EP1417519A1 - Optische positions- oder längenbestimmung - Google Patents

Optische positions- oder längenbestimmung

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Publication number
EP1417519A1
EP1417519A1 EP03765039A EP03765039A EP1417519A1 EP 1417519 A1 EP1417519 A1 EP 1417519A1 EP 03765039 A EP03765039 A EP 03765039A EP 03765039 A EP03765039 A EP 03765039A EP 1417519 A1 EP1417519 A1 EP 1417519A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
radiation
transmitter element
pits
code
diffraction
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.)
Withdrawn
Application number
EP03765039A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Fredi Schubert
Heinz-Günther Franz
Hans-Joachim Dr. Freitag
Andreas Schmidt
Hans-G. Ortlepp
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.)
Optolab Licensing GmbH
Original Assignee
Optolab Licensing GmbH
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 Optolab Licensing GmbH filed Critical Optolab Licensing GmbH
Priority to DE20320576U priority Critical patent/DE20320576U1/de
Publication of EP1417519A1 publication Critical patent/EP1417519A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/32—Holograms used as optical elements
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B7/00—Recording or reproducing by optical means, e.g. recording using a thermal beam of optical radiation by modifying optical properties or the physical structure, reproducing using an optical beam at lower power by sensing optical properties; Record carriers therefor
    • 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
    • G01D5/347—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 displacement encoding scales
    • G01D5/3473—Circular or rotary encoders
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1838—Diffraction gratings for use with ultraviolet radiation or X-rays

Definitions

  • the invention relates to an optical transmitter element for position or length determination, which alternately has code bars and windows, and to a method for producing such an optical transmitter element.
  • the invention further relates to a scanning head for such an optical encoder element and a position or length measuring system therewith and to a method for position or length measurement with such an optical encoder element.
  • Encoder elements of the type mentioned initially serve as a measuring standard for contactless position measuring systems.
  • the change of code bars and windows is recorded for motion measurement.
  • Angular clock disks or clock rulers are known in which the codings consist of a sequence of strips or bars. Strips of high transmission usually alternate with those of low transmission or reflection, so that the signals emanating from a transmitter are modified in the transmitter element with the optical data that change in the process. In a signal processing stage, information for position or length determination is obtained from the modified signals.
  • material measures can be obtained by cutting windows or by structuring metal layers, with absorbent layers alternating with window areas of high transmission.
  • Publications of PWB-Ruhlatec Industrie inter GmbH give examples of such material measures realized as amplitude gratings. There the suitable structures were obtained by exposure to a photo film.
  • phase gratings As an alternative to such material measures, which work on the basis of amplitude gratings, structures with phase gratings are also known. In this regard, reference is made to DE 19639499 A1 or DE 19502727 A1. In the case of phase gratings, code bars and window areas no longer alternate on the encoder; instead, a diffraction structure that extends over the entire encoder is used to achieve high resolution using diffraction effects. Conventional phase gratings have a step grating for this, which requires a very complex and therefore expensive production.
  • the invention has for its object to develop a material measure of the type mentioned in such a way that an inexpensive manufacture is possible without loss of accuracy.
  • an accuracy of 5,000 lines per inch should be achieved with a standard deviation of approximately 50 nm.
  • the transmitter element therefore has a constant sequence of windows and code bars.
  • the code bars no longer differ from the windows with regard to their absorption or reflection behavior, but rather in that the code bars are formed by a diffraction structure.
  • the diffraction structure diffracts radiation transmitted in transmitted light mode or reflected in reflected light mode in such a way that the intensity in the zeroth diffraction order or at least in higher diffraction orders differs from the transmitted or reflected intensity of a window area.
  • a code bar can then be recognized on the basis of a changed intensity in the zeroth or higher diffraction order.
  • destructive interference in the zeroth diffraction order will result in an attenuation of the intensity of transmitted or reflected radiation.
  • the diffraction structure at least partially causes diffraction or retroreflected radiation to cancel out interference.
  • the transmitter element is designed accordingly for the desired wavelength of the optical scanning, ie the diffraction structure is matched to the read-out wavelength, so that in the zero order there is a reduction in the intensity of diffracted or back-reflected radiation or a high intensity in higher diffraction orders.
  • a particularly simple construction forms the diffraction structure as a 2D submicron grating structure. Since the coding of the position by the optical transmitter element takes place, as in conventional amplitude gratings, by changing the code bars and windows, the diffraction structure itself does not provide immediate spatial resolution, as would be the case with phase gratings. The manufacturing accuracy of the diffraction grating structure is therefore much less demanding than with phase gratings, although the diffractive elements are of a similar size.
  • a diffraction structure that is particularly easy to produce is obtained if pits and lands are used, as are known, for example, from CD data carriers. In contrast to such
  • the pits representing the increases will be of the same size and preferably of the same size as the countries in between.
  • the thickness difference between the pits and lands according to the formula ⁇ / [2- (n-1)], where ⁇ the wavelength of the incident radiation and n the refractive index of the material of the optical
  • Is donor element The difference in thickness is of course in the direction of the incident
  • the transmitter element is intended for reflective operation so that the radiation incident on the pits and lands is reflected, the pits should have an optical thickness difference of ⁇ / 4 compared to the lands, so that they are destructive
  • the transmitter element can, however, be used for several wavelengths or even for a wavelength range.
  • the transmitter element As an injection molded part. With this design, it is preferably possible to additionally mold in components for positioning and fastening the transmitter element on a drive element, for example on a drive shaft. Any thermoformable material, for example polycarbonate or PET, can be used as the material for the injection molding. If the optical encoder element is in the form of a rotary encoder disk, the additional component can be, for example, a hub for attachment to a drive shaft.
  • the diffraction structure in particular the pits and lands, distinguish the code bar from the window, it is advisable to provide the diffraction structure with a wear protection layer, for which purpose a plasma polymer or a DLC coating is particularly suitable.
  • the diffraction structure not only allows the code bar to be recognized in a simple manner, it also makes it possible to store additional information in a code bar. If, for example, a code bar differs from the other code bars with regard to the position of the diffraction maximum of a higher order, for example the first order, this code bar can serve as a reference mark for an incremental measuring system. It is therefore preferred that the diffraction structure of at least one code bar differs from the diffraction structure of other code bars. Additional information is thus stored in the code bar in the form of the diffraction structure.
  • the measuring standard consists of a topographical microstructure, which represents an "integrated interference" of a light-diffractive 2D submicrometer grating structure.
  • the phase of the transmitted or reflected light wave is determined via the third dimension.
  • the interference of several partial waves can either change the light waves in their phase position
  • the resulting signal can be used in a signal processing device as a control signal for position and path determination in several ways:
  • the microstructure according to the invention forms an encoder pattern for the control function in the macro area above the ⁇ m structures, for example through alternating window and bar structures.
  • An advantage of the new encoder element is the possibility of implementing function-integrating measures in this component, so that e.g. a hub for receiving a motor shaft can be integrated into the optical transmitter element made of polycarbonate.
  • the wear resistance and break resistance can be improved by the materials used in such a way that the service life is increased by a factor of 5 compared to conventional devices.
  • the sensors required for reading out the signals are matched to the longitudinal density of the structures and thus to the LPI values (longitudinal density means: "Lines per length of transmitter element").
  • LPI values longitudinal density means: "Lines per length of transmitter element"
  • Conventional LEDs, VCSEL or RLED can be used to read out the top order are used, with a window optic effecting a beam parallelization.
  • higher order diffraction signals can also be read out with suitable light sources.
  • a light source of high parallelism and coherence is used for this, e.g. a solid-state laser diode.
  • the invention is further achieved by a method for producing an optical transmitter element, in which a mold is produced in which structured areas designed as a microstructure alternate with unstructured areas, and the optical transmitter element is molded from this shape in a molding step, the structured areas form the shape of the code bar of the transmitter element and the unstructured areas of the shape of the window of the transmitter element, so that the microstructure gives the code bars diffraction properties for incident radiation.
  • the manufacturing process provides an optical transmitter element with the properties described above. It is modeled on the known CD production and allows very large quantities at low costs.
  • the following technological processes are suitable for mass production of the donor element: precision injection molding, production by hot stamping or hot casting, in particular by hot stamping in a plastic layer.
  • the mechanical generation of the measuring graduation is first carried out separately, i.e. in a first process step the transmitter element is made of transparent plastic and in a second process step it is then connected to a thermally and / or mechanically stabilizing base body. If the transmitter element is to be used reflectively, a corresponding mirror layer can be applied before or after the connection. Alternatively, the base body can also have the mirror layer.
  • the arrangement of the elements forming the diffraction structure on the surface of the code bar can, in principle, be freely chosen, provided that the desired diffraction properties are achieved.
  • differently shaped pits can be used.
  • the different radial length of a wedge-shaped code bar in an angle encoder can be achieved either by varying the length and mutual spacing of the pits as well as by correspondingly adapting the number of pits with the same length.
  • a scanning head for an optical sensor element of the type described which, in addition to a radiation source for illuminating the sensor element, also has a receiver which reflects back on the sensor element in a higher order or detects diffracted radiation.
  • a scanning head which should have a radiation source of suitable monochrome in order for the desired diffraction effects to occur, allows window regions in which no diffraction occurs to be clearly distinguished from code bars where higher order diffractions occur.
  • the scanning head at the same time allows the absolute position of the encoder element to be detected by detection of the reference code bar.
  • the radiation source must be suitably monochromatic so that a sufficiently clear diffraction into the higher order takes place, since the angle of a diffraction maximum is known to depend on the wavelength of the incident radiation.
  • an LED preferably with upstream micro-optics, a laser diode or VCSEL can be used as the radiation source. All of these radiation sources can be implemented inexpensively and offer sufficient monochromatic radiation properties.
  • the scanning head enables the simultaneous detection of radiation diffracted or reflected back in different orders.
  • This can be, for example, the zero-order diffracted or back-reflected radiation, so that the presence of a code bar is recognized by a corresponding intensity weakening.
  • the mentioned reference mark function can then be derived from higher-order radiation.
  • the invention is further achieved by a position or length measuring system with an optical transmitter element and a scanning head of the type described, with a signal evaluation unit which evaluates the signals of the receiver of the scanning head and based on detection in the zero and / or higher order of diffracted or back-reflected radiation generates a position signal.
  • a position or length measuring system with an optical transmitter element and a scanning head of the type described, with a signal evaluation unit which evaluates the signals of the receiver of the scanning head and based on detection in the zero and / or higher order of diffracted or back-reflected radiation generates a position signal.
  • the object is further achieved by a method for position or length measurement, in which an optical transmitter element of the above-mentioned type is attached to a machine part, the optical transmitter element is illuminated with illuminating radiation and back-reflected or transmitted radiation is detected by the optical transmitter element, with radiation attenuation of back-reflected or transmitted radiation or the radiation intensity of back-reflected or transmitted radiation in a higher order is evaluated in order to detect the code bars of the transmitter element and, if necessary, to recognize code bars which are excellent in terms of their diffraction properties.
  • the diffraction structure of such excellent code bars can differ from other code bars both in one direction and in a second grating direction.
  • 1a is a plan view of an optical transmitter element
  • FIG. 1 b shows an enlarged detail of detail A in FIG. 1 a
  • FIG. 1c shows a section along the line R-R of FIG. 1b
  • F Fiigg. 2 2 shows a schematically illustrated position measuring system with the transmitter element of FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of the diffraction properties of the transmitter element of FIG. 1 designed for transmissive operation
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of incident and emerging radiation similar to FIG. 3 for an optical transmitter element in reflective operation
  • Fig. 5 is an enlarged view of the relationships of Figure 4 to explain the
  • 6a and 6b are schematic representations of the intensity of a window or
  • FIG. 9 shows a two-dimensional representation of the intensity of radiation diffracted in different directions on a code bar of the transmitter element of FIG. 1 and FIGS. 10 to 13 individual steps in the manufacture of the transmitter element of FIG. 1.
  • An optical transmitter element 1 consists of code bar 2 and transmission windows 3.
  • the transmitter element is a clock disk, which is provided with a hub 4 for attachment to a drive shaft, not shown.
  • 1b shows a section A of a code bar 2, consisting of pits 5 and lands 6. These are delimited by side windows 3.1, 3.2 with transparent material.
  • FIG. 1c shows a cross section through a code bar structure of FIG. 1b along the line RR. You can see the pits 5 and lands (6) and their thickness difference D, the amount for transparent operation of the formula ⁇ / [2- (n-1)]. Furthermore, there are protective layers 7 and 8 on both sides of the optical transmitter element 1 to improve wear resistance arranged.
  • the material of the protective layers preferably consists of a plasma polymer or a DLC coating.
  • Fig. 2 shows a positioning device with a transmitter 10, for example an LED or laser diode, the optical transmitter element 11, which corresponds to the transmitter element 1 of Fig. 1 and which can be understood as a CD clock disk, and a receiver 12, e.g. a multiple recipient.
  • the multiple receiver has a plurality of window areas 13 for zero and first order diffraction signals.
  • the arrow 14 indicates a forwarding of the diffraction signals to a processing unit 15 for multiple position and path determination in the sense of a flow chart.
  • the code bars 2 of the optical transmitter 1 of FIG. 1 a which is designed as an angle encoder in the embodiment, are wedge-shaped and differ from the windows 3 only in the diffraction structure formed by pits 5 and lands 6. As the section along the line RR of FIG. 1 b illustrates, the pits 5 alternate with the lands in the diffraction structure of the code bar 2, the total material thickness being greater by the thickness difference D in the area of the pits 5 than in the area of the lands 5. The effect of this difference in thickness will be discussed in more detail later.
  • the pits and lands on the wedge-shaped code bar 2 always have the same size, so that due to the wedge angle-related widening of the code bar with increasing radius, the number of pits gradually increases towards the outside, since there is additional space on the edge for additional ones Pits 5 arises.
  • the area distribution between pits and lands is within a tolerance of 20% 50:50, since this is advantageous for the diffraction properties to be explained.
  • FIG. 3 shows in detail the configuration of the diffraction structure of a code bar 2 for a transmitter element 1 designed for transmitted light operation.
  • Pits 5 with a length b alternate with lands 6 of the same length, the pit depth depending on the wavelength being between 100 and 1,000 nm and the Period g is approximately 1.3 ⁇ m.
  • the pits are 0.5 ⁇ m wide.
  • the larger extension of the pits is usually in the range from 0.2 to 3 ⁇ m.
  • the difference in thickness D between the thickness of the material between a country 5 and the underside of the optical transmitter designed for transmitted light operation and the corresponding measure for a pit 5 is ⁇ / [2- (n-1)], so it is suitable for the wavelength or central wavelength of the illuminating beam 20 selected. Due to this difference in thickness, and since the dimension b or g is small compared to the coherence length measured transversely to the direction of propagation of the illuminating beam 20, the illuminating beam 20 is diffracted by the pits 5 and lands 6, so that it is in a zero order (shown in broken lines) 21 and a (thinly drawn) first order 22 spreads.
  • the code bar 2 thus differs from a window 3 in that no radiation passes through in the zero order, ie in normal rectilinear transmission. Another difference is that in the first order 22 radiation is diffracted. The destructive interference occurs because the optical path length for pits 5 and lands 6 differs exactly by half the wavelength of the illumination beam 20.
  • a suitable reflective layer 23 is provided on the optical transmitter, which is applied in the windows 3 and in the area of the pits 5 and lands 6.
  • the reflective layer 23 can optionally be provided on both sides of the optical transmitter. In the construction shown in FIG. 4, it is located on the pits 5 and lands 6.
  • Incident radiation 20 (which is drawn obliquely for better clarity in FIG. 4) is now not reflected back into the zero order due to destructive interference; here again there is an extinction.
  • FIG. 4 has the advantage that the protective layer 8 can be formed over the diffraction structure in such a way that there is an overall flat surface.
  • the effect of the diffraction structure from pits 5 and lands 6 is illustrated once again in FIG.
  • the path difference between the distances CE and AB is a function of the difference between the sine of the angle of incidence minus the sine of the angle at which the diffracted Radiation is detected. It is proportional to the wavelength at a maximum of the diffracted radiation intensity.
  • FIG. 2 shows how the radiation intensity of the zero order 21 or the first order 22 is evaluated.
  • the receiver 12 has suitable window areas 13 which receive the zero-order or first-order radiation and emit corresponding signals.
  • the multiple receiver 12 thus has different detection ranges for the diffraction signals of the individual orders, which enables the processing unit 15 to include a code bar 2 in the absence of the illumination beam 20 transmitted or reflected in the zero order or in the occurrence of a higher order 22 diffracted or to distinguish diffracted and reflected radiation from a window 3, in which in a straight direction, ie in the direction of the window area 13.3 the unattenuated radiation of the LED 10 arrives, but never in the direction of the first order, i.e. on the window area 13.1 or 13.2.
