TWI385360B - 雷射測距裝置及其控制方法 - Google Patents

Description

雷射測距裝置及其控制方法

本發明係一種雷射測距裝置，尤其是指一種利用液晶顯示模組來達成測距的雷射測距裝置。

在現今的雷射尺，為了維持量測光與參考光之間相位差的準確性，一般以在參考光路上設置一快門機構，如台灣專利I288230號，公開一種利用快門機構來遮蔽發射量測光時所產生的雜訊，係在發射裝置發射量測訊號時，在參考光路徑上設置一快門機構，利用該快門機構的動作來達到完全遮蔽量測光反射到參考光路徑的雜光，以避免接收裝置接收到雜光的干擾，造成量測結果的精確度降低。唯，利用該快門機構的方式，會因為啟動該快門機構需要相當大的電流而使得電力消耗較大，且在動作時，因為機構的作動亦會產生振動及噪音，另外，當目標物是高反射物質或是在近距離時，會因為反射的量測訊號強度太大而造成接收裝置輸出的電訊號飽和而無法由該電訊號計算出距離。

有鑑於此，為改善上述的缺點，本發明提供一種具有靜音、低耗電以及可以調整光強度的雷射測距裝置。

本發明提供一種雷射測距裝置，用以量測一目標物的距離，包括：一發射元件，用以對該目標物發射一量測光、一第一液晶顯示模組，包括一透光狀態及一不透光狀態、一第二液晶顯示模組，包括一透光狀態及一不透光狀態、一接收元件，用以接收該量測光經過該第二液晶顯示模組的參考光與由該目標物反射該量測光的一反射光並且依據接收該等光的強度大小，對應輸出一參考光電訊號及一反射光電訊號；以及一控制單元，用以在該發射元件發射該量測光時，先控制該第一液晶顯示模組為該不透光狀態及該第二液晶顯示模組為該透光狀態以使該接收元件接收該參考光電訊號，再控制該第一液晶顯示模組為該透光狀態及該第二液晶顯示模組為該不透光狀態以接收該反射光電訊號、以及比較該反射光電訊號與一預定值，並且在該反射光電訊號高於該預定值時，調整該第一液晶顯示模組的透光度至該反射光電訊號低於該預定值時，由該參考光與該反射光的相位差，計算一距離值。

本發明另提供一種雷射測距裝置的控制方法，包括下列步驟：控制該第一液晶顯示模組為不透光狀態，及控制該第二液晶顯示模組為透光狀態；接收由該量測光通過該第二液晶顯示模組的一參考光；於接收該參考光後，控制該第一液晶顯示模組為透光狀態，及該第二液晶顯示模組為不透光狀態；接收由該目標物反射該量測光的一反射光；以及比較該反射光的強度是否大於一預定值，若該反射光強度低於一預定值時，由接收該參考光及接收該反射光的相位差，計算一距離值，若該反射光強度低於該預定值時，控制該第一液晶顯示模組透光度降低，直到該反射光強度低於該預定值時由接收該參考光及接收該反射光的相位差，計算出距離值。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出實施例，並配合所附圖式作詳細說明。

請參閱圖1，係本發明實施例之一種雷射測距裝置的方塊圖，本實施例的雷射測距裝置10包括一發射元件101、一第一驅動單元102、一第二驅動單元103、一第一液晶顯示模組104、一第二液晶顯示模組105、一接收元件106、一聚焦透鏡107、以及一控制單元108。

參閱圖1，該發射元件101，用以產生調製的一量測光Ls。更具體來說，當該雷射測距裝置10欲進行量測時，該控制單元108會控制該發射元件101對目標物發出具有相位變化的該量測光Ls，而該量測光Ls會先經過該第一液晶顯示模組104，若該第一液晶顯示模組104為不透光狀態，則該量測光Ls被該第一液晶顯示模組104反射成為一參考光Lm；若該第一液晶顯示模組104為透光狀態，則該量測光Ls會穿過該第一液晶顯示模組104到達目標物。於本實施例中，該發射元件101為一雷射模組。

該第一驅動單元102及該第二驅動單元103，用以分別設定該第一液晶顯示模組104與該第二液晶顯示模組105的透光狀態及透光度。於本實施例中，該第一、第二驅動單元係一液晶顯示驅動電路。

