CN101688794A

CN101688794A - 用于制造位移刻度尺的系统和方法

Info

Publication number: CN101688794A
Application number: CN200880021241A
Authority: CN
Inventors: 丹尼尔·H·卡尔森; 达莱·L·埃内斯; 丹尼尔·S·沃茨; 路易斯·A·阿吉雷; 利文特·伯耶克勒; 艾伦·B·坎贝尔
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2007-06-19
Filing date: 2008-06-18
Publication date: 2010-03-31
Anticipated expiration: 2028-06-18
Also published as: EP2162705A2; BRPI0811666A2; US20100196607A1; JP2010530543A; EP2162705A4; US9513412B2; KR20100037089A; KR20150034814A; WO2008157588A3; KR101647265B1; WO2008157588A2; CN101688794B

Abstract

本发明描述了一种用于在基底上形成包括全内反射棱镜的位移刻度尺的方法和系统。用于形成所述位移刻度尺的系统包括一个或多个具有负突起形式的全内反射(TIR)棱镜特征物图案的辊。当所述辊旋转时，所述刻度尺在所述基底上形成。所述辊还可以包括负突起形式的图案特征。旋转所述辊在所述基底上同时形成所述位移刻度尺和所述图案特征。可取向所述位移刻度尺的所述全内反射棱镜特征从而提供横向位移、纵向位移和角位移的一个或多个的测量。

Description

用于制造位移刻度尺的系统和方法

优先权

本申请要求提交于2007年6月19日的美国临时申请No.60/944,890的优先权，该专利的公开内容以引用方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及用于确定位移的刻度尺，该刻度尺采用多个全内反射(TIR)光学棱镜作为用于测量位移的刻度特征物。

背景技术

光学编码器用于测量基底或所关注的其它制品的位移。通常，光学编码器包括光源、附接到基底或所关注的其它制品的刻度尺和光感测元件。刻度尺通过反射、透射、和/或阻挡光的一些来调制从光源导向的光。光感测元件被被定位成感测已调制光并且生成与已调制光相对应的输出信号。通过分析光传感器的输出信号确定所关注制品的位移。

发明内容

本发明的实施例涉及用于在基底上形成包括TIR棱镜的位移刻度尺的方法和系统。根据一个实施例，用于形成位移刻度尺的系统包括一个或多个具有负突起形式的全内反射(TIR)棱镜特征物的辊。驱动机构被构造用于旋转辊使得包括TIR特征物的刻度尺在基底表面上形成。辊可以还包括负突起形式的图案特征。在该构造中，辊的旋转在基底上同时形成位移刻度尺和图案特征。

在一些实施例中，分配器将材料分配在基底表面上，并且辊的旋转在基底表面上的材料中形成包括TIR棱镜特征物的位移刻度尺。例如，材料可包括可固化材料、UV固化型树脂、浇注型聚合物、热固化型材料、或其他固化型或浇注型材料。在这些实施例中，系统可包括固化工位，例如被构造用于固化刻度尺的TIR棱镜特征物的热源或UV光源。

在一些实施例中，系统可包括一个或多个包括负突起形式的幅材图案特征的另外的辊。另外的驱动机构旋转一个或多个另外的辊使得图案特征在基底上形成。幅材图案特征可在形成刻度尺的同时形成。

在一个构造中，除了位移刻度尺特征物之外，辊还具有负突起形式的第一组图案特征。辊的旋转在基底上同时形成TIR刻度尺和第一组图案特征。刻度尺被构造为便于转印另外的图案特征到基底以对准第一组图案特征。

根据多种方面，基底可包含柔性幅材，例如聚合物幅材，或基底可包含刚性材料，例如玻璃。

可取向TIR特征物从而提供横向位移测量，或纵向位移测量，或两者都包括。TIR特征物可被构造用于测量角旋转或测量多种幅材参数。

另一个实施例涉及在基底上形成包括TIR棱镜特征物的刻度尺的方法。基底与具有负突起形式的全内反射(TIR)棱镜特征物的一个或多个辊接触或贴近。相对于基底旋转辊，使得包括TIR棱镜特征物的位移刻度尺在基底的表面上形成。

在一些构造中，将用于形成TIR棱镜的材料分配到基底上。旋转辊使得TIR棱镜在基底上的材料中形成。

第一层图案特征可在形成刻度尺的同时形成。随后刻度尺可用于接下来的工序步骤中以使另外的图案特征与第一组图案特征对齐。

本发明的另一个实施例涉及被构造用于在基底上形成位移刻度尺的工具。工具包括具有被布置以形成位移刻度尺的负突起形式的全内反射(TIR)棱镜特征物和负突起形式的图案特征的辊。辊被构造用于当旋转辊使得其与基底接触或贴近时，在基底上同时形成位移刻度尺和图案特征。

以上本发明的发明内容并非意图描述本发明的每一个实施例或每种实施方式。通过参见下面结合附图的具体实施方式和权利要求书，本发明的优点和成就与对本发明更完整的理解一起将变得显而易见并被理解。

