全内反射位移刻度尺的制作方法

专利名称：全内反射位移刻度尺的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于确定位移的刻度尺，该刻度尺采用多个全内反射 (TIR)光学棱镜作为用于测量位移的刻度特征物。
背景技术：
光学编码器用于测量基底或所关注的其它制品的位移。通常，光 学编码器包括光源、附接到基底或所关注的其它制品的刻度尺和光感 测元件。刻度尺通过反射、透射、和/或阻挡光的一些来调制从光源导 向的光。光感测元件被定位成感测已调制光并且生成与己调制光相对 应的输出信号。通过分析光传感器的输出信号确定所关注制品的位移。

发明内容
本发明的实施例涉及使用包括TIR刻度特征物的刻度尺用于确定 基底位移的方法和系统。本发明的一个实施例涉及确定基底位置的方 法。将光导向设置在基底上的刻度尺。刻度尺包括作为刻度尺元件的 多个全内反射(TIR)棱镜。使用TIR棱镜来调制光，并且根据已调制光 来产生信号，该信号指示基底位置。可以使用产生的信号确定基底位 置。例如，信号可以包括指示连续基底位置的模拟信号。
在一些构型中，基底可以包括透明的、伸长的、柔性的幅材，例如聚合物幅材。根据所使用的材料，幅材的弯曲半径可以(例如)小
于约100mm、小于约50mm、小于约25mm、或甚至小于约5mm。
可以使用TIR刻度特征物确定幅材的纵向(纵维)位移、横向(横 维)位移、和/或角旋转。对纵向位移和/或横向位移的测量使得能够确 定幅材位置和/或可以用于确定造成位移变化的多种幅材参数。例如， 可以根据位移测量值确定温度、应变、和弹性模量。
可以使用基本上垂直设置的两个系统通过简单的三角法确定幅材 的角度。
根据本发明的一个方面，调制光涉及使用TIR棱镜来反射光的一 部分。根据被反射的光来产生指示基底位置的信号。
根据本发明的另一个方面，调制光涉及使光的一部分透过透明的 基底。根据被反射的光来产生指示基底位置的信号。扫描调制盘可以 与TIR棱镜一起使用，从而得到光调制。
本发明的另一个实施例涉及被构造用于指示基底位置的系统。基 底包括刻度尺，该刻度尺具有作为刻度特征物的全内反射(TIR)棱镜。 传感器检测由TIR棱镜调制的光，并且根据已调制光来产生指示基底 位置的信号。信号可以用于提供幅材的一个或多个自由平移度和/或自 由旋转度(包括幅材的连续纵向位移、连续横向位移、和/或角旋转) 的连续测量。系统包括被构造用于根据传感器信号确定基底位置和/或 控制基底位置的组件。TIR元件可以具有约90°的内角或其它角度， 并且可以在基底中包括凹槽或凹口。
本发明的又一个实施例涉及巻制品，其包括伸长的、柔性的幅材， 该幅材具有设置在其上的图案特征和整合的刻度尺。刻度尺包括全内
反射(TIR)棱镜，其被构造用于调制被导向幅材的光，其中已调制光指示幅材位置。
以上本发明的发明内容并非意图描述本公开的每一个实施例或每 种实施方式。通过参见下面结合附图的具体实施方式
和权利要求书， 本发明的优点和成就与对本发明更完整的理解一起将变得显而易见并 被理解。


图1A示出了根据本发明的实施例用于指示幅材位置的全内反射 的使用；
图1B示出了根据本发明的实施例的包括直角正棱镜的刻度尺元 件，其被构造用于提供指示幅材位置的全内反射；
图2A示出了根据本发明的实施例的以反射模式操作的用于指示 幅材位置的系统；
图2B示出了根据本发明的实施例的以透射模式操作的用于指示 幅材位置的系统；
图2C示出了根据本发明的实施例的以反射模式操作的用于控制 幅材的移动的系统；
图2D示出了根据本发明的实施例的以透射模式操作的用于控制 幅材的移动的系统；
图2E和图2F示出了根据本发明的实施例的在幅材上纵向布置的 刻度特征物；
图2G和图2H示出了根据本发明的实施例的在幅材上横向布置的 刻度特征物；
图2I示出了根据本发明的实施例的棋盘图案的纵向刻度特征物和 横向刻度特征物；
图3A为在光电检测器的表面处的光强度的曲线图，该光强度由根 据本发明的实施例的刻度特征物来调制；
图3B为在双光传感器的表面处的光强度的曲线图，该光强度由根 据本发明的实施例的刻度特征物和扫描调制盘来调制以实现相位差为
7约90°的正弦光强度；
图4A为示出了根据本发明的实施例使用TIR刻度尺用于指示基 底位置的过程的流程图4B为示出了根据本发明的实施例用于确定粗幅材和细幅材位 置的方法的流程图5A为根据本发明的实施例的巻制品的示意图，该巻制品包括具 有整合的刻度特征物的幅材；
图5B为根据本发明的实施例的巻制品的一部分的示意图，该部分 的巻制品包括具有整合的刻度尺并且另外具有沉积在幅材上的图案特 征的幅材；
图5C为根据本发明的实施例己经与幅材分隔开的刻度尺的示意
图6示出了根据本发明的实施例的辊的一部分的侧视图，该巻具 有可以用于在基底上形成TIR刻度尺的负突起形式的TIR特征物；
图7示出了根据本发明的实施例的用于在基底上形成包括TIR棱 镜特征物的刻度尺的系统；
图8示出了根据本发明的实施例的用于同时在基底上形成包括 TIR棱镜特征物的刻度尺和第一层图案特征的系统；
图9示出了根据本发明的实施例的用于制备双侧的幅材基底的系 统，该双侧的幅材基底在幅材的两个相对表面上都包括特征物；
图10示出了根据本发明的实施例的可以用于制备双侧的幅材基 底的第一压花辊和第二压花辊，该双侧的幅材基底在幅材的相对表面 上都包括特征物；
