KR100332035B1

KR100332035B1 - 단일 파장 레이저 광의 다중패스를 이용한 거리 측정장치 및 방법

Info

Publication number: KR100332035B1
Application number: KR1019990044521A
Authority: KR
Inventors: 박윤창; 정경민
Original assignee: 지스캔(주)
Priority date: 1999-10-14
Filing date: 1999-10-14
Publication date: 2002-04-10
Also published as: KR20010037162A

Abstract

본 발명은, 광원(1)에서 나온 단일 파장 광을 편광 비임 스플리터(3)를 통과시켜 제1분리광(참조광, S성분)과 제2분리광(측정광, P성분)으로 나누고, 상기 제1분리광은 굴절수단에서 굴절되어 되돌아 오게 함과 동시에, 제2분리광은 코너 큐브 프리즘를 매개로, 이동체에 부착된 반사수단에 다수회 반사되어 되돌아오게 하여 서로 간섭시키고, 이 간섭된 무늬를 수광부에서 검출하여 상기 이동체의 이동거리를 측정하는, 단일 파장 레이저 광을 이용한 거리 측정장치 및 측정방법에 관한 것으로서, 제2분리광에서는 이동체 이동거리의 2배에 반사횟수를 곱한 만큼의 경로변화가 발생되기 때문에 분해능이 뛰어나고, 간단한 광학계로 되어 있으므로 제조비가 저렴하며 긴 거리도 정밀하게 측정이 가능하다.

Description

단일 파장 레이저 광의 다중패스를 이용한 거리 측정장치 및 방법{distance measuring apparatus and method using double pass of homodyne laser}

본 발명은 단일 파장 레이저 광을 이용한 거리 측정장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 구동원에 의해 이동되는 이동체의 이동거리를 측정하는 거리 측정장치 및 방법에 관한 것이다.

반도체산업을 비롯한 각종 산업분야의 정밀 검사장비, 정밀 공작기계 및 삼차원 측정기 등과 같은 장비에서는 반드시 정밀 이송장치를 필요로 하게 된다. 이러한 이송장치는 크게 3부분으로 나누어지는데, 동력원이 되는 모터(Motor)와, 이송량을 검출하는 거리 측정장치, 그리고 이송운동을 안내하는 안내면(Guide Way)으로 구성된다.

상기 이송장치중 거리 측정장치는 이송운동의 정밀도를 좌우하는 가장 중요한 부분으로서, Sub-㎛의 분해능이 요구되는 거리 측정장치에는 가간섭성이 우수한 레이저가 광원으로 이용되고 있다.

종래 레이저를 이용한 대표적인 거리측정장치는 주파수가 근사하게 차이나는 두 가지 파장의 레이저를 이용하여 도플러 효과(Doppler Effect)에 의한 위상차를 검출하여 이동거리를 측정하는 헤테로다인(Heterodyne) 방식의 레이저 간섭계이다.

그런데, 상기 헤테로다인 방식의 레이저 간섭계는 두 가지 파장의 레이저를이용하면서 정밀한 위상차 검출기를 필요로 하고, 또한, 광량의 변화에 따른 거리 측정오차를 줄이기 위해서 광강도 안정장치가 필수적이기 때문에 매우 고가이다.

따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 분해능이 뛰어나고, 가격이 저렴하면서 광의 강도변화에 따른 거리 측정오차를 줄이는 단일 파장 레이저 광을 이용한 거리측정장치 및 방법을 제공하는 데 있다.

도1은 본 발명에 일 실시예에 의한 단일 파장 레이저 광을 이용한 거리 측정장치를 나타내는 구성도,

도2a는 본 발명의 도1의 4분할 포토다이오드의 구조를 나타내는 개략구성도,

도2b는 본 발명의 도1의 위상격자의 구조를 나타내는 개략구성도,

도3는 본 발명에서, 제1분리광(참조광)과 제2분리광(측정광)이 간섭무늬를 형성하는 과정과 위상격자 및 4분할 포토다이오드의 관계를 나타내는 그래프,

도4는 본 발명에서 이동 반사경이 이동할 경우에 변하는 4분할 포토다이오드의 출력신호를 나타나는 그래프,

도5a는 수광부에 입사된 간섭무늬로부터 펄스신호를 발생하는 장치를 나타내는 블록도,

도5b는 도5a에서 펄스신호가 발생되는 과정을 나타내는 그래프,

도6은 도3의 신호로부터 간섭무늬의 위상을 계산하는 방법을 설명하는 그래프,

도7a는 본 발명에 의한 단일 파장 레이저 광을 이용한 거리 측정장치의 효과를 시험한 실험에서, 이동반사경을 150스텝 이동시킬 때 계측된 수광부의 출력신호를 나타내는 그래프,

