KR20030064457A - Displacement Measurement Sensor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 물체의 변위를 측정하는 것에 관한 것으로, 특히 공초점 원리 및 비점수차를 이용하여 측정 대상물의 변위를 수십 나노미터 단위의 위치정밀도로 측정하는 변위측정센서에 관한 것이다. 본 발명에 의한 장치는 반도체공정인 리소그래피(lithography)에 이용되는 웨이퍼 정렬(wafer align) 장비와 같이 초정밀위치결정기구의 측정센서뿐만 아니라 공작기계, 정밀광학기기의 이송장치 또는 고밀도 저장매체 등의 정밀위치제어를 위한 센서 등으로 이용될 수 있다. 또한 본 발명에 의한 장치는 초정밀 변위측정을 위해 사용되는 광간섭계 또는 정전용량센서 등을 대체할 수 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to measuring displacement of an object, and more particularly, to a displacement measuring sensor for measuring displacement of a measurement object in positional precision of several tens of nanometers using confocal principle and astigmatism. The apparatus according to the present invention is not only a measuring sensor of ultra-precision positioning mechanism, such as wafer alignment equipment used for lithography, which is a semiconductor process, but also precision of a machine tool, a transfer device of precision optical equipment, or a high density storage medium. It can be used as a sensor for position control. In addition, the device according to the present invention can replace an optical interferometer or a capacitive sensor used for ultra-precision displacement measurement.
도 1a는 종래의 기술에 의한 정전 용량 센서(capacitive sensor)로서 미국특허 제5,068,653호에 개시된 내용을 설명하기 위한 블럭도이다. 상기 특허를 참조하면, 상기 장치는 두 평판(1 및 2) 사이의 간격 변화에 따른 전하 흐름 변화를 이용한 초정밀 변위 센서이다. 이 장치는 회로부 노이즈 양이 곧 위치분해능이라 할 정도로 매우 정밀하지만, 측정할 수 있는 변위가 작고, 진동에 매우 민감하며, 고가라는 문제점이 있다.FIG. 1A is a block diagram illustrating the contents disclosed in US Pat. No. 5,068,653 as a conventional capacitive sensor. Referring to this patent, the device is a high precision displacement sensor using a change in charge flow with a change in the distance between two plates 1 and 2. This device is so precise that the amount of circuit noise is called position resolution, but it has a problem that the displacement that can be measured is small, very sensitive to vibration, and expensive.
도 1b는 종래의 기술에 의한 광 디스크를 사용한 인코더로서 미국 특허 제5,602,388호에 개시된 내용을 설명하기 위한 도면이다. 상기 특허를 참조하면, 상기 장치는 측정 대상물의 회전변위를 측정하는 센서이다. 광디스크의 원주 방향으로 일정한 구멍을 뚫어 이를 투과하는 빛의 개수로 회전량을 얻게 되며, 이러한 원리는 대부분의 인코더에 사용되고 있다. 광디스크에 뚫린 구멍의 개수에 따라 분해능이 정해지므로, 회전변위 측정 분해능의 한계를 갖고있는 문제점이 있다.FIG. 1B is a diagram for explaining the contents disclosed in US Pat. No. 5,602,388 as an encoder using an optical disk according to the prior art. Referring to the above patent, the device is a sensor for measuring the rotational displacement of the measurement object. The amount of rotation is obtained by drilling a constant hole in the circumferential direction of the optical disk and transmitting it, and this principle is used in most encoders. Since the resolution is determined according to the number of holes drilled in the optical disk, there is a problem in that the rotation displacement measurement resolution has a limitation.
