[align=center][/align]摘要：對(duì)二元光學(xué)元件激光直寫(xiě)設(shè)備實(shí)時(shí)調(diào)焦伺服系統(tǒng)的要求與實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了較為全面的介介紹，并分析了影響調(diào)焦伺服系統(tǒng)性能的主要因素。提出了采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)離焦信號(hào)進(jìn)行線(xiàn)性化處理，同時(shí)采用壓電陶瓷作為執(zhí)行元件，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)非線(xiàn)性補(bǔ)償；可大大提高調(diào)焦伺服系統(tǒng)的精度與帶寬。同時(shí)，在線(xiàn)估算離焦信號(hào)的帶寬，以此調(diào)節(jié)刻劃的速度，可大大提高刻劃的效率。 關(guān)鏈詞：實(shí)時(shí)調(diào)焦；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；線(xiàn)性化處理；動(dòng)態(tài)非線(xiàn)性補(bǔ)償；頻帶估算 1 引言 二元光學(xué)（衍射光學(xué)）元件的設(shè)計(jì)與制作是以波動(dòng)光學(xué)為理論基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)為設(shè)計(jì)工具，以超精密加工、光刻和復(fù)制技術(shù)為主要加工手段的綜合性技術(shù)前沿。目前，激光直寫(xiě)設(shè)備是制作二元光學(xué)元件的關(guān)鍵設(shè)備。但是用它制作衍射光學(xué)元件時(shí)，因裝調(diào)和主軸的軸向跳動(dòng)以及光刻膠的表面不光滑導(dǎo)致激光束的焦點(diǎn)偏離光刻面。為了保證加工質(zhì)量，激光直寫(xiě)設(shè)備必須具有一套高性能的實(shí)時(shí)調(diào)焦伺服系統(tǒng)，使加工面始終處于焦深之內(nèi)。為了提高設(shè)備的分辨率，光刻頭顯傲物鏡的數(shù)值孔徑不斷增大，焦深范圍很小，要求調(diào)焦的精度越來(lái)越高。隨著刻劃速度的提高，要求調(diào)焦伺服系統(tǒng)的頻帶加寬。因此，調(diào)焦伺服系統(tǒng)的性能是影響整個(gè)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。 實(shí)時(shí)調(diào)焦伺服系統(tǒng)的精度主要由三個(gè)方面決定：一是探焦單元及其智能傳感器的精度，二是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的分辨率，三是調(diào)焦伺服控制器的性能。調(diào)焦伺服系統(tǒng)的帶寬主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)與控制器決定。焦點(diǎn)探鋇l方法主要有刀IZl法、臨界角法和象散法。采用臨界角法探焦，光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。分辨率高，動(dòng)態(tài)范圍寬，在激光直寫(xiě)設(shè)備中，采用了此方法。采用臨界角法時(shí)，離焦量與輸出信號(hào)的關(guān)系為非線(xiàn)性⋯1（圖1）。由于壓電陶瓷的位移分辨率可達(dá)納米量級(jí)，開(kāi)環(huán)頻響達(dá)lld-Iz以上，且輸出力矩大，在超高精度調(diào)焦伺服系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。壓電元件的控制方式有電壓法與電流法，當(dāng)壓電元件采用電壓控制時(shí)，控制電壓與伸長(zhǎng)量為非線(xiàn)性 J，如圖2所示；著采用電流控制，壓電元件的非線(xiàn)性得到了很大的改善，但壓電元件的動(dòng)態(tài)特性大大降低。本文提出采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)離焦信號(hào)進(jìn)行線(xiàn)性化處理，并對(duì)壓電元件進(jìn)行模擬與前饋補(bǔ)償，使壓電元件采用電壓控制也可獲得很好的線(xiàn)性度。 在刻劃太口徑元件內(nèi)外圈時(shí)，由于線(xiàn)速度差異很大，充分利用光刻頭的調(diào)焦頻帶，最大限度地提高刻劃效率有著非常重要的意義，文中給出了在線(xiàn)估算離焦信號(hào)的頻帶，自適應(yīng)調(diào)節(jié)主軸的轉(zhuǎn)速，可極大的提高設(shè)備的效率。 [align=center] 圖2 壓電陶瓷特性曲線(xiàn)[/align] 2 離焦信號(hào)的非線(xiàn)性估計(jì)與動(dòng)態(tài)標(biāo)定 離焦信號(hào)的檢測(cè)由于采用了臨界角法，離焦量的太小與傳感器的輸出之間存在著嚴(yán)重的非線(xiàn)性關(guān)系，幾乎所有的調(diào)焦系統(tǒng)都是利用離焦曲線(xiàn)中間的近似線(xiàn)性區(qū)進(jìn)行調(diào)焦。