KR100336307B1 - distance measuring apparatus and method using laser - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광을 이용한 거리측정장치 및 방법에 관한 것으로서, 광원(1)에서 나온 광을 비임스플리터(3)를 통과시켜 제1분리광과 제2분리광으로 나누고, 상기 제1분리광은 소정각도로 경사된 경사 반사경(7)에 반사되어 되돌아 옴과 동시에 상기 제2분리광은 이동 반사경(5)에 반사되어 되돌아 와서 서로 간섭되고, 이 간섭된 무늬가 수광부(9)에서 검출되어 상기 이동 반사경의 이동거리를 측정하는 것을 특징으로 하며, 분해능이 뛰어나고, 간단한 광학계로 되어 있으므로 제조비가 저렴하며 긴 거리도 정밀하게 측정이 가능하다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a distance measuring apparatus and method using light, wherein light emitted from the light source 1 is passed through a beam splitter 3 to be divided into first and second split lights, and the first split light is predetermined. The second split light is reflected back to the moving reflector 5 and interferes with each other by being reflected by the inclined reflector 7 inclined at an angle and interfering with each other. It is characterized by measuring the moving distance of the reflector, and because of its excellent resolution and simple optical system, manufacturing cost is low and long distance can be measured precisely.

Description

광을 이용한 거리측정장치 및 방법{distance measuring apparatus and method using laser}Distance measuring apparatus and method using light

본 발명은 광을 이용한 거리측정장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 구동원에 의해 이동되는 이동체의 이동거리를 측정하는 거리측정장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a distance measuring apparatus and method using light, and more particularly to a distance measuring apparatus and method for measuring the moving distance of a moving object moved by a drive source.

반도체산업을 비롯한 각종 산업분야의 정밀 검사장비, 정밀 공작기계 및 삼차원 측정기 등과 같은 장비에서는 반드시 정밀 이송장치를 필요로 하게 된다. 이러한 이송장치는 크게 3부분으로 나누어지는데, 동력원이 되는 모터(Motor)와, 이송량을 검출하는 거리측정장치, 그리고 이송운동을 안내하는 안내면(Guide Way)으로 구성된다.Equipment such as precision inspection equipment, precision machine tools and three-dimensional measuring machines in various industries including the semiconductor industry will necessarily require a precision transfer device. The conveying apparatus is divided into three parts, and is composed of a motor as a power source, a distance measuring device for detecting a conveying amount, and a guide way for guiding a conveying motion.

상기 이송장치중 거리측정장치는 이송운동의 정밀도를 좌우하는 가장 중요한 부분이다.The distance measuring device of the transfer device is the most important part that determines the precision of the transfer movement.

종래 거리측정장치의 한 종류로서, 광학식 선형 엔코더(Optical Linear encoder)이 개시되어 있다. 이 광학식 선형 엔코더는 4 ㎛ ~ 20 ㎛ 피치(Pitch='P')의 눈금이 새겨진 유리막대(이를 '메인격자-main grating'라 한다)의 양편에 발광소자와 P/4 간격으로 설치된 4개의 수광소자를 설치한 구조로 되어 있으며, 상기 메인격자가 움직이면 눈금의 위치에 따라 수광소자가 받는 빛의 양이 변하게 되고, 이 빛의 양에 비례하는 전기적 신호를 발생시키는 4개의 수광소자는 메인격자의 눈금피치(P)와 동일한 주기의 반복적인 전기신호를 발생시키는데, 각각의 출력신호는 90°씩의 위상차이를 갖게 되고 이 신호는 UP/DOWN 계수기(Counter)에서 메인격자피치의 1/4주기마다 계수값을 증감시켜서 메인격자의 이송량을 알아내고 있다. 즉, 이와 같은 종래의 거리측정장치는 메인격자피치의 1/4에 해당하는 분해능을 가지게 된다.As one type of conventional distance measuring apparatus, an optical linear encoder is disclosed. This optical linear encoder is equipped with four light emitting elements and P / 4 intervals on both sides of a glass rod with a scale of 4 μm to 20 μm (Pitch = 'P') (called 'main grating'). When the main grid moves, the amount of light received by the light receiving element changes according to the position of the scale, and the four light receiving elements that generate an electrical signal proportional to the amount of light are the main grid. It generates a repetitive electrical signal with the same period as the scale pitch (P) of each output signal. Each output signal has a phase difference of 90 °, which is 1/4 of the main grid pitch of the UP / DOWN counter. The transfer amount of the main grid is determined by increasing and decreasing the count value at each cycle. That is, such a conventional distance measuring device has a resolution corresponding to 1/4 of the main grid pitch.

