CN216977931U - 光学编码器及电子设备 - Google Patents

Abstract

一种光学编码器及电子设备，光学编码器包括：旋转部件；光发射器，用于向旋转部件发射入射光信号；旋转部件具有穿过其几何中心的旋转轴，以及环绕旋转部件朝外的表面设置的光检测区域，光检测区域的切面与旋转轴之间具有夹角且夹角为锐角；及光接收器，用于接收入射光信号经过光检测区域后的检测光信号并根据检测光信号产生电信号，以用于确定旋转部件的运动信息。本申请的旋转部件表面的光检测区域的切面与旋转轴具有夹角且为锐角，能够使得光发射器发出的光束中能量最高的部分经过光检测区域的反射从而最终被光接收器接收，避免了光信号的浪费，提高光学编码器的光利用率，节省光学编码器的功耗。

Description

光学编码器及电子设备

本申请要求于2021年9月9日提交中国专利局、申请号为202122186022.X、发明名称为“光学编码器及电子设备”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本申请涉及光学领域，并且更具体地，涉及一种光学编码器及电子设备。

背景技术

光学编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或者数字量的传感器，能够进行长度、速度、加速度、振动等测量，被广泛应用于数控机床、回转台、机器人、雷达、便携式电子设备中。常见的光学编码器由光源、绕转轴旋转的光学元件以及光学传感器组成，能够通过透过光学元件或经光学元件反射的光信号进行角度测量和/或与转轴垂直方向上的位移测量，常用于获取机械电子设备的数据输出。但是，随着电子设备向小型化、多功能化的发展，传统光学编码器的光利用率较低、检测功能也较为单一，已不能满足小型电子设备的发展需求。

因此，如何提高电子设备的光学编码器的光利用率并扩展光学编码器的检测功能，是一项亟待解决的技术问题。

实用新型内容

本申请实施例提供了一种光学编码器及电子设备，能够在提高光利用率、降低光学编码器的功耗的同时，扩展光学编码器的检测功能，实现角度检测和多维度位移检测。

第一方面，提供一种光学编码器，所述光学编码器包括：旋转部件；光发射器，用于向所述旋转部件发射入射光信号；所述旋转部件具有穿过其几何中心的旋转轴，以及环绕所述旋转部件朝外的表面设置的光检测区域，所述光检测区域的切面与所述旋转轴之间具有夹角且所述夹角为锐角；及光接收器，用于接收所述入射光信号经过所述光检测区域后的检测光信号并根据所述检测光信号产生电信号，以用于确定所述旋转部件的运动信息。

本申请实施例中，旋转轴为穿过旋转部件的几何中心使得旋转部件能够绕其旋转的直线，例如，垂直于圆柱体的底面并穿过该底面的圆心的垂线即为圆柱体的旋转轴；光检测区域的切面指光检测区域上任一点的切面；光发射器发出的光束呈高斯分布，光束中能量最强的部分经过旋转部件的反射后具有最大的光强，但由于旋转部件与光发射器以及光接收器在小型电子设备中的位置关系，通常不能被设置于光源附近的光接收器接收；本申请在不改变现有的小型电子设备中光学编码器各部件之间的位置关系的情况下，通过配置旋转部件的光检测区域使光检测区域的切面与旋转轴之间的夹角为锐角，该夹角的存在能够使得光发射器发出光束中能量最强的部分经过光检测区域的反射最终被光接收器接收，充分利用入射光信号中光强最强的部分，避免了光信号的浪费，从而提高了光学编码器的光利用率，帮助节省光学编码器的功耗。

在一种可能的实现方式中，所述光检测区域被配置为使得所述检测光信号在所述光接收器上随所述旋转部件的运动而产生变化的光学图案。

本申请实施例中，入射光信号经过光检测区域形成的检测光信号能够形成变化的光学图案，该光学图案与旋转部件的旋转角度之间具有对应关系，使得光学编码器能够根据的光学图案准确检测到旋转部件的旋转运动。

在一种可能的实现方式中，所述光检测区域被配置为使得所述检测光信号在所述光接收器上随所述旋转部件的运动而产生明条纹和暗条纹。

本申请实施例中，入射光信号经过光检测区域形成的检测光信号能够形成明暗相间的条纹图案，该条纹图案随着旋转部件的旋转在光接收器上产生相应位移，使得光学编码器能够通过条纹图案移动的距离以及移动条纹的数量准确检测旋转部件的旋转运动。

在一种可能的实现方式中，在所述旋转部件旋转和/或所述旋转部件沿所述旋转轴的方向移动和/或所述旋转部件沿垂直于所述旋转轴的方向移动时，所述光检测区域使得所述检测光信号在所述光接收器上产生明暗交替的条纹。

本申请实施例中，旋转部件在进行沿旋转轴方向以及垂直于旋转轴方向的移动或转动时，光接收器上均会产生明暗交替的条纹，该条纹在光接收器上随转轴的旋转在垂直于旋转轴方向上产生位移、在旋转轴方向上条纹宽度、亮度均发生变化，使得光学编码器能够通过该条纹同时检测旋转轴方向上以及垂直于旋转轴方向上的运动信息。

