TW201337217A - 利用成像位置差異以測距之測距裝置及其校正方法 - Google Patents

Abstract

一種測距裝置，用來測量一待測物與該測距裝置之間之一待測距離。該測距裝置藉由將該測距裝置中之一影像感測器所產生之光感測訊號，移除掉對應於一背景光與一閃爍光的部分，來降低該背景光與該閃爍光之影響。除此之外，該測距裝置可根據量測具有一已知距離之一校正物所得之一反射光之一成像位置，以計算出可校正該測距裝置之一組裝誤差角度之一校正參數。如此，測距裝置可根據該校正參數以正確地計算出該待測距離。

Description

利用成像位置差異以測距之測距裝置及其校正方法

本發明係有關於一種測距裝置，更明確地說，係有關於一種利用成像位置差異以測距之測距裝置。

在先前技術中，測距裝置係對待測物發射偵測光，並接收由待測物反射偵測光所產生之反射光。測距裝置可藉由反射光之成像位置之差異以推算測距裝置與待測物之間的距離。然而，測距裝置在感測待測物所產生之反射光時，會同時受到背景光與閃爍現象(如因電源系統之頻率而造成的日光燈閃爍)的影響，而產生量測誤差，得到不正確的待測距離。除此之外，於生產過程中，當組裝測距裝置時，由於測距裝置內部之元件之位置會因組裝誤差而產生偏移或旋轉角度，因此測距裝置在量測距離時會受到組裝誤差之影響，而得到不正確的待測距離，造成使用者的不便。

本發明提供一種利用成像位置差異以測距之測距裝置，該測距裝置具有一發光元件、一第一鏡頭與一影像感測器。該發光元件用來發出一偵測光射向一待測物，以使該待測物產生一反射光。該第一鏡頭用來匯聚一背景光或該反射光。該影像感測器用來感測該第一鏡頭所匯聚之光之能量，以產生M個光感測訊號。該測距裝置進一步包含一發光/感測控制電路，以及一距離計算電路。該發光/感測控制電路，用於一距離感測階段時，控制該發光元件發光，且同時控制該影像感測器感測該第一鏡頭所匯聚之光之能量，以 產生M個第一光感測訊號，於一雜訊感測階段內控制該發光元件不發光，且同時控制該影像感測器感測該第一鏡頭所匯聚之光之能量，以產生M個第二光感測訊號。M代表正整數。該距離計算電路，用來根據該M個第一光感測訊號與該M個第二光感測訊號，以判斷該反射光於該影像感測器上之一成像位置，並根據該成像位置、該第一鏡頭之一焦距、該發光元件與該影像感測器之間之一預定距離，以計算該測距裝置與該待測物之間之一待測距離。

本發明另提供一種用來校正利用成像位置差異以測距之一測距裝置之校正方法。該測距裝置之一發光元件發射一偵測光至一待測物，並反射回該測距裝置之一影像感測器，以得到一第一成像位置，該測距裝置可根據該第一成像位置、該測距裝置之一第一鏡頭之一焦距、該發光元件與該影像感測器之間之一預定距離，以計算該測距裝置與該待測物之間之一待測距離。該校正方法包含該測距裝置之該發光元件發出該偵測光至一校正物，並反射回該測距裝置之該影像感測器，以得出一第二成像位置、根據一已知距離、該第二成像位置，以計算出用來校正該測距裝置之一組裝誤差角度之一校正參數，以及該測距裝置根據該校正參數以計算出經校正後之該待測距離。該測距裝置與該校正物之間之距離係為該已知距離。

100‧‧‧測距裝置

110‧‧‧發光/感測控制電路

120‧‧‧發光元件

130、700、900、1100‧‧‧影像感測器

140‧‧‧距離計算電路

150‧‧‧參數計算電路

B₁~B_M‧‧‧感測背景光之能量

CS₁~CS_M、CS₁₁~CS_NK、CS_NQ‧‧‧感測單元

LEN₁、LEN₂‧‧‧鏡頭

CO₁、CO₂‧‧‧校正物

D_C1、D_C2‧‧‧已知距離

D_CS、D_CSI、D_CSJ‧‧‧成像位置

D_CSX‧‧‧投影距離

D_F‧‧‧焦距

D_M‧‧‧待測距離

L‧‧‧預定距離

L_B‧‧‧背景光

L_ID‧‧‧偵測光

L_F‧‧‧直線

L_RD‧‧‧反射光

MO‧‧‧待測物

O_F‧‧‧焦點

P₁、P₂‧‧‧功率

R_K‧‧‧感測反射光之能量

S_AB‧‧‧參數訊號

S_ALS、S_ALS1~S_ALS2N‧‧‧累計光感測訊號

S_LD‧‧‧發光脈衝訊號

S_LS‧‧‧光感測訊號

S_P‧‧‧階段訊號

S_RE‧‧‧讀取訊號

S_ST‧‧‧快門脈衝訊號

T₁₊、T₂₊‧‧‧距離感測階段

T_1-、T_2-‧‧‧雜訊感測階段

T_C、T_R‧‧‧脈衝寬度

T_F‧‧‧交流電週期

θ₁、θ₂、θ_1I、θ_2I、θ_1J、θ_2J‧‧‧角度

θ_LD‧‧‧發光誤差角度

θ_CS1、θ_CS2‧‧‧感測誤差角度

第1圖與第2圖係為說明本發明之利用成像位置差異以測距之測距裝置之結構及工作原理之示意圖。

第3圖係為說明測距裝置減少閃爍現象之工作原理之示意圖。

第4圖係為說明校正發光元件所發出之偵測光之發光誤差角度之方法之示意圖。

第5圖與第6圖係為說明因組裝誤差而使影像感測器旋轉感測誤差角度之校正方法之示意圖。

第7圖係為說明本發明之影像感測器之結構之第一實施例之示意圖。

第8圖係為說明利用第7圖之影像感測器以偵測反射光之成像位置之工作原理之示意圖。

第9圖係為說明本發明之影像感測器之結構之另一實施例之示意圖。

第10圖係為說明利用第9圖之影像感測器以偵測反射光之成像位置之工作原理之示意圖。

第11圖係為說明本發明之影像感測器之結構之另一實施例之示意圖。

有鑑於此，本發明提供一種利用成像位置差異以測距之測距裝置，藉由將測距裝置中之影像感測器所感測之光感測訊號，移除掉背景光與閃爍光的部分，來降低背景光與閃爍現象之影響。除此之外，本發明另提供一種校正方法，來校正測距裝置之組裝誤差，以提高測距的精確度。

