KR101028644B1

KR101028644B1 - 다자유도 운동 측정장치 및 방법

Info

Publication number: KR101028644B1
Application number: KR1020080137833A
Authority: KR
Inventors: 이상헌; 정광석
Original assignee: 안동대학교 산학협력단
Priority date: 2008-12-31
Filing date: 2008-12-31
Publication date: 2011-04-11
Also published as: KR20100079372A

Abstract

본 발명은 다자유도 운동 측정장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명 다자유도 운동 측정장치는, 고정단의 상부에 위치하며 명암이 대각으로 분리되는 단위격자가 다수로 형성된 대각분할 격자패턴과, 상기 고정단의 상부에서 평면상의 선형운동, 회전운동 및 높이가 조절되는 이동부와, 상기 이동부의 하부에 고정설치되어 상기 대각분할 격자패턴에 레이저를 조사하고, 그 대각분할 격자패턴에서 반사되는 레이저 빔을 수광하여 그 고정단에 대한 이동부의 면내 이동위치를 검출하는 광학유닛과, 회전스캐너에 의해 레이저 빔을 조사하여 상기 대각분할 격자패턴에 조사고, 이를 수광하여 상기 고정단과 상기 이동부의 높이 차이를 검출하는 보조광학유닛을 포함한다. 이와 같은 구성의 본 발명은 변위량을 측정할수 있는 기준을 명암으로 구분되도록 분할하여, 직선 운동 측정과 회전 운동 측정을 모두 디지털기반의 카운트 방식으로 구현하여 측정 장비의 신뢰성과 반복성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

다자유도, 운동측정, 명암격자

Description

다자유도 운동 측정장치 및 방법{device and method for measurement multi-degree of freedom movement}

본 발명은 다자유도 운동 측정장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 평면 스테이지의 면내 위치 및 높낮이를 포함하는 다자유도 운동량을 검출할 수 있는 다자유도 운동 측정장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 평면스테이지라 함은 칩을 PCB에 실장하는 칩마운터, 반도체 노광 공정을 위한 웨이퍼 스테퍼, 전자 현미경등을 비롯한 각종 측정 장비, 그리고 TFT-LCD 등의 검사장비에 필수적으로 이용되는 핵심 장비이다. 또한 근자에 들어 12 인치에 달하는 웨이퍼에 대응하기 위하여 그리고 다면취 공법을 이용한 TFT-LCD 의 제조 단가 인하를 위하여 관련 업체들은 더욱 큰 작업 영역의 스테이지 개발에 전념하고 있다.

이와 같이 대면적화되고 다양한 방향으로의 구동이 필요한 평면스테이지의 개발에 따라 그 평면스테이지의 구동량을 측정하여 피드백(feedback)하는 센서 역 시 더욱 극한 상황의 성능을 요구받고 있으며, 종래 평면스테이지의 구동량을 측정하는 장치들과 그 문제점들을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 종래 대한민국등록특허 10-0193153호에 개시된 반도체 노광을 위한 평면스테이지를 나타내는데, 베이스(1) 위의 선형 모터 블록(2, 3, 2', 3')은 y축 운동을 만들어 내며 이 선형 모터의 가동부와 연동하는, 선형 모터 블록(2, 3)과 직교하는 또 하나의 선형 모터(5)가 x축을 따라 움직일 수 있는 구조이며, 선형 모터(5)는 노광에 이용되는 평판이 장착되어있으며, 이 평판의 x, y축 위치는 평판 위에 얹혀있는 'L 자' 거울(9)에 조사되는 레이저(6, 7)의 간섭을 이용하여 x, y 축으로의 이동량을 측정하는 방식을 사용하고 있다.

또한 도 2는 종래 대한민국등록특허 10-0193153에 개시된, 일반적인 면내위치(x, y, θ) 측정을 위한 레이저 간섭계의 구성을 나타낸다. 앞서 도 1 에서 언급한 바와 같이 베이스(11) 위에서 블록(12)는 y축 운동을 하며 블록(13)은 블록(12) 위에서 x축 운동을 한다. 블록(13)의 평면 운동량은 대면적 거울(15) 에 조사되는 레이저의 간섭을 이용하여 측정되는데 각각의 거울(15)에 조사된 레이저 빔(14)는 거울(15)에 반사되어 각 축의 인터페로메터(17, 17')를 거쳐 방향 전환 거울과 빔 스프리터(18)를 통해 신호처리 장비로 입사된다.

따라서 스테이지 평판인 블록(13)의 크기에 따라 레이저 간섭계를 구성하는 광부품의 실장 면적이 대단히 크고 따라서 시스템의 전체 구성이 대단히 벌 크(bulk)해진다. 또한 레이저 간섭계는 그 구동원리상 거울에 반사된 레이저 빔이 수광부로 입사되어야 하므로 어떤 일정 영역을 벗어난 광축의 편차(misalign)는 허용되지 않으며 이는 회전 운동량의 측정 범위를 대단히 협소하게 만든다.

따라서 레이저 간섭계를 이용한 종래의 가장 일반적인 측정 방법은 x, y 축 운동에 주안점을 두며, 스테이지의 가동부가 부상되어 구동되는 완전한 자기 부상 스테이지에서는 상대적으로 큰 편요(yaw) 운동 때문에 적용하는 것이 대단히 어려운 실정이다.

