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Die
Erfindung bezieht sich auf ein optisches Geberelement zur Positions-
oder Längenbestimmung,
das abwechselnd Codebalken und Fenster aufweist, sowie auf ein Verfahren
zum Herstellen eines solchen optischen Geberelementes. Die Erfindung
bezieht sich weiter auf einen Abtastkopf für ein solches optisches Geberelement
sowie ein Positions- oder Längenmeßsystem
damit und auf ein Verfahren zur Positions- oder Längenmessung
mit einem solchen optischen Geberelement.
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Geberelemente
der eingangs genannten Art dienen als Maßverkörperung für kontaktlose Positionsmeßsysteme.
Der Wechsel von Codebalken und Fenstern wird zur Bewegungsmessung
erfaßt.
Bekannt sind Winkeltaktscheiben oder Taktlineale (Encoder), bei
denen die Codierungen aus einer Folge von Streifen oder Balken bestehen. Üblicherweise wechseln
sich Streifen hoher Transmission mit solchen niedriger Transmission
bzw. Reflektion ab, so daß die
von einem Sender ausgehenden Signale mit den sich dabei verändernden
optischen Daten in dem Geberelement modifiziert werden. In einer
Signalverarbeitungsstufe werden aus den modifizierten Signalen Informationen
für die
Positions- oder Längenbestimmung
gewonnen.
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Es
ist auch bekannt, daß Maßverkörperungen
durch Schneiden von Fenstern oder durch Strukturieren von Metallschichten
gewonnen werden können,
wobei absorbierende Schichten sich mit Fensterbereichen hoher Transmission
abwechseln. Beispiele für
derartige als Amplitudengitter realisierte Maßverkörperungen sind Veröffentlichungen
der PWB-Ruhlatec Industrieprodukte GmbH zu entnehmen. Dort wurden
die geeigneten Strukturen durch Belichtung eines Photofilms gewonnen.
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Bei
den bekannten Strukturen bestehen physikalische Grenzen für die Auflösung und
für die
Anzahl der gewonnen Positionssignale durch die Materialbeschaffenheit
und die verwendete Strukturierungstechnologie. Für hochauflösende Strukturen mit 180 oder
360 Linien pro Inch sind üblicherweise Standardabweichungen
in den Linienbreiten von ca. 1 μm
erreichbar.
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Alternativ
zu solchen Maßverkörperungen, die
auf der Basis von Amplituden-Gittern arbeiten, sind auch Strukturen
mit Phasengittern bekannt. Diesbezüglich wird auf die
DE 19639499 A1 oder
DE 19502727 A1 verwiesen.
Bei Phasengittern wechseln sich auf dem Encoder nicht mehr Codebalken und
Fensterbereiche ab, statt dessen wird über eine Beugungsstruktur,
die sich über
den gesamten Encoder erstreckt, unter Ausnutzung von Beugungseffekten
eine hohe Auflösung
erreicht. Übliche
Phasengitter weisen hierzu ein Stufengitter auf, was eine sehr aufwendige
und damit teure Herstellung erfordert.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Maßverkörperung der eingangs genannten
Art so weiterzubilden, daß eine
kostengünstige
Herstellung ohne Genauigkeitsverlust möglich ist. Insbesondere sollte
eine Genauigkeit von 5.000 Linien pro Inch bei einer Standardabweichung
von etwa 50 nm erreicht werden.
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Diese
Aufgabe wird mit einem optischen Geberelement der eingangs genannten
Art gelöst,
bei dem die Codebalken eine Hologramm-Struktur aufweisen.
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Die
Maßverkörperung
weist also wie bekannte Amplitudengitter eine Abfolge von Fenstern und
Codebalken auf. Die Codebalken unterscheiden sich aber nunmehr nicht
mehr hinsichtlich ihres Absorptions- oder Reflexionsverhalten von
den Fenstern, sondern dadurch, daß sie Codebalken eine als Hologramm
wirkende Struktur aufweisen. Diese verändert, z. B. beugt im Durchlichtbetrieb
transmittierte oder im Auflichtbetrieb reflektierte Strahlung so,
daß sich
die Strahlung von der bei einem Fensterbereich detektierten unterscheidet.
Ein Codebalken ist also z. B. anhand einer veränderten Intensität in der
nullten oder höheren
Beugungsordnung oder bei höheren Beugungsordnungen
zu erkennen. In einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform wird das Hologramm
durch destruktive Interferenz in der nullten Beugungsordnung eine
Intensitätsabschwächung von
transmittierter oder reflektierter Strahlung bewirken. Alternativ
oder zusätzlich
kann man aber auch eine Auslesung dahingehend vornehmen, ob Strahlungsintensität in eine
höhere
Ordnung gebeugt wird.
