TWI435059B - 光學測距系統 - Google Patents

Description

光學測距系統

本發明係關於一種測距系統，特別係關於一種可根據所偵測光點之尺寸及對稱性來補償偵測距離之光學測距系統。

在先前技術中，一光學測距裝置係對一待測物發出偵測光，並接收該待測物反射偵測光所產生之反射光以形成相對該待測物之一光點(light spot)。接著，該光學測距裝置可根據其所包含各構件彼此間之空間關係以及該光點之影像位置，利用三角函數推算該光學測距裝置與該待測物間之距離。

然而，當該待測物之表面沒有被偵測光完整照射時，該光學測距裝置則無法根據該待測物反射之反射光產生光點之完整影像。因此，該光學測距裝置在計算該待測物之距離時，由於無法得到準確的光點位置而產生較大的量測誤差，因而無法正確計算該待測物之距離，造成使用上的不便。

有鑑於此，有必要提出一種即使沒有偵測到一待測物之完整影像也能夠正確計算該待測物之距離的光學測距裝置。

本發明之一目的在提出一種可根據光點之成像大小及能量曲線之對稱性變化補償光點位置之光學測距裝置，藉以提升測距離之精確度。

本發明提供一種光學測距系統，包含一光源及一感測裝置。該光源對一物件表面提供一光線。該感測裝置接收該物件表面之一反射光線，並根據該反射光線輸出一物件之一距離。該感測裝置另包含一感測模組及一計算模組。該感測模組接收該反射光線，並產生一影像。該計算模組根據該反射光線在該影像之一成像大小補償一成像位置，根據補償後之該成像位置計算並輸出該物件之該距離。

一種實施例中，該感測模組另包含一光感測單元及一影像處理單元。該光感測單元接收該反射光線，並產生一電信號。該影像處理單元接收該電信號，並產生該影像。

一種實施例中，該感測模組另包含一計算單元及一輸出單元。該計算單元接收該影像並根據該反射光線在該影像之該成像大小補償該成像位置，並根據補償後之該成像位置計算該距離。該輸出單元接收該計算單元所求得之該距離並輸出該距離。

一種實施例中，該計算模組另包含一記憶單元用以儲存一光點預設尺寸。該計算單元則在接收，該影像後先比較該影像之該成像大小與該光點預設尺寸，並根據一比較結果補償該成像位置。

一種實施例中，當該成像大小大致相等於該光點預設尺寸，該計算單元根據未補償之該成像位置計算該距離；當該成像大小小於該光點預設尺寸，該計算單元則根據該成像大小與該光點預設尺寸之一差異對該成像位置進行補償，再根據補償後之該成像位置計算該距離。

本發明另提供一種光學測距系統，包含一光源、一感測鏡面及一感測裝置。該光源對一物件表面提供一光線。該感測裝置感測自該物件表面反射之一反射光線經過該感光鏡片後於該感測裝置上形成之一光點，根據該光點之一成像大小補償該光點之一光點位置，並根據該光點之一能量曲線之對稱性決定該光點位置之一補償方向。

本發明另提供一種光學測距系統，包含一光源、一感測鏡面及一感測裝置。該光源對一物件表面提供一光線。該感測裝置感測自該物件表面反射之一反射光線經過該感光鏡片後於該感測裝置上形成之一光點，根據該光點之一能量曲線之對稱性決定該光點之一光點位置之一補償方向。

本發明之光學測距系統較佳用以偵測一物件之大致平坦的表面與測距系統間之距離，其中該物件之表面可具有任意反射係數(reflection coefficient)。

為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯，下文將配合所附圖示，作詳細說明如下。此外，本發明各圖示中僅顯示了部份構件並省略了與本發明說明不直接相關之構件。