도 1c는 종래의 기술에 의한 광학 격자 센서(optical grating sensor)로서 미국 특허 제5,012,090호에 개시된 내용을 설명하기 위한 구성도이다. 상기 특허를 참조하면, 격자(grating)에 빛을 공급하면, 광원의 파장과 격자간격, 입사각 등의 광학 조건에 의해 회절되는 현상이 발생하게 되는데 상기 광학 격자 센서는 이를 이용한 변위측정센서이다. 이러한 광학 조건 중에서 격자의 간격을 변경하면 회절된 빛의 각도가 변하게 되고, 이를 이용하여 격자의 직선변위를 측정할 수 있다. 이 장치는 간격을 달리하는 격자들을 정밀하게 가공해야 하며, 회절된 빛은 회절조건에 매우 민감하고, 그 광량도 큰 비선형성을 갖게 된다는 문제가 있다. 즉, 광학계와 격자의 상대 변위의 측정은 매우 정확한 셋업이 요구되고, 위치 검출 분해능이 탁월하지 못한 문제점이 있다.FIG. 1C is a block diagram illustrating the contents disclosed in US Pat. No. 5,012,090 as an optical grating sensor according to the prior art. Referring to the patent, when light is supplied to a grating, a phenomenon occurs that is diffracted by optical conditions such as a wavelength of a light source, a grating interval, an incident angle, etc. The optical grating sensor is a displacement measuring sensor using the same. Changing the spacing of the grating in these optical conditions changes the angle of the diffracted light, it can be used to measure the linear displacement of the grating. This device requires precise processing of gratings with different spacing, and the diffracted light is very sensitive to diffraction conditions, and the amount of light has a large nonlinearity. That is, the measurement of the relative displacement of the optical system and the grating requires a very accurate setup, and there is a problem that the position detection resolution is not excellent.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 공초점 원리 및 비점수차를 이용하여 측정 대상물의 변위를 수십 나노미터 단위의 위치정밀도로 측정하는 단행정 변위측정센서를 제공하는데 있다.Accordingly, the present invention has been made in an effort to provide a single-stroke displacement measuring sensor for measuring displacement of a measurement object in positional precision of several tens of nanometers using a confocal principle and astigmatism.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 상기 단행정 변위측정센서를 이용하는 장행정 직선변위측정센서를 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a long stroke linear displacement sensor using the single stroke displacement measurement sensor.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 상기 단행정 변위측정센서를 이용하는 장행정 회전변위측정센서를 제공하는데 있다.Another technical problem to be achieved by the present invention is to provide a long stroke rotational displacement measuring sensor using the single stroke displacement measuring sensor.
도 1a는 종래의 기술에 의한 정전용량 센서(capacitive sensor)를 설명하기 위한 블럭도;1A is a block diagram illustrating a capacitive sensor according to the prior art;
도 1b는 종래의 기술에 의한 광 디스크를 사용한 인코더를 설명하기 위한 개략도;1B is a schematic diagram for explaining an encoder using an optical disk according to the prior art;
도 1c는 종래의 기술에 의한 광학 격자 센서(optical grating sensor)를 설명하기 위한 구성도;1C is a block diagram for explaining an optical grating sensor according to the prior art;
도 2는 본 발명에 의한 핀홀/슬릿을 이용한 단행정 변위측정센서를 설명하기 위한 구성도;Figure 2 is a block diagram illustrating a single stroke displacement measuring sensor using a pinhole / slit according to the present invention;
도 3은 도 2의 공초점 광학계와 일반 광학계의 초점 신호 특성을 비교설명하기 위한 그래프;3 is a graph for comparing and explaining focus signal characteristics of the confocal optical system and the general optical system of FIG. 2;
도 4는 본 발명에 의한 비점수차를 이용한 단행정 변위측정센서를 설명하기 위한 구성도;4 is a configuration diagram for explaining a single stroke displacement measuring sensor using astigmatism according to the present invention;
도 5a 및 도 5b는 사분할 광검출기의 위치에 따라 맺히는 상의 모양을 설명하기 위한 도면들;5A and 5B are views for explaining the shape of a phase formed according to the position of the quadrant photodetector;
도 6은 광검출신호와 측정물의 변위와의 관계를 도시한 그래프6 is a graph showing the relationship between the photodetection signal and the displacement of the workpiece;
도 7a 및 도 7b는 본 발명에 의한 장행정 변위측정센서를 설명하기 위한 도면들;7A and 7B are views for explaining a long stroke displacement measuring sensor according to the present invention;
