TW201520520A - 角度精確定位裝置 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種角度精確定位裝置，其中，該角度精確定位裝置係由價格相對便宜的旋轉圓盤單元、不變形光斑擷取單元、識別角度定位單元、以及角度校正單元便構成了符合高精度角度感測器需求之一個角度精確定位裝置，係相當具有產業競爭力。技術上，係使用不變形光斑擷取單元於轉動的旋轉圓盤單元的表面上取得N個不變形光斑雷射影像，並藉由該角度校正單元與該識別角度定位單元定義並記錄N個座標光斑影像與N個主變化角；之後，當於資料庫之中找到了與即時不變形光斑影像之間存在著最大重疊面積的第i個座標光斑影像之後，便可透過即時不變形光斑影像的副變化角、第i個座標光斑影像的主變化角以及即時不變形光斑影像與該第i個座標光斑影像之間的像平面位移量等參數計算出該即時不變形光斑影像的一待測角度，完成了精確的角度定位。

Description

角度精確定位裝置

本發明係關於一種角度定位之裝置，特別是關於一種高精密度角度定位之裝置。

於二次世界大戰時，磁性角度感測器被發明並應用於坦克之中，使得坦克的砲塔能夠在惡劣的環境中以精確的角度進行轉動。隨著科技之進步，光電感應式的角度感測器相繼地被發展出來。請參閱第一圖，係一種絕對定位圓形光柵的結構示意圖。如第一圖所示，於該絕對定位圓形光柵1’之中包括一轉動軸11’與9個環型光柵；其中，最內環(第九環)光柵12’被分割成512個等分(2⁹)，依此類推，第二環光柵13’被分割成4個等分(2²)且最外環(第一環)光柵14’被分割成2個等分(2¹)。此外，九個圓環上的光柵係分別對應九個光電感測器，用以讀取九個圓環上的光柵的亮(1)、暗(0)值，進而以一組亮暗讀值(例如000000001)表示一個絕對角度。

對於上述的絕對定位圓形光柵1’而言，其最內環(第九環)光柵12’之數目即決定的角度定位精度，也就是 說，上述的絕對定位圓形光柵1’的角度定位精度無法再被進一步地提升。有鑑於此，如第二圖之結構示意圖所示的另一種高精度絕對定位圓形光柵遂被研發並提出。如圖所示，該高精度絕對定位圓形光柵1”主要係由一內環光柵11”與一外環光柵12”所組成，其中，外環光柵12”為等間距光柵，內環光柵11”則為不等間距光柵；藉由如此特殊的光柵設置方式，該高精度絕對定位圓形光柵1”即可進而精算出絕對定位之角度值。

目前市售的角度編碼器仍普遍存在著以下之問題：

1.高精度絕對定位圓形光柵之製作與校正具有相當的難度，導致高精度絕對定位圓形光柵的市售價格隨著其角度定位精度而呈現非線性增加。

2.如何將已完成校正的高精度編碼器安裝至其服務機台的軸承(旋轉軸)上且不會產生軸同心度上的誤差，是目前高精度編碼器所面臨的最主要的問題。

經由上述之說明，吾人可以得知目前市售的高精度絕對定位圓形光柵與高精度編碼器皆具有成本上或者使用上的缺陷；有鑑於此，本案之發明人係極力地加以研究，並終於研發出一種角度精確定位裝置及定位方法。

本發明之主要目的，在於提供一種角度精確定位裝置及其方法，其主要係利用價格相對便宜的旋轉圓盤單元、不變形光斑擷取單元、識別角度定位單元、以及角度校正單元便構成了符合高精度角度感測器需求之一個角度精確定位裝置，係相當具有產業競爭力；技術上，係使用不變形光斑擷取單元於轉動的旋轉圓盤單元的表面上取得N個不變形光斑雷射影像，並同時以一角度校正單元來校正及紀錄每張不變形光斑雷射影像之校正角度，使得經過角度校正後的不變形雷射光斑影像被進一步地定義為座標光斑影像，接著建立並記錄N張座標光斑影像及其校正的N個主變化角度；然後，透過影像比對的方式與數學公式計算出一即時不變形光斑影像與其重疊面積最大之第i個座標光斑影像之間的副變化角；之後，便可由公式θ_待測=θ_i+((△dx360⁰)/ΣD)輕易地計算出任一即時不變形光斑影像的待測角度θ_待測，完成了精確的角度定位。

