TWI615597B

TWI615597B - 測距裝置以及測距方法

Info

Publication number: TWI615597B
Application number: TW106102053A
Authority: TW
Inventors: 陳建名
Original assignee: 瑞柯科技股份有限公司
Priority date: 2017-01-20
Filing date: 2017-01-20
Publication date: 2018-02-21
Also published as: US20180211408A1; CN206601122U; TW201827786A; JP2018116038A; DE102017116377A1; CN108332709A

Abstract

一種測距裝置，包括鏡頭模組、至少一光學功能元件、影像感測元件以及處理器。鏡頭模組具有視角以及中心點，並接收來自待測物的主影像光以及輔助影像光。至少一光學功能元件配置於鏡頭模組的視角內。主影像光在影像感測元件上形成主影像，且輔助影像光透過至少一光學功能元件對應在影像感測元件上形成至少一輔助影像。處理器電性連接於影像感測元件。處理器根據主影像以及至少一輔助影像的成像位置決定待測物至中心點的距離。

Description

測距裝置以及測距方法

本發明是有關於一種測距裝置以及測距方法。

在一般的生活中，使用者經常需要判斷物體與自身的距離。通常，使用者係以目測方式來判斷。但是，以目測方式的精確度低，在許多的情況下並不能滿足人們的需求。在習知技術中，超音波測距儀是一種量測物體與自身距離的儀器。超音波測距儀的原理大致係為：超音波測距儀對物體發出音波，物體反射音波回超音波測距儀。接著，超音波測距儀測量發出音波以及接收到反射音波兩者的時間差，並將此時間差乘以音波在介質中的速度且除以二。據此，能夠精準地量測物體與自身的距離。然而，透過超音波測距儀來測量距離的方式卻無法得知回波方向。

於習知技術中，透過鏡頭測量距離亦是屬於常見的技術手段。舉例來說，一種透過鏡頭測量距離的方式例如是透過雙鏡頭來測量距離，其原理主要是模擬人眼對受測物的角度差異來判讀對受測物的距離。然而，透過雙鏡頭測量距離的方式則需使用較多的攝影機（兩個或兩個以上的攝影機），造成整體的成本提高。同時，後續的修復成本也較高。此外，透過雙鏡頭測量距離的方式也必須對這些攝影機的差異進行校正或配對，量測距離所需要花費的時間較多。

另一種透過鏡頭測量距離的方式例如是透過單鏡頭來測量距離，其主要原理例如是透過單鏡頭對受測物進行調焦。當受測物成像最清晰時，焦距調整的變化值可以換算為距離。然而，透過單鏡頭測量距離的方式則需要使用可變焦鏡頭，可變焦鏡頭的成本極為高昂。此外，對焦時間會因對焦系統軟硬體之間的差異有極大差距，在不安定的環境使用會增加對焦時間及減損結構壽命。因此，如何解決上述問題，係為本領域的技術人員努力的方向。

本發明提供一種測距裝置，其結構簡單、攜帶方便，並且能夠精準量測待測物至測距裝置的距離。

本發明提供一種測距方法，其能夠精準量測待測物至測距裝置的距離。

本發明的一實施例提出一種測距裝置，包括鏡頭模組、至少一光學功能元件、影像感測元件以及處理器。鏡頭模組具有視角以及中心點，並接收來自待測物的主影像光以及輔助影像光。至少一光學功能元件配置於鏡頭模組的視角內。主影像光在影像感測元件上形成主影像，且輔助影像光透過至少一光學功能元件對應在影像感測元件上形成至少一輔助影像。處理器電性連接於影像感測元件。處理器根據主影像以及至少一輔助影像的成像位置決定待測物至中心點的距離。

本發明的一實施例提出一種測距方法，包括提供鏡頭模組。鏡頭模組具有視角以及中心點，且鏡頭模組用以接收待測物的主影像光以及輔助影像光。配置至少一光學功能元件於鏡頭模組的視角內。提供影像感測元件。主影像光在影像感測元件上形成主影像，且輔助影像光透過至少一光學功能元件在影像感測元件上形成至少一輔助影像。依據主影像與輔助影像的成像位置決定待測物與中心點的距離。

