本發(fā)明涉及一種用位置測量裝置的光學(xué)層系統(tǒng)。這樣的光學(xué)層系統(tǒng)滿足在成型、引導(dǎo)和評估用于掃描位置測量裝置中的光學(xué)量具的光束時(shí)的不同目的。
背景技術(shù)：
：ep2450673b1公開了一種光學(xué)位置測量裝置，其以借助光線對量具的掃描為基礎(chǔ)。為此，在掃描頭中光源的光線穿過透明的掃描板引導(dǎo)到比例尺上，從那里反射回掃描頭并且在傳感器單元中被檢測到。通過評估傳感器信號測定出高精度的位置值，其給出在掃描頭和量具之間的待測量的推移。在此，為了特定的功能在此甚至必要的是，光線多次地到達(dá)量具上。掃描板因此不僅在其上側(cè)而且在其下側(cè)都具有不同的功能面，其起到反射器或者鏡面或者柵結(jié)構(gòu)(例如衍射光柵或者衍射透鏡的形式)作用，以及具有這樣的面，其具有抗反射層，從而在掃描板的內(nèi)部和外部吸收干擾性的散射光。鏡面例如可以利用在掃描板的透明的基板上蒸發(fā)鍍膜的金屬產(chǎn)生。介電鏡面也是可行的，其通過由多個(gè)層的組合來起到反射作用，這些層具有仔細(xì)選擇的、匹配所使用的光線的波長的折射指數(shù)和層厚度。光柵可以設(shè)計(jì)成相位光柵，其由兩個(gè)交替布置的反射層組成，其中的一個(gè)反射層具有光學(xué)延遲的間距層，其在零位的衍射等級的方向中引發(fā)180度的相位變化。振幅光柵相反基于交替的明和暗區(qū)域，例如像在結(jié)構(gòu)化的金屬層的情況中一樣。用于光柵和其在位置測量裝置中的應(yīng)用的實(shí)例由ep0742455a1(相位光柵)或者de10236788a1(振幅光柵)公開?？狗瓷鋵佑钟删哂胁煌墓鈱W(xué)密度的層構(gòu)成，其吸收散射光。這樣的層或者具有極不同的目的的層堆疊的制造在技術(shù)上且由過程決定是成本耗費(fèi)大的。其對于每個(gè)層都提出了最高的質(zhì)量要求，從而最終實(shí)現(xiàn)盡可能精確的位置測量。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是提出一種用于位置測量裝置的光學(xué)層系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)能夠滿足極其不同的要求，但是其能夠以盡可能小的成本來制造。公開了一種用于位置測量裝置的光學(xué)層系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)能夠在透明的基板的表面上提供具有相應(yīng)不同光學(xué)功能的至少一個(gè)第一、第二和第三功能面。這些功能面由第一層堆疊和第二層堆疊構(gòu)成。第一功能面在整個(gè)面上由第一層堆疊構(gòu)成并且起到抗反射層作用，而第三功能面在整個(gè)面上由第二層堆疊構(gòu)成并且起到鏡面作用。通過使這兩個(gè)層堆疊以小于1mm，優(yōu)選小于50μm，特別優(yōu)選是小于20μm交替地布置的方式，第二功能面起到光柵作用。光柵與在位置測量裝置中使用的光線結(jié)合產(chǎn)生衍射效果。該衍射效果導(dǎo)致投射到光柵上的光線分解成不同的衍射等級，其具有相應(yīng)不同的方向和強(qiáng)度。利用其周期性和光柵向量能夠局部地變化的這種光柵，能實(shí)現(xiàn)最不同的光學(xué)功能，例如像衍射透鏡。本發(fā)明的另外的優(yōu)點(diǎn)和細(xì)節(jié)與接下來根據(jù)附圖對不同的實(shí)施例的接的描述給出。