KR20110131785A - Heterodyne laser interferometer improved in phase detecting means - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A heterodyne laser interferometer with an improved phase detector is provided to enhance precision in phase difference detection and measure the displacement of an object caused by micro-vibration with high resolution and high repetition rate. CONSTITUTION: A heterodyne laser interferometer comprises a laser source(100) which creates a laser beam having at least two frequency components(f1,f2), an interference optical system(110) which splits the path of the laser beam to provide a reference beam and a measurement beam, and a phase detector(130) which comprises a TDC(Time to Digital Converter) module and a logic module. The TDC module detects the phases of electro-optical signals corresponding to the reference beam and the measurement beam by measuring each zero-crossing time of the electro-optical signals. The logic module calculates the phase difference between the electro-optical signals.

Description

위상검출수단이 개선된 헤테로다인 레이저 간섭계{HETERODYNE LASER INTERFEROMETER IMPROVED IN PHASE DETECTING MEANS}Heterodyne LASER INTERFEROMETER IMPROVED IN PHASE DETECTING MEANS

본 발명은 헤테로다인 레이저 간섭계에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기준광과 측정광의 경로차이에 따른 위상차를 검출하여 측정 대상체에 대한 물리량을 측정하는 헤테로다인 레이저 간섭계에 관한 것이다.The present invention relates to a heterodyne laser interferometer, and more particularly, to a heterodyne laser interferometer for measuring a physical quantity for a measurement object by detecting a phase difference according to a path difference between a reference light and a measurement light.

일반적으로 헤테로다인 레이저 간섭계는 2개의 주파수를 갖는 레이저 빔을 기준광과 측정광으로 분리하고, 측정 대상체의 움직임에 의해 발생하는 기준광과 측정광 간의 경로차이에 따른 간섭현상을 이용하여 측정 대상체의 변위 등을 계측하도록 구성된다.In general, a heterodyne laser interferometer separates a laser beam having two frequencies into a reference light and a measurement light, and shifts a measurement object by using an interference phenomenon according to a path difference between the reference light and the measurement light generated by the movement of the measurement object. It is configured to measure.

이러한 헤테로다인 레이저 간섭계는 측정 정밀도가 매우 높아 반도체/FPD(Flat Panel Display)용 노광장비, FPD용 잉크젯 프린터, 초정밀 3차원 측정기, 초정밀 가공기, 각종 변위센서나 스테이지(Stage)의 보정장치 등 다양한 산업분야에 널리 활용되고 있다.These heterodyne laser interferometers have very high measurement accuracy, and are used in various industries such as exposure equipment for semiconductor / Flat Panel Display (FPD), inkjet printer for FPD, ultra-precision 3D measuring machine, ultra-precision processing machine, and various displacement sensors and stage compensators. It is widely used in the field.

헤테로다인 레이저 간섭계는 레이저 이득물질에 자장을 가하여 2개의 주파수를 얻는 지만(Zeeman) 레이저를 사용하는 방식과, 음향-광 변조기(Acousto-Optic Modulator: AOM)를 사용하는 방식으로 구분될 수 있다. 통상적으로 AOM 방식은 지만 레이저 방식에 비해 비트 주파수(Beat frequency)가 높고 빠른 측정속도를 구현할 수 있으나, AOM 방식은 광손실이 큰 단점이 있어 지만 레이저 방식의 시장 점유율이 상대적으로 높은 것으로 알려져 있다.Heterodyne laser interferometers can be divided into two types of magnetic fields, which are obtained by applying a magnetic field to the laser gain material (Zeeman), and using an acoustic-optic modulator (AOM). In general, although the AOM method has higher bit frequency and faster measurement speed than the laser method, the AOM method is known to have a relatively high market share of the laser method although it has a large light loss.

헤테로다인 레이저 간섭계에 대한 기술을 개시하고 있는 특허문헌의 예로는 대한민국 공개특허 제1995-0019635호, 공개특허 제2004-0001099호를 들 수 있다.Examples of patent documents that disclose a technique for a heterodyne laser interferometer include Korean Patent Publication Nos. 1995-0019635 and 2004-0001099.

