TWI659194B

TWI659194B - 定位感測裝置及方法

Info

Publication number: TWI659194B
Application number: TW105134040A
Authority: TW
Inventors: 陳建文; 楊富程; 嚴沛文; 董書屏
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2016-04-27
Filing date: 2016-10-21
Publication date: 2019-05-11
Also published as: TWI623200B; TW201739173A; TW201738533A

Abstract

一種定位感測裝置，包括光源、光柵、以及多個光感測器。光源發出的光經過光柵而產生週期性光場。多個光感測器以週期性間隔排列，用以感測此週期性光場，以產生多個定位感測訊號。

Description

定位感測裝置及方法

本發明是有關於一種定位感測裝置及方法。

光學編碼器(例如：旋轉編碼器、光學尺，本說明書以下將以光學尺通稱光學編碼器)依輸出型式可分為增量型(incremental)輸出以及絕對型(absolute)輸出。絕對輸出型光學尺具有可以直接讀出位移座標的絕對值、沒有累積誤差等優點，但其最小單位能以增量光柵為基礎，增量訊號輸出為正交訊號(例如sin及cos)的輸出，使得接收端得以進行高倍細分割(interpolation)計算，獲得高於絕對輸出型光學尺可提供的位移解析資訊。因此，如何設計增量輸出型光學尺，乃目前業界致力的課題之一。

本發明是有關於定位感測裝置及方法。

根據本發明之一實施範例，提出一種定位感測裝置。定位感測裝置包括光源、光柵、以及多個光感測器。光源發出的光經過該光柵而產生週期性光場。多個光感測器以週期性間隔排列，用以感測此週期性光場，以產生多個定位感測訊號。

根據本發明之另一實施範例，提出一種定位感測方法，包括下列步驟。藉由光源發出的光經過光柵．產生週期性光場。以及藉由多個光感測器感測週期性光場，以產生多個定位感測訊號，多個光感測器以週期性間隔排列。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉多個實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

1a、1b、1c、1d、1e、1f‧‧‧定位感測裝置

102a、102b、102c、102d、102e、102f‧‧‧光源

103c、103d‧‧‧準直鏡

104a、104b、104c、104d、104e、104f‧‧‧光柵

105e、105f‧‧‧成像裝置

106、106a_1、106a_2、106a_3、106a_N、106b_1、106b_2、106b_3、106b_N、106c_1、106c_2、106c_3、106c_N、106d_1、106d_2、106d_3、106d_N、106e_1、106e_2、106e_3、106e_N、106f_1、106f_2、106f_3、106f_N、106_1、106_2、106_3、106_4、106_5、106_6、106_7、106_8、106_9、106_10、106_11、106_12、106x_1、106x_2、106x_3、106x_4、106x_5、106y_1、106y_2、106y_3、106y_4、106z_1、106z_2、106z_3、106z_4、106_A、106_B、106_C、106_D、106s_1、106s_2、106s_3、106s_4‧‧‧光感測器