附图说明

图1A示出了根据本发明的实施例用于指示幅材位置的全内反射的使用；

图1B示出了根据本发明的实施例的包括直角正棱镜的刻度尺元件，其被构造用于提供指示幅材位置的全内反射；

图2A示出了根据本发明的实施例的以反射模式操作的用于指示幅材位置的系统；

图2B示出了根据本发明的实施例的以透射模式操作的用于指示幅材位置的系统；

图2C示出了根据本发明的实施例的以反射模式操作的用于控制幅材移动的系统；

图2D示出了根据本发明的实施例的以透射模式操作的用于控制幅材移动的系统；

图2E和图2F示出了根据本发明的实施例的在幅材上纵向布置的刻度特征物；

图2G和图2H示出了根据本发明的实施例的在幅材上横向布置的刻度特征物；

图2I示出了根据本发明的实施例的棋盘图案的纵向刻度特征物和横向刻度特征物；

图3A为在光电检测器表面处的光强度的曲线图，该光强度由根据本发明的实施例的刻度特征物来调制；

图3B示出在双光传感器表面处的光强度的曲线图，该光强度由根据本发明的实施例的刻度特征物和扫描调制盘来调制以实现相位差为约90°的正弦光强度；

图4A为示出了根据本发明的实施例使用TIR刻度尺指示基底位置的过程的流程图；

图4B为示出了根据本发明的实施例用于确定粗幅材和细幅材位置的方法的流程图；

图5A为根据本发明的实施例的卷制品的示意图，该卷制品包括具有整合的刻度特征物的幅材；

图5B为根据本发明的实施例的卷制品的一部分的示意图，该部分的卷制品包括具有整合的刻度尺并且另外具有沉积在幅材上的图案特征的幅材；

图5C为根据本发明的实施例已经与幅材分隔开的刻度尺的示意图；

图6示出了根据本发明的实施例的辊的一部分的侧视图，该辊具有可以用于在基底上形成TIR刻度尺的负突起形式的TIR特征物；

图7示出了根据本发明的实施例的用于在基底上形成包括TIR棱镜特征物的刻度尺的系统；

图8示出了根据本发明的实施例的用于同时在基底上形成包括TIR棱镜特征物的刻度尺和第一层图案特征的系统；

图9示出了根据本发明的实施例的用于制备双面幅材基底的系统，该双面幅材基底在幅材的两个相对表面上都包括特征物；

图10示出了根据本发明的实施例的可以用于制备双面幅材基底的第一压花辊和第二压花辊，该双面幅材基底在幅材的两个相对表面上都包括特征物；

图11示出了根据本发明的实施例的系统，其中在之前制造步骤中形成的TIR刻度尺用于在后续的制造步骤中控制基底的位置；并且

图12示出了根据本发明的实施例的在幅材的一个表面上纵向布置的刻度尺特征物和在幅材背面上的第二图案。

虽然本发明可被修改成多种修改形式和可供选择的形式，但是其具体细节已经以举例的方式在附图中示出，并且将做详细的描述。然而应当理解，其意图不是将本发明限于所述的具体实施例。相反，其意图在于覆盖落入所附权利要求书所限定的本发明的范围内的所有修改形式、等同形式和可供选择的形式。

具体实施方式

存在用于指示基底位移的增强的方法和系统的需要。本发明满足了这些和其它需要，并且提供了优于现有技术的其它优点。

在以下所示实施例的描述中，参考了形成其一部分的附图，并且其中以举例说明的方式示出其中可以实践本发明的多种实施例。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用实施例并且可以进行结构上的改变。

本发明的实施例示出了用于确定基底的位移或所关注的其它制品的位移的刻度尺、以及用于制备和使用刻度尺的方法和系统。刻度尺可以用于提供幅材平移位移和/或旋转位移的指示，并且可以用于确定幅材位置和/或控制柔性幅材的移动。另外或可供选择地，除了指示幅材的平移位移和/或旋转位移之外，另外还可以使用刻度尺来测量幅材的多种参数或围绕幅材的周围环境的多种参数。例如，如以下更详细讨论的，刻度尺可以用于测量幅材的温度和/或弹性模量，和/或可以用于测量幅材应变。基底可以由透明的、刚性的材料(例如，玻璃)制成，或可以包括透明的、柔性的可拉伸材料(例如，柔性的聚合幅材)。

刻度尺包括被构造为全内反射(TIR)棱镜的多个光学刻度特征物。当棱镜表面上的光的入射角θ_i大于或等于临界角θ_c时，会出现全内反射。对于大于θ_c的入射角而言，所有的入射光都被反射。

图1A示出了基底105上包括TIR特征物115的刻度尺，并且示出了根据多种实施例所使用的全内反射的原理。光源(未示出)产生的光被导向具有整合的刻度尺的基底105，该整合的刻度尺包括TIR刻度特征物115。如果被导向TIR刻度特征物115的光111的角度θ_i大于或等于临界角θ_c，则光以角度θ_r被反射，如图1A所指出的那样。

TIR刻度特征物可以由通过TIR提供反射的任何形状或构型形成。在一些实施例中，TIR刻度特征物可以包括直角正棱镜，如图1B所示。在该实施例中，如果入射到TIR刻度特征物116的左表面117上的入射光的角度θ_i1大于θ_c，则光以θ_i2的入射角被全内反射至右棱镜表面118。在右棱镜表面118处，光以角度θ_r2被再次全内反射，并且基本上平行于入射光地射出棱镜116。通过TIR的反射方便地将入射在TIR刻度特征物的表面上的几乎所有光都反射，而没有通常用于反射型刻度尺的金属化表面可能出现的损耗。

图2A至图2D为被构造用于使用设置在基底上的TIR刻度尺指示基底位移的系统的示意图。如图2A和图2B所示，系统包括光源210，其将光211导向可相对于光源210和光传感器220的固定位置移动的基底205。

图2A的系统示出了以反射模式操作的用于指示基底位移的系统。在反射模式下，光源210(可以是多光源阵列)和一个或多个光传感器220设置在基底205的同一表面206附近。光源210将光211导向基底205的表面206。光212的一部分被TIR刻度特征物215导向光传感器220。光传感器220感测到反射光，并产生可以用于指示基底位移的模拟输出信号。在该实施例中，基底205可以为透明的或可以为不透明的。在基底205为透明的构型中，光221的一部分可以透过基底205透射。应当理解，如果基底205是透明的，则TIR刻度特征物215可以设置在基底205的表面206和表面207中的任何一者上，或设置在表面206和表面207两者上。