在一种可能的实现方式中，所述光检测区域包括：依次沿环绕所述旋转部件朝外的表面的方向设置的多个光反射区域，所述多个光反射区域的形状均相同且所述多个光反射区域具有相同的反射光学性质。

应理解，反射光学性质指物质反射光线时所表现的各种性质。

本申请实施例中，通过设置多个环绕旋转部件表面的具有相同反射光学性质的区域，多个即大于或等于2个，使得经光检测区域后的检测光信号在光接收器上将呈现明暗相间的条纹图案，随着旋转部件的转动，条纹图案的位置将沿垂直于旋转轴的方向移动，从而能够检测旋转部件垂直于旋转轴方向的运动信息；另外，得益于锐角以及光检测区域的存在，入射光信号经过光检测区域后到达光接收器的光程在旋转轴方向上递增或递减，使得条纹图案沿旋转轴方向的亮度分布也呈现递增或递减的规律，条纹图案沿旋转轴方向的宽度也不一致，从而使得本申请实施例的光学编码器能够进行旋转轴方向上的位移检测，使得光学编码器能够同时进行旋转轴方向、垂直于旋转轴方向上的运动信息检测，应用于小型电子设备时，使得小型电子设备能够检测旋转输入的同时检测按压输入，使得小型电子设备能够同时检测多维度的运动信息。

在一种可能的实现方式中，所述光检测区域面包括：多个光吸收区域，用于吸收至少部分所述入射光信号；多个光反射区域，用于将至少部分所述入射光信号反射至所述光接收器；所述多个光吸收区域与所述多个光反射区域沿环绕所述旋转部件朝外的表面的方向交替设置，以使所述检测光信号在所述光接收器上产生明暗交替的条纹。

本申请实施例中，通过在光检测区域设置相互交替光吸收区域和光反射区域，使得经光检测区域后的检测光信号在光接收器上将呈现明暗相间的条纹图案，且亮条纹沿旋转轴方向的亮度以及条纹间距随旋转部件在旋转轴方向的运动而变化，从而使得光学编码器能够同时检测多维度的运动信息，提升了光学编码器的检测能力，增加了光学编码器在小型电子设备中的应用功能。

在一种可能的实现方式中，所述光检测区域包括：所述多个光吸收区域与所述多个光反射区域在所述旋转部件朝外的表面上呈螺旋交替设置或条状交替设置，以使所述检测光信号在所述光接收器上产生明暗交替的条纹。

本申请实施例中，通过螺旋式光吸收区域与光反射区域的设计，使得经光检测区域的检测光信号在光接收器上将呈现明暗相间的条纹图案，该条纹图案垂直于旋转轴方向，随着旋转部件的转动沿旋转轴方向不断发生位移，使得光学编码器通过旋转轴方向条纹图案的位移检测旋转部件垂直于旋转轴方向的旋转运动；同时，经过与旋转轴具有夹角的光检测区域的检测光信号沿旋转轴方向亮度、条纹宽度具有差异性，从而使得光学编码器能够检测旋转轴方向的位移，实现多维度的运动检测。

在一种可能的实现方式中，所述旋转部件呈圆锥体状，所述光检测区域分布于所述圆锥体的侧面；或者所述旋转部件呈圆台状，所述光检测区域分布于所述圆台的侧面；或者所述旋转部件呈类圆台状，所述光检测区域分布于所述类圆台的侧面。

所述旋转部件呈类圆台状，所述光检测区域包括：依次沿环绕所述旋转部件朝外的表面的方向设置的多个光反射区域，每个所述光反射区域自所述类圆台的上底面延伸至所述类圆台的下底面且每个光反射区域呈向内凹陷的凹面状。

应理解，内凹陷的凹面指向靠近旋转轴方向凹陷的曲面。

本申请实施例中，光反射区域为凹面结构，例如凹面镜，利用凹面的聚光功能，使得入射光信号经凹面的光反射区域反射后被进一步汇聚，能够提高光接收器上明暗条纹图案的明暗对比，从而提升光学编码器的检测精度。

在一种可能的实现方式中，所述光反射区域为镜面反射区域。

在一种可能的实现方式中，凹面的曲率半径为0.1-10mm。

在一种可能的实现方式中，所述光吸收区域与所述光反射区域的形状相同。

在一种可能的实现方式中，所述多个光反射区域具有相同的反射光学性质。

在一种可能的实现方式中，所述光吸收区域呈向内凹陷的凹面状。

本申请实施例中，光吸收区域为凹面结构，利用入射光信号在凹面内的多次反射消耗入射光信号的能量从而达到吸光效果，能够提高光接收器上明暗条纹图案的明暗对比，从而提升光学编码器的检测精度。

在一种可能的实现方式中，所述旋转部件呈类圆台状，所述旋转部件的上底面与下底面为形状相同的多边形，所述光检测区域包括若干个自所述上底面的一个边延伸至下底面对应的一个边所形成的平面。