A、B、A’、B’‧‧‧定位感測訊號

A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2、A3、B3‧‧‧次取樣光感測器

IM‧‧‧等效混疊影像

LF‧‧‧週期性光場

P_s‧‧‧感測週期

P_g‧‧‧光柵的週期

S200‧‧‧藉由光源發出的光經過光柵，產生週期性光場

S202‧‧‧藉由多個週期性間隔排列的光感測器感測週期性光場，以產生多個定位感測訊號

第1A圖繪示依照本發明一實施例穿透式架構的定位感測裝置示意圖。

第1B圖繪示依照本發明一實施例反射式架構的定位感測裝置示意圖。

第2A圖繪示依照本發明一實施例穿透式架構的定位感測裝置示意圖。

第2B圖繪示依照本發明一實施例反射式架構的定位感測裝置示意圖。

第3A圖繪示依照本發明一實施例穿透式架構的定位感測裝置示意圖。

第3B圖繪示依照本發明一實施例反射式架構的定位感測裝置示意圖。

第4圖繪示依照本發明一實施例以光感測器取樣週期性光場的示意圖。

第5圖繪示依照本發明一實施例多個光感測器的示意圖。

第6圖繪示依照本發明一實施例光感測器排列、光柵影像、以及光感測器等效輸出的示意圖。

第7圖繪示依照本發明一實施例各個光感測器輸出與位移量的關係示意圖。

第8圖繪示依照本發明一實施例高頻光柵影像的示意圖。

第9圖繪示依照本發明一實施例對應於高頻光柵影像，光感測器等效輸出的示意圖。

第10圖繪示依照本發明一實施例斜置光感測器的示意圖。

第11A圖繪示依照本發明一實施例光感測器的示意圖。

第11B圖繪示依照本發明一實施例光感測器的示意圖。

第12圖繪示依照本發明一實施例光感測器有效反應區域的示意圖。

第13圖繪示依照本發明一實施例的定位感測方法流程圖。

第14A圖繪示依照本發明一實施例光感測器的示意圖。

第14B圖繪示依照本發明一實施例光感測器的示意圖。

第14C圖繪示依照本發明一實施例光感測器包括多個次取樣光感測器的示意圖。

疊紋圖案(Moiré pattern)是常見的光學尺量測方法，將兩個不等週期的光柵在光的行經路徑上重疊，並藉由測定幾個特定位置的疊紋光強度，經由數學運算可以推導出兩光柵之相對位置。疊紋光學尺的Moiré訊號週期較長，一般大於光柵週期的10倍，缺陷的尺度最多的為1~5週期大小，相對於疊紋或感測器尺寸來的微小，微小的缺陷干擾(如外界微粒、刮傷、針孔、讀頭與尺身間隙/角度，及玻璃表面平整度、組裝誤差、環境污染)可能有單一感測器的干擾，造成受干擾的感測器出現直流偏壓或振幅的漂移，無法形成很好的共模(common mode)雜訊抑制，降低光學尺對環境的干擾免疫能力，造成定位不穩定的現象。而如欲藉由增加兩個不等週期光柵的週期差，以降低疊紋光學尺的Moiré訊號週期，則疊紋可能開始出現週期不明顯的情形，即疊紋的空間頻率成份混雜有兩個不等週期光柵的空間頻率，有低頻混合高頻的現象，不易進行訊號判讀。

本發明提出一種定位感測裝置，在於設計出較短疊紋週期(例如，3倍光柵週期)的訊號結構。本發明利用多個在空間中間隔排列的感測器，相當於形成疊紋計算的光柵幾何尺寸之一。平行光源光場經過週期光柵形成週期性光場的分佈，光柵的光場經感測器空間強度積分輸出後，可以得到與疊紋計算相同的訊號輸出。如此，可以壓低等效的疊紋週期，來增加感測器輸出訊號對外在干擾的共模程度，提高抗外界雜訊干擾。同時，也因為感測器與原光柵之週期差拉大了，藉此來提高對光柵尺身與讀頭對位的容忍度。以下詳細說明實施方式。

第1A圖繪示依照本發明一實施例穿透式架構的定位感測裝置1a的示意圖。定位感測裝置1a包括光源102a、光柵104a、以及多個光感測器106a_1~106a_N。在此實施例中，光源102a例如是平行光源，可發出具有單一波長的平行光，光源102a發出的光經過光柵104a而產生週期性光場LFa(週期性光場LFa的影像未繪示於圖中)。多個光感測器106a_1~106a_N以週期性間隔排列，例如多個光感測器106a_1~106a_N之間可具有固定間距，用以感測此週期性光場LFa，以產生多個定位感測訊號。舉例而言，多個定位感測訊號可以是正交的訊號，但不限於此，根據多個定位感測訊號的振幅及相位關係，可以計算得到增量位移的輸出。

第1A圖所繪示的為穿透式架構，光柵104a是穿透式光柵，光源102a以及多個光感測器106a_1~106a_N係設置於光柵104a的相異兩側。本發明並不限於此，亦可使用反射式架構，如第1B圖所示，其繪示依照本發明一實施例反射式架構的定位感測裝置1b的示意圖。定位感測裝置1b包括光源102b、光柵104b、以及多個光感測器106b_1~106b_N，其中光柵104b是反射式光柵，或是光柵104b包括反射鏡以反射光源102b所發出的光。在此實施例中，光源102b發出的光經過光柵104b反射後而產生週期性光場LFb，多個光感測器106b_1~106b_N感測此週期性光場LFb，以產生多個定位感測訊號。

