بخشی از مقاله
چکیده -
یک سکوی جابجاگر قابل کنترل، مجهز به تداخلسنج مایکلسن برای اندازهگیری میزان و راستای جابجایی سکو که دارای فیدبک میباشد، طراحی و ساخته شده است. برخلاف سایر سکوهای جابجاگر فعلی که از تداخلسنج مایکلسن بهره میگیرند، این سکو قادر است تا جابجاییهای ناخواسته ناشی از ضربه و نوسانات محیطی را بخوبی جبران و اصلاح نماید. تفکیکپذیری سکوی طراحی شده 158/2 nm و خطای جابجایی آن حدود %1 میباشد. این سکو قابلیت جابجایی حداکثر 2 cm را با سرعت 1/47 mm/min داراست.در این طرح تنها با استفاده از یک آشکارساز دوتایی راستا و میزان جابجایی تشخیص داده میشود.
-1 مقدمه
پیشرفتهای مهندسی ابزار دقیق، نیاز به سکوهای بسیار دقیق تر را افزایش داده است. نقش کلیدی این سکوها حمل، جابجایی و تطبیق یک شیئی و نگهداری آن با کمترین لرزش و نوفه است. در این سکوها دقت بالا، محدوده حرکت زیاد و سرعت بالا مورد نظر است. کنترل فیدبک حلقه بسته برای کاهش اثرات غیرخطی، هیسترزیس و نوفه ناشی از محیط لازم است.
برای اندازهگیری میزان جابجایی و کنترل سکو فیدبکهای مختلفی وجود دارد. مزایای فیدبک تداخلسنج، بازه بزرگ برای جابجایی، دقت و قابلیت اطمینان بسیار بالا، عدم حساسیت به اختلالات الکترومغناطیسی و امکان اندازهگیری از راه دور است. معایب تداخلسنج قیمت بالا، حساسیت به ناملایمات محیطی و نیاز به محیطهای بدون آلودهکننده است
چنانچه در تداخلسنج مایکلسن یکی از آینهها بر روی یک سکوی متحرک قرار گیرد، اگر با حرکت آینه متحرک، اختلاف راه نوری بین دو پرتو کاهش یابد، فریزهای تداخلی فریزها به از بین رفتن در مرکز تمایل مییابند و اگر افزایش یابد، فریزها از مرکز باز خواهند شد.[5] با جابجا شدن آینه متحرک به اندازه /2 ، فریزها بصورت پیوسته به اندازه یک تناوب جابجا میشوند. بنابراین با قرارگیری یک آشکارساز در محل تداخل، به ازای هر جابجایی /4 سیگنال خروجی آن تغییر وضعیت میدهد که طول موج نور مورد استفاده است. با این روش میتوان به تفکیکپذیری /4 رسید.
این سکو در میکروسکوپهای روبشی، سامانههای ماشینکاری دقیق، سامانههای تنظیم خودکار موجبرها و فیبرهای نوری و سامانههای لیتوگرافی در میکروالکترونیک و میکروفوتونیک و سایر سامانههایی که در آنها به جابجاییهای با تفکیکپذیری کمتر از میکرون احتیاج باشد، کاربرد دارد.
-2 طراحی و ساخت سکو
سکو شامل تداخلسنج، مدار بازخوان تداخلها و مدار کنترل است. کامپیوتر جابجایی مورد نظر را برای مدار کنترلی ارسال میکند. مدار کنترلی محرک سکو را به حرکت در میآورد. در تداخلسنج فریزهای تداخلی متناسب با میزان جابجایی سکو حرکت میکنند. مدار بازخوان تداخلها حرکت فریزهای تداخلی را به پالس الکتریکی تبدیل میکند. مدار کنترلی با شمارش پالسها میزان جابجایی را اندازهگیری و کنترل میکند.
-1-2 طراحی و ساخت تداخلسنج
سکو باید در برابر ارتعاشات محیطی ایزوله گردد. بنابراین از یک میز مناسب مجهز به بالشتک هوا استفاده شده است.
در تداخلسنج ساخته شده از لیزر He-Ne با طول موج 632/8 nm بدلیل طول همدوسی مناسب استفاده شده است. بنابراین تفکیکپذیری جابجایی 158/2 nm است. برای اینکه در فریزها تداخلات ناشی از پرتوشکاف - BS - وجود نداشته باشد و فریزهای روشن و تاریک با کنتراست بالا بوجود آید، از یک پرتوشکاف مکعبی با نسبت تقسیم پرتوی 50:50 استفاده شده است. در تداخلسنج لازم است که آینهها از سطح جلو پوشش داشته باشند تا نور بازتاب شده از آنها تداخل نداشته باشد.
همچنین آینههای بکار رفته باید امکان تنظیم دقیق را داشته باشند. یک موتور DC مجهز به جعبهدنده به عنوان محرک سکو را جابجا میکند. موتورهای DC برای جابجاییهای زیاد با سرعت ثابت، نیروی خروجی بالا و پایداری زمانی خوب مناسب هستند و به راهاندازهای ساده و ارزان قیمت نیاز دارند. اشکال آنها سرعت پائین، اینرسی زیاد و دقت پائین است. موتور نباید به سکو لرزش اعمال کند. موتور استفاده شده مجهز به جعبهدنده داخلی بوده و روی یک سکوی جابجایی خطی قابل نصب است.
