Нанодлиномер голографический
HOLOGRAPHIC NANO-LENGTH GAGE

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения линейных размеров объектов фотоэлектрическими преобразователями на базе дифракционных решеток.
Известно устройство оптикатора (1.SU №274372, МПК G01B 9/04), предназначенного для измерения линейных размеров деталей, которое содержит основной измерительный стержень, один конец которого через наконечник контактирует с одной стороной измеряемой детали, а другой кинематически связан со скрученной пружиной, осветитель, зеркало, укрепленное на пружине и круговую шкалу. Оптикатор снабжен дополнительным измерительным стержнем, один конец которого контактирует с противоположной стороной измеряемой детали, а другой кинематически связан с дополнительной скрученной пружиной, осветителем и зеркалом. Наконечник контактирует с поверхностью измеряемой детали и смещается вместе с измерительным стержнем. При перемещении стержня скрученная лента растягивается и поворачивается вместе с приклеенным на ней зеркалом, на которое направлен световой поток. Объектив проецирует изображение диафрагмы в виде светлого прямоугольника с узким темным штрихом посередине. Этот штрих и используется в качестве индекса при отражении изображения диафрагмы (зайчика) на поверхность шкалы оптикатора.
Таким образом, принцип действия известного устройства основан на использовании упругих свойств скрученной пружинной ленты. Оптикаторы имеют цену деления 0,1; 0,2 и 0,5 мкм при диапазонах измерений длины от 24 до 100 мкм. Данным устройством в силу конструктивных особенностей скрученной ленты и ее свойств невозможно измерить большие линейные размеры порядка миллиметров и более, кроме этого, с его помощью невозможно обеспечить измерение с наноточностью.
Из известных устройств наиболее близким по технической сути является измерительная микрометрическая головка "ТУБОР", (2. RU 2032142, МПК G01B 5/02) представляющая собой длинномер голографический, который содержит корпус с размещенными в нем опорами в виде двух узлов с подшипниками, и в котором размещен измерительный цилиндрический стержень с наконечником. Стержень связан с приводом перемещения и выполнен с плоским продольным срезом, в области которого выполнен сквозной продольный паз. Устройство также содержит жестко связанную с измерительным стрежнем измерительную решетку со штрихами на подложке, обладающую продольной осью и расположенную в пазу измерительного цилиндрического стержня параллельно плоскости среза. С корпусом жестко связана считывающая головка, состоящая из индикаторной решетки со штрихами на подложке, осветителя, линзы, фотоприемников.
Подложки двух дифракционных решеток - измерительной и индикаторной, обладают базовой и обратной поверхностями, штрихи измерительной решетки расположены на базовой поверхности подложки перпендикулярно ее продольной оси, штрихи индикаторной решетки расположены на базовой поверхности ее подложки параллельно штрихам измерительной решетки и в пределах их апертуры.
Узлы опор с подшипниками разнесены по длине измерительного стержня и предназначены для параллельного перемещения стержня с измерительной решеткой относительно индикаторной решетки с постоянным зазором между базовыми поверхностями решеток.
Один из узлов выполнен в виде четырех подшипников, два из которых соосны, расположены симметрично относительно паза и предназначены для взаимодействия с плоскостью среза, ось этих подшипников жестко закреплена с корпусом и параллельна плоскости среза. Третий и четвертый подшипники предназначены для взаимодействия с цилиндрической поверхностью стержня и ориентированы так, что их оси перпендикулярны радиусам цилиндрической поверхности измерительного стержня, проведенным в точки контакта с подшипниками, расположены симметрично относительно плоскости, проходящей через ось измерительного стержня и перпендикулярной к плоскости среза, при этом одна из осей жестко связана с корпусом, а другая ось подпружинена. Второй узел включает механизм, предназначенный для взаимодействия с плоскостью среза, и два подшипника, предназначенные для взаимодействия с цилиндрической поверхностью стержня, расположены аналогично третьему и четвертому подшипникам первого узла.
Принцип работы наиболее близкого аналога заключается в следующем.
Пучок излучения, генерируемый осветителем, коллимируется и падает на дифракционные решетки. В поле интерференционных полос, образующихся за решетками, в установленной матрице фотоприемников, преобразуется распределение интенсивности интерференционных полос в электрические сигналы. При смещении измерительного стержня с наконечником во время определения линейного размера объекта соответственно смещается жестко связная со стержнем измерительная решетка относительно индикаторной решетки, и на выходах фотоприемников матрицы формируются переменные электрические сигналы, сдвинутые по фазе на 90°. Эти сигналы поступают затем в блок электроники, где с помощью компаратора формируются счетные импульсы, по которым определяется линейный размер объекта.