  • Figures 6a and 6b illustrate these differences between windows 3 and code bar 2.
  • Figure 6a shows the intensity distribution in a window 3. If it is a transmitter element 1 for transmissive operation, the full radiation intensity is transmitted in the direction of the zero order, otherwise it is reflected towards the zero order. In the case of a code bar 2, on the other hand, the zero order due to the interference at the diffraction structure is absent, instead radiation intensity appears in higher orders (designated as +1, +2 or -1 and -2 in FIG. 6b).
  • the processing unit 15 serving as the control unit generates a corresponding position signal S, as shown for example in FIG. 7.
  • the position signal S is binary and has either a high level 25 with a value S1 or a low level 26 with a level SO. If the illuminating beam 20 of the LED 10 strikes a code bar 2, no radiation intensity is registered in the window area 13.3 due to the destructive interference; there is a low level 26. On the other hand, if a window 3 moves past the window or detector area 13.3 of the receiver 12 in the time series shown in FIG. 7, the radiation from the LED 10 hits the transmitter element 1 unhindered, so that a high level 25 is present in the signal S.
  • the stroke (S1-S0) of the binary signal S essentially depends on two parameters, on the one hand on the radiation intensity of the radiation source implemented as LED 10 in the exemplary embodiment, and on the other hand on the degree of extinction by the diffraction structure of the code bar 2. Finds a completely destructive interference instead, the value SO is close to the zero point, which is given by the signal of the unirradiated receiver 12.
  • FIG. 8 shows a different type of evaluation, here the signal S is formed by evaluating the radiation intensity in one or both window areas 13.1 and 13.2, ie, in contrast to the generation of the signal S in FIG.
  • a two-dimensional evaluation of the interference in the phase structure integrated in the code bar 2 can be used both in transmission and in reflection.
  • the practical use is made by the location and design of the window areas of the receiver 12 and by evaluating the different amplitudes in the higher orders.
  • the intensity in these orders is determined by the integration of the complex amplitude over the lattice period of length g.
  • the two-dimensional diffraction image of the diffraction caused by the optical transmitter element 1 is shown in FIG.
  • radiation intensity is diffracted.
  • Each of these orders can be used to detect a code bar 2.
  • the diffraction pattern allows code bars with different diffraction patterns to be distinguished from one another.
  • a spacing of the pits in the radial direction of 1.6 ⁇ m and a grating constant along the circumference of 2.7 ⁇ m and at a wavelength of 720 nm in the x direction an angle for the first order of + 18.2 ° is achieved .
  • the angle at which the first order appears is ⁇ 27.9 °.
  • the transmitter element with code bars 2 designed as a diffraction structure, in particular in the form of the pits 5 and lands 6 of FIG. 1b, can be produced by an injection molding process - i -
  • a photolithographic process is used to produce a nickel master for an impression process, in particular for an injection molding process.
  • the nickel master is created with the help of sputter coatings and subsequent galvanic reinforcement of the layer.
  • the technological process begins with on a glass substrate 30 (see FIG. 10) which is usually coated with a photoresist 31 in a spin coating.
  • a primer can be applied before coating and then a bake process can be carried out.
  • the thickness of the resist corresponds to the later difference in thickness between pits and lands or the pit height. It is set in the range of 100-1,000 nm (corresponding to the wavelength of the radiation used).
  • the coated glass substrate is then exposed with a laser beam recorder directly or with the aid of a suitable mask, the exposed areas corresponding to the later pits.
  • the exposed resist is then developed and the exposed portion is removed, since a so-called positive resist was used. If a negative resist is used, the exposure must be inverted.
  • the result is the substrate 30 shown in FIG. 11, which has structured areas 32 and unstructured areas 33.
  • a window 3 of the transmitter element 1 is later formed on the unstructured areas 33, and a code bar 2 is formed on the structured areas 32.
  • the structured area 32 consists of a microstructure 34 which, in the embodiment of FIG. 1a, cause the pits 5 shown in more detail in FIG. 1b ,
  • the next step is metallization.
  • a metal alloy usually a nickel alloy, is sputtered on as a thin layer and then galvanically reinforced. This reinforcing layer 35 can be seen in the sectional view in FIG.
  • the unstructured areas 33 and the structured areas 32 with the microstructure 34 remain completely intact.
  • the reinforcement layer 35 allows the nickel master 36 obtained in this way to be removed from the substrate 30. It then serves as a mold for the molding of donor elements 1 in an injection mold. For very large quantities, as is known from CD production, master molds can be derived again from the master 36.
  • the master 36 is suitable for being designed as a negative form. The impression is taken by injection molding, the protective layers 7 and 8 and optionally a reflective layer 23 being subsequently applied to the underside or top of the donor element 1.

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Abstract

Es wird beschrieben ein optisches Geberelement (1) zur Positions- oder Längenbestimmung, insbesondere an rotierend oder linear bewegten Maschinenteilen, das abwechselnd Codebalken (2) und Fenster (3) aufweist, wobei die Codebalken (2) durch eine Beugungsstruktur (5, 6), die einfallende Strahlung (20) beugt, gebildet sind. Die Codebalken (2) unterscheiden sich von den Fenstern (3) somit durch die Beugungseigenschaften, was eine einfache Detektion der Lage des optischen Geberelementes erlaubt. Dazu ist die Beleuchtung sowie die Geometrie der Beugungsstruktur so ausgebildet, dass die Codebalken in nullter Ordnung eine destruktive Interferenz einfallender Strahlung bewirken sowie zusätzlich Strahlung in die erste Ordnung beugen.

Description

Optische Positions- oder Längenbestimmung
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Diese Aufgabe wird mit einem optischen Geberelement der eingangs genannten Art gelöst, bei dem die Codebalken durch eine Beugungsstruktur, die einfallende Strahlung beugt, gebildet sind.
Das Geberelement weist also wie bekannte Amplitudengitter eine stete Folge von Fenstern und Codebalken auf. Die Codebalken unterscheiden sich aber nunmehr nicht mehr hinsichtlich ihres Absorptions- oder Reflexionsverhalten von den Fenstern, sondern dadurch, daß die Codebalken durch eine Beugungsstruktur gebildet sind. Die Beugungsstruktur beugt im Durchlichtbetrieb transmittierte oder im Auflichtbetrieb reflektierte Strahlung so, daß sich die Intensität bei der nullten Beugungsordnung oder zumindest bei höheren Beugungsordnungen von der transmittierten oder reflektierten Intensität eines Fensterbereiches unterscheidet. Ein Codebalken ist also dann anhand einer veränderten Intensität in der nullten oder höheren Beugungsordnung zu erkennen. In einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform wird man 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.
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. Das Geberelement ist 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.
Eine besonders einfache Bauweise formt die Beugungsstruktur als 2D-Submikrometer- Gitterstruktur. Da die Codierung der Position durch das optische Geberelement wie bei herkömmlichen Amplitudengittern durch den Wechsel an Codebalken und Fenstern erfolgt, leistet die Beugungsstruktur selbst keine unmittelbare Ortsauflösung, wie dies bei Phasengittern der Fall wäre. An die Fertigungsgenauigkeit der Beugungsgitterstruktur sind deshalb sehr viel geringere Anforderungen zu stellen, als bei Phasengittern, obwohl die beugenden Elemente in ähnlicher Größe sind.
Eine besonders einfach herzustellende Beugungsstruktur erhält man, wenn man Pits und Lands verwendet, wie sie beispielsweise bei CD-Datenträgern bekannt sind. Im Gegensatz zu solchen
Datenträgern wird man die Erhöhungen darstellenden Pits durchgängig in gleicher Größe und vorzugsweise gleich groß wie die jeweils dazwischenliegenden Lands ausbilden. Damit die Pits und Lands der Beugungsstruktur eine maximale Intensitätsauslöschung von Strahlung erreichen, die in nullter Ordnung gebeugt transmittiert wird, ist es zweckmäßig den Dickenunterschied zwischen den Pits und Lands gemäß der Formel λ/[2-(n-1 )] zu wählen, wobei λ die Wellenlänge der einfallenden Strahlung und n die Brechzahl des Materials des optischen
Geberelements ist. Der Dickenunterschied ist dabei natürlich in Richtung der einfallenden
Strahlung zu messen. Ist das Geberelement dagegen für reflektiven Betrieb vorgesehen, so daß die auf die Pits und Lands einfallende Strahlung reflektiert wird, sollten die Pits gegenüber den Lands einen optischen Dickenunterschied von λ/4 aufweisen, damit durch destruktive
Interferenz in nullter Ordnung eine maximale Intensitätsauslöschung erfolgt.
Aus den angegebenen Gleichungen ersieht man unschwer, daß sich eine optimale Intensitätsauslöschung in nullter Beugungsordnung für eine bestimmte Wellenlänge ergibt. Will man ein Geberelement für mehrere Wellenlängen auslegen, ist es zu bevorzugen, Pits und Lands mit verschiedenen entsprechend vorgesehenen Dickenunterschieden im Geberelement anzuordnen. Damit für die einzelnen Wellenlängen zwar nur eine vergleichsweise geringere Intensitätsabschwächung erreicht, jedoch kann das Geberelement für mehrere Wellenlängen oder sogar für einen Wellenlängenbereich eingesetzt werden.
Eine optimale Auslöschung erhält man, wenn Pits und Lands gleiche Flächenanteile an den Codebalken haben, wobei hier eine Toleranz von etwa ± 20% möglich ist. Je geringer die Toleranz ist, desto besser die Intensitätsabminderung in der nullten Ordnung. Die gegenüber Phasengittern stark verminderte Genauigkeitsanforderung an die Beugungsstruktur 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.
Da die Beugungsstruktur, insbesondere die Pits und Lands, den Codebalken vom Fenster unterscheiden, ist es zweckmäßig die Beugungsstruktur mit einer Verschleißschutzschicht zu versehen, wozu insbesondere ein Plasma-Polymerisat oder eine DLC-Beschichtung in Frage kommt.
Die Beugungsstruktur 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 ein Codebalken von den anderen Codebalken hinsichtlich der Lage des Beugungsmaximums einer höheren Ordnung, beispielsweise der ersten Ordnung, kann dieser Codebalken als Referenzmarke für ein inkrementelles Meßsystem dienen. Es ist deshalb bevorzugt, daß die Beugungsstruktur mindestens eines Codebalkens sich von der Beugungsstruktur anderer Codebalken unterscheidet. Es wird damit dadurch eine zusätzliche Information im Codebalken in Form der Beugungsstruktur hinterlegt.
Die Maßverkörperung besteht aus einer topographischen Mikrostruktur, welche eine „integrierte Interferenz" einer lichtbeugenden 2D-Submikrometer-Gitterstruktur darstellt. Über die dritte Dimension wird 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 der pit-Struktur (Lage und Geometrie der Struktur der pits) erzeugt wird. Die erfindungsgemäße Mikrostruktur bildet im Makrobereich oberhalb der μm-Strukturen ein Encodermuster für die Steuerfunktion, beispielsweise durch abwechselnde Fenster- und Balkenstrukturen.
Ein Vorteil des neuen 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.
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.
Die Verschleißbeständigkeit und Bruchsicherheit können durch die verwendeten Materialien derart verbessert werden, daß die Lebensdauer um den Faktor 5 gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen gesteigert wird.
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 oder RLED eingesetzt werden, wobei eine Fensteroptik eine Strahlparallelisierung bewirkt.
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.
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 des Geberelementes 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. Die Erfindung 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, so daß die Mikrostruktur den Codebalken Beugungseigenschaften für einfallende Strahlung verleiht.
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.
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.
Die Anordnung der die Beugungsstruktur bildenden Elemente auf der Fläche des Codebalkens kann prinzipiell unter der Maßgabe, daß die gewünschte Beugungseigenschaften erreicht werden, frei gewählt werden. Insbesondere können verschieden geformte Pits eingesetzt werden. Beispielsweise ist es denkbar, bei einem Winkelencoder die 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.
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 in höherer Ordnung rückreflektiert oder gebeugte Strahlung detektiert. Ein solcher Abtastkopf, der eine Strahlungsquelle geeigneter Monochromie aufweisen sollte, damit die gewünschten Beugungseffekte auftreten, erlaubt es Fensterbereiche, in denen keine Beugung auftritt, klar von Codebalken zu unterscheiden, bei denen Beugungen in höherer Ordnung auftreten. Bei Ausführungsformen des Geberelementes mit durch andersartige Beugungsstruktur ausgezeichneten Referenz-Codebalken erlaubt der Abtastkopf zugleich, die Absolutlage des Geberelementes durch Detektion des Referenz- Codebalkens zu detektieren.
Die Strahlungsquelle muß dafür, wie bereits erwähnt, geeignet monochromatisch sein, damit eine hinreichend eindeutige Beugung in die höhere Ordnung erfolgt, da der Winkel eines Beugungsmaximums bekannterweise von der Wellenlänge der einfallenden Strahlung abhängt. Als Strahlungsquelle kommt 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.
In einer besonders zu bevorzugenden Bauweise ermöglicht der Abtastkopf die gleichzeitige Detektion in verschiedener Ordnungen gebeugter oder rückreflektierter Strahlung. Dies kann beispielsweise die nullte Ordnung gebeugte oder rückreflektierte Strahlung sein, so daß an einer entsprechenden Intensitätsabschwächung das Vorliegen eines Codebalkens erkannt wird. Aus Strahlungen höherer Ordnung läßt sich dann die erwähnte Referenzmarkenfunktion ableiten.
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 in nullter und/oder höherer Ordnung gebeugter oder rückreflektierter Strahlung ein Positionssignal erzeugt. Damit kann, wie bereits erwähnt besonders einfach eine absolute Positionsbestimmung unter Auswertung durch die Beugungseigenschaften ausgezeichneter Referenz-Codebalken erreicht werden.
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 Strahlungsabschwächung von in nullter Ordnung rückreflektiert oder transmittierter Strahlung oder die Strahlungsintensität von in höherer Ordnung rückreflektierter oder transmittierter Strahlung ausgewertet wird, um die Codebalken des Geberelementes zu detektieren und gegebenenfalls hinsichtlich ihrer Beugungseigenschaften ausgezeichnete Codebalken zu erkennen. Die Beugungsstruktur solcher ausgezeichneter Codebalken kann sich sowohl in einer Richtung als auch in einer zweiten Gitterrichtung von anderen Codebalken unterscheiden.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielhalber noch näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1a eine Draufsicht auf ein optisches Geberelement,
Fig. 1 b eine Ausschnittvergrößerung des Details A der Figur 1 a,
Fig. 1c einen Schnitt entlang der Linie R-R der Figur 1b, F Fiigg.. 2 2 ein schematisch dargestelltes Positionsmeßsystem mit dem Geberelement der Figur 1 ,
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Beugungseigenschaften des für transmissiven Betrieb ausgebildeten Geberelementes der Figur 1 ,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einfallender und ausfallender Strahlung ähnlich der Figur 3 für ein optisches Geberelement im reflektiven Betrieb,
Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung der Verhältnisse der Figur 4 zur Erläuterung der
Beugungseigenschaften,
Fig. 6a und 6b schematische Darstellungen der Intensität der von einem Fenster bzw.
Codebalken der Figur 1 transmittierten Strahlung, F Fiigg.. 7 7 uunndd 88 Positionssignale, die am Geberelement der Figur 1 gewonnen wurden,
Fig. 9 eine zweidimensionale Darstellung der Intensität in unterschiedliche Richtungen gebeugter Strahlung an einem Codebalken des Geberelementes der Figur 1 und Figur 10 bis 13 einzelne Schritte bei der Herstellung des Geberelementes der Figur 1.
Ein optisches Geberelement 1 besteht aus Codebalken 2 und Transmission-Fenstern 3. Im Beispiel der Fig. 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.
Fig. 1b zeigt einen Ausschnitt A eines Codebalkens 2, bestehend aus Pits 5 und Lands 6. Diese werden durch seitliche Fenster 3.1 , 3.2 mit transparentem Material begrenzt.
Fig. 1c zeigt einen Querschnitt durch eine Codebalkenstruktur der Fig. 1b entlang der Linie R-R. Man erkennt die Pits 5 und Lands (6) sowie deren Dickenunterschied D, dessen Betrag für Transparentbetrieb der Formel λ/[2-(n-1 )]. Des weiteren 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.
Fig. 2 zeigt eine Positionierungsvorrichtung, mit einem Sender 10, zum Beispiel einer LED- oder Laserdiode, dem optischen Geberelement 11 , das dem Geberelement 1 der Fig. 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.
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.
Die Codebalken 2 des in der Ausführungsform als Winkelencoder ausgeführten optischen Gebers 1 der Figur 1 a sind keilförmig und unterscheiden sich von den Fenstern 3 nur durch die von Pits 5 und Lands 6 gebildete Beugungsstruktur. Wie der Schnitt entlang der Zeile R-R der Figur 1 b verdeutlicht, wechseln sich in der Beugungsstruktur 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 5. Auf die Wirkung dieses Dickenunterschiedes wird später noch genauer eingegangen.
Wie Figur 1 b zeigt, haben auf dem keilförmigen Codebalken 2 die Pits und Lands immer gleiche Größe, so daß aufgrund der Keilwinkel bedingten Aufweitung des Codebalkens mit wachsendem Radius, die Zahl der Pits nach außen hin allmählich zunimmt, da am Rand zusätzlich Platz für weitere Pits 5 entsteht. Die Flächenaufteilung zwischen Pits und Lands beträgt innerhalb einer Toleranz von 20% 50:50, da dies für die noch zu erläuternden Beugungseigenschaften vorteilhaft ist.
Figur 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 gleich langen 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 Figur 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 die Pits 5 und Lands 6 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 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. Die destruktive Interferenz tritt auf, da die optische Weglänge für Pits 5 und Lands 6 sich genau um die halbe Wellenlänge des Beleuchtungsstrahles 20 unterscheidet.
Diesen 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 Figur 4 dargestellten Bauweise befindet sie sich auf den Pits 5 und Lands 6. Einfallende Strahlung 20 (die zur besseren Verdeutlichung in Figur 4 schräg einfallend gezeichnet ist) wird nun aufgrund destruktiver Interferenz nicht in die nullte Ordnung zurückreflektiert; hier erfolgt wiederum eine Auslöschung. Eine Reflexion in dies erste Ordnung 22 erfolgt dagegen. Da die Strahlung den Dickenunterschied D zwischen Pits 5 und Lands 6 hierbei zweimal durchläuft, ist gegenüber der Figur 3 nur der halbe Dickenunterschied vorgesehen, womit automatisch D=λ/4 folgt.
Die Bauweise der Figur 4 hat den Vorteil, daß über der Beugungsstruktur die Schutzschicht 8 so ausgebildet werden kann, daß insgesamt eine ebene Oberfläche vorliegt. In diesem Fall muß natürlich die Brechzahl des Materials der Schutzschicht 8 bei der Berechnung der Dicke berücksichtigt werden, so daß dann gilt D=λ/[4-(n-1 )], wobei n hier nun die Brechzahl des Materials der Schutzschicht 8 bezeichnet. Liegt die Reflexschicht 23 an der Unterseite, muß der optische Weg durch das Material berücksichtigt werden. Mit homogen dicker Verschleißschicht 8 giIt dann D=λ/[4-(n-1)].
In Figur 5 ist die Wirkung der Beugungsstruktur 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.
Figur 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.
Die Figuren 6a und 6b verdeutlichen diese Unterschiede zwischen Fenstern 3 und Codebalken 2. Figur 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 Figur 6b als +1 , +2 bzw. -1 und -2 bezeichnet).
Die als Steuerungseinheit dienende Verarbeitungseinheit 15 erzeugt ein entsprechendes Positions-Signal S erzeugen, wie es beispielhalber in Fig. 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 Figur 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.
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 des Codebalkens 2. Findet eine vollständige destruktive Interferenz statt, ist der Wert SO nahe dem Nullpunkt, der durch das Signal des unbestrahlten Empfängers 12 gegeben ist. Figur 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 Figur 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 naturgemäß nicht die volle einfallende Strahlungsintensität in die erste Ordnung gebeugt wird. Ein Low-Pegel 26 tritt dagegen auf, wenn ein Fenster 3 sich vor den die erste Strahlungsordnung detektierenden empfindlichen Abschnitten des Empfängers 12 befindet.
Statt der eindimensionalen Auswertung des Interferenzmuster der Figuren 6a und 6b, in denen unterschiedliche Strahlungsintensitäten der einzelnen Ordnungen durch verschiedene Kreisdurchmesser symbolisiert sind, kann auch eine zweidimensionale Auswertung der Interferenz in die Codebalken 2 integrierten 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 den höheren Ordnungen. Die Intensität in diesen Ordnungen 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 Figur 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.
Darüber hinaus erlaubt das Beugungsbild Codebalken mit unterschiedlichen Beugungsmustern voneinander zu unterscheiden. Beispielsweise erreicht man bei einem Abstand der Pits in radialer Richtung von 1 ,6 μm und einer Gitterkonstante entlang des Umfangs von 2,7 μm und bei einer Wellenlänge von 720 nm in x-Richtung einen Winkel für die erste Ordnung von + 18,2°. In y-Richtung beträgt der Winkel unter dem die erste Ordnung erscheint ± 27,9°. Variiert man nun die Beugungsstruktur, d.h. die Abmessungen von Pits 5 und Lands 6 in der Ausführungsform gemäß Figur 1 für einzelne Codebalken 2, so können die Codebalken individualisiert werden. Es ist damit möglich, zusätzliche Information zu hinterlegen, beispielsweise Referenzmarken o.a. zu erzeugen. Dies ist bei ein- wie zweidimensionaler Ausweitung gleichermaßen möglich.
Das Geberelement mit als Beugungsstruktur ausgebildeten Codebalken 2, insbesondere in der Form der Pits 5 und Lands 6 der Figur 1b, kann durch ein Spritzgußverfahren hergestellt - i -
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.
