TW201403019A - 雷射寬高量測儀 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種用以量測一目標物之距離寬度的雷射寬高量測儀，以便觀察者度量目標物之兩個參考點間的橫向距離，其中參考點分別與觀察者連線時，兩連線間夾有一角度。上述雷射寬高量測儀包括：一量測目標物與觀察者間之縱向距離的測距單元；一所發光束中心波長在可見光範圍的雷射發光單元；一將雷射發光單元所發光束，端緣重合地投射至前述兩個參考點的光學調制單元；一處理單元，感測光學調制單元對前述兩個參考點投射光束的夾角，並依照測距單元所測得的縱向距離、計算上述兩個參考點間的橫向距離。

Description

雷射寬高量測儀

本發明是關於一種雷射寬高量測儀，尤指一種量測目標物之距離寬度的雷射寬高量測儀。

建築施工、都市規劃或室內裝潢等相關領域的作業人員，常用的測量方式不外乎使用捲尺、作圖法等方法來丈量目標物之距離及寬高，但這些方法所得之測量精度有限，倘若技巧不純熟，就必須重複多次測量、計算來去除不正確的數值。

另方面，針對捲尺的量測，測量者必須先將捲尺的一端固定至目標之一端點，伸拉捲尺至測量點，再檢視刻度所在數據，若量測距離稍長，則必須往復丈量多次加總，誤差隨之增大；如丈量對象不具平坦表面，量測中途遇有障礙物，捲尺將無法筆直貼附；甚至丈量對象高度並不恰位於量測者身高位置，則更需依賴其他物品墊腳或彎腰執行丈量，在實際操作上，存在諸多不便，在在考驗測量者的專業技巧，而難以精確、有效地量測。

隨著雷射科技的日新月異，已有相關業者將雷射原理應用於測距裝置上，其原理相當簡單，大致概分有：飛行時間法、相位差法、三角測距法等三種。舉例來說，飛行時間法乃利用雷射測距儀對目標物發射一個雷射脈衝光束，由目標反射光波回到偵測器，得出光波往返的時間差，即可換算成距離，對遠距離的測量相當有用；另一種三角測距法即藉由光源至目標物的三角關係，推算量測距離。也因為雷射測距之方式既方便又簡單，因此相關業者多有對雷射測距儀之研發與改良。

此外，雷射測距技術也應用於許多周遭事物，例如在高速公路旁用來 偵測行車速度的測速照相系統、汽車的防撞偵測器，以警告駕駛人員保持安全距離且在危急時自動減速、高爾夫球場上的測距望遠鏡等等，可說是不勝枚舉。

相較捲尺等傳統工具，此種習雷射測距儀雖表現相當優異，可以迅速且正確讀取兩點間長度，確保所度量者為直線距離，並且量測範圍遠大於捲尺。但實際執行測量作業時，仍存有諸多不便之處：例如，當欲利用三角測距法中的畢氏定理量測遠處建築物上的牆面高度時，由於需要以牆角為基準，並分別對牆角與牆頂兩端分別發射雷射光束，再正確讀取光束間所夾之角度，透過三角函數推得牆面高度，因而量測過程中，只要一丁點的角度偏差，都可能造成極大的誤差結果。

因此，為因應上述測量方式，縱使市面上以推出多種手持式雷射測距儀，仍必須配置一個非常穩固且完全交由機械控制的腳架，如此才可避免人為上的誤差。不幸的是，腳架在使用上也有許多限制，譬如圖1所示，當身處於凹凸不平的戶外斜坡7時，根本無從穩固地置放腳架8，該手持式雷射測距儀6無法平穩地用前述方法量測遠處目標物9的寬度；簡言之，若無法解決腳架問題，即便該測距儀功能強大，雖稱不上無用武之地，但已明顯弱化原有功能，且喪失手持式雷射測距儀的方便性訴求，即使已研發出各式各樣的手持式雷射測距儀，在量測便利性上仍存有缺憾。