請參考第1圖與第2圖。第1圖與第2圖係為說明本發明之利用成像位置差異以測距之測距裝置100之結構及工作原理之示意圖。測距裝置110用來量測待測物MO與測距裝置100之間之待測距離D_M。測距裝置100包含一發光/感測控制電路110、一發光元件120、一影像感測器130、一距離計算電路140、一參數計算電路150，以及一鏡頭LEN₁。測距裝置100之內部各元件之耦接關係如第1圖所示，故不再贅述。

發光/感測控制電路110用來產生發光脈衝訊號S_LD、快門脈衝訊號S_ST、階段訊號S_P、讀取訊號S_RE，以及已知距離訊號S_D。測距裝置100於測距時可分為兩階段：1.距離感測階段；2.雜訊感測階段。當測距裝置100於距離感測階段時，發光/感測控制電路110同時產生表示「發光」之發光脈衝訊號S_LD與表示「開啟」之快門脈衝訊號S_ST，且二者的脈衝寬度皆為T_C；然後發光/感測控制電路110再同時產生表示「讀取」之讀取訊號S_RE與表示 「總和」之階段訊號S_P，且二者的脈衝寬度皆為T_R。當測距裝置100於雜訊感測階段時，發光/感測控制電路110產生表示「開啟」之快門脈衝訊號S_ST且同時發光脈衝訊號S_LD表示「不發光」，且快門脈衝訊號的脈衝寬度為T_C；然後發光/感測控制電路110再同時產生表示「讀取」之讀取訊號S_RE與表示「雜訊」之階段訊號S_P，且二者的脈衝寬度皆為T_R。

發光元件120，用來根據發光脈衝訊號S_LD，以發出偵測光L_ID射向待測物MO，以使待測物MO產生反射光L_RD。更明確地說，當發光脈衝訊號S_LD表示「發光」時，發光元件120發出偵測光L_ID射向待測物MO；當發光脈衝訊號S_LD表示「不發光」時，發光元件120不發出偵測光L_ID。此外，發光元件120可為發光二極體(Light-Emitting Diode,LED)或雷射二極體(laser diode)。當發光元件120為發光二極體時，測距裝置100可選擇性地包含一鏡頭LEN₂，以用來匯聚偵測光L_ID以射向待測物MO。

鏡頭LEN₁用來匯聚背景光L_B或反射光L_RD至影像感測器130。影像感測器130包含M個並排的感測單元CS₁~CS_M，且每個感測單元之寬度皆等於畫素寬度W_PIX，意即M個並排的感測單元CS₁~CS_M之總寬度為M×W_PIX。感測單元CS₁~CS_M用來根據快門脈衝訊號S_ST，以感測鏡頭LEN₁所匯聚之光之能量。更明確地說，當快門脈衝訊號S_ST表示「開啟」時，感測單元CS₁~CS_M感測鏡頭LEN₁所匯聚之光(如背景光L_B或反射光L_RD)之能量以據以產生光感測訊號；當快門脈衝訊號S_ST表示「關閉」時，感測單元CS₁~CS_M不感測鏡頭LEN₁所匯聚之光之能量。舉例來說，當快門脈衝訊號S_ST表示「開啟」時，感測單元CS₁感測鏡頭LEN₁所匯聚之光之能量並據以產生光感測訊號S_LS1；感測單元CS₂感測鏡頭LEN₁所匯聚之光之能量並據以產生光感測訊號S_LS2；依此類推，感測單元CS_M感測鏡頭LEN₁所匯聚之光之能量並據以產生光感測訊號S_LSM。此外，當讀取訊號S_RE表示「讀取」時， 感測單元CS₁~CS_M分別輸出光感測訊號S_LS1~S_LSM。

距離計算電路140包含複數個儲存單元，分別用來儲存感測單元CS₁~CS_M所輸出之光感測訊號S_LS1~S_LSM，且根據階段訊號S_P，設定所接收之光感測訊號之屬性。在本實施例中，以距離計算電路140包含M個儲存單元M₁~M_M作舉例說明。當階段訊號S_P表示「總和」時，儲存單元M₁~M_M將所接收之光感測訊號S_LS1~S_LSM設定為正，意即所接收之光感測訊號S_LS1~S_LSM根據階段訊號S_P表示「總和」而被標記為正光感測訊號S_LS1+~S_LSM+；當階段訊號S_P表示「雜訊」時，儲存單元M₁~M_M將所接收之光感測訊號S_LS1~S_LSM設定為負，意即所接收之光感測訊號S_LS1~S_LSM根據階段訊號S_P表示「雜訊」而被標記為負光感測訊號S_LS1-~S_LSM-。距離計算電路140便可根據正光感測訊號S_LS1+~S_LSM+與負光感測訊號S_LS1-~S_LSM-，計算出待測距離D_M。以下將說明距離計算電路140計算待測距離D_M之工作原理。

