KR102484108B1 - 2차원 각도 변위 측정 장치 - Google Patents

2차원 각도 변위 측정 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR102484108B1
KR102484108B1 KR1020210057571A KR20210057571A KR102484108B1 KR 102484108 B1 KR102484108 B1 KR 102484108B1 KR 1020210057571 A KR1020210057571 A KR 1020210057571A KR 20210057571 A KR20210057571 A KR 20210057571A KR 102484108 B1 KR102484108 B1 KR 102484108B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
dimensional
diffraction pattern
order
optical element
diffractive optical
Prior art date
Application number
KR1020210057571A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20220150512A (ko
Inventor
김종안
이재용
김재완
강주식
우제흔
Original Assignee
한국표준과학연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국표준과학연구원 filed Critical 한국표준과학연구원
Priority to KR1020210057571A priority Critical patent/KR102484108B1/ko
Publication of KR20220150512A publication Critical patent/KR20220150512A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102484108B1 publication Critical patent/KR102484108B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/26—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/022—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness by means of tv-camera scanning
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/026—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness by measuring distance between sensor and object
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/42—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
    • G02B27/4205—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having a diffractive optical element [DOE] contributing to image formation, e.g. whereby modulation transfer function MTF or optical aberrations are relevant
    • G02B27/4227—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having a diffractive optical element [DOE] contributing to image formation, e.g. whereby modulation transfer function MTF or optical aberrations are relevant in image scanning systems
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/50—Constructional details
    • H04N23/55—Optical parts specially adapted for electronic image sensors; Mounting thereof

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 각도 측정 장치는, 레이저 광원; 상기 레이저 광원의 출력광을 평행광으로 변경하는 제1 렌즈; 상기 평행광을 반사시키어 측정 대상에 제공하고 상기 측정 대상에서 반사된 반사광을 투과시키는 빔 분리기; 상기 빔 분리기를 투과한 광을 전달받아 회절시키어 2차원 도트 배열 패턴을 생성하는 회절 광학 소자; 상기 회절 광학 소자의 후단에 배치된 이미징 렌즈; 상기 이미징 렌즈를 투과하여 결상되는 상기 2차원 도트 배열 패턴을 촬상하여 회절 이미지를 형성하는 카메라; 및 상기 회절 이미지를 분석하여 상기 측정 대상의 기울어진 이차원 각도를 측정하는 제어부를 포함한다.

