Цифровий вимірювач лінійних розмірів нанооб’єктів

Реферат: Винахід належить до області вимірювальної техніки і може бути використаний при створенні високоточних вимірювачів лінійних розмірів нанооб'єктів. Цифровий вимірювач лінійних розмірів нанооб'єктів містить мікроконтролер, блок бази даних, клавіатуру і графічний дисплей, аналогоцифровий перетворювач, підсилювач, фотоприймач, фокусуючу лінзу, джерело монохроматичного потоку оптичного випромінювання, першу ПЗЗ-матрицю (пристрій з зарядовим зв'язком), оптичну систему конфокального мікроскопу, що містить мікрооб'єктив 12, напівпрозору пластину 13, конфокальну діафрагму 14 та другу ПЗЗ-матрицю 15, діафрагма, UA 104029 C2 (12) UA 104029 C2 окуляр, перший та другий світло подільні кубики, коліматор, перше та друге відбивні нерухомі дзеркала, третє відбивне рухоме дзеркало, що жорстко з'єднано з кантелівером з голкою, нанооб'єкт, предметний стіл, перший, другий та третій виконавчі механізми, оптична лінія затримки, сірий клин, четвертий виконавчий механізм, чвертьхвильова пластина, п'ятий виконавчий механізм, загальна шина. Винахід забезпечує автоматичне виключення систематичних похибок вимірювання, а при багаторазових вимірюваннях зменшує ще й випадкову складову похибки. UA 104029 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до вимірювань лінійних розмірів нанооб'єктів і може бути використаний при створенні високоточних цифрових вимірювачів лінійних розмірів нанооб'єктів з використанням ефекту інтерференції. Відомий цифровий вимірювач лінійних розмірів нанооб'єктів (див., наприклад, (мовою оригіналу) "Лазерный интерференционный измеритель наноперемещений". Электронный ресурс: http://www.nanoindustry.su/files/article_pdf/2/article 2213 30.pdf), що містить мікроконтролер, блок бази даних, клавіатуру і графічний дисплей, які через загальну шину з'єднані з цифровими входами-виходами порту "В" мікроконтролера, до цифрових входіввиходів порту "А" якого підключені послідовно з'єднані між собою аналого-цифровий перетворювач, підсилювач і фотоприймач, оптично з'єднані між собою перше і друге нерухомі відбивні дзеркала, друге з яких через коліматор оптично підключено до джерела монохроматичного потоку оптичного випромінювання та до третього рухомого відбивного дзеркала, що жорстко з'єднано з кантелівером з голкою і кінематично з першим виконавчим механізмом, цифрові входи-виходи якого підключені до цифрових входів-виходів порту "С" мікроконтролера, до цифрових входів-виходів порту "В" якого через загальну шину підключені цифрові входи-виходи другого виконавчого механізму, кінематично з'єднаного з предметним столом з закріпленим на ньому нанооб'єктом, введені також оптично з'єднані діафрагма, окуляр, перший та другий світлоподільні кубики, перші входи другого з яких оптично підключені через друге нерухоме відбивне дзеркало і коліматор до виходу джерела монохроматичного потоку оптичного випромінювання, перші виходи-входи другого світлоподільного кубика оптично з'єднані з третім рухомим відбивним дзеркалом, другі виходи-входи оптично підключені до першого нерухомого відбивного дзеркала, при цьому вхід фотоприймача оптично з'єднаний через фокусуючу лінзу з другими виходами першого світлоподільного кубика. Відомому цифровому вимірювачу лінійних розмірів нанооб'єктів притаманна недостатня точність вимірювань, яка обумовлена нерівністю потужностей сформованих когерентних монохроматичних потоків оптичного випромінювання, впливом чутливості оптико-електронного каналу та її варіації, а також дрейфу нуля, тобто впливом параметрів функції перетворення оптико-електронних каналів та їх нестабільності на результат вимірювання лінійних розмірів нанооб'єкту. Відомий цифровий вимірювач не забезпечує максимально можливу чутливість. У відомому цифровому вимірювачі лінійних розмірів нанооб'єктів не здійснюється сумісна візуалізація нанооб'єкту та інтерференційних смуг. Це обмежує функціональні можливості відомого цифрового вимірювача лінійних розмірів нанооб'єктів та точність встановлення голки кантелівера у початкове та кінцеве положення. Відомий цифровий вимірювач лінійних розмірів нанооб'єктів (див., наприклад, патент РФ № 2124701, МПК G01B 11/30, G01B 11/24, G01B 9/02. Ян Карл Буэринг (GB); Дэниэл Мэнсфилд (GB). Устройство для измерения поверхностных характеристик. Электронный ресурс: http://rupatent.info/21/20-24/2124701.html), що містить