专利名称：测距装置、测距方法及互动式显示系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种量测装置、量测方法及显示系统，更具体地涉及一种测距装置、测距方法及互动式显示系统。
背景技术：
在现今的触控技术中，以平板电脑或是智能型手机为例，多通过使用者的手指对该装置的面板进行实际的按压或滑动的操作进行控制。另一方面，除了触控面板之外，亦可使用双个或多个镜头并通过视差的方法来获得场景内各物体的相对距离。然而，若要在短距离下获得高精度的距离侦测能力，以双镜头系统为例，则因距离分辨的解析度与镜头彼此距离呈正相关，而使整体系统在体积缩小上有其难度。另外，亦可发射一个额外的侦测光至待测场景，并通过光的飞行时间或是所投射的结构光的变化进行距离的判读。以飞行时间法为例，由于光速的高速性，对于较近物体的距离判断上需要能够处理高频信号的电子电路。此外，在投射结构光的方法中，因额外光源与投光装置的使用，则较难达到低能源损耗与缩小系统体积的要求。另外，虽然也有通过将额外光源对待测场景进行扫描后，通过物体的反射光位置差异来达成人机互动的效果，但却与投射结构光的方法有相同的问题。亦有使用单个镜头对场景进行多次取像，并通过自动对焦装置的回馈信号，来进行距离的判读。然而，自动对焦通常需一段时间来完成，因此不利于满足即时人机互动的需求
发明内容
本发明的一实施例提出一种测距装置，其包括取像镜头、图像感测单元及处理单元。取像镜头使所得图像具备多个图像参数，其中这些图像参数随着物距的变化而有不同的变化。取像镜头将物体成像于图像感测单元上，以形成图像，且图像感测单元将图像转换成信号。处理单元根据信号与这些图像参数随着物距的变化而产生的这些不同变化，来判断物体是否落在预设的物距范围内。本发明的一实施例提出一种测距方法，其包括下列步骤:通过取像镜头使所得图像具备多个图像参数，其中这些图像参数随着物距的变化而有不同的变化。通过取像镜头将物体成像，以得到图像。根据所得到的图像与这些图像参数随着物距的变化而产生的这些不同变化来判断物体是否落在预设的物距范围内。本发明的一实施例提出一种互动式显示系统，其包括图像产生单元及上述测距装置。图像产生单元在空间中形成显示图像。当处理单元判断物体落在预设的物距范围内时，处理单元判断物体触碰到显示图像。为让本发明的上述特征能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。
图1A为本发明的一实施例的互动式显示系统的示意图。图1B绘示图1A中的处理单元中的子处理单元。图2为图1A中的测距装置的示意图。图3A绘示图2中的取像镜头在不同的物距下的点扩散函数的能量分布。图3B为图2中的取像镜头所产生的图像参数随着物距的变化的曲线图。图4为图3B中X方向的模糊度数值与y方向的模糊度数值的差值随着物距的变化的曲线图。图5为本发明的另一实施例的互动式显示系统的示意图。图6为本发明的又一实施例的互动式显示系统的示意图。图7绘示图2中的取像镜头在不同的物距下的红光的点扩散函数与绿光的点扩散函数的能量分布。图8为图2中的取像镜头所产生的于空间频率为30线对数/毫米下的离焦调制转换函数。图9为图2中的取像镜头所产生的于X方向上的红光模糊度数值、X方向上的绿光模糊度数值、I方向上的红光模糊度数值与I方向上的绿光模糊度数值随着物距的变化的曲线图。图10为图9中X方向上的绿光模糊度数值与X方向上的红光模糊度数值的差值、y方向上的绿光模糊度数值与y方向上红光模糊度数值的差值、y方向上的红光模糊度数值与X方向上的红光模糊度数值的差值、ι方向上的绿光模糊度数值与X方向上的绿光模糊度数值的差值随着物距D的变化的曲线图。图11为本发明的再一实施例的取像镜头的示意图。图12A至图12G分别为图11的取像镜头于空间频率为10线对数/毫米、20线对数/毫米、30线对数/毫米、40线对数/毫米、50线对数/毫米、100线对数/毫米及200线对数/毫米时的离焦调制转换函数的曲线图。图13A至图13C分别为图11的取像镜头于物距34公分、33公分及32公分处的点扩散函数的能量分布图。图14为图11的取像镜头在特定的空间频率下于X方向及y方向的模糊度数值。图15为图14中在特定的空间频率下于X方向的模糊度数值变化的斜率及y方向的模糊度数值变化的斜率相对于物距的曲线图。图16为本发明的另一实施例的取像镜头的示意图。图17为图16的取像镜头的红光点扩散函数的能量分布图与绿光点扩散函数的能量分布图。图18为图16的取像镜头所产生的X方向红光模糊度数值、y方向红光模糊度数值、X方向绿光模糊度数值及I方向绿光模糊度数值随着物距的变化的曲线图。图19为图18中X方向上的绿光模糊度数值与X方向上的红光模糊度数值的差值及y方向上的绿光模糊度数值与y方向上红光模糊度数值的差值随着物距D的变化的曲线图。图20绘示图1的处理单元的处理流程的一实施例。
图21绘示处理单元计算出图像模糊度数值的流程的一实施例。图22为本发明的一实施例的具有色差式像差的取像镜头的调制转换函数曲线图。图23为本发明的一实施例的测距方法的流程图。其中，附图标记:50:物体60:眼睛100、100a、IOOb:互动式显示系统IlOUlOb:图像产生单元112、112b:显示图像120:中央处理单元200:测距装置210:图像感测单元220:处理单元222:位置判读子单元224:图像分割子单元 226:图像计算子单元228:距离判定子单元300、300c、300d:取像镜头
310、310c、310d:第一透镜320、320c、320d:第二透镜330、330c、330d:第三透镜340、340c、340d:第四透镜350、350c、350d:第五透镜A:光轴D:物距E:信号P110、P120、P132、P134、P136、P140、P150、P160、Q110、Q122、Q124、Q130、Q140、SllO S130:步骤R1、R2:区域SI S10、Slc SlOc, Sld SlOd:表面
具体实施例方式图1A为本发明的一实施例的互动式显示系统的示意图，图1B绘示图1A中的处理单元中的子处理单元，图2为图1A中的测距装置的示意图，图3A绘示图2中的取像镜头在不同的物距下的点扩散函数的能量分布，而图3B为图2中的取像镜头所产生的图像参数随着物距的变化的曲线图。请参照图1A、图2、图3A与图3B，本实施例的互动式显示系统100包括图像产生单元110及测距装置200。图像产生单元110在空间中形成显示图像112。在本实施例中，显示图像112例如为实像。然而，在其他实施例中，显示图像112亦可以是虚像。此外，图像产生单元110例如为投影装置、立体显示器或任何可以在空间中形成实像或虚像的图像产生装置。测距装置200包括取像镜头300、图像感测单元210及处理单元220。取像镜头300使所得图像具备多个图像参数，其中这些图像参数随着物距D的变化而有不同的变化。物距D为空间中的物体至取像镜头300的距离，例如是物体50至取像镜头300中最靠近物侧的第一透镜310的最靠近物侧的表面SI在取像镜头300的光轴A上的距离。在本实施例中，这些图像参数包括在两个不同的方向上的图像模糊度数值(blur metric)(或可称为清晰度(sharpness)),且这两个不同的方向可彼此实质上垂直。举例而言,物体50与测距装置200所在的空间可利用含有X轴、y轴与z轴的直角坐标系来定义，其中X轴、y轴与z轴彼此互相垂直，而这两个不同的方向例如为X方向与y方向。图像模糊度数值(blur metric)(或可称为清晰度(sharpness))是一个与图像的模糊程度有关的数值，这个数值的产生方式可参照期刊SPIE Electronic ImagingSymposium Conf Human Vision and Electronic Imaging,San Jose:Etats-UnisdJ Amerique(2007)hal-00232709, version 1-1 Feb2008 中 Laboratoire des Images etdes Signaux 的Frederique Crete,Thierry Dolmierej Patricia Ladretj Marina Nicolas等人的标题为“The