eng
Выпуск #7-8/2022
Б.Г.Турухано,И.А.Турухано, Ю.М.Лавров, О.Г.Ермоленко, С.Н.Ханов
ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ НАНОДЛИНОМЕР
ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ НАНОДЛИНОМЕР
Просмотры: 623
Получено: 24.10.2022 г. | Принято: 30.10.2022 г. | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.7-8.450.457
Научная статья
ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ НАНОДЛИНОМЕР
Б.Г.Турухано1, заведующий ЛГИИС, Заслуженный изобретатель РФ, ORCID: 0000-0002-6441-4259 / turukhano_bg@pnpi.nrcki.ru
И.А.Турухано2, кинооператор, ORCID: 0000-0002-8615-0522
Ю.М.Лавров1, науч. сотр., ORCID: 0000-0001-8890-9929
О.Г.Ермоленко1, вед. инженер-технолог, ORCID: 0000-0002-0460-0746
С.Н.Ханов1, вед. инженер-электронщик, ORCID: 0000-0001-5237-1725
Аннотация. В этой статье авторы освещают современное состояние измерительной техники, в частности при измерении линейных размеров объектов вертикальными нанодлиномерами голографическими (НДГ) на базе голографических дифракционных решеток.
Ключевые слова: голографическая дифракционная решетка, нанодлиномер голографический
Для цитирования: Б.Г. Турухано, И.А. Турухано, Ю.М. Лавров, О.Г. Ермоленко, С.Н. Ханов. Голографический нанодлиномер. НАНОИНДУСТРИЯ. 2022. Т. 15, № 7–8. С. 450–457. https://doi.org/
10.22184/1993-8578.2022.15.7-8.450.457
Received: 24.10.2022 | Accepted: 30.10.2022 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.7-8.450.457
Original paper
NANOLENGTH HOLOGRAPHIC ENCODER
B.G.Turukhano1, заведующий ЛГИИС, Заслуженный изобретатель РФ, ORCID: 0000-0002-6441-4259 / turukhano_bg@pnpi.nrcki.ru
I.A.Turukhano2, кинооператор, ORCID: 0000-0002-8615-0522
Yu.M.Lavrov1, науч. сотр., ORCID: 0000-0001-8890-9929
O.G.Ermolenko1, вед. инженер-технолог, ORCID: 0000-0002-0460-0746
S.N.Khanov1, вед. инженер-электронщик, ORCID: 0000-0001-5237-1725
Abstract. In this paper, the authors highlight the current state of measurement technology, in particular, when measuring the linear dimensions of objects with vertical nanolength holographic encoders (NHE) based on holographic diffraction gratings.
Keywords: holographic diffraction grating, vertical nanolength holographic encoder
For citation: B.G. Turukhano, I.A. Turukhano, Yu.M. Lavrov, O.G. Ermolenko, S.N. Khanov. Nanolength holographic encoder. NANOINDUSTRY. 2022. V. 15, no. 7–8. PP. 450–457. https://doi.org/
10.22184/1993-8578.2022.15.7-8.450.457.
ВВЕДЕНИЕ
Известно устройство оптикатор [1], предназначенное 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.
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 миллиметр и более, кроме этого, с его помощью невозможно обеспечить измерение с наноточностью.
Известно также устройство микрометрическая головка "ТУБОР" [2], представляющая собой длиномер голографический. Устройство содержит жестко связанную с измерительным стрежнем измерительную голографическую решетку со штрихами на подложке, 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 и фотоприемников.
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.
Подшипники длиномера разнесены по длине измерительного стержня и предназначены для параллельного перемещения стержня с измерительной решеткой относительно индикаторной решетки с постоянным зазором между базовыми поверхностями решеток.
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ДЛИНОМЕРА
Длиномер работает следующим образом: 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 связанная со стержнем измерительная решетка относительно индикаторной решетки, и на выходах фотоприемников матрицы формируются переменные электрические сигналы, сдвинутые по фазе на 90о. Эти сигналы поступают затем в блок электроники, где с помощью компаратора формируются счетные импульсы, по которым определяется линейный размер объекта.
Подшипники обеспечивают параллельное перемещение измерительной решетки относительно индикаторной решетки с постоянным зазором между ними, что необходимо для сохранения постоянства периода интерференционных полос на протяжении всего процесса измерения линейного размера объекта, благодаря чему обеспечивается точность измерений.
