KR100641771B1 - 광축을 따라 광학 엘레멘트를 이동시키기 위한 광학 엘레멘트의 이동 장치 - Google Patents

Abstract

광축을 따라 광학 엘레멘트 2를 이동시키기 위한 광학 엘레멘트의 이동 장치, 특히 대물 렌즈에서 큰 직경을 가진 렌즈와 같은 광학 엘레멘트를 이동시키기 위한 광학 엘레멘트의 이동 장치에 있어서, 광학 엘레멘트 2는 개략 조정 구동부 9 및 미세 조정 구동부 10를 구비하는 조정 장치 8가 작용하는 유지링 1에 의해 지지된다. 유지링 1은 광축을 따른 방향보다 광축에 대한 횡방향으로 실질적으로 더 큰 강성을 가지는 고정 조인트 4를 통해 지지링 3에 연결되고, 상기 지지링 3은 마운트의 일부를 형성하거나 또는 마운트 상에 정렬된다. 고정 조인트 4는, 유지링 1이 조정 장치 8의 작동 시 광축을 따라 이동될 수 있도록, 유지링 1과 지지링 3 사이에 배치된다.

Description

광축을 따라 광학 엘레멘트를 이동시키기 위한 광학 엘레멘트의 이동 장치{Device for displacing an optical element along the optical axis}

제 1 도는 본 발명에 따른 장치를 나타낸 측면도 또는 부분 설명도.

제 2 도는 제 1 도에 따른 장치의 부분 단면을 나타낸 평면도.

제 3 도는 제 1 도와 동일한 도면으로서 본 발명의 추가 실시예를 나타내는 도면.

제 4 도는 제 1 도와 동일한 도면으로서 본 발명의 제 3 실시예를 나타내는 도면.

주요부호 :

1. 유지링

2. 렌즈

3. 마운트(mount)

4. 고정 조인트(solid joint)

5, 6. 조인트 위치부(joint location)

8. 조정 장치

9. 스테핑 모터(stepping motor)

10. 압전 구동부

11. 압축 스프링

13. 화살표

14. 화살표

15. 압축 부분

17. 돌기부

본 발명은 특허청구범위 제 1 항에 상세히 기재된 유형에 따른 광축을 따라 광학 엘레멘트를 이동시키기 위한 광학 엘레멘트의 이동 장치에 관한 것이다.

일본 특허 JP 83 13 785 A에는 광축을 따라 렌즈를 이동시키기 위해 피니언과 기어 래크를 구비한 개략 구동 장치(coarse drive)가 구비되고, 정밀 조정을 위해 압전 엘레멘트가 구비되는 서두에 언급된 유형의 장치가 개시되어 있다.

대물 렌즈의 렌즈들을 이동시키기 위해 압전 엘레멘트를 사용하는 것은 또한 일본 특허 공보 JP 080 94 906 A, 미국 특허 공보 56 75 444 A 및 미국 특허 공보 55 76 894 A에도 알려져 있다.

대물 렌즈를 설정하거나 또는 예컨대, 배율을 설정하는 것과 같이 이미지 에러에 영향을 주기 위해, 예를 들면, 렌즈와 같은 광학 엘레멘트를 광축을 따라 매우 민감하게 또한 매우 짧은 경로로 조정하는 것이 가능해야 한다. 특히 광학 엘레멘트의 직경이 200mm 이상인 경우와 같이 직경이 큰 경우, 예를 들면, 한편으로는 광학 엘레멘트의 큰 질량이 이동되어야 한다는 문제점, 다른 한편으로는 횡방향 이동, 즉, 광학 엘레멘트의 광축에 대한 횡방향 이동이 가능한 한 방지되어야 한다는 문제점이 존재한다. 또한 특히 광축에 수직인 축에 대해 경사지는 것을 방지해야 한다.

