WO2017060803A1 - Устройство для линейного перемещения объекта с нанометровой точностью в большом диапазоне возможных перемещений - Google Patents

Устройство для линейного перемещения объекта с нанометровой точностью в большом диапазоне возможных перемещений Download PDF

Info

Publication number
WO2017060803A1
WO2017060803A1 PCT/IB2016/055901 IB2016055901W WO2017060803A1 WO 2017060803 A1 WO2017060803 A1 WO 2017060803A1 IB 2016055901 W IB2016055901 W IB 2016055901W WO 2017060803 A1 WO2017060803 A1 WO 2017060803A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
plate
plates
along
radiation
working surface
Prior art date
Application number
PCT/IB2016/055901
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Илиа Емельянович КОЗХЕВАТОВ
Дмитрий Евгеньевич СИЛИН
Original Assignee
НаноОптоМетрикс ЛТД.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by НаноОптоМетрикс ЛТД. filed Critical НаноОптоМетрикс ЛТД.
Publication of WO2017060803A1 publication Critical patent/WO2017060803A1/ru

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/14—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring distance or clearance between spaced objects or spaced apertures

Definitions

  • MOVEMENTS The invention relates to precision mechanics and measuring equipment and can be used in scientific research and industry in equipment for precision linear movement of objects, for measuring linear dimensions of objects, in automatic control systems for elements of devices and tools, in technological equipment in the manufacture of precision elements, and also for alignment of optical instruments.
  • the closest analogue to the proposed one is a device for linear displacements with nanometer accuracy in a wide range of possible displacements, including a support (fixed) part and a movable part with a moving object mounted on it, a drive moving the moving part, a source of monochromatic radiation, forming a point source of monochromatic radiation at the output of a single-mode fiber, the point source is combined with the front focus of the optical system, forming a parallel beam of light, gave e behind the optical system, sequentially along the rays of the beam are placed perpendicular to the axis of the optical system and parallel to each other two transparent plates, while one of the plates (the first along the beam) is mounted on the fixed part and along its perimeter on the side facing the second plate, under at an angle of about 120 ° to each other, there are three sections with surfaces inclined to the plane of the plate (sections of the inclined surface), made with a height difference that changes in the direction from the center of the first plate to its a value equal to at least half the wavelength of
  • a disadvantage of the known device is that it is operable only at small tilt angles between the plates that occur when one of them is moved, for example, due to imperfection of the moving part or vibrational background.
  • the inclination of one plate relative to another is controlled by signals from three linear multi-element photodetectors located opposite the sections of inclined surfaces. Changing the distance between the movable and fixed plates opposite one of the linear multi-element photodetectors by half the wavelength of the probe radiation leads to a shift of the interference fringes on this photodetector for a period.
  • the problem to which the present invention is directed is to create a device for precision linear movement, which allows to achieve the following technical result: improving the accuracy of moving an object in a large range of distances by compensating for plate deviations during its movement even at significant angles of inclination.
  • a device for linear movement of an object with nanometer accuracy in a wide range of possible movements including a support (fixed) part and a moving part with an object mounted on it, a drive moving the moving part, a monochromatic radiation source forming a point radiation source combined with the front focus of the optical system forming a parallel light beam with an optical axis parallel to the direction of movement, behind the optical system, sequentially along the rays of the beam are installed perpendicular to the axis of the beam and parallel to each other two transparent plates with highly reflective coatings on the working surfaces facing each other, one of the plates is mounted on an object mounted on the movable part, and the other plate is mounted on the fixed part, in the peripheral part of the plate fixed on the object, three actuators are connected to its non-working surface, for the plates along the beam are the photodetector module, the signals from which are input to the computer, the signals from the computer output are fed to the drive connected to the movable part, and actuators connected to the plate mounted
  • the technical result is also achieved by the fact that the working surface of the plate, the first along the beam, is curved.
  • the technical result is also achieved by the fact that the curved working surface of the first plate along the beam is a segment of a spherical surface.
  • a point source of monochromatic radiation is formed by a source of monochromatic radiation, the radiation of which is introduced into a single-mode fiber, at the output of this fiber.
  • the technical result is also achieved by the fact that a piezoelectric actuator is used as an actuator.
  • Figure 1 shows a schematic diagram of a device where: 1 - a source of monochromatic radiation, 2 - single-mode fiber, 3 - front focus optical system, 4 — an optical system forming a parallel beam of light, 5 — a support (fixed) part, 6 — a movable part, 7 — a plate mounted on a movable object mounted on a movable part 6, 8 — a plate mounted on a fixed part 5 , 9 - actuators, 10 - lens, 11 - matrix photodetector, 12 - computer, 13 - drive.
  • Figure 2 shows the concentric interference rings recorded by the matrix photodetector 11, where: a, b, c - the position of the actuators 9.
  • the device comprises a monochromatic radiation source 1, a single-mode fiber 2, the input of which is aligned with the output of the monochromatic radiation source 1, and the output is aligned with the front focus 3 of the optical system 4, which forms a parallel light beam, the fixed part 5, the movable part 6.
  • the optical system 4 perpendicular to the optical axis of the beam and parallel to each other are two transparent plates 7 and 8 with highly reflective coatings on facing each other working surfaces. Plates 7 and 8 form a Fabry-Perot interferometer.
  • the working surface of the plate 7 is made in the form of a curved surface, for example a spherical shape, with a height difference that varies monotonically from the center of the plate to its edge and is at least half the wavelength of the probe radiation, the working surface of the other plate is flat.
  • Three actuators 9 are attached to the plate 7 on the side opposite to the side facing the second plate 8. Behind the second plate 8, a lens 10 and a photodetector 11 are mounted perpendicular to the optical axis.
  • the outputs of the computer 12 are connected to three actuators 9 mounted on the plate 7, and to a drive 13 connected to the movable part 6.
  • the proposed device operates as follows.
  • the source of monochromatic radiation 1 creates at the output of a single-mode fiber 2 a point source 3 of monochromatic radiation, which coincides with the front focus 3 of the optical system 4, forming a parallel beam of light.
  • This radiation is converted by the optical system 4 into a parallel beam of the required aperture, the size of which must be at least the size of the plates 7 and 8.
  • This beam is supplied to the plates 7 and 8 installed perpendicular to the beam axis and parallel to each other, which are Fabry-Perot interferometer. After passing through the plates, the beam enters the lens 10, the aperture of which corresponds to the aperture of the beam.
  • the lens 10 forms on the matrix photodetector 1 1 a distribution of the intensity of the probe radiation on the working surface of the plate 8. Images recorded by the matrix photodetector 1 1 are sent to the computer 12, where they are processed.
  • FIG. 2 The appearance of a tilt at the plate 7 leads to a displacement of the center of the concentric rings, for example, as shown in FIG. 2.
  • Fig. 2 the following notation is used: 14 — center of concentric rings having coordinates (o, yo), points a, b and c show the positions of the actuators, the origin of coordinates of Oxy is on the optical axis.
  • Computer 12 determines the coordinates x0, y0 and generates the corresponding signals to actuators 9. In the particular case, when the angle between each pair of actuators is 120 °, the signals generated by computer 12 are determined by the following expressions:
  • the constant k is chosen so that applying the voltage S a , S b and S c to the actuators leads to a point displacement (ho, yo) to the origin.
  • the linear movement of the plate 7 located on the movable part 6 along the optical axis leads to a change in the distance between the plates 7 and 8. Moreover, a change in the distance between the plates 7 and 8 by half the wavelength of the monochromatic radiation of the source 1 will cause the interference pattern on the photodetector 11 to shift by one period (the radii of the concentric rings will increase or decrease depending on the increase or decrease in the distance between the plates 7 and 8 and the bulge or concavity of the working surface of the plate 7).
  • the position of the center of the concentric interference rings on the optical axis when changing the position of the plate 7 corresponds to the parallel position of the plates 7 and 8 relative to each other and, therefore, the parallel movement of the plate 7 along the optical axis.
  • the number of concentric rings passing through each illuminated point of the matrix photodetector 11 corresponds to the number of integer half-waves placed between the plates 7 and 8, and the exact values of the ring radii characterize the fractional part of the number of half-waves placed between the plates 7 and 8.
  • Computer 12 solves the following tasks:
  • the computer 12 By comparing the actual and required positions of the plate 7 and determining its inclination, the computer 12 generates commands to the actuators 9 to control the position and inclination of the plate 7.
  • a single-mode fiber 2 at the output of a monochromatic radiation source 1 allows the formation of a radiation source of 3 s linear dimensions less than 10 microns. Due to this, the solid angle of the radiation source (the ratio of linear dimension to the focal length of optical system 4 formed by a radiation source 3) is negligibly small value (about 10 "5). As a result, the contrast of the interference pattern remains sufficient even, for example, when a distance between the plates 7 and 8, equal to 1 m. Thus, the amount of movement of the object is limited only by the possibilities of moving the movable part of the device 6.
  • the slope of the plate is determined by the two-dimensional interference pattern, in this case, the slope of the plate can be determined until this interference pattern is resolved by the photodetector 11.
  • the interference pattern can be resolved by the photodetector matrix if the period of the interference pattern corresponds to a size of at least two pixels.
  • the period of the interference pattern corresponds to a change in the distance between the plates 7 and 8 by half the wavelength.
  • D the diameter of the plate portion, the image of which is placed on the matrix photodetector
  • N the number of pixels of the matrix photodetector along one coordinate.
  • Typical sensitivity values for a given linear displacement device are determined by the following estimates.
  • the interference pattern is shifted for a full period.
  • the matrix photodetector 11 have a resolution of 1000x1000 pixels, and the height difference between the center and the edge of the working surface of the plate 7 is 1 ⁇ m, which will lead to the appearance of three concentric rings on the photodetector.
  • the average diameter difference of adjacent rings on the photodetector array is approximately 300 pixels.
  • the increase in the dynamic range while maintaining absolute accuracy is achieved by two factors: firstly, the ability to register an integer number of half-waves falling within a controlled interval, and a fractional number of half-waves; secondly, using a frequency-stabilized laser as a coherent radiation source.
  • the error in determining the position of the object caused by the inaccuracy of the quantum standard will not exceed one nanometer for the gaps between the plates 7 and 8 up to 1 meter inclusive.
  • the sensitivity of the device for linear movement to the slopes of the plate 7.
  • the light diameter of the plates 7 and 8 be 40 mm
  • the height difference between the center and the edge of the working surface of the plate 7 is 1 ⁇ m
  • the matrix photodetector 11 has a resolution of 1000x1000 pixels.
  • the shift of the center of the concentric interference rings on the matrix photodetector 11 by 1 pixel corresponds to the slope of the plate 7 by an angle of 10 "7 rad.
  • This value is an estimate of the sensitivity of the linear displacement device to the slopes of the plate 7.
  • the maximum speed of the controlled movement of the movable part of the device 6 and, accordingly, the plate 7 is determined by the speed (number of frames per second) of the matrix photodetector 11.
  • the speed (number of frames per second) of the matrix photodetector 11 For the correct calculation of the number of concentric interference rings passing when the plate 7 moves through each illuminated point of the matrix photodetector 11, it is required that during the acquisition of one frame, the interference pattern in the form of concentric rings shifted by no more than half a period.
  • He-Ne laser radiation with a wavelength of 0.6328 ⁇ m such a change in the interference pattern corresponds to a displacement of the plate 7 by 0.1582 ⁇ m.
  • the matrix photodetector have a speed of 500 frames / s.
  • the maximum speed of the linear displacement device is 0, 1582 * 500-79 ⁇ m / s.
  • the proposed device for linear displacement provides the movement of the moving part with the plate in the range up to 1 m at maximum plate deflection angles of more than 10 "3 rad with linear accuracy of 1 nm and the accuracy of preserving tilt angles of up to 10 " rad, while achieving the maximum linear velocity of more than 50 ⁇ m / s.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