該第一液晶顯示模組104，包括一透光狀態及一不透光狀態，其中該第一液晶顯示模組104與該量測光Ls的行進方向具有一角度。具體來說，該第一液晶顯示模組104依據該第一驅動單元102的設定，使該第一液晶顯示模組104為透光狀態或不透光狀態，以藉由該第一液晶顯示模組104控制該量測光Ls是否通過或阻擋，以控制該目標物是否有反射光的發生，另外，因為該第一液晶顯示模組104與該量測光Ls的光路有一角度的傾斜，因此該第一液晶顯示模組104會反射該量測光Ls至該第二液晶顯示模組105，其中該角度是由該發射元件101、該第一液晶顯示模組104以及該接收元件106之間的相互位置來決定。於本實施例中，該第一液晶顯示模組104係為扭曲向列型液晶顯示面板LCD(TN-LCD)或超扭曲向列型液晶顯示面板(STN-LCD)。

該第二液晶顯示模組105，具有一透光狀態及一不透光狀態，用以控制是否通過或阻擋該參考光Lm到達該接收元件106。具體來說，因該第一液晶顯示模組104在不透光狀態時，會反射該量測光Ls而成為該參考光Lm，而在該第二液晶顯示模組105為透光狀態時，該參考光Lm會穿過該第二液晶顯示模組105到達該接收元件106，但是，即使在該第一液晶顯示模組104為透光狀態下，通過的該量測光Ls仍然會有少許的反射而使得該接收元件106接收到該少許的反射光，而對該接收元件106在接收時產生干擾，因此，可以藉由控制該第二液晶顯示模組105來阻擋該量測光Lm在該第一液晶顯示模組104為透光狀態時因為反射所產生的干擾，意即在接收該反射光Lr的時候，阻擋任何由該第一液晶顯示模組104所反射的光。於本實施例中，該第二液晶顯示模組104係為扭曲向列型LCD(TN-LCD)或超扭曲向列型LCD(STN-LCD)。

該接收元件106，用以接收該量測光Ls經過該第二液晶顯示模組105的參考光Lm與由該目標物反射該量測光Ls的一反射光Lr，並且依據接收該等光的強度大小，對應輸出一參考光電訊號及一反射光電訊號。該接收元件106係設置於參考光Lm行進路徑上及反射光Lr路徑上，當該第一液晶顯示模組104為不透光狀態時，該發射元件101發出的量測光Ls碰到該第一液晶顯示模組104，會因為該第一液晶顯示模組104的不透光狀態，而使得該量測光Ls被反射至該第二液晶顯示模組105，並且在該第二液晶顯示模組105為透光狀態時，該量測光Ls可以通過該第二液晶顯示模組105而到達該接收元件106，使該量測光Ls成為一參考光Lm，而該接收元件106接收到該參考光Lm後，會因為該參考光Lm的光強度，對應產生該參考光電訊號。相同地，當該第一液晶顯示模組104為透光狀態時，該發射元件101發出的量測光Ls碰到該第一液晶顯示模組104，會因為該第一液晶顯示模組104的透光狀態，而使得該量測光Ls通過該第一液晶顯示模組104而到達目標物，該量測光Ls碰到目標物而反射為一反射光Lr，經由該聚焦透鏡107將該反射光Lr會聚在該接收元件106上，而該接收元件106接收到該反射光Lr後，會因為該反射光Lr的光強度而輸出該反射光電訊號，其中該等電訊號的大小，會對應該參考光Lm的光強度大小而變化，並且該等電訊號會隨著該等光的相位變化而對應產生具有相位變化的電訊號。於本實施例中，該接收元件106是一崩潰光二極體APD。

該聚焦透鏡107，用以將該反射光Lr會聚在該接收元件106。當該反射光Lr由較遠的目標物反射回來時，透過該聚焦透鏡107將該平行的反射光Lr會聚在該接收元件106上，使該接收元件106能藉由該聚焦透鏡107接收到由更遠的目標物反射回來的該反射光Lr。該聚焦透鏡107於本實施例中係凸透鏡，於一實施例中是一非球面鏡。值得一提的是，該聚焦透鏡可以是單透鏡或是一組合透鏡。於一實施例中，該聚焦透鏡是一透鏡組。

