Оптическая линейка: Оптическая линейка – устройство – УЦИ и электронные линейки

Содержание

Оптические линейки

Оптические линейки, наравне с круговыми энкодерами, являются самыми распространенными средствами измерения положения перемещений рабочих органов станков. В отличие от круговых энкодеров, оптические линейки дают более точную картину о положении рабочего органа, так как устанавливаются непосредственно на перемещаемый орган станка. Круговые датчики устанавливаются обычно на ходовые винты, поэтому в точность измерения обычно негативно вмешиваются еще и люфты станка.

С момента появления первых оптических линеек они претерпели некоторые изменения, но все-таки принцип действия и поныне остается одинаков. Конструктивно практически любая современная оптическая линейка представляет собой корпус из цельнотянутого дюралюминиевого профиля, внутри которого по всей длине установлена стеклянная шкала с нанесенными на ней штрихами. Ранее использовались оптические линейки открытого типа, в которых оптическая шкала не была защищена металлическим корпусом, но применяемость таких линеек на данный момент крайне мала ввиду их слабой пыле-грязезащищенности.

Современные оптические линейки несут в своей конструкции корпус из цельнотянутого дюралюминиевого профиля, таким образом удается достичь высоких показателей ее защищенности и геометрической стабильности. Подвижная часть линейки представляет собой считывающую головку, которая двигается вдоль стеклянной шкалы, с обеих сторон огибая ее. Конструкции современных считывающих головок стали более продуманными. Если раньше, чтобы установить оптическую линейку, требовалось большое количество времени и различных приспособлений, чтобы выставить требуемые зазоры, то сейчас процесс установки значительно упростился.

В конструкции головки применен принцип шарнирного соединения, что не выставляет жестких требований при установке считывающей головки относительно самой линейки. Плюс к этому, в современных оптических линейках считывающая головка имеет всегда одинаковый зазор по отношению к стеклянной шкале. Это возможно за счет применения в конструкции головки 5-и подшипников, благодаря чему считывающая головка перемещается по стеклу, будучи одинаково прижатой со всех сторон.

Этим и обеспечивается создание требуемых зазоров.

Флагманом в производстве оптических линеек является, несомненно, немецкая фирма Haidenhain. Она выпускает качественные и самые дорогие линейки. Близко по качеству к ним подходят Precizika, ЛИР, FAGOR (далее по тексту будем применять выражение «иной производитель», дабы не ущемлять достоинства и качество этих, действительно хороших производителей).

Мы же представляем на нашем рынке их китайских собратьев – SINO и DITRON. Ранее считалось распространенным мнение, что если товар произведен в Китае, то он заведомо плохого качества. И это не было лишено смысла. Однако шли годы, и китайская индустрия, впитывая в себя передовой опыт европейских, американских производителей, шагнула далеко вперед. Станочное производство мощнейших европейских брендов, таких как Кнут, располагается в Китае. Большинство выпускаемых в Китае станков оснащается Устройствами Цифровой Индикации и оптическими линейками, и качество выпускаемых изделий весьма высокое.

По качественным характеристикам китайские бренды успешно конкурируют с европейскими и российскими производителями, а по соотношению цена-качество – шагнули далеко вперед.

Конечно, не все оптические линейки и УЦИ имеют европейское качество, но тщательный отбор и изучение динамики рынка позволили выявить лидеров в данной области. Это компании SINO и DITRON. В течение уже 6-лет мы применяем УЦИ и оптические линейки этих компаний, и ни разу они нас не подводили. Линейки SINO и DITRON работают в тех условиях, в которых отечественные ЛИР выходят из строя. И такие случаи не единичны. Представляемые нами оптические линейки прекрасно работаю при низких температурах, при которых линейки «иных производителей» выходят из строя (лопается стекло измерительной шкалы). Неоднократно мы производили замену линеек Haidenhain на SINO и DITRON. И тут наши линейки справляются великолепно. В представляемых нами линейках используются сигнал ТТЛ уровня, что позволяет стыковать их с практически любой системой ЧПУ или УЦИ импортного и отечественного производства, имеющие аналогичные входные сигналы.

В чем еще SINO и DITRON успешно превзошли своих конкурентов, так это в предоставлении потребителю множество удобств для установки своих линеек. Если вы приобретаете оптическую линейку SINO или DITRON, вы получаете монтажный уголок четырех типоразмеров для крепления измерительной головки. Такие дополнения не предлагает ни один европейский производитель, и обычно установка таких линеек предполагает еще и изготовление специального уголка, невозможное без промышленного оборудования.

Исследуя желания потребителей, производители линеек SINO и DITRON ввели дополнительное ноу-хау: использование для установки специальной полосы Pad Strips, которая выполняет функцию геометрически ровной поверхности, а также обеспечивают защиту от провисания самой линейки на больших длинах. Никто из европейских и отечественных производителей линеек почему-то до такого нововведения не додумался. Поэтому установка на универсальный станок линейки «иного производителя» требует наличие ровной геометрической поверхности или делает такую установку невозможной без изготовления дополнительных приспособлений (опять-таки в промышленных условиях).

Следует сделать акцент на том, что при установке оптической линейки «иного производителя» вам придется запастись дополнительными крепежными элементами (шайбами, винтами, щупами), в то время как SINO и DITRON представляют потребителю полный комплект крепежа (от винтов до прокладок разной толщины). Если при установке оптической линейки «иного производителя» вы будете бесчисленное количество раз снимать, ставить, примерять саму линейку, каждый раз рискуя ударить ее и вывести из строя, то «примерку» нашей линейки вы производите 1 или 2 раза. Все манипуляции по выставлению параллельностей вы делаете не с линейкой, а с подкладкой Pad Strips. Именно ее вы устанавливаете и обкатываете все время. Сама же оптическая линейка спокойно лежит в безопасном удалении от круга проведения работ без возможности быть поврежденной. Устанавливается она в самом конце, когда все манипуляции с «Pad Strips» закончены. Кстати, в состав комплекта линейки с «Pad Strips» входит также и защитный кожух, который крепится непосредственно к самой подкладке.

Отверстия для крепления с резьбой производитель заблаговременно сделал на своем предприятии. Крепежные винты также присутствуют.

Если подводить итог вышеизложенному, представляемые нами линейки не только не уступают по качеству мировым брендам, но и делают процесс установки максимально удобным для пользователя. Стоимость предлагаемых нами УЦИ и оптических линеек минимум вполовину дешевле отечественных и импортных аналогов. Качество продуктов SINO и DITRON говорит само за себя: ни одного отказа за 6 лет применения таких линеек на универсальных станках и станках с ЧПУ. Ко всему следует добавить, что SINO и DITRON

производят оптические линейки практически любых длин в диапазоне от 70 мм до 3000 мм, что значительно расширяет сферу их применяемости. Именно это позволяет с легкостью подбирать аналог вышедшим из строя дорогостоящим линейкам зарубежных и отечественных производителей из линеек SINO и DITRON.

Оптическая линейка ELBO GT и GR

Оптические линейки GT5 – GT1 – GR5 – GR1, сигнал TTL и EIA 422 A, разрешение 1 и 5 микрон, длина от 50 до 3000 мм.

Оптические линейки серии GALILEO обладают высокой точностью и могут быть установлены на: токарные станки, сверлильные станки, расточные станки шлифовальные станки, фрезерные станки, метрологическое оборудование и т.д.

Разработаны для станков с рабочими перемещениями до 3000 мм. Считывающая головка перемещается по направляющим на 5 прецизионных подшипниках.

Комплект поставки включает в себя все необходимое для быстрой и легкой установки (алюминиевая пластина, защита, крепеж и т.д.)

Все линейки проверены лазером.

Разрешение 1 – 5 микрон
Разъем DB9
Выходной сигнал TTL (для УЦИ) и EIA 422 A (для ЧПУ).

Габаритные размеры

Технические характеристики оптических линеек GT – GR.

Модель		GT5	GT1	GR5	GR1
Рабочие хода	мм	50-100-150-200-250-300-350-400-450-500-550-600-650-700-750-800-850-900-950-1000-1100-1200-1300-1400-1500-1600-1700-1800-1900-2000-2100-2200-2300-2500-3000
Сечение	мм	до 1000 мм – 21.5 х 34/ h 52.5; до 1200 мм – 21.5 х 35/ h 54; до 3000 мм – 24.5 х 46 / h 65,8
Разрешение	микрон	5	1	5	1
Скорость перемещения	м/мин.	50	10	50	10
Точность	микрон (20^оС)	± 10	± 8	± 10	± 8
Накапливаемая погрешность при одном проходе	микрон	2	1	2	1
Накапливаемая погрешность при двойном проходе	микрон	5	2	5	2
Гистерезис	микрон	3
Защита		DIN 40050 IP53
Энергопитание		DC 5B ± 5%
Выходной сигнал		TTL (УЦИ)	TTL (УЦИ)	EIA-442-A (ЧПУ)	EIA-422-A (ЧПУ)
Референтная точка		1 в центре линейки
Длина кабеля	м	5 (опционно 3-7-9)
Температура эксплуатации	^оС	0-50

выгоды от эксплуатации – «Nord West Tool»

Одним из параметров металлообрабатывающего оборудования является точность. Для снятия размеров изготавливаемых деталей и перемещений инструмента используются самые разные измерительные средства – от простейших штангенциркулей до электронных измерителей. В станках, оснащённых числовым программным управлением, наиболее выгодным решением оказывается так называемая оптическая (оптоэлектронная) линейка. Ниже мы расскажем, в чём состоят конкретные выгоды от её использования.

