带电粒子束加工设备聚焦系统校准标定方法与流程

本发明涉及带电粒子束加工设备技术领域，更具体的说是涉及一种带电粒子束加工设备聚焦系统校准标定方法。

背景技术：

带电粒子束加工设备常采用磁扫描装置控制粒子束在二维平面上移动。磁扫描装置呈轴对称结构，主要由铁磁框架和绕组组成。在粉末床电子束增材制造设备等要求大广角精确扫描设备中，磁扫描装置绕组量化分布使其内部磁感应强度分布不均匀的因素造成带电粒子束的附加散焦作用较严重，依靠聚焦电流补偿难以实现有效的消像散。实践证明多相扫描装置内部磁感应强度均匀性优于常规两相绕组扫描装置。此外从驱动电路角度看，在每相励磁电流值域相同时，多相扫描装置扫描区域更大，有利于拓展扫描装置的工作宽频。因此在需要大广角精确扫描的带电粒子束加工设备中，采用多相扫描装置更为有利。

但是现有校正方法对于多相绕组扫描装置来说，电子束斑点中心对准试验板上特征点孔的操作复杂；另外在大广角偏转时，试验板上特征点孔与电子束轴线严重不同轴，势必造成较大的试验误差；多相绕组扫描装置合励磁电流与各相励磁电流不存在一一对应关系，合励磁电流不同的分解方式由于铁磁磁路的非线性，将造成扫描位置与消像散聚焦电流补偿数值的不确定性。总之，多相绕组扫描装置的聚焦系统的补偿问题更为复杂，难度更大。

因此，如何实现扫描系统，特别是多相扫描装置的扫描场中各扫描点的消像散聚焦电流补偿数值快速精准地校准标定是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种带电粒子束加工设备聚焦系统校准标定方法，快速有效地建立带电粒子束在工作平面上每一扫描点的精确聚焦电流值，实现带电粒子束扫描过程的消像散。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

扫描装置为n(n为不小于2的整数)相绕组，调节所述扫描装置的位置，使得在加工平面上所述扫描装置的第1相绕组扫描轴线与直角坐标系的x轴重合，按逆时针依次定义所述扫描装置上所述第1相、第2、…、第n相绕组的相序号，所述第1相、第2、…、第n相绕组扫描轴线与所述x轴的夹角分别为其中所述扫描装置的绕组不通电时在工作平面上带电粒子束的中心位置定义为带电粒子束的原始位置，所述原始位置定义为所述工作平面上直角坐标系的原点(0，0)，所述扫描装置的绕组通电时在工作平面上带电粒子束中心位置的直角坐标(x，y)定义为所述带电粒子束的扫描点坐标(x，y)，所述扫描点相对于所述原点的位移定义为所述带电粒子束在所述工作平面上的合位移所述合位移的幅值为a，所述合位移与x轴的夹角为θ。所述扫描装置的理想n相绕组轴线呈对称分布，定义所述第1相绕组扫描轴线、所述理想第1相绕组扫描轴线、所述x轴等三线重合，当n为奇数时，所述理想第1、理想第2、…、理想第n相绕组扫描轴线与x轴的夹角分别为0、当n为偶数时，所述理想第1、理想第2、理想第n相绕组扫描轴线与x轴的夹角分别为由于制造工艺制约，所述第i相绕组扫描轴线与x轴的夹角与所述理想第i相绕组扫描轴线与x轴的夹角存在偏差。定义第i(i＝1、2、…、n)相绕组励磁电流指令为对应于所述励磁电流指令在工作平面上带电粒子束的中心在第i相绕组扫描轴线上偏离所述原始位置的位移定义为第i相绕组扫描轴线上相位移定义λi为第i相绕组相位移数据，第i相绕组扫描轴线与x轴的夹角为则j为单位虚数；定义理想第i相绕组励磁电流指令为对应于所述励磁电流指令在工作平面上带电粒子束的中心在理想第i相绕组扫描轴线上偏离所述原始位置的位移定义为理想第i相绕组扫描轴线上相位移定义λ'i为理想第i相绕组相位移数据，理想第i相绕组扫描轴线与x轴的夹角为则

一种带电粒子束加工设备聚焦系统校准标定方法，包括如下步骤：

步骤1：建立带电粒子束在工作平面上扫描点偏移原点(0，0)的合位移与扫描装置的理想n相绕组扫描轴线上相位移之间的一一对应关系

步骤2：建立所述扫描装置的n相绕组相位移数据λ1、λ2、…、λn与理想n相绕组相位移数据λ'1、λ'2、…、λ'n之间的数学关系式λi＝fi(λ'1，λ'2，...，λ'n)，由所述数学关系式λi＝fi(λ'1，λ'2，…，λ'n)及所述步骤1中的所述对应关系推导出所述合位移与n相绕组扫描轴线上相位移之间的一一对应关系

步骤3：建立所述扫描装置的n相绕组励磁电流指令与所述带电粒子束在所述工作平面上扫描点坐标(x，y)的对应关系2、…、n；

步骤4：根据所述步骤3中的所述对应关系控制所述带电粒子束在所述工作平面上定义的特征扫描线上移动，获取第σ特征扫描线上有限目标点对应的精确聚焦电流指令由所述目标点的所述聚焦电流指令建立所述第σ特征扫描线上所述聚焦电流指令与所述扫描点坐标(x，y)之间对应关系的特征扫描线数学模型

步骤5：根据所述步骤4中的所述特征线扫描线数学模型由线到面建立所述带电粒子束在所述工作平面上扫描域内所述聚焦电流指令f^*与所述扫描点坐标(x，y)之间对应关系的扫描域数学模型f^*＝ψ(x，y)，从而完成所述带电粒子束加工设备聚焦系统校准标定工作。

优选的，所述扫描系统包括中央控制器、扫描驱动电源和所述扫描装置；所述中央控制器连接所述扫描驱动电源，所述扫描驱动电源连接所述扫描装置；所述扫描装置安装在带电粒子束发生器的出口端，所述扫描装置包含n相绕组；所述带电粒子束发生器产生的所述带电粒子束经过所述扫描装置投射至所述工作平面上，在所述工作平面上形成扫描轨迹；所述扫描驱动电源根据所述中央控制器发送的所述n相绕组励磁电流指令产生n相励磁电流，令所述扫描装置控制所述带电粒子束在所述工作平面上移动。

优选的，所述聚焦系统包括聚焦驱动电源和聚焦装置；所述中央控制器连接所述聚焦驱动电源，所述聚焦驱动电源连接所述聚焦装置；所述带电粒子束发生器产生的所述带电粒子束经过所述聚焦装置后在所述工作平面上汇聚成一束斑；所述中央控制器通过所述聚焦驱动电源控制所述聚焦装置绕组励磁电流的大小，改变所述带电粒子束在所述工作平面上所述束斑的大小。

优选的，所述步骤1中所述带电粒子束在所述工作平面上所述扫描点偏移所述原始(0，0)的合位移为则

获得所述步骤1中的所述一一对应关系的方法，是将所述合位移按圆形扫描轨迹原则分解成所述理想n相绕组扫描轴线上相位移的组合，具体步骤为：将所述合位移的末端看作以幅值a为半径的所述圆形扫描轨迹上的一点，则

