作者: By: Brett Heintz, Applications Engineer, Aerotech Inc.

譯者: William Yeh, Regional Sales Manager, Aerotech Taiwan

選擇針對某制程最適化的自動控制定位系統(tǒng)時，需要對于制程參數(shù)以及定位系統(tǒng)之誤差分析有全方位了解．在近期的雷射直寫制程中，需要定位系統(tǒng)的精密度已經(jīng)提高到無法不使用制程參數(shù)來評估定位系統(tǒng)規(guī)格．大體而言，一般雷射直寫制程包含雷射源，聚焦鏡組，以及運動系統(tǒng)以將工件定位至正確位置?。▓D一）．傳統(tǒng)而言，此制程通常是研究員用來在石英玻璃材料中，搭配UV雷射，直寫布拉格光柵?。╢iber Bragg grating），光波導（waveguides），定向耦合器（directional couplers）等等[1]．在產(chǎn)業(yè)界中，這道制程已經(jīng)成功用來生產(chǎn)許多耦合組件用來進行光電組件的光束對位，以及生產(chǎn)擴增實境的光學鏡片等等．目前最新的雷射直寫制程已經(jīng)可以展示出，在Corning Gorilla Glass超硬玻璃上，成功直寫透明的光波導，以應(yīng)用于手持裝置的面板[2]．表面電漿子傳感器（Surface plasmon sensors）透過在顯示器上雷射直寫，可以被用于生物感測技術(shù)以及氣體偵測技術(shù)，而馬赫－曾德爾干涉儀可以被用于溫度感測應(yīng)用上[3]．

圖1：在一套常見的雷射直寫系統(tǒng)中，XY軸通常會設(shè)計于工件底下，Z軸（聚焦軸）依照不同制程，通常設(shè)計于工件下或者在工件以上用來移動物鏡．

若需要選擇一套最適化的運動控制次系統(tǒng)以用來蝕刻手持裝置上顯示器的光波導，其制程參數(shù)與目標必須要清楚確認．第一，光波導必須要有最低的衰減，在蝕刻的光波導中，波長衰減直接與能量密度吸收有關(guān)[3]．因此，雷射光斑放置距離的一致性與可程序化必須要可控制并可預測．將光斑間距與運動系統(tǒng)做同步可以使用定位平臺具備高速度穩(wěn)定性來達到此需求，當搭配定頻率雷射時．然而，速度不穩(wěn)定性可能會影響到光斑放置距離一致性的問題，使用者可能需要在控制時，持續(xù)更改速度條件以搭配固定輸出頻率．若使用校正后的光學尺回饋訊號，以控制雷射光斑輸出的距離，并控制一維，二維，甚至三維的觸發(fā)控制，搭配奈秒等級的延遲時間，可以有效的解決光斑放置距離不一致問題，并減少程序復雜度．用戶將可以直接以加工路徑做程序編輯，不需要擔心光斑間距改變，甚至在多維結(jié)構(gòu)均可以輕易實現(xiàn)(圖二).．

圖2.a將雷射輸出控制與運動控制器的編碼器回饋訊號同步，不論在轉(zhuǎn)角或速度改變，均提供一致性的光斑間距


圖2.b 在200 mm/s速度下加工，進行光斑同步轉(zhuǎn)角動作，維持光斑間距一致性

若需要生產(chǎn)許多基于光波導的傳感器于玻璃顯示器上，需要確保蝕刻路徑的3D空間路徑趨近于理想值．例如定向耦合器（directional couplers）其包含多組光波導，間距僅有5 ~ 9 micron的寬度，它們對于位置誤差的敏感度達到100 nm左右的數(shù)量級，因此運動控制與定位系統(tǒng)的重復定位精度，需要在整個玻璃顯示器尺寸上達到次微米．傳統(tǒng)的三軸飛秒雷射加工實驗室機臺，例如圖三內(nèi)顯示的小型實驗室等級機臺，使用堆棧式XY機械軸程平臺，與獨立的垂直移動聚焦軸．當需要加工的范圍加大，由于顯示器尺寸與數(shù)量加大，因為機械軸程平臺滾動組件造成的幾何公差，以及平臺生產(chǎn)的公差等，將會造成加工光波導的不一致性．

因為這些原因，機械軸程平臺通常會被氣浮軸承所取代，使用空氣薄層，產(chǎn)生非接觸式的軸承，解決因為滾動組件所造成的幾何公差問題，另外，氣浮軸承因為可以平均化軸承表面的高低起伏，可以在所有方向甚至提供更高等級的重復定位精度．產(chǎn)生的結(jié)果將可以生產(chǎn)更高重復性的光斑位置，也就代表更高質(zhì)量的光波導相關(guān)裝置．

圖3.　小尺寸飛秒雷射微細加工系統(tǒng)Photo courtesy of Altechna R&D.

為了達到更高的大范圍，次微米定位精度，部分項目會搭配共平面鏡組，以及雷射干涉儀回饋裝置 (圖五)，搭配高分辨率訊號細分器，用戶將可以達到0.15 nm等級的分辨率，并且可以用來產(chǎn)生誤差補償表格．此誤差補償表可以用來校正光波導傳感器放置位置物差的精度，提供高達整個面達到+/- 50 nm的重復定位精度．使用H 型設(shè)計的共平面氣浮軸承，（圖四，圖五）可以將玻璃機材與位置回饋裝置距離拉近，降低傳統(tǒng)堆棧平臺的幾何公差，可達到最高等級的雷射光斑放置精度能力．

圖4 PlanarHD共平面氣浮軸承系統(tǒng)具備絕佳幾何精度，達到 +/- 50 nm長時間重復定位精度


圖5 XY　共平面氣浮軸承系統(tǒng)搭配整合的 Z/Theta/Z 軸，以及2D雷射干涉儀回饋裝置，提供光電芯片上的光波導直寫制程.Photo courtesy of Paul Gow, Ph.D., of the Optoelectronics Research Centre (ORC) at the University of Southampton, England.

若需在顯示器表面上蝕刻三維傳感器，光波導將需要被蝕刻在玻璃機材的三度空間內(nèi)，三維結(jié)構(gòu)成形會需要動態(tài)去改變聚焦位置，因此會需要定位系統(tǒng)在進行XY位移時，焦距的改變非常高速且精準的完成．以確保光波導不會因為光斑放置位置誤差，導致有偶發(fā)性的耦合，使用饒性軸承機構(gòu)搭配壓電奈米致動器的焦距控制軸 (圖六)可提供高速，精準的光斑放置位置，范圍達400 micron，使用電容式位移計可達到< 10 nm等級的重復定位精度，提供光波導的直寫可以直接在顯示器下進行傳感器直寫．

圖六.a QFocus饒性軸承壓電平臺可以提供高速，高精度的物鏡焦距調(diào)整

圖六　.b QFocus　空載情況下，移動400 micron位移，在 15 ms 時間內(nèi)位移整定完成，放置150 物鏡，則可在30 ms移動整定完成

　　成功選擇精密運動控制與定位系統(tǒng)，用以將一道高精度的制程自動化，需要對于制程參數(shù)以及與運度機構(gòu)的關(guān)系具備全方位了解．先進制造技術(shù)，例如雷射直寫顯示器內(nèi)的光波導線路，需要優(yōu)化的運動控制與定位平臺與控制技術(shù)，以達到新制程開發(fā)的需求，在未來可解決過去無法解決的制程問題，甚至開發(fā)新應(yīng)用如個人化的生物感測技術(shù)，化學物質(zhì)的偵測技術(shù)，全部整合至手機的顯示器內(nèi)．


References
[1]  J. Gates, C. Sima, C. Holmes, P. Smith (2013). UV direct writing of planar waveguides: basics and applications. https://spie.org/news/5036-uv-direct-writing-of-planar-waveguides-basics-and-applications?SSO=1
[2] J. Lapointe, M. Gagné, M. Li, R. Kashyap (2014). Making smart phones Smarter with photonics. OPTICS EXPRESS 15474. Vol. 22 No. 13, DOI:10.1364/OE.22.015473
[3] J. Lapointe, F. Parent, S. Loranger, M. Gagne, R. Kashyap (2015). Empowering Cell Phones with Photonics. IEEE