图11示出了根据本发明的实施例的系统，其中在此前制备工序中 形成的TIR刻度尺用于在后续的制备工序中控制基底位置；
图12A示出了根据本发明的实施例的以反射模式操作的用于控制 幅材的移动的系统的一部分；
图12B示出了根据本发明的实施例的以反射模式操作的用于控制 幅材的移动的系统的一部分；
图13A示出了根据本发明的实施例在幅材的一个表面上纵向布置的刻度特征物和在幅材的背面上布置的第二图案；以及图I3B示出了根据本发明的实施例在幅材的一个表面上纵向布置 的刻度特征物和在幅材的背面上布置的第二图案。虽然本发明可被修改成各种修改形式和可供选择的形式，但是其 具体细节已经以举例的方式在附图中示出，并且将做详细的描述。然 而应当理解，其意图不是将本发明限于所述的具体实施例。相反，其 意图在于覆盖落入所附权利要求书所限定的本发明的范围内的所有修 改形式、等同形式和可供选择的形式。
具体实施方式
对用于指示基底位移的增强的方法和系统存在需要。本发明满足 了这些和其它需要，并且提供了优于现有技术的其它优点。在以下所示实施例的描述中，参考了形成其一部分的附图，并且 其中以举例说明的方式示出其中可以实践本发明的多种实施例。应当 理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用实施例并且可以进 行结构上的改变。本发明的实施例示出了用于确定基底的位移或所关注的其它制品 的位移的刻度尺、以及用于制备和使用刻度尺的方法和系统。刻度尺 可以用于提供幅材平移位移和/或旋转位移的指示，并且可以用于确定 幅材位置和/或控制柔性的幅材的移动。另外或可供选择地，除了指示 幅材的平移位移和/或旋转位移之外，另外还可以使用刻度尺来测量幅 材的多种参数或围绕幅材的周围环境的多种参数。例如，如以下更详 细讨论的，刻度尺可以用于测量幅材的温度和/或弹性模量，和/或可以 用于测量幅材应变。基底可以由透明的、刚性的材料(例如，玻璃) 制成，或可以包括透明的、柔性的可拉伸材料(例如，柔性的聚合幅 材)。刻度尺包括被构造为全内反射(TIR)棱镜的多个光学刻度特征物。当棱镜表面上的光的入射角e i大于或等于临界角e c时，会出现全内反射。对于大于6e的入射角而言，所有的入射光都被反射。图1A示出了基底105上包括TIR特征物115的刻度尺，并且示出了根据多种实施例所使用的全内反射的原理。光源(未示出)产生的光被导向具有整合的刻度尺的基底105，该整合的刻度尺包括TIR刻 度特征物115。如果被导向TIR刻度特征物115的光111的角度6j大 于或等于临界角e。，则光以角度^，被反射，如图1A所指出的那样。TIR刻度特征物可以由通过TIR提供反射的任何形状或构型形成。 在一些实施例中，TIR刻度特征物可以包括直角正棱镜，如图1B所示。 在该实施例中，如果入射到TIR刻度特征物116的左表面117上的入射光的角度e u大于e e，则光以e i2的入射角被全内反射至右棱镜表面 118。在右棱镜表面118处，光以角度^2被再次全内反射，并且基本上平行于入射光地射出棱镜116。通过TIR的反射方便地将入射在TIR 刻度特征物的表面上的几乎所有光都反射，而没有通常用于反射型刻 度尺的金属化表面可能出现的损耗。图2A至图2D为被构造用于使用设置在基底上的TIR刻度尺指示 基底位移的系统的示意图。如图2A和图2B所示，系统包括光源210, 其将光211导向可相对于光源210和光传感器220的固定位置移动的 基底205。图2A的系统示出了以反射模式操作的用于指示基底位移的系统。 在反射模式下，光源210 (可以是多源阵列)、和一个或多个光传感器 220设置在基底205的同一表面206附近。光源210将光211导向基底 205的表面206。光212的一部分被TIR刻度特征物215导向光传感器 220。光传感器220感测到反射光，并产生可以用于指示基底位移的模 拟输出信号。在该实施例中，基底205可以为透明的或可以为不透明的。在基底205为透明的构型中，光221的一部分可以透过基底205 透射。应当理解，如果基底205是透明的，则TIR刻度特征物215可 以设置在基底205的表面206和表面207中的任何一者上，或设置在 表面206和表面207两者上。图2B示出了以透射模式操作的用于指示幅材位置的系统。在该构 型中，光源210和光传感器220设置在幅材205的相对表面206、表面 207上。光源210将光211导向幅材205的表面206。光212的一部分 被刻度尺元件215反射。光221的另一部分穿过透明幅材205到达光 传感器220。光传感器220感测透过的光221并产生模拟输出信号。在图2A和图2B中，当基底205相对于光源210和光传感器220 的固定位置移动时，在光传感器220的有源表面222处的光强度由TIR 刻度特征物来调制。在用于图2A和图2B的系统的光传感器220的有 源表面222处的光强度通过图3A中的光强度曲线图310来示出。基底 205的相对运动造成在光传感器220的表面222处的光强度被正弦调 制。光传感器220检测该光，并产生跟踪在光传感器220的有源表面 222处的光强度的对应的正弦模拟输出信号。由光传感器220产生的模 拟输出信号可以用于确定基底205的位移。在一些实施例中，由光传感器产生的模拟输出信号可以用于控制 基底的移动。