TW201425881A - 物件表面之傾斜角的偵測方法、補償方法及其系統 - Google Patents

Abstract

一種物件表面之傾斜角的偵測方法、補償方法及其系統。偵測方法包括下列步驟。透過光源裝置以投射多個光束至物件表面。擷取所述物件表面的影像，以獲得這些光束於物件表面上所產生的多個光點。調整光源裝置與物件表面之間的垂直距離以進行聚焦程序，使物件表面上的這些光點聚集於一焦聚點。調整此垂直距離並依據這些光點來計算這些光束與物件表面之間的補正角度。

Description

物件表面之傾斜角的偵測方法、補償方法及其系統

本發明是有關於一種物件表面之傾斜角的偵測方法、補償方法及其系統。

現今的消費產品除了以功能性作為消費者的選購依據以外，產品外型逐漸受到消費者的重視，使得消費產品在外觀零組件之加工成形方式便日趨多元及重要。因此，在非平面物件或工件(work piece)上進行加工的應用及需求則愈加廣泛，例如：切割、焊接、鑽孔、模具微加工...等加工程序。

加工機台常用雷射光源投射在工件上以進行定位，並讓加工器具依據定位點來進行加工。若是工件表面為曲面或非平面時，雷射光源的聚焦點位置跟工件表面上傾斜角度之間的關係將會直接影響到加工成效的優劣。若操作員希望透過加工機台進行對相同種類的工件進行自動加工的話，由於每個工件與加工器材(例如，自動機械臂)間的相應距離跟角度皆有些許差異，導致每次作業時還是會發生些許誤差。此外，雖然工作機台會依據操作員所輸入的數據來忠實地執行加工程序，而這些立體工件也還是會有自身的公差(tolerance)存在，誤差也因而產生。

因此，廠商便希望加工機台上能夠具有偵測工件表面上雷射光點與傾斜角關係的設備，使得加工機台能夠更為 準確地對工件進行加工。目前可判斷工件表面的傾斜角度的裝置可由多種方式實現。第一種是將雷射光源投射在工件表面上，利用光源的反射來監測工件與加工機台之間的距離及傾斜角度，但此種反射式量測受限於工件表面的粗糙度及反射率，而且需要較傾斜的角度以使雷射光產生反射。此外，反射式量測無法同時量測兩種維度的傾角，因而較為耗費時間。第二種則是利用感測電容來偵測加工器具跟工件之間的距離，但是此種電容式量測會受到環境因素(如，溫度、濕度)的影響而需要補償，並且難以應用在非金屬材質的工件上。

本案實施例提供一種物件表面之傾斜角的偵測方法、補償方法及其系統，其利用影像感測裝置擷取物件表面上多個光點之間的位置關係並依此進行演算，從而調整雷射光源與物件表面之間的空間關係。此偵測及補償系統並不受限於物件的材料構成、物件表面的反射率以及平坦度，並可同時量測物件表面上二個維度的傾角。

本案實施例提出一種物件表面之傾斜角的偵測方法，其包括下列步驟。透過光源裝置以投射多個光束至物件表面，其中所述光束的數量大於等於3。擷取所述物件表面的影像，以獲得所述光束於物件表面上所產生的多個光點。調整所述光源裝置與所述物件表面之間的垂直距離以進行聚焦程序，使物件表面上的所述光點聚集於一焦聚 點。以及，調整所述垂直距離並依據這些光點來計算這些光束與物件表面之間的一補正角度。

另一觀點而言，本案實施例提出一種物件表面之傾斜角的偵測系統，此偵測系統包括光源裝置、影像擷取裝置、軸向控制器、物件乘載裝置以及運算裝置。光源裝置投射多個光束至所述物件表面，其中這些光束的數量大於等於3。影像擷取裝置擷取所述物件表面的一影像。軸向控制器耦接所述光源裝置，調整所述光源裝置的所述光束對物件表面的投射角度。物件乘載裝置調整所述光源裝置與物件表面之間的一垂直距離。以及，運算裝置耦接所述影像擷取裝置，其接收所述影像以獲得這些光束於物件表面上所產生的多個光點。其中，運算裝置依據這些光點以計算光源裝置與物件表面之間的補正角度。

再者，本案實施例提出一種物件表面之傾斜角的補償方法，其包括下列步驟。透過光源裝置以投射多個光束至物件表面，其中這些光束的數量大於等於3。擷取所述物件表面的一影像，以獲得這些光束於物件表面上所產生的多個光點。調整所述光源裝置與物件表面之間的垂直距離以進行聚焦程序，使物件表面上的這些光點聚集於一焦聚點。以及，依據這些光點以計算並調整光源裝置與物件表面之間的補正角度以及垂直距離。

此外，本案實施例提供一種物件表面之傾斜角的補償系統，其包括光源裝置、影像擷取裝置、軸向控制器、物件乘載裝置以及運算裝置。光源裝置投射多個光束至物件 表面，其中這些光束的數量大於等於3。影像擷取裝置擷取所述物件表面的一影像。軸向控制器耦接所述光源裝置，其調整光源裝置的所述光束對物件表面的投射角度。物件乘載裝置用以調整光源裝置與物件表面之間的垂直距離。運算裝置耦接所述影像擷取裝置，其接收影像以獲得所述光束於物件表面上所產生的多個光點。運算裝置依據所述光點進行聚焦程序，透過所述軸向控制器調整所述垂直距離而使物件表面上的所述光點聚焦於焦聚點，並且依據所述光點以計算並調整光源裝置與物件表面之間的補正角度以及垂直距離。