优选的，获得所述步骤1中的所述一一对应关系的另一方法，是将所述合位移按正2n边形扫描轨迹原则分解成所述理想n相绕组扫描轴线上相位移的组合，具体步骤为：

步骤11：将所述工作平面分成2n个扇区，每一个扇区的所占角度为扇区号从所述第1相扫描轴线开始按逆时针依次定义为第1扇区、第2扇区、…、第2n扇区，当n为奇数时，所述理想n相绕组扫描轴线为所述扇区的分界线，当n为偶数时，所述理想n相绕组扫描轴线为所述扇区的平分线；

步骤12：将所述合位移的末端看作正2n边形扫描轨迹上的点，所述合位移位于第k(k＝1，2，…，2n)扇区内，过所述合位移末端作所述第k扇区平分线的垂线，所述垂线与所述第k扇区的两分界线分别相交，两个所述交点连线为所述第k扇区内正2n边形的边，所述正2n边形边矢量的正方向定义为逆时针旋转方向，所述第k扇区内的所述边矢量必平行且仅平行于1条所述理想n相绕组扫描轴线，与所述边矢量平行的所述理想n相绕组的扫描轴线定义为所述第k扇区的所述边矢量的平行扫描轴线，所述理想n相绕组的其余扫描轴线定义为所述第k扇区的所述边矢量的非平行扫描轴线；

步骤13：所述合位移与所述第k扇区的平分线的夹角为γ，所述第k扇区内所述合位移在理想n相绕组的非平行扫描轴线上相位移数据的幅值都相等为α，所述合位移在平行扫描轴线上相位移数据β与所述夹角γ有关，即

步骤14：当所述非平行扫描轴线正方向与所述第k扇区平分线的射线处在所述平行扫描轴线同侧，则所述非平行扫描轴线上相位移数据为α；当所述非平行扫描轴线正方向与所述第k扇区平分线的射线处于所述平行扫描轴线异侧，则所述非平行扫描轴线上相位移数据为-α；当所述第k扇区内的所述边矢量与所述平行扫描轴线方向一致时，则所述平行扫描轴线上相位移数据为β；当所述第k扇区内的所述边矢量与所述平行扫描轴线方向相反时，则所述平行扫描轴线上相位移数据为-β。

优选的，所述步骤2的具体实现过程如下：

步骤21：在所述工作平面上对所述扫描装置的所述第1、第2、…、第n相绕组分别进行单独通电扫描试验，然后检测所述第1、第2、…、第n相绕组扫描轴线与所述第1相绕组扫描轴线的夹角

步骤22：理想第s相绕组扫描轴线上相位移与理想第t相绕组扫描轴线上相位移可合成分位移且s≠t，所述分位移实际由第s相绕组扫描轴线上相位移与第t相绕组扫描轴线上相位移合成，即由此推导出第s相绕组相位移数据为λs、第t相绕组相位移数据λt与理想第s相绕组相位移数据λ's、理想第t相绕组相位移数据λ't之间的关系：

步骤23：当n为奇数时，将所述理想第2、理想第3、…、理想第n相绕组扫描轴线上相位移两两合成分位移，所述理想第2、理想第3、…、理想第n相绕组扫描轴线上相位移都进行且仅进行一次合成，共生成个所述分位移则所述合位移由所述理想第1相绕组扫描轴线上相位移和个所述分位移组合而成，即

当n为偶数时，将所述理想第1、理想第2、…、理想第n相绕组扫描轴线上相位移两两合成分位移，所述理想第1、理想第2、…、理想第n相绕组扫描轴线上相位移都进行且仅进行一次合成，共生成个所述分位移则所述合位移由个所述分位移组合而成，即

步骤24：所述合位移实际由所述第1、第2、…、第n相绕组扫描轴线上相位移合成，即

当n为奇数时，所述第1相绕组扫描轴线上相位移等于所述理想第1相绕组扫描轴线上相位移所述合位移所述第s相绕组相位移数据λs和所述第t相绕组相位移数据λt由所述理想第s相绕组相位移数据λ's和所述理想第t相绕组相位移数据λ't根据所述步骤22中式(2)计算获得；

当n为偶数时，所述合位移所述第s相绕组相位移数据λs和所述第t相绕组相位移数据λt由所述理想第s相绕组相位移数据λ's和所述理想第t相绕组相位移数据λ't根据所述步骤22中式(2)计算获得。

优选的，所述步骤3的具体实现过程如下：

步骤31：在所述工作平面上对所述扫描装置的所述第1、第2、…、第n相绕组分别进行单独通电打点试验，打点试验过程所述第i相绕组励磁电流指令包括m个正指令、零指令和m个负指令，m为不小于2的整数，在所述工作平面上获得第i相绕组扫描轴线上正负方向上各m个所述带电粒子束的打点痕迹及所述原点的打点痕迹，测量所述第1相、第2、…、第n相绕组对应的m个所述励磁电流正指令和m个所述励磁电流负指令对应的2m个打点痕迹中心相对于所述原点的2m个相位移数据，并记录；

步骤32：根据所述步骤31中的所述第i相绕组的2m个所述相位移数据，建立所述第i相绕组励磁电流指令与所述第i相绕组相位移数据λi之间关系的数学模型

步骤33：根据所述步骤2中的所述对应关系以及所述步骤32中的所述数学模型计算获得所述合位移对应的所述n相绕组励磁电流指令建立所述第i相绕组励磁电流指令与所述带电粒子束在所述工作平面上所述扫描点坐标(x，y)的对应关系

优选的，所述步骤4的具体实现过程如下：

步骤41：在所述工作平面上定义ε条所述特征扫描线，ε为不小于2的整数，所述特征扫描线为过所述原点(0，0)的直线，且ε条所述特征扫描线呈对称分布，两相邻所述特征扫描线间的夹角为从所述第1相绕组扫描轴线开始按逆时针依次定义所述特征扫描线序号为第1、第2、…、第ε特征扫描线，所述第1、第2、…、第ε特征扫描线与所述第1相绕组扫描轴线的夹角分别为ω1、ω2、…、ωε，第σ特征扫描线方程表达式如下，其中σ＝1、2、…、ε：

步骤42：通过试验获取所述第σ特征扫描线上有限点所述扫描点坐标(x，y)对应的所述聚焦电流指令具体方法为：

在所述第σ特征扫描线上在x轴或y轴的负向和正向各取μ个目标点，所述μ为不小于2的整数，加上原点则在所述第σ特征扫描线上共有2μ 1个目标点，从所述x轴或所述y轴的负向到正向定义所述目标点序号分别为第1、第2、…、第2μ 1目标点，根据所述步骤41中的式(3)计算所述第τ目标点坐标(xστ，yστ)，根据所述步骤3中的所述对应关系计算所述第τ目标点(xστ，yστ)对应的所述n相绕组励磁电流指令其中τ＝1、2、…、2μ 1；

将金属测试板放置在所述带电粒子束加工设备工作室内，并令所述金属测试板上平面与所述工作平面等高，启动所述带电粒子束加工设备在恒定加速电压下小束流工作，所述中央控制器发出所述第τ目标点(xστ，yστ)对应的所述n相绕组励磁电流指令控制所述带电粒子束偏移到所述第σ特征扫描线上的所述第τ目标点(xστ，yστ)，在所述第τ目标点调节所述聚焦电流指令使得所述带电粒子束(在金属测试板上处于最佳聚焦状态，记录所述第τ目标点的所述聚焦电流指令