例如，使用设置在柔性的、伸长的幅材基底上的TIR刻 度特征物对于滚筒式制备应用是特别有用的。图2C和图2D示出了当 用于指示幅材位置的组件被布置成以反射模式(图2C)和透射(图2D) 模式操作时甩于控制幅材的移动的系统。伸长的幅材235可以从巻上 退绕，或可以来自此前的制备处理。在图2C和图2D中用于指示幅材 位置的组件分别与图2A和图2B中示出的组件类似，不同之处在于， 图2C至图2D的系统均额外地包括扫描调制盘240并且具有双光传感 器250、光传感器255。幅材235相对于光源210、扫描调制盘240和 光传感器250、光传感器255的固定位置运动。扫描调制盘240以离幅材235短距离的方式设置，使得调制窗241 允许被导向幅材235的光的一部分穿过扫描调制盘240。位于窗241之 间的扫描调制盘240的区域242阻挡光的一部分。在另一个实施例中，如图12A所示， 一个或多个光传感器220位 于"在巻上"。本文所使用的短语"在巻上"的含义是指在系统内接 近巻中的一个的光传感器的位置，并且光传感器被构造用于当光学刻 度尺元件中的一个或多个所处的那部分幅材与巻接触时，接收从幅材 上的光学刻度尺元件中的一个或多个反射的光。这种实施例可通过使 被光传感器感测到的信号相关的噪声最小化来提供优点。凡是传感器 "不在巻上"的实施例中(例如图2A至图2D)，幅材自身的振动会 增加反射光的噪声。如图12B所示，该示例性实施例中的光源可位于 幅材的上方。虽然本文没有示出，但另一个示例性实施例可包括使用 在巻自身中具有光源的透明的巻。这种实施例将会在透射模式(如上 所述)下起作用。传感器不在巻上的实施例(例如在图2A至图2D中示例的那些) 提供在光源与幅材之间存在气隙的优点。凡是传感器在巻上的实施例 中，不必要存在气隙。在这种实施例中，为了补偿不存在的气隙，可 对、但并非必需对幅材或巻进行改变。
用于补偿不存在的气隙的一种这种方法包括改变巻的表面。很多 时候，但并非总是如此，巻本质上是反射性的(例如，不锈钢)。因 此，可以使巻具有亚光表面。通过将巻的表面从反射性的变成亚光的， 例如，可以更容易地将与光学刻度尺元件(反射性的)相互作用的光 线同与巻相互作用的光线区分开。改变巻表面的另一个方法可能是使 巻具有不同颜色。.在实施例中，可使巻具有暗色，由此吸收比反射性巻更多的光(例如)。这些示例性方法都可以增强两个光线(与光学 刻度尺元件相互作用的光线和与巻相互作用的光线)之间的对比度。补偿气隙消失的另一个方法是在幅材与巻之间创建气隙。气隙(如 果已经创建)可能透过幅材的光折射并使其反射离开巻。由于空气(相 对于组成幅材的材料)的折射率的缘故，己被允许透过幅材、然后穿
过气隙、然后反射离开巻、接着再次穿过气隙并且接着再次穿过幅材 的光将具有与反射离开光学刻度尺元件的光不同的角度和(取决于所
涉及的所有组件的透射率)不同的强度。
巻与幅材背面之间的气隙可以通过(例如)在幅材背部设置结构 体以创建并保持巻与幅材之间的间隙的方式来创建。图13A示出了创
建这种间隙的一个示例性方法。在图13A中，与其它示例性幅材一样， 幅材205不但包括光学刻度尺元件215，而且另外包括用于在巻与幅材 205之间创建气隙的间隙结构715。
图13B示例了在幅材与巻之间创建气隙的另一个方法。该方法对 巻进行修改，而不是对幅材进行修改。如图13B所示，巻包括凹进部 分720，其起到在光学刻度尺元件215的位置处提供幅材与巻之间的间 隙的作用。
如图2A至图2D所示，光学传感器250、光学传感器255感测在 传感器250、传感器255的表面处存在的光并产生独立的输出信号。如 此前所述，当幅材235相对于光源210和光传感器250运动时，TIR刻 度特征物215引起在光传感器250处存在的光强度被正弦调制。扫描 调制盘还可以用于调制在光传感器250、光传感器255处存在的光。通 过使用扫描调制盘240，在光传感器250、光传感器255处的光强度对 应于相位移90°的两个对称的正弦信号320、正弦信号330，如图3B 所示。跟踪在光传感器250、光传感器255的表面处存在的已调制光强 度的输出信号由光传感器250、光传感器255产生，以指示幅材位置。
通过幅材位置处理器260来分析由光传感器250、光传感器255产生的输出信号，以确定幅材位置。例如，幅材位置处理器260可以 确定幅材235相对于光传感器250、光传感器255的位置和运动方向。 采用适当设置的TIR刻度特征物和系统的相关位置指示组件，可以确 定横维方向和纵维方向中的一者或两者的幅材位置。幅材运动控制器 270使用该信息来控制移动幅材的幅材传输系统230。
在一些实施例中，可以使用多个光源和/或多个光传感器以用于感 测幅材的平移位移和/或角位移和/或用于确定幅材参数。使用多个传感 器组合的系统提供了信号冗余，从而提供了更稳固的系统。在一些实 施例中，通过不止一个刻度特征物(例如，约3至20个特征物)来调 制能量。来自传感器的输出信号可以均分或者说是组合多重特征物所 调制的能量。如果单个特征物、或甚至若干特征物损坏或由于污物而 变暗，均分的输出信号受影响的程度最低。
