CN102221340A - 可调式影像判距装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可调式影像判距装置及方法，将具有物体影像的第一光线通过光学偏折元件，使产生具有物体影像的第二光线，该光学偏折元件包括液晶层及穿透式闪耀式光栅，该液晶层电连接于电压装置，由该电压装置提供第一电压于该液晶层；该第二光线投射于光学成像装置并形成能量集中的第M阶绕射影像；调整该电压装置提供第二电压于该液晶层，使该第二光线于该光学成像装置形成第N阶绕射影像；由该第M阶与第N阶绕射影像形成一组影像序列，由该组影像序列中相对应物体的成像位置偏移量，计算出该物体实际距该光学偏折元件的距离。

Description

可调式影像判距装置及方法

技术领域

本发明涉及一种可调式影像判距装置及方法，尤其是涉及一种通过电压调变光学偏折元件的偏折角度，使产生至少两组的影像，由比较影像的偏移量以计算物体与光学偏折元件的距离的立体视觉影像判距装置及方法。

背景技术

立体视觉除可应用于机器人的手眼协调操作与移动定位避障导航，也可广泛用于人机互动与车辆安全。现阶段立体视觉中的距离侦测可分为视觉法和非视觉法，视觉法可利用结构光分析、影像视差分析，TOF(Time of Flight)原理和聚焦/散焦分析，大都需要较复杂的光学成像系统或是撷取数种焦距的影像以分析物件的距离，分析速度慢且光学系统庞大，而非视觉法则可分为声波感测、红外光感测和激光光感测...等。

就视觉法而言，双眼相机(或摄影机)系统是达到三维视觉最常见的选择。使用两台相机(或摄影机)同步撷取影像，由成对的影像中找出立体物体的特征匹配，即找出对应点(corresponding points)，再由物体的对应点在成对影像中的位移(disparity)，及已知的相机(或摄影机)参数，计算出物体对应点的深度。在双眼相机(或摄影机)影像对应的问题上，如何获得更精确及快速的影像对应一直是三维电脑视觉的核心问题。而两相机(或摄影机)间的跨距(Base-line)与深度分辨率成反比的关系，也使得“装置尺寸”与“深度分辨率”成为设计上必须取舍(trade-off)的重要参数。此外，双眼立体视觉的可工作范围仅限于两组相机(或摄影机)视野的交集处，因此受到极大的限制，若距离摄影机太近或太远的区域皆无法探测。

发明内容

有鉴于现有技术的缺失，本发明的目的在于提出一种可调式影像判距装置及方法，运用一由光栅、液晶层和偏光片所制作的光学偏折元件，该光学偏折元件可使用于单眼可调式影像判距装置，并具有以电压调变光线偏折角度的特性，置于光学成像系统之前，可于光学成像系统清楚成像一选定偏折角的影像，通过该偏折影像与未偏折影像的偏移量，可计算出影像中物件至该光学偏折元件的距离。

为达到上述目的，本发明提出一种可调式影像判距装置，至少包含：

一光学偏折元件，用以提供一具有物体影像的第一光线通过，并产生一具有物体影像的第二光线，该光学偏折元件包括一液晶层以及一穿透式闪耀式光栅(Transmission Blazed Grating)，该液晶层电连接于一电压装置；

一光学成像装置，用以承接该第二光线，通过调整该电压装置提供不同电压作用于该液晶层，使该第二光线于该光学成像装置形成一组影像序列，由该组影像序列中相对应物体的成像位置偏移量，计算出该物体实际距该光学偏折元件的距离。

为达到上述目的，本发明更提出一种可调式影像判距的方法，包含：

将具有物体影像的一第一光线通过一光学偏折元件，使产生具有物体影像的一第二光线，该光学偏折元件包括一液晶层以及一穿透式闪耀式光栅(Transmission Blazed Grating)，该液晶层电连接于一电压装置，由该电压装置提供一第一电压于该液晶层；