도 7c는 장행정 변위측정센서의 출력과 변위(x)의 관계를 도시한 그래프;7C is a graph showing the relationship between the output of the long stroke displacement measuring sensor and the displacement x;
도 8a 및 도 8b는 본 발명에 의한 장행정 회전변위측정센서를 설명하기 위한 도면들;8A and 8B are views for explaining a long stroke rotational displacement sensor according to the present invention;
도 9a 및 도 9b는 본 발명에 의한 다른 장행정 회전변위측정센서를 설명하기 위한 도면들이다.9A and 9B are views for explaining another long stroke rotational displacement sensor according to the present invention.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 단행정 변위측정센서는 광을 출사하는 광원과, 상기 광원에서 출사되는 광을 측정 대상물에 집속시키는 대물렌즈와, 상기 대물렌즈에 의해 상기 측정 대상물에 집속된 후 반사되어 나온 광의 경로를 변화시키는 분할기와, 상기 분할기에 의해 경로가 변화된 광을 집속시키는 집광렌즈와, 상기 집광렌즈에 의해 집속된 광의 광량을 측정하는 광검출기를 구비하는 것을 특징으로 한다.The single stroke displacement measuring sensor according to the present invention for achieving the above technical problem is a light source for emitting light, an objective lens for focusing the light emitted from the light source to the measurement object, and focusing on the measurement object by the objective lens And a splitter for changing the path of the reflected light, a condenser lens for condensing the light whose path is changed by the splitter, and a photodetector for measuring the amount of light focused by the condenser lens.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 장행정 직선변위측정센서는 측정 대상물에 고정설치되며 일정한 주기와 길이를 갖는 격자와, 광을 출사하는 광원과, 상기 광원에서 출사되는 광을 상기 격자에 집속시키는 대물렌즈와, 상기 대물렌즈에 의해 상기 격자에 집속된 후 반사되어 나오는 광의 경로를 변화시키는 분할기와, 상기 분할기에 의해 경로가 변화된 광을 집속시키는 집광렌즈와, 상기 집광렌즈에 의해 집속된 광의 초점 근처에서의 광량을 측정하는 광검출기를 포함하는 단행정 변위측정센서와, 상기 단행정 변위측정센서가 상기 격자의 길이 방향과 나란하게 직선운동 가능하도록 상기 단행정 변위측정센서에 부착설치되는 직선운동가이드를 구비하는 것을 특징으로 한다.The long-stroke linear displacement sensor according to the present invention for achieving the above technical problem is a grating having a fixed period and length fixed to the measurement object, a light source for emitting light, and the light emitted from the light source An objective lens for condensing the light, a splitter for changing a path of light reflected by the objective lens after being focused on the grating, a condenser lens for condensing the light whose path is changed by the splitter, and a condenser by the condenser lens Single stroke displacement measuring sensor including a photodetector for measuring the amount of light near the focus of the light, and attached to the single stroke displacement measuring sensor so that the single stroke displacement measuring sensor can linearly move in parallel with the longitudinal direction of the grating It characterized in that it comprises a linear motion guide.
상기 또 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일예에 따른 장행정 회전변위측정센서는 디스크의 일면에 일정한 주기의 격자를 가지며, 회전하는 격자디스크와, 광을 출사하는 광원과, 상기 광원에서 출사되는 광을 상기 격자디스크에 집속시키는 대물렌즈와, 상기 대물렌즈에 의해 상기 격자디스크에 집속된 후 반사되어 나오는 광의 경로를 변화시키는 분할기와, 상기 분할기에 의해 경로가 변화된 광을 집속시키는 집광렌즈와, 상기 집광렌즈에 의해 집속된 광의 초점 근처에서의 광량을 측정하는 광검출기를 포함하며 상기 격자디스크와 수직인 단행정 변위측정센서를 구비하는 것을 특징으로 한다.The long stroke rotational displacement measuring sensor according to an embodiment of the present invention for achieving another technical problem has a grating of a certain period on one surface of the disk, the rotating grating disk, the light source for emitting light, and the light emitted from the light source An objective lens for focusing light onto the grating disk, a splitter for changing a path of light reflected after being focused on the grating disk by the objective lens, and a condenser lens for focusing light whose path is changed by the splitter; And a photodetector for measuring an amount of light near a focal point of the light focused by the condensing lens and having a single stroke displacement measuring sensor perpendicular to the grating disk.