因此，為了達成本發明上述之目的，本案之發明人提出一種角度精確定位裝置，係包括：一旋轉圓盤單元；一不變形光斑擷取單元，係用以發射一同調入射光至該旋轉圓盤單元的一定位表面之上，並接收自該定位表面所反射之一反射光，進而獲得該定位表面之一不變形光斑影像； 一角度校正單元；一角度識別定位單元，係耦接至該不變形光斑影像擷取模組與該角度校正單元；以及一儲存單元，用以儲存該不變形光斑擷取單元所取得的該不變形光斑影像；其中，當連續地轉動該旋轉圓盤單元一圈時，該不變形光斑擷取單元會對應地取得旋轉圓盤單元的N張不變形光斑影像；同時，該校正角度定位單元會量測該N張不變形光斑影像所對應的N個校正角度，經過角度校正後之不變形雷射光斑影像定義為座標光斑影像；並且，將該N張座標光斑影像與該N個主變化角度儲存於該儲存單元之中；其中，當以一任意角度轉動該旋轉圓盤單元11並擷取相對應的一即時不變形光斑影像之後，該角度識別定位單元14透過一影像比對函式對該即時不變形光斑影像與儲存單元之中所儲存的N張座標光斑影像進行影像比對，計算出該即時不變形光斑影像與其重疊面積最大之第i個座標光斑影像之間的位移所產生之該即時位置副角度變化值，配合該第i個主變化角度值，可以精確地計算出該即時不變形光斑影像之一待測角度。

<本發明>

1‧‧‧角度精確定位裝置

11‧‧‧旋轉圓盤單元

12‧‧‧不變形光斑擷取單元

13‧‧‧角度校正單元

14‧‧‧控制與處理模組

121‧‧‧發光元件

122‧‧‧前級光圈

123‧‧‧透鏡

124‧‧‧後級光圈

125‧‧‧二維影像感測器

<習知技術>

1’‧‧‧絕對定位圓形光柵

11’‧‧‧轉動軸

12’‧‧‧最內環光柵

13’‧‧‧第八環光柵

14’‧‧‧最外環光柵

1”‧‧‧高精度絕對定位圓形光柵

11”‧‧‧內環光柵

12”‧‧‧外環光柵

第一圖係絕對定位圓形光柵的結構示意圖；第二圖係高精度絕對定位圓形光柵的結構示意圖；第三圖係本發明之一種角度精確定位裝置的架構圖；第四A圖、第四B圖與第四C圖係一旋轉圓盤單元的立體圖；第五圖係不變形雷射光斑影像圖；第六A圖與第六B圖係雷射光斑影像的SAD比對圖；第七圖係本發明之一種角度精確定位裝置的第二架構圖；第八圖係不變形光斑影像圖；以及第九圖係本發明之一種角度精確定位裝置的第三架構圖。

為了能夠更清楚地描述本發明所提出之一種角度精確定位裝置，以下將配合圖式，詳盡說明本發明之較佳實施例。

請參閱第三圖，係本發明之一種角度精確定位裝置的架構圖，如圖所示，本發明之一種角度精確定位裝置1主要由一旋轉圓盤單元11、一不變形光斑擷取單元12、一角度校正單元13、一角度識別定位單元14、以及一儲存單元所構成。請同時參閱第四A圖、第四B圖與第四C圖，係旋轉圓盤單元的立體圖。如圖所示，耦接至角度識別定 位單元14的不變形光斑擷取單元12用以發射一同調入射光至該旋轉圓盤單元11的一定位表面之上，例如，發射一雷射光至旋轉圓盤單元11的頂部表面(如第四A圖所示)、側邊表面(如第四B圖所示)或者底部表面(如第四C圖所示)；接著，不變形光斑擷取單元12會接收自該定位表面所反射之一反射光，並透過感測反射光的雷射光斑而獲得一不變形光斑影像。

