TWI651511B - 偵測方法以及應用該偵測方法的光學裝置 - Google Patents

Abstract

本發明係提供一種偵測方法以及應用該偵測方法的光學裝置，光學裝置包括結構光產生單元以及感應判斷單元，結構光產生單元用以提供投射至一受測表面的一結構光(structure light)，且於結構光投射至受測表面時，受測表面上會呈現一受測圖案(pattern)以及一受測光點，而感應判斷單元用以感應受測表面上所呈現的受測圖案以及受測光點，並依據所感應的受測圖案的變形程度而判斷受測表面是否平坦，以及依據所感應的受測光點的面積而獲得受測表面與光學裝置之間的距離。

Description

偵測方法以及應用該偵測方法的光學裝置

本發明係關於一種光學裝置，尤其關於一種提供偵測功能的光學裝置。

近年來，隨著電子工業的演進以及工業技術的蓬勃發展，各種電子裝置設計及開發的走向逐漸朝輕便、易於攜帶的方向發展，以利使用者隨時隨地應用於行動商務、娛樂或休閒等用途。舉例而言，各式各樣的影像擷取裝置正廣泛應用於各種領域，例如智慧型手機、穿戴式電子裝置、空拍裝置等電子裝置，其具有體積小且方便攜帶之優點，使用者得以於有使用需求時隨時取出並進行影像擷取並儲存，或進一步透過行動網路上傳至網際網路之中，不僅具有重要的商業價值，更讓一般大眾的日常生活更添色彩。

再者，隨著生活品質的提升，人們對影像擷取裝置所能提供的功能有更多的訴求，舉例來說，人們希望從所拍攝的影像中獲得距離資訊，甚至是可從影像中判斷其內容物的表面平坦度資訊，而上述距離資訊以及表面平坦度資訊坦對於許多應用領域是非常重要的，例如空拍裝置的降落控制。

進一步而言，習知空拍裝置是透過設置於其上的雷 射測距儀測量其與欲降落之表面的距離，空拍裝置再依據雷射測距儀所量測到的距離而進行降落控制；惟，單一雷射測距儀僅可獲得單點(欲降落之表面上的一點)的距離資訊，而若是為了要提升降落品質，就必須在空拍裝置上裝設多個雷射測距儀，才得以獲得欲降落之表面上的複數點與空拍裝置的距離，並進而判斷欲降落之表面的平坦度，但此顯然提高空拍裝置的成本，還會增加控制計算的複雜度。

根據以上的說明可知，習知量測距離資訊與表面平坦度的方法以及應用該方法的電子裝置仍具有改善的空間。

本發明之目的在提供一種偵測方法以及應用該偵測方法的光學裝置，特別是可利用結構光對受測表面進行距離以及平坦度量測的偵測方法及光學裝置。

於一較佳實施例中，本發明提供一種光學裝置，包括：一結構光產生單元，用以提供投射至一受測表面之一結構光(structure light)；其中，於該結構光投射至該受測表面時，該受測表面上呈現一受測圖案(pattern)以及一受測光點；以及一感應判斷單元，用以感應該受測表面上所呈現之該受測圖案以及該受測光點，並依據所感應之該受測圖案之一變形程度而判斷該受測表面是否平坦，以及依據所感應之該受測光點之一面積而獲得該受測表面與該光學裝置之間的一距離。

於一較佳實施例中，該結構光產生單元包括一發光源以及相應於該受測圖案及/或該受測光點之一透鏡組。

於一較佳實施例中，該發光源係包括一雷射二極體(LD)、一發光二極體(LED)、一有機發光二極體(OLED)以及用以輸出具有一熱感應波長區間之光束的一發光單元中之至少一者。

於一較佳實施例中，該發光源係用以輸出具有一第一波長之光束及/或具有一第二波長之光束。

於一較佳實施例中，具有該第一波長之光束係為一可見光束，而具有該第二波長之光束係為一不可見光束。

於一較佳實施例中，該結構光產生單元以及該感應判斷單元係共用單一光學路徑窗口。

於一較佳實施例中，光學裝置更包括至少一透鏡組，其係被設置於該結構光產生單元之一光學路徑上，用以改變該受測表面上所呈現之該受測圖案的大小；及/或該至少一透鏡組係被設置於該感應判斷單元之一光學路徑上，用以改變該感應判斷單元之一視場角。

於一較佳實施例中，該受測圖案係包括一柵狀圖案、一發散輻射狀圖案以及一對稱狀圖案中之至少一者。

於一較佳實施例中，該受測光點係為一擴散型光束投射至該受測表面所形成者。

於一較佳實施例中，該變形程度係包括一扭曲變形程度、一歪斜變形程度以及一錯位變形程度中之至少一者。

於一較佳實施例中，光學裝置係應用於一可攜式電子裝置或一空拍裝置。

於一較佳實施例中，本發明亦提供一種偵測方法，用以偵測一受測表面是否平坦以及該受測表面之一距離，該偵測方法包括：投射一結構光(structure light)至該受測表面；其中，於該結構光投射至該受測表面時，該受測表面上呈現一受測圖案(pattern)以及一受測光點；以及感應該受測表面上所呈現之該受測圖案以及該受測光點，並依據所感應之該受測圖案之一變形程度而判斷該受測表面是否平坦，以及依據所感應之該受測光點之一面積而獲得該受測表面的該距離。

於一較佳實施例中，偵測方法更包括：提供一發光源以及相應於該受測圖案及/或該受測光點之一透鏡組以進行該投射步驟。

於一較佳實施例中，該發光源係包括一雷射二極體(LD)、一發光二極體(LED)、一有機發光二極體(OLED)以及用以輸出具有一熱感應波長區間之光束的一發光單元中之至少一者。