상기 또 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일예에 따른 장행정 회전변위측정센서는 장행정 회전변위측정센서는 원주를 따라 일정한 주기의 격자를 가지고 회전하는 격자디스크와, 광을 출사하는 광원과, 상기 광원에서 출사되는 광을 상기 격자디스크에 집속시키는 대물렌즈와, 상기 대물렌즈에 의해 상기 격자디스크에 집속된 후 반사되어 나오는 광의 경로를 변화시키는 분할기와, 상기 분할기에 의해 경로가 변화된 광을 집속시키는 집광렌즈와, 상기 집광렌즈에 의해 집속된 광의 초점 근처에서의 광량을 측정하는 광검출기를 포함하며 상기 격자디스크의 반지름 방향과 동일 선상에 설치된 단행정 변위측정센서를 구비하는 것을 특징으로 한다.The long stroke rotational displacement measuring sensor according to an embodiment of the present invention for achieving the above another technical problem is a long stroke rotational displacement measuring sensor has a lattice disk that rotates with a regular cycle along the circumference, and a light source for emitting light and And an objective lens for focusing the light emitted from the light source onto the grating disk, a splitter for changing the path of the light reflected after being focused on the grating disk by the objective lens, and light whose path is changed by the splitter. And a single-stroke displacement measuring sensor including a condensing lens for focusing and a photodetector for measuring an amount of light near a focal point of the light focused by the condensing lens, and arranged on the same line as the radial direction of the grating disk. .
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 첨부된 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 표시한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention will be described in detail. Like reference numerals in the accompanying drawings denote like elements.
[핀홀/슬릿을 이용한 변위측정센서][Displacement sensor using pinhole / slit]
도 2는 본 발명에 의한 핀홀 또는 슬릿을 이용한 단행정 변위측정센서(100)를 설명하기 위한 구성도이다. 도 2를 참조하면, 광원(10) 전방에는 대물렌즈(objective lens)(20)가 위치하고 있고 대물렌즈(20) 전방에는 빔분할기(beam splitter)(30)가 위치하고 있다. 광원(10)에서 발사된 레이저가 대물렌즈(20) 및 빔분할기(30)를 통과하여 변위를 측정하고자 하는 측정 대상물(70)에 도달하고 이 레이저는 측정 대상물(70)에서 반사되어 빔분할기(30)에 의해 분할이 된 후, 분할된 레이저는 집광 렌즈(collecting lens)(40)를 통과하여 집광렌즈(40)의 후방에 위치한 슬릿(50)의 구경(aperture)의 중심에 초점을 이루게 된다.여기서 슬릿(50)은 핀홀(pinhole)일 수 있다. 슬릿(50)의 후방에는 광검출기(photo detector)(60)를 위치시켜 광량을 검출한다,2 is a block diagram illustrating a single stroke displacement measuring sensor 100 using a pinhole or a slit according to the present invention. Referring to FIG. 2, an objective lens 20 is positioned in front of the light source 10, and a beam splitter 30 is positioned in front of the objective lens 20. The laser emitted from the light source 10 passes through the objective lens 20 and the beam splitter 30 to reach the measurement target 70 to measure the displacement, and the laser is reflected from the measurement target 70 to reflect the beam splitter ( After being split by 30, the split laser passes through a collecting lens 40 to focus on the center of the aperture of the slit 50 located behind the collecting lens 40. Here, the slit 50 may be a pinhole. A photo detector 60 is positioned behind the slit 50 to detect the amount of light.