따라서, 본 발명의 목적은 특히 크고 무거운 광학 엘레멘트가 특히 횡방향으로 이동되는 위험 없이 광축 방향으로 매우 정확하고 민감하게 이동될 수 있게 하는 서두에 언급된 유형의 장치를 제공하는 것이다.

상기 목적은 본 발명에 따르면 특허청구범위 제 1 항의 특징부에 언급된 특징에 의해 달성된다.

즉, 본 발명은 광축을 따라 광학 엘레멘트를 이동시키기 위한 광학 엘레멘트의 이동 장치를 제공하며, 광학 엘레멘트는 하나 이상의 조정 구동부를 구비한 조정 장치가 작용하는 유지링에 의해 지지되고, 유지링(1)은 광축을 따른 방향보다 광축에 대한 횡방향으로 실질적으로 더 큰 강성(stiffness)을 가지는 고정 조인트(4)를 통해 지지링(3)에 연결되고, 상기 지지링(3)은 마운트의 일부를 형성하거나 또는 마운트 상에 정렬되며, 고정 조인트(4)는, 유지링(1)이 조정 장치(8)의 작동 시 광축을 따라 이동되도록, 유지링(1)과 지지링(3) 사이에 배치된다.

본 발명에 따른 구성에 따르면, 광축에 대한 횡방향으로는 큰 강성이 형성되며, 광축 방향으로는 만족할 정도로 부드러움이 존재한다. 본 발명에 따른 고정 조인트를 사용함으로써, 유지링과 지지링의 연결을 형성할 수 있어, 원하는 강성율이 주어진다. 지지링과 유지링은 물론 원통형 부품에 한정되지 않으며, 광학 엘레멘트를 장착하기 위한 종래의 부품에도 관련된다.

유지링과 지지링이 그들 사이에 위치된 고정 조인트와 함께 하나의 편으로 형성될 때 특히 유리한 결과가 달성된다. 상기 조치는 히스테리시스(슬립 스틱(slip-stick))와 스트레스에 있어서 현저한 감소 효과를 가져온다.

횡방향 이동 없는 매우 정밀한 이동은 3개 이상의 고정 조인트가 유지링과 지지링 사이에서 주연부에 걸쳐 분산되어 정렬될 때 달성된다. 이러한 경우 각 고정 조인트에 조정 장치를 할당하는 것도 유리하다. 또한, 추가로, 유지링의 위치 또는 정렬을 감시하는 센서가 구비되면, 광학 엘레멘트는 정확히 이동될 수 있으며, 이러한 경우 렌즈의 광축 또한 전체 시스템의 광축 상에 일정하게 유지된다. 결과적으로, 3개 이상의 고정 조인트 및 이에 대응되는 구동부를 구비하는 본 발명에 따른 장치에 의해, 경사에 대한 베어링의 불안정정이 회피된다. 센서가 조정 장치에 결합되면, 광학 엘레멘트는 제어 루프 또는 폐쇄 루프에 의해 매우 균일하게 이동될 수 있다.

본 발명의 유리한 발전예 및 개선예가 원칙적으로 도면에 의해 설명된 예시적 실시예 및 나머지 종속항에 개시되어 있다.

실시예

본 발명을 다음의 실시예로 설명한다.

제 1 도는 광학 엘레멘트인 렌즈 2를 위한 유지링 1으로서 형성된 상부링과, 마운트 3로서 형성된 하부링을 구비하는 구조를 나타낸다.

예컨대 120°로 이격되어 있는 3개의 고정 조인트 4가 주연부에 걸쳐 규칙적으로 분산되어 위치된다. 본 발명의 실시예에 따른 고정 조인트 4는, 일측면 또는 일단부에서 조인트 위치부 5를 통해 지지링 3에 연결되고 다른 단부에서 조인트 위치부 6에 의해 유지링 1에 연결되는 커플러를 포함하는 제어 레버로서 형성된다.

