Symptom: Kontrast bei Auflichtabtastung nur halb so groß wie erwartet – Rückseitenreflexion des Substrats

Bei Auflichtabtastung einer Glas-Teilscheibe wird Licht, das in die lichtdurchlässigen Lücken eintritt, an der Rückseite oder an darunterliegenden Bauteilen reflektiert, um 2t·tanθ′ seitlich versetzt und tritt wieder aus den Lücken aus; es bildet einen Hintergrund, der gegenphasig oder phasenverschoben zum Hauptstreifenmuster liegt. Dieser Artikel leitet den Einfluss von Rückseitenreflexionsgrad und Versatz auf den Modulationsgrad her – ein äquivalenter Reflexionsgrad von etwa 0,4 genügt, um den Modulationsgrad zu halbieren – und gibt Diagnoseschritte wie Schwärzungsvergleich und Neigungsversuch an.

Eine Glas-Teilscheibe wird mit einem Auflicht-Abtastkopf verwendet. Nach Reflexionsgrad der Chromstriche und der Glasoberfläche abgeschätzt, sollte der Modulationsgrad ein bestimmtes Niveau erreichen, gemessen wird aber nur etwa die Hälfte; Scheiben derselben Charge liefern auf verschiedenen Naben auch noch unterschiedliche Ergebnisse. Das Muster auf der Oberseite der Scheibe ist in Ordnung; das Problem ist der Teil des Lichts, der durch die lichtdurchlässigen Lücken geht: Er wird an der Glasrückseite oder an Bauteilen unter der Scheibe zurückreflektiert, tritt wieder aus den Lücken aus und überlagert sich dem Hauptstreifenmuster. Dieser Artikel rechnet nach, wohin dieses Licht gelangt, wie stark es den Modulationsgrad beeinflusst und wie man es schnell nachweist und behebt. Geisterbilder zwischen den Bauteilen im Abtastkopf behandelt der Artikel zum Streulicht in dieser Artikelsammlung; hier geht es nur um diesen einen Pfad über das Substrat der Teilscheibe.

Strahlengang: Wohin das rückseitig reflektierte Licht gelangt

Die Chromstriche liegen auf der Oberseite, dem Abtastkopf zugewandt. Die Beleuchtung trifft unter dem Einfallswinkel θ auf die Scheibe: Licht auf den Chromstrichen wird reflektiert (Reflexionsgrad R_c, blankes Chrom im nahen Infrarot etwa 0,6) – das ist das Hauptsignal; von dem Licht auf den Lücken werden etwa 4 % an der Oberseite reflektiert, der Rest tritt ins Glas ein, mit dem Brechungswinkel θ′ gemäß sinθ = n·sinθ′. Es wird an der Rückseite mit dem äquivalenten Reflexionsgrad R_b reflektiert und ist bei der Rückkehr zur Oberseite seitlich versetzt um

Δx = 2t·tanθ′

Dabei ist t die Glasdicke und n die Brechzahl. Bei Kalk-Natron-Glas mit n = 1,52, t = 1,5 mm und θ = 10° ist θ′ ≈ 6,56° und Δx ≈ 0,35 mm, entsprechend 17,25 Perioden bei 20 μm Teilungsperiode.

Das zur Oberseite zurückkehrende Licht kann nur durch die Lücken austreten; der Anteil, der auf die Rückseite der Chromstriche fällt, wird erneut nach unten reflektiert (blankes Chrom von der Glasseite aus etwa 0,44), und so mehrfach hin und her. Hat die Beleuchtung eine Winkelbreite Δθ, verschmiert der Hin- und Rückweg das Rückseitenbild zusätzlich zu einem Band der Breite b ≈ 2t·Δθ/n: Bei Δθ = 20 mrad ist b ≈ 39 μm, also bereits größer als die Teilungsperiode von 20 μm.

Modell: Modulationsgrad in zwei Grenzfällen

Austretende Lichtintensität = Hauptreflexion + Rückseitenanteil. Der Rückseitenanteil ist „Lückenmuster × versetztes und verschmiertes Einfallsmuster“, die Intensitäten addieren sich inkohärent (die Kohärenzlänge einer LED liegt nur in der Größenordnung von etwa 20 μm, weit unter dem Hin- und Rückweg von 3 mm).

Unschärfe deutlich größer als die Teilungsperiode (b ≫ p): Das zurückkehrende Licht ist unter der Oberseite bereits gleichmäßig verteilt und tritt nur durch die Lücken aus; es ist hell auf den Lücken und damit genau gegenphasig zum Hauptsignal, das auf den Chromstrichen hell ist. Bei nur einem Hin- und Rückweg ist der relative Modulationsgrad

M/M0 = (1 − k)/(1 + k′), k = T²·R_b /[2(R_c − R_f)], k′ = T²·R_b /[2(R_c + R_f)]

Dabei ist R_f ≈ 0,04 der Reflexionsgrad der Oberseite und T ≈ 0,96 der Transmissionsgrad der Oberseite. Bei R_b = 0,04 (nur Glasrückseite) ist M/M0 ≈ 0,94; bei R_b ≈ 0,42 sinkt er auf 0,50; unter Berücksichtigung mehrfacher Hin- und Rückwege beträgt er beim selben R_b etwa 0,46.

Unschärfe deutlich kleiner als die Teilungsperiode (b ≪ p): Der Rückseitenanteil behält das Muster; seine Überlappung mit den Lücken ändert sich mit dem Nachkommaanteil von Δx/p, die Phasendifferenz zwischen Hintergrund und Hauptstreifen ist nicht mehr 180°, sondern ändert sich mit Dicke und Einfallswinkel. Bei R_b = 0,42 und b = 2 μm liegt M/M0 zwischen 0,20 (Nachkommaanteil 0, das zurückkehrende Licht trifft genau auf die Lücke) und 0,77 (Nachkommaanteil 0,5). Je 0,087 mm Dickenänderung ändert sich Δx um eine Teilungsperiode; eine Dickentoleranz von ±0,05 mm genügt, damit Scheiben derselben Charge an verschiedenen Stellen der Kurve liegen – das zeigt sich als Streuung von Scheibe zu Scheibe (siehe Abb. 2).

Ein weiterer Fall ist abzugrenzen: Bei Abtastköpfen, die Lichtquelle und Detektor in derselben Ebene haben und mit divergentem Licht direkt projizieren, stammt der Rückseitenanteil von einer tiefer liegenden virtuellen Lichtquelle; sein Projektionsmaßstab unterscheidet sich von dem der Hauptstreifen, auf der Detektorebene hat er nicht mehr dieselbe Periode wie das Detektorarray und wirkt hauptsächlich als Gleichanteil. Dann senkt R_b = 0,42 M/M0 nur auf etwa 0,75; für eine Halbierung ist ein hellerer Reflektor nötig.

(R_c = 0,6, Teilungsperiode 20 μm, Spalte b ≪ p mit b = 2 μm, alles Beispielwerte.)

Allein durch die 4 % Reflexion der Glasrückseite verliert der Modulationsgrad also nur wenige Prozent; „nur noch die Hälfte“ bedeutet in der Regel, dass sich unter der Scheibe eine helle Fläche befindet: eine polierte Nabenstirnfläche, eine verspiegelte Rückseite, ein helles Kunststoffteil oder blanke Kupferpads.

Diagnoseschritte

1. Zuerst andere Ursachen ausschließen: Schichtseitenorientierung prüfen (Chromseite zum Abtastkopf?), ob die Chromseite eine reflexionsarme Schwärzungsschicht trägt und ob der Abtastabstand im Auslegungsbereich liegt – auch diese Punkte können den Kontrast um ein Vielfaches verringern.
2. Dunkelpegel betrachten: Im Stillstand eine Lücke auf das Abtastfenster ausrichten und das Verhältnis der reflektierten Lichtintensität zu der an einem Chromstrich messen. Normal ist etwa R_f/R_c ≈ 0,07; ein deutlich höherer Wert zeigt, dass Licht aus den Lücken zurückkommt.
3. Vergleich mit geschwärzter Rückseite: Auf der Rückseite gegenüber der Spur schwarzes Klebeband aufkleben, schwärzen oder schwarzen Samt unterlegen und den Modulationsgrad erneut messen. Wird der erwartete Wert wieder erreicht, ist der Rückseitenpfad bestätigt. Achtung: Klebeband mit Luftspalt lässt die 4 % der Glasfläche bestehen.
4. Neigungsversuch: Den Abtastkopf um etwa 1° neigen; Δx ändert sich um etwa 35 μm, knapp zwei Teilungsperioden. Schwankt der Modulationsgrad dabei deutlich, ist die Beleuchtung kollimiert und der Hintergrund behält das Muster; bleibt er weitgehend gleich, liegt ein gleichmäßiger gegenphasiger Hintergrund vor.
5. Streuung statistisch auswerten: Korreliert der Modulationsgrad mit der Glasdicke, deutet das auf den Fall b ≪ p; korreliert er mit Nabencharge oder Oberflächenbehandlung, auf eine helle Fläche darunter.

Praxishinweise

• Bei Glas-Teilscheiben für Auflicht die Rückseite als optische Fläche auslegen: Eine absorbierende Rückseitenbeschichtung oder eine geschwärzte Nabe drückt R_b auf wenige Prozent.
• Eine Entspiegelung der Rückseite beseitigt nur die etwa 4 % der Glasfläche selbst und hilft nicht gegen helle Bauteile darunter.
• Ein äquivalentes R_b von etwa 0,4 halbiert bereits den Modulationsgrad; direkt unter der Spur keine polierten Metallteile, hellen Kunststoffe oder blanken Pads anordnen.
• Bei gut kollimierter Beleuchtung ist der Modulationsgrad dickenempfindlich, mit der Periode p/(2tanθ′), im Beispiel etwa 0,087 mm; die Chargenstreuung ist anhand der Dickentoleranz zu bewerten.
• Um das Rückseitenlicht aus dem Sichtfeld zu bringen, muss Δx größer als Beleuchtungsfleck und Abtastfenster sein: Für 1 mm Fenster und 1,5 mm Glas wären etwa 29° Einfallswinkel nötig, was meist unrealistisch ist – Schwärzen ist zuverlässiger.
• Metall-Teilscheiben oder Aufbauten mit Absorptionsschicht unter dem Chrom haben diesen Lichtpfad nicht und sind bei hohen Kontrastanforderungen vorzuziehen.

Fazit

Bei Auflichtabtastung wird Licht, das durch die Lücken tritt, an der Rückseite oder an darunterliegenden Bauteilen reflektiert, um 2t·tanθ′ versetzt und tritt wieder aus den Lücken aus; bei starker Beleuchtungsunschärfe bildet es einen gegenphasigen gleichmäßigen Hintergrund, bei Kollimation einen Hintergrund mit dickenabhängiger Phase. Mit nur der Glasrückseite beträgt der Verlust etwa 6 %, bei einem äquivalenten Reflexionsgrad um 0,4 halbiert sich der Modulationsgrad. Mit den drei Schritten Dunkelpegel, Rückseitenschwärzung und Neigungsversuch lässt sich das bestätigen; Abhilfe schafft vor allem eine absorbierende Rückseite.

Übersetzung des chinesischen Originalartikels (0232). ENC7 – Hersteller von Encoderscheiben (Anfrage) · Fachartikel · https://enc7.com

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