мікроконтролер, блок бази даних, клавіатуру і графічний дисплей, які через загальну шину з'єднані з цифровими входами-виходами порту "В" мікроконтролера, до цифрових входів-виходів порту "А" якого підключені послідовно з'єднані між собою аналого-цифровий перетворювач, підсилювач і фотоприймач, оптично з'єднані між собою перше і друге нерухомі відбивні дзеркала, друге з яких через коліматор оптично підключено до джерела монохроматичного потоку оптичного випромінювання та до третього рухомого відбивного дзеркала, що жорстко з'єднано з кантелівером з голкою і кінематично з першим виконавчим механізмом, цифрові входи-виходи якого підключені до цифрових входіввиходів порту "С" мікроконтролера, до цифрових входів-виходів порту "В" якого через загальну шину підключені цифрові входи-виходи другого виконавчого механізму, кінематично з'єднаного з предметним столом з закріпленим на ньому нанооб'єктом, введені також оптично з'єднані діафрагма, окуляр, перший та другий світлоподільні кубики, перші входи другого з яких оптично підключені через друге нерухоме відбивне дзеркало і коліматор до виходу джерела монохроматичного потоку оптичного випромінювання, перші виходи-входи другого світлоподільного кубика оптично з'єднані з третім рухомим відбивним дзеркалом, другі виходивходи оптично підключені до першого нерухомого відбивного дзеркала, при цьому вхід фотоприймача оптично з'єднаний через фокусуючу лінзу з другими виходами першого світлоподільного кубика. Відомому цифровому вимірювачу лінійних розмірів нанооб'єктів притаманна недостатня точність вимірювань, що обумовлена нерівністю потужностей сформованих когерентних монохроматичних потоків оптичного випромінювання, впливом параметрів функції перетворення оптико-електронних каналів та їх нестабільності на результат вимірювання лінійних розмірів нанооб'єкту і впливом неідентичності функцій перетворення оптикоелектронних каналів. Крім того, відомий цифровий вимірювач лінійних розмірів нанооб'єктів має 1 UA 104029 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 недостатню чутливість, в ньому не здійснюється сумісна візуалізація нанооб'єкту та інтерференційних смуг. Це обмежує функціональні можливості вимірювача та точність встановлення голки кантелівера у початкове та кінцеве положення. Відомий цифровий вимірювач лінійних розмірів нанооб'єктів, (див., наприклад, В. Алехин, И. Мирошниченко, А. Серкин. Лазерный интерферометр для измерения перемещений. / Электронный ресурс: http://www. nanoindustry.su/files /article_pdf/1/article_1775_85.pdf), Цифровий вимірювач лінійних розмірів нанооб'єктів, що містить мікроконтролер, блок бази даних, клавіатуру і графічний дисплей, які через загальну шину з'єднані з цифровими входамивиходами порту "В" мікроконтролера, до цифрових входів-виходів порту "А" якого підключені послідовно з'єднані між собою аналого-цифровий перетворювач, підсилювач і фотоприймач, оптично з'єднані між собою перше і друге нерухомі відбивні дзеркала, друге з яких через коліматор оптично підключено до джерела монохроматичного потоку оптичного випромінювання та до третього рухомого відбивного дзеркала, що жорстко з'єднано з кантелівером з голкою і кінематично з першим виконавчим механізмом, цифрові входи-виходи якого підключені до цифрових входів-виходів порту "С" мікроконтролера, до цифрових входіввиходів порту "В", до якого через загальну шину підключені цифрові входи-виходи другого виконавчого механізму, кінематично з'єднаного з предметним столом з закріпленим на ньому нанооб'єктом, введені також оптично з'єднані діафрагма, окуляр, перший та другий світлоподільні кубики, перші входи другого з яких оптично підключені через друге нерухоме відбивне дзеркало і коліматор до виходу джерела монохроматичного потоку оптичного випромінювання, перші виходи-входи другого світлоподільного кубика оптично з'єднані з третім рухомим відбивним дзеркалом, другі виходи-входи оптично підключені до першого нерухомого відбивного дзеркала, при цьому вхід фотоприймача оптично з'єднаний через фокусуючу лінзу з другими виходами першого світлоподільного кубика. Відомому цифровому вимірювачу лінійних розмірів нанооб'єктів притаманна недостатня точність вимірювань, яка обумовлена нерівністю потужностей сформованих когерентних монохроматичних потоків оптичного випромінювання, впливом чутливості оптико-електронного каналу та її варіації, а також дрейфа нуля на результат