Вопросы конструирования оэипп

В процессе конструирования ОЭПП возникает множество вопросов по выбору параметров и элементов предлагаемой схемы. Основные вопросы возникают по выбору измерительных и индикаторных растров или растрово-кодовых шкал, а также параметров источников и приемников оптического излучения, их согласование с измерительным и индикаторным растром, и электронной частью ОЭПП.

Требования к измерительным растрам и особенности их изготовления

Как уже указывалось ранее, одним из основных элементов преобразователя является измерительный растр, который образует пространственную периодическую структуру, являющуюся мерой измерительного ОЭПП. Эта мера может быть реализована различными способами: линейная или угловая шкала с нанесённым на ней рисунком - растром, дифракционная решетка и т.д. Технически она реализуется в виде подложки с нанесенной на него кодовой маской в виде кодовых дорожек с прозрачными и непрозрачными для потока оптического излучения градациями. Рисунок кодовой маски отображает принятый в преобразователе цифровой код.

Основные требования, предъявляемые к измерительным растрам, можно свести к следующим:

- плоскостность поверхности подложки;

- механическая прочность подложки;

- точность позиционирования краев градаций маски по кодовым зонам и между ними;

- ровные и четкие края градаций, отсутствие сколов, выбоин и других дефектов;

- прозрачность светлых градаций и достаточная плотность темных градаций; отсутствие посторонних включений, пыли, грязи, царапин и других повреждений на рабочей части;

- хорошая адгезия маски с подложкой;

- стабильность геометрических и физических параметров при изменении условий эксплуатации.

Измерительные растры можно различать по материалу основания и способу получения кодовой маски.

Выбор способа изготовления определяется основными требованиями к измерительному расту:

- точность растра;

- специфика конструкции преобразователя (толщина подложки; система считывания и др.);

- общие возможности изготовителя - срочность изготовления;

- условия эксплуатации ОЭПП;

- трудоемкость способа;

- себестоимость изготовления.

Как правило, в условиях промышленного производства процесс изготовления измерительного растра состоит из двух стадий: изготовления мастер-образца и последующего тиражирования этого образца с целью получения рабочих копий.

Классификация и особенности процессов изготовления измерительных растров

Технологические процессы, наиболее часто применяемые для изготовления, можно разделить на три группы: делительно-граверные, фототехнологические и лазерные (см. рисунок 3).

До 60-х годов прошлого века образцовые амплитудные растровые меры изготавливались механическим способом. Стекло покрывалось тонким слоем мягкого металла (обычно серебро или алюминий) и устанавливалось на специальной делительной машине. Алмазный резец, ширина режущей кромки которого равна ширине щели, совершая возвратно-поступательные движения, снимал слой металла до стекла. За один цикл заготовка перемещалась на один шаг растра.

Механический способ изготовления амплитудных растров обладал рядом существенных недостатков:

• низкая стойкость резца и качества выполненного реза, не позволявшие выполнить растр с большим количеством штрихов;

• низкая точность изготовления вследствие использования измерительного и одновременно транспортирующего устройства микрометренной пары «винт — гайка»;

• непрерывность и достаточно большая длительность технологического цикла изготовления растра.

Образцовая растровая мера, изготовленная таким образом, тиражировалась далее методом контактной печати. Укрупненно технологический процесс воспроизводства копий (реплик) оптических растров представляет собой следующее.

Поверхность стеклянной заготовки, на которую необходимо нанести растр, металлизируют методом вакуумного напыления. Обычно для этой цели используют хром, поскольку он обладает хорошей адгезией со стеклом и устойчив к поверхностному истиранию. Толщина напыления выбирается наименьшей, при которой обеспечивается коэффициент пропускания не выше 0,05. Обычно толщина пленки составляет 200 нм.

На поверхность пленки на центрифуге наносится тонкий слой жидкого фоторезиста (ФР) и высушивается до затвердения. Толщина слоя варьируется от одного до нескольких микрометтов. Фоторезист — разновидность фотоэмульсий, известных в обычной фотографии, чувствительный к ультрафиолетовой области спектра. Последнее обстоятельство обеспечивает высокую разрешающую способность (до 0,5 мкм) и возможность обработки ФР при обычном освещении.

ФР бывают негативные и позитивные. Первые под действием света полимеризуются и становятся устойчивыми к травлению (кислотными или щелочными реагентами). Следовательно, после локальной засветки будут вытравливаться незасвеченные участки ФР. В позитивных ФР, наоборот, свет разрушает полимерные цепочки, а значит, будут вытравливаться засвеченные участки.

На поверхность заготовки, покрытую ФР, накладывается образцовая мера (см. рисунок 4а) и производится экспонирование в лучах кварцевой лампы, затем производится травление ФР. В результате отдельные поверхности ФР оказываются вытравленными (см. рисунок 4б), т. е. обеспечивается доступ к тем участкам металлической пленки, которые должны быть вытравленными. Оставшийся на отдельных участках ФР играет роль защитного слоя.

При травлении металлической пленки заготовки выбирают травитель, который оказывается нейтральным к защитному слою ФР. После получения рисунка растра на стекле (см. рисунок 4в) остатки ФР вытравливают специальными растворами.

Как видим, рассмотренная технология проста и не требует специального оборудования. Однако должно выполняться одно очень важное условие: температура образцовой и репродуцируемой мер во время экспонирования должна быть одинаковой и желательно равной ординарной, т. е. +20°C. В противном случае репродукция (реплика) будет иметь повышенное значение систематической погрешности расположения штрихов.

К середине 80-х гг. безусловным мировым лидером стала технология проекционной фотолитографии, созданная немецкой фирмой "Heidenhain", широко известная под названием "технология Diadur". Многие фирмы во всем мире ставили перед собой задачу освоения данной технологии. Только в Европе, кроме фирмы-разработчика, эту технологию освоили "Carl Zeiss-Jena" (ФРГ), "RSF" (Австрия), "Iskra" (Словения). В СССР данную технологию разрабатывал Вильнюсский филиал ЭНИИМСа - головное предприятие в Советском Союзе по выпуску ОЭПП. Кроме попыток ЭНИИМСа повторить "Diadur-технологию", в СССР в Ленинградском институте точной механики и оптики (ЛИТМО) и Московском институте электронной техники (МИЭТ) под руководством проф. Л.Н. Преснухина велись работы по созданию специализированных делительных машин на основе фототехнологических процессов. Однако никому из них не удалось достичь уровня фирмы "Heidenhain" как по точности синтеза измерительных растров, так и по точности преобразователей.

Фототехнологические процессы изготовления измерительных растров подразделяются на фотографические, фотомеханические и фотолитографические.

В это же время во всем мире стали интенсивно разрабатывать технологии синтеза измерительных растров на базе универсальных генераторов изображений (лазерных и электронно-лучевых).

Технологии, использующие лазерные процессы для изготовления измерительных растров, отличаются от граверно-делительных и фототехнологических прежде всего источником воздействия на материалы и покрытия. Современные высокоинтенсивные источники когерентного излучения - лазеры, входят в состав так называемых лазерных генераторов изображений, работающих либо в декартовой (X-Y), либо в полярной системе координат. К лазерным методам синтеза относятся также технологии, использующие голографические методы записи структур.

Изготовление образцовых мер в настоящее время производится на специальном прецизионном оборудовании, структура которого показана на рисунке 5. Она включает: прецизионный стол на аэростатической подушке, линейные перемещения которого контролируются лазерным интерферометром, заготовку с нанесенным на ее поверхность ФР, закрепленную на столе, и неподвижную фотокамеру, проецирующую изображение штриха (щели) с регулируемыми размерами aиb.

Основные параметры и режимы работы (размеры щели, время экспонирования, координаты, шаг дискретного перемещения, количество штрихов и т. д.) рассчитываются вычислительной машиной. Установка работает в полуавтоматическом режиме.

Следует обратить внимание, что прецизионное оборудование такого типа устанавливается на массивном специальном фундаменте, желательно ниже уровня земли, и работает в термостатированном помещении с номинальным значением температуры +20°C. После окончания процесса экспонирования заготовка обрабатывается по уже рассмотренной выше технологии.

Последние достижения лазерной технологии позволяют производить быстрое испарение участков защитной пленки заготовки требуемой формы. Это позволяет изготавливать растровую меру в динамическом режиме, т. е. при непрерывном поступательном перемещении заготовки.