DE20320576U1

DE20320576U1 - Optisches Geberelement zur Positions- oder Längenbestimmung

Info

Publication number: DE20320576U1
Application number: DE20320576U
Authority: DE
Original assignee: Optolab Licensing GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2002-07-19
Filing date: 2003-07-18
Publication date: 2004-11-18
Anticipated expiration: 2013-07-19

Abstract

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.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Geberelement zur Positions- oder Längenbestimmung, das abwechselnd Codebalken und Fenster aufweist. Die Erfindung bezieht sich weiter auf einen Abtastkopf für ein solches optisches Geberelement sowie ein Positionsoder Längenmeßsystem damit.
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 Phasengitern, 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.
Zum Herstellen eines erfindungsgemäßen optischen Geberelementes gelöst, wird eine Form hergestellt, in der strukturierte als Mikrostruktur ausgebildete Bereiche mit unstrukturierten Bereichen abwechseln, und von dieser Form in einem Abformschritt das optische Geberelement abgeformt, 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.
Das erfindungsgemäße Geberelement ermöglicht ein Verfahren zur Positions- oder Längenmessung, bei dem an einem Maschinenteil das optische 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:
1a eine Draufsicht auf ein optisches Geberelement,
1b eine Ausschnittvergrößerung des Details A der 1a,
1c einen Schnitt entlang der Linie R–R der 1b,
2 ein schematisch dargestelltes Positionsmeßsystem mit dem Geberelement der 1,
3 eine schematische Darstellung der Beugungseigenschaften des für transmissiven Betrieb ausgebildeten Geberelementes der 1,
4 eine schematische Darstellung einfallender und ausfallender Strahlung ähnlich der 3 für ein optisches Geberelement im reflektiven Betrieb,
5 eine vergrößerte Darstellung der Verhältnisse der 4 zur Erläuterung der Beugungseigenschaften,
6a und 6b schematische Darstellungen der Intensität der von einem Fenster bzw. Codebalken der 1 transmittierten Strahlung,
7 und 8 Positionssignale, die am Geberelement der 1 gewonnen wurden,
9 eine zweidimensionale Darstellung der Intensität in unterschiedliche Richtungen gebeugter Strahlung an einem Codebalken des Geberelementes der 1 und 10 bis 13 einzelne Schritte bei der Herstellung des Geberelementes der 1.
Ein optisches Geberelement 1 besteht aus Codebalken 2 und Transmission-Fenstern 3. Im Beispiel der 1a ist das Geberelement eine Taktscheibe, die mit einer Nabe 4 zur Befestigung auf einer nicht dargestellten Antriebswelle versehen ist. Es befindet sich eine Codebalken-Spur 9 auf der Taktscheibe, die für einen gegebenen Radius eine bestimmte LPI-Zahl (Linien pro Inch) aufweist.
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.
1c zeigt einen Querschnitt durch eine Codebalkenstruktur der 1b entlang der Linie R–R. Man erkennt die Pits 5 und Lands (6) sowie deren Dickenunterschied D, dessen Betrag für Transparentbetrieb 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.
2 zeigt eine Positionierungsvorrichtung, mit einem Sender 10, zum Beispiel einer LED- oder Laserdiode, dem optischen Geberelement 11, das dem Geberelement 1 der 1 entspricht und das als CD-Taktscheibe aufgefaßt werden kann, und einem Empfänger 12, z.B. einem Mehrfachempfänger. Der Mehrfachempfänger weist mehrere Fensterbereiche 13 für Beugungssignale nullter und erster Ordnung auf. Mit dem Pfeil 14 wird im Sinne eines Flußdiagramms eine Weiterleitung der Beugungssignale in eine Verarbeitungseinheit 15 zur mehrfachen Positions- und Wegbestimmung angedeutet.
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 1a 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 1b 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 1b 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.
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 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 4 dargestellten Bauweise befindet sie sich auf den Pits 5 und Lands 6. Einfallende Strahlung 20 (die zur besseren Verdeutlichung in 4 schräg einfallend gezeichnet ist) wird nun aufgrund destruktiver Interferenz nicht in die nullte Ordnung zurückreflektiert; hier erfolgt wiederum eine Auslöschung. Eine Reflexion in dies erste Ordnung 22 erfolgt dagegen. Da die Strahlung den Dickenunterschied D zwischen Pits 5 und Lands 6 hierbei zweimal durchläuft, ist gegenüber der 3 nur der halbe Dickenunterschied vorgesehen, womit automatisch D=λ/4 folgt.
Die Bauweise der 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 gilt dann D=λ/[4·(n-1)].
In 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.
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 6a und 6b verdeutlichen diese Unterschiede zwischen Fenstern 3 und Codebalken 2. 6a zeigt die Intensitätsverteilung bei einem Fenster 3. Handelt es sich um ein Geberelement 1 für transmittiven Betrieb, wird in Richtung der nullten Ordnung die volle Strahlungsintensität transmittiert, ansonsten wird sie in Richtung der nullten Ordnung reflektiert. Im Falle eines Codebalkens 2 bleibt dagegen die nullte Ordnung aufgrund der Interferenz an der Beugungsstruktur aus, statt dessen erscheint Strahlungsintensität in höheren Ordnungen (in 6b als +1, +2 bzw. –1 und –2 bezeichnet).
