中 華 大 學

中 華 大 學 碩 士 論 文

雷射標示及量測產品技術論文 Laser indication product technologies

系 所 別：機 械 工 程 學 系 碩 士 班 學號姓名：E09708002 吳國恕 指導教授：陳振文 博士

中華民國 九十九 年 七 月

摘 要

我們研析自動整平、多方向、高精細線、紅光及綠光雷射十字儀，光機電整合技 術。研究設計，並實際完成全功能量測驗證。

穩定雷射紅光光源、倍頻雷射綠光光源之驅動，整合到自動整平電子感測控制核 心。準直、近高斯狀雷射光點的輸出技術，是我們實際對所有的光學元件、鏡組等，

開發設計並量測驗證。五方向高垂直度十字線、高精細標示線、鉛直點標示是精密的 光機設計製造及整合技術。

自動整平、高精度、多方向雷射標示系統是一種複雜的光機電整合，是由許多的 元件、模組件組成。其中，這些元件要的對光及調光是有其技巧及技術存在。我們已 完成重要的研究與探討。

關鍵字：雷射十字儀、紅光雷射、綠光雷射、自動整平、高精細線。

Abstract

We have investigated, designed, and completed the testing of the novel auto leveling, multiple-directing, high refined laser light line red and green laser cross line indictor.

The stable red and green laser drivers are integrated into the auto leveling electronic processor. We have also designed and fabricated the optics components to have better diode laser output beam spots. The multiple-direction cross output lines is complicate in assembly.

Key words: Laser cross lines indicator, red light laser, green light laser, auto leveling, multiple-directing, high refined laser light line.

誌謝

兩年的碩士生涯中，承蒙恩師 陳振文博士的悉心指導與教誨，培養學生在學業 上能有更深入的見解及廣闊的視野，更重要的收穫是在生活上如何待人處事的智慧，

讓學生獲益良多，使得本論文研究能夠更加的完備，同時在日常生活上陳教授也時常 的指導我做人處事、生涯規劃以及對於我們各種的關心與輔導，在此向恩師致上最誠 摯的敬意與謝意。

在論文口試審查時，還要特別感謝葉茂勳博士與范志海博士對於論文的指正與意 見，使得本論文的架構與內容更為充實。

另外，感謝在這兩年來研究和生活上的良師益友：感謝祐丞、廷揆、家豪、建志、

等同學在研究和生活上的鼓勵與協助，在研究的過程中一點一滴的歡笑及淚水都已 經深深的烙印在我們的心理了，此外還要感謝學長陳榮釗、林書院在論文上的經驗 指點，及學弟仕銳與逸咸在生活上的互相幫助與鼓勵，並帶給實驗室更多的歡樂與 活力，真的謝謝你們大家，在此致上誠摯之感謝。