刻度特征物可以包括纵向布置的特征物、横向布置的特征物或纵 向布置的特征物和横向布置的特征物两者的组合。如图2E和图2F所 示，在一个实施例中，在幅材205的顶部207、底部206或顶部207和 底部206两者的表面上，可以布置用于纵向位移测量的一组刻度特征 物230。 一组光源和传感器组件(如图2A至2D所示)被构造用于检 测纵向刻度特征物230调制的能量，并且用于产生指示幅材205纵向 位移的信号和/或可以用于测量其它幅材参数。在图2G和2H所示的一 个实施例中，在幅材205的顶部207、底部206或顶部207和底部206 两者的表面上，可以布置用于横向位移测量的一组刻度特征物240。 一 组光源和传感器组件被构造用于检测横向刻度特征物调制的能量，并 且用于产生指示幅材横向位移的信号和/或可以用于测量其它幅材参 数。
图2E至图2H所示的刻度特征物是线性三棱镜，其可以具有条距， 并且棱镜间的距离范围低至约几微米。该类型的棱镜的便利的维度包 括约40pm的条距和约20|im的棱镜间的距离。同时使用纵向刻度特征物和横向刻度特征物以及兼容的源/传感 器组合使得能够指示纵向幅材位移和横向幅材位移以及角位移。图21
示出了幅材，在幅材205的顶表面207上设置有纵向刻度特征物230 和横向刻度特征物240两者。纵向刻度特征物230和横向刻度特征物 240可以设置在幅材205相背的两侧或者在幅材的同一侧上。如果纵向 刻度特征物230和横向刻度特征物240设置在幅材205的同一侧上， 则它们可以形成如图2I所示的棋盘图案。纵向刻度特征物和横向刻度 特征物可以如图21中所示地连接，或可以包括不连续、不连接的棱镜 的交替图案。在一些实施例中，棋盘图案可以包括与多重横向刻度特 征物的区域交替的多重纵向刻度特征物的区域。
使用设置在幅材上的整合的TIR刻度尺确定连续幅材位置，以在 一个或多个连续制备工序中在沉积图案特征期间控制幅材的运动。例 如，结合本文所提供的本发明实施例描述的TIR刻度尺可以用于指示 连续幅材位置。指示幅材位置有助于在滚筒式制备处理期间沉积或者
说是形成在幅材上的多层图案特征之间的对齐。本文所述的刻度尺对 于制备柔性的、多层电子器件或光学器件是特別有用的，这些器件的 制备需要多重沉积工序以在柔性的幅材上形成连续的图案特征层。例 如，TIR刻度特征物可以形成在(例如)柔性的、聚合物型幅材上，该 幅材的弯曲半径(例如)小于约100mm、小于约50mm、小于约25mm、 或甚至小于约5mm。小弯曲半径使得能够将TIR刻度尺制成巻制品。
另外，本文描述的方法可以用于自动补偿在幅材加工应用中通常 出现的幅材应变的变化。例如，在一些实施例中，刻度特征物基本上 与幅材图案特征层(例如，用于形成多层电子器件或光电器件的第一 层幅材图案特征)同时地沉积在幅材上。当沉积刻度特征物和幅材图 案特征时，幅材图案特征和刻度特征物经历等量的幅材应变。在该构 型中，刻度特征物可以用于精确地跟踪第一层幅材图案特征的位置， 而与随后处理中的幅材应变量无关。刻度特征物可以用于精确地跟踪
15第一层幅材图案特征的横向位置、纵向位置、和/或角旋转，而与随后 处理中的幅材应变量无关。
当幅材应变增大(即，幅材被更大程度地拉伸)时，刻度特征物 与幅材上形成的对应幅材图案特征一起被拉伸。这种现象使得刻度特 征物能够用于更精确地跟踪幅材上沉积的特征物的位置。使用根据本 文多种实施例所述的刻度尺，即使当幅材被拉伸时，也能够实现与同 时或随后沉积的幅材图案特征的精确对齐。关于使用刻度特征物指示 柔性的幅材位置(其方面可以结合本发明实施例使用)的额外的详情 在与本专利申请同时提交、以引用方式并入本文中的共同拥有的美国
专利申请(代理人案巻号No.62854US002)中提供。
另外或可供选择地，除了提供用于指示幅材的平移位移和/或角旋 转之外，另外还可以使用刻度尺来测量幅材或围绕幅材的周围环境的 多种参数。例如，如以下更详细讨论的，可以使用刻度尺来测量幅材 的温度、幅材的弹性模量、和/或幅材应变。
图4A为示出了根据本发明的实施例的使用TIR刻度尺用于指示 基底位置的过程的流程图。光被导向其上设置了 TIR刻度尺的基底 (401)。例如，在一个具体实施中，刻度特征物可以包括纵向布置在 幅材上的一系列不连续棱镜。纵向布置的棱镜被构造用于光调制，可 以测量该光调制以确定纵向位移。在另一个具体实施中，刻度特征物 可以包括纵向布置的第一组棱镜和横向布置的另一组棱镜。纵向棱镜 和横向棱镜被构造用于调制光以确定幅材的纵向位移和横向位移，并 且另外可以用于确定幅材的角旋转。
刻度尺的TIR特征物调制被导向基底的光(402)。已调制光由光 传感器感测(403)，并且根据被感测光来产生指示基底位移的输出信 号(404)。通过这种方法，可测量到幅材的一个更大的自由度。输出 信号可以提供幅材的纵向位移、横向位移、和/或角旋转的连续指示。如此前结合图3B讨论的，用于跟踪幅材位置的信号可以包括正弦
信号和余弦信号。正弦信号和余弦信号有利地使得能够确定粗幅材和
细幅材位置。图4B为示出了根据本发明的实施例用于确定粗幅材和细 幅材位置的方法的流程图。光被导向其上设置了 TIR特征物的基底
(410) 。 TIR特征物调制被导向基底的光(420)。已调制光由光传感 器感测(430)并且产生相位移为90°的第一输出信号和第二输出信号
(440)。应用幅材位置校正(450)。计算相位移的输出信号的反正 切(460)，并且该输出信号的反正切用于跟踪粗幅材和细幅材位置
(470)。
如此前所讨论的，具有整合的刻度尺的柔性的、伸长的幅材的使 用特别有利于用于滚筒式制备处理。例如，对于在连续的制备工序(例 如，在形成分层的电子器件或光学器件的过程中)期间需要对齐的制 备处理，整合的刻度尺可以用于定位幅材。如本文所示使用整合的刻 度尺的幅材定位可以用在制备低成本的电子器件、存储器、标牌、电 子纸、包含液晶(LCD)或有机发光二极管(OLED)的显示器、或其它应 用的柔性电路中。 -
图5A示出了可以作为巻制品500销售的具有整合的TIR刻度尺 511的幅材505的一部分。TIR刻度尺511可以包括TIR特征物512和 TIR特征物513中的一者或两者，TIR特征物512被布置用于纵向(纵 维)定位，TIR特征物513被布置用于横向(横维)定位。用于纵向定 位的TIR棱镜512以这样的方式布置，使得棱镜514的轴与幅材515 的纵向成一定角度(如，基本上垂直)。用于横向定位的TIR棱镜513 以这样的方式布置，使得棱镜516的轴与幅材517的横向成一定角度 (如，基本上垂直)。幅材/刻度尺巻制品产品500可以用于制备处理， 并且刻度尺511用于提供位置信息以有助于在幅材505上形成图案特 征。或者，如图5B中所示，巻制品501可以包括具有整合的TIR刻 度尺511连同第一层幅材图案特征520 —起的柔性的幅材506。 TIR刻 度尺511可以与第一层幅材图案特征520同时形成在幅材506上，或 TIR刻度尺511和幅材图案特征520可以在单独的制备工序中形成在幅 材506上。在补偿连续层沉积期间幅材506的短暂或永久维度变化时， 具有整合的TIR刻度尺511连同第一层幅材图案特征520的幅材506 一起的构型是特别有帮助的。例如，聚合物幅材可以易于拉紧，该拉 紧的过程改变了由于热处理、和/或吸附或解吸附水或其它溶剂而导致 的制品收縮或膨胀的长度，从而使得层与层的对齐变得困难。当TIR 刻度特征物512、刻度特征物513和第一层幅材图案特征520同时形成 时，随后使用整合的TIR刻度尺511来进行沉积过程中的对齐自动补 偿了在幅材加工应用过程中共同出现的幅材应变的变化。当幅材应变 增大(即，幅材被更大程度地拉伸)时，刻度尺元件与形成在幅材上 的第一层幅材图案特征一起被拉伸。当幅材图案特征520和刻度特征 物512、刻度特征物513在形成过程中经历相同的维度变化时，刻度特 征物512、刻度特征物513能够更精确地跟踪幅材506上沉积的幅材图 案特征520的位置。在一些实施例中，幅材505可以包括幅材505 — 个表面上的粘合剂层555。
在图5C所示的一些实施例中，刻度尺部分530可以与具有图案特 征的那部分幅材507分开。刻度尺部分530和幅材部分507可以作为 单独的巻制品销售。刻度尺部分530可以附接到不同的幅材，并且可 以用于如本文所述的幅材定位。如此前结合图5B所讨论的，刻度尺部 分530和/或幅材部分507可以包括粘合剂555。例如，粘合剂555对 于将刻度尺部分530附接到不同的幅材来说是特别有用的。
形成在柔性材料上的刻度尺在它们附接到基部基底时是特别有用 的。当将刻度尺附接到机器或其它基底时遇到的一个需要考虑的问题 是，基底与刻度尺之间的热膨胀系数(CTE)之差。例如，如果使用非常 刚性的刻 尺，则刻度尺将以不同于基底的速率膨胀，所以刻度尺按照(CTE刻度尺-CTE基底)X ATX刻度尺长度来改变不同的量。如果刻度 尺的膨胀量小于基底，则在刻度尺处于拉紧状态时相对容易控制，并 且将始终随直线而变。然而，如果刻度尺的膨胀的量大于基底，则刻 度尺将处于压縮状态，并且产生使刻度尺往往会弯曲(即，刻度尺往 往会起皱出面外)的额外的力。所产生的压縮力为A (模量)XA (面 积)X应变。
根据本发明多种实施例形成的柔性的刻度尺的CTE比通常使用的 钢尺高约5倍，但是其弹性模量比钢尺小约300倍。净力小约60倍。 因此，本文所述的柔性的刻度尺可以粘结到基底而没有显著的弯曲， 这使得刻度尺能够更精密地跟踪基底位置。
通过使用柔性的刻度尺，例如具有棱锥的矩形阵列(使得x7y能 够读出)的塑料或聚合物刻度尺，可以使柔性的刻度尺比当前可用的 刻度尺大得多。例如，可以制备宽度为60英寸或更大的数英里长的刻 度尺。
本文所述的实施例涉及具有用于指示基底位移的TIR刻度特征物 的位移刻度尺。这些刻度尺可以用于指示基底位移，并且可用于提供 幅材的纵向(纵维)、横向(横维)、和/或角位移的连续跟踪。.另外 或可供选择地，刻度特征物可以在测量多种幅材参数的过程中采用。 在多种实施例中，可以使用刻度特征物来测量取决于幅材维度变化的 参数，例如温度、应变、和/或弹性模量。
在一个应用中，可以使用刻度特征物来测量幅材温度差。幅材温 度差ST造成对应的维度差SLT。刻度特征物和传感器电路可以用于 测量维度差SLT。幅材温度差5T，可以衍生自测量的维度差。
刻度特征物可以用于测量幅材应变、由拉伸幅材的力造成的变形 量。例如，只考虑到纵向应变，当具有初始长度L的幅材沿着其纵向(x)轴被拉伸时，幅材长度差为SL，从第一长度L,变为第二长度L2。 纵向拉伸幅材的线性应变ex用^-^/A'来表示。在幅材任意点处沿着 x轴的应变可以表达为沿着轴在任意点处沿着x方向位移的微分，艮P， &=3",/&。角应变或剪切应变考虑到沿着纵向(x)轴和横向(y)轴 的变形。在幅材任意点处的角应变或剪切应变为
一
沿着纵向(x)和横向(y)布置的刻度特征物可以与兼容的能量源/传 感器组合一起使用，以测量幅材的纵向变形和横向变形。这些变形可 以用于计算沿着x轴和y轴的线性应变以及角应变或剪切应变。
在一个应用中，测量的幅材变形可以用于计算弹性模量。模量可 以计算为A-应力/应变。因此，如上所述使用已知的力并且测量幅材应
变，可以确定幅材的弹性模量。
TIR刻度特征物可以通过多种技术形成在基底中或形成在基底上。 例如，刻度特征物可以通过浇注和固化处理沉积或者说是形成在基底 上。或者，刻度特征物可以通过压印、刻线、烧蚀、印刷或其它技术 来形成。
在基底上形成TIR刻度尺的方法涉及使用辊，该辊包括负突起形 式的刻度尺的TIR刻度特征物。例如，辊可以包括图2F至图2G中所 示的刻度特征物的负突起形式的图案或其它构型。在使用纵向刻度特 征物和横向刻度特征物的情况下，可以构造辊，以同时形成纵向刻度
特征物和横向刻度特征物。
辊接触或保持贴近基底，并且旋转以在基底上形成TIR刻度特征 物。用于形成TIR特征物的材料可以沉积在基底上，并且辊的旋转形 成基底上材料中的TIR特征物。作为另外一种选择或除此之外，材料还可以沉积在辊上，然后从 辊被转印到基底，以完成特征物的形成。例如，材料可以包括树脂、
可浇注聚合物或固化性液体，例如uv或热固化型材料。
在一些具体实施中，辊可以另外包括负突起形式的图案特征。当 辊接触基底或者保持贴近基底并且旋转时，图案特征和刻度特征物一 起同时形成在基底的表面上。在其它具体实施中，使用第一辊和第二 辊，第一辊具有负突起形式的刻度特征物，并且第二辊具有负突起形 式的图案特征。使用第一辊和第二辊，刻度特征物和图案特征可以同 时或者顺序地形成在基底上。
在又一个具体实施中，第一辊用于在基底表面上形成刻度特征物
和第一组图案特征。第二辊用于在基底(例如，基底的相背表面)上 形成第二组图案特征。在该具体实施中，刻度特征物可以用来确定幅 材位置，以方便形成与第一组图案特征对准的第二组图案特征。
图6示出了具有可以用于在基底上形成TIR刻度尺的负突起形式 的TIR特征物610的辊600的一部分的侧视图。应当注意，该辊的维 度被大大地夸大了，以方便示出辊。在该实例中，TIR特征物峰的间距 p为约4(Him并且特征物之间的距离d为约20nm，但可以使用用于p 和d的其它值。
应当注意，虽然没有示出，但是辊600可以附加包括负突起形式 的图案特征。辊的操作使得如本文所述在幅材上同时形成刻度尺和图 案特征。
图7示出了用于在基底705上形成包括TIR棱镜特征物720的刻 度尺701的系统。系统包括具有负突起形式的TIR刻度特征物711的 辊710。辊710被构造用于当接触或者贴近基底705时旋转。辊710的 旋转在基底705上形成刻度尺的TIR棱镜特征物720。分配到基底705 的表面上。辊710旋转，以在材料741中形成TIR棱镜特征物。可任 选地是，系统可以包括固化工位750，其包括被构造用于发射固化能的 能量源，例如紫外光、热、或使基底705上的材料741固化的其它固 化能。
图8的示意图示出了用于将TIR刻度尺801沉积到基底805上的 系统的替代实施例。在该实施例中，辊810包括TIR刻度特征物811 和负突起形式的图案特征812两者。接触或贴近基底805的辊810的 旋转在基底805上同时形成TIR刻度特征物820和图案特征821。
在图8所示的实施例中，TIR棱镜820和图案特征821由相同的 材料841形成。分配器840将材料841分配到基底805的表面上。辊 旋转，从而在材料841中形成TIR棱镜特征物。可任选地是，系统可 以包括固化工位850，该固化工位包括被构造用于发射固化能的能量 源，例如，紫外光、热、或使基底805上的材料841固化的其它能量。
在一些构型中，用于形成TIR刻度特征物和图案特征的材料可以 不同。在这些构型中，可以使用单独的材料分配器和/或固化工位。
图9示出了用于产生双侧的幅材基底912的实例系统910，该双 侧的幅材基底912包括幅材相对表面上的特征物。例如，刻度尺和第 一组图案特征可以形成在幅材的第一表面上，而第二组图案特征形成 在幅材的相对表面上。在一些构型中，系统包括第一分配器916和第 二分配器920、轧辊914、和第一压花辊918和第二压花辊924。在某 些情况下，第一分配器916可以是第一挤出模头916，而第二分配器 920可以是第二挤出模头920。
在图示实施例中，第一材料922在与第一压花辊918接触之前被设置在幅材表面上，第二材料928在与第二压花辊924接触之前被设 置在相对幅材表面上。在其它实施例中，第一材料设置在第一压花辊 上和/或第二材料设置在第二压花辊上。这些实施例中，第一材料和第 二材料从压花辊被转印到幅材上。
在一个具体实施中，第一挤出模头916将第一固化性液体涂层922 分配到幅材912的第一表面上。轧辊914将第一材料922压到第一压 花辊918中，以在幅材表面上形成特征物。例如，第一压花辊918将 TIR刻度特征物和负突起形式的第一组图案特征图案化。在一些情况 下，轧辊914可以是被橡胶覆盖的辊。当幅材经过第一压花辊918与 轧辊914之间时，在幅材912的第一表面上的第一材料922中，形成 TIR棱镜特征物和第一组图案特征。使用提供合适固化能的能量源926 固化第一材料922。在某些情况下，能量源926可以提供紫外灯，如， 波长范围从约200纳米至约500纳米的光。