그런데, 상기한 바와 같은 종래의 광학식 선형 엔코더는 측정길이만큼의 일정한 간격의 눈금이 필요한데, 이 눈금은 거리 측정 정밀도에 직접적인 영향을 미치므로 매우 정밀해야 할 뿐만 아니라, 측정길이가 길어지면 이 눈금이 새겨진 메인격자도 길어져야 하기 때문에 측정장치의 가격이 측정길이에 따라 비례적으로 증가하게 된다는 문제점이 있었다. 이와 같은 문제로 인하여 종래 상기 광학식 선형 엔코더는 0.2m 이하의 거리측정에 주로 사용되고 있다.By the way, the conventional optical linear encoder as described above requires a regular interval scale as much as the measurement length, this scale has a direct influence on the accuracy of the distance measurement, so not only should be very precise, but also if the measurement length is longer Since the engraved main grid must also be long, there was a problem that the price of the measuring device increases proportionally with the measuring length. Due to this problem, the conventional optical linear encoder is mainly used for distance measurement of 0.2 m or less.

따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 이루어진 것으로서, 분해능이 뛰어나고, 가격이 저렴하며 긴 거리도 정밀하게 측정할 수 있는 거리측정장치 및 방법을 제공하는 데 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, and to provide a distance measuring apparatus and method that is excellent in resolution, inexpensive, and can accurately measure long distances.

도1은 본 발명에 일 실시예에 의한 거리측정장치를 나타내는 개략구성도,1 is a schematic configuration diagram showing a distance measuring device according to an embodiment of the present invention;

도2는 본 발명의 다른 실시예에 의한 거리측정장치를 나타내는 개략구성도,2 is a schematic structural diagram showing a distance measuring device according to another embodiment of the present invention;

도3는 본 발명에서, 제1분리광과 제2분리광이 간섭무늬를 형성하는 과정과 위상격자 및 수광부의 관계를 나타내는 그래프,3 is a graph illustrating a process of forming an interference fringe between a first split light and a second split light and a relationship between a phase grating and a light receiver;

도4는 본 발명에서 이동 반사경이 이동할 경우에 변하는 수광부의 출력신호를 나타나는 그래프,4 is a graph showing an output signal of a light receiving unit that changes when the moving reflector moves in the present invention;

도5a는 수광부에 입사된 간섭무늬로부터 펄스신호를 발생하는 장치를 나타내는 블록도,5A is a block diagram showing an apparatus for generating a pulse signal from an interference fringe incident on a light receiving portion;

도5b는 도5a에서 펄스신호가 발생되는 과정을 나타내는 그래프,FIG. 5B is a graph showing a process of generating a pulse signal in FIG. 5A;

도6은 본 발명에 의한 광을 이용한 거리측정장치의 효과를 시험한 장치도,6 is an apparatus for testing the effect of the distance measuring device using light according to the present invention;

도7은 도6의 포토다이오드에 형성되는 간섭무늬의 피치를 확인하기 위해 사용된 선형 이미지 센서의 출력을 나타내는 그래프,7 is a graph showing the output of the linear image sensor used to confirm the pitch of the interference fringe formed in the photodiode of FIG.

도8a는 도6의 압전구동기를 0.125V씩 증가시켜 100스텝으로 구동했을 경우의 포토다이오드의 신호를 나타내는 그래프,FIG. 8A is a graph showing the signal of the photodiode when the piezoelectric driver of FIG. 6 is increased by 0.125V and driven at 100 steps; FIG.

도 8b는 도6의 압전구동기를 0.125V씩 증가시켜 100스텝으로 구동했을 경우,갭센서의 신호를 나타내는 그래프,8B is a graph showing a signal of a gap sensor when the piezoelectric actuator of FIG. 6 is increased by 0.125V and driven at 100 steps;

도9은 도6의 압전구동기를 0.125V씩 증가시켜 100스텝으로 구동했을 경우, 상기 갭센서에서 측정된 변위와 계수기의 출력에서 구해진 변위를 비교한 그래프이다.FIG. 9 is a graph comparing the displacement measured by the gap sensor and the displacement obtained at the output of the counter when the piezoelectric actuator of FIG. 6 is driven at 100 steps in 0.125V increments.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

1 : 광원 3 : 비임 스플리터1: light source 3: beam splitter

5 : 이동 반사경 7 : 경사 반사경5: moving reflecting mirror 7: tilt reflecting mirror

9 : 수광부 11 : 위상격자9: light receiving unit 11: phase grating

13 : 비임 확대기13: beam enlarger

본 발명에 의한 광을 이용한 거리측정장치는 구동원에 의해 이동되는 이동체의 이동거리를 측정하는 거리측정장치에 있어서, 광을 발생하는 광원과, 상기 광원에서 나온 광을 제2분리광과 제1분리광으로 분리하도록 상기 광원의 일측에 설치된 비임스플리터와, 상기 제2분리광이 반사되어 되돌아 오도록 상기 이동체에 고정된 이동 반사경과, 상기 제1분리광이 소정의 각도로 경사져 반사되어 되돌아 오도록 상기 비임스플리터의 일측에 결합된 경사 반사경과, 상기 이동 반사경에서 반사되어 온 제2분리광과 상기 경사 반사경에서 반사되어 온 제1분리광이 합쳐져서 생기는 간섭무늬를 검출하도록 상기 비임스플리터의 타측에 설치된 수광부와, 상기 간섭무늬의 특정부분만을 통과시키도록 상기 비임스플리터와 상기 수광부의 사이에 설치된 위상격자를 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.In the distance measuring device using light according to the present invention, the distance measuring device for measuring the moving distance of the moving object moved by the drive source, the light source for generating light, and the light from the light source is separated from the second separation light and the first separation A beam splitter provided at one side of the light source to separate the light, a moving reflector fixed to the moving body so that the second split light is reflected and returned, and the beam to be reflected back to the first split light at an angle A light receiving unit provided on the other side of the non-split splitter to detect an interference fringe generated by combining an inclined reflector coupled to one side of the splitter, a second split light reflected from the moving reflector, and a first split light reflected from the tilt reflector; And a phase grating disposed between the beam splitter and the light receiving unit so as to pass only a specific portion of the interference fringe. It characterized in that comprises.

