CN102281405A - 失焦校正模块、含有该模块的光感测系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适用于光感测系统的失焦校正模块、含有该模块的光感测系统及其方法。光感测系统用来感测待测物以产生感测影像。光感测系统具有一发光组件、一聚光组件,以及一影像传感器。发光组件发出一侦测光至该待测物,以使待测物产生一反射光。聚光组件汇聚反射光于影像传感器。影像传感器根据反射光以产生感测影像。失焦校正模块具有一校正物遮蔽部分的侦测光与反射光,以分别成像于感测影像中的第一与第二校正成像位置。如此,失焦校正模块根据第一与第二校正成像位置,可计算出可表示光感测系统的失焦程度的一失焦参数,并据以校正感测影像。
Description
技术领域
本发明涉及一种失焦校正模块,更明确地说,涉及一种适用于光感测系统的失焦校正模块。
背景技术
请参考图1。图1为公知技术的光感测系统100的示意图。光感测系统100用来感测待测物MO以产生一感测影像SIM,光感测系统100具有一发光组件110、一聚光组件120,以及一影像传感器130。发光组件110发出一侦测光LD至待测物MO,以使待测物MO产生一反射光LR。影像传感器130根据反射光LR以产生感测影像SIM。聚光组件120用来汇聚反射光LR于影像传感器130。聚光组件120的放大系数为m。聚光组件120的前焦距与后焦距分别为D与mD,聚光组件120的前焦距平面与后焦距平面分别为SUF与SUR。影像传感器130设置于聚光组件120的后焦距平面SUR。聚光组件120的前焦距平面SUF设置有一基板101。若待测物MO贴合于基板101,则表示待测物MO与聚光组件120之间的已知距离等于聚光组件120的前焦距D。假设此时影像传感器130与聚光组件120之间的距离也等于聚光组件120的后焦距mD,则反射光LR可汇聚于影像传感器130,而使影像传感器130产生清晰的感测影像SIM。然而,由于在光感测系统100中可能有组装误差,因此造成影像传感器130与聚光组件120之间的距离不等于聚光组件120的后焦距mD,或是基板101与聚光组件120之间的距离不等于聚光组件120的前焦距D。此外待测物MO也可能于成像时没有贴合于基板101。如此一来,待测物MO所产生的反射光LR会因失焦而无法汇聚于影像传感器130,而使影像传感器130产生模糊的感测影像SIM,带给使用者很大的不便。
发明内容
本发明提供一种失焦校正模块。该失焦校正模块应用于一光感测系统。该光感测系统用来感测一待测物以产生一感测影像。该光感测系统具有一发光组件、一聚光组件,以及一影像传感器。该发光组件用来发出一侦测光至该待测物,以使该待测物产生一反射光。该聚光组件用来汇聚该反射光于该影像传感器。该影像传感器用来根据该反射光以产生该感测影像。该失焦校正模块用来校正该光感测系统的该感测影像。该失焦校正模块包含一校正物,以及一计算电路。该校正物位于该待测物与该聚光组件之间。该校正物用来遮蔽部分的该侦测光与部分的该反射光,以分别成像于该感测影像中的一第一校正成像位置与一第二校正成像位置。该计算电路用来根据该第一校正成像位置与该第二校正成像位置,以校正该感测影像。
本发明另提供一种具校正失焦功能的光感测系统。该光感测系统用来感测一待测物以产生一感测影像。该光感测系统包含一发光组件、一影像传感器、一聚光组件,以及一失焦校正模块。该发光组件用来发出一侦测光至该待测物,以使该待测物产生一反射光。该影像传感器用来根据该反射光以产生该感测影像。该聚光组件用来汇聚该反射光于该影像传感器。该失焦校正模块,用来校正该光感测系统的该感测影像。该失焦校正模块包含一校正物,以及一计算电路。该校正物位于该待测物与该聚光组件之间。该校正物用来遮蔽部分的该侦测光与部分的该反射光,以分别成像于该感测影像中的一第一校正成像位置与一第二校正成像位置。该计算电路用来根据该第一校正成像位置与该第二校正成像位置,以校正该感测影像。
