KR20150040744A

KR20150040744A - 광학적 위치 측정 장치

Info

Publication number: KR20150040744A
Application number: KR20140126684A
Authority: KR
Inventors: 볼프강 닥터. 홀자펠; 요르그 닥터. 드레셔; 로버트 닥터. 켈르너; 마커스 닥터. 마이스너
Original assignee: 덕터 요한네스 하이덴하인 게엠베하
Priority date: 2013-10-07
Filing date: 2014-09-23
Publication date: 2015-04-15
Also published as: KR102088869B1; TW201527712A; EP2857802A2; DE102014218623A1; US20150098090A1; CN104515468B; JP2015075486A; EP2857802A3; JP6320267B2; ES2604157T3; TWI627379B; US9410797B2; EP2857802B1; CN104515468A

Abstract

본 발명은 서로에 대하여 이동할 수 있는 두 개의 물체의 위치를 측정하는 광학적 위치 측정 장치에 관한 것으로, 두 물체 중 하나에 연결되는 측정 눈금; 및 상기 두 물체 중 다른 하나와 연결되고 상기 측정 눈금을 스캐닝하는 스캐닝 시스템을 포함하는 광학적 위치 측정 장치에 관한 것이다. 상기 스캐닝 시스템에 의해서 물체의 제1 측방향 변위 방향은 물론 수직 변위 방향을 따라서 위치 결정이 동시에 가능하다. 이를 위하여 상기 스캐닝 시스템의 측면들에는, 중첩되는 부분 광빔으로부터 출력 측으로 일 그룹의 위상 지연된 신호들이 생성될 수 있는 두 개의 스캐닝 빔 경로가 각각 형성된다. 물체의 제2 측방향 변위 방향(X)을 따라 위치 결정이 가능한 적어도 하나의 제3 스캐닝 빔 경로가 상기 스캐닝 시스템에 의해서 더 형성된다. 광원의 광선이 제1 광가이드 및 세 스캐닝 빔 경로 모두에 대한 공동의 커플링 광학 장치에 의해서 상기 스캐닝 시스템에 전달될 수 있다. 상기 세 스캐닝 빔 경로에서 생성된 간섭하는 부분 광빔은 공동의 아웃커플링 광학 장치를 통해서, 상기 광빔을 검출 장치에 전달하는 제2 광가이드에 커플링될 수 있다.

Description

광학적 위치 측정 장치{OPTICAL POSITION MEASUREMENT APPARATUS}

본 발명은 서로에 대하여 이동할 수 있는 두 개의 물체의 상대적 위치를 매우 정밀하게 결정하는데 적합한, 청구항 1항에 따른 광학적 위치 측정장치에 관한 것이다.

이와 같은 용도에 적합한 광학적 위치 측정 장치는 출원인의 EP 1 762 828 A2 에 개시되어 있다. 상기 장치는 두 물체 중 하나에 연결되는 측정 눈금 및 두 물체 중 다른 하나에 연결되고 상기 측정 눈금을 스캐닝하는 스캐닝 시스템을 포함한다. 이때 상기 스캐닝 시스템은, 상기 스캐닝 시스템에 의해서 물체의 제1 측방향의 변위 방향 뿐만 아니라 수직 변위 방향을 따라서도 위치 결정이 동시에 가능하도록 형성된다. 제1 측방향 변위 방향 및 수직 변위 방향에서의 위치 결정을 위해서 상기 스캐닝 시스템의 측면에는 제1 및 제2 스캐닝 빔 경로가 형성되며, 이 경로에서 서로 간섭하고 광검출기에서 주기 신호를 생성하는 위상 지연된 일 그룹의 신호들이 거울 대칭이 아니면서 간섭하는 각각 두 개의 부분 광빔으로부터 출력 측에서 생성될 수 있다.

실제적으로 광원의 광선은 제1 광가이드에 의해 스캐닝 시스템에 전달된다. 이에 따라, 광원은 측정 장소로부터 떨어져 배치될 수 있다. 또한, 상기 스캐닝 시스템에 의해 공급된 간섭 부분 광빔을 제2 광가이드에 의해 검출 장치에 전달하여 이러한 방식으로 검출 장치의 방해를 최소화하도록 한다.

본 발명의 과제는 공지의 광학적 위치 측정 장치를 더 개선하여, 물체의 제2의 측방향 변위 방향에 따른 위치 결정도 가능하게 하는 것이다.

상기한 과제는 본 발명에 따른 청구항 1항의 특징들을 포함하는 장치에 의해서 달성된다.

본 발명에 따른 광학적 위치 측정 장치의 바람직한 실시예들은 종속 청구항에 상술된 사항에 나타나 있다.

본 발명에 따른, 서로에 대하여 이동할 수 있는 두 개의 물체의 위치를 측정하는 광학적 위치 측정 장치는 두 물체 중 하나에 연결되는 측정 눈금; 및 상기 두 물체 중 다른 하나와 연결되고 상기 측정 눈금을 스캐닝하는 스캐닝 시스템을 포함하고, 상기 스캐닝 시스템에 의해서 물체의 제1 측방향의 변위 방향은 물론 수직 변위 방향을 따라서 위치 결정이 동시에 가능하고, 이를 위하여 상기 스캐닝 시스템의 측면들에는, 중첩되는 부분 광빔으로부터 출력 측으로 일 그룹의 위상 지연된 신호들이 생성될 수 있는 두 개의 스캐닝 빔 경로가 각각 형성된다. 물체의 제2 측방향의 변위 방향(X)을 따라 위치 결정이 가능한 적어도 하나의 제3 스캐닝 빔 경로가 상기 스캐닝 시스템에 의해서 더 형성된다. 광원의 광선이 제1 광가이드 및 세 스캐닝 빔 경로 모두에 대한 공동의 커플링 광학 장치에 의해서 상기 스캐닝 시스템에 전달될 수 있다. 상기 세 스캐닝 빔 경로에서 생성된 간섭하는 부분 광빔은 공동의 아웃커플링 광학 장치를 통해서, 상기 광빔을 검출 장치로 전달하는 제2 광가이드에 커플링될 수 있다.

