光學編碼器
光學編碼器以光柵與光電偵測為核心，將旋轉或直線位移轉換為電訊號，是CNC 工作機械、半導體平台、精密量測、機器人與高階自動化中的主流位置回授元件。憑藉高解析度、低細分誤差（Sub-Division Error；SDE）與優異的重複性，光學編碼器廣泛應用於奈米至微米級定位。
什麼是光學編碼器（What is an Optical Encoder）
光學編碼器是一類透過光源—光學光柵—光電偵測鏈路取得位置信息的感測器。其核心由具有週期結構的碼盤／光柵尺（Scale／Disk）與讀頭（Readhead）構成：讀頭在規定的光學間隙內讀取光柵的透射／反射所形成的條紋或干涉訊號，經類比前端（AFE）與內插／解碼電路處理後，輸出增量 A/B（可含 Z 參考）、正弦／餘弦 1 Vpp，或絕對位置序列資料（SSI／BiSS／EnDat 等）。
依運動形式分為旋轉式光學編碼器（碼盤）與線性光學編碼器（光柵尺）。相較於透過螺桿／齒條的間接推算，線性光學編碼器可實現直接量測，可顯著抑制背隙、螺距與熱伸長造成的定位誤差；旋轉式光學編碼器則為馬達與轉台提供高解析角度與速度回授。
工作原理（Working Principle）
1) 成像式莫爾條紋（Imaging／Moiré）
- 結構：光源（LED／VCSEL）→ 準直／成像光學 → 遮罩／相位光柵 → 感光陣列。
- 機制：標尺與讀頭內參考柵相對位移產生莫爾條紋，形成近似正弦／餘弦訊號；再經內插與幅相校正以產生高解析位移。
2) 乾涉式／相位光柵（Interferential／Phase Grating）
- 機制：繞射階次的相位差隨位移線性變化，疊加後形成高純度正弦訊號；具更低 SDE 與更高解析度潛力。
3) 透射 vs 反射
- 透射式：玻璃／陶瓷基板；訊雜比高、線性度佳，適合潔淨環境與高精定位。
- 反射式：金屬化或鍍膜反射光柵；結構緊湊、安裝友善，但對汙染較敏感，需良好密封與氣幕／刮刷。
4) 增量與絕對輸出邏輯
- 增量式：A/B 正交脈衝（相差 90°），方向由相位先後判定；Z 參考每行程／每圈一次。
- 絕對式：任意位置輸出唯一碼（Binary／Gray），可帶診斷、溫度與狀態暫存器。
解析度（線性）近似： Δx ≈ p / (N × M)
其中 p = 柵距，N = 類比內插倍數（如 100×），M = 數位倍頻係數（典型 4×）。
旋轉編碼器等效角解析度： θ_res = 360° /（線數 × 4）
分類（Taxonomy）
- 依運動形式：線性光學編碼器／旋轉式光學編碼器（碼盤）
- 依輸出：增量式（TTL／HTL／RS422、1 Vpp／11 µApp）／絕對式（SSI、BiSS-C、EnDat 2.2、並列）
- 依光學實現：透射／反射、成像式／乾涉式、振幅柵／相位柵
- 依封裝：開放式（高動態、低摩擦）／密封式（IP65–IP67，抗油霧與冷卻液）
- 依量程／基材：玻璃／陶瓷（低 CTE）、鋼帶（長行程）、鍍膜反射柵等
關鍵部件與訊號鏈（Signal Chain）
- 光源與光學：LED／雷射，準直／聚焦決定照度均勻度與溫漂；需進行老化與功率閉環補償
- 光柵／碼盤：柵距
p、占空比與相位精度決定訊號純度與 SDE - 感光陣列／AFE：多通道擷取，自動增益／偏置／相位平衡（ABC 校正）
- 內插／編碼 ASIC：幅相校正、橢圓度補償、數位濾波與 jitter 抑制、協定編碼與線驅動
- 實體層：RS422 差分、1 Vpp／11 µApp、終端阻抗與電纜佈線（遮蔽／接地）策略
輸出與介面（Outputs & Interfaces）
| 輸出制式 | 典型訊號 | 說明 |
|---|---|---|
| 增量方波 | A/B（+Z），TTL／HTL／RS422 | PLC 高速計數、速度／位置環；長距離優先差分傳輸 |
| 正弦／餘弦 | 1 Vpp、11 µApp | 超高解析內插；SDE 與 jitter 取決於鏈路品質 |
| 絕對序列 | SSI、BiSS-C、EnDat 2.2 | 單／多圈絕對值、診斷／溫度／警報暫存器 |
| 現場總線 | EtherCAT、PROFINET、CANopen | 多軸同步、分散式時脈、線上設定 |
頻寬估算（線性）： f_max ≈ (v / p) × edges
其中 v = 線速度，edges = 每週期有效邊沿數（如 4× 倍頻）。
性能指標（Key Specifications）
| 指標 | 典型範圍／說明 |
|---|---|
| 解析度 | 線性：1 µm → 1 nm；旋轉：≤ 24 bit 等效 |
| 線性精度 | 高階光學：±1～±3 µm/m；標準：±3～±10 µm/m |
| 重複性 | ≤ ±0.1～±0.3 µm（線性）；角度型可達亞角秒級 |
| SDE（細分誤差） | 優質 1 Vpp 鏈路：±20～±80 nm |
| 抖動（Jitter） | 數十奈米量級，受 AFE 與時脈相位雜訊影響 |
| 相位／占空比誤差 | A/B 相位 90° ±（1～5）°；占空 50% ±（2～10）% |
| 速度能力 | 線性 > 1 m/s，旋轉可至 > 12,000 RPM（視介面而定） |
| 環境等級 | IP40（開放）至 IP67（密封），IEC 60068-2 振動／衝擊測試 |
安裝與誤差源（Installation & Error Sources）
- 氣隙與姿態（pitch／roll／yaw）偏差 → 振幅不均與 SDE 增大
- 阿貝誤差：偏距 × 角度誤差；使量測線儘量通過運動中心或以軟體補償
- 餘弦誤差（小角近似）：
e ≈ (L × θ²) / 2 - 碼盤偏心／軸向跳動（runout）（旋轉）：引入基波／二次諧波角誤差
- 熱膨脹（CTE）：玻璃／陶瓷 CTE 低；鋼帶需熱補償與浮動固定
- EMC／接地：單點接地、合理遮蔽與回流路徑控制，避免共模／地迴路雜訊
校準與補償（Calibration & Compensation）
- 線性映射：以雷射干涉儀／球桿儀（ball bar）量測誤差曲線，載入控制器 LUT
- 熱漂補償：結合標尺／機體溫度與 CTE 模型即時修正
- 幅相／橢圓校正：內插前對振幅、偏置、相位進行自動平衡
- 參考策略：距離編碼參考點可縮短回零距離並提升復現性
與其他原理比較（Comparisons）
| 技術 | 解析度／精度 | 抗汙／環境 | 典型量程 | 主要短板 |
|---|---|---|---|---|
| 光學編碼器 | ★★★★★ | ★★★ | 中／長 | 對汙染與凝結敏感、安裝要求高 |
| 磁性編碼器 | ★★☆ | ★★★★ | 長 | 線性度與 SDE 較弱 |
| 電感式／電容式 | ★★★ | ★★★★ | 中 | 受鄰近金屬／渦電流或水氣影響 |
| 旋轉變壓器／電位計 | ★★ | ★★★★★／★ | 中／短 | 解析度較低或介面不直觀 |
應用（Applications）
CNC（直線軸與旋轉軸）、CMM 與量測平台、半導體對準／曝光／檢測、精密運動台、機器人關節與減速器背隙監控、醫療影像／放療設備、印刷包裝同步控制、電子貼片／檢測與高速搬運。
維護與故障排除（Maintenance & Troubleshooting）
- 日常：定期清潔（無塵布＋適當溶劑）、檢查電纜彎折半徑／遮蔽、監控溫溼與凝結
- 常見症狀與對策：
- 脈衝遺失／邊沿掉落：氣隙超限、汙染遮擋 → 調整姿態／清潔／加裝密封與氣幕
- SDE／jitter 增大：AFE／內插鏈路雜訊、接地不良 → 優化供電／佈線／端接
- 絕對值通訊失敗：SSI／BiSS／EnDat 參數或極性不匹配 → 校對幀長、CRC、時序與阻抗
- 角度諧波誤差（旋轉）：偏心／跳動 → 提升同心度與軸承剛性、進行諧波補償
選型指南（Selection Guide）
- 目標精度／重複性（µm/m 或角秒）與動態速度
- 實現原理（透射／反射、成像／乾涉）與柵距
p - 輸出介面（A/B/Z、1 Vpp、SSI／BiSS／EnDat、總線）與控制器頻寬
- 封裝與環境（開放／密封，IP 等級、是否有冷卻液／粉塵）
- 機械與熱設計（氣隙／姿態公差、CTE、浮動安裝）
- 補償與診斷（誤差映射、溫度／狀態暫存器、線上警報）
- 全生命週期（電纜／讀頭可維護性、備品備件可得性、計量校準能力）
標準與參考（Standards & References）
- IEC 60529:2020（IP 防護等級）
- IEC 60068-2（振動／衝擊／溫溼）
- IEC 61000-6-2／-6-4（工業 EMC 免疫／輻射）
- ISO 230-2／ISO 230-3（工作機定位與熱特性試驗）
- ISO 10360（CMM 驗證）
- ISO 14644（潔淨室環境要求）
總結：全面掌握光學編碼器的原理、指標、介面與安裝／補償要點，可在複雜工況中實現高精度、高魯棒性、可診斷的長期穩定運行。