도7b는 도7a의 수광부 출력신호가 도5a의 장치에 입력되어 4채배된 결과를 갭센서로 측정된 변위값과 비교한 그래프,

도7c는 도7a의 수광부 출력신호에서 계산된 간섭무늬의 위상값을 표시하는 그래프,

도7d는 도7b의 4채배 결과값과 도7c의 간섭무늬 위상값을 조합하여 구해진 이동반사경의 변위값과 갭센서에서 측정된 변위값을 비교한 그래프,

도8은 본 발명의 다른 실시예에 의한 단일 파장 레이저 광을 이용한 거리 측정장치를 나타내는 구성도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 단일 파장 광원

2 : 비임 확대기(beam expander)

3 : 비임 스플리터(beam splitter)

4 : 1/4 웨이브 플레이트(1/4 wave plate)

5 : 이동 반사경

6 : 제1 코너큐브프리즘(corner cube prism)

7, 9 : 웨지 프리즘(wedge prism)

8 : 제2 코너큐브프리즘(corner cube prism)

10 : 위상격자(phase gratings)

11 : 4분할 포토다이오드(quadratic photodiode)

본 발명에 의한 단일 파장 레이저 광을 이용한 거리 측정장치는, 구동원에 의해 이동하는 이동체의 이동거리를 측정하는 거리 측정장치에 있어서, 단일 파장 광을 발생하는 광원과, 상기 광원에서 나온 단일 파장 광을 측정광과 참조광으로 분리하도록 상기 광원의 일측에 설치된 편광 비임 스플리터와, 상기 측정광이 반사되어 되돌아 오도록 상기 이동체에 고정된 반사수단과, 상기 반사수단에서 되돌아온 광을 상기 반사수단에 다시 반사시키는 재 반사수단과, 상기 참조광이 소정의 각도로 굴절되어 되돌아오게 하도록 상기 편광 비임 스플리터의 타측에 설치된 굴절수단과, 상기 반사수단에서 다수회 반사되어 온 측정광과 상기 굴절수단에서 굴절되어 온 참조광이 합쳐져서 생기는 간섭무늬를 검출하도록 상기 편광 비임스플리터의 타측에 설치된 수광부와, 상기 간섭무늬의 특정부분만을 통과시키도록 상기 편광 비임스플리터와 상기 수광부 사이에 설치된 위상격자를 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.

상기 반사수단은 상기 이동체에 고정된 이동 반사경과, 상기 측정광의 편광방향을 바꾸어 주도록 상기 편광 비임스플리터와 상기 이동거울 사이에 설치된 1/4웨이브 플레이트로 이루어 지고, 상기 재 반사수단은 상기 이동 반사경에서 반사된 측정광을 편광 비임스플리터를 통하여 상기 반사수단에 재차 반사시키도록 상기 비임 스플리터의 일측에 설치된 제1 코너큐브프리즘으로 되어 있으며, 상기 굴절 수단은 상기 편광 비임스플리터의 일측에 설치된 제2 코너큐브프리즘과, 상기 참조광을 소정의 각도로 굴절시키도록 상기 편광 비임스플리터와 제2 코너큐브프리즘 사이에 설치된 웨지 프리즘으로 이루어 져 있다.

상기 반사수단은 상기 이동체에 고정된 이동 코너큐브프리즘과, 상기 측정광의 편광방향을 바꾸어 주도록 상기 편광 비임스플리터와 상기 이동 코너큐브프리즘 사이에 설치된 1/4 웨이브 플레이트로 이루어 지고, 상기 재 반사수단은 상기 이동 코너큐브프리즘에서 반사된 측정광을 상기 이동 코너큐브프리즘에 재반사시키는 고정 반사경으로 이루어 지며, 상기 굴절수단은 상기 편광 비임스플리터의 일측에 설치된 경사 반사경과, 상기참조광의 편광방향을 바꾸어 주도록 상기 편광 비임스플리터와 상기 경사반사경 사이에 설치된 1/4 웨이브 플레이트로 이루어 진 구조로 되어 있을 수도 있다.

상기 광원과 상기 편광 비임스플리터 사이에는 상기 광원에서 나온 광을 확대하도록 비임 확대기가 설치되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 광원에서 나온 광은 광섬유를 통하여 상기 비임스플리터로 안내되는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 단일 파장 레이저 광을 이용한 거리 측정방법은, 광원에서 나온 단일 파장 광을 편광 비임스플리터를 통과시켜 참조광과 측정광으로 나누고,상기 참조광은 굴절수단에서 굴절되어 되돌아 오게 함과 동시에, 측정광은 이동체에 부착된 반사수단에 다수회 반사된 다음 되돌아오게 하여, 상기 참조광과 측정광을 서로 간섭시키고, 이 간섭된 무늬를 수광부에서 검출하여 상기 이동체의 이동거리를 측정하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 첨부도면을 참조하면서 상세히 설명한다. 상기 재 반사수단을 다수개 설치하여 측정광이 상기 반사수단에 다수회 반사되도록 구성할 수 있으나, 이하의 실시예에서는 측정광을 반사수단에 2회만 반사시키는 구조를 예를 들어 설명한다.

도1에 도시한 바와 같이(본 도면에서는 이동체 및 이를 구동하는 구동원은 도시되어 있지 않다.), 광원(1)의 일측에는 이 광원에서 나온 단일 파장 광을 참조광(O1)과 측정광(O2)으로 분리하도록 편광 비임스플리터(3)가 설치되어 있고, 상기 광를 확대시키기 위해서 상기 광원(1)과 상기 편광 비임스플리터(3) 사이에 빔확대기(2)가 설치되어 있고, 상기 측정광(O2)이 반사되어 되돌아 오도록 도시하지 않은 이동체에 이동반사경(5)이 고정되어 있으며, 상기 측정광(02)의 편광방향을 바꾸어 주기 위해서 상기 편광 비임스플리터(3)와 이동반사경(5) 사이에 1/4 웨이브플레이트(4)가 설치되어 있고, 상기 이동반사경(5)에서 반사되는 측정광(02)을 다시 반사시키기 위해서 상기 편광비임스플리터(3)의 일측에 제1 코너큐브프리즘(6)이 설치되어 있고, 상기 참조광(O1)이 소정의 각도로 경사지도록 상기 편광 비임스플리터(3)의 일측에는 웨지프리즘(7)(9)이 설치되어 있고, 상기 참조광(01)이 반사되어 후술하는 4분할 포토다이오드에 들어오도록 상기 편광비임스플리터(3)의 일측에 제2 코너큐브프리즘(8)이 설치되어 있고, 상기 참조광(O1)과 상기 측정광(O2)이 합쳐져서 생기는 간섭무늬를 형성시키는데 이 간섭무늬를 검출하도록 상기 편광 비임스플리터(3)의 타측에는 4개 영역으로 나누어진 4분할 포토다이오드(11)가 설치되어 있고, 상기 간섭무늬의 특정부분만을 통과시키는 위상격자(10)(phase grating)가 상기 4분할 포토다이오드(11) 앞에 설치되어 있다.

상기 4분할포토다이오드(11)에는 도2a에 도시한 바와 같이 4영역으로 나누어져 있으며, 상기 위상격자(10)는 상기 참조광(01)과 상기 측정광(02)이 합쳐져서 형성되는 간섭무늬 파장의 특정부분만을 통과시키는 부품으로서 도2b에 도시한 바와 같이 상기 4분할 포토다이오드(11)의 4영역에 일치하는 4개의 영역으로 나누어져 있으며, 각 영역의 격자피치는 참조광(01)과 측정광(02)이 합쳐져서 형성되는 직선 줄무늬 형태의 간섭무늬에서의 피치와 동일하지만, 위상이 각각 90도씩 차이가 나도록 되어있다.

상기 광원(1)은 헬륨-네온 레이저광(He-Ne Laser)으로 되어 있으나, 레이저 비임을 발생시키는 것은 어떠한 종류의 것도 사용될 수 있다.

상기 이동반사경(5)은 그 면이 상기 측정광(O2)의 진행방향에 대해 수직되게 설치되어 있다.

상기 4분할포토다이오드(11)는 4개의 영역으로 나누어져 있어서 4개의 포토다이오드가 한 개로 만들어진 것이기 때문에, 4개의 포토다이오드로 대치될 수 있다.

또한, 참조광(01)을 소정의 각도로 경사시키기 위해서 사용되고 있는 두 개의 웨지프리즘(7,9)는 웨지프리즘의 웨지각(wedge angle)이 정확할 경우에 한 개만 사용할 수도 있다.(형성되는 직선 줄무늬 형태의 간섭무늬에서의 피치가 결정되면, 이에 따라서 참조광의 경사각이 결정되고, 또한 1개의 웨지프리즘을 사용할 때의 웨지각이 정해진다. 하지만, 이 웨지각은 매우 작은 값이 되고, 이를 정확하게 가공하는 것이 어렵게 된다. 그래서 원판형으로 생긴 두개의 웨지프리즘을 사용하여 참조광의 경사각을 조정한다.)

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 단일 파장 레이저 광을 이용한 거리측정장치에서, 광원(1)에서 나온 단일 파장 광은 편광 비임스플리터(3)에 입사된다. 상기 편광 비임스플리터(3)에 입사된 빛 중에서, S성분은 편광 비임스플리터(3)의 경사면에서 반사되는 참조광(O1)으로, P성분은 편광 비임스플리터(3)의 경사면을 통과하는 측정광(O2)으로 나누어 지게 된다.

P성분의 측정광(O2)은 1/4 웨이브플레이트(4)를 거쳐 이동반사경(5)에서 반사되고, 다시 1/4 웨이브플레이트(4)를 거쳐서 편광 비임스플리터(3)로 되돌아 오게 된다. 이때의 측정광(02)은 1/4 웨이브플레이트(4)를 두 번 통과하면서 P성분에서 S성분으로 변화되었기 때문에 편광 비임스플리터(3)의 경사면에서 반사되고, 제1 코너큐브프리즘(6)에서 다시 반사되어 편광 비임스플리터(3)로 되돌아오게 된다. 이때의 측정광(02)은 S성분이기 때문에 편광비임스플리터(3)의 경사면에서 반사되어 1/4 웨이브플레이트(4)를 거쳐 이동반사경(5)에서 반사되고, 다시 1/4 웨이브플레이트(4)를 거쳐서 편광비임스플리터(3)로 되돌아오게 된다. 이때의측정광(02)은 1/4 웨이브플레이트(4)를 두 번 통과하면서 S성분에서 P성분으로 변화되었기 때문에 편광 비임스플리터(3)의 경사면을 통과하여 위상격자(10)를 거쳐서 4분할 포토다이오드(11)에 입사하게 된다.

이상과 같이 측정광(02)이 이동반사경(5)에서 2회 반사하기 때문에, 이동반사경(5)의 거리변화에 대하여, 측정광(02)의 이동경로는 4배로 증폭되게 된다.

한편, S성분의 참조광(O1)은 웨지프리즘(7)를 거쳐서 제2 코너큐브프리즘(8)에서 반사되고, 다시 웨지프리즘(9)를 통해서 편광 비임스플리터(3)에 도달하게 된다. 이때의 참조광(01)은 두 개의 웨지프리즘(7,9)를 거치면서 소정의 각도로 경사지게 되고, S성분인 측정광(01)은 편광 비임스플리터(3)의 경사면에서 반사되어 위상격자(10)를 거쳐서 4분할 포토다이오드(11)에 입사하게 된다.

이와 같은 광의 경로가 도1에 도시되어 있다. 즉, 측정광(02)의 경로는 a →b →a →c →d →e →f →e →g 이고, 참조광(01)의 경로는 a →h →i →e →g 이다.

상기 위상격자(10)면에 수직으로 입사되는 측정광(O2)과 소정의 각도로 경사져 입사되는 참조광(O1)은 위상격자(10)에서 합쳐지면서 간섭을 일으키게 된다. 이 때 형성되는 간섭무늬는 직선 줄무늬 형태를 가지면서 줄무늬의 간격은 두 개의 웨지프리즘(7,9)에서 설정된 경사각에 따라서 일정한 값을 가지게된다. 이 직선 줄무늬 형태의 간섭무늬의 1주기를 360°라고 할 때 90°간격으로 위상차가 있는 위상격자(10)는 해당부분만의 간섭무늬를 통과시켜 4분할 포토다이오드(11)에 입사시키게 되고, 여기에는 공지의 수광회로가 결합되어 있어서 입사된 빛에너지에 비례하는 전기신호를 출력하게된다.

이 과정을 도3에 따라 구체적으로 설명한다. 도3에 도시한 바와 같이, 이동 반사경(5)의 반사면이 광축에 대해서 수직이기 때문에 여기서 반사되어 위상격자로 입사되는 측정광(02)은 위상격자(10)면과 평행한 파두면(wave front)을 유지하는 반면에, 웨지프리즘(7,9)를 거쳐서 입사되는 참조광(01)의 파두면(wave front)은 위상격자면(10)과 소정의 각도 θ만큼 기울어지게 된다. 이 결과로 참조광(01)의 위상과 측정광(02)의 위상이 동일한 위치에서는 광에너지가 최대값을 갖게 되고, 위상이 180도 어긋나는 부위에서의 광에너지는 최소로 되는데, 이러한 현상이 주기적으로 반복되어 조화함수 형태의 광에너지분포를 나타내게 된다. 여기서의 간섭 줄무늬의 피치(Pitch='P')는 사용되는 광의 파장(Wave Length='λ')과 웨지프리즘(7,9)에 의한 참조광(01)의 경사각(Tilting Angle='θ')에 의해 결정되는데 다음과 같은 관계를 가지게 된다.

식 (1)

그리고 이동반사경(5)이 측정광(02)과 같은 방향으로 L만큼 이동하면, 이동반사경(5)에 2회 반사되는 측정광(02) 경로의 거리변화량은 4L이 된다. 측정광(02) 경로의 거리변화량에 기인한 측정광(02)의 위상변화에 따라 간섭무늬는 줄무늬의 직각방향으로 이동하게 된다. 이동반사경(5)의 이동거리를 L이라하고, 이에 따른 간섭무늬의 이동량을 l이라 하면, 이는 다음과 같이 구해진다.

식(2)

이 식을 보면 이동반사경(5)이 λ/4만큼 이동하면 간섭 줄무늬는 한 피치를 이동하게 됨을 알 수 있다.

도3에서와 같은 조화함수 형태의 광에너지분포에서 한 주기를 360°라고 할 때 90°간격으로 4개의 빛에너지를 검출하기 위하여, 도2b에 도시한 바와 같이 4개의 영역으로 나누고, 각 영역에서의 격자피치는 간섭 줄무늬의 피치와 동일하게 되어 있지만, 4개 영역의 격자위상이 90°씩 차이나는 위상격자(10)를 도2a와 같이 배치하고 4분할포토다이오드(11) 각각의 출력신호를 검출하게 된다.

도 4는 상기 이동반사경(5)이 이동할 때 4개의 포토다이오드(11) 출력신호(A, A', B, B')를 보여주고 있는데, 4개의 출력신호는 도시된 바와 같이 각각 90°의 위상차를 가지게 된다.

이 신호는 종래의 광학식 선형 엔코더(optical linear encoder)의 출력과 동일하기 때문에 상용의 4채배(four-fold)용 업/다운(UP/DOWN) 계수기(counter)를 이용함으로써, 이동반사경(5)의 이동량으로 볼 때 λ/16에 해당하는 거리측정 분해능을 얻을 수 있다.

따라서, 측정용으로 많이 이용되는 파장이 0.6328 ㎛인 He-Ne레이저 광원을 사용할 경우 0.03955㎛의 분해능을 얻을 수 있음을 의미한다.

도5a는 종래의 광학식 선형 엔코더에서 많이 사용되고 있는 4채배용 UP/DOWN 계수기(counter)의 구조를 보여주는데, 도시된 바와 같은 비교기(21)(23), 디렉션 디스크리미네이터(Direction Discriminator)(25)와 업/다운 계수기(Updown Counter)(27)가 결합되어 있는 구조를 가지고 있다.

도5b는 4채배용 UP/DOWN 계수기에서 조화함수형태의 한 주기에 대해서 4개의 펄스 신호를 만들어 내는 과정을 보여주고 있는데, 이는 이미 잘 알려진 내용이기 때문에 자세한 설명을 생략한다.

상기 4채배방식은 앞에서 언급한 바와 같이 λ/16의 분해능을 얻을 수 있는데, 분해능을 이보다 향상 시키기 위해서 다음과 같은 알고리즘을 적용한다.

4분할 포토다이오드(11)의 출력은 각각 90°의 위상차를 가지기 때문에 A 와 B, 그리고 A' 와 B'를 이용하여 도6에서 보는 바와 같이 리사쥬(Lissajous)를 그리면, 임의 위치에서의 위상 φ는 위치에서의 포토다이오드 출력신호로부터 다음과 같이 구해질 수 있기 때문에 좀더 정밀한 위치검출이 가능하게된다.

