TW389831B - Systim for taking displacement measurements - Google Patents

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五、發明說明（J ) 發明背景 發明領域 本發明大體上係有關測量系統，尤其是有關用以 施行上面預印了規則圖案的一個物體之位移測量系統 相關技術討論 有非常多種已知系統，其偵測或測量一物體之位 置或位移相當重要，舉例而言，讓渡給本發明之受讓 人、且亦由本發明之發明者共同發明的美國專利第 5, 578’ 813號中發表之系統乃一種用以判定手持式掃 描器與織料（亦即一張紙）之間相對移動的系統與方法 ，具體而言，該系統使用一個照明/呈像感測器，藉 由辨識織材的結構相關性質而偵測出掃描器與織材間 的相對移動。織物（例如紙纖維或其他成分）的固有結 構相關性質被用於導航用途上，亦即辨識掃描器之導 航路線，而使掃瞄到的影像能夠以電子（數位）方式重 建。 另一種系統發表於美國專利第5,291131號中， 其發表了一種用以測量循環鏈延伸部分（由於元件磨 損、拉伸或其他原因形成的延伸部分）之裝置。此處 發表之系統使用了兩個以預定距離沿著循環鏈路徑分 開配置的感測器（例如磁感式或光學式）’兩個指標之 間距離係根據算出的移動物體速度及從第一指標^過 第一感測器到第二指標通過第二感測器所花時間而計 五、發明說明（2 ) 算藉由持續之觀測，並比較算出的距離，則可量出 循環鍵延伸部分。再者，於第，131號專利之前的類似 系統包括有美國專利第4, 198, 758號及第4, 274, 783號 中發表之系統，該兩者標題為，，鏈之量測及輸送機控 制系統’’，由本發明之發明者共同發明。 亦如習知技藝中已知，有些喷墨印表機的印字頭 係配置成橫跨著一張紙的列印寬度移動，墨水自印字 頭沈積在紙張上有一部 > 是根據印字頭的位置訊息而 嚴加控制，在有些這種印表機中，此位置訊息係將一 張透明印刷材質拉過紙張寬度所涵蓋之距離而得到， 此印刷材質通過印字頭内的一條溝槽，並含有若干條 間隔相同之分界線，有一個發光體/檢測器组橫跨溝 槽而配置，並用以計算界線數目，藉由維持精確的界 線計數，則系統可維持印字頭沿著紙張的位置相關訊 息，在這種系統中，印刷材質係維持固定，而發光體 /檢測器組（固定於印字頭上）則相對印刷材質而移動 在與上述類似之系統以及許多其他系統中，吾人 希望正確而精密地測量一物體之位移，因此希望提供 一種能夠有效地測量物體位移之裝置及方法。 發明摘要 下列敘述尹有一部份將發表本發明的—些目的、 優點及新特色，而有一部份對於那些熟悉技術的人， 於檢視下文之後將變的很明顯，或者可藉由實施本發 張尺度適用中國國家標準（CNS〉A4規格（210 X 297公釐） 域 五、發明說明（ 明而習得。利用依附項申請專利範圍中特別指出的裝 置及組合，則可瞭解和獲得本發明之目的及優點。 為了達成諸項優點及新特色，本發明大體上著眼 於用以施行物體之位移測量的一個系統。根據本發明 的一個觀點，此系統包括了一個其上配置有可視圖案 (可視圖案一詞將用於整篇文章中，表示利用一個 感光器陣列所測得之任何圖案，而不論形成的亮度是 否位於可見光譜内）之物體，關於這一點，圖案係以 有系統地交錯之對比區域（例如黑白或其他顏色）定義 出。有多個感光器遠離可視圖案而規則地隔開，並進 一步以類似可視圖案之組態配置，關於此點，若可視 圖案為一個循環性圓形圖案，則感光器亦以重複之圓 形圖案配置；若可視圖案為多個平行的線性邊界，則 可將多個感光器配置成一個線性陣列。有一面透鏡供 將可視圖案呈像於多個感光器上面，相鄰感光器元件 之間的節距或間隔最好是與界定可視圖案之對比區 影像中的間隔稍微不同，下文將進一步詳細討論到 這讓本發明能夠利用莫爾效應施行精確的物體位移測 量。 根據本發明這項觀點，有一塊電路與多個感光 通電，其中該電路係配置用以計算由多個感光器產 的一個電氣訊號而判定物體之位移，關於這一點， 於感光器節距與可視圖案影像節距之差異，電氣訊 會具體呈現出一個重複的包絡線圖案，此包絡線之 — — — — — — — — — — 1^ 裝！ — —— —訂-ί — 1· — * (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 器 生 由 號 空 -7 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（ 間頻率明顯小於影像或感光器陣列中的可視圖案頻率 ’其中影像及感光器陣列中的可視圖案頻率分別等於 影像中的相鄰圖案界線或相鄰感光器元件之間隔距離 交替數目，關於此點’物體的側向運動具有可視圖案 ，其與循環圖案之重複方向平行，而於較低空間頻率 訊號之包絡線位置内產生一個偏位。由於本身具有較 低空間頻率之包絡線產生相當大的位移，因此甚至能 容易地债測出具有可視圖案之物體的少量位移。物體 運動包含了呈像光學之物體平面内的旋轉，而使包絡 線訊號產生更複雜之運動，並使這些廣義運動之偵測 具有更高的精確度。 根據此較佳實施例，該透鏡係一面遠心透鏡，遠 心透鏡於第一面透鏡或透鏡組後方之焦距處有一個開 口，以防物體之視界位置改變而導致倍率改變。