读取由周期性偏振纳米结构表示的数据的方法
阅读：563发布：2020-05-24
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1.一种读取由包括至少一个周期性纳米结构的标记表示的数据的方法，所述标记使用所述周期性纳米结构的一个偏振特性表示数据，其中所述至少一个周期性纳米结构包括激光引发的周期性表面结构，其通过用激光照射材料的区域来引发在所述区域上以有规律间距间隔开的多条实质上平行的线来形成，其中所述线的周期取决于所述激光的波长，并且其中所述周期性纳米结构的偏振特性取决于所述线的取向，
并且所述方法包括：
检测从所述周期性纳米结构反射或通过所述周期性纳米结构透射的偏振的电磁辐射；
以及
从检测到的所述偏振的电磁辐射中确定由所述标记表示的所述数据，其中：
所述方法进一步包括将偏振的电磁辐射施用到所述周期性纳米结构，和/或所述检测是使用偏振敏感检测器设备来执行。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述周期性纳米结构具有在10nm与1μm之间的周期。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述周期性纳米结构具有在300nm与900nm之间的周期。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所施用的所述偏振的电磁辐射在大于所述周期性纳米结构的周期的波长处具有最大强度。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，对于从所述周期性纳米结构反射或通过所述周期性纳米结构透射的所述偏振的电磁辐射的检测包括检测表示第一偏振的电磁辐射的第一信号、检测表示第二不同的偏振的电磁辐射的第二信号、并且确定所述第一信号与所述第二信号之间的差。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述偏振敏感检测器设备包括至少一对偏振敏感检测器，并且所述至少一对偏振敏感检测器的第一检测器相较于所述至少一对偏振敏感检测器的第二检测器对不同的偏振具有最高敏感性，每一检测器经配置以提供表示检测到的偏振的电磁辐射的相应输出信号。
7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括，针对所述每一对检测器，确定由所述第一检测器和所述第二检测器获得的所述输出信号之间的差。
8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括a)和b)中的至少一者：
a)将所述偏振的电磁辐射施用到所述周期性纳米结构包括将不同偏振的电磁辐 射按顺序施用到所述周期性纳米结构；
b)所述方法包括使用实质上非偏振敏感检测器设备检测从所述周期性纳米结构反射或透射的偏振的电磁辐射。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，标记包括多个周期性纳米结构，每一周期性纳米结构使用所述周期性纳米结构的偏振特性表示相应数据值，并且所述方法包括从检测到的所述偏振的电磁辐射中确定所述数据值。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述标记是在微芯片、半导体装置、电路板、药物包装、存储器装置、或录制的音乐、图像、视频或文本内容载体、医学植入物或其它医疗装置、飞机部件、艺术品、首饰或其它工艺品中的至少一者上的标记。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述数据表示以下各者中的至少一者：-代码；序号；制造商；制造日期、时间或位置、备案或修改；验证标记。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个标记包括在测量标度装置上的至少一个标记，并且所述方法包括根据从检测到的所述偏振的电磁辐射中确定的所述数据来确定位置。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述至少一个标记包括形成第一系列标度标记的多个标度标记，并且所述测量标度装置进一步包括第二系列标度标记，并且所述方法包括从所述第一系列标度标记和所述第二系列标度标记两者中确定在所述测量标度装置上的位置。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第一系列标度标记和所述第二系列标度标记叠加并且共享共用测量轴。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其中，所述第一系列标度标记包括绝对标度标记和增量标度标记中的一者，并且所述第二系列标度标记包括绝对标度标记和增量标度标记中的另一者，并且所述方法包括读取所述第一系列标度标记和所述第二系列标度标记。
16.一种用于读取由包括至少一个周期性纳米结构的标记表示的数据的设备，所述标记使用所述周期性纳米结构的偏振特性表示数据，其中所述至少一个周期性纳米结构包括激光引发的周期性表面结构，其通过用激光照射材料的区域来引发在所述区域上以有规律间距间隔开的多条实质上平行的线来形成，其中所述线的周期取决于所述激光的波长，并且其中所述周期性纳米结构的偏振特性取决于所述线的取向，
并且所述设备包括：
检测器设备，其用于检测从所述周期性纳米结构反射或通过所述周期性纳米结构透射的偏振的电磁辐射；以及
处理器材，其经配置以从检测到的所述偏振的电磁辐射中确定由所述标记表示的所述数据，其中：
所述设备进一步包括电磁辐射源，其经配置以将偏振的电磁辐射施用到所述周期性纳米结构，和/或
所述检测器设备包括偏振敏感检测器设备。
