光学编码器技术领域
本发明涉及一种光学装置，且特别是涉及一种光学编码器。
背景技术
目前现有的电子元件及机械元件中，为了精确地掌握各元件彼此之间的
转动及移动情况，现有技术会在例如是马达的驱动元件内部加装光学编码
器。光学编码器是由具有特定信息的光学结构、光源以及光感测器所构成。
一般而言，光学结构上具有多个能够让光线通过的区域。当光学结构转动时，
光感测器会接收到具有特定周期性的光信号，此时，光学编码器便能够根据
此光信号判断驱动元件所驱动的物件的位移、角位移及转速。
由于目前科技对于各元件之间的对位需求不断提升，现有的光学编码器
中，光学盘的周期性区域的密度也随之提升。然而，为了能够分析这些周期
性区域所形成的光信号，这些感测装置的密度及对位精度也随之提升。而高
密度及高对位精度的感测装置也提升了制作成本及难度，进而限制了光学编
码器所能判断的最高定位分辨率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光学编码器，其可以判断出更佳的对位分辨
率。
为达上述目的，本发明的光学编码器，包括发光模块、定位元件以及分
光结构。发光模块发出光束，光束照射定位元件的照射区域。定位元件包括
多个彼此错位排列的光穿透区，且这些光穿透区依序移动至照射区域中。分
光结构配置于光束的传递路径中，且定位元件配置于发光模块及分光结构中
间。当部分光束穿透这些光穿透区的至少其中之一并传递到分光结构时，分
光结构将穿透的部分光束传递至感应区并形成至少一个第一定位光学图案，
其中经相邻的二光穿透区传递至感应区的部分光束所形成的二第一定位光
学图案之间的距离大于上述相邻的二光穿透区之间的节距(pitch)。
在本发明的实施例中，上述的定位元件分为多个定位区，且这些定位区
依序移动至照射区域中。每一光穿透区配置于这些定位区中相邻的至少二定
位区，且相邻的二光穿透区所配置的部分这些定位区彼此不同但部分相同。
在本发明的实施例中，上述的每一光穿透区配置的定位区的数量彼此相
同。
在本发明的实施例中，上述的定位元件沿着轴心旋转，这些定位区为多
个扇形定位区，定位元件根据轴心依角度分成这些扇形定位区。
在本发明的实施例中，上述的这些扇形定位区环绕轴心。
在本发明的实施例中，上述的定位元件根据轴心以相同角度分出这些扇
形定位区。
在本发明的实施例中，上述的各定位区还包括子定位区，这些子定位区
形成多个光穿透图形与多个遮光图形。这些光穿透图形与这些遮光图形分别
沿着多个路径移动至照射区域，且这些光穿透图形与这些遮光图形沿着这些
路径的延伸方向彼此交错排列，且这些光穿透图形与这些遮光图形在垂直于
这些路径的方向上为错位排列，部分光束经由这些子定位区并直接在感应区
形成多个第二定位光学图案，这些第二定位光学图案彼此不同。
在本发明的实施例中，上述的这些第一定位光学图案各会出现的位置的
排列方式和这些第二定位光学图案各会出现的位置的排列方式不同。
在本发明的实施例中，上述的光学编码器还包括第一感测模块以及第二
感测模块。第一感测模块配置于感应区中，并用以接收穿透这些光穿透区的
部分光束。第二感测模块配置于感应区中，并用以接收穿透这些光穿透图形
的另一部分光束。第一感测模块用以接收部分光束的感测面与第二感测模块
用以接收另一部分光束的感测面不同。
在本发明的实施例中，上述的这些光穿透区具有相同的形状。
在本发明的实施例中，上述的这些光穿透区的形状为菱形。
在本发明的实施例中，上述的分光结构包括多个绕射光栅(diffraction
grating)，且这些绕射光栅各包括多个平行排列的狭缝。这些绕射光栅的大
小大于或等于这些光穿透区的大小，且这些光穿透区移动时各会与这些绕射
光栅的其中之一重叠，且相邻的二光穿透区所重叠的二绕射光栅彼此不同。
在本发明的实施例中，上述的这些绕射光栅各以不同的方向排列这些狭
缝。
在本发明的实施例中，上述的这些绕射光栅各以不同的间距排列这些狭
缝。
在本发明的实施例中，上述的这些第一定位光学图案是由这些绕射光栅
所绕射的第一绕射条纹所形成。
在本发明的实施例中，上述的分光结构为多个微反射镜，这些微反射镜
的大小大于或等于这些光穿透区的大小。
