幅材纵向位置传感器.pdf

本发明描述了用于确定长条状幅材的纵向位置的方法和系统。传感器用于检测纵向设置在所述幅材上的一个或多个基本上连续的准标。传感器生成与所述准标相关的信号。定位检测器接收所述信号并使用所述传感器信号确定所述幅材的纵向定位。所述准标可以为周期性的准标，例如在所述幅材上的正弦和/或余弦标记和/或可以为分段连续的标记。所述幅材的所述粗略纵向定位可以根据所述准标的周期性重现特征确定。所述精细纵向定位可以根据在所述周期性重现特征之间的所述准标的连续部分确定。

1.  一种确定长条状幅材的位置的方法，包括：
感测纵向设置在所述幅材上的一个或多个基本上连续的准标；以及
根据所述准标确定所述幅材的纵向位置。

2.  根据权利要求1所述的方法，还包括补偿所述幅材的横向移动。

3.  根据权利要求1所述的方法，其中感测所述一个或多个准标包括感测纵向设置在所述幅材上的一个或多个基本上连续的周期性准标。

4.  根据权利要求1所述的方法，其中感测所述一个或多个准标包括感测纵向设置在所述幅材上的一个或多个正弦准标。

5.  根据权利要求1所述的方法，其中感测所述一个或多个准标包括感测具有有限的、非零斜率的区域的准标。

6.  根据权利要求1所述的方法，其中感测所述一个或多个准标包括感测纵向设置在所述幅材上的正弦准标和余弦准标。

7.  根据权利要求1所述的方法，其中感测所述一个或多个准标包括感测纵向设置在所述幅材上的一个或多个分段连续的准标。

8.  根据权利要求1所述的方法，其中：
感测所述一个或多个准标包括感测一个或多个周期性准标；以及
确定所述幅材的纵向位置包括根据所述一个或多个周期性准标的周期性重现特征确定所述纵向位置。

9.  根据权利要求1所述的方法，其中：
感测所述一个或多个准标包括感测一个或多个周期性准标；以及
确定所述幅材的纵向位置包括：
根据所述一个或多个周期性准标的周期性重现特征确定粗略纵向位置；以及
根据所述一个或多个准标中在所述周期性重现特征之间的部分确定精细纵向位置。

10.  根据权利要求9所述的方法，其中：
所述一个或多个周期性准标包括正弦和余弦准标；以及
所述周期性重现特征包括所述正弦或余弦准标的零点交叉。

11.  根据权利要求9所述的方法，其中：
所述一个或多个周期性准标包括正弦和余弦准标；以及
所述周期性重现特征包括所述正弦或余弦准标的峰。

12.  根据权利要求1所述的方法，还包括根据所述纵向准标或横向位置基准确定所述幅材的横向位置。

13.  根据权利要求12所述的方法，其中所述横向位置基准包括设置在所述幅材上的横向准标。

14.  根据权利要求12所述的方法，其中所述横向位置基准包括幅材边缘。

15.  根据权利要求1所述的方法，其中：
感测所述一个或多个准标包括：
生成与所述准标相对应的信号；以及
对所述信号进行滤波；以及
根据所述准标确定所述幅材的纵向位置包括使用滤波后的所述信号确定所述幅材的所述纵向位置。

16.  根据权利要求1所述的方法，其中：
感测所述一个或多个准标包括：
感测正弦准标和余弦准标；以及
生成与所述正弦准标和所述余弦准标相对应的信号；以及
确定所述幅材的纵向位置包括计算所述正弦和余弦信号的反正切2函数。

17.  根据权利要求1所述的方法，还包括根据所述纵向位置控制所述幅材的纵向移动。

18.  一种用于确定长条状幅材的位置的设备，包括：
一个或多个传感器，所述一个或多个传感器被构造用于感测纵向设置在所述幅材上的一个或多个基本上连续的准标，所述一个或多个传感器被构造用于生成与所述准标相对应的信号；以及
位置检测器，所述位置检测器被构造用于接收传感器信号并且使用所述传感器信号确定所述幅材的纵向位置。