為了 同樣防止檢測器之焦距位置改變而導致倍率改變，則 於開口後方和其焦距長度相等的一個距離處可放置第 二面透鏡。遠心透鏡之各透鏡均沿著一條中心軸排成 一* 歹 〇 另一種實施方法並不需要呈像透鏡，視系統應用 需求而定，在這種形式的實施法中，可將物體表面緊 靠感光器陣列而配置，透過物體或從陣列空隙中的光 源提供照明。 根據本發明另一項觀點，提供了一個系統來測量 物體之傾斜，且不需使用到有系統的圊案，關於此點 ------------Λ_* 裝-------—訂------1—( (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 五、發明說明（ ，第一感光器陣列係與一條中心軸並排配置，並對中 心軸傾斜某個角度；同樣地，第二感光器陣列亦與中 心軸並排配置，且和第一光器陣列一樣對中心軸傾斜 某個角度。的確，第二感光器陣列傾斜一個大體上與 第一感光器陣列角度相反的角度，再者.，第一及第_ 感光器陣列係配置在物體反側的遠心透鏡其中一邊。 最後，有一塊電路與第一及第二感光器陣列通電該 電路係配置用以算出從第一及第二感光器陣列輸出的 電氣訊號，以判定物艎之傾斜角度。 訂 在一項實施例中’感光器陣列可以是一維陣列（ 例如不是一行就是一列感光器元件），在這樣的—個 實施例中，系統將偵測物體在一維方向上的傾斜角度 (例如左-右傾斜）；在另一項實施例中，感光器陣列 可以是二維陣列，在這樣的一個實施例中，系統將偵 測在二維方向之任一方向（或兩者）上的傾斜角度。另 外，可利用一面分光鏡讓該對傾斜陣列以光學方式集 中於一條中心軸上而不會產生物理干擾。 的 方 面 根據本發明另一項觀點，提供了另一個系統用以 追蹤目標物在三維空間中的移動情形，根據本發明 這項觀點，該系統包括有兩面朝相似但稍微不同之 向的透鏡’更具體地說，具有較深視界深度之第一 透鏡係沿著第一條光學軸配置，同樣地，亦具有較深 視界深度之第二面透鏡則沿第二條光學軸配置。第二 條光學軸對第一條光學軸稍微傾斜，而使其等不平行 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS〉A4規格（21〇 χ 297公釐 -9 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（6 ) ，但第一和第二面透鏡具有一個共用之視界，可將追 蹤用之目標物設置於其内。關於這一點，第一感光器 陣列大體上係與第一條光學軸成正交配置，且位於共 用視界的反侧；同樣地，第二感光器陣列大體上與第 一條光學軸成正交配置，且位於共用視界的反側。最 後，有一塊電路和第一及第二感光器陣列通電，其中 該電路係配置用以算出從第一及第二感光器陣列輸出 的電氣訊號，以追蹤共用視界之内的一個物體移動情 形。計算感光器陣列之輸出可能需要兩個影像之間的 相互關係，或者可使用更多的啟發式算法。如上所討 論，若使用遠心透鏡，或者若平行光學軸之物體位移 分量很小並能得知倍率改變的話，則可進一步將對照 圖案顯示於物體上，使其能夠擴大側向位移之莫爾效 應，以達到更高的精確度。 吾人可從習知技藝中得知，有各種不同之系統利 用各種相關技術測量移動物體之連續影像間的影像位 移，舉例而言，標題為，，藉由來自一感光器元件陣列 之相關訊號追縱相對移動的方法及裝置，，之美國專利 第5’ 729, 008號 '標題為”用於光接收器訊號之偏位消 除及空間頻帶濾波電路”之美國專利第5, 7〇3, 353號、 標題為用以達成面對比表面照明之方法及裝置，，之美 國專利第5, 686, 720號、標題為，，用以偵測導航相對一 物體之移動的導航技術，，之美國專利第5 644，139號， 其等均讓渡給本發明之受讓人’而供參考之5 578 813 良紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁> 裝----- ---訂i

C 10 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 __ — ------- B7 __ 五、發明說明（7 ) 尤其討論到各種相關技術，且每篇都在此列作參考。 這種技術可運用本發明之新式結構，此處不予贅述。 附圖說明 併入本發明中且構成規格之一部分的諸幅附圖例 示了本發明的諸項觀點，並與該敘述一起說明了本發 明之原理，於諸圖中： 第1A-1C圖例示了當兩組同樣尺寸之同心圓彼此 分別朝旁邊移動時產生的莫爾效應； 第2A-2B圖例示了當兩組平行線彼此相對轉動時 產生的莫爾效應； 第3A-3B圖例示了當兩組同樣尺寸之同心三角形 彼此分別朝旁邊移動時產生的莫爾效應； 第4 A圖為例示了本發明其中一項實施例.