Устройство и принцип действия оптической линейки

Оптоэлектронная линейка представляет собой сочетание механических средств измерения и высокоточной измерительной электроники. В состав оптического измерителя входят следующие компоненты.

Прозрачная горизонтальная штанга.
Электронный считыватель информации.
Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП).
Индикатор-дисплей.

Горизонтальная штанга выполнена в виде плоской линейки, на которую нанесены риски, удалённые друг от друга на величину предела измерения (миллиметры и доли миллиметра). Электронный считыватель информации представляет собой миниатюрную видеокамеру, которая перемещается по линейке и фиксирует переходы от одной риски к другой. Собранная при перемещении информация передаётся на АЦП, который трансформирует аналоговый сигнал в цифровой, передаваемый далее на исполнительные механизмы и отображаемый на индикаторе-дисплее.

Характеристики оптической линейки

К базовым характеристикам оптической линейки относятся следующие параметры:

длина;
точность;
вид сигнала;
предел измерений.

Указанные параметры учитываются, главным образом, при выборе конкретной модели, подходящей для определённого станка и типа продукции. Все перечисленные данные обычно указываются в паспорте на устройство наряду с другими эксплуатационными сведениями.

Плюсы от использования оптоэлектронных линеек

Ключевой позитивный момент состоит в автоматизации измерительных операций, что в свою очередь приводит к существенному повышению производительности и росту качества выпускаемой продукции. Сокращение времени на проведение измерений обуславливается отсутствием человеческого фактора. По понятным причинам электроника быстрее обрабатывает данные, одновременно оперируя огромными массивами информации. Особенно важен этот аспект для крупносерийного производства, когда речь идёт о производстве изделий объёмами в десятки и сотни тысяч.

Рост качества выпускаемой продукции при использовании оптических линеек объясняется увеличением точности металлообработки. Дело в том, что исполнительные механизмы, управляющие движением резца, фрезы, сверла и другого инструмента, однозначно и безошибочно воспринимают информацию, собранную считывателем с линейки и переданную аналого-цифровым преобразователем. Сервомоторы не совершают ошибок – в отличие от человека. Они обеспечивают микронную точность при перемещении инструмента, что в конечном итоге положительно сказывается на качестве продукции.

В заключение заметим, что при всех выгодах оптические линейки не всегда целесообразно приобретать для использования на производстве. Если предприятие не выпускает изделия большими партиями, то покупка оптоэлектронного измерителя окажется невыгодной, так как стоимость этого оборудования всё же высока, как и цена монтажа с настройкой. То есть в маленькой мастерской или ремонтном цеху для измерений достаточно использовать ручной штангенциркуль или обычную мерную линейку.

Оптические линейки – Энциклопедия по машиностроению XXL

В данном справочнике рассмотрены линейные и угловые методы и средства измерения размеров в машиностроении. Именно эти измерения в промышленности технически развитых стран составляют 85—90% от всех существующих видов измерений [37]. Для повышения точности выполнения размерных параметров деталей приборостроительной промышленностью освоен выпуск различных измерительных средств, отвечающих современным требованиям высокоточных преобразователей различных конструкций (индуктивные, фотоэлектрические, электронные), различных приборов для контроля шероховатости обработанных поверхностей (оптико-механические приборы ПСС, ПТС, МИИ, профилометры и профилографы), приборов для контроля погрешностей формы и расположения поверхностей (оптические линейки, автоколлиматоры, интерферометры, кругломеры) и многих других приборов.

В связи о тем, что трудоемкость контрольных операций в машиностроительной и приборостроительной промышленности составляет в среднем 10—50% от трудоемкости механической обработки, в последнее время широкое применение получили приборы активного контроля размеров деталей (пневматические приборы моделей БВ-6060, БВ-4009, БВ-4091, индуктивные приборы модели АК-ЗМ), обеспечивающие необходимую точность размеров непосредственно при изготовлении деталей Все эти измерительные средства, наряду с такими давно зарекомендовавшими себя приборами, как индикаторы, микрометры, оптиметры и др., рассмотрены в настоящем издании справочника. [c.3]
Контроль с помощью оптической линейки. Для измерения прямолинейности плоскостей направляющих станков, поверочных линеек, плит, образующих валов и других деталей всех степеней точности по ГОСТ 10356—63 в настоящее время в СССР выпускаются оптические линейки (ИС-36 и ИС-43).

Принципиальная схема оптической линейки приведена па рис. 73. [c.172]

При измерении прямолинейности оптическую линейку устанавливают на контролируемую поверхность так, чтобы она опиралась на [c.172]

Фиг. 116. Оптическая линейка ИС-36 а —общий вид б — схематический продольный разрез.

Оптическая линейка типа ИС-Зб показана на фиг. 116. [c.745]

Основные данные оптической линейки [c.746]

Оптические линейки 288 — 289, 290 Оформление результатов измерения 121 [c.366]

Ко второй группе относятся методы и средства измерения, при помощи которых определяют непрямолинейность отдельных направлений, а затем, путем соответствующей обработки данных, получают представление о рельефе всех поверхности. Это — визирные методы (в число которых входит, так называемая, оптическая струна), оптические линейки и шаговые методы с применением различных приборов. [c.356]

Оптическая линейка ИС-Зб [5] является специальным прибором для контроля непрямолинейности и поэтому относится к группе приборов для косвенного измерения неплоскостности. Действие прибора основано на принципе измерения высоты точек поверхности от оптической прямой сравнения, в качестве которой используется оптическая, ось афокальной автоколлимационной оборачивающей системы. Длина измеряемой трассы 200—1600 мм. [c.358]

При использовании визирного метода, а также оптической линейки за базу следует принимать три точки А, В м Д (рис. П),т.е. если применить вышеуказанные обозначения, точки I—О, V—О и I—4. Через эти три точки проводим оси координат АД — ось V, АВ — ось У. Ось аппликат перпендикулярна к плоскости, проходящей через указанные три точки. Измерения производятся в следу- [c.364]

Р — отсчеты по оптической линейке или визирной трубе, I — аппликаты.

[c.365]

Автоматическая оптическая линейка [c.209]

Клинья. Штоки с односторонним продольным пазом. Штриховые меры значительной длины (оптические линейки). Тонкостенные гильзы с односторонней зубчатой рейкой. Продольно-разрезные трубы и гильзы. Те же детали, что в предыдущей категории жесткости, ио при худшем соотношении длины и размеров поперечного сечения [c.221]

Измерение оптической линейкой [c.691]

Оптикатор 620 Оптическая линейка 651 Оптическая струна 651 Оптические приборы 622, 651 Организационно-плановые расчеты 570 [c.701]

При ремонте оборудования обычно используют автоколлиматор АКТ-250 обеспечивающий точность, необходимую прн ремонте прецизионного оборудования. Оптическая линейка (рнс. 14). предназначена для контроля величины отступления плоских и других поверхностей от эталона прямолинейности. Эталоном прямолинейности является оптическая прямая сравнения, создаваемая прибором. Линейку устанавливают по отношению к измеряе.мой поверхности так, [c.530]

Применение оптической линейки дает возможность проверить прямолинейность направляющих с точностью до 0,002—0,004 мм в зависи.мости от длины линейки. [c.530]

Отклонения от прямолинейности и плоскостности измеряют лекальной (поверочной) линейкой, измерительной головкой, поверочными плитами на краску, оптическими линейками или самопишущими приборами. [c.162]

Оптическая линейка ИС-36 (рио. 102) применяется для контроля прямолинейности и плоскостности измерением непрямолинейности в различных сечениях. [c.108]

Бригада должна быть обеспечена верстаком и стеллажами с деревянным настилом, специальной тарой для хранения шпинделей и точных винтов, ящиками для укладки деталей по узлам, а также подъемно-транспортным устройством с ручной талью необходимой грузоподъемности. В распоряжении ремонтной бригады должен находиться также специальный (проверенный) измерительный и поверочный инструмент, а также различные приспособления шабровочные плиты, линейки, клинья, призмы индикаторы с ценой деления 0,001, 0,01 мм и индикаторные магнитные стойки рамный и брусковый уровни с ценой деления 0,01—0,02 мм на 1000 мм набор мерительных плиток 1-го класса точности контрольный угольник или рама 1-го класса точности приспособления для проверки направляющих и установки ходовых винтов эталонная оптическая линейка и микроскоп для проверки точности отсчета линейных перемещений контрольные оправки к шпинделям и др. [c.210]

Плоские линейные шкалы наносят на масштабных линейках, на штангах штангенциркулей, на оптических линейках измерительных микроскопов и др. [c.253]

Оптическая линейка (рис. 71) предназначена для контроля величины отступления плоских поверхностей от эталона прямолинейности, которым служит оптическая прямая, создаваемая прибором. Линейка [c.196]

