本發(fā)明涉及一種光學(xué)感測(cè)裝置及感測(cè)方法，特別是一種非接觸式光學(xué)感測(cè)裝置及三維空間物件深度位置感測(cè)方法，利用非接觸式的光學(xué)感測(cè)裝置對(duì)三維空間中物件的深度位置加以感測(cè)。

背景技術(shù)：

隨著科技的進(jìn)步，電子產(chǎn)品日新月異，對(duì)電子產(chǎn)品的輸入方式也隨之進(jìn)步。由傳統(tǒng)式的實(shí)體按鍵輸入，演進(jìn)到虛擬的觸控面板輸入，近期更發(fā)展出非接觸式的輸入方式，使用者無(wú)須接觸電子裝置，電子裝置通過(guò)非接觸式的感測(cè)器來(lái)檢測(cè)使用者于空中操作的手勢(shì)，加以辨識(shí)后執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的指令。尤其對(duì)于具有擴(kuò)增實(shí)境(Augmented Reality,AR)功能的設(shè)備而言，使用非接觸式的輸入可使得輸入更加直覺(jué)化，使用上可更加便利?，F(xiàn)有的非接觸式感測(cè)方法主要包含兩種，一為近接感測(cè)(Proximity-Sensing)，另一為飛行時(shí)間感測(cè)(Time-Of-Flight Sensing)。

近接感測(cè)是利用光學(xué)元件照射光到物件后，所產(chǎn)生的反射光的能量大小來(lái)判斷物件深度，但光的能量可能因物件的顏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斷為不同深度，例如使用者手指上配戴金屬飾品，可能因金屬飾品的吸光程度與手指不同，而使得金屬飾品可能被判斷為深度較淺或深度較深，因此，近接感測(cè)容易導(dǎo)致物件深度誤判的情形。

飛行時(shí)間感測(cè)是利用光學(xué)元件照射光到物件后，所產(chǎn)生的反射光被接收時(shí)，光線(xiàn)發(fā)射與接收之間的時(shí)間差來(lái)判斷物件深度，由于光速不會(huì)因物件吸收能量的大小而有所差異，因此飛行時(shí)間感測(cè)所測(cè)得的物件深度較為準(zhǔn)確。

然而，利用飛行時(shí)間感測(cè)所測(cè)得的物件深度的可靠度相較于利用近接感測(cè)所測(cè)得的物件深度的可靠度而言，誤差范圍較大，請(qǐng)參閱以下公式：

飛行時(shí)間感測(cè)以不同相位時(shí)所測(cè)得的信息加以計(jì)算，而計(jì)算所得的物件深度位置d的誤差范圍δd，其計(jì)算公式與關(guān)系如下：

在飛行時(shí)間感測(cè)時(shí)的卜瓦松分布(Poisson distribution)為：

而深度位置的不可靠度則為：

其中

其中N0與N90分別代表在0度相位與90度相位時(shí)的光子數(shù)量，故在飛行時(shí)間感測(cè)下，其深度位置的不可靠度與光子數(shù)量之間呈現(xiàn)非線(xiàn)性的關(guān)系。

相對(duì)來(lái)說(shuō)，近接感測(cè)以所測(cè)得的反射光能量來(lái)加以計(jì)算物件深度位置，其計(jì)算公式與關(guān)系如下：

則在近接感測(cè)時(shí)的卜瓦松分布(Poisson distribution)為：

而深度位置的不可靠度則為：

故在近接感測(cè)下，其深度位置的不可靠度與光子數(shù)量之間呈現(xiàn)線(xiàn)性的關(guān)系，且近接感測(cè)的不可靠度小于飛行時(shí)間感測(cè)的不可靠度。

因此，由于信噪比(Signal-to-Noise Ration,SNR)與不可靠度呈反比，故進(jìn)而得知飛行時(shí)間感測(cè)的信噪比小于近接感測(cè)的信噪比，意味著飛行時(shí)間感測(cè)所測(cè)得的深度結(jié)果的誤差范圍大于近接感測(cè)所測(cè)得的深度結(jié)果的誤差范圍，例如飛行時(shí)間感測(cè)的誤差范圍若為0.02，則近接感測(cè)的誤差范圍可能為0.005，故使用近接感測(cè)的解析度將高于使用飛行時(shí)間感測(cè)的解析度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種非接觸式光學(xué)感測(cè)裝置及三維空間物件深度位置感測(cè)方法，以解決分別使用現(xiàn)有技術(shù)中兩種不同非接觸式感測(cè)方法所各自產(chǎn)生的缺點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種三維空間物件深度位置的感測(cè)方法，于一周期時(shí)間內(nèi)包括以下步驟：

