专利名称：极坐标激光直写系统单线触发解析对准方法
技术领域：
本发明属于精密仪器制造及测量技术领域，是一种极坐标激光直写系统的工作台回转轴与激光直写机直写光轴的超精密空间对准方法。
背景技术：
激光直写是制作衍射微光学元件(二元光学元件)的重要技术手段之一，也是目前世界各国广泛认同的技术方式。
采用激光直写方式制作衍射光学元件时，影响元件制作质量的主要因素为刻蚀对准误差、元件纵深比误差、结构线宽宽度、深度误差。所谓对准误差是指，由激光直写光轴与元件回转工作台回转中心不共轴所引起的衍射光学元件制作误差。这种误差造成衍射元件微浮雕结构失去对称性，因此直写对准误差被认为是影响衍射光学元件刻蚀质量的重要误差。
目前，解决激光直写机中光轴与回转轴对准问题的技术主要有以下几种第一种是我国长春光学精密机械研究所采取光栅尺旋转定心技术。该技术是将光栅尺置于旋转工作台上，用系统光束直接照明。当工作台旋转时，如果光轴与回转中心不重合，则观察者将看到条纹向内或向外涌出；如果光轴与回转轴重合，则观察者看不到条纹移动。这种方法操作简单，检测精度较高，对准误差小于0.5μm。缺点是无法借助电子细分方法进一步提高测量精度。
第二种方法是浙江大学采用光栅反射对准技术。这种技术也是将光栅置于旋转工作台上，通过CCD接收光栅反射的聚焦光斑。当光轴与回转中心不重合时，若旋转光栅，光斑将在其上扫描出圆形轨迹，并同时在CCD上产生亮暗变化，通过记录变化次数即可计算偏差；当两轴重合时，CCD上将无亮暗变化。这种方法有原理简单，实用，成本低的优点，对准误差小于0.5μm。缺点是对光栅尺寸要求高，精度难以提高。
第三种方法是俄罗斯科学院自动化和电测研究所提出利用光电扫描显微镜来对准光轴和旋转轴，误差小于0.1μm。缺点是设备要求高，操作复杂，成本高。
第四种方法是美国麻省理工学院林肯实验室采用10度楔形反射基片对准旋转轴和光轴中心，误差小于0.2μm。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的不足之处，提供一种能够将极坐标激光直写系统的直写光轴与工作台回转轴精密对准的方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种极坐标激光直写系统单线触发解析对准方法，该方法借助极坐标激光直写系统的差动像散检焦装置和精密定位驱动机构与伺服反馈系统，利用一块带有单刻线的基片实现直写光轴与工作台回转轴的精密对准。其中，单刻线基片包括一条刻线，基片表面经过离心涂胶，刻线宽度略大于或等于检焦光斑直径，刻线深度大于直写物镜焦深，所述方法包括以下步骤(a)、借助极坐标激光直写系统的差动象散检焦装置，使光斑处于准焦状态；
(b)、将单刻线基片固定在工作台上，使所述刻线处于光轴与回转轴之间，并使刻线垂直于直写光轴与工作台回转轴连线；(c)、旋转工作台，使检焦光斑切割基片上的刻线；(d)、将检焦光斑切割基片上刻线所产生的离焦信号作为记录角度值的触发信号，记录两次切割刻线触发时刻所对应的切割点与工作台回转轴构成的小于180°的圆心角的角度值；(e)、将直写光轴向远离工作台回转轴方向移动一个固定距离值；(f)、重复步骤(d)，再次记录两次切割刻线的点与工作台回转轴夹角的小于180°的圆心角的角度值；(g)、借助步骤(d)、(f)测量得到夹角值和步骤(e)中移动光轴的已知距离值，依据测量原理中给出的三角函数关系，解析计算得到对准偏离量；(h)、由精密定位驱动机构与伺服反馈系统直接移动光轴，给出对准偏离量测量值的等值位移，完成光轴与回转轴的精确对准。
根据本发明，在极坐标直写系统中利用已有的检焦装置、精密定位装置，再借助一块带有刻线的基片就可以实现对准，不需要在直写系统中额外增添CCD探测器等器件或机构，具有结构简单、操作方便的优点。
而且，以经过离心涂胶，并带有刻线的基片为角测量触发信号发生器件。对准测量时放置该器件，无需与回转轴精确对准，不引入安装对准误差，操作简单。
最后，整个对准过程不需要操作者介入，具有自动化程度高，受主观因素影响小的优点。
图1为本发明的本发明中的极坐标直写对准装置的光路图。
图2为本发明所述的对准方法的偏离量计算原理图。
具体实施例方式
参照图1，本发明中的极坐标直写对准装置包括激光器1，扩束镜2，偏振分光镜3，1/4玻片4，直写物镜5，旋转工作台6，柱面镜7，分光镜8，A四象限探测器9，B四象限探测器10。
单刻线基片11上有刻线111，其中，单刻线基片特征为表面经过离心涂胶，刻线宽度略大于或等于检焦光斑直径，刻线深度大于直写物镜焦深。
经过初始安装调试的极坐标直写系统，直写光轴O运动必然经过工作台回转中心。本发明利用激光直写机中差动像散检焦装置能够探测光斑离焦的这一基本功能，用上述的一个均匀涂胶，并刻有单刻线111的基片11，覆盖工作台回转中心O′，如附图2所示，设初始光轴位置在O2处，当光轴与回转轴距离(O′O2)大于回转轴到刻线距离(O′H)时，工作台每旋转一周，直写光斑在O2′和O2″处切割刻线两次，并产生离焦信号。
因此，在对准过程中，先将单刻线基片11放置在旋转工作台6上，使其能够覆盖回转轴中心O’与直写光轴O2所在区域，使单刻线基片11上刻线111垂直于光轴O2与回转轴O’的连线，与O2O’连线交于H点，且处于光轴O2与回转轴O’之间。
在放置单刻线基片11时，刻线111应尽可能靠近直写光轴O2，与光轴O2的接近程度以目视可清晰分辨为准；然后借助图1中的极坐标直写对准装置，实现初始准焦调节；差动像散离焦检测装置光线路径为激光器1发出检焦激光光束，光束经过括束镜2、偏振分光镜3、1/4波片4、直写物镜5聚焦在单刻线基片11表面，反射光经过直写物镜5、1/4波片4、偏振分光镜3再经过柱面镜7、分光镜8聚焦在A探测器9和B探测器10；完成上述对焦过程后，旋转工作台，使直写光斑切割基片11上的单刻线111，产生对准偏离量测量触发信号；设定每个回转周期中离焦信号幅度最大值的五分之四作为触发信号量化门限值，每当离焦量达到触发门限值就认为是一个触发时刻；由于单刻线111位于直写光轴O2和回转轴O’之间，因此直写光斑会切割单刻线111两次，在本实施例中，这两个触发时刻所对应的角度位置通过转台角编码器测量并输出，此后，通过计算编码器的输出值，即可确定两次切割触发时刻对应的切割点与回转中心所构成的小于180°的夹角∠O2″O′O2′＝2∠O2′O′H值；完成上述测量后，通过直写光轴伺服系统向远离工作台回转轴方向，移动直写光轴到O1处，设定O1O2位移值为固定值P。在本实施例中，为了达到高对准精度，取固定值P＝5mm，重复上述信号触发过程，并通过编码器输出得到新位置处的两个切割点与回转中心所构成的小于180°的夹角值；∠O1′O′O1″＝2∠O1′O′H由三角函数关系可知，如下等式成立，O′HO1′O′=COS(∠O1′O′H)---(1)]]>
O′HO2′O′=COS(∠O2′O′H)---(2)]]>O2′O′＝O2O′ (3)O1O′＝O2O′+O1O2(4)其中O′H-为工作台回转轴与基片上刻线间的距离O2′O′-光轴的初始位置旋转后与基片刻线的一个切割点到工作台回转轴的距离O2O′-初始对准偏离量O1O2-直写光轴向远离回转轴方向移动的定值P＝5mmO1O′-直写光轴移动后，光轴与回转轴间的距离可知，O1O2，∠O1′O′H，∠O2′O′H为已知量，O′O1为光轴与回转轴偏离量因此，O′O1=|O1O2×COS(∠O2′O′H)COS(∠O1′O′H)-COS(∠O2′O′H)|---(5)]]>由公式(5)可以计算出光轴与回转轴偏离量，然后通过伺服系统精确定位，实现对准。
