選擇對準(zhǔn)系統(tǒng)時(shí)需要考慮的幾個(gè)因素

2019-11-04 22:46:19

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供稿：網(wǎng)友

　　聰明的工程師了解最經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)往往需要在性能價(jià)格之間達(dá)到完美平衡，運(yùn)動控制（Motion control）和熱量/機(jī)械穩(wěn)定性都不可或缺。
　　
　　盡管從經(jīng)濟(jì)上考慮，提高產(chǎn)量，減少周期對降低總體成本來說意義重大，但企業(yè)在選擇對準(zhǔn)系統(tǒng)時(shí)，仍然會首先考慮價(jià)格因素。雖然價(jià)格不應(yīng)是被考慮的唯一因素。
　　
　　事實(shí)上，能夠提高耦合輸出（coupling yield）的系統(tǒng)經(jīng)常受限于市場所能承受的價(jià)格，因而不可避免地造成了成本與性能之間的折衷，或者說是平衡，這就是我們常說的性價(jià)比問題。一個(gè)對準(zhǔn)系統(tǒng)制造商假如選用低熱膨脹系數(shù)材料（如不脹鋼Invar）將會有效改善系統(tǒng)的熱膨脹效應(yīng)，不過由此引發(fā)的系統(tǒng)成本將急劇膨脹，成本變得很高。另一方面，假如使用便宜的步進(jìn)電機(jī)，那它們可憐的重復(fù)性能和高熱量輸出將對耦合輸出（coupling yield）造成負(fù)面影響。
　　
　　因此，最經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)往往是在不增加額外成本的情況下提高耦合輸出。由于在對準(zhǔn)工序確定元件位置是否處于最合適狀態(tài)的過程中，絕大多數(shù)對準(zhǔn)法則必須要通過某個(gè)最高點(diǎn)，因此耦合輸出與對準(zhǔn)系統(tǒng)重復(fù)精確返回那個(gè)點(diǎn)的能力（運(yùn)動控制系統(tǒng)的一個(gè)功能），以及維護(hù)熱量/機(jī)械穩(wěn)定性的能力（與系統(tǒng)的熱量負(fù)荷和機(jī)械設(shè)計(jì)有關(guān)的功能）密切相關(guān)。
　　
　　運(yùn)動控制
　　圖1顯示的是一個(gè)單摸1310nm發(fā)射器的標(biāo)準(zhǔn)功率分布曲線。圖中顯示峰值在±100 nm的區(qū)域，耦合損耗好于–0.01 dB，與此對應(yīng)的是耦合輸出達(dá)到99.8%。但在±300 nm的位置，損耗明顯增加。給出的這些信息表明，假定目標(biāo)要求的重復(fù)性為0.01 dB，那對準(zhǔn)系統(tǒng)必須具備重復(fù)移動到離峰值100 nm以內(nèi)區(qū)域的能力。
　　　選擇對準(zhǔn)系統(tǒng)時(shí)需要考慮的幾個(gè)因素（圖一）

選擇對準(zhǔn)系統(tǒng)時(shí)需要考慮的幾個(gè)因素（圖一）

　　圖1，在這幅圖里，X軸是光纖掃描穿過光場（light field;）的方向（單位：微米），Y軸是光功率（單位：分貝），圖中的最高點(diǎn)處于最合適的位置。
　　
　　運(yùn)動系統(tǒng)的分辨率指的是一個(gè)運(yùn)動系統(tǒng)控制移動或用顯示器顯示出來的最小增量，不過系統(tǒng)不可能很一致地按照分辨率來移動。換句話說，最小的運(yùn)動增量是一個(gè)系統(tǒng)所能做的最小移動，但并能描述移動的一致性。
　　
　　雙向重復(fù)性能BDR是對準(zhǔn)應(yīng)用中是最重要的參數(shù)，因?yàn)樗从车氖窍到y(tǒng)從其他位置重復(fù)移動到最高點(diǎn)的一致性能，在圖一中，BDR的精度好于100 nm。
　　
　　大多數(shù)運(yùn)動參數(shù)是由單向轉(zhuǎn)換軸來定義，但對于一個(gè)對準(zhǔn)系統(tǒng)來說，要獲取的參數(shù)是基于整個(gè)系統(tǒng)之上，如包括六軸集群（cluster），對準(zhǔn)軟件，工具，環(huán)境因素（如溫度和振動）等。
　　
　　由于大多數(shù)用戶都有非凡的要求，因此有必要開發(fā)出一種任何人都能重復(fù)使用的未知元件測量法。例如，Newport公司使用一套間隔為10um（沒有系數(shù)匹配凝膠）的1550-nm單模光纖—光纖對準(zhǔn)系統(tǒng)，來測量由重復(fù)向最高點(diǎn)移動引發(fā)的分貝損耗變化(sigma)，這就產(chǎn)生了一個(gè)可再現(xiàn)和客觀的測量方法，能適應(yīng)所有環(huán)境和系統(tǒng)要素的要求。例如，1-sigma有0.01 dB的重復(fù)能力，意味著系統(tǒng)能在0.03 dB范圍內(nèi)重復(fù)對準(zhǔn)結(jié)果，準(zhǔn)確率在99.87%。
　　
　　機(jī)械設(shè)計(jì)，熱量負(fù)載
　　在評估一個(gè)對準(zhǔn)系統(tǒng)時(shí)，尤其是供給商沒有非凡標(biāo)明價(jià)格的時(shí)候，每一個(gè)微調(diào)架光學(xué)高度和定位器（fixtures）都應(yīng)該作為評定系統(tǒng)穩(wěn)定性的指向器（見圖2），光學(xué)高度指的是從光軸中心到系統(tǒng)底部（如工作臺）的距離，增大光學(xué)高度會導(dǎo)致Y軸位移量在溫度改變時(shí)增大。在Z軸方向上的定位器和微調(diào)架的高度也很重要，不過絕大多數(shù)光器件對Z軸并不敏感。
　　　選擇對準(zhǔn)系統(tǒng)時(shí)需要考慮的幾個(gè)因素（圖二）

選擇對準(zhǔn)系統(tǒng)時(shí)需要考慮的幾個(gè)因素（圖二）

　　圖2，每個(gè)軸都是很重要，系統(tǒng)的光學(xué)高度是評定系統(tǒng)穩(wěn)定性最可靠的方法。
　　
　　熱源必須從運(yùn)動系統(tǒng)隔離開來以抑制一些由熱量擴(kuò)張所帶來的有害影響。用一個(gè)艙來控制空氣溫度，不過這樣會增加系統(tǒng)成本，削弱系統(tǒng)可用性。控制溫度最好的途徑是降低光學(xué)高度和使用冷凝循環(huán)微調(diào)架。下列所列舉的微調(diào)架（stages）是對準(zhǔn)系統(tǒng)最常用的，假如你要購買系統(tǒng)時(shí)，要了解每一類型的正面效應(yīng)及負(fù)面效應(yīng)，這一點(diǎn)很重要，
　　
　　步進(jìn)電機(jī)。對準(zhǔn)系統(tǒng)通常使用的低成本解決方案是步進(jìn)電機(jī)，但它的缺點(diǎn)是重復(fù)性差，步進(jìn)電機(jī)很輕易變熱，嚴(yán)重影響系統(tǒng)穩(wěn)定性和重復(fù)性。
　　
　　Piezo激勵(lì)器（Piezo actuators）。Piezo能提供非常高的分辨率(10 nm)和高強(qiáng)度。然而，他們在測量時(shí)會產(chǎn)生磁滯效應(yīng)，并且很難在閉環(huán)方式下進(jìn)行控制。大多數(shù)Piezo行進(jìn)范圍有限，Piezo壽命也很短，需要頻繁地更換。多余的分辨率和和低成本并不能證實(shí)犧牲重復(fù)性和系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的做法是正確的。
　　
　　DC伺服系統(tǒng)。帶有一個(gè)很好玻璃刻度譯碼器的冷卻循環(huán)DC伺服電機(jī)，是那些需要高耦合輸出單模光纖應(yīng)用的理想選擇。而且，系統(tǒng)所需的分辨率、精度和重復(fù)性都可以很輕易的達(dá)到(在50 到100 nm范圍內(nèi)).。
　　
　　最終對準(zhǔn)
　　理想的對準(zhǔn)系統(tǒng)的特點(diǎn)是耦合輸出高，價(jià)格合理，這兩者是矛盾的。但同時(shí)它們能達(dá)成妥協(xié)來提供性價(jià)比系統(tǒng)，運(yùn)用最重要的設(shè)計(jì)原理，達(dá)到應(yīng)用要求。
　　選擇對準(zhǔn)系統(tǒng)時(shí)需要考慮的幾個(gè)因素（圖三）