KR20090121885A - 변위와 변각을 동시에 측정하는 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스테이지미러(stage mirror)로 입사 및 반사되는 빛을 변화시키는 수단을 1/4파장판으로 구성하여, 빛의 세기가 감소되어 선명도(contrast)가 떨어지는 것을 방지한, 변위와 변각을 동시에 측정하는 장치에 관한 것이다.

이러한 본 발명의 변위와 변각을 동시에 측정하는 장치는 광원으로 조사된 빛 중 일부는 반사시키고, 일부는 투과시키는 광분할기와, 광분할기를 통과한 빛을 콜리메이티드 빔(collimated beam)으로 만들어 주는 렌즈와, 상기 렌즈를 통과한 빛 중 P-편광을 통과시키고 S-편광은 반사시키는 편광분할기와, 편광분할기를 통과한 빛을 반사시켜 다시 편광분할기로 보내는 스테이지미러와, 편광분할기에 의해 반사되면서 선편광이된 빛의 편광방향을 바꾸어 기준미러로 보내는 1/4파장판과, 상기 편광분할기를 투과한 빛 중 특정 선편광 만을 광검출기측으로 편광시키는 선편광기와, 상기 스테이지미러에 반사되어 되돌아오는 빛을 검출하는 광검출기를 포함하여 구성된 변위와 변각을 동시에 측정하는 장치에 있어서, 상기 편광분할기와 스테이지미러 사이에는 편광분할기를 통과한 빛의 편광 방향을 바꾸어주는 1/4파장판을 설치하여 구성됨을 특징으로 한다.

간섭계, 오토콜리메이터, 1/4파장판

Description

변위와 변각을 동시에 측정하는 장치{a system for simultaneous measurement of linear and angilar displacement}

본 발명은 거리를 측정하는 레이저 간섭계와 각도를 측정하는 오토콜리메이터를 결합하여 하나의 장치로 거리와 각도를 측정할 수 있게 한 변위와 변각을 동시에 측정하는 장치에 관한 것이다.

특히, 스테이지미러로 입사 및 반사되는 빛을 변화시키는 수단을 1/4파장판으로 구성하여 빛의 세기가 감소되어 선명도(contrast)가 떨어지는 것을 방지한 변위와 변각을 동시에 측정하는 장치에 관한 것이다.

통상, 정밀 측정기기나 가공기기에는 측정기나 가공기를 원하는 위치까지 이동시키기 위한 스테이지가 부착되어 있고, 이 스테이지가 구동되면 스테이지에는 구동축 방향의 직선운동과 구동축에 수직한 두 방향의 회전각(yaw 또는 pitch) 운동이 발생한다.

이러한 스테이지는 회전운동 없이 얼마나 정확한 직선운동을 하는지에 따라 그 성능이 결정되기 따문에 이송대의 정확한 구동이나 성능향상을 위해서는 이송축 의 위치변화(변위)와 두 축의 각도 변화(변각)를 측정할 수 있는 수단이 요구된다.

이러한 변위를 측정하기 위한 수단으로는 간섭계가 사용되고 있고, 변각을 측정하기 위한 수단으로는 오토콜리메이터(autocollimator)가 사용되고 있다.

그러나 상기한 간섭계는 각도의 변화를 측정할 수 없고, 오토콜리메이터는 변위를 측정할 수 없어 변위와 각도 변화를 모두 측정하기 위해서는 레이저 간섭계와 오토콜리메이터가 함께 사용되어야 하며, 이렇게 서로 다른 두 장비로 변위와 각도 변화를 측정하는 경우에는 두 물리량의 측정 축이 서로 다르므로 아베 오차(abbe error)가 생겨 측정성능의 제한이 생긴다. 또한 서로 다른 두 장비로 변화와 각도 변화를 동시에 측정하기 위해서는 별도의 추가 장치를 필요로 하므로 변위와 각도 변화측정을 위한 비용이 증가한다는 결점이 있었다.

이러한 단점을 개선하기 위해 개발된 것이 본 출원인 중의 일부에 의해 출원되어 등록된 등록특허 제10-0608892호(변위와 각도 변화를 동시에 측정하기 위한 방법과 장치)가 있다.

이 변위 및 변각 측정 장치는 도 6에 도시한 바와 같이 오토콜리메이터와 간섭계를 결합하여 구성된다.

