專利名稱：適用于加工多光子可固化光反應性組合物的光學系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光學系統(tǒng)，更具體地講，本發(fā)明涉及一種適于用 在使用可光致固化材料的制造方法中的光學系統(tǒng)。
背景技術：
在一些多光子固化方法中，例如以全文引用方式并入本文的美國專利No.6,855,478中所述的方法，包括多光子可固化光反應性組合物 的材料層被涂敷到基底(如，硅晶片)上，然后使用如激光束之類的 輻射能聚焦源對其選擇性地固化。多光子固化技術可以用于制造二維 和/或三維(3D)的微結構和納米結構。在一種制造技術中，當近紅外光(NIR)輻射脈沖激光束聚焦到工程 光聚樹脂上時，會形成體素。樹脂內的非線性相互作用過程將部分該 NIR輻射轉化為較短的波長，從而使該激光束焦點附近的樹脂固化， 其中NIR輻射的兩個光子基本上被同時吸收。這種樹脂固化可以稱為 "光聚合"，并且這種方法可以稱為"雙光子光聚合"方法。這種樹脂 的光聚合不會在那些暴露于強度不足的NIR輻射部分的樹脂區(qū)域發(fā) 生，因為樹脂在那些區(qū)域不吸收NIR輻射?？梢酝ㄟ^控制激光束焦點在三維(即x軸、y軸和z軸方向)上相 對于樹脂的位置，而使用多光子光聚合方法一個體素一個體素地構造 3D結構。發(fā)明內容本文所述的光學系統(tǒng)將多個細光束導向到圖像平面上，其中每個 細光束可以在該圖像平面的單個子域中被掃描。可以將該光學系統(tǒng)結合應用在多光子光聚合方法中，來并行制造多個可用于商業(yè)應用的二 維(2D)和/或三維(3D)結構。具體地講，可以將多個細光束導向到多光 子可固化光反應型樹脂層上，來并行制造多個尺寸基本相同的體素。 這樣，該光學系統(tǒng)就可用于使多光子制造方法的產量提高與陣列中細 光束個數(例如，幾十、幾百或幾千)大致相等的系數。該光學系統(tǒng) 采用了一個分束器裝置，分束器裝置能夠從一個或多個入射光束生成 多個細光束，其中這些細光束具有基本相等的能量(即強度)，并且還 可具有基本相等的脈沖寬度。在一個實施例中，通過反復分離入射光 束來形成細光束。本發(fā)明的光學系統(tǒng)還可以包括其他光學部件，例如 多個用于精確掃描光敏樹脂層內的細光束的導引反射鏡。在一個實施例中，本發(fā)明涉及一種制造系統(tǒng)，其包括光源，用 于提供近紅外光束；分束器系統(tǒng)，用于將光束至少分離成第一細光束 和第二細光束；多光子可固化光反應性組合物層；以及物鏡，其限定 該層視場；該視場至少包括第一子域和第二子域。第一和第二細光束 具有基本相等的能量。由物鏡所限定的視場的第一子域限定第一細光 束的第一掃描區(qū)域，并且第二子域限定第二細光束的第二掃描區(qū)域。在另一個實施例中，本發(fā)明涉及一種光學系統(tǒng)，其包括光源， 用于提供光束；分束器系統(tǒng)，用于將光束分離成至少(2"-l)個細光束， 這些細光束包含基本相等的能量以及在一些實施例中，基本相等的光 學路徑長度)；以及物鏡，其限定圖像平面的視場，該視場包括多個 子域，其中所述多個子域中的至少一個限定至少一個所述細光束的掃 描區(qū)域。所述分束器包括分束器以及與該分束器光學接觸的(2n-2)個棱 鏡°在又一個實施例中，本發(fā)明涉及一種方法，包括提供其上具有 包括多光子可固化光反應性組合物的層的基底，通過光學系統(tǒng)將具有 基本相等能量的至少兩個細光束施加到該層上。該光學系統(tǒng)包括分束 器裝置，該分束器裝置包括用于將光束分離成至少兩個能量基本相等的細光束的分束器系統(tǒng)，以及用于在該層單個子域內掃描細光束中的 每束的細光束掃描系統(tǒng)。該方法還包括使用細光束選擇性地固化所述 層在每個子域內的區(qū)域。在附圖和下文的說明中示出了本發(fā)明的一個或多個實施例的細 節(jié)。本發(fā)明的其他特征、目的和優(yōu)點從說明書、附圖及權利要求書中 將顯而易見。


圖1A為根據本發(fā)明的一個實施例的光學系統(tǒng)的框圖。 圖1B為一個光學系統(tǒng)的示意圖，該光學系統(tǒng)是圖1A所示光學系 統(tǒng)的一個實施例。圖2為一個微透鏡陣列的示意性剖視圖，該陣列可以結合到圖1B 的光學系統(tǒng)中。圖3A示出圖1B中光學系統(tǒng)的聚焦透鏡的視場的示意圖，其中該 視場位于基本平行于圖像平面的x-y平面的x-y平面上。圖3B示出圖3A中視場的示意圖，其中視場和子域發(fā)生位移。圖3C示出聚焦透鏡的視場的另一個實施例。圖3D為示出多個細光束在樹脂層內的焦點強度與由對應細光束 所形成的體素尺寸之間關系的坐標圖。圖3E為示出聚焦到樹脂層的多個細光束的示意性剖視圖。圖4為可以結合到圖1A的光學系統(tǒng)中的分束器裝置的一個實施例 的透視圖。圖5A為結合了圖1B中的分束器裝置的分束器系統(tǒng)的一個實施例 的示意圖。圖5B為圖4和圖5A中分束器裝置的示意性剖視圖，其中入射光 束穿過該分束器裝置傳播。圖6為可以結合到圖1A的光學系統(tǒng)中的分束器裝置的另一個實施 例的透視圖。圖7A為結合了圖6中的分束器裝置的分束器系統(tǒng)的另一個實施例的示意圖。圖7B為圖6和圖7A中分束器裝置的示意性剖視圖，其中入射光 束穿過分束器裝置傳播。
具體實施方式
圖1A為根據本發(fā)明的一個實施例的光學系統(tǒng)1的框圖，該系統(tǒng)包 括光束源2、分束器4、細光束定位系統(tǒng)6、物鏡8和工件10。光束源 2產生光束，例如平行或會聚的激光束等，分束器4將該光束分離成多 個具有基本相等能量(即強度)和基本相等脈沖寬度的細光束?？梢?形成偶數或奇數個細光束，并且分束器4可以將入射激光束分離成任 意適當數量的細光束，例如幾十個、幾百個或幾千個細光束。"細光 束"通常指通過分離另一個光束所形成的激光束。在一個實施例中， 細光束是通過反復分離入射光束來形成的。可以結合到光學系統(tǒng)1中 的合適分束器實例在下文以及No.ll/531870 ( 3M代理人案巻號 62110US002)的美國專利申請中進行描述，該專利申請與本公開同日 提交，其全文并入本文。細光束定位系統(tǒng)6可根據光學系統(tǒng)1的具體構造以及所期望的細 光束傳播方向，沿x軸、y軸和/或z軸方向掃描來自分束器4的細光 束。如下面參照圖1B所描述的，細光束定位系統(tǒng)6還可以包括諸如多 個用于精確引導由分束器4所形成的細光束的傾斜角度的導引反射鏡 等光學元件。細光束定位系統(tǒng)6還可以用物鏡8，在一個實施例中，通 過物鏡8的光瞳來聚焦/對準細光束。光學系統(tǒng)1可以用于在光學制造方法中實施，例如多光子光聚合 制造方法，在這種情況下，工件IO可以是一層光敏樹脂(如，多光子 可固化光反應性組合物)。合適的多光子可固化光反應性組合物實例 在名稱為"加工多光子可固化光反應性組合物的方法與裝置"(METHOD AND APPARATUS FOR PROCESSING MULTIPHOTON CURABLE PHOTREACTIVE COMPOSITIONS )的美國專利申請No.60/752，529和美國專利申請No.11/313,482中有所描述，二者全文均 以引用的方式并入本文。當實施到光學制造方法中時，光學系統(tǒng)1的物鏡8用于將具有基 本相等能量和光學路徑的多個細光束導向到樹脂IO的層中，以選擇性 地固化樹脂10的區(qū)域，從而在樹脂10的層內制造多個尺寸基本相等 的體素。這樣，由于多個細光束可用于并行制造多個結構，無論結構 包括重復圖案或非重復圖案，光學系統(tǒng)1就可以提高多光子制造方法 的產量，提高的系數大致等于陣列中細光束的數量(例如幾百或幾千)。 在一個實施例中，這些結構基本上相似，而在另一個實施例中，這些 結構不相似。在又一個實施例中，來自光學系統(tǒng)1的兩個或多個細光 束可用于制造單一結構。對于相對較大的結構，同使用單一細光束制 造該結構的方法相比，使用一個或更多細光束制造單一結構可以縮短 制造時間。圖1B為光學系統(tǒng)13的示意圖，該系統(tǒng)是圖1A中光學系統(tǒng)1的 一個實施例。光學系統(tǒng)13包括激光束源14、色散補償部分16、分束 器系統(tǒng)18、反射鏡20、微透鏡陣列21、 Z軸望遠鏡22、第一導引反射 鏡24、第一中繼器26、第二導引反射鏡28、第二中繼器30和聚焦透 鏡32。圖1A中的分束器4可以包括分束器系統(tǒng)18，而且圖1A中的物 鏡8可以是聚焦透鏡32。圖1A中的細光束定位系統(tǒng)6可以包括z軸望 遠鏡22、第一導引反射鏡24、第一中繼器26、第二導引反射鏡28和 第二中繼器30。光學系統(tǒng)13產生多個聚焦激光細光束36A-36D，這些細光束聚焦 在樹脂34的層上并選擇性地固化該樹脂34的層。光學系統(tǒng)13可以封 閉在環(huán)境受控的環(huán)境中，以控制光學系統(tǒng)13運行之處的灰塵量和/或溫 度。細光束36A-36D穿過光學系統(tǒng)13通過基本相等的光學路徑長度。 一般來講，穿過光學系統(tǒng)13的"光學路徑"是一個或多個激光束(或 細光束)從激光束源14到聚焦透鏡32的路徑。與光學系統(tǒng)1 一樣，光學系統(tǒng)13可以用于在光學制造方法中實施，例如多光子光聚合制造 方法，在這種情況下，樹脂34層可以是光敏樹脂(如多光子可固化光 反應性組合物)層，其多個區(qū)域可選擇性地被多個聚焦的激光細光束
