TWI570387B - 影像測距系統、光源模組及影像感測模組 - Google Patents

影像測距系統、光源模組及影像感測模組 Download PDF

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Description

影像測距系統、光源模組及影像感測模組
本發明為一種影像測距系統、光源模組及影像感測模組，尤指一種光訊號之強度分布與光訊號的出射角度，以及影像之成像高度、影像感測鏡頭之焦距與反射訊號入射角度具有特殊設計，可提高影像感測元件感光能力並可提高立體測距精確度之影像測距系統、光源模組及影像感測模組。
近年來穿戴裝置薄型化之需求崛起，以手勢感測取代觸控螢幕的需求增加，因此業者相繼投入景深感測鏡頭模組技術。
然傳統觸控螢幕無法偵測Z軸高度的變化，因此只有二維空間的操控模式，至於三維空間的操控，例如：旋轉3D立體模型，則無法在觸控螢幕上進行操控。
請參閱圖9所示一習知影像測距系統，一紅外線訊號由光源1照射至物體2，此時可視為一點光源入射至一物體，物體邊緣與物體中心的照度比為距離平方的反比再乘上入射角度的餘弦比，如下式所示：E(θ)/E(0)=((L×cosθ)2/(L)2)×(cosθ/cos0°)=cos3θ
其中，E(θ)為物體2邊緣的照度；E(0)為物體2中心的照度；L為光源1至物體2邊緣的距離；θ為光源1至物體2邊緣與物體2法線的夾角。
光源1沿著物體2之法線的方向與物體2的交點視為物體2的中心點，經由物體2反射後，考慮物體2的反射面為一朗伯表 面(lambertian surface)，則光線反射的強度和cosθ成正比，影像感測元件接收來自物體邊緣和物體中心反射的光線，其照度比為距離平方的反比，且還要再乘上入射角度的餘弦比，則最後接收來自物體邊緣和物體中心反射光線的照度比為：cos3θ×cosθ×cos3θ=cos7θ
傳統的設計將紅外線訊號的強度分布I0設計為I0=1/(cosθ)4。因此所接收到的訊號強度就變為：(1/(cosθ)4)×cos7θ=cos3θ
此時，影像感測元件接收來自物體2邊緣和物體2中心之反射光線的照度和成cos3θ正比，亦即，照度分布較為不均勻。
其次，請參閱圖10所示，當物體2與鏡頭3的連線與影像感測鏡頭3的光軸夾一個小角度θ時，以時間感測(Time of Flight；TOF)技術計算出物體2與影像感測鏡頭3之間的距離z’可近似為物體2與影像感測鏡頭3之間的縱向距離z，此時考慮物體2與影像感測鏡頭3之間的距離z遠大於影像感測鏡頭3的焦距f，則物體2成像的位置約在影像感測鏡頭3的焦平面上，則可以計算出物體2相對於影像感測鏡頭3的橫向距離H約為：H~z×tanθ=z×(h/f)
但是當物體2與影像感測鏡頭3的連線與影像感測鏡頭3光軸夾的角度θ較大時，以時間感測(Time of Flight；TOF)技術計算出物體2與影像感測鏡頭3之間的距離z’並不能近似為z，則計算出的橫向距離H必須修正為：H=z'×tanθ=(z/cosθ)×(h/f)
據此可知，若採用傳統光源訊號強度分布設計(例如：I0=1/(cosθ)4)，傳統影像成像高度與影像感測鏡頭焦距的比值設計，並無法精確地偵測出物體之立體景深。
在一實施例中，本發明提出一種影像測距系統，適於偵測一物體的立體景深資訊，該影像測距系統包含：至少一光源模組，包括一光源晶片與一光源鏡頭，光源晶片 發射一光訊號，光訊號通過光源鏡頭而後射向物體，並由物體反射產生一反射訊號，光訊號之強度分布I1與光訊號的出射角度θ之關係為I1=1/cos7θ；以及至少一影像感測模組，包括一影像感測元件與一影像感測鏡頭，反射訊號以相同於光訊號的出入射角度θ入射於影像感測鏡頭，並於影像感測元件形成該物體之一影像，影像之成像高度h1與影像感測鏡頭之焦距f的比值(h1/f)正比於sinθ。
在一實施例中，本發明提出一種光源模組，其包含：一光源晶片，用以發射一光訊號；以及一光源鏡頭，該光訊號通過該光源鏡頭而後射向一物體，並由該物體反射產生一反射訊號，該光訊號通過該光源鏡頭之強度分布I1與該光訊號的出射角度θ之關係為：I1=1/cos7θ。
在一實施例中，本發明提出一種影像感測模組，其包含：一影像感測元件，用以使一物體成像於其上；以及一影像感測鏡頭，提供一反射訊號入射該影像感測鏡頭，該反射訊號係由該物體反射一光訊號而產生，該反射訊號以一入射角度θ入射該影像感測鏡頭，並於該影像感測元件形成一該物體之影像，該影像之成像高度h1與該影像感測鏡頭之焦距f的比值(h1/f)正比於sinθ。
先前技術：
1‧‧‧光源
2‧‧‧物體
3‧‧‧影像感測鏡頭
31‧‧‧影像感測元件
f‧‧‧焦距
h‧‧‧成像高度
H‧‧‧橫向距離
I‧‧‧強度分布
z、z'‧‧‧距離
θ‧‧‧夾角/出射角度
本發明：
100‧‧‧影像測距系統
110‧‧‧光源模組
120‧‧‧影像感測模組
130‧‧‧物體
111‧‧‧光源晶片
112‧‧‧光源鏡頭
1121‧‧‧球體部分
1122‧‧‧柱狀部分
121‧‧‧影像感測元件
122‧‧‧影像感測鏡頭
d2‧‧‧光源晶片的寬度
f‧‧‧焦距
h1‧‧‧成像高度
h2‧‧‧光源晶片的高度
H‧‧‧橫向距離
H2‧‧‧柱狀部分的高度
I1‧‧‧強度分布
L‧‧‧水平距離
LC‧‧‧法線
R1、R2‧‧‧曲率半徑
SA‧‧‧光訊號
SB‧‧‧反射訊號
z、z'‧‧‧距離
θ‧‧‧角度
圖1為本發明之系統架構示意圖。
圖2為光訊號之強度分布I1=1/cos7θ時的強度分布曲線圖。
圖3為本發明之光源模組之一實施例結構示意圖。
圖4至圖6為本發明之不同光源模組實施例與光訊號之強度分布I1=1/cos7θ之曲線關係圖。
圖7為本發明之紅外線影像感測鏡頭之結構示意圖。
圖8為本發明之影像感測模組影像實施例之成像高度與影像感測鏡頭之焦距的比值(h1/f)與sinθ成正比之曲線關係圖。
圖9為習知影像測距系統之架構示意圖。
圖10為習知偵測物體立體景深之系統架構示意圖。
請參閱圖1所示，本發明之一種影像測距系統100，包含一光源模組110與一影像感測模組120，適於偵測一物體130的立體景深資訊。光源模組110與影像感測模組120可以相同的製程進行加工與成形，例如晶圓級透鏡製程。
光源模組110包括光源晶片111與光源鏡頭112，光源晶片111可採用雷射晶片或發光二極體晶片。光源晶片111可發射一光訊號SA，該光訊號SA可為紅外線、可見光或UV光，且可為單一脈衝訊號、短脈衝訊號或是連續脈衝訊號其中之一。其波長範圍不限，以紅外線光訊號為例，其波長範圍可為700-1400nm。光訊號通過光源鏡頭112而後射向物體130，由物體130反射產生反射訊號SB。光訊號SA之強度分布I1與光訊號SA的出射角度θ之關係為I1=1/cos7θ。
影像感測模組120包括影像感測元件121與影像感測鏡頭122。反射訊號SB以相同於光訊號SA的出射角度θ入射於影像感測鏡頭122，並於影像感測元件121形成物體130之影像，影像之成像高度h1與影像感測鏡頭122之焦距f的比值(h1/f)正比於sinθ，或可簡稱為，影像感測鏡頭122為一sinθ鏡頭，亦即，物體130在影像感測元件121上之成像高度h1與sinθ成正比。
影像感測模組120以時間感測(Time of Flight；TOF)技術，計算出物體130與影像感測鏡頭122之間的景深資訊。
本實施例僅採用一光源模組110與一影像感測模組120，然除此之外，亦可採用複數個光源模組為與複數個影像感測模組。
本發明將光訊號SA的強度分布設計為I1=1/cos7θ，經由物體130反射後再由影像感測元件121所接收到的訊號強度為：(1/cos7θ)×(cos7θ)=1
此時影像感測元件121接收來自物體130邊緣和物體130中心反射訊號SB的照度和入射角度θ無關，因此就可以提高所接收到的訊號靈敏度，以光源晶片111為±30度之出射角度而言， 1/cos7θ的強度分布曲線，如圖2所示，中心強度約為邊緣強度的36.5%。
其次，如圖1所示，本發明將物體130在影像感測元件121上成像的高度降為h1，但影像感測鏡頭122的焦距f不變，而兩者之間的關係變為：h1/f=sinθ
以時間感測(Time of Flight；TOF)技術計算：(z/cosθ)×(h1/f)=(z/cosθ)×sinθ=z×tanθ=H