執(zhí)行元件采用音圈電機(jī)或壓電陶瓷，由于音圈電機(jī)的分辨率很難超過(guò)0．1微米，因此在亞微米與納米級(jí)的定位系統(tǒng)中廣泛采用了壓電陶瓷作執(zhí)行元件，其控制方法為電流控制。這種方法有四個(gè)缺點(diǎn)：一是離焦曲線(xiàn)的線(xiàn)性度不高，影響調(diào)焦精度；二是當(dāng)光刻時(shí)大的擾動(dòng)使離焦量超過(guò)近似線(xiàn)性區(qū)時(shí)，調(diào)節(jié)時(shí)同過(guò)長(zhǎng)，影響刻劃的質(zhì)量；三是調(diào)焦的頻率太砥，調(diào)焦伺服控制系統(tǒng)的使用范圍大為降低；四是當(dāng)光刻物鏡的改變或工作較長(zhǎng)一段時(shí)問(wèn)后需重新定標(biāo)，使用很不方便。 [align=center] 圖3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理圖[/align] 由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擅長(zhǎng)從輸入、輸出數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)有用的知識(shí)，它不需要精確的數(shù)學(xué)模型，能夠解決傳統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)無(wú)法解決的許多復(fù)雜的、不確定性的、非線(xiàn)性的自動(dòng)化問(wèn)題，且容易用軟件實(shí)現(xiàn)，而成為當(dāng)前主要的智能控制技術(shù)之一。BP網(wǎng)絡(luò)是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用較為成熟的網(wǎng)絡(luò)模型，其網(wǎng)絡(luò)模型具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、算法易于掌握等特點(diǎn)。 在二元光學(xué)元件激光直寫(xiě)設(shè)備的調(diào)焦伺服系統(tǒng)控制系統(tǒng)中，離焦信號(hào)在整個(gè)工作范圍內(nèi)的非線(xiàn)性特性可用一多項(xiàng)式來(lái)描述： 式中：y為離焦量；x為離焦信號(hào)探測(cè)器ω[sub]i[/sub]（i=0，1，2，……n）離焦量的太小與傳感器的輸出之間存在著嚴(yán) 感系統(tǒng)的特性參數(shù)。 利用基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)離焦傳感系統(tǒng)的非線(xiàn)性估計(jì)與在線(xiàn)標(biāo)定，特性參數(shù)訓(xùn)練原理如圖3所示。對(duì)應(yīng)每一個(gè)實(shí)際輸人 ，可得到一個(gè)非線(xiàn)性數(shù)據(jù)集｛1，x，x[sup]2[/sup]，……x[sup]n[/sup]， ｝，這些作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸人模式，學(xué)習(xí)算法描述如 式中：di（k）為第i個(gè)輸人的期望輸出；yi（k）為對(duì)第i個(gè)輸人的估計(jì)輸出；e（k）為誤差；wn（k）為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在第k步的第n個(gè)連接權(quán)；η為學(xué)習(xí)因子，影響穩(wěn)定性和收斂速度。 對(duì)于一組實(shí)際檢測(cè)到的離焦信號(hào)xt與相應(yīng)的傳感器的輸出 構(gòu)成數(shù)據(jù)對(duì)（ft，Yt ），用式（1）擬合離焦特性曲線(xiàn)。設(shè) w0，w1，w2，w3為常數(shù)，將作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸人， 為輸出，按（2）、（3）、（4）式算法修正權(quán)值。所有的輸入輸出數(shù)據(jù)對(duì)構(gòu)成一次迭代學(xué)習(xí)，經(jīng)過(guò)多次學(xué)習(xí)，直到均方差（MSE）滿(mǎn)足要求，均方差越小則學(xué)習(xí)時(shí)問(wèn)越短，訓(xùn)練完畢．此時(shí)的權(quán)值為估計(jì)參數(shù)。在二元光學(xué)元件激光直寫(xiě)設(shè)備開(kāi)始工作之前或工作一段時(shí)間后，驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷使其產(chǎn)生已知位移，測(cè)出傳感器的輸出值，這樣就在線(xiàn)獲得樣本，利用樣本訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，就可精確實(shí)現(xiàn)離焦量的非線(xiàn)性估計(jì)與在線(xiàn)動(dòng)態(tài)標(biāo)定。 為了在保證擬合精度的前提下縮短訓(xùn)練時(shí)間，在進(jìn)行離焦量的非線(xiàn)性估計(jì)時(shí)，可只對(duì)離焦信號(hào)曲線(xiàn)的正半周進(jìn)行擬合，得出估計(jì)參數(shù)。