聰明的工程師了解最經濟的系統往往需要在性能價格之間達到完美平衡,運動控制(Motion control)和熱量/機械穩定性都不可或缺。
盡管從經濟上考慮,提高產量,減少周期對降低總體成本來說意義重大,但企業在選擇對準系統時,仍然會首先考慮價格因素。雖然價格不應是被考慮的唯一因素。
事實上,能夠提高耦合輸出(coupling yield)的系統常常受限于市場所能承受的價格,因而不可避免地造成了成本與性能之間的折衷,或者說是平衡,這就是我們常說的性價比問題。一個對準系統制造商如果選用低熱膨脹系數材料(如不脹鋼Invar)將會有效改善系統的熱膨脹效應,不過由此引發的系統成本將急劇膨脹,成本變得很高。另一方面,如果使用便宜的步進電機,那它們可憐的重復性能和高熱量輸出將對耦合輸出(coupling yield)造成負面影響。
因此,最經濟的系統往往是在不增加額外成本的情況下提高耦合輸出。由于在對準工序確定元件位置是否處于最合適狀態的過程中,絕大多數對準法則必須要通過某個最高點,因此耦合輸出與對準系統重復精確返回那個點的能力(運動控制系統的一個功能),以及維護熱量/機械穩定性的能力(與系統的熱量負荷和機械設計有關的功能)密切相關。
運動控制
圖1顯示的是一個單摸1310nm發射器的標準功率分布曲線。圖中顯示峰值在±100 nm的區域,耦合損耗好于–0.01 dB,與此對應的是耦合輸出達到99.8%。但在±300 nm的位置,損耗明顯增加。給出的這些信息表明,假定目標要求的重復性為0.01 dB,那對準系統必須具備重復移動到離峰值100 nm以內區域的能力。
圖1,在這幅圖里,X軸是光纖掃描穿過光場(light field;)的方向(單位:微米),Y軸是光功率(單位:分貝),圖中的最高點處于最合適的位置。
運動系統的分辨率指的是一個運動系統控制移動或用顯示器顯示出來的最小增量,不過系統不可能很一致地按照分辨率來移動。換句話說,最小的運動增量是一個系統所能做的最小移動,但并能描述移動的一致性。
雙向重復性能BDR是對準應用中是最重要的參數,因為它反映的是系統從其他位置重復移動到最高點的一致性能,在圖一中,BDR的精度好于100 nm。
大多數運動參數是由單向轉換軸來定義,但對于一個對準系統來說,要獲取的參數是基于整個系統之上,如包括六軸集群(cluster),對準軟件,工具,環境因素(如溫度和振動)等。
由于大多數用戶都有特殊的要求,因此有必要開發出一種任何人都能重復使用的未知元件測量法。例如,Newport公司使用一套間隔為10um(沒有系數匹配凝膠)的1550-nm單模光纖—光纖對準系統,來測量由重復向最高點移動引發的分貝損耗變化(sigma),這就產生了一個可再現和客觀的測量方法,能適應所有環境和系統要素的要求。例如,1-sigma有0.01 dB的重復能力,意味著系統能在0.03 dB范圍內重復對準結果,準確率在99.87%。
機械設計,熱量負載
在評估一個對準系統時,尤其是供應商沒有特別標明價格的時候,每一個微調架光學高度和定位器(fixtures)都應該作為評定系統穩定性的指向器(見圖2),光學高度指的是從光軸中心到系統底部(如工作臺)的距離,增大光學高度會導致Y軸位移量在溫度改變時增大。在Z軸方向上的定位器和微調架的高度也很重要,不過絕大多數光器件對Z軸并不敏感。
圖2,每個軸都是很重要,系統的光學高度是評定系統穩定性最可靠的方法。
熱源必須從運動系統隔離開來以抑制一些由熱量擴張所帶來的有害影響。用一個艙來控制空氣溫度,不過這樣會增加系統成本,削弱系統可用性?刂茰囟茸詈玫耐緩绞墙档凸鈱W高度和使用冷凝循環微調架。下列所列舉的微調架(stages)是對準系統最常用的,如果你要購買系統時,要了解每一類型的正面效應及負面效應,這一點很重要,
步進電機。對準系統通常使用的低成本解決方案是步進電機,但它的缺點是重復性差,步進電機很容易變熱,嚴重影響系統穩定性和重復性。
Piezo激勵器(Piezo actuators)。Piezo能提供非常高的分辨率(10 nm)和高強度。然而,他們在測量時會產生磁滯效應,并且很難在閉環方式下進行控制。大多數Piezo行進范圍有限,Piezo壽命也很短,需要頻繁地更換。多余的分辨率和和低成本并不能證明犧牲重復性和系統正常運轉時間的做法是正確的。
DC伺服系統。帶有一個很好玻璃刻度譯碼器的冷卻循環DC伺服電機,是那些需要高耦合輸出單模光纖應用的理想選擇。而且,系統所需的分辨率、精度和重復性都可以很容易的達到(在50 到100 nm范圍內).。
最終對準
理想的對準系統的特點是耦合輸出高,價格合理,這兩者是矛盾的。但同時它們能達成妥協來提供性價比系統,運用最重要的設計原理,達到應用要求。
在購買對準系統之前,要清楚了解規格說明,這樣購買者就能權衡系統性能,從制造商那里購買到合適的產品。
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