（光学工程专业论文）二元光学激光直写设备传动系统结构设计与分析.pdf

摘要 激光直写是衍射光学元件的一种先进制作技术，激光真写设备是采用激光直 写技术制作衍射光学元件并开展其研究的物质基础。本文基于中科院长春光杌所 研制的四轴激光直写设备开展了对其y 轴传动系统的分析研究，可以为相关高精 度传动系统的设计和检测提供重要的依据。 本文以二元光学激光直写设备y 轴功能要求和设计指标为基础，提出了该传 动系统的总体结构设计方案，并与其它高精度传动方案进行了比较。该传动系统 设计方案可以满足长行程、定位精度为亚微米级精度的传动指标要求。同时，对 传动系统各个传动环节也提出了具体的结构设计方案，解释了滚珠丝杠副、空气 静压导轨、丝杠导轨连接等多个传动环节结构设计的具体思路。对于开展类似结 构设计工作，有实际借鉴意义。 对于所提出的传动系统的具体结构，本文也简单地进行了结构性能指标分 析。对于该传动系统的最小位移灵敏度、定位精度的影响因素、系统刚度及固有 频率都进行了细致的计算，肯定了所提出的结构设计方案。 精度检测环节对于评价设计的优劣是至关重要的，本文也对该传动系统的精 度检测过程作了详尽的陈述。介绍了h p 5 5 2 8 a 双频激光干涉仪、高精度电感测微 仪、标准平晶等检测工作中使用的主要检测仪器。重点阐述了传动系统位移灵敏 度、导轨直线度、传动系统定位精度的检测过程和检测结果。并简单地评价了检 测结果。 关键词：激光直写设备，传动系统，定位精度 a b s t r a c t l a s e rd i r e c tw r i t i n g ( l d w ) i sa na d v a n c e df a b r i c a t i o n t e c h n i q u ef o rd i f f r a c t i v e o p t i c a le l e m e n t s ( d o e s ) l d we q u i p m e n ta d o p t i n gl a s e rd i r e c tw r i t i n gt e c h n i q u ei s s u b s t a n c ef o u n d a t i o nf o r r e s e a r c h i n g a n d m a n u f a c t u r i n gd o e s b a s i n g o nt h e f o u r a x i sl d w e q u i p m e n tm a n u f a c t u r e db yc h a n g c h u ni n s t i t u t eo fo p t i c sa n df i n e m e c h a n i c sa n dp h y s i c s ，c h i n e s ea c a d e m yo fs c i e n c e ，t h ep a p e ra n a l y s e sy a x i s t r a n s m i s s i o ns y s t e mo ft h i se q u i p m e n t s y s t e m a t i c a l l y ，i tc a np r o v i d es o m ec o n s u l tf o r d e s i g n i n g a n d d e t e c t i n gh i g h p r e c i s i o nt r a n s m i s s i o ns y s t e m b a s i n g o ny a x i s f u n c t i o n r e q u e s t a n d d e s i g n i n d e x e so f b i n a r yo p t i c a l e l e m e n t sl a s e rd i r e c tw r i t i n ge q u i p m e n t ，a n ds i m p l yc o n t r a s t i n gw i t ho t h e r p r o j e c t so f h i g h p r e c i s i o nt r a n s m i s s i o ns y s t e md e s i g n ，t h ep a p e rp u t sf o r w a r dt h ep r o j e c to f t o t a l s t r