TWI420081B - 測距系統及測距方法 - Google Patents

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    • G01B11/22—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring depth

Description

測距系統及測距方法
本發明係關於一種測距系統，特別係關於一種具有可調整的影像感測器之可設定取樣範圍之光學測距系統及測距方法。
近年來，三維資訊技術正被快速的發展並且被應用於不同的領域。此外，三維測距(3-D range finding)更提供了距離量測以外其他的應用，例如墜落試驗(drop tests)、高速移動目標之觀測以及機器人視覺之自動控制等。由於習知使用飛行時間法(time-of-flight)之三維測距影像感測器(3-D range finding image sensor)並無法達到快速的三維測距，因此業界提出了數種配合光區段法(light-section method)之三維測距影像感測器，以求提高偵測速度以及偵測正確性。
然而，習知使用光區段法之三維測距法中，影像感測器始終會輸出整個感測陣列(sensing array)之感測影像資料，並無法根據實際的偵測條件改變影像感測器之可設定取樣範圍(window of interest,WOI)，因而難以進一步增加其操作效率。
有鑑於此，一種具有低消耗功率及高圖框率(frame rate)之測距系統即為偵測系統業界所需。
本發明之目的係提供一種測距系統及測距方法，其可根據光源之投射角度調整影像感測器之可設定取樣範圍(WOI)，藉以降低系統消耗功率並增加圖框率。
本發明另一目的係提供一種測距系統及測距方法，其預先儲存有光源投射角度與影像感測器之可設定取樣範圍之一相對關係，以自動根據偵測條件決定所需處理之影像資料，藉以降低資料處理量。
為達上述目的，本發明提出一種測距方法，用以偵測一預設深度範圍內之一待測物。該測距方法包含下列步驟：提供一光源以一投射角度投射一光區域至該待測物；提供複數感光單元感測該待測物上該光區域之反射光；及根據該投射角度及該預設深度範圍決定該等感光單元之一可設定取樣範圍。
本發明另提出一種測距系統，用以偵測一預設深度範圍內之一待測物。該測距系統包含一光源、一影像感測器及一控制處理單元。該光源以一投射角度投射一光區域至該待測物。該影像感測器感測該待測物上該光區域之反射光。該控制處理單元，控制該光源以該投射角度投射該光區域並根據該投射角度及一預設系統參數決定該影像感測器之一可設定取樣範圍。
本發明另提出一種測距系統，用以產生一待測面之一立體影像。該測距系統包含一光源、複數感光單元及一控制處理單元。該光源投射一光區域至該待測面。該等感光單元感測該待測面之反射光。該控制處理單元，控制該光源以該光區域掃描該待測面並根據該光區域之不同投射位置及一預設系統參數控制該等感光單元之不同部分輸出所感測之影像資料。
根據本發明另一實施例，該測距系統另包含一導光元件用以引導該待測物上該光區域之反射光至該影像感測器。
本發明之測距系統及測距方法中，該預設系統參數包含該光源、影像感測器與導光元件之一空間關係以及一預設可偵測深度範圍；其中該空間關係及該預設可偵測深度範圍可於偵測系統出廠前預先設定並儲存於該控制處理單元。
為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯，下文將配合所附圖示，作詳細說明如下。此外，本發明各圖示中僅顯示了部份構件並省略了與本發明說明不直接相關之構件。
請參照第1A圖所示，其顯示本發明實施例之測距系統之立體圖。測距系統1係用以測量一預設深度範圍內之一待測物9之三維距離並形成該待測物9上面對該測距系統1之一待測面90之一立體影像。為便於說明，此處待測面90例如包含一突出部A及一平面區B；必需說明的是，該待測物9與待測面90之形狀並非用以限定本發明之測距系統1所能夠量測者。
