TW201432282A - 可測距之雷射指示器及其相關方法 - Google Patents

Abstract

一種可測距之雷射指示器，包含有：至少一第一雷射光源以及一第二雷射光源，其中第一雷射光源配合一前方的第一光學元件可產生一圓錐形的第一錐形光束，第二雷射光源配合一前方的第二光學元件可產生一圓錐形的第二錐形光束；一光學元件，係設置在第二雷射光源前方，將第二雷射光源的第二錐形光束衍生為複數第二錐形光束；其中，當第一錐形光束與第二錐形光束投射於一被測物表面時，該第一錐形光束投射出一第一光圖，該第二錐形光束投射出一第二光圖，該第一光圖與第二光圖隨雷射指示器與被測物表面之間距離而改變其在被測物表面上之第一光圖與第二光圖的相交位置，藉此指示位置以及顯示量雷射指示器和待測物表面的距離以及光圖上兩點之距離。

Description

可測距之雷射指示器及其相關方法

本發明是有關於一種雷射指示器，尤指一種可測距之雷射指示器及其相關方法，該可測距之雷射指示器以投射的雷射光，顯示雷射指示器和被測物之間的距離於投射的表面上，且同時可顯示投射於待測物表面光圖的直徑長度量。本發明可應用於某些能感應被測物表面發出之能量信號的量測設備，例如紅外線溫度計。

某二物距離及某二點長度量測方法，有用尺、聲波、無線電波、光…等方式。用尺量測的方式難以適用於過長的物體。以聲波、無線電波進行測量，於被測物的測試區不易辨視。以光進行測量必須透過一電子電路配合光學鏡片及快速測光的短暫發生時間，其技術及電子電路的成本高。

請參照圖1A，其顯示一傳統的雷射指示器80，其在一表面81的投影為單點亮點。應用一低功率的雷射光二極體投射器，投射出一亮點，讓使用者指示位置用。

然而上述傳統的雷射指示器均未有顯示雷射指示器與投影處之間距離，以及投影處的物體的長度的功能。

本發明人有鑑於傳統雷射指示器僅能顯示光點而無法進行測距與度量長度，改良其不足與缺失，進而發明出一種可測距之雷射指示器及其相關方法。

本發明主要目的係提供一種可測距之雷射指示器，包含有：至少一雷射光源，其中雷射光源可產生一光束；二光學元件，係設置在雷射光源前方，將該光束衍生為一第一錐形光束以及複數第二錐形光束；其中，當第一錐形光束與第二錐形光束投射於一被測物表面時，該第一錐形光束投射出一第一光圖，該第二錐形光束投射出一第二光圖，該第一光圖與第二光圖隨雷射指示器與被測物表面之間距離而改變其在被測物表面上之第一光圖與第二光圖的相交位置，藉此指示位置以及顯示量雷射指示器和待測物表面的距離。

藉由上述技術手段，本發明藉由以二光束的光學幾合特性，直接以雷射光圖顯示被測的距離量於投射的表面上，及顯示投影在待測物上的二光束點的長度。所以使用者於測量距離時，同時也觀察到以雷射光圖顯示的被測距離量，對使用者，尤其在黑暗處的使用，極為便利。

前述雷射光源為單一個，且發出單一光束，該單一光束分別經過兩光學元件而分別投射出該第一錐形光束與該複數第二錐形光束。

前述雷射光源為二個，分別為第一雷射光源以及第二雷射光源，且分別發出光束，該兩光束分別經過兩 光學元件而分別投射出該第一錐形光束與該複數第二錐形光束。

前述光學元件係選自衍射光柵、全反射元件、鏡片或其組合。

前述第一雷射光源與第二雷射光源為相同顏色。

前述第一雷射光源與第二雷射光源為不同顏色。

前述第一光圖具有一實線的第一光圓。

前述第一光圖具有一虛線的第一光圓。

前述第二光圖為一複數同心的第二光圓。

前述第二光圖為具有至少一個軸的刻度尺。

前述第一雷射光源與第二雷射光源為共軸。

本發明另一目的係提供一種測量二物體距離之間的方法，包括下列步驟：令一雷射指示器產生二光束，並且投射光束到一被測物的表面；以及其中一光束投影出具有單一光圓的第一光圖，另一光束投影出具有複數第二光圓的第二圈光圖以作為一刻度尺，此第一光圖與第二光圖隨著雷射指示器與被測物之間的距離而改變第一光圓所相交的第二光圓，藉此顯示雷射指示器和被測物表面之間的距離。