a.以一第一發(fā)光單元發(fā)射光線(xiàn)至一物件而產(chǎn)生一第一反射光，根據(jù)該第一發(fā)光單元發(fā)射光線(xiàn)的時(shí)間及該第一反射光被接收的時(shí)間的時(shí)間差，來(lái)獲得一第一信息；(即飛行時(shí)間感測(cè)程序)

b.以一第二發(fā)光單元發(fā)射光線(xiàn)至該物件而產(chǎn)生一第二反射光，根據(jù)所接收到該第二反射光的強(qiáng)度，來(lái)獲得一第二信息；(即近接感測(cè)程序)

c.依據(jù)該第一信息及該第二信息進(jìn)行運(yùn)算后判斷該物件的深度位置。

為了更好地實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了一種非接觸式光學(xué)感測(cè)裝置，其中包括：

一第一發(fā)光單元，發(fā)射光線(xiàn)至一物件；

一第二發(fā)光單元，發(fā)射光線(xiàn)至一物件；

一光電元件，接收該物件的反射光；

一第一開(kāi)關(guān)元件，耦接至該光電元件；

一第二開(kāi)關(guān)元件，耦接至該光電元件；

一控制單元，分別電連接于該第一發(fā)光單元、該第二發(fā)光單元、該光電元件、該第一開(kāi)關(guān)元件及該第二開(kāi)關(guān)元件，通過(guò)控制該第一開(kāi)關(guān)元件與該第二開(kāi)關(guān)元件以獲得該光電元件的輸出，其中該第一開(kāi)關(guān)元件與該第二開(kāi)關(guān)元件不同時(shí)導(dǎo)通；

其中該控制單元于單一周期時(shí)間內(nèi)，分別執(zhí)行以下步驟：

a.以該第一發(fā)光單元所發(fā)射的光線(xiàn)的發(fā)射時(shí)間與該光電元件所接收反射光的接收時(shí)間的時(shí)間差以獲得該物件深度位置的第一信息；(即飛行時(shí)間感測(cè)程序)

b.以該光電元件所接收到對(duì)應(yīng)于該第二發(fā)光單元的反射光的強(qiáng)度以獲得該物件深度位置的第二信息；(即近接感測(cè)程序)

c.該控制單元依據(jù)該第一信息及該第二信息進(jìn)行運(yùn)算后判斷該物件深度位置。

本發(fā)明的技術(shù)效果在于：

通過(guò)在同一周期時(shí)間內(nèi)分別執(zhí)行飛行時(shí)間感測(cè)程序及近接感測(cè)程序，則可獲得兩種不同感測(cè)方法所檢測(cè)出的物件深度位置，進(jìn)而經(jīng)由運(yùn)算后獲得物件深度位置，以利用飛行時(shí)間感測(cè)的高準(zhǔn)確性來(lái)彌補(bǔ)近接感測(cè)的低準(zhǔn)確性，并利用近接感測(cè)的高解析度來(lái)彌補(bǔ)飛行時(shí)間感測(cè)的低解析度，因此，本發(fā)明可更加準(zhǔn) 確地判斷三維空間中非接觸物件的深度位置。

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，但不作為對(duì)本發(fā)明的限定。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的非接觸式光學(xué)感測(cè)裝置設(shè)置于電子裝置的示意圖；

