資訊得到之該光點的一中心偏移量來計算出該待測物的該深度資訊。
- 如申請專利範圍第1項所述之位置及深度檢出裝置，其中該計算單元更用以依據該預設資訊與該投射資訊得到之該光點的一大小變形量來計算出該待測物的該深度資訊。
- 如申請專利範圍第1項所述之位置及深度檢出裝置，其中該計算單元更用以依據該預設資訊與該投射資訊得到之該光點的一強度中心變異量來計算出該待測物的該深度資訊。
- 如申請專利範圍第1項所述之位置及深度檢出裝置，其中該計算單元更用以依據該預設資訊與該投射資訊得到之該光點的一大小變形量與一強度中心變異量來計算出該待測物的該深度資訊。
- 如申請專利範圍第1項所述之位置及深度檢出裝置，其中該電控擺動元件係以週期性擺動，該電控擺動元件的擺動角度可經由擺動頻率或給定訊號決定。
- 如申請專利範圍第1項所述之位置及深度檢出裝置，其中該電控擺動元件的擺動角度之範圍係使得反射的該光束可涵蓋所需之空間平面。
- 如申請專利範圍第1項所述之位置及深度檢出裝置，其中該光學系統的視角涵蓋所需之空間平面。
- 如申請專利範圍第1項所述之位置及深度檢出裝置，其中該光學系統包括至少一鏡片。
- 如申請專利範圍第1項所述之位置及深度檢出裝置，其中該光源在空間平面上所產生的光點形狀為圓形。
- 如申請專利範圍第1項所述之位置及深度檢出裝置，其中該光源在空間平面上所產生的光點形狀為長條圓形。
- 如申請專利範圍第1項所述之位置及深度檢出裝置，其中該光源在空間平面上所產生的一光點形狀為圓形與長條圓形的反覆漸變形狀，該光點形狀可藉由該電控擺動元件之擺動角度與該光源之開啟與關閉所控制。
- 如申請專利範圍第11或第12項所述之位置及深度檢出裝置，其中該長條圓形光點係由脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)控制或脈衝頻率調變(Pulse Frequency Modulation，PFM)控制所產生。
- 一種檢出位置及深度之方法，用以檢出具有一表面之一待測物的位置及深度，包括：利用一光源發射一光束；該光束藉由一電控擺動元件之往復擺動來反射至該表面，使得該光束掃描範圍涵蓋該表面並產生複數光點；經由一光學系統接收投射至該表面的該些光點之複數投射資訊；以及根據該些光點投射至一預設平面之複數預設資訊與該些投射資訊，計算出該待測物的深度資訊。
- 如申請專利範圍第14項所述之檢出位置及深度之方法，其中計算出該待測物的深度資訊之步驟更包括：依據該些預設資訊與該些投射資訊得到之該些光點的中心偏移量來計算出該待測物的深度資訊。
- 如申請專利範圍第14項所述之檢出位置及深度之方法，其中計算出該待測物的深度資訊之步驟更包括：依據該些預設資訊與該些投射資訊得到之該些光點的大小變形量來計算出該待測物的深度資訊。
- 如申請專利範圍第14項所述之檢出位置及深度之方法，其中計算出該待測物的深度資訊之步驟更包括：依據該些預設資訊與該些投射資訊得到之該些光點的強度中心變異量來計算出該待測物的深度資訊。
- 如申請專利範圍第14項所述之檢出位置及深度之方法，其中計算出該待測物的深度資訊之步驟更包括：依據該些預設資訊與該些投射資訊得到之該些光點的大小變形量與強度中心變異量來計算出該待測物的深度資訊。
- 如申請專利範圍第14項所述之檢出位置及深度之方法，其中更藉由該電控擺動元件於一不同時間以相同角度反射該光源的該光束，以及藉由該光學系統於該不同時間所接收之該投射資訊，來計算出該待測物於空間中之移動量。
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