於一較佳實施例中，該發光源係用以輸出具有一第一波長之光束及/或具有一第二波長之光束。

於一較佳實施例中，具有該第一波長之光束係為一可見光束，而具有該第二波長之光束係為一不可見光束。

於一較佳實施例中，該受測圖案係包括一柵狀圖案、一發散輻射狀圖案以及一對稱狀圖案中之至少一者。

於一較佳實施例中，該受測光點係為一擴散型光束投射至該受測表面所形成者。

於一較佳實施例中，該變形程度係包括一扭曲變形程度、一歪斜變形程度以及一錯位變形程度中之至少一者。

於一較佳實施例中，偵測方法係應用於一可攜式電子裝置或一空拍裝置。

1‧‧‧光學裝置

1’‧‧‧光學裝置

1”‧‧‧光學裝置

1'''‧‧‧光學裝置

2‧‧‧受測圖案

2A‧‧‧受測圖案

2B‧‧‧受測圖案

2C‧‧‧受測圖案

2D‧‧‧受測圖案

3‧‧‧受測光點

3A‧‧‧受測光點

3B‧‧‧受測光點

3C‧‧‧受測光點

3D‧‧‧受測光點

6‧‧‧可攜式電子裝置

7‧‧‧空拍裝置

11‧‧‧結構光產生單元

12‧‧‧感應判斷單元

13‧‧‧光學路徑窗口

14‧‧‧光學路徑窗口

15‧‧‧光學路徑窗口

16‧‧‧光路改變元件

17‧‧‧第二透鏡組

18‧‧‧第二透鏡組

19‧‧‧第三透鏡組

71‧‧‧底面

72‧‧‧起降腳架

81‧‧‧受測表面

81C‧‧‧受測表面

81D‧‧‧受測表面

91‧‧‧結構光

92‧‧‧光束

93‧‧‧光軸

111‧‧‧發光源

112‧‧‧第一透鏡組

D1‧‧‧間距

D2‧‧‧間距

L1‧‧‧橫線條

L2‧‧‧橫線條

P1‧‧‧步驟

P2‧‧‧步驟

圖1：係為本發明光學裝置於一第一較佳實施例之結構概念示意圖。

圖2：係為圖1所示結構光於投射至受測表面時受測表面上所呈現之受測圖案以及受測光點的概念示意圖。

圖3A：係為當光學裝置與受測表面間隔一第一距離時感應判斷單元所感應呈現在受測表面上的受測圖案以及多個受測光點的概念示意圖。

圖3B：係為當光學裝置與受測表面間隔一第二距離 時感應判斷單元所感應呈現在受測表面上的受測圖案以及多個受測光點的概念示意圖。

圖3C：係為當受測表面為平坦表面時感應判斷單元所感應呈現在受測表面上的受測圖案以及多個受測光點的概念示意圖。

圖3D：係為當受測表面非為平坦表面時感應判斷單元所感應呈現在受測表面上的受測圖案以及多個受測光點的概念示意圖。

圖4：係為本發明光學裝置於一第二較佳實施例之結構概念示意圖。

圖5：係為本發明光學裝置於一第三較佳實施例之結構概念示意圖。

圖6：係為本發明光學裝置於一第四較佳實施例之結構概念示意圖。

圖7：係為受測圖案為一發散輻射狀圖案的一較佳示意圖。

圖8：係為受測圖案為一斜對稱狀圖案的一較佳示意圖。

圖9：係為本發明光學裝置應用於空拍裝置於一較佳實施例之空拍裝置的底面示意圖。

圖10：係為本發明光學裝置應用於可攜式電子裝置的一較佳結構示意圖。

圖11：係為本發明偵測方法於一較佳實施例之流程圖。

請參閱圖1與圖2，圖1為本發明光學裝置於一第一較佳實施例之結構概念示意圖，圖2為圖1所示結構光於投射至 受測表面時受測表面上所呈現之受測圖案以及受測光點的概念示意圖。光學裝置1包括結構光產生單元11以及感應判斷單元12，結構光產生單元11提供可投射至一受測表面81的一結構光91(structure light)，且當結構光91投射至該受測表面81時，該受測表面81上呈現受測圖案2(pattern)以及多個受測光點3。

於本較佳實施例中，結構光產生單元11包括一發光源111以及一第一透鏡組112，且發光源111可包括雷射二極體(LD)、發光二極體(LED)、有機發光二極體(OLED)以及用以輸出具有一熱感應波長區間之光束的一發光單元中之至少一者，及/或發光源111還可包括類似於雷射二極體、發光二極體以及有機發光二極體等半導體類的其它發光單元；又，發光源111係用以輸出複數光束92，且光束92可為具有第一波長的光束(如可見光束)及/或具有第二波長的光束(如不可見光束或具有熱感應波長之光束)，而第一透鏡組112則至少包括有相應於受測圖案2以及受測光點3的光學元件(圖未示，如繞射元件)，並供發光源111所輸出之光束92通過其中，以進而使結構光產生單元11產生輸出的結構光91於投射至受測表面81時，受測表面81上可呈現受測圖案2以及多個受測光點3；此外，於本較佳實施例中，受測圖案2係為一柵狀(grid)圖案，而每一受測光點3則為擴散型光束投射至受測表面81上所形成的光點，且每一擴散型光束的擴散角不限定相同。

再者，感應判斷單元12包括可見光感測單元(圖未示)及/或不可見光感測單元(圖未示)，且用以感應受測表面81上所呈現的受測圖案2與受測光點3，並依據所感應的受測光點3的面積大小而獲得受測表面81與光學裝置1之間的距離，以及依據所感應的受測圖案2的一變形程度而判斷受測表面81是否平坦。

進一步而言，由於受測光點3為擴散型光束投射至受測表面81上所形成的光點，因此當受測表面81與光學裝置1 之間的距離越遠，受測表面81上所呈現之受測光點3的面積就隨之越大。舉例來說，請參閱圖3A與圖3B，圖3A為當光學裝置1與受測表面81間隔一第一距離時感應判斷單元12所感應呈現在受測表面81上的受測圖案2A以及多個受測光點3A的概念示意圖，圖3B為當光學裝置1與受測表面81間隔一第二距離時感應判斷單元12所感應呈現在受測表面81上的受測圖案2B以及多個受測光點3B的概念示意圖。比較圖3A以及圖3B可知，由於圖3A所示受測光點3A的面積小於圖3B所示受測光點3B的面積，因此圖3A所示受測表面81與光學裝置1之間的距離小於圖3B所示受測表面81與光學裝置1之間的距離。

顯然地，根據感應判斷單元12所感應之呈現在受測表面81上的受測光點3的面積，即能計算獲得受測表面81與光學裝置1之間的距離。而獲得受測光點3之面積的方式，除了可直接計算受測光點3在感應判斷單元12的感光元件(圖未示)上所佔的像素(pixel)值外，亦可透過受測光點3與受測圖案2上之任一指定子圖案的間距來判斷；例如，由於圖3A所示受測光點3A的面積小於圖3B所示受測光點3B的面積，因此圖3A所示受測光點3A與受測圖案2A(柵狀圖案)之橫線條L1的間距D1會大於圖3B所示受測光點3與受測圖案2B(柵狀圖案)之橫線條L2的間距D2，由此可知，透過分別計算受測光點3A、3B與受測圖案2A、2B(柵狀圖案)之橫線條L1、L2的間距D1、D2可推得受測光點3的面積；惟，上述僅為實施例，獲得受測光點3之面積的方式並不以上述為限。

接下來請參閱圖3C與圖3D，圖3C為當受測表面81為平坦表面時感應判斷單元12所感應呈現在受測表面81C上的受測圖案2C以及多個受測光點3C的概念示意圖，圖3D為當受測表面81D非為平坦表面時感應判斷單元12所感應呈現在受測表面81上的受測圖案2D以及多個受測光點3D的概念示意圖。比較圖3C以及圖3D可知，當受測表面81C為平坦表面時，受測 圖案2C可工整呈現在受測表面81C上，而當受測表面81D非為平坦表面時，受測圖案2D會因應受測表面81D凸凹不平而產生變形；顯然地，分別根據感應判斷單元12所感應之呈現在受測表面81C、81D上的受測圖案2C、2D的變形程度，即能判斷受測表面81C、81D是否平坦；其中，變形程度可包括扭曲變形程度、歪斜變形程度以及錯位變形程度中之至少一者，但不以上述為限。

請參閱圖4，其為本發明光學裝置於一第二較佳實施例之結構概念示意圖。本較佳實施例之光學裝置1’大致類似於本案第一較佳實施例中所述者，在此即不再予以贅述，而本較佳實施例與前述第一較佳實施例不同之處在於，於第一較佳實施例中，結構光產生單元11以及感應判斷單元12分別使用不同的光學路徑窗口13、14，而於第二較佳實施例中，結構光產生單元11以及感應判斷單元12係共用單一光學路徑窗口15。

詳言之，於第二較佳實施例中，光學裝置1’更包括一光路改變元件16(如分光鏡)，其係設置於結構光產生單元11以及感應判斷單元12之間，用以改變結構光產生單元11所輸出之光束92的路徑，使得結構光產生單元11以及感應判斷單元12具有共同的光軸93，因此結構光產生單元11以及感應判斷單元12可共用單一光學路徑窗口15，如此一來，當光學裝置1’距離受測表面81較遠時，感應判斷單元12更能準確地感應受測表面81上的受測圖案2以及受測光點3，特別是受測表面81的邊緣處(即距離光軸93較遠處)。

請參閱圖5，其為本發明光學裝置於一第三較佳實施例之結構概念示意圖。本較佳實施例之光學裝置1”大致類似於本案第二較佳實施例中所述者，在此即不再予以贅述，而本較佳實施例與前述第二較佳實施例不同之處在於，光學裝置1”更包括一第二透鏡組17，其係位於結構光產生單元11以及感應判斷單元12的光學路徑上，並位在光學路徑窗口15的鄰近處，藉以改變受測表面81上所呈現之受測圖案2的大小以及感應判斷單元12的 視場角(FOV)。

請參閱圖6，其為本發明光學裝置於一第四較佳實施例之結構概念示意圖。本較佳實施例之光學裝置1'''大致類似於本案第一較佳實施例中所述者，在此即不再予以贅述，而本較佳實施例與前述第一較佳實施例不同之處在於，光學裝置1更包括一第二透鏡組18以及一第三透鏡組19，且第二透鏡組18以及第三透鏡組19分別位於感應判斷單元12以及結構光產生單元11的光學路徑上；其中，第二透鏡組用以改變感應判斷單元12的視場角，而第三透鏡組用以改變受測表面81上所呈現之受測圖案2的大小。