상기 스캐닝 시스템은 커플링 광학 장치로부터 입사하는 광빔을 상기 세 스캐닝 빔 경로로 분할하고, 상기 분할 격자의 +/- 1차 회절 차수가 제1 및 제2 스캐닝 빔 경로에 할당되고 0차 회절 차수가 제3 스캐닝 빔 경로에 할당되는 분할 격자를 입력 측에 포함하는 것이 바람직하다.

상기 제3 스캐닝 빔 경로에서는 부분 광빔이 측정 눈금 쪽으로 향하고, 상기 측정 눈금에서 상기 스캐닝 시스템 방향으로 재반사되는 두 개의 또 다른 부분 광빔으로의 분할이 실시되고, 상기 부분 광빔은 각각 역반사되고 상기 제2 측방향 변위 방향(X)을 따라서 변위되고 다시 상기 측정 눈금 방향으로 향하고, 간섭 상태로 중첩된 후 상기 스캐닝 시스템 쪽으로 다시 향하고, 다수의 위상 지연된 신호들이 상기 제2 측방향 변위 방향(X)에 따른 상대적 이동에 관하여 검출될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 스캐닝 시스템은 광학 소자를 포함하고, 측정 눈금을 향하는 상기 광학 소자의 면에는 상기 다양한 스캐닝 빔 경로에 일정하게 할당되고 투과 격자를 포함하는 다수의 격자 영역 및 커플링 측 분할 격자와 아웃커플링 측 분할 격자가 배치된다.

상기 제2 측방향 변위 방향에 따른 상기 격자 영역 사이 및 아웃커플링 격자 사이의 오프셋 거리들은 동일하게 정해질 수 있다.

또한, 상기 광학 소자와 측정 눈금 사이에는 측방향 길이에 대하여 모든 스캐닝 빔 경로 이상으로 연장되는 커버 글래스가 배치될 수 있다.

또한, 상기 광학 소자와 상기 측정 눈금 사이에는 열적으로 보상되는 유리체가 배치되어 온도 변화가 유리를 통과하는 부분 광빔의 광학 경로 길이를 변경시키지 않을 수 있다.

또한, 제2 광가이드가 스캐닝 빔 경로 당 각각 세 개의 멀티모드 섬유를 포함하고, 상기 멀티모드 섬유는 커플링 측 단부에서 공동의 페룰에 배치될 수 있다.

바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 제1 및 제2 측방향 변위 방향(Y, X)은 서로 수직으로 배향되고 상기 측정 눈금은 교차 격자로서 형성된다.

세 변위 방향 모두의 스캐닝 빔 경로는 공동의 스캐닝 중심을 가지는 것이 바람직하다.

또한, 적어도 하나의 부분 광빔이 스캐닝 빔 경로에서 측정 눈금 상에서의 제1 및 제2의 충돌 사이에서 각각의 변위 방향을 따라 변위될 수 있다.

또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 부분 광빔의 역반사를 위하여 상기 광학 소자는 다수의 기능을 통합하는 회절 소자들을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 광학 측정 장치를 사용하면, 이동하는 두 개의 물체 사이의 상대적 위치를 더 구비되는 적어도 하나의 측방향 변위 방향을 따라 더욱 정밀하게 결정할 수 있다. 이때 측정 장소에 위치한 스캐닝 시스템은 완전히 수동 상태로(passive) 형성될 수 있는데, 다시 말해서, 고정밀 응용분야에서 경우에 따라 위치 결정 시 측정 정확도를 저해할 수 있는, 광원에 의한 입열(heat input)이 발생하지 않도록 형성될 수 있다. 이것은 실질적으로 광원의 접합 및 광가이드에 의해 스캐닝 시스템에 배치된 검출 장치에 의해서 보장된다. 이때, 본 발명에 따른 광학적 위치 측정 장치의 모든 변위 방향 내지 측정 방향에 대하여 공동의 커플링 광학 장치(coupling lens) 및 아웃커플링 광학 장치가 상기 스캐닝 시스템과 광 가이드들 사이에 사용되는 것이 특히 바람직하다.

본 발명의 기타 세부사항 및 장점은 하기의 본 발명에 따른 장치에 대한 실시예의 상세한 설명에 도면을 참조하여 나와 있다.

도 1a 는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학적 위치 측정 장치의 스캐닝 빔 경로의 개략적인 제1 도면이다.
도 1b 는 본 발명의 일실시예에 따른 광학적 위치 측정 장치의 스캐닝 빔 경로의 개략적인 제2 도면이다.
도 1c 는 도 1a 및 1b 의 실시예들의 스캐닝 시스템의 스캐닝 플레이트 및 그 위에 배치된 광학 소자를 도시하는 평면도이다.
도 2a 는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 위치 측정 장치의 스캐닝 빔 경로의 개략도이다.
도 2b 는 도 2a 및 2b 의 광학적 위치 측정 장치의 스캐닝 시스템의 스캐닝 플레이트의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학적 위치 측정 장치의 스캐닝 시스템의 스캐닝 플레이트의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학적 위치 측정 장치의 스캐닝 빔 경로의 다양한 개략도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학적 위치 측정 장치의 스캐닝 빔 경로의 다양한 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학적 위치 측정 장치의 스캐닝 빔 경로 및 아웃커플링 광학 장치의 개략도이다.
도 7은 도 6의 실시예의 아웃커플링 광학 장치의 페룰(ferrule)의 평면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학적 위치 측정 장치의 페룰의 평면도이다.

