DTD版本： 1.0.0
發明專利說明書
※申請案號：093100641 ※I P C 分類：
一、 發明名稱：
光電式表面距離與傾斜角度量測儀
Opto-electronic detector for distance and slanting direction measurement of a surface
二、 中文發明摘要：
一種光電非接觸式的表面距離與傾斜角度量測裝置，平行光源經過壹個多光孔遮罩
(Mask)，產生平行多光束之光，將此平行多光束之光投射至被量測表面，再以一組或多組 之多光點位置感測裝置如CCD等，擷取投射至被量測表面之多光點位置，經處理運算後，
即可求得被量測表面之相對距離與此表面之傾斜角度。
三、 英文發明摘要：
四、 指定代表圖：
(一)本案指定代表圖為： 第2圖 (二)本代表圖之元件符號簡單說明：
1．．．平行光束發光器 11．．．光束
2．．．多光孔遮罩 21．．．遮罩固定器
22．．．遮罩上之透光之小光孔 3．．．多光點位置感測裝置 31．．．鏡頭組
32．．．位置感測器，如CCD，PSD等 33．．．於位置感測器上成像之光點 4．．．量測表面
41．．．投射至量測表面之光點 42．．．量測表面之光點反射之光束
五、 本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：
六、 發明說明：
【發明所屬之技術領域】
[n] 本創作係一種非接觸式的光電量測裝置，其主要功能是用以測量本光電量測裝置與被測 量表面間之距離，在同一位置被測量表面之傾斜角度也同時可以測量出來，因此在一次測 量時，可同時取得被測量表面間之距離(高度)與該位置之傾斜角度。
【先前技術】
[n] 現行之量測裝置有接觸式與非接觸式兩種，接觸式多以探頭直接接觸被測量表面，而取 得被測量表面之距離或高度，非接觸式常以光學或雷射的方式量測被測量表面之距離或高 度，此為習知之三角光學或雷射表面之距離的量測方法，其方法如第1圖，但通常無法可 同時取得被測量表面之距離與該表面傾斜之角度。
【發明內容】
[n] 本創作主要係由平行光束發光器1為光源，光源之種類可為具低擴散角之雷射光、或發 光二極體(LED)之光源等，發射出光束直徑較大之平行光束經過壹個多光孔遮罩(Mask)2，
此遮罩可有各種型式，例如以九個小圓孔等距排列成一"田"字型之型式，平行光束通過遮 罩上之多個透光之光孔22後，產生平行多光束之光11投射至被量測表面4，而在被量測表 面形成多個光點41，這些量測表面之光點可由一組或多組之多光點位置感測裝置3偵測，
取得被量測表面之多光點位置形狀，方法為量測表面之光點反射之光束42經過一鏡頭組 31，將此量測表面之光點投射成像於位置感測器32上，於位置感測器上成像之光點33可經 由位置感測器之測量，將信號傳送至處理裝置，經過運算即可求得該被測量表面間之距離 (高度)與該位置之傾斜角度。
[n] 如圖2所示，多光孔遮罩(Mask)2係安裝於一遮罩固定器21上，因此可以更換不同型式之 多光孔遮罩，其式樣可有各種之幾何形狀與排列，可由小圓孔、方槽孔等排列組合而成，
以適應不同型式之被測量表面與用途，不同型式之多光孔遮罩式樣範例如圖3～5，此外位 置感測器32有各種設計類形，如光電偶合器(CCD: Charge couple device)、光敏感測器
(Photodetector)、位置感知器(PSD：Positive sensitive detector)等，皆可用於擷取 成像之光點。
【實施方式】
[n] 被量測表面之高度距離之求取方法，可以習知之三角光學或雷射表面之距離的量測方法，
參考第1圖，可很容易計算而得，因此投射至量測表面之各個光點位置之Z軸方向之高度距 離，則可一一獲得；若僅取一高度距離之值為被量測表面之高度距離，通常以正中央之光 點位置之Z軸方向之高度距離為測量表面之高度。
[n] 被量測表面之傾斜角度之計算方法如下，若以第4圖之"十"字型多光孔遮罩型式為例，其 光孔投射於水平與雙傾斜之被量測表面(對X與Y兩軸向皆有傾斜角)形成多光點情形，如第 6圖所示，空心圓是光孔投射於水平面之多光點情形，塗黑之圓是光孔投射於雙傾斜面之 多光點情形，各個光點位置之Z軸方向之高度距離，以習知之三角光學或雷射表面之距離 的量測方法獲得，若以正中央之光點位置之Z軸方向之距離(高度)為被測量表面之高度，
此一位置之傾斜角度則可以周邊之四個光點之Z軸方向之高度差(如第6圖上標示之Hx與 Hy)，與已知之各個光點位置間之X軸方向之距離(如第6圖上標示Dx之寬度)，與Y軸方向之 距離(如第6圖上標示Dy之寬度)，此X與Y軸方向之寬度即是多光孔遮罩上之透光小孔間之 微小距離，以數學上習知知三角函數之公式，由Hy與Dy關係即可求出正中央之光點位置在 X軸向之傾斜角度，由Hx與Dx關係即可求出正中央之光點位置在Y軸向之傾斜角度。
