KR100860992B1

KR100860992B1 - 스캐너 구동특성 평가시스템의 각도 캘리브레이션 장치 및방법

Info

Publication number: KR100860992B1
Application number: KR1020070008586A
Authority: KR
Inventors: 조용철; 장석모
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2007-01-26
Filing date: 2007-01-26
Publication date: 2008-09-30
Also published as: KR20080070447A

Abstract

스캐닝 미러의 실제 회전 각도와 측정 신호간의 관계를 수립하기 위한 캘리브레이션 장치 및 방법이 개시된다. 개시된 캘리브레이션 장치는 광원으로부터 대물렌즈를 통해 들어온 광을 반사시키는 스캐닝 미러와, 그 스캐닝 미러를 원하는 각도로 회전시키는 회전기구와, 스캐닝 미러의 회전 시 대물렌즈의 초점거리 변동을 보정하도록 스캐닝 미러를 초점 방향을 따라 이동시키는 이동기구를 포함한다. 이러한 장치를 사용하면 초점 거리의 변동을 억제할 수 있기 때문에, 정확한 캘리브레이션을 수행할 수 있게 된다.

Description

스캐너 구동특성 평가시스템의 각도 캘리브레이션 장치 및 방법{Angle calibrating apparatus and method of evaluating system for driving characteristic of scanner}

도 1은 종래의 캘리브레이션 장치가 채용된 평가시스템의 광학적 배치 구조를 도시한 도면,

도 2a 내지 도 2c는 초점 거리의 변동에 따른 광 경로의 오차를 설명하기 위한 도면,

도 3은 종래의 다른 예에 따른 캘리브레이션 장치를 보인 도면,

도 4는 도 3에 도시된 캘리브레이션 장치의 사용 중 발생될 수 있는 오차를 설명하기 위한 도면,

도 5는 본 발명에 따른 캘리브레이션 장치가 채용된 평가시스템의 광학적 배치 구조를 보인 도면,

도 6은 도 5의 장치를 이용한 캘리브레이션 과정을 나타낸 플로우챠트,

도 7 및 도 8은 도 6의 과정으로 캘리브레이션을 한 측정 결과를 출력한 그래프.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100...스캐닝 미러 101...광원

102...대물렌즈 110...갈바노메터

120...압전 액츄에이터 130...평면이동 및 3축틸트 기구

본 발명은 스캐너의 구동특성을 평가하는 시스템에 있어서, 초기에 스캐닝 미러의 실제 회전 각도와 측정 신호간의 관계를 수립하기 위한 캘리브레이션 장치 및 방법에 관한 것이다.

최근 고화질 레이저 디스플레이 장치 등에는 넓은 각도를 정밀하게 움직이는 미러 기구가 구비된 멤스(Micro Electro Mechanical System) 스캐너가 많이 채용되고 있다. 이 멤스 스캐너는 약±12도 정도의 광각(wide angle) 범위를 스캐닝 미러가 회전하면서 레이저 광을 주사하는 메카니즘을 가진 것인데, 물론 그 회전각도가 정확하게 제어되어야만 선명한 화상을 구현할 수 있게 된다. 따라서, 이러한 멤스 스캐너는 실제 디스플레이 장치 등에 장착되기 전에 소정의 평가시스템에서 그 회전각도의 정확도를 평가받게 된다. 즉, 준비된 평가시스템에 스캐너를 장착해서, 컨트롤러가 지시하는 스캐닝 미러의 회전 명령에 대해 실제로 스캐닝 미러가 정확히 그 각도를 회전하는가를 평가하여 불량 여부를 판별하는 것이다.

