鄭黎明，譚向全

（中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033）

0 引言

我國在 “十二五” 期間對高檔數控機床的關鍵技術進行了規(guī)劃和布局[1～3]。絕對式光柵尺是高檔機床閉環(huán)數控系統(tǒng)的重要核心功能部件之一，目前國內尚沒有自主研制的量產產品，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鍵技術，自主研制基于單場掃描技術的絕對式光柵尺產品[4]。

絕對式光柵尺的關鍵技術直接關系到高檔數控機床的重大突破和實質性進展。大尺寸、高精度母光柵刻劃是絕對式光柵尺制造和產業(yè)化過程的關鍵技術之一，因此母尺光柵的刻劃技術對于高檔數控機床規(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鍵技術與裝備。本文將對該裝備的關鍵技術與裝備進行研究。

1 方案設計概述

1.1 光學系統(tǒng)基本工作原理

光學系統(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制（PWM）技術，通過控制DMD上每個像元的偏轉方向及保持時間，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]。刻劃裝置的光學系統(tǒng)由曝光光源組件、調焦光源組件、DMD 組件、投影鏡頭組件、調焦CCD 組件等構成，具體結構示意圖如圖1 所示。

曝光光學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)出的紫外光首先經準直透鏡變?yōu)槠叫泄?，經兩片光軸垂直方向位置可調的微透鏡陣列勻光，再經場鏡后即可作為刻劃裝置的曝光光源。

圖1 刻劃裝置的光學系統(tǒng)結構Fig.1 The optical system structure of the scribing device

調焦光源為曝光刻劃過程的微調焦提供了基準光源，光源波長為528nm。調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DMD 有選折的反射，形成設計的碼道圖案光斑，光斑被投影鏡頭組件按照設計比例縮放，最終投影至焦平面。投影鏡頭組件由多片標準球鏡片構成，后兩片可進行微調焦，能夠在一定程度上對投影鏡頭的放大倍率進行微調整，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象，設置了調焦CCD 組件。選用光刻膠不敏感的綠光作為調焦光源。調焦光源發(fā)出基準綠光，利用DMD 生成碼道圖案，圖案經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，最終投影至調焦CCD 焦平面。通過調整刻劃設備與母尺基體表面的距離，使調焦CCD圖像清晰,即完成調焦過程。刻劃裝置的光學系統(tǒng)設計參數如表1 所示。

表1 光學設計參數Tab.1 Optical design parameters

1.2 機械結構設計

機械系統(tǒng)是光學系統(tǒng)的支撐，根據光學系統(tǒng)的特殊要求，對機械系統(tǒng)進行了詳細設計，具體結構如圖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，采用墊片作為調整環(huán)節(jié)，保持各組件同高。調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，并且與DMD 鏡面法線成24°夾角。調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轉過24°角，兩個光源座均為規(guī)則零件，便于加工和裝調。

2 刻劃裝置的裝調與曝光試驗

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

在完成設計的基礎上，對刻劃裝置樣機進行了加工與裝調。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可調），需對裝調方案進行專門設計。裝調過程所需的設備包括自準直經維儀2 臺、平面反射鏡3 個、小孔、裝調平臺等。具體裝配過程如下：

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

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

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

（4）將小孔裝在曝光光源場鏡前段，調整二相色鏡的空間位置，使曝光光源發(fā)出的細光束經二相色鏡、DMD鏡面和裝調反射鏡②連續(xù)反射后，能夠入射至小孔內，說明曝光光源位置已調整好。

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

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

在千級潔凈間內，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 結束語

隨著我國數控機床行業(yè)的產業(yè)化升級，絕對式光柵尺產品是亟待開發(fā)的數控系統(tǒng)核心部件之一。母尺光柵是絕對式光柵尺進行產業(yè)化生產的前提，因而母尺光柵刻劃裝置的開發(fā)具有重要的現實意義。本文以產品需求為出發(fā)點，完成絕對式母尺光柵刻劃裝置的光學系統(tǒng)和機械系統(tǒng)設計。并針對曝光光源均勻性、圖案畸變、放大倍率等問題，設計了裝調方案。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計要求，具體工作將為絕對式光柵尺的產業(yè)化打下堅實的基礎。

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

[2] 唐克巖.我國數控機床產業(yè)發(fā)展現狀與展望[J].機床與液壓，2012，5.

[3] 汪淑珍，賈輝.數控機床的發(fā)展狀況與應對政策[J].重慶文理學院學報（自然科學版），2012，1.

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

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

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