直写机系统中的直线定位系统是采用直线电机位移驱动及双频激光测量反馈的闭环系统，位置定位精度可达到10nm，角定位系统采用圆光栅反馈，定位精度为0.25″，检焦系统为采用差动像散原理的检焦装置。普通安装条件下可保证光轴与转轴的偏离量在10mm以内，以此为本对准方法的初始实施条件。
经过误差分析，可知误差随角∠O2″O′O2′和∠O1′O′O1的增大而增大，因此应使初始角∠O2″O′O2′在允许的条件下尽量小，具体实施时应使刻划线尽量靠近光轴；此时偏离量测量误差随移动距离P增大而减小，但移动距离P也不能过大，否则可能引入其他误差，具体实施时综合考虑误差影响因素取定值P＝5mm。
考虑在最坏条件下的极限误差分布。初始角∠O2″O′O2′在90°范围以内，移动距离O2O1为5mm时，极限误差为0.083μm，即此条件下本测量方法误差不会超过0.1μm。据此认为本对准方法在考虑系统主要误差因素情况下，理论解析对准精度优于0.1μm。
权利要求
1.一种极坐标激光直写系统单线触发解析对准方法，该方法借助极坐标激光直写系统的差动像散检焦装置和精密定位驱动机构与伺服反馈系统，利用一块带有单刻线的基片实现直写光轴与工作台回转轴的精密对准；其中，单刻线基片包括一条刻线，基片表面经过离心涂胶，刻线宽度略大于或等于检焦光斑直径，刻线深度大于直写物镜焦深，所述方法包括以下步骤(a)、借助极坐标激光直写系统的差动象散检焦装置，使光斑处于准焦状态；(b)、将单刻线基片固定在工作台上，使所述刻线处于光轴与回转轴之间，并使刻线垂直于直写光轴与工作台回转轴连线；(c)、旋转工作台，使检焦光斑切割基片上的刻线；(d)、将检焦光斑切割基片上刻线所产生的离焦信号作为记录角度值的触发信号，记录两次切割刻线触发时刻所对应的切割点与工作台回转轴构成的小于180°的圆心角的角度值；(e)、将直写光轴向远离工作台回转轴方向移动一个固定距离值；(f)、重复步骤(d)，再次记录两次切割刻线的点与工作台回转轴夹角的小于180°的圆心角的角度值；(g)、借助步骤(d)、(f)测量得到夹角值和步骤(e)中移动光轴的已知距离值，依据测量原理中给出的三角函数关系，解析计算得到对准偏离量；(h)、由精密定位驱动机构与伺服反馈系统直接移动光轴，给出对准偏离量测量值的等值位移，完成光轴与回转轴的精确对准。
2.根据权利要求1所述的超精密回转轴与激光直写机直写光轴空间对准方法，其中，对准触发信号为经过量化、整形的脉冲信号。
3.根据权利要求1所述的超精密回转轴与激光直写机直写光轴空间对准方法，其中，摆放单刻线基片时，尽量使刻线靠近直写光轴。
4.根据权利要求1所述的超精密回转轴与激光直写机直写光轴空间对准方法，其中，偏离量L的值通过解析计算通过公式L=|P×cos(α)cos(β)-cos(α)|]]>得到，这里，P代表步骤(e)中移动的固定距离值，α代表步骤(d)中得到的圆心角值的二分之一，β代表步骤(f)中得到的圆心角值的二分之一。
全文摘要
本发明公开了一种极坐标激光直写系统单线触发解析对准方法，该方法借助极坐标激光直写系统的差动像散检焦装置和精密定位驱动机构与伺服反馈系统，利用一块带有单刻线的基片实现直写光轴与工作台回转轴的精密对准。其中，单刻线基片包括一条刻线，基片表面经过离心涂胶，刻线宽度略大于或等于检焦光斑直径，刻线深度大于直写物镜焦深；本发明在极坐标直写系统中利用已有的检焦装置、精密定位装置，再借助一块带有刻线的基片就可以实现对准，不需要在直写系统中额外增添CCD探测器等器件或机构，具有结构简单、操作方便的优点。
文档编号B23K26/02GK1719298SQ20051007745
公开日2006年1月11日 申请日期2005年6月23日 优先权日2005年6月23日
发明者刘俭, 谭久彬, 杨文国, 金国良, 邱丽蓉, 邹丽敏, 赵晨光 申请人:哈尔滨工业大学