CN106959478B - 光学层系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于位置测量装置的光学层系统，利用该系统能够在透明的基板(S)的表面上提供具有相应不同的光学功能的至少一个第一、第二和第三功能面(1，2，3)。这些功能面(1，2，3)由第一层堆叠(A)和第二层堆叠(B)形成。第一功能面(1)在整个面上由第一层堆叠(A)构成并且起到抗反射层作用，而第三功能面(3)在整个面上由第二层堆叠(B)构成并且起到镜面作用。通过将这两个层堆叠(A，B)周期性地交替布置的方式，第二功能面(2)起到光栅作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种用位置测量装置的光学层系统。这样的光学层系统满足在成型、引导和评估用于扫描位置测量装置中的光学量具的光束时的不同目的。
背景技术
EP 2450673 B1公开了一种光学位置测量装置，其以借助光线对量具的扫描为基础。为此，在扫描头中光源的光线穿过透明的扫描板引导到比例尺上，从那里反射回扫描头并且在传感器单元中被检测到。通过评估传感器信号测定出高精度的位置值，其给出在扫描头和量具之间的待测量的推移。在此，为了特定的功能在此甚至必要的是，光线多次地到达量具上。扫描板因此不仅在其上侧而且在其下侧都具有不同的功能面，其起到反射器或者镜面或者栅结构(例如衍射光栅或者衍射透镜的形式)作用，以及具有这样的面，其具有抗反射层，从而在扫描板的内部和外部吸收干扰性的散射光。
镜面例如可以利用在扫描板的透明的基板上蒸发镀膜的金属产生。介电镜面也是可行的，其通过由多个层的组合来起到反射作用，这些层具有仔细选择的、匹配所使用的光线的波长的折射指数和层厚度。
光栅可以设计成相位光栅，其由两个交替布置的反射层组成，其中的一个反射层具有光学延迟的间距层，其在零位的衍射等级的方向中引发180度的相位变化。振幅光栅相反基于交替的明和暗区域，例如像在结构化的金属层的情况中一样。用于光栅和其在位置测量装置中的应用的实例由EP 0742455 A1(相位光栅)或者DE 10236788 A1(振幅光栅)公开。
抗反射层又由具有不同的光学密度的层构成，其吸收散射光。
这样的层或者具有极不同的目的的层堆叠的制造在技术上且由过程决定是成本耗费大的。其对于每个层都提出了最高的质量要求，从而最终实现尽可能精确的位置测量。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于位置测量装置的光学层系统，利用该系统能够满足极其不同的要求，但是其能够以尽可能小的成本来制造。
公开了一种用于位置测量装置的光学层系统，利用该系统能够在透明的基板的表面上提供具有相应不同光学功能的至少一个第一、第二和第三功能面。这些功能面由第一层堆叠和第二层堆叠构成。
第一功能面在整个面上由第一层堆叠构成并且起到抗反射层作用，而第三功能面在整个面上由第二层堆叠构成并且起到镜面作用。
通过使这两个层堆叠以小于1mm，优选小于50μm，特别优选是小于20μm交替地布置的方式，第二功能面起到光栅作用。光栅与在位置测量装置中使用的光线结合产生衍射效果。该衍射效果导致投射到光栅上的光线分解成不同的衍射等级，其具有相应不同的方向和强度。利用其周期性和光栅向量能够局部地变化的这种光栅，能实现最不同的光学功能，例如像衍射透镜。
本发明的另外的优点和细节与接下来根据附图对不同的实施例的接的描述给出。
附图说明
在此示出：
图1是用于位置测量装置的光学层系统。
具体实施方式
图1示出了用于定位测量系统的光学层系统。
在透明的基板S上有三个不同的功能面1，2，3，其相应地承担在位置测量装置的扫描光路中的不同任务。
因此第一功能面1是抗反射层，其用于抑制和吸收在扫描板内部和外部的不希望的散射光。
第二功能面2表现为光栅，其周期性的结构与入射的光线交互作用。在此，其可以是相位光栅或者振幅光栅。为了实现希望的光学作用，能够预设能变化的光栅周期和光栅周期的能变化的方向。这意味着，即光栅的条纹能够弯曲，例如为了实现射束对焦。这样的光栅例如能够用于检测在位置测量装置的比例尺上的参考标记，从而能够测定绝对位置，基于绝对位置能够根据周期信号检测在比例尺和扫描头之间的位移。
