专利名称：光学测距系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测距系统，特别涉及一种可根据所侦测光斑的尺寸及对称性来补偿侦测距离的光学测距系统。
背景技术：
在背景技术中，光学测距装置对一待测物发出侦测光，并接收该待测物反射侦测光所产生的反射光以形成相对该待测物的光斑(light spot)。接着，光学测距装置可根据其所包括的各构件彼此间的空间关系以及所述光斑的影像位置，利用三角函数推算光学测距装置与待测物之间的距离。然而，当所述待测物的表面没有被侦测光完整照射时，光学测距装置则无法根据待测物反射的反射光产生光斑的完整影像。因此，光学测距装置在计算待测物的距离时，由于无法得到准确的光斑位置而产生较大的测量误差，因而无法正确计算光学测距装置至待测物的距离，造成使用上的不便。有鉴于此，有必要提出一种即使没有侦测到光斑的完整影像也能够正确计算光学测距装置至待测物的距离的光学测距装置。
发明内容
本发明的一目的在提出一种可根据光斑的成像大小及能量曲线的对称性变化来补偿光斑位置的光学测距装置，藉以提升测距离的精确度。本发明提供一种光学测距系统，该光学测距系统包括光源和感测装置。所述光源对一物件表面提供光线。所述感测装置接收所述物件表面的反射光线，并根据该反射光线输出所述光源至所述物件的距离。所述感测装置包括感测模块和计算�？�。所述感测�？榻邮账龇瓷涔庀撸⒉挥跋�。所述计算�？楦菟龇瓷涔庀咴谒鲇跋竦某上翊笮±床钩コ上裎恢茫莶钩ズ蟮某上裎恢美醇扑悴⑹涑鏊龉庠粗了鑫锛木嗬�。一种实施例中，所述感测模块包括光感测单元和影像处理单元。所述光感测单元接收所述反射光线，并产生一电信号。所述影像处理单元接收所述电信号，并产生所述影像。一种实施例中，所述计算模块包括计算单元和输出单元。所述计算单元接收所述影像，根据所述反射光线在该影像的成像大小来补偿所述成像位置，并根据补偿后的该成像位置来计算所述距离。所述输出单元接收所述计算单元所求得的距离并输出该距离。一种实施例中，所述计算�？榛拱ù娲⒌ピ么娲⒌ピ靡源娲⒐獍咴ど璩叽�。所述计算单元则在接收所述影像后先将该影像的成像大小与所述光斑预设尺寸进行比较，并根据比较结果来补偿所述成像位置。一种实施例中，当所述成像大小大致等于所述光斑预设尺寸时，所述计算单元根据未补偿的成像位置来计算所述距离；当所述成像大小小于所述光斑预设尺寸，所述计算单元则根据所述成像大小与所述光斑预设尺寸的差异来对所述成像位置进行补偿，再根据补偿后的成像位置来计算所述距离。本发明另提供一种光学测距系统，该光学测距系统包括光源、感光镜片以及感测装置。所述光源对一物件表面提供光线。所述感测装置感测自所述物件表面反射的反射光线经过所述感光镜片后于该感测装置上形成的光斑，根据该光斑的成像大小来补偿该光斑的光斑位置，并根据该光斑的能量曲线的对称性来决定所述光斑位置的补偿方向。本发明另提供一种光学测距系统，该光学测距系统包括光源、感光镜片以及感测装置。所述光源对一物件表面提供光线。所述感测装置感测自所述物件表面反射的反射光线经过所述感光镜片后于该感测装置上形成的光斑，根据该光斑的能量曲线的对称性来决定该光斑的光斑位置的补偿方向。本发明的光学测距系统优选用以侦测一物件的大致平坦的表面与测距系统之间的距离，其中所述物件的表面可具有任意反射系数(reflectioncoefficient)。
图1为本发明实施例的光学测距系统的示意图。图2为本发明实施例的光学测距系统的方块图。图3显示本发明实施例的感测�？檫⑷∥锛砻娴姆瓷涔馑纬傻墓獍咔虻氖疽馔�。图4显示本发明实施例的感测模块撷取物件表面的不同亮度反射光所形成的光斑区域的示意图。图5显示本发明实施例的感测�？檫⑷∥锛砻娴姆瓷涔馑纬傻牟煌獍咔虻氖疽馔�。图6显示本发明实施例的光学测距系统中，光斑位置补偿量与光斑百分比的关系图。主要元件符号说明10感测装置IOB计算�？镮lS感测面13影像处理单元15存储单元20 光源41感光镜片