그런데, 이러한 평가를 정확히 하기 위해서는 평가시스템 자체를 먼저 캘리브레이션하는 작업이 선행되어야 한다. 이것은 평가시스템의 각도 측정 기구가 정확하게 실제 각도를 측정해낼 수 있도록 실제 각도와 측정 신호를 매칭시키는 일종 의 영점조정 작업으로서, 종래에는 도 1과 같은 방식을 통해 캘리브레이션을 수행하였다. 도시된 바와 같이, 각도가 결정되어 있는 앵글블럭(1)을 3축 구동 스테이지(2) 위에 올려놓고 평가시스템을 가동하여, 실제로 그 각도와 측정신호가 매칭되도록 조정하는 것이다. 평가시스템이 가동되면, 레이저다이오드(3)에서 출사된 광이 콜리메이터 렌즈(4)와 핀홀(5)을 통과하여 제1빔스프리터(6a)에 반사된 후 대물렌즈(7)를 통해 앵글블럭(1)에 조사되며, 그로부터 반사된 광은 대물렌즈(7)를 통과하면서 입사광과 평행하게 조정된 후 제2빔스프리터(6b)에 반사되어 위치감지기(8)에 조사된다. 따라서, 위치감지기(8)에 조사된 측정신호가 앵글블럭(1)의 결정된 각도와 매칭이 되도록 조정하여 평가시스템을 캘리브레이션하는 것이다. 물론, 앵글블럭(1)을 한 개만 해서는 캘리브레이션의 정확도가 떨어지기 때문에, 여러 각도의 앵글블럭(1)을 준비해서 하나씩 교대로 장착하며 실제 각도와 측정신호를 매칭시키는 작업을 반복하게 된다. 참조부호 9는 제2빔스프리터(6b)를 통과한 광을 받아서 모니터(9a)로 보기 위한 CCD소자를 나타낸다.

그런데, 이와 같은 방식에는 상기와 같이 정해진 각도의 앵글블럭(1)을 몇 개 준비해서 측정을 하는 것이기 때문에, 임의의 많은 각도에 대해 동적으로 측정신호를 매칭시킬 수가 없다. 즉, 준비된 서너개 정도의 앵글블럭(1)만으로 측정하는 것이므로 측정 범위에 한계가 있고, 따라서 캘리브레이션의 정밀도가 떨어지게 된다. 또한, 앵글블럭(1)을 바꿔놓을 때마다 대물렌즈(7)에서부터 해당 앵글블럭(1)의 반사면에 이르는 초점거리가 매번 달라지기 때문에 측정 오차가 생길 가능성이 높다. 예컨대, 도 2a와 같이 대물렌즈(7)에서 앵글블럭(1)의 반사면까지의 초점거리가 잘 맞으면 대물렌즈(7)를 통과한 반사광이 입사광과 평행을 이루게 되지만, 도 2a와 같이 초점거리가 짧아지거나, 도 2c와 같이 길어지면 반사광이 평행을 이루지 못하고 어긋난 방향으로 나갈 수 있다. 이렇게 되면 캘리브레이션 자체에서부터 오차가 생기게 되므로, 스캐너의 평가도 틀려지게 되고, 결국 잘못 평가된 스캐너가 디스플레이 장치에 사용될 수 있게 된다.

한편, 이러한 불편함을 감안하여, 도 3과 같은 동적 캘리브레이션 기구가 제안된 바 있다. 이것은 예컨대 갈바노메터(galvanometer)와 같은 회전모터(11)의 축(12)에 미러(10)를 장착해서 축(12)을 회전시키며 여러 각도에 대해 측정신호를 검출해서 해당 각도와 매칭시킬 수 있도록 하는 방식이다. 즉, 축(12)을 원하는 각도만큼 회전시켜서 미러(10)를 돌려놓고, 그 각도에 대해 광 신호를 측정하고, 또 다른 각도로 회전시켜서 광 신호를 측정하는 식으로 캘리브레이션을 진행하는 것이다. 이렇게 되면 도 1의 경우와 같이 다른 각도마다 앵글블럭(1)을 바꿔야 하는 불편함을 해소할 수 있기 때문에, 원활한 동적 캘리브레이션이 가능하게 된다. 그러나, 이 경우에도 초점거리가 변동하는 문제는 여전히 남아있다. 도 4에서 알수 있는 바와 같이, 미러(10)를 θ만큼 회전시키게 되면, 미러(10)의 두께 중심점에서 광의 반사면까지의 높이(이하 초점높이라 함)에 편차(ΔH)가 생기게 된다. 회전 전의 초점높이를 H₀라하고, θ만큼 회전한 후의 초점높이를 H라 하면, ΔH 즉 H-H₀는 하기의 수학식 1과 같이 된다.