36A-36D基本上同時固化。
在一個實施例中，樹脂34的層中的適當多光子可固化光反應性組 合物包括至少一種能夠發(fā)生酸或自由基引發(fā)的化學反應的活性物質， 以及多光子引發(fā)劑系統(tǒng)。使用具有適當波長和足夠光強("閾值強度") 的細光束36A-36D對樹脂34層的區(qū)域進行成像照射，可導致多光子引 發(fā)劑系統(tǒng)中發(fā)生雙光子吸收，這將在暴露于光的層區(qū)域引起活性物質 發(fā)生酸或自由基引發(fā)的化學反應，其中光的強度可以是(例如)來自 細光束36A-36D的近紅外光(NIR)強度。這種化學反應使暴露于細光束 36A-36D的樹脂34的層區(qū)域發(fā)生可檢測的化學或物理特性變化?？蓹z 測的變化的實例包括(例如)交聯、聚合、和/或與光反應性組合物暴 露之前相比溶解度的變化(例如，在特定溶劑中的溶解度更小或更大)。 本文將任何這些可檢測的變化的出現稱為固化，并且這種固化持續(xù)到 固化物形成為止。固化步驟可以發(fā)生在樹脂34層內的任何區(qū)域。該固 化步驟之后，樹脂34層可以選擇性地通過移除該層的非固化部分或者 從該層上移除固化物本身而獲得固化物來形成。
在光學系統(tǒng)13的其他應用中，圖像平面可以由另一種材料或另一 類型的圖像平面(如，被測量的表面)構成。此外，術語"平面"并 非意圖將圖像平面限制為基本平坦的表面。雖然本文參照雙光子光聚 合系統(tǒng)描述光學系統(tǒng)13，但在其他實施例中，光學系統(tǒng)13可以實施到 其他多光子光聚合系統(tǒng)和其他光學系統(tǒng)中，以利用可光致固化型材料 制造2D或3D結構。
在圖1B的實施例中，激光束源14以一系列脈沖輸出激光束36， 這些脈沖的脈沖寬度相對較短(例如小于約200飛秒(fs)，但也可以具 體根據光學系統(tǒng)13的應用和需求采用其他脈沖寬度)。激光束源14可以是(例如)飛秒級激光束發(fā)生器，或者可以是短相干光源(例如 平行弧燈)。在替代實施例中，激光束源14可以是會聚激光束發(fā)生器。 在又一個實施例中，可以用其他適合的輻射能量源代替激光束源14。 此外，光學系統(tǒng)13可以包括一個以上激光束源14。例如，可能需要不
止一個激光束源14 (或其他輻射能量源)，以實現每個細光束36A-36D 的特定功率級別(例如，0.5瓦特/細光束36A-36D)。另外的激光束源 可以設置在鄰近激光束源14或相對激光束源14成任何關系的位置處。 例如，可以將不止一個激光束源設置在色散補償系統(tǒng)16的"上游"， 使得從多個激光束源發(fā)出的多個激光束在穿過色散補償系統(tǒng)16之前會 聚。作為另外一種選擇，激光束源14可以輸出不止一個激光束36。
激光束36離開激光束源14之后，定位反射鏡15定位激光束36。 在替代實施例中，可以使用不止一個定位反射鏡15來定位激光束36， 具體取決于激光束36的期望傳播方向。在其他替代實施例中，可以在 光學系統(tǒng)13中去除定位反射鏡15，這樣激光束36可以不改變方向傳 播到色散補償系統(tǒng)16。可以根據光學系統(tǒng)13的設計和激光束36離開 激光束源14之后的期望傳播方向來修改一個或多個定位反射鏡15的 構造。
激光束36穿過色散補償系統(tǒng)16，以使激光束36重新成形并且補 償當激光束36穿過光學系統(tǒng)13所產生的一些色散。例如，在一些情 況下，可能需要在整個光學系統(tǒng)13所限定的光學路徑上相對較短的脈 沖寬度。然而，由于可能會從分束器系統(tǒng)18、微透鏡陣列21、中繼器 26和30之類的光學元件(例如，棱鏡、透鏡、反射鏡等)產生一些伴 隨色散，激光束36的脈沖寬度可能會偏離期望的脈沖寬度范圍。色散 補償系統(tǒng)16可以沿光學系統(tǒng)13設置在樹脂34層之前的任何位置。此 外，在一些實施例中，光學系統(tǒng)13可以不包括色散補償系統(tǒng)16。
穿過色散補償系統(tǒng)16之后，激光束36穿過分束器系統(tǒng)18，該分 束器系統(tǒng)18將激光束36分離為具有基本相等能量的多個細光束36A、36B、 36C和36D，并且這些細光束通過基本相等的光學路徑長度。盡 管圖IB中示出了四個細光束36A-36D，但在其他實施例中，分束器系 統(tǒng)18可以將激光束36分離成任意偶數或奇數個細光束，例如五個、 八個、十六個、三十二個等等。此外，分束器系統(tǒng)18可以將激光束36 分離成任意適當數量的細光束，例如幾十、幾百或幾千個細光束。圖 5A和7A中示出適合的激光分束器系統(tǒng)18的實例實施例。
分束器系統(tǒng)18包括分束器裝置18A和聚焦部分18B。分束器裝置 18A將入射激光束36分離成細光束36A-36D，而聚焦部分18B將細光 束36A-36D排列成線性的細光束陣列。在替代實施例中，聚焦部分18B 可以將細光束36A-36D排列成任意適當的構造，例如2D陣列或不規(guī) 則排列。在一個實施例中，可以通過吸收(例如)奇數個細光束36A-36D 來獲得奇數個細光束。例如，可以用涂覆有適用于吸收細光束的導熱 材料的黑色金屬板來吸收細光束36A。分束器裝置18A和聚焦部分18B 的實例如圖4 (分束器裝置100和聚焦部分153)和圖6 (分束器裝置 300和聚焦部分356)所示。在替代實施例中，光學系統(tǒng)13可以包括 不止一個分束器系統(tǒng)。例如，可以在圖1B所示實施例中的分束器系統(tǒng) 18之后有第二分束器系統(tǒng)，以將每個細光束36A-36D進一步分離為一 個或多個細光束。
細光束36A-36D離開分束器系統(tǒng)18后，細光束36A-36D在反射 鏡20處反射并轉動約90° ，同時保持線性陣列構造。根據光學系統(tǒng) 13的構造和期望的細光束36A-36D的方向，細光束36A-36D也可以離 開分束器系統(tǒng)18不轉動約90°而穿過z軸望遠鏡22傳播，或者作為另 外一種選擇，細光束36A-36D可以在不止一個反射鏡20處反射或以其 他角度改變方向。細光束36A-36D的線性陣列移動通過微透鏡陣列21， 微透鏡陣列21聚焦并使細光束36A-36D成形。
圖2為微透鏡陣列21的示意性剖視圖。微透鏡陣列21包括布置 為線性陣列的四個微透鏡42、 44、 46和48。每一個微透鏡42、 44、46和48的表面可以是球面，以使每一個細光束36A-36D成形，從而 實現所需的輻照度。例如，微透鏡陣列21可以生成會聚的細光束 36A-36D。微透鏡42、 44、 46和48均可以由熔融二氧化硅或任何其他 合適的光學材料制成。優(yōu)選地，該光學材料為低色散、高熱穩(wěn)定性材 料。在圖2所示的實施例中，微透鏡陣列21被布置成使得每一個微透 鏡42、 44、 46和48接收細光束36A、 36B、 36C或36D中的一個，因 此，微透鏡42、 44、 46和48被布置為與細光束36A-36D相同的線性 陣列構造。例如，細光束36A可以移動通過微透鏡42，細光束36B可 以移動通過微透鏡44，細光束36C可以移動通過微透鏡46，細光束36D 可以移動通過微透鏡48。
在替代實施例中，微透鏡陣列21包括以任何合適的構造布置的任 何適當數量的微透鏡。通常，由分束器裝置18形成的細光束36A-36D 的數量與微透鏡陣列21中微透鏡的數量相等。此外，這些微透鏡通常 以與細光束36A-36D相同的構造布置。例如，如果從分束器系統(tǒng)18發(fā) 射出一個多行和列的十六個細光束組成的2D陣列，那么微透鏡陣列 21將通常包括以相似行和列構造布置的十六個微透鏡組成的2D陣列， 以使每個微透鏡與細光束光學對準。當細光束與微透鏡"光學對準" 時，細光束被對準以穿過微透鏡。然而，在其他替代實施例中，微透 鏡(如，微透鏡42、 44、 46或46)可以接收并聚焦不止一個細光束。 在又一個替代實施例中，微透鏡陣列21可從光學系統(tǒng)13中去除。例 如，如果激光束源14輸出會聚光束，那么當激光束36和細光束36A-36D 穿過分束器系統(tǒng)18時，激光細光束36A-36D可被充分聚焦，因而可以 不需要微透鏡陣列21。
