KR101793831B1

KR101793831B1 - 레이저 간섭계와 목표 측정물 사이에서 광신호를 송수신하는 콜리메이팅 광학계, 그 광학계를 이용한 송수신 방법 및 그 광학계를 이용한 변위량 측정시스템

Info

Publication number: KR101793831B1
Application number: KR1020160084219A
Authority: KR
Inventors: 임천석; 윤석재; 최연찬
Original assignee: 한남대학교 산학협력단
Priority date: 2016-07-04
Filing date: 2016-07-04
Publication date: 2017-11-06

Abstract

본 발명은 레이저 간섭계와 목표 측정물 사이에서 광신호를 송수신하는 콜리메이팅 광학계, 그 광학계를 이용한 송수신 방법 및 그 광학계를 이용한 변위량 측정시스템에 대한 것이다. 보다 상세하게는 레이저 간섭계에서 출사된 레이저 광이 목표 측정물에 입사되어 반사된 레이저 광을 수신하는 콜리메이팅 광학계에 있어서, 레이저 광이 출사되는 파이버 코어; 상기 파이버 코어에서 출사된 레이저 광의 굴절률을 점진적으로 변화시켜, 후방측 제1초점으로 상기 레이저 광을 집속시키는 그린렌즈세트; 및 상기 제1초점을 기점으로 발산되는 레이저 광을 평행광 형태로 출사시켜 목표 측정물인 측정대상미러에 입사시키는 콜리메이팅 렌즈; 및 상기 콜리메이팅 렌즈와 상기 측정대상미러 사이에 구비되어, 상기 콜리메이팅 렌즈에서 출사된 평행한 레이저 광의 폭을 배율만큼 감소시켜 상기 측정대상미러 측으로 출사시키는 반전 망원계를 포함하고, 상기 측정대상미러에서 반사된 레이저 광은 반전 망원계, 콜리메이팅 렌즈, 그린렌즈 세트를 투과하여 상기 파이버 코어로 수신되는 것을 특징으로 하는 레이저 간섭계와 목표 측정물 사이에서 광신호를 송수신하는 콜리메이팅 광학계에 관한 것이다.

Description

레이저 간섭계와 목표 측정물 사이에서 광신호를 송수신하는 콜리메이팅 광학계, 그 광학계를 이용한 송수신 방법 및 그 광학계를 이용한 변위량 측정시스템{Collimating optics for transmitting and receiving optical signal, and Displacement amount measuring system using laser interferometer}

본 발명은 레이저 간섭계와 목표 측정물 사이에서 광신호를 송수신하는 콜리메이팅 광학계, 그 광학계를 이용한 송수신 방법 및 그 광학계를 이용한 변위량 측정시스템에 대한 것이다.

일반적으로, 광 간섭계는 나노미터 이하의 거리(또는 길이)를 측정하는데 사용된다.

즉, 상기 광 간섭계는 레이저광을 측정대상에 조사하고 이를 반사시켜 측정대상의 이동거리, 각도, 변위 등에 대한 정보를 포함한 반사광을 광검출기에서 감지하고, 그 이동한 거리를 계측하는 구조로 되어 있다.

아울러, 레이저 간섭계는 나노미터 급의 정밀도를 유지하면서 수 미터까지의 넓은 변위를 측정할 수 있는 시스템으로서 초정밀 공작기계, 반도체 및 디스플레이 산업, 그리고 생명공학 분야에 널리 응용된다.

특히, 최근의 반도체 소자의 크기 증가에 따라 그 생산성을 증대시키기 위해 웨이퍼의 대형화가 시도되고 있다.

이와 같은 웨이퍼의 크기 증대에 따라 나노미터 급의 정밀도를 지니면서 넓은 변위량을 측정할 수 있는 레이저 간섭계가 변위량 측정에 이용된다.

도 1은 종래의 레이저 간섭계를 이용한 변위량 측정시스템(1)을 나타낸 구성도를 도시한 것이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 종래에 제안된 레이저 간섭계의 기본 원리를 간단하게 설명하면 아래와 같다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 스테이지의 위치 변화를 측정하기 위해서는 레이저를 이용한 광 간섭계가 사용된다.

레이저 광원에서 발생한 광을 두 갈래로 나누고, 어느 한쪽 광 경로에 지연 시간을 주어 다시 모이도록 하면 두광의 경로 차이에 의하여 간섭 무늬가 발생한다.

즉, 레이저 광원(11)에서 발생한 광은 빔 스플리터(Beam Splitter: 12)에 의하여 두 개의 광으로 나뉘게 되는데, 제 1광 경로(L1)는 빔 스플리터(12)를 통과하여 직진하고 제 2광 경로(L2)는 빔 스플리터(12)에서 반사되어 제 1광 경로(L1)와 수직인 방향으로 진행된다.

일반적으로 측정에 사용되는 레이저 광원(11)은 그 파장이 632.8㎚로 가장 안정한 He-Ne 레이저를 사용한다. 상기 제 1, 2광을 각각 거울(13 및 14)로 반사시켜 그 경로를 다시 빔 스플리터(12)로 되돌리면, 제 1광 경로(L1)는 빔 스플리터(12)에서 반사되어 광 디텍터(15)로 들어가고, 제 2광 경로(L2)는 빔 스플리터(12)를 통과하여 광 디텍터(15)로 들어간다.

이때 두 광을 각각 되돌린 거울 중 하나는 고정시킨 고정경(reference mirror: 13)을 사용하고 나머지 하나는 앞뒤로 이동할 수 있는 이동경(stage mirror: 14)을 사용하여, 두 광의 경로에 거리 차를 주게 되면, 광 디텍터(15)에 모인 두 광은 위상 차이에 의하여 간섭 무늬가 발생한다.

이러한 레이저를 이용한 광 간섭계가 사용되는 이유는, 레이저의 가간섭(coherence) 길이가 길어 광 간섭 무늬를 쉽게 관측할 수 있고, 이러한 간섭 무늬는 레이저 파장의 정수배로 나타나기 때문에 광 파장에 해당하는 매우 미소한 변화까지도 측정 가능하기 때문이다.

위와 같은 간섭계를 노광 장비에 구성하되, 간섭계의 이동경(14)을 노광 장비의 스테이지에 장착하여 스테이지와 함께 움직이도록 하면, 광 디텍터(15)에서 관측되는 간섭 무늬는 스테이지의 위치 변화에 따라 변화하므로 이를 전기적 신호로 판독하여 스테이지의 위치 변화를 판독할 수 있다.

그러나, 상기 레이저 간섭계는 매우 민감하여 외부의 영향에 의해서 그 간섭 무늬가 변화할 수 있다.

즉, 스테이지의 위치변화뿐만 아니라 공기의 대류 또는 복사에 의한 요동에 의해서 공기의 굴절률이 변화되어 광 경로가 변하게 되므로 간섭 무늬 판독에 혼란이 초래되는 문제점이 있다.

그리고, 레이저 간섭계의 설치상의 오차, 레이저 간섭계 고유의 오차 및 온도, 습도, 진동 등의 환경 변화에 따른 오차 등에 의한 정밀한 변위량 측정에 장애가 되는 문제점이 있다.

최근에는 상기 레이저 간섭계보다 더욱 작은 분해능을 가지고 환경요인에 의한 영향을 작게 받는 정전용량센서가 나노미트 급의 측정에 이용된다.

하지만, 상기 정전용량센서는 최대 측정범위가 수 마이크로미터에 한정되는 단점이 있어 넓은 변위를 측정하는데 제한이 있는 등 실용성에 문제점이 있다.

또한, 측정대상이 되는 이동경에서 반사되어 되돌아 오는 광은 이동경의 틸팅에 의해 수신효율이 감소되게 되는 문제점이 존재한다.

도 2는 종래 파이버 코어(2)에서 출사된 레이저 광이 이동경(이하 측정대상미러(14))에 반사되어 수신되는 경로를 나타낸 콜리메이팅 광학계의 구성도를 도시한 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 빔스플리터(12)를 투과하여 파이버 코어(2)에서 출사된 레이저 광은 발산되는 형태를 가지며, 콜리메이팅 렌즈(20)를 투과하면서 평행광이 되어 측정대상미러(14)에 반사되어 다시 콜리메이팅 렌즈(20)를 거쳐 파이버 코어(2)로 집속되어 수신되게 된다.

그러나, 이러한 종래 방식의 경우, 측정대상미러(14)가 특정각도 이상 틸팅되게 되는 경우, 파이버 코어(2)에서, 반사된 레이저 광을 수신할 수 없게 되는 문제점이 발생되게 된다. 도 3은 측정대상미러(14)의 틸팅 각도에 따른 레이저 광 수신 효율을 나타낸 그래프를 도시한 것이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 0.0024°이상으로 측정대상미러(!4)가 틸팅되게 되는 경우, 더 이상 반사된 레이저 광을 수신할 수 없게 됨을 알 수 있다.

따라서, 측정대상미러(14)가 틸팅된 경우에도 레이저 수신 효율을 높일 수 있는 개선된 레이저 광수신 광학계의 구조가 요구되었다.

한국 등록특허 제0814638호 한국 등록특허 제1398295호 한국 공개특허 제2014-0010458호 한국 등록특허 제1441109호

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 일실시예에 따르면, 종래 레이저 간섭계에서 스테이지에 의해 이동되는 측정대상미러에 레이저 광을 송수신하는 광학계에서, 약 5 ~ 15 배율의 그린렌즈(GRIN lens)세트와, 콜리메이팅 렌즈 그리고, 약 5 ~ 15 배율의 반전 망원경을 포함시켜, 레이저 광의 수신 효율을 100배 이상 증대시킬 수 있는 레이저 간섭계와 목표 측정물 사이에서 광신호를 송수신하는 콜리메이팅 광학계, 그 광학계를 이용한 송수신 방법 및 그 광학계를 이용한 변위량 측정시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 일실시예 따르면, 종래와 대비하여 임계 틸팅각도를 약 100배 이상으로 증가시킬 수 있어 광섬유 결합 효율을 100배 이상 향상 시킬 수 있는 콜리메이팅 광학구조를 제공하는데 그 목적이 있다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 제1목적은, 레이저 간섭계에서 출사된 레이저 광이 목표 측정물에 입사되어 반사된 레이저 광을 수신하는 콜리메이팅 광학계에 있어서, 레이저 광이 출사되는 파이버 코어; 상기 파이버 코어에서 출사된 레이저 광의 굴절률을 점진적으로 변화시켜, 후방측 제1초점으로 상기 레이저 광을 집속시키는 그린렌즈세트; 및 상기 제1초점을 기점으로 발산되는 레이저 광을 평행광 형태로 출사시켜 목표 측정물인 측정대상미러에 입사시키는 콜리메이팅 렌즈;를 포함하고, 상기 측정대상미러에서 반사된 레이저 광은 콜리메이팅 렌즈, 그린렌즈 세트를 투과하여 상기 파이버 코어로 수신되는 것을 특징으로 하는 레이저 간섭계와 목표 측정물 사이에서 광신호를 송수신하는 콜리메이팅 광학계로서 달성될 수 있다.

또한, 상기 콜리메이팅 렌즈와 상기 측정대상미러 사이에 구비되어, 상기 콜리메이팅 렌즈에서 출사된 평행한 레이저 광의 폭을 배율만큼 감소시켜 상기 측정대상미러 측으로 출사시키는 반전 망원계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 그린렌즈세트의 배율은 5 ~ 15인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 그린렌즈세트는, 상기 파이버코어에서 출사되어 발산되는 형태의 레이저 광이 입사되어 평행광 형태로 굴절률을 점진적으로 변화시키는 상기 제1그린렌즈; 및 입사면이 상기 제1그린렌즈의 출사면과 연결되며, 상기 제1초점에 집속되도록 점진적으로 굴절률을 변화시키는 제2그린렌즈를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 반전망원계 배율은 5 ~ 15인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 반전 망원경은, 상기 콜리메이팅 렌즈에서 출사한 평행광이 입사되어 후방의 제2초점으로 레이저 광을 집속시키는 대물렌즈; 및 상기 제2초점에서 발산되는 레이저 광이 입사되어 상기 측정대상미러로 상기 레이저 광을 입사시키는 접안렌즈를 포함하고, 상기 접안렌즈에서 출사되는 레이저 광의 폭은 상기 대물렌즈로 입사되는 레이저 광의 폭보다 상기 반전망원계 배율만큼 감소되는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 측정대상미러에서 반사된 레이저 광이 수신 가능한 상기 측정대상미러의 임계 틸팅각도는, 상기 그린렌즈세트와 상기 반전 망원경이 구비되지 않은 것과 대비하여, 상기 그린렌즈세트와 배율과 상기 반전 망원경의 배율을 곱한 값 만큼 증가되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제2목적은, 콜리메이팅 광학계를 이용하여, 레이저 간섭계에서 출사된 레이저 광이 목표 측정물에 입사되어 반사된 레이저 광을 수신하는 방법에 있어서, 파이버 코어에서 레이저 광이 출사되는 제1단계; 상기 파이버 코어에서 출사된 레이저 광이 그린렌즈세트를 투과하면서, 굴절률을 점진적으로 변화되어, 후방측 제1초점으로 레이저 광이 집속되는 제2단계; 상기 제1초점을 기점으로 발산되는 레이저 광이 콜리메이팅 렌즈에 입사되어 평행광 형태로 출사되는 제3단계; 상기 콜리메이팅 렌즈에서 출사된 평행한 레이저 광이 반전망원계로 입사되어, 레이저 광의 폭을 배율만큼 감소시켜 측정대상미러 측으로 출사되는 제4단계; 상기 측정대상미러에서 반사된 레이저 광이 상기 반전망원계, 상기 콜리메이팅 렌즈, 상기 그린렌즈세트를 투과하여 상기 파이버 코어로 수신되는 제5단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 간섭계와 목표 측정물 사이에서 광신호를 송수신하는 방법으로서 달성될 수 있다.

또한, 상기 제2단계는, 상기 파이버코어에서 출사되어 발산되는 형태의 레이저 광이 제1그린렌즈에 입사되어 평행광 형태로 굴절률이 점진적으로 변화되는 단계; 및 입사면이 상기 제1그린렌즈의 출사면과 연결된 제2그린렌즈를 레이저 광이 투과하면서 상기 제1초점에 집속되도록 점진적으로 굴절률이 변화되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 제4단계는, 상기 콜리메이팅 렌즈에서 출사한 평행광이 대물렌즈로 입사되어 후방의 제2초점으로 레이저 광이 집속되는 단계; 및 상기 제2초점에서 발산되는 레이저 광이 접안렌즈로 입사되어 상기 측정대상미러로 상기 레이저 광을 입사시키는 단계를 포함하고, 상기 접안렌즈에서 출사되는 레이저 광의 폭은 상기 대물렌즈로 입사되는 레이저 광의 폭보다 상기 반전망원계 배율만큼 감소되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제3목적은, 레이저 간섭계를 이용한 변위량 측정 시스템에 있어서, 레이저 광을 출력하는 레이저 광원; 상기 레이저 광원에서 출력된 레이저 광이 입사되어 일부를 반사시켜 제1레이저 광을 출사시키고 나머지는 투과시켜 제2레이저 광을 출사시키는 빔스플리터; 상기 빔스플리터에서 반사된 제1레이저 광을 반사시켜 상기 빔스플리터로 다시 입사시키는 고정경; 상기 빔스플리터에서 출사된 제2레이저 광을 반사시켜 상기 빔스플리터로 다시 입사시키는 측정대상미러; 상기 빔스플리터와 상기 측정대상미러 사이에 구비되는 앞서 언급한 제 1목적에 따른 콜리메이팅 광학계; 상기 측정대상미러의 변위를 변화시키는 스테이지; 및 상기 빔스플리터로 다시 입사된 상기 제1레이저 광과 상기 제2레이저 광이 입사되는 디텍터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 간섭계를 이용한 변위량 측정시스템으로서 달성될 수 있다.

그리고, 상기 디텍터는, 상기 제1레이저 광과 상기 제2레이저 광의 위상차와 간섭 무늬를 분석하여 상기 스테이지에 의한 상기 측정대상미러의 변위를 측정하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 종래 레이저 간섭계에서 스테이지에 의해 이동되는 측정대상미러에 레이저 광을 송수신하는 광학계에서, 약 5 ~ 15 배율의 그린렌즈(GRIN lens)세트와, 콜리메이팅 렌즈 그리고, 약 5 ~ 15 배율의 반전 망원경을 포함시켜, 레이저 광의 수신 효율을 100배 이상 증대시킬 수 있는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명의 일실시예 따르면, 종래와 대비하여 임계 틸팅각도를 약 100배 이상으로 증가시킬 수 있어 광섬유 결합 효율을 100배 이상 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 종래의 레이저 간섭계를 이용한 변위량 측정시스템을 나타낸 구성도,
도 2는 종래 파이버 코어에서 출사된 레이저 광이 이하 측정대상미러에 반사되어 수신되는 경로를 나타낸 콜리메이팅 광학계의 구성도,
도 3은 측정대상미러의 틸팅 각도에 따른 레이저 광 수신 효율을 나타낸 그래프,
도 4는 그린 렌즈를 적용한 콜리메이팅 광학계의 구성도,
도 5는 그린 렌즈를 적용한 경우, 측정대상미러의 틸팅 각도에 따른 레이저 광 수신 효율을 나타낸 그래프,
도 6은 그린 렌즈에 의한 광경로를 나타낸 단면도,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 그린렌즈와, 반전 망원경을 적용한 콜리메이팅 광학계의 구성도,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 측정대상미러의 틸팅 각도에 따른 레이저 광 수신 효율을 나타낸 그래프,
도 9 및 도 10은 본 발명의 일실시예의 일구성인 콜리메이팅 렌즈의 구성도,
도 11은 본 발명의 일실시예의 일구성인 반전 망원경(Inverted telescopoe)의 구성도,
도 12a 내지 도 12c는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 콜리메이팅 광학계의 구성도,
도 13a 및 도 13b는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 그린렌즈와 콜리메이팅 렌즈의 거리 제작 오차(Tolerance)에 대한 수신효율 및 측정대상미러의 각도 그래프,
도 14a 및 도 14b는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 제1그린렌즈의 중심굴절률 오차(Tolerance)에 대한 수신효율 및 측정대상미러의 각도 그래프,
도 15a 및 도 15b는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 제1그린렌즈의 두께 오차(Tolerance)에 대한 수신효율 및 측정대상미러의 각도 그래프,
도 16a 및 도 16b는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 제2그린렌즈의 두께 오차(Tolerance)에 대한 수신효율 및 측정대상미러의 각도 그래프,
도 17a 및 도 17b는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 대물렌즈의 분산값(abbe) 오차(Tolerance)에 대한 수신효율 및 측정대상미러의 각도 그래프,
도 18a 및 도 18b는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 대물렌즈의 코닉(conic)상수 오차(Tolerance)에 대한 수신효율 및 측정대상미러의 각도 그래프,
도 19a 및 도 19b는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 대물렌즈의 굴절률(index) 오차(Tolerance)에 대한 수신효율 및 측정대상미러의 각도 그래프,
도 20a 및 도 20b는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 대물렌즈의 곡률반경(radius) 오차(Tolerance)에 대한 수신효율 및 측정대상미러의 각도 그래프,
도 21a 및 도 21b는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 대물렌즈의 두께 제작 오차(Tolerance)에 대한 수신효율 및 측정대상미러의 각도 그래프,
도 22a 및 도 22b는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 대물렌즈와 접안렌즈의 거리 제작 오차(Tolerance)에 대한 수신효율 및 측정대상미러의 각도 그래프,
도 23a 및 도 23b는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 접안렌즈의 제작 분산률(abbe) 오차(Tolerance)에 대한 수신효율 및 측정대상미러의 각도 그래프,
도 24a 및 도 24b는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 접안렌즈의 제작 코닉(conic)상수 오차(Tolerance)에 대한 수신효율 및 측정대상미러의 각도 그래프,
도 25a 및 도 25b는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 접안렌즈의 제작 굴절률(index) 오차(Tolerance)에 대한 수신효율 및 측정대상미러의 각도 그래프,
도 26a 및 도 26b는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 접안렌즈의 제작 곡률반경(radius) 오차(Tolerance)에 대한 수신효율 및 측정대상미러의 각도 그래프,
도 27a 및 도 27b는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 접안렌즈의 제작 두께 오차(Tolerance)에 대한 수신효율 및 측정대상미러의 각도 그래프를 도시한 것이다.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 간섭계와 목표 측정물 사이에서 광신호를 송수신하는 콜리메이팅 광학계(100)의 구성, 기능 및 그 광학계(100)를 이용한 송수신 방법에 대해 설명하도록 한다.

본 발명의 일실시예에 따른 레이저 간섭계와 목표 측정물 사이에서 광신호를 송수신하는 콜리메이팅 광학계(100)는, 그린렌즈세트(30), 콜리메이팅 렌즈(20), 반전망원계 등을 포함하여 구성된다. 이러한 구성에 의해 기존과 대비하여, 광신호의 송수신 효율을 100배 이상 향상시킬 수 있으며, 측정대상미러(14)의 임계각도를 100배 이상 증가시킬 수 있게 된다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 그린렌즈세트(30)를 적용한 콜리메이팅 광학계(100)의 구성도를 도시한 것이다. 그리고, 도 5는 그린렌즈세트(30)를 적용한 경우, 측정대상미러(14)의 틸팅 각도에 따른 레이저 광 수신 효율을 나타낸 그래프를 도시한 것이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 그린렌즈(GRIN lens(gradient index lens)세트(30)는 2개의 그린렌즈(31,32)가 연결되어 구성된다. 그린렌즈(31,32)는 굴절률 분포형 렌즈로서, 굴절률이 반지름 방향으로 분포를 갖고 있어 입사되는 광의 굴절률을 변화시킬 수 있게 된다. 도 6은 그린렌즈세트(31,32)에 의한 광경로를 나타낸 단면도를 도시한 것이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 제1그린렌즈(31)는 광 파이버 코어(2, fiber core) 끝단에서 출사되어 소정각도로 분산되는 레이저가 입사면에 입사되어 점진적으로 평행광이 되도록 구성된다. 또한, 입사면이 제1그린렌즈(31)의 출사면과 연결된 제2그린렌즈(32)는 입사되는 레이저 광을 출사면 후방 측의 초점으로 집속시키게 된다.

따라서 그린렌즈세트(31,32)를 투과한 레이저 광은 그린렌즈세트(31,32)의 제1초점(33)으로 지속된 후, 제1초점(33) 후방에 위치된 콜리메이팅 렌즈(20)를 거쳐 측정대상미러(14)에 입사되게 된다. 이러한 본 발명의 실시예에 의해 제작된 그린렌즈세트(31,32)의 배율은 약 11배 정도이고, EFL은 1.648mm, NA는 0.1400, 레이저 빔의 크기는 1.4210mm이고, 파장은 630um이다. 이러한 실시예에 따라 제작된 광학계(100)에서 측정대상미러(14)의 틸팅 각도에 따른 레이저 광 수신 효율은 도 5에 도시된 바와 같이, 0.0255°의 틸팅 제한 각도를 갖게 됨을 알 수 있다.

즉, 본 발명의 일실시예에서 약 11배 배율의 그린렌즈세트(31,32)를 적용하게 되는 경우 약 11배의 틸팅 제한각도를 증가시킬 수 있게 된다. 결국, 종래기술과 대비하여 틸팅각도가 커진 상황에서도 변위 측정이 가능한 광 수신효율을 갖게 된다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 그린렌즈세트(30)와, 반전 망원경(40)을 적용한 콜리메이팅 광학계(100)의 구성도를 도시한 것이다. 그리고, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 측정대상미러(14)의 틸팅 각도에 따른 레이저 광 수신 효율을 나타낸 그래프를 도시한 것이다.

본 발명의 일실시예에 따른 레이저 간섭계와 목표 측정물 사이에서 광신호를 송수신하는 콜리메이팅 광학계(100)는 도 7에 도시된 바와 같이, 콜리메이팅 렌즈(20)와 측정대상미러(14) 사이에 레이저 빔의 폭을 감소시키는 반전 망원경(40)을 더 포함하여 구성될 수 있음을 알 수 있다.

도 9 및 도 10은 본 발명의 일실시예의 일구성인 콜리메이팅 렌즈(20)의 구성도를 도시한 것이다. 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 광학계(100)에 적용되는 콜리메이팅 렌즈(20)는 소정 각도로 분산되는 레이저 광이 입사되어, 평행광 형태로 출사시키게 된다. 이러한 콜리메이팅 렌즈(20)는 도 10에 도시된 바와 같이, 다수의 구면렌즈와 비구면렌즈가 조합된 다양한 형태로 구성될 수 있다.

따라서, 본 발명의 일실시예에 따라 파이버 코어(2)에서 특정각도 분산되는 형태로 출사되는 레이저 광은 앞서 언급한 바와 같이, 그린렌즈세트(30)를 투과하면서, 그린렌즈세트(30) 후방의 제1초점(33)에 집속된 후 제1초점(33)을 기준으로 후방측으로 소정각도 분산되는 형태로 발진되게 되며, 이러한 레이저 광은 콜리메이팅 렌즈(20)를 투과하면서 평행광 형태로 출사되게 된다.

그리고, 콜리메이팅 렌즈(20)에서 출사된 평행광은 특정 배율을 갖는 반전 망원계를 거치면서 특정 배율만큼 폭이 감소된 형태로 측정대상미러(14)에 입사되어 반사되게 된다.

도 11은 본 발명의 일실시예의 일구성인 반전 망원경(40)(Inverted telescopoe)의 구성도를 도시한 것이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 반전 망원경(40)은 대물렌즈(41)와 접안렌즈(42)를 포함하여 구성되며, 대물렌즈(41)와 접안렌즈(42) 사이에 제2초점(43)이 위치하게 된다. 콜리메이팅 렌즈(20)를 통과한 레이저 광은 평행광 형태로 대물렌즈(41)에 입사되어 제2초점(43)으로 집속된 후, 발산되는 형태로 접안렌즈(42)에 입사되어 출사되게 된다.

반전 망원경(40)은 배율만큼 입사되는 레이저 광의 폭을 감소시켜 레이저 광을 출사시키게 된다. 이러한 배율은 대물렌즈(41)와 제2초점(43)과의 거리와 제2초점(43)과 접안렌즈(42)의 거리 비에 의해 결정되게 된다.

본 발명의 실시예에서 제작된 반전 망원경(40)의 배율은 약 10배이고, 전체시스템의 EFL은 0.511mm, NA는 0.1400, 레이저 빔의 크기는 0.0710mm, 파장은 630um이다. 따라서, 반전 망원경(40)에서 출사되는 레이저 광의 폭은 반전 망원경(40)으로 입사되는 레이저 광의 약 1/10정도가 된다.

실시예에 따라 제작된 광학계(100)에서 측정대상미러(14)의 틸팅각도에 대한 수신효율을 측정한 결과, 도 8에 도시된 바와 같이, 틸팅 제한 각도는 0.2538°가 됨을 알 수 있다.

즉, 본 발명의 일실시예에서 약 11배 배율의 그린렌즈세트(30)와 약 10배 배율의 반전 망원경(40)을 적용하게 되는 경우 약 110배의 틸팅 제한각도를 증가시킬 수 있게 된다. 결국, 종래기술과 대비하여 틸팅각도가 커진 상황에서도 변위 측정이 가능한 광 수신효율을 갖게 된다.

도 12a 내지 도 12c는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 콜리메이팅 광학계(100)의 구성도를 도시한 것이다. 도 12a 내지 도 12c에 도시된 바와 같이, 그린렌즈세트(30)의 제1그린렌즈(31)와 제2그린렌즈(32)의 길이, 굴절율을 통해 그린렌즈세트(30)의 배율을 조절할 수 있으며, 반전 망원경(40)의 배율을 조절하여 틸팅 각도가 증가하여도 높은 수신효율을 가질 수 있는 콜리메이팅 광학계(100)를 설계할 수 있음을 알 수 있다.

이하에서는 실시예에 따라 제작된 각 요소광학부품의 제작오차에 따른 시뮬레이션 결과에 대해 설명하도록 한다. 도 13a 및 도 13b는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 그린렌즈세트(30)와 콜리메이팅 렌즈(20)의 거리 제작 오차(Tolerance)에 대한 수신효율 및 측정대상미러(14)의 각도 그래프를 도시한 것이다. 또한, 도 14a 및 도 14b는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 제1그린렌즈(31)의 중심굴절률 오차(Tolerance)에 대한 수신효율 및 측정대상미러(14)의 각도 그래프를 도시한 것이다. 그리고, 도 15a 및 도 15b는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 제1그린렌즈(31)의 두께 오차(Tolerance)에 대한 수신효율 및 측정대상미러(14)의 각도 그래프를 도시한 것이다. 또한, 도 16a 및 도 16b는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 제2그린렌즈(32)의 두께 오차(Tolerance)에 대한 수신효율 및 측정대상미러(14)의 각도 그래프를 도시한 것이다.

또한, 이하는 대물렌즈(41)의 제작 오차에 따른 수신효율과 측정대상미러(14)의 각도를 측정하였다. 도 17a 및 도 17b는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 대물렌즈(41)의 분산값(abbe) 오차(Tolerance)에 대한 수신효율 및 측정대상미러(14)의 각도 그래프를 도시한 것이다. 그리고, 도 18a 및 도 18b는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 대물렌즈(41)의 코닉(conic)상수 오차(Tolerance)에 대한 수신효율 및 측정대상미러(14)의 각도 그래프를 도시한 것이다.

