TWI687652B - 距離感測器（二） - Google Patents

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TWI687652B TW105114319A TW105114319A TWI687652B TW I687652 B TWI687652 B TW I687652B TW 105114319 A TW105114319 A TW 105114319A TW 105114319 A TW105114319 A TW 105114319A TW I687652 B TWI687652 B TW I687652B
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木村昭輝
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美商麥吉克艾公司
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Abstract

在一個具體實施例中，一種用於計算對物件距離的方法，包含：從複數個投射點之每一者投射複數個投射光束，其中複數個投射點設置在影像擷取裝置的鏡頭周圍，且其中複數個投射光束的至少兩個光束彼此平行；擷取視野的影像，其中物件可見於影像中，且由複數個投射光束的此至少兩個光束產生的投影圖樣亦可見於影像中；以及使用影像中的資訊計算對物件的距離。

Description

距離感測器(二)
對於相關申請案的交互參照：本申請案主張對於申請於2015年5月10日的美國臨時專利申請案第62/159,286號的利益，在此併入此申請案全文以作為參考。
本揭示內容一般而言相關於電腦視覺系統，且更特定而言相關於用於測量載具(vehicle)與空間中物件或點之間距離的感測器。
無人載具(諸如機器人載具與遙控飛機(drone))通常仰賴電腦視覺系統，以在周遭環境中進行障礙物偵測與導航。相應地，這些電腦視覺系統通常仰賴從周遭環境獲取視覺資料的各種感測器，電腦視覺系統處理這些視覺資料以收集關於周遭環境的資訊。例如，經由一或更多個成像感測器所獲取的資料，可用於判定載具至周遭環境中特定物件或點的距離。
在一個具體實施例中，一種用於計算對物件的距離的方法，方法包含以下步驟：投射步驟，從複數個投射點之每一者投射複數個投射光束，其中複數個投射點設置在影像擷取裝置的鏡頭周圍，且其中複數個投 射光束之至少兩個光束彼此平行；擷取步驟，擷取視野的影像，其中物件可見於影像中，且由複數個投射光束的至少兩個光束產生的投射圖樣亦可見於影像中；以及計算步驟，使用影像中的資訊，計算對物件的距離。
在另一具體實施例中，一種儲存複數個指令的電腦可讀取儲存裝置，指令在由處理器執行時，使處理器執行作業以計算對物件的距離。作業包含：從複數個投射點之每一者投射複數個投射光束，其中複數個投射點設置在影像擷取裝置的鏡頭周圍，且其中複數個投射光束之至少兩個光束彼此平行；擷取視野的影像，其中物件可見於影像中，且由複數個投射光束的至少兩個光束產生的投射圖樣亦可見於影像中；以及使用影像中的資訊，計算對物件的距離。
在另一具體實施例中，一種用於計算對物件的距離的方法，包含以下步驟：投射步驟，從複數個投射點之每一者投射複數個投射光束，其中複數個投射點設置在影像擷取裝置的鏡頭周圍，且其中複數個投射光束的至少一個光束偏移相對於一線的第一角度，此線從穿過鏡頭中心的軸徑向向外延伸；擷取步驟，擷取視野的影像，其中物件可見於影像中，且由複數個投射光束的至少一個光束產生的投射圖樣亦可見於影像中；以及計算步驟，使用影像中的資訊，計算對物件的距離。
100‧‧‧距離感測器
102‧‧‧外殼
104‧‧‧光源
106‧‧‧第一繞射光學元件(DOE)
1081‧‧‧第二繞射光學元件
108n‧‧‧第二繞射光學元件
110‧‧‧成像感測器
112‧‧‧廣角鏡頭
A-A’‧‧‧中央軸
200‧‧‧圖樣
2021-2022‧‧‧投射光束
300‧‧‧圖樣
a1,a2‧‧‧平行投射光束對
b1,b2‧‧‧平行投射光束對
c1,c2‧‧‧平行投射光束對
e1,e2‧‧‧平行投射光束對
f1,f2‧‧‧平行投射光束對
400‧‧‧圖樣
402,4022‧‧‧投射圖樣或平面
4041-404n‧‧‧投射光束組
500‧‧‧圖樣
5021-5024‧‧‧投射圖樣或平面
600‧‧‧圖樣
6021-602n‧‧‧投射平面對
700‧‧‧視野
7021,7022‧‧‧平行圖樣
800‧‧‧方法
802-814‧‧‧步驟
9001,9002‧‧‧投射光束
9021,9022‧‧‧點
1000‧‧‧距離感測器
1002‧‧‧外殼
10081-1008n‧‧‧第二光束分裂構件陣列
1010‧‧‧成像感測器
1012‧‧‧廣角鏡頭
1100‧‧‧投射圖樣
1102‧‧‧假想參考線
1104‧‧‧投射光束
1200‧‧‧投射圖樣
1202‧‧‧對應參考線
1204‧‧‧光束
1300‧‧‧距離感測器
1302‧‧‧參考線
13081-130812‧‧‧第二DOE陣列
1312‧‧‧透鏡
1500‧‧‧方法
1502-1514‧‧‧步驟
1600‧‧‧系統
1602‧‧‧硬體處理器元件
1604‧‧‧記憶體
1605‧‧‧用於計算距離的模組
1606‧‧‧輸入/輸出裝置
17001,17002‧‧‧投射平面
1702‧‧‧物件
1704‧‧‧成像感測器
17061-1706n‧‧‧投射點
2000‧‧‧距離感測器
2002‧‧‧光源
2004‧‧‧投射點
2006‧‧‧成像感測器
2008‧‧‧虛擬球形
2010‧‧‧物件
α‧‧‧傾角
x‧‧‧長
y‧‧‧深
z‧‧‧高
rO‧‧‧向量
D‧‧‧距離
藉由連同附加圖式以考量下列實施方式，可輕易瞭解本揭示內容的教示內容，在附加圖式中：第1A圖圖示說明可用於產生本揭示內容的光學配置的距離感測器的一個具體實施例的截面圖；第1B圖圖示說明第1A圖距離感測器的俯視圖；第2圖圖示說明可由第1圖距離感測器(或由具有類似能力的距離感測器)投射的圖樣的第一具體實施例；第3圖圖示說明可由第1圖距離感測器(或由具有類似能力的距離感測器)投射的圖樣的第二具體實施例；第4圖圖示說明可由第1圖距離感測器(或由具有類似能力的距離感測器)投射的圖樣的第三具體實施例；第5圖圖示說明可由兩個背靠背裝設的第1圖距離感測器(或由具有類似能力的兩個背靠背裝設的距離感測器)投射的圖樣的第四具體實施例；第6圖圖示說明可由第1圖距離感測器(或由具有類似能力的距離感測器)投射的圖樣的第五具體實施例；第7圖圖示說明範例視野，兩對平行圖樣已被投射進此視野中； 第8圖圖示說明方法的流程圖，此方法用於計算感測器至空間中物件或點之距離；第9圖圖示說明三角測量(triangulation)技術，可在第8圖圖示說明的方法中藉此三角測量技術計算感測器至物件或點的距離；第10圖圖示說明可用於產生本揭示內容的光學配置的距離感測器的第二具體實施例；第11圖圖示說明可由第10圖距離感測器投射的範例投射圖樣的俯視圖；第12圖圖示說明可由第10圖距離感測器投射的另一範例投射圖樣的俯視圖；第13圖為可用於產生本揭示內容光學配置的距離感測器的另一具體實施例的俯視圖；第14A圖至第14D圖圖示說明可使用在投射光束與徑向參考線之間的各種不同傾斜角度來產生的範例投射圖樣；第15圖圖示說明用於計算從感測器至空間中物件或點的距離的方法1500的流程圖；第16圖繪製一般用途電腦的高階方塊圖，此一般用途電腦適合用於執行本文所說明的功能；第17圖圖示說明用於使用一對平行投射平面計算對物件距離的相關參數；第18圖圖示說明用於計算從第17圖成像感測器至第17圖物件的距離的演算法的一個具體實施例； 第19A圖與第19B圖圖示說明一些概念，可從這些概念導出簡易演算法，以使用第10圖與第13圖的感測器計算至物件的距離；第20圖圖示說明延伸至範例距離感測器的第19A圖至第19B圖的概念；為了幫助瞭解，已盡可能使用相同的元件編號標定見於各圖式中的相同元件。
在一個具體實施例中，本揭示內容相關於距離感測器。距離感測器可用於無人載具(unmanned vehicle)中，以幫助電腦視覺系統判定載具至周遭環境中特定物件或點的距離。例如，距離感測器可將一或更多條光束投射至物件或點上，且隨後根據飛行時間(time of flight；TOF)、對反射光的分析(例如光學定向和測距(lidar))、或其他手段，以計算距離。然而，此類型的習知距離感測器常為大型的，且因此可不適合用於小型載具中。再者，感測器的生產可非常昂貴且常具有受限的視野。例如，即使是使用多個習知成像感測器的設置，仍僅能提供小於360度的視野。
揭示內容的具體實施例提供對於小型距離感測器的光學配置改良，諸如對於申請於2015年10月22日的美國專利申請案第14/920,246號中揭示的距離感測器之任意者。例如，第1A圖與第1B圖圖示說明可用於產生本揭示內容光學配置的距離感測器100的一個具 體實施例。特定而言，第1A圖圖示說明距離感測器100的截面圖，同時第1B圖圖示說明第1A圖距離感測器100的俯視圖。可例如將距離感測器100裝設至無人載具。
如第1A圖圖示說明，距離感測器100包含設置在小型外殼102內的複數個部件。部件包含至少一個光源104、第一光束分裂構件(此後稱為第一繞射光學元件106)、第二光束分裂構件陣列(此後稱為第二繞射光學元件1081-108n(此後並集合稱為「第二繞射光學元件108」))、以及包含廣角鏡頭112的成像感測器110。
實質上對稱地沿著中央軸A-A’設置部件。在一個具體實施例中，中央軸A-A’與成像感測器110的光軸重合(coincide)。在一個具體實施例中，將光源104放置在中央軸A-A’的第一端處。在一個具體實施例中，光源104為雷射光源，雷射光源沿著中央軸A-A’發射單一光束。此後，亦可將光源104發射的單一光束稱為「一次光束(primary beam)」。在一個具體實施例中，光源104發射的光，具有已知對於人類視覺相當安全的波長(例如紅外線)。在進一步的具體實施例中，光源104可包含調整光源104輸出強度的電路系統。在進一步的具體實施例中，光源104可發射光脈衝，以減輕環境光對於影像擷取的效應。
第一繞射光學元件(DOE)106被沿著中央軸A-A’放置為接近於光源104(例如，在光源104「前方」，相對於光源104發射的光傳播的方向)。特定而言，第一DOE 106被放置以截取(intercept)光源104發射的單一光束，並使單一光束(或一次光束)分裂成複數個二次光束。在一個具體實施例中，中央軸A-A’與二次光束之每一者之間的角度為均等的。第一DOE 106為能夠將一次光束分裂成複數個二次光束的任何光學部件，此複數個二次光束由不同方向從一次光束發散出。例如在一個具體實施例中，第一DOE 106可包含錐形鏡或全像膜(holographic film)。在此情況中，複數個二次光束被設置為錐形。在進一步的具體實施例中，可由除了繞射以外的手段，將一次光束分裂。
第二DOE 108陣列被沿著中央軸A-A’放置為接近第一DOE 106(例如，在第一DOE 106「前方」(相對於光源104發射的光傳播的方向))。特定而言，第二DOE 108陣列被放置為使得第一DOE 106被放置為位於光源104與第二DOE 108陣列之間。如第1B圖更清楚圖示說明的，在一個具體實施例中，第二DOE 108被設置為環形陣列，而中央軸A-A’通過環形中央，且第二DOE 108以規則間距間隔放置在環形周圍。例如在一個具體實施例中，第二DOE 108以約三十度的間隔放置在環形周圍。在一個具體實施例中，第二DOE 108 陣列被放置在成像感測器110的像主點(principal point)(亦即光學軸A-A’交會像平面的點)「之後」(相對於光源104發射的光傳播的方向)。
每一第二DOE 108被放置為截取第一DOE 106產生的二次光束之一者，並將二次光束分裂成複數個(例如兩或更多個)三次光束，此等三次光束以徑向(radial)方式導離第二DOE 108。因此，每一第二DOE 108界定感測器100的投射點，投射光束(或三次光束)群組從此投射點發射入視野。在一個具體實施例中，每組複數個三次光束各別扇形射出(fan out)，以覆蓋約一百度的範圍。第二DOE 108為能夠使各別的二次光束分裂成複數個三次光束的任何光學部件，此等三次光束由不同方向從二次光束發散出。例如在一個具體實施例中，每一第二DOE可包含錐形鏡或全像膜。然而在其他具體實施例中，可由除了繞射以外的手段，使二次光束分裂。
在一個具體實施例中，每組複數個三次光束被設置為扇形圖樣或徑向圖樣，而光束之每一者之間的角度均等。在一個具體實施例中，第二DOE 108之每一者經配置以投射在表面上產生不同視覺圖樣的三次光束。例如，一個第二DOE 108可投射點圖樣，同時另一個第二DOE 108可投射線或叉號圖樣。
成像感測器110被沿著中央軸A-A’放置在第二DOE 108陣列的中間(例如至少部分在第二DOE 108陣列「之前」，相對於光源104發射的光傳遞的方向)。在一個具體實施例中，成像感測器110為影像擷取裝置，諸如靜態攝影機或視頻攝影機。如上文所討論的，成像感測器110包含產生半球狀視野的廣角鏡頭(諸如魚眼鏡頭)。在一個具體實施例中，成像感測器110包含電路系統，以計算距離感測器100至物件或點的距離。在另一具體實施例中，成像感測器包含網路介面，以將所擷取的影像透過網路通訊傳遞至處理器，其中處理器計算距離感測器100至物件或點的距離，且隨後將所計算的距離通訊傳遞回距離感測器100。
因此，在一個具體實施例中，距離感測器100使用單一光源(例如光源104)以產生多個投射點，係從此等投射點發射出投射光束組(例如包含點圖樣或線圖樣)。投射光束的一或更多者可相應地形成投射平面。在一個具體實施例中，投射平面的至少一者與感測器100中央軸A-A’平行。在另一具體實施例中，此投射平面投射自投射點或DOE 108的單一者(例如使得在第1圖中平面為垂直指向)。
可從視野中的投射光束的表象計算出距離感測器100至物件的距離(如申請於2015年10月22日的美國專利申請案第14/920,246號所說明)。特定而言，使用第一DOE與第二DOE，可由光源所發射的單一光束，在鏡頭周圍產生複數個投射點。此允許距離感測器100在測量廣視野內的距離的同時，仍維持相當小型的 形狀因素。亦可將成像感測器110與光源104裝設在同一平面中，以讓設計更加小型；然而在一個具體實施例中，將第二DOE 1081-108n放置在成像感測器110的像主點之後，以增加投射光束可覆蓋的視野(例如使得視野的深度角度(depth angle)接近完整的180度，或在一些情況中甚至大於180度)。
再者，因為第二DOE 108之每一者投射不同圖樣的三次光束，成像感測器中的電路系統可輕易判定所擷取影像中的哪些光束是由第二DOE 108中的哪些DOE產生的。此協助計算距離(將於下文詳細討論)。
雖然將感測器100圖示說明為僅包含單一光源104(而減少感測器100中的總和部件數量)，但在替代性具體實施例中，感測器可包含複數個光源。在此情況中，第一DOE 106可並非必須。相對的，在一個具體實施例中，複數個光源之每一光源可對應於DOE陣列(諸如第1A圖與第1B圖中的第二DOE 108陣列)中的一個DOE。注意到，此配置仍在成像感測器的鏡頭周圍產生複數個投射點(例如陣列中的每一DOE界定一個投射點)，且可從此等投射點發射投射光束組。
在一些具體實施例中，距離感測器100可經配置以產生投射光束，投射光束在視野中形成平行圖樣。例如，第2圖圖示說明可由第1圖距離感測器100(或由具有類似能力的距離感測器)投射的圖樣200的第一具體實施例。第2圖亦分解圖示說明第1圖距離感測器 100的部件的一些，包含透鏡112與DOE或投影點1081與108n(此後集合稱為「投影點108」)的兩者。
如圖示說明，圖樣200包含兩個投射光束組2021與202n(此後集合稱為「組202」)。在一個範例中，每一投射光束組202從感測器100的投射點108的一者徑向扇出(fan out)而形成平面。亦如圖示說明，兩個投射光束組202界定的平面大體上彼此平行，因為投射點108與彼此以約一百八十度間距間隔放置在感測器100的中央軸A-A’周圍。
藉由致能多對DOE(其中每一對DOE中的DOE與彼此以約一百八十度間距間隔放置在中央軸A-A’周圍)，可產生複數個平行投射圖樣或平面。例如，第3圖圖示說明可由第1圖距離感測器100(或由具有類似能力的距離感測器)投射的圖樣300的第二具體實施例。第3圖亦分解圖示說明第1圖距離感測器100的部件的一些的俯視圖，包含透鏡112與透鏡112周圍的DOE或投影點108。
如圖示說明，圖樣300包含多個平行投射光束對，如虛線a1與a2對至f1與f2所指示。如第2圖，每一對投射光束(例如a1與a2)界定的平面大體上彼此平行，因為投射點108與彼此以約一百八十度間距間隔放置在感測器100的中央軸A-A’周圍。
在一些具體實施例中，構成平行圖樣對的每一圖樣或平面，係使用至少兩個光源與兩個DOE或投射 點來產生，而非一個光源與一個DOE。此係因為一些光源即使是在結合DOE操作時，仍可不能夠產生由大於九十度角的弧形扇出的投射光束組。例如，第4圖圖示說明可由第1圖距離感測器100(或由具有類似能力的距離感測器)投射的圖樣400的第三具體實施例。第4圖亦分解圖示說明第1圖距離感測器100的部件的一些，包含透鏡112與DOE或投射點1081-108n(此後集合稱為投射點108)的四個。在一個具體實施例中，DOE 108之每一者對應於感測器100的不同光源(未圖示)。
如圖示說明，圖樣400包含兩個投射圖樣或平面4021與4022(此後集合稱為「投射平面402」)。在一個範例中，每一投射平面402相應包含兩個投射光束組4041與4042或404n-1與404n(此後集合稱為「組404」)，這些投射光束從感測器100投射點408的一者徑向扇出。在此情況中，每一投射光束組404由約九十度的弧度扇出，且每一對組404展成約一百八十度的弧形(對應於一個投射平面402)。如圖示說明，投射平面402大體上彼此平行，因為投射點408與彼此以約一百八十度間距間隔放置在感測器100的中央軸A-A’周圍。
在另一具體實施例中，類似於第1圖圖示說明的感測器100的兩個感測器可被背靠背裝設，致能光源與DOE產生在視野中覆蓋約三百六十度的投射圖樣。例如，第5圖圖示說明可由第1圖的距離感測器1001 與1002(此後集合稱為「距離感測器100」)的兩者背靠背裝設而投射(或由具有類似能力的背靠背裝設的兩個距離感測器投射)的圖樣500的第四具體實施例。第5圖亦分解圖示說明第1圖距離感測器100的部件的一些，包含每一感測器100的透鏡與DOE或投影點中的四個。在一個具體實施例中，DOE之每一者對應於相關聯感測器100的不同光源(未圖示)。
如圖示說明，圖樣500包含四個投射圖樣或平面5021-5024(此後集合稱為「投影平面502」)。在一個範例中，每一投射平面502相應包含兩個投射光束組，這些投射光束從相關聯感測器100的投射點之一者徑向扇出。在此情況中，如第4圖，每一投射光束組由約九十度的弧形扇出，且每一對應的投射平面502展成約一百八十度的弧形。如圖示說明，在兩個此種投射平面502背靠背投射時，可覆蓋約三百五十度的弧形。因此，可產生大體上彼此平行的兩個三百六十度投射平面。
在另一具體實施例中，一個DOE或投射點可產生複數個投射平面，其中複數個投射平面由一些角度與彼此偏移。再者，兩個DOE或投射點之每一者產生複數個投射平面，這些投射平面可用於產生多個平行投射平面對。例如，第6圖圖示說明可由第1圖距離感測器100(或由具有類似能力的距離感測器)投射的圖樣600的第五具體實施例。第6圖亦分解圖示說明第1圖距離感測器100的部件的一些，包含透鏡112與DOE或投射點 1081與108n(此後集合稱為「投射點108」)的兩者。在一個具體實施例中，DOE 108之每一者對應於感測器100的不同光源(未圖示)。
如圖示說明，圖樣600包含複數個投射平面對6021-602n(此後集合稱為「對602」)(其中每一個別投射平面包含投射光束組，這些投射光束如上述由上至一百八十度的弧形從投射點108扇出)。在此情況中，每一投射點108產生每一投射平面對602中的投射平面的一者。再者，每一投射點108產生複數個投射平面，複數個投射平面由一方向對於彼此扇出，此方向大體上正交於個別投射光束扇出的方向。例如在第6圖中，由投射點108產生的投射光束個別在沿著z軸的方向中徑向扇出，而由投射點108產生的複數個投射平面在沿著x軸的方向中扇出。
第7圖圖示說明範例視野700，包含連續線圖樣的兩對平行圖樣7021與7022(此後集合稱為「平行圖樣702」)已被投射入視野700。可透過平行圖樣702的橫向移動輕易偵測對視野中物件的距離，因為投射圖樣702總是持續地為線性，即使距離改變。物件的尺寸與維度亦可被直接計算。
例如，第17圖圖示說明用於計算對物件距離的相關參數，此係使用一對平行投射平面17001與17002(此後集合稱為「投射平面1700」)。如圖示說明，投射平面將一對平行線投射到物件1702上，物件 1702被放置在與距離感測器的成像感測器1704相距距離D處。投射平面1700間隔一投射區間a，其中區間中點(或投射中心)由軸B-B’界定。軸B-B’與距離感測器的中央軸A-A’之間存在距離φ。投射點17061-1706n(此後集合稱為「投射點1706」)被設定為在成像感測器1704前方的距離b。
