CN104937381B - 测量刻度 - Google Patents

测量刻度 Download PDF

Info

Publication number
CN104937381B
CN104937381B CN201480004864.9A CN201480004864A CN104937381B CN 104937381 B CN104937381 B CN 104937381B CN 201480004864 A CN201480004864 A CN 201480004864A CN 104937381 B CN104937381 B CN 104937381B
Authority
CN
China
Prior art keywords
scale mark
scale
measurement scales
mark
measurement
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201480004864.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104937381A (zh
Inventor
马修·唐纳德·基德
尼古拉斯·约翰·韦斯顿
詹姆斯·雷诺兹·亨肖
马库斯·阿德龙
约翰·黛尔迪丝
罗伯特·汤姆森
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Renishaw PLC
Original Assignee
Renishaw PLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Renishaw PLC filed Critical Renishaw PLC
Publication of CN104937381A publication Critical patent/CN104937381A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104937381B publication Critical patent/CN104937381B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/344—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells using polarisation
    • G01D5/345—Polarising encoders
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/361—Removing material for deburring or mechanical trimming
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/362—Laser etching
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/344—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells using polarisation

Abstract

一种测量刻度装置，其包括至少一个刻度标记，其中所述或每一刻度标记包括表示刻度装置信息的至少一个周期性纳米结构。

Description

测量刻度
技术领域
本发明涉及一种测量刻度，涉及形成测量刻度的方法，并且涉及使用测量刻度执行测量的方法。
背景技术
已知的是使用测量刻度来确定两个物体的相对位置。安装在一个物体上的读头从安装在另一物体上的测量刻度中读取信息。在光学读取测量刻度的情况下，读头将光投影到测量刻度上，测量刻度反射或透射该光。所反射或透射的光随后由读头检测，读头可以使用所检测的光来确定刻度和读头沿一个或多个测量轴的相对位置。
当与读头结合时可以光学地读取的测量刻度可被称为光学编码器。存在两种基本类型的编码器，即，增量式编码器和绝对编码器。
在增量式编码器的情况下，测量刻度通常包括沿测量轴或围绕测量轴以每隔一定间隔放置的一系列相同标记。读头用于将光投影到刻度上并且用于检测所得到的透射或反射的光。存在多种处理所得到的检测信号以确定位置的方式。举例来说，相位信息可以从反射或透射光的改变中确定，因为读头沿刻度移动。当读头沿测量的方向移动时，它使用循环地改变的相位信息来计算相对位移。另外，相位信息可用于内插在周期性重复的刻度位置之间，以获得精确到刻度周期的一部分内的读数。
在没有用于确定绝对位置的额外机构的存在下，增量式编码器可用于仅确定相对位移。因此，增量式编码器的测量刻度也可以具有呈一个或多个参考标记(指示参考位置)形式的其它刻度标记，也可以包含界限标记(指示测量刻度的任一端的标记)。
在绝对编码器的情况下，测量刻度具有形成一系列唯一码(例如，码字)的标记，每个码字与沿刻度的特定位置相关联。已知的是配置读头使得它可以总是读取至少一个完整的码字。读头可以使用查阅表或算法以基于唯一码字确定刻度上的绝对位置，并且该系统能够在启动时唯一地识别其位置而无需必须首先移动到参考点。
增量式编码器通常是相对简单的并且形成编码器反馈系统的支柱。然而，无论位置可以沿刻度的长度的什么地方，绝对编码器能够唯一地识别刻度上的当前位置。绝对编码器可以在开机时识别位置而无需移动的必要并且缓解保持循环信号的精确计数的必要。绝对编码器在上电时的参考不容易、不安全或甚至不可能的情况下可以是重要的。并且，在由于电力的影响或损失的例如过量的加速等错误状况之后，绝对编码器唯一地识别位置而无需刻度与读头之间的相对移动。刻度必须使读头具有足够的信息以唯一地识别位置并且这可以通过在同时读取时形成唯一字的平行数据线完成，或者通过串行数据流的足够长的部分完成，或者可以通过例如飞行时间测量等物理地绝对方法完成。然而，呈现为多个并排放置的串行流的平行数据具有较宽的缺点，并且因此对偏航对准公差敏感。飞行时间技术需要光路的特性为众所周知的，因此除非路径是真空的，否则温度和湿度波动以及湍流将影响测量。
通常，绝对编码器将不具有尽可能与增量式编码器一样高的分辨率，这是由于需要沿刻度的有用长度唯一地识别位置的过度长的码字，并且因此可以希望添加增量标记到绝对编码器以便能够内插在通过码字确定的位置之间。举例来说，增量刻度标记可以提供在绝对刻度标记的平行轨道上。然而，此类平行轨道的使用使系统对读头和刻度的对准敏感。当组合绝对位置和增量位置时读头的偏航可以引起错误。
其中绝对刻度标记和增量刻度标记两者都形成于单个轨道上的替代方法描述于以本申请人的名义的GB 2 395 005中，其内容在此以引用的方式并入。轨道包括由多个反射性和非反射性条带组成的幅度刻度，该条带布置成彼此平行并且具有在测量方向上的该条带之间的固定间距。条带在重复图案中是省略的以便以类似于线性条形码方式表示数据。刻度上的数据被拆分成字并且读头描绘足够的刻度以无论沿刻度的读头位置如何都包含至少一个完整字。位置可以从通过读头读取的字中唯一地识别。数据字表示绝对刻度，并且反射性和非反射性条带的重复图案表示增量刻度。在此方法中，绝对刻度由增量刻度的移除元件形成。
已知的是与表面的超快激光脉冲相互作用可以引起周期性表面结构的形成，该结构通常被称为激光诱导周期性表面结构(Laser Induced Periodic Surface Structure,LIPSS)或纳米波纹结构。出现在由来自红宝石激光的光损坏的多种半导体的表面上的“平行直线的规则系统”的效果公开于应用物理学杂志(Journal of Applied Physics)的1965年的第36卷第3688页的作者为Birnbaum Milton的“通过红宝石激光产生的半导体表面损坏”中。此后这些结构已经使用从持续波到皮秒激光的任何东西来产生，但是最常见的是飞秒激光。
已经识别出LIPSS的两个群组，低空间频率LIPSS(LSFL)和高空间频率LIPSS(HSFL)，如例如在作者为A.Borowiec、H.K.Haugen的应用物理学快报(Applied PhysicsLetters)的2003年第82卷第25号的第4462页到第4464页中所论述，以及在作者为V.S.Mitko、G.R.B.E.Romer、A.J.Huis in‘t Veld、J.S.P Skolski、J.V.Obona、V.Ocelik、J.T.M.De Hosson的Physics Procedia的2011年第12卷第99页到第104页中所论述。
已经建议在WO 2009/090324中使用LIPSS结构来表示数据，例如用于物体或文档的识别、可追溯性或认证。在WO 2009/090324中，数据由LIPSS结构的取向来表示，该取向通过控制用于形成该结构的激光辐射的偏振来控制。通过将光应用到该结构并且确定从该结构接收到的所得光的颜色来读取数据，其中从LIPSS结构接收到的光的颜色取决于因衍射效应所致的LIPSS结构的取向。例如摄像机等图像捕获装置可用于捕获标记有LIPSS结构的表面的图像，并且数据可经处理以确定所呈现的色彩以及由色彩表示的数据值。