該測距系統1包含一光源11、一影像感測器12及一控制處理單元13。該光源11例如可為一雷射光源，其較佳係投射一光區域(light section)至該待測面90。一種實施例中，該光源11可為一線雷射光源，其投射之光區域例如可為具有適當寬度之一線段，其中該線段長度係決定所能量測之範圍；該線段寬度係由該光源11之特性所決定而並無特定限制；該線段之長度方向可為垂直方向或水平方向。另一實施例中，該光源11亦可為一點雷射光源，而以掃描的方式投射該光區域至該待測面90，例如第1A圖中係由上至下或由下至上於該待測面90上掃描一線段。
該影像感測器12較佳為一CMOS影像感測器或一三維測距影像感測器，用以感測該待測面90反射該光源11之反射光；該影像感測器12較佳包含複數感光單元(未繪示)以形成一CMOS晶片之一線感測陣列或一感測矩陣；每一感光單元根據其所感測之光能量分別輸出代表感測影像資料之一電信號。
該控制處理單元13耦接該光源11及該影像感測器12，用以控制該光源11以不同角度投射一光區域至該待測面90之不同位置並以該光區域掃描該待測面90之全部或一部分。例如當該光源11投射如第1A圖所示之線段時，該控制處理單元13控制該光源11由左至右或由右至左掃描該待測面90之全部或一部分。另一實施例中，當該光源11為一點光源時，該控制處理單元13控制該光源11先由上至下或由下至上掃描完一線段，再由左至右或由右至左依序掃描其他線段以涵蓋該待測面90之全部或一部分；其中，該光源11之掃描方式以及可掃描之角度範圍可預先設定並儲存於該控制處理單元13中。此外，該測距系統1可另包含一導光單元14用以引導來自該待測面90之反射光至該影像感測器12，該導光單元14例如可為一透鏡。
請同時參照第1A及1B圖所示，第1B圖顯示第1A圖之影像感測器12所感測之一影像圖框；其中，左圖為該影像感測器12根據該光源11於時間t1 時投射之光區域所感測之影像圖框而右圖為該影像感測器12根據該光源11於時間t2 時投射之光區域所感測之影像圖框。該控制處理單元13則可根據一影像圖框中之反射光圖樣判定相對於一光區域每一點之一深度，即判定相對於該光區域每一點與該光源11之一相對距離。當該控制處理單元13控制該光源11以該光區域掃描完待測面90，則可根據每一點之深度產生該待測面90之一立體影像。
根據第1A及1B圖可知，相對於該光源11之每一個投射角度，該影像感測器12之感測陣列僅一部分區域感測到該光源11之反射光；因此，本發明中該控制處理單元13另根據該光源11之投射角度配合一系統預設參數控制該影像感測器12輸出預先設定之一可設定取樣範圍(WOI)之電信號並進行後處理。例如當該影像感測器12包含複數感光單元時，該控制處理單元13控制一部分(例如感測到該光源11反射光者)輸出電信號而其他部分(例如未感測到該光源11反射光者)不輸出電信號。藉此，不但可降低測距系統1之整體消耗功率，且由於該影像感測器12僅需輸出一部分感測陣列所感測之電信號，因此可提升圖框率。一種實施態樣中，可設定取樣範圍(WOI)可選擇為稍微大於實際可感測該光源11反射光之區域，至少必須大致等於實際可感測該光源11反射光之區域。
可以了解的是，該光源11之投射角度與該影像感測器12之可設定取樣範圍之一相對關係可根據該測距系統1各元件間之空間相關性利用三角函數預先求得，並預存於該控制處理單元13中。
其它實施例中，當該光源11係投射水平的一光區域至該待測面90時，相對於不同的投射角度，該可設定取樣範圍之長度方向係沿著該影像感測器12之感測陣列中的水平方向。
接著說明該控制處理單元13根據該光源11之投射角度及一預設系統參數決定該影像感測器12之一可設定取樣範圍的方式。
請參照第2圖所示，其顯示本發明實施例之測距系統之操作示意圖。第2圖中，假設突出部A與該光源11之距離為D1 而平面區B與該光源11之距離為D2 ；其中D1 與D2 間之範圍例如表示該測距系統1之一可偵測深度範圍，其可於該測距系統1出廠前預先設定或由使用者根據待測物9之縱深自行設定。同時假設該光源11中心與該導光單元14中心之橫向距離為L且該導光單元14具有一焦距f。當該光源11之投射方向平行於該待測面90之一法線時，該光源11投射至該突出部A之光線111將反射至該影像感測器12之感測陣列上X1 的位置而該光源11投射至該平面區B之光線112將反射至該影像感測器12之感測陣列上X2 的位置。當該光源11之投射方向與該待測面90之法線間具一角度θ時，該光源11投射至該突出部A之光線113將反射至該影像感測器12之感測陣列上X的位置而該光源11投射至該平面區B之光線114將反射至該影像感測器12之感測陣列上X' 的位置。
