KR0165222B1 - X-y스테이지의 수직방향 변위 측정장치 - Google Patents

Abstract

X-Y스테이지의 수직방향 변위 측정창치가 개시되어 있다.

이 개시된 장치는 광원;과 이 광원에서 출사된 광을 선택적으로 회절통과시킬 수 있도록 투명영역과 불투명영역이 주기적으로 형성된 제1스케일글래스;와 제1스케일글래스를 통과한 광을 선택적으로 회절반사시킬 수 있도록 반사영역과 흡수영역이 주기적으로 형성되고 X-Y스테이지의 수직방향으로 이동 가능하게 설치된 제2스케일글래스;와 X-Y스테이지의 수직방향 변위를 감지하고, 감지된 변위에 대응하는 폭으로 제2스케일글래스가 움직이도록 제2스케일글래스의 일단에 고정 설치된 변위감지센서;와 제2스케일글래스에서 반사되어 제1스케일글래스를 통과한 광을 수광할 수 있도록 된 수광부;와 이 수광부에서 수광된 신호로부터 X-Y스테이지의 제2스케일글래스의 변위를 측정하고, 스테이지의 수직방향 변위를 제어하는 회로부;로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

X-Y 스테이지의 수직 방향 변위 측정장치

제1도는 본 발명에 따른 X-Y스테이지의 수직방향 변위 측정장치의 실시예를 나타낸 개략적인 구성도.

제2도는 제1도의 제1스케일글래스와 제2스케일글래스를 나타낸 개략적인 구성도.

제3도는 제1도의 수광부와 회로부를 나타낸 개략적인 구성도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 고정부 11 : 광원

12 : 제1집속렌즈 13 : 제1스케일글래스

14 : 투명영역 15 : 불투명영역

17 : 제2스케일글래스 18 : 반사영역

19 : 투과영역 20 : 가동부

21 : 변위감지센서 22 : 제2집속렌즈

23 : 수광부 30 : 회로부

31, ‥, 34 : 전류-전압변환기 35 : 제1차동증폭기

36 : 제2차동증폭기 37 : 파형정형/계수기

38 : 연산기 39 : 비교기

본 발명은 정밀 서보 제어시스템의 제어 기술분야인 X-Y 스테이지의 수직방향 변위 측정장치에 관한 것으로, 상세하게는 프라운호퍼(Fraunhofer) 회절현상을 이용하여 X-Y스테이지의 수직방향 변위를 측정하여 제어할 수 있도록 된 X-Y스테이지의 수직방향 변위 측정장치에 관한 것이다.

초정밀 X-Y스테이지는 높은 정밀도를 갖는 위치검출 및 이를 제어하기 위한 수단이 필수적이다. 이를 위하여 X-Y스테이지의 X, Y 방향 변위는 리니어스케일이나 레이저 간섭계 등을 이용하여 측정하고, Z 방향 변위는 여러 종류의 센서를 이용하여 측정한다. 이러한 측정 결과는 X-Y스테이지의 제어기로 피이드백(feed back)되어 변위에 따른 위치 보정을 행하게 된다.

본 발명은 언급한 X-Y스테이지의 Z 방향 즉, 수직방향 변위를 측정하고 이를 제어하기 위한 장치에 관한 것이다.

종래의 초정밀 스테이지의 Z 방향 변위검출은 크게 세가지 방식으로 이루어지고, 각 방식에 의해 검출된 신호를 피이드백 받아 변위를 제어하였다.