最後，感謝默默在背後付出的家人，這兩年因為有你們的支持與鼓勵，才得以順 利完成碩士學業，僅以此論文獻給親愛的父母、家人、以及所有的師長與朋友們。

目 錄

中文摘要...i

英文摘要...ii

誌謝謝...iii

目錄...iv

表目錄...vii

圖目錄...viii

第一章 緒論 ...1

1.1 研究動機與目的 ...1

1.2 產業現況及需求 ...3

1.3 論文架構 ...4

第二章 簡介 ...5

2.1 雷射的發明、特性、應用 ...6

2.1.1 雷射的發明 ...6

2.1.2 雷射的特性 ...6

2.2 雷射技術與產品及應用 ...8

2.3 雷射光電系統 ... 11

第三章 雷射的光電產品及標示技術 ...12

3.1 半導體雷射原理 ...12

3.1.1 紅光雷射 ...12

3.1.2 綠光雷射 ...14

3.1.3 PWM原理及設計...15

3.2 標示產品的種類 ...16

3.2.2 線定位 ...17

3.2.3 圖形定位 ...18

3.3 半導體雷射的驅動方式 ...19

3.3.1 直接驅動控制 ...19

3.3.2 自動定電流控制 ...21

3.3.3 自動定功率控制 ...23

3.3.4 各種控制方式之實驗比較 ...31

3.4 雷射水平儀光機電系統 ...32

第四章 系統工程研究 ...33

4.1 雷射模組 ...33

4.1.1 雷射聚焦鏡片 ...33

4.1.2 柱狀鏡原理 ...35

4.1.3 線模組 ...37

4.2 懸吊系統 ...38

4.2.1 構成要件 ...38

4.2.2 組成種類 ...39

4.3 控制及程式流程 ...40

4.3.1 微控制器PIC16F684簡介...62

4.3.2 操作控制及感測元件 ...65

4.4 系統整合 ...66

第五章 實驗結果 ...76

5.1 懸吊系統測試 ...76

5.1.1 X軸向擺動時間量測 ...77

5.1.2 Y軸向擺動時間量測 ...78

5.1.4 時間與穩定性量測 ...79

5.2 調校技術 ...80

5.2.1 基準校正法 ...85

5.2.2 相對逼近法 ...85

5.2.3 氣泡精度調整 ...85

第六章 結論及未來展望 ...88

6.1 結論 ...88

6.2 未來展望 ...88

參考文獻...89

表目錄

表2.1 雷射產品的種類及期應用…………...……….8

表4.1 4V3H零件表………...……….75

表5.1 X軸擺動測試…………...……….78

表5.2 Y軸擺動測試……...……….78

表5.3 XY軸擺動測試………...……….79

圖目錄

圖 2.1 旋轉雷射產品...………...………..9

圖 2.2 墨線雷射產品...………...……….10

圖 2.3 DIY雷射產品...………...……….10

圖 2.4 旋轉雷射產品...………...……….11

圖 3.1 半導體雷射構造圖...………...………….12

圖 3.2 半導體雷射出光角度...………...……….13

圖 3.3 綠光雷射構造圖………...….14

圖 3.4a 未加信號之雷射輸出…………...……….15

圖 3.4b 加信號之雷射輸出………...………….15

圖 3.5 雷射模組………...………..16

圖 3.6 雷射水平尺………...…….….16

圖 3.7 雷射鉛鉛垂………...……….….16

圖 3.8 雷射定位儀……...………...….16

圖 3.9 石材切割圖………...….….17

圖3.10 製版定位圖………...….….17

圖3.11 機械加工圖………...….….17

圖3.12 木材裁切圖………...….….17

圖3.13 雷射標線器圖………...….….17

圖3.14 雷射水平儀圖………...….….17

圖3.15 雷射全像片圖案………...….18

圖 3.16 直接驅動型電路(一) ………... .19

圖 3.17 直接驅動型電路(二) ………...….20

圖 3.20 半導體雷射規格……….24

圖 3.21 半導體雷射電氣特性……….25

圖 3.22 電流曲線圖……….26

圖 3.23 溫度特性曲線圖……….27

圖 3.24 半導體雷射封裝尺寸……….28

圖 3.25 自動定功率控制(一) ……….29

圖 3.26 自動定功率控制(二) ……….30

圖 3.27 雷射光電系統圖………...….32

圖 4.1 雷射準直玻璃鏡片………...33

圖 4.2 雷射準直塑膠鏡片………...34

圖 4.3 雷射柱狀鏡片………...35

圖 4.4 雷射線光學組件………...…….36

圖 4.5 雷射柱狀鏡原理………...…….36

圖 4.6 雷射模組結構圖………...….37

圖 4.7 懸吊結構圖………...…….38

圖 4.8 兩段式懸吊圖………...…….39

圖 4.9 雙環式懸吊圖………...39

圖 4.10 主控板流程圖………...….40

圖 4.11 雷射驅動板控制程式流程………...………..….41

圖 4.12 主控板程式………...…...42

圖 4.13 接收輸出控制板程式………...……...…51

圖 4.14 控制器規格………...….63

圖 4.15 控制器內部結構………...…….….64

圖 4.16 感測器位置………...…….65

圖 4.18 水平儀組合圖………...….…….66

圖 4.19 垂直水平模組………...…….67

圖 4.20 下點模組………...……….67

圖 4.21 氣泡組………...….68

圖 4.22 LOCK組 ………...………….69

圖 4.23 重垂組………...……….69

圖 4.24 模組組………...70

圖 4.25 懸吊組………...…….70

圖 4.26 底座………...71

圖 4.27 垂直組………...…..…….71

圖 4.28 水平組……...………..…….72

圖 4.29 本體組………...…………..…….73

圖 4.30 上蓋組…………...……….…….73

圖 4.31 下殼組………...…… 74

圖 4.32 電路系統圖...75

圖 5.1 懸吊擺臂中心圖示………...…………. 76

圖 5.2 懸吊XY旋轉軸擺臂中心圖示………...……….77

圖 5.3 角度誤差示意圖………...….80

圖 5.4 水平調整模組………...81

圖 5.5 水平線形………...82

圖 5.6 垂直調整模組………...…….83

圖 5.7 垂直線形………...….84

圖 5.8 水平氣泡調整腳…………...…...……….86

圖 5.9 氣泡位置………...……….87

第一章 緒論 1.1 研究動機與目的

近年來由於導体雷射大量應用於各類的民生及商業用品(如3C資訊資訊產品 CD、VCD 、DVD播放器及燒錄器、條碼掃瞄器、雷射指示器等等)，使得半導體雷 射所延伸出來的產品得以降低材料成本，更廣泛的應用到其他的領域上。

半導體雷射可分為可見光及不可見光，可見光的波長(400~750nm)，目前可以直 接產生可見光的雷射規格主要有兩種，為635nm及650nm兩種。由於雷射的持性不同 於一般的光源，具有高亮及高方向性及單色的特性，所投射到物体或平面上的影像，

適合人眼觀測(不可直視或反射量太大時視網膜會受損，嚴重時仍會導致失明)。

雷射標示儀便是半導體体雷射最典型的應用，早期由於半導體雷射成本高，所發 展出來的雷射標示儀機型為旋轉雷射，其原理是應用雷射所投射出的光點，經由馬達 帶動360度旋轉掃描，速度快時，由於人眼的視覺暫留而成一直線。

