Интерферометр для измерения линейных перемещений сканера зондового микроскопа
Владельцы патента RU 2587686:
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ" (НИЯУ МИФИ) (RU)
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для измерения линейных перемещений по трем взаимоортогональным осям. Интерферометр содержит одночастотный лазер, коллиматор для ввода излучения в транспортное волокно, коллиматор, вводящий излучение в оптическую схему, акустооптический модулятор, формирующий опорное и измерительное плечи интерферометра, поляризационный светоделитель, позволяющий развести лучи на расстояние, достаточное для их независимого использования зеркалами, систему зеркал, которая расположена вокруг пьезоэлектрического стола, триппель-призмы, закрепленные на пьезоэлектрическом столе так, что их оси симметрии проходят через центр вращения пьезоэлектрического стола, фотоприемники, подключенные к соответствующим измерительным входам фазометра, а также генератор сдвиговой частоты, связанный с акустооптическим модулятором и опорным входом фазометра. Техническим результатом изобретения является уменьшение габаритов оптической системы, уменьшение собственных шумов за счет уменьшения колебаний значений показателя преломления воздуха и уменьшения ошибки Аббе. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и предназначено для измерения линейных перемещений по трем взаимно ортогональным осям. Система может быть использована в высокоточных измерительных и управляющих устройствах.
Известен двухкоординатный интерферометр для измерения линейных перемещений, включающий оптически связанные источник излучения, плоские отражатели, светоделительные пластины, два фотоприемника, модулятор, выполненный на основе вращающейся дифракционной решетки, и источник излучения, выполненный в виде многомодового лазера (В.М. Бржозовский, В.В. Бондарев. А.А. Игнатьев и В.В. Мартынов, Двухкоординатный интерферометр для измерения линейных перемещений 23.05.1983 SU 1019233 А).
Недостатками данного интерферометра является нестабильность оптической схемы, которая связана с наличием вращающейся дифракционной решеткой и использование двухмодового лазера, который ограничивает точность измерений единицами микрон.
Наиболее близким по техническим характеристикам (прототипом) является интерферометр для измерения линейных перемещений в трех ортогональных координатах (RU 122166 U1, 2012), содержащий лазер, расщепитель лазерного излучения на два пучка, пьезоэлектрический стол, систему зеркал, три триппель-призмы, три фотоприемника, фазометр и генератор сдвиговой частоты.
При работе устройства луч от источника лазерного излучения попадает на расщепитель, после которого образуются опорный и измерительный лучи. После прохождения расщепителя угол между лучами составляет 2 градуса. Для отделения опорного луча от измерительного необходимо, чтобы лучи разошлись на расстояние порядка сантиметра, что достигается наличием достаточного пути распространения лучей, кроме того, все оптические элементы устройства расположены с одной стороны от подвижной платформы, что увеличивает габариты интерферометра.
В ходе работы прибора происходит изменение показателя преломления воздуха, поскольку он зависит от таких параметров, как температура, давление и влажность. Изменение показателя преломления воздуха приводит к изменению оптического пути в одном из плеч интерферометра по сравнению с другим, следовательно, возникают дополнительные набеги в измеряемой разности фаз, которые вносят ошибку в измеряемую величину перемещения пьезостола. Зависимость показателя преломления от влажности и давления на несколько порядков слабее, чем от температуры, поэтому их изменение можно не учитывать. Колебания температуры обусловлены, в основном, конвективными потоками и естественной турбулентностью, присутствующей в неоднородных по температуре системах. Эти шумы низкочастотны (0,1-10 Гц) и трудно устранимы из результатов измерения.
В качестве отражателей, смещение которых измеряет интерферометр, служат триппель-призмы. Они закрепляются на пьезоэлектрическом столе. При движении пьезоэлектрического стола возникает нежелательный поворот, который из-за размещения триппель-призм не на оси движения пьезоэлектрического стола будет приводить к различию в перемещении триппель-призм и стола. Данный вид ошибки называется погрешностью Аббе, и ее величина зависит не только от величины угла поворота, но и от взаимного расположения оси вращения и оси измерения. Если трипель-призма расположена не на оси вращения и ее расстояние до этой оси - D, то данного рода ошибка с учетом малости углов поворота φ составит величину ΔL=φD.
В результате недостатками данного прототипа являются большие габариты оптической системы, высокий уровень шумов, обусловленный изменением показателя преломления воздуха, и наличие ошибки Аббе.
Технический результат состоит в уменьшении габаритов оптической системы, уменьшении собственных шумов интерферометра за счет уменьшения колебаний показателя преломления воздуха и ошибки Аббе.