另一種手持的雷射測距儀，外型如同一般簡報用雷射筆，以其後端抵緊一個例如牆面的參考點，發射雷射光束的前端則指向相對的另一牆面作為量測點，藉由量測點處的反射光，計算參考點與量測點，也就是兩面牆之間的距離。這種測距儀不僅輕便，也保有量測距離較長以及量測速度快 的優點。但是，如果要量測的兩個點並非人的身高易於到達處，例如站在兩三層樓的樓房前，要量測屋頂寬度，則無法將測距儀底端抵緊在屋頂的一側而朝另一側發光，必須攀爬至屋頂上進行量測；此外，如果屋頂僅只是單純的平面，欠缺可反射的具體反射面作為量測點，也會導致量測的困擾；精確地說，這種測距儀是供量測者從自身所在的位置，朝向一個可具體反射的物件，量測該物件與自身所在位置間距離的工具，不能度量遠離自己所處位置的兩點間距。

綜上所述，兩種改良方案都存有不可避免的缺陷，所以，如何研發出一種雷射測距儀，使該雷射測距儀具有體積較小、攜帶方便、應用廣泛等優點而又能保有良好的光學測距性能，已成為業界所共同追求的目標。

有鑑於此，本案提出一種既可以直接量測寬高，又結構簡單的雷射寬高量測儀，在使用上更為直覺，不僅符合人性化需求，真正達到方便攜帶的訴求，而且本案之雷射寬高量測儀的裝置結構簡便，有效降低生產成本，完全具備市場上之競爭力，進一步滿足當前輕、薄、短、小之消費需求。

本發明之一目的在提供一種直接量測目標物寬度的雷射寬高量測儀，在簡化量測手續的同時，同樣能具備優異的測距品質。

本發明之另一目的在提供一種具有光學調制單元的雷射寬高量測儀，依據測距條件，提供各種分光/散光裝置，增添使用彈性。

本發明之再一目的在提供一種具有光學調制單元的雷射寬高量測儀，提供使用者於測距時，調整光束角度，達到最佳的測距效果。

本發明之又一目的在於提供一種結構簡約大方且便於攜帶收存的雷射 寬高量測儀，使測量更為便捷。

為達上述目的，本案提供一種用以量測一目標物之距離寬度的雷射寬高量測儀，以便觀察者度量目標物之兩個參考點間的橫向距離，其中參考點分別與觀察者連線時，兩連線間夾有一角度。上述雷射寬高量測儀包括：一測距單元，供量測目標物與觀察者間的縱向距離；一所發光束中心波長在可見光範圍的雷射發光單元；一將雷射發光單元所發光束，端緣重合地投射至前述兩個參考點的光學調制單元；一處理單元，感測光學調制單元對前述兩個參考點投射光束的夾角，並呈現上述兩個參考點間的橫向距離。

與先前技術相比，本發明提出一種嶄新的雷射寬高量測儀，可隨時調整測距角度，無須另行搭配習知腳架，讓使用者可隨心所欲選擇量測位置，大幅降低場地限制，達到最佳的量測效果；此外，依據測距條件的不同，消費者可選購最適宜的雷射寬高量測儀，增添使用者的選擇彈性；再者不僅結構簡約大方、便於攜帶與收存，且同樣地具備優異的測距品質，達成上述所有目的。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現；此外，在各實施例中，相同之元件，將以相似之標號表示。

本案之第一較佳實施例如圖2至圖5所示，有別於市面上按鍵複雜且外型呆板的方正設計，本發明之雷射寬高量測儀1之外觀例為一個方便握持且簡約大方的圓柱管體11，其中，該圓柱管體11前端形成有一供其內光 束射出的出光孔111，並於外側壁上設有一個便於使用者立即觀看量測數據的顯示螢幕112。

