JP3287794B2 - 光電位置測定装置 - Google Patents
光電位置測定装置Info
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/18—Diffraction gratings
- G02B5/1866—Transmission gratings characterised by their structure, e.g. step profile, contours of substrate or grooves, pitch variations, materials
- G02B5/1871—Transmissive phase gratings
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
- G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
- G01D5/36—Forming the light into pulses
- G01D5/38—Forming the light into pulses by diffraction gratings
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、回折格子での光
ビームの回折により互いに移動する二つの物体の相対位
置を測定する光電位置測定装置に関する。
ビームの回折により互いに移動する二つの物体の相対位
置を測定する光電位置測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】この種の位置測定装置およびこの装置に
使用する目盛板は、例えばドイツ公開特許第４３２９６
２７号およびドイツ公開特許第４３０３９７５号明細書
により周知である。
使用する目盛板は、例えばドイツ公開特許第４３２９６
２７号およびドイツ公開特許第４３０３９７５号明細書
により周知である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】この発明の課題は、走
査信号が高い変調度を有し、簡単に作製できる高分解能
光電位置測定装置を提供することにある。
査信号が高い変調度を有し、簡単に作製できる高分解能
光電位置測定装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記の課題は、この発明
により、少なくとも一つの回折格子２で光ビーム回折に
より互いに移動する二つの物体の相対位置を測定するた
め照明光源１１と検出装置２０を備えた位置測定装置に
あって、回折格子２が測定方向Ｘに向けて交互に配置さ
れたウェブ２２と溝２３を持つ反射性のレリーフ格子で
あり、回折格子２の目盛周期ＴＰが入射するビーム束１
３，１４の波長λにほぼ等しいかあるいは短く、ウェブ
２２の断面が少なくも近似的に台形状に形成され、ウェ
ブ２２のエッジ角度γが 70 °± 10 °である、ことに
よって解決されている。
により、少なくとも一つの回折格子２で光ビーム回折に
より互いに移動する二つの物体の相対位置を測定するた
め照明光源１１と検出装置２０を備えた位置測定装置に
あって、回折格子２が測定方向Ｘに向けて交互に配置さ
れたウェブ２２と溝２３を持つ反射性のレリーフ格子で
あり、回折格子２の目盛周期ＴＰが入射するビーム束１
３，１４の波長λにほぼ等しいかあるいは短く、ウェブ
２２の断面が少なくも近似的に台形状に形成され、ウェ
ブ２２のエッジ角度γが 70 °± 10 °である、ことに
よって解決されている。
【０００５】この発明による他の有利な構成は、特許請
求の範囲の従属請求項に記載されている。
求の範囲の従属請求項に記載されている。
【０００６】
【０００７】
【実施例】以下、実施例を示す図面に基づきこの発明を
より詳しく説明する。図１にはこの発明による位置測定
装置が模式的に示してある。この位置測定装置は走査ユ
ニット１とこのユニットに対して測定方向Ｘに相対移動
する目盛板２で構成されている。両方の物体の相対位置
を測定するため、この走査ユニット１は第一物体に、ま
た目盛板２は第二物体に固定されている。
より詳しく説明する。図１にはこの発明による位置測定
装置が模式的に示してある。この位置測定装置は走査ユ
ニット１とこのユニットに対して測定方向Ｘに相対移動
する目盛板２で構成されている。両方の物体の相対位置
を測定するため、この走査ユニット１は第一物体に、ま
た目盛板２は第二物体に固定されている。
