CN102401901A

CN102401901A - 测距系统及测距方法

Info

Publication number: CN102401901A
Application number: CN2010102872001A
Authority: CN
Inventors: 许恩峰; 陈信嘉
Original assignee: Pixart Imaging Inc
Current assignee: Pixart Imaging Inc
Priority date: 2010-09-16
Filing date: 2010-09-16
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2030-09-16
Also published as: CN102401901B

Abstract

本发明提出一种测距系统，包括光源、图像传感器以及控制处理单元。该光源以一投射角度投射一光区域至待测物。该图像传感器感测该待测物上的该光区域的反射光。该控制处理单元控制该光源以该投射角度投射该光区域并根据该投射角度以及预设系统参数确定该图像传感器的可设定取样范围。本发明还提出一种测距方法。

Description

测距系统及测距方法

技术领域

本发明关于一种测距系统，特别关于一种具有可调整的图像传感器的可设定取样范围的光学测距系统及测距方法。

背景技术

近年来，三维信息技术正被快速地发展并且被应用于不同的领域。此外，三维测距(3-D range finding)更提供了距离测量以外其它的应用，例如坠落试验(drop tests)、高速移动目标的观测以及机器人视觉的自动控制等。由于现有使用飞行时间法(time-of-flight)的三维测距图像传感器(3-D rangefinding image sensor)并无法达到快速的三维测距，因此业界提出了数种结合光区段法(light-section method)的三维测距图像传感器，以求提高侦测速度以及侦测正确性。

然而，现有的使用光区段法的三维测距法中，图像传感器始终会输出整个感测阵列(sensing array)的感测图像数据，并无法根据实际的侦测条件改变图像传感器的可设定取样范围(window of interest，WOI)，因而难以进一步增加其操作效率。

有鉴于此，一种具有低消耗功率及高帧率(frame rate)的测距系统即为侦测系统业界所需。

发明内容

本发明的目的是提供一种测距系统及测距方法，其可根据光源的投射角度调整图像传感器的可设定取样范围(WOI)，由此降低系统消耗功率并增加帧率。

本发明另一目的是提供一种测距系统及测距方法，其预先储存有光源投射角度与图像传感器的可设定取样范围的相对关系，以自动根据侦测条件确定所需处理的图像数据，由此降低数据处理量。

为达到上述目的，本发明提出一种测距方法，用于侦测预设深度范围内的待测物。该测距方法包括下列步骤：提供一光源以一投射角度投射一光区域至该待测物；提供多个感光单元感测该待测物上该光区域的反射光；以及根据该投射角度以及该预设深度范围确定该感光单元的可设定取样范围。

本发明还提出一种测距系统，用于侦测预设深度范围内的待测物。该测距系统包括光源、图像传感器以及控制处理单元。该光源以一投射角度投射一光区域至该待测物。该图像传感器感测该待测物上该光区域的反射光。该控制处理单元，控制该光源以该投射角度投射该光区域并根据该投射角度以及预设系统参数确定该图像传感器的可设定取样范围。

本发明还提出一种测距系统，用于产生待测面的立体图像。该测距系统包括光源、多个感光单元以及控制处理单元。该光源投射一光区域至该待测面。该感光单元感测该待测面的反射光。该控制处理单元，控制该光源以该光区域扫描该待测面并根据该光区域的不同投射位置以及预设系统参数控制该感光单元的不同部分输出所感测的图像数据。

根据本发明另一实施例，该测距系统还包括导光组件，用于引导该待测物上该光区域的反射光至该图像传感器。

在本发明的测距系统及测距方法中，该预设系统参数包含该光源、图像传感器和导光组件的空间关系以及预设可侦测深度范围；其中该空间关系以及该预设可侦测深度范围可于侦测系统出厂前预先设定并储存于该控制处理单元。