상기 광원과 비임스플리터사이에는 상기 광원에서 나온 광을 확대시키도록 비임 확대기가 설치되어 있을 수도 있다.A beam enlarger may be provided between the light source and the beam splitter to enlarge light emitted from the light source.

본 발명에 의한 광을 이용한 거리측정방법은 광원에서 나온 광을 비임스플리터를 통과시켜 제1분리광과 제2분리광으로 나누고, 상기 제1분리광은 소정각도로 경사된 경사겨울에 반사되어 되돌아 오게 함과 동시에 상기 제2분리광은 이동 반사경에 반사되어 되돌아 오게 하여 상기 제1분리광과 제2분리광을 서로 간섭시키고,이 간섭된 무늬를 수광부에서 검출하여, 상기 이동 반사경의 이동거리를 측정하는 것을 특징으로 한다.In the distance measuring method using light according to the present invention, light from a light source passes through a beam splitter, and is divided into first and second split lights, and the first split light is reflected and returned to the inclined winter which is inclined at a predetermined angle. At the same time, the second split light is reflected by the moving reflector and returned to interfere with the first split light and the second split light, and the interference pattern is detected by the light receiving unit to detect the moving distance of the moving reflector. It is characterized by measuring.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 첨부도면을 참조하면서 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도1에 도시한 바와 같이(본 도면에서는 이동체 및 이를 구동하는 구동원은 도시되어 있지 않다.), 광원(1)의 일측에는 이 광원에서 나온 광을 제1분리광(O1)과 제2분리광(O2)으로 분리하도록 비임스플리터(3)가 설치되어 있고, 상기 제2분리광(O2)이 반사되어 되돌아 오도록 도시하지 않은 이동체에 이동 반사경(5)이 고정되어 있으며, 상기 제1분리광(O1)이 소정의 각도로 경사져 반사되어 되돌아 오도록 상기 비임스플리터(3)의 일측에는 경사 반사경(7)이 결합되어 있고, 상기 이동 반사경(5)에서 반사되어 온 제2분리광(O2)과 상기 경사 반사경(7)에서 반사되어 온 제1분리광(O1)이 합쳐져서 생기는 간섭무늬를 검출하도록 상기 비임스플리터(3)의 타측에는 수광부(9)가 설치되어 있고, 상기 간섭무늬의 특정부분만을 통과시키도록 상기 비임스플리터(3)와 상기 수광부(9)의 사이에는 위상격자(11)(phase grating)가 설치되어 있다.As shown in Fig. 1 (in this drawing, the moving object and the driving source for driving the same) are not shown. On one side of the light source 1, the light emitted from the light source 1 is separated by the first split light O1 and the second split light. A beam splitter 3 is provided so as to be separated by (O2), and the movable reflector 5 is fixed to a moving body (not shown) so that the second split light (O2) is reflected and returned, and the first split light ( An inclined reflector 7 is coupled to one side of the beam splitter 3 so that O1 is inclined at a predetermined angle and returned, and the second split light O2 reflected by the moving reflector 5 and the second split light O2 are reflected. A light receiving portion 9 is provided on the other side of the beam splitter 3 so as to detect an interference pattern generated by the aggregation of the first split light O1 reflected from the inclined reflector 7, and passes only a specific portion of the interference pattern. The beam splitter 3 and the light receiving unit Is (9) it is a phase grating (11) (phase grating) installed between.

도2에 도시한 바와 같이, 상기 광원(1)과 비임스플리터(3)사이에는 상기 광원(1)에서 나온 광을 확대시키도록 비임 확대기(13)가 설치되어 있을 수도 있다.As shown in FIG. 2, a beam expander 13 may be provided between the light source 1 and the beam splitter 3 to enlarge the light emitted from the light source 1.

상기 광원(2)은 헬륨-네온 레이저광(He-Ne Laser)으로 되어 있으나, 레이저 비임을 발생시키는 것은 어떠한 종류의 것도 사용될 수 있다.The light source 2 is made of helium-neon laser light, but any kind of laser beam can be used.