步骤43：根据步骤42中的所述第σ特征扫描线上2μ 1个所述目标点的所述聚焦电流指令建立所述第σ特征扫描线上聚焦电流指令与所述扫描点坐标(x，y)之间对应关系的所述特征扫描线数学模型

优选的，所述步骤5中的所述聚焦电流指令与所述扫描点坐标(x，y)之间对应关系的所述特征扫描线数学模型基于模拟圆形扫描轨迹推导得出所述扫描域数学模型的具体实现过程为：

步骤511：所述带电粒子束在所述工作平面上的所述扫描点坐标(x，y)位于所述第σ特征扫描线上，根据所述步骤43中的所述特征扫描线数学模型直接计算所述扫描点坐标(x，y)对应的所述聚焦电流指令

步骤512：所述带电粒子束在所述工作平面上的所述扫描点坐标(x，y)位于所述第σ特征扫描线和第σ 1特征扫描线之间，以所述原点(0，0)为圆心过所述扫描点(x，y)作圆弧，所述圆弧与所述第σ特征扫描线和所述第σ 1特征扫描线分别相交于p、q两点，由几何关系及所述步骤41中的式(3)计算所述p点坐标(xp，yp)和所述q点坐标(xq，yq)，根据所述步骤43获得的第σ特征扫描线数学模型计算所述p点对应的所述聚焦电流指令根据所述步骤43获得的第σ 1特征扫描线数学模型计算所述q点对应的所述聚焦电流指令最后由所述聚焦电流指令计算所述扫描点(x，y)的所述聚焦电流指令

优选的，所述步骤5中的所述聚焦电流指令与所述扫描点坐标(x，y)之间对应关系的所述特征扫描线数学模型基于模拟正2ε边形扫描轨迹推导出所述扫描域数学模型f^*＝ψ(x，y)的具体实现过程为：

步骤521：所述带电粒子束在所述工作平面上的所述扫描点坐标(x，y)位于所述第σ特征扫描线上，根据所述步骤43中的所述特征扫描线数学模型直接计算所述扫描点坐标(x，y)对应的所述聚焦电流指令

步骤522：所述带电粒子束在所述工作平面上的所述扫描点(x，y)位于所述第σ特征扫描线和第σ 1特征扫描线之间，作由所述第σ特征扫描线和所述第σ 1特征扫描线构成的扇区的平分线，过所述扫描点坐标(x，y)作所述平分线的垂线，所述垂线与所述第σ特征扫描线和所述第σ 1特征扫描线分别相交于m、n两点，由几何关系及所述步骤41中的式(3)计算所述m点坐标(xm，ym)和所述n点坐标(xn，yn)，根据所述步骤43获得的第σ特征扫描线数学模型计算所述m点对应的所述聚焦电流指令根据所述步骤43获得的第σ 1特征扫描线数学模型计算所述n点对应的所述聚焦电流指令最后由所述聚焦电流指令计算所述扫描点(x，y)的所述聚焦电流指令

优选的，所述带电粒子束加工设备进行加工工作时，所述中央控制器将所述工作平面上的所述带电粒子束的所述扫描点坐标(x，y)转换成对应的所述n相绕组励磁电流指令并计算所述扫描点坐标(x，y)对应的所述聚焦电流指令f^*，控制所述带电粒子束扫描轨迹及焦点，具体实现过程如下：

步骤61：所述中央控制器将所述带电粒子束的扫描轨迹离散化和数字化，依次得到所述扫描轨迹上有限扫描点坐标数据；

步骤62：所述中央控制器根据所述步骤3中的所述对应关系计算每个所述扫描点坐标(x，y)对应的所述n相绕组励磁电流指令根据所述步骤5的所述扫描域数学模型f^*＝ψ(x，y)依次计算所述步骤61中的每个所述扫描点对应的所述聚焦电流指令f^*，并依次存储；

步骤63：所述扫描系统根据所述步骤62中的所述n相绕组励磁电流指令控制所述带电粒子束在所述工作平面上按所述步骤61中的所述扫描点依次移动，所述聚焦系统根据所述步骤62中的所述聚焦电流指令f^*同步控制所述扫描点的聚焦电流，完成所述轨迹扫描及精确聚焦。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种带电粒子束加工设备聚焦系统校准标定方法，带电粒子束在工作平面上扫描点偏移原点的合位移与扫描装置的理想n相绕组扫描轴线上相位移的一一对应关系，由扫描装置的n相绕组扫描轴线的夹角推导n相绕组相位移数据与理想n相绕组相位移数据的关系，通过试验建立相绕组相位移数据与相绕组励磁电流的数学关系的基础上，推导出扫描点坐标与n相绕组励磁电流指令的数学模型，由励磁电流指令数学模型控制特称扫描线的点扫描，试验获得点扫描对应的精确聚焦电流指令，根据点扫描数据建立特称扫描线上扫描点坐标与聚焦电流指令的数学模型，最后由多条线数学模型推导出扫描域内扫描点坐标与聚焦电流指令的数学模型，完成校准标定工作，扫描系统将按照校准标定数据精确控制带电粒子束扫描轨迹，而聚焦系统将按照校准标定数据同步精确控制每个扫描点的聚焦。

建立n相绕组励磁电流指令与带电粒子束在对应相绕组扫描轴线上相位移的关系；并获得n相绕组扫描轴线的夹角；然后根据夹角把带电粒子束合位移的理想n相绕组扫描轴线上相位移校正成n相绕组扫描轴线上相位移；最后根据相励磁电流指令与相位移的关系、合位移与n相绕组扫描轴线上相位移的关系，建立带电粒子束合位移与n相绕组励磁电流指令的对应关系，完成校准标定工作，扫描系统将按照校准标定数据精确控制带电粒子束扫描轨迹。将多相绕组扫描装置各相扫描轴线分布不对称的复杂校正问题简化为两相扫描轴线校正问题的组合。对同一台设备运行条件发生变化，各相扫描轴线分布不对称的问题不需重新校正。

在建立n相绕组励磁电流指令与带电粒子束的扫描点坐标数据关系的过程中，首先找出扫描点精确偏移定位的方法，然后从特称扫描线的数学模型推导扫描域的数学模型，解决了多相绕组扫描装置的聚焦系统校准标定难题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的聚焦系统校准标定流程示意图；

图2附图为本发明提供的聚焦系统与扫描系统关联示意图；

图3附图为本发明提供的基于模拟圆形扫描轨迹推导聚焦电流指令数学模型用图；

图4附图为本发明提供的基于模拟正2ε边形扫描轨迹推导聚焦电流指令数学模型用图；

图5附图为本发明提供的实施例2带方向的特征扫描线示意图；

图6附图为本发明提供的实施例2第σ特征扫描线上聚焦补偿电流指令函数拟合图。

图2中：1-中央控制器，2-聚焦驱动电源，3-扫描驱动电源，4-聚焦装置，5-扫描装置，6-带电粒子束发生器，61-带电粒子束，7-工作扫描平面。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