대한민국 공개특허 제1995-0019635호에서는 3개의 종모드로 발진하는 레이저를 광원으로 사용하여 3개 주파수 사이의 2차 비트 주파수 편이를 측정함으로써 분해능을 높이는 3주파수 헤테로다인 레이저 간섭계를 개시하고 있다.Korean Patent Laid-Open Publication No. 195-0019635 discloses a three-frequency heterodyne laser interferometer that improves resolution by measuring a second bit frequency shift between three frequencies using a laser oscillating in three longitudinal modes as a light source.

대한민국 공개특허 제2004-0001099호에서는 헬륨-네온 레이저를 사용할 때 비트 주파수가 큼에 따라 대두되는 측정 분해능 저하문제를 해결하기 위해 국부발진기에서 인위적으로 임의의 주파수 성분을 갖는 임의신호를 만들어 이를 측정신호와 기준신호에 인가하는 구성을 가진 헤테로다인 레이저 간섭계를 개시하고 있다.In Korean Patent Laid-Open Publication No. 2004-0001099, in order to solve the problem of deterioration in measurement resolution caused by a large bit frequency when using a helium-neon laser, a local oscillator generates an arbitrary signal having an arbitrary arbitrary frequency component and measures the measured signal. And a heterodyne laser interferometer having a configuration applied to a reference signal.

하지만, 종래기술에 따른 헤테로다인 레이저 간섭계는 위상검출기술에 한계가 있어 예컨대, 100ps 이내의 높은 시간분해능을 실현하기가 현실적으로 곤란한 문제가 있다. 이러한 취약점으로 인해 기존의 헤테로다인 레이저 간섭계는 노광장비 내에 정렬된 웨이퍼의 미세진동을 검출하지 못하거나, 대면적 디스플레이용 유리기판과 같이 제조공정 중에 대기중에 노출되는 대형 물체의 경우, 10m 내외의 장거리 계측이 불가능하고 공기의 굴절률 변화나 난류(Turbulence), 각종 노이즈에 따른 진동을 검출하지 못하는 문제가 종종 발생하는 것으로 알려져 있다.However, the heterodyne laser interferometer according to the prior art has a limitation in the phase detection technique, for example, there is a problem that it is practically difficult to realize a high time resolution within 100ps. Due to these weaknesses, existing heterodyne laser interferometers do not detect fine vibrations of wafers arranged in the exposure equipment, or long distances of about 10m for large objects exposed to the atmosphere during manufacturing, such as glass substrates for large-area displays. It is known that there is a problem that it is impossible to measure and cannot detect the change in refractive index of the air, turbulence, or vibration caused by various noises.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 기준광과 측정광에 대한 광신호 파형의 시간 영역(Time domain)을 디지털 처리하여 위상차를 검출하는 구조를 가진 헤테로다인 레이저 간섭계를 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention has been made in view of the above problems, and provides a heterodyne laser interferometer having a structure for detecting a phase difference by digitally processing a time domain of an optical signal waveform with respect to reference light and measurement light. There is a purpose.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 TDC(Time to Digital Converter)를 구비한 위상검출기를 가진 헤테로다인 레이저 간섭계를 개시한다.In order to achieve the above object, the present invention discloses a heterodyne laser interferometer having a phase detector having a time to digital converter (TDC).

즉, 본 발명에 따른 헤테로다인 레이저 간섭계는 적어도 2개의 주파수 성분을 갖는 레이저 빔을 생성하는 레이저 광원; 상기 레이저 빔의 경로를 분리하여 기준광과 측정광을 제공하는 간섭 광학계; 및 상기 기준광에 대응하는 전기적 광신호와 상기 측정광에 대응하는 전기적 광신호에 대하여 각각 제로 크로싱 타임을 계측하여 위상을 검출하는 TDC 모듈과, 상기 기준광과 측정광에 대응하는 광신호들 간의 위상차를 계산하는 로직 모듈을 구비한 위상검출기;를 포함한다.That is, the heterodyne laser interferometer according to the present invention comprises a laser light source for generating a laser beam having at least two frequency components; An interference optical system that separates a path of the laser beam and provides reference light and measurement light; And a TDC module for detecting a phase by measuring a zero crossing time with respect to the electrical light signal corresponding to the reference light and the electrical light signal corresponding to the measurement light, respectively, and a phase difference between the optical signals corresponding to the reference light and the measurement light. And a phase detector having a logic module for calculating.

상기 레이저 광원은 서로 수직하게 편광된 2개의 주파수 성분이 포함된 레이저 빔을 생성하는 것이 바람직하다.The laser light source preferably generates a laser beam including two frequency components polarized perpendicular to each other.