u c t u r ed e s i g no ft h et r a n s m i s s i o ns y s t e m t h i sp r o j e c tm e e t st h et r a n s m i s s i o ni n d e x o fl o n gs t r o k ea n dh i g hp o s i t i o n i n ga c c u r a c y ，t h ep o s i t i o n i n ga c c u r a c yi ss u b - m i c r o n d e g r e e a tt h es a m et i m e ，t h ep a p e rp u t sf o r w a r dt h ed e s i g np r o j e c t so fe a c hp a r to f t h et r a n s m i s s i o n s y s t e m ，e x p l a i n sd e s i g nt h o u g h t s o fs e v e r a l p a r t s ，s u c h a st h e b a l l s c r e w ，a e r o s t a t i cg u i d e ，c o n n e c t i o no fb a l l s c r e wa n da e r o s t a t i cg u i d e s ot h ep a p e r w i l lb eag o o dr e f e r e n c ef o rd e v e l o p i n gs i m i l a rt a s k f o rt h et r a n s m i s s i o ns y s t e ms t r u c t u r e ，t h ep a p e ra n a l y z e ss t r u c t u r ep e r f o r m a n c e f i g u r es i m p l y f o r t h et r a n s m i s s i o n s y s t e m s t h el e a s t d i s p l a c e m e n ts e n s i t i v i t y ， a f f e c t i o nf a c t o r so fp o s i t i o n i n ga c c u r a c y ，s y s t e mt o u g h n e s sa n dn a t u r a lf r e q u e n c y ，t h e p a p e r c a l c u l a t e st h e m c a r e f u l l y t h r o u g hag r e a td e a lo f w o r ka sa b o v e ，w ea f f i r mt h a t t h ep r o j e c to ft o t a ls t r u c t u r ed e s i g ni sf e a s i b l e b e c a u s ep r e c i s i o nd e t e c t i n gi sv e r yi m p o r t a n t ，i tc a nj u d g ew h e t h e rt h ed e s i g ni s g o o d o r n o t ，t h ep a p e rd e s c r i b e s t h e d e t e c t i n gp r o c e s sd e t a i l e d l y s e v e r a l m a i n d e t e c t i n gi n s t r u m e n t sw h i c ha r eu s e di nt h ed e t e c t i n gw o r ka r ei n t r o d u c e d ，s u c ha s h p 5 5 2 8 ad y n a m i cc a l i b r a t i o n ，h i g h p r e c i s i o ni n d u c t a n c es c a l em i c r o m e t e ra n dt h e c u b i c a l g l a s s w h i c hh a sb e e nd e m