TWI402721B - 光斑定位方法及光斑定位系統 - Google Patents

Description

光斑定位方法及光斑定位系統

本發明是關於一種二維精密定位裝置及方法，尤指一種利用判定不變形雷射光斑變化之二維精密定位裝置及方法，其可廣泛用於精密機械加工機與定位儀器上。

二維精密定位裝置廣泛使用於精密機械加工機上，目前市面相關產品有CCD自動定位裝置及磁感應定位裝置，二者的定位精度大約在20μm左右。

CCD自動定位裝置，為了攝取大範圍不變形影像供精密圖像比對與定位，常使用telecentric lenses，此種取像架構雖然可以獲得較佳不變形影像供定位參考，但要得到更精密定位精度，比對的影像圖形必須具有足夠的判讀特徵才可達成。要有足夠的影像判讀特徵則需要一定程度以上的取像範圍，這將不利於精密定位，因此目前成熟定位精度約±20μm左右，就日益求精的精密機械加工而言已不敷要求，需要更高的定位精度創造更大的運用範圍。

磁感應定位技術利用霍爾效應(Hall Effect)將磁感測元件掃過週期性磁性定位母板，感應得週期性磁場強度變化之訊號，經解析此訊號變化，算出移動距離。霍爾效應元件與母板之間的相對運動速度會影響此種磁場感應的訊號強度變化，因此在做快速定位運動時，磁感應定位精度無法再提升，有效成熟定位精度也是約為20μm左右。

此外，回顧文獻，其他相關之二維精密定位裝置及方 法，為數亦不少。美國專利第7,042,575號揭露一種光學位移感測器。請見第1圖。該發明藉由將光照射於一表面，並接收來自表面的反射光所形成的光斑，以進一步量測其位移及位置。其主要應用於光學滑鼠。此案對於電腦輸入裝置而言，具有劃時代的意義。然無法對被照物面之座標位置加以精確定位，對於精密定位儀器應用而言，尚難有效應用。

請見第2圖。美國專利第7,110,120號提供一種可以對移動中物體進行量測的光學位移感測器，藉由將光直接照射於一待測物，並將待測物所反射的散射光藉由光柵(grating)分成兩道光束，再經由空間濾波器(spatial filters)使該兩道光束成為相位差90°的兩個信號，以進一步運算處理判斷其位移方向而已，實作上，並未具有二維平面定位的功能。

另，美國專利第7,317,538號揭露一種光學位移感測器，藉由先將光分成三個光束再照射於一待測物，以於待測物表面上形成三個光點，利用都卜勒效應(Doppler effect)經由類比數位轉換及傅立葉轉換等將該三個光點的散射光進行運算處理，以進一步量測其位移速率及方向。請見第3圖。該方法以繁雜的運算來量測待測物的位移速率及方向，故光線照射反應的資料影響後續計算頗巨。相較於一般直接利用待測物面特徵之定位方法，本專利易產生判讀及數理假設性前提所產生的計算誤差。

最後，請見第4圖。美國專利第7,242,466號提出一種指向系統(例如：光學滑鼠)，藉由將光照射於一預先 編碼的表面，並接收來自表面的散射光，以進一步量測其位移及位置。本發明最大的特色是該預先編碼的表面，藉由一些散射部位(scattering features)及非散射部位(non-scattering features)依特定法則排列出數位圖案來定義位置所在，因而接受散射光的指向元件(pointing device)相對於編碼表面的位移及位置可以被得知。然而，該預先編碼的表面不僅製作上不便，精度上亦被局限。

綜上所述，現有二維精密定位裝置及方法存在若干技術及本質上的缺陷。本發明提出利用不變形雷射光斑變化之二維精密定位裝置及方法，除可解決上述問題外，更具有應用面廣及精度高的優點。

本發明之主要目的，在提供一種光斑定位方法，包括下列步驟：a)選定具有獨特紋理的一表面上的一點作為一基準點；b)將該表面區隔成複數個單位區塊，以形成二維區塊陣列，並根據該基準點來設定該單位區塊的位置資料；c)將一高同調性平行光以一入射角θ照射該表面，以產生散射光，並設定相對於該表面之法線的一取樣角φ，以擷取每一個單位區塊於該取樣角φ的散射光所形成的一第一光斑影像；d)將每一個單位區塊所對應的該第一光斑影像及該位置資料，建立成一查閱表；e)擷取一待測點於該取樣角φ的一第二光斑影像；f)辨別該待測點所在的單位區塊；及g)比對該待測點所在單位區塊的第一光斑影像與該第二光斑影像，以取得該待測點與該所在單位區塊 的相對位置，再根據該相對位置與該所在單位區塊的位置資料，取得該待測點相對於該基準點的位置資料。

根據本案構想，該取樣角φ介於0<φ≦θ-10°或θ+10°≦φ<90°的範圍內。

根據本案構想，步驟f包括以下步驟：f1)在相鄰的單位區塊之間穿插一光斑暗區，以形成一週期性的光斑能量變化；及f2)計數該待測點與該基準點之間光斑能量的波峰數量或波谷數量，以取得該待測點所在的單位區塊，其中該光斑暗區可完全穿透、吸收、或反射光線，以致該光斑暗區無法產生散射光並形成該第一光斑影像及該第二光斑影像。

根據本案構想，該光斑暗區於兩相鄰單位區塊的間隔，小於等於該單位區塊的長度及寬度。

根據本案構想，步驟f包括以下步驟：f1)在相鄰的單位區塊之間穿插一光斑能量低於該單位區塊的光斑能量的參考區塊，以形成一週期性的光斑能量變化；及f2)計數該待測點與該基準點之間光斑能量的波峰數量或波谷數量，以取得該待測點所在的單位區塊。

根據本案構想，四個相鄰的單位區塊之間具有一輔助定位區塊，用以輔助判斷該待測點的所在位置，該輔助定位區塊可形成光斑影像。

本發明之另一主要目的，在提供一種光斑定位系統，包括：一底板，該底板具有獨特紋理的一表面；一發光模組，用以發出一高同調性平行光，以一入射角θ照射該表面，來產生散射光；一光斑取像模組，與該表面法線形成 一取樣角φ，用以擷取該高同調性平行光照射該表面所產生散射光的第一光斑影像，及照射一待測點所產生散射光的第二光斑影像；一感測模組，用以儲存該第一光斑影像及第二光斑影像；及一識別定位單元，用以比對該第一光斑影像與該第二光斑影像，以取得該待測點的位置資料。

根據本案構想，該光斑定位系統進一步包括一定位驅動裝置，用以比對該識別定位單元所求得該待測點的位置與該待測點所設定的位置，以移動一待定位物至待測點的位置。

根據本案構想，該取樣角φ介於0<φ≦θ-10°或θ+10°≦ψ<90°的範圍內。

根據本案構想，該發光模組包含一面射型雷射(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)、邊射型雷射(Edge Emission Laser，EEL)、氣體雷射、固體雷射、或可發射窄頻光的發光二極體與濾波器之組合。

根據本案構想，該感測模組包含一電荷耦合元件(Charge-Coupled Device，CCD)感測器或互補式金氧半(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)感測器。

根據本案構想，該光斑取像模組包含：一成像透鏡，將光斑成像於該感測模組；一前級光圈，置於該成像透鏡與底板間，以濾除雜散光；及一後級光圈，相對於前級光圈位於成像透鏡之另一側，以控制光斑的平均尺寸；其中成像透鏡、前級光圈、及後級光圈呈直線排列。

根據本案構想，該光斑取像模組包含一聚光透鏡，位 於該取樣角φ的散射光的光路上，用以將光斑的能量，匯聚到一能量感測器。

根據本案構想，該光斑取像模組包含一半反射鏡，位於成像透鏡與後級光圈之間，用以將光斑的能量，部分反射到該能量感測器。

根據本案構想，該光斑取像模組包含一聚光透鏡，位於反射光的光路上，用以將光斑的能量，匯聚到一能量感測器。

根據本案構想，該光斑的平均大小可藉由控制後級光圈的尺寸及後級光圈到感測模組的距離來取得，其關係為：δ ≒1.22×(λ/D)×L

其中δ 為光斑平均半徑，λ為高同調性平行光波長，D為後級光圈直徑，L為後級光圈與感測模組的距離。

本發明之不變形雷射光斑取像技術，採用非鏡面反射雷射光斑二維取像架構，達到有效降低成像光斑之相對光程差變化量，進而得到不變形之雷射光斑影像。

請見第5圖，本圖用以說明本發明所利用之原理。

當一取像裝置12與一物面14有相對移動d距離時，雷射光斑之最大相對光程差變化量為： 其中δ為光斑平均半徑，d為不變形光斑取像裝置與物面相對之移動距離，2γ為一感測器16至物面14之垂直距離，φ為取 像裝置光軸與物面法線之交角，λ為雷射波長。為了達到光斑不變形，式(1)之相對光程差變化量必須小於五分之一波長，即：

