A6 63 3 A7 B7 五、發明說明（） 本發明係一種高精確度雷射測距儀裝置，尤指一種具 有自動峰值控制迪路（automatic peak c〇nt「〇l)之雷射測 距儀裝置，藉由該裝置可準確地達成距離量測。 按，雷射測距儀長期以來一直是做為距離量測的重要 工具之，其原理乃是由一雷射光發射器對目標物發射出 一脈衝訊號，而再由一低雜訊、高感度之雷射光接收器接 收由目標物所反射回來的訊號，由該反射訊號計算出目標 物之距離’其公式如下所述：
Td=2L/C 在上述公式中，Td代表的是發射的脈衝訊號及接收的 脈衝訊號兩者之間的時間延遲，而L代表的是目標物之距 離’ C所代表的則是光速。而只要精準地量測出延遲時間 Td，則目標物之距離L即可得到。為了更精準地量測出距 離，因而準確地量測出延遲時間Td是必然的，其改善方向 可朝以下數點進行： 1 .儘可能地縮窄所發射出脈衝訊號之脈衝寬度。 2 從目標物所反射回來之接收脈衝訊號須要加以穩 定’因此由目標物之反射性不同，造成接收訊號 之啟始時間點之變動須儘可能維持在最低值。 3·需要一高靈敏度之延遲時間測量電路來提升雷射 測距儀之測量解析度。 而由美國專利號瑪3，921,095 —案上可得知該案是以一 啟動式鎖相電路（startable phase-locked丨oop)來改善延遲 時間的測量，而將解析度提高至1〇·12秒，在這個發明中 3 本紙張尺度適用申國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先，閲讀背面之注意事項再填寫本頁) ----訂---------線- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7
經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 d 6 63 3 5 五、發明說明（ 乃疋藉由一個啟動式振盪器（sta「table 〇sc丨丨丨at〇「）之振盪 頻率做為-個參考頻率，該參考頻率於啟動瞬間的勒始相 位可精確地保留下來，但因為該啟動式振蘆器只能在高速 時脈訊號下操作，尤其是在ECL邏輯閘元件中操作，因此 在以電池做為電力來源之裝置中，其功率消耗乃是一極須 克服的問題。 而在另一美國專利發明案，專利號碼為5,〇75,878 一案 中係利用取樣技術來改善延遲時間之量測準破性，由發射 及接收之脈衝信號取樣出一參考信號，利用此參考信號而 得到一取樣波形信號，該取樣波形信號之週期較脈衝信號 長。而在此發明案中’該取樣電路有可能發生失真問題， 因此在電路中會有量測誤差的存在。 由上述可知，既有雷射測距儀的測距技術上仍有未盡周 延之處，故有待進一步檢討，並謀求理想的解決方案。 因此本發明之主要目的在提供—種高精確度雷射測距 裝置，該雷射測距儀可提高量測解析度，達到低功率消 因而適用於以電池做為電力來源之裝置。 為達成前述之目的’本發明所提出高精確度雷射測距 儀裝置主要係以一自動峰值控制迴路及一時間對振幅轉換 電路’將反射回來之訊號加以處理，使得接收訊號強度皆 為定值’再經由一微處理器將接收訊號做計算處理，而將 結果顯示於一液晶顯示器（LCD )上。 為使貴審查委員能進一步瞭解本發明之設備及方法 設計以及其他目的，茲附以圖式詳細說明如后： 本紙張尺度遘用十國國家標準（CNS)A4規格（210x297公釐〉 私--------^---------線 (請先^讀背面之江意事項再填寫本頁) __Λ 6 63 3 ^ 五、發明說明（ 第一圖 第二圖 第三圖 第四圖 第五圖 第六圖 第七圖 第八圖 苐九圖 第十圖 圖式部份： 係本發明之電路方塊圊。 係本發明驅動電路之電路圖。 係本發明信號接收電路之電路圖。 係本發明峰值保持電路之電路圖。 係本發明積分電路之電路圖。 係本發明高壓電源電路之電路圖D 係本發明放大電路及單擊電路之電路圖 係本發明之計時偏差原理圖 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 第十一圖 第十二圖 (二）圖 (10) (20) (30) (310 (312 (32) (322 (34) (36) (40) 係本發明R—S正反器之電路圖。 