Главная » Просмотр файлов » Принципы нанометрологии

Принципы нанометрологии (1027506), страница 22

Файл №1027506 Принципы нанометрологии (Принципы нанометрологии) 22 страницаПринципы нанометрологии (1027506) страница 222017-12-21СтудИзба
Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 22)

The sameapplies for the obliquity effect if there is a small angle between the beams.4.5.4.7 Phase change uncertaintyProper determination of the phase change correction is transferred to manymeasurements, so it is important to do multiple measurements withmultiple gauge blocks in order to avoid making a systematic error whencorrecting large amounts of gauge blocks with the same value.

For thisdetermination it is customary to take small gauge blocks that can be wrungwell (for example, 5 mm) so that length-dependent effects (refractive index,temperature) are minimal, and the fringe fraction determination andwringing repeatability are the determining factors.8182C H A P T ER 4 : Length traceability using interferometry4.5.4.8 Cosine errorCosine error is mainly mentioned as an illustration of how closely the Abbeprinciple is followed by gauge block interferometry (see section 5.2.8.3 fora description of the cosine error). The gauge block has to be slightly tilted inorder to generate a number of fringes over the surface (with phase-steppingthis is not required).

Even if ten fringes are used over the gauge block lengththis gives a cosine error of 5 10–9 L, far within effects of commontemperature uncertainties.4.6 References[1] ISO/TR 14638: 1995 Geometrical product specification (GPS) - Masterplan(International Organization for Standardization)[2] Hansen H N, Carneiro K, Haitjema H, De Chiffre L 2006 Dimensionalmicro and nano metrology Ann. CIRP 55 721–743[3] Flack D R, Hannaford J 2005 Fundamental good practice in dimensionalmetrology NPL Good practice guide No 80 (National Physical Laboratory)[4] Doiron T 1995 The gage block handbook (National Institute of Standardsand Technology)[5] ISO 3650: 1998 Geometrical Product Specifications (GPS) - Lengthstandards - Gauge blocks (International Organization for Standardization)[6] Leach R K, Hart A, Jackson K 1999 Measurement of gauge blocks by interferometry: an investigation into the variability in wringing film thicknessNPL Report CLM 3[7] Born M, Wolf E 1984 Principles of optics (Pergamon Press)[8] Decker J E, Schödel R, Bönsch G 2003 Next generation Kösters interferometer Proc.

SPIE 5190 14–23[9] Malacara D 1992 Optical shop testing (Wiley)[10] Gåsvik K J 2002 Optical metrology (Wiley)[11] Evans C J, Kestner 1996 Test optics error removal Appl. Opt. 35 1015–1021[12] Malacara D, Servin M, Malacara Z 1998 Interferogram analysis for opticaltesting (Marcel Dekker)[13] Vaughan J M 1989 The Fabry-Pérot interferometer (IOP Publishing Ltd:Bristol)[14] Decker J E, Schödel R, Bönsch G 2004 Considerations for the evaluation ofmeasurement uncertainty in interferometric gauge block calibration applyingmethods of phase stepping interferometry Metrologia 41 L11–L17[15] ISO 1: 2002 Geometrical Product Specifications (GPS) - Standard referencetemperature for geometrical product specification and verification (International Organization for Standardization)[16] Edlén B 1966 The refractive index of air Metrologia 2 71–80References[17] Birch K P, Downs M J 1993 An updated Edlén equation for the refractiveindex of air Metrologia 30 155–162[18] Birch K P, Downs M J 1993 Correction to the updated Edlén equation for therefractive index of air Metrologia 31 315–316[19] Ciddor P E 1996 Refractive index of air: new equations for the visible andnear infrared Appl.

Opt 35 1566–1573[20] Bönsch G, Potulski E 1998 Measurement of the refractive index of air andcomparison with modified Edlén’s formulae Metrologia 35 133–139[21] Leach R K, Jackson K, Hart A 1997 Measurement of gauge blocks by interferometry: measurement of the phase change at reflection NPL ReportMOT 11[22] Decker J E, Pekelsky J R 1997 Uncertainty evaluation for the measurementof gauge blocks by optical interferometry Metrologia 34 479–493[23] Haitjema H, Kotte G 1998 Long gauge block measurements based ona Twyman-Green interferometer and three stabilized lasers Proc. SPIE 347725–34[24] Preston-Thomas H 1990 The International Temperature Scale of 1990(ITS-90) Metrologia 27 3–1083This page intentionally left blankCHAPTER 5Displacement measurement5.1 Introduction to displacement measurementAt the heart of all instruments that measure a change in length, or coordinates, are displacement sensors.