中，利用 圖案相當簡單之若干條水平線測量具有預印圖案物體 之位移的一個方塊圖； 第4B圖為類似第4A圖中所示，但例示了斜線圖案 的一個方塊圖； 第5A及5B圖為根據本發明另一個實施例建構而成 、用以測量物體傾斜的一個系統之圖解； 第6A圖例示了由傾斜之一維感光器陣列對定位在 中心焦平面上的一個未傾斜物體測得之假想光線圖案 9 第6B圖例示了由傾斜之一維感光器陣列對定仇在 中心焦平面外的一個未傾斜物體測得之假想光線圖案 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格<210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ·「裝--------訂· — 11 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（8 ) ， 第6C圖例示了由傾斜之一維感光器陣列對繞著平 行於感光器陣列傾斜轴之轴傾斜的一個物體所測得之 假想光線圖f; 第7圖例示了由傾斜之二維感光器陣列對繞著垂 直於感光器陣列傾斜轴之轴傾斜、位於中心焦平面上 並與光學轴相交的一個物體所測得之假想光線圖案； 以及 第8圖例示了本發明另一個實施例，其可用於三 維追蹤系統中。 較佳實施例之詳細說明 既已概括救述了本發明之各種不同觀點，現在詳 細參看本發明於諸幅附圖中所例示之說明，雖然本發 明將與這些附圖一起敘述，吾人並不希望侷限在此處 發表的諸項實施例，反而希望囊括所有包含於本發明 依附項申請專利範圍所定義之精神與範圍内的若干替 代方案、變更與等值主張。 現在參看第1至3圖，圖中例示了一些非常簡.單的 莫爾圖案或說明了莫爾效應，之圖形，廣義而言，莫爾 效應係由兩個（或更多個）類似的週期或準週期結構重 疊而造成的一個光學現象，舉例而言，當兩條線/空 間網格-這種網格乃視作具有規則重複性質的任何一 維或二維之交錯明暗（或顏色變化）帶（此處姑且稱為 線條重疊時，兩個網格之線段（或間隔）交點決定了 ------1—!A_ 裝 -------訂.|_—I—.η (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） 12 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（ 另一個重複性圖案，稱為莫爾圖案。雖然文獻中已經 詳載了莫爾圖案及莫爾效應，且熟悉技術者應該能夠 瞭解，但本文仍敘述了一些範例，使之更完備並作為 例證。 關於這一點，第1A至1C圖例示了使用一個簡單同 心圓光帶圖案的莫爾效應，具體而言，諸圖例示了若 干重複同心圓以不同程度重疊的一個圖案，第1A圖繪 示了同心圓大體上係重疊在一起，而第1B圖例示了圖 案中心間隔較大，第1C圖例示了兩個圖案間隔還要更 大的情形。如圖所示，各圖之特徵在於兩個圖案之間 僅重疊一次，此提供了不同之視覺效果，在這些例子 中應該注意的是，所形成的圖案為雙曲線形狀之曲線 〇 舉例而言，第1A圖中提供的虛線係用以說明圖案 ，圖中例示了一條大體上垂直的中心虛線和兩條沿著 重疊線條所形成的水平偏移彎曲（雙曲）虛線，雖然未 例7F出其他虛線，仍可看出隨著同心圖案進一步遠離 (第1B圖），則形成了更多圖案且曲線之半徑會增加 第2A及2B圖例示了當兩組間隔相等之平行線或線 條彼此相對轉動時產生的一個莫爾效應，如這些圖中 所不，當彼此成銳角時，諸線條形成了柵格（平行四 邊形），纟中平行四邊形之長度會隨著兩個線條圖案 旋轉到更密集之排列而增加。&意外觀上描圖線是如 I-------r---「裝--------訂-------- <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

I 13 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（ 何垂直地通過第2A圖中的這些交點而產生水平間隔距 離相當大的一個垂直線圖案，第2B圖中類似之描圖線 自垂直狀態傾斜，且相隔更遠。 第3A及3B圖例示了另一個線條圖案，於此圖中繪 示了同組的同心三角形，於第3A圖中，兩組三角形稍 微偏移（水平方向），而在第3B圖中偏移更大。此外， 其中一組線條對另一組線條之移動於兩個圖案重疊之 區域内產生了某種視覺效果（僅從兩個圖形中部分地 看出）。眾多關於莫爾圖案之刊物已從數學角度說明 了這些圖案，然而從本文之討論可以瞭解到，本發明 並不限於任何特定組之莫爾圖案，因此本文並不需進 行廣泛的數理討論，廣言之，具有一般技術的人將充 分地瞭解相關的數學應用，以實施本發明之概念及學 說。 除了上述之外，其他類型之莫爾圖案及莫爾效應 亦為已知，舉例而言，當兩組間隔相等之平行線重疊 時會產生不同的一個莫爾效應，具體而言，當第一組 線條之間隔與第二組線條之間隔稍有不同時，必須注 意當諸線條彼此朝旁邊移動—亦即朝與這些線條正交 的一個方向-時會產生不同的效果，由此移動造成的 視覺效果將與兩組線條具有相同間隔時所形成的視覺 圖案不同。事實上，節距上的微小差異比各圖案—節 距頻率更能完成較低空間頻率的一個干擾圖案，而更 重要的是，這些干擾圖案比兩個分離圖案之位移移動 -----------^ ^ i — — — ^---------d (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製

五、發明說明（u) i紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） A7 B7 更大。 關於此點，現在參看第4A圊，圖中例示了根據本 發明建構、用以施行位移測量之系統1〇的第一項實施 例，此系統10以獨特方式利用莫爾效應完成詳細的測 量計算。本發明之中央有一個感光器陣列12，其含有 多個感光器元件，感光器元件以規則距離分開，而使 感光器陣列圖案形成一個相稱的節距。 有一物體14預印了某種可視圖案，該圖案係一有 系統、規則的圖案，舉例而言，其可列印於物體表面 上，關於本發明之若干用途，不論該物體實際上為二 維物體、例如一張紙，或者是一個三維物體都是將 圖案16列印在其中一面，的確，本發明之主要觀念與 學說可應用於各種不同的領域及環境。本發明之重要 用途在於呈像或者投射於感光器陣列上之圖案為有系 統的圖案，其與構成該陣列之感光器元件間隔具有密 切關係。關於這一點，第4A圖中呈像或者投射於感光 器陣列上面之圖案為一系列的等距平行粗線，其分隔 距離與感光器陣列之所有其他行（或列）感光器元件之 間的間隔稍有差異。

有一面透鏡18配置於感光器陣列12與物體14之間 ，供將預印圖案16投射在感光器陣列上面，注意構成 感光器陣列之元件的配置形狀和物體上預印圖案的投 射影像一起形成了第二種圖案，而於感光器陣列之輸 出中產生一個莫爾效應。感光器元件可由CCD、CMOS 15 Λ-裝--------訂---------( (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 ^ 国 B7 五、發明說明（12) 裝置或非晶矽裝置構成，感光器陣列12依序與一塊電 路20通電，用以計算多個感光器元件之輸出。雖然系 統10並不需以圖解表示從感光器陣列丨2接收到的電氣 訊號，第4A圖中還是提供了一個圖解3〇，以描述電路 20從感光器陣列丨2收到的訊號值。關於此點，圖中綠 示了多條不連續的訊號線31、32、33，每條均由一振 幅定義之，各訊號幅度與從感光器元件輸出的電氣訊 號相對應，關於這一點，感光器陣列輸出一個電氣訊 號，與包含圖案之表面發出、通過、反射、折射或繞 射的光線一致。圖解30例示了感光器陣列125之其中 —列的訊號值》 第4A圖中例示之圖案16係由一系列相同間隔之平 行粗線組成，最好是具有相同特色與間隔距離，當其 中一條線的影像或投影與一感光器元件排成一列時， 自該感光器元件輸出之電氣訊號的值較低；當物體14 開始移動且線條之影像或投影從其與感光器元件成一 直線之位置開始移動時，則來自感光器元件之電氣訊 號值會開始增加；當圖案線條完全偏離感光器元件時 ，電氣訊號值達到一個最大值。因此，當圖案線條之 影像或投影之間的距離與感光器元件之間的間隔稍有 差異時，從感光器元件之其中一列輸出的訊號大小可 如圖解30中所示。具體而言，雖然感光器元件與圖案 線條之影像或投影之間相隔非常緊密，該圖解還是定 義了具有更低空間頻率的一個包絡線。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ί請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -「裝--------訂_| 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 16 A7 五、發明說明（13 ) 閲 電路以參考數字20表示，其至少部分包括有配置 用以算出從感光器陣列12輸出之訊號的一個接通電路 22，關於it 一點，本發明較佳實施例之電路可包括有 一個中央處理單元（CPU)24、一個記憶體26以及一些 於CPU 24上執行的程式碼，關於此點，程式碼係儲存 在記憶體26中，且其具體構成了用以控制cpu 24之運 算的軟體，以完成系統10所牵涉之計算。雖然該軟體 可能具有不同型式，但是最好包括有一個能夠算出由 感光器陣列12產生之訊號包絡線相位的程序段28。 因此，從上述系統中可以得知，物體14稍微移動 就會影響較低空間頻率或包絡線之相位，這是非常容 易量化的一個方式，也就是說，物體14稍微移動就會 產生預印圖案16，而導致訊號3〇之包絡線34更大的一 個改變。 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 吾人可價測出由於圖案16與感光器陣列丨2之間的 旋轉位移所可能形成之莫爾圖案，並藉由適當之算法 正確地測量位移和旋轉兩者。透鏡18最好是一個或兩 個透鏡組及一個光闌，以形成一面遠心透鏡。吾人將 會瞭解到，遠心透鏡18之使用會讓圖案表面偏離透鏡 之焦平面，並不會因有效倍率的其他變化而嚴重影響 影像圖案於陣列處的節距。 雖然例示了二維陣列之感光器元件，吾人將會瞭 解到’感光器陣列12亦可配置成一維陣列的感光器元 件，若僅關心物體1 4在一維方向上的移動（亦即左一右 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21G X挪公楚） 17 A7