Blur Effect !Perception and Estimation with a New No-ReferencePerceptual Blur Metric”的著作，亦可参照师大学报:数理科技类民国95年，51 (I)，21-31 (Journal of Taiwan Normal University:Mathematics, Science&Technology2006, 51 (1)，21-31)中锺允中、张祥利、王俊明及陈世旺(Yun-Chung Chung, Shyang-LihChang, Jung-Ming Wang及Se1-Wang Chen)等人的标题为“基于边缘分析的模糊测量标准—于图像处理的应用(An Edge Analysis Based Blur Measure for Image ProcessingApplications)” 的著作，亦可参照期刊 ELECTRONICS LETTERS 5th November 2009Vol.45 N0.23 的 A.Ciancioj A.L N.T.da Costa, E.A.B.da Silva, A.Said, R.Samadani 及P.0brador等人的标题为“Objective no-reference image blur metric based on localphase coherence” 的著作，亦可参照期刊 Optical Engineering(OE)Letters May 2010/Vol.49 (5)第 050501-1 至 050501-1 页的 Yu Han，Xiaoming Xu，and Yunze Cai 等人的标题为“Novel no-reference image blur metric based on block-based discrete cosinetransform statistics，，的著作，亦可参照 Aditya Anchuri Stanford University, MS 2011Ref:Dr.Joyce Farrell PSYCH221 的标题为 “Image Blur Metrics” 的著作(此份资料可通过网址 http://scien.Stanford.edu/pages/labsite/2010/psych221/projects/2010/AdityaAnchuri/main.p df 链接到)，亦可参照期刊 2009IEEEInternational Conferenceon Imaging Processing(ICIP)第 4396-4372 页中 Luhong Liang，Jianhua Chen，SiweiMaj Debin Zhao, Wen Gao 等人的标题为“A NO-REFERENCE PERCEPTUAL BLUR METRIC USINGHISTOGRAM OF GRADIENT PROFILE SHARPNESS” 的著作，亦可参照期刊 IEEE TRANSACTIONSON IMAGE PROCESSING，VOL 20，N0.9，SEPTEMBER2011 的 Niranjan D.Narvekar and LinaJ.Karamj Senior Member，IEEE等人的标题为“A No-Reference Image Blur Metric Basedon the Cumulative Probability of Blur Detection(CPBD) ” 的著作，亦可参照期刊2002IEEE International Conference on Imaging Processing(ICIP)的第 111-57 至ΙΙΙ-60 页的 Pina Marzilianoj Frederic Dufauxj Stefan Wnkler and Touradj Ebrahimi等人的标题为 “AN0-REFERENCE PERCEPTUAL BLUR METRIC” 的著作。在本实施例中，图像模糊度数值越大代表图像越清晰。