現在回到圖1B，細光束36A-36D穿過微透鏡陣列21之后，穿過 z軸望遠鏡22?？梢酝ㄟ^控制細光束焦點在三維方向(即x軸、y軸 和z軸方向)上相對于樹脂34層的位置，在樹脂34層內一個體素一個 體素地構造3D結構。為說明起見，圖1B中提供了互相正交的x-z軸。 z軸望遠鏡22調整細光束36A-36D相對于樹脂34層的z軸位置。除非另外指明，z軸望遠鏡22在z軸方向"掃描"細光束36A-36D。例如， 計算機化設備可以控制z軸望遠鏡22來調整細光束36A-36D在樹脂 34層內的z軸位置。當調整細光束36A-36D的z軸位置時，光束36A-36D 中的每一個的焦點同樣在樹脂34內沿z軸方向移動。如果需要，細光 束36A-36D可以調整為具有適當的波長和強度，使得細光束36A-36D 在其每個焦點處固化樹脂34。因此，z軸望遠鏡22可以幫助調整在樹 脂34層內制造的3D結構的z軸維度。z軸望遠鏡22使得細光束 36A-36D的z軸位置可在不必移動樹脂34層的情況下進行調整。然而， 在一些實施例中，樹脂34層也可以在z軸方向移動，這可用于制造具 有特定深度的3D結構。例如，在一個實施例中，可以用得自美國賓夕 法尼亞州匹茲堡市航空技術公司(Aerotech, Inc. of Pittsburgh, Pennsylvania)的控制系統(tǒng)來控制在x軸、y軸和z軸方向移動樹脂34 層(或其他工件)的機械設備。移動樹脂34層還可用于制造大于聚焦 透鏡32的視場50 (圖3A)的結構。
穿過z軸望遠鏡22之后，細光束36A-36D在第一導引反射鏡24 處反射并穿過第一中繼器26。第一導引反射鏡24為電控反射鏡，用來 調整光束36A-36D傳播的角度以及掃描樹脂34層內的細光束 36A-36D。在圖1B的實施例中，第一導引反射鏡24被構造為在x軸樞 轉，以調整細光束36A-36D相對于樹脂34層的x軸位置，這使得對細 光束36A-36D中的每一個所選擇性固化的樹脂34層區(qū)域的x軸位置進 行選擇。第一導引反射鏡24在x軸方向掃描細光束36A-36D，從而改 變細光束36A-36D中的每一個的焦點的x軸位置。這樣，第一導引反 射鏡24幫助調整在樹脂34層內制造的3D結構的x軸維度。
第一中繼器26是光學透鏡中繼器，可以使細光束36A-36D有效 聚焦在第二導引反射鏡28上。此外，如下所述，第一中繼器26幫助 細光束36A-36D與聚焦透鏡32的光瞳對準。
第二導引反射鏡28為調整光束36A-36D的傳播角度的電控反射鏡。第二導引反射鏡28被構造為在y軸樞轉，以調整細光束36A-36D 的y軸位置，從而使細光束36A-36D相對于樹脂34層對準。第二導引 反射鏡28在y軸方向掃描細光束36A-36D，從而改變每一個細光束 36A-36D的焦點的y軸位置。這樣，第一導引反射鏡28幫助調整在樹 脂34層內制造的3D結構的y軸維度。
第一導引反射鏡24和第二導引反射鏡28使得可以實現細光束 36A-36D的小角度傾斜。第一導引反射鏡24和第二導引反射鏡28均 可以由計算機控制，以準確和精確地控制細光束36A-36D的傾斜角度， 這使得可用相對小的度數來控制細光束36A-36D的位置。這樣，由于 可在相對小的尺度內控制體素的x軸和y軸位置，因此第一導引反射 鏡24和第二導引反射鏡28可用于微米制造和納米制造。在一個替代 實施例中，可以使用檢流計代替導引反射鏡24和/或28。然而，導引 反射鏡24和28通常更利于實現小角度的傾斜。在一個實施例中，得 自美國新罕布什爾州溫德漢姆的納特菲爾德技術公司(Nutfidd Technology of Windham, New Hampshire)的WAVERUNNER控制軟件 可用于控制z軸望遠鏡22、第一導引反射鏡24和第二導引反射鏡28。 此外，控制系統(tǒng)(例如可得自美國德克薩斯州奧斯汀的美國國家儀器 公司(National Instruments Corporation of Austin, Texas)的 NI LOOKOUT)可用于校正細光束36A-36D在到達z軸望遠鏡22、第一 導引反射鏡24和第二導引反射鏡28之前的定向誤差，以減少在樹脂 34層圖像平面處的誤差。
細光束36A-36D從第二導引反射鏡28處反射開后進入第二中繼 器30。在一個實施例中，第一中繼器26和第二中繼器30基本上相同。 第一中繼器26和第二中繼器30為光學透鏡中繼器，其幫助細光束 36A-36D與聚焦正透鏡32 (也可稱為"物鏡"透鏡)的光瞳有效對準。 通常希望將細光束36A-36D與聚焦透鏡32的光瞳對準，以避免畸變。 通過使細光束36A-36D與聚焦透鏡32的光瞳對準，可以基本上保持聚 焦透鏡32的數值孔徑(NA)。在一個實施例中，聚焦透鏡32的NA為約0.5至約1.5。通常相對于特定物點或像點(如，樹脂34)來測量 NA。聚焦透鏡32的NA與每一個細光束36A-36D的光斑尺寸有關， 該光斑尺寸影響每一個細光束36A-36D所形成的體素的尺寸，如下參 考圖3D所述。第一中繼器26和/或第二中繼器30還可以放大或縮小 細光束36A-36D。
聚焦透鏡32可以包括浸液物鏡(例如油浸物鏡)，以及折射率匹 配的流體?？梢园ㄔ摻何镧R來消除細光束36A-36D的球面像差。 聚焦透鏡32使每一個細光束36A-36D緊密聚焦至樹脂34層中，以達 到閾值強度，從而固化暴露于具有至少該閾值強度的細光束36A-36D 部分的樹脂34層的區(qū)域。由于四個橫向放置(即，放置在x方向)的 細光束36A-36D被導向到樹脂34層，所以樹脂34的四個單獨區(qū)域可 以幾乎被同時固化。
圖3A示出了聚焦透鏡32的視場50的示意圖，該視場位于基本上 平行于樹脂34的x-y平面的x-y平面。視場50表示聚焦透鏡32可以 對細光束36A-36D進行聚焦的區(qū)域。視場50內為子域52、 54、 56和 58 (虛線表示)。子域52、 54、 56和58每一個限定樹脂34層的一個 區(qū)域，在這些區(qū)域內，各個聚焦細光束36A、 36B、 36C和36D分別在 x軸和y軸方向被掃描。因而子域52、 54、 56和58限定可以由每一個 細光束36A-36D固化的樹脂34層的單個區(qū)域。然而，在一些實施例中， 子域52、 54、 56和58可以重疊。在一個實施例中，可以為每一個子 域52、 54、 56和58指定x-y軸坐標系，以幫助控制每一個細光束 36A-36D的x-y軸掃描。例如，可以通過各自的坐標系來將每一個細光 束36A-36D的焦點(即細光束36A-36D具有足夠強度以固化樹脂34 的區(qū)域)的x禾口/或y坐標控制在各個子域52、 54、 56和58內，以選 擇性地固化樹脂34層并制造可以(例如)構成3D結構的體素。如前 所述，望遠鏡22調整細光束36A-36D的焦點的z軸位置。
由于每一個細光束36A-36D被導向到不同的子域52、 54、 56或58，因此每一個細光束36A-36D聚焦并固化樹脂34的不同區(qū)域，從而 使光學系統(tǒng)13能夠并行制造多達四個3D結構。在一個實施例中，由 于單個細光束36A、 36B、 36C或36D聚焦在子域52、 54、 56或58的 一個之內，因而每個子域40可生成一個結構。例如，如圖3A所示， 細光束36A在子域52內固化樹脂34以制造結構53 (在圖3A中示意 性地示出)，細光束36B在子域54內固化樹脂34以制造結構55 (在 圖3A中示意性地示出)，細光束36C在子域56內固化樹脂34以制造 結構57 (示意性地示出)，細光束36D在子域58內固化樹脂34以制 造結構59 (示意性地示出)。當然，如果需要，可在一個或多個子域
52、 54、 56或58內生成多個結構。此外，根據光學系統(tǒng)13制造的結 構數，視場50可以限定任何適當數量的子域。例如，如圖3A所示， 子域52、 54、 56和58的個數可直接與使用光學系統(tǒng)13所制造的結構
53、 55、 57和59的個數成比例。然而，在一些實施例中，不存在這種 比例關系。
除了并行制造多個結構53、 55、 57和59之外，光學系統(tǒng)13還可 以用于并行制造基本相同的結構53、 55、 57和59。如前所述，細光束 36A-36D基本上相同(如，每個均顯示具有基本上相似的能量和光學 路徑長度)。因此，構成結構53、 55、 57和59的每個體素的尺寸基 本上相同。光學系統(tǒng)13并行制造多個基本相同的結構(例如53、 55、 57和59)的能力對于批量制造3D微結構和/或納米結構具有重大的商 業(yè)意義。
在一個實施例中，視場50的x-y平面優(yōu)選地與樹脂34層的x-y 平面基本上平行，以保持光學系統(tǒng)13的準確度和精確度。圖3B示出 了視場50和子域52、 54、 56和58，以及移位的視場50'(虛線表示)和 子域52，、 54'、 56，和58'(虛線表示)，如果樹脂34層和視場50不 基本平行(例如，都位于X-Y平面)，則可能導致這種位移。