在一种可能的实现方式中，所述光反射区域包括第一面与第二面，所述第一面与所述第二面被配置为使得所述光检测区域在垂直于所述旋转轴的横截面上为星形。

本申请实施例中，利用在两个光反射区域形成类似于凹面的结构，从而使光反射区域具有聚光效果，帮助提高光接收器处接收的条纹图案的明暗对比，提升光学编码器的检测精度。

在一种可能的实现方式中，所述光学编码器还包括：透镜，设置于所述旋转部件与所述光接收器之间，所述透镜用于调整所述检测光信号的聚焦位置。

本申请实施例中，透镜能够改变检测光信号的聚焦位置，从而使得光接收器能够根据需要设置在更加靠近旋转部件或更加远离旋转部件的位置，当光接收器被设置在更加靠近旋转部件的位置时，能够进一步节省光学编码器各部件占用的空间，使得光学编码器更加小型化。

在一种可能的实现方式中，所述光学编码器还包括：处理单元，所述处理单元与所述光接收器连接，用于根据所述电信号确定所述旋转部件的运动信息。

在一种可能的实现方式中，所述运动信息至少包括以下信息中的一个：所述旋转部件的旋转角度、所述旋转部件的旋转速度、所述旋转部件沿垂直于所述旋转轴方向上的位移、所述旋转部件沿所述旋转轴方向上的位移。

在一种可能的实现方式中，所述光学编码器还包括：控制单元，所述控制单元与所述处理单元和所述光发射器连接，用于获取所述运动信息并控制所述光发射器发射所述入射光信号。

本申请实施例中，控制单元同时与处理单元以及光发射器连接，能够在与处理单元进行通信的同时根据对光发射器进行同步控制，实时根据旋转部件的运动情况对光发射器进行调整，以优化光学编码器的检测效果，提高光学编码器的工作效率。

在一种可能的实现方式中，所述光发射器与所述光接收器设置于平行于所述轴线的同一平面上。

本申请实施例中，通过将光发射器与光接收器设置于同一平面，即将光接收器与光发射器安装或集成于小型电子设备中的同一基板上，例如，设置于同一印刷电路板上，能够节省器件占用的空间，更加便于器件的加工及制备。小型电子设备中光发射器与光接收器所在的平面与旋转轴平行设置，使得光学编码器的旋转部件在旋转过程中不会受其他部件的干扰，没有与其他部件摩擦或碰撞的风险，有利于延长器件的使用寿命。

在一种可能的实现方式中，所述光接收器包括沿垂直于所述旋转轴方向布置的光电传感器阵列。

第二方面，提供一种电子设备，所述电子设备包括：壳体；冠部，设置于所述壳体上，用于接收用户的操作；以及如第一方面及第一方面任一种可能的实现方式中的光学编码器，所述光学编码器与所述冠部耦合，用于检测所述用户对所述冠部的所述操作。

在一种可能的实现方式中，所述电子设备为手表，所述冠部设置于所述手表的侧部，且所述光学编码器的旋转部件与所述冠部连接，以使所述旋转部件随所述冠部的运动而运动。

本申请实施例通过对旋转部件的设计，使得光检测区域的切面与旋转轴形成夹角且夹角为锐角，该夹角能够使得入射光信号中能量最强的部分经光检测区域后形成具有最大光强的检测光信号，这部分检测光信号被光接收器接收并用于运动检测，从而提高了光利用率，节省了光学编码器的功耗；本申请实施例还对光检测区域进行了特殊的结构设计，使得光接收器处的检测光信号呈明暗相间的条纹图案，且该条纹图案能够用于检测多个方向上的运动信息，丰富了光学编码器的运动功能，使得光学编码器在应用于小型电子设备时能够检测旋转输入的同时检测按压输入，使得小型电子设备能够通过光学编码器同时检测多维度的运动输入。

附图说明

图1是一种光学编码器的示意图。

图2是本申请一种光学编码器的示意性结构图。

图3是本申请另一种光学编码器的示意性结构图。

图4a-4c是本申请几种旋转部件的示意图。

图5是本申请一种光学编码器的成像示意图。

图6是本申请一种光学编码器输出的电信号与成像关系示意图。

图7是本申请光学编码器的另一旋转部件示意图。

图8是本申请光学编码器的又一旋转部件示意图。

图9是本申请光学编码器的再一旋转部件示意图。

图10是图9所示的旋转部件的检测原理示意图。

图11是本申请光学编码器的电信号积分结果示意图。

图12是本申请一种电子设备的示意性结构图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

光学编码器作为一种应用广泛的光电传感器，能够进行长度、速度、加速度、振动等测量。一种典型的光学编码器如图1所示，光学编码器100包括：光发射器101、旋转部件102以及光接收器103。其中，旋转部件102能够绕旋转轴104旋转，旋转轴指穿过旋转部件的几何中心使得旋转部件能够绕其旋转的直线，光学编码器100中旋转轴104也就是垂直于圆柱体的底面并穿过该底面的圆心的直线。

在一些实施例中，光发射器101可以是垂直腔面发射激光器(Vertical cavitysurface emitting laser,VCSEL)、边发射激光器(Edge emitting laser,EEL)或发光二极管(Light emitting diodes,LED)、激光二极管(Laser diodes,LD)等光源中的一种，或上述多种光源的组合。应理解，光发射器发出的光信号可以是经光学调制、处理或控制的携带空间光学图案的光信号，可以是经光学调制、处理或控制的分区域照明的光信号，也可以是经光学调制、处理或控制的周期性照明的光信号，或上述光信号的组合。