近年來由於人力成本的提昇，工資增加，在傳統的工程施工方法上百年來從未改 變過。在工程施工時若是要取得一個正垂直線時就以棉線綁一重垂，利用地心引力得 到一個垂直線。若是要需要一個平面高度時，則是利用一條裝水的水管，兩端移到所 要量測定位的位置，水管內兩端的水位會一樣高，如此便可以得到同樣的水平高度。

做記號之後再利用墨斗拉線，彈出一條線做記號。

如此方法既簡便又好用，但仍有不便之處。例如，鉛垂作業時需到上方高處先固 定棉線，若是下方位置不對時則需重新調整最好是上下各一個人觀測。用水管量測水 平時，同樣也是需要兩邊各一 個人 來觀測移動水管測得兩邊高度位置。

因此需求，發展出了雷射標產品的應用及調校技術。利用雷射的光學特性產生一

條扇形的雷射光，投射到平面之後成為一條直線，我們稱之為『墨線雷射』。由此基

本單元延伸應用到水平線、垂直線，十字線、90∘垂直線，T型垂直線等等的組合應 用。

造上，若是要生產出高精度的產品，目前尚無專用的機械設備來自動化生產，主成本 還是相當高，除了良好的產品結構設計外，生產過程中的調校方法、技術的提升改進，

更可以有效的降低製造成本。

1.2 產業現況及需求

半導体雷射應用於水平儀領域至今己有二十幾年了，最初是由歐洲國家開始生產 製造旋轉式的雷射水平儀設備，應用於土木工程，由於價格過於昂貴，所以並未流行 普遍，1990年代日本開始推出直線型的墨線雷射，經由代理商引進台灣，由於產品取 代傳統工具的替代性高，不斷的引起相關產業業者投入研發、推廣。如亞洲光學、東 庚科技、上輝精密儀器、巨光光電、元龍光電、尚準光電、方礎光電、鎮毓光電、科 盈科技..等公司。目前亞洲地區以專業型的水平儀為主，歐美地區則是以DIY市場為 主流，上至今此類產品已成為土木、工程、裝潢業者必備的工具了。

由於雷射水平儀的生產，產品要達到良好的品質需靠技術人員的純熟經驗來調校 生產，費時又費工，算是勞力密集的產業，目前尚無一套可靠的設備可以提昇產量及 品質。近年來數家國內業者陸續將生產線移至中國大陸，如亞洲光學、方礎光電、鎮 毓光電..等公司。

1.3 論文架構

第一章 緒論

此章節開頭敘述本論文的研究動機與研究目的，由雷射的由來、發展與應用切 入，了解半導體雷射應用日趨廣泛。設計新型且可應用的雷射定位產品。從基礎理論 知識著手設計、調制優化，以完成雷射系統。

第二章 簡介

介紹雷射 的由來及特性，說明半導体雷射產品目前產業上的應用，敘述雷射理 論及技術，設計新型雷射必需對理論及技術有所了解。並說明雷射三度參數的意義及 雷射的架構，了解基本的雷射架構，最後章節則介紹應用雷射的系統。

第三章 雷射的光電產品及標示技術

雷射原理及技術。敘述雷射理論及技術，設計新型雷射必需對理論及技術有所了 解。並說明雷射驅動電路的架構，比較各種驅動方式的原理及差異，最後章節則介紹 應用雷射的系統。

第四章 系統工程研究

此章節介紹雷射水平儀系統的組成，由雷射模組、雷射聚焦鏡片、柱狀鏡原理、

線模組，懸吊系統控制電路…等等。逐一介紹其規格需求。

第五章 實驗結果

此章測試說明系統組成結果，並說明整合雷射水平儀調校的技術，說明比較不同 方法所得到的結果。

第六章 結論及未來展望

透過雷射標示及量測產品技術論文的研究，歸納出完整的調校技術。以目前水平 儀的調校生產方式，需以長寬5X10米的空間來調校，工廠空間的使用效率極低，透 過此研究可得到水平儀調整及設計的變數，縮短空間、增加產能、提高準確度、重複

第二章 簡介

雷射走入我們的生活已有五十年整了(1960~2010年，2010年五有月二十日蘇聯 聖彼得堡，雷射物理年會，慶祝雷射 發明五十年。)，從剛開始發明到今日的成果，

進步可謂是突飛猛進，生活中使用的種種器具很多都有雷射的蹤影，帶給人類突破性 的發展層面。我們身處於這樣的環境當中，瞭解雷射的特性、生活上的應用以及使用 安全以成為必要的知識。

2.1 雷射的發明、特性、應用 2.1.1 雷射的發明

在1960年，T. H. Maiman振盪出人類第一個雷射至今，陸續有各式各樣的雷射被 振盪出來。至今，雷射被廣泛地應用於民生、工業、軍事、醫療及科學研究各領域，

