Интерферометр для измерения линейных перемещений объекта Советский патент 1989 года по МПК G01B9/02 

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

фиг.З --схема световозвращающей системы, вид слева; на фиг.4 - взаимное расположение уголковьк отражателей в световозвращающей системе; на Лиг.5 - ход луча в световозвра- щаксщх 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 и делитель 3 пучка излучения, который

сл

О)

оптически связай с зеркалами 4 и 5, второй пластинкой 6 Л/8, которая оптически связана с зеркалом 7, и вторым делителем 8 пучка, с которым оптически связано зеркало 9, два полроида 10 и 11, оптически связанные с делителем 8 пучка и зеркалом 9, фотоэлектронный блок 12, входы которого оптически связаны t поляроидами 10 и 11, каретку 13, две световоз- вращающие 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

16и 17, установленные в каждой ветви интерферометра, два дополнительных уголковых отражателя 18 и 19, оптически связывающие световозвращающие системы 14, 15 и 16, 17 соответственно. Каждая из световозвра- щенных систем состоит из уголкового отражателя соответственно 2О-23, укрепленного на каретке 13, двух уголковых отражателей, соответственно 24, 25, 26, 27 и 28, 29, 30, 31

и двух зеркал 32 и 33 (фиг.З), оптически связанных с уголковым отражателем соответственно 20, 21, 22, 23 и установленных таким образом, что уголковых отражателей соответственно 24 и 28 (фиг,1), 25 и 29, 26 и 30, 27 и 31 Перпендикулярны ребру уголкового отражателя соответственно 20, 21V 22, 23, биссектрисы прямых углов смещень: параллельно одна другой на расстояние, определяемое для уголковых отражателей 24, 25 28, 29 светопозвращательных систем 14 и 15 по формуле

8i« 0,5 d (j ч- 1),

а для уголковых отражателей 26, 27, 30, 31 световозвращанвдих систем 16,

17по формуле

5, 0,5-d -j, где d - ширина луча когерентного

света;

j - натуральнее число, определяемое из выражения I6j + 48J + 16 п,

п - коэффициент умножения оптической разности хода лучей света,

а середины зеркал 32 и 33 находятся н-а биссектрисах прямых углов уголковых отражателей соответственно 24, 25, 26, 27 и 28, 29, 30, 31. От края уголкового отражателя соответ0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

ственно 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

JO. d(j + 1)42, при этом дополнительный уголковый отражатель соответственно 18 и 19 оптически связан через это окно 34 с отражателями соответственно 20, 21,

22, 23, а расстояние между его краем и краем сггражателя соответственно 28, 29, 30 и 31 равно ширине луча света, причем расстояние между ребром и краем отражателя, соответственно, 28, 29, 30, 31 выбрано из соотношения

b dj:n i 16li2 32

Оптические оси пластинок 2 и 6 Л/8 параллельны плоскости поляриза- ции луча света, выходящего из источника 1. Оптическая плоскость поляроида 10 параллельна плоскости поляри- 3aiuiH одной из- 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 на 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.1), 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 связан с выходом блока 37. выход реверсивного счетчика 38 является выходом интерферометра.

Интерферометр работает следующим образом.

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

515

вращающую систему 16; -отразившись световозвращающей системой 16, луч с помощью отражателя 18 снова попадает на световозвращающую систему 14 и возвращается с помощью зеркал 5 и 4 на делитель 3 пучка. Ход луча во второй ветви аналогичный. Сначала луч проходит через пластинку 6 и направляется зеркалом 7 на световозвращающую систему 15, затем через отражатель 19 входит в световоавра- щающую систему 17, через отражатель 19 снова направляется на световозвращающую систему 15 и через зеркало 7 и пластинку 6 А/8 возвращается на делитель 3 пучка, где интерферирует с пучком из первой ветви. Ход луча в световозвращающей системе поясняется на фиг.5, где М,, М, ..., Mgg- точки отраже

ния от отражателей;

М

м:

«1

23

М

la

М

и

М

ta

М

2i

МззMSZ ,

- точки входов в окно для луча света; точки выходов из окна для луча света.

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

Д ,

где п - коэффициент умножения оптического хода луча; Пр - показатель преломления

среды, в которой распро- ст.раняет я излучение; X - перемещение каретки 13. С другой стороны разность хода определяется выражением

где

п

Х N

(N + ЛК),

-длина волны излучения;

-целое число длин волн.

25

30

счета световых полос, причем в зав симости от направления движения ка ретки 13 вместе с отражателями 20- 23 этот сдвиг либо отрицательный, либо положительный. Направление пе мещения по двум сигналам от фотоприемников 35 и 36 определяется в блоке 37, который управляет реверсивным счетчиком 38, определяющим число импульсов, появляющихся на вы ходе 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 информа- 35 цией интерферометра.

Формула изобретени

1. Интерферометр для измерений линейньк перемещений объекта, содер жащий каретку, предназначенную для связи с объектом, и последовательно установленные источник когерентног излучения, пластинку А/8 и делите 45 пучка излучения-на две ветви, в одн из которых последовательно установл ны два зеркала и световозвращающая .система, выполненная в виде трех уголковых отражателей, расположенны

укладывающихся в расстоя- 50 последовательно так, что второй по

HC n

6

.

При перемещении каретки J3 перед окнами фотоприемников 35 и 36 (фиг.б) проходят световые полосы, причем каждая световая полоса соответствует изменению оптической разнести 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

счета световых полос, причем в зависимости от направления движения каретки 13 вместе с отражателями 20- 23 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 информа- цией интерферометра.

Формула изобретения

1. Интерферометр для измерений линейньк перемещений объекта, содержащий каретку, предназначенную для связи с объектом, и последовательно установленные источник когерентного излучения, пластинку А/8 и делитель пучка излучения-на две ветви, в одной из которых последовательно установлены два зеркала и световозвращающая система, выполненная в виде трех уголковых отражателей, расположенных

последовательно так, что второй по

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.

ние U ;

UN - дробное число, соответствующее изменению оптической разности в пределах одной длины волны излучения.

Таким образом, перемещение х карет13 можно представить как

ходу излучения уголковый отражатель установлен на каретке и ориентирован так, что его ребро перпендикулярно ребрам двух других уголковых отража- телей, и двух зеркал, установленных по одному на первом и третьем по ходу излучения уголковых отражателей нормально биссектрисам соответствующих npflhe ix углов отражателей, на краю грани первого по ходу излучени уголкового отражателя выполнено прозрачное окно, а в другой ветви последовательно установлены вторая пластина , зеркало и вторая свето возвращающая система, выполненная аналогично первой и ориентированная так, что биссектри{:ы пр5{мьп угло вторых излу1ения уголковых отражателей обеих еветовоэвращающих 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 прошед- шего через делитель пучка излучения, фотоэлектронный блок, оптически связанный с поляроидами, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения перемещений объекта, он снабжен двумя уголковыми отражателями, установленными по одному в каждой ветви последовательно по ходу луча после световозвращаюдих систем, и двумя дополнительными све- товозвращающими системами, выполненными аналогично двум первым, установленными по одной в каждой ветви последовательно по ходу излучения после уголковых отражателей, вторые по ходу излучения уголковые отражате ли в дополнительных световозвращаю- цих системах расположены иа каретке, первые и третьи отражатели в виде двух и двух дополнительных световоз,

вращающих системах расположены так, что биссектрисы прямых углов параллельны, а расстояние между ними определяется соответственно соотношениями

, 0,5 d j,

Si- 0,5 d(j + 1),

где d - ширина пучкл излучения;

j - натуральное число, определяемое из выражения п - 16J + 48J + 16, где п - задаваемый коэффициент умножения оптической разности хода лучей излучения;

ширина грани третьего по ходу излучения уголкового отражателя в первых двух световозврадающих системах определяется соотношением:

я - л jj 20 25Q

35

40

Ьг,

i(p-±.,

т 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 све- товозвращающей системы равно ширине луча света,

If J- 6п- 2 3

12 d(j + 1).

а с края грани вдоль ребра выполнено прозрачное окно длиной на весь отражающий слой и шириной, определяемой по формуле (j + 1).

Чф

Фи9.-5

Фиг.5