如第三圖所示，不變形光斑擷取單元12係包括一發光元件121、一前級光圈122、一透鏡123、一後級光圈124、以及一二維影像感測器125；其中，發光元件121係用以發射該同調入射光(即，雷射光)至該旋轉圓盤單元11的該定位表面之上，且該前級光圈122係用以濾除該反射光之二次反射雜散光。此外，透鏡123係用以成像，將該旋轉圓盤單元11表面的反射光成像至二維影像感測器125。光圈124是用來限制入射光線之入射視角及控制光斑平均大小，以有效降低光斑影像變形量。另，該二維影像感測器125同樣也是耦接至控制與處理模組14，其可以是一CCD影像感測器或者一CMOS影像感測器，用以感測及記錄該雷射光的雷射光斑影像。由於單一物體的每一個物面所呈現的三維紋理圖樣都是唯一的；因此，當以一雷射光入射物體表面時，其所反射的雷射光斑影像也會具有唯一性。為了確定是否物體表面所反射的雷射光斑影像的確 具有唯一性，吾人進行了以下列步驟進行以下實驗：(1)以50um為取像間距，使用不變形光斑擷取單元12於一不銹鋼的表面上取得一共1200張的雷射光斑影像；並且，於進行雷射光斑影像取像作業的同時，使用雷射干涉儀量測、紀錄每一張雷射光斑影像的位置，並建立了1200張座標光斑影像及其相應的座標位置；(2)將所取得的1200張的座標光斑影像及其相應的座標位置，儲存於角度識別定位單元14的資料庫之中；(3)使用不變形光斑擷取單元12於該不銹鋼的表面上，於第3公分位置處重新取得一即時雷射光斑影像；以及(4)透過該角度識別定位單元14以一影像比對函式，即，SAD(Sum of Absolute Difference)，將所取得的即時雷射光斑影像與資料庫中的1200張座標光斑影像逐一比對。

如第五圖的不變形雷射光斑影像圖所示，圖(a)至圖(g)分別表示為第0微米(即，取像起始點)、第10000.73微米、第20001.57微米、第29999.04um微米、第39999.95um微米、第50001.18um微米、以及第60001.94um微米的座標光斑影像。並且，由第六A圖與第六B圖所示的1200張座標光斑影像與該即時雷射光斑影像的SAD比對圖，可以明顯發現，與該即時雷射光斑影像相比，資料庫中位置29999.04um的座標光斑影像顯示出最小的SAD值，這表示 資料庫之中只有一張座標光斑影像與重新取得的該即時雷射光斑影像最為相似，有最大重疊面積；因此，實驗結果係證實了物體表面所反射的雷射光斑影像的確具有唯一性。

由上述之說明，吾人已經清楚了解如何以一個不變形光斑擷取單元12於物體的表面上取得不變形光斑雷射影像；進一步地，配合一個角度校正單元13的使用，雷射光斑影像技術也可以被應用於”角度定位”。但是，必須補充說明的是，應用雷射光斑影像技術進行物體表面定位時，首先必須確保雷射光斑影像”不變形”。確保雷射光斑影像”不變形”的條件為該雷射光斑影像內任意兩點光斑之相對光程差變化量必須小於該雷射光之波長的1/5。並且，該座標光斑影像資料庫內任意相鄰兩張座標光斑影像之重疊長度要大於1/2該座標光斑影像長度；另外，每張座標光斑影像取像長度必須小於或者等於一光斑不變形可移動距離；因此，在重疊區域內之2張光斑影像，因為光斑影像的位移距離小於光斑不變形距離，所以會有幾乎完全一樣之光斑影像，可利用SAD、SSD、NCC或SIFT等方法做光斑影像位移比對，精確計算出相鄰二張光斑影像因旋轉，在影像感測器上產生的2個像平面位移向量(dx'、dy')，其中dx'為像平面之x'軸的位移分量、dy'為像平面之y'軸的位移分量。上述得到光斑影像移動之像平面位移向量， 再利用光斑擷取單元(12)之光學放大倍率M，可算得物平面之位移向量(dx、dy)，其中，dx=dx'/M、dy=dy'/M。