滿足(2)式之光斑取像裝置，在取像範圍小於d之長度下，因為建設性光斑在取像範圍內移動之相對光程差變化量會小於五分之一波長，所以原來建設性光斑，在取像範圍移動，還是保持建設性干涉，因此亮點不會消失，達到不變形光斑取像目的。因為在取像範圍內之雷射光斑特徵亮點，只會移動，不會變形，而且有完美重現性，因此非常適合開發成二維精密定位裝置。

本發明藉由六個實施例說明。

第一實施例

請見第6圖至第9圖。

本發明是利用不變形雷射光斑影像來做二維精密定位之技術。由於雷射光斑是一種干涉影像，它比一般非干涉式灰階影像有更佳解析度，尤其是建設性干涉光斑尺寸，可由取像裝置控制在數微米大小，足以提供光斑影像做精密定位。本發明之具體設備包括如第6圖之非鏡面反射不變形雷射光斑二維精密定位機構20，包括：一定位母板202、一發光模組204、一不變形光斑取像模組206、一二維陣列感測模組208、一光斑識別定位單元210及一伺服定位驅動裝置212等。

定位母板202必須是一個表面具有獨特紋理、剛性夠強、不會形變、不易刮傷、容易維護清潔之作業母板。該定位母板202表面可以散射出豐富光斑資訊。

發光模組204為發射一具高同調性之平行光源至物體表面，該光發射器可為面射型雷射(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)、邊射型雷射(Edge Emission Laser，EEL)、高同調性之氣體雷射、高同調性之固體雷射。此外，發光模組204亦可為發射窄頻光而具有高同調性的發光二極體與濾波器之組合。調整雷射光束以與定位母板202法線夾一入射角θ(以下各實施例相關圖中出現之θ皆為此定義)入射定位母板202表面。入射光均勻照射定位母板202表面，因為定位母板202表面高低起伏之紋理，會將入射光散射到各方向，收集與定位母板202表面法線夾一取樣角φ(以下各實施例相關圖中出現之φ皆為此定義)，0°<φ≦θ-10°或θ+10°≦φ<90°。以本例而言，θ與定位母板202表面法線夾60°，φ與該法線夾50°。但依本發明的精神，φ選擇可為：0°<φ≦50°或70°≦φ<90°。此方向上的散射光產生干涉作用，以非鏡面反射不變形光斑取像模組206擷取此方向上散射光所產生之光斑影像。在此方向擷取光斑影像之最主要目的是要避免取得不含物面特徵點資訊之鏡面反射雷射光。

在鏡面反射角度來取得的光斑影像可以分為二個成份，主要成份來自平面的均勻反射光及反應物面三維特徵變化之散射光，均勻反射光相位一致，但反應物面三維特徵變化之散射光其相位會改變，此二種不同特性的光彼此會互相干涉 形成複雜之干涉圖形，不利圖形相干性之精密識別及重現性。只要擷取反應物面三維特徵變化散射光之干涉圖形，它可清楚、穩定反應物面三維特徵，並且具有極佳之重現性，非常適合使用於精密定位光斑影像之圖形識別。另外，相對於鏡面反射方向之小角度偏移方向，可以擷取較多散射光能量，有利於得到穩定光斑影像及有效提高訊雜比。

參考第7圖，為了純化反應物面三維特徵變化之散射光干涉光斑圖形，必須消除各種可能之光害，例如：雜散光。因此，不變形光斑取像模組206設計包含了：一前級光圈2062，用來濾除雜散光；一成像透鏡2064，用以將不變形光斑成像於二維陣列感測模組208；及一後級光圈2066，配合該前級光圈2062用以限制成像透鏡2064入射視角及控制光斑的平均尺寸。此設計完全濾除大角度雜散光及不必要之散射光，使訊號之背景光害降到最低。

為了得到解析度最佳之光斑圖形，必須使光斑平均尺寸略大於或等於二維陣列感測模組208像素之大小。利用控制後級光圈2066之尺寸以及到二維陣列感測模組208之距離，進而控制光斑平均尺寸。光斑平均半徑大小δ 可寫成： 其中δ 為光斑平均半徑，λ為雷射光波長，D為後級光圈2066直徑，L為後級光圈2066與二維陣列感測模組208之距離。適當匹配以上參數，使雷射光斑平均半徑約略等於或大於二維陣列感測模組208像素大小，可以得到最佳解析之光斑影像。

為了在取像範圍內可以重複得到不變形光斑影像，進而執行精密光斑圖形比對及定位，取像結構必須滿足(2)式規範。則在取像範圍內之建設性特徵光斑亮點間之相對位置及距離皆維持不變，且有極佳之重複性，非常適合使用於精密光斑圖形比對及定位。

為了提高散射光通過成像透鏡2064之穿透效率，成像透鏡2064必須與散射光之光軸垂直。二維陣列感測模組208模組包含一般Charge-Coupled Device(CCD)感測器或Complementary Metal-Oxide-Semiconductor(CMOS)感測器。為了使感測器208上之二維影像大小與物面大小有固定比例，並去除投影效應(當垂直入射平面和平行入射平面的放大率有所不同時，將會造成投影效應，其中前述入射平面為法線和入射光所構成的平面)，要求二維陣列感測模組208的感測面必須與物面平行。利用二維陣列感測模組208記錄雷射光斑影像，並將記錄影像即時傳送到光斑識別定位單元210，該光斑識別定位單元210會將取得之光斑影像資料，與系統存檔資料(意即：查閱表，未圖示)進行比對與定位，確定目前同調光源照射定位母板202之座標。由此座標與目地座標可計算出伺服定位驅動裝置212所需要移動之距離及方位。

請參閱第8圖。該機構20進行二維精密定位方法如下：利用定位母板202上的一點作為一基準點(步驟S201)；將其表面區隔成複數個單位區塊，以形成二維區塊陣列，並根據上述基準點來設定該單位區塊的位置資料(步驟S202)；將發光模組204所發出的高同調性平行光源之雷射光，以入射角θ照射該表面，以產生散射光，並設定相對於定位母板202 法線的一取樣角φ，以擷取每一個單位區塊於該取樣角的散射光所形成的一第一光斑影像(步驟S203)；將上述每一個單位區塊所對應的該第一光斑影像及其相對於基準點的位置資料(以座標資料表示之)，建立成一查閱表，並以二維陣列感測模組208記錄之(步驟S204)；以不變形光斑取像模組206擷取一待測點於該取樣角的一第二光斑影像(步驟S205)；及利用光斑識別定位單元210比對第二光斑影像於上述查閱表內的第一光斑影像，以取得該待測點與該所在單位區塊的相對位置，再根據該查閱表，取得該待測點相對於該基準點的位置資料(座標資料)(步驟S206)。最後，可以伺服定位驅動裝置212進行一待定物欲移動之距離及方位。達到利用光斑進行絕對定位之目的。

第二實施例

在第一實施例中，定位母板202之工作區域內連續取得光斑影像，並做光斑影像拼圖及定位，是一件煩瑣事情，有一個方法，可使定位母板202之光斑取像與比對、定位變得方便、快速。

請見第9圖至第13圖。第9圖與第10圖繪示設計具光斑暗區3024之一定位母板302：將定位母板302表面加工出二維陣列光斑定位區塊3022，二維陣列光斑定位區塊3022之間設計光斑暗區3024。依照本發明的精神，該光斑暗區3024可為如第9圖之連續一整體，亦可為第10圖離散之各間隔區域。所謂光斑暗區就是當雷射光照射此區域，雷射光幾乎全部穿透、全部吸收或是全部形成鏡面反 射，因此在光斑取像角度範圍內，沒有任何散射光進入，二維陣列感測模組量不到光斑訊號，形成光斑暗區。

當雷射光連續掃瞄光斑暗區3024及二維陣列光斑定位區塊3022時，反射光斑能量在光斑暗區3024為零。故，形成一週期性的光斑能量變化。計算某點與一基準點之間光斑能量的波峰數量或波谷數量，就可以取得該點所在的單位區塊位置資料，可減少第一實施例中比對第二光斑影像與查閱表所造成的誤差與耗時。

有了光斑暗區3024之區隔，很容易將二維陣列光斑定位區塊3022之光斑影像，單獨建檔並給予座標編號，計算該待測點距離該基準點具有幾個光斑暗區3024間隔，以利未來光斑影像之比對及定位之執行。

配合具有光斑暗區3024之定位母板302之使用，在非鏡面反射雷射光斑二維取像架構20中增加一半反射鏡314，即成如第11圖所示之自動定位非鏡面反射雷射光斑二維取像架構30(包含一發光模組304、一前級光圈306、一成像透鏡308、一後級光圈310與一二維陣列感測模組312。前述半反射鏡314位於成像透鏡308與後級光圈310之間。)。此架構中，該半反射鏡314可將光斑取像能量，部分反射到一光斑能量感測器316，部分穿透到二維陣列感測模組312，形成光斑影像(請見第12圖)。調整發光模組304投射光照射在定位母板302之面積約略等於二維陣列光斑定位區塊3022大小。

請見第13圖(圖中d表示二相鄰波峰之距離)。同前述，當雷射光在定位母板302做水平或垂直移動時，因為 光斑暗區3024之效應，在光斑能量感測器316會得到明暗變化之訊號。微分此訊號，在斜率為0且訊號曲線開口向下之處，就是二維陣列光斑定位區塊3022正上方位置，在斜率為0且訊號曲線開口向下之處，就是光斑暗區3024中心位置。利用計數此明暗變化之訊號，我們可以得到某測點第一段定位位址。第一段定位效果可將目標位置與第一段定位位置誤差控制小於一個陣列定位週期。完成第一段定位後，將二維陣列感測模組312之即時影像與先前預存的光斑影像比對，進入第二段精密定位程序，決定該點的位置資料(座標資料)。

由於不變形光斑取像裝置的特性，光斑影像只會移動不會變形，因此即使光斑影像與目標光斑影像不是完全吻合重疊有移位錯開的距離，但在重疊取像區域，二者的光斑影像幾乎完全一樣，所以可以比對出小於一個感測位元大小的定位精度，讓這個光斑影像絕對定位技術有非常精密定位精度，因此應用廣泛，如開發絕對定位光斑尺取代光學尺，開發全新二維絕對光斑自動定位裝置取代目前市售相關產品，如CDD自動定位裝置、磁感應自動定位裝置等。

第三實施例

第二實施例中提及到了引用光斑暗區可以減少光斑影像對比時的誤差與耗時，然而，光斑暗區尺寸在對比時所造成的利弊得失並未予以探討。請回顧第9圖。光斑暗區3024於兩相鄰二維陣列光斑定位區塊3022的間隔，等於該二維陣列光斑定位區塊3022對應的長度及寬度。當一待 測點A的第二光斑散色光來源落於光斑暗區3024中(投射光照射在定位母板302之面積約略等於陣列定位區塊3022大小)，則二維陣列感測模組312完全量不到光斑訊號。

為了解決此問題，請見第14圖。利用第9圖中的各元件，但減少了光斑暗區的整體面積。換句話說，該光斑暗區3024於兩相鄰二維陣列光斑定位區塊3022的間隔，小於該二維陣列光斑定位區塊3022對應的長度及寬度(例如長寬為光斑定位區塊的四分之一)。於此情形下，即便該待測點A的第二光斑散射光來源落於光斑暗區3024中，亦會有不少比例落在二維陣列光斑定位區塊3022，以確保二維陣列感測模組312可量測到供定位之光斑訊號。

第四實施例

在第9圖中，二維陣列光斑定位區塊3022之定位母板302上，除了二維陣列光斑定位區塊3022可以反射同調光源外，其餘區域為光斑暗區3024，無法得到光斑影像，在全區域定位時會有取不到可用參考光斑影像之區域，為了維持能量感測器可以測得強弱變化之光斑訊號達到第一階段定位功能，又可全區域執行第二階段光斑影像精密定位功能，修改第9圖之陣列定位區塊架構成第15圖之精密型陣列區塊光斑暗區定位母板402架構。

在本架構中，每相鄰兩個二維陣列光斑定位區塊4022間之光斑暗區4024，用光斑定位條塊4026相連接，光斑定位條塊4026寬度約為1/3的二維陣列光斑定位區塊4022 寬度，因此在光斑定位條塊4026區域之光斑影像能量約為二維陣列光斑定位區塊4022之1/3。當掃描二維陣列光斑定位區塊4022及光斑定位條塊4026時，光斑影像能量會有一週期性的大小變化，如第16圖所示，可滿足第一階段光斑定位需求。而在光斑定位條塊4026區域定位時，光斑定位條塊4026本身可以提供足夠豐富之光斑影像，滿足第二階段精密定位所需之參考光斑影像。計算某點與一基準點之間光斑能量的波峰數量或波谷數量，就可以取得該點所在的單位區塊位置資料。

除了光斑定位條塊4026外，在四個相鄰二維陣列光斑定位區塊4022中心有大面積之光斑暗區4024，使此區域無法得到參考光斑影像。為了解決此區域之精密定位需要，在四個相鄰二維陣列光斑定位區塊4022中心之光斑暗區4024，增加圓形輔助定位區塊4028，用以輔助判斷該待測點的所在位置。該輔助定位區塊可形成光斑影像。圓形輔助定位區塊4028之直徑約為二維陣列光斑定位區塊4022長度之半。此種配置，將可同時滿足第一階段及第二階段之定位需求。使用精密型陣列區塊光斑暗區定位母板之全區域自動定位雷射光斑二維取像架構40如第17圖所示(架構類似第二實施例，具有一發光模組404、一前級光圈406、一成像透鏡408、一後級光圈410、一二維陣列感測模組412、一半反射鏡414與一光斑能量感測器416。其對應之功用亦同，於此不再贅述)，該架構可以在所需之一定位母板402全區域提供第一階段即第二階段之精密光斑影像自動定位功能，定位精度可以小於一個二維影像 器感測位元大小。

第五實施例

除第三實施例所陳述之自動定位雷射光斑二維取像架構40外，修改該架構(請見第18圖)，取消半反射鏡414，在鏡面反射方位，利用一聚光透鏡514將此方向之反射光聚焦射入一能量感測器516，可得第18圖所示之雙角度取像自動定位雷射光斑二維取像架構50。此一實施例，主要將上述第二實施例中的光斑暗區3024(參見第10圖)改成具有部分反射功能的物面(意即其反射率較定位區塊3022來得小)，使得定位母板完全沒有光斑暗區。換句話說，在本實施例中，定位母板的任何一點皆可產生光斑影像。當雷射光在掃描定位母板時，能量感測器516在鏡面反射方位所量得的光斑能量變化將如第16圖所示。當然，維持一半反射鏡(未繪示於第18圖)以將部份散射光射入該能量感測器516，對於能量感測器516進行之判斷作業有所助益，亦不脫離本發明之精神。

第18圖之特點，在於利用雙角度取像架構，在鏡面反射方向之反射光，由能量感測器516量測的訊號變化可滿足第一階段之定位。在非鏡面反射，φ=θ-10°的方向，利用一前級光圈506、一成像透鏡508與一後級光圈510，可即時取得該定位之不變形雷射光斑影像，用來進行第二階段之精密定位。其架構類似第三實施例，具有一定位母板502、一發光模組504、該前級光圈506、該成像透鏡508、該後級光圈510、一二維陣列感測模組512與一光斑能量感測器516。其對應之功用亦同，於此不再贅述。

如同本實施例的取像架構，第三實施例和第四實施例的能量感測器亦可以置放於反射角上，以獲得光斑能量週期性的變化。

第六實施例

除了二維精密定位方式外，也可以將第17圖之全區域精密型自動定位雷射光斑取像架構及第18圖之雙角度取像自動定位雷射光斑取像架構中的光斑精密定位母板做成長條形，如此可執行一維精密定位。除了本實施例之外，上述各實施例的定位母板亦可作成長條形。我們可將此長條形光斑精密定位母板架構稱為光斑尺，它可以執行一維精密光斑定位。由於此種定位方式是絕對定位，與目前市面上光學尺相對定位方式之工作原理大不相同，非常具有競爭力。將二個光斑尺垂直組合可得另一形式之二維精密定位，將三個光斑尺立體垂直組合可得三維精密定位。如此一來，光斑尺之組合應用，可創造更廣大市場。此外，本發明之技術亦可應用於金融等級身份識別器，如三維指紋識別器、無法複製之門禁卡、無法複製之鑰匙及精密二維定位系統如機械手臂定位器等。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

12‧‧‧取像裝置

14‧‧‧物面

16‧‧‧感測器

20‧‧‧非鏡面反射不變形 雷射光斑二維精密 定位機構

202‧‧‧定位母板

204‧‧‧發光模組

206‧‧‧不變形光斑取像模組

2062‧‧‧前級光圈

2064‧‧‧成像透鏡

2066‧‧‧後級光圈

208‧‧‧二維陣列感測模組

210‧‧‧光斑識別定位單元

212‧‧‧伺服定位驅動裝置

30‧‧‧非鏡面反射雷射光斑二維取像架構

302‧‧‧定位母板

3022‧‧‧二維陣列光斑定位區塊

3024‧‧‧光斑暗區

304‧‧‧發光模組

306‧‧‧前級光圈

308‧‧‧成像透鏡

310‧‧‧後級光圈

312‧‧‧二維陣列感測模組

314‧‧‧半反射鏡

316‧‧‧能量感測器

40‧‧‧全區域自動定位雷射光斑二維取像架構

402‧‧‧定位母板

4022‧‧‧二維陣列光斑定位區塊

4024‧‧‧光斑暗區

4026‧‧‧光斑定位條塊

4028‧‧‧輔助定位區塊

404‧‧‧發光模組

406‧‧‧前級光圈

408‧‧‧成像透鏡

410‧‧‧後級光圈

412‧‧‧二維陣列感測模組

414‧‧‧半反射鏡

416‧‧‧能量感測器

50‧‧‧雙角度取像自動定位雷射光斑二維取像架構

502‧‧‧定位母板

504‧‧‧發光模組

506‧‧‧前級光圈

508‧‧‧成像透鏡

510‧‧‧後級光圈

512‧‧‧二維陣列感測模組

514‧‧‧聚光透鏡

516‧‧‧能量感測器

第1圖繪示一種光學位移感測器的先前技術。

第2圖繪示另一種光學位移感測器的先前技術。

第3圖繪示又一種光學位移感測器的先前技術。

第4圖繪示另一種指向系統的先前技術。

第5圖繪示本發明所利用之原理。

第6圖為一非鏡面反射不變形雷射光斑二維精密定位機構示意圖。

第7圖為一非鏡面反射雷射光斑二維取像架構示意圖。

第8圖為一不變形雷射光斑二維精密定位方法流程圖。

第9圖為一陣列區塊光斑暗區定位母板示意圖。

第10圖為另一陣列區塊光斑暗區定位母板示意圖。

第11圖為一自動定位雷射光斑二維取像架構示意圖。

第12圖繪示一二維陣列感測模組所接收之光斑圖形。

第13圖繪示一能量感測器讀取能量隨發光模組位移之變化情形。

第14圖為再另一陣列區塊光斑暗區定位母板示意圖。

第15圖為一精密型陣列區塊光斑暗區定位母板示意圖。

第16圖繪示一能量感測器讀取能量隨發光模組位移之變化情形。

第17圖為一全區域精密型自動定位雷射光斑二維取像架構示意圖。

第18圖為一雙角度取像自動定位雷射光斑二維取像架構示意。

20‧‧‧非鏡面反射不變形雷射光斑二維精密定位機構

202‧‧‧定位母板

204‧‧‧發光模組

206‧‧‧不變形光斑取像模組

208‧‧‧二維陣列感測模組

210‧‧‧光斑識別定位單元

212‧‧‧伺服定位驅動裝置

Claims (15)

1. 一種光斑定位方法，包括下列步驟：a)選定具有獨特紋理的一表面上的一點作為一基準點；b)將該表面區隔成複數個單位區塊，以形成二維區塊陣列，並根據該基準點來設定該單位區塊的位置資料；c)將一高同調性平行光以一入射角θ照射該表面，以產生散射光，並設定相對於該表面之法線的一取樣角φ，以擷取每一個單位區塊於該取樣角φ的散射光所形成的一第一光斑影像；d)將每一個單位區塊所對應的該第一光斑影像及該位置資料，建立成一查閱表；e)擷取一待測點於該取樣角φ的一第二光斑影像；f)辨別該待測點所在的單位區塊；及g)比對該待測點所在單位區塊的第一光斑影像與該第二光斑影像，以取得該待測點與該所在單位區塊的相對位置，再根據該相對位置與該所在單位區塊的位置資料，取得該待測點相對於該基準點的位置資料，其中步驟f包括以下步驟：f1)在相鄰的單位區塊之間穿插一光斑能量低於該單位區塊的光斑能量的參考區塊，以形成一週期性的光斑能量變化；及f2)計數該待測點與該基準點之間光斑能量的波峰數量 或波谷數量，以取得該待測點所在的單位區塊。
2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該取樣角φ介於0<φ≦θ-10°或θ+10°≦φ<90°的範圍內。
3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中步驟f包括以下步驟：f1)在相鄰的單位區塊之間穿插一光斑暗區，以形成一週期性的光斑能量變化；及f2)計數該待測點與該基準點之間光斑能量的波峰數量或波谷數量，以取得該待測點所在的單位區塊，其中該光斑暗區可完全穿透、吸收、或反射光線，以致該光斑暗區無法產生散射光並形成該第一光斑影像及該第二光斑影像。
4. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中該光斑暗區於兩相鄰單位區塊的間隔，小於等於該單位區塊的長度及寬度。
5. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中四個相鄰的單位區塊之間具有一輔助定位區塊，用以輔助判斷該待測點的所在位置，該輔助定位區塊可形成光斑影像。
6. 一種光斑定位系統，包括：一底板，該底板具有獨特紋理的一表面；一發光模組，用以發出一高同調性平行光，以一入射角θ照射該表面，來產生散射光；一光斑取像模組，與該表面法線形成一取樣角φ，用 以擷取該高同調性平行光照射該表面所產生散射光的第一光斑影像，及照射一待測點所產生散射光的第二光斑影像；一感測模組，用以儲存該第一光斑影像及第二光斑影像；及一識別定位單元，用以比對該第一光斑影像與該第二光斑影像，以取得該待測點的位置資料，其中該表面區隔成複數個單位區塊，以形成二維區塊陣列，並在相鄰的單位區塊之間穿插一光斑能量低於該單位區塊的光斑能量的參考區塊，以形成一週期性的光斑能量變化，以便藉由計數該待測點與該表面一基準點之間光斑能量的波峰數量或波谷數量，來取得該待測點所在的單位區塊，進而減少識別所需時間。
7. 如申請專利範圍第6項所述之光斑定位系統，進一步包括一定位驅動裝置，用以比對該識別定位單元所求得該待測點的位置與該待測點所設定的位置，以移動一待定位物至待測點的位置。
8. 如申請專利範圍第6項所述之光斑定位系統，其中該取樣角φ介於0<φ≦θ-10°或θ+10°≦φ<90°的範圍內。
9. 如申請專利範圍第6項所述之光斑定位系統，其中該發光模組包含一面射型雷射(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)、邊射型雷射(Edge Emission Laser，EEL)、氣體雷射、固體雷射、或可發射窄頻光 的發光二極體與濾波器之組合。
10. 如申請專利範圍第6項所述之光斑定位系統，其中該感測模組包含一電荷耦合元件(Charge-Coupled Device，CCD)感測器或互補式金氧半(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)感測器。
11. 如申請專利範圍第6項所述之光斑定位系統，其中該光斑取像模組包含：一成像透鏡，將光斑成像於該感測模組；一前級光圈，置於該成像透鏡與底板間，以濾除雜散光；及一後級光圈，相對於前級光圈位於成像透鏡之另一側，以控制光斑的平均尺寸；其中成像透鏡、前級光圈、及後級光圈呈直線排列。
12. 如申請專利範圍第6項所述之光斑定位系統，其中該光斑取像模組包含一聚光透鏡，位於該取樣角φ的散射光的光路上，用以將光斑的能量，匯聚到一能量感測器。
13. 如申請專利範圍第6項所述之光斑定位系統，其中該光斑取像模組包含一半反射鏡，位於成像透鏡與後級光圈之間，用以將光斑的能量，部分反射到該能量感測器。
14. 如申請專利範圍第6項所述之光斑定位系統，其中該光斑取像模組包含一聚光透鏡，位於反射光的光路上，用以將光斑的能量，匯聚到一能量感測器。
15. 如申請專利範圍第11項所述之光斑定位系統，其中該光斑的平均大小可藉由控制後級光圈的尺寸及後級光圈到感測模組的距離來取得，其關係為： δ ≒1.22×(λ/D)×L其中δ為光斑平均半徑，λ為高同調性平行光波長，D為後級光圈直徑，L為後級光圈與感測模組的距離。