вимірювання лінійних розмірів нанооб'єкту, тобто вплив параметрів функції перетворення оптико-електронних каналів та їх нестабільності. У відомому цифровому вимірювачі лінійних розмірів нанооб'єктів не здійснюється сумісна візуалізація нанооб'єкту та інтерференційних смуг. Це обмежує функціональні можливості відомого цифрового вимірювача лінійних розмірів нанооб'єктів та точність встановлення голки кантелівера у початкове та кінцеве положення. Поставлена технічна задача створити такий цифровий вимірювач лінійних розмірів нанооб'єктів, який би забезпечив одночасну візуалізацію нанооб'єкта та інтерференційних смуг, підвищення точності встановлення голки кантелівера у початкове та кінцеве положення, автоматичне (природне) виключення систематичної похибки результату вимірювань, забезпечив би максимально можливу чутливість та незалежність результату вимірювань від факторів оточуючого середовища, тобто виключення додаткових похибок. Поставлена технічна задача вирішується тим, що цифровий вимірювач лінійних розмірів нанооб'єктів містить мікроконтролер, блок бази даних, клавіатуру і графічний дисплей, які через загальну шину з'єднані з цифровими входами-виходами порту "В" мікроконтролера, до цифрових входів-виходів порту "А" якого підключені послідовно з'єднані між собою аналогоцифровий перетворювач, підсилювач і фотоприймач, оптично з'єднані між собою перше і друге нерухомі відбивні дзеркала, друге з яких через коліматор оптично підключено до джерела монохроматичного потоку оптичного випромінювання та до третього рухомого відбивного дзеркала, що жорстко з'єднано з кантелівером з голкою і кінематично з першим виконавчим механізмом, цифрові входи-виходи якого підключені до цифрових входів-виходів порту "С" мікроконтролера, до цифрових входів-виходів порту "В" якого через загальну шину підключені цифрові входи-виходи другого виконавчого механізму, кінематично з'єднаного з предметним столом з закріпленим на ньому нанооб'єктом, введені також оптично з'єднані діафрагма, окуляр, перший та другий світлоподільні кубики, перші входи другого з яких оптично підключені через друге нерухоме відбивне дзеркало і коліматор до виходу джерела монохроматичного потоку оптичного випромінювання, перші виходи-входи другого світлоподільного кубика оптично з'єднані з третім рухомим відбивним дзеркалом, другі виходи-входи оптично підключені до першого нерухомого відбивного дзеркала, при цьому вхід фотоприймача оптично з'єднаний через фокусуючу лінзу з другими виходами першого світлоподільного кубика. Від відомих відрізняється тим, що в нього додатково введені перша ПЗЗ-матриця, сірий клин, чвертьхвильова пластина, оптична лінія затримки та оптична система конфокального мікроскопу, що оптично з'єднана з нанооб'єктом і містить оптично і послідовно з'єднані між 2 UA 104029 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 собою мікрооб'єктив, напівпрозору пластину, конфокальну діафрагму та другу ПЗЗ-матрицю, цифрові входи-виходи якої підключені до цифрових входів-виходів порту "С" мікроконтролера, з якими з'єднані й цифрові входи-виходи першої ПЗЗ-матриці, яка через діафрагму оптично підключена до виходу окуляра, оптична лінія затримки, що почергово розміщується між третім рухомим відбивним дзеркалом і другим світлоподільним кубиком та між другим виходом-входом другого світлоподільного кубика, та першим нерухомим відбивним дзеркалом і кінематично з'єднана з третім виконавчим механізмом, цифрові входи-виходи якого підключені через загальну шину до цифрових входів-виходів порту "В" мікроконтролера, з якими з'єднані й цифрові входи-виходи четвертого виконавчого механізму до якого жорстко прикріплений сірий клин, а також введена чвертьхвильова пластина, що розміщена між третім рухомим відбивним дзеркалом і другим світлоподільним кубиком і жорстко зв'язана з п'ятим виконавчим механізмом, цифрові входи-виходи якого підключені через загальну шину до цифрових входіввиходів порту "В" мікроконтролера, причому джерело монохроматичного потоку оптичного випромінювання оптично з'єднане з нанооб'єктом через напівпрозору пластину і мікрооб'єктив оптичної системи. На кресленні приведена функціональна схема цифрового вимірювача лінійних розмірів нанооб'єктів, де 1 - мікроконтролер; 2 - блок бази даних, 3 - клавіатура; 4 - графічний дисплей; 5 - аналого-цифровий перетворювач; 6 - підсилювач; 7 - фотоприймач; 8 - фокусуюча лінза; 