19.  根据权利要求18所述的设备，其中所述幅材包括柔性幅材。

20.  根据权利要求18所述的设备，其中所述幅材包括聚合物型幅材。

21.  根据权利要求18所述的设备，其中所述幅材包括纸张、纤维、织物或非织造材料。

22.  根据权利要求18所述的设备，其中所述一个或多个准标包括一个或多个正弦准标。

23.  根据权利要求18所述的设备，其中所述一个或多个准标包括与元件层一起沉积在所述幅材上的一个或多个准标。

24.  根据权利要求18所述的设备，其中所述一个或多个传感器包括一个或多个光传感器。

25.  根据权利要求18所述的设备，其中所述一个或多个传感器包括一个或多个照相机。

26.  根据权利要求18所述的设备，其中：
所述准标包括周期性准标；以及
所述位置检测器被构造用于根据所述周期性准标的周期性重现特征确定所述幅材的粗略纵向位置，以及根据所述准标中在所述周期性重现特征之间的部分确定所述幅材的精细纵向位置。

27.  根据权利要求18所述的设备，还包括被构造用于对所述传感器信号进行滤波的滤波器。

28.  根据权利要求27所述的设备，其中所述滤波器包括递归滤波器。

29.  根据权利要求27所述的设备，其中所述滤波器包括卡尔曼滤波器。

30.  根据权利要求18所述的设备，还包括控制单元，所述控制单元被构造用于根据所述纵向位置控制所述幅材的纵向移动。

31.  根据权利要求18所述的设备，还包括控制单元，所述控制单元被构造用于根据所述纵向位置控制所述幅材的纵向移动。

32.  根据权利要求18所述的设备，其中所述位置检测器还被构造用于在确定所述纵向位置时补偿横向幅材位置偏移。

33.  根据权利要求18所述的设备，还包括：
横向位置传感器，所述横向位置传感器被构造用于感测横向位置基准；以及
横向位置检测器，所述横向位置检测器被构造用于根据所述横向位置基准确定横向幅材位置。