在一些实施例中，光接收器103可以是光电传感器阵列，光电传感器可以由一个或多个发光二极管、金属氧化物半导体元件、电荷耦合元件、光伏电池组成，也可以是其他能够实现光电转化的传感器。传感器阵列可以是一排或一列，也可以是多排或多列。

优选地，光电传感器阵列沿垂直于旋转轴的方向对称分布。

下面结合图1，解释光学编码器100的检测原理。光发射器101发射的入射光10被投射至旋转部件102处，通过旋转部件102的旋转运动，从而使得由旋转部件102反射形成的反射光20携带该旋转运动相关的信息，实现运动信息的检测，例如，对旋转部件102的旋转角度、角速度、位移量等信息的检测。但是，组成入射光10的光束具有一定的发散角，因而在光束能量呈高斯分布，即光束在越靠近光束中心的位置光强越大，在越远离光束中心的位置光强越小，经过反射后的反射光20同样也呈高斯分布。而小型电子设备中，光发射器101通常设置于基板上，光发射器101发出的光束中能量最强的部分由于旋转部件与基板在电子设备中的机械位置关系将垂直于基板被投射至旋转部件，因此，入射光束中光强最强的部分将被垂直反射回发光平面，光束中光强较弱的部分将以与入射光线具有一定角度的方向反射至光源旁边，从而被设置于光发射器101附近的光接收器103接收并进行旋转部件102运动信息的检测。

由上可知，反射光20中，光强最强的部分无法被光接收器103接收，从而导致了较低的光利用率以及设备功耗的浪费。

有鉴于此，本申请提出一种光学编码器，在小型电子设备中能够在提高光利用率、降低光学编码器的功耗的同时，使得小型电子设备在检测旋转输入的同时检测按压输入，实现多维度运动检测。

图2为本申请一种光学编码器的示意性结构图。光学编码器200包括：光发射器201、旋转部件202以及光接收器203。其中，旋转部件202具有穿过其几何中心的旋转轴204，以及环绕旋转轴204朝外的表面设置的光检测区域2021，光检测区域2021的切面与旋转轴204之间具有夹角a且a为锐角，换言之，该光检测区域2021与光发射器所在的基板在不改变电子设备机械结构的情况下不具有平行关系，光发射器201发射的入射光信号2001经光检测区域2021后形成检测光信号2002；光接收器203位于检测光信号2002的光路上以接收检测光信号2002。

通常，垂直于光发射器201所在的基板出射的入射光信号2001为光发射器发出的光束中能量最强的部分，垂直出射的入射光信号2001与经光检测区域后的检测光信号2002的夹角b为两倍的夹角a，即b＝2a。

本申请实施例的光学编码器的旋转部件不同于常见的旋转部件，其光检测区域的切面与旋转轴形成锐角，即光检测区域的切面与旋转轴、与光发射器所在的基板均不平行，从而使得垂直于基板出射的入射光信号经过光检测区域的反射后不再沿着垂直于发光平面的方向返回基板，而是以与夹角a相同的角度反射至发光平面外，使得光接收器能够接收该检测光信号，从而实现对光束中光强最大的光信号的利用，避免了光信号的浪费，有效提高了光学编码器的光利用率，节省光学编码器的功耗。

可选地，在一个实施例中，光检测区域2021被配置为使得检测光信号2002在光接收器203上随旋转部件202的运动而产生变化的光学图案。

本实施例中，光检测区域可被配置为具有漫反射或散射功能的平面或曲面，使得被漫散射或漫反射至光接收器处的检测光信号表现为散斑图案，该散射图案与旋转部件的旋转角度之间具有对应关系，使得光学编码器能够根据的光学图案准确检测到旋转部件的旋转运动。

可选地，在一个实施例中，光检测区域2021被配置为使得检测光信号2002在光接收器203上随旋转部件202的运动而产生明条纹和暗条纹。

本实施例中，入射光信号经过光检测区域形成的检测光信号能够形成明暗相间的条纹图案，该条纹图案随着旋转部件的旋转在光接收器上产生相应位移，使得光学编码器能够通过条纹图案移动的距离以及移动条纹的数量准确检测旋转部件的旋转运动。

可选地，在一个实施例中，在旋转部件202旋转和/或旋转部件202沿旋转轴204的方向移动和/或旋转部件202沿垂直于旋转轴204的方向转动时，光检测区域2021使得检测光信号2002在光接收器203上产生明暗交替的条纹。

本实施例中，旋转部件在进行沿旋转轴方向以及垂直于旋转轴方向的移动或转动时，光接收器上均会产生明暗交替的条纹，该条纹在光接收器上随转轴的旋转在垂直于旋转轴方向上产生位移、在旋转轴方向上条纹宽度、亮度均发生变化，使得光学编码器能够通过该条纹同时检测旋转轴方向上以及垂直于旋转轴方向上的运动信息。

可选地，在一个实施例中，光发射器201与光接收器202设置于同一平行于旋转轴204的平面上。具体地，光发射器201与光接收器202设置于同一印刷电路板上或柔性电路板上，该印刷电路板上或柔性电路板所在的平面即基板，该基板与旋转部件202的旋转轴平行。

