TWI700508B - 用於距離感測的設備、方法及電腦可讀取儲存裝置 - Google Patents

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木村昭輝
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Abstract

在一個具體實施例中，距離感測器包含放置為擷取視野中影像的影像擷取裝置，以及設置在影像擷取裝置的第一鏡頭周圍的第一複數個投射點，其中第一複數個投射點之每一投射點經配置以在視野內由不同方向發射複數個投射光束。

Description

用於距離感測的設備、方法及電腦可讀取儲存裝置
對於相關申請案的交互參照：本申請案主張對於申請於2014年10月24日的美國臨時專利申請案第62/068,250號，以及對於申請於2015年5月10日的美國臨時專利申請案第62/159,286號的利益。在此併入此兩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，可用於判定載具至空間中特定物件或點的距離。
在一個具體實施例中，一種距離感測器包含：影像擷取裝置，影像擷取裝置經放置以擷取視野的影像； 以及第一複數個投射點，第一複數個投射點設置在影像擷取裝置的第一鏡頭的周圍，其中第一複數個投射點的每一投射點經配置以在視野內由不同方向發射複數個投射光束。
在另一具體實施例中，一種用於計算對物件的距離的方法，方法包含以下步驟：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每一光束在視野內導向不同方向；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每一光束在視野內導向不同方向；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：從複數個投射點投射複數個光點至視野上；擷取視野的影像，其中物件可見於影像中，且由複數個光點形成的投射圖樣亦可見於影像中；以 及根據複數個光點之至少兩者之間的位置關係，計算對物件的距離，其中複數個光點之至少兩者係從複數個投射點之至少兩個不同的投射點發射出。
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：從複數個投射點投射複數個光點至視野上；擷取視野的影像，其中物件可見於影像中，且由複數個光點形成的投射圖樣亦可見於影像中；以及根據複數個光點之至少兩者之間的位置關係，計算對物件的距離，其中複數個光點之至少兩者係從複數個投射點之至少兩個不同的投射點發射出。
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‧‧‧視野
300‧‧‧距離感測器
3021‧‧‧距離感測器
3022‧‧‧距離感測器
3041‧‧‧光源
3042‧‧‧光源
3061‧‧‧成像感測器
3062‧‧‧成像感測器
3081‧‧‧廣角鏡頭
3082‧‧‧廣角鏡頭
3101‧‧‧第一繞射光學元件
3102‧‧‧第一繞射光學元件
31211‧‧‧第二繞射光學元件環形陣列
3121n‧‧‧第二繞射光學元件環形陣列
31221‧‧‧第二繞射光學元件環形陣列
3122n‧‧‧第二繞射光學元件環形陣列
400‧‧‧方法
402-414‧‧‧步驟
5001‧‧‧光束
5002‧‧‧光束
5021‧‧‧點
5022‧‧‧點
600‧‧‧系統
602‧‧‧硬體處理器元件
604‧‧‧記憶體
605‧‧‧距離計算模組
606‧‧‧輸入/輸出裝置
700‧‧‧距離感測器
702‧‧‧像主點
7041‧‧‧光束分裂構件
704n‧‧‧光束分裂構件
706‧‧‧投射光束
7061‧‧‧投射光束
706O‧‧‧投射光束
708‧‧‧投射線
710‧‧‧成像感測器
900‧‧‧距離感測器
902‧‧‧光源
904‧‧‧第二光束分裂構件環形陣列
906‧‧‧成像感測器
908‧‧‧虛擬球形圖樣
a‧‧‧高變量
b‧‧‧長變量
7141‧‧‧光束平面
714m‧‧‧光束平面
α‧‧‧傾角
x‧‧‧長
y‧‧‧深
z‧‧‧高
rO‧‧‧向量
D‧‧‧距離
1000‧‧‧距離感測器
1102‧‧‧錐體鏡
1104‧‧‧光源
1106‧‧‧第一光束分裂構件
1108‧‧‧第二光束分裂構件
11081‧‧‧第二光束分裂構件
1108n‧‧‧第二光束分裂構件
