KR900005640B1

KR900005640B1 - 변위의 광학적 측정방법 및 측정장치

Info

Publication number: KR900005640B1
Application number: KR1019860008627A
Authority: KR
Inventors: 사다오 모리; 도시오 아까쯔; 쥬우이찌 미야자끼
Original assignee: 가부시기가이샤 히다찌 세이사꾸쇼; 미다 가쓰시게
Priority date: 1985-10-16
Filing date: 1986-10-15
Publication date: 1990-08-01
Also published as: EP0219127A2; JPS6288902A; DE3679142D1; US4728194A; EP0219127A3; KR870004292A; JPH0352881B2; EP0219127B1

Abstract

내용 없음.

Description

변위의 광학적 측정방법 및 측정장치

제1도는 본 발명의 일 실예를 나타낸 구성도.

제2a, 2b도 내지 제10a, 10b도는 제1도에 있어서의 업-다운 펄스발생기(22)의 동작 설명도.

제2a, 2b도는 샘플링 회로(19)의 출력파형도.

제3a, 3b도는 비교기(23)의 출력파형도.

제4a, 4b도는 단안정 멀티 바이브레이터(25)의 출력파형도.

제5a, 5b도는 단안정 멀티 바이프레이터(28)의 출력파형도.

제6a, 6b도는 비교기(24)의 출력파형도.

제7a, 7b도는 단안정 멀티 바이브레이터(26)의 출력파형도.

제8a, 8b도는 단안정 멀티 바이브레이터(27)의 출력파형도.

제9a, 9b도는 AND회로(29)의 출력파형도.

제10a, 10b도는 AND회로(30)의 출력파형도.

제11도는 위상차와 이상량의 관계 및 위상차와 페이스쉬프터에의 인가전압의 관계를 나타낸 도.

제12도는 제1도에 있어서의 게이트 신호 발생기(17)의 구체예를 나타낸 도.

제13도 및 제14도는 측정대상물의 변위속도가 변화하는 경우의 회로동작을 나타낸 타임차트.

제15도는 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 구성도.

제16도, 제17도는 업-다운 펄스 발생기의 다른 구체적 구성도.

제18a도, 제18b도는 모드 선택신호 발생기의 다른 구체적 구성도.

제19도는 이상의 검출회로의 다른 구체적 구성도.

제20도는 본 발명의 다른 실시예를 나파낸 구성도.

제21도 내지 제24도는 제20도의 동작 설명도.

제25도와 제26도는 상승 하강 검출회로의 다른 구체적 구성도를 나타낸다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 광원 2,7 : 비임 분할기

3,4 : λ/4판 5 : 기준면

6 : 측정대상물 8 : 페이스쉬프터

9,10 : 편광판 11,12 : 광 검출기

13 : 이상량 검출회로(수단) 101 : 타이밍 검출기

14 : 미분회로 15,23,24,33 : 비교기

16,25,26,27,28,34 : 멀티바이브레이터

17 : 게이트 신호 발생기 19 : 샘플링 회로

20 : 증폭기 21 : 발진기

22 : 업-다운 펄스발생기 31 : 펄스 발생회로

32 : 미분기 35 : 모우드 선택회로

45 : 플립플롭 52 : 카운터

102 : 모우드 선택신호 발생기 103 : 게이트 회로

본 발명은 예를 들면 반도체 제조장치나 좌표측정기와 같이 정확한 위치 결정을 필요로 하는 기계의 변위계측 등에 이용되는 변위의 광학적 측정방법 및 장치에 관한 것이다.

측정 대상물의 광학적 측정방법으로는 예를 들어, 미국특허 No.4,298,283명세서에 개시된 광학적 간섭법이 있다.

이 방법은 빛을 기준면과 측정 대상물에 조사하고 페이스쉬프터(phase shifter)에 의해 강제로 주기적으로 반사된 반사광의 위상과, 페이스쉬프터에 의하여 보상된 측정 대상물의 변위에 따라 발생되는 위상변화의 순간 위상차와 크기로부터 측정 대상물의 변위량을 구하도록 되어 있다. 그러나 이 방법은 측정범위에 있어 사용되는 광원의 파장이 대략 반파장으로 좁기 때문에 위치결정용 변위 센서를 사용할 수가 없었다. 또한 비록 그 사용이 미소 변위의 측정에 한정된다 하더라도, 그때마다 측정에 앞서 바비네-솔레이유(Babinet-Soleil)보정판으로 반사광의 위상 조정과, 측정범위의 중간부로부터 측정을 개시할 필요가 있기 때문에 그 측정범위는 제한되었었다. 또 그 초기단계는 긴 시간이 필요하였다.

본 발명의 목적은 측정범위가 넓은 변위의 광학적 측정방법 및 측정장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 응답속도가 높은 변위의 광학적 측정방법 및 측정장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 측정 정밀도가 높은 변위의 광학적 측정방법 및 측정장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 측정방법은 기준면과 측정대상물에 광 비임을 조사하고. 그 기준면의 측정 대상물로부터의 두개의 반사광의 간섭을 이용하여 그 측정 대상물의 변위를 측정하는 것으로서, 그 측정 대상물의 변위에 의하여 발생하는 반사광의 위상차의 변화를 페이스쉬프터에 의하여 보상한 순간의 그 페이스쉬프터에 가한 구동신호의 크기를 사용하여 반사광의 위상의 이상량을 검출하고, 측정대상물의 변위에 의하여 생기는 이상량의 불연속적 변화를 검출하여 변위의 방향에 따라 업 펄스(UP-Pulse) 또는 다운 펄스(down-pulse)를 발생시킴과 동시에, 이것과는 별개로 반사광의 간섭신호의 명암의 변화를 검지하여 펄스를 발생시키고, 그 측정 대상물의 변위 속도가 소정속도 보다 작을 때 그 업 또는 다운 펄스를 계수하고, 그 측정 대상물의 변위 속도가 소정속도 보다 클 때, 간섭신호의 명암에 의하여 얻어지는 펄스를 계수하고. 그 계수치를 이용하여 그 측정 대상물의 변위를 측정한다.