但在另一实施例中，随着图像模糊度数值的计算方式的不同，亦可以是图像模糊度数值越大代表图像越模糊，即越不清晰。取像镜头300将物体50成像于图像感测单元210上，以形成图像，且图像感测单元210将此图像转换成信号E。在本实施例中，信号E例如是电信号。此外，在本实施例中，物体50例如为使用者的手指、手、触控笔或其他物体。此外，图像感测单元210例如为电荷率禹合元件(charge coupled device, CO))、互补式金氧半导体感测元件(complementarymetal oxide semiconductor sensor, CMOS sensor)或其他适当的图像感测兀件。处理单元220根据信号E与这些图像参数随着物距D的变化而产生的这些不同变化，来判断物体50是否落在预设的物距范围内。在本实施例中，当处理单元220判断物体50落在预设的物距范围内时，处理单元判断物体50触碰到显示图像112。换言之，显示图像112与取像镜头300的距离是落在此预设的物距范围内。在本实施例中，取像镜头300的点扩散函数的能量分布在两个不同的方向上的集中程度在不同的物距D上达到极值。举例而言，在图3A中，由左至右的点状分布图形分别是随着物距D增加时的点扩散函数的能量分布。由图3A可知，当物距约为30公分时，点扩散函数在X方向(例如为水平方向)的能量分布最集中。换言之，在物距约为30公分时，取像镜头300在X方向上的图像模糊度数值最大(亦即图像最为清晰)，如图3B所绘示。另一方面，当物距约为26.8公分时，点扩散函数在y方向(例如为垂直方向)的能量分布最集中。换言之，在物距约为26.8公分时，取像镜头300在y方向上的图像模糊度数值为最大(亦即图像最为清晰),如图3B所绘示。在本实施例中，取像镜头具有至少一非轴对称透镜(在本实施例中是以第一透镜310为例，如图2所绘示)。非轴对称透镜(如第一透镜310)具有至少一非轴对称曲面(在本实施例中是以第一透镜310的表面S2为例),且非轴对称曲面(如表面S2)在两个不同的方向上(如在X方向与y方向上)的形貌不相同，故可使点扩散函数的能量分布在X方向上与在I方向上分别于不同的物距D上达到最为集中的状态，亦即使X方向的图像模糊度数值与I方向的图像模糊度数值分别在不同的物距D上达到最大值。在本实施例中，取像镜头300包括由物侧至像侧依序排列的第一透镜310、第二透镜320、第三透镜330、第四透镜340及第五透镜350，且第一透镜310、第二透镜320、第三透镜330、第四透镜340及第五透镜350的屈光度(refractive power)分别为正、负、负、正及负。此外,孔径光阑(aperture stop)可位于第一透镜310的表面S2。具体而言，从侧视方向看去(X坐标方向)，第一透镜310例如为凸面朝向物侧的正弯月形透镜(positive meniscus lens),第二透镜320例如为凸面朝向物侧的负弯月形透镜，第三透镜330例如为凸面朝向像侧的负弯月形透镜，第四透镜340例如为双凸透镜(biconvex lens),且第五透镜350例如为双凹透镜(biconcave lens)。以下内容将举取像镜头300的一实施例。需注意的是，下述的表一中所列的数据资料并非用以限定本发明，任何所属技术领域中一般技术人员在参照本发明的后，当可对其参数或设定作适当的变动，惟其仍应属于本发明的范畴内。(表一)
权利要求
1.一种测距装置，其特征在于，包括: 取像镜头，使该取像镜头的所得图像具备多个图像参数，其中该多个图像参数随着物距的变化而有不同的变化； 图像感测单元，其中该取像镜头将物体成像于该图像感测单元上，以形成图像，且该图像感测单元将该图像转换成信号；以及 处理单元，根据该信号与该多个图像参数随着该物距的变化而产生的该多个不同变化，来判断该物体是否落在预设的物距范围内。
2.如权利要求1所述的测距装置，其特征在于，该多个图像参数包括在两个不同的方向上的图像模糊度数值。
3.如权利要求2所述的测距装置，其特征在于，该两个不同的方向彼此实质上垂直。
4.如权利要求1所述的测距装置，其特征在于，该多个图像参数包括多个不同色光的图像模糊度数值。
