RU2047085C1

RU2047085C1 - Interferometer for measurement of translations of two-coordinate table

Info

Publication number: RU2047085C1
Authority: RU
Inventors: Владимир Николаевич Давыдов
Original assignee: Владимир Николаевич Давыдов
Priority date: 1992-06-30
Filing date: 1992-06-30
Publication date: 1995-10-27

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: interferometer for measurement of translations of two-coordinate table includes monochromatic light source, beam splitter to form two measurement channels X and Y manufactured in the form of beam splitting cube, for instance, and positioned behind source in beam path. Beam splitter fabricated in the form of plane-parallel splitting plate is placed simultaneously in two measurement channels to form and recombinate reference and information beams in each measurement channel. Flat reflector is made in the form of flat mirror and is set in path of information beam rigidly coupled to two-coordinate table and immobile reflector composed of plate with two plane-parallel specular-reflecting surfaces is installed in path of information beam. Precision of measurement increases thanks to exclusion of its nonorthogonality to working surfaces of immobile angle reflectors. EFFECT: increased precision of measurements, simplified design of interferometer. 2 dwg

Description

Предлагаемое техническое решение относится к области измерительной техники, а более конкретно к интерферометрам и может быть использовано для измерения линейных перемещений с высокой степенью точности в большом диапазоне измерительных величин в приборостроении, станкостроении, системах автоматизации и др. The proposed technical solution relates to the field of measurement technology, and more specifically to interferometers and can be used to measure linear displacements with a high degree of accuracy in a wide range of measurement values in instrumentation, machine tool industry, automation systems, etc.

Известен интерферометр [1] для измерения перемещений двухкоординатного стола, входящий в состав электронного литографа ВS-600, содержащий лазерный источник света, светоделитель, формирующий два измерительных канала, в каждом из которых установлен светоделитель, для формирования и рекомбинации референтного и информационного лучей, неподвижный уголковый отражатель, установленный на пути референтного луча, подвижный уголковый отражатель, установленный на пути информационного луча и жестко связанный с двухкоординатным столом, неподвижный уголковый отражатель, установленный на пути вышедшего из подвижного отражателя и отклоненного светоделителем информационного луча, фотоприемное и отсчетное устройства. Known interferometer [1] for measuring the movements of a two-coordinate table, which is part of the BS-600 electronic lithograph, containing a laser light source, a beam splitter, forming two measuring channels, in each of which a beam splitter is installed, for the formation and recombination of the reference and information rays, a fixed corner a reflector mounted on the path of the reference beam, a movable corner reflector mounted on the path of the information beam and rigidly connected to the two-coordinate table, fixed an angular reflector installed in the path of the information beam that has emerged from the movable reflector and is rejected by the beam splitter, a photodetector and a reading device.

Недостатками известного интерферометра являются: низкая точность измерений, ограниченная чувствительностью его к непрямолинейности перемещения измерительных кареток в измерительной плоскости, к неортогональности рабочих поверхностей каждого неподвижного уголкового отражателя при перемещении двухкоординатного стола, к неортогональности рабочих поверхностей каждого подвижного отражателя, установленного в одном из измерительных каналов при перемещении стола в другом измерительном канале, сложность конструкции из-за весьма жестких требований предъявляемых к точности рабочих поверхностей элементов интерферометра и юстировки. The disadvantages of the known interferometer are: low measurement accuracy, limited by its sensitivity to the non-linearity of the movement of the measuring carriages in the measuring plane, to the nonorthogonality of the working surfaces of each fixed corner reflector when moving the two-coordinate table, to the nonorthogonality of the working surfaces of each movable reflector installed in one of the measuring channels when moving tables in another measuring channel, design complexity due to very rigid x the requirements for the precision working of surfaces of elements and the alignment of the interferometer.

Известен также интерферометр для измерения перемещений [2] содержащий монохроматический источник света, светоделитель, служащий для формирования двух измерительных каналов, каждый их из которых включает светоделитель, для формирования и рекомбинации референтного и информационного лучей, неподвижный уголковый отражатель, выполненный в виде прямоугольной призмы и установленный на пути референтного луча, плоский подвижный отражатель, выполненный в виде плоского зеркала, установленный на пути информационного луча и жестко связанный с двухкоординатным столом, неподвижный уголковый отражатель, выполненный в виде прямоугольной призмы, установленный на пути отраженного от подвижного отражателя и прошедшего через светоделитель информационного луча, а также фотоприемное и отсчетное устройства. Also known is an interferometer for measuring displacements [2] containing a monochromatic light source, a beam splitter, which serves to form two measuring channels, each of which includes a beam splitter, for the formation and recombination of reference and information rays, a fixed angle reflector made in the form of a rectangular prism and mounted on the path of the reference beam, a flat movable reflector made in the form of a flat mirror mounted on the path of the information beam and rigidly connected with uhkoordinatnym table, a stationary retroreflector, configured in the form of a rectangular prism mounted on the path reflected by the movable reflector and passing through the beam splitter of the information, and the photodetector and the readout device.