如第2圖左半部所示，於距離感測階段內，發光/感測控制電路110會產生代表「發光」之發光脈衝訊號S_LD，而使得發光元件120發出偵測光L_ID射向待測物MO，以使待測物MO產生反射光L_RD。此時，發光/感測控制電路110產生代表「開啟」之快門脈衝訊號S_ST，而使得感測單元CS₁~CS_M感測反射光L_RD與背景光L_B之能量，以分別產生光感測訊號S_LS1~S_LSM。然後發光/感測控制電路110會輸出代表「讀取」之讀取訊號S_RE，以使影像感測器130輸出光感測訊號S_LS1~S_LSM至距離計算電路140，且發光/感測控制電路110會產生代表「總和」之階段訊號S_P以指示距離計算電路140此時所接收之光感測訊號係為距離感測階段內之光感測訊號，意即為正光感測訊號S_LS1+~S_LSM+。設於距離感測階段內，反射光L_RD主要匯聚成像於感測單元CS_K，則此時距離計算電路140所接收之正光感測訊號S_LS1+~S_LSM+之值如第2圖右上半部所示，感測單元CS_K同時感測到背景光L_B與反射光L_RD(意即待測 物MO成像於感測單元CS_K上)。因此，感測訊號S_LSK+係等於感測單元CS_K感測背景光L_B所累積之能量B_K加上感測單元CS_K感測反射光L_RD所累積之能量R_K，而其他感測單元則只接收到背景光L_B。因此，感測訊號S_LS1+係等於感測單元CS₁感測背景光L_B所累積之能量B₁；感測訊號S_LS21+係等於感測單元CS₂感測背景光L_B所累積之能量B₂；依此類推，感測訊號S_LSM+係等於感測單元CS_M感測背景光L_B所累積之能量B_M。

如第2圖左半部所示，於雜訊感測階段內，發光/感測控制電路110會產生代表「開啟」之快門脈衝訊號S_ST，而使得感測單元CS₁~CS_M感測鏡頭LEN₁所匯聚之光，以產生光感測訊號S_LS1~S_LSM。然而，此時發光/感測控制電路110會產生代表「不發光」之發光脈衝訊號S_LD，因此發光元件120不會發出偵測光L_ID射向待測物MO，且待測物MO也不會產生反射光L_RD。然後發光/感測控制電路110會輸出代表「讀取」之讀取訊號S_RE，以使影像感測器130輸出光感測訊號S_LS1~S_LSM至距離計算電路140，且發光/感測控制電路110會產生代表「雜訊」之階段訊號S_P以指示距離計算電路140此時所接收之光感測訊號係為雜訊感測階段內之光感測訊號，意即為負光感測訊號S_LS1-~S_LSM-。此時距離計算電路140所接收之光感測訊號S_LS1-~S_LSM-之值如第2圖右下半部所示。由於快門脈衝訊號S_ST於距離感測階段與雜訊感測階段之脈衝寬度相同(皆為時間長度T_C)。因此感測單元CS₁~CS_M在距離感測階段與雜訊感測階段所產生之光感測訊號S_LS1~S_LSM對應於背景光L_B累積的部分會相等。換句話說，正光感測訊號S_LS1+~S_LSM+中之背景光累積的能量會等於負光感測訊號S_LS1-~S_LSM-中之背景光累積的能量(B₁~B_M)。

在經過距離感測階段與雜訊感測階段後，發光/感測控制電路110會產生代表「計算距離」之階段訊號S_P。此時距離計算電路140會將儲存單元中的正光感測訊號與負光感測訊號相減，並選出相減之後所儲存的值最大 的儲存單元並據以判斷反射光L_RD於影像感測器130上之成像位置。也就是說，距離計算電路140之儲存單元M₁~M_M所儲存之值係分別等於正光感測訊號S_LS1+~S_LSM+之值減去負光感測訊號S_LS1-~S_LSM-之值。更明確地說，儲存單元M₁儲存正光感測訊號S_LS1+與負光感測訊號S_LS1-，由於正光感測訊號S_LS1+等於B₁且負光感測訊號S_LS1-等於B₁，因此儲存單元M₁經過相減之後所儲存之值為零；儲存單元M₂儲存正光感測訊號S_LS2+與負光感測訊號S_LS2-，由於正光感測訊號S_LS2+等於B₂且負光感測訊號S_LS2-等於B₂，因此儲存單元M₂經過相減之後所儲存之值為零；依此類推，儲存單元M_K儲存正光感測訊號S_LSK+與負光感測訊號S_LSK-，由於正光感測訊號S_LS2+等於(B_K+R_K)且負光感測訊號S_LS2-等於B_K，因此儲存單元M_K餘香減之後所儲存之值為R_K；儲存單元M_M儲存正光感測訊號S_LSM+與負光感測訊號S_LSM-，由於正光感測訊號S_LSM+等於B_M且負光感測訊號S_LSM-等於B_M，因此儲存單元M_M相減之後所儲存之值為零。換句話說，在儲存單元M₁~M_M之中，儲存單元M_K之值等於R_K，而其他儲存單元之值皆等於零，因此距離計算電路140可據以選擇儲存單元M_K，意即儲存單元M_K所儲存之光感測訊號具有對應於反射光L_RD之能量。由於儲存單元M_K係為儲存感測單元CS_K所產生之光感測訊號，因此距離計算電路140可判斷出待測物MO所產生之反射光L_RD主要匯聚成像於感測單元CS_K。如此，距離計算電路140可更進一步地根據待測物MO所產生之反射光L_RD主要匯聚成像於感測單元CS_K，而由下式推算出第1圖中反射光L_RD之成像位置D_CS：D_CS=K×W_PIX...(1)；此外，由於在第1圖中鏡頭LEN₁之焦點O_F1與感測單元CS₁之間所形成之直線L_F係平行於偵測光L_ID，因此偵測光L_ID及反射光L_RD之夾角θ₁與直線L_F及反射光L_RD之夾角θ₂相等。換句話說tanθ₁與tanθ₂之關係可以下式表示：tanθ₁=L/D_M=tanθ₂=D_CS/D_F...(2)； 其中L代表發光元件120與影像感測器130(偵測光L_ID與直線L_F)之間之預定距離、D_CS代表反射光L_RD之成像位置、D_F代表鏡頭LEN₁之焦距。根據式(2)，待測距離D_M可以下式表示：D_M=(D_F×L)/D_CS...(3)；因此，距離計算電路140可藉由式(1)先計算出成像位置D_CS，再藉由式(3)，根據預定距離L、焦距D_F，以計算出待測距離D_M。

