CN108571992B - 光学扫描式双层导光编码器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光学扫描式双层导光编码器，其包含双层导光式栅轮、发光模块，以及光感测模块。光感测模块包含多个邻近双层导光式栅轮的感测组件，多个感测组件的多个裸露感测区彼此横向错位且分别横向沿着多个互相平行的不同水平线延伸设置。本发明所提供的光学扫描式双层导光编码器可以令投射在光感测模块上的光束与多个感测组件的多个裸露感测区域相互配合，进而在不增加双层导光式栅轮的尺寸及叶片数量的条件下提高编码器的解析能力。

Description

光学扫描式双层导光编码器

技术领域

本发明涉及一种编码器，特别是涉及一种光学扫描式双层导光编码器。

背景技术

现今计算机的监视器(monitor)利用鼠标(Mouse)来移动所欲处理数据的位置至监视器上的特定数据位置。一般鼠标的主要构造包括两组可输出序列逻辑信号(例如11,10,00,01)的X轴和Y轴编码器，透过将鼠标底面扺住桌面或其他平面向特定方位移动而使监视器所欲处理数据位置作相对的移位。以鼠标移动监视器上数据位置的原理基本上是利用同时操作X轴和Y轴编码器而产生一平面上的点的移动。换句话说，单独操作X轴编码器或是Y轴编码器只能作在线点的移动。编码器一般是由发光模块(例如发光二极管)、叶片栅轮以及光感测模块所组成。叶片栅轮具有一类似机械齿轮的结构，操作时，通过叶片栅轮的转动，由发光模块发出的光束被叶片栅轮遮蔽或不被遮蔽。其中，经遮蔽的光束不会投射至光感测模块而使光感测模块产生OFF(0)的信号，另一方面，不被遮蔽的光束则被光感测模块接收，而使传感器产生ON(1)的信号。上述OFF(0)及ON(1)的信号被依序产生后，形成一序列信号。举例而言，当叶片栅轮以顺时针方向转动时，传感器所产生的序列信号为11,10,00,01,11,10,00,01…的连续重复信号，逆时针转动时，则为01,00,10,11,01,00,10,11,10…的连续重复信号，而此等序列信号被用于电路编码。

一般而言，叶片栅轮所包含的叶片数愈多、和两传感器间的距离愈小，则分辨率(以CPR表示，Count per Round)愈高。然而，当叶片栅轮的相邻两叶片的夹角减小，即，叶片数增多时，栅轮外径将会加大。若不欲加大栅轮的外径，需要减少叶片的宽度，然而，因光的绕射现象使得叶片宽度的减小有其极限。详细而言，在过多的叶片数量之下，光束通过栅轮的叶片时会产生绕射现象，而光束无法被栅轮的叶片遮蔽，导致无论栅轮顺或逆时针转动时，由两传感器产生的信号皆为连续重复ON(1)的信号，无法因鼠标滑动的方向不同而产生不同的序列信号。

如图1A及1B所示，图1A为习知技术的导光式编码器的配置示意图，而图1B为习知技术的导光式编码器的导光式栅轮1’的叶片与光感测模块3的局部示意图。为了克服光绕射的问题，习知技术所使用的技术手段是，利用以多个连续排列的球面作为出光面的导光式栅轮1’来使射出的光束经过球面而聚焦。如图1B所示，光感测模块3包含在设置于相同纵轴上的感光芯片S1、S2，由导光式栅轮1’射出的光束被聚焦于光感测模块3的第一裸露感测区域31及/或第二感测区域32。具体而言，习知技术的导光式编码器的导光式栅轮1’在转动至第一位置(1)、第二位置(2)、第三位置(3)及第四位置(4)时，可分别产生[1,1]、[0,1]、[1,0]及[0,0]的信号。然而，由图1B中可看出，习知技术的导光式栅轮1’必须利用两个叶片才能完成前述包含四个信号的一组编码序列。

综上所述，针对上述习知技术的技术手段而言，由于导光式栅轮1’内部的光束在经过球面后，其宽度会因聚焦而随行进距离而减少，因此需要精确控制光感测模块3与导光式栅轮1’之间的距离，方能确保光感测模块3可接收来自导光式栅轮1’的光束而产生信号。再者，在习知技术中，光感测模块3的感光芯片S1、S2是沿相同纵轴设置，因此，导光式栅轮1’需要两个叶片才能完成一个编码时序或序列[1,1]、[0,1]、[1,0]及[0,0]，如此一来，导光式编码器的分辨率无法明显提升。

因此，如何在不增加栅轮的尺寸及叶片数量的条件下改良导光式编码器的分辨率，仍是本领域中亟待努力的课题。

发明内容

为了解决上述技术问题，根据本发明的其中一种方案，提供一种光学扫描式双层导光编码器，其包含一双层导光式栅轮、一发光模块，以及一光感测模块。所述光感测模块包含多个邻近所述双层导光式栅轮的感测组件，其中每一个所述感测组件具有一裸露感测区，多个所述感测组件的多个裸露感测区彼此横向错位且分别横向沿着多个互相平行的不同水平线延伸设置。更进一步地，所述光学扫描式双层导光编码器更进一步包含一光栅，所述光栅设置于所述双层导光式栅轮及所述光感测模块之间，所述光栅包含多个分别用于裸露多个所述裸露感测区的狭缝。

更进一步地，所述双层导光式栅轮具有一环形入光面、一对应于所述环形入光面的环形反射面、以及两个环形出光面，且每个所述环形出光面由多个依序相连且有主轴的非球面所组成。

更进一步地，所述双层导光式栅轮包括一导光本体及两个齿轮状结构，所述导光本体具有一环形入光面及一对应于所述环形入光面的环形反射面，每个齿轮状结构具有一由多个依序相连且有主轴的非球面所组成的环形出光面，且每个齿轮状结构由多个非球面凸出部依序连接成一圈所构成。

更进一步地，所述发光模块所产生的入射光束从所述环形入光面进入所述双层导光式栅轮，所述入射光束通过所述环形反射面的反射以形成一反射光束，所述反射光束通过每个所述环形出光面以形成投射在所述光感测模块上的一平行光束或一接近平行光的近平行光束。

更进一步地，所述反射光束通过所述双层导光式栅轮的转动以穿过相对应的所述非球面的一部分或被相对应的所述非球面的其余部分所反射。

更进一步地，所述双层导光式栅轮的所述非球面是由两个反射面及一连接于两个所述反射面之间的出光面所构成。

更进一步地，所述反射光束的一部分通过所述双层导光式栅轮的转动以穿过相对应的所述出光面。

更进一步地，所述反射光束的一部分被所述反射面所反射。

更进一步地，所述平行光束或所述近平行光束的光束宽度等于所述出光面的宽度。

更进一步地，所述平行光束或所述近平行光束的光束宽度由所述非球面凸出部的顶点曲面的曲率来调整。

更进一步地，每一个所述感测组件的所述裸露感测区被切分成多个编码区，所述平行光束或所述近平行光束的光束宽度会小于或等于所述编码区的宽度。

更进一步地，每个齿轮状结构的每一个所述非球面凸出部的宽度等于所述光感测模块的宽度。

本发明另外一实施例提供一种光学扫描式双层导光编码器，其包含一双层导光式栅轮、一发光模块，以及一光感测模块。所述双层导光式栅轮包括一导光本体及一齿轮状结构，其中所述齿轮状结构具有多个非球面凸出部。所述发光模块邻近所述双层导光式栅轮。所述发光模块所产生的入射光束从所述环形入光面进入所述双层导光式栅轮，以形成投射在所述光感测模块上的一平行光束或一接近平行光的近平行光束。其中，所述平行光束或所述近平行光束的光束宽度等于所述出光面的宽度，且所述平行光束或所述近平行光束的光束宽度由所述非球面凸出部的顶点曲面的曲率来调整。

本发明再另外一实施例提供一种光学扫描式双层导光编码器，其包含一双层导光式栅轮、一发光模块以及一光感测模块。所述双层导光式栅轮包括一导光本体及一齿轮状结构，其中所述齿轮状结构具有多个凸出部。所述发光模块邻近所述双层导光式栅轮，而所述光感测模块邻近所述双层导光式栅轮。其中，所述齿轮状结构的每一个所述凸出部的宽度等于所述光感测模块的宽度。

本发明的有益效果在于，本发明实施例所提供的光学扫描式双层导光编码器通过「每一个所述感测组件具有一裸露感测区，多个所述感测组件的多个裸露感测区彼此横向错位且分别横向沿着多个互相平行的不同水平线延伸设置」的设计，可以令投射在光感测模块上的平行光束或近平行光束与多个感测组件的裸露感测区域相互配合，进而在不增加导光式栅轮的尺寸及叶片数量的条件下提高编码器的解析能力。再者，经由上述设计，本发明实施例所提供的导光式编码器可避免光的绕射现象的产生。

更进一步地，所述凸出部为非球面凸出部或球面凸出部。

为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所提供的附图仅用于提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制。