a r c a t e d f o rt h e d i s p l a c e m e n ts e n s i t i v i t y a n d p o s i t i o n i n ga c c u r a c yo f t r a n s m i s s i o ns y s t e m ，g u i d e l i n e a r i t y ，t h ed e t e c t i n gp r o c e s sa n d d e t e c t i n g r e s u l ta r ee x p a t i a t e d t h ed e t e c t i n gr e s u l t sa r ee v a l u a t e ds i m p l y k e yw o r d s ：l a s e rd i r e c tw r i t i n ge q u i p m e n t ；t r a n s m i s s i o ns y s t e m ；p o s i t i o n i n g a c c u r a c y 第一章引言 第一章引言 二元光学( b i n a r y o p t i c s ) 是一种衍射光学，是在全息技术基础上光学和 微电子学相互交叉渗透而成的光学前沿学科。二元光学元件是以光的标量和矢 量衍射理论为基础，用计算机辅助设计，通过超大规模集成电路( v l s i ) 工艺 等微细加工手段制作的一种新型光学元件，它以片基上多台阶浮雕结构或连续 浮雕结构和高的衍射效率为特点。光学系统中应用二元光学元件，能够简化 光学系统结构，减少构成系统的光学元件数量，减轻重量，提高性能( 如增火 视场，提高相对孔径、改善成像质量等 2 1 ) 。传统的二元光学元件制作方法存在 制作环节多、周期长、成本高、衍射效率低等缺点，而采用激光直写技术可制 作高精度及高衍射效率的二元光学元件 3 1 。 激光直写是利用光刻胶的曝光显影特性，将曝光量的空间分布转化为胶表 面的三维浮雕轮廓。其工艺过程除了用激光直写曝光取代掩模投影曝光之外， 工艺流程与超大规模集成电路制作工艺基本上是相同的。 激光直写设备是制作高质量衍射光学元件的关键设备之一，激光直写技术 制作元件的能力由激光直写设备的性能指标来决定。只有先进的激光直写设备 和高超的工艺水平相结合，才能制作出先进性能、高质量的光学元件。而激光 直写设备的性能主要依赖于其传动系统的性能。 本论文将丌展对激光直写设备传动系统的研究。 1 1 本课题的来源 本论文的研究课题来源于中科院重大设备改造项目“二元光学激光直接写 入设备的研制”。 1 2 开展二元光学激光直写设备传动系统研究的意义 二元光学激光直写设备是一台采用激光直写技术制作二元光学元件的高精 度光刻设备，可满足制作最小特征尺寸为1 1 t m 的二元光学元件的要求。因此， 其传动系统定位精度要求达到亚微米级的精度指标。同时，该设备还要满足制 作元件最大尺寸达到2 0 0 m r r i 2 0 0 r a m ( 直角坐标写入) 或4 0 0 m m ( 极坐标写入) 二元光学激光直写设备传动系统机构设计与分析 的要求，即传动系统的行程要大于或等于2 0 0 1 r a n 。这就要求其传动系统实现长 行程、超精密传动的要求。长行程、超精密传动系统的研制一直是超精密加工 领域研究的热点问题之一。因此，开展二元光学激光直写设备传动系统的研究， 对于超精密加工领域设备的研制有着较大的借鉴意义。 二元光学激光直写设备是制作高精度二元光学元件的关键设备之一，传动 系统是该设备的关键组成部分。其传动系统的性能将影响到整个设备研制的成 败。这主要是因为传动系统的精度与设备的写入精度是息息相关的，如果传动 系统的精度达不到使用要求，则设备制作二元光学元件的精度低、质量差，则 无法对二元光学作进一步、深层次的研究和探讨。因此，开展该设备传动系统 的研究，研制出高性能的激光直写设备，对于进一步开展二元光学研究，提高 国内二元光学研究条件，有着很大的现实意义。 总之，二元光学激光直写设备是一台采用激光直接写入技术制作高精度和 高衍射效率的二元光学元件的先进光刻设备，该设备传动系统要求达到长行程、 亚微米级的运动精度和定位精度，研制出这样一套高精度的传动系统，并提出 相应的检测方法和手段，对于设备研制的成败和高精度定位、传动、检测技术 的研究具有重要的理论和现实意义。 1 3 激光直接写入设备发展概况 激光直接写入设备是制作衍射光学元件的关键工艺设备，目前已经研制 出多种激光直写设备。