상기 간섭 광학계는, 상기 레이저 광원에서 생성된 레이저 빔에서 상기 기준광을 분리하는 빔 스플리터와, 상기 측정광을 제공하기 위하여 상기 레이저 빔에 포함된 2개의 주파수를 수평편광 성분과 수직편광 성분으로 분리하는 편광 빔 스플리터와, 고정상태에서 상기 수평편광 성분 및 수직편광 성분 중 어느 하나를 반사시키는 기준 리플렉터와, 측정 대상체에 장착되어 상기 수평편광 성분 및 수직편광 성분 중 다른 하나를 반사시키는 이동 리플렉터를 포함할 수 있다.The interference optical system includes a beam splitter for separating the reference light from the laser beam generated by the laser light source, and splitting two frequencies included in the laser beam into a horizontal polarization component and a vertical polarization component to provide the measurement light. A polarizing beam splitter, a reference reflector reflecting any one of the horizontal polarization component and the vertical polarization component in a fixed state, and a moving reflector mounted on a measurement object to reflect the other of the horizontal polarization component and the vertical polarization component; Can be.

헤테로다인 레이저 간섭계는 상기 기준 리플렉터를 진동시켜 광학오차를 보정하는 바이브레이터;를 더 포함할 수 있다.The heterodyne laser interferometer may further include a vibrator for vibrating the reference reflector to correct an optical error.

상기 바이브레이터는 상기 기준 리플렉터의 배면에 부착되는 피에조 플레이트인 것이 바람직하다.Preferably, the vibrator is a piezo plate attached to the rear surface of the reference reflector.

상기 위상검출기는, 상기 기준광과 측정광에 포함된 2개 주파수의 합성에 따른 비트 주파수를 카운트하는 카운터;를 더 포함하고, 상기 로직 모듈은 상기 카운터의 카운트값과 상기 TDC 모듈의 계측값을 가산하여 위상차를 계산하는 처리를 수행할 수 있다.The phase detector may further include a counter for counting a bit frequency according to a combination of two frequencies included in the reference light and the measurement light, wherein the logic module adds a count value of the counter and a measured value of the TDC module. To calculate the phase difference.

본 발명에 따르면 헤테로다인 레이저 간섭계에 TDC를 적용하여 위상차 검출 정밀도를 높임으로써 나노미터(㎚)급의 미세진동에 따른 측정 대상체의 변위를 고분해능, 고반복률로 측정할 수 있다.According to the present invention, by applying a TDC to a heterodyne laser interferometer, it is possible to measure the displacement of the measurement object due to the nanometer (nm) -class micro-vibration with high resolution and high repetition rate.

또한, 본 발명에 따르면 헤테로다인 레이저 간섭계에서 발생하는 2 파장의 광 혼합에 의한 광학오차를 제거할 수 있다.In addition, according to the present invention, it is possible to eliminate the optical error due to the light mixing of the two wavelengths generated in the heterodyne laser interferometer.

따라서, 본 발명의 적용시 1㎚ 이내의 고정밀도로 미세진동을 측정하는 것이 가능하고, 10m 이상의 장거리 계측이나 동시 다축 계측이 가능한 헤테로다인 레이저 간섭계를 구현할 수 있다.Therefore, when applying the present invention it is possible to measure the micro-vibration with a high precision within 1nm, it is possible to implement a heterodyne laser interferometer capable of long-range measurement or simultaneous multi-axis measurement of 10m or more.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 헤테로다인 레이저 간섭계의 구성도,
도 2는 도 1에서 위상검출기의 구성을 도시한 블록도,
도 3은 도 2에서 기준광과 측정광에 대응하는 광신호의 파형을 나타낸 그래프,
도 4는 도 2에서 카운터와 TDC 모듈에 입력되는 디지털 신호를 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 헤테로다인 레이저 간섭계의 구성도,
도 6은 도 5에서 위상검출기에 입력되는 광신호에 포함된 혼합성분에 따른 광학오차 발생정도를 나타낸 그래프이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of the specification, illustrate preferred embodiments of the invention and, together with the description of the invention given below, serve to further the understanding of the technical idea of the invention. And should not be construed as limiting.
1 is a block diagram of a heterodyne laser interferometer according to an embodiment of the present invention,
FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of a phase detector in FIG. 1;
3 is a graph illustrating waveforms of optical signals corresponding to reference light and measurement light in FIG. 2;
4 is a graph illustrating a digital signal input to a counter and a TDC module in FIG. 2;
5 is a block diagram of a heterodyne laser interferometer according to another embodiment of the present invention,
FIG. 6 is a graph showing the degree of optical error generation according to the mixed components included in the optical signal input to the phase detector in FIG.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms or words used in the specification and claims should not be construed as having a conventional or dictionary meaning, and the inventors should properly explain the concept of terms in order to best explain their own invention. Based on the principle that can be defined, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention. Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various modifications that can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be equivalents and variations.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 헤테로다인 레이저 간섭계의 구성도이다.1 is a block diagram of a heterodyne laser interferometer according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 헤테로다인 레이저 간섭계는 레이저 빔을 생성하는 레이저 광원(100)과, 레이저 빔의 경로를 분리하여 기준광과 측정광을 제공하는 간섭 광학계(110)와, TDC를 이용하여 기준광과 측정광 간의 위상차를 검출하는 위상검출기(130)를 포함한다.Referring to FIG. 1, a heterodyne laser interferometer according to an exemplary embodiment of the present invention may include a laser light source 100 generating a laser beam and an interference optical system 110 providing a reference light and a measurement light by separating paths of the laser beam. And a phase detector 130 for detecting a phase difference between the reference light and the measurement light using the TDC.