附图说明

图1A为习知技术的导光式编码器的配置示意图；

图1B为习知技术的导光式编码器产生编码序列的示意图；

图2为本发明其中一实施例所提供的光学扫描式双层导光编码器的配置示意图；

图3为本发明另一实施例所提供的光学扫描式双层导光编码器的配置示意图；

图4为本发明其中一实施例所提供的光学扫描式双层导光编码器的双层导光式栅轮的立体示意图；

图5为本发明其中一实施例所提供的光学扫描式双层导光编码器的双层导光式栅轮的上视图；

图6为本发明其中一实施例所提供的光学扫描式双层导光编码器的双层导光式栅轮沿图5中V-V线的剖面图；

图7为图4中A部份的放大图；

图8为惯用的导光式编码器的齿状结构的局部示意图；

图9为本发明其中一实施例所提供的光学扫描式双层导光编码器的齿状结构的局部示意图；

图10为图7所示的结构的局部剖面示意图；

图11为图7所示的结构的另一局部剖面示意图；

图12为本发明第一具体实施例所提供的光学扫描式双层导光编码器的双层导光式栅轮在转动至第一位置时，平行光束或近平行光束与光感测模块之间相互关系的局部示意图；

图13为本发明第一具体实施例所提供的光学扫描式双层导光编码器的双层导光式栅轮在转动至第二位置时，平行光束或近平行光束与光感测模块之间相互关系的局部示意图；

图14为本发明第一具体实施例所提供的光学扫描式双层导光编码器的双层导光式栅轮在转动至第三位置时，平行光束或近平行光束与光感测模块之间相互关系的局部示意图；

图15为本发明第一具体实施例所提供的光学扫描式双层导光编码器的双层导光式栅轮在转动至第四位置时，平行光束或近平行光束与光感测模块之间相互关系的局部示意图；

图16为本发明第二具体实施例所提供的光学扫描式双层导光编码器的双层导光式栅轮在转动至第一位置时，平行光束或近平行光束与光感测模块之间相互关系的局部示意图；

图17为本发明第二具体实施例所提供的光学扫描式双层导光编码器的双层导光式栅轮在转动至第二位置时，平行光束或近平行光束与光感测模块之间相互关系的局部示意图；

图18为本发明第二具体实施例所提供的光学扫描式双层导光编码器的双层导光式栅轮在转动至第三位置时，平行光束或近平行光束与光感测模块之间相互关系的局部示意图；

图19为本发明第二具体实施例所提供的光学扫描式双层导光编码器的双层导光式栅轮在转动至第四位置时，平行光束或近平行光束与光感测模块之间相互关系的局部示意图；

图20为本发明第二具体实施例所提供的光学扫描式双层导光编码器的光栅及光感测模块接收光束后产生信号的示意图；

图21为本发明第三具体实施例所提供的光学扫描式双层导光编码器的双层导光式栅轮在转动至第一位置时，平行光束或近平行光束与光感测模块之间相互关系的局部示意图；

图22为图21所使用的光感测模块接收光束后产生信号的示意图；

图23为本发明第四具体实施例所提供的光学扫描式双层导光编码器的双层导光式栅轮在转动至第一位置时，平行光束或近平行光束与光感测模块之间相互关系的局部示意图；且

图24为图23所使用的光感测模块接收光束后产生信号的示意图。

具体实施方式

以下是通过特定的具体实例来说明本发明所揭露有关“光学扫描式双层导光编码器”的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容了解本发明的优点与功效。本发明可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。另外，本发明的附图仅为简单示意说明，并非依实际尺寸的描绘，先予叙明。以下的实施方式将进一步详细说明本发明的相关技术内容，但所揭示的内容并非用以限制本发明的技术范畴。

首先，请参阅图2及图3。图2为本发明一实施例所提供的光学扫描式双层导光编码器E的配置示意图，图3为本发明另一实施例所提供的光学扫描式双层导光编码器E的配置示意图。光学扫描式双层导光编码器E包含双层导光式栅轮1、发光模块2，以及光感测模块3。举例而言，如图2所示，双层导光式栅轮1、发光模块2，以及光感测模块3可呈90°角而配置。换句话说，相对于双层导光式栅轮1，发光模块2及光感测模块3彼此可呈90°角而配置。另外，如图2所示，发光模块2及光感测模块3也可配置于双层导光式栅轮1的同一侧。举例而言，发光模块2及光感测模块3可设置于同一承载物上。如图3所示，本发明实施例所提供的光学扫描式双层导光编码器E更包含反射镜5。反射镜5设置于双层导光式栅轮1的一侧，用以将来自双层导光式栅轮1的平行光束或近平行光束P反射而射向光感测模块3。本发明实施例的光学扫描式双层导光编码器E可更进一步包含设置于双层导光式栅轮1及光感测模块3之间的光栅4。光栅4为一选择性构件。

接着，请配合参阅图4至6。图4为本发明实施例所提供的光学扫描式双层导光编码器E的双层导光式栅轮1的立体示意图，图5为本发明实施例所提供的光学扫描式双层导光编码器E的双层导光式栅轮1的上视图，而图6为本发明实施例所提供的光学扫描式双层导光编码器E的双层导光式栅轮1沿图5中V-V线的剖面图。

双层导光式栅轮1是由导光材料所制成，例如，双层导光式栅轮1可由玻璃、压克力或聚碳酸酯(PC)，或是上述材料的任意组合所制成。然而，本发明的双层导光式栅轮1的材料不在此限制。双层导光式栅轮1包括导光本体101及一齿轮状结构102，导光本体101具有环形入光面11及一对应于环形入光面11的环形反射面12。齿轮状结构102具有由多个依序相连且无圆心而有主轴的非球面130所组成的环形出光面13，且齿轮状结构102由多个非球面凸出部1020依序连接成一圈所构成。于本发明中，所述非球面凸出部也可由球面凸出部所取代。具体而言，环形入光面11沿着双层导光式栅轮1的外缘设置于双层导光式栅轮1面向发光模块2的表面。环形入光面11可为一凸透镜结构，用以将由发光模块2所产生的入射光束L聚焦。环形反射面12是用于令由发光模块2所产生并经环形入光面11聚焦的入射光束L发生反射，藉此产生射向环形出光面13的反射光束R。更进一步来说，环形反射面12是相对于双层导光式栅轮1的轴心X倾斜的斜面，举例而言，上述倾斜的角度可约为45度。如图5所示，环形反射面12可通过在双层导光式栅轮1的表面形成具有三角形截面的凹槽而形成，且凹槽的深度由双层导光式栅轮1的中心向外递减。

接着，请参考图3的内容，并配合图7至11所示。图7为图3中A部份的放大图、图8为惯用的编码器的齿状结构的局部示意图、图9为本发明其中一实施例所提供的光学扫描式双层导光编码器的齿状结构的局部示意图、图10为图7所示的结构的局部剖面示意图，而图11为图7所示的结构的另一局部剖面示意图。

请先参阅图7，环形出光面13由多个依序相连的非球面130所组成。非球面130是由两个反射面13a及连接于两个反射面13a之间的出光面13b所构成。其中，反射面13a可以是反射平面，而出光面13b可以是非球面的出光面，例如双曲面、抛物面或椭圆面的出光面。

接着，请参阅图8及图9。如图8所示，惯用的导光式编码器通常利用具有球心的球面结构S来构成编码器中叶片栅轮的出光面，使光线由球面结构S射出并投射在传感器上。然而，由于球面本身具有聚焦的功能，由球面结构S射出的光束会被聚焦，进而使光束在不同位置具有不同的宽度。

与惯用的球面结构不同的是，如图9所示，非球面结构A并不具有球心而具有主轴。由非球面结构A例如抛物面所射出的光束将为平行光束或接近平行光的近平行光束。本发明实施例即是使用非球面结构A，例如双曲面或抛物面来构成出光面13b。如此一来，通过利用非球面130构成环形出光面13，可确保由环形出光面13离开双层导光式栅轮1的光束具有稳定的宽度W，因此可将此具有稳定的宽度W的平行光束或近平行光束与具有特定宽度及排列方式的光感测组件或光裸露感测区域相互配合，进而达到产生具有较高分辨率的编码信号的功效。具体而言，由于本案离开双层导光式栅轮1的光束具有稳定的宽度W，通过控制光感测模块3的光感测组件的裸露感测区域的尺寸及排列方式，以及控制双层导光式栅轮1非球面130的尺寸，可有效提升光学扫描式双层导光编码器E的分辨率。稍后将详细叙述上述有关环形出光面13与光感测模块3中光感测组件的裸露感测区域配合的细节。

请参考图10所示，每个非球面130可由依序相连的第一表面a₁、第二表面a₂、第三表面a₃及第四表面a₄所构成。第一表面a₁及第四表面a₄为反射面13a，而连接于第一表面a₁及第四表面a₄之间的第二表面a₂及第三表面a₃一同构成出光面13b。于本发明中，由于投射于反射面13a的反射光束R的入射角等于反射角，反射光束R会经由反射射向单层双层导光式栅轮1的内部。如此一来，出光面13b(第二表面a₂及第三表面a₃)为环形出光面13中反射光束R得以穿过的部份，反射光束R穿过出光面13b而成为平行光束或近平行光束P。另一方面，若反射光束R射向环形出光面13中反射面13a(第一表面a₁或第四表面a₄)，反射光束R则无法直接通过双层导光式栅轮1而射出。

另外，第一表面a₁、第二表面a₂、第三表面a₃及第四表面a₄可具有相同的垂直投影面积。换句话说，如图10所示，第一表面a₁、第二表面a₂、第三表面a₃及第四表面a₄可具有相同的投影宽度d。在此情况下，构成出光面13b的第二表面a₂及第三表面a₃的投影宽度将占总投影宽度的二分之一。然而，第一表面a₁、第二表面a₂、第三表面a₃及第四表面a₄的配置可依据实际需求加以调整。通过调整出光面13b的曲率，可以调整离开双层导光式栅轮1的平行光或近平行光P的宽度。换句话说，平行光束或近平行光束P的光束宽度可由非球面凸出部1020的顶点曲面的曲率来调整。

请参考图11，图11显示了反射光束R射向非球面130的一种可能的出光路径。反射光束R射向反射面13a(对应于图10所示的第一表面a₁)而被反射，接着射向出光面13b(对应于图10所示的第二表面a₂及第三表面a₃)，并由出光面13b自非球面130作为平行光束或近平行光束P射出。

通过上述设计，本发明实施例的反射光束R可通过双层导光式栅轮1的转动以被相对应的非球面130的其余部分(反射面13a)所反射，或是穿过相对应的非球面130的一部分(出光面13b)而成为平行光束或近平行光束P并通过光栅4而投射于光感测模块3，进而产生具有高分辨率的电路编码信号。

接下来，请再次参看图2及图3。发光模块2设置在环形入光面11的下方，用于产生射向环形入光面11的入射光束L。举例而言，发光模块2可为至少一发光二极管。然而，发光模块2的具体实施态样不在此限制。

如图2所示，光感测模块3可设置在环形出光面13的一旁，用于接收通过环形出光面13的非球面130中的出光面13b所射出的平行光束或近平行光束P。或是，如图3所示，光感测模块3可以设置在双层导光式栅轮1的环形入光面11的一侧，并透过反射镜5的折射来接收由环形出光面13的非球面130中出光面13b所射出的平行光束或近平行光束P。

光感测模块3的实施态样依据是否存在有光栅4而有所变化。举例而言，在光学扫描式双层导光编码器E未包含光栅4时，光感测模块3包含用于接收由非球面130射出的平行光束或近平行光束P的多个感测组件。具体而言，感测模块3的感测组件是具有特定尺寸，并依据特定方式被排列于光感测模块3的表面上，用以配合双层导光式栅轮1的非球面130而产生信号。在未有光栅4的实施例中，多个感测组件彼此横向错位且分别横向沿着多个互相平行的不同水平线延伸设置。

或是，当光学扫描式双层导光编码器E包含光栅4时，光栅4是设置于双层导光式栅轮1及光感测模块3之间，且包含多个狭缝状的开孔。此时，光感测模块3是由长条状的多个感测组件所构成，且狭缝状开口是用于裸露感测组件的的特定区域，使光感测模块3具有多个裸露感测区域。

值得注意的是，为达到提升光学扫描式双层导光编码器E的分辨率的技术效果，必须控制前述多个感测组件以及感测组件的裸露感测区域的宽度，使其与双层导光式栅轮1的非球面凸出部1020的宽度以及其中出光面13b的宽度相互配合。如此一来，本发明实施例的光学扫描式双层导光编码器E得以仅利用单一个非球面凸出部1020而使光感测模块3产生一个完整的编码序列(例如，一次只透过一个非球面凸出部1020而产生[0,0]、[0,1]、[1,0]及[1,1]的信号)。上述控制的详细手段及参数将于下列具体的实施态样中详细说明。

在本发明中，光感测模块3所包含的感测组件以及裸露感测区域的数量可依据实务加以调整。举例而言，如图12至15所示，光感测模块3包含彼此平行设置的第一感测组件31’及第二感测组件32’，用于接收由非球面130射出的平行光束或近平行光束P。根据接收到平行光束或近平行光束P的状态，光感测模块3可产生[0,0]、[0,1]、[1,1]及[1,0]的信号。换句话说，使用两个感测组件可产生2²个信号。另外，如图21及23所示，光感测模块3也可包含三个或四个感测组件，而上述感测组件各自具有一或多个由光栅4的开孔所裸露的裸露感测区域。

承上述，更进一步来说，当发光模块2所产生的入射光束L从环形入光面11进入双层导光式栅轮1时，入射光束L会通过环形反射面12的反射以形成反射光束R，其中反射光束R通过双层导光式栅轮1的转动以穿过相对应的非球面130的一部分(即出光面13b)以形成平行光束或近平行光束P，或被相对应的非球面130的其余部分(即反射面13a)所反射。因此，由双层导光式栅轮1所射出的平行光束或近平行光束P可由光感测模块3来接收，藉此以产生用于电路编码的序列信号。

现在，将详细说明利用本发明实施例的光学扫描式双层导光编码器E来产生序列信号的运作方式。

第一具体实施例

请参考图12至15所示，图12至15分别为本发明第一具体实施例所提供的光学扫描式双层导光编码器E的双层导光式栅轮1在转动至第一、第二、第三及第四位置时，平行光束或近平行光束P与光感测模块3之间相互关系的局部示意图。

具体而言，如图12所示，光感测模块3包含长条状的第一感测组件31’及第二感测组件32’，两个感测组件具有相同的宽度D1，且其等的两端各自相互对齐，使得光感测模块3同样具有宽度D1。光感测模块3与双层导光式栅轮1之间进一步设置宽度大于D1的光栅4，用于遮蔽第一感测组件31’及第二感测组件32’的特定区域并裸露出其他未被遮蔽的区域。光栅4所包含的第一开孔41及第二开孔42分别裸露出第一感测组件31’的第一裸露感测区域31以及第二感测组件32’的第二裸露感测区域32。在此具体实施例中，第一开孔41及第二开孔42具有1/4D1的宽度，因此由其等所裸露的第一裸露感测区域31及第二裸露感测区域32同样具有1/4D1的宽度。第一裸露感测区域31及第二裸露感测区域32彼此横向错位，且分别横向沿着互相平行的不同水平线H1及H2延伸设置。

在本发明的实施例中，非球面凸出部1020的宽度与光感测模块3的宽度D1相同，因此，双层导光式栅轮1的每个非球面130可依序对应至由第一感测组件31’及第二感测组件32’构成的光感测模块3，藉此达到仅通过单个非球面130就可产生一组完整的编码序列的效果。另外，在第一具体实施例中，由出光面13b射出的平行光束或近平行光束P的宽度W1是大于或等于光感测模块3的宽度D1的二分之一，即W1≧1/2D1。图11至15是以W1＝1/2D1的比例绘制。如此一来，当非球面130的出光面13b随着双层导光式栅轮1的转动而转到对应至第一光裸露感测区域31及第二光裸露感测区域32的位置时(即，图14所示的状态)，平行光束或近平行光束P得以同时投射于第一光感测模块31及第二光感测模块32上。接下来，请依序参考图12至15，将针对导光式榨轮1在转动至不同位置时产生信号的详细方式进行说明。

首先，如图12所示，双层导光式栅轮1位于第一位置。此时，光感测模块3的第一裸露感测区域31及第二光裸露感测区域32分别对应至双层导光式栅轮1的其中一个非球面130的第四表面a₄及下一个非球面130的第一表面a₁。由于第一表面a₁与第四表面a₄同为反射面13a，射向第一表面a₁与第四表面a₄的反射光束R被反射面13a反射，而使分别对应至第四表面a₄及第一表面a₁的第一裸露感测区域31及第二裸露感测区域32未接收光束信号，进而使光感测模块3产生[0,0]的信号。