Для реализации технического результата предложен интерферометр для измерения линейных перемещений сканера зондового микроскопа, схема которого представлена на фиг.1, содержащий источник лазерного излучения 1, расщепитель лазерного излучения 5, зеркала со 100% отражающей способностью 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, и светоделительные зеркала 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, пьезоэлектрический стол 27 для перемещения исследуемого объекта с закрепленными на нем триппель-призмами 22, 23, 24, фотоприемники для формирования электрических сигналов 29, 30, 31, фазометр 32 для сравнения частот электрических сигналов и генератор сдвиговой частоты 33 для подачи сигнала на расщепитель 5, две зеркальные призмы 25 и 26, поляризационный светоделитель 6, полуволновая пластина 28. Источник лазерного излучения 1 соединен с расщепителем 5 через оптическое волокно 3 и введенные коллиматоры 2 для ввода излучения лазера 1 в оптическое волокно 3 и 4 для вывода излучения лазера 1 из волокна 3. Поляризационный светоделитель 6 расположен на пути лучей после расщепителя 5. После поляризационного светоделителя 6 по ходу одного из лучей последовательно расположены светоделительное зеркало 20 для отражения 30% света на светоделительное зеркало 15 и зеркало 10 для отражения 100% света на светоделительное зеркало 17 с 50% отражающей способностью и зеркало 11 со 100% отражающей способностью, а по ходу другого луча - светоделительное зеркало 21 для отражения 30% падающего на него света на установленную зеркальную призму 25 для направления луча в триппель-призму 22. Полуволновая пластина 28 расположена между светоделительным зеркалом 21 и зеркалом 7 со 100% отражающей способностью, а на пути отраженного зеркалом 7 луча последовательно расположены зеркала 16 и 8 с отражающей способностью 50% и 100%, соответственно. Зеркальная призма 26 установлена на пути луча, отраженного триппель-призмой 22, для направления луча на зеркало 9 со 100% отражающей способностью, при этом светоделительное зеркало 15 с 50% отражающей способностью установлено между зеркалом 9 и светоделительным зеркалом 20 для оптического смешения лучей и их направления на зеркало 13. Светоделительные зеркала 16 и 17 установлены на пути лучей для их направления в триппель-призмы 23 и 24 соответственно, при этом триппель-призмы 23 и 24 закреплены на соседних боковых гранях пьезоэлектрического стола 27, а триппель-призма 22 - ортогонально первым двум, внутри пьезоэлектрического стола 27, с закрепленными над ней зеркальными призмами 25 и 26, при этом оси симметрии всех триппель-призм проходят через центр вращения пьезоэлектрического стола. Светоделительное зеркало 19 с 50% отражающей способностью установлено на пути лучей, отраженных триппель-призмой 23 и зеркалом 11, для оптического смешения лучей и направления их на зеркало 12, а светоделительное зеркало 18 с 50% отражающей способностью установлено на пути лучей, отраженных триппель-призмой 24 и зеркалом 8, для оптического смешения лучей и направления их на зеркало 14. Зеркала 12, 13, 14, со 100% отражающей способностью каждое, расположены на пути прохождения лучей с возможностью направления их в фотоприемники 29, 30, 31 соответственно для формирования электрического сигнала. Фотоприемники 29, 30, 31 и генератор сдвиговой частоты 33 подключены к соответствующим измерительным входам фазометра 32 для сравнения полученных частот сигналов.
При этом, в частном случае предлагается в качестве расщепителя лазерного луча применять акустооптический модулятор, работающий в режиме медленной волны.
Предложенное устройство позволяет уменьшить собственные шумы прибора путем вынесения источника тепла, которым является источник излучения, за пределы оптической схемы, минимизировать ошибку Аббе в результате размещения триппель-призм в трех ортогональных плоскостях и на осях движения пьезоэлектрического стола, уменьшить габариты прибора, установив после расщепителя на пути лучей поляризационный светоделитель и расположив зеркала вокруг пьезоэлектрического стола интерферометра.
Пример конкретной реализации устройства представлен на фиг. 1. Устройство включает в себя источник лазерного излучения 1, коллиматор 2, расположенный на пути луча, для ввода излучения лазера в волокно, оптическое волокно 3 для транспортировки излучения к оптической схеме, коллиматор 4 для ввода излучения в оптическую схему, расположенный на пути луча расщепитель 5 для сдвига частоты излучения и образования опорного и измерительного плечей интерферометра, поляризационный светоделитель 6 для разведения лучей на угол, достаточный для их независимого отражения с помощью светоделительных зеркал, зеркала 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 со 100% отражающей способностью, плоские светоделительные зеркала 15, 16, 17, 18, 19, отражающие 50% падающего на них излучения, плоские зеркала 20, 21, отражающие 30% падающего на них излучения, триппель-призмы 22, 23, 24, смещение которых измеряет интерферометр, зеркальные призмы 25, 26, пьезоэлектрический стол 27, полуволновую пластинку 28, фотоприемники 29, 30, 31, фазометр 32 для сравнения частот электрических сигналов, поступающих в него с выходов фотоприемников, и генератор сдвиговой частоты 33 для определения перемещения триппель-призм.