特別說明的是，於第三較佳實施例中，第二透鏡組17是可選擇地於某些特定情況下才被控制移動至結構光產生單元11以及感應判斷單元12的光學路徑上，且於第四較佳實施例中，第二透鏡組18以及第三透鏡組19是可選擇地於某些特定情況下才分別被控制移動至感應判斷單元12以及結構光產生單元11的光學路徑上。

舉例來說，以第四較佳實施例而言(第三較佳實施例亦同理適用)，上述特定情況可包括：當光學裝置1距離受測表面81較遠時，感應判斷單元12能夠感應到的完整的受測圖案2以及所有的受測光點3，但當光學裝置1距離受測表面81越來越近時，由於感應判斷單元12的視場角不會改變，感應判斷單元12能夠感應到的範圍逐漸縮小，也就是僅能夠感應到的部分的受測圖案2或部分的受測光點3，導致無法據以獲得受測表面81與光學裝置1之間的距離或判斷受測表面81是否平坦的情況，此時即可透過控制第二透鏡組18移動至感應判斷單元12的光學路徑上來增加感應判斷單元12的視場角，抑或是透過控制第三透鏡組19移動至結構光產生單元11的光學路徑上來改變受測表面81上所呈現之受測圖案2的大小，以使感應判斷單元12能夠感應到的完整的受測圖案2以及所有的受測光點3，進而可獲得受測表面81與光 學裝置1之間的距離以及判斷受測表面81是否平坦。

此外，雖然上述多個較佳實施例中之受測圖案皆為柵狀(grid)圖案，但並不以此為限，受測圖案可為熟知本技藝人士依據實際應用需求而進行任何均等的變更設計，例如受測圖案2可為圖7所示之發散輻射狀圖案，又例如受測圖案可為圖8所示之斜對稱狀圖案。

請參閱圖9，其為本發明光學裝置應用於空拍裝置於一較佳實施例之空拍裝置的底面示意圖。空拍裝置7的底面71設置有起降腳架72以及光學裝置1，且光學裝置1包括結構光產生單元11以及感應判斷單元12，而結構光產生單元11以及感應判斷單元12係如同上述說明，在此即不再予以贅述。是以，空拍裝置7可透過光學裝置1而精確地獲得其與欲降落之表面的距離以及欲降落之表面的平坦度，進而提升其降落品質。

請參閱圖10，其為本發明光學裝置應用於可攜式電子裝置的一較佳結構示意圖。可攜式電子裝置6可為手機、平板電腦或穿戴式裝置，但不以上述為限，並包括光學裝置1，且光學裝置1包括結構光產生單元11以及感應判斷單元12，而結構光產生單元11以及感應判斷單元12係如同上述說明，在此即不再予以贅述。是以，可攜式電子裝置6可透過光學裝置1而精確地獲得其所欲使用之表面的距離以及平坦度。補充說明的是，圖11以及圖12僅為本發明光學裝置1的應用實施例，熟知本技藝人士皆可由圖11以及圖12的教示而依據實際需求將本發明光學裝置1應用至其他電子裝置上。

根據以上的說明，偵測受測表面是否平坦以及與受測表面之距離的偵測方法可統整如圖11所示之流程圖；其中，偵測方法包括：步驟P1，投射一結構光至受測表面；其中，於結構光投射至受測表面時，受測表面上會呈現受測圖案以及受測光點；以及步驟P2，感應受測表面上所呈現之受測圖案以及受測光點，並依據所感應之受測圖案的變形程度而判斷受測表面是否平 坦，以及依據所感應之受測光點的面積而獲得與受測表面之間的距離。

而由上述各較佳實施例的說明可知，本發明偵測方法可減化習知偵測受測表面是否平坦以及與受測表面之距離的複雜度，還能降低其所應用之電子裝置的成本。補充說明的是，由於不同受測表面可能具有不同的材質，且不同的材質對熱感應波長或紅外線的反應不一，因此本案發光源還能夠因應不同的材質的受測表面而提供相對應波長的光束，以進而提升判斷與測量的品質。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，並非用以限定本發明之申請專利範圍，因此凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含於本案之申請專利範圍內。