進一步地，本案之雷射寬高量測儀1之量測系統如圖3所示，更包括有：測距單元2、雷射發光單元3、光學調制單元4、處理單元5；簡單來說，測距單元2所測得的縱向距離，以及經光學調制單元4處理後的雷射發光單元3所得知的發光夾角，可藉由後續處理單元5的運算器加以整合運算，進而將縱向距離及發光角度的量測數值顯示於圖2之顯示螢幕112。

以下將針對本案如何度量橫向距離作一具體說明。請參考圖1、圖3及圖4所示，測距單元2例示為一紅外線光源，並經由雷射寬高量測儀1之出光孔111發射一道肉眼不可見的紅外光線21至目標物9後，處理單元5即藉由初始發光時間及反射回處理單元5之結束返回時間的時間差等光學原理，推得目標物9與觀察者端之間的縱向距離；除此之外，該測距單元2為一獨立系統，除可搭配本案之雷射發光單元3得知目標物9之橫向距離，亦可單獨用於測量目標物9之縱向距離。

接著，雷射發光單元3透過光學調制單元4被分為兩道為可見光波長範圍的雷射光束31(在此以虛線表示避免和前述紅外線光源混淆)，並可藉由光學調制單元4來調節兩道雷射光束31的出光夾角，將兩道雷射光束31恰巧投射至目標物9的兩參考點(以兩圓點示意)上；上述出光角度，即為前述兩道雷射光束31分別與觀察者端的出光孔111連線時，兩連線間夾之角度。

為便於說明起見，將上述兩參考點的橫向距離定義為R、紅外線得知的縱向距離定義為a、紅外光線21和其中之一雷射光束31之連線夾角定義 為θ，依三角函數公式換算得知：R=2．a．tan θ。舉例來說，當此時使用者與目標物的距離為6公尺，而上述光束之兩兩夾角恰為30度，將上述數據帶入公式後(2．6．tan30°=6.928)，即可得知橫向寬度約為6.928公尺。

由此可知，處理單元可透過簡單的畢氏定理，經由上述各項數據，推得目標物的橫向距離，特別當距離無法直接量測時，如想得知前方建築物的樓層寬度，甚至單純只想在某定點量測距離，而不想在量測完縱向距離後、再移動到另一端點量測寬度距離，透過本案技術特徵即可站在原處量測到視線範圍內所有的長寬距離；另一方面，無須搭配腳架、使用者可隨心所欲選擇量測位置，大幅降低場地限制。因此，本案的運作原理極為簡單，不若習知技術這般複雜，同樣能獲得良好的測距品質。

值得一提的是，本案另一主要特徵為搭配多樣化的分光/散光裝置及調節裝置，進而達成本案之具體功效；在此，將上述裝置一併涵蓋於本案之光學調制單元4。

本案之光學調制單元4包括分光裝置以及分光角度調節裝置；請一併圖5所示，該分光裝置包括至少一斜置於雷射發光單元3後端的半透鏡41，藉由半透鏡41對於光束之部分穿透、部分反射特性，可將該單束雷射光一分為二，使得該雷射光分光為投射至目標物9兩參考點的兩束雷射光束31，上述半透鏡41搭配之分光角度調節裝置，例為裝設於圓柱管體11側壁的轉鈕42，以便於使用者透過外部轉鈕42的旋轉，同步驅動圓柱管體11內至少一個半透鏡41之角度，進而改變雷射發光單元3所發光束的入射角度，以達成角度調節之目的。

本案第二較佳實施例如圖3及圖6所示，分光裝置則包括至少一片全 相片43，供雷射發光單元3所發光束穿透並改變出光角度，其中上述全相片43包括複數出光角度彼此相異的出光區431，光學調制單元4更包括一選擇上述出光區431的出光角度選擇調節裝置(在此例為一轉軸44)，和第一實施例差異在於：分光裝置為數組預先設置有不同角度出光區431的全相片43，透過不同尺寸、曲度的全相片43，折射出不同的出光角度，例如15度、30度、45度等，可供使用者大略選擇出光角度，而轉軸44環設有刻劃度數，讓使用者能一眼辨識旋轉至此時的出光角度，此為一種較為簡易之調節角度機構；當然，全相片的尺寸、形狀及數目不再本案之討論範圍，在此不另贅述。

