CN101356304B - 光学计量度盘及其基于激光的制造方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种光学计量度盘及其基于激光的制造方法。反射式计量度盘具有一个由细长的并行刻度线组成的刻度图案，刻度线周围是基板的反射表面，可以是如
Figure D200680038039601A00011
或
Figure D200680038039601A00012
之类的镍基金属合金，也可以是纤薄细长的柔性带。每一刻度线都有一个沟槽截面，深度可介于0.5至2微米之间。每一刻度线的中心部分可呈波浪形或***状，还可被涂为深色，以提供相对于周围反射表面更高的光学反射率。制造光学计量度盘的方法包括重复下述步骤：(1)利用激光器发射的一组重叠脉冲(每一脉冲的能量密度不超过1焦耳每厘米)照射打标位置的基板表面而创建刻度线，和(2)利用在即将创建下一刻度的基板上定义度盘下一打标位置的位移量，改变激光器和基板的相对位置。

Description

光学计量度盘及其基于激光的制造方法
技术领域
本发明涉及通过能量射束照射，在计量器及类似仪器上形成可读的精密结构、图案、刻度或其它标记。本发明尤其涉及但不仅限于在一个物体上形成一种刻度图案，例如用于计量目的之度盘(如光学编码器内)上的刻度结构。
背景技术
利用能量射束在一种物质的表面或下表面打标时遇到的一些主要问题如下：能量射束相对于表面/下表面的尺寸控制(如维持刻度线的准确尺寸)；获得准确的占空比(即已打标表面和未打标表面的比率)；获得一致的结构(即整齐平滑的结构边缘和一致的结构表面)；能束参数的正确选择，如能量密度(每单位面积的能量)和表面/下表面的暴露持续时间；适应不同应用(如打标平滑和弯曲表面)而改变打标流程以及形成具有不同节距长度之打标图案的能力。
光学编码器通常使用由带有一系列间隔分布的刻度之基板组成的度盘。对于反射式度盘，其可能会在非反射性背景上形成反射性刻度，反之亦然。透射式度盘可能会在透明基板上形成不透明的刻度，反之亦然。反射式和透射式度盘都将与光源——如发光二极管(LED)或激光器——发出的光线相互作用，形成可被光学探测器探测到的光学图案。度盘和探测器间产生相对运动时，光学图案按照相应模式变化，探测器及相关电子线路会将图像变化翻译成精确的数字位置指示。上述类型的度盘(被称为“振幅”度盘)已通过多种方法制造，包括通常用于在玻璃基板上形成金属元素度盘刻度的方法。
美国专利(专利号5632916)公开了一种在金属表面(如机械部件)上形成光学可读刻度的激光方法。应了解，之前的打标方法包括(a)表面雕刻(熔化、汽化)和(b)通过激光(加热)方法提供微结构层面的化学反应/变化。雕刻技术的特征在于它们穿透原来的表面并抵至比原来的表面更深的表面。916号发明的一个目标在于提供一种在金属表面形成光学可读刻度的方法，该方法能做到尽管已经打标，却仍能确保金属表面基本平整并具有防磨损和防侵蚀性。
在916号专利公开的激光制造法中，一种准分子激光器被用来在一个镀铬的金属表面上形成一些可辨别的区域，这些区域与周围反射性金属表面相比颜色较暗。该金属表面被暴露于激光束脉冲下，此激光束脉冲的能量为1至10J/cm2(优选3至5J/cm2)，暴露持续时间为5ns至1us(优选15至30ns)。改变激光束脉冲在金属表面上的冲击光斑，使得在该方式中，新的冲击光斑与以前的冲击光斑重叠，并且金属表面暴露于新的激光束脉冲下，从而使得金属表面上一个区域呈现出与原来的金属表面对比的颜色。不同打标参数对刻度的颜色深度(对比度)和表面粗度的影响，已经过测试研究。在一实施例项中，为提供着色均匀的区域，连续脉冲的边缘传播为0.1mm或更低。准分子激光器的操作范围(即脉冲的重复频率范围)约为1至400Hz。916号专利未公开金属表面上光斑/光束强度的空间分布。
916号专利公开的一个范例表明，硬铬表面在经铬化处理后会以某种方式进行研磨，以使其表面粗度值Ra达至0.2um或更佳。金属表面会参照光束移动，使得连续脉冲间的金属表面传播介于0.020mm和0.012mm之间。金属表面上的光束宽度为1mm，运动方向的高度在0.2和2mm之间变化。在所示图例中，表面层由钢筋表面上的镀铬层组成。该镀铬层的厚度约为30um。已打标区域的厚度不足1um，从而确保该表面基本平滑并与金属表面的其余部分保持同一厚度，这是由于物质不会从该表面汽化，至少本质上不会如此。一种可能的情况是，激光束脉冲会从金属表面移除一层很薄的氧化层。测量所得的表面粗度值表明，打标方法并不会削弱硬铬表面的表面粗度。表面粗度在暗线打标之前和之后的测量结果几乎相同。同时还对大气的影响进行了研究，但结果证明该影响是可以忽略的。
据我们所知，存在多种对材料进行激光脉冲加工的不同机制，而确定使用何种机制的关键因素取决于所需的结果和基材。例如，金属会在能量和脉冲周期作用下发生化学反应、熔化、沸腾喷发、升华或分子***。塑料也可经化学反应而熔化和发生分子***，而通常在发生沸腾喷发前便已被碳化。总体上讲，这些方法可在某种程度上以不同的波长、能量和脉冲特性应用于所有固态物质。
在低纳秒范围的脉冲作用下，金属会有下述行为。在低脉冲能量密度作用下，金属会被氧化或因与空气内的气体反应而改变颜色，并/或基于熔点和多种成份的溶解度重新组合，或与其成份材料发生化学反应。随着脉冲能量密度的增加，金属表面会熔化和流动，还会产生和逃逸少量等离子。随着更多物质的介入，这些物质会开始剧烈沸腾并大量喷射，仅剩下一片杂乱的凹陷和碎片。若激光强度和相关场强的强度足够高，就会发生如同使用高强度超短脉冲时那样的情况，即物质由固态几乎在瞬间转化为汽态，其中会发生材料清除，从而避免形成熔渣或碎片。
本发明还涉及在工件相对工具移动过程中进行精密工件加工所用的方法和***，更具体地讲是指利用能量射束(如脉冲激光束)加工工件，以在工件运动时在其上形成精密图案。举例来说，可采用一种柔性基板作为工件，而通过激光束进行加工，以形成带有光学衬比刻度的柔性带状计量度盘。
美国公开专利申请2005/0045586(以下简称5586号专利)指出，人们之前已考虑使用激光在表面打标以制造测量度盘的方法。应注意，美国专利号US 4932131采用了原位度盘读入或校准技术。一个基准被用于规定刻度或纠正度盘的任何不足。一个激光器被用来读取和写入度盘。5586号专利指出，131号专利并未公开执行该操作的方法，也未提及如何克服温度问题。
5586号专利还公开了一种为计量度盘制造精密刻度的方法，所用仪器包括：利用激光器重复瞬间打标从而形成计量度盘之度盘基板；提供光脉冲以在基板上形成度盘标记之可操作性激光器；引起基板和基板上光线入射位置间相对位移之位移装置；以及控制相对位移和激光器的控制器；所述方法包含以下步骤(以任意合适顺序排列)：操作位移装置以引起基板和光线间的相对位移；利用控制器控制相对位移并操作激光器以在基板上产生光脉冲，其特征为：激光器在基板产生大量注量的超短输出脉冲，从而通过激光烧蚀形成计量度盘刻度。
5586号公开专利还公开了一种激光操作装置、一种感测基板和光线入射位置间相对位移的位移传感器和一种确定度盘上两个或更多标记间距离的阅读器，其中该方法还进一步包含：从位移传感器向控制器发出信号；从阅读器向控制器发出信号；作为对来自传感器和阅读器信号的回应，利用控制器控制激光操作装置、位移和激光烧蚀基板之重复瞬间。
5586号专利的图2显示了两个为带(经工作台100具有恒张力)进给材料的压带轮20和22。压带轮20的驱动速率接近恒定速度，除需要可控电压电源外，无需任何速度管制。压带轮22具有两个贴附或打标于其上的旋转编码器环24。两个阅读器26阅读编码器标记，以便为机床控制器(200图1)提供两个信号，从而可将该两个信号的平均值用于提供相对于控制器的带位移。通过软件将机床控制器200处的该平均带位移信号用于管理带打标激光器21的开关。
另外，5586号专利还公开了一个包含两个或更多度盘阅读器(此处为阅读器23a和23b)的***，所述阅读器被用于读取由激光器21制造的度盘。阅读器23被设置在预设距离L处，从而可确定标记节距的任何误差，必要时还可通过软件相应调整激光照射速率。因此，即使激光器照射区域的温度会稍微增加，但阅读器的温度仍会保持恒定，从而，可通过增加激光器照射区域的度盘节距对任何由激光引起的轻微发热进行补偿。
日本专利5169286(基于收到的合格译文)——5586号专利的引用文献——展示了一种获取垂直于激光打标的测量度盘的移动方向之标记的方法。如附图所示，该***包括：一个激光振荡器、一个偏转镜、一个f-θ透镜、一个制动器、一个移动装置、一个活动工作台、一台发动机、编码器、度盘构件、第一控制器、第二控制器。所含为一个通过照射待刻度化之构件正面而为其打标度盘线的装置，该构件沿刻度方向、以恒定速度与经一个扫描仪扫描的激光束一起移动，该装置配备有一个可操作扫描仪的控制器，以使被激光束照射的位置沿与构件移动速度V的方向成θ角的方向、以V/cosθ的速度移动。该***配备有一个可操作扫描仪的控制器，以使被激光束照射的位置沿与构件移动速度V的方向成θ角的方向、以V/cosθ的速度移动，从一个在时间上与待打标之度盘线的起始位置相对应的点开始激光束照射，并经过与度盘线长度相对应的时间长度后结束激光束照射。激光束照射的起始点与待刻度化之构件到达预定位置时发出的位置信号相对应。被激光束照射的位置沿与待刻度化之构件移动速度V的方向成θ角的方向、以V/cosθ的速度移动，从而度盘线以垂直于度盘方向的方向被打标在待刻度化之构件上，其中，激光束被偏转镜扫描的方向并不垂直于度盘方向，而是形成一个预设角(稍后说明)，此时，在第一控制器的位置上使用第二控制器。另外，此实施例与现有技术范例的不同操作之处在于：刻度板9以恒定速度连续移动；刻度板的移动速度、偏转镜的扫描速度和扫描方向间存在预设关系；确定激光束发射时机的方式也已预定。
美国专利5741381说明了一种贴标***和方法。图8和10所示为一个半径传感器，它可向处理器提供半径数据，以将发动机驱动器的旋转速度和卷轴半径转换为线性进给率。另一光学传感器可读取配准标记。
发明内容
本发明公开了一种光学计量度盘和一种基于激光制造此类度盘的方法。应特别提出的是，发明人已发明在非混沌加工领域使用纳秒脉冲激光在精确的计量度盘上制造刻度的参数和仪器，由此制造出的计量度盘不会发生热变形并具有高度的清晰度和对比度(即局部公差低于约1um)。
一方面，本发明公开的计量度盘是一种柔性带状计量度盘，该带状度盘包含一个金属部件。该度盘包含具有光学衬比的第一和第二表面区域。将第一和第二区域区分开的边缘处的尺寸差异大大小于该结构的宽度。该结构的表面轮廓可包括扩展至环绕该结构的表面区域之平均高度以上的凸出材料部分，以及该环绕表面区域平均高度以下的锯齿状材料部分。凸出和锯齿状材料部分的面积可能大约相等，其中，在该结构的组成过程中，材料因熔化而发生位移，其中大大避免了该结构的材料喷射。因此，基材的位移形成光学衬比，但位置的材料数量也没有大到足以导致形成形状不良、混乱且会削弱计量度盘之可读性的结构。举例说明，一个度盘包含节距为20um的结构，其特征为，第一和第二表面区域具有光学衬比，第一和第二表面区域的相对深度小于约1.5um，并且第一和第二表面区域沿该结构长度方向的边缘偏差不超过约1um。更大或更小的节距结构可能具有比例性结构尺寸，如10um的节距更浅，40um的节距更深。