基於上述，本案實施例所述傾斜角的偵測方法、補償方法及其系統利用設置於同軸的光源裝置以及影像感測裝置來獲得物件表面上多個光點之間的位置關係，並透過演算來調整雷射光源(或是加工器具)與物件表面之間的空間關係(如，距離與傾斜角)，使得此偵測裝置不會受限於物件的材料構成、物件表面的反射率以及平坦度，並可同時量測物件表面上二個維度的傾角。此外，本案實施例的補償方法及系統中可以加裝加工器具，並透過運算得到的傾斜角度來調整加工器具與物件表面之間的空間相對位置，可藉此加強物件加工的效果跟品質，從而輔助透過雷射進行加工的工業機具。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

現將詳細參考本發明之示範性實施例，在附圖中說明所述示範性實施例之實例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件/符號代表相同或類似部分。

請參照圖1，圖1是根據本發明一實施例說明物件160之物件表面170之傾斜角的偵測系統100的示意圖。偵測系統100可裝設在加工機具，例如裝設於製作車輛各種工件的雷射焊接、雷射切割等機械手臂，且本案實施例亦可應用在多種曲面物件的製作機具，並不僅限於此。加工機具便可透過本偵測系統100以利用雷射光源進行加工位置的定位。

本案實施例的偵測系統100主要包括光源裝置110、影像擷取裝置120、軸向控制器130、物件乘載裝置150以及運算裝置140。光源裝置110投射多個光束LB1~LB4至物件160的物件表面170。物件160可以是具有平面、曲面或其他非平面的工件，例如是模具、車輛零件、產品外殼、玻璃面板...等。光源裝置110是以具備可見光波長之雷射光源的發射機器來實現，使得影像擷取裝置120能夠以一般解析度的攝影機來實現即可擷取影像IM。應用本實施例者也可利用非可見光波長之雷射光源發射器來實現，然而此時的影像擷取裝置120便需要採用相應規格的攝影機才能擷取影像IM，此影像IM才能具有光束LB1~LB4在物件表面170上所形成的多個光點P1~P4。光 源裝置110上各個光束LB1~LB4的射出角度已是固定且為相對設置，因此若光源裝置110的光束射出面115與物件表面170在某一特定的垂直距離Z時，必會使這些光束LB1~LB4產生的光點P1~P4能夠聚焦到同一點，無論光束射出面115與物件表面170是否相互平行。

特別說明的是，由於偵測系統100需要利用物件表面170上形成的光點P1~P4來計算物件表面170與光源裝置110之間相差的傾斜角度。因此，當這些光束的數量為2時，偵測系統100可偵測物件表面170上單軸(例如，一維線段)的傾斜角。當光束的數量大於等於3時，偵測系統100則可偵測物件表面170上雙軸(也就是，二維面)上的傾斜角。本案的下述多個實施例將會分別說明當光束的數量分別為3、4、5時，偵測系統100的相應演算方法及機制。此外，這些光束在同一水平面上的排列將會呈現一特定幾何圖形，使得物件表面的傾斜角能夠進行運算。應用本實施例者應可從本案列舉的多個實施例中知悉光束的數量大於等於3以上的相關實現作法。圖1是以4個光束LB1~LB4以及所產生的光點P1~P4進行說明。

影像擷取裝置120擷取位於物件表面170附近的影像，藉以獲得物件表面170上的多個光點P1~P4。於本實施例中，影像擷取裝置120跟光源裝置110為同軸設置，也就是，影像擷取裝置120設置在跟光源裝置110相同或相近的位置，這兩個裝置將會同時受到軸向控制器130的操控而對同一軸心進行轉動跟移動。如此一來，影像擷取 裝置120便可持續獲得由光源裝置110產生的光點P1~P4。於其他實施例中，影像擷取裝置120也可以獨立設置，而不需與光源裝置110設置在相同的軸心。

軸向控制器130主要耦接光源裝置110，也可以同時耦接影像擷取裝置120。軸向控制器130是從運算裝置140獲得軸向調整信號AS，以調整光源裝置110的光束LB1~LB4對物件表面170的投射角度。若影像擷取裝置120跟光源裝置110為同軸設置的話，軸向控制器130則會同時調整兩者的角度跟空間位置。

物件乘載裝置150用以乘載物件160，並可從運算裝置140獲得位置調整信號PS，以調整光源裝置110與物件表面170之間的垂直距離。本實施例的光源裝置110會設置於物件160的正上方，以便於投射光束LB1~LB4，並且能夠精確量測物件表面170相對於光源裝置110的傾斜角。物件乘載裝置150可以是加工機具的乘載器具，其可對物件160進行垂直抬升、垂直降低、角度轉動與水平移動...等操作，以供運算裝置140在進行物件定位及加工時的細微調整。