Изобретение относится к точной механике и измерительной технике. Устройство для линейного перемещения объекта с нанометровой точностью в большом диапазоне возможных перемещений, содержит опорную (неподвижную) часть и подвижную часть с установленным на ней объектом, привод, перемещающий подвижную часть, источник монохроматического излучения, формирующий точечный источник излучения, совмещенный с передним фокусом оптической системы, формирующей параллельный пучок света с оптической осью, параллельной направлению перемещения. В устройстве, за оптической системой последовательно по ходу лучей установлены перпендикулярно оси пучка и параллельно друг другу две прозрачные пластины с высокоотражающими покрытиями на рабочих поверхностях, обращенных друг к другу. Одна из пластин закреплена на объекте, установленном на подвижной части, а другая пластина установлена на неподвижной части. В периферийной части пластины, закрепленной на объекте, с ее нерабочей поверхностью соединены три актюатора. За пластинами по ходу пучка расположен фотоприемный модуль, сигналы с которого поступают на вход компьютера, сигналы с выхода компьютера поступают на привод, соединенный с подвижной частью, и актюаторы, соединенные с пластиной, закрепленной на объекте. При этом, устройство дополнительно содержит объектив, в качестве фотоприемного модуля используется двумерный матричный фотоприемник, на объекте перемещения укреплена пластина, первая по ходу пучка, рабочая поверхность по крайней мере одной из пластин выполнена в виде криволинейной поверхности с перепадом высот, монотонно изменяющимся от центра пластины к ее краю и составляющим не менее половины длины волны зондирующего излучения.