带电粒子束加工设备中包括聚焦系统、扫描系统、带电粒子束发生器6工作平面7等，如图2所示。

扫描系统包括中央控制器1、扫描驱动电源4和扫描装置5；中央控制器1连接扫描驱动电源4，扫描驱动电源4连接扫描装置5；扫描装置5安装在带电粒子束发生器6的出口端，扫描装置5包含n相绕组；带电粒子束发生器6产生的带电粒子束61经过扫描装置6投射至工作平面7上，在工作平面上7形成扫描轨迹；扫描驱动电源7根据中央控制器1发送的n相绕组励磁电流指令产生n相励磁电流，令扫描装置5控制带电粒子束61在工作平面7上移动。

聚焦系统包括聚焦驱动电源2和聚焦装置3；中央控制器1连接聚焦驱动电源2，聚焦驱动电源2连接聚焦装置3；带电粒子束发生器6产生的带电粒子束61经过聚焦装置3后在工作平面7上汇聚成一束斑；中央控制器1通过聚焦驱动电源2控制聚焦装置3绕组励磁电流的大小，改变带电粒子束61在工作平面上束斑的大小。

扫描装置5为n(n为不小于2的整数)相绕组，调节扫描装置5的位置，使得在加工平面7上扫描装置5的第1相绕组扫描轴线与直角坐标系的x轴重合，按逆时针依次定义扫描装置5上第1相、第2、…、第n相绕组的相序号，第1相、第2、…、第n相绕组扫描轴线与x轴的夹角分别为其中扫描装置5的绕组不通电时在工作平面7上带电粒子束61的中心位置定义为带电粒子束61的原始位置，原始位置定义为工作平面7上直角坐标系的原点(0，0)，扫描装置5的绕组通电时在工作平面7上带电粒子束61中心位置的直角坐标(x，y)定义为带电粒子束61的扫描点坐标(x，y)，扫描点相对于原点(0，0)的位移定义为带电粒子束61在工作平面上7的合位移合位移的幅值为a，合位移与x轴的夹角为θ。扫描装置5的理想n相绕组轴线呈对称分布，定义第1相绕组扫描轴线、理想第1相绕组扫描轴线、x轴等三线重合，当n为奇数时，理想第1、理想第2、…、理想第n相绕组扫描轴线与x轴的夹角分别为0、当n为偶数时，理想第1、理想第2、理想第n相绕组扫描轴线与x轴的夹角分别为0、由于制造工艺制约，第i相绕组扫描轴线与x轴的夹角与理想第i相绕组扫描轴线与x轴的夹角存在偏差。定义第i(i＝1，2，…，n)相绕组励磁电流指令为对应于励磁电流指令在工作平面7上带电粒子束61的中心在第i相绕组扫描轴线上偏离原始位置的位移定义为第i相绕组扫描轴线上相位移定义λi为第i相绕组相位移数据，第i相绕组扫描轴线与x轴的夹角为则j为单位虚数；定义理想第i相绕组励磁电流指令为对应于励磁电流指令在工作平面上带电粒子束61的中心在理想第i相绕组扫描轴线上偏离原始位置的位移定义为理想第i相绕组扫描轴线上相位移定义λ'i为理想第i相绕组相位移数据，理想第i相绕组扫描轴线与x轴的夹角为则

一种带电粒子束加工设备聚焦系统校准标定方法，如图1所示，包括如下步骤：

s1：建立带电粒子束61在工作平面7上扫描点偏移原点的合位移与扫描装置6的理想n相绕组扫描轴线上相位移之间的一一对应关系

带电粒子束61在工作平面7上扫描点偏移原始(0，0)的合位移为则

获得对应关系的一种方法是将合位移按圆形扫描轨迹原则分解成理想n相绕组扫描轴线上相位移的组合，具体步骤为：将合位移的末端看作以幅值a为半径的圆形扫描轨迹上的一点，则

获得对应关系的另一方法是将合位移按正2n边形扫描轨迹原则分解成理想n相绕组扫描轴线上相位移的组合，具体步骤为：

s11：将工作平面7分成2n个扇区，每一个扇区的所占角度为扇区号从第1相扫描轴线开始按逆时针依次定义为第1扇区、第2扇区、…、第2n扇区，当n为奇数时，理想n相绕组扫描轴线为扇区的分界线，当n为偶数时，理想n相绕组扫描轴线为扇区的平分线；

s12：将合位移的末端看作正2n边形扫描轨迹上的点，合位移位于第k(k＝1，2，…，2n)扇区内，过合位移末端作第k扇区平分线的垂线，垂线与第k扇区的两分界线分别相交，两交点连线为第k扇区内正2n边形的边，正2n边形边矢量的正方向定义为逆时针旋转方向，扇区内的边矢量必平行且仅平行于1条理想n相绕组扫描轴线，与边矢量平行的理想n相绕组的扫描轴线定义为第k扇区的边矢量的平行扫描轴线，理想n相绕组的其余扫描轴线定义为第k扇区的边矢量的非平行扫描轴线；

s13：合位移与第k扇区的平分线的夹角为γ，第k扇区内合位移在理想n相绕组的非平行扫描轴线上相位移数据的幅值都相等为α，合位移在平行扫描轴线上相位移数据β与夹角γ有关，即

s14：当非平行扫描轴线正方向与第k扇区平分线的射线处在平行扫描轴线同侧，则非平行扫描轴线上相位移数据为α；当非平行扫描轴线正方向与第k扇区平分线的射线处于平行扫描轴线异侧，则非平行扫描轴线上相位移数据为-α；当第k扇区内的边矢量与平行扫描轴线方向一致时，则平行扫描轴线上相位移数据为β；当第k扇区内的边矢量与平行扫描轴线方向相反时，则平行扫描轴线上相位移数据为-β；

s2：建立扫描装置5的n相绕组相位移数据与理想n相绕组相位移数据λ'1、λ'2、…、λ'n之间的数学关系式λi＝fi(λ'1，λ'2，…，λ'n)，由数学关系式λi＝fi(λ'1，λ'2，…，λ'n)及s1中的一一对应关系推导出合位移与n相绕组扫描轴线上相位移之间的一一对应关系

s21：在工作平面7上对扫描装置5的第1、第2、…、第n相绕组分别进行单独通电扫描试验，然后检测第1、第2、…、第n相绕组扫描轴线与第1相绕组扫描轴线的夹角

s22：理想第s相绕组扫描轴线上相位移与理想第t相绕组扫描轴线上相位移可合成分位移分位移实际由第s相绕组扫描轴线上相位移与第t相绕组扫描轴线上相位移合成，即由此推导出第s相绕组相位移数据为λs、第t相绕组相位移数据为λt与理想第s相绕组相位移数据λ's、理想第t相绕组相位移数据λ't之间的关系：

s23：当n为奇数时，将理想第2、理想第3、…、理想第n相绕组扫描轴线上相位移两两合成分位移，理想第2、理想第3、…、理想第n相绕组扫描轴线上相位移都进行且仅进行一次合成，共生成个分位移则合位移由理想第1相绕组扫描轴线上相位移和个分位移组合而成，即

当n为偶数时，将理想第1、理想第2、…、理想第n相绕组扫描轴线上相位移两两合成分位移，理想第1、理想第2、…、理想第n相绕组扫描轴线上相位移都进行且仅进行一次合成，共生成个分位移则合位移由个分位移组合而成，即

s24：合位移实际由第1、第2、…、第n相绕组扫描轴线上相位移合成，即

当n为奇数时，第1相绕组扫描轴线上相位移等于理想第1相绕组扫描轴线上相位移合位移第s相绕组相位移数据λs和第t相绕组相位移数据λt由理想第s相绕组相位移数据λ's和理想第t相绕组相位移数据λ't根据s22中式(2)计算获得；

