絕對式光柵尺母光柵刻劃裝置的設(shè)計

鄭黎明，譚向全

（中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033）

0 引言

我國在 “十二五” 期間對高檔數(shù)控機床的關(guān)鍵技術(shù)進行了規(guī)劃和布局[1～3]。絕對式光柵尺是高檔機床閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的重要核心功能部件之一，目前國內(nèi)尚沒有自主研制的量產(chǎn)產(chǎn)品，全部依賴進口，為此長春光機所突破了絕對式光柵尺的一系列關(guān)鍵技術(shù)，自主研制基于單場掃描技術(shù)的絕對式光柵尺產(chǎn)品[4]。

絕對式光柵尺的關(guān)鍵技術(shù)直接關(guān)系到高檔數(shù)控機床的重大突破和實質(zhì)性進展。大尺寸、高精度母光柵刻劃是絕對式光柵尺制造和產(chǎn)業(yè)化過程的關(guān)鍵技術(shù)之一，因此母尺光柵的刻劃技術(shù)對于高檔數(shù)控機床規(guī)劃與布局具有重要的意義。由于絕對式光柵尺的產(chǎn)業(yè)化迫切需求，目前絕對式母尺光柵刻劃裝置已成為亟待攻克的關(guān)鍵技術(shù)與裝備。本文將對該裝備的關(guān)鍵技術(shù)與裝備進行研究。

1 方案設(shè)計概述

1.1 光學(xué)系統(tǒng)基本工作原理

光學(xué)系統(tǒng)是本裝置的核心系統(tǒng)，它生成絕對與相對碼道的圖案，并將圖案按照設(shè)計比例投影至光柵基體的焦平面位置，用于絕對和相對碼道的刻劃加工。本系統(tǒng)采用DMD（Digital Micromirror Device）完成圖案生成，選用TI 公司XGA0.7＂ 型DMD 芯片作為工作器件。它利用靜電原理和脈沖幅度調(diào)制（PWM）技術(shù)，通過控制DMD上每個像元的偏轉(zhuǎn)方向及保持時間，選通光束進入系統(tǒng)入瞳，形成不同亮度和對比度的圖像[5,6]。刻劃裝置的光學(xué)系統(tǒng)由曝光光源組件、調(diào)焦光源組件、DMD 組件、投影鏡頭組件、調(diào)焦CCD 組件等構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

曝光光學(xué)組件為刻劃曝光提供波長為360~450nm 的紫外光，要求能量均勻性在95%以上。由光纖光源發(fā)出的紫外光首先經(jīng)準直透鏡變?yōu)槠叫泄猓?jīng)兩片光軸垂直方向位置可調(diào)的微透鏡陣列勻光，再經(jīng)場鏡后即可作為刻劃裝置的曝光光源。

圖1 刻劃裝置的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 The optical system structure of the scribing device

調(diào)焦光源為曝光刻劃過程的微調(diào)焦提供了基準光源，光源波長為528nm。調(diào)焦光源同樣采用光纖光源，與曝光光源相比，其光源均勻性要求稍低。曝光光源與調(diào)焦光源均要求以某同一個角度入射至DMD 鏡面，因此采用一個二相色鏡完成兩個光源的合束。

紫外光以某一個特定角度入射至DMD 鏡面，經(jīng)DMD 有選折的反射，形成設(shè)計的碼道圖案光斑，光斑被投影鏡頭組件按照設(shè)計比例縮放，最終投影至焦平面。投影鏡頭組件由多片標準球鏡片構(gòu)成，后兩片可進行微調(diào)焦，能夠在一定程度上對投影鏡頭的放大倍率進行微調(diào)整，保證刻劃圖案大小的準確性。同時投影鏡頭要求畸變程度不大于1%，滿足投影光刻過程中圖案變形的要求。

為了彌補投影過程的輕微離焦現(xiàn)象，設(shè)置了調(diào)焦CCD 組件。選用光刻膠不敏感的綠光作為調(diào)焦光源。調(diào)焦光源發(fā)出基準綠光，利用DMD 生成碼道圖案，圖案經(jīng)投影鏡頭聚焦在焦平面。焦平面上的圖案被母尺基體鏡面反射，然后被投影鏡頭反向投影，透射光線被棱鏡沿光軸垂直方向反射，最終投影至調(diào)焦CCD 焦平面。通過調(diào)整刻劃設(shè)備與母尺基體表面的距離，使調(diào)焦CCD圖像清晰,即完成調(diào)焦過程。刻劃裝置的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)如表1 所示。

