专利名称：距离测量系统及其方法
技术领域：
本发明是有关于一种距离测量系统及其方法，尤指一种利用自动曝光控制机制， 增加曝光的动态范围和信号噪声比的距离测量系统及其方法。
背景技术：
在现有技术中，测距装置是对待测对象发射侦测光，并接收由待测对象反射侦测光所产生的反射光，再通过反射光的成像位置推算出测距装置与待测对象之间的距离。然而，在现有技术中，测距装置在感测待测对象所产生的反射光时，其感测装置的曝光控制单元并不会随着反射光的亮度自动动态调整感测装置的曝光时间、感测装置的感测模式、感测装置的输出增益和投射光源的供应电流，以至于测距装置无法增加曝光的动态范围和信号噪声比。另外，现有技术无法自动动态调整感测装置的曝光时间、感测装置的感测模式、 感测装置的输出增益以及投射光源的供应电流，所以会造成感测装置过度曝光或是曝光不足的情况以致于得到不正确的待测距离，以及电能使用效率较低。
发明内容
本发明的一实施例提供一种距离测量系统。该距离测量系统包括光源、传感器、曝光控制单元及测距装置。该光源是用以朝对象发射侦测光，且该侦测光在该对象的表面反射并形成反射光；该传感器是用以感测该反射光；该曝光控制单元是用以根据该传感器所感测该反射光的亮度对该反射光进行亮度收敛；及该测距装置是用以根据该反射光于该传感器的位置，侦测该对象与该光源和/或该传感器的距离。本发明的还一实施例提供一种距离测量的方法。该方法包括使用光源朝对象发射侦测光，且该侦测光在该对象的表面反射并形成反射光；使用传感器感测该反射光；根据该传感器所感测该反射光的亮度，对该反射光进行亮度收敛；及根据经由该反射光于该传感器的位置，侦测该对象与该光源和/或该传感器的距离。本发明所提供的一种距离测量系统，其包括的曝光控制单元可针对不同的应用领域自动动态调整传感器的曝光时间、该传感器的感测模式、该传感器的输出增益和/或光源的供应电流以控制该传感器感测到的反射光的亮度不会饱和亦不会太暗。因此，该距离测量系统可提升测距的精确度、增加该传感器曝光的动态范围、增加信号噪声比、增加测量距离的范围以及增加该距离测量系统的稳定度。
图1是本发明的一实施例说明距离测量系统的示意图。图2是说明当光源开启与关闭时，传感器所感测的第一图像和第二图像，以及辨识装置比对第一图像和第二图像，以判断经由待测对象表面反射至传感器的反射光。图3是说明曝光控制单元根据传感器所感测的反射光的亮度对反射光进行亮度收敛的示意图。
图4是说明经曝光控制单元对反射光进行亮度收敛后，传感器所感测反射光的亮度对曝光值的关系的示意图。
图5是本发明的还一实施例说明距离测量系统的示意图。 图6是本发明的还一实施例说明一种距离测量的方法的流程图。 其中，附图标记说明如下
100,500 102,502 104,504 106,506 108,508 110
112,512 114,514 202 204 206、208、210 212 516 600-616
距离测量系统光源
第一镜头第二镜头传感器辨识装置曝光控制单元测距装置第一图像第二图像売点第三图像红外线滤波器步骤
具体实施例方式请参照图1，图1是本发明的一实施例说明距离测量系统100的示意图。距离测量系统100包括光源102、第一镜头104、第二镜头106、传感器108、辨识装置110、曝光控制单元112及测距装置114。光源102是用以朝待测对象发射侦测光，其中光源102可为红外光发光二极管(IR LED)光源。第二镜头106安装于光源102及待测对象之间，用以将光源102所发出的侦测光汇聚至待测对象的表面，且汇聚后的侦测光经待测对象的表面反射后形成反射光。第一镜头104是安装于传感器108及待测对象之间，用以将反射光汇聚至传感器108。传感器108是用以感测汇聚过的反射光，其中传感器108在光源102开启时，感测第一图像；在光源102关闭时，感测第二图像。辨识装置110耦接于传感器108，用以比对第一图像和第二图像，以辨识由待测对象表面反射至传感器108的反射光所在的位置。曝光控制单元112耦接于传感器108，用以根据传感器108所感测的反射光的亮度以及反射光所在的位置对反射光进行亮度收敛，使得传感器108所感测的反射光的亮度不会过饱和或不足。测距装置114耦接于传感器108，用以根据反射光于传感器108成像的位置， 利用三角测量原理计算出待测对象与光源102和/或传感器108之间的距离。请参照图2，图2是说明当光源102开启与关闭时，传感器108所感测的第一图像 202和第二图像204，以及辨识装置110比对第一图像和第二图像，以判断经由待测对象表面反射至传感器108的反射光的示意图。