[n] 被量測表面之傾斜角度之另一種計算方法如下，如以第4圖之"十"字型多光孔遮罩型式為 例，其光孔投射於水平與雙傾斜之被量測表面(對X與Y兩軸向皆有傾斜角)形成多個光點，
再成像於位置感測器上所形成之多個光點之形狀如第7圖，塗黑之圓是光孔投射於雙傾斜 面之多光點情形，空心圓是光孔投射於水平面之多光點情形，若以正中央之光點位置之Z 軸方向之高度距離為被測量表面之高度，此一位置之傾斜角度則可以四周之光點於成像水 平軸U與垂直軸V方向之寬度距離(如第7圖上標示U1, V1, U2, V2之寬度)，與已知水平被 量測表面之四周之光點於成像軸U與V方向之距離為基準，以數學上習知知三角函數之公 式，即可計算出被測量表面正中央之光點所在位置在X軸方向(水平方向)與Y軸方向(垂直 方向)之傾斜角度。
[n] 平行多光束之光的產生方式，除如上所訴通多光孔遮罩之方法外，尚可有其他多種形式如 下，可將一光束直徑大之平行光發光器與多光孔遮罩，組合成為一個平行多光束發光器，
可產生小直徑光束之平行多光束投射光；或可將光導入多支光纖81中，於光纖出光口將多 支光纖排列成多光孔遮罩式樣(如第8圖)，也可產生平行多光束83之投射光；亦可將數個 小直徑光束之平行光發光器81(如小型雷射發光器)，排列成多光孔遮罩式樣(如第8圖)，
而發射出平行多光束83之投射光。
【圖式簡單說明】
[n] 第1圖係習知之三角光學或雷射表面之距離的量測方法之示意圖。
[n] 第2圖係本發明之組立示意圖。
[n] 第3圖係本發明之多光孔遮罩型式一，九個小圓孔等距排列成一"田"字型之型式。
[n] 第4圖係本發明之多光孔遮罩型式二，五個小圓孔等距排列成一"十"字型之型式。
[n] 第5圖係本發明之多光孔遮罩型式三，九個方槽孔排列成一"田"字型之型式。
[n] 第6圖係本發明之"十"字型多光孔遮罩，投射於水平與雙傾斜量測表面所形成之多個光 點。
[n] 第7圖係本發明之"十"字型多光孔遮罩，投射於水平與雙傾斜量測表面，於位置感測器上 成像所形成之多個光點。
[n] 第8圖係本發明之平行多光束發光器，於出光口將多支光纖排列成排列"十"字型，或將數 個光束直徑微小之平行光發光器(如小型雷射發光器)排列"十"字型。
【主要元件符號說明】
[y] 1．．．平行光束發光器 [y] 11．．．光束
[y] 2．．．多光孔遮罩 [y] 21．．．遮罩固定器
[y] 22．．．遮罩上之透光之小光孔 [y] 3．．．多光點位置感測裝置 [y] 31．．．鏡頭組
[y] 32．．．位置感測器，如CCD，PSD等 [y] 33．．．於位置感測器上成像之光點 [y] 4．．．量測表面
[y] 41．．．投射至量測表面之光點 [y] 42．．．量測表面之光點反射之光束
[y] 81．．．光纖或小直徑光束之平行光發光器 [y] 82．．．固定板
[y] 83．．．小直徑光束之平行光
七、 申請專利範圍：
1.一種表面距離與傾斜角度量測裝置，係包括：平行光束發光器，遮罩固定器用以挾持可 替換式之多光孔遮罩，多光孔遮罩，一組或多組之多光點位置感測器；由發光器所發射之 平行光束，穿過多光孔遮罩後將光線投射至被量測表面，經由一組或多組之多光點位置感 測器擷取被量測表面之多光點位置形狀，經計算分析後，可量測待測面之高度與傾斜角 度。
2.如申請專利範圍第1項之表面距離與傾斜角度量測裝置，其中多光孔遮罩之式樣可有各 種之幾何形狀，可由小圓孔、方槽孔等排列組合而成，如以九個小圓孔等距排列成
一"田"字型之型式，以方槽孔所組成之"田"字型之型式，以五個小圓孔所組成之"十"字型 之型式等，可應用於表面距離與傾斜角度量測裝置。
3.如申請專利範圍第1項之表面距離與傾斜角度量測裝置，其中平行光束發光器與多光孔 遮罩，可組合成為一個平行多光束發光器，可投射平行多光束於被量測表面。
4.如申請專利範圍第3項之表面距離與傾斜角度量測裝置，其中平行多光束發光器，亦可 由發光裝置將先導入多支光纖中，將多支光纖之出光口排列成如申請專利範圍第2項之多 光孔遮罩式樣，可產生平行多光束之投射光。
5.如申請專利範圍第3項之表面距離與傾斜角度量測裝置，其中平行多光束發光器，可將 數個小直徑光束之平行光發光器(如小型雷射發光器)，排列成如申請專利範圍第2項之多 光孔遮罩式樣，也可發射出平行多光束之投射光。
八、 圖式：
第1圖
第2圖
第3圖
第4圖
第5圖
第6圖
第7圖
第8圖