本发明另提供一种用来校正一光感测系统的方法。该光感测系统用来感测一待测物以产生一感测影像。该光感测系统具有一发光组件、一聚光组件,以及一影像传感器。该发光组件用来发出一侦测光至该待测物,以使该待测物产生一反射光。该聚光组件用来汇聚该反射光于该影像传感器。该影像传感器用来根据该反射光以产生该感测影像。该方法包含于该待测物与该聚光组件之间提供一校正物、该校正物遮蔽部分的该侦测光与部分的该反射光,以分别成像于该感测影像中的一第一校正成像位置与一第二校正成像位置,以及根据该第一校正成像位置、该第二校正成像位置,以校正该感测影像。
附图说明
图1为公知技术的光感测系统的示意图。
图2为说明本发明的失焦校正模块的示意图。
图3为影像传感器所产生的感测影像的一部分的示意图。
图4为计算电路沿着图3中的切线所读取的信号的示意图。
图5为说明根据失焦参数以校正感测影像的方法的示意图。
图6为本发明的具校正失焦功能的光感测系统的示意图。
其中,附图标记说明如下:
101、601 基板
110、610 发光组件
120、620 聚光组件
130、630 影像传感器
210、641 校正物
220、642 计算电路
600 光感测系统
A 有效聚光面积
D 失焦参数
D 前焦距
L 切线
LD、LD1、LD2 侦测光
LR、LR1、LR2 反射光
LOC1、LOC2 位置
M 放大系数
MO 待测物
OIM 原始影像
P1、P2 遮蔽点
PIX1~PIX4 像素
STH 临界值
SIM 感测影像
SUF 前焦距平面
SUR 后焦距平面
A 入射角
δ、DC12 距离
θFOV 视角
具体实施方式
本发明提供一种失焦校正模块,应用于光感测系统。本发明的失焦校正模块,通过一校正物设置于待测物与聚光组件之间,遮蔽部分的侦测光与部分的反射光,以分别成像于感测影像中的一第一校正成像位置与一第二校正成像位置。如此,本发明的失焦校正模块可根据第一校正成像位置与第二校正成像位置,以得到光感测系统的失焦程度,并据以校正模糊的感测影像,来提供给使用者待测物的清晰的影像。
请参考图2。图2为说明本发明的失焦校正模块200的示意图。失焦校正模块200可用来校正光感测系统100于失焦时所产生的感测影像SIM。失焦校正模块200包含一校正物210与一计算电路220。校正物210位于待测物MO与聚光组件120之间。校正物210用来遮蔽部分的侦测光LD与部分的反射光LR,以分别成像于感测影像SIM中的校正成像位置LOC1与LOC2。举例而言,当发光组件110发出红外光以作为侦测光LD时,校正物210不透红外光,以遮蔽部分的侦测光LD与部分的反射光LR。计算电路220根据校正成像位置LOC1与LOC2,以估计光感测系统100的失焦程度,并据以校正感测影像SIM。更明确地说,光感测系统100的失焦的原因来自于一物距误差ERO,以及一像距误差ERI。物距误差ERO用来表示待测物MO以及聚光组件120之间的距离与聚光组件120的前焦距D的差异,也就是说,当物距误差ERO不等于零时,表示待测物MO不位于聚光组件120的前焦平面SUF。像距误差ERI用来表示影像传感器130以及聚光组件120之间的距离与聚光组件120的后焦距mD的差异,也就是说,当像距误差ERI不等于零时,表示影像传感器130不位于聚光组件120的后焦平面SUR。因此,光感测系统100的失焦程度可根据物距误差ERO与像距误差ERI来估计。在图2中,假设待测物MO与基板101之间的距离为d、基板101位于聚光组件120的前焦平面SUF,而影像传感器130则位于聚光组件120的后焦平面SUR。然而,距离d实际上的意义可表示物距误差ERO与像距误差ERI的和,也就是说,即使影像传感器130实际上不位于聚光组件120的后焦平面SUR而造成像距误差ERI,只要将待测物MO与基板101之间的距离d设为物距误差ERO与像距误差ERI的和,则可估计其失焦的情况。换句话说,距离d为可用来表示光感测系统100的失焦程度的一失焦参数。因此,在本发明中,计算电路220利用校正成像位置LOC1与LOC2,以推算光感测系统100的失焦参数d,并根据失焦参数d,以校正感测影像SIM。以下将更进一步地说明其工作原理。