该第二光线投射于一光学成像装置，并于该光学成像装置形成能量集中的一第M阶绕射影像；

调整该电压装置提供一第二电压于该液晶层，使该通过该光学偏折元件的第二光线于该光学成像装置形成一第N阶绕射影像；以及

通过该第M阶绕射影像与第N阶绕射影像，形成一组影像序列，由该组影像序列中相对应物体的成像位置偏移量，计算出该物体实际距该光学偏折元件的距离。

为使贵审查委员对于本发明的结构目的和功效有更进一步的了解与认同，兹配合图示详细说明如后。

附图说明

图1为本发明实施例的架构示意图；

图2为本发明光学偏折元件另一实施例结构示意图；

图3为液晶分子相对于基板的偏折夹角的示意图；

图4为本发明模拟液晶分子偏折角度为7.5度与实际测量偏移量的关系图；

图5为不同电压对于不同阶绕射影像的有效折射率与穿透率的关系曲线图；

图6为光栅绕射示意图；

图7为闪耀式光栅的结构示意图；

图8为本发明的影像位移与物距变化的关系图；

图9为本发明的闪耀式光栅与影像感测阵列排放方向关系图；

图10为图9实施例的绕射影像成像形成立体视觉的原理示意图。

主要元件符号说明

100-可调式影像判距装置

10、10A-光学偏折元件

11、11A-偏光片

12、12A-透明基板

13、13A-液晶层

14、14A-穿透式闪耀式光栅(Transmission Blazed Grating)

15、15A-电压装置

20-光学成像装置

21-透镜

22、22A-影像感测器

40-物体

41-第一实物端部

42-第二实物端部

50、50A-绕射影像

50B-影像

51-第一影像端部

52-第二影像端部

60、60A-闪耀式光栅

61、61A-沟槽

62-光栅斜面

70-扫描线

A-第一方向

B-像素排列方向

d-光栅间距

G-光栅

L1-第一光线

L2-第二光线

La-平面光

Lb-绕射光

Lc-光栅法线

Ld-光栅斜面法线

m-绕射阶次

n_o-寻常光折射率

n_e-非寻常光折射率

n_eff-有效折射率

θb-闪耀夹角

θz-偏折夹角

α-入射角度

β-绕射角度

λ-入射光的波长

具体实施方式

以下将参照随附的附图来描述本发明为达成目的所使用的技术手段与功效，而以下附图所列举的实施例仅为辅助说明，以利贵审查委员了解，但本案的技术手段并不限于所列举附图。

请参阅图1所示，本发明所提出的一种可调式影像判距装置100，其主要由一光学偏折元件10以及一光学成像装置20构成，该光学偏折元件10由一偏光片11、一透明基板12、一液晶层13以及一穿透式闪耀式光栅(Transmission Blazed Grating)14构成，该液晶层13电连接于一电压装置15，该偏光片11的作用在于可消除该物体40于高阶成像时寻常光(O-ray)产生的第零阶影像，以降低影像处理的困难，该透明基板12提供该液晶层13可被夹设于该透明基板12与该穿透式闪耀式光栅14之间，该透明基板12的材质不限，可为玻璃或其他透明材料，通过该透明基板12及穿透式闪耀式光栅14将该电压装置15所产生的电压导入该液晶层13。

该光学偏折元件10用以提供一第一光线L1通过，并产生一第二光线L2进入该光学成像装置20，必须说明的是，在图1所示实施例中，该第一光线L1依序通过该偏光片11、该透明基板12、该液晶层13、该穿透式闪耀式光栅14，但除此之外，也可将该透明基板12、该液晶层13、该穿透式闪耀式光栅14翻转，如图2所示该光学偏折元件10A，该第一光线L1依序通过该偏光片11A、该穿透式闪耀式光栅14A、该液晶层13A、该透明基板12A，该液晶层13A电连接一电压装置15A，该光学偏折元件10A与图1所示该光学偏折元件10所能产生的效果相同；该光学成像装置20包括一透镜21以及一影像感测器22，该透镜21设置于该第二光线L2射入该影像感测器22的路径中，使得该第二光线L2先通过该透镜21后，再射入该影像感测器22并成像于该影像感测器22，该影像感测器22可采用电耦合元件(Charge-Coupled Device，CCD)成像装置或互补性金属氧化半导体(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS)成像装置。

本发明该液晶层13连接于该电压装置15，其目的在于利用液晶可电控调变折射率的特性，当调整该电压装置15提供不同电压值时，可通过该电压装置15改变该液晶层13的液晶分子并产生偏折，使该液晶层13的折射率产生变化，请参阅图3所示，该液晶层13的液晶分子131与该透明基板12之间具有一偏折夹角θz，当该偏折夹角θz因电压改变而产生变化时，则可使得成像于该影像感测器22的阶数产生变化，根据以下有效折射率公式(1)：