본 발명의 측정장치는 기준면과 측정대상물에 광 비임을 조사(照査)하고 그 결과 얻어지는 그 기준면과 측정 대상물로부터의 반사광의 간섭을 이용하여 그 측정 대상물의 변위를 측정하는 변위의 광학적 측정장치로서, 그 반사광의 위상차를 적어도 π라디안(radian)이상의 진폭으로 주기적이고 또 강제적으로 변화시키기 위한 페이스쉬프터와, 그 반사광의 위상차의 변화가 페이스쉬프터에 의하여 보상되는 순간에 페이스쉬프터에 가한 구동신호의 크기로부터 그때의 반사광의 위상 이상량을 검출하는 이상량 검출수단과, 측정 대상물의 변위에 의하여 발생하는 반사광의 위상차가 일정치를 초과할 때 마다 생기는 이상량의 불연속적 변화를 검지하여 변위의 방향에 의하여 업 펄스 또는 다운 펄스를 발생하는 제1의 펄스 발생회로(업-다운 발생회로)와, 제1의 펄스 발생회로와는 별개로 설치되고, 그 반사광의 간섭신호의 명암의 변화를 감지하여 펄스를 발생시키는 제2의 펄스 발생회로와, 그 측정대상물의 변위 속도의 대소에 의거하여, 그 변위속도가 소정속도 보다 작을 때 제1의 펄스 발생회로의 출력펄스를 통과시키고, 반대로 그 변위속도가 소정속도 보다 클 때 제2의 펄스 발생회로의 출력펄스를 통과시키는 모우드 선택회로와, 이 모우드 선택회로를 통과한 출력펄스를 계수하는 카운터를 구비하고, 이 카운터의 값을 이용하여 그 측정 대상물의 변위를 측정한다.

이하 본 발명을 구체적인 실시예에 의거하여 상세히 설명한다.

먼저, 제1도에 나타낸 본 발명의 일 실시예를 제1도 내지 제14를 사용하여 설명한단.

제1도에 있어서, 광원(1)은 코히어런트(coherent)인 직선 편광을 발생한다. 직선 편광의 진동면을 도면의 지면(紙面)과 45도의 각을 이루는 방향이다. 편광 비임 분할기(beam splitter)(2)는 지면과 수직인 진동면을 갖는 성분의 빛(B₁)은 반사하고, 지면과 평행인 진동면을 갖는 성분의 빛(B₂)은 투과시킨다. 편광 비임 분할기(2)에서 반사된 빛의 광로상에는 1/4파장(

)관(3)과 측정 대상물(6)이 배치된다. 편광 비임 분할기(2)를 투과한 빛의 광로상에는 λ/4판(4)과 기준면(5)이 배치된다. λ/4판(3,4)은 직선 편광이 이것을 1왕복하면 진동면이 90도 회전한다. 이 결과 측정 대상물(6)에서 반사하고, λ/4판(3)을 통과한 반사광은 편광 비임 분할기(2)를 통과한다. 또 기준면(5)에서 반사하고 λ/4판(4)을 통과한 반사광은 편광 비임 분할기(2)에서 반사한다.

이들 두개의 반사광의 광로 상에는 이 반사광을 분광하는 비임 분할기(7)와 페이스쉬프터(8)와, 편광판(9)과, 광 검출기(11)가 배치된다. 비임 분할기(7)에서 분광된 반사광의 광로 상에는 편광판(10)과, 광 검출기(12)가 배치된다. 페이스쉬프터(8)는 예를 들어 포켈스효과(pickets effecy)를 갖는 전기 광학 결정이다. 이 전기광학결정에 전압을 인가함으로서 지면에 수직인 진동면을 갖는 빛에 대한 굴절율과 평행인 진동면을 갖는 빛에 대한 굴절율을 변화시켜 두개의 빛의 위상차를 제어한다. 편광판(9,10)은 지면과 45도의 각을 이루는 진동성분만을 투과시킨다. 광 검출기(11,12)는 반사광(B_1',B_2')의 위상차에 따라 변화하는 빛의 강도를 전기신호로 변환한다. 이상량(移相量)검출회로(13)는 광 검출기(11)의 출력 및 페이스쉬프터(8)에 가해지는 구동전압(증폭기 20의 출력)을 입력하고, 광 검출기(11)의 출력으로부터 측정대상물(6)의 변위에 의하여 발생하는 반사광의 위상차의 변화가 페이스쉬프터에 의하여 보상되는 순간을 검지하고, 이 타이밍에 있어서의 구동전압을 사용하여 그때의 반사광의 위상의 이상량을 검출한다. 본 예에 있어서의 이상량 검출회로(13)는 타이밍 검출기(101)와 게이트신호발생기(17)와, AND회로(18)와 샘플링회로(19)로 구성된다. 또한, 타이밍검출기(101)는, 미분회로(14)와, 비교기(15)와 단안정 멀티바이브레이터(16)로 구성된다. 단안정 멀티바이브레이터(16)는 비교기(15)의 출력의 강하로 트리거 된다. 발진기(21)는 고주파전압을 발생한다. 이 보주파전압은 증폭기(20)에서 증폭되어 페이스쉬프트(8)의 구동전압이 된다.

업 다운 펄스 발생기(22)는 이상량 검출회로(13)의 출력을 입력하고, 이 입력된 이상량의 불연속적 변화를 검지하여, 변위 방향에 따라 업 펄스 또는 다운 펄스를 발생한다. 본 예에 있어서의 업다운 펄스 발생기(22)는 비교기(23,24), 단안정 멀티바이브레이터(25∼28), AND회로(29,30)로 이루어진다. 여기서 단안정 멀티바이브레이터(25,26)는 각각 비교기(23,84)의 출력의 상승으로 트리거되고, 그 출력은 AND회로(29)의 입력이 된다. 또 단안정 멀티바이브레이터(27,28)는 각각 비교기(23,24)의 출력의 하강으로 트리거 되고, 그 출력은 AND회로(30)의 입력으로 된다. 펄스 발생회로(31)는 광 검출기(12)의 출력신호를 입력하고, 반사광의 간섭신호의 명암이 변화를 감지하고, 그때마다 펄스를 발생한다.

