KR20000025881A - Device and method for location measurement using optical pickup - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 광픽업을 이용한 위치측정장치 및 위치측정방법에 관한 것이다.The present invention relates to a position measuring apparatus and a position measuring method using an optical pickup.
일반적으로 콤팩트 디스크 플레이어는 레이저 광을 디스크 표면에 입사시킨 후 디스크에서 되돌아 온 광을 검출하는 광픽업(Light Pick Up)장치와, 상기 광픽업장치를 반경방향으로 이동시키는 광학계 송출기구를 구비하고 있다.In general, a compact disc player includes a light pick up device that detects the light returned from the disc after the laser light is incident on the disc surface, and an optical transmission device for radially moving the optical pickup device. .
콤팩트 디스크 플레이어에 적용되는 광픽업장치는 도1에 도시한 바와 같이, 레이저(Laser)(1)에서 나온 레이저 광은 콜리메이트(Collimate)렌즈(3)을 통과하면서 평행광으로 되고, 이 평행광은 비임 스프리터(Beam Splitter)(5)와 1/4 파장관(7)을 통해 대물렌즈(9)에서 광이 모아진 후, 디스크(11)의 반사면에서 반사되며, 이 반사광은 다시 대물렌즈(9)을 통해 평행광으로 된 후, 1/4 파장관(7)을 통한 후, 상기 비임 스프리터(5)에서 90도 방향을 바꾸어, 집광렌즈(13)와 원통렌즈(15)를 통하여 포토 다이오드(Photo diode) (17)에 도달하여, 포커스검출, 트랙검출 및 디스크 기록신호의 광을 전기신호로 변환시킨다.In the optical pickup apparatus applied to the compact disc player, as shown in Fig. 1, the laser light emitted from the laser 1 becomes parallel light while passing through the collimate lens 3, and the parallel light After the light is collected from the objective lens 9 through the beam splitter 5 and the quarter wave tube 7, the reflected light is reflected on the reflective surface of the disk 11, and the reflected light is again reflected by the objective lens ( 9), and then through a quarter wave tube (7), and then 90 degrees in the beam splitter (5), the photodiode through the condenser lens (13) and the cylindrical lens (15) Photo diode 17 is reached to convert the light of the focus detection, track detection, and disk recording signals into an electrical signal.
그리고, 상기 하나의 레이저 비임을 3분할하여 사용하는 3비임 방식의 광픽업장치는 상기 레이저(1)와 콜리메이트 렌즈(3)사이에 회절격자(19)를 설치하게 된다.The three-beam optical pickup apparatus using three laser beams by dividing the laser beam is provided with a diffraction grating 19 between the laser 1 and the collimated lens 3.
현대 전자산업의 고속발전으로 고성능, 고집적, 단소화한 제품들이 다량으로 개발생산되고 있다. 이러한 제품들의 생산과정에는 기본적으로 부품의 조립 및 성능시험을 위한 고정밀도의 위치측정장치가 필요하지만, 종래 산업용 계측에서는 고가의 부품구입과 고정밀 조립으로 인한 시설 및 노력과 비용이 많이 들어, 근래에는 상기 콤팩트 디스크 플레이어에 적용되는 광픽업장치를 산업용 계측에 적용하고자 하는 시도가 이루어지고 있다.Due to the high-speed development of the modern electronic industry, high-performance, high-integration and shortened products are developed and produced in large quantities. The production process of these products basically requires a high-precision position measuring device for the assembly and performance testing of parts, but in the conventional industrial measurement, it requires a lot of facilities, effort and cost due to expensive parts purchase and high precision assembly. Attempts have been made to apply an optical pickup device applied to the compact disc player to industrial measurement.
그러나, 콤팩트 디스크 플레이어에 적용되는 광픽업장치를 산업용 계측에 그대로 적용하기에는 문제점이 있다.However, there is a problem in that the optical pickup device applied to the compact disc player is applied to industrial measurement as it is.