由上述說明可知，只要事先將旋轉圓盤單元11之不變形光斑影像校正位置座標並記錄下來，即產生有座標值的座標光斑影像，而此定位方法就可從一種相對定位技術，轉成一種絕對定位技術。應用時，將即時取得之光斑影像與先前所紀錄之所有座標光斑影像比對，計算與該即時光斑影像有最大重疊範圍之一座標光斑影像，計算此2張光斑斑影像在像平面位移量，配合光斑擷取單元12之光學放大倍率M，及座標光斑影像之位置座標，就可確認即時光斑影像之位置座標。

實施例一

如第三圖的架構，實施例一係以Agilent® 5530動態量測儀(Dynamic Calibrator)作為角度校正單元13，並通過以下流程完成即時角度之定位。首先，令旋轉圓盤單元11旋轉一圈，並以不變形光斑擷取單元12取得該旋轉圓盤單元11的N張不變形光斑影像以及第N+1張不變形光斑影像；接著，以影像比對函式對第1張不變形光斑影像與第N+1張不變形光斑影像進行影像位移量比對，以確認第N+1光斑影像是否已經超越第1張光斑影像，若是，則表示第N+1張座標光斑影像之角度座標值超過360度，便不 需要再繼續擷取不變形光斑影像。影像比對函式可以是絕對差值總和法(Sum Absolute Difference,SAD)、平方差值總和法(Sum Squared Difference,SSD)、正規化互相關法(Normalized Cross Correlation,NCC)或尺度不變特徵轉換法(Scale Invariant Feature Transform,SIFT)等方法。

於擷取不變形光斑影像的同時，必須以角度校正單元13(即，Agilent® 5530動態量測儀)定義每張不變形光斑影像的校正角度座標，經標定角度之不變形光斑影像，定義為座標光斑影像；例如，第1張不變形光斑影像的校正角度座標為θ₁=0、第i張不變形光斑影像的校正角度座標為θ_i，且此校正角度被定義為該座標光斑影像的主變化角度。完成N張座標光斑影像及其對應的主變化角度θ_i並紀錄於座標資料庫內。

進一步計算旋轉圓盤單元11轉動一圈，在像平面位移量總和ΣD。利用SIFT(Scale Invariant Feature Transform)比對相鄰兩張座標光斑影像的像平面位移量；例如，第2張座標光斑影像與第1張座標光斑影像之間的像平面位移量為d1’，第N張座標斑影像與第1張座標光斑影像之間的像平面位移量為dn’；計算旋轉圓盤單元11轉動一圈，在像平面位移量的總和，ΣD=d1'+d2'+‧‧‧+d(n-1)'+dn'。如此，便可進一步地由公式θ_sub=△d(360°/ΣD)計算出即時光斑影像定位時的副變化角度，其中θ_sub表示即時 光斑影像定位時的副變化角度，而△d表示為該即時不變形光斑影像與其重疊面積最大之座標光斑影像比對定位的像平面位移量。

如此，在完成N張不變形光斑影像、N個主變化角度的座標資料庫後，當以一任意角度轉動旋轉圓盤單元11並取得一即時不變形光斑影像後，便可透過影像比對函式，自資料庫內找出與該即時不變形光斑影像有最大重疊面積的座標光斑影像，若該張座標光斑影像定義為第i張座標光斑影像，吾人便可輕易地透過公式θ_待測=θ_i+((△dx360⁰)/ΣD)計算出該即時不變形光斑影像的待測角度θ_待測，完成了精確的角度定位。

於此，必須特別說明的是，本發明之角度精確定位裝置的角度定位誤差源包括：1.所使用角度校正單元13之定位誤差，此定位誤差是角度校正單元13在校正座標光斑影像主變化角度時所產生的定位誤差。以Agilent® 5530動態量測儀(Dynamic Calibrator)作為角度校正單元13時，座標光斑影像經校正後之主變化角度的定位誤差為0.5"。2.即時光斑影像與座標光斑影像比對定位時產生之定位誤差。估算此定位誤差量δ大小：一般商用精密角度感測器之定位精度在1"左右，而高精度角度感測器之外徑在20-30公分左右，換算角度感測器轉動時之旋轉圓周長，D，約在60-100公分左右。目前商規CCD或CMOS感測器之像素 大小在1-5um之間，使用SIFT比對方法，δ值約為1/50~1/100像素大小，即約為10-100nm。當取像裝置之光學放大倍率M為1時，即時光斑影像之即時角度定位誤差估計為±(360×60×60)/(D/δ)弧秒±(0.2"~0.013")。所以利用本方法之角度定位總誤差為，座標光斑影像主變化角度的定位誤差0.5"，加上即時光斑影像與光斑座標影像比對定位誤差，0.2"，即，0.5"+0.2"=0.7"，小於1"，係符合高精度角度感測器的需求。