즉, 빛을 조사하는 광원(51)과, 광원으로 조사된 빛 중 일부는 반사시키고, 일부는 투과시키는 광분할기(53)와, 광원에서 조사된 빛을 콜리메이티드 빔(collimated beam)으로 만들어 주는 렌즈(54)와, 렌즈를 통과한 빛 중 P-편광을 통과시키고 S-편광은 반사시키는 편광분할기(55)와, 편광분할기를 통과한 빛 중 특정 방향의 선편광만을 편광시키는 선편광기(56)와, 선편광기(56)를 통과한 빛을 반 사시켜 다시 선편광기로 보내는 스테이지미러(57)와, 선편광 빛이 한번 투과했을 때 이를 원편광으로 바꾸어 주는 1/4파장판(58)과, 1/4파장판을 투과한 빛을 반사시키는 기준미러(59)와, 편광 분할기를 투과한 빛 중 특정 선편광 만을 광검출기(61)측으로 편광시키는 선편광기(60)와, 상기 스테이지미러에 반사되어 되돌아오는 빛을 검출하는 광검출기(62)를 포함하여 구성되며,

광검출기(61)에 연결된 도시되지 않은 신호 처리회로와 컴퓨터에서 기준미러(59)에 반사된 빛과 스테이지미러(57)에서 반사된 빛의 위상차를 비교 분석하여 스테이지미러(57), 즉 스테이지에 의해 위치 이동된 정밀 측정기기의 측정기나 가공기기의 가공기의 전후 이동거리를 연산하고, 광검출기(62)에 연결된 도시되지 않은 신호 처리회로와 컴퓨터에 의해 광검출기(62)에 입사된 빛의 위치를 분석하여 스테이지미러(57), 즉 스테이지에 의해 위치 이동된 정밀 측정기기의 측정기나 가공기기의 가공기의 두 방향의 각도변화를 연산할 수 있게 하였다.

이렇게 구성된 종래의 변위와 각도 변화를 동시에 측정하는 장치에서, 상기한 선편광기(56)는 45ㅀ로 놓여져 수평한 P-편광성분이 이와 45ㅀ로 놓인 선편광기(56)를 지나면서 빛이 절반으로 줄어드는 손실을 피할 수 없는 단점이 있을 뿐만 아니라, 이로 인하여 기준미러(59)에서 반사되어 광검출기(61)로 입사하는 빛의 세기와, 스테이지에 부착된 스테이지미러(57)에서 반사되어 광검출기(61)로 입사하는 빛의 세기에 큰 차이가 생기게 되어, 간섭신호의 선명도(contrast)가 떨어지는 결과를 초래하였다.

또한 상기한 선편광기를 통과하면서 생기는 빛의 손실로 인하여, 변각을 측 정하기 위한 빛의 세기도 상대적으로 약해지는 단점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해소하기 위해 개발된 것으로서, 특정한 각도로 설치한 1/4파장판을 선편광의 회전 수단으로 사용함으로써, 기존의 발명에서 편광을 회전시키는 과정에서 발생하던 광 손실을 완전히 없애고, 각도를 측정하기 위한 빛의 세기도 증가시켜, 보다 정확한 변위 및 변각 정보를 측정할 수 있는 변위와 변각을 동시에 측정하는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

특히, 수평방향에 대하여 22.5ㅀ 로 놓인 1/4 파장판을 선편광의 회전 수단으로 사용함으로써, 수평한 P-편광의 빛이 1/4파장판을 통과하면 편광상태가 타원으로 바뀌고, 스테이지미러에서 반사한 후 다시 한 번 1/4파장판를 통과하면 입사 방향에 대해 45ㅀ 회전한 선편광으로 바뀌게 되어, P-편광과 S-편광 성분을 모두 가지게 되고, 입사광의 세기가 그대로 유지될 수 있게 한 변위와 변각을 동시에 측정하는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적을 이루기 위한 본 발명의 변위와 변각을 동시에 측정하는 장치는 광원으로 조사된 빛 중 일부는 반사시키고, 일부는 투과시키는 광분할기와, 광분할기를 통과한 빛을 콜리메이티드 빔(collimated beam)으로 만들어 주는 렌즈와, 상기 렌즈를 통과한 빛 중 P-편광을 통과시키고 S-편광은 반사시키는 편광분할기 와, 편광분할기를 통과한 빛을 반사시켜 다시 편광분할기로 보내는 스테이지미러와, 편광분할기에 의해 선편광된 빛의 편광방향을 바꾸어 기준미러로 보내는 수평방향에 대해 45˚로 놓인 1/4파장판과, 상기 편광분할기를 투과한 빛 중 특정 선편광 성분만을 광검출기측으로 편광시키는 선편광기와, 상기 스테이지미러에 반사되어 되돌아오는 빛을 검출하는 광검출기를 포함하여 구성된 변위와 변각을 동시에 측정하는 장치에 있어서, 상기 편광분할기와 스테이지미러 사이에는 편광분할기를 통과한 빛의 편광 방향을 바꾸어주는 1/4파장판을 수평방향에 대해 45˚로 설치하여 구성됨을 특징으로 한다.

