KR20200121346A - 광학 측정 장치용 스케일 요소 - Google Patents

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피직 인스트루멘테 (페이) 게엠베하 운트 코. 카게
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Abstract

본 발명은 증분형 인코더(incremental encoder) 및 간섭계 센서 시스템(interferometric sensor system)을 포함하는 광학 측정 장치용 스케일 요소(1)에 관한 것으로, 상기 스케일 요소(1)는 그 표면 중 하나에 반사층(4)을 가지며, 이는 간섭계 센서 시스템과의 협력을 위해 제공되며, 상기 스케일 요소(1)는 상기 반사층(4)으로부터 멀어지고 이격된 방향으로 배열되고, 상기 증분형 인코더와 협력을 위해 제공되는 재료 치수(3)를 더 포함하고, 상기 반사층(4)은 특정 파장의 광에 대해서는 투명하고 다른 파장의 광에 대해서는 반사성(reflective)이도록 설계된다.

Description

광학 측정 장치용 스케일 요소
본 발명은 청구항 1 내지 4에 따른 2개의 상이한 센서 시스템, 즉 증분 인코더(incremental encoder) 및 간섭계 센서 시스템(interferometric sensor system)을 포함하는 광학 측정 장치용 스케일 요소에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 측정 장치를 갖는 포지셔닝 장치에 관한 것이다.
복수의 자유로들 포함하는 포지셔닝 요소의 포지션 및 위치를 검출하기 위한 측정 장치는 보통 연관된 스케일 요소를 갖는 센서 시스템을 사용한다. 센서 시스템은 용량성(capacitive), 유도성(inductive), 또는 광학 원리에 따라 작동할 수 있다. 만일, 센서 시스템의 측정 범위가 필요한 분해능을 100,000배 이상 초과하면, 증분(incremental) 시스템이 필요하다. 나노미터 또는 피코미터 범위의 분해능의 경우, 보통 광학 증분 센서 시스템이 사용된다.
3 자유도에 대한 포지셔닝 요소의 포지션 및 위치를 검출하는 측정 장치에서, 즉 x 및 y의 두 방향으로의 변환은, 서로 수직이고 동일한 평면에 있고, X 및 y축에 대하여 수직인 z 방향에 대하여 회전하는 증분형 인코더는 고해상도와 넓은 이동 번위를 허용하기 때문에 유리하다. 이러한 증분형 인코더의 센서 헤드는 몇 밀리미터의 큰 거리 허용 오차를 허용하도록 설계될 수 있다. 따라서 추가 증분형 센서를 사용하여, 예를 들어 세 지점에서 높이 또는 거리를 결정하고, x 및 y축에 대한 포지셔닝 요소의 기울기를 결정할 수 있다. 이는 또한 포지셔닝 요소의 팁틸트(tip-tilt) 포지션 또는 팁틸트 각도의 측정 또는 검출에 관한 것이다.
광학 간섭계 센서 시스템은 바람직하게는 포지셔닝 요소의 Z 방향 및 팁틸트 각도에서의 변환(translation)을 결정하는데 사용된다. 이러한 센서 시스템은 변환 또는 거리 변경을 결정하거나 피코미터 범위까지 기울이는데 사용될 수 있다.
광학 증분형 인코더와 광학 간섭계 센서 시스템을 결합하여, 예를 들어, 6D 포지셔닝 플랫폼의 세 공간 방향 (X, Y, Z) 및 세 공간 축 X, Y 및 Z 주위의 회전 (즉, 기울기 또는 팁-틸트 각도 및 회전 각도)을 감지할 수 있다.
광학 증분형 인코더에서, 스케일 요소는 보통 실질적으로 2차원 그리드(2D 그리드라고도함)에 의하여 형성되며, 스케일 요소의 표면 또는 포지셔닝 요소의 표면에 복수의 점 형태로 포지셔닝 요소의 표면에 배열된, 재료 측정(material measure)로 구성된다. 증분형 인코더의 광원의 광은 이 그리드 또는 2D 그리드에서 반사되며, 이에 따라 포지셔닝 요소의 포지션 변화는 반사된 광의 측정 신호로부터 결정될 수 있다. 재료 측정의 세번째 치수, 즉 두께 또는 개별 점의 두께는 해당 포지션 측정 상 영향을 미치지 않거나 무시할 수 있는 정도이다.
광학 간섭계 센서 시스템에서 스케일 요소는 일반적으로 광학 간섭계 센서 시스템의 광원의 빛이 반사되는 반사 표면을 포함하는 것으로, 이에 의해, 다른 것들 중에서, 각각의 측정 위치에서의 거리의 변화는 다르게 유도된 광선의 통과 시간(transit time)의 차이로부터 추론될 수 있다.