通过以LIPSS结构标记表面来控制表面的颜色也已在Ahsan等人于2011年在应用表面科学(Applied Surface Science)(257(2011)，7771到7777页)中、在Dusser等人于2009年在SPIE杂志第7201卷发表的微电子和光电制造VII中的激光应用(LaserApplications in Microelectronics and Optoelectronic Manufacturing VII)中、以及在Dusser等人于2010年2月1日在光学快报2913第18卷第3期中发表的文章中进行了描述。
WO 2007/012215描述了纳米波纹结构的使用以在物体的表面上实现图、标识、图片和类似物，例如，在印刷辊上，该印刷辊可以随后压印在封装膜上。文档还提及纳米波纹结构的使用以改变表面的物理特性，例如，以改进其粘合或油保持特性。
US 2009/214885描述了使用激光化学气相沉积在室温或室温附近制造周期性亚波长纳米结构的系统和方法。
US 2006/219676描述了在透明或半透明电介质内制作长程周期性纳米结构的方法。
US 2006/028962描述了具有衬底和压印在衬底上的多个光学可检测标记的光学存储媒体，该标记具有亚波长宽度。偏振光源用于读取标记。
发明内容
在本发明的第一方面中提供包括至少一个刻度标记的测量刻度装置，其中所述或每一刻度标记包括表示刻度装置信息的至少一个周期性纳米结构。
用周期性纳米结构表示刻度装置信息可以提供测量刻度装置上的刻度装置信息的已知表示的尤其有用的替代。
举例来说，通过使用周期性纳米结构表示刻度装置信息，已发现刻度标记可以形成于与其它类型的其它刻度标记相同的刻度区域中，同时允许不同刻度标记的基本上独立的读取而不论不同刻度标记的接近性如何。独立地读取包括周期性纳米结构的标记和其它类型的刻度标记的能力可以例如使得不同刻度标记足够紧密地对准以避免偏航效应。
所述或每一周期性纳米结构可以使用周期性纳米结构的取向、深度和周期中的至少一个表示刻度装置信息。
每个周期性纳米结构可以包括在施加到所述区域的电磁辐射上产生偏振效应的刻度的区域。
所述或每一周期性纳米结构可以包括激光诱导周期性表面结构(LIPSS)。
已发现LIPSS结构可以尤其用作刻度标记，因为它们可以相对简单明了的且稳固的方式形成，位于预先存在刻度装置或刻度上或位于新产生的刻度装置或刻度上。此外，LIPSS结构的刻度可以不显著干扰由其它类型的结构形成的刻度标记的读取，举例来说，已知相位刻度或幅值刻度的或多或少交替的反射带的阶梯式或波形结构。
所述或每一周期性纳米结构可以包括多条基本上平行的线。
多条基本上平行的线可以有规律地在垂直于线延伸的方向上以小于1μm，任选地10nm到1μm的间距间隔开。任选地，间距可以在200nm到800nm范围内，进一步任选地在400nm到650nm范围内。纳米结构的周期可以小于用于在除了直接显现或衍射技术外的应用中读取所述纳米结构的光的波长。
由至少一个周期性纳米结构表示的刻度装置信息可以包括关于刻度或刻度装置的位置信息或非位置相关数据。
刻度装置信息可以包括涉及刻度或刻度装置的功能的任何信息。它可以是位置信息，或者它可以是可用于衍生位置的过程或在刻度的操作(例如，界限标记可以指示刻度的端部)中的信息。
由至少一个周期性纳米结构表示的刻度装置信息可以包括以下各项中的至少一个：绝对位置信息；相对位置信息；界限的指示；参考位置的指示；方向信息；误差信息；刻度、刻度装置或刻度制造商识别符；认证或安全数据。刻度标记可以包括距离编码标记。
由至少一个周期性纳米结构表示的刻度装置信息可以包括表示在刻度标记的相关联系列中的误差的误差映射。
至少一个刻度标记可以包括形成一系列刻度标记的一部分的刻度标记。所述系列的其它刻度标记可以包括或可以不包括至少一个纳米结构。
所述至少一个刻度标记可以包括形成第一系列刻度标记的多个刻度标记，并且所述测量刻度进一步包括第二系列刻度标记。
第一系列刻度标记和第二系列刻度标记可以共享共用测量轴。通过提供共享共用测量轴的第一系列刻度标记和第二系列刻度标记，例如，一系列绝对刻度标记和一系列增量刻度标记，可以防止随偏航的去相位(de-phasing with yaw)。
第一系列刻度标记可以包括绝对刻度标记、增量刻度标记或参考标记中的一个，并且第二系列刻度标记可以包括绝对刻度标记和增量刻度标记以及参考标记中的另一个。
第一系列刻度标记可以形成绝对刻度或增量刻度中的一个，并且第二系列刻度标记可以形成绝对刻度或增量刻度中的另一个。
第一系列刻度标记中的至少一个可以与第二系列刻度标记中的至少一个重叠。第一系列刻度标记可以与第二系列刻度标记交错。
由第一系列刻度标记表示的刻度装置信息可以是可读的,独立于读取由第二系列刻度标记表示的刻度装置信息。
刻度装置信息可以通过以下各项中的至少一个呈现在第二系列刻度标记中：光学参数；磁性参数；电容参数。
所述或每一刻度标记可以包括多个周期性纳米结构。刻度装置信息可以使用多个周期性纳米结构中的每一个的特性的组合来呈现。刻度标记的周期性纳米结构中的至少一个可以具有特性的值，其不同于用于该刻度标记的另一周期性纳米结构的特性的值。
每个周期性纳米结构可以表示一个数据位。所述数据位可以包括二进制数字。
所述或每一刻度标记可以表示一代码，所述代码表示刻度装置信息。所述至少一个刻度标记可以包括多个刻度标记，每个刻度标记表示一代码，每个代码表示一个相应的不同位置。
所述至少一个刻度标记可以包括多个刻度标记，并且所述刻度标记可以基本上相同和/或基本上沿测量轴是等间距的。
表示刻度装置信息的每个周期性纳米结构的特性可以包括优选的偏振方向。每个周期性纳米结构可以在偏振的第一方向上反射或透射电磁辐射与在偏振的第二方向上反射或透射电磁辐射相比更加剧烈，由此确立优选的偏振方向。电磁辐射可以是可见或近紫外范围的光。
对于所述周期性纳米结构或所述周期性纳米结构中的每一个，表示刻度装置信息的周期性纳米结构的特性可以具有选定数目的离散值中的一个。可以使用任何合适数目的离散值。举例来说，选定数目的离散值可以是2、3、4、5、6、7或8中的一个。选定数目的离散值中的每一个可以表示相应的数据值，例如，相应的数据位。刻度装置信息可以由数据值表示。
对于周期性纳米结构或周期性纳米结构中的每一个，表示刻度装置信息的周期性纳米结构的特性可以随着沿刻度的测量轴的位移而改变。
所述至少一个周期性纳米结构可以包括多个周期性纳米结构，并且所述周期性纳米结构可以基本上是连续的和/或可以是重叠的。
每个周期性纳米结构沿刻度的测量轴的横向延伸可以在5μm到2000μm的范围内，任选地在5μm到500μm的范围内，另外任选地在10μm到200μm的范围内。
测量刻度和/或测量刻度装置可以由以下各项中的至少一个形成：金属，任选地不锈钢、金、铬、镍或银；半导体材料，任选地Si、InP、GaP或GaAs；任选地基于衬底的半导体材料或材料系统，例如，Si、Ge、InP、GaAs；玻璃，任选地熔融二氧化硅。
测量刻度装置可以包括第一测量轴上的第一系列刻度标记和第二测量轴上的第二系列刻度标记。第一轴和第二轴可以不平行。第一轴和第二轴可以基本上垂直。刻度装置可以包括二维刻度。
测量刻度装置可以形成用于编码器的测量刻度。
用于编码器的测量刻度可以由至少一个刻度标记形成。
用于编码器的线性刻度可以由至少一个刻度标记形成。
用于编码器的旋转刻度可以由至少一个刻度标记形成。
在本发明的另一方面中，提供一种编码器，其包括根据本发明的第一方面的测量刻度装置。
在可以独立地提供的本发明的另一方面中，提供一种形成测量刻度的方法，其包括在表面上形成至少一个刻度标记，所述刻度标记包括表示刻度装置信息的周期性纳米结构。
所述方法可以包括施加线性地偏振的激光辐射的至少一个脉冲到表面的区域以形成至少一个刻度标记。
所述方法可以包括施加激光辐射的至少一个脉冲到所述表面以形成激光诱导周期性表面结构(LIPSS)的至少一个区域。
所述方法可以包括形成多个刻度标记以形成第一系列刻度标记，并且形成第二系列刻度标记。
所述方法可以包括在刻度的共用测量轴上形成第一系列刻度标记和第二系列刻度标记。
所述方法可以包括用第二系列刻度标记中的至少一个覆盖第一系列刻度标记中的至少一个。所述方法可以包括使第一系列刻度标记与第二系列刻度标记交错。
第二系列刻度标记可以包括沿所述表面的一系列峰和谷，例如，一系列梯级。所述方法可以包括形成每个周期性纳米结构以表示相应的数据位。
所述方法可以包括形成每个刻度标记以表示代码。
所述方法可以包括形成每个周期性纳米结构以具有多个离散值中的选定的一个。
所述方法可以包括形成每个周期性纳米结构使得表示用于该周期性纳米结构的刻度装置信息的特性随着沿刻度的测量轴的位移而变化。
在可以独立地提供的本发明的另一方面中，提供一种读取测量刻度的方法，其包括：检测由至少一个周期性纳米结构反射或透射的电磁辐射；从所检测的电磁辐射中确定周期性纳米结构的至少一个特性；以及从至少一个偏振特性中确定刻度装置信息。