34.  根据权利要求33所述的设备，还包括控制单元，所述控制单元被构造用于分别根据所述幅材的横向位置和纵向位置控制所述幅材的横向和纵向移动。

35.  根据权利要求18所述的设备，其中所述准标包括在所述幅材上的印刷标记。

36.  根据权利要求18所述的设备，其中所述准标包括在所述幅材上的激光烧蚀标记。

37.  根据权利要求18所述的设备，其中所述准标包括在所述幅材中的刻痕或空隙。

38.  根据权利要求18所述的设备，其中所述准标压印、浇铸或涂覆在所述幅材上。

幅材纵向位置传感器
技术领域
本发明涉及用于确定长条状幅材的纵向位置的方法和系统。
背景技术
许多制品(包括柔性电子或光学元件)的制造涉及沉积或形成在延伸基底或幅材上的材料层与层之间的对准。在幅材上材料层的形成可以以连续工艺或步骤进行并且可以重复涉及多个步骤的工艺。例如，材料图案可以通过多个沉积步骤成层沉积在长条状幅材上以形成层状电子或光学器件。其它制品需要在幅材一侧或两侧施加的部件的精确对准。
为实现层与层之间的准确对准，当幅材经过多个制造步骤时，必须保持横向横维定位和纵向顺维定位。当幅材为柔性或可拉伸时，保持在幅材上形成的层与层之间的对准变得更加复杂。一些制品将具有在工序之间需要精确位置对准的多个施加材料的通道(或阶段)或施加到幅材的方法。
发明内容
本发明的实施例涉及用于确定长条状幅材的纵向位置的方法和系统。一个实施例涉及用于确定幅材位置的方法。感测纵向设置在幅材上的一个或多个基本上连续的准标。根据准标确定幅材的纵向位置。该方法还可以包括补偿幅材的横向移动以提高纵向位置确定的准确性。
在一些具体实施中，准标包括纵向设置在幅材上的一个或多个基本上连续的周期性标记。例如，可以使用单一正弦的标记或可以将正弦标记和余弦标记一起便用。
在一些具体实施中，准标可以包括一个或多个分段连续的标记。例如，准标一般包括相对于幅材的纵向轴线具有有限的、非零斜率的区域。
在涉及一个或多个周期性准标的使用的一种方法中，幅材的纵向位置可以根据周期性准标的周期性重现特征确定。例如，幅材的粗略纵向位置可以通过感测并计数周期性重现特征确定。精细的纵向位置可以根据在周期性重现特征之间的准标的基本上连续的部分确定。如果使用正弦和/或余弦标记，周期性重现特征可以为零点交叉或正弦或余弦标记的峰。
在一些构造中，可以根据纵向准标或根据横向位置基准确定幅材的横向位置。横向位置基准可以为在幅材上的标记、幅材边缘、或用于横向定位的其它基准。
感测准标涉及检测在幅材上的准标并且生成与准标相对应的传感器信号。通过包括电平移动、滤波、角度调整和/或其它处理技术的技术可以处理传感器信号以在用于位置确定之前改善信噪比。在涉及使用正弦和余弦准标的一种方法中，生成与正弦和余弦标记相对应的传感器信号。计算正弦值和余弦值的反正切2函数，产生与幅材的纵向位置有关的并且保持象限信息的角度。根据由反正切2计算获得的角度和象限信息确定纵向位置。
根据一个具体实施，根据通过使用基本上连续的准标确定的纵向位置来控制幅材的纵向移动。
本发明的另一个实施例涉及用于确定长条状幅材的位置的设备。该设备包括一个或多个传感器，该传感器被构造用于感测纵向设置在幅材上的一个或多个基本上连续的准标。传感器被构造用于生成与准标相关的信号。位置检测器接收信号并使用传感器信号确定幅材的纵向位置。位置检测器可以补偿横向幅材移动以提高纵向位置确定。
在一些具体实施中，幅材是柔性的或可拉伸的。幅材可以包括纸张、纤维、织物或非织造材料。在一些实施例中，幅材包括聚酯、PET、或聚碳酸酯的聚合物型幅材。可以通过印刷、划线、激光烧蚀、切割幅材、在幅材中形成空隙、压印、浇铸、涂覆或通过在幅材上生成可检测的标记的任何其它方法制备准标。
传感器可以包括光、电磁、接触式和/或其它类型的传感器。在一种方法中，照相机用于感测准标。由传感器生成的信号在用于位置确定之前可以经受处理。例如，可以使用递归滤波器(例如卡尔曼(Kalman)滤波器)处理传感器信号。
设备还可以包括被构造用于根据由位置检测器确定的纵向位置控制幅材的纵向移动的控制单元。在某些构造中，位置检测器还被构造用于确定横向幅材位置。可以根据纵向准标或横向位置基准(例如在幅材上的横向准标、或幅材边缘)确定横向幅材位置。感测横向准标或幅材边缘可以使用横向位置传感器而实现，例如，如果确定横向位置，控制单元可以根据横向位置控制横向幅材移动。
