Исследование влияния условий синтеза круговых оптических шкал, изготовленных с использованием лазерного генератора изображений CLWS-300, на их угловые погрешности
УДК 681.7.064
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ СИНТЕЗА КРУГОВЫХ ОПТИЧЕСКИХ ШКАЛ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛАЗЕРНОГО ГЕНЕРАТОРА ИЗОБРАЖЕНИЙ CLWS-300, НА ИХ УГЛОВЫЕ ПОГРЕШНОСТИ
© 2012 г. Д. Ю. Кручинин, канд. техн. наук; О. Б. Яковлев, канд. хим. наук; М. П. Андронов, канд. физ.-мат. наук
Уральский федеральный университет им. Первого Президента России Б.Н. Ельцина, Екатеринбург
Е-mail: OlegBJakovlev@yandex.ru
Рассмотрены результаты исследования влияния условий синтеза круговых оптических шкал, изготовленных с использованием лазерного генератора изображений, на их угловые погрешности.
Ключевые слова: круговая оптическая шкала, лимб, угловая погрешность, лазерный генератор изображений.
Коды OCIS: 110.5220
Поступила в редакцию 22.11.2011
Введение
Угловые погрешности лимбов, изготовленных способом обратной фотолитографии [1, 2], в значительной степени определяются угловыми погрешностями фотошаблонов, которые изготавливаются с использованием лазерного генератора изображений CLWS-300 [3]. Ранее было установлено, что угловые погрешности круговых оптических шкал, синтезированных с помощью этого генератора, в значительной степени определяются конкретными условиями их синтеза [4]. Зависимость угловых погрешностей круговой шкалы, определяемая генератором изображений Fги(x), является суммой систематической Fги1(x) и случайной Fги2(x) зависимостей угловых погрешностей, определяемых генератором изображений, x – угловое положение штриха. Накопленная погрешность расположения диаметров осей штрихов Fги(x) может достигать более 4.
С целью уменьшения угловых погрешностей круговых шкал, изготовленных с использованием лазерного генератора изображений, целесообразно определить факторы, которые могут на них влиять. К таким факторам можно отнести способ фиксации хромированной подложки на столе шпинделя генератора, угол и направление наклона этого стола.
Результат измерения угловых погрешностей круговой шкалы можно представить в виде [4]
F(x) = Fк(x) + Fги(x) + Fп(x),
где Fк(x) является зависимостью угловых погрешностей, вносимых установкой контроля АС700, а Fп(x) – зависимость угловых погрешностей, вносимых подложкой.
Отделить Fк(x) от Fги(x) + Fп(x) позволяет фазо-статистический метод [5].
Методика проведения эксперимента
С помощью лазерного генератора изображений CLWS-300 на одной и той же подложке шесть раз была синтезирована круговая шкала, состоящая из 360 темных штрихов шириной 8 мкм, диаметр шкалы 90 мм. Нулевой штрих заужен с каждой стороны на 0,5 мкм. Для исследования использовалась та же самая полированная подложка, которая была использована в работе [4]. При каждом нанесении шкалы подложка устанавливалась на стол шпинделя генератора таким образом, чтобы положение зауженного штриха на подложке соответствовало положению нулевого штриха при первом нанесении шкалы в работе [4], что позволяет использовать полученную в указанной работе зависимость Fп(x), обусловлен-
“Оптический журнал”, 79, 7, 2012
41
ную подложкой, для выделения зависимости Fги(x). Затем определялись угловые погрешности шкалы на установке АС700 – 18 измерений с поворотом подложки относительно оси шпинделя установки на 20. Положение зауженного штриха фиксировалось по характерному единичному выбросу на зависимостях угловых погрешностей расположения границ штрихов. Результаты измерения обрабатывались с использованием фазо-статистического метода. Исследования проводились для угловых погрешностей расположения диаметров осей штрихов.
При проведении первой, третьей и пятой записей подложка фиксировалась на столе шпинделя генератора с помощью вакуума, при проведении второй, четвертой и шестой – она лежала свободно на столе шпинделя, от возможных перемещений ограничивалась с помощью пластического материала. При первой и второй записях стол шпинделя генератора располагался горизонтально (наклон стола не превышал 0,5), при третьей, четвертой, пятой и шестой записях наклон стола составлял около 3. Угол между направлением наклона стола шпинделя генератора при третьей и четвертой записях и направлением наклона стола при пятой и шестой записях составляет около 120, что обусловлено конструкцией генератора.
Результаты эксперимента и обсуждение
В результате проведенных измерений и обработки результатов было получено 6 зависимостей Fги(x) + Fп(x) (рис. 1). Накопленные угловые погрешности расположения диаметров осей штрихов для этих зависимостей представлены в таблице. Вычитанием из полученных зависимостей ранее установленной зависимости Fп(x) [4] были получены зависимости Fги(x) (рис. 2). Накопленные угловые погрешности расположения диаметров осей штрихов для них также представлены в таблице.
На основании полученных данных можно утверждать, что угловые погрешности круговой оптической шкалы, изготовленной с помощью лазерного генератора изображений CLWS300, определяются способом крепления подложки на столе шпинделя генератора, углом и направлением его наклона.
В случае записи на свободно лежащей подложке накопленные угловые погрешности расположения диаметров осей штрихов при изменении направления и угла наклона сто-
Погрешность, угл. с
Погрешность, угл. с
Погрешность, угл. с
(а)
3
1 2
0
–3 0 90 180 270 360
Угол, град. (б)
3
3
4
0
–3 0 90 180 270 360
Угол, град.
(в)
6
5 6
0
–6 0 90 180 270 360
Угол, град. Рис. 1. Зависимости угловых погрешностей Fги(x) + Fп(x). Номера кривых соответствуют номерам записи.
ла шпинделя генератора достаточно постоянны. Так, в столбце 2 таблицы изменения зависимости угловых погрешностей находятся в пределах от 1,21 до 1,49, в столбце 3 – от 1,07 до 1,41, в обоих столбцах – от 1,07 до 1,49. Диапазон изменений составляет менее 0,5. Максимальные значения накопленных погрешностей (столбцы 2 и 3 таблицы) для сво-
42 “Оптический журнал”, 79, 7, 2012
Накопленные погрешности расположения диаметров осей штрихов
3
(а)
Погрешность, угл. с
Накопленные № погрешности, угл. с записи
Fги(x) + Fп(x) Fги(x)
1 3,19 2,29
Способ фиксации подложки
вакуумный
0
1 2
2
1,29
1,41
свободный
3 4,33
4,07
вакуумный
4 1,21
1,07
свободный
5
11,30
10,60
вакуумный
6
1,49
1,26
свободный
–3 0 90 180 270 360
Угол, град.
(б)
3
3
Погрешность, угл. с
бодно лежащей подложки не превышают 1,5.
Полученные зависимости Fги(x) обусловлены, в основном, второй гармоникой (рис. 2).
0
4
Использование вакуумной фиксации под-
ложки приводит к значительному увеличению
угловых погрешностей круговой шкалы. Для –3 0 90 180 270 360
горизонтального расположения стола шпин-
Угол, град.
деля генератора (первая запись) увеличение накопленной угловой погрешности расположения диаметров осей штрихов происходит
6
(в)
Погрешность, угл. с
в 1,6 раза (по сравнению со второй записью). При наклоне стола во время проведения за-
5
писи накопленные погрешности могут увеличиться в 7 и более раз. Направление накло-
0
6
на стола в процессе записи может оказывать
значительное влияние на угловые погрешности
круговой шкалы. По-видимому, при вакуум-
ной фиксации подложки происходит сильное искажение поверхности записи, что приводит
–6 0
90 180
Угол, град.
270
360
к увеличению угловых погрешностей.
Таким образом, установлено, что в случае записи круговой оптической шкалы на свободно лежащей подложке накопленные угловые
Рис. 2. Зависимости угловых погрешностей
Fги(x). Номера кривых соответствуют номерам записи.
погрешности расположения диаметров осей
штрихов не превышают 1,5.
Наклон стола шпинделя генератора (в исследованных пределах) и направление его наклона
Заключение
не оказывают значительного влияния на вели-
В результате проведенных исследований
чину накопленной погрешности. В этом случае определены необходимые условия синтеза кру-
не имеет особого смысла говорить о разделении говых оптических шкал с использованием ла-
зависимости угловых погрешностей Fги(x) на систематическую и случайную.
зерного генератора изображений CLWS-300, которые позволили минимизировать их угло-
Использование вакуумной фиксации под- вые погрешности. Накопленные погрешности
ложки в процессе записи приводит к возникно- расположения диаметров осей штрихов син-
вению значительных случайных зависимостей тезированных шкал не превышают 1,5, что
угловых погрешностей Fги2(x) круговой оптической шкалы.
меньше установленных изготовителем значений для этого генератора изображений (2) [3].
*****
“Оптический журнал”, 79, 7, 2012
43
ЛИТЕРАТУРА
1. Кручинин Д.Ю. Способ изготовления оптических шкал обратной фотолитографией // Патент России № 2370799. 2009.
2. Кручинин Д.Ю. Фотолитография в производстве круговых оптических шкал на Уральском оптико-механическом заводе // Оптический журнал. 2008. Т. 75. № 4. С. 92–94.
3. Абрамов Ю.Ф., Кирьянов В.П., Кирьянов А.В., Кокарев С.А., Кручинин Д.Ю., Чугуй Ю.В., Яковлев О.Б. Модернизация оптического делительного производства Уральского оптико-механического завода на основе современных лазерно-компьютерных и фотолитографических технологий // Оптический журнал. 2006. Т. 73. № 8. С. 61–65.
4. Кручинин Д.Ю., Яковлев О.Б. Исследование угловых погрешностей круговых оптических шкал, изготовленных с использованием лазерного генератора изображений CLWS-300 // Оптический журнал. 2011. Т. 78. № 6. С. 47–50.
5. Bartik S.A., Frizin S.E., Kiryanov V.P., Kiryanоv A.V., Kokarev S.A., Kruchinin D.Y., Nikitin V.G., Yakovlev O.B. Development of a technique for the determination of metrological parameters of technological system CLWS-300/С for synthesis of high precision angular measuring structures // 10 th IMEKO TC7 Intern. Symp. Saint-Petersburg, 2004. P. 316–320.
44 “Оптический журнал”, 79, 7, 2012
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ СИНТЕЗА КРУГОВЫХ ОПТИЧЕСКИХ ШКАЛ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛАЗЕРНОГО ГЕНЕРАТОРА ИЗОБРАЖЕНИЙ CLWS-300, НА ИХ УГЛОВЫЕ ПОГРЕШНОСТИ
© 2012 г. Д. Ю. Кручинин, канд. техн. наук; О. Б. Яковлев, канд. хим. наук; М. П. Андронов, канд. физ.-мат. наук
Уральский федеральный университет им. Первого Президента России Б.Н. Ельцина, Екатеринбург
Е-mail: OlegBJakovlev@yandex.ru
Рассмотрены результаты исследования влияния условий синтеза круговых оптических шкал, изготовленных с использованием лазерного генератора изображений, на их угловые погрешности.
Ключевые слова: круговая оптическая шкала, лимб, угловая погрешность, лазерный генератор изображений.
Коды OCIS: 110.5220
Поступила в редакцию 22.11.2011
Введение
Угловые погрешности лимбов, изготовленных способом обратной фотолитографии [1, 2], в значительной степени определяются угловыми погрешностями фотошаблонов, которые изготавливаются с использованием лазерного генератора изображений CLWS-300 [3]. Ранее было установлено, что угловые погрешности круговых оптических шкал, синтезированных с помощью этого генератора, в значительной степени определяются конкретными условиями их синтеза [4]. Зависимость угловых погрешностей круговой шкалы, определяемая генератором изображений Fги(x), является суммой систематической Fги1(x) и случайной Fги2(x) зависимостей угловых погрешностей, определяемых генератором изображений, x – угловое положение штриха. Накопленная погрешность расположения диаметров осей штрихов Fги(x) может достигать более 4.
С целью уменьшения угловых погрешностей круговых шкал, изготовленных с использованием лазерного генератора изображений, целесообразно определить факторы, которые могут на них влиять. К таким факторам можно отнести способ фиксации хромированной подложки на столе шпинделя генератора, угол и направление наклона этого стола.
Результат измерения угловых погрешностей круговой шкалы можно представить в виде [4]
F(x) = Fк(x) + Fги(x) + Fп(x),
где Fк(x) является зависимостью угловых погрешностей, вносимых установкой контроля АС700, а Fп(x) – зависимость угловых погрешностей, вносимых подложкой.
Отделить Fк(x) от Fги(x) + Fп(x) позволяет фазо-статистический метод [5].
Методика проведения эксперимента
С помощью лазерного генератора изображений CLWS-300 на одной и той же подложке шесть раз была синтезирована круговая шкала, состоящая из 360 темных штрихов шириной 8 мкм, диаметр шкалы 90 мм. Нулевой штрих заужен с каждой стороны на 0,5 мкм. Для исследования использовалась та же самая полированная подложка, которая была использована в работе [4]. При каждом нанесении шкалы подложка устанавливалась на стол шпинделя генератора таким образом, чтобы положение зауженного штриха на подложке соответствовало положению нулевого штриха при первом нанесении шкалы в работе [4], что позволяет использовать полученную в указанной работе зависимость Fп(x), обусловлен-
“Оптический журнал”, 79, 7, 2012
41
ную подложкой, для выделения зависимости Fги(x). Затем определялись угловые погрешности шкалы на установке АС700 – 18 измерений с поворотом подложки относительно оси шпинделя установки на 20. Положение зауженного штриха фиксировалось по характерному единичному выбросу на зависимостях угловых погрешностей расположения границ штрихов. Результаты измерения обрабатывались с использованием фазо-статистического метода. Исследования проводились для угловых погрешностей расположения диаметров осей штрихов.
При проведении первой, третьей и пятой записей подложка фиксировалась на столе шпинделя генератора с помощью вакуума, при проведении второй, четвертой и шестой – она лежала свободно на столе шпинделя, от возможных перемещений ограничивалась с помощью пластического материала. При первой и второй записях стол шпинделя генератора располагался горизонтально (наклон стола не превышал 0,5), при третьей, четвертой, пятой и шестой записях наклон стола составлял около 3. Угол между направлением наклона стола шпинделя генератора при третьей и четвертой записях и направлением наклона стола при пятой и шестой записях составляет около 120, что обусловлено конструкцией генератора.
Результаты эксперимента и обсуждение
В результате проведенных измерений и обработки результатов было получено 6 зависимостей Fги(x) + Fп(x) (рис. 1). Накопленные угловые погрешности расположения диаметров осей штрихов для этих зависимостей представлены в таблице. Вычитанием из полученных зависимостей ранее установленной зависимости Fп(x) [4] были получены зависимости Fги(x) (рис. 2). Накопленные угловые погрешности расположения диаметров осей штрихов для них также представлены в таблице.
На основании полученных данных можно утверждать, что угловые погрешности круговой оптической шкалы, изготовленной с помощью лазерного генератора изображений CLWS300, определяются способом крепления подложки на столе шпинделя генератора, углом и направлением его наклона.
В случае записи на свободно лежащей подложке накопленные угловые погрешности расположения диаметров осей штрихов при изменении направления и угла наклона сто-
Погрешность, угл. с
Погрешность, угл. с
Погрешность, угл. с
(а)
3
1 2
0
–3 0 90 180 270 360
Угол, град. (б)
3
3
4
0
–3 0 90 180 270 360
Угол, град.
(в)
6
5 6
0
–6 0 90 180 270 360
Угол, град. Рис. 1. Зависимости угловых погрешностей Fги(x) + Fп(x). Номера кривых соответствуют номерам записи.
ла шпинделя генератора достаточно постоянны. Так, в столбце 2 таблицы изменения зависимости угловых погрешностей находятся в пределах от 1,21 до 1,49, в столбце 3 – от 1,07 до 1,41, в обоих столбцах – от 1,07 до 1,49. Диапазон изменений составляет менее 0,5. Максимальные значения накопленных погрешностей (столбцы 2 и 3 таблицы) для сво-
42 “Оптический журнал”, 79, 7, 2012
Накопленные погрешности расположения диаметров осей штрихов
3
(а)
Погрешность, угл. с
Накопленные № погрешности, угл. с записи
Fги(x) + Fп(x) Fги(x)
1 3,19 2,29
Способ фиксации подложки
вакуумный
0
1 2
2
1,29
1,41
свободный
3 4,33
4,07
вакуумный
4 1,21
1,07
свободный
5
11,30
10,60
вакуумный
6
1,49
1,26
свободный
–3 0 90 180 270 360
Угол, град.