實施例二

如第七圖所示的本發明之角度精確定位裝置第二架構，係由一旋轉圓盤單元11、一不變形光斑擷取單元12、一角度校正單元13、一角度識別定位單元14、以及一儲存單元所構成，並且係以慣性雷射陀螺儀作為角度校正單元13。實施例二係通過以下流程完成座標光斑影像主變化角度之校正定位。首先，必須設定不變形光斑擷取單元12之二維影像感測器125的一取像重複率於1KHz至10KHz之間，接著令旋轉圓盤單元11以10⁰/秒之固定轉速旋轉一圈並取得N張不變形光斑影像。並且，於該旋轉圓盤單元11轉動的同時，讀取並紀錄慣性雷射陀螺儀所輸出的拍頻訊號之一週期數目ki、與一座標相位Φi。

承上述之說明，由於第1張座標光斑影像的角度 座標為原點，因此定義k1=0、Φ1=0；並且，第2張座標光斑影像的累積拍頻訊號週期數目為k2+(Φ2/360)、第i張座標光斑影像的累積拍頻訊號週期數目為ki+(Φi/360)、而第N張座標光斑影像的累積拍頻訊號週期數目為kn+(Φn/360)。於此，可以透過影像比對函式，計算出第1張不變形光斑影像與第N張不變形光斑影像之間的像平面位移量為dn，且設定慣性雷射陀螺儀所對應輸出的拍頻訊號的週期數目為△k。如此，藉由下列公式(1)便可以求得△k的 值：。另，由於定位 旋轉圓盤單元11旋轉一圈的拍頻訊號的累績週期數目為 Σk，其可由公式求得。因此，得知△k與Σk 的值之後，吾人便可利用公式求得N張座標光 斑影像所對應的N個主變化角度，其中θ_i表示為主變化角度。

在完成N張座標光斑影像與N個主變化角度之校正及紀錄後，接著計算旋轉圓盤單元11轉動一圈在像平面位移量之總和，ΣD=(d1'+d2'+‧‧‧+d(n-1)'+dn')。當以一任意角度轉動旋轉圓盤單元11並取得一即時不變形光斑影像後，便可透過影像比對函式，自資料庫內找出與該即時不變形光斑影像有最大重疊面積之座標光斑影像進行比對定位，得到此二張光斑影像在像平面之位移量△d。然 後，由公式θ_sub=△d(360°/ΣD)計算出該即時不變形光斑影像之副變化角度，θ_sub。

請參閱第八圖，係不變形光斑影像圖。其中，第八圖之圖(a)為該即時不變形光斑影像，而圖(b)、圖(c)、圖(d)、與圖(e)為資料庫之中的第i張座標光斑影像、第i-1張座標光斑影像、第i-2張座標光斑影像、與第i+1張座標光斑影像。經由SIFT影像比對發現，第i張座標光斑影像(圖b)與即時不變形光斑影像(圖a)之間具有最大的光斑影像重疊區域，並且經過SIFT影像比對函式比對，兩張光斑影像在像平面之位移距離，△d，為-0.05像素，表示，在像平面比對，該即時光斑影像領先第i張座標光斑影像0.05像素距離；反之，圖(e)的第i+1張座標光斑影像係超過了圖(a)的不變形光斑影像，兩張光斑影像在像平面之位移距離為+5.60像素大小。因此，圖(b)所示的第i張座標光斑影像確定為與該即時不變形光斑影像有最大重疊面積。由於第i張座標光斑影像的主變化角度為θ_i，故由公式θ_待測=θ_i+((△dx360⁰)/ΣD)可輕易地計算出該即時不變形光斑影像的待測角度θ_待測，完成了精確的角度定位。

