1379990, 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一種垂直度檢測器的校正裝置及方法尤指一 種利用一雷射光源、一柱狀透鏡、二光感測元件、計算手段、一 垂線、-錘重及-雜平台’於扇面光線投影麵垂線所形成之 基準鉛垂線產生偏差角度時，藉調整平台校正其偏差角度至零為 止’而使該扇面光線投影成為一標準鉛垂線者。 【先前技術】 在工程領域中，對於鉛垂線的基準與檢測，一直都是很重要 的工作與課題。就連門窗的安裝、舖設磁磚等工作皆須有一條桿 準的垂線作為施工的依據。常用的檢測法有水準儀測量法與錘重 拉垂線法等，上述方法皆具有不受環境影響及操作簡單的優點， 而可供作為一般標準鉛垂線的參考之用。 由於鉛垂線之垂直度調校技術發表的文獻並不多，因而該技 術領域中僅能依據有限的資料來進行回顧。先前技術在1995年提 出一種雷射基準線的量測系統，用以檢測工具機的精度，該系統 係以緊拉垂線的方法’用雷射光照射垂線後由位置檢測器接收， 以電子電路的訊號處理來檢校直度，具有次微米的解析能力。到 了 2000年文獻資料提出一種利用光碟讀取頭鎖定懸吊垂線的方 法’具有0.1微米的解析度，可進行直度的追蹤與量測。 此外，在2002年由行政院勞委會指出，測量電梯井的寬度與 1379990 .深度之尺寸、上下高度與牆壁是否平直，是利用鋼琴線绑上錘重 •置於水桶中以保持鋼琴線的穩定，可作聽垂線的依據。行政院 勞委會建議使用雷射錯垂儀來確保各樓層與電梯井的垂直度，以 達到快速施工的要求。 而先前技術更有人針對垂線的橫向振動進行研究，提出了完 整的分析模式，以解決鋼絲繩橫向振動的問題。之後，更有人提 出以雷射加熱基座提拉法(LHPG)生長YIG單晶的研究，長晶步驟 _需_有氧化!S棒的材料棒及晶種祕在長晶機上，並校正其垂 直度。前述之制技術則再配合二極體雷射所扇出㈣射光經 錘重校正過其垂直度後，可作為校正材料棒及晶種垂直度的工具。 、然而不論是哪-種技術，都要需要—種標準的錯垂線作為檢 J基準目此，本發明著重於產生與檢測錯垂線的研發，藉此可 運用在各領域t。本發明採用垂線懸吊錘重的方式，定義出一條 可做够考準鉛銳，由於受地糾力_響㈣線垂直 向下’自然形成-標準的錄，以此—直線為基準，結合光感測 ，轉與雷縣，而可經校正後產生—條雷射的㈣線並可完成 錯直鲜_校正與—絲線是否準確呈麵的檢測之工作。 【發明内容】 、本發明之目的在於提供-種垂直度檢測器的校正裝置及方 >=，係以槓桿纽配合域測元件_量投f彡雷㈣面光線的傾 進而對垂直度檢測H做精柄校正，讓使用者得以經由簡易 的操作而精確地完成校正之工作。而且將雷射光透過柱狀透鏡而 1379990. 扇形射出一個雷射扇面光線，經校正後可取代傳統的實質基準 線，不受空氣擾動的影響，可廣泛應用於各種產業中，實用性極 佳。 達成本發明目的之技術手段，係包括一光源、一柱狀透鏡、 一光感測元件、一計算手段、一垂線、一錘重及一調整平台，該 光源用以放射出光束，該柱狀透鏡用以接收入射之該光束並於内 部折射出扇面光線，該二光感測元件以上下間隔距離設置於垂線 後方，用以接收經過垂線局部遮蔽的該扇面光線，經計算後得知 該扇面光線相對基準鉛垂線的偏差角度，當扇面光線產生偏差角 度時，可藉調整平台的調整以校正偏差角度至零為止，使扇面光 線的投影成為一標準鉛垂線。 【實施方式】 壹·本發明基本技術特徵 1.1本發明裝置的特徵 請參看第 A圖所示，本發明所提供之垂直度檢測器的 校正裝置’係包括有-域⑽、—柱狀透鏡(2G)、二光感測元 件(30a)(30b)、-計算手段(31)、一垂線(5〇)、一錘重⑸）及一 調整平台（40)。 請參看第一圖所示，上述光源（1〇)用以放射出光束，其中， 該光源（1G)之具體實施例係為—雷射統，其包括有—用以發射 出雷射光束（11)的雷射光裝置（1〇a)。 請參看第-騎示，上述柱狀透鏡⑽用以接收由光源〇〇) 1379990, 一載台（42)及一調整手段(43)的調整平台（40)，其中，二個光感 測元件（30a) ( 30b)以沿著一鉛垂線呈上下間隔距離地設置在該垂 線（50)上。 操作時，係先將該光源（1〇)與該柱狀透鏡(2〇)固定於該調整 平台（40)的載台（42)上，並將錘重（51)固定於垂線(5〇)底端，藉 錘重（51)的重力而使垂線(5〇)自然下垂形成一條基準鉛垂線，以 該雷射光源（10)放射出雷射光束，再以該柱狀透鏡(2〇)接收入射 % 之該雷射光束，並經由該柱狀透鏡(20)内部折射出一扇面光線， 並以該二光感測元件(3〇a)(3〇b)接收被垂線(5〇)遮蔽的扇面光線 (11)並產生感測訊號，藉由該二光感測元件（3此)（3〇13)的感測及 計算手段計算該感測訊號而可得知該扇面光線（丨丨）相對該基準鉛 垂線的偏差角度’當該扇面光線(11)相對基準鉛垂線之偏差角度 不為零時，則以調整手段調整扇面光線角度，直至其相對基準鉛 垂線之偏差角度至零為止。其中，當該扇面光線(11)相對該垂線 鲁（50)有明顯傾斜時，則先以調整手段調整使該扇面光線(11)與垂 線(50)以肉眼觀察接近重合，再進行計算及微調校正的步驟。 貳.光線寬度量測機構的實施 請配合參看第一、四、五圖所示，為檢測光源（1〇)所射出光 線的寬度’為達此目的，更包含有一光線寬度量測機構(6〇)，其 包括： 一具平移功能的平台（61)、一設於該平台（61)上的狹縫元件 (62)及一設於該平台（61)上的光功率計（63)，其狹縫元件（62)之 i si 7 1379990, 狹縫供光線⑴)射人，而設在平⑽1)jL的光功料⑽用以量 測所射入之該鎌⑴）的功率值，該平台（61)由—馬達⑽驅動 做平移’馬達㈣及該光功率計⑽)透過_界面裝置⑽而與一 電腦（66)連接，以控制該平台（61)之平移及擷取該光功率計（63) 的該功率值，藉以檢測出該光線（11)的線寬。 參·本發明運作與原理 請參看第一圓所示，本發明於具體運作時，係以懸吊錘重的 鲁概念定義出一條做為基準錯垂線的垂線⑽，因此，本發明係以 錘重（51)(下振)及垂線(5〇)為工具，將垂線（5〇)的一端固定在天 花板上或牆面上，或一物件上，另一端則懸掛錘重（51)，由於重 力的影響使得錘重（51)指向地心’因此，依據該垂線(5〇)而可定 義出一條基準鉛垂線，此一基準鉛垂線可作為標準及校正的依據。 直接利用一條實質的垂線(50)來做準檢測垂直度之用的基準 錯垂線，在操作及使用上是較為不方便且困難的。因此，本發明 ® 係利用垂直度檢測器之雷射光源所射出的扇面光線（11)，經由設 置在一垂線(50)後方的二光感測元件(30a)(30b)感測出光線（11) 的傾角，對該垂直度檢測器的光線傾角進行調校，使其所產生雷 射光束達到錯垂的標準以做為基準錯垂線，而可以做垂直度檢測 的依據’或可對檢測裝置進行檢測基準鉛垂線做校正的裝置，使 其檢測裝置可有效廣泛地應用於各種產業中。 由於雷射光具有方便使用與準直良好的優點，因此，本發明 將雷射光束透過柱狀透鏡(20)而扇出一扇面光線(11)以取代傳統 I S3 8 (4)的關係算出解析度為。 Q> = tan'1 d (3)
ΔΘ = θ'-〇 = ^η-ι 土dxAW d2+W(W±AW) ⑷ 由於田射光線（11)並不是一條理想的線，因此，本發明又以 狹縫掃描的方法，進行雷射光線⑴）的寬度量測。本發明係採用 自動化里測的方式，檢測架構如第四圖所示。首先將狹縫元件（62) 麵及光功率計（63)架設在具有馬達之平台（61)上，並調整其一光感 測元件（30a)與另一光感測元件（3〇b)的位置。本發明以懸吊錘重 的概念定義出一條做為基準鉛垂線的垂線(50)，因此，在本發明 系統中以錘重(51)(下振)及麟⑽）為工具，將垂線(5〇)的-端 固定在天花板上或牆面上，另一端則懸掛錘重（51)，由於重力的 影響使得錘重⑽指向細，目此可找絲雜垂線，此 一基準鉛垂線可作為標準及校正的依據，系統架構如第一圖所示。 馨 本發明所提出一種檢測方法，係以槓桿原理與二個光感測元 • 件（30a)(3〇b)來測量投影雷射光線（11)的傾角。實際上，由於柱 . 狀透鏡(2〇)所扇出雷射光線（11)寬比垂線（5〇)的直徑還寬，因 此，投影的雷射扇面光線（11)會因垂線(5)的遮蔽在後方而產生帶 狀光束，再由光感測元件（30a)(30b)接收並產生感測訊號，如第 三圖所示。 在第三圖的錘線（50)後方以間隔距離設置的二光感測元件 (30a)(30b)，攸(4)式可知·一者間隔距離越大則解析度越精準。圖
I37999Q 置’使光源（1)離功率計60cm;檢測時由電腦端透過RS232來控制 平移台（KOHZU)與獅光功率計的功率值。調整平台（61)每步移動 lQem，總行程為20腿，結果如圖五所示。 由第五圖可知，最大峰值為4. 5/zW，半腰寬的功率為2.心 W ’兩邊以曲線擬合及二分之-逼近法的處理，找出接近半腰寬的 兩個值’可得雷射光的線寬為1. 1瞄mm。由於垂線⑼）的直徑只 有〇.3麵，因此在垂線⑽後方會產生中間被魏的光帶而如^ 圖。 請參看S A及三圖所*，根據前述的理論，檢測時二 光感測元件(30a)(30b)(S〇ny ILX526A)置於垂線(50)的後方，當 雷射光線（11)與垂線(50)傾斜時，則調整精密的傾斜調整平台 (40)，使雷射光線⑴）與垂線⑽）重合，測量結果如第六圖所示。 其中縱軸對應於雷射光線⑴）的強度，以其一光感測元件(3〇a)與 另一光感測元件（30b)的電壓大小來表示，單位為電壓（v)。橫軸 • 代表晝素，單位為PixM，我們以半腰寬的方式，計算出帶狀光束 的寬度，可得乂丄與X2的座標分別為95.4457與77·8425個 Pixel ;同理由第七圖可得Χ3與Χ4，分別為97.924與79 5〇35 個Pixel。根據(5)式與(6)式計算出上下二個垂直方向偏差角度 A與B，分別為 9. 21025 與 8.8016 個 Pixel。 檢/則刖而校正一光感測元件（30a)(30b)的直度，由於垂線(5〇) 與光感測元件⑽a)(3Gb)垂直時的投織度最小，因此根據此一 觀念測量投影直徑的大小並調整二光感測元件（3〇a) ( 3〇b)的角 12 1379990. 度，可確保光感測元件（3〇a)(3〇b)的垂直度。此外，本發明的檢 測法對其一光感測元件（3〇a)與另一光感測元件（3〇b)的直度並不 敏感，經過校正後即可忽略直度的影響。 由於光感測元件(30a)(30b)的每一晝素的大小為Yym，而二 光感測元件（30a) (30b)的上下距離為i2cra，利用式（7)的三角函 數關係可算出雷射光線(11)與此錯垂線的夾角Θ為4. 9"。測量精 度主要爻限於信號的解析度與傾斜調整平台（4〇)的調整能力。檢 •測的結果註實了此-方法可作為產生垂直基準的雷射扇面光線 (11)的檢測工具。 本發明採用標準差的方式評估測量的重複率與可靠度，分析 的方法如（8)式所示， s =屈(Xi-X)2" v i=1 ⑻
其中X代表所抓取的資料平均值，N為資料筆數，Xi為第i 筆資料’而S代表標準差。 在測量可靠度方面’我們在8小時__量了 3G次並進行 分析，結果如第八圖所示。其中縱軸代表偏差角度(贿ec)，橫 轴代表抓取龍的筆數，而鮮差及平均值相為s=4娜邀 Χ=5.·〃，分佈的百分比如表—的第—行所示。同理，針對同〆 目才示連續測罝100次的結果如第九圖所示。 其中標準差及平均值分別為s=4篇"與Χ=3.37Γ，分佈的 百分比如表-的第二行所示。根據評估結果，準確度已能滿足實 13 1379990 1 . 用性的要求。 表一:準韵直 土S ±2S ±3S 長期測量(S=4.1〇9,） 83.33% 93.33% 100% 短期測量(8=4.805〃） 67% 94% 100% 肆•結論 本發明所提供之一種結合光感測元件量測垂線垂直度的檢測 裝置，與前述引證案及其他習用技術相互比較時，更具有下列之 優點： 1. 本發明提出一種產生與檢測鉛垂雷射光線的方法，透過雷 射光線投射在傳統懸吊錘重的方式定義此一鉛垂線。 2. 當雷射光線投射在此鉛銳上，_槓#原理及光感測元 件檢測器，可鱗的檢測與校正此—詩光_錯直度。 3. 本發明能以一個標準差在檢測精度於以内，亦在加大 光感測元件_隔輯錢斜婦平台的精度後可進—步的提 升0 4·本發明的量測系統具有轉簡單、精度高與操作方便等優 ，在工廠_境及條件下，可進行垂直度的量測。 以上所述m本發明之-可行實施例之具體說明，惟該實施 例並__本㈣之專利軸，凡未脫離本發明技藝精神所 為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。 1379990, 符合新穎性、進步性、實祕及產翻雜之發明專利要件，爱 依法提出申請，謹請貴局依法核予專利以維護本申請人合法 之權益。 【圖式簡單說明】 第一圖係本發明基本架構示意圖； 第--A®係本發明光_元件對應錄之正面示意圖； 第二圖係本發明其雷射光線與麵線幾何關係示意圖； 第三圖係本發明其雷射光線與錄幾何_示意圖； 第四圖係本發明量測鉛垂線寬度之示意圖； 第五圖係本發明墨線儀垂線的能量分佈示意圖； 第六圖係本發明其一光感測元件檢測上方的垂直能量分饰曲線示 意圖； 第七圖係本發明另一光感測元件檢測下方的垂直能量分佈曲線示 意圖； 第八圖係本發明長期測量雷射光線偏差角度關係圖；及 第九圖係本發明短期測量雷射光線偏差角度關係圖。 【主要元件符號說明】 (10) 光源 （l〇a)雷射光裝置 (11) 雷射光線 （20)柱狀透鏡 (30a)(30b)光感測元件（31)計算手段 (40)調整平台 （41)基座 (42)載台 （43)調整手段 [S1 15
1379990 I (50)垂線 (61)平台 (63)功率計 (51)錘重 (62)狹縫元件 (70)物件