前述光學元件係選自衍射光柵、全反射元件、鏡片或其組合。

前述距離指的是測量者和被測物的距離長 度，及投射到被測物表面的二光圓重疊時，此時之光圓的直徑長度。

前述第一錐形光束與第二錐形光束為平行同軸且具有不同的錐角度。

前述第一錐形光束與第二錐形光束為不同軸且具有不同的錐角度。

前述第一錐形光束與第二錐形光束為平行不同軸，且具有不同的錐角度。

10‧‧‧手持裝置

40‧‧‧雷射指示器

41‧‧‧前蓋

42‧‧‧外殼

420‧‧‧腔室

44‧‧‧雷射模組

45‧‧‧電池

46‧‧‧電路板組件

48‧‧‧後蓋

50‧‧‧紅外線溫度量測裝置

500‧‧‧開孔

51‧‧‧聚焦反射鏡

52‧‧‧電熱堆感應器

L₁‧‧‧第一雷射光源

L₂‧‧‧第二雷射光源

B₁‧‧‧第一錐形光束

B₂‧‧‧第二錐形光束

D‧‧‧距離

D₁‧‧‧距離

D₂‧‧‧距離

G₁‧‧‧衍射光柵元件

G₂‧‧‧衍射光柵元件

P₁‧‧‧第一光圖

P₂‧‧‧第二光圖

X‧‧‧距離

X₀‧‧‧距離

X₁‧‧‧距離

X₃‧‧‧距離

θ₂‧‧‧夾角

θ₁‧‧‧夾角

圖1A顯示一投影為單點亮點的傳統雷射指示器。

圖2A到2E係本發明的雷射光測距示意圖。

圖3A到3E係照本發明投影出的第一光圖與第二光圖。

圖3F係第一光圖與第二光圖共同構成一量角器尺規刻度圖形。

圖3G係一雷射模組與二衍射光柵元件之操作示意圖。

圖3H係根據圖3G的光投射示意圖，其中第一衍射光柵元件投射出第一光圖，且第二衍射光柵元件投射出第二光圖

圖3I係一雷射模組與一光學鏡片之操作示意圖。

圖4係按照本發明的立體外觀圖。

圖4A係雷射指示器之側視圖。

圖5A到5B係本發明應用於紅外線溫度量測裝置的實體的立體外觀圖。

請參照圖2A，本發明可測距之雷射指示器40具有至少二低功率雷射光源以投射出二圓錐形光束，其圓錐形尖端點非同一點，且在其圓錐形角度改變之下產生的光學成像圖。該低功率雷射光源投射入一光學元件之後，可射出一光圖。前述的光學元件可為一衍射光柵(diffraction grating)元件或其它光學元件(例如全像攝影元件(holographic element))及鏡片，例如全反射鏡片。

以下就圖2A的雷射指示器40進一步作詳細說明：將一第一雷射光源L₁置放於X₀處，所發出光線經過一光學元件後投射出一成形為圓錐形的第一錐形光束B₁。將一第二雷射光源L₂置放於X₁處，所發出光線經過一光學元件後投射出成形為圓錐形的第二錐形光束B₂，第一錐形光束B₁和第二錐形光束B₂與X軸的夾角分別為θ₁以及θ₂。此外，雷射指示器40與投射處的一被測物表面相距一距離X。

此外，也可以僅使用單一第一雷射光源L₁配合兩光學元件，使發出的單一束光線分別經過兩光學元件，以分別投射出第一光圖P₁與第二光圖P₂。

tanθ₁=y/(D₁+D₂) (1)

tanθ₂=y/D₂ (2)

(1)/(2)得出tanθ₂=(1+D₁/D₂)tanθ₁ (3)

若第一雷射光源L₁和第二雷射光源L₂的距離D₁為定值，θ₂改變時，第一錐形光束B₁和第二錐形光束B₂之交會處與第二雷射光源L₂距離D₂也會改變。

一般狀況下，第一錐形光束B₁與第二錐形光束B₂會分別投射出一第一光圖P₁以及一第二光圖P₂於一表面處，通常第一光圖P₁以及第二光圖P₂會共同呈現二同心光圓，分別為第一光圓以及第二光圓。當雷射指示器40朝投射處表面的方向移動，也就是由X₀處往X₃移動時，此二同心光圓會互相靠近，當距離X等於距離D時，二光圓會合而為一。