Claims (18)

1. 一種光學裝置，應用於一空拍裝置，包括：一結構光產生單元，用以提供投射至同一受測表面之一結構光(structure light)；其中，於該結構光投射至該受測表面時，該受測表面上同時呈現一受測圖案(pattern)以及一受測光點；以及一感應判斷單元，用以感應該受測表面上所同時呈現之該受測圖案以及該受測光點，並依據所感應之該受測圖案之一變形程度而判斷該受測表面是否平坦，以及依據所感應之該受測光點之一面積而獲得該受測表面與該光學裝置之間的一距離。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其中該結構光產生單元包括一發光源以及相應於該受測圖案及/或該受測光點之一透鏡組。
3. 如申請專利範圍第2項所述之光學裝置，其中該發光源係包括一雷射二極體(LD)、一發光二極體(LED)、一有機發光二極體(OLED)以及用以輸出具有一熱感應波長區間之光束的一發光單元中之至少一者。
4. 如申請專利範圍第2項所述之發光裝置，其中該發光源係用以輸出具有一第一波長之光束及/或具有一第二波長之光束。
5. 如申請專利範圍第4項所述之光學裝置，其中具有該第一波長之光束係為一可見光束，而具有該第二波長之光束係為一不可見光束。
6. 如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其中該結構光產生單元以及該感應判斷單元係共用單一光學路徑窗口。
7. 如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，更包括至少一透鏡組，其係被設置於該結構光產生單元之一光學路徑上，用以改變該受測表面上所呈現之該受測圖案的大小；及/或該至少一透鏡組係被設置於該感應判斷單元之一光學路徑上，用以改變該感應判斷單元之一視場角。
8. 如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其中該受測圖案係包括一柵狀圖案、一發散輻射狀圖案以及一對稱狀圖案中之至少一者。
9. 如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其中該受測光點係為一擴散型光束投射至該受測表面所形成者。
10. 如申請專利範圍第1項所述之光學裝置，其中該變形程度係包括一扭曲變形程度、一歪斜變形程度以及一錯位變形程度中之至少一者。
11. 一種偵測方法，應用於一空拍裝置，用以偵測一受測表面是否平坦以及該受測表面之一距離，該偵測方法包括：投射一結構光(structure light)至同一該受測表面；其中，於該結構光投射至該受測表面時，該受測表面上同時呈現一受測圖案(pattern)以及一受測光點；以及感應該受測表面上所同時呈現之該受測圖案以及該受測光點，並依據所感應之該受測圖案之一變形程度而判斷該受測表面是否平坦，以及依據所感應之該受測光點之一面積而獲得該受測表面的該距離。
12. 如申請專利範圍第11項所述之偵測方法，更包括：提供一發光源以及相應於該受測圖案及/或該受測光點之一透鏡組以進行該投射步驟。
13. 如申請專利範圍第12項所述之偵測方法，其中該發光源係包括一雷射二極體(LD)、一發光二極體(LED)、一有機發光二極體(OLED)以及用以輸出具有一熱感應波長區間之光束的一發光單元中之至少一者。
14. 如申請專利範圍第12項所述之偵測方法，其中該發光源係用以輸出具有一第一波長之光束及/或具有一第二波長之光束。
15. 如申請專利範圍第14項所述之偵測方法，其中具有該第一波長之光束係為一可見光束，而具有該第二波長之光束係為一不可見光束。
16. 如申請專利範圍第11項所述之偵測方法，其中該受測圖案係包括一柵狀圖案、一發散輻射狀圖案以及一對稱狀圖案中之至少一者。
17. 如申請專利範圍第11項所述之偵測方法，其中該受測光點係為一擴散型光束投射至該受測表面所形成者。
18. 如申請專利範圍第11項所述之偵測方法，其中該變形程度係包括一扭曲變形程度、一歪斜變形程度以及一錯位變形程度中之至少一者。