非接触式光学感测装置及三维空间物件深度位置感测方法与流程

本发明涉及一种光学感测装置及感测方法，特别是一种非接触式光学感测装置及三维空间物件深度位置感测方法，利用非接触式的光学感测装置对三维空间中物件的深度位置加以感测。

背景技术：

随着科技的进步，电子产品日新月异，对电子产品的输入方式也随之进步。由传统式的实体按键输入，演进到虚拟的触控面板输入，近期更发展出非接触式的输入方式，使用者无须接触电子装置，电子装置通过非接触式的感测器来检测使用者于空中操作的手势，加以辨识后执行相对应的指令。尤其对于具有扩增实境(Augmented Reality,AR)功能的设备而言，使用非接触式的输入可使得输入更加直觉化，使用上可更加便利。现有的非接触式感测方法主要包含两种，一为近接感测(Proximity-Sensing)，另一为飞行时间感测(Time-Of-Flight Sensing)。

近接感测是利用光学元件照射光到物件后，所产生的反射光的能量大小来判断物件深度，但光的能量可能因物件的颜色不同而使得被吸收的光能量不同，使得位于相同位置的不同物件被判断为不同深度，例如使用者手指上配戴金属饰品，可能因金属饰品的吸光程度与手指不同，而使得金属饰品可能被判断为深度较浅或深度较深，因此，近接感测容易导致物件深度误判的情形。

飞行时间感测是利用光学元件照射光到物件后，所产生的反射光被接收时，光线发射与接收之间的时间差来判断物件深度，由于光速不会因物件吸收能量的大小而有所差异，因此飞行时间感测所测得的物件深度较为准确。

然而，利用飞行时间感测所测得的物件深度的可靠度相较于利用近接感测所测得的物件深度的可靠度而言，误差范围较大，请参阅以下公式：

飞行时间感测以不同相位时所测得的信息加以计算，而计算所得的物件深度位置d的误差范围δd，其计算公式与关系如下：

在飞行时间感测时的卜瓦松分布(Poisson distribution)为：

而深度位置的不可靠度则为：

其中

其中N0与N90分别代表在0度相位与90度相位时的光子数量，故在飞行时间感测下，其深度位置的不可靠度与光子数量之间呈现非线性的关系。

相对来说，近接感测以所测得的反射光能量来加以计算物件深度位置，其计算公式与关系如下：

则在近接感测时的卜瓦松分布(Poisson distribution)为：

而深度位置的不可靠度则为：

故在近接感测下，其深度位置的不可靠度与光子数量之间呈现线性的关系，且近接感测的不可靠度小于飞行时间感测的不可靠度。

因此，由于信噪比(Signal-to-Noise Ration,SNR)与不可靠度呈反比，故进而得知飞行时间感测的信噪比小于近接感测的信噪比，意味着飞行时间感测所测得的深度结果的误差范围大于近接感测所测得的深度结果的误差范围，例如飞行时间感测的误差范围若为0.02，则近接感测的误差范围可能为0.005，故使用近接感测的解析度将高于使用飞行时间感测的解析度。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种非接触式光学感测装置及三维空间物件深度位置感测方法，以解决分别使用现有技术中两种不同非接触式感测方法所各自产生的缺点。

为了实现上述目的，本发明提供了一种三维空间物件深度位置的感测方法，于一周期时间内包括以下步骤：

a.以一第一发光单元发射光线至一物件而产生一第一反射光，根据该第一发光单元发射光线的时间及该第一反射光被接收的时间的时间差，来获得一第一信息；(即飞行时间感测程序)

b.以一第二发光单元发射光线至该物件而产生一第二反射光，根据所接收到该第二反射光的强度，来获得一第二信息；(即近接感测程序)

c.依据该第一信息及该第二信息进行运算后判断该物件的深度位置。

为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种非接触式光学感测装置，其中包括：

一第一发光单元，发射光线至一物件；

一第二发光单元，发射光线至一物件；

一光电元件，接收该物件的反射光；

一第一开关元件，耦接至该光电元件；

一第二开关元件，耦接至该光电元件；

一控制单元，分别电连接于该第一发光单元、该第二发光单元、该光电元件、该第一开关元件及该第二开关元件，通过控制该第一开关元件与该第二开关元件以获得该光电元件的输出，其中该第一开关元件与该第二开关元件不同时导通；

