TWI431252B - 測距裝置及測距方法 - Google Patents

Description

測距裝置及測距方法

本發明是有關於一種測距裝置，且特別是有關於一種光學的測距裝置以及測距方法。

近年來，三維(three dimension)測距裝置已被廣泛應用於距離的測量，其原理是藉由雷射發射器發出特定的測量光束，再藉由影像感測元件感測此測量光束之光學資訊(例如感測到光束的時間、光束的位置、光束的形狀、光束的大小、光束的強度、光束的相位等)，從而解析出三維測距裝置之偵測範圍內的各物體之距離。

習知測距裝置的可偵測距離都是固定而無法改變的。但在實際應用中，隨著應用環境的不同，常常需要改變測距裝置的可偵測距離，因此習知測距裝置無法滿足應用需求。

另一方面，當偵測較遠的物體之距離時，照射到物體的光束之能量較弱，所以如果要使習知測距裝置具有較遠的可偵測距離，就需要配置較高功率的發光元件。但是，使用高功率發光元件會導致習知測距裝置的製作成本增加，同時也不利於節約能源與環境保護。

本發明提供一種測距裝置，其可在不提高發光元件之功率的前提下增加可偵測距離。

本發明還提供一種測距方法，其可在不提高發光元件之功率的前提下增加可偵測距離。

本發明另提供一種測距裝置，其具有可偵測距離能調整的優點。

為達上述優點，本發明提出一種測距裝置，其具有偵測範圍，且此測距裝置適於測量此偵測範圍內之至少一物體的距離。此測距裝置包括發光元件、擴散元件、調節元件以及影像感測元件。發光元件適於發射光束。擴散元件配置於光束的傳遞路徑上，並適於將光束轉換成具有特定圖案之測距光束，以照射至物體。調節元件適於調節入射至擴散元件之光束的入射位置與入射角。影像感測元件具有視場(field of view,FOV)，且此視場涵蓋偵測範圍。

在本發明之一實施例中，上述之調節元件包括驅動件，此驅動件連接於發光元件，以轉動發光元件。

在本發明之一實施例中，上述之驅動件包括馬達或微機電元件(microelectro mechanical systems device,MEMS device)。

在本發明之一實施例中，上述之調節元件包括反射件以及驅動件。反射件配置於擴散元件與發光元件之間，以將光束反射至擴散元件。驅動件連接於反射件，以轉動反射件。

在本發明之一實施例中，上述之測距裝置更包括聚焦鏡頭，此聚焦鏡頭配置於發光元件與擴散元件之間，且位於光束的傳遞路徑上。

在本發明之一實施例中，上述之聚焦鏡頭為變焦鏡頭。

在本發明之一實施例中，上述之測距裝置更包括移動件，此移動件連接於擴散元件，並適於帶動擴散元件移動。

在本發明之一實施例中，上述之發光元件為雷射發射器或發光二極體。

在本發明之一實施例中，上述之擴散元件包括擴散片、繞射元件或均光片。

在本發明之一實施例中，上述之測距光束的第一中心軸與影像感測元件之視場的第二中心軸平行。

在本發明之一實施例中，上述之測距光束的第一中心軸與影像感測元件之視場的第二中心軸之間有夾角。

在本發明之一實施例中，上述之測距裝置更包括分光元件，配置於擴散元件與影像感測元件之間。

在本發明之一實施例中，通過上述之分光元件之部分測距光束的第一中心軸與影像感測元件之被上述之分光元件轉折後的視場的第二中心軸平行或重疊。

為達上述優點，本發明提出一種測距方法，適用於前述之測距裝置。此測距方法包括以下步驟。首先，將偵測範圍分成多個偵測區域。然後，藉由調節元件調節入射至擴散元件之光束之入射位置與入射角，以使測距光束依序照射至這些偵測區域，並藉由影像感測元件感測測距光束於這些偵測區域之多個光學資訊。之後，根據這些光學資訊判斷位於偵測範圍內的物體之距離。