請進一步參照圖2B、圖2C、圖2D以及圖2E，雷射指示器40可安裝到一手持裝置10上，第一光圖P₁與第二光圖P₂的關係說明如下：請參照圖2B，當X<D時，第一光圖P₁與第二光圖P₂在牆壁上呈現二同心的第一光圓與第二光圓。對應夾角θ₁的第一光圓在外，對應夾角θ₂的第二光圓在內。

請參照圖2C，當X>D時，第一光圖P₁與第二光圖P₂在牆壁上呈現二同心的第一光圓與第二光圓。第一光圓在內，第二光圓在外。

請參照圖2D，當X=D時，第一光圖P₁與第二光圖P₂在牆壁上呈現只有一光圓。第一光圓和第二光圓重合為一個光圓。

請參照圖2E，令圖2A中的第二雷射光源，透過一衍射光柵元件，使第二光圖P₂產生n個第二光圓，該複數第二光圓所屬圓錐光束的夾角分別為θ_2a，θ_2b，...θ_2n。透過使用一遮罩，遮蔽第二光圖P₂的每個第二光圓的部分，只留下對應於X軸及Y軸的_一小段，就成為圖2E的刻度尺圖形。若將X軸刻度量化為圖2A中的距離D，其刻度代表雷射指示器40和被測物的距離。Y軸則可標示為與X軸不同的尺度，例如X軸標示的刻度為公分，X軸標 示的刻度為英吋，解此，使用者可以先利用尺度大的刻度粗估被量測物體的大略尺寸，再以小尺度的刻度精準確認實際尺寸。

此外，本發明將會對雷射指示器設計成：當上述第一光圖P₁重合第二光圖P₂的某一刻度時，該刻度必然準確，因此使用者不必考慮第一光圖P₁第二光圖P₂因為投影距離不同而放大縮小的問題。

圖3A顯示第一光圖P₁構成之虛線光圓和第二光圖P₂構成之刻度尺與實線光圓相交的點，即為測量的距離。X刻度尺可量化為測量距哩，Y刻度尺可量化為虛線光圓的直徑。

圖3B是當實線光圓和刻度尺相交的點，即為測量的距離，X刻度尺可量化為測距，Y刻度尺可量化為實線光圓的直徑。

圖3C是多了一Z刻度尺，配合圖2A中移動X₁處的衍射光柵元件或鏡片可做為X刻度尺或Y刻度尺的更精細刻度顯示用。

圖3D、圖3E是二不同軸的第一錐形光束B₁與第二錐形光束B₂，第二錐形光束B₂投影的第二光圖P₂形成距離刻度大小，刻度分別為由內往外遞增以及由外往內遞增。

圖3F是第一光圖P₁與第二光圖P₂構成的量角器尺規刻度圖形。

圖3G顯示一雷射指示器40的實施例，其由第一衍射光柵元件G₁及第二衍射光柵元件G₂以及第一雷射光源L₁所組成。

請進一步參照圖3H，上述兩衍射光柵元件G₁、G₂分別投射出圖3H的第一光圖P₁與第二光圖P₂

請進一步參照3I，在另一雷射指示器40的實施例中，兩光學元件分別為一衍射光柵元件G₁以及一光學鏡片S₁。

請進一步參照圖4，一具體化的雷射指示器40作為範例而被用來說明 本發明的內、外部結構。本發明的雷射指示器40是一手持式裝置，包括有一前蓋41、一外殼42、一後蓋48、一雷射模組44、一電池45以及一電路板組件46。該外殼42為中空，具有一腔室420用以置放該固定器43、雷射模組44、電池45、以及電路板組件46。電路板組件46是放置各種為了完成功能的電子元件及電源開關。前蓋41及後蓋48可利用卡榫結合或螺絲結合到外殼42。藉由具有彈性支撐物(例如泡沫橡膠)，將雷射模組44固定於固定器43上。

此外，圖4A為雷射指示器的側視圖，其中雷射模組44內設置有一低功率雷射二極体、一準直(collimating)鏡片、以及-二衍射光柵(diffraction grating)元件。