例如：雷射印表機、材料處理或加工、雷射武器、雷射刀、光譜分析等…。調制雷射 才算是真正可以應用的雷射，如此才有最佳的輸出結果，滿足需求而被應用。一般，

依需求及規格設計新型雷射，以理論為基礎，對雷射特性、種類、架構及調制的技術 有所了解，針對需要的雷射波長、脈寬及輸出功率作完成符合需求的調制雷射。

2.1.2 雷射的特性

雷射，有四個重要的特性。

單色性( Monochromatity )、低發散性( Directionality )、高相干性(Coherence)、高強度 性(Brightness)。

1.單色性：

雷射光它的光譜線寬非常窄，不像太陽光具有較寬的光譜線寬，所以相較下來，

雷射波長可看成一致。因此，雷射光可視為單色光。

2.低發散性：

一般的光源，其散射角度都非常的大，經過長距離的傳播後，一定會造成發散。

但是，雷射光卻不會發生此種情況，其原因為光線在共振腔中來回振盪所得的結果。

3.高相干性：

由於雷射光的光譜線寬很窄，波長都非常相近，因此，雷射光有很好的相干性。

4.高強度性：

所謂的高強度，定義為每單位面積上的功率。由於雷射具有低發散性，所以雷射

每一種物質都有固定的能階，當光與物質發生交互作用時，原子內部的電子就從 某一能階狀態躍遷到另一能階狀態，而躍遷過程會伴隨著光的吸收和輻射。當光與物 質相遇時，會發生三種基本現象，也就是光與物質之間會進行三種基本的交互作用：

吸收、自發放射和激發放射。當光照射在物質表面時，物質內部分電子吸收光的能量，

從基態躍遷到激發態，亦即光被原子吸收，這是光的吸收過程。原子要從光獲得能量，

必須是光子的能量恰為兩能階的能量差，吸收過程才會產生。如光子能量大於物質能 隙，則光子會被材料吸收，並將電子激發到導電帶而在價電帶留下電洞。

2.2 雷射技術與產品及應用

雷射的技術與各類雷射的產品及其應用，我們可以做一簡表示意：

表2.1 雷射產品的種類及期應用

雷射標示 雷射量測 雷射模組及應用

雷射水儀 雷射直角尺

雷射T型尺 雷射十字尺

雷射鉛垂 雷射標線器

雷射筆 雷射指示器

雷射模組 三合一卷尺

雷射測距 雷射測速 雷射雷達 雷射追蹤導引

雷射導航 雷射自動駕駛

醫療雷射模組 工業加工雷射模組

民生用雷射模組 軍用雷射模組 科學用雷射模組

圖 2.1 旋轉雷射產品

圖 2.2 墨線雷射產品

圖 2.3 DIY 雷射產品

2.3 雷射光電系統

圖 2.4 雷射光電系統

第三章 雷射的光電產品及標示技術 3.1 半導體雷射原理

3.1.1 紅光雷射

下圖為典型的半導體雷射構造圖。結構長約為300um、寬約250um，上下電極所 施加電壓約為2V(伏特)左右，上電極之下的薄膜為氧化層，會使電流流動僅侷限在電 極中間的條狀地帶，而使電流的密度會變得較大。整個結構的主動區域為活性層，其 上、下兩個區域為異質界面，是由不同的結晶結構所形成。

圖 3.1 半導體雷射構造圖

這樣的異質結構界面可以當作是一個位能的能障，當電子被注入到P型GaAs層 中，或原本已存在此層中的電洞，由於受到異質界面位能能障的侷限，而關閉在此位 能中階，因此形成電子能階反轉分佈而有效地產生光能量的放大而產生雷射光。此 外，由於AlGaGs的折射率比GaGs小，因此形成一個光導波的結構，封閉在此層中的 光波藉由晶體的剖面作為反射鏡而形成一個共振腔，光波在裏面來回反射而造成光強 度的增加，然後由前方射出，。由於光導波的橫截面僅有數個um，而厚度則遠小於 橫截面，因此射出的光源會遵循繞射的原理而形成縱長形。

圖 3.2 半導體雷出光角度

3.1.2 綠光雷射

綠光雷射目前尚無可直接發出綠光雷射的半導體件，而是以雷射二極體激發固態

雷射(Diode Pump Solid State Laser)簡稱DPSSL，方式來產生。可說是固態雷射技術 中的一大突破。因為以往固態雷射常用的激發光源乃是惰性氣體電弧燈flashlamp(亦 即燈內充入氪等惰性氣體），但其輸出效率極差。以電弧燈激發Nd:YAG 晶體為例，

其輸出效率僅有0.7%，且因絕大部分輸入的能量皆被工作物質及激勵腔所吸收，進而 造成系統溫度升高的熱透鏡現象，使得光束品質不佳，產生亮度不穩定的現象。但若 以雷射二極體做為激發光源正好可以降低熱透鏡效應，進而增加輸出功率及輸出光源 的品質，轉換效率最高可達25%。

如下圖所示，雷射二極體激發固態雷射的一種應用示意圖，以波長808nm 的雷射 二極體去激發雷射晶體Nd:YVO4 後，產生1064nm的紅外光雷射，再經過非線性KTP 晶 體的倍頻之後，其波長減半為532nm ，最後產生綠光雷射而輸出。

圖 3.3 綠光雷射構造圖

3.1.3 PWM原理及設計

雷射水平儀在使用上有安全規範，雷射光輸出功率不能太大。在美國需小於 5mW，符合FDA(Food and Drug Administration 美國食品藥物管理局)的規範。在歐洲 則是小於1mW，符合歐盟(EN-60825)條文的規範。在日本在台灣目前並沒有強制規 定，所以市面上有不少有安全疑慮的產品在流通著。