附圖說明在此示出：圖1是用于位置測量裝置的光學(xué)層系統(tǒng)。具體實(shí)施方式圖1示出了用于定位測量系統(tǒng)的光學(xué)層系統(tǒng)。在透明的基板s上有三個(gè)不同的功能面1，2，3，其相應(yīng)地承擔(dān)在位置測量裝置的掃描光路中的不同任務(wù)。因此第一功能面1是抗反射層，其用于抑制和吸收在掃描板內(nèi)部和外部的不希望的散射光。第二功能面2表現(xiàn)為光柵，其周期性的結(jié)構(gòu)與入射的光線交互作用。在此，其可以是相位光柵或者振幅光柵。為了實(shí)現(xiàn)希望的光學(xué)作用，能夠預(yù)設(shè)能變化的光柵周期和光柵周期的能變化的方向。這意味著，即光柵的條紋能夠彎曲，例如為了實(shí)現(xiàn)射束對焦。這樣的光柵例如能夠用于檢測在位置測量裝置的比例尺上的參考標(biāo)記，從而能夠測定絕對位置，基于絕對位置能夠根據(jù)周期信號檢測在比例尺和掃描頭之間的位移。第三功能面3起到鏡面作用并且反射從基板s起入射的光線。該效果能夠通過金屬鏡面或者介電鏡面實(shí)現(xiàn)，如在不同的實(shí)施例中還要進(jìn)一步闡述。根據(jù)本發(fā)明，三個(gè)功能面1，2，3借助光學(xué)層系統(tǒng)來構(gòu)造，其僅僅包括剛好兩個(gè)不同的層堆疊，即第一層堆疊a和第二層堆疊b。在此，第一功能面1(也就是抗反射層)在整個(gè)面上由第一層堆疊a形成，第三功能面3(也就是鏡面)在整個(gè)面上由第二層堆疊b形成。第二功能面2(也就是光柵)由這兩個(gè)層堆疊a，b的周期性的、交替地布置構(gòu)成。這兩個(gè)層堆疊a，b的布置在此可以在一個(gè)方向上是周期性的(例如線性光柵)，或者在兩個(gè)方向上也是周期性的(例如棋盤圖案或者交叉光柵)。具有任意的衍射結(jié)構(gòu)的衍射透鏡能夠由兩個(gè)層堆疊a，b的合適的排列制造。因此，盡管提供了三個(gè)極其不同的功能面1，2，3，但降低了用于制造這種具有光學(xué)層系統(tǒng)的基板s的成本，在該基板s上以自身已知的方法(例如層的分離，光刻，蝕刻，剝離工藝等等)以合適的空間分布施加僅僅兩個(gè)不同的層堆疊a，b。作為應(yīng)用的實(shí)例，觀察光學(xué)層系統(tǒng)在位置測量裝置的具有比例尺和掃描頭的掃描板中的應(yīng)用，如其在上述的ep2450673b1中所示出的那樣。在此，尤其是觀察掃描板的上部的、背離比例尺的側(cè)面，其中來自基板s的光線投射到其相對于周圍環(huán)境的界限面上，或者投射到布置在界限面上的層堆疊a，b上。層堆疊a，b的各個(gè)層以a1，a2，a3和b1，b2，b3標(biāo)識，相應(yīng)地以第一層a1或者b1開始，其直接布置在基板s上。這些層的厚度然后以da1，da2，da3，db1，db2，db3標(biāo)識。相應(yīng)的層的折射率以na1，na2，na3，nb1，nb2，nb3標(biāo)識，基板s的折射率以ns標(biāo)識并且周圍環(huán)境的折射率以nu標(biāo)識。為了簡單理解的圖示，在下面的觀察中從垂直入射的光線和具有純粹真實(shí)的折射率n的層出發(fā)。多重反射被忽略。相關(guān)于優(yōu)化的抗反射層適用于以下考慮：為了實(shí)現(xiàn)光線在界限面s向a1和a1向a2的反射之間的相位偏移π，應(yīng)該適用：da1＝l/(4*na1)(1.1)ns<na1<na2(1.2)此外，對于最小反射來說應(yīng)該在理想的情況中滿足：na1＝sqr(ns*na2)(1.3)層a3是可選的并且形成相對掃描板的周圍環(huán)境(nu＝1)的抗反射層。