KR101377686B1 - 이미지 거리와 오브젝트 거리가 상이한 광학 인코더를 위한 ｏｔｆ에 기초한 광학계 설계방법 및 그에 따른 광학 인코더 - Google Patents

이미지 거리와 오브젝트 거리가 상이한 광학 인코더를 위한 ｏｔｆ에 기초한 광학계 설계방법 및 그에 따른 광학 인코더 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따르는 광학 인코더의 광학계 설계방법은, 퍼필 격자와 이미지 격자와 오브젝트 격자를 포함하는 광학계에 대한 설계조건정보를 입력받는 단계; 상기 설계조건정보에 따라, 상기 오브젝트 격자의 슬릿 피치와, 상기 이미지 격자의 슬릿 피치와, 상기 퍼필 격자와 상기 오브젝트 격자 사이의 거리와, 상기 퍼필 격자와 상기 이미지 격자 사이의 거리를 결정하여, 상기 설계조건정보에 부합되는 광학계 구조를 결정하는 단계;를 포함하며, 상기 설계조건정보는 입사 광의 파장, 퍼필 격자의 슬릿 피치, 상기 퍼필 격자와 상기 오브젝트 격자 사이의 오브젝트 거리 Z1과 상기 퍼필 격자와 상기 이미지 격자 사이의 이미지 거리 Z2 사이의 비에 대한 정보를 포함하며, 상기 오브젝트 격자의 슬릿 피치 및 상기 이미지 격자의 슬릿 피치는 상기 오브젝트 격자의 변조 주파수 및 상기 이미지 격자의 변조 주파수의 역을 취하여 결정하고, 상기 퍼필 격자와 상기 오브젝트 격자 사이의 오브젝트 거리 Z1은 모듈레이션 인텐시티 변화주기에 대한 배수 중 어느 하나를 선택한 것이며, 상기 퍼필 격자와 상기 이미지 격자 사이의 이미지 거리 Z2는 상기 퍼필 격자와 상기 오브젝트 격자 사이의 오브젝트 거리 Z1에 대한 비에 따라 산출됨을 특징으로 한다.

Description

이미지 거리와 오브젝트 거리가 상이한 광학 인코더를 위한 ＯＴＦ에 기초한 광학계 설계방법 및 그에 따른 광학 인코더{Optical system design method based OTF for Optical encoder having different distances of image and object, and Optical encoder thereof}
본 발명은 광학 인코더에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이미지 거리와 오브젝트 거리가 상이한 광학 인코더의 광원으로 인코히어런트한 광을 발생하는 소자를 채용하는 경우에도 물체의 변위정보를 정밀하게 검출해낼 수 있는 광학계를 설계할 수 있는 이미지 거리와 오브젝트 거리가 상이한 광학 인코더를 위한 OTF에 기초한 광학계 설계방법 및 그에 따른 광학 인코더에 관한 것이다.
물체의 변위정보를 고정밀도로 측정하기 위하여, 다양한 형태의 광학 인코더가 산업용 계측기계 등의 분야에서 널리 사용되고 있다.
상기한 광학 인코더는 형태로는 로터리 인코더(rotary encoder)나 리니어 인코더(linear encoder) 등으로 분류할 수 있고, 신호처리 방식으로는 증분형 인코더(incremental encoder)와 절대치 인코더(absolute encoder)로 분류할 수 있다.
상기한 광학 인코더 중 3-그래이팅 광학 인코더의 구성 및 동작에 대해 설명한다.
상기 3-그래이팅 광학 인코더는 베이스에 고정되어 설치된 퍼필 격자(Pupil grating)인 스케일(scale)과, 이동자에 고정되며 상기 스케일에 대해 상대 이동하는 헤드(head)부로 구성된다.
상기 헤드부는 발광부와 신호처리부와 격자(grating)부와 광센서부로 구성되며, 특히 상기 격자부는 오브젝트 격자(object grating)와 이미지 격자(image grating)로 구성되며, 상기 격자들은 주기적인 패턴 구조를 가진다.
상기 발광부로부터의 광은 상기 오브젝트 격자를 투과하여 상기 퍼필 격자로 전달되고, 상기 퍼필 격자는 전달된 광을 투과 또는 반사하여 상기 이미지 격자로 전달하며, 상기 이미지 격자는 상기 퍼필 격자가 전달하는 광을 투과하여 상기 광센서부로 전달한다.
상기 광센서로 입사되는 광은 퍼필 격자와 오브젝트 격자 사이의 일치도 변화에 따라 광량이 변화한다. 이러한 광량의 변화는 특정 거리 조건에서 정현파 신호의 특성을 가진다.
이에따라 상기 광학식 엔코더는 상기 특성을 이용하여 상기 베이스에 고정된 스케일과 상기 이동자에 고정되어 상대 이동하는 헤드부 사이의 상대적인 변위정보를 획득한다.
특히 상기 오브젝트 격자를 투과한 광은 특정 위치에서 높은 콘트라스트의 모아레 상을 형성하므로, 상기 광학식 엔코더는 콘트라스트가 가장 높은 조건에서 광 신호를 얻을 수 있도록 격자들 사이의 간격 및 광센서의 위치를 결정하였다.
또한 상기한 광학 인코더는 상대적인 변위정보에 대한 기준정보를 생성하기 위해 원점 검출 장치도 구비된다.
상기 원점 검출 장치는 베이스 및 헤더에 각각 설치된 원점 검출용 패턴은 서로 일치하는 경우에만 최대 광량이 전달될 수 있는 형태로 형성된다. 상기 패턴은 복수개의 단순 사각형 패턴이거나 임의의 랜덤 격자 패턴일 수 있다.
상기한 바와 같은 광학 인코더의 광원으로 레이저(LASER(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)) 소자를 채용하는 경우에는 상기 광의 콘트라스트가 강해지는 위치가 Z=Np2/λ(Z는 상대 운동하는 대상체와의 거리, N은 정수, p는 회절격자의 주기, λ는 광의 파장)로 정해지나, 상기 광학 인코더의 광원으로 LED(Light Emitting Diode)를 채용하는 경우에는 상기 광의 콘트라스트가 강해지는 위치가 Z=(1/5)p2/λ(p는 회절격자의 주기, λ는 광의 파장)로 정해진다.
이와 같은 LED를 광원으로 채용하는 경우에는, 조밀한 출력신호를 얻기 위해서 P(회절격자의 주기)를 작게 할수록 높은 광 콘트라스트를 얻을 수 있는 거리 조건이 P가 제곱에 비례하게 작아지므로, 좁은 갭(gap)에 발광부와 수광부를 포함한 시스템을 구성하는 것은 물론이고 그 좁은 갭을 유지하고 정렬해야 하는 문제가 있었다.
이에따라 광학식 인코더의 광원으로 LED를 채용하는 경우에도 높은 콘트라스트의 광 변조 신호 기반 변위정보 및 원점정보의 정확도 및 신뢰도를 높일 수 있도록 상기 광학 인코더의 광학계를 설계할 수 있는 기술의 개발이 요구되었다.
본 발명은 이미지 거리와 오브젝트 거리가 상이한 광학 인코더의 광원으로 인코히어런트한 광을 발생하는 소자를 채용하는 경우에도 물체의 변위정보를 정밀하게 검출해낼 수 있는 광학계를 설계할 수 있는 이미지 거리와 오브젝트 거리가 상이한 광학 인코더를 위한 OTF에 기초한 광학계 설계방법 및 그에 따른 광학 인코더를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르는 광학 인코더의 광학계 설계방법은, 퍼필 격자와 이미지 격자와 오브젝트 격자를 포함하는 광학계에 대한 설계조건정보를 입력받는 단계; 상기 설계조건정보에 따라, 상기 오브젝트 격자의 슬릿 피치와, 상기 이미지 격자의 슬릿 피치와, 상기 퍼필 격자와 상기 오브젝트 격자 사이의 거리와, 상기 퍼필 격자와 상기 이미지 격자 사이의 거리를 결정하여, 상기 설계조건정보에 부합되는 광학계 구조를 결정하는 단계;를 포함하며, 상기 설계조건정보는 입사 광의 파장, 퍼필 격자의 슬릿 피치, 상기 퍼필 격자와 상기 오브젝트 격자 사이의 오브젝트 거리 Z1과 상기 퍼필 격자와 상기 이미지 격자 사이의 이미지 거리 Z2 사이의 비에 대한 정보를 포함하며, 상기 오브젝트 격자의 슬릿 피치 및 상기 이미지 격자의 슬릿 피치는 상기 오브젝트 격자의 변조 주파수 및 상기 이미지 격자의 변조 주파수의 역을 취하여 결정하고, 상기 퍼필 격자와 상기 오브젝트 격자 사이의 오브젝트 거리 Z1은 모듈레이션 인텐시티 변화주기에 대한 배수 중 어느 하나를 선택한 것이며, 상기 퍼필 격자와 상기 이미지 격자 사이의 이미지 거리 Z2는 상기 퍼필 격자와 상기 오브젝트 격자 사이의 오브젝트 거리 Z1에 대한 비에 따라 산출됨을 특징으로 한다.
상기한 본 발명은 이미지 거리와 오브젝트 거리가 상이한 광학 인코더의 광원으로 인코히어런트한 광을 발생하는 소자를 채용하는 경우에도 물체의 변위정보를 정밀하게 검출해낼 수 있는 광학계를 설계할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학계 설계장치의 구성도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학계 설계방법의 흐름도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학계의 기본 구조도.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학계의 평면도.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학계 설계 방식에 근거하여 시뮬레이션된 대상물과의 거리에 따른 모듈레이션 인텐시티의 변화를 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학 인코더의 구조를 도시한 도면.
도 7 내지 도 20은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학계의 구조를 도시한 도면.
도 21 및 도 22는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제1광검출부의 구조를 도시한 도면.
도 23 내지 도 25는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모듈레이션 인텐시티의 변화를 예시한 도면.
본 발명은 이미지 거리와 오브젝트 거리가 상이한 광학 인코더의 광원으로 인코히어런트한 광을 발생하는 소자를 채용하는 경우에도 물체의 변위정보를 정밀하게 검출해낼 수 있는 광학계를 설계한다.
<광학계 설계장치의 구성>
이러한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학계 설계장치의 구성을 도 1을 참조하여 상세히 설명한다.
상기 광학계 설계장치는 제어장치(100)와 사용자 인터페이스부(102)와 메모리부(104)와 디스플레이 제어기(106)와 디스플레이 모듈(108)로 구성된다.
상기 제어장치(100)는 상기 광학계 설계장치를 전반적으로 제어함은 물론이며, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 사용자 인터페이스부(102)를 통해 입력된 광학계 설계조건정보를 토대로 광학 인코더의 광학계를 설계하고 그 설계에 따른 광학계의 그래픽 정보, 광 전달 시뮬레이션 정보 등을 생성하고, 이를 디스플레이 모듈(108)을 통해 출력하는 광학계 설계부를 구비한다.
상기 사용자 인터페이스부(102)는 사용자로부터의 각종 명령 또는 정보를 입력받아 상기 제어장치(100)에 제공한다. 특히 상기 사용자 인터페이스부(102)는 상기 광학계의 설계조건정보를 입력받아 상기 제어장치(100)에 제공한다. 상기 광학계 설계조건정보에는 입사 광의 파장 λ, 퍼필 격자의 슬릿 피치 P, 퍼필 격자와 오브젝트 격자 사이의 오브젝트 거리 Z1와 퍼필 격자와 이미지 격자 사이의 이미지 거리 Z2의 비(比), 상기 광학계가 상기 퍼필 격자에서 광이 반사하는 반사형 광학계인지, 상기 광학계가 상기 퍼필 격자에서 광이 투과하는 투과형 광학계인지, 핀홀 플레이트와 프레넬 존 플레이트를 이용하여 절대변위를 지시하는 영점을 검출하는 광학계인지, 랜덤코드를 이용하여 절대변위를 지시하는 영점을 검출하는 광학계인지, 랜덤코드와 프레넬 존 플레이트를 이용하여 절대변위를 지시하는 영점을 검출하는 광학계인지, 상대변위검출과 절대변위검출을 위한 광 전달경로를 평행되게 구성할 것인지, 상대변위검출과 절대변위검출을 위한 광 전달경로를 구별되게 구성할 것인지 등을 나타내는 광학계 타입정보, 상기 퍼필 격자와 상기 오브젝트 격자 사이의 오브젝트 거리 Z1과 상기 퍼필 격자와 상기 이미지 격자 사이의 이미지 거리 Z2에 대한 범위정보 등으로 구성될 수 있다. 여기서, 상기 범위정보는 설계자가 하드웨어의 실제 구현이 적정할 것으로 판단되는 거리에 대한 범위를 지정한 정보이다.
상기 메모리부(104)는 상기 제어장치(100)의 처리 프로그램을 포함하는 다양한 정보를 저장하며, 상기 광학계 설계부를 위한 참조정보는 물론이고 사용자로부터 입력된 광학계 설계조건정보 등을 저장한다.
상기 디스플레이 제어기(106)는 상기 제어장치(100)의 제어에 따라 디스플레이 모듈(108)을 제어한다.
상기 디스플레이 모듈(108)은 상기 디스플레이 제어기(106)의 제어에 따라 상기 제어장치(100)로부터의 각종 정보를 표시하여 사용자에게 안내한다.
<광학계 설계장치의 동작>
상기한 바와 같이 구성되는 광학계 설계장치의 동작을 도 2의 흐름도를 참조하여 설명한다.