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圖圖示說明本揭示內容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圖圖示說明第1A圖與第1B圖距離感測器的範例視野；第3圖圖示說明距離感測器的一個具體實施例，此距離感測器具有大約360度的視野；第4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5圖圖示說明三角測量(triangulation)技術，可藉此三角測量技術計算感測器至物件或點的距離；第6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7A圖圖示說明距離感測器的一個簡化範例，此距離感測器經配置以投射環形圖樣；第7B圖圖示說明可由第7A圖距離感測器發射的投射圖樣的較三維性的視圖；第7C圖圖示說明第7A圖距離感測器的另一視圖，其中可見傾角概念；第8A圖與第8B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7A圖至第7C圖的感測器計算至物件的距離；第9圖圖示說明延伸至範例距離感測器的第8A圖至第8B圖的概念；第10A圖與第10B圖圖示說明本揭示內容的距離感測器的另一具體實施例；以及第11A圖與第11B圖圖示說明本揭示內容的距離感測器的另一具體實施例。
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。
揭示內容之具體實施例提供了可經濟地生產的小型距離感測器，此感測器包含少量的(或未包含)移動零件，並可在上至360度的視野中測量距離。在一個具體實施例中，感測器使用光束分裂構件組(諸如繞射性光學元件(diffractive optical elements；DOEs))，以在廣角鏡頭周圍產生複數個投射點。此複數個投射點之每一者發射複數個光束進入視野中。藉由光束的表象(appearance)，感測器可在180度半球狀視野中測量距離。藉由背靠背地裝設兩個此種感測器，可在360度視野中測量距離。DOE可將單一光源(例如雷射)產生的光束，分裂成投射至視野中物件或點上的多個投射光束。然而在其他具體實施例中，DOE將多個光源發射的光束 分裂。隨後，可在一個投射並由多個投射擷取影像的循環中，計算感測器至物件或點的距離。
第1A圖與第1B圖圖示說明本揭示內容的距離感測器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)。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(此將於下文詳細討論)。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)。
雖然將距離感測器100圖示說明為僅包含單一光源104(而減少距離感測器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。
第2圖圖示說明第1A圖與第1B圖距離感測器100的範例視野200。在第2圖，亦以分解圖圖示說明距離感測器100的某些部件。如圖示，視野200的形狀實質上為半球狀。再者，距離感測器100產生的複數個三次光束，將光圖樣投射至「虛擬」半球上。由同心圓序列表示圖樣，在每一三次光束接觸半球處圖示說明同心圓。圓被繪製為隨著與距離感測器100的距離增加而尺寸下降，以圖示三次光束產生的圖樣如何因物件距離而視覺上改變。
如第2圖圖示，距離感測器100的視野覆蓋約180度。在一個具體實施例中，可藉由背靠背地裝設兩個距離感測器，而將視野延伸至約360度。
例如，第3圖圖示說明距離感測器300的一個具體實施例，距離感測器300具有約360度的視野。距離感測器300事實上包含兩個距離感測器3021與3022，距離感測器3021與3022被配置為類似於第1A圖與第1B圖的距離感測器100，但卻由背靠背設置裝設，亦即使得兩個距離感測器3021與3022各別的光源3041與3042鄰接，但以相反方向投射他們的一次光束(亦即，兩個一次光束之間存在180度的差異)。
如圖示說明，兩個距離感測器3021與3022可被配置為實質上類似於第1A圖與第1B圖的距離感測器100。因此，每一距離感測器3021與3022各別包含光源3041與3042、各別包含成像感測器3061與3062、各別包含廣角鏡頭3081與3082、各別包含第一DOE 3101與3102、且各別包含第二DOE環形陣列31211-3121n與31221-3122n。然而，成像感測器3061或3062可共享用於計算距離感測器300至物件或點之距離的電路系統或網路介面。
注意到，在此具體實施例中，第二DOE 31211-3121n與31221-3122n被放置在他們各別的成像感測器3061與3062的像主點之後。成像感測器3061與3062(特別是鏡頭3081與3082)與第二DOE 31211-3121n與31221-3122n的此相對位置，允許距離感測器300投射的光束圖樣覆蓋較大的視野(例如對於每一距離感測器3021與3022而言接近完全180度，或者對於距離感測器300整體而言接近完全360度)。
第4圖圖示說明方法400的流程圖，方法400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400可由整合在成像感測器(諸如第1A圖圖示說明的成像感測器110)中的處理器執行，或由第5圖圖示說明的一般用途計算裝置執行，並討論於下文。
方法400開始於步驟402。在步驟404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406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406。
在步驟408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400可直接從步驟404進行至步驟408。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410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。
在步驟412中，使用來自在步驟410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400結束於步驟414。因此，方法400在與第1A圖至第1B圖或第3圖繪製的感測器結合之下，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5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412中計算感測器至物件或點的距離。特定而言，第5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5001與5002，投射光束5001與5002投射在物件上以由圖樣各自產生點5021與5022(例如點或線)。這些點5021與5022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5002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5001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5002產生之點5022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5001產生之點5021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)。
第6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6圖繪製，系統600包含一或更多個硬體處理器元件602(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604(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605、以及各種輸入/輸出裝置606(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605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604並由硬體處理器元件602執行，以實施上文連同範例方法400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605(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。
如上文所討論的，例如由光束分裂構件(諸如繞射光學元件(DOE))所界定的投射點組，可經配置以將各種圖樣投射至視野上。例如，所投射圖樣的個別光點的形狀可變化(例如，光點可包含點、線等等)。此外，個別光點可集合地形成各種圖樣，包含環形圖樣、球狀圖樣、平行線或平面圖樣、或三角圖樣、以及其他可能的圖樣。換言之，個別光點的群組可形成具有序數性的一或多條線(例如，對於具有球狀或三角形狀的投射圖樣，或平行線或平面的圖樣)。在一個具體實施例中，個別光點之間的序數性相同，或共享類似的特性(例如對稱、旋轉性一致、部分一致等等)。再者，個別光點群組可形成具有序數性的點(例如對於具有環形的投射圖樣)。在一個具體實施例中，個別光點之間的序數性相同，或共享類似的特性(例如點形狀中的差異、區間關係等等)。
第7A圖圖示說明距離感測器700的一個簡化範例，距離感測器700經配置以投射環形圖樣。距離感測器700的光軸，由線A-A’以及成像感測器710的像主點702(亦即光軸A-A’與像平面交會的點)指示。在一個 具體實施例中，光束分裂構件7041-704n環(此後集合稱為「光束分裂構件704」)被放置在成像感測器710的像主點702之後。光軸A-A’至每一光束分裂構件704的距離係由「a」指示，而從每一光束分裂構件704至像主點702的距離(沿著光軸A-A’)係由「b」指示。
如圖示說明的，光束分裂構件704之每一者發射複數個投射光束706，投射光束706由多個方向從光束分裂構件704徑向往外延伸出。每一組投射光束706集合形成投射線708。在第7A圖圖示說明的範例中，每一組投射光束706的投射線708類似於環的至少一部分。
第7B圖圖示說明可由第7A圖距離感測器700發射的投射圖樣的較三維性的視圖。如圖示說明的，由給定光束分裂構件704發射的每一投射光束7061-706o群組(此後集合稱為「投射光束706」)，集合形成光束平面7141-714m(此後集合稱為「光束平面714」)。在一個具體實施例中，形成給定光束平面714的投射光束706，被由垂直方向向光束平面714投射。由不同投射光束706群組所產生的各種光束平面714可如圖示般重疊。此外，每一光束平面714的視覺表象，可基於相關聯的光束分裂構件704發射的投射圖樣而變化。例如，基於各別投射光束群組所產生的不同光點圖樣，光束平面7141的表象視覺上可不同於光束平面714m。
第7C圖圖示說明第7A圖距離感測器的另一視圖，其中可見傾角概念。如圖示說明的，由包含投射光 束706o的投射光束群組所形成的範例光束平面714m的投射方向，在光束平面714m與從成像感測器像主點徑向延伸的軸之間形成傾角α。在圖示說明的範例中，由傾角α使光束平面傾斜，可將多個光束平面的重疊最小化。使光束平面傾斜亦可更容易分辨投射至表面上的個別光點，此允許使用相對簡易的演算法計算距離感測器700至物件的距離。
例如，第8A圖與第8B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7A圖至第7C圖的感測器計算至物件的距離。參考第8A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)
參考第8B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 104134927-A0202-12-0020-1
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9圖圖示說明延伸至範例距離感測器900的第8A圖至第8B圖的概念。範例距離感測器900包含光源902(包含光束分裂構件)、第二光束分裂構件的環形陣列904、以及成像感測器906(包含廣角鏡頭)。範例距離感測器900經配置以投射光圖樣，此光圖樣形成虛擬球形908。
第10A圖與第10B圖圖示說明本揭示內容的距離感測器1000的另一具體實施例。特定而言，第10A圖圖示說明距離感測器1000的簡化分解圖，而第10B圖圖示說明第10A圖距離感測器1000的簡化截面圖。
特定而言，第10A圖與第10B圖僅圖示說明用於產生投射光束的部件子集，且(例如)省略成像感測器與外殼。因此，距離感測器1000一般而言包含至少一 個光源(例如雷射光源)1004、第一光束分裂構件1006、以及第二光束分裂構件1008。在一個具體實施例中，第二光束分裂構件1008包含單一環型裝置(諸如全像膜或其他材料)，此環型裝置具有能夠使個別光束分裂成光束群組的多個投射點。此外，距離感測器1000包含錐形鏡1002。
在此情況中，第一光束分裂構件1006使光源1004發射的一次光束分裂成複數個二次光束。第二光束之每一者隨後被投射至錐形鏡1002的表面上，錐形鏡1002將二次光束之每一者再導向第二光束分裂構件1008。第二光束分裂構件1008上的每一投射點如上文所述，使二次光束分裂成複數個三次光束(或投射光束)。
第11A圖與第11B圖圖示說明本揭示內容的距離感測器1100的另一具體實施例。特定而言，第11A圖圖示說明距離感測器1100的簡化分解圖，而第11B圖圖示說明第11A圖距離感測器1100的簡化截面圖。
特定而言，第11A圖與第11B圖僅圖示說明用於產生投射光束的部件子集，且(例如)省略成像感測器與外殼。因此類似於第10A圖與第10B圖圖示說明的距離感測器1000，距離感測器1100一般而言包含至少一個光源(例如雷射光源)1104、第一光束分裂構件1106、以及第二光束分裂構件11081-1108n(此後集合稱為「第二光束分裂構件1108」)的陣列。在此情況中，多個個 別的第二光束分裂構件1108被設置於環形陣列中。陣列被放置在錐體或多面鏡1102的外圍。
在此情況中，第一光束分裂構件1106使光源1104發射的一次光束分裂成複數個二次光束。二次光束之每一者隨後被投射至錐體鏡1102的表面上，錐體鏡1102將二次光束之每一者再導向第二光束分裂構件1108之一者。第二光束分裂構件1108上的每一投射點如上文所述，使二次光束分裂成複數個三次光束(或投射光束)。
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。
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

Claims (24)

  1. 一種用於計算對一物件的一距離的設備，包含：一影像擷取裝置，該影像擷取裝置經放置以擷取一視野的一影像；一第一複數個投射點，該第一複數個投射點設置在該影像擷取裝置的一第一鏡頭的周圍；一光源，該光源經配置以發射一單一光束；一光束分裂構件，該光束分裂構件放置為使該單一光束分裂成複數個光束，並將該複數個光束之每一光束導向該第一複數個投射點的一個投射點；以及一錐形鏡，該錐形鏡放置在該光束分裂構件與該第一複數個投射點之間；該影像擷取裝置的一第二鏡頭，其中該第二鏡頭指向一方向，該方向與該第一鏡頭所指向的一方向相差180度；以及一第二複數個投射點，該第二複數個投射點設置在該第二鏡頭周圍，其中該第一複數個投射點之每一投射點經配置以在該視野內由不同方向發射複數個投射光束；其中該第二複數個投射點之每一投射點經配置以在該視野內由不同方向發射複數個投射光束； 其中每一複數個投射光束之每一個別投射光束將一序列形狀的一可見圖案投射進入該設備周遭的一空間。
  2. 如請求項1所述之設備，其中該第一複數個投射點被放置在該影像擷取裝置的一像主點之後(相對於每一複數個投射光束的一傳播方向)。
  3. 如請求項1所述之設備，其中該光源為一雷射光源。
  4. 如請求項1所述之設備，其中該光源為一脈衝光源。
  5. 如請求項1所述之設備，其中該光源包含用以調整該單一光束的一強度的電路系統。
  6. 如請求項1所述之設備，其中該光源為複數個光源之其中一者，且其中該複數個光源之每一光源經配置以發射一各別單一光束，並將該各別單一光束導向該第一複數個投射點的一個投射點。
  7. 如請求項6所述之設備，其中該光束分裂構件包含：複數個光束分裂構件；且其中該第一複數個投射點之每一投射點包含該複數個光束分裂構件之一光束分裂構件，該光束分裂構件經配置以將一各別單一光束分裂成各別複數個投射 光束。
  8. 如請求項7所述之設備，其中該複數個光束分裂構件之至少一個光束分裂構件包含一全像膜。
  9. 如請求項7所述之設備，其中該複數個光束分裂構件被設置為一環形陣列。
  10. 如請求項6所述之設備，其中該光束分裂構件包含一單一環形裝置，該第一複數個投射點被設置在該單一環形裝置周圍。
  11. 如請求項1所述之設備，其中該序列形狀的該可見圖案針對由該第一複數個投射點之每一投射點所發射的該複數個投射光束變化。
  12. 如請求項1所述之設備，其中該第一複數個投射點經設置以由該第一複數個投射點之所有投射點所發射的該複數個投射光束集合產生一球形圖樣。
  13. 如請求項1所述之設備，其中該第一複數個投射點經設置以由該第一複數個投射點之所有投射點所發射的該複數個投射光束集合產生一環形圖樣。
  14. 如請求項1所述之設備，其中該第一複數個投射點經設置以由該第一複數個投射點之所有投射點所發射的該複數個投射光束集合產生一平行線或平面之圖樣。
  15. 如請求項1所述之設備，其中該第一複數 個投射點經設置以由該第一複數個投射點之所有投射點所發射的該複數個投射光束集合產生一三角圖樣。
  16. 如請求項1所述之設備，其中該第一鏡頭為一廣角鏡頭，該廣角鏡頭對該視野顯像一半球形狀。
  17. 如請求項1所述之設備，進一步包含：用於使用該影像擷取裝置所擷取的一影像，來計算該設備與放置在該視野中的一物件之間的一距離的電路系統。
  18. 一種用於計算對一物件的一距離的方法，該方法包含以下步驟：發射步驟，使用一光源發射一單一光束；分裂步驟，由一光束分裂構件使該單一光束分裂成複數個光束；導向步驟，由該光束分裂構件將該複數個光束之一第一子集導向一第一複數個投射點，其中該光束分裂構件放置在該光源與該第一複數個投射點之間，且其中該第一子集之每一個別光束導向該第一複數個投射點的一個投射點；投射步驟，從該第一複數個投射點之每一投射點投射複數個投射光束，其中該第一複數個投射點設置在一影像擷取裝置的一第一鏡頭周圍，且其中該複數個投射光束之每一投射光束在一視野內導向一不同方 向，且其中每一複數個投射光束之每一個別投射光束將一序列形狀的一可見圖案投射進入該設備周遭的一空間，且其中該第一複數個投射點放置在該光源與該第一鏡頭之間；導向步驟，由該光束分裂構件將該複數個光束之一第二子集導向一第二複數個投射點，其中該光束分裂構件放置在該光源與該第二複數個投射點之間，且其中該第二子集之每一個別光束導向該第二複數個投射點的一個投射點；投射步驟，從該第二複數個投射點之每一投射點投射複數個投射光束，其中該第二複數個投射點設置在該影像擷取裝置的一第二鏡頭周圍，且其中該複數個投射光束之每一投射光束在該視野內導向一不同方向，且其中每一複數個投射光束之每一個別投射光束將一序列形狀的一可見圖案投射進入該設備周遭的一空間，且其中該第二複數個投射點放置在該光源與該第二鏡頭之間；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，且由該複數個投射光束之多個光束集合產生的一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。
  19. 如請求項18所述之方法，其中該光源為複數個光源之其中一者，其中該複數個光源之每一光源發射一各別單一光束，且其中每一各別單一光束被導向該第一複數個投射點的一個投射點。
  20. 如請求項18所述之方法，其中該視野的形狀為半球形。
  21. 一種儲存複數個指令的電腦可讀取儲存裝置，該等指令在由一處理器執行時，使該處理器執行作業以計算對一物件的一距離，該等作業包含：使用一光源發射一單一光束；由一光束分裂構件使該單一光束分裂成複數個光束；由該光束分裂構件將該複數個光束之一第一子集導向一第一複數個投射點，其中該光束分裂構件放置在該光源與該第一複數個投射點之間，且其中該第一子集之每一個別光束導向該第一複數個投射點的一個投射點；從該第一複數個投射點之每一投射點投射複數個投射光束，其中該第一複數個投射點設置在一影像擷取裝置的一第一鏡頭周圍，且其中該複數個投射光束之每一投射光束在一視野內導向一不同方向，且其中每一複數個投射光束之每一個別投射光束將一序列形狀 的一可見圖案投射進入該設備周遭的一空間，且其中該第一複數個投射點放置在該光源與該第一鏡頭之間；由該光束分裂構件將該複數個光束之一第二子集導向一第二複數個投射點，其中該光束分裂構件放置在該光源與該第二複數個投射點之間，且其中該第二子集之每一個別光束導向該第二複數個投射點的一個投射點；從該第二複數個投射點之每一投射點投射複數個投射光束，其中該第二複數個投射點設置在該影像擷取裝置的一第二鏡頭周圍，且其中該複數個投射光束之每一投射光束在該視野內導向一不同方向，且其中每一複數個投射光束之每一個別投射光束將一序列形狀的一可見圖案投射進入該設備周遭的一空間，且其中該第二複數個投射點放置在該光源與該第二鏡頭之間；擷取該視野的一影像，其中該物件可見於該影像中，且由該複數個投射光束之多個光束集合產生的一投射圖樣亦可見於該影像中；以及使用該影像中的資訊，計算對該物件的該距離。
  22. 一種用於計算對一物件的一距離的方法，包含以下步驟： 發射步驟，由一單一光源發射光；分裂步驟，使該光分裂成複數個光束，其中將該複數個光束之每一光束導向一組投射點之一個投射點，其中該組投射點包括設置在一影像擷取裝置的一第一鏡頭周圍的一第一複數個投射點及設置在該影像擷取裝置的一第二鏡頭周圍的一第二複數個投射點，該第二鏡頭指向一方向，該方向與該第一鏡頭所指向的一方向相差180度；投射步驟，從該第一複數個投射點及該第二複數個投射點投射複數個光點至一視野上，其中由該第一複數個投射點及該第二複數個投射點從該複數個光束產生該複數個光點，且其中該組投射點之每一投射點經配置以在該視野內在不同方向投射該複數個光點的一光點；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，且由該複數個光點形成的一投射圖樣亦可見於該影像中；以及計算步驟，根據該複數個光點之至少兩者之間的一位置關係，計算對該物件的該距離，其中該複數個光點之該至少兩者係從該組投射點之至少兩個不同的投射點發射出。
  23. 如請求項22所述之方法，其中該位置關係 係於先前即已知。
  24. 一種儲存複數個指令的電腦可讀取儲存裝置，該等指令在由一處理器執行時，使該處理器執行作業以計算對一物件的一距離，該等作業包含：由一單一光源發射光；使該光分裂成複數個光束，其中將該複數個光束之每一光束導向一組投射點之一個投射點，其中該組投射點包括設置在一影像擷取裝置的一第一鏡頭周圍的一第一複數個投射點及設置在該影像擷取裝置的一第二鏡頭周圍的一第二複數個投射點，該第二鏡頭指向一方向，該方向與該第一鏡頭所指向的一方向相差180度；從該第一複數個投射點及該第二複數個投射點投射複數個光點至一視野上，其中由該第一複數個投射點及該第二複數個投射點從該複數個光束產生該複數個光點，且其中該組投射點之每一投射點經配置以在該視野內在不同方向投射該複數個光點的一光點；擷取該視野的一影像，其中該物件可見於該影像中，且由該複數個光點形成的一投射圖樣亦可見於該影像中；以及根據該複數個光點之至少兩者之間的一位置關係，計算對該物件的該距離，其中該複數個光點之該至少 兩者係從該組投射點之至少兩個不同的投射點發射出。
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