KR100736229B1 - System for compensating error of laser interferometer and method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 종래의 레이저 간섭계를 이용한 측정시스템에서 오차를 보정하기 위한 시스템의 블록도.1 is a block diagram of a system for correcting errors in a measurement system using a conventional laser interferometer.
도 2는 본 발명에 따른 레이저 간섭계의 오차 보정 시스템의 블록도.2 is a block diagram of an error correction system of a laser interferometer according to the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 오차 보정 방법을 설명하기 위한 순서도.3 is a flowchart illustrating an error correction method according to the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 간섭계의 초기 보정 구간과 한 스텝 구동에 따른 결과를 나타낸 그래프.Figure 4 is a graph showing the results of the initial correction interval and one step drive of the interferometer according to the present invention.
도 5는 본 발명에 따라 칼만 필터를 이용한 초기 보정 구간 및 측정 잡음 제거에 따른 결과를 나타낸 그래프.Figure 5 is a graph showing the results of the initial correction interval and the measurement noise removal using a Kalman filter in accordance with the present invention.
도 6은 본 발명에 따라 정지 상태와 이동 상태에서 계측된 측정 잡음을 나타낸 그래프.6 is a graph showing measured noise measured in a stationary state and a moving state according to the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
50 : 간섭계 60 : 측정부50: interferometer 60: measuring unit
70 : 보정부70: correction unit
본 발명은 레이저 간섭계의 오차 보정 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이저 간섭계를 이용한 측정 시스템의 정밀도를 높이기 위한 레이저 간섭계의 오차 보정 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an error correction system and method of the laser interferometer, and more particularly, to an error correction system and method of the laser interferometer for increasing the accuracy of the measurement system using the laser interferometer.
일반적으로, 나노 단위의 부품 및 나노급 측정 기술에 가장 널리 활용되는 장비로는 헤테로다인 레이저 간섭계(Heterodyne Laser Interferometer)가 있다.In general, the most widely used equipment for nanoscale components and nanoscale measurement technology is the Heterodyne Laser Interferometer.
반도체 회로제조기술에서는 레이저 간섭계를 이용하여 반도체 소자의 최소 가공 선폭을 100nm로 가공하고 있다.In the semiconductor circuit manufacturing technology, the minimum line width of a semiconductor device is processed to 100 nm using a laser interferometer.
이론적으로 레이저 간섭계를 이용한 측정 분해능(Measurement resolution)은 헤테로다인 레이저 간섭계의 종류에 따라 단일 경로 헤테로다인 레이저 간섭계(single path heterodyne laser interferometer)는 0.6nm, 이중 경로 헤테로다인 레이저 간섭계(double path heterodyne laser interferometer)는 0.3nm, 그리고 4중 경로 헤테로다인 레이저 간섭계(four path heterodyne laser interferometer)는 0.15nm 이다.Theoretically, the measurement resolution using a laser interferometer is 0.6 nm for a single path heterodyne laser interferometer and a double path heterodyne laser interferometer depending on the type of heterodyne laser interferometer. ) Is 0.3 nm, and the four path heterodyne laser interferometer is 0.15 nm.
도 1은 타겟의 이동 변위를 측정하기 위한 종래의 측정 시스템으로, 단일 경로 헤테로다인 레이저(11)를 이용한 간섭계(10), 상기 간섭계(10)를 이용하여 변위량을 계측하는 측정부(20), 상기 측정부(20)에 의하여 측정된 계측량의 오차를 보정해 주는 보정부(30)로 구성된다.1 is a conventional measurement system for measuring the displacement of the target, an
상기 간섭계(10)는 제 1주파수(f1) 및 제 2주파수(f2)의 레이저광을 출력하는 레이저(11), 상기 레이저(10)의 광경로에 설치되어 제 1주파수(f1)와 제 2주파수(f2)를 분리해 주는 빔 스플리터(12), 상기 빔 스플리터(12)를 통과한 제 1주파수(f1)의 광경로에 설치되는 제 1쿼터 웨이브 플레이트(quarter wave plate; 13), 상기 제 1쿼터 웨이브 플레이트(13)를 통과한 제 1주파수(f1)의 광경로에 이동 가능하게 설치되어 피측정물인 타겟과 같이 이동되는 이동 거울(14), 상기 빔 스플리터(12)를 통과한 제 2주파수(f2)의 광경로에 설치되는 제 2쿼터 웨이브 플레이트(15), 제 2쿼터 웨이브 플레이트(15)를 통과한 제 2주파수(f2)의 광경로에 고정 설치된 고정 거울(16)로 구성된다.The
상기 레이저(11)는 633nm의 파장을 갖는 이중 주파수 안정화 레이저 헤드로 구성되며, 상기 이동 거울(14)은 구동 장치에 탑재되어 이동된다.The
상기 측정부(20)는 상기 간섭계(10)의 빔 스플리터(12)를 통과한 간섭신호(f2-(f1±Δf1))를 감지하는 광검출부(21), 상기 광검출부(21)의 출력을 수신하는 수신부(22), 상기 수신부(22)에서 출력하는 간섭 신호(f2-(f1±Δf1))와 상기 레이저(11)의 레퍼런스 신호(f2-f1)를 이용하여 상기 이동 거울(14)의 변위량(Vr)을 처리하는 측정 처리부(23)로 구성된다.The
상기 보정부(30)는 상기 측정부(20)에 의해 측정된 변위량의 오차를 보정하 기 위한 것으로, 상기 간섭계(10)가 설치된 장소의 대기 온도를 측정하는 온도 센서(32), 대기 압력을 측정하는 압력 센서(33), 대기 습도를 측정하는 습도 센서(34)와, 상기 각 센서의 측정값을 이용하여 상기 측정 처리부(23)에서 출력된 변위량을 보정해 주는 보정 처리부(31)로 구성된다.The
상기와 같이 구성된 종래의 측정 시스템은 상기 이동 거울(14)의 이동 변위를 계측하기 위해, 상기 이동 거울(14)의 이동에 따라 발생된 제 1주파수(f1)와 제 2주파수(f2)간의 위상차를 상기 측정부(20)의 광 검출부(21)를 통해 검출하여, 상기 광 검출부(21)의 아날로그 신호를 상기 수신부(22)로 입력시키면, 상기 측정 처리부(23)는 상기 수신부(22)의 출력 신호(f2-(f1±Δf1))와 상기 레이저(11)의 레퍼런스 신호(f2-f1)를 이용하여 기 이동 거울(14)의 변위량(Vr)을 계측한다.The conventional measuring system configured as described above has a phase difference between the first frequency f1 and the second frequency f2 generated according to the movement of the
그러나, 상기 간섭계(20)에 영향을 미치는 여러 가지 오차 원인 때문에 상기 측정부(20)에서 계측된 결과를 신뢰할 수 없다.However, the results measured by the
즉, 상기 간섭계(10)에 영향을 미치는 오차 원인은 상기 레이저(11) 및 광학 장치(1/4파장판, 거울 등)에 의한 오차 및 비선형성오차인 기계적 오차(Instrumentation error)가 있다. 그리고, 상기 광학 장치, 레이저(11) 그리고 상기 이동 거울(14)의 구동 장치 간의 정렬오차인 기하학적 오차(Geometry error)가 있다. 또한, 가장 큰 오차를 발생시키는 온도, 습도, 진동, 그리고 공기 섭동에 의한 환경오차(Environment error)가 있다.That is, the error causes affecting the
상기 환경오차는 전체 오차의 60% 이상을 차지하며, 가장 보정하기 어려운 오차이다. 이런 이유로 인하여 실제 분해능(0.6nm)에 훨씬 못 미치는 100nm 이상의 정밀도밖에 이용하지 못하고 있다.The environmental error accounts for more than 60% of the total error and is the most difficult error to correct. For this reason, we can only use precision above 100nm, well below the actual resolution (0.6nm).
상기 환경오차를 개선하기 위한 방법은 환경변화에 의한 공기 굴절률의 변화를 보정하는 방법이 있다. 이 방법은 실험 환경을 안정화시키는 시스템을 구축하여 항온, 항습, 방진, 방음 등 여러 가지 외부 환경 제어 시스템을 구축하는 동시에 온도, 습도, 기압 계측을 통한 에들린(Edlen) 공식을 이용하여 환경오차를 보정하는 방법이다.The method for improving the environmental error is a method for correcting the change in the air refractive index due to environmental changes. This method establishes a system that stabilizes the experimental environment, establishes various external environmental control systems such as constant temperature, humidity, dust protection, and soundproofing, and uses the Edlen formula through temperature, humidity, and barometric pressure measurement. How to calibrate.
즉, 상기 보정부(30)는 온도 센서(32), 압력 센서(33), 습도 센서(34)를 이용하여 대기 환경 조건을 측정하고, 이 측정된 결과를 이용하여 상기 보정 처리부(31)가 오차를 보정하는데, 이와 같은 보정 방법은 실험실 환경을 안정화시키는데 사용되는 비용이 크며, 온도, 기압, 습도 변화에 대한 변위 오차의 상관 관계를 정확하게 측정할 수 없으므로 측정 정밀도를 향상시키는 데 한계가 있는 문제점이 있었다.That is, the
본 발명의 목적은 레이저 간섭계를 이용한 측정 시스템에 칼만 필터 알고리즘(Kalman filter algorithm)을 적용하여 환경오차를 개선함으로써 측정 정밀도를 높여 주는 레이저 간섭계의 오차 보정 시스템 및 그 방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide an error correction system and method of a laser interferometer that improves measurement accuracy by applying a Kalman filter algorithm to a measurement system using a laser interferometer to improve environmental errors.