상기 제어장치(100)는 광학계 설계를 위한 광학계 설계조건정보를 사용자 인터페이스부(102)를 통해 입력받는다(120단계).
이후 상기 제어장치(100)는 상기 광학계 설계조건정보에 따라 상대변위정보와 절대변위정보를 생성하기 위한 광학계를 설계하고 그 결과를 출력한다(122단계).
먼저 상대적인 변위정보를 생성하기 위한 광학계 설계과정을 좀 더 상세히 설명한다.
상대적인 변위정보를 생성하기 위한 반사형 광학계의 기본 구조를 도시한 도 3 및 도 4를 참조하면, 광원(200)으로부터의 광은 오브젝트 격자(202)에 의해 부분적으로 투과되어 퍼필 격자(204)로 전달된다. 상기 퍼필 격자(204)로 전달된 광은 다시 퍼필 격자(204)에 의해 부분적으로 반사되어 이미지 격자(206)로 전달된다. 상기 이미지 격자(206)로 전달된 광은 다시 이미지 격자(206)에 의해 부분적으로 투과되어 수광장치(208)로 전달된다.
여기서, 설명의 편이상 상기 오브젝트 격자(202)의 슬릿피치를 P1이라 하고, 상기 퍼필 격자(204)의 피치를 P라 하고, 이미지 격자(206)의 슬릿피치를 P2이라 하고, 상기 오브젝트 격자(202)와 퍼필 격자(204) 사이의 오브젝트 거리 및 상기 퍼필 격자(204)와 이미지 격자(206)의 이미지 거리를 각각 Z1,Z2라 한다.
본 발명은 상기한 광학계의 기본적인 구조에 OTF(Optical Transfer Function) 방정식을 변형하여 오브젝트 및 이미지 거리 Z1,Z2에 따라 변화하는 모듈레이션 인텐시티를 산출하고, 그 모듈레이션 인텐시티가 모이레 패턴을 형성할 수 있을 정도로 강한 콘트라스트를 가질 때, 즉 상기 모듈레이션 인텐시티의 피크 위치를 오브젝트 거리 Z1로 결정함과 아울러, 상기 오브젝트 Z1과 이미지 거리 Z2 사이의 비에 따라 이미지 거리 Z2를 산출하여 결정한다. 또한 입사광의 파장과 퍼필 격자(204)의 슬릿 피치를 토대로 상기 오브젝트 및 이미지 격자(202,206)의 슬릿 피치 P1,P2를 구한다.
상기 OTF 방정식을 변형하여 오브젝트 격자(202)와 퍼필 격자(204) 사이의 오브젝트 거리 Z1 및 상기 퍼필 격자(204)와 이미지 격자(206)의 이미지 거리 Z2 및 오브젝트 격자 및 이미지 격자(202,206)의 슬릿 피치 P1,P2를 구하는 과정을 좀 더 설명한다.
광학계의 OTF 방정식 OTF(F)는 일반적인 퍼필 펑션(pupil function)의 자기 상관(autocorrelation)의 항(term)으로 주어질 수 있으며 이는 수학식 1과 같다.
Figure 112012043233417-pat00001
상기 수학식 1에서 λ는 입사광의 파장이고, σ2는 푸리에 이미지의 공간적 주파수이고, k는 (2π)/λ이고, a는 (1/Z2+1/Z2)/2이고, Z2는 퍼필 격자(204)와 이미지 격자(206) 사이의 거리이다.
그리고 퍼필 격자(204)에 의한 퍼필 전달 함수 P(X)는 수학식 2와 같다.
Figure 112012043233417-pat00002
상기 수학식 2에서 P는 퍼필 격자(204)의 슬릿 피치이고, 2ε는 각 슬릿의 폭이고, n은 정수이다.
상기 수학식 2를 수학식 1에 대입한 후에, 상기 퍼필 격자(204)의 슬릿의 수가 무한히 많다고 가정하여 연산하면 수학식 3과 같다.
Figure 112012043233417-pat00003
상기 수학식 3에서 m은 정수이고, 2ε는 p/2 보다 작거나 같다.
상기 σ2가 mp/λZ2보다 크거나 같고, (mp/λZ2) + (2ε/λZ2)보다 작다고 가정한 후에 상기 수학식 3을 풀면 수학식 4와 같다.
Figure 112012043233417-pat00004
Figure 112012043233417-pat00005
Figure 112012043233417-pat00006
Figure 112012043233417-pat00007
Figure 112012043233417-pat00008
Figure 112012043233417-pat00009
상기한 방정식의 풀이에 따라 생성된 퍼필 격자(204)와 오브젝트 격자(202) 사이의 오브젝트 거리 Z1에 기초한 변형된 OTF 방정식은 수학식 5와 같다.
Figure 112012043233417-pat00010
그리고 상기한 방정식의 풀이에 따라 생성된 퍼필 격자(204)와 이미지 격자(206) 사이의 이미지 거리 Z2에 기초한 OTF 방정식은 수학식 6과 같다.
Figure 112012043233417-pat00011
상기한 바와 같은 오브젝트 거리 Z1 및 상기 퍼필 격자(204)와 이미지 거리 Z2에 기초한 OTF 방정식을 이용하여, 오브젝트 거리 Z1과 상기 이미지 거리 Z2의 비가 정해졌다고 가정할 때에 이미지 격자(206)와 오브젝트 격자(202)의 슬릿 피치를 구할 수 있다.
즉, 이미징 조건(imaging condition)은
Figure 112012043233417-pat00012
이며, 여기서 상기 N은 정수이다. 그리고 시스템 배율(system magnification)은
Figure 112012043233417-pat00013
이라 할 수 있다.
이에 오브젝트 격자(202)에 의한 변조 주파수는
Figure 112012043233417-pat00014
로 주어지고, 이미지 격자(204)에 의한 변조 주파수는
Figure 112012043233417-pat00015
로 주어진다. 그리고 상기 퍼필 격자(204)의 변조 주파수는
Figure 112012043233417-pat00016
이고, 변조된 신호 주파수는
Figure 112012043233417-pat00017
로 주어질 수 있다.
이에따라 본 발명은 사용자로부터 제공받은 상기 설계조건정보 중 입사 광의 파장 λ, 퍼필 격자(204)의 슬릿 피치 P, 오브젝트 거리 Z1과 이미지 거리 Z2의 비가 정해졌다는 조건으로부터, 상기 오브젝트 격자(202) 및 이미지 격자(204)의 변조 주파수 σ1,σ2를 산출할 수 있고, 그 산출된 변조 주파수 σ1,σ2의 역을 취하여 오브젝트 격자(202) 및 이미지 격자(204)의 슬릿 피치 P1,P2를 구한다.
또한 본 발명은 입사 광의 파장 λ과 퍼필 격자(204)의 슬릿 피치 P를 토대로 모이레 이미지가 형성되는 거리 DF 및 그에 따른 모듈레이션 인텐시티 변화의 주기 PN을 구하고, 그 모듈레이션 인텐시티 변화의 주기에 대한 배수들 중 어느 하나를 상기 퍼필 격자(204)와 오브젝트 격자(202) 사이의 오브젝트 거리 Z1로 결정함과 아울러, 상기 오브젝트 Z1과 이미지 거리 Z2 사이의 비에 따라 상기 퍼필 격자(204)와 이미지 격자(206) 사이의 이미지 거리 Z2를 산출하여 결정한다. 여기서, 상기 DF 는 P2/λ로 결정된다.
Figure 112012043233417-pat00018
특히 상기 모듈레이션 인텐시티 변화 주기의 배수들 중 선택된 배수는 상기 사용자가 입력한 오브젝트 거리 Z1에 대한 범위정보에 속하는 배수이다. 상기 수학식 7에서 PN은 모듈레이션 인텐시티 변화의 주기이다.
상기한 본 발명에 따라 상기 오브젝트 격자(202)의 슬릿 피치(P1) 및 상기 이미지 격자(206)의 슬릿 피치(P2)와 상기 퍼필 격자(204)와 상기 오브젝트 격자(202) 사이의 오브젝트 거리 Z1과 상기 퍼필 격자(204)와 상기 이미지 격자(206) 사이의 이미지 거리 Z2를 구하는 과정을 예로들어 설명한다.
상기 퍼필 격자(204)의 슬릿 피치(P)를 20um으로, 광의 주파수(λ)를 850um으로, Z2/Z1=5로 정한다면, 상기 오브젝트 격자(202)의 슬릿 피치(P1) 및 상기 이미지 격자(206)의 슬릿 피치(P2)는 도 5에 도시한 표와 같이 산출된다.
상기 오브젝트 격자(202)의 슬릿 피치 P2 및 상기 이미지 격자(206)의 슬릿 피치 P2는 정수 N에 따라 각기 다른 값을 가진다. 또한 상기 N의 변화에 따라 모듈레이션 인텐시티의 진폭도 상이하게 변화한다.
즉, 퍼필 격자(204)와 오브젝트 격자(202) 사이의 오브젝트 거리 Z1과 상기 퍼필 격자(204)와 상기 이미지 격자(206) 사이의 이미지 거리 Z2의 변화에 따르는 모듈레이션 인텐시티를 시뮬레이션한 도 5를 참조하면, 상기 N의 변화에 따라 모듈레이션 인텐시티를 나타내는 펄스의 진폭은 크게 변화하였다.
본 발명은 모듈레이션 인텐시티 변화 주기의 배수들 중 선택된 배수 중 어느 하나를 퍼필 격자(204)와 오브젝트 격자(202) 사이의 오브젝트 거리 Z1로 결정함과 아울러, 상기 오브젝트 Z1과 이미지 거리 Z2 사이의 비에 따라 이미지 거리 Z2를 산출하여 결정한다.
특히 본 발명은 상기 광학계 설계조건정보에 퍼필 격자(204)와 오브젝트 격자(202) 사이의 오브젝트 거리 Z1과 상기 퍼필 격자(204)와 상기 이미지 격자(206) 사이의 이미지 거리 Z2에 대한 범위정보를 포함시켜, 상기 범위정보내에 위치하는 DF의 배수가 오브젝트 거리 Z1로 선택되게 한다.
또한 본 발명은 상기 N에 따라 모듈레이션 인텐시티가 크게 변화함은 고려하여, 상기 제어장치(100)는 상기 N의 변화에 따른 모듈레이션 인텐시티를 디스플레이 모듈(108)을 통해 안내하고, 그 안내된 모듈레이션 인텐시티의 변화를 참조하여 사용자로부터 N을 선택받을 수도 있다. 즉 도 5의 예에 따르면 상기 정수 N은 5로 선택될 수 있다.
또한 본 발명은 광학 인코더의 설치 환경을 고려하여 광학계 설계조건정보에는 상기 광학계가 상기 퍼필 격자에서 광이 반사하는 반사형 광학계인지, 상기 광학계가 상기 퍼필 격자에서 광이 투과하는 투과형 광학계인지를 나타내는 광학계 타입정보가 포함되며, 이 정보에 따라 상기 격자들의 배열구조를 반사형 또는 투과형으로 설계한다.
즉, 본 발명은 광학계 설계정보를 입력받아 오브젝트 격자의 슬릿 피치와, 이미지 격자의 슬릿 피치와, 퍼필 격자와 오브젝트 격자 사이의 거리와, 퍼필 격자와 이미지 격자 사이의 거리를 결정하며, 상기 오브젝트 격자와 퍼필 격자와 이미지 격자를 반사형 또는 투과형 선택에 따라 V형태 또는 I형태로 배치된다.
상기한 바와 같이 상대변위정보를 생성하기 위한 기본적인 광학계가 설계된 후에, 사용자에 의해 선택된 종류에 부합되게 절대변위정보를 생성하기 위한 광학계를 부가한다.
상기 상대변위정보는 모이레 이미지 형성 특성에 따라 퍼필격자와 광 검출부의 설치위치가 이격될 수 있으나, 이는 광의 분산에 의한 절대변위정보 검출의 정밀도를 저하시키는 원인이 되었다. 이에 본 발명은 핀홀 플레이트와 프레넬 존 플레이트, 랜덤 코드에 따르는 랜덤 코드 패턴에 대응되는 격자들, 랜덤 코드에 따르는 랜덤 코드 패턴에 대응되는 격자들과 프레넬 존 플레이트를 조합하여 절대변위정보인, 영점검출정보를 정밀하게 검출해낸다.
또한 본 발명은 광학 인코더의 설치 환경을 고려하여 광학계 설계조건정보에는 상기 광학계의 상대변위검출을 위한 광 경로와 절대변위검출을 위한 광 경로가 평행되는지 구별되는지에 대한 광학계 타입정보가 포함되며, 이 정보에 따라 상기 격자들의 배열구조를 결정한다.
<광학 인코더의 구조>
이제 상기한 광학 인코더의 광학계 설계장치에 의해 설계된 광학 인코더의 구조를 도 6을 참조하여 설명한다.
상기 광학 인코더(300)는 제어장치(302)와 LED 모듈 구동부(304)와 LED 모듈(306)과 광학계(308)와 제1광검출부(310)와 제2광검출부(312)와 신호처리부(314)로 구성된다.
상기 제어장치(302)는 상기 광학 인코더(300)를 전반적으로 제어함은 물론이며, 특히 LED 모듈 구동부(304)를 통해 LED 모듈(306)을 구동한다. 또한 상기 제어장치(302)는 신호처리부(314)로부터 제1 내지 제4페이즈 증가형 신호에 대한 피크검출정보로 구성되는 상대변위검출정보 및 영점검출신호에 대한 피크검출정보로 구성되는 절대변위검출정보를 제공받아 대상물의 변위정보를 생성한다.