Description

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛИНЕЙНОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ОБЪЕКТА С
НАНОМЕТРОВОЙ ТОЧНОСТЬЮ В БОЛЬШОМ ДИАПАЗОНЕ ВОЗМОЖНЫХ
ПЕРЕМЕЩЕНИЙ Изобретение относится к точной механике и измерительной технике и может быть использовано в научных исследованиях и промышленности в оборудовании для прецизионного линейного перемещения объектов, для измерения линейных размеров объектов, в системах автоматического управления элементами устройств и инструментов, в технологическом оборудовании при изготовлении прецизионных элементов, а также для юстировки оптических приборов.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому является устройство для линейных перемещений с нанометровой точностью в большом диапазоне возможных перемещений, включающее опорную (неподвижную) часть и подвижную часть с установленным на ней объектом перемещения, привод, перемещающий подвижную часть, источник монохроматического излучения, формирующий точечный источник монохроматического излучения на выходе одномодового световода, точечный источник совмещен с передним фокусом оптической системы, формирующей параллельный пучок света, далее за оптической системой последовательно по ходу лучей размещены установленные перпендикулярно оси оптической системы и параллельно друг другу две прозрачные пластины, при этом одна из пластин (первая по ходу пучка) установлена на неподвижной части и по ее периметру на стороне, обращенной ко второй пластине, под углом примерно 120° друг к другу расположены три участка с наклонными к плоскости пластины поверхностями (участки наклонной поверхности), выполненные с перепадом высот, изменяющимся по направлению от центра первой пластины к ее краю на величину, равную, как минимум, половине длины волны монохроматического излучения, а другая пластина (вторая пластина по ходу пучка) закреплена на объекте, установленном на подвижной части, на участки обращенных друг к другу рабочих поверхностей пластин нанесены высокоотражающие покрытия, причем на рабочей поверхности первой пластины покрытия нанесены на три участка наклонных поверхностей, с нерабочей поверхностью второй пластины в ее периферийной части соединены три актюатора, далее по ходу пучка за второй пластиной установлен фотоприемный модуль, включающий три линейных многоэлементных фотоприемника, оптически сопряженные с участками наклонной поверхности первой пластины, выходы фотоприемников подключены ко входам компьютера, а выходы компьютера подключены к приводу, соединенному с подвижной частью, и трем актюаторам в [патент РФ N° 2502952].
Недостатком известного устройства является то, что оно работоспособно только при небольших углах наклона между пластинами, возникающих при перемещении одной из них, например, из-за несовершенства подвижной части или вибрационного фона. В известном устройстве наклон одной пластины относительно другой контролируется по сигналам с трех линейных многоэлементных фотоприемников, расположенных напротив участков наклонных поверхностей. Изменение расстояния между перемещаемой и неподвижной пластинами напротив одного из линейных многоэлементных фотоприемников на половину длины волны зондирующего излучения приводит к смещению интерференционных полос на данном фотоприемнике на период. Таким образом, можно оценить диапазон изменения углов наклона пластины, которые еще могут быть обнаружены и компенсированы устройством, величиной X/2d, где λ - длина волны зондирующего излучения, d - диаметр окружности, на которой расположены линейные многоэлементные фотоприемники. При использовании излучения He-Ne лазера с длиной волны λ=632.8 нм и d=40 мм получаем допустимый диапазон изменения углов наклона пластины примерно ±4-10"6 радиан. Таким образом, если происходят отклонения пластины на большие значения углов наклона, например, из-за несовершенства подвижной части или вибрационного фона, то данное устройство перестает обеспечивать линейное перемещение объекта с надлежащей точностью.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание устройства для прецизионного линейного перемещения, позволяющее достигнуть следующий технический результат: повышение точности перемещения объекта в большом диапазоне расстояний за счет компенсации отклонений пластины при ее перемещении даже при значительных углах наклона.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для линейного перемещения объекта с нанометровой точностью в большом диапазоне возможных перемещений, включающем опорную (неподвижную) часть и подвижную часть с установленным на ней объектом, привод, перемещающий подвижную часть, источник монохроматического излучения, формирующий точечный источник излучения, совмещенный с передним фокусом оптической системы, формирующей параллельный пучок света с оптической осью, параллельной направлению перемещения, за оптической системой последовательно по ходу лучей установлены перпендикулярно оси пучка и параллельно друг другу две прозрачные пластины с высокоотражающими покрытиями на рабочих поверхностях, обращенных друг к другу, одна из пластин закреплена на объекте, установленном на подвижной части, а другая пластина установлена на неподвижной части, в периферийной части пластины, закрепленной на объекте, с ее нерабочей поверхностью соединены три актюатора, за пластинами по ходу пучка расположен фотоприемный модуль, сигналы с которого поступают на вход компьютера, сигналы с выхода компьютера поступают на привод, соединенный с подвижной частью, и актюаторы, соединенные с пластиной, закрепленной на объекте, устройство дополнительно содержит объектив, в качестве фотоприемного модуля используется двумерный матричный фотоприемник, на объекте перемещения укреплена пластина, первая по ходу пучка, рабочая поверхность по крайней мере одной из пластин выполнена в виде криволинейной поверхности с перепадом высот, монотонно изменяющимся от центра пластины к ее краю и составляющим не менее половины длины волны зондирующего излучения.
