KR102377478B1 - 광학 회전각 측정 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 회전 샤프트(2)를 갖는 회전 가능한 물체의 회전각을 측정하기 위한 광학 시스템에 관한 것으로서, 이 시스템은 상기 샤프트 상에 장착된 반사 회절 소자(6) 및 이 소자를 향해 거의 단색의 빔(bo)을 방출하는 방사선원(8)과 방사선 감응 검출 구조(14, 16)를 포함하는 모듈을 포함하고, 회절 소자는 검출 구조의 일부를 형성하는 환형 격자 구조의 관련된 섹션(50(1)-54(2)) 상에 소정 패턴의 회절 차수 이미지(18)를 투영하도록 구성되며, 회절 소자의 표면 크기는 환형 격자 구조의 표면 크기의 20% 미만이다.

Description

광학 회전각 측정 시스템
본 발명은 회전 샤프트(rotation shaft)를 갖는 회전 가능한 물체의 회전각을 측정하기 위한 광학 시스템에 관한 것으로, 이 시스템은 한편으로는 샤프트 상에 장착되고 샤프트와 함께 회전하는 반사 회절 소자를 포함하고, 다른 한편으로는 방사선원 및 검출 모듈을 포함하며, 이 모듈은,
- 회절 소자를 향해 거의 단색의 방사선의 조명 빔을 방출하는 방사선원; 및
- 회절 소자에 의해 반사된 조명 빔 방사선을 전자 처리에 적합한 전기 신호로 변환하여 상기 회전각을 나타내는 신호를 얻는, 환형 격자 마스크를 포함하는 방사선 감응(radiation-sensitive) 검출 구조를 포함한다.
특정 실시형태에서, 본 발명은 회전 샤프트(2)를 갖는 회전 가능한 물체의 회전각을 측정하기 위한 광학 시스템을 제공하며, 이 시스템은 상기 샤프트 상에 장착된 반사 회절 소자(6) 및 이 소자를 향해 거의 단색의 빔(bo)을 방출하는 방사선원(8)과 방사선 감응 검출 구조(14, 16)를 포함하는 모듈을 포함하고, 회절 소자는 검출 구조의 일부를 형성하는 환형 격자 구조의 관련된 섹션(50(1)-54(2)) 상에 소정 패턴의 회절 차수 이미지(18)를 투영하도록 구성되며, 회절 소자의 표면 크기는 환형 격자 구조의 표면 크기의 20% 미만이다. 다르게 표현하면, 회절 소자의 표면 크기는 회절 소자의 관성 모멘트가 0.05 g.cm2 미만, 0.01 g.cm2 미만이 되도록 구성된다.
각 디코더(angular decoder) 또는 회전 스캐너(rotation scanner)로도 알려져 있는 회전각 측정 장치는 회전 샤프트를 갖는 회전 가능한 물체의 회전각을 측정하기 위해 사용될 수 있으며, 이를 위해 상기 회전 샤프트에 연결된 미러의 각 위치(angular position)를 이용한다. 이러한 스캐너는 널리 사용될 수 있다. 잘 알려진 예는 미러가 회전 모터의 샤프트에 연결된 장치로 구성되며, 이 모터와 미러는 함께 소위 갈바노미터 스캐너(galvanometer scanner)를 형성한다. 제조업계에서, 갈바노미터 스캐너는 용접, 조각 또는 절단 작업과 같은 이동식 레이저 빔에 의한 재료 가공에 사용될 수 있다. 최근의 응용은 3차원(3D) 원형제작(prototyping) 또는 인쇄이다. 광학에서, 예를 들어 레이저 빔의 X 및 Y 주사를 제어하기 위해 공초점 현미경 갈바노미터 스캐너가 사용된다. 갈바노미터 스캐너는 또한 각막 수술, 피부 수술 및 혈관성형술과 같은 매우 다양한 종류의 의학적 치료를 위한 장치에 사용될 수 있다. 또한 인간의 망막을 X 및 Y 방향으로 주사하기 위한 소위 안저 카메라(fundus camera)에서 갈바노미터 스캐너가 사용될 수 있다.
이들 및 다른 응용에서, 각 디코더의 필요한 해상도는 대략 마이크로 라디안이다. 또 다른 요건은 스캐닝 미러가 더욱 큰 각도로, 예를 들어 1 밀리 초 동안 20도로 빠르게 이동할 수 있다는 것이다. 따라서, 회전 샤프트에 결합된 각 디코더의 해당 부분의 질량은, 이 부분이 스캐너의 관성 모멘트에 거의 추가되지 않도록 작아야 한다.
고해상도 및 작은 관성 모멘트의 요건은 각 디코더 장치에서의 광 계측과 광학 각 인코더 장치의 사용을 필요로 한다. 회전을 포함하는 물체의 움직임을 측정하기 위해 일반적으로 적용되는 원리는 광학 격자의 사용을 기반으로 한다. 예를 들어, 미국 특허 5,159,192는 갈바노미터 미러의 각 위치를 측정하기 위한 장치를 개시하고 있는데, 이 장치는 미러의 회전 샤프트 상에 수직으로 장착된 격자를 사용한다. 격자는 반사성(reflective )이고 링 모양이며 방사형 격자 선(radial grating line)을 갖는다. 다이오드 레이저로부터의 광 빔은 두 개의 서브-빔으로 분할되고, 이들은 격자의 하나의 동일한 영역으로 향한다. 격자에 의해 반사된 서브-빔은 미러에 입사되고, 미러는 이들 서브-빔은 격자를 향해 다시 반사한다. 2회 반사된 서브-빔 각각은 별도의 방사선 감응 검출기에 의해 캡처된다. 두 개의 검출기 출력 신호는 샤프트의 회전각과 회전 방향에 대한 정보를 제공한다. 대략 1 마이크로 라디안의 해상도로 각 위치를 측정하기 위해서는, 이 장치의 링 모양의 격자 반경이 대략 센티미터이어야 한다. 격자 디스크의 관성 모멘트는 반경의 적어도 4제곱에 비례하기 때문에 필요한 반경은 갈바노미터의 역학 및 갈바노미터 미러의 속도를 제한할 것이다. 또한, 미국 특허 5,159,192의 장치의 측정 결과는 회전 샤프트의 횡 방향 이동에 민감한데, 그 이유는 이러한 이동이 샤프트 축에 수직인 평면에서 격자 구조의 횡 방향 변위를 유발하고, 이러한 변위는 장치의 광학 소자에 의해 관찰되는 격자 영역의 피치를 변화시킬 것이기 때문이다.
