[align=center][/align]摘要：對二元光學元件激光直寫設備實時調焦伺服系統的要求與實現方法進行了較為全面的介介紹，并分析了影響調焦伺服系統性能的主要因素。提出了采用BP神經網絡對離焦信號進行線性化處理，同時采用壓電陶瓷作為執行元件，并進行動態非線性補償；可大大提高調焦伺服系統的精度與帶寬。同時，在線估算離焦信號的帶寬，以此調節刻劃的速度，可大大提高刻劃的效率。 關鏈詞：實時調焦；BP神經網絡；線性化處理；動態非線性補償；頻帶估算 1 引言 二元光學（衍射光學）元件的設計與制作是以波動光學為理論基礎，以計算機為設計工具，以超精密加工、光刻和復制技術為主要加工手段的綜合性技術前沿。目前，激光直寫設備是制作二元光學元件的關鍵設備。但是用它制作衍射光學元件時，因裝調和主軸的軸向跳動以及光刻膠的表面不光滑導致激光束的焦點偏離光刻面。為了保證加工質量，激光直寫設備必須具有一套高性能的實時調焦伺服系統，使加工面始終處于焦深之內。為了提高設備的分辨率，光刻頭顯傲物鏡的數值孔徑不斷增大，焦深范圍很小，要求調焦的精度越來越高。隨著刻劃速度的提高，要求調焦伺服系統的頻帶加寬。因此，調焦伺服系統的性能是影響整個系統性能的關鍵因素。 實時調焦伺服系統的精度主要由三個方面決定：一是探焦單元及其智能傳感器的精度，二是執行機構的分辨率，三是調焦伺服控制器的性能。調焦伺服系統的帶寬主要由執行機構與控制器決定。焦點探鋇l方法主要有刀IZl法、臨界角法和象散法。采用臨界角法探焦，光學系統的結構簡單。分辨率高，動態范圍寬，在激光直寫設備中，采用了此方法。采用臨界角法時，離焦量與輸出信號的關系為非線性⋯1（圖1）。由于壓電陶瓷的位移分辨率可達納米量級，開環頻響達lld-Iz以上，且輸出力矩大，在超高精度調焦伺服系統中得到了廣泛的應用。壓電元件的控制方式有電壓法與電流法，當壓電元件采用電壓控制時，控制電壓與伸長量為非線性 J，如圖2所示；著采用電流控制，壓電元件的非線性得到了很大的改善，但壓電元件的動態特性大大降低。本文提出采用神經網絡對離焦信號進行線性化處理，并對壓電元件進行模擬與前饋補償，使壓電元件采用電壓控制也可獲得很好的線性度。 在刻劃太口徑元件內外圈時，由于線速度差異很大，充分利用光刻頭的調焦頻帶，最大限度地提高刻劃效率有著非常重要的意義，文中給出了在線估算離焦信號的頻帶，自適應調節主軸的轉速，可極大的提高設備的效率。 [align=center] 圖2 壓電陶瓷特性曲線[/align] 2 離焦信號的非線性估計與動態標定 離焦信號的檢測由于采用了臨界角法，離焦量的太小與傳感器的輸出之間存在著嚴重的非線性關系，幾乎所有的調焦系統都是利用離焦曲線中間的近似線性區進行調焦。執行元件采用音圈電機或壓電陶瓷，由于音圈電機的分辨率很難超過0．1微米，因此在亞微米與納米級的定位系統中廣泛采用了壓電陶瓷作執行元件，其控制方法為電流控制。這種方法有四個缺點：一是離焦曲線的線性度不高，影響調焦精度；二是當光刻時大的擾動使離焦量超過近似線性區時，調節時同過長，影響刻劃的質量；三是調焦的頻率太砥，調焦伺服控制系統的使用范圍大為降低；四是當光刻物鏡的改變或工作較長一段時問后需重新定標，使用很不方便。 [align=center] 圖3 神經網絡原理圖[/align] 由于神經網絡擅長從輸入、輸出數據中學習有用的知識，它不需要精確的數學模型，能夠解決傳統自動化技術無法解決的許多復雜的、不確定性的、非線性的自動化問題，且容易用軟件實現，而成為當前主要的智能控制技術之一。BP網絡是人工神經網絡實際應用較為成熟的網絡模型，其網絡模型具有結構簡單、算法易于掌握等特點。 在二元光學元件激光直寫設備的調焦伺服系統控制系統中，離焦信號在整個工作范圍內的非線性特性可用一多項式來描述： 式中：y為離焦量；x為離焦信號探測器ω[sub]i[/sub]（i=0，1，2，……n）離焦量的太小與傳感器的輸出之間存在著嚴 感系統的特性參數。 利用基于BP神經網絡自動實現離焦傳感系統的非線性估計與在線標定，特性參數訓練原理如圖3所示。對應每一個實際輸人 ，可得到一個非線性數據集｛1，x，x[sup]2[/sup]，……x[sup]n[/sup]， ｝，這些作為神經網絡輸人模式，學習算法描述如 式中：di（k）為第i個輸人的期望輸出；yi（k）為對第i個輸人的估計輸出；e（k）為誤差；wn（k）為神經網絡在第k步的第n個連接權；η為學習因子，影響穩定性和收斂速度。 對于一組實際檢測到的離焦信號xt與相應的傳感器的輸出 構成數據對（ft，Yt ），用式（1）擬合離焦特性曲線。設 w0，w1，w2，w3為常數，將作為神經網絡輸人， 為輸出，按（2）、（3）、（4）式算法修正權值。所有的輸入輸出數據對構成一次迭代學習，經過多次學習，直到均方差（MSE）滿足要求，均方差越小則學習時問越短，訓練完畢．此時的權值為估計參數。在二元光學元件激光直寫設備開始工作之前或工作一段時間后，驅動壓電陶瓷使其產生已知位移，測出傳感器的輸出值，這樣就在線獲得樣本，利用樣本訓練神經網絡，就可精確實現離焦量的非線性估計與在線動態標定。 為了在保證擬合精度的前提下縮短訓練時間，在進行離焦量的非線性估計時，可只對離焦信號曲線的正半周進行擬合，得出估計參數。在實際調焦工作過程中，當離焦信號為負時，先對離焦信號取絕對值后，根據（1）求出離焦量。對離焦量取負號即得真正的離焦量。 由于在獲取樣本時，應驅動壓電陶瓷使其移動標準長度。一般在z軸的導軌上安裝光柵尺，作為其定位標準。在調焦時，壓電陶瓷的位移精確度也直接影響調焦的精度與頻響。由于壓電元件存在嚴重的遲滯非線性，電壓與變位量的非線性一般高于15％ ，使得壓電元件的開環定位精度較低，使其應用受到很大的限制。在靜態及準靜態定位應用中，可采用電荷（電流）控制法，使得壓電陶瓷的非線性度低于0-8％，文獻[4]給出了具體的實現方法。但采用電荷控制，使得流過壓電元件的電流要比電壓控制大得多，隨著頻率的升高，對于壓電陶瓷的驅動電源要求越來越高。目前電流式壓電陶瓷驅動電源的頻響很低，遠遠滿足不了實時調焦系統的頻響要求。 由于上述原因，在實時調焦伺服系統中，壓電陶瓷應采用電壓控制，其非線性特性則通過模型加以擬合。壓電元件在不同電壓下的遲滯回環總是變化的，其滯后回環的位置與其以前所加電壓的歷史有密切關系。采用一種簡單的模型補償方法可使系統的頻響達到300Hz與小于3％ 的非線性。其方法如下： 壓電元件的輸人與輸出的關系可定為： （6） 3 離焦信號的頻帶估算 調焦伺服控制器是調焦伺服系統的核心部分。由于二元光學元件激光直寫設備的主要功能為制作回轉對稱的衍射光學元件，且制作元件的口徑超過200毫米，刻劃時若主軸以恒速轉動，則在刻劃元件的內圈與外圈時線速度相差l0oO倍以上。同時，在加工不同種類元件時，光刻膠的表面形貌差別很大，對調焦頻率的要求差別也很大。若使用統一的回轉加工速度，將使得整個設備的效率很低。為了提高加工的效率，在調焦伺服系統控制器的設計時，增加調節主軸速度的功能。主軸速度的調節是依據刻劃同心圓時，在兩個同心圓之間光刻膠不曝光，這時使光刻頭不動作讓主軸旋轉一圈，同時采集離焦信號，根據離焦信號估算出離焦信號的頻帶，依據離焦信號的頻帶與光刻頭的調焦頻率求出主軸允許的最大轉速，最后根據主軸允許的最大轉速設定主軸的回轉速度。 假定光刻膠表面不平與回轉軸軸向跳動等因素造成的離焦信號如圖4（a），離焦信號的幅值是光刻頭位置的函數。當光刻頭相對于光刻膠以單位線速度移動時，函數的形狀不變；當光刻頭移動的線速度變慢時，離焦信號函數如圖4（b），當光刻頭的線速度變快時，離焦信號如圖4（c）。由圖中可以看出，當線速度加大時，離焦信號的頻帶成比例地增加。離焦信號頻帶的在線估算是調焦伺服控制器的主要功能之一。由于精確計算離焦信號的頻帶很困難，同時也難達到實時運算的要求，在二元光學元件激光直寫設備的調焦伺服控制器的設計中，采用了一種簡單的方法估算頻帶：在采集離焦信號的同時判斷其采樣點是否為極值點，同時紀錄其采樣時刻，求出相鄰兩極值點的時間問隔△t，當主軸旋轉一周，求出相鄰極值點的最短時間間隔△t⋯ 則離焦信號的頻帶可粗略估算為1／（2△t[sub]max[/sub]）。 [align=center] 圖4 離焦信號頻帶估算原理圖 圖5 調焦伺服控制系統原理框圖[/align] 當采樣時間間隔很短時，與離焦信號相等的點很多．極值點的判別主要依據采樣值是否經過上升階段與下降階段，這些點附近相同采樣值的最中間點可認為是投值點。 4 調焦伺服控制器的設計 調焦伺服系統由直流伺服電機、連軸節、滾珠絲杠、光柵尺、壓電陶瓷、汽浮導軌與調焦伺服控制器等構成，其中伺服電機為z軸粗定位及調試用。調焦伺服控制器的功能框圖如圖5所示，其主要功能是： （1）驅動壓電陶瓷，同時根據z軸上安裝的光柵尺反饋量測出壓電陶瓷的各種參數。 （2）禁能壓電陶瓷驅動器，使主軸在恒定的轉速下旋轉一周，主軸旋轉的同時采集離焦信號，根據離焦信號求出主軸的最大轉速。 （3）對四相限探測器（離焦信號探測器）輸出的信號進行濾波，然后進行歸一化處理以消除光源波動對調焦精度的影響。 （4）利用歸一化后的信號對離焦曲線進行非線性估計，用高次多項式對離焦信號進行擬和，得到離焦量與檢測到的離焦信號之間的一一對應關系。 [align=center] 圖6 調焦伺服控制器工作流程圖[/align] （5）采集離焦信號，并根據離焦量的大小與變化趨勢求出壓電陶瓷的驅動電壓，并輸出驅動信號。 在整個設備開始工作時，調焦伺服控制器輸出電壓信號驅動壓電陶瓷，根據安裝在z軸上的光柵尺的反饋信號對離焦量進行定標。伺服控制器采用16位單片機80C196為CPU，總控計算機為PII266。由于離焦量的線性估計與頻帶估計的軟件編制較為復雜，故單片機采集離焦信號后傳給總控計算機，總控計算機根據傳來的信號計算出式（1）中的各項系數及主軸最合適的速度，然后傳回單片機。控制器軟件流程圖如圖6所示。 5 結論 在二元光學元件激光直寫設備調焦伺服控制系統的設計中，離焦信號的檢測采用了臨界角法。當啟動設備后，首先驅動壓電陶瓷，檢測壓電陶瓷的變位量，同時采集離焦信號傳給主機，利用離焦信號與變位量對離焦信號曲線進行高次多項式擬和，把多項式系數的值轉回并存入單片機。以后采集離焦信號后直接利用多項式進行計算得出實際的離焦量，依據離焦量計算驅動壓電陶瓷的驅動電壓，可實現0．2微米的調焦精度。在刻劃的過程中，可禁能壓電陶瓷并采集離焦信號，估算出離焦信號的頻帶，實時調節主軸的轉速，可大大提高刻劃的效率。 參考文獻： [1] 熊木地，肖文禮，邢忠寶，等．激光直寫設備調焦伺服系統的研究[j]光學精密工程．2000 8（1）：79-83 [2] 劉君華．智能傳感系統[M]．西安：西安電子科技大學出版社，1999． [3] 沈毅，張建秋，王世忠，等紙漿濃度傳感器非線性怙計和動態標定的一種新方法[J]．儀器儀表學報1997，18（1）：l-6． [4] 吳一輝．納米分辨宰壓電式徽定位系統的研究[D]：[學位論文]．長春：中科院長春光機所 1996． [5] 賈紅光，吳一揮，王立鼎，等．壓電元件的動態非線性及其校正方法[J]儀器儀表學報，1999，20（4）增刊 182-185． 提高實時調焦伺服系統性能的一種新方法.pdf