选择对准系统时需要考虑的几个因素

2019-11-04 22:46:19

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供稿：网友

　　聪明的工程师了解最经济的系统往往需要在性能价格之间达到完美平衡，运动控制（Motion control）和热量/机械稳定性都不可或缺。
　　
　　尽管从经济上考虑，提高产量，减少周期对降低总体成本来说意义重大，但企业在选择对准系统时，仍然会首先考虑价格因素。虽然价格不应是被考虑的唯一因素。
　　
　　事实上，能够提高耦合输出（coupling yield）的系统经常受限于市场所能承受的价格，因而不可避免地造成了成本与性能之间的折衷，或者说是平衡，这就是我们常说的性价比问题。一个对准系统制造商假如选用低热膨胀系数材料（如不胀钢Invar）将会有效改善系统的热膨胀效应，不过由此引发的系统成本将急剧膨胀，成本变得很高。另一方面，假如使用便宜的步进电机，那它们可怜的重复性能和高热量输出将对耦合输出（coupling yield）造成负面影响。
　　
　　因此，最经济的系统往往是在不增加额外成本的情况下提高耦合输出。由于在对准工序确定元件位置是否处于最合适状态的过程中，绝大多数对准法则必须要通过某个最高点，因此耦合输出与对准系统重复精确返回那个点的能力（运动控制系统的一个功能），以及维护热量/机械稳定性的能力（与系统的热量负荷和机械设计有关的功能）密切相关。
　　
　　运动控制
　　图1显示的是一个单摸1310nm发射器的标准功率分布曲线。图中显示峰值在±100 nm的区域，耦合损耗好于–0.01 dB，与此对应的是耦合输出达到99.8%。但在±300 nm的位置，损耗明显增加。给出的这些信息表明，假定目标要求的重复性为0.01 dB，那对准系统必须具备重复移动到离峰值100 nm以内区域的能力。
　　　选择对准系统时需要考虑的几个因素（图一）

　　图1，在这幅图里，X轴是光纤扫描穿过光场（light field;）的方向（单位：微米），Y轴是光功率（单位：分贝），图中的最高点处于最合适的位置。
　　
　　运动系统的分辨率指的是一个运动系统控制移动或用显示器显示出来的最小增量，不过系统不可能很一致地按照分辨率来移动。换句话说，最小的运动增量是一个系统所能做的最小移动，但并能描述移动的一致性。
　　
　　双向重复性能BDR是对准应用中是最重要的参数，因为它反映的是系统从其他位置重复移动到最高点的一致性能，在图一中，BDR的精度好于100 nm。
　　
　　大多数运动参数是由单向转换轴来定义，但对于一个对准系统来说，要获取的参数是基于整个系统之上，如包括六轴集群（cluster），对准软件，工具，环境因素（如温度和振动）等。
　　
　　由于大多数用户都有非凡的要求，因此有必要开发出一种任何人都能重复使用的未知元件测量法。例如，Newport公司使用一套间隔为10um（没有系数匹配凝胶）的1550-nm单模光纤—光纤对准系统，来测量由重复向最高点移动引发的分贝损耗变化(sigma)，这就产生了一个可再现和客观的测量方法，能适应所有环境和系统要素的要求。例如，1-sigma有0.01 dB的重复能力，意味着系统能在0.03 dB范围内重复对准结果，准确率在99.87%。
　　
　　机械设计，热量负载
　　在评估一个对准系统时，尤其是供给商没有非凡标明价格的时候，每一个微调架光学高度和定位器（fixtures）都应该作为评定系统稳定性的指向器（见图2），光学高度指的是从光轴中心到系统底部（如工作台）的距离，增大光学高度会导致Y轴位移量在温度改变时增大。在Z轴方向上的定位器和微调架的高度也很重要，不过绝大多数光器件对Z轴并不敏感。
　　　选择对准系统时需要考虑的几个因素（图二）

　　图2，每个轴都是很重要，系统的光学高度是评定系统稳定性最可靠的方法。
　　
　　热源必须从运动系统隔离开来以抑制一些由热量扩张所带来的有害影响。用一个舱来控制空气温度，不过这样会增加系统成本，削弱系统可用性。控制温度最好的途径是降低光学高度和使用冷凝循环微调架。下列所列举的微调架（stages）是对准系统最常用的，假如你要购买系统时，要了解每一类型的正面效应及负面效应，这一点很重要，
　　
　　步进电机。对准系统通常使用的低成本解决方案是步进电机，但它的缺点是重复性差，步进电机很轻易变热，严重影响系统稳定性和重复性。
　　
　　Piezo激励器（Piezo actuators）。Piezo能提供非常高的分辨率(10 nm)和高强度。然而，他们在测量时会产生磁滞效应，并且很难在闭环方式下进行控制。大多数Piezo行进范围有限，Piezo寿命也很短，需要频繁地更换。多余的分辨率和和低成本并不能证实牺牲重复性和系统正常运转时间的做法是正确的。
　　
　　DC伺服系统。带有一个很好玻璃刻度译码器的冷却循环DC伺服电机，是那些需要高耦合输出单模光纤应用的理想选择。而且，系统所需的分辨率、精度和重复性都可以很轻易的达到(在50 到100 nm范围内).。
　　
　　最终对准
　　理想的对准系统的特点是耦合输出高，价格合理，这两者是矛盾的。但同时它们能达成妥协来提供性价比系统，运用最重要的设计原理，达到应用要求。
　　选择对准系统时需要考虑的几个因素（图三）