当n为偶数时，合位移第s相绕组相位移数据λs和第t相绕组相位移数据λt由理想第s相绕组相位移数据λ's和理想第t相绕组相位移数据λ't根据s22中式(2)计算获得；

s3：建立n相绕组励磁电流指令与带电粒子束61在工作平面7上扫描点坐标(x，y)的对应关系

s31：在工作平面7上对扫描装置的第1、第2、…、第n相绕组分别进行单独通电打点试验，打点试验过程第i相绕组励磁电流指令依次为-mδi^*、-(m-1)δi^*、…、-δi^*、0、δi^*、…、(m-1)δi^*、mδi^*，其中为励磁电流指令的的最大值，m为不小于2的整数，在工作平面7上获得第i相绕组扫描轴线上正负方向上各m个带电粒子束的打点痕迹及原点的打点痕迹，第i相绕组励磁电流指令由正到负依次定义打点序号为第1、第2、…、第m、第m 1、第m 2、…、第2m、第2m 1点，检测得到对应的第i相绕组相位移数据λi分别为λi1、λi2、…、λim、λi(m 1)、λi(m 2)、…、λi(2m)、λi(2m 1)，第1相、第2、…、第n相绕组打点数据列于表1；

表1

s32：s31中的第i相绕组的2m 1个扫描点第i相绕组扫描轴线上的扫描域分成正负各m个区域，在每个区域内励磁电流指令差值为δi^*，在每个区域内励磁电流指令按线性插补计算，若第i相绕组相位移数据λi在第d和第d 1点的区域内(d＝1、2、…、2m)，即λid≤λi≤λi(d 1)，则相位移数据λi对应的励磁电流指令由此分区域按线性插补计算建立了第i相绕组励磁电流指令与第i相绕组相位移数据λi之间关系的数学模型

s33：根据s2中的对应关系以及s32中的数学模型计算获得合位移对应的n相绕组励磁电流指令建立第i相绕组励磁电流指令与带电粒子束61在工作平面7上扫描点坐标(x，y)的对应关系

s4：根据s33中的对应关系控制带电粒子束61在工作平面7上定义的特征扫描线上移动，获取第σ特征扫描线上有限目标点对应的精确聚焦电流指令由目标点的聚焦电流指令建立第σ特征扫描线上聚焦电流指令与扫描点坐标(x，y)之间对应关系的特征扫描线数学模型

s41：在工作平面7上定义ε(ε为不小于2的整数)条特征扫描线，特征扫描线为过原点(0，0)的直线，且ε条特征扫描线呈对称分布，两相邻特征扫描线间的夹角为从第1相扫描轴线开始按逆时针依次定义特征扫描线序号为第1、第2、…、第ε特征扫描线，第1、第2、…、第ε特征扫描线与x轴(即第1相绕组扫描轴线)的夹角分别为ω1、ω2、…、ωε，第σ特征扫描线方程表达式如下，其中σ＝1、2、…、ε：

s42：通过试验获取第σ特征扫描线上有限点扫描点坐标(x，y)对应的聚焦电流指令具体方法为：

第σ特征扫描线上在x(或y)轴的负向和正向各取μ(μ为不小于2的整数)个目标点，加上原点则在所述第σ特征扫描线上共有2μ 1个目标点，从x(或y)轴的负向到正向定义目标点序号分别为第1、第2、…、第2μ 1目标点，按s41中的式(3)计算第τ(τ＝1，2，…，2μ 1)目标点坐标(xστ，yστ)，按s33中的对应关系计算第τ目标点(xστ，yστ)对应的n相绕组励磁电流指令其中τ＝1、2、…、2μ 1；

将金属测试板放置在带电粒子束加工设备工作室内，并令金属测试板上平面与带电粒子束61加工设备的工作平面7等高，启动带电粒子束加工设备在恒定加速电压下小束流工作，中央控制器1发出第τ目标点(xστ，yστ)的n相绕组励磁电流指令控制带电粒子束偏移到第τ目标点(xστ，yστ)，在第τ目标点调节聚焦电流指令使得带电粒子束在金属测试板上处于最佳聚焦状态，记录第τ目标点的聚焦电流指令

s43：根据s42中的第σ特征扫描线上2μ 1个目标点的聚焦电流指令建立第σ特征扫描线上聚焦电流指令与扫描点坐标(x，y)之间对应关系的数学模型

s5：根据s43中的特征扫描线数学模型由线到面建立带电粒子束61在工作平面7上扫描域内聚焦电流指令f^*与扫描点坐标(x，y)之间对应关系的扫描域数学模型f^*＝ψ(x，y)，完成带电粒子束加工设备聚焦系统校准标定工作；

采用基于模拟圆形扫描轨迹推导出面数学模型(即扫描域数学模型)f^*＝ψ(x，y)的具体实现过程为：

s511：带电粒子束61在工作平面7上的扫描点坐标(x，y)位于第σ特征扫描线上，根据s43中的特征扫描线数学模型直接计算扫描点坐标(x，y)对应的聚焦电流指令

s512：带电粒子束61在工作平面7上的扫描点坐标(x，y)位于第σ特征扫描线和第σ 1特征扫描线之间，以原点(0，0)为圆心过扫描点作圆弧，圆弧与第σ特征扫描线和第σ 1特征扫描线分别相交于p、q两点，由如图3所示的几何关系及s41中的式(3)计算p点坐标(xp，yp)和q点坐标(xq，yq)，具体计算式如表2；

表2

根据s43获得的特征扫描线数学模型计算p点对应的聚焦电流指令根据s43获得的特征扫描线数学模型计算q点对应的聚焦电流指令最后由聚焦电流指令计算扫描点的聚焦电流指令

采用基于模拟正2ε边形扫描轨迹推导出面数学模型f^*＝ψ(x，y)的具体实现过程为：

s521：带电粒子束61在工作平面7上的扫描点坐标(x，y)位于第σ特征扫描线上，根据s43中的特征扫描线数学模型直接计算扫描点坐标对应的聚焦电流指令

s522：带电粒子束61在工作平面7上的扫描点坐标(x，y)位于第σ特征扫描线和第σ 1特征扫描线之间，作由第σ特征扫描线和第σ 1特征扫描线构成的扇区的平分线，过扫描点坐标作平分线的垂线，垂线与第σ特征扫描线和第σ 1特征扫描线分别相交于m、n两点，由如图4所示的几何关系及s41中的式(3)计算m点坐标(ζm，ηm)和n点坐标(ζn，ηn)，具体计算方法为：所作垂线与x轴的夹角为所作垂线的方程表达式为当且时解方程组得到m点坐标为(x，xtanωσ)，当且时解方程组得到m点坐标为(0，y-xtanν)，当且时解方程组得到m点坐标为其中ν、ωσ不能同时等于当且时，解方程组得到n点坐标为(x，xtanωσ 1)，当且时，解方程组得到n点坐标为(0，y-xtanν)，当且时，解方程组得到n点坐标为其中ν、ωσ 1不能同时等于

根据s43获得的特征扫描线数学模型计算m点对应的聚焦电流指令根据s43获得的特征扫描轴线数学模型计算n点对应的聚焦电流指令最后由聚焦电流指令计算扫描点的聚焦电流指令