在理想的情況中應(yīng)該在此適用：da1＝l/(4*na1)(1.4)nu<na3<na2(1.5)na3＝sqr(nu*na2)(1.6)對于作為鏡面起作用的第三功能面3或?qū)τ诘诙佣询Bb來說，在金屬鏡面和介電鏡面之間是不同的。在金屬鏡面的情況中，層b1由金屬制成。層b2僅僅用于保護(hù)層b1受到損害并且用于遮蓋層b1。層b3被省去并且相當(dāng)于周圍環(huán)境。對于介電鏡面來說，對于界限面s向b1，b1向b2以及b2向b3的反射來說相應(yīng)的全波長應(yīng)該實(shí)現(xiàn)過程區(qū)別。由此得出：db1＝l/(4*nb1)(2.1)db2＝l/(4*nb2)(2.2)ns<nb1>nb2(2.3)最后觀察設(shè)計(jì)成相位光柵的第二功能面2。相位光柵因?yàn)槠漭^高的衍射效率(也就是入射的光線的衍射成第一衍射等級的分?jǐn)?shù))相對于振幅光柵是優(yōu)選的。為了抑制多數(shù)情況下零位的衍射等級，應(yīng)該在s向b1的過渡以及a1向a2的過渡的光反射之間產(chǎn)生180度的相位差。因此應(yīng)該適用：da1＝l/(4*na1)(3.1)最大可能的衍射效率在適用下式時(shí)實(shí)現(xiàn)：ns＝na1(3.2)并且此外(ns-nb1)/(ns+nb1)＝(na1-na2)/(na1+na2)(3.3)現(xiàn)在應(yīng)該觀察由抗反射層、相位光柵和鏡面構(gòu)成的組合，其僅僅由兩個(gè)層堆疊a和b構(gòu)成，但是其應(yīng)該盡可能良好地滿足用于所述的功能面1，2，3的邊界條件。等式(1.1)和(3.1)的條件是相同的并進(jìn)而在任何情況中能夠同時(shí)被滿足。等式(1.2)和(3.2)的條件能夠不同時(shí)滿足。因?yàn)樵跐M足等式(3.2)時(shí)不再產(chǎn)生抗反射層，但是在滿足等式(1.2)時(shí)相位光柵還是可行的，等式(1.2)的條件具有優(yōu)點(diǎn)。金屬鏡面與所述的條件無關(guān)地總是可行的，對于介電鏡面來說等式(2.1)，(2.2)，(2.3)必須被滿足。以該考慮為基礎(chǔ)，利用大量的實(shí)驗(yàn)和仿真計(jì)算而找出用于本發(fā)明的所基于的普遍性方案的大量具體實(shí)例。這在接下來示出。相應(yīng)的層厚度取決于在位置測量裝置中應(yīng)用的光線的波長，并且能夠基于上述的等式近似的確定。給出的典型的折射率涉及大約1000nm的波長。仿真在此從在具有理想的條紋寬度(用于第一衍射等級的最大強(qiáng)度的條紋寬度/縫隙的比例)的線性光柵上垂直入射的線性極化光線出發(fā)。第一特別優(yōu)選的實(shí)施例基于具有金層b1的金屬鏡面：層材料折射率s微晶玻璃1.53a1cr2o32.25+i0.01a2cr3.10+i1.20a3cr2o32.25+i0.01b1au0.28+i6.81b2cr3.10+i1.20b3-1.00在該層系統(tǒng)中并且在光柵周期為20μm時(shí)，相位光柵的第一等級的最大衍射效率為17％，而11％入射的光線還處于零位的衍射等級中。其與具有金層的純振幅光柵相比是明顯改善的，其中該振幅光柵的第一等級的衍射效率為14％。抗反射層的反射為9％，鏡面的反射為96％。在第二層堆疊b中的第一層b1是金層，其為了其保護(hù)而被覆蓋有由鉻制成的第二層b2。第一層b1能可選地例如也利用鋁和銀實(shí)現(xiàn)。第三層b3在此不是必要的，在第二(鉻)層b2之后跟隨有具有折射率為1的周圍環(huán)境。