TWI423143B - 影像感測模組 - Google Patents

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TWI423143B
TWI423143B TW099133995A TW99133995A TWI423143B TW I423143 B TWI423143 B TW I423143B TW 099133995 A TW099133995 A TW 099133995A TW 99133995 A TW99133995 A TW 99133995A TW I423143 B TWI423143 B TW I423143B
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Hung Ching Lai
Yuan Yu Peng
Tzung Min Su
Chih Hsin Lin
Yu Chia Lin
Teng Wei Hsu
Chuan Ching Lin
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    • G—PHYSICS
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Description

影像感測模組
本發明係關於一種可補償光學元件形變之影像感測模組，特別係關於一種可針對工作溫度的變化所造成光學元件的形變進行補償之影像感測模組。
影像擷取技術普遍用於各式產品，包括光學觸控系統、距離量測系統或其他可利用所擷取的影像進行相對應處理之光學應用產品。
一般而言，一影像感測模組除了影像感測器，另外通常包含至少一光學元件(Lens)用以導引外部光線順利地進入該影像感測器之一感光面。然而，影像感測模組在工作時會因為系統運作或環境變化導致工作溫度改變。例如在光學觸控系統中，觸控螢幕在工作時會因為背光模組的作動而導致工作溫度上升，因此設置在螢幕表面之影像感測模組的工作溫度亦會隨之上升，致使該影像感測模組內部的光學元件因溫度上升而產生形變。
請參考第1圖所示，其顯示溫度變化影響一影像感測模組之示意圖。當影像感測模組100的工作溫度變化時，該影像感測模組100之光學元件(圖未示)會產生形變，並造成該影像感測模組100之影像感測器的視角(Field of View,FOV)產生變化。
例如第1圖中，影像感測模組100在工作溫度20℃時的視角例如顯示為大三角形F1 而在工作溫度70℃時的視角例如顯示為小三角形F2 。如果此時一個物件O存在於如圖所示的一個固定位置時，該影像感測模組100在工作溫度20℃時可擷取一第一影像P1 ，其包含一物件影像O1 ；而在工作溫度70℃時可擷取一第二影像P2 ，其包含一物件影像O2 。如圖所示，該物件O在該影像感測模組100所擷取之第一影像P1及第二影像P2中的位置間具有一偏移。因此，當該影像感測模組100根據所擷取之物件影像O1 、O2 計算該物件的座標時，不同的工作溫度下會得到不同的座標。
有鑑於此，本發明提出一種可消除或至少降低上述習知技術中因溫度變化所導致的形變問題之影像感測模組。
本發明之目的在提供一種影像感測模組，其可補償因工作溫度變化而導致其所擷取影像之誤差。
本發明提供一種影像感測模組包含一影像感測元件及一運算元件。該影像感測元件包含複數像素，用以擷取一物件影像之一操作影像。該運算元件儲存有一溫度相關參數與該物件影像位於各像素之位置偏移量之一對照表，並根據擷取該操作影像時相對之該溫度相關參數從該對照表選擇一變形誤差以校正該操作影像中該物件影像之位置。
一種實施例中，該影像感測模組另包含一溫度感測元件用以偵測擷取該操作影像時之工作溫度。
一種實施例中，該溫度相關參數為一工作溫度或該物件影像位於該等像素至少其中一個像素位置在不同溫度時與一基準位置之一差距。
本發明提供一種影像感測模組包含一影像感測元件及一運算元件。該影像感測元件在一第一時間擷取固定位置之一參考標示之一背景影像，在一第二時間擷取包含該參考標示及一物件影像之一操作影像。該運算元件根據該背景影像產生該參考標示之一背景位置，根據該操作影像產生該參考標示之一參考位置及該物件影像之一偵測位置，並根據該參考位置與該背景位置之一差距修正該偵測位置。
本發明提一種影像感測模組包含一光學元件、一影像感測元件、一溫度感測元件及一運算元件。該光學元件用以導引光線至該影像感測元件。該影像感測元件根據接收之光線產生一操作影像。該溫度感測元件用以偵測該影像感測模組之一工作溫度。該運算元件根據該工作溫度補償因該工作溫度變化所造成一物件影像在該操作影像之位置偏移。
本發明之影像感測模組一種實施例中，該對照表包含該物件影像位於各像素位置在不同工作溫度時與一基準溫度時之位置偏移量，或包含根據不同工作溫度時該物件影像位於各像素之位置偏移量所求得至少一補償函數的係數。
本發明之影像感測模組另一實施例中，該對照表包含不同差距時該物件影像位於各像素位置與該基準位置之位置偏移量，或包含根據不同差距時該物件影像位於各像素之位置偏移量所求得至少一補償函數的係數。
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，於本發明之說明中，相同之構件係以相同之符號表示，於此合先敘明。
本發明提供一種具有溫度補償的影像感測模組，可在溫度改變導致光學元件產生形變時，補償影像感測模組的感測結果，以消除溫度變化對影像感測模組的負面影響。本發明之影像感測模組可廣泛地應用於光學觸控系統、距離量測系統或其他可利用所擷取影像進行對應處理的光學應用產品。
請參考第2圖所示，其為一物件影像位於不同像素位置所對應不同工作溫度之位置偏移量，其中X軸表示影像感測模組所擷取之物件影像相對於一感光矩陣之像素位置，此處係以640個像素為例；Y軸表示物件影像之位置偏移量，其以像素為單位。
第2圖中，L1 例如為0℃時物件影像位於各像素位置之位置偏移量，其中此溫度下物件影像位於各像素位置時均無位置偏移；L2 例如為25℃時物件影像位於各像素位置之位置偏移量；L3 例如為70℃時物件影像位於各像素位置之位置偏移量。如圖所示，影像感測模組的感光矩陣中，物件影像越靠近最左側(像素位置0)或最右側(像素位置640)的位置因溫度升高所產生的誤差最大。可以了解的是，第2圖所示感光矩陣之像素數目以及物件影像位於各像素之位置偏移量與工作溫度的關係僅為例示性，並非用以限定本發明。
本發明一實施例可利用一溫度感測元件直接量測影像感測模組的工作溫度，並事先建立並紀錄一個工作溫度與光學元件變形程度之一對應關係。於運作時，則可直接根據目前工作溫度及該對應關係校正影像感測模組所擷取一操作影像中物件影像之位置。更詳細而言，該對應關係可以一基準溫度(例如，但不限於，0℃)時，物件影像所在各像素位置為一基準位置(例如第2圖中L1 的各像素位置)，並紀錄不同工作溫度時物件影像所在各像素位置相對於該基準位置之一變形誤差。
請參考第3A~3D圖所示，其為本發明實施例之影像感測模組之系統圖。影像感測模組200包含一影像感測元件210、一光學元件220以及一運算元件230。該影像感測元件210例如可為一CCD影像感測器、一CMOS影像感測器或其他用以感測影像之影像感測器。該光學元件220可利用適當材質製成，用以將外部光線引導至該影像感測元件210之一感光矩陣，致使該影像感測元件210可接收光線並產生影像。該運算元件230則從該影像之中取出一物件資訊，並將其提供至該影像感測模組所應用之系統進行後端處理，例如在一光學觸控系統中可利用該物件資訊進行該物件之座標運算。
在利用工作溫度作為校正基準的實施例中，該影像感測模組200可進一步包含一溫度感測元件240用以感測目前工作溫度，以供該運算元件230根據其所量測之目前工作溫度補償該光學元件220因溫度變化而產生之形變造成該影像感測模組200所擷取影像的位置偏移。一種實施例中，可事先建立並紀錄一個工作溫度與該光學元件220變形程度之對應關係，例如從20℃至70℃之間，每隔5℃量測一次該影像感測元件210所擷取的影像中，物件影像位於各像素位置時與一基準位置之一變形誤差(如同第2圖中L2 及L3 各點與L1 各點的差距)，以建立多個對照表(此時基準位置例如可設定為20℃時物件影像位於各像素的位置)。該對照表中物件影像位於各像素位置的變形誤差即可被視為物件影像位於各像素位置在不同工作溫度時受光學元件形變所產生影響的對應關係。可以了解的是，對照表的數目可根據所欲補償的精確度而決定。
每一個對照表例如可包含某一工作溫度下相對於基準溫度時，物件影像位於各像素之位置偏移量、根據各偏移量求得之一個或多個一維、二維或多維補償函數的係數，例如相對於a1 x+b1 的一維補償函數的係數(a1 ,b1 )；相對於a2 x2 +b2 x+c2 的二維補償函數的係數(a2 ,b2 ,c2 )等。僅儲存補償函數的係數的優點在於，可減少預先儲存的資料量。例如可以物件影像位於該等像素的中間像素與兩邊緣像素的偏移量來決定至少一個一維補償函數的係數，例如斜率，並將不同溫度時的斜率事先儲存於對照表。
更詳細而言，該影像感測元件210擷取包含一物件影像之一操作影像時，該溫度感測元件240同時偵測一目前工作溫度，該運算元件230則直接從該對照表讀取物件影像位於各像素之位置偏移量，或者從該對照表讀取相對應補償函數的係數並據以計算出物件影像位於各像素之位置偏移量以決定一變形誤差，藉以校正操作影像中該物件影像之位置。
