DE19639499A1 - Auflicht-Phasengitter - Google Patents
Auflicht-PhasengitterInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Auflicht-
Phasengitter, über das die auf mehrere Reflexions
schichten auftreffenden Lichtbündel nach erfolgter
Reflexion in definierter Art und Weise in ihrer
relativen Phasenlage zueinander verschoben werden.
Insbesondere geeignet ist ein derartiges Auflicht-
Phasengitter etwa für den Einsatz in einer licht
elektrischen Positionsmeßeinrichtung, mit der die
Relativlage zweier zueinander beweglicher Objekte
definiert bestimmbar ist.
Es ist bekannt, daß Phasengitter gegenüber Ampli
tudengittern den Vorteil einer höheren Beugungs
effizienz aufweisen. So kann man mit Hilfe von Pha
sengittern im Strahlengang entsprechender optischer
Systeme einen deutlich höheren Relativanteil der
Intensität einfallender Teilstrahlenbündel defi
niert in bestimmte Raumrichtungen beugen als dies
etwa mit vergleichbaren Amplitudengittern möglich
ist. Übliche Phasengitter weisen hierzu an der den
einfallenden Teilstrahlenbündeln entgegengerich
teten Seite ein Stufengitter auf. Die stufenartig
strukturierte Oberfläche hat jedoch wiederum Nach
teile zur Folge, wenn z. B. Verunreinigungen in den
Stufen-Vertiefungen vorhanden sind und dort den
Brechungsindex undefiniert verändern. Zudem läßt
sich eine derart strukturierte Oberfläche nur mit
erhöhtem verfahrenstechnischen Aufwand herstellen.
Zur Lösung dieser Problematik wird deshalb in der
EP 0 160 784 vorgeschlagen, zwei beabstandete, na
hezu planare Reflexionsschichten vorzusehen, die zu
beiden Seiten einer transparenten Abstandsschicht
angeordnet sind. Von den beiden Reflexionsschichten
ist mindestens eine als Amplitudengitter ausgebil
det. In einer möglichen Ausführungsform ist die
untere der beiden Reflexionsschichten als durchge
hende Spiegelschicht, üblicherweise als Metall
schicht ausgebildet. Um nunmehr in Reflexion hohe
Beugungseffizienzen zu erzielen, sollte insbeson
dere das Reflexionsvermögen der unteren, durchge
henden Spiegelschicht möglichst hoch ausgelegt
sein. Als geeignete Materialien für die Spiegel
schicht kommen beispielsweise Gold, Silber, Kupfer
oder aber Aluminium in Frage. Als nachteilig bei
diesen Materialien erweist sich jedoch, daß sie
relativ weich sind, was wiederum eine mangelnde
Haftung der darüber angeordneten Schichten bedingt.
Wählt man hingegen härtere Schichten als Material
für die durchgehende, untere Spiegelschicht, wie
etwa Chrom oder Titannitrid, die einen zuverläs
sigen Schichtaufbau, respektive eine gute Haftung
gewährleisten, so nimmt man ein relativ geringes
Reflexionsvermögen in Kauf. Die Beugungseffizienz
ist demzufolge nicht ausreichend.
Aus der Veröffentlichung "High-efficiency
multilayer dielectric diffraction gratings" von
M.D. Perry et al. in Optics Letters, Vol. 20, No.