藉由圖4雷射指示器40僅作為說明性範例，於本發明可做出不同的修改，例如將圖4的前蓋41改為不可旋轉式或可替換的形式等等。

圖5A到圖5B顯示應用本發明雷射指示器40於紅外線溫度量測裝置50的具體應用。

請參照圖5A，該紅外線溫度量測裝置50具有一聚焦反射鏡51以及一電熱堆感應器52，在聚焦鏡面51上開設一開孔500，本發明雷射指示器40安裝在開孔500上並且接收聚焦反射鏡51所收集的紅外線。

請進一步參照圖5B，或也可將投射於被測表面之雷射光圓，藉由本發明雷射指示器40，標示出其被測區域之直徑長度，或標示出測量者和被量測物表面之距離，如圖5B。

此外，若是投射出之第一錐形光束與第二錐形光束，兩者的錐心點共軸但不在同一點位置，及錐角角度不相等，此條件下，若是投射平面非垂直於投射光軸，可藉由幾合定理：在一立體空間，在同一平面上的一A點和一圓，必可在圓上找到B點以及C點兩點，其和A點同距，且B點、C點的位置是落在，經圓心的一直線和圓的二交點上。依此定理，旋轉本發明雷射指示器，使其中一光圓和刻度尺的交點是對稱於刻度尺中心點，此時刻度尺和光圓之交點，即為距離的正確特徵值。

P1‧‧‧第一光圖

P2‧‧‧第二光圖

Claims (17)

1. 一種可測距之雷射指示器，包含有：至少一雷射光源，其中雷射光源可產生一光束；二光學元件，係設置在雷射光源前方，將該光束衍生為一第一錐形光束以及複數第二錐形光束；其中，當第一錐形光束與第二錐形光束投射於一被測物表面時，該第一錐形光束投射出一第一光圖，該第二錐形光束投射出一第二光圖，該第一光圖與第二光圖隨雷射指示器與被測物表面之間距離而改變其在被測物表面上之第一光圖與第二光圖的相交位置，藉此指示位置以及顯示量雷射指示器和待測物表面的距離。
2. 如請求項1所述可測距之雷射指示器，其中雷射光源為單一個，且發出單一光束，該單一光束分別經過兩光學元件而分別投射出該第一錐形光束與該複數第二錐形光束。
3. 如請求項1所述可測距之雷射指示器，其中雷射光源為二個，分別為第一雷射光源以及第二雷射光源，且分別發出光束，該兩光束分別經過兩光學元件而分別投射出該第一錐形光束與該複數第二錐形光束。
4. 如請求項1所述可測距之雷射指示器，其中該光學元件係選自衍射光柵、全反射元件、鏡片或其組合。
5. 如請求項1所述可測距之雷射指示器，其中第一雷射光源與第二雷射光源為相同顏色。
6. 如請求項1所述可測距之雷射指示器，其中第一雷射光源與第二雷射光源為不同顏色。
7. 如請求項1所述可測距之雷射指示器，其中第一光圖具有一實線的第一光圓。
8. 如請求項1所述可測距之雷射指示器，其中第一光圖具有一虛線的第一光圓。
9. 如請求項1所述可測距之雷射指示器，其中第二光圖為一複數同心的第二光圓。
10. 如請求項1所述可測距之雷射指示器，其中第二光圖為具有至少一個軸的刻度尺。
11. 如請求項1所述可測距之雷射指示器，其中第一雷射光源與第二雷射光源為共軸。
12. 一種測量二物體距離之間的方法，包括下列步驟：令一雷射指示器產生二光束，並且投射光束到一被測物的表面；以及其中一光束投影出具有單一光圓的第一光圖，另一光束投影出具有複數第二光圓的第二圈光圖以作為一刻度尺，此第一光圖與第二光圖隨著雷射指示器與被測物之間的距離而改變第一光圓所相交的第二光圓，藉此顯示雷射指示器和被測物表面之間的距離。
13. 如請求項12所述方法，其中光學元件係選自衍射光柵、全反射元件、鏡片或其組合。
14. 如請求項12所述方法，其中距離指的是測量者和被測物的距離長度，及投射到被測物表面的二光圓重疊時，此時之光圓的直徑長度。
15. 如請求項12所述方法，其中第一錐形光束與第二錐形光束為平行同軸且具有不同的錐角度。
16. 如請求項12所述方法，其中第一錐形光束與第二錐形光束為不同軸且具有不同的錐角度。
17. 如請求項12所述方法，其中第一錐形光束與第二錐形光束為平行不同軸，且具有不同的錐角度。