請參看圖3及圖7所示，本案之第三較佳實施例之光學調制單元4為一散光裝置，該散光裝置和前述分光裝置不同之處在於：該散光裝置是將雷射發光單元3所發光束分散並投射至以目標參考點兩端點間的直線上，也就是說並非如前述分光裝置是個別分出兩束分量至兩端點，而是以一橫向線段(以粗線呈現)直接而散光投射至上述端點。其中，為因應更精準地測量方式，該散光裝置包括一片將雷射發光單元3所發光束反射的反射鏡45，以及一個調節反射鏡反射角度的振動件(在此例為壓電晶體46)，此壓電晶體46可提供快速、連續的微動，經由調節電位的高低，壓電晶體46會根據逆壓電效應的性質，產生相應之伸縮形變，並利用此一微小變形量，進而牽引連結於上的反射鏡45快速且細微的改變角度(以虛線示意)，而呈現於人眼中的畫面實際上是視覺暫留下的一條直線。換句話說，和前述實施例相比之下，可以更細微的調整出光角度，提供消費者另一種選擇，增加消費者的使用彈性。

另外，散光裝置亦可為一全相片，其中，全相片包括複數出光線段彼此橫向張角相異的出光區，且光學調制單元更包括一選擇上述出光區的橫向張角選擇調節裝置；類似地，該出光線段可經由橫向張角選擇調節裝置適度操控投射線段的大小，使投射線段能準確地投射至目標物的兩端點上，由於目標物與觀察者間的縱向距離可由上述測距單元獲得，故當全相片的兩束雷射光夾角為例如九十度，則向左與向右的每一束雷射光均與縱向夾四十五度角，亦即，若將左右發出的雷射光點對準待測目標物的兩個參考點，此時的橫向距離恰為縱向距離的兩倍，處理單元即可將此數字呈現於儀器的顯示幕上。

特別的是，當使用環境如圖8所示，也就是雷射寬高量測儀1和目標物9並非如圖4中處於一種理想的垂直距離，使得無法單以圖4所表述之三角函數推得橫向距離；因此，本案之處理單元(圖未示)更包括一感知測量光束與目標物所在平面間之夾角的水平儀113，該水平儀113是裝設於圖2所示的圓柱管體11側壁上，使得水平儀113可先行將當下非理想的測距位置回饋並調整至理想的相對垂直狀態，便可沿用本案的三角函數運算原理，得知目標物兩端點的橫向距離。

當然，如熟悉本技術領域人士所能輕易理解，可將本案的測距技術連結於智慧型手機，例如將雷射寬高量測儀以殼體之形式連結原有手機，因此，銜接該殼體的手機進行影像拍攝時，可將寬高數據直接加入拍攝畫面中，更增添本案之一實際應用。

綜觀上述，隨著測距條件的不同，消費者可選購最適宜的雷射寬高量測儀，增添使用者的選擇彈性，因此，藉由不同角度的光源調節，達到最 佳的測距效果，藉此清楚獲知目標物的實際寬度，此不僅構造簡單、便於攜帶與收存，且操作上亦極為簡便，對測量人員而言，堪稱一不可多得之實用利器。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1‧‧‧雷射寬高量測儀

