Интерферометр для измерения линейных перемещений объекта

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения перемещений и длин объектов, в частности в производстве интегральных микросхем. Цель изобретения - повышение точности измерения линейных перемещений объекта - достигается за счет увеличения количества циклов отражения путем введения дополнительных световозвращающих систем. Луч света от когерентного источника 1 проходит через пластинку 2 λ/8, разбивается делителем 3 пучка на два луча. Каждый из этих лучей направляется в одну из ветвей интерферометра, состоящую из последовательно расположенных первой световозвращающей системы, например, 14, уголкового отражателя 18 и второй световозвращающей системы 16. Количество циклов отражения луча системами 14 и 16 определяется геометрическими параметрами отражателей в световозвращающих системах и параметром когерентного излучения источника 1 - диаметром пучка.Другая ветвь интерферометра выполнена аналогично. После отражения в обоих ветвях интерферометра лучи интерферируют на делителе 3 пучка. Фотоэлектронный блок 12 регистрирует количество интерференционных полос и направление их смещения в результате перемещения каретки 13. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„1525446 A 1 (sD 4 С 01 В 9/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГННТ ССа

К ASTOPCK0MY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

2 бивается делителем 3 пучка на два луча. Каждый иэ этих лучей направляется в одну иэ ветвей интерферометра, состоящую из последовательно расположенных первой световоэвращающей системы, например 14, уголкового отражателя !8 и второй световозвращающей.системы 16, Количество циклов отражения луча системами 14 и 16 определяется геометрическими параметрами отражателей в световозвращающих системах и параметром когерентного излучения источника 1 — диаметром пучка, Другая ветвь интерферометра выполнена аналогично. После отражения в обеих ветвях интерферометра лучи интерферируют на делителе.

3 пучка. Фотоэлектронный блок 12 регистрирует количество интерференционных полос и направление их смещения в результате перемещения каретки.13. 1 з.п. ф-лы, 6 ил. ! (21) 4415686/24-28 (22) 26.04.88 (46) 30,11,89, Бюл, В 44 (72) В.В.Савкин и О.И.Федченко (53) 535.411 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

9 14!6861, кл. G 01 В 9/02, 1987, (54) ИНТЕРФЕРОИЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ЛИНЕН1ШХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОБЪЕКТА (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения перемещений и длин объектов, в частности в производстве интегральных микросхем.

Цель изобретения — повышение точности измерения линейных перемещений объекта — достигается за счет увеличения количества циклов отражения путем введения дополнительных световозвращающих систем. Луч света от когерентного источника 1 проходит через пластинку 2 h/8, разфиг.3 †-схема световоэвращающей 14 системы, вид слева; на фиг.4 — вэаим- ВФЬ ное расположение уголковых отражателей в световоэвращающей системе; на AHI .5 — ход луча в световоэвращающих системах одной ветви интерферометра; на фиг.6 — функциональная схема фотоэлектронного блока.

Интерферометр для измерения линейных перемещений объекта (фиг.1) содержит источник 1 когерентного излучения, установленные по ходу излучения первую пластинку 2 ф/8 и делитель 3 пучка излучения, который

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения перемещений и длин объектов, в частности в производстве интегральных микросхем, Целью изобретения является повышение точности измерения линейных перемещений объекта за счет увели— чения количества циклов отражения луча путем введения дополнительных световозвращающих систем.

На фиг.1 представлена принципиальная схема интерферометра; на фиг.2— схема световозвращающей системы; на

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1525446 оптически связав с зеркалами 4 и 5, второй пластинкой 6 h/8, которая оптически связана с зеркалом 7, и вторым делителем 8 пучка, с которым оптически связано зеркало 9, два поляроида 10 и 1 1, оптически связанные с делителем 8 пучка и зеркалом 9, фотоэлектронный блок 12, входы которого оптически связаны C поляроидами

10 и 11, каретку 13, две световоэвращающие системы 14 и 15, установленные в каждой ветви интерферометра, одна из которых оптически связана с зеркалом 5, а вторая — с зеркалом

7, две световозвращающие системы

16 и 17, установленные в каждой ветви интерферометра, два дополнительных уголковых отражателя 18 и 19, оптически связывающие световозвращающие системы 14, 15 и 16, 17 соответственно. Каждая иэ световозвращенных систем состоит из уголкового отражателя соответственно 20-23, укрепленного на каретке 13, двух 25 уголковых отражателей, соответственно 24, 25, 26, 27 и 28, 29, 30, 31 и двух зеркал 32 и 33 (фиг.3), оптически связанных с уголковым отражателем соответственно 20, 21, 22, 23 и установленных таким образом, что ребра уголковых отражателей соответственно 24 и 28 (фиг,l), 25 и 29, 26 и 30, 27 и 31 перпендикулярны ребру уголкового отражателя соответственно 20, 21, 22, 23, биссектрисы прямых углов смещены параллельно одна другой на расстояние, определяемое для уголковых отражателей 24, 25, 28, 29 световозвращательных систем 40

