光学编码器的制作方法

本发明涉及一种光学编码器，特别是涉及一种光学透镜组符合对称式光学投影原理的光学编码器。

背景技术：

编码器做为伺服马达定位的感测模块，其广泛应用于工具机、机器人及半导体设备等。其中，编码器的精准度直接影响到机械设备的定位表现。目前全球工业全面自动化的驱势，对于伺服马达的需求与日俱增。

编码器是一种将信息由一种特定格式转换为其他特定格式的传感器、软体或是演算法，转换的目的可能是由于标准化、速度、保密性、保安或是为了压缩数据。其中，旋转编码器是将旋转位置或旋转量转换成类比或数位信号的机电装置，其依构造主要可分为光学式编码器及机械式编码器两种。光学编码器中也有一个会和主轴同步旋转的圆盘，圆盘由玻璃或塑胶制成，其中有分为许多同心圆状的透明及不透明的区域。在圆盘的两侧分别有光源及光感测器阵列，其读到的数据可以表示圆盘的位置，并将读到的数据传送到微处理器，转换为轴的位置。

现有的光学式编码器于24位定位精度时，每格定位宽度仅10微米，已达传统几何光学的分辨能力极限，会产生绕射干扰问题。此外，因光束直线前进的特性，检光器的感测元件也需要以10微米的宽度紧密排列，故不论在检光器感测阵列的制作或组装对位上都有极高的困难度。

此外，现有的光学式编码器为提高能量而采用激光光源(laserdiode,ld)，其会导致编码器的生产成本提高及使用寿命较短等问题。并且，光学式编码器以激光做为光源时，需搭配高精度的光掩模制作工艺制作光学编码盘，才能利用绕射现象让检光器接收编码信号。如此会使编码器有较高的生产成本，进而产生量产性低的问题。

技术实现要素：

本发明的一实施例所公开的光学编码器，包含一光源模块、一检光器、一编码盘、一第一光学透镜组以及一第二光学透镜组。光源模块用以发出一光束。检光器用以接收光束。编码盘介于光源模块与检光器之间。第一光学透镜组位于光源模块与编码盘之间。第一光学透镜组与光源模块保持一第一距离，且第一光学透镜组与编码盘保持一第二距离。第二光学透镜组位于编码盘与检光器之间。第二光学透镜组与编码盘保持一第三距离，且第二光学透镜组与检光器保持一第四距离。其中，第一距离、第二距离、第三距离以及第四距离符合对称式光学投影原理的定义，以令第一光学透镜组将来自光源模块的光束聚焦至编码盘，并令第二光学透镜组将穿透编码盘的光束聚焦至检光器。

本发明的另一实施例所公开的光学编码器包含一光源模块、一编码盘、一检光器、一光学透镜组、一反射式偏光元件以及一偏振分光镜。光源模块用以发出一光束。编码盘位于光束路径上。检光器用以接收经过编码盘的光束。光学透镜组位于光源模块与编码盘之间。光学透镜组与光源模块保持一第一距离，且光学透镜组与编码盘保持一第二距离。反射式偏光元件位于编码盘远离光学透镜组的一侧，用以反射经过编码盘的光束。偏振分光镜位于光源模块与光学透镜组之间。偏振分光镜与光学透镜组保持一第五距离，且偏振分光镜与检光器保持一第六距离。其中，第五距离与第六距离长度的总合等于第一距离，且第一距离、第二距离、第五距离与第六距离符合对称式光学投影原理的定义，以令光学透镜组将来自光源模块并穿透偏振分光镜后的光束聚焦至编码盘，并将由反射式偏光元件反射回的光束聚焦至偏振分光镜，再通过偏振分光镜将光束反射至检光器。

根据上述实施例所公开的光学编码器，通过光学透镜组汇聚光束的功能，使光束聚焦于编码盘上以经过宽度仅6～10微米的光栅，并将经过编码盘而发散的光线聚焦至检光器，通过对称式光学投影原理，其透镜设计特定的成像收光位置，使编码后的光束能以较大的宽度间距照射于检光器。如此，在检光器上的感测单位可有较宽松的排列设置，使其与编码盘的对位精度需求降低。由此，可突破传统编码器对于高精度位置编码的分辨障碍，同时也可降低对位精度。此外，通过聚光的方式将光束聚焦于编码盘上，使照射于检光器上的光束具有较大的能量，由此可使照射于检光器的编码信号更加清晰，进而具有更佳的信号噪声比。

以上关于本发明内容的说明及以下实施方式的说明用以示范与解释本发明的原理，并且提供本发明的权利要求更进一步的解释。

附图说明

图1为本发明的第一实施例所述的光学编码器的侧视示意图；

图2为图1的编码盘的局部正视示意图；

图3为图1的检光器及编码盘上的绝对式编码图案的局部放大示意图；

图4a～图4c为图1的检光器及编码盘上的细分割式编码图案的局部放大和作动示意图；

图5为本发明的第二实施例所述的光学编码器的侧视示意图；

图6为本发明的第三实施例所述的光学编码器的侧视示意图；

图7为本发明的第四实施例所述的光学编码器的侧视示意图。

符号说明

1、1a、1b、1c光学编码器

10、10a、10b、10c光源模块

20、20a、20b、20c检光器

21感测元件

30、30c感测电路

40、40a、40b、40c编码盘

41透光区

43、43c不透光区

45c反光区

50、50a、50b第一光学透镜组

51、50a第一透镜

53第二透镜

55b第一透镜

57b第二透镜

59b第三透镜

60、60a、60b第二光学透镜组

61、60a第一透镜

63第二透镜

65b第一透镜

67b第二透镜

69b第三透镜

70c光学透镜组

71c第一透镜

73c第二透镜

80c偏振分光镜

90c反射式偏光元件

l、lc光束

w宽度

d1、d1a、d1b、d1c第一距离

d2、d2a、d2b、d2c第二距离

d3、d3a、d3b第三距离

d4、d4a、d4b第四距离

d5c第五距离

d6c第六距离

具体实施方式

以下在实施方式中详细叙述本发明的实施例的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域中具通常知识者了解本发明的实施例的技术内容并据以实施，且根据本说明书所公开的内容、权利要求及图式，任何本领域中具通常知识者可轻易地理解本发明相关的目的及优点。以下的实施例进一步详细说明本发明的观点，但非以任何观点限制本发明的范畴。

请参阅图1及图2，图1为根据本发明的第一实施例所述的光学编码器的侧视示意图，而图2为图1的编码盘的局部正视示意图。

本实施例的光学编码器1包含光源模块10、检光器20、感测电路30、编码盘40、第一光学透镜组50以及第二光学透镜组60。

在本实施例中，光源模块10为微型发光二极管阵列(microledarray)，用以发出为长条形光场的光束l。本实施例光源模块10所采用的微型发光二极管的好处为其可搭配线宽2微米以上的光掩模制作工艺制作的光学编码盘，相较于激光二极管(laserdiode,ld)及其需搭配的高精度光掩模(精度约为0.25微米)，微型发光二极管及用以制作与其搭配的光学编码盘的光掩模生产成本较低。此外，微型发光二极管的使用寿命一般较激光二极管长。也就是说，相较于激光二极管，微型发光二极管具有高量产性及高耐用性的特色。然而，以微型发光二极管为光源的特征并非用以限定本发明。在其他实施例中，光源模块也可依实际需求而采用发光二极管(led)。

检光器20相对光源模块10而设，用以接收光源模块10发出的光束l。在本实施例中，检光器20由多个感测元件21所组成，且感测元件21为感光二极管(photodiode,pd)，但本发明不以此为限。在其他实施例中，检光器可为感测阵列模块或由多个感测阵列模块所组成；此外，感测元件21也可为雪崩型感光二极管(avalanchephotodiode,apd)。

感测电路30连接检光器20，用以分辨检光器20所传出的信号。

编码盘40介于光源模块10与检光器20之间，编码盘40中心可连接于马达(未绘示)的转轴(未绘示)，用于通过马达(未绘示)驱动编码盘40旋转。

第一光学透镜组50位于光源模块10与编码盘40之间。第一光学透镜组50包含第一透镜51以及第二透镜53，且第二透镜53较第一透镜51靠近编码盘40。第一光学透镜组50与光源模块10保持第一距离d1，且第一光学透镜组50与编码盘40保持第二距离d2。

第二光学透镜组60位于编码盘40与检光器20之间。第二光学透镜组60包含第一透镜61以及第二透镜63，且第二透镜63较第一透镜61靠近编码盘40。第二光学透镜组60与编码盘40保持第三距离d3，且第二光学透镜组60与检光器20保持第四距离d4。

请配合参照下表一，为本实施例第一及第二光学透镜组50、60于一示例中，各透镜的光学参数列表。

在本实施例中，第一距离d1等于第四距离d4，第二距离d2等于第三距离d3，且第一距离d1相异于第二距离d2。如此，第一距离d1、第二距离d2、第三距离d3以及第四距离d4符合对称式光学投影原理的定义。通过第一光学透镜组50及第二光学透镜组60聚光的功能，以令第一光学透镜组50将来自光源模块10的光束l聚焦至仅具有例如10至40微米宽的光栅的编码盘40上，并令第二光学透镜组60将穿透编码盘40而发散的光束l以较10至40微米宽度大的间距聚焦至检光器20上。由此，在检光器20上的感测元件21可较宽松的排列设置，使其与编码盘40的对位精度需求降低。此外，通过聚光的方式将光束l聚焦于编码盘40上，相较于以平行光投射的方式，本实施例照射于检光器20上的光束l具有较大的能量，由此可使照射于检光器20的编码信号更加清晰，进而具有更佳的信号噪声比。

上述第一光学透镜组50及第二光学透镜组60与光源模块10、编码盘40及检光器20间距离(亦即第一距离d1、第二距离d2、第三距离d3及第四距离d4)的关系并非用以限定本发明。在其他实施例中，在符合对称式光学投影原理的定义的前提下，第一距离、第二距离、第三距离以及第四距离可都相等，或于其他实施例中，第一距离等于第二距离，第三距离等于第四距离，且第一距离可相异于第三距离。

在本实施例中，编码盘40包含绝对式编码图案及细分割式编码图案。详细来说，请参阅图2，编码盘40包含多个透光区41以及多个不透光区43，这些透光区41及不透光区43的形状都实质上为四边形，且彼此交错排列而形成编码图案。所述实质上为四边形，将透光区41及不透光区43在切线方向上为弧形的边视为直线，与径向方向上直线的边共同围成四边形的区域。

请参阅图3，为图1的检光器及编码盘上的绝对式编码图案的局部放大示意图。绝对式编码图案的透光区41及不透光区43的形状都为矩形，且宽度w可例如为10微米。在本实施例中，绝对式编码图案沿长条形光束l的光场方向列有14个编码图案，并配合检光器20上的14个感测元件21，通过透光区41及不透光区43特定的编码排列方式，可提供14位的光学定位精度。其中，绝对式编码图案可例如为二进码十进数(binary-codeddecimal,bcd)编码或格雷码(graycode)等编码方式，但不以此为限。在本实施例中，沿光束l方向上的编码图案的数量为14个的特征并非用以限定本发明。在其他实施例中，沿光束方向上的编码图案的数量可依实际需求而增减。

请参阅图4a至图4c，为图1的检光器及编码盘上的细分割式编码图案的局部放大和作动示意图。细分割式编码图案的透光区41及不透光区43的形状都为平行四边形且彼此交错排列，其编码宽度w可例如为10微米。当编码盘40转动时，由于透光区41的形状为平行四边形，照射于编码盘40上的光束l可在同一时间仅部分光束l穿透同一透光区41而照射至编码盘40后方的检光器20的数个感测元件21上(如图4a～图4c中标示为1的感测元件21)，而另一部分的光束l则被不透光区43遮挡。如图4a所示，此编码盘40的局部放大区域示意图上，仅最上方的感测元件21受光束l照射，其余的感测元件21(如图4a中标示为0的感测元件21)则因对应的光束l位置被不透光区43遮挡而未感测到光束l。随着编码盘40的转动，在某一时刻如图4b所示，于此区域中，整条光束l都未受到不透光区43的遮挡，使后方所有的感测元件21都受光束l照射。接着，随编码盘40持续转动而在另一时刻如图4c所示，于此区域中光束l自上方开始受到不透光区43的遮挡，使最上方的感测元件21(如图4c中标示为0的感测元件21)不受光束照射。如此，检光器20上的多个感测元件21在同一时间可有部分感测元件21感应到光束l，而部分感测元件21未感应到光束l。由此，随着编码盘40的移动而有不同数量的感测元件21感应到光束l，而可分辨出不同位置，达到较佳的分辨精度。此外，细分割式编码还可搭配分辨相邻二个感测元件21感应到光束l的能量差，用于分辨出倍数的位置精度，也可降低感测元件21的使用数。

详细来说，在细分割式编码部分，当检光器20的感测元件21可感应到光束l的能量差异且数量达1024条时，可提供10位(bits)的信号分辨率，而在绝对式编码部分，其搭配光源模块10原所提供例如为14位的光学定位分辨率时，使得光学编码器1可达到24位的分辨率。在本实施例中，通过上述图4a～图4c编码盘上的细分割编码图案，通过分辨相邻二个感测元件21感应到光束l的能量差，可分辨出倍数的位置精度。举例来说，当感测元件21可感应并分辨其照光面积及所对应的光能量大小时，例如可分辨照射到的光能量为100％或50％等，在检光器20具有相同数量的感测元件21下，可分辨出更高倍数的位置精度。如此，可将检光器20的感测元件21的数量由1024条缩减到512条，甚至到256条，仍同样能提供10位的信号分辨率。

在本实施例中，第一及第二光学透镜组50及60的第一透镜51及第一透镜61都为凸透镜，且其第二透镜53及第二透镜63都为凹透镜，但本发明不以此为限。在其他实施例中，第一透镜及第二透镜可依实际需求而分别设计为凹透镜或凸透镜。此外，在本实施例中，第一光学透镜组50及第二光学透镜组60各包含的透镜的数量为二的特征非用以限定本发明。在其他实施例中，光学编码器的二光学透镜组可依实际需求包含一个或三个以上的透镜。

举例来说，请参阅图5，为根据本发明的第二实施例所述的光学编码器的侧视示意图。本实施例与第一实施例类似，其差异在于本实施例光学编码器1a的第一光学透镜组50a及第二光学透镜组60a分别为第一透镜50a及第一透镜60a。在本实施例中，第一光学透镜组50a与光源模块10a保持一第一距离d1a，第一光学透镜组50a与编码盘40a保持一第二距离d2a，第二光学透镜组60a与编码盘40a保持第三距离d3a，且第二光学透镜组60a与检光器20a保持第四距离d4a。第一距离d1a等于第四距离d4a，第二距离d2a等于第三距离d3a，且第一距离d1a相异于第二距离d2a。如此，本实施例的第一距离d1a、第二距离d2a、第三距离d3a以及第四距离d4a符合对称式光学投影原理的定义。

在本实施例中，第一及第二光学透镜组50a及60a的第一透镜50a及第一透镜60a都为凸透镜，但本发明不以此为限。

请配合参照下表二，为本实施例第一及第二光学透镜组50a、60a于一示例中，各透镜的光学参数列表。

此外，另参阅图6，为根据本发明的第三实施例所述的光学编码器的侧视示意图。本实施例与第一实施例类似，其差异在于本实施例光学编码器1b的第一光学透镜组50b包含第一透镜55b、第二透镜57b及第三透镜59b依序自光源模块10b往编码盘40b的方向排列，且第二光学透镜组60b包含第一透镜65b、第二透镜67b及第三透镜69b依序自检光器20b往编码盘40b的方向排列。在本实施例中，第一光学透镜组50b与光源模块10b保持第一距离d1b，第一光学透镜组50b与编码盘40b保持第二距离d2b，第二光学透镜组60b与编码盘40b保持第三距离d3b，且第二光学透镜组60b与检光器20b保持第四距离d4b。第一距离d1b等于第四距离d4b，第二距离d2b等于第三距离d3b，且第一距离d1b相异于第二距离d2b。如此，本实施例的第一距离d1b、第二距离d2b、第三距离d3b以及第四距离d4b符合对称式光学投影原理的定义。

请配合参照下表三，为本实施例的第一及第二光学透镜组50b、60b于一示例中，各透镜的光学参数列表。

在本实施例中，光学透镜组的第一透镜、第二透镜及第三透镜分别依序为凸透镜、凹透镜及凸透镜，但本发明不以此为限。在其他实施例中，第一透镜、第二透镜及第三透镜可依实际需求而各别设计为凹透镜或凸透镜。

上述各实施例分别举例了包含不同透镜数的光学透镜组。其中，当各光学透镜组的透镜数为一片时(如第二实施例所述)，编码盘上的光栅宽度(即透光区宽度)需求为8微米。当各光学透镜组的透镜数为两片时(如第一实施例所述)，编码盘上的光栅宽度需求可达6微米。更佳地，当各光学透镜组的透镜数为三片时(如第三实施例所述)，编码盘上的光栅宽度需求可小于6微米。由此，可大幅提升检光器接收到的光强度，以确保编码器的编码精度符合需求。

请参阅图7，为根据本发明的第四实施例所述的光学编码器的侧视示意图。

本实施例的光学编码器1c包含光源模块10c、编码盘40c、检光器20c、感测电路30c、光学透镜组70c、反射式偏光元件90c以及偏振分光镜(polarizedbeamsplitter,pbs)80c。

光源模块10c用以发出为长条形光场的光束lc。编码盘40c位于光束lc路径上。检光器20c用以接收经过编码盘40c的光束lc。感测电路30c连接检光器20c，用以分辨检光器20c所传出的信号。

光学透镜组70c位于光源模块10c与编码盘40c之间。光学透镜组70c包含第一透镜71c以及第二透镜73c，且第二透镜73c较第一透镜71c靠近编码盘40c。光学透镜组70c与光源模块10c保持第一距离d1c，且光学透镜组70c与编码盘40c保持第二距离d2c。