在本發明的一實施例中，上述的至少一光學功能元件為多個光學功能元件，且至少一輔助影像為多個輔助影像。

在本發明的一實施例中，上述的處理器根據主影像以及至少一輔助影像的成像位置以及鏡頭模組與至少一光學功能元件之間的配置關係來決定至少一特徵三角形。處理器根據至少一特徵三角形決定待測物至中心點的距離。

在本發明的一實施例中，上述的至少一光學功能元件在鏡頭模組的視角中定義出多個角度。這些角度包括主角度以及至少一輔助角度。待測物位於主角度的範圍內，且一光學功能元件位於一輔助角度的範圍內。輔助角度根據對應於在輔助角度內的光學功能元件鏡射形成輔助取像角度，輔助取像角度與主角度重疊。

在本發明的一實施例中，上述的測距裝置更包括使用者介面。使用者介面電性連接於處理器。使用者介面用以顯示出待測物至中心點的距離。

在本發明的一實施例中，當待測物至中心點的距離小於預設距離時。使用者介面發出提醒訊號。

基於上述，在本發明實施例的測距裝置中，透過鏡頭模組以及至少一光學功能元件的設置以使待測物分別形成主影像以及至少一輔助影像，其中主影像以及至少一輔助影像成像於影像感測元件上。處理器再根據主影像以及至少一輔助影像的成像位置決定待測物與中心點的距離相對於習知技術，本發明實施例的測距裝置結構簡單、攜帶方便，並且能夠精準地量測待測物至測距裝置的距離。本發明實施例的測距方法能夠精準測量待測物至鏡頭模組的距離。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1A是依照本發明的實施例的一種測距裝置的示意圖。圖1B是繪示出圖1A中的處理器決定出特徵三角形的一種實施方式。應注意的是，為求清楚繪示，圖1B只有繪示出待測物、鏡頭模組、影像感測元件、處理器以及特徵三角形的對應關係。

請先參照圖1A，在本實施例中，測距裝置100包括鏡頭模組110、至少一光學功能元件120、影像感測元件130以及處理器140。鏡頭模組110具有視角θ以及中心點112，且鏡頭模組110例如是包括一或多個沿著光軸（未示出）排列的透鏡。在本實施例中，視角θ被定義為在外界環境中鏡頭模組110能夠接收影像的範圍。至少一光學功能元件120配置於鏡頭模組110的視角θ內。具體而言，光學功能元件120設置於視角θ內。在圖1A的測距裝置100中，光學功能元件120的數量例如是一個，但本發明並不以此為限。來自待測物OB上一點P的主影像光MIL在影像感測元件130的成像面132上形成主影像MI。來自待測物OB上的點P的輔助影像光AIL透過至少一光學功能元件120對應在影像感測元件130的成像面132上形成至少一輔助影像AI。至少一輔助影像AI的數量例如是一個，但本發明並不以此為限。具體來說，主影像光MIL直接透過鏡頭模組110在影像感測元件130上形成主影像MI。來自待測物OB的輔助影像光AIL先傳遞至光學功能元件120後，光學功能元件120改變輔助影像光AIL的光學路徑以使輔助影像光AIL經由鏡頭模組110以在影像感測元件130上形成至少一輔助影像AI。輔助影像光AIL例如是被光學功能元件120反射而改變其光學路徑。換言之，鏡頭模組110與影像感測元件130光耦合。

更詳細來說，至少一光學功能元件120在鏡頭模組110的視角θ中定義出多個角度α。這些角度包括主角度α1以及至少一輔助角度α2。具體來說，中心點112與光學功能元件120的相對兩端EN1以及EN2的連線之間的角度為輔助角度α2。在視角θ中，除了此輔助角度α2以外的角度為主角度α1。待測物OB位於主角度α1的範圍內，且一光學功能元件120位於一輔助角度α2的範圍內。輔助角度α2根據對應於在此輔助角度α2內的光學功能元件120鏡射形成輔助取像角度TA。輔助取像角度TA與主角度α1重疊。也就是說，本實施例中的測距裝置100透過光學功能元件120的設置，以使來自待測物OB的主影像光MIL以及輔助影像光AIL所分別對應形成的主影像MI以及輔助影像AI在影像感測元件130上成像。

在本實施例中，影像感測元件130例如是電荷耦合元件（Charge Coupled Device, CCD）型的影像感測器或者是互補式金屬氧化半導體（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS）型的影像感測器，本發明並不以此為限。

在本實施例中，光學功能元件120例如是反射器（Reflector），在其他的實施例中，光學功能元件120例如是折射器（Refractor），光學功能元件120用以改變來自待測物OB的影像光的傳遞路徑，且用以使待測物OB形成輔助影像AI。因此，只要是能夠使主影像光MIL以及輔助影像光AIL所分別對應形成的主影像MI以及輔助影像AI形成於影像感測元件130上的光學功能元件120的種類都是落在本發明的範圍之內，光學功能元件120並不以反射器或者是折射器為限。

請再參照圖1A，在本實施例中，處理器140與影像感測元件130電性連接。處理器140根據主影像MI以及至少一輔助影像AI的成像位置決定待測物OB至中心點112的距離。於以下的段落中會詳細地說明處理器140如何決定待測物OB與中心點112的距離。

在本實施例中，由於主影像MI以及至少一輔助影像AI成像於影像感測元件130，光學功能元件120與鏡頭模組110的位置配置關係是固定的。請參照圖1B，光學功能元件120與鏡頭模組110的位置配置關係例如是：光學功能元件120的延伸線124穿過鏡頭模組110的長軸114垂直並交於一點H。但在其他的實施範例中，光學功能元件120的延伸線124也可以是不與長軸114垂直，本發明並不以此為限。點H至中心點112的距離令為X。也就是說，X值是已知且固定的。處理器140依據主影像MI以及至少一輔助影像AI的成像位置以及鏡頭模組110與至少一光學功能元件120之間的配置關係來決定至少一特徵三角形T。具體來說，處理器140得知主影像MI以及至少一輔助影像AI的成像位置後，再以這些成像位置為起點分別往鏡頭模組110的中心點112做延伸線以構成特徵三角形T1的兩邊E1、E2，而兩邊E1、E2所夾的角度為180-θ1-θ2。特徵三角形T1的邊E1例如是中心點112至光學功能元件120的表面的點122。特徵三角形T1的邊E2例如是中心點112至待測物OB表面的點P。邊E1的長度如下方的方程式所示：

根據三角測距法，可以得知邊E2的長度如下方的方程式所示：

在本實施例中，處理器140例如是透過上述的計算方式來計算出邊E2的長度。如此一來，處理器140透過計算特徵三角形T的邊E2的長度來決定中心點112至待測物OB的距離。

值得一提的是，在本實施例中，測距裝置100更包括使用者介面150。使用者介面150電性連接於處理器140。使用者介面150例如是具有影音功能的顯示器。使用者介面150用以顯示待測物OB至中心點112的距離。在一種情況下，當待測物OB至中心點112的距離小於預設距離時，使用者介面150發出提醒訊號以通知使用者距離過近（即距離提示）。在本實施例中，提醒訊號例如是警報聲或警示訊號。在其他的實施例中，使用者介面150利用待測物OB至中心點112的距離的結果，可以衍生出如遠距物件量測等各種應用，本發明並不以此為限。

此外，在本實施例中，測距裝置100透過影像感測元件130在不同時點的所感測的主影像MI以及輔助影像AI，以決定出在各個時點下待測物OB至中心點112的距離，並且處理器140可根據在各個時點下待測物OB至中心點112的距離以及時點與時點之間的時間差計算出待測物OB對測距裝置100的相對速度。

承上述，在本實施例的測距裝置100中，透過鏡頭模組110以及至少一光學功能元件120的設置以使待測物OB分別形成主影像MI以及至少一輔助影像AI，其中主影像MI以及至少一輔助影像AI成像於影像感測元件130上。處理器140再根據主影像MI以及至少一輔助影像AI的成像位置決定待測物OB與中心點112的距離。相對於習知技術中的超音波測距儀，本實施例的測距裝置100結構簡單、攜帶方便，並且能夠精準地量測待測物OB至測距裝置100的距離。並且，相對於習知技術中透過雙鏡頭測量距離的技術手段，本實施例的測距裝置100也避免使用較多的鏡頭以及較多的攝影機，因此本實施例的測距裝置100生產成本較低，同時後續修復成本也較低。相對於習知技術中透過單鏡頭測量距離的技術手段，本實施例的測距裝置100不需調整焦距而得知距離，而不需使用較為昂貴的可變焦鏡頭，因此本實施例的測距裝置100生產成本較低。

值得一提的是，由於本實施例的測距裝置100結構簡單、攜帶方便，其能夠在多種領域中使用，舉例來說：車用測距、手機測距等領域，本發明並不以測距裝置100適用的領域為限。

在此必須說明的是，下述實施例沿用前述實施例的部分內容，省略了相同技術內容的說明，關於相同的元件名稱可以參考前述實施例的部分內容，下述實施例不再重複贅述。

圖2A是依照本發明的另一實施例的測距裝置的示意圖。圖2B以及圖2C是繪示出圖2A中的處理器決定出特徵三角形的一種實施方式。應注意的是，為求清楚繪示，圖2B以及圖2C只有繪示出待測物、鏡頭模組、影像感測元件、處理器以及特徵三角形的對應關係。

請參照圖2A至圖2C，圖2A的測距裝置100a大致類似於圖1A的測距裝置100，其主要差異在於：至少一光學功能元件120為多個光學功能元件120。至少一輔助影像AI為多個輔助影像AI。詳細來說，多個光學功能元件120的數量例如是兩個，分別為光學功能元件120a以及光學功能元件120b。多個輔助影像AI的數量例如是兩個，分別為輔助影像AI1以及輔助影像AI2。輔助角度α2根據對應於在輔助角度α2內的光學功能元件120a鏡射形成輔助取像角度TA1。輔助角度α2根據對應於在輔助角度α2內的光學功能元件120b鏡射形成輔助取像角度TA2。輔助取像角度TA1、TA2與主角度α1重疊。處理器140依據主影像AI以及這些輔助影像AI的成像位置來決定多個特徵三角形T。這些特徵三角形T的數量例如是兩個，分別為特徵三角形T1（如圖2B）以及特徵三角形T2（如圖2C）。特徵三角形T1的構成方式類似於圖1B所示出的實施例，於此不再贅述。於以下的段落會詳細地說明特徵三角形T2的構成方式。具體來說，光學功能元件120b與鏡頭模組110的位置配置關係例如是：光學功能元件120b的延伸線122穿過鏡頭模組110的長軸114垂直並交於一點H2。但在其他的實施例中，光學功能元件120b的延伸線124也可以是不與長軸114垂直，本發明並不以此為限。點H2至中心點112的距離令為Y。處理器140得知主影像MI以及這些輔助影像AI的成像位置後，再以這些成像位置為起點分別往鏡頭模組110的中心點112做延伸線以構成特徵三角形T2的兩邊E3、E4，而兩邊E3、E4所夾的角度為180-θ1-θ3。特徵三角形T2的邊E3例如是中心點112至光學功能元件120的表面的點122。特徵三角形T3的邊E4例如是中心點112至待測物OB表面的點P。邊E3的長度如下方的方程式所示：