각 변위 검출 방식을 살펴보면, 다음과 같다. 첫째는 스테이지 상부에 광센서를 이용하여 변위를 검출하는 방식이다. 이 광센서를 이용한 방식은 스테이지 표면의 가공정도 및 표면상태에 따른 정렬광의 변화(산란)를 가져온다는 단점이 있다. 둘째는 Z 방향 구동부에 엔코더를 설치하고 이용하는 방식이다. 이 경우 Z 방향 구동부는 스테이지를 Z 방향으로 구동하기 위한 모터와 모터의 회전수를 스테이지의 변위로 변환해주는 감속기어로 구성이 되며 모터에 연결된 엔코더의 정보를 통해 스테이지의 Z 방향 변위를 산출하게 된다. 그러나, 이 방식은 기어의 백래쉬(back lash) 현상 등에 의해 정확도가 저하되는 결함이 있다. 셋째는 스테이지의 하면에 압전소자를 설치하고 이를 이용한 방식이다. 이 경우 압전소자에 가해지는 압력에 의해 변위를 측정하므로 매우 높은 정밀도로 변위를 검출할 수 있다는 장점이 있으나, 검출 가능한 변위가 미소한 범위(수㎛)로 제약이 되고 주변 환경에도 큰 영향을 받는 등의 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 언급한 바와 같은 방식들이 내포하고 있는 문제점들을 감안하여 안출된 것으로, 넓은 범위의 변위를 측정할 수 있도록 되고, 측정 변위의 고정밀도 실현 및 검출된 변위의 전달시 백래쉬 피할 수 있도록 X-Y스테이지의 수직방향 변위 측정장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 광을 생성 조사하는 광원과, 이 광원에서 출사된 광을 선택적으로 회절통과시킬 수 있도록 투명영역과 불투명 영역이 주기적으로 형성된 제1스케일글래스와, 상기 제1스케일글래스를 통과한 광을 선택적으로 회절반사시킬 수 있도록 반사영역과, 흡수영역이 주기적으로 형성되고, X-Y스테이지의 수직방향으로 이동가능하게 설치된 제2스케일글래스와, 상기 X-Y 스테이지의 수직방향 변위를 감지하고, 감지된 변위에 대응하는 폭으로 상기 제2스케일글래스가 움직이도록 상기 제2스케일글래스의 일단에 고정 설치된 변위감지센서와, 상기 제2스케일글래스에서 반사되어 상기 제1스케일글래스를 통과한 광을 수광할 수 있도록 된 수광부와, 상기 수광부에서 수광된 신호로부터 상기 X-Y 스테이지의 제2스케일글래스의 변위를 측정하고, 스테이지의 수직방향 변위를 제어하는 회로부가 구비되어 된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

제1도는 본 발명에 따른 X-Y스테이지의 수직방향 변위 측정장치의 실시예를 나타낸 개략적인 구성도이다.

도시된 바와 같이, 설치 형태에 따라 고정 설치된 고정부(10)와, X-Y스테이지(1)의 수직방향 즉, Z 방향 변위에 대응하는 폭으로 가동하는 가동부(20)로 대별된다. 상기 고정부(10)와 가동부(20)를 개략적으로 살펴보면 다음과 같다.

상기 고정부(10)는 광을 생성 조사하는 광원(11)과, 이 광원(11)에서 출사된 광을 선택적으로 회절 통과시킬 수 있도록 투명영역(14)과 불투명영역(15)이 주기적으로 형성된 제1스케일글래스(13)와, 상기 광원(11)에서 출사되고 상기 가동부(20)에서 반사된 광을 수광하여 수광량에 대응하는 전류신호로 변환하는 수광부(23)와, 이 수광부(23)에서 수광된 신호를 처리하여 변위량을 계산하고 계산된 오차량을 X-Y 스테이지(1) 구동모터(미도시)에 전달하여 보정할 수 있도록 된 회로부(30)로 이루어져 있다. 또한, 고정부(10)는 상기 광원(11)과 제1스케일글래스(13) 사이의 광경로 상에 구비된 제1집속렌즈(12)와, 상기 제1스케일글래스(13)와 상기 수광부(23)사이의 광경로 상에 구비된 제2집속렌즈(22)를 더 포함할 수 있다.

상기 가동부(20)는 상기 고정부(10)에서 입사되는 광을 선택적으로 흡수 또는 회절 반사시킬 수 있도록 반사영역(18)과 흡수영역(19)이 주기적으로 형성된 제2스케일글래스(17)와, 이 제2스케일글래스(17)와 일체로 움직이며 상기 X-Y스테이지(1)의 수직방향 움직임을 감지하는 변위감지센서(21)로 이루어져 있다. 이 가동부(20)는 상기 X-Y스테이지(1)의 수직방향 변위와 동일 폭으로 Z축을 따라 움직인다. 이 가동부(20)는 그 위치에 따라서 상기 제2스케일글래스(17)로 입사되는 광의 반사정도를 다르게 한다.

제2도는 제1도에 도시된 제1스케일글래스와 제2스케일글래스를 설명하기 위하여 나타낸 개략도이다.

상기 제1스캐일글래스(13)는 복수개의 투명영역(14)과 불투명영역(15)이 주기적으로 형성되어 있다. 상기 광원(11)쪽에서 상기 투명영역(14)로 입사되는 광은 통과하고, 상기 불투명영역(15)로 입사되는 광은 차단된다. 즉, 상기 투명영역(14)을 통과하는 광이 변위검출에 유효한 광이 된다. 프라운호퍼(Fraunhofer)회절현상에 의하여 상기 광원(11)에서 출사된 광은 상기 투명영역(14)을 통과하면서 0차회절광과, ±1차회절광, ±2차회절광, …등으로 회절된다.

상기 제2스케일글래스(17)는 상기 제1스케일글래스(13)를 통과한 광을 흡수 또는 반사시킬 수 있도록 복수개의 반사영역(18)과 흡수영역(19)이 주기적으로 형성되어 있다. 이 제2스케일글래스(17)에 입사된 광은 상기 반사영역(18)에서 0차회절광과, ±1차회절광, ±2차회절광, …등으로 회절반사된다. 이 회절반사된 광의 일부는 상기 제1스케일글래스(13)의 투명영역(14)을 재통과하여 상기 수광부(23)로 향하게 된다.

