光學加工系統和方法

專利名稱：光學加工系統和方法
技術領域：
本發明涉及一種光學加工系統和加工方法，尤其是一種具有位置補償功能的光學加工系統和加工方法。
背景技術：
模版投影光學加工系統，是一種通過投影光路，將光學模版投射到加工表面的一定區域上進行曝光的系統。光學模版是指具有特定光學圖形或者特定光學結構的光學元器件。可以是透射式和反射式光學器件(如制作好圖形的鉻版掩膜)，衍射光學器件(如透射光柵、位相板等二元光學器件)，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制器，以及它們的組合搭配。投影光路是對光學模版的光學圖形結構的進行放大、縮微、或是分光干涉等光學處理的光學系統。模版投影光學加工系統，結構簡單可靠、制造成本低、生產效率高，在各種領域被廣泛應用，包括半導體光刻、光學全息、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構制作等。近年來，隨著微光學器件制作技術的發展，高頻位相光柵和微透鏡陣列等新型光學模版和投影光路的應用，使得模版投影光學加工系統，具有高圖形分辨率、高光能利用率和長聚焦深度，具有優異的光學加工能力。典型的模版投影光學加工系統的為X-Y 二維加工系統，采用步進加工方式。其光學模版的輪廓為矩形，經過光學鏡組微縮投影到加工表面的曝光區域也是矩形。工件相對投影光學頭作X-Y兩軸步進移動，通過對矩形曝光區域的二維拼接，最終實現大面積的加工。其典型代表是用于半導體光刻工藝的步進式掩膜投影曝光機(St印-and-R印eat Exposure System)。在上述二維加工系統的構架基礎上，增加第三維運動，即為模版投影三維光學加工系統。增加的第三維運動，可以是光學投影鏡頭相對加工表面的Z向升降，也可以是光學模版相對光學系統的平移或旋轉等等。相對二維加工系統，三維加工系統的靈活性和圖形復雜性大幅增強。圖I為典型的模版投影三維光學加工系統的原理圖。其中光學模版101為一維光柵，其加工生成的圖形102稱為光變圖像(Optical Variable Graph)，具有二維區塊分布和區塊內的光柵角度共三個維度的信息。光變圖像是光學全息和立體顯示的基礎，廣泛應用于全息防偽印刷包裝等領域。在具體的運動控制方式上，在隨著光電和控制技術的發展，對于模版投影二維光學加工系統出現了更為先進的加工方式一飛行曝光方式。相對步進曝光方式，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，控制系統成本更高，技術難度更大。飛行曝光方式下，光源進行超短脈沖曝光，平臺步進軸(X軸)步進換行，平臺掃描軸(Y軸)逐行掃描。掃描軸的運動到達預定曝光位置，即時觸發曝光脈沖。在一行的加工過程中掃描軸連續運動無需停頓。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，掃描軸的移動距離遠小于系統的光學分辨率，因此不會形成‘拖影’。同時，飛行曝光沒有機械定位過程，曝光位置完全由電控系統觸發，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I、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，進行足夠能量的曝光。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曝光脈沖。雖然飛行曝光加工方式有上述諸多優點，但是通常只適合應用于一維和二維加工系統，對于三維及以上加工系統可以實施但是成效不大，因為在三維系統中，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容是掃描軸電控觸發曝光。即選擇某個運動軸作為掃描軸，掃描軸通常作逐行勻速掃描。每一行上有多個預定曝光點(具體位置取決于加工圖形)，當電控系統檢測到掃描軸到達這些預定曝光點位置時，觸發一系列的脈沖電平，進而觸發脈沖光源曝光。顯然，用掃描運動替代步進運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中，步進軸的數目越少越好，掃描軸的數目越多越好。實際情況是，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現運動軸位置的同步。舉例分析如下以兩軸X-Y為例，假如需要對四個點(0，3)、(1，5)、(2，4)和(3，6)的進行曝光，當 X軸掃描經過0-1-2-3時，很難保證Y軸掃描也依次同步經過3-5-4-6。而且可以看到Y軸的掃描不是單向的，而是存在多次折返，顯然這進一步加大了運動控制的難度。三個以上的掃描軸，顯然更難同步。根據上述分析，在二維加工系統中實施飛行曝光，通常擇一個運動軸作掃描軸，另一運動軸作步進運動，形成所謂的逐行掃描加工方式。在三維加工系統中實施飛行曝光，也只能選擇一個運動軸作掃描軸，其余兩軸用作步進。這種二軸步進一軸掃描的加工方式，相比三軸步進方式，在加工效率和精度都有較大的改進。但是其本身加工效率仍然很低，主要原因是以二軸步進的方式覆蓋一定的加工面積，運行效率很低。

發明內容
有鑒于此，本發明提出了一種光學加工系統和方法。利用該光學加工系統和方法， 加工效率和精度高。為了實現上述目的，本申請實施例提供的技術方案如下—種光學加工系統，包括加工平臺、光學投影鏡頭、光學模板、中央控制系統和位置補償系統，其中，所述加工平臺實現第一運動軸的步進運動和第二運動軸的掃描運動，所述光學模板實現第三運動軸的掃描運動，所述位置補償系統包括位置檢測系統，用于檢測待加工物或光學模板的位置；空間光調制器，其用于產生一位置控制域，該位置控制域投影至光學模板并經光學投影鏡頭縮放后，在位于加工平臺上的待加工物表面的預定曝光區曝光，所述空間光調制器具有位置補償區，位于所述位置控制域的四周，且所述位置控制域能動的產生于該位置補償區中；位置信號處理模塊，輸出第一觸發脈沖至空間光調制器，以控制所述位置控制域在所述位置補償區中進行偏移，當所述位置檢測系統檢測到預定曝光區與位置控制域在待加工物表面投影的區域之間產生一位置誤差時，所述位置信號處理模塊控制所述空間光調制器，并使得所述位置控制域在位置補償區中產生相應的位置偏移，該位置偏移滿足所述位置控制域在投影至光學模板并經光學投影鏡頭縮放后，達到預定曝光區；偏差篩選模塊，判斷所述位置誤差是否滿足設定條件，在所述位置誤差滿足設定條件時，觸發曝光脈沖并實現曝光。優選的，在上述光學加工系統中，所述光學模板進行轉動掃描。優選的，在上述光學加工系統中，所述偏差篩選模塊輸出第二觸發脈沖，所述第二觸發脈沖與第一觸發脈沖的時序相同，所述第二觸發脈沖的周期是第二觸發脈沖寬度的M 倍，其中，M大于I。優選的，在上述光學加工系統中，所述光學模板的轉動周期為第一觸發脈沖周期的非整數倍。優選的，在上述光學加工系統中，所述光學模板的轉動周期為第一觸發脈沖周期的(N+1/M)倍，其中N為大于等于I的整數。優選的，在上述光學加工系統中，所述位置控制域在位置補償區內的運動為等間距的步進運動。本發明還公開了一種光學加工方法，使用上述的光學加工系統，包括步驟(I)、加工平臺沿第二運動軸進行掃描，光學模板沿第三運動軸進行掃描運動；(2)、預定曝光區在第二運動軸方向上到達預定位置；(3)、位置檢測系統檢測到預定曝光區在第二運動軸方向上到達預定位置，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制器上的位置控制域在位置補償區內進行偏移運動，該偏移運動與第二運動軸的掃描運動同步，可以使得位置控制域經光學投影鏡頭縮放后始終位于預定曝光區；(4)、光學模板掃描至預定位置，偏差篩選模塊判斷所述位置誤差是否滿足設定條件，在所述位置誤差滿足設定條件時，觸發曝光脈沖并實現曝光。優選的，在上述光學加工方法中，所述設定條件為所述位置誤差小于等于D，其中，D =第二運動軸的掃描速度*(第二觸發脈沖的周期/M)。