於此，必須特別說明的是，以例如Honeywell GG1320 Digital Laser Gyro的慣性雷射陀螺儀作為角度校正單元13時，由於其偏移穩定性(Bias Stability)為0.0035deg/hour，且旋轉圓盤單元11係以每秒10⁰的固定轉速轉 動，是以可以得知旋轉圓盤單元11轉動一圈需要花費36秒(或0.01小時)左右的時間。如此，吾人可計算出Honeywell GG1320在0.01小時內的角度定位精確度為：0.0035x0.01=3.5x10^-5deg=0.126"。因此，以慣性雷射陀螺儀作為角度校正單元13時，本發明之角度定位誤差值約為座標光斑影像主變化角度的定位誤差0.126"，加上即時光斑影像與光斑座標影像比對定位誤差，0.2"，即，0.126"+0.2" 0.4"，係同樣符合高精度角度感測器的需求。

實施例三

如第九圖所示的本發明之角度精確定位裝置第三架構，係由一旋轉圓盤單元11、一不變形光斑擷取單元12、一角度校正單元13、一角度識別定位單元14、以及一儲存單元所構成，並且係以慣性光纖陀螺儀作為角度校正單元13。實施例三係通過以下流程完成座標光斑影像主變化角度之校正定位。首先，於前述實施例二相同的是，必須設定不變形光斑擷取單元12之二維影像感測器125的一取像重複率於1KHz至10KHz之間，接著令旋轉圓盤單元11以10⁰/秒之固定轉速旋轉一圈並取得N張不變形光斑影像。並且，於該旋轉圓盤單元11轉動的同時，讀取慣性光纖陀螺儀所輸出的對應於該N張座標光斑影像的N個校正角度。其中，第1張座標光斑影像的校正角度為θ1’，第2 張座標光斑影像的校正角度為θ2’，且第N張座標光斑影像的校正角度為θn’；如此，吾人可定義第1張座標光斑影像的主變化角為θ1=θ1’-θ1’=0，進一步地，可計算第2張座標光斑影像的主變化角為θ2=θ2’-θ1’，且第N張座標光斑影像的主變化角為θn=θn’-θ1’。

在完成N張座標光斑影像與N個主變化角度之校正及記錄後，接著計算旋轉圓盤單元11轉動一圈，在像平面位移量總和，ΣD=(d1'+d2'+‧‧‧+d(n-1)'+dn')。；當以一任意角度轉動旋轉圓盤單元11並取得一即時不變形光斑影像後，便可透過影像比對函式，自資料庫內找出與該即時不變形光斑影像有最大重疊面積之座標光斑影像進行比對定位，得到此二張光斑影像在像平面之位移量△d。然後，由公式θ_待測=θ_i+((△dx360⁰)/ΣD)可輕易地計算出該即時不變形光斑影像的待測角度θ_待測，完成了精確的角度定位。

於此，必須特別說明的是，以例如Honeywell Fiber Optic Gyro的慣性光纖陀螺儀作為角度校正單元13時，由於其偏移穩定性(Bias Stability)為0.0003deg/hour，且旋轉圓盤單元11係以每秒10°的固定轉速轉動，是以可以得知旋轉圓盤單元11轉動一圈需要花費36秒(或0.01小時)左右的時間。如此，吾人可計算出Honeywell Fiber Optic Gyro在0.01小時內的角度定位精確度為： 0.0003deg/hour×0.01hour=3×10^-6deg0.01"(3×10^-6×60×60 arc second0.01")；因此，以慣性光纖陀螺儀作為角度校正單元13時，本發明之角度定位誤差值約為座標光斑影像主變化角度的定位誤差0.01"，加上即時光斑影像與光斑座標影像比對定位誤差，0.2"，即，0.01"+0.2" 0.3"，係同樣符合高精度角度感測器的需求。此外，若不變形光斑影像的定位精度能夠由0.1um精進至10nm，或者將旋轉圓盤單元11的周長由1m增長至10m，則即時光斑影像之重複定位誤差可精進至0.02"，因此全系統有機會將角度定位精確度精進至0.03"(0.01"+0.02"=0.03")。