首先,先说明计算电路220根据校正成像位置LOC1与LOC2,以推算光感测系统100的失焦参数d的工作原理。
在图2中,侦测光LD1以已知入射角α射至待测物MO,以使待测物MO据以产生反射光LR1。当反射光LR1射至基板101时,反射光LR1被校正物210所遮蔽。此外,当侦测光LD2以已知入射角α入射至基板101时,侦测光LD2被校正物210遮蔽。由于侦测光LD2无法射至待测物MO,因此造成待测物MO无法据以产生反射光LR2(以虚线表示)。换句话说,影像传感器130不会接收到反射光LR1与LR2。举例而言,请参考图3。图3为影像传感器130所产生的感测影像SIM的一部分的示意图。假设校正物210为圆形,且待测物MO为手指。在图3中,黑色曲线表示手指的指纹。黑心圆圈的部分表示影像传感器130因校正物210的遮蔽,而不会接收到反射光LR1与LR2的区域。也就是说,黑心圆圈的位置为校正物210成像于感测影像SIM中的校正成像位置LOC1与LOC2。更明确地说,校正物210遮蔽反射光LR1,以于基板101上形成遮蔽点P1,而使得遮蔽点P1成像于校正成像位置LOC1;且校正物210遮蔽侦测光LD2,以于基板101上形成遮蔽点P2,而使得遮蔽点P1成像于校正成像位置LOC2。由图2可看出失焦参数d可根据下式计算:
其中δ表示遮蔽点P1与P2之间的距离。由于聚光组件120的放大系数为m,因此在图3中校正成像位置LOC1与LOC2之间的距离DC12等于(m×δ)。换句话说,计算电路220可根据影像传感器130所产生的感测影像SIM的校正成像位置LOC1与LOC2之间的距离DC12,以计算出遮蔽点P1与P2之间的距离δ,并进一步得到失焦参数d。举例而言,请参考图4。图4为计算电路220沿着图3中的切线L所读取的信号的示意图。由于当影像传感器130无法接收到反射光LR时,影像传感器130所产生的信号的值较低。因此在图4中,信号小于一临界值STH的部分对应于校正物210的校正成像位置LOC1与LOC2。因此,由图4中,根据对应于临界值STH的影像传感器130的像素PIX1~PIX2与PIX3~PIX4,可分别得到图3中斜线圆圈的中心的位置。由于斜线圆圈的中心的位置即为校正成像位置LOC1与LOC2。如此一来,计算电路220可得到校正成像位置LOC1与LOC2之间的距离DC12,并根据下式以计算出失焦参数d:
以下将说明计算电路220根据光感测系统100的失焦参数d,以校正感测影像SIM的工作原理。
请参考图5。图5为说明根据失焦参数d以校正感测影像SIM的方法的示意图。在图5中的左半部中的清晰影像(以实线表示)表示待测物MO的原始影像OIM,且待测物MO的原始影像OIM的分布可以函数o(x,y)表示。图5中的右半部中的模糊影像(以虚线表示)表示光感测系统100感测待测物MO所产生的感测影像SIM,且感测影像SIM的分布可以函数i(x,y)表示。由于光感测系统100因组装误差(举例而言,组装误差造成物距误差ERO与像距误差ERI)而失焦,因此待测物MO的原始影像OIM经过光感测系统100的聚光组件120后,于影像传感器130形成模糊的感测影像SIM。以下将更进一步地说明感测影像SIM、待测物MO的原始影像OIM与光感测系统100之间的关系。
光感测系统100的特性可以一点扩散函数(Point Spread Function,PSF)h(x,y)来表示。由公知技术可知(可参考“傅立叶光学”相关技术),感测影像SIM的分布函数i(x,y)为待测物MO的原始影像OIM的分布函数o(x,y)与光感测系统100的点扩散函数h(x,y)的旋积(convolution),其关系可以下式表示:
i(x,y)=o(x,y)*h(x,y)+n(x,y) …(3);
其中在式(3)中的符号「*」表示旋积,n(x,y)表示影像传感器130所接收的噪声的分布函数。此外,在式(3)中的光感测系统100的点扩散函数h(x,y)由待测物MO与聚光组件120之间的距离(也就是说,物距)、影像传感器130与聚光组件120之间的距离(也就是说,像距)、聚光组件120的有效聚光面积A、聚光组件120的放大系数m所决定,其中聚光组件120的有效聚光面积A表示在当反射光LR通过聚光组件120时,影像传感器130只能接收到通过聚光组件120的有效聚光面积A的反射光LR。举例而言,影像传感器130的视角为图5中所示的θFOV,由于超出视角θFOV的反射光LRD无法入射至影像传感器130,因此有效聚光面积A的区域可以函数P(X,Y)表示,如下式所示:
此外,由于此时待测物MO与聚光组件120之间的距离等于失焦参数d加上聚光组件120的前焦距D,且影像传感器130与聚光组件120之间的距离等于聚光组件120的后焦距mD,因此根据傅立叶光学相关技术“(由于点扩散函数的推导方法为公知技术,故不再赘述),可得到光感测系统100的点扩散函数h(x,y):
如此一来,由于感测影像SIM的分布函数i(x,y)与点扩散函数h(x,y)皆为已知,因此,通过式(3)的傅立叶反转换(Inverse Fourier Transform),计算电路220可根据下式以计算待测物MO原始影像OIM的分布函数o(x,y):
其中表示傅立叶反转换(Inverse Fourier Transform),I(X,Y)表示感测影像SIM的分布函数i(x,y)经傅立叶转换后的转换感测影像函数,H(X,Y)表示点扩散函数h(x,y)经傅立叶转换后的转换点扩散函数,N(X,Y)表示该影像传感器130的噪声的分布函数n(x,y)经傅立叶转换后的转换噪声函数。考虑影像传感器130的噪声为一白噪声(white noise),因此等于一已知常数Γ。如此,式(6)可转换如下式:
因此,计算电路220根据式(7)即可计算出待测物MO原始影像OIM的分布函数o(x,y)。
综上所述,在本发明的失焦校正模块200中,计算电路220可根据失焦参数d,以计算出光感测系统100的点扩散函数h(x,y)。由于感测影像SIM的分布函数i(x,y)为待测物的原始影像OIM的分布函数o(x,y)与点扩散函数h(x,y)的旋积,因此,计算电路220通过傅立叶反转换的方法,可以计算出待测物MO的原始影像OIM的分布函数o(x,y),以得到待测物MO的清晰影像。
此外,在本发明的失焦校正模块200中,校正物210可以油墨印刷的方式以设置于基板101上。且只要适当地设计校正物210于基板101上所设置的位置,即可使校正成像位置LOC1与校正成像位置LOC2位于感测影像SIM的角落。也就是说,虽然校正物210会遮蔽部分的侦测光LD与部分的反射光LR,但是待测物MO的主要特征(举例而言,较靠近待测物MO的中心的部分)所产生的反射光LR都不会校正物210所遮蔽,因此影像传感器130所产生的感测影像SIM不会失去待测物MO的主要特征的信息。此外,校正物可为圆形或一正多边形,以利于计算电路220辨识校正物210于感测影像SIM中所成像的校正成像位置LOC1与校正成像位置LOC2。
请参考图6。图6为本发明的具校正失焦功能的光感测系统600的示意图。光感测系统600用来感测待测物MO以产生感测影像SIM。光感测系统包含一发光组件610、一聚光组件620、一影像传感器630,以及一失焦校正模块640。其中发光组件610、聚光组件620、影像传感器630的结构及工作原理分别与发光组件110、聚光组件120、影像传感器130类似,故不再赘述。失焦校正模块640包含一校正物641,以及一计算电路642。其中校正物641设置于基板601,且失焦校正模块640、校正物641、计算电路642的结构以及工作原理分别与失焦校正模块200、校正物210、计算电路220类似。校正物641成像于感测影像SIM中的校正成像位置LOC1与LOC2。计算电路642根据校正成像位置LOC1与LOC2,可计算出可用来表示光感测系统600的失焦程度的一失焦参数d。计算电路642通过图5所说明的方法,可根据失焦参数d以校正感测影像SIM,而得到待测物MO的清晰的影像。
综上所述,本发明提供一失焦校正模块,用来校正一光感测系统于失焦时所产生的感测影像。本发明的失焦校正模块,通过校正物遮蔽部分的侦测光与部分的反射光,以分别成像于感测影像中的一第一校正成像位置与一第二校正成像位置。本发明的失焦校正模块的计算电路,根据第一校正成像位置与第二校正成像位置,以计算出可用来表示光感测系统的失焦程度的一失焦参数。根据该失焦参数,可进一步得到光感测系统的点扩散函数。由于影像传感器所产生的感测影像为待测物的原始影像与点扩散函数的旋积,因此计算电路根据点扩散函数与感测影像,可推算出清晰的待测物的原始影像。此外,本发明另提供ㄧ光感测系统。本发明的光感测系统,利用本发明的失焦校正模块,可校正因组装误差或待测物偏离时影像传感器所产生的感测影像,而得到待测物清晰的影像,带给使用者更大的方便。
以上所述仅为本发明的优选实施例,凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰,皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (13)
1.一种失焦校正模块,应用于一光感测系统,该光感测系统用来感测一待测物以产生一感测影像,该光感测系统具有一发光组件、一聚光组件,以及一影像传感器,该发光组件用来发出一侦测光至该待测物,以使该待测物产生一反射光,该聚光组件用来汇聚该反射光于该影像传感器,该影像传感器用来根据该反射光以产生该感测影像,该失焦校正模块用来校正该光感测系统的该感测影像,其特征在于包含:
一校正物,位于该待测物与该聚光组件之间,用来遮蔽部分的该侦测光与部分的该反射光,以分别成像于该感测影像中的一第一校正成像位置与一第二校正成像位置;以及
一计算电路,用来根据该第一校正成像位置与该第二校正成像位置,以校正该感测影像。
2.如权利要求1所述的失焦校正模块,其特征在于,该校正物可为圆形或一正多边形,以利于该计算电路辨识该校正物于该感测影像中所成像的该第一校正成像位置与该第二校正成像位置。
3.如权利要求1所述的失焦校正模块,其特征在于,该发光组件发出红外光以作为该侦测光,且该校正物不透红外光,以遮蔽部分的该侦测光;该校正物于该基板上所设置的位置可使该第一校正成像位置与该第二校正成像位置位于该感测影像的角落。
4.如权利要求1所述的失焦校正模块,其特征在于,该计算电路根据该第一校正成像位置、该第二校正成像位置与该侦测光的一已知入射角以计算得到该光感测系统的一失焦参数,并根据该失焦参数与该感测影像,以计算出该待测物的一原始影像;
其中该失焦参数表示一物距误差与一像距误差的总和;
其中该物距误差为该待测物以及该聚光组件之间的距离与该聚光组件的一前焦距的差;
其中该像距误差为该影像传感器以及该聚光组件之间的距离与该聚光组件的一后焦距的差。
5.如权利要求4所述的失焦校正模块,其特征在于,该计算电路根据下式以计算该失焦参数:
其中α表示与该侦测光的该已知入射角,DC12表示该第一校正成像位置与该第二校正成像位置之间的距离,m表示该聚光组件的一放大系数,d表示该失焦参数;
其中该计算电路根据该失焦参数,以计算出该光感测系统的一点扩散函数,并根据该点扩散函数与该感测影像,以计算出该待测物的该原始影像;
其中该计算电路根据下式推算出该点扩散函数:
其中h(x,y)表示该点扩散函数,A代表该聚光组件的一有效聚光面积,D表示该基板与该聚光组件间的一已知距离;
其中该计算电路根据下式以计算出该待测物的该原始影像:
一转换感测影像函数,H(X,Y)表示该点扩散函数经傅立叶转换后的一转换点扩散函数,N(X,Y)表示该影像传感器的一噪声的分布函数经傅立叶转换后的一转换噪声函数。
6.一种具校正失焦功能的光感测系统,该光感测系统用来感测一待测物以产生一感测影像,其特征在于包含:
一发光组件,用来发出一侦测光至该待测物,以使该待测物产生一反射光;
一影像传感器,用来根据该反射光以产生该感测影像;
一聚光组件,用来汇聚该反射光于该影像传感器;以及
一失焦校正模块,用来校正该光感测系统的该感测影像,该失焦校正模块包含:
一校正物,位于该待测物与该聚光组件之间,用来遮蔽部分的该侦测光与部分的该反射光,以分别成像于该感测影像中的一第一校正成像位置与一第二校正成像位置;以及
一计算电路,用来根据该第一校正成像位置与该第二校正成像位置,以校正该感测影像。
7.如权利要求6所述的光感测系统,其特征在于,该校正物可为圆形或一正多边形,以利于该计算电路辨识该校正物于该感测影像中所成像的该第一校正成像位置与该第二校正成像位置。
8.如权利要求6所述的光感测系统,其特征在于,该发光组件发出红外光以作为该侦测光,且该校正物不透红外光,以遮蔽部分的该侦测光;该校正物于该基板上所设置的位置可使该第一校正成像位置与该第二校正成像位置位于该感测影像的角落。
9.如权利要求6所述的光感测系统,其特征在于,该计算电路根据该第一校正成像位置、该第二校正成像位置与该侦测光的一已知入射角以计算得到该光感测系统的一失焦参数,并根据该失焦参数与该感测影像,以计算出该待测物的一原始影像;
其中该失焦参数表示一物距误差与一像距误差的总和;
其中该物距误差为该待测物以及该聚光组件之间的距离与该聚光组件的一前焦距的差;
其中该像距误差为该影像传感器以及该聚光组件之间的距离与该聚光组件的一后焦距的差。
10.如权利要求9所述的光感测系统,其特征在于,该计算电路根据下式以计算该失焦参数:
其中α表示与该侦测光的该已知入射角,DC12表示该第一校正成像位置与该第二校正成像位置之间的距离,m表示该聚光组件的一放大系数,d表示该失焦参数;
其中该计算电路根据该失焦参数,以计算出该光感测系统的一点扩散函数,并根据该点扩散函数与该感测影像,以计算出该待测物的该原始影像;
其中该计算电路根据下式推算出该点扩散函数:
其中h(x,y)表示该点扩散函数,A代表该聚光组件的一有效聚光面积,D表示该基板与该聚光组件间的一已知距离;
其中该计算电路根据下式以计算出该待测物的该原始影像:
11.一种用来校正一光感测系统的方法,该光感测系统用来感测一待测物以产生一感测影像,该光感测系统具有一发光组件、一聚光组件,以及一影像传感器,该发光组件用来发出一侦测光至该待测物,以使该待测物产生一反射光,该聚光组件用来汇聚该反射光于该影像传感器,该影像传感器用来根据该反射光以产生该感测影像,其特征在于,该方法包含:
于该待测物与该聚光组件之间提供一校正物;
该校正物遮蔽部分的该侦测光与部分的该反射光,以分别成像于该感测影像中的一第一校正成像位置与一第二校正成像位置;以及
根据该第一校正成像位置、该第二校正成像位置,以校正该感测影像。
12.如权利要求11所述的方法,其特征在于,该校正物于该基板上的位置可使该第一校正成像位置与该第二校正成像位置位于该感测影像的角落。
13.如权利要求11所述的方法,其特征在于,根据该第一校正成像位置、该第二校正成像位置,以校正该感测影像包含:
根据该第一校正成像位置、该第二校正成像位置与该侦测光的一已知入射角以计算得到该光感测系统的一失焦参数;以及
根据该失焦参数与该感测影像,以计算出该待测物的一原始影像;
其中该失焦参数表示一物距误差与一像距误差的总和;
其中该物距误差为该待测物以及该聚光组件之间的距离与该聚光组件的一前焦距的差;
其中该像距误差为该影像传感器以及该聚光组件之间的距离与该聚光组件的一后焦距的差。
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