圖2A為本發(fā)明的非接觸式光學(xué)感測(cè)裝置的方塊示意圖；

圖2B為本發(fā)明的非接觸式光學(xué)感測(cè)裝置在執(zhí)行TOF下的方塊及信號(hào)示意圖；

圖2C為本發(fā)明的非接觸式光學(xué)感測(cè)裝置在執(zhí)行PS下的方塊及信號(hào)示意圖；

圖3為本發(fā)明的光電元件、第一開(kāi)關(guān)元件與第二開(kāi)關(guān)元件的電路示意圖；

圖4A為本發(fā)明的感測(cè)方法的第一實(shí)施例的流程圖；

圖4B為本發(fā)明的感測(cè)方法的第一實(shí)施例的時(shí)相圖；

圖5A為本發(fā)明的感測(cè)方法的第二實(shí)施例的流程圖；

圖5B為本發(fā)明的感測(cè)方法的第二實(shí)施例的時(shí)相圖；

圖6為本發(fā)明的感測(cè)方法的第三實(shí)施例的時(shí)相圖；

圖7為本發(fā)明的感測(cè)方法的第四實(shí)施例的時(shí)相圖；

圖8為本發(fā)明的感測(cè)方法中運(yùn)算物件深度位置的第一實(shí)施例流程圖；

圖9為本發(fā)明的感測(cè)方法中運(yùn)算物件深度位置的第二實(shí)施例流程圖；

圖10為圖9的第一種具體實(shí)施例示意圖；

圖11為圖9的第二種具體實(shí)施例示意圖。

其中，附圖標(biāo)記

10 非接觸式感測(cè)裝置

11 發(fā)光單元

111 第一發(fā)光單元

112 第二發(fā)光單元

12 光電元件

13 第一開(kāi)關(guān)元件

14 第二開(kāi)關(guān)元件

15 控制單元

20 電子裝置

S1 第一控制信號(hào)

S2 第二控制信號(hào)

S3 第三控制信號(hào)

S4 第四控制信號(hào)

S5 第五控制信號(hào)

S6 第六控制信號(hào)

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理和工作原理作具體的描述：

請(qǐng)參閱圖1及圖2A所示，本發(fā)明的非接觸式光學(xué)感測(cè)裝置10應(yīng)用于電子裝置20中，該非接觸式光學(xué)感測(cè)裝置10包含有一發(fā)光單元11、一光電元件12、一第一開(kāi)關(guān)元件13、一第二開(kāi)關(guān)元件14、及一控制單元15。

所述的發(fā)光單元11將光線(xiàn)發(fā)射至待測(cè)物件上，該發(fā)光單元11可包含有一個(gè)或一個(gè)以上的發(fā)光二極體(LED)。在一實(shí)施例中(如圖2B及2C所示)，本發(fā)明可包含有一第一發(fā)光單元111及一第二發(fā)光單元112；在一實(shí)施例中(如圖2A所示)，本發(fā)明包含有單一發(fā)光單元11，即第一發(fā)光單元與第二發(fā)光單元為同一發(fā)光單元。

所述光電元件12用以接收該待測(cè)物件的反射光，該反射光源自于該發(fā)光單元11所發(fā)射至該待測(cè)物件上所產(chǎn)生的反射光，該光電元件12可為光電門(mén)(photogate)型或光電二極管(photodiode)型。該光電元件12接收反射光后，轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電子，進(jìn)而產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的信號(hào)。

請(qǐng)參閱圖2A及圖3所示，所述第一開(kāi)關(guān)元件13及第二開(kāi)關(guān)元件14分別耦接至該光電元件12，用以傳送該光電元件12的信號(hào)至該控制單元15。在一實(shí)施例中，第一開(kāi)關(guān)元件13包含一第一傳遞柵極TX1，第二開(kāi)關(guān)元件14包含一第二傳遞柵極TX2，第一開(kāi)關(guān)元件13連接至一第一電荷儲(chǔ)存中繼點(diǎn)FD1，第二開(kāi)關(guān)元件14連接至一第二電荷儲(chǔ)存中繼點(diǎn)FD2。

所述控制單元15分別電連接于該發(fā)光單元11、該光電元件12、該第一開(kāi)關(guān)元件13、及該第二開(kāi)關(guān)元件14，該控制單元15用以分別控制該發(fā)光單元 11的啟閉、該光電元件12的電位、該第一開(kāi)關(guān)元件13及該第二開(kāi)關(guān)元件14的啟閉，并經(jīng)由切換第一開(kāi)關(guān)元件13及第二開(kāi)關(guān)元件14來(lái)獲得的該光電元件12的信號(hào)。

