專利名稱：采用光傳感方式的位移檢測方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種位移檢測方法及裝置，尤其是一種采用光傳感方式的位移檢測方法及裝置。
兩維空間的位移檢測技術在工業(yè)控制和電腦輸出輸入裝置等的應用上已行之多年，且有成為必備品的趨勢。相應裝置的精度一向為企業(yè)界所追求與標榜，以電腦的日益普及為例，其系統(tǒng)的人機界面已逐漸舍棄傳統(tǒng)上用鍵盤輸入的方式，而采用以手在板面上移動，配合窗口(WINDOW)軟件來完成電腦的光標(CURSOR)操控及下達操作指令的方式。實現這一功能的裝置與軟件除了在電腦輔助設計(CAD)，繪圖軟件上展現威力之外，在商業(yè)、教育、家庭，甚到娛樂的軟件上也逐漸普及，其原因在于該類裝置可在使用上較為經濟、實用及方便。
現有的常用裝置多采用機械摩擦傳動方式，其移動體內備有X、Y軸向的兩組編碼器(ENCODER)，編碼器為標準旋轉式編碼器(ROTARY ENCODER)，其傳動軸直接與板面摩擦，或由一球體傳動;位移時，利用X、Y軸向的編碼器給出位移信息。但這些技術有許多先天及后天的缺陷，因其必須具備多個傳動機構，其結構復雜，且其機構配置上必須相當精密。
眾所周知，旋轉將造成摩擦，有摩擦必會產生間隙，也必定產生若干誤差，因此，這種以摩擦傳動方式的裝置其精度自然降低。再者，任何材料都會磨損，致使其誤差值將隨使用次數而增加，即使機構上的問題得到克服，使用時，傳動軸或球體會將板面上的灰塵及污垢攜帶至內部機構上，造成需要經常清潔和維護，嚴重時甚至完全無法操作，形成使用上的一大困擾。
顯然，已知的類似裝置，其設計與制造方法實有待更新更好的方法來突破。發(fā)明人以多年類似裝置的使用設計經驗，并經多次的試驗改良之后，終于產生出本發(fā)明。
本發(fā)明的目的在于提供一種結構簡單，無摩擦傳動，高精度及高解析度的位移檢測方法及其裝置。
本發(fā)明的采用光傳感方式的位移檢測方法，主要通過以下方式實現其發(fā)明目的一機體與一特定的座標格板做相對位移運動，將光源投射到座標格板上產生影像，利用成像透鏡將影像放大后，經不同軸向的聚光透鏡或反射鏡使光線聚集，由光傳感元件將各軸向的聚集光線轉換為代表位移狀態(tài)的電信號。
另外，聚集光源的方式為利用透鏡或反射鏡，或兩者同時交互使用。光源相對于光傳感元件位于座標格板的同一側或另一側。座標格板至成像透鏡中心的距離小于成像透鏡中心至成像平面的距離，用其對影像的放大作用來提高解析度。座標格板為反光式或透光式。座標格板表面的垂直及水平座標線為等寬度且線寬與線間距相等。
本發(fā)明的采用光傳感方式的位移檢測裝置主要通過以下方式實現其發(fā)明目的一由具有反光或透光材料制成的、其表面標刻等寬度的垂直和水平標線且線寬與線間距相等的座標格板;
一與座標格板做相對位移的機體;
一對應于反光或透光的座標格板而設于機體內或座標格板的另一側面的光源;
一設于機體內用以將座標格板的座標放大的成像透鏡;
一組設于機體內且位于成像透鏡的成像平面，用以將來自成像透鏡的不同軸向的光線分別聚焦的聚光透鏡或反射鏡;
設于機體內且至少與每一聚光透鏡或一反射鏡一一對應的光傳感元件。
另外，聚光透鏡或反射鏡呈長方形，同一軸向的透鏡或反射鏡可相鄰排列或相距一座標線間距的距離。
關于光學上光線可藉透鏡折射、反射鏡反射而予以導引、聚集、擴散等一般物理常識，在此不擬贅述，而任何電氣設備所必備的已知配件如電源、信號傳輸用導線，等等，于此亦不贅述。
有關本發(fā)明的應用及實施上所使用的技術手段、元件及其功效，茲用實施例并配合相關附圖詳細說明于后。
說明書附圖的說明如下

圖1是本發(fā)明采用聚光透鏡組時的示意圖。
圖2是本發(fā)明采用聚光透鏡組時的橫斷面圖。
圖3是本發(fā)明的座標格局部放大頂視圖。
圖4是本發(fā)明的聚像區(qū)的放大示意圖。
圖5是說明本發(fā)明的單軸向位移信號變化情形。
圖6是說明本發(fā)明的雙軸復合位移信號變化情形。
圖7是本發(fā)明采用反射鏡組時的示意圖。
圖8是本發(fā)明采用反射鏡組時的橫斷面圖。
圖9是本發(fā)明的應用設計例一。
圖10是本發(fā)明的應用設計例二。
如圖1，本發(fā)明采用聚光透鏡時，其主要元件包含光源10(或者10')，此光源主要是用來投射于座標格板11，其顏色、波長、材料、形狀等均無特殊要求，本例以常用的發(fā)光二極管(LED)為例。本發(fā)明所使用的座標格板11可利用反光板加印座標格，或用如膠片、玻璃等透光材料并在其表面加印座標格來實現，當座標格板使用反光材料時，光源10固定于機體20內，投射于成像透鏡12的物像區(qū)內。成像透鏡12為成像鏡，具有較佳的聚光性，可將透鏡前方任何方向的入射光線聚于中心，而于成像透鏡12的后方成像。
透過成像透鏡12后，光線可在截面13、13'、15、15'上成像，依光學放大率M(放大倍數)＝P(像距)/S(物距)，令P(即成像面13、13'、15、15'與成像透鏡12中心的間距)大于物距(即透鏡中心到座標格板11表面的距離)，依此，可將座標格板的刻度予以放大。如圖3及圖4所示，斜線區(qū)17為座標刻度線的陰影，空白區(qū)18為座標刻度線的間隔，由光源10、10'投射形成亮塊，座標線寬與間隔可設定為完全相等的寬度，而設計成長方形的聚光透鏡13、13'及15、15'所覆蓋的影像面積如圖4所示，同一軸向的聚光透鏡可相鄰排列，亦可相距一個格區(qū)?，F定義每塊聚光鏡所覆蓋的面積為”集光面”，且每一塊聚光鏡的聚焦處必對應一個以上的光傳感元件。如圖1，聚光透鏡13、13'將其所覆蓋的集光面上所有的光線聚焦到光傳感元件14、14'上，透鏡15、15'則聚焦于元件16、16'上。由圖4所示的聚焦情形可看出，光傳感元件14、14'、16、16'均因其對應的集光面13、13'15、15'無任何亮塊或僅有相當微小部份的集光面有亮塊，如果表面未接收到任何光線或光線太微弱，此時，定義其輸出為“0”信號，而光傳感元件16'因其對應集光面有1/2受到光照射，因此可以改變光傳感元件16'的狀態(tài)，此狀態(tài)定義為“1”信號。
如圖2，在本發(fā)明采用聚光透鏡的實施例中，將成像透鏡12、聚光透鏡組13、13'、15、15'及光傳感元件14、14'、16、16'與電子電路等必要元件19及導線21全部組裝于一機體20內，令機體20與座標格板11脫離成兩個獨立體。當機體20與座標格板11之間有相對位移時，必形成成像透鏡12前方的物像變化，因此，圖4所示的集光面與座標格明、暗影像的關系亦必改變，現舉X軸方向位移詳加說明。
圖5所示為本發(fā)明作單軸向位移時的位移檢測原理，機體20與座標格板11之間僅做水平(X軸)方向位移，并依次產生A、B、C、D等連續(xù)信號，其間或為機體20右移，或為座標格板11左移。
根據上述將光傳感元件接收的明、暗影像定義為1，0信號，則集光面13、13'位移時，可從光傳感元件14、14'得到下面的信號組合，若位移變化為由狀態(tài)A轉變?yōu)闋顟B(tài)B，則其組合由
變化為
，依此類推，若由狀態(tài)D再繼續(xù)向右位移，則又恢復到狀態(tài)A，其間變化成周期性關系，將其組合狀態(tài)整理、排列之后，可得如下關系式
此組合關系即常用的標準位移檢測器的輸出信號。必須注意的是此時機體20或座標格板11僅做單軸向位移，另一軸向狀態(tài)將不會因此運動而有所影響。
當機體20與座標格板11在X、Y軸方向均有位移時，如圖6所示，機體20由狀態(tài)E到狀態(tài)F可知為往右下方各做一個單位(UNIT)的位移，其X軸方向輸出信號組合由
變化為[1，1]，狀態(tài)F到狀態(tài)G時其組合由[1，1]變化為[1，0];同時Y軸方向輸出信號組合由
變化為
，狀態(tài)F到狀態(tài)G時其組合由
變化為[1，1]。此時，藉光傳感元件由其X軸及Y軸方向的輸出信號，可知其同時檢測出的狀況。
本發(fā)明的另一實施例為采用反射鏡聚光，如圖7及圖8所示，其動作原理與上述實施例完全相同，亦包含光源30或30'、座標格板31、透鏡32、光傳感元件34、34'、36、36'及電路元件39、機體40，唯在此將聚光透鏡改為上拱型反射鏡33、33'、35、35'。
因光線既可由聚光透鏡又可由反射鏡引導而偏折至任何方向，所以本發(fā)明在應用時，并沒有任何組合形狀上的限制，如一軸向聚光透鏡及一軸向反射聚光鏡組合，或其他類似組合，其組合方式多達16種(42)，采用透鏡聚光法時，成像區(qū)在上方，較適合立式或長形設計，圖9為此型應用的例子;而采用反射鏡聚光時，則需稍大的橫截面，而較適合臥式設計，圖10為此形式應用的例子。
座標格板11的影像經放大之后，再由聚光透鏡或反射鏡聚焦于光傳感元件上。考慮到經濟成本，實際中，光傳感元件可為光電晶體管(PHOTO-TRANSISTOR)或光電二極管(PHOTO-DIODE)，其實際受光面積一般大約僅20密爾(MIL)見方，若影像的放大倍數為2，則放大后的線寬(要能覆蓋兩片聚光透鏡或反射鏡的寬度)只需有20密爾，即座標格板上的座標線寬為10密爾，間隔亦為10密爾，如此一來，每英寸內可有1000/20＝50條(約20條/厘米)座標線，因座標線到座標線間可以檢出4個點數(COUNTS)，則如此設計可達每英寸200點(D、P、I)(約79點/厘米)的精確度，若光學放大倍數為12時，可達1200點(約472點/厘米)，其精確度非常高，這是常用的位移檢測器幾乎無法精確地達到的。特別值得注意的是座標格板并未特別精細，亦不需要特別的制造技術即可制成，若要將座標格板做精細刻度，以目前工業(yè)技術水準，用蒸鍍或感光法都可以達到。
本發(fā)明所提供的方法與裝置具有結構簡單、精確度高及解析度高的特點;更重要的是本發(fā)明所提供的輸出為現有標準位移檢測器的輸出，但無任何復雜、費時的運算，不會降低位移檢測器的反應速度。實為一極具實用價值的發(fā)明。
顯然，本發(fā)明在不脫離其基本精神下，可為多種變換設計，即本發(fā)明的實施應超過上述詳細說明的實施方式，因此，對熟悉此項技術者而言，該多種變換設計皆應包含于本發(fā)明的申請專利范圍內。
權利要求
1.一種采用光傳感方式的位移檢測方法，它包括一機體與一特定的座標格板做相對位移運動，將光源投射到座標格板上產生影像，利用成像透鏡將影像放大后，經不同軸向的聚光透鏡或反射鏡使光線聚集，由光傳感元件將各軸向的聚集光線轉換為代表位移狀態(tài)的電信號。
2.如權利要求1所述的位移檢測方法，其特征是所述聚集光源的方式為利用透鏡或反射鏡，或兩者同時交互使用。
3.如權利要求1所述的位移檢測方法，其特征是所述光源相對于光傳感元件位于座標格板的同一側或另一側。
4.如權利要求1所述的位移檢測方法，其特征是所述座標格板至成像透鏡中心的距離小于成像透鏡中心至成像平面的距離，用其對影像的放大作用來提高解析度。
5.如權利要求1所述的位移檢測方法，其特征是所述座標格板為反光式或透光式。
6.如權利要求1所述的位移檢測方法，其特征是所述座標格板表面的垂直及水平座標線為等寬度且線寬與線間距相等。
7.一種采用光傳感方式的位移檢測裝置，它包括-由具有反光或透光材料制成的、其表面標刻等寬度的垂直和水平標線且線寬與線間距相等的座標格板;-與座標格板做相對位移的機體;-對應于反光或透光的座標格板而設于機體內或座標格板的另一側面的光源;-設于機體內用以將座標格板的座標放大的成像透鏡;-組設于機體內且位于成像透鏡的成像平面，用以將來自成像透鏡的不同軸向的光線分別聚焦的聚光透鏡或反射鏡;設于機體內且至少與每一聚光透鏡或一反射鏡一一對應的光傳感元件。
8.如權利要求7所述的位移檢測裝置，其特征是所述的聚光透鏡或反射鏡呈長方形，同一軸向的透鏡或反射鏡可相鄰排列或相距一座標線間距的距離。
全文摘要
本發(fā)明為采用光傳感方式的位移檢測方法及裝置，其裝置主要包含一具有垂直水平坐標線的坐標格板11及一在其上移動的內含光學元件及光傳感元件的機體，其原理為光源10照射坐標格板，成像透鏡12將其上的細小刻度放大，再于成像面利用聚光透鏡13、15或反射鏡分別在垂直、水平軸向聚集、聚集之后投射于垂直、水平光傳感元件14、16之上，由光傳感元件的輸出信號直接取得X、Y軸向的位移信息。該方法及裝置簡單且精確度高。
文檔編號G01B11/02GK1061090SQ9010854
公開日1992年5月13日 申請日期1990年10月25日 優(yōu)先權日1990年10月25日
發(fā)明者劉光萬 申請人:劉光萬