在本发明的实施例中，上述的这些微反射镜各自面向不同方向。
在本发明的实施例中，上述的这些微反射镜的表面与来自发光模块的光
束夹不同角度。
在本发明的实施例中，上述的发光模块所发出的光束为平行光束。
在本发明的实施例中，上述的发光模块包括发光单元及透镜单元，发光
单元发出光束传递至透镜单元，透镜单元使光束成为平行光束。
基于上述，本发明的实施例所提供的光学编码器利用分光结构来产生更
佳的定位光学图案，通过这些定位光学图案可以更轻易地让光学编码器提供
更高的定位分辨率。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合
所附的附图作详细说明如下。
附图说明
图1为本发明的第一实施例的一种光学编码器的示意图以及定位元件、
分光结构、感测区的俯视图；
图2为本发明的第一实施例的一种定位元件和分光结构的俯视图；
图3为本发明的第二实施例的定位元件的俯视图；
图4为本发明的第二实施例的分光结构的俯视图；
图5为本发明的第三实施例的光学编码器的示意图；
图6为本发明的第三实施例的第一感测模块及第二感测模块的俯视图；
图7为本发明的第三实施例的定位元件的俯视图；
图8A为本发明的一实施例的光学编码器的局部示意图；
图8B为本发明的另一实施例的光学编码器的局部示意图。
符号说明
A、B、C、D、E：区域
d1：节距
d2：距离
k1：方向
I1：轴心
100、100A：光学编码器
110、110A：发光模块
111、111A、111B：光束
112：发光单元
114：透镜单元
120、120A、120B：定位元件
122、122A、122B：光穿透区
124、124A、124B、124C、124D、124E、124G、124H、124I、124J、
224、224A、224B、224C：定位区
126、226：光穿透图形
127、227：遮光图形
126A、126B、126C、126D：子定位区
128A、228、228A、228B、228C：区域
130、130A、130B、130C：分光结构
132A、132B、132C、132D、132E、132F：绕射光栅
140：感应区
142、142A、142B：第一定位光学图案
152：第一感测模块
154：第二感测模块
154A、154B、154C、154D、154E、154F：光感测器
232A、232B、232C、232D、232E、232F：微反射镜
具体实施方式
图1是依照本发明的第一实施例的一种光学编码器的示意图以及定位元
件、分光结构、感测区的俯视图。图2是依照本发明的第一实施例的一种定
位元件和分光结构的俯视图。请参照图1及图2，在本发明的第一实施例中，
光学编码器100包括发光模块110、定位元件120以及分光结构130。发光
模块110发出光束111，光束111照射定位元件120的照射区域A。定位元
件120包括多个彼此错位排列的光穿透区122，且这些光穿透区122依序移
动至照射区域A中。这些光穿透区122因为彼此错位排列，所以穿透定位元
件120的光束111也会因为照射区域A位于定位元件120上的不同位置而随
之改变。具体来说，请参照图2，定位元件120例如是沿着方向k1移动，而
光束111所照射的照射区域A在定位元件120上也会沿着方向k1相对移动，
也就是依序照射到这些光穿透区122。
分光结构130配置于光束111的传递路径中，且定位元件120配置于发
光模块110及分光结构130中间。详细来说，在实施例中，分光结构130包
括多个绕射光栅(这边以三个绕射光栅132A、132B、132C为例)，且这些
绕射光栅132A、132B、132C各包括多个平行排列的狭缝。这些绕射光栅
132A、132B、132C的大小大于或等于这些光穿透区122的大小，且这些光
穿透区122移动时会与这些绕射光栅132A、132B、132C的其中之一重叠，
且相邻的二光穿透区122所重叠的二绕射光栅彼此不同。也就是说，在本实
施例中这些绕射光栅132A、132B、132C各以不同的方向排列这些狭缝，因
此分光结构130可以使穿透光穿透区122的这些部分光束111在感应区140
