位置及深度的檢出裝置及方法
2023-05-04 01:30:31
專利名稱：位置及深度的檢出裝置及方法
技術領域：
本發明系有關於ー種位置及深度的檢出裝置及其方法，特別是有關於ー種光學式位置及深度的檢出裝置及其方法。
背景技術：
現今量測一物體表面的曲率的方式有許多種，舉例來說，有投射迭紋法、幹渉法、像差法以及雷射掃描三角定位法；其中迭紋量測技術一般採用穿透式或斜向反射式以形成迭紋，雖具有低成本、系統架構簡單與穩定性高的優點，但穿透式量測架構只適用於透明物體表面曲率的量測，並無法運用至不具透光性的物體表面的曲率量測。而斜向反射式則存在理論計算複雜的缺點，並且受限於反射影像的強度較弱，因此影像對比度差而將導致表面曲率的誤差值提高。
此外，幹渉法、像差法以及雷射掃描三角定位法，其不僅理論計算複雜，且其量測系統及裝置更是相當複雜且昂貴，因此具有高成本的缺點。因此，如何設計出簡單的架構，其可量測物體的表面深淺變化，實為目前研究發展
的一重要方向。
發明內容
本發明系有關於ー種位置及深度的檢出裝置及其方法，其具有簡易的組成構件，不需要複雜的檢測方式即可檢測出待測物的位置及深度信息。根據本發明的一方面，提出ー種位置及深度的檢出裝置，用以檢出具有一表面的待測物的位置及深度，此位置及深度的檢出裝置至少包括ー電控擺動元件、一光源、一光學系統、一儲存單元以及ー計算單元。該電控擺動元件系經由以電氣驅動的一致動器控制此電控擺動元件的擺動角度。該光源系藉由此電控擺動元件將該光源的光束反射至此表面以產生光點。該光學系統系用以接收投射至此表面的光點的投射信息。該儲存単元系用以儲存投射至ー預設平面的光點的預設信息。該計算単元系依據此投射信息與此預設信息計算出待測物的深度信息。根據本發明另一方面，提出一種檢出位置及深度的方法，用以檢出具有一表面的待測物的位置及深度，此檢出位置及深度的方法包括下列步驟利用一光源發射一光束；此光束藉由ー電控擺動元件的往復擺動來反射至此表面，使得此光束掃描範圍涵蓋此表面並產生複數光點；經由一光學系統接收投射至此表面的此些光點的複數投射信息；以及根據此些光點投射至ー預設平面的複數預設信息與此些投射信息，計算出待測物的深度信
ο為使本發明的上述內容能更明顯易懂，下文特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下
圖I系繪示本發明一實施例的一種位置及深度檢出系統的示意圖。圖2系繪示本發明一實施例的檢出位置及深度的方法流程圖。圖3系繪不本發明一實施例的一種位置及深度檢出系統利用光點中心偏移量來計算深度信息的示意圖。圖4系繪示本發明一實施例的一種位置及深度檢出系統利用光點大小變形量來計算深度信息的示意圖。圖5系繪示本發明一實施例的一種位置及深度檢出系統利用光點的強度中心變異量來計算深度信息的示意圖。主要元件符號說明100、300、400、500 :位置及深度檢出系統 110、310、410、510 :待測物120、320、420、520 :光源130、330、430、530 :光學系統140、340、440、540 :光感測元件150、350、450、550 :電控擺動元件160、360、460、560 :計算單元170、370、470、570 :儲存單元DP :預設平面Dl D5 :光點中心偏移量E1、E2 :投射於預設平面的光點右側與左側的強度E1』、E2』 投射於待測物的光點右側與左側的強度H :預設平面距離光源的距離Hl Η5 :光點距離預設平面的距離OLPl 0LP5 :光束投射至待測物表面的光點PLPl PLP5 :光束投射至預設平面的光點