Рис. 71. Общий вид (а) и схема (б) оптической линейки модели ИС-36М

Оптические линейки для измерения отклонений от плоскости они содержат полую линейку с призмой и линзой на каждом конце и микрометр с окуляром, содержащий щуп. [c.173]

Оптические линейки (рис. 10.8) производят измерение отклонений измеряемого профиля от исходной прямой, заданной лучом, проходящим через центры зеркальнолинзовых объективов, образующих афокальную автоколлимационную систему. Лучи света от лампочки 6, пройдя через призму 5, линзу 4, призму 17 и левую половину кубика 12, освещают визирную марку 2 и через зеркально-линзовые объективы 1 к 13 создают изображение визирной марки на полевой диафрагме 3. Микрообъек-тиа 11 переносит увеличенное изображение визирной марки 2 в плоскость биссектор-ной сетки 7, которое окуляром 9 проецируется на экран 8. [c.288]

Оптическая линейка мод. ИС-36 лредназначена для аттестации прямолинейности плоских цилиндрических, У-образных направляющих и др. В качестве эталона прямолинейности в приборе использована оптическая ось фокальной автоколлимационной оптической системы. Афокальная автоколлимационная система, образованная объективами, обладает важным свойством изображение предмета, помещенного на эту ось, постоянно и не зависит от его смещения вдоль оси. [c.651]

Прямолинейность контролируют с помощью лекальных линеек по-методу световой щели — на просвет или измерительными головками (рис. 2.7), перемещаемыми по прямолинейной бйзе (поверочной плите, направляющей прибора и т. п.). При этом также необходима предварительная выверка взаимного положения изделия и базы. Поверхности большой протяженности (направляющие станин и т. п.) могут быть проверены шаговым методом с помош,ью уровня, коллиматора в сочетании с виёирной трубой или автоКоллиМйтора с зеркалом. Применяются также метод визирования, метод сообщающихся сосудов, метод струны и оптические линейки [231. [c.417]

Для визуального наблюдения за поверхностью образца, а также для измерения его размеров и удлинения машина оборудована оптическим устройством. Устройство состоит из двух микроскопов, трех осветителей и оптической линейки, установленной на колонне. Микроскопом МБС-1] производится визуальное наблюдение за образцом. Жестко с ним на том же кронштейне установлен измерительный микроскоп МИР-1, с помощью которого снимаются показания с оптической линейки. Для предохранения микроскопа МБС-1 от перегрева при работе с повышенными температурами переднее окно термокриокамеры обдувается холодным воздухом. [c.98]

Цикл установки координат при программном управлении происходит следующим образом, В начале движение происходит с максимальной скоростью, при приближении к заданному положению скорость, определяемая углом (напряжением) рассогласования сельсина, снижается. Затем на расстоянии 0,5 0,2 мм до положения согласования происходит движение с постоянной скоростью 30 мм/сек. Команда на прекращение этого перемещения подается фотодатчиком, срабатывающим от вспомогательной риски, нанесенной на оптической линейке за 0,08 мм до основной. После этого включается привод медленных перемещений. Путь, который должен быть пройден до точки остгз Опа, 171 [c.171]

Рпс. 14. Оптическая линейка а — общий вид б — схема i — лампа, г — сетка Оифиляра 3 — объектив энрана 4 — проекционный окуляр Л — микровинт в — микрообъектив 7 — полевая диафрагма 8 — зеркально-линзовые объективы 9 — опора линейки 10 — корпус линейки 11 — ро.-шки 12, 13, 18, 19 — элементы осветительной системы 14 — щуп 15 — измерительная каретка 16 — визирный штрих 17 — изображение визирного штриха [c. 530]

В качестве рабочих средств измерений применяют поверочные линейки и плиты, оптические линейки и плоскомеры, инструментально-поверочные блоки ИПБ, автоколлиматоры, автоматические автоколлимацион-ные и гравитационные приборы, оптические струны, гидростатические уровни, микронивелиры и уровни. [c.143]

Вместо целевого знака применяется коллиматор, представляющий собой источник освещения и встроенный целевой знак с прозрачными шкалами (точность измерения 0,02—0,04 мм на 1 м длины). Автоколлиматор сочетает в одном агрегате коллиматор и зрительную трубу (точность отсчета 0,0 мм на 1 м). Оптическая линейка обеспечивает точность контроля пря.молинейностн до 0,002—0,004 м.м. [c.68]

Разработаны также оптические линейки для измерений длины 3 и 4 м с погрешностью 2 и + 3 мкм безкорпусная линейка, позволяющая контролировать прямолинейность на длине до 12—15 м, а также автоматическая линейка с фотоэлектрическим наведением ИС-49). [c.109]

Для измерения отклонений от плоскостности и от прямолинейности применяют уровни различных конструкций, оптические линейки, оптические струны и плоскомеры. Применяют также приспособления с измерительной головкой. Плоскостность можно определять поверочными плитами на краску (по установленному наименьшему числу пятен на единицу площади). Отклонение от прямолинейности можно определять по профилограмме. Для контроля точности расположения поверхностей применяют специальные приспособления [3, 23]. [c.145]

Советы по выбору линеек

В современном производстве все чаще применяется автоматизация оборудования. В России замена устаревшего оборудования осуществляется высокими темпами. Но наряду с заменой, осуществляется модернизация станочного парка. Дело в том, что советский Союз оставил в наследство большое количество станков. И неблагоприятная экономическая ситуация, ввиду отсутствия средств для приобретения нового оборудования, создала дополнительные возможности для модернизации. К тому же, новые станки с ЧПУ требуют высокой квалификации специалистов. Таким образом, широко востребовано применение на станках Устройств цифровой индикации.

Установив цифровую индикацию на станок, повышается производительность оператора и точность изготавливаемых деталей. Благодаря высокой скорости перемещений и наличию дополнительных функций (обработка наклонных поверхностей, расчет точек по прямой линии, компенсация линейных погрешностей, масштабирование и др.) заказчик получает существенCjное снижение времени на обработку, и соответственно срок окупаемости.

Системы УЦИ не имеют люфта присущего механическим системам измерения и позволяют старому станку работать с точностью нового. Система УЦИ позволяется отображать реальное положение осей станка, с учетом полной и неполной выборки люфта.

В данной статье речь пойдет об опыте поставки комплектов УЦИ (DRO) и оптических линеек (linear scale). Надеюсь, что это поможет сделать правильный выбор.

У оптических линеек, их еще называют цифровыми линейками, есть основные параметры такие как: длина измерения, тип сигнала, разрешение, точность. Их точность находится в диапазоне +/-3 – +/-10мкм/м. Длина оптических линеек ограничена возможностью производства и составляет 3000мм.

При необходимости измерения больших длин используют магнитные линейки. Основные параметры те же. Класс точности у магнитных линеек, как правило, не нормирован. Их погрешность находится в диапазоне +/- 20…+/- 40 мкм/м.

Необходимо сказать, что магнитные датчики выигрывают в стоимости по сравнению с оптическими при длине от 1000 мм, до этой длины они даже проигрывают. Таким образом, целесообразно их использовать на больших длинах. У магнитных линеек есть ряд недостатков по сравнению с цифровыми линейками:

▪ высокая погрешность. Для модернизации станков с требованиями к точности 10 мкм/м и меньше магнитные линейки не заменят оптические;

▪ в металлообработке металлическая пыль и стружка, попадая на магнитную ленту, повреждают шкалу и считывающую головку, а это ведет к пропускам и ошибкам измерений, в результате брак неизбежен.

В некоторых случаях применяются магнитные линейки закрытого исполнения, препятствующие попаданию металлической пыли. Примером оптимального выбора является деревообработка. При работе с древесиной или пластиком не требуется высокая точность, и здесь нет магнитной стружки, а древесная пыль не опасна для работы магнитной линейки.

На что стоит обратить внимание

При выборе длины линеек, необходимо ориентироваться на рабочий ход станка и его жесткие упоры. Это исключает механическую поломку линейки при отказе концевых выключателей, то есть в случаях, когда подвижный узел станка может выйти за пределы паспортного хода.

Иногда приходится сталкиваться с желанием клиента установить систему с более высоким разрешением и точностью. На практике точность оборудования обуславливается его техническим состоянием (износ) и факторами внешней среды (температура, вибрация и т.д). Поэтому не стоит ожидать высокой точности без модернизации механики, устранения люфтов.

При выборе линейных датчиков возникают некоторые вопросы. Бывают случаи, когда не позволяют габариты и нужно выбрать линейку меньше паспортного хода подвижного узла. А так же стандартный размер поперечного сечения не подходит.

В современном производстве все чаще применяется автоматизация оборудования. В России замена устаревшего оборудования осуществляется высокими темпами. Но наряду с заменой, осуществляется модернизация станочного парка. Дело в том, что советский Союз оставил в наследство большое количество станков. И неблагоприятная экономическая ситуация, ввиду отсутствия средств для приобретения нового оборудования, создала дополнительные возможности для модернизации. К тому же, новые станки с ЧПУ требуют высокой квалификации специалистов. Таким образом, широко востребовано применение на станках Устройств цифровой индикации.

