TWI400430B - 測距裝置及其控制方法 - Google Patents

Description

測距裝置及其控制方法

本發明係一種測距裝置，尤其是指一種可動態調整閥值的測距裝置。

現今雷射測距儀的光接收系統中，由目標物反射的光訊號經過光電轉換元件轉換為電訊號，並經過放大電路的放大，最後再使用一比較器，判斷輸入的訊號是來自目標物的信號或是外界雜訊，一般來說，判斷的方法是利用比較器比較預設固定參考電壓的參考電位與輸入的訊號，而比較後的結果，就用來判斷輸入的訊號是外界雜訊或是來自目標物的訊號。通常參考電位應大於外界雜訊，而小於來自目標物的信號，所以來自目標物的信號輸入比較器後，會因為輸入的訊號大於參考電位，而讓比較器輸出高電位。反之，當外界雜訊輸入比較器後，比較器輸出低電，最後若是比較器輸出高電位時，再利用從發射信號到生高電位的經過時間計算目標物的距離。但若以上述的方式，在距離量測時，會有準確度不佳的問題，請參閱圖所示，係習知測距儀的訊號波形圖，橫軸表示經過時間；軸表示輸入訊號值大小。圖1中的水平線Vth是表示參電位值，而S的曲線則代表輸入比較器的接收訊號值大，因此在固定的參考電位下，一旦接收的訊號值大於參電位，即會輸出高電位，並依據輸出高電位當時的時間計算距離，如圖1中的A點位置為比較器輸出高電位的時間點，但是正確的時間點，應是在S的波峰所對應的B點位置，即訊號值於波峰輸出高電位的時間點才是正確的時間點，因此，以固定參考電位方式，所計算的結果，將會有如圖1中A點與B點之間的誤差。上述情形尤其會發生在目標物是在近距離或是為高反射物質時，而造成準確度不佳的問題。另外，若目標物是在遠距離或是為低反射物質時，因為輸入的訊號值較低，即使仍高於雜訊值，但因低於固定的參考電位，所以比較器不會輸出高電位，因此無法計算目標物距離，所以使用固定參考電位的比較器來進行距離量測，會有準確度不佳，量測範圍小及易受目標物材質影響量測的準確度等問題。

為改善上述的缺點，本發明提供一種測距裝置，包括：一光發射元件，用以發出一量測光、一光接收系統，用以接收由該目標物反射該量測光的一反射光，並且對應輸出一感測訊號、一比較器，包括一參考訊號輸入端，用以接收一參考訊號、一訊號輸入端，用以接收該感測訊號，以及一比較結果輸出端，依據該參考訊號與該感測訊號的比較結果，輸出一比較結果訊號、以及一處理控制模組，用以提供該參考訊號以及對應該比較結果訊號調整該參考訊號。

本發明另提供一種測距裝置的控制方法，其中該測距置包括一光發射元件、一光接收系統、一比較器、以及一處理控制模組，該控制方法包括下列步驟：

A、發射量測光，並提供預設的參考訊號；

B、接收由目標物反射量測光的反射光，並且產生一對應的感測訊號；以及

C、於一既定時間內，調降該參考訊號值。

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2所示，係本發明實施例之測距裝置方塊圖。本發明實施例之測距裝置20，包括一光發射元件201、一光接收系統202、一比較器203、以及一處理控制模組204、以及一顯示裝置205。

該光發射元件201，用以發出一量測光ML。於本實施例中，該光發射元件201是一雷射二極體，用以在欲對目標物進行測距時，發出光訊號做為該量測光ML，而該目標物的表面被該量測光ML照射到時，會反射該量測光ML而成為一反射光RL。

