TW201830049A - 包含可調整焦距成像感測器的距離感測器 - Google Patents

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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：同時啟動距離感測器的第一投射點與第二投射點，以協同將參考圖案投射入視野中；啟動距離感測器的第三投射點，以將量測圖案投射入視野中；擷取視野的影像，其中物件、參考圖案、與量測圖案係可見於影像中；基於影像中的量測圖案的外觀，計算從距離感測器至物件的距離；基於影像中的參考圖案的外觀，偵測距離感測器的鏡頭的移動；以及基於所偵測到的移動，調整所計算的距離。

Description

包含可調整焦距成像感測器的距離感測器
對相關申請案的交互參照：本申請案主張對於申請於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，在此併入此臨時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：同時啟動距離感測器的第一投射點與第二投射點，以協同將參考圖案投射入視野中；啟動距離感測器的第三投射點，以將量測圖案投射入視野中；擷取視野的影像，其中物件、參考圖案、與量測圖案係可見於影像中；基於影像中的量測圖案的外觀，計算從距離感測器至物件的距離；基於影像中的參考圖案的外觀，偵測距離感測器的鏡頭的移動；以及基於所偵測到的移動，調整所計算的距離。
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：同時啟動距離感測器的第一投射點與第二投射點，以協同將參考圖案投射入視野中；啟動距離感測器的第三投射點，以將量測圖案投射入視野中；擷取視野的影像，其中物件、參考圖案、與量測圖案係可見於影像中；基於影像中的量測圖案的外觀，計算從距離感測器至物件的距離；基於影像中的參考圖案的外觀，偵測距離感測器的鏡頭的移動；以及基於所偵測到的移動，調整所計算的距離。
在另一範例中，一種設備，包含：成像感測器，包含可移動的鏡頭；第一投射點與第二投射點，以協同將參考圖案投射入視野中，其中第一投射點與第二投射點相對於成像感測器的各別位置為固定的；第三投射點，以將量測圖案投射入視野中，其中第三投射點相對於成像感測器的位置為固定的；以及電路系統，以基於成像感測器擷取到的視野的影像中的量測圖案的外觀，計算從設備至視野中的物件的距離，以基於影像中的參考圖案的外觀偵測鏡頭的移動，並基於所偵測到的移動調整所計算出的距離。
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。距離感測器亦可用於其他應用，包含三維（3D）成像、個人與商業用載具攝影機系統、保全系統等等。然而，這些應用之每一者可需要不同類型的影像資料（例如廣視野、遠距離、小尺寸等等）；因此，可使用鏡頭移位（lens shift）與影像放大（image magnification）以擷取給定應用所需的影像類型。
一些距離感測器利用簡單三角定位演算法以使影像的位置直接相關於距離，並從而計算出對相關聯於影像的物件的距離。此類型的一些感測器可使用二維攝影機作為三維攝影機。因此，此種系統在成本與尺寸上具有優點。然而，對於採用光束投射的主動三角定位系統，成像感測器（例如攝影機）通常被配置為不具有縮放能力的固定鏡頭、固定對焦系統。固定對焦在試圖擷取遠方影像時可引入模糊，且由於無法縮放，可難以擷取移動物件的清晰影像。另一方面，若鏡頭可調整縮放並變焦，則任何非期望的鏡頭移動（例如移位或偏向）可影響三角定位的精確度。
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，在此併入此美國申請案全文以作為參考。一或更多個光源投射複數個光束，複數個光束在投射至物件上時協同形成量測圖案（例如複數個平行線）。兩或更多個光源投射複數個光束，複數個光束在投射至物件上時協同形成參考圖案（例如亦是複數個平行線）。量測圖案與參考圖案可被同時從相同光源或不同光源投射。一或更多個成像感測器隨後擷取物件二維影像、量測圖案、以及參考圖案，並基於影像中物件上量測圖案與參考圖案的外觀，來偵測距離感測器的成像感測器鏡頭的移動（例如移位、偏向等等）。隨後可對三角定位式物件距離量測進行補償，以處理鏡頭的移動。