Технический результат достигается также тем, что криволинейной выполнена рабочая поверхность пластины, первой по ходу пучка.
Технический результат достигается также тем, что криволинейная рабочая поверхность первой по ходу пучка пластины представляет собой сегмент сферической поверхности.
Технический результат достигается также тем, что точечный источник монохроматического излучения формируется источником монохроматического излучения, излучение которого введено в одномодовый световод, на выходе этого световода.
Технический результат достигается также тем, что в качестве актюатора используют пьезоэлектрический актюатор.
Сущность предлагаемого устройства для линейного перемещения объекта с нанометровой точностью в большом диапазоне возможных перемещений поясняется фиг.1-2.
На фиг.1 приведена принципиальная схема устройства, где: 1 - источник монохроматического излучения, 2 - одномодовый световод, 3 - передний фокус оптической системы, 4 - оптическая система, формирующая параллельный пучок света, 5 - опорная (неподвижная) часть, 6 - подвижная часть, 7 - пластина, закрепленная на перемещаемом объекте, установленном на подвижной части 6, 8 - пластина, установленная на неподвижной части 5, 9 - актюаторы, 10 - объектив, 11 - матричный фотоприемник, 12 - компьютер, 13 - привод.
На фиг.2 показаны концентрические интерференционные кольца, регистрируемые матричным фотоприемником 11, где: а, Ь, с - положение актюаторов 9.
Устройство содержит источник монохроматического излучения 1, одномодовый световод 2, вход которого совмещен с выходом источника монохроматического излучения 1, а выход совмещен с передним фокусом 3 оптической системы 4, формирующей параллельный пучок света, неподвижную часть 5, подвижную часть 6. Далее за оптической системой 4 перпендикулярно оптической оси пучка и параллельно друг другу размещаются две прозрачные пластины 7 и 8 с высокоотражающими покрытиями на обращенных друг к другу рабочих поверхностях. Пластины 7 и 8 образуют интерферометр Фабри-Перо. Рабочая поверхность пластины 7 выполнена в виде криволинейной поверхности, например сферической формы, с перепадом высот, монотонно изменяющимся от центра пластины к ее краю и составляющим не менее половины длины волны зондирующего излучения, рабочая поверхность другой пластины плоская. К пластине 7 на стороне, противоположной к стороне, обращенной ко второй пластине 8, прикреплены три актюатора 9. За второй пластиной 8 перпендикулярно оптической оси установлены объектив 10 и матричный фотоприемник 11. Выходы компьютера 12 подключены к трем актюаторам 9, закрепленным на пластине 7, и к приводу 13, соединенному с подвижной частью 6.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Источник монохроматического излучения 1 (например, лазер) создает на выходе одномодового световода 2 точечный источник 3 монохроматического излучения, совпадающий с передним фокусом 3 оптической системы 4, формирующей параллельный пучок света. Это излучение преобразуется оптической системой 4 в параллельный пучок необходимой апертуры, размер которой должен быть не менее размера пластин 7 и 8. Этот пучок подается на установленные перпендикулярно оси пучка и параллельно друг другу пластины 7 и 8, представляющие собой интерферометр Фабри-Перо. После прохождения пластин пучок попадает в объектив 10, апертура которого соответствует апертуре пучка. Объектив 10 формирует на матричном фотоприемнике 1 1 распределение интенсивности зондирующего излучения на рабочей поверхности пластины 8. Изображения, регистрируемые матричным фотоприемником 1 1, поступают в компьютер 12, где выполняется их обработка.
При строго плоскопараллельных рабочих поверхностях пластин 7 и 8 на матричном фотоприемнике 1 1 сформировалась бы интерферограмма со строго одинаковой по всей апертуре интенсивностью. Однако криволинейная форма рабочей поверхности пластины 7 создает дополнительные разности хода лучей, в результате чего на матричном фотоприемнике 1 1 формируется интерференционная картина в виде концентрических колец. Координаты центра данных концентрических колец определяются наклоном центральной области рабочей поверхности пластины 7 относительно рабочей поверхности пластины 8. В случае отсутствия наклона центр концентрических колец располагается на оси пучка.
Появление наклона у пластины 7 приводит к смещению центра концентрических колец, например, так, как это показано на Фиг.2. На Фиг.2 использованы следующие обозначения: 14 - центр концентрических колец, имеющий координаты ( о, уо), точки а, Ъ и с показывают положения актюаторов, начало координат Оху находится на оптической оси. Компьютер 12 определяет координаты хо, уо и генерирует соответствующие сигналы на актюаторы 9. В частном случае, когда угол между каждой парой актюаторов составляет 120°, сигналы, генерируемые компьютером 12, определяются следующими выражениями:
Sa = к(-х0 cos 30° - у0 cos 60° )
Sb = ky0
Sc = к(х0 cos 30° - y0 cos 60° ) ,
где Sj - сигнал (напряжение) на актюаторе номер / (i=a,b,c к - константа, которая определяется экспериментально. Константа к выбирается таким образом, чтобы подача напряжений Sa, Sb и Sc на актюаторы приводила к смещению точки (хо, уо) в начало координат.
Линейное перемещение пластины 7, расположенной на подвижной части 6, вдоль оптической оси приводит к изменению расстояния между пластинами 7 и 8. При этом изменение расстояния между пластинами 7 и 8 на половину длины волны монохроматического излучения источника 1 вызовет смещение интерференционной картины на матричном фотоприемнике 11 на один период (радиусы концентрических колец увеличатся или уменьшатся в зависимости от увеличения или уменьшения расстояния между пластинами 7 и 8 и выпуклости или вогнутости рабочей поверхности пластины 7). Положение центра концентрических интерференционных колец на оптической оси при изменении положения пластины 7 соответствует параллельному положению пластин 7 и 8 относительно друг друга и, следовательно, параллельному перемещению пластины 7 вдоль оптической оси.
Число концентрических колец, прошедших через каждую освещаемую точку матричного фотоприемника 11, соответствует числу целых значений полуволн, укладываемых на промежутке между пластинами 7 и 8, а точные значения радиусов колец характеризуют дробную часть числа полуволн, укладывающихся в промежутке между пластинами 7 и 8.
Компьютер 12 решает следующите задачи:
• формирование команды управления приводом 13, соединенным с подвижной частью 6 устройства, на перемещение объекта на заданное расстояние с заданной скоростью;
• определение наклона пластины 7 относительно пластины 8 путем нахождения центра концентрических интерференционных колец на матричном фотоприемнике п;
• счет числа концентрических интерференционных колец, проходящих при перемещении объекта через каждую освещаемую точку матричного фотоприемника п;
· определение дробной части порядка интерференции;
• суммирование числа интерференционных колец с дробной частью порядка интерференции и определение в каждый момент времени точного положения пластины 7 относительно пластины 8.
Путем сравнения реального и требуемого положений пластины 7 и определения ее наклона компьютер 12 вырабатывает команды на актюаторы 9 для управления положением и наклоном пластины 7.
Использование одномодового световода 2 на выходе источника монохроматического излучения 1 позволяет сформировать источник излучения 3 с линейными размерами менее 10 мкм. Благодаря этому, телесный угол источника излучения (отношение линейного размера сформированного источника излучения 3 к фокусному расстоянию оптической системы 4) составляет ничтожно малую величину (порядка 10"5). В результате контраст интерференционной картины остается достаточным даже, например, при растоянии между пластинами 7 и 8, равном 1 м. Таким образом, величина перемещения объекта ограничена только возможностями перемещения подвижной части устройства 6.
В предлагаемом устройстве наклон пластины определяется по двумерной интерференционной картине, в этом случае наклон пластины может быть определен до того момента, пока эта интерференционная картина разрешается матричным фотоприемником 11. Интерференционная картина может быть разрешена матричным фотоприемником, если период интерференционной картины соответствует на приемнике размеру не менее двух пикселей. Период интерференционной картины соответствует изменению расстояния между пластинами 7 и 8 на половину длины волны. Таким образом, максимально допустимые углы наклона пластины составляют величину
Л/ 2 _ + λ - Ν
~ D /(N/ 2) ~ ~ 4D '
где D - диаметр участка пластины, изображение которого помещается на матричном фотоприемнике, N - число пикселей матричного фотоприемника вдоль одной координаты. При λ=632.8 нм, D=40 мм и N=1000 получаем максимально возможные для компенсации углы наклона перемещаемой пластины примерно ±4-10" 3 радиан, что в 1000 раз больше допустимых углов наклона перемещаемой пластины у известного аналога (патент РФ N° 2502952).
Типичные значения чувствительности данного устройства линейного перемещения определяются следующими оценками. При перемещении пластины 7 относительно пластины 8 на половину длины волны (около 0,3 мкм при использовании излучения He-Ne лазера) смещение интерференционной картины осуществляется на полный период. Пусть матричный фотоприемник 11 имеет разрешение 1000x1000 пикселей, а перепад высот между центром и краем рабочей поверхности пластины 7 составляет 1 мкм, что приведет к появлению на фотоприемнике трех концентрических колец. В этом случае средняя разница диаметров соседних колец на матричном фотоприемнике составляет приблизительно 300 пикселей. При точности определения диаметров колец в 1 пиксель получаем чувствительность определения положения пластины 7 на уровне 1/300 от половины длины волны, или 1 нм.
