TWI425182B - 距離測量系統及其方法 - Google Patents

Description

距離測量系統及其方法

本發明係有關於一種距離測量系統及其方法，尤指一種利用自動曝光控制機制，增加曝光的動態範圍和訊號雜訊比的距離測量系統及其方法。

在先前技術中，測距裝置係對待測物件發射偵測光，並接收由待測物件反射偵測光所產生之反射光，再藉由反射光之成像位置推算出測距裝置與待測物件之間的距離。然而，在先前技術中，測距裝置在感測待測物件所產生之反射光時，其感測裝置的曝光控制單元並不會隨著反射光的亮度自動動態調整感測裝置的曝光時間、感測裝置的感測模式、感測裝置的輸出增益和投射光源的供應電流，以至於測距裝置無法增加曝光的動態範圍和訊號雜訊比。另外，先前技術無法自動動態調整感測裝置的曝光時間、感測裝置的感測模式、感測裝置的輸出增益以及投射光源的供應電流，所以會造成感測裝置過度曝光或是曝光不足的情況以致於得到不正確的待測距離，以及電能使用效率較低。

本發明的一實施例提供一種距離測量系統。該距離測量系統包含一光源、一感測器、一曝光控制單元及一測距裝置。該光源係用以朝一物件發射一偵測光，且該偵測光在該物件之表面反射並形成一反射光；該感測器係用以感測該反射光；該曝光控制單元係用以根據該感測器所感測該反射光的亮度對該反射光進行亮度收斂；及該測距裝置係用以根據該反射光於該感測器的位置，偵測該物件與該光源及/或該感測器的距離。

本發明的另一實施例提供一種距離測量之方法。該方法包含使用一光源朝一物件發射一偵測光，且該偵測光在該物件之表面反射並形成一反射光；使用一感測器感測該反射光；根據該感測器所感測該反射光的亮度，對該反射光進行亮度收斂；及根據經由該反射光於該感測器的位置，偵測該物件與該光源及/或該感測器的距離。

本發明所提供的一種距離測量系統，其包含的一曝光控制單元可針對不同的應用領域自動動態調整一感測器的曝光時間、該感測器的感測模式、該感測器的輸出增益及/或一光源的供應電流以控制該感測器感測到的反射光之亮度不會飽和亦不會太暗。因此，該距離測量系統可提升測距的精確度、增加該感測器曝光的動態範圍、增加訊號雜訊比、增加測量距離的範圍以及增加該距離測量系統的穩定度。

請參照第1圖，第1圖係本發明的一實施例說明距離測量系統100之示意圖。距離測量系統100包含一光源102、一第一鏡頭104、一第二鏡頭106、一感測器108、一辨識裝置110、一曝光控制單元112及一測距裝置114。光源102係用以朝一待測物件發射一偵測光，其中光源102可為一紅外光發光二極體(IR LED)光源。第二鏡頭106安裝於光源102及待測物件之間，用以將光源102所發出的偵測光匯聚至待測物件之表面，且匯聚後的偵測光經待測物件之表面反射後形成一反射光。第一鏡頭104係安裝於感測器108及待測物件之間，用以將反射光匯聚至感測器108。感測器108係用以感測匯聚過的反射光，其中感測器108在光源102開啟時，感測一第一影像；在光源102關閉時，感測一第二影像。辨識裝置110耦接於感測器108，用以比對第一影像和第二影像，以辨識由待測物件表面反射至感測器108的反射光所在的位置。曝光控制單元112耦接於感測器108，用以根據感測器108所感測的反射光之亮度以及反射光所在的位置對反射光進行亮度收斂，使得感測器108所感測的反射光之亮度不會過飽和或不足。測距裝置114耦接於感測器108，用以根據反射光於感測器108成像的位置，利用三角測量原理計算出待測物件與光源102及/或感測器108之間的距離。