請(qǐng)參閱圖2B、圖2C、圖4A及圖5A所示，本發(fā)明于實(shí)施時(shí)，控制單元15于單一周期時(shí)間內(nèi)，分別執(zhí)行一飛行時(shí)間感測(cè)程序TOF及一近接感測(cè)程序PS，該控制單元15以控制信號(hào)分別控制該第一發(fā)光單元111、該第二發(fā)光單元112、該第一開(kāi)關(guān)元件13及該第二開(kāi)關(guān)元件14，該控制單元15通過(guò)控制該第一開(kāi)關(guān)元件13及該第二開(kāi)關(guān)元件14以獲得該光電元件12的輸出，而執(zhí)行該飛行時(shí)間感測(cè)程序TOF的控制信號(hào)的頻率與執(zhí)行該近接感測(cè)程序PS的控制信號(hào)的頻率相異。該飛行時(shí)間感測(cè)程序TOF以該第一發(fā)光單元111所發(fā)射的光線(xiàn)的發(fā)射時(shí)間與該光電元件12所接收反射光的接收時(shí)間的時(shí)間差來(lái)獲得該待測(cè)物件深度位置的第一信息；該近接感測(cè)程序PS以該光電元件12所接收到對(duì)應(yīng)于該第二發(fā)光單元112的反射光的強(qiáng)度來(lái)獲得該待測(cè)物件深度位置的第二信息；該控制單元15依據(jù)該第一信息及該第二信息進(jìn)行運(yùn)算后判斷該待測(cè)物件深度位置。

請(qǐng)參閱圖2B、圖4A及圖4B所示，在一實(shí)施例中，先執(zhí)行該飛行時(shí)間感測(cè)程序TOF，再執(zhí)行該近接感測(cè)程序PS，且執(zhí)行該飛行時(shí)間感測(cè)程序TOF的時(shí)間相同于執(zhí)行該近接感測(cè)程序PS的時(shí)間。請(qǐng)參閱圖2C、圖5A及圖5B所示，在另一實(shí)施例中，先執(zhí)行該近接感測(cè)程序PS，再執(zhí)行該飛行時(shí)間感測(cè)程序TOF。

請(qǐng)參閱圖2B、圖4B、圖5B所示，于執(zhí)行該飛行時(shí)間感測(cè)程序TOF時(shí)，該控制單元15控制該光電元件12開(kāi)啟，該控制單元15以一第一控制信號(hào)S1控制該第一發(fā)光單元111，并以一第二控制信號(hào)S2控制該第一開(kāi)關(guān)元件13，以一第三控制信號(hào)S3控制該第二開(kāi)關(guān)元件14，該第一控制信號(hào)S1的頻率為第一發(fā)光頻率，該第二及第三控制信號(hào)S2、S3的頻率為第一取樣頻率，第一發(fā)光頻率與第一取樣頻率相同。在一實(shí)施例中，當(dāng)?shù)谝话l(fā)光單元111開(kāi)啟時(shí)，第一開(kāi)關(guān)元件13同時(shí)導(dǎo)通，而第二開(kāi)關(guān)元件14延時(shí)導(dǎo)通，具體而言，該第二與第三控制信號(hào)S2、S3具有相位差，例如90度、180度、270度，如圖4B及5B所示為90度，進(jìn)一步而言，該第一控制信號(hào)S1與該第二控制信號(hào)S2的相位可為相同，或該第一控制信號(hào)S1與該第三控制信號(hào)S3的相位可為相同。 在一實(shí)施例中，該第二控制信號(hào)S2施加于該第一傳遞柵極TX1、該第三控制信號(hào)S3施加于該第二傳遞柵極TX2。

請(qǐng)參閱圖2C、圖4B、圖5B所示，于執(zhí)行該近接感測(cè)程序PS時(shí)，該控制單元15控制該光電元件12開(kāi)啟，該控制單元15以一第四控制信號(hào)S4控制該第二發(fā)光單元112，并以一第五控制信號(hào)S5控制該第一開(kāi)關(guān)元件13，以一第六控制信號(hào)S6控制該第二開(kāi)關(guān)元件14，該第四控制信號(hào)S4的頻率為第二發(fā)光頻率，該第五及第六控制信號(hào)S5、S6的頻率為第二取樣頻率，第二發(fā)光頻率與第二取樣頻率相同，但該飛行時(shí)間感測(cè)程序TOF的第一取樣頻率大于該近接感測(cè)程序的第二取樣頻率。在一實(shí)施例中，當(dāng)?shù)诙l(fā)光單元112開(kāi)啟時(shí)，第一開(kāi)關(guān)元件13同時(shí)導(dǎo)通，而第二開(kāi)關(guān)元件14延時(shí)導(dǎo)通，具體而言，該第五與第六控制信號(hào)S5、S6之間具有相位差，例如90度、180度、270度，如圖4B及5B所示為180度，進(jìn)一步而言，該第四控制信號(hào)S4與該第五控制信號(hào)S5的相位可為相同，或該第四控制信號(hào)S4與該第六控制信號(hào)S6的相位可為相同。在一實(shí)施例中，該第五控制信號(hào)S5施加于該第一傳遞柵極TX1、該第六控制信號(hào)S6施加于該第二傳遞柵極TX2。

