УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ С НАНОМЕТРОВОЙ ТОЧНОСТЬЮ В БОЛЬШОМ ДИАПАЗОНЕ ВОЗМОЖНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
APPARATUS FOR NANOMETER ACCURACY LINEAR DISPLACEMENTS IN WIDE RANGE OF POSSIBLE DISPLACEMENTS

Изобретение относится к прецизионной измерительной технике и может быть использовано в научных исследованиях и в 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 элементов.
Известно устройство для линейного перемещения 7Т167-50 известной фирмы «Standa» (http://www.standa.lt). Изделие содержит неподвижную часть (основание), подвижную часть для закрепления на ней оптического элемента, четыре призматические опорные планки, зафиксированные попарно на основании и подвижной части таким образом, чтобы образовать два закрытых шариковых четырехточечных узла контакта элементов качения (шариков), и регулирующие элементы для предварительного натяга обоих четырехточечных узлов контакта и всего устройства в целом. Движение в данном устройстве обеспечивается путем вращения микрометра, неподвижная часть которого зафиксирована в держателе, расположенном на основании, а подвижная часть микрометра упирается в кронштейн, закрепленный на подвижной части устройства. Данная конструкция является базовой для целого семейства устройств линейного перемещения, производимых фирмой «Standa», отличающихся величиной хода подвижной части и вариантами приводов.
Недостатком указанной конструкции является низкая точность измерений, обусловленная люфтами механики и отсутствием системы коррекции механических ошибок следящим устройством.
В качестве прототипа выбрано средство того же назначения, что и заявляемое изобретение: патент Российской Федерации на изобретение №2348952 «Устройство для прецизионного линейного перемещения оптических элементов», опубликованный 10.03.2009. Согласно этому изобретению, на неподвижном основании и подвижной части устройства закреплены четыре опорные планки, установленные с предварительным натягом и образующие поверхности контакта для элементов качения в двух опорных узлах, при этом одну опорную планку регулируют за счет введения дополнительных элементов регулировки и обеспечивают совмещение осей перемещения элементов качения двух опорных узлов в одной плоскости, за счет чего угловое отклонение подвижной части изготовленного устройства при перемещении на 20 мм составило 3,5 угловых секунды.
Недостатком указанной конструкции также является низкая точность измерений, обусловленная люфтами механики и отсутствием системы коррекции механических ошибок следящим устройством.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание устройства для прецизионного линейного перемещения, позволяющее достигнуть следующий технический результат: перемещать объект с нанометровой точностью в большом диапазоне расстояний (от нескольких нанометров до 1 м).
Поставленная задача достигается тем, что в устройство для линейного перемещения объекта с нанометровой точностью в большом диапазоне возможных перемещений, содержащее опорную (неподвижную) часть и подвижную часть с установленным на ней объектом, дополнительно включены источник монохроматического излучения, 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. Одна из пластин (первая пластина) установлена на неподвижной части и по ее периметру 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). Другая пластина (вторая пластина) жестко закреплена на объекте, установленном на подвижной части, и по ее периметру на стороне, противоположной к стороне, обращенной к первой пластине, под углом ~120° друг к другу закреплены три актюатора. За второй пластиной установлены оптически сопряженные с участками наклонной поверхности первой пластины три линейных матричных фотоприемника, выходы которых подключены ко входам компьютера, а выходы компьютера подключены к приводу, соединенному с подвижной частью, и трем актюаторам, закрепленным на второй пластине. Поверхности наклонных участков первой пластины 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.
