KR100336307B1 - 광을 이용한 거리측정장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광을 이용한 거리측정장치 및 방법에 관한 것으로서, 광원(1)에서 나온 광을 비임스플리터(3)를 통과시켜 제1분리광과 제2분리광으로 나누고, 상기 제1분리광은 소정각도로 경사된 경사 반사경(7)에 반사되어 되돌아 옴과 동시에 상기 제2분리광은 이동 반사경(5)에 반사되어 되돌아 와서 서로 간섭되고, 이 간섭된 무늬가 수광부(9)에서 검출되어 상기 이동 반사경의 이동거리를 측정하는 것을 특징으로 하며, 분해능이 뛰어나고, 간단한 광학계로 되어 있으므로 제조비가 저렴하며 긴 거리도 정밀하게 측정이 가능하다.

Description

광을 이용한 거리측정장치 및 방법{distance measuring apparatus and method using laser}

본 발명은 광을 이용한 거리측정장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 구동원에 의해 이동되는 이동체의 이동거리를 측정하는 거리측정장치 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 거리측정장치, 그리고 이송운동을 안내하는 안내면(Guide Way)으로 구성된다.

상기 이송장치중 거리측정장치는 이송운동의 정밀도를 좌우하는 가장 중요한 부분이다.

종래 거리측정장치의 한 종류로서, 광학식 선형 엔코더(Optical Linear encoder)이 개시되어 있다. 이 광학식 선형 엔코더는 4 ㎛ ~ 20 ㎛ 피치(Pitch='P')의 눈금이 새겨진 유리막대(이를 '메인격자-main grating'라 한다)의 양편에 발광소자와 P/4 간격으로 설치된 4개의 수광소자를 설치한 구조로 되어 있으며, 상기 메인격자가 움직이면 눈금의 위치에 따라 수광소자가 받는 빛의 양이 변하게 되고, 이 빛의 양에 비례하는 전기적 신호를 발생시키는 4개의 수광소자는 메인격자의 눈금피치(P)와 동일한 주기의 반복적인 전기신호를 발생시키는데, 각각의 출력신호는 90°씩의 위상차이를 갖게 되고 이 신호는 UP/DOWN 계수기(Counter)에서 메인격자피치의 1/4주기마다 계수값을 증감시켜서 메인격자의 이송량을 알아내고 있다. 즉, 이와 같은 종래의 거리측정장치는 메인격자피치의 1/4에 해당하는 분해능을 가지게 된다.

그런데, 상기한 바와 같은 종래의 광학식 선형 엔코더는 측정길이만큼의 일정한 간격의 눈금이 필요한데, 이 눈금은 거리 측정 정밀도에 직접적인 영향을 미치므로 매우 정밀해야 할 뿐만 아니라, 측정길이가 길어지면 이 눈금이 새겨진 메인격자도 길어져야 하기 때문에 측정장치의 가격이 측정길이에 따라 비례적으로 증가하게 된다는 문제점이 있었다. 이와 같은 문제로 인하여 종래 상기 광학식 선형 엔코더는 0.2m 이하의 거리측정에 주로 사용되고 있다.

따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 이루어진 것으로서, 분해능이 뛰어나고, 가격이 저렴하며 긴 거리도 정밀하게 측정할 수 있는 거리측정장치 및 방법을 제공하는 데 있다.