附图说明

图1A为本发明实施例的测距系统的立体图；

图1B为图1A中图像传感器感测的图像帧；

图2为本发明实施例的测距系统的操作示意图；

图3为本发明实施例的测距系统的另一个操作示意图，其中光源的投射角度为θ₁；

图4为本发明实施例的测距系统的另一个操作示意图，其中光源的投射角度为θ₂；

图5为本发明实施例的测距方法的流程图。

主要组件符号说明

1测距系统 11光源

12图像传感器 13控制处理单元

14导光单元 9待测物

A待测物的突出部 B待测物的平面区

D₁突出部与光源距离 D₂平面区与光源距离

f导光单元的焦距 θ、θ₁、θ₂投射角度

111～114光线 S₁₀～S₃₀步骤

L光源中心与导光单元中心的距离

X、X′、X₁、X₂、X₁、X₂、X₁″、X₂″光线反射位置

具体实施方式

为了让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显，下文将结合所附图示，作如下详细说明。此外，本发明各附图标记中仅显示了部份构件并省略了与本发明说明不直接相关的构件。

请参照图1A所示，其显示本发明实施例的测距系统的立体图。测距系统1用于测量预设深度范围内的待测物9的三维距离并形成该待测物9上面对该测距系统1的待测面90的立体图像。为便于说明，此处待测面90例如包含一突出部A以及一平面区B；必须说明的是，该待测物9与待测面90的形状并非用于限定本发明的测距系统1所能够量测者。

该测距系统1包括一光源11、一图像传感器12以及一控制处理单元13。该光源11例如可为辐射光源，其优选为投射一光区域(light section)至该待测面90。在一种实施例中，该光源11可为线辐射光源，其投射的光区域例如可为具有适当宽度的一线段，其中该线段长度决定所能量测的范围；该线段宽度由该光源11的特性所决定而并无特定限制；该线段的长度方向可为垂直方向或水平方向。在另一实施例中，该光源11还可以为点辐射光源，而以扫描的方式投射该光区域至该待测面90，例如在图1A中由上至下或由下至上于该待测面90上扫描一线段。

该图像传感器12优选为一CMOS图像传感器或一三维测距图像传感器，用于感测该待测面90反射该光源11的反射光；该图像传感器12优选包括多个感光单元(未示出)以形成一CMOS芯片的线感测阵列或感测矩阵；每一个感光单元根据其所感测的光能量分别输出代表感测图像数据的一电信号。

该控制处理单元13耦接该光源11以及该图像传感器12，用于控制该光源11以不同角度投射一光区域至该待测面90的不同位置并以该光区域扫描该待测面90的全部或一部分。例如当该光源11投射如第1A图所示的线段时，该控制处理单元13控制该光源11由左至右或由右至左扫描该待测面90的全部或一部分。在另一实施例中，当该光源11为一点光源时，该控制处理单元13控制该光源11先由上至下或由下至上扫描完一线段，再由左至右或由右至左依序扫描其它线段以涵盖该待测面90的全部或一部分；其中，该光源11的扫描方式以及可扫描的角度范围可预先设定并储存在该控制处理单元13中。此外，该测距系统1还可以包括一导光单元14，用于引导来自该待测面90的反射光至该图像传感器12，该导光单元14例如可以为一透镜。

请同时参照图1A及图1B所示，图1B显示图1A的图像传感器12所感测的图像帧；其中，左图为该图像传感器12根据该光源11于时间t1时投射的光区域所感测的图像帧，而右图为该图像传感器12根据该光源11于时间t2时投射的光区域所感测的图像帧。该控制处理单元13则可根据一图像帧中的反射光图样判定相对于一光区域每一点的深度，即判定相对于该光区域每一点与该光源11的相对距离。当该控制处理单元13控制该光源11以该光区域扫描完待测面90时，则可根据每一点的深度产生该待测面90的立体图像。

