TWI821773B - 距離量測系統及距離量測方法 - Google Patents

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Abstract

根據本發明之一示範性實施例，揭示一種用於量測距離之系統。前述系統包括：LED光源，前述LED光源經組態以向所欲量測距離的目標施加光；第一分離器，前述第一分離器經組態以部分地反射自前述LED光源施加的光；光纖，前述光纖經組態以向前述目標施加穿過前述第一分離器的光；及第二分離器，前述第二分離器經組態以反射自前述目標反射的光，且前述系統可進一步包括：第一感測器，前述第一感測器經組態以感測自前述第一分離器反射的光；及第二感測器，前述第二感測器經組態以感測自前述第二分離器反射的光。

Description

距離量測系統及距離量測方法
本申請案主張2020年11月5日於韓國智慧財產局提交的韓國專利申請案第10-2020-0147037號之優先權及權益，該專利申請案之全部內容以引用之方式併入本文中。
本發明係關於一種距離量測系統及距離量測方法。更特定而言，本發明係關於一種使用紅綠藍(Red Green Blue；RGB)光源及RGB感測器來量測位移之系統及方法。
在相關技術中，共焦位移感測器設置有以下組態。根據一示範性實施例，相關技術中的共焦位移感測器包括白色光源、光收集單元、光分離器、光纖、共焦透鏡、反射器、分光鏡、影像感測器及影像處理器。
在相關技術之情況下，使用白色光源係為了使用在可見光波段內具有均勻頻率分佈的光源，且藉由使用白色光源，可確保沒有組成頻帶的斷開。光收集單元意指用於收集白色光源之輸出並產生平行光之透鏡單元，且光分離器允許白色光源透過且經設置以反射自反射器反射的反射光並將所反射之反射光引入分光鏡。光纖設置為光源與分光鏡及共焦透鏡之間的光路。共焦透鏡設置有用於根據頻率產生焦距偏差之光學透鏡單元。反射器意指所欲量測之位移的目標之反射表面。分光鏡意指用於分離所反射之光並將頻率分量轉換成位置資訊之稜鏡系統。影像感測器檢測自分光鏡分離的光並拍攝影像，且影像處理器意指用於自影像感測器獲得分離影像並計算位移資訊之處理器。
當藉由使用現有的共焦位移感測器來量測距離時，存在難以在物理上獲得在可見光波段中具有均勻譜密度的光源的問題。此外，存在成本高、大小增大、發熱的問題。另外，在現有情況下，存在分光鏡之大小由於稜鏡之使用而增大的問題。另外，由於影像感測器及影像處理器係使用於分析，因此需要使用高解析度及高速影像感測器，由此造成成本增加的問題，且另外存在影像處理器諸如FPGA及DSP之成本亦因影像感測器互鎖及高速影像處理而增加的問題。
本發明致力於提供一種在成本及大小方面有效的距離量測系統。
本發明待解決的問題不限於以上所提及的問題，且熟習此項技術者自本說明書及隨附圖式將清楚地理解未提及的問題。
本發明之一示範性實施例揭示一種用於量測距離之系統。
前述系統包括：發光二極體(Light Emitting Diode；LED)光源，前述LED光源經組態以向所欲量測之距離的目標施加光；第一分離器，前述第一分離器經組態以部分地反射自前述LED光源施加的光；光纖，前述光纖經組態以向前述目標施加穿過前述第一分離器的光；及第二分離器，前述第二分離器經組態以反射自前述目標反射的光，且前述系統可進一步包括：第一感測器，前述第一感測器經組態以感測自前述第一分離器反射的光；及第二感測器，前述第二感測器經組態以感測自前述第二分離器反射的光。
根據該示範性實施例，前述系統可進一步包括共焦透鏡，前述共焦透鏡安置於前述光纖與前述目標之間。
根據該示範性實施例，前述系統可進一步包括：第一光收集透鏡，前述第一光收集透鏡安置於前述LED光源與前述第一分離器之間；及第二光收集透鏡，前述第二光收集透鏡安置於前述第二分離器與前述光纖之間。
根據該示範性實施例，前述系統可進一步包括計算單元，前述計算單元經組態以藉由比較前述第一感測器之量測值與前述第二感測器之量測值來計算前述目標之位移。
根據該示範性實施例，前述計算單元可進一步包括轉換器，前述轉換器將前述第一感測器及前述第二感測器之前述量測值轉換成數位形式。
根據該示範性實施例，在前述計算單元中之前述位移的前述計算可藉由使用前述第一感測器及前述第二感測器中之各者中的總回應量計算峰值點之位置來處理。
根據該示範性實施例，前述計算單元可包括微處理器。
根據該示範性實施例，前述LED光源使用RGB光源。
根據該示範性實施例，經組態的前述共焦透鏡之數目為三個。
本發明之另一示範性實施例揭示一種用於量測距離之系統。
前述系統可包括：感測器探頭；頭部，前述頭部經組態以在接近目標的地方施加光；及光纖，前述光纖經組態以連接前述感測器探頭及前述頭部，其中前述頭部包括共焦透鏡，且前述感測器探頭包括：LED光源，前述LED光源經組態以向所欲量測之距離的前述目標施加光；第一分離器，前述第一分離器經組態以部分地反射自前述LED光源施加的光；第二分離器，前述第二分離器經組態以反射自前述目標反射的光；第一感測器，前述第一感測器經組態以感測自前述第一分離器反射的光；及第二感測器，前述第二感測器經組態以感測自前述第二分離器反射的光。
本發明之另一示範性實施例揭示一種藉由使用LED光源來量測距離之方法。
前述方法可包括：向目標施加前述LED光源；一次接收自前述LED光源施加的光；二次接收自前述目標反射的光；及藉由比較一次接收的光及二次接收的光來量測前述目標之位移。
根據該示範性實施例，前述一次接收自前述LED光源施加的前述光及前述二次接收自前述目標反射的光分別由第一感測器及第二感測器執行。
根據該示範性實施例，在藉由比較前述一次接收的光及前述二次接收的光來量測前述目標之前述位移中，可將前述第一感測器及前述第二感測器中所量測的量測值轉換成數位形式且可藉由使用前述第一感測器及前述第二感測器中之各者中的總回應量來計算峰值點之位置。
根據本發明之該等示範性實施例，揭示了在成本及大小方面有效的距離量測系統。
本發明之效果不限於上述效果，且熟習此項技術者自本說明書及隨附圖式將清楚地理解未提及的效果。
當參照參考隨附圖式相似描述的示範性實施例時，將清楚優點及特性及一種用於達成該等優點及特性之方法。然而，本揭露不限於本文所揭示之示範性實施例但將以各種形式實施，且提供示範性實施例以使得完全揭示本揭露，且一般技藝人士可充分理解本揭露之範疇，且本揭露將僅由所附申請專利範圍之範疇界定。
除非定義，否則本文所用之所有用語(包括技術及科學術語)具有與本發明所屬技術領域內一般技藝人士通常理解的意義相同的意義。由通用詞典定義的用語可解釋為與相關技術及/或本申請案的文本具有相同的意義，且該等用語將不會被概念化或解釋為過於正式，即使該用語在此處沒有明確定義的表達亦是如此。
諸如第一及第二的用語係用於描述各種組成元件，但該等組成元件不受用語限制。該等用語僅用於將一個組成元件與另一個組成元件區分開來。例如，在不脫離本發明之範疇之情況下，第一組成元件可稱為第二組成元件，且類似地，第二組成元件可稱為第一組成元件。
除非本文所用之單數表達在上下文中具有明確相反的意義，否則該等單數表達包括複數表達。因此，為了更清楚地描述，可能誇大圖中元件的形狀、大小及類似者。
本說明書中使用之用語係出於描述示範性實施例之目的且不意欲限制本發明。在本說明書中，除非另外提及，否則單數形式亦包括複數形式。除了所提及的組成物、組件、組成元件、步驟、操作及/或裝置之外，用語「包括」及/或此動詞之各種變位不排除一或多個其他組成物、組件、組成元件、步驟、操作及/或裝置之存在或添加。在本說明書中，用語「及/或」指示所列組態中之各者或所列組態之各種組合。
本說明書所用之用語「~單元」係用於處理至少一個功能或操作之單元，且可意指例如硬體元件諸如FPGA或ASIC。然而，「~單元」不限於軟體或硬體。「~單元」亦可經組態以包括在可定址儲存介質中，且可經組態以再現一或多個處理器。
因此，作為一實例，「~單元」包括組件諸如軟體組件、物件導向軟體組件、類組件及任務組件，以及過程、功能、屬性、程序、次常式、程式碼段、驅動程式、韌體、微代碼、電路、資料、資料庫、資料結構、表、數組及變量。組成元件及「~單元」中提供的功能可由複數個組成元件及「~單元」分開並執行，且亦可與其他另外的組成元件組合。
圖1係例示根據本發明之一示範性實施例的距離量測系統10的圖。
根據圖1的距離量測系統10可包括感測器探頭100、光纖200、頭部300及計算單元400。根據該示範性實施例，根據本發明的距離量測系統10可包括複數個感測器探頭100、複數個光纖200、複數個頭部300及一個計算單元400。根據該示範性實施例，感測器探頭100、光纖200及頭部300可組態為一組，且計算單元400可與複數組感測器探頭100、光纖200及頭部300連接。
在下文，將參考隨附圖式更詳細地描述各組成元件。
圖2係例示根據本發明之該示範性實施例的感測器探頭100之組態的圖。
根據圖2的感測器探頭100可包括LED光源110。根據本發明，可藉由使用LED光源110向所欲量測之距離的目標施加光。LED光源110可包括RGB光源。根據該示範性實施例，LED光源110可由包括R、G及B的高亮度LED形成。LED光源110可向目標施加混合了R、G及B的白光。部分地反射自LED光源110施加的光的第一分離器120可安置於源自LED光源110的光行進所沿著的路徑上。第一分離器120可反射一些光並允許剩餘光穿過。根據該示範性實施例，第一分離器120可反射約10%的光並允許90%的光穿過。穿過第一分離器120的光可透過光纖200施加至所欲量測之距離的目標。自目標反射的光可透過第二分離器130施加至第二感測器150。第二分離器130可反射自目標反射至第二感測器150的光。根據該示範性實施例，第二分離器130可100%地反射自目標反射的光。亦即，根據本發明，代替分光鏡，可包括收集所反射之光並將所收集之光傳輸至RGB感測器的第二分離器130。
在其上安置LED光源110的平面上，可一起安置用於感測自第一分離器120反射的光之第一感測器140及用於感測自第二分離器130反射的光之第二感測器150。
第一感測器140及第二感測器150可以是RGB感測器。另外，LED光源110可以是RGB光源。根據本發明，第一感測器140可感測透過LED光源110施加的光，第二感測器150可感測藉由使用物件作為反射表面而反射的光，且目標之位移可藉由使用分別透過RGB感測器量測的值來量測。
第一感測器140及第二感測器150可檢測自第一分離器120及第二分離器130反射的光。第一感測器140可以是參考用感測器。第二感測器150可以是量測用感測器。
計算單元400可將第一感測器140及第二感測器150中量測的量測值轉換成數位資料，並藉由使用所轉換之資料來計算位移。下面將參考圖4及圖5描述透過計算單元400進行的詳細計算方法。
參考圖2，根據本發明的距離量測系統10可包括安置於LED光源110與第一分離器120之間的第一光收集透鏡160及安置於第二分離器130與光纖200之間的第二光收集透鏡170。第一光收集透鏡160可執行收集自LED光源110發射的光並將所收集之光施加至第一分離器120之功能。第二光收集透鏡170可執行收集自目標反射的光並將所收集之光施加至第二分離器130之功能。
參考圖2，第一球面鏡180安置於第一分離器120與第一感測器140之間，以形成在其中第一感測器140可感測自第一分離器120反射的光的路徑。第二球面鏡190安置於第二分離器130與第二感測器150之間，以形成在其中第二感測器150可感測自第二分離器130反射的光的路徑。
圖3係例示根據本發明之該示範性實施例的感測器探頭100、光纖200及頭部300之組態的圖。將省略對與圖2之彼等零件重疊的零件的描述。將省略對作為與圖2之零件重疊的零件的感測器探頭100之組態的描述。
參考圖3，光纖200可連接至感測器探頭100。光纖200可連接感測器探頭100及頭部300。光纖200經組態以連接感測器探頭100及頭部300，以作為將自感測器探頭100施加的光連接至頭部300的光路提供。另外，當自目標反射的光透過頭部300施加時，光纖200可提供光路，使得所施加之光穿過感測器探頭100。
根據本發明的頭部300在其內部可包括共焦透鏡310。參考圖3，根據本發明的頭部300可包括三個共焦透鏡310。根據該示範性實施例，在使用三個共焦透鏡310之情況下，最有效的處理是可能的。根據本發明的頭部300具有藉由使用雙片狀透鏡執行有效光處理之效果。
下面描述根據圖2及圖3的本發明之距離量測系統10與現有感測器之間的差異。
在本發明中，使用RGB光源，而不是現有的白色光源。這是因為RGB光源在成本、大小及發熱方面是優異的。另外，本發明不需要立體鏡且使用RGB感測器及高速ADC，而不是影像感測器，使得本發明在成本及大小方面是優異的。另外，本發明不需要影像處理處理器，且該影像處理處理器可用微處理器替換，且僅需要ADC互鎖，使得不需要影像處理過程，且因此本發明在處理過程中是高效的。
圖4係例示根據本發明之該示範性實施例的計算單元400之組態的圖。參考圖4，揭示距離量測演算法及高速多ADC互鎖之組態。
根據圖4，計算單元400可包括微處理器。根據該示範性實施例，計算單元400可包括能夠互鎖FPGA及ADC的邏輯。根據該示範性實施例，感測器探頭100可包括轉換器(類比數位轉換器)。然而，轉換器亦可包括在計算單元400中。透過轉換器，自各感測器量測的類比結果值可改變為數位資料。計算單元400互鎖改變後的數位資料並透過微處理器計算所互鎖之數位資料，從而達成可快速計算的效果。
參考圖4，可看出，複數個感測器探頭100連接至一個計算單元400，使得可量測複數個目標之距離。
圖5A及圖5B係用於描述藉由使用由本發明之第一感測器140及第二感測器150量測的值來量測距離的圖。
根據圖5A，可看出，回應總數係按Det R ＞ Det B ＞ Det G次序形成，且根據圖5B，可看出，回應總數係按Det R ＞＞ Det B ＞ Det G次序形成。
圖5A係表示由第一感測器140量測的結果的圖。根據圖5A，可看出，檢測到峰值的頻率f p位置係在R感測器中心之右側。圖5B係表示由第二感測器150量測的結果的圖。根據圖5B，可看出，檢測到峰值的頻率f p位置係在R感測器中心之左側。
根據本發明，可藉由使用RGB光源及RGB感測器根據RGB之間的相對值來計算位移。RGB光源之光分佈、光纖之厚度、輻射至光學透鏡的出口之半徑、焦斑直徑、RGB感測器之回應區段及類似者相對較大，使得在RGB感測器中之全部中存在特定量回應值。藉由使用特定量回應值，可藉由使用RGB感測器中之各者之特定量回應值對總回應量之比率來計算峰值點之位置。由此，可計算目標之位移。
現有共焦位移感測器使用以下方法：將白色光源透過光纖200及透鏡投射至待量測距離的物件(光反射器)，及藉由光源之各頻帶之透鏡折射率中的差異檢測最大反射頻率以量測距離。本發明使用以下方法：藉由使用RGB光源及RGB感測器根據RGB之間的相對值來計算位移。圖5係例示RGB光源及反射峰值頻率以及根據RGB光源及反射峰值頻率的對RGB感測器的總回應量的圖。距離可藉由使用R、G、B感測器中之各者對於各位移的總回應量比率之表來轉換。
圖6係例示根據本發明之一示範性實施例的距離量測方法的流程圖。
根據本發明之該示範性實施例的距離量測方法可藉由使用本發明所揭示之距離量測系統10來執行。按照根據本發明的距離量測方法，可向目標施加LED光源110，可一次接收自LED光源110施加的光源，且可二次接收自目標反射的光。在此情況下，自LED光源110施加的光源之一次光接收可透過第一感測器140來實施，且自目標反射的光源之二次光接收可透過第二感測器150來接收。根據本發明，可藉由比較一次接收光及二次接收光來量測目標之位移。
在此情況下，在位移量測方法中，可藉由將第一感測器140及第二感測器150中所量測的量測值轉換成數位形式及藉由使用第一感測器140及第二感測器150中之各者中的總回應量計算峰值點之位置來計算位移。
上述示範性實施例被呈現來幫助理解本發明且不限制本發明之範疇，且應理解，來自上述示範性實施例的各種經修改之示範性實施例亦包括在本發明之範疇內。本發明中提供的附圖僅示出本發明之最優示範性實施例。本發明之技術範疇將由所附申請專利範圍之技術精神界定，且應理解，本發明之技術精神不限於申請專利範圍本身的文字描述，而是實質上延伸至技術價值等同範疇的發明。
10:距離量測系統 100:感測器探頭 110:LED光源 120:第一分離器 130:第二分離器 140:第一感測器 150:第二感測器 160:第一光收集透鏡 170:第二光收集透鏡 180:第一球面鏡 190:第二球面鏡 200:光纖 300:頭部 310:共焦透鏡 400:計算單元
圖1係例示根據本發明之一示範性實施例的距離量測系統的圖。 圖2係例示根據本發明之該示範性實施例的感測器探頭之組態的圖。 圖3係例示根據本發明之該示範性實施例的感測器探頭、光纖及頭部之組態的圖。 圖4係例示根據本發明之該示範性實施例的計算單元之組態的圖。 圖5A及圖5B係用於描述藉由使用由本發明之第一感測器及第二感測器量測的值來量測距離的圖。 圖6係例示根據本發明之一示範性實施例的距離量測方法的流程圖。
10:距離量測系統
100:感測器探頭
200:光纖
300:頭部
400:計算單元

Claims (16)

  1. 一種用於量測距離之系統，前述系統包含：發光二極體光源，前述發光二極體光源經組態以向所欲量測之距離的目標施加光；第一分離器，前述第一分離器經組態以部分地反射自前述發光二極體光源施加的光；光纖，前述光纖經組態以向前述目標施加穿過前述第一分離器的光；及第二分離器，前述第二分離器經組態以反射自前述目標反射的光，其中前述系統進一步包含：第一感測器，前述第一感測器經組態以感測自前述第一分離器反射的光；第二感測器，前述第二感測器經組態以感測自前述第二分離器反射的光；及計算單元，前述計算單元經組態以藉由比較前述第一感測器之量測值與前述第二感測器之量測值來計算前述目標之位移；其中，前述發光二極體光源使用紅綠藍光源。
  2. 如請求項1所述之系統，其進一步包含：共焦透鏡，前述共焦透鏡安置於前述光纖與前述目標之間。
  3. 如請求項2所述之系統，其進一步包含：第一光收集透鏡，前述第一光收集透鏡安置於前述發光二極體光源與前述第一分離器之間；及第二光收集透鏡，前述第二光收集透鏡安置於前述第二分離器與前述光纖之間。
  4. 如請求項3所述之系統，其中前述計算單元進一步包括轉換器，前述轉換器將前述第一感測器及前述第二感測器之前述量測值轉換成數位形 式。
  5. 如請求項4所述之系統，其中在前述計算單元中之前述位移的前述計算係藉由使用前述第一感測器及前述第二感測器中之各者中的總回應量計算峰值點之位置來處理。
  6. 如請求項5所述之系統，其中前述計算單元包括微處理器。
  7. 如請求項6所述之系統，其中經組態的前述共焦透鏡之數目為三個。
  8. 一種用於量測距離之系統，前述系統包含：感測器探頭；頭部，前述頭部經組態以在接近目標的地方施加光；及光纖，前述光纖經組態以連接前述感測器探頭及前述頭部，其中前述頭部包括共焦透鏡，且前述感測器探頭包括：發光二極體光源，前述發光二極體光源經組態以向所欲量測之距離的前述目標施加光；第一分離器，前述第一分離器經組態以部分地反射自前述發光二極體光源施加的光；第二分離器，前述第二分離器經組態以反射自前述目標反射的光；第一感測器，前述第一感測器經組態以感測自前述第一分離器反射的光；第二感測器，前述第二感測器經組態以感測自前述第二分離器反射的光；及計算單元，前述計算單元經組態以藉由比較前述第一感測器之量測值與前述第二感測器之量測值來計算前述目標之位移；其中，前述發光二極體光源使用紅綠藍光源。
  9. 如請求項8所述之系統，其中前述感測器探頭包括：第一光收集透鏡，前述第一光收集透鏡安置於前述發光二極體光源與前述第一分離器之間；及第二光收集透鏡，前述第二光收集透鏡安置於前述第二分離器與前述光纖之間。
  10. 如請求項9所述之系統，其中前述計算單元進一步包括轉換器，前述轉換器將前述第一感測器及前述第二感測器之前述量測值轉換成數位形式。
  11. 如請求項10所述之系統，其中在前述計算單元中之前述位移的前述計算係藉由使用前述第一感測器及前述第二感測器中之各者中的總回應量計算峰值點之位置來處理。
  12. 如請求項11所述之系統，其中前述計算單元包括微處理器。
  13. 如請求項12所述之系統，其中經組態的前述共焦透鏡之數目為三個。
  14. 一種藉由使用發光二極體光源來量測距離之方法，前述方法包含以下步驟：向目標施加前述發光二極體光源；一次接收自前述發光二極體光源施加的光；二次接收自前述目標反射的光；及藉由比較前述一次接收的光及前述二次接收的光來量測前述目標之位移；其中，前述發光二極體光源使用紅綠藍光源。
  15. 如請求項14所述之方法，其中前述一次接收自前述發光二極體光源施加的前述光及前述二次接收自前述目標反射的光分別由第一感測器及第二感測器執行。
  16. 如請求項15所述之方法，其中在前述藉由比較前述一次接收的 光及前述二次接收的光來量測前述目標之前述位移中，將前述第一感測器及前述第二感測器中所量測的量測值轉換成數位形式且藉由使用前述第一感測器及前述第二感測器中之各者中的總回應量來計算峰值點之位置。
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