本实施例中，将光发射器与光接收器集成于同一电路板上，能够节省光学编码器占用的空间，更加便于器件的加工及制备，另外光发射器与光接收器所在的平面与旋转轴是平行的，在不改变现有机械结构的情况下，使得光学编码器的旋转部件在旋转过程中不会受其他部件的干扰，没有与其他部件摩擦或碰撞的风险，有利于延长器件的使用寿命。

可选地，在一个实施例中，如图2所示，旋转部件202呈圆锥体状，旋转轴204为垂直于该圆锥体的底面并穿过该圆锥体的顶点的直线。具体地，此时的光检测区域2021分布于该圆锥体的侧面。

可选地，在一个实施例中，如图3所示，旋转部件202为圆台，旋转轴204为垂直于该圆台的底面并穿过该圆台的底面的圆心的直线。具体地，此时的光检测区域2021分布于该圆台的侧面。

应理解，光检测区域分布于旋转部件的侧面可以是旋转部件的侧面全部是光检测区域，也可以是旋转部件的侧面部分是光检测区域。

本实施例以圆台状的旋转部件202为例，但需注意，其表面的切面能够在旋转轴方向上与旋转轴形成锐角的其他形状的立体结构均适用于本申请实施例，例如，具有圆柱形中空结构的圆台等。

图4a-图4c为本申请几种旋转部件的示意图。

可选地，在一个实施例中，如图4a所示，光检测区域2021包括：依次沿环绕旋转部件202朝外的表面的方向设置的多个光反射区域401，多个光反射区域401的形状相同且具有相同的反射光学性质。应理解，反射光学性质指物质反射光线时所表现的各种性质，多个指大于或等于2个。

可选地，在一个实施例中，光反射区域401为镜面反射区域。

可选地，在一个实施例中，每个光反射区域401自圆台状的旋转部件202的上底面延伸至下底面。

示例性地，光反射区域401为平面。即多个大小相同的梯形平面在环绕旋转部件202朝外的表面的方向上依次相邻设置，互相连接，形成旋转部件202的光检测区域2021。

可选地，在一个实施例中，如图4b所示，光反射区域401为凸面，凸面指向远离旋转轴方向凸起的曲面。

具体地，光反射区域401为凸面时，例如使用凸面镜作为光反射区域401时，具有散光效果，经光反射区域401反射的光将无法到达光接收器203或光强较弱，形成暗条纹；而凸面与凸面连接处反射的光能够到达光接收器或光强较强，形成亮条纹。

优选地，在一个实施例中，如图4c所示，光反射区域401为凹面，凹面指向靠近旋转轴方向凹陷的曲面。

具体地，光反射区域401为凹面时，例如使用凹面镜作为光反射区域401是，具有聚光效果，经光反射区域401反射的光将被汇聚后到达光接收器203或光强较强，形成亮条纹；而凹面与凹面连接处的反射光无法达到光接收器203或光强较弱，形成暗条纹。

下面结合图5，说明本申请实施例中的光学编码器的检测原理。图5示出了光接收器203接收的经图4c所示的旋转部件202反射后的检测光信号2002形成的图像。其中x轴为垂直于旋转轴的方向，y轴为平行于旋转轴的方向。旋转部件202在旋转时，经光反射区域401反射的检测光信号2002能够到达光接收器203或光强较强，从而在光接收器203上形成亮条纹，而在光反射区域401与光反射区域401的连接处反射的光信号2002由于角度原因无法到达光接收器203或光强较弱，从而在光接收器203上形成暗条纹，最终，经光检测区域2021的检测光信号在光接收器上呈现图5所示的明暗相间的条纹图案，条纹的方向与旋转轴方向一致。另外，入射光信号经同一光反射区域401后形成的检测光信号达到光接收器所经历的光程不同，同一亮条纹在旋转轴方向，即y轴方向上的亮度以及宽度也不同。

由此，光接收器203处接收的条纹图案在x轴方向将随着旋转部件202的旋转沿垂直于旋转轴的方向发生相应位移，相应地，光接收器输出的电信号的相位以及幅值随之变化，从而能够通过条纹图案在x轴上移动的方向、条纹移动的位移量检测旋转部件202的旋转角度、旋转位移量、旋转速度等运动信息，进行垂直于旋转轴方向上的旋转运动检测。另外，条纹图案沿y轴方向的亮度及宽度具有差异性，同时也表现相邻条纹的间距沿y轴方向具有差异性，相应地，光接收器输出的电信号的峰值间距大小以及峰值变化方向也具有与该差异性相关的变化，从而可以根据条纹图案在y轴上的亮度、条纹间距检测旋转部件202在y轴方向上的位移量、移动方向、移动速度等运动信息，进行旋转轴方向上的位移检测。

图6示出了本申请一种光学编码器的光接收器输出的电信号与条纹图案的对应关系。应理解，图6所示的正弦波仅作为一种示例，光接收器203输出的电信号还可以是方波、三角波等。图6中，电信号的幅值与条纹图案的亮度呈正比关系，一个亮条纹与一个暗条纹构成一个周期的正弦波。

