CN107765258A - 可用来判断参考物件或光源相对位置的光学侦测装置 - Google Patents

Abstract

本发明是公开一种可根据一光源发出之一侦测光讯号透过一参考物件产生的一反射光讯号来判断该参考物件或该光源相对位置的光学侦测装置。该光学侦测装置包含有一透光元件、至少一不透光结构以及一光学侦测元件。该透光元件之一焦距是大于一预定距离。该不透光结构相对该透光元件位于特定位置。该光学侦测元件以间隔该预定距离之方式邻设于该透光元件。该反射光讯号通过该透光元件投射到该光学侦测元件之一侦测面，该不透光结构阻挡部份的该反射光讯号而在该侦测面形成一特征影像，并根据该特征影像之一参数判断该参考物件或该光源的相对位置。

Description

可用来判断参考物件或光源相对位置的光学侦测装置

技术领域

本发明是提供一种光学侦测装置，尤指一种可用来判断参考物件或光源相对位置的光学侦测装置。

背景技术

传统的光学测距装置具有发光单元、光学透镜与光学侦测元件。发光单元产生侦测光线以投向外部的待测物件，自参考物件折回的反射光线经由光学透镜投射到光学侦测元件上，光学侦测元件分析反射光线的参数变化以判定待测物件的相对距离关系。光学透镜的作用在于聚焦反射光线后再打入光学侦测元件，因此传统光学测距装置的结构尺寸受限于光学透镜的焦距长度，难以设计出轻巧薄型的外观。此外，传统光学测距装置以光学透镜将反射光线聚焦到光学侦测元件上，若光学测距装置相对于待测物件的测试距离越短，光学侦测元件的侦测精准度就会大幅衰退，故传统的光学测距装置在外型设计与使用功能上都有极大的改进空间。

发明内容

本发明是提供一种可用来判断参考物件或光源相对位置的光学侦测装置，以解决上述之问题。

本发明之申请专利范围是揭露一种光学侦测装置，可根据一光源发出之一侦测光讯号透过一参考物件产生的一反射光讯号来判断该参考物件或该光源的相对位置。该光学侦测装置包含有一透光元件、至少一不透光结构以及一光学侦测元件。该透光元件之一焦距是大于一预定距离。该不透光结构位于与该透光元件呈一预定相对关系的位置上。该光学侦测元件以间隔该预定距离之方式邻设于该透光元件。该反射光讯号沿着一投射方向通过该透光元件投射到该光学侦测元件之一侦测面，该不透光结构阻挡部份的该反射光讯号而在该侦测面形成一特征影像，且该光学侦测元件根据该特征影像之一参数判断该参考物件或该光源的该相对位置。其中该投射方向不平行于该侦测面之一法矢量。

本发明之申请专利范围另揭露该透光元件之一面积大于该不透光结构之一面积，且该不透光结构固设于该透光元件之一特定区域。该透光元件之一平面法矢量相对于该侦测面之该法矢量的夹角为一定值。该不透光结构以涂布、黏着或嵌合方式形成于该透光元件之至少一侧表面。该不透光结构为一独立元件，该独立元件以可拆装方式设置在该透光元件上。该光学侦测装置另包含有一隔光元件，设置在该透光元件与该光学侦测元件旁，用以阻挡该侦测光讯号和/或该反射光讯号在未通过该透光元件的情况下投射到该侦测面。该光学侦测元件利用一内建运算单元计算该参考物件或该光源的该相对位置、或将相关资料传送至一外部运算器以计算该相对位置。

本发明之申请专利范围另揭露该光源为设置在该光学侦测元件旁的一发光单元，该光学侦测元件利用该特征影像的位移变化取得该参考物件相对于该光学侦测装置的距离。该光学侦测元件利用该特征影像的亮度变化，取得该参考物件之一平面法矢量相对于该侦测面之该法矢量的倾斜角度。该发光单元相对于该光学侦测元件的一间距与一出光方向是为定值。

本发明之申请专利范围另揭露该侦测光讯号来自一外部光源，该参考物件间隔于该不透光结构的距离为一已知值，该光学侦测元件根据该特征影像的参数变化取得该外部光源相对于该光学侦测装置的方向与距离。该参数为该特征影像之一重心位置、一边缘值、和/或一面积量。