第三功能面3起到镜面作用并且反射从基板S起入射的光线。该效果能够通过金属镜面或者介电镜面实现，如在不同的实施例中还要进一步阐述。
根据本发明，三个功能面1，2，3借助光学层系统来构造，其仅仅包括刚好两个不同的层堆叠，即第一层堆叠A和第二层堆叠B。
在此，第一功能面1(也就是抗反射层)在整个面上由第一层堆叠A形成，第三功能面3(也就是镜面)在整个面上由第二层堆叠B形成。
第二功能面2(也就是光栅)由这两个层堆叠A，B的周期性的、交替地布置构成。这两个层堆叠A，B的布置在此可以在一个方向上是周期性的(例如线性光栅)，或者在两个方向上也是周期性的(例如棋盘图案或者交叉光栅)。具有任意的衍射结构的衍射透镜能够由两个层堆叠A，B的合适的排列制造。
因此，尽管提供了三个极其不同的功能面1，2，3，但降低了用于制造这种具有光学层系统的基板S的成本，在该基板S上以自身已知的方法(例如层的分离，光刻，蚀刻，剥离工艺等等)以合适的空间分布施加仅仅两个不同的层堆叠A，B。
作为应用的实例，观察光学层系统在位置测量装置的具有比例尺和扫描头的扫描板中的应用，如其在上述的EP 2450673B1中所示出的那样。在此，尤其是观察扫描板的上部的、背离比例尺的侧面，其中来自基板S的光线投射到其相对于周围环境的界限面上，或者投射到布置在界限面上的层堆叠A，B上。
层堆叠A，B的各个层以A1，A2，A3和B1，B2，B3标识，相应地以第一层A1或者B1开始，其直接布置在基板S上。这些层的厚度然后以dA1，dA2，dA3，dB1，dB2，dB3标识。相应的层的折射率以nA1，nA2，nA3，nB1，nB2，nB3标识，基板S的折射率以nS标识并且周围环境的折射率以nU标识。
为了简单理解的图示，在下面的观察中从垂直入射的光线和具有纯粹真实的折射率n的层出发。多重反射被忽略。
相关于优化的抗反射层适用于以下考虑：
为了实现光线在界限面S向A1和A1向A2的反射之间的相位偏移π，应该适用：
dA1＝L/(4*nA1) (1.1)
nS<nA1<nA2 (1.2)
此外，对于最小反射来说应该在理想的情况中满足：
nA1＝SQR(nS*nA2) (1.3)
层A3是可选的并且形成相对扫描板的周围环境(nU＝1)的抗反射层。在理想的情况中应该在此适用：
dA1＝L/(4*nA1) (1.4)
nU<nA3<nA2 (1.5)
nA3＝SQR(nU*nA2) (1.6)
对于作为镜面起作用的第三功能面3或对于第二层堆叠B来说，在金属镜面和介电镜面之间是不同的。
在金属镜面的情况中，层B1由金属制成。层B2仅仅用于保护层B1受到损害并且用于遮盖层B1。层B3被省去并且相当于周围环境。
对于介电镜面来说，对于界限面S向B1，B1向B2以及B2向B3的反射来说相应的全波长应该实现过程区别。由此得出：
dB1＝L/(4*nB1) (2.1)
dB2＝L/(4*nB2) (2.2)
nS<nB1>nB2 (2.3)
最后观察设计成相位光栅的第二功能面2。相位光栅因为其较高的衍射效率(也就是入射的光线的衍射成第一衍射等级的分数)相对于振幅光栅是优选的。
为了抑制多数情况下零位的衍射等级，应该在S向B1的过渡以及A1向A2的过渡的光反射之间产生180度的相位差。因此应该适用：
dA1＝L/(4*nA1) (3.1)
最大可能的衍射效率在适用下式时实现：
nS＝nA1 (3.2)
并且此外
(nS-nB1)/(nS+nB1)＝(nA1-nA2)/(nA1+nA2) (3.3)
现在应该观察由抗反射层、相位光栅和镜面构成的组合，其仅仅由两个层堆叠A和B构成，但是其应该尽可能良好地满足用于所述的功能面1，2，3的边界条件。
等式(1.1)和(3.1)的条件是相同的并进而在任何情况中能够同时被满足。等式(1.2)和(3.2)的条件能够不同时满足。因为在满足等式(3.2)时不再产生抗反射层，但是在满足等式(1.2)时相位光栅还是可行的，等式(1.2)的条件具有优点。
金属镜面与所述的条件无关地总是可行的，对于介电镜面来说等式(2.1)，(2.2)，(2.3)必须被满足。
以该考虑为基础，利用大量的实验和仿真计算而找出用于本发明的所基于的普遍性方案的大量具体实例。这在接下来示出。相应的层厚度取决于在位置测量装置中应用的光线的波长，并且能够基于上述的等式近似的确定。给出的典型的折射率涉及大约1000nm的波长。仿真在此从在具有理想的条纹宽度(用于第一衍射等级的最大强度的条纹宽度/缝隙的比例)的线性光栅上垂直入射的线性极化光线出发。
