CN106989666A - 光学的位置测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于三个空间方向的光学的位置测量装置，具有整体量具和扫描板。位置测量装置具有：布置在扫描板上的分隔栅，用于使光分隔为不同的衍射级的多条子射线；和整体量具上的光学的栅格，用于进一步分隔子射线并且用于使这些进一步分隔的子射线在其反射之后由扫描板重聚。此外，位置测量装置具有：在扫描板的朝向整体量具的侧面上的多个栅格区，它们用作为影响在整体量具上进一步分隔的子射线的衍射光学系统；以及布置在扫描板上的分离栅格，用于使作为干涉的子射线束多次在整体量具和扫描板之间反射的光分离。位置测量装置的特征在于，多个构造为相栅的栅格区的梯级高度是可变的。
Description
技术领域
本发明公开了一种光学的位置测量装置，具有整体量具和扫描板，它们相对彼此的位置能借助于多个干涉的光线在三个线性地相互独立的空间方向上确定。
背景技术
从申请人的DE 102014218623A1中已知了这种类型的位置测量装置。这样的位置测量装置特别的优点在于，借助于唯一的位置测量装置能够在三个空间方向上测量两个对象的相对位置。这些空间方向中的两个是线性地相互独立的(例如通过它们相互垂直地设置来说实现)并且平行于平面的整体量具并且也平行于平面的扫描板，第三空间方向垂直于两个先前的空间方向并且对应于扫描板和整体量具之间的间距或者间距改变。
在现有技术中已知的位置测量装置中，扫描板上的分隔栅用于使入射的光线分隔为多条子射线束。在子射线束反射回到扫描板之前，该子射线束与整体量具上的光学的栅格相互作用。在此，在光重新到达整体量具上并且从那里到达扫描板上的分离栅格之前，光与多个栅格区和镜子相互作用。由分离栅格发射的光在多个探测器中转换为周期的信号，由其能够最终测定在三个空间方向上的位置改变。
该位置测量装置的工作原理和不同的栅格区的功能在提及的DE102014218623A1中详尽地阐述。栅格区作为衍射的光学系统起作用并且能够例如作为圆柱形透镜起作用。在此特别重要的是，在各个栅格区上分别获得光的非常限定的影响(有关衍射方向、衍射效率、极化、相位)，以便最终在所有的空间方向上得到用于位置测量的良好的信号。这迄今为止由此实现，即，扫描板的栅格区在有关栅格的线方向、栅格周期和线空比的方面进行优化。这些参数能够以简单的方式例如在制造用于光刻进程的掩模时调整。然而所示出的是，在制造这样的栅格时所需要的精度仅以较大的花销实现。光线的在扫面板上入射的不同入射和偏转角度导致非常不同的条件，因此特别是在应当以唯一的光波长工作的时候很难控制这些条件。
适宜转换本发明的、具有交叉栅格的整体量具例如从DE 102013220190A1中已知。
发明内容
因此本发明的目的在于，进一步改善从现有技术中已知的位置测量装置的扫面板，以便进程窗口在其制造时扩大。
该目的通过根据权利要求1所述的装置实现。该装置的有利的细节也由从属于权利要求1的权利要求给出。
在此公开了了一种具有整体量具和扫描板的位置测量装置，整体量具和扫描板的相对彼此的位置能借助于多个干涉的光线在三个线性地相互独立的空间方向上确定，其中，两个空间方向平行于整体量具的平面并且平行于扫描板的平面并且第三空间方向垂直于该平面。位置测量装置具有：布置在扫描板上的分隔栅，其用于使光分隔为不同的衍射级的多条子射线；以及整体量具上的光学的栅格，其用于进一步分隔子射线并且用于使进一步分隔的子射线在其反射之后由扫描板重聚。此外，位置测量装置具有：在扫描板的朝向整体量具的侧面上的多个栅格区，其用作为影响在整体量具上进一步分隔的子射线的衍射的光学系统；以及布置在扫描板上的分离栅格，其用于使作为干涉的子射线束多次在整体量具和扫描板之间反射的光分离。位置测量装置的特征在于，多个构造为相栅的栅格区的梯级高度是可变的。
通过为由来自不同的方向的光施加的栅格区设置不同的梯级高度，在布置栅格区时以及在调整各个栅格的衍射效率时得出附加的自由度。即使当制造进程通过这样的不同梯级高度因为例如对于不同的栅格区来说要求不同的蚀刻深度而稍微变得更复杂的时候，仍然在制造扫描板时整体上得出更大的进程窗口以及更大的产量。尽管在蚀刻栅格时有较高的花销，因此还是实现了较为成本低廉地制造位置测量装置的非常高要求的光学的部件。这样的位置测量装置的运行能够利用唯一的光波长以及唯一的光源实现。
附图说明
本发明的另外的优点和细节根据附图从各种实施方式的下述描述中得出。
在此示出：
图1是位置测量装置的扫描板和整体量具的示意性侧视图，
图2是图1的扫描板的朝向整体量具的侧面的俯视图，
图3是根据第一实施例的具有可变的梯级高度的栅格区的扫描板，
图4是根据第二实施例的具有可变的梯级高度的栅格区的扫描板，
图5是根据第三实施例的具有可变的梯级高度的栅格区的扫描板。
具体实施方式
图1示意性地示出了根据本发明的位置测量装置的原理性结构，其具有平面的在X和Y两个方向上延伸的扫描板A和平面的平行于扫描板A的整体量具M。图2示出了扫描板A的朝向整体量具M的侧面的俯视图。
光源Q的光L在Z方向上穿过透明的扫描板A并且入射到分隔栅Ga上，其布置在扫描板A的朝向整体量具M的侧面上。该分隔栅Ga将光分隔为不同衍射级的多条子射线+1，0，-1。这三条子射线+1，0，-1入射到光学的栅格Gm上，其布置在整体量具M的朝向扫描板A的侧面上。光学的栅格Gm是交叉栅格，其将子射线+1，0，-1重新分隔到不同的衍射级中，即优选地分别分隔到各一个+/-1衍射级中，而0衍射级被压制。因此，整体上造成六条(3乘2)光线，其返回到扫描板A。在子射线+1，0，-1在分隔栅Ga之后仅在XZ平面中散射的同时，在整体量具M的光学的栅格Gm之后也存在具有Y方向上的分量的光线，因为整体量具M的交叉栅格Gm不仅在X也在Y方向上衍射。
随后，整个六条光线从整体量具M返回到扫描板A，并且在那里入射到六个不同的栅格区B1，B2，A1，A2，X1，X3。在此入射的不同的入射角度w1，w2在图1中很好识别。该栅格区作为衍射的光学系统起作用，其使光偏转并且聚焦，从而使其射到在镜子S上，该镜子布置在扫描板A的背离整体量具M的侧面上。这样的镜子例如能够通过由铬、铝、银或金组成的汽化渗镀的层实现。
光从这些镜子S返回入射到另外的六个栅格区B3，B4，A3，A4，X2，X4上，它们将光重新偏转并且聚焦，从而使其现在返回到整体量具M。在那里，其在光学的栅格Gm上聚集为返回到扫描板A并且在那里入射到分离栅格Gk上的光，从该分离栅格起，干涉的子光束射向光电探测器。光电探测器在一个位置改变时发出周期的信号，从这些信号中能够推导出三个空间方向X，Y，Z上的位置改变。
有关该位置测量装置的工作原理方面可以再次明确地参考了开头涉及的DE102014218623A1，其详尽地阐述了在此示意性示出的位置测量装置。
如果考虑扫描板A的几何形状，并且特别是扫描板A上的栅格区A1，A2，A3，A4，B1，B2，B3，B4，X1，X2，X3，X4，以及整个六条光线从整体量具M到扫描板A并且再次返回所采取的路线，那么清楚的是，在扫描板A上光在各种角度w1，w2、相位和极化(s，p，圆形，椭圆形)的条件下入射。为了能够以优化的方式调整光的影响，因此提出的是，也对扫描板A的栅格区A1，A2，A3，A4，B1，B2，B3，B4，X1，X2，X3，X4在有关其蚀刻深度方面进行优化。
对此必须弄清楚的是，用于制造这样的栅格区的传统方式在于，生成具有栅格构造的蚀刻掩模，其借助于蚀刻进程传递到扫描板A中。在此，蚀刻掩模能够确定栅格线的方向、栅格周期和扫描比(即栅格线的宽度与栅格周期的比)，而不是蚀刻深度。这通过对于所有的栅格来说都一样的蚀刻进程确定。为了生成具有可变的梯级高度的栅格区A1，A2，A3，A4，B1，B2，B3，B4，X1，X2，X3，X4，也要需要多个不同的蚀刻进程，它们分别作用于另外的蚀刻掩模。这由于随后附加地要求的平板印刷步骤而提高了用于制造扫描板A的花销，然而带来了有关测量信号的优化以及在扫面板的制造进程中的产量的优点。
在此处涉及的是，在此讨论的栅格的作用以相差为基础，其在光通过光学密集的介质经过更长的路线(栅格的接片)或者更短的路线(栅格的缝隙)的时候产生。如在实施例中下面还示出的那样，这样的相栅格的梯级高度的概念不限制于纯度量蚀刻梯级，而是也必须考虑相应的层的折射率。
接下来根据三个实施例阐述的是，如何能够设计栅格区A1，A2，A3，A4，B1，B2，B3，B4，X1，X2，X3，X4的可变的梯级高度。
在图3中示出了截面图中的具有栅格区X1，X2，X3，X4的扫描板A以及具有光学的栅格Gm的整体量具M。扫描板A由具有热膨胀系数接近零的玻璃陶瓷(例如在商标名Zerodur下获得，可替换地也能够例如应用石英块)以及在其上沉积的由二氧化硅(SiO2)组成的层S1构成。五氧化二钽和硅例如是用于也能够应用于层S1的可替换的材料的实例。在该层S1中现在蚀刻了具有可变的梯级高度t1，t2栅格区X1，X2，X3，X4。梯级高度t1应用于栅格区X1和X4，梯级高度t2应用于栅格区X2和X3。
因此，梯级高度t1，t2(或者分别具有相同的梯级高度的栅格区)相对于扫描板A的中心对称地布置。该中心几乎居中地位于分隔栅Ga和分离栅格Gk之间。在图3-5中通过入射的光L标记该中心。该对称的影响是减小位置测量装置相对于扫描板A相对整体量具M轻微翻转的敏感性。用于梯级高度的典型值能够例如是用于以976nm波长的光进行扫描的t1＝1600nm和t2＝950nm。对于其它的波长给出其它优化的梯级高度t1，t2。
图4示出了扫描板A，在其中栅格区直接蚀刻到石英玻璃基底(例如在商标名Herasil或Suprasil下获得)中。为了解释该可行性方案，在此实现三个不同的梯级高度t1，t2和t3，因为本发明不限制于仅仅两个不同的梯级高度。为了降低翻转敏感性，不同的梯级高度t1，t2，t3再次相对于扫描板A的中心对称地布置。
作为另外的实施例，图5示出了扫描板A，在其中在石英玻璃基底和二氧化硅层S1之间还布置有附加的硅层S2。这能够合理的是，必须根据特别大的梯级高度生成特别大的相差。如果考虑梯级高度t3的梯级，那么识别出的是，这些梯级部分地达到直到层S2中。该硅层S2具有比SiO2层S1明显更高的折射率。因此，明显更高的折射率是光学有效的。因为每个梯级的相移作用取决于蚀穿的层的平均折射率。蚀刻工艺的花销借助于附加的层2减少，因为与纯SiO2层S1相比实现了更小的蚀刻深度，以便在栅格上得到预设的相移。
另外表达的是：穿过扫描板A的光学场总是仅看到所谓的光学的层厚：
d光学＝n·d，
其中，d对应物理的层厚度(其例如能够有感觉地测定)，并且n对应蚀穿的层的(平均的)折射率。因此，梯级高度的概念首先提供了用于相行程(Phasenhubes)的量。
因此，原则上也能够考虑扫面板A，其具有在透明的基底上的多个不同的层S1，S2的次序，其中，在该次序中以可变(不同)的梯级高度蚀刻栅格区。
在位置测量装置的一个优选的实施方式应用单色的光源Q的同时，发出唯一的波长的光-这能够是本发明的出发点中的一个-本发明不限制于此。也当应当采用多个波长，以便能够实现空间方向X，Y，Z上的各种位置测量的时候，扫面板A也能够比具有仅唯一的梯级高度的栅格区A1，A2，A3，A4，B1，B2，B3，B4，X1，X2，X3，X4的常规的扫描板A更好的与其匹配。
Claims (9)
1.一种光学的位置测量装置，具有整体量具(M)和扫描板(A)，所述整体量具和扫描板的相对彼此的位置能借助于多个干涉的光线在三个线性地相互独立的空间方向(X，Y，Z)上确定，其中，两个所述空间方向(X，Y)平行于所述整体量具(M)的平面并且平行于所述扫描板(A)的平面，并且第三空间方向(Z)利用一个分量垂直于两个所述空间方向，所述位置测量装置具有：布置在所述扫描板(A)上的分隔栅(Ga)，用于使光(L)分隔为不同衍射级的多条子射线(+1，0，-1)；布置在所述整体量具(M)上的光学的栅格(Gm)，用于进一步分隔所述子射线(+1，0，-1)并且用于使进一步分隔的所述子射线(+1，0，-1)在所述子射线反射之后由所述扫描板(A)重聚；在所述扫描板(A)的朝向所述整体量具(M)的侧面上的多个栅格区(A1-A4，B1-B4，X1-X4)，所述栅格区用作为影响在所述整体量具(M)上进一步分隔的所述子射线(+1，0，-1)的衍射的光学系统；布置在所述扫描板(A)上的分离栅格(Gk)，用于使作为干涉的子射线束多次在所述整体量具(M)和所述扫描板(A)之间反射的所述光分离，其特征在于，
多个构造为相栅的所述栅格区(A1-A4，B1-B4，X1-X4)的梯级高度(t1，t2，t3)是能变的。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述栅格区(A1-A4，B1-B4，X1-X4)以相同的梯级高度(t1，t2，t3)成对地相对于所述扫描板(A)的中心对称地布置。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，
所述扫描板(A)的所述中心位于所述分隔栅(Ga)和所述分离栅格(Gk)之间。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述扫描板(A)包括具有热膨胀系数接近零的玻璃陶瓷，在所述玻璃陶瓷上布置有一个层(S1)，所述栅格区(A1-A4，B1-B4，X1-X4)借助于蚀刻引入到所述层中。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，
所述层(S1)是二氧化硅层。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述扫描板(A)包括石英玻璃基底，所述栅格区(A1-A4，B1-B4，X1-X4)借助于蚀刻引入到所述石英玻璃基底中。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述扫描板(A)包括具有热膨胀系数接近零的玻璃陶瓷，在所述玻璃陶瓷上布置有多个具有不同折射率的层(S1，S2)的层堆叠体，并且所述栅格区(A1-A4，B1-B4，X1-X4)借助于蚀刻引入到所述层堆叠体中。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，
所述层堆叠体包括由二氧化硅和硅组成的多个层(S1，S2)。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述位置测量装置利用单色的光源(Q)运行。
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