$n_{\mathrm{eff}}\left({\mathrm{\θ}}_z\right)=\frac{n_o{n}_e}{{({n_o}^e{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_z+{n_e}^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_z)}^{1/2}}...\left(1\right)$

其中，

n_eff为有效折射率；

θz为偏折夹角；

n_o为寻常光(O-ray)折射率；

n_e为非寻常光(E-ray)折射率；

经实际验证，请参阅图4所示，其显示当偏折夹角θz为7.5度时，以公式计算出的模拟状态与实际测量的成像的偏移量，由图4可知本发明利用电压装置15改变液晶层13折射率具有可实施性，其次，请参阅图5所示，其显示在不同电压时的有效折射率与穿透率的关系曲线，由图中所示可知，在不同电压值(0V、1.5V、3V)作用下，可引致液晶分子产生不同偏折夹角(7.5°、5°、2.5°)，并使得于不同绕射阶(0～3阶)的绕射成像具有不同有效折射率及穿透率，因此可以比较出物体于不同两绕射阶成像的位移，继而求出物体的距离，必须说明的是，图5是针对3阶的穿透式闪耀式光栅14的曲线图，若是采用其他不同阶数的穿透式闪耀式光栅，例如5阶，则可比对出0阶至5阶的有效折射率关系。

至于本发明该光学偏折元件10所具有的该穿透式闪耀式光栅14，其特性在于可改变光行进方向，将能量集中于某一绕射阶上，强化该阶的成像结果，并可同时于其他阶形成能量较低的成像，根据绕射原理，不同波长在各阶的绕射角度可在等光程差的条件下，推导出下列光栅方程式(gratingequation)(2)：

d(sinα±sinβ)＝mλ...............(2)

其中，

α为入射角度；

β为绕射角度；

d为光栅间距；

m为绕射阶次(m＝0，±1，±2，...)；

λ为入射光的波长。

根据公式(1)，可推算出各阶绕射光的角度

请参阅图6所示，当光线L通过光栅G时，BD-CA所形成的光程差若为波长λ的整数倍，即会形成建设性干涉，因此其满足上述该光栅方程式(2)。

绕射光学元件通常是作为分光或改变光行进方向的重要元件，而使用上常需考量其绕射效率，而闪耀式光栅(blazed grating)是一种能够兼具有绕射效率及分光效果的光栅，其通过调整入射光与光栅斜面的相对角度，使得绕射光的方向和以光栅局部斜面(facet)为反射平面时的反射方向相同，如图7所示，该闪耀式光栅60的光栅沟槽61形状为锯齿状，各沟槽61具有一光栅斜面62，该光栅斜面62可视为一微小的镜面，可将主要绕射光往某一阶次绕射方向集中，而增强该阶次的能量比例。就光栅绕射现象而言，当一平面光La以入射角度α入射该光栅斜面62时，其绕射光Lb与光栅法线Lc方向的夹角为β(亦即绕射角度)，光栅间距为d。该光栅斜面62可视为转动一角度θb的平面光栅，而造成该光栅斜面62的角度θb则称之为闪耀夹角(blazed angle)，因此，该光栅斜面法线Ld与该光栅法线Lc的夹角θb，就该光栅斜面62而言，当入射角等于反射角时，其绕射光Lb的强度为最大，若落在该光栅法线Lc的两旁以正负号表之，则可得到以下公式(3)：

α-θ_b＝θ_b-β或θ_b＝(α+β)/2............(3)

将公式(3)带入公式(2)中可得到，则可得到该闪耀角θb及该入射角度α的关系，如以下公式(4)：

d(sinα-sin(α-2θ_b))＝mλ............(4)

通过公式(4)，即可依据不同的光的波长，设计本发明该光学偏折元件10(显示在图1中)所需的穿透式闪耀式光栅14。如图7所示，闪耀式光栅设计可根据其光栅深度h及周期参数的变化调整，来达到对于不同波长的光其绕射能量集中于某一阶的效能。