상기 LED 모듈 구동부(304)는 상기 제어장치(302)의 제어에 따라 LED 모듈(306)을 구동한다.
상기 LED 모듈(306)은 상기 LED 모듈 구동부(304)의 제어에 따라 인코히어런트한 광을 출사한다. 상기 LED 모듈(306)이 출사하는 광은 광학계(308)로 입사된다.
상기 광학계(308)는 광 전달을 위한 구성 다수를 포함하며, 일부 구성은 대상체에 위치하고 나머지 구성들은 상기 대상체와 상대적으로 이동하는 하우징에 위치한다. 상기 광학계(308)는 상기 대상체와 상기 하우징 사이의 상대적인 이동에 따라 상기 LED 모듈(306)이 출사하는 광을 제1광검출부(310)와 제2광검출부(312)로 전달함과 아울러 그 전달되는 광의 광량을 가변시킨다.
상기 제1 및 제2광검출부(310,312) 각각은 상기 광학계(308)가 전달하는 광을 수광하고, 그에 따른 상대변위검출을 위한 제1 내지 제4페이즈 증가형 신호와 절대변위검출을 위한 영점검출신호를 생성하여 신호처리부(314)로 제공한다.
여기서, 상기 제1광검출부(310)는 광학계(308)에 의해 광이 전달되는 상대변위검출용 수광영역에 다수의 광 검출소자가 제1 내지 제4페이즈 증가형 신호를 생성하기 위해 배열된 것으로, 제1 내지 제4페이즈 증가형 신호를 출력한다. 여기서 상기 제1 내지 제4페이즈 증가형 신호는 sin 파형의 신호(A)와 cos 파형의 신호(B)와 /sin 파형의 신호(A/)와 /cos 파형의 신호(B/)이다.
그리고 상기 제2광검출부(312)는 광학계에 의해 광이 전달되는 절대변위검출용 수광영역에 하나 또는 둘 이상의 광 검출소자가 배열된 것으로, 하나 또는 그 이상의 영점검출신호를 출력한다.
상기 신호처리부(314)는 상기 제1 내지 제4페이즈 증가형 신호를 제공받아 각 신호의 피크를 검출하고, 그에 따른 피크검출정보를 상대변위검출정보로서 상기 제어장치(302)로 제공하고, 상기영점검출신호들을 제공받아 상기 절대변위검출용 검출신호들의 피크는 강조하고 나머지는 제한하는 신호처리후에 다시 피크를 검출하고, 그에 따른 피크검출정보를 절대변위검출정보로서 상기 제어장치(302)로 제공한다.
<광학계의 구조>
이제, 상기한 바와 같이 구성되는 광학 인코더의 광학계(308)의 구조를 상세히 설명한다.
상기 광학계(308)는 다양한 형태를 가질 수 있다.
먼저 반사형과 투과형으로 분류할 수 있으며, 다시 LED 광을 그대로 사용하는 형태와 LED 광을 시준하여 사용하는 형태로 분류될 수 있다.
또한 절대변위검출을 위한 영점검출방식으로는 핀홀과 프레넬 존 플레이트를 이용하는 형태와, 랜덤 코드에 따른 랜덤 코드 패턴에 대응되는 격자를 이용하는 형태와, 랜덤 코드에 따른 랜덤 코드 패턴에 대응되는 격자와 프레넬 존 플레이트를 이용하는 형태로 분류할 수 있다.
또한 상대변위검출을 위한 광 전달경로와 절대변위검출을 위한 광 전달경로를 평행되게 하거나 구별되게 구성하는 형태로 분류될 수도 있다.
이하, 상기한 다양한 형태의 광학계(308)의 형태를 설명한다.
<제1형태>
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학계(308)의 제1형태의 구조를 도시한 것으로, 반사형 광학계이며 LED 광을 그대로 사용하며 핀홀과 프레넬 존 플레이트를 이용하며, 상대변위검출을 위한 광 경로와 절대변위검출을 위한 광 경로를 분리되게 설계한 광학계이다.
상기 제1형태에 따른 광학계에는 제1-1 내지 제1-3플레이트(400,410,430)가 구비되며, 상기 제1-1 및 제3플레이트(400,430)는 제1-2플레이트(410)와 상대적으로 이동한다.
상기 제1-1플레이트(400)에는 LED 모듈(306)이 출사하는 광의 일부를 전달받아 부분적으로 투과하여 제1퍼필 격자(412)로 전달하는 제1오브젝트 격자(402)와, 상기 LED 모듈(306)이 출사하는 광의 일부를 전달받아 투과하여 제1프레넬 존 플레이트(414)로 전달하는 제1핀홀 플레이트(406)가 형성된다.
그리고 상기 제1-2플레이트(410)에는 상기 제1오브젝트 격자(402)가 전달하는 광을 부분적으로 반사하여 제1이미지 격자(404)로 전달하는 제1퍼필 격자(412)와, 상기 제1핀홀 플레이트(406)가 전달하는 광을 반사시키면서 집중시켜 제1윈도우(408)로 전달하는 제1-1차원 프레넬 존 플레이트(414)가 형성된다.
상기 제1-3플레이트(430)에는 제1퍼필 격자(412)가 전달하는 광을 부분적으로 투과하여 제1광검출부(310)로 전달하는 제1이미지 격자(404)와, 상기 제1프레넬 존 플레이트(414)에 의해 전달되는 광을 투과시켜 제2광검출부(312)로 전달하는 제1윈도우(408)가 형성된다.
특히 상기 제1이미지 격자(404)에는 제1 내지 제4페이즈에 따른 광신호를 입사받기 위해 제1 내지 제4격자그룹(A,B,C,D)의 슬릿이 형성된다.
또한 상기 제1오브젝트 격자(402)와 제1퍼필 격자(412) 사이의 오브젝트 거리 Z1과, 상기 제1오브젝트 격자(402)의 슬릿 피치 P1과 상기 제1이미지 격자(404)의 슬릿 피치 P2는, 제1퍼필 격자(412)의 슬릿 피치 P와 입사광의 파장 λ, 제1오브젝트 격자(402)와 제1퍼필 격자(412) 사이의 오브젝트 거리 Z1과 제1이미지 격자(404)와 제1퍼필 격자(412) 사이의 이미지 거리 Z2 사이의 비에 따라, 하기 수학식 8에 따라 산출된 값이다.
그리고 , 상기 제1이미지 격자(404)와 제1퍼필 격자(412) 사이의 이미지 거리 Z2는 상기 오브젝트 거리 Z1과의 비로부터 산출된다.
Figure 112012043233417-pat00019
상기 수학식 8에서 상기 N은 OTF에 따라 모이레 이미지가 형성되는 순번을 나타내는 정수이고, 상기 Z1은 상기 퍼필 격자와 상기 오브젝트 격자 사이의 오브젝트 거리이고, 상기 Z2는 상기 퍼필 격자와 상기 이미지 격자 사이의 이미지 거리이고, 상기 P는 퍼필 격자의 슬릿 피치이고, 상기 P1은 오브젝트 격자의 슬릿 피치이고, 상기 P2는 이미지 격자의 슬릿 피치이고, 상기 λ는 입사광의 파장이고, 상기 PN은 모듈레이션 인텐시티 변화의 주기이다.
또한 상기 상대변위검출을 위한 광 경로와 절대변위검출을 위한 광 경로를 분리하기 위해 LED 모듈(306)을 중심으로 양측으로 제1퍼필 격자(412)와 제1프레넬 존 플레이트(414)를 배치한다.
<제2형태>
상기 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학계(308)의 제1형태에서는 LED 모듈(306)로부터의 광을 그대로 사용하는 것만을 예시하였으나, 도 8에 도시한 바와 같이 상기 제1형태의 구성에 제1콜리메이트 렌즈(420)를 부가하고, 그 제1콜리메이트 렌즈(420)를 통해 광을 시준처리함으로써 광신호의 중첩과 산란에 의한 노이즈를 제한할 수도 있다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학계(308)의 제2형태를 도시한 것으로, 도 7과 동일한 구성에 대해서는 그 설명을 생략한다.
상기 제1콜리메이트 렌즈(420)는 상기 LED 모듈(306)이 출사하는 광을 시준하여, 일부는 상대변위검출을 위한 증가형 신호의 생성을 위해 제1오브젝트 격자(402)로 전달하고, 일부는 절대변위검출을 위한 원점 검출 신호의 생성을 위해 제1핀홀 플레이트(406)로 전달한다.
<제3형태>
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학계(308)의 제3형태의 구조를 도시한 것으로, 투과형 광학계이며 LED 광을 그대로 사용하며 핀홀과 프레넬 존 플레이트를 이용한 광학계이다.
상기 제2형태에 따른 광학계에는 제2-1 내지 제2-3플레이트(500,506,512)가 구비되며, 상기 제2-1 및 제2-3플레이트(500,512)와 제2-2플레이트(506)는 서로 상대적으로 이동한다.
상기 제2-1플레이트(500)에는 상기 LED 모듈(306)이 출사하는 광의 일부를 전달받아 부분적으로 투과하여 제2퍼필 격자(510)로 전달하는 제2오브젝트 격자(504)와, 상기 LED 모듈(306)이 출사하는 광의 일부를 전달받아 투과하여 제2-1차원 프레넬 존 플레이트(508)로 전달하는 제2핀홀 플레이트(502)가 형성된다.
상기 제2-2플레이트(506)에는 상기 제2오브젝트 격자(504)가 전달하는 광을 부분적으로 투과하여 제2이미지 격자(504)로 전달하는 제2퍼필 격자(510)와, 상기 제2핀홀 플레이트(502)가 전달하는 광을 투과시키면서 집중시켜 제2윈도우(514)로 전달하는 제2-1차원 프레넬 존 플레이트(514)가 형성된다.
상기 제2-3플레이트(512)에는 상기 제2퍼필 격자(510)가 전달하는 광을 부분적으로 투과하여 제1광검출부(310)로 전달하는 제2이미지 격자(516)와, 제2-1차원 프레넬 존 플레이트(508)에 의해 전달되는 광을 투과시켜 제2광검출부(312)로 전달하는 제2윈도우(514)가 형성된다. 특히 상기 제2이미지 격자(516)에는 제1 내지 제4페이즈에 따른 광신호를 입사받기 위해 제1 내지 제4격자그룹의 슬릿이 형성된다.
특히 상기 제2오브젝트 격자(504)와 제2퍼필 격자(510) 사이의 오브젝트 거리 Z1과, 상기 제2이미지 격자(516)와 제2퍼필 격자(510) 사이의 이미지 거리 Z2와, 상기 제2오브젝트 격자(504)의 슬릿 피치와, 상기 제2이미지 격자(516)의 슬릿 피치는, 제2퍼필 격자(510)의 슬릿 피치와 입사광의 파장, 제2오브젝트 격자(504)와 제2퍼필 격자(510) 사이의 오브젝트 거리 Z1과 제2이미지 격자(516)와 제2퍼필 격자(510) 사이의 이미지 거리 Z2의 비에 따라 상기 수학식 8에 따라 산출된다.
<제4형태>
상기 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학계(308)의 제3형태에서는 LED 모듈(306)로부터의 광을 그대로 사용하는 것만을 예시하였으나, 도 10에 도시한 바와 같이 상기 제3형태의 구성에 제2콜리메이트 렌즈(520)를 부가하고, 그 제2콜리메이트 렌즈(520)를 통해 광을 시준처리함으로써 광신호의 중첩과 산란에 의한 노이즈를 제한할 수도 있다.
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학계(308)의 제4형태를 도시한 것으로, 도 9와 동일한 구성에 대해서는 그 설명을 생략한다.
상기 제2콜리메이트 렌즈(520)는 상기 LED 모듈(306)이 출사하는 광을 시준하여, 일부는 증가형 신호의 생성을 위해 제2오브젝트 격자(504)로 전달하고, 일부는 원점 검출 신호의 생성을 위해 제2핀홀 플레이트(502)로 전달한다.
<제5형태>
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학계(308)의 제5형태의 구조를 도시한 것으로, 반사형 광학계이며 LED 광을 그대로 사용하며 핀홀과 프레넬 존 플레이트를 이용하며, 상대변위검출을 위한 광 경로와 절대변위검출을 위한 광 경로가 평행되게 설계한 광학계를 예시한 것이다.
상기 제5형태에 따른 광학계에는 제3-1 내지 제3-3플레이트(600,610,630)가 구비되며, 상기 제3-1 및 제3-3플레이트(600,630)는 제3-2플레이트(610)에 대해 서로 상대적으로 이동한다.
상기 제3-1플레이트(600)에는 LED 모듈(306)이 출사하는 광의 일부를 전달받아 부분적으로 투과하여 제3퍼필 격자(612)로 전달하는 제3오브젝트 격자(602)와, LED 모듈(306)이 출사하는 광의 일부를 전달받아 투과하여 제3프레넬 존 플레이트(614)로 전달하는 제3핀홀 플레이트(604)가 형성된다.
그리고 상기 제3-2플레이트(610)에는 상기 제3오브젝트 격자(602)가 전달하는 광을 부분적으로 반사하여 제3이미지 격자(606)로 전달하는 제3퍼필 격자(612)와, 상기 제3핀홀 플레이트(604)가 전달하는 광을 반사시키면서 집중시켜 제3윈도우(608)로 전달하는 제3-1차원 프레넬 존 플레이트(614)가 형성된다.
