Устройство контроля положения объекта нано- и субнанометровой точности

Устройство содержит источник монохроматического излучения, выход которого совмещен с входом одномодового световода, формирующего на выходе точечный источник монохроматического излучения, совмещенный с передним фокусом оптической системы, формирующей параллельный пучок света. Две прозрачные пластины установлены перпендикулярно оптической оси и параллельно друг другу. По периметру первой пластины на стороне, обращенной ко второй пластине, под углом ~120° друг к другу расположены три участка с наклонными к плоскости первой пластины поверхностями. За второй пластиной помещены оптически сопряженные с участками наклонной поверхности три линейных матричных фотоприемника, выходы которых подключены к компьютеру. Одна из пластин жестко закреплена на объекте контроля. Участки наклонной поверхности и поверхность второй пластины, обращенные друг к другу, выполнены с высоко отражающим покрытием, участки наклонной поверхности выполнены с перепадом высот от центра первой пластины к ее краю на величину, равную, как минимум, половине длины волны монохроматического излучения. Длины участков наклонной поверхности соответствуют длине рабочих окон линейных матричных фотоприемников. Технический результат - повышение точности определения положения одного объекта относительно другого до 0,01 нм за меньшее время (до 1 мксек) в большем диапазоне расстояний между объектами. 4 ил.

 

Изобретение относится к прецизионной измерительной технике, преимущественно к области оптических средств (устройств) прецизионного контроля положения (позиционирования) одного объекта относительно другого. Оно может найти применение в научных исследованиях, промышленности, в технологиях изготовления точных элементов и узлов, в системах автоматического управления элементами устройств и инструментов, в технологическом оборудовании.

Известен способ измерения положения объекта, описанный в патенте на изобретение RU 2146039, в котором для измерения положения объекта устанавливают, по крайней мере, одну световую марку на поверхности объекта и определяют пространственные координаты этой световой марки по положению ее изображения на координатно-чувствительном фотоприемном устройстве оптической камеры, при этом в качестве световой марки используют импульсный световой излучатель, фаза и частота которого синхронизированы с запуском фотоприемного устройства оптической камеры.

Однако, точность измерения с применением этого способа, как правило, не превышает длины волны (~ 600 нм).

По сравнению с измерителем, в котором используется вышеуказанный способ, работающий по принципу построения изображения, большей точностью обладает измеритель, работающий на интерференционном принципе, как, например, интерферометр для измерения перемещений, описанный в патенте на изобретение RU 2025655, в котором одночастотный лазер генерирует линейно поляризованное излучение, которое через последовательно расположенные по ходу луча лазера телескопическую систему, светоделитель, два уголковых отражателя, один из которых размещен в измерительном плече, а другой - в опорном плече, четвертволновую пластину, расположенную в измерительном плече, и два поляризатора поступает в фотоэлектрическую систему обработки квадратурных интерференционных сигналов, образующихся в результате того, что поляризаторы установлены так, что их главные оси пропускания взаимно перпендикулярны и составляют угол 45°±1° к направлению поляризации излучения лазера.

Однако в указанном интерферометре для измерения перемещений используются интерферометры типа Майкельсона, в которых разнесенность плеч: опорного и измерительного, зависимость светоделителя от температуры, а также отсутствие разделения сигналов по фазе и амплитуде интерферограммы не дает возможность обеспечения нано и субнанометровой точности измерений.

Кроме этого, использование в устройстве уголкового отражателя не позволяет получать информацию об ориентации в пространстве перемещаемого объекта, а применение поляризационной оптики приводит к сложности и дороговизне устройства.

Известно оптическое устройство для измерения перемещений объектов контроля, основанное на применении интерференционного метода, как, например RU 2169348, содержащее оптически связанные и последовательно размещенные точечный источник когерентного оптического излучения, оптическую систему, светоделитель, отражатель, закрепленный на поверхности объекта контроля, и экран с установленными на нем фотоприемными устройствами. При этом светоделитель и отражатель расположены относительно друг друга под углом. Полученная при совмещении опорного и объектного пучков интерференционная картина, представляющая собой совокупность колец различной интенсивности, проецируется на экран, а фотоприемные устройства (например, фотодиоды) установлены в кольцах интерференционной картины. Перемещения определяются на основе измерения и анализа изменений параметров интерферограммы в плоскости фотоприемного устройства, которые обусловлены перемещениями объекта измерений.