그리고, 본 발명의 다른 목적은 레이저 간섭계 측정 시스템에 칼만 필터 알고리즘(Kalman filter algorithm)을 적용함으로써 환경 제어에 드는 경제적인 손실 을 줄이고 측정 정밀도를 향상시켜 주는 레이저 간섭계의 오차 보정 시스템 및 그 방법을 제공하는데 있다.In addition, another object of the present invention is to provide a laser interferometer error correction system and method for reducing the economic loss and improve the measurement accuracy by applying a Kalman filter algorithm to the laser interferometer measurement system It is.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해, 레이저의 광 간섭을 이용하여 이동 타겟의 변위를 감지하는 간섭계; 상기 간섭계의 광출력을 감지하여 변위를 측정하는 측정부; 및 상기 측정부에 의해 측정된 변위의 오차를 칼만 필터로 보정하여 출력하는 보정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 간섭계의 오차 보정 시스템을 제공한다.The present invention to achieve the above object, an interferometer for detecting the displacement of the moving target using the optical interference of the laser; A measuring unit for measuring displacement by sensing an optical output of the interferometer; And a correction unit for correcting and outputting an error of the displacement measured by the measurement unit using a Kalman filter.
상기 간섭계는 2개의 주파수를 가지는 레이저를 이용하는 것을 특징으로 한다.The interferometer uses a laser having two frequencies.
상기 간섭계는 제 1주파수 및 제 2주파수의 레이저광을 출력하는 레이저, 상기 레이저의 광경로에 설치되어 상기 제 1주파수와 상기 제 2주파수를 분리해 주는 빔 스플리터, 상기 빔 스플리터를 통과한 상기 제 1주파수의 광경로에 설치되는 제 1쿼터 웨이브 플레이트, 상기 제 1쿼터 웨이브 플레이트를 통과한 상기 제 1주파수의 광경로에 이동 가능하게 상기 타겟과 같이 설치되는 이동 거울, 상기 빔 스플리터를 통과한 상기 제 2주파수의 광경로에 설치되는 제 2쿼터 웨이브 플레이트, 상기 제 2쿼터 웨이브 플레이트를 통과한 상기 제 2주파수의 광경로에 고정 설치된 고정 거울을 포함하는 것을 특징으로 한다.The interferometer is a laser for outputting laser light of a first frequency and a second frequency, a beam splitter installed at an optical path of the laser to separate the first frequency and the second frequency, the second through the beam splitter A first quarter wave plate installed in an optical path of one frequency, a moving mirror installed in the same manner as the target so as to be movable in the optical path of the first frequency that has passed through the first quarter wave plate, and the beam splitter passed through the first quarter wave plate And a second quarter wave plate installed on the optical path of the second frequency, and a fixed mirror fixed to the optical path of the second frequency passing through the second quarter wave plate.
상기 이동 거울은 구동장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The moving mirror further comprises a drive device.
상기 구동장치는 구동을 제어해 주는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The drive device is characterized in that it further comprises a control unit for controlling the drive.
상기 레이저는 이중 주파수 안정화 레이저 헤드로 이루어진 것을 특징으로 한다.The laser is characterized by consisting of a dual frequency stabilized laser head.
상기 레이저는 633nm의 파장을 가지는 레이저광을 출력하는 것을 특징으로 한다.The laser is characterized in that for outputting a laser light having a wavelength of 633nm.
상기 빔 스플리터는 편광 빔 스플리터인 것을 특징으로 한다.The beam splitter is characterized in that the polarizing beam splitter.
상기 측정부는 상기 간섭계의 간섭신호를 감지하는 광검출부, 상기 광검출부의 출력을 수신하는 수신부, 상기 수신부에서 출력하는 간섭 신호와 상기 레이저의 광신호를 레퍼런스로 이용하여 상기 타겟의 변위를 계측하여 출력하는 측정 처리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.The measuring unit measures the displacement of the target by using a photo detector for detecting an interference signal of the interferometer, a receiver for receiving the output of the photo detector, an interference signal output from the receiver and an optical signal of the laser as a reference. Characterized in that it comprises a measurement processing unit.
상기 보정부는 상기 간섭계에 의한 상기 타겟의 변위 측정 오차를 유발하는 잡음을 모델링한 측정 잡음 모델과, 칼만 필터 알고리즘을 이용하여 상기 측정부에서 출력된 측정 결과를 보정해 주는 보정 처리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.The correction unit may include a measurement noise model that models a noise causing a displacement measurement error of the target by the interferometer, and a correction processor that corrects the measurement result output from the measurement unit using a Kalman filter algorithm. It is done.
상기 보정 처리부는 상기 타겟의 초기 위치 보정을 위한 제 1칼만 필터 알고리즘을 포함하는 것을 특징으로 한다.The correction processor may include a first Kalman filter algorithm for initial position correction of the target.
상기 제 1칼만 필터 알고리즘은 상기 측정 잡음 모델에 의한 측정 잡음의 기준위치와 상기 타겟이 설정된 기준위치를 동기화시켜 오프셋 오차를 제거하는 것을 특징으로 한다.The first Kalman filter algorithm is characterized in that the offset error is removed by synchronizing the reference position of the measurement noise by the measurement noise model and the reference position to which the target is set.