유지링 1, 지지링 3 및 고정 조인트 4는 모놀리식 또는 하나의 편(piece)으로 구성되고, 조인트 위치부 5, 6는 각각 유지링 1과 지지링 3 사이의 연결 위치부를 나타낸다. 이들은 예컨대 밀링(milling out)에 의해 생성된 직경 감소부에 의해 형성된다.

고정 조인트 4의 강성은 각각 조인트 위치부 5 또는 6의 영역에서의 반경 r 및 두께 t에 의해 한정된다. 재료 강도, 즉, 장치의 중간점으로 내향으로 연장되는, 즉, 광축에 대해 횡방향으로 연장되는 조인트 위치부 5, 6의 깊이 또는 종방향 길이 및 이 경우의 탄성 모듈 E은 강성 및 스트레스의 계산에 있어 선형적으로만 특징을 가진다. 예컨데 소위 형상 기억 합금으로도 알려진 니켈-티타늄 합금과 같은 고강도 재료 또는 초탄성 재료를 사용하면 큰 스프링 행정이 이루어진다.

유지링 1과 지지링 3 사이의 절결부 7 또는 보어에는 개략 조정 구동부로서 형성된 스테핑 모터 9와 미세 조정 구동부로서 형성된 압전 구동부 10를 포함하는 조정 장치 8가 배치되어 있다.

적당한 크기의 행정은 스테핑 모터 9를 통해 스테핑 모터 9에 있는 스핀들에 의해 공지의 방법으로 달성되고, 작은 단계의 크기는 상기 구동부가 작동될 때 스테핑 모터 9의 조정 부재 상에 배열된 압전 구동부 10에 의해 달성된다. 압전 구동부 10는 이러한 경우 조인트 위치부 5로부터 거리 b만큼 이격된 조인트 4의 커플러 상에 주연 방향으로 작용한다. 따라서, 조정 장치 8가 작동되면, 조정력은 압전 구동부 10의 작용점에서 조인트 4의 커플러 상에 작용되고, 이에 따라 조인트 위치부 5에 대해 토크력이 발생된다.

따라서, 조정 장치 8가 활성화될 때, 조인트 위치부 6 위에서 유지링 1은 화살표 방향으로 상향으로 향하는 이동력을 겪게 된다. 2개의 경로의 비율, 즉, 2개의 조인트 위치부 5, 6의 서로에 대한 거리 a와, 조인트 위치부 5로부터 압전 구동부 10의 작용점의 거리 b의 비율은 변환율을 형성하고, 조정 장치 8는 상기 변환율로 제어 이동을 실행한다.

조인트 4의 커플러의 압전 구동부 10 반대쪽 측면에 작용하고 다른 단부에서 지지링 3의 스텝부 12상에 지지되는 압축 스프링 11은 자체의 편의(biasing)에 의해 고유 진동수의 증가를 발생시킨다. 유지링 1이 각각 현수되어 있는 조인트 위치부 6는 자체의 깊이 또는 길이 방향 길이에 있어서 가능한 한 장치의 중간부, 즉, 광축을 향해야 한다. 조인트 위치부 5는 항상 유지링 상 1의 조인트 위치부 6에 평행해야 한다(제 2 도 참조). 반경 방향으로 연장되는 조인트 위치부 6의 깊이는 예컨대 20mm 와 50mm 사이일 수 있다.

제 3 도에 따른 예시적 실시예에서, 도시되어 있는 고정 조인트 4의 2개의 커플러는 유지링 1의 회전에 의해 경사진다. 보는 바와 같이, 커플러는 평행하게 연장하는 광축에 대해 박판으로서 각도

로 비스듬히 위치된다. 조정 장치 8가 주연 방향으로 힘을 생성하여 그 결과 화살표 13의 방향으로 유지링 1이 이동되면, 유지링 1이 이동함과 동시에, 설정각

의 변화에 따라 화살표 14의 방향으로의 이동이 발생되고, 그 결과 유지링 1 상에 장착된 렌즈 2가 이에 상응하게 광축 방향으로 이동된다.