US 7 292 312 B2는 기판 테이블의 움직임을 제어하거나 조절하기 위한 광학 측정 장치를 설명하고, 상기 광학 측정 장치는 적어도 3개의 간섭계 인코더 시스템의 조합을 가지며, 각 간섭계 인코더 시스템은 1- 또는 2차원 인코더 그리드, 광학 센서 및 간섭계를 포함한다. 3 개의 간섭계 인코더 시스템의 조합은 기판 테이블의 포지션 및 위치를 결정할 수 있는 도움으로 적어도 6개의 포지션 값을 제공한다.
US 2004/0263846 A1은 적어도 하나의 평면에서 마스크 테이블의 위치를 검출하기 위한 측정 장치를 개시하고, 상기 측정 장치는 상기 마스크 테이블에 장착된 대응하는 회절 그리드와 상호 작용하는 적어도 하나의 인코더 판독 헤드를 포함한다. 상기 마스크 테이블의 추가 포지션 데이터의 검출을 위하여 US 2004/0263846 A1은 광학 거리 센서 또는 커패시티브(capacitive)의 사용을 제안한다.
광학 증분형 인코더와 광학 간섭계 센서 시스템을 포함하는 결합된 센서 시스템의 경우, 두 센서 시스템 각각이 고유하고 할당된 차원 요소에 대해 작동하거나 측정하는 것이 가능하다. 그러나 소형화 및 낮은 복잡성 때문에, 두 센서 시스템 모두 공통 스케일 요소에 대하여만 작동 가능하거나 측정하는 것이 유리하다. 그러나, 만일 두 시스템이 스케일 요소와 반사 층이 모두 배열된 스케일 요소의 동일한 표면에 대해 측정하면, 특정 단점이 발생한다. 이는 주로 광학 간섭계 센서 시스템의 측정이 증분형 인코더의 재료 측정에 의해 부정적인 영향을 받기 때문이다. 이는 2차원 그리드의 정렬에 따른 두께가 얇거나 변동하는 두께조차도 매우 정확한 광학 간섭 측정에 영향을 미치기 때문이다. 2차원 그리드 또는 XY 그리드의 반사점 영역에서, 예를 들어, 광학 간섭계 센서 시스템의 센서 헤드와 측정 또는 포지셔닝 요소 사이의 거리는 두개의 인접하거나 인접한 점 사이의 영역보다 더 작은 거리가 측정된다.
US 8 760 622 B2는 간섭계 센서 시스템의 광을 반사하는 역할을 하는 표면과 포지셔닝 요소의 다른 표면에서의 증분형 인코더의 재료 측정을 제공하도록 제안함으로써 본 문제를 방지한다. 그러나, 재료 측정 및 반사 표면 사이의 해당 간격을 두고 배치하면 Abbe 원리를 위반하고, 측정 시스템을 위한 추가 공간이 제공되어야만 한다는 단점이 있다. 또한, 이 배열은 증분형 인코더의 한계 내에서 거리를 측정하기 위한 소형 센서 헤드와 함께 사용하기에 적합하지 않다.
따라서, 본 발명의 목적은 증분형 인코더 및 간섭계 센서 시스템의 조합을 포함하는 광학 측정 장치용 스케일 요소를 제공하는 것이며, 증분형 인코더 및 간섭계 센서 시스템 모두 간섭계 센서 시스템의 측정이 증분형 인코더의 재료 측정(material measure)에 영향을 받지 않고 스케일 요소의 동일한 표면에 대해 측정할 수 있다.
이 목적은 청구항 1에 따른 스케일 요소에 의하여 해결되며, 이에 따라 후속하는 하위 청구항은 적어도 유용한 추가 개발을 나타낸다.
본 발명에 따른 스케일 요소는 간섭계 센서 시스템과 상호 작용을 하도록 제공되는 표면 중 하나에 반사 표면을 가지고, 스케일 요소는 반사 층에서 멀어지는 방향으로 배열되고 증분형 인코더와 협력을 위해 제공되는 재료 측정(material measure)를 포함하고, 상기 반사 층은 제 1 파장 영역의 특정 파장에 대한 광에 대해 대체로 투명하고 제 2 파장 범위의 다른 파장의 광에 대해 부분적으로 또는 완전히 투명하고, 제 1 파장 범위와 제 2 파장 범위는 서로 완전히 다르다.
재료 측정이 반사 층과 동일한 평면 내에서 형성되지 않으나, 반사 층으로부터 멀어지는 방향으로 떨어져 있기 때문에, 증분형 인코더의 재료 측정은 간섭계 센서 시스템에 의해 검출된 측정 신호에 부정적인 영향을 미치지 않는다. 그러나, 이는 광의 파장에 부분적으로 투명한 반사층과 결합해서만 가능한 것으로, 제 1 파장 영역의 증분형 인코더의 파장이 거의 방해받지 않고 반사 층을 통과할 수 있고 그 아래 재료 측정(material measure)에 의해 반사되며, 반면에 제 2 파장 범위의 간섭계 센서 시스템 파장은 반사 층에 의해 완전히 또는 거의 반사된다.
재료 측정이 반사 층이 제공된 표면의 반대편에 있는 스케일 요소의 표면에 위치하는 것이 유리하다. 이는 스케일 요소의 제조를 비교적 쉽게 할 수 있다.
스케일 요소가 유리형 재료의 기판으로 구성되는 것이 또한 유리할 수 있다. 이는 재료 측정(material measure)을 관통하는 증분형 인코더의 파장dl 감쇠되지 않거나 약간만 감쇠되도록 보장한다.
또한, 기판이 경화된 사파이어 유리로 구성되는 것이 유리할 수 있다. 이는 사용 중에 불리한 변형 없이 비교적 큰 치수로 수십분의 1밀리미터의 두께로 생산될 수 있다.
반사층이 배열된 스케일 요소의 표면이 10분의 1밀리미터에서 수 마이크로 미터의 평탄도를 갖는 것도 유리할 수 있는데, 이는 이 표면이 간섭계 센서 시스템에 대한 기준을 형성하기 때문이다. 이는 평탄도 오류의 일반적인 매핑에 대한 노력을 최소화한다.
본 발명은 또한, 특히 증분형 인코더, 간섭게 센서 시스템 및 선행하는 청구항 중 하나의 스케일 요소를 갖는 포지셔닝 요소의 고정밀 포지션 및/또는 위치 검출을 위한 광학 측정 장치에 관한 것이다.
상기 증분형 인코더는 판독 헤드, 제 1 파장의 광을 방출하는 제 1 광원, 및 상기 판독 헤드와 관련된 상기 스케일 요소(1)의 재료 측정(3)을 포함하고,
상기 간섭계 센서 시스템은 센서 헤드, 제 2 파장의 광을 방출하는 제 2 광원, 및 상기 판독 헤드 및 상기 센서 헤드를 향하는, 상기 센서 헤드와 관련된, 상기 스케일 요소(1)의 상기 반사층(4)을 포함하고, 상기 반사층(4)은 상기 제 1 파장의 광에 대해서는 투과성이고, 상기 제 2 파장의 광에 대해서는 반사성이며, 상기 간섭계 센서 시스템은 상기 반사층(4)에 의하여 반사되고 측정을 위한 상기 측정 헤드에 의해 검출된 상기 제 2 파장의 광을 사용하고, 상기 증분형 인코더는 상기 측정 바디(3)에 의하여 반사되고, 측정을 위한 상기 판독 헤드에 의해 검출된 상기 제 1 파장의 광을 사용하는 것이 유리하다.
상기 스케일 요소는 바람직하게는 판 모형이고, 상기 증분형 인코더는 그것에 의해 정의된 평면 내 스케일 요소의 포지션 및 위치를 검출하도록 구성된다. 더욱이, 간섭계 센서 시스템은 바람직하게는, 이 스케일 요소에 의해 정의된 평면에 수직인 스케일 요소의 위치를 검출하도록 구성되는데, 스케일 요소의 평면 내 서로 수직으로 이어지는 두축 중 하나를 중심으로 회전하기 때문이다.
간섭계 센서 시스템이 적어도 3개의 헤드를 갖는 것이 유리하다는 것이 증명될 수 있다. 이를 통해 팁/틸트 각도 및 거리 모두를 측정하는 것이 가능하다.
마지막으로 본 발명은, 전술한 청구항 중 하나에 따른 포지셔닝 요소 및 광학 측정 장치를 갖는 포지셔닝 장치에 관한 것으로, 스케일 요소는 포지셔닝 요소에 배열되거나 포지셔닝 요소의 통합 부분이며, 및 포지셔닝 요소의 포지션 또는 위치 또는 포지션 및 위치는 광학 측정 장치에 의하여 추론될 수 있다.
도 1은 판형 기하학(plate-shaped)을 갖는 스케일 요소(1)를 도시한다.
본 발명의 실시예는 첨부된 단일의 도 1에 기초하여 설명된다. 이것은 판형 기하학을 갖는 본 발명에 따른 스케일 요소(1)를 도시한다. 기판(1)은 경화된 사파이어 결정(hardened sapphire crystal)을 구성한다. 도 1에서 위쪽으로 향하는 기판(2)의 표면 상에, 2차원 그리드(격자) 또는 2D-그리드(3) 형태의 스케일 요소(3)가 전체 표면에 걸쳐 배열된다. 반사 층(4)은 2D 그리드(3)의 반대편 기판(2) 표면 상에 배열된다. 반사층(4)은 1550nm의 광파장에서 높은 광 반사와 640nm의 광파장에서 높은 투과율을 갖는다.

Claims (9)

  1. 증분형 인코더(incremental encoder) 및 간섭계 센서 시스템(interferometric sensor system)을 포함하는 광학 측정 장치용 스케일 요소(1)에 있어서,
    상기 스케일 요소(1)는 그 표면 중 하나에 반사층(4)을 가지며, 이는 간섭계 센서 시스템과의 협력을 위해 제공되며, 상기 스케일 요소(1)는 상기 반사층(4)으로부터 멀어지고 이격된 방향으로 배열되고, 상기 증분형 인코더와 협력을 위해 제공되는 재료 치수(3)를 더 포함하고, 상기 반사층(4)은 특정 파장의 광에 대해서는 투명하고 다른 파장의 광에 대해서는 반사성(reflective)인, 광학 측정 장치용 스케일 요소(1).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 재료 치수(3)는 상기 반사층(4)이 제공된 상기 표면과 반대되는 상기 스케일 요소(1)의 표면에 배열되는 것을 특징으로 하는, 광학 측정 장치용 스케일 요소(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 스케일 요소(1)는 유리형 재료의 기판(2)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 광학 측정 장치용 스케일 요소(1).
  4. 제 3항에 있어서, 상기 기판(2)은 경화된 사파이어 유리(hardened sapphire glass)로 구성되는 것을 특징으로 하는, 광학 측정 장치용 스케일 요소(1).
  5. 제 1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 스케일 요소, 증분형 인코더(incremental encoder) 및 간섭계 센서 시스템(interferometric sensor system)를 포함하는, 특히 포지셔닝 요소의 고정밀 포지션 및/또는 위치 검출을 위한, 측정 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 증분형 인코더는 판독 헤드, 제 1 파장의 광을 방출하는 제 1 광원, 및 상기 판독 헤드와 관련된 상기 스케일 요소(1)의 재료 측정(3)을 포함하고,
    상기 간섭계 센서 시스템은 센서 헤드, 제 2 파장의 광을 방출하는 제 2 광원, 및 상기 판독 헤드 및 상기 센서 헤드를 향하는, 상기 센서 헤드와 관련된, 상기 스케일 요소(1)의 상기 반사층(4)을 포함하고, 상기 반사층(4)은 상기 제 1 파장의 광에 대해서는 투과성이고, 상기 제 2 파장의 광에 대해서는 반사성이며, 상기 간섭계 센서 시스템은 상기 반사층(4)에 의하여 반사되고 측정을 위한 상기 측정 헤드에 의해 검출된 상기 제 2 파장의 광을 사용하고, 상기 증분형 인코더는 상기 측정 바디(3)에 의하여 반사되고, 측정을 위한 상기 판독 헤드에 의해 검출된 상기 제 1 파장의 광을 사용하는 것을 특징으로 하는, 측정 장치.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 스케일 요소(1)는 판 모형이고, 상기 증분형 인코더가 상기 스케일 요소(1)에 의해 정의된 평면 내 상기 스케일 요소(1)의 포지션 및 위치를 검출하도록 배열되고, 상기 간섭계 센서 시스템은 상기 스케일 요소의 상기 평면에서 서로 수직으로 확장되는 두 축 중 하나를 중심으로 회전하기 때문에 상기 스케일 요소의 상기 위치와 상기 스케일 요소(1)에 의해 정의된 평면에 수직인 상기 스케일 요소(1)의 위치를 검출하도록 배열되는 것을 특징으로 하는, 측정 장치.
  8. 제 5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 간섭계 센서 시스템은 적어도 3개의 센서 헤드를 가지는 것을 특징으로 하는, 측정 장치.
  9. 제 5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 측정 장치 및 포지셔닝 요소를 갖는 포지셔닝 장치에 있어서, 상기 스케일 요소는 상기 포지셔닝 요소에 배열되거나 상기 포지셔닝 요소의 필수 부분이며, 상기 측정 장치를 통해 상기 포지셔닝 요소의 포지션 또는 위치, 또는 포지션 및 위치를 추론할 수 있는, 포지셔닝 장치.
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