TWI443305B - 距離檢測裝置及方法 - Google Patents

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TWI443305B TW100105136A TW100105136A TWI443305B TW I443305 B TWI443305 B TW I443305B TW 100105136 A TW100105136 A TW 100105136A TW 100105136 A TW100105136 A TW 100105136A TW I443305 B TWI443305 B TW I443305B
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Description

距離檢測裝置及方法
本發明係關於距離檢測裝置及方法；具體而言，本發明係關於一種近距離檢測裝置及方法。
隨著科技快速發展，各種具有量距功能的儀器不斷推陳出新。從最原始的捲尺測量，直至各種電子測距儀，這些儀器因應不同領域的需求以達到量距目的。其中，電子測距方法包含電磁測距及光電測距。以光電測距方式為主的量距儀器中，較為熱門的至少有紅外線測距儀、雷射測距儀及超音波感測器。雷射測距儀及超音波感測器具有靈敏的量距準確度，但價格昂貴。紅外線測距儀雖然較為便宜，但其量距準確度沒有雷射測距儀及超音波感測器佳。
一般而言，傳統式的紅外線測距儀包含有發射器及接收器。當發射器產生紅外線並射出至物體時，接收器接收自物體反射之光線，以產生電訊號。由於傳統式紅外線測距儀只有一個接收器，其電訊號需與一固定參考電訊號進行比較，以判斷紅外線測距儀與物體之間距。此外，物體的材質會直接影響反射光線之強弱。倘若物體的材質係屬易吸收光線之材質，導致反射光線太弱，產生之電訊號亦隨之減弱，進而影響量測準確度，或甚至不能與參考電訊號進行比較，而無法量測間距。
因此，本發明提出一種能夠提升量距準確度且不受反射材質影響之距離檢測裝置及方法。
本發明之一目的在於提供一種距離檢測裝置及方法，其應用電訊號與距離之曲線，決定要量測的預定最小距離。
本發明之另一目的在於提供一種距離檢測裝置及方法，其利用兩個接收器，以不受反射材質影響的方式，提升量測的精確度。
本發明之又一目的在於提供一種距離檢測裝置及方法，其藉由調整接收器與發射器之間的角度及/或位置，精確地進行近距離量測。
於一實施例中，本發明之距離檢測裝置包含發射器、第一接收器及第二接收器。
其中，發射器用於沿發射方向發射光線。第一接收器設置於發射器之一側並具有第一入光面，用於接收物體所反射之光線，以產生第一電訊號。第二接收器設置於發射器及第一接收器之間並具有第二入光面，用於接收物體所反射之光線，以產生第二電訊號。其中，第一接收器具有第一電訊號-距離曲線，第二接收器具有第二電訊號-距離曲線，且第一電訊號-距離曲線具有第一波峰，第二電訊號-距離曲線具有第二波峰，第一波峰對應的距離大於第二波峰對應的距離。
並且，第一電訊號-距離曲線及第二電訊號-距離曲線之交點所對應的距離實質為預定距離。當待測距離小於預定距離時，第二電訊號大於第一電訊號，以及當待測距離大於預定距離時，第二電訊號小於第一電訊號。
於一實施例，發射器具有一出光面以提供光線出射，第一入光面之法線方向與發射器之出光面之法線方向之間具有第一角度，而第二入光面之法線方向與第一入光面之法線方向之間具有第二角度，第一角度及第二角度係根據預定距離設置。
本發明之一實施例包含距離檢測方法，係用以檢測至物體的待測距離，本方法包含：提供距離檢測裝置，包含發射器、第一接收器、以及第二接收器，其中第一接收器及第二接收器設置於發射器之一側，第一接收器具有第一電訊號-距離曲線，第二接收器具有第二電訊號-距離曲線，且第一電訊號-距離曲線具有第一波峰，第二電訊號-距離曲線具有第二波峰，第一波峰對應的距離大於第二波峰對應的距離；發射器沿發射方向發射光線；第一接收器及第二接收器接收物體所反射之光線以分別產生第一電訊號與第二電訊號；以及依據第一電訊號及第二電訊號取得物體的待測距離或決定物體是否在預定距離內。
