JP6866094B2 - 光学層システム - Google Patents

Description

本発明は、位置測定装置のための光学層システムに関する。このような層システムは、位置測定装置において光学的な基準器を走査するための光線を形成し、案内し、評価する場合の様々な役割を果たす。

欧州特許第２４５０６７３号明細書により、光による基準器の走査に基づいた光学式の位置測定装置が既知である。このために、光源の光は走査ヘッドにおいて透明な走査プレートによって基準器に案内され、基準器から走査ヘッドに戻って反射され、センサユニットで検出される。センサ信号の評価により、測定したい走査ヘッドと基準器との間の変位を示す高精度の位置値が決定される。この場合に、所定の機能を果たすためには光が複数回にわたって基準器に到達することが不可欠である。したがって、走査プレートは、上側および下側に、リフレクタもしくはミラーまたは（例えば回折格子または回折レンズの形態の）回折格子パターンとして作用する種々異なる機能面や、走査プレートの内部および外部における有害な散乱光を吸収する反射防止層が設けられた面を備える。

ミラーは、例えば走査プレートの透明な基板に蒸着した金属によって生成することができる。使用される光の波長に適合するように慎重に選択された屈折率および層厚さを備える層の組合せにより反射作用を及ぼす誘電性ミラーも可能である。

光回折格子は位相格子として形成されていてもよい。位相格子は、交互に配置された２つの反射層からなり、これらの反射層のうち１つの反射層は光学的に遅延を生じさせ、０次の回折次数の方向に１８０度の位相変化を誘起する離間層を備える。これに対して振幅格子は、例えばパターン化された金属層のように、交互の明暗領域に基づいている。例えば、光回折格子、位置測定装置におけるその使用法については欧州特許出願公開第０７４２４５５号（位相格子）またはドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２３６７８８号明細書（振幅格子）が開示している。

反射防止層は、散乱光を吸収する異なる光学密度の層からなる。

様々な役割を有するこのような層または層スタックの作製は、技術的にも工程に関しても手間がかかる。最終的にできるだけ正確な位置測定を可能にするために、それぞれの層の質に極めて高い要求が課される。

欧州特許第２４５０６７３号 欧州特許出願公開第０７４２４５５号 ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２３６７８８号

本発明の課題は、位置測定装置のための光学層システムにおいて、様々な要求を満たすことができ、それにもかかわらず、できるだけわずかな手間により作製することができるものを提案することである。

この課題は、請求項１に記載の光学層システムによって解決される。層システムの有利な詳細が請求項１に従属する請求項にも記載されている。

位置測定装置のための光学層システムが開示され、この層システムによって、透明な基板の表面にそれぞれ異なる光学機能を有する少なくとも第１、第２、および第３の機能面を設けることができる。これらの機能面は、第１層スタックと第２層スタックとにより構成されている。

第１機能面は、面全体が第１層スタックからなり、反射防止層として作用し、第３機能面は、面全体が第２層スタックからなり、ミラーとして作用する。

第２機能面は光回折格子として作用し、両方の層スタックは１ｍｍ未満、好ましくは５０μｍ未満、特に好ましくは２０μｍ未満の間隔をおいて、周期的に交互に配置されている。光回折格子は、位置測定装置で使用される光と結びついて回折効果をもたらす。この回折効果により、回折格子に入射する光が、それぞれ異なる方向および強度を備える異なる回折次数に分光される。周期性および格子ベクトルを局所的に変化させることができるこのような回折格子によって、例えば回折レンズなどの種々異なる光学機能を実現することができる。

次に図面に基づいて様々な実施形態を説明し、本発明の他の利点および詳細を明らかにする

位置測定装置のための光学層システムを示す図である。

図１は位置測定装置のための光学層システムを示す。

位置測定装置の走査光路においてそれぞれ異なる役割を担う３つの異なる機能面１，２，３が透明な基板Ｓに設けられている。

第１機能面１は、走査プレートの内部および外部における不都合な散乱光を抑制および吸収するための反射防止層である。

第２機能面２は光回折格子であり、この回折格子の周期パターンは入射光と相互作用する。この場合には位相格子または振幅格子が用いられる。所望の光学作用を達成するためには、可変の格子周期および格子周期の可変方向を想定することもできる。すなわち、回折格子の目盛は、例えば光線焦点合わせを達成するために湾曲していてもよい。このような回折格子は、例えば位置測定装置の基準尺における参照マークを検出する役割を果たすことができ、これにより絶対位置を決定することができ、このような絶対位置から周期信号に基づいて基準尺と走査ヘッドとの間の変位を検出することができる。