該光接收系統202，用以接收由該目標物反射該量測光ML的該反射光RL，並且對應輸出一感測訊號ES。該光接收系統202於本發明實施例中更包括一光電轉換元件2021，用以轉換該反射光RL的訊號為一電訊號、以及一放大器2022，用以放大該電訊號成為該感測訊號ES。該光電轉換元件2021於本實施例是一雪崩二極體(Avalanche Photo Diode,簡稱APD)。當該光電轉換元件2021接收到該反射光RL時，會將所接收到的光訊號轉換成電訊號輸出，例如是一電流或一電壓，而因為該光電轉換元件2021所輸出的電訊號微弱，所以再透過該放大器2022將該電訊號增強，並且將該電訊號轉為該感測訊號ES，以利後級比較器進行訊號比較，其中該感測訊號ES可以是一電流或一電壓。於一實施例中，在該光電轉換元件2021可以將該放大器2022整合在一起，即該光電轉換元件2021在感測該反射光RL時，經過內部電路後，直接輸出該感測訊號ES。該比較器203，包括一參考訊號輸入端RVI，用以接收一參考訊號RV、一訊號輸入端ESI，用以接收該感測訊號ES，以及一比較結果輸出端CRO，依據該參考訊號RV與該感測訊號ES的比較結果，輸出一比較結果訊號CRS，其中該比較結果訊號CRS包括一觸發訊號及一未觸發訊號。於本實施例中，該比較器203為一放大器，其中該參考訊號輸入端RVI為反相輸入端(-)，該訊號輸入端ESI為該非反相輸入端(+)，於一實施例中，該比較器203是具有比較器功能的一積體電路IC。於另一實施例中，該比較器203亦可以是整合在該處理控制模組204中的一比較單元。附帶一提，該比較器203可以依據該感測訊號ES，而置換為一電壓比較器或一電流比較器。因此，當該比較器203的參考訊號輸入端RVI的訊號值低於該比較器203的該訊號輸入端ESI的訊號值時，該比較器203輸出的該比較結果訊號CRS是該觸發訊號，反之，則該比較結果訊號CRS是該未觸發訊號，於一實施例中，該觸發訊號是一高準位或一低準位，該未觸發訊號是一低準位或一高準位，於本實施例中，係以該比較器203的參考訊號輸入端RVI的訊號值低於該比較器203的訊號輸入端ESI的訊號值時，該觸發訊號是該高準位為例。應當理解的是，在該比較器203的參考訊號輸入端RVI的訊號值低於該比較器203的訊號輸入端ESI的訊號值時，該觸發訊號被決定是高準位或低準位可以依照電路的設計與程式的控制決定，例如，藉由對調在該參考訊號輸入端RVI與該訊號輸入端的輸入訊號來源達成。

該處理控制模組204，用以提供該參考訊號RV以及對應該比較結果訊號CRS調整該參考訊號RV。於本發明實施例中，該處理控制模組204更包括一處理器2041，依據一指令，調整及輸出一數位訊號、以及一數位類比轉換器2042，用以將該數位訊號轉換為一類比訊號的電訊號，傳送至該比較器203。更具體來說，該處理控制模組204在該測距裝置20進行測距操作時，該處理器2041會依據指令輸出對應的該數位訊號，並且透過該數位類比轉換器2042將該數位訊號轉換成類比訊號的電訊號，輸入該比較器203的參考訊號輸入端RVI，做為該參考訊號RV。

值得一提的是，該數位訊號會依據被下達的指令而有所不同，因此可藉由下達的指令控制該數位訊號，而且該數位類比轉換器對應該數位訊號輸出類比訊號，並輸出至該比較器203的該參考訊號輸入端RVI，做為該參考訊號RV，因而該比較器203的該參考訊號RV可以由下達的指令被調整。於一實施例中，該處理控制模組204可以是一等效電路來實施。在另一實施例中，該處理控制模組204可以是一微處理器(Micro Compute Processor,簡稱MCU)、一數位訊號處理器(digital signal processor,DSP)、一中央處理器(central processing unit,CPU)、一可程式化邏輯元件(complex programmable logic device,CPLD)、一場式可程式閘陣列(field programmable gate array,FPGA)或是一系統單晶片(system on-chip,SOC)。於本發明實施例中，該處理器是一微處理器(Micro Compute Processor,簡稱MCU)。於一實施例中，該處理器是一數位訊號處理器(digital signal processor,DSP)、一中央處理器(central processing unit,CPU)、一可程式化邏輯元件(complex programmable logic device,CPLD)、一場式可程式閘陣列(field programmable gate array,FPGA)或是一系統單晶片(system on-chip,SOC)。於另一實施例中，該處理器是一等效電路。