Недостатком данного устройства является низкая точность измерений, обусловленная тем, что при перемещении объекта контроля воспроизводимые описанным выше устройством интерференционные картины имеют в пределах кольца одного порядка неравнозначное изменение интенсивности оптического поля. Поэтому размещение фотоприемников произвольно в кольцах интерференционной картины в плоскости экрана, как это реализуется в устройстве-аналоге RU 2169348, приводит к внесению погрешностей в результаты измерений.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому изобретению является оптическое устройство для измерения перемещений по патенту RU 2373492, содержащее оптически связанные и последовательно размещенные источник когерентного оптического излучения, оптическую систему, светоделитель, отражатель, закрепленный на поверхности объекта контроля и расположенный под углом к светоделителю, экран с установленным на нем фотоприемным устройством, при этом фотоприемное устройство, выполненное в виде прямоугольной матрицы фотоприемников, установлено в плоскости экрана радиально кольцам интерференционной картины в горизонтальном сечении на интервале от края до центра интерференционной картины. На фотоприемной матрице проецируется интерференционная картина в горизонтальном сечении. Величину перемещения объекта определяют как результат измерения по значениям интенсивности оптического поля, полученными прямыми измерениями в заданных областях интерферограммы с использованием выделенных групп фотоприемников.

Недостатком такого устройства являются недостаточная точность и малый динамический диапазон контроля перемещений, а также нелинейное распределение чувствительности по полю, что требует сложной дополнительной обработки данных, поскольку датчики, расположенные в точках максимальных пространственных градиентов интенсивности интерференционной картины (точки с фазами nπ рад.) дают максимальную чувствительность к перемещениям, а датчики, расположенные в точках минимальных пространственных градиентов интенсивности интерференционной картины (точки с фазами nπ/2 рад.) имеют практически нулевую чувствительность к перемещениям. Как следствие, для получения результата необходимая сложная математическая обработка.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является определение положения одного объекта относительно другого с заданной (нано и субнанометровой) точностью, а также увеличение диапазона измеряемых значений

расстояний между объектами, увеличение чувствительности и быстродействия устройства.

Технический результат - определение положения одного объекта относительно другого с большей точностью (до 0,01 нм) за меньшее время (до 1 мксек) в большем диапазоне расстояний между объектами (до 1 м).

Поставленная задача решается тем, что в устройство контроля положения объекта нано и субнанометровой точности, содержащее источник монохроматического излучения, оптическую систему, фотоприемное устройство, дополнительно включены формирующий точечный источник монохроматического излучения одномодовый световод, вход которого совмещен с выходом источника монохроматического излучения, а выход совмещен с передним фокусом оптической системы, формирующей параллельный пучок света. Кроме этого, за оптической системой последовательно по ходу лучей размещены установленные перпендикулярно оси оптической системы и параллельно друг другу две прозрачные пластины. При этом по периметру первой пластины на стороне, обращенной ко второй пластине, под углом ~120° друг к другу расположены три участка с наклонными к плоскости первой пластины поверхностями (участки наклонной поверхности). За второй пластиной в качестве фотоприемного устройства помещены оптически сопряженные с участками наклонной поверхности три линейных матричных фотоприемника, выходы которых подключены к компьютеру. Одна из пластин жестко закреплена на объекте контроля. Участки наклонной поверхности и поверхность второй пластины, обращенные друг к другу, выполнены с высоко отражающим покрытием. Участки наклонной поверхности выполнены с перепадом высот, изменяющимся по направлению от центра первой пластины к ее краю на величину, равную, как минимум, половине длины волны монохроматического излучения, а длины участков наклонной поверхности на первой пластине выполнены в соответствии с длиной рабочих окон линейных матричных фотоприемников. При этом отражающие покрытия участков наклонной поверхности первой пластины с отражающим покрытием второй пластины образуют соответственно три интерферометра Фабри-Перо, формирующих перпендикулярно направлениям наклона участков наклонной поверхности первой пластины интерференционные картины в виде линий равной толщины, соответствующих разностям хода, кратным половине длины волны монохроматического излучения.