係本發明線性充電電路之電路圖。 :係本發明時間對振幅轉換電路之時序圖 :係本發明另一較佳實施例之電路方塊圖 號部份： 極化分光器 驅動電路 自動峰值控制迴路 )去耦濾波器 )射極隨耦器 峰值保持電路 )峰值維持電路 高壓電源電路 A/D轉換器 放大電路 (1 1 )紅光雷射 (2 1 )紅外線雷射二極體 (3 1 )信號接收電路 (311)轉阻放大器 (313)共射極放大器 (3 2 1 )緩衝器 (3 3 )積分電路 (3 5 )崩潰光檢知器 (3 7 ) D/A轉換器 (4 1 )偏壓穩定迴路 二 極體 4---------訂---------線， (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 B7 Λ6 五、發明說明（ (4 2 )低通;慮波器 （5 0 )單擊電路 (6 0 )時間對振幅轉換電路（6丄）R_s正反器 (6 2)線性充電電路 （6 2 1 )定電流源 (6 3 ) A/D轉換器 （7 〇 )微處理器 (8 0)液晶顯示器 有關本發明所提出之高精轉度雷射測距儀裝置，請參 閱第一圖所示，其包括： -極化分光H( 1Q)，軸發射之雷射脈衝信號做 合光處理； 一驅動電路（2 Q)，係驅動-紅外線雷射二極體（2 1)發出脈衝信號； 时一自動峰值控制迴路（30)，包含有-崩潰光檢知 益（3 5 )，該自動峰值控制迴路（3 ◦)係接收目標物 所反射回來之信號並控制前述驅動電路（2 Q )之輸出脈衝 信號強度及崩潰光檢知器（3 5 )的偏壓值。 放大電路（4 〇)，係與前述自動峰值控制迴路（3 〇）連接’以便對反射回來之脈衝信號做放大處理； 一早擊電路（5〇)，係連接至前述放大電路（4〇) 之輸出端，係將放大電路（4〇)輸出之電壓信號轉為時 脈信號； %間對振幅轉換電路（6〇），係連接至前述單擊 電路（5 0)之輸出端，係將時脈信號轉換為數位信號； 微處理器（γ q )，係分別與前述時間對振幅轉換 (6 〇)及驅動電路（20)連接，控制前述驅動電 (請先'^讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製
經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 4 6 63 3 5 五、發明說明（ 路（2 0 )之觸發時機，並依前述數位信號做距離計算處 理； 一液晶顯示器（8 0)，係與前述微處理器（7 ◦) 連接’將微處理器（7 Q )之距離量料算結果顯示出來； 其中該自動峰值控制迴路（3 0)包含有： 一崩潰光檢知器（35) ’係將感測到的光信號轉為 電流信號輸出； 。。一信號接收電路（31),係連接至前㈣潰光檢知 為（35)，並將其輸出電流信號轉為電壓信號； -修值保持電路（32) ’係連接至該錢接收電路 (3 1 )之輸出端，將其電壓信號之峰值固定； 積刀包路（3 3 )，係連接至該峰值保持電路（3 2) 之輸出端，並將其輸出電壓信號與一參考電壓比較取 得一電壓差值，將該電壓差值做積分動作； -高愿電源電路（34)，係連接至該積分電路（3 3) 之輸出端，其輸出端則與前述驅動電路（2 〇)及作 號接收電路（3 1 )連接，控制驅動電路（2 ◦)之發射 信號強度，及崩潰光檢知器（35)之增益。 該信號接收電路（3 1 )係透過崩潰光檢知器（3 5) 接收由目標物所反射回來之雷射脈衝信號，而將接收㈣ 脈衝信號經處理後，傳送到峰值保持電路（3 2 )，由峰 值保持電路（3 2 )偵測出接收訊號的振幅強度，並與— 參考電壓值做比較取其電壓差值，利用積分電=(33'「 對此電麼差值做積分處理，積分處理完之輸出信號傳遞至 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇x 297公楚）_ (請洗閲讀背面之注意事項再填寫本頁) ^--------訂---------線.
