TWI444597B - 距離測量裝置與方法 - Google Patents

Description

距離測量裝置與方法

本發明係關於一種測量距離之裝置與方法，特別係關於一種利用光測量距離之裝置與方法。

工程技術經常需要進行距離之測量，如進行工程測繪、車輛行進途中之動態距離測量、倒車檢測距離等。各種電子設備中也經常進行距離測量，如數位相機藉由測量鏡頭與被拍攝物體之距離進行自動對焦、投影儀藉由測量投影鏡頭與投影熒幕之間的距離可實現自動對焦等。

典型的距離測量方法包括脈衝法、相位法等。脈衝法之原理為：光發射器發射一光脈衝到待測物體，同時於光發射器處設置光接收器用於接收由待測物體反射之光訊號，藉由計算由發射到接收到光脈衝期間之時間而計算待測物體之距離。相位法之原理為：光發射器發射經過相位調製之光訊號至待測物體，經由待測物體反射之光訊號與原始光於光接收器處進行迭加，藉由計算光接收器所接收到光訊號之相位以計算待測物體之距離。

上述距離測量方法所需儀器較為複雜，並且需後續高精度電路系統配合進行計算。

有鑒於此，有必要提供一種結構簡單之距離測量裝置。

此外，還有必要提供一種距離測量方法。

一種距離測量裝置，包括一透鏡組、一光接收器及一計算模組。一待測量物體透過該透鏡組於該光接收器處成像，該光接收器接收該待測量物體透過該透鏡組所成的像並生成相應之圖像感應訊號。該透鏡組具有與光軸成非垂直角度之焦平面。該計算模組將該圖像感應訊號進行高頻選擇後藉由該透鏡組之成像公式計算出該待測量物體與該距離測量裝置之間的距離。

一種距離測量方法，包括：接收一待測量物體之像，並生成一對應之圖像感應訊號；對該圖像感應訊號進行高頻選擇；根據該高頻部分之圖像訊號計算該待測量物體之距離。

上述距離測量裝置及方法藉由對待測量物體透過透鏡組所成圖像進行高頻選擇，以得到其中焦點與非焦點之間的分界，進而藉由該透鏡組之成像公式還原出該待測量物體之距離。

12‧‧‧透鏡組

16‧‧‧待測量物體

202‧‧‧第一透鏡

14‧‧‧光接收器

200‧‧‧焦平面

204‧‧‧第二透鏡

162、164、166、168‧‧‧待測量物體位置

162’、164’、166’、168’‧‧‧圖像灰度高點位置

30‧‧‧待成像物體

304‧‧‧第一透鏡組

308‧‧‧感測器

182‧‧‧資料接收單元

186‧‧‧比較單元

190‧‧‧資料輸出單元

302‧‧‧切換器

306‧‧‧第二透鏡組

18、310‧‧‧計算模組

184‧‧‧第一計算單元

188‧‧‧第二計算單元

圖1為本發明較佳實施方式之距離測量裝置之結構示意圖。

圖2為圖1所示之距離測量裝置進行距離測量之光路圖。

圖3為一種實施方式下圖1所示之光接收器所接收的圖像灰度之感應電壓曲線。

圖4為一種採用本發明較佳實施方式之距離測量裝置之成像設備之結構示意圖。

圖5為圖1所示之計算模組之結構示意圖。

圖6為本發明較佳實施方式之距離測量方法之流程圖。

請參閱圖1，本發明距離測量裝置之較佳實施方式包括一透鏡組12與一光接收器14。

該透鏡組12置於一待測量物體16與該光接收器14之間，該光接收器14感測該待測量物體16透過該透鏡組12所成的像，並生成一感測訊號。

該透鏡組12包括一第一透鏡202與一第二透鏡204。該待測量物體16依次透過該第一透鏡202、該第二透鏡204在該光接收器14上成像。在該實施方式中，該第一透鏡202為凸透鏡，而該第二透鏡204之焦平面200與光軸之間具有預定之非垂直夾角。

該光接收器14用於感應該待測量物體16透過該透鏡組12所成的像，並生成相應之感應訊號。在該實施方式中，前述感應訊號可以藉由掃描該光接收器14所接收到的圖像之灰度而得到。原理為：藉由掃描該光接收器14所接收到的圖像，可得到一系列對應於圖像灰度之感應電壓值，經過採樣後可生成一組離散之代表圖像灰度之圖像掃描訊號，可以矩陣形式表示之。