ΔH = H-H₀=H₀(secθ-1)

그리고, 대물렌즈(7; 도 1 참조)에 닿게 되는 광의 위치 변위 ΔX는 하기의 수학식 2와 같이 나오게 된다.

ΔX = ΔH tan(2θ)

따라서, 미러(10)의 회전 전후에 초점거리의 변동이 생기기 때문에, 정확한 캘리브레이션을 수행하기가 어렵다. 물론, 대물렌즈의 초점심도가 깊어서 어느 정도의 초점거리 변동을 수용할 수 있으면 괜찮겠지만, 대개 멤스 스캐너의 평가시스템에 채용되는 고배율 대물렌즈의 초점심도는 1.5~2㎛ 정도 밖에 안 되기 때문에, 상기와 같은 변동에도 영향을 받을 수 있다.

그러므로, 보다 안정적이고 정확한 캘리브레이션을 위해서는 상기와 같은 문제점을 해소할 수 있는 새로운 캘리브레이션 방식이 요구되고 있다.

본 발명은 상기의 필요성을 감안하여 창출된 것으로서, 동적인 캘리브레이션을 수행할 수 있으면서도 미러 회전 시의 초점거리 변동을 억제할 수 있도록 개선된 스캐너 구동특성 평가시스템의 각도 캘리브레이션 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 스캐너 구동특성 평가시스템의 각도 캘리브레이션 장치는, 광원으로부터 대물렌즈를 통해 들어온 광을 반사시키는 스캐닝 미러와, 상기 스캐닝 미러를 원하는 각도로 회전시키는 회전기구와, 상기 스캐닝 미러의 회전 시 상기 대물렌즈의 초점거리 변동을 보정하도록 그 스캐닝 미러를 초점 방향을 따라 이동시키는 이동기구를 포함한다.

여기서 상기 회전기구는 회전축의 중심에 상기 미러를 장착한 갈바노메터를 포함할 수 있으며, 상기 이동기구는 초점 방향으로 상기 스캐닝 미러가 장착된 회전기구를 승강시키는 압전 액츄에이터를 포함할 수 있다.

그리고, 상기 회전기구에 의해 상기 스캐닝 미러가 θ만큼 회전할 때 상기 이동기구는 H₀(secθ-1) 만큼 초점 거리를 이격시키는 것이 바람직하며, 상기 스캐닝 미러의 위치를 평면 이동시키고 3축으로 기울일 수 있는 평면이동 및 3축 틸트기구가 더 구비될 수 있다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 스캐너 구동특성 평가시스템의 각도 캘리브레이션 방법은, 스캐닝 미러를 원하는 각도로 회전시키는 단계; 상기 스캐닝 미러의 회전에 따른 초점 위치 변동을 보정하기 위해 스캐닝 미러를 초점 방향으로 이동시키는 단계; 및, 광원에서 출사된 빔을 대물렌즈를 통하여 상기 스캐닝 미러에 조사하고 그 반사된 광 신호를 검출하는 단계;를 포함한다.

상기 스캐닝 미러를 이동시키는 단계에서는, 상기 스캐닝 미러가 θ만큼 회전할 경우, H₀(secθ-1) 만큼 초점 거리를 이격시키는 것이 바람직하다.

또한, 상기 스캐닝 미러에 입사광이 맺히는 상황을 모니터링하는 단계와, 그 모니터링 결과에 따라 스캐닝 미러를 평면방향이나 3축 틸트방향으로 움직여서 상기 스캐닝 미러의 중앙에 입사광이 조사되게 조정하는 단계를 더 포함될 수 있다.