根据上述该液晶层13可电控调变折射率的特性，以及该穿透式闪耀式光栅14可将光能量集中于特定阶的特性，请参阅图1所示，说明本发明的立体成相原理，该第一光线L1照射于一物体40后再射向该光学偏折元件10，该第一光线L1与该光学偏折元件10之间具有一入射角度α，该第一光线L1依序通过该偏光片11、该透明基板12、该液晶层13、该穿透式闪耀式光栅14后，当该具有物体影像的第一光线L1通过该光学偏折元件10后，可形成该第二光线L2射出该光学偏折元件10，该第二光线L2与该光学偏折元件10之间形成一出射(绕射)角度β，该第二光线L2包含有该物体40的影像，其次，该第二光线L2再进入该光学成像装置20，该第二光线L2通过该光学成像装置20的该透镜21后，再射入该影像感测器22并成像一绕射影像50于该影像感测器22，该物体40具有一第一实物端部41以及一第二实物端部42，该绕射影像50具有第一影像端部51以及一第二影像端部52，该第一影像端部51对应于该第一实物端部41，该第二影像端部52对应于该第二实物端部42，此时，该电压装置15提供一电压值于该液晶层13，该电压值并没有一定限制，依实际所需的绕射影像成像阶数而定，例如图4所示，当提供3V电压时，可将能量集中并成像于1阶，当提供1.5V电压时，可将能量集中并成像于2阶，当提供0V电压时，可将能量集中并成像于3阶，至于该0阶曲线，指未设置该光学偏折元件10的情形下，实像所呈现的影像，亦即，该第一光线L1直接投射于该光学成像装置20的该透镜21后，再射入该影像感测器22所呈现的影像。

本发明利用上述电压调变该光学偏折元件偏折角度的技术特征，当调整该电压装置15提供不同电压值的第一电压及第二电压于该液晶层13时，可将光线能量集中于不同绕射阶，例如一为第M阶、一为第N阶，并于该第M阶、第N阶形成能量不同的绕射影像，该第M阶、第N阶的阶数视实际所需而定，例如该第M阶为第1阶，该第N阶为第0阶，该第1阶的绕射影像，与该第0阶的绕射影像，组成一组影像序列。借着这一组影像序列，由该能量集中的1阶绕射影像50与未设置该光学偏折元件10时的实像成像位置(即绕射影像的零阶成像位置)的偏移量，即可计算出该物体实际距该光学偏折元件10的距离；在其他实施例中，可由两种不同设计参数的光学偏折元件，分别产生不同阶次且能量集中的绕射影像，借着该两绕射影像的偏移量，即可计算出该物体实际距该光学偏折元件10的距离；换言之，未设置该光学偏折元件10所产生的影像，与设置有该光学偏折元件10的成像结果，或由两组不同阶能量集中的绕射成像结果，犹如双眼立体视觉中左右两眼的影像，但必须说明的是，该能量集中的绕射影像50所形成的影像序列的阶次(即第M、N阶)并无一定限制，可依实际所需设计该光学偏折元件10即可。请参阅图8所示影像位移与物距变化的关系图，说明本发明可通过成像影像的偏移量与此正向关系求得物距资讯，例如，当影像位移为125像素(pixel)时，物距为5厘米，当影像位移为150像素(pixel)时，物距约为14厘米，本发明的特点在于，由于该光学偏折元件10设置有可经由电压装置15调变电压而改变液晶分子偏折角度的液晶层13，因此可以简易且快速地切换于不同阶数成像，进行快速测量。

另值得说明的是，本发明所采用的光学偏折元件10的型态没有一定限制，可达到将光线能量导向集中于使用者所需的绕射阶次即可。但为了避免多阶成像影像重叠，造成影像不易解构分析，其使用的光学偏折元件10针对特定一阶的穿透率可高于0.5。就图7所示该闪耀式光栅60的断面型态而言，可将其延伸为图9所示该闪耀式光栅60A，该闪耀式光栅60A由相互平行于一第一方向A的多个条状沟槽61A所构成的直线式光栅(RuledGrating)，与该闪耀式光栅60A搭配的该影像感测器22A具有一像素排列方向B，该像素排列方向B为该光学成像装置的扫描线(Scan Line)方向，该像素排列方向B与该第一方向A相互垂直，在本实施例中，该第一方向A是垂直方向，该像素排列方向B是水平方向，如此，能量集中的第M阶绕射影像与第N阶影像可位于同一扫描线方向上。