如此，藉由上述之詳細說明，使得本發明之角度精確定位裝置及其係已被完整且清楚地揭露，並且，經由上述，可得知本發明係具有下列之優點：

1.本發明係僅利用價格相對便宜的旋轉圓盤單元11、不變形光斑擷取單元12、識別角度定位單元14、以及角度校正單元13便構成了符合高精度角度感測器需求之一個角度精確定位裝置，係相當具有產業競爭力。

2.本發明之技術係使用一不變形光斑擷取單元12於一轉動的旋轉圓盤單元11的表面上取得N個座標光斑雷射影像，並同時透過一角度校正單元13與一識別角度定位單元14的配合使用，校正並紀錄每張座標光斑雷射影像之主變化角度；如此一來，藉著資料庫內所儲存的N張座 標光斑影像及其相對應的N個主變化角度，配合即時不變形光斑影像與其重疊面積最大之第i個座標光斑影像，在像平面之位移距離△d及旋轉圓盤單元11旋轉一圈在像平面總位移量ΣD等2個參數，然後，由公式θ_待測=θ_i+((△dx360⁰)/ΣD)可輕易地計算出該即時不變形光斑影像的待測角度θ_待測，完成了精確的角度定位。

3.承上述第2點，並且，無論是使用Agilent® 5530動態量測儀(Dynamic Calibrator)、慣性雷射陀螺儀或者慣性光纖陀螺儀作為角度定位單元13，本發明之角度精確定位裝置都可以符合高精度角度感測器的需求。

必須加以強調的是，上述之詳細說明係針對本發明可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

1‧‧‧角度精確定位裝置

11‧‧‧旋轉圓盤單元

12‧‧‧不變形光斑擷取單元

13‧‧‧識別角度定位單元

14‧‧‧控制與處理模組

121‧‧‧發光元件

122‧‧‧前級光圈

123‧‧‧透鏡

124‧‧‧後級光圈

125‧‧‧二維影像感測器

Claims (11)

