氣動(dòng)光學(xué)變形鏡系統(tǒng)的控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于超精密光學(xué)應(yīng)用中的控制領(lǐng)域，具體涉及一種氣動(dòng)光學(xué)變形鏡系統(tǒng)的 控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光刻投影物鏡在曝光過(guò)程中由于吸收激光能量，使得成像質(zhì)量劣化。對(duì)于具有非 軸對(duì)稱特性的像質(zhì)劣化則需要通過(guò)光學(xué)變形鏡系統(tǒng)等進(jìn)行補(bǔ)償。光學(xué)變形鏡系統(tǒng)中的透鏡 元件產(chǎn)生馬鞍形狀變形，從而補(bǔ)償由熱像差引入的非對(duì)稱倍率及常數(shù)項(xiàng)像散。光刻投影物 鏡中的光學(xué)變形鏡系統(tǒng)需要在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到高精度的位移調(diào)整，從而保證其中光學(xué)透 鏡元件的快速高精度面形調(diào)節(jié)?，F(xiàn)有文獻(xiàn)還未涉及氣動(dòng)光學(xué)變形鏡系統(tǒng)的閉環(huán)控制，尤其 是快速高精度控制。快速往往要求調(diào)整時(shí)間在〇. Is左右，高精度則通常意味著位移調(diào)整精 度在±150nm左右。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種氣動(dòng)光學(xué)變形鏡系統(tǒng)的的控制方法。
[0004] 本發(fā)明解決上述技術(shù)為問(wèn)題采用的技術(shù)方案如下。
[0005] 氣動(dòng)光學(xué)變形鏡系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟：
[0006] 步驟一、在氣動(dòng)光學(xué)變形鏡系統(tǒng)允許輸入的模擬電壓范圍內(nèi)，獲取該系統(tǒng)開(kāi)環(huán)下 穩(wěn)定時(shí)的輸入模擬電壓和輸出位移數(shù)據(jù)，以輸入模擬電壓為橫坐標(biāo)，以輸出位移數(shù)據(jù)為縱 坐標(biāo)，擬合所獲得的輸入模擬電壓和輸出位移數(shù)據(jù)的線性關(guān)系，對(duì)擬合得到的線性系數(shù)取 倒數(shù)，得到前饋控制器的前饋系數(shù)k f;
[0007] 步驟二、根據(jù)氣動(dòng)光學(xué)變形鏡系統(tǒng)的期望位移yd和步驟一所獲得的前饋控制器的 前饋系數(shù)k f，計(jì)算前饋控制器的輸出量Uf= k fXyd;
[0008] 步驟三、獲取氣動(dòng)光學(xué)變形鏡系統(tǒng)中位移傳感器的實(shí)際位移y，得到位移誤差量e =yd-y ；
[0009] 步驟四、采用試錯(cuò)法確定氣動(dòng)光學(xué)變形鏡系統(tǒng)中的PID控制器的比例系數(shù)kp、積分 系數(shù)h和微分系數(shù)k d;
[0010] 步驟五、根據(jù)步驟三得到的位移誤差量和步驟四得到的PID控制器的比例系數(shù)kp、 積分系數(shù)Ic 1和微分系數(shù)k d，計(jì)算PID控制器的輸出量Up;
[0011] 步驟六、根據(jù)氣動(dòng)光學(xué)變形鏡系統(tǒng)的振動(dòng)特性，選定需要進(jìn)行陷波處理的外部干 擾頻率f。，并確定氣動(dòng)光學(xué)變形鏡系統(tǒng)對(duì)該外部干擾頻率f。的衰減幅度，再根據(jù)衰減幅度 確定陷波濾波器的系數(shù)1，然后根據(jù)公式（2)計(jì)算陷波濾波器的脈沖傳遞函數(shù)F(Z);
[0013] 式中，z表示復(fù)變量；
[0014] 步驟七、將前饋控制器的輸出量Uf和PID控制器的輸出量u p疊加，并通過(guò)陷波濾 波器的脈沖傳遞函數(shù)對(duì)疊加量進(jìn)行濾波，再使用差分方程法計(jì)算得到控制輸出量u ;
[0015] 步驟八、將控制輸出量u轉(zhuǎn)換為相同數(shù)值的模擬電壓，輸入氣動(dòng)光學(xué)變形鏡系統(tǒng) 的氣壓伺服閥，從而實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)光學(xué)變形鏡的控制。
[0016] 進(jìn)一步的，所述步驟一中，采用最小二乘法擬合輸入模擬電壓和輸出位移數(shù)據(jù)的 線性關(guān)系。
[0017] 進(jìn)一步的，所述步驟一中，獲取的開(kāi)環(huán)下穩(wěn)定時(shí)的輸入模擬電壓和輸出位移數(shù)據(jù) 至少為三組。
[0018] 進(jìn)一步的，所述步驟三中，采用A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集獲取氣動(dòng)光學(xué)變形鏡系統(tǒng)中 的實(shí)際位移y。
[0019] 進(jìn)一步的，所述步驟四中，干擾頻率f。為氣動(dòng)光學(xué)變形鏡系統(tǒng)的振動(dòng)特性曲線的 峰值所對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率。
[0020] 進(jìn)一步的，所述步驟五中，PID控制器的輸出量!^通過(guò)公式（1)計(jì)算；
[0022] 式中，k為采樣序號(hào)，Ts為采樣周期。
[0023] 進(jìn)一步的，所述步驟八中，采用D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器將控制輸出量u轉(zhuǎn)換為相同數(shù)值的 模擬電壓。
[0024] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：
[0025] 1、本發(fā)明的氣動(dòng)光學(xué)變形鏡系統(tǒng)的控制方法采用的前饋控制器和陷波濾波器基 于氣動(dòng)光學(xué)變形鏡系統(tǒng)的實(shí)際數(shù)據(jù)而確定，可以有效提升該控制方法速度，實(shí)現(xiàn)快速控制， 采用試錯(cuò)法確定PID控制器，結(jié)合陷波濾波器的濾波作用，能夠有效提高該控制方法的精 度，實(shí)現(xiàn)高精度控制，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用本發(fā)明的方法控制氣動(dòng)光學(xué)變形鏡系統(tǒng)，在〇. Is內(nèi) 可以使位移調(diào)整穩(wěn)態(tài)誤差小于SOnm ;
[0026] 2、本發(fā)明的氣動(dòng)光學(xué)變形鏡系統(tǒng)的控制方法的前饋控制器、PID控制器和陷波濾 波器實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性能良好。
【附圖說(shuō)明】
[0027] 圖1為本發(fā)明的氣動(dòng)光學(xué)變形鏡系統(tǒng)的控制方法的原理框圖；
[0028] 圖2為采用本發(fā)明的控制方法控制氣動(dòng)光學(xué)變形鏡的效果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
[0030] 如圖1所述，本發(fā)明的氣動(dòng)光學(xué)變形鏡系統(tǒng)的控制方法是針對(duì)氣動(dòng)光學(xué)變形鏡系 統(tǒng)進(jìn)行的，該系統(tǒng)主要由氣壓伺服閥、氣體管路、波紋管、機(jī)械結(jié)構(gòu)、透鏡元件和位移傳感器 組成?？刂破鬏敵龅哪M電壓進(jìn)入氣壓伺服閥，氣壓伺服閥輸出對(duì)應(yīng)氣壓的氣體。氣體經(jīng)氣 體管路進(jìn)入波紋管，不同氣壓的氣體會(huì)使波紋管發(fā)生不同的伸縮運(yùn)動(dòng)量。波紋管驅(qū)動(dòng)機(jī)械 結(jié)構(gòu)做相應(yīng)的位移運(yùn)動(dòng)，從而使機(jī)械結(jié)構(gòu)上的光學(xué)透鏡元件發(fā)生相應(yīng)的面形變化。機(jī)械結(jié) 構(gòu)的實(shí)際位移由位移傳感器獲得。本發(fā)明所使用的控制器主要由前饋控制器、PID控制器、 陷波濾波器、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器和D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器組成，具體可由數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processor，DSP)實(shí)現(xiàn)，伺服周期！^為 lms。
[0031] 本發(fā)明的氣動(dòng)光學(xué)變形鏡系統(tǒng)的控制方法，步驟如下：
[0032] 步驟一、在氣動(dòng)光學(xué)變形鏡系統(tǒng)允許輸入的模擬電壓范圍內(nèi)，輸入不同的模擬電 壓，獲取該系統(tǒng)開(kāi)環(huán)情況下穩(wěn)定時(shí)的輸入模擬電壓和輸出位移數(shù)據(jù)，然后以輸入模擬電壓 為橫坐標(biāo)，以輸出位移數(shù)據(jù)為縱坐標(biāo)，借助MTLAB R2009b軟件使用最小二乘法擬合所獲得 的輸出位移與輸入模擬電壓的線性關(guān)系，對(duì)擬合得到的線性系數(shù)取倒數(shù)，得到用于前饋控 制器的前饋系數(shù)k f;
[0033] 在上過(guò)程中，為降低輸入模擬電壓和輸出位移數(shù)據(jù)的線性關(guān)系的誤差，所以獲取 得開(kāi)環(huán)情況下穩(wěn)定時(shí)的輸入模擬電壓和輸出位移數(shù)據(jù)一般至少為三組；
[0034] 步驟二、根據(jù)氣動(dòng)光學(xué)變形鏡系統(tǒng)的期望位移yd和步驟一所獲得的前饋控制器的 前饋系數(shù)k f，計(jì)算前饋控制器的輸出量Uf= k fXyd;
[0035] 步驟三、采用A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器定時(shí)采集獲取氣動(dòng)光學(xué)變