그리고 상기 제3-3플레이트(630)에는 상기 제3퍼필 격자(612)가 전달하는 광을 부분적으로 투과하여 제1광검출부(310)로 전달하는 제3이미지 격자(606)와, 상기 제3-1차원 프레넬 존 플레이트(614)에 의해 전달되는 광을 투과시켜 제2광검출부(312)로 전달하는 제3윈도우(608)가 형성된다.
특히 상기 제3이미지 격자(604)에는 제1 내지 제4페이즈에 따른 광신호를 입사받기 위해 제1 내지 제4슬릿그룹들의 형성된다.
특히 상기 제3오브젝트 격자(602)와 상기 제3이미지 격자(606)의 슬릿 피치와 제3오브젝트 격자(602)와 제3퍼필 격자(612) 사이의 오브젝트 거리 Z1과 제3이미지 격자(604)와 제3퍼필 격자(612) 사이의 이미지 거리 Z2는 제3퍼필 격자(612)의 슬릿 피치와 입사광의 파장, 제3오브젝트 격자(602)와 제3퍼필 격자(612) 사이의 오브젝트 거리 Z1과 제3이미지 격자(604)와 제3퍼필 격자(612) 사이의 이미지 거리 Z2의 비에 따라 정해진다.
또한 상기 상대변위검출을 위한 광 경로와 절대변위검출을 위한 광 경로를 평행되게 구성하기 위해 LED 모듈(306)을 중심으로 어느 한 방향으로 치우쳐 순서대로 제3퍼필 격자(612)와 제3-1차원 프레넬 존 플레이트(614)를 배치한다.
<제6형태>
상기 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학계(308)의 제5형태에서는 LED 모듈(306)로부터의 광을 그대로 사용하는 것만을 예시하였으나, 도 12에 도시한 바와 같이 상기 제5형태의 구성에 제3콜리메이트 렌즈(620)를 부가하고, 그 제3콜리메이트 렌즈(620)를 통해 광을 시준처리함으로써 광신호의 중첩과 산란에 의한 노이즈를 제한할 수도 있다.
도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학계(308)의 제6형태를 도시한 것으로, 도 11과 동일한 구성에 대해서는 그 설명을 생략한다.
상기 제3콜리메이트 렌즈(620)는 상기 LED 모듈(306)이 출사하는 광을 시준하여, 일부는 증가형 신호의 생성을 위해 제3오브젝트 격자(602)로 전달하고, 일부는 원점 검출 신호의 생성을 위해 제3핀홀 플레이트(604)로 전달한다.
<제7형태>
도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학계(308)의 제7형태의 구조를 도시한 것으로, 반사형이며 LED 광을 그대로 사용하며 LFSR 코드에 따른 격자들을 이용하여 원점검출을 이행하며, 상대변위검출을 위한 광 전달 경로와 절대변위검출을 위한 광 전달 경로를 분리하여 설계한 광학계를 예시한 것이다.
상기 제7형태에 따른 광학계에는 제4-1 내지 제4-3플레이트(800,810,830)가 구비되며, 상기 제4-1 및 제4-3플레이트(800,830)는 제4-2플레이트(810)와 서로 상대적으로 이동한다.
상기 제4-1플레이트(800)에는 LED 모듈(306)이 출사하는 광의 일부를 전달받아 부분적으로 투과하여 제4퍼필 격자(812)로 전달하는 제4오브젝트 격자(802)와, LED 모듈(306)이 출사하는 광의 일부를 랜덤 코드에 따른 랜덤 코드 패턴에 대응되게 형성된 격자를 통해 부분적으로 투과하는 제1랜덤코드격자(806)가 형성된다.
그리고 상기 제4-2플레이트(810)에는 상기 제4오브젝트 격자(802)가 전달하는 광을 부분적으로 반사하여 제4이미지 격자(804)로 전달하는 제4퍼필 격자(812)와, 상기 제1랜덤코드격자(806)에 의해 부분적으로 전달되는 광을 랜덤 코드에 따르는 랜덤 코드 패턴에 대응되는 격자를 통해 부분적으로 반사하는 제2랜덤코드격자(812)가 형성된다.
그리고 상기 제4-3플레이트(830)에는 상기 제4퍼필 격자(812)가 전달하는 광을 부분적으로 투과하여 제1광검출부(310)로 전달하는 제4이미지 격자(804)와 제2랜덤코드격자(814)에 의해 전달되는 광을 제2광검출부(312)로 전달하는 제4윈도우(808)가 형성된다.
여기서, 상기 제4이미지 격자(804)에는 제1 내지 제4페이즈에 따른 광신호를 입사받기 위해 슬릿의 시작위치가 1/4λ만큼 조정된 제1 내지 제4슬릿그룹이 형성된다.
또한 상기 제4오브젝트 격자(802)와 상기 제4이미지 격자(804)의 슬릿 피치와 제4오브젝트 격자(802)와 제4퍼필 격자(812) 사이의 오브젝트 거리 Z1과 제4이미지 격자(804)와 제4퍼필 격자(812) 사이의 이미지 거리 Z2는, 제4퍼필 격자(812)의 슬릿 피치와 입사광의 파장, 제4오브젝트 격자(802)와 제4퍼필 격자(812) 사이의 오브젝트 거리 Z1과 제4이미지 격자(804)와 제4퍼필 격자(812) 사이의 이미지 거리 Z2의 비로부터 정해진다.
또한 상기 제1 및 제2랜덤 코드 격자(806,814)의 랜덤 코드는 LFSR를 이용하여 생성된 랜덤 코드이고, 상기 랜덤 코드는 1 또는 0의 값을 가지는 디지트들이다. 상기 랜덤 코드의 각 디지트의 값은 격자를 통한 광의 전달 또는 광의 차단을 지시한다. 즉 상기 디지트들의 값 중 1을 광의 전달을 지시하는 값으로 정함과 아울러 0을 광의 차단을 지시하는 값으로 정할 수 있으며, 그 반대의 경우로도 정할 수 있다.
상기한 바와 같이 제1 및 제2랜덤 코드 격자(806,814)를 채용할 경우에 상기 제2광 검출부(312)는 랜덤 코드에 따른 랜덤 코드 패턴에 대응되게 포토디텍팅 셀들이 배열된 포토디텍팅 셀 어레이로 구성된다.
상기 포토디텍팅 셀 어레이에 대해 좀 더 설명한다.
상기 포토디텍팅 셀 어레이는 제2랜덤 코드 격자(814)에 의해 부분적으로 반사되어 전달되는 광을 수광하고 그에 따른 신호를 출력한다. 특히, 상기 포토디텍팅 셀 어레이는 상기 랜덤 코드에 따르는 랜덤 코드 패턴에 대응되게 다수의 광 검출 소자가 배열됨과 아울러 상기 랜덤 코드를 구성한 디지트들 중 동일한 값을 가지는 디지트들에 해당되는 광 검출 소자들의 출력값들을 합하여 출력한다.
즉, 상기 포토디텍팅 셀 어레이는 제2랜덤 코드 격자(814)가 전달하는 광이 형성하는 랜덤 코드 패턴에 1:1 대응되게 포토디텍팅 셀들이 배열된 것으로, 상기 랜덤 코드 패턴 중 1 또는 0, 즉 광 전달을 지시하는 값에 대응되는 디지트들에 대응되는 포토디텍팅 셀들의 출력라인은 결합되어 상기 1에 대응되는 포토디텍팅 셀들의 출력이 합산되어 출력되고, 상기 랜덤 코드 패턴 중 0 또는 1, 즉 광 차단을 지시하는 값에 대응되는 디지트들에 대응되는 포토디텍팅 셀들의 출력라인도 결합되어 상기 0에 대응되는 포토디텍팅 셀들의 출력이 합산되어 출력된다.
상기 광 전달을 지시하는 값을 가지는 디지트들에 대응되는 포토디텍팅 셀들의 출력을 합산한 것을 Z 페이즈 신호라 하고, 상기 광 차단을 지시하는 값을 가지는 포토디텍팅 셀들의 출력을 합산한 것을 Z/페이즈 신호라 하며, 상기 Z페이즈 신호와 상기 Z/페이즈 신호는 신호처리부(314)에 제공된다.
여기서, 상기 포토디텍팅 셀 어레이의 포토디텍팅 셀들이 형성한 랜덤 코드 패턴과 상기 제2랜덤 코드 격자(814)가 전달하는 광이 형성하는 랜덤 코드 패턴이 일치하는 경우에, 상기 광 전달을 지시하는 디지트들에 대응되는 포토디텍팅 셀들로 입사되는 광이 최대가 되어 상기 Z페이즈 신호가 최대가 되고, 상기 광 차단을 지시하는 디지트들에 대응되는 포토디텍팅 셀들로 입사되는 광이 최소가 되어 상기 Z/페이즈 신호가 최소가 된다.
즉, 상기 제2랜덤 코드 격자(814)와 상기 포토디텍팅 셀 어레이의 랜덤 코드 패턴이 광 전달경로선상에서 일치되게 위치할 때에 상기 포토디텍팅 셀 어레이가 출력하는 Z페이즈 신호와 Z/페이즈 신호는 피크값을 가진다.
상기 제2광 검출부(312)가 포토디텍팅 셀 어레이로 구성되어 Z페이즈 신호와 Z/페이즈 신호를 출력할 때에, 상기 신호처리부(314)는 상기 Z페이즈 신호에서 Z/페이즈 신호를 감산하여 출력하여 Z페이즈 신호와 Z/페이즈 신호의 피크는 강조함과 아울러 나머지 부분에 대해서는 상쇄시킨 신호를 생성한다. 이 신호를 영점검출신호라 칭한다. 상기 신호처리부(314)는 상기 영점검출신호의 피크 검출에 따라 영점을 검출하고, 그에 따른 영점검출정보, 즉 절대변위검출정보를 생성하여 상기 제어장치(302)로 제공한다.
또한 상기 상대변위검출을 위한 광 경로와 영점검출을 위한 광 경로를 분리하기 위해 LED 모듈(306)을 중심으로 한 측에는 제4오브젝트 격자(802)와 제4퍼필 격자(812)와 제4이미지 격자(804)를 배치하고, 다른 한 측으로는 제4윈도우(808)와 제1 및 제2랜덤코드격자(814,806)를 배치한다.
또한 상기의 제7형태에서는 제1랜덤코드격자(806)와 제2랜덤코드격자(814)를 채용하는 것을 개시하였으나, 제1랜덤코드격자(806)는 윈도우로 대치할 수도 있다.
또한 상기의 제7형태에서는 랜덤코드에 따른 랜덤코드패턴에 대응되는 포토디텍팅 셀 어레이를 채용하는 것을 개시하였으나, 제조단가의 절감 등을 이유로 단일의 광 검출모듈을 채용할 수도 있다.
<제8형태>
상기 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학계(308)의 제7형태에서는 LED 모듈(306)로부터의 광을 그대로 사용하는 것만을 예시하였으나, 도 14에 도시한 바와 같이 상기 제7형태의 구성에 제4콜리메이트 렌즈(820)를 부가하고, 그 제4콜리메이트 렌즈(820)를 통해 광을 시준처리함으로써 광신호의 중첩과 산란에 의한 노이즈를 제한할 수도 있다.
도 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학계(308)의 제8형태를 도시한 것으로, 도 13과 동일한 구성에 대해서는 그 설명을 생략한다.
상기 제4콜리메이트 렌즈(820)는 상기 LED 모듈(306)이 출사하는 광을 시준하여, 일부는 증가형 신호의 생성을 위해 제4오브젝트 격자(802)로 전달하고, 일부는 원점 검출 신호의 생성을 위해 제1랜덤코드격자(806)로 전달한다.
<제9형태>
도 15는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학계(308)의 제9형태의 구조를 도시한 것으로, 투과형이며 LED 광을 그대로 사용하며 LFSR 코드에 따른 격자들을 가진 원점검출용 격자들을 구비하며, 상대변위검출을 위한 광 경로와 절대변위검출을 위한 광 경로가 분리되게 설계한 광학계를 예시한 것이다.
상기 제9형태에 따른 광학계에는 제5-1 내지 제5-3플레이트(900,906,912)가 구비되며, 상기 제5-1 및 제5-3플레이트(900,912)와 제5-2플레이트(906)는 서로 상대적으로 이동한다.
상기 제5-1플레이트(900)에는 LED 모듈(306)이 출사하는 광의 일부를 전달받아 부분적으로 투과하여 제5퍼필 격자(910)로 전달하는 제5오브젝트 격자(904)와, LED 모듈(306)이 출사하는 광의 일부를 전달받아 랜덤코드에 따르는 랜덤코드패턴에 대응되는 격자를 통해 부분적으로 투과하는 제3랜덤코드격자(902)가 형성된다.
상기 제5-2플레이트(906)에는 상기 제5오브젝트 격자(904)가 전달하는 광을 부분적으로 투과하여 제5이미지 격자(516)로 전달하는 제5퍼필 격자(910)와, 상기 제3랜덤코드격자(902)가 전달하는 광을 랜덤코드에 따르는 랜덤코드패턴에 대응되는 격자를 통해 부분적으로 투과하는 제4랜덤코드격자(908)가 형성된다.
상기 제5-3플레이트(912)에는 상기 제5퍼필 격자(910)가 전달하는 광을 부분적으로 투과하여 제1광검출부(310)로 전달하는 제5이미지 격자(916)와, 제4랜덤코드격자(908)에 의해 전달되는 광을 제2광검출부(312)로 전달하는 제5윈도우(914)가 형성된다.
특히 상기 제5이미지 격자(916)에는 제1 내지 제4페이즈에 따른 광신호를 입사받기 위해 슬릿의 시작위치가 1/4λ만큼 조정된 제1 내지 제4슬릿그룹들의 형성된다.