Устройство контроля положения объекта нано и субнанометровой точности содержит (фиг.1): источник монохроматического излучения 1, одномодовый световод 2, формирующий на выходе точечный источник монохроматического излучения 3, при этом вход световода 2 совмещен с выходом источника монохроматического излучения 1, а выход 3 световода 2 совмещен с передним фокусом оптической системы 4, формирующей параллельный пучок света. За оптической системой 4 последовательно по ходу лучей установлены перпендикулярно оси оптической системы 4 и параллельно друг другу первая прозрачная пластина 5, по периметру которой на стороне, обращенной ко второй пластине, под углом ~120° друг к другу расположены три участка с наклонными к плоскости первой пластины поверхностями (участки наклонной поверхности) 6, и вторая пластина 7. За второй пластиной 7 установлены оптически сопряженные с участками наклонной поверхности 6 три линейных матричных фотоприемника 8, выходы которых подключены к компьютеру 9. При этом одна из пластин, например, вторая пластина 7 жестко закреплена на объекте контроля 10. Участки наклонной поверхности 6 первой пластины 5 и поверхность второй пластины 7, обращенные друг к другу, выполнены с высоко отражающим покрытием. Участки наклонной поверхности 6 первой пластины 5 выполнены с перепадом высот, изменяющимся по направлению от центра первой пластины 5 к ее краю на величину, равную, как минимум, половине длины волны монохроматического излучения, а длины участков наклонной поверхности 6 выполнены в соответствии с длиной рабочих окон линейных матричных фотоприемников 8. При этом отражающие покрытия участков наклонной поверхности 6 первой пластины 5 с отражающим покрытием поверхности второй пластины 7, обращенной к первой пластине, образуют соответственно три интерферометра Фабри-Перо, формирующих перпендикулярно направлениям наклона каждого участка наклонной поверхности 6 интерференционные картины в виде линий равной толщины, соответствующих разностям хода, кратным половине длины волны монохроматического излучения источника 1.

На фиг.2 изображено устройство контроля положения объекта в сечении А-А (в области участков наклонной поверхности 6 первой пластины 5). На фиг.3 изображено устройство контроля положения объекта в сечении В-В (в области расположения линейных матричных фотоприемников 8). На фиг.4 изображен интерферометр Фабри-Перо с установленным на нем устройством контроля положения объекта.

В качестве источника монохроматического излучения 1 используется лазер со стабилизированным по частоте излучением. При этом длина когерентности излучения лазера должна превышать максимальное значение возможных промежутков между пластинами 5 и 7.

Использование одномодового световода 2 позволяет сформировать на его выходе точечный источник оптического излучения 3 с линейными размерами порядка длины волны. Благодаря этому, телесный угол источника излучения (отношение линейного размера сформированного источника излучения 3 к фокусному расстоянию оптической системы 4) составляет ничтожно малую величину (~10^-6). В результате контраст интерференционной картины остается достаточным даже при метровых промежутках между пластинами 5 и 7.

Работа устройства заключается в следующем.

При помощи источника монохроматического излучения 1 и одномодового световода 2 формируется точечный источник 3 монохроматического излучения в переднем фокусе оптической системы 4. Оптической системой 4 излучение преобразуется в параллельный пучок необходимой апертуры (размер апертуры должен быть не менее размера пластин 5, 7) и подается на две пластины 5 и 7, установленные перпендикулярно оси O-O оптической системы 4 и параллельно друг другу. При этом одна из пластин, например пластина 7, жестко закреплена на объекте контроля 10.

По периметру первой пластины 5 на стороне, обращенной ко второй пластине 7, под углом ~ 120 друг к другу расположены три участка 6 с наклонными к плоскости первой пластины 5 поверхностями (участки наклонной поверхности) 6 с высоко отражающим покрытием на их поверхностях, обращенных к пластине 7. Участки наклонной поверхности 6 выполнены с перепадом высот, изменяющимся по направлению от центра первой пластины 5 к ее краю на величину, равную, как минимум, половине длины волны монохроматического излучения. На поверхность второй пластины 7, обращенной к участкам наклонной поверхности 6 пластины 5, также нанесено высоко отражающее покрытие. При этом отражающие покрытия участков наклонной поверхности 6 первой пластины 5 и отражающая поверхность второй пластины 7 образуют соответственно три интерферометра Фабри-Перо, разнесенные под углом ~120° друг к другу.

