TWI625538B - 非接觸式光學感測裝置及感測三維空間之物件深度位置的方法 - Google Patents

Abstract

本發明為一種非接觸式光學感測裝置及其感測方法，係於同一周期時間內，分別執行飛行時間感測程序及近接感測程序，再將兩程序所獲得的資訊結合運算後，取得待測物件之深度位置資訊，結合飛行時間感測程序之結果準確度較高，再配合近接感測程序之結果解析度較高的特性，使得所獲得的待測物件之深度位置資訊更為精確。

Description

非接觸式光學感測裝置及感測三維空間之物件深度位置的方法

本發明主要為一種光學感測裝置，係與利用非接觸式的光學感測裝置來對三維空間中物件加以感測其深度位置之技術領域相關。

隨著科技的進步，電子產品日新月異，對電子產品的輸入方式也隨之進步。由傳統式的實體按鍵輸入，演進到虛擬的觸控面板輸入，近期更發展出非接觸式的輸入方式，使用者無須接觸電子裝置，電子裝置透過非接觸式的感測器來偵測使用者於空中操作的手勢，加以辨識後執行相對應的指令。尤其對於具有擴增實境（Augmented Reality, AR）功能的設備而言，使用非接觸式的輸入可使得輸入更加直覺化，使用上可更加便利。現有的非接觸式感測方法主要包含兩種，一為近接感測（Proximity-Sensing），另一為飛行時間感測（Time-Of-Flight Sensing）。

近接感測係利用光學元件照射光到物件後，所產生的反射光之能量大小來判斷物件深度，但光的能量可能因物件的顏色不同而使得被吸收的光能量不同，使得位於相同位置的不同物件被判斷為不同深度，例如使用者手指上配戴金屬飾品，可能因金屬飾品的吸光程度與手指不同，而使得金屬飾品可能被判斷為深度較淺或深度較深，因此，近接感測容易導致物件深度誤判的情形。

飛行時間感測係利用光學元件照射光到物件後，所產生的反射光被接收時，光線發射與接收之間的時間差來判斷物件深度，由於光速不會因物件吸收能量的大小而有所差異，因此飛行時間感測所測得的物件深度較為準確。

然而，利用飛行時間感測所測得的物件深度之可靠度相較於利用近接感測所測得的物件深度之可靠度而言，誤差範圍較大，請參閱以下公式：

飛行時間感測係以不同相位時所測得的資訊加以計算，而計算所得的物件深度位置d之誤差範圍δd，其計算公式與關係如下：在飛行時間感測時的卜瓦松分佈（Poisson distribution）為：而深度位置的不可靠度則為：其中其中N₀ 與N₉₀ 分別代表在0度相位與90度相位時的光子數量，故在飛行時間感測下，其深度位置的不可靠度與光子數量之間呈現非線性的關係。

相對來說，近接感測係以所測得的反射光能量來加以計算物件深度位置，其計算公式與關係如下：則在近接感測時的卜瓦松分佈（Poisson distribution）為：而深度位置的不可靠度則為：故在近接感測下，其深度位置的不可靠度與光子數量之間呈現線性的關係，且近接感測之不可靠度小於飛行時間感測之不可靠度。

因此，由於訊雜比（Signal-to-Noise Ration, SNR）與不可靠度呈反比，故進而得知飛行時間感測的訊雜比小於近接感測的訊雜比，意味著飛行時間感測所測得的深度結果之誤差範圍大於近接感測所測得的深度結果之誤差範圍，例如飛行時間感測之誤差範圍若為0.02，則近接感測之誤差範圍可能為0.005，故使用近接感測的解析度將高於使用飛行時間感測的解析度。

有鑑於此，本發明係欲解決分別使用現有技術中兩種不同非接觸式感測方法所各自產生的缺點。

為達到上述之發明目的，本發明係創作了一種感測三維空間之物件深度位置的方法，係包括： 於單一周期時間內，分別執行一飛行時間感測程序及一近接感測程序，其中該飛行時間感測程序係以所發射的光線之發射時間與接收反射光之接收時間的時間差來獲得物件深度位置之第一資訊，該近接感測程序係以所接收到反射光的強度來獲得物件深度位置之第二資訊； 依據該第一資訊及該第二資訊進行運算後判斷一物件深度位置。