9 джерело монохроматичного потоку оптичного випромінювання; 10 - перша ПЗЗ-матриця (пристрій з зарядовим зв'язком); 11 - оптична система конфокального мікроскопу, що містить мікрооб'єктив 12, напівпрозору пластину 13, конфокальну діафрагму 14 та другу ПЗЗ-матрицю 15; 16 - діафрагма; 17 - окуляр; 18 і 19 - перший та другий світлоподільні кубики; 20 - коліматор; 21 і 22 - перше та друге відбивні нерухомі дзеркала; 23 - третє відбивне рухоме дзеркало, що жорстко з'єднано з кантелівером з голкою; 24 - нанооб'єкт; 25 - предметний стіл; 26, 27 і 28 перший, другий та третій виконавчі механізми; 29 - оптична лінія затримки; 30 - сірий клин; 31 четвертий виконавчий механізм; 32 - чвертьхвильова пластина; 33 - п'ятий виконавчий механізм; 34 - загальна шина. При цьому цифровий вимірювач лінійних розмірів нанооб'єктів містить мікроконтролер 1, блок бази даних 2, клавіатуру 3 і графічний дисплей 4, які через загальну шину з'єднані з цифровими входами-виходами порту "В" мікроконтролера 1. До цифрових входів-виходів порту "А" мікроконтролера 1 підключені послідовно з'єднані між собою аналого-цифровий перетворювач 5, підсилювач 6 і фотоприймач 7. Перше і друге нерухомі відбивні дзеркала 21 і 22 оптично з'єднані між собою. Друге нерухоме відбивне дзеркало 22 через коліматор 20 оптично підключено до джерела монохроматичного потоку оптичного випромінювання 9 та до третього відбивного рухомого дзеркала 23, що жорстко з'єднано з кантелівером з голкою і кінематично з першим виконавчим механізмом 26. Цифрові входи-виходи першого виконавчого механізму 26 підключені до цифрових входіввиходів порту "С" мікроконтролера 1. До цифрових входів-виходів порту "В" мікроконтролера 1 через загальну шину 34 підключені цифрові входи-виходи другого виконавчого механізму 27, кінематично з'єднаному з предметним столом 25 з закріпленим на ньому нанооб'єктом 24. В цифровий вимірювач лінійних розмірів нанооб'єктів введені також оптично з'єднані діафрагма 16, окуляр 14, перший та другий світлоподільні кубики 18 і 19. Перші входи другого світлоподільного кубика 19 оптично підключені через друге нерухоме дзеркало 22 і коліматор 20 до виходу джерела монохроматичного потоку оптичного випромінювання 9. Перші виходи-входи другого світлоподільного кубика 19 оптично з'єднані з третім відбивним рухомим дзеркалом 23, його другі виходи-входи оптично підключені до першого відбивного нерухомого дзеркала 21. При цьому вхід фотоприймача 7 оптично з'єднаний через фокусуючу лінзу 8 з другими виходами першого світлоподільного кубика 18. Від відомих цифровий вимірювач лінійних розмірів нанооб'єктів відрізняється тим, що в нього додатково введені перша ПЗЗ-матриця 10, сірий клин 30, чвертьхвильова пластина 32, оптична лінія затримки 29 та оптична система 11 конфокального мікроскопу, що оптично з'єднана з нанооб'єктом 24 і включає в собі оптично і послідовно з'єднані між собою мікрооб'єктив 12, напівпрозору пластину 13, конфокальну діафрагму 14 та другу ПЗЗ-матрицю 15. Цифрові входи-виходи другої ПЗЗ-матриці 15 підключені до цифрових входів-виходів порту "С" мікроконтролера 1, з якими з'єднані й цифрові входи-виходи першої ПЗЗ-матриці 10, яка через діафрагму 16 оптично підключена до виходу окуляра 17. Введена також й оптична лінія затримки 29, що почергово розміщується між третім рухомим відбивним дзеркалом 23 і другим 3 UA 104029 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 світлоподільним кубиком 19 та між другим виходом-входом другого світлоподільного кубика 19 та першим відбивним дзеркалом 21 і кінематично з'єднана з третім виконавчим механізмом 28. Цифрові входи-виходи третього виконавчого механізму 28 підключені через загальну шину 34 до цифрових входів-виходів порту "В" мікроконтролера 1, з якими з'єднані й цифрові входивиходи четвертого виконавчого механізму 31, до якого жорстко прикріплений сірий клин. Введена також й чвертьхвильова пластина 32, що розміщена між третім рухомим відбивним дзеркалом 23 і другим світлоподільним кубиком 19 і жорстко зв'язана з п'ятим виконавчим механізмом 33. Цифрові входи-виходи п'ятого виконавчого механізму 33 підключені через загальну шину 34 до цифрових входів-виходів порту "В" мікроконтролера 1, причому джерело 9 монохроматичного потоку оптичного випромінювання оптично з'єднане з нанооб'єктом 24 через напівпрозору пластину 13 і мікрооб'єктив 12 оптичної системи 11. Розглянемо суть роботи