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Für eine besonders
einfache Auslesung ist es deshalb bevorzugt, daß die Beugungsstruktur in nullter
Ordnung gebeugte oder rückreflektierte
Strahlung in Interferenz zumindest teilweise zur Auslöschung bringt.
Bei Rückreflexion
arbeitet das Hologramm dann als sog. Reflexionshologramm.
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Verwendet
man monochromatische Beleuchtung, ist das Geberelement entsprechend
für die
gewünschte
Wellenlänge
der optischen Abtastung ausgelegt, d.h. die Beugungsstruktur ist
zur auslesenden Wellenlänge
abgestimmt, so daß sich
in nullter Ordnung eine Intensitätsminderung
gebeugter oder rückreflektierter
Strahlung bzw. eine hohe Intensität in höheren Beugungs-Ordnungen ergibt.
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Da
die Codierung der Position durch das optische Geberelement wie bei
herkömmlichen
Amplitudengittern durch den Wechsel an Codebalken und Fenstern erfolgt,
leistet die Hologramm-Struktur selbst keine unmittelbare Ortsauflösung, wie
dies bei Phasengittern der Fall wäre. An die Fertigungsgenauigkeit
der Hologramm-Struktur sind deshalb sehr viel geringere Anforderungen
zu stellen, als bei Phasengittern, obwohl die einzelnen Strukturelemente
der Hologramme durchaus in ähnlicher
Größe sein können.
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Eine
besonders einfach herzustellende Struktur erhält man, wenn man Pits und Lands
verwendet, wie sie beispielsweise bei CD-Datenträgern bekannt sind. Im Gegensatz
zu solchen Datenträgern kann
man die Erhöhungen
darstellenden Pits im wesentlichen in gleicher Größe und vorzugsweise
gleich groß wie
die jeweils dazwischenliegenden Lands ausbilden.
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Will
man ein Geberelement für
spektral breitbandige Beleuchtung auslegen, ist es zu bevorzugen,
die spektrale Wirkung der Hologramme zu detektieren.
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Die
gegenüber
Phasengittern stark verminderte Genauigkeitsanforderung an die Struktur
erlaubt es, das Geberelement als Spritzgußteil auszubilden. Bei dieser
Bauweise kann man vorzugsweise zusätzlich Bauelemente für Positionierung
und Befestigung des Geberelementes auf einem Antriebselement, beispielsweise
auf einer Antriebswelle, einformen. Als Material für den Spritzguß kommt
dabei jedes thermoverformbare Material, beispielsweise Polycarbonat
oder PET in Frage. Ist das optische Geberelement in Form einer Drehencoderscheibe
ausgebildet kann das zusätzliche
Bauelement beispielsweise eine Nabe zur Befestigung auf einer Antriebswelle
sein.
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Da
die Hologramm-Struktur, insbesondere die Pits und Lands, den Codebalken
vom Fenster unterscheidet, ist es zweckmäßig die Struktur mit einer Verschleißschutzschicht
zu versehen, wozu insbesondere ein Plasma-Polymerisat oder eine
DLC-Beschichtung in Frage kommt.
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Die
Hologramm-Struktur erlaubt es jedoch nicht nur auf einfache Weise
die Codebalken zu erkennen, sie ermöglicht es auch zusätzliche
Information in einem Codebalken zu hinterlegen. Unterscheidet sich
beispielsweise das Hologramm eines Codebalkens von den Hologrammen
anderer Codebalken kann dieser Codebalken als Referenzmarke für ein inkrementelles Meßsystem
dienen. Es ist deshalb bevorzugt, daß das Hologramm-Struktur mindestens eines
Codebalkens sich von der Hologramm-Struktur anderer Codebalken unterscheidet.
Es wird damit dadurch eine zusätzliche
Information im Codebalken hinterlegt.
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Die
Maßverkörperung
besteht in den Codebalken aus einer topographischen Mikrostruktur,
welche jeweils ein Hologramm darstellen, das die Phase der transmittierten
oder reflektierten Lichtwelle bestimmt. Durch Interferenz mehrerer
Teilwellen lassen sich die in Ihrer Phasenlage veränderten
Lichtwellen entweder verstärken
oder abschwächen.
Das hieraus resultierende Signal kann z.B. in einer Signalverarbeitungseinrichtung
als Steuersignal zur Positions- und Wegbestimmung in mehrfacher
Hinsicht genutzt werden:
- 1. Auslesen der Signale
im Fenster der 0. Ordnung und Zählen
der digitalisierten Impulse in der inkrementalen Folge.
- 2. Auslesen der Signale im Fenster der 1. Ordnung und dekodieren
eines Indexsignals, welches durch lokale Änderung (d. h. für einen
Codebalken) erzeugt wird.
