интерферометр для измерения перемещений двухкоординатного стола

Формула изобретения

ИНТЕРФЕРОМЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ДВУХКООРДИНАТНОГО СТОЛА, содержащее последовательно установленные монохраматический источник света, например лазер, и светоделитель для формирования двух измерительных каналов, каждый из которых включает последовательно расположенные по ходу излучения плоское зеркало, предназначенное для крепления со столом, и фотоприемное устройство, электрически соединенное с фотоприемными устройствами, отличающийся тем, что он снабжен общим для обоих измерительных каналов оптическим блоком, выполненным из плоскопараллельной светоделительной пластины, установленной по ходу излучения за светоделителем и оптически связанной с обоими фотоприемными устройствами и плоскими зеркалами, и отражателем с двумя плоскопараллельными зеркально-отражающими поверхностями, ориентированным так, что каждая из его отражающих поверхностей оптически связана соответственно с одним из плоских зеркал и через светоделитель с фотоприемным устройством.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое техническое решение относится к области измерительной техники, а более конкретно к интерферометрам и может быть использовано для измерения линейных перемещений с высокой степенью точности в большом диапазоне измерительных величин в приборостроении, станкостроении, системах автоматизации и др.

Известен интерферометр [1] для измерения перемещений двухкоординатного стола, входящий в состав электронного литографа ВS-600, содержащий лазерный источник света, светоделитель, формирующий два измерительных канала, в каждом из которых установлен светоделитель, для формирования и рекомбинации референтного и информационного лучей, неподвижный уголковый отражатель, установленный на пути референтного луча, подвижный уголковый отражатель, установленный на пути информационного луча и жестко связанный с двухкоординатным столом, неподвижный уголковый отражатель, установленный на пути вышедшего из подвижного отражателя и отклоненного светоделителем информационного луча, фотоприемное и отсчетное устройства.

Недостатками известного интерферометра являются: низкая точность измерений, ограниченная чувствительностью его к непрямолинейности перемещения измерительных кареток в измерительной плоскости, к неортогональности рабочих поверхностей каждого неподвижного уголкового отражателя при перемещении двухкоординатного стола, к неортогональности рабочих поверхностей каждого подвижного отражателя, установленного в одном из измерительных каналов при перемещении стола в другом измерительном канале, сложность конструкции из-за весьма жестких требований предъявляемых к точности рабочих поверхностей элементов интерферометра и юстировки.

Известен также интерферометр для измерения перемещений [2] содержащий монохроматический источник света, светоделитель, служащий для формирования двух измерительных каналов, каждый их из которых включает светоделитель, для формирования и рекомбинации референтного и информационного лучей, неподвижный уголковый отражатель, выполненный в виде прямоугольной призмы и установленный на пути референтного луча, плоский подвижный отражатель, выполненный в виде плоского зеркала, установленный на пути информационного луча и жестко связанный с двухкоординатным столом, неподвижный уголковый отражатель, выполненный в виде прямоугольной призмы, установленный на пути отраженного от подвижного отражателя и прошедшего через светоделитель информационного луча, а также фотоприемное и отсчетное устройства.

Недостатками данного интерферометра являются сравнительно низкая точность измерений, ограниченная чувствительностью его к неортогональности рабочих поверхностей неподвижных уголковых отражателей при непрямолинейном перемещении двухкоординатного стола в измерительной плоскости, а также сложность конструкции из-за весьма жестких требований предъявляемых к точности рабочих поверхностей элементов интерферометра и юстировки.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому техническому решению является лазерный интерферометр для измерения перемещений двухкоординатного стола [3] принятый в качестве прототипа. Интерферометр содержит монохроматический источник света, например лазер, светоделитель, формирующий два измерительных канала, каждый из которых включает светоделитель, для формирования и рекомбинации референтного и информационного лучей, неподвижный уголковый отражатель, установленный на пути референтного луча, подвижный уголковый отражатель, установленный на пути информационного луча и жестко связанный с двухкоординатным столом, неподвижный уголковый отражатель, установленный на пути вышедшего из подвижного отражателя информационного луча, фотоприемное и отсчетное устройства.

Недостатками интеpферометра являются низкая точность измерений, ограниченная чувствительностью его к неортогональности рабочих поверхностей неподвижных уголковых отражателей, при прямолинейном перемещении двухкоординатного стола в измерительной плоскости, к неортогональности рабочих поверхностей каждого подвижного отражателя, установленного в одном из измерительных каналов при перемещении стола в другом измерительном канале, а также сложность конструкции из-за весьма жестких требований предъявляемых к точности рабочих поверхностей элементов интерферометра и юстировки.

Предлагаемое техническое решение устраняет указанные недостатки прототипа и позволяет повысить точность измерений и упростить конструкцию устройства.

Указанная задача решается за счет того, что в интерферометре для измерения перемещений двухкоординатного стола, содержащем последовательно установленные монохроматический источник света, например лазер, и светоделитель для формирования двух измерительных каналов, каждый из которых включает последовательно расположенные по ходу излучения плоское зеркало, предназначенное для закрепления со столом, и отсчетное устройство, электрически соединенное с фотоприемным устройством, установлен общий для обоих измерительных каналов оптический блок, выполненный из плоскопараллельной светоделительной пластины, установленной по ходу излучения за светоделителем и оптически связанной с обоими фотоприемными устройствами и плоскими зеркалами, и отражателем с двумя плоскопараллельными зеркальноотражающими поверхностями, ориентированным таким образом, что каждая из его отражающих поверхностей оптически связана, соответственно, с одним из плоских зеркал и через светоделитель с фотоприемным устройством.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленное устройство отличается наличием общего для обоих измерительных каналов оптического блока, выполненного из плоскопараллельной светоделительной пластины, установленной по ходу излучения за светоделителем и оптически связанной с обоими фотоприемными устройствами и плоскими зеркалами, и отражателем с двумя плоскопараллельными зеркальноотражающими поверхностями, ориентированным таким образом, что каждая из его отражающих поверхностей оптически связана, соответственно, с одним из плоских зеркал и через светоделитель с фотоприемным устройством.

Сравнение заявляемого технического решения с другими решениями в данной и смежной областях в объеме проведенного поиска показывает, что каждый элемент оптической схемы устройства в отдельности известен, однако, в той взаимосвязи элементов, как это предложено в заявляемом устройстве, а также выполнение отдельных элементов, в частности, неподвижного отражателя, состоящего из пластины с двумя плоскопараллельными зеркальноотражающими поверхностями, каждая из которых установлена в измерительных каналах на пути информационных лучей позволило полностью исключить погрешность измерения интерферометра, связанную с чувствительностью его к неортогональности рабочих поверхностей неподвижных уголковых отражателей при непрямолинейном перемещении двухкоординатного стола в измерительной плоскости и к неортогональности рабочих поверхностей каждого подвижного отражателя, установленного в одном из измерительных каналов при перемещении стола в другом измерительном канале, а также упростить конструкцию за счет уменьшения количества рабочих поверхностей оптических элементов в измерительных каналах.

На фиг. 1 и 2 показана оптико-кинематическая схема описываемого интерферометра.

Устройство содержит монохроматический источник света 1, например лазер, светоделитель 2 для формирования двух измерительных каналов Х и Y, выполненный, например, в виде светоделительного кубика и расположенный за лазером 1 по ходу световых лучей, каждый измерительный канал включает светоделитель 3, выполненный в виде плоскопараллельной делительной пластины, установленной одновременно в двух измерительных каналах для формирования и рекомбинации референтного 4 и информационного 5 лучей в каждом измерительном канале, плоский подвижный отражатель 6, выполненный в виде плоского зеркала, установленный на пути информационного луча и жестко связанный с двухкоординатным столом 7, неподвижный отражатель 8, состоящий из пластины с двумя плоскопараллельными зеркальноотражающими поверхностями, каждая из которых установлена на пути информационного луча 5,фотоприемное устройство 9 и отсчетное устройство 10.

Интерферометр для измерения перемещений двухкоординатного стола работает следующим образом.

Монохроматическое излучение источника света 1 делится светоделителем 2 на две части, образующих два измерительных канала Х и Y. В каждом канале луч света делится светоделителем 3 на референтный луч 3 и информационный луч 5. Референтный луч 4 отражается от светоделителя 3 в направлении фотоприемного устройства 9. Информационный луч 5 направляется к оптическим элементам интерферометра и отражается от них в следующей последовательности: плоский подвижной отражатель 6, светоделитель 3, неподвижный отражатель 8, плоский подвижный отражатель 6, неподвижный отражатель 8, затем направляется к светоделителю 3, на светоделительном покрытии которого информационный луч 5 и референтный луч 4 интерферируют друг с другом. Луч, полученный в результате интерференции информационного луча 5 и референтного луча 4, поступает на фотоприемное устройство 9, в котором он преобразуется в электрический сигнал и обрабатывается известными способами, а затем результат измерения величины перемещения двухкоординатного стола изображается на табло отсчетного устройства 10. При движении двухкоординатного стола 7 изменяется разность хода информационного луча 5 и референтного луча 4. Смещение подвижного отражателя 6 на четверть длины волны излучения источника света 1 соответствует одному периоду в изменении светового потока луча, полученного в результате интерференции информационного луча 5 и референтного луча 4.

Положительный эффект от использования предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом заключается в повышении точности измерения за счет исключения погрешности измерения интерферометра из-за чувствительности его к неортогональности рабочих поверхностей неподвижных уголковых отражателей, при непрямолинейном перемещении двухкоординатного стола в измерительной плоскости, к неортогональности рабочих поверхностей каждого подвижного отражателя, установленного в одном из измерительных каналов при перемещении стола в другом измерительном канале, а также в упрощении конструкции устройства за счет уменьшения количества рабочих поверхностей оптических элементов в измерительных каналах.