其中该控制单元于单一周期时间内，分别执行以下步骤：

a.以该第一发光单元所发射的光线的发射时间与该光电元件所接收反射光的接收时间的时间差以获得该物件深度位置的第一信息；(即飞行时间感测程序)

b.以该光电元件所接收到对应于该第二发光单元的反射光的强度以获得该物件深度位置的第二信息；(即近接感测程序)

c.该控制单元依据该第一信息及该第二信息进行运算后判断该物件深度位置。

本发明的技术效果在于：

通过在同一周期时间内分别执行飞行时间感测程序及近接感测程序，则可获得两种不同感测方法所检测出的物件深度位置，进而经由运算后获得物件深度位置，以利用飞行时间感测的高准确性来弥补近接感测的低准确性，并利用近接感测的高解析度来弥补飞行时间感测的低解析度，因此，本发明可更加准 确地判断三维空间中非接触物件的深度位置。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明的非接触式光学感测装置设置于电子装置的示意图；

图2A为本发明的非接触式光学感测装置的方块示意图；

图2B为本发明的非接触式光学感测装置在执行TOF下的方块及信号示意图；

图2C为本发明的非接触式光学感测装置在执行PS下的方块及信号示意图；

图3为本发明的光电元件、第一开关元件与第二开关元件的电路示意图；

图4A为本发明的感测方法的第一实施例的流程图；

图4B为本发明的感测方法的第一实施例的时相图；

图5A为本发明的感测方法的第二实施例的流程图；

图5B为本发明的感测方法的第二实施例的时相图；

图6为本发明的感测方法的第三实施例的时相图；

图7为本发明的感测方法的第四实施例的时相图；

图8为本发明的感测方法中运算物件深度位置的第一实施例流程图；

图9为本发明的感测方法中运算物件深度位置的第二实施例流程图；

图10为图9的第一种具体实施例示意图；

图11为图9的第二种具体实施例示意图。

其中，附图标记

10 非接触式感测装置

11 发光单元

111 第一发光单元

112 第二发光单元

12 光电元件

13 第一开关元件

14 第二开关元件

15 控制单元

20 电子装置

S1 第一控制信号

S2 第二控制信号

S3 第三控制信号

S4 第四控制信号

S5 第五控制信号

S6 第六控制信号

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：

请参阅图1及图2A所示，本发明的非接触式光学感测装置10应用于电子装置20中，该非接触式光学感测装置10包含有一发光单元11、一光电元件12、一第一开关元件13、一第二开关元件14、及一控制单元15。

所述的发光单元11将光线发射至待测物件上，该发光单元11可包含有一个或一个以上的发光二极体(LED)。在一实施例中(如图2B及2C所示)，本发明可包含有一第一发光单元111及一第二发光单元112；在一实施例中(如图2A所示)，本发明包含有单一发光单元11，即第一发光单元与第二发光单元为同一发光单元。

所述光电元件12用以接收该待测物件的反射光，该反射光源自于该发光单元11所发射至该待测物件上所产生的反射光，该光电元件12可为光电门(photogate)型或光电二极管(photodiode)型。该光电元件12接收反射光后，转换为对应的电子，进而产生对应的信号。

请参阅图2A及图3所示，所述第一开关元件13及第二开关元件14分别耦接至该光电元件12，用以传送该光电元件12的信号至该控制单元15。在一实施例中，第一开关元件13包含一第一传递栅极TX1，第二开关元件14包含一第二传递栅极TX2，第一开关元件13连接至一第一电荷储存中继点FD1，第二开关元件14连接至一第二电荷储存中继点FD2。

所述控制单元15分别电连接于该发光单元11、该光电元件12、该第一开关元件13、及该第二开关元件14，该控制单元15用以分别控制该发光单元 11的启闭、该光电元件12的电位、该第一开关元件13及该第二开关元件14的启闭，并经由切换第一开关元件13及第二开关元件14来获得的该光电元件12的信号。

请参阅图2B、图2C、图4A及图5A所示，本发明于实施时，控制单元15于单一周期时间内，分别执行一飞行时间感测程序TOF及一近接感测程序PS，该控制单元15以控制信号分别控制该第一发光单元111、该第二发光单元112、该第一开关元件13及该第二开关元件14，该控制单元15通过控制该第一开关元件13及该第二开关元件14以获得该光电元件12的输出，而执行该飞行时间感测程序TOF的控制信号的频率与执行该近接感测程序PS的控制信号的频率相异。该飞行时间感测程序TOF以该第一发光单元111所发射的光线的发射时间与该光电元件12所接收反射光的接收时间的时间差来获得该待测物件深度位置的第一信息；该近接感测程序PS以该光电元件12所接收到对应于该第二发光单元112的反射光的强度来获得该待测物件深度位置的第二信息；该控制单元15依据该第一信息及该第二信息进行运算后判断该待测物件深度位置。

请参阅图2B、图4A及图4B所示，在一实施例中，先执行该飞行时间感测程序TOF，再执行该近接感测程序PS，且执行该飞行时间感测程序TOF的时间相同于执行该近接感测程序PS的时间。请参阅图2C、图5A及图5B所示，在另一实施例中，先执行该近接感测程序PS，再执行该飞行时间感测程序TOF。