形成至少一个或多个互相分离的第一定位光学图案142。进一步来说，这些
第一定位光学图案142例如是由这些绕射光栅132A、132B、132C所绕射的
第一绕射条纹所形成，因此这些第一定位光学图案142之间(例如是第一定
位光学图案142A及142B)的距离d2会较这些光穿透区122之间(例如是
光穿透区122A及122B)的节距d1大。因此，定位元件120上的分光结构
130使穿透定位元件120的部分光束111以不同传递方向到达感应区140，
并使照射在感应区140的这些第一定位光学图案142之间的距离变大，提供
容易感测的第一定位光学图案142。
换句话说，在本实施例中，使用者可以根据感应区140出现了哪一第一
定位光学图案142或是哪些第一定位光学图案142来判断光束111所照射的
照射区域A位于哪一个或哪些光穿透区122。因此，当使用者例如将元件固
定于发光模块110，并将另一元件固定于定位元件120，光学编码器100即
可判断出两个元件之间沿着方向k1的距离和位置。进一步来说，使用者更
可以根据每个第一定位光学图案142的亮度或是同时出现的两个第一定位光
学图案142的亮度比例来更准确的判断照射区域A在定位元件120上的位
置，进而使光学编码器100可以提供更高的定位分辨率。另一方面，因为第
一定位光学图案142是由光束111经绕射光栅132A、132B、132C所形成的
绕射条纹，因此这些第一定位光学图案142不会因为外来油污遮蔽光穿透区
122的部分区域而消失，进而提升耐用性。
请参照图2，在本实施例中，上述的定位元件120分为多个定位区124，
且这些定位区124依序沿着方向k1移动至照射区域A中。每一光穿透区122
配置于这些定位区124中相邻的至少二定位区124，且相邻的二光穿透区
122A、122B所配置的部分这些定位区124彼此不同但部分相同。具体来说，
在本实施例中，这些光穿透区122所配置的定位区124的数量彼此相同，光
穿透区122A配置于定位区124A、124B、124C、124D，光穿透区122B配
置于定位区124B、124C、124D、124E，也就是光穿透区122A所配置的定
位区124A不同于光穿透区122B所配置的这些定位区124B、124C、124D、
124E，因此照射区域A位于定位区124A时，光束111仅能通过光穿透区122A
穿透，而照射区域A位于定位区124B时，光束111可同时通过光穿透区122A
及122B穿透，上述穿透的光束111进而传递至上述的感测区140并产生不
同组合的第一定位光学图案142。也就是说，通过这些错位排列的光穿透区
122，定位元件120可以依据这些定位区124提供不同的光学信号。另一方
面，光穿透区122的大小大于定位区124的大小，因此在提升定位分辨率的
同时也降低在制作上的难度。
在本实施例中，上述的这些光穿透区122具有相同的形状，且这些光穿
透区122的形状为菱形，通过菱形的设计可以使进入光穿透区122的光束111
随着移动时有更显著的变化，但本发明不限于此。在其他实施例中，依据不
同的定位需求，这些光穿透区还可以是多个大小不同的菱形，且每一光穿透
区所配置的定位区的数量彼此不同。在另一实施例中，这些光穿透区更可以
具有椭圆形、多边形或其他形状。
以下将列举其他实施例以作为说明。在此必须说明的是，下述实施例沿
用前述实施例的元件标号与部分内容，其中采用相同的标号来表示相同或近
似的元件，并且省略了相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可参考前
述实施例，下述实施例不再重复赘述。
图3是依照本发明的第二实施例的定位元件的俯视图。请参照图3，在
本发明的第二实施例中，定位元件120A的各定位区124还包括子定位区。
例如是定位区124G包括子定位区126A，定位区124H包括子定位区126B，
定位区124I包括子定位区126C，定位区124J包括子定位区126D。这些子
定位区126A、126B、126C、126D形成多个光穿透图形126及多个遮光图形
127，这些光穿透图形126与这些遮光图形127分别沿着多个路径移动至照