為達上述優點，本發明提出一種測距裝置，其具有偵測範圍，且此測距裝置適於測量此偵測範圍內之至少一物體的距離。此測距裝置包括發光元件、擴散元件、聚焦鏡頭以及影像感測元件。發光元件適於發射光束。擴散元件配置於光束的傳遞路徑上，並適於將光束轉換成具有特定圖案之測距光束，以照射至物體。聚焦鏡頭配置於發光元件與擴散元件之間，且位於光束的傳遞路徑上。聚焦鏡頭之焦距以及擴散元件與聚焦鏡頭之間的距離至少其中之一是可變的。影像感測元件具有視場，且此視場涵蓋偵測範圍。

本發明實施例之測距裝置以及測距方法因將測距裝置的偵測範圍分成多個偵測區域，並藉由調節元件調節入射至擴散元件之光束的入射位置與入射角，以使光束依序照射這些偵測區域而進行距離測量。如此，可在不增加發光元件之功率的情形下增加可偵測距離。此外，本發明另一實施例之測距裝置中，由於聚焦鏡頭之焦距以及擴散元件與聚焦鏡頭之間的距離至少其中之一是可變的，所以能達到可偵測距離能調整的優點，以使測距裝置更能滿足實際應用的需求。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

圖1為本發明一實施例之測距裝置的立體示意圖。請參照圖1，本實施例之測距裝置100具有偵測範圍101，並適於測量偵測範圍101內之至少一物體的距離。測距裝置100包括發光元件110、擴散元件120、調節元件130以及影像感測元件140。發光元件110適於發射光束112。擴散元件120配置於光束112的傳遞路徑上，並適於將光束112轉換成具有特定圖案之測距光束112a，以照射至物體。調節元件130適於調節入射至擴散元件120之光束112的入射位置與入射角。影像感測元件140具有涵蓋偵測範圍101的視場142。

上述之發光元件110例如是雷射發射器、發光二極體或其他合適的發光元件，而擴散元件120例如是擴散片、繞射元件或均光片等，但不以此為限。此外，本實施例之調節元件130例如是驅動件(如馬達或微機電元件等)，其連接發光元件110。此調節元件130適於驅使發光元件110繞X軸及Z軸轉動，以調節入射至擴散元件120之光束112的入射位置與入射角，進而改變測距光束112a照射在偵測範圍101內的位置。

上述之影像感測元件140可為電荷耦合元件(charged coupled device)或金氧半影像感測元件(CMOS image sensor)等，但不以此為限。在本實施例中，測距光束112a具有第一中心軸103，而影像感測元件140之視場142具有第二中心軸105，且第一中心軸103與第二中心軸105之間例如具有一夾角α，此夾角α例如是小於90度。當測距光束112a照射於物體時會在物體表面形成特定的斑點(speckle pattern)，而影像感測元件140可感測到偵測範圍101之測距光束112a的光學資訊(例如感測到測距光束112a的時間、測距光束112a的位置、測距光束112a的形狀、測距光束112a的大小、測距光束112a的強度、測距光束112a的相位等)，如此即可根據這些光學資訊來解析物體之距離。此外，在發光元件110與擴散元件120之間亦可設置聚焦鏡頭150。

下文將配合圖式說明本實施例之測距裝置100的測距方法。圖2是本發明一實施例之測距方法的流程圖，而圖3是本發明一實施例中分割偵測範圍的示意圖。請參照圖1至圖3，本實施例之測距方法包括下列步驟。首先，如步驟S110及圖3所示，將偵測範圍101分成多個偵測區域22。舉例來說，偵測範圍101被分成n×n個偵測區域22(i,j)，其中n為正整數，i為小於或等於n的正整數，j為小於或等於n的正整數。

然後，如步驟S120所示，藉由調節元件130調節入射至擴散元件120之光束112之入射位置與入射角，以使測距光束112a依序照射至這些偵測區域22，並藉由影像感測元件140感測測距光束112a於這些偵測區域22之多個光學資訊。具體而言，本實施例例如是使測距光束112a依序照射至第一行的偵測區域22(1,j)(其中j=1,2……n)，再依次照射至第二行的偵測區域22(2,j)(其中j=1,2……n)，依次類推，再依次照射至第n行的偵測區域22(n,j)(其中j=1，2……n)。至此，整個偵測範圍101均被測距光束112a照射到。在測距光束112a依次照射各個偵測區域22的過程中，可藉由影像感測元件140感測測距光束112a於這些偵測區域22之多個光學資訊。