所述方法可以另外包括施加电磁辐射到所述刻度，其中所施加的电磁辐射具有在大于周期性纳米结构的周期的波长处的最大强度。
所施加的电磁辐射可以具有在至少是周期性纳米结构的周期的两倍的波长处的最大强度，任选地介于周期性纳米结构的周期的两倍到五倍之间。
至少的特性的确定可以包括确定至少一个偏振特性。
读取的方法可以包括对测量刻度进行成像和对通过至少一个周期性纳米结构产生的衍射效应进行检测中的至少一个。
在可以独立地提供的本发明的另一方面中，提供一种设备，其包括：电磁辐射的源；检测器，其用于检测通过刻度的至少一个周期性纳米结构反射或透射的电磁辐射；用于从所检测的电磁辐射中确定周期性纳米结构的至少一个特性的构件；以及用于从至少一个特性中确定刻度装置信息的构件。
还提供基本上如本文中所述以及参考附图的测量刻度和方法。
在本发明的一个方面中的任何特征可以任何适当的组合应用于本发明的其它方面。例如，设备特征可以应用为方法特征，且反之亦然。
附图说明
现在借助于非限制性实例描述本发明的实施例，并且所述实施例在以下附图中进行说明，其中：
图1是第一实施例的测量刻度装置的说明；
图2是图1的装置的刻度的放大部分的说明；
图3是用于读取测量刻度的设备的示意图；
图4和图5是图3的设备的其它示意图；
图6是概述地说明图1和图2的测量刻度的读数的流程图；
图7是用于形成测量刻度的系统的说明；
图8是包括一系列二进制刻度标记的测量刻度的说明；
图9是包括一系列刻度标记和一对参考标记的刻度的说明；
图10是一系列刻度标记和一对界限标记的说明；
图11是包括以四进制编码数据的一系列刻度标记的测量刻度的说明；
图12是包括周期性纳米结构的标记的说明，其中纳米结构的线的取向随着位置变化。
图1示出了测量刻度装置2的第一实施例，该装置包括刻度4，该刻度包括多个刻度标记。一系列绝对刻度标记6沿共用测量轴10覆盖在一系列增量刻度标记8上。绝对刻度标记6和增量刻度标记8是独立地可读的。为了清楚起见在图1中仅说明绝对刻度标记6。
图2是图1的刻度4的放大部分的说明，并且示出了绝对刻度标记6和增量刻度标记8这两者。
在图1和图2的实施例中，增量刻度标记8的系列由基本上正弦轮廓的峰和谷所组成，其具有大约是可操作光(反射)的波长的四分之一的幅值或大约是可操作光(透射)的波长的一半的幅值，该可操作光通过刻度装置的表面的激光加热所形成，例如在以本申请人的名义的W02012/038707中所描述，其内容在此以引用的方式并入。装置2由304不锈钢制成并且峰和谷形成于304不锈钢的表面上。在图2中说明了峰和谷，但是峰到谷高度已经被放大以使它在附图上可见。在此实施例中，峰到谷高度是200nm并且邻近峰之间的间距是8μm。增量刻度标记中的每一个可以被视为包括周期性表面的完整循环。
一系列绝对刻度标记6写入到一系列增量刻度标记8上。在这种情况下，绝对刻度标记6中的每一个包括多个周期性纳米结构，在这种情况下是激光诱导周期性表面结构(LIPSS)，该结构包括多条基本上平行线，该平行线具有在垂直于线延伸的方向上的周期性间距并且具有任选地小于用于读取刻度4的光的波长的周期。在下文中更详细描述LIPSS微观结构的形成。
在图1和图2中，LIPSS的每个区域被绘制为阴影区域，阴影的方向指示实质上平行线的取向。LIPSS的每个区域可以被认为是提供单独的偏振特征的单独的周期性纳米结构。在图1和图2的实施例中，LIPSS的区域包括相对于测量轴布置成-45度或+45度的实质上平行线。在此实施例中，LIPSS的区域是连续的。它们可以替代地是重叠的或空间间隔开的。
LIPSS的每一区域用于表示二进制数字。LIPSS区域的线的每一取向(例如，+45度和-45度)表示二进制状态中的一者。多个LIPSS区域经布置以形成每个绝对刻度标记。每个绝对刻度标记是离散二进制码字，其用于标记沿测量轴的唯一位置。
举例来说，在图2中全部或部分示出标记为n-1、n、n+1和n+2的四个周期性纳米结构。每个周期性纳米结构表示一个位，并且在这种情况下可以看出这些位具有0、1、0和1的值。这四个位组成识别偏振特征所在的刻度的部分的单个码字的一部分。
例如LIPSS等周期性纳米结构差别性地影响应用于该微观结构的偏振光的反射或吸收，或造成由应用于该结构的非偏振光的反射或透射引起的光的偏振。
A.Y.Vorobyev、Chunlei Guo在应用物理学杂志(Journal of Applied Physics)，2008年，第103卷，043513中的“飞秒激光诱导周期表面结构在金属上的频谱和偏振响应”中所呈现的实验结果说明了平行于或正交于表面结构的线而对准的偏振光如何经历不同反射。采用来自该图的在800nm处(通常用于光学编码器的波长)的数字示出非偏振光经历来自未处理表面的95％反射率。此反射率在出现LIPSS之后减少到77％。平行于表面结构的线而对准的偏振光的反射率是71％，对比的是正交于表面结构的线而对准的光的87％的反射率。
使用合适的检测器可以检测到具有表面纳米结构的不同取向的区域的光反射率的差异。为了读取图1和图2的实施例的绝对刻度标记，有必要区分+45度偏振特征和-45度偏振特征。虽然可以按这些特征以不同方式反射光的不同偏振的事实来区分它们，但是这可能不具有较强效果。因此可以使用检测器的差分对，并且可以组合来自两种偏振的信号以移除信号的共模组分。
在图3中示出用于读取图1和图2的实施例的测量刻度的设备的示意图。图3示出了测量刻度装置2和包括光源22的读头20。
读头还包含相位刻度检测单元，其包括多通道增量检测器21a和光源21b，该单元是可操作的以使用常规技术读取增量刻度标记。相位刻度检测单元能够独立于通过读头20的绝对刻度的读取来读取增量刻度。
图4是更详细示出读头20的示意图。读头包括呈四个LED形式的光源22以及两个平行阵列的偏振检测器24a、24b。检测器以差分对布置以用于检测正交偏振。在图4中，第一平行阵列的偏振检测器24a包括标记为A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8的十六个检测器。第二平行阵列的偏振检测器24b包括标记为a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8、b1、b2、b3、b4、b5、b6、b7、b8的其它十六个检测器。
偏振敏感的光学检测器可以差分对进行布置，该对中的每一个对到达其搭配物的光的正交偏振敏感。通过此方法有可能通过移除共模信号而稳固地测量在偏振测量中的微弱差异。可以对阵列进行布置以用于偏振场或流的检测。
在图4的实施例中，检测器阵列24a的每个检测器与检测器阵列24b的相应的检测器配对以形成检测器对。在图4的实施例中，检测器A1和a1、A2和a2、B1和b1、B2和b2等形成检测器对。
使得每一对检测器的每一检测器(例如检测器A1和a1)通过放置在该检测器上的偏振膜26a、26b而对偏振光敏感。使得该对的第一检测器(例如，A1)对第一偏振方向(在此情况下相对于测量轴成+45度)敏感，并且使得该对的第二检测器(在此情况下a1)对第二正交的偏振方向(在此情况下相对于测量轴成-45度)敏感。
图5是另一简化示意图，其以侧视图示出位于邻近于装置2的读取位置的读头。读头包含用于每个检测器对的一对1-V转换器28a、28b。每个l-V转换器28a、28b连接到检测器对的检测器的相应一个的输出端。每个1-V转换器28a、28b的输出端连接到差分放大器30，该差分放大器继而连接到处理器32。
现在参考图6中所示的流程图描述图1和图2的测量刻度的读取。
在过程50的第一阶段，来自光源22的光被应用于刻度并且从刻度反射。在这种情况下，刻度经放置使得光从多个周期性纳米结构反射，每个结构具有表示数据的偏振特征，来自周期性纳米结构中的每一个的光由检测器对的相应一个的检测器所接收。
在下一阶段52处，反射光由两个检测器阵列24a、24b的检测器检测到。阵列中的一个24a的检测器优先检测在相对于测量轴成+45度处被偏振的光，并且检测器阵列中的另一个24b的检测器优先检测在-45度处被偏振的光。
在阶段54处，来自每一检测器的所得信号通过相应1-V转换器28a、28b转换成电压。每一检测器对的两个转换信号随后输入到用于该对的差分放大器30，其输出已经从其中移除检测器信号的共模组分(包含DC组分)的差信号。所得信号通过处理器32接收，该处理器处理信号以确定检测器对从其中接收反射光的偏振特征是否具有在相对于测量轴成+45度处或在-45度处取向的线，以及因此该偏振特征是否表示二进制代码中的0或1。
由于检测器阵列24a、24b包含十六个检测器对，每一检测器对检测从相应周期性纳米结构反射的光，因此处理器32能够针对读头20的给定位置确定刻度的多达十六个周期性纳米结构的取向以及因此相关联的二进制代码值。
在图3到图5的实施例中，读头20的尺寸和检测器的数目经选择使得无论读头20相对于测量刻度的位置如何，它总是可以在读头的给定位置处读取足够的偏振特征以构成至少一个完整的码字。
在阶段56，处理器确定由从偏振特征中确定的二进制值表示的码字，并且确定绝对位置，例如，通过比较所确定的码字与储存在查找表中的码字或将算法应用于码字。
