TWI585372B - 光學掃描式導光編碼器 - Google Patents

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Description

光學掃描式導光編碼器
本發明係有關於一種編碼器，尤指一種光學掃描式導光編碼器。
現今電腦的監視器(monitor)利用滑鼠(Mouse)來移動所欲處理資料的位置至監視器上之特定資料位置。一般滑鼠的主要構造包括兩組可輸出序列邏輯信號(例如11,10,00,01)的X軸和Y軸編碼器，透過將滑鼠底面扺住桌面或其他平面向特定方位移動而使監視器所欲處理資料位置作相對的移位。以滑鼠移動監視器上資料位置的原理基本上是利用同時操作X軸和Y軸編碼器而產生一平面上的點的移動。換言之，單獨操作X軸編碼器或是Y軸編碼器只能作線上點之移動。編碼器一般是由發光模組(例如發光二極體)、葉片柵輪以及光感測模組所組成。葉片柵輪具有一類似機械齒輪的結構，操作時，藉由葉片柵輪之轉動，由發光模組發出的光束被葉片柵輪遮蔽或不被遮蔽。其中，經遮蔽的光束不會投射至光感測模組而使光感測模組產生OFF(0)的訊號，另一方面，不被遮蔽的光束則被光感測模組接收，而使感測器產生ON(1)的訊號。上述OFF(0)及ON(1)的訊號被依序產生後，形成一序列信號。舉例而言，當葉片柵輪以順時針方向轉動時，感測器所產生之序列信號為11,10,00,01,11,10,00,01...的連續重複信號，逆時針轉動時，則為01,00,10,11,01,00,10,11,10...的連續重複信號，而此等序列信號被用於電路編碼。
一般而言，葉片柵輪所包含的葉片數愈多、和兩感測器間的距離愈小，則解析度(以CPR表示，Count per Round)愈高。然而，當葉片柵輪的相鄰兩葉片之夾角減小，亦即，葉片數增多時，柵輪外徑將會加大。若不欲加大柵輪的外徑，需要減少葉片的寬度，然而，因光的繞射現象使得葉片寬度之減小有其極限。詳言之，在過多的葉片數量之下，光束通過柵輪的葉片時會產生繞射現象，而光束無法被柵輪的葉片遮蔽，導致無論柵輪順或逆時針轉動時，由兩感測器產生之信號皆為連續重複ON(1)之信號，無法因滑鼠滑動的方向不同而產生不同的序列信號。
如圖1A及1B所示，圖1A為習知技術的導光式編碼器的配置示意圖，而圖1B為習知技術的導光式編碼器的導光式柵輪1的葉片與光感測模組3的局部示意圖。為了克服光繞射之問題，習知技術所使用的技術手段是，利用以多個連續排列的球面作為出光面的導光式柵輪1來使射出的光束經過球面而聚焦。如圖1B所示，光感測模組3包含在設置於相同縱軸上的感光晶片S1、S2，由導光式柵輪1射出的光束被聚焦於光感測模組3的第一裸露感測區域31及/或第二感測區域32。具體而言，習知技術的導光式編碼器的導光式柵輪1在轉動至第一位置(1)、第二位置(2)、第三位置(3)及第四位置(4)時，可分別產生[1,1]、[0,1]、[1,0]及[0,0]的訊號。然而，由圖1B中可看出，習知技術的導光式柵輪1必須利用兩個葉片才能完成前述包含四個訊號的一組編碼序列。
綜上所述，針對上述習知技術的技術手段而言，由於導光式柵輪1內部的光束在經過球面後，其寬度會因聚焦而隨行進距離而減少，因此需要精確控制光感測模組3與導光式柵輪1之間的距離，方能確保光感測模組3可接收來自導光式柵輪1的光束而產生訊號。再者，在習知技術中，光感測模組3的感光晶片S1、S2是沿相同縱軸設置，因此，導光式柵輪1需要兩個葉片才能完成一個編碼時序或序列[1,1]、[1,0]、[0,1]及[0,0]，如此一來，導 光式編碼器的解析度無法明顯提升。
因此，如何在不增加柵輪的尺寸及葉片數量的條件下改良導光式編碼器的解析度，仍是本領域中亟待努力之課題。
為了解決上述技術問題，根據本發明之其中一種方案，提供一種光學掃描式導光編碼器，其包含一導光式柵輪、一發光模組，以及一光感測模組。所述光感測模組包含多個鄰近所述導光式柵輪的感測元件，其中每一個所述感測元件具有一裸露感測區，多個所述感測元件的多個裸露感測區彼此橫向錯位且分別横向沿著多個互相平行的不同水平線延伸設置。
本發明另外一實施例提供一種光學掃描式導光編碼器，其包含一導光式柵輪、一發光模組，以及一光感測模組。所述導光式柵輪包括一導光本體及一齒輪狀結構，其中所述齒輪狀結構具有多個非球面凸出部。所述發光模組鄰近所述導光式柵輪。所述發光模組所產生的入射光束從所述環形入光面進入所述導光式柵輪，以形成投射在所述光感測模組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寬度等於所述出光面的寬度，且所述平行光束或所述近平行光束的光束寬度由所述非球面凸出部的頂點曲面的曲率來調整。