必須說明的是，第3A至3C圖係用以說明該影像感測模組200所包含之各元件可透過不同耦接方式實現，其中一溫度感測元件240係設置於影像感測模組200內。例如第3A圖中該影像感測元件210耦接於該溫度感測元件240及該運算元件230間；第3B圖中該溫度感測元件240耦接於該影像感測元件210及該運算元件230間；第3C圖中該運算元件230耦接於該影像感測元件210及該溫度感測元件240間。此外，第3D圖顯示該運算元件230獨立於該影像感測模組200外的實施例。另一實施例中，該溫度感測元件240可內建於該影像感測元件210。
以光學觸控系統為例，該影像感測模組200即可利用該溫度感測元件240偵測操作時之一工作溫度，再根據該工作溫度挑選該工作溫度所對應的對照表，並根據該影像感測模組200之影像感測元件210在操作時擷取到一操作影像中物件影像之偵測位置X0 ，從該對照表選擇一變形誤差Δt(位置偏移量)，據以計算經補償該光學元件的形變後該物件影像所對應的校正位置X1 ，如式(1)所示：
X1 =X0 +Δt　(1)
另一實施例中，本發明亦可在不需偵測目前工作溫度的情況下對影像感測模組所擷取的影像進行校正。亦即本實施例中，當該影像感測模組具有位置固定的至少一參考標示時，該影像感測模組可在一基準溫度(例如0℃或20℃)下擷取包含該參考標示影像之一背景影像，並根據該背景影像取得該參考標示的一個背景位置及物件影像位於各像素位置之一基準位置，另擷取不同溫度下該參考標示的位置與該背景位置之一差距及物件影像位於各像素位置相對該基準位置之位置偏移量(例如可在該影像感測模組所應用之系統出廠時一併進行設定)。在系統運作時，該影像感測模組即可藉由所取得一操作影像中該參考標示的一個操作位置計算該操作位置與該背景位置之差距，進而根據該差距得知光學元件之形變程度以及相對的物件影像位於各像素位置之變形誤差，以校正該操作影像中物件影像的位置。
換句話說，例如該運算元件230中已預先儲存有一對照表，其包含相對不同的背景位置與操作位置之差距時，物件影像位於各像素位置相對於該基準位置之位置偏移量、根據各偏移量所求得一個或多個一維、二維或多維補償函數的係數。該運算元件230則根據操作當時所偵測之背景位置與操作位置之差距並根據該對照表來對該操作影像進行補償。更詳細而言，本實施例與上述實施利之差異在於，本實施例中該影像感測模組200不需另外設置一溫度感測元件240來量測目前工作溫度，而係以背景位置與操作位置的差距來取代實際量測目前工作溫度。由於此實施例係直接利用背景位置與操作位置的差距作為補償依據，可具有較高的準確度。
綜而言之，本發明係事先建立一溫度相關參數(temperature related parameter)與物件影像位於各像素之位置偏移量之一對照表儲存於該影像感測模組中，並根據操作當時對應的溫度相關參數及該對照表補償一操作影像中之物件影像；其中溫度相關參數例如可為一工作溫度或一參考標示之參考位置與背景位置之差距，但本發明並不限於此。
此外，本實施例中另可利用影像中一個以上的參考標示的參考位置與背景位置之差距(例如第2圖中最左側及最右側的最大變形誤差)來決定操作時之對照表，以增加選擇補償依據的精確度。此外，由於相對於整個影像的補償函數可能無法以一個簡化的補償函數表示，因此亦可利用複數補償函數做為不同區段的補償函數，例如以影像中點為區隔，兩側分別使用不同的補償函數。
請參考第4A及4B圖所示，其為該影像感測模組應用於一光學觸控系統的二個實施例。第4A圖中，一光學觸控系統300具有一個觸控平面310及二個影像感測模組320、330；第4B圖中，該光學觸控系統300具有該觸控平面310及三個影像感測模組320、330、340。每一個影像感測模組320、330、340皆具有一影像感測元件、一光學元件及至少一發光元件(圖中未顯示)，例如一發光二極體或雷射二極體，較佳為不可見光發光二極體或雷射二極體。此外，若該等影像感測模組320、330、340具有一溫度感測元件，則可不包含發光元件。
第4A圖中，當該影像感測模組320在擷取至少一物件的影像時，因該影像感測模組330的發光元件同時發光，因此該影像感測模組320可在該影像中擷取到該物件以及該影像感測模組330的發光元件的影像。因此，該影像感測模組330(或其發光元件)即可作為該影像感測模組320之一參考標示，而相對的該影像感測模組320(或其發光元件)即可作為該影像感測模組330之一參考標示。同樣的，第4B圖中，該影像感測模組330(或其發光元件)亦可作為該影像感測模組340之一參考標示。
請參照第4及5圖所示，接著說明本實施例中補償因溫度變化所造成物件影像之位置偏移的另一種實施例。以該影像感測模組320為例，該影像感測模組320在出廠時即擷取包含該影像感測模組330之一背景影像，並計錄該影像感測模組330在該背景影像之一位置作為一背景位置R0 。當該影像感測模組320在一操作時間擷取包含一物件以及該影像感測模組330之一操作影像時，該影像感測模組320可計算該物件在該操作影像中的一偵測位置X0 以及該影像感測模組330在該操作影像中的一參考位置R1 。可以了解的是，為了清楚顯示背景位置R0 及參考位置R1 的差距，第5圖中係調整了背景位置R0 及參考位置R1 間的距離。
由於該物件在該影像感測模組320所擷取影像中的成像為一暗點，而該影像感測模組330的發光元件在該影像感測模組320所擷取影像中的成像為一亮點，因此亦可在一段時間內由該影像感測模組320擷取二張影像，再由該二張影像分別取出該影像感測模組330的參考位置R1 以及該物件的偵測位置X0 。亦即，該參考位置R1 及該偵測位置X0 可以不從同一張影像中求得。
由於該影像感測模組330的成像位置靠近該影像感測模組320所感測影像中最右側(最大像素位置)，因此該影像感測模組330成像位置的誤差值(該參考位置R1 與該背景位置R0 的差距)可被視為該影像感測模組320在該操作時間時所產生的最大變形誤差ΔT。如第2圖所示，該物件在不同位置所產生的誤差值不同，因此將該最大變形誤差ΔT乘上一個變形比例m即可求得物件影像位於不同像素位置的變形誤差Δt，因此將該影像感測模組320所擷取該物件的偵測位置X0 利用該變形誤差Δt補償，即可計算該物件的一個校正位置X1 ，如式(1)所示。
請再參照第2圖所示，由於在該影像感測模組320的約略中間像素位置的誤差值最小，而在最大像素位置及/或最小像素位置的誤差值最大，因此可根據該物件的偵測位置X0 在該影像感測模組320的像素位置計算該變形比例m。
例如第2圖中，在約略中間像素位置至最大像素位置這段的變化可簡化為一線性遞增函數，而該約略中間像素位置至最小像素位置這段的變化可簡化成一線性遞減函數。因此，可以該影像感測模組320的一個預定像素(例如，但不限於，中間像素位置)作為標準點O(如第5圖)，計算該物件在該影像感測模組320的成像位置與該標準點O之間的距離相對於最大觸碰位置相對於該標準點O之間的距離的比例作為該變形比例m，例如m=(X0 -O)/(R1 -O)。對於該光學觸控系統300而言，針對該影像感測模組320的最大觸碰位置即是該觸控平面310中鄰近該影像感測模組330附近的一個邊界。更詳細而言，本實施例中並不需事先儲存一對照表，僅需根據所事先儲存之一背景位置求得至少一最大變形誤差ΔT(例如可僅計算兩邊緣像素與約略中間像素之一個或兩個最大變形誤差)，配合一標準點O及物件影像之偵測位置X0 ，即可計算出變形比例m。
因此該影像感測模組320在該操作時間所擷取該操作影像中，該物件的校正位置X1 即可表示為：
X1 =X0 +Δt=X0 +ΔT*[(X0 -O)/(R1 -O)]
該影像感測模組330及340在計算該物件在所擷取影像中的像素位置時亦可使用該影像感測模組320之校正方式，故於此不再贅述。
本發明之可補償光學元件形變的影像感測模組，可廣泛的應用於光學觸控系統、距離量測系統或其他可利用所擷取影像進行對應處理的光學應用產品，在上述實施例中雖以光學觸控系統為例，然而任何本發明所屬技術領域中具有通常知識者皆可在瞭解本發明上述實施例的說明之後，直接將本發明之影像感測模組應用於各式光學應用產品上，因此在此即不再針對其他應用之實施例加以贅述。
100、200、320、330、340．．．影像感測模組
210．．．影像感測元件
220．．．光學元件
230．．．運算元件
240．．．溫度感測元件
310．．．觸控平面
第1圖為本發明一實施例中光學元件受溫度上升導致影像感測模組視角改變之示意圖；
第2圖為本發明一實施例的影像感測模組所擷取物件影像位於各個像素位置時相對不同工作溫度之位置偏移量之示意圖；
第3A～3D圖為本發明實施例之影像感測模組之方塊圖；
第4A～4B圖分別為本發明一實施例之光學觸控系統之系統圖；以及
第5圖為本發明實施例中一參考標示之參考位置、背景位置及一物件影像之偵測位置之示意圖。
300．．．光學觸控系統
310．．．觸控平面
320、330．．．影像感測模組

Claims (19)

  1. 一種影像感測模組，包含：一影像感測元件，包含複數像素，用以擷取一物件影像之一操作影像；及一運算元件，儲存有一溫度相關參數與該物件影像位於各像素之位置偏移量之一對照表，並根據擷取該操作影像時相對之該溫度相關參數從該對照表選擇一變形誤差以校正該操作影像中該物件影像之位置。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測模組，另包含一溫度感測元件用以偵測擷取該操作影像時之一工作溫度，其中該溫度相關參數為該工作溫度。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之影像感測模組，其中該溫度感測元件內建於該影像感測元件。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之影像感測模組，其中該對照表包含該物件影像位於各像素位置在不同工作溫度時與一基準溫度時之位置偏移量，或包含根據不同工作溫度時該物件影像位於各像素之位置偏移量所求得至少一補償函數的係數。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測模組，其中該溫度相關參數為該物件影像位於該等像素至少其中一個像素位置在不同溫度時與一基準位置之一差距。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之影像感測模組，其中該至少一個像素為該等像素的邊緣或中間像素。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之影像感測模組，其中該基準位置為一基準溫度時該物件影像位於各像素位置。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之影像感測模組，其中該對照表包含不同差距時該物件影像位於各像素位置與該基準位置之位置偏移量，或包含根據不同差距時該物件影像位於各像素之位置偏移量所求得至少一補償函數的係數。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之影像感測模組，其中該補償函數為不同差距時，該物件影像位於該等像素之中間像素及邊緣像素之位置偏移量所決定之一維函數。
  10. 一種影像感測模組，包括：一影像感測元件，在一第一時間擷取固定位置之一參考標示之一背景影像，在一第二時間擷取包含該參考標示及一物件影像之一操作影像；及一運算元件，根據該背景影像產生該參考標示之一背景位置，根據該操作影像產生該參考標示之一參考位置及該物件影像之一偵測位置，並根據該參考位置與該背景位置之一差距修正該偵測位置。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之影像感測模組，其中該影像感測模組應用於包含兩個以上該影像感測模組之一光學系統，該參考標示為另一影像感測模組所包含之一發光元件、另一影像感測元件或該光學系統之一部分。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之影像感測模組，其中該影像感測元件包含複數像素，該運算元件儲存有一對照表包含不同差距相對應的該物件影像位於各像素之位置偏移量，或包含根據該物件影像位於各像素之位置偏移量所求得至少一補償函數的係數，該運算元件根據該對照表修正該偵測位置。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之影像感測模組，其中該補償函數為該物件影像位於該等像素之中間像素與邊緣像素之位置偏移量所求得一維函數。
  14. 如申請專利範圍第10項所述之影像感測模組，其中該影像感測元件包含複數像素，該運算元件根據該偵測位置與一標準點之距離及該參考位置與該標準點之距離計算一變形比例，並根據該變形比例及該差距修正該偵測位置。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之影像感測模組，其中該標準點為該等像素之中間像素。
  16. 一種影像感測模組，包括：一光學元件；一影像感測元件，該光學元件用以導引光線至該影像感測元件，該影像感測元件根據接收之光線產生一操作影像；一溫度感測元件，用以偵測該影像感測模組之一工作溫度；及一運算元件，根據該工作溫度補償因該工作溫度變化所造成一物件影像在該操作影像之位置偏移。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之影像感測模組，其中該溫度感測元件內建於該影像感測元件。
  18. 如申請專利範圍第16項所述之影像感測模組，其中該影像感測元件包含複數像素，該運算元件儲存有一對照表包含該物件影像位於各像素位置在不同工作溫度時與一基準溫度時之位置偏移量，或包含根據不同工作溫度時該物件影像位於各像素之位置偏移量所求得至少一補償函數的係數。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之影像感測模組，其中該補償函數為不同工作溫度時該物件影像位於該等像素之中間像素與邊緣像素之位置偏移量所求得一維函數。
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