또한 레이저 간섭계 등을 적용하는 환경 또한 매우 높은 청정도를 요하므로 청정 시설을 구비하지 못한 일반 산업 현장에서의 적용을 대단히 어렵게 만들고 있다.

도 3은 2004년 W. Gao (pp. 329-337, Precision Engineering)등에 의해 제안된 선형 엔코더의 평면 버전, 즉 서피스 엔코더를 나타낸다. 가동부(21) 아래에 x, y축 방향으로 배열된 직교 배열의 영구 자석(22, 23)이 놓여있고 영구 자석(22,23)은 베이스(24) 위에 놓여있는 코일(25, 26)과 상호 작용하여 x, y 축으로 선형 추력을 만들어 낸다. 가동부와 베이스 사이의 공극은 네 모서리에 안착되어있는 공기 베어링(27)에 의해 유지되며 이 때 평면 운동의 위치 검출은 가동부 아래에 위치하는 삼각 함수 그리드 패턴(28)에 레이저 빔을 조사하고 광학 부품들(29)을 통과하여 포토 디텍터(도면 미도시)로 수광된다. 수광된 신호를 처리하여 x, y축으로의 이동량을 얻어내며, 이 때 미소한 회전 운동량 역시 검출이 가능하다. 그러나 이러 한 서피스 엔코더의 타겟 패턴인 삼각 함수 그리드 패턴(28)은 측정기의 반복 정밀도 및 분해능 결정에 대단히 지배적인 영향을 미치는 인자로서 제안된 시스템의 경우 전방향(omni-direction)으로 삼각 함수 형태의 곡선을 그리는 패턴이기 때문에 제작에 큰 어려움이 상존한다.

도 4는 2000년 Saffert(pp. 357-362, IEEE AMC2000-Nagoya) 등에 의해 제안된 평면 운동량 측정 방법으로서 가동부(31)에 직교 형태로 정렬되어있는 그리드 패턴(32)에 적외선을 조사하는 적외선 LED(33)와, 그 그리드 패턴(32)에서 반사된 적외선을 수광하는 수광부(36)로 구성된 x축 방향으로의 조합(33)과 y 축 방향으로의 조합(34, 34')에 의해 평면 위치를 얻는 방법이다.

이 방법 역시 도 3에서와 마찬가지로 그리드 패턴 정밀도에 의해 크게 영향을 받는 격자-기반 측정법이다. 또한 적외선 수광부들의 평균 신호에 의해 위치를 결정하므로 각 수광부(36) 사이에 물성치 차이가 엄연히 존재하는 바 이의 보정 역시 난제로 남아있는 실정이다.

도 5는 종래 미국 특허 3,857,078에 개시된 스테퍼 형태의 소요 모터를 나타내는데 'ㄷ자' 전자석(53,55)은 가동 블록(51)에 놓여있고, 그 'ㄷ자' 전자석(53,55)의 상부에 위치하는 전자석(52, 54)을 통해 전원을 인가하면 고정자 치형(56)과의 자기 저항 변화를 이용하여 한 스텝씩 이동하여, 별도의 이동을 측정하는 센서가 필요없는 평면 스테퍼 모터를 나타낸다. 이 시스템은 스텝 모터와 같이 되먹임 센서 없이 한 스텝, 한 스텝 구동되는 시스템이며 정밀도는 치형(tooth) 하나의 가공 정밀도에 지배 받는다.

따라서 개루프 제어가 가능하여 산업용으로 널리 이용되고 있으나 고정자 치형 정밀도에 시스템 분해능이 결부되어있으므로 초정밀 시스템에의 적용에는 한계가 있다. 또한, 되먹임 센서를 이용하는 경우에도 치형 사이의 강한 코깅력(cogging force)은 보간 설정에 큰 장애가 된다.

도 6 은 도 5 의 소요모터 폐루프 제어를 위해 상하 치형간의 물성치 변화를 이용하여 변위를 측정하는 방법을 나타내는데, 고정자 치형(62)과 이동자 치형(61) 간에는 이동자의 횡변위에 따라 자기 저항과 정전 용량 등이 변화하는데 예로 이동량측정구간(64)과 같이 상하 치형간의 횡변위 함수인 자기 저항의 변화를 코일(63)로 측정하면 간접적으로 이동량을 측정할 수 있다. 이러한 횡변위 함수가 될 수 있는 물성치는 자기 저항외에도 정전 용량의 변화 등을 들 수 있으며 이러한 방법 외에도 이동자와 연동하는 광검출기(65)를 이용하여 하단부 치형의 존재 유무를 판단하여 이동량을 측정할 수도 있다.

이러한 방법은 모두 별도의 구조 변경없이 소요모터의 치형을 이용하는 방법인데 치형의 회전 운동시에는 이러한 상관관계가 강한 비선형성을 띠며 따라서 회전량 검출에는 물리적인 한계와 함께 영역 제한이 존재한다.

도 7 은 격자 패턴의 광 검출을 이용하여 평면 변위를 카운트하는 서피스 엔 코더의 개념도를 나타내는데 x축에 나란한 패턴(72)를 사이에 두고 y축에 나란한 패턴(71)이 좌우에 배치되어있다. 각각의 배열 패턴(71,72)에 입사한 광의 반사 유무는 광학 유닛(74, 75, 76)에서 검출되며, 그 광학 유닛(74,75,76)을 통해 검출된 이동량을 통해 이동자(73)의 선형 변위량을 알 수 있고, 그 x축 검출용 광학 유닛(74, 75)간의 거리가 l로 고정되어 있기 때문에, 회전량(θ)를 산출할 수 있다.

따라서 두 지점의 광 검출을 통해 회전량 측정이 가능하다. 그러나 광학 유닛(74,75)의 검출량은 패턴(72)을 구성하는 라인의 ON(철), OFF(요) 카운트 값이며 따라서 회전량 역시 이러한 카운트 값의 변화에 의존한다. 따라서 카운트 값의 증분량과 그 때의 회전각도 변화 사이에 선형성이 답보되지 않게 된다.

즉, 회전 변화량이 카운트의 시작점에 따라 동일한 카운트 증분에 대해서 다른 결과를 낳을 수 있다. 또한 회전량이 커질수록 이 때 필요한 검출량의 변화는 더욱 큰 값이 요구되므로 이동자의 회전에 필요한 균등한 회전 검출이 불가능한 문제점이 있었다.

도 8은 2003년 Jung(pp. 120-127, Korea Society of Precision Engineering) 등에 의해 제안된 이진격자패턴과 CCD 카메라를 이용한 평면 변위 측정 방법을 나타내는데 고정자(81) 위에서 구동되는 평면 스테이지(82)의 상면에 놓여있는 이진격자패턴(83)을 CCD 카메라(85)로 영상 추출하여 획득한 영상을 디코딩하여 이동량을 간접적으로 검출한다.

도 9 는 도 8 의 이진격자의 일차원 선형 패턴과 회전 패턴을 도시한 개념도이다. 주기성을 갖는 선형 이진격자패턴(91)을 대상으로 CCD에 맺히는 측정 창(sensing window, 92)을 도면에서와 같이 제한하면 그 때의 영상 정보는 패턴의 이진 값(93)을 조합하여 결정되는 조합 이진 값(94)으로 결정되며, 이때의 변위 값(95)은 조합 이진 값(94)의 합으로 나타낼 수 있다.

따라서 이러한 이진 패턴을 반복하거나 격자의 비트 수를 확장하면 큰 영역의 선형 변위 추출이 가능하다. 마찬가지로 회전 이진격자패턴은 원주 방향으로 주기성을 갖는데 원호형 측정 창(96)을 사용하면 이 때의 디코딩 값(97)은 3개의 이진 값으로 결정되며, 이를 회전 각 변위(98)로 환산하면 회전각도를 알 수 있다.

따라서 선형 이진격자 패턴과 회전 격자패턴을 단일 패턴으로 통합하여야 만 선형 변위와 회전 변위의 통합 측정이 가능해진다. 그러나 동일한 패턴 구현이 불가능하기 때문에 선형 패턴을 기준으로 단위 셀 간의 경사각 연산을 통해 부분적으로 각 변위를 측정하게 된다.

그러나 이와 같은 종래의 기술들은 평면상의 선형 변위량이나 각도를 측정하기 위해서 큰 시스템을 사용하거나, 영상의 추출 기법을 사용하여, 평면상의 선형 변위를 직접 또는 간접 추출하는 방법을 사용하고 있으나, 그 시스템의 크기와 비용의 면에서 구현이 용이하지 않고, 특히 상하로의 변위를 검출할 수 없는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 단순한 구조를 사용하여 평면상의 선형 이동거리 뿐만 아니라 회전변위 및 상하로의 이동까지도 정확하게 측정할 수 있는 다자유도 운동 측정장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명 다자유도 운동 측정장치는, 고정단의 상부에 위치하며 명암이 대각으로 분리되는 단위격자가 다수로 형성된 대각분할 격자패턴과, 상기 고정단의 상부에서 평면상의 선형운동, 회전운동 및 높이가 조절되는 이동부와, 상기 이동부의 하부에 고정설치되어 상기 대각분할 격자패턴에 레이저를 조사하고, 그 대각분할 격자패턴에서 반사되는 레이저 빔을 수광하여 그 고정단에 대한 이동부의 면내 이동위치를 검출하는 광학유닛과, 회전스캐너에 의해 레이저 빔을 조사하여 상기 대각분할 격자패턴에 조사고, 이를 수광하여 상기 고정단과 상기 이동부의 높이 차이를 검출하는 보조광학유닛을 포함한다.

또한 본 발명 다자유도 운동 측정방법은, a) 스캐닝속도를 설정하는 단계와, b) 평면이동 또는 상하이동을 검출할 것인지 설정하는 단계와, c) 상기 b) 단계의 설정이 평면이동을 검출하는 것이면, 대각으로 명부분과 암부분으로 구분되는 단위격자가 다수로 위치하는 대각분할 격자패턴에 레이저빔을 조사하여, 이동부의 이동전과 이동후의 주기를 검출하여, 회전변위를 산출하고, 이동부의 이동전 스캔 시작 점의 좌표와 이동후 스캔 시작점의 좌표를 구하여, 그 시작점의 좌표 변화를 변위로 산출하는 평면이동검출단계와, d) 상기 b) 단계의 설정이 상하이동을 검출하는 것이면, 등속회전하는 회전스캐너의 회전각도를 한정한 상태에서, 상기 대각분할 격자패턴에 레이저 빔을 조사하여 주기를 검출하고, 회전속도의 보정을 통해 현재 후 상태의 주기를 측정하고, 그 주기의 길이를 기준길이와 비교하여 높이의 변위를 측정하는 단계를 포함한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명은, 공간상에 구동되는 평면 스테이지의 평면 이동량, 즉 면내 위치 검출과 z축의 이동량을 사각형의 대각선분할 명암 격자패턴을 기반으로 구현하여, 레이저 간섭계 등을 사용하지 않아 구조가 단순해 짐과 아울러 제조 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

또한, 기존 서피스 엔코더의 경우 패턴의 제작에 높은 정밀도로 요구되어 가공비가 높은 단점 그리고 패턴의 불연속으로 인한 확장성의 한계를 평면에서 단일한 격자패턴을 사용하여 위치검출을 할 수 있어 제조비용을 절감하고 상용화를 보다 용이하게 할 수 있는 효과가 있다.

특히 본 발명은 고정단에 직접 변위량을 판단할 수 있는 패턴을 형성하기 때문에 종래와 같이 2축 스테이지의 종단 추적을 위해 각 축의 리니어 스케일 등의 측정장비와 레이저 포인터 등의 측정 장비가 별도로 구성되어 복잡한 제어 루프를 구성하지 않아도 되기 때문에, 구조를 단순화할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명은 변위량을 측정할수 있는 기준을 명암으로 구분되도록 분할하여, 직선 운동 측정과 회전 운동 측정을 모두 디지털기반의 카운트 방식으로 구현하여 측정 장비의 신뢰성과 반복성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명 다자유도 운동 측정장치 및 방법의 구체적인 실시예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 10은 본 발명 다자유도 운동 측정장치의 바람직한 실시예의 구성도이다.

도 10을 참조하면 본 발명 다자유도 운동 측정장치의 바람직한 실시예는, 고정단(100)의 상부에 위치하는 대각분할 격자패턴(110)과, 상기 고정단(100)의 상부에서 평면상의 선형운동, 회전운동 및 높이가 조절되는 이동부(200)와, 상기 이동부(200)의 하부에 고정설치되어 상기 대각분할 격자패턴(110)에 레이저를 조사하고, 그 대각분할 격자패턴(110)에서 반사되는 레이저 빔을 수광하여 그 고정단(100)에 대한 이동부(200)의 이동위치를 검출하는 광학유닛(300)과, 회전스캐너를 포함하여 상기 대각분할 격자패턴(110)과 상기 이동부(200)의 높이 차이를 검출하는 보조광학유닛(400)을 포함하여 구성된다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명 다자유도 운동 측정장치의 바람직한 실시예의 구성과 작용을 보다 상세히 설명한다.

먼저, 고정단(100)의 상부에 위치하는 대각분할 격자패턴(110)은 다수의 격자의 내에 명암으로 구분될 수 있도록 대각의 분할 형태를 가지고 있다.

상기 명암의 대각선 분할 형태의 특징은 상기 광학유닛(300) 또는 보조광학유닛(400)에서 포인트 형태로 조사되는 레이저 빔이 그 분할영역의 명(明)부분에서는 반사되어 광학유닛(300) 또는 보조광학유닛(400)에 수광되며, 암(暗)부분에서는 레이저 빔이 흡수되어 반사광이 없게 된다.

이와 같은 명암에 의한 대각선 분할패턴을 가지는 대각분할 격자패턴(110)의 일부에 레이저 빔을 조사하는 상태에서, 상기 이동부(200)가 이동하게 되면, 그 레이저 빔이 대각분할 격자패턴(110)의 내에서 이동하게 되며, 그 이동에 따라 특정한 광검출 패턴을 나타내게 된다.

상기 이동부(200)가 이동할 때에나, 그 이동부(200)가 정지된 상태에서도 상기 광학유닛(300) 또는 보조광학유닛(400)의 레이저 빔이 그 이동부(200)의 이동 최고속도에 비해 적어도 10배 이상 빠른 속도로 스캐닝하고 있게 된다.

도 11은 본 발명에 의하여 이동부(200)의 수평 선형변위를 검출하는 예를 나타낸 설명도이다.

도 11을 참조하면, 상기 대각분할 격자패턴(110)의 단위격자(111) 한 변의 길이는 L이고, P1은 이동부(300)가 이동하기 전의 스캐닝 결과이고, P2는 이동 부(300)가 이동한 상태에서의 스캐닝 결과이다.

상기 P1과 P2는 이동부(200)가 평면상에서 x축 및 y축으로만 이동한 상태의 일실시예를 나타내는 것이다.

먼저 이동부(200)가 이동하기 전 상태에서 광학유닛(300)이 대각분할 격자패턴(110) 상에서 P1과 같이 스캐닝을 하면, 그 대각분할 격자패턴(110)의 명암상태에 따라 반사광이 수신되는 영역과 수신되지 않는 영역이 도 11의 위쪽 그래프와 같이 나타난다.

이때의 스캐닝결과는 단위격자(111)의 명부분에서부터 출발하여 그 단위격자(111) 내의 암부분을 지나 이웃한 격자의 명부분과 암부분을 차례로 지나고 있으며, 이때 수신되는 레이저 빔이 검출될 때를 1, 검출되지 않을 때를 0으로 하여 디지털 방식의 스캐닝이 가능하게 된다.

P1의 광검출 특성을 보면 시작점(x1,y1)으로부터 스캐닝을 시작하여 최초의 명부분(W1)을 만나게 되며, 다시 암부분(D1)을 지나게 되며, 그 암부분(D1)의 길이가 명부분(W1)의 길이보다 더 긴 특성을 가진다.

이는 상기 대각분할 격자패턴(110)의 단위격자(111) 내에서 시작점(x1,y1)의 위치를 예측할 수 있는 것으로, 그 단위격자(111)의 중심으로부터 좌하측에 위치함을 예측할 수 있다.

또한, 그 스캐닝결과 명부분(W1)과 암부분(D1)의 길이는 다르나 동일한 주기 로 반복됨을 알 수 있으며, 그 스캐닝속도가 일정한 경우에는 시작점(x1,y1)으로부터 최초 명부분(W1)이 시작되는 위치까지의 시간(t1)에 상기 스캐닝 속도를 곱하여 시작점(x1,y1)의 x좌표를 검출할 수 있게 된다.

또한 시작점(x1,y1)의 y좌표는 그 x좌표에 상기 암부분(D1)에 대한 명부분(W1)의 비인 듀티사이클비를 이용하여 구할 수 있게 된다.

즉, 듀티사이클이 1이면, y좌표는 해당 단위격자(111)의 중심위치이며, 듀티사이클비가 클수록 그 중심으로부터 상부측에 위치하고, 듀티사이클비가 작을수록 그 중심으로부터 아래쪽에 위치하게 된다.

이와 같이 스캐닝결과를 이용하여 스캐닝의 시작점(x1,y1) 좌표를 정확하게 산출할 수 있게 된다.

상기 이동전의 스캐닝 시작점을 산출한 후, 이동부(200)가 이동한 다음, 다시 P2와 같이 스캐닝을 실시하면, 그 결과는 상기 설명한 P1 그래프의 아래쪽에 있는 P2그래프와 같이 검출될 수 있다.

이때 역시 상기 P1 스캐닝의 시작점(x1,y1)의 검출과 동일한 방법으로 이동후의 스캐닝 시작점(x2,y2)의 좌표를 산출할 수 있게 된다.

그리고, 그 P2의 시작점(x2,y2)과 P1의 시작점(x1,y1)의 좌표의 차를 구하여 변위를 검출할 수 있게 된다.

도 12는 본 발명에 의하여 이동부(200)의 회전변위를 측정하는 예의 설명도이다.

도 12를 참조하면 본 발명의 회전변위(θ)를 측정하는 방법은, 최초 이동부(200)가 이동하지 않은 상태에서 상기 광학유닛(300)을 이용하여 검출한 결과가 P3과 같이 검출되고, 그 이동부(200)가 이동(z축 기준으로 회전)한 후 광학유닛(300)을 이용한 스캐닝결과가 P4와 같은 상태를 나타낼 때, P3와 P4의 그래프가 가지는 주기는 각각 T3과 T4로 각각 다르게 나타난다.

상기 P3의 주기는 스캔의 속도가 등속도이고, 그 단위격자(111)의 길이가 L로 고정되어 있는 경우, 그 길이를 쉽게 구할 수 있게 된다.

즉, 주기에 스캐닝 속도를 곱하여 단위격자(111)의 길이와 동일한 값인 L이 산출되면, 그 스캐닝 방향은 단위격자(111)들에 평행한 방향으로 이동한 것이되며, 그 산출결과가 L이 아닌 경우에는 특정한 각도로 단위격자(111)들을 스캐닝하였음을 알 수 있게 된다.

상기 이동부(200)가 z축을 기준으로 회전 한 후의 스캐닝 결과인 P4에서는 그 주기(T4)에 스캐닝속도를 곱한 값이 상기 단위격자(111)의 한 변의 길이(L)에 그 회전변위(θ)의 삼각함수의 값(sinθ, cosθ)으로 나눈 값과 같게 된다.

이를 통해 상기 이동부(200)의 회전각도인 회전변위(θ)를 구할 수 있게 된 다. 이 때 주기(T4)는 단위격자(111)에서 인접하는 단위격자(111)를 각각 통과할 때의 시간이다.

상기 인접한 단위격자(111) 간의 수직경계선을 기준으로 회전변위(θ)를 측정할 때는 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있으며, 그 인접한 단위격자(111)간의 수평경계선을 기준으로 하는 회전변위(θ)는 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.

L=V*T4*cosθ

L=V*T4*sinθ

상기 수학식 1과 2에서 V는 스캐닝속도로 상수이며, T4는 주기로 측정값이며, L을 단위격자(111)의 한 변의 길이로 상수이다. 따라서 회전변위 θ를 용이하게 산출할 수 있게 된다.

위의 수학식 1 및 수학식 2를 보다 상세히 설명하기 위하여 이동부(200)가 소정각도로 회전한 상태에서 스캐닝한 결과인 P5,P5'를 상기 도 12에 함께 도시하였다.

상기 P5와 P5'는 동일한 방향의 스캔으로 동일한 회전각을 가지는 것이지만, P5는 인접한 단위격자(111)간의 수직인 경계선에 대한 회전변위를 구하기 위한 것 으로 위의 수학식 1과 같이 cosθ로 표현되며, P5'는 인접한 단위격자(111)간의 수평인 경계선에 대한 회전변위를 구하기 위한 것으로 수학식 2와 같이 sinθ로 표현된다.

도 13은 본 발명에 적용되는 광학유닛(300)의 일실시 구성도이다.

도 13을 참조하면, 본 발명에 적용되는 광학유닛(300)은 광을 발산하는 레이저 소스(311)와, 평면상에서 이동하여, 상기 레이저 소스(311)의 광을 집광하여 상기 대각분할 격자패턴(110)에 조사하는 스캐너(312)와, 상기 대각분할 격자패턴(110)에서 반사된 광을 반사시키는 광분할기(313)와, 상기 광분할기(313)에서 반사된 광을 수광하는 수광부(314)를 포함하여 구성된다.

상기 스캐너(312)는 평면상에서 선형으로 구동되는 선형 스캐너이며, 상기 레이저 소스(311)가 고정된 상태에서 레이저 빔의 조사위치를 선형으로 변경하여, 스캐닝하게 된다.

이와 같은 구조의 광학유닛(300)은 상기 설명한 바와 같이 이동부(200)의 선형 이동변위와 회전변위를 측정할 수 있는 구조이다.

상기 도 13에서는 대각분할 격자패턴(110)의 상세 구조를 확인할 수 있으며, 반사판(112)의 상부에 레이저 빔이 투광되는 투광부(113)와 레이저 빔을 흡수하는 차광부(114)를 포함하고 있으며, 단면에서는 확인이 되지 않지만 그 투광부(113)와 차광부(114)는 각 단위격자(111)에서 대각선으로 분할되어 위치한다.

도 14는 본 발명에 적용되는 보조광학유닛(400)의 일실시 구성도이다.

도 14를 참조하면 본 발명 다자유도 운동 측정장치에 적용되는 보조광학유닛(400)의 실시예는, 레이저 빔을 발생시키는 레이저소스(411)와, 등속도회전을 하면서 상기 레이저소스(411)의 레이저 빔을 상기 대각분할 격자패턴(110)에 스캐닝하는 회전스캐너(412)와, 상기 대각분할 격자패턴(110)에서 반사되는 레이저 빔을 수광하는 수광부(413)를 포함하여 구성된다.

상기 도 11 및 도 12를 통해 설명한 바와 같이 회전변위를 측정하기 위하여 등속의 스캐닝 속도를 유지해야 하나, 상기 회전스캐너(412)의 회전은 등속이나, 실질적인 스캐닝은 상기 대각분할 격자패턴(110)의 표면에서 일어나는 직선의 스캐닝이기 때문에 단순히 속도와 시간의 곱으로는 주기(T)를 구할 수 없게 된다.

그러나 스캐닝의 시작점과 끝점까지의 상기 회전스캐너(412)의 회전각도(θ1)을 한정하면, 이러한 문제를 해결할 수 있다.

즉, 등속 회전하는 회전스캐너(412)의 스캐닝 시작점부터 끝점까지의 각도를 한정해 두면, 그 스캔에 소요되는 총 시간을 알 수 있으며, 그 시간정보를 역으로 계산하여 주기를 구할 수 있게 된다. 이는 스캔에 소요되는 총시간 동안 스캐닝으로 검출된 명부분과 암부분의 수를 감안하여 주기를 산출하는 것이다.

또한, 상기 회전스캐너(412)의 회전각도(θ1)의 한정에 의하여 이동부(200)의 z축에 대한 변위도 검출할 수 있게 된다. 이는 z축의 변위가 동일할 때에는 그 회전각도(θ1)의 고정에 의해 항상 동일한 길이의 스캔이 이루어지게 되나, z축의 변위(z1)가 발생한 경우에는 그 주기(T1,T2)에 차이가 발생하는 것에 착안한 것이며, 이동부(200)의 이동전의 주기(T1)와 이동 후의 주기(T2)의 차를 검출하고, 그 회전각도(θ1)의 값을 이용하여 산출함으로써, z축 변위(z1)의 값을 산출할 수 있게 된다.

상기의 예는 이동전의 주기(T1)와 이동 후의 주기(T2)를 이용한 z축 변위의 변화예를 나타낸 것이나, 이동전의 주기(T1)를 사용하지 않고 별도의 기준주기를 사용하여 이동전과 이동 후의 z축 변위를 구하여 그 변위량을 측정할 수도 있다.

따라서 본 발명은 x, y축의 평면상의 변위 및 회전변위 뿐만 아니라 z축의 변위의 높이의 변위까지도 용이하게 측정할 수 있게 된다.

도 15는 본 발명에 따른 다자유도 운동 측정장치의 다른 실시예를 이용한 스캐닝 상태를 나타낸 설명도이다.

도 15를 참조하면 본 발명에 따른 다자유도 운동 측정장치는, 광학유닛(300) 또는 보조광학유닛(400)을 복수로 사용할 수 있으며, 그 복수의 광학유닛(300) 또는 보조광학유닛(400)을 사용하는 경우 일측 광학유닛(300) 또는 보조광학유 닛(400)의 스캐닝결과인 P6이 단위격자(111)의 경계를 스캐닝하여 디지털 신호를 얻을 수 없을 경우, 타측 광학유닛(300) 또는 보조광학유닛(400)의 스캐닝결과인 P7에 의해 x, y축의 평면상 이동과 회전변위 또는 z축 변위를 검출할 수 있게 된다.

상기 일측 광학유닛(300)과 타측 광학유닛 또는 일측 보조광학유닛(400)과 타측 보조광학유닛의 간격은 상기 단위격자(111)의 길이의 배수가 아닌 간격으로 배치하여, 그 단위격자(111)의 사이를 스캐닝하는 것을 방지한다.

도 16은 본 발명에 의한 다자유도 운동 측정방법의 순서도이다.

도 16을 참조하면 본 발명 다자유도 운동 측정방법은,

스캐닝속도(V)를 설정하는 단계(S110)와;

평면이동 또는 상하이동을 검출할 것인지 설정하는 단계(S120)와;

상기 S120단계의 설정이 평면이동을 검출하는 것이면, 이동부(200)의 이동전과 이동후의 주기를 검출하여, 회전변위를 산출하는 단계(S131)와, 첫 번째 명부분 까지의 시간을 측정하여 각 시작점의 x좌표를 산출하는 단계(S132)와, 이동전과 이동후의 주기에서 듀티사이클을 측정하고, 이를 상기 산출된 x좌표에 곱하여 각 시작점의 y좌표를 산출하는 단계(S133)와, 상기 이동부(200)의 이동전과 이동후의 스캐닝 시작점의 좌표의 차를 구하여 변위를 측정하는 단계(S134)로 이루어지는 평면이동검출단계(S130)와;

상기 S120단계의 설정이 상하이동을 검출하는 것이면, 설정된 회전각도로 회 전스캐너를 구동하여 이동부(200)의 이동전과 이동 후 상태를 각각 스캐닝하는 단계(S141)와, 회전속도의 보정을 통해 이동전과 이동 후 상태의 주기를 측정하는 단계(S142)와, 상기 이동전 상태의 주기와 이동 후의 주기 변화와 상기 설정된 회전 각도를 이용하여 z축 변위를 산출하는 단계(S143)와, 상기 z축 변위를 이전상태로부터 업데이트 시키는 단계(S144)로 이루어지는 상하이동검출단계(S140)를 포함하여 구성된다.

이와 같은 본 발명 다자유도 운동 측정방법은 상기 도 11 내지 도 14를 통해 상세히 설명한 구체적인 방법에 따라 스캐닝 시작점의 좌표 변화와, 주기의 변화값을 통한 평면이동 및 높이의 변화를 측정할 수 있는 것으로, 그 상세한 설명은 생략한다.

상기한 바와 같이 본 발명은 고정단(100) 상에서 이동되는 평면 스테이지의 면 내 위치(x축, y축 및 회전각도)를 정확하게 검출할 수 있을 뿐만 아니라 고정단(100)과 이동부(200) 간의 높이 변화도 측정이 가능하며, 이동부(200)의 다자유도 위치를 디지털 카운트 방식과 그 디지털 카운트의 주기를 동시에 사용함으로써, 보다 구조를 단순화하며 고속으로 위치를 측정할 수 있게 된다.

도 1 내지 도 9는 각각 종래 평면스테이지의 변위를 측정하는 방법의 실시예를 보인 구성도이다.

도 11은 본 발명에 의하여 이동부의 수평 선형변위를 검출하는 예를 나타낸 설명도이다.

도 12는 본 발명에 의하여 이동부의 회전변위를 측정하는 예의 설명도이다.

도 13은 본 발명에 적용되는 광학유닛의 일실시 구성도이다.

도 14는 본 발명에 적용되는 보조광학유닛의 일실시 구성도이다.

도 16은 본 발명 다자유도 운동 측정방법의 바람직한 실시예의 순서도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

100:고정단 110:대각분할 격자패턴

111:단위격자 112:반사판

113:투광부 114:차광부

200:이동부 300:광학유닛

311:레이저 소스 312:스캐너

313:광분할기 314:수광부

411:레이저 소스 412:회전스캐너

413:수광부

Claims

고정단의 상부에 위치하며 명암이 대각으로 분리되는 단위격자가 다수로 형성된 대각분할 격자패턴;

상기 고정단의 상부에서 평면상의 선형운동, 회전운동 및 높이가 조절되는 이동부;

상기 이동부의 하부에 고정설치되어 상기 대각분할 격자패턴에 레이저를 조사하고, 그 대각분할 격자패턴에서 반사되는 레이저 빔을 수광하여 그 고정단에 대한 이동부의 면내 이동위치를 검출하는 광학유닛; 및

회전스캐너에 의해 레이저 빔을 조사하여 상기 대각분할 격자패턴에 조사고, 이를 수광하여 상기 고정단과 상기 이동부의 높이 차이를 검출하는 보조광학유닛을 포함하는 다자유도 운동 측정장치.
제1항에 있어서,

상기 대각분할 격자패턴은,

상기 광학유닛 또는 보조광학유닛의 레이저 빔을 반사시키는 반사판;

상기 반사판의 상부일부에서 상기 레이저 빔이 상기 반사판에 의해 반사될 수 있도록 투과시키는 투광부;