B, April 15, 1995, Seite 940-942 sind ferner Auf
licht-Phasengitter bekannt, in denen eine reflek
tierende Schicht aus einem Stapel mit mehreren di
elektrischen Teilschichten aufgebaut ist. Die al
ternierend angeordneten Schichten mit hohem und
niedrigem Brechungsindex wirken dabei in bekannter
Art und Weise als dielektrische Spiegelschicht. Dem
einfallenden Lichtbündel zugewandt ist eine struk
turierte Gitteroberfläche vorgesehen. Zwar erreicht
man mit einer derartigen Anordnung relativ hohe
Beugungseffizienzen und einen zuverlässigen, harten
Schichtaufbau, jedoch bereitet die erforderliche
Strukturierung der Oberfläche den gleichen verfah
renstechnischen Aufwand, der bereits eingangs er
wähnt wurde.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher,
ein Auflicht-Phasengitter zu schaffen, das die er
wähnten Nachteile des Standes der Technik vermeidet
und insbesondere eine einfache Fertigung ermöglicht
sowie eine hohe Beugungseffizienz sicherstellt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Auflicht-Pha
sengitter mit den Merkmalen des Anspruches 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen
Auflicht-Phasengitters ergeben sich aus den Maßnah
men der abhängigen Ansprüche.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Auflicht-
Phasengitters gewährleistet nunmehr zum einen den
gewünschten hohen Reflexionsgrad der unteren
Schicht inclusive einer guten Haftung der darüber
angeordneten Schichten. Zum anderen ist gleichzei
tig sichergestellt, daß die üblicherweise resultie
renden Probleme an der obersten Schicht im Zusam
menhang mit der Strukturierung minimiert werden. So
ist hierbei keine aufwendige, Tiefenstrukturierung
der Oberfläche erforderlich, vielmehr können nahezu
planare Strukturen gefertigt werden, was verfah
renstechnisch deutlich weniger aufwendig ist. Hier
für können etwa bekannte Maskentechnologien einge
setzt werden.
Weitere Vorteile sowie Einzelheiten des erfindungs
gemäßen Auflicht-Phasengitters ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbei
spieles anhand der beiliegenden Figur.
Diese zeigt eine schematische Darstellung eines
Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Auf
licht-Phasengitters in einer Schnitt-Darstellung.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Auflicht-Phasengitters ist
ausgehend von einem Substrat (1) eine bestimmte
Anordnung der darüber vorgesehenen Schichten vor
gegeben. Das Substratmaterial (1) ist so gewählt,
daß es eine möglichst große Stabilität sowohl ge
genüber mechanischen als auch thermischen Belastun
gen aufweist. Insbesondere eignet sich hierzu etwa
Zerodur, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient
nahezu Null ist. Als alternative Substratmateria
lien kommen aber auch Quarzglas, andere optische
Gläser, Stahl, wie etwa Invar sowie Keramik oder
Silizium in Betracht. Die Stabilität im Hinblick
auf mögliche temperaturbedingte Volumen- oder Län
genänderungen ist vor allem beim Einsatz des er
findungsgemäßen Auflicht-Phasengitters in Meßsyste
men zur hochpräzisen Erfassung der Relativlage
zweier Objekte von Bedeutung.
Über dem Substrat (1) sind zwei unterschiedliche
Schichten (I, II) vorgesehen, die voneinander be
abstandet angeordnet sind. Beide Schichten (I, II)
wirken zumindest für einen Teil des darauf auf
treffenden Lichtes reflektierend. Die oberste, dem
einfallenden Licht zugewandte Schicht (I) sei hier
bei im folgenden als erste Schicht bezeichnet,
während die dem Substrat (1) zugewandte Schicht
(II) als zweite Schicht (II) bezeichnet wird. Zwi
schen den beiden Schichten (I, II) ist eine Ab
standsschicht (2) vorgesehen, die im wesentlichen
transparent für die einfallende Strahlung ist.
Die obere, erste Schicht (I) ist als Amplituden
gitter ausgeführt, das periodisch abwechselnde Be
reiche unterschiedlicher Transmission und Reflexion
aufweist, im folgenden als Striche und Lücken be
zeichnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind
die Bereiche hoher Reflexion (3.1, 3.2, 3.3, 3.4)
als nahezu planare, strichförmige Bereiche eines
Materials mit hohem Reflexionsvermögen ausgeführt.
Als geeignetes Material hierfür kommt beispielswei
se Chrom in Betracht, das in einer Dicke von 30-50
nm aufgebracht wird. Die typische Strichbreite be
trägt ca. die Hälfte der gewählten Gitterperiode.
Alternativ kommen beispielsweise auch Gold oder
Titannitrid innerhalb dieser Schicht (I) als Ma
terial der reflektierenden Bereiche (3.1, 3.2, 3.3,
3.4) in Frage.
Zwischen den Bereichen hoher Reflexion (3.1, 3.2,
3.3, 3.4) sind diejenigen Bereiche (4.1, 4.2, 4.3,
4.4) der ersten Schicht (I) angeordnet, durch die
die einfallenden Lichtbündel in Richtung der zwei
ten Schicht (II) durchgelassen werden, d. h. im dar
gestellten Ausführungsbeispiel demzufolge eine
vollkommene Transmission ermöglichen.
Verfahrenstechnisch läßt sich die erste Schicht (I)
relativ problemlos über bekannte Photolithogra
phie-Methoden herstellen bzw. strukturieren. Der
artige photolithographische Verfahren zur Gitter
strukturierung sind z. B. aus der bereits zitierten
EP 0 160 784 hinlänglich bekannt.
Zwischen der Abstandschicht (2), auf die später
noch näher eingegangen wird, und dem Substrat (1)
ist die zweite Schicht (11) angeordnet, die primär
eine Reflexion der durch die transparenten Bereiche
(4.1, 4.2, 4.3, 4.4) bzw. Lücken der ersten Schicht
(I) tretenden Lichtbündel bewirkt. Hierbei besteht
die zweite Schicht (II) aus einer dielektrischen
Spiegelschicht, die sich aus mehreren alternierend
angeordneten Teilschichten (5, 6) mit hohem und
niedrigem Brechungsindex zusammensetzt. Die Bre
chungsindizes für das Teilschichtmaterial mit hohem
Brechungsindex liegen etwa zwischen 1,8 und 3,0.
Für die Teilschichten (6) mit niedrigem Brechungs
index wird ein Material gewählt, dessen Brechungs
index typischerweise in einem Bereich zwischen 1,3
und 1,5 liegt.
Als geeignete Materialien für die Teilschicht (5)
mit hohem Brechungsindex kommt z. B. Ta₂O₅ oder aber
TiO₂ in Betracht. Für die Teilschicht (6) mit nie
drigem Brechungsindex kann SiO₂ oder MgF₂ gewählt
werden.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt das
Schichtpaket der zweiten Schicht (II) insgesamt
fünf Teilschichten (5) mit hohem Brechungsindex,
während vier Teilschichten (6) mit niedrigem Bre
chungsindex vorgesehen sind. Generell liegt die
Anzahl der Teilschicht-Paare für die zweite Schicht
(II) des erfindungsgemäßen Auflicht-Phasengitters
etwa zwischen 4 und 7. Ab etwa 5 vorgesehenen Teil
schicht-Paaren ist ein relativ konstantes Reflexi
onsvermögen zu erwarten, d. h. auch eine erhöhte
Anzahl von Teilschicht-Paaren bedeutet keine we
sentliche Verbesserung hinsichtlich des Reflexions
vermögens der zweiten Schicht (II) mehr.
Um die gewünschte, optimale Reflexionswirkung der
zweiten Schicht (II) zu erreichen, ist die Dicke
der Teilschichten mit dem Brechungsindex n (5, 6)
derart auf die einfallende Lichtwellenlänge λ abge
stimmt, daß die Schichtdicke d für beispielsweise
gewünschten senkrechten Einfall gemäß folgender
Beziehung gewählt wird:
d = λ/4n
Im Fall der Verwendung von Licht mit der Wellen
länge λ = 670 nm und einer SiO₂-Schicht (n = 1,45) be
trägt die Schichtdicke unter senkrechtem Einfall
demzufolge d = 116 nm. Für den Fall eines nicht-senk
rechten Einfalls geht in den Nenner der obigen Be
ziehung ein Korrekturfaktor cos₁ ein, wobei ₁ den
Brechungswinkel zum Lot in der entsprechenden
Schicht angibt.
Aufgrund der oben erläuterten Dimensionierungsvor
schrift ergeben sich natürlich unterschiedliche
Schichtdicken für die Teilschichten (5, 6) mit ver
schiedenen Brechungsindizes, d. h. die Teilschichten
(5) mit dem hohen Brechungsindex sind dünner als
die Teilschichten (6) mit dem niedrigen Brechungs
index.
Wie bereits angedeutet, bewirkt die zweite Schicht
(II) eine nahezu vollständige Reflexion der einfal
lenden Strahlung. Zudem erweist sich als vorteil
haft, daß die dielektrische Spiegelschicht (II)
ausreichend hart ist, so daß eine gute Haftung auf
dem angrenzenden Substrat (I) sowie mit der Ab
standsschicht (2) gewährleistet ist. Es resultiert
eine hinreichende mechanische Belastbarkeit des
gesamten erfindungsgemäßen Auflicht-Phasengitters.
Die zwischen den beiden Schichten (I, II) angeord
nete Abstandsschicht (2) ist in der dargestellten
Ausführungsform ebenfalls aus dem Material gefer
tigt, aus dem die Teilschichten (6) mit dem niedri
gerem Brechungsindex in der zweiten Schicht (II)
bestehen. Durch die geeignete Wahl der Dicke dA der
Abstandsschicht (2) läßt sich definiert die ge
wünschte resultierende Phasenverschiebung der von
den verschiedenen Reflexionsebenen reflektierten
Teilstrahlenbündel einstellen. Die Schichtdicke
liegt bei Verwendung von SiO₂ für die Abstands
schicht (2) und Strahlung der Wellenlänge λ =670 nm
zwischen 0 nm und 200 nm. Im Sonderfall der Schicht
dicke dA = 0 fungiert die oberste Schicht des di
elektrischen Schichtstapels quasi als Abstands
schicht.
Die Optimierung der Schichtdicke dA im Hinblick auf
die jeweiligen Anforderungen erfolgt jeweils über
geeignete numerische Verfahren.
Als vorteilhaft erweist sich beim erfindungsgemäßen
Auflicht-Phasengitter ferner, wenn die erste
Schicht (I) mit einer Schutzschicht versehen wird
und derart die mechanische Belastbarkeit verbessert
wird. Als geeignetes Material für eine derartige
Schutzschicht kommt z. B. SiO₂ in Betracht, das in
einer Dicke von ca. 100 nm aufgebracht wird. Das in
Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel weist im
übrigen keine Schutzschicht auf.
Wie bereits oben angedeutet findet das erfindungs
gemäße Auflicht-Phasengitter beispielsweise Verwen
dung in einer interferentiell arbeitenden Positi
onsmeßeinrichtung, wie sie beispielsweise aus der
EP 0 387 520 bekannt ist. Hierbei kommt das Auf
licht-Phasengitter vorzugsweise in einer sogenann
ten Littrow-Anordnung zum Einsatz, wie auch in der
Figur durch die entsprechenden Pfeile angedeutet
werden soll, d. h. der Beugungswinkel der -1. Beu
gungsordnung ist gleich dem Einfallswinkel des ein
fallenden Lichts.
Darüberhinaus sind jedoch auch andere Einsatzge
biete möglich, wo ebenfalls eine hohe mechanische
Stabilität sowie eine möglichst einfache Fertigung
gefragt sind.
Claims (16)
1. Auflicht-Phasengitter mit mindestens zwei durch
eine durchgehende Abstandsschicht (2) getrenn
ten Schichten (I, II), die mindestens einen
Teil des auftreffenden Lichtes reflektieren,
wobei eine erste, dem einfallenden Licht zuge
wandte Schicht (I) als Amplitudengitter mit
periodisch abwechselnden Bereichen (3.1, 4.1,
3.2, 4.2, 3.3, 4.3, 3.4, 4.4) unterschiedlicher
Transmission und Reflektivität ausgebildet ist,
und eine zweite Schicht (II) als dielektrische
Spiegelschicht ausgebildet ist, bestehend aus
mehreren alternierenden Teilschichten (5, 6)
mit hohem und niedrigem Brechungsindex.
2. Auflicht-Phasengitter nach Anspruch 1, wobei
zwischen der ersten und zweiten Schicht (I, II)
eine Abstandsschicht (2) vorgesehen ist, die
aus dem Teilschicht-Material der zweiten
Schicht (II) mit niedrigem Brechungsindex ge
bildet ist.
3. Auflicht-Phasengitter nach Anspruch 1, wobei
die Schichten (2, 5, 6, I, II) auf einem Sub
strat (1) angeordnet sind.
4. Auflicht-Phasengitter nach Anspruch 3, wobei
als Material für das Substrat (1) Zerodur ge
wählt ist.
5. Auflicht-Phasengitter nach Anspruch 3, wobei
als Material für das Substrat (1) Quarzglas
gewählt ist.
6. Auflicht-Phasengitter nach Anspruch 3, wobei
als Material für das Substrat (1) Stahl gewählt
ist.
7. Auflicht-Phasengitter nach Anspruch 1, wobei
die reflektierenden Bereiche (3.1, 3.2, 3.3,
3.4) der ersten Schicht (I) aus Chrom gebildet
sind.
8. Auflicht-Phasengitter nach Anspruch 1, wobei
der Brechungsindex für die Teilschichten (5)
mit dem höherem Brechungsindex im Bereich zwi
schen 1,8 und 3,0 liegt.
9. Auflicht-Phasengitter nach Anspruch 1, wobei
der Brechungsindex für die Teilschichten (6)
mit dem niedrigeren Brechungsindex im Bereich
zwischen 1,3 und 1,5 liegt.
10. Auflicht-Phasengitter nach Anspruch 1, wobei
als Material für die Teilschichten (5) mit ho
hem Brechungsindex Ta₂O₅ gewählt ist.
11. Auflicht-Phasengitter nach Anspruch 1, wobei
als Material für die Teilschichten (6) mit nie
drigem Brechungsindex SiO₂ gewählt ist.
12. Auflicht-Phasengitter nach Anspruch 1, wobei
zwischen 4 und 7 Schichtpaare innerhalb der
zweiten Schicht (II) vorgesehen sind.
13. Auflicht-Phasengitter nach Anspruch 1, wobei
für den Fall des nicht-senkrechten Einfalls von
Strahlung mit der Wellenlänge λ die einzelnen
Teilschichten (5, 6) der zweiten Schicht (11)
jeweils eine Dicke d = λ/(4n * cosΘ₁) aufweisen
und mit n der Brechungsindex der jeweiligen
Schicht bezeichnet ist sowie Θ₁ den Brechungs
winkel zum Lot in der jeweiligen Teilschicht
(5, 6) angibt.
14. Auflicht-Phasengitter nach Anspruch 13, wobei
das Auflicht-Phasengitter in einer Littrow-An
ordnung eingesetzt ist.
15. Auflicht-Phasengitter nach Anspruch 1, wobei
über der ersten Schicht (I) eine Schutzschicht
angeordnet ist.
16. Verwendung eines Auflicht-Phasengitters nach
einem der vorangehenden Ansprüche in einer Po
sitionsmeßeinrichtung.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1996139499 DE19639499A1 (de) | 1996-09-26 | 1996-09-26 | Auflicht-Phasengitter |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1996139499 DE19639499A1 (de) | 1996-09-26 | 1996-09-26 | Auflicht-Phasengitter |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19639499A1 true DE19639499A1 (de) | 1997-05-15 |
Family
ID=7806918
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1996139499 Withdrawn DE19639499A1 (de) | 1996-09-26 | 1996-09-26 | Auflicht-Phasengitter |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19639499A1 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2004010170A1 (de) * | 2002-07-19 | 2004-01-29 | Optolab Licensing Gmbh | Optische positions- oder längenbestimmung |
-
1996
- 1996-09-26 DE DE1996139499 patent/DE19639499A1/de not_active Withdrawn
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2004010170A1 (de) * | 2002-07-19 | 2004-01-29 | Optolab Licensing Gmbh | Optische positions- oder längenbestimmung |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
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