如圖3B所示，發(fā)生位移的子域52'、 54'、 56'和58'可以與除子域52、 54、 56和58之外的樹脂34層的不同區(qū)域對準，這會實際縮小可 被細光束36A-36D固化的樹脂34層的總面積。例如，在圖3B所示的 情況下，發(fā)生位移的子域52'、 54'、 56'和58'在y軸方向移動。如果樹 脂34層在y軸方向延伸的距離小于子域52'、 54'、 56'和58'移動的量， 那么子域52'、 54'、 56'和58'的一部分會位于樹脂34層之外。此外，細 光束36A-36D可能沒有與子域52'、 54'、 56'和58'正確對準，因此它們 會在子域52'、 54'、 56'和58'之外被掃描。另外，與子域52、 54、 56和 58相比，發(fā)生位移的子域52'、 54'、 56'和58'的面積減少，從而限制了 細光束36A-36D在x-y平面內可被掃描的面積。
聚焦透鏡32的視場50越大，光學系統(tǒng)13可支持的子域個數就越 多，因而光學系統(tǒng)13可并制造的3D結構的個數就越多。雖然圖3A所 示的聚焦透鏡32的視場50包括四個子域52、 54、 56和58的線性陣 列，但是視場50可以包括任何合適構造的任意個數的子域。此外，在 替代實施例中，子域52、 54、 56和58可以重疊。圖3C示出了視場60 的替代實施例，其包括多個子域62，它們被布置為具有多行和列的2D 陣列。
在一個實施例中，聚焦透鏡32為可得自日本東京尼康公司(Nikon Corporation of Tokyo, Japan)的尼康CFI Plan Fluro 20倍(Nikon CFI Plan Fluro 20X)物鏡。尼康20倍Multi浸液物鏡(Nikon 20X Multi Immersion Objective)的數值孔徑為0.75，視場為1.1毫米(mm)，允許至少128個 直徑均為60飽的子域。圖IB的光學系統(tǒng)13還可以包括共焦界面定位 器系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于定位和/或跟蹤樹脂34層和其上設置樹脂34層 的基底之間的界面。合適的共焦界面定位系統(tǒng)的例子在此前以引用方 式并入的名稱為"METHOD AND APPARATUS FOR PROCESSING MULTIPHOTON CURABLE PHOTREACTIVE COMPOSITIONS "(加 工多光子可固化光反應性組合物的方法與裝置)的美國專利申請 No.60/752,529中有所描述。在一個實施例中，樹脂34層可以具有彎曲的外形(如，圓柱形圖
像平面)，其曲率在子域52、 54、 56和58處基本平坦。 一維陣列(例 如，圖3A所示的陣列)可用于在圓柱形圖像平面上打標。
圖3D為坐標圖，示出了每一個細光束36A-36D在樹脂34層內的 焦點的強度和由對應細光束36A-36D所形成的體素尺寸之間的關系， 假設樹脂34層的x-y平面在視場50 (圖3A)上基本上平坦。線條70 對應于細光束36A在圖3A的子域52內的焦點，線條72對應于細光束 36B在子域54內的焦點，線條74對應于細光束36C在子域56內的焦 點，線條76對應于細光束36D在子域58內的焦點。如線條70和76 所示，當細光束36A和36D的焦點分別處于閾值強度78時，體素尺寸 80和82 (沿圖3D的x軸)基本上相等。閾值強度78為固化樹脂34 層的區(qū)域所必需的最小強度水平。因此，當細光束36B的焦點處于閨 值強度78之下時(如線條72所指出的那樣)，由于強度不足以引發(fā) 必需的樹脂34的光子吸收，故而細光束36B不會固化樹脂34層。
當細光束36C的焦點強度大于閾值強度78時，由于細光束36C 焦點處于或高于閾值強度78的寬度小于細光束36A和36D焦點的寬 度，所以細光束36C通過樹脂34層形成的體素尺寸84大于分別由細 光束36A和36D形成的體素尺寸80和82。當并行形成多個結構(如， 結構53、 55、 57和59，如圖3A所示)時，不期望具有尺寸不同的體 素80、 82和84。所以，理想情況是細光束36A-36D中每一個的焦點 基本上等于閾值強度78。當然，在一些實施例中，期望并行制造尺寸 不同的體素80、 82和84。
每一個細光束36A-36D在樹脂34層內的焦點的尺寸和位置還可 以影響樹脂34層內被細光束36A-36D中的每一個所固化的樹脂的量， 從而影響細光束36A-36D中的每一個所形成的體素的尺寸。如果需要 尺寸基本上相同的體素，可能理想的是樹脂34層的x-y平面基本上平 坦。如果樹脂34層的頂面34A(位于x-y平面，如圖3E所示)包括"波紋"或其他表面畸變，那么每一個細光束36A-36D的焦點可能與對應 的子域52、 54、 56和58內的不同。因而，在一些實施例中，可能需 要基本上平坦的樹脂34層，以在基本上相同的x-y平面內制造體素。 樹脂34層的頂面34A是樹脂34層最靠近聚焦透鏡32的表面。
圖3E為包括頂面34A的樹脂34層的示意性剖視圖，并且示出了 均聚焦于樹脂34層內的細光束36A-36D。具體地講，細光束36A的焦 點86 (即細光束36A的強度足以固化樹脂34的部分)聚焦于子域52 (虛線表示)內，細光束36B的焦點88聚焦于子域54(虛線表示)內， 細光束36C的焦點90聚焦于子域56 (虛線表示)內，細光束36B的 焦點92聚焦于子域58(虛線表示)內。通過樹脂34層的平坦頂面34A， 細光束36A-36D的每一個焦點86、 88、 90和92分別具有基本上相同 的z軸坐標和基本上相同的強度。然而，當樹脂34層具有不平的頂面 34A'梹保髦34層的頂面34A'接膠軸坐標不同，這會影響細光束 36A-36D的焦點86、 88、 90和92接觸并固化樹脂34層的能力。例如， 在圖3E所示的示例性實施例中，由于頂層34A'接陀誚溝86，所以細 光束36A的焦點86未接觸樹脂34層。然而，細光束36B和36C的焦 點88和90分別接觸并固化樹脂34層的區(qū)域，以形成z軸坐標基本上 相似的體素。
在一個實施例中，聚焦透鏡32可以包括自動對焦部件，以幫助調 整細光束36A-36D的焦點，從而補償樹脂34層內的微小變化(例如， 不平的部分)。
圖4為分束器裝置100的透視圖，該裝置可以結合在圖1B的光學 曝光系統(tǒng)13中。如參照圖5A與5B進一步描述的，分束器裝置100 可以被構造為接納入射光束(如，圖1B中的激光束36)，或另一類輻 射能光束，并可以將入射光束分離為多個具有基本上相等能量和光學 路徑長度的細光束(如，圖1B中的細光束36A-36D)。由于分束器裝 置100的光學部件(如，分束器裝置102和多個下面所述的棱鏡)的制造公差，細光束之間的能量和光學路徑長度可能略有不同。因此， 用短語"基本上相等"來描述細光束的能量和光學路徑長度。雖然下 面所要描述的分束器裝置100是相對于激光束而言的，但分束器裝置 100也可以將其他類型的光束分離為多個細光束。
分束器裝置100包括立方體分束器102和立方體棱鏡104(虛線表 示)、106 (虛線表示)、108 (虛線表示)、110 (虛線表示)、112 以及114。分束器102和棱鏡104、 106、 108、 110、 112以及114可以 由任何合適的光學材料形成，例如熔融二氧化硅。棱鏡104、 106、 108、 110、 112和114與分束器102光學接觸。也就是說， 一束光可以基本 無障礙地從分束器102傳到每個棱鏡104、 106、 108、 110、 112和114。 雖然在圖4所示的分束器裝置100的實施例中，棱鏡104、 106、 108、 110、 112和114與分束器102鄰接，但在替代實施例中，棱鏡104、 106、 108、 110、 112和114可以與分束器102分離，同時仍與其光學 接觸。
立方體分束器102為光學裝置，其可將激光束或細光束分離成兩 個具有基本相等能量的細光束，并且可以是50%能量分束器。在圖4 所示的實施例中，立方體分束器102由沿接縫120連接的兩個三角形 玻璃棱鏡116和118構造成。三角形玻璃棱鏡116和118可以用任何 合適的連接方式連接，例如加拿大質膠。當激光束或細光束穿過接縫 120時，光束分離成兩個或更多個細光束。因此，接縫120也可以稱為 該立方體分束器102的"分光器部分"。
立方體分束器102具有立方體形狀，其包括側面102A(虛線表示)、 102B (虛線表示)、102C、 102D、 102E和102F，它們都是基本上不 反射的，以使得激光束或細光束可以在基本無光學路徑障礙的情況下 穿過側面102A-102F。分束器102的側面102A基本上與側面102B和 102D垂直，側面102B基本上與側面102A和102C垂直，側面102C 基本上與側面102B和102D垂直，而側面102D基本上與側面102A和102C垂直。側面102E和102F基本上彼此平行，并基本上垂直于側面 102A-D。分束器102的側面102A-F的長度大致相同(在x-z平面內測 量)。為了有助于描述分束器裝置100，圖4中示出了 x-y-z軸，其并 不旨在以任何方式限制本發(fā)明的范圍。該x-y-z軸與圖1B中所示的 x-y-z軸相對應。在替代實施例中，任何包含基本上相等長度的側面的 分束器都可以代替分束器102。