본 발명에 따른 광학적 위치 측정 장치의 구체적인 실시예와 연관하여 설명하기 전에, EP 1 762 828 A2 에 공지된 위치 측정 장치의 개념을 먼저 간단히 설명한다. 상기 장치는 도입부에서 언급한 것처럼 두 개의 변위 방향 내지 측정축에 따른 위치 변경을 측정하는데 적합하다. 대응되는 스캐닝 시스템에는 두 개의 스캐닝 빔 경로가 서로 기울어져 형성되거나 또는 비대칭적으로 형성된다. 이때 광원으로부터 공급되는 광빔은 단일 모드 섬유로서 형성된 제1 광가이드에 의해서 스캐닝 시스템에 공급되고 상기 광가이드로부터 아웃커플링(outcoupling)된 후에 콜리메이션 광학 장치에 의해 콜리메이트된다. 그 후 상기 콜리메이트된 광빔은 두 측정축에 대한 두 개의 스캐닝 빔 경로가 분할되는 분할 격자에 도달한다. 이하 상기 두 측정축은 위치 측정 장치의 A-축 및 B-축이라고도 한다. 원래 관심 대상인 측방향 변위 방향(Y) 및 수직 변위 방향(Z)에 따른 위치 정보는 하기의 수학식 1a 및 1b에 따른 위치 신호(A, B)의 합계 및 차로부터 나온다.

[수학식 1a]

X = (A+B)/2

[수학식 1b]

Z = (A-B)/2*SPz/SPy

이때 SPz는 Z-방향으로의 신호 주기를 나타내고 SPy는 Y-방향으로의 신호 주기를 나타낸다.

광빔은 각각의 스캐닝 빔 경로에서 반사 격자로 형성된 측정 눈금 상에 도달하고, 그에 의해 회절 차수 +/- 1차 부분 광빔으로 분할되고 스캐닝 시스템 쪽으로 다시 회절된다. 스캐닝 시스템에서는 각각의 부분 광빔이 회절 지붕 프리즘(diffractive roof prism)에 의해서 측정 눈금 쪽으로 다시 안내된다. 상기 측정 눈금에서는 두 개의 부분 광빔이 각각 간섭되는데, 중첩된 부분 광빔은 이후 초점 렌즈(focusing lens) 및 시야 렌즈(field lens)로 구성되는 아웃커플링 광학 장치로 더 안내되어 그에 의해 여섯 개의 멀티 모드 광 가이드 섬유를 포함하는 제2 광가이드로 아웃커플링된다.

EP 1 762 828 A2 에 따른 원리에 기초하면 본 발명에 따른 광학적 위치 측정 장치의 경우 제1 측방향 변위 방향(Y)에 수직으로 배향된 제2 측방향 변위 방향을 따라 위치 측정을 하는 역할을 하는 축 내지 스캐닝 빔 경로가 더 구비된다; 이하 상기 제2 측방향 변위 방향은 변위 방향(X)라고 한다. 이때 측정 눈금의 측면에는 2차원 측정 눈금이 이른바 교차 격자(cross grid) 형태로 구비된다.

본 발명에 따른 광학적 위치 측정 장치의 일 실시예에 따른 스캐닝 빔 경로는 도 1a 및 도 1b 에서 다양한 단면도로 도시되어 있고 이하에서 설명한다. 도면에는 측정 눈금(10), 및 제1 측방향 변위 방향(Y) 및 수직 변위 방향(Z)을 따라 위치 변화를 측정하기 위한 스캐닝 빔 경로를 포함하는 스캐닝 시스템(20)이 점선 내지 실선으로 도시된다; 상기 구성요소들은 위에서 논의된 EP 1 762 828 A2의 공지된 스캐닝 빔 경로에 해당한다. 반면, 도 1a 및 1b에서 본 발명에 따라 추가되고 제2 측방향 변위 방향(X)을 따라 위치를 측정하기 위한 또 다른 스캐닝 빔 경로는 쇄선으로 도시되어 있다.

도면에 도시되지 않은 광원으로부터 입사하는 광빔은 EP 1 762 828 A2 에서와 유사하게 우선 상기 스캐닝 시스템(20)에서 커플링 측에 있는 분할 격자(21)에 입사하고, 이 때 총 세 개의 스캐닝 빔 경로로 분할된다. 본 발명에 따르면, A-축 및 B-축에 대하여 +/- 1차가 되는 부분 광빔에 추가적으로, 즉, 제1 및 제2 스캐닝 빔 경로에 대하여 상기 제2 측방향 변위 방향(X)을 따라 위치를 측정하기 위하여 회절 차수 0차가 되는 부분 광빔이 제3 스캐닝 빔 경로에 대하여 사용된다.

커플링 측의 분할 격자(21)로부터 오는 회절 차수 0차인 부분 광빔은 X-방향으로 상기 측정 눈금(10)에서 두 개의 +/- 1차 부분 광빔으로 분할되고 이들은 다시 스캐닝 시스템(20)으로 안내된다. 도 1a 의 도면에서 상기 제3 스캐닝 빔 경로의 +1차 부분 광빔은 분할된 이후 상기 측정 눈금(10)에서 왼쪽 아래로 향하고, -1차 부분 광빔은 오른쪽 아래로, 상기 스캐닝 시스템(20) 쪽으로 향한다. 그곳에서 상기 부분 광빔들은 개략적으로만 표시된 회절 지붕 프리즘으로 형성되는 광학 소자(22)에 도달된다. 상기 광학 소자는 제1 투과 격자, 반사기 및 제2 투과 격자로 형성된다. 상기 제1 및 제2 투과 격자는 측정 눈금(10)쪽을 대향하는 상기 광학 소자(22)의 상면에 장착된다. 상기 반사기는 상기 광학 소자(22)의 하면에 위치한다. 상기 제1 및 제2 투과 격자는 회절 구조로 형성되고 다수의 광학 기능을 통합한다. 이들은 각각 입사하는 부분 광빔을 측정 방향(X)으로 편향시키고 교차 방향(Y)에서 실린더 렌즈 기능에 의해서, 상기 반사기가 위치하고 있는 상기 광학 소자(22)의 하면 상에 포커싱한다. 반사기에서 반사된 이후 상기 부분 광빔은, 상기 부분 광빔을 다시 실린더 렌즈 기능에 의해서 Y-방향으로 콜리메이트하고 측정 방향(X)으로 편향시키는 상기 제2 투과 격자 상에 부딪힌다. 이에 따라 상기 두 개의 부분 광빔은 각각 입사방향과 반대로 그리고 측정 방향(X)에서 상기 광학 소자(22)로부터 동일한 정도로 변위되고 다시 상기 측정 눈금(10) 쪽으로 향한다. 투과 격자의 실린더 렌즈 기능 대신 부분 광빔들을 각각 두 방향(X 및 Y)으로 포커싱 내지 다시 콜리메이트하는 구면 렌즈 기능이 구비될 수도 있다. 이 지점에서 다양한 광학 기능들의 회절 구조에서의 중첩에 대해서 보충적으로 EP 1 739 395 A2가 참조된다. 그러면 상기 두 부분 광빔은 측정 눈금(10) 상에 부딪히고, 여기에서 이들은 다시 회절 차수 +1차 내지 -1차로 편향되어 중첩되고 간섭된다. 상기 중첩된 광빔은 여기서 이른바 가시선(line of sight)이라고 부르는 광학축에 대하여 평행하게 상기 스캐닝 시스템(20) 쪽으로 다시 향하여 A-축 및 B-축의 광선들과 함께 아웃커플링되고 도면에 도시되지 않은 검출 장치에 전달될 수 있도록 한다.