Устройство работает следующим образом.
Излучение лазера 1 с помощью коллиматора 2 вводится в оптическое волокно 3, по которому транспортируется к оптической схеме. Введенное в оптическую схему с помощью коллиматора 4 излучение лазера проходит через расщепитель, в качестве которого может быть использован акустооптический модулятор (АОМ) 5, работающий в режиме медленной волны, что приводит к тому, что поляризация излучения в первом порядке дифракции отличается на 90 градусов от поляризации излучения нулевого порядка дифракции. Таким образом, АОМ расщепляет излучение лазера на два луча со взаимно ортогональной поляризацией, формируя опорное и измерительное плечи интерферометра, и обеспечивает гетеродинный сдвиг частоты между ними. После прохождения АОМа угол между лучами составляет единицы градусов. Для эффективного использования зеркал необходимо, чтобы лучи разошлись на расстояние порядка сантиметра, что недопустимо по соображениям компактности. Поэтому в схеме установлен поляризационный светоделитель 6, после которого угол увеличивается на 90 градусов.
Прошедший через поляризационный светоделитель 6 луч попадает на светоделительное зеркало 21, которое пропускает 70% света на последовательно расположенные полуволновую пластинку 28 и зеркало 7. Отраженный зеркалом 21 луч попадает на зеркальную призму 25. Зеркальная призма 25 направляет луч на триппель-призму 22, которая отражает луч на зеркальную призму 26, направляющую луч на зеркало 9. Зеркало 9 отражает луч на зеркало 15. Таким образом формируется измерительное плечо оси Z. Светоделительное зеркало 7 отражает луч на последовательно расположенные зеркала 16 и 8, зеркало 16 отражает половину падающего на него света в триппель-призму 23, которая отражает луч на зеркало 19, формируя измерительное плечо оси Y. Отраженный зеркалом 8 на зеркало 18 луч формирует опорное плечо оси X.
Отраженный поляризационным светоделителем 6 луч попадает на последовательно расположенные зеркала 20 и 10. Зеркало 20 отражает 30% света на зеркало 15, формируя опорное плечо оси Z. Зеркало 10 направляет луч на последовательно расположенные зеркала 17 и 11. Зеркало 17 отражает половину падающего на него света на триппель-призму 24, которая отражает луч на зеркало 18, формируя измерительное плечо оси X. Отраженный зеркалом 11 на зеркало 19 луч образует опорное плечо оси Y.
Соответствующие опорные и измерительные лучи осей Z, X, Y сбиваются на полупрозрачных зеркалах 15, 18, 19, соответственно. Полуволновая пластина 28 обеспечивает поворот плоскости поляризации луча, который необходим для получения интерференции. Поворот плоскости поляризации в измерительном плече оси Z происходит с помощью двух зеркальных призм 25, 26, расположенных перпендикулярно друг другу. После смешения лучей измерительных и опорных каналов на зеркалах 15, 18, 19 лучи направляются на зеркала 13, 14, 12, соответственно, с помощью которых лучи попадают в фотоприемники 30, 31, 29.
Фотоприемники 29, 30, 31 формируют на своем выходе электрические сигналы, частота которых зависит как от величины сдвига частот излучений пучков, выходящих из акустооптического модулятора 5, так и от скорости перемещения триппель-призм 22, 23, 24, установленных на измеряемом объекте. В результате этого частота сигнала на выходе фотоприемников отличается от опорной и несет информацию о перемещении триппель-призм.
Фазометр 32 сравнивает частоты электрических сигналов, поступающих в него с выходов фотоприемников 29, 30, 31 и генератора сдвиговой частоты 33, и фиксирует величину перемещения измеряемого объекта по каждой из трех осей в каждый момент времени.
В случае расположения триппель-призм не на осях движения пьезоэлектрического стола появляется ошибка Аббе; размещение триппель-призм на осях его вращения позволяет минимизировать эту ошибку. Расположение триппель-призмы в трех ортогональных плоскостях пьезоэлектрического стола 27 позволяет измерять перемещение пьезоэлектрического стола в трех ортогональных координатах. С помощью зеркал 16 и 17 излучение вводится в триппель-призмы 23 и 24 соответственно для измерения перемещений вдоль осей X и Y соответственно. Триппель-призма 22 расположена в плоскости, ортогональной XY, поэтому для ввода излучения в нее используется зеркальная призма 25, а для вывода - зеркальная призма 26.
Размещение источника излучения отдельно от оптических элементов позволяет не допустить нагрева воздуха между зеркалами, а следовательно, изменения показателя преломления воздуха, что позволяет избавиться от дополнительных набегов фаз, которые вносят ошибку в измеряемую величину перемещения.
Использование поляризационного светоделителя и расположение зеркал вокруг пьезоэлектрического стола позволит уменьшить габариты прибора.
Таким образом, техническим результатом изобретения является уменьшение габаритов оптической системы, уменьшение собственных шумов за счет уменьшения колебаний показателя преломления воздуха и ошибки Аббе.
1. Интерферометр для измерения линейных перемещений сканера зондового микроскопа, содержащий источник лазерного излучения 1, расщепитель лазерного излучения 5, зеркала со 100% отражающей способностью 7, 8, 9, 10, 11 и светоделительные зеркала 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, пьезоэлектрический стол 27 для перемещения исследуемого объекта с закрепленными на нем триппель-призмами 22, 23, 24, фотоприемники для формирования электрических сигналов 29, 30, 31, фазометр 32 для сравнения частот электрических сигналов и генератор сдвиговой частоты 33 для подачи сигнала на расщепитель 5, отличающийся тем, что в него дополнительно введены две зеркальные призмы 25 и 26, поляризационный светоделитель 6, три зеркала со 100% отражающей способностью 12, 13, 14, полуволновая пластина 28, кроме того источник лазерного излучения 1 соединен с расщепителем 5 через оптическое волокно 3 и введенные коллиматоры 2 для ввода излучения лазера 1 в оптическое волокно 3 и 4 для вывода излучения лазера 1 из волокна 3, при этом поляризационный светоделитель 6 расположен на пути лучей после расщепителя 5, кроме того после поляризационного светоделителя 6 по ходу одного из лучей последовательно расположены светоделительное зеркало 20 для отражения 30% света на светоделительное зеркало 15 и зеркало 10 для отражения 100% света на светоделительное зеркало 17 с 50% отражающей способностью и зеркало 11 со 100% отражающей способностью, а по ходу другого луча - светоделительное зеркало 21 для отражения 30% падающего на него света на установленную зеркальную призму 25 для направления луча в триппель-призму 22, при этом полуволновая пластина 28 расположена между светоделительным зеркалом 21 и зеркалом 7 со 100% отражающей способностью, а на пути отраженного зеркалом 7 луча последовательно расположены зеркала 16 и 8 с отражающей способностью 50% и 100% соответственно, кроме того зеркальная призма 26 установлена на пути луча, отраженного триппель-призмой 22, для направления луча на зеркало 9 со 100% отражающей способностью, при этом светоделительное зеркало 15 с 50% отражающей способностью установлено между зеркалом 9 и светоделительным зеркалом 20 для оптического смешения лучей и их направления на зеркало 13, кроме того светоделительные зеркала 16 и 17 установлены на пути лучей для их направления в триппель-призмы 23 и 24 соответственно, при этом триппель-призмы 23 и 24 закреплены на соседних боковых гранях пьезоэлектрического стола 27, а триппель-призма 22 - ортогонально первым двум, внутри пьезоэлектрического стола 27, с закрепленными над ней зеркальными призмами 25 и 26, при этом оси симметрии всех триппель-призм проходят через центр вращения пьезоэлектрического стола, кроме того светоделительное зеркало 19 с 50% отражающей способностью установлено на пути лучей, отраженных триппель-призмой 23 и зеркалом 11, для оптического смешения лучей и направления их на зеркало 12, а светоделительное зеркало 18 с 50% отражающей способностью установлено на пути лучей, отраженных триппель-призмой 24 и зеркалом 8, для оптического смешения лучей и направления их на зеркало 14, кроме того зеркала 12, 13, 14, со 100% отражающей способностью каждое, расположены на пути прохождения лучей с возможностью направления их в фотоприемники 29, 30, 31 соответственно для формирования электрического сигнала, кроме того фотоприемники 29, 30, 31 и генератор сдвиговой частоты 33 подключены к соответствующим измерительным входам фазометра 32 для сравнения полученных частот сигналов.
2. Интерферометр по п. 1, отличающийся тем, что в качестве расщепителя лазерного луча применен акустооптический модулятор, работающий в режиме медленной волны.