Три подшипника в контакте с плоскостью продольного среза обеспечивают параллельное перемещение измерительной решетки относительно индикаторной решетки с постоянным зазором между базовыми поверхностями, что необходимо для сохранения постоянства периода интерференционных полос на протяжении всего процесса измерения линейного размера объекта, за счет чего обеспечивается точность измерений. При этом, служащий в качестве направляющей плоский продольный срез измерительного стержня, как и цилиндрическая поверхность стержня, выполнен механической обработкой, которая характеризуется наличием шероховатости и невысокой плоскостностью. Микровибрации, возникающие при перемещении стержня с измерительной решеткой по неточным направляющим с невысокой плоскостностью, приводят к нарушениям параллельности перемещения базовых поверхностей подложек решеток, и соответственно к нежелательному изменению угла между штрихами их решеток. Изменение угла между штрихами дифракционных решеток приводит к изменению периода интерференционных полос и фазового сдвига в 90° между ними, что снижает точность при определении линейного размера объекта, причем точность падает с увеличением измеряемой длины.
Вместе с тем, весьма сложно закрепить подложку измерительной решетки в сквозном продольном пазу стержня с соблюдением параллельности ее базовой поверхности к поверхности среза и к индикаторной решетке, для того чтобы обеспечить во время движения стержня постоянный зазор и параллельность перемещения штрихов решеток друг относительно друга, что ограничивает размеры стержня с измерительной решеткой и снижает точность измерений при диапазоне линейных размеров объекта более 100 мм.
Наряду с этим, большая удаленность узлов опор с подшипниками относительно продольной оси измерительного стержня с измерительной решеткой, т.е удаленность точек фиксации перемещаемых продольных элементов, способствует возникновению и нарастанию упругих колебаний и микровибраций, что в свою очередь снижает точность измерений.
Таким образом, использование данного устройства при измерении линейных размеров объектов позволяет получить результаты измерений с точностью 0,1 мкм, однако при длинах более 100 мм, и особенно длинах близким к 500 мм, точность результатов снижается, что не позволяет измерить с высокой точностью, и тем более с наноточностью, большие линейные размеры, ограничивая область применения устройства.
Цель изобретения - создание нанодлиномера голографического для расширения диапазона измерения линейных размеров объекта до 500 мм с сохранением наноточности измерений во всем измеряемом диапазоне, что расширяет область применения устройства.
Цель достигается тем, что в нанодлиномере голографическом, содержащем корпус, измерительную решетку со штрихами на подложке, обладающую продольной осью, считывающую головку, состоящую из индикаторной решетки со штрихами на подложке, осветителя, линзы, фотоприемников, опоры в виде двух узлов с подшипниками, измерительный стержень с наконечником и привод перемещения, подложки измерительной и индикаторной решеток обладают базовой и обратной поверхностями, штрихи измерительной решетки расположены на базовой поверхности подложки перпендикулярно ее продольной оси, штрихи индикаторной решетки расположены на базовой поверхности ее подложки параллельно штрихам измерительной решетки и в пределах их апертуры, узлы с подшипниками предназначены для параллельного перемещения одной решетки относительно другой с постоянным зазором между их базовыми поверхностями, согласно изобретению, измерительная решетка жестко закреплена в корпусе и дополнительно содержит стеклянную направляющую с базовой и обратной поверхностями с высокоточной плоскостностью базовой поверхности, жестко присоединенную к торцу подложки измерительной решетки параллельно ее оси и расположенную в пределах ее апертуры, а считывающая головка жестко соединена с измерительным стержнем, связана с приводом перемещения и выполнена с возможностью перемещения вдоль оси измерительной решетки и вдоль стеклянной направляющей при помощи опор в виде двух узлов с подшипниками, жестко присоединенных к считывающей головке, при этом первый узел опор с подшипниками, обеспечивающий перемещение считывающей головки вдоль измерительной решетки, состоит из трех подшипников, расположенных на базовой поверхности подложки измерительной решетки, два из которых расположены с одной стороны ее штрихов на линии, параллельной оси, а третий подшипник симметрично им с другой стороны штрихов измерительной решетки, и содержит четвертый подшипник, расположенный симметрично третьему подшипнику на обратной поверхности подложки измерительной решетки, ось его подпружинена в направлении перпендикулярной к этой поверхности, при этом оси четырех подшипников параллельны друг другу, а второй узел с подшипниками, обеспечивающий перемещение считывающей головки вдоль стеклянной направляющей, состоит из четырех подшипников, два из которых расположены с возможностью перемещения по базовой поверхности стеклянной направляющей на линии параллельной оси измерительной решетки, а другие два подшипника расположены на обратной поверхности стеклянной направляющей, их оси подпружинены в направлении перпендикулярной к этой поверхности, при этом оси четырех подшипников параллельны друг другу.