尤其特别的是，计量度盘是一种包含金属基板的反射式度盘，所述金属基板上带有反射性表面，其中，度盘图案包括被基板反射表面区域包围的许多细长的并行刻度。在一实施例中，每一刻度都具有大致沟槽状截面，中心区域低于基板表面的平均高度而外部两侧的***区域高于基板表面的平均高度，其中，中心和外部***区域将刻度深度定义在约0.5um至约2um之间。
另外，计量度盘可能包括由激光材料的高温作用而形成的微结构，并需要进一步依靠激光波长和激光偏振中的至少一项。每一标记的中心区域可能呈波纹状，波高不足刻度深度的约20％。计量度盘可能包括至少由热量或化学反应之一导致的深色结构，并可相对于基板周围的反射面提供约为1∶4或更低(如1∶6)的光反射率。该度盘可能形成于镍基金属合金(如Invar
Figure G200680038039601D00051
或Inconel
Figure G200680038039601D00052
品牌)的基板上，也可能是纤薄细长的柔性带状。
另一方面，本发明公开一种在基板上高速制造结构良好的结构的方法。该方法包括以一系列高重复频率激光脉冲照射基板。该系列脉冲会撞击基板上一系列相互关联且在空间上重叠的光斑，每一个光斑都具有一个强度分布，该系列撞击脉冲会传送足够的能量以修改基板的一部分并改变基板的定向反射比，从而获得刻度和周围基板部分之间的光学衬比。该能量也不会导致形成形状不良、组织混乱的结构。传送的能量可高至足以熔化金属，也可低至可充分避免将金属加热至导致金属沸腾的温度。该系列内至少应有一些连续脉冲的时间间隔可与至少为20kHz的脉冲重复率对应。
反射比的变化可能包括已修改表面部分的颜色变化，也可能由化学反应引起。使用亮视场照明查看时，已修改部分内的截面颜色沿第一方向会基本一致，并会沿大致垂直于第一方向的第二方向平稳地变化。至少有一个已修改和未修改区域会包含一个狭窄的过渡区域，其中可检测反射比的快速变化，过渡区域的尺寸变化基本上会小于沿过渡区域内至少一个部分的已修改表面部分的宽度。
可使用亮视场照明查看已加工部分，已修改和未修改部分的光学衬比可通过(Imax-Imin)/(Imax+Imin)进行测量，且至少会是10∶1。可接受的激光辐照(Watt/cm2)范围可大幅变化(如高于4∶1)，并在脉冲注量控制良好时产生可接受的结果。脉冲宽度也可大幅变化，如同样高于4∶1。该结构的度盘会受到用于加工某一区域的重叠脉冲数目、照射脉冲特性、持续时间和注量的巨大影响。
经认定，对于短脉冲激光束而言，用于制造良好结构形式的能量密度约等于熔化单束脉冲的阈值。另外，通过快速重叠大量脉冲，在无须启动混沌过程的情况下便可建立相对较大的结构。优选地为一定数量的能量，该数量的能量可通过激光器发射的每一脉冲顺利熔化并形成由已熔化金属组成的薄膜，从而避免造成金属的杂乱分布，或更糟糕的情况——导致沸腾。此处提供所需处理参数的具体范例。
另据发现，随着注量增加至超过熔化金属基板的熔化阈值，激光波长阶上和相对激光器偏振定向的微结构会通过若干连续重叠脉冲而形成，其表面颜色会因化学反应而发生变化。增加能量密度会进一步重铸平滑沟槽结构上的微结构。在更强的能量密度中，仅会产生平滑的沟槽结构。另据确定，光斑强度的空间分布是该方法的另一重要特征。
该制造方法包括重复以下步骤：(1)通过激光器发射的一系列重叠脉冲照射反射性金属基板表面上预定的打标位置，形成刻度。每一光脉冲会对被1/e2直径限定的光斑区域施以小于约1焦耳每平方厘米的能度密度，和(2)按照一定的位移改变激光器和基板的相对位置，该位移定义基板上用于创建下一度盘刻度的下一打标位置。对于线性度盘，所有刻度线大致平行，并总体垂直于度盘的长轴方向。该金属基板可以是镍基金属合金(如Invar
Figure G200680038039601D00061
或Inconel
Figure G200680038039601D00062
品牌)，也可能足够薄和细长，以便形成柔性带状。该方法还可用于制造带有放射状延伸刻度的旋转度盘。
至少在一项实施例中，通过激光脉冲照射基板而形成一个结构，每一脉冲具有：范围为约10-40纳秒的脉冲宽度(在半峰处测量)，能量密度范围为约0.1-1J/cm2的光斑分布(以1/e2直径测量)，并且，至少有些脉冲在空间上重叠10-50次，脉冲的产生速率约为100kHz或更高。在至少一项实施例中，形成一种可产生光学衬比至少为4∶1的沟槽状结构。激光脉冲会在与该结构的长度成0或约90度的方向上进行非圆形偏振。
人们熟知的带传输***经常采用压带轮和多种机械控制带张力的方法。这些方法很适合用于较低准度的带传输应用，其中，轮半径、球轴承特征以及与导向轮的机械摩擦的细微变化产生的误差很小，因而在此类应用中可不予考虑。然而，在制造精密计量度盘这一精密划线工具时，要求具备更高级别的精准度，所述精准度仅可通过消除写入过程中任何主要的机械摩擦源方可获得。例如，所需的规格是整个柔性金属带之卷轴的绝对节距准度为10微米/米(10um/m)或以上，长度一般是30米或以上。另外，在带上写入时，应当保证短期和长期持续时间的精准度。在设计照射基板以制造此类精密计量柔性带状度盘的高速***时，尤其应考虑这些和其它相关问题。
一方面，本发明公开一种加工具有柔性基板的工件的***和方法。该***包括一种受控引起与基板材料相互作用以对该材料施以影响的工具，和一个由空气轴承支撑的旋转写入轴，该旋转写入轴用于相对于该工具定位柔性基板。在至少一项实施例中，该工具包括一个撞击基板材料并修改该基板之物理属性的脉冲激光器。
一方面，本发明公开的工件是一种柔性计量带状度盘，该度盘至少局部应由金属制成。该度盘包含具有光学衬比的第一和第二表面区域。将第一和第二区域区分开的边缘处的尺寸差异大大小于该结构的宽度。该结构的表面轮廓可包括扩展至环绕该结构的表面区域之平均高度以上的凸出材料部分，以及该环绕表面区域平均高度以下的锯齿状材料部分。凸出和锯齿状材料部分的面积可能大约相等，其中，在该结构的组成过程中，材料因熔化而发生位移，其中大大避免了该结构的材料喷射。因此，基材的位移形成光学衬比，但位置的材料数量也没有大到足以导致形成形状不良、混乱且会削弱计量度盘之可读性的结构。举例说明，一个度盘包含节距为20um的结构，其特征为，第一和第二表面区域具有光学衬比，第一和第二表面区域的相对深度小于约1.5um，并且第一和第二表面区域沿该结构长度方向的边缘偏差不超过约1um。更大或更小的节距结构可能具有比例性结构尺寸，如10um的节距更浅，40um的节距更深。
尤其特别的是，计量度盘可以是一种包含金属基板的反射式度盘，所述金属基板上带有反射性表面，其中，度盘图案包括被基板反射表面区域包围的许多细长的并行刻度。在一实施例中，每一刻度一般都具有沟槽状截面，中心区域低于基板表面的平均高度而外部两侧的***区域高于基板表面的平均高度，其中，中心和外部***区域将刻度深度定义在约0.5um至约2um之间。
本发明公开一种通过上述方法制造的计量度盘和一种用于执行该方法的***。在一实施例中，该计量度盘可以是一种反射式衍射光栅。
一方面，本发明公开一种用于在一种柔性金属基板上制造计量度盘的***。该***包括一个用于修改基板材料以形成度盘刻度的可控能量源；一个由空气轴承支撑的旋转写入轴，该旋转写入轴相对于可控能量源发出的能量撞击基板的位置进行基板定位；和至少一个耦合至该写入轴和可控能量源的控制器，该控制器用来协调并传输发射能量至基板。
至少一项实施例包括一种在柔性基板上制造计量带状度盘的***。该***包括：一个脉冲激光源；一个接收激光源能量并将能量传输至基板的光束传输***；一个介于输入轴和输出轴之间的精准写入轴(每一个轴由各自的空气轴承支撑，同时每一轴也至少支撑基板的一部分)；一个或多个探针，用于监控至少一项与能量射束撞击基板的位置相关之参数；和至少一个控制器，基于至少从一个或多个探针获得的信息对基板移动和传输激光能至该基板进行协调。
在至少一项实施例中，该旋转写入轴引起基板和基板上激光能入射位置间的相对位移；该轴会保持固定(相对于基板)，并会在激光能传输至基板很早之前和之后与基板保持紧密的热量和机械接触，以通过基板散热。该***还进一步在写入轴上包括一个实心筒，用于固定基板并散发加工时产生的过多热量。
该***还可以包括一个支撑柔性基板的输入卷轴和一个耦合该输入卷轴且可转动地支撑该输入卷轴和基板的进给轴；输入轴由空气轴承支撑且可***作用于传输部分柔性基板至写入轴。
该***还可以包括一个支撑柔性基板的输出卷轴和一个耦合至输出卷轴的输出轴；输出轴由空气轴承支撑且可***作用于在激光能被传输至基板后接收部分柔性基板。
至少一个耦合至每一个轴的相应轴编码器产生一个与该轴的移动相关的信号，以通过至少一个控制器控制该轴的移动。
所述至少一个控制器可提供一个控制信号，以回应被感测到的来自写入轴的信息，例如与至少一个写入轴相关的轴位置、速率、加速度或扭矩信息。
该***还可以包括一个非接触式半径测量探针，用于测量写入轴表面以探测写入轴半径内的至少一处偏差，还用于探测包括写入轴半径和由空气轴承所支撑的基板部分的厚度在内的一处偏差，以及用于提供与至少一个半径相关的信号。
该半径测量探针可包括由一个低热膨胀系数的构件耦合的第一和第二电容传感器，例如INVARTM，其中第一个传感器用于感测靠近轴中心的表面，第二传感器用于感测一个表面，从该表面上可以开始测量轴半径以及由轴所支撑的带，其中，第一和第二探针发出的信号提供高稳定性的差分半径测量。
该半径探针可在照射某一部分之前的时间间隔内，以及该部分通过写入轴被定位过程中，感测表面。
控制信号可从半径测量探针为补偿可能与撞击基板的能量射束位置相关的短期和长期变化而提供的信号中获得。
在至少一项实施例中，至少一个探针可包括一个温度探针、半径传感器、多个光学编码器或单独一个光学编码器。
在至少一项实施例中，每一个轴都可被连接至一个对应的轴控制器，其中每一控制器在速率控制模式下运行，并产生该轴的典型输出速率，还会产生驱动该轴的传动马达的典型输出扭矩。
至少一项实施例可包括一种用于估计写入轴和该轴支撑的带的组合半径的方法，和一种在基板移动过程控制基板张力的方法(可与该估计方法相联系)。