【０００８】走査ユニット１は半導体レーザー１１の形
の光源を含み、この光源の光はビームスプリッタ１２に
入射し、そこで二つの部分ビーム束１３と１４に分離す
る。図示する実施例では、ビームスプリッタ１２は回折
格子で、この回折格子は入射光を二つの部分ビーム束１
３と１４に回折する。その場合、部分ビーム束１３は−
１次の回折を、部分ビーム束１４は＋１次の回折を示
す。これ等の部分１３と１４は目盛板２上に測定方向Ｘ
に互いに間隔を保って入射して、再び回折する。この目
盛板２は、図３〜６に基づきより詳しく説明する位相格
子の形の回折格子である。部分ビーム束１３は目盛板２
のところで、この部分ビーム束１３が目盛板２に入射し
た角度と同じ角度βで出射する−１次の回折方位に回折
する。入射角に参照符号αを付け、回折した部分ビーム
束に参照符号１５を付ける。部分ビーム束１４も目盛板
２のところで回折する。この場合、ここでも回折した部
分ビーム束１６（−１次の回折次数）は部分ビーム束１
４が入射した角度と同じ角度βで出射する。この時の入
射角にも参照符号αを付ける。同じ回折次数の回折した
部分ビーム束１５と１６はビームスプリッタ１２で互い
に干渉する。ビームスプリッタ１２で干渉し、回折した
部分ビーム束１７〜１９は検出装置２０に入射し、この
検出装置により部分ビーム束１７〜１９は互いに位相の
ずれた電気測定信号に変換される。
の光源を含み、この光源の光はビームスプリッタ１２に
入射し、そこで二つの部分ビーム束１３と１４に分離す
る。図示する実施例では、ビームスプリッタ１２は回折
格子で、この回折格子は入射光を二つの部分ビーム束１
３と１４に回折する。その場合、部分ビーム束１３は−
１次の回折を、部分ビーム束１４は＋１次の回折を示
す。これ等の部分１３と１４は目盛板２上に測定方向Ｘ
に互いに間隔を保って入射して、再び回折する。この目
盛板２は、図３〜６に基づきより詳しく説明する位相格
子の形の回折格子である。部分ビーム束１３は目盛板２
のところで、この部分ビーム束１３が目盛板２に入射し
た角度と同じ角度βで出射する−１次の回折方位に回折
する。入射角に参照符号αを付け、回折した部分ビーム
束に参照符号１５を付ける。部分ビーム束１４も目盛板
２のところで回折する。この場合、ここでも回折した部
分ビーム束１６（−１次の回折次数）は部分ビーム束１
４が入射した角度と同じ角度βで出射する。この時の入
射角にも参照符号αを付ける。同じ回折次数の回折した
部分ビーム束１５と１６はビームスプリッタ１２で互い
に干渉する。ビームスプリッタ１２で干渉し、回折した
部分ビーム束１７〜１９は検出装置２０に入射し、この
検出装置により部分ビーム束１７〜１９は互いに位相の
ずれた電気測定信号に変換される。
【０００９】図１から分かるように、レーザー１１の光
はビームスプリッタ１２上の一点に入射する。この点は
二つのビーム束１５と１６の交点から測定方向Ｘに垂直
に間隔を保っている。この処置により簡単な構造でビー
ムを確実に分離できる。入射角αと出射角βは測定方向
Ｘの垂線に対して測定されている。従って、部分ビーム
束１３と１５は目盛板２の表面に対して角度（90°−
α）ほど傾いている。この角度は部分ビーム束１４と１
６のなす平面に対して等しくなる。関係α＝βはリトロ
ー（Littrow)条件とも称され、角度αはリトロー角と呼
ばれる。リトロー条件では、回折したＰ型偏光部分ビー
ム束１５と１６の強度は特に強く、位置測定装置の構造
は特に簡単になる。これは、特に目盛板２の目盛周期Ｔ
Ｐがレーザー１１の波長λにほぼ等しいかあるいは小さ
いなら特にそのようになる。リトロー条件では、一般に
α＝arc sin(λ/2ＴＰ）が当てはまる。λ＝670 nmで、
ＴＰ＝512 nmの場合、αは約 40 °である。
はビームスプリッタ１２上の一点に入射する。この点は
二つのビーム束１５と１６の交点から測定方向Ｘに垂直
に間隔を保っている。この処置により簡単な構造でビー
ムを確実に分離できる。入射角αと出射角βは測定方向
Ｘの垂線に対して測定されている。従って、部分ビーム
束１３と１５は目盛板２の表面に対して角度（90°−
α）ほど傾いている。この角度は部分ビーム束１４と１
６のなす平面に対して等しくなる。関係α＝βはリトロ
ー（Littrow)条件とも称され、角度αはリトロー角と呼
ばれる。リトロー条件では、回折したＰ型偏光部分ビー
ム束１５と１６の強度は特に強く、位置測定装置の構造
は特に簡単になる。これは、特に目盛板２の目盛周期Ｔ