之後，如步驟S130所示，根據影像感測元件140感測到的光學資訊判斷位於偵測範圍101內的物體之距離。

上述之步驟S110至S130可透過電性連接至發光元件110、調節元件130及影像感測元件140的控制元件(圖未示)來操控。此外，控制元件內亦可儲存有多個參考資訊，以藉由比較這些參考資訊與影像感測元件140感測到的光學資訊來判斷出物體的距離。這些參考資訊例如是測距光束112a照射在位於已知距離的物體時，影像感測元件140所感測到的光學資訊。

需說明的是，圖1所繪示的測距範圍101所處的平面例如是測距裝置100所能測量到的最遠距離，並非限定物體需處於該平面才能被量測到。舉例來說，當預定照射在偵測區域22(1,1)的測距光束112a在傳遞至該平面之前就照射到物體時，則此物體的距離也可被量測到。

在本實施例之測距裝置100及其測距方法中，由於藉由調節元件130調整光束112入射擴散元件120的入射位置與入射角，使測距光束112a能依序照射在偵測範圍101的多個偵測區域22。如此，照射在單一偵測區域22的測距光束112a之照射範圍較小，能量也較強，因此本實施例之測距裝置100及其測距方法可在不提高發光元件110之功率的前提下增加可偵測距離。此外，由於本實施例之測距裝置100及其測距方法是採用分區測量的方式，所以可偵測出物體之不同部分相對於測距裝置100的距離，進而推算出物體的輪廓。當然，採用分區測量的方式亦可分別偵測出位於偵測範圍101內之多個物體的距離。

值得一提的是，在另一實施例中，聚焦鏡頭150可為變焦鏡頭。藉由調整聚焦鏡頭150的焦距可改變光束112的聚焦位置，以改變測距光束112a照射到物體時的光斑大小，進而達到改變測距裝置100的可偵測距離之功效。

圖4是本發明另一實施例之測距裝置的俯視示意圖。請參照圖4，本實施例之測距裝置100a與上述之測距裝置100相似，差別處在於測距裝置100a的聚焦鏡頭150是定焦鏡頭，且測距裝置100a更包括連接於擴散元件120的移動件160，而此移動件160適於帶動擴散元件120移動。具體而言，移動件160可帶動擴散件120朝接近或遠離聚焦鏡頭150的方向移動，以改變測距光束112a照射到物體時的光斑大小，進而達到改變測距裝置100a的可偵測距離之功效。

值得一提的是，在另一實施例之測距裝置中，聚焦鏡頭150可為變焦鏡頭，而擴散元件120與聚焦鏡頭150之間的距離是可變的。如此，可藉由改變聚焦鏡頭150的焦距及/或移動擴散元件120來改變測距裝置的可偵測距離。

圖5為本發明另一實施例之測距裝置的俯視示意圖。請參照圖5，本實施例之測距裝置100b與上述之測距裝置100相似，差別處在於調節元件。測距裝置100b的調節元件130b包括驅動件132以及反射件134。反射件134配置於擴散元件120與發光元件110之間，以將光束112反射至擴散元件120。驅動件132連接於反射件134，以轉動反射件134，進而改變入射至擴散元件120之光束112的入射位置與入射角，以達到分區測距的功效。此驅動件132可為馬達、微機電元件或其他合適的驅動件。

圖6為本發明另一實施例之測距裝置的俯視示意圖。請參照圖6，本實施例之測距裝置100c與測距裝置100之區別在於影像感測元件140的擺設角度。在本實施例中，測距光束112a的第一中心軸103與影像感測元件140之視場的第二中心軸105平行。

圖7為本發明另一實施例之測距裝置的俯視示意圖。請參照圖7，本實施例之測距裝置100d與上述之測距裝置100之區別在於測距裝置100d更包括分光元件170。分光元件170配置於擴散元件120與影像感測元件140之間，且分光元件170可使部分光線穿透，並反射部分光線。在本實施例中，測距光束112a是由穿透分光元件170的部分光束112所形成，而視場142’是指被分光元件170轉折的部分影像感測元件140之視場142。

由於分光元件170之作用，影像感測元件140之視場142會被分光元件170轉折，被分光元件170轉折後的視場是以標號142’來標示。在本實施例中，視場142’的第二中心軸105’例如是平行測距光束112a的第一中心軸103。在另一實施例中，視場142’的第二中心軸105’可與測距光束112a的第一中心軸103重疊。