цифрового вимірювача лінійних розмірів нанооб'єктів. Після включення живлення всі функціональні блоки встановлюються у початкове положення (чи стан). На графічному дисплеї 4 інформація відсутня, оптична лінія затримки 29 відсутня і не вносить нормовані за значенням фазові зсуви ні в опорний (перший), ні в робочий (другий) потоки оптичного випромінювання. За командою з мікроконтролера 1, що надходить на четвертий та п'ятий виконавчі механізми 31 і 33, сірий клин 30 та чвертьхвильова пластина 32 встановлені в положення, протилежне показаному на кресленні, тобто не діють на опорний потік оптичного випромінювання. За допомогою оптичної системи 11 конфокального мікроскопу монохроматичний потік оптичного випромінювання заданої довжини хвилі λ0, що генерує джерело 9, надходить, з одного боку, через напівпрозору пластину 13 і мікрооб'єктив 12 на нанооб'єкт 24, відбивається від нього і у вигляді оптичного образу нанооб'єкта 24 надходить через ті ж мікрооб'єктив 12, напівпрозору пластину 13 та конфокальну діафрагму 14 на вхід другої ПЗЗ-матриці 15. За допомогою другої ПЗЗ-матриці оптичне зображення нанооб'єкту 24 перетворюється у цифровий сигнал. Цей сигнал з цифрових виходів другої ПЗЗ-матриці 15 через порт "С" надходить у мікроконтролер 1. У останньому, за заданою програмою, цифровий сигнал оброблюється шляхом цифрової фільтрації його з метою контрастного виділення границь та контурів оптичного зображення нанооб'єкту 24. За допомогою графічного дисплею 4 цифровий сигнал перетворюється у оптичне зображення нанооб'єкта 24 і з чітко визначеними границями та контурами висвітлюється на одній частині екрану графічного дисплея 4. Одночасно монохроматичний потік оптичного випромінювання, що генерує джерело 9, через коліматор 20 надходить на друге відбивне нерухоме дзеркало 22, відбивається від нього і надходить на входи другого світлоподільного кубика 19. За допомогою останнього монохроматичний потік оптичного випромінювання заданої довжини хвилі поділяється на два (опорний та робочий) когерентні потоки оптичного випромінювання майже однакової потужності Ф01 і Ф02  01~  02  та з нульовим фазовим зсувом між ними. Ф  Ф Опорний потік оптичного випромінювання з виходу другого світлоподільного кубика 19 надходить на перше відбивне нерухоме дзеркало 21, відбивається від нього і надходить на другі виходи-входи другого світлоподільного кубика 19, відбивається від нього і надходить на входи першого світлоподільного кубика 18. Робочий потік оптичного випромінювання, що відбивається від світлоподільного кубика 19, надходить на рухоме відбивне дзеркало 23 з жорстко закріпленим кантелівером з голкою, відбивається від нього і, через друге світлоподільний кубик 19 надходить, як й опорний потік оптичного випромінювання, на входи першого світлоподільного кубика 18. З першого оптичного виходу першого світлоподільного кубика 18 сумісний (нелінійно складений між собою) оптичний сигнал надходить, у вигляді інтерференційних смуг чи кілець, через окуляр 17 і діафрагму 16 на входи першої ПЗЗ-матриці 10. За допомогою першої ПЗЗ-матриці 10 оптичне зображення інтерференційних смуг чи кілець перетворюється у цифровий сигнал. Цей сигнал з цифрових виходів першої ПЗЗ-матриці 10 через порт "С" надходить у мікроконтролер 1. У останньому, за заданою програмою, цифровий сигнал також оброблюється шляхом його цифрової фільтрації з метою контрастного виділення границь та контурів оптичного зображення інтерференційних кіл. За допомогою графічного дисплею 4 отриманий цифровий сигнал перетворюється у оптичне зображення і з чітко визначеними границями та контурами висвітлюється на другій частині екрану графічного дисплея 4. Таким чином на екрані графічного дисплея 4 отримують сумісне оптичне зображення нанооб'єкту 24 та інтерференційних кіл. Розглянемо процес визначення лінійних розмірів за допомогою запропонованого технічного рішення. 