Сущность изобретения поясняется рисунками, где:
на фиг. 1 изображено продольное сечение нанодлиномера голографического;
- на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1;
- на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 2;
- на фиг. 4 - разрез В-В на фиг. 1.
Нанодлиномер голографический содержит корпус 1, в котором жестко закреплена измерительная решетка 2 со штрихами на стеклянной подложке 3, обладающей базовой поверхностью 4 и обратной поверхностью 5 (фиг. 4). К торцу 6 подложки 3 параллельно оси решетки 2 в пределах ее аппертуры жестко присоединена, например, путем склеивания, стеклянная направляющая 7, обладающая базовой поверхностью 8 с высокоточной плоскостностью и обратной поверхностью 9. В качестве направляющей 7 и подложки 3 использованы стеклянные подложки, которые изготавливается по особой технологии (на расплав олово) отечественной промышленностью и выпускаются серийным производством с высокими точностными характеристиками плоскостности поверхностей, необходимыми для сохранения точности и разрешения нанодлиномера голографического на субмикронном уровне не хуже 10 нм.
В корпусе 1 расположена с возможностью перемещения считывающая головка 10, содержащая жестко закрепленные в ее корпусе индикаторную решетку 11 со штрихами на стеклянной подложке 12, обладающей базовой поверхностью 13 и обратной поверхностью 14, источник излучения 15, выполненный в виде лазерного диода, коллиматор 16, матрицу фотоприемники 17 и 18 (фиг. 2, 3). Штрихи индикаторной решетки 11 расположены на базовой поверхности подложки 12 параллельно штрихам измерительной решетки 2 и в пределах их апертуры. Частота штрихов голографических решеток (измерительной и индикаторной) в данном примере выполнения - 1000 лин/мм. Считывающая головка 10 жестко соединена с торцом 19 измерительного стержня 20 с наконечником 21 К считывающей головке 10 жестко подсоединены оси подшипников двух узлов опор.
Три подшипника 22, 23 и 24 первого узла опор, обеспечивающего перемещение считывающей головки 10 вдоль измерительной решетки 2, расположены на базовой поверхности 4 подложки 3 измерительной решетки 2 (фиг. 4). При этом подшипники 22 и 23 расположены с одной стороны ее штрихов на линии, параллельной оси, а третий подшипник 24 - симметрично им с другой стороны штрихов. Четвертый подшипник 25, первого узла опор расположен симметрично подшипнику 24 на обратной поверхности 5 подложки 3, и ось его подпружинена в направлении перпендикулярной к этой поверхности. Оси подшипников 22-25 параллельны друг другу.
Два подшипника 26, 27 второго узла опор, обеспечивающего перемещение считывающей головки 10 вдоль стеклянной направляющей 7, расположены на базовой поверхности 8 стеклянной направляющей 7 с возможностью перемещения параллельно оси измерительной решетки 2, а другие два подшипника 28 и 29 (т.е. третий и четвертый) расположены на обратной поверхности 9 стеклянной направляющей 7. Оси подшипников 28-29 подпружинены в направлении перпендикулярной к этой поверхности. Оси подшипников 26-29 параллельны друг другу.
Привод перемещения выполнен в виде гибкой нити 30, проходящей через отверстие в корпусе 1, один конец которой прикреплен к корпусу считывающей головки 10, а другой к внешнему устройству.
Матрица фотоприемников 17, 18 электрически соединена с электронным блоком управления.
Устройство работает следующим образом. В процессе измерения нить 30, связанную со считывающей головкой 10 и с измерительным стержнем 20 перемещают в направлении установленного под наконечником измеряемой эталонной меры. При перемещении считывающей головки 10 с измерительным стержнем 20 и наконечником 21 индикаторная решетка 11 смещается относительно измерительной решетки 2. Пучок излучения, генерируемый источником излучения 15, жестко связанным со считывающей головкой 10, коллимируется коллиматором 16 и проходит через дифракционные решетки 2 и 11. В поле интерференционных полос, образующихся за решетками 2 и 11, матрицей фотоприемников 17 и 18 распределение интенсивности интерференционных полос преобразуется в электрические сигналы, сдвинутые по фазе на 90 град. Эти сигналы затем передаются по электронной связи от матрицы фотоприемников 17,18 в электронный блок управления, где с помощью компаратора формируются счетные импульсы, по которым определяется линейный размер объекта.