Description

2차원 각도 변위 측정 장치{A Two-dimensional (2D) Angular Displacement Measuring Apparatus}
본 발명은 각도 측정 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로 주기적인 2차원 도트 어레이 회절 패턴을 가진 각도 변위 측정 장치에 관한 것이다.
각도 센서는 정밀 부품의 각도 변위 및 기하학적 양을 측정하는 데 널리 사용된다. 병진 운동 스테이지의 각도 운동 오류 평가 및 광학 부품의 평행도 또는 직각도 테스트는 각도 센서의 일반적인 응용 분야이다.
간단한 구성으로 구현하여 고성능을 달성할 수 있으므로, 각도 측정 장치는 대부분 자동 시준 원리를 기반으로 한다. 자동 시준 원리에서, 각도 변위(angular displacement)는 레티클 이미지의 위치 이동이나 이미징 렌즈의 이미지 평면에서 초점이 맞춰진 지점을 측정하여 얻는다.
따라서 더 높은 해상도를 얻으려면 이미지 렌즈의 초점 거리를 늘리거나 위치 이동 감지(positional shift detection)의 해상도를 향상시키는 몇 가지 기술이 도입되어야 한다.
여러 상용 자동 시준 장치는 최대 1 m의 긴 초점 거리의 이미징 렌즈를 채택한다. 그러나 기계 측정과 같이 작은 크기의 각도 센서가 필요한 일부 응용 분야의 경우 초점 거리를 증가시키는 대신 더 높은 정밀도로 위치 이동을 감지하는 새로운 방법을 개발해야 한다.
짧은 초점 거리 이미징 렌즈로도 해상도를 높이는 연구가 보고되었다. 광학 확대 기술(optical enlargement technique) 또는 특별히 설계된 위상 격자(specially designed phase grating), 다중 슬릿을 갖는 레티클 또는 이중 슬릿을 사용하는 기술이 사용될 수 있다.
본 발명에서, 평균화 효과(averaging effect)는 디지타이제이션(digitization) 및 광자 노이즈(photon noise)로 인한 랜덤 에러를 줄이고, 기존 자동 시준기보다 높은 해상도를 달성했다. 그러나 이중 슬릿 플레이트를 사용하여 각도 센서를 구현한 경우, 수 마이크로미터의 폭을 가진 매우 좁은 슬릿을 통과하는 입사 빔에 의해 이중 슬릿 간섭 패턴이 생성되기 때문에 시준 빔의 파면 오차로 인해 다소 큰 비선형성을 보였다.
본 발명의 해결하고자 하는 일, 기술적 과제는 안정성을 향상시키고 비선형성을 감소시킨 2차원 각도 변위 측정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 각도 측정 장치는, 레이저 광원; 상기 레이저 광원의 출력광을 평행광으로 변경하는 제1 렌즈; 상기 평행광을 반사시키어 측정 대상에 제공하고 상기 측정 대상에서 반사된 반사광을 투과시키는 빔 분리기; 상기 빔 분리기를 투과한 광을 전달받아 회절시키어 2차원 도트 배열 패턴을 생성하는 회절 광학 소자; 상기 회절 광학 소자의 후단에 배치된 이미징 렌즈; 상기 이미징 렌즈를 투과하여 결상되는 상기 2차원 도트 배열 패턴을 촬상하여 회절 이미지를 형성하는 카메라; 및 상기 회절 이미지를 분석하여 상기 측정 대상의 기울어진 이차원 각도를 측정하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 레이저 광원의 검출 파장은 균일한 주기적 2차원 도트 배열 패턴을 형성하기 위한 설정 파장과 다르다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 2차원 도트 배열 패턴은 그 중심에 0차 회절 패턴과 상기 0차 회절 패턴의 주위에 배열된 균일한 고차 회절 패턴을 포함하고, 상기 0차 회절 패턴의 세기는 상기 고차 회절 패턴의 세기 보다 크다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 렌즈와 상기 빔 분리기 사이에 배치된 제1 거울을 더 포함하고, 상기 평행광은 상기 제1 거울을 통하여 반사되어 상기 빔 분리기에 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 레이저 광원은 레이저 다이오드와 상기 레이저 다이오드에 연결된 단일 모드 광섬유를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 측정 대상과 상기 회절 광학 소자 사이의 거리를 측정하는 거리 측정부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 회절 광학 소자와 상기 측정 대상 사이의 거리에 따라 이차원 각도를 교정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 각도 측정 장치는, 레이저 광원; 상기 레이저 광원의 출력광을 평행광으로 변경하는 제1 렌즈; 상기 평행광을 반사시키어 측정 대상에 제공하고 상기 측정 대상에서 반사된 반사광을 투과시키는 빔 분리기; 상기 빔 분리기를 투과한 광을 전달받아 회절시키어 2차원 도트 배열 패턴을 생성하는 회절 광학 소자; 상기 회절 광학 소자의 후단에 배치된 이미징 렌즈; 상기 이미징 렌즈를 투과하여 결상되는 상기 2차원 도트 배열 패턴을 촬상하여 회절 이미지를 형성하는 카메라; 및 상기 회절 이미지를 분석하여 상기 측정 대상의 기울어진 이차원 각도를 측정하는 제어부를 포함한다.
상기 이차원 각도 측정 장치의 동작 방법은, 균일한 주기적인 2차원 도트 배열 패턴을 형성하기 위한 설계 파장과 다른 검출 파장에서 상기 회절 광학 소자에 수직 입사하여 형성된 비균일 2차원 도트 배열 패턴에 기반하여 상기 회절 광학 소자의 x축 방향의 유효 피치와 y축 방향의 유효 피치를 추출하는 단계; 상기 회절 광학 소자에 검출 파장에서 수직 입사하여 형성된 비균일 2차원 도트 배열 패턴에 기반하여 각 회절 차수에 대응하는 설계 피크 위치를 산출하는 단계; 상기 검출 파장에서 상기 측정 대상에서 반사된 반사광을 이용하여 비균일 2차원 도트 배열 패턴을 촬상한 상기 회절 이미지를 생성하는 단계; 상기 회절 이미지에서 0차 회절 패턴의 위치를 검출하는 단계; 상기 회절 이미지에서 상기 0차 회절 패턴의 위치를 기준으로 고차 회절 패턴의 위치를 계산하는 단계; 및 상기 0차 회절 패턴의 위치 및 상기 고차 회절 패턴의 위치를 이용하여 상기 측정 대상의 이차원 각도를 추출하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 회절 이미지에서 0차 회절 패턴의 위치를 검출하는 단계는: 상기 회절 이미지의 최대 강도값을 가지는 픽셀을 검출하여 0차 회절 패턴의 예비 위치를 검출하는 단계; 상기 예비 위치 주위에 0차 관심 영역을 설정하고 상기 0차 관심 영역 내에서 제1 방향으로 평균한 후 상기 0차 회절 패턴의 제2 방향의 최종 위치를 추출하는 단계; 및 상기 0차 관심 영역 내에서 상기 1 방향에 수직한 제2 방향으로 평균한 후 상기 0차 회절 패턴의 제1 방향의 최종 위치를 추출하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 회절 이미지에서 상기 0차 회절 패턴의 위치를 기준으로 고차 회절 패턴의 위치를 계산하는 단계는: 각 회절 차수에 대응하는 상기 설계 피크 위치를 상기 회절 이미지의 상기 0차 회절 패턴의 위치를 기준으로 이동시키어 상기 고차 회절 패턴의 예비 위치를 설정하는 단계; 상기 예비 위치를 기준으로 고차 관심 영역들을 설정하는 단계; 각각의 상기 고차 관심 영역들 내에서 제1 방향으로 평균한 후 상기 고차 회절 패턴의 제2 방향의 최종 위치를 추출하는 단계; 및 각각의 상기 고차 관심 영역들 내에서 상기 1 방향에 수직한 제2 방향으로 평균한 후 상기 고차 회절 패턴의 제1 방향의 최종 위치를 추출하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 고차 관심 영역들은 4차 이상 13 차 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 0차 회절 패턴의 위치 및 상기 고차 회절패턴의 위치를 이용하여 상기 측정 대상의 이차원 각도를 추출하는 단계는: 상기 0차 회절 패턴의 위치에 대응하는 파동 벡터의 방향각 및 상기 고차 회절 패턴의 위치에 대응하는 파동 벡터의 방향각을 평균하여 상기 측정 대상의 이차원 각도를 산출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 측정 대상과 상기 회절 광학 소자 사이의 거리를 측정하는 단계; 및 상기 회절 광학 소자와 상기 측정 대상 사이의 거리에 따라 이차원 각도를 교정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 각도 변위 측정 장치는 안정성을 향상시키고 비선형성을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 각도 변위 측정 장치는 랜덤 에러 및 주기적 비선형성 효과를 효과적으로 줄이고, 기존의 자동-시준(autocollimation) 원리에 비해 더 높은 정밀도를 달성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 각도 측정 장치의 개념도이다.