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（14 ) 移動），而旋轉校正並非關鍵所在，則所要的僅是一 維陣列或感光器元件，然而卻需要二維的感光器陣列 12(如圖所示），原因在於其能夠測量出物體的左/右 移動、上/下移動以及轉動。 如第4A及4B圖中所示之波形30及130，當呈像或 投射在感光器陣列上面時，可視圖案與感光器之間的 節距差異會產生重複性的包絡線圖案34及134，而這 些包絡線34' 134會在波形30、130中反射。如圖所示 ，包絡線之空間頻率遠低於呈像（或投射）之可視圖案 或感光器陣列的頻率，其中呈像或投射之可視圖案及 感光器陣列的頻率分別等於相鄰呈像或投射圖案邊界 或相鄰感光器陣列之間距離的倒數，關於這一點，物 體的侧向運動會產生與重複圖案之重複方向平行的可 視圖案，而在較低空間頻率訊號之包絡線中產生偏位 。由於其等導致空間頻率較陣列之幾何形狀或者呈像 或投射之圖案的空間頻率為低之包絡線具有較大的位 移，因此甚至能容易地偵測出具有可視圖案之物體的 少量位移。 第4A及4B圖例示了可視圖案為線性且感光器陣列 係二維的，然而具有一般技術者將可暸解到，亦可採 用其他形狀及配置，並不會和本發明之觀念及學說產 生矛盾，關於這一點，預印圖案可以是一個由若干圓 形（見第1A-1C圖）、三角形（見第3A-3B圖）構成的同心 配置或其他各種不同配置，由於電路所需的處理通常 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） i ^-----------f Μ.--------^---------iC"------'---.---- <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 18 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 五、發明說明（15 ) 較採取更複雜之配置時簡單，因此所示之線性配置較 佳。 熟悉技術者將可瞭解到，本發明亦可利用莫爾增 幅測量倍率變化，關於此點，藉由非遠心透鏡，則位 於預定場平面内或外的物體移動會導致倍率改變，其 可利用莫爾包絡線訊號精確地測量，以偵測出物體表 面上之規則圖案節距對感光器陣列中之像素圖案節距 的變化。利用本發明該項特色的一個實例為顯微鏡， 舉例而言，吾人可於内建感光器陣列之顯微鏡中使用 呈像裝置，並於校正物體表面上使，用一個校正圖案。 本發明另一方面在提供用以測量裝置傾斜之系統 ’關於這一點’現在參看第5A及5B圖，圖中例示了根 據本發明其他觀點而建構的一個傾斜測量系統，在這 些圖形中，第5A圖例示了來自第一焦平面16〇的一個 影像在兩個感光器陣列156及158上面之投影，而第5β 圖例示了來自第二焦平面162的一個影像於同樣兩個 感光器陣列15 6及15 8.上面之投影。根據這個觀點，此 系統包括了 一面遠心透鏡150，如上所述，該遠心透 鏡包括有一對透鏡151、152和一個光圈153，讓具有 可視圖案之物體表面能夠偏離透鏡150之中間焦+ $ 161’雖然不會模糊不清，也不會因有效倍率的其他 變化而嚴重影響影像圖案於陣列處的節距。遠u # 150之各透鏡151、152及光圈153係沿著一條中心轴排 成一列，平面161上的物體點將會以最理想方式聚焦 (請先閲讀背面之注意事項再填窝本頁) t--------訂--------- 19

五、發明說明（16 ) 於景/像平面15 7上的焦點處，而在別處則會模糊不清 第感光器陣列15 6係與中心軸15 4並排配置，並對 中心軸傾斜某個角度；同樣地，第二感光器陣列j 58 亦與中心轴154並排配置，且和第一光器陣列i56一樣 對中心軸154傾斜某個角度。的確，第二感光器陣列j58 傾斜一個大體上與第一感光器陣列156角度相反的角 度，再者，第一及第二感光器陣列係配置在物體反侧 的遠心透鏡150其中一邊（未示出）且位於軸154的兩邊 。因此，任何與平面160、161或162平行之平面上的 物體點將以最理想方式聚焦於兩個陣列1 56及1 58上的 些共輛影像點處，而其他遠離包含轴154並與圖形 平面正交之平面上的物體點則會模糊不清。最後，有 一塊電路164與第一及第二感光器陣列156、158通電 ’該電路164係配置用以局部性地計算出從第一及第 二感光器陣列156、158輸出之電氣訊號所產生的相關 影像對比’以判定物體之傾斜角度。 如圖所示，第一及第二感光器陣列156及158均被 傾斜’以達成至少有一部份之物體表面配置於第一影 像平面160與第二影像平面162之間的最佳對焦效果。 如圖所示，感光器陣列156及158的上方部分對應於第 一焦平面160，而感光器陣列156及158的下方部分則 對應於第二焦平面162，也就是說，與第一焦平面160 完全一致之物體影像將由透鏡150以最佳對焦效果投 射於感光器陣列的上方部分，因此，如第5A圖中所示 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS〉A4規格（210 X 297公釐） -I-----------Γ 裝--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂_ 經濟部替慧財產局員工消費合作社印製 20 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 A7 B7 五、發明說明（17 ) ’位於焦平面160上而在轴154外的點會經過透鏡150 而以最佳對焦效果投射在與感光器陣列之上方部分相 對應的點處；反過來說，位於焦平面162上而在軸154 外的點會經過透鏡150而以最佳對焦效果投射在與感 光器陣列之下方部分相對應的點處。