그리고, 도 19a 및 도 19b는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 대물렌즈(41)의 굴절률(index) 오차(Tolerance)에 대한 수신효율 및 측정대상미러(14)의 각도 그래프를 도시한 것이다. 또한, 도 20a 및 도 20b는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 대물렌즈(41)의 곡률반경(radius) 오차(Tolerance)에 대한 수신효율 및 측정대상미러(14)의 각도 그래프를 도시한 것이다. 그리고, 도 21a 및 도 21b는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 대물렌즈(41)의 두께 제작 오차(Tolerance)에 대한 수신효율 및 측정대상미러(14)의 각도 그래프를 도시한 것이다. 그리고, 도 22a 및 도 22b는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 대물렌즈(41)와 접안렌즈(42)의 거리 제작 오차(Tolerance)에 대한 수신효율 및 측정대상미러(14)의 각도 그래프,

또한, 이하는 접안렌즈(42)의 제작 오차에 따른 수신효율과 측정대상미러(14)의 각도를 측정하였다. 도 23a 및 도 23b는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 접안렌즈(42)의 제작 분산률(abbe) 오차(Tolerance)에 대한 수신효율 및 측정대상미러(14)의 각도 그래프를 도시한 것이다. 그리고, 도 24a 및 도 24b는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 접안렌즈(42)의 제작 코닉(conic)상수 오차(Tolerance)에 대한 수신효율 및 측정대상미러(14)의 각도 그래프를 도시한 것이다.

그리고, 도 25a 및 도 25b는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 접안렌즈(42)의 제작 굴절률(index) 오차(Tolerance)에 대한 수신효율 및 측정대상미러(14)의 각도 그래프를 도시한 것이다. 또한, 도 26a 및 도 26b는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 접안렌즈(42)의 제작 곡률반경(radius) 오차(Tolerance)에 대한 수신효율 및 측정대상미러(14)의 각도 그래프를 도시한 것이다. 마지막으로, 도 27a 및 도 27b는 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 접안렌즈(42)의 제작 두께 오차(Tolerance)에 대한 수신효율 및 측정대상미러(14)의 각도 그래프를 도시한 것이다.

또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

1:종래의 레이저 간섭계를 이용한 변위량 측정시스템
2:파이버 코어
11:레이저광원
12:빔스플리터
L1:제1광경로
L2:제2광경로
13:고정경
14:측정대상미러(이동경)
15:디텍터
20:콜리메이팅 렌즈
30:그린렌즈세트
31:제1그린렌즈
32:제2그린렌즈
33:제1초점
40:반전망원경
41:대물렌즈
42:접안렌즈
43:제2초점
100:레이저 간섭계와 목표 측정물 사이에서 광신호를 송수신하는 콜리메이팅 광학계