5.如权利要求1所述的测距装置，其特征在于，该多个图像参数包括多个不同空间频率的图像模糊度数值。
6.如权利要求1所述的测距装置，其特征在于，该处理单元还根据该多个图像参数的差值随着该物距的变化来判断该物体是否落在该预设的物距范围内。
7.如权利 要求1所述的测距装置，其特征在于，该处理单元还根据该多个图像参数随着该物距的变化的斜率相对于该物距的变化而产生的不同变化来判断该物体是否落在该预设的物距范围内。
8.如权利要求1所述的测距装置，其特征在于，该取像镜头的点扩散函数的能量分布在两个不同的方向上的集中程度在不同的该物距上达到极值。
9.如权利要求8所述的测距装置，其特征在于，该两个不同的方向彼此实质上垂直。
10.如权利要求8所述的测距装置，其特征在于，该取像镜头具有至少一非轴对称透镜，该非轴对称透镜具有至少一非轴对称曲面，且该非轴对称曲面在该两个不同的方向上的形貌不相同。
11.如权利要求1所述的测距装置，其特征在于，该取像镜头的多个不同色光的点扩散函数的能量分布随着该物距的变化而有不同的变化。
12.如权利要求11所述的测距装置，其特征在于，该取像镜头的轴向色差除以焦距是落在从0.0010到0.0100或从-0.0010到-0.0100的范围内，且该轴向色差为该多个图像参数所对应的不同色光的轴向色差。
13.如权利要求1所述的测距装置，其特征在于，该处理单元还根据该多个图像参数于事前校正所得的阀值，来决定该处理单元是否开始根据该信号判断该物体是否落在该预设的物距范围内。
14.如权利要求13所述的测距装置，其特征在于，该处理单元还根据该多个图像参数相对于该物距的变化的极值来决定该物体的物距。
15.如权利要求1所述的测距装置，其特征在于，该处理单元还根据该多个图像参数相对于该物距的变化的极值来决定该物体的物距。
16.如权利要求1所述的测距装置，其特征在于，该处理单元处理该信号，以得到分别对应于该多个图像参数的多个图像数值，且该处理单元通过比对不同时间所得到的该多个图像数值的相对变化来决定该物体的物距。
17.如权利要求1所述的测距装置，其特征在于，该处理单元处理该信号，以得到分别对应于该多个图像参数的多个图像数值，且该处理单元通过比对不同时间所得到的该多个图像数值与该多个图像参数于事前校正所得的阀值来决定该物体的物距。
18.如权利要求1所述的测距装置，其特征在于，该处理单元根据图像感测单元于一次拍摄所得到的该信号来判断该物体的物距。
19.如权利要求1所述的测距装置，其特征在于，该处理单元包括: 位置判读子单元，根据该信号决定该物体于垂直于该物距的方向上的位置； 图像分割子单元，从该图像中选取对应于该物体的待分析图像的范围； 图像计算子单元，根据所选取的该待分析图像计算出分别对应于该多个图像参数的多个图像数值；以及 距离判定子单元，根据所计算出的该多个图像数值决定该物体的物距。
20.一种测距方法，其特征在于，包括: 通过取像镜头使其所 得图像具备多个图像参数，其中该多个图像参数随着物距的变化而有不同的变化； 通过该取像镜头将物体成像，以得到图像；以及 根据所得到的该图像与该多个图像参数随着该物距的变化而产生的该多个不同变化来判断该物体是否落在预设的物距范围内。
21.如权利要求20所述的测距方法，其特征在于，该多个图像参数包括在两个不同的方向上的图像模糊度数值。
22.如权利要求21所述的测距方法，其特征在于，该两个不同的方向彼此实质上垂直。
23.如权利要求20所述的测距方法，其特征在于，该多个图像参数包括多个不同色光的图像模糊度数值。
24.如权利要求20所述的测距方法，其特征在于，该多个图像参数包括多个不同空间频率的图像模糊度数值。
25.如权利要求20所述的测距方法，其特征在于，判断该物体是否落在该预设的物距范围内的方法包括: 根据该多个图像参数的差值随着该物距的变化来判断该物体是否落在该预设的物距范围内。
26.如权利要求20所述的测距方法，其特征在于，判断该物体是否落在该预设的物距范围内的方法包括: 根据该多个图像参数随着该物距的变化的斜率相对于该物距的变化而产生的不同变化来判断该物体是否落在该预设的物距范围内。