具體而言，第一電訊號-距離曲線及第二電訊號-距離曲線之交點所對應的距離實質為預定距離，其中待測距離小於預定距離時，第二電訊號大於第一電訊號，而待測距離大於預定距離時，第二電訊號小於第一電訊號。
相較於先前技術，本發明所提出之距離檢測裝置及方法係透過第一接收器及第二接收器，以產生相對應之第一電訊號及第二電訊號，不僅能檢測與物體之間的距離，更能並藉由第一電訊號及第二電訊號之大小關係，以決定物體是否位於預定距離內，進而提升量距準確度。此外，本發明之距離檢測裝置能夠透過兩個接收器之電訊號大小關係，以決定物體是否位於預定距離內，不僅能夠不受反射材質影響且有效提升量距準確度。
關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
根據本發明之一具體實施例提供一種距離檢測裝置。於此實施例中，此距離檢測裝置能夠檢測至物體之待測距離並判定物體是否在預定距離內。於一實施例中，本發明之距離檢測裝置及方法係應用於近距離量測，但不以此為限。
請參照圖1，圖1係繪示距離檢測裝置1之一實施例俯視圖。實際上，距離檢測裝置1之形狀可依照產品實際需求而定，可以是方形、扁圓形或其他不同形狀，不以實施例所示為限。
如圖1所示，距離檢測裝置1包含有發射器10、第一接收器20及第二接收器30。第一接收器20設置於發射器10之一側並具有第一入光面25；第二接收器30設置於發射器10及第一接收器20之間並具有第二入光面35。發射器10具有出光面15，為光線出射的表面，發射器10沿發射方向朝物體2發射光線。在實際應用中，發射器10較佳為不可見光，並不以此為限。於此實施例中，發射器係為紅外線。第一接收器20用於接收物體2所反射之光線，以產生第一電訊號，而第二接收器30用於接收物體2所反射之光線，以產生第二電訊號。亦即，第一接收器20及第二接收器30係用於接收自發射器10朝物體2所發射並由物體2所反射的光線，而分別產生對應所接收光線能量的第一電訊號及第二電訊號。
具體而言，第一接收器20具有第一電訊號-距離曲線S1，第二接收器30具有第二電訊號-距離曲線S2，且第一電訊號-距離曲線S1具有第一波峰P1，第二電訊號-距離曲線S2具有第二波峰P2，第一波峰P1對應的距離d1大於第二波峰P2對應的距離d2，如圖2所示。由圖2可知第一電訊號-距離曲線S1及第二電訊號-距離曲線S2之交點所對應的距離實質為預定距離ds，其中待測距離小於預定距離ds時，第二電訊號大於第一電訊號，而待測距離大於預定距離ds時，第二電訊號小於第一電訊號。有關第一電訊號-距離曲線S1、第二電訊號-距離曲線S2以及預定距離與第一電訊號及第二電訊號之間的關係，如後詳述。
如圖1所示，第一接收器20之第一入光面25之法線方向與發射器10之出光面15之法線方向之間具有第一角度A1。類似地，第二接收器30之第二入光面35之法線方向與第一接收器20之第一入光面25之法線方向之間具有第二角度A2。此外，第一接收器20及發射器10分別與第二接收器30相距第一距離D1及第二距離D2。
需說明的是，第一距離D1及第二距離D2以及第一角度A1及第二角度A2係選擇成使得距離檢測裝置1根據第一電訊號及第二電訊號之大小關係可決定物體2是否位於預定距離內。
具體而言，調整第一接收器20、第二接收器30及發射器10之相對位置及角度，使得物體2位於預定距離時，第一接收器20及第二接收器30對應物體2之反射光線能量所得的第一電訊號與第二電訊號之大小係為相同。在此實施例中，預定距離係為5cm，第一電訊號及第二電訊號係屬類比電壓，但不以此為限。於實際應用中，第一距離D1係介於8~10mm，較佳為9mm；第二距離D2係介於13~15mm，較佳為14mm。此外，第一角度A1係介於6~8°，較佳為7°；且第二角度A2係介於1~3°，較佳為2°。