도 2는 도 1의 이차원 각도 측정 장치의 동작 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 2D 각도 센서의 개념도이다.
도 4는 도 3의 균일한 2차원 도트 배열 패턴을 형성하기 위한 설계 파장에서 회절 광학 소자를 설명하는 개념도이다.
도 5는 도 4에서 설계된 회절 광학 소자를 검출 파장에서 비균일한 2차원 도트 배열 패턴을 형성하기 위한 개념도이다.
도 6은 설계 파장(λ0)에서 수직 입사한 경우 2차원 도트 배열 패턴을 나타낸다.
도 7은 검출 파장(λ1)에서 수직 입사한 경우와 경사 입사한 경우 2차원 도트 배열 패턴을 각각 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 회절 이미지를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 각도 측정 장치를 장착한 실험 장치를 설명하는 개념도이다.
도 10은 2차원 회절 패턴 배열에서 피크 위치를 계산하는 것을 나타내는 개념도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 각도 측정 장치의 비선형성 오차를 나타낸다. 에러 바는 10 회 반복 층정의 표준 편차를 나타낸다.
도 12는은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 각도 측정 장치의 측정 결과와 자동 시준기 사이의 편차를 나타낸다. 화살표의 크기는 100 배 과장되었다.
도 13은 이차원 각도 측정 장치의 스케일 팩터의 변화를 측정 대상 미러로부터 5개의 위치들에서 나타낸다.
도 14는 이차원 각도 측정 장치와 2 개의 레이저 간섭계를 동시에 사용하여 측정된 병진 스테이지의 각도 운동 에러를 나타낸다.
본 발명은 2차원 (2D) 각도 변위를 측정하기 위해 각도 센서를 제공한다. 회절 광학 소자 (diffractive optical element; DOE)를 사용하여 주기적인 2D 도트 어레이를 생성하고, 2D 도트 어레이의 복수의 피크 위치를 감지하여 평행하게 시준된 입사빔의 2D 입사각을 구했다.
본 발명은 랜덤 에러 및 주기적 비선형성 효과를 효과적으로 줄이고, 기존의 자동-시준(autocollimation) 원리에 비해 더 높은 정밀도를 달성할 수 있다.
본 발명의 2차원 각도 센서의 판독 안정성은 8 초의 평균화 시간을 가지고 0.000 3" 미만으로 평가되었다. ±100" 이내의 2D 각도 변위를 본 발명의 센서와 상용 자동 시준기로 동시에 측정했을 때 최대 편차는 0.11" 미만이다.
본 발명에서는, 2D 도트 어레이를 생성하는 회절 광학 요소 (DOE)를 사용하는 고정밀 2차원 (2D) 각도 센서가 제안된다. 2D 도트 어레이의 복수의 피크 위치들을 감지하면, 단일 피크만 감지할 수 있는 경우보다 더 높은 정밀도로 2D 각도 위치를 결정할 수 있다. 또한, 회절 패턴은 직경이 수 밀리미터인 회절 광학 요소 (DOE) 전체 개구(full aperture)를 채우는 입사빔에 의해 생성되기 때문에, 본 각도 센서는 이전 연구들보다 높은 강도 효율성 외에도 시준된 입사빔의 파면 오류(wavefront error)에 대한 낮은 민감도(sensitivity)를 가진다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 각도 측정 장치의 개념도이다.
도 2는 도 1의 이차원 각도 측정 장치의 동작 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 이차원 각도 측정 장치(100)는, 레이저 광원(112); 상기 레이저 광원(112)의 출력광을 평행광으로 변경하는 제1 렌즈(116); 상기 평행광을 반사시키어 측정 대상(132)에 제공하고 상기 측정 대상(132)에서 반사된 반사광을 투과시키는 빔 분리기(130); 상기 빔 분리기(130)를 투과한 광을 전달받아 회절시키어 2차원 도트 배열 패턴을 생성하는 회절 광학 소자(128); 상기 회절 광학 소자(128)의 후단에 배치된 이미징 렌즈(126); 상기 이미징 렌즈(126)를 투과하여 결상되는 상기 2차원 도트 배열 패턴을 촬상하여 이미지를 형성하는 카메라(122); 및 상기 이미지를 분석하여 상기 측정 대상(132)의 기울어진 이차원 각도를 측정한다.
이차원 각도 측정 장치(100)의 동작 방법은, 균일한 주기적인 2차원 도트 배열 패턴을 형성하기 위한 설계 파장과 다른 검출 파장에서 상기 회절 광학 소자(128)에 수직 입사하여 형성된 비균일 2차원 도트 배열 패턴에 기반하여 상기 회절 광학 소자(128)의 x축 방향의 유효 피치(px)와 y축 방향의 유효 피치(py)를 추출하는 단계(S110); 상기 회절 광학 소자(128)에 검출 파장에서 수직 입사하여 형성된 비균일 2차원 도트 배열 패턴에 기반하여 각 회절 차수에 대응하는 설계 피크 위치를 산출하는 단계(S120); 상기 검출 파장에서 상기 측정 대상(132)에서 반사된 반사광을 이용하여 비균일 2차원 도트 배열 패턴을 촬상한 상기 회절 이미지를 생성하는 단계(S130); 상기 회절 이미지에서 0차 회절 패턴의 위치를 검출하는 단계(S140); 상기 회절 이미지에서 상기 0차 회절 패턴의 위치를 기준으로 고차 회절 패턴의 위치를 계산하는 단계(S150); 상기 0차 회절 패턴의 위치 및 상기 고차 회절 패턴의 위치를 이용하여 상기 측정 대상(132)의 이차원 각도를 추출하는 단계(S160)를 포함한다.
측정 대상(132)은 평면 거울을 포함할 수 있다. 상기 측정 대상(132)은 상기 측정 대상에 반사면을 직접 형성되거나, 대상 물품(135)과 별도로 거울을 설치할 수 있다. 상기 측정 대상(132)에 입사하는 광의 파동 벡터의 방향 코사인 또는 각도가 측정된다.
레이저 광원(112)은 레이저 다이오드일 수 있다. 상기 레이저 광원(112)은 레이저 다이오드와 상기 레이저 다이오드에 연결된 단일 모드 광섬유(114)를 더 포함할 수 있다. 상기 단일 모드 광섬유는 평행광을 제공하기 용이하다. 레이저 광원(112)은 가시광선 대역 또는 적외선 대역일 수 있다.
제1 렌즈(116)는 상기 레이저 광원(112)의 출력광을 제공받아 빔의 크기를 확장시키고 평행광을 제공할 수 있다. 상기 평행광의 직경은 상기 회절 광전 소자(128)의 직경보다 클 수 있다. 상기 제1 렌즈(116)는 볼록 렌즈이고, 상기 제1 렌즈(116)의 초점 거리는 상기 이미징 렌즈(126)의 초점 거리와 동일하도록 선택될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 렌즈(116)의 초점 거리는 100 mm일 수 있다.
제1 거울(118)은 상기 제1 렌즈(116)와 상기 빔 분리기(118) 사이에 배치될 수 있다. 상기 제1 거울(118)은 평면 거울로 평행광의 진행 방향을 90도 꺾을 수 있다. 상기 평행광은 상기 제1 거울(118)을 통하여 반사되어 상기 빔 분리기(130)에 제공될 수 있다.
빔 분리기(130)는 큐브 빔 분리기(cube beam splitter)일 수 있다. 상기 빔 분리기(130)는 입사하는 빔을 90도 꺾어 상기 측정 대상(132)에 제공하고, 상기 측정 대상(132)에서 반사된 반사광을 투과시키어 상기 회절 광학 소자(128)에 제공할 수 있다.
상기 회절 광학 소자(128)는 설계 파장(λ0)에서 균일한 주기적인 2차원 도트 배열 패턴을 가진 회절 패턴을 형성할 수 있다. 따라서, 균일한 주기적인 2차원 도트 배열 패턴에서, 0차 피크와 고차 피크는 동일한 세기를 가질 수 있다. 상기 2차원 도트 배열 패턴은 제1 방향(x축 방향)과 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향(y축 방향)에 의하여 정의된 이미징 평면에서 매트릭스 형태로 주기적으로 배열될 수 있다. 상기 회절 광학 소자(128)는 지지부(128a)에 의하여 지지될 수 있다.