Увеличение динамического диапазона с сохранением абсолютной точности достигается двумя факторами: во-первых, возможностью регистрации целого числа полуволн, укладывающихся в контролируемом промежутке, и дробного числа полуволн; во-вторых, использованием в качестве когерентного источника излучения стабилизированного по частоте лазера. Например, стабильность частоты серийно выпускаемого стабилизированного по частоте лазера ЛПН-302 составляет Δν/ν = 10"9. При использовании такого лазера ошибка в определении положений объекта, вызванная неточностью квантового эталона, не будет превышать одного нанометра при значениях промежутков между пластинами 7 и 8 до 1 метра включительно.
Оценим чувствительность устройства для линейного перемещения к наклонам пластины 7. Пусть световой диаметр пластин 7 и 8 равен 40 мм, перепад высот между центром и краем рабочей поверхности пластины 7 составляет 1 мкм, и матричный фотоприемник 11 имеет разрешение 1000x1000 пикселей. В этом случае смещение центра концентрических интерференционных колец на матричном фотоприемнике 11 на 1 пиксель соответствует наклону пластины 7 на угол 10"7 рад. Данная величина является оценкой чувствительности устройства линейного перемещения к наклонам пластины 7.
Максимальная скорость контролируемого перемещения подвижной части устройства 6 и, соответственно, пластины 7 определяется быстродействием (числом кадров в секунду) матричного фотоприемника 11. Для корректного подсчета числа концентрических интерференционных колец, проходящих при перемещении пластины 7 через каждую освещаемую точку матричного фотоприемника 11, требуется, чтобы за время получения одного кадра интерференционная картина в виде концентрических колец сдвигалась не более чем на полпериода. При использовании излучения He-Ne лазера с длиной волны 0,6328 мкм такое изменение интерференционной картины соответствует смещению пластины 7 на 0,1582 мкм. Пусть матричный фотоприемник обладает быстродействием 500 кадров/с. Тогда максимальная скорость устройства линейного перемещения составляет 0, 1582*500-79 мкм/с. Таким образом, предлагаемое устройство для линейного перемещения обеспечивает перемещение подвижной части с пластиной в диапазоне вплоть до 1 м при максимальных углах отклонения пластины более 10"3 рад с линейной точностью до 1 нм и точностью сохранения углов наклона до 10" рад, при этом достигается максимальная скорость линейного перемещения более 50 мкм/с.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Устройство для линейного перемещения объекта с нанометровой точностью в большом диапазоне возможных перемещений, включающее опорную
(неподвижную) часть и подвижную часть с установленным на ней объектом, привод, перемещающий подвижную часть, источник монохроматического излучения, формирующий точечный источник излучения, совмещенный с передним фокусом оптической системы, формирующей параллельный пучок света с оптической осью, параллельной направлению перемещения, за оптической системой последовательно по ходу лучей установлены перпендикулярно оси пучка и параллельно друг другу две прозрачные пластины с высокоотражающими покрытиями на рабочих поверхностях, обращенных друг к другу, одна из пластин жестко закреплена на объекте, установленном на подвижной части, а другая пластина установлена на неподвижной части, с нерабочей поверхностью пластины, закрепленной на объекте, в ее периферийной части соединены три актюатора, за пластинами по ходу пучка расположен фотоприемный модуль, сигналы с которого поступают на вход компьютера, сигналы с выхода компьютера поступают на привод, соединенный с подвижной частью, и актюаторы, соединенные с пластиной, закрепленной на объекте, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит объектив, в качестве фотоприемного модуля используется двумерный матричный фотоприемник, на объекте перемещения укреплена пластина, первая по ходу пучка, рабочая поверхность по крайней мере одной из пластин выполнена в виде криволинейной поверхности с перепадом высот, монотонно изменяющимся от центра пластины к ее краю и составляющим не менее половины длины волны зондирующего излучения.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что криволинейной выполнена рабочая поверхность пластины, первой по ходу пучка.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что криволинейная рабочая поверхность первой по ходу пучка пластины представляет собой сегмент сферической поверхности.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что точечный источник монохроматического излучения формируется источником монохроматического излучения, излучение которого введено в одномодовый световод, на выходе этого световода.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве актюатора используют пьезоэлектрический актюатор.
PCT/IB2016/055901 2015-10-06 2016-10-03 Устройство для линейного перемещения объекта с нанометровой точностью в большом диапазоне возможных перемещений WO2017060803A1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015142250A RU2606805C1 (ru) 2015-10-06 2015-10-06 Устройство для линейного перемещения объекта с нанометровой точностью в большом диапазоне возможных перемещений
RU2015142250 2015-10-06