ROLPI R0LP5 物體光點影像RPLPl RPLP5 :平面光點影像S210 S260 :流程步驟β :電控擺動元件的可擺動角度
具體實施例方式請參照圖1，其繪示本發明一實施例的一種位置及深度檢出系統100的示意圖。本實施例的位置及深度檢出系統100包括一待測物110、一光源120、一光學系統130、一光感測元件140、一電控擺動元件150、一計算單元160以及一儲存單元170。該待測物110可為一種具有至少一表面的物體，此表面可能系具有一凹凸不平整的輪廓。該光源120可為可見光或不可見光，其可提供一平行光束，例如雷射光束，使得該光源120所發射的光束經過一段距離後其發散程度不至於太大。此外，該光源120在空間平面上所產生的光點形狀可為圓形、橢圓形、或圓形與橢圓形的反覆漸變形狀，其中橢圓形光點系由脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation, PWM)控制或脈衝頻率調變(PulseFrequency Modulation,PFM)控制所產生。而光點形狀可藉由該電控擺動元件150的擺動角度與該光源120的開啟與關閉所控制。該光學系統130系包括至少ー鏡片，用以接收光學信息，且其視角系涵蓋所需的空間平面。該光感測元件140，例如是CMOS感測器與CCD感測器，其系位於該光學系統130的一成像端，用以感測影像信息。於ー實施例中，該光學系統130與該光感測元件140系可以ー攝頭鏡頭來實現。該電控擺動元件150系進行周期性擺動，其擺動角度的範圍系使得反射的光束可涵蓋所需的空間平面，且擺動角度可經由擺動頻率或給定信號決定。該計算単元160例如是一中央微處理器，其可接收該光源120等所傳送的數據，並依據所接收的數據計算出所需信息。該儲存単元170例如是硬碟、快閃記憶體等，用以儲存信息。請參照圖2，其繪示本發明前述實施例的檢出位置及深度的方法流程圖，用以檢出具有一表面的ー待測物的位置及深度。請同時參照圖I。於步驟S210中，利用該光源120發射一光束。舉例來說，該光源120可以朝向該電控擺動兀件150的方向發射光束。
於步驟S220中，前述光束藉由該電控擺動元件150的往復擺動來反射至該待測物110的一表面，使得光束掃描範圍涵蓋該待測物110的該表面並於其上產生複數光點。其中該電控擺動元件150系經由以電氣驅動的一致動器控制該電控擺動元件150的擺動角度，使得該電控擺動元件150可為往復擺動並涵蓋該待測物110的該表面。此外，該光源120系藉由該電控擺動元件150而將該光源120的光束反射至該待測物110的該表面以於其上產生光點。於步驟S230中，經由該光學系統130接收投射至該待測物110的該表面的此些光點的複數投射信息。舉例來說，該光源120所發出的光束系經由該電控擺動元件150的往復擺動，使得光束於該待測物110的該表面上於不同時間點產生光點，而該光學系統130則於不同時間點個別接收此些光點的投射信息。舉例來說，於ー特定時間點上，也就是該電控擺動兀件150係為ー特定擺動角度時,投射於該待測物110該表面的光點系只有ー個,此時該光學系統130接收具有一特定光點投射於該待測物110表面的影像信息。於步驟S240中，該計算単元160根據此些光點投射至ー預設平面的複數預設信息與此些投射信息，計算出該待測物Iio的該表面的深度信息。舉例來說，該光源120所發出的光束投射至該待測物110前，先經由該電控擺動元件150反射至ー預設平面(DefaultPlane,DP)，並於其上產生複數光點，而該光學系統130接收產生於該預設平面DP上的光點的信息，並以預設信息的方式將其儲存於該儲存單元170。也就是該儲存單元170將儲存投射至該預設平面的光點的預設信息。