上述多個實施例的測距裝置100a、100b、100c、100d與測距裝置100具有相似的優點，在此將不再重述。

圖8是本發明另一實施例之測距裝置的俯視示意圖。請參照圖8，本實施例之測距裝置100e與上述之測距裝置100相似，差別處在於測距裝置100e省略了調節元件130，且測距裝置100e的聚焦鏡頭150為變焦鏡頭。也就是說，測距裝置100e不具分區偵測的功能，但具有可偵測距離能調整的優點。

圖9是本發明另一實施例之測距裝置的俯視示意圖。請參照圖9，本實施例之測距裝置100f與上述之測距裝置100a相似，差別處在於測距裝置100f省略了調節元件130。也就是說，測距裝置100f不具分區偵測的功能，但具有可偵測距離能調整的優點。在另一實施例之測距裝置中，聚焦鏡頭150可為變焦鏡頭，且擴散元件120與聚焦鏡頭150之間的距離是可變的。如此，可藉由改變聚焦鏡頭150的焦距及/或移動擴散元件120來改變測距裝置的可偵測距離。

綜上所述，本發明之測距裝置以及測距方法至少具有下列優點其中之一：

1.本發明之測距裝置以及測距方法因將測距裝置的偵測範圍分成多個偵測區域，並藉由調節元件調節入射至擴散元件之光束的入射位置與入射角，以使光束依序照射這些偵測區域而進行距離測量。如此，可在不增加發光元件之功率的情形下增加測距範圍及可偵測距離。

2.本發明之測距裝置中，由於聚焦鏡頭之焦距以及擴散元件與聚焦鏡頭之間的距離至少其中之一是可變的，所以能達到可偵測距離能調整的優點，以使測距裝置更能滿足實際應用的需求。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

22．．．偵測區域

100、100a、100b、100c、100d、100e、100f．．．測距裝置

101．．．偵測範圍

103．．．第一中心軸

105．．．第二中心軸

105’．．．轉折後的視場的第二中心軸

110．．．發光元件

112．．．光束

112a．．．測距光束

120．．．擴散元件

130、130b．．．調節元件

132．．．驅動件

134．．．反射件

140．．．影像感測元件

142．．．視場

142’．．．轉折後的視場

150‧‧‧聚焦鏡頭

160‧‧‧移動件

170‧‧‧分光元件

α‧‧‧夾角

圖1為本發明一實施例之測距裝置的立體示意圖。

圖2是本發明一實施例之測距方法的流程圖。

圖3是本發明一實施例中分割偵測範圍的示意圖。

圖4為本發明另一實施例之測距裝置的俯視示意圖。

圖5為本發明另一實施例之測距裝置的俯視示意圖。

圖6為本發明另一實施例之測距裝置的俯視示意圖。

圖7為本發明另一實施例之測距裝置的俯視示意圖。

圖8為本發明另一實施例之測距裝置的俯視示意圖。

圖9為本發明另一實施例之測距裝置的俯視示意圖。

100．．．測距裝置

101．．．偵測範圍

103．．．第一中心軸

105．．．第二中心軸

110．．．發光元件

112．．．光束

112a．．．測距光束

120．．．擴散元件

130．．．調節元件

140．．．影像感測元件

142．．．視場

150．．．聚焦鏡頭

α．．．夾角

Claims (24)