상기 제1 및 제2스케일글래스(13, 17)의 네영역 즉, 투명영역(14), 불투명영역(15), 반사영역(18) 및 흡수영역(19)의 폭은 동일 폭으로 된 것이 바람직하다. 이와 같이 동일 폭으로 설정한 경우, 규칙적인 프라운호퍼 회절현상이 발생되므로, 상기 가동부(20)의 변위량을 정밀하게 측정할 수 있다.

상기 프라운호퍼(Fraunhofer)회절현상은 회절물체로부터 무한거리에서 관측되는 평행광의 회절현상을 말한다. 상기 광원(11)에서 출사되어 상기 제1 및 제2스케일글래스(13, 17)를 경유하여 상기 수광부(23)에 입사된 광의 경로는 상기 제1 및 제2스케일글래스(13, 17)의 각 영역폭(P)에 비하여 매우 길므로, 광경로를 무한거리로 가정할 수 있다. 이를 이용하여 그 정밀도를 λ/회절격자 간격 만큼 향상 시킬 수가 있으므로 고정밀도의 변위측정이 가능하며 동일 정밀도의 기존 센서에 비해 매우 큰 측정 변위의 범위를 가질 수 있다.

상기 광원(11)에서 출사된 광이 상기 수광부(23)로 입사되는 광경로는 다음과 같다.

상기 제1스케일글래스(13)의 투명영역(14)을 투과한 광은 0차회절광(a), +1차회절광(b), +1차회절광(c), +2차회절광(d), -2차회절광(e)등으로 회절된다. 이와 같이, 회절된 회절광중 0차회절광(a)의 일부와 +1차회절광(b)의 일부 만이 상기 수광부(23)로 향하는 유효광이 된다.

상기 제2스케일글래스(17)는 그 반사영역(18)에서 입사된 광을 회절반사시킨다. 즉, 상기 제1스케일글래스(13)에서 회절된 0차회절광(a)는 일 반사영역(18)에서 0차회절광(a2), +1차회절광(a1), -1차회절광(a3)등으로 회절 반사된다. 여기서, -1차회절광(a3)이 상기 제1스케일글래스(13)의 투명영역(14)에 재입사되고, 수광부(23)로 향한다. 또한, 상기 제1스케일글래스(13)에서 회절된 1차회절광(b)는 다른 반사영역(18)에서 0차회절광(b2), +1차회절광(b1), -1차회절광(b3)등으로 회절 반사된다. 여기서, +1차회절광(b1)이 상기 제1스케일글래스(13)의 투과영역(19)을 통과하여 상기 수광부(23)로 향한다.

상기 X-Y스테이지(1)의 변위량에 대응되게 움직이는 가동부(20)의 상기 고정부(10)에 대한 상대위치에 따라 상기 수광부(23)에서 수광되는 회절 광분포가 변하게 된다. 이 변화되는 광분포를 측정함으로써 고정밀도 변위를 측정할 수 있다.

제3도는 본 발명에 따른 X-Y스테이지의 수직방향 변위 측정장치에 채용된 수광부와, 회로부를 구체적으로 나타낸 개략도이다.

상기 수광부(23)는 광을 수광하고, 이 수광된 광량에 대응하는 전류신호로 변환하며, 독립적으로 구동되는 네 개의 광센서(P1, P2, P3, P4)로 이루어져 있다. 상기 광센서(P1, P2, P3, P4)는 십자형 경계선을 중심으로 네 분면에 각각 위치되어 있다.

이와 같이 수광부(23)를 네 개의 광센서를 서로 이웃하게 구비한 이유는 각 광센서에서 수광한 광들 간의 위상차를 발생시키기 위함이다. 광센서 P1에 대하여 P2, P3, P4각각은 90°, 180°, 270°의 위상차를 가진다. 즉, 이웃한 광센서끼리 90°의 위상차를 가진다.

상기 회로부(30)는 상기 광센서(P1, P2, P3, P4)의 출력단에 각각 연결되어 검출된 전류신호를 전압신호로 변환하는 네 개의 전류-전압변환기(31, 32, 33, 34)와, 이 각각의 전류-전압변환기(31, 32, 33, 34)에서 변환된 전압 신호 중 180°위상차를 갖는 두 전압신호를 각각 입력받아 차동증폭하는 제1 및 제2차동증폭기(35, 36)와, 상기 제1 및 제2차동증폭기(35, 36)에서 출력된 양 입력단에서 입력받아 신호 파형을 정형화하고 이 정형화된 파형을 계수하는 파형정형/계수기(37)와, 상기 파형정형/계수기(37)에서 계수된 값을 상기 제1 및 제2스케일글래스(13, 17)의 격자주기와 비교하여 이동변위량을 계산하는 연산기(38)와, 계산된 이동변위량과 실제 이동변위량을 비교하여 오차값을 검출하여 오차를 보정할 수 있도록 상기 X-Y스테이지 구동용 모터 제어부(미도시)로 전송하는 비교기(39)로 이루어져 있다.