因此可以計算出物體130相對於影像感測鏡頭122正確的橫向距離H，進而提高影像感測元件121計算景深資訊的精確度。
另外，也可將鏡頭設計成具有以下的關係式：(h1/f)=A×sinθ
其中，A為任意整數，因此可以計算出物體130相對於影像感測鏡頭122的橫向距離H為：(z/cosθ)×(h1/f)=(z/cosθ)×A×sinθ=A×H
則也可以得出正確的橫向距離H：H=z'×(h1/f)×(1/A)
基於前述推導公式，針對光源模組進行設計，使其能產生強度分布近似於1/cos7θ的光訊號。
請參閱圖3所示本發明之光源模組之一實施例結構。在光源模組100中，光源晶片111係封裝於光源鏡頭112內，可使用折射率為1.41的矽膠材料進行封裝。光源晶片111所發出之光訊號SA的出射角度θ之出射範圍為-30°≦θ≦30°。光源晶片111的一寬度和一高度分別為d2和h2，光源鏡頭112包括一球體部分1121和一柱狀部分1122。球體部分1121係為曲率半徑不同之一第一圓弧(圖3標示R1處)與一第二圓弧(圖3標示R2處)的連線，並繞著通過光源晶片111之中心點的法線LC旋轉360度而形成的立體形狀，第一圓弧之曲率半徑為R1，第二圓弧之曲率半徑為R2，柱狀部分的高度為H2，第一圓弧以最高點為起點向外圍一1/4圓弧，第一圓弧之最高點位置與第二圓弧之最低點位置的水平距離為 L，柱狀部分1122的頂部與球體部分1121的底部相連接，且具有以下的關係式：R1≧d2，R2≦d2，h2≦H2，0.66≦L/d2≦1.73，0.01≦R2/R1≦0.5。
請參閱圖4至圖6所示，當使用折射率為1.41的矽膠材料封裝，R1、R2、h2分別為3.5mm、0.3mm、0.5mm，分析L/d2、R2/R1與發光強度(亦即上述光訊號SA之強度分布I1與光訊號SA的出射角度θ之關係，I1=1/cos7θ)的關係。
如圖4所示，當L/d2為1.13時，其光線通過鏡頭的強度分布很接近1/cos7θ的強度分布，以±30度出光角度而言，中心強度約為邊緣強度的36.5%，而當L/d2為1.73和0.66時，其光線通過鏡頭的強度分布較遠離1/cos7θ的強度分布，但仍屬可接受的範圍，以±30度出光角度而言，中心強度約為邊緣強度的57.4%與37.3%。根據圖4的結果，另外固定L/d2為1.13時，分析R2/R1和光線通過鏡頭的強度分布的關係，模擬的結果如圖5所示，當R2/R1為0.09和0.01時，其光線通過鏡頭的強度分布很接近1/cos7θ的強度分布，而當R2/R1為0.50時，其光線通過鏡頭的強度分布較遠離1/cos7θ的強度分布，但仍屬可接受的範圍。根據圖4與圖5，當L/d2和R2/R1分別為1.13和0.09時，其光線通過鏡頭的強度分布如圖6所示，可以發現當光線角度為-30°≦θ≦30°時，其強度分布很接近1/cos7θ的強度分布，而當光線角度為θ<-30°或30°<θ時，其強度分布逐漸下降，考慮有效光的發散角度為-30°≦θ≦30°，如此的設計可節省無效光能量的損耗。
基於前述推導公式，針對紅外線影像感測鏡頭進行設計，使其光偏折近似於sin θ。
在本實施例中，紅外線影像感測鏡頭122包含二片非球面透鏡，如圖7所示；設計紅外線影像感測鏡頭122的視角為±30度，而優化後的結構參數，如下表1所示：
紅外線影像感測鏡頭122中的二非球面透鏡，其各表面亦符合一般非球面公式，如圖7所示的實施例中，二片非球面透鏡的係數，如下表2所示：
表2鏡頭的相對孔徑(f-number)與等效焦距f分別為2.4與2.91mm，鏡頭成像高度和等效焦距比值h1/f的關係圖，如圖8所示；可以發現設計的結果符合sin θ鏡頭的設計。
綜上所述，本發明所提供之影像測距系統，採用至少一光源模組與至少一影像感測模組，以時間感測技術量測物體與鏡頭之間的距離，尤其，光訊號SA之強度分布I1與光訊號SA的出射角度θ之關係為I1=1/cos7θ，影像之成像高度h1與影像感測鏡頭之焦距f的比值(h1/f)正比於sinθ，θ亦為反射訊號入射影像感測鏡頭之角度，藉此優化光源鏡頭與影像感測鏡頭，以提高影像感測元件感光的敏感度並提高立體測距的精確度，而不需要多個鏡頭來進行景深資訊的校正。
惟以上所述之具體實施例，僅係用於例釋本發明之特點及功效，而非用於限定本發明之可實施範疇，於未脫離本發明上揭之精神與技術範疇下，任何運用本發明所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。
100‧‧‧影像測距系統
110‧‧‧光源模組
111‧‧‧光源晶片
112‧‧‧光源鏡頭
120‧‧‧影像感測模組
121‧‧‧影像感測元件
122‧‧‧影像感測鏡頭
130‧‧‧物體
f‧‧‧焦距
h1‧‧‧成像高度
H1‧‧‧橫向距離
SA‧‧‧光訊號
SB‧‧‧反射訊號
z、z'‧‧‧距離
θ‧‧‧角度

Claims (10)

  1. 一種影像測距系統，適於偵測一物體的立體景深資訊，該影像測距系統包含：至少一光源模組，包括一光源晶片與一光源鏡頭，該光源晶片發射一光訊號，該光訊號通過該光源鏡頭而後射向該物體，並由該物體反射產生一反射訊號，該光訊號通過該光源鏡頭之強度分布I1與該光訊號的一出射角度θ之關係為：I1=1/cos7θ；以及至少一影像感測模組，包括一影像感測元件與一影像感測鏡頭，該反射訊號以相同於該光訊號的該出射角度θ入射於該影像感測鏡頭，並於該影像感測元件形成該物體之一影像，該影像之成像高度h1與該影像感測鏡頭之焦距f的比值(h1/f)正比於sinθ。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之影像測距系統，其中該光源晶片為雷射晶片或發光二極體晶片。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之影像測距系統，其中該光訊號為紅外線、可見光或UV光其中之一。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之影像測距系統，其中該光訊號之波長範圍為700-1400nm。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之影像測距系統，其中該光訊號為單一脈衝訊號、短脈衝訊號或是連續脈衝訊號其中之一。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之影像測距系統，其中該光源晶片係封裝於該光源鏡頭內，該光源鏡頭包括一球體部分和一柱狀部分，該球體部分係為曲率半徑不同之一第一圓弧與一第二圓弧的連線，並繞著通過該光源晶片之中心點的法線旋轉360度而形成的立體形狀，該第一圓弧以最高點為起點向外圍一1/4圓弧，該柱狀部分的頂部與該球體部分的底部相連接。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之影像測距系統，其中該光源晶片的一寬度和一高度分別為d2和h2，該第一圓弧之曲率半徑為R1，該第二圓弧之曲率半徑為R2，該柱狀部分的高度為H2， 該第一圓弧之最高點位置與該第二圓弧之最低點位置的水平距離為L，且具有以下的關係式：R1≧d2，R2≦d2，h≦H2，0.66≦L/d2≦1.73，0.01≦R2/R1≦0.50。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之影像測距系統，其中該光訊號的出射角度θ之出射範圍為-30°≦θ≦30°。
  9. 一種光源模組，其包含：一光源晶片，用以發射一光訊號；以及一光源鏡頭，該光訊號通過該光源鏡頭而後射向一物體，並由該物體反射產生一反射訊號，該光訊號之強度分布I1與該光訊號的一出射角度θ之關係為：I1=1/cos7θ。
  10. 一種影像感測模組，其包含：一影像感測元件，用以使一物體成像於其上；以及一影像感測鏡頭，提供一反射訊號入射該影像感測鏡頭，該反射訊號係由該物體反射一光訊號而產生，該反射訊號以一入射角度θ入射該影像感測鏡頭，並於該影像感測元件形成該物體之一影像，該影像之成像高度h1與該影像感測鏡頭之焦距f的比值(h1/f)正比於sinθ。
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