結合參看圖2，其為圖1所示之距離測量裝置進行距離測量之光路圖。進行距離測量時，該待測量物體16與該光接收器14分別位於該透鏡組12之兩側。於該透鏡組12之有效成像範圍內，該待測量物體16與該透鏡組12之間的距離可被映射並反映為該光接收器14上所接收到的圖像灰度高點之不同位置。藉由掃描該光接收器14 上的圖像，並分析出其灰度之高點，再透過映射計算，即可得出該待測量物體16與該距離測量裝置之間的距離。如圖2所示，當該待測量物體16分別處於162、164、166、168之位置時，其透過透鏡組12所成的像上灰度之高點分別為162’、164’、166’、168’。

請參看圖3，其為一種實施方式下該待測量物體16經過該透鏡組12成像後被該光接收器14所接收到的圖像感應電壓曲線。圖中，在該光接收器14掃描到該待測量物體16透過該透鏡組12成像之焦點處時，圖像灰度較高，因而圖像感應電壓較高，而在非焦點處時，圖像灰度較低，因而圖像感應電壓較低。在焦點與非焦點之分界處，形成較明顯的灰度階梯。

圖1所示之計算模組18可藉由對該光接收器14所生成之圖像掃描訊號進行計算而得到該待測量物體16與該距離測量裝置之間的距離。掃描所得的代表圖像灰度之離散感應電壓值經過一次預定之運算，從而得到該待測量物體16透過該透鏡組12於該光接收器14上所成圖像之頻域分佈。圖像頻率中，高頻部分所示係為圖像灰度變化率高的區域。在該實施方式中，該預定之運算為二維之傅里葉變換。

經上述預定運算後的結果進行比較、篩選，得出其頻率分佈中頻率最高的部分。因成像過程中焦點與非焦點之分界處圖像灰度之梯度最為明顯，因而圖像之頻域分佈中頻率最高的部分即對應於該待測量物體16成像於該光接收器14處焦點與非焦點之分界處。

將上述頻率最高的部分圖像訊號再進行第二次預定之運算，即可計算出該待測量物體16與該距離測量裝置之間的距離。該第二次 預定之運算可係：先經過一次二維傅里葉變換得出圖像灰度高點、即焦點與非焦點分界處之位置，再藉由該透鏡組12之成像公式而將圖像灰度高點之位置映射到與該透鏡組12之距離上，從而可以計算得出該待測量物體16與該距離測量裝置之間的距離。

請參閱圖4，其所示為本發明之距離測量裝置用於一種成像設備之示意圖。該成像設備可為照相機、探測器等。該成像設備包括一切換器302、一第一透鏡組304、一第二透鏡組306以及一感測器308、一計算模組310等。

當一待成像物體30位於該成像設備前時，該切換器302可根據需要而將該待成像物體30所反射或發出之光線切換到該第一透鏡組304或該第二透鏡組306，分別用於進行拍照成像或距離測量。

該第一透鏡組302用於將待該成像物體30所反射或發出之光線聚焦到該感測器308上，用以提供該感測器308對該待成像物體30進行拍照或成像取樣。

該第二透鏡組306即為圖1所示之透鏡組12，其具有一與光軸成非垂直角度之焦平面，用於在該感測器308上形成具有可以反映該待成像物體30距離遠近之圖像灰度高點之圖像。

該感測器308用於將該第一透鏡組302或該第二透鏡組306所得之光線進行成像，以形成反映該成像圖像之電訊號。

該計算模組310用於在該切換器302切換到該第二透鏡組306時對該感測器308所得之圖像訊號進行計算，從而可得出該待成像物體30與該成像設備之間的距離。

圖4所示之成像設備利用該切換器302進行成像與測距之間的轉換 ，可利用一個感測器308進行複用以實現成像與距離之測量。

結合參閱圖5，其所示為該計算模組18之各功能模組，其包括一資料接收單元182、一第一計算單元184、一比較單元186、一第二計算單元188及一資料輸出單元190。

該資料接收單元182用於接收該光接收器14所生成之圖像掃描訊號，並將該圖像掃描訊號傳送到該第一計算單元184。該光接收器14所生成之圖像掃描訊號可為離散的二維圖像訊號，以矩陣形式表示。

該第一計算單元184用於對該資料接收單元182所傳送之圖像掃描訊號進行第一次預定計算。在該實施方式中，該第一次預定計算為離散的二維傅里葉變換。經過該第一次預定計算後，該第一計算單元184生成一頻域訊號傳送到該比較單元186。

該比較單元186用於對該第一計算單元184所生成之頻域訊號進行比較，以得出其中頻率最高的部分所對應之圖像訊號，該比較單元186將所述頻域訊號中頻率最高的圖像訊號傳送到該第二計算單元188。