該顯示裝置205，依據該處理控制模組204的訊號進行對應的顯示，於本實施例中，該顯示裝置205是一液晶顯示器。於一實施例中，該顯示裝置205可以是一七段LED顯示器或一TFT液晶顯示器。

當該測距裝置20進行量測一目標物的測距操作時，例如是操作者按下一量測按鍵(圖未示)，該處理控制模組204會控制該光發射元件201發出一量測光ML，並且開始計時經過時間，另外，該處理控制模組204會開始提供該比較器203的該參考訊號輸入端RVI一預設的該參考訊號RV，而該光接收系統202持續感側，並且依據感測的結果對應產生並輸出該感測訊號ES至該比較器203的該訊號輸入端ESI。於一實施例中，該測距裝置20開機時，該處理控制模組204即開始提供該比較器203預設的該參考訊號RV。繼而在一既定時間內，且在該比較器203未輸出高準位之前，該處理控制模組204會依次以一間隔值調降該參考訊號RV值，當該既定時間之後，且該比較器203仍未輸出高準位時，該處理控制模組204發出一錯誤訊號，由該顯示裝置205接收，並且對應顯示一訊息，例如量測失敗，提供給操作者。於本實施例中，該既定時間是該處理控制模組204執行一次由該預設的該參考訊號RV值調降至一預設最低的參考訊號RV值的動作，其中該預設最低的參考訊號RV值可以設定是一系統雜訊訊號值。於一實施例中，該預設最低的參考訊號RV值可以設定是該預設的參考訊號RV值的一固定比例，例如該預設的參考訊號RV值是2伏特，該固定比例為70%，則該預設最低的參考訊號RV值是1.4伏特。值得一提的是，若設定該間隔值愈大，則該測距裝置20的精度及準確度就會降低，請參閱圖3所示，係用於本發明實施例之比較器的該參考訊號值調降的該間隔值大小比較示意圖，用以說明當該處理控制模組204以間隔值較大或較小調降該參考訊號RV值時，對該測距裝置20的精度及準確度的影響比較。如圖3所示，橫軸表示經過時間；縱軸表示訊號值；曲線S是該比較器203的該訊號輸入端ESI輸入的訊號波形；C點為預設的該參考訊號RV值；C1為以一第一間隔值調降該參考訊號RV值的一第一參考訊號值；C2為以一第二間隔值調降該參考訊號RV值的一第二參考訊號值，其中該第二間隔值是大於該第一間隔值。由圖3中可知，曲線S的波峰發生在T1的時間點，意即依據T1的時間所計算的距離，會是理論上最正確的目標物距離。因為初始提供該比較器203的該參考訊號輸入端RVI是預設的該參考訊號RV值C，而在此時該訊號輸入端ESI的訊號值是低於該預設的參考訊號RV值C，所以在該比較器203的該比較結果輸出端CRO不會產生高準位，因而該處理控制模組204開始依次調降該參考訊號RV值。假設該處理控制模組204是以該第一間隔值調降該預設的該參考訊號RV值為該第一參考訊號值，此時該訊號輸入端ESI的訊號值會高於該第一參考訊號值，因此該比較器203在T2的時間點輸出一高準位，或者，該處理控制模組204是以該第二間隔值調降該預設的該參考訊號RV值為該第二參考訊號值，此時該訊號輸入端ESI的訊號值也會高於該第二參考訊號值，該比較器203亦會在T3的時間點輸出一高準位。可以發現的是，以第一間隔值及第二間隔值分別調降該參考訊號RV值，可以得到T2及T3的時間，若以T2及T3的時間分別計算距離值，則以T2的時間會比以T3的時間所計算出來的距離值準確，原因在於，T1所代表的是可以算出正確距離的時間值，而因為T2又比T3接近T1，所以T2所計算出來的距離值會較接近T1所代表的正確距離值。而且也因為第一間隔值小於第二間隔值，所以能算出距離的單位也就更小，亦即測距的精度可更高。因此由上述說明，可以知道該間隔值的大小，會影響到該測距裝置20的準確度及精度。

附帶一提，於本發明實施例中，該預設的該參考訊號RV值是依據該光接收系統202可輸出該感測訊號ES的最大值與在測距時的一最佳狀態所輸出該感測訊號ES值，二者之間的某一值來定義，其中該最佳狀態係指對目標物為高反射材質及在最佳的量測距離，該光接收系統202能對應輸出最強的感測訊號ES值。於一實施例中，該預設的該參考訊號RV值是在出廠前對該測距裝置20進行各種環境雜訊的偵測，以取得該系統雜訊電位，並且在該系統雜訊電位值與該光接收系統202輸出該電訊號的最大值之間的任何一值決定該預設的該參考訊號RV值，其中該預設的該參考訊號RV值可以由操作者自行設定於上述區間的某一值，或是由可輸出該感測訊號ES最大值的一固定比例定義。於一實施例中，該測距裝置20每次開機時，先進行環境雜訊的偵測，以取得該系統雜訊電位。

一旦該比較器203的該參考訊號RV值低於該訊號輸入端ESI輸入的訊號值時，意即該感測訊號ES值高於該參考訊號RV值，該比較器203輸出該觸發訊號，此時該處理控制模組204接收該比較器203輸出的該觸發訊號，並紀錄接收到該觸發訊號的時間點，以取得發射該量測光到接收該觸發訊號的經過時間，並且依據該經過時間，計算出距離值，並透過該顯示裝置205將該距離值進行顯示。

本發明另一實施例是一測距裝置20，係以掃描模式進行測距，意即對於發出的量測光ML做連續且即時顯示該量測光ML所指示的目標物距離。當該測距裝置20被進行測距操作時，例如是操作者持續按住一量測按鍵(圖未示)，與前一實施例動作相同的部份，在此不再贅述，不同的地方在於，該處理控制模組204在該既定時間內，該比較器203的該比較結果輸出端CRO仍未輸出高準位時，自動重覆執行測距操作。於一實施例中，該測距裝置20於連續重覆執行一預定次數測距操作後，該處理控制模組204發出該錯誤訊號至該顯示裝置205提供該操作者量測失敗的訊息。

以下將說明本發明實施例之測距裝置20的控制方法，該控制方法可以使得該測距裝置20在對目標物執行量測的操作時，不論該目標物是在遠距離或近距離，目標物表面是高反射材質或低反射材質，皆可以量測得較精確的距離。

請參閱圖4，係應用於本發明實施例的控制方法流程圖，用以說明本發明實施例之測距裝置20對一目標物進行測距的控制方法流程。

於本發明實施例中之測距裝置20的控制方法，其中該測距裝置20包括一光發射元件201、一光接收系統202、一比較器203、以及一處理控制模組204，當該測距裝置20對一目標物進行測距操作時，該控制方法包括下列步驟：

步驟S401，發射量測光ML，並提供預設的參考訊號RV。於本步驟中，係控制該光發射元件201發出該量測光ML，同時該處理控制模組204開始進行時間的計時，並且提供預設的該參考訊號RV至該比較器203的該參考訊號輸入端RVI。

步驟S402，接收由目標物反射該量測光ML的反射光RL，並且產生一對應的感測訊號ES。於本步驟中，係該光接收系統202會接收由該目標物反射該量測光ML的該反射光RL，並且對應接收到該反射光RL的強度，輸出該感測訊號ES至該比較器203的該訊號輸入端ESI，以提供該比較器203與該參考訊號進行比較，並且依據比較的結果，產生並輸出對應的該比較結果訊號CRS至該處理控制模組204，當該感測訊號ES高於該參考訊號RV時，跳至步驟S404。

步驟S403，於一既定時間內，調降該參考訊號RV值。本步驟係該測距裝置20在該處理控制模組204執行一次由該預設的該參考訊號RV值調降至一預設最低的參考訊號RV值的動作過程中，以一間隔值依次調降該參考訊號RV值，直到該參考訊號RV值低於該感測訊號ES值，或是經過該既定時間後，停止調降該參考訊號RV值。

步驟S404，顯示測距結果。於本步驟中，該處理控制模組204會依據計時該光發射元件201發出量測光ML到該感測訊號ES值高於該參考訊號RV值而產生該比較結果訊號CSS的經過時間，並依據該經過時間計算該目標物的距離，而將該距離值顯示於該顯示裝置205。若是該處理控制模組204於該既定時間後，該比較器203仍未因該感測訊號ES值高於該參考訊號RV值而輸出該比較結果訊號CRS，該處理控制模組204發出該錯誤訊號，並由該顯示裝置205對應該錯誤訊號顯示一訊息，以通知操作者測距動作失敗的訊息。

本發明所提供的一種測距裝置及其控制方法，係以在進行測距操作時，藉由調整該參考訊號值，調降該比較器參考訊號輸入端的輸入訊號，因此，藉由可動態調整比較器的參考訊號的方式，不論該目標物是在遠距離或是近距離；目標物表面是高反射材質或是低反射材質，只要接收的該電訊號值在預設的範圍內，皆可以較準確的測得該目標物的距離，並且可藉由改變調整該間隔值的大小，而調整該測距裝置的精度，因此本發明可以達到量測範圍較大且較高的準確度及精度的功效，並且不易被受測物的材質及距離，影響量測結果的準確度及精度。

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。

201．．．光發射元件

202．．．光接收系統

203．．．比較器

204．．．處理控制模組

2021．．．光電轉換元件

2022．．．放大器

2041．．．處理器

2042．．．數位類比轉換器

ML．．．量測光

RL．．．反射光

ES．．．感測訊號

ESI．．．訊號輸入端

RV．．．參考訊號

RVI．．．參考訊號輸入端

CRS．．．比較結果訊號

CRO．．．比較結果訊號輸出端

圖1係習知測距儀的訊號波形圖。

圖2係本發明實施例之測距裝置方塊圖。

圖3係用於本發明實施例之比較器的參考訊號值調降的間隔值大小比較示意圖。

圖4係應用於本發明實施例的控制方法流程圖。

201．．．光發射元件

202．．．光接收系統

203．．．比較器

204．．．處理控制模組

2021．．．光電轉換元件

2022．．．放大器

2041．．．處理器

2042．．．數位類比轉換器

ML．．．量測光

RL．．．反射光

ES．．．感測訊號

ESI．．．訊號輸入端

RV．．．參考訊號

RVI．．．參考訊號輸入端

CRS．．．比較結果訊號

CRO．．．比較結果訊號輸出端

Claims (21)

1. 一種測距裝置，用以對一目標物進行測距，包括：一光發射元件，用以發出一量測光；一光接收系統，用以接收由該目標物反射該量測光的一反射光，並且對應輸出一感測訊號，；一比較器，包括一參考訊號輸入端，用以接收一參考訊號、一訊號輸入端，用以接收該感測訊號，以及一比較結果輸出端，依據該參考訊號與該感測訊號的比較結果，輸出一比較結果訊號；以及一處理控制模組，用以提供該參考訊號以及對應該比較結果訊號調整該參考訊號，該處理控制模組包括：一處理器，依據一指令，調整及輸出該數位訊號；以及一數位類比轉換器，用以將該數位訊號轉換為一類比訊號，作為該參考訊號。
2. 如申請專利範圍第1項所述之測距裝置，其中該光接收系統更包括：一光電轉換元件，用以轉換該反射光為一電訊號；以及一放大器，用以放大該電訊號成為該感測訊號。
3. 如申請專利範圍第1項所述之測距裝置，其中該處理控制模組更包括提供預設的該參考訊號。
4. 如申請專利範圍第1項所述之測距裝置，其中該處理控制模組更包括以一間隔值，依次調降該參考訊號。
5. 一種測距裝置，用以對一目標物進行測距，包括：一光發射元件，用以發出一量測光；一光接收系統，用以接收由該目標物反射該量測光的一反射光，並且對應輸出一感測訊號；一比較器，包括一參考訊號輸入端，用以接收一參考訊號、一訊號輸入端，用以接收該感測訊號，以及一比較結果輸出端，依據該參考訊號與該感測訊號的比較結果，輸出一比較結果訊號；以及一處理控制模組，用以提供該參考訊號以及對應該比較結果訊號調整該參考訊號；其中該比較結果訊號包括一觸發訊號及一未觸發訊號；其中該處理控制模組更包括於一既定時間內，且在該比較器未輸出該觸發訊號時，調降該參考訊號。
6. 如申請專利範圍第5項所述之測距裝置，其中該處理控制模組更包括以一間隔值，依次調降該參考訊號。
7. 如申請專利範圍第5項所述之測距裝置，其中該處理控制模組更包括在該比較器輸出該觸發訊號時，停止調降該參考訊號值。
8. 如申請專利範圍第5項所述之測距裝置，其中該處理控制模組更包括在該既定時間之後，且該比較器仍未輸出該觸發訊號時，發出一錯誤訊號。
9. 如申請專利範圍第8項所述之測距裝置，更包括一顯示裝置，用以對應該錯誤訊號，顯示錯誤訊息。
10. 如申請專利範圍第5項所述之測距裝置，該處理控制 單元更包括：於進行掃描模式測距時，在該既定時間內，且該比較器未輸出該觸發訊號時，自動重覆執行測距操作。
11. 如申請專利範圍第5項所述之測距裝置，其中該光接收系統更包括：一光電轉換元件，用以轉換該反射光為一電訊號；以及一放大器，用以放大該電訊號成為該感測訊號。
12. 如申請專利範圍第1項所述之測距裝置，其中該比較器是一電流比較器或一電壓比較器。
13. 一種測距裝置的控制方法，用於對一目標物進行測距，其中該測距裝置包括一光發射元件、一光接收系統、一比較器、以及一處理控制模組，該控制方法包括下列步驟：A、發射量測光，並提供預設的參考訊號；B、接收由該目標物反射的反射光，並且產生一對應的感測訊號；以及C、於一既定時間內，調降該參考訊號值。
14. 如申請專利範圍第13項所示的控制方法，更包括下列步驟：D、顯示測距結果。
15. 如申請專利範圍第13項所示的控制方法，其中該測距裝置更包括一顯示裝置，其中該步驟D更包括下列步驟：該處理控制模組依據發出量測光到該感測訊號值高於該參考訊號值而產生該比較結果訊號的經過時間，計算 該目標物的距離，並且將該距離值顯示於該顯示裝置。
16. 如申請專利範圍第13項所示的控制方法，其中該測距裝置更包括一顯示裝置，其中該步驟D更包括下列步驟：該處理控制模組於該既定時間後，該比較器未因該感測訊號值高於該參考訊號值輸出該比較結果訊號時，該處理控制模組發出錯誤訊號，並由該顯示裝置對應該錯誤訊號顯示一訊息。
17. 如申請專利範圍第13項所示的控制方法，其中該步驟A更包括下列步驟：控制該光發射元件發射該量測光；於該量測光被發射時，該處理控制模組開始進行時間的計數，並且提供預設的該參考訊號至該比較器的該參考訊號輸入端。
18. 如申請專利範圍第13項所示的控制方法，其中該步驟B更包括下列步驟：由該光接收系統接收由該目標物反射該量測光的該反射光，並且對應輸出該感測訊號；由該比較器比較該感測訊號值與該參考訊號值，並且輸出一比較結果訊號；
19. 如申請專利範圍第13項所示的控制方法，其中該既定時間是由該預設的該參考訊號調降至一預設最低的參考訊號的時間。
20. 如申請專利範圍第13項所示的控制方法，其中該步驟C更包括下列步驟： 在該參考訊號值低於該感測訊號值時，以一間隔值依次調降該參考訊號值。
21. 如申請專利範圍第13項所示的控制方法，其中該步驟C更包括在經過該既定時間後，停止調降該參考訊號值。