На рис.1 показана микрометрическая головка "ТУБОР" с измеряемой длиной L = 30 мм, а в табл.1 представлены характеристики модельного ряда микрометрических головок "ТУБОР" с измеряемыми длинами L = 30/100/200 мм. Эти длиномеры были исследованы в ГОССТАНДАРТ России и в Федеральном агентстве России, где были утверждены как "типы средств измерений".
При этом служащий в качестве направляющей плоский металлический продольный срез измерительного стержня выполнен при помощи механической обработки, которая характеризуется наличием шероховатости и невысокой плоскостностью. Микровибрации, возникающие при перемещении стержня с измерительной решеткой по неточным направляющим, 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 фазовому сдвигу в 90о между ними, что снижает точность при определении линейного размера объекта, причем точность падает с увеличением измеряемой длины. Вследствие этого использование данного устройства при измерении линейных размеров объектов позволяет получить результаты измерений с разрешением не выше 0,01 мкм, однако, при длинах более 200 мм, и особенно при длинах, близких к 500 мм и более, точность результатов снижается и не позволяет измерять с высокой точностью, и тем более с наноточностью, большие линейные размеры, что ограничивает область применения устройства.
Поэтому для расширения диапазона измерения линейных размеров объекта до 500 мм и более с сохранением наноточности измерений во всем измеряемом диапазоне, что расширяет область применения устройства, был разработан и изготовлен вертикальный нанодлиномер голографический (НДГ), представленный на рис.2.
Нанодлиномер голографический содержит корпус 1, жестко связанный с измерительной решеткой 2 со штрихами на стеклянной подложке [3÷7], и считывающую головку 3 (рис.2a и рис.2b), состоящую из индикаторной решетки 8 со штрихами на своей подложке. Считывающая головка 3 жестко соединена с торцом измерительного стержня 4 с наконечником 5 и приводом перемещения 6, который выполнен в виде гибкой нити. Кроме этого, НДГ дополнительно содержит автономную стеклянную направляющую с базовой и обратной поверхностями с высокоточной плоскостностью базовой поверхности, которая жестко присоединена к торцу подложки измерительной решетки. Стеклянная подложка измерительной решетки 2 также содержит базовую и обратную 7 поверхности (рис.2b), обладающие также высокой плоскостностью. Считывающая головка 3 содержит индикаторную решетку 8. С целью сохранения постоянного зазора между измерительной и индикаторной решетками в НДГ установлены два узла опор с подшипниками, которые предназначены для параллельного перемещения стержня с измерительной решеткой относительно индикаторной решетки.
Подшипники одного узла опор обеспечивают перемещение считывающей головки 3 вдоль измерительной решетки 2, а подшипники другого узла опор обеспечивают перемещение считывающей головки 3 вдоль автономной стеклянной направляющей и все подшипники присоединены к считывающей головке. Частота штрихов двух голографических решеток (измерительной и индикаторной) в данном примере выполнения устройства равна 1000 лин/мм.
Матрица фотоприемников 9 и 10 электрически соединена с электронным блоком управления [8].
Устройство работает следующим образом: в процессе измерения нить 6, связанную со считывающей головкой 3 и с измерительным стержнем 4, перемещают в направлении установленной под наконечником измеряемой эталонной меры. При перемещении считывающей головки 3 с измерительным стержнем 4 и наконечником 5 индикаторная решетка 8 смещается относительно измерительной решетки 2. Пучок излучения, генерируемый источником излучения 11 и жестко связанный со считывающей головкой 3, коллимируется коллиматором 12 и проходит через дифракционные решетки 8 и 2. В поле интерференционных полос, образующихся за решетками 8 и 2, распределение интенсивности интерференционных полос преобразуется матрицей фотоприемников 9 и 10 в электрические сигналы, сдвинутые по фазе на 90 °. Эти сигналы затем передаются по электронной связи от матрицы фотоприемников в электронный блок управления, где с помощью компаратора формируются счетные импульсы, по которым определяется линейный размер объекта. Вместе с тем, при перемещении подшипников по стеклянным подложкам измерительной решетки 2 и жестко с ней связанной стеклянной автономной направляющей, обладающей высокой плоскостностью базовых поверхностей, исключаются микровибрации и смещения, которые вызывает движение по шероховатым и неровным поверхностям.