根據三角測距法，可以得知邊E4的長度如下方的方程式所示：

在本實施例中，處理器140例如是透過上述的計算方式來計算出邊E2以及邊E4的長度。如此一來，處理器140透過計算特徵三角形T1的邊E2的長度以及特徵三角形T2的邊E4的長度來決定中心點112至待測物OB的距離。更詳細來說，處理器140將邊E2的長度以及邊E4的長度算數平均後的結果決定中心點112至待測物OB的距離。因此，本實施例的測距裝置100a透過多組的光學功能元件120的設置，可以進一步地提高量測的精度。

圖3為本發明實施例的測距方法的流程圖。請參照圖3，在步驟S100中，提供鏡頭模組110。鏡頭模組110具有一視角θ以及中心點112，且鏡頭模組110用以接收待測物OB的主影像光MI以及輔助影像光AI。

在步驟S200中，配置至少一光學功能元件120於鏡頭模組110的視角θ內。

在步驟S300中，提供影像感測元件130。主影像光ML在影像感測元件130上形成主影像MI，且輔助影像光AL透過至少一光學功能元件120在影像感測元件130上形成至少一輔助影像AI。

在步驟S400中，依據主影像MI與輔助影像AI的成像位置以及至少一特徵三角形以及至少一輔助影像AI的成像位置決定待測物OB至中心點112的距離。

綜上所述，在本發明實施例的測距裝置以及測距方法中，透過鏡頭模組以及至少一光學功能元件的設置以使待測物分別形成主影像以及至少一輔助影像，其中主影像以及至少一輔助影像成像於影像感測元件上。處理器再根據主影像以及至少一輔助影像的成像位置決定待測物與中心點的距離。更具體來說，處理器根據主影像以及至少一輔助影像的成像位置決定至少一特徵三角形。處理器再根據至少一特徵三角形決定待測物至中心點的距離。再者，在本發明實施例的測距裝置以及測距方法中，透過多個光學功能元件的設置，可以提高量測的精度。因此，相對於習知技術，本發明實施例的測距裝置結構簡單、攜帶方便，並且能夠較為精準量測待測物至鏡頭模組的中心點的距離。本發明實施例的測距方法能夠精準測量待測物至鏡頭模組的中心點的距離。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100、100a‧‧‧測距裝置

110‧‧‧鏡頭模組

112‧‧‧中心點

114‧‧‧長軸

120、120a、120b‧‧‧光學功能元件

124‧‧‧延伸線

130‧‧‧影像感測元件

132‧‧‧成像面

140‧‧‧處理器

OB‧‧‧待測物

AI、AI1、AI2‧‧‧輔助影像

AIL‧‧‧輔助影像光

EN1、EN2‧‧‧光學功能元件的相對兩端

MI‧‧‧主影像

MI‧‧‧主影像光

P、122、H‧‧‧點

T、T1、T2‧‧‧特徵三角形

X、Y‧‧‧中心點至延伸線的距離

S100、S200、S300、S400‧‧‧步驟

TA、TA1、TA2‧‧‧輔助取像角度

α‧‧‧角度

α1‧‧‧主角度

α2‧‧‧輔助角度

E1、E2、E3、E4‧‧‧邊

θ‧‧‧視角

θ1、θ2、θ3‧‧‧角度

圖1A是依照本發明的實施例的一種測距裝置的示意圖。圖1B是繪示出圖1A中的處理器決定出特徵三角形的一種實施方式。圖2A是依照本發明的另一實施例的一種測距裝置的示意圖。圖2B以及圖2C是繪示出圖2A中的處理器決定出特徵三角形的一種實施方式。圖3是依照本發明實施例的一種測距方法的流程圖。