레이저 광원(100)은 적어도 2개의 주파수 성분을 갖는 레이저 빔을 생성한다. 레이저 광원(100)으로는 서로 수직하게 편광된 2개의 주파수 성분(f1, f2)이 포함된 레이저 빔을 생성하는 지만 레이저가 채용되는 것이 바람직하다.The laser light source 100 generates a laser beam having at least two frequency components. The laser light source 100 generates a laser beam including two frequency components f 1 and f 2 polarized perpendicular to each other, but preferably a laser is employed.

간섭 광학계(110)는 레이저 광원(100)에서 생성된 레이저 빔에서 기준광을 분리하는 빔 스플리터(Beam splitter)(112)와, 빔 스플리터(112)에서 분리된 기준광 이외의 레이저 빔을 측정 대상체로 안내하기 위한 편광 빔 스플리터(Polarization beam splitter)(113)를 구비한다.The interference optical system 110 guides a beam splitter 112 that separates the reference light from the laser beam generated by the laser light source 100, and a laser beam other than the reference light separated by the beam splitter 112 to the measurement object. A polarization beam splitter 113 is provided.

빔 스플리터(112)에 입사되는 레이저 빔에는 2개의 주파수 성분(f1, f2)이 포함된다. f1 과 f2 는 레이저 광원(100)과 빔 스플리터(112) 사이에 구비된 λ/4 플레이트(111)에 의해 각각 수직 모드와 수평 모드로 선형편광(Linear polarization)된 주파수 성분이다.The laser beam incident on the beam splitter 112 includes two frequency components f 1 and f 2 . f 1 And f 2 Is a frequency component linearly polarized in the vertical mode and the horizontal mode by the λ / 4 plate 111 provided between the laser light source 100 and the beam splitter 112.

빔 스플리터(112)에서 반사되어 분리된 기준광은 f1 과 f2를 포함하고, f1 과 f2는 편광자(120)를 통과하여 합성되고 그에 따른 비트 주파수 f2 - f1 는 광검출기(120)에 의해 전기적 광신호로 변환된 후 위상검출기(130)에 입력된다.The reference light reflected and separated by the beam splitter 112 is f 1. And f 2 , f 1 And f 2 are synthesized through polarizer 120 and thus the beat frequency f 2 -f 1 Is converted into an electrical optical signal by the photodetector 120 and then input to the phase detector 130.

편광 빔 스플리터(113)는 빔 스플리터(112)를 통과한 레이저 빔에 포함된 2개의 주파수 성분(f1, f2)을 편광 모드별로 분리하여 서로 다른 방향으로 안내한다. 즉, 편광 빔 스플리터(113)는 레이저 빔에서 f2와 f1을 분리하여 각각을 기준 리플렉터(Reference reflector)(114)와 이동 리플렉터(Moving reflector)(115)로 안내한다.The polarization beam splitter 113 separates two frequency components f 1 and f 2 included in the laser beam passing through the beam splitter 112 for each polarization mode and guides them in different directions. That is, the polarizing beam splitter 113 separates f 2 and f 1 from the laser beam and guides each to the reference reflector 114 and the moving reflector 115.

기준 리플렉터(114)는 고정상태로 설치되어 편광 빔 스플리터(113)에서 분리된 f2 성분을 다시 편광 빔 스플리터(113)로 반사하고, 이동 리플렉터(115)는 측정 대상체에 장착되어 편광 빔 스플리터(113)에서 분리된 f1 성분을 다시 편광 빔 스플리터(113)로 반사한다.The reference reflector 114 is installed in a fixed state and reflects the f 2 component separated from the polarization beam splitter 113 back to the polarization beam splitter 113, and the moving reflector 115 is mounted on the measurement object so that the polarization beam splitter ( F 1 isolated at 113) The component is reflected back to the polarizing beam splitter 113.

이동 리플렉터(115)는 측정 대상체와 일체로 이동하게 되므로 도플러 효과(Doppler effect)에 따른 도플러 주파수(fD) 성분이 f1 성분에 합성되어 편광 빔 스플리터(113)로 반사된다. 여기서, 측정 대상체로는 예컨대, 웨이퍼나 디스플레이 기판이 정렬되는 스테이지가 해당될 수 있다. 측정 대상체는 직선축 방향은 물론, 요우(Yaw), 피치(Pitch), 롤(Roll) 방향으로 자유도를 갖는 형태로 제공될 수 있다.Since the moving reflector 115 moves integrally with the measurement object, the Doppler frequency f D according to the Doppler effect is f 1. The component is synthesized and reflected by the polarizing beam splitter 113. Here, the measurement object may be, for example, a stage on which the wafer or the display substrate is aligned. The measurement object may be provided in a form having degrees of freedom in the yaw, pitch, and roll directions as well as in the linear axis direction.

기준 리플렉터(114)와 이동 리플렉터(115)로는 코너 리플렉터(Corner reflector) 소자가 채용될 수 있으며, 대안으로 소정의 미러(Mirror)가 채용될 수도 있다.Corner reflector elements may be employed as the reference reflector 114 and the movable reflector 115, and alternatively, a predetermined mirror may be employed.

기준 리플렉터(114)와 이동 리플렉터(115)에서 반사되어 편광 빔 스플리터(113)로 돌아온 f2와 f1 ± fD 성분은 동일한 광축으로 진행한 후 미러(116)에 의해 편광자(117)로 안내된다. f2와 f1 ± fD 성분은 편광자(117)를 통과하면서 합성되고 그에 따른 비트 주파수 f2 - (f1 ± fD)는 광검출기(120)에 의해 전기적 광신호로 변환된 후 위상검출기(130)에 입력된다.F 2 and f 1 reflected from the reference reflector 114 and the moving reflector 115 and returned to the polarizing beam splitter 113 ± f D The components travel to the same optical axis and are then guided to the polarizer 117 by the mirror 116. f 2 and f 1 ± f D The component is synthesized through the polarizer 117 and accordingly the beat frequency f 2 -(f 1 ± f D ) is converted into an electrical optical signal by the photodetector 120 and then input to the phase detector 130.

도 2에 도시된 바와 같이 위상검출기(130)는 광검출기(120)로부터 입력되는 기준광과 측정광에 대응되는 비트 주파수를 카운트하기 위한 카운터(131)와, 광신호의 위상을 검출하는 TDC 모듈(132)과, 위상차를 계산하는 로직 모듈(133)을 포함한다.As shown in FIG. 2, the phase detector 130 includes a counter 131 for counting bit frequencies corresponding to the reference light and the measurement light input from the photodetector 120, and a TDC module for detecting the phase of the optical signal. 132 and a logic module 133 for calculating the phase difference.

광검출기(120)는 예컨대, 포토 다이오드를 포함하여 구성될 수 있다. 도 3의 (a), (b)는 광검출기(120)에서 출력되는 기준광과 측정광에 대응하는 광신호 파형의 예를 나타내며, 도 3의 (c)는 측정 대상체가 이동함에 따른 변위의 예를 나타낸다.Photodetector 120 may, for example, comprise a photodiode. 3 (a) and 3 (b) show examples of optical signal waveforms corresponding to the reference light and the measurement light output from the photodetector 120, and FIG. 3 (c) shows an example of displacement as the measurement object moves. Indicates.

