Главная » Просмотр файлов » Принципы нанометрологии

Принципы нанометрологии (1027623), страница 25

Файл №1027623 Принципы нанометрологии (Раздаточные материалы от преподавателя) 25 страницаПринципы нанометрологии (1027623) страница 252017-12-21СтудИзба
Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 25)

The secondorder nature means that it quickly diminishes as the alignment is improved,but has the disadvantage that its magnitude is difficult to estimate once itbecomes relevant.5.2.8.4 Non-linearityBoth homodyne and heterodyne interferometers are subject to non-linearitiesin the relationship between the measured phase difference and the displacement. The many sources of non-linearity in heterodyne interferometers arediscussed in [23], and further discussed, measured and extended in [24,25].These sources include misalignment of laser polarization axes with respectto the beam-splitter, ellipticity of the light from the laser source, differentialtransmission between the two arms of the interferometer, rotation of the planeof polarization by the retro-reflectors, leakage of light with the unwantedpolarization through the beam-splitter, and lack of geometrical perfectionof the wave plates used.

For homodyne interferometers, the main source ofnon-linearity [26] is attributed to polarization mixing caused by imperfectionsin the polarizing beam-splitters, although there are several other sources [6].The various sources of non-linearity give rise to periodic errors – a first-orderphase harmonic having a period of one cycle per fringe and a second harmonicwith a period of two cycles per fringe. Errors due to non-linearities are usuallyDisplacement interferometryof the order of a few nanometres but can be reduced to below a nanometre withcareful alignment and high-quality optics.

There have been many attempts tocorrect for non-linearity in interferometers with varying degrees of success(see for example [27,28]). Recently researchers have developed a heterodyneinterferometer for which a zero periodic non-linearity is claimed [29].5.2.8.5 Heydemann correctionWhen making displacement measurements at the nanometre level, the sineand cosine signals from interferometers need to be corrected for dc offsets,differential gains and a quadrature angle that is not exactly 90 . The methoddescribed here is that due to Birch [5] and is a modified version of thatoriginally developed by Heydemann [30]. There are many ways to implementsuch a correction in both software and hardware but the basic mathematics isthat presented here. The full derivation is given, as this is an essentialcorrection in many MNT applications of interferometry.

This method onlyrequires a single-frequency laser source (homodyne) and does not requirepolarization optics. Birch [5] used computer simulations of the correctionmethod to predict a fringe-fractioning accuracy of 0.1 nm. Other methods,which also claim to obtain sub-nanometre uncertainties, use heterodynetechniques [31] and polarization optics [32].Heydemann used two equations that describe an ellipseU1d ¼ U1 þ p(5.6)U2 cos a U1 sin aþqG(5.7)andU2d ¼where U1d and U2d represent the noisy signals from the interferometercontaining the correction terms p, q and a as defined by equations (5.14),(5.15) and (5.12) respectively, G is the ratio of the gains of the two detectorsystems and U1 and U2 are given byU1 ¼ RD cosd(5.8)U2 ¼ RD sind(5.9)where d is the instantaneous phase of the interferograms.

If equations (5.6) to(5.7) are combined they describe an ellipse given byR2D ¼ ðU1d pÞ2 þ½ðU2d qÞG þ ðU1d pÞsina2:cosa(5.10)9596C H A P T ER 5 : Displacement measurementIf equation (5.10) is now expanded out and the terms are collectedtogether, an equation of the following form is obtained22AU1dþ BU2dþ CU1d U2d þ DU1d þ EU2d ¼ 1(5.11)withA ¼ ½R2D cos2 a p2 G2 q2 2Gpq sina1B ¼ AG2C ¼ 2AG sinaD ¼ 2A½p þ Gq sinaE ¼ 2AG½Gq þ p sinaEquation (5.11) is in a form suitable for using a linearized least squaresfitting routine [33] to derive the values of A through E, from which thecorrection terms can be derived from the following set of transforms"#C1a ¼ sin(5.12)ð4ABÞ1=2 1=2BG ¼ARD ¼(5.13)p ¼2BD ECC2 4AB(5.14)q ¼2AE DCC2 4AB(5.15)½4Bð1 þ Ap2 þ Bq2 þ CpqÞ1=2:5AB C2(5.16)Consequently, the interferometer signals are corrected by using the twoinversions0U1 ¼ U1d p(5.17)and0U2 ¼00ðU1d pÞsina þ GðU2d qÞcosa(5.18)where U1 and U2 are now the corrected phase quadrature signals and,therefore, the phase of the interferometer signal is derived from the arctan00gent of ðU2 =U1 Þ.Displacement interferometryThe arctangent function varies from p/2 to þp/2, whereas for ease offringe-fractioning a phase, q, range of 0 to 2p is preferable.

