專利名稱：光學(xué)式移動(dòng)傳感模塊及其光學(xué)式移動(dòng)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)式移動(dòng)傳感器，特別涉及一種可降低增益成本的光學(xué)式移動(dòng)傳感器。本發(fā)明還涉及包括所述光學(xué)式移動(dòng)傳感器的光學(xué)式移動(dòng)傳感模塊。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的光學(xué)式移動(dòng)傳感器如圖1A所示，由激光二極管30朝量測(cè)表面10上的待測(cè)物20發(fā)射激光光束31，激光光束31接觸待測(cè)物20之后，產(chǎn)生反射光33以及第一散反射光32。待測(cè)物20于x軸上的移動(dòng)將導(dǎo)致第一散反射光32因都卜勒效應(yīng)而產(chǎn)生頻率偏移(Frequency Shfit)，因此，當(dāng)?shù)谝簧⒎瓷涔?2返回激光二極管30的共振腔(未圖示)時(shí)，會(huì)因自混合(self-mixing)而造成共振腔的光電變化。借助于光電二極管(photodiode)檢測(cè)此光電變化，可獲得待測(cè)物20于x軸上的位移或點(diǎn)選(click)信號(hào)。
而上述光學(xué)式移動(dòng)傳感器30的檢測(cè)效果與激光光束31以及量測(cè)表面10之間的第一夾角θ有很大關(guān)系。參照?qǐng)D1B，當(dāng)?shù)谝粖A角θ接近90度時(shí)，會(huì)有最多的第一散反射光返回共振腔，但此時(shí)由于光束的行進(jìn)方向垂直于待測(cè)物20的移動(dòng)方向，因此在光軸方向上幾乎沒(méi)有第一散反射光32。參照?qǐng)D1C，當(dāng)?shù)谝粖A角θ接近0度時(shí)，第一散反射光32在光軸方向上的都卜勒頻率偏移最為明顯，但返回共振腔的第一散反射光32將大幅度地減少，共振腔無(wú)法接收足夠的能量(第一散反射光32)實(shí)現(xiàn)充分的自混合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的所述問(wèn)題，提供一種光學(xué)式移動(dòng)傳感器，其可在激光光束與待測(cè)物之間為任何夾角的情況下提供足量的散反射光及再反射光，以提高自混合強(qiáng)度。
本發(fā)明的光學(xué)式移動(dòng)傳感器包括激光光源、導(dǎo)光元件、檢測(cè)單元以及轉(zhuǎn)換單元。激光光源具有共振腔。導(dǎo)光元件具有凹穴，該凹穴具有第一出光面以及反射部。第一出光面以及反射部分別位于凹穴的側(cè)壁。檢測(cè)單元與激光光源耦接。轉(zhuǎn)換單元與檢測(cè)單元耦接。
激光光源朝待測(cè)物發(fā)射激光光束，激光光束從第一出光面射出導(dǎo)光元件并接觸待測(cè)物，產(chǎn)生第一散反射光以及反射光。第一散反射光的部分光線進(jìn)入所述共振腔。反射光由反射部反射回待測(cè)物，當(dāng)反射光接觸待測(cè)物時(shí)，產(chǎn)生第二散反射光及再反射光。第二散反射光及再反射光的部分光線進(jìn)入所述共振腔，檢測(cè)單元可視各種應(yīng)用環(huán)境需求(如角度、self-mixing信噪比、信號(hào)品質(zhì))選擇使用第二散反射光或再反射光。
應(yīng)用本發(fā)明，可減小激光光束與量測(cè)表面之間的夾角，以增加檢測(cè)的靈敏度。并且，由于共振腔中的電性變化增大，因此在檢測(cè)單元將電性變化量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的過(guò)程中，可減少增益處理的元件成本以及能量成本。