유럽 특허 0 651 232는 회전 물체 상에 장착되고 회전 물체와 함께 회전하는 방사형 반사 회절 격자가 이 물체의 각 위치를 측정하기 위해 사용되는 또 다른 장치를 개시하고 있다. 이 장치는 제 2 고정 격자를 사용하여 빔원으로부터의 측정 빔을 서로 다른 회절 차수의 두 개의 서브-빔으로 분할하고, 이들 서브-빔은 회전 격자의 서로 다른 부분에 입사된다. 회전 격자에 의해 반사된 서브-빔은 간섭 패턴의 주기에 해당하는 주기를 갖는 빗 모양의 방사선 감응 검출기의 평면에서 고정 격자에 의해 간섭을 받는다. 검출기의 출력 신호는 회전 물체의 각 위치에 대한 정보를 제공한다. 유럽 특허 0 651 232의 장치는 미국 특허 5,195,192의 장치와 동일한 단점을 보여준다.
독일 특허 10 2011 050 030은 예를 들어 회절 격자가 사용되는 갈바노미터 미러의 각 위치를 측정하기 위한 또 다른 유형의 장치를 개시하고 있다. 이 장치에서, 수렴하는 광 빔은 미러를 통해 미러의 회전 샤프트에 고정된 갈바노미터의 회전축의 중심에 있는 원통형 표면을 갖는 회절 격자로 보내진다. 원통형 격자는 빔을 다시 회전 미러로 반사하는데, 이는 방사선 감응 검출기 앞에 배치된 고정 격자의 평면에서 이 격자의 움직이는 이미지를 형성하는 렌즈 쪽으로 광을 반사한다. 검출기 상의 빛의 강도는 미러의 각 위치에 따라 주기적으로 변한다. r = 15 mm의 원통 반경 및 10 μm의 격자 주기의 경우, 검출기 신호는 0.67 밀리 라디안의 주기를 가질 것이다. 수렴 빔이 사용되기 때문에, 회전각 측정은 회전 샤프트의 횡 방향 변위에 민감하다. 실제로, 대략 수 마이크로미터의 이러한 변위는 피할 수 없는 것으로 보인다. 격자 선에 수직인 방향으로의 샤프트의 변위 Δx는 Δx/r의 측정된 각도 오차를 발생시키며, 여기서 r은 원통형 격자의 곡률 반경이다. r = 15 mm인 경우, 1 μm 이상의 원통형 격자의 변위는 67 마이크로 라디안의 각도 측정 오차를 유발하며, 이는 현재 필요한 측정 해상도 관점에서 용납할 수 없는 것이다. 또한, 광학 비용 및 광학 소자의 수 때문에, 독일 특허 10 2011 050 030의 장치는 소형 경량으로 제조될 수 없다.
본 발명의 목적은 종래 장치보다 큰 측정 범위에 걸쳐 더욱 간단하고 소형이며 더욱 정확한 측정 신호를 전달하고, 회전 샤프트의 횡 방향 변위에 덜 민감한 광학 회전각 측정 장치를 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명은 회전 샤프트를 갖는 회전 가능한 물체의 회전각을 측정하기 위한 광학 시스템을 제공하며, 이 시스템은 한편으로는 샤프트 상에 장착되고 샤프트와 함께 회전하는 반사 회절 소자를 포함하고, 다른 한편으로는 회절 소자를 향해 거의 단색의 방사선의 조명 빔을 방출하는 방사선원 및 회절 소자에 의해 반사된 조명 빔 방사선을 전자 처리에 적합한 전기 신호로 변환하여 상기 회전각을 나타내는 신호를 얻는 방사선 감응 검출 구조를 포함하는 모듈을 포함하고, 상기 시스템은, 회절 소자가 검출 구조의 일부를 형성하는 환형 격자 구조의 관련된 섹션 상에 소정 패턴의 적어도 하나의 회절 차수 이미지를 투영하도록 구성되며, 회절 소자의 표면 크기가 환형 격자 구조의 표면 크기의 20% 미만, 특히 10% 미만인 것을 특징으로 한다. 본원에서 사용된 거의 단색(Nearly monochromatic)이라는 용어는 특정 스펙트럼 폭을 갖는 주어진 파장의 조명 빔을 제공하는 것을 의미한다. 아래에서 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 조명원의 단색 파장은 특정 파장 오차를 허용하고, 상기 파장 각각은 특정 스펙트럼 폭을 가질 수 있다. 본 발명의 맥락에서, 거의 단색의 방사선은 100 Mhz보다 작은 스펙트럼 폭, 특히 10 Mhz보다 작은 스펙트럼 폭, 더욱 특히 3 Mhz보다 작은 스펙트럼 폭을 갖는 주어진 파장(± 10 nM의 파장 변화를 허용)에서의 방사선이다.
환형 격자 구조는 이에 의해 격자 선이 빔 축과 동축인 링의 섹션 내에 배열되는, 조명 빔 축에 대해 반경 방향으로 연장되는 격자 선의 구조를 의미하는 것으로 이해되지만, 본 발명의 맥락에서, 이는 링 형상으로 국한되는 것으로 간주되지 않아야 하고, 환형 및 타원형 형상을 동일하게 포함한다. 격자 구조의 주기는 격자 구조의 평면 내의 회절 차수 이미지의 주기에 해당한다. 섹션의 각 크기(angular size), 즉 링의 원주 방향에서의 크기 및 섹션의 수는 측정 환경 및 필요한 측정 결과에 대해 마음대로 조정될 수 있다. 회절 차수 이미지는 +1 또는 -1 회절 차수와 같은 주어진 회절 차수에서 회절 소자에 의해 회절된 서브-빔에 의해 형성된 이미지를 의미하는 것으로 이해된다.
본 발명은, 예상하는 응용에 대해, 회절 소자가 격자 구조의 작은 부분에만 소정 패턴의 이미지를 투영할 필요가 있다는 것과, 회절 소자의 정보 내용이, 이미지가 완전 링 격자 구조의 전체 원주 영역을 커버해야 하는 회절 소자의 정보 내용보다 실질적으로 작다는 통찰을 기반으로 한다. 그 결과, 회절 소자는 고정 격자 구조의 직경, 예를 들어, 30 mm보다 실질적으로 작은 직경, 예를 들어, 3 mm를 가질 수 있다. 동일한 측정 해상도를 갖는 종래의 시스템과 비교하여, 본 발명에 따른 시스템은, 각 디코더 상의 관성 부하가 회절 소자의 표면 크기 및 환형 격자 구조를 포함하는 디스크의 크기의 비율의 4제곱에 비례하는 비율만큼 감소될 수 있다는 이점을 제공하며, 이 비율은 본 발명의 예에서 1/10000이다.