광검출기(120)에서 출력된 광신호는 도 4에 도시된 바와 같이 디지털 형태로 변환된 후 카운터(131)와 TDC 모듈(132)로 입력된다.The optical signal output from the photodetector 120 is converted into a digital form as shown in FIG. 4 and then input to the counter 131 and the TDC module 132.

카운터(131)는 기준광과 측정광에 각각 대응하는 비트 주파수를 카운트하는 기능을 수행한다. 카운터(131)는 펄스의 상승 순간, 즉 상승에지(Rising edge)를 연속적으로 카운트한다. 바람직하게 카운터(131)로는 통상의 링 카운터(Ring counter)가 채용 가능하다.The counter 131 performs a function of counting bit frequencies corresponding to the reference light and the measurement light, respectively. The counter 131 continuously counts the rising moment of the pulse, that is, the rising edge. Preferably, as the counter 131, a general ring counter can be employed.

TDC 모듈(132)은 기준광과 측정광에 각각 대응하도록 2개가 구비된다. TDC 모듈(132)은 기준광에 대응하는 광신호와 측정광에 대응하는 광신호의 파형에 대하여 각각 제로 크로싱 타임(Zero-crossing time)을 계측하고 주기와의 관계로부터 위상을 검출한다.Two TDC modules 132 are provided to correspond to the reference light and the measurement light, respectively. The TDC module 132 measures a zero-crossing time with respect to a waveform of an optical signal corresponding to the reference light and an optical signal corresponding to the measurement light, and detects a phase from the relationship with the period.

로직 모듈(133)은 카운터(131)와 TDC 모듈(132)의 측정값을 이용하여 기준광과 측정광 간의 위상차를 계산하고 그 결과값에 대응하는 신호를 출력한다. 구체적으로, 로직 모듈(133)은 카운터 #1에서 출력되는 카운트값과 카운터 #2에서 출력되는 카운트값 간의 차이값(DC)을 계산하는 한편, TDC 모듈 #1에서 출력되는 측정값과 TDC 모듈 #2에서 출력되는 측정값 간의 차이값(dt)을 계산하고, DC와 dt를 가산한 후 그 결과값을 출력하는 알고리즘을 수행하도록 구성될 수 있다.The logic module 133 calculates a phase difference between the reference light and the measurement light by using the measured values of the counter 131 and the TDC module 132 and outputs a signal corresponding to the resultant value. In detail, the logic module 133 calculates a difference value DC between the count value output from the counter # 1 and the count value output from the counter # 2, and the measured value output from the TDC module # 1 and the TDC module #. It may be configured to calculate an difference value dt between the measured values output at 2, add DC and dt, and then perform an algorithm for outputting the result value.

헤테로다인 레이저 간섭계에 있어서 측정거리(d)와 위상각(θ) 간의 관계는 아래의 수학식 1과 같이 표현되므로, 상기 알고리즘을 통해 기준광과 측정광에 대한 비트 주파수의 카운트값과, 광신호 파형의 주기 및 시간으로부터 산출된 위상 검출값을 가산 처리하면 고정밀도로 측정 대상체의 변위를 측정할 수 있다. 수학식 1에서 λ는 레이저광의 파장, n은 정수를 나타낸다.In the heterodyne laser interferometer, the relationship between the measurement distance (d) and the phase angle (θ) is expressed by Equation 1 below, so that the count value of the bit frequency for the reference light and the measurement light and the optical signal waveform are obtained through the above algorithm. When the phase detection value calculated from the period and time is added, the displacement of the measurement object can be measured with high accuracy. In Equation 1, λ is a wavelength of the laser light, n is an integer.

Figure pat00001
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도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 헤테로다인 레이저 간섭계의 구성도이다. 도 5에서 도 1과 동일한 참조부호는 전술한 실시예와 동일한 구성요소에 해당하므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.5 is a block diagram of a heterodyne laser interferometer according to another embodiment of the present invention. In FIG. 5, the same reference numerals as used in FIG. 1 correspond to the same elements as the above-described embodiments, and thus, detailed description thereof will be omitted.

도 5에 나타난 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 헤테로다인 레이저 간섭계는 2개의 주파수 성분이 혼합되어 비트 주파수로 변조된 광신호에서 발생하는 광학오차를 보정하기 위한 수단이 구비된다.As shown in FIG. 5, a heterodyne laser interferometer according to another embodiment of the present invention is provided with means for correcting an optical error occurring in an optical signal in which two frequency components are mixed and modulated at a bit frequency.