본 발명은 스테이지미러로 입사 또는 반사되는 빛을 변화시키는 수단으로 1/4파장판을 사용함으로써, 수평한 P-편광의 빛이 1/4파장판을 통과하면 편광상태가 타원으로 바뀌고, 스테이지미러에서 반사한 후 다시 한 번 1/4파장판을 통과하면 입사 방향에 대해 45ㅀ 회전한 선편광으로 바뀌게 되어, P-편광과 S-편광 성분을 모두 가지게 될뿐만 아니라. 입사광의 세기가 그대로 유지될 수 있어 광검출기들에서 검출된 되는 빛의 세기가 세어 보다 정확한 변위 및 변각을 측정할 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명에 따른 변위와 변각을 동시에 측정하는 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 변위와 각도 변화를 동시에 측정하는 장치의 구성도이고, 도 2는 변위측정용 빛의 세기를 종래와 비교한 도표이고, 도 3은 간섭신호의 선명도를 종래와 비교한 도표이고, 도 4는 각도측정용 빛의 세기를 종래와 비교한 도표이고, 도 5는 빛의 손실을 종래와 비교한 도표이다.

본 발명에 따른 변위와 변각을 동시에 측정하는 장치의 특징은 스테이지미러(60)로 입사되거나 또는 스테이지미러(60)로부터 반사되는 빛을 변화시키는 수단으로 1/4파장판(50)을 구비하고 있다.

즉, 본 발명에 따른 변위와 변각을 동시에 측정하는 장치는 광원(10)으로 조사된 빛 중 일부는 반사시키고, 일부는 투과시키는 광분할기(20)와, 광분할기를 통과한 빛을 콜리메이티드 빔(collimated beam)으로 만들어 주는 렌즈(30)와, 상기 렌즈(30)를 통과한 빛 중 P-편광을 통과시키고 S-편광은 반사시키는 편광분할기(40)와, 편광분할기(40)를 통과한 빛을 반사시켜 다시 편광분할기(40)로 보내는 스테이지미러(60)와, 편광분할기(40)에 의해 선편광된 빛의 편광방향을 바꾸어 기준미러(80)로 보내는 1/4파장판(70)과, 상기 편광분할기(40)를 투과한 빛 중 특정 선편광 만을 광검출기(2)측으로 편광시키는 선편광기(90)와, 상기 스테이지미러에 반사되어 되돌아오는 빛을 검출하는 광검출기(1)를 포함하여 구성된 변위와 변각을 동시에 측정하는 장치에 있어서, 상기 편광분할기(40)와 스테이지미러(60) 사이에는 편광분할기(40)를 통과한 빛의 편광 방향을 바꾸어주는 1/4파장판(50)을 더 설치하여 구성된다.

위와 같이 구성된 본 발명의 변위와 변각을 동시에 측정하는 장치를 구성하 는 구성 요소는 상기한 종래 기술의 변위와 변각을 동시에 측정하는 장치와 동일 유사한 것으로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 요지가 되는 1/4파장판(50)에 대하여만 상세하게 설명한다.

상기 1/4파장판(50)은 상기한 바와 같이 편광분할기(40)를 통과한 빛의 P-편광을 바꾸어주는 역할을 하는 것으로 상기 편광분할기(40)를 통과한 빛의 편광방향인 수평방향에 대하여 22.5ㅀ로 놓여져 있다.

상기 22.5ㅀ로 놓여진 1/4파장판(50)은 편광을 회전시키는 과정에서 광 손실을 일으키지 않아 이를 통과한 빛은 각 광검출기(1, 2)로 전달되어 변위 및 변각을 측정하기에 충분한 세기가 된다.

수평한 P-편광의 빛이 이 상기 1/4파장판(50)을 통과하면 편광상태가 타원으로 바뀌고, 스테이지미러(60)에서 반사한 후 다시 한 번 상기 1/4파장판(50)를 통과하면 입사 방향에 대해 45ㅀ회전한 선편광으로 바뀌게 되어, P-편광과 S-편광 성분을 모두 가지게 되며, 입사광의 세기가 그대로 유지하게 된다.

또한 각도를 측정하기 위한 빛의 세기도 기존방법에 비해 강해지게 된다.

표 1에 종래의 변위와 변각을 동시에 측정 장치를 이용할 때와 본 발명을 이용할 때 각 부분의 빛의 세기를 나타내었다.

종래와 1실시예는 전체적으로 동일한 조건에서 비교한 것이며, 2실시예는 전체적인 조건이 종래 및 1실시예와 동일하나 편광분할기(40)로 입사하는 빛의 편광 방향이 수평 방향에 대해 35.26ㅀ일때이다.