为了进一步优化上述技术方案，带电粒子束加工设备进行加工工作时，中央控制器1将工作平面7上带电粒子束61的扫描点坐标(x，y)转换成对应的n相绕组励磁电流指令并计算扫描点坐标对应的聚焦电流指令f^*，控制带电粒子束61扫描轨迹及焦点，具体实现过程如下：

s61：中央控制器1将带电粒子束61的扫描轨迹离散化和数字化，依次得到扫描轨迹上有限扫描点坐标数据；

s62：中央控制器1根据s3中的对应关系计算每个扫描点坐标(x，y)对应的n相绕组励磁电流指令根据s5的扫描域数学模型f^*＝ψ(x，y)依次计算s61中的每个扫描点对应的聚焦电流指令f^*，并依次存储；

s63：扫描系统根据s62中的n相绕组励磁电流指令控制带电粒子束61在工作平面7上按s61中的扫描点依次移动，根据s62中的聚焦电流指令f^*同步控制扫描点的聚焦电流，完成轨迹扫描及精确聚焦。

实施例1

带电粒子束加工设备的扫描装置5为n相绕组，根据s1、s2及s3建立起第i相绕组励磁电流指令与带电粒子束61在工作平面7上扫描点坐标(x，y)的对应关系为

在工作平面7上定义3条特征扫描线，特征扫描线为过原点(0，0)的直线，第1特征扫描线的方程表达式为y＝0，第2特征扫描线的方程表达式为第3特征扫描线的方程表达式为

每条特征扫描线在扫描域内的长度为2l，用11个目标点将每条特征扫描线等分成10小段，由左到右定义目标点序号为第1、第2、…、第11目标点，第σ特征线扫描上第τ目标点坐标为(xστ，yστ)，各特征扫描线上目标点坐标如表3；

表3

将金属测试板放置在带电粒子束加工设备工作室内，并令金属测试板上平面与带电粒子束加工设备的工作平面7等高，启动带电粒子束加工设备在恒定加速电压下工作，按s3中的对应关系计算第σ特征扫描线上第τ目标点坐标对应的n相绕组励磁电流指令中央控制器1发出n相绕组励磁电流指令控制带电粒子束61偏移到第τ目标点，在第τ目标点调节聚焦电流指令使得带电粒子束61在金属测试板上处于最佳聚焦状态，记录目标点的聚焦电流指令各特征扫描线上各目标点的聚焦电流指令如表4；

表4

根据表4中的第σ特征扫描线上11个目标点的聚焦电流指令按分段线性插补计算第σ特征扫描线上扫描点坐标(x，y)对应的聚焦电流指令当扫描点(x，y)位于第τ目标点和第τ 1目标点之间时，或由此建立了第σ特征扫描线上与扫描点坐标(x，y)之间对应关系的特征扫描线数学模型

根据特征扫描线数学模型及采用基于模拟圆形扫描轨迹推导出面数学模型(即扫描域数学模型)f^*＝ψ(x，y)。

实施例2

带电粒子束加工设备的扫描装置5为n相绕组，根据s1、s2及s3建立起第i相绕组励磁电流指令与带电粒子束61在工作平面7上扫描点坐标(x，y)的对应关系为

在工作平面7上定义4条带方向的特征扫描线如图5所示，特征扫描线为过原点(0，0)的直线，第1、第2、第3、第4特征扫描线与x轴的夹角ω1、ω2、ω3、ω4分别为第σ特征扫描线方程表达式为第σ特征扫描线上扫描点(x，y)相对于原点(0，0)的位移

每条特征扫描线在扫描域内的长度为2l，用21个目标点将每条特征扫描线等分成20小段，由左到右定义目标点序号为第1、第2、…、第21目标点，第σ特征线扫描上第τ目标点坐标为(xστ，yστ)，第τ目标点的位移数据为ρστ＝(0.1τ-1.1)l，令0.1l＝1，则ρστ＝τ-11；

将金属测试板放置在带电粒子束加工设备工作室内，并令金属测试板上平面与带电粒子束加工设备的工作平面7等高，启动带电粒子束加工设备在恒定加速电压下工作，按s3中的对应关系计算第σ特征扫描线上第τ目标点坐标对应的n相绕组励磁电流指令中央控制器1发出n相绕组励磁电流指令控制带电粒子束61偏移到第τ目标点，在第τ目标点调节聚焦电流指令使得带电粒子束61在金属测试板上处于最佳聚焦状态，记录目标点的聚焦电流指令各特征扫描线上各目标点的聚焦电流指令及聚焦电流指令与原点(0，0)的聚焦电流指令的差值如表5；

表5

以第σ特征扫描线的位移数据ρσ为横坐标，以第σ特征扫描线的位移数据ρσ对应的聚焦电流指令与原点(0，0)的聚焦电流指令的差值为纵坐标，建立直角坐标系，将表5中第σ特征扫描线数据描绘在直角坐标系上，随着ρστ的绝对值增加而单调增加，且增加的斜率随ρστ的绝对值增大而增大，用二阶函数拟合聚焦电流指令偏差与位移数据ρσ的数学关系(即偏差数学模型)正负方向分别拟合，如图6所示，第σ特征扫描线的偏差数学模型为

偏差数学模型中的参数aσ 、bσ 计算过程如下：

将表5中τ＝12，13时的数据分别代入得解方程组解方程组得aσ 、bσ 的一组解为记为第1组解a1σ 、b1σ ；同理由表5中τ＝14，15时的数据得到第2组解a2σ 、b2σ ；由表5中τ＝16，17时的数据得到第3组解a3σ 、b3σ ；由表5中τ＝18，19时的数据得到第4组解a4σ 、b4σ ；由表5中τ＝20，21时的数据得到第5组解a5σ 、b5σ ；

参数aσ 、bσ 由5组解按加权平均值求得，即

用相同的方法计算参数aσ-、bσ-，计算过程如下：

将表5中τ＝10，9时的数据分别代入得解方程组解方程组得aσ-、bσ-的一组解为记为第1组解a1σ-、b1σ-；同理由表5中τ＝8，7时的数据得到第2组解a2σ-、b2σ-；由表5中τ＝6，5时的数据得到第3组解a3σ-、b3σ-；由表5中τ＝4，3时的数据得到第4组解a4σ-、b4σ-；由表5中τ＝2，1时的数据得到第5组解a5σ-、b5σ-；

参数aσ-、bσ-由5组解按加权平均值求得，即

由此建立了第σ特征扫描线上的偏差数学模型

根据第σ特征扫描线的及推导出及当位移与第σ特征扫描线同向时，位移数据当位移与第σ特征扫描线反向时，位移数据然后将第σ特征扫描线的偏差数学模型转换成对应的特征扫描线数学模型

根据特征扫描线数学模型及采用基于模拟正4边形扫描轨迹推导出面数学模型(即扫描域数学模型)f^*＝ψ(x，y)。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：

1.一种带电粒子束加工设备聚焦系统校准标定方法，其特征在于，包括如下具体步骤：

步骤1：建立带电粒子束(61)在工作平面(7)上扫描点偏移原点的合位移与扫描装置(5)的理想n相绕组扫描轴线上相位移之间的一一对应关系

步骤2：建立所述扫描装置(5)的n相绕组相位移数据λ1、λ2、…、λn与理想n相绕组相位移数据λ'1、λ'2、…、λ'n之间的数学关系式λi＝fi(λ'1，λ'2，…，λ'n)，由所述数学关系式λi＝fi(λ'1，λ'2，…，λ'n)及所述步骤1中的所述对应关系推导出所述合位移与n相绕组扫描轴线上相位移之间的一一对应关系