식 (3)

이상의 두 방식을 같이 이용하여 이동 반사경(5)의 변위를 계산하는 과정은 다음과 같다.

업다운 계수기(27)의 값(N)은 광원파장의 1/16마다 1씩 증감하고, 이동반사경(5)이 광원의 한 파장만큼 이동하면, 측정광(02)의 경로변화는 4배가 되고, 간섭무늬의 위상값 φ의 변화는 8π가 된다. 따라서 간섭무늬의 위상값 φ를 π/2 로 나눈 나머지에 해당하는 변위값을 산출하여 업다운 계수기(27)의 값(N)에서 검출된 변위값에 더하면, 이동반사경(5)의 변위 L은 다음과 같이 구해진다.

식 (4)

본 발명에서의 거리측정장치에서는 광원의 세기가 변하면, 포토다이오드의출력신호가 동시에 변하기 때문에 이로 인한 거리측정오차가 발생되지 않으며, 단일 파장의 레이저를 이용하고 있기 때문에 저렴하게 제작될 수 있는 장점을 가지고 있다.

다음에는 본 발명의 성능 및 효과를 알기 위해 실험한 결과를 설명한다.

본 실험장치에서는 광원으로서는 파장 633nm의 He-Ne 레이저(5mW)을 사용하였고, 레이저를 직경 15mm로 확대하는 비임확대기를 사용하였다. 포토다이오드는 4분할포토다이오드로서 HAMAMATSU사의 S5106를 사용하였으며, 위상격자의 피치는 1.16mm가 되도록 제작하였다. 또한, 웨지각이 2°인 두 개의 원판형 웨지프리즘을 사용하여 형성된 간섭무늬의 피치가 위상격자에 새겨진 격자피치와 동일한 1.16mm가 되도록 참조광의 경사 각도를 조정하였다.

이동 반사경을 직선으로 안내하기 위해서 판스프링 구조를 운동 안내면으로 사용하는 정밀 이송계를 구성하였으며, 이동반사경을 정밀하게 구동하기 위해 TOKIN사의 압전구동기(piezoelectric actuator - AE0505D16)가 사용되었고, 이동반사경의 실제 변위를 측정하기 위해서 분해능이 1.0nm인 ADE사의 정전용량형 갭센서(ADE-2102+2036)와 앰프(microsensor-3401)가 사용되었다.

도7a는 정밀이송계의 압전구동기(PZT)를 0.0625V씩 증가시켜 100스텝을 구동하고, 다시 0.0625V씩 감소시키면서 50스텝 구동할 때 이동 반사경의 변위에 따른 4분할 포토다이오드의 출력신호를 나타내고 있다. 압전구동기에 의해 이동반사경이 1스텝당 약4.1nm씩 구동됨에 따라 4분할 포토다이오드의 신호 A, B, A', B'의 위상이 각각 90도가 차이나는 cosine함수 형태로 나타나고 있으며, 100 스텝위치에서출력신호가 반전되는 것을 볼 수 있다.

도7a에서의 신호 A와 A', 그리고 B와 B'는 도5a에 표시된 각각의 비교기에서 구형파로 변환되어 UP/DOWN계수기(counter, LSI사의 LS7166)에 입력된다. 계수기에서는 사용된 레이저 파장의 632.8nm이기 때문에 4채배되어 최종적으로는 파장의 1/16인 39.55nm마다 계수기값을 증가시키게된다.

도7b는 압전구동기를 이용하여 이동반사경을 150 스텝 구동할때 갭센서에서 측정된 변위('gap sensor'로 표시되어 있음)와 계수기의 출력에서 구해진 변위(39.55nm x 계수기값, 'Count*39.55'로 표시되어 있음)를 비교한 것이다.

이 결과에서 갭센서에서 측정된 변위값이 39.55nm만큼 증감할 때마다 계수기의 값이 1씩 증감되고 있음을 볼 수 있으며, 계수기의 값에 39.55nm 곱해진 변위값과 갭센서의 측정값과의 관계를 볼 수 있다.

도7c는 도7a에 나타난 4분할 포토다이오드의 출력에서 식(3)의 관계로부터 구해진 간섭무늬의 위상값을 표시하고 있다.