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 -108n （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1B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的光軸（例如鏡頭單元的中心），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。
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連續線或點線（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 -114n （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 可圖示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。
如上文所論述的，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。亦如上文所論述的，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），如上文所論述的，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論述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使用一或更多個光源及（或）一或更多個繞射光學元件以產生複數個投射點，從複數個投射點發出複數個投射光束，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，其中每一線包含連續線或點、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（在由點形成線時）），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。
如將於下文進一步論述的，可使用不同的平行線圖案以量測距離以及補償鏡頭移動。例如，可使用第一及（或）第二參考圖案以偵測鏡頭移動。對於鏡頭移動的知識，隨後可被應用，以調整基於量測圖案的影像所作成（例如經由三角定位）的距離量測。
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，此將更詳細論述於下文。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。
第2圖圖示說明第1A圖與第1B圖的距離感測器100的部分的俯視圖。特定而言，第2圖圖示說明相對於要偵測的物件200的鏡頭移位與影像放大的概念。
如圖示說明，成像感測器110與光源108具有固定的位置。然而，鏡頭112具有可移動式位置，使得鏡頭112可被調整以進行對焦和縮放。因此，儘管距離感測器100可具有相對於正量測距離的物件200的固定位置，但鏡頭112相對於物件200的位置可改變，而此可影響用於計算距離的三角定位技術的精確度。
例如，鏡頭112可移位，亦即在相對於成像感測器110光軸的橫向或正交方向中移動。在第2圖中，移位前的初始光軸圖示於A-A'，而移位後的新光軸圖示於B-B'。
鏡頭112亦可在平行於成像感測器110光軸的方向中移動，例如用於影像放大（縮放）。在此情況中，成像感測器光軸的位置不改變（例如維持為A-A'），但鏡頭112至物件200的距離改變。
可由兩或更多個光源108投射參考圖案到物件200上，其中每一光源108投射各別的參考光束2061 或206n （此後協同稱為「參考光束206」或個別稱為「參考光束206」）。參考圖案包含至少一個參考點204（例如點、破折號、線等等），在此處參考光束206收斂或交會，此將於下文更詳細論述。在一個範例中，參考圖案的參考軸202對齊（例如共線於）成像感測器110的光軸A-A'。
第3A圖更詳細圖示說明鏡頭移位。特定而言，第3A圖圖示說明在鏡頭至物件306之距離並未改變時的鏡頭移位。在第3A圖中，鏡頭112的初始位置被指示為300，而鏡頭112移位後（或新的）位置被指示為302。初始位置300與新位置302之間的移位或橫向差異，可被給定為s。