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Die
erfindungsgemäße Struktur
bildet im Makrobereich oberhalb der μm-Strukturen ein Encodermuster
für die
Steuerfunktion durch abwechselnde Fenster- und Balkenstrukturen.
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Ein
Vorteil des Geberelementes besteht in der Möglichkeit, funktionsintegrierende
Maßnahmen in
diesem Bauteil durchzuführen,
so daß z.B.
eine Nabe zur Aufnahme einer Motorwelle in das optische Geberelement
aus Polycarbonat integriert werden kann.
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Ein
weiterer Vorteil besteht in der hohen Ebenheit (niedriger TIR, TIR
= Total Induzierter Runout) des Geberelementes, wodurch Modulationsfehler
und die Abstände
zwischen den Bauteilen einer Positionierungsvorrichtung weiter verringert
werden können.
Es lassen sich Bauteil-Abstände
von 0,5 mm und weniger mit konventionellen Bauteilen (LED, Photo-Transistoren) realisieren.
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Die
Verschleißbeständigkeit
und Bruchsicherheit können
durch die verwendeten Materialien derart verbessert werden, daß die Lebensdauer
um den Faktor 5 gegenüber
herkömmlichen
Vorrichtungen gesteigert wird.
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Die
für das
Auslesen der Signale erforderliche Sensoren werden wie üblich auf
die Längsdichte der
Strukturen und somit auf die LPI-Werte abgestimmt (Längsdichte
bedeutet: „Linien
pro Länge
Geberelement").
Für das
Auslesen der O. Ordnung können
konventionelle LED, VCSEL, RLED oder Glühemitter eingesetzt werden,
wobei eine Fensteroptik eine Strahlparallelisierung bewirkt.
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Neben
den beschriebenen Beugungsstrukturen nullter und erster Ordnung
können
bei geeigneten Lichtquellen auch Beugungssignale höherer Ordnung
ausgelesen werden. Dazu wird eine Lichtquelle hoher Parallelität und Kohärenz verwendet,
z.B. eine Festköperlaserdiode.
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Zusammenfassend
läßt sich
feststellen, daß durch
die Modifizierung der Oberflächenstruktur,
verbunden mit einer speziellen Fenstergestaltung des Empfängers (Mehrfachempfänger) weitere
Informationen in der abzutastenden Spur unterzubringen sind. Selbstverständlich lassen
sich auch mehrere Spuren auf einem Geberelement anordnen, so daß sich die Anzahl
der zu verarbeitenden Signale erheblich vergrößern läßt. Dies verbessert die Einsatzmöglichkeiten
der Maßverkörperung
in vielfältiger
Hinsicht, so daß nicht
nur gewöhnliche
Positionssignale oder Meßsignale
gewonnen werden können,
sondern auch innerhalb dieser Signalarten bestimmte Bereiche durch
Indexierung definiert werden können.
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Die
Aufgabe wird weiter durch ein Verfahren zum Herstellen eines optischen
Geberelementes gelöst,
bei dem eine Form hergestellt wird, in der strukturierte als Mikrostruktur
ausgebildete Bereiche mit unstrukturierten Bereichen abwechseln,
und von dieser Form in einem Abformschritt das optische Geberelement
abgeformt wird, wobei die strukturierten Bereiche der Form Codebalken
des Geberelementes und die unstrukturierten Bereiche der Form Fenster des
Geberelementes bilden, und die Mikrostruktur in den Codebalken Hologramme
ausbildet.
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Das
Herstellverfahren liefert ein optisches Geberelement mit den eingangs
geschilderten Eigenschaften. Es ist der an und für sich bekannten CD-Herstellung
nachgebildet und erlaubt sehr große Stückzahlen bei geringen Kosten.
Allgemein kommen unter anderem folgende technologischen Verfahren
für die
Massenproduktion des Geberelementes in Frage: Präzisionsspritzguß, Herstellung
mittels Heißprägen oder
Heißgießen, insbesondere
mittels Heißprägen in einer
Kunststoffschicht.
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In
einer besonders einfachen Bauweise wird die mechanische Erzeugung
der Meßteilung
zuerst separat vorgenommen, d.h. in einem ersten Verfahrensschritt
wird das Geberelement aus transparentem Kunststoff hergestellt und
in einem zweiten Verfahrensschritt dann mit einem thermisch und/oder mechanisch
stabilisierenden Grundkörper
verbunden. Soll das Geberelement reflektiv eingesetzt werden, kann
vor oder nach dem Verbinden eine entsprechende Spiegelschicht aufgebracht
werden. Alternativ kann auch der Grundkörper die Spiegelschicht aufweisen.
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Die
Anordnung der die Hologramm-Struktur bildenden Elemente auf der
Fläche
des Codebalkens kann prinzipiell unter der Maßgabe, daß die gewünschten optischen Eigenschaften
erreicht werden, frei gewählt
werden. Insbesondere können
verschieden geformte Pits eingesetzt werden. Beispielsweise ist
es denkbar, bei einem Winkelencoder Pits in konzentrischen Spuren
anzuordnen. Die unterschiedliche radiale Länge eines bei einem Winkelencoder keilförmigen Codebalkens
kann dabei entweder durch Variation von Länge und gegenseitigem Abstand
der Pits als auch durch entsprechende Anpassung der Anzahl der Pits
bei gleicher Länge
erreicht werden.
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Die
Aufgabe wird weiter gelöst
durch einen Abtastkopf für
ein optisches Geberelement der geschilderten Art, der neben einer
Strahlungsquelle zur Beleuchtung des Geberelementes auch einen Empfänger aufweist,
der am Geberelement von der Hologramm-Struktur veränderte bzw.
optisch beeinflußte Strahlung
detektiert. Ein solcher Abtastkopf, der eine Strahlungsquelle geeigneter
Monochromie aufweisen sollte, damit die gewünschten Beugungseffekte ohne
zusätzliche
spektrale Wirkung auftreten, erlaubt es Fensterbereiche, in denen
keine Hologrammwirkung auftritt, klar von Codebalken zu unterscheiden, bei
denen kein Hologramm im Strahlengang liegt. Bei Ausführungsformen
des Geberelementes mit durch andersartige Hologramm-Struktur ausgezeichneten Referenz-Codebalken
erlaubt der Abtastkopf zugleich, die Absolutlage des Geberelementes
durch Detektion des Referenz-Codebalkens zu detektieren.
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Die
Strahlungsquelle sollte, wie bereits erwähnt, geeignet monochromatisch
sein, damit die Strahlungsbeeinflussung unspektral ist. Als Strahlungsquelle
kommt dann beispielsweise eine LED, vorzugsweise mit vorgeschalteter
Mikrooptik, eine Laserdiode oder VCSEL in Frage. All diese Strahlungsquellen
lassen sich kostengünstig
realisieren und bieten ausreichend monochromatische Strahlungseigenschaften.
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In
einer besonders zu bevorzugenden Bauweise ermöglicht der Abtastkopf eine
spektrale Detektion. Dann wird spektral breitbandige Beleuchtung eingesetzt,
z. B. Weißlicht
eines Glühemitters.
Die spektrale Hologrammwirkung erlaubt es dann, das Vorliegen eines
Codebalkens zu erkennen.
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Die
Erfindung wird weiter gelöst
durch ein Positions- oder Längenmeßsystem
mit einem optischen Geberelement sowie einem Abtastkopf der geschilderten
Art, mit einer Signalauswertungseinheit, die die Signale des Empfängers des
Abtastkopfes auswertet und ausgehend von einer Detektion holographisch
beeinflußter
Strahlung ein Positionssignal erzeugt. Damit kann, wie bereits erwähnt auch
besonders einfach eine absolute Positionsbestimmung unter Auswertung
ausgezeichneter Referenz-Codebalken erreicht werden.
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Die
Aufgabe wird schließlich
weiter gelöst durch
ein Verfahren zur Positions- oder Längenmessung, bei dem an einem
Maschinenteil ein optisches Geberelement der oben genannten Art
angebracht wird, das optische Geberelement mit Beleuchtungsstrahlung
beleuchtet und vom optischen Geberelement rückreflektiert oder transmittierter
Strahlung detektiert wird, wobei eine Strahlungsveränderung
holographisch beeinflußter
Strahlung ausgewertet wird, um die Codebalken des Geberelementes
zu detektieren und gegebenenfalls hinsichtlich ihrer Hologramme
ausgezeichnete Codebalken zu erkennen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
beispielhalber noch näher
erläutert.
In den Zeichnungen zeigt:
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1a eine
Draufsicht auf ein optisches Geberelement,
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1b eine
Ausschnittvergrößerung des Details
A der 1a,
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1c einen
Schnitt entlang der Linie R-R der 1b,
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2 ein
schematisch dargestelltes Positionsmeßsystem mit dem Geberelement
der 1,
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3 eine
schematische Darstellung der Beugungseigenschaften des für transmissiven
Betrieb ausgebildeten Geberelementes der 1,
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4 eine
schematische Darstellung einfallender und ausfallender Strahlung ähnlich der 3 für ein optisches
Geberelement im reflektiven Betrieb,
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5 eine
vergrößerte Darstellung
der Verhältnisse
der 4 zur Erläuterung
der Beugungseigenschaften,
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6a und 6b schematische
Darstellungen der Intensität
der von einem Fenster bzw. Codebalken der 1 transmittierten
Strahlung,
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7 und 8 Positionssignale,
die am Geberelement der 1 gewonnen
wurden,
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9 eine
zweidimensionale Darstellung der Intensität in unterschiedliche Richtungen
gebeugter Strahlung an einem Codebalken des Geberelementes der 1 und
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10 bis 13 einzelne
Schritte bei der Herstellung des Geberelementes der 1.