도 3은 도 2의 공초점 광학계와 일반 광학계의 초점 신호 특성을 비교설명하기 위한 그래프이다. 도 3을 참조하면, 공초점 광학계는 초점에서 광검출기(60)의 출력이 최대가 되며, 출력이 초점 근처에 모두 집중된다는 것을 알 수 있다. 따라서 측정물(70)과 슬릿(50) 모두가 대물렌즈(20) 및 집광렌즈(40)의 초점에 각각 위치하는 경우 슬릿(50) 후방에서 최대 광량이 되고, 이때 광검출기(60)의 출력이 최대가 된다. 이와 반대로 상기 측정물(70) 또는 슬릿(50) 중 어느 하나라도 초점에 위치하지 않는 경우에는 급격한 광소멸이 발생하여 광검출기(60)의 출력이 0 또는 0에 가까와 진다. 그러므로 광검출기(60)의 출력을 측정하여 측정 대상물과의 변위를 측정할 수 있다.FIG. 3 is a graph for comparing and explaining focus signal characteristics of the confocal optical system and the general optical system of FIG. 2. Referring to FIG. 3, it can be seen that the confocal optical system has the maximum output of the photodetector 60 at the focus and the output is all concentrated near the focus. Therefore, when both the measurement object 70 and the slit 50 are located at the focal points of the objective lens 20 and the condenser lens 40, respectively, the maximum light amount is obtained from the rear of the slit 50, and at this time, the output of the photodetector 60 is output. This is the maximum. On the contrary, when neither the measurement object 70 nor the slit 50 is located at the focal point, sudden light extinction occurs and the output of the photodetector 60 approaches zero or zero. Therefore, by measuring the output of the photodetector 60, the displacement with the measurement object can be measured.
본 발명에 의한 핀홀/슬릿을 이용한 변위측정센서는 비교적 간단한 구조이나, 측정물의 초점방향으로의 움직임을 수십 나노미터 수준의 분해능으로 검출이 가능하다. 이는 광축 방향으로의 단행정 변위 센서로써의 탁월한 성능을 제공하며, 수십 나노미터 변위를 탁월한 속도로 저렴하게 구현할 수 있다. 즉, 핀홀 또는 슬릿과 같은 구경을 사용함으로써 일반광학계에 비해 초점방향으로의 변위에 대한 민감도를 극대화시킬 수 있게된다.The displacement measuring sensor using a pinhole / slit according to the present invention has a relatively simple structure, but can detect movement in the focal direction of the workpiece with a resolution of several tens of nanometers. This provides excellent performance as a single-stroke displacement sensor in the optical axis direction, and enables tens of nanometer displacements to be implemented at low cost at an excellent speed. In other words, by using an aperture such as a pinhole or a slit, it is possible to maximize the sensitivity to the displacement in the focal direction compared to the general optical system.
[비점수차를 이용한 변위측정센서][Displacement Measurement Sensor Using Astigmatism]
도 4는 본 발명에 의한 비점수차를 이용한 단행정 변위측정센서(110)를 설명하기 위한 구성도이다. 도 4를 참조하면, 도 2에 도시된 슬릿을 이용한 변위측정센서(100)에 사용된 집광렌즈(40) 및 슬릿(50) 대신, 단행정 변위측정센서(110)는 수평과 수직 방위 축에 따라 초점거리가 틀린 비점수차 렌즈(astigmatism lens)(140)를 사용하며, 광검출기(60) 대신 사분할 광검출기(160)를 사용하며 나머지 구성은 슬릿을 이용한 변위측정센서(100)와 동일하다. 여기서 비점수차렌즈(140) 대신 원통 렌즈(cylindrical lens)와 볼록렌즈의 조합으로 구성된 비점수차 광학계를 사용할 수 있다.4 is a block diagram illustrating a single stroke displacement measuring sensor 110 using astigmatism according to the present invention. Referring to FIG. 4, instead of the condenser lens 40 and the slit 50 used in the displacement measuring sensor 100 using the slit shown in FIG. 2, the single stroke displacement measuring sensor 110 is disposed on the horizontal and vertical azimuth axes. Astigmatism lens 140 with a different focal length is used, and a quadrant photodetector 160 is used instead of the photodetector 60, and the rest of the configuration is the same as that of the displacement measuring sensor 100 using the slit. . Here, instead of the astigmatism lens 140, an astigmatism optical system composed of a combination of a cylindrical lens and a convex lens may be used.