根据图1A和图1B可知，相对于该光源11的每一个投射角度，该图像传感器12的感测阵列仅一部分区域感测到该光源11的反射光；因此，本发明中的该控制处理单元13还根据该光源11的投射角度结合系统预设参数来控制该图像传感器12输出预先设定的可设定取样范围(WOI)的电信号并进行后处理。例如当该图像传感器12包括多个感光单元时，该控制处理单元13控制一部分(例如感测到该光源11的反射光的感光单元)输出电信号而其它部分(例如未感测到该光源11的反射光的感光单元)不输出电信号。由此，不但可降低测距系统1的整体消耗功率，且由于该图像传感器12仅需输出感测阵列一部分所感测的电信号，因此可提升帧率。在一种实施状态中，可设定取样范围(WOI)可选择为稍微大于实际可感测该光源11反射光的区域，至少必须大致等于实际可感测该光源11反射光的区域。

可以了解的是，该光源11的投射角度与该图像传感器12的可设定取样范围的相对关系可根据该测距系统1各组件间的空间相关性利用三角函数预先求得，并预存在该控制处理单元13中。

在其它实施例中，当该光源11投射水平的一光区域至该待测面90时，相对于不同的投射角度，该可设定取样范围的长度方向沿着该图像传感器12的感测阵列中的水平方向。

接着说明该控制处理单元13根据该光源11的投射角度以及预设系统参数确定该图像传感器12的可设定取样范围的方式。

请参照图2所示，其显示本发明实施例的测距系统的操作示意图。在图2中，假设突出部A与该光源11的距离为D₁而平面区B与该光源11的距离为D₂；其中D₁与D₂间的范围例如表示该测距系统1的可侦测深度范围，其可于该测距系统1出厂前预先设定或由使用者根据待测物9的纵深自行设定。同时假设该光源11中心与该导光单元14中心的横向距离为L且该导光单元14具有一焦距f。当该光源11的投射方向平行于该待测面90的法线时，该光源11投射至该突出部A的光线111将反射至该图像传感器12的感测阵列上X₁的位置而该光源11投射至该平面区B的光线112将反射至该图像传感器12的感测阵列上X₂的位置。当该光源11的投射方向与该待测面90的法线间具角度θ时，该光源11投射至该突出部A的光线113将反射至该图像传感器12的感测阵列上X的位置而该光源11投射至该平面区B的光线114将反射至该图像传感器12的感测阵列上X′的位置。

当该光源11沿着该待测面90的法线方向投射时(即θ＝0)，根据三角函数关系可得到下列关系式：

D₁/L＝f/X₁ 式(1)

D₂/L＝f/X₂ 式(2)

当该光源11与该待测面90的法线方向间具有一角度时(即θ≠0)，根据三角函数关系可进一步得到下列关系式：

D₁＝(f×L)/(X+f×tanθ) 式(3)

D₂＝(f×L)/(X′+f×tanθ) 式(4)

其中，X表示该光源11投射角度θ≠0时，自突出部A反射至该图像传感器12的感测阵列上的位置；X′表示该光源11投射角度θ≠0时，自平面区B反射至该图像传感器12的感测阵列上的位置。根据式(3)及式(4)，由于f、L、D₁及D₂为系统中组件之间的空间关系而可预先求得，当该控制处理单元13控制该光源11以θ角度投射光区域时，即已知该图像传感器12的感测阵列上可感测该光源11的反射光的区域，因此该控制处理单元13可由此确定该图像传感器12的可设定取样范围。换句话说，系统预设参数包含该光源11、该图像传感器12以及该导光组件14的空间关系以及该预设深度范围(D₁～D₂)。

例如参照图3所示，当该控制处理单元13控制该光源11以角度θ₁投射光区域至该待测面90时，反射光线自突出部A反射至该图像传感器12上X₁′的位置而自平面区B反射至该图像传感器12上X₂′的位置；该可设定取样范围可设定为X₁′至X₂′的区域，或可稍微大于X₁′至X₂′的区域。

例如参照图4所示，当该控制处理单元13控制该光源11以角度θ₂投射光区域于该待测面物90时，反射光线自突出部A反射至该图像传感器12上X₁″的位置而自平面区B反射至该图像传感器12的感测阵列上X₂″的位置；该可设定取样范围可设定为X₁″至X₂″的区域，或可稍微大于X₁″至X₂″的区域。