本發明再另外一實施例提供一種光學掃描式導光編碼器，其包含一導光式柵輪、一發光模組以及一光感測模組。所述導光式柵輪包括一導光本體及一齒輪狀結構，其中所述齒輪狀結構具有多個凸出部。所述發光模組鄰近所述導光式柵輪，而所述光感測模組鄰近所述導光式柵輪。其中，所述齒輪狀結構的每一個所述凸出部的寬度等於所述光感測模組的寬度。
本發明的有益效果在於，本發明實施例所提供的光學掃描式導光編碼器通過「每一個所述感測元件具有一裸露感測區，多個所述感測元件的多個裸露感測區彼此橫向錯位且分別横向沿著多個 互相平行的不同水平線延伸設置」的設計，可以令投射在光感測模組上的平行光束或近平行光束與多個感測元件的裸露感測區域相互配合，進而在不增加導光式柵輪的尺寸及葉片數量的條件下提高編碼器的解析能力。再者，經由上述設計，本發明實施例所提供的導光式編碼器可避免光之繞射現象的產生。
為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與附圖，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。
E‧‧‧光學掃描式導光編碼器
1‧‧‧導光式柵輪
101‧‧‧導光本體
102‧‧‧齒輪狀結構
1020‧‧‧非球面凸出部
11‧‧‧環形入光面
12‧‧‧環形反射面
13‧‧‧環形出光面
130‧‧‧非球面
13a‧‧‧反射面
13b‧‧‧出光面
2‧‧‧發光模組
3‧‧‧光感測模組
31’‧‧‧第一感測元件
32’‧‧‧第二感測元件
33’‧‧‧第三感測元件
34’‧‧‧第四感測元件
31,31a~31d‧‧‧第一裸露感測區域
32,32a,32b‧‧‧第二裸露感測區域
33‧‧‧第三裸露感測區域
34‧‧‧第四裸露感測區域
4‧‧‧光柵
41,41a~41d‧‧‧第一開孔
42,42a,42b‧‧‧第二開孔
43‧‧‧第三開孔
44‧‧‧第四開孔
5‧‧‧反射鏡
S1,S2‧‧‧感光晶片
a1‧‧‧第一表面
a2‧‧‧第二表面
a3‧‧‧第三表面
a4‧‧‧第四表面
d‧‧‧投影寬度
A‧‧‧非球面結構
S‧‧‧球面結構
L‧‧‧入射光束
R‧‧‧反射光束
P‧‧‧平行光束或近平行光束
H1,H2,H3,H4‧‧‧水平線
W,W1,W2,W3,W4,D1,D2,D3,D4‧‧‧寬度
X‧‧‧軸心
圖1A為習知技術的導光式編碼器的配置示意圖；圖1B為習知技術的導光式編碼器產生編碼序列的示意圖；圖2為本發明其中一實施例所提供的光學掃描式導光編碼器的配置示意圖；圖3為本發明另一實施例所提供的光學掃描式導光編碼器的配置示意圖；圖4為本發明其中一實施例所提供的光學掃描式導光編碼器的導光式柵輪的立體示意圖；圖5為本發明其中一實施例所提供的光學掃描式導光編碼器的導光式柵輪的上視圖；圖6為本發明其中一實施例所提供的光學掃描式導光編碼器的導光式柵輪沿圖5中VI-VI線的剖面圖；圖7為圖4中A部份的放大圖；圖8為慣用的導光式編碼器的齒狀結構的局部示意圖；圖9為本發明其中一實施例所提供的光學掃描式導光編碼器的齒狀結構的局部示意圖；圖10為圖7所示的結構的局部剖面示意圖；圖11為圖7所示的結構的另一局部剖面示意圖；圖12為本發明第一具體實施例所提供的光學掃描式導光編碼器的 導光式柵輪在轉動至第一位置時，平行光束或近平行光束與光感測模組之間相互關係的局部示意圖；圖13為本發明第一具體實施例所提供的光學掃描式導光編碼器的導光式柵輪在轉動至第二位置時，平行光束或近平行光束與光感測模組之間相互關係的局部示意圖；圖14為本發明第一具體實施例所提供的光學掃描式導光編碼器的導光式柵輪在轉動至第三位置時，平行光束或近平行光束與光感測模組之間相互關係的局部示意圖；圖15為本發明第一具體實施例所提供的光學掃描式導光編碼器的導光式柵輪在轉動至第四位置時，平行光束或近平行光束與光感測模組之間相互關係的局部示意圖；圖16為本發明第二具體實施例所提供的光學掃描式導光編碼器的導光式柵輪在轉動至第一位置時，平行光束或近平行光束與光感測模組之間相互關係的局部示意圖；圖17為本發明第二具體實施例所提供的光學掃描式導光編碼器的導光式柵輪在轉動至第二位置時，平行光束或近平行光束與光感測模組之間相互關係的局部示意圖；圖18為本發明第二具體實施例所提供的光學掃描式導光編碼器的導光式柵輪在轉動至第三位置時，平行光束或近平行光束與光感測模組之間相互關係的局部示意圖；圖19為本發明第二具體實施例所提供的光學掃描式導光編碼器的導光式柵輪在轉動至第四位置時，平行光束或近平行光束與光感測模組之間相互關係的局部示意圖；圖20為本發明第二具體實施例所提供的光學掃描式導光編碼器的光柵及光感測模組接收光束後產生訊號的示意圖；圖21為本發明第三具體實施例所提供的光學掃描式導光編碼器的導光式柵輪在轉動至第一位置時，平行光束或近平行光束與光感測模組之間相互關係的局部示意圖； 圖22為圖21所使用的光感測模組接收光束後產生訊號的示意圖；圖23為本發明第四具體實施例所提供的光學掃描式導光編碼器的導光式柵輪在轉動至第一位置時，平行光束或近平行光束與光感測模組之間相互關係的局部示意圖；且圖24為圖23所使用的光感測模組接收光束後產生訊號的示意圖。