비트 주파수로 변조된 광신호에서 광학오차가 존재하지 않는 경우 광신호는 '1+Cos[ωt-φ]'의 형식으로 표현되고, 광학오차를 유발하는 혼합성분 a가 존재하는 경우 광신호는 '1+a2+2aCos[φ-tω]+2aCos[tω]+Cos[φ-tω]+a2 Cos[φ+tω]'의 형식으로 표현된다.When there is no optical error in the optical signal modulated at the bit frequency, the optical signal is represented in the form of '1+ Cos [ωt-φ]'. When there is a mixed component a causing the optical error, the optical signal is' 1 + a 2 + 2a Cos [φ-tω] + 2a Cos [tω] + Cos [φ-tω] + a 2 Cos [φ + tω] '.

도 6에 도시된 바와 같이 혼합성분 a값의 증가함에 따라 실제값에 대한 광학오차는 점차 증가하게 된다. 예를 들어, 레이저광의 파장이 632㎚이고 혼합성분 a가 0.3인 경우에는 실제값에 대하여 30㎚ 정도의 광학오차가 발생함을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 6, as the mixed component a increases, the optical error with respect to the actual value gradually increases. For example, when the wavelength of the laser light is 632 nm and the mixed component a is 0.3, an optical error of about 30 nm may be generated with respect to the actual value.

상기와 같은 광학오차의 보상을 위해 헤테로다인 레이저 간섭계에는 기준 리플렉터(114)를 특정주파수로 진동시킴으로써 광학오차를 제거하는 바이브레이터(Vibrator)(145)가 구비된다.In order to compensate for such an optical error, the heterodyne laser interferometer is provided with a vibrator 145 for removing the optical error by vibrating the reference reflector 114 at a specific frequency.

바이브레이터(145)로는 기준 리플렉터(114)의 배면에 부착되는 피에조 플레이트(Piezo plate)가 채용되는 것이 바람직하다. 바이브레이터(145)는 그에 대응하는 드라이버(Driver)(144) 및 신호발생기(143)에 의해 구동되어 기준 리플렉터(114)에 대하여 수 ㎑ 정도의 바이브레이션을 가하는 작용을 하게 된다.As the vibrator 145, a piezo plate attached to the rear surface of the reference reflector 114 is preferably used. The vibrator 145 is driven by a driver 144 and a signal generator 143 corresponding to the vibrator 145 to act as a vibration of several degrees with respect to the reference reflector 114.

광학오차의 보정 처리를 위하여 헤테로다인 레이저 간섭계는 드라이버(144)에 연결된 구동신호 계측모듈(141)과, 위상검출기(130)에 연결된 광학오차 계측모듈(142)과, 위상검출기(130)와 광학오차 계측모듈(142)로부터 측정값을 입력받아 오차보정 제어를 수행하는 오차보정 회로모듈(140)을 포함한다.For the optical error correction process, the heterodyne laser interferometer includes a drive signal measurement module 141 connected to the driver 144, an optical error measurement module 142 connected to the phase detector 130, a phase detector 130, and an optical It includes an error correction circuit module 140 for receiving the measurement value from the error measurement module 142 to perform error correction control.

상기와 같은 구성에 의하면 위상검출기(130)에서 출력되는 신호에서 광학오차가 검출되었을 때 실시간으로 바이브레이터(145)를 구동하여 기준 리플렉터(114)를 특정주파수로 진동시켜 혼합성분을 제거함으로써 오차를 보상하는 것이 가능하다.According to the above configuration, when an optical error is detected in the signal output from the phase detector 130, the vibrator 145 is driven in real time to oscillate the reference reflector 114 at a specific frequency to remove the mixed component to compensate for the error. It is possible to.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.Although the present invention has been described above by means of limited embodiments and drawings, the present invention is not limited thereto and will be described below by the person skilled in the art to which the present invention pertains. Of course, various modifications and variations are possible within the scope of the claims.