虽然绝对刻度是通过读头20读取的，但是相位刻度检测单元21a、21b使用(例如)如EP 0207121中所描述的已知技术读取增量刻度标记8。在操作中，通过相位刻度检测单元22的光源施加的非偏振光从增量刻度的多个峰和谷反射，并且相位刻度检测单元22能够使用基于反射光的相长干涉或相消干涉型式的已知技术取决于读头20相对于刻度的位置进行检测。增量刻度可经多次内插，仅受限于由读头读取的周期性区域的平均精度以及噪音。
绝对位置可以随后与由处理器32使用相位刻度检测单元22确定的增量刻度信息组合以便内插在绝对位置标记之间。
读头20接着移动到新的位置，并且重复阶段50到56。
由于在图1和图2的实施例中，绝对刻度标记6和增量刻度标记8被设置在单个测量轴上重叠，因此这两组刻度标记可以使用相同的读头20测量，并且因偏航效应所致的误差可以减少或消除。
在增量刻度标记8的谷和峰上重叠的偏振特征12的存在可以使得甚至对于非偏振光的增量刻度标记的反射率发生一些变化。所示出的对称设计(具有±45°对准的纳米结构)使状态之间反射率差最小化。纳米结构减少总体反射率并且必须产生到允许状态之间的足够差分的深度以用于稳固检测(足够的SNR)同时保持总体反射率达可接受的水平。
在替代实施例中，表示刻度装置信息的周期性纳米结构的特性可以使用替代技术读取，以及或者替代于确定偏振。举例来说，测量刻度可以使用适当波长的光直接成像，和/或通过至少一个周期性纳米结构产生的衍射效应可以得到检测并且周期性纳米结构的特性可以从那些衍射效应中确定。
如上文所提及，图1和图2的测量刻度的周期性纳米结构是LIPSS结构。已发现，此类LIPSS结构特别适用于表示在测量刻度上的刻度装置信息，并且它们可以通过将激光脉冲应用于表面而以稳固且精确的方式形成。LIPSS可以激光脉冲(任选地是超快激光脉冲)在相对大的区域(个体检测器或多个(分数的或非分数的)检测器的区域，例如在位出现方向上>10μm，其具有适合应用的宽度，例如，3mm)上形成并且放置分辨率仅需要与增量足够好的对准以识别单个增量周期；通常此类对准精度是小于或等于增量周期的1/2。
图7说明用于形成测量刻度的系统，例如，图1和图2的系统，其中刻度标记由LIPSS的区域组成。
该系统包括横杆60，在该横杆上安装有衬底材料2，刻度4将在衬底材料上形成。在图1和图2的测量刻度的情况下，衬底材料是304不锈钢。该系统还包括：托架66，其包括写头70；激光单元62，其通过光学路径64连接到托架66的写头；以及控制器68。激光单元62包含用于形成LIPSS结构的超快激光。
在操作中，来自激光单元62的激光辐射通过光学路径64被供应到写头，并且写头70引导激光辐射到衬底2上的位置控制器68是可操作的以控制托架相对于横杆60的位置，并且控制激光单元的操作，由此施加选定特征的激光辐射到衬底2上的任何选定位置。
图1和图2的测量刻度4是由图7的系统使用两种截然不同的激光处理形成。通过写入LIPSS偏振特征首先形成增量刻度标记并且接着形成绝对刻度标记。
在第一过程中，通过熔化衬底的表面形成增量刻度，如WO2012/038707中所描述。几十纳秒持续时间的激光脉冲由激光单元62通过写头70施加。激光脉冲通过连接激光到托架66的光学路径64被输送到写入点，替代地激光62与托架66一起移动。托架66能够沿横杆的长度移动并且配备有精确位置反馈(通过控制器68)以确保以所需精度正确地放置熔化区域。增量刻度的形成可以采用托架66沿着刻度长度的一次或多次通过(passes)。举例来说，通过用几十纳秒持续时间的激光脉冲进行熔化可以在304不锈钢上制作具有例如4μm或8μm的周期以及例如190nm或200nm的平均峰到谷距离的流畅地起伏的表面轮廓。
在第二过程中，构成绝对刻度标记的LIPSS结构随后写入到增量刻度标记上。
为了形成LIPSS结构，材料表面由适当脉冲长度和通量的偏振激光脉冲照射(通常是表面的烧蚀阈值附近通量的超快脉冲)。表面结构的线呈现正交于激光的偏振，因此写入激光束的偏振的旋转有利于在刻度表面上形成二进制位。这些线的周期是表面材料的特征以及激光的波长。
在图7的实施例中，在托架66的一次或多次通过(passage(s))期间使用超快脉冲激光单元62，以形成在相对测量轴成+45度处取向的LIPSS的区域并且因此写入所有正二进制状态。在托架66下次通过时，超快激光的偏振旋转了-90度(到相对于测量轴的-45度)并且写入负数据区域到刻度上。
用于在图7的实施例中形成LIPSS结构的激光是具有烧蚀阈值附近能量的超快激光：刚好在烧蚀阈值以上用于单次脉冲写入；刚好在烧蚀阈值以上或刚好在烧蚀阈值以下用于多次脉冲写入。将一连串脉冲施加至表面。每一脉冲可以经成形以产生4mm宽和10μm长，并且衬底以通过激光重复速率、受影响的表面的宽度以及所需的脉冲的数目确定的速度相对于激光移动。替代地，通常直径(Φ)10μm的激光束可以经光栅扫描以给出周期性纳米结构的宽度。
一旦已经通过一个或多个激光脉冲形成LIPSS结构，应用于相同区域的相同偏振的后续脉冲将锁定到现有图案中并且保持原始结构的周期性和相位，从而允许从多脉冲中构建LIPSS的延伸区域。LIPSS形成的该特征使得能够以简单明了且可靠的方式形成适用作刻度特征的具有合适尺寸和均匀性的偏振特征。
脉冲激光处理可以用来在任何适当表面上形成LIPSS。在图1和图2的实施例中，LIPSS结构形成于使用WO 2012/038707中描述的处理形成的增量刻度的表面上。然而，在替代实施例中，LIPSS刻度标记可以形成为刻度上的唯一刻度标记或覆写在多种刻度标记的任何一种上。LIPSS结构可以被写入到任何适当的现有刻度上。
在替代实施例中，刻度装置信息使用除结构的偏振特性外的周期性纳米结构的特性呈现。举例来说，所述或每一周期性纳米结构可以形成为使用周期性纳米结构的取向、深度和周期中的至少一个表示刻度装置信息。
在图8中说明根据任何替代实施例的测量刻度。图8是包括一系列增量刻度标记的测量刻度的简化图，其中增量刻度标记8是沿测量轴10布置的偏振特征12。+45度和-45度取向的LIPSS的区域以交替的顺序使用，邻近区域之间的距离是增量周期。
包括表示使用偏振特性的刻度装置信息的偏振特征的刻度标记不限于绝对刻度标记，而是在替代实施例中实际上表示任何所需类型的刻度标记。
在各种实施例中，包括至少一个纳米结构的刻度标记可以表示关于刻度的位置信息或非位置相关数据。在一些实施例中，刻度标记表示(例如)刻度的序列号、制造商或其它识别符、或认证或安全数据。
在某些具体实例中，刻度装置信息是界限的指示。界限标记用于指示刻度的端点。在某些实施例中，界限标记包括标记刻度的端点的偏振特征，例如LIPSS结构。在一些实施例中，在刻度的每一端点处使用不同偏振的界限图案来指示正在读取哪个界限。在替代实施例中，以跨越刻度(垂直于测量轴)写入的不同偏振来实施界限，其中一个偏振到测量轴的第一侧并且另一偏振到第二侧，其中两个偏振在刻度的相对端处逆转。
图10示出包括一系列刻度标记8(其可以包括偏振特征或可以不包括偏振特征)和一对界限标记44a和44b的刻度的简化图。第一界限标记44a是在相对于测量轴10成+45度取向的LIPSS的区域，并且第二界限标记44b是在相对于测量轴成-45度取向的LIPSS的区域。因此，刻度的端部可以通过偏振光的差分检测来区分以确定标记的不同取向。
在其它实施例中，由偏振特性表示的刻度装置信息是参考位置的指示。在增量刻度上，参考标记用于指示已知位置，使得能够参考此类已知位置确定增量位置。根据实施例的参考标记包括在写入到刻度上的正交偏振的两个区域之间的过渡。在此情况下，使用分开的差分读取器对以对于参考标记的检测来说常见的方式来产生和信号以及差信号。在其它实施例中，包括偏振特征的参考标记更为复杂，并且在一些情况下包括发散自相关图案或互相关图案，或包括码字，和/或具有沿参考标记的线性延伸旋转的偏振特性。在其中参考标记包括偏振特征的实施例中，参考标记可以与一系列刻度标记分隔开，或可以覆盖在一系列刻度标记上、与一系列刻度标记重叠或与一系列刻度标记交错。
图9是一系列刻度标记8(其可以包括偏振特征或可以不包括偏振特征)的简化图。参考标记42a绘制在刻度的一侧或两侧上。参考标记指示参考位置。其与在刻度的相对侧上的另一参考标记42b配对以用于在偏航对准范围上的精确的参考定位。参考标记包括在具有+45度或-45度的纳米结构特征的对准的角度的周期性纳米结构中编码的区域，但是任何其它合适的偏振特性可以用于替代实施例中；例如，逐渐地旋转偏振对准。或读取周期性纳米结构表面的其它方法。
在其它实施例中，包括至少一个纳米结构的刻度标记表示方向标记，其指示至刻度特征的方向，例如至刻度的一端的方向或至位置标记或参考标记的方向。
在其它实施例中，包括至少一个周期性纳米结构的标记用于对例如误差映射或误差码等误差信息进行编码。在某些实施例中，此类实施例标记覆盖在增量刻度标记或绝对刻度标记的现有系列的顶部上或附近。一系列增量刻度标记或绝对刻度标记可以包含由在形成期间的误差所致的一些位置误差。通过根据已知技术在真空中进行的干涉仪测量确定该误差。接着在沿刻度的一系列位置处写入包括至少一个周期性纳米结构的误差标记并且该误差标记表示关于在那些位置中的每一处的增量刻度或绝对刻度中的误差。在一些此类实施例中，误差由偏振角度或周期性纳米结构的取向的角度表示，该角度允许采用一系列连续的角度中的任一个。因此，误差可以被读取为模拟信号，这可以降低处理要求。