進一步而言，本發明係創作了一種非接觸式光學感測裝置，其中包括： 至少一發光單元，係發射光線至一待測物件； 一光電元件，係接收該待測物件之反射光； 一第一開關元件，係耦接至該光電元件； 一第二開關元件，係耦接至該光電元件；及 一控制單元，係分別電連接於所述發光單元、該光電元件、該第一開關元件、及該第二開關元件，藉由控制該第一開關元件與該第二開關元件以獲得該光電元件之輸出，其中該第一開關元件與該第二開關元件不同時導通； 其中該控制單元於單一周期時間內，分別執行該飛行時間感測程序及該近接感測程序，其中： 該飛行時間感測程序係以所述發光單元所發射的光線之發射時間與該光電元件所接收反射光之接收時間的時間差所產生的第一感測訊號，透過該第一開關元件與該第二開關元件來接收該第一感測訊號來獲得該待測物件深度位置的第一資訊； 該近接感測程序係以該光電元件所接收到反射光的強度所產生的第二感測訊號，透過該第一開關元件與該第二開關元件來接收該第二感測訊號來判斷該待測物件深度位置的第二資訊； 該控制單元依據該第一資訊及該第二資訊進行運算後判斷該待測物件深度位置。

本發明的優點在於，藉由在同一周期時間內分別執行飛行時間感測程序及近接感測程序，則可獲得兩種不同感測方法所偵測出的物件深度位置，進而經由運算後獲得物件深度位置，以利用飛行時間感測的高準確性來彌補近接感測的低準確性，並利用近接感測的高解析度來彌補飛行時間感測的低解析度，因此，本發明可更加準確的判斷三維空間中非接觸物件的深度位置。

以下配合圖式及本發明之實施例，進一步闡述本發明為達成預定發明目的所採取的技術手段。

請參閱圖1及圖2A所示，本發明之非接觸式光學感測裝置10應用於電子裝置20中，該非接觸式光學感測裝置10包含有一發光單元11、一光電元件12、一第一開關元件13、一第二開關元件14、及一控制單元15。

所述之發光單元11將光線發射至待測物件上，該發光單元11可包含有一個或一個以上的發光二極體（LED）。在一實施例中（如圖2B及2C所示），本發明可包含有一第一發光單元111及一第二發光單元112；在一實施例中（如圖2A所示），本發明包含有單一發光單元11，即第一發光單元與第二發光單元為同一發光單元。

所述光電元件12係用以接收該待測物件之反射光，該反射光係源自於該發光單元11所發射至該待測物件上所產生的反射光，該光電元件12可為光電閘（photogate）型或光電二極體（photodiode）型。該光電元件12接收反射光後，轉換為對應的電子，進而產生對應的訊號。

請參閱圖2A及圖3所示，所述第一開關元件13及第二開關元件14分別耦接至該光電元件12，用以傳送該光電元件12之訊號至該控制單元15。在一實施例中，第一開關元件13包含一第一傳遞閘極TX1，第二開關元件14包含一第二傳遞閘極TX2，第一開關元件13連接至一第一電荷儲存中繼點FD1，第二開關元件14連接至一第二電荷儲存中繼點FD2。

所述控制單元15分別電連接於該發光單元11、該光電元件12、該第一開關元件13、及該第二開關元件14，該控制單元15用以分別控制該發光單元11之啟閉、該光電元件12之電位、該第一開關元件13及該第二開關元件14之啟閉，並經由切換第一開關元件13及第二開關元件14來獲得之該光電元件12的訊號。

請參閱圖2B、圖2C、圖4A及圖5A所示，本發明於實施時，控制單元15於單一周期時間內，分別執行一飛行時間感測程序TOF及一近接感測程序PS，該控制單元15係以控制訊號分別控制該第一發光單元111、該第二發光單元112、該第一開關元件13及該第二開關元件14，該控制單元15藉由控制該第一開關元件13及該第二開關元件14以獲得該光電元件12之輸出，而執行該飛行時間感測程序TOF之控制訊號的頻率與執行該近接感測程序PS之控制訊號的頻率相異。該飛行時間感測程序TOF係以該第一發光單元111所發射的光線之發射時間與該光電元件12所接收反射光之接收時間的時間差來獲得該待測物件深度位置的第一資訊；該近接感測程序PS係以該光電元件12所接收到對應於該第二發光單元112之反射光的強度來獲得該待測物件深度位置的第二資訊；該控制單元15依據該第一資訊及該第二資訊進行運算後判斷該待測物件深度位置。

請參閱圖2B、圖4A及圖4B所示，在一實施例中，先執行該飛行時間感測程序TOF，再執行該近接感測程序PS，且執行該飛行時間感測程序TOF的時間相同於執行該近接感測程序PS的時間。請參閱圖2C、圖5A及圖5B所示，在另一實施例中，先執行該近接感測程序PS，再執行該飛行時間感測程序TOF。

請參閱圖2B、圖4B、圖5B所示，於執行該飛行時間感測程序TOF時，該控制單元15控制該光電元件12開啟，該控制單元15以一第一控制訊號S₁ 控制該第一發光單元111，並以一第二控制訊號S₂ 控制該第一開關元件13，以一第三控制訊號S₃ 控制該第二開關元件14，該第一控制訊號S₁ 之頻率為第一發光頻率，該第二及第三控制訊號S₂ 、S₃ 之頻率為第一取樣頻率，第一發光頻率與第一取樣頻率相同。在一實施例中，當第一發光單元111開啟時，第一開關元件13同時導通，而第二開關元件14延時導通，具體而言，該第二與第三控制訊號S₂ 、S₃ 具有相位差，例如90度、180度、270度，如圖4B及5B所示為90度，進一步而言，該第一控制訊號S₁ 與該第二控制訊號S₂ 之相位可為相同，或該第一控制訊號S₁ 與該第三控制訊號S₃ 之相位可為相同。在一實施例中，該第二控制訊號S₂ 係施加於該第一傳遞閘極TX1、該第三控制訊號S₃ 係施加於該第二傳遞閘極TX2。

請參閱圖2C、圖4B、圖5B所示，於執行該近接感測程序PS時，該控制單元15控制該光電元件12開啟，該控制單元15以一第四控制訊號S₄ 控制該第二發光單元112，並以一第五控制訊號S₅ 控制該第一開關元件13，以一第六控制訊號S₆ 控制該第二開關元件14，該第四控制訊號S₄ 之頻率為第二發光頻率，該第五及第六控制訊號S₅ 、S₆ 之頻率為第二取樣頻率，第二發光頻率與第二取樣頻率相同，但該飛行時間感測程序TOF之第一取樣頻率大於該近接感測程序之第二取樣頻率。在一實施例中，當第二發光單元112開啟時，第一開關元件13同時導通，而第二開關元件14延時導通，具體而言，該第五與第六控制訊號S₅ 、S₆ 之間具有相位差，例如90度、180度、270度，如圖4B及5B所示為180度，進一步而言，該第四控制訊號S₄ 與該第五控制訊號S₅ 之相位可為相同，或該第四控制訊號S₄ 與該第六控制訊號S₆ 之相位可為相同。在一實施例中，該第五控制訊號S₅ 係施加於該第一傳遞閘極TX1、該第六控制訊號S₆ 係施加於該第二傳遞閘極TX2。

再者，執行該飛行時間感測程序TOF的時間可長於執行該近接感測程序PS的時間（如圖6所示）；或執行該飛行時間感測程序TOF的時間可短於執行該近接感測程序PS的時間（如圖7所示）。