至少一项实施例包括一种在柔性基板上制造计量带状度盘的***。该***包括：一个脉冲激光源；一个接收激光源能量并将能量传输至基板的光束传输***；一个介于输入轴和输出轴之间的精准写入轴(每一个轴由各自的空气轴承支撑，同时每一轴也至少支撑基板的一部分)；一个非接触式半径测量探针，用于监控与能量射束撞击基板的位置相关之轴半径；和至少一个控制器，基于至少从一个或多个探针获得的信息对基板移动和传输激光能至该基板进行协调。该计量度盘通过以激光脉冲照射柔性基板制作而成，每一脉冲具有：范围为约10-40纳秒的脉冲宽度(在半峰处测量)，能量密度范围为约0.1-1J/cm2的光斑分布(以1/e2直径测量)，并且，至少有些脉冲在空间上重叠10-50次，脉冲的产生速率约为100kHz或更高。在至少一项实施例中，形成一种可产生光学衬比至少为4∶1的沟槽状结构。激光脉冲会在与该结构的长度成0或约90度的方向上进行非圆形偏振。该非接触式半径测量探针用于测量写入轴表面，以探测写入轴半径的至少一处偏差，还用于探测包括写入轴半径和轴上所支撑的基板部分的厚度在内的偏差，以及用于提供与至少一个半径相关的信号。该半径测量探针可包括经一个低热膨胀系数的构件耦合的第一和第二电容传感器，例如INVARTM，其中第一个传感器用于感测靠近轴中心的表面，第二传感器用于感测一个表面，从该表面上可以开始测量轴半径以及由轴所支撑的带，其中，第一和第二探针发出的信号提供高稳定性的差分半径测量。由此所得的计量度盘具有10-50um的公称节距，每一节距准度约为10um/m或更高，以及足可用于光学编码器的充足光学衬比。
附图说明
为了更好地理解本发明之前述及其它对象、特征和优点，参见本发明之具体实施例的说明。如附图所示，同样的参考文字在所有不同视图内指代相同部件。附图并非仅仅针对度盘，而是旨在强调说明本发明的原理。
图1是根据本发明之实施例的光学计量度盘之部分示意图；
图2是用于制造图1所示度盘的一种基于激光的***的示意图；
图3是利用图2所示***制造图1所示度盘之方法的流程图；
图4(由图4(A)和4(B)组成)是在图3所示方法中激光束可遵循的两种可选图案的示意图；
图5是图3所示方法中激光束光斑强度的空间分布示意图；
图6(由图6(A)和6(B)组成)是图5内激光束光斑部分沿X方向和Y方向强度轮廓示意图；
图7是图5内激光束光斑强度的近似时间分布示意图；
图8是利用图3所示方法制作的度盘刻度的示意图；
图9(由图9(A)至9(J)组成)是一组利用光学显微镜和明场照明获得的显微镜图像，这些图像是基板上的示例度盘刻度的截面图，所述度盘基于各种激光参数，采用图2和图3所示的方法和***制成；
图10(由图10(A)和10(B)组成)包含图9所示的一个度盘截面的图像(通过原子力显微镜获得)和度盘刻度线交叉形状示意图；
图11是图9所示度盘截面之一的图像，通过原子力显微镜获得，说明度盘刻度的纵向形状；
图12是图9所示度盘截面之一的图像，通过扫描电子显微镜获得；
图13是度盘刻度范例的交叉形状和相关尺寸示意图；
图14是图9内几个度盘刻度范例的激光脉冲强度(辐照度)与交互时间的对照图；
图15是图9内几个度盘刻度范例的激光脉冲强度(辐照度)与激光脉冲能量密度(注量)的对照图；
图16(包括图16A和16B)包括图9内通过扫描电子显微镜获得的两个度盘截面图像；
图17是采用两个光源照亮单个磁轨的光学编码器示意图；
图18是图17内光学编码器度盘基板的布局示意图，采用类似于图2和3内的***和方法所形成的深色区域；
图19是工件加工***内几个组件的结构图；
图20是激光加工***内几个组件的结构图，该激光***加工柔性工件以形成计量带状度盘；
图21是通过图20内的***形成的计量度盘的局部视图；
图22进一步详细说明图20所述***的一部分；
图23说明向图20所示***内的光学扫描仪和脉冲激光器提供的典型命令信号；
图24是根据已公开的度盘制造方法，带状度盘在写入轴上移动，从而形成单个刻度的示意图；
图25是图20所述***的结构图，详细显示实时控制器和材料处理***内的轴之间所用的信号；
图26是图25所示***的写入轴部分的近视图；
图27是显示图25所述实时控制器的总体结构和功能的结构图；
图28是图27所示实时控制器所采用的轴速控制器的结构图；
图29是图27所示实时控制器的半径估算器示意图；
图30是图27所示实时控制器的张力控制器示意图；
图31是图27所示实时控制器的扫描控制器示意图。
具体实施方式
下述说明所用术语带有简要说明，旨在解释而非限制。本说明所指之“混沌”结构中，“混沌”一般指一种可观测结构，其特征在于，在激光撞击位置形成无组织或混乱的物质混合物。举例说明，该混沌结构可以是具有不规则外形和不同反射率的已熔化的物质集合。举例说明，“非混沌”或“结构良好”可以是一个具有光滑的可测量空间轮廓，或具有准周期空间轮廓的区域，并且在既定方向上具有颜色均匀的规则区域。“沟槽”或“沟槽状”结构具有相对于周围平面相对较长和窄的浅层凹陷形状，有时呈U形或V形截面。“能量密度”和“注量”是一组同义词，指撞击目标位置的每单位面积的能量，计算方法说明如下。除非另有说明，本计算所用能量和光斑直径与光斑(或光束)强度分布的1/e2(峰值强度的13.5％)直径相对应，所述光斑(或光束)可以是椭圆高斯光束。脉冲“重复率”或“重复频率”指每秒的脉冲数，单位通常为Hz。例如，10kHz指每秒10,000束脉冲。相应的时间脉冲间隔是脉冲重复率的倒数，一般指两个连续脉冲间的时间间隔(即可被认为是“瞬间”重复率的倒数)。同时还对分离具有光学衬比表面区域的“边缘”的含义进行了解释。边缘由一条线或反射比发生急剧变化的狭窄区域所定义。例如，在反射比的可测量的变化与最大值相对应的地方便可认为是边缘。
现在参照图1，一个线性计量度盘10包括一个金属基板12，在该金属基板上已形成大量细长的线性度盘刻度14。该基板12是镍金属合金，如Invar
Figure G200680038039601D00121
和Inconel
Figure G200680038039601D00122
品牌。在一个实施例中，该基板12可以是柔性带或其一部分，其中在替代实施例中，该基板12基本上可为刚性。度盘刻度14通常包括通过基于激光的方法形成的浅层表面锯齿，如下所示。在一些实施例中，刻度14包括锯齿部分和凸出部分的“微结构”，可能呈现为***线或波浪形表面。在某些实施例中，可能会形成沿某一方向具有接近周期性表面粗度的波浪形表面部分，例如，沿度盘结构的长或宽方向。度盘刻度14在基板12上交叉错杂的未加工表面区域16提供所需的高光学衬比。该衬比通过一方面改变由度盘刻度14的轮廓导致的定向反射率，另一方面由于激光加工导致度盘刻度14的表面颜色变化得以实现，下面对此作更详细的说明。
图1还显示一组坐标轴18，以便在下述说明中指明度盘10的方向。Y轴方向沿平行于度盘刻度14的方向延伸；X轴沿垂直于度盘刻度14的方向横穿度盘10；Z轴从基板12的表面向外延伸。
图2显示可用于制造图1所示度盘10的装置。基板12置于工作面20上，可在加工过程中将基板12固定到位。工作面20可能还要使基板12相对于其余加工装置移动，例如，沿X轴方向移动基板12以形成间隔度盘刻度14。基板的移动可通过采用合适的位移机制来实现，如用于定位刚性基板的平移或旋转机制，或通过用于定位柔性基板的相应带输入、写入和卷取轴，或其它合适机制，如下述说明。
激光器22结合光束传输***24在基板12上形成度盘刻度14。光束传输***24接受来自激光源的能量(称为入射光束26-1)，通常会改变激光能量的空间和/或时间分布，并有选择性地将激光能量(称为输出光束26-2)导向基板12。例如，光束传输***可包括一个变形光学***，该***可形成具有所需长宽比的椭圆截面的光束26-2。该光束传输***24还可包括检流计驱动的反射镜或相似装置，用于转向(偏转)入射光束26-1以形成导向至基板12的输出光束26-2，并在加工过程扫描Y轴方向的输出光束26-2以形成每一度盘刻度14。该光束传输***24还可包括一个计算机控制的调制器，如声光调制器，用于选择待传输至基板12的激光脉冲并控制输出光束26-2的能量。该光束传输***24通常还包括一个聚焦子***(优选地具有接近衍射极限的性能)，可聚集脉冲激光束以在基板12表面形成光斑强度分布。进一步详细说明如下，将一系列激光脉冲应用至基板12表面，形成度盘刻度14，这些脉冲沿Y轴方向重叠，每一脉冲至少有一个对应的聚焦光斑强度分布。激光器22和光束传输***24的操作以及工作面22的移动(如适用)的操作，都由控制电路28控制。
在激光加工物质过程中使用椭圆光斑形状是该领域的已知方法。美国专利6639177和6777645均提供范例，其中图13a-13c显示了三个序列的椭圆光斑。图13a所示为用于带有圆角的目标物体的第一系列；图13b所示为用于带有方角的目标物体的第二系列；图13c所示为第三系列，用于在目标物质上加工一系列平行线。一般情况下，在椭圆光斑被用于制造诸如刻度14之类的细长刻度时，物质的加工速度会提高。
图3说明制造度盘10的总体流程。在步骤30，控制电路28促使激光器22和光束传输***24使用一系列脉冲，以高脉冲重复率照射基板12的表面。沿Y方向同步扫描来自激光器22的输出光束26-2与脉冲，以使脉冲按所需数量重叠，下面将对此作更详细的说明。若要实现该扫描，光束传输***24内的光束偏转装置在控制电路28的控制下扫描光束26-2。在图3所示的步骤32内，控制电路28会引发输出光束26-2(现在已被清除、削弱或阻止)的路径和基板12沿X轴方向相对移动，以将激光束导向下一待制作的连续度盘刻度14位置。如以上所述，为在基板12上形成每一度盘刻度14，需不断重复步骤30和32。
在步骤30内，光斑重叠数量和每一度盘刻度14的脉冲数量会因多种因素而有所不同，其中包括每一度盘刻度14的所需长度、基板表面上光斑光束的有效直径、基板表面上光斑光束内的能量分布，以及所需度盘刻度14的特性(如深度和颜色)。以下是几个具体范例。脉冲重复率主要影响整个流程，即在基板12上形成度盘刻度14的速率。举例说明，现代Q开关型二极管泵浦固体激光器22就可以最高速率形成几十至几百kHz的脉冲。应了解，在任何特殊的加工过程中，脉冲速率会因脉冲需与光束传输***24的扫描同步，而低于激光器的最高速率。另外，激光器22可以接近其最高速率的速率操作(与输出脉冲宽度和能量要求一致)，同时，光束传输***24内计算机控制的调制器也可用于选择脉冲。另外，光束26-2沿Y轴方向的扫描和工作面20上光束26-2沿X轴方向的相对移动之间，可能还需要进一步同步，并且此类同步可能会影响脉冲速率的选择。
图4说明可能被采用的两类不同扫描和沿X轴方向的移动图案。图4(A)说明所有度盘刻度14都是通过沿同一方向进行扫描而形成。在该范例内，在完成既定的刻度14时，有必要在沿X轴移动时，沿着Y轴方向“回扫”激光束(在消失时)，以将光束26-2带至下一刻度14的开始位置。图4(B)所示为一替代实施例，其中涉及在相反的Y轴方向扫描交替行，以便无需在刻度14间回扫光束26-2。一般情况下，图4(B)的替代方法可提供更高的加工产量。
图5-6依据一项实施例，说明基板12表面上光束26-2的空间外形和强度轮廓。通过图5可以看出，光束26-2形成一个椭圆外形光斑34，其长宽比接近4∶1。阴影表明相对强度，如图6所示。图6(A)显示相对较窄的X轴方向强度轮廓，图6(B)显示较宽的Y轴方向强度轮廓。该轮廓在此被称为“高斯轮廓”(Gaussian)。峰值强度以PK表示，并同时标明了PK/2和PK/e2的数量。针对X和Y轴方向，PK/2处的脉冲宽度以“半峰光束宽度”(BWHM)表示。PK/e2处的光束宽度则被简单表述为“光束宽度”或BW。PK/e2处的光束宽度以ISO标准的ISO/TR 11146-3刀口测量法进行测量。