Ｐがレーザー１１の波長λにほぼ等しいかあるいは小さ
いなら特にそのようになる。リトロー条件では、一般に
α＝arc sin(λ/2ＴＰ）が当てはまる。λ＝670 nmで、
ＴＰ＝512 nmの場合、αは約 40 °である。
【００１０】位相格子２に入射する部分ビーム束１３，
１４は直線偏光し、光の電気偏光成分ができる限り全て
入射面（Ｘ，Ｙ面）内にあるように、つまりＰ型偏光す
るように偏光方向にされている。この光成分は位相格子
２に対してＴＭ偏光に相当し、この成分の位相格子２へ
の投影は測定方向Ｘに調整される。偏光の調整はレーザ
ー１１の回転および／または、部分ビーム束１３，１４
の偏光が適当に影響を受ける光学部材を挿入して行われ
る。検出装置２０により得られる測定信号の振幅を特に
大きくするには、目盛板２の回折効率を大きくする必要
がある。この発明によれば、これに対して、図３〜６に
基づき更に説明するような最適化が行われている。
１４は直線偏光し、光の電気偏光成分ができる限り全て
入射面（Ｘ，Ｙ面）内にあるように、つまりＰ型偏光す
るように偏光方向にされている。この光成分は位相格子
２に対してＴＭ偏光に相当し、この成分の位相格子２へ
の投影は測定方向Ｘに調整される。偏光の調整はレーザ
ー１１の回転および／または、部分ビーム束１３，１４
の偏光が適当に影響を受ける光学部材を挿入して行われ
る。検出装置２０により得られる測定信号の振幅を特に
大きくするには、目盛板２の回折効率を大きくする必要
がある。この発明によれば、これに対して、図３〜６に
基づき更に説明するような最適化が行われている。
【００１１】図２は目盛板２，ビームスプリッタ１２，
レーザー１１および検出装置２０を備えた他の位置測定
装置を示す。この光ビーム通路は、図１の例と大体一致
するが、相違は目盛板２で回折した部分ビーム束１５と
１６が偏向部材３０，特に三重プリズムにより、目盛板
２に二回入射し、そこで再び＋１と−１回折波に回折
し、初めて図１のようにこれ等の部分ビーム束がビーム
スプリッタ１２で干渉し、検出装置２０に入射する点に
ある。目盛板２で二回回折することにより、1/4ＴＰの
目盛周期を持つ、つまり図１の測定装置と比べて二倍分
解能の高い測定信号が得られる。この構造でも、目盛板
２に入射した４つの部分ビーム束の各々に対してリトロ
ー条件が維持されていれば、つまり、入射角αが少なく
とも近似的に出射角βに一致しているなら特に有利であ
る。この例でも、目盛板２が位相格子であり、この格子
の目盛周期ＴＰがレーザー１１の波長λにほぼ等しいか
あるいは小さいことになる。見通しを良くするため、三
重プリズム３０のビーム通路を示していない。そして、
ビームスプリッタ１２により影響を受けない部分ビーム
束はビームスプリッタ１２の領域で一点鎖線で示してあ
る。
レーザー１１および検出装置２０を備えた他の位置測定
装置を示す。この光ビーム通路は、図１の例と大体一致
するが、相違は目盛板２で回折した部分ビーム束１５と
１６が偏向部材３０，特に三重プリズムにより、目盛板
２に二回入射し、そこで再び＋１と−１回折波に回折
し、初めて図１のようにこれ等の部分ビーム束がビーム
スプリッタ１２で干渉し、検出装置２０に入射する点に
ある。目盛板２で二回回折することにより、1/4ＴＰの
目盛周期を持つ、つまり図１の測定装置と比べて二倍分
解能の高い測定信号が得られる。この構造でも、目盛板
２に入射した４つの部分ビーム束の各々に対してリトロ
ー条件が維持されていれば、つまり、入射角αが少なく
とも近似的に出射角βに一致しているなら特に有利であ
る。この例でも、目盛板２が位相格子であり、この格子
の目盛周期ＴＰがレーザー１１の波長λにほぼ等しいか
あるいは小さいことになる。見通しを良くするため、三
重プリズム３０のビーム通路を示していない。そして、
ビームスプリッタ１２により影響を受けない部分ビーム
束はビームスプリッタ１２の領域で一点鎖線で示してあ
る。
【００１２】図３は目盛板２の断面を示す。この目盛板
２は、ウェブ２２と溝２３の形の位相格子を持つ基板２
１，特にガラスまたはガラスセラミックスで形成されて
いる。基板２１上には、エッチング阻止部としての通し
の膜２４，例えばクロムが付けてある。ウェブ２２は、
主として誘電体２７，例えば二酸化シリコン、二酸化チ
タン、五酸化タンタル、あるいは酸化アルミニウムで形
成されている。溝２３をエッチングするマスクとして
は、エチッング防止膜２５が部分的に付けてある。この
膜２５は、例えば酸化チタンで形成されている。レリー
フ構造全体は反射膜２６で被覆されている。この反射膜