參考符號304指示投射至物件306上的參考光束，在物件306上產生點（例如點、交叉號、破折號等等）影像PR ，此後稱為「參考點」。如圖示說明，參考光束304被從鏡頭112的初始位置300投射自（並透過）鏡頭112的前節點Nf 。在此情況中，前節點Nf 作為距離感測器100的校正位置，以進行三角定位。在鏡頭112移位至新位置302時，鏡頭112的前節點移動至Nf '。鏡頭112的後節點從Nr 移動至Nr '。相關聯於參考光束304的方向與參考點PR 為固定的。
在鏡頭112位於初始位置300時，成像感測器110上的參考點PR 的影像被指示為QR 。然而，在鏡頭112移位至新位置302時，成像感測器110上的參考點PR 的影像移動至QR '。在此情況中，參考點PR 的移動距離s'可被計算為： s’ = s+s(b/a) (方程式1) 其中b代表影像距離（亦即從影像感測器110上的參考點PR 的影像QR '到鏡頭112的後節點Nr '的距離），且a代表物件距離（亦即從物件306到鏡頭112的後節點Nr '的距離）。通常而言，比例b/a非常小，使得移位s大約等於移動距離s'。
在一個範例中，點影像P0 、P1 、與P2 形成投射至物件306上的圖案的部分以進行距離量測；因此點影像P0 、P1 、與P2 在本文中可稱為「量測點」。成像感測器110上的量測點的對應影像，分別由Q0 、Q1 、與Q2 指示。在鏡頭112移位至新位置302時，成像感測器110上的量測點的影像分別移動至Q0 '、Q1 '、與Q2 '。在此情況中，量測點P0 、P1 、與P2 的移動距離s'大約等於移位s。
因此，可採用具有任何對於物件306之距離的參考光束304，來判定鏡頭112的移位s。在移位為s時，在任何對於物件306的距離之下，任何量測點P0 、P1 、與P2 的影像的移動值（如由成像感測器110所擷取的）為s'。
第3B圖更詳細圖示影像放大。應注意到，影像放大與影像距離成比例關係（亦即從影像感測器上的圖案點的影像到鏡頭後節點的距離）。特定而言，第3B圖圖示說明在不具有鏡頭移位下的影像放大。因此，鏡頭112可移向或移離物件306（亦即在平行於成像感測器110光軸的方向中），但不橫向移動（亦即在正交於成像感測器110光軸的方向中，如第3A圖圖示說明的）。
在第3B圖中，鏡頭112的初始位置被指示為308，而鏡頭112的新位置（或放大位置）被指示為310。參考符號304指示投射至物件306上的參考光束，在物件306上產生點（例如點、交叉號、破折號等等）影像PR ，此後稱為「參考點」。如圖示說明，參考光束304被從鏡頭112的初始位置308投射自（並透過）鏡頭112的前節點Nf 。在此情況中，前節點Nf 作為距離感測器100的校正位置，以進行三角定位。在鏡頭112移至新位置310時，鏡頭112的前節點移動至Nf '。鏡頭112的後節點從Nr 移動至Nr '。相關聯於參考光束304的方向與參考點PR 為固定的（亦即參考點PR 不相對於物件306移動，即使影像距離可改變）。
在鏡頭112位於初始位置308時，成像感測器110上的參考點的影像被指示為QR 。如前述，物件306上的參考點PR 的影像位置，不隨著影像距離改變而移動。然而，在鏡頭112移位至新位置310且影像距離改變時（例如由於縮放或變焦），成像感測器110上的參考點的影像移動至QR '。
在進一步的範例中，使用複數個（亦即至少兩個）參考光束以偵測並補償鏡頭移位與影像放大。在此情況中，至少可使用距離感測器的第一與第二投射點，以至少將第一與第二參考光束，分別投射至要量測距離的物件上。
例如，第4A圖圖示說明第一範例，其中可使用兩個參考光束來偵測影像放大及（或）鏡頭移位。在此情況中，可藉由偵測對應於兩參考光束的所擷取影像的距離變異，來獲得變異比例k。
特定而言，將第一參考光束400與第二參考光束402投射，以在物件404上產生第一參考點PR 與第二參考點PSR 。影像感測器上的第一參考點PR 與第二參考點PSR 的影像位置，分別由QR 與QSR 指示；影像感測器上的第一參考點PR 與第二參考點PSR 的影像的新位置，分別由QR '與QSR '指示。點P與P0 分別指示第一量測光束406與第二量測光束408分別在物件404上形成的第一參考點與第二參考點。