I B7 _._AR 3 5 五、發明說明（） 南壓電源電路（3 4)，藉此控制高壓電源電路（3 4) 之輸出電壓’而此輸出電廢係用以控制驅動電路（2〇) 之輸出信號強度，以及崩潰光檢知器（3 5)之增益。一 旦此迴路達到穩定時，接收訊號的強度與參考電壓值彼此 之間的電壓差值可雉持在零。 請參考第二圖所示，該驅動電路（2 〇)係接收由高 壓電源電路（3 4)所提供之電壓及微處理器（了 〇)之 觸發彳s號以使雷射半導體以正媒時間產生雷射脈衝。 請參考第三圖所示，該信號接收電路（3 1 )其崩潰 光檢知器（3 5)的偏壓值由一去耦濾波器（3 1 〇)連 接至崩潰光檢知器（3 5 )之負端，接收崩潰光檢知器（3 5)之輸出電流信號，輸入至一轉阻放大器（3 1 1)， 由該轉阻放大器（3 1 1 )將由崩潰光檢知器（3 5)送 出之電流訊號轉換為電壓信號並送入一射極隨輕器（3 1 2)及一共射極放大器（3 1 3 )，以便將此電壓信號經 放大處理後送至峰值保持電路（3 2 )及放大電路（4 〇 )。 請參考第四圖所示，該峰值保持電路（3 中主要 是由一緩衝器（3 2 1 )接收由信號接收電路（3）所 輸出之訊號，再經過—級主要由運算放大器〇ρι所組成之 峰值維持電路（3 2 2 )將信號♦值固定後輸出至積分電 路（33)，使其輪出信號強度係與輸入訊號之脈波強度 成正比關係。 請參考第五圖所示，該積分電路（3 3 )係由-積分 器構成’係將峰值保持電路（3 2)之輸出訊號與參考電 8 本紙張又度適用中國國豕標準（CNS)A4規格（2iq X 297公髮） (請先閱讀背面之沈意事項再填寫本頁) 訂. 線丨 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 6 63 3 5 五、發明說明（） 壓比較，將兩者之差值經過積分放大處理後送入高壓電源 電路（3 4)，藉由積分電路（3 3)以消除自動峰值控 制迴路（3 0)之穩態誤差。 请參考弟六圖所不’該高壓電源電路（3 4)係由一 脈寬調變器U501及一升壓電路組成，其中脈寬調變器U501 的輸出脈寬係由積分電路（3 3 )之輸出電壓信號所控制， 而高壓電源電路（3 4 )之輸出電壓則分別提供至驅動電 路（20)及崩潰光檢知器（35)，因此可以控制驅動 電路（2 0)之雷射輸出脈衝訊號強度及崩潰光檢知器（3 5)之增益。 請參考第七圖所示，該放大電路（4 0)是由一偏壓 穩定迴路（4 1)、一放大器U201及一低通濾波器（4 2 ) 所組成，為防止放大器U201的直流電壓漂移經放大器U201 放大輸出而使單擊電路（5 0 )產生誤動作，故由偏壓穩 定迴路（4 1 )來穩定放大器之輸入偏壓，同時該放大器 U201輸入端之偏壓係由輸出端回授經低通濾波器（4 2) 所調整’如此可穩定輸入偏壓不受溫度變化所影響。而單 擊電路（5 0 )主要係由一積體電路U401所構成，其功能 主要是將放大電路（4 0 )之輸出電壓信號轉為寬度為定 值的數位脈衝信號後輸入R-S正反器（6 1 )，做為觸發 用’即使因目標物的反射率不同導致反射信號的強弱度不 同，在經過自動峰值控制迴路（3 〇 )處理後，其輸出脈波 的振幅將保持定值，因此經由放大電路（4 〇 )及單擊電路 (5 0 )處理後，因振幅變動而產生的計時偏差（tjming 9 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ,4--------訂---------線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 46 63 3 b A7 ___________ B7 五、發明說明（） jitter)的問題即可解決。 請參考第八圖（A)所示，即使在相同的距離隨著目 標物之反射率不同，導致接收到的反射信號強度也不一樣， 因此經過放大電路（4 0 )後，其輸出信號有強度不同的 變化，如圖中所示C曲線代表高反射度物體，〇曲線則是 代表低反射度物體經放大電路（4 〇 )輪出之信號，第八 圖（B)中之輸出訊號c’及D，為對應之比較器的輸出所 引起的計時偏差（timing iitter)，然而再經過自動峰值 控制迴路（3 0 )後，其輸出脈波的振幅寬度則皆保持為 一疋值，如此一來則計時偏差（timing jitter)的問題即可 解決。 