本發明係關一種利用光學成像進行距離量測之光學測距系統。請參考第1圖所示，其顯示本發明實施例之光學測距系統之示意圖，其包含一感測裝置10以及一光源20。該光源20投射光線至一物件30之表面，例如光線L₁ 及L₂ 。該等光線L₁ 及L₂ 並由該物件30之表面反射至該感測裝置10並形成一光點(light spot)。該感測裝置10即可根據該等反射光線所形成之該光點的成像位置以及光學測距系統所包含各構件彼此間之空間關係，利用三角函數計算該物件30與該光源20之距離。

該感測裝置10與該物件30間可設置一感測鏡片41，用以將來自物件表面之反射光線聚合到該感測裝置10之感測面11S上。此外，為了增加該光源20之發光效果，可在該光源20之前方另設置一個發光鏡片42，以增加光線投射至該物件30表面之效率。其他實施例中，該發光鏡片42亦可省略，而直接由該光源20將光線投射至該物件30之表面。

由於在光源20前方設置該發光鏡片42，因此所欲計算之距離即可表示為該發光鏡片42至該物件30之距離D。其他實施例中，若該發光鏡片42沒有實施，所欲計算之距離則可表示為該光源20表面至該物件30之距離D' 。

根據物件成像原理，該光源20投射在該物件30表面之光線L₁ 及L₂ 反射至該感測裝置10表面時，該等反射光線會先匯聚在感測鏡片41上再射至該感測裝置10之感測面11S上。此實施例中，該感測裝置10之感測面11S到該感測鏡片41之距離為f。若該感測鏡片41為一透鏡(例如凸透鏡)，該距離f即為該感測鏡片41之焦距。

由於該感測裝置10與該光源20間之距離為固定且可事先求得，該感測鏡片41之焦距f亦可事先求得，因此光學測距系統即可根據該等反射光線在該感測裝置10之感測面11S上所形成光點的成像位置及各構件之空間關係，例如該感測鏡片41之焦距f及該感測裝置10與該光源20間之距離等，利用三角函數即可計算出該物件30與該光源20間之距離D或D' ；其中，上述過程所需使用之演算法為習知所廣泛熟悉之技術，因此在此即不加以贅述。此外，本發明之光學測距系統較佳用以偵測具有大致平坦表面之一物件與光學測距系統間之距離D或D' 。

請參考第2圖所示，其顯示本發明實施例之感測裝置10之方塊圖。該感測裝置10具有一感測模組10A以及一計算模組10B。該感測模組10A包括一光感測單元11、一亮度控制單元12以及一影像處理單元13。該計算模組10B包括一計算單元14、一記憶單元15以及一輸出單元16。

該光感測單元11具有一可用以感測光線能量之感測面11S(如第1圖所示)，該等反射光線則在該光感測單元11之感測面11S上形成一光點。該光感測單元11之實施例包括CCD影像感測器、CMOS影像感測器或其他用以感測影像之感測器。該亮度控制單元12用以控制該光感測單元11感測光線時所需之參數(例如光圈、感光度等)，且可進一步控制該光源20之發光強度，藉以使該光感測單元11達到更佳的感測效果。該光感測單元11感測光線後會產生電信號，該影像處理單元13用以接收該光感測單元11所產生之電信號並產生包含該光點之影像。此外，影像處理單元13於產生包含光點影像之過程中，可進行例如濾除雜訊(filtering)、維度轉換(二維轉換一維)以及影像疊加處理等影像處理以增加位置計算之精確度；其中該等影像處理技術已為習知，故於此不再贅述。