而該計算單元160將依據此些投射信息與此些預設信息計算出該待測物110的該表面的深度信息與軸向位置，其中深度信息可為該表面的深度變化。如此ー來，該計算単元160即可結合此光點的深度信息與軸向位置而計算出該待測物110表面上特定光點的ニ維位置。而由於該電控擺動元件150系往復擺動並涵蓋該待測物110的表面，所以當該待測物110的表面上所有光點的個別深度信息與軸向位置皆計算出後，即可統整此些信息而構成該待測物110表面的ニ維信息，也就是計算出該待測物110在空間上的ニ維位置。以下將詳細介紹如何依據投射信息與預設信息計算出深度信息。請參照圖3,其繪不本發明ー實施例的ー種位置及深度檢出系統300利用光點中心偏移量來計算深度信息的示意圖。其中待測物310、光源320、光學系統330、光感測元件340、電控擺動元件350、計算單元360以及儲存單元370類似於圖I中的待測物110、光源120、光學系統130、光感測元件140、電控擺動元件150、計算單元160以及儲存單元170，於此不再贅述。其中β系電控擺動元件150可擺動的角度。當該電控擺動元件350的擺動角度系一特定角度時，光束投射至一預設平面(Default Plane, DP)與該待測物310表面的光點例如系分別為PLP (Plane Light Point,PLP)與0LP(0bject Light Point, OLP)。舉例來說，當該電控擺動元件350的擺動角度系一第一角度時，投射至該預設平面DP與該待測物310表面的光點系分別為PLPl與OLPl，而該光學系統330各別接收PLPl與OLPl的信息並成像於該光感測元件340，藉此分別產生對應至OLPl的物體光點影像ROLPl (Reflection 0LP)的投射信息以及對應至PLPl的平面光點影像RPLPl (Reflection PLP)的預設信息。其中，R0LP1與RPLPl的中心偏移量系Dl。其中，由於該預設平面DP系已知，所以成像於該光感測元件340的RPLPl的預設信息系預先儲存於該儲存單元370。而該計算單元360則依據此預設信息與此投射信息得 到的此光點的一中心偏移量來計算出該待測物的一深度信息。舉例來說，當該電控擺動元件350的擺動角度系固定時，當R0LP1與RPLPl的中心偏移量愈大時，則代表光束投射至該待測物310上的光點OLPl與PLPl距離愈遠，藉此計算單元360可計算出該待測物310表面上的OLPl距離該預設平面DP的距離Hl。以此類推，該電控擺動元件350的擺動角度系第二、第三、第四、第五角度時，投射至該預設平面DP與該待測物310表面的光點系分別為PLP2 PLP5與0LP2 0LP5，而該光學系統330各別接收PLP2 PLP5與0LP2 0LP5的信息並成像於該光感測元件340，藉此分別產生對應至0LP2 0LP5的物體光點影像R0LP2 R0LP5的投射信息以及對應至PLP2 PLP5的平面光點影像RPLP2 RPLP5的預設信息。其中，R0LP2 R0LP5與RPLP2 RPLP5的中心偏移量系各別為D2 D5。而由於該光源320所產生的光束非常的小，且該電控擺動元件350的可控制的擺動角度也相當精密，使得藉由光點中心偏移量來計算深度信息的誤差系可接受的。而由於該光源320所發出的光束可涵蓋該待測物310的表面，故此該計算單元360可計算出該待測物310 —表面的深淺變化，進而獲得該待測物310的深度信息。於另一實施例中，可藉由光點的大小變形量來計算出待測物的深度信息。請參照圖4,其繪不本發明一實施例的一種位置及深度檢出系統400利用光點大小變形量來計算深度信息的示意圖。