第一特别优选的实施例基于具有金层B1的金属镜面：
| 层 | 材料 | 折射率 |
| S | 微晶玻璃 | 1.53 |
| A1 | Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | 2.25+i0.01 |
| A2 | Cr | 3.10+i1.20 |
| A3 | Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | 2.25+i0.01 |
| B1 | Au | 0.28+i6.81 |
| B2 | Cr | 3.10+i1.20 |
| B3 | - | 1.00 |
在该层系统中并且在光栅周期为20μm时，相位光栅的第一等级的最大衍射效率为17％，而11％入射的光线还处于零位的衍射等级中。其与具有金层的纯振幅光栅相比是明显改善的，其中该振幅光栅的第一等级的衍射效率为14％。抗反射层的反射为9％，镜面的反射为96％。
在第二层堆叠B中的第一层B1是金层，其为了其保护而被覆盖有由铬制成的第二层B2。第一层B1能可选地例如也利用铝和银实现。第三层B3在此不是必要的，在第二(铬)层B2之后跟随有具有折射率为1的周围环境。
在该实施例和所有的另外的实施例中，使用具有尽可能少的延展系数的透明玻璃陶瓷作为基板S。该扫描板因此也在温度变化时尽量保持其形状。这样的玻璃陶瓷例如以商业名称为微晶玻璃(Zerodur)已知。另外的光学玻璃体，例如石英(例如Herasil，Suprasil，ULE)同样是可以的。
对于各个层厚度来说，在为了扫描而使用的光线的波长是1000nm时，大约给出接下来的值：A1 90nm，A2 100nm，A3 90nm,B1 80nm,B2 100nm。10nm对于介电层来说是有意义的精度范围。在金属镜面的层B1，B2或者在金属镜面的背侧上的纯保护层中，厚度也可以明显更多地不同。
第二实施例基于介电镜面：
| 层 | 材料 | 折射率 |
| S | 微晶玻璃 | 1.53 |
| A1 | Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | 2.25+i0.01 |
| A2 | Cr | 3.10+i1.20 |
| A3 | Cr<sub>2</sub>O3 | 2.25+i0.01 |
| B1 | Si | 3.57 |
| B2 | SiO<sub>2</sub> | 1.44 |
| B3 | Si | 3.57 |
在该层系统中并且光栅周期为20μm时，相位光栅的第一等级的最大衍射效率为15％，而11％入射的光线还处于零位的衍射等级中。抗反射层的反射为7％，镜面的反射为87％。
第三实施例基于金属镜面：
| 层 | 材料 | 典型的折射率 |
| 基板 | 微晶玻璃 | 1.53 |
| A1 | Si | 3.57 |
| A2 | Al | 1.51+i9.26 |
| A3 | Si | 3.57 |
| B1 | Au | 0.28+i6.18 |
| B2 | Cr | 3.10+i1.20 |
| B3 | - | 1.00 |
在该层系统中并且光栅周期为20μm时，相位光栅的第一等级的最大衍射效率为31％，而1％入射的光线还处于零位的衍射等级中。抗反射层的反射为60％，镜面的反射为96％。
第四实施例基于介电镜面：
在该层系统中并且光栅周期为20μm时，相位光栅的第一等级的最大衍射效率为12％，而8％入射的光线还处于零位的衍射等级中。抗反射层的反射为13％，镜面的反射为65％。
第五实施例基于介电镜面：
| 层 | 材料 | 折射率 |
| 基板 | 微晶玻璃 | 1.53 |
| A1 | TiO<sub>2</sub> | 2.43 |
| A2 | Ti | 3.37+i3.24 |
| A3 | TiO<sub>2</sub> | 2.43 |
| B1 | Au | 0.28+i6.18 |
| B2 | Cr | 3.10+i1.20 |
| B3 | - | 1.00 |