一控制單元108，用以在該發射元件101發射該量測光Ls時，先控制該第一液晶顯示模組104為該不透光狀態及該第二液晶顯示模組105為該透光狀態已使該接收元件106接收該參考光電訊號，在控制該第一液晶顯示模組104為該透光狀態及該第二液晶顯示模組105為該不透光狀態以接收該反射光電訊號、以及比較該反射光電訊號與一預定值，並且在該反射光電訊號高於該預定值時，調整該第一液晶顯示模組104的透光度至該反射光電訊號低於該預定值時，再次接收該參考光Lm與該反射光Lr，並由兩者的相位差，計算出一距離值。於本實施例中，該控制單元108是一微處理器MCU。於一實施例中，該控制單元108可以是一複雜可程式控制邏輯元件CPLD或一現場可程式規劃閘陣列FPGA。

以下將說明雷射測距裝置10在進行量測時的動作情形，請參閱圖2及圖3所示，係分別顯示本發明實施例之雷射測距裝置10在接收參考光Lm與接收反射光Lr時的動作示意圖，如圖2所示，該控制單元108在該雷射測距裝置10被觸發進行量測目標物距離時，控制該發射元件101發出調製的該量測光Ls，使該量測光Ls具有一連續相位變化，舉例來說，該量測光Ls會被調製成具有一頻率的正弦波，因此在一個正弦波的週期內，該量測光Ls的相位會連續的變化。

於發出量測光Ls的同時，該控制單元108控制該驅動單元102、103，以設定該第一液晶顯示模組104為不透光狀態，及該第二液晶顯示模組105為透光狀態，因此，該量測光Ls在到達該第一液晶顯示模組104時，會因為該第一液晶顯示模組104與該量測光Ls的行進方向呈一角度，因此該量測光Ls被反射到該接收元件106，以產生該參考光電訊號並且輸入至該控制單元108。

之後，請參閱圖2，該控制單元108控制該驅動單元102、103，以設定該第一液晶顯示模組104為透光狀態，及該第二液晶顯示模組105為不透光狀態，因此該量測光Ls通過該第一液晶顯示模組104到達目標物，並且該目標物反射的該反射光Lr經過聚焦透鏡107的會聚效果，使該反射光Lr會聚在該接收裝置106，而因為此時的該第二液晶顯示模組105為不透光狀態，因此，即使在該量測光Ls通過該第一液晶顯示模組104時所產生的些許反射光Lr，也會被阻擋遮蔽，而不致於成為該接收元件106接收的雜訊，造成干擾而影響量測的結果。

而於該接收元件106接收該反射光Lr後，輸出該反射光電訊號至該控制單元108，並且該控制單元108將輸入的該反射光電訊號與一預定值比較，若該反射光電訊號低於一預定值時，則由接收到該參考光電訊號與接收到該反射光電訊號的相位差，計算出目標物的距離值，若該反射光電訊號高於該預定值時，則該控制單元108控制該第一驅動單元102，以設定該第一液晶顯示模組104的透光度降低，以使該反射光電訊號值降低，直到該反射光電訊號低於該預定值時，則該控制單元108重新控制該第一液晶顯示模組104與該第二液晶顯示模組105的透光狀態，以再次接收該參考光電訊號及該反射光電訊號，並由該接收的相位差，計算出目標物的距離。

接著說明本發明實施例之雷射測距裝置的控制方法。請參閱圖3，係本發明實施例之一種雷射測距裝置10的控制方法流程圖，用於量測一目標物的距離，其中該雷射測距裝置10包括一發射元件101、一第一驅動單元102、一第二驅動單元103、一第一液晶顯示模組104、一第二液晶顯示模組105、一接收元件106、一聚焦透鏡107、以及一控制單元108，當該雷射測距裝置10量測時，對一目標物發射一調製的量測光，該控制方法包括下列步驟：步驟一、控制該第一液晶顯示模組104為不透光狀態，及控制該第二液晶顯示模組105為透光狀態。如步驟S401，具體來說，此步驟係該控制單元108會控制該第一驅動單元102以設定該第一液晶顯示模組104為不透光狀態，以及控制該第二驅動單元103，以設定該第二液晶顯示模組105為透光狀態，以讓該量測光Ls經過該第一液晶顯示模組104的反射，而通過該第二液晶顯示模組105。

步驟二、接收由該量測光Ls通過該第二液晶顯示模組105的一參考光Lm。如步驟S402，此步驟係由該接收元件106接收該參考光Lm，並且依據該參考光Lm的光強度，對應輸出一參考光電訊號，其中該參考光電訊號會對應該參考光Lm而成為一調製的訊號，例如是正弦波的訊號。