該計算單元14接收該影像處理單元13所輸出之影像並據以計算該物件30與該光源20間之距離D或D' 。該輸出單元16則將該計算單元14所產生之距離輸出至一控制主機(host)以進行相對應動作，例如控制顯示於一顯示器上之一游標動作(習知而未繪示)，但本發明並不限於此。該記憶單元15儲存一光點預設尺寸以及根據光點百分比(即一光點偵測尺寸與該光點預設尺寸之比例)與光點位置補償量所形成之一查找表，其中該光點預設尺寸及該查找表例如為光學測距系統於出廠前即已量測並儲存者。該計算單元14在計算該距離前，則事先比對該等反射光線L₁ 及L₂ 在該光感測單元11上所形成之光點偵測尺寸以及該光點預設尺寸，以計算光點百分比；其中該光點百分比在此定義為(光點偵測尺寸/光點預設尺寸)。該計算單元14並根據該光點百分比判斷該光感測單元11所接收該等反射光線是否僅包含部份由該光源20所投射之光線或大致包含全部由該光源20所投射之光線。若計算單元14判定光點偵測尺寸大致等於光點預設尺寸，則直接計算該距離；若判定光點偵測尺寸小於光點預設尺寸，則根據查找表先對偵測光點進行補償後再計算該距離；其中，補償之方式將詳述於後。

請參考第3圖所示，該影像處理單元13所輸出之影像中，橫軸例如表示該光感測單元11所包含像素之行數，縱軸例如表示該光感測單元11之每行像素所感測到的亮度值(第3~5圖之橫軸及縱軸定義皆相同)；其中，各圖中所示數值僅為例示性。可以了解的是，若該影像處理單元13為一維感測器，則可直接產生如第3~5圖所示之一維亮度分布曲線(能量曲線)；若該影像處理單元13為二維感測器，該影像處理單元13可在進行二維轉換一維之影像處理後，才產生為第3~5圖所示之一維亮度分布曲線。

第3圖中，假設在影像中超過一預設門檻值Tmin之亮度值即可表示為該反射之光線所形成光點區域。為了計算該光點在該光感測單元11之成像位置(即光點位置)，該計算單元14可進一步對該影像中之光點區域進行處理。例如在一實施例中，該計算單元14可在該光點區域中取一半亮度位置之資訊代表光點範圍，亦即將該光點區域中亮度的最高值Tmax減去亮度的最低值(亦即Tmin)，再將該差值減半之後加上該亮度的最低值(亦即Tmin)，如此即可取得一個亮度值T₁ ，該亮度值T₁ 即代表該光點區域所涵蓋範圍中位於中間之亮度值。此實施例中，該影像中代表該光點區域之曲線在該亮度值T₁ 以上之光點範圍即定義為該光點的成像大小(即光點偵測尺寸)，而對該曲線在該亮度值T₁ 上方之區域取重心即可取得代表該光點的成像位置。所述重心位置例如可定義為光點範圍中各像素位置與相對應各像素能量乘積之總合，除以光點範圍中之總能量，亦即該光點範圍內之一能量重心。該計算單元14即可根據該重心位置，該感測鏡片41之焦距f及該感測裝置10與該光源20間之距離，計算出該物件30與該光源20間之距離。可以了解的是，本發明並不限定僅能利用光點範圍之重心計算光點位置，亦可將能量曲線之最大值的位置或其他位置定義為此處所述之重心位置，只要於計算的過程中始終使用光點範圍中之相同位置即可。

請參考第4圖所示，其顯示物件表面具有不同反射係數時反射光線所產生之光點區域。可以了解的是，當物件表面具有較高反射係數時，該光感測單元11所偵測之光點具有較大的能量；反之，當物件表面具有較低反射係數時，該光感測單元11所偵測之光點具有較小的能量。由圖所知，相同光源20亮度條件下，該光感測單元11因物件表面之不同反射係數而擷取不同的亮度曲線，然而根據上述方式所求得之光點範圍(例如曲線之半高寬T₂ 、T₃ 的區域)仍大致具有相同的尺寸。由此可知，在光源20發出相同亮度條件下，即使物件30之表面具有不同反射係數，該光感測單元11仍可偵測尺寸大致相同的光點。換句話說，本發明可適用於偵測各種表面大致呈平坦之物件。

此外，當物件愈靠近光源20時，該光感測單元11所偵測之光點具有較大的能量；反之，當物件愈遠離光源20時，該光感測單元11所偵測之光點具有較小的能量。就如同第4圖所示一般，該光感測單元11因物件之不同距離而擷取不同的亮度曲線，然根據上述方式所求得之光點範圍(例如曲線之半高寬T₂ 、T₃ 的區域)仍大致具有相同的尺寸。由此可知，該光感測單元11根據物件在不同距離時所產生光點範圍之成像大小亦是約略相等。