11‧‧‧圓柱管體

111‧‧‧出光孔

112‧‧‧顯示螢幕

113‧‧‧水平儀

2‧‧‧測距單元

21‧‧‧紅外光線

3‧‧‧雷射發光單元

31‧‧‧雷射光束

R‧‧‧橫向距離

a‧‧‧縱向距離

θ‧‧‧連線夾角

4‧‧‧光學調制單元

41‧‧‧半透鏡

42‧‧‧轉鈕

43‧‧‧全相片

431‧‧‧出光區

44‧‧‧轉軸

45‧‧‧反射鏡

46‧‧‧壓電晶體

5‧‧‧處理單元

6‧‧‧手持式雷射測距儀

7‧‧‧斜坡

8‧‧‧腳架

9‧‧‧目標物

圖1為搭配腳架的手持式雷射測距儀的量測示意圖。

圖2為本案第一較佳實施例的雷射寬高量測儀外觀示意圖。

圖3為圖2實施例的量測系統方塊圖。

圖4為利用三角函數原理、說明本案量測方法的示意圖。

圖5為圖2實施例雷射寬高量測儀的操作原理及結構示意圖。

圖6為本案雷射寬高量測儀第二較佳實施例的立體示意圖。

圖7為本案雷射寬高量測儀第三較佳實施例的原理及結構示意圖。

圖8為非理想測距條件下之量測操作示意圖。

2‧‧‧測距單元

3‧‧‧雷射發光單元

4‧‧‧光學調制單元

5‧‧‧處理單元

Claims (12)

1. 一種用以量測一目標物之距離寬度的雷射寬高量測儀，供一觀察者度量該目標物的兩個參考點間的橫向距離，其中前述參考點分別與該觀察者連線時，兩連線間夾有一角度，該雷射寬高量測儀包括：一測距單元，供量測該目標物與觀察者間的縱向距離；一所發光束中心波長在可見光範圍的雷射發光單元；一將該雷射發光單元所發光束，端緣重合地投射至前述兩個參考點的光學調制單元；及一處理單元，供感測該光學調制單元對前述兩個參考點投射光束的夾角，並呈現上述兩個參考點間的橫向距離。
2. 如申請專利範圍第1項所述的雷射寬高量測儀，其中該處理單元更包括依照該測距單元所測得的該縱向距離、計算出上述兩個參考點間的該橫向距離的運算器。
3. 如申請專利範圍第1或2項所述的雷射寬高量測儀，其中該光學調制單元包括一分光裝置，將該雷射發光單元所發光束分為至少供對位至上述兩個參考點的兩束分量。
4. 如申請專利範圍第3項所述的雷射寬高量測儀，其中該分光裝置包括至少一片半透鏡，供該雷射發光單元所發光束部分穿透、部分反射。
5. 如申請專利範圍第4項所述的雷射寬高量測儀，其中該光學調制單元更包括一改變該至少一片半透鏡相對該雷射發光單元所發光束入射角度的分光角度調節裝置。
6. 如申請專利範圍第3項所述的雷射寬高量測儀，其中該分光裝置包括至 少一片全相片，供該雷射發光單元所發光束穿透並改變出光角度投射出。
7. 如申請專利範圍第6項所述的雷射寬高量測儀，其中上述全相片包括複數出光角度彼此相異的出光區，以及該光學調制單元更包括一選擇上述出光區的出光角度選擇調節裝置。
8. 如申請專利範圍第1或2項所述的雷射寬高量測儀，其中該光學調制單元包括一散光裝置，將該雷射發光單元所發光束分散投射至以上述兩個參考點為端點的直線上。
9. 如申請專利範圍第8項所述之雷射寬高量測儀，其中該散光裝置包括至少一片全相片，供該雷射發光單元所發光束穿透並改以一橫向線段而散光投射出。
10. 如申請專利範圍第9項所述的雷射寬高量測儀，其中上述全相片包括複數出光線段彼此橫向張角相異的出光區，以及該光學調制單元更包括一選擇上述出光區的橫向張角選擇調節裝置。
11. 如申請專利範圍第8項所述之雷射寬高量測儀，其中該散光裝置包括一片供反射該雷射發光單元所發光束的反射鏡，及一調節該反射鏡反射角度的振動件。
12. 如申請專利範圍第1或2項所述之雷射寬高量測儀，其中該處理單元更包括一感知測量光束與目標物所在平面間之夾角的水平儀。