상기 비임 스플리터(Beam splitter)(3)는 공지의 무편광 비임스플리터로 되어 있다. 이때, 상기 비임 스플리터는 편광 비임스플리터로 되어 있을 수도 있다.편광 비임스플리터를 사용할 경우에는, 반사경에서 되돌아오는 광의 경로를 90도로 바꾸도록 편광 비임스플리터와 반사경의 사이에는 λ/4 플레이트를 설치한다.The beam splitter 3 is a known unpolarized beam splitter. In this case, the beam splitter may be a polarizing beam splitter. When using a polarizing beam splitter, a λ / 4 plate is provided between the polarizing beam splitter and the reflecting mirror so as to change the path of the light returned from the reflecting mirror by 90 degrees.

상기 이동 반사경(5)은 그 면이 상기 제2분리광(O2)의 진행방향에 대해 수직되게 설치되어 있으며, 상기 경사 반사경(7)은 그 면이 상기 제1분리광(O1)의 진행방향에 대한 수직면에서 소정의 각도(θ)로 경사지게 설치되어 있다.The moving reflector 5 has its surface perpendicular to the traveling direction of the second split light O2, and the inclined reflector 7 has its surface running in the first split light O1. It is installed to be inclined at a predetermined angle θ in a vertical plane with respect to the.

상기 수광부(9)는 광기전력효과를 이용한 수광소자로서 공지의 포토다이오드(Photo Diode)로서, 4분할 포토다이오드로 되어 있는 것이 바람직하다. 상기 수광부(9)에는 도5a에 도시한 바와 같이, 비교기(21)(23), 디렉션 디스크리미네이터(Direction Discriminator)(25), 업/다운 계수기(Updown Counter)(27)가 결합된 공지의 수광회로가 결합되어 있다.The light-receiving portion 9 is a photodiode known as a light-receiving element utilizing the photovoltaic effect, and is preferably a quadrant photodiode. As shown in FIG. 5A, the light receiving unit 9 includes a comparator 21 and 23, a direction discriminator 25, and an up / down counter 27. The light receiving circuit is combined.

상기 위상격자(11)는 상기 이동 반사경(5) 및 경사 반사경(7)에서 반사되어 돌아와서 간섭된 간섭무늬 파장의 일부분을 소정간격으로 통과시키는 부품으로서 공지되어 있다.The phase grating 11 is known as a component for reflecting and returning from the moving reflector 5 and the oblique reflector 7 to pass a portion of the interference fringe wavelength at predetermined intervals.

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 거리측정장치에서, 광원(1)에서 나온 광은 비임스플리터(3)에 입사된다. 상기 비임스플리터(3)에 입사된 빛은 제1분리광(O1)과 제2분리광(O2)로 나누어지게 되고 제2분리광(O1)은 이동 반사경(5)에서 반사되어 비임스플리터(3)로 되돌아오게 된다. 한편 제1분리광(O1)은 경사 반사경(7)이 θ만큼 기울어져 있기 때문에 경사 반사경(7)에서 반사될 때 광축에 대해서 2θ만큼 기울어진 상태로 비임스플리터(3)에 도달하게 된다. 비임스플리터(3)에서 모여진 제1분리광(O1)과 제2분리광(O2)은 간섭되어 위상격자(11)로 입사된다. 이 때 형성되는 간섭무늬는 직선 줄무늬형태를 가지면서 줄무늬의 간격은 경사 반사경(7)의 경사각에 따라서 일정한 값을 가지게된다. 이 직선 줄무늬형태의 간섭무늬의 1주기를 360°라고 할 때 90°간격으로 배치된 위상격자(11)는 해당부분만의 간섭무늬를 통과시켜 포토다이오드(9)에 입사시키게 된다. 포토다이오드(9)는 입사된 빛에너지에 비례하는 전기신호를 출력하게된다.In the distance measuring device according to the present invention configured as described above, the light from the light source 1 is incident on the beam splitter 3. The light incident on the beam splitter 3 is divided into a first split light O1 and a second split light O2, and the second split light O1 is reflected by the moving reflector 5 to radiate the beam splitter 3. Returned to). On the other hand, since the inclined reflector 7 is inclined by θ, the first split light O1 reaches the beam splitter 3 in a state inclined by 2θ with respect to the optical axis when reflected by the inclined reflector 7. The first split light O1 and the second split light O2 gathered from the beam splitter 3 are interfered and enter the phase grating 11. The interference fringe formed at this time has a straight stripe shape and the interval of the stripe has a constant value according to the inclination angle of the inclined reflector 7. When one period of the linear fringe interference pattern is 360 °, the phase grating 11 arranged at intervals of 90 ° passes through the interference fringe of only the corresponding part and enters the photodiode 9. The photodiode 9 outputs an electrical signal proportional to the incident light energy.

이때, 광원(1)에서 나온 광은 도2에 도시한 비임확대기(13)를 거치면서 확대되어 비임스플리터(3)에 입사될 수도 있다. 상기 비임확대기(13)를 거치는 구조는 측정을 더욱 용이하게 한다.At this time, the light emitted from the light source 1 may be enlarged while passing through the beam expander 13 shown in FIG. 2 and may be incident on the beam splitter 3. The structure passing through the beam expander 13 makes the measurement easier.

