CH643941A5

CH643941A5 - Method and device for producing optical scales, and scale produced according to the method

Info

Publication number: CH643941A5
Application number: CH1023579A
Authority: CH
Inventors: Peter A Dr Fink
Original assignee: Elesta Ag Elektronik Bad Ragaz
Priority date: 1979-11-16
Filing date: 1979-11-16
Publication date: 1984-06-29
Also published as: DE3042650A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von optischen Massstäben. The present invention relates to a method and an apparatus for producing optical scales.

Optische Massstäbe werden vielfach zur Steuerung von Werkzeugmaschinen verwendet. Bei einem bekannten Verfahren zur Herstellung von optischen Massstäben wird das in der Regel aus Glas bestehende, durchsichtige Substrat mit einer säureresistenten Schicht bedeckt. Die einzelnen Teilstriche werden dann in diese Schicht eingeritzt, worauf dann durch Optical standards are often used to control machine tools. In a known method for producing optical scales, the transparent substrate, which generally consists of glass, is covered with an acid-resistant layer. The individual tick marks are then carved into this layer, followed by

Ätzen der eigentliche Messstrich auf der Glasoberfläche gebildet wird. Dieses Verfahren hat unter anderem den Nachteil, dass beim Ritzen feine Späne entstehen, die unter Umständen auf dem Teilstrich liegen bleiben und damit ein Ätzen ver-5 hindern. Etching the actual measuring line is formed on the glass surface. This method has the disadvantage, among other things, that fine chips are produced during scribing, which may remain on the graduation mark and thus prevent etching.

Wenn es gelingt, einen solchen Massstab von hoher Genauigkeit und mit praktisch fehlerfreien Teilstrichen zu erzeugen, kann dieser als Original zur Herstellung von weiteren Massstäben auf optischem Wege dienen. Bei sogenannten io Kontaktverfahren wird der Originalmassstab auf ein weiteres Substrat, das eine lichtempfindliche Schicht aufweist, aufgelegt, worauf dann die Belichtung erfolgt und somit das Strichmuster auf das Substrat fotografisch übertragen wird. Durch die anschliessenden Entwicklungsvorgänge wird dann ein 15 Massstab erzeugt, der eine Kopie des Originals darstellt. If it is possible to produce such a scale with high accuracy and with practically error-free graduation marks, it can serve as an original for the production of further scales by optical means. In so-called OK contact processes, the original scale is placed on a further substrate which has a light-sensitive layer, whereupon the exposure takes place and the line pattern is thus photographically transferred to the substrate. The subsequent development processes then produce a scale that represents a copy of the original.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Massstabes zu schaffen, It is an object of the present invention to provide a method for producing an optical scale,

durch welches ein Massstab mit sauberen und genauen Teilstrichen rationell erzeugbar ist. through which a scale with clean and precise graduation marks can be generated efficiently.

20 Gemäss der Erfindung wird dies dadurch erreicht, dass auf ein Substrat eine Beschichtung aufgetragen wird und dass dann mittels eines Laser- oder Elektronenstrahls eine Markierung durch lokales Verdampfen oder Umwandeln der Schicht erzeugt wird. Die Verwendung eines Laser- oder Elektronen-25 Strahls hat den Vorteil, dass das Beschichtungsmaterial in der Gegend der Markierung verdampft und somit keine störenden Späne oder dergleichen übrig bleiben. Bei der Verwendung einer geeigneten Beschichtung kann nachher die Markierung durch Ätzen auf die Substratoberfläche direkt über-30 tragen werden. Es kann aber auch eine optisch wirksame Schicht verwendet werden, z.B. eine lichtundurchlässige Schicht, so dass die Strichmarkierungen dann als lichtdurchlässige Stellen erscheinen. In diesem Falle ist der Massstab grundsätzlich ohne weitere Fertigungsvorgänge verwendbar. 35 Statt einer lichtundurchlässigen Beschichtung ist es auch möglich, eine lichtstreuende oder eine polarisierende Beschichtung zu verwenden. Es ist dann lediglich darauf zu achten, dass bei der Verwendung des Massstabes das optische Abtastorgan entsprechend ausgebildet ist, um die Markierun-40 gen festzustellen. According to the invention, this is achieved in that a coating is applied to a substrate and that a marking is then generated by means of a laser or electron beam by local evaporation or conversion of the layer. The use of a laser or electron beam has the advantage that the coating material evaporates in the area of the marking and therefore no disruptive chips or the like remain. If a suitable coating is used, the marking can subsequently be applied directly over the substrate surface by etching. However, an optically effective layer can also be used, e.g. an opaque layer so that the line marks then appear as translucent areas. In this case, the scale can basically be used without any further manufacturing processes. 35 Instead of an opaque coating, it is also possible to use a light-scattering or a polarizing coating. It is then only necessary to ensure that when the scale is used, the optical scanning element is designed to determine the markings.