도7d는 업다운계수기에서 구해진 변위를 표시하는 도7b의 결과와 간섭무늬의 위상을 표시하는 도7c의 결과를 식(4)에 대입하여 이동반사경의 최종변위를 갭센서에서 측정된 변위값과 비교한 것이다. 이 결과에 따르면, 본 발명에 의한 변위 측정장치의 위치검출정도는 표준편차 σ = 2.3nm인 것으로 나타났다.

이러한 결과에서, 종래 두 가지 주파수를 이용하고 있는 헤테로다인형의 레이저 간섭계와 동일한 수준의 정밀도를 확인할 수 있으며, 광원에서의 광량변화에 영향을 받지 않면서도, 광학적인 구성이 단순하기 때문에 저렴하게 구성될 수 있는장점이 있다.

도8은 본 발명의 다른 실시예(제2 실시예)에 의한 단일 파장 레이저 광을 이용한 거리측정장치를 도시하고 있다. 도시한 바와 같이, 광원(21)의 일측에는 이 광원에서 나온 단일 파장 광을 참조광(O1)과 측정광(O2)으로 분리하도록 편광 비임스플리터(23)가 설치되어 있고, 상기 측정광(O2)이 반사되어 되돌아 오도록 도시하지 않은 이동체에 이동 코너큐브프리즘(25)이 고정되어 있으며, 상기 이동 코너큐브프리즘(25)에서 반사되어 나오는 측정광(02)을 다시 이동 코너큐브프리즘(25)에 재반사시키기 위해서 상기 이동 코너큐브프리즘(25)의 일측에 고정 반사경(27)이 설치되어 있고, 상기 참조광(O1)이 소정의 각도로 경사져 반사되어 되돌아 오도록 상기 편광 비임스플리터(23)의 타측에는 경사 반사경(29)이 설치되어 있고, 상기 참조광(O1)과 상기 측정광(O2)이 합쳐져서 생기는 간섭무늬를 형성시키는데 이 간섭무늬를 검출하도록 상기 편광비임스플리터(3)의 타측에는 4개 영역으로 나누어진 4분할 포토다이오드(33)가 설치되어 있고, 상기 간섭무늬의 특정부분만을 통과시키는 위상격자(31)(phase grating)가 상기 4분할 포토다이오드(33) 앞에 설치되어 있다.

그리고, 상기 광원(21)에서 나온 단일 파장 광은 광섬유(39)를 통해 상기 편광 비임스플리터(23)에 안내되는 데, 상기 광섬유(39)의 전측에는 상기 광을 축소하는 비임 축소기(35)가 설치되어 있고, 상기 광섬유(39)의 후측에는 광을 확대하는 비임 확대기(37)가 설치되어 있다. 이와 같이, 광섬유(39)를 구비한 구성은 광섬유의 유연성을 이용하여 광원을 자유롭게 설치할 수 있고, 이동체의 이동거리 측정수를 2개 이상으로 할 경우에 광섬유를 분기하는 것이 편리하기 때문에 한 개의 광원으로 여러 위치의 거리 측정을 할 수 있는 장점이 있다.

그리고, 상기 편광 비임스플리터(23)와 이동 코너큐브프리즘(25) 사이에는 상기 측정광(02)의 편광방향을 바꾸어 주기 위해서 1/4 웨이브플레이트(41)가 설치되어 있고, 상기 편광 비임스플리터(23)와 경사 반사경(29)사이에는 상기 참조광(01)의 편광방향을 바꾸어 주기 위해서 1/4 웨이브플레이트(43)가 설치되어 있다.

상기 경사 반사경(29)은 그 면이 상기 참조광(01)의 진행 방향에 대한 수직면에서 소정각도(θ)로 경사지게 설치되어 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 제2실시예에 의한 단일 파장 레이저 광을 이용한 거리 측정장치에서, 편광 비임스플리터(23)에서 분리된 참조광(01)은 1/4웨이브 프레이트(43)를 매개로 경사 반사경(29)에서 반사되어 2θ만큼 기울어져 편광 비임스플리터(23)에 되돌아 오고, 편광 비임스플리터(23)에서 분리된 측정광(02)은 1/4 웨이브플레이트(41)를 매개로 이동 코너큐브프리즘(25)에서 반사된 후 고정 반사경(27)에서 재차 반사되어 이동 코너큐브프리즘(25) 및 1/4웨이브 프레이트(41)를 거쳐 편광 비임스플리터(23)에 되돌아 온다.