本发明之申请专利范围另揭露该不透光结构为一实心物件、或为具有一孔洞结构的一非实心物件。该反射光讯号通过该孔洞结构在该侦测面形成干涉条纹和/或投影图案，该光学侦测元件分析该干涉条纹和/或该投影图案之变化，取得该参考物件或该光源的该相对位置。该孔洞结构为一微孔或一狭缝。

本发明之申请专利范围另揭露该光学侦测装置另包含复数个不透光结

构，根据已知间距、或是根据已知间距与已知角度分设在该透光元件的不同区域。该反射光讯号经由该复数个不透光结构在该侦测面形成多个特征影像，该光学侦测元件根据该些特征影像之间参数的对应关系，判断该参考物件或该光源的该相对位置。

本发明不使用光学透镜将光讯号聚焦到光学侦测元件的传统技术，本发明的光学侦测装置不需利用光学透镜进行光讯号聚焦，而是在透光元件上形成小区域的不透光结构，光讯号经由透光元件与不透光结构可在光学侦测元件上形成投影图案及特征影像，其中特征影像为投影图案里的小范围阴影区块。光学侦测元件的侦测面由多个侦测单元排列组合而成，侦测单元的像素尺寸越小，光学侦测元件的解析精度越高。当待测物相对于光学侦测装置移动其方位或距离，光学侦测装置便能依照特征影像的参数变化判断出待测物的行为。

附图说明

图1与图2分别为本发明第一实施例之光学侦测装置在不同使用态样下的结构示意图。

图3与图4为本发明第二实施例之光学侦测装置在不同使用态样下的结构示意图。

图5为本发明第二实施例之光学侦测装置在另一使用态样下的结构示意图。

图6为图1至图5所示实施例之透光元件、不透光结构以及光学侦测元件在另一视角的示意图。

图7为本发明另一实施例之不透光结构的形状示意图。

附图标号说明：

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

请参阅图1与图2，图1与图2分别为本发明第一实施例之光学侦测装置10在不同使用态样下的结构示意图。光学侦测装置10包含透光元件12、不透光结构14、光学侦测元件16以及参考物件18。不透光结构14位于与透光元件12呈一预定相对关系的位置上。不透光结构14可以是透光元件12在前端制作过程中就预先形成的一部份、或为后端组装过程里利用拆装方式设置在透光元件12的独立构件；然两者的结合型态并不限于此，端视设计需求而定。透光元件12位于光学侦测元件16与参考物件18之间。光学侦测元件16邻设于透光元件12，且光学侦测元件16和透光元件12两者的间隔相当于预定距离I。透光元件12的焦距是大于预定距离I，意即透光元件12可以是焦距大于预定距离I的光学透镜、也可以是焦距远大于预定距离I的平面透明玻璃。

在图1与图2所示实施态样中，不透光结构14是直接形成在透光元件12表面上的部份区域内，意即不透光结构14结合透光元件12以成为一体构件。然而，不透光结构14另可分离于透光元件12、而形成在另一零组件上；例如不透光结构14可选择性位于透光元件12和光学侦测元件16之间、或位于透光元件12相对光学侦测元件16的另一侧。只要不透光结构14与透光元件12的相对距离关系维持在一预定值，让光学侦测元件16能够精确判断光讯号通过不透光结构14所形成的光影变化，即属于本发明之光学侦测装置10的设计范畴。

透光元件12的面积大于不透光结构14的面积，因此当光讯号穿越透光元件12且为光学侦测元件16所接收时，不透光结构14会遮蔽部份的光讯号而在光学侦测元件16的侦测面161形成小区块阴影。不透光结构14是固定设置在透光元件12的特定区域内，例如以涂布、黏着或嵌合等方式形成于透光元件12的至少一个侧表面上，且透光元件12、与透光元件12上的不透光结构14的平面法矢量相对于侦测面161之法矢量D2的夹角为定值。不透光结构14的尺寸与方位角等资料都是已知数值，光学侦测元件16可利用自身的内建运算单元分析解读该阴影形成的特征影像、或将特征影像的相关资料传送至外部运算器进行计算，以作为判断光讯号变化的依据。