表1 光學(xué)設(shè)計參數(shù)Tab.1 Optical design parameters

1.2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

機械系統(tǒng)是光學(xué)系統(tǒng)的支撐，根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的特殊要求，對機械系統(tǒng)進行了詳細設(shè)計，具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。所有部件均安裝在底板上，DMD 組件、棱鏡組件、投影鏡頭組件距底板均為75mm，采用墊片作為調(diào)整環(huán)節(jié)，保持各組件同高。調(diào)焦光源光軸和反射后的曝光光源的光軸均與底板成空間二維角度，即光軸在底板成45°的平面內(nèi)，并且與DMD 鏡面法線成24°夾角。調(diào)焦光源座由兩件組成，其件一與底面成45°，件二能夠在件一上平面內(nèi)轉(zhuǎn)過24°角，兩個光源座均為規(guī)則零件，便于加工和裝調(diào)。

2 刻劃裝置的裝調(diào)與曝光試驗

圖2 刻劃裝置的機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 The mechanical system structure of the scribing device

在完成設(shè)計的基礎(chǔ)上，對刻劃裝置樣機進行了加工與裝調(diào)。由于刻劃裝置對于曝光光源均勻性、圖案畸變、圖案放大倍率等具有特定要求（例如曝光光源均勻性需超過95%，畸變小于1%，放大倍率一定范圍內(nèi)可調(diào)），需對裝調(diào)方案進行專門設(shè)計。裝調(diào)過程所需的設(shè)備包括自準直經(jīng)維儀2 臺、平面反射鏡3 個、小孔、裝調(diào)平臺等。具體裝配過程如下：

（1）將底板放置到裝調(diào)平臺上，利用水平儀把底板調(diào)至水平狀態(tài)，將反射鏡①固定在底板上，用自準直經(jīng)緯儀①對底板的位置變化進行校正。

（2）將DMD 組件安裝在底板上，將自準直經(jīng)緯儀②的光軸調(diào)整至與DMD 鏡面相垂直。

（3）將裝調(diào)反射鏡②放置在底板上，調(diào)整反射鏡②的位置，使反射鏡②的鏡面與經(jīng)緯儀②光軸垂直。

（4）將小孔裝在曝光光源場鏡前段，調(diào)整二相色鏡的空間位置，使曝光光源發(fā)出的細光束經(jīng)二相色鏡、DMD鏡面和裝調(diào)反射鏡②連續(xù)反射后，能夠入射至小孔內(nèi)，說明曝光光源位置已調(diào)整好。

（5）將反射鏡③裝在投影鏡頭上，調(diào)整投影鏡頭空間位置，使投影鏡頭光軸與自準直經(jīng)緯儀②光軸重合。

（6）將CCD 調(diào)焦組件裝配到底座上，調(diào)整該組件位置，CCD 清晰成像；至此完成全部裝調(diào)工作，完成裝調(diào)后的物理樣機如圖3 所示。

在千級潔凈間內(nèi)，利用刻劃裝置進行相對碼道曝光試驗，得到相對碼道圖案如圖4 所示。從圖中可知，明暗條紋寬度相等，且明暗周期為20μ，說明本文研制的刻劃設(shè)備能夠加工出滿足要求的碼道圖案。

圖3 刻劃裝置物理樣機Fig.3 The physical prototype of the scribing device

圖4 絕對碼道曝光圖案Fig.4 The pattern of absolute code channel

3 結(jié)束語

隨著我國數(shù)控機床行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化升級，絕對式光柵尺產(chǎn)品是亟待開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)核心部件之一。母尺光柵是絕對式光柵尺進行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的前提，因而母尺光柵刻劃裝置的開發(fā)具有重要的現(xiàn)實意義。本文以產(chǎn)品需求為出發(fā)點，完成絕對式母尺光柵刻劃裝置的光學(xué)系統(tǒng)和機械系統(tǒng)設(shè)計。并針對曝光光源均勻性、圖案畸變、放大倍率等問題，設(shè)計了裝調(diào)方案。最終利用物理樣機進行曝光刻劃試驗，得到了滿足使用要求的碼道圖案。表明本文開發(fā)的母尺光柵刻劃裝置能夠滿足設(shè)計要求，具體工作將為絕對式光柵尺的產(chǎn)業(yè)化打下堅實的基礎(chǔ)。

[1] 景富軍，譚勝龍，劉玲，等.我國機床數(shù)控化的現(xiàn)狀和未來對策[J].制造技術(shù)與機床，2013，4.

[2] 唐克巖.我國數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].機床與液壓，2012，5.

[3] 汪淑珍，賈輝.數(shù)控機床的發(fā)展狀況與應(yīng)對政策[J].重慶文理學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，1.

[4] 孫強.高精度絕對式光柵尺研究進展及技術(shù)難點[J].世界制造技術(shù)與裝備市場，2012，5.

[5] 鐘都都，于薇薇，張凱，等. 基于DMD 的動態(tài)紅外場景仿真器設(shè)計與測試[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2008，19.

[6] 賈辛，廖志杰，邢廷文，等.基于DMD 的動態(tài)紅外場景投影光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計[J]. 紅外與激光工程，2008，4.