Недостатками данного интерферометра являются сравнительно низкая точность измерений, ограниченная чувствительностью его к неортогональности рабочих поверхностей неподвижных уголковых отражателей при непрямолинейном перемещении двухкоординатного стола в измерительной плоскости, а также сложность конструкции из-за весьма жестких требований предъявляемых к точности рабочих поверхностей элементов интерферометра и юстировки. The disadvantages of this interferometer are the relatively low accuracy of measurements, limited by its sensitivity to the non-orthogonality of the working surfaces of fixed corner reflectors during the indirect movement of the two-coordinate table in the measuring plane, as well as the complexity of the design due to the very stringent requirements for the accuracy of the working surfaces of the elements of the interferometer and alignment.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому техническому решению является лазерный интерферометр для измерения перемещений двухкоординатного стола [3] принятый в качестве прототипа. Интерферометр содержит монохроматический источник света, например лазер, светоделитель, формирующий два измерительных канала, каждый из которых включает светоделитель, для формирования и рекомбинации референтного и информационного лучей, неподвижный уголковый отражатель, установленный на пути референтного луча, подвижный уголковый отражатель, установленный на пути информационного луча и жестко связанный с двухкоординатным столом, неподвижный уголковый отражатель, установленный на пути вышедшего из подвижного отражателя информационного луча, фотоприемное и отсчетное устройства. The closest in technical essence to the proposed technical solution is a laser interferometer for measuring the movements of a two-coordinate table [3] adopted as a prototype. The interferometer contains a monochromatic light source, such as a laser, a beam splitter, forming two measuring channels, each of which includes a beam splitter, for the formation and recombination of the reference and information rays, a fixed corner reflector mounted on the path of the reference beam, a movable corner reflector mounted on the path of the information beam and rigidly connected with the two-coordinate table, a fixed corner reflector mounted on the path of information coming out of the movable reflector beam, photodetector and reading device.

Недостатками интеpферометра являются низкая точность измерений, ограниченная чувствительностью его к неортогональности рабочих поверхностей неподвижных уголковых отражателей, при прямолинейном перемещении двухкоординатного стола в измерительной плоскости, к неортогональности рабочих поверхностей каждого подвижного отражателя, установленного в одном из измерительных каналов при перемещении стола в другом измерительном канале, а также сложность конструкции из-за весьма жестких требований предъявляемых к точности рабочих поверхностей элементов интерферометра и юстировки. Disadvantages of the interferometer are low measurement accuracy, limited by its sensitivity to the non-orthogonality of the working surfaces of fixed corner reflectors, during the rectilinear movement of a two-coordinate table in the measuring plane, to the non-orthogonality of the working surfaces of each movable reflector installed in one of the measuring channels when moving the table in another measuring channel, also the complexity of the design due to the very stringent requirements for precision work surfaces stey elements interferometer and alignment.

Предлагаемое техническое решение устраняет указанные недостатки прототипа и позволяет повысить точность измерений и упростить конструкцию устройства. The proposed technical solution eliminates these disadvantages of the prototype and improves the accuracy of measurements and simplify the design of the device.