В первом узле опор жестко связанные со считывающей головкой 10 подшипники 22, 23 и 24 перемещаются по базовой поверхности 4 стеклянной подложки 3 измерительной решетки 2, а подпружиненный подшипник 25, перемещается по обратной поверхности 5 подложки 3, обеспечивая сохранение постоянного зазора между базовыми поверхностями 4, 13 подложек 3, 12 дифракционных решеток на протяжении всего процесса измерения, и исключая поперечные смещения. Во втором узле опор жестко связанные со считывающей головкой 10 подшипники 26, 27 перемещаются по базовой поверхности 8 стеклянной направляющей 7, а подшипники 28 и 29 по обратной поверхности 9 направляющей 7, исключая при движении считывающей головки 10 ее продольные смещения, и соответственно смещения индикаторной решетки 11, относительно продольной оси измерительной решетки 2, которые могут быть вызваны различными внешними силами, такими как толчки, вибрации и т.п. Вместе с тем, при перемещении подшипников по стеклянным подложке 3 и направляющей 7, обладающей высокой плоскостностью базовой поверхности 8, исключаются микровибрации и смещения, которые вызывает движение по шероховатым и неровным поверхностям.
Перемещение во время измерений считывающей головки 10 с индикаторной решеткой 11, обладающей меньшими размерами, нежели подложка 3 измерительной решетки 2, подвергает всю систему к меньшим нагрузкам и ограничениям, как относительно условий сохранения линии перемещения параллельно оси измерения, так и уменьшения вибраций, в то время как измерительная решетка 2 может быть любых размеров и она жестко зафиксирована в корпусе 1.
Вместе с тем, конструктивное выполнение устройства, в частности взаимное расположение в корпусе 1 дифракционных решеток 2, 11 с узлами опор и измерительного стержня 20, позволило уменьшить расстояние между дифракционными решетками, что снижает ошибки Аббе, и в свою очередь позволяет повысить точность измерений. Также, использование направляющих для считывающей головки 10 (подложек 3, 7), из стекла, например, из «Борского стекла», обладающего высокими характеристиками плоскостности, которые сохраняются при больших длинах (при этом не требуется механическая обработка, как в случае с аналогом), обеспечивает возможность производить нанодлиномеры с измерительными решетками больших размеров, вплоть до метра и более, с минимизированием ошибок Аббе.
Таким образом, для того чтобы достигнуть при измерениях высокой точности, особенно в нанообласти, и сохранить эту точность на весь интервал перемещения считывающей головки, необходимо чтобы штрихи двух решеток 2, 11 сохраняли свой наклон друг относительно друга, что позволит сохранить постоянство разности фаз электрических сигналов. Для этого необходимо чтобы опоры были как можно ближе к измерительной оси (для уменьшения ошибок Аббе) и чтобы при этом их подшипники перемещались как можно более прямолинейно и плавно. Заявляемым изобретением в процессе измерения обеспечивается строгая равномерность и прямолинейность перемещения, соблюдается заданный угол меду штрихами на подложках 3, 12 дифракционных решеток, что обеспечивает сохранение периода и наклона интерференционных полос, образуемых за решетками 2 и 11 (фиг. 3), и приводит к повышению точности измерений до наноточности, что экспериментально подтверждено при проведении ряда измерений эталонных мер на 100 мм, 200 мм и их комбинации до 500 мм и более. Конструктивное выполнение заявляемого устройства позволяет осуществить измерение больших линейных размеров до 1 метра и более с достижением наноточности измерений во всем измеряемом диапазоне, что расширяет область применения устройства.
Высокая точность нанодлиномера голографического связана не только с точностью механической части самого нанометра, но и с точностью изготовления самих дифракционных решеток. Авторам на специальных устройствах удалось записать и тиражировать высокочастотные (период 1 микрон) голографические дифракционные решетки с длиной более одного метра, не имеющих аналогов в мире, по длине и точности. Применение заявляемого устройства актуально в машиностроении, оптико-механической и аэрокосмической промышленностях при измерениях линейных размеров объектов в наноотрасли.