绝对式光栅尺母光栅刻划装置的设计

郑黎明，谭向全

（中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033）

0 引言

我国在 “十二五” 期间对高档数控机床的关键技术进行了规划和布局[1～3]。绝对式光栅尺是高档机床闭环数控系统的重要核心功能部件之一，目前国内尚没有自主研制的量产产品，全部依赖进口，为此长春光机所突破了绝对式光栅尺的一系列关键技术，自主研制基于单场扫描技术的绝对式光栅尺产品[4]。

绝对式光栅尺的关键技术直接关系到高档数控机床的重大突破和实质性进展。大尺寸、高精度母光栅刻划是绝对式光栅尺制造和产业化过程的关键技术之一，因此母尺光栅的刻划技术对于高档数控机床规划与布局具有重要的意义。由于绝对式光栅尺的产业化迫切需求，目前绝对式母尺光栅刻划装置已成为亟待攻克的关键技术与装备。本文将对该装备的关键技术与装备进行研究。

1 方案设计概述

1.1 光学系统基本工作原理

光学系统是本装置的核心系统，它生成绝对与相对码道的图案，并将图案按照设计比例投影至光栅基体的焦平面位置，用于绝对和相对码道的刻划加工。本系统采用DMD（Digital Micromirror Device）完成图案生成，选用TI 公司XGA0.7＂ 型DMD 芯片作为工作器件。它利用静电原理和脉冲幅度调制（PWM）技术，通过控制DMD上每个像元的偏转方向及保持时间，选通光束进入系统入瞳，形成不同亮度和对比度的图像[5,6]。刻划装置的光学系统由曝光光源组件、调焦光源组件、DMD 组件、投影镜头组件、调焦CCD 组件等构成，具体结构示意图如图1 所示。

曝光光学组件为刻划曝光提供波长为360~450nm 的紫外光，要求能量均匀性在95%以上。由光纤光源发出的紫外光首先经准直透镜变为平行光，经两片光轴垂直方向位置可调的微透镜阵列匀光，再经场镜后即可作为刻划装置的曝光光源。

图1 刻划装置的光学系统结构Fig.1 The optical system structure of the scribing device

调焦光源为曝光刻划过程的微调焦提供了基准光源，光源波长为528nm。调焦光源同样采用光纤光源，与曝光光源相比，其光源均匀性要求稍低。曝光光源与调焦光源均要求以某同一个角度入射至DMD 镜面，因此采用一个二相色镜完成两个光源的合束。

紫外光以某一个特定角度入射至DMD 镜面，经DMD 有选折的反射，形成设计的码道图案光斑，光斑被投影镜头组件按照设计比例缩放，最终投影至焦平面。投影镜头组件由多片标准球镜片构成，后两片可进行微调焦，能够在一定程度上对投影镜头的放大倍率进行微调整，保证刻划图案大小的准确性。同时投影镜头要求畸变程度不大于1%，满足投影光刻过程中图案变形的要求。

为了弥补投影过程的轻微离焦现象，设置了调焦CCD 组件。选用光刻胶不敏感的绿光作为调焦光源。调焦光源发出基准绿光，利用DMD 生成码道图案，图案经投影镜头聚焦在焦平面。焦平面上的图案被母尺基体镜面反射，然后被投影镜头反向投影，透射光线被棱镜沿光轴垂直方向反射，最终投影至调焦CCD 焦平面。通过调整刻划设备与母尺基体表面的距离，使调焦CCD图像清晰,即完成调焦过程。刻划装置的光学系统设计参数如表1 所示。

表1 光学设计参数Tab.1 Optical design parameters

1.2 机械结构设计

机械系统是光学系统的支撑，根据光学系统的特殊要求，对机械系统进行了详细设计，具体结构如图2 所示。所有部件均安装在底板上，DMD 组件、棱镜组件、投影镜头组件距底板均为75mm，采用垫片作为调整环节，保持各组件同高。调焦光源光轴和反射后的曝光光源的光轴均与底板成空间二维角度，即光轴在底板成45°的平面内，并且与DMD 镜面法线成24°夹角。调焦光源座由两件组成，其件一与底面成45°，件二能够在件一上平面内转过24°角，两个光源座均为规则零件，便于加工和装调。

2 刻划装置的装调与曝光试验

图2 刻划装置的机械系统结构Fig.2 The mechanical system structure of the scribing device

在完成设计的基础上，对刻划装置样机进行了加工与装调。由于刻划装置对于曝光光源均匀性、图案畸变、图案放大倍率等具有特定要求（例如曝光光源均匀性需超过95%，畸变小于1%，放大倍率一定范围内可调），需对装调方案进行专门设计。装调过程所需的设备包括自准直经维仪2 台、平面反射镜3 个、小孔、装调平台等。具体装配过程如下：

（1）将底板放置到装调平台上，利用水平仪把底板调至水平状态，将反射镜①固定在底板上，用自准直经纬仪①对底板的位置变化进行校正。

（2）将DMD 组件安装在底板上，将自准直经纬仪②的光轴调整至与DMD 镜面相垂直。

（3）将装调反射镜②放置在底板上，调整反射镜②的位置，使反射镜②的镜面与经纬仪②光轴垂直。

（4）将小孔装在曝光光源场镜前段，调整二相色镜的空间位置，使曝光光源发出的细光束经二相色镜、DMD镜面和装调反射镜②连续反射后，能够入射至小孔内，说明曝光光源位置已调整好。

（5）将反射镜③装在投影镜头上，调整投影镜头空间位置，使投影镜头光轴与自准直经纬仪②光轴重合。

（6）将CCD 调焦组件装配到底座上，调整该组件位置，CCD 清晰成像；至此完成全部装调工作，完成装调后的物理样机如图3 所示。

在千级洁净间内，利用刻划装置进行相对码道曝光试验，得到相对码道图案如图4 所示。从图中可知，明暗条纹宽度相等，且明暗周期为20μ，说明本文研制的刻划设备能够加工出满足要求的码道图案。

图3 刻划装置物理样机Fig.3 The physical prototype of the scribing device

图4 绝对码道曝光图案Fig.4 The pattern of absolute code channel

3 结束语

随着我国数控机床行业的产业化升级，绝对式光栅尺产品是亟待开发的数控系统核心部件之一。母尺光栅是绝对式光栅尺进行产业化生产的前提，因而母尺光栅刻划装置的开发具有重要的现实意义。本文以产品需求为出发点，完成绝对式母尺光栅刻划装置的光学系统和机械系统设计。并针对曝光光源均匀性、图案畸变、放大倍率等问题，设计了装调方案。最终利用物理样机进行曝光刻划试验，得到了满足使用要求的码道图案。表明本文开发的母尺光栅刻划装置能够满足设计要求，具体工作将为绝对式光栅尺的产业化打下坚实的基础。

[1] 景富军，谭胜龙，刘玲，等.我国机床数控化的现状和未来对策[J].制造技术与机床，2013，4.

[2] 唐克岩.我国数控机床产业发展现状与展望[J].机床与液压，2012，5.

[3] 汪淑珍，贾辉.数控机床的发展状况与应对政策[J].重庆文理学院学报（自然科学版），2012，1.

[4] 孙强.高精度绝对式光栅尺研究进展及技术难点[J].世界制造技术与装备市场，2012，5.

[5] 钟都都，于薇薇，张凯，等. 基于DMD 的动态红外场景仿真器设计与测试[J].系统仿真学报，2008，19.

[6] 贾辛，廖志杰，邢廷文，等.基于DMD 的动态红外场景投影光学系统设计[J]. 红外与激光工程，2008，4.