TWI592680B - 旋轉光學測距裝置 - Google Patents

Description

旋轉光學測距裝置

本發明是有關於一種光學測距裝置，特別是有關於一種旋轉光學測距裝置。

目前，現有之測距方式除利用尺具直接測量外，還包括利用標竿配合儀器測量，通過計算其對應角度而推算出距離之方法。惟，因尺具存在長度受限之缺點，故，尺具法不適用於長距離之測量，而利用標竿配合儀器測量，其缺點為需一人插設標竿，另一人操控儀器，故該方法耗費人力，且於較長距離之測量中，該方法不方便且容易產生較大之誤差。

近年來，雷射測距法被廣泛應用於距離之測量，而雷射測距裝置亦成為距離測量之重要工具，其原理為由一雷射發光器對目標物發射出一脈衝訊號，而再由一低噪聲、高敏感度之雷射光接收器接收由該目標物反射回來之訊號，利用接收到之反射訊號即可計算出目標物之距離。

本發明之一技術態樣是在提供一種旋轉光學測距裝置，藉由第一感應線圈與第二感應線圈來進行無線電力傳輸以取代傳統旋轉裝置間之電力傳輸設備，使旋轉基座變得更容易旋轉，且改善傳統旋轉裝置間之電力傳輸設備磨耗問題。

根據本發明一實施方式，一種旋轉光學測距裝置，包含固定基座、旋轉基座、光學感測裝置、發射電路、接收電路、第一感應線圈以及第二感應線圈。旋轉基座設置於固定基座上。光學感測裝置設置於旋轉基座上。發射電路設置於固定基座上。接收電路設置於旋轉基座上且與光學感測裝置電連接。第一感應線圈設置於固定基座上且與發射電路電連接。第二感應線圈設置於旋轉基座上且與接收電路電連接。

於本發明之一或多個實施方式中，第一感應線圈與第二感應線圈用以進行無線電力傳輸(Wireless Power Transfer)。

於本發明之一或多個實施方式中，第一感應線圈與第二感應線圈以磁耦合共振(Magnetically Coupled Resonance)的方式進行無線電力傳輸。

於本發明之一或多個實施方式中，第一感應線圈與該第二感應線圈用以進行無線訊號傳輸(Wireless Signal Transfer)。

於本發明之一或多個實施方式中，旋轉光學測距裝置更包含發光元件，發光元件設置於固定基座上。光學感測裝置包含第一反射鏡、第二反射鏡、收光透鏡以及 影像感測器。第一反射鏡用以接收並反射發光元件所發射之光線。第二反射鏡用以接收第一反射鏡所反射之光線，並將第一反射鏡所反射之光線反射至待測物。收光透鏡用以收集待測物所反射之光線。影像感測器用以檢測收光透鏡所收集之光線。

於本發明之一或多個實施方式中，發光元件為準直雷射光模組。

於本發明之一或多個實施方式中，旋轉基座以第一旋轉軸為軸心進行旋轉，發光元件與第一反射鏡設置於第一旋轉軸上。

於本發明之一或多個實施方式中，第一反射鏡以第一旋轉軸為軸心進行轉動，第二反射鏡以第二旋轉軸為軸心進行方向調整旋轉。

於本發明之一或多個實施方式中，第一旋轉軸垂直第二旋轉軸。

於本發明之一或多個實施方式中，旋轉基座具有第一通孔，固定基座具有第二通孔，第一通孔與第二通孔用以提供通道，使發光元件所發射之光線通過通道而到達第一反射鏡。

由於旋轉光學測距裝置在量測其與週遭環境的距離時旋轉基座必須不停地旋轉，藉由第一感應線圈與第二感應線圈來進行無線電力傳輸，固定基座與旋轉基座上將不必另外設置電力傳輸設備例如傳統方式使用之滑環(Slip Ring)，因此旋轉基座的重量將得以減輕，體積將得以縮小。在此同時，因為固定基座與旋轉基座之間不需設 置有實體裝置以進行電力傳輸，因此將能減少固定基座與旋轉基座之間的摩擦效應。於是，旋轉基座變得更容易旋轉。