運算裝置140耦接影像擷取裝置120、軸向控制器130以及物件乘載裝置150。運算裝置140透過影像擷取裝置120以接收其擷取的影像IM，並且透過影像演算法解析影像IM以從中獲得這些光束LB1~LB4於物件表面170上所產生的光點P1~P4。運算裝置140便可依據這些光點P1~P4來計算光源裝置110與物件表面170之間需要進行些微調 整的補正角度。藉此，本案的偵測裝置100透過影像擷取裝置120來感測物件表面170上的多個光點P1~P4，並透過運算裝置140利用相應的演算機制來調整雷射定位的誤差，而不受限於物件160所採用的材質、表面反射率、平坦度等問題，並且影像擷取裝置120所感測到的光點P1~P4的位置為二維分布，因此可以同時量測兩個維度的傾斜角，例如，可同時量測X軸與Y軸上物件表面170的傾斜角。

於本案實施例中，偵測系統100的運算裝置140還可依據這些光點P1~P4的位置進行一聚焦程序，其透過軸向控制器130來調整光源位置110與物件表面170之間的垂直距離Z而使物件表面170上的光點P1~P4能夠聚焦於焦聚點上，從而進行精準的雷射定位。本實施例的運算裝置140會透過影像IM來判斷這些光點P1~P4是否重合於焦聚點。當這些光點並未重合於焦聚點時，運算裝置140便會透過重複調整垂直距離Z以及計算各個光點之間的間距，以使這些光點P1~P4重合於焦聚點。聚焦程序的詳細致動方式及流程請見下述圖3的相關描述。

圖2是根據本發明一實施例說明物件表面之傾斜角的偵測方法的流程圖，其採用圖1所述的偵測系統100來實現。請同時參照圖1及圖2，於步驟S210中，偵測系統100透過光源裝置110以投射多個光束(如圖1所示的光束LB1~LB4)至物件表面170。這些光束的數量在本實施例中可大於等於3。當光束的數量為2時，偵測系統100可偵 測物件表面170上單軸(例如，一維線段)的傾斜角。當光束的數量大於等於3時，偵測系統100則可偵測物件表面170上雙軸(也就是，二維面)上的傾斜角。於步驟S220中，運算裝置140透過影像擷取裝置120來擷取物件表面170的影像IM，並解析此影像IM，從而獲得光束LB1~LB4於物件表面170上所產生的光點P1~P4。

於步驟S230中，運算裝置140便利用物件乘載裝置150來調整光源裝置110與物件表面之間的垂直距離Z，以進行聚焦程序，使物件表面170上的光點P1~P4皆聚集於焦聚點。在進行上述聚焦程序後，表示光源裝置110的光束射出面115與物件表面170相距為上述特定的垂直距離Z，此時光束射出面115與物件表面170兩者之間僅相差傾斜角而已。因此，於步驟S240中，運算裝置140便會透過物件乘載裝置150來調整垂直距離Z，並透過影像擷取裝置120來獲得位於物件表面170上的光點P1~P4之二維分布位置，並依據這些光點位置計算光束LB1~LB4(也可以是，光束發射面115)與物件表面170之間的補正角度。簡單來說，在進行聚焦程序時，首先會判斷光點是否重合於焦聚點，當光點並未重合於焦聚點時，透過調整垂直距離以及計算各光點之間的間距，以使該些光點重合於焦聚點。

在此詳細描述運算裝置140中所執行的聚焦程序，也就是詳細描述圖2的步驟S230。圖3是圖2之步驟S230的詳細流程圖。圖4A、4B是光束的數量為4時各光點的 排列示意圖。當光束的數量等於4時，將會如本案實施例之圖4A、4B所繪示一般，光束LB1~LB3產生的第一至第三光點P1~P3在同一平面上的排列將會呈現出一個等邊三角形410、420。光束LB4所產生的第四光點P4則排列於等邊三角形410、420的重心位置。請同時參考圖1、圖2及圖4A、4B。於步驟S310中，運算裝置140透過影像擷取裝置120來擷取影像IM，從而得知光點P1~P4於物件表面170的二維分布情形(圖4A)。於步驟S320中，運算裝置140利用上述二維分布情形來量測各個光點之間的多個第一間距。例如，運算裝置140可利用圖4A所呈現出的光點P1~P4而量測得到光點P1與P2之間的第一間距L₁₂、光點P2與P3之間的第一間距L₂₃、光點P1與P3之間的第一間距L₁₃、以及光點P4分別與光點P1~P3之間的第一間距L₁₄、L₂₄、L₃₄。

於步驟S330中，運算裝置140判斷上述第一間距(如，間距L₁₂、L₂₃、L₁₃、L₁₄、L₂₄、L₃₄)是否皆為零。當上述第一間距皆為零時，則判斷光點重合於焦聚點，表示這些光點P1~P4已經聚焦為一點，因此便進入步驟S370以完成聚焦程序。相對地，當上述第一間距皆不為零時，便進入步驟S332，運算裝置140控制物件乘載裝置150以沿一第一垂直方向調整垂直距離Z，例如是抬升物件表面170以縮短垂直距離Z。第一垂直方向便是從物件160朝向光源裝置110的方向。