14 и 15 по формуле

3,-05d(j+1), а для уголковых отражателей 26, 27, 30, 31 световозвращающих систем 16, 17 по формуле

8,-0,5d j, где d — ширина луча когерентного света; — натуральнре число, определяемое иэ выражения

16j + 48j + 16 = n, гдe n — коэффициент умножения оптической разности хода лучей света, а середины зеркал 32 и 33 находятся на биссектрисах прямых углов уголковых отражателей соответственно

24, 25, 26, 27 и 28, 29, 30, 31, От края уголкового отражателя соответственно 28, 29, 30, 31 параллельно его ребру выполнено для луча света окно 34 (фиг.4) длиной, равной длине ребра этого отражателя, и шириной, определяемой по формуле

j,„= d(j + 1).Й, при этом дополнительный уголковый отражатель соответственно !8 и 19 оптически связан через это окно 34 с отражателями соответственно 20, 21, 22, 23, а расстояние между его краем и краем отражателя соответственно

28, 29, 30 и 31 равно ширине луча света, причем расстояние между ребром и краем отражателя, соответственно, 28, 29, 30, 31 выбрано иэ соотношения

d(n + 16)42

Ь а

32

Оптические оси пластинок 2 и 6 я /8 параллельны плоскости поляризации луча света, выходящего из источника 1, Оптическая плоскость поляроида 10 параллельна плоскости поляризации одной иэ ортогональных составляющих луча света, упавшего на него, а оптическая плоскость поляроида

11 перпендикулярна оптической плоскости поляроида 10. Делители 3 и 8 пучка выполнены таким образом, что разбивают падающий на них луч света иа два луча света одинаковой интенсивности.

Фотоэлектронный блок 12 (фиг.6) содержит фотоприемники 35 и 36, входы которых оптически связаны со своими поляроидами 10, 11 (фиг.l), а их выходы электрически связаны с входами блока 37 определения направления перемещения, а выход фотоприемника

35 также связан с одним из входов реверсивного счетчика 38, второй вход которого свнван с выходом блока 37. выход реверсивного счетчика

38 является выходом интерферометра.

Интерферометр работает следующим образом.

Луч от источника 1 когерентного излучения проходит пластинку 2 ф/8, в результате чего образуются два ортогонально поляризованных оптических сигнала, разбивается делителем 3 пучка на два луча. Один иэ этих лучей зеркалами 4 и 5 направляется ,на световоэвращающую систему 14 первой ветви интерферометра, отразившись от которой луч с помощью отражателя 18 направляется на световоэ1525446

h h хе 7 И+ ч Ьи п п и п

1 (I м„, м„, м„, I

50

5 вращающую систему 16, -отразившись световоэвращающей системой 16, луч с помощью отражателя 18 снова попадает на световоэвращающую систему 14

5 и возвращается с помощью зеркал 5 и

4 на делитель 3 пучка. Ход луча во второй ветви аналогичный. Сначала луч проходит через пластинку 6 (/8 и направляется зеркалом 7 на световозвращающую систему 15, затем через отражатель 19 входит в световоавращающую систему 17, через отражатель

19 снова направляется на световозвращающую систему 15 и через зеркало 7 и пластинку 6 %/8 возвращается на делитель 3 пучка, где интерферирует с пучком из первой ветви. Ход луча в световоэвращающей системе поясняется на фиг.5, 20 где М,, М, ..., Ма — точки отражения от отражателей; точки входов 25 в окно для луча света;

II II у В

M I(° М <а М, М д — точки выходов из окна для луча света. 30

При перемещении каретки 13 ход луча света в одной ветви интерферометра увеличивается, а в другой уменьшается ° Разность хода лучей в обеих ветвях интерферометра определяется по формуле

b, и и ° х, с где n — коэффициент умножения оптического хода луча;

n — показатель преломления

C среды, в которой распрос тпаня ется излучение, х — перемещение каретки 13.

С другой стороны разность хода определяется выражением 45

Д= -(N + ЬЫ), п где % — длина волны излучения;

N — целое число длин волн, укладывающихся в расстояние а;

5N - дробное число, соответствующее изменению оптичесКой разности в пределах одной длины волны излучения.