Displacement sensors measure the distancebetween a start position and an end position, for example the verticaldistance moved by a surface measurement probe as it responds to surfacefeatures. Displacement sensors can be contacting or non-contacting, andoften can be configured to measure velocity and acceleration. Displacementsensors can be used to measure a whole range of measurands such asdeformation, distortion, thermal expansion, thickness (usually by using twosensors in a differential mode), vibration, spindle motion, fluid level, strain,mechanical shock and many more.

Many length sensors are relative in theiroperation, i.e. they have no zero or datum. For this type of sensor the zero ofthe system is some arbitrary position at power-up. An example of a relativesystem is a laser interferometer. Many encoder-based systems have a defineddatum mark that defines the zero position or have absolute position information encoded on the track. An example of an absolute sensor is a lasertime-of-flight system or certain types of angular encoder.There are many types of displacement sensor that can achieve resolutionsof the order of nanometres and less, and only the most common types arediscussed here.

The reader can consult several modern reviews and books thatdiscuss many more forms of displacement sensor (see for example [1–3]).Displacement sensors are made up of several components, including theactual sensing device, a transduction mechanism to convert the measurementsignal to an electrical signal, and signal-processing electronics. Only themeasurement mechanisms will be covered here, but there are severalcomprehensive texts that can be consulted on the transduction and signalprocessing systems (see for example [4]).Fundamental Principles of Engineering NanometrologyCopyright Ó 2010 by Elsevier Inc. All rights reserved.CONTENTSIntroduction todisplacementmeasurementDisplacementinterferometryCapacitivedisplacement sensorsInductivedisplacement sensorsOptical encodersOptical fibre sensorsCalibration ofdisplacement sensorsReferences8586C H A P T ER 5 : Displacement measurement5.2 Displacement interferometry5.2.1 Basics of displacement interferometryDisplacement interferometry is usually based on the Michelson configurationor some variant of that basic design.

In chapter 4 we introduced the Michelsonand Twyman-Green interferometers for the measurement of static lengthand most of the practicalities in using such interferometers apply todisplacement measurement. Displacement measurement, being simplya change in length, is usually carried out by counting the number of fringes asthe object being measured (or reference surface) is displaced. Just as with gaugeblock interferometry the displacement is measured as an integer number ofwhole fringes and a fringe fraction. Most displacement interferometers requiretwo fringe patterns that are 90 out of phase (referred to as phase quadrature) toallow bi-directional fringe counting and to simplify the fringe analysis.Photodetectors and digital electronics are used to count the fringes and thefraction is determined by electronically sub-dividing the fringe [5].

With thismethod, fringe sub-divisions of l/1000 are common, giving sub-nanometreresolutions. There are many homodyne and heterodyne interferometerscommercially available and the realization of sub-nanometre accuracies ina practical set-up is an active area of research [6].

Many of the modernadvances in high-accuracy interferometry come from the communitysearching for the effects of gravitational waves [7].5.2.2 Homodyne interferometryFigure 5.1 shows a homodyne interferometer configuration. The homodyneinterferometer uses a single frequency, f1, laser beam. Often this frequency isone of the modes of a two-mode stabilized laser (see section 2.9.3.1). Thebeam from the stationary reference is returned to the beam-splitter witha frequency f1, but the beam from the moving measurement path is returnedwith a Doppler shifted frequency of f1 df. These beams interfere in thebeam-splitter and enter the photodetector.

The Doppler shifted frequencygives rise to a count rate, dN/dt, which is equal to f (2v/c), where v is thevelocity of the retro-reflector and c is the velocity of light. Integration ofthe count over time, t, leads to a fringe count, N ¼ 2d/l, where d is thedisplacement being measured.In a typical homodyne interferometer using a polarized beam, themeasurement arm contains a quarter-wave plate, which results in themeasurement and reference beams having a phase separation of 90 (for bidirectional fringe counting). In some cases, where an un-polarized beam isused [8], a coating is applied to the beam-splitter to give the required phaseDisplacement interferometryFIGURE 5.1 Homodyne interferometer configuration.shift [9].

After traversing their respective paths, the two beams re-combine inthe beam-splitter to produce an interference pattern.Homodyne interferometers have an advantage over heterodyne interferometers (see section 5.2.3) because the reference and measurement beamsare split at the interferometer and not inside the laser (or at an acoustooptic modulator). This means that the light can be delivered to the interferometer via a standard fibre optic cable.

In the heterodyne interferometera polarization-preserving (birefringent) optical fibre has to be employed [10].Therefore, fibre temperature or stress changes alter the relative path lengthsof the interferometer’s reference and measurement beams, causing drift. Asolution to this problem is to employ a further photo-detector that ispositioned after the fibre optic cable [11].Homodyne interferometers can have sub-nanometre resolutions andnanometre-level accuracies, usually limited by their non-linearity (seesection 5.2.8.4).