(б)
3
3
Погрешность, угл. с
бодно лежащей подложки не превышают 1,5.
Полученные зависимости Fги(x) обусловлены, в основном, второй гармоникой (рис. 2).
0
4
Использование вакуумной фиксации под-
ложки приводит к значительному увеличению
угловых погрешностей круговой шкалы. Для –3 0 90 180 270 360
горизонтального расположения стола шпин-
Угол, град.
деля генератора (первая запись) увеличение накопленной угловой погрешности расположения диаметров осей штрихов происходит
6
(в)
Погрешность, угл. с
в 1,6 раза (по сравнению со второй записью). При наклоне стола во время проведения за-
5
писи накопленные погрешности могут увеличиться в 7 и более раз. Направление накло-
0
6
на стола в процессе записи может оказывать
значительное влияние на угловые погрешности
круговой шкалы. По-видимому, при вакуум-
ной фиксации подложки происходит сильное искажение поверхности записи, что приводит
–6 0
90 180
Угол, град.
270
360
к увеличению угловых погрешностей.
Таким образом, установлено, что в случае записи круговой оптической шкалы на свободно лежащей подложке накопленные угловые
Рис. 2. Зависимости угловых погрешностей
Fги(x). Номера кривых соответствуют номерам записи.
погрешности расположения диаметров осей
штрихов не превышают 1,5.
Наклон стола шпинделя генератора (в исследованных пределах) и направление его наклона
Заключение
не оказывают значительного влияния на вели-
В результате проведенных исследований
чину накопленной погрешности. В этом случае определены необходимые условия синтеза кру-
не имеет особого смысла говорить о разделении говых оптических шкал с использованием ла-
зависимости угловых погрешностей Fги(x) на систематическую и случайную.
зерного генератора изображений CLWS-300, которые позволили минимизировать их угло-
Использование вакуумной фиксации под- вые погрешности. Накопленные погрешности
ложки в процессе записи приводит к возникно- расположения диаметров осей штрихов син-
вению значительных случайных зависимостей тезированных шкал не превышают 1,5, что
угловых погрешностей Fги2(x) круговой оптической шкалы.
меньше установленных изготовителем значений для этого генератора изображений (2) [3].
*****
“Оптический журнал”, 79, 7, 2012
43
ЛИТЕРАТУРА
1. Кручинин Д.Ю. Способ изготовления оптических шкал обратной фотолитографией // Патент России № 2370799. 2009.
2. Кручинин Д.Ю. Фотолитография в производстве круговых оптических шкал на Уральском оптико-механическом заводе // Оптический журнал. 2008. Т. 75. № 4. С. 92–94.
3. Абрамов Ю.Ф., Кирьянов В.П., Кирьянов А.В., Кокарев С.А., Кручинин Д.Ю., Чугуй Ю.В., Яковлев О.Б. Модернизация оптического делительного производства Уральского оптико-механического завода на основе современных лазерно-компьютерных и фотолитографических технологий // Оптический журнал. 2006. Т. 73. № 8. С. 61–65.
4. Кручинин Д.Ю., Яковлев О.Б. Исследование угловых погрешностей круговых оптических шкал, изготовленных с использованием лазерного генератора изображений CLWS-300 // Оптический журнал. 2011. Т. 78. № 6. С. 47–50.
5. Bartik S.A., Frizin S.E., Kiryanov V.P., Kiryanоv A.V., Kokarev S.A., Kruchinin D.Y., Nikitin V.G., Yakovlev O.B. Development of a technique for the determination of metrological parameters of technological system CLWS-300/С for synthesis of high precision angular measuring structures // 10 th IMEKO TC7 Intern. Symp. Saint-Petersburg, 2004. P. 316–320.
44 “Оптический журнал”, 79, 7, 2012