Die als Steuerungseinheit dienende Verarbeitungseinheit 15 erzeugt ein entsprechendes Positions-Signal S erzeugen, wie es beispielhalber in 7 gezeigt ist. Das Positionssignal S ist binär und weist entweder einen High-Pegel 25 mit einem Wert S1 oder einen Low-Pegel 26 mit einem Pegel S0 auf. Fällt der Beleuchtungsstrahl 20 der LED 10 auf einen Codebalken 2, wird im Fensterbereich 13.3 aufgrund der destruktiven Interferenz keine Strahlungsintensität registriert; es liegt ein Low-Pegel 26 vor. Bewegt sich in der in 7 dargestellten Zeitreihe dagegen ein Fenster 3 vor dem Fenster- bzw. Detektorbereich 13.3 des Empfängers 12 vorbei, trifft die Strahlung der LED 10 ungehindert durch das Geberelement 1, so daß ein High-Pegel 25 im Signal S vorliegt.
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 S0 nahe dem Nullpunkt, der durch das Signal des unbestrahlten Empfängers 12 gegeben ist.
8 zeigt eine andersartige Auswertung, hier wird das Signal S durch Auswertung der Strahlungsintensität in einem oder beiden Fensterbereichen 13.1 und 13.2 gebildet, d.h. es wird im Gegensatz zur Erzeugung des Signals S in der 7 nicht die nullte Ordnung, sondern die erste Beugungsordnung ausgewertet. Das Signal S ist nur 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 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 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 1 für einzelne Codebalken 2, so können die Codebalken individualisiert werden. Es ist damit möglich, zusätzliche Information zu hinterlegen, beispielsweise Referenzmarken o.ä. 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 1b, kann durch ein Spritzgußverfahren hergestellt werden. Dabei wird in einer Ausführungsform ein photolithographischer Prozeß zur Herstellung eines Nickel-Masters für ein Abformverfahren, insbesondere für ein Spritzgußverfahren eingesetzt. Der Nickel-Master wird mit Hilfe von Sputterbeschichtungen und nachfolgender galvanischer Verstärkung der Schicht erzeugt.
Der technologische Prozeß beginnt dabei mit auf einem Glassubstrat 30 (vgl. 10) das üblicherweise in einer Spinbeschichtung mit einem Photoresist 31 beschichtet wird. Vor der Beschichtung kann ein Primer aufgebracht und danach ein Bake-Prozeß durchgeführt werden. Die Dicke des Resists entspricht bei einer Pit-/Land-Struktur dem späteren Dickenunterschied zwischen Pits und Lands bzw. der Pit-Höhe. Sie wird im Bereich von 100–1.000 nm (entsprechend der Wellenlänge der verwendeten Strahlung) eingestellt.
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 11 dargestellte Substrat 30, das strukturierte Bereiche 32 sowie unstrukturierte Bereiche 33 aufweist. An den unstrukturierten Bereichen 33 wird später ein Fenster 3 des Geberelements 1 gebildet, an den strukturierten Bereichen 32 ein Codebalken 2. Der strukturierte Bereich 32 besteht dabei aus einer Mikrostruktur 34 die in der Ausführungsform der 1a die in 1b detaillierter gezeigten Pits 5 bewirken.
Als nächster Schritt erfolgt eine Metallisierung. Dabei wird zunächst eine Metallegierung, üblicherweise eine Nickel-Legierung als dünne Schicht aufgesputtert und anschließend galvanisch verstärkt. Diese Verstärkungsschicht 35 ist in der Schnittdarstellung der 12 zu sehen. Die unstrukturierten Bereiche 33 sowie die strukturierten Bereiche 32 mit der Mikrostruktur 34 bleiben dabei vollständig erhalten.
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

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.
Geberelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungsstruktur als 2D-Submikrometer-Gitterstruktur ausgebildet ist.
Geberelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungsstruktur eine Pit- und Land-Struktur (5, 6) umfaßt.
Geberelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für transmittiven Betrieb die zwischen den Codebalken (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.
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.
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.
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.
Geberelement nach einem der obigen Anspüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungsstruktur (5, 6) mindestens eines Codebalkens (2) sich von der Beugungsstruktur (5, 6) anderer Codebalken (2) unterscheidet.
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.
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.
Abtastkopf nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (10) eine LED, vorzugsweise mit Mikrooptik, eine Laserdiode oder eine VCSEL aufweist.
Abtastkopf nach Anspruch 10 oder 11, 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.
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.
System nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalauswertungseinheit (15) die Detektion in höherer Ordnung gebeugter Strahlung (22) zur absoluten Positionsbestimmung nutzt.