조인트 4의 커플러의 변수 길이 L와 설정 각도

는 횡방향 이동을 화살표 14의 방향에 따른 스트로크 이동으로 변환시키는 변환율을 형성한다. 고유 진동수가 증가되도록, 음각(negative angle)

를 선택하고 유지링 1과 지지링 3 사이에 인장 스프링(도시 안 됨)을 설치하는 것이 바람직하다.

이 경우, 고정 조인트 4의 커플러의 2개의 조인트 위치부 5, 6는 각각 적어도 평행해야 되고, 조인트 위치부 6는 (제 2 도에 따른) 장치의 중간부 방향을 향해야 한다. 본 실시예에서, 적당하다면, 조정 장치가 유지링 1의 부착물 또는 돌기부 17에 작용한다면, 구동부로서 단일의 조정 장치 8가 충분하며, 상기 부착물 또는 돌기부는 광축에 평행하게 연장된다.

제 3 도에 도시된 예시적 실시예의 변형예가 제 4 도에 따른 예시적 실시예에 도시된다. 이 경우, 유지링 1 및 이에 따라 렌즈 2도 회전 이동을 겪지 않지만, 순수 스트로크 움직임은 발생되며, 조정 장치 8가 설치되어 있는 2개의 면, 구체적으로 유지링 1과 지지링 3은 서로에 평행하게 일정하게 유지된다. 본 실시예는 특히 압전 구동부 10에 의해 작동되기에 유리하다.

도시되어 있는 바와 같이, 각각 2개의 부분으로 구성되는 고정 조인트 4는 자체의 조인트 부분 또는 커플러 부분 4a, 4b에 의해, 압축 부분 15을 구비한 일종의 토글 레버(toggle lever)를 형성한다. 상기 압축 부분 15은 각각 조인트 부분 또는 커플러 부분 4a, 4b의 사이에서 중앙에 위치되며, 상기 압축 부분 15 상에는 조정 장치 8의 압전 구동부 10가 작용한다. 커플러 부분 4a은 일 단부에 지지링 3과의 조인트 위치부 5를 구비하고, 다른 단부에 압축 부분 15과의 조인트 위치부 5a를 구비한다. 커플러 부분 4b은 일 단부에 유지링 1과의 조인트 위치부 6를 구비하며, 다른 단부에 압축 부분 15과의 조인트 위치부 6a를 구비한다. 이 경우, 조인트 위치부 5, 5a, 6, 6a는 커플러 부분 4a, 4b에서 보어 또는 모서리가 깎인 부분의 형태로 된 상응하는 직경 감소부에 의해 형성된다. 이 경우, 조인트 위치부 5 또는 6의 측방향 보어는, 특히 커플러 부분 4a, 4b의 경사진 설정으로 인해, 각각 지지링 3 또는 유지링 1 내로 연장된다.

제 4 도에서 또한 볼 수 있는 바와 같이, 조정 장치 8는, 2개의 고정 조인트 4가 단일 조정 장치 8에 의해 각각 작동될 수 있도록, 2개의 서로 인접된 고정 조인트 4의 사이에 위치된다. 이 경우, 압전 구동부 10는 도면의 좌측에 도시된 고정 조인트 4에 작용한다.

조정 장치 8의 스테핑 모터 9는 자체의 하우징에 의해 인접 고정 조인트 4의 압축 부분 15 상에 지지된다. 조정 장치 8가 작동되면, 양 고정 조인트 4는 작용 및 반작용에 따라 이에 상응하게 조정되고, 이로 인해 커플러 부분 4a, 4b의 경사진 설정에 있어서의 변화가 발생된다. 이에 따라 유지링 1의 화살표 14의 방향으로 비회전 스트로크 및 이에 따른 렌즈 2의 광축 방향으로의 스트로크가 발생된다. 재설정을 위해, 재설정 스프링 18이 커플러 부분 4a, 4b 사이에 또는 지지링 3과 유지링 1 사이에 각각 구비된다.

