TWI262293B - A tilt angle sensing device with a line-shape light source - Google Patents

Description

1262293 五、發明說明（i) 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種光學式傾角量測裝置，特別是由 一線形光源向著氣泡管投光，並藉一影像感測器偵測氣泡 兩端部影像之位置變化，據以判斷水平度。 【先前技術】 ‘如圖1 a所示，習用氣泡管1係有一縱向主軸14 ，而 : 可依據氣泡2之位置變化，判斷該縱向主軸1 4之水平傾角 變化◦如圖1 b為氣泡管1之縱向斷面圖，氣泡管1係於透 明密閉殼體1 1内含有液體1 2與氣泡2，該透明密閉殼體1 1 内部之上表面沿著縱向、為具有特定曲率半徑之平滑曲面 1 5 ;氣泡2近似一狹長形之球體狀，氣泡2係包含兩端部表 面2 1 、2 2與底部表面2 5。氣泡2可沿著該平滑曲面1 5移 動，而可依據兩端部2 1、2 2之位置變化，以目視判斷水平 傾角，惟其判讀結果易產生目視誤差。一般而言，為提高 氣泡2之靈敏度，當氣泡管1之曲率半徑越大，氣泡2越狹 長，氣泡2之兩端部2 1、2 2之距離也越大。圖1 c為氣泡 管1之橫向斷面圖，其中密閉殼體1 1係為圓環形斷面、内 部包含液體1 2與氣泡2，該氣泡2具有兩側部表面2 3、2 4與 底部2 5。 m 己知技術為「光學式之水平傾角量測裝置」，例如美 攀國專利6，2 4 8，9 8 9 B 1 、中華民國新型專利1 8 7 8 2 3，其係 包含「一點光源、一氣泡管與一影像感測器」，可供作目 視讀取或電子式偵測，達到提昇精確量度之功能。如圖2

第6頁 1262293 五、發明說明（2) a所示，當點光源3向氣泡管1投光，入射光線依照其路徑 與效果可區分成三種：（一）有部分光線，在氣泡2外圍穿 過液體1 2者，將形成外圍之明亮區3 5 ;(二）有部分光線， 在氣泡2表面發生全反射者，將形成氣泡影像2 a内部暗 影；（三）另有部分光線穿過氣泡2 ，將降低氣泡影像2 a之 暗影均勻度。 如圖2 b所示，為影像感測器4上所顯現之氣泡影像 :2 a與外圍明亮區3 5，其中該氣泡影像2 a包含兩端部影像 _ ( 2 1 a、2 2 a )及兩側部影像（2 3 a、2 4 a )。 投影品質將影響到目視或電子偵測之水平度判斷，特 0別是如下之因素： (一） 兩端部影像21a、22a之輪廓形狀與清晰度； (二） 兩端部影像2 1 a、2 2 a與明亮區3 5之明暗對比； (三） 氣泡影像2 a内整體暗影之均勻度。 而如前述之因素均與光源之發光性質有密切之關聯性。然 而，習知技術僅由一點光源3向著氣泡管1投光，不易獲得 最佳的投影效果。 【發明内容】 考慮氣泡管1之構造，其係於縱向斷面與橫向斷面有 _不同的特徵，特別是橫向斷面為圓形斷面，以及，氣泡2 攀在縱向係有較為狹長之兩端部2 1、2 2，因此在縱向斷面與 橫向斷面上，二者對於光源投光有不同的需求，而僅由一 點光源3向著氣泡管1投光，受到如下之限制：

第7頁 1262293 五、發明說明（3) (一）點光源3 (例如L E D )係有一發光軸、一光發散角及光 強度分佈。因此，若使點光源3較為靠近氣泡管1 ，光線強 度分佈不均勻，且因正上方靠近發光軸之光線較強，造成 穿越過氣泡底部表面2 5的光線較強，使得氣泡影像2 a内整 體的暗度不均勻；且當氣泡兩端部2 1 、2 2較為狹長時，點 光源3之光線到達氣泡兩端部2 1、2 2之投射角度過大，可 能產生光線強度不足，減低影像兩端部2 1 a、2 2 a與明亮區 ' 3 5之明暗對比。 _ (二）若使點光源3之投光距離拉遠時，可使光線分佈較均 勻，然而，光線強度會降低，並且因光線在橫向之圓形斷 ¥面上發生聚光，使得兩側部影像2 3 a、2 4 a之間距在橫向產 生縮小，影響到目視或電子感測之判斷精度。 因此，僅由一單純之點光源3直接向著氣泡管1投光， 不易達成最佳的投影效果。本發明揭露一更合適、有效之 光源形式。如圖3 a 、b所示，本發明係藉由一發光器3 1 之光線通過一路徑調整器5，產生一線形光源6，並由該線 形光源6向著氣泡管1投光，藉著影像感測器4可接受線形 光源6通過氣泡管1之光線，依據光影之變化以判斷水平 度。該線形光源6在縱向斷面與橫向斷面有不同的投光特 性，可具備更好的投光效果。該線形光源6，具有如下述 之優點： _(一）如圖3 a ，該線形光源6係於縱向斷面上展開、使光線 更均勻分佈，可減少穿透氣泡底部表面2 5之光線強度；如 圖3 b，線形光源6係於橫向斷面上匯聚成點、具有聚光之

1262293 五、發明說明（4) 效果，可加強投光強度； (二） 該線形光源6可藉著適度地靠近氣泡管1 ，可調節投光 強度與影像品質，並可避免在橫向斷面上發生兩側部影像 2 3 a、2 4 a之間距縮小現象； (三） 該線形光源6於縱向展開、橫向匯聚，因此即使當氣 泡2較長、兩端部2 1、2 2之距離較大，仍可使兩端部影像 2 1 a、2 2 a與明亮區3 5之間維持較佳之明暗對比 。 【實施方式】 根據本發明，最佳實施例可如圖4 a 、4 b所示，包含 一發光器3 1、二個圓柱形透鏡5 1及5 2、氣泡管1、影像感 測器4。二個圓柱形透鏡成上下、平行排列，位於發光器 3 1與氣泡管1之間。影像感測器4位於氣泡管1之上方。 圖4 a為橫向斷面圖，發光器3 1之光線經過第一個圓柱形 透鏡5 1與第二個圓柱形透鏡5 2，匯聚成一點狀；如圖4 b 所示為縱向斷面圖，發光器3 1之光線經過兩個圓柱形透鏡 5 1、5 2，沿著縱向擴展成一線狀。 由圖4 a 、4 b可知，當發光器3 1之光線通過該兩圓柱 形透鏡5 1、5 2，可產生於縱向展開、於橫向匯聚之線形光 源6、向著氣泡管1投光；影像感測器4可偵測線形光源6通 _過氣泡管1之光線，可依據光影之變化以判斷傾斜角度。 根據本發明，最佳實施例可包括如圖5 a 、5 b所 示，其係包含一發光器31 、一柱形凸透鏡5 3、一氣泡管 1 、一影像感測器4。柱形凸透鏡5 3位於發光器3 1與氣泡管

第9頁 1262293 五、發明說明（5) 1之間，影像感測器4位於氣泡管1之上方。圖5 a為橫向 斷面圖，發光器3 1之光線經過該柱形凸透鏡5 3匯聚成一點 狀；圖5 b為縱向斷面圖，發光器3 1之光線經過該柱形凸 透鏡5 3，沿著縱向擴展成一線狀。 由圖5 a 、5 b可知，當發光器3 1之光線通過該柱形凸 透鏡5 3，可產生於縱向展開、於橫向匯聚之線形光源6、 向著氣泡管1投光。影像感測器4可接受線形光源6通過氣 :泡管1之光線，可依據光影之變化以判斷傾斜角度。 _ 影像感測器4可作為目視判斷傾角之用途，如圖6所 示，影像感測器4可包括為：一幕面4 0。該幕面4 0係可以 ¥接受該線形光源6通過氣泡管1之光線，而可顯示氣泡影像 2 a與外圍明亮區3 5 ;幕面4 0上設置一組尺標線4 7，可與 氣泡兩端影像2 1 a 、2 2 a作比對，據以判斷傾斜角度。 影像感測器4可應用電子式之受光感測器（例如：光 二極體、光敏電阻）來替代人之眼睛作判斷，具有更高之 判斷精度。如圖7 a所示，影像感測器4可包括為：由二個 受光感測器4 2、4 3及一差值運算器4 9所組成，該差值運算 器4 9可依據該兩個受光感測器4 2、4 3所偵測之光強度差 異，據以判斷傾斜角度。如圖7 b所示，該兩個受光感測器 4 2、4 3至少有部分面積感測到到氣泡影像2 a與外圍明亮 區35之明暗變化。 如圖8所示，影像感測器4可包括為：影像感測陣列 44。該影像感測陣列44 (例如為：CCD影像感測器、CMOS 影像感測器、PSD位置感測器等）係包含複數個感光格