1. 一種角度精確定位裝置，係包括：一旋轉圓盤單元；一不變形光斑擷取單元，係用以發射一同調入射光至該旋轉圓盤單元的一定位表面之上，並接收自該定位表面所反射之一反射光，進而獲得該定位表面之一不變形光斑影像；一角度校正單元，用以測量該不變形光斑影像之一校正角度座標；一角度識別定位單元，係耦接至該不變形光斑影像擷取模組與該角度校正單元；以及一儲存單元，用以儲存該不變形光斑擷取單元所取得的該不變形光斑影像；其中，當連續地轉動該旋轉圓盤單元一圈時，該不變形光斑擷取單元會對應地取得旋轉圓盤單元的N張不變形光斑影像；同時，該角度校正單元會量測該N張不變形光斑影像所對應的N個校正角度座標，並由該角度識別定位單元計算出對應的N個主變化角度經過校正主變化角度之不變形光斑影像，定義為座標光斑影像；並且，該N張座標光斑影像與該N個主變化角度係儲存於該儲存單元之中；其中，當以一任意角度轉動該旋轉圓盤單元並擷取相對 應的一即時不變形光斑影像之後，該角度識別定位單元透過一影像比對函式對該即時不變形光斑影像與儲存單元之中所儲存的N張座標光斑影像進行影像比對，計算出即時不變形光斑影像與其重疊面積最大之該第i個座標光斑影像之間的位移，產生之該即時位置副角度變化值，配合該第i個主變化角度值，可以精確地計算出該即時不變形光斑影像之一待測角度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之角度精確定位裝置，其中，該定位表面係選自於下列群組之任一者：旋轉圓盤單元的頂部表面、旋轉圓盤單元的側邊表面以及旋轉圓盤單元的底部表面。
3. 如申請專利範圍第1項所述之角度精確定位裝置，其中，該影像比對函式係選自於下列群組之任一者：SAD(Sum of Absolute Difference)、SSD(Sum of Square Difference)、NCC(Normalized Cross Correlation)、與SIFT(Scale Invariant Feature Transform)。
4. 如申請專利範圍第1項所述之角度精確定位裝置，其中，該不變形光斑擷取單元係包括：一發光元件，係用以發射一雷射光至該旋轉圓盤單元的 該定位表面之上；一前級光圈，係用以濾除該雷射光之二次反射雜散光；一透鏡，係用以成像，將該雷射光照射該物面的光斑影像成像於二維感測器上；以及一後級光圈，係用以控制該反射光之光斑大小；以及一二維影像感測器，可為一CCD影像感測器或者一CMOS影像感測器，用以感測及記錄該雷射光照射該物面產生的一不變形雷射光斑影像。
5. 如申請專利範圍第1項所述之角度精確定位裝置，其中，該角度校正單元係選自於下列群組之任一者：Agilent® 5530動態量測儀(Dynamic Calibrator)、慣性雷射陀螺儀與慣性光纖陀螺儀。
6. 如申請專利範圍第4項所述之角度精確定位裝置，其中，以所述的慣性雷射陀螺儀作為該角度校正單元，則該主變化角度、該副變化角度與該即時不變形光斑影像的待測角度可分別由下列公式計算而得：(1)；(2)θ_sub=△d(360°/ΣD)；以及(3)θ_待測=θ_i+((△dx360⁰)/ΣD)；其中，θ_i表示為第i張座標光斑影像的主變化角度， ki+(Φ_i/360)表示為第i張座標光斑影像之慣性雷射陀螺儀的拍頻訊號累計週期數目，ΣK表示為該旋轉圓盤單元旋轉一圈，慣性雷射陀螺儀拍頻訊號之總累計週期數目，△d表示為該即時不變形光斑影像與其重疊面積最大之該第i個座標光斑影像之間的像平面位移量；ΣD表示為該旋轉圓盤單元旋轉一圈，在像平面產生的總位移量；θ_sub表示為該即時不變形光斑影像與其重疊面積最大之該第i個座標光斑影像之間比對所產生的副變化角度；θ_待測表示為即時不變形光斑影像的待測角度。
7. 如申請專利範圍第4項所述之角度精確定位裝置，其中，以所述的慣性光纖陀螺儀作為該角度校正單元，則該主變化角度、該副變化角度與該即時不變形光斑影像的待測角度可分別由下列公式計算而得：(1)θ_i=θ_i’-θ₁’；(2)θ_sub=△d(360°/ΣD)；以及(3)θ_待測=θ_i+((△dx360⁰)/ΣD)；其中，θ_i表示為第i張座標光斑影像的主變化角度，θ_i’表示為慣性光纖陀螺儀所輸出的即時角度，θ₁=θ₁’-θ₁’=0，△d表示為該即時不變形光斑影像與其重疊面積最大之該 第i個座標光斑影像之間的像平面位移量，ΣD表示為旋轉圓盤單元旋轉一圈，在像平面產生的總位移量，θ_待測表示為該即時不變形光斑影像的待測角度。
8. 如申請專利範圍第4項所述之角度精確定位裝置，其中，以所述的Agilent® 5530動態量測儀作為該角度校正單元，則該副變化角度與該即時不變形光斑影像的待測角度可分別由下列公式計算而得：(1)θ_sub=△d(360°/ΣD)；以及(2)θ_待測=θ_i+((△dx360⁰)/ΣD)；其中，θ_i表示為第i張座標光斑影像的主變化角度，△d表示為該即時不變形光斑影像與其重疊面積最大之該第i個座標光斑影像之間的像平面位移量，ΣD表示為旋轉圓盤單元旋轉一圈，在像平面產生的總位移量，θ_sub表示為該即時不變形光斑影像與其重疊面積最大之該第i個座標光斑影像之間比對所產生的副變化角度，θ_待測表示為即時不變形光斑影像的待測角度。
9. 如申請專利範圍第4項所述之角度精確定位裝置，其中，該座標光斑影像內任意兩點光斑之相對光程差變化量必須小於該雷射光之波長的1/5；並且，該座標光斑影像資料庫內任意相鄰兩張座標光斑影像之重疊長度要大於 1/2該座標光斑影像長度；另外，每張座標光斑影像取像長度必須小於或者等於一光斑不變形可移動距離。
10. 如申請專利範圍第5項所述之角度精確定位裝置，其中，該旋轉圓盤單元包含該慣性雷射陀螺儀。
11. 如申請專利範圍第5項所述之角度精確定位裝置，其中，該旋轉圓盤單元包含該慣性光纖陀螺儀。