도 1b 는 본 발명에 따른 위치 측정 장치의 설명한 일 실시예의 YZ-평면에서의 단면도를 도시한다. 상기 도면을 보면 제3 스캐닝 빔 경로의 모든 광빔 및 부분 광빔이 X-변위를 측정하기 위하여 XZ 평면에서만 진행한다는 것이 분명하다.

또한, 도 1b에는, 도시되지 않은 광원으로부터의 광빔을 상기 스캐닝 시스템(20)에 전달하기 위한 제1 광가이드(31) 및 중첩된 광빔을 상기 스캐닝 시스템(20)으로부터 마찬가지로 도시되지 않은 검출 장치로 전달하기 위한 제2 광가이드(26)가 개략적으로 표시되어 있다.

도 1c에는 상기 스캐닝 시스템(20)의 일면의 일부분이 상당히 개략적으로 도시되어 있는데, 즉, 상기 측정 눈금(10)쪽을 향해 있고 상기 세 개의 스캐닝 빔 경로에서 요구되는 광선의 방향 전환을 일으키는, 적절히 형성된 투과 격자를 포함하는 다수의 격자 영역이 배치되는 상기 광학 소자(22)의 상면이 도시되어 있다. 이때 상기 다양한 격자 영역은 상기 도면에서 상기에서 설명한, 본 발명에 따른 위치 측정 장치의 다양한 축(A, B, X)에 대한 표기로 표시되고 이에 따라 상기 세 개의 다양한 스캐닝 빔 경로에 할당된다. 또한 도 1c 에는 광원으로부터 입사하는 광빔에 대한 커플링 측 분할 격자(21)가 도시되어 있고, 또한 세 개의 스캐닝 빔 경로의 재중첩된 광빔에 대한 아웃커플링 측 분할 격자(23)가 이웃하여 배치된 것이 도시된다.

격자 영역(A1-A4 및 B1-B4)에 배치되는 A-축 및 B-축의 투과 격자는 X-방향에서 실린더 렌즈로 기능하고 추가적인 중첩된 선형 격자에 의해서 Y-방향으로 편향된다. 격자 영역(X1-X4)에 배치되는 X-축의 투과 격자는 위에서 설명한 바와 같이 Y-방향에서 실린더 렌즈 역할을 하지만 중첩된 선형 격자에 의해서 마찬가지로 X-방향으로 편향된다. 격자 영역(A1-A4, B1-B4 및 X1-X4)의 모든 투과 격자의 렌즈 기능의 포커싱 평면은 각각 광학 소자(22)의 맞은 편의 하면에 위치한다.

실린더 렌즈 기능은 항상 각각의 측정 방향(X) 내지 (Y)에 수직하게 포커싱을 실시한다. 반면 편향 기능은 측정 방향을 가로지르는 편향을 포함할 수 있다. 편향 기능은 한편으로는 부분 광빔이 광학 소자(22)를 통과한 후 각각 역평행하게 측정 눈금(10) 쪽으로 되돌아가고 다른 한편으로는 소정의 오프셋 거리(offset distance)(δx, δy)를 가지도록 정해진다. 본 발명에 따르면 축(A), (B), 및 (X)의 세 스캐닝 빔 경로 모두에 대한 상기한 상기 오프셋 거리(δx, δy)는 동일하게 정해지고, 이때 δy = 0 일 때 상기 실시예에서는 단지 δx만 영(0)이 아니도록(non-zero) 정해진다. 이에 따라 중첩된 광빔은 XY 평면에서 동일한 위치에서 상기 아웃커플링 측 분할 격자(23) 상에 부딪히고 그곳에서 세 개의 중첩된 광빔으로 분할된다.

EP 1 762 828 A2에 상술된 것처럼, 도 1a 및 1b 에 따른 부분 광빔의 빔 경로에는 도시되지 않은, 각각 겹쳐진 부분 광빔을 서로에 대하여 직교하여 편광시키는 편광학적 구성요소가 장착된다. 이는 추가적인 (X)축에도 적용된다.

제2 변위 방향(X)을 따라 위치를 측정하기 위한 제3 스캐닝 빔 경로의 상기와 같은 구성의 주요 장점은, 스캐닝 중심은 물론 세 축(A), (B), 및 (X)의 이른바 중립적인 회전 중심이 합동이 되고 공동의 스캐닝 중심 내지 공동의 중립적인 회전 중심을 형성한다는 점이다. 이것은 스캐닝 빔 경로의 대칭의 결과이다. 커플링 측 분할 격자에서부터 측정 눈금까지의 스캐닝 빔 경로 및 측정 눈금에서부터 다시 아웃커플링 측 분할 격자까지의 스캐닝 빔 경로는 오프셋 거리(δx, δy)를 중심으로 한 병진 운동(translation)에 의해서 서로 뒤섞여 변환될 수 있다. 그에 따라 상기 공동의 중립적인 회전 중심은 커플링 측 및 아웃커플링 측 분할 격자 사이의 중간을 통과하는, Z-방향에 따른 하나의 축 상에 위치한다. 상기 축에 따른 공동의 중립 회전 중심의 정확한 Z-위치는 커플링 측 분할 격자의 격자 상수 및 측정 눈금을 특별히 선택함으로써 결정되고 여기에서는 더 이상 고려하지 않는다. 세 변위 방향(X, Y, 및 Z)에 대한 공동의 중립 회전 중심은 특별한 장점이 있다. 상기한 공동의 중립 회전 중심에 의해서 측정 눈금이나 스캐닝 유닛이 원하는 축을 중심으로 조금이라도 뒤집어지면 선형 근사 상태에서는 상기 위치 측정 장치의 어떠한 위치값(X, Y, 및 Z)도 이동되지 않는다. 이에 따라 상기 위치 측정 장치의 측정값들은 쉽게 해석될 수 있다. 상기 측정값들은 이동 가능한 물체의 위치를 상기한 공동의 중립 회전 중심의 위치에서 공급한다.