圖1A示出了現(xiàn)有的光學(xué)式移動(dòng)傳感器；圖1B示出了第一夾角接近90度時(shí)的光線路徑；圖1C示出了第一夾角接近0度時(shí)的光線路徑；圖2A示出了本發(fā)明的第一實(shí)施方式；圖2B示出了本發(fā)明第一實(shí)施方式的變型例；圖2C示出了本發(fā)明中激光光束的發(fā)射角度與反射部設(shè)置方位之間的關(guān)系；圖3示出了本發(fā)明的第二實(shí)施方式；圖4A示出了本發(fā)明的第三實(shí)施方式；圖4B示出了本發(fā)明第三實(shí)施方式的變型例；圖5示出了本發(fā)明的第四實(shí)施方式；圖6A示出了本發(fā)明的第五實(shí)施方式；圖6B示出了本發(fā)明第五實(shí)施方式的變型例。
附圖標(biāo)記說(shuō)明10量測(cè)表面20待測(cè)物30激光二極管(激光光源)31激光光束
32第一散反射光33反射光34第二散反射光35再反射光40反射部50檢測(cè)單元60轉(zhuǎn)換單元100 導(dǎo)光元件110 第一出光面111 透鏡結(jié)構(gòu)112 第二出光面120 凹穴130 量測(cè)表面300 光學(xué)式移動(dòng)傳感模塊θ 第一夾角α 第二夾角具體實(shí)施方式
第一實(shí)施方式參照?qǐng)D2A，該圖示出了本發(fā)明的第一實(shí)施方式，其包括激光光源(激光二極管)30、導(dǎo)光元件100、檢測(cè)單元50以及轉(zhuǎn)換單元60。激光光源30具有共振腔(未圖示)。導(dǎo)光元件具有凹穴120，該凹穴具有第一出光面110以及反射部40。第一出光面110以及反射部40分別位于凹穴120的側(cè)壁。檢測(cè)單元50與激光光源30耦接。轉(zhuǎn)換單元60與檢測(cè)單元50耦接。
激光光源30朝待測(cè)物20發(fā)射激光光束31，激光光束31從第一出光面110射出導(dǎo)光元件100，并接觸待測(cè)物20，產(chǎn)生第一散反射光32以及反射光33。第一散反射光32的部分光線進(jìn)入所述共振腔。反射光33由反射部40反射回待測(cè)物20，當(dāng)反射光33接觸待測(cè)物20時(shí)，產(chǎn)生第二散反射光34及再反射光35。第二散反射光34的部分光線進(jìn)入所述共振腔。當(dāng)激光光束31以及反射光33接觸待測(cè)物20時(shí)，由于待測(cè)物20于量測(cè)表面130上沿x軸移動(dòng)，因此第一散反射光32、再反射光35以及第二散反射光34的頻率將由于都卜勒效應(yīng)而產(chǎn)生頻率偏移。而當(dāng)?shù)谝簧⒎瓷涔?2、再反射光35及第二散反射光34進(jìn)入所述共振腔后，會(huì)因自混合造成共振腔的光電變化。檢測(cè)單元50檢測(cè)該共振腔的電性變化量并產(chǎn)生電信號(hào)。轉(zhuǎn)換單元60將所述電信號(hào)轉(zhuǎn)換為空間中的量測(cè)軸(x軸或y軸)上的移動(dòng)量。
反射部40為平面，其可以單純?yōu)榘佳?20的側(cè)壁(依菲涅爾定律，介質(zhì)的變換會(huì)造成光線的反射)，或，涂覆或鍍有反光材料，以提高其反射能力。
參照?qǐng)D2B，其示出了本發(fā)明第一實(shí)施方式的變型，其中，所述第一出光面上可形成透鏡結(jié)構(gòu)111，以有助于激光光束31聚焦。
參照?qǐng)D2C，其示出了本發(fā)明中反射部的設(shè)置方位與激光光束發(fā)射角度之間的關(guān)系。激光光束31與量測(cè)表面130之間具有第一夾角θ，反射部40與量測(cè)表面130之間具有第二夾角α。第一夾角θ的角度介于0度至90度之間。第一夾角θ加上第二夾角α大致等于90度。
在本發(fā)明中，第一散反射光32以及第二散反射光34均進(jìn)入共振腔。因本發(fā)明的反射部引導(dǎo)反射光33二次接觸待測(cè)物20，產(chǎn)生第二散反射光34。所以，本發(fā)明中的共振腔比現(xiàn)有技術(shù)多接收到了第二散反射光34及再反射光35，因而其中的自混合以及光電的變化與現(xiàn)有技術(shù)相比更為明顯。所以，激光光束與量測(cè)表面之間的第一夾角θ可以減小，從而可提高檢測(cè)的靈敏度。并且，由于共振腔中的電性變化增大，因此在檢測(cè)單元50將光電變化量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的過(guò)程中，可減少增益處理的元件成本以及能量成本。
