ES2696924T3 - Escala de medición y dispositivo de medición de posición que comprende una escala de medición de este tipo - Google Patents
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Abstract
Escala de medición para un dispositivo de medición de posición con exploración óptica, con un soporte (T), sobre el que se dispone una capa especular (S), seguida de una capa distanciadora transparente (A), sobre la que a su vez se dispone una capa parcialmente transparente estructurada (M), que define un patrón de claro-oscuro, en la que las zonas con la capa parcialmente transparente (M) aparecen oscuras y las zonas sin la capa parcialmente transparente (M) aparecen claras, caracterizada por que sobre las zonas que aparecen claras y oscuras de la capa parcialmente transparente estructurada (M) se dispone una capa de sello (V), y en la que los productos del índice de refracción (nA, nV) y del espesor de capa (dA, dV) para la capa distanciadora (A) y la capa de sello (V) son iguales o difieren por un múltiplo de valor impar.
Description
d e s c r ip c ió n
Escala de medición y dispositivo de medición de posición que comprende una escala de medición de este tipo Denominación de la invención
Escala de medición y dispositivo de medición de posición que comprende una escala de medición de este tipo Ámbito técnico
La presente invención se refiere a una escala de medición para un dispositivo de medición de posición óptico, así como a un dispositivo de medición de posición con una escala de medición de este tipo. En un dispositivo de medición de posición, las escalas de medición de este tipo son exploradas por un cabezal explorador por medio de luz para detectar un desplazamiento entre la escala de medición y el cabezal explorador.
Estado de la técnica
Por el documento DE 10236788 A l se conoce una escala de medición en forma de una rejilla de amplitudes. Esta rejilla de amplitudes comprende un sustrato, sobre el que se dispone una capa especular. A esta capa especular le sigue una capa distanciadora transparente, sobre la que a su vez se dispone una capa parcialmente transparente. Esta capa parcialmente transparente está estructurada por remoción parcial. La luz que incide sobre esta capa parcialmente transparente se refleja y transmite parcialmente. La luz reflejada se elimina por medio de una interferencia destructiva con la luz transmitida, reflejada por la capa especular inferior, de tal manera que la escala de medición allí aparece oscura, mientras que en las zonas en las que falta la capa parcialmente transparente, la escala de medición aparece clara.
La capa distanciadora transparente (bajo la suposición simplificadora de un salto de fase de exactamente n en las zonas limítrofes entre el aire y la capa parcialmente transparente, entre el aire y la capa distanciadora, así como entre la capa distanciadora y la capa especular y una absorción negligible) debe producir para esto una desviación de fase n, es decir que (con una incidencia vertical de la luz) debe presentar un espesor que he multiplicado con el índice de refracción de la capa distanciadora corresponde a la cuarta parte de la longitud de onda de la luz empleada para la exploración. Sin embargo, también en las zonas claras la luz se refleja parcialmente en la superficie limítrofe entre el aire y la capa distanciadora, de tal manera que está luz reflejada también interfiere destructiva mente con la luz reflejada en la capa especular. Debido a esto, las zonas claras aparecen menos claras, el contraste de claro-oscuro de la rejilla de amplitudes se reduce. A esto se añade que la capa parcialmente transparente preferentemente consiste en una capa metálica muy delgada (unos pocos nanómetros), que se expone a influencias tanto químicas como mecánicas y, por lo tanto, se puede dañar bajo ciertas circunstancias o se puede modificar en sus propiedades ópticas.
Sumario de la invención
El objetivo de la presente invención consiste en mejorar la escala de medición conocida en el estado de la técnica o , respectivamente, un dispositivo de medición de posición equipado con ésta, en lo referente a las propiedades ópticas y la estabilidad frente a las influencias medioambientales.
Este objetivo se resuelve a través de una escala de medición de acuerdo con la reivindicación 1 y un dispositivo de medición de posición de acuerdo con la reivindicación 7. Detalles ventajosos se derivan de las reivindicaciones dependientes.
Se describe una escala de medición para un dispositivo de medición de posición con exploración óptica, que comprende un soporte, sobre el que se dispone una capa especular, seguida de una capa distanciadora transparente, sobre la que se dispone de una capa parcialmente transparente, por ejemplo, estructurada en forma de una rejilla. La capa parcialmente transparente define un patrón de claro-oscuro, en el que las zonas con la capa parcialmente transparente aparecen oscuras y las zonas sin la capa parcialmente transparente aparecen claras. Sobre la capa parcialmente transparente estructurada se dispone una capa de sello. A este respecto rige que las longitudes de recorrido óptico (es decir, los productos del índice de refracción y del espesor de capa) son respectivamente aproximadamente iguales para la capa distanciadora y la capa de sello, o bien difieren por un múltiplo de valor impar.