由於在環境較亮的地方，背景亮度比雷射光亮，因此人眼很容易看不到，但事實 上雷射光還是存在的。因此，透過PWM的設計，在雷射光源加入信號，利用PHOTO DIODE接收並過濾雷射信號。

圖3.4b 加信號之雷射輸出 雷射輸出功率

(mW)

時間(t) Duty Cycle

圖3.4a 未加信號之雷射輸出 雷射輸出功率

(mW)

時間(t)

3.2 標示產品的種類 3.2.1 單點定位

雷射模組的基本應用單元就是點狀模組，是以雷射光透過準直鏡後所產生的 光點，典型的應用就是一般簡報所用的雷射指示器。用在標示類的各式產品如下

圖 3.5 雷射模組

圖 3.6 雷射水平尺

圖 3.7 雷射鉛鉛垂 圖 3.8 雷射定位儀

3.2.2 線定位

線定位的方式一般用於大面積長度的裁切定位用途，常用的有大理石的石材切 割、大型印刷裁切、木材材切…等定位用途，用來辨識裁刀位置是否正確。

圖 3.9 石材切割圖 圖 3.10 製版定位圖

圖 3.11 機械加工圖 圖 3.12 木材裁切圖

圖 3.13 雷射標線器圖 圖 3.14 雷射水平儀圖

3.2.3 圖形定位

產生圖形的光學元件稱為Holographic Optical Element Lens，利用光學干涉和繞射 原理設計成的鏡片，稱為全像片，簡稱 HOE 。由於雷射的同調性，正好符合全像技 術的需求，可設計成需要的圖案。如簡單的標線、圓、十字圖形或是消費性的燈飾，

也有公司將商標開成全像片，當成飾品做廣告。

圖 3.15 雷射全像片圖案

3.3 半導體雷射的驅動方式 3.3.1 直接驅動控制

直接驅動型電路(一)：經由電阻R做線性限流，直接驅動雷射二極體。

I=(V-VF)/R

圖 3.16

直接驅動型電路(二)：透過電晶体做驅動，經由R1、R2分壓，使電晶體得到一偏壓。

IR1=(V-0.7)/R1、IR2=VBE/R2、IB = IR1- IR2、IC=ILED =βIB。

圖 3.17

3.3.2 自動定電流控制

自動定電流控制，是指流經雷射二極體的電流大小不會因雷射功率改變。

定電流型電路(一)：電流鏡電路Q1與Q2電晶體B極互接形成一閉迴路，V=R1I1+VBE2+ VBE1，IC2 ≈I1 。

圖 3.18

定電流型電路(二)：利用運算放大器元件組成定電流電路。Ziner元件提供一參考電 壓輸入至比較器 ” + ” 端，輸出電流IO經R3 得到一個電壓降，回授到比較器的

“ - ”端，兩點做比較。

當” + ” >“ - ”時表示輸出電流不夠，Q2電晶體ON。當” + ” < “ - ”時表示輸出電 流過大，Q2電晶體OFF。如此快速應下，可將輸出電流維持在一個固定值上。可經 由改變VR的值來調整電流大小。

圖 3.19

3.3.3 自動定功率控制

所謂定功率是指雷射光的功率維持固定，不會因雷射二極體的效率下降而改變。

要達到控制輸出功率的穩定輸出，就必須對雷射的輸出功率加以監控，標準的雷射二 極體零件內部皆附有PIN DIODE元件，利用此元件的特性，可以設計一個閉迴路的回 授電路，使雷射輸出維持固定。一般採用之雷射二極體規格如下：

圖 3.20 半導體雷射規格(一)

圖 3.21 半導體雷射規格(二)

定功率型電路(一)： 以韓國Quantum Semiconductor International Co., Ltd.所製 造的LaserDiode QL35FS型號為例，Im電流如表所示，利用此元件感測LaserDiode所 發出的強度。當Optical Output Power的PO功率為7mW時，PIN Diode元件會產生一個 電流值Im為0.16mA。當此電流到達電晶體Q1的B極，當Im上昇時，表示PO上昇，此 時，Q1會導通，Q2的B極電壓下降，輸出電流Io跟著下降，因此PO跟著降下來，之 後又回饋到Im自動調整。只要VR阻值改變偏壓，便可以調整PO功率的大小。

圖 3.25 自動定功率控制(一)

定功率型電路(二)：利用運算放大器兩輸入端來比較。VREF 提供一個參考電 壓 ，PIN Diode經由LD輸出後 得到 一電流Im， 經R3後同樣得到一個電壓值VIN， 經比較後，當Vref>VIN時， 運算放大器輸出HIGH電位，Q1導通，LD亮度增加，此 時VIN電壓上昇。當VIN >Vref時，運算放大器輸出LOW電位，此時LD亮度下降，如此 反應之下VIN電壓便會維持在VREF的準位上，使LD輸出功率維持固定。

圖 3.26 自動定功率控制(二)