Устройство для линейного перемещения объекта с нанометровой точностью в большом диапазоне возможных перемещений содержит (фиг.1), опорную (неподвижную) часть 1, подвижную часть 2 с установленным на ней объектом 3, источник монохроматического излучения 4, формирующий точечный источник монохроматического излучения одномодовый световод 5, вход которого совмещен с выходом источника монохроматического излучения 4, а выход совмещен с передним фокусом 6 оптической системы 7, формирующей параллельный пучок света. Далее за оптической системой 7 последовательно по ходу лучей размещены установленные перпендикулярно оси O-O оптической системы 7 и параллельно друг другу первая прозрачная пластина 8, по периметру которой под углом ~120° друг к другу расположены три участка с наклонными к плоскости первой пластины 8 поверхностями (участки наклонной поверхности) 9, и вторая пластина 10. При этом поверхности наклонных участков 9 первой пластины 8 и поверхность второй пластины 10, обращенные друг к другу, выполнены с высоко отражающим покрытием. Ко второй пластине 10, на стороне, противоположной к стороне, обращенной к первой пластине 8, по ее периметру под углом ~120° друг к другу прикреплены три актюатора 11. Далее за второй пластиной 10 установлены оптически связанные с участками наклонной поверхности 9 первой пластины 8 три линейных матричных фотоприемника 12, выходы которых подключены к входам компьютера 13. Выходы компьютера 13 подключены соответственно к трем пьезоэлектрическим актюаторам 11, закрепленным на второй пластине, и к приводу 14, соединенному с подвижной частью 2. При этом первая пластина 8 закреплена на неподвижной части 1, а вторая пластина 10 жестко закреплена на объекте 3, установленном на подвижной части 2. Участки наклонной поверхности 9 выполнены с перепадом высот, изменяющимся по направлению от центра первой пластины 8 к ее краю на величину, равную, как минимум, половине длины волны монохроматического излучения, а длины участков наклонной поверхности 9 на первой пластине 8 выполнены в соответствии с длиной рабочих окон линейных матричных фотоприемников 12. Отражающие покрытия участков наклонной поверхности 9 первой пластины 8 с отражающим покрытием второй пластины 10 образуют соответственно три интерферометра Фабри-Перо.
На фиг.2 изображено устройство для линейных перемещений объекта в сечении A-A (в области отражающих участков наклонной поверхности 9 первой пластины 8). На фиг.3 изображено устройство для линейных перемещений объекта в сечении B-B (в области актюаторов 11) На фиг.4 изображено устройство для линейных перемещений объекта в сечении C-C (в области расположения линейных матричных фотоприемников 12). На фиг.5 изображен сканирующий интерферометр Фабри-Перо, установленный на устройстве для линейных перемещений.
Работа устройства заключается в следующем. При помощи источника когерентного, например, лазерного излучения 4 и одномодового световода 5 создается точечный источник 6 когерентного монохроматического излучения в переднем фокусе оптической системы 7. Оптической системой 7 излучение преобразуется в параллельный пучок необходимой апертуры (размер апертуры должен быть не менее размера пластин 8, 10) и подается на установленные перпендикулярно оси 0-0 оптической системы 7 и параллельно друг другу первую 8 и вторую 10 пластины. По периметру первой пластины 8 под углом ~120° друг к другу расположены три участка с наклонными к плоскости первой пластины 8 поверхностями 9. Поверхности наклонных участков 9 первой пластины 8 и поверхность второй пластины 10, обращенные друг к другу, выполнены с высоко отражающим покрытием. Участки наклонной поверхности 9 выполнены с перепадом высот, изменяющимся по направлению от центра первой пластины 8 к ее краю на величину, равную, как минимум, половине длины волны монохроматического излучения. При этом отражающие покрытия участков наклонной поверхности 9 первой пластины 8 с отражающим покрытием второй пластины 10 образуют соответственно три интерферометра Фабри-Перо.
При отсутствии участков наклонной поверхности 9 и строго плоскопараллельных и обращенных друг к другу поверхностях первой 8 и второй 10 пластин в выходной плоскости второй пластины 10 устройства сформировалась бы интерферограмма со строго одинаковой по всей апертуре интенсивностью. Однако участки наклонной поверхности 9 пластины 8 создают дополнительные разности хода лучей, в результате чего на выходе каждого из трех интерферометров Фабри-Перо перпендикулярно направлениям наклона участков наклонной поверхности 9 формируется интерференционная картина в виде линий равной толщины, соответствующих разностям хода, кратным половине длины волны когерентного монохроматического излучения.
Линейное перемещение объекта 3, расположенного на подвижной части 2, вдоль оси O-O оптической системы 7 приводит к изменению расстояния между пластинами 8 и 10. 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. При этом число полос, прошедших через каждую освещаемую точку линейного матричного фотоприемника 12, соответствует числу целых значений полуволн, укладываемых на промежутке между пластинами 8 и 10, а положение полос относительно оптической оси O-O характеризует дробную часть числа полуволн, укладывающихся в промежутке между пластинами 8 и 10.
