CN102384736B - 测距装置及测距方法 - Google Patents

Abstract

一种测距装置，具有检测范围，测量此检测范围内的至少一物体的距离。此测距装置包括发光元件、扩散元件、调节元件以及影像感测元件。发光元件发射光束。扩散元件配置于光束的传递路径上，并将光束转换成具有特定图案的测距光束，以照射至物体。调节元件调节入射至扩散元件的光束的入射位置与入射角。影像感测元件具有视场，且视场涵盖检测范围。此测距装置具有较远的检测距离。本发明另提出一种运用此测距装置进行测距的方法以及另一种测距装置。

Description

测距装置及测距方法

技术领域

本发明是有关于一种测距装置，且特别是有关于一种光学的测距装置以及测距方法。

背景技术

近年来，三维(three dimension)测距装置已被广泛应用于距离的测量，其原理是借助镭射发射器发出特定的测量光束，再借助影像感测元件感测此测量光束的光学资讯(例如感测到光束的时间、光束的位置、光束的形状、光束的大小、光束的强度、光束的相位等)，从而解析出三维测距装置的检测范围内的各物体的距离。

现有测距装置的可检测距离都是固定而无法改变的。但在实际应用中，随着应用环境的不同，常常需要改变测距装置的可检测距离，因此现有测距装置无法满足应用需求。

另一方面，当检测较远的物体的距离时，照射到物体的光束的能量较弱，所以如果要使现有测距装置具有较远的可检测距离，就需要配置较高功率的发光元件。但是，使用高功率发光元件会导致现有测距装置的制作成本增加，同时也不利于节约能源与环境保护。

发明内容

本发明提供一种测距装置，其可在不提高发光元件的功率的前提下增加可检测距离。

本发明还提供一种测距方法，其可在不提高发光元件的功率的前提下增加可检测距离。

本发明另提供一种测距装置，其具有可检测距离能调整的优点。

为达上述优点，本发明提出一种测距装置，其具有检测范围，且此测距装置测量此检测范围内的至少一物体的距离。此测距装置包括发光元件、扩散元件、调节元件以及影像感测元件。发光元件发射光束。扩散元件配置于光束的传递路径上，并将光束转换成具有特定图案的测距光束，以照射至物体。调节元件调节入射至扩散元件的光束的入射位置与入射角。影像感测元件具有视场(field of view，FOV)，且此视场涵盖检测范围。

在本发明的一实施例中，上述的调节元件包括驱动件，此驱动件连接于发光元件，以转动发光元件。

在本发明的一实施例中，上述的驱动件为马达或微机电元件(microelectro mechanical systems device，MEMS device)。

在本发明的一实施例中，上述的调节元件包括反射件以及驱动件。反射件配置于扩散元件与发光元件之间，以将光束反射至扩散元件。驱动件连接于反射件，以转动反射件。

在本发明的一实施例中，上述的测距装置更包括聚焦镜头，此聚焦镜头配置于发光元件与扩散元件之间，且位于光束的传递路径上。

在本发明的一实施例中，上述的聚焦镜头为变焦镜头。

在本发明的一实施例中，上述的测距装置更包括移动件，此移动件连接于扩散元件，并带动扩散元件移动。

在本发明的一实施例中，上述的发光元件为镭射发射器或发光二极管。

在本发明的一实施例中，上述的扩散元件为扩散片、绕射元件或均光片。

在本发明的一实施例中，上述的测距光束的第一中心轴与影像感测元件的视场的第二中心轴平行。

在本发明的一实施例中，上述的测距光束的第一中心轴与影像感测元件的视场的第二中心轴之间有夹角。

在本发明的一实施例中，上述的测距装置更包括分光元件，配置于扩散元件与影像感测元件之间。

在本发明的一实施例中，通过上述的分光元件的部分测距光束的第一中心轴与影像感测元件的被上述的分光元件转折后的视场的第二中心轴平行或重叠。

为达上述优点，本发明提出一种测距方法，适用于前述的测距装置。此测距方法包括以下步骤。首先，将检测范围分成多个检测区域。然后，借助调节元件调节入射至扩散元件的光束的入射位置与入射角，以使测距光束依序照射至这些检测区域，并借助影像感测元件感测测距光束于这些检测区域的多个光学资讯。之后，根据这些光学资讯判断位于检测范围内的物体的距离。

为达上述优点，本发明提出一种测距装置，其具有检测范围，且此测距装置测量此检测范围内的至少一物体的距离。此测距装置包括发光元件、扩散元件、聚焦镜头以及影像感测元件。发光元件发射光束。扩散元件配置于光束的传递路径上，并将光束转换成具有特定图案的测距光束，以照射至物体。聚焦镜头配置于发光元件与扩散元件之间，且位于光束的传递路径上。聚焦镜头的焦距以及扩散元件与聚焦镜头之间的距离至少其中之一是可变的。影像感测元件具有视场，且此视场涵盖检测范围。

本发明实施例的测距装置以及测距方法因将测距装置的检测范围分成多个检测区域，并借助调节元件调节入射至扩散元件的光束的入射位置与入射角，以使光束依序照射这些检测区域而进行距离测量。如此，可在不增加发光元件的功率的情形下增加可检测距离。此外，本发明另一实施例的测距装置中，由于聚焦镜头的焦距以及扩散元件与聚焦镜头之间的距离至少其中之一是可变的，所以能达到可检测距离能够调整的优点，以使测距装置更能满足实际应用的需求。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1为本发明一实施例的测距装置的立体示意图。

图2是本发明一实施例的测距方法的流程图。

图3是本发明一实施例中分割检测范围的示意图。

图4为本发明另一实施例的测距装置的俯视示意图。

图5为本发明另一实施例的测距装置的俯视示意图。

图6为本发明另一实施例的测距装置的俯视示意图。

图7为本发明另一实施例的测距装置的俯视示意图。

图8为本发明另一实施例的测距装置的俯视示意图。

图9为本发明另一实施例的测距装置的俯视示意图。

【主要元件符号说明】

22：检测区域          101：检测范围         103：第一中心轴

100、100a、100b、100c、100d、100e、100f：测距装置

105：第二中心轴       105’：转折后的视场的第二中心轴

110：发光元件         112：光束             112a：测距光束

120：扩散元件         130、130b：调节元件   132：驱动件

134：反射件           140：影像感测元件     142：视场

142’：转折后的视场   150：聚焦镜头         160：移动件

170：分光元件         α：夹角

具体实施方式

图1为本发明一实施例的测距装置的立体示意图。请参照图1，本实施例的测距装置100具有检测范围101，用于测量检测范围101内的至少一物体的距离。测距装置100包括发光元件110、扩散元件120、调节元件130以及影像感测元件140。发光元件110发射光束112。扩散元件120配置于光束112的传递路径上，并将光束112转换成具有特定图案的测距光束112a，以照射至物体。调节元件130调节入射至扩散元件120的光束112的入射位置与入射角。影像感测元件140具有涵盖检测范围101的视场142。

上述的发光元件110例如是镭射发射器、发光二极管或其他合适的发光元件，而扩散元件120例如是扩散片、绕射元件或均光片等，但不以此为限。此外，本实施例的调节元件130例如是驱动件(如马达或微机电元件等)，其连接发光元件110。此调节元件130驱使发光元件110绕X轴及Z轴转动，以调节入射至扩散元件120的光束112的入射位置与入射角，进而改变测距光束112a照射在检测范围101内的位置。

上述的影像感测元件140可为电荷耦合元件(charged coupleddevice)或金氧半影像感测元件(CMOS image sensor)等，但不以此为限。在本实施例中，测距光束112a具有第一中心轴103，而影像感测元件140的视场142具有第二中心轴105，且第一中心轴103与第二中心轴105之间例如具有一夹角α，此夹角α例如是小于90度。当测距光束112a照射于物体时会在物体表面形成特定的斑点(speckle pattern)，而影像感测元件140可感测到检测范围101的测距光束112a的光学资讯(例如感测到测距光束112a的时间、测距光束112a的位置、测距光束112a的形状、测距光束112a的大小、测距光束112a的强度、测距光束112a的相位等)，如此即可根据这些光学资讯来解析物体的距离。此外，在发光元件110与扩散元件120之间亦可设置聚焦镜头150。

下文将配合图式说明本实施例的测距装置100的测距方法。图2是本发明一实施例的测距方法的流程图，而图3是本发明一实施例中分割检测范围的示意图。请参照图1至图3，本实施例的测距方法包括下列步骤。首先，如步骤S110及图3所示，将检测范围101分成多个检测区域22。举例来说，检测范围101被分成n×n个检测区域22(i，j)，其中n为正整数，i为小于或等于n的正整数，j为小于或等于n的正整数。

然后，如步骤S120所示，借助调节元件130调节入射至扩散元件120的光束112的入射位置与入射角，以使测距光束112a依序照射至这些检测区域22，并借助影像感测元件140感测测距光束112a于这些检测区域22的多个光学资讯。具体而言，本实施例例如是使测距光束112a依序照射至第一行的检测区域22(1，j)(其中j＝1，2......n)，再依次照射至第二行的检测区域22(2，j)(其中j＝1，2......n)，依次类推，再依次照射至第n行的检测区域22(n，j)(其中j＝1，2......n)。至此，整个检测范围101均被测距光束112a照射到。在测距光束112a依次照射各个检测区域22的过程中，可借助影像感测元件140感测测距光束112a于这些检测区域22的多个光学资讯。

之后，如步骤S130所示，根据影像感测元件140感测到的光学资讯判断位于检测范围101内的物体的距离。

上述的步骤S110至S130可通过电连接至发光元件110、调节元件130及影像感测元件140的控制元件(图未示)来操控。此外，控制元件内亦可储存有多个参考资讯，以借助比较这些参考资讯与影像感测元件140感测到的光学资讯来判断出物体的距离。这些参考资讯例如是测距光束112a照射在位于已知距离的物体时，影像感测元件140所感测到的光学资讯。

需说明的是，图1所绘示的测距范围101所处的平面例如是测距装置100所能测量到的最远距离，并非限定物体必需处于该平面才能被量测到。举例来说，当预定照射在检测区域22(1，1)的测距光束112a在传递至该平面的前就照射到物体时，则此物体的距离也可被量测到。

在本实施例的测距装置100及其测距方法中，由于借助调节元件130调整光束112入射扩散元件120的入射位置与入射角，使测距光束112a能依序照射在检测范围101的多个检测区域22。如此，照射在单一检测区域22的测距光束112a的照射范围较小，能量也较强，因此本实施例的测距装置100及其测距方法可在不提高发光元件110的功率的前提下增加可检测距离。此外，由于本实施例的测距装置100及其测距方法是采用分区测量的方式，所以可检测出物体的不同部分相对于测距装置100的距离，进而推算出物体的轮廓。当然，采用分区测量的方式亦可分别检测出位于检测范围101内的多个物体的距离。

值得一提的是，在另一实施例中，聚焦镜头150可为变焦镜头。借助调整聚焦镜头150的焦距可改变光束112的聚焦位置，以改变测距光束112a照射到物体时的光斑大小，进而达到改变测距装置100的可检测距离的功效。

图4是本发明另一实施例的测距装置的俯视示意图。请参照图4，本实施例的测距装置100a与上述的测距装置100相似，差别处在于测距装置100a的聚焦镜头150是定焦镜头，且测距装置100a更包括连接于扩散元件120的移动件160，而此移动件160带动扩散元件120移动。具体而言，移动件160可带动扩散件120朝接近或远离聚焦镜头150的方向移动，以改变测距光束112a照射到物体时的光斑大小，进而达到改变测距装置100a的可检测距离的功效。

值得一提的是，在另一实施例的测距装置中，聚焦镜头150可为变焦镜头，而扩散元件120与聚焦镜头150之间的距离也是可变的。如此，可借助改变聚焦镜头150的焦距及/或移动扩散元件120来改变测距装置的可检测距离。

图5为本发明另一实施例的测距装置的俯视示意图。请参照图5，本实施例的测距装置100b与上述的测距装置100相似，差别处在于调节元件。测距装置100b的调节元件130b包括驱动件132以及反射件134。反射件134配置于扩散元件120与发光元件110之间，以将光束112反射至扩散元件120。驱动件132连接于反射件134，以转动反射件134，进而改变入射至扩散元件120的光束112的入射位置与入射角，以达到分区测距的功效。此驱动件132可为马达、微机电元件或其他合适的驱动件。

图6为本发明另一实施例的测距装置的俯视示意图。请参照图6，本实施例的测距装置100c与测距装置100的区别在于影像感测元件140的摆设角度。在本实施例中，测距光束112a的第一中心轴103与影像感测元件140的视场的第二中心轴105平行。

图7为本发明另一实施例的测距装置的俯视示意图。请参照图7，本实施例的测距装置100d与上述的测距装置100的区别在于测距装置100d更包括分光元件170。分光元件170配置于扩散元件120与影像感测元件140之间，且分光元件170可使部分光线穿透，并反射部分光线。在本实施例中，测距光束112a是由穿透分光元件170的部分光束112所形成，而视场142’是由被分光元件170转折的部分影像感测元件140的视场142所形成。

由于分光元件170的作用，影像感测元件140的视场142会被分光元件170转折，被分光元件170转折后的视场是以标号142’来标示。在本实施例中，视场142’的第二中心轴105’例如是平行测距光束112a的第一中心轴103。在另一实施例中，视场142’的第二中心轴105’可与测距光束112a的第一中心轴103重叠。

上述多个实施例的测距装置100a、100b、100c、100d与测距装置100具有相似的优点，在此将不再重述。

图8是本发明另一实施例的测距装置的俯视示意图。请参照图8，本实施例的测距装置100e与上述的测距装置100相似，差别处在于测距装置100e省略了调节元件130，且测距装置100e的聚焦镜头150为变焦镜头。也就是说，测距装置100e不具分区检测的功能，但具有可检测距离能调整的优点。

图9是本发明另一实施例的测距装置的俯视示意图。请参照图9，本实施例的测距装置100f与上述的测距装置100a相似，差别处在于测距装置100f省略了调节元件130，但扩散元件120具有一个移动件160。也就是说，测距装置100f不具分区检测的功能，但具有可检测距离能调整的优点。在另一实施例的测距装置中，聚焦镜头150可为变焦镜头，且扩散元件120与聚焦镜头150之间的距离是可变的。如此，可借助改变聚焦镜头150的焦距及/或移动扩散元件120来改变测距装置的可检测距离。

综上所述，本发明的测距装置以及测距方法至少具有下列优点其中之一：

1.本发明的测距装置以及测距方法因将测距装置的检测范围分成多个检测区域，并借助调节元件调节入射至扩散元件的光束的入射位置与入射角，以使光束依序照射这些检测区域而进行距离测量。如此，可在不增加发光元件的功率的情形下增加测距范围及可检测距离。

2.本发明的测距装置中，由于聚焦镜头的焦距以及扩散元件与聚焦镜头之间的距离至少其中之一是可变的，所以能达到可检测距离能调整的优点，以使测距装置更能满足实际应用的需求。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定者为准。

Claims (13)

1.一种测距装置，具有一个检测范围，用于测量该检测范围内的至少一个物体的距离，该检测范围包括多个检测区域，该多个检测区域包括n×n个检测区域（i, j），其中n为正整数，i为小于或等于n的正整数，j为小于或等于n的正整数，其特征在于，该测距装置包括：

一个发光元件，发射光束；

一个扩散元件，配置于该光束的传递路径上，该扩散元件将该光束转换成具有特定图案的测距光束；

一个调节元件，驱动该发光元件以调节入射至该扩散元件的该光束的入射位置与入射角，以使该测距光束依序照射至该些检测区域的第一行的检测区域（1, j），其中j＝1, 2……n，再依次照射至第二行的检测区域（2, j），其中j＝1, 2……n，直至依次照射至第n行的检测区域（n, j），其中j＝1，2……n，使得整个该检测范围均被该测距光束照射到；以及

一个影像感测元件，具有一个视场，该视场范围大于整个该检测范围，以感测该测距光束于该些检测区域的多个光学资讯。

2.如权利要求1所述的测距装置，其特征在于，该调节元件包括一个驱动件，连接于该发光元件，以转动该发光元件。

3.如权利要求2所述的测距装置，其特征在于，该驱动件为一个马达或一个微机电元件。

4.如权利要求1所述的测距装置，其特征在于，更包括一个聚焦镜头，配置于该发光元件与该扩散元件之间，且位于该光束的传递路径上。

5.如权利要求4所述的测距装置，其特征在于，该聚焦镜头为变焦镜头。

6.如权利要求1所述的测距装置，其特征在于，更包括一个移动件，连接于该扩散元件，该移动件带动该扩散元件移动。

7.如权利要求1所述的测距装置，其特征在于，该发光元件为镭射发射器或发光二极管。

8.如权利要求1所述的测距装置，其特征在于，该扩散元件选自扩散片、绕射元件或均光片。

9.如权利要求1所述的测距装置，其特征在于，该测距光束的第一中心轴与该影像感测元件的该视场的第二中心轴平行。

10.如权利要求1所述的测距装置，其特征在于，该测距光束的第一中心轴与该影像感测元件的该视场的第二中心轴之间有一个夹角。

11.如权利要求1所述的测距装置，其特征在于，更包括一个分光元件，配置于该扩散元件与该影像感测元件之间。

12.如权利要求11所述的测距装置，其特征在于，通过该分光元件的部分该测距光束的第一中心轴与该影像感测元件的被该分光元件转折后的该视场的第二中心轴平行或重叠。

13.一种测距方法，适用于权利要求1所述的测距装置，其特征在于，该测距方法包括：

将该检测范围分成多个检测区域,该多个检测区域包括n×n个检测区域（i, j），其中n为正整数，i为小于或等于n的正整数，j为小于或等于n的正整数；

借助该调节元件驱动该发光元件以调节入射至该扩散元件的该光束的入射位置与入射角，以使该测距光束依序照射至该些检测区域的第一行的检测区域（1, j），其中j＝1, 2……n，再依次照射至第二行的检测区域（2, j），其中j＝1, 2……n，直至依次照射至第n行的检测区域（n, j），其中j＝1，2……n，使得整个该检测范围均被该测距光束照射到，并借助该影像感测元件感测该测距光束于该些检测区域的多个光学资讯；以及

根据该些光学资讯判断位于该检测范围内的物体的距离。