세 축(A, B 및 X)의 각각의 스캐닝 빔 경로가 서로 다른 중립 회전 중심을 가졌다면, 이동하는 물체의 물점에서의 XYZ-위치를 결정하기 위하여, 비용이 드는 위치값의 변환이 실시됐어야 한다.

본 발명에 따른 위치 측정 장치의 또 다른 실시예에 대하여 도 2a에는 본 발명에 따른 광학적 위치 측정 장치의 또 다른 실시예에 따른 스캐닝 빔 경로가 도시된다. 이때 왼쪽 도면에는 A 및 B 축에 대한 스캐닝 빔 경로가 개략적으로 도시되고, 오른쪽에는 X-축에 대하여 추가적으로 구비되는 제3 스캐닝 빔 경로가 도시된다. 도 2b는 도 1c와 유사하게 본 실시예에 따른 광학 소자의 상면 상의 다양한 격자 영역 및 분할 격자의 배치를 도시한다.

이하 본 실시예에 따른 제3 스캐닝 빔 경로를 설명한다. 여기서 격자 영역 및 분할 격자는 기본적으로 도 1a 내지 1c의 실시예와 동일한 순서로 통과된다. 그러나 각각의 투과 격자의 광학적 작용 및 상응하는 격자 영역의 배치는 위에서 설명한 실시예와 차이가 있다.

X-축에 할당되고, 커플링 측 분할 격자(21')로부터 회절 차수 0차로 벗어나는 부분 광빔은 측정 눈금(10')에 부딪히고, 측정 눈금에서 회절에 의하여 회절 차수 +1차 및 -1차의 두 개의 부분 광빔으로 분할된다. 이러한 부분 광빔은 다시 스캐닝 시스템 쪽으로 향한다. 그곳에서 부분 광빔은 광학 소자(22')에서 격자 영역(X1' 내지 X3') 상에 부딪힌다. 상기 격자 영역(X1', X3')에 배치되는 투과 격자는 다시 각각 다수의 광학 기능을 통합하도록 구성된다. 이에 따라 그 위에 입사하는 부분 광빔이 측정 방향(X)으로 편향되고(편향 격자 기능) 동시에 그에 수직으로 Y-방향으로 포커싱된다(실린더 렌즈 기능). 본 실시예에서는 격자 영역(X1', X3')의 투과 격자에 의해서 추가적으로 Y-방향으로의 편향(편향 격자 기능)이 실시된다. 투과 격자를 통해서 위와 같이 영향을 받은 부분 광빔의 초점은 다시 모든 부분 광빔에서 광학 소자(22')의 맞은 편 하면에 위치한 반사기 상에 위치한다. 상기 부분 광빔은 그곳에서 반사된 후 상기 광학 소자(22')에서 격자 영역(X2', X4') 상에 부딪힌다. 그곳에 배치되는 투과 격자는 마찬가지로 다시 다수의 광학적 기능을 통합한다. 그에 따라 부분 광빔은 상기한 실시예와 유사하게 다시 콜리메이트되고(실린더 렌즈 기능) 측정 방향(X)으로 편향된다(편향 격자 기능). 그에 따라 본 실시예에서는 추가적으로 Y-방향으로의 편향(편향 격자 기능)이 실시된다. 상기 격자 영역(X2', X4')으로부터 벗어나는 부분 광빔은 마지막으로 상기 측정 눈금(10') 상의 하나의 점에서 서로 중첩 및 간섭되고 이어서 스캐닝 시스템(20') 쪽으로 다시 향하고, 상기 스캐닝 시스템에서는 아웃커플링 광학 장치의 아웃커플링 측 분할 격자(23')를 통과하고 그 후 검출 장치 쪽으로 향한다.

도 2b의 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 실시예에서는 측정 방향은 물론, 제1 및 제2 통과 시 통과되는 각각의 모든 격자 영역이 상기 각각의 축의 측정 방향에 수직으로도 서로 변위되어 배치된다. 그에 따라 상기 격자(A1'-A4' 및 B1'-B4')의 선형 격자의 Y-편향은, 부분 광빔이 반사기에 의해서 광학 소자(22')의 배면에서 격자 영역(A1')에서 격자 영역(A3')으로, 격자 영역(A2')에서 격자 영역(A4')으로, 격자 영역(B1')에서 격자 영역(B3')으로, 그리고 격자 영역(B2')에서 격자 영역(B4')으로 도달할 수 있고, 이후 다시 측정 눈금(10')에서 서로 만나 제1 실시예에 대응되게 서로 간섭된 후 다시 아웃커플링 광학 장치에 도달할 수 있도록 조정된다.

본 실시예에서 도 2b의 도면에 따르면, 격자 영역(X2')에 대한 격자 영역(X1')의 오프셋 거리(δx, δy)는 X-방향 및 Y-방향에 대하여 각각 격자 영역(X4')에 대한 격자 영역(X3')의 오프셋 거리와 동일하고, 격자 영역(A3')에 대한 격자 영역(A1')의 오프셋 거리와 동일하고, 격자 영역(A4')에 대한 격자 영역(A2')의 오프셋 거리와 동일하고, 격자 영역(B3')에 대한 격자 영역(B1')의 오프셋 거리와 동일하고, 격자 영역(B4')에 대한 격자 영역(B2')의 오프셋 거리와 동일하다.