以下是通過特定的具體實例來說明本發明所揭露有關“光學掃描式導光編碼器”的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭示的內容瞭解本發明的優點與功效。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明的精神下進行各種修飾與變更。另外，本發明的圖式僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，先予敘明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所揭示的內容並非用以限制本發明的技術範疇。
首先，請參閱圖2及圖3。圖2為本發明一實施例所提供的光學掃描式導光編碼器E的配置示意圖，圖3為本發明另一實施例所提供的光學掃描式導光編碼器E的配置示意圖。光學掃描式導光編碼器E包含導光式柵輪1、發光模組2，以及光感測模組3。舉例而言，如圖2所示，導光式柵輪1、發光模組2，以及光感測模組3可呈90°角而配置。換言之，相對於導光式柵輪1，發光模組2及光感測模組3彼此可呈90°角而配置。另外，如圖2所示，發光模組2及光感測模組3亦可配置於導光式柵輪1的同一側。舉例而言，發光模組2及光感測模組3可設置於同一承載物上。如圖3所示，本發明實施例所提供的光學掃描式導光編碼器E更包含反射鏡5。反射鏡5設置於導光式柵輪1的一側，用以將來自導光式柵輪1的平行光束或近平行光束P反射而射向光感測模組3。本發明實施例的光學掃描式導光編碼器E可更進一步包含設置於導光式柵輪1及光感測模組3之間的光柵4。光柵4為一選擇性 構件。
接著，請配合參閱圖4至6。圖4為本發明實施例所提供的光學掃描式導光編碼器E的導光式柵輪1的立體示意圖，圖5為本發明實施例所提供的光學掃描式導光編碼器E的導光式柵輪1的上視圖，而圖6為本發明實施例所提供的光學掃描式導光編碼器E的導光式柵輪1沿圖5中VI-VI線的剖面圖。
導光式柵輪1是由導光材料所製成，例如，導光式柵輪1可由玻璃、壓克力或聚碳酸酯(PC)，或是上述材料的任意組合所製成。然而，本發明的導光式柵輪1的材料不在此限制。導光式柵輪1包括導光本體101及一齒輪狀結構102，導光本體101具有環形入光面11及一對應於環形入光面11的環形反射面12。齒輪狀結構102具有由多個依序相連且無圓心而有主軸的非球面130所組成的環形出光面13，且齒輪狀結構102由多個非球面凸出部1020依序連接成一圈所構成。於本發明中，所述非球面凸出部亦可由球面凸出部所取代。具體而言，環形入光面11沿著導光式柵輪1的外緣設置於導光式柵輪1面向發光模組2的表面。環形入光面11可為一凸透鏡結構，用以將由發光模組2所產生的入射光束L聚焦。環形反射面12是用於令由發光模組2所產生並經環形入光面11聚焦的入射光束L發生反射，藉此產生射向環形出光面13的反射光束R。更進一步來說，環形反射面12是相對於導光式柵輪1的軸心X傾斜的斜面，舉例而言，上述傾斜的角度可約為45度。如圖5所示，環形反射面12可藉由在導光式柵輪1的表面形成具有三角形截面的凹槽而形成，且凹槽的深度由導光式柵輪1的中心向外遞減。
接著，請參考圖3的內容，並配合圖7至11所示。圖7為圖4中A部份的放大圖、圖8為慣用的編碼器的齒狀結構的局部示意圖、圖9為本發明其中一實施例所提供的光學掃描式導光編碼器的齒狀結構的局部示意圖、圖10為圖7所示的結構的局部剖面 示意圖，而圖11為圖7所示的結構的另一局部剖面示意圖。
請先參閱圖7，環形出光面13由多個依序相連的非球面130所組成。非球面130是由兩個反射面13a及連接於兩個反射面13a之間的出光面13b所構成。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，例如雙曲面、拋物面或橢圓面的出光面。
接著，請參閱圖8及圖9。如圖8所示，慣用的導光式編碼器通常利用具有球心的球面結構S來構成編碼器中葉片柵輪的出光面，使光線由球面結構S射出並投射在感測器上。然而，由於球面本身具有聚焦的功能，由球面結構S射出的光束會被聚焦，進而使光束在不同位置具有不同的寬度。
與慣用的球面結構不同的是，如圖9所示，非球面結構A並不具有球心而具有主軸。由非球面結構A例如拋物面所射出的光束將為平行光束或接近平行光的近平行光束。本發明實施例即是使用非球面結構A，例如雙曲面或拋物面來構成出光面13b。如此一來，藉由利用非球面130構成環形出光面13，可確保由環形出光面13離開導光式柵輪1的光束具有穩定的寬度W，因此可將此具有穩定的寬度W的平行光束或近平行光束與具有特定寬度及排列方式的光感測元件或光裸露感測區域相互配合，進而達到產生具有較高解析度的編碼信號的功效。具體而言，由於本案離開導光式柵輪1的光束具有穩定的寬度W，藉由控制光感測模組3的光感測元件的裸露感測區域的尺寸及排列方式，以及控制導光式柵輪1非球面130的尺寸，可有效提升光學掃描式導光編碼器E的解析度。稍後將詳細敘述上述有關環形出光面13與光感測模組3中光感測元件的裸露感測區域配合的細節。
請參考圖10所示，每個非球面130可由依序相連的第一表面a1、第二表面a2、第三表面a3及第四表面a4所構成。第一表面a1及第四表面a4為反射面13a，而連接於第一表面a1及第四表面a4 之間的第二表面a2及第三表面a3一同構成出光面13b。於本發明中，由於投射於反射面13a的反射光束R的入射角等於反射角，反射光束R會經由反射射向單層導光式柵輪1的內部。如此一來，出光面13b(第二表面a2及第三表面a3)為環形出光面13中反射光束R得以穿過的部份，反射光束R穿過出光面13b而成為平行光束或近平行光束P。另一方面，若反射光束R射向環形出光面13中反射面13a(第一表面a1或第四表面a4)，反射光束R則無法直接通過導光式柵輪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積。換言之，如圖10所示，第一表面a1、第二表面a2、第三表面a3及第四表面a4可具有相同的投影寬度d。在此情況下，構成出光面13b的第二表面a2及第三表面a3的投影寬度將佔總投影寬度的二分之一。然而，第一表面a1、第二表面a2、第三表面a3及第四表面a4的配置可依據實際需求加以調整。藉由調整出光面13b的曲率，可以調整離開導光式柵輪1的平行光或近平行光P的寬度。換句話說，平行光束或近平行光束P的光束寬度可由非球面凸出部1020的頂點曲面的曲率來調整。
請參考圖11，圖11顯示了反射光束R射向非球面130的一種可能的出光路徑。反射光束R射向反射面13a(對應於圖10所示的第一表面a1)而被反射，接著射向出光面13b(對應於圖10所示的第二表面a2及第三表面a3)，並由出光面13b自非球面130作為平行光束或近平行光束P射出。
藉由上述設計，本發明實施例的反射光束R可通過導光式柵輪1的轉動以被相對應的非球面130的其餘部分(反射面13a)所反射，或是穿過相對應的非球面130的一部分(出光面13b)而成為平行光束或近平行光束P並通過光柵4而投射於光感測模組3，進而產生具有高解析度的電路編碼信號。
接下來，請再次參看圖2及圖3。發光模組2設置在環形入光 面11的下方，用於產生射向環形入光面11的入射光束L。舉例而言，發光模組2可為至少一發光二極體。然而，發光模組2的具體實施態樣不在此限制。
如圖2所示，光感測模組3可設置在環形出光面13的一旁，用於接收通過環形出光面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，如圖3所示，光感測模組3可以設置在導光式柵輪1的環形入光面11的一側，並透過反射鏡5的折射來接收由環形出光面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。
光感測模組3的實施態樣依據是否存在有光柵4而有所變化。舉例而言，在光學掃描式導光編碼器E未包含光柵4時，光感測模組3包含用於接收由非球面130射出的平行光束或近平行光束P的多個感測元件。具體而言，感測模組3的感測元件是具有特定尺寸，並依據特定方式被排列於光感測模組3的表面上，用以配合導光式柵輪1的非球面130而產生訊號。在未有光柵4的實施例中，多個感測元件彼此橫向錯位且分別横向沿著多個互相平行的不同水平線延伸設置。
或是，當光學掃描式導光編碼器E包含光柵4時，光柵4是設置於導光式柵輪1及光感測模組3之間，且包含多個狹縫狀的開孔。此時，光感測模組3是由長條狀的多個感測元件所構成，且狹縫狀開口是用於裸露感測元件的的特定區域，使光感測模組3具有多個裸露感測區域。
值得注意的是，為達到提升光學掃描式導光編碼器E的解析度的技術效果，必須控制前述多個感測元件以及感測元件的裸露感測區域的寬度，使其與導光式柵輪1的非球面凸出部1020的寬度以及其中出光面13b的寬度相互配合。如此一來，本發明實施例的光學掃描式導光編碼器E得以僅利用單一個非球面凸出部1020而使光感測模組3產生一個完整的編碼序列(例如，一次只 透過一個非球面凸出部1020而產生[0,0]、[0,1]、[1,0]及[1,1]的訊號)。上述控制的詳細手段及參數將於下列具體的實施態樣中詳細說明。