3.3.4 各種控制方式之實驗比較

直接驅動控制電路：以直流偏壓方式，分壓直接驅動雷射二極體，無主動控制 元件。此電路一般設計產品時並不會考慮使用。原因是雷射輸出功率無法直接控制，

會隨溫度的上昇改變而下降。一般用於低價且使用時間只有5~10秒的產品。台雷射指 示器。

自動定電流控制電路：以定電流方式來控制，使雷射輸出功率固定。但是，由於 雷射驅動時所發出的熱能會導致半導體雷射的效率下降，導致雷射發出的功率也跟著 下降，所以若長時間使用需再加上散熱系統。

自動定功率控制電路：此方式運用半導體雷射內部封裝的 Photo Diode 回饋信號 使電路保持在固定的功率，即使溫度改變，電路也會因 Photo Diode的改變而修正。

此種方式最適合目前雷達水平儀的雷射模組控制電路。但是在高功率的控制上，由於 裝上Photo Diode時會使元件飽和，無法檢測回授量，所以並不適用此種控制方式。

3.4 雷射水平儀光機電系統

圖 3.27 雷射光電系統圖

第四章 系統工程研究 4.1 雷射模組

4.1.1 雷射聚焦鏡片

玻璃鏡片

圖 4.1 雷射準直玻璃鏡片

1.EFL：10.9mm 2.SD：9.526mm

3.LD wavelength：650nm

4.LD to lens distance：9.567mm(optic axis)，含 LD to window glass distance 1.04mm 5.Power collect efficiency：46﹪

6.Assembly tolerance for Laser collimator system z Lens tilt：+/-0.1 degree

z Lens decenter：+/-80um

塑膠鏡片

4.1.2 柱狀鏡原理

NT45-981

Type PCX Cylinder - Circular Diameter (mm) 5.00

Dimensional Tolerance (mm) +0.0/-0.2 Effective Focal Length EFL

(mm) 8.00

Back Focal Length BFL (mm) 5.72 Focal Length Tolerance (%) ±3 Edge Thickness ET (mm) 2.12 Center Thickness CT (mm) 3.00 Center Thickness Tolerance

(mm) ±0.1

Radius R1 (mm) 4.13

Tilt Tolerance (mm) ±0.1 over H Wedge Tolerance (arcminutes) 15

Surface Quality 60-40 Substrate N-BK7

Coating None

RoHS Compliant

圖 4.3 雷射柱狀鏡片

圖 4.4 雷射線光學組件

圖 4.5 雷射柱狀鏡原理

4.1.3 線模組

圖 4.6 雷射模組結構圖

4.2 懸吊系統 4.2.1 構成要件

懸吊系統是水平儀自動整平的核心結構，主要是利用結構中的重垂來使水平儀 的X、Y軸向來保持水平。其中利用軸承接合，使X、Y兩軸的自由度能在正負5度內 自由擺動。

圖 4.7 懸吊結構

4.2.2 組成種類

圖 4.8 兩段式懸吊圖

圖 4.9 雙環式懸吊圖

4.3 控制及程式流程

圖 4.12 主控板程式

圖 4.13 接收輸出控制板程式

4.3.1 微控制器PIC16F684簡介

PIC16F684單晶片是由知名的半導体零件公司Microchip Technology Inc 所設計 製造，內部包含一個小型的CPU、MEMORY，12個I/O接點，內含8MHz的振盪電路 適合應用於小型的控制系統，可經由程式設計，規劃來控制所需執行的電路。

圖 4.15 控制器內部結構

4.3.2 操作控制及感測元件

雷射水平儀操作主要是經由操作面板啟動，由於內部自動整平動作必須經由懸吊 系統自由擺動而停止，若是未經由擺動而停止，則無法得到正確的水平位置，所以當 懸吊裝置啟動時，我們設計光電感應裝置來檢測懸吊系統是否正常運作，若是異常，

則關閉開啟的雷射模組。如下圖所示，當反射棒未在正確的位置時，紅外線收發模組 無法收到經由反射棒所反射回來的信號而切斷雷射光源，防止使用者誤用。

圖 4.16 感測器位置

圖 4.17 感測器結構

4.4 系統整合

圖 4.18 水平儀組合圖

圖 4.19 垂直水平模組

圖 4.21 氣泡組

圖 4.22 LOCK 組

圖 4.23 重垂組

圖 4.24 模組組

圖 4.26 底座

圖 4.28 水平組

圖 4.29 本體組

圖 4.31 下殼組

表4.1 4V3H 零件表

斷電遮斷器 按鍵電路板

主控制電路板

雷射模組 雷射模組

Switch Board

Main Board

斷電電路板

Auto power control Board Photo senser

Laser Module(1) Laser Module(2)