步驟三、於接收該參考光Lm後，控制該第一液晶顯示模組104為透光狀態，及該第二液晶顯示模組105為不透光狀態。如步驟S403，此步驟係在該接收元件106接收到該參考光Lm後，該控制單元108控制該第一驅動單元102以設定該第一液晶顯示模組104為透光狀態，以及控制該第二驅動單元103以設定該第二液晶顯示模組105為不透光狀態，使該量測光Ls得以透過該第一液晶顯示模組104，到達目標物，並且因為該第二液晶顯示模組105的不透光，使得該量測光Ls通過該第一液晶顯示模組104而反射的少許雜光被阻擋遮蔽。

步驟四、接收由該目標物反射該量測光Ls的一反射光Lr。如步驟S404，此步驟係該反射光Lr經過該聚焦透鏡107後，會聚在該接收元件106上，由該接收元件106感測該反射光Lr，並且產生一反射光電訊號輸入至該控制單元108。

步驟五、比較該反射光Lr的強度是否大於一預定值，若該反射光Lr強度低於一預定值時，由接收該參考光Lm及接收該反射光Lr的相位差，計算一距離值，若該反射光Lr強度高於該預定值時，控制該第一液晶顯示模組104透光度降低，直到該反射光Lr強度低於該預定值時由該參考光Lm及該反射光Lr的相位差，計算出目標物的距離值。如步驟S405、步驟S406及步驟S407，此步驟係該控制單元108於接收到該反射光電訊號時，將該反射光電訊號值與一預定值進行比較，以判斷該反射光電訊號值是否大於該預定值(步驟S405)，若該反射光電訊號值小於該預設值時，表示該反射光Lr強度適當，因此控制單元108由該參考光電訊號與該反射光電訊號的相位差，計算出該距離值(步驟S407)，相反地，若該反射光電訊號值大於該預定值時，判定該接收元件106接收的該反射光Lr強度太強，造成該接收元件106產生的該反射光電訊號飽和，因此，該控制單元108控制該第一驅動單元102以設定該第一液晶顯示模組104的透光度降低(步驟S406)，直至該反射光電訊號低於該預定值時，由該參考光電訊號及該反射光電訊號的相位差，計算出該目標物的距離值。

於一實施例中，該步驟一與步驟三對調；該步驟二與步驟四對調，亦可計算出該目標物的距離值。

由上述可知本發明利用液晶顯示模組的透光狀態與不透光狀態來做為光開關閥，並且控制該等液晶顯示模組，使得接收元件106在各自接收參考光Lm與反射光Lr時，不會互相干擾而提高計算的準確率，並且利用接收元件106接收光訊號所產生的電訊號與預定值進行比較從而判斷接收元件106的電訊號是否飽合，而在超過預定值時，藉由調整液晶顯示模組的透光度，來使得量測光Ls強度降低，進而降低會聚在該接收元件106的反射光Lr強度，使該接收元件106可以輸出適當的反射光電訊號，再藉由該等光訊號的相位差，精確的算出目標物距離，因此，本發明因為利用液晶顯示模組，所以在動作時，僅需要極小的控制訊號即可控制量測光Ls的阻擋或通過，而可達到減少耗電量及低噪音的功效，且因為液晶模組的體積較小，更可以縮小裝置的體積，另外，當目標物在近距離或是具有高反射的性質時，透過設定液晶模組的透光度，使該接收元件106不會因為光強度過高而到達飽和，而達到可增加量測的範圍及可量測目標物的種類之功效。

本發明雖以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

101．．．發射元件

102．．．第一驅動單元

103．．．第二驅動單元

104．．．第一液晶顯示模組

105．．．第二液晶顯示模組

106．．．接收元件

107．．．聚焦透鏡

108．．．控制單元

Lm．．．參考光

Lr．．．反射光

Ls．．．量測光

圖1係本發明實施例之一種雷射測距裝置的方塊圖

圖2係本發明實施例之雷射測距裝置接收參考光的動作示意圖

圖3係本發明實施例之雷射測距裝置接收反射光的動作示意圖

圖4係本發明實施例之一種雷射測距裝置的控制方法流程圖

101．．．發射元件

102．．．第一驅動單元

103．．．第二驅動單元

104．．．第一液晶顯示模組

105．．．第二液晶顯示模組

106．．．接收元件

107．．．聚焦透鏡

108．．．控制單元

Lm．．．參考光

Lr．．．反射光

Ls．．．量測光

Claims (16)