は導電性の金属膜、特にクロム膜である。この成膜はス
パッタリングで行う。
２は、ウェブ２２と溝２３の形の位相格子を持つ基板２
１，特にガラスまたはガラスセラミックスで形成されて
いる。基板２１上には、エッチング阻止部としての通し
の膜２４，例えばクロムが付けてある。ウェブ２２は、
主として誘電体２７，例えば二酸化シリコン、二酸化チ
タン、五酸化タンタル、あるいは酸化アルミニウムで形
成されている。溝２３をエッチングするマスクとして
は、エチッング防止膜２５が部分的に付けてある。この
膜２５は、例えば酸化チタンで形成されている。レリー
フ構造全体は反射膜２６で被覆されている。この反射膜
は導電性の金属膜、特にクロム膜である。この成膜はス
パッタリングで行う。
【００１３】この膜構造は例としてのみ示してあり、こ
の発明にとって必ずしも必要ではない。基板は金属テー
プであってもよく、その場合、特に膜２４を省いてもよ
い。この発明による位相格子で重要なことは、溝２３，
ウェブ２２およびエッジ２８が反射性であることにあ
る。光電位置測定装置の目盛板２では、エッジ２８が測
定方向に垂直に延びるように溝を作製することを今まで
研究してきた。この発明では、エッジ角度γが 90°で
ない場合に回折効率が特に大きいことを認識した。即
ち、図１または図２の位置測定装置では、対称な台形状
の位相格子を持つ目盛板２が特に高い効率を持つことを
認識した。
の発明にとって必ずしも必要ではない。基板は金属テー
プであってもよく、その場合、特に膜２４を省いてもよ
い。この発明による位相格子で重要なことは、溝２３，
ウェブ２２およびエッジ２８が反射性であることにあ
る。光電位置測定装置の目盛板２では、エッジ２８が測
定方向に垂直に延びるように溝を作製することを今まで
研究してきた。この発明では、エッジ角度γが 90°で
ない場合に回折効率が特に大きいことを認識した。即
ち、図１または図２の位置測定装置では、対称な台形状
の位相格子を持つ目盛板２が特に高い効率を持つことを
認識した。
【００１４】図４には、これに対してウェブ２２のエッ
ジ角度γに応じた横磁場モードＴＭの回折効率Ｂの関数
が記入されている。このグラフは一連の試験で確認され
たものである。エッジ角度γが 80 °より小さい場合に
第一回折次数１５，１６に対して特に良好な回折効率が
得られた。 80 °より小さい、特に 70 ± 10 °のエッ
ジ角度は乾式エッチング法あるいは湿式エッチング法で
特に正確に作製できる。
ジ角度γに応じた横磁場モードＴＭの回折効率Ｂの関数
が記入されている。このグラフは一連の試験で確認され
たものである。エッジ角度γが 80 °より小さい場合に
第一回折次数１５，１６に対して特に良好な回折効率が
得られた。 80 °より小さい、特に 70 ± 10 °のエッ
ジ角度は乾式エッチング法あるいは湿式エッチング法で
特に正確に作製できる。
【００１５】段差２７の材料としては、特に結晶性シリ
コンが適している。この場合、エッジ角度γは、例えば
湿式エッチング法で結晶方位に付いて調整できる。結晶
方位に関してエッチングすべきレリーフ構造の位置はエ
ッジ角度γを決める。目盛板２の材料として 110シリコ
ンウェハを使用し、溝２３を結晶方位（結晶方位＝Ｙ方
向）に平行にエッチングすれば、エッチング速度が種々
の結晶方向で異なるため 67 °のエッジ角度γとなる。
特にＫＯＨで 110Ｓi ウェハを非等方エッチングする
と、必要なエッジ角度γが特に正確に、しかも再現性よ
く生じる。次に、エッチングされたシリコンの表面（ウ
ェブ、溝およびエッジ）に反射性で導電性の被膜２６を
付ける。他の半導体結晶、例えばゲルマニウム（Ｇe ）
あるいはガリウム砒素（ＧaＡs ）を使用することも考
えられる。
コンが適している。この場合、エッジ角度γは、例えば
湿式エッチング法で結晶方位に付いて調整できる。結晶
方位に関してエッチングすべきレリーフ構造の位置はエ
ッジ角度γを決める。目盛板２の材料として 110シリコ
ンウェハを使用し、溝２３を結晶方位（結晶方位＝Ｙ方
向）に平行にエッチングすれば、エッチング速度が種々
の結晶方向で異なるため 67 °のエッジ角度γとなる。
特にＫＯＨで 110Ｓi ウェハを非等方エッチングする
と、必要なエッジ角度γが特に正確に、しかも再現性よ
く生じる。次に、エッチングされたシリコンの表面（ウ
ェブ、溝およびエッジ）に反射性で導電性の被膜２６を
付ける。他の半導体結晶、例えばゲルマニウム（Ｇe ）
あるいはガリウム砒素（ＧaＡs ）を使用することも考
えられる。
【００１６】この発明により形成される位相格子２は圧
印加工法（エンボス法）でも作製できる。この場合、レ
リーフ構造が、例えば反射性の金属層に直接圧印される
か、あるいはレリーフ構造が圧印可能な非反射性の材料
に圧印され、次に反射性の被膜で被覆される。図５に
は、ウェブの高さｈに応じたエッジ角度γの関数が相対
回折効率Ｂ＝ 1, 0.9, 0.8および 0.7に対して記入され
ている。これから分かることは、ウェブの高さｈの許容
公差は回折効率の高い 80 °より小さいエッジ角度γに
対して特に大きい。図１と図２の位置測定装置では、理
論的に必要なウェブの高さはｈs＝λ/4である。λ＝ 67
0の場合、ｈs は約 170 nm となる。両方の場合、位相
格子は加算して出射ビームの光路差λ/2を発生させる。
図５には、図２の位置測定装置に対して実験的に求めた
状況が例示的に示してある。約１の相対変調度は約200
nm のウェブの高さまで得られる。こうして、ウェブの
高さｈに対する許容公差はかなり大きい。
印加工法（エンボス法）でも作製できる。この場合、レ
リーフ構造が、例えば反射性の金属層に直接圧印される
か、あるいはレリーフ構造が圧印可能な非反射性の材料
に圧印され、次に反射性の被膜で被覆される。図５に
は、ウェブの高さｈに応じたエッジ角度γの関数が相対
回折効率Ｂ＝ 1, 0.9, 0.8および 0.7に対して記入され
ている。これから分かることは、ウェブの高さｈの許容
公差は回折効率の高い 80 °より小さいエッジ角度γに
対して特に大きい。図１と図２の位置測定装置では、理
論的に必要なウェブの高さはｈs＝λ/4である。λ＝ 67
0の場合、ｈs は約 170 nm となる。両方の場合、位相
格子は加算して出射ビームの光路差λ/2を発生させる。
図５には、図２の位置測定装置に対して実験的に求めた
状況が例示的に示してある。約１の相対変調度は約200
nm のウェブの高さまで得られる。こうして、ウェブの
高さｈに対する許容公差はかなり大きい。
【００１７】図６には、ウェブの高さｈに応じた目盛周
期ＴＰ（例えば 512 nm ）に対するウェブの幅Ｓの比の
関数がエッジ角度γ＝ 70 °で４つの相対回折効率Ｂ＝
1,0.9, 0.8および 0.7に対して記入されている。この
場合、Ｓは溝２３の底でのウェブ２２の幅を意味する。
図３には、より良く理解するため、溝２３の対応する幅
Ｌも記入されている。ＴＰ＝Ｓ＋Ｌである。図６から分
かることは、約 70 °のエッジ角度γで最大の回折効率
Ｂ＝１がｈ＝ 160〜 200 nm のとき約 0.55 〜0.7の
Ｓ：ＴＰに対する非常に広い許容公差内で得られる。未
だ良好な回折効率Ｂ＝ 0.9では、Ｓ：ＴＰに対する可能
な範囲は 0.50 と 0.75 の間にあり、段差の高さｈは 1
60と 210 nm の間にある。図６は、約 70 °のエッジ角
度γで比Ｓ：ＴＰ＝ 0.5の時でも未だ比較的大きな回折
効率Ｂが得られることを示す。Ｓ：Ｌ＝ 1：1 を持つこ
の種の目盛板は比較的簡単に作製できる。
期ＴＰ（例えば 512 nm ）に対するウェブの幅Ｓの比の
関数がエッジ角度γ＝ 70 °で４つの相対回折効率Ｂ＝
1,0.9, 0.8および 0.7に対して記入されている。この
場合、Ｓは溝２３の底でのウェブ２２の幅を意味する。
図３には、より良く理解するため、溝２３の対応する幅
Ｌも記入されている。ＴＰ＝Ｓ＋Ｌである。図６から分
かることは、約 70 °のエッジ角度γで最大の回折効率
Ｂ＝１がｈ＝ 160〜 200 nm のとき約 0.55 〜0.7の
Ｓ：ＴＰに対する非常に広い許容公差内で得られる。未
だ良好な回折効率Ｂ＝ 0.9では、Ｓ：ＴＰに対する可能
な範囲は 0.50 と 0.75 の間にあり、段差の高さｈは 1
60と 210 nm の間にある。図６は、約 70 °のエッジ角
度γで比Ｓ：ＴＰ＝ 0.5の時でも未だ比較的大きな回折
効率Ｂが得られることを示す。Ｓ：Ｌ＝ 1：1 を持つこ
の種の目盛板は比較的簡単に作製できる。
【００１８】図４〜６には相対回折効率Ｂを比較係数と
して選んだ。その理由は、絶対回折効率が反射膜２６の
材料に依存するからである。この発明による位置測定装
置では、回折効率Ｂが入射角αのかなり広い範囲で非常
に大きい。従って、リトロー角α＝arc sin(λ/2ＴＰ）
からの許容偏差は非常に大きく、±４°ずれてもよい。
これは位置測定装置の組立を容易にする。
して選んだ。その理由は、絶対回折効率が反射膜２６の
材料に依存するからである。この発明による位置測定装
置では、回折効率Ｂが入射角αのかなり広い範囲で非常
に大きい。従って、リトロー角α＝arc sin(λ/2ＴＰ）
からの許容偏差は非常に大きく、±４°ずれてもよい。
これは位置測定装置の組立を容易にする。
【００１９】この発明により形成された目盛板２で回折
効率を高めることは、反射性の表面をクロムで形成する
と特に顕著になる。クロムの反射率は金や窒化チタン
（ＴiＮ）の反射率より小さい。従って、金またはＴiＮ
を被覆した目盛板２の回折効率もクロクを被覆した目盛
板２のものより大きいことが予想される。しかし、クロ
ムを付けたこの発明により作製した目盛板２での回折効
率は金またはＴiＮを付けた目盛板２よりも高いことが
示されている。
効率を高めることは、反射性の表面をクロムで形成する
と特に顕著になる。クロムの反射率は金や窒化チタン
（ＴiＮ）の反射率より小さい。従って、金またはＴiＮ
を被覆した目盛板２の回折効率もクロクを被覆した目盛
板２のものより大きいことが予想される。しかし、クロ
ムを付けたこの発明により作製した目盛板２での回折効
率は金またはＴiＮを付けた目盛板２よりも高いことが
示されている。
【００２０】説明した例では、目盛板２はこの発明によ
り形成されている。目盛板および／または走査板（ビー
ムスプリッタ１２）を説明した方法で形成することもこ
の発明の枠内にある。この発明は測長系や測角系に応用
できる。
り形成されている。目盛板および／または走査板（ビー
ムスプリッタ１２）を説明した方法で形成することもこ
の発明の枠内にある。この発明は測長系や測角系に応用
できる。
【００２１】
【発明の効果】以上、説明したように、この発明による
位置測定装置の利点は、光源の出力が小さくても変調度
が依然として非常に良好である点にある。低出力の光源
を使用すると、測定装置全体の昇温が低減され、測定精
度や長時間安定性が向上すると言う利点ももとらす。こ
の発明の他の利点は、光源の波長、目盛周期とウェブと
溝の間の比、および回折格子の段差の高さのようなパラ
メータの許容公差が比較的大きい点にある。
位置測定装置の利点は、光源の出力が小さくても変調度
が依然として非常に良好である点にある。低出力の光源
を使用すると、測定装置全体の昇温が低減され、測定精
度や長時間安定性が向上すると言う利点ももとらす。こ
の発明の他の利点は、光源の波長、目盛周期とウェブと
溝の間の比、および回折格子の段差の高さのようなパラ
メータの許容公差が比較的大きい点にある。
【図１】 この発明による位置測定装置の第一実施例の
模式斜視図、
模式斜視図、
【図２】 この発明による位置測定装置の第二実施例の
断面図、
断面図、
【図３】 図１および図２の位置測定装置の目盛板の断
面図、
面図、
【図４】 目盛板のウェブの立ち上がり傾斜角に応じた
回折効率の関数を示すグラフ、
回折効率の関数を示すグラフ、
【図５】 ウェブの高さに応じた立ち上がり傾斜角の関
数を示すグラフ、
数を示すグラフ、
【図６】 ウェブの高さに応じた目盛周期に対するウェ
ブの幅の比を示すグラフ。
ブの幅の比を示すグラフ。
１ 走査ユニット ２ 目盛板の回折格子 １１ レーザー １２ ビームスプリッタ １３，１４ 部分ビーム束 １５，１６ 回折した部分ビーム束 １７〜１９ 干渉し回折した部分ビーム束 ２０ 検出装置 ２１ 基板 ２２ ウェブ ２３ 溝 ２４ 通しのエッチング阻止膜 ２５ エッチング防止膜 ２６ 反射性の膜 ２７ 誘電体 ２８ エッジ ３０ 偏向部材 Ｘ 測定方向 ＴＰ 目盛周期 λ 波長 α 入射角 β 出射角 γ エッジ角度 Ｓ ウェブの幅 ｈ ウェブの高さ Ｂ 回折効率 Ｌ 溝の幅
フロントページの続き (72)発明者 ペーター・シユペツクバツヒヤー ドイツ連邦共和国、84558 キルヒヴア イダツハ、ブルーメンストラーセ、３ア ー (72)発明者 ミヒヤエル・アールゴイヤー ドイツ連邦共和国、83371 シユタイン ／タウヌス、キーンベルクストラーセ、 24 (72)発明者 ゲオルク・フラツシヤー ドイツ連邦共和国、83458 シユナイツ ルロイト、ヴアルデツク、７ (72)発明者 アントン・ザイラー ドイツ連邦共和国、83278 トラウンシ ユタイン、モースストラーセ、２ (72)発明者 ヴアルブルガ・ケルン ドイツ連邦共和国、83301 トラウンロ イト、ハスモニング、６ (56)参考文献 特開 昭63−205605（ＪＰ，Ａ) 英国特許出願公開2164492（ＧＢ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01D 5/38 G01B 11/00 G02B 5/18