棱鏡104、 106、 108、 110、 112和114為三直角錐棱鏡，并且在 圖4所示的實施例中具有基本上相似的尺寸。棱鏡104和106沿著分 束器102的第一側面102A設置，而棱鏡108和110沿著分束器102的 第二側面102B設置，棱鏡112沿著分束器102的第三側面102C設置， 棱鏡114則沿著分束器102的第四側面102D設置。棱鏡104、 106、 108、 110、 112和114之間的相對位置/距離參見圖5B中所述。在圖4 所示的實施例中，棱鏡104、 106、 108、 110、 112和114由相同材料 形成，并因而具有基本相同的折射率。在替代實施例中，棱鏡104、 106、 108、 110、 112和114可由不同材料形成。可以在棱鏡104、 106、 108、 110、 112和114與立方體分束器102之間設置折射率匹配的流體，以 便幫助防止在立方體分束器102和一個或多個棱鏡104、 106、 108、 110、 U2和114之間傳播的光束被反射回立方體分束器102中或者被反射回 對應棱鏡104、 106、 108、 110、 112和114中，取決于該光束(或細 光束)的傳播方向。
圖5A和5B分別為用于將光束分離成多個細光束的分束器系統(tǒng) 150和分束器裝置100的示意圖。系統(tǒng)150包括分束器裝置100 (顯示 為沿圖4中的線5-5截取的橫截面)、激光束源152和聚焦部分153， 其包括反射鏡154和156，以及三角形棱鏡158、 160、 162和164。激 光束源152可以是任何激光束源，并且可以是(例如)圖1B中的激光 束源14，或可以表示圖1B中反射鏡17反射的激光束36。
在分束器系統(tǒng)150中，激光束165從激光束源152發(fā)射出，并且在分束器裝置100的立方體分束器102的點151處被導向。如下文進
一步詳細描述的，在激光束165穿過分束器裝置100后，激光束165 被分離成16個細光束220-235，聚焦部分153將其布置成線性的細光 束陣列166。當然，在替代實施例中，分束器裝置100可以用于將激光 束165分離成較少或較多數量的細光束，包括幾十、幾百或幾千個細 光束。
在一個實施例中，激光束165在分束器102處被導向，使得光束 165基本上垂直于立方體分束器102的側面102A。也就是說，入射激 光束165與激光束165首先接觸的立方體分束器102的表面之間的角 度櫛90° 。如果角度6大于或小于90°，由激光束165形成的細光束 220-235可以橫向位移(即在x-z平面內位移)。角度6與90。的差值可 以稱為"入射角"。橫向位移D可以根據下列用于小角度的公式大概 計算
D = t*I*((N-l)/N)
在該公式中，t為單個細光束穿過分束器裝置IOO的總光學路徑， I為激光束165的入射角，并且N為制造立方體分束器102與棱鏡104、 106、 108、 110、 112和114所用材料(如，玻璃)的折射率。例如， 如果入射角I為約l。(或約0.01745弧度)，t為約224mm， N為1.5， 那么離開分束器裝置100的細光束220-235中的每束距離垂直出口位置 的橫向位移D為約1.33mm。
如果激光束165從標稱位置橫向移動(即從點151沿z軸移動)， 從分束器裝置100輸出的細光束220-235也會橫向移動(就細光束 220-235而言，橫向移動是在x軸方向上)相同的量。然而，分束器裝 置100被布置成使得激光束165形成的細光束中的每束穿過所有棱鏡 104、 106、 108、 110、 112和114，并以線性陣列166離開裝置100， 無論激光束165的入射角如何。此外，當入射激光束以非垂直角度導向到分束器100時，如果離
開分束器100的細光束220-235不平行，則會具有球面像差。在一些實施例中，如果入射角較小(如，約1。或更小)，細光束220-235的任何像差都可以忽略不計。此外，如果分束器裝置IOO用于圖1B的系統(tǒng)13中，可以用浸液透鏡來降低入射會聚光束的球面像差。
如前文所述，分束器裝置IOO包括分束器102和多個棱鏡104、106、108、 110、 112和114。棱鏡104、 106、 108、 110、 112和114相對于彼此移動，以便獲得基本上相等的光學路徑長度，同時仍保持相鄰細光束220-235之間的間距P。如圖5B所示，距離D^D6表示棱鏡104、106、 108、 110、 112和114之間的示例性布置方式，這些棱鏡用于生成以基本上相等的光學路徑長度穿過分束器裝置100的細光束220-235，其中相鄰細光束220-235之間的間距P是預定的。在替代實施例中，棱鏡104、 106、 108、 110、 112和114可以用別的方式布置，以獲得以基本上相等的光學路徑長度穿過分束器裝置100的細光束220-235。
棱鏡104、 106和112沿x軸方向設置(以下稱為"x軸棱鏡")，而棱鏡108、 110和114沿z軸方向設置(以下稱為"z軸棱鏡")。x軸棱鏡以相互操作性關系位移，而z軸棱鏡以相互操作性關系位移。此外，x軸棱鏡104、 106和112的距離D4-D6是根據由分束器裝置100生成的細光束220-235之間的所期望間距選定的。
對于z軸棱鏡108、 110和114，距離D!是在z軸方向從棱鏡108的中心軸108A到分束器102的側面102A測量的。距離D2是在z軸方向從棱鏡114的中心軸114A到分束器100的側面102A測量的。距離D;是在z軸方向從棱鏡110的中心軸IIOA到分束器100的側面102A測量的。距離D3大于距離D2，距離D2大于Di。在圖5B所示的實施例中，每個距離02和D3根據以下公式
計算
n 、，n=l 2
Zn為從分束器102的側面102A到從分束器102的側面102A的第n個z軸棱鏡的中心軸的z軸距離(如，對于棱鏡108， n=l;對于棱鏡U4， n = 2;而對于棱鏡110, n = 3) ， L為與分束器102相鄰的z軸棱鏡側面的z軸尺寸(如，圖5B中所示的棱鏡108的側面108B的尺寸L)，而s等于入射光束165的被分離的次數。上面給出的計算Zn的公式假定所有z軸棱鏡的尺寸基本相同，而且每個z軸棱鏡的尺寸L大于由分束器裝置100生成的細光束總數乘以細光束220-235之間的間距P。
對于x軸棱鏡，距離04是在x軸方向從棱鏡106的中心軸106A到分束器102的側面102B測量的。距離Ds是在x軸方向從棱鏡112的中心軸112A到分束器100的側面102B測量的。距離D6是在x軸方向從棱鏡104的中心軸104A到分束器100的側面102B測量的。距離D6大于距離Ds，距離D5大于D4。
在圖5B所示的實施例中，每個距離Di、 D2和D3根據以下公式計
算:
n = 1 2
Xn為從分束器102的側面102B到從分束器102的側面102B的第n個x軸棱鏡的中心的x軸距離(如，對于棱鏡106， n=l;對于棱鏡112， n = 2;而對于棱鏡104， n = 3) ， M為與分束器102相鄰的x軸棱鏡側面的x軸尺寸(如，圖5B中所示的棱鏡112的尺寸M) ， P為細光束220-235之間的間距(如圖5B所示)，并且s等于入射光束165被分離的次數。細光束220-235之間的間距P大體為x-z平面中相鄰細光束220-235之間的間距。間距P的公差通常取決于分束器裝置100的應用。例如，如果細光束220-235與微透鏡陣列對準，間距公差可取決于陣列中每個微透鏡之間的間距，以及微透鏡的尺寸。與上文用于計算從分束器的側面102A到每個x軸棱鏡中心的z軸距離Zn的公式一樣，上面給出的用于計算Xn的公式假定所有x軸棱鏡的尺寸基本相似，而且每個z軸棱鏡的尺寸L大于由分束器裝置100生成的細光束的總數乘以細光束220-235之間的間距P 。
分束器102的側面102A僅用作描述z軸棱鏡108、 110和114之間間距的基準點，側面102B僅用作描述z軸棱鏡104、 106和112之間間距的基準點。應該理解，棱鏡104、 106、 108、 110、 112和114之間的間距也可以參照分束器裝置100的其他部分進行描述，甚至可以彼此參照。然而，為了便于描述，在當前描述中將分束器102的側面102A和102B作為基準點。
如圖5B所示，光束分離系統(tǒng)150將從激光束源152射出的激光束165(其可以是平行、會聚或離散的激光束)轉換成16個細光束220-235，每個細光束都具有基本相等的能量，而且都以基本相等的光學路徑長度穿過分束器裝置100。更具體地講，當激光束165在區(qū)域180穿過分束器102的分光器部分120時，激光束165分離成細光束182和184。例如，當分束器102為由兩個三角形棱鏡形成的立方體分束器，并且在分光器部分120處用加拿大質膠粘在一起，分光器部分120處的質膠厚度T可以調整為使得對于特定波長的光而言，激光束165的一半(即細光束182)可以向棱鏡106反射約90。，而激光束165的另一半(即細光束184)穿過分光器部分120朝棱鏡108傳播。