Vorteilhaft wird die Beschichtung aus Wismut und Selen im Mischungsverhältnis zwischen 2,5 zu 1 und 3,5 zu 1 aufgedampft. Bei einer solchen Beschichtung liegt die Verdampfungstemperatur sehr günstig, so dass ein Laser mit relativ 45 kleiner Leistung Anwendung finden kann. Die bei der Verdampfung entstehende Wärme ist dabei so gering, dass die Genauigkeit des Massstabes dadurch nicht beeinträchtigt wird. Auch können hohe Herstellungsgeschwindigkeiten erzielt werden. The coating of bismuth and selenium is advantageously vapor-deposited in a mixing ratio between 2.5 to 1 and 3.5 to 1. With such a coating, the evaporation temperature is very favorable, so that a laser with a relatively low power can be used. The heat generated during evaporation is so low that the accuracy of the scale is not affected. High production speeds can also be achieved.

50 Der zur Herstellung des Massstabes verwendete Laseroder Elektronenstrahl ist vorteilhaft fokussiert. Dies ist beispielsweise zur Erzielung der notwendigen Energiedichte im Bereich der zu bearbeitenden Beschichtung von Vorteil. 50 The laser or electron beam used to manufacture the scale is advantageously focused. This is advantageous, for example, in order to achieve the necessary energy density in the area of the coating to be processed.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durch-55 führung des Verfahrens, welche gekennzeichnet ist durch eine Einrichtung zur Erzeugung eines Laser- oder Elektronenstrahls, dessen optische Achse auf die Beschichtung des Substrats gerichtet ist, eine Fokussiereinrichtung, und einer Vorschubvorrichtung zur Erzeugung einer Relativbewegung zwi-60 sehen dem eine Beschichtung aufweisenden Substrat und der optischen Achse. Mit einer solchen Vorrichtung lässt sich ein optischer Massstab auf verhältnismässig einfache Weise herstellen. The invention also relates to a device for performing the method, which is characterized by a device for generating a laser or electron beam, the optical axis of which is directed onto the coating of the substrate, a focusing device, and a feed device for generating a relative movement between -60 see the coated substrate and the optical axis. With such a device, an optical scale can be produced in a relatively simple manner.

Es ist möglich, dass die Vorschubvorrichtung aus opti-65 sehen Mitteln besteht, mit welchen die optische Achse relativ zum Substrat verschoben wird. Dies hat den Vorteil, dass keine oder nur kleine mechanische Bewegungen notwendig sind. It is possible that the feed device consists of optical means with which the optical axis is displaced relative to the substrate. This has the advantage that no or only small mechanical movements are necessary.

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Zweckmässigerweise weist die Vorschubvorrichtung einen Schlitten zur Aufnahme des beschichteten Substrats auf und ist über eine Kugelrohrspindel von einem Motor antreibbar. Bei dieser Ausgestaltung kann die Einrichtung zur Erzeugung eines Laser- oder Elektronenstrahls stationär bleiben, was für die Erzielung hoher Präzision von Vorteil ist. The feed device expediently has a slide for receiving the coated substrate and can be driven by a motor via a ball tube spindle. With this configuration, the device for generating a laser or electron beam can remain stationary, which is advantageous for achieving high precision.

Die Fokussiereinrichtung weist vorteilhaft eine Zylinderlinse auf. Dies hat den Vorteil, dass bei der Herstellung der Markierung keine Bewegungen ausgeführt werden müssen, wie dies beispielsweise bei der Herstellung eines Teilstriches mit einer Nadel bei herkömmlichen Verfahren der Fall ist. Auch dies trägt zur Erhöhung der Präzision bei, denn die ganze Vorrichtung bleibt bei der Herstellung erschütterungsfrei. The focusing device advantageously has a cylindrical lens. This has the advantage that no movements have to be carried out when producing the marking, as is the case, for example, when producing a graduation mark with a needle using conventional methods. This also contributes to increasing the precision, because the entire device remains vibration-free during manufacture.

Gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Quervorschub vorgesehen, mit welchem eine weitere, zur ersten Relativbewegung quer gerichtete Relativbewegung zwischen dem beschichteten Substrat und der optischen Achse erzeugbar ist. Diese Ausbildung ist zweckmässig, wenn aus ir- According to one exemplary embodiment of the invention, a transverse feed is provided, with which a further relative movement between the coated substrate and the optical axis, which is transverse to the first relative movement, can be generated. This training is useful if for some reason

derlinse 27 wird ein Lichtstrahl erzeugt, der nach dem Fokus-sierung durch die Linse 31 einen strichförmigen Querschnitt besitzt. Beim Einschalten des Lasers 11 wird daher durch den Laserstrahl eine strichförmige Markierung durch lokales Ver-5 dampfen oder Umwandeln der auf dem Substrat 15 angebrachten Schicht 16 erzeugt. Nach der Erzeugung eines Striches macht der Schrittschaltmotor 19 einen Schritt, so dass über die Spindel 21 der Schlitten 17 um den Teilabstand zwischen zwei Strichen bewegt wird. In solcher Weise wird ein 10 Teilstrich nach dem andern auf dem Substrat 15 erzeugt und eine optischer Massstab hergestellt, wie er beispielsweise in Figur 4 dargestellt ist, wo auch die als Teilstriche ausgebildeten Markierungen 14 ersichtlich sind. derlinse 27 a light beam is generated, which has a line-shaped cross-section after focusing by the lens 31. When the laser 11 is switched on, the laser beam therefore generates a line-shaped marking by locally evaporating or converting the layer 16 applied to the substrate 15. After the generation of a line, the stepping motor 19 takes a step so that the slide 17 is moved by the part distance between two lines via the spindle 21. In this way, one graduation mark after the other is produced on the substrate 15 and an optical scale is produced, as is shown, for example, in FIG.

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Die Markierungen 14 können sich, wie in Figur 5 gezeigt wird, in einem Hohlraum 18 des Massstabes befinden. Zu diesem Zweck ist auf dem Substrat 15 ein Deckel 20, z.B. durch Kleben, luftdicht angebracht. Durch diesen Deckel 20 wird ein Verschmutzen oder Verstauben der Teilstriche 14 vermie- As shown in FIG. 5, the markings 14 can be located in a cavity 18 of the scale. For this purpose a cover 20, e.g. attached by airtight adhesive. This cover 20 prevents soiling or dusting of the graduation marks 14.

gendwelchen Gründen keine Zylinderlinse zur Herstellung ei- 2o den. Der Deckel 20 kann sich bereits bei der Herstellung der nes Teilstriches verwendet werden kann. Da aber keine starken mechanischen Einwirkungen auf das Substrat erfolgen, wie dies das Wegkratzen einer Schicht durch eine Nadel darstellt, werden dennoch Vorteile gegenüber dem herkömmlichen Verfahren erzielt. for whatever reason, no cylindrical lens for production. The cover 20 can already be used in the manufacture of the graduation. However, since there are no strong mechanical influences on the substrate, as is the case when a layer is scraped away by a needle, advantages are achieved over the conventional method.

Es können aber auch Mittel zur Ablenkung des Laseroder Elektronenstrahls quer zur ersten Relativbewegung vorgesehen werden. Als solche Mittel kommen Spiegel bzw. elek-tro- oder elektronenoptische Mittel in Frage, wobei letztere besonders vorteilhaft sind, weil dann keinerlei mechanische Bewegungen notwendig sind. However, means for deflecting the laser or electron beam transverse to the first relative movement can also be provided. Such means are mirrors or electro-optical or electron-optical means, the latter being particularly advantageous because then no mechanical movements are necessary.

Mit Vorteil wird eine Anzahl von Einrichtungen zur Erzeugung eines Laser- oder Elektronenstrahls längs des Substrats angeordnet. Auf diese Weise ist es möglich, an mehreren Stellen des Massstabes gleichzeitig Markierungen anzubringen, so dass die Herstellungsgeschwindigkeit erheblich erhöht wird. A number of devices for generating a laser or electron beam are advantageously arranged along the substrate. In this way it is possible to make markings at several points on the scale at the same time, so that the production speed is increased considerably.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigt: An embodiment of the invention will now be described with reference to the drawing. It shows:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Herstellen von optischen Massstäben, wobei eine Zylinderlinse verwendet wird, um einen im Querschnitt strichförmigen Strahl zu erzeugen, 1 shows a first exemplary embodiment of a device for producing optical scales, a cylindrical lens being used to generate a beam with a cross-sectional shape,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Herstellung von optischen Massstäben, bei welcher zur Herstellung eines Teilstriches der Laserstrahl verschoben wird, 2 shows a second exemplary embodiment of a device for producing optical scales, in which the laser beam is shifted to produce a graduation mark,

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Vorichtung zur Herstellung von optischen Massstäben, bei welcher ein Spiegel bewegt wird, um eine Auslenkung des Laserstrahls zu bewirken, 3 shows a third exemplary embodiment of a device for producing optical scales in which a mirror is moved in order to deflect the laser beam,

Fig. 4 einen mit dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten optischen Massstab und 4 shows an optical scale produced using the method according to the invention and

Teilstriche auf dem Substrat 15 befinden, in welchem Falle der Laserstrahl 13 entweder durch den Deckel 20 oder das Substrat 15 hindurch auf die Schicht 16 gelenkt wird, um durch lokales Verdampfen oder Umwandeln dieser Schicht 25 eine Markierung 14 zu erzeugen. There are graduation marks on the substrate 15, in which case the laser beam 13 is directed onto the layer 16 either through the cover 20 or the substrate 15 in order to produce a marking 14 by locally evaporating or converting this layer 25.

Je nach der Art der Schicht 16 stellt der entfernte Teil 14 der Schicht die endgültige Markierung dar oder ermöglicht die Ausbildung einer Markierung durch eine nachfolgende 30 Behandlung, z.B. Ätzen. Wenn ein Ätzen vorgesehen wird, wird die Beschichtung 16 säurefest ausgeführt. Depending on the type of layer 16, the removed part 14 of the layer constitutes the final marking or enables a marking to be formed by a subsequent treatment, e.g. Etching. If etching is provided, the coating 16 is acid-proof.

Bei der in Figur 5 dargestellten Ausführungsform des Massstabes besteht die Schicht 16 vorteilhaft aus einer optisch undurchsichtigen Schicht aus Wismut und Selen. Die beiden 35 Stoffe Wismut und Selen werden vorteilhaft gleichzeitig als amorphe Schicht in einem Mischungsverhältnis zwischen 2,5 zu 1 und 3,5 zu 1 aufgedampft. Bei einer solchen Schicht liegt die Verdampfungstemperatur sehr günstig, so dass ein Laser mit relativ kleiner Leistung Anwendung finden kann und 40 durch die bei der Verdampfung entstehenden Wärme die Genauigkeit des Massstabes nicht beeinträchtigt wird. In the embodiment of the scale shown in FIG. 5, layer 16 advantageously consists of an optically opaque layer of bismuth and selenium. The two 35 substances bismuth and selenium are advantageously evaporated simultaneously as an amorphous layer in a mixing ratio between 2.5 to 1 and 3.5 to 1. With such a layer, the evaporation temperature is very favorable, so that a laser with a relatively low power can be used and the accuracy of the scale is not impaired by the heat generated during the evaporation.

Die V orrichtung von Figur 2 ist ähnlich aufgebaut wie jene von Figur 1, wobei aber Mittel vorgesehen sind, um ei-45 nen Teil des optischen Systems seitlich zu verschieben. Es findet somit nicht nur eine Relativbewegung zwischen dem eine Beschichtung aufweisenden Substrat und der optischen Achse in Längsrichtung des Massstabes statt, sondern auch eine quergerichtete Relativbewegung zwischen dem beschichteten so Substrat und der optischen Achse. Währenddem die erstgenannte Relativbewegung durch einen in Figur 1 dargestellten Vorschubmechanismus bestehend aus Schrittschaltmotor 19 und Spindel 21 erzeugt wird, erfolgt die zweitgenannte Relativbewegung, nämlich die Querbewegung zur Erzeugung ei- The device of FIG. 2 is constructed similarly to that of FIG. 1, but means are provided for laterally displacing a part of the optical system. Thus there is not only a relative movement between the substrate having a coating and the optical axis in the longitudinal direction of the scale, but also a transverse relative movement between the coated substrate and the optical axis. While the first-mentioned relative movement is generated by a feed mechanism shown in FIG. 1 consisting of stepping motor 19 and spindle 21, the second-mentioned relative movement takes place, namely the transverse movement to generate a

Fig. 5 einen Querschnitt durch den Massstab von Figur 4, 55 nes Striches 14, durch einen Motor 33, der über eine Spindel wobei noch eine mit dem Massstab luftdicht verbundene Abdeckung vorgesehen ist. Fig. 5 shows a cross section through the scale of Figure 4, 55 nes dash 14, by a motor 33, which is provided via a spindle with a cover still airtight to the scale.