於步驟S334中，運算裝置140再次利用影像擷取裝置120以獲得如圖4B所示的二維分布情形來量測各個光點P1~P4之間的多個第二間距。例如，運算裝置140可利用圖4B所呈現出的光點P1~P4而量測得到多個第二間距M₁₂、M₂₃、M₁₃、M₁₄、M₂₄以及M₃₄。

於步驟S336中，若當上述第二間距皆為零時，表示這些光點P1~P4已經聚焦為一點，因此便進入步驟S370以完成聚焦程序。相對地，上述第二間距皆不為零時，便進入步驟S338，運算裝置140計算各個第一間距(L₁₂、L₂₃、L₁₃、L₁₄、L₂₄以及L₃₄)與其對應之各個第二間距(M₁₂、M₂₃、M₁₃、M₁₄、M₂₄以及M₃₄)的差值。

運算裝置140則於步驟S340中判斷這些差值是否為正值。當上述的差值為正值時，表示各光點之間的間距逐漸擴大，也就是說，應將藉由降低物件160的高度而拉長垂直距離Z，才會使各光點相互接近而聚焦。因此，便進入步驟S350，運算裝置140將上述各個第二間距分別視作對應之各個第一間距，例如是將第二間距M₁₂視作第一間距L₁₂，並沿著與第一垂直方向相反的第二垂直方向來調整垂直距離Z，例如降低物件160的高度而拉長垂直距離Z。然後從步驟S350進入步驟S334而量測各個光點之間的第二間距，以重複步驟S334~S340，從而重複調整垂直距離Z，使這些光點P1~P4聚焦於同一聚焦點。另一方面，於步驟S340中，當運算裝置140判斷這些差值為負值時，表示各光點之間的間距逐漸縮小，也就是說，沿著第一垂 直方向調整垂直距離Z是正確的，只是應該繼續調整垂直距離Z。因此，便進入步驟S360，運算裝置140將上述各個第二間距分別視作對應之各個第一間距，並沿著與第一垂直方向繼續調整垂直距離Z。然後從步驟S360進入步驟S334而量測各個光點之間的第二間距，以重複步驟S334~S340，藉以完成聚焦程序。

在此則詳細描述偵測系統100如何依據光點的位置計算光束與物件表面170之間的補正角度，也就是詳細描述圖2的步驟S240。圖5是圖2之步驟S240的詳細流程圖。為了配合實例加以說明，以下將以5條光束所組成之圖6的排列方式進行描述。圖6是光束的數量為5時各光點的排列示意圖。當光束的數量等於5時，這些光束產生的第一光點P1至第四光點P4在同一平面上的排列呈現等邊菱形610。第五光點P5則排列於等邊菱形610的重心位置。光點P2、P5、P4的連線可以視為是第一維度(如，X軸)，而光點P1、P5、P3的連線則可以視為是第二維度(如，Y軸)。圖7是光束的數量為5時，物件表面在光點P2、P5及P4之連線以計算傾斜角度的示意圖，其中點AP是這些光束的焦聚點。

請同時參考圖5、圖6及圖7，當光束的數量為5時且在完成圖2的步驟S230後，光束LB1~LB5皆會聚焦到焦聚點AP上，表示此時物件表面170所處的位置將是實際進行加工時所在的實際加工面710(圖7)，但此時本案實施例仍未計算出物件表面170相對於光束射出面115的傾斜 角。因此，於步驟S510中，運算裝置140透過物件乘載裝置150而調整垂直距離Z，例如將物件表面170抬升垂直距離Z的調整值△Z以使物件表面170到達預設量測面720。若在理想狀況，也就是光束射出面115與物件表面170為平行的情況下，物件表面170應該會到達預設的預設量測面720。光束射出面115會與預設量測面720平行。然而，基於誤差的緣故，物件表面170可能會被抬升到實際量測面730。

於圖5的步驟S520中，運算裝置140透過影像擷取裝置120而獲得各個光點P1~P5的二維分布。於步驟S530中，運算裝置140依據光點P1~P5以及抬升垂直距離Z的調整值△Z，從而量測這些光點P1~P5之間的量測間距Λ，並比對這些量測間距Λ與預設間距α。詳細而言，當光束的數量為5時，預設間距α表示是第一光點P1至第四光點P4其中之一到第五光點P5的預期距離，此預設間距α可透過預設的調整值△Z以及各個光束的入射角θ_set來決定。換句話說，預設間距α可從下述方程式(1)獲得：

即預設間距α是垂直距離Z的調整值△Z乘以光束之入射角的正切函數值。

各個量測間距Λ則是運算裝置140透過影像IM從第一光點P1至第四光點P4其中之一到第五光點P5之間實際獲得的量測距離，如圖6、圖7所示，量測間距Λ_P45是 第四光點P4到第五光點P5的量測距離，而量測間距Λ_P35是第三光點P3到第五光點P5的量測距離。

但要注意的是，由於影像擷取裝置120是從圖7的上方往下進行影像IM的擷取，因此所擷取到的量測間距Λ_P45僅能量測到與預設量測面720平行的虛擬面740上之光點P4到光束LB5之間的實際距離。