또한 상기 제5오브젝트 격자(904)와 상기 제5이미지 격자(916)의 슬릿 피치와 상기 제5오브젝트 격자(904)와 제5퍼필 격자(910) 사이의 오브젝트 거리 Z1과 상기 제5이미지 격자(916)와 제5퍼필 격자(910) 사이의 이미지 거리 Z2는, 제5퍼필 격자(910)의 슬릿 피치와 입사광의 파장과 상기 제5오브젝트 격자(904)와 제5퍼필 격자(910) 사이의 오브젝트 거리 Z1과 상기 제5이미지 격자(916)와 제5퍼필 격자(910) 사이의 이미지 거리 Z2가 동일하다는 조건에 따라 정해진다.
또한 상기 제3 및 제4랜덤 코드 격자(902,908)의 랜덤 코드는 LFSR를 이용하여 생성된 랜덤 코드이고, 상기 랜덤 코드는 1 또는 0의 값을 가지는 디지트들이다. 상기 랜덤 코드의 각 디지트의 값은 격자를 통한 광의 전달 또는 광의 차단을 지시한다. 즉 상기 디지트들의 값 중 1을 광의 전달을 지시하는 값으로 정함과 아울러 0을 광의 차단을 지시하는 값으로 정할 수 있으며, 그 반대의 경우로도 정할 수 있다.
상기한 바와 같이 제3 및 제4랜덤 코드 격자(902,908)를 채용할 경우에 상기 제2광 검출부(312)는 랜덤 코드에 따른 랜덤 코드 패턴에 대응되게 포토디텍팅 셀들이 배열된 포토디텍팅 셀 어레이로 구성된다.
상기 포토디텍팅 셀 어레이에 대해 좀 더 설명한다.
상기 포토디텍팅 셀 어레이는 제4랜덤 코드 격자(908)에 의해 부분적으로 반사되어 전달되는 광을 수광하고 그에 따른 신호를 출력한다. 특히, 상기 포토디텍팅 셀 어레이는 상기 랜덤 코드에 따르는 랜덤 코드 패턴에 대응되게 다수의 광 검출 소자가 배열됨과 아울러 상기 랜덤 코드를 구성한 디지트들 중 동일한 값을 가지는 디지트들에 해당되는 광 검출 소자들의 출력값들을 합하여 출력한다.
즉, 상기 포토디텍팅 셀 어레이는 제4랜덤 코드 격자(908)가 전달하는 광이 형성하는 랜덤 코드 패턴에 1:1 대응되게 포토디텍팅 셀들이 배열된 것으로, 상기 랜덤 코드 패턴 중 1 또는 0, 즉 광 전달을 지시하는 값에 대응되는 디지트들에 대응되는 포토디텍팅 셀들의 출력라인은 결합되어 상기 1에 대응되는 포토디텍팅 셀들의 출력이 합산되어 출력되고, 상기 랜덤 코드 패턴 중 0 또는 1, 즉 광 차단을 지시하는 값에 대응되는 디지트들에 대응되는 포토디텍팅 셀들의 출력라인도 결합되어 상기 0에 대응되는 포토디텍팅 셀들의 출력이 합산되어 출력된다.
상기 광 전달을 지시하는 값을 가지는 디지트들에 대응되는 포토디텍팅 셀들의 출력을 합산한 것을 Z 페이즈 신호라 하고, 상기 광 차단을 지시하는 값을 가지는 포토디텍팅 셀들의 출력을 합산한 것을 Z/페이즈 신호라 하며, 상기 Z페이즈 신호와 상기 Z/페이즈 신호는 신호처리부(314)에 제공된다.
여기서, 상기 포토디텍팅 셀 어레이의 포토디텍팅 셀들이 형성한 랜덤 코드 패턴과 상기 제4랜덤 코드 격자(908)가 전달하는 광이 형성하는 랜덤 코드 패턴이 서로 일치하는 경우에, 상기 광 전달을 지시하는 디지트들에 대응되는 포토디텍팅 셀들로 입사되는 광이 최대가 되어 상기 Z페이즈 신호가 최대가 되고, 상기 광 차단을 지시하는 디지트들에 대응되는 포토디텍팅 셀들로 입사되는 광이 최소가 되어 상기 Z/페이즈 신호가 최소가 된다.
즉, 상기 제4랜덤 코드 격자(908)와 상기 포토디텍팅 셀 어레이의 랜덤 코드 패턴이 광 전달경로선상에서 일치되게 위치할 때에 상기 포토디텍팅 셀 어레이가 출력하는 Z페이즈 신호와 Z/페이즈 신호는 피크값을 가진다.
상기 제2광 검출부(312)가 포토디텍팅 셀 어레이로 구성되어 Z페이즈 신호와 Z/페이즈 신호를 출력할 때에, 상기 신호처리부(314)는 상기 Z페이즈 신호에서 Z/페이즈 신호를 감산하여 출력하여 Z페이즈 신호와 Z/페이즈 신호의 피크는 강조함과 아울러 나머지 부분에 대해서는 상쇄시킨 신호를 생성한다. 이 신호를 영점검출신호라 칭한다. 상기 신호처리부(314)는 상기 영점검출신호의 피크 검출에 따라 영점을 검출하고, 그에 따른 영점검출정보, 즉 절대변위검출정보를 생성하여 상기 제어장치(302)로 제공한다.
또한 상기 상대변위검출을 위한 광 경로와 영점검출을 위한 광 경로를 분리하기 위해 LED 모듈(306)을 중심으로 한 측에는 제5오브젝트 격자(904)와 제5퍼필 격자(910)와 제5이미지 격자(916)를 배치하고, 다른 한 측으로는 제5윈도우(914)와 제3 및 제4랜덤코드격자(902,908)를 배치한다.
또한 상기의 제9형태에서는 제3랜덤코드격자(902)와 제4랜덤코드격자(908)를 채용하는 것을 개시하였으나, 제3랜덤코드격자(902)는 윈도우로 대치할 수도 있다.
또한 상기의 제9형태에서는 랜덤코드에 따른 랜덤코드패턴에 대응되는 포토디텍팅 셀 어레이를 채용하는 것을 개시하였으나, 제조단가의 절감 등을 이유로 단일의 광 검출모듈을 채용할 수도 있다.
<제10형태>
상기 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학계(308)의 제10형태에서는 LED 모듈(306)로부터의 광을 그대로 사용하는 것만을 예시하였으나, 도 16에 도시한 바와 같이 상기 제9형태의 구성에 제5콜리메이트 렌즈(920)를 부가하고, 그 제5콜리메이트 렌즈(920)를 통해 광을 시준처리함으로써 광신호의 중첩과 산란에 의한 노이즈를 제한할 수도 있다.
도 16은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학계(308)의 제10형태를 도시한 것으로, 도 15와 동일한 구성에 대해서는 그 설명을 생략한다.
상기 제5콜리메이트 렌즈(920)는 상기 LED 모듈(306)이 출사하는 광을 시준하여, 일부는 증가형 신호의 생성을 위해 제5오브젝트 격자(904)로 전달하고, 일부는 원점 검출 신호의 생성을 위해 제3랜덤코드격자(902)로 전달한다.
<제11형태>
도 17은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학계(308)의 제11형태의 구조를 도시한 것으로, 반사형이며 LED 광을 그대로 사용하며 랜덤코드와 프레넬 존 플레이트를 이용하여 원점을 검출하며, 상대변위검출을 위한 광 경로와 절대변위검출을 위한 광 경로가 평행되게 설계한 광학계를 예시한 것이다.
상기 제11형태에 따른 광학계에는 제6-1 내지 제6-3플레이트(a00,a10,a30)가 구비되며, 상기 제6-1 및 제6-3플레이트(a00,a30)는 제6-2플레이트(a10)와 서로 상대적으로 이동한다.
상기 제6-1플레이트(a00)에는 LED 모듈(306)이 출사하는 광의 일부를 전달받아 부분적으로 투과하여 제6퍼필 격자(a12)로 전달하는 제6오브젝트 격자(a02)와, LED 모듈(306)이 출사하는 광의 일부를 랜덤코드에 따르는 랜덤코드패턴에 대응되게 형성된 격자를 통해 부분적으로 투과하여 제4-1차원 프레넬 존 플레이트(a14)로 전달하는 제5랜덤코드격자(a04)가 형성된다.
그리고 상기 제6-2플레이트(a10)에는 상기 제6오브젝트 격자(a02)가 전달하는 광을 부분적으로 반사하여 제6이미지 격자(a06)로 전달하는 제6퍼필 격자(a12)와, 상기 제5랜덤코드격자(a04)가 전달하는 광을 반사함과 아울러 집속시켜 상기 제6윈도우(a08)로 전달하는 제4-1차원 프레넬 존 플레이트(a14)가 형성된다.
상기 제6-3플레이트(a30)에는 상기 제6퍼필 격자(a12)가 전달하는 광을 부분적으로 투과하여 제1광 검출부(310)로 전달하는 제6이미지 격자(a06)와, 상기 제4-1차원 프레넬 존 플레이트(a14)로부터 전달되는 광을 투과하여 제2광 검출부(312)로 전달하는 제6윈도우(a08)가 형성된다.
특히 상기 제6이미지 격자(a04)에는 제1 내지 제4페이즈에 따른 광신호를 입사받기 위해 슬릿의 시작위치가 1/4λ만큼 조정된 제1 내지 제4슬릿그룹들이 형성된다.
또한 상기 제6오브젝트 격자(a02)와 상기 제6이미지 격자(a06)의 슬릿 피치와 제6오브젝트 격자(a02)와 제6퍼필 격자(a12) 사이의 오브젝트 거리 Z1과 제6이미지 격자(a06)와 제6퍼필 격자(a12) 사이의 이미지 거리 Z2는, 제6퍼필 격자(a12)의 슬릿 피치와 입사광의 파장, 제6오브젝트 격자(a02)와 제6퍼필 격자(a12) 사이의 오브젝트 거리 Z1과 제6이미지 격자(a06)와 제6퍼필 격자(a12) 사이의 이미지 거리 Z2의 비에 따라 정해진다.
또한 본 발명은 상기 상대변위검출을 위한 광 경로와 영점검출을 위한 광 경로가 평행되도록 구성하기 위해 LED 모듈(306)을 중심으로 어느 한 방향으로 제6오브젝트 격자(a02)와 제5랜덤코드격자(a04)와, 제6퍼필 격자(a12)와 제4-1차원 프레넬 존 플레이트(a14)와, 제6이미지 격자(a04)와 제6윈도우(a08)가 나란히 배열한다.
또한 상기 제5랜덤 코드 격자(a04)의 랜덤 코드는 LFSR를 이용하여 생성된 랜덤 코드이고, 상기 랜덤 코드는 1 또는 0의 값을 가지는 디지트들이다. 상기 랜덤 코드의 각 디지트의 값은 격자를 통한 광의 전달 또는 광의 차단을 지시한다. 즉 상기 디지트들의 값 중 1을 광의 전달을 지시하는 값으로 정함과 아울러 0을 광의 차단을 지시하는 값으로 정할 수 있으며, 그 반대의 경우로도 정할 수 있다.
상기한 바와 같이 제5랜덤 코드 격자(a04)를 채용할 경우에 상기 제2광 검출부(312)는 랜덤 코드에 따른 랜덤 코드 패턴에 대응되게 포토디텍팅 셀들이 배열된 포토디텍팅 셀 어레이로 구성된다.
상기 포토디텍팅 셀 어레이에 대해 좀 더 설명한다.
상기 포토디텍팅 셀 어레이는 제5랜덤 코드 격자(a04)에 의해 부분적으로 반사되어 전달되는 광을 수광하고 그에 따른 신호를 출력한다. 특히, 상기 포토디텍팅 셀 어레이는 상기 랜덤 코드에 따르는 랜덤 코드 패턴에 대응되게 다수의 광 검출 소자가 배열됨과 아울러 상기 랜덤 코드를 구성한 디지트들 중 동일한 값을 가지는 디지트들에 해당되는 광 검출 소자들의 출력값들을 합하여 출력한다.
즉, 상기 포토디텍팅 셀 어레이는 제5랜덤 코드 격자(a04)가 전달하는 광이 형성하는 랜덤 코드 패턴에 1:1 대응되게 포토디텍팅 셀들이 배열된 것으로, 상기 랜덤 코드 패턴 중 1 또는 0, 즉 광 전달을 지시하는 값에 대응되는 디지트들에 대응되는 포토디텍팅 셀들의 출력라인은 결합되어 상기 1에 대응되는 포토디텍팅 셀들의 출력이 합산되어 출력되고, 상기 랜덤 코드 패턴 중 0 또는 1, 즉 광 차단을 지시하는 값에 대응되는 디지트들에 대응되는 포토디텍팅 셀들의 출력라인도 결합되어 상기 0에 대응되는 포토디텍팅 셀들의 출력이 합산되어 출력된다.
상기 광 전달을 지시하는 값을 가지는 디지트들에 대응되는 포토디텍팅 셀들의 출력을 합산한 것을 Z 페이즈 신호라 하고, 상기 광 차단을 지시하는 값을 가지는 포토디텍팅 셀들의 출력을 합산한 것을 Z/페이즈 신호라 하며, 상기 Z페이즈 신호와 상기 Z/페이즈 신호는 신호처리부(314)에 제공된다.