Die in Figur 1 dargestellte Vorrichtung zum Herstellen von optischen Massstäben besitzt einen Laser 11, der über ein optisches System einen Laserstrahl 13 auf ein Substrat 15, z.B. aus Glas, lenkt, das an der Oberfläche eine Beschichtung 16 aufweist. Das Substrat 15 ist auf einem Schlitten 17 befestigt, der mit einem Schrittschaltmotor 19 und einer Kugelrollspindel 21 auf einer Führung 23 in Längsrichtung des Massstabs verschoben werden kann. Das optische System besteht aus einer Kollimatorlinse 25, einer Zylinderlinse 27, einem Spiegel 29 und einer Fokussierlinse 31. Durch die Zylin- The device for producing optical scales shown in FIG. 1 has a laser 11 which, via an optical system, applies a laser beam 13 to a substrate 15, e.g. made of glass, which has a coating 16 on the surface. The substrate 15 is fastened on a carriage 17, which can be moved with a stepping motor 19 and a ball screw 21 on a guide 23 in the longitudinal direction of the scale. The optical system consists of a collimator lens 25, a cylindrical lens 27, a mirror 29 and a focusing lens 31.

35 die Linse 31 und gegebenenfalls auch den Spiegel 29 verschiebt. Bei genügend grossem Spiegel 29 ist jedoch dessen Bewegung nicht notwendig. 35 shifts the lens 31 and possibly also the mirror 29. If the mirror 29 is large enough, however, its movement is not necessary.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung, die 60 in Figur 3 gezeigt ist, wird die Querbewegung der optischen Achse 30 durch die Bewegung des Spiegels 29 erreicht. Zu diesem Zweck wirkt der Motor 33 mit der Spindel 35 auf den Spiegel 29, der dann um die Achse 37 verschwenkt wird. In a further embodiment of the device, which is shown 60 in FIG. 3, the transverse movement of the optical axis 30 is achieved by the movement of the mirror 29. For this purpose, the motor 33 acts with the spindle 35 on the mirror 29, which is then pivoted about the axis 37.

Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass verschiedene Modi-65 fikationen durchgeführt werden können, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. So kann beispielsweise bei der Vorrichtung von Figur 1 der Spiegel 29 entfallen, wenn der It is obvious to the person skilled in the art that various modifications can be carried out without deviating from the inventive concept. For example, in the device of FIG. 1, the mirror 29 can be omitted if the

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4 4th

Laser 11 senkrecht angeordnet wird. Dasselbe trifft auch für der Linse 31 durch den Quervorschub 33,35 bewegbar ange-die Vorrichtung gemäss Figur 2 zu, wenn der Laser 11 entwe- ordnet wird. Laser 11 is arranged vertically. The same also applies to the lens 31, as shown in FIG. 2, when the laser 11 is disassociated, by means of the transverse feed 33, 35.

der einen genügend breiten Strahl erzeugt oder zusammen mit which produces a sufficiently wide beam or together with

Claims

643941 PATENT CLAIMS

1. A method for producing optical scales, characterized in that a coating is applied to a substrate (15) and that a marking (14) is then by means of a laser * or electron beam (13) by local evaporation or conversion of the coating ( 16) is generated.

2. The method according to claim 1, characterized in that the coating of bismuth and selenium is evaporated in a mixing ratio between 2.5 to 1 and 3.5 to 1.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the coating (16) is optically effective.

4. The method according to claim 3, characterized in that the coating (16) is opaque.

5. The method according to claim 3, characterized in that the coating (16) is light-scattering.

6. The method according to claim 3, characterized in that the coating (16) is polarizing.

Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the laser or electron beam (13) is focused.

8. The device for performing the method according to claim 1, characterized by a device (11) for generating a laser or electron beam (13), the optical axis (30) of which is directed onto the coating (16) of the substrate (15) Focusing device (31) and a feed device (17, 19, 21) for generating a relative movement between the substrate (15) having a coating (16) and the optical axis (30).

9. The device according to claim 8, characterized in that the feed device consists of optical means with which the optical axis is displaced.

10. The device according to claim 8, characterized. net that the feed device has a carriage (17) for receiving the coated substrate (15) and can be driven by a ball screw (21) with a motor (19).

11. The device according to claim 9 or 10, characterized in that the focusing device has a cylindrical lens (27).

12. The apparatus of claim 9 or 10, characterized in that a transverse feed (33,35) is provided, with which a further, relative to the first relative movement transverse movement between the coated substrate (15) and the optical axis (30) can be generated .

13. The apparatus of claim 9 or 10, characterized by means (33,35) for deflecting the laser or electron beam transverse to the first relative movement.

14. Device according to one of claims 8 to 13, characterized in that a number of devices (11) for generating a laser or electron beam is arranged along the substrate.

15 scale, produced by the method of claim 1.

16. Scale according to claim 15, characterized in that the markings (14) are located in a cavity (18) inside the scale.