在第一实施例中，参考物件18固设在光学侦测装置10的壳体内，意即参考物件18间隔于透光元件12和不透光结构14的距离为已知定值。外部光源20发出的侦测光讯号S1会透过参考物件18产生反射光讯号S2，反射光讯号S2穿过透光元件12投射到光学侦测元件16的侦测面161上。不透光结构14位于反射光讯号S2的传输路径上，不透光结构14会阻挡部份的反射光讯号S2在侦测面161形成特征影像(意即阴影区块)。随着外部光源20的移动，侦测光讯号S1的入射角度和反射光讯号S2反射角度随之相应改变，特征影像在侦测面161上的位置会移动、或特征影像的外型会产生些许形变。光学侦测元件16分析与解读特征影像的参数变化，所述参数可为特征影像的重心位置、边缘值和/或面积量，据此判断外部光源20相对于光学侦测装置10的方向与距离的改变。

光学侦测装置10另可将隔光元件22选择性设置在透光元件12与光学侦测元件16的两旁，用以避免侦测光讯号S1和/或反射光讯号S2在未通过透光元件12的情况下直接投射到侦测面161，形成干扰而降低特征影像的成像质量。另外，反射光讯号S2照射于侦测面161的投射方向D1不平行侦测面161的法矢量V1，意即外部光源20的侦测光讯号S1不能直接照射光学侦测元件16；外部光源20需从光学侦测装置10的侧边射入侦测光讯号S1；经由参考物件18形成的反射光讯号S2才得以穿过透光元件12与不透光结构14，在侦测面161上形成隐含外部光源20的方位资讯的特征影像。

虽然第一实施例只有绘制一个不透光结构14，但是不透光结构14的实际数量可不限于此。光学侦测装置10包含多个不透光结构14时，该多个不透光结构14能够根据已知间距(例如两个不透光结构14的距离)、或是根据已知间距及已知角度(例如三个及其以上不透光结构14之间的位置关系)分别设置在透光元件12的不同区域。由于该多个不透光结构14之间的距离与角度等位置关系是已知数值，反射光讯号S2通过透光元件12与该多个不透光结构14投射到光学侦测元件16所形成的多个特征影像，可以用来判断外部光源20相对于光学侦测装置10的距离与方位等资讯。

请参阅图3与图4，图3与图4为本发明第二实施例之光学侦测装置10’在不同使用态样下的结构示意图。第二实施例中，与第一实施例具有相同编号的元件具有相同的结构与功能，于此不再重复说明。光学侦测装置10’包含透光元件12、不透光结构14、光学侦测元件16、隔光元件22以及发光单元24。第二实施例与第一实施例的差异在于，第二实施例的发光单元24是为固设在光学侦测装置10’内、且位于学侦测元件16旁的预设光源，意即发光单元24相对于光学侦测元件16的间距与出光方向都是已知定值。第二实施例的参考物件18并非固设在光学侦测装置10’内，参考物件18属于外部可动物件，参考物件18相对于光学侦测装置10’的距离是光学侦测元件16欲解读的未知资讯。

发光单元24发出的侦测光讯号S1经由参考物件18的反射，其形成的反射光讯号S2通过透光元件12及其不透光结构14在侦测面161形成特征影像。光学侦测装置10’与参考物件18产生相对移动时，特征影像在侦测面161上的位置与面积都会相应变化。如图3与图4所示，参考物件18远离光学侦测装置10’，特征影像(反射光讯号S2投射到侦测面161上受不透光结构14遮蔽的阴影区块)往发光单元24的所在方位移动且面积缩小；参考物件18接近光学侦测装置10’，特征影像远离发光单元24且面积放大，故光学侦测元件16可分析及解读特征影像的位移变化，取得参考物件18相对光学侦测装置10’的距离远近变化。

第二实施例也可在透光元件12上设置间距与角度已知的多个不透光结构14，利用其遮蔽反射光讯号S2形成的多个特征影像之间的参数对应关系去判断参考物件18的相对位置。请再参阅图3与图5，图5为本发明第二实施例之光学侦测装置10’在另一使用态样下的结构示意图。图5的参考物件18相较于光学侦测装置10’的距离约略相当于图3的参考物件18相较于光学侦测装置10’的距离，然图5的参考物件18另具有顺时针翻转的角度特征。如图3所示，特征影像投射在光学侦测元件16的位置远离发光单元24，特征影像本身的亮度较微弱(例如阴影区块的灰阶值较高)，且特征影像的边缘较模糊；若将参考物件18朝向发光单元24所在方位翻转，如图5所示，特征影像的边缘锐利，特征影像的色调更浓(例如灰阶值较低)，所以光学侦测元件16还能根据特征影像的亮度变化，判断参考物件18之平面法矢量V2相对于侦测面161之法矢量V1的倾斜角度。

举例来说，光学侦测装置10’可应用在光学鼠标。光学侦测装置10’除了能够判断光学鼠标的移动轨迹外，若光学鼠标反向放在承载面上(意即侦测面161朝向正上方、而非面向承载面)，由于没有参考物件18(承载面)反射发光单元24发出的侦测光讯号S1，环境光投射到光学侦测元件16的传输方向近乎平行于侦测面161的法矢量V1，此时特征影像的面积最小、在侦测面161上的位置被局限在特定范围，可据此判断出光学鼠标的摆放方式错误，进而发出警示讯号提醒使用者修正、或暂时关闭光学鼠标的导航功能。

请参阅图6，图6为图1至图5所示实施例之透光元件12、不透光结构14以及光学侦测元件16在另一视角的示意图。第一实施例与第二实施例的不透光结构14是实心物件，光讯号经由透光元件12与不透光结构14投射到光学侦测元件16时会形成特征影像(意即前述的阴影区块)。第一实施例的外部光源20相对于光学侦测装置10的方位改变时、或是第二实施例的参考物件18相对于光学侦测装置10的间距改变时、或是第二实施例的参考物件18相对于光学侦测装置10的倾斜角度改变时，特征影像在光学侦测元件16之侦测面161上的位置、面积、形状及亮度都会产生相应变化，从而判断出参考物件18或外部光源20的相对位移与角度改变量。

请参阅图1至图4、与图7，图7为本发明另一实施例之不透光结构14’的形状示意图。不透光结构14’可以选择性设计成具有孔洞结构141的非实心物件，孔洞结构141是类似微孔或狭缝等能够形成干涉条纹的微结构。反射光讯号通过透光元件12与不透光结构14’投射到光学侦测元件16形成特征影像时，会因不透光结构14’的孔洞结构141在侦测面161形成干涉条纹。外部光源20相对光学侦测装置10改变其方位时、或参考物件18相对光学侦测装置10移动而改变两者间的距离和/或倾斜角度时，干涉条纹的相位产生相应变化，光学侦测元件16可根据干涉条纹的相位差计算出第一实施例中外部光源20的相对位置、或第二实施例里参考物件18的相对位置。特别一提的是，干涉条纹的测距运用可配合特征影像的分析进行相应校正，提高参考物件18或外部光源20的相对位置精确度。

综上所述，本发明不使用光学透镜将光讯号聚焦到光学侦测元件的传统技术，本发明的光学侦测装置不需利用光学透镜进行光讯号聚焦，而是在透光元件上形成小区域的不透光结构，光讯号经由透光元件与不透光结构可在光学侦测元件上形成投影图案及特征影像，其中特征影像为投影图案里的小范围阴影区块。光学侦测元件的侦测面由多个侦测单元排列组合而成，侦测单元的像素尺寸越小，光学侦测元件的解析精度越高。当待测物相对于光学侦测装置移动其方位或距离，光学侦测装置便能依照特征影像的参数变化判断出待测物的行为。第一实施例的光学侦测装置可应用在太阳能面板，光学侦测装置能够侦测出外部光源(太阳)的方位，进而驱使太阳能面板转动以符合最佳追日角度；第二实施例的光学侦测装置可提供光学鼠标或其它携带式电子设备所需的近距测量功能，不使用光学透镜进行聚焦、而是利用不透光结构形成的阴影区块判断待测物的距离，无论参考物件(待测物)相对于光学侦测装置的距离远近都能精确判断。

以上所述仅为本发明之较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做之均等变化与修饰，皆应属本发明之涵盖范围。

Claims (17)

1.一种光学侦测装置，其特征在于，可根据一光源发出之一侦测光讯号透过一参考物件产生的一反射光讯号来判断该参考物件或该光源的相对位置，该光学侦测装置包含有：

一透光元件，该透光元件之一焦距是大于一预定距离；

至少一不透光结构，位于与该透光元件呈一预定相对关系的位置上；以及

一光学侦测元件，以间隔该预定距离之方式邻设于该透光元件，该反射光讯号沿着一投射方向通过该透光元件投射到该光学侦测元件之一侦测面，该不透光结构阻挡部份的该反射光讯号而在该侦测面形成一特征影像，且该光学侦测元件根据该特征影像之一参数判断该参考物件或该光源的该相对位置，其中该投射方向不平行于该侦测面之一法矢量。

2.如权利要求1所述之光学侦测装置，其特征在于，其中该透光元件之一面积大于该不透光结构之一面积，且该不透光结构固设于该透光元件之一特定区域。

3.如权利要求1所述之光学侦测装置，其特征在于，其中该透光元件之一平面法矢量相对于该侦测面之该法矢量的夹角为一定值。

4.如权利要求1所述之光学侦测装置，其特征在于，其中该不透光结构以涂布、黏着或嵌合方式形成于该透光元件之至少一侧表面。

5.如权利要求1所述之光学侦测装置，其特征在于，其中该不透光结构为一独立元件，该独立元件以可拆装方式设置在该透光元件上。

6.如权利要求1所述之光学侦测装置，其特征在于，另包含有：

一隔光元件，设置在该透光元件与该光学侦测元件旁，用以阻挡该侦测光讯号和/或该反射光讯号在未通过该透光元件的情况下投射到该侦测面。

7.如权利要求1所述之光学侦测装置，其特征在于，其中该光学侦测元件利用一内建运算单元计算该参考物件或该光源的该相对位置、或将相关资料传送至一外部运算器以计算该相对位置。

8.如权利要求1所述之光学侦测装置，其特征在于，其中该光源为设置在该光学侦测元件旁的一发光单元，该光学侦测元件利用该特征影像的位移变化取得该参考物件相对于该光学侦测装置的距离。

9.如权利要求8所述之光学侦测装置，其特征在于，其中该光学侦测元件利用该特征影像的亮度变化，取得该参考物件之一平面法矢量相对于该侦测面之该法矢量的倾斜角度。

10.如权利要求8所述之光学侦测装置，其特征在于，其中该发光单元相对于该光学侦测元件的一间距与一出光方向是为定值。

11.如权利要求1所述之光学侦测装置，其特征在于，其中该侦测光讯号来自一外部光源，该参考物件间隔于该不透光结构的距离为一已知值，该光学侦测元件根据该特征影像的参数变化取得该外部光源相对于该光学侦测装置的方向与距离。

12.如权利要求1所述之光学侦测装置，其特征在于，其中该参数为该特征影像之一重心位置、一边缘值、和/或一面积量。

13.如权利要求1所述之光学侦测装置，其特征在于，其中该不透光结构为一实心物件、或为具有一孔洞结构的一非实心物件。

14.如权利要求13所述之光学侦测装置，其特征在于，其中该反射光讯号通过该孔洞结构在该侦测面形成干涉条纹和/或投影图案，该光学侦测元件分析该干涉条纹和/或该投影图案之变化，取得该参考物件或该光源的该相对位置。

15.如权利要求13所述之光学侦测装置，其特征在于，其中该孔洞结构为一微孔或一狭缝。

16.如权利要求1所述之光学侦测装置，其特征在于，其中该光学侦测装置另包含复数个不透光结构，根据已知间距、或是根据已知间距与已知角度分设在该透光元件的不同区域。

17.如权利要求16所述之光学侦测装置，其特征在于，其中该反射光讯号经由该复数个不透光结构在该侦测面形成多个特征影像，该光学侦测元件根据该些特征影像之间参数的对应关系，判断该参考物件或该光源的该相对位置。