Their speed limit depends on the electronics and thedetector photon noise; see also section 5.2.4. For a speed of 1 m$s1 and fourcounts per 0.3 mm cycle, a 3 MHz signal must be measured within 1 Hz.Maximum speeds of 4 m$s1 with nanometre resolutions are claimed bysome instrument manufacturers.5.2.3 Heterodyne interferometryFigure 5.2 shows a heterodyne interferometer configuration.

Характеристики

Тип файла
PDF-файл
Размер
7,74 Mb
Тип материала
Высшее учебное заведение

Список файлов книги

Свежие статьи
Популярно сейчас
А знаете ли Вы, что из года в год задания практически не меняются? Математика, преподаваемая в учебных заведениях, никак не менялась минимум 30 лет. Найдите нужный учебный материал на СтудИзбе!
Ответы на популярные вопросы
Да! Наши авторы собирают и выкладывают те работы, которые сдаются в Вашем учебном заведении ежегодно и уже проверены преподавателями.
Да! У нас любой человек может выложить любую учебную работу и зарабатывать на её продажах! Но каждый учебный материал публикуется только после тщательной проверки администрацией.
Вернём деньги! А если быть более точными, то автору даётся немного времени на исправление, а если не исправит или выйдет время, то вернём деньги в полном объёме!
Да! На равне с готовыми студенческими работами у нас продаются услуги. Цены на услуги видны сразу, то есть Вам нужно только указать параметры и сразу можно оплачивать.
Отзывы студентов
Ставлю 10/10
Все нравится, очень удобный сайт, помогает в учебе. Кроме этого, можно заработать самому, выставляя готовые учебные материалы на продажу здесь. Рейтинги и отзывы на преподавателей очень помогают сориентироваться в начале нового семестра. Спасибо за такую функцию. Ставлю максимальную оценку.
Лучшая платформа для успешной сдачи сессии
Познакомился со СтудИзбой благодаря своему другу, очень нравится интерфейс, количество доступных файлов, цена, в общем, все прекрасно. Даже сам продаю какие-то свои работы.
Студизба ван лав ❤
Очень офигенный сайт для студентов. Много полезных учебных материалов. Пользуюсь студизбой с октября 2021 года. Серьёзных нареканий нет. Хотелось бы, что бы ввели подписочную модель и сделали материалы дешевле 300 рублей в рамках подписки бесплатными.
Отличный сайт
Лично меня всё устраивает - и покупка, и продажа; и цены, и возможность предпросмотра куска файла, и обилие бесплатных файлов (в подборках по авторам, читай, ВУЗам и факультетам). Есть определённые баги, но всё решаемо, да и администраторы реагируют в течение суток.
Маленький отзыв о большом помощнике!
Студизба спасает в те моменты, когда сроки горят, а работ накопилось достаточно. Довольно удобный сайт с простой навигацией и огромным количеством материалов.
Студ. Изба как крупнейший сборник работ для студентов
Тут дофига бывает всего полезного. Печально, что бывают предметы по которым даже одного бесплатного решения нет, но это скорее вопрос к студентам. В остальном всё здорово.
Спасательный островок
Если уже не успеваешь разобраться или застрял на каком-то задание поможет тебе быстро и недорого решить твою проблему.
Всё и так отлично
Всё очень удобно. Особенно круто, что есть система бонусов и можно выводить остатки денег. Очень много качественных бесплатных файлов.
Отзыв о системе "Студизба"
Отличная платформа для распространения работ, востребованных студентами. Хорошо налаженная и качественная работа сайта, огромная база заданий и аудитория.
Отличный помощник
Отличный сайт с кучей полезных файлов, позволяющий найти много методичек / учебников / отзывов о вузах и преподователях.
Отлично помогает студентам в любой момент для решения трудных и незамедлительных задач
Хотелось бы больше конкретной информации о преподавателях. А так в принципе хороший сайт, всегда им пользуюсь и ни разу не было желания прекратить. Хороший сайт для помощи студентам, удобный и приятный интерфейс. Из недостатков можно выделить только отсутствия небольшого количества файлов.
Спасибо за шикарный сайт
Великолепный сайт на котором студент за не большие деньги может найти помощь с дз, проектами курсовыми, лабораторными, а также узнать отзывы на преподавателей и бесплатно скачать пособия.
Популярные преподаватели
Добавляйте материалы
и зарабатывайте!
Продажи идут автоматически
6358
Авторов
на СтудИзбе
311
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее