TWI758367B - 投射平行圖案的距離感應器 - Google Patents

Abstract

在一個具體實施例中，一種計算對物件之距離的方法，包含：同時從光源投射複數個光束，其中複數個光束使複數個點線被投射至物件上，且其中複數個點線被定向為彼此平行；擷取視野的影像，其中物件可見於影像中，且複數個點線亦可見於影像中；以及使用影像中的資訊計算對物件之距離。

Description

投射平行圖案的距離感應器

對相關申請案的交互參照：本申請案對應於申請於2016年5月9日的美國專利申請案第15/149,323號的部分接續案，此部分接續案相應地主張對於申請於2015年5月10日的美國臨時專利申請案第62/159,286號的優先權。本申請案亦主張對於申請於2016年12月7日的美國臨時專利申請案第62/430,998號的優先權。在此併入所有這些申請案全文以作為參考。

本揭示內容大抵相關於電腦視覺系統，且更特定而言，相關於量測對物件或空間中一點的距離。

無人載具（諸如機器人載具與無人機）通常仰賴電腦視覺系統，以進行障礙物偵測並在周圍環境中導航。相應地，這些電腦視覺系統通常仰賴從周圍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取得關於周圍環境的資訊。例如，經由一或更多個成像感測器所獲取的資料，可用於判定從載具至特定物件或周圍環境中一點的距離。

在一個具體實施例中，一種計算對物件之距離的方法，包含：同時從光源投射複數個光束，其中複數個光束使複數個點線被投射至物件上，且其中複數個點線被定向為彼此平行；擷取視野的影像，其中物件可見於影像中，且複數個點線亦可見於影像中；以及使用影像中的資訊計算對物件之距離。

在另一種具體實施例中，一種電腦可讀取儲存裝置，電腦可讀取儲存裝置儲存複數個指令，複數個指令在由處理器執行時使得處理器執行用於計算對物件的距離的作業。作業包含：同時從光源投射複數個光束，其中複數個光束使複數個點線被投射至物件上，且其中複數個點線被定向為彼此平行；擷取視野的影像，其中物件可見於影像中，且複數個點線亦可見於影像中；以及使用影像中的資訊計算對物件之距離。

在另一範例中，一種設備，包含：光源，光源用於同時投射複數個光束，其中複數個光束使複數個點線被投射至物件上，且其中複數個點線被定向為彼此平行；成像感測器，用於擷取視野的影像，其中物件可見於影像中且複數個點線亦可見於影像中；以及電路系統，用於使用影像中的資訊計算對物件之距離。

在一個具體實施例中，本揭示內容相關於距離感測器。在無人載具中可使用距離感測器，以幫助電腦視覺系統判定從載具到特定物件或周圍環境中一點的距離。例如，距離感測器可將一或更多個光束投射到物件或點上，且隨後根據飛行時間（time of flight; TOF）、對反射光的分析（例如光學雷達（lidar））、或其他手段來計算距離。然而此類型的習知距離感測器傾向為笨重的，且因此可不適合用在小型載具中。再者，感測器可太昂貴而難以生產，且傾向為具有受限的視野。例如，即使使用多個習知成像感測器的設置，提供的視野仍小於360度。所揭示的距離感測器類型亦可用於其他應用，包含三維（3D）成像。

本揭示內容的範例提供了對於用於小型距離感測器的光學配置的改進，小型距離感測器諸如申請於2015年10月22日的美國專利申請案第14/920,246號中所揭示的距離感測器的任一者。一或更多個光源投射複數個光束，這些光束在投射到物件上時集合形成線圖案。一或更多個成像感測器隨後擷取物件與圖案的二維影像，並基於影像中物件上的圖案外觀，來計算對物件的距離。在本揭示內容的背景內容內，「光束」或「投射光束」代表由所揭示的距離感測器的光源發出的光的形式。「線」或「圖案」代表在光源發出的光束投射在表面或物件上時，在此表面或物件上產生的影像。

例如，第1A圖與第1B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100的一種範例。特定而言，第1A圖圖示說明距離感測器100的截面圖，而第1B圖圖示說明第1A圖的距離感測器100的俯視圖。距離感測器100可例如被裝設至無人載具。

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。在一個範例中，部件包含複數個光源108₁ -108_n （在此集中稱為「光源108」或個別稱為「光源108」），這些光源設置為圍繞包含廣角鏡頭112的成像感測器110。在一個範例中，複數個光源108包含偶數個光源。例如在第1A圖繪製的範例中，複數個光源108包含四個光源108。在一個範例中，部件被設置為沿著中央軸A-A'實質對稱。例如在一個範例中，中央軸A-A'重合於成像感測器110的光學軸，且光源108由相同的間距彼此隔開（例如每三十度、每九十度等等）位於圍繞成像感測器110的環中，如第1B圖圖示說明。然而在其他範例中，可僅使用單一光源108。

在一個範例中，光源108之每一者為發出複數個光束的雷射光源，其中複數個光束可將複數個點線（或其他標示，諸如交叉號、破折號等等）投射至一表面上，複數個光束係投射至此表面上。因此，每一光源108可被視為距離感測器100的投射點，亦即距離感測器100上的一點，複數個光源從此點投射進視野。對此，每一投射點可包含各自的繞射光學元件114₁ -114_n （此後集中稱為繞射光學元件114"，或個別稱為「繞射光學元件114」），這些繞射光學元件將光源108發出的單一光束分成複數個光束。複數個光束的每一個別光束，可相應投射點或線至表面上，其中複數個光束被設置為使得對應的點協同形成一系列的平行線。這些線可由點形成，使得他們協同形成矩形點矩陣。或者，線可為連續的，或由破折號、交叉號等等形成。

每一光源108的投射方向可相對於成像感測器110固定。在一個範例中，每一光源108經配置以投射複數個光束，複數個光束在一表面上形成不同的視覺圖案。例如，光源108₁ 可投射點圖案，而光源108₂ 可投射破折號或交叉號的圖案，諸如此類。在進一步的範例中，複數個光源108的至少一個光源108可經配置以改變此光源所投射的圖案。此外，光源108之一或更多者投射的光的強度可改變。例如，光源108₁ 可投射具有第一強度的光，而光源108₂ 可投射具有不同的第二強度的光，諸如此類。或者，每一光源108可能夠投射強度可在一些範圍內改變的光。

從每一光源108發出的光的波長，已知對於人類視覺而言是相當安全的（例如紅外線）。在進一步的範例中，每一光源108可包含電路系統以調整光源輸出的強度。在進一步的範例中，每一光源108可發出脈衝光，以減輕環境光對於影像擷取的效應。

在一個範例中，複數個光源108被定位在成像感測器110的主點（亦即光軸A-A'與成像平面交會的點）的「後方」，相對於複數個光源108發出的光的傳播方向，如第1A圖圖示。在一個範例中，複數個光源108的至少一個光源108可從距離感測器100取下。

如上文所討論的，可沿著中央軸A-A'在複數個光源108中央處定位成像感測器110。在一個範例中，成像感測器110為影像擷取裝置，諸如靜態攝影機或視訊攝影機。在一個特定範例中，影像擷取裝置包含紅、綠、藍紅外線（RGB-IR）感測器。亦如上文所討論的，成像感測器110包含產生半球形視野的廣角鏡頭112，諸如魚眼鏡頭。在一個範例中，鏡頭112包含任何類型的透鏡，除了中心投射或自由曲面光學透鏡以外。在一個範例中，成像感測器110包含用於計算距離感測器100對物件或點的距離的電路系統。在另一範例中，成像感測器包含網路介面，網路介面用於將所擷取的影像透過網路通訊傳輸至處理器，其中處理器計算從距離感測器100至物件或點的距離，且隨後將計算出的距離通訊傳輸回距離感測器100。

在另一範例中，距離感測器100可採用單一光源108，單一光源108採用繞射光學元件，以將光源108的光束分成第一複數個光束。第一複數個光束之每一者隨後被進一步分成第二複數個光束（例如藉由繞射光學元件114），如上文所討論的，第二複數個光束從距離感測器100的每一投射點發出。此範例被進一步詳細討論於美國專利申請案第14/920,246號中。

因此在一個範例中，距離感測器100使用複數個光源或投射點以產生複數個投射光束，其中複數個投射光束產生的複數個線（例如可包含點或破折號的圖案），可被定向為在他們所投射的表面上平行於彼此。因此，距離感測器100投射至表面上的圖案，可包含複數個平行線，其中每一線包含點、破折號、交叉號等等的線。隨後可根據視野中複數個平行線的外觀（例如藉由點的位置），計算從距離感測器100到物件的距離（例如申請於2015年10月22日的美國專利申請案第14/920,246號所說明的）。例如，可透過形成平行線的點的橫向移動，來偵測對物件的距離，因為即使距離改變，線仍總是保持為線性的。亦可直接計算物件的大小與尺寸。

在光源108之每一者投射具有不同圖案（例如點、交叉號、破折號等等）的複數個線時，成像感測器110中的電路系統可輕易判定所擷取影像中的線是由哪個光源108所產生的。這可協助計算距離，此將更詳細討論於下文。在一個範例中，可結合光源108之每一者所投射的圖案，來使用不同的距離計算技術。

如上文所討論的，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案。例如，第1C圖圖示說明可由第1A圖與第1B圖的距離感測器100的光源之一者108₁ 投射的第一範例圖案102。第1C圖亦圖示說明第1A圖與第1B圖的距離感測器100的一些部件的分解圖，包含成像感測器110、鏡頭112、以及三個光源108₁ 、108₂ 、與108₃ 。

如圖示說明的，圖案102包含複數個平行線104₁ -104_m （此後一起稱為「線104」或個別稱為「線104」），其中每一線104進一步包含一系列的點。複數個平行線104不重疊也不交會。複數個線104可協同形成沿著中央線（亦即第1C圖的線104₃ ）的對稱圖案，其中在視野內點的分佈為高度均勻的（具有最少的盲點（亦即未被投射圖案102的區域））。

在一個範例中，複數個線104中的每一線104相對於正交於光源108平面的線傾斜或偏向一旋轉角度ε，以對抗角度α的曲折方向，其中角度α係從成像感測器的光軸方向的俯視圖來界定（亦即從視野中的物件觀看），且旋轉角度ε係從投射方向的視圖來界定（亦即圍繞投射軸，從投射點觀看視野中物件）。在一個範例中，角度α至少為三十度，且角度ε大於零度。在第1B圖中，旋轉角度α的曲折方向為順時鐘，而角度ε的曲折方向為反時鐘。對於每一光源108而言角度α可為相同，或者，兩個或更多個光源可具有不同的角度α。

每一光源108可相對於光源108平面傾斜或偏向角度θ，這產生扇形角度，光源108投射的複數個線104以此扇形角度散開。再者，每一光源108相關聯於移位值b，移位值b界定從光源108至成像感測器110的距離（如沿著成像感測器110的光軸A-A'量測到的）。

藉由投射平行非重疊點線104的圖案102，距離感測器100能夠計算對成像感測器視野中物件的三維距離，此將於下文進一步詳細討論。即便物件正在移動、為反射性、或為曲形，仍可量測距離。即使成像感測器110的鏡頭112不是廣角鏡頭，仍可量測此距離，雖然使用諸如魚眼鏡頭的廣角鏡頭允許距離感測器100涵蓋更寬廣（例如半球形）的視野。

例如，第2A圖圖示說明第1C圖圖示說明的投射至表面200上的平行線的範例圖案102的另一視圖。如圖示說明，圖案102實質上對稱於中心線104₃ 。如亦圖示說明的，距離感測器的視野204為實質上半球形。第2A圖亦圖示說明由一個光源108投射的複數個光束如何可從光源108由扇形設置散開，而在表面200上產生平行非重疊線的圖案102。第2B圖圖示說明由第2A圖的光源108投射的「扇形」光束的正視圖，而第2C圖圖示說明第2B圖扇形光束的側視圖。在所圖示的範例中，光源108投射的每一光束之間的間距係由θ標定，而圖案102中每一線之間的間距由η標定。在一個範例中，光束之間的間距以及線之間的間距為均勻的。

第3圖圖示說明投射至半球形視野204中的圖示說明於第1C圖中的範例平行線圖案102的另一側視圖。箭頭300指示對視野204中物件302的距離R。再者，箭頭304與306指示光源108₁ 發出光束的角度以及成像感測器110擷取到光束所投射的圖案的影像的角度之間的位置關係。

第4圖圖示說明第1A圖至第1C圖的距離感測器100的俯視圖，其中每一光源108被圖示為發出形成扇形的複數個光束。每一複數個光束產生各別的平行線圖案，諸如第1C圖與第2A圖圖示說明的圖案102。

再者，在一個範例中，每一光源被定位為由相對於將光源投射點連接至成像感測器110光軸A-A'的線的相同角度α，發射此光源的複數個光束。如上文所討論的，在一個範例中，角度α為至少三十度。角度α越小，投射入視野的集合圖案的散開程度就越低（亦即，在投射到一表面上時，所投射的平行線的點將更靠近彼此）。換言之，相對於物件距離的點移動可太過小，而無法有效地判定距離（特別是對於較長的距離）。角度α越大，投射入視野的集合圖案的散開程度就越高（亦即，在投射到一表面上時，所投射的平行線的點將更遠離彼此）。

在每一光源同時發出複數個光束時，視野可被均勻地涵蓋在平行線圖案中，其中每一平行線由一系列的點、破折號、交叉號等等形成。在此情況中，不同的複數個光束所各別形成的平行線不會重疊。這允許距離感測器100計算半球形視野內存在的任何物件的距離。

例如，第5A圖圖示說明由同時發出複數個光束的第4圖的所有光源，可產生的圖案的俯視圖。特定而言，第5A圖中的環圖示對於共同光源所投射的光束之間的各種間距θ的範例圖案的外觀（例如對於θ = 0度、θ = 30度、θ = 60度、以及θ = 90度）。在此情況中存在四個光源，且每一光源投射七個光束的扇形，此扇形在距離感測器視野中的一表面上產生七個平行線。四個光源可協同投射覆蓋了所有（或幾乎全部）的半球形視野的圖案，如圖示。因此，可使用相對少量的光源以及單一成像感測器，來量測約180度的視野。如第5B圖圖示（圖示說明第5A圖繪製的圖案的一半的俯視圖），彼此相距180度的光源各別產生的圖案將偏移自彼此。這幫助最小化所投射圖案的重疊，同時確保涵蓋所有（或幾乎全部）的半球形視野。

雖然在第5圖圖示說明的範例中，第4圖的所有光源同時發出他們各自的複數個光束，但在其他範例中，光源可被定時以循序發出他們各自的複數個光束。在一個範例中（例如其中有至少兩對光源（亦即總共有至少四個光源）），第一對光源（例如第5B圖圖示的彼此相距180度）被定時以同時發出他們各自的複數個光束。隨後第一對光源停止投射他們各自的複數個光束，且第二對光源（例如亦彼此相距180度）同時發出他們各自的複數個光束。因此，兩對光源交替發出他們各自的複數個光束。此範例涉及光源的脈衝發射，且每一脈衝發射之間具有一些時間區間。

在一些範例中，本揭示內容的距離感測器可包含多於一個成像感測器。例如，第6A圖圖示說明類似於第1B圖圖示說明的距離感測器100的距離感測器600的俯視圖，但第6A圖的距離感測器600包含兩個成像感測器610A與610B。在一個範例中，不同的成像感測器610A與610B可具有不同的光學規格（例如解析度、光感度、視野等等）。

在此情況中，複數個光源608₁ -608_n （此後一起稱為「光源608」或個別稱為「光源608」）被設置於圍繞成像感測器610A與610B對的一環中。如圖示說明的，成像感測器610A與610B各自的光軸A-A'與B-B'是不同的，而個別光源608對成像感測器610A與610B之每一者的位置關係也不同（如光源608₃ 的不同角度αA與αB所指示的）。

如第6B圖圖示說明，複數個光源608投射的圖案602仍包含複數個平行線604₁ -604_m （此後一起稱為「線604」或個別稱為「線604」），其中每一線604進一步包含一系列的點。複數個平行線604不重疊也不交會。複數個線604可協同形成沿著中央線（亦即第6B圖的線604₃ ）的對稱圖案，其中在視野內點的分佈為高度均勻的（具有最少的盲點（亦即未被投射圖案602的區域））。每一成像感測器610A與610B擷取相同圖案602的影像，但圖案602的位置係特定於各別成像感測器自身的座標系統（例如基於各自的光學位置、軸方向、與光學主點位置）。

第7A圖與第7B圖圖示說明可由本揭示內容的距離感測器投射的更詳細的範例投射圖案。特定而言，第7A圖圖示說明第一範例圖案700A，第一範例圖案700A包含由點形成的複數個平行線，包含中心點線，而第7B圖圖示說明第二範例圖案700B，第二範例圖案700B包含由點形成的複數個平行線，但不具有中心點線。

更特定而言，在第7A圖中，圖案700A包含複數個平行線702A，其中每一線係由一系列的點704A形成。在一個範例中，鄰接的平行線702A之間存在相位差φ，使得鄰接的平行線702A的點704A之間在x及（或）y方向中存在一些位移。在一個範例中，可對每一其他線702A（例如使得每一其他線702A具有相同相位）、對每三個線702A（例如使得每第三個線702A具有相同相位）改變相位，諸如此類。

複數個平行線702A協同形成矩形點矩陣704A，矩形點矩陣704A可旋轉角度Δφ並具有仰角Δθ。此矩形點矩陣沿著第一中心線706A對稱且亦沿著第二中心線708A對稱，第一中心線706A定向為平行於圖案700A的x軸，第二中心線708A平行於圖案的y軸。矩形點矩陣因此沿著投射中心710A對稱。第二中心線708A亦可被視為對於成像感測器的鏡頭712A的正交線。在一個範例中，至少第一中心線706A被定位在成像感測器的光軸的圓圈的切線方向中。第一中心線706A與第二中心線708A兩者係由點704A形成。圖案700A的投射中心710A指示投射圖案700A的光源的投射軸。如圖示，第一中心線706A與第二中心線708A兩者可通過光源的投射中心710A。

在此範例中，隨著物件距離變化的圖案700A的軌跡，變得平行於（或幾乎平行於）第二中心線708A。點704A的線702A可被定位為平行於第二中心線708A，且具有均等的點區間（例如Δθ）或具有一些其他的規則性。這些平行線702A具有相同的配置，除了點區間中的相位偏移（φ）以外。

在第7B圖中，圖案700B包含複數個平行線702B，其中每一線係由一系列的點704B形成。在一個範例中，鄰接的平行線702B之間存在相位差φ，使得鄰接的平行線702B的點704B之間在x及（或）y方向中存在一些位移。在一個範例中，可對每一其他線702B（例如使得每一其他線702B具有相同相位）、對每三個線702B（例如使得每第三個線702B具有相同相位）改變相位，諸如此類。

複數個平行線702B協同形成矩形點矩陣704B，矩形點矩陣704B可旋轉角度Δφ並具有仰角Δθ。此矩形點矩陣沿著第一中心線706B對稱且亦沿著第二中心線708B對稱，第一中心線706B定向為平行於圖案700B的x軸，第二中心線708B平行於圖案的y軸。矩形點矩陣因此沿著投射中心710B對稱。第二中心線708B亦可被視為對於成像感測器的鏡頭712B的正交線。在一個範例中，至少第一中心線706B被定位在成像感測器的光軸的圓圈的切線方向中。相對於第7A圖的圖案700A，第一中心線706B並非由點704B形成。因此，第7B圖中平行線704B之間的間距，可大於第7A圖中平行線702A的間距。圖案700B的投射中心710B指示投射圖案700B的光源的投射軸。如圖示，第一中心線706B與第二中心線708B兩者可通過光源的投射中心710B。

第8A圖圖示說明可如前述由複數個平行線的投射所產生的範例球形（或半球形）座標結構800。特定而言，第8A圖圖示說明配置為虛擬球體802的視野。

如圖示說明的，距離感測器包含光源804與繞射光學元件，繞射光學元件用於將光源804發出的光束分成複數個光束。複數個光束的中心808（例如一點，在此點一個光束被分成複數個光束），可視為圖案的投射點，且中心808對應於圖案812的投射中心810（其中此投射中心810的座標為(φ, θ) = (0,0)）。從投射點808延伸至投射中心810的線，可視為光源804的投射軸（發射方向）。

圖案812的第一中心線814對應於θ=0（亦即仰角θ為零）。平行於第一中心線814的線，對應於θ=0p（亦即仰角θ為0p，在平行線之間為固定）。因此，圖案812可為如第8B圖圖示的針墊類型的形狀，第8B圖圖示說明在平面投射處的第8A圖圖案。在y方向中每一點的位置可被說明為φ。第二中心線816因此對應於φ=0。

所擷取的每一點的影像可在平行於第二中心線816的方向中隨著物件距離變化而移動。然而，在相位移被引入鄰接點線之間時，移動的點的面積（軌跡）不應重疊。如繪製第8B圖圖案812（其中點的軌跡隨著對物件的距離而改變）的第8C圖圖示說明的，鄰接點線之間的相位差幫助最小化個別點軌跡的重疊。這允許圖案812的點密度被提升。

第9A圖與第9B圖圖示說明可由本揭示內容的距離感測器投射的更詳細的範例投射圖案。特定而言，第9A圖圖示說明第一範例圖案900A，第一範例圖案900A包含由點形成的複數個平行線，包含中心點線，而第9B圖圖示說明第二範例圖案900B，第二範例圖案900B包含由點形成的複數個平行線，但不具有中心點線。圖案900A與900B類似於第7A圖與第7B圖圖示說明的圖案700A與700B；然而，圖案900A與900B各自的第一中心線906A與906B，各自對成像感測器的鏡頭912A與912B的光軸的圓圈的切線方向傾斜角度γ。

更特定而言，在第9A圖中，圖案900A包含複數個平行線902A，其中每一線係由一系列的點904A形成。複數個平行線902A協同形成矩形點矩陣904A，矩形點矩陣904A可旋轉角度Δφ並具有仰角Δθ。此矩形點矩陣沿著第一中心線906A對稱且亦沿著第二中心線908A對稱，第一中心線906A定向為平行於圖案900A的x軸，第二中心線908A平行於圖案的y軸。矩形點矩陣因此沿著投射中心910A對稱。第二中心線908A亦可被視為對於成像感測器的鏡頭912A的正交線。在一個範例中，至少第一中心線906A相對於鏡頭912A的光軸的圓圈的切線方向傾斜角度γ。

第一中心線906A與第二中心線908A兩者係由點904A形成。圖案900A的投射中心910A指示投射圖案900A的光源的投射軸。如圖示，第一中心線906A與第二中心線908A兩者可通過光源的投射中心910A。

在此範例中，隨著物件距離變化的圖案900A的軌跡，變得平行於（或幾乎平行於）第二中心線908A。點904A的線902A可被定位為平行於第二中心線908A，且具有均等的點區間（例如Δθ）或具有一些其他的規則性。這些平行線902A具有相同的配置，除了點區間中的相位偏移（φ）以外。

在第9B圖中，圖案900B包含複數個平行線902B，其中每一線係由一系列的點904B形成。複數個平行線902B協同形成矩形點矩陣904B，矩形點矩陣904B可旋轉角度Δφ並具有仰角Δθ。此矩形點矩陣沿著第一中心線906B對稱且亦沿著第二中心線908B對稱，第一中心線906B定向為平行於圖案900B的x軸，第二中心線908B平行於圖案的y軸。矩形點矩陣因此沿著投射中心910B對稱。第二中心線908B亦可被視為對於成像感測器的鏡頭912B的正交線。

在一個範例中，至少第一中心線906B相對於鏡頭912B的光軸的圓圈的切線方向傾斜角度γ。相對於第7A圖的圖案900A，第一中心線906B並非由點904B形成。因此，第9B圖中平行線904B之間的間距，可大於第9A圖中平行線902A的間距。圖案900B的投射中心910B指示投射圖案900B的光源的投射軸。如圖示，第一中心線906B與第二中心線908B兩者可通過光源的投射中心910B。

因此，本文所揭示的各種線圖案，能夠平移投射面積。藉由利用圍繞成像感測器的複數個光源，並以適當的角度與位置設置複數個光源，可能投射圖案，可根據圖案由廣角與高密度偵測在三維中對物件的距離。圖案可如前述被傾斜，或可不被傾斜。在後者情況中，複數個光源可經設置以由較高密度集中在特定面積中。

此外，可改變光源配置（並可能改變相關聯的繞射光學元件），例如藉由改變投射面積、點圖案、光強度、點點聚焦等等，或藉由結合廣面積及窄面積與高強度的投射。亦可藉由使用多個成像感測器，或藉由改變焦長、聚焦位置等等，來改變成像感測器的配置。例如，第15圖繪製被同時投射的兩種不同的範例投射圖案。可從第一光源投射第一投射圖案1500，而可從第二光源投射第二投射圖案1502。如圖示說明的，第二投射圖案1502的線之間的間距，小於第一投射圖案1500的線之間的間距。此外，第二投射圖案1502的點之間的間距，小於第一投射圖案1500的點之間的間距。因此，第二投射圖案1502的總和投射面積，小於第一投射圖案1500的總和投射面積。此種圖案創造的彈性，可允許距離感測器在存在成像感測器的變異（例如焦長調整、聚焦位置調整等等）之下，更有效地量測距離。

第10A圖圖示說明用於使用一對平行線1000₁ 與1000₂ 計算對物件的距離的相關參數（此後集合稱為「線1000」或個別稱為「線1000」），其中線1000之每一者包含一系列的點。應注意到第10A圖圖示的是簡化的範例；實際上可投射多於兩個平行線（例如在一個範例中為七個平行線）。如圖示說明，平行線1000被投射至物件1002上，物件1002被定位在與距離感測器的成像感測器1004相距距離D處。平行線1000由投射區間α間隔開，其中區間中點（或投射中心）係由軸B-B'界定。距離φ存在於軸B-B'與距離感測器1004的中央軸A-A'之間。光源1006₁ -1700₂ （此後集合稱為「光源1006」或個別稱為「光源1006」）被設定在成像感測器1004前方距離b處。

第10B圖圖示說明用於計算從第10A圖成像感測器1004到第10A圖物件1002的距離D的一種範例演算法。除了第10A圖圖示說明的參數以外，第10B圖圖示說明光源1006發出的光的一部分（亦即平行點線，由投射區間α間隔開）被物件1002反射，並作為返回光返回成像感測器1004。返回光的光束由距離θ間隔開，距離θ由成像感測器1004所擷取的影像給定。

在軸B-B'與距離感測器1004的中央軸A-A'之間的距離φ已知為零時，(α/2)/D = tan(θ/2)。因此，成像感測器1004到物件1002的距離D可被計算為D = (α /2)/tan(θ/2)。再者，D ≈ α /tan(θ) （在 α ＜＜ D時）。

在軸B-B'與距離感測器1004的中央軸A-A'之間的距離φ已知為非零的數字時，D ≈ α /tan(θ) （在 θ = (θ/2 + φ) – (-θ/2 + φ)時）。

第11A圖與第11B圖圖示說明一些概念，可根據這些概念推導出用於使用本文所揭示之距離感測器計算對物件距離的簡單演算法。參照第11A圖，從Op至D的向量r0的高度z、深度y、與長度x，可被計算如下： z = r₀ sinθ (方程式1) y = r₀ cosθ sinα (方程式2) x = r₀ cosθ cosα (方程式3) 因此， r₀ ² = x² + y² + z² (方程式4)

方程式1-4說明距離感測器發出的傾斜投射光束的複數個參數的位置關係。

參照第11B圖，在高度降低b且長度提升a時，尺寸可被計算為： z - b = R₀ sinφ (方程式5) y = R₀ cosφ sinβ (方程式6) x + a = R₀ cosφ cosβ (方程式7) 因此， R₀ ² = (x + a)² + y² + (z – b)² (方程式8)

根據方程式1與方程式5，吾人可推導： R0 sinφ + b = r0 sinθ (方程式9)

根據方程式2與方程式6，吾人可推導： R₀ cosφ sinβ = r₀ cosθ sinα (方程式10)

根據方程式3與方程式7，吾人可推導： R₀ cosφ cosβ - a = r₀ cosθ cosα (方程式11)

因此，

(方程式12)

從成像感測器擷取的影像量測出β與φ；從成像感測器/投射設定可得知a、b、與α；而從投射圖案可得知θ。

第12圖圖示說明延伸至範例距離感測器1200的第11A圖至第11B圖的概念。範例距離感測器1200包含環形光源陣列，環形光源陣列包含光源1202、投射點（諸如投射點1204），對應於每一光源（並可能包含繞射光學元件或其他光束分割手段）、以及成像感測器1206（包含廣角鏡頭）。範例距離感測器1200經配置以投射複數個平行點線，複數個平行點線一起形成虛擬球體1208。

如圖示說明，距離感測器1200的投射點（諸如投射點1206）投射複數個光束，複數個光束在定位為距離成像感測器1206處距離D的位置的物件1210上形成複數個平行點線。相對於從中央軸徑向向外延伸的軸B-B'的光束的中心的角度，係由α界定。投射點發出的光的部分，作為反射光束被反射回成像感測器1206。

第13圖圖示說明一種用於計算從感測器至物件或空間中一點的距離的方法1300的流程圖。在一個具體實施例中，方法1300可由整合在成像感測器（諸如第1A圖至第1B圖中圖示說明的成像感測器110）中的處理器執行，或可由如圖示說明於第14圖中並於下文討論的一般用途計算裝置執行。

方法1300開始於步驟1302。在步驟1304，啟動光源以產生光束。在一個範例中，光源為要同時啟動的複數個光源之一者。在一個範例中，光源包含雷射光源。

在步驟1306中，光束被分成複數個光束，例如使用定位在一路徑中的繞射光學元件或其他光束分割手段，在步驟1304中產生的光束沿著此路徑傳播。所產生的複數個光束被從投射點發出並進入視野，且投射圖案至視野中的表面與物件上。在一個範例中，圖案包含複數個平行線，其中每一線由一系列的點形成。在複數個平行線被設置為對稱地圍繞一中心點時，圖案可因此像是矩形點矩陣。

在步驟1308，擷取視野的影像。影像繪製視野中的物件，以及在步驟1306中投射入視野的圖案的至少一部分。

在步驟1310中，使用來自在步驟1308中擷取的影像的資訊，計算從感測器到物件的距離。在一個範例中，使用三角定位技術來計算距離。例如，光源投射的圖案部分（例如個別的點）之間的位置關係，可作為計算的基礎。

方法1300結束在步驟1312。因此，結合第1A圖至第1B圖繪製的感測器或具有類似能力的感測器的方法1300，可在單一影像擷取與計算循環中，量測從感測器到空間中物件或點的距離。

第14圖繪製適合用於執行本文所述功能中的一般用途電腦的高階方塊圖。如第14圖繪製，系統1400包含一或更多個硬體處理器元件1402（例如中央處理單元（CPU）、微處理器、或多核心處理器）、記憶體1404（例如隨機存取記憶體（RAM）及（或）唯讀記憶體（ROM））、用於計算距離的模組1405、以及各種輸入輸出裝置1406（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、麥克風等等））。雖然僅圖示一個處理器元件，但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前述方法被實施於分散式或平行式（亦即前述方法的步驟或整體方法被跨於多個或平行的一般用途電腦而實施），則此圖式的一般用途電腦意為代表這些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計算環境。虛擬化計算環境可支援代表電腦、伺服器、或其他計算裝置的一或更多個虛擬機器。在此種虛擬化虛擬機器中，可虛擬化或邏輯地呈現硬體部件（諸如硬體處理器與電腦可讀取儲存裝置）。

應注意到，可由軟體及（或）軟體與硬體之組合實施本揭示內容，例如使用特定應用積體電路（ASIC）、可編程式邏輯陣列（PLA）（包含場效可編程式閘陣列（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均等硬體，例如，屬於前述方法的電腦可讀取指令可用於配置硬體處理器以執行前述方法的步驟、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處理1405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1404並由硬體處理器元件1402執行，以實施上文連同範例方法1300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，此可包含直接執行作業的硬體處理器及（或）協助、指導、或協作另一硬體裝置或部件（例如共同處理器等等）以執行作業的硬體處理器。

執行相關於前述方法的電腦可讀取（或軟體）指令的處理器，可被感知為可編程式處理器或專屬處理器。因此，本揭示內容的用於計算距離的本模組1405（包含相關聯的資料結構），可被儲存在有形的或實體的（廣稱為非暫態性的）電腦可讀取儲存裝置或媒體，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、裝置或卡匣等等。更特定而言，電腦可讀取儲存裝置可包含提供儲存資訊的能力的任何實體裝置，資訊諸如由處理器或計算裝置（諸如電腦或應用程式伺服器）存取的資料及（或）指令。

雖然上文已說明了各種具體實施例，應瞭解到，僅為示例目的而呈現這些具體實施例而不作為限制。因此，較佳具體實施例的寬度與範圍應不受限於前述示例性具體實施例之任意者，而是僅應根據下列申請專利範圍與均等範圍來界定。

100‧‧‧距離感測器102‧‧‧小型外殼104₁-104_m‧‧‧平行線108₁-108_n‧‧‧光源110‧‧‧成像感測器112‧‧‧鏡頭114₁ -114_n‧‧‧繞射光學元件200‧‧‧表面204‧‧‧視野300‧‧‧對視野204中物件302的距離R302‧‧‧物件304‧‧‧光束的角度306‧‧‧光束的角度600‧‧‧距離感測器602‧‧‧投射的圖案604₁-604_m‧‧‧平行線608₁-608_n‧‧‧光源610A‧‧‧成像感測器610B‧‧‧成像感測器700A‧‧‧第一範例圖案702A‧‧‧平行線704A‧‧‧點706A‧‧‧第一中心線708A‧‧‧第二中心線710A‧‧‧投射中心712A‧‧‧鏡頭700B‧‧‧第二範例圖案702B‧‧‧平行線704B‧‧‧點708B‧‧‧第二中心線710B‧‧‧投射中心712B‧‧‧鏡頭802‧‧‧虛擬球體804‧‧‧光源808‧‧‧光束的中心810‧‧‧投射中心812‧‧‧圖案814‧‧‧第一中心線816‧‧‧第二中心線900A‧‧‧第一範例圖案902A‧‧‧平行線904A‧‧‧矩形點矩陣906A‧‧‧第一中心線908A‧‧‧第二中心線910A‧‧‧投射中心912A‧‧‧鏡頭900B‧‧‧第二範例圖案902B‧‧‧平行線904B‧‧‧矩形點矩陣906B‧‧‧第一中心線908B‧‧‧第二中心線910B‧‧‧投射中心912B‧‧‧鏡頭1000₁‧‧‧ 平行線1000₂‧‧‧平行線1002‧‧‧物件1004‧‧‧成像感測器1006₁-1006_n‧‧‧光源1200‧‧‧距離感測器1202‧‧‧光源1204‧‧‧投射點1206‧‧‧投射點1208‧‧‧虛擬球體1210‧‧‧物件1300‧‧‧方法1302-1312‧‧‧步驟1400‧‧‧系統1402‧‧‧硬體處理器元件1404‧‧‧記憶體1405‧‧‧用於計算距離的模組1406‧‧‧輸入輸出裝置1500‧‧‧第一投射圖案1502‧‧‧第二投射圖案

連同附加圖式閱讀下文的詳細說明時，將可更輕易瞭解本揭示內容的教示內容，在圖式中：

第1A圖圖示說明一種距離感測器的具體實施例的截面圖，此距離感測器可用於產生本揭示內容的光學配置；第1B圖圖示說明第1A圖距離感測器的俯視圖；第1C圖圖示說明可由第1A圖與第1B圖的距離感測器的光源之一者所投射的第一範例圖案；第2A圖圖示說明投射至表面上的圖示說明於第1C圖中的範例平行線圖案；第2B圖圖示說明第2A圖光源所投射的光束「扇形」的正視圖；第2C圖圖示說明第2B圖光束扇形的側視圖；第3圖圖示說明投射至半球形視野中的圖示說明於第1C圖中的範例平行線圖案的另一側視圖；第4圖圖示說明第1A圖至第1C圖的距離感測器的俯視圖，其中每一光源被圖示為發出形成扇形的複數個光束；第5A圖圖示說明由同時發出複數個光束的第4圖的所有光源，可產生的圖案的俯視圖；第5B圖圖示說明第5A圖繪製的圖案的一半的俯視圖；第6A圖圖示說明類似於第1B圖圖示說明的距離感測器的距離感測器的俯視圖，但第6A圖的距離感測器包含兩個成像感測器；第6B圖圖示說明第6A圖距離感測器的側視圖；第7A圖與第7B圖圖示說明可由本揭示內容的距離感測器投射的更詳細的範例投射圖案；第8A圖圖示說明可由複數個平行的投射所產生的範例球形（或半球形）座標結構；

第8B圖圖示說明在平面投射處的第8A圖的圖案；

第8C圖繪製第8B圖的圖案，其中點的軌跡隨著對物件的距離而改變；

第9A圖與第9B圖圖示說明可由本揭示內容的距離感測器投射的更詳細的範例投射圖案；

第10A圖使用一對平行線圖示用於計算對物件距離的相關參數，其中每一線包含一系列的點；

第10B圖圖示說明用於計算從第10A圖成像感測器到第10A圖物件的距離D的一種範例演算法；

第11A圖與第11B圖圖示說明一些概念，可根據這些概念推導出用於使用本文所揭示之距離感測器計算對物件距離的簡單演算法；

第12圖圖示說明延伸至範例距離感測器的第11A圖至第11B圖的概念；

第13圖圖示說明一種用於計算從感測器至物件或空間中一點的距離的方法的流程圖；

第14圖繪製適合用於執行本文所述功能中的一般用途電腦的高階方塊圖；以及

第15圖繪製被同時投射的兩種不同的範例投射圖案。

為了協助瞭解，已儘可能使用相同的元件符號標定圖式中共有的相同元件。

國內寄存資訊 (請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無

國外寄存資訊 (請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

700A‧‧‧第一範例圖案

702A‧‧‧平行線

704A‧‧‧點

706A‧‧‧第一中心線

708A‧‧‧第二中心線

710A‧‧‧投射中心

712A‧‧‧鏡頭

Claims (21)