本申请实施例通过设置多个相邻的具有相同光学性质的区域，使得经光检测区域反射的检测光信号在光接收器上将呈现明暗相间的沿旋转轴方向的条纹图案，得益于夹角a的设计，该条纹图案能够同时检测旋转轴方向以及垂直于旋转轴方向的运动信息，从而使得光学编码器能够进行多维度的运动信息检测，有效扩展了其功能以及应用。优选地，旋转部件402具有40-60个凹面的光反射区域401，光反射区域401的曲率半径为0.1-10mm。

本实施例利用凹面镜聚光，使得入射光信号经光检测区域后被汇聚，能够提高光接收器处接收的条纹图案的明暗对比，从而提升光学编码器的检测精度。

可选地，在一个实施例中，光反射区域401为S形曲面。

图7是本申请另一种旋转部件的示意图。

可选地，如图7所示，在一个实施例中，光反射区401包括：第一面4001和第二面4002，第一面4001与第二面4002在垂直于所述旋转轴的方向的横截面上为星形。

具体地，圆台状的旋转部件202的底面以及与底面平行的截面上呈多角星形；应理解，第一面4001可以是平面，也可以是凸面、凹面、S形曲面等，第二面4002可以是平面，也可以是凸面、凹面、S形曲面等。

本实施例中，利用在两个形成夹角的表面能够达到类似于凹面的聚光效果，从而提高光接收器处接收的条纹图案的明暗对比，提升光学编码器的检测精度。

图8是本申请又一种旋转部件的示意图。

可选地，如图8所示，在一个实施例中，光检测区域2021包括：多个光吸收区域801和多个光反射区域802。其中，光吸收区域801用于吸收至少部分入射光信号2001，光反射区域802用于将至少部分入射光信号2001反射至光接收器203；光吸收区域801与光反射区域802沿环绕旋转部件202朝外的表面的方向交替设置，以使检测光信号2002在光接收器203上产生明暗交替的条纹。

可选地，在一个实施例中，光吸收区域801与光反射区域802的形状相同。

具体地，光吸收区域与光反射区域的光学吸收性质、光学反射性质均不同，分别在光接收器上表现为暗条纹、亮条纹，其在旋转部件上交替设置从而在光接收器上形成明暗相间的条纹图案。其对运动的检测原理与前述实施例类似，在此不再赘述。应理解，光吸收区域801可以是平面、凸面、凹面、S形曲面等非反射性平面或曲面，光反射区域802也可以是平面、凸面、凹面、S形曲面等反射性平面或曲面。

优选地，光吸收区域为凹槽。应理解，凹槽指向靠近旋转轴方向凹陷的槽状结构。

本申请实施例中，光吸收区域为凹槽结构，利用入射光信号在凹槽内的多次反射消耗入射光信号的能量从而达到吸光效果，能够提高光接收器上明暗条纹图案的明暗对比，从而提升光学编码器的检测精度。

本实施例通过设置光吸收区域和光反射区域，使得经光检测区域的检测光信号在光接收器上将呈现明暗相间的沿旋转轴方向延伸的条纹图案，且光学编码器能够检测多个维度的运动信息；光吸收区域与光反射区域的设计使得条纹图案的明暗对比强烈，在实现光学编码器的多功能检测的同时提升检测的精度。

图9是本申请再一种旋转部件的示意图。

可选地，如图9所示，在一个实施例中，光检测区域2021包括：

光吸收区域901，用于吸收至少部分入射光信号2001；

光反射区域902，用于将至少部分入射光信号2001反射至光接收器203；

其中，光吸收区域901与光反射区域902在旋转部件203朝外的表面上沿环绕所述旋转轴的方向螺旋交替设置。

具体地，光吸收区域901与光反射区域902在圆台状的旋转部件202上自旋转部件202的上底面向旋转部件202的下底面沿旋转轴方向螺旋设置。其中，901为光吸收区域，被设置成平面、凸面、凹面、S形曲面等非反射性平面或曲面，或者涂覆有光吸收材料；902为光反射区域，被设置成平面、凸面、凹面、S形曲面等反射性平面或曲面。

应理解，当901被设置成平面、凸面、凹面、S形曲面等反射性平面或曲面，902被设置成平面、凸面、凹面、S形曲面等非反射性平面或曲面，或者涂覆有光吸收材料时，则901为光吸收区域，而902为光反射区域。

图10为图9所示的旋转部件202的检测原理示意图。

当旋转部件202绕旋转轴旋转时，光吸收区域901处的光信号以光路1001投射至光接收器203上，表现为暗条纹或光强较弱的亮条纹；光发射区域902处的光信号以光路1002投射至光接收器203上，表现为亮条纹或光强较强的亮条纹，从而在光接收器203上形成明暗相间的条纹图案，该明暗条纹与旋转轴204垂直。在旋转过程中，条纹图案将以与旋转部件转动角速度及方向相应的速度及方向沿旋转轴方向发生位移，从而使得光学编码器能够检测旋转部件202旋转相关的角度信息、旋转轴方向的转动信息；另外，条纹图案沿旋转轴方向的亮度以及条纹间距随旋转部件202在旋转轴204方向上的位移发生相应变化，从而使得光学编码器能够检测旋转轴方向的位移，实现光学编码器的多维度运动检测。