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第11頁 1262293 圖式簡單說明 圖1 a 氣泡管之立體圖 圖1 b 氣泡管之縱向斷面圖 圖1 c 氣泡管之橫向斷面圖 圖2 a 先前技術投光方式 圖2 b 於影像感測器上之氣泡影像 圖3 a 發光器之光線經過路徑調整器產生線形光源之縱向 '斷面圖 _圖3 b 發光器之光線經過路徑調整器產生線形光源之橫向 斷面圖 ^|圖4 8 路徑調整器為兩聚光透鏡之橫向斷面圖 圖4b 路徑調整器為兩聚光透鏡之縱向斷面圖 圖5 a 路徑調整器為一聚光透鏡之橫向斷面圖 圖5b 路徑調整器為一聚光透鏡之縱向斷面圖 圖6 —幕面上包含氣泡影像與尺標比對線 圖7 a 影像感測器由二個受光感測器與差值運算器所組成 之不意圖 圖7 b 影像感測器上包含二個受光感測器與氣泡影像、明 党區不意圖 圖8 影像感測陣列與氣泡影像示意圖

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Claims (1)

1262293 年:丨月外㈡修(更)正替換買 年」月2.(: 日修（避;正. 六、申請專利範圍 1 、一種光學傾角偵測裝置，至少包含： 一氣泡管：其係為一透明密閉殼體内含有液體與氣 泡，及其係具有一縱向主軸，該密閉殼體内之上表面沿著 縱向係為具有特定曲率半徑之平滑曲面，該氣泡於縱向係 有兩端部； 一線形光源：其係位於氣泡管之下方，其係由一發 光器與一路徑調整器所組成，該發光器之光線進入該路徑 調整器，可產生一於縱向展開、於橫向匯聚之線形光源， 及該線形光源係向著氣泡管投光； ί 一幕面：位於氣泡管之上方，該幕面係可接受該線形 光源通過氣泡管之光線，及至少可顯示氣泡兩端部之影 像，及幕面上設置一組比對線，可與氣泡兩端部影像作比 較，據以判斷傾斜角度。 2、 如第1項申請專利範圍所述之光學傾角偵測裝置，其 中該路徑調整器可包括為：一柱形聚光透鏡。 3、 如第1項申請專利範圍所述之光學傾角偵測裝置，其 中該路徑調整器可包括為：由二個柱形聚光透鏡所組成。 ρ、一種光學傾角横測裝置，至少包含： 一氣泡管：其係為一透明密閉殼體内含有液體與氣 泡，及其係具有一縱向主軸，該密閉殼體内之上表面沿著 縱向係為具有特定曲率半徑之平滑曲面，該氣泡於縱向係 有兩端部； 一線形光源：其係位於氣泡管之下方，其係由一發

第13頁 1262293 |辨 o:p4娜 六、申請專利範圍 光器與一路徑調整器所組成，該發光器之光線進入該路徑 調整器，可產生一於縱向展開、於橫向匯聚之線形光源， 及該線形光源係向著氣泡管投光； 一影像感測器：位於氣泡管之上方，其係包含複數個 感光格點，該感光格點係可接受線形光源通過氣泡管之光 線，及至少可偵測氣泡兩端部影像之位置變化，據以判斷 傾角。 5、如第4項申請專利範圍所述之光學傾角偵測裝置，其 中該路徑調整器可包括為：一柱形聚光透鏡。 φβ、如第4項申請專利範圍所述之光學傾角偵測裝置，其 中該路徑調整器可包括為：由二個柱形聚光透鏡所組成。 7、 如第4項申請專利範圍所述之光學傾角偵測裝置，其 中該影像感測器可包括為：由二個受光感測器所組成。 8、 如第7項申請專利範圍所述之光學傾角偵測裝置，其 中該影像感測器，進一步包含：一差值運算電路，可運算 該兩個受光感測器所接受光強度之差異。 9、 如第4項申請專利範圍所述之光學傾角偵測裝置，其 中該影像感測器可包括為：一影像感測陣列。

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