Во время измерений перемещение считывающей головки 3 с индикаторной решеткой 8, обладающей меньшими размерами, нежели подложка с измерительной решеткой 2, подвергает всю систему меньшим нагрузкам и ограничениям, таким как условие сохранения линии перемещения параллельно оси измерения и уменьшение вибраций, при этом измерительная решетка 2 может быть любых размеров, и она жестко зафиксирована в корпусе 1 (рис.2а).
Конструктивное выполнение устройства, в частности взаимное расположение в корпусе 1 дифракционных решеток 2 и 8 с узлами опор и измерительного стержня 4, позволило уменьшить расстояние между дифракционными решетками, что снижает ошибки Аббе, и в свою очередь позволяет повысить точность измерений. Также использование направляющих для перемещения считывающей головки 3 по подложкам измерительной решетки и автономной направляющей обеспечивает возможность производить нанодлиномеры с измерительными решетками больших размеров, вплоть до метра и более, с минимизированием ошибок Аббе. В НДГ используется стекло, изготовленное методом "флоат-процесса", обладающее высокими характеристиками плоскостности, которые сохраняются при больших длинах и при этом не требуется механическая обработка, как в случае с голографическими длиномерами (рис.1).
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 и 8 сохраняли свой наклон друг относительно друга, что позволит сохранить постоянство разности фаз электрических сигналов.
В процессе измерения с помощью НДГ обеспечивается строгая равномерность и прямолинейность перемещения, соблюдается заданный угол между штрихами дифракционных решеток 2 и 8, что обеспечивает сохранение периода и наклона интерференционных полос, образуемых за решетками, и приводит к повышению точности измерений до наноточности, что экспериментально подтверждено при проведении ряда измерений эталонных мер на 100, 200 и 500 мм (табл.2).
Высокая точность нанодлиномера голографического связана не только с точностью механической части самого нанодлиномера, но и с точностью изготовления самих линейных голографических дифракционных решеток (ЛГДР).
ВЫВОДЫ
Авторам на специальных устройствах для синтеза ЛГДР удалось записать и тиражировать высокочастотные голографические дифракционные решетки с длиной до и более одного метра и с частотой 1000 лин/мм, не имеющих аналогов в мире, по длине и точности [3–7].
Эти решетки были исследованы и сертифицированы во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева. Авторами была изготовлена рекордная отечественная высокочастотная ЛГДР с длиной 1200 мм и с частотой 1000 лин/мм (рис.4). На базе этой ЛДГР можно создать НДГ-1200 с диапазоном измерения линейных размеров объекта до 1200 мм и с достижением наноточности этих измерений во всем измеряемом диапазоне, что расширяет область применения данного устройства.
На рис.5.1, рис.5.2, рис.5.3 представлены НДГ с возможностью измерения объектов с размерами L = 100 мм; L = 200 мм и L = 500 мм, а в табл.2 и табл.3 приведены их характеристики. Представленные нанодлиномеры голографические могут быть использованы для нанометрических исследований и измерений, для поверки высокоточных концевых мер длины, в системах для сортировки точных деталей по размеру, в микро- и нанолитографии и в других случаях, где необходима наноточность при измерениях. Их применение актуально также в машиностроении, оптико-механической, аэрокосмической и других отраслях при измерениях линейных размеров объектов в нанообласти.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Оптикатор, предназначенный для измерения линейных размеров. Л.С. Баранов, С.Б. Тарасов, Я.М. Цейтлин. Патент SU № 274372, МПК G01B 9/04.
Измерительная микрометрическая головка "ТУБОР", Б.Г. Турухано, Н. Турухано, В.Н. Якутович. Патент RU 2032142 С1, 1992.
Устройство для фазированного соединения голографических дифракционных решеток. В.П. Горелик, С.Н. Николаев, Б.Г. Турухано, Н. Турухано. Патент РФ № 673018, пр. 06.06.1977.
Устройство для синтеза длинных голографических дифракционных решеток. Б.Г. Турухано, В.П. Горелик, Н. Турухано, С.В. Гордеев Патент РФ № 1 052 095, пр. 05.07.1982.
Apparatus for assessing the linearity of a diffraction grating under certification. B.G. Turukhano, V.P. Gorelik, N. Turukhano, S.N. Kovalenko Patent Germany DD267892, Filed 05.06.1985.
Устройство для синтеза длинных голографических дифракционных решеток. Н. Турухано. А.С. СССР № 1 3264032, пр. 10.01.1986 г.
Запись голографических дифракционных решеток с помощью импульсного лазера. Б.Г. Турухано, Н. Турухано, И.А. Турухано // НАНОИНДУСТРИЯ. 2021. Т. 14, № 5.
Датчик линейных перемещений. Б.Г. Турухано, Н. Турухано. Патент РФ № 2534378, 2014.
Научная статья
ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ НАНОДЛИНОМЕР
Б.Г.Турухано1, заведующий ЛГИИС, Заслуженный изобретатель РФ, ORCID: 0000-0002-6441-4259 / turukhano_bg@pnpi.nrcki.ru
И.А.Турухано2, кинооператор, ORCID: 0000-0002-8615-0522
Ю.М.Лавров1, науч. сотр., ORCID: 0000-0001-8890-9929
О.Г.Ермоленко1, вед. инженер-технолог, ORCID: 0000-0002-0460-0746
С.Н.Ханов1, вед. инженер-электронщик, ORCID: 0000-0001-5237-1725
Аннотация. В этой статье авторы освещают современное состояние измерительной техники, в частности при измерении линейных размеров объектов вертикальными нанодлиномерами голографическими (НДГ) на базе голографических дифракционных решеток.
Ключевые слова: голографическая дифракционная решетка, нанодлиномер голографический
Для цитирования: Б.Г. Турухано, И.А. Турухано, Ю.М. Лавров, О.Г. Ермоленко, С.Н. Ханов. Голографический нанодлиномер. НАНОИНДУСТРИЯ. 2022. Т. 15, № 7–8. С. 450–457. https://doi.org/
10.22184/1993-8578.2022.15.7-8.450.457
Received: 24.10.2022 | Accepted: 30.10.2022 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.7-8.450.457
Original paper
NANOLENGTH HOLOGRAPHIC ENCODER
B.G.Turukhano1, заведующий ЛГИИС, Заслуженный изобретатель РФ, ORCID: 0000-0002-6441-4259 / turukhano_bg@pnpi.nrcki.ru
I.A.Turukhano2, кинооператор, ORCID: 0000-0002-8615-0522
Yu.M.Lavrov1, науч. сотр., ORCID: 0000-0001-8890-9929
O.G.Ermolenko1, вед. инженер-технолог, ORCID: 0000-0002-0460-0746
S.N.Khanov1, вед. инженер-электронщик, ORCID: 0000-0001-5237-1725
Abstract. In this paper, the authors highlight the current state of measurement technology, in particular, when measuring the linear dimensions of objects with vertical nanolength holographic encoders (NHE) based on holographic diffraction gratings.
Keywords: holographic diffraction grating, vertical nanolength holographic encoder
For citation: B.G. Turukhano, I.A. Turukhano, Yu.M. Lavrov, O.G. Ermolenko, S.N. Khanov. Nanolength holographic encoder. NANOINDUSTRY. 2022. V. 15, no. 7–8. PP. 450–457. https://doi.org/
10.22184/1993-8578.2022.15.7-8.450.457.
ВВЕДЕНИЕ
Известно устройство оптикатор [1], предназначенное 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.
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 миллиметр и более, кроме этого, с его помощью невозможно обеспечить измерение с наноточностью.
Известно также устройство микрометрическая головка "ТУБОР" [2], представляющая собой длиномер голографический. Устройство содержит жестко связанную с измерительным стрежнем измерительную голографическую решетку со штрихами на подложке, 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 и фотоприемников.
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.
Подшипники длиномера разнесены по длине измерительного стержня и предназначены для параллельного перемещения стержня с измерительной решеткой относительно индикаторной решетки с постоянным зазором между базовыми поверхностями решеток.
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ДЛИНОМЕРА
Длиномер работает следующим образом: 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 связанная со стержнем измерительная решетка относительно индикаторной решетки, и на выходах фотоприемников матрицы формируются переменные электрические сигналы, сдвинутые по фазе на 90о. Эти сигналы поступают затем в блок электроники, где с помощью компаратора формируются счетные импульсы, по которым определяется линейный размер объекта.
Подшипники обеспечивают параллельное перемещение измерительной решетки относительно индикаторной решетки с постоянным зазором между ними, что необходимо для сохранения постоянства периода интерференционных полос на протяжении всего процесса измерения линейного размера объекта, благодаря чему обеспечивается точность измерений.
На рис.1 показана микрометрическая головка "ТУБОР" с измеряемой длиной L = 30 мм, а в табл.1 представлены характеристики модельного ряда микрометрических головок "ТУБОР" с измеряемыми длинами L = 30/100/200 мм. Эти длиномеры были исследованы в ГОССТАНДАРТ России и в Федеральном агентстве России, где были утверждены как "типы средств измерений".
При этом служащий в качестве направляющей плоский металлический продольный срез измерительного стержня выполнен при помощи механической обработки, которая характеризуется наличием шероховатости и невысокой плоскостностью. Микровибрации, возникающие при перемещении стержня с измерительной решеткой по неточным направляющим, 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 фазовому сдвигу в 90о между ними, что снижает точность при определении линейного размера объекта, причем точность падает с увеличением измеряемой длины. Вследствие этого использование данного устройства при измерении линейных размеров объектов позволяет получить результаты измерений с разрешением не выше 0,01 мкм, однако, при длинах более 200 мм, и особенно при длинах, близких к 500 мм и более, точность результатов снижается и не позволяет измерять с высокой точностью, и тем более с наноточностью, большие линейные размеры, что ограничивает область применения устройства.
Поэтому для расширения диапазона измерения линейных размеров объекта до 500 мм и более с сохранением наноточности измерений во всем измеряемом диапазоне, что расширяет область применения устройства, был разработан и изготовлен вертикальный нанодлиномер голографический (НДГ), представленный на рис.2.
Нанодлиномер голографический содержит корпус 1, жестко связанный с измерительной решеткой 2 со штрихами на стеклянной подложке [3÷7], и считывающую головку 3 (рис.2a и рис.2b), состоящую из индикаторной решетки 8 со штрихами на своей подложке. Считывающая головка 3 жестко соединена с торцом измерительного стержня 4 с наконечником 5 и приводом перемещения 6, который выполнен в виде гибкой нити. Кроме этого, НДГ дополнительно содержит автономную стеклянную направляющую с базовой и обратной поверхностями с высокоточной плоскостностью базовой поверхности, которая жестко присоединена к торцу подложки измерительной решетки. Стеклянная подложка измерительной решетки 2 также содержит базовую и обратную 7 поверхности (рис.2b), обладающие также высокой плоскостностью. Считывающая головка 3 содержит индикаторную решетку 8. С целью сохранения постоянного зазора между измерительной и индикаторной решетками в НДГ установлены два узла опор с подшипниками, которые предназначены для параллельного перемещения стержня с измерительной решеткой относительно индикаторной решетки.
Подшипники одного узла опор обеспечивают перемещение считывающей головки 3 вдоль измерительной решетки 2, а подшипники другого узла опор обеспечивают перемещение считывающей головки 3 вдоль автономной стеклянной направляющей и все подшипники присоединены к считывающей головке. Частота штрихов двух голографических решеток (измерительной и индикаторной) в данном примере выполнения устройства равна 1000 лин/мм.
Матрица фотоприемников 9 и 10 электрически соединена с электронным блоком управления [8].
Устройство работает следующим образом: в процессе измерения нить 6, связанную со считывающей головкой 3 и с измерительным стержнем 4, перемещают в направлении установленной под наконечником измеряемой эталонной меры. При перемещении считывающей головки 3 с измерительным стержнем 4 и наконечником 5 индикаторная решетка 8 смещается относительно измерительной решетки 2. Пучок излучения, генерируемый источником излучения 11 и жестко связанный со считывающей головкой 3, коллимируется коллиматором 12 и проходит через дифракционные решетки 8 и 2. В поле интерференционных полос, образующихся за решетками 8 и 2, распределение интенсивности интерференционных полос преобразуется матрицей фотоприемников 9 и 10 в электрические сигналы, сдвинутые по фазе на 90 °. Эти сигналы затем передаются по электронной связи от матрицы фотоприемников в электронный блок управления, где с помощью компаратора формируются счетные импульсы, по которым определяется линейный размер объекта. Вместе с тем, при перемещении подшипников по стеклянным подложкам измерительной решетки 2 и жестко с ней связанной стеклянной автономной направляющей, обладающей высокой плоскостностью базовых поверхностей, исключаются микровибрации и смещения, которые вызывает движение по шероховатым и неровным поверхностям.
Во время измерений перемещение считывающей головки 3 с индикаторной решеткой 8, обладающей меньшими размерами, нежели подложка с измерительной решеткой 2, подвергает всю систему меньшим нагрузкам и ограничениям, таким как условие сохранения линии перемещения параллельно оси измерения и уменьшение вибраций, при этом измерительная решетка 2 может быть любых размеров, и она жестко зафиксирована в корпусе 1 (рис.2а).
Конструктивное выполнение устройства, в частности взаимное расположение в корпусе 1 дифракционных решеток 2 и 8 с узлами опор и измерительного стержня 4, позволило уменьшить расстояние между дифракционными решетками, что снижает ошибки Аббе, и в свою очередь позволяет повысить точность измерений. Также использование направляющих для перемещения считывающей головки 3 по подложкам измерительной решетки и автономной направляющей обеспечивает возможность производить нанодлиномеры с измерительными решетками больших размеров, вплоть до метра и более, с минимизированием ошибок Аббе. В НДГ используется стекло, изготовленное методом "флоат-процесса", обладающее высокими характеристиками плоскостности, которые сохраняются при больших длинах и при этом не требуется механическая обработка, как в случае с голографическими длиномерами (рис.1).
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 и 8 сохраняли свой наклон друг относительно друга, что позволит сохранить постоянство разности фаз электрических сигналов.
В процессе измерения с помощью НДГ обеспечивается строгая равномерность и прямолинейность перемещения, соблюдается заданный угол между штрихами дифракционных решеток 2 и 8, что обеспечивает сохранение периода и наклона интерференционных полос, образуемых за решетками, и приводит к повышению точности измерений до наноточности, что экспериментально подтверждено при проведении ряда измерений эталонных мер на 100, 200 и 500 мм (табл.2).
Высокая точность нанодлиномера голографического связана не только с точностью механической части самого нанодлиномера, но и с точностью изготовления самих линейных голографических дифракционных решеток (ЛГДР).
ВЫВОДЫ
Авторам на специальных устройствах для синтеза ЛГДР удалось записать и тиражировать высокочастотные голографические дифракционные решетки с длиной до и более одного метра и с частотой 1000 лин/мм, не имеющих аналогов в мире, по длине и точности [3–7].
Эти решетки были исследованы и сертифицированы во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева. Авторами была изготовлена рекордная отечественная высокочастотная ЛГДР с длиной 1200 мм и с частотой 1000 лин/мм (рис.4). На базе этой ЛДГР можно создать НДГ-1200 с диапазоном измерения линейных размеров объекта до 1200 мм и с достижением наноточности этих измерений во всем измеряемом диапазоне, что расширяет область применения данного устройства.
На рис.5.1, рис.5.2, рис.5.3 представлены НДГ с возможностью измерения объектов с размерами L = 100 мм; L = 200 мм и L = 500 мм, а в табл.2 и табл.3 приведены их характеристики. Представленные нанодлиномеры голографические могут быть использованы для нанометрических исследований и измерений, для поверки высокоточных концевых мер длины, в системах для сортировки точных деталей по размеру, в микро- и нанолитографии и в других случаях, где необходима наноточность при измерениях. Их применение актуально также в машиностроении, оптико-механической, аэрокосмической и других отраслях при измерениях линейных размеров объектов в нанообласти.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Оптикатор, предназначенный для измерения линейных размеров. Л.С. Баранов, С.Б. Тарасов, Я.М. Цейтлин. Патент SU № 274372, МПК G01B 9/04.
Измерительная микрометрическая головка "ТУБОР", Б.Г. Турухано, Н. Турухано, В.Н. Якутович. Патент RU 2032142 С1, 1992.
Устройство для фазированного соединения голографических дифракционных решеток. В.П. Горелик, С.Н. Николаев, Б.Г. Турухано, Н. Турухано. Патент РФ № 673018, пр. 06.06.1977.
Устройство для синтеза длинных голографических дифракционных решеток. Б.Г. Турухано, В.П. Горелик, Н. Турухано, С.В. Гордеев Патент РФ № 1 052 095, пр. 05.07.1982.
Apparatus for assessing the linearity of a diffraction grating under certification. B.G. Turukhano, V.P. Gorelik, N. Turukhano, S.N. Kovalenko Patent Germany DD267892, Filed 05.06.1985.
Устройство для синтеза длинных голографических дифракционных решеток. Н. Турухано. А.С. СССР № 1 3264032, пр. 10.01.1986 г.
Запись голографических дифракционных решеток с помощью импульсного лазера. Б.Г. Турухано, Н. Турухано, И.А. Турухано // НАНОИНДУСТРИЯ. 2021. Т. 14, № 5.
Датчик линейных перемещений. Б.Г. Турухано, Н. Турухано. Патент РФ № 2534378, 2014.
Отзывы читателей