상기 보정 처리부는 이동하는 타겟에 대한 램프 함수 모델과, 상기 램프 함 수 모델에 대한 측정 잡음을 제거하기 위한 제 2칼만 필터 알고리즘을 포함하는 것을 특징으로 한다.The correction processing unit may include a ramp function model for a moving target and a second Kalman filter algorithm for removing measurement noise for the ramp function model.
상기 보정 처리부는 정지 타겟에 대한 상수 함수 모델과, 상기 상수 함수 모델에 대한 측정 잡음을 제거하기 위한 제 3칼만 필터 알고리즘을 포함하는 것을 특징으로 한다.The correction processing unit may include a constant function model for the stationary target and a third Kalman filter algorithm for removing measurement noise for the constant function model.
그리고, 본 발명은 레이저 간섭계를 이용해 측정된 타겟의 변위 오차를 보정하는 방법에 있어서, (a) 이동 타겟의 동적 모델을 구축하는 단계; (b) 정지 타겟의 동적 모델을 구축하는 단계; (c) 상기 타겟의 초기 위치를 보정하는 단계; (d) 상기 타겟의 구동 상태를 확인하는 단계; (e) 상기 타겟이 이동 상태이면 상기 (a) 단계에서 구축된 모델을 이용하여 오차를 보정하고, 상기 타겟이 정지 상태이면 상기 (b) 단계에서 구축된 모델을 이용하여 오차를 보정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 간섭계의 오차 보정 방법을 아울러 제공한다.The present invention provides a method of correcting a displacement error of a target measured using a laser interferometer, the method comprising: (a) constructing a dynamic model of a moving target; (b) building a dynamic model of the stationary target; (c) correcting an initial position of the target; (d) checking a driving state of the target; (e) correcting the error using the model built in step (a) if the target is in a moving state, and correcting the error using the model built in step (b) if the target is in a stationary state. It also provides an error correction method of a laser interferometer comprising.
상기 (a) 단계의 모델은 램프 함수 모델인 것을 특징으로 한다.The model of step (a) is characterized in that the ramp function model.
상기 (b) 단계의 모델은 상수 함수 모델인 것을 특징으로 한다.The model of step (b) is characterized in that the constant function model.
상기 (c) 단계의 타겟에 대한 초기 위치 보정은 일정 시간동안 실제 기준점으로부터 오프셋 오차를 제 1칼만 필터를 통해 추정하고, 그 이후 측정치에서 추정된 오프셋 오차를 제거하여 보정하는 것을 특징으로 한다.The initial position correction for the target of step (c) is characterized by estimating the offset error from the actual reference point through the first Kalman filter for a predetermined time, and then correcting by removing the offset error estimated from the measured value.
상기 (d) 단계에서 상기 타겟의 구동 상태 확인은 상기 타겟을 구동시켜 주는 구동장치의 구동 명령 신호를 이용하는 것을 특징으로 한다.In operation (d), the driving state of the target may be determined by using a driving command signal of a driving device for driving the target.
상기 (e) 단계에서 상기 타겟이 이동 상태이면 상기 (a) 단계에서 구축된 모 델이 적용된 제 2칼만 필터를 이용하여 오차를 보정하는 것을 특징으로 한다.In the step (e), if the target is in the moving state, the error is corrected using the second Kalman filter to which the model constructed in the step (a) is applied.
상기 (e) 단계에서 상기 타겟이 정지 상태이면 상기 (a) 단계에서 구축된 모델이 적용된 제 3칼만 필터를 이용하여 오차를 보정하는 것을 특징으로 한다.In the step (e), if the target is stationary, the error is corrected using a third Kalman filter to which the model constructed in the step (a) is applied.
(실시예)(Example)
이하, 본 발명에 따른 레이저 간섭계의 오차 보정 시스템 및 그 방법에 대하여 본 발명의 바람직한 실시예를 나타낸 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, the error correction system and method of the laser interferometer according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings showing a preferred embodiment of the present invention.
첨부한 도면, 도 2는 본 발명에 따른 레이저 간섭계의 오차 보정 시스템의 블록도, 도 3은 본 발명에 따른 오차 보정 방법을 설명하기 위한 순서도, 도 4는 본 발명에 따른 간섭계의 초기 보정 구간과 한 스텝 구동에 따른 결과를 나타낸 그래프, 도 5는 본 발명에 따라 칼만 필터를 이용한 초기 보정 구간 및 측정 잡음 제거에 따른 결과를 나타낸 그래프이다.2 is a block diagram of an error correction system of a laser interferometer according to the present invention, FIG. 3 is a flowchart illustrating an error correction method according to the present invention, and FIG. 4 is an initial correction interval of an interferometer according to the present invention. 5 is a graph showing a result of driving according to one step, and FIG. 5 is a graph showing a result of removing an initial correction interval and measurement noise using a Kalman filter according to the present invention.
본 발명에 따른 레이저 간섭계의 오차 보정 시스템은 도 2에 나타낸 바와 같이, 단일 경로 헤테로다인 레이저(51)를 이용한 간섭계(50), 상기 간섭계(50)를 이용하여 변위량을 계측하는 측정부(60), 상기 측정부(60)에 의하여 측정된 계측량의 오차를 이중 칼만 필터 알고리즘(double kalman filter algorithm)을 이용하여 보정해 주는 보정부(70)로 구성된다.The error correction system of the laser interferometer according to the present invention, as shown in Figure 2, the
본 발명에 따른 레이저 간섭계의 오차 보정 시스템 중에서 상기 간섭계(50)와 상기 측정부(60)는 도 1의 종래 측정 시스템의 그것과 동일한 구성으로 이루어 지며, 상기 보정부(70)는 환경 오차에 의한 측정 잡음을 모델링하고 그에 대한 칼만 필터를 설계하여 측정 잡음을 줄여서 측정 정밀도를 높여 준다.Among the error correction system of the laser interferometer according to the present invention, the
즉, 상기 간섭계(50)는 633nm의 파장을 갖는 이중 주파수 안정화 레이저 헤드로 이루어져 제 1주파수(f1) 및 제 2주파수(f2)의 레이저광을 출력하는 레이저(51), 상기 레이저(50)의 광경로에 설치되어 제 1주파수(f1)와 제 2주파수(f2)를 분리해 주는 빔 스플리터(52), 상기 빔 스플리터(52)를 통과한 제 1주파수(f1)의 광경로에 설치되는 제 1쿼터 웨이브 플레이트(quarter wave plate; 53), 상기 제 1쿼터 웨이브 플레이트(53)를 통과한 제 1주파수(f1)의 광경로에 이동 가능하게 구동 장치에 설치되는 이동 거울(54), 상기 빔 스플리터(52)를 통과한 제 2주파수(f2)의 광경로에 설치되는 제 2쿼터 웨이브 플레이트(55), 제 2쿼터 웨이브 플레이트(55)를 통과한 제 2주파수(f2)의 광경로에 고정 설치된 고정 거울(56)로 구성된다.That is, the
상기 이동 거울(54)은 상기 구동 장치에 의해 이동 가능하며, 피측정물인 타겟과 같이 이동된다(이하 설명에서 변위 및 변위량에 대한 설명은 타겟이나 이동 거울을 대상으로 한다).The moving
상기 측정부(60)는 상기 간섭계(50)의 빔 스플리터(52)를 통과한 간섭신호(f2-(f1±Δf1))를 감지하는 광검출부(61), 상기 광검출부(61)의 출력을 수신하는 수신부(62), 상기 수신부(62)에서 출력하는 간섭 신호(f2-(f1±Δf1))와 상기 레이 저(51)의 레퍼런스 신호(f2-f1)를 이용하여 상기 이동 거울(54)의 변위량(Vr)을 계측하는 측정 처리부(63)로 구성된다.The measuring
그리고, 상기 보정부(70)는 이중 칼만 필터(double kalman filter)를 이용한 변위 오차를 보정하는 것으로, 상기 보정부(70)는 측정 오차에 영향을 끼치는 잡음에 대한 모델링이 구축된 측정 잡음 모델(72)과 이중 칼만 필터 알고리즘을 이용하여 상기 측정부(60)에서 출력된 측정 결과를 보정해 주는 보정 처리부(71)로 구성된다.The
상기 측정 잡음 모델(72)은 상기 보정 처리부(71)의 이중 칼만 필터 알고리즘에 사용되는 측정 잡음 파라미터를 구하기 위해 구축된 모델이다.The
상기 보정 처리부(71)의 이중 칼만 필터 알고리즘에 의한 변위량 오차 보정은 상기 측정 잡음 모델(72)이 얼마나 정확하게 구축되었느냐에 따라 결정된다.The displacement error correction by the double Kalman filter algorithm of the
따라서 측정 잡음을 정확하게 모델링하기 위해 다음과 같은 과정으로 측정 잡음 모델(72)을 구축한다.Therefore, in order to accurately model the measurement noise, the
먼저, 상기 이동 거울(54)이 정지된 상태에서 상기 측정부(60)로 상기 이동 거울(54)의 변위를 계측하면, 환경오차에 의한 측정 잡음을 정확하게 계측할 수가 있다. 즉, 상기 이동 거울이 정지된 상태에서 상기 측정부(60)로 측정한 측정 신호는 상기 이동 거울(54)이 움직이지 않은 상태에서 계측한 결과이기 때문에 기계적 오차 및 기하학적 오차를 제외한 순수하게 환경오차에 의한 오차임을 알 수 있다.First, when the displacement of the
또한, 상기 타겟이 정지한 경우 상기 측정 보드에서 계측된 측정 잡음은 환 경오차에 의한 측정 잡음만 계측된다. 그러나 타겟이 이동할 경우 측정 잡음은 환경오차의 원인뿐만 아니라 기하학적 오차에 의해서도 측정 잡음에 영향을 미친다.In addition, when the target is stopped, the measurement noise measured by the measurement board is measured only by the measurement error due to environmental errors. However, when the target moves, the measurement noise affects the measurement noise not only because of environmental errors but also by geometrical errors.