В данной статье речь пойдет об опыте поставки комплектов УЦИ (DRO) и оптических линеек (linear scale). Надеюсь, что это поможет сделать правильный выбор.

На что стоит обратить внимание

Оптическая линейка | Оптическая биометрия

Для лечения глазных болезней чрезвычайно важны размеры. От точности измерений хрусталика, передней камеры, размеров глаза напрямую зависят важные медицинские решения. Например:

оперировать катаракту сейчас или можно отложить?
можно ли делать лазерную коррекцию сейчас или стоит подождать стабилизации процесса?

Поэтому офтальмологу обязательно нужна «линейка», очень точный инструмент, с минимальной погрешностью измерения.
В чем проблема? Дело в том, что нужно измерять внутренние структуры глаза. И обычные способы, которые могут повредить глаз – не применимы.

Раньше всевозможные измерения проводились при помощи ультразвука – специального прибора по принципу действия и характеру процедуры очень похожего на УЗИ. А- скан (A-scan) – так называется это устройство, к услугам которого сегодня прибегают все реже, а-сканирование сейчас делают в особенных случаях, потому что метод является слишком неточным для такой точной и тонкой структуры как глаз. Во время исследования врач или оптометрист должен прикоснуться к глазу. В этом момент возникают ошибки, связанные с силой и углом прикосновения. Другими словами, метод чувствителен к особенностям пациентами руки врача.

С 2000 года появился новый метод измерения, в котором исключена погрешность, связанная с врачом и сведена к минимуму влияние индивидуальных особенностей конкретного пациента – оптическая биометрия.

Измерение занимает считанные секунды, без предварительной подготовки, закапывания капель, и, главное – бесконтактно, то есть без прикосновения к глазу.

Три примера пользы оптической биометрии

Вы хотите узнать прогрессирует близорукость или нет. Проверка зрения и так называемая рефрактометрия (результаты в цифрах длинной полоске, похожей на магазинный чек) – не лучший способ. Так как зрение при близорукости может меняться в течение одного дня. Правильный стандартный способ определения динамики прогрессирующей близорукости – измерение аксиально (осевого) размера глаза или «передне-задний размер» (ПЗО, ПЗР). У каждого пациента с близорукостью должно быть такое измерение, поскольку только размер позволяет объективно оценить динамику. Лучший, самый точный и простой способ оптическая биометрия.
Катаракта течет не по обычному сценарию. Хрусталик не просто мутнеет, а увеличивается в размерах. Это состояние потенциально угрожает развитием опасной формы глаукомы и даже острого приступа глаукомы. Единственный способ избежать рекомендации «оперировать немедленно», сделать биометрию, измерить хрусталик, затем повторить исследование через некоторое время. Если хрусталик не увеличивается в размерах, и другие показатели не меняются в худшую сторону с операцией можно повременить.
Использование оптического биометра в связке с диагностической системой Verion, которая так же используется в Печерском офтальмологическом центре перед микрохирургией глаза, позволяет не только учесть все особенности глаза пациента, но даже особенности хирургического стиля конкретного хирурга! Результаты работы хирурга с определенной периодичностью вносятся в базу данных приборов. При расчёте оптической силы искусственных хрусталиков, учитывается типичная погрешность руки врача. Это позволяет с удивительной точностью рассчитывать силу сложных торических и мультифокальных искус венных линз, и добиваться максимально возможного результата по зрению после операции.

Оптическая биометрия – действующий международный стандарт, необходимый для:

Определения оптической силы искусственного хрусталика при катаракте
Измерения «передне-заднего размера» (ПЗО) глаза для контроля прогрессирования
близорукости
Измерения размера хрусталика при набухающей катаракте (факомиопизации)
Определении степени угрозы и необходимости вмешательства при узко угольной, закрыто угольной, факогенной глаукоме.

В Печерском офтальмологическом Центре оптическая биоиметрия проводится при помощи WaveLight Biograph OB 820. Благодаря технологии EyeClick Technology в один клик врач и пациент получают информацию: (Аксиальная длина глаза (AL). Толщина центрального участка роговицы (CCT), Анатомическая глубина передней камеры (ACDanatomic)., Толщина центрального участка хрусталика (LT), Толщина роговицы (RT), Кривизна роговицы (K)., Расстояние между границами склеры, Пупиллометрия, Положение визуально-оптической линии, Расчет силы ИОЛ, База данных ИОЛ. Цитируя производителя: «Диагностическое устройство WaveLight® OB820 пригодно для обследования глаз с высокой степенью миопии, с афакией или заполненных силиконовым маслом».

Оптическая биометрия входит в состав комплексных обследований:

Записаться на оптическую биометрию, можно так же отдельно, для этого:

Записаться на прием

Оставить заявку у нас на сайте

Позвонить по телефону

Оптическая линейка ИСП-36

Для определения прямолинейности опорных поверхностей фундаментов с высокой точностью применяют оптическую линейку.

Оптическая линейка (рис. 63) состоит из трубы 3, соединяющей зеркально-линзовые объективы 4. Она служит только носителем оптической (нематериальной) прямой сравнения, поэтому труба линейки не требует точной обработки. Положение оптической прямой сравнения определяется только положением центров объективов. В верхней части каретки устанавливается проекционный микроскоп с винтовым окулярным микрометром, одно деление на барабане которого равно 1 мкм. Микроскоп включает в себя микрообъектив, винтовой микрометр, проекционный окуляр. На каретке установлен индекс 2, который совмещается с линейной шкалой 1 оптической линейки. Для установки линейки на контролируемую поверхность служат опоры. Одна из них неподвижная 8, а вторая регулируемая 5. Опоры обеспечивают трехточечную установку линейки на контролируемой плоскости. Две точки образует неподвижная опора 8, третью точку — регулируемая опора 5.

Рис. 63. Оптическая линейка ИСП-36.

Регистрирующее устройство состоит из корпуса, в котором перемещается рейка, несущая гибкую полосу, снабженную в нижней своей части маркирующим острием. Пределы измерения при использовании регистрирующего устройства заметно меньше, чем при простом измерении по барабану окулярного микрометра (точность измерения также несколько снижается).

Применение линейки позволяет упростить, ускорить и увеличить надежность и точность измерения прямолинейности опорных поверхностей фундаментов. Она может быть использована при аттестации прямолинейности проверочных линеек всех типов и классов точности, а также плоскостности плит.

Техническая характеристика линейки
Пределы измеряемых отступлений от прямолинейности, мм . . …………….. ±0,4
Длина измеряемости трассы, мм………………1600
Точность измерений составляет, мкм:
в центре линейки…………………………±1
по краям » …………………………+2
Пределы регистрируемых отклонений, мм……….±0,05
Масштаб регистрации, кратность:
вертикальный . ………………………….1000
горизонтальный …………………………1
Проекционное увеличение смещения визирного
штриха на экране, кратность………………..30
Допустимые колебания температуры, °С…………20±5
Расстояние между опорами, мм:
максимальное…………………………….1830
минимальное…………………………….620
Габариты, мм:
длина………………………………….2180
диаметр трубы…………………………..118
Масса, кг:
линейки………………………………..24
каретки. ……………………………….1,2
Напряжение сети переменного тока, В……127 или 220

«Оптическая линейка» может произвести революцию в точных измерениях

Подобно тому, как измеритель с сотнями делений может использоваться для измерения расстояний с большой точностью, так и устройство, известное как гребенка частоты лазера, с сотнями равномерно распределенных, четко определенных частот , можно использовать для измерения цветов световых волн с большой точностью.

Достаточно маленькие, чтобы поместиться на микросхеме, миниатюрные версии этих гребенок – названные так потому, что их набор равномерно разнесенных частот напоминает зубцы гребенки – позволяют создать атомные часы нового поколения, значительно увеличивая количество сигналов. путешествие по оптическим волокнам и способность различать крошечные частотные сдвиги в звездном свете, которые указывают на присутствие невидимых планет. Новейшая версия этих микрогребней на основе микросхем, созданная исследователями из Национального института стандартов и технологий (NIST) и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (UCSB), готова к дальнейшему совершенствованию измерений времени и частоты за счет улучшения и расширение возможностей этих крошечных устройств.

В основе этих частотных микрогребней лежит оптический микрорезонатор, устройство в форме кольца шириной с человеческий волос, в котором свет от внешнего лазера проходит тысячи раз, пока не приобретет высокую интенсивность.Микро гребешки, часто сделанные из стекла или нитрида кремния, обычно требуют усилителя для внешнего лазерного света, что может сделать гребенку сложной, громоздкой и дорогостоящей в производстве.

Ученые NIST и их сотрудники из UCSB продемонстрировали, что микрогребни, созданные из полупроводникового арсенида алюминия-галлия, обладают двумя важными свойствами, которые делают их особенно многообещающими. Новые гребенки работают на такой низкой мощности, что им не нужен усилитель, и ими можно манипулировать для получения чрезвычайно устойчивого набора частот – именно то, что необходимо для использования гребенки на микрочипе в качестве чувствительного инструмента для измерения частот с необычайной точностью. (Исследование является частью программы NIST on a Chip.)

