Матричная технология линейно-угловых измерений

Королев А.Н., Лукин А.Я., Филатов Ю.В., Венедиктов В.Ю.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Королев А.Н., Лукин А.Я., Филатов Ю.В., Венедиктов В.Ю. Матричная технология линейно-угловых измерений // Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 12. С. 54–64. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-12-54-64

Korolev A.N., Lukin A.Ya., Filatov Yu.V., Venediktov V.Yu. Matrix technology of linear–angular measurements [in Russian] // Optickhesii Zhurnal. 2022. V. 89. № 12. P. 54–64. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-12-54-64

Ссылка на англоязычную версию:

A. N. Korolev, A. Ya. Lukin, Y. V. Filatov, and V. Yu. Venediktov, "Matrix technology of linear–angular measurements," Journal of Optical Technology. 89(12), 733-739 (2022).

Аннотация:

Предмет исследования. Одним из важных технологических аспектов изготовления элементов микроэлектроники является создание высокоточных средств измерения линейных и угловых перемещений. В данной работе предложена новая технология линейно-угловых измерений, основанная на использовании многоэлементной марки и получении измерительной информации об угловом и линейном сдвиге по совокупности измерений для всех элементов изображения марки. Метод. Изображение оптической марки, представляющей собой упорядоченное множество простых элементов и выполненное по технологии фотолитографии с высокой точностью, регистрируется фотоприёмной матрицей цифровой камеры, используемой в качестве метрического пространства для выполнения измерений координат элементов изображения марки с их последующей обработкой. Основные результаты. В статье представлены основные аспекты предлагаемой технологии измерений и оценки погрешностей измерений. Рассмотрены результаты моделирования процесса измерения как линейных, так и угловых перемещений. Обработка изображения марки и совокупность вычислительных процедур позволяют с высокой точностью определить как линейные, так и угловые перемещения изображения марки (линейные на уровне единиц нанометра, а угловые — на уровне сотых долей угловой секунды и менее). Сформулированы основные направления развития предлагаемой технологии матричных измерений. Среди них особый интерес представляет использование цифровых LCD экранов для формирования измерительной марки, а также создание датчиков с использованием теневого (дифракция Фраунгофера) изображения марки. Практическая значимость. Предложенные в настоящей работе технологии измерения линейных и угловых перемещений могут быть с успехом использованы при создании высокоточных компактных измерителей длины и угла, линейно-угловых датчиков, а также технологических модулей для микроэлектроники при изготовлении фотошаблонов.

Ключевые слова:

двумерная шкала, угловые измерения, линейные измерения, фотоприёмная матрица, марка, изображение марки

Благодарность:

авторы благодарны за финансовую поддержку в рамках гранта РНФ № 20-19-00412

Коды OCIS: 120.0120, 230.0230

Список источников:

1. Pisani M., Yacoot, A., Balling P., Bancone N., Birlikseven C., Çelik M., Flügge J., Weichert C. Comparison of the performance of the next generation of optical interferometers // Metrologia. 2012. V. 49. № 4. P. 455–467.
2. Bridges A., Yacoot A., Kissinger T., Humphreys D.A., Tatam R.P. Correction of periodic displacement nonlinearities by two-wavelength interferometry // Measurement Science and Technology. 2021. V. 32. № 12. P. 125202.
3. Peggs G.N., Yacoot A. A review of recent work in sub-nanometre displacement measurement using optical and X-ray interferometer // Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2002. V. 360. № 1794. P. 953–968.
4. Wang X., Su J., Yang J., Miao L., Huang T. Investigation of heterodyne interferometer technique for dynamic angle measurement: Error analysis and performance evaluation // Measurement Science and Technology. 2021. V. 32. № 10. P. 105016.
5. Kang H.J., Chun B.J., Jang Y.-S., Kim Y.-J., Kim S.-W. Real-time compensation of the refractive index of air in distance measurement // Optics Express. 2015. V. 23. № 20. P. 26377–26385.
6. Meiners-Hagen K., Abou-Zeid A. Refractive index determination in length measurement by two-colour interferometry // Measurement Science and Technology. 2008. V. 19. № 8. art. no. 084004.