상기 회절 광학 소자(128)는, 균일한 주기적인 2차원 도트 배열 패턴을 형성하기 위한 설계 파장(λ0)에서 동작하지 않고, 상기 설계 파장에서 벗어난 검출 파장(λ1)에서 동작한다. 예를 들어, 상기 설계 파장(λ0)은 635 nm이고, 상기 검출 파장(λ1)은 636.7 nm일 수 있다. 이에 따라, 상기 검출 파장(λ1)에서 생성된 회절 패턴은 균일한 주기적인 2차원 도트 배열 패턴이 아닌 비균일한 2차원 도트 배열 패턴일 수 있다. 구체적으로, 상기 비균일한 2차원 도트 배열 패턴에서, 0차 피크의 세기는 고차 피크의 세기보다 크다. 이에 따라, 검출 파장(λ1)에서, 0차 피크는 고차 피크와 쉽게 구별될 수 있다. 상기 회절 광학 소자(128)의 지름은 8 mm이고, 상기 회절 광학 소자(128)는 101 × 101 도트 배열 패턴을 100 mm의 초점 거리의 이미지 평면에서 8.7 × 8.7 mm 범위에 형성할 수 있다.
이미징 렌즈(126)는 볼록 렌즈이고, 상기 이미지 렌즈(126)의 초점 거리는 100 mm일 수 있다. 상기 이미징 렌즈(126)는 상기 회절 광학 소자(128)와 인접하게 배치될 수 있다.
카메라(122)는 이미지 센서 어레이를 포함할 수 있다. 상기 카메라(122)는 2D 도트 배열 패턴의 회절 패턴을 촬상할 수 있다. 상기 회절 패턴은 제어부(124)에 제공되어 신호처리될 수 있다.
상기 제어부(124)는 균일한 주기적인 2차원 도트 배열 패턴을 형성하기 위한 설계 파장과 다른 검출 파장에서 상기 회절 광학 소자에 수직 입사하여 형성된 비균일 2차원 도트 배열 패턴에 기반하여 상기 회절 광학 소자의 x축 방향의 유효 피치(px)와 y축 방향의 유효 피치(py)를 추출할 수 있다.
상기 제어부(124)는 상기 회절 광학 소자에 검출 파장에서 수직 입사하여 형성된 비균일 2차원 도트 배열 패턴에 기반하여 각 회절 차수에 대응하는 설계 피크 위치를 산출할 수 있다. 상기 제어부(124)는 상기 검출 파장에서 상기 측정 대상에서 반사된 반사광을 이용하여 비균일 2차원 도트 배열 패턴을 촬상한 상기 회절 이미지에서 0차 회절 패턴의 위치를 검출할 수 있다.
상기 제어부(124)는 상기 회절 이미지에서 상기 0차 회절 패턴의 위치를 기준으로 고차 회절 패턴의 위치를 계산할 수 있다. 상기 제어부(124)는 상기 0차 회절 패턴의 위치 및 상기 고차 회절 패턴의 위치를 이용하여 상기 측정 대상의 이차원 각도를 추출할 수 있다.
거리 측정부(140)는 상기 측정 대상(132)과 상기 회절 광학 소자(128) 사이의 거리를 측정할 수 있다. 상기 제어부(124)는 상기 회절 광학 소자와 상기 측정 대상 사이의 거리에 따라 이차원 각도를 교정할 수 있다. 상기 거리 측정부(140)는 펄스형 레이저 광원(142)과 상기 펄스형 레이저 광원과 동기화된 광검출기(144)를 포함할 수 있다. 상기 거리 측정부는 비행시간을 측정하여 상기 회절 광학 소자와 상기 측정 대상 사이의 거리를 산출할 수 있다.
[측정 원리]
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 2D 각도 센서의 개념도이다.
도 4는 도 3의 균일한 2차원 도트 배열 패턴을 형성하기 위한 설계 파장에서 회절 광학 소자를 설명하는 개념도이다.
도 5는 도 4에서 설계된 회절 광학 소자를 검출 파장에서 비균일한 2차원 도트 배열 패턴을 형성하기 위한 개념도이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 파장(λ)을 가진 시준된(collimated) 입사 단색광은 파동 벡터(wave vector)와 x축, y축, 및 z축의 베이스 벡터 사이에 방향각(φx ,φy ,φz)을 각각 가진다. 시준된 입사 단색광은 상기 회절 광학 소자(128)에 입사한다. 회절된 빔의 파동 벡터의 방향 코사인(direction cosines)은 다음과 같이 표시된다.
[수학식 1]
Figure 112021051718481-pat00001
[수학식 2]
Figure 112021051718481-pat00002
[수학식 3]
Figure 112021051718481-pat00003
여기서, θxmn , θymn , 그리고 θzmn 은 mn-번째 차수 회절된 빔의 파동 벡터의 방향각(direction angles)이다. m과 n은 각각 x축 및 y축 방향의 회절 차수를 나타낸다. 2D 도트 배열 패턴을 발생시키는 2D 격자로 취급할 경우, px 그리고 py는 x축 및 y축 각각의 회절 광학 소자(DOE)의 유효 피치(effective pitch)이다.
이미징 렌즈(126)를 사용하여 회절 광학 소자(DOE)의 Fraunhofer 회절 패턴을 얻으면, 이미징 렌즈의 초점 거리(f)에 위치한 검출기 평면(또는 이미징 평면)에 2D 도트 어레이 패턴이 형성된다.
수학식 (1)-(3)을 결합하여, 검출기 평면에서의 mn-번째 회절 차수 빔의 도트 위치 (xmn, ymn)를 사용하여, 입사 빔의 파동 벡터의 방향각 (φxmn, φymn)을 다음과 같이 얻을 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112021051718481-pat00004
[수학식 5]
Figure 112021051718481-pat00005
입사각 측정에서 더 높은 정밀도를 얻기 위해, 수학식 (6) 및 (7)을 사용하여, ±MN-번째 회절 차수 내의 피크 위치에 해당하는 개별 방향각 값을 평균하여 입사 빔의 평균 방향각 (
Figure 112021051718481-pat00006
,
Figure 112021051718481-pat00007
)이 계산된다.
[수학식 6]
Figure 112021051718481-pat00008
[수학식 7]
Figure 112021051718481-pat00009
여기서, M은 x축 방향의 최대 회절 차수이고, N은 y축 방향의 최대 회절 차수이다.
본 발명의 변형된 실시예에 따라면, 0차 피크 주위에서, 소정의 회절 차수(예를 들어, +3부터 -3번째 회절 차수)는 평균에서 제외될 수 있다. 즉, 0차 피크에 인접한 회절 차수는 검출 파장에서 도트 패턴이 왜곡되기 때문에 의도적으로 제거된 후 평균화될 수 있다.
도 4를 참조하면, 설계 파장에서 수직 입사한 경우, 균일한 2차원 도트 패턴을 가진 회절 패턴을 가지도록, 상기 회절 광학 소자는 설계된다. 상기 회절 광학 소자는 위치에 따라 서로 다른 위상을 가지도록 설계된다.
도 5를 참조하면, 설계 파장과 다른 검출 파장에서, 경사 입사하는 경우 (φxmn≠90, φymn≠90), 2차원 도트 패턴은 0차 회절 차수에서 상대적으로 높은 광량의 피크를 가진다. 따라서, 0차 회절 차수는 쉽게 확인될 수 있다.
도 6은 설계 파장(λ0)에서 수직 입사한 경우 균일한 2차원 도트 배열 패턴을 나타낸다.
도 6을 참조하면, 설계 파장(λ0)에서 수직 입사한 경우, 균일한 주기적인 2차원 도트 배열 패턴이 검출기 평면에 형성된다.
도 7은 검출 파장(λ1)에서 수직 입사한 경우와 경사 입사한 경우 2차원 도트 배열 패턴을 각각 나타낸다.
도 7을 참조하면, 검출 파장(λ1)에서 수직 입사한 경우와 경사 입사한 경우의 2차원 도트 배열 패턴이 표시된다.
설계 파장(λ0)과 다른 검출 파장(λ1)에서 입사빔은 회절 광학 소자(128)에 수직 입사한 경우, 2차원 도트 배열 패턴이 형성된다. 상기 2차원 도트 배열 패턴의 각 회절 차수의 위치(X’mn, Y’mm)을 검출한다. 또한, 회절 차수의 위치(X’mn, Y’mm)는 이미징 렌즈 초점거리, 레이저 파장, 및 회절 광학 소자의 유효 피치(effective pitch)값에 의하여 결정된다. 정밀한 회절광의 위치 결정을 위한 관심 영역(Region of Interest; ROI)의 중심 위치를 정확하게 계산하기 위하여, 이러한 인자값들을 결정해 주어야 한다. 그런데 이러한 인자값들의 영향이 서로 상관 관계를 갖는다. 따라서, 이미징 렌즈(126)의 초점거리(f)와 레이저 파장을 명목값(검출 파장)으로 고정시킨 후, 상기 회절 광학 소자(128)의 유효 피치(effective pitch)값을 교정한다(S110). S110 단계에서, 유효 피치 값(px, py)을 변화시키면서 회절 차수의 위치(X’mn, Y’mm)와 수학식 (1)-(3)과 이미징 렌즈(126)의 초점거리로 계산된 ROI 중심값(xmn, ymn)의 차가 최소화가 되는 피치값을 계산한다.