射区域B，且这些光穿透图形126与这些遮光图形127沿着由下至上的方向
彼此交错排列。也就是这些光穿透图形126与这些遮光图形127沿着上述这
些路径的延伸方向彼此交错排列，且这些光穿透图形126与这些遮光图形
127在垂直于这些路径的方向上为错位排列。部分光束穿透这些子定位区
126A、126B、126C、126D并直接在感应区形成多个第二定位光学图案(未
绘示)，这些第二定位光学图案彼此不同。举例而言，第二定位光学图案例
如是具有亮度的光学图案或不具有亮度的阴影。具体来说，在本实施例中，
这些光穿透图形126例如是将定位元件120A区分为例如是区域128A大小
的四个区，因此在这些光穿透图形126沿着例如是由下至上的路径移动至照
射区域B时，根据上述第二定位光学图案可以判断部分光束穿透哪些光穿透
图形126，即可判断照射区域B是位于定位元件120A上的哪个位置，同时
再搭配这些光穿透区122所产生的第一定位光学图案可以判断照射区域B位
于哪个定位区124G、124H、124I、124J。另一方面，在本实施例中，上述
这些第一定位光学图案各会出现的位置的排列方式和上述这些第二定位光
学图案各会出现的位置的排列方式不同。由于第一定位光学图案是经绕射的
图形，而第二定位光学图案是平行光被定位元件120A遮蔽所形成，第一定
位光学图案可以例如沿着圆形呈放射状排列，第二定位光学图案可以例如沿
着直线排列。
图4是依照本发明的第二实施例的分光结构的俯视图。请参照图3及图
4，在本实施例中，定位元件120A并不限于搭配和上述第一实施例相同的分
光结构130，定位元件120A还可以搭配分光结构130A，其中绕射光栅132D、
132E、132F各以不同的间距排列这些狭缝。由于这些绕射光栅132D、132E、
132F具有不同的狭缝间距，其所产生的第一绕射条纹也会具有不同的第一
绕射角，使穿透定位元件120A的部分光束以不同传递方向到达感应区，进
而使照射在感应区的这些第一定位光学图案之间的距离变大，以便作后续关
于位置的测量及判断。
图5是依照本发明的第三实施例的光学编码器的示意图。图6是依照本
发明的第三实施例的第一感测模块及第二感测模块的俯视图。图7是依照本
发明的第三实施例的定位元件的俯视图。请参照图5，在本发明的第三实施
例中，发光模块110A包括发光单元112及透镜单元114，发光单元112发
出光束111A传递至透镜单元114，透镜单元114使光束111A成为平行光束
111A。在本实施例中，发光模块110A利用透镜形成的透镜单元114来形成
平行光束，但本发明不限于此，在其他实施例中还可以是通过透镜组所形成
透镜单元114或其他光学元件来形成平行光束。
请参照图7，在本发明的第三实施例中，定位元件120B沿着轴心I1旋
转，这些定位区(这边标示出其中三个定位区224A、224B、224C)为多个
扇形定位区224，定位元件120B根据轴心I1依角度分成这些扇形定位区224。
详细来说，上述的这些扇形定位区224环绕轴心I1，且定位元件120B根据
轴心I1以相同角度α分出这些扇形定位区224。
请参照图7，在本实施例中，定位元件120B包括环状区域E，且各扇形
定位区224中的环状区域E就是光穿透区配置的位置。在本实施例中，分光
结构130对应区域D设置，区域D重叠部分的光照射区C及部分的环状区
域E。各扇形定位区224中的子定位区(未标示)形成在环状区域E及轴心
I1之间，且这些子定位区沿着环状路径的延伸方向形成彼此交错的多个光穿
透图形226与多个遮光图形227。这些光穿透图形226及遮光图形227将定
位元件120B划分为多个像区域228(这边标示出其中三个区域228A、228B、
228C)一样的区域。具体来说，这些光穿透图形226例如是以二进制十进位
(Binary-Coded Decimal,BCD)码的形式来排列，但本发明不限于此。在其
他实施例中，这些光穿透图形226还可以是以格雷码(Gray Code)或其他
的形式来排列。
请参照图5至图7，在本发明的第三实施例中，光学编码器100A还包
括第一感测模块152以及第二感测模块154。第一感测模块152配置于感应
区140A中，并用以接收穿透这些光穿透区(这边例如是区域E)的部分光
束111A。第二感测模块154配置于感应区140A中，并用以接收穿透这些光
穿透图形226的另一部分光束111A。参照图6所绘示的俯视图，第一感测
模块152用以接收部分光束111A的感测面与第二感测模块154用以接收另
一部分光束111A的感测面不同。详细来说，第一感测模块152是接收穿透
定位元件120B的区域E并经分光结构130传递至感应区140A的部分光束
111A，因此第一感测模块152的感测面需要对应分光结构130所产生的第一
定位光学图案142来设计，而第二感测模块154例如是根据这些光穿透图形
226的旋转路径来设计。也就是说，第一感测模块152的感测面上光感测器
(Photo Detector)的排列方式与第二感测模块154的感测面上光感测器的排
列方式不同。举例来说，第二感测模块的光感测器154A至154F是沿着直线
排列，而第一感测模块152的感测面上光感测器例如是根据第一定位光学图
案142呈放射状的排列方式。
由上述可知，通过定位元件120B、分光结构130、第一感测模块152
和第二感测模块154的搭配，光学编码器100A可以以更高的精度来判断其
旋转的位置。详细来说，第二感测模块154所感测的部分光束111A可以判
断出光照射区C位于哪个区域228。判断出所在区域228后，第一感测模块
152感测的部分光束111A可以判断出光照射区C位于所述区域228中的哪
一定位区224，提供良好的定位分辨率，同时由于第一感测模块152的感测
面上光感测器(Photo Detector)排列的间隔较大，进而降低了制作难度。
在本发明上述的实施例中，上述这些定位元件上的这些光穿透区及光穿
透图形(也就是子定位区)例如是以开孔形成，且定位元件是以不透光材料
形成，但本发明不限于此。上述这些定位元件还可以是通过在透明材质的部
分表面配置吸光材料或反射材料，其中没有配置吸光材料或反射材料的另一
部分表面形成这些光穿透区及光穿透图形(也就是子定位区)。
图8A是依照本发明的实施例的光学编码器的局部示意图。图8B是依
照本发明的另一实施例的光学编码器的局部示意图。请参照图8A，本发明
的实施例的分光结构并不限于由上述的多个绕射条纹组成，还可以是多个微
反射镜232A、232B、232C所形成的分光结构130B，这些微反射镜232A、
232B、232C的大小大于或等于定位元件120B中这些光穿透区222的大小，
且这些微反射镜232A、232B、232C的表面与来自发光模块的光束111B夹
不同角度，使穿透定位元件120B的部分光束111B以不同方向往感应区传递，
进而使照射在感应区的这些第一定位光学图案之间的距离变大，以便作后续
关于位置的测量及判断。在本实施例中，分光结构130B例如是数字微反射
镜装置(Digital Micromirror Device,DMD)。
本发明通过多个微反射镜形成的分光结构并不限于上述。请参照图8B，
在本发明的另一实施例的分光结构130C的这些微反射镜232D、232E、232F
各自面向不同方向，使穿透定位元件120C的部分光束111B以不同方向往感
应区传递，进而使照射在感应区的这些第一定位光学图案之间的距离变大，
以便作后续关于位置的测量及判断。
综上所述，本发明的实施例所提供的光学编码器利用分光结构来产生第
一定位光学图案，且分光结构所产生的第一定位光学图案之间具有较大的距
离，因此后续配置感测模块时所需的对位精度可以降低，改善组装的对位品
质。因为分光结构可以提供良好的第一定位光学图案，光学编码器中定位元
件的光穿透区可以以密度更高的方式配置，用于提升光学编码器的对位精
度。
虽然结合以上实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何
所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些
许的更动与润饰，故本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为
准。