在图1和图2的实施例中，使用已知过程形成增量刻度并且接着在增量刻度标记上叠加绝对刻度标记。实施例不限于此类布置，并且可以使用LIPSS或其它技术来以任何所需布置形成包括偏振特征的刻度标记。例如，在替代实施例中，绝对刻度标记经布置使得它们重叠增量刻度标记，或使得绝对刻度标记和增量刻度标记交错或在空间上分隔开。在这些情况中的任一个中，可以形成绝对刻度标记和增量刻度标记使得它们共享共用测量轴。
如所提到，在替代实施例中，包括偏振特征的刻度标记是增量刻度标记或参考标记而不是绝对刻度标记。在一些实施例中，刻度还包含任何所需类型的第二系列刻度标记，例如绝对刻度标记、增量刻度标记或参考标记。在此类实施例中，第二系列刻度标记不限于光学地读取。第二系列刻度标记可以任何合适的方式来表示刻度装置信息，例如相对于第一系列刻度标记独立地可读的任何方式。举例来说，在一些实施例中，第二系列刻度标记用光学参数、磁性参数或电容参数表示刻度装置信息。
可以用于第二系列刻度特征的刻度标记的类型的实例包含以下各者的刻度标记：蚀刻玻璃、蚀刻金属、激光烧蚀金属、锻造金属、具有镜反射的玻璃上的镀铬区域、龙基玻璃(glass Ronchi)上的铬、磁性区域、电容(介电常数区域)。这些刻度中的每一个具有可以通过添加周期性纳米结构(例如LIPSS结构)选择性修改的表面。
在一个实施例中，将表示绝对刻度标记的LIPSS或其它偏振特征添加到以玻璃蚀刻和镀金的矩形轮廓刻度光栅。现有刻度设计，例如，雷尼绍(RTM)RG、圆杆(spar)、环或带刻度，可以具有添加的LIPSS或其它偏振特征的区域以形成参考标记或绝对数据。
在图1到图2的实施例中，每个偏振特征在偏振的第一方向上反射电磁辐射比它在偏振的第二方向上反射电磁辐射更加剧烈。在替代实施例中，例如LIPSS或其它周期性纳米结构等偏振特征以优选的偏振方向透射而不是反射所应用的电磁辐射。在任一情况下，可以建立优选的偏振方向并且此优选的偏振方向用于表示刻度装置信息。在具体实施例中，所讨论的电磁辐射为可见的、近紫外或近红外范围内的光。
在其它替代实施例中，刻度标记写入到具有中间偏振以及具有正交偏振的刻度上。提供读取中间偏振的检测器。替代地，处理器或相关联的电路通过检测器的差分对内插测量，由此测量通过刻度的区域反射或透射的光的偏振，该刻度的区域并不理想地与检测器对中的任一个的偏振对准。以此方式，可以产生表示刻度的区域的偏振的模拟信号，无论是否与任何传感器对准。通过此类方法，三个或三个以上偏振可用于在刻度上编码刻度装置信息。
在绝对刻度标记的情况下，例如在前述段落中描述的那些实施例允许绝对距离代码以三进制或更高进制被实施，而不是以二进制编码绝对位置。这可以具有增大代码稳固性或可供使用的唯一码的数目的优势，引起更长的刻度长度或待检测用于给定最大代码长度的刻度的较小部分，这继而可以允许较小读头。
在图11中借助于实例示意性地说明包括具有四个不同取向的周期性纳米结构并且因此允许以四进制对数据进行编码的标记。0°、+45°、-45°以及90°的LIPSS的区域用于交替序列中以对数据进行编码。
在图1和图2的实施例中，每一偏振特征是其中所有平行线在单个取向中的LIPSS的区域。LIPSS的此区域可以连续到不同取向的LIPSS的区域，使得不连续性出现在它们之间的边界处。
在替代实施例中，偏振特征包括LIPSS或其它纳米结构的延伸区域，其中线的取向随着通过偏振特征的横向延伸的位移而变化。图12中示意性地说明一个此类实施例。可以使用这种类型的单个偏振特征，例如，作为参考标记。检测器可经配置以检测优选的偏振方向。参考位置可以定义为在其处优选的偏振方向匹配LIPSS或其它纳米结构的延伸区域的一部分的取向的点。替代地，检测器具有沿着参考标记的长度匹配到偏振变化的偏振灵敏度；当整个偏振经编码区域对准以给出独特的相关输出时的参考位置；以及用于偏振编码数据的自相关器。此类编码区域可以是特别适合于相关性(例如，修改的巴克码)或偏振的角度的编码字，其中偏振的角度沿着特征和所匹配的检测器随距离而连续地或单调地增大。
在前述段落中描述的实施例的变体中，连续地写入变化的偏振的一系列偏振特征以形成延伸区域。可以确定一系列位置，当优选的偏振方向匹配平行线的取向时确定每个位置，因此确定等间距标记的序列。
虽然已发现LIPSS提供用于形成包括周期性纳米结构的刻度标记的有利的技术，但是在替代实施例中其它方法可用于形成周期性纳米结构，例如，复写、电子束光刻、聚焦离子束写入、例如(以紫外)光蚀刻等蚀刻或半导体制造光刻。举例来说，纳米结构可以在粘合到稳固衬底的薄的非稳固涂层中复制。
在测量刻度的一些实施例中，偏振特征是连续的。在其它实施例中，它们是分隔开的或重叠的。
在某些实施例中，取决于第二系列刻度标记的参数来选择形成第一系列刻度标记的一部分的每一偏振特征的横向延伸。举例来说，在其中第二系列刻度标记是幅值刻度的实施例中，LIPSS结构的区域可以写入在其中呈现第二系列刻度标记的整个区域上。这可以有助于减少由存在或不存在重叠的LIPSS结构或其它纳米结构引起的关于非偏振光的刻度的反射率变化。
当第二系列刻度标记是增量刻度时，在某些实施例中，取决于第二系列刻度标记的增量周期来选择偏振特征的横向延伸。举例来说，在一些实施例中，每个偏振特征的横向延伸被选择为增量周期的非整数倍数，例如，增量周期的大小的1.5倍。或甚至是质数倍数，例如，3.7倍。
在沿测量轴方向上的每一偏振特征的横向延伸可被选择以具有任何合适的值，例如在1μm与100μm之间。可以使用多个激光脉冲来积聚LIPSS的延伸区域。
包括LIPSS或其它偏振特征的刻度标记可以被写入到许多表面上，并且该表面不限于如关于第一实施例所描述的不锈钢。已经示出银和不锈钢以形成LIPSS，如同许多其它金属。LIPSS的第一报告观察到在由红宝石激光脉冲引起的表面损坏之后在各种半导体上的周期性结构。由于该报告，已经出现关于包含Si、Ge、InP、GaP、GaA和其它化合物半导体的半导体的许多研究。LIPSS已经在熔融二氧化硅上制得，因此绝对数据可以被添加到以玻璃蚀刻和镀金的高度有效的矩形轮廓刻度光栅。然而，LIPSS也可以由多种多样的其它材料形成，无论金属、电介质或半导体。实际上，LIPSS可以形成于能够(例如)在暴露于强电磁场期间所存在的条件下形成表面等离子体的任何材料上，该强电磁场(例如)来自接近材料的烧蚀阈值的激光脉冲。
作为在常见制造过程中的附加步骤，可以将LIPSS区域添加到包括一系列刻度标记的测量刻度。替代地，可以在已经形成第二系列刻度标记之后的任何时间添加LIPSS。LIPSS区域可以被改造到任何适当的现有刻度。
已经使用从持续波到皮秒激光范围内的激光产生LIPSS。第一实施例描述了使用恰好高于烧蚀阈值的激光强度。然而，这并非不考虑其它方案。可以使用能够在合适的表面上形成LIPSS的任何激光和相关的一组操作条件。
测量刻度不限于用于沿单一测量轴的测量的线性刻度。替代实施例的测量刻度包含(例如)旋转刻度。在某些实施例中的刻度是二维刻度，具有两个实质上正交的测量轴，并且包括偏振特征的刻度标记沿一条或两条测量轴布置。
可以使用任何合适的方法来读取测量刻度。举例来说，来自两个偏振光源的光可以交替的方式应用于偏振特征。替代地，来自单个光源的光可以被传递通过偏振的光束分光器以提供两个偏振光。非偏振检测器被用于检测当通过第一偏振的光并且接着通过第二偏振的光照射时的反射光。检测到的信号可以如上文所描述的差分方式进行比较。
具有对光的正交偏振的不同灵敏度的检测器可以通过任何合适的方法产生，例如，使用布儒斯特效应、线栅或直接表面构造来适配偏振滤光器。可以在偏振光束分光器的两个面上安装两个相同的读取器芯片，并且可以比较来自该两个读取器芯片的输出。
偏振滤光器是常见的便宜的组件，其可以在阻断偏振取向中给出良好的光衰减，但是塑料型式可能具有湿度灵敏度并且玻璃型式可能难以切割。有可能定向检测器或在检测器前方的光学组件以有利于利用布儒斯特效应的一种偏振取向的通过。所有这些方法需要将一个或多个元件添加到编码器中的光学路径，这可以造成增大的尺寸和复杂性。
精细金属栅可以使用电子束直接形成到检测器上以写入到施加到检测器表面的光致抗蚀剂中。在周期中这些光栅是光的波长一部分，因此电子束是用于写入到此空间分辨率所必需的。金属层的沉积和多余抗蚀剂的去除可以随后形成有利于偏振光的特定取向的透射的精细的栅或光栅。此方法非常符合检测器制造中使用的半导体制造方法。
LIPSS本身可以被用于光栅的表面上并且类似于线栅具有可忽略的厚度。栅和LIPSS并不给出不利偏振取向的高衰减，因此对于较高信号鉴别推荐差分检测。
在某些实施例中，周期性结构可以直接形成到检测器的表面上并且由此实现入射光的正交偏振的差分吸收。
应理解，上文已经仅借助于实例描述了本发明，并且在本发明的范围内可以进行对细节的修改。
可以独立地或以任何适当的组合提供在说明书中公开的每一特征以及(适当时)权利要求书和附图。