使用第二挤出模头920将第二固化性液体层928涂覆在幅材912 的相对侧上。将第二层928压进第二压花辊924中，第二压花辊924 将负突起形式的第二组图案特征图案化。当幅材912经过第一压花辊 918与第二压花辊924之间时，第二组图案特征被转印到第二层928。 对第二涂层928重复该固化处理。
在一些构型中，可以使用幅材912的第一表面上由TIR棱镜形成 的刻度尺，从而得到形成在幅材相对侧上的第一组图案特征和第二组 图案特征之间的对齐。
图10提供了第一压花辊1044和第二压花辊1046的更靠近的视 图。第一压花辊1044和第二压花辊1046可以视为参照图9讨论的压 花辊918、压花辊924的具体实施例。第一压花辊1044包括TIR刻度 特征物1042和负突起形式的第一组图案特征两者。第二压花辊1046 具有第二组图案特征1050。当幅材1030经过第一压花辊1044的上方时，沉积在幅材1030的 第一表面1032上的第一固化性液体可以通过固化能来固化的，该固化 能是通过接近第一压花辊1044上的第一区域1036的能量源1034提供 的。TIR刻度特征物1054和第一组图案特征形成在幅材1030的第一面 1043上，并且液体被固化。
在形成了 TIR刻度特征物1054和第一组图案特征之后，将第二固 化性液体1052分配到幅材1030的第二表面1038上。为了确保第二液 体1052没有过早固化，通常通过设置第一能量源1034使得第一能量 源1034发射的能量没有落到第二液体1052上，将第二液体1052与第 一能量源1034隔离。如果需要，固化源1034、固化源1040可以位于 其各自的压花辊1044、压花辊1046的内部。
在形成了 TIR刻度特征物1054和第一图案特征之后，幅材1030 继续沿着第一辊1044运动。幅材1030的移动可以使用此前沉积的TIR 刻度尺来控制。幅材继续移动，直到其进入第一压花辊1044和第二压 花辊1046之间的间隙区域1048为止。然后，第二液体1052设置在幅 材的第二表面上，并且通过第二压花辊1046形成为第二组图案特征。 第二图案特征通过第二能量源1040发射的固化能来固化。当幅材1030 进入第一压花辊1044和第二压花辊1046之间的间隙1048中时，此时 基本固化并且粘结到幅材1030的TIR刻度特征物1054和第一图案特 征约束幅材1030滑动，而幅材1030开始移动到间隙1048中并且在第 二压花辊1046周围移动。这样减少了幅材拉伸和滑动，而幅材的拉伸 和滑动是形成在幅材1030的相对侧1032、 1038上的特征物之间的对 准误差的原因。
通过将幅材1030支承在第一压花辊1044上，同时使第二液体1052 接触第二压花辊1046，形成在幅材1030的相对侧1032、 1038上的特 征物1054、特征物1056之间的对准程度变成控制第一压花辊1044和第二压花辊1046的表面之间位置关系的函数。在第一压花辊1044和 第二压花辊1046周围以及在压花辊形成的间隙1048之间的幅材的S 形环绕，使得张力、幅材应变变化、温度、由钳住幅材的机构造成的 微滑动以及横向位置控制的效应最小化。S形环绕可保持幅材1030以 180度的包角与每个压花辊接触，但包角可或多或少地取决于具体要 求。适用于本发明实施例的在幅材相对侧上形成特征物的另外方面在 共同拥有的美国专利公布20060210714中有所描述，该专利公布以引 用方式并入本文。
在一些具体实施中，此前制备工序中形成的TIR刻度尺可以在后 续的制备工序中用于控制基底位置。在图11中示出了这种具体实施， 其中，为了图解的目的，大大地夸大了 TIR刻度特征物和图案特征。 第一分配器1101将第一层材料1111沉积在透明幅材1105的表面上。 第一层材料1111沉积在其上的幅材1105与具有负突起形式的TIR刻 度特征物1121和负突起形式的第一图案特征(未示出)的辊1120接 触。当幅材1105经过第一压花辊1120和第一轧辊1125之间时，TIR 刻度特征物1126和第一图案特征(未示出)形成在幅材1105上的第 一层材料UU中。
在形成了包括TIR刻度特征物U26的刻度尺之后，在后续的加工 工序中，使用刻度尺来控制幅材1105的位置。光源1130将光1131导 向TIR刻度特征物1126。光由TIR刻度特征物1126来调制。已调制 光由产生指示幅材位移的输出信号的光传感器1140来感测。光传感器 1140均分视图中由图案调制的光。幅材位置处理器1150使用光传感器 输出来确定幅材位置。幅材运动控制器1160使用来自幅材位置处理器 1150的信息来控制幅材1105的纵维位置和/或横维位置，以方便第一 图案特征和第二图案特征之间的对齐。
在后续的加工工序中，在幅材上形成第二图案特征。例如，在与 上面形成了 TIR刻度尺元件1126的表面相背的幅材表面上，可以形成
25第二图案特征1176。第二分配器1102将第二层材料1112沉积在幅材 1105上。使第二层材料1112设置在其上的幅材1105经过第二压花辊 1170与第二轧辊1175之间。第二压花辊1171包括负突起形式的第二 图案特征1171。当幅材U05经过第二压花辊1171与第二轧辊1175之 间时，第二图案特征1176形成在第二材料层1112中。包括编码器(光 源1130、 TIR刻度尺1126和光传感器1140)的运动控制组件1180、 幅材位置处理器1150、和幅材运动控制器1160保持第一图案特征(未 示出)和第二图案特征1176之间的对齐。