第18圖圖示說明用於計算從第17圖成像感測器1704至第17圖物件1702的距離D的演算法的一個具體實施例。除了第17圖圖示說明的參數以外，第18圖圖示說明由投射點1706(亦即投射平面，間隔投射區間a)發射的光的一部份，被物件1702反射並作為返回光返回成像感測器1704。返回光的光束間隔距離θ，此距離θ由成像感測器1704擷取的影像給定。
在軸B-B’與距離感測器中央軸A-A’之間的距離φ已知為零時，(a/2)/D=tan(θ/2)。因此，成像感測器1704至物件1702的距離D可被計算為D=(a/2)/tan(θ/2)。再者，在a遠小於D時，D
Figure 105114319-A0202-12-0015-31
a/tan(θ)。
在軸B-B’與距離感測器中央軸A-A’之間的距離φ已知為非零的數字時，在θ=(θ/2+φ)-(-θ/2+φ)時，D
Figure 105114319-A0202-12-0015-30
a/tan(θ)。
第8圖圖示說明方法800的流程圖，方法800用於計算感測器至空間中物件或點的距離。在一個具體實施例中，方法800可由整合在成像感測器(諸如第1A 圖至第1B圖圖示說明的成像感測器110)中的處理器執行，或由第16圖圖示說明的一般用途計算裝置執行，並討論於下文。
方法800開始於步驟802。在步驟804中，啟動光源以產生一次光束。在一個具體實施例中，由單一光源產生單一一次光束；然而在其他具體實施例中，由多個光源產生多個一次光束。在一個具體實施例中，一或多個光源包含雷射光源。
在可選的步驟806中，使用第一光束分裂構件(例如繞射光學元件)使一次光束分裂成複數個二次光束，此第一光束分裂構件被放置在一次光束的傳播路徑中。第一光束分裂構件可例如為錐形鏡。例如在距離感測器(成像感測器為此距離感測器之零件)僅包含單一光源時執行步驟806。
在步驟808中，使用在光束分裂構件陣列中的第二光束分裂構件(例如第二繞射光學元件)，將複數個二次光束中的每一光束分裂成複數個投射光束(或三次光束)。在一個具體實施例中將複數個第二光束分裂構件放置於環中，使得每一第二光束分裂構件被放置在二次光束之一者的傳播路徑中。在一個具體實施例中，第二光束分裂構件的至少一些為錐形鏡。在一個具體實施例中(其中距離感測器包含複數個光源)，方法800可直接從步驟804進行至步驟808。在此情況中，由第二光束分裂構件之一者，直接使(使用複數個光源 所產生的)複數個一次光束的每一一次光束分裂成複數個投射光束。
在步驟810中，擷取物件或點的至少一個影像。影像包含圖樣，此圖樣被投射至物件或點上並投射至周遭空間上。由投射光束之每一者投射點序列、線序列、或其他形狀至物件、點、或周遭空間上，來產生圖樣。在一個範例中，圖樣包含一或更多個投射光束或投射平面的平行對，例如第2圖至第7圖中圖示說明者。
在步驟812中，使用來自在步驟810擷取之影像的資訊，計算感測器至物件或點的距離。在一個具體實施例中，使用三角測量技術以計算距離。例如，感測器所投射的圖樣的部分之間的位置關係，可作為計算的基礎。
方法800結束於步驟814。因此，方法800在與第1A圖至第1B圖的感測器或具有類似能力的感測器結合之下，可在單一個影像擷取與計算循環中測量感測器至空間中物件或點的距離。
第9圖圖示說明三角測量技術的範例，可藉此三角測量技術在步驟812中計算感測器至物件或點的距離。特定而言，第9圖圖示說明第1圖的範例成像感測器110，以及投射點之兩者，此兩個投射點可由第二繞射光學元件1081與1082之兩者界定。投射點與成像感測器110間隔的距離(x)均等，使得兩個投射點之間存在距離s(例如，x=s/2)。投射點之每一者各別發射投 射光束9001與9002，投射光束9001與9002投射在物件上以由圖樣各自產生點9021與9022(例如點或線)。這些點9021與9022由成像感測器110偵測到，並可用於計算成像感測器110與物件之間的距離D，如以下：D=s/(-tanα2+tanα1+tanθ2+tanθ1)(方程式1)其中α2為投射光束9002與第二繞射光學元件1082中央軸c2之間的角度，α1為投射光束9001與第二繞射光學元件1081中央軸c1之間的角度，θ2為成像感測器110中央光軸O與成像感測器110感知到投射光束9002產生之點9022之角度之間的角度，而θ1為成像感測器110中央光軸O與成像感測器110感知到投射光束9001產生之點9021之角度之間的角度。
方程式1係由下列關係導出：D*tanα1+D*tanθ1=x(方程式2)
D*tanα2+D*tanθ2=s-x(方程式3)
方程式2與3允許吾人計算從投射圖樣(例如包含點圖樣)來源至投射圖樣投射於其上之物件的距離。在形成投射圖樣的光點(例如點)係由來源周圍的不同投射點發射出時，基於光點之間的位置關係計算距離。在此具體實施例中，光點之間的位置關係係於先前即已知(亦即未作為計算的部分而被測量)。
在其他具體實施例中，藉由相對於投射點或DOE 108傾斜成像感測器110一角度，可在不同的環境中協助距離計算。例如第10圖圖示說明可用於產生本揭示內容的光學配置的距離感測器1000的第二具體實施例。可由類似於第1A圖與第1B圖距離感測器100的方式來配置距離感測器1000；然而，為了容易解釋而將第10圖的圖示說明簡化。
如第10圖圖示說明，距離感測器1000包含設置在小型外殼1002內的複數個部件。外殼1002可包含下列之至少一者：光源、第一光束分裂構件(或第一DOE)、第二光束分裂構件陣列(此後稱為第二繞射光學元件10081-1008n)(此後集合稱為「第二DOE 1008」)、以及包含廣角鏡頭1012的成像感測器1010。
實質上對稱地沿著中央軸A-A’設置部件。在一個具體實施例中，中央軸A-A’與成像感測器1010的光軸重合(coincide)。雖然未圖示說明，但將光源放置在中央軸A-A’的第一端處，並將第一DOE(若被包含)沿著中央軸A-A’放置、接近於光源(例如在光源「前方」，相對於光源發射光傳播的方向)。特定而言，第一DOE經放置以截取光源發射的單一光束，並使單一(或一次)光束分裂成複數個二次光束。
第二繞射光學元件(DOE)陣列1008被沿著中央軸A-A’放置為接近於第一DOE(例如，在第一DOE「前方」，相對於光源發射的光傳播的方向)。在 一個具體實施例中，第二DOE 1008被設置為環形陣列，而中央軸A-A’通過環形中央，且第二DOE 1008以規則間距間隔放置在環形周圍。然而如第10圖圖示說明，沿著中央軸A-A’設置的感測器1000部分(例如至少有成像感測器1010與透鏡1012)可被獨立於第二DOE陣列1008而旋轉，使得中央軸A-A’被相對於第二DOE陣列1008投射的投射平面傾斜。
在一個具體實施例中，第二DOE 1008以約三十度的間隔放置在環形周圍。在一個具體實施例中，第二DOE 1008陣列被放置在成像感測器1010的像主點(principal point)(亦即光學軸A-A’交會像平面的點)「之後」(相對於光源發射的光傳播的方向)。
每一第二DOE 1008被放置為截取第一DOE產生的二次光束之一者，並將二次光束分裂成複數個(例如兩或更多個)三次光束，此等三次光束以徑向(radial)方式導離第二DOE 1008。因此，每一第二DOE 1008界定感測器1000的投射點，投射光束(或三次光束)群組從此投射點發射入視野。在一個具體實施例中，每組複數個三次光束各別扇形射出(fan out)，以覆蓋約一百度的範圍。
在一個具體實施例中，每組複數個三次光束被設置為扇形圖樣或徑向圖樣，而光束之每一者之間的角度均等。在一個具體實施例中，第二DOE 1008之每一者經配置以投射在表面上產生不同視覺圖樣的三次光 束。例如，一個第二DOE 1008可投射點圖樣，同時另一個第二DOE 1008可投射線或叉號圖樣。
第10圖圖示說明的配置，造成從DOE 1008投射的投射(或三次)光束被傾斜或偏移一角度α，相對於從中央軸A-A’徑向向外延伸的線。例如，第11圖圖示說明可由第10圖距離感測器1000投射的範例投射圖樣1100的俯視圖。如圖示說明，DOE 1008之每一者產生光束或平面；在DOE 10083的情況中，投射光束被標示為1104。如進一步圖示說明的，投射光束未與從感測器1000中央軸A-A’徑向向外直接延伸的假想參考線1102平行。投射光束1104偏移自參考線1102的量或角度α是可配置的，並可直接相關於(例如)感測器1000中央軸A-A’相對於第二DOE陣列1008的傾斜量。在一個範例中，角度α對於DOE 1008每一者產生的每一投射光束是相同的。然而在其他範例中，對於至少兩個投射光束的角度α可為不同。
構成投射光束的投射物(例如點、線、叉號等等)之每一者相對於對感測器1100距離的移動量，可隨著角度α大小而變化。例如，在角度α提升時，投射物相對於對感測器1100距離的移動亦將提升。此外，角度α提升時線密度(例如單一DOE投射的多個投射光束彼此接近的程度)將降低，此將於下文針對第14A圖至第14D圖進一步詳細討論。藉由適當配置角度α，可產生 允許輕易識別個別的投射物、並允許輕易計算連續線圖樣的投射圖樣。
第12圖圖示說明可由第10圖距離感測器1000投射的另一範例投射圖樣1200的俯視圖。在此情況中，每一DOE 1008可投射平行光束或平面圖樣，例如如上文連同第1圖至第7圖所討論的。在由共同DOE投射的每一平行光束圖樣內，每一光束(例如，看到由DOE 10083投射的光束1204以作為範例)，由相同的角度α偏移自對應參考線1202。因此，本揭示內容的具體實施例將平行光束或平面的投射，與相對於感測器中央軸傾斜的光束或平面結合。
雖然第10圖藉由將沿著中央軸放置的感測器部件相對於DOE傾斜，來達成相對於中央軸傾斜投射光束或平面，但此效應亦可由使用其他配置來達成。例如，第13圖為可用於產生本揭示內容的光學配置的距離感測器1300的另一具體實施例的俯視圖。在此情況中，第二DOE陣列13081-1308n(此後集合稱為「第二DOE 1308」)的佈局可經配置以投射複數個投射光束，其中投射光束的至少兩者由不同的量或角度偏移自從中央軸A-A’徑向延伸指出的參考線1302。在一個具體實施例中，此效應由改變第二DOE 1308對中央軸A-A’的徑向距離來達成。例如，DOE 13089經放置為更遠離成像感測器的透鏡1312(相較於DOE 13083)。因此，DOE 13089與參考線1302之間的偏移角度α1，小 於DOE 13083與參考線1302之間的偏移角度α2，如圖示說明。
藉由傾斜投射光束，可產生允許吾人使用單一投射物線上的非重疊投射物(例如點、虛線或叉號)，來計算對物件距離的投射圖樣。藉由改變角度α，可改變投射物之間的重疊。例如，第14A圖至第14D圖圖示說明可使用投射光束與徑向參考線之間的各種不同傾斜角來產生的範例投射圖樣。特定而言，第14A圖圖示說明在角度α為零度時的投射圖樣；第14B圖圖示說明在角度α為二十度時的投射圖樣；第14C圖圖示說明在角度α為四十五度時的投射圖樣；而第14D圖圖示說明在角度α為七十度時的投射圖樣。如圖示說明，較大的傾斜角度，將產生較多的投射物重疊，並降低由共同DOE投射的多個投射光束的線密度。
第19A圖與第19B圖圖示說明一些概念，可從這些概念導出簡易演算法，以使用第10圖至第13圖的感測器計算至物件的距離。參考第19A圖，從Op至D的向量r0的高z、深y與長x可計算如下： z=r0sinθ (方程式4)
y=r0cosθsinα (方程式5)
x=r0cosθcosα (方程式6)因此，r0 2=x2+y2+z2 (方程式7)
方程式4至方程式7說明距離感測器發射的傾斜投射光束的複數個參數的位置性關係。
參照第19B圖，在高減少b且長增加a時，維度可計算如下：z-b=R0sinφ (方程式8)
y=R0cosφsinβ (方程式9)
x+a=R0cosφcosβ (方程式10)因此，R0 2=(x+a)2+y2+(z-b)2 (方程式11)
由方程式4與方程式8，吾人可導出：R0sinφ+b=r0sinθ (方程式12)
由方程式5與方程式9，吾人可導出：R0cosφsinβ=r0cosθsinα (方程式13)
由方程式6與方程式10，吾人可導出：R0cosφcosβ-a=r0cosθcosα(方程式14)
因此，
Figure 105114319-A0202-12-0024-1
從成像感測器擷取到的影像測量β與φ；a、b與α可從成像感測器/投射設定得知；而θ可從投射圖樣得知。
第20圖圖示說明延伸至範例距離感測器2000的第19A圖至第19B圖的概念。範例距離感測器2000包含環形光源陣列(包含光源2002)、投射點(諸 如投射點2004，對應於每一光源(並可能包含光束分裂構件))、以及成像感測器2006(包含廣角鏡頭)。範例距離感測器2000經配置以投射光圖樣，此光圖樣形成虛擬球形2008。
如圖示說明，距離感測器2000的投射點(諸如投射點2006)將投射光束投射到物件2010上，物件2010經放置為距離成像感測器2006一距離D。投射光束相對於從中央軸徑向向外延伸的軸B-B’的角度係由α界定。投射光束發射的光的部分被反射回成像感測器2006，作為返回光束。
第15圖圖示說明方法1500的流程圖，方法1500用於計算從感測器至空間中物件或點的距離。在一個具體實施例中，可由整合在成像感測器(諸如第1A圖至第1B圖與第10圖中圖示說明的成像感測器110)或如第16圖圖示說明並於下文討論的一般用途計算裝置中的處理器，來執行方法1500。
方法1500開始於步驟1502。在步驟1504中，啟動光源以產生一次光束。在一個具體實施例中，由單一光源產生單一一次光束；然而在其他具體實施例中，由多個光源產生多個一次光束。在一個具體實施例中，一或多個光源包含雷射光源。
在可選的步驟1506中，使用第一光束分裂構件(例如繞射光學元件)使一次光束分裂成複數個二次光束，此第一光束分裂構件被放置在一次光束的傳播路 徑中。第一光束分裂構件可例如為錐形鏡。例如在距離感測器(成像感測器為此距離感測器之零件)僅包含單一光源時執行步驟806。
在步驟1508中，使用在光束分裂構件陣列中的第二光束分裂構件(例如第二繞射光學元件)，將複數個二次光束中的每一光束分裂成複數個投射光束(或三次光束)。在一個具體實施例中將複數個第二光束分裂構件放置於環中，使得每一第二光束分裂構件被放置在二次光束之一者的傳播路徑中。在一個具體實施例中，第二光束分裂構件的至少一些為錐形鏡。在一個具體實施例中(其中距離感測器包含複數個光源)，方法800可直接從步驟1504進行至步驟1508。在此情況中，由第二光束分裂構件之一者，直接使(使用複數個光源所產生的)複數個一次光束的每一一次光束分裂成複數個投射光束。
在步驟1510中，擷取物件或點的至少一個影像。影像包含圖樣，此圖樣被投射至物件或點上並投射至周遭空間上。由投射光束之每一者投射點序列、線序列、或其他形狀至物件、點、或周遭空間上，來產生圖樣。在一個範例中，圖樣包含相對於假想參考線偏移或傾斜的一或更多個投射光束，此假想參考線從感測器的中央軸A-A’徑向向外延伸，例如第10圖至第14D圖中圖示說明者。
在步驟1512中，使用來自在步驟1510擷取之影像的資訊，計算感測器至物件或點的距離。在一個具體實施例中，使用諸如上文連同第9圖所討論的三角測量技術以計算距離。例如，感測器所投射的圖樣的部分之間的位置關係，可作為計算的基礎。
方法1500結束於步驟1514。因此，方法1500在與第1A圖至第1B圖或第10圖繪製的感測器或具有類似能力的感測器結合之下，可在單一個影像擷取與計算循環中測量感測器至空間中物件或點的距離。
第16圖繪製一般用途電腦的高階方塊圖，此一般用途電腦適合用於執行本文所說明的功能。如第16圖繪製，系統1600包含一或更多個硬體處理器元件1602(例如中央處理單元(central processing unit；CPU)、微處理器、或多核心處理器)、記憶體1604(例如隨機存取記憶體(random access memory；RAM)及(或)唯讀記憶體(read only memory；ROM))、用於計算距離的模組1605、以及各種輸入/輸出裝置1606(例如儲存裝置，包含但不限於磁帶機、磁碟機、硬碟機或光碟機、接收器、發送器、鏡頭與光學器件、輸出埠、輸入埠以及使用者輸入裝置(諸如鍵盤、小鍵盤、滑鼠、麥克風以及類似者))。雖然僅圖示一個處理器元件，應注意到一般用途電腦可利用複數個處理器元件。再者，雖然圖式中僅圖示一個一般用途電腦，若對於特定說明性範例而言，上文討論 的一或多個方法被由分散式或平行式方式實施(亦即上述一或多個方法的步驟或整體方法被實施於多個或平行的一般用途電腦之間)，則此圖式的一般用途電腦意為表示此等多個一般用途電腦之每一者。再者，可利用一或更多個硬體處理器，以支援虛擬化或共享式的計算環境。虛擬化計算環境可支援一或更多個虛擬機器，此等虛擬機器表示電腦、伺服器、或其他計算裝置。在此種虛擬化虛擬機器中，硬體部件(諸如硬體處理器與電腦可讀取儲存裝置)可被虛擬化或邏輯性地表示。
應注意到，可由軟體及(或)由軟體與硬體的結合者，來實施本揭示內容，例如使用特定應用積體電路(application specific integrated circuits；ASIC)、可編程式邏輯陣列(programmable logic array；PLA)(包含場效可編程式邏輯閘陣列(field-programmable gate array；FPGA))、或部署在硬體裝置上的狀態機、一般用途電腦或任何其他硬體均等範圍，例如，可使用屬於上文討論之一或更多個方法的電腦可讀取指令來配置硬體處理器，以執行上文揭示方法的步驟、功能及(或)作業。在一個具體實施例中，對於用於計算距離的本模組或程序1605的指令與資料(例如包含電腦可執行指令的軟體程式)，可被載入記憶體1604並由硬體處理器元件1602執行，以實施上文連同範例方法800與1500所討論的步驟、功能或作業。再者，在硬體處理器執行指 令以執行「作業」時，此可包含硬體處理器直接執行作業，及(或)協助、指導另一硬體裝置或部件(例如共處理器以及類似者)或與另一硬體裝置或部件協作以執行作業。
執行相關於前述方法的電腦可執行指令或軟體指令的處理器，可被理解為經編程處理器或專用處理器。因此，本揭示內容之用於計算距離的本模組1605(包含相關聯的資料結構)，可被儲存在有形或實體的(概括為非暫態性的)電腦可讀取儲存裝置或媒體上，例如揮發性記憶體、非揮發性記憶體、ROM記憶體、RAM記憶體、磁碟機或光碟機、裝置或卡匣以及類似者。更特定而言，電腦可讀取儲存裝置可包含提供儲存資訊之能力的任何實體裝置，此等資訊諸如要由處理器或計算裝置存取的資料及(或)指令，此計算裝置諸如電腦或應用伺服器。
儘管上文已說明了各種具體實施例，但應瞭解到這些具體實施例僅作為範例而不為限制。因此，較佳具體實施例的廣度與範圍不應受限於前述示例性具體實施例之任意者，而僅應根據下面的申請專利範圍及其均等範圍來界定。
1081‧‧‧第二繞射光學元件
108n‧‧‧第二繞射光學元件
112‧‧‧廣角鏡頭
200‧‧‧圖樣
2021-2022‧‧‧投射光束
A-A’‧‧‧中央軸

Claims (10)

  1. 一種用於計算對一物件的一距離的方法，包含以下步驟：投射步驟，從複數個投射點中的一第一投射點投射第一組複數個投射光束，其中該複數個投射點設置在一影像擷取裝置的一鏡頭周圍，其中該第一組複數個投射光束的每一光束將個別投射物的一投射圖樣投射入該影像擷取裝置的一視野，且其中該第一組複數個投射光束的一第一光束偏移相對於一線的一第一角度，該線從穿過該鏡頭的一中心的一軸徑向向外延伸；擷取步驟，擷取該視野的一影像，其中該物件可見於該影像中，且由該第一組複數個投射光束(包含該第一光束)投射的投射圖樣產生的一集合性投射圖樣亦可見於該影像中；以及計算步驟，使用該影像中的資訊，計算對該物件的該距離。
  2. 如請求項1所述之方法，其中該第一組複數個投射光束的多個光束偏移該第一角度，該第一角度係相對於從穿過該鏡頭的該中心的該軸徑向向外延伸的該線。
  3. 如請求項1所述之方法，其中與該第一組複 數個投射光束同時，從該複數個投射點的一第二投射點投射一第二組複數個投射光束，該第二組複數個投射光束的一第一光束偏移一第二角度，該第二角度係相對於穿過該鏡頭的該中心的該軸徑向向外延伸的該線，且該第二角度大於該第一角度。
  4. 如請求項3所述之方法，其中該投射步驟包含以下步驟：相對於該複數個投射點傾斜該影像擷取裝置。
  5. 如請求項3所述之方法，其中該投射步驟包含以下步驟：由不同的對於該鏡頭的該中心的徑向距離，間隔放置該複數個投射點。
  6. 如請求項1所述之方法，其中該第一組複數個投射光束的該第一光束的指向平行於一第二組複數個投射光束的一第二光束，該第二光束係由該複數個投射點的一第二投射點投射。
  7. 如請求項1所述之方法，其中該第一角度為二十度。
  8. 如請求項1所述之方法，其中該第一角度為四十五度。
  9. 如請求項1所述之方法，其中該第一角度為七十度。
  10. 如請求項1所述之方法，其中該個別投射物的可見圖樣包含投射到該視野的個別形狀的一可見圖樣。
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