請參照第2圖，第2圖係說明當光源102開啟與關閉時，感測器108所感測的第一影像202和第二影像204，以及辨識裝置110比對第一影像和第二影像，以判斷經由待測物件表面反射至感測器108的反射光之示意圖。如第2圖所示，第一影像202包含背景光源造成的亮點206、208和待測物件造成的亮點210；在第二影像204中，因為光源102關閉，所以只包含背景光源造成的亮點206、208。如此，辨識裝置110比對第一影像202和第二影像204後即可排除感測器108感測到背景光源在感測器108上所成像的亮點206、208，得到只包含待測物件造成的亮點210之第三影像212。

請參照第3圖和第4圖，第3圖係說明曝光控制單元112根據感測器108所感測的反射光之亮度對反射光進行亮度收斂之示意圖。第4圖係說明經曝光控制單元112對反射光進行亮度收斂後，感測器108所感測反射光的亮度對曝光值的關係之示意圖。當待測物件離距離測量系統100較遠造成反射光之亮度太暗時，曝光控制單元112首先延長感測器108的曝光時間。如果，延長曝光時間到一第一預設時間值(第3圖的A點)感測器108得到的曝光值還是不足時，此時切換感測器108的感測模式至一高敏感度感測模式並將感測器108的曝光時間自第一預設時間值往下調整至一第一調整值。如果感測器108得到的曝光值還是不夠，則曝光時間繼續從第一調整值往上增加。當調整到感測器108的最大曝光時間時，曝光控制單元112開始增加感測器108輸出訊號的增益值。因此，如第4圖所示，經由曝光控制單元112將使得感測器108所感測的反射光之亮度值和曝光值有線性關係。另外，曝光控制單元112亦能調整光源102的供應電流以增加光源102所發射偵測光之亮度，進而增加反射光之亮度。但本發明的實施例並不受限於曝光時間調整到感測器108的最大曝光時間時，才開始增加感測器108輸出訊號的增益值；本發明的實施例亦可在曝光時間尚未調整到感測器108的最大曝光時間時，即開始增加感測器108輸出訊號的增益值。

另外，當待測物件離距離測量系統100較近造成反射光亮度太亮時，曝光控制單元112先減少感測器108輸出訊號的增益值，以衰減感測器108感測反射光之亮度的值。如果感測器108感測反射光之亮度還是太亮，則曝光控制單元112進而減少感測器108的曝光時間。如果減少曝光時間到一第二預設時間值(第3圖的B點)感測器108得到的曝光值還是太大時，此時切換感測器108的感測模式至一低敏感度感測模式並將感測器108的曝光時間自第二預設時間值往上調整至一第二調整值。如果感測器108得到的曝光值還是太大，則曝光時間繼續從第二調整值往下減少。如此，如第4圖所示，經由曝光控制單元112將使得感測器108所感測的反射光之亮度值和曝光值有線性關係。另外，曝光控制單元112亦能調整光源102的供應電流以減少光源102所發射偵測光之亮度，進而降低反射光之亮度。但本發明的實施例不受限於先減少感測器108輸出訊號的增益值，然後再調整曝光時間；本發明的實施例亦可先調整曝光時間，然後再減少感測器108輸出訊號的增益值，或是兩者可同時並行。

此外，曝光控制單元112可針對不同應用情況，藉由自動動態調整感測器108的曝光時間、感測器108的感測模式、感測器108的輸出增益及/或光源102的供應電流以控制感測器108感測到的反射光之亮度。例如在某些特定的應用情況下，曝光控制單元112會調整感測器108感測到的反射光之亮度至灰階值200左右。另外，曝光控制單元112亦可藉由調整感測器108的感測模式(高、低敏感度感測模式)，使得曝光的動態範圍增大。

測距裝置114耦接於感測器108，根據反射光於感測器108成像的位置(第1圖的x1，x2點)，利用三角測量原理判斷待測物件與光源102及/或感測器108的距離。

請參照第5圖，第5圖係本發明的另一實施例說明距離測量系統500之示意圖。距離測量系統500包含一光源502、一第一鏡頭504、一第二鏡頭506、一感測器508、一曝光控制單元512及一測距裝置514，其中感測器508另包含一紅外線濾波器516。距離測量系統500和距離測量系統100的差別在於，距離測量系統500沒有辨識單元。因為紅外線濾波器516可過濾紅外線以外之光線進入感測器508，所以感測器508不須感測一第一影像(開啟光源502)和一第二影像(關閉光源502)，即可直接辨識出經由待測物件表面反射至感測器508的反射光。除此之外，距離測量系統500其餘操作原理皆和距離測量系統100相同，在此不再贅述。