상기 반사판의 상부일부에서 상기 레이저 빔이 상기 반사판에 의해 반사되지 않도록 레이저 빔을 흡수하는 차광부를 포함하되,

상기 투광부와 상기 차광부는 정육면체의 상기 단위격자 내에서 대각선을 기준으로 서로 분할되어 위치하는 것을 특징으로 하는 다자유도 운동 측정장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 광학유닛은,

레이저 빔을 발생시키는 레이저 소스;

상기 레이저 소스의 레이저 빔을 선형으로 이동시켜 상기 대각분할 격자패턴을 선형으로 스캐닝하는 선형스캐너;

상기 대각분할 격자패턴에서 반사된 광을 반사시키는 광분할기; 및

상기 광분할기에서 반사된 광을 수광하는 수광부를 포함하는 다자유도 운동 측정장치.
제3항에 있어서,

상기 광학유닛은,

스캐닝 결과가 상기 대각분할 격자패턴의 명부분과 암부분의 스캐닝시 반사광의 유무에 따라 특정한 주기를 가지는 디지털 파형으로 획득되며,

스캔결과에서 최초 명부분이 검출될 때까지의 시간을 이용하여 스캔의 시작 점의 x좌표를 산출하고, 그 듀티사이클비를 이용하여 상기 시작점의 y좌표를 산출하며, 그 주기의 길이를 이용하여 회전변위를 산출하는 것을 특징으로 하는 다자유도 운동 측정장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 보조광학유닛은,

레이저 빔을 발생시키는 레이저 소스;

등속도회전을 하면서 상기 레이저 소스의 레이저 빔을 상기 대각분할 격자패턴에 조사하는 회전스캐너; 및

상기 대각분할 격자패턴에서 반사되는 레이저 빔을 수광하는 수광부를 포함하는 다자유도 운동 측정장치.
제5항에 있어서,

상기 보조광학유닛은,

상기 회전스캐너를 통해 스캔한 결과로서, 상기 대각분할 격자패턴의 명부분과 암부분의 스캐닝시 상기 수광부의 반사광의 검출유무에 따라 특정한 주기를 가지는 디지털 파형을 획득하고,

그 획득된 디지털 파형의 주기를 스캐닝 시간을 이용하여 산출하고, 그 주기 의 길이에 따라 z축의 변위를 산출하는 것을 특징으로 하는 다자유도 운동 측정장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 광학유닛 및 보조광학유닛 각각은,

복수로 마련되어 그 스캐닝 위치가 상기 단위격자의 경계를 스캐닝하지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 다자유도 운동 측정장치.
a) 이동부에 고정되어 이동하는 광학유닛의 스캐닝속도를 설정하는 단계;

b) 상기 이동부의 평면이동 또는 상하이동을 검출할 것인지 설정하는 단계;

c) 상기 b) 단계의 설정이 평면이동을 검출하는 것이면, 상기 광학유닛을 사용하여 대각으로 명부분과 암부분으로 구분되는 단위격자가 다수로 위치하는 대각분할 격자패턴에 상기 광학유닛의 선형스캐너로 레이저빔을 조사하여, 이동부의 이동전과 이동후의 주기를 상기 광학유닛의 수광부를 통해 검출하여, 상기 광학유닛에서 회전변위를 산출하고, 상기 이동부의 이동전 스캔 시작점의 좌표와 이동후 스캔 시작점의 좌표를 상기 광학유닛에서 구한 후, 그 시작점의 좌표 변화를 변위로 산출하는 평면이동검출단계; 및

d) 상기 b) 단계의 설정이 상하이동을 검출하는 것이면, 보조광학부에 구비되어 등속회전하는 회전스캐너의 회전각도를 한정한 상태에서, 상기 대각분할 격자패턴에 상기 회전스캐너의 레이저 빔을 조사하고, 상기 회전스캐너의 수광부를 통해 주기를 검출하고, 회전속도의 보정을 통해 현재 상태의 주기를 상기 보조광학부에서 측정한 후, 그 주기의 길이를 기준길이와 비교하여 높이의 변위를 측정하는 단계를 포함하는 다자유도 운동 측정방법.
제8항에 있어서,

상기 c) 단계는 디지털 신호파형으로 검출되는 스캐닝 결과에서, 최초 검출되는 명부분까지의 시간과 상기 a)단계에서 설정된 스캐닝속도를 곱하여, 상기 시작점의 x축 좌표를 산출하고,

상기 x축 좌표에 그 스캐닝 결과에서 암부분에 대한 명부분의 비인 듀티사이클을 곱하여, y축 좌표를 산출하며,

아래의 수학식 1 또는 수학식 2에 의해 그 회전변위를 산출하는 것을 특징으로 하는 다자유도 운동 측정방법.

[수학식 1]

L=V*T*cosθ

[수학식 2]

L=V*T*cosθ

V는 스캔 속도, T는 주기, L은 상기 단위격자 한 변의 길이, θ는 회전변위
제8항에 있어서,

상기 d) 단계는,

등속 회전하는 회전스캐너의 스캐닝 시작점부터 끝점까지의 각도를 한정하고, 그 스캔에 소요되는 총 시간과 검출된 주기의 수를 감안하여, 주기를 산출한 후, 그 주기의 길이를 상기 한정된 각도에 의해 기준치 또는 이동전의 주기의 길이에 대한 z축의 변위로 산출하는 것을 특징으로 하는 다자유도 운동 측정방법.