其中待測物410、光源420、光學系統430、光感測元件440、電控擺動元件450、計算單元460、儲存單元470、OLPl 0LP5、PLP1 PLP5、R0LP1 R0LP5、RPLPl RPLP5、H1 H5系類似於圖3中的待測物310、光源320、光學系統330、光感測元件340、電控擺動元件350、計算單元360、儲存單元370、0LP1 0LP5、PLP1 PLP5、R0LP1 R0LP5、RPLPl RPLP5、Hl H5，於此不再贅述。其中，由於該預設平面DP系已知，所以成像於該光感測元件440的RPLPl的預設信息系預先儲存於該儲存單元470。而該計算單元460則依據此RPLPl的預設信息與此R0LP1的投射信息得到此光點的一大小變形量，並藉此計算出該待測物410的深度信息。舉例來說，由於該電控擺動元件450的擺動角度系固定，所以當R0LP1與RPLPl兩者的間的大小變形量愈大時，例如是RPLPl與R0LP1的大小差異愈大，則代表光束投射至該待測物410上的光點OLPl與PLPl距離愈遠，藉此計算單元460可計算出該待測物410中OLPl所處的表面距離預設平面DP的距離Hl。以此類推，該電控擺動元件450的擺動角度系第二、第三、第四、第五角度吋，投射至該預設平面DP與該待測物410的光點系分別為PLP2 PLP5與0LP2 0LP5，而該光學系統430各別接收PLP2 PLP5與0LP2 0LP5的信息並成像於該光感測元件340，藉此分別產生對應至0LP2 0LP5的物體光點影像R0LP2 R0LP5的投射信息以及對應至PLP2 PLP5的平面光點影像RPLP2 RPLP5的預設信息。其中，該計算單元460分別依據R0LP2 R0LP5的投射信息與RPLP2 RPLP5的預設信息得到的光點的各別大小變形量，並藉此各別計算出各光點0LP2 0LP5各別距離該預設平面DP的距離H2 H5。故該計算単元460可計算出該待測物410的一表面的深淺變化，進而獲得該待測物410的深度信息。於再ー實施例中，可藉由光點的強度中心變異量來計算出待測物的深度信息。請參照圖5，其繪示本發明ー實施例的ー種位置及深度檢出系統500利用光點的強度中心變異量來計算深度信息的示意圖。其中待測物510、光源520、光學系統530、光感 測元件540、電控擺動元件550、計算單元560、儲存單元570、0LP1及PLPl系類似於圖3中的待測物310、光源320、光學系統330、光感測元件340、電控擺動元件350、計算單元360、儲存單元370、OLPl及PLPl，於此不再贅述。其中，當該電控擺動元件550的擺動角度系一特定角度時，投射於該待測物510表面上的光點為0LP1，投射於預設平面DP的光點為PLP1。El與E2系分別為光束投射於該預設平面DP的光點PLPl右側與左側的強度，而ΕΓ與E2』系分別為光束投射於該待測物510的光點OLPl右側與左側的強度。由於該預設平面DP系已知，所以該光感測元件440感測到投射於該預設平面DP的光點PLPl強度El、E2的預設信息系預先儲存於該儲存單元570中。而當該光感測元件440感測到投射於該待測物510表面的光點OLPl強度E1』與E2』的投射信息時，該計算單元560可依據此E1、E2的預設信息與ΕΓ與E2』的投射信息得到的光點的強度中心變異量來計算出光點的深度信息。舉例來說，投射於該預設平面DP的光點PLPl的強度中心系El與E2的平均，投射於該待測物510表面的光點OLPl的強度中心系ΕΓ與E2』的平均，而光點的強度中心變異量即為E1、E2的平均與E1』、E2』的平均的差異。其中由於光束的強度與行經路徑長短成反比，也就是當光束行進路徑愈長，其強度愈弱；所以，當光點的強度中心變異量愈大時，則代表投射於該待測物510表面的光點OLPl距離該預設平面DP的距離愈遠，據此該計算單元560可估算出該待測物510表面上光點OLPl距離該預設平面DP的距離Hl0綜上所述，雖於上述系個別以光點中心偏移量、光點大小變形量以及光點的強度中心變異量來計算出待測物的深度信息，然本發明並不限於此。舉例來說，計算単元可依據預設信息與投射信息得到光點的大小變形量與強度中心變異量來計算出待測物的深度信息。如此ー來，由於在某些特殊的表面凹凸狀況下，以光點的大小變形量所估算出的深度信息的誤差較以光點的強度中心變異量所估算出的深度信息為小；而在另ー些特殊的表面凹凸狀況下，以光點的大小變形量所估算出的深度信息的誤差較以光點的強度中心變異量所估算出的深度信息為大。所以結合兩種估算方式可提高所計算出的深度信息的精準度，結合方式例如是兩種計算結果的平均值。此外，本發明也不限於上述兩種估算方式的結合，「光點中心偏移量」、「光點大小變形量」、「光點的強度中心變異量」三者中任ニ或三者方式同時用於計算深度信息的方法及裝置皆屬於本發明的範圍。此外，由於可藉由計算單元計算出待測物表面的深度信息，所以計算單元更可藉由電控擺動元件於一不同時間以相同角度反射光源的光束，以及藉由光學系統於此不同時間所接收的投射信息，來計算出待測物於空間中的移動量。也就是說，藉由量測待測物表面的深度信息，即可推得此特測物的移動量。由於藉由簡單的元件架構即可推知待測物的移動量，此舉可增加此裝置的用途。再者，藉由光源在空間平面上所產生的光點形狀，例如是圓形、橢圓形、或圓形與橢圓形的反覆漸變形狀，可提升計算單元計算待測物表面的深度信息的精確性。如此一來，本發明僅需藉由光感測元件即可估算待測物表面的深淺變化。也就是說，本發明可以使用較少的元件及簡單的配置即可達到估算待測物表面深淺變化的需求。所以本發明具有不需複雜影像辨識處理而可提高反應效率的優點。此外，本發明的結構簡單，所需的設備成本也較低，故更具有成本低廉的優點。
綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作各種的更動與潤飾。因此，本發明的保護範圍當以權利要求範圍所界定者為準。
權利要求
1.ー種位置及深度檢出裝置，用以檢出具有一表面的ー待測物的位置及深度，其特徵在於，所述的裝置包括 ー電控擺動元件，經由以電氣驅動的一致動器控制該電控擺動元件的擺動角度； 一光源，藉由所述的電控擺動元件將所述的光源的光束反射至所述的表面以產生一光點； 一光學系統，用以接收投射至所述的表面的所述的光點的一投射信息； 一儲存單元，用以儲存投射至ー預設平面的所述的光點的一預設信息；以及 一計算單元，依據所述的投射信息與所述的預設信息計算出所述的待測物的一深度信息。
2.如權利要求I所述的位置及深度檢出裝置，其特徵在於，所述的計算單元更用以依據所述的預設信息與所述的投射信息得到的所述的光點的一中心偏移量來計算出所述的待測物的所述的深度信息。
3.如權利要求I所述的位置及深度檢出裝置，其特徵在於，所述的計算單元更用以依據所述的預設信息與所述的投射信息得到的所述的光點的一大小變形量來計算出所述的待測物的所述的深度信息。
4.如權利要求I所述的位置及深度檢出裝置，其特徵在於，所述的計算單元更用以依據所述的預設信息與所述的投射信息得到的所述的光點的一強度中心變異量來計算出所述的待測物的所述的深度信息。
5.如權利要求I所述的位置及深度檢出裝置，其特徵在於，所述的計算單元更用以依據所述的預設信息與所述的投射信息得到的所述的光點的一大小變形量與一強度中心變異量來計算出所述的待測物的所述的深度信息。
6.如權利要求I所述的位置及深度檢出裝置，其特徵在於，所述的電控擺動元件系以周期性擺動，所述的電控擺動元件的擺動角度可經由擺動頻率或給定信號決定。
7.如權利要求I所述的位置及深度檢出裝置，其特徵在於，所述的電控擺動元件的擺動角度的範圍系使得反射的所述的光束可涵蓋所需的空間平面。
8.如權利要求I所述的位置及深度檢出裝置，其特徵在於，所述的光學系統的視角涵蓋所需的空間平面。
9.如權利要求I所述的位置及深度檢出裝置，其特徵在於，所述的光學系統包括至少一鏡片。
10.如權利要求I所述的位置及深度檢出裝置，其特徵在於，所述的光源在空間平面上所產生的光點形狀為圓形。
11.如權利要求I所述的位置及深度檢出裝置，其特徵在於，所述的光源在空間平面上所產生的光點形狀為橢圓形。
12.如權利要求I所述的位置及深度檢出裝置，其特徵在於，所述的光源在空間平面上所產生的一光點形狀為圓形與橢圓形的反覆漸變形狀，所述的光點形狀可藉由所述的電控擺動元件的擺動角度與所述的光源的開啟與關閉所控制。
13.如權利要求11或第12所述的位置及深度檢出裝置，其特徵在於，所述的橢圓形光點系由脈衝寬度調變控制或脈衝頻率調變控制所產生。
14.一種檢出位置及深度的方法，用以檢出具有一表面的ー待測物的位置及深度，其特徵在於，所述的方法包括 利用一光源發射一光束； 所述的光束藉由ー電控擺動元件的往復擺動來反射至所述的表面，使得所述的光束掃描範圍涵蓋所述的表面並產生複數光點； 經由一光學系統接收投射至所述的表面的所述的光點的複數投射信息；以及 根據所述的光點投射至ー預設平面的複數預設信息與所述的投射信息，計算出所述的待測物的深度信息。
15.如權利要求14所述的檢出位置及深度的方法，其特徵在於，計算出所述的待測物的深度信息的步驟更包括 依據所述的預設信息與所述的投射信息得到的所述的光點的中心偏移量來計算出所述的待測物的深度信息。
16.如權利要求14所述的檢出位置及深度的方法，其特徵在於，計算出所述的待測物的深度信息的步驟更包括 依據所述的預設信息與所述的投射信息得到的所述的光點的大小變形量來計算出所述的待測物的深度信息。
17.如權利要求14所述的檢出位置及深度的方法，其特徵在於，計算出所述的待測物的深度信息的步驟更包括 依據所述的預設信息與所述的投射信息得到的所述的光點的強度中心變異量來計算出所述的待測物的深度信息。
18.如權利要求14所述的檢出位置及深度的方法，其特徵在於，計算出所述的待測物的深度信息的步驟更包括 依據所述的預設信息與所述的投射信息得到的所述的光點的大小變形量與強度中心變異量來計算出所述的待測物的深度信息。
19.如權利要求14所述的檢出位置及深度的方法，其特徵在於，更藉由所述的電控擺動元件於ー不同時間以相同角度反射所述的光源的所述的光束，以及藉由所述的光學系統於所述的不同時間所接收的所述的投射信息，來計算出所述的待測物於空間中的移動量。
全文摘要
本發明公開了一種位置及深度的檢出裝置及其方法。此檢出裝置用以檢出具有一表面的待測物的位置及深度，包括一電控擺動元件、一光源、一光學系統、一儲存單元及一計算單元。該電控擺動元件系經由以電氣驅動的一致動器控制此電控擺動元件的擺動角度。該光源系藉由此電控擺動元件將該光源的光束反射至此表面以產生光點。該光學系統用以接收投射至此表面的光點的投射信息。該儲存單元用以儲存投射至一預設平面的光點的預設信息。該計算單元系依據此投射信息與此預設信息計算出待測物的深度信息。
文檔編號G01B11/00GK102679868SQ20111013525
公開日2012年9月19日 申請日期2011年5月24日 優先權日2011年3月15日
發明者曾德生, 許文鴻, 黃澄儀 申請人:大立光電股份有限公司