根据图2至图4可知，根据系统各组件间的空间关系，该光源11的每一个投射角度均对应图像传感器12的一可设定取样范围。当该图像传感器包含线感测阵列时，该可设定取样范围可为一段感光单元；当该图像传感器包含感测矩阵时，该可设定取样范围可为一个感光单元区域。此外可以了解的是，图2至图4所示各组件的尺寸及空间关系仅为示例性，并非用来限定本发明。

请同时参照图2至图5，5图显示本发明实施例的测距方法的流程图，包括下列步骤：提供一光源以一投射角度投射一光区域至待测物(步骤S₁₀)；提供多个感光单元感测该待测物上该光区域的反射光(步骤S₂₀)；根据该投射角度及预设深度范围确定该感光单元的可设定取样范围(步骤S₃₀)；控制该光源以不同投射角度投射该光区域以扫描该待测物(步骤S₄₀)；根据不同投射角度以及该预设深度范围确定该感光单元的不同可设定取样范围(步骤S₅₀)；以及后处理不同可设定取样范围的感测数据(步骤S₅₀)；其中，所述后处理例如根据可设定取样范围的感测资料来确定相对于该光区域每一点的深度或根据不同可设定取样范围的感测数据以产生待测物的立体图像。此外，本发明的测距方法已详述于图2至图4以及相关说明中，故于此不再赘述。

综上所述，由于现有测距系统在操作时，图像传感器始终输出整个感测阵列的感测数据，因此具有较低的操作效率。本发明另提出一种测距系统及测距方法，其可根据系统组件的空间相关性以及可感测深度范围预先建立光源的投射角度与图像传感器的可设定取样范围的相对关系。当光源以不同角度投射一光区域至待测物时，根据该相对关系控制图像传感器仅输出可设定取样范围的感测数据，由此降低系统整体耗能并提高帧率。

虽然本发明已在上述实施例中揭示，然其并非用于限定本发明，任何本发明所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，都可作各种变形与修改。因此本发明的保护范围当以所附权利要求为准。

Claims

1.一种测距系统，用于侦测预设深度范围内的待测物，该测距系统包括：

光源，用于以一投射角度投射一光区域至该待测物；

图像传感器，用于感测该待测物上的该光区域的反射光；以及

控制处理单元，用于控制该光源以该投射角度投射该光区域，并根据该投射角度以及预设系统参数来确定该图像传感器的可设定取样范围。

2.根据权利要求1所述的测距系统，其中，该测距系统还包括导光组件，用于引导所述待测物上的所述光区域的反射光至所述图像传感器。

3.根据权利要求2所述的测距系统，其中所述预设系统参数包含所述光源、所述图像传感器和所述导光组件的空间关系以及所述预设深度范围。

4.根据权利要求1所述的测距系统，其中所述图像传感器还包括线感测阵列或感测矩阵。

5.根据权利要求1所述的测距方法，其中所述光区域为一线段。

6.一种测距系统，用于产生待测面的立体图像，该测距系统包括：

光源，用于投射一光区域至该待测面；

多个感光单元，用于感测该待测面的反射光；以及

控制处理单元，用于控制该光源以该光区域扫描该待测面，并根据该光区域的不同投射位置以及预设系统参数来控制所述感光单元的不同部分输出所感测的图像数据。

7.根据权利要求6所述的测距系统，其中该测距系统还包括导光组件，用于引导所述待测物上的所述光区域的反射光至所述图像传感器。

8.根据权利要求7所述的测距系统，其中所述预设系统参数包含所述光源、所述图像传感器和所述导光组件的空间关系以及预设深度范围。

9.根据权利要求6所述的测距系统，其中所述光源为线辐射光源或点辐射光源；所述导光组件为透镜。

10.根据权利要求6所述的测距系统，其中所述感光单元形成CMOS芯片的图像感测阵列。

11.根据权利要求6所述的测距系统，其中所述控制处理单元还根据所述感光单元的不同部分输出的图像数据来产生所述待测面的所述立体图像。