따라서 상기 타겟이 이동할 때 기하학적 오차를 최소화하기 위해 상기 레이저 간섭계(50)를 구성하는 광학장치들의 정렬을 최적으로 조정하여 환경오차에 의한 측정 잡음만이 계측될 수 있도록 하였다.Therefore, in order to minimize geometrical errors when the target moves, the alignment of the optical devices constituting the
도 6은 상기 타겟이 정지 상태와 이동 상태에서 계측된 측정 잡음을 나타낸 것이다.6 shows the measured noise measured by the target in the stationary state and the moving state.
도 6은 0초에서 200초까지 상기 타겟이 정지한 상태, 200초에서 300초까지 상기 타겟이 이동하는 상태, 300초에서 400초까지 타겟이 정지한 상태를 나타낸다.6 illustrates a state in which the target is stopped from 0 to 200 seconds, a state in which the target is moved from 200 to 300 seconds, and a state in which the target is stopped from 300 to 400 seconds.
만일 기하학적 오차를 보정하지 않은 상태에서 측정 잡음을 계측하게 된다면, 기하학적 오차 중 대표적인 오차인 코사인 오차를 예를 들어 설명한다면, 상기 타겟이 이동시 이동 변위에 비례하여 측정 오차가 증가 또는 감소하게 된다. 그러나 도 6에서 보는 바와 같이, 환경오차를 제외한 나머지 오차 원인을 최대로 제거시킨 상태에서 계측했기 때문에 상기 타겟이 정지한 상태와 이동 상태에서 측정 잡음의 특성이 비슷하게 나타난다는 것을 알 수 있다.If the measurement noise is measured without correcting the geometric error, if the cosine error, which is a representative error of the geometric error, is described as an example, the measurement error increases or decreases in proportion to the movement displacement when the target is moved. However, as shown in FIG. 6, since the measurement was performed in the state in which the error cause except the environmental error was completely removed, it can be seen that the characteristics of the measured noise were similar in the stationary state and the moving state.
상기와 같이 계측된 측정 잡음은 마르코프 프로세스(Markov process)로 가정하고 모델링한다. 그리고 이중 칼만 필터의 파라미터로 사용되는 이산 마르코프 프로세스의 상관시간(correlation time)의 역수인 베타(beta)와 이산 마르코프 프로세스의 입력으로 사용되는 백색 잡음의 분산(variance)을 계산하여 이중 칼만 필터 알고리즘에 중요한 상수로 사용한다.The measured noise measured as above is modeled assuming a Markov process. In addition, we calculate beta, which is the inverse of the correlation time of the discrete Markov process used as a parameter of the double Kalman filter, and variance of the white noise used as the input of the discrete Markov process. Use it as an important constant.
상기 보정 처리부(71)에 이용되는 칼만 필터 알고리즘은 초기 위치를 0nm로 보정하기 위한 칼만 필터 알고리즘과, 이동 또는 정지한 타겟으로부터 계측된 측정 잡음을 제거하기 위한 칼만 필터 알고리즘으로 구성된다.The Kalman filter algorithm used in the
상기와 같은 이중 칼만 필터 알고리즘에 대해 도 3을 참조하여 설명한다.The double Kalman filter algorithm as described above will be described with reference to FIG. 3.
참고로, 도 3에 나타낸 순서도는 레이저 간섭계(50)를 동작시키면 자동으로 이중 칼만 필터가 동작이 되고, 정지시키면 동작을 멈추기 때문에 별도의 종료 조건을 도시하지 않았다.For reference, the flowchart shown in FIG. 3 does not show a separate termination condition because the double Kalman filter is automatically operated when the
그리고, 보통 측정 시스템에서 실질적으로 측정 잡음을 제거하고, 실제 변위를 추정하기 전에 타겟에 대한 절대적 위치를 규정해야 하는데, 실제 변위를 계측하기 전에 측정 잡음이 포함된 상태에서 사용자는 임의의 시점에서 기준 위치를 설정한다.In general, the measurement system must remove the measurement noise substantially and define the absolute position with respect to the target before estimating the actual displacement. The measurement noise is included before the actual displacement is measured. Set the location.
그러나, 상기와 같이 설정된 타겟의 기준 위치는 측정 잡음의 기준점과 동기가 이루어지지 않기 때문에 기준 위치를 잘못 설정하면 오프셋 오차(offset error)가 항상 존재하므로 이후 칼만 필터에 의해 잡음이 제거되더라도 측정된 변위를 신뢰할 수 없게 될 뿐만 아니라 오프셋 오차가 얼마나 존재하는지 전혀 알 수 없다.However, since the reference position of the target set as described above is not synchronized with the reference point of the measurement noise, if the reference position is incorrectly set, there is always an offset error, so the measured displacement even after the noise is removed by the Kalman filter. In addition to being unreliable, we have no idea how much offset error exists.
따라서, 상기 타겟의 설정된 기준 위치와 측정 잡음의 기준점을 동기시켜 오프셋 오차를 제거해야 한다.Therefore, the offset error should be removed by synchronizing the reference point of the measurement noise with the set reference position of the target.
여기서, 상기 타겟의 기준 위치와 측정 잡음의 기준점을 동기시킨다는 것은 다음과 같은 의미이다.Here, synchronizing the reference point of the target and the reference point of the measurement noise has the following meaning.
즉, 상기 레이저 간섭계(50)로부터 계측된 측정 잡음은 불규칙하게 계측되 며, 이 불규칙한 측정 잡음을 마르코프 프로세스로 모델링한다.That is, the measurement noise measured from the
그리고 마르코프 프로세스로 모델링한 측정 잡음을 칼만 필터로 제거하고 실제 변위를 추정하는 것은 마르코프 프로세스의 평균값이 된다.The measurement noise modeled by the Markov process is removed with a Kalman filter and the actual displacement is estimated as the average value of the Markov process.
또한 변위를 계측하기 전에 현재 타겟의 위치를 기준으로 0um로 설정하는데, 만일 이때 마프코프 프로세스의 평균값을 가지는 시점에서 기준 위치를 설정한다면 문제가 되지 않지만 그렇지 못할 경우에는 최대 마르코프 프로세스의 분산만큼 오프셋 오차가 발생한다.Also, before measuring the displacement, it is set to 0um based on the position of the current target. If the reference position is set at the point having the average value of the Markov process, this is not a problem, but if it is not, the offset error by the dispersion of the maximum Markov process Occurs.
이런 문제를 해결하기 위해 먼저 측정 잡음의 평균치를 칼만 필터로 추정하고, 그 추정치를 현재 타겟의 기준 위치로 설정한다는 것이며, 이는 두 기준 즉 측정 잡음(마르코프 프로세스)의 평균치와 타겟의 기준 위치를 일치시키는 것이기 때문에 동기시킨다는 것이다.To solve this problem, we first estimate the mean of the measured noise with a Kalman filter and set that estimate to the reference position of the current target, which matches the mean of the two criteria, the measured noise (Markov process) and the reference position of the target. It is to motivate because it is.
먼저, 측정 잡음으로부터 변위를 추정하기 위한 칼만 필터는 타겟이 이동하는 경우와 타겟이 정지한 경우로 나누어 설계한다(S 10, S 11).First, the Kalman filter for estimating the displacement from the measurement noise is designed by dividing the target into a case where the target moves and when the target stops (
이동하는 타겟에 대한 동적 모델 구축(S 10)은 램프 함수(ramp function)로 설계하며, 램프 함수의 파라미터는 램프 함수에 대한 칼만 필터 알고리즘(S 14)에서 중요한 설계 변수로 사용된다.Dynamic model building (S 10) for moving targets is designed as a ramp function, and the parameters of the ramp function are used as important design variables in the Kalman filter algorithm (S 14) for the ramp function.
또한, 정지된 타겟에 대한 동적 모델 구축(S 11)은 상수 함수(constant function)로 설계하며, 상수 함수의 파라미터는 상수 함수에 대한 칼만 필터 알고리즘(S 131)에서 중요한 설계 변수로 사용된다.In addition, the dynamic model building (S 11) for the stationary target is designed as a constant function, the parameters of the constant function is used as an important design variable in the Kalman filter algorithm (S 131) for the constant function.
상기와 같이 설계된 2개의 칼만 필터 알고리즘은 타겟의 상태에 따라 이동 타겟 칼만 필터모드와 정지 타겟 칼만 필터모드로 각각 전환되어 사용된다.The two Kalman filter algorithms designed as described above are switched to the moving target Kalman filter mode and the stationary target Kalman filter mode, respectively, according to the state of the target.
그리고, 상기 타겟의 초기 위치를 보정하기 위한 칼만 필터 알고리즘은 기준점을 동기화시키는 방법으로 칼만 필터를 사용하여 초기 위치를 보정한다(S 12).The Kalman filter algorithm for correcting the initial position of the target corrects the initial position using the Kalman filter as a method of synchronizing the reference points (S 12).
즉, 상기 초기 위치 보정은 일정 시간동안 실제 기준점으로부터 오프셋 오차를 칼만 필터를 통해 추정하고, 그 이후 측정치에서 추정된 오프셋 오차를 제거하여 정확한 기준점을 설정한다.That is, the initial position correction estimates the offset error from the actual reference point through the Kalman filter for a predetermined time, and then sets an accurate reference point by removing the estimated offset error from the measured value.