즉, 종래 콤팩트 디스크 플레이어에 적용되는 광픽업장치도 포커스 검출 및 트랙검출을 하게 되지만, 산업계측에서 물체의 위치를 측정하기 위해서는 대물렌즈의 위치도 측정하여야 하는 등의 문제가 남아 있게 된다.That is, the optical pickup device applied to the conventional compact disc player also performs the focus detection and the track detection. However, in order to measure the position of the object in the industrial measurement, the problem of measuring the position of the objective lens also remains.
따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 대물렌즈의 위치를 측정하여, 측정하고자 하는 물체의 위치와 높이를 정확히 측정하는 광 픽업을 이용한 위치측정장치 및 방법을 제공하는데 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a position measuring apparatus and method using an optical pickup to accurately measure the position and height of the object to be measured by measuring the position of the objective lens It is.
도1은 콤팩트 디스크 플레이어에 적용되는 광픽업장치를 나타내는 시스템도,1 is a system diagram showing an optical pickup apparatus applied to a compact disc player;
도2은 본 발명에 의한 광픽업을 이용한 위치측정장치를 나타내는 시스템도,2 is a system diagram showing a position measuring device using an optical pickup according to the present invention;
도3은 도2의 제1수광부인 4분할 포토다이오드를 나타내는 개념도,3 is a conceptual diagram illustrating a quadrant photodiode as a first light receiving unit of FIG. 2;
도4는 도2의 제2수광부인 PSD를 나타내는 개념도,4 is a conceptual diagram illustrating a PSD that is a second light receiving unit of FIG. 2;
도5는 도2의 제2수광부인 테트라 레트럴형 PSD를 나타내는 개략사시도,FIG. 5 is a schematic perspective view illustrating a tetra lateral type PSD as the second light receiving unit of FIG. 2;
도6 내지 도8은 본 발명에 의한 광픽업을 이용한 위치측정장치의 작용도이다.6 to 8 are functional diagrams of the position measuring device using the optical pickup according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
21 : 광원 23 : 콜리메이드 렌즈21: light source 23: collimated lens
25 : 비임 스프리터 27 : 대물렌즈25: beam splitter 27: objective lens
29 : 집광렌즈 31 : 제1수광부29: condenser lens 31: first light receiver
33 : 이동수단 35 : 발광소자33: moving means 35: light emitting element
37 : 제2수광부37: second light receiving unit
본 발명에 의한 광픽업을 이용한 위치측정장치는, 광을 발생하는 광원과, 상기 광원에서 방사된 광를 평행광으로 만드는 콜리메이트 렌즈와, 입사광과 반사광을 분리하도록 상기 콜리메이트 렌즈의 일측에 설치된 비임 스프리터와, 상기 콜리메이트 렌즈와 비임 스프리터를 순차적으로 통과한 광을 측정하고자 하는 물체에 투사하는 대물렌즈와, 상기 물체에서 반사된 후 상기 비임 스프리터를 통과하면서 상기 입사광과 분리되어 편광된 반사광을 집광하는 집광렌즈와, 상기 집광렌즈를 통과한 광을 픽업하는 제1수광부와, 상기 대물렌즈를 이동시키는 이동수단을 구비한 광 픽업을 이용한 위치측정장치에 있어서,The position measuring apparatus using the optical pickup according to the present invention includes a light source for generating light, a collimating lens for making the light emitted from the light source into parallel light, and a beam provided on one side of the collimating lens to separate incident light and reflected light. A splitter, an objective lens that projects light passing through the collimator lens and the beam splitter sequentially, onto an object to be measured, and collects reflected light that is polarized and separated from the incident light while passing through the beam splitter after being reflected from the object A position measuring device using an optical pickup having a condenser lens, a first light receiving portion for picking up light passing through the condenser lens, and a moving means for moving the objective lens,
상기 이동수단의 일측면에는 발광소자가 부착되고, 상기 발광소자에서 나온 광을 받도록 상기 발광소자와 소정의 간격을 두고 제2수광부가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.The light emitting device is attached to one side of the moving unit, and the second light receiving unit is installed at a predetermined distance from the light emitting device so as to receive the light emitted from the light emitting device.