이하 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스캐너의 구동특성 평가장치 및 방법을 상세히 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명에 따른 각도 캘리브레이션 장치가 채용된 스캐너 구동특성 평가시스템의 구조를 보인 도면이다.

도시된 바와 같이 평가시스템은 광원(101)으로부터 평가 대상인 스캐닝 미러(100)에 광을 조사하고, 그로부터 반사된 광을 대물렌즈(102)를 통해 입사광과 평행하게 만든 후 위치감지기(105)와 CCD소자(106)에서 수광하여 회전 각도가 정확하게 맞는지를 평가하는 구조를 가지고 있다.

한편, 이러한 평가시스템의 영점을 조정하기 위한 캘리브레이션 장치로서, 스캐닝미러(100)를 회전축(111)의 중심에 장착한 갈바노메터(110)와, 그 갈바노메터(110)를 승강시킴으로써 스캐닝미러(100)를 초점 방향으로 이동시키는 압전 액츄에이터(120), 그리고 이들 전체를 평면방향(XY)과 3축 틸트방향(ABC)으로 구동시키는 평면이동 및 3축틸트 기구(130)가 구비되어 있다.

먼저, 상기 갈바노메터(110)는 일종의 모터와 같은 회전수단으로서, 회전축(111) 중심에 스캐닝 미러(100)를 장착하고 있어서, 그 미러(100)를 원하는 각도만큼 회전시킬 수 있다. 이것은 동적인 캘리브레이션을 가능하게 해주는 구조로서, 스캐닝 범위 내의 어떤 각도로도 미러(100)를 회전시킬 수 있기 때문에, 각도를 연속적으로 변화시키면서 동적인 캘리브레이션을 수행할 수 있다.

그리고, 상기 압전 액츄에이터(120)는 갈바노메터(110)에 의한 미러(100)의 회전 시 초점거리가 변하는 것을 동적으로 보상해주기 위한 수단이다. 즉, 도 4에서 설명한 바와 같이 미러(100)가 θ만큼 회전하게 되면, H₀(secθ-1) 만큼의 초점거리 변동이 생기게 된다. 다시 말해서, 미러(100)가 θ 각도를 회전하면 H₀(secθ-1) 만큼 대물렌즈(102)와 미러(100)의 반사면 간의 거리가 짧아지게 된다. 이렇게 되면, 미러(100)의 반사면에 제대로 초점이 맞지 않게 되므로, 도 2b 및 도 2c에서 설명한 바와 같은 반사광 경로에 오차가 생기게 된다. 따라서, 이를 해소하기 위해 상기 압전 액츄에이터(120)가 H₀(secθ-1) 만큼 미러(100)의 위치를 하방으로 끌어내려서, 회전각도가 변하더라도 원래의 초점거리는 그대로 유지할 수 있게 해주는 것이다. 이를 동적인 캘리브레이션 상황으로 가정하면, 갈바노메터(110)의 위치제어기(140)로는 컴퓨터(160)에서 도 5에 나타낸 바와 같이 사인파형의 신호를 입력해서 미러(100)의 각도가 주기적으로 연속해서 변하게 하고, 압전 액츄에이터(120)의 위치제어기(150)로는 그 회전각도에 상응해서 미러(100)를 초점방향으로 이격시키도록 신호를 입력하게 된다. 이렇게 하면 회전에 의해 초점거리가 짧아지는 만큼 압전 액츄에이터(120)가 간격을 벌려서 보상해주기 때문에, 미러(100)의 회전각도를 연속으로 변화시키더라도 초점 거리를 항상 일정하게 유지할 수 있게 되고, 결국 정확한 캘리브레이션을 수행할 수 있게 된다.