본 예에 있어서의 펄스 발생회로(31)는 미분회로(32), 비교기(33), 단안정 멀티바이브레이터(34)로 구성된다. 모우드 선택회로(35)는 측정대상물(6)의 출력 펄스만을 통과시켜 카운터(52)의 입력으로 하고, 반대로 변위속도가 소정속도 이상일 때는 펄스발생회로(31)의 출력펄스만을 통과시켜 카운터(52)의 입력으로 한다. 모우드 선택회로(35)는 변위속도에 따라 저속 모우드 혹은 고속 모우드의 선택신호를 발생하는 모우드 선택신호 발생기(102)와, 이 발생기(102)의 출력에 의하여 회로(22)의 출력 펄스 또는 회로(31)의 출력 펄스 중 어느 하나를 선택하여 통과시키는 게이트신호(103)로 구성된다. 본 예에 있어서의 모우드 선택신호 발생기(102)는 입력신호의 상승으로 트리거되는 단안정 멀티바이브레이터(46), AND회로(38,39), R-S플립플롭(45), AND회로(40,41), 지연소자(47,48)로 구성된다. 그리고 게이트회로(103)는 AND회로(36,37,443), R-S플립플롭(44), OR회로(49,50)로 구성된다. OR회로(51)는 카운터(52)의 입력의 논리합신호를 모우드 선택신호 발생기(102)의 입력으로 공급한다. 카운터(52)는 모우드 선택회로(35)를 통과한 펄스를 키트한다.

다음에, 제1도에 나타낸 본 발명의 한 실시예의 동작을 설명한다. 광원(1)에서 발생한 직선 편광 중 지면과 수직인 진동면을 갖는 성분을 B₁, 평행인 진동면을 갖는 성분을 B₂라 하면, B₁은 편광비임 분할기(2)에서 반사되어 λ/4판(3)을 통과하고, 측정대상물(6)에서 반사하여 다시 λ/4판(3)을 거쳐 편광 비임 분할기에 도달하나, 이때의 진동면을 λ/4판(3)을 왕복하기 때문에 90도 회전하여 지면과 평행이 되어 이를 통과한다. 한편 B₂는 편광 비임 분할기(2)를 통과하여 λ1/4판(4)→기준면(5)→λ/4판(4)의 경로를 거쳐 편광 비임 분할기(2)에 입사하나 진동면 90도 회전하여 지면과 수직이 되어 있으므로, 여기서 반사한다. 편광 비임 분할기를 나온 B₁, B₂는 비임 분할기(7)에 이르러 투과광과 반사광으로 나누어진다. 투과광, 반사광을 각 B_1',B_2'및 B_1",B_2"로 나타낸다. 본 실시예에서는 변위속도가 작은 경우는 투과광으로 B_1',B_2'을 이루고, 속도가 큰 경우에는 반사광으로 B_1",B_2"를 이용하여 변위량을 구한다. 여기서 먼저, 변위속도가 작은 경우의 동작을 설명한다.

투과광인 B_1',B_2'는 페이스쉬프터(8)인 전기광학결정을 통과하여 편광판(9)에 도달한다. 여기서 B₁, B₂지면과 45도의 진동면을 갖는 성분만이 편광판(9)을 통과하고, 간섭을 일으켜 B₁과 B₂의 위상 차에 따라 이의 강도가 변화한다. 이것을 광검출기(11)로써 전기 신호로 변환하고, 이 전기신호를 이상량 검출회로에 입력시킨다.

여기서 B_1',B_2'의 결정 중에서 발생되는 위상차(øc)에 대하여 설명한다. 전기광학결정이란 전압을 인가하면 지면에 평행인 진동면을 갖는 빛인 B_1'에 대한 굴절율(n₁₁)과 수직인 진동면을 가진 빛인 B_2'에 대한 굴절율(n₂)가 각각 인가전압에 대하여 직선적으로 변화하는 소자이다. 즉 인가전압을 V라고 하면 다음 관계가 성립한다.

단, n₂₀, n₁₁₀는 인가전압이 영일 때의 굴절율이며, k₂, k₁₁는 단위인가 전압당 발생하는 굴절율의 변화를 나타내는 비례정수이며 [V-1]의 단위를 갖는다. 따라서 상술한 반사광인 B_1',B_2'에는 전기광학 결정 통과한 시점에서 다음 식으로 나타내는 위상차(øc)가 발생한다.

단, Δlo, k는 다음식으로 표시된

그리고 Ic는 전기광학결정의 길이이다. 따라서 발진기(21)의 출력 전압을 AC증폭기(20)로 증폭하여 전기광학결정에 인가하면 반사광인 B_1'과 B_2'의 위상차를 제어할 수 있다.

여기서 인가전압 Vc는 다음 식과 같이 정형파적으로 변화시킨다.

이것을 (2)식에 대입하면 전기광학결정에서 발생하는 위상차(øf)가 구해진다.

단,

를 사용하여 다음 식으로 표시된다.

여기서 진폭 A는 π보다도 약간 크게 되도록 결정인가전압 Vc를 조절한다. 그리고, 측정대상물(6)과 편광 비임 분할기의 중심까지의 광로 길이 lo의 차이에 의거하는 위상차(ø")는 다음 식으로 주어진다.

따라서 B_1'과 B_2'의 편광판(9)의 위치에서의 위상차(øt)는 다음 식과 같이 된다.

그리고 (8)식 제1항(상수 값을 제외하면 측정대상물(6)의 변위에 비례하여 변화함)을 ø로 나타내면

로 된다.

편광판(9)을 통과했을 때의 빛 B_1',B_2'의 강도를 I₁',I₂'라 하면 간섭광의 강도(I')는 (10)식으로 표시된다.

이 간섭광 강도를 광 검출기(11)에서 전기 신호로 변환하고, 미분회로(14), 비교기(15)를 거쳐 단안정 멀티바이브레이터(16)에서, (10)식으로 표시되는 간섭신호가 최대가 되는 시각에 펄스를 발생시킨다. 이때의 B₁과 B₂의 위상차(øt)는 (11)식과 같이 된다.