請參照圖2，圖2係繪示第一接收器20及第二接收器30之電訊號-距離曲線圖。亦即，藉由調整接收器的角度及位置，會得到物體距離與電訊號之間的獨特關係。如圖2所示，在上述預設相對位置之狀況下，第一角度A1及第二角度A2係選擇成使得第一接收器20及第二接收器30分別具有不同波峰的第一電訊號-距離曲線S1及第二電訊號-距離曲線S2，其中第一電訊號-距離曲線S1及第二電訊號-距離曲線S2交會於一交點，且該交點相對應之距離實質為預定距離。舉例而言，於此實施例，第一角度A1係介於6~8°，較佳為7°；且第二角度A2係介於1~3°，較佳為2°。
如圖2所示，於距離為0.5cm處，第二電訊號大於第一電訊號。當距離自0.5cm拉遠至1.5cm時，第一電訊號緩慢變大，而第二電訊號迅速變大。雖然距離拉遠，但因第二接收器30的位置較第一接收器20靠近發射器10，於此距離處會有較多反射光線進入第二接收器30，所以電訊號-距離曲線的變化較為明顯。當距離自1.5cm拉遠至3.5cm時，第一電訊號持續緩慢變大，而第二電訊號迅速變小。此乃由於反射角度及距離的關係，使第一接收器20接收的反射光線越來越多，而進入第二接收器30的反射光線越來越少。
當距離自3.5cm變大至5cm時，進入第一接收器20及第二接收器30之反射光線越來越少，使得第一電訊號與第二電訊號逐漸變小。然而，由於第一電訊號變小的速度較第二電訊號緩慢，使得兩曲線於距離為5cm處有交點，其中5cm係為預定距離。當距離自5cm繼續拉遠至10cm時，第一電訊號及第二電訊號持續緩慢變小，且第二電訊號的變化幅度大於第一電訊號的變化幅度，使得第二電訊號小於第一電訊號。
值得注意的是，因此，基於上述狀況，當物體2位於預定距離(例如5cm)內時，第二電訊號大於或等於第一電訊號；；當物體2位於預定距離(例如5cm)外時，第二電訊號小於第一電訊號。因此，距離檢測裝置1藉由第一電訊號、第二電訊號、第一電訊號-距離曲線、以及第二電訊號-距離曲線，可決定物體2是否位於預定距離內。換句話說，使用者可將所欲量測之最近距離設定為預定距離，而根據此預定距離調整發射器10、第一接收器20、以及第二接收器30的相對角度及/或位置，進而得到第一電訊號-距離曲線S1及第二電訊號曲線S2，其中第一電訊號-距離曲線S1與第二電訊號-距離曲線S2之交點係為預定距離(於此例為5cm)。因此，當距離檢測裝置1執行量測時，即可根據第一電訊號及第二電訊號的大小關係，決定物體是否在預定距離內。此外，距離檢測裝置1不僅可準確判斷物體2是否在預定距離內，亦可藉由第一接收器20及/或第二接收器30因應物體2反射之光訊號所產生的電訊號，來直接檢測待測距離。
請參照圖3，圖3係繪示距離檢測裝置1針對不同物體(例如第一物體及第二物體)之電訊號-距離曲線圖。在此實施例中，第一物體及第二物體的材質不同，亦即第一物體及第二物體對發射器10所發射的光線有不同的吸收度。舉例而言，第一物體係為木板，第二物體係為黑色紙。如圖3所示，由於第二物體(即黑色紙)相較於第一物體(即木板)具有較低之反射率，故對應第二物體之第一電訊號及第二電訊號皆較對應第一物體之第一電訊號及第二電訊號為弱。
如圖3所示，在此實施例中，預定距離係為5cm。亦即，針對第一物體及第二物體，第一接收器20及第二接收器30分別具有對應第一物體之第一電訊號-距離曲線S11與第二電訊號-距離曲線S12，以及對應第二物體之第一電訊號-距離曲線S21與第二電訊號-距離曲線S22。如圖3所示，雖然在上述相對角度及位置條件下，第一接收器20及第二接收器30針對第一物體及第二物體之電訊號強度不同，但是具有類似的趨勢。
亦即，如圖3所示，對應第一物體之第一電訊號-距離曲線S11與第二電訊號-距離曲線S12的交點，以及對應第二物體之第一電訊號-距離曲線S21與第二電訊號-距離曲線S22的交點皆位於距離為約5cm處。具體而言，預定距離(例如5cm)內，不論是第一電訊號-距離曲線S11或第一電訊號-距離曲線S21之第一電訊號皆大於第二電訊號-距離曲線S12或第二電訊號-距離曲線S22之對應的第二電訊號；而預定距離(例如5cm)外，不論是第一電訊號-距離曲線S11或第一電訊號-距離曲線S21之第一電訊號皆小於第二電訊號-距離曲線S12或第二電訊號-距離曲線S22之對應的第二電訊號。因此，本發明之距離檢測裝置1對於不同物體之檢測，即使物體材質不同(亦即反射效果不同)，距離檢測裝置1仍保有相當好的量距準確度。因此，本發明之距離檢測裝置1能夠透過兩個接收器之電訊號大小關係，以決定物體是否位於預定距離內，不僅能夠有效提升量距準確度且不受反射材質影響。
圖4係為本發明之距離檢測方法之流程圖。本距離檢測方法包含步驟1010，提供距離檢測裝置，其包含發射器、第一接收器、及第二接收器，其中第一接收器及第二接收器設置於發射器之一側，第一接收器具有第一電訊號-距離曲線，第二接收器具有第二電訊號-距離曲線，且第一電訊號-距離曲線具有第一波峰，第二電訊號-距離曲線具有第二波峰，第一波峰對應的距離大於第二波峰對應的距離。於此所提供的距離檢測裝置，可如圖1所示，其中第二接收器係設置於第一接收器及發射器之間，但不以此為限。此外，如上所述，可藉由調整第一接收器及第二接收器相對於發射器之位置及角度，而使其分別具有所需的第一電訊號-距離曲線及第二電訊號-距離曲線。
步驟1020包含發射器沿發射方向發射光線。舉例而言，可使用紅外線發射器作為本發明之發射器，而朝物體之方向發射紅外線。
步驟1030包含第一接收器及第二接收器接收物體所反射之光線以分別產生第一電訊號與第二電訊號。舉例而言，第一接收器及第二接收器接收物體所反射的紅外線，而因應紅外線的能量分別產生相應的電訊號。
步驟1040包含依據第一電訊號及第二電訊號之關係取得物體的待測距離或決定物體是否在預定距離內，其中第一電訊號-距離曲線及第二電訊號-距離曲線之交點所對應的距離實質為預定距離。於此所述之預定距離係指使用者欲量測之最近距離，例如5cm，但不以此為限，可依實際應用與使用者需求變化。步驟1041包含待測距離小於預定距離時，第二電訊號大於第一電訊號；步驟1042包含待測距離大於預定距離時，第二電訊號小於第一電訊號。
相較於先前技術，本發明所提出之距離檢測裝置及方法不僅能檢測與物體之間的距離，更能利用電訊號-距離曲線設定所需的預定距離，透過第一接收器及第二接收器，以產生相對應之第一電訊號及第二電訊號，並由第一電訊號及第二電訊號之大小關係，以決定物體是否位於預定距離內，進而提升量距準確度。由於傳統式的距離檢測裝置僅具有一發射器及一接收器，接收器之電訊號僅能與參考電訊號進行比較，得到的量測效果有限，近距離量測更有顯著不足。因此，本發明之距離檢測裝置不僅能檢測與物體之間的距離，更夠透過兩個接收器之電訊號大小關係，以決定物體是否位於預定距離內，不僅能夠有效提升量距準確度且不受反射材質影響。
藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。
1‧‧‧距離檢測裝置
2‧‧‧物體
10‧‧‧發射器
15‧‧‧出光面
20‧‧‧第一接收器
25‧‧‧第一入光面
30‧‧‧第二接收器
35‧‧‧第二入光面
A1‧‧‧第一角度
A2‧‧‧第二角度
D1‧‧‧第一距離
D2‧‧‧第二距離
圖1係繪示距離檢測裝置之一實施例俯視圖。
圖2係繪示第一接收器及第二接收器之電訊號-距離曲線圖。
圖3係繪示距離檢測裝置檢測第一物體及第二物體之電訊號-距離曲線圖。
圖4係為本發明之距離檢測方法之流程圖。
1．．．距離檢測裝置
2．．．物體
10．．．發射器
15．．．出光面
20．．．第一接收器
25．．．第一入光面
30．．．第二接收器
35．．．第二入光面
A1．．．第一角度
A2．．．第二角度
D1．．．第一距離
D2．．．第二距離

Claims (9)