本发明的上述内容并非意图描述本发明的每一个实施例或每项具体实施。通过参见以下具体实施方式以及所附权利要求书，结合附图以及对本发明的更完整的理解，本发明的优点和成效将变得显而易见并得到领悟。
附图说明
图1A-1F示出根据本发明的实施例纵向设置在长条状幅材上的基本上连续的准标的多种构造；
图2A为根据本发明的实施例被构造用于确定幅材的纵向和横向位置的幅材位置检测器的框图；
图2B示出根据本发明的实施例可以用于感测准标的区域传感器的图像视图的实例；
图2C示出根据本发明的实施例可以用于感测准标的行扫描传感器的图像视图的实例；
图2D示出根据本发明的实施例可以用于感测准标的逐行扫描传感器的图像视图；
图3为示出根据本发明的实施例用于确定纵向幅材位置的方法的示意图；
图4为示出根据本发明的实施例使用正弦和余弦准标确定幅材的粗略和精细位置的方法的示意图；
图5为根据本发明的实施例已在聚酯幅材上通过喷墨印刷的准标的照片；以及
图6示出根据本发明的实施例根据在卡尔曼滤波之前和之后的噪声数据的幅材的估计纵向位置。
虽然本发明可具有多种修改形式和替代形式，其具体特点已在图中以实例的方式示出，并将详尽描述。然而，应当理解，其目的不在于将本发明局限于所述具体实施例。相反，其目的在于涵盖由所附权利要求书限定的本发明范围内的所有修改形式、等同形式和替代形式。
具体实施方式
在所示实施例的以下描述中，参考作为文中一部分的附图并且其中以举例说明的方式示出本发明可以实施的各种实施例。应当理解可以采用实施例，并且可以在不脱离本发明内容的范围下进行结构性改变。
对于确定在制造工艺中用作基底的长条状幅材的位置的改进方法和系统，存在一种需要。本发明实现了这些及其它需要，并提供超越现有技术的其它优势。
本发明的实施例示出根据纵向设置在幅材上的连续准标用于确定幅材的纵向位置的方法和系统。确定长条状幅材的位置允许在连续处理步骤期间对齐幅材。例如，本发明的实施例可以用于在滚筒式制造方法期间有利于沉积在幅材上的多个材料层之间的对齐。本文所述的方法尤其可用于对齐在幅材上形成的多层电子器件的层。使用设置在幅材上的离散准标以确定纵向幅材位置的方法仅提供周期性的位置检测并且在离散标记的间隔之间不提供位置信息。本文讨论的多种实施例示出的准标可以用于提供连续的纵向位置更新和更准确的幅材定位。
本发明的方法自动补偿通常发生在幅材加工应用中的幅材张力的变化。随着幅材张力增加(即，幅材被拉伸更多)，纵向幅材基准与在幅材上形成的对应元件或部件一起被拉伸。这允许幅材基准用于精确跟踪沉积在幅材上的元件的位置。例如，基准可以基本上与幅材元件层同时沉积在幅材上。当沉积基准和幅材元件时，沉积在幅材上的元件和基准经历相同量的幅材张力。基准可以用于精确跟踪幅材元件的位置，而与在后续处理中幅材张力的量无关。使用本文所述的方法，甚至当拉伸幅材时也可以实现对幅材元件的准确对准。
图1A-1F示出根据本发明的实施例的多种构造的准标。准标基本上是连续的或分段连续的，并且沿着幅材的纵向轴线(例如沿着幅材边缘)设置。准标一般具有其中相对于幅材的纵向轴线标记的斜率是有限和非零的区域。
例如，准标相对于幅材纵向轴线可以是非周期性或周期性函数。如在下面更具体地描述的，周期性的准标可以用于确定幅材的粗略和精细定位。粗略和精细定位信息的组合在长距离上提供高分辨率定位量度。
在一些实施例中，基本上连续的单一准标可以用于确定纵向定位。基本上连续的单一准标示出为沿着图1A中幅材100的纵向轴线102设置的正弦标记101。在其它实施例中，使用两个正弦标记，如由图1B中的正弦101和余弦103标记所示。使用两个基本上连续的准标(例如正弦101和余弦103标记)提供冗余信息，产生比单一标记显著更高的抗扰度、精确度和分辨率。
在一些实施例中，准标可以包括如图1C所示的分段连续标记。分段连续标记尤其可用于在幅材中产生空隙的准标方法，其中连续标记将切断幅材的一部分。图1C所示的准标包括一系列相对于幅材纵向轴线102具有有限的、非零斜率的对角线104。非线性、分段连续的图案也是可以的，如图1D的非线性分段连续的准标105所示。
基本上连续的准标(例如图1A-1D所示的那些)可以用于跟踪系统中幅材的纵向位置，在所述系统中幅材位置的横向偏移忽略不计，和/或在跟踪的纵向距离上保持幅材的横向位置。在其中幅材的横向位置为不可忽略不计的系统中，可以控制横向幅材移动以更精确地确定纵向距离。在一些实施例中，在确定纵向距离期间可以检测并考虑横向幅材移动。
在一些具体实施中，使用设置在幅材上的幅材边缘或准标确定横向幅材移动。例如，设置在幅材上的幅材边缘或水平线可以提供横向位置信息。除了提供纵向位置信息的一个或多个连续准标之外，可以使用横向位置基准。根据一个实施例，除了用于纵向位置感测的正弦101和余弦103标记之外，图1E示出设置在幅材100上可以用于横向位置感测的水平线106。根据一个实施例，图1F示出一系列用于感测横向位置的水平线107和一系列用于感测纵向位置的对角线104。图1F所示的构造尤其可用于在幅材中生成空隙的准标方法，例如切割幅材或幅材的激光烧蚀。
准标包括在幅材上制备的或施加到幅材的图案。在光学构造中，准标调节透射或反射光。可以通过接触直接印刷、喷墨印刷、激光印刷、激光标记、烧蚀、微复制、划线、压印、浇铸、涂覆和/或其它方法制备标记或施加标记到幅材上。
图2A为根据本发明的实施例被构造用于确定幅材的纵向和横向位置的幅材位置检测器的框图。在该实施例中，单一传感器212用于感测纵向和横向准标204-206。在其它构造中，第一传感器用于感测横向基准，第二传感器用于感测纵向准标。
如图2A所示，幅材202包括含正弦标记204和余弦标记205的纵向准标。幅材202还具有包括水平标记206的横向准标。当幅材202在辊208、210之间通过时，传感器212感测纵向准标204、205和横向准标206。传感器212可以为照相机或其它类型的光传感器、电磁传感器、密度传感器、接触式传感器、或任何能够感测准标的其它类型的传感器。在图2A所示的实施例中，传感器包括CCD照相机。
将照相机212的输出导向采集并数字化来自照相机212的准标204-206的图像的图像数据采集电路系统214。将来自图像数据采集电路系统214的准标的数字图像导向数字图像处理系统216。数字图像处理系统216分析图像以生成与感测的准标相对应的信号。由数字图像处理系统216生成的信号可以输出到纵向位置检测器218并且可任选地输出到横向位置检测器220。纵向幅材位置检测器218可以使用来自横向幅材位置检测器220的信息以提高纵向幅材位置的内插法。分别由纵向幅材位置检测器218和横向幅材位置检测器220确定的纵向和横向位置可以输出到被构造用于控制幅材的纵向和横向位置的移动控制系统。使用用于纵向幅材位置的基本上连续的准标，幅材的位置可以确定为精确度好于1微米。精确度和分辨率由若干因素确定。一个因素是在由标记处理产生的并且可用于传感器的准标中的对比度级别。对比度越高，可能的分辨率越大。影响精确度和分辨率的另一个因素是可以形成多小的重复循环(周期)。然而影响精确度和分辨率的另一个因素为传感器的分辨率。例如，对于具有1mm周期的正弦基准和12比特传感器分辨率，可得到约0.25微米或甚至约0.1微米的分辨率。
图2B-2D示出多种类型传感器的图像范围的实例。图2B示出在区域传感器的图像范围270内的准标204、205、206。区域传感器输出表示每一个像素位置的光强度的X_i×Y_j阵列值。区域传感器提供大量的用于信号处理的数据。例如，大的数据集允许将当前视图与上一个视图进行比较并进行更复杂的数据滤波，以便在位置精确度方面获得可能的优势。当与一些其它类型的传感器相比时，由于采集并处理相对较大的数据集所花费的时间，区域传感器提供较慢的位置更新速率。
图2C示出在行扫描传感器的图像范围280内的准标204、205、206。行扫描传感器输出1×Y_n矢量的像素强度。当与区域传感器相比时，行扫描传感器提供快速位置更新，但需要位置历史的数据储存。
在图2D中，在逐行扫描传感器的图像范围290内示出准标204、205、206。一般来讲，区域扫描传感器允许用户选择扫描行数，例如，X_n＝4或其它数。逐行扫描传感器比行扫描提供更多的用于信号处理的数据，但速率更慢。