일본 특허 출원 JPH03170020는 반사성 홀로그램(reflective hologram)이 회전축 상에 장착된 로터리 인코더(rotary encoder)를 개시하고 있다. 이 홀로그램에서, 각 위치의 코드 패턴이 기록되고, 이 홀로그램이 수렴 광 빔에 의해 조명될 때, 이 코드 패턴은 환형 링에서 확대된 스케일로 재생된다. 재생된 코드 패턴의 작은 부분이 전자 처리 회로에 결합된 광 센서 어레이에 의해 판독된다. 이 회로는 판독되는 재생된 코드 패턴의 해당 부분으로부터 회전 홀로그램의 순간적인 각 위치를 계산한다. JPH03170020의 로터리 인코더는 본 발명의 시스템에서 사용된 개념과는 다른 개념을 기반으로 한다.
또한, 일본 특허 출원 JPH01138413은 회전체 상에 장착되고 회전체와 함께 회전하는 반사성 홀로그램을 포함하는 로터리 인코더를 개시하고 있다. 홀로그램은 평행 빔에 의해 조명되고, 두 개의 광전 변환기가 배치된 평면에서 재생된다. JPH01138413에 도시된 홀로그램은 회전체의 직경보다 실질적으로 크고, 홀로그램과 광전 변환기의 평면 사이에 배치된 콜리메이터 렌즈(collimator lens)와 동일한 크기이다. 이들 변환기의 감광 영역은 상대적으로 작고, 따라서 이미 회전축의 작은 이동에 대해, 홀로그램 이미지가 변환기 영역에서 벗어나 이동할 것이고 측정 오류가 발생할 것이다. 또한 JPH01138413의 인코더의 관성 모멘트는 비교적 크다.
사용된 회절 소자가 각각의 실시형태에서 다른 구조를 갖는 본 발명의 다양한 실시형태가 설명된다. 본 발명에서 사용되는 회절 소자의 유형은 광학 문헌에서 홀로그램으로 불린다.
본원에서 사용된 홀로그램은, 방사선 빔에 의한 조명 동안, 주어진 물체 구조의 공간에서 이미지를 생성하는 회절 소자이다. 본 발명에서, 투영된 이미지는 환형 검출 격자의 주기 및 반경과 동일한 주기 및 반경을 갖는 환형의 주기적 강도 분포이다. 이들 이미지는 검출 구조의 평면에 투영된다. 본 발명에서 사용되는 반사성 홀로그램의 표면 형상은 조명 빔의 방향과 곡률에 의해, 투영된 이미지의 위치와 세기 분포에 의해, 그리고 조명원의 파장에 의해 결정된다.
본 시스템의 바람직한 실시형태는, 홀로그램이 두 개의 제 1 회절 차수로 입사 조명 빔 방사선을 반사시키도록 구성되는 것을 특징으로 한다. 이러한 방식으로, 두 개의 회절 이미지가 검출 격자 구조의 평면에 투영되고, 시스템이 각 위치의 이중 판독을 허용하면서도 모듈은 여전히 간단한 구성을 갖는다. 대안적인 상황에서, 단 하나의 회절 이미지가 각 위치 판독을 위해 사용될 수 있으며, 이는 비용 절감을 제공한다. 본 기술 분야의 숙련자의 경우, 회절 방사선을 하나 또는 두 개의 회절 차수로 집중시키는 회절 소자를 어떻게 설계할 것인가는 명백하다.
조명 빔원은 각 디코더의 회전 샤프트의 회전축 상에, 특히 갈바노미터의 회전 샤프트의 회전축 상에 배치되어야 한다. 조명원의 축 위치에 대해, 본 발명의 다양한 실시형태로 이어지는 다양한 선택을 가질 수 있다. 본 발명의 제 1 실시형태에서, 조명 빔은 발산하는 빔이고, 이 빔의 빔원은 검출 격자와 동일한 홀로그램의 면에 놓인다. 이 실시형태는 조명원과 홀로그램 사이에 필요한 빔 형성 구성요소가 없기 때문에 단순하고 비용이 저렴하다는 이점을 갖는다. 그러나, 이 실시형태는 주로 홀로그램의 형태에 의해 야기되는 두 가지 바람직하지 않은 특성을 갖는다. 발산 조명 빔의 경우, 홀로그램은 회절 방사선을 검출 평면에 초점을 맞추기 위해 강력한 광학 배율을 가져야만 한다. 이 포커싱 기능은 조명원의 중심에 있는 오목 미러의 포커싱과 비교될 수 있다. 홀로그램이 작은 거리 변위될 때, 회절 이미지도 변위되지만 홀로그램 변위의 두 배 이상의 거리만큼 변위된다. 홀로그램이 각 디코더의 회전 샤프트 상에 고정되기 때문에, 이러한 형태는 특히 대략 ± 10 μm의 샤프트의 매우 좁은 측 방향 이동과 확장만을 허용하며, 이는 예를 들어 갈바노미터 스캐너를 구축할 때 실현되기 어렵다. 홀로그램의 형태는 파장의 고정 값, 즉 조명원의 단색 파장에 의존한다. 다이오드 레이저가 조명에 사용될 때, 그 파장은 주어진 사양과는 예를 들어 ± 5 nm 이상 다를 수 있다. 또한, 레이저의 온도 변화는 예를 들어 섭씨 1 도당 0.2 nm의 파장 변화를 유발할 것이다. 기존 갈바노미터 스캐너의 온도 변화는 예를 들어 ± 20℃일 수 있으며 이로 인해 평균 온도 주위에서 ± 4 nm의 파장 변화가 가능하다. 이러한 효과를 추가하면 ± 10 nm의 파장 오차를 만든다. 따라서, 본 발명의 맥락에서, 조명원의 단색 파장은 ± 10 nm의 파장 오차(변동), 특히 다이오드 레이저가 조명에 사용될 때, ± 5 nm의 파장 오차(변동)를 허용한다. τ = 660 nm의 특정 파장을 갖는 다이오드 레이저의 경우, 이는 상대 파장 오차 Δτ/τ = ± 1/66을 의미한다. 이 실시형태에서 회절 이미지의 반경 및 축 위치의 상대 오차는 상대 파장 오차에 대한 1차 근사와 동일할 것이다. 검출 격자의 반경 r이 15 mm인 경우, ± 0.23 mm의 편향 오차 Δr이라고도 하는 Δr 측 방향 이동을 가질 것이며, 홀로그램으로부터 검출 평면까지의 축 거리 Z가 25 mm인 경우, 0.34 mm의 초점 이동 ΔZ를 가질 것이다. 이러한 효과는 시스템의 기계 설계에 의해 가까스로 보완될 것이며, 이는 제조 비용을 증가시킬 것이다.
