二元光学激光直写设备高精度传动系统的研究

　　1　引　　言

　　二元光学是一种衍射光学。光学系统中应用二元光学元件,能够简化光学系统结构,减少构成系统的光学元件数量,减轻重量,提高性能。传统的二元光学元件制作方法存在制作环节多、衍射效率难以提高等缺点,采用激光直写技术可制作高精度及高衍射效率的二元光学元件。

　　目前,采用激光直写设备进行二元光学研究或研究该类设备的主要有美国、德国、瑞士、加拿大等发达国家。国内激光直写技术的研究开展的较晚,设备研制方面报道则更少。表1简单列出了几例文献公开报道的国内外激光直写设备主要运动精度指标[1]。从表1可以看出,国内激光直写设备的运动精度已接近或达到了国外同类设备的水平。

　　中科院长春光机所研制的“二元光学元件激光直接写入设备”是一台采用激光直写技术制作二元光学元件的超精密光刻设备。为达到制作尺寸为200mm×200mm二元光学元件、最小线宽为1μm的光刻技术要求,设备传动系统精度必须达到亚微米级。因此,设计中采用了滚珠丝杠、气体静压导轨、柔性铰链机构等高精度运动机构,并通过高精度光栅尺实现双闭环反馈控制,解决了大行程、超精密定位和超精密进给这一技术难题。

　　2　传动系统的设计

　　2.1　总体结构设计

　　实现大行程、亚微米级定位的传动系统,目前主要有三种传动方式:滚珠丝杠传动、直线电机传动及摩擦传动。滚珠传动方式的主要优点是:结构紧凑、控制简单、成本低,缺点是与直线电机传动及摩擦传动相比,精度略低[2]。直线电机传动的优点是响应快,可得到瞬时高的加、减速度。但是,直线电机成本较高、控制系统复杂、需考虑隔磁和防磁问题[3]。摩擦传动结构相对复杂,不易小型化,且其精度对加工工艺性的依赖性较高[4]。

　　因此,设计中采用了滚珠丝杠驱动气体静压导轨传动方式,并通过高精度光栅尺实现闭环反馈控制。驱动电机选用了日本RORZE公司生产的步进电机,该电机0.72°步距角内可做500细分;滚珠丝杠选用日本THK公司生产的一级精度的滚珠丝杠,导程为5mm,2π弧度内行程的变化量为5μm,细分后的直线最小位移可以达到0.02μm。然而,实际工作中,机构传动精度受滚珠丝杠本身精度和滚珠微动爬行等因素的影响,很难满足系统精度要求(定位误差小于0.2μm)。为进一步提高系统定位精度,在丝杠轴端,设计了由压电陶瓷驱动(压电陶瓷的微位移分辨率为5nm,推力100kgf时,响应频率为20Hz)的柔性铰链机构,也通过高精度光栅尺实现闭环反馈。与传统的电机细分多环节连接驱动方式相比,整体设计具有刚性好,结构紧凑,灵敏度高,易于实现高精度等优点。总体结构如图1所示。