如上所述，不論該物件30之表面反射係數以及該物件30與該光源20(或該發光鏡片42)之距離為何，只要該光源20於照射範圍完整照射該物件30，該計算單元13皆可求得具有大致相同尺寸之光點範圍，即上述之光點預設尺寸，本發明即利用此特性來對光點位置進行補償。當該物件30僅部分被該光源20照明時，光源20所發出之光線無法全部反射至光感測單元11上，因此光點在光感測單元11上之成像會小於光點預設尺寸，且其影像通常會偏向二側而失去對稱性。若此時使用重心(或光點範圍中其他位置)來計算光點成像位置時，即會因為光點之尺寸變化及位置偏移而無法正確求得光點位置。

綜而言之，本發明之感測裝置10會先判斷所取得光點之影像是否為一完整光點影像或一部份光點影像。由於固定光源所投射之光點在相同條件下的成像大小約略相同，因此成像大小即可被儲存於該記憶單元15作為光點預設尺寸，而計算單元14在每次計算距離前即可將所取得光點偵測尺寸與該記憶單元15所儲存之預設尺寸進行比對，來判斷所取得光點之影像是否為一個完整影像。

請同時參考第1及5圖，第5圖顯示物件30逐漸從第1圖中左側離開該光源20之照射範圍時所形成之光點影像；其中，E₁ 為投射光線的100%(光點百分比為1)反射至光感測單元11所產生亮度值的能量曲線；E₂ 為投射光線的80%(光點百分比為0.8)反射至光感測單元11所產生亮度值的能量曲線；E₃ 為投射光線的60%(光點百分比為0.6)反射至光感測單元11所產生亮度值的能量曲線；E₄ 為投射光線的40%(光點百分比為0.4)反射至光感測單元11所產生亮度值的能量曲線；E₅ 為投射光線的20%(光點百分比為0.2)反射至光感測單元11所產生亮度值的能量曲線。可以了解的是，第5圖中之能量曲線僅為例示性。

如圖所知，在相同條件(光點區域之半高寬)的篩選下，E₁ 的光點範圍為X₁₁ 至X₁₂ ，E₂ 的光點範圍為X₂₁ 至X₂₂ ，E₃ 的光點範圍為X₃₁ 至X₃₂ ，E₄ 的光點範圍為X₄₁ 至X₄₂ ，…。因此，即使物件30在相同距離之情況下，若不同面積之光線被反射至光感測單元11，會導致該光感測單元11所偵測到光點範圍之成像大小不相同。因此判斷光點在光感測單元11之光點成像大小，即可確定所取得光點之影像是否為完整影像。

請參照第6圖所示，其顯示本發明實施例之距離補償方法中，光點位置補償量與光點百分比之關係圖。當該計算單元14得知所取得光點之偵測尺寸小於記憶單元15所儲存之光點預設尺寸時，該計算單元14即可根據所取得光點之偵測尺寸與該光點預設尺寸之差異(例如光點百分比)，對所計算的光點成像位置進行補償，接著再計算該物件30與該光源20間之距離。例如第6圖中，當光點百分比為0.8時，光點位置補償量為ΔS₁ ；當光點百分比為0.6時，光點位置補償量為ΔS₂ 。另外，根據系統需求，該計算單元14亦可在得知所擷取光點影像非完整影像時，停止計算該物件30與該光源20間之距離或直接控制該輸出單元16暫停輸出距離資訊，並可進一步通知控制主機相關訊息，以使該主機得知該次距離偵測流程無法取得正確距離。另一實施例中，亦可在該計算單元14判定光點百分比小於一預設值(例如0.5)時，才控制該輸出單元16暫停輸出距離資訊。