모든 3개의 예시적 실시예의 공통적 특징으로서 센서 16, 예컨대 3개의 센서가 존재한다. 상기 센서는 주연부에 걸쳐 분산되어 정렬되며, 광학 엘레멘트 2를 위한 유지링 1의 베어링 표면의 위치 및/또는 정렬을 측정하도록 유지링 1과 지지링 3 사이에 정렬된다. 센서 16는 유지링 1의 경사를 결정할 수 있고 그리고/또는 3개의 센서가 예컨대 주연부에 정렬될 때, 조정 장치 8와 결합되는 경우, 유지링 1의 균일한 스트로크 이동 및/또는 조정 이동이 광축을 따라 달성되도록 보장할 수 있다.

강성, 스트로크 및 감도 한계(resolution)에 대한 필요한 조합, 및 제어 이동에 대한 재현 가능성을 구비하는 모든 액츄에이터가 본 발명에 따른 매니퓰레이터(manipulator)를 위한 구동부로서, 즉, 광학 엘레멘트의 이동 장치로서 적합하다. 그 하나의 예가 등록 상표 인치웜 구동부(Inchworm drives : 인치웜은 상표명이며 판매자는 벌리(Burleigh)임)에 의해 제공된다.

본 발명에 따르면, 특히 크고 무거운 광학 엘레멘트가 특히 횡방향으로 이동되는 위험 없이 광축 방향으로 매우 정확하고 민감하게 이동될 수 있게 하는 서두에 언급된 유형의 장치가 제공되는 효과가 있다.

Claims (20)

1. 광축을 따라 광학 엘레멘트를 이동시키기 위한 광학 엘레멘트의 이동 장치이며, 광학 엘레멘트는 하나 이상의 조정 구동부를 구비한 조정 장치가 작용하는 유지링에 의해 지지되고, 유지링(1)은 광축을 따른 방향보다 광축에 대한 횡방향으로 실질적으로 더 큰 강성을 가지는 고정 조인트(4)를 통해 지지링(3)에 연결되고, 상기 지지링(3)은 마운트의 일부를 형성하거나 또는 마운트 상에 정렬되며, 고정 조인트(4)는, 유지링(1)이 조정 장치(8)의 작동 시 광축을 따라 이동되도록, 유지링(1)과 지지링(3) 사이에 배치되는 광학 엘레멘트의 이동 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 유지링(1)과 지지링(3)은 이들 사이에서 위치한 고정 조인트(4)와 함께 하나의 편으로 형성되는 광학 엘레멘트의 이동 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 고정 조인트(4)는, 유지링(1)에 연결되는 조인트 위치부(6)가 일 단부에 구비되고 지지링(3)에 연결되는 조인트 위치부(5)가 다른 단부에 구비되는 커플러에 의해 각각 형성되는 광학 엘레멘트의 이동 장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 조인트 위치부(6, 5)는, 유지링(1) 및 지지링(3)과 연결되는 커플러(4)의 연결 위치부 영역의 직경을 감소시킴으로써 각각 형성되는 광학 엘레멘트의 이동 장치.
5. 제 1 항에 있어서, 조정 장치(8)는 압전 엘레멘트를 구비하는 미세 조정 구동부(10)를 구비하는 광학 엘레멘트의 이동 장치.
6. 제 1 항에 있어서, 3개 이상의 고정 조인트(4)가 유지링(1)과 지지링(3) 사이에서 주연부에 걸쳐 분산되어 정렬되는 광학 엘레멘트의 이동 장치.
7. 제 6 항에 있어서, 조정 장치(8)는 각 고정 조인트(4)에 대해 구비되는 광학 엘레멘트의 이동 장치.
8. 제 7 항에 있어서, 유지링(1)의 위치를 결정하기 위한 센서(16)가 구비되는 광학 엘레멘트의 이동 장치.
9. 제 5 항에 있어서, 조정 장치(8)는 개략 조정을 위한 스테핑 모터(9)를 구비하며, 상기 스테핑 모터(9)의 조정 부재 상에는 미세 조정을 위한 미세 조정 구동부(10)가 정렬되는 광학 엘레멘트의 이동 장치.
10. 제 2 항에 있어서, 유지링(1)에 연결되는 하나 이상의 조인트 위치부(6)는 길이 방향 크기가 적어도 대략 광축 방향으로 연장되며, 지지링(3)에 연결된 조인트 위치부(5)는 유지링(1)에 연결된 조인트 위치부(6)에 대해 적어도 대략 평행하게 위치되는 광학 엘레멘트의 이동 장치.
11. 제 3 항에 있어서, 조정 장치(8)는, 고정 조인트(4)의 커플러가 지지링(3)에 연결된 조인트 위치부(5)에 대해 회전하도록, 고정 조인트(4) 상에 작용하며, 유지링(1)에 연결된 조인트 위치부(6)는, 회전이 이루어지는 동안 유지링(1)에 연결된 조인트 위치부(6)가 적어도 대략 광축을 따른 방향으로 이동하도록, 지지링(3)에 연결된 조인트 위치부(5)에 대해 정렬되는 광학 엘레멘트의 이동 장치(제 1 도).
12. 제 11 항에 있어서, 스프링 장치(11)가 조인트(4) 커플러의 조정 장치(8) 반대쪽 일 측면에 작용하며, 상기 스프링 장치(11)는 다른 측면에서 지지링(3) 상에 지지되는 광학 엘레멘트의 이동 장치.
13. 제 3 항에 있어서, 고정 조인트(4)의 커플러는 광축에 대해 비스듬히 위치되는 광학 엘레멘트의 이동 장치(제 3 도).
14. 제 13 항에 있어서, 조정 장치(8)는 유지링(1)의 부착부 또는 돌기부(17) 상에 작용하며, 상기 부착부 또는 돌기부는 광축에 평행하게 연장되는 광학 엘레멘트의 이동 장치.
15. 제 3 항에 있어서, 각 고정 조인트(4)는 2개의 커플러 부분(4a, 4b)을 구비하는 2개의 부분으로 각각 형성되며, 조정 장치(8)는 2개의 커플러 부분(4a, 4b) 사이에 위치된 압축 부분(15) 상에 토글 레버 방식으로 작용하는 광학 엘레멘트의 이동 장치(제 4 도).
16. 제 15 항에 있어서, 각 커플러 부분(4a, 4b)은 단부에 조인트 위치부(5, 5a, 6, 6a)를 구비하며, 하나의 조인트 위치부(6 또는 5)는 유지링(1) 또는 지지링(3)에 연결되며, 각각 동일 커플러 부분(4a 또는 4b)에 속하는 다른 조인트 위치부(5a 또는 6a)는 압축 부분(15)에 연결되는 광학 엘레멘트의 이동 장치.
17. 제 15 항에 있어서, 재설정을 위해 재설정 스프링(18)이 각각 커플러 부분 (4a, 4b) 사이에 구비되거나 또는 지지링 (3)과 유지링(1) 사이에 구비되는 광학 엘레멘트의 이동 장치.
18. 제 15 항에 있어서, 조정 장치(8)는 각각 서로에 인접 위치된 2개의 고정 조인트(4)를 작동시키는 광학 엘레멘트의 이동 장치.
19. 제 18 항에 있어서, 조정 장치(8)는 일 측면에서 미세 조정 장치(10)에 의해 고정 조인트(4)의 압축 부분(15) 상에 작용하고, 조정 장치(8)는 다른 측면에서 그에 인접 위치된 고정 조인트(4)의 압축 부분(15) 상에 지지되는 광학 엘레멘트의 이동 장치.
20. 제 1 항에 있어서, 인치웜 구동부가 조정 장치(8)로서 이용되는 광학 엘레멘트의 이동 장치.

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