1. 一種用於計算從一距離感測器到一物件之一距離的方法，該方法包含以下步驟：投射步驟，同時從該距離感測器的一光源投射複數個光束，其中該複數個光束使複數個點線被投射至該物件上，且其中該複數個點線被以一非重疊方式定向，其中在該複數個點線的一第一點線的一點區間與該複數個點線的一第二點線的一點區間之間引入一相位偏移，該第二點線鄰接該第一點線，其中該光源為複數個光源中的一個光源，且該複數個光源中的每個光源投射一各別的複數個光束以使一各別的複數個點線被投射入一視野中；擷取步驟，使用該距離感測器的一成像感測器擷取一視野的一影像，其中該物件可見於該影像中，且該複數個點線亦可見於該影像中，且其中該複數個光源位於該成像感測器的一主點後方，相對於該複數個光束傳播的一方向；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，其中該複數個點線形成一圖案，該圖案沿著該複數個點線的一中心線對稱。
3. 如請求項1所述之方法，其中該複數個光源包含一偶數個光源。
4. 如請求項3所述之方法，其中該偶數為四。
5. 如請求項1所述之方法，其中該複數個光源循一順序投射他們各自的複數個光束。
6. 如請求項5所述之方法，其中該順序包含：藉由該複數個光源之一第一對光源的各自的複數個光束的一第一投射；以及在該第一投射之後的，藉由該複數個光源之一第二對光源的各自的複數個光束的一第二投射。
7. 如請求項1所述之方法，其中該複數個光源之每一光源在該物件的一方向中投射各自的複數個光束，且該方向具有相對於擷取該影像的該成像感測器的一光軸的一共同角度。
8. 如請求項1所述之方法，其中該複數個光源之每一光源被定位在與擷取該影像的該成像感測器相距一共同距離處，其中該共同距離係沿著該成像感測器的一光軸而量測的。
9. 如請求項1所述之方法，其中該複數個光源之每一光源被定位為產生一角度α，該角度在各自的複數個光束的一投射方向以及一線之間，該線正交於擷取該影像的該成像感測器的一光軸。
10. 如請求項9所述之方法，其中該角度對於該複數個光源之每一光源是相同的。
11. 如請求項9所述之方法，其中該角度對於該複數個光源之至少兩個光源是不同的。
12. 如請求項9所述之方法，其中該角度為至少三十度。
13. 如請求項1所述之方法，其中該複數個光源之至少兩個光源發出不同強度的光。
14. 如請求項1所述之方法，其中該複數個光源的一第一光源投射一第一複數個光束，該複數個光源的一第二光源投射一第二複數個光束，且在投射到該物件上時該第一複數個光束所產生的一第一圖案，不同於在投射到該物件上時該第二複數個光束所產生的一第二圖案。
15. 如請求項1所述之方法，其中該複數個點線相對於一線偏向，該線正交於該光源的一平面。
16. 如請求項1所述之方法，其中該成像感測器包含一廣角鏡頭。
17. 如請求項1所述之方法，其中該視野的該影像為該視野的複數個影像之一者，且該複數個影像中的每一影像係由一不同的成像感測器擷取，該不同的成像感測器具有一不同的相對於該光源的位置關 係。
18. 如請求項17所述之方法，其中該每一不同的成像感測器具有不同的光學規格。
19. 一種電腦可讀取儲存裝置，該電腦可讀取儲存裝置儲存複數個指令，該複數個指令在由一處理器執行時使得該處理器執行用於計算從一距離感測器到一物件的一距離的作業，該等作業包含：同時從該距離感測器的一光源投射複數個光束，其中該複數個光束使複數個點線被投射至該物件上，且其中該複數個點線被以一非重疊方式定向，其中在該複數個點線的一第一點線的一點區間與該複數個點線的一第二點線的一點區間之間引入一相位偏移，該第二點線鄰接該第一點線，其中該光源為複數個光源中的一個光源，且該複數個光源中的每個光源投射一各別的複數個光束以使一各別的複數個點線被投射入一視野中；使用該距離感測器的一成像感測器擷取一視野的一影像，其中該物件可見於該影像中，且該複數個點線亦可見於該影像中，且其中該複數個光源位於該成像感測器的一主點後方，相對於該複數個光束傳播的一方向；以及使用該影像中的資訊計算對該物件的該距離。
20. 一種用於計算對一物件之一距離的距離感測器，包含：該距離感測器的一光源，該光源用於同時投射複數個光束，其中該複數個光束使複數個點線被投射至該物件上，且其中該複數個點線被以一非重疊方式定向，其中在該複數個點線的一第一點線的一點區間與該複數個點線的一第二點線的一點區間之間引入一相位偏移，該第二點線鄰接該第一點線，其中該光源為複數個光源中的一個光源，且該複數個光源中的每個光源投射一各別的複數個光束以使一各別的複數個點線被投射入一視野中；該距離感測器的一成像感測器，該成像感測器用於擷取一視野的一影像，其中該物件可見於該影像中，且該複數個點線亦可見於該影像中，且其中該複數個光源位於該成像感測器的一主點後方，相對於該複數個光束傳播的一方向；以及電路系統，該電路系統用於使用該影像中的資訊計算對該物件的該距離。
21. 如請求項20所述之距離感測器，其中該光源為複數個光源之一者，且該複數個光源之每一光源投射各自的複數個光束，該複數個光束使得各自的複數個點線被投射入該視野。

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