Claims (34)

1.一种测量刻度装置，用于确定两个物体的相对位置，所述测量刻度装置包括至少一个刻度标记，其中所述刻度标记或每一刻度标记包括表示刻度装置信息的至少一个周期性纳米结构。
2.根据权利要求1所述的测量刻度装置，其中所述刻度标记或每一周期性纳米结构包括激光诱导周期性表面结构(LIPSS)。
3.根据权利要求1或2所述的测量刻度装置，其中所述刻度标记或每一周期性纳米结构包括多个基本上平行的线。
4.根据权利要求1所述的测量刻度装置，其中由所述至少一个周期性纳米结构表示的所述信息包括关于所述刻度的位置信息或非位置相关数据。
5.根据权利要求1所述的测量刻度装置，其中所述刻度标记或每一周期性纳米结构表示使用周期性纳米结构的取向、深度和周期中的至少一个的信息。
6.根据权利要求1所述的测量刻度装置，其中由所述至少一个周期性纳米结构表示的所述刻度装置信息包括(a)绝对位置信息和(b)相对位置信息中的至少一个。
7.根据权利要求1所述的测量刻度装置，其中由所述至少一个周期性纳米结构表示的所述刻度装置信息包括以下各项中的至少一个：(a)界限的指示；(b)参考位置的指示；以及(c)方向信息。
8.根据权利要求1所述的测量刻度装置，其中由所述至少一个周期性纳米结构表示的所述刻度装置信息包括以下各项中的至少一个：(a)误差信息；(b)刻度或刻度制造商识别符；以及(c)表示在刻度标记的相关联系列中的误差的误差映射。
9.根据权利要求1所述的测量刻度装置，其中由所述至少一个周期性纳米结构表示的所述刻度装置信息包括认证或安全数据。
10.根据权利要求1所述的测量刻度装置，其中所述至少一个刻度标记包括形成第一系列刻度标记的多个刻度标记，并且所述测量刻度装置进一步包括第二系列刻度标记。
11.根据权利要求10所述的测量刻度装置，其中所述第一系列刻度标记和所述第二系列刻度标记共享共用测量轴。
12.根据权利要求10或11所述的测量刻度装置，其中所述第一系列刻度标记包括绝对刻度标记、增量刻度标记和参考标记中的一个，并且所述第二系列刻度标记包括绝对刻度标记、增量刻度标记和参考标记中的另一个。
13.根据权利要求10所述的测量刻度装置，其中所述第一系列刻度标记中的至少一个与所述第二系列刻度标记中的至少一个重叠。
14.根据权利要求10所述的测量刻度装置，其中所述第一系列刻度标记与所述第二系列刻度标记交错。
15.根据权利要求10所述的测量刻度装置，其中由所述第一系列刻度标记表示的刻度装置信息是关于由所述第二系列刻度标记表示的刻度装置信息独立地可读的。
16.根据权利要求1所述的测量刻度装置，其中所述至少一个刻度标记包括多个刻度标记。
17.根据权利要求16所述的测量刻度装置，其中所述刻度标记是基本上相同的。
18.根据权利要求16或17所述的测量刻度装置，其中所述刻度标记沿测量轴是基本上等间距的。
19.根据权利要求1所述的测量刻度装置，其中所述刻度标记或每一周期性纳米结构表示使用所述周期性纳米结构的偏振特性的所述刻度装置信息。
20.根据权利要求19所述的测量刻度装置，其中每个周期性纳米结构的偏振方向表示所述刻度装置信息。
21.根据权利要求1所述的测量刻度装置，其中对于所述周期性纳米结构或所述周期性纳米结构中的每一个，表示所述刻度装置信息的所述周期性纳米结构的特性具有选定数目的离散值中的一个。
22.根据权利要求1所述的测量刻度装置，其中对于所述周期性纳米结构或所述周期性纳米结构中的每一个，表示所述刻度装置信息的所述周期性纳米结构的特性随着沿所述刻度的测量轴的位移而变化。
23.根据权利要求1所述的测量刻度装置，其中所述至少一个刻度标记形成用于编码器的测量刻度。
24.根据权利要求1所述的测量刻度装置，其中所述至少一个刻度标记形成用于编码器的线性刻度。
25.根据权利要求1所述的测量刻度装置，其中所述至少一个刻度标记形成用于编码器的旋转刻度。
26.一种编码器，其包括根据权利要求1所述的测量刻度装置和用于从所述测量刻度装置读取信息的读头。
27.一种形成用于在确定两个物体的相对位置中使用的测量刻度装置的方法，其包括在表面上形成至少一个刻度标记，所述刻度标记包括表示刻度装置信息的周期性纳米结构。
28.根据权利要求27所述的方法，其包括施加激光辐射的至少一个脉冲到所述表面的区域以形成至少一个刻度标记。
29.根据权利要求27或28所述的方法，其包括施加线性地偏振的激光辐射的至少一个脉冲到所述表面以形成激光诱导周期性表面结构(LIPSS)的至少一个区域。
30.一种读取根据权利要求1所述的测量刻度装置的标记的方法，其包括：检测通过所述至少一个周期性纳米结构反射或透射的电磁辐射；从所检测的电磁辐射中确定所述周期性纳米结构的至少一个特性；以及从所述至少一个特性中确定刻度装置信息。
31.根据权利要求30所述的方法，其中所述方法进一步包括施加电磁辐射到所述刻度，其中所施加的电磁辐射具有在大于所述周期性纳米结构的所述周期的波长处的最大强度。
32.根据权利要求30或31所述的方法，其中确定所述至少一个特性包括确定至少一个偏振特性。
33.根据权利要求30或31所述的方法，其中所述读取的方法包括对所述测量刻度进行成像和对通过至少一个周期性纳米结构产生的衍射效应进行检测中的至少一个。
34.一种用于读取根据权利要求1所述的测量刻度装置的标记的设备，其包括：电磁辐射的源；检测器，其用于检测通过所述刻度的所述至少一个周期性纳米结构反射或透射的电磁辐射；用于从所检测的电磁辐射中确定所述周期性纳米结构的至少一个特性的构件；以及用于从所述至少一个特性中确定刻度装置信息的构件。
CN201480004864.9A 2013-01-15 2014-01-13 测量刻度 Active CN104937381B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP13250007.5 2013-01-15
EP13250007 2013-01-15
PCT/GB2014/050081 WO2014111697A1 (en) 2013-01-15 2014-01-13 Measurement scale