IOA感测�？� 11光感测单元 12亮度控制单元 14计算单元 16输出单元 30物件 42发光镜片
具体实施例方式为了让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显，下文将配合所附图示， 作详细说明如下。此外，本发明各图示中仅显示了部分构件并省略了与本发明说明不直接相关的构件。本发明涉及一种利用光学成像进行距离测量的光学测距系统。请参考图1所示， 其显示本发明实施例的光学测距系统的示意图，其包括感测装置10和光源20。该光源20 投射光线至一物件30的表面，例如光线L1及L2。光线L1及L2由物件30的表面反射至感测装置10并形成一光斑(light spot)。感测装置10即可根据反射光线所形成的光斑的成像位置以及光学测距系统所包括的各构件彼此之间的空间关系，利用三角函数计算物件30 与光源20的距离。所述感测装置10与物件30之间可设置一感光镜片41，用以将来自物件表面的反射光线聚合到感测装置10的感测面IlS上。此外，为了增加光源20的发光效果，可在光源 20的前方另设置一个发光镜片42，以增加光线投射至物件30表面的效率。其他实施例中， 所述发光镜片42亦可省略，而直接由光源20将光线投射至物件30的表面。由于在光源20前方设置发光镜片42，因此所欲计算的距离即可表示为发光镜片 42至物件30的距离D。其他实施例中，若发光镜片42没有实施，所欲计算的距离则可表示为光源20表面至物件30的距离D'。换句话说，当光源20前方设置有发光镜片42，也可将光源20与发光镜片42整体视为一个光源总成(assembly)，所述距离则为物件30至所述光源总成间的距离。根据物件成像原理，当光源20投射在物件30表面的光线L1及L2反射至感测装置10表面时，反射光线会先汇聚在感光镜片41上再射至感测装置10的感测面IlS上。此实施例中，感测装置10的感测面IlS到感光镜片41的距离为f。若感光镜片41为一透镜 (例如，凸透镜)，距离f即为该感光镜片41的焦距。由于感测装置10与光源20之间的距离是固定的且可事先求得，感光镜片41的焦距f亦可事先求得，因此光学测距系统即可根据反射光线在感测装置10的感测面IlS上所形成光斑的成像位置及各构件的空间关系，例如感光镜片41的焦距f以及该感测装置10 与光源20之间的距离等，利用三角函数即可计算出物件30与光源20间的距离D或D'；其中，上述过程所需使用的演算法为本领域所公知的技术，因此在此即不加以赘述。此外，本发明的光学测距系统优选用以侦测具有大致平坦表面的物件与光学测距系统之间的距离D 或D'。请参考图2所示，其显示本发明实施例的感测装置10的方块图。所述感测装置10 具有感测�？镮OA和计算�？�10B。感测�？镮OA包括光感测单元11、亮度控制单元12以及影像处理单元13。计算�？镮OB包括计算单元14、存储单元15以及输出单元16。所述光感测单元11具有一可用以感测光线能量的感测面IlS(如图1所示)，所述反射光线则在光感测单元11的感测面lis上形成一光斑。光感测单元11的实施例包括 CCD影像感测器、CMOS影像感测器或其他用以感测影像的感测器。所述亮度控制单元12用以控制光感测单元11感测光线时所需的参数(例如，光圈、感光度等)，且可进一步控制光源20的发光强度，藉以使光感测单元11达到更佳的感测效果。