여기서, 상기 포토디텍팅 셀 어레이의 포토디텍팅 셀들이 형성한 랜덤 코드 패턴과 상기 제5랜덤 코드 격자(a04)가 전달하는 광이 형성하는 랜덤 코드 패턴이 서로 일치하는 경우에, 상기 광 전달을 지시하는 디지트들에 대응되는 포토디텍팅 셀들로 입사되는 광이 최대가 되어 상기 Z페이즈 신호가 최대가 되고, 상기 광 차단을 지시하는 디지트들에 대응되는 포토디텍팅 셀들로 입사되는 광이 최소가 되어 상기 Z/페이즈 신호가 최소가 된다.
즉, 상기 제5랜덤 코드 격자(a04)와 상기 포토디텍팅 셀 어레이의 랜덤 코드 패턴이 광 전달경로선상에서 일치되게 위치할 때에 상기 포토디텍팅 셀 어레이가 출력하는 Z페이즈 신호와 Z/페이즈 신호는 피크값을 가진다.
상기 제2광 검출부(312)가 포토디텍팅 셀 어레이로 구성되어 Z페이즈 신호와 Z/페이즈 신호를 출력할 때에, 상기 신호처리부(314)는 상기 Z페이즈 신호에서 Z/페이즈 신호를 감산하여 출력하여 Z페이즈 신호와 Z/페이즈 신호의 피크는 강조함과 아울러 나머지 부분에 대해서는 상쇄시킨 신호를 생성한다. 이 신호를 영점검출신호라 칭한다. 상기 신호처리부(314)는 상기 영점검출신호의 피크 검출에 따라 영점을 검출하고, 그에 따른 영점검출정보를 생성하여 상기 제어장치(302)로 제공한다.
또한 상기의 제9형태에서는 제4-1차원 프레넬 존 플레이트(a14)를 구비하여 광전달의 효율을 높인다.
<제12형태>
상기 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학계(308)의 제11형태에서는 LED 모듈(306)로부터의 광을 그대로 사용하는 것만을 예시하였으나, 도 18에 도시한 바와 같이 상기 제11형태의 구성에 제6콜리메이트 렌즈(a20)를 부가하고, 그 제6콜리메이트 렌즈(a20)를 통해 광을 시준처리함으로써 광신호의 중첩과 산란에 의한 노이즈를 제한할 수도 있다.
도 18은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학계(308)의 제12형태를 도시한 것으로, 도 17과 동일한 구성에 대해서는 그 설명을 생략한다.
상기 제6콜리메이트 렌즈(920)는 상기 LED 모듈(306)이 출사하는 광을 시준하여, 일부는 증가형 신호의 생성을 위해 제6오브젝트 격자(a02)로 전달하고, 일부는 원점 검출 신호의 생성을 위해 제5랜덤코드격자(a04)로 전달한다.
<제13형태>
도 19는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학계(308)의 제11형태의 구조를 도시한 것으로, 투과형이며 LED 광을 그대로 사용하며 LFSR 코드에 따른 격자와 프레넬 존 플레이트를 이용하여 원점을 검출하는 광학계의 구조를 도시한 것이다.
상기 제13형태에 따른 광학계에는 제7-1 내지 제7-3플레이트(b00,b06,b12)가 구비되며, 상기 제7-1 및 제7-3플레이트(b00,b12)와 제7-2플레이트(b06)는 서로 상대적으로 이동한다.
상기 제7-1플레이트(b00)에는 LED 모듈(306)이 출사하는 광의 일부를 전달받아 부분적으로 투과하여 제7퍼필 격자(b08)로 전달하는 제7오브젝트 격자(b02)와, LED 모듈(306)이 출사하는 광의 일부를 전달받아 랜덤 코드에 따른 랜덤 코드 패턴에 대응되는 격자를 통해 부분적을 투과하는 제6랜덤코드격자(b04)가 형성된다.
상기 제7-2플레이트(b06)에는 상기 제7오브젝트 격자(b02)가 전달하는 광을 부분적으로 투과하여 제7이미지 격자(b14)로 전달하는 제7퍼필 격자(b08)와, 상기 제6랜덤코드격자(b04)가 전달하는 광을 투과하면서 집속시키는 제5-1차원 프레넬 존 플레이트(b10)가 형성된다.
상기 제7-3플레이트(b12)에는 상기 제7퍼필 격자(b08)가 전달하는 광을 부분적으로 투과하여 제1광검출부(310)로 전달하는 제7이미지 격자(b14)와, 제5-1차원 프레넬 존 플레이트(b10)에 의해 전달되는 광을 제2광검출부(312)로 전달하는 제7윈도우(b16)가 형성된다.
특히 상기 제7이미지 격자(b14)에는 제1 내지 제4페이즈에 따른 광신호를 입사받기 위해 슬릿의 시작위치가 1/4λ만큼 조정된 제1 내지 제4슬릿그룹들의 형성된다.
또한 상기 제7오브젝트 격자(b02)와 상기 제7이미지 격자(b14)의 슬릿 피치와 상기 제7오브젝트 격자(b02)와 제7퍼필 격자(b08) 사이의 오브젝트 거리 Z1과 상기 제7이미지 격자(b14)와 제7퍼필 격자(b08) 사이의 이미지 거리 Z2는, 제7퍼필 격자(b08)의 슬릿 피치와, 입사광의 파장과, 상기 제7오브젝트 격자(b02)와 제7퍼필 격자(b08) 사이의 오브젝트 거리 Z1과 상기 제7이미지 격자(b14)와 제7퍼필 격자(b08) 사이의 이미지 거리 Z2 사이의 비에 따라 정해진다.
또한 상기 상대변위검출을 위한 광 경로와 영점검출을 위한 광 경로가 평행되도록 구성하기 위해 LED 모듈(306)을 중심으로 어느 한 방향으로 제7오브젝트 격자(b02)와 제7윈도우(b04)가 나란히 배열되고, 제7퍼필 격자(b08)와 제7랜덤코드격자(b08)가 나란히 배열되고, 제7이미지 격자(b14)와 제7랜덤코드격자(b16)가 나란히 배열된다.
또한 상기 제6랜덤코드격자(b04)의 랜덤 코드는 LFSR를 이용하여 생성된 랜덤 코드이고, 상기 랜덤 코드는 1 또는 0의 값을 가지는 디지트들이다. 상기 랜덤 코드의 각 디지트의 값은 격자를 통한 광의 전달 또는 광의 차단을 지시한다. 즉 상기 디지트들의 값 중 1을 광의 전달을 지시하는 값으로 정함과 아울러 0을 광의 차단을 지시하는 값으로 정할 수 있으며, 그 반대의 경우로도 정할 수 있다.
상기한 바와 같이 제6랜덤코드격자(b04)를 채용할 경우에 상기 제2광 검출부(312)는 랜덤 코드에 따른 랜덤 코드 패턴에 대응되게 포토디텍팅 셀들이 배열된 포토디텍팅 셀 어레이로 구성된다.
상기 포토디텍팅 셀 어레이에 대해 좀 더 설명한다.
상기 포토디텍팅 셀 어레이는 제6랜덤코드격자(b04)에 의해 부분적으로 반사되어 전달되는 광을 수광하고 그에 따른 신호를 출력한다. 특히, 상기 포토디텍팅 셀 어레이는 상기 랜덤 코드에 따르는 랜덤 코드 패턴에 대응되게 다수의 광 검출 소자가 배열됨과 아울러 상기 랜덤 코드를 구성한 디지트들 중 동일한 값을 가지는 디지트들에 해당되는 광 검출 소자들의 출력값들을 합하여 출력한다.
즉, 상기 포토디텍팅 셀 어레이는 제6랜덤코드격자(b04)가 전달하는 광이 형성하는 랜덤 코드 패턴에 1:1 대응되게 포토디텍팅 셀들이 배열된 것으로, 상기 랜덤 코드 패턴 중 1 또는 0, 즉 광 전달을 지시하는 값에 대응되는 디지트들에 대응되는 포토디텍팅 셀들의 출력라인은 결합되어 상기 1에 대응되는 포토디텍팅 셀들의 출력이 합산되어 출력되고, 상기 랜덤 코드 패턴 중 0 또는 1, 즉 광 차단을 지시하는 값에 대응되는 디지트들에 대응되는 포토디텍팅 셀들의 출력라인도 결합되어 상기 0에 대응되는 포토디텍팅 셀들의 출력이 합산되어 출력된다.
상기 광 전달을 지시하는 값을 가지는 디지트들에 대응되는 포토디텍팅 셀들의 출력을 합산한 것을 Z 페이즈 신호라 하고, 상기 광 차단을 지시하는 값을 가지는 포토디텍팅 셀들의 출력을 합산한 것을 Z/페이즈 신호라 하며, 상기 Z페이즈 신호와 상기 Z/페이즈 신호는 신호처리부(314)에 제공된다.
여기서, 상기 포토디텍팅 셀 어레이의 포토디텍팅 셀들이 형성한 랜덤 코드 패턴과 상기 제6랜덤코드격자(b04)가 전달하는 광이 형성하는 랜덤 코드 패턴이 서로 일치하는 경우에, 상기 광 전달을 지시하는 디지트들에 대응되는 포토디텍팅 셀들로 입사되는 광이 최대가 되어 상기 Z페이즈 신호가 최대가 되고, 상기 광 차단을 지시하는 디지트들에 대응되는 포토디텍팅 셀들로 입사되는 광이 최소가 되어 상기 Z/페이즈 신호가 최소가 된다.
즉, 상기 제5랜덤 코드 격자(a04)와 상기 포토디텍팅 셀 어레이의 랜덤 코드 패턴이 광 전달경로선상에서 일치되게 위치할 때에 상기 포토디텍팅 셀 어레이가 출력하는 Z페이즈 신호와 Z/페이즈 신호는 피크값을 가진다.
상기 제2광 검출부(312)가 포토디텍팅 셀 어레이로 구성되어 Z페이즈 신호와 Z/페이즈 신호를 출력할 때에, 상기 신호처리부(314)는 상기 Z페이즈 신호에서 Z/페이즈 신호를 감산하여 출력하여 Z페이즈 신호와 Z/페이즈 신호의 피크는 강조함과 아울러 나머지 부분에 대해서는 상쇄시킨 신호를 생성한다. 이 신호를 영점검출신호라 칭한다. 상기 신호처리부(314)는 상기 영점검출신호의 피크 검출에 따라 영점을 검출하고, 그에 따른 영점검출정보를 생성하여 상기 제어장치(302)로 제공한다.
또한 상기의 제13형태에서는 제5-1차원 프레넬 존 플레이트(b10)를 구비하여 광전달의 효율을 높인다.
<제14형태>
상기 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학계(308)의 제13형태에서는 LED 모듈(306)로부터의 광을 그대로 사용하는 것만을 예시하였으나, 도 20에 도시한 바와 같이 상기 제13형태의 구성에 제7콜리메이트 렌즈(b20)를 부가하고, 그 제7콜리메이트 렌즈(b20)를 통해 광을 시준처리함으로써 광신호의 중첩과 산란에 의한 노이즈를 제한할 수도 있다.
도 20은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학계(308)의 제14형태를 도시한 것으로, 도 19와 동일한 구성에 대해서는 그 설명을 생략한다.
상기 제7콜리메이트 렌즈(b20)는 상기 LED 모듈(306)이 출사하는 광을 시준하여, 일부는 증가형 신호의 생성을 위해 제7오브젝트 격자(b02)로 전달하고, 일부는 원점 검출 신호의 생성을 위해 제6랜덤코드격자(b04)로 전달한다.
<제1광검출부의 구성>
이제 상기 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 증가형 신호를 안정적으로 생성되게 함과 아울러 광 검출 소자의 배치 간격을 넓혀 제조의 용이성을 도모할 수 있는 상대변위검출을 위한 제1광검출부(310)에 대해 좀 더 상세히 설명한다. 이러한 제1광검출부(310)는 두가지 형태로 구성될 수 있다.
<제1광검출부의 제1형태>
먼저 도 21을 참조하여 상기 제1광검출부(310)의 첫번째 형태에 대해 상세히 설명한다.
하나의 이미징 주기내에 두 개씩의 광 검출 소자(PD)를 배치함과 아울러 9개의 이미징 주기를 하나의 광 검출 소자(PD) 어레이 배치 주기로 결정하고, 상기 9개의 이미징 주기내에 제1 내지 제4페이즈 증가형 신호(A,B,A/,B/)를 위한 광 검출 소자(PD)들을 고르게 배열한다.
이와 같이 하나의 이미징 주기내에 두 개씩의 광 검출 소자(PD)를 배치함으로써 충분한 크기의 데드섹션을 확보하여 광 검출 신호의 안정성을 확보함과 아울러 제1광검출부(310)의 제조를 용이하게 한다.
또한 9개의 이미징 주기내에 제1 내지 제4페이즈의 광 검출 소자(PD)들을 분산시켜 배열하여, 광 검출 신호의 신뢰도를 높인다. 즉, 도 19에 도시한 바와 같이 제1페이즈(A)의 광 검출 소자(PD), 제3페이즈(A/)의 광 검출 소자(PD), 제1페이즈(A)의 광 검출 소자(PD), 제3페이즈(A/)의 광 검출 소자(PD), 제2페이즈(B)의 PD, 제4페이즈(B/)의 광 검출 소자(PD), 제2페이즈(B)의 광 검출 소자(PD), 제4페이즈(B/)의 광 검출 소자(PD), 제1페이즈(A)의 광 검출 소자(PD), 제3페이즈(A/)의 광 검출 소자(PD), 제1페이즈(A)의 광 검출 소자(PD), 제3페이즈(A/)의 광 검출 소자(PD), 제2페이즈(B)의 광 검출 소자(PD), 제4페이즈(B/)의 광 검출 소자(PD), 제2페이즈(B)의 광 검출 소자(PD), 제4페이즈(B/)의 광 검출 소자(PD)로 배열할 수 있다.
상기한 배치 규격을 수학식으로 표현하면 수학식 9와 같다.
Figure 112012043233417-pat00020
상기 수학식 9에서 PPD_array는 주기적인 광 검출 소자(PD) 어레이의 주기이고, P2는 OTF(Optical Transfer Function)에 따른 이미징 주기이고, Sph_each는 각 페이즈의 크기이고, Sdead_section은 데드 섹션의 크기이다.
<제1광검출부의 제2형태>
그리고 상기한 제1광검출부(310)의 두번째 형태에 대해 상세히 설명한다.
상기 제1광검출부(310)의 두번째 형태는 OTF의 주기에 따라 다르게 입사되는 광에 적응적으로 제1 내지 제4페이즈 증가형 신호를 생성하기 위한 것이다.
즉 제1 내지 제8광 검출 소자(A,B,C,D,E,F,G,H)를 순서대로 2회 배열한 후에, OTF의 주기가 1인 경우를 고려하여 제1 및 제5광 검출 소자(A,E)들을 연결한 제1출력단자와, 상기 제2 및 제6광 검출 소자(B,F)들을 연결한 제2출력단자와, 상기 제3 및 제7광 검출소자(C,G)들을 연결한 제3출력단자와, 상기 제4 및 제8광 검출 소자(D,H)들을 연결한 제4출력단자를 구비함과 더불어, OTF의 주기가 2인 경우를 고려하여 제1 및 제2광 검출 소자(A,B)들을 연결한 제5출력단자와, 상기 제3 및 제4광 검출 소자(C,D)들을 연결한 제6출력단자와, 상기 제5 및 제6광 검출소자(E,F)들을 연결한 제7출력단자와, 상기 제7 및 제8광 검출 소자(G,H)들을 연결한 제8출력단자를 구비한다.
이와 같이 본 발명은 OTF에 대응되게 광 검출 소자들을 연결한 출력단자들을 구비하여, 이 OTF들에 대응되는 출력단자들 중 일부를 광학 인코더의 OTF에 따라 선택하여 사용할 수 있게 하여, 다양한 OTF에 적용될 수 있게 하는 효과를 야기한다.
이러한 제1광검출부(310)는 다양한 OTF에 적용 가능하므로, 제조상의 편이를 도모할 수 있다.
또한 상기의 예에서는 OTF의 주기가 1 또는 2인 경우만을 예시하였으나 다른 주기에 대해서도 적용될 수 있음은 본 발명에 의해 자명하다.
<제2광검출부의 구성>
그리고 상기 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 영점검출신호를 생성하는 제2광검출부(312)의 구성에 대해 좀 더 상세히 설명한다. 상기 제2광검출부(312)는 영점검출을 위한 광학계의 구조에 따라 제1 내지 제3형태를 가질 수 있다.
<제2광검출부의 제1형태>
상기 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제2광검출부(312)의 제1형태는 영점검출용 광학계를 통해 전달되는 광을 검출하고 그에 따른 광검출신호를 출력하는 수광소자로 구성되는 것이다.
<제2광검출부의 제2형태>
상기 제2광검출부(312)의 제2형태는 영점검출용 광학계를 통해 전달되는 광을 수광될 때에 높은 전위의 출력을 발생하는 수광소자(+)와 수광되지 않을 때에 높은 전위의 출력을 발생하는 수광소자(-)를 결합한 바이셀 포토디텍터를 이용하는 경우로, 이 경우 상기 바이셀 포토디텍터는 광이 수광될 때에는 (+) 출력단자로 높은 전위의 출력을 출력함과 아울러 (-) 출력단자로는 낮은 전위의 출력을 출력하고, 광이 수광되지 않을 때에는 (+) 출력단자로는 낮은 전위의 출력을 출력함과 아울러 (-) 출력단자로는 높은 전위의 출력을 출력한다.
이와 같이 제2광검출부(312)에 바이셀 포토디텍터가 채용되는 경우에 신호처리부(314)는 상기 (+) 출력단자의 출력에서 (-) 출력단자의 출력을 감산하여 피크는 강조하고 그 외의 부분은 상쇄시킨 후에, 다시 피크를 검출하여 영점검출정보를 생성한다.
이러한 제2광검출부(312)의 제2형태는 핀홀 플레이트와 프레넬 존 플레이트가 채용된 영점검출을 위한 광학계에 적용된다.
<제2광검출부의 제3형태>
상기 제2광검출부(312)의 제3형태는 랜덤 코드에 따른 랜덤 코드 패턴에 대응되게 포토디텍팅 셀들이 배열된 포토디텍팅 셀 어레이로 구성된다.
상기 포토디텍팅 셀 어레이는 랜덤 코드에 따른 랜덤 코드 패턴에 대응되는 랜덤코드격자에 의해 부분적으로 반사되어 전달되는 광을 수광하고 그에 따른 신호를 출력한다. 특히, 상기 포토디텍팅 셀 어레이는 상기 랜덤 코드에 따르는 랜덤 코드 패턴에 대응되게 다수의 광 검출 소자가 배열됨과 아울러 상기 랜덤 코드를 구성한 디지트들 중 동일한 값을 가지는 디지트들에 해당되는 광 검출 소자들의 출력값들을 합하여 출력한다.
즉, 상기 포토디텍팅 셀 어레이는 상기 랜덤코드격자가 전달하는 광이 형성하는 랜덤 코드 패턴에 1:1 대응되게 포토디텍팅 셀들이 배열된 것으로, 상기 랜덤 코드 패턴 중 1 또는 0, 즉 광 전달을 지시하는 값에 대응되는 디지트들에 대응되는 포토디텍팅 셀들의 출력라인은 결합되어 상기 1 또는 0에 대응되는 포토디텍팅 셀들의 출력이 합산되어 출력되고, 상기 랜덤 코드 패턴 중 0 또는 1, 즉 광 차단을 지시하는 값에 대응되는 디지트들에 대응되는 포토디텍팅 셀들의 출력라인도 결합되어 상기 0 또는 1에 대응되는 포토디텍팅 셀들의 출력이 합산되어 출력된다.
상기 광 전달을 지시하는 값을 가지는 디지트들에 대응되는 포토디텍팅 셀들의 출력을 합산한 것을 Z 페이즈 신호라 하고, 상기 광 차단을 지시하는 값을 가지는 포토디텍팅 셀들의 출력을 합산한 것을 Z/페이즈 신호라 하며, 상기 Z페이즈 신호와 상기 Z/페이즈 신호는 신호처리부(314)에 제공된다.
여기서, 상기 포토디텍팅 셀 어레이의 포토디텍팅 셀들이 형성한 랜덤 코드 패턴과 상기 랜덤코드격자가 전달하는 광이 형성하는 랜덤 코드 패턴이 서로 일치하는 경우에, 상기 광 전달을 지시하는 디지트들에 대응되는 포토디텍팅 셀들로 입사되는 광이 최대가 되어 상기 Z페이즈 신호가 최대가 되고, 상기 광 차단을 지시하는 디지트들에 대응되는 포토디텍팅 셀들로 입사되는 광이 최소가 되어 상기 Z/페이즈 신호가 최소가 된다.
즉, 상기 랜덤 코드 격자와 상기 포토디텍팅 셀 어레이의 랜덤 코드 패턴이 광 전달경로선상에서 일치되게 위치할 때에 상기 포토디텍팅 셀 어레이가 출력하는 Z페이즈 신호와 Z/페이즈 신호는 피크값을 가진다.
상기한 바와 같이 상기 제2광 검출부(312)가 포토디텍팅 셀 어레이로 구성되어 Z페이즈 신호와 Z/페이즈 신호가 입력될 때에, 상기 신호처리부(314)는 상기 Z페이즈 신호에서 Z/페이즈 신호를 감산하여 출력하여 Z페이즈 신호와 Z/페이즈 신호의 피크는 강조함과 아울러 나머지 부분에 대해서는 상쇄시킨 신호를 생성한다. 이 신호를 영점검출신호라 칭한다. 상기 신호처리부(314)는 상기 영점검출신호의 피크 검출에 따라 영점을 검출하고, 그에 따른 영점검출정보를 생성하여 상기 제어장치(302)로 제공한다.
또한 상기한 본 발명의 바람직한 실시예에서는 인코히어런트 광을 조사하는 LED를 광원으로 채용하는 경우만 설명하였으나, 원점 검출 정확도를 높이기 위해 코히어런트 광을 조사하는 레이저 등과 같은 광원을 채용하는 경우에도 적용될 수 있음은 본 발명에 의해 자명하다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구현한 시뮬레이션을 도시한 것이 도 23 내지 도 25이다.
상기 도 23 내지 도 25를 참조하면, 오브젝트 거리 Z1과 인덱스 거리 Z2가 동일하지 않은 상태에서 오브젝트 거리 Z1과 인덱스 거리 Z2 사이의 비와 퍼필 격자의 슬릿 피치 P와 입사광의 파장 λ를 이용하여 산출한 광학계 각부의 치수가 산출된다.
100 : 제어장치
102 : 사용자 인터페이스부
104 : 메모리부
106 : 디스플레이 제어기
108 : 디스플레이 모듈

Claims (25)

  1. 광학 인코더의 광학계 설계방법에 있어서,
    퍼필 격자와 이미지 격자와 오브젝트 격자를 포함하는 광학계에 대한 설계조건정보를 입력받는 단계;
    상기 설계조건정보에 따라, 상기 오브젝트 격자의 슬릿 피치와, 상기 이미지 격자의 슬릿 피치와, 상기 퍼필 격자와 상기 오브젝트 격자 사이의 거리와, 상기 퍼필 격자와 상기 이미지 격자 사이의 거리를 결정하여,
    상기 설계조건정보에 부합되는 광학계 구조를 결정하는 단계;를 포함하며,
    상기 설계조건정보는 입사 광의 파장, 퍼필 격자의 슬릿 피치, 상기 퍼필 격자와 상기 오브젝트 격자 사이의 오브젝트 거리 Z1과 상기 퍼필 격자와 상기 이미지 격자 사이의 이미지 거리 Z2 사이의 비에 대한 정보를 포함하며,
    상기 오브젝트 격자의 슬릿 피치 및 상기 이미지 격자의 슬릿 피치는 상기 오브젝트 격자의 변조 주파수 및 상기 이미지 격자의 변조 주파수의 역을 취하여 결정하고,
    상기 퍼필 격자와 상기 오브젝트 격자 사이의 오브젝트 거리 Z1은 모듈레이션 인텐시티 변화주기에 대한 배수 중 어느 하나를 선택한 것이며,
    상기 퍼필 격자와 상기 이미지 격자 사이의 이미지 거리 Z2는 상기 퍼필 격자와 상기 오브젝트 격자 사이의 오브젝트 거리 Z1에 대한 비에 따라 산출됨을 특징으로 하는 광학 인코더의 광학계 설계방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 오브젝트 격자의 슬릿 피치 및 상기 이미지 격자의 슬릿 피치는 수학식 10에 따른 상기 오브젝트 격자의 변조 주파수 및 상기 이미지 격자의 변조 주파수의 역을 취하여 결정하고,
    상기 퍼필 격자와 상기 오브젝트 격자 사이의 오브젝트 거리 Z1은 수학식 10에 따라 모듈레이션 인텐시티 변화주기에 대한 배수 중 어느 하나로 선택되며,
    상기 퍼필 격자와 상기 이미지 격자 사이의 이미지 거리 Z2는 상기 오브젝트 거리 Z1과의 비에 따라 산출됨을 특징으로 하는 광학 인코더의 광학계 설계방법.
    수학식 10
    Figure 112012043233417-pat00021


    상기 수학식 10에서 상기 N은 OTF에 따라 모이레 이미지가 형성되는 순번을 나타내는 정수이고,
    상기 Z1은 상기 퍼필 격자와 상기 오브젝트 격자 사이의 거리이고,
    상기 Z2는 상기 퍼필 격자와 상기 이미지 격자 사이의 거리이고,
    상기 P는 퍼필 격자의 슬릿 피치이고,
    상기 P1은 오브젝트 격자의 슬릿 피치이고,
    상기 P2는 이미지 격자의 슬릿 피치이고,
    상기 λ는 입사광의 파장이고,
    상기 PN은 모듈레이션 인텐시티 변화의 주기임.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 설계조건정보에는 상기 광학계가 상기 퍼필 격자에서 광이 반사하는 반사형 광학계인지,
    상기 광학계가 상기 퍼필 격자에서 광이 투과하는 투과형 광학계인지를 나타내는 광학계 타입정보가 더 포함됨을 특징으로 하는 광학 인코더의 광학계 설계방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 설계조건정보에는 상기 N이 더 포함됨을 특징으로 하는 광학 인코더의 광학계 설계방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 설계조건정보에는
    상기 퍼필 격자와 상기 오브젝트 격자 사이의 오브젝트 거리 Z1과 상기 퍼필 격자와 상기 이미지 격자 사이의 이미지 거리 Z2에 대한 범위정보가 더 구비되며,
    상기 모이레 이미지 거리에 대한 배수 중 상기 범위정보에 따른 범위에 속하는 값을 상기 퍼필 격자와 상기 오브젝트 격자 사이의 거리 및, 상기 퍼필 격자와 상기 이미지 격자 사이의 거리로 결정함을 특징으로 하는 광학 인코더의 광학계 설계방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 퍼필 격자와 오브젝트 격자 사이의 오브젝트 거리 Z1과 상기 퍼필 격자와 상기 이미지 격자 사이의 이미지 거리 Z2는 서로 같음을 특징으로 하는 광학 인코더의 광학계 설계방법.
  7. 다수의 광 검출 소자가 배열된 광 검출부를 구비하는 광학 인코더에 있어서,
    광을 출사하는 광원;
    상기 광원이 출사한 광을 입사받아 제1반복 패턴에 따라 부분적으로 전달하는 제1반복 패턴 격자가 형성된 제1그래이팅 플레이트;
    상기 제1반복 패턴 격자를 통해 전달된 광을 제2반복 패턴에 따라 부분적으로 전달하는 제2반복 패턴 격자가 형성된 제2그래이팅 플레이트;
    상기 제2반복 패턴 격자를 통해 전달된 광을 제3반복 패턴에 따라 부분적으로 전달하는 제3반복 패턴 격자가 형성된 제3그래이팅 플레이트;
    상기 제3반복 패턴 격자를 통해 전달된 광을 검출하는 증가형 신호 검출용 광 검출부;를 구비하며,
    설계조건정보는 입사 광의 파장, 퍼필 격자의 슬릿 피치, 상기 퍼필 격자와 오브젝트 격자 사이의 오브젝트 거리 Z1과 상기 퍼필 격자와 이미지 격자 사이의 이미지 거리 Z2 사이의 비에 대한 정보를 포함하며,
    오브젝트 격자의 슬릿 피치 및 이미지 격자의 슬릿 피치는 오브젝트 격자의 변조 주파수 및 이미지 격자의 변조 주파수의 역을 취하여 결정하고,
    상기 퍼필 격자와 오브젝트 격자 사이의 오브젝트 거리 Z1은 모듈레이션 인텐시티 변화주기에 대한 배수 중 어느 하나를 선택한 것이며,
    상기 퍼필 격자와 이미지 격자 사이의 이미지 거리 Z2는 상기 퍼필 격자와 오브젝트 격자 사이의 오브젝트 거리 Z1에 대한 비에 따라 산출됨을 특징으로 하는 광학 인코더.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 오브젝트 격자의 슬릿 피치 및 상기 이미지 격자의 슬릿 피치는 수학식 11에 따른 상기 오브젝트 격자의 변조 주파수 및 상기 이미지 격자의 변조 주파수의 역을 취하여 결정하고,
    상기 퍼필 격자와 상기 오브젝트 격자 사이의 오브젝트 거리 Z1은 수학식 11에 따라 모듈레이션 인텐시티 변화주기에 대한 배수 중 어느 하나로 선택되며,
    상기 퍼필 격자와 상기 이미지 격자 사이의 이미지 거리 Z2는 상기 오브젝트 거리 Z1과의 비에 따라 산출됨을 특징으로 하는 광학 인코더.
    수학식 11
    Figure 112013078601167-pat00022

    상기 수학식 11에서 상기 N은 OTF에 따라 모이레 이미지가 형성되는 순번을 나타내는 정수이고,
    상기 Z1은 상기 퍼필 격자와 상기 오브젝트 격자 사이의 거리이고,
    상기 Z2는 상기 퍼필 격자와 상기 이미지 격자 사이의 거리이고,
    상기 P는 퍼필 격자의 슬릿 피치이고,
    상기 P1은 오브젝트 격자의 슬릿 피치이고,
    상기 P2는 이미지 격자의 슬릿 피치이고,
    상기 λ는 입사광의 파장이고,
    상기 PN은 모듈레이션 인텐시티 변화의 주기임.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 증가형 신호 검출용 광 검출부는,
    다수의 페이즈에 따른 광 검출 소자들이 미리 정해진 배열패턴에 따라 소정 횟수 반복되어 배열된 것이며,
    상기 배열패턴은, 다수의 OTF(Optical Transfer Function) 이미징 주기내에서 상기 다수의 페이즈에 따른 광 검출소자들이 분산되게 정해짐과 아울러, 하나의 OTF 이미징 주기내에 소수의 광 검출 소자가 배치된 것이며,
    상기 제2그래이팅 플레이트는 나머지 구성들과 상대 이동함을 특징으로 하는 광학 인코더.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 다수의 페이즈는 제1 내지 제4페이즈로 구성되며,
    상기 배열패턴은 제1페이즈의 광 검출 소자, 제3페이즈의 광 검출 소자, 제1페이즈의 광 검출 소자, 제3페이즈의 광 검출 소자, 제2페이즈의 광 검출 소자, 제4페이즈의 광 검출 소자, 제2페이즈의 광 검출 소자, 제4페이즈의 광 검출 소자, 제1페이즈의 광 검출 소자, 제3페이즈의 광 검출 소자, 제1페이즈의 광 검출 소자, 제3페이즈의 광 검출 소자, 제2페이즈의 광 검출 소자, 제4페이즈의 광 검출 소자, 제2페이즈의 광 검출 소자, 제4페이즈의 광 검출 소자임을 특징으로 하는 광학 인코더.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 증가형 신호 검출용 광 검출부의 출력단자는 OTF(Optical Transfer Function) 이미징 주기에 대응되게 다수 구비되며,
    상기 OTF 이미징 주기에 대응되는 출력단자들 각각은,
    OTF 이미징 주기에 따라 각기 다르게 다수의 광 검출 소자와 결선됨을 특징으로 하는 광학 인코더.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 제2그래이팅 플레이트의 제2반복 패턴 격자는,
    제1반복 패턴 격자로부터 전달된 광을 부분적으로 투과하여 제3반복 패턴 격자로 전달하거나,
    제1반복 패턴 격자로부터 전달된 광을 부분적으로 반사하여 제3반복 패턴 격자로 전달함을 특징으로 하는 광학 인코더.
  13. 제7항에 있어서,
    광을 전달받아 영점검출을 위한 광 검출 신호를 생성하는 영점 검출용 광 검출부;
    상기 제1그래이팅 플레이트에 위치하며, 상기 광 중 일부를 수광하여 전달하는 핀홀 플레이트;
    상기 제2그래이팅 플레이트에 위치하며, 상기 핀홀 플레이트로부터의 광을 전달받아 집속하여 상기 영점 검출용 광 검출부로 전달하는 프레넬 존 플레이트;
    를 더 구비함을 특징으로 하는 광학 인코더.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1반복 패턴 격자에서 상기 제2반복 패턴 격자 및 상기 제3반복 패턴 격자를 통해 상기 광 검출부로 전달되는 광 전달 경로와,
    상기 핀홀 플레이트에서 상기 프레넬 존 플레이트 및 윈도우를 통해 상기 영점 검출용 광 검출부로 전달되는 광 전달 경로가 서로 상이한 방향으로 형성되도록,
    상기 제1 내지 제3반복 패턴 격자와 상기 핀홀 플레이트와 상기 프레넬 존 플레이트가 배치됨을 특징으로 하는 광학 인코더.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제1반복 패턴 격자에서 상기 제2반복 패턴 격자 및 상기 제3반복 패턴 격자를 통해 상기 광 검출부로 전달되는 광 전달 경로와,
    상기 핀홀 플레이트에서 상기 프레넬 존 플레이트 및 윈도우를 통해 상기 영점 검출용 광 검출부로 전달되는 광 전달 경로가 서로 평행하게 되도록,
    상기 제1 내지 제3반복 패턴 격자와 상기 핀홀 플레이트와 상기 프레넬 존 플레이트가 배치됨을 특징으로 하는 광학 인코더.
  16. 제7항에 있어서,
    상기 제1그래이팅 플레이트에 위치하며, 상기 광원이 출사한 광을 입사받아 랜덤 코드에 따르는 랜덤 코드 패턴에 대응되게 부분적으로 전달하는 제1랜덤 코드 격자;
    상기 제2그래이팅 플레이트에 위치하며, 상기 제1랜덤 코드 격자를 통해 부분적으로 전달된 광을 집속시켜 전달하는 프레넬 존 플레이트;
    상기 제2그래이팅 플레이트에 위치하며, 상기 프레넬 존 플레이트를 통해 전달되는 광을 상기 랜덤 코드에 따르는 랜덤 코드 패턴에 대응되게 부분적으로 전달하는 제2랜덤 코드 격자;
    상기 제2랜덤 코드 격자에 의해 전달되는 광을 검출하여 광 검출신호를 생성하는 영점 검출용 광 검출부;
    를 구비함을 특징으로 하는 광학 인코더.
  17. 제7항에 있어서,
    상기 제2그래이팅 플레이트에 위치하며, 상기 광원이 출사한 광을 입사받아 랜덤 코드에 따르는 랜덤 코드 패턴에 대응되게 부분적으로 전달하는 제1랜덤 코드 격자;
    상기 제1그래이팅 플레이트에 위치하며, 상기 제1랜덤 코드 격자를 통해 부분적으로 전달된 광을 집속시켜 전달하는 프레넬 존 플레이트;
    상기 제3그래이팅 플레이트에 위치하며, 상기 프레넬 존 플레이트를 통해 전달되는 광을 상기 랜덤 코드에 따르는 랜덤 코드 패턴에 대응되게 부분적으로 전달하는 제2랜덤 코드 격자;
    상기 제2랜덤 코드 격자에 의해 전달되는 광을 검출하여 광 검출신호를 생성하는 영점 검출용 광 검출부;
    를 구비함을 특징으로 하는 광학 인코더.
  18. 제7항에 있어서,
    상기 제1그래이팅 플레이트에 위치하며, 상기 광원이 출사한 광을 입사받아 랜덤 코드에 따르는 랜덤 코드 패턴에 대응되게 부분적으로 전달하는 제1랜덤 코드 격자;
    상기 제2그래이팅 플레이트에 위치하며, 상기 제1랜덤 코드 격자를 통해 부분적으로 전달된 광을 집속시켜 전달하는 프레넬 존 플레이트;
    상기 프레넬 존 플레이트를 통해 전달되는 광을 수광하며, 광 검출 특성이 다른 광 검출 소자들이 상기 랜덤 코드에 따르는 랜덤 코드 패턴에 대응되게 다수의 광 검출 소자가 배열됨과 아울러 상기 랜덤 코드를 구성한 디지트들 중 동일한 값을 가지는 디지트들에 해당되는 광 검출 소자들의 출력값을 각각 합하여 출력하는 광 검출 소자 어레이;
    상기 광 검출 소자 어레이로부터 다수의 출력신호를 제공받아 그 다수의 출력신호의 피크를 강조한 광 검출신호를 생성하는 신호처리부;
    를 더 구비함을 특징으로 하는 광학 인코더.
  19. 제7항에 있어서,
    상기 제2그래이팅 플레이트에 위치하며, 상기 광원이 출사한 광을 입사받아 랜덤 코드에 따르는 랜덤 코드 패턴에 따라 부분적으로 전달하는 제1랜덤 코드 격자;
    상기 제1그래이팅 플레이트에 위치하며, 상기 제1랜덤 코드 격자를 통해 부분적으로 전달된 광을 집속시켜 전달하는 프레넬 존 플레이트;
    상기 프레넬 존 플레이트를 통해 전달되는 광을 수광하며, 광 검출 특성이 다른 광 검출 소자들이 상기 랜덤 코드에 따르는 랜덤 코드 패턴에 대응되게 다수의 광 검출 소자가 배열됨과 아울러 상기 랜덤 코드를 구성한 디지트들 중 동일한 값을 가지는 디지트들에 해당되는 광 검출 소자들의 출력값을 각각 합하여 출력하는 광 검출 소자 어레이;
    상기 광 검출 소자 어레이로부터 다수의 출력신호를 제공받아 그 다수의 출력신호의 피크를 강조한 광 검출신호를 생성하는 신호처리부;
    를 더 구비함을 특징으로 하는 광학 인코더.
  20. 제7항에 있어서,
    상기 광원이 출사하는 광은 인코히어런트 광임을 특징으로 하는 광학 인코더.
  21. 제7항에 있어서,
    상기 광원은 LED 모듈임을 특징으로 하는 광학 인코더.
  22. 제7항에 있어서,
    상기 광원의 광을 시준하여 출사하는 콜리메이트 렌즈부를 더 구비함을 특징으로 하는 광학 인코더.
  23. 제17항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 랜덤 코드는 LFSR(Linear feedback shift register)을 통해 생성된 랜덤 코드인 것을 특징으로 하는 광학 인코더.
  24. 제13항에 있어서,
    상기 영점 검출용 광 검출부는 바이셀 포토디텍터이며,
    상기 바이셀 포토디텍터로부터의 출력신호들 중 양의 출력에서 음의 출력을 감산하는 신호 처리부;
    를 더 구비함을 특징으로 하는 광학 인코더.
  25. 제19항에 있어서,
    상기 광 검출 소자 어레이는,
    상기 랜덤 코드의 디지트들 중 광을 전달함을 지시하는 랜덤 코드의 디지트에 대응되는 광 검출 소자들의 출력들을 합하여 제1출력신호로 출력하고,
    상기 랜덤 코드의 디지트들 중 광을 차단함을 지시하는 랜덤 코드의 디지트에 대응되는 광 검출 소자들의 출력들을 합하여 제2출력신호로 출력하고,
    상기 신호처리부는 상기 제1출력신호에서 상기 제2출력신호를 감산하여 영점검출신호를 생성함을 특징으로 하는 광학 인코더.
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KR20070020133A (ko) * 2004-07-12 2007-02-16 미쓰비시덴키 가부시키가이샤 광학식 인코더
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