در تداخلسنجها از ایجاد اختلاف فاز توسط جابجاکننده فاز برای تشخیص جهت جابجایی استفاده می شود. بخشی از پرتوهای تداخلی از یک تیغه ربع موج عبور داده شده، تا به اندازه /2 اختلاف فاز پیدا کند. سپس با استفاده از دو آشکارساز، یکی برای پرتوی اصلی و دیگری برای پرتوی اختلاف فاز یافته، میتوان جهت حرکت فریزها و بنابراین جابجایی را مشخص نمود[7]،.[ 6] اما با توجه به امکانات موجود و سعی در سادهتر بودن هر چه بیشتر سکو از دو آشکارساز نوری کنار هم به نحوی که پهنای آنها کمتر از پهنای نوارها باشد، استفاده شده است.
شکل 1 مکان هندسی فریزها نسبت به دو آشکارساز A و B را نشان میدهد. حالت - I - حرکت فریزها به سمت راست و حالت - II - حرکت فریزها به سمت چپ را نشان میدهد. با توجه به شکل می توان دید که:
-1 در حرکت فریزها به سمت راست - حالت - - I - در زمان روشن شدن آشکارساز A، آشکارساز B خاموش و به همین صورت در زمان خاموش شدن A، B روشن است.
-2 در حرکت فریزها به سمت چپ - حالت - - II - در زمان روشن شدن آشکارساز A، آشکارساز B روشن و به همین صورت در زمان خاموش شدن A، B خاموش است.
شکل :1 روش استفاده از دو آشکارساز برای تعیین جهت حرکت فریزها
برخلاف سایر سکوهای جابجاگر فعلی که از تداخلسنج مایکلسن بهره می گیرند، این سکو قادر است تا جابجاییهای ناخواسته ناشی از ضربه و نوسانات محیطی را بخوبی جبران و اصلاح نماید. با ایجاد قابلیت تشخیص راستای حرکت فریزها، سکوی طراحی شده با کنترل مناسب قادر است حرکت های ناخواسته ناشی از ضربه یا ارتعاشات محیطی را که منجر به حرکت رفت و برگشتی فریزها میشود، در شمارش و اندازهگیری میزان جابجایی نادیده بگیرد. همچنین چنانچه در سکو پسماند و جابجایی ناخواسته از ارتعاشات محیطی باقی ماند، مقدار آن را اندازهگیری نموده و موقعیت خود را جبران و اصلاح میکند. این کار برای جابجاییهای بیش از 158/2 nm صورت میگیرد. در حالی که چنانچه تداخلسنج این قابلیت را نداشته باشد، تمام تغییر روشنایی ناشی از حرکت رفت و برگشت فریزها را میشمارد و بصورت جابجایی در یک راستا در نظر میگیرد.
سکوی جابجاگر مجهز به تداخلسنج ساخته شده در شکل 2 نشان داده شده است. در چیدمان تداخلسنج از دو عدسی واگرا استفاده شده است. در تنظیم تداخلسنج، نکته مهم آن است که با جابجایی آینه متحرک در یک محدوده، شکل نوارهای تداخلی تغییر نکند. علت استفاده از عدسی واگرای اول این است که سطح بزرگتری از آینهها تابش دیده و الگوی تداخلی گستردهتر میشوند. بنابراین میتوان شکل نوارهای تداخلی را در بازه حرکتی مشاهده و آینهها را بخوبی تنظیم نمود. عدسی دوم نیز برای بازتر کردن فریزها است تا برای آشکارساز قابل تشخیص باشند.
شکل :2 نمای سکوی جابجاگر مجهز به تداخلسنج
تنظیم آینهها طوری انجام شده که راستای دو پرتوی تداخلی کاملاً با هم موازی نبوده و تداخلها کمی از قرص مرکزی انحراف داشته باشند. علت این امر آن است که فریزها انحنای کمی داشته باشند تا آشکارساز آنها را حتی االامکان بصورت خطوط موازی دیده و بتواند جهت حرکت آنها را مشخص کند. زاویه بین آینهها برای انحراف از قرص مرکزی کمتر از 5 o است. بنابراین حداکثر ضریب
FRV FRV - 5 - 0.996 در /4 ضرب میشود و کمتر از % 1 خطا تولید میکند.
-2-2 طراحی و ساخت مدار بازخوان تداخلها
مدار بازخوان تداخلها از دو طبقه برای هر دو آشکارساز تشکیل شده است. آشکارساز سیگنال نوری را به سیگنال الکتریکی تبدیل کرده و یک پیشتقویتکننده سیگنال خروجی آشکارساز را تقویت میکند. یک مقایسهکننده نیز، سیگنال آنالوگ خروجی تقویتکننده را به سیگنال دیجیتالی تبدیل میکند. در عمل بر اثر نویز - نوسانات توان لیزر، نویز آشکارساز، نویز الکترونیک، لرزشهای در حد چند نانومتری محیطی، عدم پایداری دما و رطوبت، وجود گردوغبار در محیط - خروجی آشکارساز نویز قابل توجهی دارد. این نویز تولید پالسهای اضافه میکند. بنابراین بجای استفاده از یک مقایسهکننده معمولی از یک مقایسهکننده اشمیتتریگر استفاده شده است . بعد از آن با استفاده از دو طبقه ترانزیستور و دیود سطوح ولتاژ به TTL تبدیل میشود تا برای میکروکنترولر قابل تشخیص باشد.