그리고, 상기한 평면이동 및 3축틸트 기구(130)는, 광원(101)으로부터의 입사광이 스캐닝 미러(100)의 정중앙에 정확하게 맺히도록 조정하는데 사용된다. 즉, CCD 소자(106)에 맺히는 상을 모니터(107)를 통해 보면, 미러(100)의 어느 위치에 초점이 맺히는지, 또 정확하게 진원을 이루고 입사광이 조사되었는지를 모니터링할 수 있다. 따라서, 입사광의 상태를 보고 미러(100)의 중앙에 정확하게 진원의 형태로 광이 조사되도록 미러의 위치를 조정할 때 이 평면이동 및 3축틸트 기구(130)를 사용한다. 이 평면이동 및 3축틸트 기구(130)는 XY 평면 상에서의 수평 이동과 X,Y,Z축에 대한 틸트 방향(A,B,C)의 구동을 할 수 있는 기구로서, 측정기기 분야에서 통상적으로 상용되고 있는 것이므로 상세한 구조의 설명은 생략하기로 한다. 참조부호 103과 104는 빔스프리터를 나타낸다.

이러한 스캐너 구동특성 평가시스템의 회전각도 캘리브레이션 장치를 이용한 동적 캘리브레이션 과정을 정리하면 도 6의 순서도와 같이 설명할 수 있다.

먼저, 광원(101)에서 광을 출사하여 스캐닝 미러(100)의 반사면에 조사한다(S1). 동시에 컴퓨터(160)에서는 갈바노메터(110)를 구동하기 위한 사인함수를 발생시켜서 위치제어기(140)에 입력한다(S2). 이에 따라 스캐닝 미러(100)는 갈바노메터(110)의 회전에 따라 주기적으로 연속해서 회전각도를 바꾸게 된다.

또한, 컴퓨터(160)가 미러(100)의 회전각도 데이터를 읽어들여서(S3) 대물렌즈(102)와 미러(100) 반사면 간의 거리를 그 회전각도에 상응하게 이격시킨다(S4). 물론, 전술한 바와 같이 수학식 1에 의해 연산되는 만큼 거리를 이격시키게 된다. 이렇게 되면 초점거리가 항상 일정하게 유지되므로 정확한 캘리브레이션을 수행할 수 있게 된다.

그리고, 모니터(107)를 통해 CCD소자(106)에 초점이 정확하게 감지되는지를 확인한다(S5). 즉, 미러(100)의 정중앙에 초점이 맺히는지를 확인하고(S6), 만일 그렇지 않으면 상기 평면이동 및 3축틸트 기구(130)를 수동으로 조작하여 미러(100)의 정중앙에 초점이 맺히도록 조정한다(S7).

그래서 초점이 양호해진 상태에서 위치감지기(105)로 들어오는 신호를 기록하고(S8), 미러(100)의 각도에 대한 측정신호의 관계식을 구한다(S9).

이렇게 하면 동적 캘리브레이션이 완료된다.

도 7은 실제로 이와 같은 동적 캘리브레이션을 수행할 때 입력신호와 측정신호의 추이를 출력한 것인데, 가는 실선은 갈바노메터(110)의 주기적인 회전을 지시하는 신호이고, 점선은 그 회전각도에 맞춰서 미러(100)의 위치를 하강시키도록 압전 액츄에이터(120)의 구동을 지시하는 신호이며, 굵은 실선은 위치감지기(105)에서 측정된 신호를 나타낸다. 이중에서 위치감지기(105)에 측정된 신호를 미러(100)의 회전각도에 대해 도시하면 도 8과 같은 직선 관계가 얻어진다. 즉, 미러(100)의 회전각도에 대해 위치감지기(105)에 검출되는 신호의 관계가 선형 관계를 나타내는 것으로, 이것은 캘리브레이션이 정확하게 이루어진 것을 의미한다. 따라서, 이렇게 캘리브레이션이 된 평가시스템을 가지고 스캐너를 평가하게 되면, 정확한 평가가 이루어질 수 있게 된다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 스캐너 구동특성 평가시스템의 각도 캘리브레이션 장치를 이용하면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 초점 거리의 변동을 억제할 수 있기 때문에, 정확한 캘리브레이션을 수행할 수 있게 되어, 결국 평가시스템의 신뢰성을 높여준다. 기존에 앵글블럭이나 갈바노메터만을 사용하는 경우의 캘리브레이션 정밀도는 ±0.1°수준이었는데 비해, 본 발명의 경우 정밀도가 ±0.025°수준으로 향상되었다.