光感测单元11感测光线后会产生电信号，影像处理单元13用以接收光感测单元11所产生的电信号并产生包括所述光斑的影像。此外，影像处理单元13在产生包括光斑的影像的过程中，可进行例如滤除噪声(filtering)、维度转换(二维转换一维)以及影像迭加处理等影像处理以增加位置计算的精确度；其中所述影像处理技术已为本领域技术人员所公知，故于此不再赘述。所述计算单元14接收影像处理单元13所输出的影像，并据以计算物件30与光源 20之间的距离D或D'。输出单元16则将计算单元14所产生的距离输出至一控制主机 (host)，以进行相对应动作，例如控制显示于一显示器上的一光标动作(该过程是公知的， 故未于此绘示)，但本发明并不限于此。所述存储单元15存储光斑预设尺寸以及根据光斑百分比(即，光斑侦测尺寸与光斑预设尺寸的比例)与光斑位置补偿量所形成的查找表，其中光斑预设尺寸以及查找表例如为光学测距系统于出厂前即已测量并存储。计算单元14 在计算距离前，则事先比对所述反射光线L1及L2在光感测单元11上所形成的光斑侦测尺寸与光斑预设尺寸，以计算光斑百分比；其中该光斑百分比在此定义为(光斑侦测尺寸/光斑预设尺寸)。计算单元14根据光斑百分比判断光感测单元11所接收的反射光线是否仅包括部分由光源20所投射的光线或大致包括全部由光源20所投射的光线。若计算单元14 判定光斑侦测尺寸大致等于光斑预设尺寸，则直接计算所述距离；若判定光斑侦测尺寸小于光斑预设尺寸，则根据查找表先对侦测光斑进行补偿后再计算所述距离；其中，补偿的方式将详述于后。请参考图3所示，所述影像处理单元13所输出的影像中，横轴例如表示光感测单元11所包括的像素的行数，纵轴例如表示光感测单元11的每行像素所感测到的亮度值 (图3 图5的横轴及纵轴定义皆相同)；其中，各图中所示数值仅为例示性。可以理解的是，若影像处理单元13为一维感测器，则可直接产生如图3 图5所示的一维亮度分布曲线(能量曲线)；若影像处理单元13为二维感测器，影像处理单元13可在进行二维转换一维的影像处理后，才产生为图3 图5所示的一维亮度分布曲线。图3中，假设在影像中超过一预设门槛值Tmin的亮度值即可表示为所反射的光线所形成的光斑区域。为了计算光斑在光感测单元11的成像位置(即，光斑位置)，计算单元14可进一步对影像中的光斑区域进行处理。例如在一实施例中，计算单元14可在光斑区域中取一半亮度位置的信息代表光斑范围，亦即将光斑区域中亮度的最高值Tmax减去亮度的最低值(亦即Tmin)，再将该差值减半的后加上亮度的最低值(亦即Tmin)，如此即可取得一个亮度值T1，该亮度值T1即代表光斑区域所涵盖范围中位于中间的亮度值。此实施例中，影像中代表光斑区域的曲线在所述亮度值T1以上的光斑范围即定义为光斑的成像大小(即，光斑侦测尺寸)，而对曲线在亮度值T1上方的区域取重心即可取得代表光斑的成像位置。所述重心位置例如可定义为光斑范围中各像素位置与相对应各像素能量乘积的总合，除以光斑范围中的总能量，亦即光斑范围内的一能量重心。计算单元14即可根据重心位置、感光镜片41的焦距f、以及感测装置10与光源20之间的距离，计算出物件30与光源 20之间的距离。可以理解的是，本发明并不限定仅能利用光斑范围的重心计算光斑位置，亦可将能量曲线的最大值的位置或其他位置定义为此处所述的重心位置，只要于计算的过程中始终使用光斑范围中的相同位置即可。请参考图4所示，其显示物件表面具有不同反射系数时反射光线所产生的光斑区域。可以理解的是，当物件表面具有较高反射系数时，光感测单元11所侦测的光斑具有较大的能量；反之，当物件表面具有较低反射系数时，光感测单元11所侦测的光斑具有较小的能量。由图所知，相同光源20亮度条件下，光感测单元11因物件表面的不同反射系数而撷取不同的亮度曲线，然而根据上述方式所求得的光斑范围(例如，曲线的半高宽T2、T3的区域)仍大致具有相同的尺寸。由此可知，在光源20发出相同亮度的光的条件下，即使物件30的表面具有不同反射系数，光感测单元11仍可侦测尺寸大致相同的光斑。换句话说， 本发明可适用于侦测各种表面大致呈平坦的物件。此外，当物件愈靠近光源20时，光感测单元11所侦测的光斑愈具有较大的能量； 反之，当物件愈远离光源20时，光感测单元11所侦测的光斑愈具有较小的能量。就如同图4所示一般，光感测单元11因物件的不同距离而撷取不同的亮度曲线，而根据上述方式所求得的光斑范围(例如，曲线的半高宽T2、T3的区域)仍大致具有相同的尺寸。由此可知， 光感测单元11根据物件在不同距离时所产生光斑范围的成像大小亦是约略相等。如上所述，不论物件30的表面反射系数以及物件30与光源20 (或发光镜片42) 的距离为何，只要光源20于照射范围完整照射物件30，计算单元13皆可求得具有大致相同尺寸的光斑范围，即上述的光斑预设尺寸，本发明即利用此特性来对光斑位置进行补偿。 当物件30仅部分被光源20照明时，光源20所发出的光线无法全部反射至光感测单元11 上，因此光斑在光感测单元11上的成像会小于光斑预设尺寸，且其影像通常会偏向一侧而失去对称性。若此时使用重心(或光斑范围中其他位置)来计算光斑成像位置时，即会因为光斑的尺寸变化及位置偏移而无法正确求得光斑位置。综而言之，本发明的感测装置10会先判断所取得光斑的影像是否为一完整光斑影像或部分光斑影像。由于固定光源所投射的光斑在相同条件下的成像大小约略相同，因此成像大小即可被存储于存储单元15作为光斑预设尺寸，而计算单元14在每次计算距离前即可将所取得的光斑侦测尺寸与该存储单元15所存储的预设尺寸进行比对，来判断所取得光斑的影像是否为一个完整影像。请同时参考图1及图5，图5显示物件30逐渐从图1中左侧离开光源20的照射范围时所形成的光斑影像；其中，E1为投射光线的100% (光斑百分比为1)反射至光感测单元11所产生亮度值的能量曲线；Ε2为投射光线的80% (光斑百分比为0.8)反射至光感测单元11所产生亮度值的能量曲线出3为投射光线的60% (光斑百分比为0.6)反射至光感测单元11所产生亮度值的能量曲线出4为投射光线的40% (光斑百分比为0.4)反射至光感测单元11所产生亮度值的能量曲线出5为投射光线的20% (光斑百分比为0.2)反射至光感测单元11所产生亮度值的能量曲线。可以理解的是，图5中的能量曲线仅为例示性。如图所知，在相同条件(光斑区域的半高宽)的筛选下，E1的光斑范围为、至父12， E2的光斑范围为X21至X22jE3的光斑范围为X31至X32，E4的光斑范围为X41至X42,…。因此， 即使物件30在相同距离的情况下，若不同面积的光线被反射至光感测单元11，会导致光感测单元11所侦测到光斑范围的成像大小不相同。因此判断光斑在光感测单元11的光斑成像大小，即可确定所取得光斑的影像是否为完整影像。请参照图6所示，其显示本发明实施例的距离补偿方法中，光斑位置补偿量与光斑百分比的关系图。当计算单元14得知所取得光斑的侦测尺寸小于存储单元15所存储的光斑预设尺寸时，计算单元14即可根据所取得光斑的侦测尺寸与光斑预设尺寸的差异(例如，光斑百分比)，对所计算的光斑成像位置进行补偿，接着再计算物件30与光源20之间的距离。例如图6中，当光斑百分比为0.8时，光斑位置补偿量为AS1 ；当光斑百分比为0.6 时，光斑位置补偿量为△&。另外，根据系统需求，计算单元14亦可在得知所撷取的光斑影像非完整影像时，停止计算物件30与光源20之间的距离或直接控制输出单元16暂停输出距离信息，并可进一步通知控制主机相关消息，以使该主机得知本次距离侦测流程无法取得正确距离。