검출 파장(λ1)에서 상기 회절 광학 소자(128)에 수직 입사하여 형성된 비균일 2차원 도트 배열 패턴에 기반하여 각 회절 차수에 대응하는 설계 피크 위치(xmn, ymn)를 산출한다(S120). 수학식 (4) 및 (5)를 참조하면, 설계 피크 위치(xmn, ymn)는 상기 교정된 유효 피치 값(px, py)에 기반하여 일정한 간격으로 배열된 매트릭스 형태일 수 있다.
상기 카메라(122)는 검출 파장(λ1)에서 상기 측정 대상에서 반사된 반사광을 이용하여 생성된 비균일 이차원 도트 배열 패턴을 촬상한 상기 회절 이미지를 생성한다. 상기 회절 이미지에서 수직 입사된 경우에 비하여 경사입사된 경우 0차 피크의 위치가 소정의 값(ΔX00, ΔY00)만큼으로 이동될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 회절 이미지를 나타낸다.
도 8을 참조하면, 상기 회절 이미지에서 0차 회절 패턴의 위치를 검출할 수 있다(S140). S140 단계는, 상기 회절 이미지의 최대 강도값을 가지는 픽셀을 검출하여 0차 회절 패턴의 예비 위치를 검출하는 단계; 상기 예비 위치 주위에 0차 관심 영역을 설정하고 상기 0차 관심 영역 내에서 제1 방향(x축 방향)으로 평균한 후 상기 0차 회절 패턴의 제2 방향(y축)의 최종 위치를 추출하는 단계; 및 상기 0차 관심 영역 내에서 상기 1 방향에 수직한 제2 방향(y축)으로 평균한 후 상기 0차 회절 패턴의 제1 방향(x축)의 최종 위치를 추출하는 단계;를 포함할 수 있다. 상기 최종 위치는 무게 중심(center of gravity)의 평균 방식을 사용할 수 있다.
상기 회절 이미지에서 상기 0차 회절 패턴의 위치를 기준으로 고차 회절 패턴의 위치를 계산할 수 있다(S150). S150 단계에서, 각 회절 차수에 대응하는 상기 설계 피크 위치(xmn, ymn)를 상기 회절 이미지의 상기 0차 회절 패턴의 위치(X00,Y00)를 기준으로 이동시키어 상기 고차 회절 패턴의 예비 위치를 설정하는 단계; 상기 예비 위치를 기준으로 고차 관심 영역들을 설정하는 단계; 각각의 상기 고차 관심 영역들 내에서 제1 방향으로 평균한 후 상기 고차 회절 패턴의 제2 방향의 최종 위치를 추출하는 단계; 및 각각의 상기 고차 관심 영역들 내에서 상기 1 방향에 수직한 제2 방향으로 평균한 후 상기 고차 회절 패턴의 제1 방향의 최종 위치를 추출하는 단계를 포함할 수 있다.
구체적으로, 각 회절 차수에 대응하는 상기 설계 피크 위치(xmn, ymn)를 상기 회절 이미지의 상기 0차 회절 패턴의 위치(X00,Y00)를 기준으로 이동시키어 상기 고차 회절 패턴의 예비 위치를 설정한다. 고차 회절 패턴의 예비 위치는 설계 피크 위치(xmn, ymn)와 0차 회절 패턴의 위치 차이(ΔX00,ΔY00)의 합일 수 있다.
상기 예비 위치를 기준으로 고차 관심 영역들을 설정한다. 고차 관심 영역들은 정사각형 형상일 수 있다.
각각의 상기 고차 관심 영역들 내에서 제1 방향으로 평균한 후 상기 고차 회절 패턴의 제2 방향의 최종 위치를 추출하는 단계; 및 각각의 상기 고차 관심 영역들 내에서 상기 1 방향에 수직한 제2 방향으로 평균한 후 상기 고차 회절 패턴의 제1 방향의 최종 위치를 추출할 수 있다. 상기 최종 위치는 무게 중심(center of gravity)의 평균 방식을 사용할 수 있다.
수학식 (4) 및 수학식 (5)와, 상기 0차 회절 패턴의 위치 및 상기 고차 회절패턴의 위치를 이용하여 상기 측정 대상의 이차원 각도를 추출한다(S160). S160 단계에서, 상기 0차 회절 패턴의 위치에 대응하는 파동 벡터의 방향각 및 상기 고차 회절 패턴의 위치에 대응하는 파동 벡터의 방향각을 평균하여 상기 측정 대상의 이차원 각도를 산출한다. 구체적으로, 수학식 (6) 및 (7)이 사용될 수 있다.
상기 고차 관심 영역들은 4차 이상 13 차 이하일 수 있다. 즉, 1차, 2차, 및 3차 회절 패턴은 제거될 수 있다. 구체적으로, 0차 회절 패턴의 주위에 노이즈가 발생하여 1차, 2차, 및 3차 회절 패턴은 방향각 산정에 사용되지 않을 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 측정 대상(132)과 상기 회절 광학 소자(128) 사이의 거리에 따른 오차를 보정할 수 있다.
이를 위하여, 상기 측정 대상과 상기 회절 광학 소자 사이의 거리를 측정하는 단계; 및 상기 회절 광학 소자와 상기 측정 대상 사이의 거리에 따라 이차원 각도를 교정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이차원 각도의 교정을 위한 스캐일 팩터는 상기 회절 광학 소자와 상기 측정 대상 사이의 거리에 비례할 수 있다.
[실험 셋업]
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 각도 측정 장치를 장착한 실험 장치를 설명하는 개념도이다.
도 1 및 도 9을 참조하면, 입사각을 측정하는 이차원 각도 측정 장치(100)는 여러 광학 부품, 카메라(122)와 제어부(124)를 사용하여 구현된다.
중심 파장이 636.7 nm인 단일 모드 파이버 결합 레이저 다이오드(112)에서 생성된 단색광은 제1 렌즈 (초점 거리 : 100 mm)를 사용하여 시준되고, 제1 거울(118)과 빔 분리기(130)를 사용하여 측정 대상 거울(132)에 제공한다. 상기 측정 대상 거울(132)에서 반사된 빔은 회절 광학 소자(128)로 진행하고, 이미징 렌즈(126)를 사용하여 카메라(122)에 2D 도트 어레이 패턴을 형성한다. 상기 회절 광학 소자(128)는 HOLOEYE Photonics의 모델명 DE-R 231일 수 있다. 상기 이미징 렌즈(126)의 초점 거리는 100 mm일 수 있다. 상기 카메라(122)는 Basler의 모델명 acA2440-75이다. 상기 회절 광학 소자(128)의 직경은 8 mm이다. 입사 빔의 파장이 635 nm 일 때, 100 mm 거리에서 8.7 mm × 8.7 mm 범위에 걸쳐 101 × 101 도트 패턴을 생성한다. 상기 카메라(122)는 도트 어레이 패턴을 촬상하고, 제어부(124)는 수집된 회절 이미지를 처리하여 측정 대상 거울(132)의 각도를 계산한다. 카메라(122)는 프레임 속도가 75 Hz이고, 픽셀 크기가 3.45 ㎛ 인 12 비트 전체 해상도 이미지 (2448 픽셀 × 2048 픽셀)를 획득한다.
측정 대상 거울(132)은 바미러(bar mirror)에 장착되고, 바미러(136)는 레이저 간섭계(156a, 156b)와 2 축 상업용 자동 시준기(154)를 위하여 사용된다. 바미러(bar mirror)는 2축 힌지 틸트 스테이지(152)에 의하여 조절될 수 있다.
이차원 각도 측정 장치의 실행 가능성과 성능은 2축 힌지 틸트 스테이지(two-axis flexure tilt stage, 152), 2 축 상업용 자동 시준기(154), 및 2 개의 레이저 간섭계(156a, 156b) 및 측정 대상 거울(132)로 구성된 실험 설정을 사용하여 평가되었다. 2 축 상업용 자동 시준기(154)는 300 mm의 초점 거리와 0.01"의 해상도를 가진다.
2축 힌지 틸트 스테이지(152)에서 생성된 측정 대상 거울(132)의 각도 변위는 이차원 각도 측정 장치(100)와 두 종류의 기준 각도 센서(자동 시준기 및 레이저 간섭계)로 동시에 측정되었다.
간섭계의 경우 소정 거리(L)로 분리된 두 지점에서 선형 변위를 측정하여 제한된 범위 내에서 1-축 각도 변위를 얻었다. 간섭계를 사용하면 자동 시준기보다 비선형 오차가 적은 기준 각도 값을 얻을 수 있다.
그러나 측정된 선형 변위를 각도 변위로 변환하려면 다른 기준 각도 센서와 비교하여 이격 거리를 미리 보정해야 한다. 자동 시준기와 비교하여 이격 거리를 351.99 mm로 보정했다.
[실험]
도 10은 2차원 회절 패턴 배열에서 피크 위치를 계산하는 것을 나타내는 개념도이다.
도 10을 참조하면, 2-축 입사각을 구하려면 다음 절차를 통해 획득한 이미지에서 각 도트 배열 패턴의 피크 위치와 회절 차수를 결정해야 한다.
효율적인 이미지 처리를 위해 각 회절 차수에 해당하는 대략적인 피크 위치는 검출 파장에서 수학식 (1)-(5)를 사용하여 미리 계산되었다. 계산 과정에서는 레이저 광원의 파장, 이미징 렌즈의 초점 거리 및 회절 광학 소자의 유효 피치와 같은 명목 매개 변수 값 및 수직 입사각(φx=π/2 , φy=π/2)을 가정한다.
레이저 다이오드의 검출 파장은 설계 파장 660 nm에서 벗어난 636.7 nm 이다. 생성된 도트 어레이 패턴은 0-차 피크를 제외하고 균일한 강도를 가진다. 2D 회절 패턴 어레이의 영상을 획득한 후, 최대 강도 레벨을 갖는 픽셀을 0-차 도트 패턴의 예비 피크 위치로 할당한다.
예비 0-차 피크 위치의 중심에 있는 관심 영역 (ROI) 창을 설정하고, 수평 및 수직 방향을 따라 부분 이미지를 평균화한다. 이에 따라, 두 개의 평균 강도 프로파일이 얻어진다. 이러한 강도 프로파일에 무게 중심 (center of gravity; COG) 방법을 적용하여 피크 위치를 결정했다. 이 계산에서는, 노이즈 레벨의 영향을 받지 않도록, 문턱 레벨 이상의 강도 값을 갖는 픽셀 데이터만을 사용되었다.
다음 단계로 유사한 절차를 통해 고차 회절 차수의 피크 위치를 계산한다. 미리 계산된 대략적인 피크 위치를 중심으로 설정된 복수의 ROI 창은 최종 0-차 피크 위치가 중심이 되도록 이동하여 설정된다. 각 회절 차수의 최종 피크 위치는 각 ROI 창에서 부분 이미지의 평균 강도 프로파일에 무게 중심(COG) 방법을 적용하여 얻었다.
계산된 최종 피크 위치, 회절 차수 및 매개 변수 값(px, py)을 수학식 (4) 및 (5)에 대입하면, 각 회절 차수의 입사각이 구해진다. 평균 입사각은 수학식 (6) 및 (7)을 이용하여 계산한다. 실제 작업에서 평균 각도 계산에 포함된 회절 차수는 처리 시간을 고려하여 ±13 차로 제한되었다. 0-차 도트 패턴의 포화 강도 수준으로 인한 비정상 효과를 줄이기 위해, 0-차 피크 위치 주변에 존재하는 ±3 차 피크 위치까지 일부 피크 위치를 제외했다. 이 작동 조건에서 DOE 각도 센서는 ±3600" 범위 내에서 15 Hz 판독 속도로 2D 각도 위치를 측정할 수 있다.
이차원 각도 측정 장치(100)의 안정성은 센서 판독 값의 Allan 편차(Allan deviations)를 계산하여 평가되었다. Allan 편차는 최소값이 0.000 28" 및 0.000 18"이고, x 축과 y 축에 대한 각각 평균 시간이 8 초이다. 3배 이상의 긴 초점 거리를 갖는 자동 시준기는 Allan 편차가 0.000 63" 이다. 본 발명의 이차원 각도 측정 장치는 자동 시준기보다 높은 안정성을 보인다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 각도 측정 장치의 비선형성 오차를 나타낸다. 에러 바는 10 회 반복 측정의 표준 편차를 나타낸다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 각도 측정 장치의 측정 결과와 자동 시준기 사이의 편차를 나타낸다. 화살의 크기는 100 배 과장되었다.
도 11을 참조하면, 이차원 각도 측정 장치(100)의 비선형성 오차는 두 간섭계의 판독 값을 사용하여 얻은 각도 변위와 비교하여 200" 범위 내에서 평가되었다.
비선형성 오차는 ±0.015" 미만이고, 주기적인 성분을 나타내지 않는다. 10회 반복 측정의 표준 편차는 평균값이 약 0.005"이고 최대 값이 0.011" 미만이다.
도 12를 참조하면, ±100" 범위 내에서 틸트 스테이지에 의해 생성된 2D 각도 변위에 대한, 이차원 각도 측정 장치(100)와 2축 자동 시준기 측정 결과의 차이가 표시된다. 이러한 차이는 두 각도 센서의 측정 축의 오정렬을 최소화하고 본 발명의 이차원 각도 측정 장치의 스케일 팩터(scale factor)를 보정하기 위하여 선형 피팅 후의 잔류 값이다.
편차의 크기를 제곱 평균 제곱근 값(root mean square)으로 계산한 경우, 평균 및 최대 편차는 각각 0.04" 및 0.11"이다. 편차 분포는 원점을 중심으로 대칭 패턴을 보이며, 이는 본 발명의 이차원 각도 측정 장치의 이미징 렌즈의 수차로 인한 것일 수 있다.
도 13은 이차원 각도 측정 장치의 스케일 팩터의 변화를 측정 대상 미러로부터 5개의 위치들에서 나타낸다.
도 13을 참조하면, 이차원 각도 측정 장치(100)의 스케일 팩터의 변화는 자동 시준기와 비교하여 평가되었다. 각 축의 스케일 팩터는 이차원 각도 측정 장치와 측정 대상 거울 사이의 거리가 12 mm 에서 812 mm로 변경된 5개 위치에서 획득되었다.
실제 각도 변위를 발생시키고 기준 각도 센서와 본 발명의 각도 센서의 출력값을 비교하여, 본 발명의 각도 센서의 출력값에 곱하여 보정해 주어야할 스케일 팩터를 교정한다.
각 축의 스캐일 팩터는 측정 대상 거울로부터의 거리에 비례하여 각각 최대 1.3 % 및 0.9 % 증가했다. 이러한 변화는 주로 광학 요소, 특히 회절 광학 소자(DOE)의 제한된 구경 크기로 인해 발생했다. 그러나 스케일 팩터는 측정 대상 거울로부터의 거리의 함수로 높은 반복성으로 보정될 수 있다.
이차원 각도 측정 장치는 100" 미만의 작은 각도를 측정하는 것을 목표로 하므로, 스케일 팩터 변동은 실제 측정에서 심각한 문제가 아닐 수 있다. 더 큰 구경 크기의 광학 요소를 사용하면, 이 변화는 효과적으로 감소될 수 있다.
도 14는 이차원 각도 측정 장치와 2 개의 레이저 간섭계를 동시에 사용하여 측정된 병진 스테이지의 각도 운동 에러를 나타낸다.
도 14를 참조하면, 고정밀 각도 센서의 일반적인 응용으로, 병진 스테이지의 각도 운동 오류가 평가되었다. 스테이지의 이동판에 바 미러(bar mirror)를 설치 한 후, 이차원 각도 측정 장치와 2 개의 레이저 간섭계를 동시에 사용하여 바 미러의 각도 위치를 측정한다. 이차원 각도 측정 장치의 광축을 따라 스테이지를 5 mm 간격으로 190 mm 범위 이상으로 이동한다. 비록 병진 운동 중에 바 미러까지의 거리는 변경되나, 두 개의 센서로 얻은 측정 결과는 ±0.04" 이내에서 일치했다.
이차원 각도 측정 장치(100)를 사용하여, 우리는 고정밀 2D 각도 위치 측정 방법의 타당성을 입증했다. 그러나 이차원 각도 측정 장치를 구성하기 위해 상업용 회절 광학 소자(DOE)가 선택되었으므로, 특별히 설계된 회절 광학 소자는 더 최적화 된 성능을 제공할 수 있다. 또한 높은 해상도를 가지고 더 많은 픽셀을 가지는 카메라를 사용하면, 각 도트 패턴이 카메라의 더 많은 픽셀에 분포된다. 이에 따라, 피크 위치는 더 높은 정밀도로 무게 중심(COG) 방법으로 결정될 수 있다.
회절 광학 소자(DOE)를 활용한 고정밀 2D 각도 센서가 제시되었다. DOE는 균일한 강도 분포와 잘 정의된 피크 위치를 갖는 2D 회절 패턴 어레이를 생성한다. 효율적인 분석 절차를 통해 랜덤 및 비선형 에러 성분을 줄일 수 있다. 이차원 각도 측정 장치는 상용 회절 광학 소자(DOE)를 포함하는 광학 부품을 사용하여 구성되었다. 그 성능은 2축 틸트 스테이지와 2 가지 종류의 기준 각도 센서로 구성된 실험 설정으로 평가되었다. 0.000 28" 의 Allan 분산은 2D 각도 측정에서 센서의 높은 정밀도와 안정성을 반영한다. 비선형성 오차는 ±0.015" 이내에서 억제되었다.
제한된 구경 크기로 인해 측정 거리에 따라 스케일 팩터의 변동이 발생했다. 하지만, 선형 교정 방정식을 사용하여 성공적으로 보상할 수 있다.
이차원 각도 측정 장치와 2 축 레이저 간섭계를 동시에 사용하여 선형 스테이지의 각도 운동 오차를 측정했을 때, 편차는 0.04" 미만이다.
본 발명의 각도 센서는, 초점 거리가 더 짧은 이미징 렌즈를 가지고도 상용 각도 센서와 비슷한 성능을 보여주었다. 또한 본 발명의 센서는 간단한 구성으로 인해 소형 센서 모듈 내에서 간섭계와 같은 다른 측정 원리와 통합될 수 있다. 따라서 소형 고정밀 각도 센서가 필요한 정밀 스테이지 및 기타 정밀 측정 응용 분야에서 효과적인 도구로 사용될 수 있다.
본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
100: 이차원 각도 측정 장치
112: 레이저 광원
116: 제1 렌즈
122: 카메라
124: 제어부
126: 이미징 렌즈
128: 회절 광학 소자
130: 빔 분리기
132: 측정 대상

Claims (12)

  1. 레이저 광원;
    상기 레이저 광원의 출력광을 평행광으로 변경하는 제1 렌즈;
    상기 평행광을 반사시키어 측정 대상에 제공하고 상기 측정 대상에서 반사된 반사광을 투과시키는 빔 분리기;
    상기 빔 분리기를 투과한 광을 전달받아 회절시키어 2차원 도트 배열 패턴을 생성하는 회절 광학 소자;
    상기 회절 광학 소자의 후단에 배치된 이미징 렌즈;
    상기 이미징 렌즈를 투과하여 결상되는 상기 2차원 도트 배열 패턴을 촬상하여 회절 이미지를 형성하는 카메라; 및
    상기 회절 이미지를 분석하여 상기 측정 대상의 기울어진 이차원 각도를 측정하는 제어부를 포함하고,
    상기 레이저 광원의 검출 파장은 균일한 주기적 2차원 도트 배열 패턴을 형성하기 위한 설계 파장로부터 다른 것을 특징으로 하는 이차원 각도 측정 장치.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 2차원 도트 배열 패턴은 그 중심에 0차 회절 패턴과 상기 0차 회절 패턴의 주위에 배열된 균일한 고차 회절 패턴을 포함하고,
    상기 0차 회절 패턴의 세기는 상기 고차 회절 패턴의 세기 보다 큰 것을 특징으로 하는 이차원 각도 측정 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈와 상기 빔 분리기 사이에 배치된 제1 거울을 더 포함하고,
    상기 평행광은 상기 제1 거울을 통하여 반사되어 상기 빔 분리기에 제공되는 것을 특징으로 하는 이차원 각도 측정 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 레이저 광원은 레이저 다이오드와 상기 레이저 다이오드에 연결된 단일 모드 광섬유를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차원 각도 측정 장치.
  6. 레이저 광원;
    상기 레이저 광원의 출력광을 평행광으로 변경하는 제1 렌즈;
    상기 평행광을 반사시키어 측정 대상에 제공하고 상기 측정 대상에서 반사된 반사광을 투과시키는 빔 분리기;
    상기 빔 분리기를 투과한 광을 전달받아 회절시키어 2차원 도트 배열 패턴을 생성하는 회절 광학 소자;
    상기 회절 광학 소자의 후단에 배치된 이미징 렌즈;
    상기 이미징 렌즈를 투과하여 결상되는 상기 2차원 도트 배열 패턴을 촬상하여 회절 이미지를 형성하는 카메라; 및
    상기 회절 이미지를 분석하여 상기 측정 대상의 기울어진 이차원 각도를 측정하는 제어부를 포함하고,
    상기 측정 대상과 상기 회절 광학 소자 사이의 거리를 측정하는 거리 측정부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 회절 광학 소자와 상기 측정 대상 사이의 거리에 따라 이차원 각도를 교정하는 것을 특징으로 하는 이차원 각도 측정 장치.
  7. 레이저 광원;
    상기 레이저 광원의 출력광을 평행광으로 변경하는 제1 렌즈;
    상기 평행광을 반사시키어 측정 대상에 제공하고 상기 측정 대상에서 반사된 반사광을 투과시키는 빔 분리기;
    상기 빔 분리기를 투과한 광을 전달받아 회절시키어 2차원 도트 배열 패턴을 생성하는 회절 광학 소자;
    상기 회절 광학 소자의 후단에 배치된 이미징 렌즈;
    상기 이미징 렌즈를 투과하여 결상되는 상기 2차원 도트 배열 패턴을 촬상하여 회절 이미지를 형성하는 카메라; 및
    상기 회절 이미지를 분석하여 상기 측정 대상의 기울어진 이차원 각도를 측정하는 제어부를 포함하는 이차원 각도 측정 장치의 동작 방법에 있어서,
    균일한 주기적인 2차원 도트 배열 패턴을 형성하기 위한 설계 파장과 다른 검출 파장에서 상기 회절 광학 소자에 수직 입사하여 형성된 비균일 2차원 도트 배열 패턴에 기반하여 상기 회절 광학 소자의 x축 방향의 유효 피치와 y축 방향의 유효 피치를 추출하는 단계;
    상기 회절 광학 소자에 검출 파장에서 수직 입사하여 형성된 비균일 2차원 도트 배열 패턴에 기반하여 각 회절 차수에 대응하는 설계 피크 위치를 산출하는 단계;
    상기 검출 파장에서 상기 측정 대상에서 반사된 반사광을 이용하여 비균일 2차원 도트 배열 패턴을 촬상한 상기 회절 이미지를 생성하는 단계;
    상기 회절 이미지에서 0차 회절 패턴의 위치를 검출하는 단계;
    상기 회절 이미지에서 상기 0차 회절 패턴의 위치를 기준으로 고차 회절 패턴의 위치를 계산하는 단계; 및
    상기 0차 회절 패턴의 위치 및 상기 고차 회절 패턴의 위치를 이용하여 상기 측정 대상의 이차원 각도를 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차원 각도 측정 장치의 동작 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 회절 이미지에서 0차 회절 패턴의 위치를 검출하는 단계는:
    상기 회절 이미지의 최대 강도값을 가지는 픽셀을 검출하여 0차 회절 패턴의 예비 위치를 검출하는 단계;
    상기 예비 위치 주위에 0차 관심 영역을 설정하고 상기 0차 관심 영역 내에서 제1 방향으로 평균한 후 상기 0차 회절 패턴의 제2 방향의 최종 위치를 추출하는 단계; 및
    상기 0차 관심 영역 내에서 상기 제 1 방향에 수직한 제2 방향으로 평균한 후 상기 0차 회절 패턴의 제1 방향의 최종 위치를 추출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차원 각도 측정 장치의 동작 방법.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 회절 이미지에서 상기 0차 회절 패턴의 위치를 기준으로 고차 회절 패턴의 위치를 계산하는 단계는:
    각 회절 차수에 대응하는 상기 설계 피크 위치를 상기 회절 이미지의 상기 0차 회절 패턴의 위치를 기준으로 이동시키어 상기 고차 회절 패턴의 예비 위치를 설정하는 단계;
    상기 예비 위치를 기준으로 고차 관심 영역들을 설정하는 단계;
    각각의 상기 고차 관심 영역들 내에서 제1 방향으로 평균한 후 상기 고차 회절 패턴의 제2 방향의 최종 위치를 추출하는 단계; 및
    각각의 상기 고차 관심 영역들 내에서 상기 제 1 방향에 수직한 제2 방향으로 평균한 후 상기 고차 회절 패턴의 제1 방향의 최종 위치를 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차원 각도 측정 장치의 동작 방법.
  10. 제7 항에 있어서,
    상기 고차 회절 패턴에 대한 관심 영역들은 4차 이상 13 차 이하인 것을 특징으로 하는 이차원 각도 측정 장치의 동작 방법.
  11. 제7 항에 있어서,
    상기 0차 회절 패턴의 위치 및 상기 고차 회절패턴의 위치를 이용하여 상기 측정 대상의 이차원 각도를 추출하는 단계는:
    상기 0차 회절 패턴의 위치에 대응하는 파동 벡터의 방향각 및 상기 고차 회절 패턴의 위치에 대응하는 파동 벡터의 방향각을 평균하여 상기 측정 대상의 이차원 각도를 산출하는 것을 특징으로 하는 이차원 각도 측정 장치의 동작 방법.
  12. 제7 항에 있어서,
    상기 측정 대상과 상기 회절 광학 소자 사이의 거리를 측정하는 단계; 및
    상기 회절 광학 소자와 상기 측정 대상 사이의 거리에 따라 이차원 각도를 교정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이차원 각도 측정 장치의 동작 방법.
KR1020210057571A 2021-05-04 2021-05-04 2차원 각도 변위 측정 장치 KR102484108B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210057571A KR102484108B1 (ko) 2021-05-04 2021-05-04 2차원 각도 변위 측정 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210057571A KR102484108B1 (ko) 2021-05-04 2021-05-04 2차원 각도 변위 측정 장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220150512A KR20220150512A (ko) 2022-11-11
KR102484108B1 true KR102484108B1 (ko) 2023-01-04