4 UA 104029 C2 5 Спочатку, за командою з мікроконтролера 1 і при візуальному контролі нанооб'єкту 24 за допомогою екрану графічного дисплею 4, встановлюють предметний стіл 25 з нанооб'єктом 24 в положення, при якому голка кантелівера, що жорстко з'єднаний з третім рухомим дзеркалом 23, встановлюється у начальну точку нанооб'єкту 24, що відповідає початку лінійного розміру lx , що визначається. При цьому фазовий зсув між когерентними потоками оптичного випромінювання повинен бути рівним нулю. Це залежить від похибки П встановлення нульового значення фазового зсуву 10 15 П 0 . Значення фазового зсуву П залежить від різниці оптичної довжини шляху проходження когерентних потоків оптичного випромінювання нормованої за значенням відстані. Для досягнення нульового фазового зсуву за командою з мікроконтролера 1 між другим світлоподільним дзеркалом 19 і першим відбивним дзеркалом 21 за допомогою четвертого виконавчого механізму 31 повільно вводиться сірий клин 30 до забезпечення нульової різниці ходу опорного та робочого когерентних потоків оптичного випромінювання. Зазначений момент часу визначається шляхом досягнення мінімальної напруги на виході підсилювача 6, що отримана після нелінійного складання першого і другого потоків оптичного випромінювання при х   0 і перетворення сумарного потоку оптичного випромінювання у напругу, а потім й у відповідний код числа   2 N0min  S0U0min  S0SЛФ0 1  ka  2ka cosП  NH    2  S0U0 1  k a  2k a  cos П  NH 20 25 30 35 де S0 - крутість аналого-цифрового перетворення; SЛ - крутість перетворення потоку оптичного випромінювання у напругу при лінійній функції перетворення електронного каналу; Ф0 - потужність потоку оптичного випромінювання; UH - зміщення лінійної функції перетворення; k a - коефіцієнт асиметрії, обумовлений нерівністю потужностей  01   02  Ф Ф сформованих монохроматичних когерентних потоків оптичного випромінювання ( ka  SЛФ02 / SЛФ01  U02 / U01  kaФ0 / Ф0  kaU0 / U0 , де U0  U01 ). Далі, за командою з мікроконтролера 1, що надходить на п'ятий виконавчий механізм 33, між третім рухомим відбивним дзеркалом 23 і другою встановлюється чвертьхвильова пластина 32. Здійснюється затримка опорного потоку оптичного випромінювання на час t0, що відповідає дев'яностоградусному фазовому зсуву 0  90  . Це забезпечується двократним проходженням опорного потоку оптичного випромінювання через чвертьхвильову пластину 32. В результаті нелінійного складання зсунутих по фазі на φ 0 першого та другого потоків оптичного випромінювання отримують явище інтерференції, що можливо спостерігати на екрані графічного дисплею 4. Перетворюють сумарний потік оптичного випромінювання у напругу, її підсилюють за допомогою підсилювача 6, а потім, за допомогою аналого-цифрового перетворювача 5 перетворюють у код числа:   2 N0  S0U0  S0U0 1  k a  2k a  cosП  0   NH 40 45 (1) (2) Код числа (2) запам'ятовують у оперативній пам'яті мікроконтролера 1. Далі, за командою з мікроконтролера 1, що надходить на третій виконавчий механізм 28, між другим світлоподільним кубиком 19 і сірим клином 30 встановлюється оптична лінія затримки 29. Це забезпечує затримку робочого потоку оптичного випромінювання на час t0 , що відповідає фазовому зсуву - 0 . Зсунуті по фазі на 01  01   0  0  перший та другий   потоки оптичного випромінювання нелінійно складаються, перетворюються у напругу за допомогою фотоприймача 7, підсилюються за допомогою підсилювача 6 і перетворюються у код числа за допомогою аналого-цифрового перетворювача 5. В результаті отримують код числа: 5 UA 104029 C2   2 Nн1  S0Uн1  S0U0 1  k a  k 2k acosП  0  0   Nн 5 10 (3) що містить інформацію про фазовий зсув 01 . Код числа Nн1 (3) запам'ятовують у оперативній пам'яті мікроконтролера 1. Далі, за командою з мікроконтролера 1, оптична лінія затримки 29 встановлюється між третім рухомим відбивним дзеркалом 23 і другим світлоподільним кубиком 19 (див. креслення). В результаті здійснюється затримання робочого потоку оптичного випромінювання на той же час t0 , що відповідає фазовому зсуву 0 . Нелінійно складають зсунуті по фазі на 02  01   0  0  перший та другий потоки оптичного випромінювання, тобто отримують   явище інтерференції зазначених потоків. Зсунуті по фазі на 01  01   0  0  перший та другий потоки оптичного   випромінювання нелінійно складаються, перетворюються у напругу за допомогою фотоприймача 7, підсилюються за допомогою підсилювача 6 і перетворюються у код числа за допомогою аналого-цифрового перетворювача 5. В результаті отримують код числа:   2 Nн2  S0Uн2  S0U0 1  k a  k 2k acosП  0  0   Nн (4) 15 20 25 що містить інформацію про фазовий зсув 02 . Код числа Nн2 (4) запам'ятовується в оперативній пам'яті мікроконтролера 1. За командою з мікроконтролера 1, що надходить на п'ятий виконавчий механізм 33, чвертьхвильова пластина 32 встановлюється у початковий стан. Цим досягається виключення дії дев'яностоградусного фазового