另一实施例中，亦可在计算单元14判定光斑百分比小于一预设值(例如，0. 5) 时，才控制输出单元16暂停输出距离信息。当得知所取得的光斑侦测尺寸小于光斑存储单元15所存储的光斑预设尺寸时， 可先计算所撷取影像的光斑成像位置(例如，重心位置)，并判断该位置在横轴上是偏向左侧或偏向右侧，亦即判断亮度曲线的对称性的偏移方向。当该位置在横轴上偏向左侧时，而光斑的侦测尺寸与光斑预设尺寸的差异为M(例如，以次像素为单位，即M可小于1)，则将该位置往右移动M个像素点即可取得修正过后的位置；再利用该修正过后的位置即可计算物件30与光源20之间的距离D。同理，当起始的位置在横轴上偏向右侧时，则将该位置往左移动M个像素点即可取得修正过后的位置；其中M值例如即为图6所示的光斑位置补偿量 AS。亦即，本发明中，计算单元14亦可根据光斑亮度曲线的对称性变化来决定光斑位置补偿量的补偿方向；例如，利用光斑的重心位置(该光斑的一能量曲线的半高宽范围内的能量重心或该能量曲线的最大值位置)为分界将光斑区分为光斑左侧及光斑右侧，当光斑左侧比光斑右侧尺寸小时，补偿方向则向左；反之，当光斑右侧比光斑左侧尺寸小时，补偿方向则向右。换句话说，本实施例中以光斑部分尺寸较小的光斑左侧或光斑右侧的方向为补偿方向。以上补偿、修正方式只是举例，本领域技术人员亦可利用不同补偿方式对起始位置进行补偿，因此在此即不加以赘述。如上所述，由于现有的测距装置无法对所侦测的光斑位置进行补偿，因此会发生无法计算或计算错误的情形。本发明另提出一种根据光斑尺寸变化及对称性来补偿光斑位置的光学测距装置及其距离补偿方法，可增进所侦测距离的正确性。虽然本发明已通过上述实施例所公开，然而上述实施例并非用以限定本发明，任何本发明所属技术领域中的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，应当可以作各种的更动与修改。因此本发明的保护范围应当以所附权利要求书所界定的范围为准。
权利要求
1.一种光学测距系统，该光学测距系统包括 光源，该光源对一物件表面提供光线；以及感测装置，该感测装置接收所述物件表面的反射光线，并根据该反射光线输出所述光源至所述物件的距离，该感测装置包括感测�？椋酶胁饽？榻邮账龇瓷涔庀撸⒉挥跋瘢灰约凹扑隳？椋眉扑隳？楦菟龇瓷涔庀咴谒鲇跋竦某上翊笮±床钩コ上裎恢茫莶钩ズ蟮某上裎恢美醇扑悴⑹涑鏊龉庠粗了鑫锛木嗬�。
2.根据权利要求1所述的光学测距系统，其中，所述感测�？榘� 光感测单元，该光感测单元接收所述反射光线，并产生一电信号；以及影像处理单元，该影像处理单元接收所述电信号，并产生所述影像。
3.根据权利要求1所述的光学测距系统，其中，所述计算�？榘扑愕ピ眉扑愕ピ邮账鲇跋瘢菟龇瓷涔庀咴谒鲇跋竦某上翊笮±床钩ニ龀上裎恢茫⒏莶钩ズ蟮某上裎恢美醇扑闼鼍嗬耄灰约笆涑龅ピ檬涑龅ピ邮账黾扑愕ピ蟮玫木嗬耄⑹涑龈镁嗬�。
4.根据权利要求3所述的光学测距系统，其中，所述计算模块还包括存储单元，该存储单元用于存储光斑预设尺寸，所述计算单元则在接收所述影像后先将该影像的成像大小与所述光斑预设尺寸进行比较，并根据比较结果来补偿所述成像位置。
5.根据权利要求4所述的光学测距系统，其中，当所述成像大小等于所述光斑预设尺寸时，所述计算单元根据未补偿的成像位置来计算所述距离；当所述成像大小小于所述光斑预设尺寸时，所述计算单元则根据所述成像大小与所述光斑预设尺寸的差异对所述成像位置进行补偿，再根据补偿后的成像位置来计算所述距离。
6.根据权利要求5所述的光学测距系统，其中，所述成像位置为所述反射光线所形成的光斑的重心位置，所述计算单元对所述成像位置进行补偿时，补偿所述重心位置，并根据补偿后的重心位置来计算所述距离。
7.根据权利要求6所述的光学测距系统，其中，所述重心位置为所述光斑的能量曲线的半高宽范围内的能量重心或所述能量曲线的最大值位置。
8.根据权利要求7所述的光学测距系统，其中，所述计算单元还根据所述能量曲线的对称性来决定所述重心位置的补偿方向。
9.根据权利要求8所述的光学测距系统，其中，所述补偿方向为朝向所述能量曲线的所述重心位置所区分的光斑左侧和光斑右侧中尺寸较小的一者的方向。
10.根据权利要求5所述的光学测距系统，其中，所述差异为所述成像大小除以所述光斑预设尺寸所得的光斑百分比，所述存储单元存储有根据所述光斑百分比与位置补偿量的关系形成的对照表。
11.一种光学测距系统，包括光源，该光源对一物件表面提供光线； 感光镜片；以及感测装置，该感测装置感测自所述物件表面反射的反射光线经过所述感光镜片后于该感测装置上形成的光斑，根据该光斑的成像大小来补偿该光斑的光斑位置，并根据该光斑的能量曲线的对称性来决定所述光斑位置的补偿方向。
12.根据权利要求11所述的光学测距系统，其中，所述补偿方向为朝向所述能量曲线的重心位置所区分的光斑左侧和光斑右侧中尺寸较小的一者的方向。
13.根据权利要求11所述的光学测距系统，其中，所述感测装置包括存储单元，该存储单元用以存储光斑预设尺寸，并存储光斑百分比与位置补偿量所形成的对照表；其中所述光斑百分比为所述成像大小与所述光斑预设尺寸的比值。
14.根据权利要求13所述的光学测距系统，其中，所述感测装置根据所述成像大小和所述对照表来补偿所述光斑位置。
15.根据权利要求14所述的光学测距系统，其中，当所述光斑百分比等于1时，所述感测装置根据未补偿的光斑位置来计算所述光源至所述物件的距离；当所述光斑百分比小于 1时，所述感测装置根据补偿后的光斑位置来计算所述距离。
16.根据权利要求15所述的光学测距系统，其中，所述感测单元另输出所述距离至一主机。
17.根据权利要求11所述的光学测距系统，其中，所述光斑位置为所述能量曲线的半高宽范围内的能量重心或所述能量曲线的最大值位置。
18.根据权利要求11所述的光学测距系统，其中，所述感测装置包括感测�？楹图扑隳？椋龈胁饽？檫⑷“ㄋ龉獍叩挠跋瘢凰黾扑隳？楦菟鲇跋窭醇扑闼龉獍叩某上翊笮『湍芰壳撸⒏莞贸上翊笮±床钩ニ龉獍呶恢靡约案莞媚芰壳叩亩猿菩岳淳龆ㄋ霾钩シ较�。
19.根据权利要求18所述的光学测距系统，其中，所述感测�？榘ü飧胁獾ピ陀跋翊砟？椋凰龉飧胁獾ピ胁夤庀咭圆坏缧藕牛鲇跋衲？楦菟龅缧藕挪ㄋ龉獍叩挠跋�。
20.一种光学测距系统，该光学测距系统包括光源，该光源对一物件表面提供光线；感光镜片；以及感测装置，该感测装置感测自所述物件表面反射的反射光线经过所述感光镜片后于该感测装置上形成的光斑，根据该光斑的能量曲线的对称性来决定该光斑的光斑位置的补偿方向。
全文摘要
一种光学测距系统，该光学测距系统包括光源和感测装置。所述光源用以对一物件表面提供光线。所述感测装置用以接收所述物件表面的反射光线，并根据该反射光线输出所述物件的距离。所述感测装置包括感测�？楹图扑隳？椋凰龈胁饽？橛靡越邮账龇瓷涔庀撸⒉挥跋瘢凰黾扑隳？橛靡愿菟龇瓷涔庀咴谒鲇跋竦某上裎恢眉俺上翊笮±醇扑悴⑹涑鏊鼍嗬�。
文档编号G01C3/32GK102401647SQ201110036908
公开日2012年4月4日 申请日期2011年2月12日 优先权日2010年9月7日
发明者古人豪, 吕志宏, 吴宗佑, 廖祈杰, 李宜方, 许恩峰 申请人:原相科技股份有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