Claims

레이저 간섭계에서 출사된 레이저 광이 목표 측정물에 입사되어 반사된 레이저 광을 수신하는 콜리메이팅 광학계에 있어서,
레이저 광이 출사되는 파이버 코어;
상기 파이버 코어에서 출사된 레이저 광의 굴절률을 점진적으로 변화시켜, 후방측 제1초점으로 상기 레이저 광을 집속시키는 그린렌즈세트;
상기 제1초점을 기점으로 발산되는 레이저 광을 평행광 형태로 출사시켜 목표 측정물인 측정대상미러에 입사시키는 콜리메이팅 렌즈; 및
상기 콜리메이팅 렌즈와 상기 측정대상미러 사이에 구비되어, 상기 콜리메이팅 렌즈에서 출사된 평행한 레이저 광의 폭을 배율만큼 감소시켜 상기 측정대상미러 측으로 출사시키는 반전 망원계;를 포함하고,
상기 측정대상미러에서 반사된 레이저 광은 콜리메이팅 렌즈, 그린렌즈 세트를 투과하여 상기 파이버 코어로 수신되는 것을 특징으로 하는 레이저 간섭계와 목표 측정물 사이에서 광신호를 송수신하는 콜리메이팅 광학계.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 그린렌즈세트의 배율은 5 ~ 15인 것을 특징으로 하는 레이저 간섭계와 목표 측정물 사이에서 광신호를 송수신하는 콜리메이팅 광학계.
제 3항에 있어서,
상기 그린렌즈세트는,
상기 파이버코어에서 출사되어 발산되는 형태의 레이저 광이 입사되어 평행광 형태로 굴절률을 점진적으로 변화시키는 제1그린렌즈; 및
입사면이 상기 제1그린렌즈의 출사면과 연결되며, 상기 제1초점에 집속되도록 점진적으로 굴절률을 변화시키는 제2그린렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 간섭계와 목표 측정물 사이에서 광신호를 송수신하는 콜리메이팅 광학계.
제 1항에 있어서,
상기 반전망원계 배율은 5 ~ 15인 것을 특징으로 하는 레이저 간섭계와 목표 측정물 사이에서 광신호를 송수신하는 콜리메이팅 광학계.
제 5항에 있어서,
상기 반전 망원경은,
상기 콜리메이팅 렌즈에서 출사한 평행광이 입사되어 후방의 제2초점으로 레이저 광을 집속시키는 대물렌즈; 및
상기 제2초점에서 발산되는 레이저 광이 입사되어 상기 측정대상미러로 상기 레이저 광을 입사시키는 접안렌즈를 포함하고,
상기 접안렌즈에서 출사되는 레이저 광의 폭은 상기 대물렌즈로 입사되는 레이저 광의 폭보다 상기 반전망원계 배율만큼 감소되는 것을 특징으로 하는 레이저 간섭계와 목표 측정물 사이에서 광신호를 송수신하는 콜리메이팅 광학계.
제 1항에 있어서,
상기 측정대상미러에서 반사된 레이저 광이 수신 가능한 상기 측정대상미러의 임계 틸팅각도는, 상기 그린렌즈세트와 상기 반전 망원경이 구비되지 않은 것과 대비하여, 상기 그린렌즈세트와 배율과 상기 반전 망원경의 배율을 곱한 값 만큼 증가되는 것을 특징으로 하는 레이저 간섭계와 목표 측정물 사이에서 광신호를 송수신하는 콜리메이팅 광학계.
콜리메이팅 광학계를 이용하여, 레이저 간섭계에서 출사된 레이저 광이 목표 측정물에 입사되어 반사된 레이저 광을 수신하는 방법에 있어서,
파이버 코어에서 레이저 광이 출사되는 제1단계;
상기 파이버 코어에서 출사된 레이저 광이 그린렌즈세트를 투과하면서, 굴절률을 점진적으로 변화되어, 후방측 제1초점으로 레이저 광이 집속되는 제2단계;
상기 제1초점을 기점으로 발산되는 레이저 광이 콜리메이팅 렌즈에 입사되어 평행광 형태로 출사되는 제3단계;
상기 콜리메이팅 렌즈에서 출사된 평행한 레이저 광이 반전망원계로 입사되어, 레이저 광의 폭을 배율만큼 감소시켜 측정대상미러 측으로 출사되는 제4단계;
상기 측정대상미러에서 반사된 레이저 광이 상기 반전망원계, 상기 콜리메이팅 렌즈, 상기 그린렌즈세트를 투과하여 상기 파이버 코어로 수신되는 제5단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 간섭계와 목표 측정물 사이에서 광신호를 송수신하는 방법.
제 8항에 있어서,
상기 제2단계는,
상기 파이버코어에서 출사되어 발산되는 형태의 레이저 광이 제1그린렌즈에 입사되어 평행광 형태로 굴절률이 점진적으로 변화되는 단계; 및
입사면이 상기 제1그린렌즈의 출사면과 연결된 제2그린렌즈를 레이저 광이 투과하면서 상기 제1초점에 집속되도록 점진적으로 굴절률이 변화되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 간섭계와 목표 측정물 사이에서 광신호를 송수신하는 방법.
제 9항에 있어서,
상기 제4단계는,
상기 콜리메이팅 렌즈에서 출사한 평행광이 대물렌즈로 입사되어 후방의 제2초점으로 레이저 광이 집속되는 단계; 및
상기 제2초점에서 발산되는 레이저 광이 접안렌즈로 입사되어 상기 측정대상미러로 상기 레이저 광을 입사시키는 단계를 포함하고,
상기 접안렌즈에서 출사되는 레이저 광의 폭은 상기 대물렌즈로 입사되는 레이저 광의 폭보다 상기 반전망원계 배율만큼 감소되는 것을 특징으로 하는 레이저 간섭계와 목표 측정물 사이에서 광신호를 송수신하는 방법.
제 10항에 있어서,
상기 측정대상미러에서 반사된 레이저 광이 수신 가능한 상기 측정대상미러의 임계 틸팅각도는, 상기 그린렌즈세트와 상기 반전 망원경이 구비되지 않은 것과 대비하여, 상기 그린렌즈세트와 배율과 상기 반전 망원경의 배율을 곱한 값 만큼 증가되는 것을 특징으로 하는 레이저 간섭계와 목표 측정물 사이에서 광신호를 송수신하는 방법.
레이저 간섭계를 이용한 변위량 측정 시스템에 있어서,
레이저 광을 출력하는 레이저 광원;
상기 레이저 광원에서 출력된 레이저 광이 입사되어 일부를 반사시켜 제1레이저 광을 출사시키고 나머지는 투과시켜 제2레이저 광을 출사시키는 빔스플리터;
상기 빔스플리터에서 반사된 제1레이저 광을 반사시켜 상기 빔스플리터로 다시 입사시키는 고정경;
상기 빔스플리터에서 출사된 제2레이저 광을 반사시켜 상기 빔스플리터로 다시 입사시키는 측정대상미러;
상기 빔스플리터와 상기 측정대상미러 사이에 구비되는 제 1항, 및 제3항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 따른 콜리메이팅 광학계;
상기 측정대상미러의 변위를 변화시키는 스테이지; 및
상기 빔스플리터로 다시 입사된 상기 제1레이저 광과 상기 제2레이저 광이 입사되는 디텍터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 간섭계를 이용한 변위량 측정시스템.
제 12항에 있어서,
상기 디텍터는, 상기 제1레이저 광과 상기 제2레이저 광의 위상차와 간섭 무늬를 분석하여 상기 스테이지에 의한 상기 측정대상미러의 변위를 측정하는 것을 특징으로 하는 레이저 간섭계를 이용한 변위량 측정시스템.