Применение компьютера 13 решает несколько задач: формирование команды для привода 14, соединенного с подвижной частью 2 устройства, на перемещение объекта на заданное расстояние с заданной скоростью, счет числа интерференционных полос (порядков интерференции), формируемых тремя интерферометрами Фабри-Перо и проходящих при перемещении объекта через каждый линейный матричный фотоприемник 12, определение величины дробной части интерференционных полос, суммирование целого числа интерференционных полос с дробной частью интерференционных полос и определение в каждый момент времени точного положения пластин 8 и 10 относительно друг друга и, следовательно, определение с заданной точностью реального положения объекта 3, установленного на подвижной части 2. Путем сравнения реального и требуемого положений второй пластины 10, компьютер 13 вырабатывает команды на актюаторы 11 для управления положением пластины 10, и, следовательно, положением объекта 3.
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 12. Эффект линейной фазово-пространственной трансформации волнового фронта достигается благодаря специальной конструкции одной из пластин, например 8, содержащей участки наклонной поверхности 9.
Кроме этого, использование одномодового световода 5 позволяет сформировать источник оптического излучения 6 с линейными размерами порядка длины волны. Благодаря этому, телесный угол источника излучения (отношение линейного размера сформированного источника излучения 6 к фокусному расстоянию оптической системы 7) составляет ничтожно малую величину (~10-6). В результате контраст интерференционной картины остается достаточным даже при метровых промежутках между пластинами 8 и 10.
Таким образом, величина перемещения объекта ограничена только возможностями перемещения подвижной части устройства 2.
4
-4
-5
Типичные значения чувствительности данного устройства линейного перемещения определяются следующими оценками. При перемещении пластин 8 и 10 относительно друг друга на половину длины волны (-0,3 мкм) перемещение полос осуществляется на полный период, определяемый перепадом высот участков наклонной поверхности 9, что соответствует ~10 мм. Коэффициент трансформации равен ~3,3×10. Чувствительность к перемещениям интерференционных полос, достигаемая при помощи линейного матричного фотоприемника 12, обычно составляет 10÷10 от величины периода полос (~10 мм). Таким образом, чувствительность устройства составляет
-1
-4
-5
-2
-3
3·10(10÷10) мкм = 3·(10÷10) нм.
-9
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 ЛГН-302 составляет Δν/ν=10. При использовании такого лазера ошибка в определении положений объекта, вызванная неточностью квантового эталона, не будет превышать одного нанометра при значениях промежутков между пластинами 8 и 10 до 1 метра, включительно.
В результате устройство для линейных перемещений обеспечивает прецизионное перемещение подвижной части 2 с объектом 3 в требуемом диапазоне (от 1 нм до 1 м) с нанометровой точностью.
Устройство для линейных перемещений объекта с нанометровой точностью в большом диапазоне возможных перемещений может быть использовано в оптической промышленности для управления с нанометровой точностью инструментом формообразования при изготовлении прецизионных элементов. Например, нанометровая точность при изготовлении оптических элементов необходима для получения безаберрационных зеркал для видимой, инфракрасной и рентгеновской оптики.
Устройство для линейных перемещений объекта с нанометровой точностью в большом диапазоне возможных перемещений было применено авторами в сканирующем интерферометре Фабри-Перо, который являлся составной частью интерферометрического модуля для измерения линейных размеров и профилей поверхностей деталей сложной формы. Сканирующий 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 сканирующий интерферометр Фабри-Перо.
Сканирующий интерферометр Фабри-Перо является интерферометром высокого разрешения. Чтобы перемещать полосу пропускания сканирующего интерферометра Фабри-Перо по спектру с нанометровой точностью в пределах заданного расстояния, необходимо линейно и строго параллельно перемещать одну из пластин сканирующего интерферометра Фабри-Перо относительно другой с контролем в каждый момент времени значений оптического промежутка (расстояния между пластинами) и положения пластин сканирующего интерферометра Фабри-Перо.
Для этого одна из пластин 3 сканирующего интерферометра Фабри-Перо (фиг.5) жестко соединялась с пластиной 10 устройства для линейных перемещений и выполняла роль объекта перемещения. Вторая пластина 15 сканирующего интерферометра Фабри-Перо соединялась с пластиной 8 устройства для линейных перемещений и выполняла роль реперной пластины, относительно которой определялось положение перемещаемой пластины 3 сканирующего интерферометра Фабри-Перо.