This is satisfied byusing the following equationq ¼ tan1 ðU1 =U2 Þ þ p=2 þ L(5.19)where L ¼ 0 when U1d > p and L ¼ p when U1d < p.The strong and weak points of a Heydemann-corrected system are that itappears correct in itself and refers to its own result to predict residual deviations (for example, deviations from the ellipse).

However, there are uncertainty sources that still give deviations even when the Heydemann correctionis applied perfectly, for example, so-called ghost-reflections.5.2.8.6 Random error sourcesThere are many sources of random error that can affect an interferometer.Anything that can change the optical path or mechanical part of themetrology loop can give rise to errors in the measured displacement.Examples include seismic and acoustic vibration (see section 3.9), airturbulence (causing random fluctuations of the air refractive index) andelectronic noise in the detectors and amplifier electronics. Random errors areusually non-cumulative and can be quantified using repeated measurements.Homodyne systems measure phase by comparing the intensities of twosinusoidal signals (sine and cosine).

By contrast, modern heterodyne systemsmeasure phase by timing the arrival of zero crossings on a sinusoidal signal.Because the signal slope at the zero crossings is nominally 45 , phase noise isapproximately equal to intensity noise. Therefore, the influence of noise onboth systems is effectively the same.5.2.8.7 Other sources of error in displacement interferometersThere are many sources of error that only have a significant effect whentrying to measure to accuracies of nanometres or less using interferometry.Due to the very high spatial and temporal coherence of the laser source, straylight can interfere with beams reflected from the surfaces present in thereference and measurement arms of the interferometer. The dominanteffects are usually due to unwanted reflections and isolated strong pointscatterers, both leading to random and non-random spatial variations in thescattered phase and amplitude [13].

These effects can be of the order ofa nanometre (see for example [22]). To minimize the effects of stray reflections all the optical components should be thoroughly cleaned, the retroreflectors (or mirrors) should be mounted at a non-orthogonal angle to thebeam propagation direction (to avoid reflections off the front surfaces) and all9798C H A P T ER 5 : Displacement measurementthe non-critical optical surfaces should be anti-reflection coated. It isextremely difficult, if not impossible, to measure the amplitude of the straylight, simply because it propagates in the same direction as the main beams.Also due to the laser source, the shift of the phase and changes in thecurvature of the wavefronts lead to systematic errors and diffraction effects[34]. There will also be quantum effects [35] and even photon bounce [36].These effects are very difficult to quantify or measure but are usuallysignificantly less than a nanometre.5.2.9 Angular interferometersIn the discussion on angle in section 2.6 the possibility of determining anangle by the ratio of two lengths was discussed.

This method is applicable ininterferometry.Figure 5.6 shows a typical optical arrangement of an interferometer set upfor angular measurements. The angular optics are used to create two parallelbeam paths between the angular interferometer and the angular reflector.The distance between the two beam paths is found by measuring the separation of the retro-reflectors in the angular reflector. This measurement ismade either directly or by calibrating a scale factor against a known angularstandard.The beam that illuminates the angular optics contains two frequencies, f1and f2 (heterodyne). A polarizing beam-splitter in the angular interferometersplits the frequencies, f1 and f2, that travel along separate paths.At the start position the angular reflector is assumed to be approximately ata zero position (i.e.

the angular measurements are relative). At this positionthe two paths have a small difference in length. As the angular reflector isFIGURE 5.6 Schema of an angular interferometer.Capacitive displacement sensorsrotated relative to the angular interferometer the relative lengths of the twopaths will change. This rotation will cause a Doppler shifted frequency changein the beam returned from the angular interferometer to the photodetector.The photodetector measures a fringe difference given by (f1 Df1) (f2 D f2).The returned difference is compared with the reference signal, (f1 f2).This difference is related to velocity and then to distance. The distance isthen converted to an angle using the known separation of the reflectors in theangular interferometer.Other arrangements of angular interferometer are possible using plainmirrors but the basic principle is the same.

Angular interferometers aregenerally used for measuring small angles (less than 10 ) and are commonlyused for measuring guideway errors in machine tools and measuringinstruments.5.3 Capacitive displacement sensorsCapacitive sensors are widely used for non-contact displacement measurement. Capacitive sensors can have very high dynamic responses (up to 50kHz), sub-nanometre resolution, ranges up to 10 mm, good thermal stabilityand very low hysteresis (mainly due to their non-contact nature).

Характеристики

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

Список файлов учебной работы

Свежие статьи
Популярно сейчас
Как Вы думаете, сколько людей до Вас делали точно такое же задание? 99% студентов выполняют точно такие же задания, как и их предшественники год назад. 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
6381
Авторов
на СтудИзбе
308
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее