專利名稱：光學(xué)加工系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)加工系統(tǒng)和加工方法，尤其是一種具有位置補(bǔ)償功能的光學(xué)加工系統(tǒng)和加工方法。
背景技術(shù)：
模版投影光學(xué)加工系統(tǒng)，是一種通過投影光路，將光學(xué)模版投射到加工表面的一定區(qū)域上進(jìn)行曝光的系統(tǒng)。光學(xué)模版是指具有特定光學(xué)圖形或者特定光學(xué)結(jié)構(gòu)的光學(xué)元器件?？梢允峭干涫胶头瓷涫焦鈱W(xué)器件(如制作好圖形的鉻版掩膜)，衍射光學(xué)器件(如透射光柵、位相板等二元光學(xué)器件)，折射器件(如微透鏡陣列、分光棱鏡)，還可以是顯示任意圖形的空間光調(diào)制器，以及它們的組合搭配。投影光路是對光學(xué)模版的光學(xué)圖形結(jié)構(gòu)的進(jìn)行放大、縮微、或是分光干涉等光學(xué)處理的光學(xué)系統(tǒng)。模版投影光學(xué)加工系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單可靠、制造成本低、生產(chǎn)效率高，在各種領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，包括半導(dǎo)體光亥|J、光學(xué)全息、三維顯示、防偽包裝材料、印刷制版、光固化成型、激光蝕刻、LED圖形化襯底以及光子晶體結(jié)構(gòu)制作等。近年來，隨著微光學(xué)器件制作技術(shù)的發(fā)展，高頻位相光柵和微透鏡陣列等新型光學(xué)模版和投影光路的應(yīng)用，使得模版投影光學(xué)加工系統(tǒng)，具有高圖形分辨率、高光能利用率和長聚焦深度，具有優(yōu)異的光學(xué)加工能力。典型的模版投影光學(xué)加工系統(tǒng)的為X-Y 二維加工系統(tǒng)，采用步進(jìn)加工方式。其光學(xué)模版的輪廓為矩形，經(jīng)過光學(xué)鏡組微縮投影到加工表面的曝光區(qū)域也是矩形。工件相對投影光學(xué)頭作X-Y兩軸步進(jìn)移動，通過對矩形曝光區(qū)域的二維拼接，最終實(shí)現(xiàn)大面積的加工。其典型代表是用于半導(dǎo)體光刻工藝的步進(jìn)式掩膜投影曝光機(jī)(St印-and-R印eat Exposure System)0在上述二維加工系統(tǒng)的構(gòu)架基礎(chǔ)上，增加第三維運(yùn)動，即為模版投影三維光學(xué)加工系統(tǒng)。增加的第三維運(yùn)動，可以是光學(xué)投影鏡頭相對加工表面的Z向升降，也可以是光學(xué)模版相對光學(xué)系統(tǒng)的平移或旋轉(zhuǎn)等等。相對二維加工系統(tǒng)，三維加工系統(tǒng)的靈活性和圖形復(fù)雜性大幅增強(qiáng)。圖1為典型的模版投影三維光學(xué)加工系統(tǒng)的原理圖。其中光學(xué)模版101為一維光柵，其加工生成的圖形102稱為光變圖像(Optical Variable Graph)，具有二維區(qū)塊分布和區(qū)塊內(nèi)的光柵角度共三個維度的信息。光變圖像是光學(xué)全息和立體顯示的基礎(chǔ)，廣泛應(yīng)用于全息防偽印刷包裝等領(lǐng)域。在具體的運(yùn)動控制方式上，在隨著光電和控制技術(shù)的發(fā)展，對于模版投影二維光學(xué)加工系統(tǒng)出現(xiàn)了更為先進(jìn)的加工方式一飛行曝光方式。相對步進(jìn)曝光方式，飛行曝光方式加工速度和位置精度大幅提升，圖形均勻性也更好。同時，控制系統(tǒng)成本更高，技術(shù)難度更大。飛行曝光方式下，光源進(jìn)行超短脈沖曝光，平臺步進(jìn)軸(X軸)步進(jìn)換行，平臺掃描軸(Y軸)逐行掃描。掃描軸的運(yùn)動到達(dá)預(yù)定曝光位置，即時觸發(fā)曝光脈沖。在一行的加工過程中掃描軸連續(xù)運(yùn)動無需停頓。由于曝光脈寬一般在幾十納秒至幾毫秒，在如此短的時間內(nèi)，掃描軸的移動距離遠(yuǎn)小于系統(tǒng)的光學(xué)分辨率，因此不會形成‘拖影’。同時，飛行曝光沒有機(jī)械定位過程，曝光位置完全由電控系統(tǒng)觸發(fā)，因此加工精度極高。采用飛行曝光方式必須具有以下兩個要素1、大功率短脈沖光源。功率必須足夠大，才能在極短的曝光時間內(nèi)，進(jìn)行足夠能量的曝光。曝光時間必須足夠短，才能避免‘拖影’。2、位置信號處理模塊。由掃描軸的位置精確觸發(fā)曝光脈沖。雖然飛行曝光加工方式有上述諸多優(yōu)點(diǎn)，但是通常只適合應(yīng)用于一維和二維加工系統(tǒng)，對于三維及以上加工系統(tǒng)可以實(shí)施但是成效不大，因?yàn)樵谌S系統(tǒng)中，一般最多只能有一個掃描軸，加工效率有限。具體原因分析如下。飛行曝光方式的核心內(nèi)容是掃描軸電控觸發(fā)曝光。即選擇某個運(yùn)動軸作為掃描軸，掃描軸通常作逐行勻速掃描。每一行上有多個預(yù)定曝光點(diǎn)(具體位置取決于加工圖形)，當(dāng)電控系統(tǒng)檢測到掃描軸到達(dá)這些預(yù)定曝光點(diǎn)位置時，觸發(fā)一系列的脈沖電平，進(jìn)而觸發(fā)脈沖光源曝光。顯然，用掃描運(yùn)動替代步進(jìn)運(yùn)動可以大幅提高加工效率和精度。因此，在一個多維加工系統(tǒng)中，步進(jìn)軸的數(shù)目越少越好，掃描軸的數(shù)目越多越好。實(shí)際情況是，通常掃描軸只能有一個。原因是兩個及以上的掃描軸很難實(shí)現(xiàn)運(yùn)動軸位置的同步。舉例分析如下以兩軸X-Y為例，假如需要對四個點(diǎn)(0，3)、(1，5)、(2，4)和(3,6)的進(jìn)行曝光，當(dāng) X軸掃描經(jīng)過0-1-2-3時，很難保證Y軸掃描也依次同步經(jīng)過3-5-4-6。而且可以看到Y(jié)軸的掃描不是單向的，而是存在多次折返，顯然這進(jìn)一步加大了運(yùn)動控制的難度。三個以上的掃描軸，顯然更難同步。根據(jù)上述分析，在二維加工系統(tǒng)中實(shí)施飛行曝光，通常擇一個運(yùn)動軸作掃描軸，另一運(yùn)動軸作步進(jìn)運(yùn)動，形成所謂的逐行掃描加工方式。在三維加工系統(tǒng)中實(shí)施飛行曝光，也只能選擇一個運(yùn)動軸作掃描軸，其余兩軸用作步進(jìn)。這種二軸步進(jìn)一軸掃描的加工方式，相比三軸步進(jìn)方式，在加工效率和精度都有較大的改進(jìn)。但是其本身加工效率仍然很低，主要原因是以二軸步進(jìn)的方式覆蓋一定的加工面積，運(yùn)行效率很低。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提出了一種光學(xué)加工系統(tǒng)和方法。利用該光學(xué)加工系統(tǒng)和方法， 加工效率和精度高。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本申請實(shí)施例提供的技術(shù)方案如下一種光學(xué)加工系統(tǒng)，包括加工平臺、光學(xué)投影鏡頭、光學(xué)模板、中央控制系統(tǒng)和位置補(bǔ)償系統(tǒng)，其中，所述加工平臺實(shí)現(xiàn)第一運(yùn)動軸的步進(jìn)運(yùn)動和第二運(yùn)動軸的掃描運(yùn)動，所述光學(xué)模板或光學(xué)投影鏡頭實(shí)現(xiàn)第三運(yùn)動軸的掃描運(yùn)動，所述位置補(bǔ)償系統(tǒng)包括位置檢測系統(tǒng)，用于檢測光學(xué)投影鏡頭、待加工物或光學(xué)模板的位置；空間光調(diào)制器，其用于產(chǎn)生一位置控制域，該位置控制域投影至光學(xué)模板并經(jīng)光學(xué)投影鏡頭縮放后，在位于加工平臺上的待加工物表面的預(yù)定曝光區(qū)曝光，所述空間光調(diào)制器具有位置補(bǔ)償區(qū)，位于所述位置控制域的四周，且所述位置控制域能動的產(chǎn)生于該位置補(bǔ)償區(qū)中；位置信號處理模塊，控制所述位置控制域在所述位置補(bǔ)償區(qū)中進(jìn)行偏移，當(dāng)所述位置檢測系統(tǒng)檢測到預(yù)定曝光區(qū)與位置控制域在待加工物表面投影的區(qū)域之間產(chǎn)生一位置誤差時，所述位置信號處理模塊控制所述空間光調(diào)制器，并使得所述位置控制域在位置補(bǔ)償區(qū)中產(chǎn)生相應(yīng)的位置偏移，該位置偏移滿足所述位置控制域在投影至光學(xué)模板并經(jīng)光學(xué)投影鏡頭縮放后，達(dá)到預(yù)定曝光區(qū)。優(yōu)選的，在上述光學(xué)加工系統(tǒng)中，所述光學(xué)模板實(shí)現(xiàn)第三運(yùn)動軸的掃描運(yùn)動，所述光學(xué)加工系統(tǒng)在所述第三運(yùn)動軸到達(dá)預(yù)定位置時實(shí)現(xiàn)曝光。優(yōu)選的，在上述光學(xué)加工系統(tǒng)中，所述第三運(yùn)動軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動掃描。優(yōu)選的，在上述光學(xué)加工系統(tǒng)中，所述光學(xué)投影鏡頭實(shí)現(xiàn)第三運(yùn)動軸的掃描運(yùn)動， 所述光學(xué)加工系統(tǒng)在所述第三運(yùn)動軸到達(dá)預(yù)定位置時實(shí)現(xiàn)曝光。優(yōu)選的，在上述光學(xué)加工系統(tǒng)中，所述空間光調(diào)制器為數(shù)字微鏡元件、液晶顯示器件或硅基液晶器件中的一種。優(yōu)選的，在上述光學(xué)加工系統(tǒng)中，所述位置檢測系統(tǒng)包括光柵尺和光柵讀數(shù)頭，所述光柵尺包括第一運(yùn)動軸光柵尺、第二運(yùn)動軸光柵尺和第三運(yùn)動軸光柵尺，所述光柵讀數(shù)頭讀取光學(xué)投影鏡頭、待加工物或光學(xué)模板的位置信號，并向位置信號處理模塊發(fā)送一位
置信號。本發(fā)明還提供了一種光學(xué)加工方法，使用上述的光學(xué)加工系統(tǒng)，包括步驟(1)、加工平臺沿第二運(yùn)動軸進(jìn)行掃描，光學(xué)模板或光學(xué)投影鏡頭沿第三運(yùn)動軸進(jìn)行掃描運(yùn)動；(2)、預(yù)定曝光區(qū)在第二運(yùn)動軸方向上到達(dá)預(yù)定位置，并逐漸偏離預(yù)定位置；(3)、光學(xué)模板或光學(xué)投影鏡頭沿第三運(yùn)動軸運(yùn)動至預(yù)定位置；0)、位置檢測系統(tǒng)檢測預(yù)定曝光區(qū)與位置控制域在待加工物表面投影的區(qū)域在第二運(yùn)動軸方向上的位置誤差，并向位置信號處理模塊提供一位置信號；(5)、位置信號處理模塊根據(jù)所述位置信號計(jì)算補(bǔ)償該位置誤差所需的位置偏移量，并控制空間光調(diào)制器上的位置控制域在補(bǔ)償區(qū)進(jìn)行偏移，使得該位置控制域經(jīng)光學(xué)投影鏡頭縮放后，到達(dá)預(yù)定曝光區(qū)；(6)、觸發(fā)曝光脈沖，在預(yù)定曝光區(qū)曝光。本發(fā)明還提供了一種光學(xué)加工方法，使用上述的光學(xué)加工系統(tǒng)，包括步驟(1)、加工平臺沿第二運(yùn)動軸進(jìn)行掃描，光學(xué)模板或光學(xué)投影鏡頭沿第三運(yùn)動軸進(jìn)行掃描運(yùn)動；(2)、預(yù)定曝光區(qū)在第二運(yùn)動軸方向上到達(dá)預(yù)定位置；(3)、位置檢測系統(tǒng)檢測到預(yù)定曝光區(qū)在第二運(yùn)動軸方向上到達(dá)預(yù)定位置，并向位置信號處理模塊提供一位置信號，位置信號處理模塊控制空間光調(diào)制器上的位置控制域在位置補(bǔ)償區(qū)內(nèi)進(jìn)行偏移運(yùn)動，該偏移運(yùn)動與第二運(yùn)動軸的掃描運(yùn)動同步，可以使得位置控制域經(jīng)光學(xué)投影鏡頭縮放后始終位于預(yù)定曝光區(qū)；0)、光學(xué)模板或光學(xué)投影鏡頭掃描至預(yù)定位置，觸發(fā)曝光脈沖，在預(yù)定曝光區(qū)曝光。優(yōu)選的，在上述光學(xué)加工方法中，所述步驟(3)中，位置控制域在位置補(bǔ)償區(qū)內(nèi)的運(yùn)動為等間距的步進(jìn)運(yùn)動。優(yōu)選的，在上述光學(xué)加工方法中，所述步驟(3)中，位置檢測系統(tǒng)檢測到預(yù)定曝光區(qū)在第二運(yùn)動軸方向上到達(dá)預(yù)定位置時，位置信號處理模塊開始輸出觸發(fā)脈沖給空間光調(diào)制器。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明的光學(xué)加工系統(tǒng)中，加工平臺實(shí)現(xiàn)第一運(yùn)動軸的步進(jìn)運(yùn)動和第二運(yùn)動軸的掃描運(yùn)動，光學(xué)模板或光學(xué)投影鏡頭實(shí)現(xiàn)第三運(yùn)動軸的掃描運(yùn)動，通過空間光調(diào)制器對第二運(yùn)動軸方向上的曝光位置進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了第二運(yùn)動軸和第三運(yùn)動軸這兩個掃描軸的精確高速同步，從而能夠以“兩軸掃描、一軸步進(jìn)”的方式實(shí)現(xiàn)三維加工，其加工效率和加工精度大幅提升。


為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1所示為現(xiàn)有技術(shù)中模板投影三維光學(xué)加工系統(tǒng)的原理示意圖；圖2所示為本發(fā)明具體實(shí)施例中光學(xué)加工系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3所示為本發(fā)明具體實(shí)施例中位置補(bǔ)償系統(tǒng)的方框示意圖；圖4A至4B所示為本發(fā)明具體實(shí)施例中圖形偏移得到位置補(bǔ)償?shù)暮喴资疽鈭D；圖5所示為本發(fā)明具體實(shí)施例中第一種光學(xué)加工方法的流程圖；圖6所示為本發(fā)明具體實(shí)施例中第二種光學(xué)加工方法的流程圖；圖7所示為本發(fā)明具體實(shí)施例中利用第一種光學(xué)加工方法實(shí)現(xiàn)位置補(bǔ)償?shù)氖疽鈭D；圖8所示為本發(fā)明具體實(shí)施例中利用第二種光學(xué)加工方法實(shí)現(xiàn)位置補(bǔ)償?shù)氖疽鈭D。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的目的在于通過在光學(xué)系統(tǒng)中引入空間光調(diào)制器對其中一個掃描軸的曝光位置動態(tài)補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了兩個掃描軸的精確高速同步，從而能夠以“兩軸掃描、一軸步進(jìn)”的方式實(shí)現(xiàn)三維加工，以實(shí)現(xiàn)加工速度和加工精度大幅提升。為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本申請中的技術(shù)方案，下面將結(jié)合本申請實(shí)施例中的附圖，對本申請實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本申請一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒旧暾堉械膶?shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本申請保護(hù)的范圍。在以下實(shí)施例中，光學(xué)投影鏡頭固定靜止，光學(xué)模板實(shí)現(xiàn)在第三運(yùn)動軸的掃描運(yùn)動，但是在其他實(shí)施例中，也可以是光學(xué)投影鏡頭進(jìn)行升降式的掃描運(yùn)動，而光學(xué)模板靜止。在其他實(shí)施方式中，第三運(yùn)動軸的掃描運(yùn)動也可以由加工平臺的上下運(yùn)動實(shí)現(xiàn)。參圖2所示，光學(xué)加工系統(tǒng)200包括加工平臺201、光學(xué)投影鏡頭202、光學(xué)模板 203、中央控制系統(tǒng)204、位置補(bǔ)償系統(tǒng)205和光源206。參圖3所示，位置補(bǔ)償系統(tǒng)205包括位置檢測系統(tǒng)2051、空間光調(diào)制器2052和位置信號處理模塊2055。加工平臺201為X-Y兩軸加工平臺，可以實(shí)現(xiàn)X軸(第一運(yùn)動軸)的步進(jìn)運(yùn)動和 Y軸(第二運(yùn)動軸)的掃描運(yùn)動。光學(xué)投影鏡頭202，可以對投影的光學(xué)圖形結(jié)構(gòu)進(jìn)行放大、縮微、或是分光干涉等光學(xué)處理。光學(xué)模板203，是具有特定光學(xué)圖形或者特定光學(xué)結(jié)構(gòu)的光學(xué)元器件?？梢允峭干涫胶头瓷涫焦鈱W(xué)器件(如制作好圖形的鉻版掩膜)、衍射光學(xué)器件(如投射光柵、位相板等二元光學(xué)器件)或折射器件(如微透鏡陣列、分光棱鏡)。在本實(shí)施例中，光學(xué)模板203上設(shè)有特定的光學(xué)圖形，以決定曝光區(qū)域內(nèi)的圖形結(jié)構(gòu)。同時，光學(xué)模板203實(shí)現(xiàn)沿第三運(yùn)動軸的掃描運(yùn)動。優(yōu)選的，光學(xué)模板203進(jìn)行轉(zhuǎn)動掃描。在其他實(shí)施方式中，光學(xué)模板203的掃描運(yùn)動還可以是往復(fù)式的角度翻轉(zhuǎn)或沿直線的平移運(yùn)動。光學(xué)模板203用以決定曝光區(qū)域內(nèi)的圖形結(jié)構(gòu)，該圖形結(jié)構(gòu)為預(yù)先設(shè)計(jì)在光學(xué)模板203上。易于想到，在本發(fā)明的光學(xué)加工系統(tǒng)中，多種多個光學(xué)模板可以更換交替使用。中央控制系統(tǒng)204用以控制加工平臺201沿X軸的步進(jìn)運(yùn)動、加工平臺201沿Y 軸的掃描運(yùn)動以及光學(xué)模板203沿第三運(yùn)動軸的掃描運(yùn)動。位置檢測系統(tǒng)2051，用于檢測光學(xué)投影鏡頭202、待加工物或光學(xué)模板203的位置。在一種實(shí)際應(yīng)用中，位置檢測系統(tǒng)2051包括光柵尺和光柵讀數(shù)頭，光柵尺包括第一運(yùn)動軸光柵尺、第二運(yùn)動軸光柵尺和第三運(yùn)動軸光柵尺，所述光柵讀數(shù)頭讀取光學(xué)投影鏡頭、待加工物或光學(xué)模板的位置信號，并向位置信號處理模塊2055發(fā)送一位置信號。具體地，第一運(yùn)動軸光柵尺用以檢測待加工物在第一運(yùn)動軸上的位置坐標(biāo)；第二運(yùn)動軸光柵尺用以檢測待加工物在第二運(yùn)動軸方向上的位置坐標(biāo)；第三運(yùn)動軸光柵尺用以檢測光學(xué)模板或光學(xué)投影鏡頭轉(zhuǎn)動的角度或移動位置。可選的，本發(fā)明所適用的位置檢測系統(tǒng)2051的類型并不局限于光柵尺，也可以是脈沖編碼盤、激光干涉儀、磁柵尺等其它類型。參圖4A-4B所示，空間光調(diào)制器2052，其用于產(chǎn)生一位置控制域2053，該位置控制域2053投影至光學(xué)模板203并經(jīng)光學(xué)投影鏡頭202縮放后，在位于加工平臺201上的待加工物207表面的預(yù)定曝光區(qū)2071曝光，所述空間光調(diào)制器2052具有位置補(bǔ)償區(qū)20M，位于所述位置控制域2053的四周，且所述位置控制域2053能動的產(chǎn)生于該位置補(bǔ)償區(qū)20M中。通過改變空間光調(diào)制器2052上顯示的位置控制域2053的形狀和位置，可以控制投影到加工平臺表面的曝光區(qū)域的形狀和位置，例如曝光區(qū)域的輪廓大小和形狀。在實(shí)際應(yīng)用中，該位置控制域2053通常為矩形。空間光調(diào)制器2052與光學(xué)模板203保持獨(dú)立關(guān)系，也即空間光調(diào)制器2052對曝光區(qū)域內(nèi)的圖形結(jié)構(gòu)沒有影響，而光學(xué)模板203對曝光區(qū)域的形狀和位置沒有影響?？臻g光調(diào)制器2052與光學(xué)模板203在投影光路中的具體位置和先后順序無須固定，只要滿足上述獨(dú)立條件即可?？臻g光調(diào)制器2052可以優(yōu)選自數(shù)字微鏡元件、液晶顯示器件或硅基液晶器件中的一種。位置信號處理模塊2055，控制所述位置控制域2053在所述位置補(bǔ)償區(qū)20M中進(jìn)行偏移，當(dāng)位置檢測系統(tǒng)2051檢測到預(yù)定曝光區(qū)2071與位置控制域在待加工物表面投影的區(qū)域之間產(chǎn)生一位置誤差時，位置信號處理模塊2055控制空間光調(diào)制器2052，并使得位置控制域2053在位置補(bǔ)償區(qū)20M中產(chǎn)生相應(yīng)的位置偏移，偏移后的位置控制域?yàn)?2053'(參圖4B)，該位置偏移滿足偏移后的位置控制域2053'在投影至光學(xué)模板203并經(jīng)光學(xué)投影鏡頭202縮放后，達(dá)到預(yù)定曝光區(qū)2071。位置信號處理模塊2055優(yōu)選集成于中央控制系統(tǒng)204中。光源206，為脈沖光源，用以實(shí)現(xiàn)超短脈沖曝光。光源206的功率必須足夠大，以在極短的曝光時間內(nèi)，進(jìn)行足夠能量的曝光。曝光時間必須足夠短，才能避免‘拖影’。本發(fā)明光學(xué)加工系統(tǒng)中，在光學(xué)模板203到達(dá)預(yù)定位置時觸發(fā)曝光。利用上述光學(xué)加工系統(tǒng)200實(shí)現(xiàn)位置補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ袃煞N(1) 一步式補(bǔ)償即在第三運(yùn)動軸到達(dá)預(yù)定位置時，計(jì)算第二運(yùn)動軸的位置誤差并通過位置控制域在補(bǔ)償區(qū)的一次偏移實(shí)現(xiàn)；(2) “鎖定”補(bǔ)償或多步式補(bǔ)償即在第二運(yùn)動軸到達(dá)預(yù)定位置時，通過控制空間光調(diào)制器上的位置控制域位置與第二運(yùn)動軸同步偏移，使得在一段足夠長的時間內(nèi)，位置控制域經(jīng)光學(xué)投影鏡頭縮放后始終鎖定在預(yù)定曝光區(qū)上。從而可以等待，第三運(yùn)動軸到達(dá)其預(yù)定位置時觸發(fā)曝光脈沖。參圖5所示，第一種加工方法具體如下實(shí)現(xiàn)(1)、加工平臺沿第二運(yùn)動軸進(jìn)行掃描，光學(xué)模板或光學(xué)投影鏡頭沿第三運(yùn)動軸進(jìn)行掃描運(yùn)動；O)、預(yù)定曝光區(qū)在第二運(yùn)動軸方向上到達(dá)預(yù)定位置，并逐漸偏離預(yù)定位置；(3)、光學(xué)模板或光學(xué)投影鏡頭沿第三運(yùn)動軸運(yùn)動至預(yù)定位置；0)、位置檢測系統(tǒng)檢測預(yù)定曝光區(qū)與位置控制域在待加工物表面投影的區(qū)域在第二運(yùn)動軸方向上的位置誤差，并向位置信號處理模塊提供一位置信號；(5)、位置信號處理模塊根據(jù)所述位置信號計(jì)算補(bǔ)償該位置誤差所需的位置偏移量，并控制空間光調(diào)制器上的位置控制域在補(bǔ)償區(qū)進(jìn)行偏移，使得該位置控制域經(jīng)光學(xué)投影鏡頭縮放后，到達(dá)預(yù)定曝光區(qū)；(6)、觸發(fā)曝光脈沖，在預(yù)定曝光區(qū)曝光。參圖6所示，第二種加工方法具體如下實(shí)現(xiàn)(1)、加工平臺沿第二運(yùn)動軸進(jìn)行掃描，光學(xué)模板或光學(xué)投影鏡頭沿第三運(yùn)動軸進(jìn)行掃描運(yùn)動；(2)、預(yù)定曝光區(qū)在第二運(yùn)動軸方向上到達(dá)預(yù)定位置；(3)、位置檢測系統(tǒng)檢測到預(yù)定曝光區(qū)在第二運(yùn)動軸方向上到達(dá)預(yù)定位置，并向位置信號處理模塊提供一位置信號，位置信號處理模塊控制空間光調(diào)制器上的位置控制域在位置補(bǔ)償區(qū)內(nèi)進(jìn)行偏移運(yùn)動，該偏移運(yùn)動與第二運(yùn)動軸的掃描運(yùn)動同步，可以使得位置控制域經(jīng)光學(xué)投影鏡頭縮放后始終位于預(yù)定曝光區(qū)；
0)、光學(xué)模板或光學(xué)投影鏡頭掃描至預(yù)定位置，觸發(fā)曝光脈沖，在預(yù)定曝光區(qū)曝光。在上述第二種加工方法中，位置控制域2053在位置補(bǔ)償區(qū)20M內(nèi)的運(yùn)動為等間距的步進(jìn)運(yùn)動。第一種加工方法中，空間光調(diào)制器2052所需的刷新頻率較低，但是其控制邏輯較為復(fù)雜。空間光調(diào)制器2052的偏移步距不固定，而是需要根據(jù)位置誤差計(jì)算獲得。其響應(yīng)時間因此較長，約為幾毫秒。第二種加工方法中，空間光調(diào)制器2052所需的刷新頻率較高，但是其偏移步距固定，控制邏輯簡單，響應(yīng)時間較短，約為幾百微秒。兩種加工方法中，空間光調(diào)制器調(diào)制器2052都有一個響應(yīng)時間。由于對應(yīng)一個給定的電控系統(tǒng)，該響應(yīng)時間是一個固定值，因而易于補(bǔ)償。故本發(fā)明的技術(shù)方案中不再贅述。兩種加工方法中，位置控制域2053的偏移步距的最小值均為一個像素。為了進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，這些描述只是為進(jìn)一步說明本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)，而不是對本發(fā)明權(quán)利要求的限制。以下實(shí)施過程是針對上述第一種加工方法進(jìn)行的示例性舉例。參圖7所示，X軸為第一運(yùn)動軸，做步進(jìn)運(yùn)動。Y軸為第二運(yùn)動軸，做掃描運(yùn)動，對應(yīng)加工平臺201的行掃描。θ軸為第三運(yùn)動軸或模板軸，對應(yīng)光學(xué)模版203的旋轉(zhuǎn)。圖中描述了加工過程中某連續(xù)3個點(diǎn)的曝光控制原理，此3個點(diǎn)的坐標(biāo)(X，Y，θ )依次分別是 (0,0,120° ), (0,4. 8,60° )和(0，10. 1，112. 5° )。在整個加工過程中，θ軸保持勻速旋轉(zhuǎn)，處于連續(xù)高速掃描的狀態(tài)。首先，X軸步進(jìn)運(yùn)動到坐標(biāo)X = 0。然后，Y軸移動到本行(X = 0)的起點(diǎn)Y = -1，開始行掃描。參坐標(biāo)軸A和B，當(dāng)Y軸掃描經(jīng)過預(yù)定位置Y = 0之后，隨著Y軸的向前掃描，預(yù)定曝光區(qū)逐漸偏離預(yù)定位置Y = 0，由坐標(biāo)軸B可見，Y軸位置偏差逐漸增大。經(jīng)過一段時間后，θ軸掃描經(jīng)過預(yù)定位置θ = 120°。此時，位置檢測系統(tǒng)2051檢測到θ軸到達(dá)預(yù)定位置，同時讀取此時預(yù)定曝光區(qū)與實(shí)際投影區(qū)域在Y軸方向上的位置誤差，并將此位置信號傳遞給位置信號處理模塊2055。參坐標(biāo)軸C，位置信號處理模塊2055根據(jù)位置信號計(jì)算補(bǔ)償該位置誤差所需的位置偏移量，并控制空間光調(diào)制器(SLM) 2052上的位置控制域在補(bǔ)償區(qū)進(jìn)行偏移，使得該位置控制域經(jīng)光學(xué)投影鏡頭縮放后，到達(dá)預(yù)定曝光區(qū)，以補(bǔ)償Y軸方向上的位置誤差?？臻g光調(diào)制器2052完成偏移后，位置信號處理模塊2055輸出觸發(fā)脈沖到脈沖光源206，完成最終曝光。由于空間光調(diào)制器2052的偏移的最小步距為一個像素，因此補(bǔ)償后的Y軸置偏差小于一個像素，但是往往不為零，參坐標(biāo)軸D。本實(shí)施方案的具體軟硬件參數(shù)配置，在此不予詳述。以下實(shí)施過程是針對上述第二種加工方法進(jìn)行的示例性舉例。參圖8所示，X軸為第一運(yùn)動軸，做步進(jìn)運(yùn)動。Y軸為第二運(yùn)動軸，做掃描運(yùn)動，對應(yīng)加工平臺201的行掃描。θ軸為第三運(yùn)動軸或模板軸，對應(yīng)光學(xué)模版的旋轉(zhuǎn)。圖中描述了加工過程中某連續(xù)3個點(diǎn)的曝光控制原理，此3個點(diǎn)的坐標(biāo)(Χ，Υ，θ)依次分別是(0，0， 120° ), (0,4. 8,60° )和(0，10. 1，112. 5° )。在整個加工過程中，θ軸保持勻速旋轉(zhuǎn)，處于連續(xù)高速掃描的狀態(tài)。首先，X軸步進(jìn)運(yùn)動到坐標(biāo)X = 0。然后，Y軸移動到本行(X = 0)的起點(diǎn)Y = -1，開始行掃描。當(dāng)Y軸掃描經(jīng)過預(yù)定曝光位置Y = 0之后，每隔一定的間距，位置信號處理模塊 2055輸出觸發(fā)脈沖給空間光調(diào)制器2052。坐標(biāo)軸A中，脈沖觸發(fā)間距為0. 5。隨著Y軸的向前掃描，預(yù)定曝光區(qū)在第二運(yùn)動軸方向上到達(dá)預(yù)定位置并逐漸偏離預(yù)定位置Y = 0，由坐標(biāo)軸B可見，Y軸位置誤差逐漸增大。接收到位置信號處理模塊2055的觸發(fā)脈沖后，空間光調(diào)制器2052步進(jìn)式地偏移其上的位置控制域2053 (參圖4Α和坐標(biāo)軸C)，使得位置控制域經(jīng)光學(xué)投影鏡頭縮放后始終跟隨預(yù)定曝光區(qū)進(jìn)行偏移，從而持續(xù)地補(bǔ)償Y軸的位置偏差。空間光調(diào)制器2052的偏移單步距離等于0. 5，與Y軸的脈沖觸發(fā)間隔一致。參坐標(biāo)軸D，經(jīng)過空間光調(diào)制器2052位置補(bǔ)償后，Y軸的最終定位偏差一直保持在 0. 5以下。此時，由于Y軸的最終定位偏差一直保持在很小值(近似為零)，可以視為Y軸處于“靜止”狀態(tài)。參坐標(biāo)軸Ε，Υ軸保持“靜止”一段時間之后，θ軸掃描經(jīng)過預(yù)定位置θ = 120°， 位置信號處理模塊2055輸出觸發(fā)脈沖到脈沖光源206，完成最終曝光。由上述實(shí)施例可知兩軸(Y軸和θ軸)飛行曝光同步，對于每個加工點(diǎn)，加工平臺的Y軸掃過預(yù)定位置后，空間光調(diào)制器控制投影光斑跟隨Y軸持續(xù)偏移，使得在一段足夠長的時間內(nèi)，Y軸保持‘鎖定’，從而可以等待θ軸掃描經(jīng)過該點(diǎn)的預(yù)定角度。在曝光全程中，θ軸始終進(jìn)行勻速旋轉(zhuǎn)，可以視作θ軸對坐標(biāo)范圍0° 360° 作周期性掃描。θ軸旋轉(zhuǎn)頻率越高，掃描周期越短，所需Y軸保持鎖定的時間越短，空間光調(diào)制器所需的偏移行程越小?；谏鲜鰧?shí)施例，本發(fā)明的具體參數(shù)可配置如下1、基本硬件參數(shù)為了分析和闡述的方便，假設(shè)最終生成的曝光圖形中，曝光點(diǎn)沿著Y方向緊密排列?？臻g光調(diào)制器的單個像素尺寸為13. 68um*13. 68um?？臻g光調(diào)制器的全部像素尺寸為1024*768，其中IOM對應(yīng)平臺X軸方向，768對應(yīng)平臺Y軸方向。投影光學(xué)系統(tǒng)的微縮倍數(shù)為20倍。2、典型加工要求Y軸的掃描曝光頻率為F = 100Hz，其曝光周期即為10ms。Y軸允許的最大定位偏差2um。3、具體參數(shù)配置a)空間光調(diào)制器的位置控制域的像素尺寸為256*256，
因此每個曝光點(diǎn)的大小為175. 104um*175. 104um,其中175. 104um = 13. 68um*256/20。從而確定了以下參數(shù)最終光學(xué)加工的圖形分辨率為175. 104um。Y 軸的掃描速度 ν = 175. 104um*100Hz = 17510. 4um/s。b)位置補(bǔ)償區(qū)在Y方向可用的偏移距離為1 像素。Y方向可用的最大偏移行程768-256 = 512像素。c)光柵軸θ的旋轉(zhuǎn)頻率和具體實(shí)現(xiàn)空間光調(diào)制器的偏移行程為1 像素，是空間光調(diào)制器曝光區(qū)域256像素的一半， 可獲得的Y軸鎖定時間為曝光周期的一半。與此相對應(yīng)，光柵θ軸旋轉(zhuǎn)的的最低頻率為曝光頻率的兩倍，即為200Hz。在曝光頻率一定的情況下，空間光調(diào)制器偏移行程相對空間光調(diào)制器曝光區(qū)域越大，Y軸保持鎖定的時間越長，所需的θ軸旋轉(zhuǎn)頻率越低。顯然θ軸的轉(zhuǎn)速越高，越有利于θ軸和Y軸同步配合的穩(wěn)定和可靠。因此稍微增大Θ軸的旋轉(zhuǎn)頻率，取為250Hz。θ軸高轉(zhuǎn)速的具體機(jī)械結(jié)構(gòu)如下由轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分的交流伺服電機(jī)驅(qū)動，通過5倍機(jī)械增速比帶動光柵旋轉(zhuǎn)，光柵軸θ的轉(zhuǎn)速η = 15000轉(zhuǎn)/分=250轉(zhuǎn)/秒。光柵軸的定位結(jié)構(gòu)采用滾珠軸承即可。顯然通過其它的驅(qū)動和定位方式，例如空氣軸承和磁懸浮軸承，很容易獲得更高的轉(zhuǎn)速。d)空間光調(diào)制器的刷新頻率根據(jù)Y軸允許的最大定位偏差2um，空間光調(diào)制器的偏移步距小于2um/ (13. 68um/20倍)=2. 92個像素，取為2個像素?？臻g光調(diào)制器的刷新頻率為056/ ^ = 12800Hz。目前國際上商用空間光調(diào)制器最高刷新頻率可達(dá)30000Hz。Y軸的定位偏差要求越小，空間光調(diào)制器偏移步距相應(yīng)地越小，導(dǎo)致空間光調(diào)制器的刷新頻率越高。綜上所述，本發(fā)明的光學(xué)加工系統(tǒng)中，加工平臺實(shí)現(xiàn)第一運(yùn)動軸的步進(jìn)運(yùn)動和第二運(yùn)動軸的掃描運(yùn)動，光學(xué)模板或光學(xué)投影鏡頭實(shí)現(xiàn)第三運(yùn)動軸的掃描運(yùn)動，通過空間光調(diào)制器對第二運(yùn)動軸方向上的曝光位置進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了第二運(yùn)動軸和第三運(yùn)動軸這兩個掃描軸的精確高速同步，從而能夠以“兩軸掃描、一軸步進(jìn)”的方式實(shí)現(xiàn)三維加工，其加工效率和加工精度大幅提升。以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)加工系統(tǒng)，其特征在于包括加工平臺、光學(xué)投影鏡頭、光學(xué)模板、中央控制系統(tǒng)和位置補(bǔ)償系統(tǒng)，其中，所述加工平臺實(shí)現(xiàn)第一運(yùn)動軸的步進(jìn)運(yùn)動和第二運(yùn)動軸的掃描運(yùn)動，所述光學(xué)模板或光學(xué)投影鏡頭實(shí)現(xiàn)第三運(yùn)動軸的掃描運(yùn)動，所述位置補(bǔ)償系統(tǒng)包括位置檢測系統(tǒng)，用于檢測光學(xué)投影鏡頭、待加工物或光學(xué)模板的位置；空間光調(diào)制器，其用于產(chǎn)生一位置控制域，該位置控制域投影至光學(xué)模板并經(jīng)光學(xué)投影鏡頭縮放后，在位于加工平臺上的待加工物表面的預(yù)定曝光區(qū)曝光，所述空間光調(diào)制器具有位置補(bǔ)償區(qū)，位于所述位置控制域的四周，且所述位置控制域能動的產(chǎn)生于該位置補(bǔ)償區(qū)中；位置信號處理模塊，控制所述位置控制域在所述位置補(bǔ)償區(qū)中進(jìn)行偏移，當(dāng)所述位置檢測系統(tǒng)檢測到預(yù)定曝光區(qū)與位置控制域在待加工物表面投影的區(qū)域之間產(chǎn)生一位置誤差時，所述位置信號處理模塊控制所述空間光調(diào)制器，并使得所述位置控制域在位置補(bǔ)償區(qū)中產(chǎn)生相應(yīng)的位置偏移，該位置偏移滿足所述位置控制域在投影至光學(xué)模板并經(jīng)光學(xué)投影鏡頭縮放后，達(dá)到預(yù)定曝光區(qū)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)加工系統(tǒng)，其特征在于所述光學(xué)模板實(shí)現(xiàn)第三運(yùn)動軸的掃描運(yùn)動，所述光學(xué)加工系統(tǒng)在所述第三運(yùn)動軸到達(dá)預(yù)定位置時實(shí)現(xiàn)曝光。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)加工系統(tǒng)，其特征在于所述第三運(yùn)動軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動掃描。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)加工系統(tǒng)，其特征在于所述光學(xué)投影鏡頭實(shí)現(xiàn)第三運(yùn)動軸的掃描運(yùn)動，所述光學(xué)加工系統(tǒng)在所述第三運(yùn)動軸到達(dá)預(yù)定位置時實(shí)現(xiàn)曝光。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)加工系統(tǒng)，其特征在于所述空間光調(diào)制器為數(shù)字微鏡元件、液晶顯示器件或硅基液晶器件中的一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)加工系統(tǒng)，其特征在于所述位置檢測系統(tǒng)包括光柵尺和光柵讀數(shù)頭，所述光柵尺包括第一運(yùn)動軸光柵尺、第二運(yùn)動軸光柵尺和第三運(yùn)動軸光柵尺，所述光柵讀數(shù)頭讀取光學(xué)投影鏡頭、待加工物或光學(xué)模板的位置信號，并向位置信號處理模塊發(fā)送一位置信號。
7.一種光學(xué)加工方法，使用權(quán)利要求1所述的光學(xué)加工系統(tǒng)，其特征在于，包括步驟(1)、加工平臺沿第二運(yùn)動軸進(jìn)行掃描，光學(xué)模板或光學(xué)投影鏡頭沿第三運(yùn)動軸進(jìn)行掃描運(yùn)動；O)、預(yù)定曝光區(qū)在第二運(yùn)動軸方向上到達(dá)預(yù)定位置，并逐漸偏離預(yù)定位置；(3)、光學(xué)模板或光學(xué)投影鏡頭沿第三運(yùn)動軸運(yùn)動至預(yù)定位置；G)、位置檢測系統(tǒng)檢測預(yù)定曝光區(qū)與位置控制域在待加工物表面投影的區(qū)域在第二運(yùn)動軸方向上的位置誤差，并向位置信號處理模塊提供一位置信號；(5)、位置信號處理模塊根據(jù)所述位置信號計(jì)算補(bǔ)償該位置誤差所需的位置偏移量，并控制空間光調(diào)制器上的位置控制域在補(bǔ)償區(qū)進(jìn)行偏移，使得該位置控制域經(jīng)光學(xué)投影鏡頭縮放后，到達(dá)預(yù)定曝光區(qū)；(6)、觸發(fā)曝光脈沖，在預(yù)定曝光區(qū)曝光。
8.一種光學(xué)加工方法，使用權(quán)利要求1所述的光學(xué)加工系統(tǒng)，其特征在于，包括步驟(1)、加工平臺沿第二運(yùn)動軸進(jìn)行掃描，光學(xué)模板或光學(xué)投影鏡頭沿第三運(yùn)動軸進(jìn)行掃描運(yùn)動；O)、預(yù)定曝光區(qū)在第二運(yùn)動軸方向上到達(dá)預(yù)定位置；(3)、位置檢測系統(tǒng)檢測到預(yù)定曝光區(qū)在第二運(yùn)動軸方向上到達(dá)預(yù)定位置，并向位置信號處理模塊提供一位置信號，位置信號處理模塊控制空間光調(diào)制器上的位置控制域在位置補(bǔ)償區(qū)內(nèi)進(jìn)行偏移運(yùn)動，該偏移運(yùn)動與第二運(yùn)動軸的掃描運(yùn)動同步，可以使得位置控制域經(jīng)光學(xué)投影鏡頭縮放后始終位于預(yù)定曝光區(qū)；G)、光學(xué)模板或光學(xué)投影鏡頭掃描至預(yù)定位置，觸發(fā)曝光脈沖，在預(yù)定曝光區(qū)曝光。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光學(xué)加工方法，其特征在于所述步驟C3)中，位置控制域在位置補(bǔ)償區(qū)內(nèi)的運(yùn)動為等間距的步進(jìn)運(yùn)動。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光學(xué)加工方法，其特征在于所述步驟(3)中，位置檢測系統(tǒng)檢測到預(yù)定曝光區(qū)在第二運(yùn)動軸方向上到達(dá)預(yù)定位置時，位置信號處理模塊開始輸出觸發(fā)脈沖給空間光調(diào)制器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光學(xué)加工系統(tǒng)，包括加工平臺、光學(xué)投影鏡頭、光學(xué)模板、中央控制系統(tǒng)、位置補(bǔ)償系統(tǒng)和光源。其中，位置補(bǔ)償系統(tǒng)包括位置檢測系統(tǒng)、空間光調(diào)制器和位置信號處理模塊。本發(fā)明的光學(xué)加工系統(tǒng)中，加工平臺實(shí)現(xiàn)第一運(yùn)動軸的步進(jìn)運(yùn)動和第二運(yùn)動軸的掃描運(yùn)動，光學(xué)模板或光學(xué)投影鏡頭實(shí)現(xiàn)第三運(yùn)動軸的掃描運(yùn)動，通過空間光調(diào)制器對第二運(yùn)動軸方向上的曝光位置進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了第二運(yùn)動軸和第三運(yùn)動軸這兩個掃描軸的精確高速同步，從而能夠以“兩軸掃描、一軸步進(jìn)”的方式實(shí)現(xiàn)三維加工，其加工效率和加工精度大幅提升。
文檔編號G03F7/20GK102566325SQ20121007627
公開日2012年7月11日 申請日期2012年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月21日
發(fā)明者浦東林, 胡進(jìn), 陳林森 申請人:蘇州大學(xué), 蘇州蘇大維格光電科技股份有限公司