Недавно разработанная технология микрогребней может помочь инженерам и ученым проводить точные измерения оптической частоты вне лаборатории, – сказал ученый NIST Грегори Мойлле. Кроме того, микрогребни могут производиться серийно с помощью методов нанопроизводства, аналогичных тем, которые уже используются для производства микроэлектроники.

Ранее исследователи из UCSB возглавляли исследования микрорезонаторов, состоящих из арсенида алюминия-галлия.Частотные гребенки, изготовленные из этих микрорезонаторов, потребляют всего одну сотую мощности устройств, изготовленных из других материалов. Однако ученым не удалось продемонстрировать ключевое свойство – дискретный набор непоколебимых или очень стабильных частот можно было генерировать с помощью микрорезонатора, сделанного из этого полупроводника.

Команда NIST решила эту проблему, поместив микрорезонатор в специальный криогенный аппарат, который позволил исследователям исследовать устройство при температурах до 4 градусов выше абсолютного нуля. Эксперимент при низких температурах показал, что взаимодействие между теплом, генерируемым лазерным светом, и светом, циркулирующим в микрорезонаторе, было единственным препятствием, мешающим устройству генерировать высокостабильные частоты, необходимые для успешной работы.

При низких температурах команда продемонстрировала, что может достичь так называемого солитонного режима, когда отдельные световые импульсы, которые никогда не меняют свою форму, частоту или скорость, циркулируют внутри микрорезонатора.Исследователи описывают свою работу в июньском выпуске журнала Laser and Photonics Reviews .

В таких солитонах все зубцы частотной гребенки находятся в фазе друг с другом, поэтому их можно использовать в качестве линейки для измерения частот, используемых в оптических часах, синтезе частот или лазерных измерениях расстояний.

Хотя некоторые недавно разработанные криогенные системы достаточно малы, чтобы их можно было использовать с новыми микрогребнями вне лаборатории, конечной целью является работа устройства при комнатной температуре. Новые результаты показывают, что ученым придется либо гасить, либо полностью избегать чрезмерного нагрева, чтобы достичь комнатной температуры.

Ссылка
Moille et al . (2020). Диссипативные солитоны Керра в микрорезонаторе III-V. Laser & Photonics Обзоры . DOI: https://doi.org/10.1002/lpor.202000022
Эта статья переиздана по следующим материалам. Примечание: материал мог быть отредактирован по объему и содержанию.Для получения дополнительной информации, пожалуйста, свяжитесь с цитируемым источником.
Новый дизайн «оптической линейки» может произвести революцию в часах, телескопах и телекоммуникациях – ScienceDaily
Точно так же, как измеритель с сотнями делений можно использовать для измерения расстояний с большой точностью, так и устройство, известное как лазерная частотная гребенка, с его сотни равномерно распределенных, четко определенных частот можно использовать для измерения цветов световых волн с большой точностью.
Достаточно маленькие, чтобы поместиться на микросхеме, миниатюрные версии этих гребенок – названные так потому, что их набор равномерно разнесенных частот напоминает зубцы гребенки – делают возможным новое поколение атомных часов, значительно увеличивая количество сигналы, проходящие через оптические волокна, и способность различать крошечные частотные сдвиги в звездном свете, которые указывают на присутствие невидимых планет. Новейшая версия этих микрогребней на основе микросхем, созданная исследователями из Национального института стандартов и технологий (NIST) и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (UCSB), готова к дальнейшему продвижению в измерениях времени и частоты за счет улучшения и расширение возможностей этих крошечных устройств.
В основе этих частотных микрогребней лежит оптический микрорезонатор, устройство в форме кольца шириной с человеческий волос, в котором свет от внешнего лазера проходит тысячи раз, пока не приобретет высокую интенсивность. Микро гребешки, часто сделанные из стекла или нитрида кремния, обычно требуют усилителя для внешнего лазерного света, что может сделать гребенку сложной, громоздкой и дорогостоящей в производстве.
Ученые NIST и их сотрудники из UCSB продемонстрировали, что микрогребни, созданные из полупроводникового арсенида алюминия-галлия, обладают двумя важными свойствами, которые делают их особенно многообещающими.Новые гребенки работают на такой низкой мощности, что им не нужен усилитель, и ими можно манипулировать для получения чрезвычайно устойчивого набора частот – именно то, что необходимо для использования гребенки на микрочипе в качестве чувствительного инструмента для измерения частот с необычайной точностью. . (Исследование является частью программы NIST on a Chip.)
Недавно разработанная технология микрогребней может помочь инженерам и ученым проводить точные оптические измерения частоты вне лаборатории, – сказал ученый NIST Грегори Мойлле.Кроме того, микрогребни могут производиться серийно с помощью методов нанопроизводства, аналогичных тем, которые уже используются для производства микроэлектроники.
Исследователи из UCSB ранее руководили исследованиями микрорезонаторов, состоящих из арсенида алюминия-галлия. Частотные гребенки, изготовленные из этих микрорезонаторов, потребляют всего одну сотую мощности устройств, изготовленных из других материалов. Однако ученым не удалось продемонстрировать ключевое свойство – дискретный набор непоколебимых или очень стабильных частот можно было генерировать с помощью микрорезонатора, сделанного из этого полупроводника.
Команда NIST решила эту проблему, поместив микрорезонатор в специальный криогенный прибор, который позволил исследователям исследовать устройство при температурах до 4 градусов выше абсолютного нуля. Эксперимент при низких температурах показал, что взаимодействие между теплом, генерируемым лазерным светом, и светом, циркулирующим в микрорезонаторе, было единственным препятствием, мешающим устройству генерировать высокостабильные частоты, необходимые для успешной работы.
При низких температурах команда продемонстрировала, что может достичь так называемого солитонного режима, когда отдельные световые импульсы, никогда не меняющие своей формы, частоты или скорости, циркулируют внутри микрорезонатора. Исследователи описывают свою работу в июньском выпуске журнала Laser and Photonics Reviews .
В таких солитонах все зубцы частотной гребенки находятся в фазе друг с другом, так что их можно использовать в качестве линейки для измерения частот, используемых в оптических часах, синтезе частот или лазерных измерениях расстояний.
Хотя некоторые недавно разработанные криогенные системы достаточно малы, чтобы их можно было использовать с новыми микрогребнями вне лаборатории, конечной целью является работа устройства при комнатной температуре. Новые результаты показывают, что ученым придется либо гасить, либо полностью избегать чрезмерного нагрева, чтобы достичь комнатной температуры.
Ученые разработали оптическую линейку с точностью до нанометра
Предоставлено: Наньянский технологический университет.
Ученые из Технологического университета Наньян в Сингапуре (NTU Singapore) разработали новый способ измерения расстояний в наномасштабе – один нанометр составляет одну миллиардную часть метра – с использованием света.
Устройства, использующие свет для наблюдения за объектами, например микроскопы, имеют фундаментальное ограничение, основанное на законах физики, а именно их разрешающую способность.
Наименьшее расстояние, которое оптические устройства могут надежно отображать, равно половине длины волны используемого света, известное как «дифракционный предел».
Таким образом, дифракционный предел превышает 400 нанометров, что составляет примерно половину длины волны ближнего инфракрасного света.Это примерно в 250 раз меньше ширины человеческого волоса (100 микрон).
Но поскольку ученые заинтересованы в наблюдении чрезвычайно маленьких объектов, таких как вирусы и наночастицы, размер которых колеблется от 10 до 100 нанометров, оптического разрешения в 400 нанометров недостаточно.
В настоящее время измерения в нанометровом масштабе проводятся с использованием косвенных или неоптических методов, таких как сканирующая электронная микроскопия, что не всегда осуществимо, может занимать много времени и требует для работы дорогостоящего оборудования.
Однако открытие, опубликованное в журнале Science профессором Николаем Желудевым и доктором Гуангуи Юань из Школы физико-математических наук НТУ, описывает новый оптический метод, который может измерять смещения нанометра – наименьшее расстояние, когда-либо измеренное напрямую, с использованием ближний инфракрасный свет.
Их теоретические расчеты показывают, что устройства, основанные на этом методе, могут в конечном итоге измерять расстояния до 1/4000 длины волны света, примерно до размера одного атома.
Их достижение было достигнуто с использованием золотой пленки толщиной 100 нанометров с более чем 10 000 крошечных прорезей, прорезанных в ней для преломления лазерного света и использования оптического явления, известного как «сверхколебания».
Концепция сверхколебаний впервые возникла в 1980-х годах в результате исследования квантовой физики израильского физика Якира Ааронова, а затем была распространена на оптику и другие области британским физиком Майклом Берри. Сверхколебания возникают, когда “субволна” в световой волне колеблется быстрее, чем сама световая волна.
Как это работает
«Наше устройство концептуально очень просто», – говорит доктор Юань, научный сотрудник Центра подрывных фотонных технологий (CDPT), центра Института фотоники в NTU Singapore. “Что заставляет его работать, так это точный узор, в котором расположены щели.Внутри выкройки есть два типа прорезей, ориентированных под прямым углом друг к другу. Когда поляризованный лазерный свет попадает на золотую пленку, он создает интерференционную картину с очень мелкими деталями, намного меньшими, чем длина волны света ».
После того, как этот поляризованный свет рассеивается от устройства Желудева и Юаня, он производит два кросс-поляризованных луча: один представляет собой сверхколебательную «интерференционную картину», содержащую быстрое изменение фазы, а другой – опорную волну для определения фазы сверхколебательного поля.
По фазе можно вычислить градиент суперколебаний или «локальный волновой вектор», который имеет чрезвычайно узкую ширину (в 400 раз уже дифракционного предела) и, таким образом, может использоваться в качестве оптической линейки высокого разрешения.
Препятствие, которое пришлось преодолеть ученым NTU, заключалось в том, что эти мельчайшие сверхколебания проявляются не в амплитуде световой волны, а в ее фазе. Чтобы отобразить фазу светового поля, ученым пришлось разработать специальный метод, позволяющий сравнивать интенсивности, создаваемые различными состояниями поляризации лазерного света.
«Этот фазочувствительный метод является значительным улучшением по сравнению с предыдущими попытками использовать сверхколебания для оптических измерений», – сказал профессор Желудев, содиректор Института фотоники НТУ.
«Более ранние методы, разработанные нами и другими, использовали класс суперколебаний, которые соответствуют локализованным« горячим точкам »по интенсивности. Преимущество горячих точек в том, что их легко обнаружить. Однако если цель состоит в том, чтобы измерить кратчайшие возможные расстояния, фазовые сверхколебания гораздо более подходят из-за их меньшего размера.«
Будущие приложения
Профессор Желудев, который также является содиректором Исследовательского центра оптоэлектроники в Саутгемптонском университете в Великобритании, сказал, что их открытие, вероятно, найдет применение в промышленности:
«Этот метод оптических измерений будет очень полезен в будущем, например, при производстве и контроле качества электроники, где требуются чрезвычайно точные оптические измерения, а также для контроля целостности самих наноустройств.«
Двигаясь вперед, команда стремится разработать компактную версию своего устройства с использованием оптических волокон и коммерциализировать технологию как новый тип сверхточной оптической линейки, которая будет полезна для передовых производственных процессов, таких как производство полупроводников и оптоэлектроника. устройства, которые составляют основу телекоммуникационной отрасли.
Новая голографическая техника открывает путь для квантовых вычислений
Дополнительная информация: Гуан Хуэй Юань и др.Обнаружение нанометрических смещений с помощью метрологии оптической линейки, Science (2019). DOI: 10.1126 / science.aaw7840 Предоставлено Наньянский технологический университет
Ссылка : Ученые разработали оптическую линейку, которая может измерять до наномасштаба (2019, 5 сентября) получено 2 марта 2021 г. с https: // физ.org / news / 2019-09-science-optical-ruler-nanoscale.html
Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.
Оптическая линейка
обеспечивает измерения вплоть до наномасштаба
Медиа для MedicalGetty Images
Современные микроскопы недостаточно надежно подходят к наномасштабу для исследователей, которые хотят изучать объекты на атомном уровне.
Наноразмер составляет одну миллиардную метра.
Группа исследователей из Технологического университета Наньян в Сингапуре создала новую «нано-линейку», которая может измерять до 1/4 000 длины волны света.
Нанотехнологии, которые развиваются в невероятно малых размерах в одну миллиардную метра, необходимы для всего, от более мощных чипов в смартфонах до средств лечения самых тяжелых болезней. Когда ты такой крошечный, трудно измерить расстояния.И во многих случаях изобретение в наномасштабе означает полагаться на косвенные измерения – до сих пор.
Исследователи из Технологического университета Наньян в Сингапуре разработали оптическую линейку, которая использует свет для измерения вплоть до наномасштаба. Впрочем, это была не легкость.
Учитывая, что оптические устройства полагаются на световые волны, свойства света находятся в центре инженерных проблем, с которыми могут столкнуться исследователи. В частности, существует проблема ограниченной «разрешающей способности», то есть способности электронного устройства создавать различимые изображения. Наименьшее расстояние, которое можно увидеть через такие устройства, как микроскоп, равно половине длины волны используемого света. Это известно как «дифракционный предел».
Этот контент импортирован с YouTube. Вы можете найти тот же контент в другом формате или найти дополнительную информацию на их веб-сайте.
Микроскопия в ближнем инфракрасном диапазоне позволяет получать изображения меньшего размера, поэтому она считается лучшим способом измерения по сравнению с обычными микроскопами.Он используется для идентификации и маркировки драгоценных камней, включая бриллианты и изумруды. Поскольку ближний инфракрасный свет составляет около 800 нанометров, дифракционный предел в этих микроскопах превышает 400 нанометров. Это примерно в 250 раз меньше ширины ваших волос, которые составляют примерно 100 микрон.
Однако ученые, работающие в наномасштабе, хотят наблюдать небольшие объекты, такие как вирусы, размер которых может варьироваться от 10 до 100 нанометров, что делает оптическое разрешение в 400 нанометров недостаточным.
Современные измерения в нанометровом масштабе основаны на косвенных или прямо неоптических методах, таких как сканирующая электронная микроскопия (SEM). SEM использует сфокусированный пучок электронов, которые взаимодействуют с атомами в данном образце, создавая сигналы, которые говорят о его поверхности и составе. (Изображение в верхней части этой статьи, нарисованное на волоске, было получено с помощью сканирующего электронного микроскопа с увеличением в 340 раз.) Полноразмерные СЭМ могут достигать разрешения от одного до 20 нанометров.
Эти устройства могут быть труднодоступными, требующими много времени и дорогостоящими. К счастью, команда Технологического университета Наньян нашла решение, которое было опубликовано в журнале Science.
Новый метод позволяет измерять смещения в нанометре, что является наименьшим расстоянием, когда-либо измеренным напрямую с помощью инфракрасного света. Теоретически, основываясь на расчетах ученого, эта оптическая линейка может измерять до 1/4 000 длины волны света, что примерно равно размеру одного атома.
Изображение любезно предоставлено Наньянским технологическим университетом
Для создания «наноразмерной линейки» команда использовала золотую пленку толщиной 100 нанометров с более чем 10 000 крошечных прорезей, выгравированных на ней, чтобы рассеивать лазерный свет и использовать оптическое явление, известное как суперколебания, концепция, которая восходит к 1980-е гг.
Сверхколебания возникают, когда “субволна” в световой волне колеблется быстрее, чем сама световая волна.Итак, дифракционный предел.
«То, что заставляет его работать, – это точная схема расположения щелей», – сказал доктор Гуанхуи Юань, научный сотрудник Центра подрывных фотонных технологий в NTU Singapore, в заявлении для прессы. «В шаблоне есть два типа прорезей, ориентированных под прямым углом друг к другу. Когда поляризованный лазерный свет попадает на золотую пленку, он создает интерференционный рисунок, содержащий чрезвычайно крошечные элементы, намного меньшие, чем длина волны света. «
Линейка станет инструментом в производстве и контроле качества электроники в будущем, – заявила команда.
Следующая задача ученых – создание компактной версии своего устройства с использованием оптических волокон и, надеюсь, коммерциализация технологии для использования в производство полупроводников и оптоэлектронных устройств для телекоммуникационной отрасли.
Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты.Вы можете найти больше информации об этом и подобном контенте на сайте piano.io.
Обнаружение нанометрических смещений с помощью метрологии оптической линейки
Метрология сверхколебательных смещений
Разрешающая способность света (или других форм волны, если на то пошло) обычно ограничивается примерно половиной длины волны. Однако многократная интерференция волн приводит к появлению субволновых «горячих точек» в фазе из-за того, что называется сверхколебаниями волнового поля. Юань и Желудев использовали специально разработанную метаповерхность для интерференции лазерного света (длина волны λ = 800 нм) и создали сверхколебательную линейку, содержащую эти горячие точки. Они продемонстрировали способность измерять смещения около λ / 800 при работе на длине волны 800 нм. Затем они теоретически показали, что разрешающие способности около λ / 4000, то есть смещения атомного масштаба, могут быть возможны. Этот метод должен оказаться полезным для метрологических приложений, требующих точных измерений.
Наука , этот выпуск стр.771
Abstract
Мы представляем оптическую линейку, электромагнитный аналог физической линейки, для метрологии смещения в наномасштабе. Оптическая линейка – это сложное электромагнитное поле, в котором особенности служат отметками на шкале. Он создается за счет дифракции света на метаповерхности с отметками сингулярностей, которые затем обнаруживаются интерферометрическим наблюдением с большим увеличением. Используя фазовую метаповерхность Панчаратнама-Берри, мы демонстрируем разрешающую способность смещения лучше 1 нанометра (λ / 800, где λ – длина волны света) на длине волны 800 нанометров. Мы утверждаем, что разрешающая способность ~ λ / 4000, типичный размер атома, может быть достижима. Оптическая линейка с размерами всего в несколько десятков микрометров предлагает приложения в нанометрологии, наномониторинге и нанопроизводстве, особенно в сложных и ограниченных условиях будущих интеллектуальных производственных инструментов.
Свет – идеальный инструмент для метрологии, потому что он позволяет измерять размер или положение объекта относительно линейки, точно так же, как египтяне и месопотамцы использовали стержни, разделенные на локти, самую раннюю известную единицу длины, в третьей. тысячелетие до нашей эры.Смещение объекта относительно линейки можно измерить оптически, с разрешением, ограниченным дифракцией, примерно до половины используемой оптической длины волны λ, обычно долей микрометра. Здесь мы демонстрируем, что на порядок более высокое разрешение, потенциально вплоть до атомного уровня, может быть достигнуто с помощью оптической линейки вместо физической линейки: электромагнитного поля, структурированного с сингулярностями на глубоко субволновом масштабе. Эта новая метрология основана на предпосылке, что сингулярные оптические поля в свободном пространстве с глубоко субволновыми зонами быстрых фазовых изменений могут быть созданы интерференцией нескольких лучей света ( 1 – 10 ) и что эти оптические поля в свободном пространстве могут быть отображены без ограничения разрешения, далеко за пределами обычного дифракционного предела.В отличие от сверхколебательной оптической микроскопии, использующей горячие точки субдифракционной интенсивности ( 8 ), метрология оптической линейки использует фазовые сингулярности, которые гораздо более локализованы.
Для создания оптической линейки мы использовали наноструктурированную метаповерхность, которая при освещении когерентным светом с длиной волны λ создает в свободном пространстве оптическое поле с высоким градиентом фазы ϕ, где модуль локального волнового вектора k = ϕ значительно превышает волновой вектор свободного пространства | k0 | = 2π / λ.Интерференция этого поля с самой падающей волной выявляет зоны с высокими значениями локальных волновых векторов, размер которых может составлять всего доли нанометра. Мы обнаружили эти особенности интерферометрически, используя ту же метаповерхность, что и монолитный интерферометр микрометрового размера. Мы визуализировали сингулярности с большим увеличением и использовали их в качестве опорных точек (отметок на шкале) для метрологии сверхвысокого разрешения так же, как отметки на физической линейке используются в обычных измерениях (см.рис.1).
Рис. 1 Принцип метрологии перемещения оптической линейки.
Традиционная метрология смещения основана на наблюдении за физической линейкой, движущейся вдоль линии MM. Метрология оптической линейки основана на наблюдении глубоко субволновых зон сложного оптического поля с сильным фазовым градиентом k = ϕ вдоль линии MM, которые используются в качестве отметок оптической линейки.
Оптическая линейка создается плоской фазовой метаповерхностью Панчаратнама-Берри ( 11 , 12 ), освещаемой полупроводниковым лазером на длине волны λ = 800 нм ( 13 ).Мы построили метаповерхность, которая создает в дальней зоне от плоскости метаповерхности сверхколебательную субволновую горячую точку ( 7 , 8 , 10 ) с поляризацией, ортогональной падающей волне. Такие горячие точки, как известно, окружены зонами с высоким градиентом фазы ( 10 ). Мы выявили зоны высоких фазовых градиентов на оптической линейке путем наблюдения интерференции между superoscillatory полем и опорной волной, передаваемой через metasurface с той же поляризацией, падающей волной.
Мы визуализировали интерференционную картину оптической линейки без потери разрешения с помощью линзы с числовой апертурой выше, чем у генератора изображений. Мы использовали оптическую систему с увеличением 1300 ×, проецируя изображение на датчик изображения с размером пикселя 6,5 мкм, таким образом достигнув эффективного пиксельного разрешения 5 нм в плоскости наблюдения ( 13 ). Экспериментальные данные сравниваются с моделями, смоделированными с помощью конечно-разностного моделирования во временной области (FDTD).Из интерферометрических карт интенсивности (рис.2, A и B), снятых при четырех различных поляризациях падающего излучения (линейная поляризация + 45 ° и -45 °, а также правая и левая круговые поляризации) с использованием методики, описанной в ( 10 , 13 ) были восстановлены профили интенсивности (рис. 2, C и F), фазы (рис. 2, D и G) и модуля поперечного локального волнового вектора kx = ∇xϕ (рис. 2, E и H) сверхколебательного поля. Оказывается, зоны быстрых изменений фазы (пики локального волнового вектора) намного уже, чем сама горячая точка интенсивности.Мы использовали эти пики как «отметки» оптической линейки.
Рис. 2 Значения интенсивности, фазы и локального волнового вектора вдоль оптической линейки.
( A и B ) Сечение распределения интенсивности x – y -поляризованной компоненты оптического поля y , создаваемой метаповерхностью при различных поляризациях падающего света [ x , +45 ° и -45 ° линейной поляризации, а также правой и левой круговых поляризаций (RCP и LCP)] на расстоянии ~ 10 мкм от метаповерхности.Показаны результаты моделирования FDTD (A) и экспериментальные данные (B). Пунктирная горизонтальная полоса указывает интервал 2 мкм на всех изображениях. Цветовая шкала показывает уровень интенсивности от 0 (черный) до максимального (белый). (От C до H ) Профили интенсивности для различных входных поляризаций (на вставках показаны профили, снятые камерой) [(C) и (F)]. а.е., условные единицы. Полученные фазовые профили [(D) и (G)]. Модуль локального волнового вектора kx = ∇xϕ имеет пики, локализованные на наноуровне (пунктирные красные линии показывают | kx | / k0 = 1) [(E) и (H)].( I ) Изображение, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), фрагмента одномерной метаповерхности фазы Панчаратнама-Берри, которая создает сверхколебательное поле с зонами высоких фазовых градиентов. Искусственные цвета на увеличенном изображении обозначают столбцы, обеспечивающие фазовый сдвиг 0 или π в проходящем свете.
Чтобы оценить практически достижимое разрешение метрологии смещения оптической линейки, мы переместили платформу A, на которой находится лазерный источник и метаповерхностный интерферометр, в боковом направлении относительно датчика изображения на платформе B с нанометрическими шагами и записали положения меток оптическая линейка (см. рис.1 и 3). Анализ линейной регрессии показывает, что зависимость записанного положения меток от их физического положения имеет единый наклон и стандартное отклонение менее 1 нм. Это определяет разрешающую способность смещения оптической линейки лучше, чем λ / 800. Здесь разрешающая способность ~ 1 нм ограничена разрешением пьезоактуатора (0,4 нм), механической нестабильностью установки и пикселизацией датчика изображения. Чтобы оценить потенциальное разрешение метрологии, мы рассчитали автокорреляционную функцию экспериментально измеренной и смоделированной карты интенсивности GI (δx) = ∫I (x + δx) I (x) dx и карты волнового вектора Gk (δx) = ∫ | kx (x + δx) kx (x) | dx, учитывая только | kx (x) | / k0> 2.Такие функции автокорреляции позволяют универсально оценить, насколько хорошо можно различить исходное и смещенное изображения, тогда как разрешающая способность оценивается как ширина автокорреляционной функции на 80% ее высоты. Профиль автокорреляционной функции GI (δx) имеет форму колокола, что дает разрешение 249 нм (0,31λ) по расчетным данным (рис. 3, C и D) и 269 нм (0,34λ) по эмпирическим измерениям. карта интенсивности (рис. 3, G и H). Гораздо лучшей разрешающей способности можно добиться при использовании векторной карты k (рис.3, E и I): его автокорреляционная функция Gk (δx) быстро затухает и экспоненциальна на малых расстояниях, давая разрешение около 190 пм (λ / 4200), как оценивается по смоделированным данным, и 1,7 нм (λ / 470 ), как оценивается по эмпирически измеренным картам интенсивности (рис. 3, F и J), что близко к значению стандартного отклонения, полученному при измерениях смещения (рис. 3, A и B).
Рис. 3 Демонстрация измерения смещения оптической линейки.
( A ) Положения меток оптической линейки (пики волнового вектора), обозначенные красными восходящими треугольниками и пурпурными нисходящими треугольниками, и их средние значения (черные кружки), измеренные в различных положениях платформы A по отношению к платформе B (см.рис.1) с шагом 3 нм. σ, стандартное отклонение. ( B ) Положения меток (пиков волнового вектора), измеренные с шагом 1 нм. (От C до J ) Подробная информация о картах поля оптической линейки. Сечения x – y распределения интенсивности y -поляризованной комплексной компоненты оптического поля, создаваемой метаповерхностью на расстоянии ~ 10 мкм от метаповерхности [(C) и (G)], их автокорреляция функции [(D) и (H)], x – y карты ∣ k _x ∣ / k ₀ [(E) и (I)], и их автокорреляция функции [(F) и (J)].
Мы также продемонстрировали двумерную (2D) метрологию оптической линейки со случайной двумерной метаповерхностью фазы Панчаратнама-Берри (рис. 4). В процессе восстановления фазы выявляется сложная фазовая карта с высокой плотностью сингулярностей (рис. 4C) и сверхколебательными волновыми векторами (рис. 4D). Автокорреляционная функция Gk (δx; δy) = ∬ | k⊥ (x + δx, y) k⊥ (x, y + δy) dxdy, где k⊥ = kx2 + ky2, быстро убывает в нанометровом масштабе и экспоненциально при малых расстояния, с учетом разрешения смещения около 2. 2 нм (λ / 360). Более низкое разрешение двумерной оптической линейки по сравнению с одномерным случаем объясняется использованием сверхколебательного генератора, создающего картину сингулярностей различной ширины.
Рис. 4 Двумерная оптическая линейка.
( A ) СЭМ-изображение фрагмента двумерной случайной фазовой метаповерхности Панчаратнама-Берри. ( B и C ) x – y карты интенсивности (B) и фазы (C) в свободном пространстве на ~ 10 мкм над метаповерхностью, освещенной источником когерентного света на длине волны λ = 800 нм.Черные точки показывают точки фазовой сингулярности. В (B) цветовая шкала указывает интенсивность случайного оптического поля от 0 (черный) до максимума (белый). В (C) цветовая шкала указывает фазу случайного оптического поля от 0 (синий) до 2π (красный). ( D ) Получена карта модуля волнового вектора. Цветовая шкала показывает значение ∣ k ∣ / k ₀, от 0 (черный) до максимального (белый). ( E и F ) Сечения автокорреляционной функции вдоль направлений x (E) и y (F) карты волнового вектора.
Радикальное улучшение разрешающей способности смещения от наблюдения за картами интенсивности до наблюдения за векторными картами k связано не только с существенной разницей в ширине их меток; ему также помогает различный характер интенсивности и профили пиков вектора k , что очевидно из их автокорреляционных функций: гладкий колоколообразный GI (δx) падает намного медленнее, чем у экспоненциально локализованного Gk (δx) .
Наши результаты показывают, что с оптической линейкой разрешающая способность смещения около λ / 4000 (т.е.g., 100 пм на λ = 400 нм) может быть потенциально достижимым, доведя его до истинных атомных масштабов. Области больших волновых векторов характерны для многих оптических полей; однако более узкие пики требуют монохроматического света и, как правило, располагаются в областях с меньшей интенсивностью ( 3 – 5 , 14 ). Более того, высокое разрешение потребует картирования поля с большим увеличением, что снижает интенсивность света на датчике. Следовательно, конечный спектр источника света и уровень шума на детекторе ограничивают разрешение.Наше моделирование показывает, что увеличение уровня шума на детекторе от 0 до 20% приводит к неуклонному снижению разрешающей способности с 190 пм до 1,5 нм соответственно ( 13 ). Прежде всего, демонстрация разрешающей способности на уровне λ / 4000 потребует использования сверхустойчивой оптомеханики, аналогичной той, которая используется в приборах сканирующей туннельной микроскопии с атомным разрешением (СТМ), и дальнейшего увеличения оптического увеличения системы визуализации до уменьшить пикселизацию.
Мы демонстрируем новую нанометрологию смещения, основанную на наблюдении оптических особенностей, которая заменяет обычный дифракционный предел разрешения для измерений смещения с помощью физической линейки путем прямого наблюдения на несколько порядков. Подобно микроскопии истощения со стимулированным излучением (STED), микроскопии фотоактивированной локализации (PALM) и микроскопии стохастической оптической реконструкции (STORM), предлагаемый подход также является техникой дальнего поля и, следовательно, допускает бесконтактную работу. Показанная здесь субнанометровая разрешающая способность оптической линейки выше, чем у упомянутых выше методов оптического сверхразрешения. Он не требует высокой интенсивности для отбеливания STED или сбора данных, необходимых для PALM и STORM.Однако метод оптической линейки не позволяет полностью восстановить изображение и подходит только для метрологии. Кроме того, он не подвержен механической и термической нестабильности, которая влияет на большие стандартные метрологические интерферометрические приборы. Метаповерхность может быть изготовлена на конце оптического волокна, что позволяет использовать множество приложений, в которых необходимы высокое разрешение, малый размер и бесконтактная работа, включая мониторинг смещения сканирующих столиков атомно-силовой микроскопии, СТМ и оптических микроскопов сверхвысокого разрешения; выравнивание масок литографии; и управление движением инструментов в наносборке. Оптическую линейку можно также разместить на головках наноиндентора для измерения модуля упругости, предела текучести, твердости и износостойкости материалов. Можно даже представить себе оптическую линейку, прикрепленную к режущему инструменту умного производственного токарного или фрезерного станка. Наконец, оптическую линейку можно использовать для контроля взаимных смещений в наномасштабе деталей прецизионных конструкций, таких как большие оптические телескопы, приводы дисков, микроэлектромеханические системы и устройства наноэлектромеханических систем, а также датчики ускорения, а также для контроля деформации, усталости или термического воздействия. расширения компонентов.
Благодарности: Финансирование: Эта работа была поддержана Министерством образования Сингапура (грант № MOE2016-T3-1-006), программой ASTAR QTE (грант № SERC A1685b0005) и Исследованием в области инженерных и физических наук. Совет Великобритании (гранты EP / N00762X / 1 и EP / M0091221). Вклад авторов: N.I.Z. задумал нанометрологию с использованием оптических сверхколебаний. G.H.Y. спроектировал монолитную сверхколебательную метаповерхность и выполнил изготовление, измерения и анализ данных.N.I.Z. и G.H.Y. написал статью, обсудил результаты и отредактировал рукопись. N.I.Z. курировал и координировал всю работу. Конкурирующие интересы: Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов. Доступность данных и материалов: Все данные доступны в рукописи, дополнительных материалах и хранилище данных ( 15 ).
Наноскопические оптические линейки за пределами расстояния FRET: основы и приложения
Наноскопические оптические линейки за пределами расстояния FRET: основы и приложения
В последние несколько десятилетий линейки спектроскопии на основе резонансного переноса энергии Фёрстера (FRET) служили ключевым инструментом для понимания химических и биохимических процессов, даже на уровне отдельных молекул. Поскольку процесс FRET происходит из диполь-дипольных взаимодействий, масштаб длины линейки FRET ограничен максимумом 10 нм. Недавно ученые сообщили об оптической линейке большого радиуса действия на основе наноматериалов, в которой можно преодолеть предел зависимости оптической линейки FRET от расстояния, и которая может быть очень полезна для мониторинга биологических процессов, происходящих на большем расстоянии, чем в масштабе 10 нм. Развитие наноскопических оптических линейок большого радиуса действия за последние десять лет показывает, что, помимо их способности работать на больших расстояниях, их яркость, длительный срок службы, отсутствие мерцания и химическая стабильность делают линейки на основе наночастиц хорошим выбором для оптических зондов большого радиуса действия.В текущем обзоре обсуждаются основные концепции и уникальные светофокусирующие свойства плазмонных наночастиц, которые полезны при разработке дальнодействующих одномерных и трехмерных оптических линеек. Кроме того, чтобы предоставить читателям обзор захватывающих возможностей в этой области, в этом обзоре обсуждаются применения линейок дальнего действия для мониторинга биологических и химических процессов. В заключение мы рассуждаем о роли оптических линейок дальнего действия в будущих научных исследованиях и обсуждаем возможные проблемы, перспективы и будущие потребности в использовании оптических линейок в технологических приложениях.
У вас есть доступ к этой статье
Подождите, пока мы загрузим ваш контент… Что-то пошло не так. Попробуйте еще раз?
Оптическая линейка для наномасштабных измерений
AsianScientist (2 октября 2019 г. ) – Ученые из Технологического университета Наньян (NTU), Сингапур, разработали метод измерения расстояний в наномасштабе.Они сообщили о своих выводах в журнале Science .
Наименьшее расстояние, на котором оптические устройства могут надежно отображать изображение, равно половине длины волны используемого света, известной как дифракционный предел, который составляет более 400 нанометров. Однако, поскольку ученые заинтересованы в наблюдении чрезвычайно маленьких объектов, таких как вирусы и наночастицы, размер которых варьируется от 10 до 100 нанометров, оптического разрешения в 400 нанометров недостаточно.
В настоящее время измерения в нанометровом масштабе проводятся с использованием косвенных или неоптических методов, таких как сканирующая электронная микроскопия, что не всегда осуществимо, может потребовать много времени и дорогостоящего оборудования для работы.
В настоящем исследовании исследователи под руководством профессора Николая Желудева и доктора Юаня Гуанхуи из НТУ обнаружили, что инфракрасный свет можно использовать для непосредственного наблюдения смещения всего на один нанометр. Для этого они вырезали более 10 000 крошечных прорезей в золотой пленке толщиной 100 нанометров, которая затем использовалась для дифракции лазерного света, используя оптическое явление, известное как «сверхколебания», для получения изображений сверхвысокого разрешения.
«Наше устройство концептуально очень простое», – сказал Юань.«Что заставляет его работать, так это точный рисунок, в котором расположены щели. Внутри выкройки есть два типа прорезей, ориентированных под прямым углом друг к другу. Когда поляризованный лазерный свет попадает на золотую пленку, он создает интерференционную картину, содержащую чрезвычайно мелкие детали, намного меньшие, чем длина волны света ».
Их теоретические расчеты показывают, что устройства, основанные на этом методе, могут в конечном итоге измерять расстояния до 1/4000 длины волны света, примерно до размера одного атома.
«Этот метод оптических измерений будет очень полезен в будущем, например, при производстве и контроле качества электроники, где требуются чрезвычайно точные оптические измерения, а также для контроля целостности самих наноустройств», – сказал Желудев.