按其功能分类，主要有：平面直角坐标直写设备、平 面极坐标直写设备和曲面极坐标直写设备。表1 1 汇集了目前三种激光直写 设备的主要功能f 4 j 。 第章引言 表1 1 激光直写设备加工性能比较 t a b l e l 1p e r f o r m a n c ec o n t r a s to fs e v e r a ll a s e rd i r e c tw r i t i n ge q u i p m e n t 加工手段波段元件结构片基表面应用范围微区图形 阵列元件 x y 激光直写可见旋转对称连续 平面分束元件 + 反应离子束刻蚀红外非旋转对称台阶 等功能器件 极坐标激光直写可见连续 旋转对称平面成像元件 + 反应离子束刻蚀红外台阶 成像元件 四轴激光直写可见旋转对称平面阵列元件连续 + 反应离子束刻蚀红外非旋转对称 曲面分柬元件台阶 等功能器件 据公开的文献报道，采用激光直写设备进行二元光学研究或研制该类设 备的主要有美国、德国、瑞士、加拿大等主要发达国家。国内激光直写技术 的研究丌展的较晚，设备研制方面报导则更少。目前，仅浙江大学现代光学 仪器国家重点实验室和中科院长春光机所应用光学国家重点实验室报导研 制出了激光直写设备。本文即是对中科院长春光机所应用光学国家重点实验 室所研制的四轴激光直写设备传动系统研制过程的技术总结。表l ，2 给出了 文献公开报道的国内外激光直写设备研制单位、基本功能、主要技术指标和 应用情况等【”。 二元光学激光直写设备传动系统机构设计与分析 表1 2 激光直写设备主要性能参数( 1 ) t a b l e l 2 t h e m a i np e r f o r m a n c ep a r a m e t e r o f l a s e r d i r e c t w r i t i n g s y s t e m ( 1 ) 写入系统直角坐标写入系统 国别两班牙加拿人 所属单位圣地哥大学国家光学研究所 运动轨迹x + y 平面方式x + y 平面方式x 十y 平面方式 写入光源a r 激光器h e ，c d 激光器( 3 0 r o w )高功率a r + 激光器 波k 4 5 7 9n m4 4 2n m5 1 4 5n m 、4 8 8n m 焦斑尺i t 06 6 、0 8 6 、1 4 00 81 5 ( p m ) 2 2 3 、5 5 8 特征尺寸 20 1 02 0 ( 扯m ) 写入精度 0 1 01 爿0l ( u m ) 最人尺寸 ( m m ) 2 5 r a m 2 5 m m2 0 0 r a m 2 0 0 r a mi o o m m 1 0 0 r a m 写入速度 00 4 o 42 0 2 0 ( m m s ) 非光刻檄光直写方法在 应用领域光刻掩膜、通过电铸成型 i c 制作和成模、光导波及 集成光学器件掩膜 制作镍质掩模 d o e 方面得到应用 4 第一章引言 表1 2 激光直写设备主要性能参数( 2 ) t a b l e l 2 t h e m a i np e r f o r m a n c e p a r a m e t e ro f l a s e r d i r e c t w r i t i n gs y s t e m ( 2 ) 国别德国瑞士俄罗斯 所属单位 f r a u n h o f e r 微电子电路 p a u ls c h e r r e r 研究所 自动控制和电测研究所 秆i 系统研究所 写入系统直角坐标写入系统极坐标写入系统 运动轨迹x + y 平面方式x + y 平面x + w 平面 写入光源x e c i 准分子激光器h e c d 激光器a r 激光器( 2 w ) 波长 3 0 8n m4 4 2n m4 5 7 5 1 4n m 焦斑尺寸 0 61508 ( “m ) 特征尺寸 0 6100 6 ( 斗m ) 写入精度0 1 5 0 15 ( 动态)z 0 1g m ( r ) ，主轴转动 ( “m ) 速度相对误差3 1 0 。