Три участка наклонной поверхности 9 устройства для линейных перемещений были выполнены также из кварца с размерами: длиной - 20 мм и шириной - 24 мм. На поверхности участков наклонной поверхности 9 и на поверхность второй пластины 10, обращенной к первой пластине 8, были нанесены интерференционные покрытия с коэффициентом отражения 90% на длине волны 650 нм, соответствующей длине волны когерентного источника излучения 4. Углы наклона участков наклонной поверхности 9 составляли 9,2 угловых секунды, что позволяло формировать на выходах трех интерферометров Фабри-Перо устройства для линейных перемещений 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 9 одновременно укладывалось не менее одной интерференционной полосы.
-9
В качестве когерентного источника излучения 4 использовался серийно выпускаемый лазер ЛГН-302, стабилизированный по частоте с точностью Δν/ν=10. Одномодовый световод 5 позволил сформировать точечный источник оптического излучения 6 с линейными размерами порядка длины волны, в результате чего контраст интерференционной картины трех интерферометров Фабри-Перо устройства для линейных перемещений оставался достаточным даже при метровых промежутках между пластинами 3 и 15 сканирующего интерферометра Фабри-Перо.
Интерференционные полосы на выходе трех интерферометров Фабри-Перо устройства для линейных перемещений регистрировались линейными матричными фотоприемниками 12, в качестве которых использовались цифровые камеры на линейных датчиках VS-Ld-751 фирмы «Видеоскан», имеющих П.з.с.-линейку, содержащую 1x2048 элементов с зарядовой связью, длиной 22 мм. Быстродействие цифровой камеры на линейном датчике составляло 0,2 миллисекунды.
Компьютер 13 выполнял счет числа интерференционных полос (порядков интерференции), прошедших через линейные цифровые камеры 12 при перемещении пластины 3 относительно пластины 15 сканирующего интерферометра Фабри-Перо, определение величины дробной части интерференционных полос, суммирование целого числа интерференционных полос с дробной частью интерференционных полос и определение в каждый момент времени точного положения пластин 8 и 10 относительно друг друга и, следовательно, определение с заданной точностью реального положения пластины 3 сканирующего интерферометра Фабри-Перо, установленной на подвижной части 2 устройства для линейных перемещений.
Путем сравнения реального и требуемого положений второй пластины 10 устройства для линейных перемещений, компьютер 13 вырабатывал команды на управление перемещением и положением второй пластины 10 устройства для линейных перемещений через систему коррекции, включающую исполнительный элемент 14, перемещающий подвижную часть 2, и актюаторы 11, расположенные по периметру второй пластины 10 устройства для линейных перемещений, и, следовательно, на управление перемещением и положением пластины 3 сканирующего интерферометра Фабри-Перо. Время опроса всех трех цифровых линейных камер 12, обработки данных и выработки сигналов коррекции составляло 1 миллисекунду.
В качестве исполнительного элемента 14, перемещающего подвижную часть 2 устройства для линейных перемещений, использовался шаговый сервопривод Ezi-SERVO-PR-42S-C, выпускаемый НПО «Электропривод» (г.Санкт-Петербург). Возможные неравномерности шага микровинтов, преобразующих вращательные движения двигателя в поступательные, люфты приводов и вибрации всей системы компенсировались в системе обратной связи актюаторами 11. В качестве актюаторов 11 использовались три пьезоэлектрических стека (пьезостеки), в корпусах которых располагались по 50 пластин из ЦТС (цирконат титанат свинца) толщиной по 0.9 мм. Пьезостеки 11 служили для управления в пределах ±8 мкм положением перемещаемой пластины 10 в трех точках, расположенных по ее периметру, и тем самым обеспечивали жесткое параллельное перемещение пластины 10 устройства для линейных перемещений. В результате в сканирующем интерферометре Фабри-Перо обеспечивалось строго параллельное по всей апертуре перемещение пластины 3 относительно другой пластины 15 на заданное расстояние или в требуемом диапазоне перемещений (от 1 нм до 10 см) и с нанометровой точностью.