이때, 편광 비임 스플리터(23)에서 모인 참조광(01)과 측정광(02)은위상격자(31)에서 간섭되어 간섭무늬을 이루어, 4분할 포토다이오드(33)에 입사되는 작용은 본 발명의 제1실시예와 동일하다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 단일 파장 레이저 광을 이용한 거리 측정장치 및 측정방법에 의하면, 분해능이 뛰어나고, 광원에서의 광량 변화에 영향을 받지 않을 뿐만아니라, 광학적인 구성이 단순하기 때문에 저렴하게 구성될 수 있는 장점이 있다.

Claims

구동원에 의해 이동하는 이동체의 이동거리를 측정하는 거리 측정장치에 있어서,

단일 파장 광을 발생하는 광원과,

상기 광원에서 나온 단일 파장 광을 측정광과 참조광으로 분리하도록 상기 광원의 일측에 설치된 편광 비임스플리터와,

상기 측정광이 반사되어 되돌아 오도록 상기 이동체에 고정된 반사수단과,

상기 반사수단에서 되돌아온 광을 상기 반사수단에 다시 반사시키는 재 반사수단과,

상기 참조광이 소정의 각도로 굴절되어 되돌아오게 하도록 상기 편광 비임 스플리터의 타측에 설치된 굴절수단과,

상기 반사수단에서 다수회 반사되어 온 측정광과 상기 굴절수단에서 굴절되어 온 참조광이 합쳐져서 생기는 간섭무늬를 검출하도록 상기 편광 비임스플리터의 타측에 설치된 수광부와,

상기 간섭무늬의 특정부분만을 통과시키도록 상기 편광 비임스플리터와 상기 수광부 사이에 설치된 위상격자를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 단일 파장 레이저 광을 이용한 거리측정장치.
제1항에 있어서,

상기 반사수단은 상기 이동체에 고정된 이동 반사경과, 상기 측정광의 편광방향을 바꾸어 주도록 상기 편광 비임스플리터와 상기 이동거울 사이에 설치된 1/4 웨이브 플레이트로 이루어 지고;

상기 재 반사수단은 상기 이동 반사경에서 반사된 측정광을 편광 비임스플리터를 통하여 상기 반사수단에 재차 반사시키도록 상기 비임 스플리터의 일측에 설치된 제1 코너큐브프리즘으로 되어 있으며;

상기 굴절 수단은 상기 편광 비임스플리터의 일측에 설치된 제2 코너큐브프리즘과, 상기 참조광을 소정의 각도로 굴절시키도록 상기 편광 비임 스플리터와 제2 코너큐브프리즘 사이에 설치된 웨지 프리즘으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 단일 파장 레이저 광을 이용한 거리 측정장치.
제1항에 있어서,

상기 반사수단은 상기 이동체에 고정된 이동 코너큐브프리즘과, 상기 상기 측정광의 편광방향을 바꾸어 주도록 상기 편광 비임스플리터와 상기 이동 코너큐브프리즘 사이에 설치된 1/4 웨이브 플레이트로 이루어 지고;

상기 재 반사수단은 상기 이동 코너큐브프리즘에서 반사된 측정광을 상기 이동 코너큐브프리즘에 재반사시키는 고정 반사경으로 되어 있으며;

상기 굴절수단은 상기 편광 비임스플리터의 일측에 설치된 경사 반사경과, 상기 참조광의 편광방향을 바꾸어 주도록 상기 편광 비임스플리터와 상기 경사반사경 사이에 설치된 1/4 웨이브 플레이트로 이루어 진 구조로 되어 있는 것을 특징으로 하는 단일 파장 레이저 광을 이용한 거리 측정장치.
제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,

상기 광원에서 나온 광은 광섬유를 통하여 상기 편광 비임스플리터로 안내되는 구조로 되어 있는 것을 특징으로 하는 단일 파장 레이저 광을 이용한 거리 측정장치.
광원에서 나온 단일 파장 광을 편광 비임 스플리터를 통과시켜 참조광과 측정광으로 나누고,

상기 참조광은 굴절수단에서 굴절되어 되돌아 오게 함과 동시에, 측정광은 이동체에 부착된 반사수단에 다수회 반사된 다음 되돌아오게 하여, 상기 참조광과 측정광을 서로 간섭시키고,

이 간섭된 무늬를 수광부에서 검출하여 상기 이동체의 이동거리를 측정하는 것을 특징으로 하는 단일 파장 레이저 광을 이용한 거리 측정방법.