CN1815262A - 光学式移动传感模块及其光学式移动传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学式移动传感器，其包括激光光源、导光元件、检测单元以及转换单元。激光光源具有共振腔。导光元件具有凹穴，该凹穴具有第一出光面以及反射部。第一出光面以及反射部分别位于所述凹穴的侧壁。检测单元与激光光源耦接。转换单元与检测单元耦接。激光光源朝待测物发射激光光束，激光光束从第一出光面射出导光元件并与待测物接触，产生第一散反射光以及反射光。第一散反射光的部分光线进入所述共振腔。反射光由反射部反射回所述待测物，当反射光接触待测物时，产生第二散反射光及再反射光。第二散反射光及再反射光的部分光线进入所述共振腔。

Description

光学式移动传感模块及其光学式移动传感器

技术领域

本发明涉及一种光学式移动传感器，特别涉及一种可降低增益成本的光学式移动传感器。本发明还涉及包括所述光学式移动传感器的光学式移动传感模块。

背景技术

现有的光学式移动传感器如图1A所示，由激光二极管30朝量测表面10上的待测物20发射激光光束31，激光光束31接触待测物20之后，产生反射光33以及第一散反射光32。待测物20于x轴上的移动将导致第一散反射光32因都卜勒效应而产生频率偏移(Frequency Shfit)，因此，当第一散反射光32返回激光二极管30的共振腔(未图示)时，会因自混合(self-mixing)而造成共振腔的光电变化。借助于光电二极管(photodiode)检测此光电变化，可获得待测物20于x轴上的位移或点选(click)信号。

而上述光学式移动传感器30的检测效果与激光光束31以及量测表面10之间的第一夹角θ有很大关系。参照图1B，当第一夹角θ接近90度时，会有最多的第一散反射光返回共振腔，但此时由于光束的行进方向垂直于待测物20的移动方向，因此在光轴方向上几乎没有第一散反射光32。参照图1C，当第一夹角θ接近0度时，第一散反射光32在光轴方向上的都卜勒频率偏移最为明显，但返回共振腔的第一散反射光32将大幅度地减少，共振腔无法接收足够的能量(第一散反射光32)实现充分的自混合。

发明内容

本发明为了解决现有技术存在的所述问题，提供一种光学式移动传感器，其可在激光光束与待测物之间为任何夹角的情况下提供足量的散反射光及再反射光，以提高自混合强度。

本发明的光学式移动传感器包括激光光源、导光元件、检测单元以及转换单元。激光光源具有共振腔。导光元件具有凹穴，该凹穴具有第一出光面以及反射部。第一出光面以及反射部分别位于凹穴的侧壁。检测单元与激光光源耦接。转换单元与检测单元耦接。

激光光源朝待测物发射激光光束，激光光束从第一出光面射出导光元件并接触待测物，产生第一散反射光以及反射光。第一散反射光的部分光线进入所述共振腔。反射光由反射部反射回待测物，当反射光接触待测物时，产生第二散反射光及再反射光。第二散反射光及再反射光的部分光线进入所述共振腔，检测单元可视各种应用环境需求(如角度、self-mixing信噪比、信号品质)选择使用第二散反射光或再反射光。

应用本发明，可减小激光光束与量测表面之间的夹角，以增加检测的灵敏度。并且，由于共振腔中的电性变化增大，因此在检测单元将电性变化量转换为电信号的过程中，可减少增益处理的元件成本以及能量成本。

附图说明

图1A示出了现有的光学式移动传感器；

图1B示出了第一夹角接近90度时的光线路径；

图1C示出了第一夹角接近0度时的光线路径；

图2A示出了本发明的第一实施方式；

图2B示出了本发明第一实施方式的变型例；

图2C示出了本发明中激光光束的发射角度与反射部设置方位之间的关系；

图3示出了本发明的第二实施方式；

图4A示出了本发明的第三实施方式；

图4B示出了本发明第三实施方式的变型例；

图5示出了本发明的第四实施方式；

图6A示出了本发明的第五实施方式；

图6B示出了本发明第五实施方式的变型例。

附图标记说明

10    量测表面

20    待测物

30    激光二极管(激光光源)

31    激光光束

32    第一散反射光

33    反射光

34    第二散反射光

35    再反射光

40    反射部

50    检测单元

60    转换单元

100   导光元件

110   第一出光面

111   透镜结构

112   第二出光面

120   凹穴

130   量测表面

300   光学式移动传感模块

θ          第一夹角

α          第二夹角

具体实施方式

第一实施方式

参照图2A，该图示出了本发明的第一实施方式，其包括激光光源(激光二极管)30、导光元件100、检测单元50以及转换单元60。激光光源30具有共振腔(未图示)。导光元件具有凹穴120，该凹穴具有第一出光面110以及反射部40。第一出光面110以及反射部40分别位于凹穴120的侧壁。检测单元50与激光光源30耦接。转换单元60与检测单元50耦接。

激光光源30朝待测物20发射激光光束31，激光光束31从第一出光面110射出导光元件100，并接触待测物20，产生第一散反射光32以及反射光33。第一散反射光32的部分光线进入所述共振腔。反射光33由反射部40反射回待测物20，当反射光33接触待测物20时，产生第二散反射光34及再反射光35。第二散反射光34的部分光线进入所述共振腔。当激光光束31以及反射光33接触待测物20时，由于待测物20于量测表面130上沿x轴移动，因此第一散反射光32、再反射光35以及第二散反射光34的频率将由于都卜勒效应而产生频率偏移。而当第一散反射光32、再反射光35及第二散反射光34进入所述共振腔后，会因自混合造成共振腔的光电变化。检测单元50检测该共振腔的电性变化量并产生电信号。转换单元60将所述电信号转换为空间中的量测轴(x轴或y轴)上的移动量。

反射部40为平面，其可以单纯为凹穴120的侧壁(依菲涅尔定律，介质的变换会造成光线的反射)，或，涂覆或镀有反光材料，以提高其反射能力。

参照图2B，其示出了本发明第一实施方式的变型，其中，所述第一出光面上可形成透镜结构111，以有助于激光光束31聚焦。

参照图2C，其示出了本发明中反射部的设置方位与激光光束发射角度之间的关系。激光光束31与量测表面130之间具有第一夹角θ，反射部40与量测表面130之间具有第二夹角α。第一夹角θ的角度介于0度至90度之间。第一夹角θ加上第二夹角α大致等于90度。

在本发明中，第一散反射光32以及第二散反射光34均进入共振腔。因本发明的反射部引导反射光33二次接触待测物20，产生第二散反射光34。所以，本发明中的共振腔比现有技术多接收到了第二散反射光34及再反射光35，因而其中的自混合以及光电的变化与现有技术相比更为明显。所以，激光光束与量测表面之间的第一夹角θ可以减小，从而可提高检测的灵敏度。并且，由于共振腔中的电性变化增大，因此在检测单元50将光电变化量转换为电信号的过程中，可减少增益处理的元件成本以及能量成本。

第二实施方式

参照图3，其示出了本发明的第二实施方式。第二实施方式与第一实施方式的不同点在于，在第二实施方式中，激光光束31、第一散反射光32、反射光33、再反射光35以及第二散反射光34主要在导光元件100中传递，激光光束31以及反射光束33于第二出光面112(量测表面130)射出导光元件100并接触待测物20。凹穴120仅用于造成介质的变换而使反射光33反射。同样，反射部40为平面，其位于凹穴120的侧壁且可单纯为凹穴120的侧壁，或，涂覆或镀有反光材料，以提高其反射能力。

第三实施方式

参照图4A，其示出了本发明的第三实施方式。第三实施方式与第二实施方式的不同点在于，导光元件100为多面体，而反射部40直接位于导光元件100的一面。同第二实施方式一样，激光光束31、第一散反射光32、反射光33、再反射光35以及第二散反射光34主要在导光元件100中传递。激光光束31以及反射光束33于第二出光面112(量测表面130)射出导光元件100，并接触待测物20。反射部40为平面，其可单纯为导光元件100的一面，或，涂布或镀有反光材料，以提高其反射能力。

参照图4B，其示出了本发明的第三实施方式的变型例。其中，反射部40以曲面代替平面。同样，在本发明的其它实施方式中，虽然仅示出了反射部40为平面型态的实施方式，但这并非是对本发明的限制，采用任何其它具有反射功能的结构作为反射部40均落入本发明的范围之中。

第四实施方式

参照图5，其示出了本发明的第四实施方式，其具有呈长条状的支撑板200，激光光源30设于支撑板200的一端，反射部40设于支撑板200的另一端。激光光源30朝待测物20发射激光光束31，激光光束31接触待测物20，产生第一散反射光32以及反射光33。第一散反射光32的部分光线进入所述共振腔。反射光33由反射部40反射回待测物20，当反射光33接触待测物20时，产生第二散反射光34。第二散反射光34及再反射光35的部分光线进入所述共振腔。反射部40与支撑板200之间的夹角可以任意调变，可视激光光束与量测表面之间的夹角而定。图中的量测表面130可以为虚拟或实体的量测表面。

第五实施方式

参照图6A，其示出了本发明的第五实施方式。该图绘出了一种光学式移动传感模块300，其包括三个本发明第三实施方式所揭示的光学式移动传感器(图中概略地以第三实施方式中的导光元件100表示)。这些光学式移动传感器的导光元件以及激光光束彼此之间大致以120±30度的夹角排列，且所述激光光束共同朝向量测表面上的待测物发射，以进行多轴的位移检测。所述导光元件100亦可以一体的方式制作成单一的导光元件。

参照图6B，其示出了本发明的第五实施方式的变型例，其主要应用本发明第二实施方式所揭示的光学式移动传感器，以实现多轴的位移检测。其中，所述凹穴具有多个反射面(反射部)，以供激光光束进行反射。

应用本发明，可减小激光光束与量测表面之间的夹角，进而可提高检测的灵敏度。并且，由于共振腔中的光电变化增大，因此在检测单元将电性变化量转换为电信号的过程中，可减少增益处理的元件成本以及能量成本。此外，所述实施方式皆以待测物移动、光学式移动传感器不动的方式进行相对运动的检测，当然亦可以待测物不动、光学式移动传感器移动的方式进行相对运动的检测。

虽然本发明已以具体的优选实施方式揭示如上，但它们并非是对本发明的限制，本领域的任何技术人员在不超出本发明的构思和范围的前提下，可对本发明进行一些变换与润饰，因此本发明的保护范围应以所附的权利要求界定的范围为准。

Claims (14)

1.一种光学式移动传感器，用于检测待测物于空间中的测量轴上的移动量，它包括：

一激光光源，其具有一共振腔，该光源朝所述待测物发射激光光束，所述激光光束接触所述待测物后，产生第一散反射光以及反射光，所述第一散反射光的部分光线进入所述共振腔；

一反射部，该反射部将所述反射光反射回所述待测物，当所述反射光再接触所述待测物时，产生第二散反射光及再反射光，所述第二散反射光及再反射光的部分光线进入所述共振腔；

一检测单元，其检测所述共振腔的光电变化量，并产生电信号；以及

一转换单元，其将所述电信号转换为所述空间中的所述测量轴上的移动量；

其中，所述第一散反射光、第二散反射光及再反射光具有都卜勒频率偏移，且所述光电变化量由进入所述共振腔的第一及第二散反射光的自混合所造成。

2.如权利要求1所述的光学式移动传感器，其中，还包括一导光元件，该导光元件具一凹穴，该凹穴设于所述导光元件表面，所述反射部设于所述凹穴的壁面，且所述凹穴具有一第一出光面，该第一出光面亦位于所述凹穴的壁面，所述激光光束从所述激光二极管经所述导光元件从所述第一出光面射出并接触所述待测物。

3.如权利要求2所述的光学式移动传感器，其中，所述导光元件还具有一形成于所述第一出光面的透镜结构，所述激光光束经过该透镜结构射出并接触所述待测物。

4.如权利要求1所述的光学式移动传感器，其中，还具有一导光元件，该导光元件具一凹穴以及一第二出光面，所述凹穴设于该导光元件中，所述反射部设于所述凹穴的壁面，所述第二出光面位于该导光元件的表面，所述激光光束从所述激光二极管经过该导光元件从所述第二出光面射出，并接触所述待测物。

5.如权利要求1所述的光学式移动传感器，其中，还具有一导光元件，该导光元件呈多面体并具有一第二出光面，所述第二出光面位于该导光元件的一面，且所述反射部设于该导光元件的另一面，所述待测物在所述第二出光面上移动，所述激光光束从所述激光二极管经过该导光元件从所述第二出光面射出并接触所述待测物。

6.如权利要求1所述的光学式移动传感器，其中，所述反射部上涂覆有反光材料。

7.如权利要求1所述的光学式移动传感器，其中，还包括一量测表面，所述待测物实质上沿该量测表面移动，且所述激光光束与该量测表面之间形成第一夹角，该第一夹角介于0度与90度之间。

8.如权利要求7所述的光学式移动传感器，其中，所述量测表面为虚拟或实体的量测表面。

9.如权利要求8所述的光学式移动传感器，其中，所述反射部为平面，该反射部与所述量测平面之间具有第二夹角，该第二夹角加上所述第一夹角大致等于90度。

10.如权利要求1所述的光学式移动传感器，其中，还包括一呈长条状的支撑板，所述激光光源设于该支撑板的一端，所述反射部设于该支撑板的另一端。

11.如权利要求1所述的光学式移动传感器，其中，所述反射部为曲面。

12.一种光学式移动传感模块，其中，所述传感模块包括三个如权利要求1所述的光学式移动传感器，这些光学式移动传感器的所述激光光源以及所述反射部彼此间大致以120度的夹角排列，且所述激光光束朝向所述待测物。

13.一种光学式移动传感模块，其中，所述传感模块包括三个如权利要求5所述的光学式移动传感器，这些光学式移动传感器的所述激光光源以及所述导光元件彼此间大致以120度的夹角排列，且所述激光光束朝向所述量测表面。

14.如权利要求13所述的光学式移动传感模块，其中，所述导光元件以一体的方式制成。

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