Указанная задача решается за счет того, что в интерферометре для измерения перемещений двухкоординатного стола, содержащем последовательно установленные монохроматический источник света, например лазер, и светоделитель для формирования двух измерительных каналов, каждый из которых включает последовательно расположенные по ходу излучения плоское зеркало, предназначенное для закрепления со столом, и отсчетное устройство, электрически соединенное с фотоприемным устройством, установлен общий для обоих измерительных каналов оптический блок, выполненный из плоскопараллельной светоделительной пластины, установленной по ходу излучения за светоделителем и оптически связанной с обоими фотоприемными устройствами и плоскими зеркалами, и отражателем с двумя плоскопараллельными зеркальноотражающими поверхностями, ориентированным таким образом, что каждая из его отражающих поверхностей оптически связана, соответственно, с одним из плоских зеркал и через светоделитель с фотоприемным устройством. This problem is solved due to the fact that in the interferometer for measuring the displacements of a two-coordinate table containing sequentially installed monochromatic light source, such as a laser, and a beam splitter for forming two measuring channels, each of which includes a flat mirror consecutively located along the radiation, designed to fix with a table, and a reading device, electrically connected to the photodetector, is installed optically common to both measuring channels the th block made of a plane-parallel beam splitter plate installed along the radiation behind the beam splitter and optically coupled to both photodetectors and flat mirrors, and a reflector with two plane-parallel mirror-reflecting surfaces, oriented so that each of its reflecting surfaces is optically connected, respectively, with one of the flat mirrors and through a beam splitter with a photodetector.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленное устройство отличается наличием общего для обоих измерительных каналов оптического блока, выполненного из плоскопараллельной светоделительной пластины, установленной по ходу излучения за светоделителем и оптически связанной с обоими фотоприемными устройствами и плоскими зеркалами, и отражателем с двумя плоскопараллельными зеркальноотражающими поверхностями, ориентированным таким образом, что каждая из его отражающих поверхностей оптически связана, соответственно, с одним из плоских зеркал и через светоделитель с фотоприемным устройством. Comparative analysis with the prototype shows that the claimed device is characterized by the presence of a common optical block for both measuring channels, made of a plane-parallel beam splitter plate installed along the radiation behind the beam splitter and optically coupled to both photodetectors and plane mirrors, and a reflector with two plane-parallel mirror-reflecting surfaces, oriented so that each of its reflective surfaces is optically coupled, respectively, with one of the flat mirrors and through a beam splitter with a photodetector.

Сравнение заявляемого технического решения с другими решениями в данной и смежной областях в объеме проведенного поиска показывает, что каждый элемент оптической схемы устройства в отдельности известен, однако, в той взаимосвязи элементов, как это предложено в заявляемом устройстве, а также выполнение отдельных элементов, в частности, неподвижного отражателя, состоящего из пластины с двумя плоскопараллельными зеркальноотражающими поверхностями, каждая из которых установлена в измерительных каналах на пути информационных лучей позволило полностью исключить погрешность измерения интерферометра, связанную с чувствительностью его к неортогональности рабочих поверхностей неподвижных уголковых отражателей при непрямолинейном перемещении двухкоординатного стола в измерительной плоскости и к неортогональности рабочих поверхностей каждого подвижного отражателя, установленного в одном из измерительных каналов при перемещении стола в другом измерительном канале, а также упростить конструкцию за счет уменьшения количества рабочих поверхностей оптических элементов в измерительных каналах. A comparison of the claimed technical solution with other solutions in this and related fields in the scope of the search shows that each element of the optical circuit of the device individually is known, however, in the relationship of the elements as proposed in the claimed device, as well as the implementation of the individual elements, in particular , a stationary reflector, consisting of a plate with two plane-parallel mirror-reflecting surfaces, each of which is installed in the measuring channels in the path of information rays It was possible to completely exclude the measurement error of the interferometer related to its sensitivity to the non-orthogonality of the working surfaces of stationary corner reflectors during the indirectly moving the two-coordinate table in the measuring plane and to the non-orthogonality of the working surfaces of each movable reflector installed in one of the measuring channels when moving the table in another measuring channel, and also simplify the design by reducing the number of working surfaces of the optical elements in measuring channels.

На фиг. 1 и 2 показана оптико-кинематическая схема описываемого интерферометра. In FIG. 1 and 2 show the optical-kinematic diagram of the described interferometer.

Устройство содержит монохроматический источник света 1, например лазер, светоделитель 2 для формирования двух измерительных каналов Х и Y, выполненный, например, в виде светоделительного кубика и расположенный за лазером 1 по ходу световых лучей, каждый измерительный канал включает светоделитель 3, выполненный в виде плоскопараллельной делительной пластины, установленной одновременно в двух измерительных каналах для формирования и рекомбинации референтного 4 и информационного 5 лучей в каждом измерительном канале, плоский подвижный отражатель 6, выполненный в виде плоского зеркала, установленный на пути информационного луча и жестко связанный с двухкоординатным столом 7, неподвижный отражатель 8, состоящий из пластины с двумя плоскопараллельными зеркальноотражающими поверхностями, каждая из которых установлена на пути информационного луча 5,фотоприемное устройство 9 и отсчетное устройство 10. The device comprises a monochromatic light source 1, for example, a laser, a beam splitter 2 for forming two measuring channels X and Y, made, for example, in the form of a beam splitter and located behind the laser 1 along the light rays, each measurement channel includes a beam splitter 3, made in the form of plane-parallel dividing plate installed simultaneously in two measuring channels for the formation and recombination of reference 4 and information 5 rays in each measuring channel, a flat movable holder 6, made in the form of a flat mirror, mounted on the path of the information beam and rigidly connected to the two-coordinate table 7, a stationary reflector 8, consisting of a plate with two plane-parallel mirror-reflecting surfaces, each of which is installed on the path of the information beam 5, a photodetector 9 and a readout device 10.