圖 4.32 電路系統圖

第五章 實驗結果 5.1 懸吊系統測試

雷射水平儀自動整平的原理在於懸吊系統的靈敏度及重覆性。透過懸吊螺絲的調 整間隙，可以控制XY軸向的靈敏度及重覆性，藉此可達到高精度的規格。

由於靈敏度高，常導致水平儀的擺動時間過久，甚至無法完全靜止。所以在機構上會 再增加一個阻泥裝置，稱為遲滯機構。以強力磁鐵及弱磁性金屬搭配設計。以減緩擺 動。

圖 5.1 懸吊擺臂中心

圖 5.2 懸吊 XY 旋轉軸

5.1.1 X 軸向擺動時間量測

測量步驟：1、調整X軸懸吊螺絲，至重覆性測試正常。

2、無遲滯裝置測試。沿X 軸轉方向推至最邊緣處，迅速放開。

3、加入遲滯裝置測試。沿X軸轉方向推至最邊緣處，迅速放開。

表5.1 X 軸擺動測試

第N 次 遲滯 (秒) 距離(mm)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

無 95 93 99 96 94 94 93 102 99 95 5 12 11 12 13 12 12 13 12 12 13 4.5 11 12 11 11 12 12 13 12 11 11 4 11 10 10 11 10 10 11 10 10 11 3.5 9 9 9 9 10 9 9 10 9 9

3 8 9 8 8 9 8 8 8 7 8 2.5 6 5 6 6 6 5 6 6 6 6 2 5 5 5 5 6 5 5 5 5 5 1.5 3 4 3 3 3 3 3 3 3 3 1 2 2 2 3 2 2 2 2 2 2 0.5 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

5.1.2 Y 軸向擺動時間量測

測量步驟：1、調整Y軸懸吊螺絲，至重覆性測試正常。

2、無遲滯裝置測試。沿Y 軸轉方向推至最邊緣處，迅速放開。

3、加入遲滯裝置測試。沿Y軸轉方向推至最邊緣處，迅速放開。

表5.2 Y 軸擺動測試

第N 次 遲滯 (秒) 距離(mm)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

無 92 94 96 96 99 94 93 92 99 95 5 13 12 12 12 12 12 14 13 12 13 4.5 12 11 11 12 12 12 11 12 11 11 4 10 10 10 11 11 10 11 10 9 11 3.5 9 9 10 10 9 9 9 9 9 9

3 8 9 8 8 8 8 9 8 8 8 2.5 6 5 6 6 6 6 6 6 5 6 2 5 5 5 5 6 5 5 5 5 5 1.5 3 2 3 3 3 3 3 3 3 3

5.1.3

XY 軸向擺動時間量測

測量步驟：1、調整X、Y軸懸吊螺絲，至重覆性測試正常。

2、無遲滯裝置測試。沿XY 軸45度轉方向推至最邊緣處，迅速放開。

3、加入遲滯裝置測試。沿XY軸45度轉方向推至最邊緣處，迅速放開。

表5.3 XY 軸擺動測試

第N 次 遲滯 (秒) 距離(mm)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

無 93 92 95 96 98 93 93 92 89 91 5 13 14 12 14 12 12 14 13 13 13 4.5 12 11 11 11 12 12 11 12 11 11 4 10 10 10 11 11 10 11 10 9 11 3.5 9 9 10 10 9 9 9 9 9 9

3 8 9 8 8 8 8 9 8 8 8 2.5 6 5 6 6 6 6 5 6 6 6 2 5 5 5 5 6 5 5 5 5 5 1.5 3 2 3 3 3 3 3 3 3 3 1 3 2 2 2 2 3 2 2 2 2 0.5 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

5.1.4 時間與穩定性量測

遲滯裝置與擺動時間的關係，在懸吊系統運作正常的情況下，當調整愈遲滯裝置 的距離時，可調整懸吊擺動的時間。主要的目的在於讓使用者可以很快的找到雷射所 標示的位置，不會因微弱的振動或定位時的移的而一直在等待水平儀靜止。

由實驗測試的數據可看出，此設計在1.5~2mm的距離為最佳狀態，可在3秒內靜

止而不影響水平儀的精準度，在1mm以內時，遲滯裝置會影響精準度，且重複性差。

5.2 調校技術

雷射水平儀的調校主要分為四部份。一、雷射光點聚焦光點調整。二、墨線雷射 準直調整。三、相對位置調整。四、旋轉基準調整。

以下圖說明，雷射的調校必須先取一平面為基準面，固定模組後再研判調整一個雷射 光軸。

以下圖三角示意圖說明，以三角函數的計算方式來瞭解雷射光軸的偏移量。角度 B=arctan(b/a)即為誤差值。 “a “邊長表示標示的距離，一般為5M，”b” 表示標示的誤 差值。

圖5.3誤差角度示意圖

圖 5.4 水平調整模組

圖5.5 水平線形 水平線形及誤差的調整：水平線形：

A1、A2：調整上下偏調整螺絲。

B1、B2：調整上下凹調整螺絲。

C1、C2：調整上下斜線調整螺絲。

D1、D2：S形。調整柱狀鏡與模組旋轉角度。

圖5.6 垂直調整模組

圖5.7 垂直線形

垂直線形及誤差的調整：垂直線形：

A1、A2：調整左右偏調整螺絲。

B1、B2：調整左右凹調整螺絲。

C1、C2：調整左右斜線調整螺絲。

D1、D2：S形。調整柱狀鏡與模組旋轉角度。

5.2.1 基準校正法

取水平儀懸吊本體之中心為基準平面，各線模組之準直度已單獨調校完成後才組 裝至本體上。步驟如下：

1、懸吊本體固定於校正平台。2、調整下點。360度旋轉間，位置不變。確認旋 轉軸。3、調整水平線位置，至前方水平標靶。4、調整前方垂直線到前方垂直標靶。

5、旋轉90度，調整第二組水平及垂直線。直到所有垂直線皆調完成。6、組合懸吊系 統及支架、底盤。7、調整懸吊中心。8、調整懸吊重心。9、懸吊重複性及靈敏度調 整。10、配重微調。11、自動斷電範圍調整。12、外殼組裝。13、氣泡調整。