读取由周期性偏振纳米结构表示的数据的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及用于读取由标记表示的数据的方法和设备，例如读取用于识别、防伪或验证目的的数据。
背景技术
[0002] 使用表面标记来表示数据是已知的，其可用于验证或防伪目的。对于高价值商品、可以容易地被复制的商品、或其中质量、内含物或出处特别重要的商品，例如，微芯片、半导体装置、电路板、药物包装、存储器装置、或记录的音乐、图像、视频或文本内容此类验证或防伪措施可以是尤其重要的。
[0003] 使得用于验证或防伪目的的表面标记难以在例如不具有专业知识或设备的情况下被复制是有利的。而且，鉴于在实践中标记所应用到的产品可能会受到的各种不同情况，重要的是此类标记是稳固的。
[0004] 已知超快激光脉冲与一表面的相互作用可导致周期性表面结构的形成，其一般称为激光引发的周期性表面结构(LIPSS)。伯恩鲍姆(Birnbaum)、米尔顿(Milton)在应用物理杂志(Journal of Applied Physics)(1965年，第36卷，3688页)中发表的“由红宝石激光产生的半导体表面损坏(Semiconductor surface damage produced by ruby lasers)”中揭示了在因来自红宝石激光的光而损坏的各种半导体的表面上出现的‘有规律的平行直线系统’的效果。从此，这些结构己经由从持续波到皮秒激光的任何东西所生产，但是最常用的是用飞秒激光。
[0005] 在WO 2009/090324中已经建议使用呈LIPSS结构形式的周期性纳米结构来表示数据，例如用于物品或文档的识别、追溯或验证。在WO2009/090324中，数据由LIPSS结构的取向来表示，所述取向通过控制用于形成所述结构的激光辐射的偏振来控制。通过将光施加至所述结构并且确定从所述结构接收到的所得光的颜色来读取数据，其中从LIPSS结构接收到的光的颜色由于衍射效应而取决于LIPSS结构的取向。一个图像捕获装置，例如是摄像机，可以用来捕获标记有LIPSS结构的表面的图像，并且数据可经处理以确定所呈现的色彩以及由所述色彩所表示的数据值。
[0006] 通过以LIPSS结构标记表面来控制表面的颜色也已在阿赫桑(Ahsan)等人于2011年在应用表面科学(Applied Surface Science)(257(2011)，7771到7777页)中发表的文章中、在杜塞尔(Dusser)等人于2009年在SPIE杂志第7201卷发表的微电子和光电制造VII中的激光应用(Laser Applications in Microelectronics and Optoelectronic Manufacturing VII)中、以及在杜塞尔(Dusser)等人于2010年2月1日在光学快报(Optics Express)2913第18卷第3期中发表的文章中进行了描述。
[0007] US 2007/0206480描述了一种偏振检测系统，其用于光学读出圆盘形状光学数据/信息存储以及检索媒体，所述媒体具有由凹点或标记组成的表面，所述凹点或标记配置为经多层取向的纳米结构，并具有变化的凹点或标记取向和宽度。
[0008] 对于许多标记应用，标记的稳固性以及在使用期间避免退化可为重要的，以确保在实践中精确读取标记。表面色彩的检测对表面的退化敏感，并且表面上的刮痕、污垢或其它堆积物的积聚会导致测得的色彩发生变化。
发明内容
[0009] 在本发明的第一方面中，提供一种读取由包括至少一个周期性纳米结构的标记表示的数据的方法，所述标记使用所述周期性纳米结构的一个偏振特性表示数据，并且所述方法包括检测从所述纳米结构反射或通过所述纳米结构透射的偏振的电磁辐射、以及从检测到的偏振的电磁辐射中确定由所述标记表示的数据。检测是使用偏振敏感检测器设备来执行的和/或所述方法进一步包括将偏振的电磁辐射施用到纳米结构。
[0010] 通过确定从周期性纳米结构反射的电磁辐射的偏振来读取数据可以提供特别稳固的方式来读取由此类周期性纳米结构编码的数据。在实际环境中可能发生的表面上的污垢的存在、表面的损坏或其它退化可改变反射信号的强度或其它特性，但检测器仍然能够以稳固的方式区分开正交偏振状态。
[0011] 所述或每一纳米结构可以包括多条实质上平行线。
[0012] 所述偏振特性可以包括优选的偏振方向。所述偏振特性可以包括周期性纳米结构的一个取向。
[0013] 所述或每一纳米结构可以包括激光引发的周期性表面结构(LIPSS)。
[0014] 所述或每一周期性纳米结构可以包括多条实质上平行线。
[0015] 所述多条实质上平行线可以有规律地于垂直于线延伸的方向上以小于1μm，任选地10nm到1μm的间距间隔开。任选地，间距可以在200nm到800nm范围内，进一步任选地在400nm到650nm范围内。除在直接显现或衍射技术的应用中，纳米结构的周期可以小于用于读取所述纳米结构的光的波长。
[0016] 所施用的电磁辐射可以在大于周期性纳米结构的周期的一个波长处具有最大强度。
[0017] 对于从所述纳米结构反射或通过所述纳米结构透射的偏振的电磁辐射的检测，可以包括检测表示一个第一偏振的电磁辐射的一个第一信号、检测表示一个第二不同的偏振的电磁辐射的一个第二信号、并且确定所述第一信号与第二信号之间的差。
[0018] 偏振敏感检测器设备可以包括至少一对偏振敏感检测器，并且所述对的第一检测器相较于所述对的第二检测器对不同的偏振具有最高敏感性，每一检测器经配置以提供表示检测到的电磁辐射的相应输出信号。
[0019] 所述方法可以包括，针对所述或每一对检测器，确定由第一检测器和第二检测器获得的输出信号之间的差。
[0020] 所述第一检测器可以对一个第一偏振具有最高敏感性，并且所述第二检测器可以对一个第二实质上正交的偏振具有最高敏感性。
[0021] 所述偏振敏感检测器设备可以经配置使得在操作中所述第一检测器和第二检测器依次地或者实质上同步地检测来自相同纳米结构的电磁辐射。