， 中 1a f cs e c 最人尺寸 1 5 0 r a m 1 5 0 m m3 0 0 r a m x3 0 0 m m最大q b 3 0 0 m m ( 直径) ( m m ) 写入速度 4 32 c m 2 】 1 0 m m s 3 0 0 r p m 8 0 0r p m 戍川领域集成电路掩膜激光直写光刻掩模、通过 微透镜、微透镜阵州、 电铸成型制作镍质掩模、反射椭恻形带板、螺旋 然后模压、滚压、注模法波前全息片、h = | 丁1 f 球 复制元件、连续浮雕微光面检测的全息图 学元件 二元光学激光直写设备传动系统机构设计与分析 表1 2 激光直写设备主要性能参数( 3 ) t a b l e l 2t h em a i np e r f o r m a n c ep a r a m e t e ro fl a s e rd i r e c tw r i t i n gs y s t e m ( 3 ) 国别美国 所属单位麻省理r 学院林肯实验室利桑那大学( s o m l )利桑那大学( o s c ) 写入系统极坐标系统 直角和极坐标系统直角和极坐标系统 运动轨迹 x + w 平面x + y + z + w 曲面x + y + z + w 曲面 写入光源 h e c d 激光器( 1 4 r o w )a r 激光器( 2 w )a r + 激光器( 1 ，2 w 可调) 波 4 4 2 t i m 4 5 7 5 1 4n m6 8 8n m 焦斑直径 0 7 6 00 7 ( g m ) 特征尺寸 1 o5 0 铬膜热化学技术 07 5 铬膜热化学技术 ( g m ) 定位精度 z 01 t m ( r ) ，主轴径向跳 2 1l a i n ( 在1 8 m 直径内) 0 0 1 _ t m ( x y z ) 旋转速 动 5 0 0 h 。，充分满足了导轨固有频率的设计要 求。 4 5 小结 针对第二章所设计传动系统的具体结构，本章从系统最小位移灵敏度、定位 精度、刚度及固有频率等对系统性能影响较大的方面，对该传动系统进行了细致 的计算分析。通过计算校核，证明了该传动系统结构设计合理，满足系统需求。 同时，本章也可为其他高精度传动系统的性能讨论提供参照。 二元光学激光宜写设备传动系统机构设计与分析 第五章传动系统精度检测 本章主要叙述二元光学激光直写设备传动系统各项精度指标的检测方法、过 程和结果。重点描述了该传动系统位移灵敏度、导轨直线性及系统定位精度的检 测过程和检测结果。 5 1 传动系统最小位移分辨力的检测 5 1 1h p 5 5 2 8 a 双频激光干涉仪简介 因为该传动系统对最小位移分辨力的要求极高( 0 0 5 | t m ) ，传统的千分表 ( 1 l ，t m ) 、电感测微仪( o 1 p , m ) 等检测仪表己满足不了测量精度要求，选用合 适的高精度的几何量测量工具在测量中显得极为重要。在实际工作中，我们选用 了h p 5 5 2 8 a 双频激光干涉仪来对系统的几何量公差进行测量。双频激光干涉仪集 激光、精密机械和电子学数据处理等现代技术于一体，具有测量范围大、分辨力 高、属非接触式测量以及测量过程高度自动化等一系列特点，在高精度几何量( 速 度、角度、平面度、直线度、垂直度及平行度等) 测量中得到了较普遍的应用”。 在线位移距离测量中，其量程可达到4 0 m ，位移分辨力0 ，0 1 9 m ，精度1 7 1 0 。6 l ( l 为量程) ，并具有环境参数及材料热膨胀补偿等功能1 。 h p 5 5 2 8 a 双频激光干涉仪的原理如图5 1 所示1 。 图5 1h p 5 5 2 8 a ：i ：作原理示意图 f i 9 5 1p r i n c i p l es k e t c ho f h p 5 5 2 8 a 第五章传动系统精度检测 原子能级在磁场作用下发生分裂的现象称为塞曼效应。由于这一效应的存 在，置于磁场中的激光器，其光谱线发生分裂。h e n e 激光器发射的6 3 2 8 n m 的激光，是由氖原子的3 s ：m 2 p 。的跃迁产生的。如果在光束方向施加纵向磁 场，沿磁场方向观察时，一条谱线将会对称地分裂为频率为( f 。+ f ) 的左 旋圆偏振光与( f r f ) 的右旋圆偏振光，二者强度相等，且其强度和等于原谱 线的强度，两条分裂谱线的交点，正是原谱线的中心频率f 。从双频h e n e 激 光器输出的频率为f ，的左旋圆偏振光与f ，的右旋圆偏振光，经 4 片变为两束 振动方向垂直的线偏振光，用分光镜b s 取出一小部分，经检偏器p 形成f ，和f ， 的拍频信号，由接收器接收作为参考信号，其余大部分经p b s 形成千涉信号并 由接收器作为测量信号，经光电转换及数据处理后，即可获得要求的测量结果。 5 1 2 检测过程及结果 实际测量环境为温度2 0 1 、气压、湿度适宜的超净间。在测量中也 充分注意了余弦误差、死程误差及传感器安装对测量结果的影响。