도 5a 및 도 5b는 사분할 광검출기(160)의 위치에 따라 맺히는 상의 모양을 설명하기 위한 도면이다. 비점수차렌즈(140)는 수평축을 지나는 빔의 초점거리(f1)와 수직축을 지나는 빔의 초점거리(f2)가 다르므로, 사분할 광검출기(160)의 위치에 따라 맺히는 상의 모양이 달라진다. 도 5a 및 도 5b를 참조하여 구체적으로 설명하면, 사분할 광검출기(160)가 비점수차렌즈(140)와 수평축 초점거리(f1) 사이에 위치하는 경우에는, 사분할 광검출기(160)에는 도 5b의 (나)와 같은 상이 맺히게 된다. 또한 사분할 광검출기(160)와 비점수차렌즈(140)사이의 거리가 수직축 초점거리(f2) 보다 커지는 경우에는 도 5b의 (다)와 같은 상이 맺히게 된다. 사분할 광검출기(160)가 수평축 초점거리(f1)와 수직축 초점거리(f2) 사이에 위치하는 경우에는, 사분할 광검출기(160)에는 원형에 가까운 상이 맺히게 되는데, 일정한 위치에서는 도 5b의 (라)와 같이 상이 원을 이루게 된다. 이러한 원을 비점수차원(astigmatic circle)이라고 한다. 수평축 초점거리(f1) 및 수직축 초점거리(f2)와 비점수차 렌즈로부터 비점수차원의 거리(d)와의 관계식은 아래의 수학식 1과 같다.5A and 5B are diagrams for explaining the shape of a phase formed according to the position of the quadrant photodetector 160. Since the astigmatism lens 140 has a different focal length f 1 of the beam passing through the horizontal axis and a focal length f 2 of the beam passing through the vertical axis, the shape of the image formed by the quadrant photodetector 160 varies. . Specifically, referring to FIGS. 5A and 5B, when the quadrant photodetector 160 is positioned between the astigmatism lens 140 and the horizontal focal length f 1 , the quadrant photodetector 160 includes The image as shown in (b) of FIG. 5b is formed. In addition, when the distance between the quadrant photodetector 160 and the astigmatism lens 140 is larger than the vertical focal length f 2 , an image as shown in FIG. 5B is formed. When the quadrant photodetector 160 is located between the horizontal axis focal length f 1 and the vertical axis focal length f 2 , the quadrant photodetector 160 forms an image close to a circular shape. As in (D), the image forms a circle. Such circles are called astigmatic circles. The relation between the horizontal focal length f 1 and the vertical focal length f 2 and the astigmatism distance d from the astigmatism lens is expressed by Equation 1 below.
따라서 측정 대상물(70)의 변위가 대물렌즈(20)의 초점거리를 벗어나는 정도에 따라 f1과 f2가 변화하여 d가 변화하게 되고, 비점수차원의 거리(d)에 사분할 광검출기(160)를 위치시켜 변위를 측정할 수 있다. 도 5b의 (가)에 도시된 사분할 광검출기(160)의 4개의 출력을 각각 A, B, C, D라 하고 광검출 신호는 아래의 수학식 2과 같다.Therefore, f 1 and f 2 change according to the degree to which the displacement of the measurement target 70 is out of the focal length of the objective lens 20 so that d changes, and the quadrant photodetector 160 can be positioned to measure the displacement. The four outputs of the quadrant photodetector 160 shown in (a) of FIG. 5B are A, B, C, and D, respectively, and the photodetection signal is represented by Equation 2 below.
도 6은 광검출신호와 측정물(60)의 변위와의 관계를 도시한 그래프이다. 도 6을 참조하면, 측정물(60)이 대물렌즈(20)의 초점에 위치하면 광검출신호는 0이 되고 측정물의 대물렌즈 초점거리 전후 변위에 대해 일정하게 증감하는 구간이 생기며, 이러한 선형적인 구간 내에서는 방향성을 갖는 검출신호를 얻을 수 있게된다. 따라서 사분할 검출기(55)의 노이즈 수준의 탁월한 분해능을 얻을 수 있다.6 is a graph showing the relationship between the light detection signal and the displacement of the measurement object 60. Referring to FIG. 6, when the measurement object 60 is positioned at the focal point of the objective lens 20, the light detection signal becomes 0, and a section that constantly increases or decreases with respect to the displacement before and after the objective lens focal length is generated. In the section, it is possible to obtain a detection signal having a directivity. Therefore, excellent resolution of the noise level of the quadrant detector 55 can be obtained.
