测量刻度的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种测量刻度，涉及形成测量刻度的方法，并且涉及使用测量刻度执行测量的方法。
【背景技术】
[0002]已知的是使用测量刻度来确定两个物体的相对位置。安装在一个物体上的读头从安装在另一物体上的测量刻度中读取信息。在光学读取测量刻度的情况下，读头将光投影到测量刻度上，测量刻度反射或透射该光。所反射或透射的光随后由读头检测，读头可以使用所检测的光来确定刻度和读头沿一个或多个测量轴的相对位置。
[0003]当与读头结合时可以光学地读取的测量刻度可被称为光学编码器。存在两种基本类型的编码器，即，增量式编码器和绝对编码器。
[0004]在增量式编码器的情况下，测量刻度通常包括沿测量轴或围绕测量轴以每隔一定间隔放置的一系列相同标记。读头用于将光投影到刻度上并且用于检测所得到的透射或反射的光。存在多种处理所得到的检测信号以确定位置的方式。举例来说，相位信息可以从反射或透射光的改变中确定，因为读头沿刻度移动。当读头沿测量的方向移动时，它使用循环地改变的相位信息来计算相对位移。另外，相位信息可用于内插在周期性重复的刻度位置之间，以获得精确到刻度周期的一部分内的读数。
[0005]在没有用于确定绝对位置的额外机构的存在下，增量式编码器可用于仅确定相对位移。因此，增量式编码器的测量刻度也可以具有呈一个或多个参考标记(指示参考位置)形式的其它刻度标记，也可以包含界限标记(指示测量刻度的任一端的标记)。
[0006]在绝对编码器的情况下，测量刻度具有形成一系列唯一码(例如，码字)的标记，每个码字与沿刻度的特定位置相关联。已知的是配置读头使得它可以总是读取至少一个完整的码字。读头可以使用查阅表或算法以基于唯一码字确定刻度上的绝对位置，并且该系统能够在启动时唯一地识别其位置而无需必须首先移动到参考点。
[0007]增量式编码器通常是相对简单的并且形成编码器反馈系统的支柱。然而，无论位置可以沿刻度的长度的什么地方，绝对编码器能够唯一地识别刻度上的当前位置。绝对编码器可以在开机时识别位置而无需移动的必要并且缓解保持循环信号的精确计数的必要。绝对编码器在上电时的参考不容易、不安全或甚至不可能的情况下可以是重要的。并且，在由于电力的影响或损失的例如过量的加速等错误状况之后，绝对编码器唯一地识别位置而无需刻度与读头之间的相对移动。刻度必须使读头具有足够的信息以唯一地识别位置并且这可以通过在同时读取时形成唯一字的平行数据线完成，或者通过串行数据流的足够长的部分完成，或者可以通过例如飞行时间测量等物理地绝对方法完成。然而，呈现为多个并排放置的串行流的平行数据具有较宽的缺点，并且因此对偏航对准公差敏感。飞行时间技术需要光路的特性为众所周知的，因此除非路径是真空的，否则温度和湿度波动以及湍流将影响测量。
[0008]通常，绝对编码器将不具有尽可能与增量式编码器一样高的分辨率，这是由于需要沿刻度的有用长度唯一地识别位置的过度长的码字，并且因此可以希望添加增量标记到绝对编码器以便能够内插在通过码字确定的位置之间。举例来说，增量刻度标记可以提供在绝对刻度标记的平行轨道上。然而，此类平行轨道的使用使系统对读头和刻度的对准敏感。当组合绝对位置和增量位置时读头的偏航可以引起错误。
[0009]其中绝对刻度标记和增量刻度标记两者都形成于单个轨道上的替代方法描述于以本申请人的名义的GB 2 395 005中，其内容在此以引用的方式并入。轨道包括由多个反射性和非反射性条带组成的幅度刻度，该条带布置成彼此平行并且具有在测量方向上的该条带之间的固定间距。条带在重复图案中是省略的以便以类似于线性条形码方式表示数据。刻度上的数据被拆分成字并且读头描绘足够的刻度以无论沿刻度的读头位置如何都包含至少一个完整字。位置可以从通过读头读取的字中唯一地识别。数据字表示绝对刻度，并且反射性和非反射性条带的重复图案表示增量刻度。在此方法中，绝对刻度由增量刻度的移除元件形成。
[0010]已知的是与表面的超快激光脉冲相互作用可以引起周期性表面结构的形成，该结构通常被称为激光诱导周期性表面结构(Laser Induced Per1dic SurfaceStructure, LIPSS)或纳米波纹结构。出现在由来自红宝石激光的光损坏的多种半导体的表面上的“平行直线的规则系统”的效果公开于应用物理学杂志(Journal of AppliedPhysics)的1965年的第36卷第3688页的作者为Birnbaum Milton的“通过红宝石激光产生的半导体表面损坏”中。此后这些结构已经使用从持续波到皮秒激光的任何东西来产生，但是最常见的是飞秒激光。
[0011]已经识别出LIPSS的两个群组，低空间频率LIPSS (LSFL)和高空间频率LIPSS(HSFL)，如例如在作者为A.Borowiec、H.K.Haugen的应用物理学快报(AppliedPhysics Letters)的2003年第82卷第25号的第4462页到第4464页中所论述，以及在作者为 V.S.Mitko、G.R.B.E.Romer、A.J.Huis in ‘t Veld, J.S.P Skolsk1、J.V.0bona、V.0celik、J.T.M.De Hosson 的 Physics Procedia 的 2011 年第 12 卷第 99 页到第 104 页中所论述。
[0012]已经建议在WO 2009/090324中使用LIPSS结构来表示数据，例如用于物体或文档的识别、可追溯性或认证。在WO 2009/090324中，数据由LIPSS结构的取向来表示，该取向通过控制用于形成该结构的激光辐射的偏振来控制。通过将光应用到该结构并且确定从该结构接收到的所得光的颜色来读取数据，其中从LIPSS结构接收到的光的颜色取决于因衍射效应所致的LIPSS结构的取向。例如摄像机等图像捕获装置可用于捕获标记有LIPSS结构的表面的图像，并且数据可经处理以确定所呈现的色彩以及由色彩表示的数据值。
[0013]通过以LIPSS结构标记表面来控制表面的颜色也已在Ahsan等人于2011年在应用表面科学(Applied Surface Science) (257 (2011)，7771 到 7777 页)中、在 Dusser 等人于2009年在SPIE杂志第7201卷发表的微电子和光电制造VII中的激光应用(LaserApplicat1ns in Microelectronics and Optoelectronic Manufacturing VII)中、以及在Dusser等人于2010年2月I日在光学快报2913第18卷第3期中发表的文章中进行了描述。
[0014]WO 2007/012215描述了纳米波纹结构的使用以在物体的表面上实现图、标识、图片和类似物，例如，在印刷辊上，该印刷辊可以随后压印在封装膜上。文档还提及纳米波纹结构的使用以改变表面的物理特性，例如，以改进其粘合或油保持特性。
[0015]US 2009/214885描述了使用激光化学气相沉积在室温或室温附近制造周期性亚波长纳米结构的系统和方法。
[0016]US 2006/219676描述了在透明或半透明电介质内制作长程周期性纳米结构的方法。
[0017]US 2006/028962描述了具有衬底和压印在衬底上的多个光学可检测标记的光学存储媒体，该标记具有亚波长宽度。偏振光源用于读取标记。
【发明内容】
[0018]在本发明的第一方面中提供包括至少一个刻度标记的测量刻度装置，其中所述或每一刻度标记包括表示刻度装置信息的至少一个周期性纳米结构。
[0019]用周期性纳米结构表示刻度装置信息可以提供测量刻度装置上的刻度装置信息的已知表示的尤其有用的替代。
[0020]举例来说，通过使用周期性纳米结构表示刻度装置信息，已发现刻度标记可以形成于与其它类型的其它刻度标记相同的刻度区域中，同时允许不同刻度标记的基本上独立的读取而不论不同刻度标记的接近性如何。独立地读取包括周期性纳米结构的标记和其它类型的刻度标记的能力可以例如使得不同刻度标记足够紧密地对准以避免偏航效应。
[0021]所述或每一周期性纳米结构可以使用周期性纳米结构的取向、深度和周期中的至少一个表示刻度装置信息。
[0022]每个周期性纳米结构可以包括在施加到所述区域的电磁辐射上产生偏振效应的刻度的区域。
[0023]所述或每一周期性纳米结构可以包括激光诱导周期性表面结构(LIPSS)。
[0024]已发现LIPSS结构可以尤其用作刻度标记，因为它们可以相对简单明了的且稳固的方式形成，位于预先存在刻度装置或刻度上或位于新产生的刻度装置或刻度上。此外，LIPSS结构的刻度可以不显著干扰由其它类型的结构形成的刻度标记的读取，举例来说，已知相位刻度或幅值刻度的或多或少交替的反射带的阶梯式或波形结构。
[0025]所述或每一周期性纳米结构可以包括多条基本上平行的线。
[0026]多条基本上平行的线可以有规律地在垂直于线延伸的方向上以小于I μ m，任选地1nm到I μ m的间距间隔开。任选地，间距可以在200nm到800nm范围内，进一步任选地在400nm到650nm范围内。纳米结构的周期可以小于用于在除了直接显现或衍射技术外的应用中读取所述纳米结构的光的波长。
[0027]由至少一个周期性纳米结构表示的刻度装置信息可以包括关于刻度或刻度装置的位置信息或非位置相关数据。
[0028]刻度装置信息可以包括涉及刻度或刻度装置的功能的任何信息。它可以是位置信息，或者它可以是可用于衍生位置的过程或在刻度的操作(例如，界限标记可以指示刻度的端部)中的信息。
[0029]由至少一个周期性纳米结构表示的刻度装置信息可以包括以下各项中的至少一个:绝对位置信息；相对位置信息；界限的指示；参考位置的指示；方向信息；误差信息；刻度、刻度装置或刻度制造商识别符；认证或安全数据。刻度标记可以包括距离编码标记。
[0030]由至少一个周期性纳米结构表示的刻度装置信息可以包括表示在刻度标记的相关联系列中的误差的误差映射。
[0031]至少一个刻度标记可以包括形成一系列刻度标记的一部分的刻度标记。所述系列的其它刻度标记可以包括或可以不包括至少一个纳米结构。
[0032]所述至少一个刻度标记可以包括形成第一系列刻度标记的多个刻度标记，并且所述测量刻度进一步包括第二系列刻度标记。