图2B示出了以透射模式操作的用于指示幅材位置的系统。在该构型中，光源210和光传感器220设置在幅材205的相对表面206、表面207上。光源210将光211导向幅材205的表面206。光212的一部分被刻度尺元件215反射。光221的另一部分穿过透明幅材205到达光传感器220。光传感器220感测透射的光221并产生模拟输出信号。

在图2A和图2B中，当基底205相对于光源210和光传感器220的固定位置移动时，在光传感器220的有源表面222处的光强度由TIR刻度特征物来调制。在用于图2A和图2B的系统的光传感器220的有源表面222处的光强度通过图3A中的光强度曲线图310来示出。基底205的相对运动造成在光传感器220的表面222处的光强度被正弦调制。光传感器220检测该光，并产生跟踪在光传感器220的有源表面222处的光强度的对应的正弦模拟输出信号。由光传感器220产生的模拟输出信号可以用于确定基底205的位移。

在一些实施例中，由光传感器产生的模拟输出信号可以用于控制基底的移动。例如，使用设置在柔性的、伸长的幅材基底上的TIR刻度特征物对于滚筒式制备应用是特别有用的。图2C和图2D示出了当用于指示幅材位置的组件被布置成以反射(图2C)模式和透射(图2D)模式操作时用于控制幅材的移动的系统。伸长的幅材235可以从卷上退绕，或可以来自此前的制备处理。在图2C和图2D中用于指示幅材位置的组件分别与图2A和图2B中示出的组件类似，不同之处在于，图2C至图2D的系统均额外地包括扫描调制盘240并且具有双光传感器250、光传感器255。幅材235相对于光源210、扫描调制盘240和光传感器250、光传感器255的固定位置运动。

扫描调制盘240以离幅材235短距离的方式设置，使得调制窗241允许被导向幅材235的光的一部分穿过扫描调制盘240。位于窗241之间的扫描调制盘240的区域242阻挡光的一部分。

光传感器250、255感测在传感器250、255的表面处存在的光并产生独立的输出信号。如此前所述，当幅材235相对于光源210和光传感器250运动时，TIR刻度特征物215引起在光传感器250处存在的光强度被正弦调制。扫描调制盘可以用于进一步调制在光传感器250、光传感器255处存在的光。通过使用扫描调制盘240，在光传感器250、光传感器255处的光强度对应于相位移90°的两个对称的正弦信号320、正弦信号330，如图3B所示。跟踪在光传感器250、光传感器255的表面处存在的已调制光强度的输出信号由光传感器250、光传感器255产生，以指示幅材位置。

通过幅材位置处理器260来分析由光传感器250、光传感器255产生的输出信号，以确定幅材位置。例如，幅材位置处理器260可以确定幅材235相对于光传感器250、光传感器255的位置和运动方向。采用适当设置的TIR刻度特征物和系统的相关位置指示组件，可以确定横维方向和纵维方向中的一者或两者的幅材位置。幅材运动控制器270使用该信息来控制移动幅材的幅材传输系统230。

在一些实施例中，可以使用多个光源和/或多个光传感器来感测幅材的平移位移和/或角位移和/或确定幅材参数。使用多个传感器组合的系统提供了信号冗余，从而提供了更稳固的系统。在一些实施例中，通过不止一个刻度特征物(例如，约3至20个特征物)来调制能量。来自传感器的输出信号可以均分或者说是组合多重特征物所调制的能量。如果单个特征物、或甚至若干特征物损坏或由于污物而变暗，均分的输出信号受影响的程度最低。

刻度特征物可以包括纵向布置的特征物、横向布置的特征物或纵向布置的特征物和横向布置的特征物两者的组合。如图2E和图2F所示，在一个实施例中，在幅材205的顶部207、底部206或顶部207和底部206两者的表面上，可以布置用于纵向位移测量的一组刻度特征物230。一组光源和传感器组件(如图2A至2D所示)被构造用于检测纵向刻度特征物230调制的能量，并且用于产生指示幅材205纵向位移的信号和/或可以用于测量其它幅材参数。在图2G和2H所示的一个实施例中，在幅材205的顶部207、底部206或顶部207和底部206两者的表面上，可以布置用于横向位移测量的一组刻度特征物240。一组光源和传感器组件被构造用于检测横向刻度特征物调制的能量，并且用于产生指示幅材横向位移的信号和/或可以用于测量其它幅材参数。

图2E至图2H所示的刻度特征物是线性三棱镜，其可以具有下限为几微米的条距和棱镜间的距离。该类型的棱镜的便利的维度包括约40μm的条距和约20μm的棱镜间的距离。

同时使用纵向刻度特征物和横向刻度特征物以及兼容的源/传感器组合使得能够指示纵向幅材位移和横向幅材位移以及角位移。图2I示出了幅材，在幅材205的顶表面207上设置有纵向刻度特征物230和横向刻度特征物240两者。纵向刻度特征物230和横向刻度特征物240可以设置在幅材205相背的两面或者在幅材的同一面上。如果纵向刻度特征物230和横向刻度特征物240设置在幅材205的同一面上，则它们可以形成如图2I所示的棋盘图案。纵向刻度特征物和横向刻度特征物可以如图2I中所示地连接，或可以包括不连续、不连接的棱镜的交替图案。在一些实施例中，棋盘图案可以包括与多重横向刻度特征物的区域交替的多重纵向刻度特征物的区域。

使用设置在幅材上的整合的TIR刻度尺确定连续幅材位置，以在一个或多个连续制备工序中在沉积图案特征期间控制幅材的运动。例如，结合本文所提供的本发明实施例描述的TIR刻度尺可以用于指示连续幅材位置。指示幅材位置有助于在滚筒式制备处理期间沉积或者说是形成在幅材上的多层图案特征之间的对齐。本文所述的刻度尺对于制备柔性的、多层电子器件或光学器件是特别有用的，这些器件的制备需要多重沉积工序以在柔性的幅材上形成连续的图案特征层。例如，TIR刻度特征物可以形成在(例如)柔性的、聚合物型幅材上，该幅材的弯曲半径(例如)小于约100mm、小于约50mm、小于约25mm、或甚至小于约5mm。小弯曲半径使得能够将TIR刻度尺制成卷制品。

另外，本文描述的方法可以用于自动补偿在幅材加工应用中通常出现的幅材应变的变化。例如，在一些实施例中，刻度特征物基本上与幅材图案特征层(例如，用于形成多层电子器件或光电器件的第一层幅材图案特征)同时地沉积在幅材上。当沉积刻度特征物和幅材图案特征时，幅材图案特征和刻度特征物经历等量的幅材应变。在该构型中，刻度特征物可以用于精确地跟踪第一层幅材图案特征的位置，而与随后处理中的幅材应变量无关。刻度特征物可以用于精确地跟踪第一层幅材图案特征的横向位置、纵向位置、和/或角旋转，而与随后处理中的幅材应变量无关。

当幅材应变增大(即，幅材被更大程度地拉伸)时，刻度特征物与幅材上形成的对应幅材图案特征一起被拉伸。这种现象使得刻度特征物能够用于更精确地跟踪幅材上沉积的特征物的位置。使用根据本文多种实施例所述的刻度尺，即使当幅材被拉伸时，也能够实现与同时或随后沉积的幅材图案特征的精确对齐。关于使用刻度特征物指示柔性幅材位置(其方面可以结合本发明实施例使用)的额外的详情在与本专利申请同时提交、以引用方式并入本文中的共同拥有的美国专利申请(代理人案卷号No.62854US002)中提供。

另外或可供选择地，除了提供指示幅材的平移位移和/或角旋转之外，另外还可以使用刻度尺来测量幅材或围绕幅材的周围环境的多种参数。例如，如以下更详细讨论的，可以使用刻度尺来测量幅材的温度、幅材的弹性模量、和/或幅材应变。

图4A为示出了根据本发明的实施例的使用TIR刻度尺指示基底位置的过程的流程图。光被导向其上设置了TIR刻度尺的基底(401)。例如，在一个具体实施中，刻度特征物可以包括纵向布置在幅材上的一系列不连续棱镜。纵向布置的棱镜被构造用于光调制，可以测量该光调制以确定纵向位移。在另一个具体实施中，刻度特征物可以包括纵向布置的第一组棱镜和横向布置的另一组棱镜。纵向棱镜和横向棱镜被构造用于调制光以确定幅材的纵向位移和横向位移，并且另外可以用于确定幅材的角旋转。

刻度尺的TIR特征物调制被导向基底的光(402)。已调制光由光传感器感测(403)，并且根据被感测光来产生指示基底位移的输出信号(404)。通过这种方法，可测量到幅材的一个更大的自由度。输出信号可以提供幅材的纵向位移、横向位移、和/或角旋转的连续指示。

如此前结合图3B讨论的，用于跟踪幅材位置的信号可以包括正弦信号和余弦信号。正弦信号和余弦信号有利地使得能够确定粗幅材和细幅材位置。图4B为示出了根据本发明的实施例用于确定粗幅材和细幅材位置的方法的流程图。光被导向其上设置了TIR特征物的基底(410)。TIR特征物调制被导向基底的光(420)。已调制光由光传感器感测(430)并且产生相位移为90°的第一输出信号和第二输出信号(440)。应用幅材位置校正(450)。计算相位移的输出信号的反正切(460)，并且该输出信号的反正切用于跟踪粗幅材和细幅材位置(470)。

如此前所讨论的，具有整合的刻度尺的柔性的、伸长的幅材的使用特别有利于用于滚筒式制备处理。例如，对于在连续的制备工序(例如，在形成分层的电子器件或光学器件的过程中)期间需要对齐的制备处理，整合的刻度尺可以用于定位幅材。如本文所示使用整合的刻度尺的幅材定位可以用在制备低成本的电子器件、存储器、标牌、电子纸、包含液晶(LCD)或有机发光二极管(OLED)的显示器、或其它应用的柔性电路中。

图5A示出了可以作为卷制品500销售的具有整合的TIR刻度尺511的幅材505的一部分。TIR刻度尺511可以包括TIR特征物512和TIR特征物513中的一者或两者，TIR特征物512被布置用于纵向(纵维)定位，TIR特征物513被布置用于横向(横维)定位。用于纵向定位的TIR棱镜512的布置方式使得棱镜514的轴与幅材515的纵向成一定角度(如，基本上垂直)。用于横向定位的TIR棱镜513的布置方式使得棱镜516的轴与幅材517的横向成一定角度(如，基本上垂直)。幅材/刻度尺卷制品产品500可以用于制备工艺，并且刻度尺511用于提供位置信息以有助于在幅材505上形成图案特征。