[0022] 所施用的电磁辐射可以包括偏振的电磁辐射，并且将电磁辐射施用到所述纳米结构包括将不同偏振的电磁辐射按顺序施用到纳米结构。
[0023] 所施用的电磁辐射可以包括偏振的电磁辐射，并且所述方法可以包括使用实质上非偏振敏感检测器设备检测从所述纳米结构反射或透射的电磁辐射。
[0024] 所述标记可以包括多个纳米结构。每一纳米结构使用所述纳米结构的一个偏振特性表示一个相应数据值，并且所述方法可以包括从检测到的偏振的电磁辐射中确定数据值。
[0025] 所述标记可以是在一个高价值物品上的标记以及在一个需要稳固的可追溯性的物件上的标记中的至少一者。所述标记可以是在微芯片、半导体装置、电路板、药物包装、存储器装置、或录制的音乐、图像、视频或文本内容载体、医学植入物或其它医疗装置、飞机部件、艺术品、首饰或其它工艺品中的至少一者上的标记。
[0027] 至少一个标记可以包括在测量标度装置上的至少一个标记，并且所述方法可以包括根据从检测到的偏振的电磁辐射中确定的数据来确定位置。
[0028] 至少一个标度标记可以包括形成一系列标度标记的一部分的标度标记。所述序列的其它标度标记可以包括或不包括至少一个纳米结构。
[0029] 至少一个标记可以包括形成一个第一系列标度标记的多个标度标记，并且测量标度可以进一步包括一个第二系列标度标记，并且所述方法可以包括从所述第一系列标度标记和第二系列标度标记两者中确定在测量标度上的位置。
[0030] 所述第一系列标度标记和第二系列标度标记可以叠加和/或共享共用测量轴。
[0031] 所述第一系列标度标记可以包括绝对标度标记和增量标度标记中的一者，并且所述第二系列标度标记可以包括绝对标度标记和增量标度标记中的另一者，并且所述方法可以包括读取所述第一系列标度标记和第二系列标度标记。
[0032] 在本发明的另一独立方面中，提供一种用于读取由包括至少一个周期性纳米结构的标记表示的数据的设备，所述标记使用所述周期性纳米结构的一个偏振特性表示数据，并且所述设备包括：一个检测器设备，其用于检测从所述纳米结构反射或通过所述纳米结构透射的偏振的电磁辐射；以及一个处理器材，其经配置以从检测到的偏振的电磁辐射中确定由所述标记表示的所述数据。所述设备进一步包括一个电磁辐射源，其经配置以将偏振的电磁辐射应用到纳米结构，和/或检测器设备包括一个偏振敏感检测器设备。
[0033] 在本发明的另一独立方面中，提供一个具有包括至少一个周期性纳米结构的标记的物体，所述标记使用所述周期性纳米结构的一个偏振特性表示数据，并且是通过用于检测从所述纳米结构反射或通过所述纳米结构透射的偏振的电磁辐射的检测器设备可读的。
[0034] 所述物体可以是高价值物品以及需要稳固的可追溯性的物件中的至少一者，例如，微芯片、半导体装置、电路板、药物包装、存储器装置、内容载体(例如，用于录制的音乐、图像、视频或文本)、医学植入物或其它医疗装置、飞机部件、艺术品、一件首饰或其它工艺品。
[0035] 如上所述，数据可以表示以下各者中的至少一者：-代码；序号；制造商；制造日期、时间或位置、备案或修改；以及验证标记。
[0036] 所述物体可以是一个测量标度装置，其中所述标记是在所述测量标度装置上的标度标记。
[0037] 标度标记可以形成一系列标度标记的一部分。所述系列的其它标度标记可以包括或不包括至少一个纳米结构。
[0038] 所述测量标度装置可以进一步包括一个第二系列标度标记，并且所述方法可以包括从所述第一系列标度标记和第二系列标度标记两者中确定在测量标度上的位置。
[0039] 所述第一系列标度标记和第二系列标度标记可以叠加和/或共享共用测量轴。
[0040] 所述第一系列标度标记可以包括绝对标度标记和增量标度标记中的一者，并且所述第二系列标度标记可以包括绝对标度标记和增量标度标记中的另一者，并且所述方法可以包括读取所述第一系列标度标记和第二系列标度标记。
[0042] 在本发明的一个方面中的任何特征可以任何适当的组合应用于本发明的其它方面。例如，设备特征可以应用为方法特征，且反之亦然。
附图说明
[0043] 现在借助于非限制性实例描述本发明的实施例，并且所述实施例在以下图式中进行图解说明，其中：-
[0044] 图1是根据一个实施例的用于读取包括一或多个纳米结构的标记的设备的示意图；
[0045] 图2和3是图1的设备的另一示意图；
[0046] 图4是可以使用图1的设备读取的标记的图解说明；
[0047] 图5是以概述方式图解说明读取包括一或多个纳米结构的标记的流程图；
[0048] 图6是根据一个替代实施例的用于读取包括一或多个纳米结构的标记的设备的示意图；
[0049] 图7是用于形成测量标度的系统的图解说明；
[0050] 图8是可以使用图1或图6的设备读取的另一个标记的图解说明；
[0051] 图9是一个包括周期性纳米结构的标记的图解说明，其中纳米结构的线的取向根据位置变化；
[0052] 图10是包含包括周期性纳米结构的标记的测量标度的图解说明；
[0053] 图11是图1的标度的放大部分的图解说明；
[0054] 图12是包括一系列标度标记和一对参考标记的标度的图解说明；
[0055] 图13是另一个系列的标度标记和一对参考标记的图解说明；
[0056] 图14是根据另一实施例的用于读取包括一或多个纳米结构的标记的设备的示意图；以及
[0057] 图15是一个包括纳米结构阵列的标记的示意图。
具体实施方式
[0059] 图2是更详细示出读头20的示意图。读头包括呈四个LED形式的光源22以及两个平行阵列的偏振检测器24a、24b。检测器以差分对形式布置以用于检测正交偏振。在图2中，第一平行阵列的偏振检测器24a包括标注为A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8的十六个检测器。第二平行阵列的偏振检测器24b包括标注为a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8、b1、b2、b3、b4、b5、b6、b7、b8的另外十六个检测器。
[0060] 偏振敏感的光学检测器可以差分对形式布置，所述对中的每一者对与其搭档正交偏振的光敏感。通过此方法可以藉移除共模信号而稳妥地测量在偏振测量中的弱小差异。对可以阵列进行布置以用于检测偏振场或流的。
[0061] 在图2的实施例中，检测器阵列24a的每一检测器与检测器阵列24b的相应检测器配对以形成检测器对。在图2的实施例中，检测器A1和a1、A2和a2、B1和b1、B1和b2等形成检测器对。
[0062] 每一对检测器的每一检测器(例如检测器A和a)通过放置在所述检测器上的偏振薄膜26a、26b而使得对偏振光敏感。所述对的第一检测器(例如A1)被造成对一个第一偏振方向(在此情况下相对于测量轴成+45度)敏感，并且所述对的第二检测器(在此情况下a1)被造成对一个第二正交的偏振方向(在此情况下相对于测量轴成-45度)敏感。
[0063] 图3是以侧视图示出位于与物体2相邻的一个读取位置中的读头的另一简化示意图。所述读头包含对于每一检测器对的一对I-V转换器28a、28b。每一I-V转换器28a、28b连接到检测器对的一个相应检测器的输出端。每一I-V转换器28a、28b的输出端连接到差分放大器30，所述差分放大器又连接到处理器32，所述处理器提供用于处理检测到的信号的处理器材。
[0064] 图4是形成于物体2的表面上并且可以使用图1的设备读取的包括纳米结构的标记4的示意性图解。标记4包括沿测量轴10布置的偏振特征12。
[0065] 在此情况下，标记4包括多个偏振特征并且使用所述偏振特征的偏振特性来表示数据。在图4的标记中，每一偏振特征包括周期性纳米结构，在此情况下是激光引发的周期性表面结构(LIPSS)，其包括在垂直于线延伸的方向上具有周期性间隔的多个实质上平行线。在下文中更详细描述LIPSS纳米结构的形成。在图4的标记4的情况下，纳米结构的周期间隔是600nm，但是在其它实施例中可以选择任何其它合适的周期。
[0066] 在图4中，LIPSS的每一区域绘制为阴影区域，其中阴影的方向指示所述实质上平行线的取向。LIPSS的每一区域可以被视为单独的偏振特征。在图4的实施例中，LIPSS的区域包括实质上平行线，其以相对于测量轴成-45度或成+45度布置，并且在图式中称为左侧(L)取向或右侧(R)取向。在此实施例中，LIPSS的区域是在空间上分隔开的。它们可以替代地为重叠的或连续的。在相邻LIPSS区域之间的距离被称为增量周期或时钟周期。
[0067] LIPSS的每一区域用于表示二进制数字。LIPSS区域的线的每一个取向(例如，+45度和-45度)表示二进制状态中的一者。多个LIPSS区域经布置以形成每一标记。每一标记可以表示离散二进制码字。
[0068] 例如LIPSS等周期性微观结构特别地影响施加至所述微观结构的偏振光的反射或吸收，或产生由施加至所述结构的非偏振光的反射或透射引起的光的偏振。
[0069] A.Y.罗比耶夫(A.Y.Vorobyev)、郭春雷(Chunlei Guo)在应用物理杂志(Journal of Applied Physics)，2008年，第103卷，043513中发表的飞秒激光引发的在金属上的周期表面结构的频谱和偏振响应中所呈现的实验结果说明了平行于或正交于表面结构的线而对准的偏振光如何经历不同反射。采用来自所述图式的在800nm处(通常用于光学编码器的波长)的数量示出非偏振光经历从未处理表面的95％反射率。此反射率在出现LIPSS之后减少到77％。平行于表面结构的线而对准的偏振光的反射率是71％，对比正交于表面结构的线而对准的光的87％的反射率。
[0070] 使用合适的检测器可以检测到具有不同表面微观结构取向的区域的光反射率的差异。为了读取图4的标记，有必要区分开+45度偏振特征和-45度偏振特征。尽管可以按这些特征以不同方式反射不同的偏振光的事实来区分它们，但是这可能不具有非常强的效果。因此可以使用检测器的差分对，例如图2和3中所图示的那些，并且来自这两种偏振的信号可以经组合以移除信号的共模分量。
[0071] 现在参考图5中示出的流程图描述图4的标记的读取。
[0072] 在过程的第一阶段40，来自光源22的光施加至物体2的表面并且从所述表面反射。在此情况下，物体2经定位使得光从多个偏振特征反射，其中来自每个偏振特征的光通过检测器对的相应一者的检测器接收。
[0073] 在下一阶段42，经反射光通过两个检测器阵列24a、24b的检测器检测。阵列中的一者24a的检测器优先检测相对于测量轴成+45度的偏振光，并且检测器阵列中的另一者24b的检测器优先检测成-45度的偏振光。
[0074] 在阶段44，来自每一检测器的所得信号通过相应I-V转换器28a、28b转换成电压。每一检测器对的两个经转换信号接着输入到所述对的差分放大器30，所述差分放大器输出已经从其中移除检测器信号的共模分量(包含DC分量)的差信号。所得信号通过处理器32接收，所述处理器处理信号以确定检测器对从其接收经反射光的该偏振特征到底是具有在相对于测量轴成+45度或成-45度取向的线，以及因此所述偏振特征到底是表示二进制代码中的0或1。
[0075] 由于检测器阵列24a、24b包含七个检测器对，每一检测器对检测从相应偏振特征反射的光，因此处理器32能够针对读头20的给定位置确定标记的多达七个偏振特征的取向以及因此相关联的二进制代码值。
[0076] 读头20接着移动到新的位置，并且重复阶段40到46。通过针对沿标记的一系列位置重复阶段40到46的读取过程可以积累由标记表示的数据。
[0077] 在图4的标记的情况下，由标记表示的数据构成代码，所述代码表示在其上形成所述标记的集成电路板的序号和制造商。在已经读取数据之后，可以将所述代码与所述制造商的已知代码相比较，以便确定在此情况下的集成电路板是否真品、或伪造或未经批准的复制品。
[0078] 通过确定从纳米结构反射的电磁辐射的偏振来读取数据可以提供读取数据的特别稳固的方式。在实际环境中可能发生的表面上的污垢的存在、表面的其它退化或损坏可改变反射信号的强度或其它特性，但差分检测器仍然能够以稳固的方式区分开正交偏振状态。
[0079] 在图4的实施例中，在物体2上的标记是在集成电路板上的安全标记。在替代实施例中，标记可以表示任何合适类型的数据并且可以应用于任何合适的物体。
[0080] 例如，在某些替代实施例中，所述标记是在微芯片、半导体装置、电路板、药物包装、存储器装置、或录制的音乐、图像、视频或文本内容载体、医学植入物或其它医疗装置、飞机部件、艺术品、首饰或其它工艺品中的至少一者上的一个标记。
[0081] 纳米结构标记可以应用于例如在使用期间可能受磨损或损坏的物体。纳米结构标记可以是稳固的，并且在一些情况下可以足够好地经受住对物体自身的损坏以保持可读。例如，在飞机部件的情况下，纳米结构标记可能可以经受住飞机坠毁，并且使得能够识别在坠毁的残骸中存在的飞机部件，因此有助于坠毁调查。
[0082] 在某些替代实施例中，数据表示代码、序号、制造商、制造日期、时间或位置、备案或修改、或验证标记中的至少一者。
[0083] 尽管图1到3的设备的检测器包含偏振膜以使得检测器是偏振敏感的，但是在替代实施例中，通过任何合适的方法，例如通过安装偏振滤光器、使用布儒斯特效应、线栅或直接表面构造，可以产生对光的正交偏振具有不同敏感性的检测器。可以在偏振光分束器的两个面上安装两个相同的读取器芯片，并且可以比较来自所述两个读取器芯片的输出。
[0084] 偏振滤光器是常见的便宜的组件，其可以在阻断偏振取向中给出良好的光衰减，但是塑料型式可能具有湿度敏感性并且玻璃型式可能难以切割。有可能将检测器或在检测器前方的光学组件定向以利用布儒斯特效应使有利于一种偏振取向通过。
[0085] 替代地，使用电子束以写入到应用于检测器表面的光致抗蚀剂中可以在检测器上直接形成精细金属栅。这些光栅是光的波长的一小部分，因此电子束是用于写入到此空间分辨率所必需的。金属层的沉积和多余抗蚀剂的去除可以接着形成有利于特定取向的偏振光的透射的精细栅或光栅。此方法非常符合检测器制造中使用的半导体制造方法。
[0086] 在替代实施例中，LIPSS自身可以在光栅的表面上使用，并且如同线栅一样，具有可忽略不计的厚度。栅和LIPSS并不给出不利的偏振方向的高衰减，因此对于较高信号鉴别建议差分检测。
[0087] 在某些实施例中，周期性结构可以直接形成到检测器的表面上并且由此实现入射光的正交偏振的差分吸收。
[0088] 图1到3的设备包括非偏振电磁辐射源和偏振敏感检测器。在替代实施例中，电磁辐射源经配置以提供偏振的电磁辐射并且检测器是非偏振敏感的。一个此类实施例在图6中图示出，图6示出用于读取由物体2的表面上的标记4表示的数据的读头50。
[0089] 读头50包括光源52a和52b，以及检测器54，所述检测器呈CCD图像传感器形式，经布置以捕获物体2的表面的图像。在此情况下，光源52a和52b可操作以700nm到900nm范围内的波长的光照射表面，所述波长长于构成标记4的周期性纳米结构的600nm的周期。在此情况下检测器54并不包含任何偏振元件，但是光源52a和52b包含偏振光分束器，一个光学路径可操作以选择对于第一光源52a的一个第一偏振(在此情况下+45°)且另一个光学路径可操作以选择对于第二光源52b的一个第二正交的偏振(在此情况下-45°)。
[0090] 读头50包含控制器56，其可操作以引导光从光源选择性地通过一个或另一个偏振滤光器到物体2的表面。在操作中，控制器56控制光源使得+45°和-45°偏振光交替地施加至表面，且针对每一偏振使用检测器54捕获表面的图像。对于每一所应用的偏振，那些取向最密切地匹配所施加光的偏振的形成标记的纳米结构相较于那些取向并不匹配所施加光的偏振的纳米结构更强烈的反射所施加光。不同取向的纳米结构的位置可以因此通过由检测器54捕获的图像中的明带和暗带的出现来区分。控制器56经配置以处理所捕获图像并且从所捕获图像中较明区域和较暗区域的存在中自动地确定不同取向的纳米结构的序列。
[0091] 非偏振检测器54用于检测当第一偏振光照射时并且接着第二偏振光照射时的经反射光。检测到的信号可以如上文所描述的差分方式进行比较。
[0092] 可以使用任何其它合适布置的偏振光源和/或偏振敏感检测器来确定标记的纳米结构的取向。检测器可经布置以接收从纳米结构透射的或者从纳米结构反射的光。
[0093] 替代实施例中的读头在图14中示意性地图示出，其中使用相同的参考标号指代相同的特征。在此情况下，标记的纳米结构具有两个以上的不同的偏振取向，并且源52a和52b围绕读头在不同取向中布置，由此使得两个以上的不同偏振的光能够依次施加至物体2上的纳米结构。提供聚焦光学器件72以在检测器54上聚焦经反射光。
[0094] 如上所述，图4的标记的偏振特征是LIPSS结构。已发现，此类LIPSS结构特别适用于表示在测量标度上的标度装置信息，并且它们可以通过将激光脉冲应用于表面而以稳固且精确的方式形成。LIPSS可以在相对大的区域(个别检测器的区域，例如在位出现方向上>10μm，具有适合应用的宽度，例如3mm)上用激光脉冲形成，任选地用超快激光脉冲形成。
[0095] 图7图解说明用于形成标记的系统，例如图4的标记，其中所述标记的每一周期性纳米结构包括LIPSS区域。
[0096] 所述系统包括横梁60，在所述横梁上安装衬底2，所述衬底在此情况下是在其上待形成标记的物体。所述系统还包括：托架66，其包括写头70；通过光学路径64连接到托架66的写头的激光单元62；以及控制器68。激光单元62包含用于形成LIPSS结构的超快激光。
[0097] 在操作中，来自激光单元62的激光辐射经由光学路径64供应到写头，并且写头70导引激光辐射到衬底2上的一个位置上。控制器68可操作以控制托架相对于横梁60的位置，并且控制激光单元的操作，由此将选定特征的激光辐射应用到衬底2上的任何选定位置。
[0098] 为了形成LIPSS结构，用适当脉冲长度、形状和能量密度(例如，接近聚焦到线的表面的烧蚀阈值的超快脉冲能量密度)的偏振的激光脉冲照射材料表面。表面结构的线呈现正交于激光的偏振，因此写入激光束的偏振的旋转有利于在标度表面上形成二进制位。这些线的周期是表面材料以及激光的波长的特征。
[0099] 在图7的实施例中，在托架66的一或多次通过期间使用超快脉冲激光单元62，以形成在相对于测量轴成+45度取向的LIPSS的区域并且由此写入所有正二进制状态。在托架66下次通过时，超快激光的偏振旋转了-90度(至相对于测量轴成-45度)并且写入负数据区域到标度上。
[0100] 在图7的实施例中用于形成LIPSS结构的激光是具有接近烧蚀阈值的能量(对于单脉冲写入恰好高于烧蚀阈值，对于多脉冲写入恰好高于或恰好低于烧蚀阈值)的超快激光。将一连串脉冲施加至表面。每一脉冲可经定形以产生4mm宽和10μm长的特征，并且衬底以由激光重复速率、受影响的表面的宽度以及所需的脉冲的数目所确定的速度相对于激光移动。替代地，激光束(例如，直径10μm)可以是经光栅扫描以获得具有所需宽度的周期性纳米结构。
[0101] 一旦已经通过一或多个激光脉冲形成LIPSS结构，应用于相同区域的相同偏振的后续脉冲将锁定到现有图案中并且保持原始结构的周期性和相位，从而允许从多脉冲中构建LIPSS的延伸区域。LIPSS形成的该特征使得能够以直接和可靠的方式形成适用作标记特征的具有合适大小和均匀性的偏振特征。
[0102] 脉冲激光处理可以用来在任何适当表面上形成LIPSS。在图4的实施例中，LIPSS结构形成于集成电路板的表面上。然而，在替代实施例中，包括LIPSS或其它偏振特征的标记可以编写到任何适当材料或物体上。
[0103] 银和不锈钢两者，如同许多其他金属如镍、金、钛等一样，均已经显示出能形成LIPSS。LIPSS的第一报告观察到在由红宝石激光脉冲引起的表面损坏之后在各种半导体上的周期性结构。自报告之后，已经出现使用包含Si、Ge、InP、GaP、GaAs和其它化合物半导体的半导体的许多研究。已经在熔融硅石上制作LIPSS。然而，LIPSS也可以由多种多样的其它材料形成，无论金属、电介质或半导体。实际上，LIPSS可以形成于能够(例如)在暴露于强电磁场期间所存在的条件下形成表面等离子体的任何材料上，所述强电磁场(例如)来自接近材料的烧蚀阈值的激光脉冲。
[0104] 在图4的实施例中，相较于在偏振的第二方向上反射电磁辐射，每一偏振特征在偏振的第一方向上更强烈地反射电磁辐射。在替代实施例中，例如LIPSS或其它周期性纳米结构等偏振特征以优选的偏振方向透射而不是反射所应用的电磁辐射。在任一情况下，可以建立优选的偏振方向并且此优选的偏振方向用于表示标度装置信息。在具体实施例中，相关电磁辐射为可见的、近紫外或近红外范围内的光。
[0105] 虽然已经发现LIPSS提供了用于形成包括周期性纳米结构的标度标记的有利技术，但是在替代实施例中，可以使用其它方法来形成周期性纳米结构，例如复制、电子束光刻、聚焦离子束、(以紫外)光刻或半导体制造光刻。
[0106] 在图4的实施例中，标记包括具有正交取向的周期性纳米结构，并且由标度标记表示的数据由通过周期性纳米结构产生的对应正交偏振进行编码。在替代实施例中，标记设置有中间偏振以及正交偏振。此类实施例可以允许数据以三进制或更多进行实施，而不是以二进制对数据进行编码。这可以增加代码的稳固性或可用唯一码的数目。
[0107] 在图8中借助于实例示意性地图解说明包括具有四种不同取向的周期性纳米结构并且因此允许以四进制对数据进行编码的标记。0°、+45°、-45°以及90°的LIPSS的区域用于交替序列中以对数据进行编码。
[0108] 在图4和8的实施例中，每一偏振特征是LIPSS的一个区域，其中所有平行线都有相同取向。如图4和8中所示，LIPSS的区域可以分隔开。替代地，LIPSS的区域中的一或多者可以邻接LIPSS的不同取向的区域，使得在它们之间的边界处出现不连续。此类布置的实例在图15中示出，其中标记包括各自具有+45°或者-45°的取向的纳米结构阵列的。
[0109] 在替代实施例中，偏振特征包括LIPSS或其它纳米结构的延伸区域，其中线的取向随着通过偏振特征的侧向延伸的位移而变化。根据一个实施例的所述类型的偏振特征在图9中示意性地图解说明。
[0110] 图9中示出的类型的单一偏振特征可以用作例如参考标记或基准。检测器可经配置以检测优选的偏振方向。参考位置可以定义为优选的偏振方向匹配LIPSS或其它纳米结构的延伸区域的一部分的取向的点。替代地，检测器具有沿参考标记的长度匹配到偏振变化的偏振敏感性；当整个偏振经编码区域对准以给出既然不同的相关性输出时的参考位置；用于偏振经编码数据的自相关器。此类经编码区域可以是特别适合于偏振的相关性(例如，经修改的巴克码)的经编码字或偏振的角度，其中偏振的角度沿特征和所匹配的检测器随距离而不断地或单调地增大。
[0111] 在之前段落中描述的实施例的变型中，以连续地编写具有不同偏振的一系列偏振特征以形成延伸区域。可以确定一系列位置，当优选的偏振方向匹配平行线的取向时确定每一位置，从而确定等间距的标记的序列。
[0112] 在替代实施例中，例如图14的替代实施例，提供读取中间偏振的检测器。替代地，处理器或相关电路通过检测器的差分对内插测量值，由此测量通过标记的区域反射或透射的光的偏振，所述区域并不与检测器对的检测器中的任一者的偏振完全对准。以此方式，可以产生表示标度区域的偏振的模拟信号，无论是否与任何传感器对准。
[0113] 在测量标度的一些实施例中，偏振特征是连续的。在其它实施例中，它们是分隔开的或重叠的。
[0114] 在某些实施例中，包括周期性纳米结构的标记与其它标记(例如用于表示数据的其它标记)重叠。在一些情况下，包括周期性纳米结构的标记形成于此类其它标记之上。此类叠加的纳米结构标记可以在应用于测量标度时尤其适用，因为它们可以(例如)允许绝对测量标度叠加在增量测量标度上。
[0115] 具有纳米结构的测量标度的标记是以本申请案的申请人名义申请的名称为“测量标度(Measurement Scale)”的共同未决专利申请案的标的物，所述共同未决专利申请案的内容在此以引用的方式并入。
[0116] 图10示出测量标度装置2的实施例，所述测量标度装置包括标度4，所述标度包括多个标度标记(如图4中所示)。由周期性纳米结构形成的一系列绝对标度标记6沿共用测量轴10叠加在一系列增量标度标记8上。绝对标度标记6和增量标度标记8是独立地可读的。为了清楚起见在图10中仅图示绝对标度标记6。
[0117] 图11是图10的标度的放大部分的图解说明，并且示出了绝对标度标记6和增量标度标记8两者。
[0118] 在图10和11的实施例中，增量标度标记8的系列由基本上正弦轮廓的峰和谷组成，其具有大约是可操作光(反射)的波长的四分之一的幅值或大约可操作光(透射)的波长的一半的幅值，其通过标度的表面的激光加热形成，例如在以本申请人的名义申请的W02012/038707中所描述，其内容在此以引用的方式并入。标度装置2由304不锈钢制成并且峰和谷形成于304不锈钢的表面上。在图2中图示了峰和谷，但是峰到谷高度已经被放大以使它在图式上可见。在此实施例中，峰到谷高度是200nm并且相邻峰之间的间隔是8μm。增量标度标记中的每一者可以被视为包括周期性表面的完整循环。
[0119] 绝对标度标记6的序列编写到增量标度标记8的序列上。绝对标度标记6中的每一者包括多个偏振特征并且绝对位置数据使用所述偏振特征的偏振特性来表示。每一偏振特征包括周期性纳米结构，在此情况下是激光引发的周期性表面结构(LIPSS)。
[0120] LIPSS的每一区域用于表示二进制数字。LIPSS区域的线的每一取向(例如，+45度和-45度)表示二进制状态中的一者。多个LIPSS区域经布置以形成每一绝对标度标记。每一绝对标度标记是离散二进制码字，其用于标记沿测量轴的唯一位置。
[0121] 例如，在图11中，以整体或部分示出标注为n-1、n、n+1以及n+2的四个偏振特征。每一偏振特征表示一个位，并且在此情况下可见那些位具有值0、1、0以及1。那些四个位构成单一码字的一部分，所述单一码字用以识别偏振特征所位于的标度的部分。
[0122] 可以使用图1到3的读头的修改版本来读取图10和11的标度装置信息，所述读头经修改以包含相位标度检测单元，其可操作以使用常规技术读取增量标度标记。所述相位标度检测单元22能够独立于通过读头20的绝对标度的读取来读取增量标度。
[0123] 可以选择读头20的大小以及检测器的数目，使得无论读头20相对于标记的位置如何，其都可以在所述读头的给定位置处始终读取足够的偏振特征以构成至少一个完整的码字。
[0124] 可以使用读头20以如上文关于图4的标记的读取所描述的相同方式来读取图10和11的测量标度的绝对标度标记。
[0125] 虽然绝对标度是通过读头20读取的，但是相位标度检测单元使用例如EP 0207121中所描述的已知技术读取增量标度标记8。在操作中，相位标度检测单元的光源所施加的非偏振光从增量标度的多个峰和谷反射，并且相位标度检测单元22能够使用基于取决于读头20相对于标度2的位置的经反射光的相长干涉或相消干涉图案的已知技术进行检测。增量标度可经多次内插，仅受限于由读头读取的周期性区域的平均精确度以及噪声。
[0126] 绝对位置可以与由处理器32使用相位标度检测单元确定的增量标度信息组合以便内插在绝对位置标记之间。
[0128] 在增量标度标记8的谷和峰上叠加的偏振特征12的存在可以使得甚至对于非偏振光增量标度标记的反射率也会发生一些变化。所示出的对称设计(具有±45°对准的纳米结构)使状态之间反射率差最小化。
[0129] 图10和11的测量标度是由图7的系统使用两种截然不同的激光工艺形成。首先形成增量标度标记并且接着通过写入LIPSS偏振特征形成绝对标度标记。
[0130] 在第一种工艺中，通过熔化衬底的表面形成增量标度，如WO2012/038707中所描述。经由写头70通过激光单元62施加几十纳秒时间的激光脉冲。激光脉冲通过将激光62连接到托架66的光学路径64传递到写入点，替代地，激光62随托架66移动。托架66能够沿横梁的长度移动并且配备有精确位置反馈(经由控制器68)以确保以所需精度正确地放置经熔化区域。增量标度的形成可以采用托架66沿着标度长度的一或多次通过。举例来说，通过用几十纳秒时间的激光脉冲进行熔化可以在304不锈钢上制作具有例如4μm或8μm的周期以及例如190nm或200nm的平均峰到谷距离的流畅起伏表面轮廓。
[0131] 在第二种工艺中，接着将构成绝对标度标记的LIPSS结构编写到增量标度标记上。
[0132] 在某些实施例中，取决于第二系列标度标记的一个参数来选择形成第一系列标度标记的一部分的每一偏振特征的侧向延伸。例如，在其中第二系列标度标记是幅值标度的实施例中，可以在其中呈现第二系列标度标记的整个区域上编写LIPSS结构的区域。这可以有助于减少由存在或不存在叠加的LIPSS结构或其它纳米结构引起的关于非偏振光的标度的反射率变化。
[0133] 当第二系列标度标记是增量标度时，在某些实施例中，取决于第二系列标度标记的增量周期来选择偏振特征的侧向延伸。例如，在一些实施例中，每一偏振特征的侧向延伸选定为增量周期的非整数倍数，例如增量周期的大小的1.5倍，或质数倍数，例如3.7倍。
[0134] 沿测量轴方向上的每一偏振特征的侧向延伸可经选择以具有任何合适的值，例如在1μm与100μm之间。可以使用多个激光脉冲来积聚LIPSS的延伸区域。
[0135] 包括使用偏振特性表示标度装置信息的偏振特征的标度标记不限于绝对标度标记，而是在替代实施例中表示任何所需类型的标记。
[0136] 在各种实施例中，包括至少一个纳米结构的标度标记可以表示位置信息或者有关标度或标度装置的非位置相关的数据。在一些实施例中，标度标记表示(例如)标度的序号、制造商或其它标识符、或验证或安全数据。
[0137] 在某些实施例中，由偏振特性表示的标度装置信息是界限的指示。界限标记用于指示标度的末端。在某些实施例中，界限标记包括标记标度的末端的偏振特征，例如LIPSS结构。在一些实施例中，在标度的每一末端处使用不同偏振的界限图案来指示正读取哪个界限。在替代实施例中，以跨越标度(垂直于测量轴)编写的不同偏振来实施界限，其中一个偏振编写到测量轴的第一侧并且另一偏振到第二侧，其中两个偏振在标度的相反末端处逆转。
[0138] 图12示出包括一系列标度标记8(其可以包括或不包括偏振特征)和一对界限标记44a、44b的标度的简化图。第一界限标记44a是相对于测量轴10成+45度取向的LIPSS的区域，并且第二界限标记44b是相对于测量轴10成-45度取向的LIPSS的区域。因此，标度的末端可以通过偏振光的差分检测来区分以确定标记的不同取向。
[0139] 在其它实施例中，由偏振特性表示的标度装置信息是参考位置的指示。在增量标度上，参考标记用于指示已知位置，使得能够参考此类已知位置确定增量位置。根据实施例的参考标记包括编写到标度上的正交偏振的两个区域之间的过渡。在此情况下，使用分开的差分读取器对通过对于参考标记的检测来说常见的方式来产生和信号以及差信号。在其它实施例中，包括偏振特征的参考标记更为复杂，并且在一些情况下包括分散自相关图案或互相关图案、或包括码字、和/或具有沿参考标记的线性延伸旋转的偏振特性。在其中参考标记包括偏振特征的实施例中，参考标记可以与一系列标度标记分隔开，或可以叠加在一系列标度标记上、与一系列标度标记重叠或与一系列标度标记交错。
[0140] 图13是一系列标度标记8的简化图。参考标记42a在标度上方。所述参考标记指示参考位置。其与在标度的相反侧上的另一参考标记42b配对以用于在偏航对准范围上的精确的参考定位。参考标记包括以周期性纳米结构编码的具有+45度或-45度的纳米结构特征的对准角度的区域，但是在替代实施例中可以使用任何其它合适的偏振特性。在替代实施例中，参考标记可以绘制在标度的一或两侧上。
[0141] 在其它实施例中，包括至少一个纳米结构的标度标记表示方向标记，其指示至标度特征的方向，例如至标度的一个末端的方向或至位置标记或参考标记的方向。
[0142] 在其它实施例中，包括至少一个周期性纳米结构的标记用于对例如误差映射或误差码等误差信息进行编码。在某些实施例中，此类标记叠加在现有的一系列增量或绝对标度标记的顶部上或靠近它们。一系列增量或绝对标度标记可以包含因在形成期间的误差所致的一些位置误差。通过根据已知技术在真空中进行的干涉仪测量确定所述误差。接着在沿标度的一系列位置处编写包括至少一个周期性纳米结构的误差标记，并且所述误差标记表示关于在那些位置中的每一者处的增量或绝对标度中的误差。在一些此类实施例中，误差由偏振角度或周期性纳米结构的取向角度表示，所述角度允许采用一系列连续的角度中的任一者。因此，误差可以被读取为模拟信号，这可以降低处理要求。
[0143] 在图10和11的实施例中，使用已知工艺形成增量标度并且接着在增量标度标记上叠加绝对标度标记。实施例不限于此类布置，并且可以使用LIPSS或其它技术来以任何所需布置形成包括偏振特征的标度标记。例如，在替代实施例中，绝对标度标记经布置使得它们重叠增量标度标记，或使得绝对标度标记和增量标度标记交错或在空间上分隔开。在这些情况中的任一者中，可以形成绝对标度标记和增量标度标记使得它们共享共用测量轴。
[0144] 如所提及，在替代实施例中，包括偏振特征的标度标记是增量标度标记或参考标记而不是绝对标度标记。在一些实施例中，标度还包含任何所需类型的第二系列标度标记，例如绝对标度标记、增量标度标记或参考标记。在此类实施例中，第二系列标度标记不限于光学地读取。第二系列标度标记可以任何合适的方式来表示标度装置信息，例如相对于第一系列标度标记独立地可读的任何方式。举例来说，在一些实施例中，第二系列标度标记用光学参数、磁性参数或电容参数表示标度装置信息。
[0145] 可以用于第二系列标度特征的标度标记的类型的实例包含以下各者的标度标记：蚀刻玻璃、蚀刻金属、激光烧蚀金属、锻造金属、具有镜反射的玻璃上的镀铬区域、龙基玻璃上的铬、磁性区域、电容(介电常数区域)。这些标度中的每一者具有可以通过添加周期性纳米结构(例如LIPSS结构)选择性修改的表面。
[0146] 在一个实施例中，将表示绝对标度标记的LIPSS或其它偏振特征添加到以玻璃蚀刻和镀金的矩形轮廓标度光栅。现有的标度设计，例如雷尼绍(RTM)RG标度、柱式标度、环式标度或带式标度可以添加LIPSS或其它偏振特征的区域以形成参考标记、绝对数据或其它附加信息。
[0147] 作为在常见制造工艺中的附加步骤，可以将LIPSS区域添加到包括一系列标度标记的测量标度。替代地，可以在已经形成第二系列标度标记之后的任何时间添加LIPSS。可以针对任何适当的现有标度改造LIPSS区域。
[0148] 已经使用从持续波到飞秒激光范围内的激光产生LIPSS。第一实施例描述了使用恰好高于烧蚀阈值的激光强度。然而，这并非不考虑其它方案。可以使用能够在合适的表面上形成LIPSS的任何激光和相关的一组操作条件。
[0149] 测量标度不限于用于沿单一测量轴的测量的线性标度。替代实施例的测量标度包含(例如)旋转标度。在某些实施例中的标度是二维标度，具有两个实质上正交的测量轴，并且包括偏振特征的标度标记沿一或两条测量轴布置。
[0150] 应理解，上文已经仅借助于实例描述了本发明，并且在本发明的范围内可以进行对细节的修改。
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