зсуву  0 між когерентними потоками оптичного випромінювання. За командою з мікроконтролера 1, що надходить на другий виконавчий механізм 27, предметний стіл 25 з нанооб'єктом 24 переміщується у положення, при якому голку кантелівера з рухомим відбивним дзеркалом 23 встановлюється у кінцеву точку нанооб'єкту 24, тобто на відстані l від початкової точки. Це відповідає внесенню фазового зсуву  x між опорним та x робочим когерентними потоками оптичного випромінювання. За командою з мікроконтролера 1, що надходить на третій виконавчий механізм 28, оптична лінія затримки 29 встановлюється в положення, показане на рисунку пунктирними лініями. В результаті здійснюється затримка опорного потоку оптичного випромінювання на час t0 , що 30 35 відповідає фазовому зсуву 0 . Нелінійно складають зсунуті по фазі на x1  x1   x  0    опорний та робочий потоки оптичного випромінювання, тобто отримують явище інтерференції зазначених потоків на першому світлоподільному кубику 18. Сумарний оптичний сигнал з одного боку надходить, через окуляр 17 та діафрагму 16, на першу ПЗЗ-матрицю 10, а з іншого, - на вхід фотоприймача 7 через фокусуючу лінзу 8. За допомогою фотоприймача 7 сумарний потік оптичного випромінювання перетворюється у напругу, підсилюється за допомогою підсилювача 6 і перетворюється у код числа:   2 Nн3  S0Uн3  S0U0 1  k a  k 2k acosП   x  0   Nн 40 45 (5) що містить інформацію про фазовий зсув x1 , за допомогою аналого-цифрового перетворювача 5. Код числа Nн3 (5) запам'ятовується у оперативній пам'яті мікроконтролера 1. Далі, за командою з мікроконтролера 1, що надходить на третій виконавчий механізм 28, оптична лінія затримки 29 встановлюється в положення, що показане на рисунку. В результаті здійснюється затримка робочого потоку оптичного випромінювання на той же час t0 , що відповідає фазовому зсуву 0 . Нелінійно складають зсунуті по фазі на x1  x1   x  0    6 UA 104029 C2 5 опорний та робочий потоки оптичного випромінювання, тобто отримують явище інтерференції зазначених потоків на першому світлоподільному кубику 18. Отриманий сумарний оптичний сигнал з одного боку надходить, через окуляр 17 та діафрагму 16, на першу ПЗЗ-матрицю 10, а з іншого боку, - на вхід фотоприймача 7 через фокусуючу лінзу 8. За допомогою фотоприймача 7 сумарний потік оптичного випромінювання перетворюється у напругу, підсилюється за допомогою підсилювача 6 і перетворюється у код числа:   2 Nн4  S0Uн4  S0U0 1  k a  k 2k a cosП   x  0   Nн 10 (6) що містить інформацію про фазовий зсув x 2 за допомогою аналого-цифрового перетворювача 5. Код числа Nн4 (6) запам'ятовують у оперативній пам'яті мікроконтролера 1. Про дійсне значення лінійного розміру нанооб'єкту судять по результатах проміжних вимірювань, що оброблюються за рівнянням числових значень: Nx  ix    0 arcsin Nн4  Nн3     Nн2  Nн1  k2 2 (7) 15 20   0 - при    П   0   90 , або при П   0 і 0  90 . Як видно з отриманого рівняння числових значень (7), результат вимірювання не залежить від нерівності потужностей когерентних потоків оптичного випромінювання, від впливу абсолютних значень параметрів функції перетворення оптико-електронних каналів та їх нестабільності, а також від впливу неідентичності параметрів функцій перетворення оптичних каналів. Він залежить тільки від похибки встановлення 90-градусного фазового зсуву та похибки встановлення нульового фазового зсуву. Це видно за рівнянням числових значень з похибками: Nx  ix   25 30  0  arcsin sin    Nн4  Nн3       П 0 П    2  k2   Nн2  Nн1     - при 0  0  90 і наявності похибки П k2 40 П 0 (8) встановлення нульового значення  фазового зсуву між когерентними потоками оптичного випромінювання. При П   0 і 0  90 отримуємо рівнянням числових значень (7). При наявності випадкових завад та шумів напруги (3), (4), (5) і (6) вимірюються по 9-100 разів. Отримані результати статистично обробляються, тобто усереднюються, з подальшим визначенням кінцевого результату за рівнянням числових значень: 0 ix  2 arcsin Nн4  Nн3  N N 35    н2  (9) н1   N де Nн1 , Nн2 , Nн3 і н4 - результати усереднення. В результаті зазначених дій здійснюється зменшення випадкової похибки у 3-10 разів. Запропонований цифровий вимірювач лінійних розмірів нанооб'єктів, забезпечує одночасну візуалізацію нанооб'єкта 24 та інтерференційних смуг завдяки введенню оптичної системи 11, ПЗЗ-матриці 10. Це розширює його функціональні можливості. Автоматичне (природне) виключення систематичної похибки результату вимірювань досягнуто шляхом реалізації інтерференційного способу надлишкових вимірювань та обробки результатів проміжних вимірювань за апріорі виведеному рівнянню числових значень (надлишкових вимірювань), а також за рахунок підвищення точності встановлення голки кантелівера у початкове та кінцеве положення лінійного розміру нанооб'єкту 24. 