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104937381A CN104937381A (zh) 2015-09-23
CN104937381B true CN104937381B (zh) 2017-10-20

Family

ID=47843200

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201480004864.9A Active CN104937381B (zh) 2013-01-15 2014-01-13 测量刻度

Country Status (5)

Country Link
US (1) US9945697B2 (zh)
EP (1) EP2946176B1 (zh)
JP (1) JP6557148B2 (zh)
CN (1) CN104937381B (zh)
WO (1) WO2014111697A1 (zh)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016532096A (ja) * 2013-10-01 2016-10-13 レニショウ パブリック リミテッド カンパニーＲｅｎｉｓｈａｗ Ｐｕｂｌｉｃ Ｌｉｍｉｔｅｄ Ｃｏｍｐａｎｙ 位置測定エンコーダ
US11499848B2 (en) * 2016-03-31 2022-11-15 Pixart Imaging Inc. Marker product and related optical detection system
US11486741B2 (en) * 2016-11-02 2022-11-01 Precilabs Sa Detector device, positioning code and position detecting method
JP6171213B1 (ja) * 2016-11-25 2017-08-02 株式会社プロセス・ラボ・ミクロン 光学式エンコーダ用反射板とその製造方法
DE102017201257A1 (de) * 2017-01-26 2018-07-26 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh Positionsmesseinrichtung
US10451447B2 (en) 2018-01-04 2019-10-22 Mitsubishi Electric Research Laboratories, Inc. Polarization-dependent position encoder