本發明還公開了一種光學加工方法，使用上述的光學加工系統，包括步驟(I)、加工平臺沿第二運動軸進行掃描，光學模板沿第三運動軸進行掃描運動；(2)、預定曝光區在第二運動軸方向上到達預定位置，并逐漸偏離預定位置；(3)、光學模板沿第三運動軸運動至預定位置；(4)、位置檢測系統檢測預定曝光區與位置控制域在待加工物表面投影的區域在第二運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所述位置信號計算補償該位置誤差所需的位置偏移量，并控制空間光調制器上的位置控制域在補償區進行偏移，使得該位置控制域經光學投影鏡頭縮放后，到達預定曝光區；出)、位置控制域偏移后，偏差篩選模塊判斷位置誤差是否滿足設定條件，若位置誤差滿足設定條件時，觸發曝光脈沖，在預定曝光區曝光；(7)、若所述位置誤差不滿足設定條件時，返回步驟(3)。與現有技術相比，本發明的有益效果在于本發明的光學加工系統中，加工平臺實現第一運動軸的步進運動和第二運動軸的掃描運動，光學模板實現第三運動軸的掃描運動，通過空間光調制器對第二運動軸方向上的曝光位置進行動態補償，實現了第二運動軸和第三運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”的方式實現三維加工，其加工效率和加工精度大幅提升。同時由于設置了偏差篩選模塊，可以進一步減小了誤差，提高了加工精度。


為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術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明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖I所示為現有技術中模板投影三維光學加工系統的原理示意圖；圖2所示為本發明具體實施例中光學加工系統的結構示意圖；圖3所示為本發明具體實施例中位置補償系統的方框示意圖；圖4A至4B所示為本發明具體實施例中圖形偏移得到位置補償的簡易示意圖；圖5所示為本發明具體實施例中第一種光學加工方法的流程圖；圖6所示為本發明具體實施例中第二種光學加工方法的流程圖；圖7所示為本發明具體實施例中利用第一種光學加工方法實現位置補償的示意圖；圖8所示為本發明具體實施例中利用第二種光學加工方法實現位置補償的示意圖。
具體實施例方式本發明的目的在于通過在光學系統中引入空間光調制器對其中一個掃描軸的曝光位置動態補償，實現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”的方式實現三維加工，以實現加工速度和加工精度大幅提升。本發明的再一目的是公開一種光學加工系統和方法，該方法通過提升光學模板的轉速，減小其掃描周期，使得每次第二運動軸到達預定位置至最后曝光的時間段內，光學模板可以多次掃過預定曝光角度，也即光學模板獲得多次曝光時機，從其中篩選出第二運動軸定位偏差最小的曝光時機進行曝光，即可提升第二運動軸的曝光位置精度。為了使本技術領域的人員更好地理解本申請中的技術方案，下面將結合本申請實施例中的附圖，對本申請實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本申請一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本申請中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬于本申請保護的范圍。在以下實施例中，光學投影鏡頭固定靜止，光學模板實現在第三運動軸的掃描運動，但是在其他實施例中，也可以是光學投影鏡頭進行升降式的掃描運動，而光學模板靜止。在其他實施方式中，第三運動軸的掃描運動也可以由加工平臺的上下運動實現。參圖2所示，光學加工系統200包括加工平臺201、光學投影鏡頭202、光學模板 203、中央控制系統204、位置補償系統205和光源206。參圖3所示，位置補償系統205包括位置檢測系統2051、空間光調制器2052、位置信號處理模塊2055和偏差篩選模塊2056。加工平臺201為X-Y兩軸加工平臺，可以實現X軸(第一運動軸)的步進運動和 Y軸(第二運動軸)的掃描運動。光學投影鏡頭202，可以對投影的光學圖形結構進行放大、縮微、或是分光干涉等光學處理。光學模板203，是具有特定光學圖形或者特定光學結構的光學元器件。可以是透射式和反射式光學器件(如制作好圖形的鉻版掩膜)、衍射光學器件(如投射光柵、位相板等二兀光學器件)或折射器件(如微透鏡陣列、分光棱鏡)。在本實施例中，光學模板203上設有特定的光學圖形，以決定曝光區域內的圖形結構。同時，光學模板203實現沿第三運動軸的掃描運動。優選的，光學模板203進行轉動掃描。在其他實施方式中，光學模板203的掃描運動還可以是往復式的角度翻轉或沿直線的平移運動。光學模板203用以決定曝光區域內的圖形結構，該圖形結構為預先設計在光學模板203上。易于想到，在本發明的光學加工系統中，多種多個光學模板可以更換交替使用。中央控制系統204用以控制加工平臺201沿X軸的步進運動、加工平臺201沿Y 軸的掃描運動以及光學模板203沿第三運動軸的掃描運動。位置檢測系統2051，用于檢測待加工物207或光學模板203的位置。在一種實際應用中，位置檢測系統2051包括光柵尺和光柵讀數頭，光柵尺包括第一運動軸光柵尺、第二運動軸光柵尺和第三運動軸光柵尺，所述光柵讀數頭讀取光學投影鏡頭、待加工物或光學模板的位置信號，并向位置信號處理模塊2055發送一位置信號。具體地，第一運動軸光柵尺用以檢測待加工物在第一運動軸上的位置坐標；第二運動軸光柵尺用以檢測待加工物在第二運動軸方向上的位置坐標；第三運動軸光柵尺用以檢測光學模板或光學投影鏡頭轉動的角度或移動位置。可選的，本發明所適用的位置檢測系統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，空間光調制器2052，其用于產生一位置控制域2053，該位置控制域2053投影至光學模板203并經光學投影鏡頭202縮放后，在位于加工平臺201上的待加工物207表面的預定曝光區2071曝光，所述空間光調制器2052具有位置補償區2054，位于所述位置控制域2053的四周，且所述位置控制域2053能動的產生于該位置補償區2054中。通過改變空間光調制器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域的形狀和位置，例如曝光區域的輪廓大小和形狀。在實際應用中，該位置控制域2053通常為矩形。
空間光調制器2052與光學模板203保持獨立關系，也即空間光調制器2052對曝光區域內的圖形結構沒有影響，而光學模板203對曝光區域的形狀和位置沒有影響。空間光調制器2052與光學模板203在投影光路中的具體位置和先后順序無須固定，只要滿足上述獨立條件即可。空間光調制器2052可以優選自數字微鏡元件、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，輸出第一觸發脈沖至空間光調制器2052，以控制所述位置控制域2053在所述位置補償區2054中進行偏移，當位置檢測系統2051檢測到預定曝光區與位置控制域2053在待加工物表面投影的區域之間產生一位置誤差時，位置信號處理模塊2055控制空間光調制器2052，并使得位置控制域2053在位置補償區中產生相應的位置偏移，偏移后的位置控制域為2053'(參圖4B)，該位置偏移滿足位置控制域2053在投影至光學模板203并經光學投影鏡頭縮放后，達到預定曝光區2071。優選的，位置控制域 2053在位置補償區2054內的運動為等間距的步進運動。偏差篩選模塊2056，其在光學模板202到達預定位置時，用以判斷預定曝光區與位置控制域2053在待加工物表面投影的區域之間的位置誤差是否滿足設定條件，在位置誤差滿足設定條件時，觸發曝光脈沖并實現曝光。偏差篩選模塊2056輸出第二觸發脈沖,第二觸發脈沖與第一觸發脈沖的時序相同，第二觸發脈沖的周期是第二觸發脈沖寬度的M倍，其中，M大于I。光學模板203的轉動周期為第一觸發脈沖周期的非整數倍。進一步地，光學模板203的轉動周期為第一觸發脈沖周期的(N+1/M)倍，其中N為大于等于I的整數。位置信號處理模塊2055和偏差篩選模塊2056優選集成于中央控制系統204中。光源206，為脈沖光源，用以實現超短脈沖曝光。光源206的功率必須足夠大，以在極短的曝光時間內，進行足夠能量的曝光。曝光時間必須足夠短，才能避免‘拖影’。本發明光學加工系統中，在光學模板203到達預定位置時觸發曝光。利用上述光學加工系統200實現位置補償的方法有兩種(I) 一步式補償即在第三運動軸到達預定位置時，計算第二運動軸的位置誤差并通過位置控制域在補償區的一次偏移實現；(2) “鎖定”補償或多步式補償即在第二運動軸到達預定位置時，通過控制空間光調制器上的位置控制域位置與第二運動軸同步偏移，使得在一段足夠長的時間內，位置控制域經光學投影鏡頭縮放后始終鎖定在預定曝光區上。從而可以等待，第三運動軸到達其預定位置時觸發曝光脈沖。參圖5所示，第一種加工方法具體如下實現(I)、加工平臺沿第二運動軸進行掃描，光學模板沿第三運動軸進行掃描運動；(2)、預定曝光區在第二運動軸方向上到達預定位置，并逐漸偏離預定位置；(3)、光學模板沿第三運動軸運動至預定位置；(4)、位置檢測系統檢測預定曝光區與位置控制域在待加工物表面投影的區域在第二運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所述位置信號計算補償該位置誤差所需的位置偏移量，并控制空間光調制器上的位置控制域在補償區進行偏移，使得該位置控制域經光學投影鏡頭縮放后，到達預定曝光區；
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￠)、位置控制域偏移后，偏差篩選模塊判斷位置誤差是否滿足設定條件，若位置誤差滿足設定條件時，觸發曝光脈沖，在預定曝光區曝光；(7)、若所述位置誤差不滿足設定條件時，返回步驟(3)。參圖6所示，第二種加工方法具體如下實現(I)、加工平臺沿第二運動軸進行掃描，光學模板沿第三運動軸進行掃描運動；(2)、預定曝光區在第二運動軸方向上到達預定位置；(3)、位置檢測系統檢測到預定曝光區在第二運動軸方向上到達預定位置，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制器上的位置控制域在位置補償區內進行偏移運動，該偏移運動與第二運動軸的掃描運動同步，可以使得位置控制域經光學投影鏡頭縮放后始終位于預定曝光區；(4)、光學模板掃描至預定位置，偏差篩選模塊判斷所述位置誤差是否滿足設定條件，在所述位置誤差滿足設定條件時，觸發曝光脈沖并實現曝光。第二種光學加工方法中，設定條件為位置誤差小于等于D，其中，D =第二運動軸的掃描速度*(第二觸發脈沖的周期/M)。第一種加工方法中，空間光調制器2052所需的刷新頻率較低，但是其控制邏輯較為復雜。空間光調制器2052的偏移步距不固定，而是需要根據位置誤差計算獲得。其響應時間因此較長，約為幾毫秒。第二種加工方法中，空間光調制器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，響應時間較短，約為幾百微秒。兩種加工方法中，空間光調制器調制器2052都有一個響應時間。由于對應一個給定的電控系統，該響應時間是一個固定值，因而易于補償。故本發明的技術方案中不再贅述。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。為了進一步說明本發明的技術方案，下面結合附圖對本發明優選實施方案進行描述，但是應當理解，這些描述只是為進一步說明本發明的特征和優點，而不是對本發明權利要求的限制。以下實施過程是針對上述第一種加工方法進行的示例性舉例。參圖7所示，X軸為第一運動軸，做步進運動。Y軸為第二運動軸，做掃描運動，對應加工平臺201的行掃描。Θ軸或模板軸為第三運動軸，對應光學模版的旋轉。假定曝光點的坐標(X，Y，Θ )為(0,0,120)。在整個加工過程中，Θ軸保持勻速旋轉，處于連續高速掃描的狀態。首先，X軸步進運動到坐標X = O。然后，Y軸開始行掃描，參坐標軸A，Y軸先到達預定位置，隨著Y軸的向前掃描，開始逐漸偏離預定位置。圖中上下相鄰虛線之間的間隔表示I個像素的距離，該距離是體現在空間光調制器上的距離，亦即，假設Y軸位置誤差為I個像素，則位置控制域需要相應在空間光調制器上步進I個像素即可實現補償。參坐標軸D，圓圈標記表示曝光位置，由圖中可以看出，在Y軸到達預定位置至曝光的時間段內，Θ軸3次經過預定位置(Θ = 120)，并在第3次實現曝光。由于Θ軸的掃描周期不是第一觸發脈沖周期的整數倍，因此Θ軸的這3個曝光時機對應的Y軸定位偏差并不相同。其中第3個曝光時機對應的Y軸定位偏差最小，是最佳時機。參坐標軸B和C，在Θ軸每次到達預定位置時，位置檢測系統檢測預定曝光區與位置控制域在待加工物表面投影的區域在第二運動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，位置信號處理模塊2055根據位置信號計算補償該位置誤差所需的位置偏移量，并控制空間光調制器(SLM) 2052上的位置控制域在補償區進行偏移， 使得該位置控制域經光學投影鏡頭縮放后，到達預定曝光區，以補償Y軸方向上的位置誤差，補償后的位置誤差參坐標軸C。坐標軸B顯示的是位置控制域需要偏移的距離，以像素為單位，I像素為最小單位。坐標軸E和F分別為第一觸發脈沖和第二觸發脈沖的時序圖。Θ軸曝光時機的篩選，由電控系統自動完成，可以保證篩選過程的高速和準確。具體地，通過電路設計，由“第一觸發脈沖”生成一路同步“第二觸發脈沖”。兩者的時序完全相同，唯一的區別是脈沖寬度。“第一觸發脈沖”的脈寬很小，一般為幾十納秒，約為其脈沖周期的幾十萬分之一，因此坐標軸F中僅僅用一條線代替。而“第二觸發脈沖”的脈沖寬度較大，約為第二觸發脈沖的M分之一。坐標軸D所示的“ Θ軸觸發脈沖”與“偏差篩選信號”進行‘與，運算，所得有效脈沖的最前一個觸發曝光。由坐標軸D和坐標軸E可以看到，Θ軸的第3個曝光時機滿足上述條件，最終觸發曝光。圖7的實例是某個點的曝光結果，更為普遍的情況是，曝光點的Θ坐標不同，Θ軸掃描周期不同，可篩選出的Y軸定位偏差最小值也不同。但是，在第一觸發脈沖固定的情況下，如果合理地選取Θ軸掃描周期，則可以使得對于任意曝光點(Θ坐標任意)，總可篩選出的一個較小的Y軸定位偏差。由坐標軸C和圖坐標軸E對比可知，“第二觸發脈沖”的脈沖寬度越小，篩選出的脈沖對應的Y軸定位偏差越小。但是，如果“第二觸發脈沖”的脈沖寬度太小，則可能過濾掉 Θ軸所有的觸發脈沖。最終選取時，“第二觸發脈沖”的脈沖寬度應該為脈沖周期/M。以下實施過程是針對上述第二種加工方法進行的示例性舉例。參圖8所示，X軸為第一運動軸，做步進運動。Y軸為第二運動軸，做掃描運動，對應加工平臺201的行掃描。Θ軸或模板軸為第三運動軸，對應光學模版的旋轉。假定曝光點的坐標(Χ，Υ，Θ)為(0，0，120)。由坐標軸F和坐標軸D可以看到，在 Y軸鎖定時間段(位置控制域的偏移運動與第二運動軸同步的時間)內，Θ軸3次掃過預定曝光角度120度(圖中雖然顯示了 4次，但是在第3次實現曝光之后，Y軸的鎖定時間即結束，第4次在實際中不存在，該處僅是為了方便理解本發明技術)，也即存在3次曝光機會。由于Θ軸的掃描周期不是第一觸發脈沖周期的整數倍，因此Θ軸的這3個曝光時機對應的Y軸定位偏差并不相同。其中第3個曝光時機對應的Y軸定位偏差最小，是最佳時機。坐標軸D所示的“ Θ軸觸發脈沖”與“第二觸發脈沖”進行‘與’運算，所得有效脈沖的最前一個觸發曝光。由坐標軸D和坐標軸E可以看到，Θ軸的第3個曝光時機滿足上述條件，最終觸發曝光。綜上所述，本發明的光學加工系統中，加工平臺實現第一運動軸的步進運動和第二運動軸的掃描運動，光學模板實現第三運動軸的掃描運動，通過空間光調制器對第二運動軸方向上的曝光位置進行動態補償，實現了第二運動軸和第三運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”的方式實現三維加工，其加工效率和加工精度大幅提升。同時由于設置了偏差篩選模塊，可以進一步減小了誤差，提高了加工精度。以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和范圍。
權利要求