在細光束182和184由入射激光束165形成之后，細光束182和184穿過第一棱鏡通道。具體地講，細光束182穿過棱鏡106，而細光束184穿過棱鏡108。在此第一棱鏡通道，細光束182和184分別以基本相等的光學路徑長度穿過分束器102以及棱鏡106和108，而不管激光束165穿過分光器部分120的哪個區(qū)域而分離為細光束182和184，也不管細光束182和184分別從何處進入棱鏡106和108?；鞠嗟鹊墓鈱W路徑長度可歸因于許多因素，包括分束器102的相等長度的側面102A-102F,棱鏡106和108的基本相等的尺寸，以及該分束裝置100的構造，即包括根據上文給出的分別計算X。和Zn的公式分別相對于分束器102的側面102B和102A設置的棱鏡106和108。
另外形成對于細光束182和184，以及在其他棱鏡通道形成的細光束之間基本相等的光學路徑長度的因素為每個立方體棱鏡104、 106、108、 110、 112和114的對稱性。入射光束在第一點處進入每個立方體棱鏡104、 106、 108、 110、 112和114，并在第二點處離開立方體棱鏡104、 106、 108、 110、 112或114，其中該第一點和第二點距離基準點是基本等距的。例如，對于立方體棱鏡106，基準點為頂點106D。以細光束182為示例，細光束182在點183A處進入立方體棱鏡106，在點183B處離開。點183A和183B與立方體棱鏡106的頂點106D是基本上等距的。棱鏡106、 108、 110、 112和114能找到相似的基準點。
在一替代實施例中，不是具有基本上相等的光學路徑長度，而是通過調整立方體分束器102的尺寸(即，用具有不相等側面的分束器代替分束器102)、三直角錐棱鏡104、 106、 108、 110、 112和114的相對尺寸或立方分束器102與至少一個三直角錐104、 106、 108、 110、112或114之間的相對間距(如，立方體分束器102的表面102B與棱鏡108的表面108B之間的相對間距)，在每個棱鏡通道的細光束之間采用預定的路徑差值。
在細光束182和184分別離開棱鏡106和108之后，在區(qū)域186穿過分束器102的分光器部分120，從而分離成四個細光束188、 190、192和194。之后，細光束188、 190、 192和194穿過第二棱鏡通道。在第二棱鏡通道中，細光束188和190從分光器部分120向棱鏡112反射約90埃 腹饈192和194穿過分光器部分120透射向棱鏡114。由于棱鏡112和114的布置方式，而且因為棱鏡112和114具有基本相等的尺寸，細光束188、 190、 192和194又以基本相等的光學路徑長度通過各自的棱鏡112和114。
離開各自的棱鏡112和114時，細光束188、 190、 192和194在區(qū)域196穿過分束器102的分光器部分120，并分離成八個細光束200-207。具體地講，細光束188分離為細光束200和201，細光束190分離為細光束202和203，細光束192分離為細光束204和205，細光束194分離為細光束206和207。在第三棱鏡通道中，細光束200、202、204和206隨后穿過棱鏡110，而細光束201、 203、 205和207隨后穿過棱鏡114。與先前的棱鏡通道一樣，在第三棱鏡通道中，細光束200-207以基本相等的光學路徑長度穿過分束器裝置100。
穿過各自的棱鏡IIO和114后，細光束200-207再次穿過分束器102的分光器部分120，并進一步分離成總共十六個細光束220-235。具體地講，細光束200分離成細光束220和221，細光束201分離成細光束222和223，細光束202分離成細光束224和225,細光束203分離成細光束226和227，細光束204分離成細光束228和229,細光束205分離成細光束230和231，細光束206分離成細光束232和233，細光束207分離成細光束234和235。
聚焦部分153 (圖5A所示)將細光束220-235重組為細光束陣列166。將細光束220-235布置為陣列166在分束器裝置100的一些應用中是可取的。例如，如果將分束器裝置100結合在圖1B的光學系統(tǒng)13中，細光束220-235可以被布置為與微透鏡陣列(如，圖1B中的微透鏡陣列21)中的微透鏡平行。
如前文所述，聚焦部分153包括反射鏡154和156，以及三角形棱鏡158、 160、 162和164。反射鏡154在x-z平面調節(jié)細光束220、 222、224、 226、 228、 230、 232和234的方向。細光束220、 222、 224、 226、
228、 230、 232和234隨后穿過棱鏡158，棱鏡158將細光束220、 222、224、 226、 228、 230、 232和234的方向調節(jié)約90。射向棱鏡160。反射鏡156在x-z平面調節(jié)細光束221、 223、 225、 227、 229、 231、 233和235的方向，以使細光束221、 223、 225、 227、 229、 231、 233和235定位朝向棱鏡164。細光束221、 223、 225、 227、 229、 231、 233和235隨后穿過棱鏡164，棱鏡164將細光束221、 223、 225、 227、
229、 231、 233和235以約90。反射向棱鏡162。棱鏡160和162被布置為彼此相鄰，使得當細光束220-235穿過各自的棱鏡160和162時，每個細光束220-235都可樞轉約90° ，并彼此基本相鄰地布置成線性的細光束陣列166。
在替代實施例中，聚焦部分153可以包括其他構造和部件，以便將細光束220-235布置成細光束陣列。此外，分束器裝置IOO可用來形成除線性陣列之外其他布置方式的細光束220-235，例如2D陣列(如，矩形陣列)。為了獲得2D陣列，x軸棱鏡104、 106和112可以在y軸方向位移(垂直于圖像平面)。作為另外一種選擇，聚焦部分153包括被構造為可將細光束220-235布置成2D陣列的光學元件(如，反
射鏡和/或棱鏡)。
雖然在圖5B示出的實施例中細光束220-235是同相的，但在替代實施例中，細光束220-235不是同相的。這可以通過(例如)其他外部光學器件和聚焦部分153的其他構造實現。
間距P!也等于細光束188和190之間、以及細光束192和194之間的間距。在一個實施例中，距離D7基本上等于約二分之一間距P!(即，^P。。要改變間距Pp可以使距離D!和D4相對于彼此改變。要改變間距P2A，即第一對細光束200和202與第二對細光束204和206之間的側向間距，可以使距離D2和Ds相對于彼此調整。也可以使距離D2和Ds相對于彼此調整，從而改變第一對細光束201和203與第二對細 光束205和207之間的間距P2B。也可以使距離D3和D6相對于彼此調 整，以改變第一四組合細光束221、 223、 225和227與第二四組合細 光束229、 231、 233和235之間的間距P3A。調整距離03和06還可以 改變第一四組合細光束220、 222、 224和226與第二四組合細光束228、 230、 232和234之間的間距P3B。在圖5B所示的實施例中，間距P、 Pp P2A、 P2B、 P3A、 P3B基本上相等。在圖5B所示的實施例中，距離 D8基本上等于約1.5P。
在序列棱鏡通道中棱鏡之間的距離與在該序列棱鏡通道之后生成 的細光束間距之間的示例性關系在另外的棱鏡通道中可以重復。
作為另外一種選擇，細光束220-235之間的間距P也可以通過在 分束器102的非反射側面102A與棱鏡104和106之間、在分束器102 的非反射側面102B與棱鏡108和110之間、在分束器102的非反射側 面102C與棱鏡112之間，以及在分束器102的非反射側面102D與棱 鏡114之間放置一層折射率匹配的流體來調整。這使得無需拆卸分束 器裝置100就可以調整細光束200-235之間的間距P。
雖然陣列166中的細光束220-235基本上平行，而且彼此不干涉， 但在一些應用中，例如在一些計量學應用中，可能期望細光束220-235 中的至少兩個干涉。因此，在替代實施例中，兩個或更多個細光束 220-235之間的間距可以調整，以使得兩個或更多個細光束220-235部 分或全部重疊，從而產生干涉作用。
在替代實施例中，分束器裝置100可以包括更少或更多數量的棱 鏡104、 106、 108、 110、 112和114，以便將入射激光束165分離成更 少或更多數量的細光束。利用分束器裝置100，可以形成具有2"個細 光束的2D陣列，其中n等于入射激光束165穿過分束器102的分光器 部分120的次數。為了獲得偶數個細光束，需要(2*11)-2個棱鏡。因此，如果需要32個細光束，分束器裝置應包括八個棱鏡。艮P:
32個細光束=2"=25 (因此，n=5) 所需棱鏡數量=(2*n)-2 = (2*5)-2 = 8
如果在分束器裝置100上添加另外的棱鏡，x軸棱鏡可以根據上文 中計算Xn的公式間隔開，而z軸棱鏡可以根據上文中計算Zn的公式間隔開。