7. Wu H., Zhang F., Liu T., Li J., Qu X. Absolute distance measurement with correction of air refractive index by using two-color dispersive interferometry // Optics Express. 2016. V. 24. № 21. P. 24361–24376.
8. Wu C.-M., Lawall J., Deslattes R.D. Heterodyne interferometer with subatomic periodic nonlinearity // Applied Optics. 1999. V. 38. № 19. P. 4089–4094.
9. Fu H., Wang Y., Hu P., Tan J., Fan Z. Nonlinear errors resulting from ghost reflection and its coupling with optical mixing in heterodyne laser interferometers // Sensors (Switzerland). 2018. V. 18. № 3. Art. No. 758.
10. Weichert C., Köchert P., Köning R., Flügge J., Andreas B., Kuetgens U., Yacoot A. A heterodyne interferometer with periodic nonlinearities smaller than ±10 pm // Measurement Science and Technology. 2012. V. 23. № 9. Art. no. 094005.
11. Wentao Zhang, Wang Yulin, Hao Du, Qilin Zeng, Xianming Xiong. High-precision displacement measurement model for the grating interferometer system // Optical Engineering. 2020. V. 59. № 4. P. 045101.
12. Guan J., Köchert P., Weichert C., Tutsch, R. A high performance one-dimensional homodyne encoder and the proof of principle of a novel two-dimensional homodyne encoder // Precision Engineering. 2013. V. 37. № 4. P. 865–870.
13. Kimura A., Hosono K., Kim W., Shimizu Y., Gao W., Zeng L. A two-degree-of-freedom linear encoder with a mosaic scale grating // International Journal of Nanomanufacturing. 2011. V. 7. № 1. P. 73–91.
14. Zherdev A.Y., Odinokov S.B., Lushnikov D.S., Markin V.V., Gurylev O.A., Shishova M.V. Optical position encoder based on four-section diffraction grating // Proceedings of SPIE. The International Society for Optical Engineering. 2017. 10233. Art. no. 102331I.
15. Королев А.Н., Гарцуев А.И. Исследование точности позиционирования изображения на ПЗС-матрице // Измерительная техника. 2004. № 5. С. 20–22.
16. Королев А.Н., Лукин А.Я., Полищук Г.С. Новая концепция измерения угла. Модельные и экспериментальные исследования // Оптический журнал. 2012. Т. 79. № 6. С. 52–58.
Korolev A.N., Lukin A.Y., Polishchuk G.S. New concept of angular measurement. Model and experimental studies // Journal of Optical Technology. 2021. V. 79. № 6. P. 352–356. http://doi.org/10.1364/JOT.79.000352
17. Avanesov G.A., Bessonov R.V., Kurkina A.N., Nikitin A.V., Sazonov V.V. Determining spacecraft motion from four star sensor measurements // Cosmic Research. 2018. V. 56. № 3. P. 232–250.
18. Бохман Е.Д., Венедиктов В.Ю., Королев А.Н., Лукин А.Я. Цифровой измеритель угла с 2D шкалой // Оптический журнал. 2018. Т. 85. № 5. С. 19–25. https://doi.org/10.17586/1023-5086-2018-85-05-19-25
Bokhman E.D., Venediktov V.Yu., Korolev A.N., Lukin A.Ya. Digital goniometer with a two-dimensional scale // Journal of Optical Technology. 2018. V. 85 (5). P. 269–274. https://doi.org/10.1364/JOT.85.000269
19. Korolev A.N., Lukin A.Ya., Filatov Y.V., Venediktov V.Y. Reconstruction of the image metric of periodic structures in an opto-digital angle measurement system // Sensors. 2021. V. 21. P. 4411.
20. Pimax [Электронный ресурс] — https://www.e-katalog.ru/PIMAX-8K-X.htm