第二實(shí)施方式參照?qǐng)D3，其示出了本發(fā)明的第二實(shí)施方式。第二實(shí)施方式與第一實(shí)施方式的不同點(diǎn)在于，在第二實(shí)施方式中，激光光束31、第一散反射光32、反射光33、再反射光35以及第二散反射光34主要在導(dǎo)光元件100中傳遞，激光光束31以及反射光束33于第二出光面112(量測(cè)表面130)射出導(dǎo)光元件100并接觸待測(cè)物20。凹穴120僅用于造成介質(zhì)的變換而使反射光33反射。同樣，反射部40為平面，其位于凹穴120的側(cè)壁且可單純?yōu)榘佳?20的側(cè)壁，或，涂覆或鍍有反光材料，以提高其反射能力。
第三實(shí)施方式參照?qǐng)D4A，其示出了本發(fā)明的第三實(shí)施方式。第三實(shí)施方式與第二實(shí)施方式的不同點(diǎn)在于，導(dǎo)光元件100為多面體，而反射部40直接位于導(dǎo)光元件100的一面。同第二實(shí)施方式一樣，激光光束31、第一散反射光32、反射光33、再反射光35以及第二散反射光34主要在導(dǎo)光元件100中傳遞。激光光束31以及反射光束33于第二出光面112(量測(cè)表面130)射出導(dǎo)光元件100，并接觸待測(cè)物20。反射部40為平面，其可單純?yōu)閷?dǎo)光元件100的一面，或，涂布或鍍有反光材料，以提高其反射能力。
參照?qǐng)D4B，其示出了本發(fā)明的第三實(shí)施方式的變型例。其中，反射部40以曲面代替平面。同樣，在本發(fā)明的其它實(shí)施方式中，雖然僅示出了反射部40為平面型態(tài)的實(shí)施方式，但這并非是對(duì)本發(fā)明的限制，采用任何其它具有反射功能的結(jié)構(gòu)作為反射部40均落入本發(fā)明的范圍之中。
第四實(shí)施方式參照?qǐng)D5，其示出了本發(fā)明的第四實(shí)施方式，其具有呈長(zhǎng)條狀的支撐板200，激光光源30設(shè)于支撐板200的一端，反射部40設(shè)于支撐板200的另一端。激光光源30朝待測(cè)物20發(fā)射激光光束31，激光光束31接觸待測(cè)物20，產(chǎn)生第一散反射光32以及反射光33。第一散反射光32的部分光線進(jìn)入所述共振腔。反射光33由反射部40反射回待測(cè)物20，當(dāng)反射光33接觸待測(cè)物20時(shí)，產(chǎn)生第二散反射光34。第二散反射光34及再反射光35的部分光線進(jìn)入所述共振腔。反射部40與支撐板200之間的夾角可以任意調(diào)變，可視激光光束與量測(cè)表面之間的夾角而定。圖中的量測(cè)表面130可以為虛擬或?qū)嶓w的量測(cè)表面。
第五實(shí)施方式參照?qǐng)D6A，其示出了本發(fā)明的第五實(shí)施方式。該圖繪出了一種光學(xué)式移動(dòng)傳感模塊300，其包括三個(gè)本發(fā)明第三實(shí)施方式所揭示的光學(xué)式移動(dòng)傳感器(圖中概略地以第三實(shí)施方式中的導(dǎo)光元件100表示)。這些光學(xué)式移動(dòng)傳感器的導(dǎo)光元件以及激光光束彼此之間大致以120±30度的夾角排列，且所述激光光束共同朝向量測(cè)表面上的待測(cè)物發(fā)射，以進(jìn)行多軸的位移檢測(cè)。所述導(dǎo)光元件100亦可以一體的方式制作成單一的導(dǎo)光元件。
參照?qǐng)D6B，其示出了本發(fā)明的第五實(shí)施方式的變型例，其主要應(yīng)用本發(fā)明第二實(shí)施方式所揭示的光學(xué)式移動(dòng)傳感器，以實(shí)現(xiàn)多軸的位移檢測(cè)。其中，所述凹穴具有多個(gè)反射面(反射部)，以供激光光束進(jìn)行反射。
應(yīng)用本發(fā)明，可減小激光光束與量測(cè)表面之間的夾角，進(jìn)而可提高檢測(cè)的靈敏度。并且，由于共振腔中的光電變化增大，因此在檢測(cè)單元將電性變化量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的過(guò)程中，可減少增益處理的元件成本以及能量成本。此外，所述實(shí)施方式皆以待測(cè)物移動(dòng)、光學(xué)式移動(dòng)傳感器不動(dòng)的方式進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)，當(dāng)然亦可以待測(cè)物不動(dòng)、光學(xué)式移動(dòng)傳感器移動(dòng)的方式進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)。
雖然本發(fā)明已以具體的優(yōu)選實(shí)施方式揭示如上，但它們并非是對(duì)本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的任何技術(shù)人員在不超出本發(fā)明的構(gòu)思和范圍的前提下，可對(duì)本發(fā)明進(jìn)行一些變換與潤(rùn)飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所附的權(quán)利要求界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)式移動(dòng)傳感器，用于檢測(cè)待測(cè)物于空間中的測(cè)量軸上的移動(dòng)量，它包括一激光光源，其具有一共振腔，該光源朝所述待測(cè)物發(fā)射激光光束，所述激光光束接觸所述待測(cè)物后，產(chǎn)生第一散反射光以及反射光，所述第一散反射光的部分光線進(jìn)入所述共振腔；一反射部，該反射部將所述反射光反射回所述待測(cè)物，當(dāng)所述反射光再接觸所述待測(cè)物時(shí)，產(chǎn)生第二散反射光及再反射光，所述第二散反射光及再反射光的部分光線進(jìn)入所述共振腔；一檢測(cè)單元，其檢測(cè)所述共振腔的光電變化量，并產(chǎn)生電信號(hào)；以及一轉(zhuǎn)換單元，其將所述電信號(hào)轉(zhuǎn)換為所述空間中的所述測(cè)量軸上的移動(dòng)量；其中，所述第一散反射光、第二散反射光及再反射光具有都卜勒頻率偏移，且所述光電變化量由進(jìn)入所述共振腔的第一及第二散反射光的自混合所造成。
2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)式移動(dòng)傳感器，其中，還包括一導(dǎo)光元件，該導(dǎo)光元件具一凹穴，該凹穴設(shè)于所述導(dǎo)光元件表面，所述反射部設(shè)于所述凹穴的壁面，且所述凹穴具有一第一出光面，該第一出光面亦位于所述凹穴的壁面，所述激光光束從所述激光二極管經(jīng)所述導(dǎo)光元件從所述第一出光面射出并接觸所述待測(cè)物。
3.如權(quán)利要求2所述的光學(xué)式移動(dòng)傳感器，其中，所述導(dǎo)光元件還具有一形成于所述第一出光面的透鏡結(jié)構(gòu)，所述激光光束經(jīng)過(guò)該透鏡結(jié)構(gòu)射出并接觸所述待測(cè)物。
4.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)式移動(dòng)傳感器，其中，還具有一導(dǎo)光元件，該導(dǎo)光元件具一凹穴以及一第二出光面，所述凹穴設(shè)于該導(dǎo)光元件中，所述反射部設(shè)于所述凹穴的壁面，所述第二出光面位于該導(dǎo)光元件的表面，所述激光光束從所述激光二極管經(jīng)過(guò)該導(dǎo)光元件從所述第二出光面射出，并接觸所述待測(cè)物。
5.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)式移動(dòng)傳感器，其中，還具有一導(dǎo)光元件，該導(dǎo)光元件呈多面體并具有一第二出光面，所述第二出光面位于該導(dǎo)光元件的一面，且所述反射部設(shè)于該導(dǎo)光元件的另一面，所述待測(cè)物在所述第二出光面上移動(dòng)，所述激光光束從所述激光二極管經(jīng)過(guò)該導(dǎo)光元件從所述第二出光面射出并接觸所述待測(cè)物。
6.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)式移動(dòng)傳感器，其中，所述反射部上涂覆有反光材料。
7.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)式移動(dòng)傳感器，其中，還包括一量測(cè)表面，所述待測(cè)物實(shí)質(zhì)上沿該量測(cè)表面移動(dòng)，且所述激光光束與該量測(cè)表面之間形成第一夾角，該第一夾角介于0度與90度之間。
8.如權(quán)利要求7所述的光學(xué)式移動(dòng)傳感器，其中，所述量測(cè)表面為虛擬或?qū)嶓w的量測(cè)表面。
9.如權(quán)利要求8所述的光學(xué)式移動(dòng)傳感器，其中，所述反射部為平面，該反射部與所述量測(cè)平面之間具有第二夾角，該第二夾角加上所述第一夾角大致等于90度。
10.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)式移動(dòng)傳感器，其中，還包括一呈長(zhǎng)條狀的支撐板，所述激光光源設(shè)于該支撐板的一端，所述反射部設(shè)于該支撐板的另一端。
11.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)式移動(dòng)傳感器，其中，所述反射部為曲面。
12.一種光學(xué)式移動(dòng)傳感模塊，其中，所述傳感模塊包括三個(gè)如權(quán)利要求1所述的光學(xué)式移動(dòng)傳感器，這些光學(xué)式移動(dòng)傳感器的所述激光光源以及所述反射部彼此間大致以120度的夾角排列，且所述激光光束朝向所述待測(cè)物。
13.一種光學(xué)式移動(dòng)傳感模塊，其中，所述傳感模塊包括三個(gè)如權(quán)利要求5所述的光學(xué)式移動(dòng)傳感器，這些光學(xué)式移動(dòng)傳感器的所述激光光源以及所述導(dǎo)光元件彼此間大致以120度的夾角排列，且所述激光光束朝向所述量測(cè)表面。
14.如權(quán)利要求13所述的光學(xué)式移動(dòng)傳感模塊，其中，所述導(dǎo)光元件以一體的方式制成。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種光學(xué)式移動(dòng)傳感器，其包括激光光源、導(dǎo)光元件、檢測(cè)單元以及轉(zhuǎn)換單元。激光光源具有共振腔。導(dǎo)光元件具有凹穴，該凹穴具有第一出光面以及反射部。第一出光面以及反射部分別位于所述凹穴的側(cè)壁。檢測(cè)單元與激光光源耦接。轉(zhuǎn)換單元與檢測(cè)單元耦接。激光光源朝待測(cè)物發(fā)射激光光束，激光光束從第一出光面射出導(dǎo)光元件并與待測(cè)物接觸，產(chǎn)生第一散反射光以及反射光。第一散反射光的部分光線進(jìn)入所述共振腔。反射光由反射部反射回所述待測(cè)物，當(dāng)反射光接觸待測(cè)物時(shí)，產(chǎn)生第二散反射光及再反射光。第二散反射光及再反射光的部分光線進(jìn)入所述共振腔。
文檔編號(hào)G01S17/00GK1815262SQ20051000912
公開(kāi)日2006年8月9日 申請(qǐng)日期2005年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月3日
發(fā)明者廖炳謙, 馬國(guó)棟 申請(qǐng)人:達(dá)方電子股份有限公司