[장행정 직선변위측정센서][Long stroke linear displacement sensor]
도 7a 및 도 7b는 본 발명에 의한 장행정 직선변위측정센서(200)를 설명하기 위한 도면이다. 도 7a를 참조하면, 장행정 직선변위측정센서(200)는 측정 대상물(270)에 고정설치되며 일정한 주기와 길이를 갖는 격자(165)와, 단행정 변위측정센서(100)와, 격자(275)의 길이 방향과 나란하게 직선운동 가능하도록 단행정 변위측정센서(100)에 부착설치되는 직선운동가이드(270)를 구비한다. 여기서 단행정 변위측정센서(100)는 본 발명에 의한 단행정 변위측정센서(110)가 사용될 수도있다.7A and 7B are views for explaining the long stroke linear displacement sensor 200 according to the present invention. Referring to FIG. 7A, the long stroke linear displacement measurement sensor 200 is fixed to the measurement object 270 and has a grating 165 having a predetermined period and length, a single stroke displacement measuring sensor 100, and a grating 275. It includes a linear motion guide 270 is attached to the single stroke displacement measuring sensor 100 to enable a linear movement in parallel with the longitudinal direction of the). Here, the single stroke displacement measuring sensor 100 may be a single stroke displacement measuring sensor 110 according to the present invention.
도 7c는 장행정 직선변위측정센서(200)의 출력과 변위(x)의 관계를 도시한 그래프이다. 도 7c를 참조하면, 단행정 변위측정센서(100)의 상대 변위(x)에 따라 반복적인 연속적인 검출신호를 생성하게 되며, 상기 검출신호의 극점을 카운팅하면 상대 변위(x)를 측정할 수 있다.FIG. 7C is a graph illustrating a relationship between the output of the long stroke linear displacement sensor 200 and the displacement x. Referring to FIG. 7C, a repetitive continuous detection signal is generated according to the relative displacement x of the single stroke displacement sensor 100, and the relative displacement x may be measured by counting the pole of the detection signal. have.
도 8a 및 도 8b는 본 발명에 의한 장행정 회전변위측정센서(300)를 설명하기 위한 도면이다. 도 8a 및 도 8b를 참조하면, 장행정 회전변위측정센서(300)는 회전운동하는 회전체(370)의 축에 고정설치되는 회전판(372)과, 회전판(372)의 일면에 고정설치되며 일면에 일정한 주기의 격자를 갖는 격자디스크(375)와, 격자디스크(375)와 수직인 단행정 변위측정센서(100)를 구비한다. 격자디스크(375)가 부착된 회전판(372)이 회전하면 같은 응답주파수의 연속적 검출신호가 발생하게 되고, 이러한 연속적 검출신호를 이용하여 격자 간격 단위로 회전변위를 측정할 수 있다.8A and 8B illustrate a long stroke rotational displacement sensor 300 according to the present invention. 8A and 8B, the long stroke rotational displacement measuring sensor 300 is fixed to one side of the rotating plate 372 and the rotating plate 372 fixedly installed on the axis of the rotating body 370 that rotates. A grating disk 375 having a grating of a constant period and a single stroke displacement measuring sensor 100 perpendicular to the grating disk 375 are provided. When the rotating plate 372 to which the lattice disk 375 is attached rotates, a continuous detection signal of the same response frequency is generated, and the rotational displacement can be measured in units of grid intervals using the continuous detection signal.
도 9a 및 도 9b는 본 발명에 의한 다른 장행정 회전변위측정센서(310)를 설명하기 위한 도면이다. 도 9a 및 도 9b를 참조하면, 장행정 회전변위측정센서(310)는 회전운동하는 회전체(370)의 축에 설치되는 회전판(372)과, 회전판(372)의 일면에 고정설치되며 원주를 따라 일정한 주기의 격자를 갖는 격자디스크(377)와, 격자디스크(377)의 반지름 방향과 동일 선상에 설치된 단행정 변위측정센서(110)를 구비한다. 격자디스크(377)가 부착된 회전판(372)이 회전하면 같은 응답주파수의 연속적 검출신호가 발생하게 되고, 이러한 연속적 검출신호를 이용하여 격자 간격 단위로 회전변위를 측정할 수 있다.9A and 9B are views for explaining another long stroke rotational displacement sensor 310 according to the present invention. 9A and 9B, the long stroke rotational displacement sensor 310 is provided with a rotating plate 372 installed on an axis of a rotating body 370 that rotates, and fixed to one surface of the rotating plate 372 and having a circumference. Accordingly, a grating disk 377 having a lattice of a constant period and a single stroke displacement measuring sensor 110 provided on the same line as the radial direction of the grating disk 377 are provided. When the rotating plate 372 to which the lattice disk 377 is attached rotates, a continuous detection signal of the same response frequency is generated, and the rotational displacement can be measured in units of grid intervals using the continuous detection signal.