표 1에서 A는 편광분할기에 입사하는 빛의 세기,

B는 기준미러(80)에서 반사된 후 편광분할기를 투과하여 선편광기(90)로 입사되는 빛의 세기,

C는 스테이지미러(60)에서 반사된 후 편광분할기에서 반사되어 선편광기(90)로 입사되는 빛의 세기,

D는 스테이지미러(60)에서 반사된 후 편광분할기를 투과하여 각도 측정을 위해 광분할기(20)에서 반사되어 광검출기(1)로 입사하는 빛을 나타낸다.

표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 2실시예의 경우 입사광의 편광 방향을 수평에 대해 35.26ㅀ가 되게 하여 빛을 입사시킬 경우에는 편광 분할기(40)에서 빛이 1/3은 반사하고, 2/3는 투과하게 되며, 거리 측정을 위하여 사용되는 두 빛의 세기가 동일하게 되어, 간섭신호의 선명도가 최고값인 1이 되게 되어 거리 측정에 최적의 조건이 된다.

표 1에서 선명도는 간섭무늬의 선명도를 의미하며, 1에 가까울수록 신호가 선명해짐을 의미한다. 선명도는 B와 C의 크기가 같을 수록 높아지므로, 간섭계를 꾸밀 때는 가급적 간섭하는 빛의 세기가 동일해지도록 만드는 것이 좋다. 선명도(V)를 산출한 방법은 아래의 식에 의해 이루어진다.

여기서 V는 선명도이고, B와 C는 상기한 바와 같다.

위의 1, 2실시예에 따른 변위측정용 빛의 세기, 간섭신호의 선명도, 각도측정용 빛의 세기 및, 빛의 손실을 종래와 비교한 것을 도 2내지 도 5에 도표로 표시하였다.

각 도표에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 변위와 변각을 동시에 측정하는 장치가 종래의 변위와 변각을 동시에 측정하는 장치보다 빛의 세기 및 선명도가 우수함을 알 수 있다.

즉, 본 발명의 변위와 변각을 동시에 측정하는 장치가 스테이지미러(60)로 입사되거나 또는 스테이지미러(60)로부터 반사되는 빛의 편광 상태를 변화시키는 수단으로 수평방향에 대해 22.5˚로 놓인 1/4파장판(50)을 구비함으로서 빛의 손실을 완전히 없앴음을 알수 있으며,

이렇게 빛의 손실을 줄임으로서 각 광검출기(1, 2)에 도달하는 빛의 세기가 충분하여 변위 및 변각 측정이 용이해 질 수 있는 것이다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 변위 및 변각 측정 장치의 작동이나 원리는 이미 선행된 기술로부터 용이하게 이해될 수 있는 것으로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 변위와 각도 변화를 동시에 측정하는 장치의 구성도이고,

도 2는 변위측정용 빛의 세기를 종래와 비교한 도표이고,

도 3은 간섭신호의 선명도를 종래와 비교한 도표이고,

도 4는 각도측정용 빛의 세기를 종래와 비교한 도표이고,

도 5는 빛의 손실을 종래와 비교한 도표이고,

도 6은 종래의 변위와 변각을 동시에 측정하는 장치의 일예를 도시한 구성도이다.

Claims (2)

1. 광원(10)으로 조사된 빛 중 일부는 반사시키고, 일부는 투과시키는 광분할기(20)와, 광분할기를 통과한 빛을 콜리메이티드 빔(collimated beam)으로 만들어 주는 렌즈(30)와, 상기 렌즈(30)를 통과한 빛 중 P-편광을 통과시키고 S-편광은 반사시키는 편광분할기(40)와, 편광분할기(40)를 통과한 빛을 반사시켜 다시 편광분할기(40)로 보내는 스테이지미러(60)와, 편광분할기(40)에 의해 반사되면서 선편광된 빛의 편광방향을 바꾸어 기준미러(80)로 보내는 1/4파장판(70)과, 상기 편광분할기(40)를 투과한 빛 중 특정 선편광 만을 광검출기(2)측으로 편광시키는 선편광기(90)와, 상기 스테이지미러에 반사되어 되돌아오는 빛을 검출하는 광검출기(1)를 포함하여 구성된 변위와 변각을 동시에 측정하는 장치에 있어서,

   상기 편광분할기(40)와 스테이지미러(60) 사이에는 편광분할기(40)를 통과한 빛의 편광 방향을 바꾸어주는 1/4파장판(50)을 더 설치하여 구성됨을 특징으로 하는 변위와 변각을 동시에 측정하는 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 1/4파장판(50)은 상기 편광분할기(40)를 통과한 빛의 편광 방향인 수평방향에 대하여 22.5ㅀ로 놓여짐을 특징으로 하는 변위와 변각을 동시에 측정하는 장치.

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