或者，如图5B中所示，卷制品501可以包括具有整合的TIR刻度尺511连同第一层幅材图案特征520一起的柔性的幅材506。TIR刻度尺511可以与第一层幅材图案特征520同时形成在幅材506上，或TIR刻度尺511和幅材图案特征520可以在单独的制备工序中形成在幅材506上。在补偿连续层沉积期间幅材506的短暂或永久维度变化时，具有整合的TIR刻度尺511连同第一层幅材图案特征520一起的幅材506的构型是特别有帮助的。例如，聚合物幅材可以易于拉紧，该拉紧的过程改变了由于热处理、和/或吸附或解吸附水或其它溶剂而导致的制品收缩或膨胀的长度，从而使得层与层的对齐变得困难。当TIR刻度特征物512、刻度特征物513和第一层幅材图案特征520同时形成时，随后使用整合的TIR刻度尺511来进行沉积过程中的对齐自动补偿了在幅材加工应用过程中共同出现的幅材应变的变化。当幅材应变增大(即，幅材被更大程度地拉伸)时，刻度尺元件与形成在幅材上的第一层幅材图案特征一起被拉伸。当幅材图案特征520和刻度特征物512、刻度特征物513在形成过程中经历相同的维度变化时，刻度特征物512、刻度特征物513能够更精确地跟踪幅材506上沉积的幅材图案特征520的位置。在一些实施例中，幅材505可以包括幅材505一个表面上的粘合剂层555。

在图5C所示的一些实施例中，刻度尺部分530可以与具有图案特征的那部分幅材507分开。刻度尺部分530和幅材部分507可以作为单独的卷制品销售。刻度尺部分530可以附接到不同的幅材，并且可以用于如本文所述的幅材定位。如此前结合图5B所讨论的，刻度尺部分530和/或幅材部分507可以包括粘合剂555。例如，粘合剂555对于将刻度尺部分530附接到不同的幅材来说是特别有用的。

形成在柔性材料上的刻度尺在它们附接到基部基底时是特别有用的。当将刻度尺附接到机器或其它基底时遇到的一个需要考虑的问题是，基底与刻度尺之间的热膨胀系数(CTE)之差。例如，如果使用非常刚性的刻度尺，则刻度尺将以不同于基底的速率膨胀，所以刻度尺按照(CTE_刻度尺-CTE_基底)^*ΔT^*刻度尺长度来改变不同的量。如果刻度尺的膨胀量小于基底，则刻度尺由于处于拉紧状态而相对容易控制，并且将始终随直线而变。然而，如果刻度尺的膨胀的量大于基底，则刻度尺将处于压缩状态，并且产生使刻度尺往往会弯曲(即，刻度尺往往会起皱出面外)的额外的力。所产生的压缩力为λ(模量)^*A(面积)^*应变。

根据本发明多种实施例形成的柔性的刻度尺的CTE比通常使用的钢尺高约5倍，但是其弹性模量比钢尺小约300倍。净力小约60倍。因此，本文所述的柔性的刻度尺可以粘结到基底而没有显著的弯曲，这使得刻度尺能够更精密地跟踪基底位置。

通过使用柔性的刻度尺，例如具有棱锥的矩形阵列(使得x/y能够读出)的塑料或聚合物刻度尺，可以使柔性的刻度尺比当前可用的刻度尺大得多。例如，可以制备宽度为60英寸或更大的数英里长的刻度尺。

本文所述的实施例涉及具有用于指示基底位移的TIR刻度特征物的位移刻度尺。这些刻度尺可以用于指示基底位移，并且可用于提供幅材的纵向(纵维)、横向(横维)、和/或角位移的连续跟踪。另外或可供选择地，刻度特征物可以在测量多种幅材参数的过程中采用。在多种实施例中，可以使用刻度特征物来测量取决于幅材维度变化的参数，例如温度、应变、和/或弹性模量。

在一个应用中，可以使用刻度特征物来测量幅材温度差。幅材温度差δT造成对应的维度差δL_T。刻度特征物和传感器电路可以用于测量维度差δL_T。幅材温度差δT可以衍生自测量的维度差。

刻度特征物可以用于测量幅材应变、由拉伸幅材的力造成的变形量。例如，只考虑到纵向应变，当具有初始长度L的幅材沿着其纵向(x)轴被拉伸时，幅材长度差为δL，从第一长度L₁变为第二长度L₂。纵向拉伸幅材的线性应变ε_x用ε_x＝δL/L₀来表示。在幅材任意点处沿着x轴的应变可以表达为沿着轴在任意点处沿着x方向位移的微分，即，

ϵ_{x} = &PartialD; u_{x} / &PartialD; x .

角应变或剪切应变考虑到沿着纵向(x)轴和横向(y)轴的变形。在幅材任意点处的角应变或剪切应变为

γ_{xy} = \frac{{&PartialD; u}_{x}}{&PartialD; y} + \frac{{&PartialD; u}_{y}}{&PartialD; x} .

沿着纵向(x)和横向(y)方向布置的刻度特征物可以与兼容的能量源/传感器组合一起使用，以测量幅材的纵向变形和横向变形。这些变形可以用于计算沿着x轴和y轴的线性应变以及角应变或剪切应变。

在一个应用中，测量的幅材变形可以用于计算弹性模量。模量可以计算为λ＝应力/应变。因此，如上所述使用已知的力并且测量幅材应变，可以确定幅材的弹性模量。

TIR刻度特征物可以通过多种技术形成在基底中或形成在基底上。例如，刻度特征物可以通过浇注和固化工艺沉积或者说是形成在基底上。或者，刻度特征物可以通过压印、刻线、烧蚀、印刷或其它技术来形成。

在基底上形成TIR刻度尺的方法涉及使用辊，该辊包括负突起形式的刻度尺的TIR刻度特征物。例如，辊可以包括图2F至图2G中所示的刻度特征物的负突起形式的图案或其它构型。在使用纵向刻度特征物和横向刻度特征物的情况下，可以构造辊，以同时形成纵向刻度特征物和横向刻度特征物。

辊接触或保持贴近基底，并且旋转以在基底上形成TIR刻度特征物。用于形成TIR特征物的材料可以沉积在基底上，并且辊的旋转形成基底上材料中的TIR特征物。作为另外一种选择或除此之外，材料还可以沉积在辊上，然后从辊被转印到基底，以完成特征物的形成。例如，材料可以包括树脂、可浇注聚合物或固化型液体，例如UV或热固化型材料。

在一些具体实施中，辊可以另外包括负突起形式的图案特征。当辊接触基底或者保持贴近基底并且旋转时，图案特征和刻度特征物一起同时形成在基底的表面上。在其它具体实施中，使用第一辊和第二辊，第一辊具有负突起形式的刻度特征物，并且第二辊具有负突起形式的图案特征。使用第一辊和第二辊，刻度特征物和图案特征可以同时或者顺序地形成在基底上。

在又一个具体实施中，第一辊用于在基底表面上形成刻度特征物和第一组图案特征。第二辊用于在基底(例如，基底的相背表面)上形成第二组图案特征。在该具体实施中，刻度特征物可以用来确定幅材位置，以方便形成与第一组图案特征对准的第二组图案特征。

图6示出了具有可以用于在基底上形成TIR刻度尺的负突起形式的TIR特征物610的辊600的一部分的侧视图。应当注意，该辊的维度被大大地夸大了，以方便示出辊。在该实例中，TIR特征物峰的间距p为约40μm并且特征物之间的距离d为约20μm，但可以使用用于p和d的其它值。

应当注意，虽然没有示出，但是辊600可以附加包括负突起形式的图案特征。辊的操作使得如本文所述在幅材上同时形成刻度尺和图案特征。

图7示出了用于在基底705上形成包括TIR棱镜特征物720的刻度尺701的系统。系统包括具有负突起形式的TIR刻度特征物711的辊710。辊710被构造用于当接触或者贴近基底705时旋转。辊710的旋转在基底705上形成刻度尺的TIR棱镜特征物720。

在一些构型中，由分配器740将可固化材料741分配到基底705的表面上。辊710旋转，以在材料741中形成TIR棱镜特征物。可任选地是，系统可以包括固化工位750，其包括被构造用于发射固化能的能量源，所述固化能是例如紫外光、热、或使基底705上的材料741固化的其它固化能。

图8的示意图示出了用于将TIR刻度尺801沉积到基底805上的系统的替代实施例。在该实施例中，辊810包括负突起形式的TIR刻度特征物811和负突起形式的图案特征812。接触或贴近基底805的辊810的旋转在基底805上同时形成TIR刻度特征物820和图案特征821。

在图8所示的实施例中，TIR棱镜820和图案特征821由相同的材料841形成。分配器840将材料841分配到基底805的表面上。辊旋转，从而在材料841中形成TIR棱镜特征物。可任选地是，系统可以包括固化工位850，该固化工位包括被构造用于发射固化能的能量源，所述固化能是例如紫外光、热、或使基底805上的材料841固化的其它能量。

在一些构型中，用于形成TIR刻度特征物和图案特征的材料可以不同。在这些构型中，可以使用单独的材料分配器和/或固化工位。

图9示出了用于产生双面幅材基底912的实例系统910，该双面幅材基底912包括幅材相对表面上的特征物。例如，刻度尺和第一组图案特征可以形成在幅材的第一表面上，而第二组图案特征形成在幅材的相对表面上。在一些构型中，系统包括第一分配器916和第二分配器920、轧辊914、和第一压花辊918和第二压花辊924。在某些情况下，第一分配器916可以是第一挤出模头916，而第二分配器920可以是第二挤出模头920。

在图示实施例中，第一材料922在与第一压花辊918接触之前被设置在幅材表面上，第二材料928在与第二压花辊924接触之前被设置在相对幅材表面上。在其它实施例中，第一材料设置在第一压花辊上和/或第二材料设置在第二压花辊上。这些实施例中，第一材料和第二材料从压花辊被转印到幅材上。

在一个具体实施中，第一挤出模头916将第一固化型液体涂层922分配到幅材912的第一表面上。轧辊914将第一材料922压到第一压花辊918中，以在幅材表面上形成特征物。例如，第一压花辊918将负突起形式的TIR刻度特征物和负突起形式的第一组图案特征图案化。在一些情况下，轧辊914可以是被橡胶覆盖的辊。当幅材经过第一压花辊918与轧辊914之间时，在幅材912的第一表面上的第一材料922中，形成TIR棱镜特征物和第一组图案特征。使用提供合适固化能的能量源926固化第一材料922。在某些情况下，能量源926可以提供紫外光，如，波长范围从约200纳米至约500纳米的光。

使用第二挤出模头920将第二固化型液体层928涂覆在幅材912的相对面上。将第二层928压进第二压花辊924中，第二压花辊924将负突起形式的第二组图案特征图案化。当幅材912经过第一压花辊918与第二压花辊924之间时，第二组图案特征被转印到第二层928。对第二涂层928重复该固化处理。

在一些构型中，可以使用幅材912的第一表面上由TIR棱镜形成的刻度尺，从而得到形成在幅材相对面上的第一组图案特征和第二组图案特征之间的对齐。

图10提供了第一压花辊1044和第二压花辊1046的更靠近的视图。第一压花辊1044和第二压花辊1046可以视为参照图9讨论的压花辊918、压花辊924的具体实施例。第一压花辊1044包括负突起形式的TIR刻度特征物1042和负突起形式的第一组图案特征。第二压花辊1046具有第二组图案特征1050。