Интерферометр для измерения перемещений двухкоординатного стола работает следующим образом. An interferometer for measuring the movements of a two-coordinate table works as follows.

Монохроматическое излучение источника света 1 делится светоделителем 2 на две части, образующих два измерительных канала Х и Y. В каждом канале луч света делится светоделителем 3 на референтный луч 3 и информационный луч 5. Референтный луч 4 отражается от светоделителя 3 в направлении фотоприемного устройства 9. Информационный луч 5 направляется к оптическим элементам интерферометра и отражается от них в следующей последовательности: плоский подвижной отражатель 6, светоделитель 3, неподвижный отражатель 8, плоский подвижный отражатель 6, неподвижный отражатель 8, затем направляется к светоделителю 3, на светоделительном покрытии которого информационный луч 5 и референтный луч 4 интерферируют друг с другом. Луч, полученный в результате интерференции информационного луча 5 и референтного луча 4, поступает на фотоприемное устройство 9, в котором он преобразуется в электрический сигнал и обрабатывается известными способами, а затем результат измерения величины перемещения двухкоординатного стола изображается на табло отсчетного устройства 10. При движении двухкоординатного стола 7 изменяется разность хода информационного луча 5 и референтного луча 4. Смещение подвижного отражателя 6 на четверть длины волны излучения источника света 1 соответствует одному периоду в изменении светового потока луча, полученного в результате интерференции информационного луча 5 и референтного луча 4. The monochromatic radiation of light source 1 is divided by a beam splitter 2 into two parts, forming two measuring channels X and Y. In each channel, a light beam is divided by a beam splitter 3 into a reference beam 3 and an information beam 5. The reference beam 4 is reflected from the beam splitter 3 in the direction of the photodetector 9. The information beam 5 is directed to the optical elements of the interferometer and is reflected from them in the following sequence: a flat movable reflector 6, a beam splitter 3, a stationary reflector 8, a flat movable reflector 6, not movable reflector 8, then directed to beamsplitter 3, beamsplitter coating on which an information beam and a reference beam 5, 4 interfere with each other. The beam obtained as a result of the interference of the information beam 5 and the reference beam 4, enters the photodetector 9, in which it is converted into an electrical signal and processed by known methods, and then the result of measuring the displacement of the two-coordinate table is displayed on the display of the reading device 10. When moving the two-coordinate table 7 changes the difference in the stroke of the information beam 5 and the reference beam 4. The offset of the movable reflector 6 by a quarter of the wavelength of the radiation of the light source 1, respectively exists one period in the change of a light beam flux obtained by the interference of the information beam and the reference beam 5 4.

Положительный эффект от использования предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом заключается в повышении точности измерения за счет исключения погрешности измерения интерферометра из-за чувствительности его к неортогональности рабочих поверхностей неподвижных уголковых отражателей, при непрямолинейном перемещении двухкоординатного стола в измерительной плоскости, к неортогональности рабочих поверхностей каждого подвижного отражателя, установленного в одном из измерительных каналов при перемещении стола в другом измерительном канале, а также в упрощении конструкции устройства за счет уменьшения количества рабочих поверхностей оптических элементов в измерительных каналах. The positive effect of using the proposed technical solution compared to the prototype is to increase the measurement accuracy by eliminating the measurement error of the interferometer due to its sensitivity to the non-orthogonality of the working surfaces of fixed corner reflectors, when the two-coordinate table is indirectly moved in the measuring plane, to the non-orthogonality of the working surfaces of each movable a reflector installed in one of the measuring channels when moving the table to another gom measuring channel as well as to simplify the construction of the apparatus by reducing the number of working surfaces of the optical elements in the measurement channels.

Claims

INTERFEROMETER FOR MEASURING THE MOVEMENTS OF A TWO-ORDER TABLE, containing a monochromatic light source, for example a laser, in series, and a beam splitter for forming two measuring channels, each of which includes a flat mirror consecutively located along the radiation, intended for mounting with a table, and a photodetector electrically connected to photodetector devices, characterized in that it is equipped with a common optical unit for both measuring channels, made from a plane-parallel beam splitting plate installed along the radiation behind the beam splitter and optically coupled to both photodetectors and flat mirrors, and a reflector with two plane parallel mirror-reflecting surfaces, oriented so that each of its reflecting surfaces is optically connected respectively to one of the plane mirrors and through a beam splitter with a photodetector.