따라서, 제 2 실시형태에서, 조명 빔은 조명원과 홀로그램 사이의 렌즈에 의해 수렴하게 된다. 이는 색 포커싱 오차(chromatic focusing error) ΔZ가 사라진다는 것을 의미하며, 편향 오차 Δr는 남지만 검출 구조의 반경 크기를, 예를 들어 ± 0.5 mm로 충분히 크게 함으로써 충족될 수 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 홀로그램의 회전 중심과 회절 이미지의 평균 위치 사이의 거리를 회전 중심과 조명원의 가상 이미지 사이의 거리와 동일하게 함으로써, 회전 샤프트의 횡 방향 이동에 의한 위치 결정 순서를 회피할 수 있다. 샤프트의 확장으로 인한 위치 오차는 약 7배 미만이 될 것이고, 따라서 이 확장 이동에 대한 허용 오차는 회절 소자의 제 1 실시형태에서의 10 μm 대신에 최대 70 μm가 될 수 있다. 이러한 제 2 실시형태의 단점은 조명원으로부터 홀로그램으로의 광 경로가 제 1 실시형태보다 대략 3 배 길다는 것이다. 이 문제는 검출 구조 위의 공간에서 광 경로를 폴딩함으로써 부분적으로 해결될 수 있다. 이는 시스템의 축 방향 크기를 더욱 크게(예를 들어, 약 10 mm) 만들며 프리즘 및/또는 미러와 같은 추가 구성요소에 비용이 들 것이다.
제 3 실시형태에서, 렌즈는 이 렌즈의 초점 평면에 조명원을 두고 홀로그램에 가깝게 배치될 것이다. 이 렌즈의 바람직한 형태는 렌즈의 볼록면이, 예를 들어, 0.5 mm와 같이 적당한 거리에서 홀로그램의 면에 있는 평-볼록(plane-convex)이다. 이 렌즈는 평면파(plane wave)를 제공하여 홀로그램을 조명하며, 회절 빔은 렌즈에 의해 검출 회절 격자의 판유리 상에 초점이 맞춰진다. 렌즈는 구면 수차(spherical aberration) 및 코마(coma)에 대해 보정될 수 있으며, 나머지 수차는 홀로그램에 의해 보정될 수 있는 비점 수차(astigmatism)이다. 이 구성에서, 회전 샤프트의 횡 방향 이동 및 확장으로 인한 위치 결정 오차는 사라지고, 색 오차 및 포커싱 오차(ΔZ)는 발생하지 않는다. 따라서, 제 1 및 제 2 실시형태에서와 동일한 편향 오차(ΔZ)로 오차를 감소시킨다.
본 시스템의 바람직한 실시형태는, 회절 소자가 +1 및 -1 회절 차수에서 입사 측정 빔 방사선을 반사시키도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
이러한 방식으로 두 개의 회절 차수 이미지가 환형 격자 구조의 평면에 형성되고, 시스템은 각 위치의 이중 판독을 허용하면서도 모듈은 여전히 간단한 구성을 갖는다. 경우에 따라, 각 위치 판독을 위해 하나의 회절 차수 이미지만이 사용될 수 있으며, 이는 비용 절감을 제공한다. 본 기술 분야의 숙련자의 경우, 회절 방사선을 하나 또는 두 개의 회절 차수로 집중시키는 회절 소자를 어떻게 설계할 것인가는 명백하다.
본 광학 시스템은 또한 환형 격자 구조가 다수의 격자 섹터(grating sector) 상에 형성된 회절 차수 이미지의 각 크기보다 큰 각 크기를 갖는 다수의 격자 섹터를 포함하고, 방사선 감응 검출 구조가 각각의 격자 섹터에 대해 섹터 검출기를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
대안적으로, 광학 시스템은 환형 격자 구조가 다수의 격자 섹터 상에 형성된 회절 차수 이미지의 각 크기보다 작은 각 크기를 갖는 다수의 격자 섹터를 포함하고, 방사선 감응 검출 구조가 각각의 격자 섹터에 대해 섹터 검출기를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 양태에 따르면, 본 광학 시스템은, 환형 격자 섹션(grating section)이, 동일한 격자 주기를 갖고 격자 주기의 4분의 1에 걸쳐 접선 방향으로 상호 변위된, 두 개의 반경 방향으로 분리된 서브-격자로 분할되고, 이들 서브-격자 각각에 대해 별도의 방사선 감응 검출기가 제공되는 것을 특징으로 한다. 이러한 조치는 회전 샤프트의 회전 방향의 검출을 가능하게 한다.
보간 기술을 사용할 수 있도록, 본 시스템은 바람직하게 환형 격자 구조가 서로 다른 격자 주기를 갖는 세 개의 서브-격자를 포함하고, 각각의 서브-격자는 회절 차수 이미지를 수신하기 위한 것을 특징으로 한다.
이 실시형태는 또한 환형 격자 구조가 세 쌍의 섹터를 포함하고, 각각의 쌍이 서로 다른 격자 주기를 갖는 세 개의 서브-격자 중 하나를 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.
대안적으로, 실시형태는 환형 격자 구조가 최대 두 개의 섹터를 포함하고, 각각의 섹터가 서로 다른 격자 주기를 갖는 세 개의 서브-격자를 구비하고, 이들 서브-격자는 반경 방향으로 분리된 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 실시형태에서, 본 발명의 시스템에 구면 미러(spherical mirror)가 추가된다. 일련의 검출기 상에 주기적 패턴을 투영하는 구면 미러를 시스템에 추가함으로써, 검출기 평면(101)은 평평하고 시스템의 대칭축에 수직으로 형성될 수 있다. 이는 검출 구조(16)를 포함하는 플레이트(10)의 표면과 시스템의 정렬을 더욱 간단하게 하고 또한 검출기 신호의 품질을 향상시킨다.