1. 一種測距裝置，具有一偵測範圍，且適於測量該偵測範圍內之至少一物體的距離，該測距裝置包括：一發光元件，適於發射一光束；一擴散元件，配置於該光束的傳遞路徑上，該擴散元件適於將該光束轉換成具有特定圖案之一測距光束，以照射至該物體；一調節元件，適於調節入射至該擴散元件之該光束的入射位置與入射角；以及一影像感測元件，具有一視場，該視場涵蓋該偵測範圍，且該影像感測元件適於感測被該物體反射之該測距光束的至少一光學資訊；其中，該測距裝置根據該光學資訊判斷位於該偵測範圍內的該物體之距離。
2. 如申請專利範圍第1項所述之測距裝置，其中該調節元件包括一驅動件，連接於該發光元件，以轉動該發光元件。
3. 如申請專利範圍第2項所述之測距裝置，其中該驅動件包括一馬達或一微機電元件。
4. 如申請專利範圍第1項所述之測距裝置，其中該調節元件包括：一反射件，配置於該擴散元件與該發光元件之間，以將該 光束反射至該擴散元件；以及一驅動件，連接於該反射件，以轉動該反射件。
5. 如申請專利範圍第4項所述之測距裝置，其中該驅動件包括一馬達或一微機電元件。
6. 如申請專利範圍第1項所述之測距裝置，更包括一聚焦鏡頭，配置於該發光元件與該擴散元件之間，且位於該光束的傳遞路徑上。
7. 如申請專利範圍第6項所述之測距裝置，其中該聚焦鏡頭為一變焦鏡頭。
8. 如申請專利範圍第1項所述之測距裝置，更包括一移動件，連接於該擴散元件，該移動件適於帶動該擴散元件移動。
9. 如申請專利範圍第1項所述之測距裝置，其中該發光元件為一雷射發射器或一發光二極體。
10. 如申請專利範圍第1項所述之測距裝置，其中該擴散元件包括一擴散片、一繞射元件或一均光片。
11. 如申請專利範圍第1項所述之測距裝置，其中該測距光束的一第一中心軸與該影像感測元件之該視場的一第二中心軸平行。
12. 如申請專利範圍第1項所述之測距裝置，其中該測距光束的一第一中心軸與該影像感測元件之該視場的一第二中心軸之間有一夾角。
13. 如申請專利範圍第1項所述之測距裝置，更包括一分光元件，配置於該擴散元件與該影像感測元件之間。
14. 如申請專利範圍第13項所述之測距裝置，其中通過該分光元件之部分該測距光束的一第一中心軸與該影像感測元件之被該分光元件轉折後的該視場的一第二中心軸平行或重 疊。
15. 一種測距方法，適用於申請專利範圍第1項所述之測距裝置，該測距方法包括：將該偵測範圍分成多個偵測區域；藉由該調節元件調節入射至該擴散元件之該光束之入射位置與入射角，以使該測距光束依序照射至該些偵測區域，並藉由該影像感測元件感測於該些偵測區域內被該物體反射之該測距光束之多個光學資訊；以及根據該些光學資訊判斷位於該偵測範圍內的該物體之距離。
16. 一種測距裝置，具有一偵測範圍，且適於測量該偵測範圍內之至少一物體的距離，該測距裝置包括：一發光元件，適於發射一光束；一擴散元件，配置於該光束的傳遞路徑上，該擴散元件適於將該光束轉換成具有特定圖案之一測距光束，以照射至該物體；一聚焦鏡頭，配置於該發光元件與該擴散元件之間，且位於該光束的傳遞路徑上，該聚焦鏡頭之焦距以及該擴散元件與該聚焦鏡頭之間的距離至少其中之一是可變的；以及一影像感測元件，具有一視場，該視場涵蓋該偵測範圍，且該影像感測元件適於感測被該物體反射之該測距光束的至少一光學資訊；其中，該測距裝置根據該光學資訊判斷位於該偵測範圍內的該物體之距離。
17. 如申請專利範圍第16項所述之測距裝置，其中該聚焦鏡頭為一變焦鏡頭。
18. 如申請專利範圍第16項所述之測距裝置，更包括一移動件，連接於該擴散元件，該移動件適於帶動該擴散元件移動。
19. 如申請專利範圍第16項所述之測距裝置，其中該發光元件為一雷射發射器或一發光二極體。
20. 如申請專利範圍第16項所述之測距裝置，其中該擴散元件包括一擴散片、一繞射元件或一均光片。
21. 如申請專利範圍第16項所述之測距裝置，其中該測距光束的一第一中心軸與該影像感測元件之該視場的一第二中心軸平行。
22. 如申請專利範圍第16項所述之測距裝置，其中該測距光束的一第一中心軸與該影像感測元件之該視場的一第二中心軸之間有一夾角。
23. 如申請專利範圍第16項所述之測距裝置，更包括一分光元件，配置於該擴散元件與該影像感測元件之間。
24. 如申請專利範圍第23項所述之測距裝置，其中通過該分光元件之部分該測距光束的一第一中心軸與該影像感測元件之被該分光元件轉折後的該視場的一第二中心軸平行或重疊。