(6)식으로 나타낸 øf는 -A≤øf<A의 범위에서 변동시키게 되나, øf가 -π로부터 +π까지 증가할 때에 발생한 펄스중의 최초의 1펄스만을 게이트신호 발생회로(17) 및 AND회로(18)에서 선출하여 이 시각 t에서의 페이스쉬프터(8)의 입력전압을 샘플링회로(19)에서 샘플링하여 이때의 이상량(øf)을 구한다. 이와 같이하면 측정대상물(6)의 변위에 대응하여 발생하는 위상차ø가 (2m+1)π (m:정수)로 될 때 이외에 -π<øt<π의 사이에서는 1회만(11)식을 만족시키는 순간이 존재하게 된다.

이때의 øf는 다음 식을 만족시킨다.

여기서 ø'는 (13)식에 의하여 정의된다.

그리고 ø가 (2m+1)π로 될 때는 øf=±π에서 (11)식의 만족되고 펄스가 발생하나 최초의 펄스만이 선택되므로 (8)식을 만족시키는 시각에 발생한 펄스가 유효하게 된다.

따라서 위상차(ø)를 횡축에, 유효펄스 발생시의 이상량(øf) 및 전기 광학 결정에 대한 인가전압(Vs)을 종축으로 하면 제11도와 같이 된다.

측정대상물(6)이 최초 원점위치에 있을 때의 반사광인 B_1',B_2'의 위상차를 ø₀, ø₀로부터 2π의 정수배(整數倍)를 감산한 나머지를 ø₀'로 하면, 측정대상물(6)이 원점위치에 있을 때의 샘플링회로(19)의 출력전압 Vso로 한다. 이것에 π/Vπ를 곱하여 Vs0를 이상량으로 환산하면 -ø₀'로 된다. 원점위치로부터 측정대상물(6)이 정(正)방향으로 변위하여 위상차(ø)가 ø₀로부터 ø₁까지 증가한다. ø가 증가하면 Vs는 감소하나, ø가 (2n-1)π를 초과하면 그때 Vs는 불연속적으로 -Vπ로부터 Vπ로 변화한다. 여기서 Vπ는 B_1'와 B_2'에 위상차 π를 발생시키는데 필요한 전압이다. 그리고 변위하면 Vs'는 서서히 감소하고, ø가 (2n+1)π를 초과하면 다시 -Vπ로부터 Vπ로 변화한다. ø가 ø₁까지 증가했을 때의 샘플링회로(19)의 출력 전압을 Vs₁으로 한다. 이것에 π/Vπ를 곱하여 Vs₁을 이상량으로 환산하면, -ø₁'가 된다. 여기서 ø₁'는 ø₁으로부터 2π의 정수배를 감산한 나머지가 된다. 따라서 이때의 변위량은 다음과 같이 구할 수 있다.

상기 샘플링회로(19)의 출력전압 -Vπ로부터 Vπ로 불연속적 변화를 포착하여 업 다운 펄스발생회로(22)에서 업 펄스를 발생시켜 카운터회로(52)에서 프러스(+)로 카운트 한다. 이 카운트 결과를 λ2배하고, 이것에 λ/4π(ø₁'-ø₀')=λ/4Vπ×(-Vs₁+Vs₀)를 가산한다. 부(負)방향으로 변위하는 경우는 위상차(ø)가 감소하는 과정에 있어서 π의 홀수배(奇數倍) (2n+1)π, (2n+3)π, ‥‥를 초과할 때 샘플링회로(19)의 출력전압이 Vπ로부터 -Vπ로 불연속적으로 변화하기 때문에 이것을 카운터회로(52)에서 마이너스(-)로 카운트하면, 기타는 정 방향의 변위를 구하는 경우와 마찬가지로 하여 변위를 구할 수가 있다.

제2a,2b도 내지 제10a,10b도는 업 다운 펄스발생회로(22)의 동작을 설명하기 위한 도면으로서, 측정대상물(6)이 일정속도로 변위하는 경우를 예로 들고 있다. 측정대상물(6)이 정 방향으로 변위하는 경우의 동작을 제2a,3a,4a,5a‥‥10a도에, 부의 방향으로 변위하는 경우의 동작을 제2b,3b,4b,5b‥‥1Ob도에 나타낸다. 비교기(23)의 기준전압(V₁)을 0∼Vπ 사이로 설정하고, 비교기(24)의 기준전압(V₂)을 -Vπ~0의 사이로 설정하여 단안정 멀티바이브레이터(25,26,27,28)의 펄스 폭을 충분히 작게 취한다(제2a,2b도,제8a,8b도 참조) 이 조건하에서 측정대상물(6)이 정 방향으로 변위하는 경우에는, 샘플링회로(19)의 출력(제2a도 참조)이, -Vπ로부터 Vπ로 불연속적으로 변화할 때에 단안정 멀티바이브레이터(25,26)에서 발생한 펄스(제4a도,제7a도 참조)가 시간적으로 중첩되기 때문에, AND회로(29)에는 업펄스가 출력된다(제9a도 참조). 측정대상물(6)이 부위방향으로 변위하는 경우에는 샘플링회로(19)의 출력(제2b도 참조)가 Vπ로부터 -Vπ로 불연속적으로 변화할 때에 단안정 멀티바이브레이터(27,28)에서 발생한 펄스(제5b도, 제9b도 참조)가 중첩되어 AND회로(30)에 다운펄스가 출력된다(제1Ob도 참조).

상기 설명은 변위속도가 일정한 경우에 관한 것이나 변위속도가 변화하는 경우에도 동일한 것을 말할 수가 있다.

제12도에 제1도에 나타낸 게이트신호 발생회로(17)의 구체적 예를 나타낸다. 53,54는 비교기이고, 비교기(53)의 기준전압은 Vπ로, 비교기(54)의 기준전압은 -Vπ로 설정되어 있고, 상기 비교기(53,54)의 출력은 EOR회로(55)에 입력된다.

또 56은 D형 플립플롭이고, 상기 비교기(53)의 상승으로 세트되고, 샘플링회로(19)로의 입력 펄스에 의해 리세트 된다. 57은 AND회로이다. 이 회로에 의하면 입력전압이 -Vπ 이상이 된 순간에 게이트가 열리고, 단안정 멀티바이브레이터(16)의 출력 펄스 한 개가 AND회로(18)를 통과한 직후에 게이트가 닫히므로, 제1도에 나타낸 전기 광학결정의 구동전압이 -Vπ이상이 된 시각으로부터 그후 최초의 반사광의 위상이 전기 광학결정에서 보상된 순간에 발생한 펄스만을 선택할 수가 있다.