可选地，光学编码器200还包括：透镜，设置于旋转部件202与光接收器203之间，用于调整检测光信号2002的聚焦位置。

本实施例中，透镜能够改变检测光信号的聚焦位置，从而使得光接收器能够根据需要设置在更加靠近旋转部件或更加远离旋转部件的位置，当光接收器被设置在更加靠近旋转部件的位置时，能够进一步节省光学编码器各部件占用的空间，使得光学编码器更加小型化。

可选地，光学编码器200还包括：处理单元，处理单元与光接收器203连接，用于根据电信号确定旋转部件202的运动信息。运动信息至少包括以下信息中的一个：旋转部件的旋转角度、旋转部件的旋转速度、旋转部件沿垂直于旋转轴方向上的位移、所述旋转部件在旋转轴方向上的位移。

例如，图4a-图4c所示的旋转部件202在旋转时，光接收器203具有沿垂直于旋转轴方向并列设置的多个光电传感器，光接收器203向处理单元发送周期性的电信号，每个周期对应的角度可用下式表示：

其中，p表示旋转部件202表面交替分布的亮条纹数量或暗条纹数量(亮、暗条纹数量相等)，Φ表示电信号的每个周期所对应的角度。进一步地，如图6所示，通过计算对应周期的初始相位值变化，能够确定旋转部件202的旋转角度。

再例如，如图10所示，光接收器203为包括n个光电传感器的光电传感器阵列，当旋转部件202的两个相邻条纹(亮条纹或暗条纹)沿光路1001刚好可以分布在光电传感器阵列的两侧时，可以根据旋转部件202旋转所引起的条纹沿旋转轴方向的平移计算旋转部件202的旋转角度，计算公式如下：

其中，k为当前条纹所在的光电传感器在光电传感器阵列中的序号，θ为当前的旋转角度，n为光电传感器总个数，a为夹角。

又例如，在检测旋转轴方向的位移时，处理单元可根据条纹图案在垂直于旋转轴方向上的条纹亮度的积分结果来检测，示例性地，积分结果如图11所示，根据检测点的信号幅值以及该位置附近电信号幅值的变化趋势检测该位置的轴向位移。

可选地，在一个实施例中光学编码器200还包括：控制单元，控制单元与处理单元和光发射器201连接，用于获取运动信息并控制光发射器201发射入射光信号2001。

本实施例中，控制单元同时与处理单元以及光发射器连接，能够在与处理单元进行通信的同时根据对光发射器进行同步控制，从而实时根据旋转部件的运动情况对光发射器进行调整，以优化光学编码器的检测效果，提高光学编码器的工作效率。

如图12所示，本申请实施例还提供一种电子设备1200，包括本申请任一可能的实施例所述的光学编码器200。

具体地，该电子设备1200为电子手表，电子手表1200包括：

壳体；

冠部，设置于壳体上，用于接收用户的操作；以及

本申请任一可能的实施例所述的光学编码器200，与冠部耦合，用于检测用户对冠部的操作。

本申请实施例通过对旋转部件的设计，使得旋转部件具有与旋转轴形成锐角的光检测区域，锐角能够使得垂直于旋转轴的入射光信号经光检测区域发射形成的具有最大光强的检测光信号被接收光接收器接收并用于运动检测，从而提高了光利用率，节省了光学编码器的功耗；本申请实施例还对光检测区域进行了特殊的结构设计，使得投射至光接收器处的检测光信号能够形成明暗相间的条纹图案，且该条纹图案能够用于检测多个方向上的运动信息，丰富了光学编码器的功能，使得电子设备能够同时进行旋转输入以及按压输入的检测。

作为示例而非限定，本申请实施例中的电子设备可以包括能实现完整或部分功能的设备，例如智能手机、智能手表或智能眼镜等；也可以包括只专注于某一类应用功能，且需要和其它设备例如智能手机等配合使用的设备，例如各类进行体征监测的智能手环、智能首饰等。深度检测装置可以用于测量检测目标的深度信息，控制单元可以接收所述深度信息以对所述电子设备的至少一项功能进行操作控制，例如可以根据测得的人脸的深度信息进行基于距离的拍照辅助对焦，或者根据该深度信息对电子设备进行解锁，等等。

通过以上实施方式的描述，所属领域的技术人员可以了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。

需要说明的是，在不冲突的前提下，本申请描述的各个实施例和/或各个实施例中的技术特征可以任意的相互组合，组合之后得到的技术方案也应落入本申请的保护范围。

还需要说明的是，在本申请实施例和所附权利要求书中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请实施例。例如，在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“上述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (24)

