DE102006011540A1 - Scanning unit for detection of optical measure embodiments, has aperture diaphragm array arranged in picture-sided focal plane of micro lens array, and aperture opening is located in picture-lateral focal point of each micro lens of array - Google Patents
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Abstract
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung betrifft eine Abtasteinheit für eine Positionsmesseinrichtung zur Detektion von optischen Maßverkörperungen sowie eine entsprechende Positionsmesseinrichtung nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.The The invention relates to a scanning unit for a position-measuring device for the detection of optical measuring standards and a corresponding position measuring device according to the preamble the independent one Claims.
Eine derartige Positionsmesseinrichtung umfasst eine mit einer optisch auslesbaren Positionscodierung versehene Maßverkörperung, eine Lichtquelle zur Emission von Licht in Richtung auf die Maßverkörperung sowie eine Abtasteinheit, bestehend aus einem Abtastempfänger mit lichtempfindlichen strukturierten Flächen zum Empfangen des durch den Maßstab modulierten Lichtes und aus einer Linsenanordnung, die auf der Oberfläche des Abtastempfängers angeordnet ist und aus einer oder mehreren Mikrolinsen besteht und welche den durch die Lichtquelle beleuchteten Bereich der Maßverkörperung auf die strukturierten Empfängerflächen des Abtastempfängers abbilden.A Such position measuring device comprises one with an optical readable position coding provided material measure, a light source for Emission of light in the direction of the measuring standard and a scanning unit, consisting of a scanning receiver with photosensitive structured areas for receiving the the scale modulated light and from a lens array on the surface of the scanning receiver is arranged and consists of one or more microlenses and which on the illuminated by the light source area of the material measure the structured receiver surfaces of the scanning receiver depict.
Die Positionsmesseinrichtung kann dabei Anwendung finden zur Detektion von reflektiven oder auch transmissiven Maßstäben, die entsprechend im Auflicht- oder Durchlichtverfahren betrieben werden. Im erstgenannten Fall befinden sich Lichtsender und Empfänger auf derselben Seite des Maßstabes, das am Maßstab reflektierte und durch den Positionscode modulierte Licht wird anschließend vom Abtast-Empfänger detektiert. Bei transmissiven Maßstäben sind Lichtsender und Empfänger auf gegenüber liegenden Seiten des Maßstabes angeordnet und das vom Lichtsender emittierte und durch den zumindest partiell transparenten Maßstab hindurch tretende und modulierte Licht wird vom Abtast-Empfänger detektiert.The Position measuring device can be used for detection of reflective or even transmissive scales, which correspond in the incident light or transmitted light method can be operated. In the former case the light transmitter and receiver are on the same side of the scale, that on the scale reflected and modulated by the position code light is then from the Scanning receiver detected. At transmissive scales, light emitters and receivers are on across from lying sides of the scale arranged and emitted by the light emitter and by the at least partially transparent scale passing and modulated light is detected by the scanning receiver.
Die Maßverkörperung kann etwa zur Winkelmessung als Codescheibe mit kreisförmig angeordneten Codierungen oder zur Längenmessung als Lineal mit linear angeordneten Positionscodierungen ausgestaltet sein. Die Positionscodierung kann inkremental und bzw. oder absolut codierte Spuren aufweisen.The Measuring standard can be arranged as a code disc with circular about angle measurement Codings or for length measurement designed as a ruler with linearly arranged position coding be. The position coding can be incremental and / or absolute have encoded tracks.
Stand der Technikwas standing of the technique
Optische Positionsmessgeräte nach dem Stand der Technik verwenden als Positionscodierung Codeflächen in Form von unterschiedlich stark transmittierenden oder reflektierenden Amplitudenobjekten, im Falle einer inkrementalen Codespur in Form eines Amplitudengitters, wobei die Messperiode der Gitterperiode entspricht. Bei einer projektiven Abtastung von transmissiven Maßstäben werden die Codeflächen mit weitgehend parallelem Licht beleuchtet und auf der entgegengesetzten Seite durch einen Abtastempfänger detektiert. Aufgrund der Beleuchtung mit nicht ideal-parallel kollimiertem Licht und der Beugung an den Codefeldern muss der Abtast-Empfänger so nah wie möglich an dem Maßstab angeordnet werden, weshalb nur sehr geringe Abstands-Toleranzen von weniger als 50 Mikrometern zulässig sind. Ist der Abstand zu gering, kollidiert der Maßstab mit dem Abtast-Empfänger was die Zerstörung der Positionsmesseinrichtung zur Folge hat. Bei größer werdendem Abstand nehmen der Kontrast und die Interpolierbarkeit der Positionssignale und damit die Positionsgenauigkeit ab; ist der Abstand schließlich zu groß, so werden keine Positionssignale mehr generiert.optical position Encoders According to the prior art use code surfaces in position coding as Shape of different strong transmissive or reflective Amplitude objects, in the case of an incremental code track in the form of a Amplitude grating, wherein the measurement period corresponds to the grating period. At a projective sampling of transmissive scales the code areas illuminated with largely parallel light and on the opposite Page through a scanning receiver detected. Due to the illumination with not ideal-parallel collimated Light and the diffraction at the code fields must be the scanning receiver so as close as possible on the scale be arranged, which is why only very small clearance tolerances less than 50 microns are allowed. Is the distance too low, the scale collides with the scanning receiver what the destruction the position measuring device has the consequence. With increasing The contrast and the interpolability of the position signals are distanced and thus the position accuracy; the distance is eventually too big, so will be no position signals generated anymore.
Ein Abtastempfänger nach dem Stand der Technik ist ein integrierter Schaltkreis (integrated circuit, iC), der in der Regel auf CMOS-Prozessen basiert und der einzelne lichtempfindliche Empfängerfelder aufweist, welche jeweils positionsabhängige Signale generieren. Für inkrementale Maßverkörperungen sind dies in der Regel mindestens vier Felder, die jeweils um eine viertel Messperiode in Messrichtung zueinander versetzt angeordnet sind und entsprechend um 90 Grad versetzte positionsabhängige Signale erzeugen. Eventuell sind weitere Empfängerfelder vorgesehen, die eine entsprechend codierte Referenzspur abtasten und ein Referenz- bzw. Nullsignal erzeugen. Die Empfängerfelder auf dem Abtast-Empfänger sind jeweils entweder als einzelne entsprechend der Codierung der Maßverkörperung strukturierte lichtempfindliche Flächen auf der Oberfläche des Empfänger-Chips vorgesehen, die gemeinsam ausgewertet werden, als sogenanntes „phased array", oder es werden zusammenhängende Flächen verwendet, wobei im letzteren Fall auf der Oberfläche des Empfänger-Chips eine Abtastblende positioniert ist. Die Abtastblende besteht aus einer Glasplatte mit einer einseitig aufgebrachten und entsprechend der Positionscodierung des Maßstabs lithographisch strukturierten Chromschicht, welche transparente Öffnungen oberhalb der lichtempfindlichen Abtastflächen des Abtast-Empfängers aufweist. Um die Abstände der Öffnungen der Abtastblende zur Maßverkörperung zu minimieren, befindet sich die Chromschicht vorzugsweise auf der zur Maßverkörperung hin zugewandten Seite der Abtastblende.One scanning receiver In the prior art, an integrated circuit (integrated circuit, iC), which is usually based on CMOS processes and the individual photosensitive receiver fields which respectively generate position-dependent signals. For incremental material measures These are usually at least four fields, each one by one Quarter measuring period arranged offset in the measuring direction to each other are and correspondingly offset by 90 degrees position-dependent signals produce. Eventually, additional receiver fields are provided, the scan a corresponding coded reference track and enter a reference or generate zero signal. The receiver fields on the scan receiver are each structured either as a single according to the coding of the material measure photosensitive surfaces on the surface of the receiver chip provided, which are evaluated together, as a so-called "phased array ", or it are contiguous areas used in the latter case, on the surface of the receiver chip a scanning aperture is positioned. The scan diaphragm consists of a glass plate with a one-sided and applied accordingly the position coding of the scale lithographically structured chromium layer, which transparent openings has above the photosensitive scanning surfaces of the scanning receiver. Around the distances the openings the scanning aperture for the material measure to minimize, the chromium layer is preferably on the to the material measure towards the side of the scanning diaphragm.
Der Maßstab bzw. die Maßverkörperung trägt die Positionsinformation in Form von binären Codierungen. Bei inkrementalen Codierungen handelt es sich um abwechselnde Hell- und Dunkelfelder, die linienartig ausgebildet sind, wobei die Linienbreite zur Erzielung von großen Auflösungen in Messrichtung deutlich schmaler ist als quer zur Messrichtung. Für absolute Codierungen ist es notwendig, mehrere ein- oder mehrspurige Codes gleichzeitig zu detektieren. Bekannte absolute Codierungen sind beispielsweise Pseudo-Random Codes, Binärcodes, BCD-Codes (binary coded decimals), Gray-Codes oder Nonius-Codes. Weiterhin ist es bekannt, Kombinationen von inkrementalen und absoluten Codierungen auf einer Maßverkörperung vorzusehen.The scale or the material measure carries the position information in the form of binary codes. Incremental codes are alternating light and dark fields, which are formed like a line, wherein the line width to achieve large resolutions in the measuring direction is significantly narrower than transverse to the measuring direction. For absolute encodings it is necessary to detect several single- or multi-track codes simultaneously. Known absolute encodings are, for example, pseudo-random codes, binary codes, BCD codes (binary coded decimals), gray codes or vernier codes. Furthermore, it is known to provide combinations of incremental and absolute codes on a material measure.
Aus
der
Aus
der
Bei Verwendung von einem oder mehreren hintereinander angeordneten Mikrolinsenplatten existiert das Problem des Übersprechens, d.h. es existieren überlappende Objektfelder, was bedeutet, dass das Licht, das durch eine Linse des ersten Linsenarrays fällt, in eine seitlich angeordnete Linse des zweiten Mikrolinsenarrays bzw. in ein benachbartes Empfängerfeld des Abtast-Empfängers gelangt. Demgegenüber stehen bei GRIN-Linsen die vergleichsweise große Baulänge und die Einzelherstellung einem kompakten und einfachen Aufbau entgegen. Zudem müssen die verschiedenen Mikrolinsenplatten zueinander sowie zum Abtastempfänger aufwendig justiert werden.at Use of one or more successively arranged microlens plates exists the problem of crosstalk, i.e. there are overlapping ones Object fields, which means that the light passing through a lens of the first lens array falls, in a laterally arranged lens of the second microlens array or in an adjacent recipient field of the scan receiver arrives. In contrast, For GRIN lenses, the comparatively large overall length and the individual production a compact and simple design. In addition, the different microlens plates to each other and the Abtastempfänger consuming to be adjusted.
Offenbarung der Erfindungepiphany the invention
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Abtasteinheit bzw. eine entsprechende Positionsmesseinrichtung anzugeben, welches sehr einfach und zuverlässig montierbar ist und darüber hinaus das Problem des Übersprechens beseitigt.It The object of the invention is a scanning unit or a corresponding Specify position measuring device, which can be mounted very easily and reliably is and above in addition, the problem of crosstalk eliminated.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Abtasteinheit sowie eine entsprechende Positionsmesseinrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.These The object is achieved by a Scanning unit and a corresponding position measuring device solved according to the independent claims.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sowie andere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.preferred Embodiments of the invention and other advantageous features of the invention are in the dependent claims specified.
Erfindungsgemäß wird eine Linsenplatte als abbildendes System verwendet, welche mindestens eine refraktive oder diffraktive Mikrolinse aufweist und im folgenden der Einfachheit halber als Mikrolinsenarray bezeichnet wird. Dieses wird auf dem Empfängerchip oberhalb der eventuell vorhandenen Abtastblende montiert. Das Mikrolinsenarray liegt in einer zur Maßverkörperung bzw. zur Oberfläche des Abtastempfängers parallelen Ebene. Die Mikrolinsen bilden die Positionscodierung der Maßverkörperung auf die Oberfläche der Abtastblenden-Öffnungen bzw. auf die Oberfläche der lichtempfindlichen Empfängerfelder des Abtastempfängers ab. Dabei liegen die Empfängerfelder jeweils weitgehend in der optischen Achse der betreffenden Mikrolinsen. Die Brennebene der Linsen liegt vorzugsweise in der ebenen Rückseite des Linsenarrays. Zwischen dem Mikrolinsenarray und der Abtastblende bzw. der Oberfläche des Abtast-Empfängers befindet sich eine Anordnung von Aperturblenden, welche im folgenden der Einfachheit halber als Aperturblendenarray bezeichnet wird. Dieses Aperturblendenarray ist in Form einer dünnen opaken Schicht realisiert und weist jeder der Mikrolinsen des Mikrolinsenarrays genau eine telezentrische Aperturblende im bildseitigen Brennpunkt zu. Die Aperturblenden sind dabei transparente Öffnungen innerhalb der opaken Schicht. Dadurch bildet jede Linse einen Teil der Maßverkörperung ohne ein Übersprechen zumindest auf einen Teil eines Empfängerfeldes ab. Es kann beispielsweise vorgesehen werden, dass die Bilder mehrerer Mikrolinsen auf ein einziges Empfängerfeld fallen oder dass das Bild jeder Mikrolinse des Mikrolinsenarrays genau auf ein Empfängerfeld des Abtast-Empfängers oder auf eine definierte Anzahl von mehreren Empfängerfeldern gelangt.According to the invention is a Lens plate used as imaging system, which at least one refractive or diffractive microlens and in the following for the sake of simplicity, is called a microlens array. This will be on the receiver chip mounted above the optional scanning aperture. The microlens array lies in one to the material measure or to the surface of the sample receiver parallel plane. The microlenses form the position coding the material measure the surface the scanning aperture openings or on the surface the photosensitive receiver fields of the sample receiver from. Here are the recipient fields each largely in the optical axis of the respective microlenses. The focal plane of the lenses is preferably in the flat rear side of the lens array. Between the microlens array and the scanning aperture or the surface of the Scanning receiver There is an array of aperture stops, which in the following for the sake of simplicity, is called an aperture diaphragm array. This aperture diaphragm array is realized in the form of a thin opaque layer and each of the microlenses of the microlens array has exactly one telecentric aperture in the image-side focal point too. The Aperture apertures are transparent openings within the opaque Layer. As a result, each lens forms part of the material measure without a crosstalk at least to a part of a recipient field from. It can for example be provided be that the images of multiple microlenses on a single receiver field fall or that the image of each microlens of the microlens array exactly to a recipient field the sample receiver or reaches a defined number of multiple recipient fields.
Vorzugsweise ist mindestens eine Kollimatorlinse zur Kollimation des vom Lichtsenders emittierten Lichtes auf die Maßverkörperung seitlich über den Abtastempfänger hinausragend in das Mikrolinsenarray integriert.Preferably is at least one collimator lens for collimation of the light emitter emitted light on the material measure laterally over the scanning receiver protruding integrated into the microlens array.
Durch den Einsatz eines Mikrolinsenarrays wird das Objektfeld sowie das Bildfeld aufgeteilt, wodurch sehr geringe Abstände zwischen dem Linsenarray und der Maßverkörperung einerseits sowie dem Linsenarray und dem Abtastempfänger andererseits erreicht werden. Weiterhin weist diese Anordnung bislang unerreichbar große Abstandstoleranzen zwischen dem Maßstab und dem Empfänger auf.By the use of a microlens array is the object field and the Split image field, resulting in very small distances between the lens array and the material measure on the one hand, and the lens array and the scanning receiver on the other be achieved. Furthermore, this arrangement has so far unattainable size Distance tolerances between the scale and the receiver.
Aufgrund der geringen Brennweite der einzelnen Mikrolinsen ergibt sich ein geringer Arbeitsabstand, wodurch sich neben der Intensität des Lichtes insbesondere auch der Kontrast erhöht, wodurch wiederum eine bessere Interpolierbarkeit der durch die lichtempfindlichen photoelektrischen Empfängerfelder des Abtastempfängers generierten Positionssignale erzielt wird.by virtue of the small focal length of the individual microlenses results small working distance, which in addition to the intensity of light in particular also the contrast increases, which in turn allows better interpolation of the light-sensitive photoelectric receiver fields of the sample receiver generated position signals is achieved.
Die Brennweite f der Mikrolinsen liegt bevorzugt zwischen 0,5 mm und 2 mm, der Linsendurchmesser D beträgt vorzugsweise etwa 0,4 mm bis 2 mm. Die Blendenzahl k = f/D der Linsen ohne Berücksichtigung der Aperturblende liegt etwa zwischen k = 0,5 für asphärische Linsen und k = 4, die numerische Apertur AObj der Linsen beträgt für eine 1:1 Abbildung etwa AObj ≈ D / 4f = 1 / 4k und ist daher bevorzugt kleiner als 0,5.The focal length f of the microlenses is preferably between 0.5 mm and 2 mm, the lens diameter D is preferably about 0.4 mm to 2 mm. The f-number k = f / D of the lenses without consideration of the aperture diaphragm is approximately between k = 0.5 for aspherical lenses and k = 4, the numerical aperture A Obj of the lenses is approximately A Obj ≈ D / 4f for a 1: 1 imaging = 1 / 4k and is therefore preferably less than 0.5.
Aufgrund von weitgehend parallelem Licht sowie der hinter jeder einzelnen Mikrolinse positionierten Telezentrieblende wird seitlich einfallendes Licht ausgeblendet, so dass insbesondere keine Überlappung der Bildfelder der Einzellinsen des Mikrolinsenarrays auf den unterschiedlichen Abtastfeldern der Abtastblende bzw. des Abtastchips auftritt. Im Stand der Technik sind zur Vermeidung einer Überlappung der einzelnen Bildfelder weitere Maßnahmen erforderlich, wie etwa opake Elemente zur Trennung der Strahlengänge der einzelnen Mikrolinsen, was jedoch eine Vereinzelung der Linsen notwendig macht. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Abtasteinheit ist es jedoch, mit lediglich einem einzigen Aperturblendenarray, das in der bildseitigen Brennebene der Mikrolinsen als zusammenhängendes Bauteil ausgebildet ist, sowie mit einem einzigen zusammenhängenden Mikrolinsenarray eine Überlappung der Bildfelder der Einzellinsen zuverlässig zu vermeiden bzw. auf einen hinreichend kleinen Bereich zu beschränken, ohne weitere Hilfsmittel zu benötigen.by virtue of of largely parallel light as well as behind each one Microlens positioned telecentric screen becomes laterally incident light hidden, so that in particular no overlapping of the image fields of Single lenses of the microlens array on the different scanning fields the scanning or the sampling chip occurs. In the prior art are to avoid overlap the individual image fields require further action, such as opaque elements for separating the beam paths of the individual microlenses, which, however, makes a separation of the lenses necessary. The advantage the scanning unit according to the invention however, with only a single aperture array, that in the image-side focal plane of the microlenses as coherent Component is formed, as well as with a single contiguous Microlens array an overlap the image fields of the individual lenses reliably avoid or on to restrict a sufficiently small area without further aids to need.
Die Vorteile der telezentrischen Blenden in der gemeinsamen hinteren Brennebene der Mikrolinsen sind im Einzelnen:
- 1) Absorption seitlich aus der Maßverkörperung austretenden Beugungsordnungen bei der Abtastung diffraktiv codierter Maßverkörperungen
- 2) größere Schärfentiefe und somit eine erhöhte Axialtoleranz zwischen dem Maßstab und der Abtasteinheit,
- 3) weitgehende Unabhängigkeit des Abbildungsmaßstabes von kleinen Abstands-Änderungen zwischen der Maßverkörperung und dem Mikrolinsenarray und daher weitgehende Konstanz des Abbildungsmaßstabes der Einzellinsen
- 4) enges Gesichtsfeld („field of view") der Einzellinsen und daher keine Überlappung der Bilder unterschiedlicher, insbesondere benachbarter Mikrolinsen.
- 1) Absorption of diffraction orders emerging laterally from the measuring standard during the scanning of diffractively coded measuring graduations
- 2) greater depth of field and thus increased axial tolerance between the scale and the scanning unit,
- 3) extensive independence of the imaging scale of small distance changes between the material measure and the microlens array and therefore far-reaching consistency of the magnification of the individual lenses
- 4) narrow field of view of the individual lenses and therefore no overlapping of the images of different, in particular adjacent microlenses.
Darüber hinaus kann ein derartiger Abtastempfänger insbesondere gleichermaßen für Maßverkörperungen eingesetzt werden, die als Codierung reflektive oder transmissive Amplituden- bzw. Phasengitter aufweisen. Zur Abtastung von diffraktiven Maßverkörperungen ist der Durchmesser der Aperturblenden insbesondere dadurch bestimmt, dass die nicht zu detektierenden, seitlich aus der Maßverkörperung austretenden Beugungsordnungen ausgeblendet werden.Furthermore such a scanning receiver can especially equally for measuring standards which are used as coding reflective or transmissive Amplitude or Have phase grating. For scanning diffractive measuring standards the diameter of the aperture stops is determined in particular by that not to be detected, laterally from the material measure emerging diffraction orders are hidden.
Für unterschiedliche Anwendungsfälle, etwa zur Abtastung von Längen- oder Winkelmessgeräten, welche inkrementale oder absolute Codierungen mit unterschiedlichen Auflösungen aufweisen, müssen lediglich unterschiedliche Abtastblenden zur Verfügung stehen, während die Abtastflächen des Abtast-Empfängers unverändert bleiben können. Die Anordnung der Mikrolinsen auf dem Mikrolinsenarray ist daher lediglich an die Geometrie und die Anordnung der Abtastflächen des Abtast-Empfängers anzupassen und ist somit ebenfalls für verschiedene Codierungen verwendbar.For different Use cases, for example for the scanning of length or angle encoders, which incremental or absolute encodings with different resolutions have to have only different scanning apertures are available, while the scanning surfaces of the scan receiver unchanged can stay. The arrangement of the microlenses on the microlens array is therefore only to the geometry and the arrangement of the sensing surfaces of Scanning receiver and is therefore also for different codes usable.
Vorzugsweise besteht das Linsenarray aus einem Glas- oder Kunststoff-Substrat und weist an seiner der Maßverkörperung zugewandten Seite konvex gekrümmte Linsenflächen auf, die einteilig mit dem Substrat verbunden sind, und die in einer zur Oberfläche des Abtastempfängers parallelen Ebene nebeneinander angeordnet sind. Die dem Abtastempfänger zugewandte Seite des Linsenarrays ist vorzugsweise eben. Somit entstehen plankonvexe Mikrolinsen, deren Linsenprofil sphärisch oder bevorzugt auch asphärisch sein kann.Preferably the lens array consists of a glass or plastic substrate and indicates at its the graduation facing side convex curved lens surfaces on, which are integrally connected to the substrate, and in one to the surface of the sample receiver parallel plane are arranged side by side. Which the Abtastempfänger facing Side of the lens array is preferably flat. This results in plano-convex microlenses, their lens profile spherical or preferably aspherical can be.
Neben einem Mikrolinsenarray mit plan-konvexen Mikrolinsen ist auch die Verwendung von bikonvexen oder konvex-konkaven Linsen denkbar. Neben plan-konvexen Linsen werden aufgrund der besseren Abbildungsleitung für 1:1 Abbildungen besonders bevorzugt Mikrolinsenarrays mit bi-asphärischen, symmetrischen bikonvexen Mikrolinsen eingesetzt, welche vorder- und rückseitig die gleichen Krümmungsradien aufweisen.Next a microlens array with plano-convex microlenses is also the Use of biconvex or convex-concave lenses conceivable. Next plano-convex lenses are due to the better imaging line for 1: 1 Illustrations particularly preferred micro-lens arrays with bi-aspheric, symmetrical biconvex microlenses used which front and back the same radii of curvature exhibit.
Weiterhin ist prinzipiell möglich, refraktive Mikrolinsen nach der Art von Fresnel-Linsen vorzusehen. Der Vorteil hierbei liegt insbesondere in der kleinen Linsenhöhe und der einfachen Fertigung mittels Prägetechniken in Kunststoffe oder Glas. Da die Beleuchtung mit weitgehend monochromatischem Licht erfolgt, wirkt sich die bei diffraktiven Linsen nachteilig auftretende Beugung nicht gravierend aus.Farther is possible in principle, To provide refractive microlenses after the type of Fresnel lenses. The advantage here is especially in the small lens height and the simple production by embossing techniques in plastics or glass. Because the lighting is largely monochromatic Light occurs, which adversely affects diffractive lenses Diffraction not serious.
Vorzugsweise sind die Linsenflächen auf der Oberfläche des Substrates in einer regelmäßigen rechteckigen oder hexagonalen Rasterung angeordnet. Jedoch sind prinzipiell auch unregelmäßige, nichtperiodische Anordnungen möglich. Der Durchmesser sowie die Krümmung und damit auch die Brennweite sind dabei für alle Einzellinsen identisch. Es sei noch darauf hingewiesen, dass das Linsen-„Array" auch insofern entartet sein kann, als dass es lediglich eine einzelne Linse oder eine einzelne Reihe oder Spalte von Linsen aufweisen kann; entsprechendes gilt für das Aperturblendenarray.Preferably, the lens surfaces are arranged on the surface of the substrate in a regular rectangular or hexagonal grid. However, in principle, irregular, non-periodic arrangements are possible. The through knife and the curvature and thus the focal length are identical for all individual lenses. It should be understood that the lens "array" may also be degenerate in that it may comprise only a single lens or a single row or column of lenses, as well as the aperture diaphragm array.
Zur Herstellung des Mikrolinsenarrays können unterschiedliche Verfahren zum Einsatz kommen. Es ist möglich, die Mikrolinsenarrays mittels Präge- und Spritzgusstechniken aus Kunststoff herzustellen. Dabei können entweder jeweils ganze Wafer strukturiert werden, wobei die Mikrolinsenarrays anschließend vereinzelt werden oder die einzelnen Mikrolinsenarrays werden separat gefertigt. Weiterhin sind Glasprägetechniken, wie etwa das Blankpressen von Linsen in Glasarten mit niedriger Glasübergangstemperatur bekannt, die eine Negativform direkt in Glas abprägen. Diese Prägetechniken sind insbesondere in der Lage, ineinander verlaufende oder direkt aneinander angrenzende Linsenformen herzustellen. Insbesondere ist es möglich, asphärisch geformte Linsen herzustellen. Auch mit dieser Technik ist es möglich, Glaswafer zu prägen und die einzelnen Mikrolinsenarrays anschließend zu vereinzeln.to Production of the microlens array can be different methods be used. It is possible, the microlens arrays by means of embossing and plastic injection molding techniques. It can either Whole wafers are structured in each case, with the microlens arrays subsequently separated or the individual microlens arrays are manufactured separately. Furthermore, glass embossing techniques, such as the pressing of lenses in glass types with lower Glass transition temperature known, imprint a negative mold directly into glass. These embossing techniques in particular are able to run into each other or directly produce adjacent lens molds. In particular it is possible aspherical produce shaped lenses. Even with this technique it is possible to use glass wafers to shape and then singulate the individual microlens arrays.
Ein anderes bekanntes Verfahren, was etwa von der Firma SÜSS MicroOptics SA in Neuchatel in der Schweiz verwendet wird, nutzt Photolithographie mit Reflow des entwickelten Lacks und anschließendem reaktivem Ionen Ätzen (reactive ion etching, RIE) in Glaswafer. Dieser Wafer wird anschließend in einzelne Linsenarrays vereinzelt oder wird als Stamper für eine Replikationstechnik, wie etwa UV- oder Heißprägung verwendet. Die durch das Reflowverfahren hergestellten Linsen haben dabei einen Mindestabstand von einigen Mikrometern.One Another known method, such as the company SUSS MicroOptics SA is used in Neuchatel in Switzerland, using photolithography Reflow of the developed paint and subsequent reactive ion etching (reactive ion etching, RIE) in glass wafers. This wafer is then transformed into individual Lens arrays singulated or stampered for a replication technique, such as UV or hot stamping used. The lenses produced by the reflow process have one Minimum distance of a few micrometers.
Die Abtastblenden werden in Form von Glaswafern mittels photolithographischer Strukturierung einer weitgehend lichtundurchlässigen Schicht hergestellt, die beispielsweise aus Chrom, Aluminium oder Titan oder Titanverbindungen besteht und aufgedampft oder gesputtert wird.The Scanning diaphragms are in the form of glass wafers by means of photolithographic Structuring a largely opaque layer, for example, chromium, aluminum or titanium or titanium compounds exists and is vapor-deposited or sputtered.
Zur Herstellung der Abtasteinheit werden entweder nacheinander die Abtastblende, das Aperturblendenarray und anschließend das Mikrolinsenarray auf der Oberfläche des Abtast-Empfängers positioniert, oder es wird zunächst die Abtastblende sowie das Mikrolinsenarray mit dazwischen angeordnetem Aperturblendenarray zueinander positioniert und diese Baueinheit anschließend auf der Oberfläche des Abtast-Empfängers angeordnet. Weiterhin ist es im letzteren Fall möglich, die bereits vereinzelten Abtastblenden sowie Mikrolinsenarrays zueinander zu positionieren, oder aber die jeweiligen Wafer, welche die Mikrolinsen und die Aperturblenden bzw. die Abtastblenden tragen, zunächst zueinander zu positionieren, zu bonden und anschließend etwa mittels einer Wafersäge zu vereinzeln.to Manufacture of the scanning unit, either one after the other, the scanning aperture, the aperture diaphragm array and then the microlens array the surface the scanning receiver is positioned, or it will be first the scanning aperture and the microlens array with interposed Aperture aperture array positioned to each other and this assembly subsequently on the surface of the scan receiver arranged. Furthermore, it is possible in the latter case, the already isolated Position scanning apertures as well as microlens arrays to each other, or the respective wafers, which the microlenses and the aperture stops or carry the scanning apertures, first to position each other, to bond and then for example by means of a wafer saw to separate.
Die Anordnung und der Durchmesser der Mikrolinsen werden an die Geometrie und Anordnung der Abtastfelder des Abtastempfängers angepasst. Die Linsendurchmesser und die Brennweite der Einzellinsen sind dabei bevorzugt kleiner als 2 mm. Die Brennweite bzw. der Krümmungsradius der Mikrolinsen wird bevorzugt derart festgelegt, dass in Abhängigkeit von der Dicke der Abtastblenden-Platte, der Aperturblende sowie des Mikrolinsenarrays sowie in Abhängigkeit von den entsprechenden Brechungsindizes und dem Abbildungsmaßstab der Abstand der Mikrolinsen zur Abtastblendenöffnung bzw. zur Oberfläche der Empfängerflächen des Abtast-Empfängers exakt der Bildweite entspricht.The Arrangement and the diameter of the microlenses are to the geometry and arrangement of the scanning fields of the Abtastempfängers adapted. The lens diameter and the focal length of the individual lenses are preferably smaller than 2 mm. The focal length or the radius of curvature of the microlenses is preferably set such that, depending on the thickness of the Scanning plate, the aperture diaphragm and the microlens array as well dependent on from the corresponding refractive indices and the magnification of the Distance of the microlenses to the scanning aperture or to the surface of the Receiver surfaces of Scan receiver exactly the image width corresponds.
Die Abstände der Mikrolinsen zum Maßstab einerseits und zur Oberfläche des Abtastchips bzw. der Abtastblendenöffnungen andererseits sind durch die Abbildungsgleichung bestimmt und bestimmen den Abbildungsmaßstab. Vorzugsweise wird ein Abbildungsmaßstab von 1:1 gewählt. In diesem Fall beträgt der Abstand von der objektseitigen Hauptebene der Linsen zur Maßstabsoberfläche ebenso die doppelte Brennweite, wie der Abstand von der bildseitigen Hauptebene der Linsen zur Oberfläche des Abtastempfängers bzw. der Öffnungen der Abtastblende, der sich jedoch jeweils um den Faktor der jeweiligen Brechungsindizes verlängert. Ohne Einschränkung sind durch Variation der Abstände jedoch auch vergrößernde oder verkleinernde reelle (d.h. nicht-virtuelle) Abbildungen möglich, d.h. Abbildungen im Maßstab größer oder kleiner als eins.The distances the microlenses to the scale on the one hand and to the surface the Abtastchips or the Abtastblendenöffnungen other hand determined by the mapping equation and determine the magnification. Preferably becomes a picture scale chosen from 1: 1. In this case is the distance from the object-side main plane of the lenses to the scale surface as well the double focal length, such as the distance from the image-side main plane the lenses to the surface of the sample receiver or the openings the scan aperture, however, each by the factor of the respective Refractive indices extended. Without restriction are by varying the distances but also magnifying or decreasing real (i.e., non-virtual) mappings possible, i. Illustrations in scale bigger or less than one.
In der Brennebene der Mikrolinsen befindet sich ein Array von Aperturblenden, wobei in der optischen Achse jeder Einzellinse eine Blende angeordnet ist. Somit liegt ein objektseitig telezentrischer Strahlengang vor. Hierdurch bleibt bei einer geringfügigen Abstandsänderung zwischen der Maßverkörperung und dem Linsenarray der Abbildungsmaßstab nahezu unverändert, wodurch vergleichsweise große Abstandstoleranzen zwischen der Maßverkörperung und der Abtasteinheit zulässig sind. Wird zur Beleuchtung weitgehend paralleles Licht verwendet, so wird durch die telezentrischen Aperturblenden nur wenig Licht ausgeblendet.In the focal plane of the microlenses is an array of aperture stops, wherein in the optical axis of each individual lens arranged a diaphragm is. Thus, there is an object-side telecentric beam path. This leaves at a slight change in distance between the material measure and the lens array, the magnification almost unchanged, thereby comparatively large Distance tolerances between the material measure and the scanning unit permissible are. If largely parallel light is used for illumination, so is illuminated by the telecentric Aperturblenden only little light.
Das Aperturblendenarray wird dabei durch eine weitgehend lichtundurchlässige Schicht realisiert, die lediglich an den Stellen der Blendenöffnungen entfernt ist. Die Blendenöffnungen sind bevorzugt rund. Die lichtundurchlässige Schicht besteht aus Aluminium oder Chrom, bevorzugt jedoch aus Titan oder Titanverbindungen, um Rückreflexionen zu verringern, und wird bevorzugt auf eine Glasoberfläche mittels Aufdampfen oder Sputtern aufgebracht und mittels Photolithographie strukturiert. Die Oberfläche einer Aluminiumschicht als licht-absorbierende Blendenschicht kann darüber hinaus schwarz eloxiert sein, um Rückreflexionen des Lichts zu vermeiden. Diese aufgedampften oder gesputterten Schichten weisen in der Regel eine Dicke von lediglich etwa 20 nm bis 150 nm auf. Ohne Einschränkung sind jedoch auch andere opake metallische, dielektrische oder Kunststoff- Schichten einsetzbar. Eine eventuell vorhandene Feldblende, welche objektseitig auf dem Mikrolinsenarray vorgesehen sein kann, kann mittels einer entsprechenden Technik aufgebracht werden.The aperture diaphragm array is realized by a largely opaque layer, which is removed only at the locations of the apertures. The apertures are preferably round. The opaque layer is made of aluminum or chromium, but preferably of titanium or titanium compounds, to reduce back reflections, and is preferably applied to a glass surface by means of vapor deposition or sputtering and structured by photolithography. In addition, the surface of an aluminum layer as a light-absorbing diaphragm layer may be black anodized in order to avoid back reflections of the light. These deposited or sputtered layers typically have a thickness of only about 20 nm to 150 nm. Without limitation, however, other opaque metallic, dielectric or plastic layers can be used. Any existing field stop, which may be provided on the microlens array on the object side, can be applied by means of a corresponding technique.
Das Aperturblendenarray kann ein separates Bauteil sein. Vorzugsweise ist dieses Blendenarray jedoch auf bereits verwendeten Bauteilen, wie etwa dem Linsenarray oder der der Abtastblende angeordnet. Somit entfällt ein separates Bauteil mit entsprechendem Justageaufwand.The Aperture aperture array may be a separate component. Preferably However, this aperture array is on already used components, such as the lens array or the scanning aperture. Consequently deleted a separate component with a corresponding adjustment effort.
Im ersten Fall weist die Objektseite des Linsenarrays bevorzugt das Blendenarray auf, wobei in der optischen Achse jeder Einzellinse jeweils eine Aperturblende angeordnet ist. Die Dicke des Linsenarrays ist dabei derartig bemessen, dass die Brennebene der Einzellinsen in der planen Unterseite des Linsenarrays liegt. Hierdurch erhält man ein telezentrisches optisches System, wodurch eine geringfügige Abstandsänderung zwischen dem Maßstab und dem Linsenarray den Abbildungsmaßstab nicht wesentlich verändert, so dass das Gesamtmesssystem vergleichsweise abstandstolerabel im Hinblick auf den Abstand zwischen der Maßverkörperung und dem Abtastempfänger ist. Die Abstandstoleranz hängt von der Messperiode sowie von der Parallelität des beleuchtenden Lichtes ab und beträgt ca. 1 mm für eine Messperiodenlänge von 100 Mikrometern, etwa entsprechend 1024 Inkrementen auf einem Codescheiben-Durchmesser von 40 mm.in the In the first case, the object side of the lens array preferably has the Aperture array, wherein in the optical axis each Einzellinse in each case an aperture diaphragm is arranged. The thickness of the lens array is dimensioned such that the focal plane of the individual lenses lies in the flat bottom of the lens array. This gives you a telecentric optical system, resulting in a slight change in distance between the scale and the lens array does not substantially alter the magnification, so that the total measuring system comparatively distance tolerable in terms of on the distance between the material measure and the sampling receiver is. The distance tolerance depends from the measuring period as well as from the parallelism of the illuminating light off and is approx. 1 mm for a measuring period length of 100 microns, about 1024 increments on one Code disc diameter of 40 mm.
Demgegenüber weisen projektive optische Messverfahren ohne Verwendung abbildender Linsen gemäß dem Stand der Technik deutlich geringere Abstandstoleranzen von etwa 50 Mikrometer und weniger auf, je nach Breite des abzutastenden Messgitters.In contrast, show Projective optical measuring methods without the use of imaging lenses according to the state The technology significantly lower distance tolerances of about 50 microns and less, depending on the width of the measurement grid to be scanned.
Alternativ kann bei Verwendung einer Abtastblende das Aperturblendenarray auch auf der dem Abtastchip abgewandten Seite der Abtastblendenplatte angeordnet sein. Die dem Abtastchip zugewandte Seite der Blendenplatte trägt dabei die Abtastblenden, während die gegenüber liegende Seite das Aperturblendenarray aufweist. Die Glasplatte weist somit beidseitig strukturierte partiell lichtundurchlässige Schichten auf, in der Regel photolithographisch strukturierte Chrom- oder Titanschichten. Prinzipiell kommen auch andere Metallisierungsschichten, wie etwa Aluminium oder dielektrische Schichten in Betracht. Die Abtastblende weist dabei Öffnungen entsprechend der Codierung der Maßverkörperung auf, wobei der Abbildungsmaßstab sowie eine Invertierung aufgrund der einstufigen Abbildung zu berücksichtigen sind. Die durch die einzelnen Mikrolinsen generierte Abbildungs-Invertierung sorgt für eine partielle Umkehrung der Codestellen sowie für eine Änderung der Krümmung der Codespur bei Winkelcodescheiben.alternative may also use the aperture diaphragm array when using a scan aperture on the scanning chip side facing away from the Abtastblendenplatte be arranged. The scanning chip side facing the aperture plate contributes the scanning apertures while the opposite lying side has the aperture diaphragm array. The glass plate points thus partially structured partially opaque layers on, usually photolithographically structured chromium or Titanium layers. In principle, other metallization layers, such as aluminum or dielectric layers. The Sensing aperture has openings according to the coding of the material measure, the magnification and a Inversion due to the single-step figure to consider are. The image inversion generated by the individual microlenses takes care of a partial reversal of the codes as well as a change in the curvature of the Code track for angular code discs.
In dem Fall, dass ein Abtastempfänger mit einem „phased Array", d.h. mit entsprechend der Maßverkörperung codierten Empfängerfeldern verwendet wird und somit keine Abtastblende notwendig ist, wird entweder eine separate Aperturblendenplatte verwendet, auf welche das Mikrolinsenarray montiert wird und deren Aperturblenden-Öffnungen dem Mikrolinsenarray zugewandt sind, oder es wird das Aperturblendenarray auf der Rückseite des Mikrolinsenarrays vorgesehen und eine separate transparente Glasplatte als Abstandshalterung zwischen dem Mikrolinsenarray und dem Abtastempfänger angeordnet. Durch die Dicke dieser Glasplatte ist der Abstand zwischen dem Mikrolinsenarray und dem Abtastempfänger eingestellt und es entfällt im letzteren Fall eine separate Justage des Aperturblendenarrays relativ zum Mikrolinsenarray.In in the case of a scanning receiver with a "phased Array ", i.e. with according to the material measure coded receiver fields is used and thus no scan aperture is necessary, either uses a separate aperture plate on which the microlens array is mounted and their aperture apertures the microlens array or it will be the aperture panel on the back the microlens array provided and a separate transparent Glass plate as a spacer between the microlens array and the sampling receiver arranged. Due to the thickness of this glass plate is the distance between set the microlens array and the Abtastempfänger and it is omitted in the latter case a separate adjustment of the aperture diaphragm array relative to the microlens array.
Das Mikrolinsenarray, das Aperturblendenarray sowie die eventuell benötigte Abtastblende werden vorzugsweise direkt auf der Oberfläche des Empfängerchips, quasi als „lense on reticle on chip" montiert und anschließend seitlich mittels lichtundurchlässiger Vergussmasse fixiert. Weiterhin ist es möglich, die Oberflächen der einzelnen Komponenten, bestehend aus Mikrolinsenarray und den einzelnen Blendenplatten miteinander zu verkleben, insbesondere mit optischem Kleber zu verkitten, um Lufteinschlüsse zu vermeiden.The Microlens array, the aperture diaphragm array and the possibly required scanning diaphragm are preferably directly on the surface of the receiver chip, quasi as "lense mounted on reticle on chip and subsequently laterally by means of opaque Fixing compound fixed. Furthermore, it is possible to use the surfaces of individual components, consisting of microlens array and the individual Glue aperture plates together, especially with optical To cement glue to avoid air bubbles.
Vorzugsweise wird die Brennweite der Linsen in Abhängigkeit von der Dicke sowie der Brechungsindizes der bevorzugt als Glasplatten ausgebildeten Mikrolinsenarrays, der Abtastblende sowie des dazwischen angeordneten Aperturblendenarrays festgelegt, so dass bei Übereinanderlegen der einzelnen Komponenten auf der Oberfläche des Abtast-Empfängers die Bildweite quasi von selbst exakt eingestellt wird, so dass in axialer Richtung parallel zur optischen Achse des Abbildungsstrahlenganges keine Abstandskalibrierung mehr erforderlich ist.Preferably The focal length of the lenses will vary depending on the thickness as well the refractive indices of preferably formed as glass plates Microlens arrays, the scanning and arranged in between Aperture array defined so that when superimposing the individual Components on the surface the scan receiver the Image size quasi adjusted by itself, so that in axial Direction parallel to the optical axis of the imaging beam path None Distance calibration is required more.
Da die Glasdicken des Mikrolinsenarrays und der Abtastblende nicht beliebig variierbar sind und die Bildebene in der Oberfläche der Abtastblenden-Öffnungen bzw. der lichtempfindlichen Flächen des Abtast-Empfängers liegen muss, kann es eventuell notwendig sein, die Brennebene um bis zu etwa 10% der Brennweite, entsprechend etwa maximal 100– 200 Mikrometer oberhalb oder unterhalb der Aperturblenden-Öffnungen vorzusehen, d.h. die Aperturblenden befinden sich geringfügig im Off-Fokusbereich.Since the glass thicknesses of the microlens array and scan aperture are not freely variable and the image plane must lie in the surface of the scan aperture or photosensitive areas of the scan receiver, it may be necessary to increase the focal plane by up to about 10% of the focal length to provide about a maximum of 100-200 microns above or below the aperture apertures, ie Aperture apertures are slightly off focus.
In dem Falle, dass diffraktive Maßverkörperungen verwendet werden, welche die optische Interferenz und Beugung des Lichtes ausnutzen, so treten neben den zu detektierenden Beugungsordnungen auch weitere Haupt- oder Nebenordnungen auf, die nicht detektiert werden. Das Aperturblendenarray gewährleistet bei richtiger Dimensionierung zugleich die Ausblendung dieser nicht zu detektierenden Haupt- oder Nebenordnungen.In the trap that diffractive dimensional standards used, which is the optical interference and diffraction of the Take advantage of light, so occur in addition to the diffraction orders to be detected other major or minor orders that are not detected. The aperture diaphragm ensures if correctly dimensioned at the same time the suppression of these not to be detected major or minor orders.
Um zu vermeiden, dass Streulicht auf die lichtempfindlichen Flächen des Abtast-Empfängers gelangt, kann zusätzlich der objektseitige Bereich des Linsenarrays zwischen den Mikrolinsen mit einer lichtundurchlässigen Schicht als Feldblende versehen sein. Bei geeigneter Anordnung und Brennweite der Mikrolinsen kann diese Feldblende jedoch auch entfallen.Around to avoid stray light on the photosensitive surfaces of the Scan-receiver arrives, can additionally the object-side region of the lens array between the microlenses with an opaque Layer be provided as a field stop. With a suitable arrangement and Focal length of the microlenses, this field stop can also be omitted.
Das von der Lichtquelle emittierte Licht wird vorzugsweise mittels einer Sammellinse (Kondensorlinse) parallelisiert und somit der Maßstab beleuchtet. Es ist jedoch prinzipiell auch möglich, eine optische Positionsmesseinrichtung mit divergentem Licht zu betreiben.The light emitted from the light source is preferably by means of a Parallel lens (condenser lens) parallelized and thus illuminates the scale. However, it is also possible in principle an optical position measuring device with divergent light too operate.
Als Lichtquelle werden gemäß dem Stand der Technik Leuchtdioden (LEDs) eingesetzt, die im (nah-) infraroten (near IR) Spektrum emittieren. Allerdings ist auch die Verwendung von LEDs möglich, die im roten Spektrum oder im sichtbaren Spektrum emittieren. Die Halbwertsbreite beträgt dabei typischerweise etwa 20–50 nm. Weiterhin ist auch die Verwendung von Halbleiterlasern als Beleuchtungsquelle denkbar. Aus Kostengründen, aufgrund der geringeren Lebensdauer insbesondere bei hohen Temperaturen und der nachteilig hohen räumlichen und zeitlichen Kohärenz haben sich Laser als Lichtquelle in der maßstabsgebundenen Positionsmessung bislang jedoch nicht durchgesetzt.When Light source according to the state of Technology light emitting diodes (LEDs) are used, which in the (near) infrared (near IR) emit spectrum. However, the use is also possible from LEDs, which emit in the red spectrum or in the visible spectrum. The Half width is typically about 20-50 nm. Furthermore, the use of semiconductor lasers as a source of illumination is conceivable. For cost reasons, due to the shorter life, especially at high temperatures and the disadvantageously high spatial and temporal coherence have laser as a light source in the scale-bound position measurement but so far not enforced.
Während bei
Amplitudengittermaßstäben der
Beleuchtungsstrahlengang kollinear zum Abbildungsstrahlengang ist,
kann er bei diffraktiven Codierungen beispielsweise gemäß der
Da eine lediglich einstufige optische Abbildung vorgesehen wird, muss die Invertierung der Abbildung berücksichtigt werden. Zum einen ist die Drehrichtung scheinbar entgegengesetzt, zum anderen muss die Invertierung der Codespurkrümmung im Falle von Winkelmessgeräten berücksichtigt werden. Hierzu werden die Blendenöffnungen auf der Abtastblende bzw. die Empfängerflächen im Falle eines Abtastempfängers mit „phased arrays" entsprechend angepasst.There a single-stage optical image is provided must the inversion of the figure will be taken into account. On the one hand the direction of rotation is apparently opposite, on the other hand must the inversion of the code track curvature in the Trap of angle encoders considered become. For this purpose, the apertures on the scanning diaphragm or the receiver surfaces in Case of a scanning receiver with "phased arrays "accordingly customized.
Im Falle von absoluten Codierungen empfiehlt es sich, jedes Codefeld mittels einer separaten Mikrolinse abzubilden. Ansonsten muss im Falle der Abbildung von mehreren Codefeldern mit einer Linse die Invertierung der Codefelder, die durch die einzelnen Linsen auf den Abtastempfänger abgebildet werden, entsprechend berücksichtigt werden.in the In the case of absolute encodings, it is recommended that each code field imaged by means of a separate microlens. Otherwise must in the Case of mapping multiple code fields with a lens the Inverting the code fields through the individual lenses the sampling receiver be taken into account accordingly.
Besonders
vorteilhaft ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Abtasteinheit in Verbindung
mit einer Nonius-codierten Maßverkörperung
etwa gemäß der
Ausführungsbeispieleembodiments
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen deutlich gemacht.Further Features and advantages of the invention will become apparent in the following Description of exemplary embodiments made clear.
Es zeigen:It demonstrate:
die
die
die
die
die
die
die
die
In
der
Direkt
auf der Chipoberfläche
ist eine Abtastblende
Auf
der Oberseite der Abtastblende
Vorzugsweise
ist der Stapel auf der Oberfläche
des Abtastempfängers
Die
Maßverkörperung
Bei
einer Abbildung im Abbildungsmaßstab 1:1
betragen die Entfernung zwischen dem Maßstab
Für eine Abbildung
im Abbildungs-Maßstab 1:1
weist die Abtastblende
Die
In
der
Licht,
welches schräg
parallel einfällt
und einen hinreichend großen
Winkel α zur
optischen Achse
Neben
Maßverkörperungen,
die nicht-diffraktive Codierungen aufweisen, welche die Amplitude
des einfallenden Lichtes modulieren, sind etwa aus der
Für den Beugungswinkel α–1 der
minus ersten Ordnung gilt der Zusammenhang: sin(α–1)
= λ/Λ, wobei λ die Wellenlänge des
beleuchtenden Lichtes ist und Λ die
Gitterkonstante des Beugungsgitters. Für λ = 740 nm und Λ = 1,25 μm erhält man beispielsweise
einen Beugungswinkel von α–1 =
36,3°. Somit ergibt
sich mit einer Dicke d des Mikrolinsenarrays
Die
Sei beispielsweise d = 1,5 mm, dann folgt aus der Bedingung mit einem Brechungsindex von n1 = 1,4524 für die Brennweite f der Mikrolinsen: f = 1,033 mm, woraus sich ein Krümmungsradius R der Mikrolinsen von R = 0,467 mm errechnet.For example, if d = 1.5 mm, then the condition with a refractive index of n 1 = 1.4524 for the focal length f of the microlenses follows: f = 1.033 mm, resulting in a radius of curvature R of the Microlenses of R = 0.467 mm calculated.
Für die Linsenhöhe s („lense sag") gilt nach Pythagoras der folgende Zusammenhang: R = s/2 + D2/(8s). Mit einer Linsenhöhe von s = 50 μm und einem Linsendurchmesser von D = 0,42 mm ergibt sich beispielsweise ein Krümmungsradius der Linse von R = 0,466 mm.According to Pythagoras, the following relationship applies for the lens height s ("lense sag"): R = s / 2 + D 2 / (8s) With a lens height of s = 50 μm and a lens diameter of D = 0.42 mm For example, a radius of curvature of the lens of R = 0.466 mm.
Auf
der dem Abtastempfänger
Wird
für die
Abtastblende eine Glasart mit einem unterschiedlichen Brechungsindex
verwendet, so muss die Abtastblende eine unterschiedliche Dicke
aufweisen, damit die Bildebene in der Oberfläche des Abtastempfängers bzw.
der Abtast-Blendenöffnungen
liegt. Da Glasplatten nicht in beliebigen Dicken verfügbar sind,
kann es notwendig sein, das Aperturblendenarray um bis zu etwa 10%
der Brennweite in einer parallel versetzten Ebene außerhalb der
Brennebene der Mikrolinsen
In
der
In
der
Das
Mikrolinsenarray
In
der
Die
Mit einer Kantenlänge k = 0,1 mm des licht-emittierenden Halbleiters und einer Brennweite F = 4 mm der Kondensorlinse ergibt sich beispielsweise ein halber Öffnungswinkel des beleuchtenden Lichtbündels von δ0 = 0,72°. Da die Maßverkörperung kein Selbststrahler ist, sondern von der Lichtquelle beleuchtet wird, muss die Beleuchtungsapertur ABel der Lichtquelle für das Auflösungsvermögen sowie für die Bestimmung der Apertur AObj der Mikrolinsen berücksichtigt werden. Der Abstand von Objektstrukturen an der Auflösungsgrenze beträgt dann: With an edge length k = 0.1 mm of the light-emitting semiconductor and a focal length F = 4 mm of the condenser lens, for example, a half opening angle of the illuminating light beam of δ 0 = 0.72 °. Since the material measure is not a self-radiator, but is illuminated by the light source, the illumination aperture A Bel of the light source for the resolution and for the determination of the aperture A Obj of the microlenses must be taken into account. The distance of object structures at the resolution limit is then:
In
der
Der
Durchmesser A der Öffnung
der Aperturblende
Die
Die
Mikrolinsen
Durch
die punktiert dargestellten Öffnungen
Neben der nacheinander erfolgenden Montage von Abtastblende und Mikrolinsenarray auf der Oberfläche des Abtastchips oberhalb der lichtempfindlichen Empfängerfelder ist es auch möglich, entsprechende Wafer, welche die Mikrolinsenarrays und die Abtastblenden tragen, zunächst zueinander zu positionieren, zu bonden und anschließend zu vereinzeln. In diesem Fall ist die Einheit, bestehend aus Mikrolinsenarray und Abtastblendenarray lediglich relativ zu den Empfängerfeldern des Abtastempfängers auszurichten.Next the sequential assembly of scanning diaphragm and microlens array on the surface of the scanning chip above the photosensitive receiver fields it is also possible corresponding wafers, which the microlens arrays and the Abtastblenden wear, first to position each other, to bond and then to seperate. In this case, the unit consisting of microlens array and scan aperture array only relative to the receiver fields of the sample receiver align.
Die unterschiedlichen übereinander liegenden Glasplatten, welche das Mikrolinsenarray sowie die Abtastblende tragen, können verkittet oder verklebt werden und anschließend seitlich mit einer vorteilhafterweise opaken Vergussmasse vergossen werden. Es ist darüber hinaus möglich, dass innerhalb dieser Vergussmasse insbesondere auch die Bonddrähte des Abtastchips liegen.The different on top of each other lying glass plates, which the microlens array and the scanning diaphragm wear, can cemented or glued and then laterally with an advantageously to be potted opaque potting compound. It is also possible that within this potting compound in particular also the bonding wires of the Scanning chips are.
In
der
Das Auflösungsvermögen der Einzellinsen ist proportional zum Quotienten aus der Brennweite und dem Linsendurchmesser und ist daher auch bei kleiner Brennweite aufgrund des kleinen Linsendurchmessers ausreichend.The Resolution of the Single lenses is proportional to the quotient of the focal length and the lens diameter and is therefore synonymous with small focal length due to the small lens diameter sufficient.
Das
Mikrolinsenarray weist seitliche Stege
Aufgrund
der bikonvexen Linsengestaltung liegt hierbei der Brennpunkt nicht
in der Rückseite des
Linsenarrays
Die
Abtastblende
Die
In
der
In
den
Daher wird das Licht der nullten Beugungsordnung durch die Aperturblenden ausgeblendet, d.h. die notwendige Verringerung der Linsenapertur wird durch die Aperturblenden erreicht, die einen hinreichend kleinen Öffnungs-Durchmesser aufweisen. Der maximale Durchmesser A der Aperturblenden ist somit bei der Detektion von diffraktiven Maßverkörperungen durch den Beugungswinkel α–1 der nullten Beugungsordnung bestimmt.Therefore, the light of the zeroth diffraction order is masked out by the aperture stops, ie the necessary reduction of the lens aperture is achieved by the aperture stops, which have a sufficiently small opening diameter. The maximum diameter A of the aperture diaphragms is thus determined in the detection of diffractive material measurements by the diffraction angle α -1 of the zeroth diffraction order.
Um
das den Maßstab
verlassende Licht mit einer ausreichenden Intensität zu detektieren
und eine ausreichende Auflösung
zu erzielen, sollte der Durchmesser der Aperturblenden jedoch auch
nicht zu klein sein. Vorzugsweise ist der Beugungswinkel α–1 größer als
der halbe Öffnungswinkel
des die Maßverkörperung
Bei
der Detektion von diffraktiven Maßverkörperungen
Das
Beugungsmaximum der detektierten minus ersten Beugungsordnung wird
weiterhin umso schmaler, je mehr Liniengitter je Codefläche verwendet
werden. Bei einer Gitterkonstanten Λ und einer Anzahl N von Gitterlinien
je Codefeld
Insgesamt
erhält
man mit dem Zusammenhang: δ = δ–1 + δ1 ≈ δ0 + δ1 eine
vergleichsweise geringe Bündelaufweitung
des Lichtes, das die Maßverkörperung
Die Aperturblenden-Öffnungen werden nunmehr soweit angepasst, dass die Linsen-Apertur AObj vorzugsweise größer ist als die Beleuchtungsapertur ABel, die nullte Ordnung mit dem Beugungswinkel α–1 jedoch ausgeblendet wird, was bedeutet, dass ABel < AObj < sin(2α–1) bzw. dass gilt: k / 2F + λ / NΛ ≈ sin(δ) < sin(u) < sin(α–1) = λ / Λ, wobei u der halbe Öffnungswinkel der Mikrolinsen sei, dann gilt insbesondere: tan(u) = A / 2f.The aperture apertures are now adapted to the extent that the lens aperture A Obj is preferably larger than the illumination aperture A Bel , but the zeroth order with the diffraction angle α -1 is hidden, which means that A Bel <A Obj <sin ( FIG . 2α -1 ) or that: k / 2F + λ / NΛ≈Sin (δ) <sin (u) <sin (α -1 ) = λ / Λ, where u is half the aperture angle of the microlenses, then in particular : tan (u) = A / 2f.
Für eine hinreichend
große
Anzahl N von Beugungsgittern je Codefeld
Weiterhin ist durch eine geeignete Geometrie sicherzustellen, dass die nullte Beugungsordnung nicht durch benachbarte Aperturblenden-Öffnungen auf den Abtastempfänger gelangt. Dies wird durch eine geeignete Wahl der Brennweite f der Mikrolinsen sowie dem Durchmesser der Aperturblenden-Öffnungen sichergestellt.Furthermore, it must be ensured by a suitable geometry that the zeroth diffraction order does not pass through adjacent aperture apertures on the scanning receiver. This is achieved by a suitable choice of the focal length f of the microlenses and the diameter of the aperture apertures secured.
Für eine große Abstandstoleranz
zwischen der Maßverkörperung
Hierdurch
erhält
man eine im Vergleich zum Stand der Technik deutlich höhere Abstandstoleranz zwischen
der Maßverkörperung
Für eine hohe
inkrementale Strichzahl, die insbesondere auf Codescheiben kleinen
Durchmessers vorgesehen werden, werden die Codefelder entsprechend
schmaler. Um auch kleine Codefelder
Andere
Vorrichtungen, wie in der
Die
Um ein Übersprechen quer zur Messrichtung auszuschließen, werden benachbarte Codespuren auf der Maßverkörperung vorzugsweise mit einem ausreichenden Abstand vorgesehen.Around a crosstalk to exclude across the measuring direction, adjacent code tracks on the measuring standard preferably provided with a sufficient distance.
In
der
Sei
2δ das Minimum
aus dem Öffnungswinkel
des Lichtes, welches die Maßverkörperung
Beträgt der Öffnungswinkel
2δ = 3,6° und die Brennweite
der Mikrolinsen f = 1 mm, so ergibt sich bei einem Abbildungsmaßstab von
M = 1:1 beispielsweise eine seitliche Ausweitung des halben Bildfeldes
um B – D/2
= 63 Mikrometer. Würden
die Mikrolinsen direkt aneinander angrenzen, so beträgt der Überlappungsbereich
Beträgt der Abstand b der benachbarten Mikrolinsen beispielsweise b = B + D/2 = D + 63 μm, so beträgt der abtastbare halbe Bildfeldbereich B' = D/2, d.h. das abtastbare Bildfeld entspricht dem gesamten Linsendurchmesser D.Is the distance b of the adjacent microlenses, for example b = B + D / 2 = D + 63 microns, so is the scannable half frame area B '= D / 2, i. the scannable image field corresponds to the entire lens diameter D.
In
der
Das
Mikrolinsenarray
Dargestellt
sind zwei beidseitig des Abtastempfängers
Die
Unterseite des Mikrolinsenarrays
Die
Vergussmasse
In
der
Die
Da
das Licht des Lichtsenders
Ebenso
ist es jedoch möglich,
wie in der
Die
Die
Sender
Neben
der Verwendung mehrerer Lichtsender
Der Abtastempfänger-Chip kann ebenso wie die Lichtsender-LED als SMD- oder ball-grid-array (BGA)-Bauteil gehäust oder als Chip-on-Board (COB) auf einem Träger, etwa einer Leiterplatte angeordnet sein. Weiterhin kann die LED von einer transparenten Vergussmasse umhüllt sein, wobei ein Bonddraht zur Kontaktierung ebenfalls in die Vergussmasse eingebettet sein kann.Of the Scanning receiver chip Like the light transmitter LED, it can be used as an SMD or ball-grid-array (BGA) device housed or as a chip-on-board (COB) on a carrier, such as a printed circuit board be arranged. Furthermore, the LED of a transparent Encapsulated casting compound be, wherein a bonding wire for contacting also in the potting compound can be embedded.
Weiterhin können der Lichtsender sowie der Abtastempfänger beispielsweise als Multichip-Modul etwa auf Dünnfilm oder auf einer Leiterplatte montiert sein und beispielsweise auch in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sein. Weiterhin ist es denkbar, den Lichtsender und den Abtastempfänger mittels flip-chip Technik miteinander und/oder mit einer Leiterplatte zu verbinden.Farther can the light emitter as well as the scanning receiver, for example, as a multi-chip module such as thin film or be mounted on a circuit board and, for example, in a common housing be housed. Furthermore, it is conceivable, the light emitter and the sampling receiver using flip-chip technology with each other and / or with a printed circuit board connect to.
Es
ist auch möglich,
eine LED als Lichtsender und den Abtastempfänger in einem Chip zu integrieren,
wie in der
Das
Mikrolinsenarray
- 11
- Abtasteinheitscanning
- 1010
- Abtastempfängerscanning receiver
- 11, 1211 12
- Empfängerfelderrecipient fields
- 1515
- BonddrähteBond wires
- 1616
- Vergussmassepotting compound
- 1717
- Substratsubstratum
- 2020
- Abtastblendescan diaphragm
- 21, 2221 22
- Abtastblenden-ÖffnungenAbtastblenden openings
- 2323
- licht-undurchlässige Schichtlight-impermeable layer
- 2424
- FeldblendenöffnungField aperture
- 3030
- MikrolinsenarrayMicrolens array
- 31, 3331 33
- Mikrolinsemicrolens
- 33', 33''33 ', 33' '
-
Oberfläche der
Mikrolinse
33 Surface of the microlens33 - 3232
- optische Achse einer Mikrolinseoptical Axis of a microlens
- 3535
- Stegweb
- 3838
- Feldblendefield stop
- 4040
- Aperturblendenarrayaperture diaphragm
- 4141
- Aperturblenden-ÖffnungAperture diaphragm opening
- 4444
- Feldblenden-ÖffnungField diaphragm opening
- 4545
- Glasplatteglass plate
- 5050
- Lichtsenderlight source
- 5151
- Trägercarrier
- 5252
- optische Achse der Sammellinseoptical Axis of the condenser lens
- 5555
- Sammellinse (Kondensorlinse, Kollimatorlinse)converging lens (Condenser lens, collimator lens)
- 100, 200100 200
- MaßverkörperungMeasuring standard
- 110, 210110 210
- Dunkelfelddarkfield
- 120, 220120 220
- Hellfeldbrightfield
- RR
- Radius der Mikrolinseradius the microlens
- ff
- Brennweite der Mikrolinsefocal length the microlens
- f'f '
- Abstanddistance
- HH
- objektseitige Hauptebene der Linseobject-side Main plane of the lens
- H'H'
- bildseitige Hauptebene der Linseimage-side Main plane of the lens
- DD
- LinsendurchmesserLens diameter
- n1 n 1
- Brechungsindex der Mikrolinserefractive index the microlens
- n2 n 2
- Brechungsindex der Abtastblenderefractive index the scanning aperture
- dd
- Dicke des Mikrolinsenarraysthickness of the microlens array
- ss
- Linsenhöhelens height
- AA
- Durchmesser der Aperturblendendiameter the aperture stops
- a, ba, b
- Linsenraster (kartesisch)lenticular (Cartesian)
- αα
- Richtung des einfallenden Lichtesdirection of the incoming light
- α–1 α -1
- Winkel der minus ersten Beugungsordnungangle the minus first diffraction order
- ββ
- Brechungswinkel des einfallenden Lichtesangle of refraction of the incoming light
- 2δ0 2δ 0
- Öffnungswinkel des einfallenden Lichtbündelsopening angle of the incoming light beam
- 2δ1 2δ 1
- Öffnungswinkel des Lichtes der minus ersten Beugungsordnungopening angle the light of the minus first diffraction order
- 2δ2δ
- Gesamtöffnungswinkel des den Maßstab verlassenden LichtesTotal opening angle of the scale leaving light
- 2u2u
- Öffnungswinkel der Linsenaperturopening angle the lens aperture
- kk
- Kantenlänge des LED-ChipsEdge length of the LED chips
- FF
- Brennweite der Kollimatorlinsefocal length the collimator lens
- xx
- laterale Ablenkung des Lichtes der nullten Beugungsordnung in der bildseitigen Brennebene der Mikrolinselateral Distraction of the light of the zeroth diffraction order in the image-side Focal plane of the microlens
- cc
- Versatzoffset
- pp
- inkrementale Messperiodeincremental measurement period
- C1, ..., C4 C 1 , ..., C 4
- Positionscodesposition codes
- ABel A Bel
- Beleuchtungs-AperturLighting aperture
- AObj A obj
- Apertur der Mikrolinseaperture the microlens
- NN
-
Anzahl
der Gitterlinien pro Codefeld
220 Number of grid lines per code field220 - UU
- Unschärfekreis-DurchmesserBlur circle diameter
- TT
- Abstandstoleranzdistance tolerance
- MM
- Abbildungsmaßstabmagnification
- BB
- BildfeldbereichView area
- gG
- GegenstandsweiteObject distance
- kk
- Blendenzahlf-number
- L, L1, L2 L, L 1 , L 2
- lateraler Abstandlateral distance
- F', F''F ', F' '
- Brennpunkte der Sammellinsefoci the condenser lens
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