另外，執(zhí)行該飛行時(shí)間感測(cè)程序TOF的時(shí)間可長(zhǎng)于執(zhí)行該近接感測(cè)程序PS的時(shí)間(如圖6所示)；或執(zhí)行該飛行時(shí)間感測(cè)程序TOF的時(shí)間可短于執(zhí)行該近接感測(cè)程序PS的時(shí)間(如圖7所示)。

進(jìn)一步而言，該控制單元15依據(jù)第一信息及該第二信息進(jìn)行運(yùn)算后判斷該待測(cè)物件深度位置，其運(yùn)算方式可包含以下兩種(但不限于此)：

1.請(qǐng)參閱圖8所示，該控制單元15將第一信息及第二信息，分別乘上不同的權(quán)重參數(shù)(a、b)后，再加以計(jì)算來(lái)獲得該待測(cè)物件的深度位置。在一實(shí)施例中，a＝b＝0.5，第一信息及第二信息分別乘上0.5后再相加以獲得該待測(cè)物件的深度位置。

2.請(qǐng)參閱圖9所示，該控制單元15先依據(jù)執(zhí)行該飛行時(shí)間感測(cè)程序TOF所獲得的該第一信息，來(lái)獲得出待測(cè)物件的初步位置，再執(zhí)行該近接感測(cè)程序PS來(lái)獲得該第二信息，并依據(jù)該第二信息來(lái)對(duì)該所獲得的待測(cè)物件的初步位置進(jìn)行修正補(bǔ)償，以獲得該待測(cè)物件的深度位置。如此一來(lái)，可利用低解析度但檢測(cè)到物體的絕對(duì)深度數(shù)據(jù)的第一信息來(lái)獲得初步位置，接著再利用高解析度的該第二信息來(lái)修正該初步位置以獲得該待測(cè)物件的深度位置。在一實(shí)施例 中，執(zhí)行飛行時(shí)間感測(cè)程序TOF及近接感測(cè)程序PS的順序可對(duì)調(diào)。在一實(shí)施例中，請(qǐng)參閱圖10所示，于一周期時(shí)間內(nèi)，執(zhí)行一次飛行時(shí)間感測(cè)程序TOF獲得初步深度位置為(z1)，執(zhí)行兩次近接感測(cè)程序PS來(lái)獲得兩組輔助判斷深度位置分別為(z'11)及(z'12)，將輔助判斷深度位置相減后獲得Δz'1(Δz'1＝z'12-z'11)，而以Δz'1來(lái)修正補(bǔ)償z1，則所獲得的待測(cè)物件的深度位置為(z1+Δz'1)。在另一實(shí)施例中，請(qǐng)參閱圖11所示，于一周期時(shí)間內(nèi)，執(zhí)行一次飛行時(shí)間感測(cè)程序TOF及一次近接感測(cè)程序PS，并以前后相鄰的兩個(gè)周期時(shí)間所獲得的信息相互比較，以獲得初步深度位置(z1)及輔助判斷深度位置(z'11)及(z'12)，而同樣將輔助判斷深度位置相減后獲得Δz'1(Δz'1＝z'12-z'11)，而以Δz'1來(lái)修正補(bǔ)償z1，則所獲得的待測(cè)物件的深度位置為(z1+Δz'1)。

因此，本發(fā)明通過(guò)在同一周期時(shí)間下分別執(zhí)行具有高準(zhǔn)確度的飛行時(shí)間感測(cè)程序TOF及具有高解析度的近接感測(cè)程序PS，而可同時(shí)獲得兩種不同非接觸式感測(cè)程序?qū)Υ郎y(cè)物件所檢測(cè)到的深度位置信息，并經(jīng)由運(yùn)算后獲得待測(cè)物件的深度位置，則本發(fā)明兼具高準(zhǔn)確度與高解析度，而可準(zhǔn)確的判斷物件深度位置。

當(dāng)然，本發(fā)明還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。