步骤3：建立所述扫描装置(5)的n相绕组励磁电流指令与所述带电粒子束(61)在所述工作平面(7)上扫描点坐标(x，y)的对应关系

步骤4：根据所述步骤3中的所述对应关系控制所述带电粒子束(61)在所述工作平面(7)上定义的特征扫描线上移动，获取第σ特征扫描线上有限目标点对应的聚焦电流指令由所述目标点的所述聚焦电流指令建立所述第σ特征扫描线上所述聚焦电流指令与所述扫描点坐标(x，y)之间对应关系的特征扫描线数学模型

步骤5：根据所述步骤4中的所述特征线扫描线数学模型由线到面建立所述带电粒子束(61)在所述工作平面(7)上扫描域内所述聚焦电流指令f^*与所述扫描点坐标(x，y)之间对应关系的扫描域数学模型f^*＝ψ(x，y)，从而完成所述带电粒子束加工设备聚焦系统校准标定工作。

2.根据权利要求1所述的带电粒子束加工设备聚焦系统校准标定方法，其特征在于，所述扫描系统包括中央控制器(1)、扫描驱动电源(4)和所述扫描装置(5)；所述中央控制器(1)连接所述扫描驱动电源(4)，所述扫描驱动电源(4)连接所述扫描装置(5)；所述扫描装置(5)安装在带电粒子束发生器(6)的出口端，所述扫描装置(5)包含n相绕组；所述带电粒子束发生器(6)产生的所述带电粒子束(61)经过所述扫描装置(5)投射至所述工作平面(7)上，在所述工作平面(7)上形成扫描轨迹；所述扫描驱动电源(4)根据所述中央控制器(1)发送的所述n相绕组励磁电流指令产生n相励磁电流，令所述扫描装置(5)控制所述带电粒子束(61)在所述工作平面(7)上移动。

3.根据权利要求2所述的带电粒子束加工设备聚焦系统校准标定方法，其特征在于，所述聚焦系统包括聚焦驱动电源(2)和聚焦装置(3)；所述中央控制器(1)连接所述聚焦驱动电源(2)，所述聚焦驱动电源(2)连接所述聚焦装置(3)；所述带电粒子束发生器(6)产生的所述带电粒子束(61)经过所述聚焦装置(3)后在所述工作平面(7)上汇聚成一束斑；所述中央控制器(1)通过所述聚焦驱动电源(3)控制所述聚焦装置(3)绕组励磁电流的大小，改变所述带电粒子束(61)在所述工作平面(7)上所述束斑的大小。

4.根据权利要求1所述的带电粒子束加工设备聚焦系统校准标定方法，其特征在于，所述步骤1中所述带电粒子束(61)在所述工作平面(7)上所述扫描点(x，y)偏移原点(0，0)的合位移为则

获得所述合位移与所述理想n相绕组扫描轴上相位移的所述一一对应关系的方法，是将所述合位移按圆形扫描轨迹原则或按正2n边形扫描轨迹原则分解成所述理想n相绕组扫描轴线上相位移的组合。

5.根据权利要求1所述的带电粒子束加工设备聚焦系统校准标定方法，其特征在于，所述步骤2的具体实现过程如下：

步骤21：在所述工作平面(7)上对所述扫描装置(5)的所述第1、第2、…、第n相绕组分别进行单独通电扫描试验，然后检测所述第1、第2、…、第n相绕组扫描轴线与所述第1相绕组扫描轴线的夹角

步骤22：理想第s相绕组扫描轴线上相位移与理想第t相绕组扫描轴线上相位移可合成分位移s＝1、2、…、n，t＝1、2、…、n，且s≠t，所述分位移实际由第s相绕组扫描轴线上相位移与第t相绕组扫描轴线上相位移合成，则由此得出第s相绕组相位移数据λs、第t相绕组相位移数据λt与理想第s相绕组相位移数据λ's、理想第t相绕组相位移数据λ't之间的关系：

步骤23：当n为奇数时，将所述理想第2、理想第3、…、理想第n相绕组扫描轴线上相位移两两合成分位移，所述理想第2、理想第3、…、理想第n相绕组扫描轴线上相位移都进行且仅进行一次合成，共生成个所述分位移则所述合位移由所述理想第1相绕组扫描轴线上相位移和个所述分位移组合而成，表达式为

当n为偶数时，将所述理想第1、理想第2、…、理想第n相绕组扫描轴线上相位移两两合成分位移，所述理想第1、理想第2、…、理想第n相绕组扫描轴线上相位移都进行且仅进行一次合成，共生成个所述分位移则所述合位移由个所述分位移组合而成，表达式为

步骤24：所述合位移实际由所述第1、第2、…、第n相绕组扫描轴线上相位移合成，表达式为

当n为奇数时，所述第1相绕组扫描轴线上相位移等于所述理想第1相绕组扫描轴线上相位移所述合位移所述第s相绕组相位移数据λs和所述第t相绕组相位移数据λt由所述理想第s相绕组相位移数据λ's和所述理想第t相绕组相位移数据λ't根据所述步骤22中式(2)计算获得；

当n为偶数时，所述合位移所述第s相绕组相位移数据λs和所述第t相绕组相位移数据λt由所述理想第s相绕组相位移数据λ's和所述理想第t相绕组相位移数据λ't根据所述步骤22中式(2)计算获得。

6.根据权利要求1所述的带电粒子束加工设备聚焦系统校准标定方法，其特征在于，所述步骤3的具体实现过程如下：

步骤31：在所述工作平面(7)上对所述扫描装置(5)的所述第1、第2、…、第n相绕组分别进行单独通电打点试验，所述打点试验过程中所述第i相绕组励磁电流指令包括m个正指令、零指令和m个负指令，m为不小于2的整数，在所述工作平面(7)上获得第i相绕组扫描轴线上正负方向上各m个所述带电粒子束的打点痕迹及所述原点的打点痕迹，测量所述第1相、第2、…、第n相绕组对应的m个所述励磁电流正指令和m个所述励磁电流负指令对应的2m个打点痕迹中心相对于所述原点的2m个相位移数据，并记录；

步骤32：根据所述步骤31中的所述第i相绕组的2m个所述相位移数据，建立所述第i相绕组励磁电流指令与所述第i相绕组相位移数据λi之间关系的数学模型

步骤33：根据所述步骤2中的所述对应关系以及所述步骤32中的所述数学模型计算获得所述合位移对应的所述n相绕组励磁电流指令建立所述第i相绕组励磁电流指令与所述带电粒子束(61)在所述工作平面(7)上所述扫描点坐标(x，y)的对应关系

7.根据权利要求2所述的带电粒子束加工设备聚焦系统校准标定方法，其特征在于，所述步骤4的具体实现过程如下：

步骤41：在所述工作平面(7)上定义ε条所述特征扫描线，ε为不小于2的整数，所述特征扫描线为过所述原点(0，0)的直线，且ε条所述特征扫描线呈对称分布，两相邻所述特征扫描线间的夹角为从所述第1相绕组扫描轴线开始按逆时针依次定义所述特征扫描线序号为第1、第2、…、第ε特征扫描线，所述第1、第2、…、第ε特征扫描线与所述第1相绕组扫描轴线的夹角分别为ω1、ω2、…、ωε，第σ特征扫描线方程表达式如下，其中σ＝1、2、…、ε：

步骤42：通过试验获取所述第σ特征扫描线上有限点所述扫描点坐标(x，y)对应的所述聚焦电流指令具体方法为：

在所述第σ特征扫描线上x轴或y轴的负向和正向各取μ个目标点，所述μ为不小于2的整数，加上原点(0，0)则在所述第σ特征扫描线上共有2μ 1个目标点，从所述x轴或所述y轴的负向到正向定义所述目标点序号分别为第1、第2、…、第2μ 1目标点，根据所述步骤41中的式(3)计算所述第τ目标点坐标(xστ，yστ)，根据所述步骤3中的所述对应关系计算所述第τ目标点(xστ，yστ)对应的所述n相绕组励磁电流指令其中τ＝1、2、…、2μ 1；

将金属测试板放置在所述带电粒子束加工设备工作室内，并令所述金属测试板上平面与所述工作平面(7)等高，启动所述带电粒子束加工设备在恒定加速电压下小束流工作，所述中央控制器(1)发出所述第τ目标点(xστ，yστ)对应的所述n相绕组励磁电流指令控制所述带电粒子束(61)偏移到所述第σ特征扫描线上的所述第τ目标点(xστ，yστ)，在所述第τ目标点调节所述聚焦电流指令使得所述带电粒子束(61)在金属测试板上处于最佳聚焦状态，记录所述第τ目标点的所述聚焦电流指令

步骤43：根据步骤42中的所述第σ特征扫描线上2μ 1个所述目标点的所述聚焦电流指令建立所述第σ特征扫描线上聚焦电流指令与所述扫描点坐标(x，y)之间对应关系的所述特征扫描线数学模型

8.根据权利要求7所述的带电粒子束加工设备聚焦系统校准标定方法，其特征在于，所述步骤5中的基于模拟圆形扫描轨迹由所述步骤4中的所述特征扫描线数学模型推导出所述扫描域数学模型f^*＝ψ(x，y)的具体实现过程为：

步骤511：所述带电粒子束(61)在所述工作平面(7)上的所述扫描点坐标(x，y)位于所述第σ特征扫描线上，根据所述步骤4中的所述特征扫描线数学模型直接计算所述扫描点坐标(x，y)对应的所述聚焦电流指令

步骤512：所述带电粒子束(61)在所述工作平面(7)上的所述扫描点坐标(x，y)位于所述第σ特征扫描线和第σ 1特征扫描线之间，以所述原点(0，0)为圆心过所述扫描点(x，y)作圆弧，所述圆弧与所述第σ特征扫描线和所述第σ 1特征扫描线分别相交于p、q两点，由几何关系及所述步骤41中的式(3)计算所述p点坐标(xp，yp)和所述q点坐标(xq，yq)，根据所述步骤4获得的第σ特征扫描线数学模型计算所述p点对应的所述聚焦电流指令根据所述步骤4获得的第σ 1特征扫描线数学模型计算所述q点对应的所述聚焦电流指令最后由所述聚焦电流指令计算所述扫描点(x，y)的所述聚焦电流指令

9.根据权利要求7所述的带电粒子束加工设备聚焦系统校准标定方法，其特征在于，所述步骤5中的基于模拟正2ε边形扫描轨迹由所述步骤4中的所述特征扫描线数学模型推导出所述扫描域数学模型f^*＝ψ(x，y)的具体实现过程为：

步骤521：所述带电粒子束(61)在所述工作平面(7)上的所述扫描点坐标(x，y)位于所述第σ特征扫描线上，根据所述步骤4中的所述特征扫描线数学模型直接计算所述扫描点坐标(x，y)对应的所述聚焦电流指令

步骤522：所述带电粒子束(61)在所述工作平面(7)上的所述扫描点坐标(x，y)位于所述第σ特征扫描线和第σ 1特征扫描线之间，作由所述第σ特征扫描线和所述第σ 1特征扫描线构成的扇区的平分线，过所述扫描点坐标(x，y)作所述平分线的垂线，所述垂线与所述第σ特征扫描线和所述第σ 1特征扫描线分别相交于m、n两点，由几何关系及所述步骤41中的式(3)计算所述m点坐标(xm，ym)和所述n点坐标(xn，yn)，根据所述步骤4获得的第σ特征扫描线数学模型计算所述m点对应的所述聚焦电流指令根据所述步骤4获得的第σ 1特征扫描线数学模型计算所述n点对应的所述聚焦电流指令最后由所述聚焦电流指令计算所述扫描点(x，y)的所述聚焦电流指令

10.根据权利要求1所述的带电粒子束加工设备聚焦系统校准标定方法，其特征在于，所述带电粒子束加工设备进行加工工作时，所述中央控制器(1)将所述工作平面(7)上的所述带电粒子束(61)的所述扫描点坐标(x，y)转换成对应的所述n相绕组励磁电流指令并计算所述扫描点坐标(x，y)对应的所述聚焦电流指令f^*，控制所述带电粒子束(61)扫描轨迹及焦点，具体实现过程如下：

步骤61：所述中央控制器(1)将所述带电粒子束(61)的扫描轨迹离散化和数字化，依次得到所述扫描轨迹上有限扫描点坐标数据；

步骤62：所述中央控制器(1)根据所述步骤3中的所述对应关系计算每个所述扫描点坐标(x，y)对应的所述n相绕组励磁电流指令根据所述步骤5的所述扫描域数学模型f^*＝ψ(x，y)依次计算所述步骤61中的每个所述扫描点对应的所述聚焦电流指令f^*，并依次存储；

步骤63：所述扫描系统根据所述步骤62中的所述n相绕组励磁电流指令控制所述带电粒子束(61)在所述工作平面(7)上按所述步骤61中的所述扫描点依次移动，所述聚焦系统根据所述步骤62中的所述聚焦电流指令f^*同步控制所述扫描点的聚焦电流，完成所述轨迹扫描及精确聚焦。

技术总结
本发明提供了一种带电粒子束加工设备聚焦系统校准标定方法，通过建立带电粒子束扫描点合位移与扫描装置的理想n相绕组扫描轴线上相位移的一一对应关系、校正相绕组扫描线偏差、试验建立相绕组相位移数据与相绕组励磁电流的数学关系，推导出扫描点坐标与n相绕组励磁电流指令的数学模型，由励磁电流指令数学模型控制特征扫描线的点扫描，获得点扫描对应的精确聚焦电流指令，建立特征扫描线上扫描点坐标与聚焦电流指令的数学模型，最后推导出扫描域内扫描点坐标与聚焦电流指令的数学模型，完成校准标定工作，扫描系统将按照校准标定数据精确控制带电粒子束扫描轨迹，而聚焦系统将按照校准标定数据同步精确控制每个扫描点的聚焦。

技术研发人员：黄小东;韦寿祺;费翔;张彤;董阳;黄国华;梁祖明;郭文明;唐强
受保护的技术使用者：桂林狮达技术股份有限公司
技术研发日：2020.01.17
技术公布日：2020.06.09