綜上所述，在測距裝置100之中，於距離感測階段內，發光/感測控制電路110控制發光元件120發出偵測光L_ID射至待測物MO，且將感測單元CS₁~CS_M感測鏡頭LEN₁所匯聚之光(如反射光L_RD與背景光L_B)而據以產生之正光感測訊號S_LS1+~S_LSM+儲存於儲存單元M₁~M_M。於雜訊感測階段內，發光/感測控制電路110控制發光元件120不發出偵測光L_ID，且將感測單元CS₁~CS_M感測鏡頭LEN₁所匯聚之光(如背景光L_B)而據以產生之負光感測訊號S_LS1+~S_LSM+儲存於儲存單元M₁~M_M。此時，儲存單元M₁~M_M之值會等於正光感測訊號S_LS1+~S_LSM+減去負光感測訊號S_LS1-~S_LSM-。因此，對應於反射光L_RD所匯聚之感測單元CS_K之儲存單元M_K之值會大於其他儲存單元之值。如此，距離計算電路140可判斷出反射光L_RD所匯聚之感測單元CS_K，並據以計算出反測光L_RD之成像位置D_CS。因此，距離計算電路140可根據成像位置D_CS、鏡頭LEN₁之焦距D_F、預定距離L以計算出待測距離D_M。

此外，在測距裝置100中，距離感測階段與雜訊感測階段可反覆進行多次(如Y次)，以使儲存單元M₁~M_M可儲存對應於Y個距離感測階段之正光感測訊號，與對應於Y個雜訊感測階段之負光感測訊號。由於每個距離感測階段之正光感測訊號對應於背景光之能量之部分，會被對應的雜訊感測階段之負光感測訊號所抵銷，因此除了對應於反射光L_RD所匯聚成像之感測單元CS_K之儲存單元M_K之值會等於(Y×R_K)之外，其他儲存單元之值皆等 於零。如此一來，即使因反射光L_RD之能量較弱而使感測單元CS_K所據以累積之能量R_K較小，測距裝置100仍可藉由進行多次的距離感測階段與雜訊感測階段(也就是說，將Y變大)，以放大儲存單元M_K之值與其他儲存單元之間的差異，而讓距離計算電路140可正確地找出具有最大值之儲存單元M_K，並據以計算出反射光L_RD之成像位置D_CS，以提高準確度。

請參考第3圖。第3圖係為說明測距裝置100減少閃爍現象之工作原理之示意圖。由於一般室內光源所接收之電源為交流電，因此除了背景光L_B外，另一部分之背景光(閃爍光)L_F會受到交流電之頻率之影響而閃爍。舉例而言，室內之日光燈之電源係為交流電，因此日光燈所發射之光會受到交流電之頻率之影響而閃爍。在第3圖中，設交流電之週期為T_F(如交流電之頻率為60Hz、交流電之週期為0.0167秒)。交流電之功率P會隨著時間不停的變動，因此閃爍光L_F之功率也會隨著時間不停的變動。然而，交流電之功率P每隔半交流電週期(T_F/2)就會循環一次。舉例而言，當時間為T時，交流電之功率P等於P_T；則當時間為(T+T_F/2)時，交流電之功率P仍等於P_T。又閃爍光L_F之功率係正比於交流電之功率P，因此閃爍光L_F之功率會類似交流電之功率，以每隔半交流電週期(T_F/2)就會循環一次。如此一來，在測距裝置100中，發光/感測控制電路110可藉由控制距離感測階段(如第3圖所示之T₁₊與T₂₊)與雜訊感測階段(如第3圖所示之T_1-與T_2-)之時間間隔等於半交流電週期(T_F/2)，以減低閃爍現象的影響。更明確地說，發光/感測控制電路110，控制感測單元CS₁~CS_M於距離感測階段T₁₊(或T₂₊)感測對應於交流電之功率P₁(或P₂)之閃爍光L_F，而使得感測單元CS₁~CS_M所產生之正光感測訊號對應於閃爍光L_F之部份會等於F₁₁~F_M1(或F₁₂~F_M2)。且發光/感測控制電路110控制距離感測階段T₁₊(或T₂₊)與雜訊感測階段T_1-(或T_2-)之時間間隔等於半交流電週期T_F/2(如0.0083秒)。因此，感測單元CS₁~CS_M於雜訊感測階段T_1-(或T_2-)內所感測之閃爍光L_F之功率與感測單元CS₁~CS_M於距離感測階段T₁₊(或 T₂₊)內所感測之閃爍光L_F之功率相同。如此於雜訊感測階段T_1-(或T_2-)內，感測單元CS₁~CS_M所產生之負光感測訊號對應於閃爍光L_F之部分也會等於F₁₁~F_M1(或F₁₂~F_M2)。因此，距離感測階段T₁₊(或T₂₊)之正光感測訊號對應於閃爍光L_F之部分，會被對應的雜訊感測階段T_1-(或T_2-)之負光感測訊號所抵銷。換句話說，除了對應於反射光L_RD所匯聚成像之感測單元CS_K之儲存單元M_K之值會等於R_K之外，其他儲存單元之值皆等於零。因此即使感測單元CS₁~CS_M會感測到閃爍光L_F，發光/感測控制電路110仍可藉由控制距離感測階段T₁₊或T₂₊分別與雜訊感測階段T_1-或T_2-之時間間隔等於半交流電週期(T_F/2)，以減低閃爍現象的影響，而使距離計算電路140可正確地判斷出反射光L_RD之成像位置D_CS且計算出待測距離D_M。

由於在生產過程中，當組裝測距裝置100時，測距裝置100內部之元件之位置會因組裝誤差而產生偏移，因此測距裝置100在量測距離時會受到組裝誤差之影響。因此測距裝置100所包含之參數計算電路150係用來校正測距裝置100之組裝誤差。以下將說明參數計算電路150之工作原理。

參數計算電路150接收發光/感測控制電路110所輸出之距離訊號S_D，而得到已知距離D_C1與已知距離D_C2。其中已知距離D_C1係為校正物CO₁與測距裝置100之間之距離，已知距離D_C2係為校正物CO₂與測距裝置100之間之距離。藉由如同第2圖所述之方法，發光元件120發出偵測光L_ID射向校正物CO₁或CO₂，而使參數計算電路150可根據影像感測器130所輸出之光感測訊號而得到反射光L_RD之成像位置，並據以校正測距裝置100之組裝誤差角度。