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Ein
optisches Geberelement 1 besteht aus Codebalken 2 und
Transmission-Fenstern 3. Im Beispiel der 1a ist
das Geberelement eine Taktscheibe, die mit einer Nabe 4 zur
Befestigung auf einer nicht dargestellten Antriebswelle versehen
ist. Es befindet sich eine Codebalken-Spur 9 auf der Taktscheibe,
die für
einen gegebenen Radius eine bestimmte LPI-Zahl (Linien pro Inch) aufweist.
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1b zeigt
einen Ausschnitt A eines Codebalkens 2, aufweisend Pits 5 und
Lands 6. Die Codebalken 2 werden durch seitliche
Fenster 3.1, 3.2 mit transparentem Material begrenzt.
Die Codebalken 2 weisen jeweils eine Hologramm-Struktur
auf, die durch die Pits 5 und Lands 6 gebildet
ist.
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1c zeigt
einen Querschnitt durch eine Codebalkenstruktur der 1b entlang
der Linie R-R. Man erkennt die Pits 5 und Lands (6)
sowie deren Dickenunterschied D dessen Betrag für Transparentbetrieb z. B.
der Formel λ/[2·(n-1)]
genügen
kann. Desweiteren sind auf beiden Seiten des optischen Geberelementes 1 Schutzschichten 7 und 8 zur
Verbesserung der Verschleißfestigkeit
angeordnet. Das Material des Geberelementes besteht z.B. aus Polycarbonat
mit der Berechzahl n = 1,55. Das Material der Schutzschichten besteht
vorzugsweise aus einem Plasma-Polymerisat oder einer DLC-Beschichtung.
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2 zeigt
eine Positionierungsvorrichtung, mit einem Sender 10, zum
Beispiel einer LED- oder Laserdiode, dem optischen Geberelement 11,
das dem Geberelement 1 der 1 entspricht
und das als CD-Taktscheibe aufgefaßt werden kann, und einem Empfänger 12,
z.B. einem Mehrfachempfänger. Der
Mehrfachempfänger
weist mehrere Fensterbereiche 13 für Beugungssignale nullter und
erster Ordnung auf. Mit dem Pfeil 14 wird im Sinne eines
Flußdiagramms
eine Weiterleitung der Beugungssignale in eine Verarbeitungseinheit 15 zur
mehrfachen Positions- und Wegbestimmung angedeutet.
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Mit
Hilfe der Positionsvorrichtung ist es möglich, gegenüber konventionellen
Positionierungen eine Verbesserung in der Auflösung der Maßverkörperung zu erreichen, so daß kleinere
Scheibendurchmesser bzw. kürzere
Meßlängen für Taktscheiben oder
Taktlineale mit hoher Auflösung
ermöglicht
sind.
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Die
Codebalken 2 des in der Ausführungsform als Winkelencoder
ausgeführten
optischen Gebers 1 der 1a sind
keilförmig
und unterscheiden sich von den Fenstern 3 nur durch die
von Pits 5 und Lands 6 gebildete Struktur. Wie
der Schnitt entlang der Zeile R-R der 1b verdeutlicht,
wechseln sich in der Struktur der Codebalken 2 die Pits 5 mit
den Lands ab, wobei im Bereich der Pits 5 die Gesamtmaterialdicke
um den Dickenunterschied D größer ist als
im Bereich der Lands 6. Auf die Wirkung dieses Dickenunterschiedes
wird später
noch genauer eingegangen.
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3 zeigt
im Detail die Ausgestaltung der Beugungsstruktur eines Codebalkens 2 für ein für Durchlichtbetrieb
ausgebildetes Geberelement 1. Pits 5 mit einer
Länge b
wechseln mit Lands 6 ab, wobei die Pit-Tiefe je nach Wellenlänge zwischen
100 und 1.000 nm beträgt
und die Periode g etwa 1,3 μm beträgt. Der
in Richtung R-R der 1b gemessene Abstand der Pits
(= Land-Größe) beträgt etwa
0,8 μm.
Die Pits sind 0,5 μm
breit. Die größere Ausdehnung
der Pits liegt üblicherweise
im Bereich von 0,2 bis 3 μm.