当幅材1030经过第一压花辊1044的上方时，沉积在幅材1030的第一表面1032上的第一固化型液体可以通过固化能来固化，该固化能是通过接近第一压花辊1044上的第一区域1036的能量源1034提供的。TIR刻度特征物1054和第一组图案特征形成在幅材1030的第一面1043上，并且液体被固化。

在形成了TIR刻度特征物1054和第一组图案特征之后，将第二固化型液体1052分配到幅材1030的第二表面1038上。为了确保第二液体1052没有过早固化，通常通过设置第一能量源1034使得第一能量源1034发射的能量没有落到第二液体1052上，将第二液体1052与第一能量源1034隔离。如果需要，固化源1034、固化源1040可以位于其各自的压花辊1044、压花辊1046的内部。

在形成了TIR刻度特征物1054和第一图案特征之后，幅材1030继续沿着第一辊1044运动。幅材1030的移动可以使用此前沉积的TIR刻度尺来控制。幅材继续移动，直到其进入第一压花辊1044和第二压花辊1046之间的间隙区域1048为止。然后，第二液体1052设置在幅材的第二表面上，并且通过第二压花辊1046形成为第二组图案特征。第二图案特征通过第二能量源1040发射的固化能来固化。当幅材1030进入第一压花辊1044和第二压花辊1046之间的间隙1048中时，在幅材1030开始移动到间隙1048中并且在第二压花辊1046周围移动时，此时基本固化并且粘结到幅材1030的TIR刻度特征物1054和第一图案特征约束幅材1030滑动。这样减少了幅材拉伸和滑动，而幅材的拉伸和滑动是形成在幅材1030的相对面1032、1038上的特征物之间的对准误差的原因。

通过将幅材1030支承在第一压花辊1044上，同时使第二液体1052接触第二压花辊1046，形成在幅材1030的相对面1032、1038上的特征物1054、特征物1056之间的对准程度变成控制第一压花辊1044和第二压花辊1046的表面之间位置关系的函数。在第一压花辊1044和第二压花辊1046周围以及在压花辊形成的间隙1048之间的幅材的S形环绕，使得张力、幅材应变变化、温度、由钳住幅材的机构造成的微滑动以及横向位置控制的效应最小化。S形环绕可保持幅材1030以180度的包角与每个压花辊接触，但包角可或多或少地取决于具体要求。适用于本发明实施例的在幅材相对面上形成特征物的另外方面在共同拥有的美国专利公布20060210714中有所描述，该专利公布以引用方式并入本文。

在一些具体实施中，此前制备工序中形成的TIR刻度尺可以在后续的制备工序中用于控制基底位置。在图11中示出了这种具体实施，其中，为了图解的目的，大大地夸大了TIR刻度特征物和图案特征。第一分配器1101将第一层材料1111沉积在透明幅材1105的表面上。第一层材料1111沉积在其上的幅材1105与具有负突起形式的TIR刻度特征物1121和负突起形式的第一图案特征(未示出)的辊1120接触。当幅材1105经过第一压花辊1120和第一轧辊1125之间时，TIR刻度特征物1126和第一图案特征(未示出)形成在幅材1105上的第一层材料1111中。

在形成了包括TIR刻度特征物1126的刻度尺之后，在后续的加工工序中，使用刻度尺来控制幅材1105的位置。光源1130将光1131导向TIR刻度特征物1126。光由TIR刻度特征物1126来调制。已调制光由产生表征幅材位移的输出信号的光传感器1140来感测。光传感器1140均分视图中由图案调制的光。幅材位置处理器1150使用光传感器输出来确定幅材位置。幅材运动控制器1160使用来自幅材位置处理器1150的信息来控制幅材1105的纵维位置和/或横维位置，以方便第一图案特征和第二图案特征之间的对齐。

在后续的加工工序中，在幅材上形成第二图案特征。例如，在与上面形成了TIR刻度尺元件1126的表面相背的幅材表面上，可以形成第二图案特征1176。第二分配器1102将第二层材料1112沉积在幅材1105上。使第二层材料1112设置在其上的幅材1105经过第二压花辊1170与第二轧辊1175之间。第二压花辊1171包括负突起形式的第二图案特征1171。当幅材1105经过第二压花辊1171与第二轧辊1175之间时，第二图案特征1176形成在第二材料层1112中。包括编码器(光源1130、TIR刻度尺1126和光传感器1140)的运动控制组件1180、幅材位置处理器1150、和幅材运动控制器1160保持第一图案特征(未示出)和第二图案特征1176之间的对齐。

本文所述的TIR刻度尺可用于形成编码器，该编码器使形成在基底两面上的特征物对齐，并且提供幅材张力控制、幅材操纵和增强的转换操作。TIR刻度特征物可在柔性的幅材上高速制备，并且不需要涂层起作用。因此，TIR刻度特征物可以用于：在没有第二涂覆工序的情况下，一形成特征物，就确定幅材位移。

另外可以利用还可选的后续的加工工序。示例性加工工序可包括：在将已经涂覆到幅材的材料固化之后，向幅材施加更高的张力。相似地，另一个示例性加工工序可包括：在固化了所涂覆的特征物之后，将卷缠绕；这种缠绕可以包括对幅材和幅材上所形成特征物的更大程度的拉伸。这类可选的加工工序可为有利的方面在于：使由施加在特征物区域内的幅材上的不均一应力造成的幅材的任何收缩最小化。这类收缩可造成幅材弯曲或形成小的褶皱；诸如以上讨论的可选工序可使可能出现的任何弯曲或褶皱最小化。在阅读了本说明书的情况下，本领域的技术人员将认识到如何实现这类可选的加工工序。