本發明的另一實施例則是綜合距離測量系統100和距離測量系統500的辨識反射光的方法，也就是說同時利用感測器感測一第一影像(開啟光源)和一第二影像(關閉光源)，以及紅外線濾波器辨識反射光。其餘操作原理和距離測量系統100以及距離測量系統500相同，在此不再贅述。

本發明的另一實施例則是利用雷射光做為光源，其與距離測量系統100的差別在於不須利用第一鏡頭和第二鏡頭聚光，其餘操作原理皆和距離測量系統100相同，在此不再贅述。

請參照第6圖，第6圖係本發明的另一實施例說明一種距離測量之方法之流程圖。第6圖之方法係藉由第1圖所示之距離測量系統100說明，其步驟係詳述如下：

步驟600：開始；

步驟602：光源102朝一待測物件發射一偵測光，且藉由第二鏡頭106將偵測光聚光至待測物件之表面；

步驟604：第一鏡頭104將經由待測物件表面反射之反射光聚光至感測器108；

步驟606：當光源102開啟時，使用感測器108感測第一影像；

步驟608：當光源關閉102時，使用感測器108感測第二影像；

步驟610：辨識裝置110比對第一影像和第二影像，用以辨識經由物件表面反射至感測器108的反射光；

步驟612：曝光控制單元112根據感測器108所感測反射光的亮度，對反射光進行亮度的收斂；

步驟614：測距裝置114根據經由反射光於感測器108成像的位置，判斷待測物件與光源102及/或感測器108的距離；

步驟616：結束。

在步驟612，曝光控制單元112可藉由自動動態調整感測器108的曝光時間、感測器108的感測模式、感測器108的輸出增益及/或光源102的供應電流以控制感測器108感測到的反射光之亮度值不會飽和亦不會太暗，以提升測距裝置114的精確度。其中曝光控制單元112對反射光進行亮度收斂的過程詳述如下：當感測器108所擷取反射光的亮度太暗時，增加感測器108的曝光時間直到一第一預設時間值(第3圖的A點)，此時切換感測器108的感測模式至一高敏感度感測模式並將感測器108的曝光時間自第一預設時間值往下調整至一第一調整值，然後再從第一調整值往上增加，當第一調整值往上增加至感測器108的最大曝光時間時，曝光控制單元112開始增加感測器108輸出訊號的增益值；另外，曝光控制單元112對也利用增加光源102的供應電流，以增加偵測光以及反射光之亮度。當該感測器所擷取反射光的亮度太亮時，減少感測器108的曝光時間直到一第二預設時間值，此時切換感測器108的感測模式至一低敏感度感測模式並將感測器108的曝光時間自第二預設時間值往上調整至一第二調整值，然後再從第二調整值往下減少；另外，曝光控制單元112也利用減少光源102的供應電流，以降低偵測光以及反射光之亮度。

而本發明的另一實施例則是利用紅外線光源以及紅外線濾波器辨識反射光，或是同時利用感測器感測一第一影像(開啟光源)和一第二影像(關閉光源)，以及紅外線濾波器辨識反射光。

另外，第6圖的實施例亦可利用雷射光做為光源，因此就不必利用第一鏡頭和第二鏡頭聚光。

綜上所述，本發明所提供的距離測量系統，其曝光控制單元可針對不同的應用領域自動動態調整感測器的曝光時間、感測器的感測模式、感測器的輸出增益及/或光源的供應電流以控制感測器感測到的反射光之亮度不會飽和亦不會太暗。如此，本發明所提供的距離測量系統便可提升測距的精確度、增加感測器曝光的動態範圍以及增加訊號雜訊比。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100、500．．．距離測量系統