상기 발광소자는 상기 초소형 칩(Chip) LED나 전계발광소자(Electro luminescence : EL)로 되어 있다.The light emitting device is the microchip LED or the electroluminescent device (EL).
상기 제1수광부는 포토 다이오드(Photo Diode)로 되어 있으며, 4분할 포토다이오드가 바람직하다.The first light receiving unit is a photo diode, and a quadrant photodiode is preferable.
상기 제2수광부는 PSD(Position Sensitive Detector)나 포토 다이오드(Photo Diode)로 되어 있으며, 상기 PSD는 4개의 출력단자를 형성하고 있는 2차원 PSD가 바람직하고, 상기 포트다이오드는 4분할 포토다이오드인 것이 바람직하다.Wherein the second light receiving unit is a PSD (Position Sensitive Detector) or a photo diode (Photo Diode), the PSD is preferably a two-dimensional PSD that forms four output terminals, the port diode is a four-segment photodiode desirable.
상기 PSD로서는 테트라 래트럴형(Tetra-Lateral Type) PSD 가 사용될 수 있다.As the PSD, a tetra-lateral type PSD may be used.
상기 테트라 래트럴 형(Tetra-Lateral type)의 PSD는 PN 접합층의 P층의 4개의 변에 4개의 출력단자를 가지고 있고, 광전류는 균일하게 분포된 저항층을 거쳐 입사점위치로부터 4개의 출력단자로 출력전류를 형성하게 되어 있다.The Tetra-Lateral type PSD has four output terminals on four sides of the P layer of the PN junction layer, and photocurrent is output from four incident points through a uniformly distributed resistance layer. The output current is formed by the terminal.
본 발명에 의한 광픽업을 이용한 위치측정방법은 광원에서 나온 광을 콜리메이트 렌즈를 통과시켜 평행광으로 만든 후, 비임 스프리터와 대물렌즈를 통하여 측정하고자 하는 물체에 광을 반사시켜 반사된 광을 상기 대물렌즈 및 비임 스프리터로 다시 통과시켜 집광렌즈를 통과시켜 제1수광부에서 검출하고, 상기 대물렌즈를 이동수단으로 이동시켜 이동수단에 부착된 발광소자에서 나온 광을 제2수광부에서 검출함에 의해, 측정하고자 하는 물체의 위치를 알아내는 것을 특징으로 한다.In the position measuring method using the optical pickup according to the present invention, the light from the light source passes through the collimator lens to make parallel light, and then reflects the light reflected on the object to be measured through the beam splitter and the objective lens to reflect the reflected light. By passing through the objective lens and the beam splitter again, passing the condenser lens and detecting it at the first light receiving unit, and moving the objective lens to the moving unit to detect light emitted from the light emitting element attached to the moving unit at the second light receiving unit. It is characterized by finding the position of the object to be.
이하, 본 발명의 실시예에 대해 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도2에 도시한 바와 같이, 광픽업을 이용한 위치측정장치는 광을 발생하는 광원(21)과, 상기 광원(21)에서 방사된 광를 평행광으로 만드는 콜리메이트 렌즈(23)와, 입사광과 반사광을 분리하도록 상기 콜리메이트 렌즈(23)의 일측에 설치된 비임 스프리터(25)와, 상기 콜리메이트 렌즈(23)와 상기 비임 스프리터(25)를 순차적으로 통과한 광을 측정하고자 하는 물체(P)에 투사하는 대물렌즈(27)와, 상기 물체(P)에서 반사된 후 상기 비임 스프리터(25)를 통과하면서 상기 입사광과 분리되어 편광된 반사광을 집광하는 집광렌즈(29)와, 상기 집광렌즈(29)를 통과한 광을 픽업하는 제1수광부(31)를 구비하고 있다.As shown in Fig. 2, the position measuring apparatus using the optical pickup includes a light source 21 for generating light, a collimating lens 23 for making the light emitted from the light source 21 into parallel light, incident light and reflected light. To the object (P) to measure the light sequentially passed through the beam splitter 25 installed on one side of the collimating lens 23, the collimating lens 23 and the beam splitter 25 to separate the An objective lens 27 for projecting, a condenser lens 29 for condensing the reflected light polarized by being separated from the incident light while passing through the beam splitter 25 after being reflected from the object P; and the condenser lens 29 And a first light receiving portion 31 for picking up light passing through.
그리고, 상기 대물렌즈(27)는 이동수단(33)에 의해 이동가능케 설치되어 있고, 상기 이동수단(33)의 일측면에는 발광소자(35)가 부착되어 있고, 상기 발광소자(35)에서 나온 광을 받도록 상기 발광소자(35)와 소정의 간격을 두고 제2수광부(37)가 설치되어 있다.In addition, the objective lens 27 is installed to be movable by the moving means 33, the light emitting element 35 is attached to one side of the moving means 33, and the light emitting element 35 The second light receiving unit 37 is provided at a predetermined distance from the light emitting element 35 so as to receive light.
상기 광원(21)은 레이저 빔을 발생시키는 레이저인 것이 바람직한데, 소형이고 경량이며 가격이 저렴한 반도체 레이저라고 불리는 레이저 다이오드로 되어 있는 것이 바람직하다.The light source 21 is preferably a laser for generating a laser beam, preferably a laser diode called a compact, lightweight and inexpensive semiconductor laser.
상기 레이저 다이오드는 반도체 소자이므로, 온도가 내려가면 광출력이 증가하고 역으로 온도가 올라가면 광출력이 떨어지게 된다. 따라서, 계속해서 레이저의 출력을 감시하고 구동전류를 감시하여 구동전류를 제어하도록 도시하지 않은 레이저 출력 서보회로가 상기 레이저 다이오드에 결합되어 있다. 이 레이저 출력 서버회로는 반전 엠프(Amp)와 버퍼(Buffer)를 구비하여 레이저 광의 강도를 일정하게 유지시키는 회로로서 공지의 CD 플레이어에 적용된 회로로 되어 있다.Since the laser diode is a semiconductor device, the light output increases when the temperature decreases, and the light output decreases when the temperature rises. Therefore, a laser output servo circuit (not shown) is coupled to the laser diode to continuously monitor the output of the laser and monitor the drive current to control the drive current. This laser output server circuit is provided with an inverting amplifier and a buffer to maintain a constant laser light intensity, and is a circuit applied to a known CD player.
상기 콜리메이트 렌즈(23)는 상기 광원(21)에서 발산된 발산광을 평행광으로 바꾸어주는 볼록렌즈로 되어 있다.The collimating lens 23 is a convex lens for converting divergent light emitted from the light source 21 into parallel light.
상기 비임 스프리터(Beam Splitter)(25)는 2개의 직각 프리즘(Prism)을 비스듬하게 하여 근접되게 배치한 것으로서, 한방향의 프리즘 사면에 편광막이 코팅되어, 입사면에 평행한 광성분은 사면의 편광막으로 차폐하여 90도 횡으로 반사하도록 하고 입사면에 수직한 광성분은 그대로 직진하도록 되어 있다.The beam splitter 25 is two oblique prisms arranged obliquely, and a polarizer is coated on one side of the prism in one direction, and the light component parallel to the incident surface is a polarizer on the slope. It is shielded by 90 degrees and reflected horizontally, and the light component perpendicular | vertical to an incident surface is going straight ahead.
상기 대물렌즈(27)는 상기 비임 스프리터(25)를 통과한 광을 모아 물체에 반사되게 하고, 물체에서 반사된 광을 평행광선으로 만들어 상기 비임 스프리터(25)로 통과하게 하는 볼록렌즈로 되어 있다.The objective lens 27 is a convex lens that collects the light passing through the beam splitter 25 and reflects the light to the object, and makes the light reflected from the object into parallel light and passes the light to the beam splitter 25. .