該第二計算單元188用於將該比較單元186所發送之圖像訊號進行第二次預定之計算，從而得到該待測量物體16與該距離測量裝置之間的距離。該第二計算單元188計算所得之距離經由該資料輸出單元190輸出。

結合參閱圖6，本發明之距離測量方法包括以下步驟：

步驟402，將該待測量物體16經過該透鏡組12成像於該光接收器14上，該光接收器14經掃描後得出離散的二維圖像訊號，該二維 圖像訊號被傳送到該計算模組18。

步驟404，該計算模組18之資料接收單元182接收該二維圖像訊號，並將所述二維圖像訊號傳送到該第一計算單元184。

步驟406，該第一計算單元184對所接收之二維圖像訊號進行第一次預定之計算，以得到該二維圖像之頻域分佈，並生成一頻率訊號。在該實施方式中，該第一次預定計算為離散的二維傅里葉變換。

步驟408，該比較單元186對該第一計算單元184所生成之頻率訊號進行比較，從而得出其中頻率較高部分之圖像訊號。

步驟410，該第二計算單元188將該比較單元186所生成之頻率較高部分之圖像訊號進行第二次預定之計算，並根據該透鏡組12之成像公式計算出該待測量物體16與本距離測量裝置之間的距離。在該實施方式中，該第二次預之定計算為離散的二維傅里葉變換。

步驟412，該資料輸出單元190將該第二計算單元188所計算得出之距離輸出。

上述距離測量裝置及方法藉由對待測量物體透過透鏡組所成的像進行高頻選擇，以得到其中焦點與非焦點之間的分界，進而藉由所述透鏡組之成像公式還原出所述待測量物體之距離。

綜上所述，本發明確已符合發明專利的要件，爰依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明的較佳實施方式，本發明的範圍並不以上述實施方式為限，舉凡熟悉本案技藝的人士援依本發明的精神所作的等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內 。

12‧‧‧透鏡組

16‧‧‧待測量物體

202‧‧‧第一透鏡

18‧‧‧計算模組

14‧‧‧光接收器

200‧‧‧焦平面

204‧‧‧第二透鏡

Claims (7)

1. 一種距離測量裝置，包括一透鏡組、一光接收器及一計算模組，該待測量物體透過該透鏡組於該光接收器處成像，該光接收器接收該待測量物體透過該透鏡組所成的像並生成相應之圖像感應訊號，其改良在於：該透鏡組具有與光軸成非垂直角度之焦平面，該計算模組將該圖像感應訊號進行高頻選擇後藉由該透鏡組之成像公式計算出該待測量物體與該距離測量裝置之間的距離；其中該計算模組包括一第一計算單元、一比較單元、一第二計算單元，該第一計算單元用於將該圖像感應訊號進行頻域轉換，該比較單元用於根據該第一計算單元之頻域轉換結果選擇其中高頻率之部分，該第二計算單元用於將該高頻率部分之圖像訊號藉由該透鏡組之成像公式計算出該待測量物體之距離。
2. 如申請專利範圍第1項所述之距離測量裝置，其中該待測量物體透過該透鏡組於該光接收器上所成的像具有反映該待測量物體與該距離測量裝置之間距離遠近之圖像灰度高點。
3. 如申請專利範圍第1項所述之距離測量裝置，其中該待測量物體在該透鏡組之焦距範圍內時，可於該光接收器上形成具有較高圖像灰度之焦點，該焦點於該光接收器上的位置與該待測量物體與該透鏡組之距離相對應。
4. 如申請專利範圍第1項所述之距離測量裝置，其中該第一計算單元對該圖像感應訊號進行傅里葉變換而將該圖像感應訊號進行頻率轉換，該第二計算單元對該高頻部分之圖像訊號進行傅里葉變換，並藉由該透鏡組之成像公式而計算出該待測量物體之距離。
5. 一種距離測量方法，包括： 接收待測量物體之像，並生成對應之圖像感應訊號；對該圖像感應訊號進行頻域轉換；藉由比較而確定該圖像感應訊號之頻率中高頻率的部分；對該高頻率部分之圖像訊號進行預定之計算；根據該待測量物體之成像公式計算該待測量物體之距離。
6. 如申請專利範圍第5項所述之距離測量方法，其中該對圖像感應訊號進行頻域轉換之步驟係藉由對該圖像感應訊號進行傅里葉變換而成。
7. 如申請專利範圍第5項所述之距離測量方法，其中該預定之計算為傅里葉變換。