110‧‧‧鏡頭模組

112‧‧‧中心點

114‧‧‧長軸

120‧‧‧光學功能元件

124‧‧‧延伸線

130‧‧‧影像感測元件

132‧‧‧成像面

140‧‧‧處理器

AI‧‧‧輔助影像

AIL‧‧‧輔助影像光

EN1、EN2‧‧‧光學功能元件的相對兩端

MI‧‧‧主影像

MIL‧‧‧主影像光

OB‧‧‧待測物

P、122、H‧‧‧點

T、T1‧‧‧特徵三角形

X‧‧‧中心點至延伸線的距離

E1、E2‧‧‧邊

θ‧‧‧視角

θ 1、θ 2‧‧‧角度

Claims

一種測距裝置，包括：一鏡頭模組，具有一視角以及一中心點，並接收來自一待測物的一主影像光以及一輔助影像光；至少一光學功能元件，配置於該鏡頭模組的該視角內；一影像感測元件，該主影像光在該影像感測元件上形成一主影像，且該至少一光學功能元件用以改變該輔助影像光的傳遞路徑，以使該輔助影像光被該至少一光學功能元件反射或折射而對應在該影像感測元件上形成至少一輔助影像；以及一處理器，電性連接於該影像感測元件，其中該處理器根據該主影像以及該至少一輔助影像的成像位置決定該待測物至該中心點的距離。
如申請專利範圍第1項所述的測距裝置，其中該至少一光學功能元件為多個光學功能元件，且該至少一輔助影像為多個輔助影像。
如申請專利範圍第1項所述的測距裝置，其中該處理器根據該主影像以及該至少一輔助影像的成像位置以及該鏡頭模組與該至少一光學功能元件之間的配置關係來決定至少一特徵三角形，該處理器根據該至少一特徵三角形決定該待測物至該中心點的距離。
如申請專利範圍第1項所述的測距裝置，其中該至少一光學功能元件在該鏡頭模組的該視角中定義出多個角度，該些角度包括一主角度以及至少一輔助角度，該待測物位於該主角度的範圍內，且一該光學功能元件位於一該輔助角度的範圍內，其中該輔助角度根據對應於在該輔助角度內的該光學功能元件鏡射形成一輔助取像角度，該輔助取像角度與該主角度重疊。
如申請專利範圍第1項所述的測距裝置，其中該至少一光學功能元件的種類係選自反射器以及折射器至少其中之一。
如申請專利範圍第1項所述的測距裝置，更包括一使用者介面，該使用者介面電性連接於該處理器，其中該使用者介面用以顯示出該待測物至該中心點的距離。
如申請專利範圍第6項所述的測距裝置，其中當該待測物至該中心點的距離小於一預設距離時，該使用者介面發出一提醒訊號。
一種用以決定一待測物與一鏡頭模組間距離的測距方法，包括：提供該鏡頭模組，該鏡頭模組具有一視角以及一中心點，且該鏡頭模組用以接收該待測物的一主影像光以及一輔助影像光；配置至少一光學功能元件於該鏡頭模組的該視角內；提供一影像感測元件，該主影像光在該影像感測元件上形成一主影像，且該至少一光學功能元件用以改變該輔助影像光的傳遞路徑，以使該輔助影像光被該至少一光學功能元件反射或折射而對應在該影像感測元件上形成至少一輔助影像；以及依據該主影像與該輔助影像的成像位置決定該待測物與該中心點的距離。
如申請專利範圍第8項所述的測距方法，其中該至少一光學功能元件為多個光學功能元件，且該至少一輔助影像為多個輔助影像。
如申請專利範圍第8項所述的測距方法，其中該至少一光學功能元件在該鏡頭模組的該視角中定義出多個角度，該些角度包括一主角度以及至少一輔助角度，該待測物位於該主角度的範圍內，且一該光學功能元件位於一該輔助角度的範圍內，其中該輔助角度根據對應於在該輔助角度內的該光學功能元件鏡射形成一輔助取像角度，該輔助取像角度與該主角度重疊。
如申請專利範圍第8項所述的測距方法，其中該至少一光學功能元件的種類係選自反射器以及折射器至少其中之一。
如申請專利範圍第8項所述的測距方法，更包括提供一使用者介面，且該使用者介面用以顯示出該待測物至該中心點的距離。
如申請專利範圍第12項所述的測距方法，其中當該待測物至該中心點的距離小於一預設距離時，該使用者介面發出一提醒訊號。