1.一种光学编码器，所述光学编码器用于电子设备，其特征在于，所述光学编码器包括：

旋转部件；

光发射器，用于向所述旋转部件发射入射光信号；

所述旋转部件具有穿过其几何中心的旋转轴，以及环绕所述旋转部件朝外的表面设置的光检测区域，所述光检测区域的切面与所述旋转轴之间具有夹角且所述夹角为锐角；及

光接收器，用于接收所述入射光信号经过所述光检测区域后的检测光信号并根据所述检测光信号产生电信号，以用于确定所述旋转部件的运动信息。

2.根据权利要求1所述的光学编码器，其特征在于，所述光检测区域被配置为使得所述检测光信号在所述光接收器上随所述旋转部件的运动而产生变化的光学图案。

3.根据权利要求1所述的光学编码器，其特征在于，所述光检测区域被配置为使得所述检测光信号在所述光接收器上随所述旋转部件的运动而产生明条纹和暗条纹。

4.根据权利要求3所述的光学编码器，其特征在于，在所述旋转部件旋转和/或所述旋转部件沿所述旋转轴的方向移动和/或所述旋转部件沿垂直于所述旋转轴的方向移动时，所述光检测区域使得所述检测光信号在所述光接收器上产生明暗交替的条纹。

5.根据权利要求1所述的光学编码器，其特征在于，所述光检测区域包括：

依次沿环绕所述旋转部件朝外的表面的方向设置的多个光反射区域，所述多个光反射区域的形状均相同且所述多个光反射区域具有相同的反射光学性质。

6.根据权利要求1所述的光学编码器，其特征在于，所述光检测区域包括：

多个光吸收区域，用于吸收至少部分所述入射光信号；

多个光反射区域，用于将至少部分所述入射光信号反射至所述光接收器；

所述多个光吸收区域与所述多个光反射区域沿环绕所述旋转部件朝外的表面的方向交替设置，以使所述检测光信号在所述光接收器上产生明暗交替的条纹。

7.根据权利要求6所述的光学编码器，其特征在于，

所述多个光吸收区域与所述多个光反射区域沿所述旋转部件朝外的表面上呈螺旋状交替设置或者呈条状交替设置，以使所述检测光信号在所述光接收器上产生明暗交替的条纹。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的光学编码器，其特征在于，所述旋转部件呈圆锥体状，所述光检测区域分布于所述圆锥体的侧面；或者所述旋转部件呈圆台状，所述光检测区域分布于所述圆台的侧面；或者所述旋转部件呈类圆台状，所述光检测区域分布于所述类圆台的侧面。

9.根据权利要求1-5中任一项所述的光学编码器，其特征在于，所述旋转部件呈类圆台状，所述光检测区域包括：依次沿环绕所述旋转部件朝外的表面的方向设置的多个光反射区域，每个所述光反射区域自所述类圆台的上底面延伸至所述类圆台的下底面且每个所述光反射区域呈向内凹陷的凹面状。

10.根据权利要求9所述的光学编码器，其特征在于，所述光反射区域为镜面反射区域。

11.根据权利要求10所述的光学编码器，其特征在于，所述凹面的曲率半径为0.1-10mm。

12.根据权利要求11所述的光学编码器，其特征在于，所述光吸收区域与所述光反射区域的形状相同。

13.根据权利要求12所述的光学编码器，所述多个光反射区域具有相同的反射光学性质。

14.根据权利要求8所述的光学编码器，其特征在于，所述光吸收区域呈向内凹陷的凹面状。

15.根据权利要求1-5中任一项所述的光学编码器，其特征在于，所述旋转部件呈类圆台状，所述旋转部件的上底面与下底面为形状相同的多边形，所述光检测区域包括若干个自所述上底面的一个边延伸至下底面对应的一个边所形成的平面。

16.根据权利要求15所述的光学编码器，其特征在于，所述光反射区域包括第一面与第二面，所述第一面与所述第二面被配置为使得所述光检测区域在垂直于所述旋转轴方向的横截面上为星形。

17.根据权利要求1-7中任一项所述的光学编码器，其特征在于，所述光学编码器还包括：

透镜，设置于所述旋转部件与所述光接收器之间，所述透镜用于调整所述检测光信号的聚焦位置。

18.根据权利要求1-7中任一项所述的光学编码器，其特征在于，所述光学编码器还包括：

处理单元，所述处理单元与所述光接收器连接，用于根据所述电信号确定所述旋转部件的运动信息。

19.根据权利要求1-7中任一项所述的光学编码器，其特征在于，所述运动信息至少包括以下信息中的一个：所述旋转部件的旋转角度、所述旋转部件的旋转速度、所述旋转部件沿垂直于所述旋转轴方向上的位移、所述旋转部件沿所述旋转轴方向上的位移。

20.根据权利要求1-7中任一项所述的光学编码器，其特征在于，所述光学编码器还包括：

控制单元，所述控制单元与所述处理单元和所述光发射器连接，用于获取所述运动信息并控制所述光发射器发射所述入射光信号。

21.根据权利要求1-7中任一项所述的光学编码器，其特征在于，所述光发射器与所述光接收器设置于平行于所述旋转轴的同一平面上。

22.根据权利要求1-7中任一项所述的光学编码器，其特征在于，所述光接收器包括沿垂直于所述旋转轴方向布置的光电传感器阵列。

23.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：

壳体；

冠部，设置于所述壳体上，用于接收用户的操作；以及

如权利要求1-22中任一项所述的光学编码器，所述光学编码器与所述冠部耦合，用于检测所述用户对所述冠部的所述操作。

24.根据权利要求23所述的电子设备，其特征在于，所述电子设备为手表，所述冠部设置于所述手表的侧部，且所述光学编码器的旋转部件与所述冠部连接，以使所述旋转部件随所述冠部的运动而运动。

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