Sintomo: nella lettura a riflessione il contrasto è solo la metà del previsto – riflessione dal retro del substrato

Nella lettura a riflessione di un disco in vetro, la luce che entra nelle fenditure trasparenti si riflette sul retro o sui componenti sottostanti, trasla di 2t·tanθ′ e riesce dalle fenditure, formando un fondo in opposizione di fase o sfasato rispetto alle frange principali. Questo articolo ricava l’effetto della riflettanza del retro e della traslazione sulla profondità di modulazione – una riflettanza equivalente di circa 0,4 basta a dimezzarla – e indica passi diagnostici come il confronto con retro annerito e la prova di inclinazione.

Un disco in vetro viene usato con una testina di lettura a riflessione. Stimata in base alla riflettanza delle linee di cromo e della superficie del vetro, la profondità di modulazione dovrebbe raggiungere un certo livello, ma se ne misura solo circa la metà; e dischi dello stesso lotto montati su mozzi diversi danno pure risultati diversi. Il disegno sulla faccia superiore del disco è in ordine: il problema è la parte di luce che attraversa le fenditure trasparenti. Questa si riflette sul retro del vetro o sui componenti sotto il disco, riesce dalle fenditure e si sovrappone alle frange principali. L’articolo calcola dove va questa luce, quanto incide sulla profondità di modulazione e come verificarlo e risolverlo rapidamente. Le immagini fantasma tra i componenti interni della testina sono trattate nell’articolo sulla luce parassita di questa raccolta; qui si considera solo questo percorso attraverso il substrato del disco.

Percorso ottico: dove va la luce riflessa dal retro

Le linee di cromo sono sulla faccia superiore, rivolte verso la testina. L’illuminazione colpisce il disco con angolo di incidenza θ: la luce che cade sulle linee di cromo viene riflessa (riflettanza R_c, circa 0,6 per il cromo nudo nel vicino infrarosso) ed è il segnale principale; della luce che cade sulle fenditure circa il 4% viene riflesso dalla faccia superiore e il resto entra nel vetro con angolo di rifrazione θ′ tale che sinθ = n·sinθ′. Sul retro si riflette con riflettanza equivalente R_b e, tornando alla faccia superiore, è traslata di

Δx = 2t·tanθ′

dove t è lo spessore del vetro e n l’indice di rifrazione. Per vetro sodico-calcico con n = 1,52, t = 1,5 mm e θ = 10° si ha θ′ ≈ 6,56° e Δx ≈ 0,35 mm, pari a 17,25 periodi di un passo di 20 μm.

La luce che torna alla faccia superiore può uscire solo dalle fenditure; la parte che cade sul retro delle linee di cromo viene riflessa di nuovo verso il basso (riflettanza del cromo nudo dal lato vetro circa 0,44), con più andate e ritorni. Se l’illuminazione ha un’ampiezza angolare Δθ, il percorso di andata e ritorno sfoca inoltre l’immagine del retro in una fascia larga b ≈ 2t·Δθ/n: con Δθ = 20 mrad b ≈ 39 μm, già più grande del passo di 20 μm.

Modello: profondità di modulazione nei due casi limite

Intensità uscente = riflessione principale + componente dal retro. La componente dal retro è «disegno delle fenditure × disegno incidente traslato e sfocato» e le intensità si sommano in modo incoerente (la lunghezza di coerenza di un LED è dell’ordine di appena 20 μm, molto meno dei 3 mm di cammino di andata e ritorno).

Sfocatura molto maggiore del passo (b ≫ p): sotto la faccia superiore la luce di ritorno è già uniforme ed esce solo dalle fenditure: è chiara sulle fenditure, esattamente in opposizione di fase con il segnale principale, chiaro sulle linee di cromo. Considerando una sola andata e ritorno, la profondità di modulazione relativa è

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

dove R_f ≈ 0,04 è la riflettanza della faccia superiore e T ≈ 0,96 la sua trasmittanza. Con R_b = 0,04 (solo retro del vetro) M/M0 ≈ 0,94; con R_b ≈ 0,42 scende a 0,50; considerando più andate e ritorni, con lo stesso R_b vale circa 0,46.

Sfocatura molto minore del passo (b ≪ p): la componente dal retro conserva il disegno; la sua sovrapposizione con le fenditure varia con la parte frazionaria di Δx/p, e lo sfasamento tra fondo e frange principali non è più 180° ma varia con spessore e angolo di incidenza. Con R_b = 0,42 e b = 2 μm, M/M0 è compreso tra 0,20 (parte frazionaria 0: la luce di ritorno cade proprio sulla fenditura) e 0,77 (parte frazionaria 0,5). Ogni 0,087 mm di variazione di spessore Δx cambia di un passo; una tolleranza di spessore di ±0,05 mm basta perché dischi dello stesso lotto cadano in punti diversi della curva, il che si manifesta come differenze tra singoli pezzi (vedi Figura 2).

C’è poi un caso da distinguere: nelle testine con sorgente e rivelatore sullo stesso piano, a proiezione diretta con luce divergente, la componente dal retro proviene da una sorgente virtuale più profonda; il suo ingrandimento di proiezione è diverso da quello delle frange principali e sul piano del rivelatore non ha più lo stesso periodo dell’array di rilevamento, per cui si manifesta soprattutto come componente continua. In questo caso R_b = 0,42 riduce M/M0 solo a circa 0,75; per dimezzarla serve un riflettore più luminoso.

(R_c = 0,6, passo 20 μm, colonna b ≪ p con b = 2 μm, tutti valori di esempio.)

Con la sola riflessione del 4% del retro del vetro, quindi, la perdita di profondità di modulazione è di pochi punti percentuali; «ne resta solo metà» significa di solito che sotto il disco c’è una superficie chiara: faccia del mozzo lucidata, retro con strato riflettente, parti in plastica chiara o piazzole di rame nudo.

Procedura diagnostica

1. Escludere prima altre cause: verificare l’orientamento del lato con film (cromo rivolto verso la testina?), se il cromo ha uno strato annerito a bassa riflettanza e se la distanza di lettura rientra nel campo di progetto: anche questi punti possono ridurre il contrasto di più volte.
2. Guardare il livello di scuro: da fermo allineare una fenditura con la finestra di lettura e misurare il rapporto tra l’intensità riflessa e quella su una linea di cromo. Il valore normale è circa R_f/R_c ≈ 0,07; un valore molto più alto indica luce che ritorna dalle fenditure.
3. Confronto con retro annerito: sul retro in corrispondenza della traccia applicare nastro nero, annerire o interporre velluto nero e rimisurare la profondità di modulazione. Se torna al valore previsto, il percorso dal retro è confermato. Attenzione: un nastro applicato con interposizione d’aria lascia il 4% della superficie del vetro.
4. Prova di inclinazione: inclinare la testina di circa 1°; Δx varia di circa 35 μm, quasi due passi. Se la profondità di modulazione oscilla sensibilmente, l’illuminazione è collimata e il fondo conserva il disegno; se resta praticamente invariata, si tratta di un fondo uniforme in opposizione di fase.
5. Analisi statistica delle differenze tra pezzi: se la profondità di modulazione è correlata con lo spessore del vetro, si è nel caso b ≪ p; se è correlata con il lotto o il trattamento superficiale del mozzo, c’è una superficie chiara sottostante.

Punti chiave di progettazione

• Nei dischi in vetro a riflessione il retro va progettato come superficie ottica: uno strato assorbente sul retro o un mozzo annerito portano R_b a pochi punti percentuali.
• Un trattamento antiriflesso sul retro elimina solo il 4% circa della superficie del vetro e non serve contro componenti chiari sottostanti.
• Una R_b equivalente di circa 0,4 basta a dimezzare la profondità di modulazione: sotto la traccia non vanno posti metalli lucidati, plastiche chiare o piazzole nude.
• Con illuminazione ben collimata la profondità di modulazione è sensibile allo spessore, con periodo p/(2tanθ′), nell’esempio circa 0,087 mm: la dispersione di lotto va valutata in base alla tolleranza di spessore.
• Per portare la luce dal retro fuori dal campo visivo, Δx deve superare macchia di illuminazione e finestra di lettura: con finestra da 1 mm e vetro da 1,5 mm servirebbero circa 29° di incidenza, di norma irrealistici; annerire è più affidabile.
• I dischi metallici o le strutture con strato assorbente sotto il cromo non hanno questo percorso ottico e sono da preferire quando servono contrasti elevati.

Conclusioni

Nella lettura a riflessione, la luce che attraversa le fenditure si riflette sul retro o sui componenti sottostanti, trasla di 2t·tanθ′ e riesce dalle fenditure; con forte sfocatura dell’illuminazione forma un fondo uniforme in opposizione di fase, con illuminazione collimata un fondo con fase dipendente dallo spessore. Con il solo retro del vetro la perdita è di circa il 6%, con una riflettanza equivalente intorno a 0,4 la profondità di modulazione si dimezza. I tre passi livello di scuro, annerimento del retro e prova di inclinazione bastano a confermarlo; il rimedio principale è un retro assorbente.

Traduzione dell’articolo originale cinese (0232). ENC7 – produttore di dischi encoder (richiesta) · Articoli tecnici · https://enc7.com

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