상기와 같이 타겟의 초기 위치에 보정이 이루어지면, 타겟의 이동 또는 정지 상태에 따라 램프 함수 모델 또는 상수 함수 모델로 구분하여(S 13), 램프 함수 모델로 판정되면 상기 램프 함수에 대한 칼만 필터 알고리즘을 적용하여 변위 오차를 보정하고(S 14), 램프 함수 모델 여부를 확인하여(S 15) 램프 함수 모델이면 상기 램프 함수에 대한 칼만 필터 알고리즘을 계속 적용하여 위치 오차를 보정한다.When correction is made at the initial position of the target as described above, it is classified into a ramp function model or a constant function model according to the moving or stationary state of the target (S 13), and the Kalman filter algorithm for the ramp function is determined as the ramp function model. By correcting the displacement error (S 14), and checking whether the ramp function model (S 15) and if the ramp function model, the Kalman filter algorithm for the ramp function is continuously applied to correct the position error.
그런데, 초기 위치 보정 후에 상수 함수 모델로 판정되면(S 13), 상기 상수 함수에 대한 칼만 필터 알고리즘을 적용하여 변위 오차를 보정하고(S 131), 상수 함수 모델 여부를 확인하여(S 132) 상수 함수 모델이면 상기 상수 함수에 대한 칼만 필터 알고리즘을 계속 적용하여 위치 오차를 보정한다.However, if it is determined that the constant function model after the initial position correction (S 13), the Kalman filter algorithm for the constant function is applied to correct the displacement error (S 131), and whether or not the constant function model (S 132) In the functional model, the Kalman filter algorithm for the constant function is continuously applied to correct the position error.
이때, 상기 각 함수 모델의 전환을 위한 정보는 상기 타겟을 구동시켜 주는 상기 구동장치에 전달되는 구동 명령 신호를 이용한다.At this time, the information for the conversion of each function model uses a drive command signal transmitted to the drive device for driving the target.
즉, 각 모드 전환 시 제어부(도시 생략)에서 상기 구동장치로 전달되는 구동 명령 신호를 감지하여 각 모드에 해당하는 칼만 필터 알고리즘을 적용하여 변위 오차를 보정하는 것이다.That is, the controller (not shown) detects the driving command signal transmitted to the driving device at each mode switching, and corrects the displacement error by applying a Kalman filter algorithm corresponding to each mode.
상기와 같은 과정으로 이루어지는 보정의 예를 도 4 및 도 5에 나타내었다.Examples of the correction made in the above process are shown in FIGS. 4 and 5.
도 4는 상기 간섭계(50)를 이용하여 측정된 타겟의 구동 실험을 나타낸 것으로, 초기 위치 보정 구간, 램프 구간, 상수 구간이 시간대별로 위치 변동 결과를 나타내고 있다.4 illustrates a driving experiment of a target measured using the
도 5는 0~200초 동안 초기 위치 보정을 위한 칼만 필터(도 5의 A 참조)와 200~300초 동안 타겟이 0nm~10um까지 이동한 상태와 300~400초 동안 타겟이 10um를 유지하며 정지한 상태에 대한 칼만 필터 추정 결과(도 5의 B 참조)를 보여주는 그래프이다.5 shows a Kalman filter for initial position correction for 0 to 200 seconds (see A of FIG. 5), the target is moved to 0 nm to 10 um for 200 to 300 seconds, and the target is held at 10 um for 300 to 400 seconds. A graph showing the Kalman filter estimation result (see B of FIG. 5) for a state.
도 5에서 점선(청색)으로 표시된 신호는 실제 계측된 측정 오차를 나타내며 실선(적색)으로 표시한 신호는 각 구간에 대한 칼만 필터의 추정 오차(estimation error)를 나타낸다.In FIG. 5, the signal indicated by the dotted line (blue) represents the actual measured measurement error, and the signal indicated by the solid line (red) represents the estimation error of the Kalman filter for each section.
도 5에 나타낸 실험 결과는 실제 계측된 측정 오차에 대해 칼만 필터 알고리즘을 적용한 결과 많은 양의 측정 오차를 줄일 수 있다는 것을 보여주고 있다.The experimental results shown in FIG. 5 show that a large amount of measurement error can be reduced as a result of applying the Kalman filter algorithm to the actually measured measurement error.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은 칼만 필터 알고리즘을 이용함으써 레이저 간섭계를 이용하여 물체의 변위를 측정할 때에 고비용의 측정 환경 개선을 통하지 않고도 해당 간섭계의 분해능에 접근하는 정밀도로 변위 측정이 가능하게 하는 효과를 제공한다.The present invention made as described above has the effect of enabling the displacement measurement to the accuracy of approaching the resolution of the interferometer without using a costly improvement of the measurement environment when measuring the displacement of the object using a laser interferometer using the Kalman filter algorithm To provide.
이와 같은 본 발명은 나노메카트로닉스 관련 신기술 개발, 나노급 고정밀 시 스템의 구현을 가능하게 해 주는 효과를 제공한다.The present invention as described above provides an effect that enables the development of new technology related to nanomechatronics, nano-scale high-precision system.
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