请参阅图10所示，说明本发明的立体成像原理，其中，实线图形代表能量集中的影像，虚线图形代表能量较弱的影像，该第一组图F1代表未使用光学偏折元件时所拍摄得到的影像(即零阶成像，N＝0)中，实线花盆代表能量集中的实像位置，该第二组图F2代表使用光学偏折元件所拍摄得到的影像，以M＝1阶为例，该第二组图F2右侧的实线花盆代表1阶能量集中的绕射影像，是为虚像，该第二组图F2左侧的虚线花盆代表零阶能量较低的绕射影像，是为实像，其中第一组图F1与第二组图F2可组成一影像序列，即将该第一组图F1及该第二组图F2相互重叠，可得到该第三组图F3，在同一扫描线70上，可分别在不同位置得到第1阶与第零阶的能量集中的影像50A与50B，通过测量该能量集中的影像50A与50B相对应的特征点距离(disparity)D1(例如图示以该花瓣右侧边端点为特征点)，即可计算实际该物体(亦即该花盆实体)距离该光学偏折元件的距离。如前所述，本发明虽然可直接采用环境光，但也可设置一主动光源作为辅助光源，用以强化物体影像，该主动光源可依所需采用可见光或不可见光。

综上所述，本发明提供的可调式影像判距装置及方法，通过电压调变光学偏折元件的偏折角度，使产生至少两组的影像，由比较影像的偏移量以计算物体与光学偏折元件的距离，不仅可以简易且快速地切换于不同阶数成像，进行快速测量，并可简化系统架构、利于小型化。

以上所述者，仅为本发明的实施例而已，当不能以之限定本发明所实施的范围。即大凡依本发明权利要求所作的均等变化与修饰，皆应仍属于本发明专利涵盖的范围内，谨请贵审查委员明鉴，并祈惠准，是所至祷。

Claims (10)

1.一种可调式影像判距装置，至少包含：

光学偏折元件，用以提供一具有物体影像的第一光线通过，并产生一具有物体影像的第二光线，该光学偏折元件包括液晶层以及穿透式闪耀式光栅(Transmission Blazed Grating)，该液晶层电连接于一电压装置；

光学成像装置，用以承接该第二光线，通过调整该电压装置提供不同电压作用于该液晶层，使该第二光线于该光学成像装置形成一组影像序列，由该组影像序列中相对应物体的成像位置偏移量，计算出该物体实际距该光学偏折元件的距离。

2.如权利要求1所述的可调式影像判距装置，其中该光学偏折元件包括透明基板，该液晶层夹设于该透明基板与该穿透式闪耀式光栅之间。

3.如权利要求1所述的可调式影像判距装置，其中该光学偏折元件包括偏光片，该第一光线先通过该偏光片后进入该光学偏折元件。

4.如权利要求1所述的可调式影像判距装置，其中该光学成像装置包含：

影像感测器，该第二光线成像于该影像感测器；

透镜，该透镜设置于该第二光线射入该影像感测器的路径中，该第二光线先通过该透镜后，再射入该影像感测器。

5.一种可调式影像判距的方法，包含：

将具有物体影像的第一光线通过一光学偏折元件，使产生具有物体影像的第二光线，该光学偏折元件包括液晶层以及穿透式闪耀式光栅(Transmission Blazed Grating)，该液晶层电连接于一电压装置，由该电压装置提供一第一电压于该液晶层；

该第二光线投射于一光学成像装置，并于该光学成像装置形成能量集中的一第M阶绕射影像；

调整该电压装置提供一第二电压于该液晶层，使该通过该光学偏折元件的第二光线于该光学成像装置形成一第N阶绕射影像；以及

通过该第M阶绕射影像与第N阶绕射影像，形成一组影像序列，由该组影像序列中相对应物体的成像位置偏移量，计算出该物体实际距该光学偏折元件的距离。

6.如权利要求5所述的可调式影像判距的方法，其中该光学偏折元件包括透明基板，该液晶层夹设于该透明基板与该穿透式闪耀式光栅之间。

7.如权利要求5所述的可调式影像判距的方法，其中该光学偏折元件包括偏光片，该第一光线先通过该偏光片后进入该光学偏折元件。

8.如权利要求5所述的可调式影像判距的方法，其中该第M阶及第N阶为不同的绕射阶数。

9.如权利要求5所述的可调式影像判距的方法，其中将该第M阶绕射影像与该第N阶影像相互重叠，以形成该组影像序列。

10.如权利要求5所述的可调式影像判距的方法，其中该光学偏折元件对于该第M阶及第N阶穿透率高于0.5。

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