Der Dickenunterschied D zwischen der Dicke des Materials zwischen
einem Land 5 und der Unterseite des für Durchlichtbetrieb ausgelegten
optischen Gebers und dem entsprechenden Maß für ein Pit 5 beträgt λ/[2·(n-1)],
ist also zur Wellenlänge
bzw. Mittelwellenlänge
des Beleuchtungsstrahls 20 passend gewählt. Durch diesen Dickenunterschied,
und da das Maß b
bzw. g klein gegen die quer zur Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungsstrahls 20 gemessene
Kohärenzlänge ist,
wird der Beleuchtungsstrahl 20 durch das aus Pits 5 und
Lands 6 gebildete Hologramm gebeugt, so daß er sich
in eine (gestrichelt gezeichnete) nullte Ordnung 21 und
eine (dünn gezeichnete)
erste Ordnung 22 ausbreitet. Aufgrund des Dickenunterschiedes
kommt es dabei in der nullten Ordnung zu einer destruktiven Interferenz,
d.h. in Richtung der nullten Ordnung 21 wird keine Strahlung
transmittiert. Der Codebalken 2 unterscheidet sich in dieser
Ausführungsform
also von einem Fenster 3 dadurch, daß in nullter Ordnung, d.h.
in normaler geradliniger Transmission, keine Strahlung durchtritt.
Ein weiterer Unterschied liegt darin, daß in die erste Ordnung 22 Strahlung
gebeugt wird.
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Diesen
Hologramm-Effekt kann man natürlich
auch im reflektiven Betrieb ausnutzen. Dazu ist eine geeignete Reflexschicht 23 auf
dem optischen Geber vorgesehen, die in den Fenstern 3 sowie
im Bereich der Pits 5 und Lands 6 aufgebracht
ist. Die Reflexschicht 23 kann wahlweise auf beiden Seiten des
optischen Gebers vorgesehen werden. In der in 4 dargestellten
Bauweise befindet sie sich auf den Pits 5 und Lands 6.
Einfallende Strahlung 20 (die zur besseren Verdeutlichung
in 4 schräg
einfallend gezeichnet ist) wird nun aufgrund destruktiver Interferenz
nicht in die nullte Ordnung zurückreflektiert;
hier erfolgt wiederum eine Auslöschung.
Eine Reflexion in die erste Ordnung 22 erfolgt dagegen. Das
Hologramm jedes Codebalkens 2 wirkt als Reflexionshologramm.
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Die
Bauweise der 4 hat den Vorteil, daß über der
Struktur die Schutzschicht 8 so ausgebildet werden kann,
so daß insgesamt
eine ebene Oberfläche
vorliegt.
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In 5 ist
die Wirkung der Struktur aus Pits 5 und Lands 6 noch
einmal veranschaulicht. Die Wegdifferenz zwischen den Strecken CE
und AB ist eine Funktion der Differenz zwischen Sinus des Einfallswinkels
minus Sinus des Winkels, unter dem die gebeugte Strahlung erfaßt wird.
Sie ist bei einem Maximum der gebeugten Strahlungsintensität proportional
zur Wellenlänge.
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2 zeigt,
wie die Strahlungsintensität
der nullten Ordnung 21 bzw. der ersten Ordnung 22 ausgewertet
wird. Der Empfänger 12 weist
dazu, wie bereits erwähnt,
geeignete Fensterbereiche 13 auf, die Strahlung der nullten
Ordnung bzw. der ersten Ordnung aufnehmen und entsprechende Signale
abgeben. Der Mehrfach-Empfänger 12 verfügt also
für die Beugungssignale
der einzelnen Ordnungen über
unterschiedliche Detektionsbereiche, was es der Verarbeitungseinheit 15 ermöglicht,
einen Codebalken 2 am Ausbleiben des in nullter Ordnung
transmittierten oder reflektierten Beleuchtungsstrahls 20 bzw.
am Auftreten von in höherer
Ordnung 22 gebeugter bzw. gebeugter und reflektierter Strahlung
von einem Fenster 3 zu unterscheiden, bei dem in gerader
Richtung, d.h. in Richtung auf den Fensterbereich 13.3 die
ungeschwächte
Strahlung der LED 10 gelangt, nie jedoch in Richtung der
ersten Ordnung, d.h. auf den Fensterbereich 13.1 oder 13.2.
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Die 6a und 6b verdeutlichen
diese Unterschiede zwischen Fenstern 3 und Codebalken 2. 6a zeigt
die Intensitätsverteilung
bei einem Fenster 3. Handelt es sich um ein Geberelement 1 für transmittiven
Betrieb, wird in Richtung der nullten Ordnung die volle Strahlungsintensität transmittiert, ansonsten
wird sie in Richtung der nullten Ordnung reflektiert. Im Falle eines
Codebalkens 2 bleibt dagegen die nullte Ordnung aufgrund
der Interferenz an der Beugungsstruktur aus, statt dessen erscheint Strahlungsintensität in höheren Ordnungen
(in 6b als +1, +2 bzw. –1 und –2 bezeichnet).