다음에 측정대상물(6)의 변위속도가 큰 경우의 동작을 제13도, 제14도를 사용하여 설명한다.

제13도는 측정대상물(6)이 서서히 가속되어, 다시 감속되는 과정에서의 샘플링회로(9)의 출력 a와, 업다운 펄스발생회로(22)의 출력펄스 b와 광검출기(12)의 출력전압 c와, 펄스발생기(31)의 출력펄스 d를 나타낸 것이다. 변위의 속도에 반비례하여 제3a도에 나타낸 샘플링회로(19)의 출력전압(톱니파)의 주기가 짧아진다. 여기서 톱니파의 주기가 전기 광학결정에 대한 인가전압의 주기의 약 5배 이상일 때에는 업 다운펄스발생회로(22)가 정확하게 동작한다. 그러나, 톱니파의 주기가 그 이상 짧아지면 샘플링회로(19)의 출력파형은 톱니파에서 벗어나게 되므로 업다운 펄스발생회로(22)가 오동작할 가능성이 있다. (제13도에 있어서이 오동작 가능성이 있는 구간의 샘플링회로(19)의 출력전압 및 업 다운 펄스발생회로(22)의 출력펄스는 파선으로 나타냈다).

여기서, 모우드 선택회로(35)에 의해 업 다운 카운터(52)의 입력펄스의 주기가 전기광학결정에 대한 인가전압의 주기의 5배가 된 순간을 검지하고 이것보다 펄스 간격이 길 때는 업 다운 펄스발생회로(22)의 출력펄스를 그리고 짧을 때는 펄스 발생기(31)의 출력펄스를 각각 업 다운 카운터(52)에 입력시킨다. 이후, 업 다운 펄스발생회로(22)의 출력 펄스를 계수할 때를 저속모우드, 펄스발생회로(31)의 출력 펄스를 계수할 때를 고속모우드라 부른다.

광검출기(12)의 출력전압(제13c도 참조)은 측정대상물(6)이 λ/2변위할 때마다 최소가 되고, 또한 그 타이밍은 업 다운 펄스발생회로(22)가 오동작을 하기 시작할 때까지는 샘플링회로(19)의 출력전압(제13a도 참조)이 불연속으로 -Vπ→Vπ 또는 Vπ→-Vπ로 변화하는 순간, 즉 업 다운펄스가 발생하는 순간과 일치한다(제13b도 참조). 따라서 이 순간에 펄스 발생기(31)에서 펄스를 발생하고(제13d도 참조). 이것을 모우드 선택회로(35)를 거쳐 업 다운 펄스발생회로(22)의 출력 대신에 업 다운 카운터(52)에 입력하면 측정 대상물이 더욱 고속으로 변위할 때도 이 카운트를 해치지 않는다(단, 고속 모우드 시의 샘플링회로(19)의 출력은 무의미하고 분해능력은 λ/2가 된다). 또 측정 대상물의 변위 속도가 작아지고 상기 샘플링회로(19)의 출력(톱니파)의 주기가 전기 광학 결정에 대한 인가전압의 주기의 5배 이상이 될 때에는 그 순간에 고속 모우드 펄스 대신에 업 다운 펄스발생회로(22)의 출력펄스를 업 다운 카운터(52)에 입력하고 저속 모우드 동작을 바뀐다.

다음에 모우드 선택회로(35)의 동작을 절명한다. 제14도는(제13도에 나타낸 경우에 대응한다) 모우드 선택회로(35)의 각부의 파형을 나타낸다. 제14a,b,c도는 각각 단안정 멀티바이브레이터(46)의 입력, Q출력,

출력, 제14d,e도는 각각 AND회로(38,39)의 출력이다.

제14도(f,g)는 R-S 플립플롭(45)의 Q출력,

출력, 제14도(h,i)는 각각 AND회로(40,41)의 출력이다. 입력 펄스의 간격이 단안정 멀티바이브레이터(46)의 출력 펄스폭 보다 길 때는 R-S 플립플롭(45)이 세트되고,

출력이 H(High)로 되고, AND회로(39)를 거쳐 R-S 플립플롭(45)이 리세트 되어 AND 회로(41)가 H로 되어 AND회로(36,37)에 의하여 업 다운 펄스발생회로(22)의 출력펄스가 선택된다. 이때 펄스발생회로(31)의 출력펄스는 플립플롭회로(45)의 Q출력(low)이 AND회로(40)을 거쳐 AND회로(42,43)에 공급되므로 여기서 저지된다.

한편, 입력 펄스의 간격이 단안정 멀티바이브레이터(46)의 출력 펄스폭 보다 짧아지면 R-S 플립플롭(45)이 세트되어 Q,

출력이 반전하고, 펄스발생회로(31)의 출력이 선택되어 업 다운 펄스발생회로(22)의 출력 펄스는 저지된다. 이때, 펄스발생회로(31)의 출력은 업 다운의 구별이 없어지므로 모우드 변환 직전의 저속 모우드에 있어서의 변위 방향을 플립플롭(44)에 기억시켜 이것으로 업 다운을 구별한다. 또 플립플롭(45)의 Q,

출력의 상승을 지연소자(47,48), AND회로(40,41)를 사용하여 일정시간 지연시키는 것은, 모우드 변환의 순간에 업 다운 펄스발생회로(22)의 출력 펄스와 높은 펄스 발생회로(31)의 출력 펄스의 양쪽이 모우드 선택회로(35)를 통과하여 업 다운 카운터(52)에 들어가 계수착오를 일으키지 않도록 하기 위해서이다.

제15도는 본 발명의 다른 실시예이고 제1도와 동일 부호로 표시된 것은 동일물을 나타낸다.