接著，於圖5的步驟S540中，運算裝置140判斷量測間距Λ_P45是否等於預設間距α。當運算裝置140判斷上述的量測間距Λ_P45等於預設間距α時，表示物件表面170已經位於預設量測面720上，因此便從步驟S540進入步驟S570，運算裝置140不需計算光束的補正角度，並判定光束射出面115與物件表面170相互平行。

相對地，當運算裝置140判斷上述的量測間距Λ_P45不等於預設間距α時，表示物件表面170並沒有位於預設量測面720上，而是被抬升到實際量測面730。因此，本案實施例便依據下述的演算法，進行步驟S550，依據預設間距α、光束的入射角θ_set、光點P4、P5之間的量測間距Λ_P45以及垂直距離Z的調整值△Z來計算光束射出面115與物件表面170之間的補正角度，例如位在第一維度(X軸)的補正角度θ_tilt ^X以及位在第二維度(Y軸)的補正角度θ_tilt ^Y。

以光束數量為5且依據圖6、圖7而言，若光束LB4對於聚焦點AP的入射角θ_set為45度時，垂直於實際加工 面710的線段K1將會與水平於實際加工面710的線段K2具備相同長度。

補正角度θ_tilt ^X可從下述方程式(2)、(3)獲得：

也就是說，當光束LB4的入射角θ_set為45度時，在第一維度(X軸)之補正角度θ_tilt ^X是量測間距Λ_P45減去預設間距α，並除以量測間距Λ_P45後的反正切函數值。線段K2是量測間距Λ_P45減去預設間距α之值(K2=Λ_P45-α)。預設間距α、光束的入射角θ_set以及垂直距離Z的調整值△Z之間的關係方程式則可從上述方程式(1)得知。

方程式(3)便可依據方程式(1)而改寫成下述方程式(4)：

也就是，在第一維度之補正角度θ_tilt ^X是，量測間距Λ_P45減去光束在第一維度之入射角θ_set的正切函數值先行乘以垂直距離Z的調整值△Z，並除以量測間距Λ_P45後的反正切函數值。

此外，由於本案實施例可以同時獲得各個光點P1~P5之間實際的各個量測間距，因此圖1的運算裝置140可以透過光點P2、P5、P4的連線來計算第一維度之補正角度 θ_tilt ^X，同時也透過光點P1、P5、P3的連線來計算第二維度(Y軸)之補正角度θ_tilt ^Y。

詳言之，第一維度之補正角度θ_tilt ^X及第二維度之補正角度θ_tilt ^Y分別透過方程式(5)、(6)來計算得到：

上述實施例是將光束LB4的入射角θ_set設定為45度實的情況，而若光束LB4對於聚焦點AP的入射角θ_set並不為預設的45度時，圖7的垂直線段K1則從下述方程式(7)求得：

第一維度之補正角度θ_tilt ^X的產生方程式(3)則依據方程式(1)、(7)而改寫成方程式(8)：

第二維度之補正角度θ_tilt ^Y則可透過方程式(9)來計算得到：

也就是，在第一維度之補正角度θ_tilt ^X是，量測間距Λ_P45減去光束在第一維度之入射角θ_set的正切函數值先行乘以垂直距離Z的調整值△Z，然後乘以入射角θ_set的餘切函數值，並除以量測間距Λ_P45後的反正切函數值。若入射角θ_set為45度時，入射角θ_set的餘切函數值則為1，因此也同時符合上述方程式(4)。

在圖5的步驟S550之後便進入步驟S560，圖1的運算裝置140便可依據第一維度及第二維度的補正角度θ_tilt ^X、θ_tilt ^Y來控制軸向控制器130，從而校正及補償光源裝置110之光束射出面115的傾斜角，並進入步驟S570以判定補正後的光束射出面115與物件表面170相互平行。

上述實施例是以光束的數量為5時的實現方式以及於步驟S550中的演算方程式，下述實施例則分別描述光束的數量為4以及光束的數量為3時的實現方式。圖8是光束的數量為4時各光點的排列示意圖。圖9是光束的數量為4時，物件表面170在光點P1及P2連線以計算傾斜角度的示意圖。圖8與圖4A、4B的三角形形狀跟光點排列方式相似，在此不予贅述。

圖9與圖7相似，其差異在於圖9繪示圖8之光點P1~P2之間的連線。此時，本實施例的預設間距α是圖8之等邊三角形410的每個預期邊長(例如，光點P1~P2之間的邊長)的二分之一。量測間距Λ則是第一光點P1至第三光點P3中其中兩個光點的量測邊長的二分之一。例如，量測間距Λ_P14是光點P1~P2的量測邊長的二分之一。擷取 到的量測間距Λ_P12僅能量測到與預設量測面920平行的虛擬面940上之光點P2到中央線段之間的實際距離。等邊三角形410的每個角則具有預設角度β。

因此，請同時參考圖8及圖9，預設間距α可從方程式(10)獲得：

量測距離Λ_P14則可從光點P2及P4之間的距離L_P24以及由光點P1~P3構成之三角形的預設角度β來獲得，如方程式(11)所示：

也就是說，量測間距Λ_P14是在光點P1~P2連線的平面上第二光點P2與第四光點P4之間的距離，並乘以二分之一的預設角度β之餘弦函數值，所獲得的值。

第一光點P1至第二光點P2連線的補正角度θ_tilt則可參考上述方程式(8)，並以調整後的方程式(12)來計算獲得：

其中，θ_tilt是第一光點P1至第二光點P2連線的補正角度，L_P24是第二光點P2與第四光點P4之間的距離，β是等邊三角形410之每個角的預設角度，θ_set是第一光點P1與第二光點P2所對應之光束LB1、LB2之入射角，且 △Z是垂直距離Z的調整值。換句話說，位在第一光點P1至第二光點P2連線的補正角度θ_tilt是量測間距Λ_P14先行減去第一光點P1與第二光點P2所對應之光束LB1、LB2之入射角θ_set的正切函數值乘以垂直距離Z的調整值△Z，然後乘以入射角θ_set的餘切函數值，並除以量測間距Λ_P14後的反正切函數值。如果光束的入射角θ_set設定為45度時，則入射角θ_set的餘切函數值為1。

圖10是光束的數量為3時各光點的排列示意圖。當光束的數量等於3時，該些光束產生的三個光點P1~P3在同一平面上的排列呈現垂直等腰三角形1000。第一光點P1及第二光點P2分別是垂直等腰三角形1000位在銳角的兩個頂點。第三光點P3則是位在垂直等腰三角形1000之直角的端點。

此時，本實施例的預設間距α是第一光點P1與第二光點P2其中之一到第三光點P3的預期距離。各個量測間距Λ則是從第一光點P1與第二光點P2其中之一到第三光點P3之間的量測距離。例如，量測間距Λ_P13是光點P1到P3的量測距離。

因此，第一光點P1與第三光點P3之間的連線可以視為第一維度(X軸)，第二光點P2與第三光點P3之間的連線可以視為第二維度(Y軸)。因此，第一維度之補正角度θ_tilt ^X及第二維度之補正角度θ_tilt ^Y分別透過方程式(13)、(14)來計算得到：

也就是，位在第一光點P1至第三光點P3連線的補正角度θ_tilt ^X是，量測間距Λ_P13減去第一光點P1所對應之光束之入射角的正切函數值先行乘以垂直距離Z的調整值△Z，並除以量測間距Λ_P13後的反正切函數值。本案實施例的其他細節可參照上述實施例，在此不予贅述。

於本案實施例中，本案圖1的偵測系統100可以裝設於加工機具中，因此偵測系統100可以更更包括一加工器具。此加工器具耦接所述運算裝置140，運算裝置140便可依據上述光點以計算補正角度，從而校正加工器具對於物件表面170的相對位置關係，藉以減少加工程序的誤差發生。於本實施例中，偵測系統100的運算裝置140除了可以計算光源裝置與該物件表面之間的一補正角度以外，還可以透過軸向控制器130以及物件乘載裝置150來調整光源裝置110與物件表面170之間的補正角度以及垂直距離，藉以完成傾斜角度的補償程序。

綜上所述，本案實施例所述傾斜角的偵測方法、補償方法及其系統利用設置於同軸的光源裝置以及影像感測裝置來獲得物件表面上多個光點之間的位置關係，並透過演算來調整雷射光源(或是加工器具)與物件表面之間的空間關係(如，距離與傾斜角)，使得此偵測裝置不會受限於物件的材料構成、物件表面的反射率以及平坦度，並可同時量測物件表面上二個維度的傾角。此外，本案實施例的補償方法及系統中可以加裝加工器具，並透過運算得到的傾 斜角度來調整加工器具與物件表面之間的空間相對位置，可藉此加強物件加工的效果跟品質，從而輔助透過雷射進行加工的工業機具。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故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‧‧‧偵測系統