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2017060803A1 true WO2017060803A1 (ru) 2017-04-13

Family

ID=58452384

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/IB2016/055901 WO2017060803A1 (ru) 2015-10-06 2016-10-03 Устройство для линейного перемещения объекта с нанометровой точностью в большом диапазоне возможных перемещений

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2606805C1 (ru)
WO (1) WO2017060803A1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108827162A (zh) * 2018-09-10 2018-11-16 中国计量大学 基于电容传感器的法布里珀罗标准具微位移测量系统的线性度比对装置和方法
CN109000567A (zh) * 2018-10-22 2018-12-14 中国计量大学 基于psd的法布里珀罗标准具微位移测量系统的线性度比对装置和方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1037070A1 (ru) * 1982-05-31 1983-08-23 Омский политехнический институт Устройство дл измерени линейных перемещений объектов
SU1215004A1 (ru) * 1984-05-04 1986-02-28 Омский политехнический институт Устройство дл измерени перемещений
RU2348952C2 (ru) * 2007-04-18 2009-03-10 Институт прикладной физики РАН Устройство для прецизионного линейного перемещения оптических элементов
US20110170108A1 (en) * 2005-06-17 2011-07-14 Georgia Tech Research Corporation Fast Microscale Actuators for Probe Microscopy

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1037070A1 (ru) * 1982-05-31 1983-08-23 Омский политехнический институт Устройство дл измерени линейных перемещений объектов
SU1215004A1 (ru) * 1984-05-04 1986-02-28 Омский политехнический институт Устройство дл измерени перемещений
US20110170108A1 (en) * 2005-06-17 2011-07-14 Georgia Tech Research Corporation Fast Microscale Actuators for Probe Microscopy
RU2348952C2 (ru) * 2007-04-18 2009-03-10 Институт прикладной физики РАН Устройство для прецизионного линейного перемещения оптических элементов

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108827162A (zh) * 2018-09-10 2018-11-16 中国计量大学 基于电容传感器的法布里珀罗标准具微位移测量系统的线性度比对装置和方法
CN108827162B (zh) * 2018-09-10 2023-08-18 中国计量大学 基于电容传感器的法布里珀罗标准具微位移测量系统的线性度比对装置和方法
CN109000567A (zh) * 2018-10-22 2018-12-14 中国计量大学 基于psd的法布里珀罗标准具微位移测量系统的线性度比对装置和方法
CN109000567B (zh) * 2018-10-22 2023-08-18 中国计量大学 基于psd的法布里珀罗标准具微位移测量系统的线性度比对装置和方法

Also Published As

Publication number Publication date
RU2606805C1 (ru) 2017-01-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7599071B2 (en) Determining positional error of an optical component using structured light patterns
US5517307A (en) Probe measurement apparatus using a curved grating displacement interferometer
CN100354599C (zh) 共光程频率扫描干涉仪
CN110837214B (zh) 扫描干涉光刻系统
US20110298896A1 (en) Speckle noise reduction for a coherent illumination imaging system
CN103791860A (zh) 基于视觉检测技术的微小角度测量装置及方法
US20130016338A1 (en) Scanner with phase and pitch adjustment
CN102494623A (zh) 镜头中光学表面中心间距的非接触式测量方法及测量装置
JP6329456B2 (ja) 光学式位置測定装置
US5995224A (en) Full-field geometrically-desensitized interferometer employing diffractive and conventional optics
JPS62129711A (ja) 物体の形状誤差を測定する方法およびその装置
US20110235049A1 (en) Wavefront Sensing Method and Apparatus
US20210239452A1 (en) Method and Apparatus for Detecting Changes in Direction of a Light Beam
WO2017060803A1 (ru) Устройство для линейного перемещения объекта с нанометровой точностью в большом диапазоне возможных перемещений
CN110837213A (zh) 用于激光干涉光刻系统的相位测量装置及其使用方法
CN209559128U (zh) 基于光学劈尖干涉的纳米分辨率位移测量装置
EP2955490B1 (en) Displacement detecting device
CN110702036B (zh) 一种复光束角度传感器及小型非球面形貌检测方法
RU2502951C1 (ru) Устройство контроля положения объекта нано- и субнанометровой точности
KR101968916B1 (ko) 반사면 프로파일 측정 방법 및 장치
Li et al. Measurement of diameter of metal cylinders using a sinusoidally vibrating interference pattern
KR102484108B1 (ko) 2차원 각도 변위 측정 장치
CN212378715U (zh) 测角仪
JPH01235807A (ja) 深さ測定装置
RU2242715C1 (ru) Способ измерения точности изготовления углоизмерительных структур, наносимых на прозрачный носитель

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 16853165

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 16853165

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1