En una forma de realización particularmente preferente, tanto la capa distanciadora como también la capa de sello están hechas del mismo material, específicamente de óxido de silicio. Por lo tanto, las dos capas presentan el mismo índice de refracción. Ambas capas pueden aplicarse con el mismo espesor de capa.
En el dispositivo de medición de posición de acuerdo con la presente invención, por lo tanto, una escala de medición es explorada por un cabezal explorador con luz monocromática. Un haz de luz emitido por el cabezal explorador y reflejado en la zona clara de la escala de medición en la capa especular, durante el doble paso a través de la capa
distanciadora y la capa de sello experimenta un desplazamiento de fase por 2n o por un múltiplo de número par de dicho valor, comparado con un haz de luz que se refleja directamente en una zona limítrofe de la capa de sello. Por lo tanto, estos rayos de luz ya no interfieren destructiva mente como en el estado de la técnica, la claridad de la zona clara ya no se reduce, el contraste de claro-oscuro es mayor y la evaluación de las señales en el cabezal explorador es más simple y más exacta.
Debido a la capa de sello adicional, la escala de medición además es menos sensible frente a las influencias medioambientales y las variaciones condicionadas por la fabricación del espesor de capa de la capa parcialmente transparente.
Otras ventajas y detalles de la presente invención se derivan de la siguiente descripción de diferentes formas de realización con referencia a las figuras.
Breve descripción de Ios dibujos
En los dibujos:
La figura 1 muestra una escala de medición de acuerdo con el estado de la técnica,
La figura 2 muestra una escala de medición de acuerdo con la presente invención.
Descripción de las formas de realización
La figura 1 muestra el estado de la técnica mencionado al comienzo. La escala de medición MV está montada sobre un soporte T que consiste, por ejemplo, de un material con un coeficiente de dilatación térmica particularmente reducido, tal como, por ejemplo, una cerámica vitrea disponible comercialmente bajo el nombre de marca Zerodur. Otros materiales tales como vidrio de cuarzo, vidrio flotado o también acero son igualmente apropiados para el soporte T. Sobre el soporte T se aplica una capa especular S, que puede ser, por ejemplo, una capa de aluminio o también una capa de oro aplicada por metalización al vacio. A esta le sigue una capa distanciadora A que puede ser una capa de Si02 con un índice de refracción de n = 1,48. En las zonas oscuras de la escala de medición MV realizada como rejilla de amplitudes sigue entonces una capa parcialmente transparente M, que puede estar realizada como una capa de cromo con un espesor de pocos nanómetros. También el silicio seria un material apropiado para una capa parcialmente transparente. En la fabricación de la escala de medición MV, esta capa parcialmente transparente M primero se aplica sobre la superficie entera y después se remueve en las zonas claras. Para esto son apropiados los procesos litográficos con una etapa de grabado posterior.
En base a los rayos de luz 1-4 representados esquemáticamente, se quiere explicar cómo se produce el patrón claro-oscuro de esta escala de medición MV. En la zona oscura de la escala de medición MV representada en el lado izquierdo de la figura 1, la luz se refleja tanto en la capa parcialmente transparente M como también en la capa especular S. Esto se representa esquemáticamente por medio de los dos rayos de luz 1 y 12. Los materiales y espesores de capa se seleccionan de tal manera que las amplitudes de los dos rayos reflejados 1 y 2, que nuevamente abandonan la escala de medición MV, son iguales en el caso ideal, y de tal manera que los dos rayos 1 y 2 en el caso ideal presentan un desplazamiento de fase de n. Entonces, una interferencia destructiva entre los dos rayos 1 y 2 resulta en su extinción y por ende en una zona oscura en la escala de medición MV. La igualdad de las amplitudes se ajusta a través del espesor de capa y el índice de refracción de la capa parcialmente transparente. El desplazamiento de fase de n se obtiene básicamente a través de una selección apropiada del espesor de la capa distanciadora A, que aproximadamente debería corresponder a una cuarta parte de la longitud de onda empleada para explorar la escala de medición MV, dividido entre el índice de refracción de la capa distanciadora A. A este respecto, nuevamente se presupone de manera simplificante que en las superficies limítrofes entre el aire y la capa parcialmente transparente, entre el aire y la capa distanciadora, así como entre la capa distanciadora y la capa especular se presenta un desplazamiento de fase de exactamente n y que la absorción es negligible. Debido a que la interferencia destructiva también se presenta para múltiplos de número impar de n, también se pueden usar capas distanciadoras A con un espesor correspondientemente mayor.
En la zona clara de la escala de medición MV, representada en el lado derecho de la figura 1, la mayor parte de la luz se refleja en la capa especular S, lo que se representa esquemáticamente por medio del rayo de luz 4. Tan solo una pequeña parte, representada esquemáticamente a través del rayo de luz 3, se refleja directamente en la capa distanciadora A. En general, por lo tanto, esta zona aparecerá clara.
Una desventaja de este tipo de estructura de capas es que para lograr una capa metálica M parcialmente transparente en la zona óptica, el espesor de película de esta capa solo puede ser de unos pocos nanómetros y ésta debería alcanzarse con la mayor precisión posible para lograr un alto contraste. Al mismo tiempo, la porción imaginaria del índice de refracción del metal seleccionado no debería ser demasiado alta, para mantener la absorción de la capa parcialmente transparente M tan reducida como sea posible.
Aunque el cromo en principio es apropiado para esto debido a su reducido índice de refracción, este material forma óxidos CrxOy transparentes. Esto significa que el espesor de capa real de la capa parcialmente transparente M
puede cambiar debido a reacciones químicas durante Ios procesos de fabricación y limpieza, o debido a otras influencias medioambientales. Debido a esto, al mismo tiempo también se modifica el contraste de claro-oscuro, puesto que el espesor de capa ya no presenta la transparencia parcial óptima. La extinción sustancialmente completa de Ios rayos de luz 1 y 2 ya no está asegurada en ese caso, y la zona oscura aparece algo más clara. Un problema adicional consiste en que en la zona clara la reflexión del rayo de luz 3 en la superficie limítrofe con la capa distanciadora A interfiere destructiva mente con la reflexión del rayo de luz 4 en la capa especular S. Incluso si debido a las amplitudes sustancialmente diferentes no se produce ninguna extinción completa de Ios rayos de luz 3 y 4, aun así el contraste de claro-oscuro de la escala de medición MV se reduce en general.
Con el mejoramiento de la escala de medición MV, representado en la figura 2, se pueden resolver tanto Ios problemas arriba descritos de las zonas oscuras como también de las zonas claras, para crear así una escala de medición MV más resistente y optimizada en lo referente al contraste de claro-oscuro.
Además, en la figura 2 se representa esquemáticamente un cabezal explorador AK, que emite y vuelve a recibir luz para explorar la escala de medición MV. Fotodetectores en el cabezal explorador AK generan señales eléctricas, de las que se pueden derivar valores de posición de la manera conocida.
El mejoramiento consiste en una capa de sello adicional V, que por una parte provee una protección de la capa parcialmente transparente M, y con una configuración óptica apropiada también proporciona una mayor claridad en las zonas claras y, por lo tanto, provee en general un contraste de claro-oscuro mejorado.
La capa de sello V puede estar hecha del mismo material que la capa distanciadora A, es decir, por ejemplo de SÍO2 pulverizado, pero también de otros materiales, tales como productos químicos de aplicación química húmeda tal como vidrio de espín o resinas fotosensibles (por ejemplo, Ios barnices comercialmente disponibles bajo Ios nombres comerciales Cyclotene, HSQ o SU-8).
Lo decisivo es que la capa de sello V produzca el mismo desplazamiento de fase por n (o por un múltiplo de número impar de n) que la capa distanciadora A. Para esto, el producto del espesor de capa dA dv y el índice de refracción nA, nv de la respectiva capa A, V debe ser igual o debe diferir por un múltiplo de valor impar. Porque entonces el rayo de luz 4 presenta un desplazamiento de fase de 2n (u otro múltiplo de número par de n) con respecto al rayo de luz 3 interfiere constructivamente con el rayo de luz 3 - se suprime la ligera reducción de la claridad como en el estado de la técnica, el contraste de claro-oscuro aumenta.
Si la capa distanciadora A y la capa de sello V se construyen de un material con un índice de refracción idéntico, en particular del mismo material, entonces Ios espesores dA, dv de las dos capas preferentemente son idénticos. Pero también en este caso son posibles Ios múltiplos de valor impar de un espesor de capa con relación al otro espesor de capa, bajo la condición de que igualmente resulten en un desplazamiento de fase adicional de n, en total, por lo tanto, a desplazamiento de 2n. Expresado de otra manera, Ios espesores de capa dA, dv deben ser iguales o diferir por un factor de valor impar.
La capa de sello V protege en las zonas oscuras la capa parcialmente transparente M contra las influencias medioambientales y puede prevenir, por ejemplo, la oxidación de una delgada capa de cromo M y por ende también un posible deterioro del contraste de claro-oscuro de la escala de medición MV. Además, con la capa de sello V se protege en particular la capa parcialmente transparente M contra daños mecánicos.
Debido a la capa de sello V, la capa parcialmente transparente M también puede ser un poco más gruesa en general, lo que contribuye a una seguridad del proceso adicional. Porque si se observa la zona oscura de la escala de medición MV en la mitad izquierda de la figura 2, se puede ver entonces que al abandonar la escala de medición MV, Ios rayos de luz 2 y 5 presentan una diferencia de fase de 2n, por lo que se superponen constructivamente. En conjunto, estos rayos de luz 2 y 5 deben interferir destructivamente con el rayo de luz 1, el que, por lo tanto, debe presentar una mayor intensidad que en el estado de la técnica de acuerdo con la figura 1. Sin embargo, una mayor intensidad para el rayo de luz 1 también significa una reflexión más fuerte en la capa parcialmente transparente M y por ende un mayor espesor de capa para esta capa M. Los cálculos teóricos y experimentos con luz de una longitud de onda de 455 nm, una capa distanciadora A y una capa de sello V respectivamente de SÍO2 (n = 1,48) con un espesor de aproximadamente 65 nm, han demostrado que el espesor óptimo de una capa de cromo parcialmente transparente M es de alrededor de 5 nm, mientras que el valor óptimo de acuerdo con el estado de la técnica (es decir, sin la capa de sello V) es de aproximadamente 2,5 nm. La ventana de proceso para el espesor de capa de la capa parcialmente transparente M (es decir, la variación permitida del espesor de capa de la capa M con una reflexión máxima de 0,1 en la zona oscura), debido a la capa de sello V, de acuerdo con Ios cálculos se amplía además por un factor de aproximadamente dos.
Estos cálculos y experimentos demostraron además un mejoramiento del contraste de claro-oscuro (es decir, la reflexión de la zona sin la capa M menos la reflexión de la zona con la capa M) de 0,7 a 0,8 con el uso de la capa de sello V optimizada.
Los diferentes espesores de capa deben optimizarse de la manera descrita a la longitud de onda de la luz empleada para explorar la escala de medición MV. A este respecto se determina, por ejemplo, a través de cálculos, que con desviaciones de la longitud de onda de la luz con respecto a la longitud de onda empleada para la optimización, gracias a la capa de sello se obtienen zonas de longitudes de onda ampliadas, para las que se pueden lograr contrastes suficientemente buenos. Por lo tanto, la presente invención también resulta en escalas de medición aplicables de manera más extensa, que son apropiadas para el uso con luz de diferentes longitudes de onda o con diferentes cabezales exploradores AK, respectivamente.
Claims (9)
1. Escala de medición para un dispositivo de medición de posición con exploración óptica, con un soporte (T), sobre el que se dispone una capa especular (S), seguida de una capa distanciadora transparente (A), sobre la que a su vez se dispone una capa parcialmente transparente estructurada (M), que define un patrón de claro-oscuro, en la que las zonas con la capa parcialmente transparente (M) aparecen oscuras y las zonas sin la capa parcialmente transparente (M) aparecen claras, caracterizada por que sobre las zonas que aparecen claras y oscuras de la capa parcialmente transparente estructurada (M) se dispone una capa de sello (V), y en la que los productos del índice de refracción (nA, nv) y del espesor de capa (dA, dv) para la capa distanciadora (A) y la capa de sello (V) son iguales o difieren por un múltiplo de valor impar.
2. Escala de medición de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada por que la capa distanciadora (A) y la capa de sello (V) presentan el mismo índice de refracción (nA, nv).
3. Escala de medición de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizada por que la capa distanciadora (A) y la capa de sello (V) están hechas del mismo material.
4. Escala de medición de acuerdo con la reivindicación 2 o 3, caracterizada por que la capa distanciadora (A) y la capa de sello (V) presentan el mismo espesor (dA, dV).
5. Escala de medición de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada por que la capa distanciadora (A) y la capa de sello (V) están hechas de dióxido de silicio.
6. Escala de medición de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada por que la capa parcialmente transparente (M) consiste en una capa de cromo que preferentemente presenta un espesor menor de 10 nm.
7. Dispositivo de medición de posición con una escala de medición de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, así como con un cabezal explorador (AK) para explorar la escala de medición (MV) con luz monocromática, en el que un rayo de luz (4) emitido por el cabezal explorador (AK) y reflejado en la capa especular (S) en la zona clara de la escala de medición (MV), al atravesar dos veces la capa distanciadora (A) y la capa de sello (V) experimenta un desplazamiento de fase de 2n o un múltiplo de número par de dicho valor, comparado con un rayo de luz (3) que se refleja directamente en la superficie limítrofe de la capa de sello (V).
8. Dispositivo de medición de posición de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado por que el espesor (dV) de la capa de sello (V) corresponde a la cuarta parte de la longitud de onda de la luz empleada por el cabezal explorador, dividido entre el índice de refracción (nV) de la capa de sello (V), o un múltiplo de valor impar de este espesor.
9. Dispositivo de medición de posición de acuerdo con la reivindicación 7 u 8, caracterizado por que el espesor (dA) de la capa distanciadora (A) corresponde a la cuarta parte de la longitud de onda de la luz empleada por el cabezal explorador, dividido entre el índice de refracción (nA) de la capa distanciadora (A), o un múltiplo de valor impar de este espesor.
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