在该层系统中并且在光栅周期为20μm时，相位光栅的第一等级的最大衍射效率为18％，而6％入射的光线还处于零位的衍射等级中。抗反射层的反射为14％，镜面的反射为96％。
第六实施例基于介电镜面：
| 层 | 材料 | 折射率 |
| 基板 | 微晶玻璃 | 1.53 |
| A1 | Ta<sub>2</sub>O<sub>5</sub> | 2.10 |
| A2 | Ta | 0.98+i4.89 |
| A3 | Ta<sub>2</sub>O<sub>5</sub> | 2.10 |
| B1 | Ta<sub>2</sub>O<sub>5</sub> | 2.10 |
| B2 | SiO<sub>2</sub> | 1.44 |
| B3 | Ta | 0.98+i4.89 |
在该层系统中并且在光栅周期为20μm时，相位光栅的第一等级的最大衍射效率为31％，而3％入射的光线还处于零位的衍射等级中。抗反射层的反射为68％，镜面的反射为87％。
第六实施例基于金属镜面：
在该层系统中并且光栅周期为20μm时，相位光栅的第一等级的最大衍射效率为32％，而2％入射的光线还处于零位的衍射等级中。抗反射层的反射为62％，镜面的反射为96％。
根据大量的实施例可以获知，即利用仅仅两个层堆叠A，B实现三个功能面1，2，3的原理迫使进行妥协。因此，能够从多种不同的可行性中发现合适的组合，其特别良好地转换成相应最紧急需要的特性(光栅的衍射效率，抗反射层和镜面的反射)，并且在其余的特性方面是足够好的。利用本发明实现简化多功能的、具有相位光栅的良好的衍射效率的光学层系统的生产的目的。
Claims (12)
1.一种用于位置测量装置的光学层系统，利用所述光学层系统在透明的基板(S)的表面上提供具有相应的不同光学功能的至少一个第一功能面(1)、第二功能面(2)和第三功能面(3)，其特征在于，由所述第一功能面(1)、所述第二功能面(2)和所述第三功能面(3)构成的组合仅仅包括第一层堆叠(A)和第二层堆叠(B)，
其中，所述第一功能面(1)由所述第一层堆叠(A)构成并且起到抗反射层作用，并且所述第三功能面(3)由所述第二层堆叠(B)构成并且起到镜面作用，
其中，通过使这两个层堆叠(A，B)以小于1mm的间距交替地布置的方式，所述第二功能面(2)起到光栅作用。
2.根据权利要求1所述的光学层系统，其特征在于，通过使这两个层堆叠(A，B)以小于50μm的间距交替地布置的方式，所述第二功能面(2)起到光栅作用。
3.根据权利要求2所述的光学层系统，其特征在于，通过使这两个层堆叠(A，B)以小于20μm的间距交替地布置的方式，所述第二功能面(2)起到光栅作用。
4.根据权利要求1所述的光学层系统，其特征在于，所述第二功能面(2)是相位光栅。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的光学层系统，其特征在于，所述第三功能面(3)设计成金属镜面，并且所述第二层堆叠(B)刚好包括两个层(B1，B2)。
6.根据权利要求5所述的光学层系统，其特征在于，所述第二层堆叠(B)由布置在所述基板(S)上的、由金构成的或者替换地由铝或银构成的层(B1)以及布置在该层(B1)上的由铬构成的保护层(B2)构成。
7.根据权利要求6所述的光学层系统，其特征在于，所述层(B1)具有大约80nm的厚度。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的光学层系统，其特征在于，所述第一层堆叠(A)由下述层构成：在所述基板(S)上的由氧化铬构成的第一层(A1)，由铬构成的第二层(A2)，以及由氧化铬构成的第三层(A3)。
9.根据权利要求8所述的光学层系统，其特征在于，所述第一层(A1)和所述第三层(A3)大约90nm厚，并且所述第二层(A2)大约100nm厚。
10.根据权利要求中1至4中任一项所述的光学层系统，其特征在于，所述第三功能面(3)设计成介电的镜面。
11.一种位置测量装置，具有量具和扫描头，其中所述扫描头包括扫描板，所述扫描板具有根据权利要求1-10中任一项所述的光学层系统。
12.根据权利要求11所述的位置测量装置，其特征在于，所述第二功能面(2)用于扫描在所述量具上的参考标记。
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