27.如权利要求20所述的测距方法，其特征在于，通过该取像镜头产生该多个图像参数的方法包括使该取像镜头的点扩散函数的能量分布在两个不同的方向上的集中程度在不同的该物距上达到极值。
28.如权利要求27所述的测距方法，其特征在于，该两个不同的方向彼此实质上垂直。
29.如权利要求20所述的测距方法，其特征在于，通过该取像镜头产生该多个图像参数的方法包括:使该取像镜头的多个不同色光的点扩散函数的能量分布随着该物距的变化而有不同的变化。
30.如权利要求29所述的测距方法，其特征在于，使该取像镜头的该多个不同色光的点扩散函数的能量分布随着该物距的变化而有不同的变化的方法包括: 使该取像镜头的轴向色差除以焦距落在从0.0010到0.0100或从-0.0010到-0.0100的范围内，其中该轴向色差为该多个图像参数所对应的不同色光的轴向色差。
31.如权利要求20所述的测距方法，其特征在于，判断该物体是否落在该预设的物距范围内的方法包括: 根据该多个图像参数于事前校正所得的阀值，来决定是否开始根据该图像判断该物体是否落在该预设的物距范围内。
32.如权利要求31所述的测距方法，其特征在于，还包括: 根据该多个图像参数相对于该物距的变化的极值来决定该物体的物距。
33.如权利要求20所述的测距方法，其特征在于，还包括: 根据该多个图像参数相对于该物距的变化的极值来决定该物体的物距。
34.如权利要求20所述的测距方法，其特征在于，还包括: 分析该图像，以得到分别对应于该多个图像参数的多个图像数值；以及 通过比对不同时间所得到的图像数值的相对变化来决定该物体的物距。
35.如权利要求20所述的测距方法，其特征在于，还包括: 分析该图像，以得到分别对应于该多个图像参数的多个图像数值；以及通过比对不同时间所得到的该多个图像数值与该多个图像参数于事前校正所得的阀值来决定该物体的物距。
36.如权利要求20所述的测距方法，其特征在于，还包括: 通过该取像镜头对该物体的一次成像所得到一个该图像来判断该物体的物距。
37.如权利要求20所述的测距方法，其特征在于，还包括: 根据该图像决定该物体于垂直于该物距的方向上的位置； 从该图像中选取对应于该物体的待分析图像的范围； 根据所选取的该待分析图像计算出分别对应于该多个图像参数的多个图像数值；以及 根据所计算出的该多个图像数值决定该物体的物距。
38.一种互动式显示系统，其特征在于，包括: 图像产生单元，在空间中形成显示图像；以及 测距装置，包括: 取像镜头，产生多个图像参数，其中该多个图像参数随着物距的变化而有不同的变化； 图像感测单元，其中该取像镜头将物体成像于该图像感测单元上，以形成物体的图像，且该图像感测单元将该物体的图像转换成信号；以及 处理单元，根据该信号与该多个图像参数随着该物距的变化而产生的该多个不同变化，来判断该物体是否落在预设的物距范围内，且当该处理单元判断该物体落在该预设的物距范围内时，该处理单元判断该物体触碰到该显示图像。
39.如权利要求38所述的互动式显示系统，其特征在于，该显示图像为实像。
40.如权利要求38所述的互动式显示系统，其特征在于，该显示图像为虚像。
41.如权利要求38所述的互动式显示系统，其特征在于，该图像产生单元与该测距装置位于该显示图像的相对两侧。
42.如权利要求38所述的互动式显示系统，其特征在于，该图像产生单元与该测距装置位于该显示图像的同 一侧。
全文摘要
本发明公开了一种测距装置，包括取像镜头、图像感测单元及处理单元。取像镜头产生多个图像参数，其中这些图像参数随着物距的变化而有不同的变化。取像镜头将物体成像于图像感测单元上，以形成图像，且图像感测单元将图像转换成信号。处理单元根据信号与这些图像参数随着物距的变化，来判断物体是否落在预设的物距范围内。一种测距方法与互动式显示系统亦被提出。
文档编号G01C3/00GK103185568SQ20121029499
公开日2013年7月3日 申请日期2012年8月17日 优先权日2011年12月29日
发明者张铨仲, 王淇霖, 陈永霖, 张奇伟, 刁国栋, 林显昌, 陈加珍, 黄维嘉 申请人:财团法人工业技术研究院