首先假設發光元件120因組裝誤差而使發光元件120所發出之偵測光L_ID旋轉發光誤差角度θ_LD。

請參考第4圖。第4圖係為說明校正發光元件120所發出之偵測光L_ID之發光誤差角度θ_LD之方法之示意圖。發光/感測控制電路110控制發光元件120發射偵測光L_ID射向校正物CO₁。其中校正物CO₁與測距裝置100之距離為已知距離D_C1。由於偵測光L_RD受到發光元件120之組裝誤差之影響，因此偵測光L_ID會以一發光誤差角度θ_LD入射校正物CO₁，而校正物CO₁反射偵測光L_ID所產生之反射光L_RD會匯聚成像於感測單元CS_I。偵測光L_ID與反射光L_RD之夾角為θ_1I，而直線L_F與反射光L_RD之夾角為θ_2I。如第4圖所示，由於直線L_F係平行於校正物之平面之法線，因此(θ_1I-θ_LD)會等於θ_2I。也就是說，tan(θ_1I-θ_LD)等於tanθ_2I。因此可得下列公式：D_C1=1/[1/(D_F×L)×D_CSI+B]...(4)；B=tanθ_LD/L...(5)；其中B代表用來校正發光誤差角度θ_LD之校正參數、D_CSI代表反射光L_RD之成像位置。因此，參數計算電路150根據式(4)可計算得到校正參數B。如此，參數計算電路150可透過參數訊號S_AB以輸出校正參數B至距離計算電路140，以使距離計算電路140可將式(2)校正如下式，以計算經校正後之待測距離D_M：D_M=1/[1/(D_F×L)×D_CS+B]...(6)；因此，即使測距裝置100因組裝誤差而使發光元件120所發出之偵測光L_ID旋轉發光誤差角度θ_LD，測距裝置100仍可藉由參數計算電路150計算出可校正發光誤差角度θ_LD之校正參數B，以讓距離計算電路140根據校正參數B、鏡頭LEN₁之焦距D_F、預定距離L，以及量測待測物MO時反射光之成像位置D_CS，而正確地計算出待測距離D_M。

請參考第5圖與第6圖。第5圖、第6圖係為說明因組裝誤差而使影像感測器130旋轉感測誤差角度θ_CS1與θ_CS2之校正方法之示意圖。第5 圖係為測距裝置100之上視圖。如第5圖所示，影像感測器130之感測誤差角度θ_CS1係處於XY平面上。第6圖係為測距裝置100之側視圖。此外，從第6圖可看出影像感測器130所旋轉之感測誤差角度θ_CS1與θ_CS2。發光/感測控制電路110控制發光元件120發射偵測光L_ID射向校正物CO₂，其中校正物CO₂與測距裝置100之距離為已知距離D_C2。此時假設發光元件120沒有組裝誤差(意即假設發光誤差角度θ_LD為零)，偵測光L_ID會入射校正物CO₁，而校正物CO₁反射偵測光L_ID所產生之反射光L_RD會匯聚成像於感測單元CS_J。偵測光L_ID與反射光L_RD之夾角為θ_1J，而直線L_F與反射光L_RD之夾角為θ_2J。由第6圖可看出，D_CSX係為反射光L_RD之成像位置D_CSJ投影至X軸之投影距離，且成像位置D_CSJ與投影距離D_CSX之關係可以下式表示：D_CSX=D_CSJ×cosθ_CS2×cosθ_CS1...(6)；又在第5圖中，直線L係與偵測光L_ID平行，因此直線L與反射光L_RD之夾角θ_2J係等於偵測光L_ID與反射光L_RD之夾角θ_1J。也就是說，tanθ_1J等於tanθ_2J。如此，已知距離D_C2與投影距離D_CSX之關係可以下式表示：L/D_C2=D_CSX/D_F...(7)；因此，根據式(6)與(7)可得到下列公式；D_C2=1/(A×D_CSJ)...(8)；A=(cosθ_CS2×cosθ_CS1)/(D_F×L)...(9)；其中A代表用來校正感測誤差角度θ_CS2與θ_CS1之校正參數。因此，參數計算電路150根據式(8)計算得到校正參數A。如此，參數計算電路150可透過參數訊號S_AB以輸出校正參數A至距離計算電路140，以使距離計算電路140可將式(2)校正如下式，以計算經校正後之待測距離D_M：D_M=1/(A×D_CS)...(10)；由此可知，即使測距裝置100因組裝誤差而使影像感測器130旋轉感測誤差角度θ_CS1與θ_CS2，測距裝置100仍可藉由參數計算電路150計算出可校正感測誤差角度θ_CS2與θ_CS1之校正參數A，以讓距離計算電路140可 藉由校正參數A與量測待測物MO時反射光之成像位置D_CS，而正確地計算出待測距離D_M。

假設測距裝置100因組裝誤差而使發光元件120所發出之偵測光L_ID旋轉發光誤差角度θ_LD，且同時影像感測器130旋轉感測誤差角度θ_CS1與θ_CS2。藉由第4圖、第5圖、第6圖之說明可知，測距裝置100可藉由發光元件120發出偵測光L_ID至校正物CO₁與CO₂，以分別得到對應於校正物CO₁之反射光L_RD之成像位置D_CS1、與對應於校正物CO₂之反射光L_RD之成像位置D_CS2。又成像位置D_CS1與D_CS2、測距裝置100與校正物CO₁之間的已知距離D_C1、測距裝置100與校正物CO₂之間的已知距離D_C2，以及校正參數A與B之關係可以下式表示：D_C1=1/[A×D_CS1+B]...(11)；D_C2=1/[A×D_CS2+B]...(12)；此時，參數計算電路150可根據式(11)與式(12)計算出可校正感測誤差角度θ_CS1與θ_CS2之校正參數A，以及可校正發光誤差角度θ_LD之校正參數B。參數計算電路150可透過參數訊號S_AB以輸出校正參數A與B至距離計算電路140，以使距離計算電路140可將式(2)校正如下式，以計算經校正後之待測距離D_M：D_M=1/[A×D_CS+B]...(13)；如此，即使測距裝置100因組裝誤差而使發光元件120所發出之偵測光L_ID旋轉發光誤差角度θ_LD，且同時影像感測器130旋轉感測誤差角度θ_CS1與θ_CS2。測距裝置100仍可藉由參數計算電路150計算出可校正感測誤差角度θ_CS2與θ_CS1之校正參數A與可校正發光誤差角度θ_LD之校正參數B，以讓距離計算電路140可正確地計算出待測距離D_M。

除此之外，根據式(13)可知，當距離計算電路140計算待測距離 D_M時，只需要參數計算電路150所輸出之校正參數A、校正參數B與量測待測物MO時反射光L_RD之成像位置D_CS，而不需鏡頭LEN₁之焦距D_F與預定距離L。換句話說，即使在生產過程中，鏡頭LEN₁之焦距D_F有誤差，或是預定距離L因組裝而產生誤差，距離計算電路140仍可根據式(13)以正確地計算出待測距離D_M。

請參考第7圖。第7圖係為說明本發明之影像感測器之結構之第一實施例700之示意圖。如第7圖所示，影像感測器700之M個感測單元排列成N行K列。在影像感測器700中，每一行感測單元之水平方向(或第7圖所示之X軸之方向)上之位置皆相同。更進一步地說，設感測單元CS₁₁~CS_NK之寬度皆為W_PIX，且設感測單元CS₁₁之左側於水平方向之位置可表示為零，如此，以每一行感測單元之中心來代表其水平方向上之位置，則第1行感測單元CS₁₁~CS_1K於水平方向之位置可表示為1/2×W_PIX；第2行感測單元CS₂₁~CS_2K於水平方向之位置可表示為3/2×W_PIX；第N行感測單元CS_N1~CS_NK於水平方向之位置可表示為[(2×N-1)×W_PIX]/2，其他可依此類推，故不再贅述。因此，由上述說明可知，在影像感測器700中，每一列感測單元於水平方向上之位置皆可表示為{1/2×W_PIX,3/2×W_PIX,...,[(2×N-1)×W_PIX]/2}，因此每一列感測單元於水平方向上之位置皆相同。

請參考第8圖。第8圖係為說明利用影像感測器700以偵測反射光L_RD之成像位置D_CS之工作原理之示意圖。第8圖之上半部所示之圓圈係用來表示反射光L_RD於影像感測器700成像之位置，也就是說，被圓圈所覆蓋之感測單元，可感測到反射光L_RD之能量，而產生較大之光感測訊號S_LS。為了得到反射光L_RD之成像位置D_CS，此時，可將每一行感測單元所產生之光感測訊號S_LS相加(如第8圖下半所示)，以得到水平方向(X軸方向)上之累計光感測訊號S_ALS。舉例而言，根據第1行感測單元CS₁₁~CS_1K之光感測訊號 相加而產生之累計光感測訊號為S_ALS1；根據第2行感測單元CS₂₁~CS_2K之光感測訊號相加而產生之累計光感測訊號為S_ALS2；根據第N行感測單元CS_N1~CS_NK之光感測訊號相加而產生之累計光感測訊號為S_ALSN，其他可依此類推，故不再贅述。由於接收到反射光L_RD之感測單元會產生較高之光感測訊號，因此接近反射光L_RD之成像位置D_CS(意即圓圈中心)之感測單元皆會產生較高之光感測訊號。換句話說，若在累計光感測訊號S_ALS1~S_ALSN中，對應於第F行感測單元CS_F1~CS_FK之累計光感測訊號S_ALSF具有最大值，則表示反射光L_RD之成像位置(圓圈中心)位於第F行感測單元。如此一來，即可以第F行感測單元於水平方向上之位置來代表反射光L_RD之成像位置D_CS。舉例而言，如第8圖所示，第5行感測單元CS₅₁~CS_5K所對應之累計光感測訊號S_ALS5具有最大值，因此可判斷反射光L_RD之成像位置(圓圈中心)位於第5行感測單元，如此一來，即可以第5行感測單元於水平方向上之位置9/2×W_PIX來代表反射光L_RD之成像位置D_CS。

請參考第9圖。第9圖係為說明本發明之影像感測器之結構之另一實施例900之示意圖。如第9圖所示，影像感測器900之M個感測單元排列成N行K列。相較於影像感測器700，影像感測器900之每一列感測單元與其相鄰之其他列感測單元之水平方向(或第9圖所示之X軸之方向)上之位置相隔一位移距離D_SF(在第9圖中係假設位移距離D_SF等於W_PIX/2)。舉例而言，第1列感測單元CS₁₁~CS_N1於水平方向上之位置可表示為{1/2×W_PIX,3/2×W_PIX,...,[(2×N+1)×W_PIX]/2}；第2列感測單元CS₁₂~CS_N2於水平方向上之位置可表示為{W_PIX,2×W_PIX,...,[2×N×W_PIX]/2}；第K列感測單元CS_1K~CS_NK於水平方向上之位置可表示為{[1/2+(K-1)/2]×W_PIX,[3/2+(K-1)/2]×W_PIX,...,[(2×N-1)/2+(K-1)/2]×W_PIX}，其他可依此類推，故不再贅述。

請參考第10圖。第10圖係為說明利用影像感測器900以偵測反 射光L_RD之成像位置D_CS之工作原理之示意圖。第10圖之上半部所示之圓圈係用來表示反射光L_RD於影像感測器900成像之位置。根據影像感測器900之感測單元CS₁₁~CS_NK之光感測訊號而產生之累計光感測訊號為S_ALS1~S_ALS2N。其中累計光感測訊號S_ALS1所對應之感測範圍係為水平方向上位置0~W_PIX/2，由於在感測單元CS₁₁~CS_NK之中，僅有感測單元CS₁₁之感測範圍涵蓋累計光感測訊號S_ALS1所對應之感測範圍，因此累計光感測訊號S_ALS1係等於感測單元CS₁₁之光感測訊號之值；累計光感測訊號S_ALS2所對應之感測範圍係為水平方向上位置W_PIX/2~W_PIX，由於在感測單元CS₁₁~CS_NK之中，感測單元CS₁₁與CS₁₂之感測範圍皆涵蓋累計光感測訊號S_ALS2所對應之感測範圍，因此累計光感測訊號S_ALS2係可藉由相加感測單元CS₁₁與CS₂₁之光感測訊號而得，其他累計光感測訊號可由類似方法而得，故不再贅述。若在累計光感測訊號S_ALS1~S_ALS2N中，累計光感測訊號S_ALSF具有最大值，則表示反射光L_RD之成像位置(圓圈中心)位於對應於累計光感測訊號S_ALSF之水平方向上之位置。舉例而言，如第10圖所示，累計光感測訊號S_ALS10具有最大值，因此可判斷反射光L_RD之成像位置(圓圈中心)位於對應於累計光感測訊號S_ALS10之水平方向上之位置。由於累計光感測訊號S_ALS10所對應之感測範圍係為9/2×W_PIX~5×W_PIX，因此累計光感測訊號S_ALS10所對應之水平方向上之位置可表示為19/4×W_PIX。如此，反射光L_RD之成像位置(圓圈中心)可以累計光感測訊號S_ALS10水平方向上之位置19/4×W_PIX來表示。

此外，相較於影像感測器700，影像感測器900具有更高的解析度。舉例而言，當利用影像感測器700來偵測反射光L_RD之成像位置D_CS時，若反射光L_RD之成像位置D_CS(圓圈中心)於水平方向上之實際位置為(17/4)×W_PIX，則此時累計光感測訊號S_ALS5具有最大值，因此反射光L_RD之成像位置D_CS會以影像感測器700之第5行感測單元於水平方向上之位置9/2×W_PIX來表示；若反射光L_RD之成像位置D_CS(圓圈中心)於水平方向上之實 際位置略為移動，而變成為(19/4)×W_PIX，此時累計光感測訊號S_ALS5仍然具有最大值，也就是說，雖然反射光L_RD之成像位置D_CS(圓圈中心)於水平方向上之實際位置已經從(17/4)×W_PIX變為(19/4)×W_PIX，但是反射光L_RD之成像位置D_CS仍會以影像感測器700之第5行感測單元於水平方向上之位置9/2×W_PIX來表示。

然而，當利用影像感測器900來偵測反射光L_RD之成像位置D_CS時，若反射光L_RD之成像位置D_CS(圓圈中心)於水平方向上之實際位置為(17/4)×W_PIX，則此時累計光感測訊號S_ALS9具有最大值，因此反射光L_RD之成像位置D_CS會以累計光感測訊號S_ALS9於水平方向上之位置17/4×W_PIX來表示；然而，若反射光L_RD之成像位置D_CS(圓圈中心)於水平方向上之實際位置略為移動，而變成為(19/4)×W_PIX，則此時累計光感測訊號S_ALS10具有最大值，因此反射光L_RD之成像位置D_CS會以累計光感測訊號S_ALS10於水平方向上之位置19/4×W_PIX來表示。由此可知，利用影像感測器900可更精確地偵測到反射光L_RD之成像位置D_CS。更進一步地說，相較於影像感測器700，在影像感測器900中，藉由調整每一列感測單元與其相鄰之其他列感測單元之水平方向上之位置相隔之位移距離，可使影像感測器900具有更高的解析度。

此外，在影像感測器900中，每一列感測單元與其相鄰之其他列感測單元之水平方向(或第9圖所示之X軸之方向)上之位置相隔之位移距離並不限定要相同。舉例而言，第1列感測單元與第2列之感測單元之間之位移距離為W_PIX/2，而第2列感測單元與第3列之感測單元之間之位移距離為W_PIX/4。此時，仍可第10圖所述之方法以利用影像感測器900來偵測反射光L_RD之成像位置D_CS。

請參考第11圖。第11圖係為說明本發明之影像感測器之結構之 另一實施例1100之示意圖。如第11圖所示，影像感測器1100之M個感測單元排列成N行Q列。影像感測器1100與700之不同之處在於，影像感測器700之每一感測單元係為一正方形，而影像感測器1100之每一感測單元係為一長方形。舉例而言，影像感測器700之每一感測單元之寬度與高度皆等於W_PIX，而影像感測器1100之每一感測單元之寬度為W_PIX，高度則設計為(W_PIX×K/Q)，其中Q<K，也就是說，影像感測器1100之每一感測單元之長邊位於水平方向(X軸方向)上，短邊位於垂直方向上。換句話說，影像感測器1100之每一行感測單元具有與影像感測器700之每一感測單元相同之寬度，且影像感測器1100之每一行感測單元之數目Q雖然少於影像感測器700之每一行感測單元之數目K，但是影像感測器1100之每一行感測單元之總面積仍維持與影像感測器700相同。類似於影像感測器700，影像感測器1100提供M個感測單元所產生之M個感測訊號給距離計算電路，以使距離計算電路計算出累計光感測訊號S_ALS1~S_ALSN。舉例而言，根據第1行感測單元CS₁₁~CS_1Q之光感測訊號相加而產生之累計光感測訊號為S_ALS1；根據第2行感測單元CS₂₁~CS_2Q之光感測訊號相加而產生之累計光感測訊號為S_ALS2；根據第N行感測單元CS_N1~CS_NQ之光感測訊號相加而產生之累計光感測訊號為S_ALSN，其他可依此類推，故不再贅述。如此一來，距離計算電路可利用第8圖所述之方法，以根據累計光感測訊號S_ALS1~S_ALSN來得到反射光L_RD之成像位置，並進而計算出待測距離D_M。

相較於影像感測器700，由於在影像感測器1100中，每一感測單元之長邊位於水平方向上而使得每一行感測單元之數目較少(意即Q<K)，因此可減少距離計算電路於產生累計光感測訊號S_ALS1~S_ALSN時所需累加之次數。由於影像感測器1100之每一行感測單元之總面積仍維持與影像感測器700相同，因此每一行感測單元所接收到之鏡頭LEN所匯聚之光之能量維持不變。換句話說，當利用影像感測器1100時，可減少距離計算電路於產生累 計光感測訊號S_ALS1~S_ALSN時所需處理之運算量，且同時維持累計光感測訊號S_ALS1~S_ALSN之訊雜比。此外，在影像感測器1100中，每一感測單元之短邊位於水平方向上，且其寬度仍維持為W_PIX。換句話說，利用影像感測器1100來計算反射光L_RD於水平方向上之成像位置時，其解析度與利用影像感測器700之情況相同。因此，相較於影像感測器700，影像感測器1100可減少距離計算電路所需處理之運算量，並同時維持累計光感測訊號之訊雜比與成像位置於水平方向(意即短邊所位於之方向)上之解析度。

綜上所述，本發明所提供之測距裝置，藉由將測距裝置中之影像感測器所感測之光感測訊號，移除掉背景光與閃爍光的部分，來降低背景光與閃爍現象之影響。在本發明之影像感測器中，可藉由調整每一列感測單元與其相鄰之其他列感測單元之水平方向上之位置相隔之位移距離，以提高影像感測器之解析度。除此之外，本發明另提供一種測距裝置之校正方法。藉由發光元件發出偵測光至一具有第一已知距離之第一校正物與一具有第二已知距離之第二校正物，以分別得出對應於第一校正物之反射光之第一成像位置與對應於第二校正物之反射光之第二成像位置，並根據第一已知距離、該第一成像位置、該第二已知距離以及該第二成像位置，以計算出可校正該測距裝置之內部元件之組裝誤差角度之校正參數。如此，測距裝置可藉由校正參數以正確地計算出待測距離，提供給使用者更大的方便。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100‧‧‧測距裝置

110‧‧‧發光/感測控制電路

120‧‧‧發光元件

130‧‧‧影像感測器

140‧‧‧距離計算電路

150‧‧‧參數計算電路

CS₁~CS_M‧‧‧感測單元

LEN₁、LEN₂‧‧‧鏡頭

D_CS‧‧‧成像位置

D_F‧‧‧焦距

D_M‧‧‧待測距離

L‧‧‧預定距離

L_B‧‧‧背景光

L_ID‧‧‧偵測光

L_F‧‧‧直線

L_RD‧‧‧反射光

MO‧‧‧待測物

O_F‧‧‧焦點

S_AB‧‧‧參數計算電路

S_LD‧‧‧發光脈衝訊號

S_LS‧‧‧光感測訊號

S_P‧‧‧階段訊號

S_RE‧‧‧讀取訊號

S_ST‧‧‧快門脈衝訊號

θ₁、θ₂‧‧‧角度

Claims (9)

1. 一種用來校正利用成像位置差異以測距之一測距裝置之校正方法，該測距裝置之一發光元件發射一偵測光至一待測物，並反射回該測距裝置之一影像感測器，以得到一第一成像位置，該測距裝置可根據該第一成像位置、該測距裝置之一第一鏡頭之一焦距、該發光元件與該影像感測器之間之一預定距離，以計算該測距裝置與該待測物之間之一待測距離，該校正方法包含：該測距裝置之該發光元件發出該偵測光至一校正物，並反射回該測距裝置之該影像感測器，以得出一第二成像位置；其中該測距裝置與該校正物之間之距離係為一已知距離；根據該已知距離、該第二成像位置，以計算出用來校正該測距裝置之一組裝誤差角度之一校正參數；以及該測距裝置根據該校正參數以計算出經校正後之該待測距離。
2. 如請求項1所述之校正方法，其中根據該已知距離、該第二成像位置，以計算出用來校正該測距裝置之該組裝誤差角度之該校正參數包含：根據該已知距離、該第二成像位置，以計算出用來校正該測距裝置之該發光元件之該偵測光所旋轉之一發光誤差角度之一校正參數。
3. 如請求項2所述之校正方法，其中根據該已知距離、該第一成像位置，以計算出用來校正該測距裝置之該發光元件之該偵測光所旋轉之該發光誤差角度之該校正參數可根據下式計算：D_C1=1/[1/(D_F×L)×D_CSI+B]；其中D_C1代表該已知距離、D_CSI代表該第二成像位置、B代表該校正參數、D_F代表該第一鏡頭之該焦距、L代表該發光元件與該影像感測器之 間之該預定距離。
4. 如請求項3所述之校正方法，其中該校正參數與該發光誤差角度之關係可以下式表示：B=tanθ_LD/L；其中θ_LD代表該發光誤差角度。
5. 如請求項3所述之校正方法，其中該待測距離可根據下式得出：D_M=1/[1/(D_F×L)×D_CS+B]；其中D_M代表該待測距離。
6. 如請求項1所述之校正方法，其中根據該已知距離、該第二成像位置，以計算出用來校正該測距裝置之該組裝誤差角度之該校正參數包含：根據該已知距離、該第二成像位置，以計算出用來校正該測距裝置之該影像感測器之一第一感測誤差角度與一第二感測誤差角度之一校正參數。
7. 如請求項6所述之校正方法，其中根據該已知距離、該第二成像位置，以計算出用來校正該測距裝置之該影像感測器之該第一感測誤差角度與該第二感測誤差角度之該校正參數可根據下式計算：D_C2=1/(A×D_CSJ)；其中D_C2代表該已知距離、D_CSJ代表該第二成像位置、A代表該校正參數。
8. 如請求項7所述之校正方法，其中該校正參數與該影像感測器之該第一感測誤差角度與該第二感測誤差角度之關係可以下式表示：A=(cosθ_CS2×cosθ_CS1)/(D_F×L)； 其中θ_CS1代表該第一感測誤差角度、θ_CS2代表該第二感測誤差角度、A代表該校正參數。
9. 如請求項7所述之校正方法，其中該待測距離可根據下式得出：D_M=1/(A×D_CS)；其中D_CS代表該成像位置、D_M代表該待測距離。