當得知所取得之光點偵測尺寸小於光點記憶單元15所儲存之光點預設尺寸時，可先計算所擷取影像之光點成像位置(例如重心位置)，並判斷該位置在橫軸上是偏向左側或偏向右側，亦即判斷亮度曲線之對稱性的偏移方向。當該位置在橫軸上偏向左側時，而光點之偵測尺寸與該光點預設尺寸之差異為M(例如以次像素為單位，即M可小於1)，則將該位置往右移動M個像素點即可取得修正過後的位置；再利用該修正過後的位置即可計算該物件30與該光源20間之距離D。同理，當起始的位置在橫軸上偏向右側時，則將該位置往左移動M個像素點即可取得修正過後的位置；其中M值例如即為第6圖所示之光點位置補償量ΔS。亦即，本發明中，該計算單元14亦可根據光點亮度曲線之對稱性變化來決定光點位置補償量之一補償方向；例如，利用光點之一重心位置(該光點之一能量曲線之半高寬範圍內之一能量重心或該能量曲線之一最大值位置)為分界將光點區分為光點左側及光點右側，當光點左側比光點右側尺寸小時，該補償方向則向左；反之，當光點右側比光點左側尺寸小時，該補償方向則向右。換句話說，本實施例中係以光點部分尺寸較小的光點左側或光點右側的方向為該補償方向。

以上補償、修正方式只是舉例，習知技藝者亦可利用不同補償方式對該起始之位置進行補償，因此在此即不加以贅述。

如上所述，由於習知測距裝置無法對所偵測之光點位置進行補償，因此會發生無法計算或計算錯誤的情形。本發明另提出一種根據光點尺寸變化及對稱性來補償光點位置之光學測距裝置及其距離補償方法，可增進所偵測距離之正確性。

雖然本發明已以前述實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何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修改。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。

10．．．感測裝置

10A．．．感測模組

10B．．．計算模組

11．．．光感測單元

11S．．．感測面

12．．．亮度控制單元

13．．．影像處理單元

14．．．計算單元

15．．．記憶單元

16．．．輸出單元

20．．．光源

30．．．物件

41．．．感測鏡片

42．．．發光鏡片

第1圖為本發明實施例之光學測距系統之示意圖。

第2圖為本發明實施例之光學測距系統之方塊圖。

第3圖顯示本發明實施例之感測模組擷取物件表面之反射光所形成光點區域之示意圖。

第4圖顯示本發明實施例之感測模組擷取物件表面之不同亮度反射光所形成光點區域之示意圖。

第5圖顯示本發明實施例之感測模組擷取物件表面之反射光所形成不同光點區域之示意圖。

第6圖顯示本發明實施例之光學測距系統中，光點位置補償量與光點百分比之關係圖。

10．．．感測裝置

10A．．．感測模組

10B．．．計算模組

11．．．光感測單元

12．．．亮度控制單元

13．．．影像處理單元

14．．．計算單元

15．．．記憶單元

16．．．輸出單元

20．．．光源

Claims (20)