为了减小余 弦误差，在测试过程中，仔细调整激光头、干涉仪及反光镜，使光强信号超过 了9 0 且在导轨运动过程中保持恒定。尽量减小t 涉仪与激光器的距离，并正 确安放温度传感器。使整个测量系统误差小于1 5 p p m 3 ”。检测方式如图5 2 。 丝杠 图5 ，2 位移分辨力检测示意圈 f i 9 5 2m e a s u r i n gs k e t c ho fd i s p l a c e m e n tr e s o l u t i o n 激光器 h p 5 5 2 8 a 双频激光干涉仪位移测量的干涉仪放在与工作台等高且静止的基 座上，反光镜放在由步进电机、滚珠丝杠副及空气静压导轨组成的传动系统驱 动的工作台上。检测时，设备控制指令发出位置移动信号( 单个脉冲对应理论 第五章传动系统精度检测 5 2 1 检测工具 一般情况下，在高精度导轨直线度测量中，由于导轨本身直线度与检测工 具直线度处于一个数量级上，经常采取误差分离方法来分离导轨直线度误差和 检测工具直线度误差。由于误差分离过程复杂，故准确实现误差分离较为困难。 使用h p 5 5 2 8 a 双频激光干涉仪可以方便、快速、准确地测量导轨的直线度。 但在实际应用中，使用h p 5 5 2 8 a 双频激光干涉仪检测导轨直线度也存在着不便 之处( 主要为h p 5 5 2 8 a 直线度检测光具调节较为困难) ，于是采用了另外一种检 测手段对导轨的直线度进行了检测。 检测工具主要由高精度电感测微仪和平晶组成。高精度电感测微仪分辨力 为l n m 、精度为l o n m 。平晶由吉林省计量科学研究院提供，精度由国家计量院 标定，在平晶( 总长2 0 0 m m ) 1 8 0 m m 长度上均分6 等份，每等份长度为3 0 m m ， 其精度值为： 表5 2 平品标定结果 单位：g m 检测位置 1234567 i 检测精度 oo 0 60 1 00 1 2 0 0 90 0 7o 5 2 2 测量过程及结果 将平晶固定在与导轨固连在一起的工件台上，如图5 3 所示。 二元光学激光直写设备传动系统机构设计与分析 图5 3 导轨直线性检测方式示意图 f i 9 53 s k e t c ho fm e a s u r i n g g u i d el i n e a r i t y 拉动导轨观察电感仪的读数。调整平晶使平晶上距离1 8 0 m m 的a 、b 两点 读数相等( a 、b 两点对应平晶标定时的检测位置1 和7 ) 。a 、b 两点检测数捌 如下表( 表5 3 ) 。 表j 3 平晶a 、b 两点基准调整结果 t a b l e 5 3a d j u s t i n gr e s u l t so fc u b i c a lg l a s sp o s i t i o naa n db 单位：0 0 1 9 m 广f 誓兰 ab 1 43 5 23 5 d 3 44 44 54 四组平均 43 ，8 7 5 平晶a 、b 两点的基准差值为0 0 1 2 5 u a n ，可忽略其影响。 测量时，取平晶中间一段长度为1 0 0 r a m ，将其分为5 等份，每份长度为2 0 m a ( 如图5 4 ) 。 1 8 0 m m 4 0 m m l 一 1 0 0 m m i l 。 i 幽5 4 平晶使用区域说明图 f i 疹，4s h o w o fm e a s u r i n ge x t e n t 第五章传动系统精度检测 拉动导轨，读取电感仪在平晶等分点处的数值。得到如下检测结果 表5 4 导轨直线度四组检测结果( 含平晶误差) t a b l e 5 4 m e a s u r i n gr e s u l t so fg u i d e1i n e a r it y ( c o n t a i nc u b i c a l g l a s s e r r o r ) 而、垡善 123456 14 03 83 52 93 53 6 23 42 92 32 12 22 5 32 01 81 71 21 21 4 44 33 63 43 43 44 0 l四组平均3 4 2 53 02 52 7 2 5 2 42 5 7 52 8 7 5 i归零处理 5 51 5一1 54 7 53o 将检测结果绘成曲线( 称为综合误差曲线) ，同时也绘制出平晶误差曲线。 虽然所给出的平晶精度值与导轨直线度误差检测结果在测量点上不为一一对应 关系，但由于平晶误差与导轨误差在临近点上变化极小，其曲线可看