TWI452255B - 光學編碼器及其光學裝置與量測方法 - Google Patents

Description

光學編碼器及其光學裝置與量測方法

本發明係有關於一種光學量測裝置，特別是有關於一種光學編碼器及其光學裝置與量測方法。

現今光學尺所使用的量測方法大多為光柵光學編碼法，而依其所應用之物理特性的不同，大略可分為幾何式光學尺與繞射式光學尺。幾何式光學尺是採用疊紋或光柵投影方式進行位移量測，量測位移解析度最高只能到100nm，若要提高其量測解析度，必須將光柵密度提高，但當光柵條紋密度超過125條/mm時，由於光柵之繞射效應變得極為明顯，將會造成量測訊號之訊號雜訊比(signal-to-noise ratio；SNR)降低，進而影響量測之精準度，因此幾何式光學尺的光柵節距存在繞射的限制，使其無法進一步提高量測解析度；而繞射式光學尺由於繞射光對於光柵之角度公差特別靈敏，一來使得其光機系統的安裝甚為困難，二來其光柵相對於光學頭之間的微小機具運動 偏擺亦可能造成位移量測上的誤差，雖然透過電子的訊號補償及細分割技術可以大幅提高雷射光學尺的位移量測解析度達次奈米等級，但也因此犧牲了光學頭與光柵尺之間原本所具有的對位公差，相對地增加使用上的限制。

有鑑於上述之缺點，本發明係提供一種光學編碼器及其光學裝置與量測方法，其可以改進習知量測位移解析度限制之問題。

本發明之目的之一，係藉由厚透鏡方程式推導出透鏡之曲率半徑與其放大倍率的關係，並透過調整透鏡之光線出射面的曲率半徑，以補償光線經透鏡放大後的差異，藉此設計一具有良好放大效能之光學透鏡。

本發明之目的之一，係利用透鏡將光線放大的方式使得1奈米(nm)之原始位移可被透鏡擴大至光偵測器所能感測到的位移，並藉由光偵測器將光訊號轉換成電子訊號，進而判別其實際之移動距離。

本發明揭露一種光學編碼器，其包含：一移動裝置，係具有複數個光柵用以將一光線細小化成複數個第一光線，其中此移動裝置可以改變此複數個第一光線從相對應的第一位置到相對應的第二位置以產生複數個第一位移；一光學裝置，係讓此複數個第一光線直接透射以放大成複數個第二光線，並且放大此複數個第一位移成複數個第二位移；以及一光感測器，係接收此複數個第二光線並且轉換成相對應的電子訊號，藉此量測此複數個第二位移以判別此複數個第一位移。

前述之光學編碼器，其中所述之移動裝置係包含一單軸移動平台。

前述之光學編碼器，其中所述之光線包含由一雷射光源所產生。

前述之光學編碼器，其中所述之第一位移包含1奈米。

前述之光學編碼器，其中所述之光學裝置包含一雙凹透鏡，此雙凹透鏡的放大率與此雙凹透鏡的曲率半徑關係為： 其中ε為此雙凹透鏡的放大率，R₁ 、R₂ 則分別為此雙凹透鏡之光線入射面與出射面的曲率半徑，n為此雙凹透鏡的折射率，d為此雙凹透鏡的厚度。

前述之光學編碼器，其中所述之第二位移包含50奈米。

前述之光學編碼器，其中所述之光感測器的解析度包含50奈米。

本發明亦揭露一種光學裝置，用於一光學編碼器以協助量測包括1奈米等級的位移，此光學裝置包含：一雙凹透鏡，讓複數個第一光線直接透射以放大成為複數個第二光線，並且放大此複數個第一光線從相對應的第一位置移動到相對應的第二位置所產生的複數個第一位移成為複數個第二位移；其中，此光學編碼器利用一光感測器接收此複數個第二光線並且轉換成相對應的電子訊號輸出，藉此量測此複數個第二位移以判別此複數個第一位移。

前述之光學裝置，其中所述之複數個第一光線係由具有 複數個光柵的一移動裝置將一光線細小化所形成，此光線係由一雷射光源所產生。

前述之光學裝置，其中所述之雙凹透鏡的放大率與此雙凹透鏡的曲率半徑關係為： 其中ε為此雙凹透鏡的放大率，R₁ 、R₂ 則分別為此雙凹透鏡之光線入射面與出射面的曲率半徑，n為此雙凹透鏡的折射率，d為此雙凹透鏡的厚度。