在此情況中，可依下式獲得變異比例k： k = (khSR + khR )/(hSR * hR ) (方程式2) 其中khSR 與khR 為已知的。
第4B圖圖示一範例，其中使用第4A圖的第一與第二參考光束400與402來偵測同時發生的影像放大與鏡頭移位。在此情況中，必需知道第一與第二參考光束400與402的絕對位置（亦即據以執行三角定位校正的鏡頭移位前初始位置），以計算移位s與變異比例k兩者。在此情況中，絕對位置被界定為對於成像感測器光軸A-A'的位置，其中光軸A-A'被進一步界定為參考點影像不隨著物件距離變異或影像距離變異移動的點。
所必需被知道的絕對位置精確度，可隨著條件改變。然而在一些範例中，可採用校正手段，校正手段能夠偵測第一參考光束400、第二參考光束402、以及光軸的位置。校正手段可進一步設置並儲存所偵測到的位置。這些位置的偵測、設置、與儲存，可連同三角定位校正來執行。
儘管已針對使用參考「光束」偵測鏡頭移位與物件距離變異來論述前述範例，本揭示內容的進一步範例可使用由複數個光束產生的參考「圖案」以偵測鏡頭移位與物件距離變異。在此情況中，距離感測器的至少兩個投射點同時投射複數個光束，複數個光束可從他們所被發出的投射點扇形擴散。複數個光束的每一光束可投射一點到物件上。複數個光束投射的點，可在物件上協同形成複數個線（例如連續線，或一系列的點、破折號、交叉號等等所組成的線）。由從單一投射點發出的複數個光束，以及由複數個光束投射至物件上的點所圍繞的空間，形成了投射平面，投射平面可包含距離感測器的鏡頭的前節點。每一投射平面可包含距離感測器的光軸。
例如，第5A圖圖示說明來自第一投射點502與第二投射點504的範例主要參考圖案500的投射。如圖示說明，第一投射點502與第二投射點504之每一者投射複數個光束，複數個光束扇形擴散而分別形成第一投射平面506與第二投射平面508。
如圖示說明，第一投射平面506與第二投射平面508沿著線C-C'交會，線C-C'透過成像感測器512的前節點510。因為第一投射點502與第二投射點504的位置相對於成像感測器512為固定的，線C-C'（第一投射平面506與第二投射平面508沿著線C-C'交會）的位置相對於成像感測器512亦為固定的。因此，線C-C'可視為「參考光束」，參考光束實際上可藉由擷取參考圖案500的影像來認知到。
因為第一投射平面506與第二投射平面508透過成像感測器512的光軸，第一投射平面506與第二投射平面508產生的主要參考圖案500可視為「主要」參考圖案。線C-C'可類似地視為「主要」參考軸。
第5B圖圖示說明來自第一投射點502與第二投射點504的範例次要參考圖案514的投射。在此情況中，第一投射點502與第二投射點504之每一者投射複數個光束，複數個光束扇形擴散而分別形成第三投射平面516與第四投射平面518。
如圖示說明，第三投射平面516與第四投射平面518以預定角度沿著線D-D'交會。因為第一投射點502與第二投射點504的位置相對於成像感測器512為固定的，線D-D'（第三投射平面516與第四投射平面518沿著線D-D'交會）的位置相對於成像感測器512亦為固定的。因此，線D-D'可視為「參考光束」，參考光束實際上可藉由擷取參考圖案514的影像來認知到。
因為第三投射平面516與第四投射平面518並未透過成像感測器512的光軸，第三投射平面516與第四投射平面518產生的參考圖案514可視為「次要」參考圖案。線D-D'可類似地視為「次要」參考軸。
在相同平面的主要參考圖案500與次要參考圖案514彼此平行。在主要參考圖案500與次要參考圖案514之間成像感測器512擷取到的影像距離，相對於物件距離變異為固定的。
第6A圖圖示說明可由本揭示內容的距離感測器投射至物件上的範例投射圖案600。如圖示說明，量測圖案600包含矩形點矩陣。然而在其他範例中，點的每一行或每一列可被形成為連續線。如前述，由至少兩個投射點產生量測圖案600，此兩個投射點的位置圍繞成像感測器且相對於成像感測器鏡頭的前節點處於相同高度（沿著成像感測器光軸的方向），此兩個投射點同時發出複數個光束。
在第6A圖與第6B圖圖示說明的範例中（圖示說明在量測圖案600內（或疊加於其上的）同時投射的主要與次要參考圖案的範例），主要參考圖案包含垂直定向的中央點線602，而次要參考圖案包含一組垂直定向的點線604，點線604從中央線602橫向朝外間隔放置（並平行於中央線602）。量測圖案600、主要參考圖案、與次要參考圖案被從複數個投射點606投射至半球形視野內（例如「虛擬球體」），複數個投射點606可包含對應於各別光源608的繞射光學元件。
