JPH08254607A - 位相格子 - Google Patents
位相格子Info
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- JPH08254607A JPH08254607A JP8006651A JP665196A JPH08254607A JP H08254607 A JPH08254607 A JP H08254607A JP 8006651 A JP8006651 A JP 8006651A JP 665196 A JP665196 A JP 665196A JP H08254607 A JPH08254607 A JP H08254607A
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- 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
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- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Optical Transform (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
- Testing Of Optical Devices Or Fibers (AREA)
- Holo Graphy (AREA)
Abstract
て周知の難点を有していない、汚れに鈍感な位相格子を
提供する。 【解決手段】 起伏構造体2を周囲の媒体4に対して保
護されていない光電位置測定装置の位相格子、特に透過
型位相格子にあって、周囲の媒体4のタイプに無関係
に、起伏構造体2と周囲の媒体4との間の屈折率の相違
が必ず得られるように、周囲の媒体4の屈折率nU とは
異なる屈折率nを起伏構造体2の材料が有する。
Description
囲の媒体に対して保護されていない光電位置測定装置の
位相格子、特に透過型位相格子に関する。
elm)の学位論文「三重格子ステップ変換器」(Dreigitte
rschrittgeber)で第 17 頁以降に位相格子が記載されて
いる。第 19 頁には、この種の位相格子の汚れ感度が詳
しく論じてある。ここでは以下のことが記載されてい
る。つまり、「位相格子は汚れに敏感である。透過型位
相格子の溝に同じ屈折率nの液体が詰まると、この格子
は最早機能しない。反射型位相格子は汚れに幾分強い。
何故なら、ここでは、格子の機能を無くするためには液
体が屈折率n=2を有する必要があるからである。この
ため、保護された反射型位相格子には初めから「浸液」
が満たしてある。そうすると、格子の表面の汚れは格子
の回折作用の度合いに関して影響を与えない。透過型位
相格子は、問題のある使用例の場合、ガラス窓で気密封
止して被覆されている」。
にするため、ドイツ特許第 34 12 958 A1 号明細書によ
れば、保護された透過型位相格子が開示されている。こ
の記載によれば、ガラス製の透明な基板の上にフォトリ
ソグラフィーで誘電材料から成る階段状の格子が付けて
ある。この階段状の格子を外部から保護するため、透明
な被覆層として全面に付けた光学接着層が階段状の格子
の上に配置されている。階段状の格子の表面と透明基板
の格子のない表面は光学接着層で完全に被覆されている
ので、汚れ用のこれ等の表面に外から処理できない。
相格子は相当な製造経費を必要とする。汚れに鈍感とな
るように位相格子を形成するのに行われている解決策
は、問題となる部分を中実体で形成することにある。そ
れ故、そのような保護格子の製造法はコストがかかり、
高価格になるか、あるいは微細な格子に対して全く使用
できない。
単に作製でき、問題となる擾乱媒体に対して周知の難点
を有していない、汚れに鈍感な位相格子を提供すること
にある。
により、起伏構造体2を周囲の媒体4に対して保護され
ていない光電位置測定装置の位相格子、特に透過型位相
格子にあって、周囲の媒体4のタイプに無関係に、起伏
構造体2と周囲の媒体4との間の屈折率の相違が必ず得
られるように、起伏構造体2の材料が周囲の媒体4の屈
折率nU とは異なる屈折率nを有することによって解決
されている。
求の範囲の従属請求項に記載されている。
より詳しく説明する。図1に示す位相格子1は基板3の
上に付けた起伏構造体2で構成されている。この起伏構
造体2は高屈折率材料で作製されている。この材料は、
主として二酸化チタン(TiO2),五酸化タンタル(Ta2O5)
あるいは酸化アルミニウム(Al2O3)のような誘電材料で
ある。基板3の材料は、主としてガラス、石英等の通常
の材料である。
折率nU = 1の空気である。図2と図3に示す例のよう
に位置測定装置の位相格子1をこの発明により保護しな
いで使用するため、実際には、既に説明したように、
水、溶剤、油等のような媒体により位相格子1,特にそ
の起伏構造体2が汚れる。この媒体の屈折率の範囲はn
U ≒ 1.3〜 1.6である。従って、ほぼnS ≒ 1.5となっ
ている基板3の屈折率nS に近い。この場合、保護され
ていないと言うことは、製造時に起伏構造体2の溝が目
的通りに充填されているのでなく、使用期間中、周囲の
媒体に直接曝されていることを意味する。
ているか、あるいは完全い一致している場合には、格子
1の回折作用が極度に低減されるか、無くなる。しか
し、起伏構造体2を形成するため、先に述べた Ta2O5,
TiO2あるいは Al2O3のような高屈折率の材料(n> 1.
8)を使用すると、実際上必ず十分な屈折率の相違が存
在し、位相格子1の回折作用が得られる。
ず難点が現れる。何故なら、起伏構造体2の境界面での
反射がかなり大きくなるからである。これは格子表面
(起伏構造体2)での反射損失を与える。それ故、望ま
しくない散乱光が生じる。これ等の難点は起伏構造体2
の材料の屈折率nを適当に組み合わせ、それ等の幾何学
配置により防止される。
ェブの幅Bの外に、光学的に有効な位相の深さΘが重要
である。この位相の深さΘは起伏構造体2のウェブの高
さhと、起伏構造体2の屈折率nと周囲の媒体4の屈折
率nU との屈折率の差に依存する。光学的に有効な位相
の深さΘは、公式
構造体2の材料の屈折率、λは光の波長、hは起伏構造
体2のウェブの高さ、およびnU は周囲の媒体4の屈折
率である。即ち、同じ回折特性の位相格子1は屈折率n
とウェブの高さhの無限に多くの組み合わせにより作製
されることを意味する。位相格子1の設計はnU =1と
して行われる。
つまり周囲の媒体4から起伏構造体2に移行する場合
と、起伏構造体2から周囲の媒体4に移行する場合に生
じることに配慮する必要がある。ウェブの高さhを適当
に選ぶと、二つの反射のビーム束が相互に破壊的に干渉
する。つまり相互に溶け合ってしまうようにできる。垂
直入射を仮定すると、これは、
は、
ような位相格子を製造する時、条件 (II) あるいは (I
I')を必ず守るように注意する必要がある。以下のこと
が具体的に分かる。
すると、
る。例えばΘ=πである。これから、N=2とM=0で
nとなる。つまり、格子1の起伏構造体2を高さhと2
に近い屈折率nを有するウェブで構成する。その時、必
要なウェブの高さhが公式 (I)から導ける。これ等の考
察は起伏構造体2からそして基板3の側からも位相格子
1を照明する場合に当てはまる。
を示すため、図2と図3に基づき位置測定装置を説明す
る。干渉計5の光学構造が、図2に極端に単純化し、展
開光路にして示してある。照明装置は光源Q,集光レン
ズKおよび光電素子P1,P2,P3 で構成されている。光
源Qと集光レンズKにより発生する平面波および回折波
は波面に対する法線で示してある。波長λの平面波を前
提として、この平面波が走査格子Gに垂直に入射する。
した部分ビーム束が光の周波数の位相で格子の運動によ
り変調されることに基づいている。これは、格子目盛板
Mが一格子周期ほど移動する間に、二つの1次の回折部
分ビーム束の位相がそれぞれ 360°移動することを意味
する。この場合、+1次と−1次の位相は逆向きに移動
する。±1次のビーム束が再び干渉すると、二重の移動
周波数で変調された光ビーム束が生じる。
盛板でも当てはまる。しかし、位相格子は0次のビーム
が消滅し、二つの1次ビームに入射されたエネルギの大
部分が利用されるように設計される。光源(赤外線放射
器Q)から出たビームは集光レンズKにより平行にさ
れ、走査位相格子Gを照明する。
光ビーム束Lは一部が回折するか通過する。この場合に
生じた部分ビーム束A',B−CとD' は反射位相格子の
目盛板Mで回折し、走査位相格子GあるいはG' に再入
射して互いに干渉する。集光レンズKは平行な部分ビー
ム束A'''/B' ,A''/ B''あるいはC''/ D''および
D'''/C' を付属する光検出器P1,P2,P3 に集束させ
る。
1,P2,P3 はそれぞれ一信号周期の1/3ほど位相のずれ
た信号(信号周期=目盛板の位相格子の周期の半分)を
出力する。この位相の移動は、既に欧州特許第 0 163 3
62 B1 号明細書により周知であるように、走査格子Gあ
るいはG' の構成(溝の幅と溝の深さ)により決まる。
射波はインデックス格子(走査格子)Gを通過すると実
質上3つの方向−1,0,+1に回折される。その場
合、インデックス格子Gは、0次のビームが±1次のビ
ームに比べて位相を値Φほど遅れるように構成される。
ビームが目盛板Mに入射すると、それぞれ±1次の方向
に回折する。目盛板Mは0回折次数が生じないように構
成される。
格子GとG' (部材としは両者は同一)に対して移動す
ると、目盛板Mで回折した+1次(n=+1)のビーム
は移動量xに比例する位相変化を値Ωほど、また目盛板
Mで回折した−1次(n=−1)のビームは移動量xに
比例する位相変化を値−Ωほど行う。この場合、
G' を通過すると、再び回折と位相のずれが生じる。同
じ方向と同じ光路長を有する波が互いに干渉する。この
場合、干渉する部分波の位相は、格子を通過した時に個
々の部分ビームが受ける位相変化の和から与えられる。
単色化されていない空間的に非干渉性の光源を用いた照
明では、方向+1,0,−1を向く干渉した波のみが信
号発生に寄与する。
相−Ωの波と位相 2Φ+Ωの波と干渉する。格子目盛
G,G' およびMとして、好ましくは位相格子が使用さ
れ、これ等の格子は、図1に示すように、この発明によ
る透過型位相格子として構成されている。
る測長装置あるいは測角装置とは異なり、この発明によ
る位相格子G,G' では、周囲の媒体が乱れを与えな
い。この発明による透過型位相格子は、起伏構造体2が
屈折率nを有するウェブから成り、その間にある溝が透
明であって、測定ビーム束(部分ビーム束)が通過する
ことを意味する。
は、ここに提案する位相格子が、簡単に作製でき、問題
となる擾乱媒体に対して周知の難点を有していなく、し
かも汚れに鈍感である点にある。
模式光線図、
Claims (4)
- 【請求項1】 起伏構造体(2)を周囲の媒体(4)に
対して保護されていない光電位置測定装置の位相格子、
特に透過型位相格子において、周囲の媒体(4)のタイ
プに無関係に、起伏構造体(2)と周囲の媒体(4)と
の間の屈折率の相違が必ず得られるように、起伏構造体
(2)の材料が周囲の媒体(4)の屈折率(nU )とは
異なる屈折率(n)を有することを特徴とする位相格
子。 - 【請求項2】 起伏構造体(2)の屈折率(n)は周囲
の媒体(4)の屈折率(nU )より大きいことを特徴と
する請求項1に記載の位相格子。 - 【請求項3】 起伏構造体(2)は基板(3)の上に付
けてあることを特徴とする請求項1に記載の位相格子。 - 【請求項4】 起伏構造体(2)のウェブの幾何学的な
高さ(h)とその材料の屈折率(n)は、周囲の媒体
(4)から起伏構造体(2)へ、および起伏構造体
(2)から周囲の媒体(4)へ移行する時に生じる反射
が破壊的な干渉により大幅に消失するように、相互に調
整されていることを特徴とする請求項1に記載の位相格
子。
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