另外可以利用还可选的后续的加工工序。示例性加工工序可包括.-在将已经涂覆到幅材的材料固化之后，向幅材施加更高的张力。相似 地，另一个示例性加工工序可包括在固化了所涂覆的特征物之后， 将巻缠绕；这种缠绕可以包括对幅材和幅材上所形成特征物的更大程 度的拉伸。这类可选的加工工序可为有利的方面在于使由施加在特 征物区域内的幅材上的不均一应力造成的幅材的任何收縮最小化。这 类收縮可造成幅材弯曲或形成小的褶皱；诸如以上讨论的可选工序可 使可能出现的任何弯曲或褶皱最小化。在阅读了本说明书的情况下， 本领域的技术人员将认识到如何实现这类可选的加工工序。
使任何弯曲或褶皱最小化的另一个方法可以包括在幅材的背面上 使用二次结构。结构的示例性类型将会是要补偿或排除幅材的弯曲趋 势的类型。可在图12中看到这种结构的实例。如图12所示，幅材205 包括由较小的结构体面临的光学刻度特征物215 (在该示例性实施例 中)，本文称作后侧图案特征1210。
在阅读了本说明书的情况下，本领域的技术人员将理解的是，例 如，根据参照图11讨论的示例性方法，可制备包括后侧特征物(如图 12中示例的)的这种幅材。
本文所述的TIR刻度尺可用于形成编码器，该编码器使形成在基底两侧上的特征物对齐，并且提供幅材张力控制、幅材操纵和增强的
转换操作。TIR刻度特征物可在柔性的幅材上高速制备，并且不需要涂
层起作用。因此，TIR刻度特征物可以用于在没有第二涂覆工序的情
况下， 一形成特征物，就确定幅材位移。
本发明多种实施例的上述说明为举例说明的目的而提供。这些说 明并非意图穷举性的或将本发明限于所公开的精确形式。按照上述教 导，多个修改形式和变形形式是可以的。本发明的范围不受具体实施 方式的限制，而是受所附权利要求书的限制。
权利要求
1.一种确定基底位移的方法，包括将光导向设置在基底上的刻度尺，所述刻度尺包括作为刻度尺元件的多个全内反射(TIR)棱镜；使用所述全内反射棱镜来调制所述光；以及根据已调制光来产生信号，所述信号指示基底位移。
2. 根据权利要求l所述的方法，还包括使用产生的所述信号确定所述基底的位置。
3. 根据权利要求l所述的方法，其中产生所述信号包括产生指 示纵向基底位移或横向基底位移的信号。
4. 根据权利要求1所述的方法，的幅材。
5. 根据权利要求3所述的方法， 于100mm。
6. 根据权利要求1所述的方法， 述幅材的角旋转。其中所述基底包括伸长的、柔性其中所述幅材的弯曲半径为约小其中确定所述基底的位移包括所
7. 根据权利要求l所述的方法，其中所述基底包括聚合物。
8. 根据权利要求l所述的方法，其中调制所述光包括使用所述TIR棱镜来反射所述光的一部分；以及产生所述信号包括根据反射的光来产生所述信号。
9. 根据权利要求1所述的方法，其中调制所述光包括使所述光的一部分透过所述基底；以及 产生所述信号包括根据透过的光来产生所述信号。
10. 根据权利要求1所述的方法，其中调制所述光还包括使用一 个或多个调制盘来调制所述光。
11. 一种用于指示基底位移的系统，包括-基底，所述基底包括刻度尺，所述刻度尺包括设置在所述基底上 的全内反射(TIR)棱镜，所述TIR棱镜被构造用于调制被导向所述基底 的光；禾口传感器，所述传感器被构造用于检测由所述TIR棱镜调制的光， 并且根据已调制光来产生指示所述基底的位移的信号。
12. 根据权利要求ll所述的系统，还包括处理器，所述处理器被 构造用于根据传感器信号来确定基底位置。
13. 根据权利要求11所述的系统，其中所述基底包括柔性的、伸 长的幅材。
14. 根据权利要求11所述的系统，其中所述TIR棱镜包括设置在 所述幅材的表面上的直角正棱镜。
15. 根据权利要求11所述的系统，其中所述TIR棱镜具有约卯 °的内角。
16. 根据权利要求ll所述的系统，其中所述TIR棱镜的棱镜之间 的间距为约20pm，并且棱镜峰之间的间距为约40pm。
17. 根据权利要求ll所述的系统，其中所述TIR棱镜包括所述基 底中的凹槽或凹口。
18. —种巻制品，包括伸长的、柔性的幅材，所述伸长的、柔性的幅材具有设置在其上的图案特征和整合的刻度尺，所述刻度尺包括全内反射(TIR)棱镜，所述全内反射棱镜被构造用于调制被导向所述幅 材的光，已调制光指示幅材位置。
19. 根据权利要求18所述的巻制品，其中所述已调制光包括由所 述棱镜反射的光。
20. 根据权利要求18所述的巻制品，其中所述幅材为透明的，并 且所述己调制光包括透过该透明幅材的光。
21. 根据权利要求18所述的巻制品，还包括粘合剂，所述粘合剂 设置在所述柔性的幅材的至少一个表面上。
全文摘要
本发明描述了使用包括TIR刻度特征物的刻度尺用于确定基底位移的方法和系统。包括作为刻度尺元件的多个全内反射(TIR)棱镜的刻度尺被设置在基底上。被导向刻度尺的光由TIR棱镜调制。根据已调制光产生指示基底的位移的信号。信号可以用于确定幅材位置、控制幅材的移动、和/或测量多种幅材参数。
文档编号G01N21/55GK101680780SQ200880021043
公开日2010年3月24日 申请日期2008年6月18日 优先权日2007年6月19日
发明者丹尼尔·H·卡尔森, 丹尼尔·S·沃茨, 利文特·伯耶克勒, 艾伦·B·坎贝尔, 路易斯·A·阿吉雷, 达莱·L·埃内斯 申请人:3M创新有限公司