58은 R-S 플립플롭(45)의 Q출력에 의해 구동되는 스위칭 수단인 전자 스위치이다. 변위가 저속인 경우(Q출력이 L(low)일 때) 상기 전자 스위치 (58)는 AC증폭기(20)와 전기광학 결정을 접속하도록 설정한다. 이 상태에서의 동작은 제1실시예와 동일하다. 변위가 빨라져서 상기 플립플롭(45)의

출력이 H가 되면 전자스위치(58)가 동작하여 상기 전기광학결정의 인가전압이 영(0)이 되기 때문에, 전기 광학결정에서는 반사광(B₁,B₂)간에 새로운 이상차를 발생하지 않는다. 따라서 광검출기(11)의 출력전압은 제1실시예에 있어서의 광검출기(12)의 출력전압과 같이 되므로 단안정 멀티바이브레이터(34)에는 고속 모우드 펄스가 발생한다.

제16도는 업 다운 펄스발생회로(22)의 다른 구성예이다. 제1도와 동일 부호는 동일한 것을 나타낸다. 59,60,61,62는 지연소자, 63∼66은 인버터회로, 67∼70은 AND회로이다. 예를 들어 지연소자(59), 인버터회로(63), AND회로(67)로 이루어지는 부분은 입력의 상승에 의해 트리거 되는 단안정 멀티바이브레이터와 동등한 기능을 가지며, 동작도 단안정 멀티바이브레이터에 비하여 안정된다.

제17도는 제1도에 있어서의 업 다운 펄스발생회로(22)의 비교기(23,24) 부분을 디지털화 한 것이며, 70은 A/D변환기, 23',24'는 디지털 비교기, 71,72는 스위치 어레이이고, 상기 디지털 비교기(23',24')의 기준을 설정한다 A/D 변환기(70)의 출력은 샘플링회로(19)의 출력 전압을 디지털화 한 것으로 되어 있으므로 제1의 실시예에 있어서의 위상차의 단수분(端數分)(샘플링회로(19)의 출력전압)과 위상차인 π/2를 기준으로 하여 카운트한 계수결과(업 다운 카운터(52)의 출력)를 연산 합성하여 변위량을 구할 때에 그대로 이용할 수 있다는 이점이 있다.

제18a도는 제1도의 모우드 선택회로(35)의 모우드 선택신호 발생회로(102)의 다른 구성예이다. 73은 클럭 발생회로, 74는 인버터회로, 75는 스위치 어레이, 76은 디지털 비교기, 77은 카운터, 78은 지연소자, 79는 래치회로, 80은 AND회로이다.

모우드 선택회로에 대한 입력 펄스에 의해 카운터(77)가 리세트 되고 그 순간부터 클럭 신호를 계수하기 시작한다. 여기서 다음의 펄스가 들어오기 전에 카운터(77)의 카운터 결과와 스위치 어레이(75)의 설정치가 같아지면, 비교기(76)의 두 출력이 H가 되어 인버터회로(74)를 거쳐 L출력이 AND회로(80)에 공급되기 때문에 그 이상 카운트 결과를 증가하지 않는다.

스위치 어레이(75)의 설정치에 미달하는 경우는 (A=B) 출력은 L이다. 따라서, 입력 펄스의 간격이(클럭주파수) x (스위치 어레이의 설정치)보다 길 때는 H, 짧은 때는 L이 래치회로(79)에 출력된다. 펄스간격검출부를 디지털화 하면, 모우드 변환을 행하는 펄스 간격의 설정이 용이하고 또한 정확하게 행할 수 있다는 이점이 있다.

제18b도는 모우드 선택신호 발생회로(35)의 다른 구체적 구성을 나타낸다. 제18b도에 있어서, 제18a도와 동일한 부호로 표시된 것은 동일한 기기를 나타내고 또 번호에 (')를붙인 것도 동일한 기호를 나타낸다. 히스테리시스회로(109)는 인버터(104,108), AND회로(105,106), OR회로(107)로 구성되고, 측정대상물의 변위속도가 증가하는 경우와, 감소하는 경우에서 모우드 변환의 기준치로 변화시켜 히스테리시스 특성을 갖게 한다. 스위치 어레이(75,75')의 설정치를 각각 N, N'로 하고, N'>N로 설정해 둔다. 이와 같이 하면 플립플롭(79,79')은 각각 N, N'로 결성되는 속도(V,V')를 경계로 하여 출력이 변화한다. 히스테리시스회로(109)는 변위 속도가 충분히 작을 때 플립플롭(79)의 출력을 선택하여 출력하나, V 이상으로 증가하면 플립플롭(79)의

출력이 "L"레벨로부터 "H"레벨로 변화하기 때문에 플립플롭(79')의

출력을 선택한다. 변위속도가 충분히 큰 상태로부터 감속되면, V'이상에서는 출력이 변화하지 않으나 V' 이하가 되는 순간에 "H"레벨로부터 "L"레벨로 변화한다. 이 결과 히스테리시스 회로(109)는 다시 플립플롭(79)의

출력을 선택한다. V>V'로 하였으므로, 속도가 증가 방향일 때와, 감속 방향일 때의 모우드 변환기준은 히스테리시스 특성을 갖는다. 이와 같이 하면, 측정대상물의 변위 속도가 모우드 변환의 기준 속도와 거의 동등한 속도이더라도 모우드 변환이 빈번하게 일어나는 일이 없이 동작이 안정된다.

제19도는 제1도의 이상량 검출수단(13)의 다른 구성예이다. 제1도와 동일 부호의 것은 동일 부품을 나타낸다. 비교기, 81은 82는 단안정 멀티바이브레이터, 83은 카운터회로, 84는 래치회로, 85는 ROM, 86은 클럭 발생기이다. 전기 광학 결정에 대한 인가 전압이 Vs를 초과한 순간은 비교기(81)에서 검출하고, 단안정 멀티바이브레이터(82)에서 짧은 펄스를 발생시켜 카운터(83)를 리세트하고, 그 직후부터 다시 카운트를 개시한다.

반사광의 위상이 보상된 순간에 단안정 멀티바이브레이터(16)에서 발생한 펄스는 AND회로(18)를 거쳐 래치회로(84)를 작동시킨다. 위상 보상시의 카운트 결과를 래치회로(84)를 거쳐 ROM(85)의 어드레스 입력으로 인도된다. 카운트 개시의 순간으로부터 래치 작동 시까지의 요하는 시간은 이 카운트 개시에서 구해지므로 카운트 개시 때부터의 경과 시간과 이상량의 관계를 미리 교정하고, ROM에 기억시켜두면 반사광의 위상이 보상된 순간의 이상량을 ROM(85)의 출력으로부터 알 수가 있다.