상기 대물렌즈(27)와 상기 비임 스프리터(25)사이에는 도시하지 않은 1/4파장관이 배설되어 있다. 상기 1/4파장관은 복굴절을 이용하여 직선편광을 원편광으로 변화하기도 하고, 역으로 원편광을 직선편광으로 변환하는 광학부품으로 수정으로 만든 판이 사용되며, 그 표면에 반사방지 코팅이 되어 있다.A quarter wave tube (not shown) is disposed between the objective lens 27 and the beam splitter 25. The quarter-wave tube uses birefringence to change linearly polarized light into circularly polarized light, and conversely, a plate made of quartz is used as an optical component that converts circularly polarized light into linearly polarized light. .
상기 비임 스프리터(25)를 통과하여 된 직선편광은 1/4파장관을 통과하면서 원편광이 되어 물체(P)에서 반사되어, 물체(P)에 입사할 때와 반대방향으로 나오므로 원편광의 회전방향이 역회전 된다. 따라서, 물체(P)에서의 반사광은 역회전하는 원의 편파가 되어 1/4파장관을 다시 통과하면서 직선편광으로 변화한다. 그리고, 편파면이 입사광에 대해 90 도 회전한다. 그 결과, 비임 스프리터(25)를 통과하는 광의 편파면이 입사광과 반사광과의 90도 다른 형태가 된다.The linearly polarized light that has passed through the beam splitter 25 becomes circularly polarized light while passing through the 1/4 wavelength tube, is reflected from the object P, and comes out in the opposite direction as it enters the object P. The direction of rotation is reversed. Therefore, the reflected light from the object P becomes a polarized wave of a reversely rotating circle and changes into linearly polarized light while passing through the 1/4 wavelength tube again. The polarization plane rotates 90 degrees with respect to the incident light. As a result, the polarization plane of the light passing through the beam splitter 25 is formed to be 90 degrees different from the incident light and the reflected light.
상기 집광렌즈(29)는 광을 모으는 볼록렌즈로 되어 있다.The condenser lens 29 is a convex lens that collects light.
상기 제1수광부(31)는 광기전력효과를 이용한 수광소자로 공지의 포토 다이오드(Photo Diode)로 되어 있으며, 4분할 포토다이오드로 되어 있다.The first light receiving unit 31 is a light-receiving element using a photovoltaic effect, which is a known photo diode, and a quadrant photodiode.
상기 4분할 포토다이오드는 도3에 도시한 바와 같이, 원의 중심을 기준으로 4개 포토다이오드(41)(42)(43)(44)가 배열되고, 각 포토다이오드는 차동 엠프(Amp)(45)에 연결되어 광신호가 출력되는 구조로 되어 있다. 이때, 서로 대각으로 배치된 포토다이오드는 상기 차동 엠프(45)에 동일한 입력선으로 입력되게 연결되어 있다. 즉, 포토 다이오드(41)(43)와 포토 다이오드(42)(44)는 서로 다른 입력선으로 입력된다.As shown in FIG. 3, the four-segment photodiode is arranged with four photodiodes 41, 42, 43, 44 based on the center of the circle, and each photodiode has a differential amplifier (Amp) ( 45) is connected to the optical signal output structure. At this time, the photodiodes disposed diagonally to each other are connected to the differential amplifier 45 by the same input line. That is, the photodiodes 41 and 43 and the photodiodes 42 and 44 are input to different input lines.
상기 차동 엠프(45)에는 이 출력신호를 감지하는 도시하지 않은 검출회로가 결합되어 있다.The differential amplifier 45 is coupled with a detection circuit (not shown) for sensing this output signal.
상기 이동수단(33)은 상기 대물렌즈(27)의 주위에 코일을 감아 스피커의 보이스 코일(Voice Coil)과 같이 상기 제1수광부(31)의 출력신호를 받아 대물렌즈를 이동시키는 보이스 코일 모터(VCM)로 되어 있다. 이 보이스 코일 모터는 CD 플레이어의 보이스 코일 모터와 유사하게 되어 있다.The moving unit 33 may wind a coil around the objective lens 27 to receive an output signal of the first light receiver 31, such as a voice coil of a speaker, to move the objective lens ( VCM). This voice coil motor is similar to the voice coil motor of a CD player.
상기 발광소자(35)는 칩(Chip) LED나 전계발광소자(Electro luminescence : EL)로 되어 있으며, 상기 발광소자에는 도시하지 않은 전원공급회로가 결합되어 있다.The light emitting device 35 is formed of a chip LED or an electroluminescent device (EL), and a power supply circuit (not shown) is coupled to the light emitting device.
상기 칩 LED는 공지의 LED 칩형태로 제조된 것이다.The chip LED is manufactured in the form of a known LED chip.
상기 전계발광소자(EL)는 아연과 주석의 합금, 망간등에 에너지를 가했을 경우에 전자가 기저상태에서 옮겨가 다시 아래의 에너지 준위로 돌아갈 때 발생하는 에너지 즉, 광을 발하는 소자로서, 전류로 발광하는 주입형 EL과 전계에 의해 발광하는 진성 EL등 여러종류가 있다.The electroluminescent device (EL) is a device that emits energy, that is, light that is generated when electrons move from the ground state to the lower energy level when energy is applied to an alloy of zinc and tin, manganese, etc. There are various types such as injection type EL and intrinsic EL which emit light by an electric field.
상기 제2수광부(37)는 PSD(Position Sensitive Detector)나 포토 다이오드(Photo Diode)로서, 테트라-래트럴형(Tetra-Lateral Type) PSD 나 4분할 포토다이오드로 되어 있다. 상기 발광소자(35)와 제2수광부(37)의 간격은 가능한 한 적게 하여 발광소자(35)에서 나오는 광의 발산을 줄이도록 되어 있다.The second light receiver 37 is a position sensitive detector (PSD) or a photo diode, and may be a tetra-lateral type PSD or a four-part photodiode. The distance between the light emitting element 35 and the second light receiving portion 37 is reduced as much as possible to reduce the divergence of the light emitted from the light emitting element 35.
상기 제2수광부(37)의 4분할 포토다이오드는 제1수광부(31)의 4분할 포토다이오드와 동일한 구조로 되어 있다.The four-segment photodiode of the second light-receiving portion 37 has the same structure as the four-segment photodiode of the first light-receiving portion 31.
도4에 도시한 바와 같이, 상기 PSD는 스폿형태의 광의 위치를 검출할 수 있는 광센서로서, 기본적으로 입사광을 전기신호로 변환하기 위한 P층(52)과 N층(54)이 접합된 PN접합면이 형성된 반도체와, 전기신호를 출력하기 위해 상기 P층(52)의 가장자리에 접합된 출력단자(56)(58)로 구성되어 있다.As shown in Fig. 4, the PSD is an optical sensor capable of detecting the position of light in a spot shape, and basically a PN in which a P layer 52 and an N layer 54 are joined to convert incident light into an electrical signal. A semiconductor having a junction surface, and output terminals 56 and 58 bonded to the edge of the P layer 52 for outputting an electrical signal.
도5에 도시한 바와 같이, 상기 테트라 래트럴 형(Tetra-Lateral type)의 PSD는 PN 접합층의 P층(52)의 4개의 변에 4개의 출력단자(56)(58)(66)(68)를 가지고 있고, 광전류는 균일하게 분포된 저항층을 거쳐 입사점위치로부터 4개의 출력단자로 출력전류를 형성하게 되어 있다As shown in Fig. 5, the tetra-lateral type PSD has four output terminals 56, 58 and 66 on four sides of the P layer 52 of the PN junction layer. 68) and the photocurrent forms an output current with four output terminals from the incidence point position through a uniformly distributed resistance layer.
상기 제2수광부(37)의 차동엠프 또는 출력단자에는 출력되는 미약한 신호를 증폭, 연산하여 마이컴이나 컴퓨터에 입력하는 도시하지 않는 수광회로부가 결합되어 있다.A differential amplifier or an output terminal of the second light receiver 37 is coupled to a light receiver circuit (not shown) for amplifying and calculating a weak signal to be input to a microcomputer or a computer.
이와 같이 구성된 본 발명에 의한 위치측정장치에서, 물체의 위치측정은 다음과 같은 방법으로 측정된다.In the position measuring device according to the present invention configured as described above, the position measurement of the object is measured by the following method.
즉, 도2에 도시한 바와 같이 측정하고자 하는 물체(P)의 하측에 대물렌즈가 위치하도록 위치측정장치를 설치하고, 작동스위치를 온하면, 광원(21)의 레이저(Laser)에서 나온 레이저 광은 콜리메이트(Collimate)렌즈(23)을 통과하면서 평행광으로 되고, 이 평행광은 비임 스프리터(Beam Splitter)(25)에서 90도 방향을 바꾸고 도시하지 않은 1/4 파장관을 통해 대물렌즈(27)에서 광이 모아진 후, 물체(P)의 반사면에서 반사되며, 이 반사광은 다시 대물렌즈(27)을 통해 평행광으로 된 후, 1/4 파장관을 통한 후, 상기 비임 스프리터(25)와 집광렌즈(29)를 통하여 제1수광부(31)의 4분할 포토 다이오드에 도달한다.That is, as shown in FIG. 2, when the position measuring device is installed so that the objective lens is positioned under the object P to be measured, and the operation switch is turned on, the laser light emitted from the laser of the light source 21 is turned on. Is parallel light passing through the collimate lens 23, and the parallel light is rotated 90 degrees in the beam splitter 25 and the objective lens (not shown) through a 1/4 wavelength tube (not shown). After the light is collected at 27, the light is reflected at the reflective surface of the object P, and the reflected light is converted into parallel light again through the objective lens 27, and then through the quarter wave tube, and then the beam splitter 25 ) And the condensing lens 29 reach the four-segment photodiode of the first light-receiving portion 31.
이때, 도6 내지 도8에 도시한 바와 같이, 상기 물체(P)와 대물렌즈(27)사이의 거리에 따라 상기 제1수광부(31)의 4분할 포토 다이오드에 맺히는 상이 다르게 되어 차동앰프(45)의 출력이 달라진다.In this case, as shown in FIGS. 6 to 8, the image formed on the four-segment photodiode of the first light receiver 31 is different depending on the distance between the object P and the objective lens 27. ) Output is different.
즉, 상기 물체(P)와 대물렌즈(27)사이의 거리가 적당하면 도6의 상측도면에 도시한 광로로 진행하여 4분할 포토다이오드의 중앙에 원형의 상(B1)이 정확히 맺혀 차동앰프(45)의 출력이 0로 되고, 상기 물체(P)와 대물렌즈(27)사이의 거리가 너무 가까우면 도7의 상측도면에 도시한 광로로 진행하여 4분할 포토다이오드의 종방향으로 타원형의 상(B2)이 맺혀 차동앰프(45)의 출력이 +로 되며, 상기 물체(P)와 대물렌즈(27)사이의 거리가 너무 멀면 도8의 상측도면에 도시한 광로로 진행하여 4분할 포토다이오드의 횡방향으로 타원형의 상(B3)이 맺혀 차동앰프(45)의 출력이 -로 된다.That is, if the distance between the object P and the objective lens 27 is appropriate, the light path shown in the image side view of FIG. 6 proceeds to the circular path B1 at the center of the quadrant photodiode, whereby a differential amplifier ( 45) becomes 0, and if the distance between the object P and the objective lens 27 is too close, it proceeds to the optical path shown in the upper side drawing of Fig. 7, and the elliptical image in the longitudinal direction of the quadrant photodiode (B2) is formed, the output of the differential amplifier 45 becomes +, and if the distance between the object (P) and the objective lens 27 is too far, it proceeds to the optical path shown in the upper side figure of Fig. 8 divided into four photodiode An elliptical phase B3 is formed in the transverse direction of and the output of the differential amplifier 45 becomes-.
도7이나 도8과 같이 초점이 맞지 않을 때 상기 차동앰프(45)의 출력은 상기 이동수단(33)인 보이스 코일 모터(VCM)에 전달되어, 상기 이동수단(33)이 이동함에 따라 도6과 같이 상이 4분할 포토다이오드의 중앙에 정확히 맺히게 한다.When the focus is not in focus as in FIGS. 7 and 8, the output of the differential amplifier 45 is transmitted to the voice coil motor VCM, which is the moving means 33, and as the moving means 33 moves, FIG. 6. This ensures that the image forms exactly in the center of the quadrant photodiode.