第３機能面３はミラーとして作用し、基板Ｓから入射する光を反射する。この効果は、個々の実施例でさらに詳細に説明するように、金属ミラーまたは誘電性ミラーによって達成することができる。

本発明によれば、３つの機能面１，２，３は、ちょうど２つの異なる層スタックのみ、すなわち第１層スタックＡおよび第２層スタックＢを含む光学層システムによって構成されている。

この場合、第１機能面１（すなわち反射防止層）は、面全体が第１層スタックＡにより形成されており、第３機能面３（すなわちミラー）は面全体が第２層スタックＢによって形成されている。

第２機能面２（すなわち光回折格子）は、周期的に交互に配置された第１および第２層スタックＡ，Ｂにより形成されている。この場合に第１および第２層スタックＡ，Ｂの配置は、１方向に周期的であってもよいし（例えば線形回折格子）、または２方向に周期的であってもよい（例えばチェス盤パターンまたは交差格子）。適切な順序の第１および第２層スタックＡ，Ｂから任意の回折パターンを備える回折レンズを作製することもできる。

したがって、既知の方法（層の析出、フォトリソグラフィー、エッチング、リフトオフプロセスなど）によって、異なる２つの層スタック、すなわち第１および第２層スタックＡ，Ｂのみが空間的に適切に分配して、基板Ｓに被覆されることに基づいて、極めて異なる３つの機能面１，２，３が使用できるにもかかわらず、光学層システムを備えるこのような基板Ｓを作製するための手間は減じられる。

例えば、上記欧州特許第２４５０６７３号明細書に記載のように、使用法としては、基準尺および走査ヘッドを備える位置測定装置の走査プレートにおける光学層システムの使用が考察されている。この明細書では、周辺との境界面もしくはこの境界面に配置された第１および第２層スタックＡ，Ｂに基板Ｓからの光が入射する、特に、基準尺に向いていない方の走査プレートの上側が観察される。

第１および第２層スタックＡ，Ｂの個々の層は、それぞれ基板Ｓに直接に配置された第１層Ａ１もしくはＢ１から始まるＡ１，Ａ２，Ａ３およびＢ１，Ｂ２，Ｂ３によって示される。これらの層の厚さは、ｄＡ１，ｄＡ２，ｄＡ３，ｄＢ１，ｄＢ２，ｄＢ３によって示されている。それぞれの層の屈折率は、ｎＡ１，ｎＡ２，ｎＡ３，ｎＢ１，ｎＢ２，ｎＢ３により示され、基板Ｓの屈折率はｎＳによって示され、周辺の屈折率はｎＵによって示される。

容易に再現可能に表すために、次の考察では光線の垂直入射および実屈折率ｎを有する層に基づく。相互反射は無視する。

最適な反射防止層に関して次の考察が有効である：
ＳからＡ１への境界面およびＡ１からＡ２への境界面の反射の間で光のπの位相ずれを達成するために：

が成り立つ。

最小限の反射のためには、理想的は特に：

が満たされることが望ましい。

層Ａ３は随意であり、走査プレートの周辺（ｎＵ＝１）に対する反射防止層のために役立つ。この場合、理想的には：

が成り立つことが望ましい。

ミラーとして作用する第３機能面３もしくは第２層スタックＢについては、金属ミラーと誘電性ミラーとが区別される。

金属ミラーの場合には層Ｂ１は金属からなる。層Ｂ２は層Ｂ１を損傷から保護し、層Ｂ１を覆うためにのみ用いられる。層Ｂ３は省略され、周辺に相当する。

誘電性ミラーの場合には、ＳからＢ１への境界面、Ｂ１からＢ２への境界面、Ｂ２からＢ３への境界面における反射について、それぞれ完全な波長が光路差を達成することが望ましい。したがって：

が生じる。

最後に、位相格子として形成された第２機能面２を考察する。位相格子は、振幅格子に比べて回折効率（すなわち、１次の回折次数に回折される入射光の割合）が高いので、好ましい。

多くの場合には不都合な０次の回折次数を抑制するために、ＳからＢ１への移行部およびＡ１からＡ２への移行部における光反射の間には１８０度の位相差があることが望ましい。したがって：