제20도는 본 발명의 또 다른 실시예이다. 제20도에 있어서 제1도와 동일한 부호는 동일물을 나타낸다. 86은 비임분할기, 87,88은 편광판이고, 편광판(87)의 투과축은 지면과 45도의 각을 이루고, 편광판(88)은 -45도의 각을 이룬다. 89,90은 광검출기, 91은 차동증폭기이다. 16'은 상승, 하강 검출기이고, 비교기(15)의 상승, 하강 양쪽을 검출하여 펄스를 발생시킨다. 17은 게이트 신호발생회로이고, AND회로(18)와 함께 전기 광학결정의 인가 전압이 -Vπ/2로부터 Vπ/2까지 증가하는 동안에 상기 상승 하강 검출회로(16')에서 발생한 최초의 한 개의 펄스를 투과시키는 기능을 갖는다. 여기서 Vπ/2는 페이스쉬프터(8)에서 π/2의 위상차를 발생시키는데 필요한 전압이다.

이 실시예에 있어서는 일점쇄선으로 표시한 펄스발생회로(31)는 타이밍회로(101)의 기능을 겸하고 있으며, 상기 차동증폭비(91), 비교기(15), 상승 하강 검출회로(16')로 구성되고, 이상량 검출수단(13)의 일부를 구성한다.

다음에 제20도의 동작을 설명한다. 제1도의 실시예와 같은 경로를 거쳐 측정대상물(6)에서 반사한 빛 B₁(지면과 수직인 진동면을 가짐)와 기준면(5)에서 반사한 빛 B₂(지면과 평행인 진동면을 가짐)는, 비임분할기(86)에 이르러 여기서 반사광과 투과광으로 나누어진다. 반사광을 B_1',B_2'로, 투과광을 B_1",B_2"로 한다. 반사광 B_1',B_2'은 편광판(88)을 투과하여 간섭을 일으킨다. 이 빛의 강도를 I₁으로 한다. 지금 투과광 B_1",B_2"은 편광판(87)을 투과하여 간섭을 일으킨다.

이 광강도를 I₂로 한다. 여기서 편광관(87,88)의 투과축의 방향이 다르므로, I₁과 I₂의 평균치는 같으나 반사광의 위상차에 대한 강도 변화와 위상은 180도 어긋난다. 제21도 및 제22도는 그 상태를 나타낸 것이며 각각 횡축에 위상차(ø)를 종축에 빛의 강도 I₁및 I₂를 나타내고 있다. 따라서 이 간섭광 강도를 광검출기에서 전기 신호로 변환하고 차동증폭기에서 그 차를 취하면, 그 출력(es)은 제23도와 같이 변화한다. 따라서 상기한 (3)식의 øt가 (14)식을 만족시킬 때, 차동증폭기(91)의 출력이 영(0)이 된다.

여기서 n는 정수이다.

즉 (8)식과 (14)식으로부터 다음의 (15)식이 성립한다.

여기서 전기 광학결정에서 변동시키는 위상(øf)의 진폭(A)을 π/2이상으로 설정한다. 이때 øf는 -A≤øf≤A의 범위로 변동하며, (14)식이 만족될 때에 차동증폭기(91)의 출력이 영(0)을 통과하므로 비교기(15)의 출력이 "H"로부터 "L"로 또는 "L"로부터 "H"로 변화하여 상기 상승 하강 검출회로(16')에 펄스가 발생한다. 전기광학결정의 이상량 øf가 -π/2∼π/2의 범위의 있는 동안에 최초에 발생한 펄스만을 게이트신호발생회로(17)와 AND회로(18)에서 선택하고, 그 시각에 있어서의 전긴 광학결정에 대한 인가전압을 샘플링회로(19)에서 샘플링하고, 그때에 이상량 øs를 구한다. 이때 반사광인 B₁,B₂의 위상차(ø)와 샘플링회로(19)의 출력 전압의 관계, 즉 페이스쉬프터(8)에의 인가전압(Vs)과의 관계는 제24도에 나타낸 바와 같이된다. 따라서 변위량은 다음과 같이 하여 구할 수가 있다.

측정대상물(6)이 π/4 변위할 때마다 발생하는 상기 샘플링회로(19)의 출력전압의 불연속적 변화를 카운터(52)에서 카운트하고, 카운트 결과를 π/4배하고, 이것에

를 더한다. 여기서 Vs₀,Vs₁은 각각 측정대상물(6)이 원점위치 및 최종위치에 있을 때의 샘플링회로(19)의 출력전압이다.

제25도는 상기한 상승, 하강, 검출회로(16')의 구성예로서 92는 지연소자, 93은 EOR회로이다. 제26도는 상승, 하강, 검출회로(16')의 다른 구성예이고 94는 인버터회로, 95,96은 단안정 멀티바이브레이터, 97은 OR회로이다.

이상의 설명으로부터 이해될 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 변위의 측정장치는 측정대상물의 이동속도가 작을 때에 높은 정밀도로 측정하고, 이동속도가 클 때는 분해능력은 다소 희생시켜 응답성을 높임으로써, 높은 응답성과 측정 정밀도를 양립시킬 수가 있어 위치결정용의 변위 측정장치로서 대단히 큰 이점을 갖는다.

Claims

기준면과 측정대상물(6)에 광원(1)으로부터의 광비임을 조사하고, 기준면 측정대상물로부터의 반사광의 간섭을 이용하여 측정대상물(6)의 변위를 측정하는 변위의 광학적 측정장치에 있어서, 상기 반사광의 위상차를 적어도 πrad 이상의 진폭으로 주기적이고 강제적으로 변화시키는 페이스쉬프터(8)와, 그 측정대상물(6)의 변위에 의하여 발생하는 반사광의 위상차를 변화가 상기 페이스쉬프트(8)에 의하여 보상되는 순간에 상기 페이스쉬프터(8)에 가한 구동신호의 크기로부터 그때의 반사광의 위상의 이상량을 검출하는 이상량 검출수단(13)과 상기 측정대상물(6)이 변위함으로써 발생하는 반사광의 위상차가 일정치를 초과할 때마다 생기는 상기 이상량의 불연속적 변화를 검지하고. 변위의 방향에 따라 업 펄스 또는 다운 펄스를 발생하는 업다운 펄스발생회로(22)와, 상기 반사광의 간섭신호의 명암의 변화를 감지하여 펄스를 발생하는 펄스발생회로(31)와, 측정대상물(6)의 변위속도가 작은 경우에는 상기 업 다운 펄스발생회로(22)의 출력펄스를, 빠른 때에는 상기 펄스발생회로(31)의 출력펄스를 선별하는 모우드 선택회로(35)와, 이 모우드 선택회로(35)에 의하여 선별된 출력 펄스를 카운트하는 카운터를 가지고, 상기 측정대상물의 변위 속도가 작을 때에는 상기 이상량 검출수단(13)의 출력치와 상기 카운터회로의 출력치를 가산하여 상기 측정대상물의 변위를 구하고, 변위 속도가 클 때에는 카운터의 출력치로부터 측정대상물의 변위를 구하는 것을 특징으로 하는 변위의 광학적 측정장치.
제1항에 있어서, 상기 이상량 검출수단은 상기 반사광의 위상이 상기 페이스쉬프터에 의하여 보상된 순간의 타이밍을 검출하는 타이밍 검출기와, 구동 신호가 일정 범위 내에 있는 동안에 발생하는 복수개의 타이밍중에서 1주기 사이에 1회 게이트 신호를 발생하는 게이트 신호발생기와, 이 타이밍 검출기의 출력과 게이트 신호 발생기의 출력을 입력시켜 AND조건이 성립되었을 때 신호를 출력하는 AND회로와, 이 AND회로의 출력이 있었던 시점에 있어서 상기 페이스쉬프터에 가한 구동신호를 이상량으로 출력하는 샘플링회로를 구비한 구성의 변위의 광학적 측정장치.
제2항에 있어서, 상기 펄스발생회로는 상기 페이스쉬프터의 앞에 설치한 반사광 분기 수단을 가짐으로서 들어낸 반사광의 일부를 간섭시켜 얻어지는 간섭신호를 이용하여 동작시키는 것을 특징으로 하는 변위의 광학적 측정장치.
제2항에 있어서, 상기 펄스발생회로는 상기 타이밍 검출기의 출력을 이용한 것을 특징으로 하는 변위의 광학적 측정장치.
제2항에 있어서, 상기 모우드 선택회로는 상기 측정대상물의 변위 속도에 따라 소정속도 이하에서 저속 모우드를 선택하고, 소정속도 이상에서 고속 모우드를 선택하는 모우드 선택신호를 발생하는 모우드 선택신호 발생기와, 이 모우드 선택신호가 저속 모우드일 때 상기 업 다운 펄스발생회로의 출력펄스를 상기 카운터에 통과시키고, 고속 모우드일 때 상기 펄스발생회로의 출력펄스를 상기 카운터에 통과시키는 게이트회로를 가진 구성이 특징인 변위의 광학적 측정장치.
제5항에 있어서, 상기 모우드 선택신호 발생회로는 리트리거 가능한 단안정 멀티바이브레이터와 플립플롭 회로를 가지며, 입력 펄스 간격과 상기 리트리거 가능한 단안정 멀티바이브레이터의 출력 펄스폭의 대소를 비교하여 상기 모우드 선택 신호를 발생하는 것이 특징인 변위의 광학적 측정장치.
제5항에 있어서, 상기 모우드 선택 신호발생회로는 클럭 펄스 발생기와, 카운터회로와, 디지털 비교기와 입력 펄스와 동기하여 모우드 변환 신호를 변화시키는데 래치회로를 가지며, 입력 펄스에 의하여 카운터회로를 리세트한 후, 클럭을 카운트하기 시작하고, 다음의 입력펄스가 들어온 순간의 카운트 결과와 소정의 일정치의 대소를 비교하여 상기 모우드 선택신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 변위의 광학적 측정장치.
제5항에 있어서, 상기 모우드 선택회로는 모우드 선택신호의 상승, 하강, 또는 그 양쪽을 일정시간 지연시키는 지연소자를 가지는 것을 특징으로 하는 변위의 광학적 측정장치.
제5항에 있어서, 상기 페이스쉬프터의 구동신호에 삽입되어 이 구동신호를 변환하는 스위칭 수단을 가지며, 이 스위칭 수단은 상기 모우드 선택신호에 의하여 상기 측정 대상물의 변위 속도가 클 때는 상기 페이스쉬프터의 구동신호를 일정하게 하고, 작을 때는 주기적으로 변화시키는 것을 특징으로 하는 변위의 광학적 측정 장치.
기준면과 측정대상물에 광원으로부터 광비임을 조사하고 기준면과 측정대상물로부터의 반사광의 간섭을 이용하여 그 측정 대상물의 변위를 측정하는 변위의 광학적 측정방법에 있어서, 페이스쉬프터에 의하여 상기 반사광의 위상차를 최소한 πrad 이상의 진폭으로 주기적이며 강제적으로 변화시켜 이 측정대상물의 변위에 의하여 발생하는 반사광의 위상차의 변화가 상기 페이스쉬프터에 의하여 보상되는 순간에 상기 페이스쉬프터에 가한 구동신호의 크기를 이용하여 그때의 반사광의 위상의 이상량을 검출하고, 상기 측정대상물의 변위함으로써 발생하는 반사광의 위상차가 일정치를 초과 할 때마다 생기는 이상량의 불연속적 변화를 검출하여 변위의 방향에 따라 업 펄스 또는 다운 펄스를 발생함과 동시에 상기 반사광의 간섭신호의 명암의 변화를 감지하여 펄스를 발생시키고, 상기 측정 대상물의 변위 속도가 작은 경우에는 상기 업 펄스 또는 다운 펄스를 카운트하고, 그 변위 속도가 큰 경우에는 상기 간섭신호의 명암의 변화로부터 얻어지는 펄스를 카운트함으로서, 카운트 치를 이용하여 상기 측정대상물의 변위를 측정하는 변위의 광학적 측정방법.