如图2所示，第一图像202包括背景光源造成的亮点206、208和待测对象造成的亮点210 ；在第二图像204中，因为光源102关闭，所以只包括背景光源造成的亮点206、208。如此，辨识装置110比对第一图像202和第二图像204后即可排除传感器108感测到背景光源在传感器108上所成像的亮点206、208，得到只包括待测对象造成的亮点210的第三图像212。请参照图3和图4，图3是说明曝光控制单元112根据传感器108所感测的反射光的亮度对反射光进行亮度收敛的示意图。图4是说明经曝光控制单元112对反射光进行亮度收敛后，传感器108所感测反射光的亮度对曝光值的关系的示意图。当待测对象离距离测量系统100较远造成反射光的亮度太暗时，曝光控制单元112首先延长传感器108的曝光时间。如果，延长曝光时间到第一预设时间值(图3的A点)传感器108得到的曝光值还是不足时，此时切换传感器108的感测模式至高敏感度感测模式并将传感器108的曝光时间自第一预设时间值往下调整至第一调整值。如果传感器108得到的曝光值还是不够， 则曝光时间继续从第一调整值往上增加。当调整到传感器108的最大曝光时间时，曝光控制单元112开始增加传感器108输出信号的增益值。因此，如图4所示，经由曝光控制单元 112将使得传感器108所感测的反射光的亮度值和曝光值有线性关系。另外，曝光控制单元112亦能调整光源102的供应电流以增加光源102所发射侦测光的亮度，进而增加反射光的亮度。但本发明的实施例并不受限于曝光时间调整到传感器108的最大曝光时间时， 才开始增加传感器108输出信号的增益值；本发明的实施例亦可在曝光时间尚未调整到传感器108的最大曝光时间时，即开始增加传感器108输出信号的增益值。另外，当待测对象离距离测量系统100较近造成反射光亮度太亮时，曝光控制单元112先减少传感器108输出信号的增益值，以衰减传感器108感测反射光的亮度的值。如果传感器108感测反射光的亮度还是太亮，则曝光控制单元112进而减少传感器108的曝光时间。如果减少曝光时间到第二预设时间值(图3的B点)传感器108得到的曝光值还是太大时，此时切换传感器108的感测模式至低敏感度感测模式并将传感器108的曝光时间自第二预设时间值往上调整至第二调整值。如果传感器108得到的曝光值还是太大，则曝光时间继续从第二调整值往下减少。如此，如图4所示，经由曝光控制单元112将使得传感器108所感测的反射光的亮度值和曝光值有线性关系。另外，曝光控制单元112亦能调整光源102的供应电流以减少光源102所发射侦测光的亮度，进而降低反射光的亮度。但本发明的实施例不受限于先减少传感器108输出信号的增益值，然后再调整曝光时间；本发明的实施例亦可先调整曝光时间，然后再减少传感器108输出信号的增益值，或是两者可同时并行。此外，曝光控制单元112可针对不同应用情况，通过自动动态调整传感器108的曝光时间、传感器108的感测模式、传感器108的输出增益和/或光源102的供应电流以控制传感器108感测到的反射光的亮度。例如在某些特定的应用情况下，曝光控制单元112会调整传感器108感测到的反射光的亮度至灰阶值200左右。另外，曝光控制单元112亦可通过调整传感器108的感测模式(高、低敏感度感测模式)，使得曝光的动态范围增大。测距装置114耦接于传感器108，根据反射光于传感器108成像的位置(图1的 xl, x2点)，利用三角测量原理判断待测对象与光源102和/或传感器108的距离。请参照图5，图5是本发明的还一实施例说明距离测量系统500的示意图。距离测量系统500包括光源502、第一镜头504、第二镜头506、传感器508、曝光控制单元512及测距装置514，其中传感器508还包括红外线滤波器516。距离测量系统500和距离测量系统100的差别在于，距离测量系统500没有辨识装置。因为红外线滤波器516可过滤红外线以外的光线进入传感器508，所以传感器508不须感测第一图像(开启光源502)和第二图像(关闭光源50 ，即可直接辨识出经由待测对象表面反射至传感器508的反射光。除此之外，距离测量系统500其余操作原理皆和距离测量系统100相同，在此不再赘述。本发明的还一实施例则是综合距离测量系统100和距离测量系统500的辨识反射光的方法，也就是说同时利用传感器感测第一图像(开启光源)和第二图像(关闭光源)， 以及红外线滤波器辨识反射光。其余操作原理和距离测量系统100以及距离测量系统500 相同，在此不再赘述。本发明的还一实施例则是利用激光做为光源，其与距离测量系统100的差别在于不须利用第一镜头和第二镜头聚光，其余操作原理皆和距离测量系统100相同，在此不再赘述。