使任何弯曲或褶皱最小化的另一个方法可以包括在幅材的背面上使用二次结构。结构的示例性类型将会是要补偿或排除幅材的弯曲趋势的类型。可在图12中看到这种结构的实例。如图12所示，幅材205包括较小的结构体(本文称作背面图案特征1210)位于其侧面(在该示例性实施例中)的光学刻度特征物215。

在阅读了本说明书的情况下，本领域的技术人员将理解的是，例如，根据参照图11讨论的示例性方法，可制备包括背面特征物(如图12中示例的)的这种幅材。

本发明多种实施例的上述说明为举例说明的目的而提供。这些说明并非意图穷举性的或将本发明限于所公开的精确形式。按照上述教导，多个修改形式和变形形式是可以的。本发明的范围旨在不受具体实施方式的限制，而是受所附权利要求书的限制。

Claims

1.一种用于在基底上形成位移刻度尺的系统，包括：

一个或多个辊，所述一个或多个辊具有负突起形式的全内反射棱镜特征；以及

驱动机构，所述驱动机构被构造用于旋转所述辊，使得包括全内反射棱镜特征的位移刻度尺在所述基底上形成。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述辊还具有负突起形式的图案特征，并且所述辊的旋转在所述基底上同时形成所述位移刻度尺和所述图案特征。

3.根据权利要求1所述的系统，还包括被构造用于将材料分配在所述基底的表面上的分配器，并且其中所述辊的旋转在所述基底上的材料中形成包括所述全内反射棱镜特征的所述位移刻度尺。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述材料包括UV固化型树脂。

5.根据权利要求3所述的系统，其中所述材料包括浇注型聚合物。

6.根据权利要求3所述的系统，其中所述材料包括可固化材料。

7.根据权利要求3所述的系统，还包括被构造用于固化所述刻度尺的所述全内反射棱镜特征的固化站。

8.根据权利要求7所述的系统，其中所述固化站包括UV光源。

9.根据权利要求7所述的系统，其中：

所述材料包括热固化型材料；并且

所述固化站包括热源。

10.根据权利要求1所述的系统，还包括：

一个或多个另外的辊，所述一个或多个另外的辊包括负突起形式的另外的图案特征；以及

另外的驱动机构，所述另外的驱动机构被构造用于旋转所述一个或多个另外的辊，使得另外的图案特征在所述基底上形成。

11.根据权利要求10所述的系统，其中所述图案特征在形成所述位移刻度尺的同时形成。

12.根据权利要求10所述的系统，其中：

所述辊具有负突起形式的第一组图案特征，并且所述辊的旋转在所述基底上同时形成所述位移刻度尺和所述第一组图案特征；以及

所述刻度尺被构造为便于转印所述另外的图案特征以对准所述第一组图案特征。

13.根据权利要求1所述的系统，其中所述基底包含柔性幅材。

14.根据权利要求1所述的系统，其中所述基底包含刚性材料。

15.根据权利要求1所述的系统，其中所述基底包含聚合物。

16.根据权利要求1所述的系统，其中所述位移刻度尺包括被构造用于测量横向位移的第一组全内反射棱镜和被构造用于测量纵向位移的第二组全内反射棱镜。

17.根据权利要求16所述的系统，其中所述第一组全内反射棱镜和所述第二组全内反射棱镜以棋盘图案形式布置。

18.根据权利要求1所述的系统，其中所述位移刻度尺被构造用于测量角位移。

19.一种在基底上形成包括全内反射棱镜特征的位移刻度尺的方法，包括：

使所述基底与所述一个或多个辊接触或贴近，所述一个或多个辊具有负突起形式的全内反射棱镜特征；以及

相对于所述基底旋转所述辊，使得包括全内反射棱镜特征的位移刻度尺在所述基底的表面上形成。

20.根据权利要求19所述的方法，还包括：

将材料分配在所述基底的表面上；以及

其中旋转所述辊使得刻度尺形成的步骤包括旋转所述辊使得全内反射棱镜特征在所述材料中形成。

21.根据权利要求19所述的方法，还包括在形成所述全内反射棱镜特征的同时在所述基底上形成图案特征。

22.根据权利要求21所述的方法，还包括：

将另外的材料沉积在所述幅材的相对表面上或者一个或多个另外的辊上以形成另外的幅材图案特征，所述一个或多个另外的辊具有负突起形式的另外的幅材图案特征；

使所述幅材与所述一个或多个另外的辊接触或贴近；以及

在所述幅材的所述相对表面上形成所述另外的幅材图案特征。

23.根据权利要求22所述的方法，还包括使用所述刻度尺保持所述幅材图案特征和所述另外的幅材图案特征之间的对准。

24.一种被构造用于在基底上形成刻度尺的工具，所述工具包括辊，所述辊具有负突起形式的布置的全内反射棱镜特征和图案特征，所述辊被构造用于当所述辊与所述基底接触或贴近时，在基底上同时形成包括所述全内反射棱镜特征的刻度尺和图案特征。

25.根据权利要求24所述的工具，其中所述全内反射棱镜特征包括直角正棱镜。

26.根据权利要求24所述的工具，其中所述全内反射棱镜特征包括棋盘图案，所述棋盘图案包括被构造用于测量纵向位移的第一组特征和被构造用于测量横向位移的第二组特征。

27.根据权利要求24所述的工具，其中棱镜峰之间的距离约为40μm。

28.根据权利要求24所述的工具，其中所述棱镜之间的距离约为20μm。