更特定而言，在球形座標中，主要參考圖案對應於φ=C的線（其中C為固定的任意值），且更特定而言對應於φ=0 (亦即C=0)的線，其中φ為量測圖案600的旋轉角度。因此，主要與次要參考圖案與投射他們的投射點一起產生平面，且被投射至物件上的結果圖案形成一線。
可由仰角θ = +θa至–θa，進一步界定主要參考圖案（其中θ為任意值，且主要參考圖案位於θa至θb的預定範圍中）。可由仰角θ = +θb至–θb，進一步界定次要參考圖案（其中θ為任意值，且次要參考圖案位於θc至θd的預定範圍中）。次要參考圖案的旋轉角度φ可被界定為φ=Δφ（其中φ為預定值）。
相對的，量測圖案600對應於θ=0的線（且更特定而言，量測圖案600的水平定向中心線610對應於θ=0），其中θ為量測圖案600的仰角。
第7圖圖示說明第6A圖與第6B圖的主要參考圖案與次要參考圖案的投射的第一範例側視圖。如圖示說明，包含主要參考圖案（由光束702投射）與次要參考圖案（由光束704投射）的參考圖案的投射點的位置，被定位為與鏡頭706的前節點Nf 重合。因此，在鏡頭706對物件的任意距離之下，參考圖案的線的所擷取的影像佔用相同位置。
因此，藉由如第8圖圖示說明的設置複數個投射點（第8圖圖示說明主要參考圖案800與兩個次要參考圖案802的重疊）（主要參考圖案800與兩個次要參考圖案802被類似地配置但設置於不同的各別位置處），各別中心線804、806、與808與成像感測器鏡頭812光軸的交叉點，在鏡頭812對物件之任意距離下為固定的，主要參考圖案800與次要參考圖案804投射在此物件上。
在一個範例中，主要參考圖案800經配置以為使得他的交叉點可被輕易認知。然而，由於點影像的條件，可假定主要參考圖案800的一些部分可變得無法偵測（取決於物件條件，諸如不正常的反射條件、障礙物的存在等等）。因此，隨著時間，距離感測器偵測主要參考圖案800的能力的精確度可隨著時間改變。
因此在一個範例中，可採取安全措施以提升認知主要參考圖案800交叉點的精確度。例如，主要參考圖案800中的投射線數量可被提升（例如提升至四個或更多個），及（或）投射線的長度可被提升。在進一步的範例中，可使用選擇手段以選擇主要參考圖案800的最有效部分以及最有效計算手段，基於主要參考圖案800的所選部分。在又進一步的範例中，可使用控制手段以基於圖案條件的分析及（或）三角定位結果，控制主要參考圖案800的投射與影像擷取（例如發射時間、發射強度、曝光時間、影像減去方式等等）。
第9圖圖示說明範例量測圖案900，範例量測圖案900具有主要參考圖案902以及同時投射的次要參考圖案904。如圖示說明，量測圖案900具有相當簡單的形狀，由直線的規則圖案組成（其中在此情況中由一系列的點組成每一線）。因此，可甚至根據量測圖案900的部分視圖，輕易假定整體量測圖案900的形狀。
然而，由疊加於量測圖案900上的主要參考圖案902與次要參考圖案904協同組成的參考圖案，可干涉量測圖案900的功能，若量測圖案900與主要與次要參考圖案902與904係從距離感測器的相同投射點投射。因此在一個範例中，參考圖案可被拆成複數個區段9061 -906m （此後協同稱為「區段906」或個別稱為「區段906」）。
本揭示內容的進一步範例，提供縮放的三維距離感測器。對於遠距離，所投射的點影像的移動值是小的。然而，藉由縮放放大（亦即減少鏡頭至物件的距離），點影像的移動值增加，且距離敏感度提升。
對於量測遠距離，隨著鏡頭亮度降低，返回光（亦即被物件反射並返回成像感測器的光）的強度亦降低。因此，光源發出的光的強度可被增加。另一方面，提升發出光的強度可引入一些缺點，諸如功率消耗提升、生命期降低、且安全性降低。
因此，可利用控制手段，以與縮放功能同步。控制手段可選擇特定投射圖案、調整光源強度、調整發射時間及（或）光源脈衝區間、與調整成像感測器的擷取功能（例如快門速度、曝光時序等等）。
此外，影像模糊可隨著焦點調整而改變，且亦可影響距離量測的精確度。隨著距離感測器縮放放大（亦即影像放大率提升），影像模糊的效應可變得更為嚴重。因為距離感測器需要量測廣泛範圍中的距離，任何自動對焦系統在任意時間都應對焦在完整範圍的距離上。因此可採用具有循環圖案的變焦系統，其中循環圖案隨著影像放大/縮放值改變。