Family Cites Families (38)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4484797A (en) 1981-07-20 1984-11-27 Rca Corporation Diffractive subtractive color filter responsive to angle of incidence of polychromatic illuminating light
US4526466A (en) 1983-09-01 1985-07-02 Rca Corporation Technique for verifying genuineness of authenticating device
GB8432574D0 (en) 1984-12-22 1985-02-06 Renishaw Plc Opto-electronic scale-reading apparatus
EP0421024B1 (de) * 1989-10-06 1992-12-09 Dr. Johannes Heidenhain GmbH Lichtelektrische Positionsmesseinrichtung
US5436724A (en) 1991-10-03 1995-07-25 Canon Kabushiki Kaisha Apparatus for measuring relative movement using a diffraction grating having an orthogonally polarized input beam
JPH063164A (ja) 1992-06-18 1994-01-11 Ricoh Co Ltd 回転位置検出装置
US5334892A (en) 1992-12-22 1994-08-02 Anorad Corporation Positioning device for planar positioning
JP3804734B2 (ja) 1998-11-05 2006-08-02 株式会社リコー 回折光学素子の製造方法
DE19924750C2 (de) 1999-04-08 2002-11-14 Ovd Kinegram Ag Zug Leseanordnung für Informationsstreifen mit optisch kodierter Information
US6680799B1 (en) 1999-08-02 2004-01-20 Universite Jean Monnet Optical polarizing device and laser polarization device
US7167615B1 (en) 1999-11-05 2007-01-23 Board Of Regents, The University Of Texas System Resonant waveguide-grating filters and sensors and methods for making and using same
GB0109057D0 (en) 2001-04-11 2001-05-30 Renishaw Plc Absolute postition measurement
DE10146508C2 (de) 2001-09-21 2003-07-24 Ovd Kinegram Ag Zug Etikett mit einem diffraktiven Strichcode und Leseanordnung für solche Etiketten
US6714350B2 (en) * 2001-10-15 2004-03-30 Eastman Kodak Company Double sided wire grid polarizer
JP2003247864A (ja) 2002-02-26 2003-09-05 Mitsutoyo Corp アブソリュートエンコーダ用スケール、その製造方法及びアブソリュートエンコーダ
DE10233928A1 (de) 2002-07-25 2004-02-12 Giesecke & Devrient Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Echtheitsprüfung eines Sicherheitselements
US20060028962A1 (en) * 2004-08-05 2006-02-09 Oron Zachar Method and system for encoding and detecting optical information
JP2006212646A (ja) 2005-02-01 2006-08-17 Canon Machinery Inc 周期構造作成方法
US7438824B2 (en) 2005-03-25 2008-10-21 National Research Council Of Canada Fabrication of long range periodic nanostructures in transparent or semitransparent dielectrics
WO2007012215A1 (de) * 2005-07-28 2007-02-01 Boegli-Gravures Sa Verfahren und vorrichtung zur gezielten strukturierung einer oberfläche mit einer laseranlage
DE102006006323B4 (de) 2006-02-11 2017-07-13 Ovd Kinegram Ag Mehrschichtkörper mit einer optisch maschinell lesbaren Kennung
US7830775B2 (en) 2006-02-13 2010-11-09 Seagate Technology Llc Writeable optical recording of multilevel oriented nano-structure discs
US7889616B2 (en) * 2006-03-03 2011-02-15 Seagate Technology Llc Polarization state detector systems and methods for read-out of multilevel oriented nano-structure optical media
JP4946362B2 (ja) 2006-11-06 2012-06-06 株式会社ニコン エンコーダ
JP4828612B2 (ja) 2007-06-01 2011-11-30 株式会社ミツトヨ 反射型エンコーダ、そのスケール、及び、スケールの製造方法
FR2921012A1 (fr) * 2007-09-13 2009-03-20 Advanced Track And Trace Sa Procede et dispositif de marquage d'une surface par nanostructures periodiques controlees
US8541066B2 (en) 2007-11-26 2013-09-24 University Of North Carolina At Charlotte Light-induced directed self-assembly of periodic sub-wavelength nanostructures
GB0807242D0 (en) 2008-04-21 2008-05-28 Renishaw Plc Metrological scale
GB0819767D0 (en) 2008-10-28 2008-12-03 Renishaw Plc Absolute encoder setup indication
KR20100086824A (ko) 2009-01-23 2010-08-02 삼성전자주식회사 정보저장매체 및 그 기록/재생 장치
US9993895B2 (en) * 2009-03-30 2018-06-12 Boegli-Gravures Sa Method and device for structuring the surface of a hard material coated solid body by means of a laser
GB0909724D0 (en) 2009-06-05 2009-07-22 Renishaw Plc Position measurement encoder and method of operation
JP2011221330A (ja) 2010-04-12 2011-11-04 Toppan Printing Co Ltd 偽造防止媒体
CN101916040B (zh) 2010-07-14 2012-09-05 中国科学院光电技术研究所 一种适用于投影光刻系统的检焦系统
GB201016046D0 (en) 2010-09-24 2010-11-10 Renishaw Plc A method of forming an optical device
JP2012204646A (ja) * 2011-03-25 2012-10-22 Mitsubishi Electric Corp 薄膜光電変換装置用基板の製造方法および薄膜光電変換装置の製造方法
CN102798615A (zh) * 2011-05-23 2012-11-28 中国科学院微电子研究所 一种基于周期性纳米结构的生物传感器及其制备方法
JP5790174B2 (ja) 2011-06-07 2015-10-07 凸版印刷株式会社 偽造防止媒体

Also Published As

Publication number Publication date
JP2016507051A (ja) 2016-03-07
EP2946176B1 (en) 2020-03-11
EP2946176A1 (en) 2015-11-25
CN104937381A (zh) 2015-09-23
WO2014111697A1 (en) 2014-07-24
US9945697B2 (en) 2018-04-17
JP6557148B2 (ja) 2019-08-07
US20150369637A1 (en) 2015-12-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104937381B (zh) 测量刻度
US7808650B2 (en) Displacement measuring apparatus
KR102042212B1 (ko) 리소그래피에서 기판의 위치 결정
CN102007378B (zh) 带索引的光学编码器、用于索引光学编码器的方法以及用于动态调整光学编码器中的增益和偏移的方法
JP6641650B2 (ja) 絶対式の格子スケール
KR101240413B1 (ko) 원점 검출 장치, 변위 측정 장치 및 광학 장치
TW200817654A (en) Rotary optical encoder employing multiple sub-encoders with common reticle substrate
US7141780B2 (en) Position determination system for determining the position of one relatively moveable part relative to another relatively movable part
JP5882673B2 (ja) 光学式位置測定装置
CN105606033B (zh) 绝对式光栅尺、其主光栅及其测量方法
JP2007172817A (ja) 情報媒体
JP2021527230A (ja) 線形及び回転マルチトラック絶対位置エンコーダ並びにそれを使用した方法
EP2946175B1 (en) A method of reading data represented by a periodic, polarising nanostructure
JP2016130728A (ja) 光学式位置測定装置
CN102385875B (zh) 信息再生装置
Mao et al. Design and fabrication of a crossed grating with multiple zero-reference marks for surface encoders
JPH03115809A (ja) エンコーダ
Ivanov et al. Use of phase inversion points of the light field for angular displacement measurement
Liu Precise Optical Positioning Using an Inexpensive USB Microscope Camera.
US20050259274A1 (en) Method and apparatus for measuring displacement
JPH04142425A (ja) 二軸リニアエンコーダ
HUT50966A (en) Method for determining position and construction for carrying out thereof

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant