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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-84608
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/8460/


Samland, Thomas

Positions-Encoder mit replizierten und mittels diffraktiver optischer Elemente codierten Maßstäben

Position encoder with replicated scales using diffractive optical codes

Dokument1.pdf (13.604 KB) (md5sum: 0070ba2d4e3892217ba3de519661075a)

Kurzfassung in Deutsch

Diese Arbeit behandelt maßstabsgebundene Positionsmess-Sensoren (Encoder), deren Maßstäbe eine binäre Codierung in Form von abwechselnden Hell- und Dunkelfeldern mit im Wesentlichen gleicher Breite tragen, wobei die Hellfelder mit diffraktiven optischen Elementen (DOEs) in Form von laminaren Liniengittern mit Strukturbreiten im sub-Mikrometerbereich versehen und
die Dunkelfelder unstrukturiert sind. Die Maßstäbe werden dabei unter einer Dunkelfeld-Beleuchtung detektiert, wobei lediglich das Licht der minus ersten Beugungsordnung der Hellfelder auf einen Abtast-Empfängerchip gelangt. Dieser weist ein refraktives mikrooptisches Linsenarray auf, das oberhalb einer Abtastblende als lens-on-glas-on-chip direkt auf den Empfängerchip montiert wird. Somit konnten sowohl inkrementale, als auch absolut codierte diffraktive Maßstäbe detektiert werden. Es wurden sowohl Längenmaßstäbe, als auch Winkelmaßstäbe (Codescheiben) entwickelt, hergestellt und getestet. Sowohl die diffrativen Maßstäbe, als auch das refraktive Mikrolinsenarray wurden dabei mit mikrosystemtechnischen Verfahren mittels Mikrospritzguss
in Polycarbonat (PC), mittels Heißprägeverfahren in Glas-Materialien sowie mittels Nano Imprint Lithographie-Verfahren (NIL) in Lack-auf-Glaswafern repliziert. Die laminaren Liniengitter des Maÿstabes weisen dabei Strukturbreiten im sub-Mikrometerbereich auf, welche mittels eines Mask Aligners (MA) UV-photolithographisch belichtet wurden. Die Mikrolinsen wurden mittels Spritzguss in PC sowie mittels NIL in Silikon und in Lack-auf-Glas repliziert. Das Formwerkzeug zur Replikation von vereinzelt
angeordneten Mikrolinsen wurde dabei mittels Prägen von Saphirkugeln gewonnen. Ein weiteres Werkzeug zur Replikation von Mikrolinsenarrays mit einem Füllfaktor von nahezu 100% wurde mittels Mikro-Diamantfräsen bereitgestellt. Die replizierten sphärischen Mikrolinsen weisen dabei Formabweichungen von weniger als Lambda/4 bei Lambda=633nm auf.
Der Positionssensor verwendet einen telezentrischen, nicht-paraxialen Abbildungs-Strahlengang, wobei zur Optimierung ZEMAX als optisches Simulations-Verfahren verwendet wurde. Die optimierte Bildweite ist dabei kleiner ist als die paraxiale Bildweite. Ferner stellte sich heraus, dass die durch das Linsenarray abgebildeten Hellfelder des Maßstabes aufgrund von Aberrationen
der Mikrolinsen breiter sind als die abgebildeten Dunkelfelder. Dieser Effekt führt zu unerwünschten Harmonischen des Positionssignales und wurde durch eine Verkleinerung der Breite der Hellfelder auf dem Maßstab kompensiert.


Kurzfassung in Englisch

This work considers position sensors (encoders) equipped with optical scales. These scales are carrying a binary code consisting of bright fields and dark fields with an identical width. The bright fields are provided with laminar line gratings as diffractive optical elements (DOEs), whereas the dark fields are plane. The scales are detected using a dark field method, that means only the light of the minus first order of diffraction of the bright fields is detected by use of an optical sensor chip. This sensor chip is equipped with a refractive optical micro lens array, which is mounted onto a reticle directly on top of the sensor chip (lens-on-glas-on-chip). By using this position sensor, it was possible to detect absolute coded diffractive scales. Length scales as well as angular scales (code disks) have been developed, produced and tested. The scales consisting of DOEs as well as the refractive micro lens array have been produced by means of micro replicative methods using injection moulding for plastic materials such as polycarbonate (PC), using hot embossing for glas materials and using Nano Imprinting Lithography (NIL) for resist-on-glas.
The DOEs on the bright fields of the scales are consisting of laminar line gratings with sub-micron lateral dimensions and have been produced by means of a mask aligner (MA) using UV-photolithography. The micro lens arrays have been produced by injection moulding for plastic materials and using NIL for replication into silicone and into resist-on-glas respectively. The replication mould was fabricated by a stamping process by means of saphir balls for single lenses. Another mould for a lens array with a fill factor of about 100% has been fabricated using diamond micro milling. The deviation of the replicated micro lenses from a sphere shape is better than lambda/4 for both moulds at lambda=633 nm. The position sensor uses a telecentric, non-paraxial imaging ray. ZEMAX was used for optical ray-tracing optimization. The optimized picture length is shorter than the paraxial picture length. Furthermore, the image of the bright fields is wider than the image of the dark fields due to aberrations of the micro lenses. This effect leads to higher harmonics of the position signal and was compensated by using smaller bright fields than dark fields on the scale.


SWD-Schlagwörter: Winkel , Strichcode , Längenmessung , Beugungsgitter
Freie Schlagwörter (deutsch): Mikrolinsenarray , optischer Encoder , diffraktive Codescheibe , DOE
Freie Schlagwörter (englisch): micro lens array , optical encoder , diffractive code disk , DOE
PACS Klassifikation Optical el , 06.30.Bp , measuremen , , 42.79.Dj , Diffractio , 42.79.-e , Angles , 29.40.Gx , Position-s
Institut: Institut für Mikrosystemtechnik
Fakultät: Technische Fakultät (bisher: Fak. f. Angew. Wiss.)
DDC-Sachgruppe: Technik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Zappe, Hans (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 10.10.2011
Erstellungsjahr: 2011
Publikationsdatum: 06.02.2012
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