상기 제1 및 제2차동증폭기(35, 36)는 입력되는 신호에 포함된 노이즈를 제거하며, 노이즈가 제거된 신호를 신호처리에 적합한 신호레벨까지 증폭한다. 상기 파형정형/계수기(37)는 입력되는 신호주기의 1/4 마다 계수한다.

이와 같이 구비된 본 발명에 따른 X-Y 스테이지 수직방향 변위 측정장치는 넓은 범위의 변위를 측정할 수 있고 측정변위의 고정밀도 실현 및 검출된 변위의 전달시 백래쉬 피할 수 있는 매우 유용한 발명이다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허 청구 범위의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.

Claims (7)

1. 광을 생성 조사하는 광원과, 이 광원에서 출사된 광을 선택적으로 회절통과시킬 수 있도록 투명영역과 불투명영역이 주기적으로 형성된 제1스케일글래스와, 상기 제1스케일글래스를 통과한 광을 선택적으로 회절반사시킬 수 있도록 반사영역과, 흡수영역이 주기적으로 형성되고, X-Y스테이지의 수직방향으로 이동 가능하게 설치된 제2스케일글래스와, 상기 X-Y스테이지의 수직방향 변위를 감지하고, 감지된 변위에 대응하는 폭으로 상기 제2스케일글래스가 움직이도록 상기 제2스케일글래스의 일단에 고정 설치된 변위감지센서와, 상기 제2스케일글래스에서 반사되어 상기 제1스케일글래스를 통과한 광을 수광할 수 있도록 된 수광부와, 상기 수광부에서 수광된 신호로부터 상기 X-Y스테이지의 제2스케일글래스의 변위를 측정하고, 스테이지의 수직방향 변위를 제어하는 회로부가 구비되어 된 것을 특징으로 하는 X-Y스테이지의 수직방향 변위 측정 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 광원과, 제1스케일글래스 사이의 광경로 상에 상기 광원에서 출사된 발산광을 집속할 수 있도록 된 제1집속렌즈가 더 구비된 것을 특징으로 하는 X-Y스테이지의 수직방향 변위 측정장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1스케일글래스와 상기 수광부 사이의 광경로 상에 상기 제1스케일글래스를 수렴할 수 있도록 된 제2집속렌즈가 더 구비된 것을 특징으로 하는 X-Y스테이지의 수직방향 변위 측정장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 제1스케일글래스와 제2스케일글래스의 네 영역 각각이 동일 폭으로 형성되어 상기 제1스케일글래스 및 제2스케일글래스에서 회절된 광 중 소정 회절광만이 상기 수광부로 향하도록 된 것을 특징으로 하는 X-Y스테이지의 수직방향 변위 측정장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 수광부는 광을 수광하고, 이 수광된 광량에 대응하는 전류신호로 변환하는 네 개의 광센서(P1, P2, P3, P4)로 이루어진 것을 특징으로 하는 X-Y스테이지의 수직방향 변위 측정장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 광센서(P1, P2, P3, P4)는 십자형 경계선을 중심으로 네 분면에 각각 위치되어 수광된 광량이 서로 인접한 광센서끼리 90도의 위상차를 가지도록 된 것을 특징으로 하는 X-Y스테이지의 수직방향 변위 측정장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 회로부는 상기 광센서(P1, P2, P3, P4)의 출력단에 각각 연결되어 검출된 전류신호를 전압신호로 변환하는 네 개의 전류-전압변환기와, 이 각각의 전류-전압 변환기에서 변환된 전압신호중 180도 위상차를 갖는 두 전압신호를 각각 입력받아 차동증폭하는 제1 및 제2차동증폭기와, 상기 제1 및 제2차동증폭기에서 출력된 양 입력단에서 입력받아 신호 파형을 정형화하고 이 정형화된 파형을 계수하는 파형정형/계수기와, 상기 파형정형/계수기에서 계수된 값을 상기 제1 및 제2스케일글래스의 격자주기와 비교하여 이동변위량을 계산하는 연산기와, 계산된 이동변위량과 실제 이동변위량을 비교하여 오차값을 검출하여 오차를 보정할 수 있도록 상기 X-Y스테이지 구동용 모터 제어부로 전송하는 비교기가 구비되어 된 것을 특징으로 하는 X-Y스테이지의 수직방향 변위 측정장치.