100: 레이저 광원 110: 간섭 광학계
111: λ/4 플레이트 112: 빔 스플리터
113: 편광 빔 스플리터 114: 기준 리플렉터
115: 이동 리플렉터 116: 미러
117: 편광자 120: 광검출기
130: 위상검출기 145: 바이브레이터100: laser light source 110: interference optical system
111: lambda / 4 plate 112: beam splitter
113: polarization beam splitter 114: reference reflector
115: moving reflector 116: mirror
117: polarizer 120: photodetector
130: phase detector 145: vibrator

Claims (6)

기준광과 측정광 간의 경로차이에 따른 간섭현상을 이용하여 측정 대상체의 변위를 계측하는 헤테로다인 레이저 간섭계에 있어서,
적어도 2개의 주파수 성분을 갖는 레이저 빔을 생성하는 레이저 광원;
상기 레이저 빔의 경로를 분리하여 기준광과 측정광을 제공하는 간섭 광학계; 및
상기 기준광에 대응하는 전기적 광신호와 상기 측정광에 대응하는 전기적 광신호에 대하여 각각 제로 크로싱 타임을 계측하여 위상을 검출하는 TDC 모듈과, 상기 기준광과 측정광에 대응하는 광신호들 간의 위상차를 계산하는 로직 모듈을 구비한 위상검출기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 헤테로다인 레이저 간섭계.In the heterodyne laser interferometer for measuring the displacement of the measurement object using the interference phenomenon according to the path difference between the reference light and the measurement light,
A laser light source for generating a laser beam having at least two frequency components;
An interference optical system that separates a path of the laser beam and provides reference light and measurement light; And
A TDC module for detecting phase by measuring a zero crossing time with respect to the electrical light signal corresponding to the reference light and the electrical light signal corresponding to the measurement light, and calculating a phase difference between the optical signals corresponding to the reference light and the measurement light. Heterodyne laser interferometer comprising a; phase detector having a logic module. 제1항에 있어서,
상기 레이저 광원은 서로 수직하게 편광된 2개의 주파수 성분이 포함된 레이저 빔을 생성하는 것을 특징으로 하는 헤테로다인 레이저 간섭계.The method of claim 1,
Wherein said laser light source produces a laser beam comprising two frequency components polarized perpendicular to each other. 제2항에 있어서, 상기 간섭 광학계는,
상기 레이저 광원에서 생성된 레이저 빔에서 상기 기준광을 분리하는 빔 스플리터와,
상기 측정광을 제공하기 위하여 상기 레이저 빔에 포함된 2개의 주파수를 수평편광 성분과 수직편광 성분으로 분리하는 편광 빔 스플리터와,
고정상태에서 상기 수평편광 성분 및 수직편광 성분 중 어느 하나를 반사시키는 기준 리플렉터와,
측정 대상체에 장착되어 상기 수평편광 성분 및 수직편광 성분 중 다른 하나를 반사시키는 이동 리플렉터를 구비한 것을 특징으로 하는 헤테로다인 레이저 간섭계.The method of claim 2, wherein the interference optical system,
A beam splitter for separating the reference light from the laser beam generated by the laser light source;
A polarization beam splitter for splitting two frequencies included in the laser beam into a horizontal polarization component and a vertical polarization component to provide the measurement light;
A reference reflector reflecting any one of the horizontal polarization component and the vertical polarization component in a fixed state;
And a moving reflector mounted on a measurement object to reflect the other of the horizontal polarization component and the vertical polarization component. 제3항에 있어서,
상기 기준 리플렉터를 진동시켜 광학오차를 보정하는 바이브레이터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 헤테로다인 레이저 간섭계.The method of claim 3,
And a vibrator configured to vibrate the reference reflector to correct optical errors. 제4항에 있어서,
상기 바이브레이터는 상기 기준 리플렉터의 배면에 부착된 피에조 플레이트인 것을 특징으로 하는 헤테로다인 레이저 간섭계.The method of claim 4, wherein
The vibrator is a heterodyne laser interferometer, characterized in that the piezo plate attached to the back of the reference reflector. 제3항에 있어서, 상기 위상검출기는,
상기 기준광과 측정광에 포함된 2개 주파수의 합성에 따른 비트 주파수를 카운트하는 카운터;를 더 포함하고,
상기 로직 모듈은 상기 카운터의 카운트값과 상기 TDC 모듈의 계측값을 가산하여 위상차를 계산하는 것을 특징으로 하는 헤테로다인 레이저 간섭계.The method of claim 3, wherein the phase detector,
And a counter for counting bit frequencies according to the combination of two frequencies included in the reference light and the measurement light.
And the logic module calculates a phase difference by adding a count value of the counter and a measured value of the TDC module.
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