在其他實施例中，亦可以使用點光源。第2A圖繪示依照本發明一實施例穿透式架構的定位感測裝置1c的示意圖。定位感測裝置1c包括光源102c、準直鏡103c、光柵104c、以及多個光感測器106c_1~106c_N。光源102c可以是發光二極體(Light Emitting Diode,LED)單波長光源，提供小發散角光源，準直鏡103c設置於光源102c與光柵104c之間，可用以產生平行光線。光源120c發出的光通過準直鏡103c以及光柵104c而產生週期性光場LFc，多個光感測器106c_1~106c_N感測此週期性光場LFc產生多個定位感測訊號。

類似地，在一實施例中亦可以採用反射式架構，如第2B圖所示，其繪示依照本發明一實施例反射式架構的定位感測裝置1d的示意圖。定位感測裝置1d包括光源102d、準直鏡103d、光柵104d、以及多個光感測器106d_1~106d_N。其中光柵104d是反射式光柵，光源120d發出的光通過準直鏡103d，經由光柵104d反射後而產生週期性光場LFd，多個光感測器106d_1~106d_N感測此週期性光場LFd產生多個定位感測訊號。

在前述第1A、1B、2A、2B圖的實施例中，可以適當安排光柵104與光感測器106之間的距離，以使得光柵104所產生的光場分佈能夠重建於光感測器106的位置。以穿透式架構為例，光感測器106可以設置於靠近光柵104的位置，使得光感測器106可以感測到光柵104所產生週期性光場LF的近場分佈。另一方面，對於反射式架構而言，由於光感測器106距離光柵104較遠，光柵104所產生週期性光場LF的遠場分佈會隨著距離而改變，此時為了讓光柵104的光場可以重建，可以安排光感測器 106與光柵104之間的距離為相關於Talbot距離Z_T，其中， λ為光源102發出的光波長，P_g是光柵的週期。舉例而言，光柵104的週期P_g是20μm，光源102發出的光波長是650nm，則Talbot距離Z_T大約為1200μm。

在與光柵104的距離為時，其中n為自然數，可以重建原始光柵的圖案，但空間相位偏移180度；而當與光柵104的距離為nZ _T時，可以得到原始光柵的光場影像；當與光柵104的距離為時，則會呈現倍頻的光柵影像。且Talbot 效應具有均化瑕疵的功能，亦即對非週期訊號中的非週期影像，會隨著距離拉遠逐漸弱化。

在穿透式架構以及反射式架構，皆可藉由設置光柵104與光感測器106之間的距離相關於Talbot距離，以重建光場分佈，使得光感測器106能夠成功感測週期性光場LF。在另一實施例中，則可藉由成像裝置，以使得經由光柵104所產生的光柵影像，成像在光感測器106的位置。

第3A圖繪示依照本發明一實施例穿透式架構的定位感測裝置1e的示意圖。定位感測裝置1e包括光源102e(此例中使用平行光源，亦可置換為點光源與準直鏡的組合)、光柵104e、成像裝置105e、以及多個光感測器106e_1~106e_N。成像裝置105e設置於光柵104e與多個光感測器106e_1~106e_N之間，成像裝置105e包括透鏡，光源102e發出的光經過光柵104e以及成像裝置105e，於多個光感測器106e_1~106e_N的位置形成週期性光場LFe。

第3B圖繪示依照本發明一實施例反射式架構的定位感測裝置1f的示意圖。定位感測裝置1f包括光源102f(此例中使用平行光源，亦可置換為點光源與準直鏡的組合)、光柵104f、成像裝置105f、以及多個光感測器106f_1~106f_N。光柵104f是反射式光柵，成像裝置105f設置於光柵104f與多個光感測器106f_1~106f_N之間，成像裝置105f包括透鏡，光源102f發出的光經過光柵104f反射後，經過成像裝置105f，於多個光感測器106f_1~106f_N的位置形成週期性光場LFf。

於第3A圖以及第3B圖的實施例中，藉由使用成像裝置105，可使得光柵104所產生的光場分佈可以清楚成像在光感測器106的位置，以利於光感測器106感測週期性光場LF取得定位資料。成像裝置105可以有多種實作方式，例如包括透鏡組、光纖鏡頭、中繼透鏡、微透鏡等等，藉由選擇適當的透鏡及焦距，以使得光柵影像能夠清楚成像於光感測器106的位置。

第1A圖~第3B圖繪示了本發明定位感測裝置的多種可能實施方式，其中包括穿透式架構以及反射式架構。以下更進一步說明關於多個光感測器106_1~106_N感測週期性光場LF，並產生多個定位感測訊號。以下說明可應用至第1A圖~第3B圖的全部實施例，因此將使用元件編號106_1~106_N以較簡潔的表示這些實施例當中的光感測器，並使用元件編號LF表示這些實施例當中的週期性光場。

多個光感測器106_1~106_N是週期性間隔排列，週期性間隔排列的間距為一感測週期P_s，感測週期P_s例如代表：光感測器106_1的感測中心點位置與光感測器106_2的感測中心點位置距離為P_s，光感測器106_2的感測中心點位置與光感測器106_3的感測中心點位置距離為P_s，其餘以此類推。而光柵104的週期為P_g，在光感測器106_1~106_N的位置所產生的週期性光場LF的週期例如為P_g。因此，多個光感測器106_1~106_N是以空間上的感測週期P_s，取樣具有空間週期P_g的週期性光場LF。

感測週期P_s不等於光柵的週期P_g，因此多個光感測器106_1~106_N能夠獲得週期性光場LF中不同相位的資訊，藉由如此的空間取樣手段，相當於光感測器106架構對週期性光場LF產生摺積(convolution)積分效果，而能夠直接讀取光柵104所產生的光場。亦即，在空間中沒有光線混疊的現象，也沒有形成疊紋圖形，而是在光感測器106內部產生等效混疊效果。

第4圖繪示依照本發明一實施例以光感測器取樣週期性光場的示意圖。在此圖中，將週期性光場LF的直紋圖形以正弦波圖示表示，以清楚表現其週期特性，週期性光場LF的週期為P_g。光感測器106排列的空間週期為感測週期P_s，光感測器106取樣的位置如第4圖中箭頭所示之處。於此例中，在3個結構光週期之間安置4顆光感測器，達到空間取樣的效果。

可以依據以下的關係式，根據光柵104的週期P_g而設定感測週期P_s：。其中P_A代表於光感測器106 內部形成的等效疊紋週期()，n_A代表光感測器106輸出的定位感測訊號數量，n_A是正整數。舉例而言，光柵104的週期P_g是20μm，若希望光感測器106輸出4個定位感測訊號(n_A=4)，亦即，希望產生相位差為90°()的4個定位感測訊號，則，因此感測週期，感測週期P_s 可選擇設置為15μm或25μm。若將感測週期P_s設置為15μm，則得到的等效疊紋週期P_A是60μm，若選擇將感測週期P_s設置為25μm，則得到的等效疊紋週期P_A是100μm。

上述例子中的等效疊紋週期P_A僅是光柵週期P_g的3倍，相較於使用兩個不等週期光柵而產生的疊紋週期，通常疊紋週期大於光柵週期的10倍，本發明的定位感測裝置能夠有效的降低疊紋週期，可以減少外界雜訊的干擾。

在另一例中，光柵104的週期P_g同樣為20μm，可設置感測週期P_s為26.667μm，則得到的等效疊紋週期P_A是80μm，光感測器106輸出3個定位感測訊號(n_A=3)，這3個定位感測訊號的相位差為，可分別對應輸出0度、120度、240度的相位訊號。依據上述的關係式可計算其他可能的組合，依照設計需求設置所需的感測週期P_s。

第5圖繪示依照本發明一實施例多個光感測器的示意圖。延續第4圖繪示的例子，在3個結構光週期中安置4顆光感測器進行空間取樣(n_A=4)，可產生相位差為90度的4個定位感測訊號，分別對應0度、90度、180度、270度的相位訊號。如第5圖所示，光感測器106_1、106_2、106_3、106_4、106_5、106_6、106_7、106_8分別對應0度、90度、180度、270度、0度、90度、180度、270度的相位訊號。對應到相同相位訊息的光感測器，例如光感測器106_2、106_6、106_10皆是對應到相位90度，可將這些光感測器106_2、106_6、106_10產生的訊號耦接在一起後經運算輸出，以產生相位90度的定位感測訊號B。在第5圖中雖是繪示將這3個信號線直接連接在一起，然而此僅為簡化例示性的示意圖，實作中可將這3個信號線經過適當運算後產生最終輸出的定位感測訊號B。同理，其他相位的定位感測訊號亦能以相似的方式產生，因此此例中光感測器106可輸出共4個定位感測訊號A、B、A’、B’，這4個定位感測訊號可以分別對應0度、90度、180度、270度的相位訊號，例如分別是sin、cos、-sin、-cos函數。

第6圖繪示依照本發明一實施例光感測器排列、光柵影像、以及光感測器等效輸出的示意圖。第6圖上方第一排所示為光感測器106的排列方式，其中斜線網底的方塊代表有設置光感測器，黑色區域代表沒有設置光感測器，光感測器106間隔排列的感測週期為P_s。第6圖中間一排是光柵104產生的週期性光場LF的影像示意圖，其中白色部分代表亮紋，黑色部份代表暗紋，亮紋與暗紋之間有灰色的過渡區域，光柵104的週期為P_g，與感測週期P_s不相等。第6圖最下方一排代表在光感測器106內部產生的等效混疊影像IM的示意圖，實際上於空間中並沒有光線混疊，亦即空間中並沒有疊紋影像產生，此處的等效混疊影像IM代表光感測器106內部對週期性光場LF的摺積積分效果。由圖中可以看出，在有設置光感測器106的位置，可以感測到亮紋處的光場，因此等效混疊影像IM對應的位置會有亮紋存在，其中等效混疊影像IM的等效疊紋週期。

第7圖繪示依照本發明一實施例各個光感測器輸出與位移量的關係示意圖。延續第5圖的實施例，光感測器106可輸出定位感測訊號A、B、A’、B’，隨著光柵104相對光感測器106的位移變化，會產生不同的等效混疊影像IM，所輸出的定位感測訊號A、B、A’、B’隨著光柵104位移量的變化如第7圖所示。橫軸為光柵104的相對移動量(單位：1/30μm)，縱軸為光感測器106輸出的信號強度，4種不同線條分別繪示定位感測訊號A、B、A’、B’，這4個定位感測訊號之間具有90度的相位差，為近似於弦波的正交訊號。

第8圖繪示依照本發明一實施例高頻光柵影像的示意圖。在此實施例中，光柵104所產生的週期性光場LF具有較高頻的頻率成份，亦即週期性光場LF的影像邊緣銳利度較高，與第6圖相較，第8圖的週期性光場LF在亮紋與暗紋之間有較少的灰色過渡區域。根據第8圖範例中所示的週期性光場LF，光感測器106所輸出的定位感測訊號如第9圖所示，其繪示依照本發明一實施例對應於高頻光柵影像，光感測器等效輸出的示意圖。如第9圖所示，光感測器106輸出的定位感測訊號因訊號振幅過大而產生輸出平頭的現象。如此的定位感測訊號由於失去了部分的相位資訊，在進行解碼時可能無法正確獲得位移量資訊，導致定位的準確度下降。

為解決上述的問題，可將光感測器對於光感測的靈敏度設計為非均勻(non-uniform)分布。一種實作方式例如為，在各個光感測器靠近中心點的位置，對於光感測的靈敏度較高，而在各個光感測器靠近兩側邊緣的位置，對於光感測的靈敏度較低。如此可以有效解決訊號飽和的問題，使得光感測器輸出的定位感測訊號接近為正交的弦波信號。

對於非均勻分布靈敏度的光感測器有多種可能實作方式，以下說明幾種例子。第10圖繪示依照本發明一實施例斜置光感測器的示意圖，在此例中，光感測器106x_1~106x_5是相對斜置於週期性光場LF的直紋方向排列。例如光感測器106x_1靠近中心點的位置，靈敏度較高，光感測器106x_1靠近邊緣的位置，靈敏度較低。另外，第11A圖繪示依照本發明一實施例光感測器的示意圖，在此例中，光感測器106y_1~106y_4可以分別是由多個光感測器的區塊組合而成。第11B圖繪示依照本發明一實施例光感測器的示意圖，在此例中，光感測器160z_1~160z_1可以採用菱形的光感測器。如第10圖、第11A圖、以及第11B圖所示的這些實施例中，藉由調整光感測器的外型或擺設方向，可以使得光感測器表面對於光感測的靈敏度為非均勻分布。

光感測器可具有一開口比(duty ratio)，決定光感測器的有效反應區域大小。第12圖繪示依照本發明一實施例光感測器有效反應區域的示意圖，此圖中以感測週期P_s=15μm為例，圖中所示的斜線網底部份代表光感測器的有效反應區域。光感測器對於光場的分佈積分，於此實施例中，可以對於積分的對比度做開口比的優化設計。以弦波光場為例，光感測器對週期性光場 LF(具有週期P_g)的積分結果可以表示為：，其中κ為開口比。為了得到最好的積分對比度，找出可使得{P(x)|_max-P(x)|_min}值為最大的開口比κ，經計算可得到最佳對比度的開口比。例如，對於感測週期P_s=15μm的光感測器，有 10μm的有效反應區域。

對於光感測器106的硬體實作，可以有多種方式，例如包括光電二極體、光敏電阻、感光板、感光耦合元件(Charge Coupled Device,CCD)等等。以CCD為例，CCD積體電路上包括多個排列整齊的電容，能感應光線將光訊號轉換為數位訊號。由於CCD本身即具有週期性間隔排列的特性，因此可適用於本發明實施例的光感測器。CCD的單位像素大小例如是3.75μm*3.75μm。如前述第4圖的實施例中，感測週期P_s可設置為15μm，亦即可使用4個CCD的單位像素作為1個光感測器(3.75μm*4=15μm)，將這4個單位像素的輸出訊號經適當處理可作為1個光感測器的輸出訊號，如此即可完成以CCD實作的光感測器。

本發明並提出一種定位感測方法，第13圖繪示依照本發明一實施例的定位感測方法流程圖，包括下列步驟。步驟S200：藉由光源發出的光經過光柵，產生週期性光場。以及步驟 S202：藉由多個週期性間隔排列的光感測器感測週期性光場，以產生多個定位感測訊號。其相關的說明可見前述實施例，於此不再重複贅述。

對於光柵104的週期P_g=20μm，可以將感測週期P_s設置為15μm或25μm，前述例示性說明了感測週期P_s=15μm的範例。以下更提出另一實施例，係將感測週期P_s設置為25μm，得到的等效疊紋週期P_A是100μm，此例中即為在5個結構光週期中安置4顆光感測器進行空間取樣。如前所述，光感測器具有一開口比(duty ratio)，在此實施例中，當開口比為100%時，如第14A圖所示，並無法輸出四個正交訊號。請參考第14A圖，其中光感測器106_A與光感測器106_B的光場積分輸出結果相同，光感測器106_C與光感測器106_D的光場積分輸出結果相同，因此如此的設置下僅能得到兩種相位輸出的感測訊號。

而如第14B圖所示，當設置開口比，則可以成功輸出四個正交訊號，4個定位感測訊號可以分別對應0度、90度、180度、270度的相位訊號。而與第12圖的實施例相較，使用等效疊紋週期P_A為100μm時，利用率偏低(開口比較低)，提高了所需的硬體成本。因此，在一實施例中，更提出各光感測器可以包括第一次取樣光感測器以及第二次取樣光感測器，其中第一次取樣光感測器用以產生多個定位感測訊號的其中之一者，第二次取樣光感測器用以產生多個定位感測訊號的其中之另一者。藉由在一個光感測器設置多個次取樣光感測器，且同一個光感測器內的多個次取樣光感測器用以產生不同的定位感測訊號，如此可以提高空間使用率，亦即可以使用較高的開口比，並能夠成功輸出四個正交訊號。以下使用第14C圖作為範例說明。

第14C圖繪示依照本發明一實施例光感測器包括多個次取樣光感測器的示意圖。在此實施例中，在等效疊紋週期P_A=100μm內，光感測器包括接續的第一光感測器106s_1、第二光感測器106s_2、第三光感測器106s_3、以及第四光感測器106s_4。其中第一光感測器106s_1包括第一次取樣光感測器A1以及第二次取樣光感測器B1，第三光感測器106s_3包括第三次取樣光感測器B2以及第四次取樣光感測器A2。如第14C圖所示，第一次取樣光感測器A1以及第四次取樣光感測器A2所得到的光場積分結果相同，可用以產生多個定位感測訊號的其中之一者，而第二次取樣光感測器B2以及第三次取樣光感測器B2所得到的光場積分結果相同，可用以產生多個定位感測訊號的其中之另一者。

類似地，在第二光感測器106s_2以及第四光感測器106s_4當中，次取樣光感測器C1與次取樣光感測感C2可用以產生多個定位感測訊號的其中之一者，而次取樣光感測器D1與次取樣光感測感D2可用以產生多個定位感測訊號的其中之另一者。請同時參考第5圖，如第14C圖所示的例子，次取樣光感測器A1以及次取樣光感測器A2可連接用以產生定位感測訊號A，次取樣光感測器B1以及次取樣光感測器B2可連接用以產生定位感測訊號A’，次取樣光感測器C1以及次取樣光感測器C2可連接用以產生定位感測訊號B，次取樣光感測器D1以及次取樣光感測器D2可連接用以產生定位感測訊號B’。

第14C圖所繪示的次取樣光感測器A1以及次取樣光感測器B1緊密貼合為示意圖，於實作中感測器邊緣可能存在寬度不等於零的絕緣層。而使用如第14C圖所示的實施例，在不考慮感測器絕緣層寬度的影響下，光感測器的開口比為(如考慮感測器絕緣層寬度，開口比約為72%)，藉由非等距次取樣技術(一個光感測器包括多個次取樣光感測器，次取樣光感測器A1到A2的距離，不等於次取樣光感測器B1到B2的距離)，使得可以在光感測器具有較高開口比的情況下，亦能達成輸出四個正交訊號。

根據本發明提出的定位感測裝置以及定位感測方法，僅需設置一個光柵，即可以計算出光柵與光感測器之間的相對位移量。亦即，藉由週期性間隔排列的光感測器，可以直接讀取光柵所產生的週期性光場，不需設置副光柵，能夠得到等效的疊紋計算訊號輸出。由於僅需單一光柵，定位感測裝置的結構簡單，且可以減少因光學元件的組裝誤差而產生的問題。

此外，使用本發明提出的定位感測裝置以及定位感測方法，可以壓低等效的疊紋週期。降低了等效疊紋週期，即可以減少外界雜訊的干擾。這是因為當疊紋週期變小，等效而言缺陷尺寸就相對變大，一個缺陷同時對於多個光感測器的輸出訊號造成影響，例如同時對於定位感測訊號A、B、A’、B’造成影響，形成共模雜訊。在定位感測裝置後端解碼時，可利用差分運算，例如將A訊號與A’訊號相減，即可以去除此雜訊成份。因此，本發明的定位感測裝置及方法，能夠增加對外在干擾的共模程度，提高抗外界雜訊干擾的能力。此外，也因為光感測器與光柵的週期差拉大，對於光柵尺身與讀頭相對運動的誤差，可以有更高的誤差容忍度。

綜上所述，雖然本發明已以多個實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明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，當可作各種之更動與潤飾。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。

Claims

一種定位感測裝置，包括：一光源；一光柵，該光源發出的光經過該光柵而產生一週期性光場；以及複數個光感測器，該些光感測器以週期性間隔排列，用以感測該週期性光場，以產生複數個定位感測訊號；其中該些光感測器週期性間隔排列的間距為一感測週期P_s，該感測週期P_s與該光柵的週期P_g關係如下：，其中n_A是正整數。
如申請專利範圍第1項所述之定位感測裝置，其中該光柵是一穿透式光柵，該光源以及該複數個光感測器係設置於該光柵的相異兩側。
如申請專利範圍第1項所述之定位感測裝置，其中該光柵是一反射式光柵，該光源發出的光由該光柵反射後，形成該週期性光場。
如申請專利範圍第1項所述之定位感測裝置，其中該光柵與該些光感測器之間具有一距離，該光源發出的光經過該光柵後，於該些光感測器的位置形成該週期性光場，其中該距離相關於該光柵的週期以及該光源發出的光波長。
如申請專利範圍第1項所述之定位感測裝置，更包括一成像裝置，設置於該光柵與該些光感測器之間，該成像裝置包括一透鏡，該光源發出的光經過該光柵以及該成像裝置，於該些光感測器的位置形成該週期性光場。
如申請專利範圍第1項所述之定位感測裝置，其中該些光感測器是相對斜置於該週期性光場的直紋方向排列。
如申請專利範圍第1項所述之定位感測裝置，其中該些光感測器對於光感測的靈敏度為非均勻分布。
如申請專利範圍第1項所述之定位感測裝置，其中各該些光感測器包括一第一次取樣光感測器以及一第二次取樣光感測器，該第一次取樣光感測器用以產生該些定位感測訊號的其中之一者，該第二次取樣光感測器用以產生該些定位感測訊號的其中之另一者。
如申請專利範圍第1項所述之定位感測裝置，其中該些光感測器包括接續的一第一光感測器、一第二光感測器、以及一第三光感測器，其中該第一光感測器包括一第一次取樣光感測器以及一第二次取樣光感測器，該第三光感測器包括一第三次取樣光感測器以及一第四次取樣光感測器，該第一次取樣光感測器以及該第四次取樣光感測器用以產生該些定位感測訊號的其中之一者，該第二次取樣光感測器以及該第三次取樣光感測器用以產生該些定位感測訊號的其中之另一者。
一種定位感測方法，包括：藉由一光源發出的光經過一光柵，產生一週期性光場；以及藉由複數個光感測器感測該週期性光場，以產生複數個定位感測訊號，該些光感測器以週期性間隔排列；其中該些光感測器週期性間隔排列的間距為一感測週期P_s，該感測週期P_s與該光柵的週期P_g關係如下：，其中n_A是正整數。
如申請專利範圍第10項所述之定位感測方法，其中該光柵是一穿透式光柵，該光源以及該複數個光感測器係設置於該光柵的相異兩側。
如申請專利範圍第10項所述之定位感測方法，其中該光柵是一反射式光柵，該光源發出的光由該光柵反射後，形成該週期性光場。
如申請專利範圍第10項所述之定位感測方法，其中該光柵與該些光感測器之間具有一距離，該光源發出的光經過該光柵於該些光感測器的位置形成該週期性光場，其中該距離相關於該光柵的週期以及該光源發出的光波長。
如申請專利範圍第10項所述之定位感測方法，其中產生該週期性光場的步驟更包括提供一成像裝置，該成像裝置包括一透鏡，該光源發出的光經過該光柵以及該成像裝置，於該些光感測器的位置形成該週期性光場。
如申請專利範圍第10項所述之定位感測方法，其中該些光感測器是相對斜置於該週期性光場的直紋方向排列。
如申請專利範圍第10項所述之定位感測方法，其中該些光感測器對於光感測的靈敏度為非均勻分布。
如申請專利範圍第10項所述之定位感測方法，其中各該些光感測器包括一第一次取樣光感測器以及一第二次取樣光感測器，該第一次取樣光感測器用以產生該些定位感測訊號的其中之一者，該第二次取樣光感測器用以產生該些定位感測訊號的其中之另一者。
如申請專利範圍第10項所述之定位感測方法，其中該些光感測器包括接續的一第一光感測器、一第二光感測器、以及一第三光感測器，其中該第一光感測器包括一第一次取樣光感測器以及一第二次取樣光感測器，該第三光感測器包括一第三次取樣光感測器以及一第四次取樣光感測器，該第一次取樣光感測器以及該第四次取樣光感測器用以產生該些定位感測訊號的其中之一者，該第二次取樣光感測器以及該第三次取樣光感測器用以產生該些定位感測訊號的其中之另一者。
一種定位感測裝置，包括：一光源；一光柵，該光源發出的光經過該光柵而產生一週期性光場；以及複數個光感測器，該些光感測器以週期性間隔排列，用以感測該週期性光場，以產生複數個定位感測訊號；其中該些光感測器週期性間隔排列的間距為一感測週期P_s，該感測週期P_s與該光柵的週期P_g關係如下：，且，其中n_A是正整數。