图7显示光斑34强度的时间分布，其特征在于半峰值(PWHM(T))处的时间脉冲宽度和被定义为2*PWHM(T)的时间脉冲持续时间PW(T)。以下提供几个具有不同脉冲持续时间PW(T)的范例进行说明。
此处，光斑34是一个椭圆照射区域，是形成特定刻度14所用的一系列重叠光斑之一。在一实施例中，光斑34分别具有接近20um和60um的空间尺寸BW(X)和BW(Y)。更常见的情况是，椭圆光斑的长宽比可介于约2∶1至6∶1间。尤其在与激光器22高重复率结合时，椭圆光斑可为度盘10提供更快的生产速度。然而，在替代实施例中，也可采用其它光斑形状，如圆形。
图8是在脉动和光束26-2沿Y轴方向扫描作用下的刻度14示意图。每一曲线36表示单束脉冲光斑34在基板12上撞击形成的椭圆区域的一端，连续曲线36表示光斑34在激光器22脉动和光束传输***24同步Y轴方向扫描的作用下形成的连续撞击区域。如图所示，重叠量38分割该连续撞击区域，下面提供范例说明。同时显示的还有标记宽度39，在该实施例中为10um。
在一个范例内，1.5瓦特的激光输出光束26-2在基板12表面约进行1750次脉动处理，以通过约100次的重叠(即，以等于光斑高度PW(Y)的1/100的重叠量39)完成约一毫米长的刻度14。因此，可以约50-80条每秒的速度制造一毫米长的度盘刻度14，即，以重复率为175kHz的1750束脉冲和至下一开始位置的回扫进行制造。
若要形成刻度14，通常须传输一定数量的能量，以通过脉冲形成熔化金属薄膜，避免产生金属混沌分布。因此，不应出现金属喷射或沸腾的情况。下述红外(IR)激光器在1/e2直径上的脉冲能量约为0.5至1J/cm2，当脉冲速率在100kHz(优选100至200kHz)以上时其重叠光斑数约为50至100。使用该红外(IR)激光器，可在没有镍涂层的合金(如Inconel
Figure G200680038039601D00151
、不锈钢等)上形成形状良好的结构。
图9显示通过多种加工参数制成的多组度盘刻度14图像。其中的刻度约10um宽，节距间隔约为20um。这些图像都是通过使用明场照明的显微镜获得的。形成该结构所用的激光器为Spectra Physics BL6红外(IR)激光器，适用于在红外线波长为1064nm时脉冲持续时间为5至50ns的高速操作(100kHz及以上)。可采用SpectraPhysics出售的“V-XTREME”激光器作为替代激光器，该激光器可在500kHz下操作。使用一种基于检流计的X-Y反射镜***偏转激光束，该***型号为6450，由剑桥科技(Cambridge Technologies，地址：麻萨诸塞省剑桥市)制造。对于此类范例，其中的基板材料为Inconel
Figure G200680038039601D00152
625。这是一种具有良好机械性能(用于线性光栅)、高硬度、良好的抛光度和盘绕性的镍合金。该材料的近似组成如下：
镍        60％
铬      20％
铁      5％
钼      10％
其它    5％
指定打标之前的基板表面粗度Ra为不大于1微英寸(.0254um)。Ra指表面粗度的“算术平均值”，是表面粗度的多个可用参数之一。将Ra定义为在评定长度上表面粗度轮廓的绝对值积分，因此省略其中的粗度符号。
图9所示范例的加工参数如下表1A和1B所示。以图9的(A)至(J)指代范例。使用下列行标题：
偏振             激光束偏振方向
PWHM(T)          半峰功率点间的脉冲宽度(持续时间)
交互作用时间     PWHM(T)值的两倍；近似总脉冲持续
                 时间
Eavg             交互作用时间内的平均光束照度(兆瓦
                 特/平方厘米)
favg             交互作用时间内的平均光束注量(能
                 度)(焦耳/平方厘米)
脉冲速率         照射基板的脉冲重复率(单位为kHz)
激光功率         激光平均功率设置(瓦特)
能量/脉冲        单束脉冲能量(微焦)
光斑尺寸         基板上的光斑尺寸(以ISO 11134刀口
                 测量法在峰值强度为1/e2时测得)
脉冲重叠         重叠的脉冲数目，以脉冲速率乘以光斑
                 尺寸Y方向尺寸，再除以速度计算得
                 出
速度             Y轴方向扫描时的光斑线性速度
表1(A)
  标签   A   B   C   D   E
  偏振(电场)   X   X   X   X   Y
  PWHM(T)(ns)   8   11   100   2.5   14
  交互作用时间(ns)   16   22   200   5   28
  E avg(MW/cm2)   148   71   16.5   2804   42
  f avg(Joule/cm2)   2.34   1.56   3.3   14.0   1.17
  脉冲速率(kHz)   50   75   10   5   100
  激光功率(Watts)   1.25   1.25   0.030   0.750   1.25
  能量/脉冲(uJoules)   21.6   14.4   2.6   129.7   10.8
  光斑尺寸(um)   19×62   19×62   10×10   19×62   19×62
  脉冲重叠   31   47   100   3   62
  速度(mm/sec)   100   100   1   100   100
表1(B)
 标签   F   G   H   I   J
 偏振(E区间)   Y   Y   Y   X   X
 PWHM(T)(ns)   23   23   32   14   14
 交互作用时间(ns)   46   46   64   28   28
 E avg(MW/cm2)   17   17   8.8   27   20
 f avg(Joule/cm2)   0.77   0.80   0.56   0.75   0.56
 脉冲速率(kHz)   175   175   250   100   100
 激光功率(Watts)   1.45   1.50   1.5   0.80   0.600
 能量/脉冲(uJoules)   7.2   7.4   5.2   6.9   5.2
 光斑尺寸(um)   19×62   19×62   19×62   19×62   19×62
 脉冲重叠   109   109   155   129   62
 速度(mm/sec)   100   100   100   48   100
范例A和B通过在很短交互作用时间内传输的过多脉冲能量形成的大块冷冻金属喷射结构，展示“沸腾”和“冻结”的效果。其中的度盘刻度结构混沌而不规则，这被认为是加热基板至其熔点以上所致。此类刻度线的粗糙边缘会产生不明显的光栅，因此，这些范例不适用于高分辨率光学编码器，因为它们会在反射的光学信号内生成噪音。这些范例表明一种此处所指的“撕裂”，它是由大量脉冲注量过度干扰材料表面导致的不均匀纹理。该撕裂被认为是一种不同于下述规则的微结构的现象。
范例C采用显著降低的激光功率(0.030瓦特)和更长的交互作用时间(200ns)，以及更大数目的重叠脉冲。其中，光斑外形为圆形，总体脉冲能量与范例A和B接近。从图9C可看出，尽管确实存在交叉条纹，度盘刻度14是相对较深的凹槽，没有图A和B内出现的混沌。范例C的刻度也呈深棕色。范例C的制造方法速度缓慢，因此，从生产角度看可能不切实际。另外，使用时深色区域的均匀性也不是最佳。
范例D在非常高的脉冲能量和相对较短的交互作用时间内制成，仅有两束脉冲重叠。该范例基本不含微结构，而是具有庞大和不均匀的“撕裂”。因其不均匀性和其标记与周围未加工基板间相对较差和/或嘈杂的光学衬比，这一范例可能不适用于光学编码器。
范例E至G具有偏差不足1um的高质量边缘清晰度，并提供优越的光学衬比，且降低了范例F和G微结构区域的反射率。这些刻度具有独一无二的优异边缘质量和良好的流程控制，以及提供金属、化学反应引起的平缓颜色变化和进一步改变至少一项基板光学特性(如定向反射)之微结构的能力。该微结构具有近红外线波长阶上的表面变化，通常会分散入射光线，因而可提供更高的衬比。范例E说明带有少量微结构和少量颜色变化的相对平滑的“沟槽”结构(说明如下)。在范例E内，激光偏振为“纵向”，即与刻度14平行。范例F和G以更低的脉冲注量和更高的脉冲重叠制成，范例F内为纵向偏振，而范例G内为横向偏振。沟槽化和棕色化也十分明显，微结构遵循偏振方向。
范例H也具有纵向偏振和稍低的脉冲能量，呈蓝色。
范例I与范例G相似，但却是在更高的照度级别下形成的。范例J表明，在低注量和照度约为20MW/cm2时，会发生棕色化和微结构化，同时具有最轻微的沟槽化。在一些无需深层结构的情况下，这些更平整的结构可能有用。
总体来看，脉冲周期不足10ns并且脉冲注量大于约1J/cm2时会导致金属沸腾和喷射，产生如范例A和B所示的粗糙形状。如其它范例所示，在照度低于约为50MW/cm2并且重叠光斑大于25时，可消除混沌行为，形成平滑的***线和沟槽结构。从下述通过原子力显微镜(AFM)对这些范例的分析可以看出，几乎没有材料被移除，而是从刻度中心重新定位至刻度侧面。最后所得结构可与感应衬比的衍射编码器很好地配合使用。人们认为，这些结构轴上反射率的降低是(至少部分上是)沟槽外形所致，该沟槽外形会将光线从轴上传感器的狭窄视角范围反射至别处。这是性能良好的范例的典型基础结构，下面将对此作更详细的说明。
另外，当照度从约10MW/cm2增至50MW/cm2，而且脉冲重叠数目也增加至约50或更高时，就会出现附加现象。首先，材料会出现表面呈棕色且反射率进一步降低的区域，这是提高刻度和周围未经加工的基板间的光学衬比所需的条件。另外，在沟槽-***结构的棕色表面上会形成可漫反射光线的微结构。据观察所知，当脉冲注量介于2至3J/cm2时，该沟槽结构会延展至BW。在注量低于约1J/cm2而且Eavg约为50MW/cm2或更低的情况下，沟槽宽度大约等于与光斑的BWHM(X)尺寸。后者是更优选的加工点，因为照度对光束宽度曲线(图6A)的坡度越陡，对于表面吸收的束流功率的既定变化而言，刻度尺寸变化就会越小。
图10是一幅原子力显微镜图像，用以说明图9内范例G的剖析图。在图10(A)的图像内，颜色较深区域40表示沟槽状刻度14更深的中心区域；颜色较浅区域42表示刻度14的外缘；中等深度颜色区域44表示刻度14间未修改的表面区域16。图10(B)说明截面起伏。可以观察出，外缘区域42实际高于未修改的表面区域16。该工序的特性只是诱使表面区域熔化以形成刻度14，很少或没有材料将从基板12移除。相反地，材料从颜色较深区域40表示的较深区域移至颜色较浅区域42表示的外缘区域。较深区域42至较高边缘区域44的峰-峰距离46约为2.0um或更小。
图11是范例G的另一幅原子力显微镜图像，该图像提供其中一个刻度14的近视图，显示为从左上方向右下方倾斜。上述所指“微结构”显示为一组可见的横向***线48，由交替的明暗带表示。***线48的周期或节距约为1um，峰-峰高度位于30nm阶。人们认为，***线48是由于激光束在工作面的干扰而引起的一种选择性吸收现象，具体说明见Buerle所著“Laser Processing and Chemistry”(《激光加工与化学》)一书内第28章关于“Instabilities and Structure Formation”(不稳定性与结构形成)的部分。这些微结构还会受到如范例所示的激光线性偏振的影响。圆形偏振会产生少量微结构。
图12显示图9内范例E的扫描电子显微镜(SEM)图像，该图像显示刻度14所需的规则性和光滑笔直的边缘。图13说明这些刻度的交叉尺寸，其中包括反射性未加工区域44和刻度的反射率较低的中心区域40和边缘区域42。图13还显示出刻度宽度与激光束宽度间的关系。如前所述，在较佳范例内，刻度14宽度约等于光斑34的BWHM。
图14是一副表示图9内范例(A)至(J)光斑强度或照度(单位MW/cm2)与交互作用时间(单位ns)对照的数据点图表。这些数量的产物是总能量密度或注量(单位J/cm2)。50、52和54三行分别表示0.5J/cm2、1.0J/cm2和2.0J/cm2的等注量线。
图15是相同范例的照度与注量对照图表。低于约1.4J/cm2的注量会生成平滑的沟槽结构，而更高的注量会生成更加混乱的撕裂状结构(撕裂)。人们认为，带有“有用”标签的方块内的范例(包括范例C和E至J)对于制造光学编码器的光栅或其它光学元件十分有用。其中，范例C、F、G、I和J显示棕色变化和沟槽上与偏振相关的微结构。这些范例的照度范围是10至40MW/cm2。范例H的照度约为9MW/cm2，显示为蓝色。
人们进一步认为，标注为“较好”的方块内的范例作为光学度盘刻度可提供更好的性能，这主要归功于它们与范例C的撕裂状相比所具有的光滑度。在这些“较好”范例内，范例F、G、I和J被认为是最佳范例，因为与相对未着色范例E和蓝色范例H相比，它们提供了所需棕色变化。不同激光器产生的其它激光特性组合也会产生此类所需的效果。例如，交替波长可具有不同吸收特性，并在不同的注量和重叠的情况下产生不同的结果。
图16(A)和(B)分别显示图9内范例G和E的SEM图像。这些图像显示刻度14可能发生的变化。具体讲，范例G(图16(A))的刻度14包含微结构***线48，而范例E(图16(B))的刻度14相当平滑，基本上没有微结构。
该公开技术的优势之一是具有获取笔直长边的能力，该长边的笔直度变化在节距的小片段内，如刻度14宽度的10％。另外，还可形成刻度14，该刻度具有小于约1.5至2um的相对均匀的深度。另应了解，该公开技术优选地采用非电镀镍基基板12(如Inconel
Figure G200680038039601D00201
或Invar
Figure G200680038039601D00202
)以及低于约1J/cm2的脉冲能量。利用该公开技术制作的结构具有高度耐用性以及抗化学物品性和磨损性。
本发明公开的技术可应用于较小或较大光束光斑。在任何特殊激光加工***内，最小光斑尺寸通常由光束传输***24的聚焦能力确定，而最大光斑尺寸则由激光器所需的功率密度和最大功率确定。一般可通过增加光束光斑宽度获得更宽的刻度14。然而，若要获取近似的功率密度，则要求激光器功率相应增加，因此，根据最大激光器功率，刻度14宽度存在实际限制。作为一种获取更宽刻度14的替代性方法，可直接制作多个彼此紧挨的较窄刻度，从而无需干涉的未加工区域16。该加工方式的一个范例如以下所示：创建“深色区域”以增强光学编码器的多轨光栅。
图17说明采用可被单独感应的多轨光学编码器的一种配置。该编码器包括一个置有两个光源52-1与52-2(如垂直空腔表面发射激光器(VCSEL))和相应探测器54-1与54-2的基板50。基板50放置在反射式度盘基板56对面，在该基板上已形成单独度盘/光栅或其它光学组件。该基板56范例参照下面的图18进行说明。
图17还显示两个光路58-1和58-2，来自相应光源52-1和52-2的光线分别经光路到达相应探测器54-1和54-2。尽管光路58-1和58-2是光源52-1和52-2所发出光线的主要传输通道(尤其对于具有高度定向性的VCSEL光源而言)，来自光源52-1和52-2的光线在偶然情况下也可经过其它光路传输，包括从光源52之一到非对应的探测器54的光路。图17中，显示在60的范例是一条从光源52-1至探测器54-2的光路。通过光路60传输的光线是“光学串扰”的一个范例，其中，一条刻度磁轨的操作会因另一磁轨(尤其是其它磁轨的光源)的接近而受到不利影响，如降低受影响磁轨的光学信噪比。
图19是***内几个用于处理具有柔性基板工件之组件的结构图。举例说明，本***可用于通过一系列激光脉冲照射基板表面以形成具有光学衬比的刻度线，从而组成柔性计量度盘，下面对此作更详细的说明。
该工件加工***包括一个用于移动拉伸的柔性工件92′经过工具94′的材料处理***90′，其中，工具94′执行工件92′所需的加工操作，下面给出示例。该材料处理***90′包含三个旋转轴：一个进给轴96′、一个加工轴98′和一个卷取轴100′。在加工过程中，工件92′从进给轴96′移出，经过加工轴98′，并在此与工具94′相互作用，然后进入卷取轴100′。工件92′上相互作用的区域被称为“工作区域”。在图中所示的实施例中，加工轴98′顺时针旋转(如图所示)，进给轴96′和卷取轴100′都逆时针旋转。工具94′和材料处理***90′的操作由实时控制器102′控制，该控制器又从一台主机计算机(主机)104′接收操作参数和更高级别的控制。可使用一个或多个传感器106′对可能影响某一特定位置的至少一项参数进行监控，其中，工具94′在该特定位置与工件92′相互作用，并向实时控制器102′提供反馈信息，以实现工件92′的准确整体处理。
以下主要说明在此被称为“带”的拉伸金属基板形式的工件92′，以及将该带加工成带有对比刻度线的精准计量带状度盘过程，尽管很明显在至少一个子***内存在更广泛的应用，如图19所示。本***还可用于其他工件加工用途，在这些应用中，能量传输***或其他类型的工具94′会可控性地修改、与之相互作用或以别的方式影响工件92′的物理属性。例如，工件材料可被清除、熔化、退火、刻蚀或改变其化学属性，或者材料可被安置、粘合或粘附至工件92′上。***具有工件定位功能，可以以10um/m或更高的准确度加工工件，并且无论时间和温度如何变化，***都会按照需要的规格运行。
根据图20，一种制造符合本发明之实施例的计量带状度盘的激光***包括一个扫描激光束盒94，该激光束盒包括一个激光光源和一个可接收光源能量并将其导向加工区域的光束传输/扫描***(图中未显示)。该***还包括一个带有精准写入轴98的材料处理***90，该写入轴98在进给轴96和卷取轴100间移动一个柔性金属带92；一个或多个传感器106，该传感器用于监视至少一个会对来自激光束盒94的激光束在金属带92上的撞击位置产生影响的参数；一个与多个与各个***组件和主机计算机(主机)104通信的实时控制器102。更具体地说，实时控制器102包括一个光束盒控制器(光束控制)108和一个材料处理***控制器(材料处理控制)120。
图21显示的是依据已公开***和方法制造的带状度盘112的一段。带状度盘112包括在所示柔性金属带92上形成度盘刻度的刻度114。每一刻度114都由来自激光束盒94的一系列能量脉冲在带92从其下面移动时形成，连续刻度114通过以与带92经过写入轴98的移动速度同步的特定速度重复一组脉冲形成。利用表面光度仪测量时，刻度114会具有一个包含可产生如上所述光学衬比的锯齿部分和凸出部分的沟槽截面。刻度114还可能包含接近周期性的微结构，在光学波长的阶上有一个周期，这些微结构与非圆形激光偏振相关。图21还显示了一种下述说明中所用到的三维协调***。X轴正方向被设为带92在加工过程中的移动方向；Y轴正方向被设为与带92平面内的Y轴方向垂直；Z轴正方向被设为垂直且远离带92的平面，如图所示。
再次参见图20，在典型配置中，带92可以是一种连续的柔性材料带(如柔性金属带)，比如可为约6毫米宽和0.152毫米厚的金属带。在精准材料处理***90内，带92被缠绕在进给轴96上，从写入轴98上方传递，最后固定于卷取轴100。在操作过程中，通过控制进给轴96和卷取轴100的扭矩，间接控制带92的张力，说明如下。30米长的带可轻松应用于直径为200毫米的卷轴上。写入轴98控制带92的进给。传感器106优先包括一个或多个半径传感器，在加工过程中，当带沿着写入轴98的上弧部分移动时，测量带半径的偏差。下面对此作更详细的说明。该半径传感器为速度控制提供信息，因此通常对于控制刻度114的节距或间隔也有用。传感器106也可包含可选配的下游阅读器，以直接监视刻度114的节距或其他尺寸，以便进行校准或诊断或闭环实时控制，从而更正所需节距的低频率偏差。
图22显示了图20所示***的更多详情。带92被拉过写入轴鼓116并凭借摩擦力与之黏附，使其不会因图20所示的进给轴96和卷取轴100间的差分扭矩而滑脱。写入轴鼓116绕空气轴承120中的主轴118旋转，该空气轴承由低脉动发动机122驱动。举例说明，市售低脉动无刷发动机122是Airex5.5RBLT，可从爱瑞克斯公司(AirexCorporation，地址：新罕布什尔州多佛市，邮编：03820)，请参阅www.airex.com/products/rotary.htm)买到。另外，市售空气轴承120也可是普瑞泰克公司(PrecitechInc.，，地址：新罕布什尔州基涅市)生产的TRT150/200型号之一，该公司是标准和定制化空气轴承的生产商(www.precitech.com)。
轴鼓116的旋转速度通过一个编码器盘124和至少一个传感器126测量，该传感器又被称为“读头”。举例说明，编码器传感器126的型号可以是ModelS2150，由慧摩森电子***公司(MicroESystems，地址：麻萨诸塞州内蒂克市)(www.microesys.com)公司生产。可能还会用到一个或多个额外的传感器或读头127，说明如下。半径传感器128-A提供对轴鼓116和带92的总体半径的部分测量，下面对此作更详细的说明。半径测量用于补偿实时控制器102的某些操作造成的厚度变化和偏摆，下面对此作更详细的说明。
图20中的进给轴96和卷取轴100与写入轴98的结构相似之处在于：它们都有相似的主轴118、空气轴承120、发动机122和编码器盘124以及传感器126。
图22还显示光束盒94内的一些组件。激光器130发射与一个或多个被光束传输***接收并传输至带92的脉冲相对应的光束132。该光束132被投射至X扫描仪134，随后被反射至Y扫描仪136，可将光束132导向并穿过扫描透镜138，该透镜将光束132聚焦至带92上，形成光斑139。该X扫描仪134和Y扫描仪136可以是基于电流计的反射镜扫描仪，如由剑桥科技(CambridgeTechnologies，地址：麻萨诸塞州剑桥市)生产的6450型号。
激光束光斑139可呈以上所述以及美国专利6,777,645所指出的椭圆形，该形状是指定给本发明的专利权人的。
椭圆光斑可提供更高的材料加工效率。一般情况下，会使用变形光学***形成椭圆光斑。在图22所示的***中，该变形光学***包括一对互补式柱面透镜60和62。光斑139的X/Y长宽比约为4/1，然而其他比率在脉冲速率(如：＞20kHz，＞100kHz优选)，以及切割速度和所需脉冲重叠(如：10-100光斑重叠，以1/e2测量所得)发生相应变化后也可被使用。
在一实施例中，激光器130可以是SpectraPhysicsBL6激光器，该激光器适用于脉冲持续时间介于5至50ns并且红外波长为1064nm的高速(100kHz及以上)光线能量脉冲。该过程本身会产生热量，如几乎任何具有适当能量和光束外形的激光波长作用于如Inconel和其他镍基合金一样。例如，尽管如今红外波长更加实用，但绿色和UV激光器也可被用于这些材料。对于其他材料(如陶瓷类)，UV激光器可能更加合适，因为它们可更好地将能量耦合至基板。一般情况下，脉冲激光器通过Q开关、增益开关或模式锁定进行操作。然而，另一范例可以是MOPA***。尽管通过纳秒二极管泵浦、Q开关激光器可快速形成良好的结构，本发明可能会在***内采用其他激光器。此类激光器可以是超短激光器、准分子激光器以及类似的激光器。应考虑替代激光器和材料的吸收属性，以校准流程设置
至少在一项实施例中，通过用激光脉冲照射基板形成结构，每一脉冲具有：范围为约10-40纳秒的脉冲宽度(在半峰处测量)，能量密度范围为约0.1-1J/cm2的光斑分布(以1/e2直径测量)，并且，至少有些脉冲在空间上重叠10-50次，产生的脉冲速率约为100kHz或更高。在至少一项实施例中，生成一种可产生光学衬比至少为4∶1的沟槽状结构。激光脉冲会采用与该结构的长度呈约0度或约90度导向的非圆形偏振
图23显示的是为图20中光束盒控制器108的光束盒94的组件提供的扫描和激光脉冲控制信号，会显示以下信号：
Vsx    X扫描仪控制
Vsy    Y扫描仪控制
Vp     激光脉冲控制
每一刻度114的形成都经过一段周期，该周期包括使用激光脉冲形成刻度的间隔和“回扫”的简短间隔，在该简短间隔中，光束132被重新导向一个开始位置，形成下一连续刻度114。信号Vsx和Vsy的上升形状会影响标记时光束光斑139沿X和Y轴方向的扫描。Y轴方向的光束132的扫描负责形成刻度114的拉伸外形。X轴方向的扫描必需追踪带92，因为带92在形成一个刻度114时，会从写入轴鼓116上经过。在周期内的标记部分，光束132会被进行很多次的脉冲处理，这一点通过信号Vp内的垂直线表明。一般情况下，要求连续脉冲间的分隔充分小于光斑139的Y方向尺寸，即在该位置会有大量连续脉冲重叠。完成一个刻度114后，光斑139便会沿X和Y方向的反方向被扫描，已将其带至下一刻度114的开始点，在此回扫间隔，不会产生任何光束脉冲，信号Vp内以缺失垂直线表明这一点。在其中一个示例中，功率为1.5瓦特的激光器输出光束在基板表面被进行约1750次的脉冲处理，以通过约100次的重叠完成约一毫米长的刻度94(即重叠量等于光斑高度PW(Y)的1/100)。这样，可以以约50-80每秒的速度形成一毫米长的刻度114，即1750次脉冲，175kHz的重复和一次至下一开始位置的回扫。
可依上述方式控制光束盒(如光束盒94)扫描控制器在该领域内已广为人知，也可通过本发明专利权人的大量专利进行说明。例如，“用户友好型”X-Y扫描仪控制***可从本发明专利权人剑桥科技(CambridgeTechnologies)及其他人处获得，该***一般被集成至使用市售Q开关激光***的激光处理***，以及其他激光标记和材料加工激光器。许多***采用多种位移装置定位相对于激光束的工件。
虽然该图例中只显示了与所发射激光脉冲对应的单个光斑139，本发明的其他实施例中也可能使用其他组合。例如，可在时间或空间上***光束132，使之与带92的移动相协调，以生成多个脉冲。此类组合可有效增加脉冲重复率或允许进行平行材料处理，这两者都可改善所需的效率(如：低重复率激光器的效率)。同样，也可采用多个激光器或光束盒。
图24说明了形成单个标记114时带92和光斑139的移动。在整个序列内，假设带92为以恒定速度沿X轴正向移动(在图24中向右方)。在图24(a)中，光斑139位于新标记114的起始端，该起始端被示为初始标记部分114-A。激光束132正被脉冲化处理并沿X轴方向和Y轴方向被扫描(如上所述)。在图24(b)中，光斑139现在大约位于其行程的中点，已形成了前半个标记部分114-B。在图24(c)中，光斑139位于其行程末端，标记114已基本上成为完整的标记114-C。此时，光束132的脉冲化停止，从而暂时清除光斑139，以便进行随后的折回，在该过程中，***控制图22中的扫描仪134和136，重新把光斑139引导至下一连续标记114的开始位置，如图24(d)所示。已形成完整的标记114-D。生成每一连续标记114时，将重复图24所示的流程。
应注意的是，为便于清晰说明，扩大了图24中相邻标记114的间隔。对于具有较小标记间隔的带状度盘(如图21中的带状度盘112)，光斑139沿Y轴方向移动和沿X轴方向移动的比率可能很高。
图25略微更详细地显示了图20中的***视图，特别显示了来自和发送到进给轴96、写入轴98和卷取轴100的各种信号。材料处理控制器110会为进给轴96、写入轴98和卷取轴100生成驱动信号，并接收来自这些轴的相应编码器信号。另外，材料处理控制器110会接收来自写入轴98的半径传感器信号。传感器106可包含一个额外“下游”传感器143，如下所述，这样，材料处理控制器110也可接收来自此类下游传感器143的传感器信号。
图26显示了写入轴鼓116区域的更详细视图。刚性支撑件144上固定了一对半径传感器128-A和128-B，其中，第一个半径传感器128-A与鼓116表面上的带92直接对立而置，第二个半径传感器128-B置于鼓116的轴146上。半径传感器128可测量组合带92厚度的写入轴98的半径，这两者在操作过程都会发生变化。旋转中心是空气轴承120(图22)的中心，相对稳定。
已公开的带传输子***的一项有利特性在于，其除与轴96、98和100三个轴有机械接触外，不再与带92有任何机械接触。任何机械接触都会产生难于控制的摩擦变化。机械接触导致的摩擦易产生粘性滑动和高时间频率误差项，因而十分麻烦。为获得最佳性能，需要消除高频率空间或时间误差源，并对剩余低频率源实行闭环控制。
写入轴98的目的之一在于提供大的热质量和相应的大面积散热区，从而将写入过程产生的热能以很长的时间常数转移至周围环境。由于激光写入过程会将热量传递至带92，因此，有必要保持带92(可以是不锈钢、镍合金或其他类似材料)与写入轴98(可以是不锈钢或另一具有适当强度和热特性的材料)的接触，以实现热量吸收的最大化，确保温度变化最小。带92自身的热容量与写入轴98的热容量相比可能微不足道。另外，与带92相比，写入轴98的圆周表面也提供了更大的表面，热量可经此散发至环境，温度变化最小。
写入准确度的限制以及度盘节距通常依赖于静态和动态误差的消除降低而定，要求具有长期弧秒稳定性/准确度的***更是如此。半径误差至少有三个主要来源：热膨胀、偏心安装和轴编码器误差。第一个来源“热膨胀”通过轴的大热质量加以限定。因此，该轴只能缓慢改变。如下所示，可通过改良的半径传感器、一个或多个半径传感器实现的闭环节距控制或其他合适的测量方法，对轴半径进行差分测量，进一步减少误差。
第二个误差来源是写入轴98相对于转轴的偏心安装，这会导致“每转一次”(一次谐波)都会产生误差。该误差可通过下述方法随流程降低：闭环节距传感器、轴半径差分测量、闭环节距控制或其他合适的测量方法。例如，离线测量几个带并将一次谐波修正系数输入轴控制器也可将其清除。
编码器126是应考虑的第三个误差来源。写入轴98(与写入轴相乘时)的角度误差变为带92的线性误差。例如，在写入轴公称半径为0.1米时，1弧秒的角度误差会转换为带上0.48μM的线性误差。先进的精密编码器可将误差降低至可接受的级别。然而，由于制造任何环境下均可提供亚微弧精度的角度编码器通常很困难并且十分昂贵，写入轴98可通过利用多个读头126、127结合轴编码器的自我校准。一种信号处理算法可简单地求出读头的测量值平均值。另外，可连续对比将来自这两个读头的信号，并可通过傅立叶差分分析得出一个误差函数。傅立叶数据说明重复误差的振幅和频率，从而可对其进行预测和修正。还可针对“在线”、持续操作执行该流程。
可能需要在处理任何带92之前，在编码器126提供数据时将写入轴98旋转很多转，实时控制器102会自适性地从编码器126提供的数据中获取写入轴98的修正函数。控制器102可通过嵌入的处理器或结合主机计算机104执行该操作。误差是编码器盘124的一个函数和到空气轴承120的安装，这两者都几乎保持恒定。如此旋转多转后，便可清除写入轴编码器的误差。
也可通过首先写入一些带样本的方式来修正写入轴98。所得的节距误差随后会经过测量，并优先求取样本集的平均值或另行处理，以获得更高的估算可信度。所得的修正函数(可能包含刻度因数和补偿)随后会被储存至控制器102中，用来调整向写入轴98和/或其它功能组件提供的控制信号。无论在何种情况下，自我校准都是一种简便易行的校准方式，其优点是可持续修正误差。
应了解，一方面带92的厚度变化与写入轴鼓116的半径间存在关系，另一方面，该厚度变化又与计量度盘112的节距偏差存在关系。举例说明，1um的厚度误差会产生每次轴转2πum的误差。若轴半径每米对应两转，结果误差约为每米12um(12um/m)，这略高于不超过10um/m的所需目标。还应了解，半径传感器128的不稳定性也会转换为带上激光器位置的线性误差。
在一实施例中，可组建如图26所示的高稳定性半径传感器。一个小直径引脚146(如直径为3mm)被设置在写入轴鼓116的中心。两个电容传感器128-A和128-B被安装在热稳定条104(如Invar)上，以读取写入轴鼓116上的带92半径和引脚146半径。写入轴鼓116在校准模式下旋转数圈后，重复性偏转误差便可参照写入轴旋转编码器，通过传感器信号被识别和校准。这些传感器具有2nmRMS或以上的线性分辨率，因而可提供4nm/100mm或0.04PPM的半径误差解决能力。因此，这些传感器可准确地补偿至每米上微米片段的半径误差。