102、502．．．光源

104、504．．．第一鏡頭

106、506．．．第二鏡頭

108、508．．．感測器

110．．．辨識裝置

112、512．．．曝光控制單元

114、514．．．測距裝置

202．．．第一影像

204．．．第二影像

206、208、210．．．亮點

212．．．第三影像

516．．．紅外線濾波器

600-616‧‧‧步驟

第1圖係本發明的一實施例說明距離測量系統之示意圖。

第2圖係說明當光源開啟與關閉時，感測器所感測的第一影像和第二影像，以及辨識裝置比對第一影像和第二影像，以判斷經由待測物件表面反射至感測器的反射光。

第3圖係說明曝光控制單元根據感測器所感測的反射光之亮度對反射光進行亮度收斂之示意圖。

第4圖係說明經曝光控制單元對反射光進行亮度收斂後，感測器所感測反射光的亮度對曝光值的關係之示意圖。

第5圖係本發明的另一實施例說明距離測量系統之示意圖。

第6圖係本發明的另一實施例說明一種距離測量之方法之流程圖。

100．．．距離測量系統

102．．．光源

104．．．第一鏡頭

106．．．第二鏡頭

108．．．感測器

110．．．辨識裝置

112．．．曝光控制單元

114．．．測距裝置

Claims (18)