Der technologische Prozeß beginnt dabei mit auf einem Glassubstrat 30 (vgl. Figur 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.
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.
Als Ergebnis erhält man das in Figur 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 Figur 1a die in Figur 1b detaillierter gezeigten Pits 5 bewirken.
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 Figur 12 zu sehen. Die unstrukturierten Bereiche 33 sowie die strukturierten Bereiche 32 mit der Mikrostruktur 34 bleiben dabei vollständig erhalten.
Die Verstärkungsschicht 35 erlaubt es, das derart 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.

Claims

Patentansprüche
1. Optisches Geberelement zur Positions- oder Längenbestimmung, insbesondere an rotierend oder linear bewegten Maschinenteilen, das abwechselnd Codebalken (2) und Fenster (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Codebalken (2) durch eine Beugungsstruktur (5, 6), die einfallende Strahlung (20) beugt, gebildet sind.
2. Geberelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungsstruktur als 2D-Submikrometer-Gitterstruktur ausgebildet ist.
3. Geberelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungsstruktur eine Pit- und Land-Struktur (5, 6) umfaßt.
4. Geberelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für transmittiven Betrieb die zwischen den Codebaiken (3) liegenden Fenster (2) transparent sind und Pits (5) und Lands (6) einen Dickenunterschied D=λ/[2-(n-1)] aufweisen, wobei λ die Wellenlänge der einfallenden Strahlung (20) und n die Brechzahl des Materials des optischen Geberelementes ist.
5. Geberelement nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß für reflektiven Betrieb eine Reflektorschicht (23) vorgesehen ist, die auf die Pits (5) und Lands (6) einfallende Strahlung (20) reflektiert, und daß die Pits (5) gegenüber den Lands (6) einen Dickenunterschied D=λ/4 aufweisen, wobei λ die Wellenlänge der einfallenden Strahlung (20) ist.
6. Geberelement nach einem der Ansprüche 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Pits (5) und Lands (6) innerhalb einer Toleranz von + 20% gleiche Flächenanteile an den Codebalken (2) haben.
7. Geberelement nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es als Spritzgußteil ausgebildet ist, in das zusätzliche Bauelemente (4) für Positionierung und Befestigung des Geberelementes eingeformt sind.
8. Geberelement nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungsstruktur (5, 6) mindestens eines Codebalkens (2) sich von der Beugungsstruktur (5, 6) anderer Codebalken (2) unterscheidet.
9. Geberelement nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungsstruktur (5, 6) in nullter Ordnung gebeugte oder rückreflektierte Strahlung in
Interferenz zumindest teilweise zur Auslöschung bringt.
10. Verfahren zum Herstellen eines optischen Geberelementes, dadurch gekennzeichnet, daß eine Form (36) hergestellt wird, in der strukturierte als Mikrostruktur (34) ausgebildete Bereiche (32) mit unstrukturierten Bereichen (33) abwechseln, und von dieser Form (36) in einem Abformschritt das optische Geberelement abgeformt wird, wobei die strukturierten Bereiche (32) der Form (36) Codebalken (2) des Geberelementes und die unstrukturierten Bereiche (33) der Form Fenster (2) des Geberelementes bilden, so daß die Mikrostruktur (34) den Codebalken (2) Beugungseigenschaften für einfallende Strahlung (20) verleiht.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Geberelement (1 ) mittels Heißprägen oder Heißgießen abgeformt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Verfahrensschritt das Geberelement (1 ) aus transparentem Kunststoff hergestellt und in einem zweiten Verfahrensschritt mit einem thermisch und/oder mechanisch stabilisierenden Grundkörper verbunden wird.
13. Abtastkopf für ein optisches Geberelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine Strahlungsquelle (10) zur Beleuchtung des Geberelementes (1), und einen Empfänger (12), der am Geberelement (1) in höherer Ordnung rückreflektierte oder gebeugte Strahlung (21 , 22) detektiert.
14. Abtastkopf nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (10) eine LED, vorzugsweise mit Mikrooptik, eine Laserdiode oder eine VCSEL aufweist. - 10 -
15. Abtastkopf nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger mehrere Strahlungs-Detektionsbereiche (13.1 , 13.2, 13.3) zur gleichzeitigen Detektion in verschiedenen Ordnungen gebeugter oder rückreflektierter Strahlung aufweist.
16. Positions- oder Längenmeßsystem mit einem optischen Geberelement (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und einem Abtastkopf (10, 13) nach einem der Ansprüche 13 bis 15 gekennzeichnet durch eine Signalauswertungseinheit (15), die die Signale des Empfängers (12) des Abtastkopfes auswertet und ausgehend von einer Detektion in nullter und/oder höherer Ordnung gebeugter oder rückreflektierter Strahlung (21 , 22) ein Positionssignal (S) erzeugt.
17. System nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalauswertungseinheit (15) die Detektion in höherer Ordnung gebeugter Strahlung (22) zur absoluten Positionsbestimmung nutzt.
18. Verfahren zur Positions- oder Längenmessung, bei dem an einem Maschinenteil ein optisches Geberelement (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 angebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Geberelement (1) mit Beleuchtungsstrahlung (20) beleuchtet und vom optischen Geberelement (1) rückreflektierte oder transmittierte Strahlung delektiert wird, wobei eine Strahlungsschwächung von in nullter Ordnung rückreflektierter oder transmittierter Strahlung (21) oder die Strahlungsintensität von in höherer Ordnung rückreflektierter oder transmittierter Strahlung (22) ausgewertet wird, um die Codebalken (2) des Geberelementes (1) zu detektieren.
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