반면, 도 1a 내지 1c의 실시예에서는 세 스캐닝 빔 경로 모두에 대하여, 오프셋 거리가 δy=0으로 정해졌을 때, 격자 영역(A1, A2, B1, B2, X1, X3)의 오프셋 거리(δx)만 X-방향을 따라 격자 영역(A3, A4, B3, B4, X2, X4)에 대하여 존재한다. 도 2b에 따르면 본 실시예에서는, 세 스캐닝 빔 경로 모두에 대하여 격자 영역(A3', A4', B3', B4', X2', X4')에 대하여 δy ≠0 인, 격자 영역(A1', A2', B1', B2', X1', X3')의 오프셋 거리가 Y-방향을 따라서 추가적으로 마련된다.

도 1c 및 2b와 유사하게 본 발명에 따른 광학적 위치 측정 장치의 또 다른 실시예에 따른 광학 소자의 상면의 평면도가 도 3에 도시된다. 격자 영역(A1'-A4') 및 (B1'-B4')을 관통하는 A-축 및 B-축의 스캐닝 빔 경로에서의 부분 광빔의 진행 경로는 이전의 도 2b에 따른 실시예와 동일하다. 제3의 변위 방향을 따른 위치 측정은 이제 더 확대되어 앞에서의 두 변위 방향의 위치 측정과 유사하게 실시된다(A'-축 및 B'-축). 본 실시예에 따른 스캐닝 빔 경로 및 격자 영역(A'1''-A'4'') 및 (B'1''-B'4'')의 구성은 A-축 및 B-축의 스캐닝 빔 경로 및 격자 영역(A1''-A4'', B1''-B4'')에 대응되는데, 그러나 격자 영역(A'1''-A'4'') 및 (B'1''-B'4'')의 배열은 격자 영역(A1''-A4'') 및 (B1''-B4'')와 비교하여 Z-방향으로 90° 회전된 상태로 구비된다. 이에 따라, 측방향 변위 방향(X)의 측정에 추가적으로 수직의 변위 방향(Z)을 따라 여분의 측정을 실시할 수 있다. 상기한 여분의 수직 변위 방향(Z)의 측정에 의해서 오류의 영향이 평균에 의해서 감소되고 그에 따라 위치 측정 장치의 정확도가 개선될 수 있다.

EP 1 762 828 A2 에 공지된 위치 측정 장치에서는 두 개의 구비된 스캐닝 빔 경로의 부분 광빔이 각각 X-방향으로의 오프셋, 즉 단 하나의 측방향 측정 방향에 수직하게 다시 측정 눈금에 부딪힌다. 이와 반대로 상기에서 설명한 실시예들에 따른 본 발명에 따른 위치 측정 장치에서는 구비된 제3의 스캐닝 빔 경로의 두 부분 광빔이 비록 마찬가지로 X-방향으로 변위되기는 하지만 이것이 측방향 측정 방향을 따른 오프셋에 해당하는 것은 아니다.

상기 측정 눈금의 격자 상수 및 이웃한 격자 영역 사이의 오프셋 거리(δx 내지 δy)가 고정되면, 제2 측방향 변위 방향(X)에 따른 위치 측정을 위하여 추가적으로 구비되는 제3의 스캐닝 빔 경로로 인해서 측정 눈금과 스캐닝 시스템 사이의 스캐닝 간격이 고정된다.

또한, 본 발명에 따른 또 다른 장점은, 예를 들어 도 2a의 실시예에서 상기 오프셋 거리(δx, δy)를, 한편으로는 각각 동일한 부분 광빔이 통과되는 격자 영역(A1'-A4' 및 B1'-B4'), 즉, A1' 에서 A3'로, A2' 에서 A4'로, B1' 에서 B3'로, B2' 에서 B4'로 통과되는 격자 영역 및 아웃커플링 격자(21', 23')를 포함하는 영역 사이에서, 그리고 격자 영역(X1', X2')과 격자 영역(X3', X4') 사이에서 동일하게 정한다는 점이다.

격자 영역(A1'-A4' 및 B1'-B4') 사이의 오프셋 거리(δx)를 각각 최소한으로 했을 때, 제3의 스캐닝 빔 경로의 격자 영역(X1'-X4')은 서로 빽빽하게 배치되지 않아도 된다. 이에 따라 스캐닝 시스템의 광학 소자의 다양한 영역 사이에서의 오프셋 거리(δ)를 동일하게 하면 본 발명에 따른 위치 측정 장치는 최소한의 건축 면적을 갖게 된다.

또한 광학 소자의 상면과 측정 눈금 사이의 스캐닝 간격을 Δ 라고 하고, 측정 눈금의 격자 상수는 d, 사용된 광의 파장을 λ, 그리고 광학 소자 상의 이웃한 영역 간의 간격을 δ 라고 하면, 상기 스캐닝 간격 Δ 은 아래의 수학식 2에 따라 구해진다.

[수학식 2]

영역들 사이의 오프셋 거리(δ)는 응용 시 요구되는 스캐닝 시스템의 회전 공차로부터 나온다.

오프셋 거리가 δ=6 mm 이고, 파장이 λ=976 nm 이고, 측정 눈금의 격자 상수가 d=2.048 ㎛ 일 때, 그에 따라 광학 소자의 격자면과 측정 눈금 사이의 스캐닝 간격 Δ=22.137 mm 이 나온다. 이것은 단지 두 개의 스캐닝 빔 경로를 가지는 공지의 EP 1 762 828 A2의 위치 측정 장치와 비교했을 때 확대된 스캐닝 간격을 나타낸다. 위와 같이 공기 중에서 확대된 스캐닝 간격은 난기류 내지 굴절률 변동에 대하여 위치 측정 장치의 민감도를 높인다. 그러나 이러한 영향들은 본 발명에 따른 위치 측정 장치에서는 다양한 방식으로 보상될 수 있다.