110‧‧‧光源裝置

115‧‧‧光束射出面

120‧‧‧影像擷取裝置

130‧‧‧軸向控制器

140‧‧‧運算裝置

150‧‧‧物件乘載裝置

160‧‧‧物件

170‧‧‧物件表面

410、420‧‧‧等邊三角形

610‧‧‧等邊菱形

710、910‧‧‧實際加工面

720、920‧‧‧預設量測面

730、930‧‧‧實際量測面

740、940‧‧‧虛擬面

1000‧‧‧等腰直角三角形

IM‧‧‧影像

L₁₂、L₂₃、L₁₃、L₁₄、L₂₄、L₃₄、M₁₂、M₂₃、M₁₃、M₁₄、M₂₄、M₃₄‧‧‧間距

LB1~LB5‧‧‧光束

L_P24‧‧‧光點P2及P4之間的距離

P1~P5‧‧‧光點

Z‧‧‧垂直距離

AP‧‧‧焦聚點

△Z‧‧‧垂直距離的調整值

Λ、Λ_P45、Λ_P14、Λ_P13‧‧‧量測間距

α‧‧‧預設間距

β‧‧‧預設角度

θ_tilt、θ_tilt ^X、θ_tilt ^Y‧‧‧補正角度

θ_set‧‧‧光束的入射角

S210~S570‧‧‧步驟

K1、K2‧‧‧線段

圖1是根據本發明一實施例說明物件表面之傾斜角的偵測系統的示意圖。

圖2是根據本發明一實施例說明物件表面之傾斜角的偵測方法的流程圖。

圖3是圖2之步驟S230的詳細流程圖。

圖4A、4B是光束的數量為4時各光點的排列示意圖。

圖5是圖2之步驟S240的詳細流程圖。

圖6是光束的數量為5時各光點的排列示意圖。

圖7是光束的數量為5時，物件表面在光點P2、P5及P4之連線以計算傾斜角度的示意圖。

圖8是光束的數量為4時各光點的排列示意圖。

圖9是光束的數量為4時，物件表面在光點P1及P2連線以計算傾斜角度的示意圖。

圖10是光束的數量為3時各光點的排列示意圖。

S210~S240‧‧‧步驟

Claims (24)