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Die
als Steuerungseinheit dienende Verarbeitungseinheit 15 erzeugt
ein entsprechendes Positions-Signal S, wie es beispielhalber in 7 gezeigt ist.
Das Positionssignal S ist binär
und weist entweder einen High-Pegel 25 mit einem Wert S1
oder einen Low-Pegel 26 mit einem Pegel SO auf. Fällt der Beleuchtungsstrahl 20 der
LED 10 auf einen Codebalken 2, wird im Fensterbereich 13.3 aufgrund
der destruktiven Interferenz keine Strahlungsintensität registriert;
es liegt ein Low-Pegel 26 vor. Bewegt sich in der in 7 dargestellten
Zeitreihe dagegen ein Fenster 3 vor dem Fenster- bzw. Detektorbereich 13.3 des
Empfängers 12 vorbei,
trifft die Strahlung der LED 10 ungehindert durch das Geberelement 1, so
daß ein
High-Pegel 25 im Signal S vorliegt.
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Der
Hub (S1-S0) des binären
Signals S hängt
im wesentlichen von zwei Parametern ab, zum einen von der Strahlungsintensität der im
Ausführungsbeispiel
als LED 10 realisierten Strahlungsquelle, zum anderen vom
Grad der Auslöschung
durch Beugungsstruktur jedes Hologramms der Codebalken 2.
Findet eine vollständige
destruktive Interferenz statt, ist der Wert S0 nahe dem Nullpunkt,
der durch das Signal des unbestrahlten Empfängers 12 gegeben ist.
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8 zeigt
eine andersartige Auswertung, hier wird das Signal S durch Auswertung
der Strahlungsintensität
in einem oder beiden Fensterbereichen 13.1 und 13.2 gebildet,
d.h. es wird im Gegensatz zur Erzeugung des Signals S in der 7 nicht die
nullte Ordnung, sondern die erste Beugungsordnung ausgewertet. Das
Signal S ist nun invertiert, da nur bei einem Codebalken in der über Zeit
t aufgetragenen Kurve ein High-Pegel 25 vorliegt, der nun
einen Wert S2 annimmt. Der Wert S2 ist niedriger als der Wert S1,
da ein Hologramm naturgemäß nicht
die volle einfallende Strahlungsintensität in die erste Ordnung beugt.
Ein Low-Pegel 26 tritt dagegen auf, wenn ein Fenster 3 sich
vor den die erste Strahlungsordnung detektierenden empfindlichen
Abschnitten des Empfängers 12 befindet.
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Statt
der eindimensionalen Auswertung des Interferenzmuster der 6a und 6b,
in denen unterschiedliche Strahlungsintensitäten der einzelnen Ordnungen
durch verschiedene Kreisdurchmesser symbolisiert sind, kann auch
eine zweidimensionale Auswertung der Interferenz durch die in die
Codebalken 2 integrierte Phasenstruktur sowohl in Transmission
als auch in Reflexion genutzt werden. Die praktische Nutzung erfolgt
durch Lage und Gestaltung der Fensterbereiche des Empfängers 12 sowie
durch Auswertung der verschiedenen Amplituden in verschiedenen Richtungen.
Die Intensität
in diesen Richtungen wird bestimmt durch die Integration der komplexen
Amplitude über
die Gitterperiode der Länge
g. Das erhaltene zweidimensionale Beugungsbild der vom optischen
Geberelement 1 bewirkten Beugung ist in 9 dargestellt.
Wie zu sehen ist, bewirkt die Beugungsstruktur in nullter Ordnung;
d.h. bei der Koordinate (x,y) = 0,0 eine Auslöschung durch destruktive Interferenz.
In die ersten und zweiten Ordnungen in y- bzw. x-Richtung erfolgt dagegen
Beugung von Strahlungsintensität.
Jede dieser Ordnungen kann zur Detektion eines Codebalkens 2 herangezogen
werden.
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Darüber hinaus
erlaubt es das Beugungsbild, Codebalken mit unterschiedlichen Beugungsmustern
voneinander zu unterscheiden. Beispielsweise erreicht man bei einer
Ausbildung der Hologramme bei einer Wellenlänge von 720 nm in x-Richtung
einen Winkel für
die erste Ordnung von ± 18,2°. In y-Richtung
beträgt
der Winke, unter dem die erste Ordnung erscheint ± 27,9°. Variiert
man nun die Hologramm-Struktur, d.h. die Abmessungen von Pits 5 und
Lands 6 in der Ausführungsform
gemäß 1 für
einzelne Codebalken 2, so können die Codebalken individualisiert
werden. Es ist damit möglich,
zusätzliche
Informationen zu hinterlegen, beispielsweise Referenzmarken o.ä. zu erzeugen.