在實(shí)際調(diào)焦工作過(guò)程中，當(dāng)離焦信號(hào)為負(fù)時(shí)，先對(duì)離焦信號(hào)取絕對(duì)值后，根據(jù)（1）求出離焦量。對(duì)離焦量取負(fù)號(hào)即得真正的離焦量。 由于在獲取樣本時(shí)，應(yīng)驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷使其移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度。一般在z軸的導(dǎo)軌上安裝光柵尺，作為其定位標(biāo)準(zhǔn)。在調(diào)焦時(shí)，壓電陶瓷的位移精確度也直接影響調(diào)焦的精度與頻響。由于壓電元件存在嚴(yán)重的遲滯非線(xiàn)性，電壓與變位量的非線(xiàn)性一般高于15％ ，使得壓電元件的開(kāi)環(huán)定位精度較低，使其應(yīng)用受到很大的限制。在靜態(tài)及準(zhǔn)靜態(tài)定位應(yīng)用中，可采用電荷（電流）控制法，使得壓電陶瓷的非線(xiàn)性度低于0-8％，文獻(xiàn)[4]給出了具體的實(shí)現(xiàn)方法。但采用電荷控制，使得流過(guò)壓電元件的電流要比電壓控制大得多，隨著頻率的升高，對(duì)于壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)電源要求越來(lái)越高。目前電流式壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源的頻響很低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足不了實(shí)時(shí)調(diào)焦系統(tǒng)的頻響要求。 由于上述原因，在實(shí)時(shí)調(diào)焦伺服系統(tǒng)中，壓電陶瓷應(yīng)采用電壓控制，其非線(xiàn)性特性則通過(guò)模型加以擬合。壓電元件在不同電壓下的遲滯回環(huán)總是變化的，其滯后回環(huán)的位置與其以前所加電壓的歷史有密切關(guān)系。采用一種簡(jiǎn)單的模型補(bǔ)償方法可使系統(tǒng)的頻響達(dá)到300Hz與小于3％ 的非線(xiàn)性。其方法如下： 壓電元件的輸人與輸出的關(guān)系可定為： （6） 3 離焦信號(hào)的頻帶估算 調(diào)焦伺服控制器是調(diào)焦伺服系統(tǒng)的核心部分。由于二元光學(xué)元件激光直寫(xiě)設(shè)備的主要功能為制作回轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的衍射光學(xué)元件，且制作元件的口徑超過(guò)200毫米，刻劃時(shí)若主軸以恒速轉(zhuǎn)動(dòng)，則在刻劃元件的內(nèi)圈與外圈時(shí)線(xiàn)速度相差l0oO倍以上。同時(shí)，在加工不同種類(lèi)元件時(shí)，光刻膠的表面形貌差別很大，對(duì)調(diào)焦頻率的要求差別也很大。若使用統(tǒng)一的回轉(zhuǎn)加工速度，將使得整個(gè)設(shè)備的效率很低。為了提高加工的效率，在調(diào)焦伺服系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)時(shí)，增加調(diào)節(jié)主軸速度的功能。主軸速度的調(diào)節(jié)是依據(jù)刻劃同心圓時(shí)，在兩個(gè)同心圓之間光刻膠不曝光，這時(shí)使光刻頭不動(dòng)作讓主軸旋轉(zhuǎn)一圈，同時(shí)采集離焦信號(hào)，根據(jù)離焦信號(hào)估算出離焦信號(hào)的頻帶，依據(jù)離焦信號(hào)的頻帶與光刻頭的調(diào)焦頻率求出主軸允許的最大轉(zhuǎn)速，最后根據(jù)主軸允許的最大轉(zhuǎn)速設(shè)定主軸的回轉(zhuǎn)速度。 假定光刻膠表面不平與回轉(zhuǎn)軸軸向跳動(dòng)等因素造成的離焦信號(hào)如圖4（a），離焦信號(hào)的幅值是光刻頭位置的函數(shù)。當(dāng)光刻頭相對(duì)于光刻膠以單位線(xiàn)速度移動(dòng)時(shí)，函數(shù)的形狀不變；當(dāng)光刻頭移動(dòng)的線(xiàn)速度變慢時(shí)，離焦信號(hào)函數(shù)如圖4（b），當(dāng)光刻頭的線(xiàn)速度變快時(shí)，離焦信號(hào)如圖4（c）。由圖中可以看出，當(dāng)線(xiàn)速度加大時(shí)，離焦信號(hào)的頻帶成比例地增加。離焦信號(hào)頻帶的在線(xiàn)估算是調(diào)焦伺服控制器的主要功能之一。由于精確計(jì)算離焦信號(hào)的頻帶很困難，同時(shí)也難達(dá)到實(shí)時(shí)運(yùn)算的要求，在二元光學(xué)元件激光直寫(xiě)設(shè)備的調(diào)焦伺服控制器的設(shè)計(jì)中，采用了一種簡(jiǎn)單的方法估算頻帶：在采集離焦信號(hào)的同時(shí)判斷其采樣點(diǎn)是否為極值點(diǎn)，同時(shí)紀(jì)錄其采樣時(shí)刻，求出相鄰兩極值點(diǎn)的時(shí)間問(wèn)隔△t，當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)一周，求出相鄰極值點(diǎn)的最短時(shí)間間隔△t⋯ 則離焦信號(hào)的頻帶可粗略估算為1／（2△t[sub]max[/sub]）。 [align=center] 圖4 離焦信號(hào)頻帶估算原理圖 圖5 調(diào)焦伺服控制系統(tǒng)原理框圖[/align] 當(dāng)采樣時(shí)間間隔很短時(shí)，與離焦信號(hào)相等的點(diǎn)很多．極值點(diǎn)的判別主要依據(jù)采樣值是否經(jīng)過(guò)上升階段與下降階段，這些點(diǎn)附近相同采樣值的最中間點(diǎn)可認(rèn)為是投值點(diǎn)。 4 調(diào)焦伺服控制器的設(shè)計(jì) 調(diào)焦伺服系統(tǒng)由直流伺服電機(jī)、連軸節(jié)、滾珠絲杠、光柵尺、壓電陶瓷、汽浮導(dǎo)軌與調(diào)焦伺服控制器等構(gòu)成，其中伺服電機(jī)為z軸粗定位及調(diào)試用。調(diào)焦伺服控制器的功能框圖如圖5所示，其主要功能是： （1）驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷，同時(shí)根據(jù)z軸上安裝的光柵尺反饋量測(cè)出壓電陶瓷的各種參數(shù)。 （2）禁能壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，使主軸在恒定的轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)一周，主軸旋轉(zhuǎn)的同時(shí)采集離焦信號(hào)，根據(jù)離焦信號(hào)求出主軸的最大轉(zhuǎn)速。 （3）對(duì)四相限探測(cè)器（離焦信號(hào)探測(cè)器）輸出的信號(hào)進(jìn)行濾波，然后進(jìn)行歸一化處理以消除光源波動(dòng)對(duì)調(diào)焦精度的影響。 （4）利用歸一化后的信號(hào)對(duì)離焦曲線(xiàn)進(jìn)行非線(xiàn)性估計(jì)，用高次多項(xiàng)式對(duì)離焦信號(hào)進(jìn)行擬和，得到離焦量與檢測(cè)到的離焦信號(hào)之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。 [align=center] 圖6 調(diào)焦伺服控制器工作流程圖[/align] （5）采集離焦信號(hào)，并根據(jù)離焦量的大小與變化趨勢(shì)求出壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)電壓，并輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 在整個(gè)設(shè)備開(kāi)始工作時(shí)，調(diào)焦伺服控制器輸出電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷，根據(jù)安裝在z軸上的光柵尺的反饋信號(hào)對(duì)離焦量進(jìn)行定標(biāo)。伺服控制器采用16位單片機(jī)80C196為CPU，總控計(jì)算機(jī)為PII266。由于離焦量的線(xiàn)性估計(jì)與頻帶估計(jì)的軟件編制較為復(fù)雜，故單片機(jī)采集離焦信號(hào)后傳給總控計(jì)算機(jī)，總控計(jì)算機(jī)根據(jù)傳來(lái)的信號(hào)計(jì)算出式（1）中的各項(xiàng)系數(shù)及主軸最合適的速度，然后傳回單片機(jī)?？刂破鬈浖鞒虉D如圖6所示。 5 結(jié)論 在二元光學(xué)元件激光直寫(xiě)設(shè)備調(diào)焦伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，離焦信號(hào)的檢測(cè)采用了臨界角法。當(dāng)啟動(dòng)設(shè)備后，首先驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷，檢測(cè)壓電陶瓷的變位量，同時(shí)采集離焦信號(hào)傳給主機(jī)，利用離焦信號(hào)與變位量對(duì)離焦信號(hào)曲線(xiàn)進(jìn)行高次多項(xiàng)式擬和，把多項(xiàng)式系數(shù)的值轉(zhuǎn)回并存入單片機(jī)。以后采集離焦信號(hào)后直接利用多項(xiàng)式進(jìn)行計(jì)算得出實(shí)際的離焦量，依據(jù)離焦量計(jì)算驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)電壓，可實(shí)現(xiàn)0．2微米的調(diào)焦精度。在刻劃的過(guò)程中，可禁能壓電陶瓷并采集離焦信號(hào)，估算出離焦信號(hào)的頻帶，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)主軸的轉(zhuǎn)速，可大大提高刻劃的效率。 參考文獻(xiàn)： [1] 熊木地，肖文禮，邢忠寶，等．激光直寫(xiě)設(shè)備調(diào)焦伺服系統(tǒng)的研究[j]光學(xué)精密工程．2000 8（1）：79-83 [2] 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