Claims (8)
- 【請求項１】 少なくとも一つの回折格子（２）で光ビ
ーム回折により互いに移動する二つの物体の相対位置を
測定するため照明光源（１１）と検出装置（２０）を備
えた位置測定装置において、 回折格子（２）が測定方向（Ｘ）に向けて交互に配置さ
れたウェブ（２２）と溝（２３）を持つ反射性のレリー
フ格子であり、 回折格子（２）の目盛周期（ＴＰ）が入射するビーム束
（１３，１４）の波長（λ）にほぼ等しいかあるいは短
く、 ウェブ（２２）の断面が少なくも近似的に台形状に形成
され、ウェブ（２２）のエッジ角度（γ）が 70 °± 1
0 °である、ことを特徴とする位置測定装置。 - 【請求項２】 回折格子（２）に入射するビーム束（１
３，１４）は直線偏光していることを特徴とする請求項
１に記載の位置測定装置。 - 【請求項３】 ビーム束（１３，１４）の偏光は、ビー
ム束（１３，１４）の電気偏光成分が入射面内（Ｘ，
Ｙ）にあり、この成分が回折格子（２）に関して測定方
向（Ｘ）に向いた横磁場モードに対応しているように調
整されていることを特徴とする請求項２に記載の位置測
定装置。 - 【請求項４】 回折格子（２）の反射表面は導電材料で
形成されることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項
に記載の位置測定装置。 - 【請求項５】 回折格子（２）の反射表面はクロムで形
成されていることを特徴とする請求項４に記載の位置測
定装置。 - 【請求項６】 少なくとも回折格子のウェブはシリコ
ン、特に 110シリコンで形成されていることを特徴とす
る請求項１〜５の何れか１項に記載の位置測定装置。 - 【請求項７】 回折格子はシリコンで形成され、このシ
リコンに溝をエッチングし、回折格子の反射性の表面は
導電性材料の被膜であることを特徴とする請求項６に記
載の位置測定装置。 - 【請求項８】 回折格子（２）に多数のビーム束（１
３，１４）が少なくとも近似的に入射角α＝arc sin(λ
/2ＴＰ）で入射し、そこで前記ビーム束（１３，１４）
は第一回折次数（１５，１６）がそれぞれ出射角β＝α
で出射し、次いで互いに重なって互いに干渉するように
回折することを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に
記載の位置測定装置。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19652563:2 | 1996-12-17 | ||
| DE19652563A DE19652563A1 (de) | 1996-12-17 | 1996-12-17 | Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10318793A JPH10318793A (ja) | 1998-12-04 |
| JP3287794B2 true JP3287794B2 (ja) | 2002-06-04 |
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ID=7815056
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP34674697A Expired - Fee Related JP3287794B2 (ja) | 1996-12-17 | 1997-12-16 | 光電位置測定装置 |
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| EP (1) | EP0849567B1 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
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| US7064842B1 (en) * | 1999-01-13 | 2006-06-20 | Olympus Optical Co., Ltd. | Optical displacement sensor and optical encoder |
| EP1028309B1 (de) * | 1999-02-04 | 2003-04-16 | Dr. Johannes Heidenhain GmbH | Optische Positionsmesseinrichtung |