Family

ID=84042644

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210057571A KR102484108B1 (ko) 2021-05-04 2021-05-04 2차원 각도 변위 측정 장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102484108B1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20240109750A (ko) * 2023-01-05 2024-07-12 한국표준과학연구원 반도체 산화막 타원 진폭센서 장치 및 측정방법

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014513800A (ja) * 2011-05-02 2014-06-05 スキャンラボ アーゲー 位置検出器及び光偏向装置

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9816941B2 (en) * 2016-03-28 2017-11-14 Saudi Arabian Oil Company Systems and methods for constructing and testing composite photonic structures

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014513800A (ja) * 2011-05-02 2014-06-05 スキャンラボ アーゲー 位置検出器及び光偏向装置

Also Published As

Publication number Publication date
KR20220150512A (ko) 2022-11-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7599071B2 (en) Determining positional error of an optical component using structured light patterns
US4988886A (en) Moire distance measurement method and apparatus
US4340306A (en) Optical system for surface topography measurement
US4387994A (en) Optical system for surface topography measurement
KR20090113895A (ko) 유리시트의 결함 측정장치
EP2918968A2 (en) Optical shape measuring apparatus with diffraction grating and method of manufacturing article
CN110082071B (zh) 一种直角棱镜光学平行差的测量装置及方法
CN102072710B (zh) 角度光学测量装置及角度测量方法
KR102484108B1 (ko) 2차원 각도 변위 측정 장치
JP4427632B2 (ja) 高精度三次元形状測定装置
EP3586189B1 (en) Measurement of a change in a geometrical characteristic and/or position of a workpiece
JPH0625675B2 (ja) 平均化回折モアレ位置検出器
CN110736543A (zh) 光栅剪切干涉波前传感器的剪切量标定装置及方法
CN112013972A (zh) 横向剪切干涉波前传感器的剪切量标定装置及方法
EP2955490B1 (en) Displacement detecting device
Saito et al. A single lens micro-angle sensor
RU2606805C1 (ru) Устройство для линейного перемещения объекта с нанометровой точностью в большом диапазоне возможных перемещений
US12007219B2 (en) Laser triangulation apparatus and calibration method
CN109668525A (zh) 基于反射光栅的高精度三维角度测量方法与装置
Chen et al. Calibration for the sensitivity of multi-beam angle sensor using cylindrical plano-convex lens
Kim et al. High-precision two-dimensional angle sensor using a dot array of a diffractive optical element
JP5208681B2 (ja) 斜入射干渉計における測定感度の校正方法
CN109443249A (zh) 基于透射光栅的高精度滚转角测量方法与装置
Gibson et al. Towards High Resolution Absolute Angle Sensing using Dual-Wavelength Laser Speckle
RU2502951C1 (ru) Устройство контроля положения объекта нано- и субнанометровой точности

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right