Например, Бобцов

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