可以按比例改变正弦和余弦标记204、205以实现最大分辨率。例如，可以使标记的振幅尽可能大以最大化传感器的图像视图270、280、290内的标记204、205，为横向位置误差留有余地。可以根据期望的操作速度选择纵向标度。使用较陡间距的正弦和余弦标记204、205(较高频率以及较小峰间距离)在纵向提供较陡斜率、以及较大分辨率。过高的间距可以降低信噪比，还可以增加需要的采样速率。最小采样速率需要不超过¹/₂循环在样品之间通过。然而，当使用至少3至4倍最小采样速率的采样速率时，操作增强。可达到的采样速率随着使用的传感器类型而变，但在照相机传感器情况下超过1kHz的速率是可以的。
图3的示意图示出根据本发明的实施例用于确定纵向幅材位置的方法。该方法涉及感测纵向设置在幅材上的一个或多个基本上连续的准标(310)。生成与感测的准标相对应的传感器信号(320)。使用传感器信号确定幅材的纵向位置(330)。
周期性的准标(例如正弦和/或余弦标记)包含可以用于确定幅材的粗略和精细位置的信息。从周期性准标的周期性重现特征可以确定粗略位置。例如，就正弦或余弦准标而言，用于确定幅材的粗略纵向位置的周期性重现特征可以包括峰或零点交叉。
在使用正弦和余弦准标的一个实施例中，计数每次循环的零点交叉以确定粗略位置。通过采用反正切2函数，在正确符号处理正弦和余弦信号的情况下，可以确定在任何循环内的精细位置。图4的示意图示出使用得自正弦和余弦准标的粗略和精细定位来确定纵向幅材位置的方法。感测设置在幅材上的正弦和余弦标记并且生成与正弦和余弦标记相对应的传感器信号(410、420)。该方法包括补偿横向幅材移动(430)的一些方法。例如，可以使用横向基准参考(例如准标或幅材边缘)跟踪横向幅材移动。通过使用横向参考，幅材可以精确地定位在传感器窗口内。或者，可以使用具有约3个循环持续时间的最小-最大运转检测器。因为正弦和余弦信号的峰间振幅是固定的，所以可以通过观察在每一个正弦和余弦值的最大和最小峰值的改变来确定幅材的横向移动。在彼此固定相关的最大峰和最小峰中的改变表明在幅材横向位置中的偏移。直接感测横向基准是优选的，因为它既降低信号处理的复杂性又降低测量的滞后时间。幅材边缘也可以用于确定横向移动。
正弦和余弦信号被数字化并可以被滤波或或以其它方式处理。系统搜索正弦标记的零点交叉(440)。当零点交叉位置被确定时，计数零点交叉并确定粗略的幅材位置(450)。计算正弦和余弦信号值的反正切2函数(460)。从反正切2计算中确定的角度和象限提供参考最近的零点交叉得到的幅材精细位置(460)。
图5的照片示出已通过在聚酯幅材上喷墨印刷的准标。如图5中可见，喷墨印刷工艺在标记中产生一些畸变。可以看到得自印刷工艺的单独点并且得自图线引擎的短周期循环误差也是可见的。通过多种信号处理技术可以补偿准标中的缺陷。例如，可以电平移动、滤波、角度调整对应标记生成的传感器信号以改善信噪比。
在一些实施例中，通过线性或非线性滤波可以实现传感器信号的改善。例如，如果知道或估计到当前的幅材速度，可以对接下来估计的位置更新设置界定。在这些界定外的任何值可以视为噪音。具体地讲，可以使用递归滤波(例如通过使用卡尔曼滤波器)以改善估计的幅材位置。卡尔曼滤波器使用两种或多种信息源并且根据信号统计的知识将它们组合在一起以形成最好的估计值。可以实时生成统计，或对于静止的处理可以离线生成统计以降低计算负担。图6示出根据在卡尔曼滤波之前(610)和之后(620)的噪音喷墨数据示出估计的位置的图。如图6中可见，在未滤波的信号(610)中存在大的循环误差，其在卡尔曼滤波施加后620显著地降低。
本文所述的涉及连续准标的实施例提供移动幅材纵向位置的连续跟踪。可以使用简单的方法将幅材基准施加到一般目的的幅材，例如由纸张、纤维、织物或非织造材料制成的幅材。幅材可以包括聚酯、聚碳酸酯、PET、或其它聚合物型幅材。通过使用正弦和余弦标记得到的冗余提供高的抗扰度并且允许准确的幅材定位。当与柔性幅材结合使用时该方法尤其可用。
上述有关对本发明的多种实施例进行描述的目的是为了举例说明和描述。并非意图详尽列举本发明或将本发明局限于所公开的精确形式。可以按照上述教导内容进行多种修改和变化。所预期的是，本发明的范围不受该具体实施方式的限定，相反，其受所附权利要求书的限定。