當該光源11沿著該待測面90之法線方向投射時(即θ=0)，根據三角函數關係可得到下列關係式：
D1 /L=f/X1 　式(1)
D2 /L=f/X2 　式(2)
當該光源11與該待測面90之法線方向間具有一角度時(即θ≠0)，根據三角函數關係可進一步得到下列關係式：
D1 =(f×L)/(X+f×tanθ)　式(3)
D2 =(f×L)/(X' +f×tanθ)　式(4)
其中，X表示該光源11投射角度θ≠0時，自突出部A反射至該影像感測器12之感測陣列上的位置；X' 表示該光源11投射角度θ≠0時，自平面區B反射至該影像感測器12之感測陣列上的位置。根據式(3)及式(4)，由於f、L、D1 及D2 為系統中元件間之空間關係而可預先求得，當該控制處理單元13控制該光源11以θ角度投射光區域時，即已知該影像感測器12之感測陣列上可感測該光源11之反射光的區域，因此該控制處理單元13可據以決定該影像感測器12之可設定取樣範圍。換句話說，系統預設參數包含該光源11、該影像感測器12及該導光元件14之一空間關係以及該預設深度範圍(D1 ~D2 )。
例如參照第3圖所示，當該控制處理單元13控制該光源11以一角度θ1 投射一光區域至該待測面90時，反射光線自突出部A反射至該影像感測器12上X1 ' 的位置而自平面區B反射至該影像感測器12上X2 ' 的位置；該可設定取樣範圍可設定為X1 ' 至X2 ' 的區域，或可稍微大於X1 ' 至X2 ' 的區域。
例如參照第4圖所示，當該控制處理單元13控制該光源11以一角度θ2 投射一光區域於該待測面物90時，反射光線自突出部A反射至該影像感測器12上X1 " 的位置而自平面區B反射至該影像感測器12之感測陣列上X2 " 的位置；該可設定取樣範圍可設定為X1 " 至X2 " 的區域，或可稍微大於X1 " 至X2 " 的區域。
根據第2至4圖可知，根據系統各元件間之一空間關係，該光源11之每一個投射角度均對應一影像感測器12之一可設定取樣範圍。當該影像感測器包含一線感測陣列時，該可設定取樣範圍可為一段感光單元；當該影像感測器包含一感測矩陣時，該可設定取樣範圍可為一個感光單元區域。此外可以了解的是，第2至4圖所示各元件之尺寸及空間關係僅為例示性，並非用以限定本發明。
請同時參照第2至5圖，第5圖顯示本發明實施例之測距方法之流程圖，包含下列步驟：提供一光源以一投射角度投射一光區域至一待測物(步驟S10 )；提供複數感光單元感測該待測物上該光區域之反射光(步驟S20 )；根據該投射角度及一預設深度範圍決定該等感光單元之一可設定取樣範圍(步驟S30 )；控制該光源以不同投射角度投射該光區域以掃描該待測物(步驟S40 )；根據不同投射角度及該預設深度範圍決定該等感光單元之不同可設定取樣範圍(步驟S50 )；以及後處理不同可設定取樣範圍之感測資料(步驟S50 )；其中，所述後處理例如係根據可設定取樣範圍之感測資料以決定相對於該光區域每一點之一深度或根據不同可設定取樣範圍之感測資料以產生一待測物之一立體影像。此外，本發明之測距方法已詳述於第2至4圖及相關說明中，故於此不再贅述。
綜上所述，由於習知測距系統於操作時，影像感測器始終輸出整個感測陣列之感測資料，因此具有較低之操作效率。本發明另提出一種測距系統及測距方法，其可根據系統元件之空間相關性及可感測深度範圍預先建立光源之投射角度與影像感測器之可設定取樣範圍之一相對關係。當光源以不同角度投射一光區域至一待測物時，根據該相對關係控制影像感測器僅輸出可設定取樣範圍之感測資料，藉以降低系統整體耗能並提高圖框率。
雖然本發明已以前述實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與修改。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。
1．．．測距系統
11．．．光源
12．．．影像感測器
13．．．控制處理單元
14．．．導光單元
9．．．待測物
A．．．待測物之突出部
B．．．待測物之平面區
D1 ．．．突出部與光源距離
D2 ．．．平面區與光源距離
f．．．導光單元之焦距
θ、θ1 、θ2 ．．．投射角度
111~114．．．光線
S10 ~S30 ．．．步驟
L．．．光源中心與導光單元中心之距離
X、X' 、X1 、X2 、X1 ' 、X2 ' 、X1 " 、X2 " ．．．光線反射位置
第1A圖為本發明實施例之測距系統之立體圖。
第1B圖為第1A圖中影像感測器感測之影像圖框。
第2圖為本發明實施例之測距系統之操作示意圖。
第3圖為本發明實施例之測距系統之另一操作示意圖，其中光源之投射角度為θ1 。
第4圖為本發明實施例之測距系統之另一操作示意圖，其中光源之投射角度為θ2 。
第5圖為本發明實施例之測距方法之流程圖。
1．．．測距系統
11．．．光源
12．．．影像感測器
13．．．控制處理單元
14．．．導光單元
111~114．．．光線
A．．．待測物之突出部
B．．．待測物之平面區
D1 ．．．突出部與光源距離
D2 ．．．平面區與光源距離
X1 、X2 ．．．突出部光線反射位置
X、X' ．．．平台區光線反射位置

Claims (11)

  1. 一種測距系統，用以偵測一預設深度範圍內之一待測物，該測距系統包含：一光源，以一投射角度投射一光區域至該待測物；一影像感測器，感測該待測物上該光區域之反射光；一導光元件，用以引導該待測物上該光區域之反射光至該影像感測器；及一控制處理單元，控制該光源以該投射角度投射該光區域並根據該投射角度及一預設系統參數決定該影像感測器之一可設定取樣範圍，其中，該預設系統參數包含該光源、該影像感測器及該導光元件之一空間關係。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之測距系統，其中該預設系統參數另包含該預設深度範圍。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之測距系統，其中該影像感測器另包含一線感測陣列或一感測矩陣。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之測距系統，其中該光區域為一線段。
  5. 一種測距系統，用以產生一待測面之一立體影像，該測距系統包含： 一光源，投射一光區域至該待測面；複數感光單元，感測該待測面之反射光；一導光元件，用以引導該待測物上該光區域之反射光至該等感光單元；及一控制處理單元，控制該光源以該光區域掃描該待測面並根據該光區域之不同投射位置及一預設系統參數控制該等感光單元之不同部分輸出所感測之影像資料，其中，該預設系統參數包含該光源、該等感光單元及該導光元件之一空間關係。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之測距系統，其中該預設系統參數另包含一預設深度範圍。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之測距系統，其中該光源為一線雷射光源或一點雷射光源；該導光元件為一透鏡。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之測距系統，其中該等感光單元形成一CMOS晶片之影像感測陣列。
  9. 如申請專利範圍第5項所述之測距系統，其中該控制處理單元另根據該等感光單元之不同部分輸出之影像資料產生該待測面之該立體影像。
  10. 一種測距系統，用以偵測一預設深度範圍內之一待測物，該測距系統包含： 一光源，以一投射角度投射一光區域至該待測物；一影像感測器，包含一線感測陣列或一感測矩陣，用以感測該待測物上該光區域之反射光；及一控制處理單元，控制該光源以該投射角度投射該光區域並根據該投射角度及一預設系統參數決定該影像感測器之一可設定取樣範圍。
  11. 一種測距系統，用以偵測一預設深度範圍內之一待測物，該測距系統包含：一光源，以一投射角度投射一線段至該待測物；一影像感測器，感測該待測物上該線段之反射光；及一控制處理單元，控制該光源以該投射角度投射該線段並根據該投射角度及一預設系統參數決定該影像感測器之一可設定取樣範圍。
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