Dies ist bei ein- wie zweidimensionaler Auswertung gleichermaßen möglich.
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Das
Geberelement mit als Hologramm ausgebildeten Codebalken 2,
insbesondere in der Form der Pits 5 und Lands 6 der 1b,
kann durch ein Spritzgußverfahren
hergestellt werden. Dabei wird in einer Ausführungsform ein photolithographischer Prozeß zur Herstellung
eines Nickel-Masters für
ein Abformverfahren, insbesondere für ein Spritzgußverfahren
eingesetzt. Der Nickel-Master wird mit Hilfe von Sputterbeschichtungen
und nachfolgender galvanischer Verstärkung der Schicht erzeugt.
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Der
technologische Prozeß beginnt
dabei mit auf einem Glassubstrat 30 (vgl. 10)
das üblicherweise
in einer Spinbeschichtung mit einem Photoresist 31 beschichtet
wird. Vor der Beschichtung kann ein Primer aufgebracht und danach
ein Bake-Prozeß durchgeführt werden.
Die Dicke des Resists entspricht bei einer Pit-/Land-Struktur dem
späteren
Dickenunterschied zwischen Pits und Lands bzw. der Pit-Höhe. Sie
wird im Bereich von 100-1.000 nm (entsprechend der Wellenlänge der
verwendeten Strahlung) eingestellt.
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Anschließend wird
das beschichtete Glassubstrat mit einem Laserstrahlschreiber direkt
oder mit Hilfe einer geeigneten Maske belichtet, wobei die belichteten
Stellen den späteren
Pits entsprechen. Danach wird der belichtete Resist entwickelt und
der belichtete Anteil entfernt, da ein sogenannter Positivresist
zur Anwendung kam. Verwendet man einen Negativresist, muß die Belichtung
invertiert erfolgen.
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Als
Ergebnis erhält
man z. B. das in 11 dargestellte Substrat 30,
das strukturierte Bereiche 32 sowie unstrukturierte Bereiche 33 aufweist.
An den unstrukturierten Bereichen 33 wird später ein Fenster 3 des
Geberelements 1 gebildet, an den strukturierten Bereichen 32 ein
Codebalken 2. Der strukturierte Bereich 32 besteht
dabei aus einer Mikrostruktur 34 die in der Ausführungsform
der 1a die in 1b detaillierter
gezeigten Pits 5 bewirken.
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Als
nächster
Schritt erfolgt eine Metallisierung. Dabei wird zunächst eine
Metallegierung, üblicherweise
eine Nickel-Legierung als dünne
Schicht aufgesputtert und anschließend galvanisch verstärkt. Diese
Verstärkungsschicht 35 ist
in der Schnittdarstellung der 12 zu
sehen. Die unstrukturierten Bereiche 33 sowie die strukturierten
Bereiche 32 mit der Mikrostruktur 34 bleiben dabei
vollständig
erhalten. Durch wiederholte Anwendung können es beliebige Stufenformen
erzeugt werden.
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Die
Verstärkungsschicht 35 erlaubt
es, das am Ende erhaltene Nickel-Master 36 vom Substrat 30 abzuziehen.
Es dient dann in einem Spritzwerkzeug als Form für die Abformung von Geberelementen 1.
Für sehr
große
Stückzahlen
können,
wie aus der CD-Produktion bekannt, noch einmal Mutterformen von
dem Master 36 abgeleitet werden. Der Master 36 ist
dazu geeignet als Negativform auszubilden. Die Abformung erfolgt
durch Spritzguß,
wobei nachfolgend noch die Schutzschichten 7 und 8 und
gegebenenfalls eine Reflexschicht 23 auf der Unterseite oder
Oberseite des Geberelementes 1 aufgebracht werden.
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Allen
Ausführungsformen
ist gemein, daß die Codebalken
ein Hologramm oder ein diffraktives optisches Element (DOE) aufweisen,
wodurch eine optische Funktion realisiert wird, die einfallende
Strahlung beeinflußt.
Die Codebalken weisen also eine Beugungsstruktur auf, die sie von
den Fensterbereichen unterscheidet. Dies schließt nicht aus, daß die Fensterbereiche
ebenfalls eine Beugungsstruktur haben, z. B. ein Hologramm oder
DOE, die aber anders ist.
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Die
optische Detektion ist an die Hologramm-Struktur bzw. das DOE angepaßt und kann sowohl
eine Auswertung der Richtungswirkung als auch spektraler Wirkung
oder beides umfassen.