前述之光學裝置，其中所述之第一位移包含1奈米。

前述之光學裝置，其中所述之第二位移包含50奈米。

前述之光學裝置，其中所述之光感測器的解析度包含50奈米。

本發明更揭露一種光學編碼器量測方法，其包含：利用 具有複數個光柵的一移動裝置將一光線細小化成複數個第一光線，其中此移動裝置可以改變此複數個第一光線從相對應的第一位置到相對應的第二位置以產生複數個第一位移；利用一光學裝置讓此複數個第一光線直接透射以放大成複數個第二光線，並且放大此複數個第一位移成為複數個第二位移；以及利用一光感測器接收此複數個第二光線並且轉換成相對應的電子訊號輸出，藉此，量測此複數個第二位移以判別此複數個第一位移。

前述之光學編碼器量測方法，其中所述之移動裝置包含一單軸移動平台。

前述之光學編碼器量測方法，其中所述之光線包含由一雷射光源所產生。

前述之光學編碼器量測方法，其中所述之第一位移包含1奈米。

前述之光學編碼器量測方法，其中所述之光學裝置包含 一雙凹透鏡，而此雙凹透鏡的放大率與此雙凹透鏡的曲率半徑關係為： 其中ε為此雙凹透鏡的放大率，R₁ 、R₂ 分別為此雙凹透鏡之光線入射面與出射面的曲率半徑，n為此雙凹透鏡的折射率，d為此雙凹透鏡的厚度。

前述之光學編碼器量測方法，其中所述之第二位移包含50奈米。

前述之光學編碼器量測方法，其中所述之光感測器的解析度包含50奈米。

本發明將詳細描述一些實施例如下。然而，除了所揭露之實施例外，本發明亦可以廣泛地運用在其他之實施例施行。本發明之範圍並不受該些實施例之限定，乃以其後之申請專利範圍為準。而為提供更清楚之描述及使熟悉該項技藝者能理解 本發明之發明內容，圖示內各部分並沒有依照其相對之尺寸而繪圖，某些尺寸與其他相關尺度之比例會被突顯而顯得誇張，且不相關之細節部分亦未完全繪出，以求圖示之簡潔。

請參照第一圖，其為本發明之一較佳實施例100的概略方塊圖。一移動裝置120，具有複數個光柵用以將由一光源110所產生之一光線112細小化成複數個第一光線122，其中移動裝置120可以改變複數個第一光線122從相對應的第一位置(例如實線箭頭122)到相對應的第二位置(例如虛線箭頭122)以產生複數個第一位移△S。在本實施例中，光源110可以是一同調光源(例如：雷射二極體)；移動裝置120可以是一單軸移動平台；而第一位移△S則包含最小1奈米的位移。此外，為了圖示簡潔及說明方便，第一、第二光線122、132僅繪出少許部分加以說明，並非用以限制本發明之實施。

一光學裝置130，讓複數個一光線122直接透射以放大成複數個第二光線132，並放大複數個第一位移△S成複數個第二位移△S’。在本實施例中，第二位移△S’包含50奈米的位移；光學裝置130包含一雙凹透鏡，此雙凹透鏡的放大率與此雙凹透鏡的曲率半徑關係為： 其中ε為此雙凹透鏡的放大率，R₁ 、R₂ 則分別為此雙凹透鏡之光線入射面與出射面的曲率半徑，n為此雙凹透鏡的折射率，d為此雙凹透鏡的厚度(此部分將於稍後說明)。

一光感測器140，接收複數個第二光線132並將其轉換成相對應的電子訊號輸出，藉此量測複數個第二位移△S’以判別複數個第一位移△S實際距離。在本實施例中，光感測器140的解析度包含50奈米且其偵測長度為25公分。

本實施例之工作原理為，先將單色雷射光進行細小化後當作光源，置於單軸移動平台上，並將經細小化之雷射光射入由光學透鏡所構成的光學裝置，利用透鏡可以將雷射光放大的特性，使得1奈米之原始位移可以被透鏡擴大至光偵測器所能感測到的位移(因現今之光偵測器尚無法感測到1nm的位移，因此若欲使光偵測器可以感測到1nm的位移，勢必要將1nm的位移放大至光偵測器所能感測到的大小)，再藉由光偵測器將光訊號轉換成電子訊號，進而判別其實際之移動距離。

請參照第二圖，其為本發明一較佳光學裝置130實施例示意圖，其中光學裝置130為一雙凹透鏡，在此僅以一光線做說明，並非用以限制本發明之實施。當經細小化的第一光線從第一位置S移動到第二位置S₁ 並產生第一位移△S時，其經雙凹透鏡放大成第二光線透射至影像端的位置亦相對從第一影像位置S’位移至第二影像位置S₁ ’並產生第二位移△S’。

根據厚透鏡方程式，透鏡焦距與透鏡入射面及出射面曲率半徑的關係： 其中f為透鏡焦距，n為透鏡折射率，n_m 為環境折射係數，R₁ 、R₂ 則分別為透鏡之光線入射面與出射面的曲率半徑，d為透鏡厚度。

因此當第一光線從第一位置S移動到第二位置S₁ 時，其經透鏡放大成第二光線並透射至影像端的第一影像位置S’與第二影像位置S₁ ’可表示成： 與 其中h’為透鏡至影像位置距離。而第二位移△S’可表示成： 因此透鏡放大率可表示成： 根據此方程式可知，透鏡放大率約與透鏡曲率成反比，如： 因此根據厚透鏡方程式的推導可知透鏡之曲率半徑與其放大倍率的關係，並且透過調整透鏡之光線出射面的曲率半徑，以補償光線經透鏡放大後的差異，並利用透鏡將光線放大的方式以使得小至1奈米等級之原始位移可被透鏡擴大至光 偵測器之解析度所能感測到的位移，藉此提高位移量測精準度。

請先參照第五圖，其為本發明之一較佳實施例流程圖，並請同時參照第一、第二圖。在步驟502中，利用具有複數個光柵的移動裝置120將光線112細小化成複數個第一光線122，其中移動裝置120可改變複數個第一光線122從相對應的第一位置(例如實線箭頭122)到相對應的第二位置(例如虛線箭頭122)以產生複數個第一位移△S。其中，移動裝置120係包含一單軸移動平台；光線112係由雷射光源110所產生；且第一位移△S係包含最小1奈米的位移。

在步驟504中，利用光學裝置130讓複數個第一光線122直接透射以放大成複數個第二光線132，並且放大複數個第一位移△S成複數個第二位移△S’。其中，光學裝置130係包含一雙凹透鏡，此雙凹透鏡的放大率與曲率半徑關係為： 其中ε為此雙凹透鏡的放大率，R₁ 、R₂ 則分別為此雙凹透鏡之光線入射面與出射面的曲率半徑，n為此雙凹透鏡的折射 率，d為此雙凹透鏡的厚度。在本實施例中，第二位移△S’係包含50奈米，然不限定於此。

在步驟506中，利用光感測器140接收複數個第二光線132並且將其轉換成相對應的電子訊號輸出，藉此量測複數個第二位移△S’以判別複數個第一位移△S。其中，光感測器140的解析度包含50奈米且其偵測長度包含25公分，然不限定於此。

請參照第三圖，其為本發明之一較佳實施例之光線折射模擬圖，其表示當光線移動時，其影像經過光學裝置130折射投影在光感測器140端的模擬示意圖。

請參照第四圖，其為本發明之較佳實施例之透鏡放大率與光線位置及影像位置的關係曲線圖。其中，曲線1表示雙凹透鏡之光線入射面與出射面的曲率半徑分別為-6.25mm與12.5mm；曲線2表示雙凹透鏡之光線入射面與出射面的曲率半徑分別為-6.25mm與6.25mm；以及曲線3表示雙凹透鏡之光線入射面與出射面的曲率半徑分別為-6.25mm與-12.5mm。並且，曲線1、2、3的影像距離分別為380mm、160mm 以及1260mm。因此，根據第四圖之關係曲線所示，例如：從光學設計軟體LightTools所模擬的曲線1可知其雙凹透鏡放大倍率為50倍，可使第一光線1奈米的第一位移被放大成第二光線50奈米的第二位移於光感測器表面，藉此量測第二位移即可判別第一位移，進而提高量測精準度。發明人在此要強調的是，上述之資料及數據係僅用以說明本發明，並非用以限制本發明之實施。

以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其他為脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍。

100‧‧‧本發明之一較佳實施例概略方塊圖

110‧‧‧光源

112‧‧‧光線

120‧‧‧移動裝置

122‧‧‧第一光線

130‧‧‧光學裝置

132‧‧‧第二光線

140‧‧‧光感測器

△S‧‧‧第一位移

△S’‧‧‧第二位移

F‧‧‧焦點

f‧‧‧焦距

d‧‧‧透鏡厚度

S‧‧‧光線第一位置

S₁ ‧‧‧光線第二位置

S’‧‧‧影像第一位置

S₁ ’‧‧‧影像第二位置

h‧‧‧光線至透鏡距離

h’‧‧‧透鏡至影像距離

第一圖係本發明之一較佳實施例概略方塊圖；第二圖係本發明之一較佳光學裝置實施例示意圖；第三圖係本發明之一較佳實施例光線折射模擬示意圖；第四圖係本發明之較佳實施例透鏡放大率與光線位置及影像位置的關係曲線圖；以及第五圖係本發明之一較佳實施例流程圖。

100‧‧‧本發明之一較佳實施例概略方塊圖

110‧‧‧光源

112‧‧‧光線

120‧‧‧移動裝置

122‧‧‧第一光線

130‧‧‧光學裝置

132‧‧‧第二光線

140‧‧‧光感測器

△S‧‧‧第一位移

△S’‧‧‧第二位移

Claims (16)

1. 一種光學編碼器，其包含：一移動裝置，具有複數個光柵用以將一雷射光源所產生之光線細小化成複數個第一光線，其中該移動裝置可以改變該複數個第一光線從相對應的第一位置到相對應的第二位置以產生複數個第一位移；一光學裝置，讓該複數個第一光線直接透射以放大成複數個第二光線，並放大該複數個第一位移成複數個第二位移，其中該光學裝置包含一雙凹透鏡，該雙凹透鏡的放大率與該雙凹透鏡的曲率半徑關係為： 其中ε為該雙凹透鏡的放大率，R₁ 、R₂ 分別為該雙凹透鏡之光線入射面與出射面的曲率半徑，n為該雙凹透鏡的折射率，d為該雙凹透鏡的厚度；以及一光感測器，接收該複數個第二光線並轉換成相對應的電子訊號輸出，藉此量測該複數個第二位移以判別該複數個第一位移。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光學編碼器，其中所述之移動裝置包含一單軸移動平台。
3. 如申請專利範圍第1項所述之光學編碼器，其中所述之第一位移包含1奈米。
4. 如申請專利範圍第1項所述之光學編碼器，其中所述之第二位移包含50奈米。
5. 如申請專利範圍第1項所述之光學編碼器，其中所述之光感測器的解析度包含50奈米。
6. 一種光學裝置，用於一光學編碼器以協助量測包括1奈米等級的位移，該光學裝置包含：一雙凹透鏡，讓一雷射光源所產生之複數個第一光線直接透射以放大成為複數個第二光線，並且放大該複數個第一光線從相對應的第一位置移動到相對應的第二位置所產生的複數個第一位移成為複數個第二位移；其中，該光學編碼器利用一光感測器接收該複數個第二光線並且轉換成相對應的電子訊號輸出，藉此量測該複數個第二位移以判別該複數個第一位移。
7. 如申請專利範圍第6項所述之光學裝置，其中所述之複數個第一光線係由該光學編碼器具有複數個光柵的一移動裝置將一光 線細小化所形成。
8. 如申請專利範圍第9項所述之光學裝置，其中所述之雙凹透鏡的放大率與該雙凹透鏡的曲率半徑關係為： 其中ε為該雙凹透鏡的放大率，R₁ 、R₂ 分別為該雙凹透鏡之光線入射面與出射面的曲率半徑，n為該雙凹透鏡的折射率，d為該雙凹透鏡的厚度。
9. 如申請專利範圍第6項所述之光學裝置，其中所述之第一位移包含1奈米。
10. 如申請專利範圍第6項所述之光學裝置，其中所述之第二位移包含50奈米。
11. 如申請專利範圍第6項所述之光學裝置，其中所述之光感測器的解析度包含50奈米。
12. 一種光學編碼器量測方法，其包含：利用具有複數個光柵的一移動裝置將一雷射光源所產生之光線細小化成複數個第一光線，其中該移動裝置可以改變該 複數個第一光線從相對應的第一位置到相對應的第二位置以產生複數個第一位移；利用一光學裝置讓該複數個第一光線直接透射以放大成為複數個第二光線，並且放大該複數個第一位移成為複數個第二位移，其中該光學裝置包含一雙凹透鏡，該雙凹透鏡的放大率與該雙凹透鏡的曲率半徑關係為： 其中ε為該雙凹透鏡的放大率，R₁ 、R₂ 分別為該雙凹透鏡之光線入射面與出射面的曲率半徑，n為該雙凹透鏡的折射率，d為該雙凹透鏡的厚度；以及利用一光感測器接收該複數個第二光線並且轉換成相對應的電子訊號，藉此量測該複數個第二位移以判別該複數個第一位移。
13. 如申請專利範圍第12項所述之光學編碼器量測方法，其中所述之移動裝置包含一單軸移動平台。
14. 如申請專利範圍第12項所述之光學編碼器量測方法，其中所述之第一位移包含1奈米。
15. 如申請專利範圍第12項所述之光學編碼器量測方法，其中所述之第二位移包含50奈米。
16. 如申請專利範圍第12項所述之光學編碼器量測方法，其中所述之光感測器的解析度包含50奈米。