제1 보상 실시예에서는 커버 글래스(40)를 스캐닝 빔 경로 전체에 배치함으로써 스캐닝 빔 경로들 전체를 주변 공기로부터 가능한 한 밀폐하여 차단할 수 있다. 본 발명에 따른 광학적 위치 측정 장치의 상응하게 형성된 실시예는 도 1a 및 1b 의 도면과 유사하게 도 4에 도시된다. 상기 커버 글래스(40)를 제외하고 상기 실시예는 이미 상세하게 설명한 제1 실시예와 동일하다. 이때 공기 중에서 측정 눈금(110)과 스캐닝 시스템(120) 사이에서 세 스캐닝 빔 경로에서의 자유로운 트랙을 최소한으로 하기 위하여 상기 커버 글래스(40)의 위치는 측정 눈금(110)에 가능한 한 가까이 위치해야 한다.

제2 보상 실시예는 유사한 도면으로 도 5에 도시된다. 스캐닝 시스템(220)과 측정 눈금(210) 사이의 자유로운 공기량은 열적으로 보상되는 유리체(50)에 의해서 가능한 한 완전히 충진된다. 이에 따라 공기 중의 압력, 온도, 또는 습도의 변화에 의한 굴절률 변동이 위치 측정에 영향을 끼칠 수 없다. 마찬가지로 빠른 환기도 가능하지 않다. 열적으로 보상되는 유리체(50)는 특히 A-축 및 B-축의 스캐닝 빔 경로와 관련이 있는데, 왜냐하면 유리에서는 다양한 각도 및 그에 따라 다양한 회절 차수로 인해 부분 광빔의 경로가 다양하기 때문이다. 보상되지 않은 유리체는 소정의 위치가 온도에 따라 달라지게 한다. 반면 X-축은 대칭적으로 형성된다. 이때, 두 회절 차수에서 유리 사이에 온도 구배가 존재하지 않는다는 것이 보장될 수 있는 한, 상기 유리체(50)는 반드시 열적으로 보상되어야 하는 것은 아니다.

이하, 도 6의 도면을 참조하여 본 발명에 따른 위치 측정 장치에서 세 스캐닝 빔 경로 모두를 통한, 출력 측에 구비되는 공동의 아웃커플링 광학 장치의 사용을 설명하며, 상기 세 스캐닝 빔 경로에서 발생한 간섭 부분 광빔이 상기 아웃커플링 광학 장치에 의해서, 하류에 배치된 검출 장치로 상기 광빔을 전달하는 제 2광가이드에 커플링된다.

보충적으로 이 시점에서 입력 측에서 광원의 광선이 제1 광가이드에 의해서 그리고 세 스캐닝 빔 경로 모두에 대하여 공동의 커플링 광학 장치에 의해서 스캐닝 시스템에 공급된다는 점을 다시 참조한다.

도 1b 와 유사하게 도 6의 왼쪽 부분에는 제1 실시예에 따른 세 개의 스캐닝 빔 경로가 개략적으로 도시된다. 도 6의 오른쪽 부분에는 세 스캐닝 빔 경로의 간섭하는 부분 광빔의 분할 및 상기 부분 광빔이 제2 광가이드에 의해서 아웃커플링되는 것이 다양한 단면으로 매우 개략적으로 도시된다. 이때 상기 세 개의 표시된 스캐닝 빔 경로에 추가적으로, 포커싱 렌즈(24), 시야 렌즈(25), 아웃커플링 측의 분할 격자(23) 및 총 9개의 멀티모드-광가이드 섬유(27)를 포함하는 제2 광가이드(26)가 도시된다. 본 발명에서 세 스캐닝 빔 경로 모두에 의해서 사용되는 아웃커플링 광학 장치는 상기 포커싱 렌즈(24), 상기 아웃커플링 측 분할 격자(23) 및 상기 시야 렌즈(25)를 포함한다.

상기 세 스캐닝 빔 경로의 중첩되는 광빔은 YZ 평면에서, 보이는 것처럼 다양한 방향에서 상기 분할 격자(23) 및 상기 두 렌즈(24, 25) 상에 부딪힌다. 그에 따라 이들은 상기 렌즈(24, 25)를 통과한 이후 포커싱 평면에서 공간적으로 분리되어, 모두 하나의 페룰(28)에서 소정의 배치로 고정될 수 있는 상기 제2 광가이드(26)의 멀티모드 광가이드 섬유(27)에 같이 커플링될 수 있다. 이때 상기 시야렌즈(25)는 분할된 광선을 평행하게 하는 역할을 함으로써 상기 멀티모드 광가이드 섬유(27)가 일정한 각도로 상기 페룰(28) 안에 장착되지 않아도 된다. 스캐닝 빔 경로 당 세 개의 멀티모드 광가이드 섬유(27)를 포함하는 상기 페룰(28)의 평면도가 도 7에 도시된다. 도면에서 보이는 바와 같이, 축(A, B, X)의 세 개의 중첩되는 부분 광빔은 X-방향으로 각각 세 개의 중첩되는 부분 광빔으로 분할되고, 해당 멀티모드 광가이드 섬유(27)로 각각 커플링된다. 상기 페룰(28)의 측면들에는, 각각 120°로 위상 지연되고 위치에 따라 달라지는 신호들이 강도 변조(intensity modulation)의 형태로 생성되도록 배향되는 - 도 7에만 도시된 - 편광자가 상기 멀티모드 광가이드 섬유(27)의 각각에 장착된다. 개별적인 편광자 대신 공통의 유리 기판 상에 배치되고 편광축이 격자의 배향에 의해 결정되는 회절 편광자가 사용될 수 도 있다.

이때, 도 7에 따르면 상부 및 하부 열에는 각각 세 개의 멀티모드 광가이드 섬유(27)가 A-축 및 B-축의 신호들에 대하여 구비되고, 반면 중앙에는 상기 제3의 스캐닝 빔 경로에 속하는 세 개의 멀티모드 광가이드 섬유(27)가 구비된다.