反射式偏光元件90c位编码盘40c远离光学透镜组70c的一侧，用以反射经过编码盘40c的光束lc。在本实施例中，反射式偏光元件90c可例如为反射式单晶硅液晶(lcos)元件，但不以此为限。

偏振分光镜80c位于光源模块10c与光学透镜组70c之间。在本实施例中，检光器20c位于光源模块10c与光学透镜组70c之间，且位于偏振分光镜80c的一侧，但不以此为限。偏振分光镜80c与光学透镜组70c保持第五距离d5c，且偏振分光镜80c与检光器20c保持第六距离d6c。其中，第五距离d5c与第六距离d6c长度的总合等于第一距离d1c。

在本实施例中，第一距离d1c相异于第二距离d2c。如此，第一距离d1c、第二距离d2c、第五距离d5c以及第六距离d6c符合对称式光学投影原理的定义，以令光学透镜组70c将来自光源模块10c并穿透偏振分光镜80c后的光束lc聚焦至编码盘40c，并将由反射式偏光元件90c反射回的光束lc聚焦至偏振分光镜80c，再通过偏振分光镜80c将光束lc反射至检光器20c。

其中，本实施例的偏振分光镜80c可让一特定偏振方向的光线通过，而将偏振方向垂直于所述特定偏振方向的光线反射。另外，本实施例的反射式偏光元件90c可反射光线并改变光线的偏振方向，亦即使反射光的偏振方向例如垂直于入射光的偏振方向。由此，偏振分光镜80c可让来自光源模块10c的光束lc通过，而可反射经由反射式偏光元件90c改变偏振方向的光束lc。

上述光学透镜组70c与光源模块10c、编码盘40c及偏振分光镜80c间，以及偏振分光镜80c与检光器20c间距离(亦即第一距离d1c、第二距离d2c、第五距离d5c及第六距离d6c)的关系并非用以限定本发明。于其他实施例中，第五距离与第六距离长度的总合等于第一距离，第一距离等于第二距离，且符合对称式光学投影原理的定义。

本实施例的编码盘40c与第一实施例的编码盘40类似，具有多个透光区以及多个不透光区，以让照射于编码盘40c上部分的光束lc穿过透光区到达反射式偏光元件90c，通过反射式偏光元件90c将光束lc反射回光学透镜组70c，并再次通过光学透镜组70c将发散的光束lc聚焦至偏振分光镜80c上，进而通过偏振分光镜80c将光束lc反射至检光器20c。由此，可减少透镜的使用，进而降低生产成本；此外，通过光路路径的部分重迭，可减少光学编码器的整体体积。

在本实施例中，光学透镜组70c的第一透镜71c及第二透镜73c分别为凸透镜及凹透镜，但本发明不以此为限。于其他实施例中，第一透镜及第二透镜可依实际需求而各别设计为凹透镜或凸透镜。

此外，在本实施例中，光学透镜组70c包含的透镜的数量为二的特征非用以限定本发明。在其他实施例中，光学编码器的二光学透镜组可依实际需求包含一个或三个以上的透镜。

根据上述实施例的光学编码器，通过光学透镜组汇聚光束的功能，使光束聚焦于编码盘上以经过宽度仅6～10微米的透光区，并将经过编码盘而发散的光线聚焦至检光器，通过对称式光学投影原理，其透镜设计特定的成像收光位置，使编码后的光束能以较大的宽度间距照射于检光器。如此，在检光器上的感测元件可有较宽松的排列设置，使其与编码盘的对位精度需求降低。由此，可突破传统编码器对于高精度位置编码的分辨障碍，同时也可降低对位精度。此外，通过聚光的方式将光束聚焦于编码盘上，使照射于检光器上的光束具有较大的能量，由此可使照射于检光器的编码信号更加清晰，进而具有更佳的信号噪声比。

此外，光源模块所采用的微型发光二极管可搭配线宽2微米以上的光掩模制作工艺制作的光学编码盘，相较于激光二极管及其需搭配的高精度光掩模，微型发光二极管及用以制作与其搭配的光学编码盘的光掩模生产成本较低。此外，微型发光二极管的使用寿命一般较激光二极管长。因此，相较于激光二极管，本案采用的微型发光二极管具有高量产性及高耐用性的特色。

再者，通过编码图案为平行四边形的细分割式编码，随着编码盘的移动而使不同数量的感测元件感应到光束，而可分辨出不同位置，达到较佳的分辨精度。此外，细分割式编码还可搭配分辨相邻感测元件感应到光束的能量差，可同时分辨出倍数的位置精度，也可降低感测元件的使用数。