7 UA 104029 C2 5 10 Підвищення точності досягається також за рахунок введення у вимірювач чверть, крім оптичної системи 11 і ПЗЗ-матриці 10, чвертьхвильової пластини 32, оптичної лінії затримки 29, третього, четвертого та п'ятого виконавчих механізмі, які з'єднані між собою та з іншими функціональними блоками зазначеним вище чином. Максимально можлива чутливість досягнута за рахунок внесення додаткового 90-градусного фазового зсуву між двома когерентними потоками оптичного випромінювання. Незалежність результатів вимірювань від факторів оточуючого середовища, тобто виключення додаткових похибок забезпечується завдяки реалізованого способу надлишкових вимірювань. Таким чином, запропонований цифровий вимірювач лінійних розмірів нанооб'єктів вирішує поставлену технічну задачу. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 20 25 30 35 40 45 Цифровий вимірювач лінійних розмірів нанооб'єктів, що містить мікроконтролер, блок бази даних, клавіатуру і графічний дисплей, які через загальну шину з'єднані з цифровими входамивиходами порту "В" мікроконтролера, до цифрових входів-виходів порту "А" якого підключені послідовно з'єднані між собою аналого-цифровий перетворювач, підсилювач і фотоприймач, оптично з'єднані між собою перше і друге нерухомі відбивні дзеркала, друге з яких через коліматор оптично підключено до джерела монохроматичного потоку оптичного випромінювання та до третього рухомого відбивного дзеркала, що жорстко з'єднано з кантелівером з голкою і кінематично з першим виконавчим механізмом, цифрові входи-виходи якого підключені до цифрових входів-виходів порту "С" мікроконтролера, до цифрових входіввиходів порту "В" якого через загальну шину підключені цифрові входи-виходи другого виконавчого механізму, кінематично з'єднаного з предметним столом з закріпленим на ньому нанооб'єктом, введені також оптично з'єднані діафрагма, окуляр, перший та другий світлоподільні кубики, перші входи другого з яких оптично підключені через друге нерухоме відбивне дзеркало і коліматор до виходу джерела монохроматичного потоку оптичного випромінювання, перші виходи-входи другого світлоподільного кубика оптично з'єднані з третім рухомим відбивним дзеркалом, другі виходи-входи оптично підключені до першого нерухомого відбивного дзеркала, при цьому вхід фотоприймача оптично з'єднаний через фокусуючу лінзу з другими виходами першого світлоподільного кубика, який відрізняється тим, що в нього додатково введені перша ПЗЗ-матриця, сірий клин, чвертьхвильова пластина, оптична лінія затримки та оптична система конфокального мікроскопу, що оптично з'єднана з нанооб'єктом і містить оптично і послідовно з'єднані між собою мікрооб'єктив, напівпрозору пластину, конфокальну діафрагму та другу ПЗЗ-матрицю, цифрові входи-виходи якої підключені до цифрових входів-виходів порту "С" мікроконтролера, з якими з'єднані й цифрові входи-виходи першої ПЗЗ-матриці, яка через діафрагму оптично підключена до виходу окуляра, оптична лінія затримки, що почергово розміщується між третім рухомим відбивним дзеркалом і другим світлоподільним кубиком та між другим виходом-входом другого світлоподільного кубика, та першим нерухомим відбивним дзеркалом і кінематично з'єднана з третім виконавчим механізмом, цифрові входи-виходи якого підключені через загальну шину до цифрових входіввиходів порту "В" мікроконтролера, з якими з'єднані й цифрові входи-виходи четвертого виконавчого механізму, до якого жорстко прикріплений сірий клин, а також введена чвертьхвильова пластина, що розміщена між третім рухомим відбивним дзеркалом і другим світлоподільним кубиком і жорстко зв'язана з п'ятим виконавчим механізмом, цифрові входивиходи якого підключені через загальну шину до цифрових входів-виходів порту "В" мікроконтролера, причому джерело монохроматичного потоку оптичного випромінювання оптично з'єднане з нанооб'єктом через напівпрозору пластину і мікрооб'єктив оптичної системи. 8 UA 104029 C2 Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 9