TWI540312B - 可提高測量精確度、省電及／或能提高移動偵測效率的時差測距系統及其方法 - Google Patents

可提高測量精確度、省電及／或能提高移動偵測效率的時差測距系統及其方法 Download PDF

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Description

可提高測量精確度、省電及/或能提高移動偵測效率的時差測距系統及其方法
本發明係有關於一種時差測距系統及其方法，尤指一種根據偵測光往返待測物件之時間以提高測量精確度、省電及/或能提高移動偵測效率的時差測距系統及其方法。
在先前技術中，時差測距系統(time of flight,TOF)係對待測物件發射偵測光，並接收由待測物反射偵測光所產生之反射光。時差測距系統可藉由量測偵測光往返測距裝置與待測物件之間所需的時間，以推算時差測距系統與待測物件之間的距離。然而，先前技術的時差測距系統並不會因為待測物件的距離而動態調整時差測距系統的距離偵測範圍，亦不會動態調整測距系統內的感測器之曝光時間，所以範圍量測的精確度較低。另外，先前技術的時差測距系統不會因為待測物件的距離而動態調整投射光源的強度，因此較耗電。除上述缺點之外，先前技術的時差測距系統亦不會因為待測物件的距離而動態調整測距系統內的感測器之重點感測範圍，所以感測器需要感測的範圍較大，導致移動偵測率(motion detection rate)較低。
本發明的一實施例提供一種可提高測量精確度的時差測距(time of flight,TOF)的方法。該方法包含發射一不可見光偵測一物件；記錄該不可見光經該物件反射後到達一感測器的時間間隔；及根據該時間間隔調整該不可見光的發射週期(period)及該感測器的曝光週期。
本發明的另一實施例提供一種可提高測量精確度的時差測距系統。該時差測距系統包含一光源、一感測器及一處理器。該光源係用以朝一物件發射一不可見光；該感測器係用以接收來自該物件的一反射光；及該處理器係耦接於該感測器，用以記錄該不可見光經該物件反射後到達該感測器的時間間隔，以及根據該時間間隔調整該光源的發射週期及該感測器的曝光週期。
本發明的另一實施例提供一種省電的時差測距的方法。該方法包含發射一不可見光偵測一物件；記錄該不可見光經該物件反射後到達一感測器的時間間隔；及根據該時間間隔調整該不可見光的發射強度。
本發明的另一實施例提供一種省電的時差測距系統。該時差測距系統包含一光源、一感測器及一處理器。該光源係用以朝一物件發射一不可見光；該感測器係用以接收來自該物件的一反射光；及該處理器係耦接於該感測器，用以記錄該不可見光經該物件反射後到達該感測器的時間間隔，以及根據該時間間隔調整該不可見光的發射強度。
本發明的另一實施例提供一種能提高移動偵測效率的時差測距的方法。該方法包含發射一不可見光偵測一物件；記錄該不可見光經該物件反射後到達一感測器的時間間隔；及根據該時間間隔調整該感測器的重點感測範圍。
本發明的另一實施例提供一種能提高移動偵測效率的時差測距系統。該時差測距系統一光源、一感測器及一處理器。該光源係用以朝一物件發射一不可見光；該感測器係用以接收來自該物件的一反射光；及該處理器係耦接於該感測器，用以記錄該不可見光經該物件反射後到達該感測器的時間間隔，以及根據該時間間隔調整該感測器的重點感測範圍。
本發明所提供的一種時差測距系統，其包含的一處理器係根據不可見光往返該時差測距系統與一物件之間的時間間隔和光速估計待測物件和時差測距系統之間的距離。然後，該處理器可根據該物件和該時差測距系統之間的距離，調整該不可見光的發射週期、一感測器的曝光週期、調整一光源的發射強度及/或該感測器的重點感測範圍。因此該時差測距系統可提高測量精確度、降低雜訊、節省電能及/或提高移動偵測效率。
請參照第1圖，第1圖係為本發明的一實施例說明一種可提高測量精確度的時差測距系統100之示意圖。時差測距系統100包含一光源102、一感測器104及一處理器106。光源102係用以朝一待測物件103發射一不可見光，其中光源102係為一紅外線發光二極體或是一紅外線雷射光源。感測器104係為一感測陣列，用以接收來自待測物件103的一反射光。當光源102對待測物件103的表面發射紅外光時，感測器104中的感測陣列接收反射光後，可根據反射光判斷待測物件103的外型。另外，感測器104另包含一紅外線濾波器1042，用以阻止紅外線以外之光線進入感測器104。處理器106係耦接於感測器104，用以記錄不可見光經待測物件103反射後到達感測器104的時間間隔T，以及根據時間間T隔調整光源102的發射週期及感測器104的曝光週期。
當光源102為紅外線發光二極體時，差測距系統100另包含一第一鏡頭108安裝於光源102及待測物件103之間，用以將光源102所發出的紅外線光匯聚至待測物件103之表面，且匯聚後的紅外線光經待測物件103之表面反射後形成反射光。另外，時差測距系統100另包含一第二鏡頭110安裝於感測器104及待測物件103之間，用以將反射光匯聚至感測器104。但是當光源102是紅外線雷射光源時，在此情況下，時差測距系統100就不須利用第一鏡頭108和第二鏡頭110聚光。
請參照第2圖，第2圖係說明記錄不可見光從光源102發射經待測物件103反射後到達感測器104的時間間隔T，以及根據時間間隔T調整光源102的發射週期及感測器104的曝光週期之示意圖。當光源102開始依照發射週期連續發射不可見光偵測待測物件103時，感測器104用以感測來自待測物件103的反射光。然後，處理器106記錄不可見光從光源102發射後經待測物件103反射到達感測器104的時間間隔T，以及根據時間間隔T調整光源102的發射週期及感測器104的曝光週期，其中光源102調整後的發射週期及感測器104調整後的曝光週期略大於處理器106記錄的時間間隔T。
光源102連續發射不可見光偵測待測物件103，處理器106藉由感測器104所感測的多次反射光辨識待測物件103的外型(例如遊戲中使用者的臉)，以及根據時間間隔T和光速決定待測物件103和時差測距系統100之間的距離D。其中時差測距系統100一開始是偵測感測器104前方一預定距離之後的範圍，例如，如果時差測距系統100是互動式遊戲，則時差測距系統100會從感測器前方60cm之後的距離開始偵測，但本發明的應用並不受限於互動式遊戲，亦不受限於60cm，只要是利用時差測距觀念執行3D特定距離的偵測，皆為本發明的範圍。當不可見光的發射週期經由處理器106調整後，則時差測距系統100的偵測範圍將會限縮至待測物件103所在的位置前後左右，例如待測物件103和時差測距系統100距離3m，則時差測距系統100的偵測範圍將會限縮至3m前後附近之範圍。另外，經由處理器106調整後的不可見光之發射週期將會適度的縮短(亦即不可見光之發射頻率變高)，所以，處理器106經由反射光所能得到待測物件103的資訊就越多。再者，如第2圖所示，經由處理器106調整後的感測器104的曝光週期亦會適度的縮短，且只須在感測器104感測到反射光時開啟快門，所以可減少接收外界的雜訊。
第3圖係本發明另一實施例說明一種可提高測量精確度的時差測距的方法之流程圖。第3圖之方法係藉由第1圖所示之時差測距系統100說明，其步驟詳述如下：步驟300：開始；步驟302：光源102發射不可見光偵測待測物件103，且藉由第一鏡頭108將偵測光匯聚至待測物件103之表面；步驟304：第二鏡頭110將經由待測物件103表面反射之反射光匯聚至感測器104；步驟306：處理器106記錄不可見光從光源102發射經待測物件103反射後到達感測器104的時間間隔T；步驟308：處理器106根據時間間隔T和光速估計待測物件103和時差測距系統100之間的距離D；步驟310：處理器106根據待測物件103和時差測距系統100之間的距離D調整不可見光的發射週期及感測器104的曝光週期；步驟312：處理器106根據不可見光的工作週期(duty cycle)調整感測器104的工作週期；步驟314：結束。
在步驟304中，感測器104包含的紅外線濾波器1042可阻止反射光以外之光線進入感測器104。在步驟310中，處理器106係根據距離D調整不可見光的發射週期及感測器104的曝光週期。如此，經由處理器106調整後的不可見光之發射週期將會適度的縮短(亦即不可見光之發射頻率變高)，所以處理器106經由反射光所能得到待測物件103的資訊就越多。在步驟312中(如第2圖所示)，處理器106係根據不可見光的工作週期(duty cycle)調整感測器104的工作週期，其中不可見光的工作週期係與感測器104的工作週期相同。而感測器104的工作週期調整後，只須在感測器104感測到反射光時開啟快門，所以可減少接收外界的雜訊。
另外，第3圖的實施例亦可利用紅外線雷射光做為光源，在此情況下，則不須利用第一鏡頭108和第二鏡頭110聚光。
本發明的另一實施例係藉由第1圖說明一種省電的時差測距系統。時差測距系統100係用以記錄不可見光從光源102發射經待測物件103反射後到達感測器104的時間間隔T，以及根據時間間隔T和光速估計出待測物件103和時差測距系統100之間的距離D。然後，處理器106根據距離D調整光源102的發射強度。由於可隨著距離D動態調整光源102的發射強度，所以時差測距系統100可節省電能。
第4圖係本發明另一實施例說明一種省電的時差測距的方法之流程圖。第4圖之方法係藉由第1圖所示之時差測距系統100說明，其步驟詳述如下：步驟400：開始；步驟402：光源102發射不可見光偵測待測物件103，且藉由第一鏡頭108將偵測光匯聚至待測物件103之表面；步驟404：第二鏡頭110將經由待測物件103表面反射之反射光匯聚至感測器104；步驟406：處理器106記錄不可見光從光源102發射經待測物件103反射後到達感測器104的時間間隔T；步驟408：處理器106根據時間間隔T和光速估計待測物件103和時差測距系統100之間的距離D；步驟410：處理器106根據距離D調整光源102的發射強度；步驟412：結束。
另外，第4圖的實施例亦可利用紅外線雷射光做為光源，在此情況下，則不須利用第一鏡頭108和第二鏡頭110聚光。
本發明的另一實施例係藉由第1圖說明一種能提高移動偵測效率的時差測距系統。時差測距系統100的處理器106係記錄不可見光從光源102發射經待測物件103反射後到達感測器104的時間間隔T，以及根據時間間隔T和光速估計出待測物件103和時差測距系統100之間的距離D。請參照第5圖，第5圖係說明處理器106根據待測物件103的大小和活動範圍決定感測器104的重點感測範圍之示意圖。如第5圖所示，當處理器106估計出待測物件103的大小以及距離D後，可根據待測物件103的大小和待測物件103的活動範圍限縮感測器104的重點感測範圍，其中感測器104在重點感測範圍所感測的像素數目大於感測器104在重點感測範圍外所感測的像素數目，且感測器104的重點感測範圍會隨著待測物件103而動態移動。因為感測器104僅在重點感測範圍內感測較多的像素，所以可降低感測器104輸出的像素數目、節省電能以及提高移動偵測效率。
第6圖係本發明另一實施例說明一種能提高移動偵測效率的時差測距的方法之流程圖。第6圖之方法係藉由第1圖所示之時差測距系統100說明，其步驟詳述如下：步驟600：開始；步驟602：光源102發射不可見光偵測待測物件103，且藉由第一鏡頭108將偵測光匯聚至待測物件103之表面；步驟604：第二鏡頭110將經由待測物件103表面反射之反射光匯聚至感測器104；步驟606：處理器106記錄不可見光從光源102發射經待測物件103反射後到達感測器104的時間間隔T；步驟608：處理器106根據時間間隔T估計待測物件103和時差測距系統100之間的距離D；步驟610：處理器106根據距離D，決定待測物件103的大小和活動範圍；步驟612：處理器106根據待測物件103的大小和活動範圍，調整感測器104的重點感測範圍；步驟614：結束。
另外，第6圖的實施例亦可利用紅外線雷射光做為光源，在此情況下，則不須利用第一鏡頭108和第二鏡頭110聚光。
本發明的另一實施例係藉由第1圖說明一種可提高測量精確度、省電及/或能提高移動偵測效率的時差測距系統。時差測距系統100的處理器106係記錄不可見光從光源102發射經待測物件103反射後到達感測器104的時間間隔T，以及根據時間間隔T和光速估計出待測物件103和時差測距系統100之間的距離D。然後，處理器106根據距離D調整光源102的發射強度、不可見光的發射週期、感測器104的曝光週期及/或感測器104的重點感測範圍。經由處理器106調整後的不可見光之發射週期將會適度的縮短(亦即不可見光之發射頻率變高)，因此，處理器106經由反射光所能得到待測物件103的資訊就越多。感測器104的工作週期調整後，只須在感測器104感測到反射光時開啟快門，所以可減少接收外界的雜訊。由於可隨著距離D動態調整光源102的發射強度，所以時差測距系統100可節省電能。另外，因為感測器104僅在重點感測範圍內感測較多的像素，所以可降低感測器104輸出的像素數目、節省電能以及提高移動偵測效率。
第7圖係本發明另一實施例說明一種可提高測量精確度、省電及/或能提高移動偵測效率的時差測距的方法之流程圖。第7圖之方法係藉由第1圖所示之時差測距系統100說明，其步驟詳述如下：步驟700：開始；步驟702：光源102發射不可見光偵測待測物件103，且藉由第一鏡頭108將偵測光匯聚至待測物件103之表面；步驟704：第二鏡頭110將經由待測物件103表面反射之反射光匯聚至感測器104；步驟706：處理器106記錄不可見光從光源102經待測物件103反射後到達感測器104的時間間隔T；步驟708：處理器106根據時間間隔T估計待測物件103和時差測距系統100之間的距離D；步驟710：處理器106根據距離D調整光源102的發射強度、不可見光的發射週期、感測器104的曝光週期及/或感測器104的重點感測範圍；步驟712：結束。
另外，第7圖的實施例亦可利用紅外線雷射光做為光源，在此情況下，則不須利用第一鏡頭108和第二鏡頭110聚光。
綜上所述，本發明所提供的可提高測量精確度的時差測距系統、省電的時差測距系統、能提高移動偵測效率的時差測距系統以及可提高測量精確度、省電及/或能提高移動偵測效率的時差測距系統，其中所包含的處理器係根據不可見光往返時差測距系統與待測物件之間的時間間隔和光速估計待測物件和時差測距系統之間的距離。然後，本發明所提供的可提高測量精確度的時差測距系統，其處理器係根據待測物件和時差測距系統之間的距離，調整不可見光的發射週期、感測器的曝光週期，因此可提高測量精確度以及降低雜訊；本發明所提供的省電的時差測距系統，其處理器係根據待測物件和時差測距系統之間的距離，調整光源的發射強度，因此可節省電能；本發明所提供的能提高移動偵測效率的時差測距系統，其處理器係根據待測物件和時差測距系統之間的距離，調整感測器的重點感測範圍，因此可節省電能以及提高移動偵測效率；本發明所提供的可提高測量精確度、省電及/或能提高移動偵測效率的時差測距系統，其處理器係根據待測物件和時差測距系統之間的距離，調整不可見光的發射週期、感測器的曝光週期、光源的發射強度及/或感測器的重點感測範圍，因此可提高測量精確度以及降低雜訊、可節省電能以及提高移動偵測效率。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100‧‧‧時差測距系統
102‧‧‧光源
103‧‧‧待測物件
104‧‧‧感測器
106‧‧‧處理器
108‧‧‧第一鏡頭
110‧‧‧第二鏡頭
1042‧‧‧紅外線濾波器
300-314、400-412、600-614、700-712‧‧‧步驟
第1圖係為本發明的一實施例說明一種可提高測量精確度的時差測距系統之示意圖。
第2圖係說明記錄不可見光從光源發射經待測物件反射後到達感測器的時間間隔，以及根據時間間隔調整光源的發射週期及感測器的曝光週期之示意圖。
第3圖係本發明另一實施例說明一種可提高測量精確度的時差測距的方法之流程圖。
第4圖係本發明另一實施例說明一種省電的時差測距的方法之流程圖。
第5圖係說明處理器根據待測物件的大小和活動範圍決定感測器的重點感測範圍之示意圖。
第6圖係本發明另一實施例說明一種能提高移動偵測效率的時差測距的方法之流程圖。
第7圖係本發明另一實施例說明一種可提高測量精確度、省電及/或能提高移動偵測效率的時差測距的方法之流程圖。
100．．．時差測距系統
102．．．光源
103．．．待測物件
104．．．感測器
106．．．處理器
108．．．第一鏡頭
110．．．第二鏡頭
1042．．．紅外線濾波器

Claims (12)

  1. 一種可提高測量精確度的時差測距(time of flight,TOF)的方法，包含：發射一不可見光偵測一物件；記錄該不可見光經該物件反射後到達一感測器的時間間隔；及根據該時間間隔，動態調整該不可見光的發射週期(period)及該感測器的曝光週期。
  2. 如請求項1所述之方法，另包含利用該時間間隔估計該物件的測量距離；其中根據該時間間隔調整該不可見光的發射週期及該感測器的曝光週期係為根據該物件的測量距離調整該不可見光的發射週期及該感測器的曝光週期。
  3. 如請求項1所述之方法，其中根據該時間間隔調整該不可見光的發射週期及該感測器的曝光週期係將該不可見光的發射週期及該感測器的曝光週期調整為略大於該時間間隔。
  4. 如請求項1所述之方法，另包含根據該不可見光的工作週期(duty cycle)調整該感測器的工作週期，其中該不可見光的發射工作週期係與該感測器的工作週期相同，且該不可見光的開始發射時間係領先於該感測器的開始曝光時間，該不可見光的停止發射時間係領先於該感測器的停止曝光時間。
  5. 如請求項4所述之方法，其中該不可見光的工作週期係為在該不可見光的發射週期內該不可見光的光源開啟時間佔該不可見光的發射週期的百分比，以及該感測器的工作週期係為在該感測器的曝光週期內該感測器的快門開啟時間佔該感測器的曝光週期的百分比。
  6. 如請求項1所述之方法，其中該不可見光係為紅外線，且該感測器另包含一紅外線濾波器，用以阻止紅外線以外之光線進入該感測器。
  7. 一種可提高測量精確度的時差測距系統，包含：一光源，用以朝一物件發射一不可見光；一感測器，用以接收來自該物件的一反射光；及一處理器，耦接於該感測器，用以記錄該不可見光經該物件反射後到達該感測器的時間間隔，以及根據該時間間隔，動態調整該光源的發射週期及該感測器的曝光週期。
  8. 如請求項7所述之時差測距系統，其中該處理器利用該時間間隔估計該物件的測量距離，並根據該物件的測量距離調整該不可見光的發射週期及該感測器的曝光週期。
  9. 如請求項7所述之時差測距系統，其中該處理器將該不可見光 的發射週期及該感測器的曝光週期調整為略大於該時間間隔。
  10. 如請求項7所述之時差測距系統，其中該處理器根據該不可見光的工作週期調整該感測器的工作週期，其中該不可見光的工作週期係與該感測器的工作週期相同，且該不可見光的開始發射時間係領先於該感測器的開始曝光時間，該不可見光的停止發射時間係領先於該感測器的停止曝光時間。
  11. 如請求項10所述之時差測距系統，其中該不可見光的工作週期係為在該不可見光的發射週期內該不可見光的光源開啟時間佔該不可見光的發射週期的百分比，以及該感測器的工作週期係為在該感測器的曝光週期內該感測器的快門開啟時間佔該感測器的曝光週期的百分比。
  12. 如請求項7所述之時差測距系統，其中該光源係為一紅外線發光二極體或一紅外線雷射光源，且該感測器另包含一紅外線濾波器，用以阻止紅外線以外之光線進入該感測器。
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