1. 一種光學測距系統，包括：一光源，對一物件表面提供一光線；及一感測裝置，接收該物件表面之一反射光線，並根據該反射光線輸出一物件之一距離，該感測裝置另包括：一感測模組，接收該反射光線，並產生一影像；及一計算模組，根據該反射光線在該影像之一成像大小補償一成像位置並根據該反射光線在該影像所形成一光點之一一維能量曲線之對稱性決定一補償方向，根據補償後之該成像位置計算並輸出該物件之該距離。
2. 如申請專利範圍第1項之光學測距系統，其中該感測模組另包含：一光感測單元，接收該反射光線，並產生一電信號；及一影像處理單元，接收該電信號，並產生該影像。
3. 如申請專利範圍第1項之光學測距系統，其中 該計算模組另包含：一計算單元，接收該影像並根據該反射光線在該影像之該成像大小補償該成像位置，並根據補償後之該成像位置計算該距離；及一輸出單元，接收該計算單元所求得之該距離並輸出該距離。
4. 如申請專利範圍第3項之光學測距系統，其中該計算模組另包含一記憶單元用以儲存一光點預設尺寸，該計算單元則在接收該影像後先比較該影像之該成像大小與該光點預設尺寸，並根據一比較結果補償該成像位置。
5. 如申請專利範圍第4項之光學測距系統，其中當該成像大小相等於該光點預設尺寸，該計算單元根據未補償之該成像位置計算該距離；當該成像大小小於該光點預設尺寸，該計算單元則根據該成像大小與該光點預設尺寸之一差異對該成像位置進行補償，再根據補償後之該成像位置計算該距離。
6. 如申請專利範圍第5項之光學測距系統，其中該成像位置為該光點之一重心位置，該計算單元對該成像位置進行補償時，係補償該重心位 置，並根據補償後之該重心位置計算該距離。
7. 如申請專利範圍第6項之光學測距系統，其中該重心位置係為該一維能量曲線之半高寬範圍內之一能量重心或該一維能量曲線之一最大值位置。
8. 如申請專利範圍第7項之光學測距系統，其中該計算單元另根據該一維能量曲線之對稱性決定該重心位置之該補償方向。
9. 如申請專利範圍第8項之光學測距系統，其中該補償方向為以該一維能量曲線之該重心位置所區分之一光點左側及一光點右側兩者中具有較小尺寸的其中之一的方向。
10. 如申請專利範圍第5項之光學測距系統，其中該差異為該成像大小除以該光點預設尺寸所得之一光點百分比，該記憶單元儲存有根據該光點百分比與一位置補償量之關係形成之一對照表。
11. 一種光學測距系統，包含：一光源，對一物件表面提供一光線；一感光鏡片；及 一感測裝置，感測自該物件表面反射之一反射光線經過該感光鏡片後於該感測裝置上形成之一光點，根據該光點之一成像大小補償該光點之一光點位置，並根據該光點之一一維能量曲線之對稱性決定該光點位置之一補償方向。
12. 如申請專利範圍第11項之光學測距系統，其中該補償方向為以該一維能量曲線之一重心位置所區分之一光點左側及一光點右側兩者中具有較小尺寸的其中之一的方向。
13. 如申請專利範圍第11項之光學測距系統，其中該感測裝置另包含一記憶單元用以儲存一光點預設尺寸，並儲存一光點百分比與一位置補償量所形成之一對照表；其中該光點百分比為該成像大小除以該光點預設尺寸求得者。
14. 如申請專利範圍第13項之光學測距系統，其中該感測裝置根據該成像大小及該對照表補償該光點位置。
15. 如申請專利範圍第14項之光學測距系統，其中當該光點百分比等於1，該感測裝置根據未補償之該光點位置計算一距離；當該光點百分 比小於1，該感測裝置根據補償後之該光點位置計算該距離。
16. 如申請專利範圍第15項之光學測距系統，其中該感測單元另輸出該距離至一主機。
17. 如申請專利範圍第11項之光學測距系統，其中該光點位置為該一維能量曲線之半高寬範圍內之一能量重心或該一維能量曲線之一最大值位置。
18. 如申請專利範圍第11項之光學測距系統，其中該感測裝置另包含一感測模組及一計算模組，該感測模組擷取包含該光點之一影像；該計算模組根據該影像計算該光點之該成像大小及該一維能量曲線，並根據該成像大小補償該光點位置及根據該一維能量曲線之對稱性決定該補償方向。
19. 如申請專利範圍第18項之光學測距系統，其中該感測模組另包含一光感測單元及一影像處理模組；該光感測單元感測光線以產生一電信號，該影像模組根據該電信號產生包含該光點之一影像。
20. 一種光學測距系統，包括： 一光源，對一物件表面提供一光線；一感光鏡片；及一感測裝置，感測自該物件表面反射之一反射光線經過該感光鏡片後於該感測裝置上形成之一光點，根據該光點之一一維能量曲線之對稱性決定該光點之一光點位置之一補償方向。