도1은 본 발명에 일 실시예에 의한 거리측정장치를 나타내는 개략구성도,

도2는 본 발명의 다른 실시예에 의한 거리측정장치를 나타내는 개략구성도,

도3는 본 발명에서, 제1분리광과 제2분리광이 간섭무늬를 형성하는 과정과 위상격자 및 수광부의 관계를 나타내는 그래프,

도4는 본 발명에서 이동 반사경이 이동할 경우에 변하는 수광부의 출력신호를 나타나는 그래프,

도5a는 수광부에 입사된 간섭무늬로부터 펄스신호를 발생하는 장치를 나타내는 블록도,

도5b는 도5a에서 펄스신호가 발생되는 과정을 나타내는 그래프,

도6은 본 발명에 의한 광을 이용한 거리측정장치의 효과를 시험한 장치도,

도7은 도6의 포토다이오드에 형성되는 간섭무늬의 피치를 확인하기 위해 사용된 선형 이미지 센서의 출력을 나타내는 그래프,

도8a는 도6의 압전구동기를 0.125V씩 증가시켜 100스텝으로 구동했을 경우의 포토다이오드의 신호를 나타내는 그래프,

도 8b는 도6의 압전구동기를 0.125V씩 증가시켜 100스텝으로 구동했을 경우,갭센서의 신호를 나타내는 그래프,

도9은 도6의 압전구동기를 0.125V씩 증가시켜 100스텝으로 구동했을 경우, 상기 갭센서에서 측정된 변위와 계수기의 출력에서 구해진 변위를 비교한 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 광원 3 : 비임 스플리터

5 : 이동 반사경 7 : 경사 반사경

9 : 수광부 11 : 위상격자

13 : 비임 확대기

본 발명에 의한 광을 이용한 거리측정장치는 구동원에 의해 이동되는 이동체의 이동거리를 측정하는 거리측정장치에 있어서, 광을 발생하는 광원과, 상기 광원에서 나온 광을 제2분리광과 제1분리광으로 분리하도록 상기 광원의 일측에 설치된 비임스플리터와, 상기 제2분리광이 반사되어 되돌아 오도록 상기 이동체에 고정된 이동 반사경과, 상기 제1분리광이 소정의 각도로 경사져 반사되어 되돌아 오도록 상기 비임스플리터의 일측에 결합된 경사 반사경과, 상기 이동 반사경에서 반사되어 온 제2분리광과 상기 경사 반사경에서 반사되어 온 제1분리광이 합쳐져서 생기는 간섭무늬를 검출하도록 상기 비임스플리터의 타측에 설치된 수광부와, 상기 간섭무늬의 특정부분만을 통과시키도록 상기 비임스플리터와 상기 수광부의 사이에 설치된 위상격자를 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.

상기 광원과 비임스플리터사이에는 상기 광원에서 나온 광을 확대시키도록 비임 확대기가 설치되어 있을 수도 있다.

본 발명에 의한 광을 이용한 거리측정방법은 광원에서 나온 광을 비임스플리터를 통과시켜 제1분리광과 제2분리광으로 나누고, 상기 제1분리광은 소정각도로 경사된 경사겨울에 반사되어 되돌아 오게 함과 동시에 상기 제2분리광은 이동 반사경에 반사되어 되돌아 오게 하여 상기 제1분리광과 제2분리광을 서로 간섭시키고,이 간섭된 무늬를 수광부에서 검출하여, 상기 이동 반사경의 이동거리를 측정하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 첨부도면을 참조하면서 상세히 설명한다.

도1에 도시한 바와 같이(본 도면에서는 이동체 및 이를 구동하는 구동원은 도시되어 있지 않다.), 광원(1)의 일측에는 이 광원에서 나온 광을 제1분리광(O1)과 제2분리광(O2)으로 분리하도록 비임스플리터(3)가 설치되어 있고, 상기 제2분리광(O2)이 반사되어 되돌아 오도록 도시하지 않은 이동체에 이동 반사경(5)이 고정되어 있으며, 상기 제1분리광(O1)이 소정의 각도로 경사져 반사되어 되돌아 오도록 상기 비임스플리터(3)의 일측에는 경사 반사경(7)이 결합되어 있고, 상기 이동 반사경(5)에서 반사되어 온 제2분리광(O2)과 상기 경사 반사경(7)에서 반사되어 온 제1분리광(O1)이 합쳐져서 생기는 간섭무늬를 검출하도록 상기 비임스플리터(3)의 타측에는 수광부(9)가 설치되어 있고, 상기 간섭무늬의 특정부분만을 통과시키도록 상기 비임스플리터(3)와 상기 수광부(9)의 사이에는 위상격자(11)(phase grating)가 설치되어 있다.

도2에 도시한 바와 같이, 상기 광원(1)과 비임스플리터(3)사이에는 상기 광원(1)에서 나온 광을 확대시키도록 비임 확대기(13)가 설치되어 있을 수도 있다.

상기 광원(2)은 헬륨-네온 레이저광(He-Ne Laser)으로 되어 있으나, 레이저 비임을 발생시키는 것은 어떠한 종류의 것도 사용될 수 있다.

상기 비임 스플리터(Beam splitter)(3)는 공지의 무편광 비임스플리터로 되어 있다. 이때, 상기 비임 스플리터는 편광 비임스플리터로 되어 있을 수도 있다.편광 비임스플리터를 사용할 경우에는, 반사경에서 되돌아오는 광의 경로를 90도로 바꾸도록 편광 비임스플리터와 반사경의 사이에는 λ/4 플레이트를 설치한다.

상기 이동 반사경(5)은 그 면이 상기 제2분리광(O2)의 진행방향에 대해 수직되게 설치되어 있으며, 상기 경사 반사경(7)은 그 면이 상기 제1분리광(O1)의 진행방향에 대한 수직면에서 소정의 각도(θ)로 경사지게 설치되어 있다.

상기 수광부(9)는 광기전력효과를 이용한 수광소자로서 공지의 포토다이오드(Photo Diode)로서, 4분할 포토다이오드로 되어 있는 것이 바람직하다. 상기 수광부(9)에는 도5a에 도시한 바와 같이, 비교기(21)(23), 디렉션 디스크리미네이터(Direction Discriminator)(25), 업/다운 계수기(Updown Counter)(27)가 결합된 공지의 수광회로가 결합되어 있다.

상기 위상격자(11)는 상기 이동 반사경(5) 및 경사 반사경(7)에서 반사되어 돌아와서 간섭된 간섭무늬 파장의 일부분을 소정간격으로 통과시키는 부품으로서 공지되어 있다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 거리측정장치에서, 광원(1)에서 나온 광은 비임스플리터(3)에 입사된다. 상기 비임스플리터(3)에 입사된 빛은 제1분리광(O1)과 제2분리광(O2)로 나누어지게 되고 제2분리광(O1)은 이동 반사경(5)에서 반사되어 비임스플리터(3)로 되돌아오게 된다. 한편 제1분리광(O1)은 경사 반사경(7)이 θ만큼 기울어져 있기 때문에 경사 반사경(7)에서 반사될 때 광축에 대해서 2θ만큼 기울어진 상태로 비임스플리터(3)에 도달하게 된다. 비임스플리터(3)에서 모여진 제1분리광(O1)과 제2분리광(O2)은 간섭되어 위상격자(11)로 입사된다. 이 때 형성되는 간섭무늬는 직선 줄무늬형태를 가지면서 줄무늬의 간격은 경사 반사경(7)의 경사각에 따라서 일정한 값을 가지게된다. 이 직선 줄무늬형태의 간섭무늬의 1주기를 360°라고 할 때 90°간격으로 배치된 위상격자(11)는 해당부분만의 간섭무늬를 통과시켜 포토다이오드(9)에 입사시키게 된다. 포토다이오드(9)는 입사된 빛에너지에 비례하는 전기신호를 출력하게된다.

이때, 광원(1)에서 나온 광은 도2에 도시한 비임확대기(13)를 거치면서 확대되어 비임스플리터(3)에 입사될 수도 있다. 상기 비임확대기(13)를 거치는 구조는 측정을 더욱 용이하게 한다.

이 과정을 도3에 따라 구체적으로 설명한다. 도3에 도시한 바와 같이, 이동 반사경의 반사면이 광축에 대해서 수직이기 때문에 여기서 반사되어 위상격자로 입사되는 제2분리광은 위상격자면과 평행한 파두면(wave front)을 유지하는 반면에, 광축에 대해서 θ만큼 기울어진 경사 반사경에서 반사된 제1분리광의 파두면(wave front)은 위상격자면과 2θ만큼 기울어지게 된다. 이 결과로 제2분리광과 제1분리광의 위상이 동일한 위치에서는 광에너지가 최대값을 갖게 되고 위상이 180도 어긋나는 부위에서의 광에너지는 최소로 되는데 이러한 현상이 주기적으로 반복되어 조화함수형태의 광에너지분포를 나타내게 된다. 여기서의 간섭 줄무늬의 피치(Pitch='P')는 사용되는 광의 파장(Wave Length='λ')과 경사 반사경의 경사각(Tilting Angle='θ')에 의해 결정되는데 다음과 같은 관계를 가지게 된다.

그리고 이동 반사경(5)이 제2분리광과 같은 방향으로 L만큼 이동하면, 제2분리광의 이동거리는 2L이 되기 때문에, 간섭무늬는 줄무늬의 직각방향으로 이동하게 되는데 이 양을 ι이라 하면 이는 다음과 같이 구해진다.

이와 같은 식의 이론적 배경을 다음에서 설명한다.

이동 반사경(5)에서 반사되어온 광은 전면에 걸쳐 동일 위상을 가지며, 그 파두면(wave front)은 다음과 같은 식으로 표현된다.

여기서, a는 이동 반사경의 반사광 진폭, d은 비임 스플리터(3)와 경사 반사경 사이의 거리이고, j와 k는 각각과 2π/λ이다.

경사 반사경이 θ만큼 기울어져 있을 때 반사경 표면은 위치 ｘ 에 따라 다음 식으로 표현될 수 있다.

여기서 { z}_{0 } 는 동일 위상으로부터의 거리를 나타낸다.

그러므로, 경사 반사경에서 반사된 광의 파두면은 경사 반사경(7) 표면위치에 따른 함수로 다음 식(3)과 같이 표현된다.

여기서, b는 경사 반사경(7)의 반사광 진폭이고, z(x)는 경사 반사경 표면의위치 함수이다. 이동 반사경과 경사 반사경에서 반사된 두 광의 파두면은 비임 스플리터(3)에서 합쳐 지면서, 두 광의 광경로차에 따라 발생하는 파두면의 위상차에 의해서 간섭무늬가 생성되는데 이와 같은 간섭무늬 세기(intensity)는 식(1)과 식(3)으로부터 다음 식 (4)로 표현된다.

여기서, I₀는 간섭무늬 평균세기를 나타내며,와 같이 표현되고, gamma 는 간섭무늬 대비(fringe contrast)로와 같으며, k는 2π/λ인 상수를 나타낸다.

식(4)에 의하여 생성된 간섭무늬 I(x)의 형태는 경사 반사경에 대한 이동 반사경의 공간적 위치에 따라 주기적인 형태의 영상을 나타내게 된다. 여기서의 간섭 줄무늬의 피치(Pitch, P)는 사용되는 광의 파장(Wave Length, λ)와 경사 반사경(Tilting Mirror)의 경사각(Tilting Angle, θ)에 의해 결정되는데 다음과 같은 관계를 가지게 된다.

그리고 이동 반사경이 x축 방향으로 L만큼 이동하면 간섭무늬는 줄무늬의 직각방향으로 이동하게되는데 이 양을 l 이라 하면 이는 다음과 같이 구해진다.

이 식을 보면 이동 반사경이 λ/2만큼 이동하면 간섭 줄무늬는 한 피치를 이동하게 됨을 알 수 있다. 따라서, 측정용으로 많이 이용되는 He-Ne레이저로서 0.6328 ㎛파장의 광원을 사용할 경우 피치가 0.3164 ㎛인 격자를 용이하게 구현할 수 있는 장점을 가질 수 있다.

이는 종래 통상적으로 사용되고 있는 광학식 선형 엔코더에서 메인스케일의 피치가 4 ㎛내지 20 ㎛의 격자를 사용하고 있는 것과 비교해 볼 때 위치검출 분해능을 월등히 향상시킬 수 있다.

상기 식 (5)와 식 (6)과 같은 조화함수형태의 광에너지분포에서 한 주기를 360°라고 할 때 90°간격으로 4개의 빛에너지를 검출하기 위하여 위상격자(11)를 도1 및 도2와 같이 배치하고 각각의 포토다이오드(9) 출력신호를 검출하게 된다.

도 4는 상기 이동 반사경(5)이 이동할 때 4개의 포토다이오드(9) 출력신호(A, A', B, B')를 보여주고 있는데, 4개의 출력신호는 각각 90°의 위상차를 가지고 있음을 알 수 있다. 이 신호는 종래의 광학식 선형 엔코더(encoder)의 출력과 동일하기 때문에 상용의 4채배용 UP/DOWN 계수기(counter)를 이용함으로써, 이동 반사경의 이동량으로 볼 때 λ/8에 해당하는 거리측정 분해능을 얻을 수 있다.

도5b는 종래의 광학식 선형 엔코더에서 많이 사용되고있는 4채배용 UP/DOWN계수기에서 조화함수형태의 한 주기에 대해서 4개의 펄스 신호를 만들어 내는 과정을 보여주고 있는데, 이는 이미 잘 알려진 내용이기 때문에 설명을 생략한다.

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

본 실험에서는 광 간섭무늬로부터 위상이 각각 90도가 차이나는 A, B, A', B'의 신호를 얻어서 기존의 광학식 선형 엔코더에서 통상적으로 이용되고 있는 4채배기법을 사용하였다.

도6은 본 실험의 실험장치의 구성을 나타내고 있다.

광원은 파장 633nm의 He-Ne 레이저(5mW)을 사용하였고, 도시하지 않은 비임 확대기는 상기 레이저 광을 직경 20mm로 확대하는 비임확대기를 사용하였으며, 포토다이오드는 4분할 포토 다이오드를 사용하였다.

또한, 미세조정 나사를 사용하여 경사 거울의 각도를 조정하여 간섭무늬의 피치를 조절하게 하고, 이때 형성된 간섭무늬의 피치를 위상격자의 피치와 일치시키기 위해서 선형이미지센서가 이용하였다. 여기에 사용된 4분할 포토다이오드는 HAMAMATSU사의 S5106이고, 선형 이미지 센서는 OKI사의 MOS이미지 센서인 OPA512T가 사용되었다. 그리고, 이동 거울을 구동하고 이때 발생된 변위량을 측정하기 위해서 판스프링 구조를 운동 안내면으로 사용하는 정밀 이송계를 구성하였다.

또한, 미소구동을 위해 TOKIN사의 압전 구동기(piezoelectric actuator - AE0505D16)가 사용되었고, 미소변위 측정을 위해서는 ADE사의 정전용량형 갭센서(ADE-2102)가 사용되었고, 변위 센서와 앰프는 1.0 V/㎛의 출력을 가지도록조정하였다.

상기 실험장치에 의해 실험장치로, 4분할 포토다이오드에 형성되는 간섭무늬의 피치를 확인하기 위해서 사용된 선형 이미지 센서의 출력신호가 도7에 도시되어 있다. 이 출력신호의 주기를 위상격자의 피치 1.16mm와 일치하도록 상기 미세 조정나사를 이용하여 조절하였다.

도8a 및 도8b는 정밀이송계의 압전구동기(PZT)를 0.125V씩 증가시켜 100스텝을 구동할 때 4분할 포토 다이오드의 신호 및 갭센서 신호를 나타내고 있다. 압전구동기에 의해 1스텝당 약11.85nm씩 일정하게 구동함에 따라 4분할 포토 다이오드의 신호 A, B, A', B'가 위상이 각각 90도가 차이나는 cosine함수 형태로 나타나고 있음을 볼 수 있다.

도8a에서의 신호 A와 A', 그리고 B와 B'는 각각 비교기에서 구형파로 변환되어 UP/DOWN계수기(counter, LSI사의 LS7166)에 입력된다. 계수기에서는 사용된 레이저 파장의 632.8nm이기 때문에 4채배되어 최종적으로는 파장의 1/8인 79.1nm마다 계수기값을 증가시키게된다. 도9는 압전구동기를 100스텝 구동할때 갭센서에서 측정된 변위('G'로 표시되어 있음)와 계수기의 출력에서 구해진 변위(79.1nm x계수기값, 'C'로 표시되어 있음)를 비교한 것이다. 이 결과에 의하면 갭센서에서 확인된 변위량 1168nm에서 본 연구에서 개발된 선형 엔코더의 오차는 2σ = 56.54nm로 나타났다.

상기 실험결과에서 나타난 바와 같이, 실험에서 사용된 레이저 파장의 632.8nm이기 때문에 4분할 포토다이오드의 출력을 4채배하여 최종적으로는 파장의1/8인 79.1nm의 분해능을 얻을 수 있음을 확인 할 수 있다. 또한 갭센서와의 변위 측정치 비교에서, 선형 엔코더의 오차는 2σ = 56.54nm로 나타났다. 이는 종래 일반적으로 사용되고 있는 광학식 선형 엔코더에서 피치가 4 ㎛ 내지 20 ㎛정도의 메인 격자로부터 4채배하여 얻을 수 있는 분해능과 비교해 볼 때 약 12배 이상의 분해능 향상을 기대할 수 있다.

또한, 레이저는 코히어런스가 뛰어나므로 20m 정도의 긴 거리를 측정하는데도 부가적인 비용이 들지 않게 된다

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 광을 이용한 거리측정장치 및 방법에 의하면, 분해능이 뛰어나고, 간단한 광학계로 되어 있으므로 제조비가 저렴하며 긴 거리도 정밀하게 측정이 가능하다.

Claims (3)

1. 구동원에 의해 이동되는 이동체의 이동거리를 측정하는 거리측정장치에 있어서,

   광을 발생하는 광원과,

   상기 광원에서 나온 광을 제2분리광과 제1분리광으로 분리하도록 상기 광원의 일측에 설치된 비임스플리터와,

   상기 제2분리광이 반사되어 되돌아 오도록 상기 이동체에 고정된 이동 반사경과,

   상기 제1분리광이 소정의 각도로 경사져 반사되어 되돌아 오도록 상기 비임스플리터의 일측에 광축에 대해 경사지게 설치된 경사 반사경과,

   상기 이동 반사경에서 반사되어 온 제2분리광과 상기 경사 반사경에서 반사되어 온 제1분리광이 합쳐져서 생기는 간섭무늬를 검출하도록 상기 비임스플리터의 타측에 설치된 수광부와,

   상기 간섭무늬의 특정부분만을 통과시키도록 상기 비임스플리터와 상기 수광부의 사이에 설치된 위상격자를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 광을 이용한 거리측정장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 광원과 비임스플리터사이에는 상기 광원에서 나온 광을 확대시키도록비임 확대기가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 광을 이용한 거리측정장치.
3. 광원에서 나온 광을 비임스플리터를 통과시켜 제1분리광과 제2분리광으로 나누고,

   상기 제1분리광은 소정각도로 경사된 경사 반사경에 반사되어 되돌아 오게 함과 동시에 상기 제2분리광은 이동 반사경에 반사되어 되돌아 오게 하여 상기 제1분리광과 제2분리광을 서로 간섭시키고,

   이 간섭된 무늬를 수광부에서 검출하여, 상기 이동 반사경의 이동거리를 측정하는 것을 특징으로 하는 광을 이용한 거리측정방법.