在一些实施例中，图25中的传感器106仅可实现写入前的校准操作。另外，可在写入过程偶尔对输出进行取样，或以相当于写入速度的速度取样。同样，可对其他探针(如附带于轴上的温度传感器)进行定期取样。然而，优选的情况是，在写入过程利用来自至少一个半径传感器128的数据，监视轴的任何热膨胀或其他厚度变化。在一较佳实施例中，半径传感器128在制造带状度盘的时间框架内，为瞬时(相对较高的频率)变化和缓慢(如：直流电或较低频率)变化提供修正。
调整高稳定性半径传感器128，用于跟踪和修正低频率和高频率的节距变化，然而若要进一步减小误差，可能只有使用一个或多个下游传感器143才能实现。例如，这些传感器可以是用来获取“离线”数据，以识别并建立与多种***误差源之间的联系的光学编码器。在一实施例中，可将两个探针放置在与激光写入位置分别成15度和30度的位置。通过一个信号处理算法可轻松得出这两个探针的测量平均值。另外，可连续对比来自这两个读头的信号，并可通过傅立叶差分分析得出一个误差函数。傅立叶数据将说明重复误差的振幅和频率，从而可对其进行预测和修正。该流程可“在线”持续运行，也可以一定间隔抽样进行。
备用探针可以是沿圆周放置在写入轴98***的写入区之后的节距传感器。这两个传感器间的相对相位可用于测量刻度节距。根据节距传感器间相位关系的变化，改变轴的有效半径，从而控制写入流程的刻度。可使用节距传感器修正在低空间和时间频率下产生的误差。轴的任何温度增加(比如首次启动时，轴温度升至运行温度时的启动瞬态导致)可通过节距传感器修正。写入轴98的大热质量确保轴半径以缓慢比率变化，因而很好地位于节距控制算法的自适应带宽以内。轴安装时，任何无法被轴编码器测知的离心率(有自己对应于转轴的安装误差)，将导致带内一次谐波误差。节距传感器可修正一次和二次谐波的空间频率。
图27-31进一步详细说明本发明一项实施例的一种控制***。
图27是光束控制器108和图25中的材料输送控制器102内相关组件的示意图。写入轴速度控制器148、进给轴速度控制器150和卷取轴速度控制器152分别控制写入轴98、进给轴96和卷取轴100的运行。同时还显示了半径估算器154、张力控制器156和扫描控制器160。这些组件的功能说明如下。许多功能可同时执行。该架构可大体被看作一个多回路控制***，具有与图27对应的外部层和包括每一控制器148、150和152的各自内部层(说明如下)。最外层的控制回路(如图27所示)负责使三个轴96、98和100引起的带移动与将标记114置于带92上的所需位置的扫描和脉冲化处理同步。首先说明最外层控制回路的功能，然后说明内部控制回路。下表给出了以下说明所用的术语词汇。
  物理单位   写入   进给   拣取
  角速度弧度/秒已测量(实际)命令公称修正(Δ) a_W_WRc_W_WRn_W_WRd_W_WR a_W_FDc_W_FDn_W_FDd_W_FD a_W_TKc_W_TKn_W_TKd_W_TK
  编码器输出弧度已测量 enc_WR enc_FD enc_TK
  外部扭矩牛顿-米已测量 a_xT_WR a_xT_FD a_xT_TK
  带线速度米/秒命令已测量 c_V_带a_V_带
  带位置误差米已测量 err_P_带
  半径米已知已估算 a_R_WR e_R_FD e_R_TK
  带张力牛顿命令已估算 c_张力
  发动机驱动(扭矩)牛顿-米命令 c_MT_WR c_MT_FD c_MT_TK
Figure G200680038039601D00291
作为另一项说明辅助，建立了一种符号法，用以反应转轴96、98和100的旋转方向。从图19所示的视角来看，以顺时针方向转动为正。因此，在正常(前进)运转中，写入轴98具有正角速度，而进给轴96和卷取轴100皆有负角速度。
带在***内的总体速度依所需的公称带速度而定。指定的线速度c_V_Tape由标记114的间隔(如20um)和形成一个标记114以及使激光光斑前进至下一标记114开始位置所需的时间确定。实际带速a_V_Tape可能会因多种原因(摩擦、发动机扭矩脉动等)而略有不同。实际带速通过写入轴的实际角速度a_W_WR和写入轴半径a_R_WR的乘积158确定。
无论是否有实际带速变化，扫描控制器160都负责将标记置于带上所需的位置。另外，扫描控制器160为写入轴98的角速度命令提供修正信号d_W_WR。该速度修正可维持集中于扫描***写入栏位的光斑的平均X方向位置。公称带速c_V_Tape通过除以乘法器162内的写入轴98半径，被转换为至写入轴的公称角速度命令n_W_WR。至写入轴的角速度命令c_W_WR可通过将来自扫描控制器160的速度修正d_W_WR与在乘法器162内计算所得的公称角速度n_W_WR相加，在加法器164内计算得出。
写入轴速度控制器148负责根据传送至写入轴的角速度命令c_W_WR，维持所需的写入轴速度。写入轴速度控制器148发出信号c_MT_WR，该信号是写入轴伺服发动机的扭矩命令。另外，写入轴速度控制器148根据来自写入轴编码器的测量，产生两种信号。信号a_W_WR是写入轴的实际角速度，而信号a_xT_WR是应用于写入轴的实际外部扭矩(由于两个带片断间张力不平衡，其中一个片断位于进给轴96和写入轴98之间，另一片断位于写入轴98和卷取轴100之间)。
尽管进给轴96和卷取轴100的总体控制因下面说明的总体控制回路的不同而有别于写入轴98的总体控制，但进给轴速度控制器150和卷取轴速度控制器152皆与写入轴速度控制器48一致。控制写入轴98的速度以获取所需带速时，进给轴96和卷取轴100各自的速度也将受到控制，从而获取所需带张力，下面对此作更详细的说明。
输入进给轴速度控制器150的角速度命令通过公称角速度n_W_FD与修正角速度d_W_FD在加法器模块242内相加得出。乘法器240根据写入轴的命令角速度c_W_WR乘以写入轴半径a_R_WR，再除以进给轴半径e_R_FD，得出进给轴的公称角速度n_W_FD。进给轴控制器150的修正项d_W_FD在张力控制器156内计算得出(说明如下)。请回想，当带速为正时，进给轴96和卷取轴20的公称角速度皆为负。加法器242(以及卷取轴20的加法器246)内的负值符号表明该公称角速度命令为逆向。卷取轴命令信号c_W_TK也以相同的形式进行计算，即在加法器模块246内，将在乘法器244内计算所得的公称角速度n_W_TK与在张力控制器156内计算所得的修正项d_W_TK相加。
图28显示了写入、进给和卷取轴控制器148、150和152的结构。角速度命令信号W_cmd在加法器166内与实际角速度a_W相加，角速度命令信号W_cmd由状态估算器170生成。来自加法器166的速度误差与增益模块168内的增益Kp相乘，得出各自发动机的命令信号。状态估算器170接收已知发电机命令信号(通过增益模块172转换电机已知扭矩常数Kt所得的单位扭矩)和来自轴编码器的位置信号编码器。估算器的一种人们熟知的用途是，根据***的物理模型及已知和未知输入和可用测量，估算该物理***的潜在状态。在轴控制器148、150和152中，状态估算器170计算轴的角速度a_W和应用至各自轴的外部扭矩估算a_xT。在图27所示的整体控制***内未使用卷取轴100的外部扭矩信号(由卷取轴控制器152生成)，因此未显示在图27中。
状态估算器170可以以离散时间方式作为标准三状态估算器执行。著名示例可在Franklin、Powell和Workman编写的《动态***的数字控制》(Digital Control ofDynamic Systems)内找到，美国专利5,469,414第14卷，第56行也引用了该示例。估算器估算的三个状态是：位置、速度和外部(干扰)扭矩。至设备(轴发动机)的已知输入是c_MT，“测量”是编码器测得的轴的真实位置。该控制器的形式在第8章中详细说明，并且在Franklin、Powell和Workman合编的书中的图8.6中也有明确显示。应了解的是，“Franklin and Powell”是一本数字(离散时间)控制教材，实时控制器102确实可以以离散时间模式执行。然而为便于说明，本说明仅展示了实时控制器102的一种连续时间模型(如使用连续时间积分而非数字或离散时间等值)。从连续时间至离散时间表示法的转换已为该领域的从业人员所熟知。
图29对半径估算器154进行说明。因为使用了半径传感器128，所以写入轴98的半径已精确得知。进给轴96和卷取轴100的半径一般不可精确得知，因为它们会随着带从进给轴96上展开，然后再绕至卷取轴100而连续变化。估算进给轴96和卷取轴100的半径时，必须在假设带和轴间无滑脱并且带92无松弛的情况下，指明所有三个轴上的实际带速必须相同。
估算的进给轴半径e_R_FD由积分器174计算而得。输入到积分器174的输入项是两个来源之和178。假设(目前)带移动开始时进给轴半径已知，则可根据已知的带厚度，在将来任何时间通过求取该半径速度(半径变化速度)积分而修正该半径。该对轴半径的已知修正通过乘以增益模块180中的FD轴的实际角速度a_W_FD(带厚/2π)得出。所得结果是半径变化速度。通过积分器174求取该速度的积分，可确保估算所得进给轴半径保持准确无误，不受带从轴上展开的影响。注意图19中带在进给轴96上的缠绕方向。顺时针(正)转动进给轴可使带缠绕至轴上，从而增加轴半径。这导致一个正符号被应用至进给轴的加法器178处的“known_Radius_velocity”信号。另请注意，在正常操作中，进给轴逆时针旋转(a_W_FD为负)，因此进给轴的known_Radius_velocity是负值，这就使估算所得的进给半径随时间减小。
若在加工前可知道高精度的进给轴半径，那么上述计算便足以保证精确的进给轴半径估算。在图示的实施例中，有必要获取此估算。半径估算器154会根据写入轴98的已知带速和进给轴96的带速间的明显误差修正估算半径，这可由估算半径和进给轴96的已知角速度推导得出。增益模块186会将实际写入轴角速度a_W_WR与已知写入轴半径相乘，得出实际带速。乘法器184生成由进给轴角速度a_W_FD和进给轴估算半径e_R_FD推导得出的估算带速。加法器188根据已知带速(190)和估算带速(192)的绝对值，得出速度误差。速度模块182设置速度差分的收敛速度。请注意，若加法器188结果为正(表明实际带速大于估算带速)，那么，估算进给半径将增加，直到加法器188的结果变为零(估算速度等于实际速度)。在实践中，估算半径会在几毫米的带移动内收敛至准确半径。
上述针对进给轴96半径的估算会被复制到卷取轴100。积分器176负责根据带厚度求取已知半径速度的积分，并根据明显带速误差求取半径修正积分。注意加法器194处已知半径速度项上的减号。卷取轴100沿顺时针(正)方向转动时，带就会从该轴上展开。正常操作下，卷取轴的角速度a_W_TK为负，因此，估算拣取半径e_R_TK随时间增加。乘法器198根据估算卷取轴半径得出估算带速。绝对值模块202和204、加法器200和增益模块206近似于上述进给轴96的相应组件。