若物體的一部份 位於焦平面160與162之間的平面161上，則物體上面 遠離這些點之諸點將以最理想方式聚焦於陣列156及 158上’其中這些陣列在較圖示更接近轴154的點處與 共軛平面157相交。吾人將會瞭解到，焦平面ι6〇與162 之間的分隔距離將由感光器陣列156及158之尺寸與角 度配置以及透鏡150的視界深度決定，因此，焦平面16〇 與162之間的分隔距離將隨著感光器陣列156及158之 尺寸（長度）的增加（對某個已知角度而言）以及隨著感 光器陣列對水平夾角之增加（對某個已知長度而言）而 增加。 有一塊電路164被配置用以接收並計算由感光器 陣列156及158產生的電氣訊號，關於這一點，此電路 164最好疋包括有一個可執行若干段程序碼的處理器（ 未示出），其控制處理器之運算以算出由感光器陣列 156及158接收到的訊號而完成系統運作，如本文之概 述。 第6A、6B、6C及7圖中將更詳細敘述到，感光器 陣列15 6及15 8之交叉配置讓系統能夠判定一物艎表面 是否為水平（亦即與焦平面160、161及162平行）或傾 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS^A4規格（210 X 297公爱） ----!^裝1_!丨訂 ----- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 21 五、發明說明（18) 斜，熟悉技術者將會瞭解到，第5A及5B圖之系統將有 各種不同之用途。 然而，此系統將藉由偵測物體表面上的光線圖案 而偵測出配置於第一與第二焦平面16〇與162之間的物 體表面，熟悉技術者將會瞭解到，物體上的圖案可能 是-個預印在物體上的設計圖案’另夕卜其可能為材 料本身原有的-個表面圖案，例如無紋紙中的纖維圖 案另外，其可能為配置在物體上的一個固有圖案或 設計圖案，關於此點，圖案可能是物體材料之結構相 射生質原有的-個固有材料圖案。，’固有結構相關性 質在此定義為與影像資料及原有系統暫存資料兩者 、或其中任何一方之形成原因無關的原有性質，，，固 有結構特色”在此狀義為形成原有資料㈣之固有 特色’且通常與形成影像資料或系統暫存資料無關。 通常’固有結構特色係表面組織的微觀特徵，例如介 於1和ΙΟΟμιη之間。 在一項實施例中，感光器陣列可以是一維陣列 例如不是一行就是一列感光器元件），在這樣的一4 實施例中，S統將㈣物體在_維方向上的傾斜^ 如左-右傾斜)角[在另一項實施例中，感光器陣; 可以是二維陣列，在這樣的—個實施財，系統心 測二維方向之任一方向（或兩者）上的傾斜角度。關方 這-點’第以及_例示了採用一維感光器陣列之 統’而第7Α及侧例示了採用二維感“ A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（19) 〇 為了更清楚例示第5A及5B圖之系統運作，現在參 看第6A圖，其例示了第一及第二感光器陣列156及158 與分別由感光器陣列156及158偵測到之光線強度的一 個圖解說明166及168。為了簡化圖解，假設每個感光 器陣列156及158為一維陣列，每個均具有十七個感光 器元件，每個感光器元件均會產生一個與該感光器元 件收到之光線強度相對應的電氣訊號，方塊166及168 中繪示了 一個假想實例。具體而言，每個方塊均具有 十七個單獨的子方塊，這些子方塊中的陰影表示投射 於該感光器元件上之光線，因此，方塊166及168之最 右邊及最左邊的子方塊不含任何陰影，代表對比較低 之區域。中間的子方塊具有明暗交替變化之子方塊， 表示在這些感光器元件中具有更高的對比，因此，物 體之影像於陣列166及168的中間區域處對焦效果較佳 。可以瞭解的是’圖中例示之範例係僅為了例示而相 當簡化的一個範例’實際上感光器元件將會是具有類 比輸出的一個類比實體，因此將支援變化光線強度及 焦距之無限光譜。而且實際上會有比第6A及6B圖的十 七個較少元件還要更多的感光器元件。由例示之最佳 對比位置可以說明，物體必須定位在與平面161共同 的一個平面上（第5A及5B圖）。 各種不同感光器元件之最佳焦距對比的特定大小 對於本發明用途而言並不重要，僅其對陣列其他位置 <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 「裝--------訂---------Λ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 23 A7 B7 20 五、發明說明（ 之大小較為重要。 比較起來，如第6B圖中所示，來自第一及第二感 光器陣列156及158之感光器元件的最高對比區域（如 方塊166及168所示）係從中心朝相反方向而向外移動 ，感光器陣列15 6 (方塊16 6)中的高對比圖案已經移動 到右方，而感光器陣列158(方塊168)中的高對比圖案 已經移動到左方’表示物體表面與焦平面16〇、161及 162等高或平行_，但更接近平面160。感光器元件之差 異程度將由電路164加以計算，以判定目標物體之傾 斜大小。 第6C圖例示了物體繞著位於平面161上且垂直頁 面的一根軸傾斜’如圖所示，方塊16 6及168中反映之 對比表示繞著一根使物體幾乎平行於陣列156但較不 與陣列158平行的軸傾斜。 簡單參看第7圖，除了第7圖中例示的實施例之外 ，其與第6A圖之圖解類似’均使用了二維的感光器陣 列256及258。方塊266及268分別表示由感光器陣列256 及258之感光器元件偵測到的對比強度，如圖所示， 第7圖之方塊266及268的對照子方塊表示物體表面包 含了平面161與第7圖之平面間的交又線，但繞著該線 傾斜而作為一根轉轴。 雖然圖中並未示出透鏡15〇與陣列156、158之間 可以插入一面分光鏡，並將感光器陣列156及158歸位 使其等均能看到相同的物體表面區域。於較佳實施例 — II--丨！ I 訂·! (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 --------- 五、發明說明（21 ) 中，陣列156及158係朝兩旁偏移，而使其等看到物體 表面之側向偏移區域，雖然這種配置通常能夠滿足物 體之傾斜偵測（尤其是當物體表面為平面時），但是吾 人希望在有些情況下，陣列〗56、158能夠看到物體的 相同區域。將一分光鏡適當地配置在透鏡15〇與陣列 156、158之間可達到此目標。 可以瞭解的是，使用二維的感光器陣列256及258 有助於兩個不同方向之各方向上的偵測，而且熟悉技 術者將會瞭解到，諸陣列可朝不同方向傾斜。再者， 可利用稜鏡產生陣列傾斜效果，然後將陣列配置成共 平面，甚至成為更大單一陣列的一部份，舉例而言， 可藉由不傾斜（水平）之方式配置陣列，並將稜鏡置於 陣列與物體之間（最好是緊鄰陣列）。稜鏡的形狀可做 成或配置成使通過其等之光線能夠改變方向，藉以促 成對陣列”有效的’’傾斜◊舉例而言，可將楔形稜鏡置 於兩個陣列其十一個前方，利用這種方式，則可根據 本文所述配置系統的其餘部分以供操作。 於另一種配置中，可使用單一的圓形感光器陣列 (且可能是呈圓形對稱），感光器元件可橫跨整個陣列 ’由各種不同感光器元件所偵測到的影像對比可以算 出並令其產生關連，以判定一物體表面之傾斜。在另 一項配置中，使用了具有圓錐座標的一個三維陣列， 或者具有圓座標之二維陣列和一個倒圓錐形棱鏡。然 而’本發明的這些變化通通都在此處討論之一般概念 本紙張尺度適用中關家標準（CNS)A4規格（2】G x 297公楚）

-1 I I---「1 裝--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) lSJ- 25 五、發明說明（ 22 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 及學說中，並不需進一步加以敘述。 現在參看第8圖’圖中例示了本發明之另一項實 施例’根據本發明的這項實施例，系統包括有兩面朝 相似但方向略異之不同透鏡372及374，更詳細地說， 具有較低視界深度的第一面透鏡372係沿第一條光學 轴373配置，同樣地’亦具有較低視界深度的第二面 透鏡374則沿第二條光學轴375配置。第二條光學轴375 對第一條光學軸373稍微傾斜而使其等並不平行，但 是藉由這種方式則第一及第二面透鏡372及374具有共 用的一個視界，而使欲追蹤之目標物體383可定位在 其内。關於此點’第一感光器陣列356大體上係與第 一條光學轴373正交，且位於共用視界之相反位置； 同樣地，第二感光器陣列358大體上係與第二條光學 軸375正交’且位於共用視界之相反位置。最後，有 一塊電路364與與第一及第二感光器陣列356及358通 電’其中該電路364係配置用以算出從第一及第二感 光器陣列356及358輸出的電氣訊號，以追縱物體383 在共用視界之内的移動情形〇 透鏡372及374最好定位成能夠提供感光器陣列 356及358較深的視界深1度，其範圍從較近的一個物體 平面376至較遠的一個物體平面378。如圖所示，光學 轴373與375係彼此相對傾斜，並於物體視界377内的 點383處交叉。熟悉技術者將會瞭解到，第8圖之系統 可配置成使感光器陣列356及358接收到的影像除了透 (請先Μ讀背面之注意事項再填寫本頁)

I I I I €· 本紙張尺度適用令國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 26 五、發明說明（ 23 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 視差異所造成的些微差異之外，幾乎與定位在物體平 面377之點383處的一個物體完全相同。 然而若此物體離開物體平面377而至新的物體平 面上（位於平面376及378上或介於其間），則分別由感 光器陣列356及358接收到的影像將於其等之像框平面 内移動’此移動之方向及大小表示物體平面之間的位 移，此移動係首先觀察出兩個感光器陣列356及358之 像框中心將與物體點383處的各個影像一致，其中物 體點位於兩條光學轴373與375之相交處。當一物體表 面從包含此交點383之物體平面移動到另一物體平面 時，例如近端或遠端之物體平面376及378，則物體表 面上移動至陣列中央的點會在近端物體平面376上變 成兩個點386及382，而在遠端物體平面378上變成兩 個點3 8 8及3 8 4。測量影像在兩個陣列之間的移動差異 可用以說明物體表面之三維方向移動，關於這點，可 利用一塊processing電路，藉由連續影像或其子影像 之間的相關技術，或透過已知的啟發性技術及對影像 動態擷取技術領域之瞭解，進行影像移動之測量。 吾人並不希望對前文作徹底說明，或將本發明侷 限在已發表的精確形式’吾人可根據上述學說而得到 明顯的修正及各種變化’關於這一點，吾人已經選擇 並敘述了若干實施例，以提供本發明原理之最佳例證 ’而其實際應用能夠讓具有一般技術的人將本發明應 用在各種不同實施例上’而使各種不同之修正能夠適 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------^.裝·！ (請先閲讀背面之注意Ϋ項再填寫本頁) io

C 27 A7 _B7_ 五、發明說明（24 ) 用於預期之特殊用途。當根據公正而合法提出的範圍 加以解釋時，所有這些修正及變化均於本發明依附項 申請專利範圍中所限定的範圍内。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 28 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7B7_五、發明說明（25 ) 元件標號對照 10…系統 12、156、158、256、258、356、358…感光器陣列 14…物體 16…圖案 18、15卜 152、372、374…透鏡 20…電路 22…接通電路 24…中央處理單元 26·,·*記憶體 2 8…程序段 30…圖解、訊號 30、130…波形 34、134…包絡線 150…遠心透鏡 153…光圈 154…中心軸 157…影像平面 160、162···焦平面 161…中間焦平面 164、364…電路 166、168、266、268…圖解說明、方塊 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

丨訂----I C. 本紙張尺度適用_國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 29 A7 B7___一 五、發明說明（26 ) 373、375…光學軸 376、377、378…物體平面 377…視界 382、383、384、386、388…點 383…物體 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) .裝--------訂---------( 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 30

Claims (1)

1. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 1. 一種用以施行物體之位移測量的系統，其包括有： 一個表面區域具有可視圖案之物體，該圊案係以 影像圖案投射在多個感光器上面，該影像圖案包含了 輻射強度内之系統變化； 該多個感光器係以類似於呈像圖案的一個組態規 則地隔開；以及 一個與多個感光器通電之電路，該電路係配置用 以算出由多個感光器產生的一個電氣訊號，以測定物 體之位移。 2. 如申請專利範圍第1項之系統，其更包括有一面能夠移 動而將物體圖案以影像型態投射在多個感光器上面的 透鏡。 3·如申請專利範圍第1項之系統，其中物體之位移包括了 水平位移。 4·如申請專利範圍第1項之系統，其中物體之位移包括了 旋轉位移。 5. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該可視圖案係一連 串規則地隔開之平行線性標誌。 6. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該多個感光器係配 置成一個陣列。 7·如申請專利範圍第5項之系統，其中諸感光器之間的固 定間隔與諸平行線性標誌之間的固定間隔略有不同。 -------— 1^--裝·---I---訂---I---11^1 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

   個 A8 B8 C8 D8 /、、申清專利範圍 8. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該電路包括有 中央處理單元和一個記憶體。 9. 一種用以測量物體傾斜之系統，其包括有. —面遠心透鏡； -個沿遠心透鏡之中心轴配置的第—感光器陣列 —個沿中心轴配置並對第一感光器陣列傾斜之第 二感光器陣列；以及 一個與第一及第二感光器陣列通電之電路，該電 路係配置用以算出從第一及第二感光器陣列輸出的電 氣訊號，以測定物體之傾斜。 10.如申請專利範圍第9項之系統，其中遠心透鏡包括有 一對沿著一條中心軸排列之透鏡。 ---------l· I — 1 裝---- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂----- A, 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 32