進一步而言，該控制單元15依據第一資訊及該第二資訊進行運算後判斷該待測物件深度位置，其運算方式可包含以下兩種（但不限於此）：

1. 請參閱圖8所示，該控制單元15將第一資訊及第二資訊，分別乘上不同的權重參數（a、b）後，再加以計算來獲得該待測物件之深度位置。在一實施例中，a=b=0.5，第一資訊及第二資訊分別乘上0.5後再相加以獲得該待測物件之深度位置。

2. 請參閱圖9所示，該控制單元15先依據執行該飛行時間感測程序TOF所獲得之該第一資訊，來獲得出待測物件的初步位置，再執行該近接感測程序PS來獲得該第二資訊，並依據該第二資訊來對該所獲得之待測物件的初步位置進行進行修正補償，以獲得該待測物件之深度位置。如此一來，可利用低解析度但偵測到物體的絕對深度資料之第一資訊來獲得初步位置，接著再利用高解析度的該第二資訊來修正該初步位置以獲得該待測物件之深度位置。在一實施例中，執行飛行時間感測程序TOF及近接感測程序PS的順序可對調。在一實施例中，請參閱圖10所示，係於一周期時間內，執行一次飛行時間感測程序TOF獲得初步深度位置為(z₁ )，執行兩次近接感測程序PS來獲得兩組輔助判斷深度位置分別為(z'₁₁ )及(z'₁₂ )，將輔助判斷深度位置相減後獲得Δz'₁ （Δz'₁ = z'₁₂ -z'₁₁ ），而以Δz'₁ 來修正補償z₁ ，則所獲得的待測物件之深度位置為(z₁ +Δz'₁ )。在另一實施例中，請參閱圖11所示，係於一周期時間內，執行一次飛行時間感測程序TOF及一次近接感測程序PS，並以前後相鄰的兩個周期時間所獲得的資訊相互比較，以獲得初步深度位置(z₁ )及輔助判斷深度位置(z'₁₁ )及(z'₁₂ )，而同樣將輔助判斷深度位置相減後獲得Δz'₁ （Δz'₁ = z'₁₂ -z'₁₁ ），而以Δz'₁ 來修正補償z₁ ，則所獲得的待測物件之深度位置為(z₁ +Δz'₁ )。

因此，本發明藉由在同一周期時間下分別執行具有高準確度的飛行時間感測程序TOF及具有高解析度的近接感測程序PS，而可同時獲得兩種不同非接觸式感測程序對待測物件所偵測到的深度位置資訊，並經由運算後獲得待測物件之深度位置，則本發明係兼具高準確度與高解析度，而可準確的判斷物件深度位置。

以上所述僅是本發明的實施例而已，並非對本發明做任何形式上的限制，雖然本發明已以實施例揭露如上，然而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，在不脫離本發明技術方案的範圍內，當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。

10‧‧‧非接觸式光學感測裝置
11‧‧‧發光單元
111‧‧‧第一發光單元
112‧‧‧第二發光單元
12‧‧‧光電元件
13‧‧‧第一開關元件
14‧‧‧第二開關元件
15‧‧‧控制單元
20‧‧‧電子裝置
S₁‧‧‧第一控制訊號
S₂‧‧‧第二控制訊號
S₃‧‧‧第三控制訊號
S₄‧‧‧第四控制訊號
S₅‧‧‧第五控制訊號
S₆‧‧‧第六控制訊號

圖1為本發明之非接觸式光學感測裝置設置於電子裝置的示意圖。 圖2A為本發明之非接觸式光學感測裝置的方塊示意圖。 圖2B為本發明之非接觸式光學感測裝置在執行TOF下的方塊及訊號示意圖。 圖2C為本發明之非接觸式光學感測裝置在執行PS下的方塊及訊號示意圖。 圖3為本發明之光電元件、第一開關元件與第二開關元件的電路示意圖。 圖4A為本發明之感測方法的第一實施例之流程圖。 圖4B為本發明之感測方法的第一實施例之時相圖。 圖5A為本發明之感測方法的第二實施例之流程圖。 圖5B為本發明之感測方法的第二實施例之時相圖。 圖6為本發明之感測方法的第三實施例之時相圖。 圖7為本發明之感測方法的第四實施例之時相圖。 圖8為本發明之感測方法中運算物件深度位置的第一實施態樣流程圖。 圖9為本發明之感測方法中運算物件深度位置的第二實施態樣流程圖。 圖10為圖9之第一種具體實施例示意圖。 圖11為圖9之第二種具體實施例示意圖。

Claims (9)

1. 一種感測三維空間之物件深度位置的方法，係包括：a.執行一飛行時間感測程序，係以一第一發光頻率來發射光線，並以所發射的光線之發射時間與接收反射光之接收時間的時間差來獲得物件深度位置之第一資訊，其中係以一第一取樣頻率來獲得該第一資訊，該第一取樣頻率與該第一發光頻率相同；b.執行一近接感測程序，係以一第二發光頻率來發射光線，所發射的光線之反射後，並以所接收到反射光的強度來獲得物件深度位置之第二資訊，其中係以一第二取樣頻率來獲得該第二資訊，該第二取樣頻率與該第二發光頻率相同，且該第一取樣頻率大於該第二取樣頻率；c.依據該第一資訊及該第二資訊進行運算後判斷一物件深度位置。
2. 如請求項1所述之感測三維空間之物件深度位置的方法，其中於單一周期時間內執行一次步驟a及一次步驟b，再執行步驟c。
3. 如請求項1所述之感測三維空間之物件深度位置的方法，其中於單一周期時間內，執行一次步驟a及兩次步驟b後，再執行步驟c。
4. 如請求項3所述之感測三維空間之物件深度位置的方法，其中於步驟c中，係先依據該第一資訊計算出物件的初步深度位置，再將執行兩次步驟b所分別獲得之第二資訊相減後，再以該相減後的結果對該物件的初步深度位置進行修正補償，以獲得該物件深度位置。
5. 如請求項1所述之感測三維空間之物件深度位置的方法，其中各周期時間內，分別執行一次步驟a及一次步驟b，並運用相鄰周期時間所獲得之第一資訊及第二資訊來執行步驟c。
6. 如請求項5所述之感測三維空間之物件深度位置的方法，其中於步驟c中係先依據相鄰周期時間所分別獲得之第一資訊來取得物件的初步深度 位置，再將相鄰周期時間所分別獲得之第二資訊相減後，再以該相減後的結果對該物件的初步深度位置進行修正補償，以獲得該物件深度位置。
7. 如請求項1或2所述之感測三維空間之物件深度位置的方法，其中於獲得該第一資訊後，先依據該第一資訊計算出物件的初步深度位置，再執行近接感測程序來獲得該第二資訊，接著利用該第二資訊對該物件的初步深度位置進行修正補償，以獲得該物件深度位置。
8. 如請求項1或2所述之感測三維空間之物件深度位置的方法，其中係將該第一資訊及第二資訊分別乘上不同權重參數後，再加以計算來獲得該物件深度位置。
9. 一種非接觸式光學感測裝置，其中包括：至少一發光單元，係發射光線至一待測物件；一光電元件，係接收該待測物件之反射光；及一控制單元，係分別電連接於所述發光單元及該光電元件，其中該控制單元執行以下步驟：a.執行一飛行時間感測程序，係以一第一發光頻率來發射光線，並以所發射的光線之發射時間與接收反射光之接收時間的時間差來獲得物件深度位置之第一資訊，其中係以一第一取樣頻率來獲得該第一資訊，該第一取樣頻率與該第一發光頻率相同；b.執行一近接感測程序，係以一第二發光頻率來發射光線，所發射的光線之反射後，並以所接收到反射光的強度來獲得物件深度位置之第二資訊，其中係以一第二取樣頻率來獲得該第二資訊，該第二取樣頻率與該第二發光頻率相同，且該第一取樣頻率大於該第二取樣頻率；c.依據該第一資訊及該第二資訊進行運算後判斷一物件深度位置。