  1. 一種距離檢測裝置，用以檢測至一物體的一待測距離，包含：一發射器，用於沿一發射方向發射一光線；一第一接收器，設置於該發射器之一側並具有一第一入光面，用於接收該物體所反射之光線，以產生一第一電訊號；該第一入光面之法線方向與該發射器之一出光面之法線方向之間具有一第一角度，該第一角度係介於6~8度；以及一第二接收器，設置於該發射器及該第一接收器之間並具有一第二入光面，用於接收該物體所反射之光線，以產生一第二電訊號；該第二入光面之法線方向與該第一入光面之法線方向之間具有一第二角度，該第二角度係介於1~3度；其中，該第一接收器具有一第一電訊號-距離曲線，該第二接收器具有一第二電訊號-距離曲線，且該第一電訊號-距離曲線具有一第一波峰，該第二電訊號-距離曲線具有一第二波峰，該第一波峰對應的距離大於該第二波峰對應的距離；該距離檢測裝置根據該第一電訊號與該第二電訊號之相對關係判斷該待測距離與一預定距離之相對大小。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之距離檢測裝置，其中該第一電訊號-距離曲線及該第二電訊號-距離曲線之交點所對應的距離實質為該預定距離。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之距離檢測裝置，其中該待測距離小於該預定距離時，該第二電訊號大於該第一電訊號，該待測距離大於該預定距離時，該第二電訊號小於該第一電訊 號。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之距離檢測裝置，其中該第一角度及該第二角度係根據該預定距離設置。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之距離檢測裝置，其中該第一入光面之中點與該第二入光面之中點相距一第一距離，該第二入光面之中點與該發射器之中點相距一第二距離，該第一距離及該第二距離係根據該預定距離設置。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之距離檢測裝置，其中該第一距離係介於8~10毫米，該第二距離係介於13~15毫米。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之距離檢測裝置，其中該發射器為紅外光發射器。
  8. 一種距離檢測方法，用以檢測至一物體的一待測距離，包含：提供一距離檢測裝置，包含一發射器、一第一接收器、以及一第二接收器，其中該第一接收器及該第二接收器設置於該發射器之一側並分別具有一第一入光面及一第二入光面，該第一接收器具有一第一電訊號-距離曲線，該第二接收器具有一第二電訊號-距離曲線，且該第一電訊號-距離曲線具有一第一波峰，該第二電訊號-距離曲線具有一第二波峰，該第一波峰對應的距離大於該第二波峰對應的距離；其中該第一入光面之法線方向與該發射器之一出光面之法線方向之間具有一第一角度，該第一角度係介於6~8度；該第二入光面之法線方向與該第一入光面之法線方向之間具有一第二角度，該第二角度係介於1~3度；該發射器沿一發射方向發射一光線；該第一接收器及該第二接收器接收該物體所反射之光線 以分別產生一第一電訊號與一第二電訊號；以及依據該第一電訊號及該第二電訊號取得該物體的該待測距離或決定該物體是否在一預定距離內；其中該距離檢測方法根據該第一電訊號與該第二電訊號之相對關係判斷該待測距離與一預定距離之相對大小。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之距離檢測方法，其中該第一電訊號-距離曲線及該第二電訊號-距離曲線之交點所對應的距離實質為該預定距離，該待測距離小於該預定距離時，該第二電訊號大於該第一電訊號，該待測距離大於該預定距離時，該第二電訊號小於該第一電訊號。
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