接着，参考图13所示，双层导光式栅轮1旋转至第二位置。光感测模块3的第一裸露感测区域31及第二光裸露感测区域32分别对应至双层导光式栅轮1的其中一个非球面130的第一表面a₁及第二表面a₂。第一表面a₁为反射面13a，因此，射向第一表面a₁的反射光束R通过反射射向双层导光式栅轮1的内部而无法直接由反射面13a离开导光式光栅1。另一方面，射向第二表面a₂的反射光束R则通过非球面130成为平行光束或近平行光束P并射向对应至第二表面a₂的第二裸露感测区域32。据此，光感测模块3产生[0,1]的信号。另外，虽然反射光束R也可通过第三表面a₃成为平行光束或近平行光束P并由非球面130射出，第三表面a₃并未对应至光感测模块3的任何一个裸露感测区域而被光栅4阻挡，因此，此部份的成为平行光束或近平行光束P不会对光感测模块所产生的信号造成影响。

接下来，参考图14所示，双层导光式栅轮1继续旋转至第三位置。光感测模块3的第一裸露感测区域31及第二光裸露感测区域32分别对应至双层导光式栅轮1的其中一个非球面130的第二表面a₂及第三表面a₃。反射光束R射向非球面130，并通过由第二表面a₂及第三表面a₃所构成的出光面13b成为平行光束或近平行光束P而离开双层导光式栅轮1。离开双层导光式栅轮1的成为平行光束或近平行光束P同时射向光感测模块3的第一裸露感测区域31及第二光裸露感测区域32，因此，光感测模块3产生[1,1]的信号。

最后，参考图15所示，双层导光式栅轮1继续旋转至第四位置。此时，光感测模块3的第一裸露感测区域31及第二光裸露感测区域32分别对应至双层导光式栅轮1的其中一个非球面130的第三表面a₃及第四表面a₄。射向第三表面a₃的反射光束R通过第三表面a₃成为平行光束或近平行光束P而被第一裸露感测区域31接收。然而，由于第四表面a₄为反射面13a，直接射向第四表面a₄的反射光束R会由第四表面a₄反射，而无法自第四表面a₄离开双层导光式栅轮1。因此，此时对应于第四表面a₄的第二裸露感测区域32不会接收到平行光束或近平行光束P。据此，在双层导光式栅轮1位于第四位置时，光感测模块3产生[1,0]的信号。

如上所述，上述双层导光式栅轮1可在转动至每个位置时，通过双层导光式栅轮1的非球面130中有关反射面13a及出光面13b的设计，更重要的是，配合光感测模块3中第一裸露感测区域31及第二裸露感测区域32，以及非球面130的尺寸设计，可利用单个非球面130产生2²＝4个感测信号，大幅增加了导光式编码器E的分辨率。

第二具体实施例

接着，请参阅图16至20，图16至19分别为本发明第二具体实施例所提供的光学扫描式双层导光编码器E的双层导光式栅轮1在不同位置，即第一位置(1)至第四位置(4)下，平行光束或近平行光束P与光感测模块3之间相互关系的局部示意图，而图20为此实施例中光感测模块接3收光束后产生信号的示意图。

在图16至19中，光感测模块3的第一感测组件31’及第二感测组件32’由光栅4的第一开孔41及第二开孔42分别裸露出第一裸露感测区域31及第二裸露感测区域32。第一裸露感测区域31及第二裸露感测区域32被切分成多个编码区，而平行光束或近平行光束P的宽度W2是小于或等于编码区的宽度。请参考图16，第一裸露感测区域31及第二裸露感测区域32分别包含两个宽度为1/4D2的编码区。

换句话说，在第二具体实施例中，由出光面13b射出的平行光束或近平行光束P的宽度W2是小于或等于由第一感测组件31’及第二感测组件32’所构成的光感测模块3的宽度D2的四分之一，即，W2≦1/4D2。图16至19中是以W2＝1/4D2的比例绘制。另外，此实施例中的第一裸露感测区域31及第二裸露感测区域32的宽度为平行光束或近平行光束P的宽度W2的两倍，即，第一裸露感测区域31及第二裸露感测区域32分别具有1/2D2的宽度。再者，第一裸露感测区域31及第二裸露感测区域32是彼此错位，即，第一裸露感测区域31及第二裸露感测区域32在不同水平线H1及H2的方向彼此错位1/4D2的宽度。

首先，如图16所示，双层导光式栅轮1位于第一位置(1)。此时，无论是第一光裸露感测区域31或是第二光裸露感测区域32皆未对应到有平行光束或非平行光束P射出的作为出光面13b的第二表面a₂及第三表面a₃，因此，配合图20所示，在第一位置(1)时，光感测模块3不会接收到光束信号，而产生[0,0]的信号。

接着，参考图17所示，双层导光式栅轮1旋转至第二位置(2)时，第一光裸露感测区域31是对应于双层导光式栅轮中作为反射面13a的第一表面a₁以及前一个非球面130的第四表面a₄，因此不会接收到光束信号。另外，由双层导光式栅轮1的第二表面a₂及第三表面a₃射出的平行光束或近平行光束P射向光感测模块3，并投射于由第二狭缝42裸露的第二光裸露感测区域32的一部分。因此，配合图20所示，在双层导光式栅轮1位于第二位置(2)时，光感测模块3产生[0,1]的信号。

接下来，参考图18所示，双层导光式栅轮1旋转至第三位置(3)。由双层导光式栅轮1的第二表面a₂及第三表面a₃射出的平行光束或近平行光束P射向光感测模块3，并投射于由第一狭缝41裸露的第一光裸露感测区域31以及第二狭缝42裸露的第二光裸露感测区域32的一部分。因此配合图20所示，在双层导光式栅轮1位于第三位置(3)时，光感测模块3产生[1,1]的信号。

最后，参考图19所示，双层导光式栅轮1继续旋转至第四位置(4)。此时，由双层导光式栅轮1的第二表面a₂及第三表面a₃射出的平行光束或近平行光束P射向光感测模块3，并投射于由第一狭缝41裸露的第一光裸露感测区域31的一部分。此时，第二光裸露感测区域32是对应于双层导光式栅轮中作为反射面13a的第四表面a₄，以及下一个非球面130的第一表面a₁，因此不会接收到光束信号。因此，配合图20所示，在双层导光式栅轮1位于第四位置(4)时，光感测模块3产生[1,0]的信号。

如上所述，上述双层导光式栅轮1可在转动至每个位置时，通过双层导光式栅轮1的非球面130中有关反射面13a及出光面13b的设计，并配合光感测模块3中第一裸露感测区域31及第二裸露感测区域32，可同时产生2²＝4个感测信号。具体而言，通过调整平行光束或近平行光束P的宽度W2为小于或等于由第一感测组件31’及第二感测组件32’所构成的光感测模块3的宽度D2(同时为非球面凸出部1020的宽度)的四分之一(W2≦1/4D2)，可增加导光式编码器E的分辨率。

第三具体实施例

接下来，图21及22进一步例示本发明第三具体实施例所提供的光学扫描式双层导光编码器E产生编码信号的示意图。具体而言，图21为本发明第三具体实施例所提供的光学扫描式双层导光编码器E的双层导光式栅轮1在第一位置(1)时，与平行光束或近平行光束P及光感测模块3之间相互关系的局部示意图，而图22为图21所使用的光感测模块3接收光束后产生信号的示意图。

与先前实施例不同的是，在此实施例中，光感测模块3是由第一感测组件31’、第二感测组件32’、第三感测组件33’及第四感测组件34’所构成，且其等具有相同的宽度D3。透过光栅4的第一开孔41、第二开孔42、第三开孔43及第四开孔44，可分别裸露出相互错位的第一裸露感测区域31、第二裸露感测区域32、第三裸露感测区域33及第四裸露感测区域34。第一裸露感测区域31、第二裸露感测区域32、第三裸露感测区域33及第四裸露感测区域34被切分成多个编码区，而平行光束或近平行光束P的宽度W3是小于或等于编码区的宽度。请参考图21，上述裸露感测区域分别包含四个宽度为1/8D2的编码区。

换句话说，于此具体实施例中，第一裸露感测区域31、第二裸露感测区域32、第三裸露感测区域33及第四裸露感测区域34的宽度为1/2D3。另外，第一裸露感测区域31、第二裸露感测区域32、第三裸露感测区域33及第四裸露感测区域34在不同水平线H1、H2、H3及H4的方向彼此错位1/8D3的宽度。

由非球面130射出的平行光束或近平行光束P的宽度W3是小于或等于光感测模块的宽度D3的八分之一，即，W3≦1/8D3。图21是以W3＝1/8D3的比例绘示。与先前实施例相同的是，非球面凸出部1020的宽度与光感测模块3的宽度D3相同。举例而言，在图21所显示的状态下，平形光束或近平形光束P投射于光感测模块3并使光感测模块3产生[0,0,0,0]的信号。在此第三具体实施例中，光感测模块3依据双层导光式栅轮1的转动位置而产生的信号如图22所示。因此，在此实施例中，光学扫描式双层导光编码器E可以产生2³＝8种信号。

第四具体实施例

最后，请参考图23及图24。图23为本发明再另一实施例所提供的光学扫描式双层导光编码器E的双层导光式栅轮在第一转动角度下，与反射光束及光感测模块之间相互关系的局部示意图；且图24为图23所使用的光感测模块接收光束后产生信号的示意图。

参考图23所示，在此具体实施例中，光学扫描式双层导光编码器E的光感测模块3包含平行排列且为长条状的第一感测组件31’、第二感测组件32’及第三感测组件33’，由上述感测组件所构成的光感测模块3的宽度为D4。光栅4的第一开孔41a～41d裸露第一感测组件31’的特定区域而形成第一裸露感测区域31a～31d、第二开孔42a、42b裸露第二感测组件32’的特定区域而形成第二裸露感测区域32a、32b，且第三开孔43裸露第三感测组件33’的特定区域而形成第三裸露感测区域33。各裸露感测区域的尺寸如图所示。

具体而言，第一裸露感测区域31a～31d、第二裸露感测区域32a、32b及第三裸露感测区域33被切分成多个编码区，而平行光束或近平行光束P的宽度W4是小于或等于编码区的宽度。请参考图23，第一裸露感测区域31a～31d、第二裸露感测区域32a、32b及第三裸露感测区域33分别包含四个、两个及一个宽度为1/8D2的编码区。

在此具体实施例中，平行光束或近平行光束P的宽度W4是小于或等于光感测模块3的宽度D4的八分之一，即，W4≦1/8D4。如同先前的具体实施例，非球面凸出部1020的宽度等于光感测模块3的宽度D4。举例而言，在图23所显示的状态下，平形光束或近平形光束P投射于光感测模块3并使光感测模块3产生[0,0,0]的信号。在此第四具体实施例中，光感测模块3依据双层导光式栅轮1的转动位置而产生的信号如图24所示。在具体实施例中，光学扫描式双层导光编码器E可以产生2³＝8种信号。

实施例的可行功效

综上所述，本发明的有益效果可以在于，本发明实施例所提供的光学扫描式双层导光编码器E，其通过「每一个感测组件具有一裸露感测区，多个感测组件的多个裸露感测区彼此横向错位且分别横向沿着多个互相平行的不同水平线延伸设置」的设计，可以令投射在光感测模块3上的平行光束或近平行光束P与多个感测组件的裸露感测区域相互配合，进而在不增加双层导光式栅轮1的尺寸及非球面凸出部1020的数量的条件下改良导光式编码器E的分辨率。另外，本发明实施例所提供的光学扫描式双层导光编码器E更可透过调整非球面凸出部1020的顶点曲面的曲率来调整平行光束或近平行光束P的光束宽度，或是将齿轮状结构102的每一个非球面凸出部1020的宽度设计为等于光感测模块3的宽度，进而有助于达成所欲的分辨率。

以上所公开的内容仅为本发明的优选可行实施例，并非因此局限本发明的权利要求书的保护范围，所以凡是运用本发明说明书及附图内容所做的等效技术变化，均包含于本发明的权利要求书的保护范围内。

Claims (13)

1.一种光学扫描式双层导光编码器，其特征在于，所述光学扫描式双层导光编码器包括：

一双层导光式栅轮；

一发光模块，所述发光模块邻近所述双层导光式栅轮；以及

一光感测模块，所述光感测模块包含多个邻近所述双层导光式栅轮的感测组件，其中每一个所述感测组件具有一裸露感测区，多个所述感测组件的多个裸露感测区彼此横向错位且分别横向沿着多个互相平行的不同水平线延伸设置；

其中，所述双层导光式栅轮包括一导光本体及两个齿轮状结构，所述导光本体具有一环形入光面及一对应于所述环形入光面的环形反射面，每个齿轮状结构具有一由多个依序相连且有主轴的非球面所组成的环形出光面，且每个齿轮状结构由多个非球面凸出部依序连接成一圈所构成；

其中，所述发光模块所产生的入射光束从所述环形入光面进入所述双层导光式栅轮，所述入射光束通过所述环形反射面的反射以形成一反射光束，所述反射光束通过每个所述环形出光面以形成投射在所述光感测模块上的一平行光束或一接近平行光的近平行光束。

2.根据权利要求1所述的光学扫描式双层导光编码器，其特征在于，所述光学扫描式双层导光编码器更进一步包含一光栅，所述光栅设置于所述双层导光式栅轮及所述光感测模块之间，所述光栅包含多个分别用于裸露多个所述裸露感测区的狭缝。

3.根据权利要求1所述的光学扫描式双层导光编码器，其特征在于，所述双层导光式栅轮具有一环形入光面、一对应于所述环形入光面的环形反射面、以及两个环形出光面，且每个所述环形出光面由多个依序相连且有主轴的非球面所组成。

4.根据权利要求1所述的光学扫描式双层导光编码器，其特征在于，所述反射光束通过所述双层导光式栅轮的转动以穿过相对应的所述非球面的一部分或被相对应的所述非球面的其余部分所反射。

5.根据权利要求4所述的光学扫描式双层导光编码器，其特征在于，所述双层导光式栅轮的所述非球面是由两个反射面及一连接于两个所述反射面之间的出光面所构成。

6.根据权利要求5所述的光学扫描式双层导光编码器，其特征在于，所述反射光束的一部分通过所述双层导光式栅轮的转动以穿过相对应的所述出光面。

7.根据权利要求5所述的光学扫描式双层导光编码器，其特征在于，所述反射光束的一部分被所述反射面所反射。

8.根据权利要求5所述的光学扫描式双层导光编码器，其特征在于，所述平行光束或所述近平行光束的光束宽度等于所述出光面的宽度。

9.根据权利要求5所述的光学扫描式双层导光编码器，其特征在于，所述平行光束或所述近平行光束的光束宽度由所述非球面凸出部的顶点曲面的曲率来调整。

10.根据权利要求9所述的光学扫描式双层导光编码器，其特征在于，每一个所述感测组件的所述裸露感测区被切分成多个编码区，所述平行光束或所述近平行光束的光束宽度会小于或等于所述编码区的宽度。

11.根据权利要求1所述的光学扫描式双层导光编码器，其特征在于，每个齿轮状结构的每一个所述非球面凸出部的宽度等于所述光感测模块的宽度。

12.一种光学扫描式双层导光编码器，其特征在于，所述光学扫描式双层导光编码器包括：

一双层导光式栅轮，所述双层导光式栅轮包括一导光本体及两个齿轮状结构，其中每个齿轮状结构具有多个非球面凸出部；

一发光模块，所述发光模块邻近所述双层导光式栅轮；以及

一光感测模块，所述光感测模块邻近所述双层导光式栅轮；

其中，所述发光模块所产生的入射光束通过所述双层导光式栅轮，以形成投射在所述光感测模块上的至少一平行光束或至少一接近平行光的近平行光束；

其中，所述平行光束或所述近平行光束的光束宽度等于一出光面的宽度，且所述平行光束或所述近平行光束的光束宽度由所述非球面凸出部的顶点曲面的曲率来调整。

13.根据权利要求12所述的光学扫描式双层导光编码器，其特征在于，所述凸出部为非球面凸出部或球面凸出部。

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