동일한 원리에 기초하여 도 3에 따른 본 발명에 따른 위치 측정 장치의 실시예에서 광빔은 아웃커플링 광학 장치에 의해서 각각 세 개의 부분 광빔으로 분할된다. 그러나 이러한 경우 총 네 개의 부분 광빔이, 구비되는 네 개의 스캐닝 빔 경로로부터 각각 세 개의 부분 광빔으로 분할되는데, 즉, A-축 및 B-축, 및 A'-축 및 B'-축의 부분 광빔으로 분할된다. 분할 격자를 22.5° 이하에서 그리고 Y-축에 대하여 배치함으로써 도 8에 따른 페룰 배치에 의해서 부분 광빔을 총 12개의 멀티모드 광가이드 섬유(27')로 안내하는 것이 가능하다. 한데 속하고 120°로 위상 지연된, 각각의 축(A, B, A', B')의 신호들은 각각 도 8에 기재된 직사각형으로 도시된다. 개별적으로 장착되거나 회절적으로 구현되어 공동의 유리 기판 상에 장착될 수 있는 편광자는 도 8에 도시하지 않았다.

물론 구체적으로 설명된 실시예 외에도 본 발명의 범위 내에서 기타 실시 가능성이 존재한다.

Claims

두 물체 중 하나에 연결되는 측정 눈금; 및 상기 두 물체 중 다른 하나와 연결되고 상기 측정 눈금을 스캐닝하는 스캐닝 시스템을 포함하고, 상기 스캐닝 시스템에 의해서 물체의 제1 측방향 변위 방향은 물론 수직 변위 방향을 따라서 위치 결정이 동시에 가능하고, 이를 위하여 상기 스캐닝 시스템의 측면들에는, 중첩되는 부분 광빔으로부터 출력 측으로 일 그룹의 위상 지연된 신호들이 생성될 수 있는 두 개의 스캐닝 빔 경로가 각각 형성되는, 서로에 대하여 이동할 수 있는 두 개의 물체의 위치를 측정하는 광학적 위치 측정 장치로서,
물체의 제2 측방향 변위 방향(X)을 따라 위치 결정이 가능한 적어도 하나의 제3 스캐닝 빔 경로가 상기 스캐닝 시스템에 의해서 더 형성되고,
광원의 광선이 제1 광가이드 및 세 스캐닝 빔 경로 모두에 대한 공동의 커플링 광학 장치에 의해서 상기 스캐닝 시스템에 전달될 수 있고,
상기 세 스캐닝 빔 경로에서 생성된 간섭하는 부분 광빔은 공동의 아웃커플링 광학 장치를 통해서, 상기 광빔을 검출 장치에 전달하는 제2 광가이드에 커플링될 수 있는 것을 특징으로 하는,
광학적 위치 측정 장치.
제1항에 있어서,
상기 스캐닝 시스템은 커플링 광학 장치로부터 입사하는 광빔을 상기 세 스캐닝 빔 경로로 분할하고, 상기 분할 격자의 +/- 1차 회절 차수가 제1 및 제2 스캐닝 빔 경로에 할당되고 0차 회절 차수가 제3 스캐닝 빔 경로에 할당되는 분할 격자를 입력 측에 포함하는 것을 특징으로 하는,
광학적 위치 측정 장치.
제1항에 있어서,
상기 제3 스캐닝 빔 경로에서는 부분 광빔이 측정 눈금 쪽으로 향하고, 상기 측정 눈금에서 상기 스캐닝 시스템 방향으로 재반사되는 두 개의 또 다른 부분 광빔으로 분할되고, 상기 부분 광빔은 각각 역반사되고 상기 제2 측방향 변위 방향(X)을 따라서 변위되고 다시 상기 측정 눈금 방향으로 향하고, 간섭 상태로 중첩된 후 상기 스캐닝 시스템 쪽으로 다시 향하고, 다수의 위상 지연된 신호들이 상기 제2 측방향 변위 방향에 따른 상대적 이동에 관하여 검출될 수 있는 것을 특징으로 하는,
광학적 위치 측정 장치.
제1항에 있어서,
상기 스캐닝 시스템은 광학 소자를 포함하고, 측정 눈금을 향하는 상기 광학 소자의 면에는 다양한 상기 스캐닝 빔 경로에 일정하게 할당되고 투과 격자를 포함하는 다수의 격자 영역 및 커플링 측 분할 격자와 아웃커플링 측 분할 격자가 배치되는 것을 특징으로 하는,
광학적 위치 측정 장치.
제4항에 있어서,
상기 제2 측방향 변위 방향(X)에 따른 상기 격자 영역 사이 및 아웃커플링 격자 사이의 오프셋 거리들은 동일하게 정해지는 것을 특징으로 하는,
광학적 위치 측정 장치.
제4항에 있어서,
상기 광학 소자와 측정 눈금 사이에는 측방향 길이에 대하여 모든 스캐닝 빔 경로 이상으로 연장되는 커버 글래스가 배치되는 것을 특징으로 하는,
광학적 위치 측정 장치.
제4항에 있어서,
상기 광학 소자와 상기 측정 눈금 사이에는 열적으로 보상되는 유리체가 배치되어 온도 변화가 유리를 통과하는 부분 광빔의 광학 경로 길이를 변경시키지 않는 것을 특징으로 하는,
광학적 위치 측정 장치.
제1항에 있어서,
제2 광가이드가 스캐닝 빔 경로 당 각각 세 개의 멀티모드 섬유를 포함하고, 상기 멀티모드 섬유는 커플링 측 단부에서 공동의 페룰에 배치되는 것을 특징으로 하는,
광학적 위치 측정 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 측방향 변위 방향(Y, X)은 서로 수직으로 배향되고 상기 측정 눈금은 교차 격자로서 형성되는 것을 특징으로 하는,
위치 측정 장치.
제1항에 있어서,
세 변위 방향(X, Y, Z) 모두의 스캐닝 빔 경로는 공동의 스캐닝 중심을 가지는 것을 특징으로 하는,
위치 측정 장치.
제1항에 있어서,
적어도 하나의 부분 광빔이 스캐닝 빔 경로에서 측정 눈금 상에서의 제1 및 제2의 충돌 사이에서 각각의 변위 방향(X)을 따라 변위되는 것을 특징으로 하는,
위치 측정 장치.
제3항 및 제4항에 있어서,
상기 부분 광빔의 역반사를 위하여 상기 광학 소자는 다수의 기능을 통합하는 회절 소자들을 포함하는 것을 특징으로 하는,
위치 측정 장치.