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专利名称：位置及深度的检出装置及方法
技术领域：
本发明系有关于ー种位置及深度的检出装置及其方法，特别是有关于ー种光学式位置及深度的检出装置及其方法。
背景技术：
现今量测一物体表面的曲率的方式有许多种，举例来说，有投射迭纹法、干渉法、像差法以及激光扫描三角定位法；其中迭纹量测技术一般采用穿透式或斜向反射式以形成迭纹，虽具有低成本、系统架构简单与稳定性高的优点，但穿透式量测架构只适用于透明物体表面曲率的量测，并无法运用至不具透光性的物体表面的曲率量測。而斜向反射式则存在理论计算复杂的缺点，并且受限于反射影像的强度较弱，因此影像对比度差而将导致表面曲率的误差值提高。

此外，干渉法、像差法以及激光扫描三角定位法，其不仅理论计算复杂，且其量测系统及装置更是相当复杂且昂贵，因此具有高成本的缺点。因此，如何设计出简单的架构，其可量测物体的表面深浅变化，实为目前研究发展
的一重要方向。

发明内容
本发明系有关于ー种位置及深度的检出装置及其方法，其具有简易的组成构件，不需要复杂的检测方式即可检测出待测物的位置及深度信息。根据本发明的一方面，提出ー种位置及深度的检出装置，用以检出具有一表面的待测物的位置及深度，此位置及深度的检出装置至少包括ー电控摆动元件、一光源、一光学系统、一储存单元以及ー计算单元。该电控摆动元件系经由以电气驱动的一致动器控制此电控摆动元件的摆动角度。该光源系藉由此电控摆动元件将该光源的光束反射至此表面以产生光点。该光学系统系用以接收投射至此表面的光点的投射信息。该储存単元系用以储存投射至ー预设平面的光点的预设信息。该计算単元系依据此投射信息与此预设信息计算出待测物的深度信息。根据本发明另一方面，提出一种检出位置及深度的方法，用以检出具有一表面的待测物的位置及深度，此检出位置及深度的方法包括下列步骤利用一光源发射一光束；此光束藉由ー电控摆动元件的往复摆动来反射至此表面，使得此光束扫描范围涵盖此表面并产生复数光点；经由一光学系统接收投射至此表面的此些光点的复数投射信息；以及根据此些光点投射至ー预设平面的复数预设信息与此些投射信息，计算出待测物的深度信
ο为使本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举本发明较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下


图I系绘示本发明一实施例的一种位置及深度检出系统的示意图。图2系绘示本发明一实施例的检出位置及深度的方法流程图。图3系绘不本发明一实施例的一种位置及深度检出系统利用光点中心偏移量来计算深度信息的示意图。图4系绘示本发明一实施例的一种位置及深度检出系统利用光点大小变形量来计算深度信息的示意图。图5系绘示本发明一实施例的一种位置及深度检出系统利用光点的强度中心变异量来计算深度信息的示意图。主要元件符号说明100、300、400、500 :位置及深度检出系统 110、310、410、510 :待测物120、320、420、520 :光源130、330、430、530 :光学系统140、340、440、540 :光感测元件150、350、450、550 :电控摆动元件160、360、460、560 :计算单元170、370、470、570 :储存单元DP :预设平面Dl D5 :光点中心偏移量E1、E2 :投射于预设平面的光点右侧与左侧的强度E1’、E2’ 投射于待测物的光点右侧与左侧的强度H :预设平面距离光源的距离Hl Η5 :光点距离预设平面的距离OLPl 0LP5 :光束投射至待测物表面的光点PLPl PLP5 :光束投射至预设平面的光点
ROLPI R0LP5 物体光点影像RPLPl RPLP5 :平面光点影像S210 S260 :流程步骤β :电控摆动元件的可摆动角度
具体实施例方式请参照图1，其绘示本发明一实施例的一种位置及深度检出系统100的示意图。本实施例的位置及深度检出系统100包括一待测物110、一光源120、一光学系统130、一光感测元件140、一电控摆动元件150、一计算单元160以及一储存单元170。该待测物110可为一种具有至少一表面的物体，此表面可能系具有一凹凸不平整的轮廓。该光源120可为可见光或不可见光，其可提供一平行光束，例如激光光束，使得该光源120所发射的光束经过一段距离后其发散程度不至于太大。此外，该光源120在空间平面上所产生的光点形状可为圆形、椭圆形、或圆形与椭圆形的反复渐变形状，其中椭圆形光点系由脉冲宽度调变(Pulse Width Modulation, PWM)控制或脉冲频率调变(PulseFrequency Modulation,PFM)控制所产生。而光点形状可藉由该电控摆动元件150的摆动角度与该光源120的开启与关闭所控制。该光学系统130系包括至少ー镜片，用以接收光学信息，且其视角系涵盖所需的空间平面。该光感测元件140，例如是CMOS感测器与CCD感测器，其系位于该光学系统130的一成像端，用以感测影像信息。于ー实施例中，该光学系统130与该光感测元件140系可以ー摄头镜头来实现。该电控摆动元件150系进行周期性摆动，其摆动角度的范围系使得反射的光束可涵盖所需的空间平面，且摆动角度可经由摆动频率或给定信号決定。该计算単元160例如是一中央微处理器，其可接收该光源120等所传送的数据，并依据所接收的数据计算出所需信息。该储存単元170例如是硬碟、闪存等，用以储存信息。请參照图2，其绘示本发明前述实施例的检出位置及深度的方法流程图，用以检出具有一表面的ー待测物的位置及深度。请同时參照图I。于步骤S210中，利用该光源120发射一光束。举例来说，该光源120可以朝向该电控摆动兀件150的方向发射光束。

于步骤S220中，前述光束藉由该电控摆动元件150的往复摆动来反射至该待测物110的一表面，使得光束扫描范围涵盖该待测物110的该表面并于其上产生复数光点。其中该电控摆动元件150系经由以电气驱动的一致动器控制该电控摆动元件150的摆动角度，使得该电控摆动元件150可为往复摆动并涵盖该待测物110的该表面。此外，该光源120系藉由该电控摆动元件150而将该光源120的光束反射至该待测物110的该表面以于其上产生光点。于步骤S230中，经由该光学系统130接收投射至该待测物110的该表面的此些光点的复数投射信息。举例来说，该光源120所发出的光束系经由该电控摆动元件150的往复摆动，使得光束于该待测物110的该表面上于不同时间点产生光点，而该光学系统130则于不同时间点个别接收此些光点的投射信息。举例来说，于ー特定时间点上，也就是该电控摆动兀件150系为ー特定摆动角度时,投射于该待测物110该表面的光点系只有ー个,此时该光学系统130接收具有一特定光点投射于该待测物110表面的影像信息。于步骤S240中，该计算単元160根据此些光点投射至ー预设平面的复数预设信息与此些投射信息，计算出该待测物Iio的该表面的深度信息。举例来说，该光源120所发出的光束投射至该待测物110前，先经由该电控摆动元件150反射至ー预设平面(DefaultPlane,DP)，并于其上产生复数光点，而该光学系统130接收产生于该预设平面DP上的光点的信息，并以预设信息的方式将其储存于该储存单元170。也就是该储存单元170将储存投射至该预设平面的光点的预设信息。而该计算单元160将依据此些投射信息与此些预设信息计算出该待测物110的该表面的深度信息与轴向位置，其中深度信息可为该表面的深度变化。如此ー来，该计算単元160即可结合此光点的深度信息与轴向位置而计算出该待测物110表面上特定光点的ニ维位置。而由于该电控摆动元件150系往复摆动并涵盖该待测物110的表面，所以当该待测物110的表面上所有光点的个别深度信息与轴向位置皆计算出后，即可统整此些信息而构成该待测物110表面的ニ維信息，也就是计算出该待测物110在空间上的ニ维位置。以下将详细介绍如何依据投射信息与预设信息计算出深度信息。请參照图3,其绘不本发明ー实施例的ー种位置及深度检出系统300利用光点中心偏移量来计算深度信息的示意图。其中待测物310、光源320、光学系统330、光感测元件340、电控摆动元件350、计算单元360以及储存单元370类似于图I中的待测物110、光源120、光学系统130、光感测元件140、电控摆动元件150、计算单元160以及储存单元170，于此不再赘述。其中β系电控摆动元件150可摆动的角度。当该电控摆动元件350的摆动角度系一特定角度时，光束投射至一预设平面(Default Plane, DP)与该待测物310表面的光点例如系分别为PLP (Plane Light Point,PLP)与0LP(0bject Light Point, OLP)。举例来说，当该电控摆动元件350的摆动角度系一第一角度时，投射至该预设平面DP与该待测物310表面的光点系分别为PLPl与OLPl，而该光学系统330各别接收PLPl与OLPl的信息并成像于该光感测元件340，藉此分别产生对应至OLPl的物体光点影像ROLPl (Reflection 0LP)的投射信息以及对应至PLPl的平面光点影像RPLPl (Reflection PLP)的预设信息。其中，R0LP1与RPLPl的中心偏移量系Dl。其中，由于该预设平面DP系已知，所以成像于该光感测元件340的RPLPl的预设信息系预先储存于该储存单元370。而该计算单元360则依据此预设信息与此投射信息得 到的此光点的一中心偏移量来计算出该待测物的一深度信息。举例来说，当该电控摆动元件350的摆动角度系固定时，当R0LP1与RPLPl的中心偏移量愈大时，则代表光束投射至该待测物310上的光点OLPl与PLPl距离愈远，藉此计算单元360可计算出该待测物310表面上的OLPl距离该预设平面DP的距离Hl。以此类推，该电控摆动元件350的摆动角度系第二、第三、第四、第五角度时，投射至该预设平面DP与该待测物310表面的光点系分别为PLP2 PLP5与0LP2 0LP5，而该光学系统330各别接收PLP2 PLP5与0LP2 0LP5的信息并成像于该光感测元件340，藉此分别产生对应至0LP2 0LP5的物体光点影像R0LP2 R0LP5的投射信息以及对应至PLP2 PLP5的平面光点影像RPLP2 RPLP5的预设信息。其中，R0LP2 R0LP5与RPLP2 RPLP5的中心偏移量系各别为D2 D5。而由于该光源320所产生的光束非常的�。�且该电控摆动元件350的可控制的摆动角度也相当精密，使得藉由光点中心偏移量来计算深度信息的误差系可接受的。而由于该光源320所发出的光束可涵盖该待测物310的表面，故此该计算单元360可计算出该待测物310 —表面的深浅变化，进而获得该待测物310的深度信息。于另一实施例中，可藉由光点的大小变形量来计算出待测物的深度信息。请参照图4,其绘不本发明一实施例的一种位置及深度检出系统400利用光点大小变形量来计算深度信息的示意图。其中待测物410、光源420、光学系统430、光感测元件440、电控摆动元件450、计算单元460、储存单元470、OLPl 0LP5、PLP1 PLP5、R0LP1 R0LP5、RPLPl RPLP5、H1 H5系类似于图3中的待测物310、光源320、光学系统330、光感测元件340、电控摆动元件350、计算单元360、储存单元370、0LP1 0LP5、PLP1 PLP5、R0LP1 R0LP5、RPLPl RPLP5、Hl H5，于此不再赘述。其中，由于该预设平面DP系已知，所以成像于该光感测元件440的RPLPl的预设信息系预先储存于该储存单元470。而该计算单元460则依据此RPLPl的预设信息与此R0LP1的投射信息得到此光点的一大小变形量，并藉此计算出该待测物410的深度信息。举例来说，由于该电控摆动元件450的摆动角度系固定，所以当R0LP1与RPLPl两者的间的大小变形量愈大时，例如是RPLPl与R0LP1的大小差异愈大，则代表光束投射至该待测物410上的光点OLPl与PLPl距离愈远，藉此计算单元460可计算出该待测物410中OLPl所处的表面距离预设平面DP的距离Hl。以此类推，该电控摆动元件450的摆动角度系第二、第三、第四、第五角度吋，投射至该预设平面DP与该待测物410的光点系分别为PLP2 PLP5与0LP2 0LP5，而该光学系统430各别接收PLP2 PLP5与0LP2 0LP5的信息并成像于该光感测元件340，藉此分别产生对应至0LP2 0LP5的物体光点影像R0LP2 R0LP5的投射信息以及对应至PLP2 PLP5的平面光点影像RPLP2 RPLP5的预设信息。其中，该计算单元460分别依据R0LP2 R0LP5的投射信息与RPLP2 RPLP5的预设信息得到的光点的各别大小变形量，并藉此各别计算出各光点0LP2 0LP5各别距离该预设平面DP的距离H2 H5。故该计算単元460可计算出该待测物410的一表面的深浅变化，进而获得该待测物410的深度信息。于再ー实施例中，可藉由光点的強度中心变异量来计算出待测物的深度信息。请參照图5，其绘示本发明ー实施例的ー种位置及深度检出系统500利用光点的強度中心变异量来计算深度信息的示意图。其中待测物510、光源520、光学系统530、光感 测元件540、电控摆动元件550、计算单元560、储存单元570、0LP1及PLPl系类似于图3中的待测物310、光源320、光学系统330、光感测元件340、电控摆动元件350、计算单元360、储存单元370、OLPl及PLPl，于此不再赘述。其中，当该电控摆动元件550的摆动角度系一特定角度时，投射于该待测物510表面上的光点为0LP1，投射于预设平面DP的光点为PLP1。El与E2系分别为光束投射于该预设平面DP的光点PLPl右侧与左侧的强度，而ΕΓ与E2’系分别为光束投射于该待测物510的光点OLPl右侧与左侧的强度。由于该预设平面DP系已知，所以该光感测元件440感测到投射于该预设平面DP的光点PLPl強度El、E2的预设信息系预先储存于该储存单元570中。而当该光感测元件440感测到投射于该待测物510表面的光点OLPl強度E1’与E2’的投射信息时，该计算单元560可依据此E1、E2的预设信息与ΕΓ与E2’的投射信息得到的光点的強度中心变异量来计算出光点的深度信息。举例来说，投射于该预设平面DP的光点PLPl的強度中心系El与E2的平均，投射于该待测物510表面的光点OLPl的强度中心系ΕΓ与E2’的平均，而光点的強度中心变异量即为E1、E2的平均与E1’、E2’的平均的差异。其中由于光束的強度与行经路径长短成反比，也就是当光束行进路径愈长，其強度愈弱；所以，当光点的強度中心变异量愈大时，则代表投射于该待测物510表面的光点OLPl距离该预设平面DP的距离愈远，据此该计算单元560可估算出该待测物510表面上光点OLPl距离该预设平面DP的距离Hl0综上所述，虽于上述系个别以光点中心偏移量、光点大小变形量以及光点的強度中心变异量来计算出待测物的深度信息，然本发明并不限于此。举例来说，计算単元可依据预设信息与投射信息得到光点的大小变形量与強度中心变异量来计算出待测物的深度信息。如此ー来，由于在某些特殊的表面凹凸状况下，以光点的大小变形量所估算出的深度信息的误差较以光点的強度中心变异量所估算出的深度信息为�。欢�在另ー些特殊的表面凹凸状况下，以光点的大小变形量所估算出的深度信息的误差较以光点的強度中心变异量所估算出的深度信息为大。所以结合两种估算方式可提高所计算出的深度信息的精准度，结合方式例如是两种计算结果的平均值。此外，本发明也不限于上述两种估算方式的结合，“光点中心偏移量”、“光点大小变形量”、“光点的強度中心变异量”三者中任ニ或三者方式同时用于计算深度信息的方法及装置皆属于本发明的范围。此外，由于可藉由计算单元计算出待测物表面的深度信息，所以计算单元更可藉由电控摆动元件于一不同时间以相同角度反射光源的光束，以及藉由光学系统于此不同时间所接收的投射信息，来计算出待测物于空间中的移动量。也就是说，藉由量测待测物表面的深度信息，即可推得此特测物的移动量。由于藉由简单的元件架构即可推知待测物的移动量，此举可增加此装置的用途。再者，藉由光源在空间平面上所产生的光点形状，例如是圆形、椭圆形、或圆形与椭圆形的反复渐变形状，可提升计算单元计算待测物表面的深度信息的精确性。如此一来，本发明仅需藉由光感测元件即可估算待测物表面的深浅变化。也就是说，本发明可以使用较少的元件及简单的配置即可达到估算待测物表面深浅变化的需求。所以本发明具有不需复杂影像辨识处理而可提高反应效率的优点。此外，本发明的结构简单，所需的设备成本也较低，故更具有成本低廉的优点。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当以权利要求范围所界定者为准。
权利要求
1.ー种位置及深度检出装置，用以检出具有一表面的ー待测物的位置及深度，其特征在于，所述的装置包括 ー电控摆动元件，经由以电气驱动的一致动器控制该电控摆动元件的摆动角度； 一光源，藉由所述的电控摆动元件将所述的光源的光束反射至所述的表面以产生一光点； 一光学系统，用以接收投射至所述的表面的所述的光点的一投射信息； 一储存单元，用以储存投射至ー预设平面的所述的光点的一预设信息；以及 一计算单元，依据所述的投射信息与所述的预设信息计算出所述的待测物的一深度信息。
2.如权利要求I所述的位置及深度检出装置，其特征在于，所述的计算单元更用以依据所述的预设信息与所述的投射信息得到的所述的光点的一中心偏移量来计算出所述的待测物的所述的深度信息。
3.如权利要求I所述的位置及深度检出装置，其特征在于，所述的计算单元更用以依据所述的预设信息与所述的投射信息得到的所述的光点的一大小变形量来计算出所述的待测物的所述的深度信息。
4.如权利要求I所述的位置及深度检出装置，其特征在于，所述的计算单元更用以依据所述的预设信息与所述的投射信息得到的所述的光点的一強度中心变异量来计算出所述的待测物的所述的深度信息。
5.如权利要求I所述的位置及深度检出装置，其特征在于，所述的计算单元更用以依据所述的预设信息与所述的投射信息得到的所述的光点的一大小变形量与一強度中心变异量来计算出所述的待测物的所述的深度信息。
6.如权利要求I所述的位置及深度检出装置，其特征在于，所述的电控摆动元件系以周期性摆动，所述的电控摆动元件的摆动角度可经由摆动频率或给定信号決定。
7.如权利要求I所述的位置及深度检出装置，其特征在于，所述的电控摆动元件的摆动角度的范围系使得反射的所述的光束可涵盖所需的空间平面。
8.如权利要求I所述的位置及深度检出装置，其特征在于，所述的光学系统的视角涵盖所需的空间平面。
9.如权利要求I所述的位置及深度检出装置，其特征在于，所述的光学系统包括至少一镜片。
10.如权利要求I所述的位置及深度检出装置，其特征在于，所述的光源在空间平面上所产生的光点形状为圆形。
11.如权利要求I所述的位置及深度检出装置，其特征在于，所述的光源在空间平面上所产生的光点形状为椭圆形。
12.如权利要求I所述的位置及深度检出装置，其特征在于，所述的光源在空间平面上所产生的一光点形状为圆形与椭圆形的反复渐变形状，所述的光点形状可藉由所述的电控摆动元件的摆动角度与所述的光源的开启与关闭所控制。
13.如权利要求11或第12所述的位置及深度检出装置，其特征在于，所述的椭圆形光点系由脉冲宽度调变控制或脉冲频率调变控制所产生。
14.一种检出位置及深度的方法，用以检出具有一表面的ー待测物的位置及深度，其特征在于，所述的方法包括 利用一光源发射一光束； 所述的光束藉由ー电控摆动元件的往复摆动来反射至所述的表面，使得所述的光束扫描范围涵盖所述的表面并产生复数光点； 经由一光学系统接收投射至所述的表面的所述的光点的复数投射信息；以及 根据所述的光点投射至ー预设平面的复数预设信息与所述的投射信息，计算出所述的待测物的深度信息。
15.如权利要求14所述的检出位置及深度的方法，其特征在于，计算出所述的待测物的深度信息的步骤更包括 依据所述的预设信息与所述的投射信息得到的所述的光点的中心偏移量来计算出所述的待测物的深度信息。
16.如权利要求14所述的检出位置及深度的方法，其特征在于，计算出所述的待测物的深度信息的步骤更包括 依据所述的预设信息与所述的投射信息得到的所述的光点的大小变形量来计算出所述的待测物的深度信息。
17.如权利要求14所述的检出位置及深度的方法，其特征在于，计算出所述的待测物的深度信息的步骤更包括 依据所述的预设信息与所述的投射信息得到的所述的光点的強度中心变异量来计算出所述的待测物的深度信息。
18.如权利要求14所述的检出位置及深度的方法，其特征在于，计算出所述的待测物的深度信息的步骤更包括 依据所述的预设信息与所述的投射信息得到的所述的光点的大小变形量与強度中心变异量来计算出所述的待测物的深度信息。
19.如权利要求14所述的检出位置及深度的方法，其特征在于，更藉由所述的电控摆动元件于ー不同时间以相同角度反射所述的光源的所述的光束，以及藉由所述的光学系统于所述的不同时间所接收的所述的投射信息，来计算出所述的待测物于空间中的移动量。
全文摘要
本发明公开了一种位置及深度的检出装置及其方法。此检出装置用以检出具有一表面的待测物的位置及深度，包括一电控摆动元件、一光源、一光学系统、一储存单元及一计算单元。该电控摆动元件系经由以电气驱动的一致动器控制此电控摆动元件的摆动角度。该光源系藉由此电控摆动元件将该光源的光束反射至此表面以产生光点。该光学系统用以接收投射至此表面的光点的投射信息。该储存单元用以储存投射至一预设平面的光点的预设信息。该计算单元系依据此投射信息与此预设信息计算出待测物的深度信息。
文档编号G01B11/00GK102679868SQ20111013525
公开日2012年9月19日 申请日期2011年5月24日 优先权日2011年3月15日
发明者曾德生, 许文鸿, 黄澄仪 申请人:大立光电股份有限公司