請再參考第一圖所示，該時間對振幅轉換電路（6 〇) 係由一 R-S正反器（6 1 )、一線性充電電路（6 2 )及 一 A/D轉換器（6 3 )所組成。 月ίι述單擊電路（5 0 )之輸出脈衝信號與微處理器（7 〇）之觸發信號送入R-S正反器（6 1 )處理後（詳細電 路結構請參考第九圖所示）由其正相輸出端輪出觸發信號 控制線性充電電路（6 2 )中（詳細電路如第十圖所示） 電晶體開關Q9的導通與否，而此觸發信號之脈寬係與雷射 測距儀之發射信號及接收信號其延遲時間成一正比關係。 又線性充電電路（6 2 )包含有一定電流源（6 2 1 )， 當R-S正反器（6 1 )之觸發脈衝信號導通電晶體q9時， 電流流經電晶體Q9向電容C23充電，因此可藉由電容C23 的電壓得知觸發脈衝信號之脈寬，而其中一運算放大器〇ρ4 10 本紙張尺度適用令國國家標準（CNS)A4規格（210x 297公釐） 衣--------^---------^ {請洗閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 B7 46 63 3 5 五、發明說明（ 是做為一緩衝放大器，另一運算放大器0P5則是對A/D轉 換器（6 3)做增益及補償調整。 請 先 閱 讀 背 面 之 注 意 事 項 再 填 寫 本 頁 由運算放大器0P5輸出電壓，再經a/d轉換器（6 3 ) 將電谷C23之電壓轉換為數位信號後送入微處理器（7 0)，由微處理器（70)讀取數位信號計算出目標物的 距離，再顯示於液晶顯示器（8 0)上，而完成距離量測’ 同時微處理器（7 0 )在讀取A/D轉換器（6 3 )之輸出 數位訊號後，即刻送出一重置信號予線性充電電路（6 2 )， 將電容C23的電壓放電為零。該時間對振幅轉換電路（6 0 )之時序圖如第十-圖所示’其中a代表發射信號，b 代表接收信號，e代表R/S正反器（6丄）之輸出，d代表 線性充電電路（6 2)之充電狀態，e則代表由微處理器 (7 0)所送出之重置訊號。 請參考第十二圖所示，係為本發明之另一較佳實施 例與前貫施例不同處在於自動峰值控制迴路（3 〇) 的變化設計，如該自動峰值控制迴路（3 當中之積分 電路（3 3 )係由一組A/D轉換器（3 6 )及D/A轉換器 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 杜 印 % (3 7 )取代’其中該A/D轉換器（3 6 )係連接於岭值 保持電路（3 2 )之輸出端及微處理器（7 〇 )之間，將 由峰值保持電路（3 2)輸出之類比信號轉為數位信號後 送至微處理器（7 0)’由微處理器（7 0)將該數位信 號與其内部一參考數值作比較後而自動修 小，藉此取代了原有積分電路大 儐刀冤路（3J)之功能。而再由微 里器（7 〇 )將修正過後之信號輸出至D/A轉換器（3
______ II 本紙張尺度顧㈣醇 A7 B7 46 63 3 5 五、發明說明（ 7 )’由D/A轉換器將該輸出之數位信號轉換為類比信號 後輸出至高壓電源電路（3 4)。 藉由以上所述，本發明之優點在於經由自動峰值控制 迴路取得接收訊號的大小，經由積分電路控制高壓電源電 路’以改變崩潰光檢知器之增益及驅動電路之發射信號強 度，使對於不同反射率之目標物其反射接收訊號的強度均 為定值，則計時偏差（timing jitter)的問題將被排除， 精確度因而提高。 綜上所述，本發明設計可將雷射測距儀裝置之距離量 測精確度提高至1公分’具備顯著之功效增進，實為一極 具產業利用價值之設計’因此，本發明符合發明專利要件， 爰依法具文提出申請。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --------線_ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 12 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公f )