雖然圖4-5B的實施例中示出的是立方體棱鏡，但在其他實施例中 也可以用其他類型的棱鏡代替立方體棱鏡104、 106、 108、 110、 112 和114。 一般來講，在合適的棱鏡中，入射光束在第一點進入棱鏡，并 在第二點離開棱鏡，其中第一和第二點距離基準點基本上是等距的。 例如，對于立方體棱鏡104，基準點為點104A。以細光束201為示例 性實例，細光束201在點240處進入棱鏡104，并在點242處離開。點 240和242與棱鏡104的點104A基本上是等距的。包括這種結構的其 他合適的棱鏡包括但不限于五棱鏡(如圖6所示)或波羅棱鏡。
圖6根據本發(fā)明的另一個實施例示出了分束器裝置300，其包括三 個分束器302、 304和306，以及四個圍繞分束器302、 304和306設置 的五棱鏡308、 310、 312和314。在一個實施例中，分束器302、 304 和306彼此相同，而且每個都可以與圖4-5B中分束器裝置100的50% 能量的立方體分束器102相類似。在替代實施例中，分束器302、 304 和306可以是任何其他類型的包含基本相等長度側面(在x-z平面測量) 的分束器。例如，在圖6所示的實施例中，分束器302的側面302A、 302B、 302C和302D的長度基本相等，分束器304的側面304A、 304B、 304C和304D的長度基本相等，分束器306的側面306A、 306B、 306C 和306D的長度基本相等。分束器302包括分光器部分316，其可以是(例如) 一條接縫，兩
個三角形棱鏡在該接縫處連接而形成分束器302。相似地，分束器304 包括分光器部分318，而分束器306包括分光器部分320。在圖6所示 的實施例中，分束器302、 304和306被布置為彼此相鄰，但分光器部 分316、 318和320在x-z平面內相對于彼此移動。分光器部分316、 318和320之間的位移由棱鏡308、 310、 312和314之間的位移所致， 如下面參照圖7B進一步所述。
五棱鏡308、 310、 312和314每個都是五面的棱鏡。如參照圖7A 和7B所描述的，光束在棱鏡308、 310、 312或314的兩個側面反射， 這使得光束偏離約90。。五棱鏡308、 310、 312和314圍繞立方體棱鏡 302、 304和306布置，以使得在每個棱鏡通道中，細光束以基本上相 似的光學路徑長度穿過分束器裝置300。五棱鏡308、 310、 312和314 與分束器302、 304和306之間的布置方式參照圖7B進行描述。
圖7A為分束器系統(tǒng)350的示意圖，其可以(例如)結合在圖1B 的光學系統(tǒng)13中，用于將光束分離成多個細光束。系統(tǒng)350包括分束 器裝置300 (如沿圖6中的線7-7截取的橫截面所示)、激光束源352、 聚焦透鏡353、浸液透鏡(未示出)、聚焦部分356，該聚焦部分包括 第一組透鏡358和360、反射鏡362和364、第二組透鏡366和368， 以及三角形反射鏡370和372。在圖7A所示的實施例中，激光束源352 射出會聚激光束374。在替代實施例中，激光束源352可以是任何輻射 能光束源。
在分束器系統(tǒng)350中，具有相對較低數值孔徑(NA)(如，小于或 等于約0.04)的會聚激光束374從激光束源352射出并導向到分束器 裝置300的立方體分束器302。會聚激光束374由多個會聚光束組成， 其通過會聚透鏡353會聚成單一的激光束，該激光束最終分離成多個 細光束400-407。依據激光束源352與分束器系統(tǒng)300之間的距離，會 聚激光束374可以分離成多個會聚細光束，這些會聚細光束在離開分束器裝置300后會聚成聚焦細光束。更具體地講，在穿過分束器302、 304和306以及五棱鏡308、 310、 312和314之后，激光束374被分離 成八個具有基本相等能量的細光束400-407。此外，這八個細光束中的 每一束都以基本相等的路徑長度穿過分束器裝置300。聚焦部分356可 將從分束器裝置300輸出的細光束400-407排列成線性的聚焦細光束陣 列376。因此，如果細光束400-407用于光學系統(tǒng)(如，圖1B中的光 學系統(tǒng)13)中，可以不必使用微透鏡陣列來聚焦細光束400-407。
如圖7B所示，在激光束374被導入分束器302后，激光束374 穿過分束器302的分光器部分316，并分離成細光束380和382。細光 束380在x-z平面從入射激光束374的方向384樞轉約90°，同時細光 束382沿方向384穿過分光器部分316射向五棱鏡312。隨后，在第一 棱鏡通道中，細光束380穿過五棱鏡308，而細光束382穿過五棱鏡 312。更具體地講，細光束380穿過側面308B進入棱鏡308，在五棱鏡 308的側面308D反射，樞轉約45。并在側面308E反射，然后穿過側面 308C離開棱鏡308。相似地，細光束382通過穿過側面312B進入棱鏡 312而穿過五棱鏡312，在側面312D反射，樞轉約45° ，并在側面312E 反射，然后穿過側面312C離開棱鏡312。
與立方體棱鏡104、 106、 108、 110、 112和114一樣，入射光束 在第一點處進入五棱鏡(如，五棱鏡308、 310、 312或314)，并在第 二點處離開該棱鏡，其中第一點和第二點距離基準點是基本上等距的。 例如，對于五棱鏡308，基準點為頂點308A。以細光束380為示例性 實例，細光束380在點385A處進入五棱鏡308,并在點385B處離開。 點385A和385B距離五棱鏡308的頂點308A基本上是等距的。棱鏡 310、 312和314也能找到類似的基準點。
在離開棱鏡308和312之后，細光束380和382分別穿過分束器 306的分光器部分318的區(qū)域386。在穿過分束器306的分光器部分318 之后，細光束380分離成細光束388和390，而細光束382分離成細光束392和394。在第二棱鏡通道中，細光束388和392穿過五棱鏡310， 而細光束390和394穿過五棱鏡314。具體地講，細光束388和392分 別穿過側面310B進入棱鏡310，在側面310D反射，樞轉約45。并在側 面310E反射，然后穿過側面310C離開棱鏡310。細光束390和394 分別穿過側面314B進入棱鏡314，在側面314D反射，樞轉約45°并在 側面314E反射，然后穿過側面314C離開棱鏡314。
在離開各自的棱鏡310和314后，細光束388、 390、 392和394 穿過棱鏡306的分光器部分320的區(qū)域396，并進一步分離成總共八個 細光束400-407。細光束388分離成細光束400和401，細光束390分 離成細光束402和403，細光束392分離成細光束404和405，細光束 392分離成細光束406和407。
如圖7A所示，聚焦部分356可將細光束400-407布置為細光束陣 列376，其可以(例如)引入微透鏡陣列(如，圖2中的微透鏡陣列 21)，以用于多光子光聚合制造方法。第一組透鏡358和360使細光 束400-407平行并重導向到各自的反射鏡362和364上。具體地講，細 光束400、 402、 404和406穿過透鏡358，并且被平行校準及重新導向 到反射鏡362上，而細光束401、 403、 405和407穿過透鏡360，并且 被平行校準及重新導向到反射鏡360上。細光束400、 402、 404和406 在反射鏡362上反射，而細光束401、 403、 405和407在反射鏡364 上反射。反射鏡362和364朝第二組透鏡366和368反射各個細光束 400-407，透鏡366和368可聚焦細光束400-407。由于細光束400-407 之前已被透鏡358和360平行校準，所以細光束400-407被聚焦。
穿過透鏡366之后，細光束400、 402、 404和406從三角形反射 鏡370上反射。穿過透鏡368之后，細光束401、 403、 405和407從 三角形反射鏡372上反射。反射鏡370和372被布置為彼此相鄰，以 使細光束400-407從各自的反射鏡370和372上反射，細光束400-407 均樞轉約90° ，并被彼此基本相鄰地布置成線性的細光束陣列376。與圖5A中分束器系統(tǒng)150的聚焦部分153 —樣，聚焦部分356 可以包括其他構造和部件，以便將細光束400-407布置為細光束陣列。 例如，可以用平面反射鏡代替三角形反射鏡370和372，以便以約90° 反射細光束400-407。此外，聚焦部分356可以將細光束400-407布置 成其他結構，例如2D陣列或其他非線性陣列。
為了使每個棱鏡通道中的細光束以基本相等的光學路徑長度穿過 分束器300，以及為了獲得細光束400-407之間的期望間距P4，五棱鏡 308、 310、 312和314之間有少量位移。結合分束器302、 304和306 對該位移進行了最好的描述。在圖6所示的布置方式中，五棱鏡308 的頂點308A和五棱鏡312的頂點312A是未對準的。因此，五棱鏡312 的非反射側面312B與分束器302的側面302B對準并且相鄰，而五棱 鏡308的非反射側面308B相對于分束器302的側面302C移動了距離 Sp位移距離S!也可以稱為五棱鏡308與312之間的"位移距離"。 五棱鏡308的非反射側面308C與分束器304的側面304D也對準并且 彼此相鄰，而五棱鏡312的非反射側面312C相對于分束器304的側面 304A移動了距離S2。距離S!與S2基本上相等，因為分束器302和304 的尺寸基本上相等，并且五棱鏡308和312的尺寸也基本上相等。距 離S,和S2根據第一棱鏡通道后細光束388和392之間的所需間距P3 選定。間距P3也等于細光束390和394之間的間距。 一般來講，距離
Si和S2都基本等于P3。
五棱鏡310和312也相對于彼此移位。更具體地講，五棱鏡310 的頂點310A和五棱鏡314的頂點314A是不對準的。因此，五棱鏡310 的非反射側面310B與分束器304的側面304C對準并且相鄰，而五棱 鏡314的非反射側面314B相對于分束器304的側面304B移動距離S3。 位移距離S3也可以稱為五棱鏡308與312之間的位移距離。五棱鏡314 的非反射側面314C與分束器306的側面306A也對準并且彼此相鄰， 而五棱鏡310的非反射側面310C相對于分束器304的側面304A移動了距離S4。距離S3和S4基本上相等，因為分束器304和306的尺寸基 本上相等，并且五棱鏡310和314的尺寸也基本上相等。距離S3和S4 根據P3和P4之間的所需相對間距選定，P4為細光束400、 402、 404 和406之間的間距，其也等于細光束401、 403、 405和407之間的間
距。在圖7B所示的實施例中，間距P4基本上等于間距P3。 一般來講，
距離S3和S4都基本上等于P4。
在替代實施例中，分束器裝置300可以將激光束374分離成八個 以上的細光束。例如，可以在聚焦部分356之前添加另外的分束器和 五棱鏡"組"，從而增加另外的用于使細光束400-407穿過的棱鏡通道。 分束器和五棱鏡組為分束器， 一個五棱鏡被布置為與該分束器相鄰， 并且一個五棱鏡相對于該分束器位移，位移距離通常等于通過棱鏡通 道的細光束之間的間距。例如，在圖7B中，分束器306與五棱鏡310 和314構成了分束器和五棱鏡組。在圖7B所示的實施例中，添加分束 器和五棱鏡組可使細光束的數量增加為原來的兩倍。
本文描述了本發(fā)明的多種實施例。這些及其他實施例均在以下權 利要求書的范圍內。
權利要求
1.一種制造系統(tǒng)，包括光源，用于提供光束；分束器系統(tǒng)，用于將所述光束分離成至少第一細光束和第二細光束，所述第一細光束和第二細光束具有基本相等的能量；以及多光子可固化光反應性組合物層；以及物鏡，限定所述層的視場，所述視場包含至少第一子域和第二子域，其中所述第一子域限定所述第一細光束的第一掃描區(qū)域，并且所述第二子域限定所述第二細光束的第二掃描區(qū)域。
2. 根據權利要求l所述的制造系統(tǒng)，還包括微透鏡陣列，至少包括用于使所述第一細光束成形的第一微透鏡 和用于使所述第二細光束成形的第二微透鏡。
3. 根據權利要求2所述的制造系統(tǒng)，其中所述第一微透鏡與所述 物鏡的視場內的所述第一子域光學對準，并且所述第二微透鏡與所述 第二子域光學對準。
4. 根據權利要求l所述的制造系統(tǒng)，其中所述分束器系統(tǒng)包括 分束器；以及多個棱鏡，圍繞所述分束器設置并與所述分束器光學接觸。
5. 根據權利要求4所述的制造系統(tǒng)，其中所述分束器系統(tǒng)的每個 棱鏡選自由立方體棱鏡、五棱鏡和波羅棱鏡組成的組。
6. 根據權利要求4所述的制造系統(tǒng)，其中所述分束器系統(tǒng)的所述 分束器為立方體分束器。
7. 根據權利要求4所述的制造系統(tǒng)，其中所述分束器系統(tǒng)還包括聚焦部分，被構造為使所述第一細光束和第二細光束布置成陣 列，其中所述物鏡的第一子域和第二子域以基本相同的陣列布置。
8. 根據權利要求l所述的制造系統(tǒng)，其中所述第一細光束和第二 細光束具有基本相等的光學路徑長度。
9. 根據權利要求l所述的制造系統(tǒng)，還包括細光束掃描系統(tǒng)，用 于在所述第一子域中掃描所述第一細光束和在所述第二子域中掃描所 述第二細光束。
10. 根據權利要求9所述的制造系統(tǒng)，其中所述細光束掃描系統(tǒng) 包括檢流計掃描儀。
11. 根據權利要求9所述的制造系統(tǒng)，其中所述細光束掃描系統(tǒng)設置在所述分束器系統(tǒng)與所述物鏡之間。
12. 根據權利要求9所述的制造系統(tǒng)，其中所述細光束掃描系統(tǒng) 設置在所述物鏡與所述多光子可固化光反應性組合物層之間。
13. 根據權利要求9所述的制造系統(tǒng)，其中所述細光束掃描系統(tǒng)包括z軸望遠鏡，用于調整所述第一細光束和第二細光束中的每束相 對于所述層的Z軸位置；第一導引組件，用于分別在所述第一子域和第二子域內沿X軸方向掃描所述第一細光束和第二細光束中的每束；以及第二導引組件，用于分別在所述第一子域和第二子域內沿y軸方向掃描所述第一細光束和第二細光束中的每束。
14. 根據權利要求1所述的制造系統(tǒng)，其中所述光束為激光束。
15.根據權利要求l所述的制造系統(tǒng)，還包括 色散補償系統(tǒng)，用于調整所述光束的脈沖寬度。
16. —種光學系統(tǒng)，包括 光源，用于提供光束；分束器系統(tǒng)，用于將所述光束分離成具有基本相等能量的至少 (2n-l)個細光束，其中所述分束器包括 分束器；以及(2n-2)個棱鏡，與所述分束器光學接觸；以及 物鏡，限定圖像平面的視場，所述視場包括多個子域，其中所述 多個子域中的至少一個限定至少一個所述細光束的掃描區(qū)域。
17. 根據權利要求16所述的光學系統(tǒng)，還包括細光束掃描系統(tǒng)， 用于在至少一個所述子域內掃描至少一個所述細光束。
18.根據權利要求16所述的光學系統(tǒng)，還包括 z軸望遠鏡，用于調整每個所述細光束相對于所述圖像平面的z 軸位置；第一導引組件，用于在至少一個所述子域內沿x軸方向掃描每個所述細光束；以及第二導引組件，用于在至少一個所述子域內沿y軸方向掃描每個 所述細光束。
19. 根據權利要求18所述的光學系統(tǒng)，其中所述第一導引組件包 括第一計算機導引反射鏡，并且所述第二導引組件包括第二計算機導 引反射鏡。
20. 根據權利要求16所述的光學系統(tǒng)，還包括 微透鏡陣列，包括用于使至少一個所述細光束成形的至少一個微透鏡。
21. 根據權利要求16所述的光學系統(tǒng)，其中所述分束器裝置包括 適于將所述細光束布置成陣列的光學元件，其中所述陣列為線性陣列 或二維陣列中的一者。
22. 根據權利要求16所述的光學系統(tǒng)，其中所述分束器系統(tǒng)的每 個棱鏡選自由立方體棱鏡、五棱鏡和波羅棱鏡組成的組。
23. 根據權利要求16所述的光學系統(tǒng)，其中所述分束器系統(tǒng)的所 述分束器為立方體分束器。
24. —種方法，包括提供基底，其上具有包含多光子可固化光反應性組合物的層； 通過光學系統(tǒng)將至少兩個細光束施加到所述層，所述光學系統(tǒng)包括分束器系統(tǒng)，用于將光束分離成具有基本相等能量的所述細 光束；以及細光束掃描系統(tǒng)，用于在所述層的分離子域內掃描每個所述 細光束；以及使用所述細光束選擇性地固化所述層在每個子域內的區(qū)域。
25. 根據權利要求24所述的方法，還包括 相對于所述層沿x軸、y軸和z軸方向掃描所述細光束。
26. 根據權利要求25所述的方法，其中相對于所述層調整所述細 光束的x軸位置包括傾斜第一導引反射鏡，其中所述細光束中的每個 細光束在所述第一導引反射鏡反射，并沿所述x軸方向樞轉，并且其 中相對于所述層調整所述細光束的y軸位置包括傾斜第二導引反射鏡， 其中每個所述細光束在所述第二導引反射鏡反射，并沿所述y軸方向 樞轉。
27.根據權利要求24所述的方法，其中所述分束器系統(tǒng)包括 分束器；以及(2n-2)個棱鏡，與所述分束器光學接觸；其中所述分束器裝置將所述光束分離成(2n-l)個細光束，所述細光 束橫穿基本相等的光學路徑長度通過所述分束器裝置，并具有基本相等的能量，并且其中每個所述細光束在所述層的分離子域內被掃描。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光學系統(tǒng)，所述光學系統(tǒng)包括能夠產生多個具有基本相等的能量和基本相等的光學路徑長度的激光細光束的分束器裝置。在一種應用中，所述光學系統(tǒng)的所述細光束可以導向到多光子可固化光反應性樹脂，來并行制造多個基本相等尺寸的體素。
文檔編號G02B26/08GK101517454SQ200780034223
公開日2009年8月26日 申請日期2007年9月10日 優(yōu)先權日2006年9月14日
發(fā)明者安德魯·J·默南, 迪安·法克里斯 申請人:3M創(chuàng)新有限公司