따라서, 특정 실시형태에서 본 발명은, 회전 샤프트(2)를 갖는 회전 가능한 물체의 회전각을 측정하기 위한 광학 시스템을 제공하며, 이 시스템은 한편으로는 샤프트(2) 상에 장착되고 샤프트(2)와 함께 회전하는 반사 회절 소자(6)를 포함하고, 다른 한편으로는 회절 소자(6)를 향해 거의 단색의 방사선의 조명 빔을 방출하는 방사선원(8) 및 회절 소자(6)에 의해 반사된 조명 빔 방사선을 전자 처리에 적합한 전기 신호로 변환하여 상기 회전각을 나타내는 신호를 얻는 방사선 감응 검출 구조(16)를 포함하는 모듈을 포함하고, 회절 소자(6)는 검출 구조의 관련된 섹션 상에 하나 이상의 회절 이미지(18)를 투영하도록 구성되며, 회절 소자(6)의 표면 크기는 검출 구조 상의 관련된 섹션의 표면 크기의 20% 미만인 것을 특징으로 하고, 시스템은 검출기 상에 회절 이미지(18)를 투영하기 위한 구면 미러(100)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 큰 측정 범위에 걸쳐 더욱 간단하고 소형이며 더욱 정확한 측정 신호를 전달하고, 회전 샤프트의 횡 방향 변위에 덜 민감하다는 효과가 있다.
이제 도면을 구체적으로 참조하면, 도시된 세부 사항은 예시적인 것이며 본 발명의 다양한 실시형태에 대한 예시적인 논의를 목적으로 한 것임을 강조한다. 이들은 본 발명의 원리 및 개념적 양태의 가장 유용하고 용이한 설명인 것으로 여겨지는 것을 제공하기 위해 제시된다. 이와 관련하여, 본 발명의 본질적인 이해를 위해 필요한 것보다 본 발명의 구조적인 세부 사항을 더욱 상세하게 나타내려는 시도는 없으며, 도면과 함께 제공되는 설명은 본 발명의 몇몇 형태가 어떻게 실제로 구현될 수 있는지를 본 기술 분야의 숙련자에게 명백하게 할 것이다.
도 1은 제 1 실시형태에서 본 발명에 따른 물체의 회전각을 측정하기 위한 광학 시스템의 원리도를 도시한다.
도 2는 광학 시스템의 제 2 실시형태의 원리도를 도시한다.
도 3은 회절 소자가 수렴 렌즈와 결합된 광학 시스템의 제 3 실시형태를 도시한다.
도 4는 고정 격자 섹션의 패턴의 실시형태를 도시한다.
도 5는 이들 섹션 중 하나의 서브-분할 격자 구조를 도시한다.
도 6은 서브-분할 격자 구조에 적응된 방사선 감응 검출 구조를 도시한다.
도 7은 관련된 섹션 격자 상에 이미지 패턴의 투영을 도시한다.
도 8은 서로 다른 격자 주기를 갖는 서브-격자를 갖는 섹션 격자 구조를 도시한다.
도 9는 추가의 실시형태에서 구면 미러가 추가된 광학 시스템의 원리도를 도시한다.
도 1은 예를 들어 갈바노미터 스캐너의 각 위치를 측정하기에 적합한, 도면에 따른 회전각 측정 시스템의 원리도를 도시하고 있다. 이 스캐너의 회전 샤프트는 참조 번호 2로 표시되어 있다. 스캐너의 미러(도면에는 도시되지 않음)는 이 샤프트 상에 장착되며, 이의 회전 운동은 화살표(4)로 표시되어 있지만, 본 발명을 단일 회전 방향으로 제한하는 것으로 이해해서는 안 된다. 회전 샤프트는 어느 방향으로든 회전할 수 있다. 샤프트의 한쪽 단부면에 그리고 샤프트에 대해 수직으로, 소형 반사 회절 소자(reflective diffraction element, RDE)(6), 특히 홀로그램(31)이 장착된다. 회절 소자(6)는 단색 방사선원, 바람직하게는 샤프트(2)의 회전축과 일렬로 배치된 다이오드 레이저(8)에 의해 방출되는 구형 방사선 빔(bo)에 의해 조명된다. 회절 소자는 입사 빔(bo)을 서로 다른 회절 차수의 서브-빔으로 분할하고, 격자 섹션으로 구성될 수 있는 고정 마스크 구조를 향해 이들 서브-빔을 반사시킨다. 도 1에 도시된 바와 같이, 이러한 격자 섹션(14)은 적어도 격자 섹션(14)의 위치에서 투명인 플레이트(10)의 하부면에 배치될 수 있다. 도 1의 실시형태에서, 플레이트(10)는 원형 디스크이고, 이는 중앙 개구(12)를 가질 수 있다. 플레이트(10)의 원주방향 원의 중심은 방사선원(8)의 방출점과 샤프트 단부면의 중간점을 연결하는 선 상에 위치하며, 이 선은 빔(bo)의 중심 광선에 해당한다. 회절 소자(6)는 원형 또는 직사각형 또는 정사각형 형상과 같은 임의의 기하학적 형상을 가질 수 있다. 격자 섹션(14)은 반경 방향으로 연장되는, 즉 원형 플레이트(10)의 중심을 가리키는, 격자 선이라고도 하는 격자 스트립(grating strip)을 갖는 환형 격자 구조의 일부분이다. 회절 소자(6)에 의해 투영된 환형 강도 패턴은 격자 섹션(14)과 동일한 주기성(periodicity)을 갖는다.
방사선원(8), 환형 격자 구조(14) 및 검출 구조(16)는 예를 들어 갈바노미터 스캐너의 고정 하우징에 고정될 수 있는 모듈에 포함될 수 있다.
도 1의 실시형태에서, 제 1 회절 차수(br(+1) 및 br(-1))의 서브-빔만이 사용된다. 회절 소자(6)는 빔(bo)의 최대 부분이 이들 회절 차수에 집중되도록 설계될 수 있다. 서브-빔(br(+1) 및 br(-1))에 의해, 두 개의 주기적 강도 패턴이 두 개의 대향하는 환형 격자 섹션(14)의 평면에 형성되고, 각각의 패턴은 동일한 평면에서 각각 하나의 격자 섹션 상에 그리고 대향하는 격자 섹션 상에 형성된다. 이들 섹션은 예를 들어 교번하는 전송 및 흡수 스트립을 포함한다. 파선(18)에 의해 개략적으로 나타낸 도 1의 강도 패턴은 회절 소자(6)의 지문 또는 이미지로 지칭될 수 있다. 이들 주기적 패턴(18)의 각 주기(angular period), 즉 접선 방향 또는 원주 방향의 주기는 격자 섹션(14)의 주기와 동일하다. 회절 소자(6)가 회전할 때, 샤프트(2)의 회전으로 인해, 주기적 패턴(18)은 격자 섹션(14) 위로 이동한다. 격자 섹션(14)에 의해 전송되는 서브-빔(br(+1) 및 br(-1))의 방사선은, 이들 방사선을 전기 신호로 변환하는 환형 방사선 감응 검출기 섹션(16)에 입사된다. 이들 신호는 샤프트(2)의 각 위치를 나타내는 신호를 얻기 위해, 도 1에는 도시되지 않은, 상업적으로 이용 가능한 전자 회로에서 처리될 수 있다.
회절 소자(6)는 비교적 작은 격자 섹션(14) 상에만 이의 주기적 이미지(18)를 투영하기 때문에, 이의 회절 구조는 투영 이미지가 360° 이상 연장되는 고정 격자 패턴을 커버해야 하는 종래의 격자 요소의 회절 구조보다 실질적으로 작을 수 있다. 본 발명에 따르면, 이러한 통찰은 회절 소자(6)의 크기를 실질적으로 감소시키기 위해 사용된다. 회절 소자 또는 홀로그램은 이제 격자 섹션(14)을 포함하는 플레이트(10)의 직경, 예를 들어 30 mm보다 실질적으로 작은 직경, 예를 들어 3 mm를 가질 수 있다. 비슷한 측정 해상도를 갖는 종래의 두 개의 격자 시스템과 비교하여, 이는 플레이트(10)와 회절 소자(6)의 표면적 비율의 제곱에 비례하는 비율만큼 각 디코더 상의 본 측정 시스템의 관성 부하를 실질적으로 감소시키는 장점을 제공한다. 플레이트(10)와 소자(6)가 동일한 밀도 및 동일한 두께-직경의 비율을 갖는 경우, 이 비율은 이 예에서 10000에 이른다.
도 1에 도시된 측정 시스템의 실시형태는 발산 조명 빔에 의해 유발된 회전 샤프트의 횡 방향 이동 및 확장에 대해 좁은 허용 오차를 나타낼 것이다. 따라서, 도 2에 도시된 바와 같이, 회절 소자(6)의 반사면 뒤의 소정 거리에 있는 가상점(20)으로 수렴하는 조명 빔(bo)을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 수렴하는 조명 빔은 방사선원(8)과 회절 소자(6) 사이에 충분한 배율의 수렴 렌즈(22)를 배치함으로써 실현될 수 있다. 도 2의 크기를 줄이기 위해, 방사선원(8)과 렌즈(22) 사이의 광 경로의 일부만이 이 도 2에 도시되어 있으며, 이는 두 개의 경로 차단선(24)으로 표시되어 있다. 도 2의 시스템의 부피를 줄이기 위해, 방사선원(8)과 렌즈(22) 사이의 광 경로는 미러에 의해 공지된 방식으로 폴딩될 수 있다.
제 2 실시형태에서, 격자(14) 상에 투영된 회절 이미지의 평균 반경 위치에 대한 회절 소자(6)의 (회전축 상의) 중심 사이의 거리는, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 회절 소자(6)의 중심과 조명원의 가상 이미지(20) 사이의 거리와 동일하게 되며, 회절 소자(6)에 의해 이들의 관련된 격자 섹션에 투영된 회절 이미지(18)의 위치는, 회절 소자(6)가 고정된 회전 샤프트(2)의 횡 방향 변위와는 관계가 없다. 이는 종래의 각 디코더 시스템에 비해 본 발명의 각 디코더 시스템의 실질적인 이점을 제공한다.
회절 소자(6)는 도 2의 실시형태에서 포커싱 기능을 갖지 않기 때문에, 부정확한 장착에 의해 또는 회전 샤프트(2)의 확장에 의해 유발될 수 있는 소자(6)의 축 방향 변위는 도 1의 실시형태보다 회절 이미지(18)의 축 위치에 미치는 영향은 작다. 도 2의 실시형태에서, 소자(6)의 변위(dz)의 함수로서 이미지(18)의 축 방향 변위(∂z)는 ∂z = dz(1-cosθ)로 주어지며, 여기서 θ는 조명 빔과 회절 빔 사이의 각도이다. 예를 들어, θ = 30°, ∂z = 0.14 dz이다. 도 1에 도시된 실시형태에서, ∂z = 2dz이며, 이는 제 2 실시형태에서 소자(6)의 축 방향 변위에 대해 큰 허용 오차(예를 들어, 140 μm)를 갖는다는 것을 의미한다. 또한, 도 2에 도시된 실시형태에서는 색 포커싱 오차(ΔZ)가 없는데, 이 실시형태에서 회절 소자(6)는 포커싱 오차를 갖지 않기 때문이다. 색 편향 오차(chromatic deflection error)는 도 1의 실시형태와 동일하다. 도 2에서, 레이저 다이오드(8)와 포커싱 렌즈(21) 사이의 광 경로는 도시하지 않는다. 이 광 경로의 길이는 소자(6)와 가상 조명원(20) 사이의 거리의 3 배 이상이다. 렌즈(21) 및 폴딩 요소와 플레이트(10) 상의 레이저 다이오드의 존재는 도 2의 시스템의 부피를 도 1의 시스템보다 훨씬 크게 만든다. 구성 요소가 적은, 이 문제에 대한 해결책이 도 3에 도시되어 있다. 도 3의 실시형태에서, 회절 소자(6) 및 렌즈의 초점에 있는 조명원(8)을 향하는 볼록면을 갖는 바람직하게는 평-볼록인 렌즈(30)를 갖는다. 회절 소자(6)는 평면파에 의해 조명되고 포커싱 기능을 갖지 않는데, 이는 격자(14) 상의 회절 이미지의 위치가 회절 소자(6)의 변위와는 관계가 없다는 것을 의미한다. 또한, 이 실시형태에서는 색 포커싱 오차가 존재하지 않으며, 색 편향 오차는 도 1 및 도 2의 실시형태와 동일하다. 도 3의 시스템은 도 2의 시스템보다 훨씬 소형으로 구축될 수 있다.
비슷한 치수의 이동 격자와 고정 격자를 사용하는 종래의 각 디코딩 시스템의 경우, 고정 격자 패턴에 대해 약간 다른 격자 주기를 갖는 세 개의 서브-패턴을 사용하는 것이 이미 제안되어 있다. 이러한 격자 서브-패턴은 또한 이러한 각 디코딩 시스템에서 사용될 수 있고, 본 시스템은 측정 해상도를 향상시키는 신호 보간을 허용한다. 본 발명의 시스템은 세 개의 서브-패턴을 두 가지 다른 방식으로 실현할 수 있게 한다.
예를 들어, 갈바노미터 스캐너에 적용될 때와 같은 특정 각 디코더에서, 미러, 따라서 회전축(2)은 제한된 회전 범위를 가지며, 예를 들어, 샤프트는 제로 위치에 대해 +18°와 -18° 사이에서 이동한다. 격자 섹션(14)이 배열된 플레이트(10)는 도 4에 도시된 바와 같이 각 섹터(angular sector), 예를 들어 각각 60°의 여섯 개의 각 섹터로 분할될 수 있다. 플레이트(10)의 중심은 참조 번호 11로 표시되어 있다. 상기 섹터는 서로 대향하는 섹터(32(1) 및 32(2), 34(1) 및 34(2), 36(1) 및 36(2)))의 쌍으로 배열된다. 각각의 섹터는 격자 구조를 구비하며, 이는 본원에서 격자 섹션으로 불린다. 이들 격자 섹션은 도 4에서 50(1), 50(2), 52(1), 52(2), 54(1) 및 54(2)로 표시되어 있다. 각각의 격자 섹션의 격자 스트립(56) 중 단지 몇 개만이 도 4에 도시되어 있다. 실제로, 격자 스트립의 수는 훨씬 더 많다. 대향하는 격자 섹션 쌍(50(1) 및 50(2))은 격자 섹션 쌍(52(1) 및 52(2)) 및 쌍(54(1) 및 54(2))에 대해 동일한 격자 주기 및 동일한 홀드를 갖는다. 회절 소자(6)가 회전될 때, 이 소자의 주기적 패턴(18)(도 4에는 도시되지 않았지만 도 1에는 도시됨), 즉 지문은 격자 섹션 위로 이동한다. 또한, 샤프트(2)의 회전 방향을 결정하기 위해, 각각의 격자 섹션은 관련된 격자 섹션의 격자 주기의 1/4에 걸쳐 각 방향 또는 접선 방향으로 상호 변위된 두 개의 반경 방향으로 분리된 서브-격자 섹션을 포함할 수 있다.
이러한 형태를 예시하기 위해, 도 5는 하나의 플레이트 섹션(36(1))의 두 개의 이러한 서브-격자 섹션(54(1)a 및 54(1)b)을 도시하고 있으며, 이 격자 섹션은 불투명 스트로크(non-transparent stroke, 58)에 의해 분리된다. 도 4와 유사하게, 서브-섹션의 모든 격자 스트립(56) 중 단지 몇 개만이 도 5에 도시되어 있다.
도 6은 도 5의 격자 서브-섹션(54(1)a 및 54(1))에 의해 전송되는 방사선을 수신하고 이 방사선을 추가 전자 처리를 위한 전기 신호로 변환하기 위한 플레이트 섹션(36(1))에 대한 플레이트(10)의 후면에 있는 방사선 감응 검출기 구조를 도시하고 있다. 도 1 및 도 2에 도시된 검출기(14)의 일부인 검출기 구조는, 방사선 비감응 영역(64)에 의해 반경 방향으로 분리된 두 개의 검출기 부분(60, 62)을 포함한다. 도 4의 여섯 개의 디스크 섹션이 각각 두 개의 서브-격자를 포함하는 경우, 완전한 검출기 구조는 부분(60)과 같은 열두 개의 검출기 부분을 포함한다는 것이 명백할 것이다.
플레이트(10)가 도 4에 도시된 바와 같이 격자에 대해 세 쌍의 대향 섹션을 포함하는 경우, 각각의 쌍은 다른 격자 주기들을 갖는 상기한 세 개의 서브-패턴 중 하나를 구비할 수 있다. 이는 본 발명의 디코더 시스템에 이러한 서브-패턴을 통합하는 첫 번째 방법이다. 도 4의 디스크 섹션(32(1) 및 32(2)) 내의 격자 섹션(50(1) 및 50(2))은 본 실시형태에서 60°인 이들의 각 길이(angular length)에 걸쳐 1/6.2N 개의 격자 주기를 가질 수 있다. 격자 섹션(52(1) 및 52(2))의 격자 주기의 수는 1/6(2N-1)일 수 있고, 격자 섹션(54(1) 및 54(2))의 격자 주기의 수는 이들의 각 길이에 걸쳐 각각 1/6(2N-26)일 수 있다. N = 12의 값은 비슷한 치수의 회전 격자와 고정 격자를 갖는 시스템에 대해 이전에 사용되어왔다. N = 12인 경우, 2π 라디안의 각 길이에 대한 격자 주기의 수는 2N = 4096이다. 다른 주파수를 갖는 격자 패턴이 60°의 섹터에 저장되기 때문에, 하나의 섹터에 대한 격자 주기의 수는 1/6 배만큼 낮아진다.
이 수는 원칙적으로 더 낮아질 수 있는데, 예를 들어, 관련된 갈바노미터의 스캐닝 범위가 +18°와 -18° 사이일 경우, 격자 섹션에 대한 40°의 각 길이로 충분할 수 있다. 이는 격자 주기의 수가 2/3 배만큼 더 감소될 수 있음을 의미한다. 주기적 이미지 패턴(18)의 격자 주기는 격자 섹션들(50(1)-54(2))의 격자 주기에 일치한다는 것이 명백할 것이다. 실제적인 실시형태에서, 이미지 패턴(18)은 10°의 각 크기를 가질 수 있고, 이의 반경 크기는 100 μm일 수 있다. 이러한 상황은, 방사상 중간선(50', 52' 및 54')으로 표시된 여섯 개의 격자 섹션을 갖는 분할된 플레이트(10)의 개략도를 도시하는 도 7에 도시되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이 격자 섹션이 하나의 격자만을 포함하는 경우, 이들 중간선은 격자의 환형 중간이다. 도 5에 도시된 바와 같이 격자 섹션이 두 개의 반경 방향으로 분리되고 각 변위된 서브-격자를 포함하는 경우, 중간선은 불투명 스트로크(58)의 중간을 나타낸다.
여섯 개의 격자 섹션을 갖는 실시형태에서, 이미지 패턴은 섹터의 각 크기와 동일한 상호 각 거리, 즉 60°에 위치한다. 이들 섹션 쌍이 위에서 논의된 바와 같이 약간 다른 격자 주기를 갖는 격자를 포함하는 경우, 회절 소자(6)의 이미지 패턴은 단순한 방사상 라인 패턴일 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이 각도가 작은 이미지 패턴(18)과 각도가 큰 격자 섹션(50(1)-54(2))을 사용하는 대신, 각도가 큰 이미지 패턴과 각도가 작은 격자 섹션을 사용할 수도 있다. 후자는 각도가 작고 그래서 더 저렴한 방사선 감응 검출기가 사용될 수 있다는 장점을 제공한다.
본 발명의 각 디코더 시스템의 원리는 또한 단지 두 개 또는 심지어 하나의 격자 섹션(들)으로도 실현될 수 있다. 신호 보간을 위해 필요한 약간 다른 격자 주기를 갖는 격자는 격자 섹션이 서로 다른 반경에 위치하고 서로 반경 방향으로 분리되도록 이들 격자 섹션 각각에 배치될 수 있다. 이러한 격자 섹션을 위한 격자 구조가도 8에 도시되어 있다. 서로 다른 격자 주기를 갖는 격자는 참조 번호 70, 72 및 74로 표시되어 있다. 실제로, 격자 선의 수는 도 7에 도시된 것보다 크다. 격자(70, 72 및 74)가 서로 다른 반경에 배치되기 때문에, 이들 격자의 주기 또한 이들 반경에 적응된다. 도 7의 요소(18)는 회절 소자의 작은 이미지 패턴을 나타낸다. 도 7의 격자 섹션은 40° 이상 연장될 수 있다. 이 격자 섹션 구조가 사용되는 실시형태에서, 이미지 패턴(들)(18)은 세 개의 링 모양의 반경 방향으로 분리된 격자를 포함해야 한다.
모든 실시형태에 있어서, 회절 소자의 이미지 패턴은 주기적 강도 패턴, 예를 들어 N = 14일 때 114 개의 주기를 포함하고, 섹션 격자 또한 동일한 주기로 주기적이기 때문에, 검출기 신호는 이미지 패턴과 섹션 격자의 주기적 상관 함수이다.
섹션 격자가 듀티 사이클(duty cycle) 0.5를 갖는 이진 격자인 경우, 측정 신호는 본질적으로 섹션 격자와 동일한 각 주파수 및 제 3 차수 회절 방사선에 의해 생성된 구성요소의 허용 가능한 합성을 갖는 사인파형이 될 것이다. 사인파 신호는 각 위치 측정의 보간을 가능하게 한다.
본 발명의 또 다른 실시형태에서, 도 9에 개략적으로 도시된 바와 같이, 구면 미러(100)가 본 발명의 시스템에 추가된다. 특히, 상기 구면 미러(100)는 한 세트의 검출기 상에 주기적 패턴을 투영한다. 검출기 평면(101)은 평평하고 시스템의 대칭축에 수직으로 형성될 수 있다. 이는 시스템의 정렬을 더욱 단순하게 하고 또한 검출기 신호의 품질을 향상시킨다. 이러한 구성으로, 검출기 평면(101)을 검출 구조(16)를 포함하는 플레이트(10)의 면과 일치시키는 것이 실제로 더 용이하다.

Claims (14)

  1. 회전 샤프트(2)를 갖는 회전 가능한 물체의 회전각을 측정하기 위한 광학 시스템으로서, 이 시스템은 한편으로는 샤프트(2) 상에 장착되고 샤프트(2)와 함께 회전하는 반사 회절 소자(6)를 포함하고, 다른 한편으로는 회절 소자(6)를 향해 100 Mhz보다 작은 스펙트럼 폭을 갖는 방사선의 조명 빔을 방출하는 방사선원(8) 및 회절 소자(6)에 의해 반사된 조명 빔 방사선을 전자 처리에 적합한 전기 신호로 변환하여 상기 회전각을 나타내는 신호를 얻는 방사선 감응 검출 구조(16)를 포함하는 모듈을 포함하고, 회절 소자(6)는 방사선 감응 검출 구조의 관련된 섹션 상에 하나 이상의 회절 이미지(18)를 투영하도록 구성되며, 방사선 감응 검출 구조의 관련된 섹션은 방사선 감응 검출 구조의 일부를 형성하는 환형 격자 구조(50(1)-54(2))의 관련된 섹션이고, 회절 소자(6)의 표면적 크기는 환형 격자 구조의 표면적 크기의 0.01% 내지 20%인 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    방사선원(8)과 회절 소자(6)의 중심 사이의 광학 거리는 상기 중심과 환형 격자 구조 섹션(14)의 반경 중심 사이의 광학 거리와 동일한 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    회절 소자(6)는 +1 및 -1 회절 차수에서 입사 측정 빔 방사선을 반사시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    회절 소자(6)에 입사되는 조명 빔은 회절 소자(6) 뒤의 가상 평면에서 수렴하는 수렴 빔인 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    회절 소자(6)는 홀로그램(31)인 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    모듈은 회절 소자(6)를 향하는 볼록면을 갖는 평-볼록 렌즈(30)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    환형 격자 구조는 다수의 격자 섹터(14) 상에 형성된 회절 차수 이미지(18)의 각 크기보다 큰 각 크기를 갖는 다수의 격자 섹터(14)를 포함하고, 방사선 감응 검출 구조(16)는 각각의 격자 섹터에 대해 섹터 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    환형 격자 구조는 다수의 격자 섹터(14) 상에 형성된 회절 차수 이미지의 각 크기보다 작은 각 크기를 갖는 다수의 격자 섹터(14)를 포함하고, 방사선 감응 검출 구조(16)는 각각의 격자 섹터에 대해 섹터 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    환형 격자 구조는, 동일한 격자 주기를 갖고 격자 주기의 4분의 1에 걸쳐 접선 방향으로 상호 변위된, 두 개의 반경 방향으로 분리된 서브-격자를 포함하고, 이들 서브-격자 각각에 대해 별도의 방사선 감응 검출기가 제공되는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  10. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    환형 격자 구조는 서로 다른 격자 주기를 갖는 세 쌍의 서브-격자를 포함하고 각각의 쌍은 회절 차수 이미지(18)를 수신하기 위한 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    환형 격자 구조는 세 쌍의 섹터를 포함하고 각각의 쌍은 서로 다른 격자 주기를 갖는 세 개의 서브-격자 중 하나를 구비하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  12. 제 10 항에 있어서,
    환형 격자 구조는 최대 두 개의 섹터를 포함하고, 각각의 섹터는 서로 다른 격자 주기를 갖는 세 쌍의 서브-격자를 구비하고, 이들 서브-격자는 반경 방향으로 분리된 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서,
    구면 미러(100)가 시스템에 추가되는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  14. 삭제
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