本揭示內容的進一步範例，可補償鏡頭與其他成像光學元件的像差，像差隨著鏡頭移動而變化。在一個範例中，此係由採用一程序來完成，此程序儲存經校正補償值，並使用對應於所量測的距離的經校正補償值來調整三維量測結果。
第10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1000的流程圖。在一個具體實施例中，方法1000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11圖中並於下文論述的一般用途計算裝置執行。
方法1000開始於步驟1002。在步驟1004中，距離感測器的第一投射點與第二投射點被同時啟動，以各自投射第一與第二複數個光束。第一與第二複數個光束協同將參考圖案投射入一視野。如前述，參考圖案可包含主要參考圖案與次要參考圖案，其中主要參考圖案包含第一線，且次要參考圖案包含定向為平行於第一線的第二與第三線。例如，第一線可被定向為平行於距離感測器的成像感測器的光軸，而第二線與第三線被定向於相對於第一線的平面的一角度。
第一、第二、與第三線之任意者，可被形成為一系列的點（例如點、破折號、交叉號等等）。第一、第二、與第三線可各自形成第一、第二、與第三平面，具有成像感測器的固定點（例如成像感測器鏡頭的前節點）。
如前述，主要參考圖案的旋轉角度在球形座標中可為零，而主要參考圖案的仰角可落入球形座標中的預定範圍內。同時，次要參考圖案的旋轉角度在球形座標中可為固定值，而次要參考圖案的仰角可落入球形座標中的預定範圍內。
在步驟1006中，距離感測器的第三投射點被啟動，以投射第三複數個光束。第三複數個光束將量測圖案投射入視野中。在一個範例中，第一及（或）第二投射點所投射的第一及（或）第二複數個光束，可與第三複數個光束合作，以形成參考圖案。如前述，量測圖案可包含複數個平行線，其中複數個平行線的每一線被形成為一系列的點（例如點、破折號、交叉號等等）。因此在一個範例中，量測圖案可包含矩形點矩陣。在一個範例中，參考圖案的第一、第二、與第三線被定向為平行於（但疊加於）量測圖案的複數個平行線。
如前述，量測圖案的旋轉角度可落入球形座標中的預定範圍內，且量測圖案的仰角可為球形座標中的固定值。
在步驟1008中，擷取視野的影像（例如藉由成像感測器），其中第一、第二、與第三投射點的位置相對於成像感測器的位置固定。物件、參考圖案、以及量測圖案可見於影像中。成像感測器可包含對焦功能及（或）焦長改變功能。因此，成像感測器的鏡頭可為可移動的。
在步驟1010中，基於影像中的量測圖案的外觀，來計算距離感測器至物件的距離。在一個範例中，使用三角定位演算法計算距離。
在步驟1012中，基於影像中參考圖案的外觀，來偵測成像感測器的鏡頭的移動。例如，基於相對於成像感測器的固定點（例如成像感測器鏡頭的前節點）的參考圖案的固定方向的外觀，可判定鏡頭已相對於成像感測器光軸方向橫向移位，或者鏡頭已移近或移離物件。移動係相對於鏡頭的初始（例如經校正的）位置。
例如，可藉由偵測主要參考圖案與次要參考圖案的交叉點的初始位置，來偵測鏡頭的移動。可相對於鏡頭的預定（例如經校正的）位置儲存初始圖案。隨後可偵測交叉點的當前位置，並可計算初始點與當前點之間的差異以尋找鏡頭的移動量。在進一步的範例中，亦可偵測第一參考圖案與第二參考圖案之間的初始距離與當前距離，且初始距離與當前距離之間的差異可指示鏡頭移動量。
在步驟1014中，基於在步驟1012中偵測到的移動，調整在步驟1010中計算出的距離。因此，可調整距離計算，以補償鏡頭移動（移位、縮放、偏向等等）。
方法1000隨後結束在步驟1016。
第11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11圖繪製，系統1100包含一或更多個硬體處理器元件1102（例如中央處理單元（CPU）、微處理器、或多核心處理器）、記憶體1104（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1105、以及各種輸入輸出裝置1106（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、鏡頭與光學元件、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））。