1.一種光學加工系統，其特征在于包括加工平臺、光學投影鏡頭、光學模板、中央控制系統和位置補償系統，其中，所述加工平臺實現第一運動軸的步進運動和第二運動軸的掃描運動，所述光學模板實現第三運動軸的掃描運動，所述位置補償系統包括位置檢測系統，用于檢測待加工物或光學模板的位置；空間光調制器，其用于產生一位置控制域，該位置控制域投影至光學模板并經光學投影鏡頭縮放后，在位于加工平臺上的待加工物表面的預定曝光區曝光，所述空間光調制器具有位置補償區，位于所述位置控制域的四周，且所述位置控制域能動的產生于該位置補償區中；位置信號處理模塊，輸出第一觸發脈沖至空間光調制器，以控制所述位置控制域在所述位置補償區中進行偏移，當所述位置檢測系統檢測到預定曝光區與位置控制域在待加工物表面投影的區域之間產生一位置誤差時，所述位置信號處理模塊控制所述空間光調制器，并使得所述位置控制域在位置補償區中產生相應的位置偏移，該位置偏移滿足所述位置控制域在投影至光學模板并經光學投影鏡頭縮放后，達到預定曝光區；偏差篩選模塊，判斷所述位置誤差是否滿足設定條件，在所述位置誤差滿足設定條件時，觸發曝光脈沖并實現曝光。
2.根據權利要求I所述的光學加工系統，其特征在于所述光學模板進行轉動掃描。
3.根據權利要求2所述的光學加工系統，其特征在于所述偏差篩選模塊輸出第二觸發脈沖，所述第二觸發脈沖與第一觸發脈沖的時序相同，所述第二觸發脈沖的周期是第二觸發脈沖寬度的M倍，其中，M大于I。
4.根據權利要求3所述的光學加工系統，其特征在于所述光學模板的轉動周期為第一觸發脈沖周期的非整數倍。
5.根據權利要求4所述的光學加工系統，其特征在于所述光學模板的轉動周期為第一觸發脈沖周期的(N+1/M)倍，其中N為大于等于I的整數。
6.根據權利要求I所述的光學加工系統，其特征在于所述位置控制域在位置補償區內的運動為等間距的步進運動。
7.一種光學加工方法，使用權利要求3至5任意一項所述的光學加工系統,其特征在于，包括步驟(1)、加工平臺沿第二運動軸進行掃描，光學模板沿第三運動軸進行掃描運動；(2)、預定曝光區在第二運動軸方向上到達預定位置；(3)、位置檢測系統檢測到預定曝光區在第二運動軸方向上到達預定位置，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制器上的位置控制域在位置補償區內進行偏移運動，該偏移運動與第二運動軸的掃描運動同步，可以使得位置控制域經光學投影鏡頭縮放后始終位于預定曝光區；(4)、光學模板掃描至預定位置，偏差篩選模塊判斷所述位置誤差是否滿足設定條件， 在所述位置誤差滿足設定條件時，觸發曝光脈沖并實現曝光。
8.根據權利要求7所述的光學加工方法，其特征在于所述設定條件為所述位置誤差小于等于D，其中，D =第二運動軸的掃描速度*(第二觸發脈沖的周期/M)。
9.一種光學加工方法，使用權利要求I所述的光學加工系統，其特征在于，包括步驟(I)、加工平臺沿第二運動軸進行掃描，光學模板沿第三運動軸進行掃描運動；(2)、預定曝光區在第二運動軸方向上到達預定位置，并逐漸偏離預定位置；(3)、光學模板沿第三運動軸運動至預定位置；(4)、位置檢測系統檢測預定曝光區與位置控制域在待加工物表面投影的區域在第二運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所述位置信號計算補償該位置誤差所需的位置偏移量，并控制空間光調制器上的位置控制域在補償區進行偏移，使得該位置控制域經光學投影鏡頭縮放后，到達預定曝光區；(6)、位置控制域偏移后，偏差篩選模塊判斷位置誤差是否滿足設定條件，若位置誤差滿足設定條件時，觸發曝光脈沖，在預定曝光區曝光；(7)、若所述位置誤差不滿足設定條件時，返回步驟(3)。
全文摘要
本發明公開了一種光學加工系統，包括加工平臺、光學投影鏡頭、光學模板、中央控制系統、位置補償系統和光源。其中，位置補償系統包括位置檢測系統、空間光調制器、位置信號處理模塊和偏差篩選模塊。本發明的光學加工系統中，加工平臺實現第一運動軸的步進運動和第二運動軸的掃描運動，光學模板實現第三運動軸的掃描運動，通過空間光調制器對第二運動軸方向上的曝光位置進行動態補償，實現了第二運動軸和第三運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”的方式實現三維加工，其加工效率和加工精度大幅提升。
文檔編號G03F7/20GK102591159SQ20121007639
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月21日 優先權日2012年3月21日
發明者浦東林, 胡進, 陳林森 申請人:蘇州大學, 蘇州蘇大維格光電科技股份有限公司