1. 一種雷射測距裝置，可量測一目標物的距離，包括：一發射元件，用以產生一量測光；一第一液晶顯示模組，包括一透光狀態及一不透光狀態；一第二液晶顯示模組，包括一透光狀態及一不透光狀態；一接收元件，用以接收該量測光經過該第二液晶顯示模組的一參考光與由該目標物反射該量測光的一反射光並且依據接收該等光的強度大小，對應輸出一參考光電訊號及一反射光電訊號；以及一控制單元，用以控制該第一液晶顯示模組為該不透光狀態及該第二液晶顯示模組為該透光狀態、該接收元件接收該參考光電訊號，控制該第一液晶顯示模組為該透光狀態及該第二液晶顯示模組為該不透光狀態、以及比較該反射光電訊號與一預定值，並且當該反射光電訊號高於該預定值，調降該第一液晶顯示模組的透光度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之雷射測距裝置，其中該控制單元更包括於調降該第一液晶顯示模組的透光度至該反射光電訊號低於該預定值時，由該參考光與該反射光的相位差，計算一距離值。
3. 如申請專利範圍第1項所述之雷射測距裝置，更包括：一第一驅動單元，用以設定該第一液晶顯示模組的透光狀態及透光度；一第二驅動單元，用以設定該第二液晶顯示模組的透光狀態及透光度；以及一聚焦透鏡，用以將該反射光會聚在該接收元件。
4. 如申請專利範圍第3項所述之雷射測距裝置，其中該第一驅動單元及該第二驅動單元依據該控制單元的控制訊號以設定該第一液晶顯示模組及該第二液晶顯示模組的透光與不透光狀態及透光度。
5. 如申請專利範圍第1項所述之雷射測距裝置，其中該聚焦透鏡是一凸透鏡或一非球面鏡片。
6. 如申請專利範圍第3項所述之雷射測距裝置，其中該聚焦透鏡是單透鏡或組合透鏡。
7. 如申請專利範圍第1項所述之雷射測距裝置，其中該聚焦透鏡是一透鏡組。
8. 如申請專利範圍第1項所述之雷射測距裝置，其中該發射元件是一雷射模組。
9. 如申請專利範圍第1項所述之雷射測距裝置，其中該接收元件是崩潰光二極體(APD)。
10. 如申請專利範圍第1項所述之雷射測距裝置，其中該驅動單元是一液晶顯示模組驅動IC。
11. 如申請專利範圍第1項所述之雷射測距裝置，其中該控制單元是一微處理器MCU、一複雜可程式邏輯控制元件CPLD或一現場可程式規劃閘陣列FPGA。
12. 一種雷射距離裝置的控制方法，用於量測一目標物的距離，其中該雷射測距裝置包括一發射元件、一第一液晶顯示模組、一第二液晶顯示模組、一接收元件、以及一控制單元，當該雷射測距裝置量測時，對一目標物發射一調製的量測光，該控制方法包括下列步驟：控制該第一液晶顯示模組為不透光狀態，及控制該第二液晶顯示模組為透光狀態；接收由該量測光通過該第二液晶顯示模組的一參考光；於接收該參考光後，控制該第一液晶顯示模組為透光狀態，及該第二液晶顯示模組為不透光狀態；接收由該目標物反射該量測光的一反射光；以及比較該反射光的強度是否大於一預定值，若該反射光強度低於該預定值時，計算一距離值，若該反射光強度低於該預定值時，控制該第一液晶顯示模組透光度降低，直到該反射光強度低於該預定值時，計算該距離值。
13. 如申請專利範圍第12項所述之雷射測距裝置的控制方法，該雷射測距裝置更包括第一驅動單元和第二驅動單元，其中該控制該第一液晶顯示模組為不透光狀態，及控制該第二液晶顯示模組為透光狀態更包括該控制單元控制該第一驅動單元以設定該第一液晶顯示模組為不透光狀態，以及控制該第二驅動單元，以設定該第二液晶顯示模組為透光狀態。
14. 如申請專利範圍第12項所述之雷射測距裝置的控制方法，其中接收由該量測光通過該第二液晶顯示模組的該參考光係由該接收元件接收
15. 如申請專利範圍第14項所述之雷射測距裝置的控制方法，其中該接收元件依據該參考光的光強度，對應輸出一參考光電訊號。
16. 如申請專利範圍第12項所述之雷射測距裝置的控制方法，其中比較該反射光的強度是否大於一預定值是由該控制單元比較該反射光電訊號與該預定值。