が成り立つことが望ましい。

および特に、

が成り立つ場合には、最大限の回折効率が得られる。

第１および第２の層スタックＡおよびＢのみから構成されているが、しかしながら、上述の機能面１，２，３のための限界条件をできるだけ十分に満たすことが望ましい反射防止層、位相格子、およびミラーの組合せを考察する。

方程式（１．１）および（３．１）の条件は同一であり、したがって、いずれの場合にも同時に満たすことができる。方程式（１．２）および（３．２）の条件は、同時に満たすことができない。方程式（３．２）を満たした場合には反射防止層はもはや存在しないが、方程式（１．２）を満たした場合には位相格子はまだ可能なので、方程式（１．２）の条件はより好ましい。

金属ミラーは上記条件とは無関係に常に可能であり、誘電性ミラーのためには条件（２．１），（２．２），（２．３）が満たされている必要がある。

これらの考察に基づいて、多数の試験および模擬計算を行い、本発明の基礎をなす一般概念のための様々な具体的な実施例が見いだされた。これらの実施例を次に説明する。それぞれの層厚さは、位置測定装置で使用される光の波長の関数であり、上記方程式に基づいて近似的に決定することができる。上記典型的な屈折率は約１０００ｎｍの波長に関係している。この場合、模擬計算は、最適な目盛幅（１次の回折次数の最大強度のための比率、目盛幅／間隙）を備える線形回折格子への偏光の垂直入射に基づいている。

特に好ましい第１実施例は、金層Ｂ１を備える金属ミラーに基づいている。

位相格子の１次の最大回折効率は、この層システムでは２０μｍの格子周期で１７％であり、０次の回折次数ではまだ入射光の１１％である。これは、１次の回折効率が１４％である金層を備える純粋な振幅格子に比べて明確な改善である。反射防止層の反射率は９％であり、ミラーの反射率は９６％である。

第２層スタックＢの第１層Ｂ１は金層であり、金層は、この金層を保護するためにクロムからなる第２層Ｂ２により覆われている。第１層Ｂ１は、代替的には、例えばアルミニウムまたは銀によって実施してもよい。第３層Ｂ３はここでは不可欠ではない。第２（クロム）層Ｂ２の後には屈折率が１の周辺が続く。

基板Ｓとして、この実施例および他の全ての実施例では、できるだけ小さい膨張係数を備える透明なガラスセラミックが用いられる。走査プレートは、温度変化が生じた場合にも形状を大部分は保持する。そのようなガラスセラミックは、「ゼロデュア」という商品名で知られている。例えば石英（例えばＨｅｒａｓｉｌ、Ｓｕｐｒａｓｉｌ、ＵＬＥ）などの他の光学的なガラス体も同様に可能である。

個々の層厚さについては、走査のために使用される光の波長が１０００ｎｍの場合には、ほぼ次の値が得られる：Ａ１ ９０ｎｍ、Ａ２ １００ｎｍ、Ａ３ ９０ｎｍ、Ｂ１ ８０ｎｍ、Ｂ２ １００ｎｍ。１０ｎｍは、誘電層のために有意義な精度範囲である。金属ミラーの層Ｂ１，Ｂ２もしくは金属ミラーの裏側の純粋な保護層については、厚さは明確により大きく異なっていてもよい。

第２実施例は誘電性ミラーに基づいている。

位相格子の１次の最大回折効率は、この層システムでは、２０μｍの格子周期で１５％であり、０次の回折次数ではまだ入射光の１１％である。反射防止層の反射率は７％であり、ミラーの反射率は８７％である。

第３実施例は金属ミラーに基づいている。

位相格子の１次の最大回折効率は、この層システムでは、２０μｍの格子周期で３１％であり、０次の回折次数ではまだ入射光の１％である。反射防止層の反射率は６０％であり、ミラーの反射率は９６％である。

第４実施例は誘電性ミラーに基づいている。

位相格子の１次の最大回折効率は、この層システムでは、２０μｍの格子周期で１２％であり、０次の回折次数ではまだ入射光の８％である。反射防止層の反射率は１３％であり、ミラーの反射率は６５％である。

第５実施例は誘電性ミラーに基づいている。

位相格子の１次の最大回折効率は、この層システムでは、２０μｍの格子周期で１８％であり、０次の回折次数ではまだ入射光の６％である。反射防止層の反射率は１４％であり、ミラーの反射率は９６％である。

第６実施例は誘電性ミラーに基づいている。

位相格子の１次の最大回折効率は、この層システムでは、２０μｍの格子周期で３１％であり、０次の回折次数ではまだ入射光の３％である。反射防止層の反射率は６８％であり、ミラーの反射率は８７％である。

第７実施例は誘電性ミラーに基づいている。

位相格子の１次の最大回折効率は、この層システムでは、２０μｍの格子周期で３２％であり、０次の回折次数ではまだ入射光の２％である。反射防止層の反射率は６２％であり、ミラーの反射率は９６％である。

多数の実施例に基づいて、第１および第２層スタックＡ，Ｂの２つの層スタックのみによって３つの機能面１，２，３を実現するという原理では妥協を強いられることがわかる。それにもかかわらず、多数の異なる可能性から、それぞれ最も差し迫って必要な特性（回折格子の回折効率、反射防止層およびミラーの反射率）を特に良好に実現するし、他の特性も十分に良好である適切な組み合わせを見つけることができる。位相格子の良好な回折効率によって多機能の光学層システムの作製を容易にするという課題は、本発明によって達成される。

１ 第１機能面
２ 第２機能面
３ 第３機能面
Ａ 第１層スタック
Ｂ 第２層スタック
Ｓ 基板
層 Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３
厚さ ｄＡ１，ｄＡ２，ｄＡ３，ｄＢ１，ｄＢ２，ｄＢ３

Claims (13)

1. 位置測定装置のための光学層システムであって、
   透明な基板（Ｓ）の表面に、それぞれ異なる光学機能を有する少なくとも第１、第２、および第３機能面（１，２，３）が設けられている光学層システムにおいて、
   前記第１機能面（１）は、前記第１層スタック（Ａ）により形成され、反射防止層として作用し、
   前記第３機能面（３）は、前記第２層スタック（Ｂ）により形成され、ミラーとして作用し、
   前記第２機能面（２）は、間隔をおいて交互に配置された前記第１および第２層スタック（Ａ，Ｂ）により形成され、光回折格子として作用する
   ことを特徴とする位置測定装置のための光学層システム。
2. 請求項１に記載の光学層システムにおいて、
   前記間隔が１ｍｍ未満である光学層システム。
3. 請求項１に記載の光学層システムにおいて、
   前記間隔が５０μｍ未満である光学層システム。
4. 請求項１に記載の光学層システムにおいて、
   前記間隔が２０μｍ未満である光学層システム。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の光学層システムにおいて、
   前記第２機能面（２）が、位相格子である光学層システム。
6. 請求項１から５までのいずれか一項に記載の光学式の層システムにおいて、
   前記第３機能面（３）が金属ミラーとして形成されており、前記第２層スタック（Ｂ）がちょうど２つの層（Ｂ１，Ｂ２）を含む光学式の層システム。
7. 請求項６に記載の光学層システムにおいて、
   前記第２層スタック（Ｂ）が、
   基板（Ｓ）に配置されており、金または代替的にアルミニウムまたは銀からなる層（Ｂ１）と、層（Ｂ１）に配置されており、クロムからなる保護層（Ｂ２）とにより構成されている光学層システム。
8. 請求項７に記載の光学層システムにおいて、
   前記層（Ｂ１）が約８０ｎｍの厚さを備える光学層システム。
9. 請求項１から８までのいずれか一項に記載の光学層システムにおいて、
   前記第１層スタック（Ａ）が、次の層：酸化クロムからなり、基板（Ｓ）に配置された第１層（Ａ１）、クロムからなる第２層（Ａ２）、および酸化クロムからなる第３層（Ａ３）
   から構成されている光学層システム。
10. 請求項９に記載の光学層システムにおいて、
    前記第１層（Ａ１）および前記第３層（Ａ３）が約９０ｎｍの厚さであり、前記第２層（Ａ２）が約１００ｎｍの厚さである光学層システム。
11. 請求項１から５までのいずれか一項に記載の光学層システムにおいて、
    前記第３機能面（３）が誘電性ミラーとして形成されている光学層システム。
12. 基準器および走査ヘッドを備える位置測定装置において、
    走査ヘッドが、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の光学層システムを備える走査プレートを含む位置測定装置。
13. 請求項１２に記載の位置測定装置において、
    前記第２機能面（２）が、基準器において参照マークを走査するために用いられる位置測定装置。
    

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