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時，需要對于制程參數以及定位系統之誤差分析有全方位了解．在近期的雷射直寫制程中，需要定位系統的精密度已經提高到無法不使用制程參數來評估定位系統規格．大體而言，一般雷射直寫制程包含雷射源，聚焦鏡組，以及運動系統以將工件定位至正確位置?。▓D一）．傳統而言，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　（fiber Bragg grating），光波導（waveguides），定向耦合器（directional couplers）等等[1]．在產業界中，這道制程已經成功用來生產許多耦合組件用來進行光電組件的光束對位，以及生產擴增實境的光學鏡片等等．目前最新的雷射直寫制程已經可以展示出，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以及氣體偵測技術，而馬赫－曾德爾干涉儀可以被用于溫度感測應用上[3]．

圖1：在一套常見的雷射直寫系統中，XY軸通常會設計于工件底下，Z軸（聚焦軸）依照不同制程，通常設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以用來蝕刻手持裝置上顯示器的光波導，其制程參數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[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做同步可以使用定位平臺具備高速度穩定性來達到此需求，當搭配定頻率雷射時．然而，速度不穩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，甚至在多維結構均可以輕易實現(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，進行光斑同步轉角動作，維持光斑間距一致性

若需要生產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左右的數量級，因此運動控制與定位系統的重復定位精度，需要在整個玻璃顯示器尺寸上達到次微米．傳統的三軸飛秒雷射加工實驗室機臺，例如圖三內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．產生的結果將可以生產更高重復性的光斑位置，也就代表更高質量的光波導相關裝置．

圖3.　小尺寸飛秒雷射微細加工系統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，三維結構成形會需要動態去改變聚焦位置，因此會需要定位系統在進行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，導致有偶發性的耦合，使用饒性軸承機構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整

圖六　.b QFocus　空載情況下，移動400 micron位移，在 15 ms 時間內位移整定完成，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，用以將一道高精度的制程自動化，需要對于制程參數以及與運度機構的關系具備全方位了解．先進制造技術，例如雷射直寫顯示器內的光波導線路，需要優化的運動控制與定位平臺與控制技術，以達到新制程開發的需求，在未來可解決過去無法解決的制程問題，甚至開發新應用如個人化的生物感測技術，化學物質的偵測技術，全部整合至手機的顯示器內．


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