先进的快速光电对准技术在工业应用中的突破

逍遥设计自动化

引言
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现代光电子制造领域对高精度对准技术的需求日益增长。本文详细介绍PI公司的快速对准技术创新及其与ACS控制系统的集成，说明这种组合如何提升大尺寸工业应用的效率。
光电对准技术的发展历程

光电子行业在过去三十年间经历了显著变革。早期的自动化对准技术主要用于单模光纤的对准应用，帮助减少器件测试和组装过程中昂贵的人工亚微米对准工序。当前的光电子技术格局更为复杂，以晶圆为基础的光电子技术推动着行业发展，市场需求量比1997-2001年光电子行业高峰期增长了数个数量级。

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图1：PI双侧光纤对准系统实现了芯片测试和晶圆探测过程中输入输出光纤的同步定位。

0 O9 S3 t% F1 Q* N# Y现代光电器件通常具有多个输入/输出端口，需要多自由度优化。每个耦合点往往呈现非高斯多模截面特征，并在通道、输入输出端口及自由度之间存在相互影响。虽然传统对准技术能够应对这些挑战，但分钟级的处理时间严重影响了生产效率。
# d" m* |0 L4 }4 x8 j1 j先进对准技术详解

& C& G* `$ S5 B/ m. Q目前最有效的两种对准技术是：区域扫描和梯度搜索。这两种技术在快速优化和跟踪方面各具优势。
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图2：正弦扫描模式展示了无振动加速度和减速度相位的连续表面扫描，用户可以自定义表面参数、起始点、线距和成功标准。
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图3：螺旋扫描模式通过保持恒定角度或路径速度对指定区域进行螺旋扫描，可选择工作频率以避免系统共振。

/ G3 I) N2 e7 e& y. C: x5 f在区域扫描方面，PI的固件实现了可选频率的平滑连续正弦和螺旋模式，有效避免了系统共振。这种无停顿扫描方式消除了振动，显著提高了扫描速度。结合某些控制器中的内置建模功能，系统可在数百毫秒内以高精度确定峰值位置或耦合中心。
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( C! d, Z' K, G3 k6 W' Q* X图4：梯度搜索算法实现的可视化展示，说明在有光信号存在时，通常可在1秒内找到信号最大值。

# w( {" T! D3 t4 F8 a' D$ g梯度搜索技术始于1987年，经过多代发展。PI第五代技术实现了并行梯度搜索，使多个优化过程能够同时进行。这项突破使XY锁定可以与theta-Z优化同步进行，这对阵列器件对准极为重要。
2 `& O4 C0 A3 Q) I, M: \工业实施与优势

( P# f5 o+ ^0 o5 L) o( b0 Q8 w自2016年以来，这些先进对准技术已在PI的压电纳米定位器和六足位移台控制器中得到应用。最近与ACS控制系统的集成将这些功能扩展到大型工业级平台，包括丝杆驱动和直线电机平台、龙门系统和气浮组件。

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. k# j$ e" I# |图5：多通道自动化光电器件Assembly工具的自动化子系统示例，展示了F-712 HA2对准系统与PI多轴龙门系统的集成，用于提升工作流程自动化水平。
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ACS控制系统通过EtherCAT开放式分布架构提供领先的模块化性能。绝对编码器的支持减少了系统启动时间并降低了碰撞风险。ACS的偏航控制与PI优化的接头结构相结合，提供了出色的正交度校正并最大程度地减少了轴向卡滞风险。

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图6：PI快速对准技术在大面积应用中的概念演示，展示了从晶圆到晶圆块、芯片直至最终封装产品的完整流程。

这些技术的集成在许多应用中使效率提升了100倍以上。这种显著提升直接解决了光电器件制造中最主要的成本问题之一——对准时间，包括工序持续时间和生产过程中反复对准的需求。

综合系统提供全面的支持选项，包括现场快速启动培训、延长保修、服务计划、咨询、协同工程和应用软件咨询。这种完善的支持体系确保了在各类工业应用中的成功实施。
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3 E: k( O+ s$ k* j" ~革新性的光电对准方法显著提升了制造能力，特别是在高产量生产环境中，传统对准方法往往成为瓶颈。系统能够处理复杂的多通道器件，同时保持高精度和高产量，对现代光电子制造具有重要价值。
参考文献

. R) A/ f  g. x1 y6 ^2 u[1] S. Jordan, "Fast Alignment Technology comes to ACS controls | Enabling Large-Format Industrial Productivity," Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG, Karlsruhe, Germany, White Paper WP4023E, Jun. 2019, pp. 1-5.
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