1. 一種距離測量系統，包含：一光源，用以朝一物件發射一偵測光，且該偵測光在該物件之表面反射並形成一反射光；一感測器，用以感測該反射光；一曝光控制單元，用以根據該感測器所感測該反射光的亮度對該反射光進行亮度收斂，其中該曝光控制單元對該反射光進行亮度收斂包含：當該感測器所擷取該反射光的亮度太暗時，增加該感測器的曝光時間直到一預設時間值，此時切換該感測器的感測模式至一高敏感度感測模式並將該感測器的曝光時間自該預設時間值往下調整至一調整值，然後再從該調整值往上增加，當該調整值往上增加至該感測器的最大曝光時間時，將該感測器所感測的光訊號放大；及在增加該感測器的曝光時間之前先增加該光源的供應電流，以增加該偵測光以及該反射光之亮度；及一測距裝置，用以根據該反射光於該感測器的位置，偵測該物件與該光源及/或該感測器的距離。
2. 如請求項1所述之距離測量系統，另包含一第一鏡頭以及一第二鏡頭，該第一鏡頭設於該感測器及該物件之間，用以將該反射光聚集至該感測器，而該第二鏡頭設於該光源及該物件之 間，用以將該光源所發出該偵測光聚集至該物件之表面。
3. 如請求項1所述之距離測量系統，另包含一辨識裝置，用以辨識經由該第一鏡頭聚集到該感測器的該反射光，其中該感測器在該光源開啟時，感測一第一影像；在該光源關閉時，感測一第二影像；之後該辨識裝置比對該第一影像和該第二影像，用以擷取由該物件表面反射至該感測器的該反射光。
4. 如請求項1所述之距離測量系統，其中該光源係為一紅外線光，且該感測器另包含一紅外線濾波器，用以阻止紅外線光以外光線進入該感測器。
5. 如請求項1所述之距離測量系統，其中該光源係為一發光二極體或一雷射光源。
6. 一種距離測量之方法，包含：使用一光源朝一物件發射一偵測光，且該偵測光在該物件之表面反射並形成一反射光；使用一感測器感測該反射光；根據該感測器所感測該反射光的亮度，對該反射光進行亮度收斂，其中對該反射光進行亮度收斂包含：當該感測器所擷取該反射光的亮度太暗時，增加該感測器的曝光時間直到一預設時間值，此時切換該感測器的感 測模式至一高敏感度感測模式並將該感測器的曝光時間自該預設時間值往下調整至一調整值，然後再從該調整值往上增加，當該調整值往上增加至該感測器的最大曝光時間時，將該感測器所感測的光訊號放大；及在增加該感測器的曝光時間之前先增加該光源的供應電流，以增加該偵測光以及該反射光之亮度；及根據經由該反射光於該感測器的位置，偵測該物件與該光源及/或該感測器的距離。
7. 如請求項6所述之方法，另包含使用一第一鏡頭將該物件表面所反射該反射光聚集至該感測器，以及使用一第二鏡頭將該光源所發射該偵測光聚集至該物件之表面。
8. 如請求項6所述之方法，其中使用該感測器感測光線包含：當該光源開啟時，使用該感測器感測一第一影像；當該光源關閉時，使用該感測器感測一第二影像；以及比對該第一影像和該第二影像，用以擷取經由該物件表面反射至該感測器的該反射光。
9. 如請求項6所述之方法，其中該光源所發出之該偵測光以及從該物件表面反射之該反射光係為紅外光線，且該感測器另包含使用一紅外線濾波器，用以阻止紅外線光以外光線進入該感測器。
10. 一種距離測量系統，包含：一光源，用以朝一物件發射一偵測光，且該偵測光在該物件之表面反射並形成一反射光；一感測器，用以感測該反射光；一曝光控制單元，用以根據該感測器所感測該反射光的亮度對該反射光進行亮度收斂，其中該曝光控制單元對該反射光進行亮度收斂包含：當該感測器所擷取該反射光的亮度太亮時，減少該感測器的曝光時間直到一預設時間值，此時切換該感測器的感測模式至一低敏感度感測模式並將該感測器的曝光時間自該預設時間值往上調整至一調整值，然後再從該調整值往下減少；及在減少該感測器的曝光時間之前先減少該光源的供應電流，以降低該偵測光以及該反射光之亮度；及一測距裝置，用以根據該反射光於該感測器的位置，偵測該物件與該光源及/或該感測器的距離。
11. 如請求項10所述之距離測量系統，另包含一第一鏡頭以及一第二鏡頭，該第一鏡頭設於該感測器及該物件之間，用以將該反射光聚集至該感測器，而該第二鏡頭設於該光源及該物件之間，用以將該光源所發出該偵測光聚集至該物件之表面。
12. 如請求項10所述之距離測量系統，另包含一辨識裝置，用以辨 識經由該第一鏡頭聚集到該感測器的該反射光，其中該感測器在該光源開啟時，感測一第一影像；在該光源關閉時，感測一第二影像；之後該辨識裝置比對該第一影像和該第二影像，用以擷取由該物件表面反射至該感測器的該反射光。
13. 如請求項10所述之距離測量系統，其中該光源係為一紅外線光，且該感測器另包含一紅外線濾波器，用以阻止紅外線光以外光線進入該感測器。
14. 如請求項10所述之距離測量系統，其中該光源係為一發光二極體或一雷射光源。
15. 一種距離測量之方法，包含：使用一光源朝一物件發射一偵測光，且該偵測光在該物件之表面反射並形成一反射光；使用一感測器感測該反射光；根據該感測器所感測該反射光的亮度，對該反射光進行亮度收斂，其中對該反射光進行亮度收斂包含：當該感測器所擷取該反射光的亮度太亮時，減少該感測器的曝光時間直到一預設時間值，此時切換該感測器的感測模式至一低敏感度感測模式並將該感測器的曝光時間自該預設時間值往上調整至一調整值，然後再從該調整值往下減少；及 在減少該感測器的曝光時間之前先減少該光源的供應電流，以降低該偵測光以及該反射光之亮度；及在增加該感測器的曝光時間之前先增加該光源的供應電流，以增加該偵測光以及該反射光之亮度；及根據經由該反射光於該感測器的位置，偵測該物件與該光源及/或該感測器的距離。
16. 如請求項15所述之方法，另包含使用一第一鏡頭將該物件表面所反射該反射光聚集至該感測器，以及使用一第二鏡頭將該光源所發射該偵測光聚集至該物件之表面。
17. 如請求項15所述之方法，其中使用該感測器感測光線包含：當該光源開啟時，使用該感測器感測一第一影像；當該光源關閉時，使用該感測器感測一第二影像；以及比對該第一影像和該第二影像，用以擷取經由該物件表面反射至該感測器的該反射光。
18. 如請求項15所述之方法，其中該光源所發出之該偵測光以及從該物件表面反射之該反射光係為紅外光線，且該感測器另包含使用一紅外線濾波器，用以阻止紅外線光以外光線進入該感測器。