在本發明中，光感測模組3所包含的感測元件以及裸露感測區域的數量可依據實務加以調整。舉例而言，如圖12至15所示，光感測模組3包含彼此平行設置的第一感測元件31’及第二感測元件32’，用於接收由非球面130射出的平行光束或近平行光束P。根據接收到平行光束或近平行光束P的狀態，光感測模組3可產生[0,0]、[0,1]、[1,1]及[1,0]的信號。換言之，使用兩個感測元件可產生22個訊號。另外，如圖21及23所示，光感測模組3亦可包含三個或四個感測元件，而上述感測元件各自具有一或多個由光柵4的開孔所裸露的裸露感測區域。
承上述，更進一步來說，當發光模組2所產生的入射光束L從環形入光面11進入導光式柵輪1時，入射光束L會通過環形反射面12的反射以形成反射光束R，其中反射光束R通過導光式柵輪1的轉動以穿過相對應的非球面130的一部分(即出光面13b)以形成平行光束或近平行光束P，或被相對應的非球面130的其餘部分(即反射面13a)所反射。因此，由導光式柵輪1所射出的平行光束或近平行光束P可由光感測模組3來接收，藉此以產生用於電路編碼的序列信號。
現在，將詳細說明利用本發明實施例的光學掃描式導光編碼器E來產生序列信號的運作方式。
[第一具體實施例]
請參考圖12至15所示，圖12至15分別為本發明第一具體實施例所提供的光學掃描式導光編碼器E的導光式柵輪1在轉動至第一、第二、第三及第四位置時，平行光束或近平行光束P與光感測模組3之間相互關係的局部示意圖。
具體而言，如圖12所示，光感測模組3包含長條狀的第一感測元件31’及第二感測元件32’，兩個感測元件具有相同的寬度D1，且其等的兩端各自相互對齊，使得光感測模組3同樣具有寬度D1。光感測模組3與導光式柵輪1之間進一步設置寬度大於D1的光柵4，用於遮蔽第一感測元件31’及第二感測元件32’的特定區域並裸露出其他未被遮蔽的區域。光柵4所包含的第一開孔41及第二開孔42分別裸露出第一感測元件31’的第一裸露感測區域31以及第二感測元件32’的第二裸露感測區域32。在此具體實施例中，第一開孔41及第二開孔42具有1/4 D1的寬度，因此由其等所裸露的第一裸露感測區域31及第二裸露感測區域32同樣具有1/4D1的寬度。第一裸露感測區域31及第二裸露感測區域32彼此橫向錯位，且分別横向沿著互相平行的不同水平線H1及H2延伸設置。
在本發明的實施例中，非球面凸出部1020的寬度與光感測模組3的寬度D1相同，因此，導光式柵輪1的每個非球面130可依序對應至由第一感測元件31’及第二感測元件32’構成的光感測模組3，藉此達到僅通過單個非球面130就可產生一組完整的編碼序列的效果。另外，在第一具體實施例中，由出光面13b射出的平行光束或近平行光束P的寬度W1是大於或等於光感測模組3的寬度D1的二分之一，即W1≧1/2D1。圖11至15是以W1=1/2D1的比例繪製。如此一來，當非球面130的出光面13b隨著導光式柵輪1的轉動而轉到對應至第一光裸露感測區域31及第二光裸露感測區域32的位置時(即，圖14所示的狀態)，平行光束或近平行光束P得以同時投射於第一光感測模組31及第二光感測模組32上。接下來，請依序參考圖12至15，將針對導光式柵輪1在轉動至不同位置時產生訊號的詳細方式進行說明。
首先，如圖12所示，導光式柵輪1位於第一位置。此時，光感測模組3的第一裸露感測區域31及第二光裸露感測區域32分 別對應至導光式柵輪1的其中一個非球面130的第四表面a4及下一個非球面130的第一表面a1。由於第一表面a1與第四表面a4同為反射面13a，射向第一表面a1與第四表面a4的反射光束R被反射面13a反射，而使分別對應至第四表面a4及第一表面a1的第一裸露感測區域31及第二裸露感測區域32未接收光束訊號，進而使光感測模組3產生[0,0]的信號。
接著，參考圖13所示，導光式柵輪1旋轉至第二位置。光感測模組3的第一裸露感測區域31及第二光裸露感測區域32分別對應至導光式柵輪1的其中一個非球面130的第一表面a1及第二表面a2。第一表面a1為反射面13a，因此，射向第一表面a1的反射光束R藉由反射射向導光式柵輪1的內部而無法直接由反射面13a離開導光式光柵1。另一方面，射向第二表面a2的反射光束R則通過非球面130成為平行光束或近平行光束P並射向對應至第二表面a2的第二裸露感測區域32。據此，光感測模組3產生[0,1]的信號。另外，雖然反射光束R亦可通過第三表面a3成為平行光束或近平行光束P並由非球面130射出，第三表面a3並未對應至光感測模組3的任何一個裸露感測區域而被光柵4阻擋，因此，此部份的成為平行光束或近平行光束P不會對光感測模組所產生的訊號造成影響。
接下來，參考圖14所示，導光式柵輪1繼續旋轉至第三位置。光感測模組3的第一裸露感測區域31及第二光裸露感測區域32分別對應至導光式柵輪1的其中一個非球面130的第二表面a2及第三表面a3。反射光束R射向非球面130，並通過由第二表面a2及第三表面a3所構成的出光面13b成為平行光束或近平行光束P而離開導光式柵輪1。離開導光式柵輪1的成為平行光束或近平行光束P同時射向光感測模組3的第一裸露感測區域31及第二光裸露感測區域32，因此，光感測模組3產生[1,1]的信號。
最後，參考圖15所示，導光式柵輪1繼續旋轉至第四位置。 此時，光感測模組3的第一裸露感測區域31及第二光裸露感測區域32分別對應至導光式柵輪1的其中一個非球面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通過第三表面a3成為平行光束或近平行光束P而被第一裸露感測區域31接收。然而，由於第四表面a4為反射面13a，直接射向第四表面a4的反射光束R會由第四表面a4反射，而無法自第四表面a4離開導光式柵輪1。因此，此時對應於第四表面a4的第二裸露感測區域32不會接收到平行光束或近平行光束P。據此，在導光式柵輪1位於第四位置時，光感測模組3產生[1,0]的信號。
如上所述，上述導光式柵輪1可在轉動至每個位置時，通過導光式柵輪1的非球面130中有關反射面13a及出光面13b的設計，更重要的是，配合光感測模組3中第一裸露感測區域31及第二裸露感測區域32，以及非球面130的尺寸設計，可利用單個非球面130產生22=4個感測信號，大幅增加了導光式編碼器E的解析度。
[第二具體實施例]
接著，請參閱圖16至20，圖16至19分別為本發明第二具體實施例所提供的光學掃描式導光編碼器E的導光式柵輪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與光感測模組3之間相互關係的局部示意圖，而圖20為此實施例中光感測模組接3收光束後產生訊號的示意圖。
在圖16至19中，光感測模組3的第一感測元件31’及第二感測元件32’由光柵4的第一開孔41及第二開孔42分別裸露出第一裸露感測區域31及第二裸露感測區域32。第一裸露感測區域31及第二裸露感測區域32被切分成多個編碼區，而平行光束或近平行光束P的寬度W2是小於或等於編碼區的寬度。請參考圖16，第一裸露感測區域31及第二裸露感測區域32分別包含兩個寬度 為1/4D2的編碼區。
換句話說，在第二具體實施例中，由出光面13b射出的平行光束或近平行光束P的寬度W2是小於或等於由第一感測元件31’及第二感測元件32’所構成的光感測模組3的寬度D2的四分之一，即，W2≦1/4D2。圖16至19中是以W2=1/4D2的比例繪製。另外，此實施例中的第一裸露感測區域31及第二裸露感測區域32的寬度為平行光束或近平行光束P的寬度W2的兩倍，即，第一裸露感測區域31及第二裸露感測區域32分別具有1/2D2的寬度。再者，第一裸露感測區域31及第二裸露感測區域32是彼此錯位，即，第一裸露感測區域31及第二裸露感測區域32在不同水平線H1及H2的方向彼此錯位1/4D2的寬度。
首先，如圖16所示，導光式柵輪1位於第一位置(1)。此時，無論是第一光裸露感測區域31或是第二光裸露感測區域32皆未對應到有平行光束或非平行光束P射出的作為出光面13b的第二表面a2及第三表面a3，因此，配合圖20所示，在第一位置(1)時，光感測模組3不會接收到光束訊號，而產生[0,0]的訊號。
接著，參考圖17所示，導光式柵輪1旋轉至第二位置(2)時，第一光裸露感測區域31是對應於導光式柵輪中作為反射面13a的第一表面a1以及前一個非球面130的第四表面a4，因此不會接收到光束訊號。另外，由導光式柵輪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射向光感測模組3，並投射於由第二狹縫42裸露的第二光裸露感測區域32的一部分。因此，配合圖20所示，在導光式柵輪1位於第二位置(2)時，光感測模組3產生[0,1]的訊號。
接下來，參考圖18所示，導光式柵輪1旋轉至第三位置(3)。由導光式柵輪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射向光感測模組3，並投射於由第一狹縫41裸露的第一光裸露感測區域31以及第二狹縫42裸露的第二光裸露感測區 域32的一部分。因此配合圖20所示，在導光式柵輪1位於第三位置(3)時，光感測模組3產生[1,1]的訊號。
最後，參考圖19所示，導光式柵輪1繼續旋轉至第四位置(4)。此時，由導光式柵輪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射向光感測模組3，並投射於由第一狹縫41裸露的第一光裸露感測區域31的一部分。此時，第二光裸露感測區域32是對應於導光式柵輪中作為反射面13a的第四表面a4，以及下一個非球面130的第一表面a1，因此不會接收到光束訊號。因此，配合圖20所示，在導光式柵輪1位於第四位置(4)時，光感測模組3產生[1,0]的訊號。
如上所述，上述導光式柵輪1可在轉動至每個位置時，通過導光式柵輪1的非球面130中有關反射面13a及出光面13b的設計，並配合光感測模組3中第一裸露感測區域31及第二裸露感測區域32，可同時產生22=4個感測信號。具體而言，藉由調整平行光束或近平行光束P的寬度W2為小於或等於由第一感測元件31’及第二感測元件32’所構成的光感測模組3的寬度D2(同時為非球面凸出部1020的寬度)的四分之一(W2≦1/4D1)，可增加導光式編碼器E的解析度。
[第三具體實施例]
接下來，圖21及22進一步例示本發明第三具體實施例所提供的光學掃描式導光編碼器E產生編碼訊號的示意圖。具體而言，圖21為本發明第三具體實施例所提供的光學掃描式導光編碼器E的導光式柵輪1在第一位置(1)時，與平行光束或近平行光束P及光感測模組3之間相互關係的局部示意圖，而圖22為圖21所使用的光感測模組3接收光束後產生訊號的示意圖。
與先前實施例不同的是，在此實施例中，光感測模組3是由第一感測元件31’、第二感測元件32’、第三感測元件33’及第四感 測元件34’所構成，且其等具有相同的寬度D3。透過光柵4的第一開孔41、第二開孔42、第三開孔43及第四開孔44，可分別裸露出相互錯位的第一裸露感測區域31、第二裸露感測區域32、第三裸露感測區域33及第四裸露感測區域34。第一裸露感測區域31、第二裸露感測區域32、第三裸露感測區域33及第四裸露感測區域34被切分成多個編碼區，而平行光束或近平行光束P的寬度W3是小於或等於編碼區的寬度。請參考圖21，上述裸露感測區域分別包含四個寬度為1/8D2的編碼區。
換句話說，於此具體實施例中，第一裸露感測區域31、第二裸露感測區域32、第三裸露感測區域33及第四裸露感測區域34的寬度為1/2D3。另外，第一裸露感測區域31、第二裸露感測區域32、第三裸露感測區域33及第四裸露感測區域34在不同水平線H1、H2、H3及H4的方向彼此錯位1/8D3的寬度。
由非球面130射出的平行光束或近平行光束P的寬度W3是小於或等於光感測模組的寬度D3的八分之一，即，W3≦1/8D3。圖21是以W3=1/8D3的比例繪示。與先前實施例相同的是，非球面凸出部1020的寬度與光感測模組3的寬度D3相同。舉例而言，在圖21所顯示的狀態下，平形光束或近平形光束P投射於光感測模組3並使光感測模組3產生[0,0,0,0]的訊號。在此第三具體實施例中，光感測模組3依據導光式柵輪1的轉動位置而產生的訊號如圖22所示。因此，在此實施例中，光學掃描式導光編碼器E可以產生23=8種信號。
[第四具體實施例]
最後，請參考圖23及圖24。圖23為本發明再另一實施例所提供的光學掃描式導光編碼器E的導光式柵輪在第一轉動角度下，與反射光束及光感測模組之間相互關係的局部示意圖；且圖24為圖23所使用的光感測模組接收光束後產生訊號的示意圖。
參考圖23所示，在此具體實施例中，光學掃描式導光編碼器E的光感測模組3包含平行排列且為長條狀的第一感測元件31’、第二感測元件32’及第三感測元件33’，由上述感測元件所構成的光感測模組3的寬度為D4。光柵4的第一開孔41a~41d裸露第一感測元件31’的特定區域而形成第一裸露感測區域31a~31d、第二開孔42a、42b裸露第二感測元件32’的特定區域而形成第二裸露感測區域32a、32b，且第三開孔43裸露第三感測元件33’的特定區域而形成第三裸露感測區域33。各裸露感測區域的尺寸如圖所示。
具體而言，第一裸露感測區域31a~31d、第二裸露感測區域32a、32b及第三裸露感測區域33被切分成多個編碼區，而平行光束或近平行光束P的寬度W4是小於或等於編碼區的寬度。請參考圖23，第一裸露感測區域31a~31d、第二裸露感測區域32a、32b及第三裸露感測區域33分別包含四個、兩個及一個寬度為1/8D2的編碼區。
在此具體實施例中，平行光束或近平行光束P的寬度W4是小於或等於光感測模組3的寬度D4的八分之一，即，W4≦1/8D4。如同先前的具體實施例，非球面凸出部1020的寬度等於光感測模組3的寬度D4。舉例而言，在圖23所顯示的狀態下，平形光束或近平形光束P投射於光感測模組3並使光感測模組3產生[0,0,0]的訊號。在此第四具體實施例中，光感測模組3依據導光式柵輪1的轉動位置而產生的訊號如圖24所示。在具體實施例中，光學掃描式導光編碼器E可以產生23=8種信號。
〔實施例的可行功效〕
綜上所述，本發明的有益效果可以在於，本發明實施例所提供的光學掃描式導光編碼器E，其通過「每一個感測元件具有一裸露感測區，多個感測元件的多個裸露感測區彼此橫向錯位且分別横向沿著多個互相平行的不同水平線延伸設置」的設計，可以 令投射在光感測模組3上的平行光束或近平行光束P與多個感測元件的裸露感測區域相互配合，進而在不增加導光式柵輪1的尺寸及非球面凸出部1020的數量的條件下改良導光式編碼器E的解析度。另外，本發明實施例所提供的光學掃描式導光編碼器E更可透過調整非球面凸出部1020的頂點曲面的曲率來調整平行光束或近平行光束P的光束寬度，或是將齒輪狀結構102的每一個非球面凸出部1020的寬度設計為等於光感測模組3的寬度，進而有助於達成所欲的解析度。
以上所述僅為本發明的較佳可行實施例，非因此侷限本發明的專利範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的保護範圍內。
1‧‧‧導光式柵輪
101‧‧‧導光本體
102‧‧‧齒輪狀結構
1020‧‧‧非球面凸出部
12‧‧‧環形反射面
13‧‧‧環形出光面
130‧‧‧非球面
X‧‧‧軸心

Claims (14)

  1. 一種光學掃描式導光編碼器，其包含：一導光式柵輪；一發光模組，所述發光模組鄰近所述導光式柵輪；以及一光感測模組，所述光感測模組包含多個鄰近所述導光式柵輪的感測元件，其中每一個所述感測元件具有一裸露感測區，多個所述感測元件的多個裸露感測區彼此橫向錯位且分別横向沿著多個互相平行的不同水平線延伸設置；其中，所述導光式柵輪包括一導光本體及一齒輪狀結構，所述導光本體具有一環形入光面及一對應於所述環形入光面的環形反射面，所述齒輪狀結構具有一由多個依序相連且有主軸的非球面所組成的環形出光面；其中，所述發光模組所產生的一入射光束從所述環形入光面進入所述導光式柵輪，所述入射光束通過所述環形反射面的反射以形成一反射光束，所述反射光束通過所述環形出光面以形成投射在所述光感測模組上的一平行光束或一接近平行光的近平行光束。
  2. 如請求項1所述的光學掃描式導光編碼器，更進一步包含一光柵，所述光柵設置於所述導光式柵輪及所述光感測模組之間，所述光柵包含多個分別用於裸露多個所述裸露感測區的狹縫。
  3. 如請求項1所述的光學掃描式導光編碼器，其中，所述齒輪狀結構由多個非球面凸出部依序連接成一圈所構成。
  4. 如請求項1所述的光學掃描式導光編碼器，其中，所述反射光束通過所述導光式柵輪的轉動以穿過相對應的所述非球面的一部分或被相對應的所述非球面的其餘部分所反射。
  5. 如請求項4所述的光學掃描式導光編碼器，其中，所述導光式柵輪的所述非球面是由兩個反射面及一連接於兩個所述反射面 之間的出光面所構成。
  6. 如請求項5所述的光學掃描式導光編碼器，其中，所述反射光束的一部分通過所述導光式柵輪的轉動以穿過相對應的所述出光面。
  7. 如請求項5所述的光學掃描式導光編碼器，其中，所述反射光束的一部分被所述反射面所反射。
  8. 如請求項5所述的光學掃描式導光編碼器，其中，所述平行光束或所述近平行光束的光束寬度等於所述出光面的寬度。
  9. 如請求項5所述的光學掃描式導光編碼器，其中，所述平行光束或所述近平行光束的光束寬度由所述非球面凸出部的頂點曲面的曲率來調整。
  10. 如請求項9所述的光學掃描式導光編碼器，其中，每一個所述感測元件的所述裸露感測區被切分成多個編碼區，所述平行光束或所述近平行光束的光束寬度會小於或等於所述編碼區的寬度。
  11. 如請求項3所述的光學掃描式導光編碼器，其中，所述齒輪狀結構的每一個所述非球面凸出部的寬度等於所述光感測模組的寬度。
  12. 一種光學掃描式導光編碼器，其包含：一導光式柵輪，所述導光式柵輪包括一導光本體及一齒輪狀結構，其中所述齒輪狀結構具有多個非球面凸出部；一發光模組，所述發光模組鄰近所述導光式柵輪；以及一光感測模組，所述光感測模組鄰近所述導光式柵輪；其中，所述發光模組所產生的入射光束通過所述導光式柵輪，以形成投射在所述光感測模組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寬度等於所述出光面的寬度，且所述平行光束或所述近平行光束的光束寬度 由所述非球面凸出部的頂點曲面的曲率來調整。
  13. 一種光學掃描式導光編碼器，其包含：一導光式柵輪，所述導光式柵輪包括一導光本體及一齒輪狀結構，其中所述齒輪狀結構具有多個凸出部；一發光模組，所述發光模組鄰近所述導光式柵輪；以及一光感測模組，所述光感測模組鄰近所述導光式柵輪；其中，所述齒輪狀結構的每一個所述凸出部的寬度等於所述光感測模組的寬度。
  14. 如請求項13所述的光學掃描式導光編碼器，其中，所述凸出部為非球面凸出部或球面凸出部。
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