1. 一種物件表面之傾斜角的偵測方法，包括：透過一光源裝置以投射多個光束至一物件表面，其中該些光束的數量大於等於3；擷取該物件表面的一影像，以獲得該些光束於該物件表面上所產生的多個光點；調整該光源裝置與該物件表面之間的一垂直距離以進行一聚焦程序，使該物件表面上的該些光點聚集於一焦聚點；以及調整該垂直距離並依據該些光點來計算該些光束與該物件表面之間的一補正角度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之偵測方法，調整該垂直距離並依據該些光點來計算該些光束與該物件表面之間的該補正角度包括下列步驟：調整該垂直距離以使該物件表面到達一預設量測面；量測該些光點之間的多個量測間距，並比對該些量測間距與一預設間距；當該些量測間距不等於該預設間距時，依據該預設間距、該些光束的入射角、該些光點之間的該些量測間距以及該垂直距離的調整值來計算該些光束與該物件表面之間的該補正角度。
3. 如申請專利範圍第2項所述之偵測方法，更包括：依據該補正角度校正該光源裝置之光束射出面的傾斜角。
4. 如申請專利範圍第2項所述之偵測方法，更包括：當該些量測間距等於該預設間距時，不計算該補正角度。
5. 如申請專利範圍第2項所述之偵測方法，當該些光束的數量等於5時，該些光束產生的第一至第四光點在同一平面上的排列呈現一等邊菱形，且該些光束產生的第五光點排列於該等邊菱形的重心位置，其中該預設間距是該第一至該第四光點其中之一到該第五光點的預期距離，各該量測間距是從該第一至該第四光點其中之一到該第五光點之間的量測距離。
6. 如申請專利範圍第5項所述之偵測方法，其中當該該些光束的入射角為45度時，在第一維度之該補正角度是各該量測間距減去該預設間距，並除以各該量測間距後的反正切函數值。
7. 如申請專利範圍第6項所述之偵測方法，其中各該預設間距是該垂直距離的調整值乘以該些光束在第一維度之該些入射角的正切函數值。
8. 如申請專利範圍第5項所述之偵測方法，其中在第一維度之該補正角度是，該量測間距減去該些光束在第一維度之該些入射角的正切函數值先行乘以該垂直距離的調整值，然後乘以該些入射角的餘切函數值，並除以該量測間距後的反正切函數值。
9. 如申請專利範圍第2項所述之偵測方法，當該些光束的數量等於4時，該些光束產生之第一至第三光點在同 一平面上呈現一等邊三角形，且該些光束產生的第四光點排列於該等邊三角形的重心位置，其中該預設間距是該等邊三角形的每個預期邊長的二分之一，各該量測間距是第一至第三光點中其中兩個光點的量測邊長的二分之一。
10. 如申請專利範圍第9項所述之偵測方法，其中該等邊三角形的每個角具有一預設角度，各該量測間距是該第二光點與該第四光點之間的距離乘以二分之一的該預設角度之餘弦函數值所獲得的值，並且，位在該第一光點至該第二光點連線的該補正角度是各該量測間距減去該第一光點與該第二光點所對應之該些光束之入射角的正切函數值乘以該垂直距離的調整值，然後乘以該些光束之入射角的餘切函數值，並除以各該量測間距後的反正切函數值。
11. 如申請專利範圍第2項所述之偵測方法，當該些光束的數量等於3時，該些光束產生的三個光點在同一平面上的排列呈現一垂直等腰三角形，第一及第二光點是該垂直等腰三角形位在銳角的頂點，第三光點是位在該垂直等腰三角形之直角的端點，其中該預設間距是該第一與該第二光點其中之一到該第三光點的預期距離，各該量測間距是從該第一至該第二光點其中之一到該第三光點之間的量測距離。
12. 如申請專利範圍第11項所述之偵測方法，其中位在該第一光點至該第三光點連線的該補正角度是，該量測間距減去該第一光點所對應之該光束之入射角的正切函數 值先行乘以該垂直距離的調整值，並除以該量測間距後的反正切函數值。
13. 如申請專利範圍第1項所述之偵測方法，進行該聚焦程序包括下列步驟：判斷該些光點是否重合於該焦聚點；以及當該些光點並未重合於該焦聚點時，透過調整該垂直距離以及計算各該光點之間的間距，以使該些光點重合於該焦聚點。
14. 如申請專利範圍第13項所述之偵測方法，判斷該些光點是否重合於該焦聚點包括下列步驟：量測各個光點之間的多個第一間距；判斷該些第一間距是否皆為零；當該些第一間距為零時，判斷該些光點重合於該焦聚點，並完成聚焦程序；以及當該些第一間距不為零時，沿一第一垂直方向調整該垂直距離，並在調整該垂直距離後量測各個光點之間的多個第二間距。
15. 如申請專利範圍第14項所述之偵測方法，調整該垂直距離以及計算各該光點之間的間距，以使該些光點重合於該焦聚點包括下列步驟：當該些第一間距不為零時，沿一第一垂直方向調整該垂直距離，並在調整該垂直距離後量測各個光點之間的多個第二間距； 當該些第二間距不為零時，計算各個光點之間各該第一間距與各該第二間距的差值；當該些差值為正值時，將該些第二間距視作該些第一間距，沿一第二垂直方向調整該垂直距離，其中該第一垂直方向與該第二垂直方向為反向；以及當該些差值為負值時，將該些第二間距視作該些第一間距，沿該第一垂直方向調整該垂直距離。
16. 一種物件表面之傾斜角的偵測系統，包括：一光源裝置，投射多個光束至該物件表面，其中該些光束的數量大於等於3；一影像擷取裝置，擷取該物件表面的一影像；一軸向控制器，耦接該光源裝置，調整該光源裝置的該些光束對該物件表面的投射角度；一物件乘載裝置，調整該光源裝置與該物件表面之間的一垂直距離；以及一運算裝置，耦接該影像擷取裝置，接收該影像以獲得該些光束於該物件表面上所產生的多個光點，其中該運算裝置依據該些光點以計算該光源裝置與該物件表面之間的一補正角度。
17. 如申請專利範圍第16項所述之偵測系統，其中該運算裝置依據該些光點的位置進行一聚焦程序，透過該軸向控制器調整該垂直距離而使該物件表面上的該些光點聚焦於一焦聚點。
18. 如申請專利範圍第16項所述之偵測系統，其中該光源裝置與該影像擷取裝置設置於同軸。
19. 如申請專利範圍第16項所述之偵測系統，當該些光束的數量等於5時，該些光束產生的第一至第四光點在同一平面上的排列呈現一等邊菱形，且該些光束產生的第五光點排列於該等邊菱形的重心位置，其中該預設間距是該第一至該第四光點其中之一到該第五光點的預期距離，各該量測間距是從該第一至該第四光點其中之一到該第五光點之間的量測距離。
20. 如申請專利範圍第16項所述之偵測系統，當該些光束的數量等於4時，該些光束產生之第一至第三光點在同一平面上的排列呈現一等邊三角形，且該些光束產生之第四光點排列於該等邊三角形的重心位置，其中該預設間距是該等邊三角形的每個預期邊長的二分之一，各該量測間距是第一至第三光點中其中兩個光點的量測邊長的二分之一。
21. 如申請專利範圍第16項所述之偵測系統，當該些光束的數量等於3時，該些光束產生的三個光點在同一平面上的排列呈現一垂直等腰三角形，第一及第二光點是該垂直等腰三角形位在銳角的頂點，第三光點是位在該垂直等腰三角形之直角的端點，其中該預設間距是該第一與該第二光點其中之一到該第三光點的預期距離，各該量測間距是從該第一至該第二光點其中之一到該第三光點之間的量測距離。
22. 如申請專利範圍第16項所述之偵測系統，更包括：加工器具，耦接該運算裝置，該運算裝置依據該補正角度以校正該加工器具對於該物件表面的相對位置關係。
23. 一種物件表面之傾斜角的補償方法，包括：透過一光源裝置以投射多個光束至該物件表面，其中該些光束的數量大於等於3；擷取該物件表面的一影像，以獲得該些光束於該物件表面上所產生的多個光點；調整該光源裝置與該物件表面之間的一垂直距離以進行一聚焦程序，使該物件表面上的該些光點聚集於一焦聚點；以及依據該些光點以計算並調整該光源裝置與該物件表面之間的一補正角度以及該垂直距離。
24. 一種物件表面之傾斜角的補償系統，包括：一光源裝置，投射多個光束至該物件表面，其中該些光束的數量大於等於3；一影像擷取裝置，擷取該物件表面的一影像；一軸向控制器，耦接該光源裝置，調整該光源裝置的該些光束對該物件表面的投射角度；一物件乘載裝置，調整該光源裝置與該物件表面之間的一垂直距離；以及一運算裝置，耦接該影像擷取裝置，接收該影像以獲得該些光束於該物件表面上所產生的多個光點， 其中該運算裝置依據該些光點進行一聚焦程序，透過該軸向控制器調整該垂直距離而使該物件表面上的該些光點聚焦於一焦聚點，並依據該些光點以計算並調整該光源裝置與該物件表面之間的一補正角度以及該垂直距離。