Таким образом, перемещение х каретки 13 можно представить как

При перемещении каретки 13 перед окнами фотоприемников 35 и 36 (фиг.6) проходят световые полосы, причем каждая световая полоса соответствует изменению оптической разности хода на одну длину волны света в данной среде. Фотоприемники 35 и 36 преобразуют оптические сигналы на своих входах в последовательности электрических импульсов, сдвинутых друг относительно друга по фазе на

90, что необходимо для реверсивного о счета световых полос, причем в зависимости от направления движения каретки 13 вместе с отражателями 2023 этот сдвиг либо отрицательный, либо положительный. Направление перемещения по двум сигналам от фотоприемников 35 и 36 определяется в блоке 37, который управляет реверсивным счетчиком 38, определяющим число импульсов, появляющихся на выходе фотоприемника 35, представляющим его в двоичном коде, а также определяющим знак перемещения, при этом логической единице на знаковом выходе реверсивного счетчика 38 соответствует положительное перемещение, а логическому нулю — отрицательное,.Коды числа световых полос и знака являются выходной информацией интерферометра.

Формула изобретения

1. Интерферометр для измерения линейных перемещений объекта, содержащий каретку, предназначенную для связи с объектом, и последовательно установленные источник когерентного излучения, пластинку %/8 и делитель пучка излучения-на две ветви, в одной иэ которых последовательно установлены два зеркала и световозвращающая система, выполненная в виде трех уголковых отражателей, расположенных последовательно так, что второй по ходу излучения уголковый отражатель установлен на каретке и ориентирован так, что его ребро перпендикулярно ребрам двух других уголковых отражателей, и двух зеркал, установленных по одному на первоМ и третьем по ходу излучения уголковых отражателей нормально биссектрисам соответствую1525446 щих прямых углов отражателей, на краю грани первого по ходу излучения уголкового отражателя выполнено прозрачное окно а в другой ветви по5 следовательно установлены вторая пластина W/8, зеркало и вторая световозвращакщая система, выполненная аналогично первой и ориентированная так, что биссектрисы прямых углов 1О вторых по ходу излучения уголковых отражателей обеих световоэвращающих систем параллельны, второй делитель пучка излучения, установленный на выходе излучения из обеих ветвей, зеркало, установленное по ходу отраженного вторым делителем пучка излучения, два поляроида, один из которых оптически связан с зеркалом, а другой установлен по ходу прошедmего через делитель пучка излучения, фотоэлектронный блок, оптически связанный с поляроидами, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения точности измерения перемещений 25 объекта, он снабжен двумя уголковыми отражателями, установленными по одному в каждой ветви последовательно по ходу луча после световозвращакщих систем, и двумя дополнительными световозвращающими системами, выполненными аналогично двум первым, устаиовленными по одной в каждой ветви последовательно по ходу излучения после уголковых отражателей, вторые по ходу излучения уголковые отражатели в дополнительных световозвращающих системах расположены на каретке, первые и третьи отражатели в виде двух и двух дополнительных световозвращающих системах расположены так, что биссектрисы прямых углов параллельны, а расстояние между ними определяется соответственно соотношения45

t,-o,5a j, 3 0,5 d(j + I), где d — ширина пучка излучения;

j - натуральное число, определяемое из выражения и 16) + 481 + 16, где n — задаваемый коэффициент умножения оптической разности хода лучей излучения; ширина грани третьего по ходу излучения уголкового отражателя в первых двух световоэвращающих системах определяется соотношением:

d(n + 16) Г2

b 3

Рр 32 а расстояние между краем дополнительного уголкового отражателя в каждой ветви и краем третьего по ходу излучения уголкового отражателя соответственно в каждой из первых двух световозвращающей системы равно ширине луча света.

2. Интерферометр по п.1, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью упрощения конструкции, первые и третьи по ходу луча уголковые отражатели каждой из первых двух световозвращающей системы и соответствующей дополнительной световоэвращающей системы в каждой иэ ветвей выполнены в виде одного уголкового отражателя, на одну грань которого нанесено отражающее покрытие так, что отражающий слойравноудален от краев отражателя на четверть длины ребра отражателя и имеет толщины на одной цоловнне грани — Зя, а на другой

- 3„ определяемые выражениями

3 - — dj

-Гг г ° „- 12/г d(j + 1), а с края грани вдоль ребра выполнено прозрачное окне длиной на весь отражающий слой и шириной, определяемой по формуле

,„= гd(; + 1).

1525446

)525446

Ф

tt хв х"„- xÄ

1525446

Уб

Составитель М.Минин

Редактор Н.Горват Техред М.Ходанич Корректор М.Поко

Заказ 7208/32 Тираж 683 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101