请参照图6，图6是本发明的还一实施例说明一种距离测量的方法的流程图。图6 的方法是通过图1所示的距离测量系统100说明，其步骤是详述如下步骤600:开始；步骤602 光源102朝待测对象发射侦测光，且通过第二镜头106将侦测光聚光至待测对象的表面；步骤604 第一镜头104将经由待测对象表面反射的反射光聚光至传感器108 ；步骤606 当光源102开启时，使用传感器108感测第一图像；步骤608 当光源102关闭时，使用传感器108感测第二图像；步骤610 辨识装置110比对第一图像和第二图像，用以辨识经由对象表面反射至传感器108的反射光；步骤612 曝光控制单元112根据传感器108所感测反射光的亮度，对反射光进行亮度的收敛；步骤614 测距装置114根据经由反射光于传感器108成像的位置，判断待测对象与光源102和/或传感器108的距离；步骤616:结束。在步骤612，曝光控制单元112可通过自动动态调整传感器108的曝光时间、传感器108的感测模式、传感器108的输出增益和/或光源102的供应电流以控制传感器108 感测到的反射光的亮度值不会饱和亦不会太暗，以提升测距装置114的精确度。其中曝光控制单元112对反射光进行亮度收敛的过程详述如下当传感器108所获取反射光的亮度太暗时，增加传感器108的曝光时间直到第一预设时间值(图3的A点)，此时切换传感器 108的感测模式至高敏感度感测模式并将传感器108的曝光时间自第一预设时间值往下调整至第一调整值，然后再从第一调整值往上增加，当第一调整值往上增加至传感器108的最大曝光时间时，曝光控制单元112开始增加传感器108输出信号的增益值；另外，曝光控制单元112对也利用增加光源102的供应电流，以增加侦测光以及反射光的亮度。当该传感器所获取反射光的亮度太亮时，减少传感器108的曝光时间直到第二预设时间值，此时切换传感器108的感测模式至低敏感度感测模式并将传感器108的曝光时间自第二预设时间值往上调整至第二调整值，然后再从第二调整值往下减少；另外，曝光控制单元112也利用减少光源102的供应电流，以降低侦测光以及反射光的亮度。而本发明的还一实施例则是利用红外线光源以及红外线滤波器辨识反射光，或是同时利用传感器感测第一图像(开启光源)和第二图像(关闭光源)，以及红外线滤波器辨识反射光。 另外，图6的实施例亦可利用激光做为光源，因此就不必利用第一镜头和第二镜头聚光。综上所述，本发明所提供的距离测量系统和距离测量的方法，其曝光控制单元可针对不同的应用领域自动动态调整传感器的曝光时间、传感器的感测模式、传感器的输出增益和/或光源的供应电流以控制传感器感测到的反射光的亮度不会饱和亦不会太暗。如此，本发明所提供的距离测量系统和距离测量的方法，便可提升测距的精确度、增加传感器曝光的动态范围以及增加信号噪声比。以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
权利要求
1.一种距离测量系统，包括光源，用以朝对象发射侦测光，且该侦测光在该对象的表面反射并形成反射光； 传感器，用以感测该反射光； 该距离测量系统的特征在于还包括曝光控制单元，用以根据该传感器所感测该反射光的亮度对该反射光进行亮度收敛；及测距装置，用以根据该反射光于该传感器的位置，侦测该对象与该光源和/或该传感器的距离。
2.如权利要求1所述的距离测量系统，其特征在于，还包括第一镜头以及第二镜头，该第一镜头设于该传感器及该对象之间，用以将该反射光聚集至该传感器，而该第二镜头设于该光源及该对象之间，用以将该光源所发出该侦测光聚集至该对象的表面。
3.如权利要求1或2所述的距离测量系统，其特征在于，还包括辨识装置，用以辨识经由该第一镜头聚集到该传感器的该反射光，其中该传感器在该光源开启时，感测第一图像； 在该光源关闭时，感测第二图像；之后该辨识装置比对该第一图像和该第二图像，用以获取由该对象表面反射至该传感器的该反射光。
4.如权利要求1所述的距离测量系统，其特征在于，该光源是为红外线光，且该传感器还包括红外线滤波器，用以阻止红外线光以外光线进入该传感器。
5.如权利要求1所述的距离测量系统，其特征在于，该曝光控制单元是根据所感测该反射光的亮度调整该传感器的曝光时间，用以增加或减少该反射光进入该传感器的时间。
6.如权利要求1所述的距离测量系统，其特征在于，该曝光控制单元是根据所感测该反射光的亮度调整该传感器为高敏感度感测模式或低敏感度感测模式，用以调整该传感器接收该反射光的效率。
7.如权利要求1所述的距离测量系统，其特征在于，该曝光控制单元是根据所感测该反射光的亮度调整该传感器感测该反射光之后所输出信号的增益值，用以放大或衰减该传感器感测该反射光之后所输出代表该反射光的亮度的值。
8.如权利要求1所述的距离测量系统，其特征在于，该曝光控制单元进一步包括调整该光源的供应电流，用以增加或减少该光源所发射该侦测光的亮度，进而改变该反射光进入该传感器的亮度。
9.如权利要求1所述的距离测量系统，其特征在于，该光源是为发光二极管或激光光源。
10.一种距离测量的方法，包括使用光源朝对象发射侦测光，且该侦测光在该对象的表面反射并形成反射光； 使用传感器感测该反射光； 该距离测量的方法的特征在于还包括根据该传感器所感测该反射光的亮度，对该反射光进行亮度收敛；及根据经由该反射光于该传感器的位置，侦测该对象与该光源和/或该传感器的距离。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括使用第一镜头将该对象表面所反射该反射光聚集至该传感器，以及使用第二镜头将该光源所发射该侦测光聚集至该对象的表面。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，使用该传感器感测光线包括 当该光源开启时，使用该传感器感测第一图像；当该光源关闭时，使用该传感器感测第二图像；以及比对该第一图像和该第二图像，用以获取经由该对象表面反射至该传感器的该反射光。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，该光源所发出的该侦测光以及从该对象表面反射的该反射光是为红外光线，且该传感器还包括使用红外线滤波器，用以阻止红外线光以外光线进入该传感器。
14.如权利要求10所述的方法，其特征在于，对该反射光进行亮度收敛包括 当该传感器所获取该反射光的亮度太暗时，增加该传感器的曝光时间直到预设时间值，此时切换该传感器的感测模式至高敏感度感测模式并将该传感器的曝光时间自该预设时间值往下调整至调整值，然后再从该调整值往上增加，当该调整值往上增加至该传感器的最大曝光时间时，将该传感器所感测的光信号放大。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，对该反射光进行亮度收敛还包括在增加该传感器的曝光时间之前先增加该光源的供应电流，用以增加该侦测光以及该反射光的亮度。
16.如权利要求10所述的方法，其特征在于，对该反射光进行亮度收敛包括 当该传感器所获取该反射光的亮度太亮时，减少该传感器的曝光时间直到预设时间值，此时切换该传感器的感测模式至低敏感度感测模式并将该传感器的曝光时间自该预设时间值往上调整至调整值，然后再从该调整值往下减少。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，对该反射光进行亮度收敛还包括在减少该传感器的曝光时间之前先减少该光源的供应电流，用以降低该侦测光以及该反射光的亮度。
18.如权利要求10所述的方法，其特征在于，对该反射光进行亮度收敛包括 当该传感器所获取该反射光的亮度太暗时，增加该传感器的曝光时间，当该传感器所获取该反射光的亮度太亮时，减少该传感器的曝光时间。
19.如权利要求10所述的方法，其特征在于，对该反射光进行亮度收敛包括当该传感器所获取该反射光的亮度太暗时，切换该传感器的感测模式至高敏感度感测模式，当该传感器所获取该反射光的亮度太亮时，切换该传感器的感测模式至低敏感度感测模式。
20.如权利要求10所述的方法，其特征在于，对该反射光进行亮度收敛包括当该传感器所获取该反射光的亮度太暗时，将该传感器所感测的光信号放大，而该传感器所获取该反射光的亮度太亮时，将该传感器所感测的光信号衰减。
21.如权利要求10所述的方法，其特征在于，对该反射光进行亮度收敛包括当该传感器所获取该反射光的亮度太暗时，增加该光源的电流，而该传感器所获取该反射光的亮度太亮时，减少该光源的电流。
全文摘要
本发明公开了一种距离测量系统和距离测量的方法。利用光源朝对象发射侦测光。该对象反射该侦测光并且形成反射光。传感器用以感测该反射光。然后耦接于该传感器的曝光控制单元根据该传感器所感测该反射光的亮度对该反射光进行亮度收敛，以及耦接于该传感器的测距装置根据该反射光于该传感器成像的位置，侦测该对象与该光源和/或该传感器的距离。因此，本发明所提供的距离测量系统和距离测量的方法，可提升测量距离的精确度、增加传感器曝光的动态范围以及增加信号噪声比。
文档编号G01C3/00GK102314044SQ20101022345
公开日2012年1月11日 申请日期2010年7月2日 优先权日2010年7月2日
发明者廖祈杰, 许恩峯, 高铭璨 申请人:原相科技股份有限公司