При отсутствии участков наклонной поверхности 6 и строго плоскопараллельных друг другу отражающих поверхностях пластин 5 и 7 в выходной плоскости второй пластины 7 сформировались бы интерферограммы со строго одинаковой по всей апертуре интенсивностью. Однако участки наклонной поверхности 6 пластины 5 создают дополнительные разности хода лучей, в результате чего на выходе каждого из трех интерферометров Фабри-Перо перпендикулярно направлениям наклона участков наклонной поверхности 6 формируется интерференционная картина в виде линий равной толщины, соответствующих разностям хода, кратным половине длины волны монохроматического излучения источника 1.

Изменение положения объекта контроля 10 вдоль оптической оси 0-0 приводит к изменению расстояния между пластинами 5 и 7. При этом изменение расстояния между пластинами 5 и 7 на половину длины волны монохроматического излучения источника 1 вызовет перемещение интерференционных полос на один период по направлению от центра пластин к краю или от края к центру пластин в зависимости от увеличения или уменьшения расстояния между пластинами 5 и 7, Симметричное положение интерференционных полос интерферометров Фабри-Перо относительно оптической оси 0-0 при изменении положения объекта контроля 10 соответствует параллельному положению пластин 5 и 7 относительно друг друга и, следовательно, параллельному перемещению объекта контроля 10 вдоль оптической оси.

Интерференционные полосы на выходе каждого из трех интерферометров Фабри-Перо регистрируются соответствующими тремя линейными матричными фотоприемниками 8, расположенными за второй платиной 7 в местах, оптически сопряженных с участками наклонной поверхности 6 первой пластины 5. Число полос, прошедших через каждую освещаемую точку соответствующего линейного матричного фотоприемника 8, соответствует числу целых значений полуволн, укладываемых на промежутке между пластинами 5 и 7. Положение полос относительно оптической оси O-O характеризует дробную часть числа полуволн, укладывающихся в промежутке между пластинами 5 и 7.

Применение компьютера 9 решает несколько задач: счет числа интерференционных полос (порядков интерференции), прошедших через каждый линейный матричный фотоприемник 8, определение величины дробной части интерференционных полос, суммирование целого числа интерференционных полос с дробной частью интерференционных полос, вычисление в каждый момент точного положения пластин 5 и 7 относительно друг друга, включая взаимный наклон пластин относительно друг друга, по разности показаний в каждом из трех матричных фотоприемников и, следовательно, определение точного положения объекта контроля 10, жестко скрепленного с одной из пластин.

Увеличение чувствительности устройства достигается благодаря эффекту линейной фазово-пространственной трансформации волнового фронта, позволяющей преобразовать квантовую меру длины (длину волны зондирующего излучения, определяемую провалом Лэмба) в макроскопическую длину, соответствующую максимальному диапазону положений интерференционных полос в рабочих окнах линейных матричных фотоприемников. Эффект линейной фазово-пространственной трансформации волнового фронта достигается благодаря специальной конструкции одной из пластин, содержащей участки наклонной поверхности с отражающим покрытием.

Типичные значения чувствительности определялись следующими оценками. При изменении положения пластин 5 и 7 относительно друг друга на половину длины волны (-0,3 мкм) перемещение интерференционных полос осуществляется на полный период, определяемый перепадом высот участков наклонной поверхности 6, что соответствует ~10 мм. Коэффициент трансформации равен ~3,3×10. Чувствительность к перемещениям интерференционных полос, достигаемая при помощи линейного матричного фотоприемника 8, обычно составляет 10^-4-10^-5 от величины периода интерференционных полос (~10 мм). Таким образом, чувствительность устройства составляет:

3·10^-1·(10^-4÷10^-5) мкм = 3·(10^-2÷10^-3) нм.

Увеличение динамического диапазона с сохранением абсолютной точности достигается двумя факторами: во-первых, возможностью регистрации целого числа полуволн и дробного числа полуволн, укладывающихся в контролируемом промежутке; во-вторых, использованием в качестве монохроматического источника излучения стабилизированного по частоте лазера. Например, стабильность частоты серийно выпускаемого стабилизированного по частоте лазера ЛГН-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 5 и 7 до 1 метра, включительно.

Устройство контроля положения объекта нано и субнанометровой точности было применено авторами в интерферометре Фабри-Перо. Интерферометр Фабри-Перо содержал установленные параллельно друг к другу на некотором расстоянии d две плоскопараллельные кварцевые пластины с нанесенными на рабочие (обращенные друг к другу) поверхности интерференционными покрытиями с коэффициентом отражения 90% на длине волны ~800 нм, соответствующей средней длине волны диапазона, на котором работал интерферометр Фабри-Перо. Интерферометр Фабри-Перо является интерферометром высокого разрешения. Чтобы контролировать положение пластин интерферометра Фабри-Перо строго параллельно друг к другу и сохранять заданную величину полосы пропускания с нанометровой точностью, необходимо измерять значения оптического промежутка (расстояния между пластинами интерферометра) в каждый момент времени.

Для этого одна из пластин интерферометра Фабри-Перо (фиг.4, пластина 10) жестко соединялась с пластиной 7 устройства контроля положения объекта и выполняла роль объекта контроля. Вторая пластина 11 интерферометра Фабри-Перо соединялась с пластиной 5 устройства контроля положения объекта и выполняла роль реперной пластины, относительно которой контролировалось положение пластины 10.

Три участка наклонной поверхности 6 устройства контроля положения объекта были выполнены также из кварца с размерами: длиной - 20 мм и шириной - 24 мм. На поверхности участков наклонной поверхности 6 и на поверхность второй пластины 7, обращенной к первой пластине 5, были нанесены интерференционные покрытия с коэффициентом отражения 90% на длине волны 650 нм, соответствующей длине волны когерентного источника излучения 1. Углы наклона участков наклонной поверхности 6 составляли 9,2 угловых секунды, что позволяло формировать на выходах трех интерферометров Фабри-Перо устройства контроля положения объекта интерференционные картины в виде линий равной толщины, соответствующих разностям хода, кратным половине длины волны когерентного монохроматического излучения. При этом на длине каждого участка наклонной поверхности 6 одновременно укладывалось не менее одной интерференционной полосы.

В качестве когерентного источника излучения 1 использовался серийно выпускаемый лазер ЛГН-302, стабилизированный по частоте с точностью Δν/ν=10^-9. Одномодовый световод 2 позволил сформировать точечный источник оптического излучения 3 с линейными размерами порядка длины волны, в результате чего контраст интерференционной картины трех интерферометров Фабри-Перо оставался достаточным даже при метровых промежутках между пластинами 10 и 11.

Интерференционные полосы на выходе трех интерферометров Фабри-Перо устройства контроля положения объекта регистрировались линейными матричными фотоприемниками 8, в качестве которых использовались линейные цифровые камеры на линейных датчиках VS-Ld-751 фирмы «Видеоскан», имеющих П.з.с.-линейку, содержащую 1×2048 элементов с зарядовой связью, длиной 22 мм. Быстродействие цифровой камеры на линейном датчике составляло 0,2 миллисекунды.

Компьютер 9 выполнял счет числа интерференционных полос (порядков интерференции), прошедших через линейные цифровые камеры 8, определение величины дробной части интерференционных полос, суммирование целого числа интерференционных полос с дробной частью интерференционных полос и определение в каждый момент времени точного положения пластины 10 относительно пластины 11 интерферометра Фабри-Перо.

Устройство контроля положения объекта нано- и субнанометровой точности, содержащее источник монохроматического излучения, оптическую систему, фотоприемное устройство, отличающееся тем, что в устройство дополнительно включены формирующий точечный источник монохроматического излучения одномодовый световод, вход которого совмещен с выходом источника монохроматического излучения, а выход 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 по периметру первой пластины на стороне, обращенной ко второй пластине, под углом ~120° друг к другу расположены три участка с наклонными к плоскости первой пластины поверхностями (участки наклонной поверхности), а за второй пластиной в качестве фотоприемного устройства помещены оптически сопряженные с участками наклонной поверхности три линейных матричных фотоприемника, выходы которых подключены к компьютеру, при этом одна из пластин жестко закреплена на объекте контроля, участки наклонной поверхности и поверхность второй пластины, обращенные друг к другу, выполнены с высокоотражающим покрытием, участки наклонной поверхности выполнены с перепадом высот, изменяющимся по направлению от центра первой пластины к ее краю на величину, равную, как минимум, половине длины волны монохроматического излучения, а длины участков наклонной поверхности на первой пластине выполнены в соответствии с длиной рабочих окон линейных матричных фотоприемников.