| JP2000231011A (ja) * | 1999-02-09 | 2000-08-22 | Sharp Corp | 光学素子およびその製造に用いるスタンパ |
| DE19937023A1 (de) | 1999-08-05 | 2001-02-08 | Heidenhain Gmbh Dr Johannes | Reflexions-Maßverkörperung und Verfahren zur Herstellung einer Reflexions-Maßverkörperung |
| DE10025461A1 (de) * | 2000-05-23 | 2001-12-06 | Mahr Gmbh | Messeinrichtung nach dem Interferenzprinzip |
| JP2002174710A (ja) * | 2000-12-06 | 2002-06-21 | Mitsubishi Electric Corp | 回折光学素子及びその製造方法 |
| JP3859473B2 (ja) * | 2001-08-30 | 2006-12-20 | シャープ株式会社 | スタンパの製造方法 |
| DE10150099A1 (de) * | 2001-10-11 | 2003-04-17 | Heidenhain Gmbh Dr Johannes | Verfahren zur Herstellung eines Maßstabes, sowie derart hergestellter Maßstab und eine Positionsmesseinrichtung |
| JPWO2004081620A1 (ja) * | 2003-03-13 | 2006-06-15 | 旭硝子株式会社 | 回折素子および光学装置 |
| CN100386653C (zh) * | 2003-03-13 | 2008-05-07 | 旭硝子株式会社 | 衍射元件以及光学装置 |
| US7085057B2 (en) * | 2003-10-15 | 2006-08-01 | Invenios | Direct-write system and method for roll-to-roll manufacturing of reflective gratings |
| CN100397045C (zh) * | 2004-01-26 | 2008-06-25 | 三丰株式会社 | 标尺的制造方法和光电式编码器 |
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| EP1645893A1 (de) * | 2004-10-08 | 2006-04-12 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Beugungsgitter für elektromagnetische Strahlung sowie Verfahren zur Herstellung |
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| JP2006178312A (ja) * | 2004-12-24 | 2006-07-06 | Canon Inc | 表面反射型位相格子 |
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| WO2007075675A2 (en) * | 2005-12-22 | 2007-07-05 | Board Of Supervisors Of Louisiana State University And Agricultural And Mechanical College | High precision code plates and geophones |
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| JP6664211B2 (ja) * | 2015-12-22 | 2020-03-13 | 株式会社ミツトヨ | エンコーダ |
| JP6705649B2 (ja) * | 2015-12-22 | 2020-06-03 | 株式会社ミツトヨ | エンコーダ |
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