본 발명에 의한 장행정변위측정센서는 일정한 모양을 지닌 격자이므로 보간법을 이용할 수 있어, 정밀한 변위측정이 가능하다.Since the long stroke displacement sensor according to the present invention is a lattice having a certain shape, the interpolation method can be used, and precise displacement measurement is possible.
본 발명에 의한 변위측정센서는 비교적 간단한 구조이나, 측정물의 초점방향으로의 움직임을 수십 나노미터 수준의 분해능으로 검출이 가능하여 일반광학계에 비해 초점방향으로의 변위에 대한 민감도를 극대화시킬 수 있으며 광학계의 구성에 따라 측정물의 변위측정 한계를 용이하게 변화시킬 수 있다. 즉, 다양한 분야에서 변위측정 센서로써 역할을 할 수 있다. 특히, 핀홀/슬릿은 매우 큰 민감도를 갖고 있고 비점수차 렌즈는 측정물 변위에 대한 방향성이 보장되며 비점수차 렌즈의 가공정도에 따라 민감도 및 선형성을 조정할 수 있다. 즉, 공초점 원리가 갖는 탁월한 광축방향 분해능을 이용하여, 변위측정을 위한 센서로써 역할을 가능하게 한다.The displacement measuring sensor according to the present invention has a relatively simple structure, but can detect movement in the focal direction of the workpiece with a resolution of several tens of nanometers, thereby maximizing the sensitivity to displacement in the focal direction compared to a general optical system. According to the configuration of the displacement measurement limit of the workpiece can be easily changed. That is, it can serve as a displacement measuring sensor in various fields. In particular, the pinhole / slit has a very high sensitivity, and the astigmatism lens has the directionality of the workpiece displacement and the sensitivity and the linearity can be adjusted according to the degree of processing of the astigmatism lens. In other words, by utilizing the excellent optical axis resolution of the confocal principle, it serves as a sensor for displacement measurement.
장행정 변위측정 센서는 일정 간격을 갖는 격자를 이용함으로써, 이동물체의 장행정 변위를 격자 간격 수준, 혹은 보간법에 의해서 격자 간격 수준 이하의 탁월한 분해능으로 검출할 수 있다.The long stroke displacement measuring sensor can detect a long stroke displacement of a moving object with an excellent resolution below the lattice spacing level by the interpolation method or the interpolation method by using a lattice having a predetermined spacing.
회전 변위측정 센서는 원주방향으로 일정한 간격을 갖는 격자판을 이용함으로써, 회전 운동하는 물체의 변위를 탁월한 각도분해능으로 회전 변위측정이 가능해진다.The rotational displacement measuring sensor uses a lattice plate with a constant distance in the circumferential direction, so that rotational displacement measurement can be performed with excellent angular resolution of the displacement of an object moving in rotation.
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| JPH0571959A (en) * | 1991-09-10 | 1993-03-23 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Optical measuring device for minute displacement |
| JP3423991B2 (en) * | 1994-07-08 | 2003-07-07 | 株式会社リコー | Displacement measuring device and optical pickup |
| JP3573367B2 (en) * | 1994-12-28 | 2004-10-06 | 株式会社リコー | Micro displacement measuring device |
| JPH0968408A (en) * | 1995-09-01 | 1997-03-11 | Ricoh Co Ltd | Optical displacement sensor |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100847433B1 (en) * | 2008-04-04 | 2008-07-21 | 주식회사 엔씨비네트웍스 | Apparatus and method for astigmatism and phase shift auto focusing by dmd moire pattern generator |
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