이때, 상기 이동수단(33)에 부착된 발광소자(35)가 이동하므로, 상기 제2수광부(37)에 맺히는 상이 달라지므로, 상기 제1수광부의 초점에 정확히 상이 맺힐 때 상기 제2수광부(37)의 PSD에 맺히는 상에 의해 출력되는 신호를 마이컴 또는 컴퓨터로 처리하여, 물체(P)의 위치와 높이를 정확히 측정할 수 있는 것이다.At this time, since the light emitting element 35 attached to the moving means 33 moves, the image formed on the second light receiving portion 37 is different, and thus, when the image is exactly formed at the focus of the first light receiving portion, the second light receiving portion 37 By using a microcomputer or a computer to process the signal output by the image bound to the PSD of), it is possible to accurately measure the position and height of the object (P).
제2수광부(37)의 PSD에 의한 위치결정은 다음과 같이 행해 지게 된다.Positioning by the PSD of the second light receiving portion 37 is performed as follows.
도4에 도시한 바와 같이 PN접합면으로 구성된 수광면(72)에 광이 입사되면, 반도체내에서 입사한 부근의 P층(52)에는 +전하, N층(54)에는 -의 전하로 나타난다. 이 P층(52)내의 불균일한 +전하의 분포가 P층(52)내에서 전하의 이동을 야기하고, 입사점으로부터 P층(52)의 양단 출력단자(56)(58)까지의 거리에 반비례되는 전류로 출력된다.As shown in Fig. 4, when light enters the light-receiving surface 72 constituted by the PN junction surface, it appears as positive charges in the P layer 52 in the vicinity of the incident in the semiconductor, and negative charges in the N layer 54. . The uneven distribution of + charges in the P layer 52 causes charge transfer in the P layer 52, and at a distance from the point of incidence to the output terminals 56 and 58 at both ends of the P layer 52. The output is inversely proportional to the current.
여기서,here,
I1= 제1출력단자에서의 전류I 1 = current at the first output terminal
I2= 제2출력단자에서의 전류I 2 = current at the second output terminal
I0= 전체전류( I1+ I2)I 0 = total current (I 1 + I 2 )
L = 단자간 길이L = length between terminals
x = 양 단자사이의 중심에서 입사위치까지의 거리x = distance from the center between both terminals to the incidence position
따라서, 다음 식에 의해 입사위치 x를 구할 수 있다.Therefore, the incident position x can be obtained by the following equation.
상기 식은 한 축상에서의 입사위치를 구하는 간단한 식을 나타내고 있는데, 두축 상에서도 위와 같은 기본원리에 따라 입사위치를 간단히 구할 수 있다.The above equation shows a simple equation for obtaining the incidence position on one axis, and the incidence position can be simply obtained on the two axes according to the above basic principle.
즉, 도5의 테트라 래트럴 형(Tetra-Lateral type)의 PSD에서 Y축방향의 입사위치는 "수학식 2"와 유사하게 구해진다.That is, the incident position in the Y-axis direction in the Tetra-Lateral type PSD of Fig. 5 is obtained similarly to "Equation 2".
상기 입사위치를 검출하게 됨에 따라 물체의 위치와 높이를 정확히 알 수 있게 되는 것이다.As the incident position is detected, the position and height of the object can be accurately known.
본 발명에 의한 위치측정장치 및 방법에 의하면, 광픽업의 원리를 이용하여 제1수광부에 정확한 초점이 맺히게 하고, 이 상태의 대물렌즈의 위치를 측정하여, 측정하고자 하는 물체의 위치와 높이를 정확히 측정할 수 있게 된다.According to the position measuring device and method according to the present invention, the optical focusing principle makes it possible to accurately focus the first light-receiving unit and to measure the position of the objective lens in this state, thereby accurately positioning the position and height of the object to be measured. You can measure it.
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