图30说明张力控制器156，该控制器主要负责生成修改传送至进给轴速度控制器150和卷取轴速度控制器152的公称角速度命令的修正信号d_W_FD和d_W_TK。进给修正信号d_W_FD负责维持进给轴96和写入轴98间的带片段的恒定张力。卷取轴100的修正信号d_W_TK间接负责达到写入轴98和卷取轴100间的带片段的相同张力。材料处理控制器102上张力部分的两个最重要目标是(1)写入区域前的带92的恒定张力，(2)带92与写入轴98间无滑动。“无滑动”标准旨在满足带位置可从写入轴98的角移动推导得出、并最终可从写入轴编码器得出的要求。若带相对于写入轴98滑动，那么，写入轴位置信息将不足以确定带的位置。通过确保在带传输过程不会有任何外部扭矩作用于写入轴98，可避免带滑动。由于从进给轴96至写入轴98的带片段、以及从写入轴98至卷取轴100的片段，以相对于写入轴98的相同半径发挥作用，所以，当这两个片段间张力相等时，便可实现“无外部扭矩”状态。
进给部分(进给轴96和写入轴98间带92的部分)的张力可通过修改发送至进给轴速度控制器150的速度命令进行控制。参见图30，已修改的进给角速度命令是两个信号的和210。由于该速度控制器为比例控制器，若实际角速度和公称角速度相等，则不会产生任何发动机扭矩。速度控制器内必须存在速度差，以产生发动机扭矩。产生的扭矩量与速度误差同伺服增益Kp和发动机扭矩常数Kt的乘积成比例。例如，为在带部分产生1牛顿的张力，进给伺服发动机需产生1N乘以进给半径e_R_FD的扭矩。因此，为产生该扭矩，就需要1N*e_R_FD/(Kt*Kp)弧度/秒的角度误差。
图30中与乘法器208相关的信号c_Tension会生成公称角速度命令的修正项，该公称角速度命令旨在实现所需的张力。来自进给速度控制器152(图28)中状态估算器170的外部扭矩信号a_xT_FD，除以乘法器214中的估算进给半径e_R_FD的商，在量值上应等于所需张力。注意，正常带张力会产生可施加到进给轴96的负值外部扭矩(逆时针方向为负)。若带的拉紧状态合适，乘法器214的结果将在量值上与所需张力相等，但符号却相反。若实际带张力在量值上低于所需张力，加法器216的结果将为正。力的正误差会通过自适应速度模块218相乘，并通过张力自适应积分器220求取积分。自适应修正(以力为单位)被加法器210加到公称张力命令，从而进一步修正发送至进给速度控制器150的角速度命令。加法器216处的正误差生成可在进给轴96形成正发动机扭矩(顺时针扭矩)的正速度修正。这为带提供更大的张力，从而增强外部扭矩信号a_xT_FD。若实际外部扭矩在量值上等于(但符号相反)c_Tension，则加法器216的结果为零，而张力自适应积分器220会保持维持恰当张力所需的力调整。
也可执行相似控制器以维持卷取轴100内的张力，并进一步将张力目标设置为同一值，以维持两个带部分的相等张力。然而应注意，应用于进给轴96的张力调整依据估算进给轴半径而定。估算半径时通常会存在一些不确定性。因此，一种用于控制拣取带部分张力的相似方法，还会涉及估算卷取轴半径导致的误差。因此，在现在公开的实施例中，拣取部分的张力被直接控制为写入轴98上外部扭矩的函数，从而将外部扭矩大致维持在零的位置。
图30中的加法器模块226，会根据应用至写入轴的外部扭矩求取积分a_xT_WR，将公称带张力c_Tension与修正项相加。写入轴98上的外部扭矩与一个自适应速率相乘(增益模块228)，在模块230内求取积分，并通过模块232转换为力单位(扭矩/半径＝力)。至加法器226的自适应作用量符号将被选择，从而当写入轴98上存在正外部扭矩时(a_xT_WR为正)，发送至卷取轴100的速度命令会增加，直到a_xT_WR变为零。注意，在正常带操作过程，卷取轴100沿负方向旋转。带92中的公称张力可通过命令卷取轴100根据公称带速，沿负方向(注意应用于加法器226处的公称张力的减号)以略快于所需速度旋转获得。负偏的正修正可降低写入轴98和卷取轴100间带部分的张力。这将降低写入轴98正侧面的张力，从而将正a_xT_WR信号还原至需要的零值。当写入轴98上的外部扭矩为零时，拣取带部分的实际张力必须等于该带的进给部分张力。
图31说明扫描控制器160。公称带速和实际带速间的速度差由加法器236形成，并经过积分器234求取积分。积分器234的结果是自带开始移动时累计而得的带位置误差。图案生成器238负责根据来自积分器234的实际带位置误差err_P_Tape和公称标记图案生成扫描信号c_SCAN_X、c_SCAN_Y和激光发射信号激光器。若带位置误差为正，则图案生成器238会逐渐增加图案的平均c_SCAN_X值，以将标记维持在带上的恰当位置。在没有进一步修正的情况下，c_SCAN_X值最终将达到标记区域的物理极限。因此，通过使用信号d_W_WR调整写入轴的角速度，也可得出公称带速的修正项。图案生成器238根据带位置误差积分生成信号d_W_WR。该积分动作可确保标记被恢复至标记区域中心。写入轴的修正信号d_W_WR在加法模块164中与公称角速度相加(图27)。
可利用本发明的一种***生成节距精度约为10um/meter或以上、公称节距为10-50um，而且具有可用于光学编码器的足够光学衬比的计量度盘。
尽管在上述说明中尤其详述了反射式光学度盘10/112，但对于熟知本领域技术的人员来说很明显的是，所公开的技术可用于制造其他类型的二元图案光学组件，甚至制造将反射光线以所需形式聚焦的“数字”透镜结构。例如，此光学组件可包括一种如美国已出版专利应用20030047674所示的索引图案。另外，此处公开的流程本身会产生热量，因此，具有适当能量和光束外形的几乎所有波长，都可被用于如Inconel和其他镍基合金的金属。红外激光器被认为是目前最实用的激光器。然而，也可使用其他激光器，如绿色和紫外(UV)激光器。对于其他材料(如陶瓷类)，紫外激光器可能比红外激光器更适合，因为前者可更好地将能量耦合至基板。
如上所述，所制造的度盘可构成光学编码器的一部分，此类光学编码器可被用于各种移动控制应用中，如线性和旋转制动器、机器人联合控制等。此类编码器的示例为由慧摩森电子***公司(MicroE Systems Inc.，)制造的MercuryTM II编码器系列产品，它们在标题为《参照点塔耳波特编码器》(“Reference Point Talbot Encoder”)的美国已出版专利应用2003/0047674中已举例说明。一种包含此类光学编码器的计量***包括(1)一个被用于照射大量并行标记的照射能源，(2)一个可用于接收(在读取器视域内)来自标记的反射辐射能的光学度盘读取器(光学探测器)，至少有一部分反射辐射能包括大量因衍射部分的互相干涉而产生条纹图案的衍射能部分，条纹图案的对比度依据标记相对于周围基板的光学衬比而定，该对比度在读取器视域内可被测量；(3)一种可相对于该读取器移动度盘的位移装置，(4)一个信号处理器，该信号处理器可用于产生表示基于条纹替换之位移的输出信号，和(5)一个可用于接收输出信号和控制位移装置相对于该输出信号之操作的***控制器。
在编码器(如Mercury编码器)内，度盘相当一致并具有清晰的标记是十分重要的，以便能产生相对无噪声的光学信号，使编码器具有高分辨率。本发明所公开的度盘和制造技术具有这项优势。另外，编码器的光学发射器通常可照射度盘的大量标记，从而将编码器数据的敏感度降低至反射率、边缘变差及此类的局部变差。此时，若对比充分，与本发明的实施例相对应的度盘的精准光学属性无严格要求，因此该类度盘可以低成本制造。另外，在一些情况下，Mercury编码器须依赖于基准和/或极限标记的存在，并且本技术可被用于制作此类标记以及通过主磁轨降低光学干涉的深色区域。
应了解，本发明公开的度盘可用于传统的“几何”光学编码器，该类编码器使用光影图案而非干涉图案，此类几何编码器一般比Mercury型编码器的分辨率低。

Claims (12)

1.一种光学编码器的反射式度盘，包含在其反射式表面上形成度盘图案的金属基板，该度盘图案包括多个细长的并行刻度，刻度周围是基板的反射式表面区域，每一刻度具有沟槽状截面，刻度中心区域低于基板表面的平均高度，刻度两边外侧的***区域高于基板表面的平均高度。
2.一种根据权利要求1所述的反射式度盘，其中，所述中心和外侧***区域定义一个刻度深度，其范围介于0.5微米至2微米。
3.一种根据权利要求1所述的反射式度盘，其中，每一刻度的中心区域具有波浪形纹理，波浪形纹理的波高小于刻度深度的20％。
4.一种根据权利要求3所述的反射式度盘，其中，每一刻度沿其长度方向***。
5.一种根据权利要求1所述的反射式度盘，其中，每一刻度的中心区域为深色，以提供相对于周围基板反射表面区域为1∶4或更低的光学反射率。
6.一种根据权利要求1所述的反射式度盘，其中，金属基板由金属合金组成。
7.一种根据权利要求6所述的反射式度盘，其中，金属合金是镍合金。
8.一种根据权利要求7所述的反射式度盘，其中，镍合金包含60％的镍、20％的铬、5％的铁和10％的钼。
9.一种根据权利要求1所述的反射式度盘，其中，刻度具有细长的侧边缘，其直度在刻度宽度的10％以内。
10.一种光学编码器的反射式度盘，包含在其反射式表面上形成度盘图案的金属基板，该度盘图案包括多个细长的并行刻度，刻度周围是基板的反射式表面区域，每一刻度具有沟槽状截面，刻度中心区域低于基板表面的平均高度，刻度两边外侧的***区域高于基板表面的平均高度，该中心和外侧***区域定义一个刻度深度，其范围介于0.5微米至2微米，每一刻度的中心区域沿其长度方向***，***的波高小于刻度深度的20％，每一刻度的中心区域为深色，以提供相对于周围基板反射表面区域为1∶4或更低的光学反射率。
11.一种计量***，包含：
根据权利要求1所述的反射式度盘；
用于照射反射式度盘上多个并行刻度的辐射能源；
光学度盘阅读器，可用于在阅读器视场内接收来自刻度的反射辐射能，至少有一部分反射辐射能包含由于衍射部分的互相干涉而产生条纹图案的多个衍射能部分，条纹图案的对比度依据刻度相对于周围基板的光学衬比而定，该对比度可在阅读器视场内测量；
位移机制，可相对于该阅读器移动度盘；
信号处理器，可用于产生表示基于条纹移动之位移的输出信号；和
***控制器，可用于接收输出信号，并响应该输出信号控制位移机制的操作。
12.一种光学编码器，包含：
根据权利要求1所述的反射式度盘；
用于照射反射式度盘上多个并行刻度的辐射能源；
可用于在阅读器视场内接收来自刻度的反射辐射能的光学度盘阅读器，至少有一部分反射辐射能包含由于衍射部分的互相干涉而产生条纹图案的多个衍射能部分，条纹图案的对比度依据刻度相对于周围基板的光学衬比而定，该对比度可在阅读器视场内测量；和
信号处理器，可用于产生输出信号，该输出信号表示基于条纹移动的度盘和阅读器间的相对移动。
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