儘管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，儘管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1105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1104並由硬體處理器元件1102執行，以實施上文連同範例方法1000所論述的步驟、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1105（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。
儘管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
1081-108n‧‧‧光源
110‧‧‧成像感測器
112‧‧‧鏡頭
1141-114n‧‧‧繞射光學元件
200‧‧‧表面
202‧‧‧參考軸
204‧‧‧視野
2061-206n300‧‧‧初始位置
302‧‧‧新位置
304‧‧‧參考光束
306‧‧‧物件
308‧‧‧初始位置
310‧‧‧新位置
400‧‧‧第一參考光束
402‧‧‧第二參考光束
404‧‧‧物件
406‧‧‧第一量測光束
408‧‧‧第二量測光束
502‧‧‧第一投射點
504‧‧‧第二投射點
506‧‧‧第一投射平面
508‧‧‧第二投射平面
510‧‧‧前節點
512‧‧‧成像感測器
514‧‧‧次要參考圖案
516‧‧‧第三投射平面
518‧‧‧第四投射平面
600‧‧‧投射圖案
602‧‧‧中央點線
604‧‧‧點線
606‧‧‧投射點
608‧‧‧光源
610‧‧‧中心線
702‧‧‧光束
704‧‧‧光束
706‧‧‧鏡頭
800‧‧‧主要參考圖案
802‧‧‧次要參考圖案
804‧‧‧中心線
806‧‧‧中心線
808‧‧‧中心線
812‧‧‧鏡頭
900‧‧‧量測圖案
902‧‧‧主要參考圖案
904‧‧‧次要參考圖案
9061-906m‧‧‧區段
1000‧‧‧方法
1002-1016‧‧‧步驟
1100‧‧‧系統
1102‧‧‧硬體處理器元件
1104‧‧‧記憶體
1105‧‧‧用於計算距離的模組
1106‧‧‧輸入輸出裝置
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，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2圖圖示說明第1A圖與第1B圖的距離感測器的部分的俯視圖；
第3A圖更詳細圖示說明鏡頭移位；
第3B圖更詳細圖示影像放大；
第4A圖圖示說明第一範例，其中可使用兩個參考光束來偵測影像放大及（或）鏡頭移位；
第4B圖圖示一主範例，其中使用第4A圖的第一與第二參考光束來偵測同時發生的影像放大與鏡頭移位；
第5A圖圖示說明來自第一投射點與第二投射點的範例主要參考圖案的投射；
第5B圖圖示說明來自第一投射點與第二投射點的範例次要參考圖案的投射；
第6A圖與第6B圖圖示說明同時投射的主要與次要參考圖案；
第7圖圖示說明第6A圖與第6圖的主要參考圖案與次要參考圖案的投射的第一範例側視圖；
第8圖圖示說明在不同位置的所投射點的多個矩形矩陣的重疊；
第9圖圖示說明範例量測圖案，範例量測圖案具有主要參考圖案以及同時投射的次要參考圖案；
第10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；以及
第11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。
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

Claims (21)

  1. 一種用於計算對一物件之一距離的方法，該方法包含以下步驟： 同時啟動一距離感測器的一第一投射點與一第二投射點，以協同將一參考圖案投射入一視野中； 啟動該距離感測器的一第三投射點，以將一量測圖案投射入該視野中； 擷取該視野的一影像，其中該物件、該參考圖案、與該量測圖案係可見於該影像中； 基於該影像中的該量測圖案的一外觀，計算從該距離感測器至該物件的一距離； 基於該影像中的該參考圖案的一外觀，偵測該距離感測器的一鏡頭的一移動；以及 基於所偵測到的該移動，調整所計算的該距離。
  2. 如請求項1所述之方法，其中該參考圖案包含一第一線、一第二線、與一第三線，該第一線、該第二線、與該第三線被定位為彼此平行。
  3. 如請求項2所述之方法，其中該第一線、該第二線、與該第三線之每一者係由各別的一系列點形成。
  4. 如請求項1所述之方法，其中基於該參考圖案的一固定方向，相對於用於擷取該影像的一成像感測器的一固定點，偵測該移動。
  5. 如請求項4所述之方法，其中該第一線、該第二線、與該第三線之每一者與該成像感測器的該固定點形成一平面。
  6. 如請求項4所述之方法，其中該成像感測器的該固定點包含該鏡頭的一前節點。
  7. 如請求項4所述之方法，其中該第一線、該第二線、與該第三線之每一者形成一平面，該平面包含該成像感測器的一光軸。
  8. 如請求項2所述之方法，其中該第一線包含一主要參考圖案，且該第二線與第三線協同包含一次要參考圖案，其中該主要參考圖案定向為平行於該距離感測器的一成像感測器的一光軸，且其中該次要參考圖案定向於相對於該主要參考圖案的一平面的一角度。
  9. 如請求項8所述之方法，其中該主要參考圖案的一旋轉角度在球形座標中為零，且該主要參考圖案的一仰角可落入球形座標中的一預定範圍內。
  10. 如請求項9所述之方法，其中該次要參考圖案的一旋轉角度在該球形座標中可為一固定值，且該次要參考圖案的一仰角落入該球形座標中的一預定範圍內。
  11. 如請求項10所述之方法，其中該量測圖案的一旋轉角度落入該球形座標中的一預定範圍內，且該量測圖案的一仰角為該球形座標中的一固定值。
  12. 如請求項8所述之方法，其中該偵測之步驟包含以下步驟： 偵測該主要參考圖案與該次要參考圖案的一交叉點的一初始位置； 儲存該初始位置為相關於該鏡頭的一預定位置； 偵測該交叉點的一當前位置；以及 計算該初始位置與該當前位置之間的一差異，以尋找該移動的一量。
  13. 如請求項12所述之方法，該方法進一步包含以下步驟： 偵測該第一參考圖案與該第二參考圖案之間的一初始距離； 儲存該初始距離為相關於該鏡頭的該預定位置； 偵測該第一參考圖案與該第二參考圖案之間的一當前距離；以及 計算該初始距離與該當前距離之間的一差異，以尋找該移動的一量。
  14. 如請求項1所述之方法，其中該第一投射點與該第二投射點之至少一者與該第三投射點合作，以投射該量測圖案。
  15. 如請求項1所述之方法，其中該移動為在正交於該距離感測器的一成像感測器的一光軸的一方向中的一移位。
  16. 如請求項1所述之方法，其中該移動為在平行於該距離感測器的一成像感測器的一光軸的一方向中。
  17. 如請求項1所述之方法，其中該第一投射點、該第二投射點、與該第三投射點的各別位置，係固定在執行該擷取的一成像感測器的周圍。
  18. 如請求項1所述之方法，其中該成像感測器包含一對焦功能。
  19. 如請求項1所述之方法，其中該成像感測器包含一焦長改變功能。
  20. 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對一物件的一距離的作業，該等作業包含： 同時啟動一距離感測器的一第一投射點與一第二投射點，以協同將一參考圖案投射入一視野中； 啟動該距離感測器的一第三投射點，以將一量測圖案投射入該視野中； 擷取該視野的一影像，其中該物件、該參考圖案、與該量測圖案係可見於該影像中； 基於該影像中的該量測圖案的一外觀，計算從該距離感測器至該物件的一距離； 基於該影像中的該參考圖案的一外觀，偵測該距離感測器的一鏡頭的一移動；以及 基於所偵測到的該移動，調整所計算的該距離。
  21. 一種設備，包含： 一成像感測器，該成像感測器包含可移動的一鏡頭； 一第一投射點與一第二投射點，以協同將一參考圖案投射入一視野中，其中該第一投射點與該第二投射點相對於該成像感測器的各別位置為固定的； 一第三投射點，以將一量測圖案投射入該視野中，其中該第三投射點相對於該成像感測器的一位置為固定的；以及 電路系統，以基於該成像感測器擷取到的該視野的一影像中的該量測圖案的一外觀，計算從該設備至該視野中的一物件的一距離，以基於該影像中的該參考圖案的一外觀偵測該鏡頭的一移動，並基於所偵測到的該移動調整所計算出的該距離。
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