在該實(shí)施例和所有的另外的實(shí)施例中，使用具有盡可能少的延展系數(shù)的透明玻璃陶瓷作為基板s。該掃描板因此也在溫度變化時(shí)盡量保持其形狀。這樣的玻璃陶瓷例如以商業(yè)名稱為微晶玻璃(zerodur)已知。另外的光學(xué)玻璃體，例如石英(例如herasil，suprasil，ule)同樣是可以的。對于各個(gè)層厚度來說，在為了掃描而使用的光線的波長是1000nm時(shí)，大約給出接下來的值：a190nm，a2100nm，a390nm,b180nm,b2100nm。10nm對于介電層來說是有意義的精度范圍。在金屬鏡面的層b1，b2或者在金屬鏡面的背側(cè)上的純保護(hù)層中，厚度也可以明顯更多地不同。第二實(shí)施例基于介電鏡面：層材料折射率s微晶玻璃1.53a1cr2o32.25+i0.01a2cr3.10+i1.20a3cr2o32.25+i0.01b1si3.57b2sio21.44b3si3.57在該層系統(tǒng)中并且光柵周期為20μm時(shí)，相位光柵的第一等級的最大衍射效率為15％，而11％入射的光線還處于零位的衍射等級中。抗反射層的反射為7％，鏡面的反射為87％。第三實(shí)施例基于金屬鏡面：層材料典型的折射率基板微晶玻璃1.53a1si3.57a2al1.51+i9.26a3si3.57b1au0.28+i6.18b2cr3.10+i1.20b3-1.00在該層系統(tǒng)中并且光柵周期為20μm時(shí)，相位光柵的第一等級的最大衍射效率為31％，而1％入射的光線還處于零位的衍射等級中?？狗瓷鋵拥姆瓷錇?0％，鏡面的反射為96％。第四實(shí)施例基于介電鏡面：在該層系統(tǒng)中并且光柵周期為20μm時(shí)，相位光柵的第一等級的最大衍射效率為12％，而8％入射的光線還處于零位的衍射等級中?？狗瓷鋵拥姆瓷錇?3％，鏡面的反射為65％。第五實(shí)施例基于介電鏡面：層材料折射率基板微晶玻璃1.53a1tio22.43a2ti3.37+i3.24a3tio22.43b1au0.28+i6.18b2cr3.10+i1.20b3-1.00在該層系統(tǒng)中并且在光柵周期為20μm時(shí)，相位光柵的第一等級的最大衍射效率為18％，而6％入射的光線還處于零位的衍射等級中?？狗瓷鋵拥姆瓷錇?4％，鏡面的反射為96％。第六實(shí)施例基于介電鏡面：層材料折射率基板微晶玻璃1.53a1ta2o52.10a2ta0.98+i4.89a3ta2o52.10b1ta2o52.10b2sio21.44b3ta0.98+i4.89在該層系統(tǒng)中并且在光柵周期為20μm時(shí)，相位光柵的第一等級的最大衍射效率為31％，而3％入射的光線還處于零位的衍射等級中?？狗瓷鋵拥姆瓷錇?8％，鏡面的反射為87％。第六實(shí)施例基于金屬鏡面：在該層系統(tǒng)中并且光柵周期為20μm時(shí)，相位光柵的第一等級的最大衍射效率為32％，而2％入射的光線還處于零位的衍射等級中。抗反射層的反射為62％，鏡面的反射為96％。根據(jù)大量的實(shí)施例可以獲知，即利用僅僅兩個(gè)層堆疊a，b實(shí)現(xiàn)三個(gè)功能面1，2，3的原理迫使進(jìn)行妥協(xié)。因此，能夠從多種不同的可行性中發(fā)現(xiàn)合適的組合，其特別良好地轉(zhuǎn)換成相應(yīng)最緊急需要的特性(光柵的衍射效率，抗反射層和鏡面的反射)，并且在其余的特性方面是足夠好的。利用本發(fā)明實(shí)現(xiàn)簡化多功能的、具有相位光柵的良好的衍射效率的光學(xué)層系統(tǒng)的生產(chǎn)的目的。當(dāng)前第1頁12