둘째, 동적 캘리브레이션이 가능하므로 캘리브레이션 시간을 대폭 단축할 수 있다. 기존의 앵글블럭을 이용하는 경우 3시간 정도 소요되었다면, 본 발명의 경우 30분 이내면 캘리브레이션을 마칠 수 있다.

상기한 실시예들은 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다.

따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위 내에서 정해져야만 할 것이다.

Claims

광원으로부터 대물렌즈를 통해 들어온 광을 반사시키는 스캐닝 미러와,

상기 스캐닝 미러를 원하는 각도로 회전시키는 회전기구와,

상기 스캐닝 미러의 회전 시 상기 대물렌즈의 초점거리 변동을 보정하도록 그 스캐닝 미러를 초점 방향을 따라 이동시키는 이동기구를 포함하는 스캐너 구동특성 평가시스템의 각도 캘리브레이션 장치.
제1항에 있어서,

상기 회전기구는,

회전축의 중심에 상기 미러를 장착한 갈바노메터를 포함하는 것을 특징으로 하는 스캐너 구동특성 평가시스템의 각도 캘리브레이션 장치.
제1항에 있어서,

상기 이동기구는,

초점 방향으로 상기 스캐닝 미러가 장착된 회전기구를 승강시키는 압전 액츄에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 스캐너 구동특성 평가시스템의 각도 캘리브레이션 장치.
제1항에 있어서,

상기 회전기구에 의해 상기 스캐닝 미러가 θ만큼 회전할 때 상기 이동기구는 H₀(secθ-1) 만큼(H₀는 상기 스캐닝 미러가 θ만큼 회전하기 전의 그 스캐닝 미러의 두께 중심점에서 광 반사면까지의 높이) 초점 거리를 이격시키는 것을 특징으로 하는 스캐너 구동특성 평가시스템의 각도 캘리브레이션 장치.
제1항에 있어서,

상기 스캐닝 미러의 위치를 평면 이동시키고 3축으로 기울일 수 있는 평면이동 및 3축 틸트기구가 더 구비된 것을 특징으로 하는 스캐너 구동특성 평가시스템의 각도 캘리브레이션 장치.
스캐닝 미러를 원하는 각도로 회전시키는 단계;

상기 스캐닝 미러의 회전에 따른 초점 위치 변동을 보정하기 위해 스캐닝 미러를 초점 방향으로 이동시키는 단계; 및,

광원에서 출사된 빔을 대물렌즈를 통하여 상기 스캐닝 미러에 조사하고 그 반사된 광 신호를 검출하는 단계;를 포함하는 스캐너 구동특성 평가시스템의 각도 캘리브레이션 방법.
제6항에 있어서,

상기 스캐닝 미러를 이동시키는 단계에서는,

상기 스캐닝 미러가 θ만큼 회전할 경우, H₀(secθ-1) 만큼(H₀는 상기 스캐닝 미러가 θ만큼 회전하기 전의 그 스캐닝 미러의 두께 중심점에서 광 반사면까지의 높이) 초점 거리를 이격시키는 것을 특징으로 하는 스캐너 구동특성 평가시스템의 각도 캘리브레이션 방법.
제6항에 있어서,

상기 스캐닝 미러에 입사광이 맺히는 상황을 모니터링하는 단계와,

그 모니터링 결과에 따라 스캐닝 미러를 평면방향이나 3축 틸트방향으로 움직여서 상기 스캐닝 미러의 중앙에 입사광이 조사되게 조정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스캐너 구동특성 평가시스템의 각도 캘리브레이션 방법.