100‧‧‧旋轉光學測距裝置

107‧‧‧對稱軸

108‧‧‧第二旋轉軸

110‧‧‧固定基座

112‧‧‧第二通孔

120‧‧‧旋轉基座

122‧‧‧第一通孔

124‧‧‧第三通孔

126‧‧‧第四通孔

128‧‧‧上半部份

130‧‧‧光學感測裝置

132‧‧‧第一反射鏡

134‧‧‧第二反射鏡

136‧‧‧收光透鏡

138‧‧‧影像感測器

139‧‧‧光軸

140‧‧‧發射電路

150‧‧‧接收電路

160‧‧‧第一感應線圈

170‧‧‧第二感應線圈

180‧‧‧無線訊號傳輸模組

182‧‧‧第一部份

184‧‧‧第二部份

190‧‧‧發光元件

200‧‧‧光線

G‧‧‧間距

V‧‧‧視角

θ‧‧‧夾角

第1圖繪示依照本發明一實施方式之旋轉光學測距裝置的立體示意圖。

第2圖繪示依照本發明一實施方式之旋轉光學測距裝置的立體剖面示意圖。

第3圖繪示依照本發明一實施方式之旋轉光學測距裝置的示意圖。

第4圖繪示依照本發明另一實施方式之旋轉光學測距裝置的示意圖。

以下將以圖式揭露本發明之複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。

第1圖繪示依照本發明一實施方式之旋轉光學測距裝置100的立體示意圖。本發明不同實施方式提供一種 旋轉光學測距裝置100，用以量測旋轉光學測距裝置100與週遭環境的距離。旋轉光學測距裝置100可以360度旋轉而達到全方位測距之效果。旋轉光學測距裝置100可用於機器人模組，藉由量測旋轉光學測距裝置100與週遭環境的距離，以提供機器人模組所需的視覺偵測。

第2圖繪示依照本發明一實施方式之旋轉光學測距裝置100的立體剖面示意圖。第3圖繪示依照本發明一實施方式之旋轉光學測距裝置100的示意圖。第2圖與第3圖是從第1圖的視角V觀看。如第2圖與第3圖所繪示，旋轉光學測距裝置100包含固定基座110、旋轉基座120、光學感測裝置130、發射電路140、接收電路150、第一感應線圈160以及第二感應線圈170。旋轉基座120設置於固定基座110上。光學感測裝置130設置於旋轉基座120上。發射電路140設置於固定基座110上。接收電路150設置於旋轉基座120上且與光學感測裝置130電連接。第一感應線圈160設置於固定基座110上且與發射電路140電連接。第二感應線圈170設置於旋轉基座120上且與接收電路150電連接。

具體而言，第一感應線圈160與第二感應線圈170用以進行無線電力傳輸(Wireless Power Transfer)。更具體地說，第一感應線圈160與第二感應線圈170以磁耦合共振(Magnetically Coupled Resonance)的方式進行無線電力傳輸。

於是，在發射電路140產生電流後，電流將流至第一感應線圈160，而第一感應線圈160將產生相對應之 電磁場。接著，第一感應線圈160與第二感應線圈170產生磁耦合共振，因而第一感應線圈160上的電力將藉由電磁場傳輸至第二感應線圈170，且第二感應線圈170亦產生電流，此電流將流至接收電路150。最後，電流流向光學感測裝置130，以提供光學感測裝置130所需的電力。

由於旋轉光學測距裝置100在量測其與週遭環境的距離時旋轉基座120必須不停地旋轉，藉由第一感應線圈160與第二感應線圈170來進行無線電力傳輸，固定基座110與旋轉基座120上將不必另外設置電力傳輸設備例如傳統方式使用之滑環(Slip Ring)，因此旋轉基座120的重量將得以減輕，體積將得以縮小。在此同時，因為固定基座110與旋轉基座120之間不需設置有實體裝置以進行電力傳輸，因此將能減少固定基座110與旋轉基座120之間的摩擦效應。於是，旋轉基座120變得更容易旋轉。

此外，若固定基座110與旋轉基座120上設置有例如電刷與金屬環等電力傳輸設備，旋轉基座120在旋轉時電刷與金屬環將會摩擦，長期使用下來電刷與金屬環可能會磨損或者產生碎屑，因而產生漏電或者電路短路的問題。若是採用第一感應線圈160與第二感應線圈170來進行無線電力傳輸，將可避免前述問題，因而使旋轉光學測距裝置100不易損壞而更耐用。

相較於其他電力傳輸設備例如電刷與金屬環，第一感應線圈160與第二感應線圈170的製造成本較為低廉，因此使用第一感應線圈160與第二感應線圈170進行電力傳輸亦能降低旋轉光學測距裝置100的製造成本。

第一感應線圈160與第二感應線圈170亦可以用以進行無線訊號傳輸(Wireless Signal Transfer)。具體而言，在發射電路140產生電流後，電流上將同時承載訊號，接著此電流將流至第一感應線圈160，且第一感應線圈160將產生相對應之電磁場。然後，在第一感應線圈160與第二感應線圈170產生磁耦合共振並將第一感應線圈160上的電力藉由電磁場傳輸至第二感應線圈170的同時，因為在第一感應線圈160上的電流振幅會隨著時間而改變大小，相對應的電磁場振幅亦會隨著時間而改變大小，於是第二感應線圈170上所產生的電流振幅也會隨著時間而改變大小，且改變方式對應於第一感應線圈160上電流振幅的改變方式。因此，發射電路140所產生電流上承載之訊號便藉由電磁場從第一感應線圈160傳遞至第二感應線圈170。第二感應線圈170可再將此訊號依序傳遞至接收電路150與光學感測裝置130。

相反地，光學感測裝置130也可以將其所產生的訊號依序傳遞至接收電路150與第二感應線圈170，然後再藉由電磁場將訊號依序傳遞至第一感應線圈160與發射電路140。

具體而言，第一感應線圈160與第二感應線圈170之形狀為圓形，第一感應線圈160與第二感應線圈170具有同一對稱軸107。更具體地說，第一感應線圈160與第二感應線圈170之間具有一間距G，間距G小於第一感應線圈160之半徑或第二感應線圈170之半徑。第一感應線圈160與第二感應線圈170之半徑可為相同。前述描述並不限 制本發明，在本發明其他實施方式中，第一感應線圈160與第二感應線圈170之形狀可為其他形狀，且第一感應線圈160與第二感應線圈170並不一定需要具有同一對稱軸。第一感應線圈160之半徑、第二感應線圈170之半徑以及第一感應線圈160與第二感應線圈170之間的間距也不一定有前述的對應關係。

第4圖繪示依照本發明另一實施方式之旋轉光學測距裝置100的示意圖。如第4圖所繪示，旋轉光學測距裝置100更包含無線訊號傳輸模組180，無線訊號傳輸模組180包含第一部份182與第二部份184。第一部份182設置於固定基座110上且與發射電路140電連接。第二部份184設置於旋轉基座120上且與接收電路150電連接。無線訊號傳輸模組180用以進行無線訊號傳輸。

具體而言，無線訊號傳輸模組180的第一部份182與第二部份184可為天線，用以發射或接收無線電波訊號。應了解到，以上所舉之無線訊號傳輸模組180的具體實施方式僅為例示，並非用以限制本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，應視實際需要，彈性選擇無線訊號傳輸模組180的具體實施方式。

如第2圖與第3圖所繪示，旋轉光學測距裝置100更包含發光元件190，發光元件190設置於固定基座110上。光學感測裝置130包含第一反射鏡132、第二反射鏡134、收光透鏡136以及影像感測器138。第一反射鏡132用以接收並反射發光元件190所發射之光線。第二反射鏡134用以接收第一反射鏡132所反射之光線，並將第一反射 鏡132所反射之光線反射至待測物(未繪示)。收光透鏡136用以收集待測物所反射之光線。影像感測器138設置於收光透鏡136之焦點位置附近，並用以檢測收光透鏡136所收集之光線。

在前述結構中，由於發光元件190為設置於固定基座110上，因此當旋轉基座120旋轉時，發光元件190是固定不動的，於是發光元件190可提供穩定之雷射光束，因而能提高測量之準確性並增加量測之距離。另外，由於發光元件190不是設置在旋轉基座120上，因而可以減輕旋轉基座120的重量與縮小旋轉基座120的體積，於是使旋轉基座120變得更容易旋轉。

具體而言，發光元件190為準直雷射光模組。應了解到，以上所舉之發光元件190的具體實施方式僅為例示，並非用以限制本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，應視實際需要，彈性選擇發光元件190的具體實施方式。

具體而言，旋轉基座120以第一旋轉軸(即對稱軸107)為軸心進行旋轉，發光元件190與第一反射鏡132設置於第一旋轉軸上。應了解到，以上所舉之旋轉基座120、第一反射鏡132以及發光元件190的具體實施方式僅為例示，並非用以限制本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，應視實際需要，彈性選擇旋轉基座120、第一反射鏡132以及發光元件190的具體實施方式。

此處需要注意的是，在本實施方式中，對稱軸107與第一旋轉軸為同一軸，但此並不限制本發明。在本發 明其他實施方式中，對稱軸107與第一旋轉軸可為不同軸。

具體而言，第一反射鏡132可以第一旋轉軸為軸心進行轉動，第二反射鏡134可以第二旋轉軸108為軸心進行方向調整旋轉。更具體地說，第一旋轉軸垂直第二旋轉軸108。應了解到，以上所舉之第一反射鏡132與第二反射鏡134的具體實施方式僅為例示，並非用以限制本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，應視實際需要，彈性選擇第一反射鏡132與第二反射鏡134的具體實施方式。

具體而言，旋轉基座120具有第一通孔122，固定基座110具有第二通孔112，第一通孔122與第二通孔112用以提供通道，使發光元件190所發射之光線通過通道而到達第一反射鏡132。旋轉基座120更具有第三通孔124，用以提供通道，使第一反射鏡132所反射之光線通過通道而到達第二反射鏡134。如第1圖與第2圖所繪示，旋轉基座120更具有第四通孔126，用以提供通道，使通過收光透鏡136之光線通過通道而到達影像感測器138(此處需要注意的是，為了清楚繪示第四通孔126、收光透鏡136以及影像感測器138，第1圖沒有繪示出旋轉基座120的上半部份128)。

具體而言，如第2圖與第3圖所繪示，在發光元件190發射光線200後，光線200依序通過第二通孔112與第一通孔122而到達第一反射鏡132。接著，第一反射鏡132反射光線200，反射後的光線200通過第三通孔124而到達第二反射鏡134。然後，第二反射鏡134反射光線200，於是光線200射出旋轉基座120。

由於第一反射鏡132和第二反射鏡134可旋轉調整方向，因此射出旋轉基座120之光線200可被輕易地調整至與收光透鏡136之光軸139在同一平面上，並使得射出旋轉基座120之光線200與光軸139間維持一固定夾角θ以進行三角測距。當光線200照射到一待測物時，待測物會反射光線200而產生一反射光(未繪示)，此反射光通過收光透鏡136後聚焦至影像感測器138，因此影像感測器138可檢測此反射光與光軸139間之角度差，藉此計算出待測物與旋轉基座120的軸心之間的距離。

前述敘述並不限制本發明。在本發明其他實施方式中，光學感測裝置130亦可藉由光線200射出旋轉基座120之射出時間與影像感測器138接收反射光之接收時間的時間差來判斷待測物與影像感測器138之間的距離。另外，發光元件190亦可以設置於旋轉基座120上，用以投射光線至待測物，而光學感測裝置130用以檢測待測物所反射之光線。

旋轉光學測距裝置100更可包含一旋轉模組(未繪示)。旋轉模組(例如馬達)設置於旋轉基座120上，用以帶動旋轉基座120以第一旋轉軸為軸心進行轉動，但此並不限制本發明。在本發明其他實施方式中，旋轉模組可以設置於固定基座110上。舉例來說，旋轉模組為一馬達，用以帶動一履帶，且此履帶套設於旋轉基座120之外圍，因而此履帶帶動旋轉基座120以第一旋轉軸為軸心進行轉動。

由於旋轉光學測距裝置100在量測其與週遭環境的距離時旋轉基座120必須不停地旋轉，藉由第一感應線 圈160與第二感應線圈170來進行無線電力傳輸，固定基座110與旋轉基座120上將不必另外設置電力傳輸設備，因此旋轉基座120的重量將得以減輕，體積將得以縮小。在此同時，因為固定基座110與旋轉基座120之間不需設置有實體裝置以進行電力傳輸，因此將能減少固定基座110與旋轉基座120之間的摩擦效應。於是，旋轉基座120變得更容易旋轉。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此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。

100‧‧‧旋轉光學測距裝置

107‧‧‧對稱軸

110‧‧‧固定基座

120‧‧‧旋轉基座

130‧‧‧光學感測裝置

132‧‧‧第一反射鏡

134‧‧‧第二反射鏡

136‧‧‧收光透鏡

138‧‧‧影像感測器

139‧‧‧光軸

140‧‧‧發射電路

150‧‧‧接收電路

160‧‧‧第一感應線圈

170‧‧‧第二感應線圈

190‧‧‧發光元件

200‧‧‧光線

G‧‧‧間距

V‧‧‧視角

θ‧‧‧夾角

Claims (11)

1. 一種旋轉光學測距裝置，包含：一固定基座；一旋轉基座，設置於該固定基座上；一光學感測裝置，設置於該旋轉基座上；一發射電路，設置於該固定基座上；一接收電路，設置於該旋轉基座上，且與該光學感測裝置電連接；一第一感應線圈，設置於該固定基座上，且與該發射電路電連接；以及一第二感應線圈，設置於該旋轉基座上，且與該接收電路電連接。
2. 如請求項1所述之旋轉光學測距裝置，該第一感應線圈與該第二感應線圈用以進行無線電力傳輸(Wireless Power Transfer)。
3. 如請求項1所述之旋轉光學測距裝置，該第一感應線圈與該第二感應線圈以磁耦合共振(Magnetically Coupled Resonance)的方式進行無線電力傳輸。
4. 如請求項1所述之旋轉光學測距裝置，該第一感應線圈與該第二感應線圈用以進行無線訊號傳輸(Wireless Signal Transfer)。
5. 如請求項1所述之旋轉光學測距裝置，更包含一發光元件，設置於該固定基座上；以及該光學感測裝置包含：一第一反射鏡，用以接收並反射該發光元件所發射之光線；一第二反射鏡，用以接收該第一反射鏡所反射之光線，並將該第一反射鏡所反射之光線反射至一待測物；一收光透鏡，用以收集該待測物所反射之光線；以及一影像感測器，用以檢測該收光透鏡所收集之光線。
6. 如請求項5所述之旋轉光學測距裝置，其中該發光元件為一準直雷射光模組。
7. 如請求項5所述之旋轉光學測距裝置，其中該旋轉基座以一第一旋轉軸為軸心進行旋轉，該發光元件與該第一反射鏡設置於該第一旋轉軸上。
8. 如請求項7所述之旋轉光學測距裝置，其中該第一反射鏡以該第一旋轉軸為軸心進行轉動，該第二反射鏡以一第二旋轉軸為軸心進行方向調整旋轉。
9. 如請求項8所述之旋轉光學測距裝置，其中該第一旋轉軸垂直該第二旋轉軸。
10. 如請求項5所述之旋轉光學測距裝置，其中該旋轉基座具有一第一通孔，該固定基座具有一第二通孔，該第一通孔與該第二通孔用以提供一通道，使該發光元件所發射之光線通過該通道而到達該第一反射鏡。
11. 如請求項1所述之旋轉光學測距裝置，更包含設置於該旋轉基座上之一發光元件，用以投射光線至一待測物，該光學感測裝置用以檢測該待測物所反射之光線。