此種調校方式優點是調校製程容易畫分，入員訓練容易，初學者容易上手，調校時容 易判斷調整點。缺點是基準平台需相當準確，無法即時發現誤差，需經常檢驗確認校 驗台。

5.2.2 相對逼近法

此種調校方式是將整台水平儀直接組裝至系統可運作狀態，再開始調校。步驟如 下：

1、組裝至待調整半成品。2、調整懸吊中心。3、調整懸吊靈敏度、重複性。4、

調整下點，360度旋轉間，位置不變。確認旋轉軸。5、調整水平線準直度及水平位置。

6、左右各旋轉90度，檢視正前方標靶，確認水平線是否準確。7、調整垂直線準直度 及垂直位置，左右旋轉90度，檢視標靶，確認垂直線是否正確。8、調整第二條水平 線及垂直線時，以第一條水平及垂直線作參考點，當第二條線偏移過大，無法調整時，

返回調整第條水平或垂直線的基準返覆修正。

此種調校方式優點是調校製程品質即時掌控，不良品可以即時發現處理。缺點是人員 訓練不易。需有經驗、熟綀的技術員才有能力調校產品。，

5.2.3 氣泡精度調整

考基準，以更將水平儀調入自動整平的範圍內。

下圖為基準面所產生基準，圓氣泡會停留在正中央。此時若旋轉水平儀，在360 度中的任何一個角度，氣泡都在中間，則表示目前水平儀基準面是正確的。若無法調 出，則表示此水平儀氣泡精度不良。以下列方式調整可快速修正。

(1)調整三支腳柱使氣泡位於中心點(如右圖所示) (2)旋轉180°觀察氣泡偏移位置(如下圖所示)

(3)調整螺絲ABC(如下說明),使氣泡移向距中心點1/2處 (4)再旋轉180°調整三支腳柱使氣泡位於中心點

(5)重覆 3,4 步驟直到旋轉至任何角度時氣泡均在中央

圖5.8 水平儀調整腳

調整A 調整AC 調整AC 調整AB

調整A 調整 AC 調整AC 調整AB

圖5.9 氣泡位置

第六章 結論及未來展望 6.1 結論

雷射水平儀的調校是利用螺絲旋轉方向來調整雷射光的軸向，以一個XYZ座標系 來看，就是提供一個標準的座標供使用者做基準。對設計、生產者而言，從單一的半 導體雷射元件、光學元件、模組機構件組成模組，再由各模組組成水平、垂直線等各 種款式到成品，每一個元件的加入都包含著XYZ方向軸的變異，在理想的狀況下，以 加工精度來控制產品的精度是最好的方法，但是在商業成本及加工設備成本的考量 下，以調校方式來生產製造還是比較符合經濟效益的。所以雷射水平儀的產業發展的 重點應該是在於如何發展出一套快速、又精準的調校設備及方法，來改善目前生產時 所遇到的產能瓶頸。

6.2 未來展望

透過雷射標示及量測產品技術論文的研究，歸納出完整的調校技術。以目前水平 儀的調校生產方式，需以長寬5X10米的空間來調校，工廠空間的使用效率極低，透 過此研究可得到水平儀調整及設計的技術，縮短空間、增加產能、提高準確度、重複 產性。

參考文獻

[ 1 ] 2002 年，朱旭新、陳聿昕、汪治平、李超煌、陳賜原，“十兆瓦超短脈衝雷射 系統＂。本篇文章介紹中央研究院原子與分子科學研究所建造之十兆瓦超短脈衝雷射

系統，包括設計原理、系統架構特色、輸出品質以及目前在電漿非線性光學與 X 射

線雷射的應用。[1]

[ 2 ] 2005 年，陳振文、蘇重光、康慶順，“鐪雷射測距定位儀能量及光束測試調校 及更換研究＂。本篇文章是對一特殊的雷射做知識、技術及經驗的解析研究，使軍方 需求單位掌握此一特殊的雷射的五級維修能力，並對所有的介面做最完整詳細的說 明，更對量測及調校和元件的更換做了標準程序說明，還有設計了各類、各級雷射自 主的驅動電源電路設計，使得使用者可以自主的完全掌握基修能量。

[ 3 ] 2005 年，陳振文、林俊廷，““Q-switched mode-lock pulses laser range finder”。

本篇文章所研究的微晶材雷射能夠得到穩定的 Q 調制鎖模脈衝串，且將此穩定的脈

衝串應用於雷射測距儀，增加雷射測距儀的測量精度。

[ 4 ] 陳光鑫、林振華 編譯 光電子學

[ 5 ] 許書務 編譯 光感測元件界面專題製作

[ 6 ] 徐天佑編譯 Boylestad Nashelsky 原著 光感測元件界面專題製作