请参阅图2B、图4B、图5B所示，于执行该飞行时间感测程序TOF时，该控制单元15控制该光电元件12开启，该控制单元15以一第一控制信号S1控制该第一发光单元111，并以一第二控制信号S2控制该第一开关元件13，以一第三控制信号S3控制该第二开关元件14，该第一控制信号S1的频率为第一发光频率，该第二及第三控制信号S2、S3的频率为第一取样频率，第一发光频率与第一取样频率相同。在一实施例中，当第一发光单元111开启时，第一开关元件13同时导通，而第二开关元件14延时导通，具体而言，该第二与第三控制信号S2、S3具有相位差，例如90度、180度、270度，如图4B及5B所示为90度，进一步而言，该第一控制信号S1与该第二控制信号S2的相位可为相同，或该第一控制信号S1与该第三控制信号S3的相位可为相同。 在一实施例中，该第二控制信号S2施加于该第一传递栅极TX1、该第三控制信号S3施加于该第二传递栅极TX2。

请参阅图2C、图4B、图5B所示，于执行该近接感测程序PS时，该控制单元15控制该光电元件12开启，该控制单元15以一第四控制信号S4控制该第二发光单元112，并以一第五控制信号S5控制该第一开关元件13，以一第六控制信号S6控制该第二开关元件14，该第四控制信号S4的频率为第二发光频率，该第五及第六控制信号S5、S6的频率为第二取样频率，第二发光频率与第二取样频率相同，但该飞行时间感测程序TOF的第一取样频率大于该近接感测程序的第二取样频率。在一实施例中，当第二发光单元112开启时，第一开关元件13同时导通，而第二开关元件14延时导通，具体而言，该第五与第六控制信号S5、S6之间具有相位差，例如90度、180度、270度，如图4B及5B所示为180度，进一步而言，该第四控制信号S4与该第五控制信号S5的相位可为相同，或该第四控制信号S4与该第六控制信号S6的相位可为相同。在一实施例中，该第五控制信号S5施加于该第一传递栅极TX1、该第六控制信号S6施加于该第二传递栅极TX2。

另外，执行该飞行时间感测程序TOF的时间可长于执行该近接感测程序PS的时间(如图6所示)；或执行该飞行时间感测程序TOF的时间可短于执行该近接感测程序PS的时间(如图7所示)。

进一步而言，该控制单元15依据第一信息及该第二信息进行运算后判断该待测物件深度位置，其运算方式可包含以下两种(但不限于此)：

1.请参阅图8所示，该控制单元15将第一信息及第二信息，分别乘上不同的权重参数(a、b)后，再加以计算来获得该待测物件的深度位置。在一实施例中，a＝b＝0.5，第一信息及第二信息分别乘上0.5后再相加以获得该待测物件的深度位置。

2.请参阅图9所示，该控制单元15先依据执行该飞行时间感测程序TOF所获得的该第一信息，来获得出待测物件的初步位置，再执行该近接感测程序PS来获得该第二信息，并依据该第二信息来对该所获得的待测物件的初步位置进行修正补偿，以获得该待测物件的深度位置。如此一来，可利用低解析度但检测到物体的绝对深度数据的第一信息来获得初步位置，接着再利用高解析度的该第二信息来修正该初步位置以获得该待测物件的深度位置。在一实施例 中，执行飞行时间感测程序TOF及近接感测程序PS的顺序可对调。在一实施例中，请参阅图10所示，于一周期时间内，执行一次飞行时间感测程序TOF获得初步深度位置为(z1)，执行两次近接感测程序PS来获得两组辅助判断深度位置分别为(z'11)及(z'12)，将辅助判断深度位置相减后获得Δz'1(Δz'1＝z'12-z'11)，而以Δz'1来修正补偿z1，则所获得的待测物件的深度位置为(z1+Δz'1)。在另一实施例中，请参阅图11所示，于一周期时间内，执行一次飞行时间感测程序TOF及一次近接感测程序PS，并以前后相邻的两个周期时间所获得的信息相互比较，以获得初步深度位置(z1)及辅助判断深度位置(z'11)及(z'12)，而同样将辅助判断深度位置相减后获得Δz'1(Δz'1＝z'12-z'11)，而以Δz'1来修正补偿z1，则所获得的待测物件的深度位置为(z1+Δz'1)。

因此，本发明通过在同一周期时间下分别执行具有高准确度的飞行时间感测程序TOF及具有高解析度的近接感测程序PS，而可同时获得两种不同非接触式感测程序对待测物件所检测到的深度位置信息，并经由运算后获得待测物件的深度位置，则本发明兼具高准确度与高解析度，而可准确的判断物件深度位置。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。