이 과정을 도3에 따라 구체적으로 설명한다. 도3에 도시한 바와 같이, 이동 반사경의 반사면이 광축에 대해서 수직이기 때문에 여기서 반사되어 위상격자로 입사되는 제2분리광은 위상격자면과 평행한 파두면(wave front)을 유지하는 반면에, 광축에 대해서 θ만큼 기울어진 경사 반사경에서 반사된 제1분리광의 파두면(wave front)은 위상격자면과 2θ만큼 기울어지게 된다. 이 결과로 제2분리광과 제1분리광의 위상이 동일한 위치에서는 광에너지가 최대값을 갖게 되고 위상이 180도 어긋나는 부위에서의 광에너지는 최소로 되는데 이러한 현상이 주기적으로 반복되어 조화함수형태의 광에너지분포를 나타내게 된다. 여기서의 간섭 줄무늬의 피치(Pitch='P')는 사용되는 광의 파장(Wave Length='λ')과 경사 반사경의 경사각(Tilting Angle='θ')에 의해 결정되는데 다음과 같은 관계를 가지게 된다.This process will be described in detail with reference to FIG. As shown in Fig. 3, since the reflective surface of the moving reflector is perpendicular to the optical axis, the second split light reflected here and incident on the phase grating maintains a wave front parallel to the phase grating plane. The wave front of the first split light reflected by the inclined reflector inclined by θ with respect to the optical axis is inclined by 2θ with the phase lattice plane. As a result, the light energy has the maximum value at the position where the second split light and the first split light are in the same phase, and the light energy is minimized at the 180 ° shifted phase. It shows the distribution of light energy. Here, the pitch of the interference fringes (Pitch = 'P') is determined by the wavelength of the light used (Wave Length = 'λ') and the tilt angle of the inclined reflector (Tilting Angle = 'θ'). .

그리고 이동 반사경(5)이 제2분리광과 같은 방향으로 L만큼 이동하면, 제2분리광의 이동거리는 2L이 되기 때문에, 간섭무늬는 줄무늬의 직각방향으로 이동하게 되는데 이 양을 ι이라 하면 이는 다음과 같이 구해진다.When the moving reflector 5 moves by L in the same direction as the second splitting light, the moving distance of the second splitting light becomes 2L, so that the interference fringe is moved in the perpendicular direction of the stripe. Obtained as

이와 같은 식의 이론적 배경을 다음에서 설명한다.The theoretical background of this equation is explained below.

이동 반사경(5)에서 반사되어온 광은 전면에 걸쳐 동일 위상을 가지며, 그 파두면(wave front)은 다음과 같은 식으로 표현된다.The light reflected by the moving reflector 5 has the same phase over the front surface, and the wave front thereof is expressed as follows.

여기서, a는 이동 반사경의 반사광 진폭, d은 비임 스플리터(3)와 경사 반사경 사이의 거리이고, j와 k는 각각과 2π/λ이다.Where a is the reflected light amplitude of the moving reflector, d is the distance between the beam splitter 3 and the oblique reflector, and j and k are respectively And 2π / λ.

경사 반사경이 θ만큼 기울어져 있을 때 반사경 표면은 위치 x 에 따라 다음 식으로 표현될 수 있다.When the inclined reflector is inclined by θ, the reflector surface can be expressed by the following equation according to the position x.

여기서 { z}_{0 } 는 동일 위상으로부터의 거리를 나타낸다.Where {z} _ {0} represents the distance from the same phase.

그러므로, 경사 반사경에서 반사된 광의 파두면은 경사 반사경(7) 표면위치에 따른 함수로 다음 식(3)과 같이 표현된다.Therefore, the wavefront of the light reflected by the inclined reflector is expressed as the following equation (3) as a function of the position of the inclined reflector 7 surface.

여기서, b는 경사 반사경(7)의 반사광 진폭이고, z(x)는 경사 반사경 표면의위치 함수이다. 이동 반사경과 경사 반사경에서 반사된 두 광의 파두면은 비임 스플리터(3)에서 합쳐 지면서, 두 광의 광경로차에 따라 발생하는 파두면의 위상차에 의해서 간섭무늬가 생성되는데 이와 같은 간섭무늬 세기(intensity)는 식(1)과 식(3)으로부터 다음 식 (4)로 표현된다.Where b is the reflected light amplitude of the oblique reflector 7 and z (x) is a function of the position of the oblique reflector surface. The wavefronts of the two lights reflected by the moving reflector and the tilt reflector are combined in the beam splitter 3, and an interference fringe is generated by the phase difference between the wavefronts generated by the optical path difference of the two lights. Is represented by the following equation (4) from equations (1) and (3).

여기서, I0는 간섭무늬 평균세기를 나타내며,와 같이 표현되고, gamma 는 간섭무늬 대비(fringe contrast)로와 같으며, k는 2π/λ인 상수를 나타낸다.Here, I 0 represents the mean intensity of the interference fringes, Where gamma is the fringe contrast And k represents a constant of 2π / λ.

식(4)에 의하여 생성된 간섭무늬 I(x)의 형태는 경사 반사경에 대한 이동 반사경의 공간적 위치에 따라 주기적인 형태의 영상을 나타내게 된다. 여기서의 간섭 줄무늬의 피치(Pitch, P)는 사용되는 광의 파장(Wave Length, λ)와 경사 반사경(Tilting Mirror)의 경사각(Tilting Angle, θ)에 의해 결정되는데 다음과 같은 관계를 가지게 된다.The shape of the interference fringe I (x) generated by Equation (4) shows an image of a periodic shape according to the spatial position of the moving reflector with respect to the inclined reflector. Here, the pitch (Pitch, P) of the interference fringe is determined by the wavelength (Wave Length, λ) of the light used and the tilting angle (θ) of the tilting mirror, and has the following relationship.

그리고 이동 반사경이 x축 방향으로 L만큼 이동하면 간섭무늬는 줄무늬의 직각방향으로 이동하게되는데 이 양을 l 이라 하면 이는 다음과 같이 구해진다.When the moving reflector moves by L in the x-axis direction, the interference fringe moves in the direction perpendicular to the stripe. If this amount is l, it is obtained as follows.

이 식을 보면 이동 반사경이 λ/2만큼 이동하면 간섭 줄무늬는 한 피치를 이동하게 됨을 알 수 있다. 따라서, 측정용으로 많이 이용되는 He-Ne레이저로서 0.6328 ㎛파장의 광원을 사용할 경우 피치가 0.3164 ㎛인 격자를 용이하게 구현할 수 있는 장점을 가질 수 있다.This equation shows that when the moving reflector moves by λ / 2, the interference fringes move one pitch. Therefore, when a 0.6328 μm wavelength light source is used as the He-Ne laser which is widely used for measurement, a pitch having a pitch of 0.3164 μm may be easily implemented.

이는 종래 통상적으로 사용되고 있는 광학식 선형 엔코더에서 메인스케일의 피치가 4 ㎛내지 20 ㎛의 격자를 사용하고 있는 것과 비교해 볼 때 위치검출 분해능을 월등히 향상시킬 수 있다.This can significantly improve the position detection resolution as compared to using a grating having a pitch of 4 μm to 20 μm in a conventional linear linear encoder.

상기 식 (5)와 식 (6)과 같은 조화함수형태의 광에너지분포에서 한 주기를 360°라고 할 때 90°간격으로 4개의 빛에너지를 검출하기 위하여 위상격자(11)를 도1 및 도2와 같이 배치하고 각각의 포토다이오드(9) 출력신호를 검출하게 된다.In the optical energy distribution of the harmonic function type such as Equation (5) and Equation (6), when one cycle is 360 °, the phase grating 11 is illustrated to detect four light energy at 90 ° intervals. 2 and the output signal of each photodiode 9 is detected.

도 4는 상기 이동 반사경(5)이 이동할 때 4개의 포토다이오드(9) 출력신호(A, A', B, B')를 보여주고 있는데, 4개의 출력신호는 각각 90°의 위상차를 가지고 있음을 알 수 있다. 이 신호는 종래의 광학식 선형 엔코더(encoder)의 출력과 동일하기 때문에 상용의 4채배용 UP/DOWN 계수기(counter)를 이용함으로써, 이동 반사경의 이동량으로 볼 때 λ/8에 해당하는 거리측정 분해능을 얻을 수 있다.4 shows four photodiode 9 output signals A, A ', B, and B' as the moving reflector 5 moves, each of which has a 90 ° phase difference. It can be seen. Since this signal is the same as the output of a conventional optical linear encoder, by using a commercial four-channel UP / DOWN counter, it is possible to obtain a distance measuring resolution corresponding to λ / 8 in terms of the amount of movement of the moving reflector. You can get it.

도5b는 종래의 광학식 선형 엔코더에서 많이 사용되고있는 4채배용 UP/DOWN계수기에서 조화함수형태의 한 주기에 대해서 4개의 펄스 신호를 만들어 내는 과정을 보여주고 있는데, 이는 이미 잘 알려진 내용이기 때문에 설명을 생략한다.FIG. 5B shows a process of generating four pulse signals for one period of harmonic function in a quadruple UP / DOWN counter, which is widely used in a conventional optical linear encoder. Omit.

다음에는 본 발명의 성능 및 효과를 알기 위해 실험한 실험장치 및 그 결과를 설명한다.Next, an experimental apparatus and results of experiments will be described to know the performance and effects of the present invention.

본 실험에서는 광 간섭무늬로부터 위상이 각각 90도가 차이나는 A, B, A', B'의 신호를 얻어서 기존의 광학식 선형 엔코더에서 통상적으로 이용되고 있는 4채배기법을 사용하였다.In this experiment, the signals of A, B, A ', and B', each of which are 90 degrees out of phase from the optical interference fringe, are used, and the quadruple technique commonly used in the conventional optical linear encoder is used.

도6은 본 실험의 실험장치의 구성을 나타내고 있다.6 shows the configuration of the experimental apparatus of this experiment.

광원은 파장 633nm의 He-Ne 레이저(5mW)을 사용하였고, 도시하지 않은 비임 확대기는 상기 레이저 광을 직경 20mm로 확대하는 비임확대기를 사용하였으며, 포토다이오드는 4분할 포토 다이오드를 사용하였다.As a light source, a He-Ne laser (5 mW) having a wavelength of 633 nm was used, a beam expander (not shown) used a beam expander that enlarges the laser light to a diameter of 20 mm, and a photodiode used a four-segment photodiode.

또한, 미세조정 나사를 사용하여 경사 거울의 각도를 조정하여 간섭무늬의 피치를 조절하게 하고, 이때 형성된 간섭무늬의 피치를 위상격자의 피치와 일치시키기 위해서 선형이미지센서가 이용하였다. 여기에 사용된 4분할 포토다이오드는 HAMAMATSU사의 S5106이고, 선형 이미지 센서는 OKI사의 MOS이미지 센서인 OPA512T가 사용되었다. 그리고, 이동 거울을 구동하고 이때 발생된 변위량을 측정하기 위해서 판스프링 구조를 운동 안내면으로 사용하는 정밀 이송계를 구성하였다.In addition, the linear image sensor was used to adjust the pitch of the interference pattern by adjusting the angle of the inclined mirror using a fine adjustment screw, and to match the pitch of the formed interference pattern with the pitch of the phase grating. The quad split photodiode used here is HAMAMATSU S5106, and the linear image sensor is OPA512T, OKI's MOS image sensor. And, in order to drive the moving mirror and measure the amount of displacement generated at this time, a precision feed system using a leaf spring structure as a motion guide surface was constructed.

또한, 미소구동을 위해 TOKIN사의 압전 구동기(piezoelectric actuator - AE0505D16)가 사용되었고, 미소변위 측정을 위해서는 ADE사의 정전용량형 갭센서(ADE-2102)가 사용되었고, 변위 센서와 앰프는 1.0 V/㎛의 출력을 가지도록조정하였다.In addition, TOKIN's piezoelectric actuator (AE0505D16) was used for micro-driving, ADE's capacitive gap sensor (ADE-2102) was used for microdisplacement measurement, and displacement sensor and amplifier were 1.0 V / μm. Adjusted to have an output of.

상기 실험장치에 의해 실험장치로, 4분할 포토다이오드에 형성되는 간섭무늬의 피치를 확인하기 위해서 사용된 선형 이미지 센서의 출력신호가 도7에 도시되어 있다. 이 출력신호의 주기를 위상격자의 피치 1.16mm와 일치하도록 상기 미세 조정나사를 이용하여 조절하였다.As shown in Fig. 7, the output signal of the linear image sensor used to check the pitch of the interference fringes formed in the four-segment photodiode by the experimental apparatus. The period of this output signal was adjusted using the fine adjustment screw to coincide with the pitch of 1.16 mm of the phase grating.

도8a 및 도8b는 정밀이송계의 압전구동기(PZT)를 0.125V씩 증가시켜 100스텝을 구동할 때 4분할 포토 다이오드의 신호 및 갭센서 신호를 나타내고 있다. 압전구동기에 의해 1스텝당 약11.85nm씩 일정하게 구동함에 따라 4분할 포토 다이오드의 신호 A, B, A', B'가 위상이 각각 90도가 차이나는 cosine함수 형태로 나타나고 있음을 볼 수 있다.8A and 8B show a signal of a four-segment photodiode and a gap sensor signal when the piezoelectric actuator PZT of the precision transfer system is driven by 0.125V in driving 100 steps. As a result of constant driving of about 11.85 nm per step by the piezoelectric actuator, the signals A, B, A ', and B' of the four-segment photodiode are shown in the form of a cosine function having 90 degrees of phase difference.

도8a에서의 신호 A와 A', 그리고 B와 B'는 각각 비교기에서 구형파로 변환되어 UP/DOWN계수기(counter, LSI사의 LS7166)에 입력된다. 계수기에서는 사용된 레이저 파장의 632.8nm이기 때문에 4채배되어 최종적으로는 파장의 1/8인 79.1nm마다 계수기값을 증가시키게된다. 도9는 압전구동기를 100스텝 구동할때 갭센서에서 측정된 변위('G'로 표시되어 있음)와 계수기의 출력에서 구해진 변위(79.1nm x계수기값, 'C'로 표시되어 있음)를 비교한 것이다. 이 결과에 의하면 갭센서에서 확인된 변위량 1168nm에서 본 연구에서 개발된 선형 엔코더의 오차는 2σ = 56.54nm로 나타났다.The signals A and A 'and B and B' in Fig. 8A are converted into square waves by a comparator and input to UP / DOWN counters (LS7166, LSI Co., Ltd.). In the counter, because it is 632.8 nm of the used laser wavelength, it is quadrupled, and finally the counter value is increased every 79.1 nm, which is 1/8 of the wavelength. Fig. 9 compares the displacement measured at the gap sensor (denoted as 'G') and the displacement obtained at the output of the counter (79.1 nm x counter value, denoted as 'C') when the piezoelectric actuator is driven 100 steps. It is. According to these results, the error of the linear encoder developed in this study was 2σ = 56.54nm at the displacement of 1168nm.

상기 실험결과에서 나타난 바와 같이, 실험에서 사용된 레이저 파장의 632.8nm이기 때문에 4분할 포토다이오드의 출력을 4채배하여 최종적으로는 파장의1/8인 79.1nm의 분해능을 얻을 수 있음을 확인 할 수 있다. 또한 갭센서와의 변위 측정치 비교에서, 선형 엔코더의 오차는 2σ = 56.54nm로 나타났다. 이는 종래 일반적으로 사용되고 있는 광학식 선형 엔코더에서 피치가 4 ㎛ 내지 20 ㎛정도의 메인 격자로부터 4채배하여 얻을 수 있는 분해능과 비교해 볼 때 약 12배 이상의 분해능 향상을 기대할 수 있다.As shown in the above experimental results, since the laser wavelength used in the experiment is 632.8nm, the output of the four-segment photodiode is quadrupled to obtain a resolution of 79.1nm, which is 1/8 of the wavelength. have. In addition, when comparing the displacement measurement with the gap sensor, the error of the linear encoder was 2σ = 56.54 nm. This can be expected to improve the resolution of about 12 times or more compared to the resolution obtained by four times the pitch of the main grating having a pitch of about 4 μm to 20 μm in the optical linear encoder that is generally used.

또한, 레이저는 코히어런스가 뛰어나므로 20m 정도의 긴 거리를 측정하는데도 부가적인 비용이 들지 않게 된다In addition, the laser has excellent coherence, so there is no additional cost to measure a long distance of about 20m.

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 광을 이용한 거리측정장치 및 방법에 의하면, 분해능이 뛰어나고, 간단한 광학계로 되어 있으므로 제조비가 저렴하며 긴 거리도 정밀하게 측정이 가능하다.According to the distance measuring device and method using the light according to the present invention configured as described above, since the resolution is excellent and the optical system is simple, the manufacturing cost is low and the long distance can be measured accurately.

Claims (3)

구동원에 의해 이동되는 이동체의 이동거리를 측정하는 거리측정장치에 있어서,In the distance measuring device for measuring the moving distance of the moving object moved by the drive source, 광을 발생하는 광원과,A light source for generating light, 상기 광원에서 나온 광을 제2분리광과 제1분리광으로 분리하도록 상기 광원의 일측에 설치된 비임스플리터와,A beam splitter installed at one side of the light source to separate the light emitted from the light source into a second separation light and a first separation light; 상기 제2분리광이 반사되어 되돌아 오도록 상기 이동체에 고정된 이동 반사경과,A moving reflector fixed to the moving body so that the second split light is reflected and returned; 상기 제1분리광이 소정의 각도로 경사져 반사되어 되돌아 오도록 상기 비임스플리터의 일측에 광축에 대해 경사지게 설치된 경사 반사경과,An inclined reflector installed at one side of the beam splitter inclined with respect to the optical axis such that the first split light is inclined at a predetermined angle and reflected back; 상기 이동 반사경에서 반사되어 온 제2분리광과 상기 경사 반사경에서 반사되어 온 제1분리광이 합쳐져서 생기는 간섭무늬를 검출하도록 상기 비임스플리터의 타측에 설치된 수광부와,A light receiving unit provided on the other side of the beam splitter to detect an interference fringe formed by the combination of the second split light reflected by the moving reflector and the first split light reflected by the tilt reflector; 상기 간섭무늬의 특정부분만을 통과시키도록 상기 비임스플리터와 상기 수광부의 사이에 설치된 위상격자를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 광을 이용한 거리측정장치.And a phase grating provided between the beam splitter and the light receiving portion so as to pass only a specific portion of the interference fringe. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 광원과 비임스플리터사이에는 상기 광원에서 나온 광을 확대시키도록비임 확대기가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 광을 이용한 거리측정장치.And a beam expander is provided between the light source and the beam splitter to enlarge the light emitted from the light source. 광원에서 나온 광을 비임스플리터를 통과시켜 제1분리광과 제2분리광으로 나누고,The light from the light source is passed through a beam splitter and divided into a first separation light and a second separation light, 상기 제1분리광은 소정각도로 경사된 경사 반사경에 반사되어 되돌아 오게 함과 동시에 상기 제2분리광은 이동 반사경에 반사되어 되돌아 오게 하여 상기 제1분리광과 제2분리광을 서로 간섭시키고,The first split light is reflected back to the inclined reflector inclined at a predetermined angle, and the second split light is reflected back to the moving reflector to interfere with the first split light and the second split light. 이 간섭된 무늬를 수광부에서 검출하여, 상기 이동 반사경의 이동거리를 측정하는 것을 특징으로 하는 광을 이용한 거리측정방법.The distance measuring method using light which detects this interference pattern by a light receiving part, and measures the moving distance of the said moving reflector.
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