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。可以是透射式和反射式光學(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)體光刻、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)。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I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(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)可以實施但是成效不大，因為在三維系統(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(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。為了實現(xiàn)上述目的，本申請實施例提供的技術(shù)方案如下—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)模板實現(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，輸出第一觸發(fā)脈沖至空間光調(diào)制器，以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)；偏差篩選模塊，判斷所述位置誤差是否滿足設(shè)定條件，在所述位置誤差滿足設(shè)定條件時，觸發(fā)曝光脈沖并實現(xiàn)曝光。優(yōu)選的，在上述光學(xué)加工系統(tǒng)中，所述光學(xué)模板進(jìn)行轉(zhuǎn)動掃描。優(yōu)選的，在上述光學(xué)加工系統(tǒng)中，所述偏差篩選模塊輸出第二觸發(fā)脈沖，所述第二觸發(fā)脈沖與第一觸發(fā)脈沖的時序相同，所述第二觸發(fā)脈沖的周期是第二觸發(fā)脈沖寬度的M 倍，其中，M大于I。優(yōu)選的，在上述光學(xué)加工系統(tǒng)中，所述光學(xué)模板的轉(zhuǎn)動周期為第一觸發(fā)脈沖周期的非整數(shù)倍。優(yōu)選的，在上述光學(xué)加工系統(tǒng)中，所述光學(xué)模板的轉(zhuǎn)動周期為第一觸發(fā)脈沖周期的(N+1/M)倍，其中N為大于等于I的整數(shù)。優(yōu)選的，在上述光學(xué)加工系統(tǒng)中，所述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。本發(fā)明還公開了一種光學(xué)加工方法，使用上述的光學(xué)加工系統(tǒng)，包括步驟(I)、加工平臺沿第二運(yùn)動軸進(jìn)行掃描，光學(xué)模板沿第三運(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，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)；(4)、光學(xué)模板掃描至預(yù)定位置，偏差篩選模塊判斷所述位置誤差是否滿足設(shè)定條件，在所述位置誤差滿足設(shè)定條件時，觸發(fā)曝光脈沖并實現(xiàn)曝光。優(yōu)選的，在上述光學(xué)加工方法中，所述設(shè)定條件為所述位置誤差小于等于D，其中，D =第二運(yùn)動軸的掃描速度*(第二觸發(fā)脈沖的周期/M)。本發(fā)明還公開了一種光學(xué)加工方法，使用上述的光學(xué)加工系統(tǒng)，包括步驟(I)、加工平臺沿第二運(yùn)動軸進(jìn)行掃描，光學(xué)模板沿第三運(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)模板沿第三運(yùn)動軸運(yùn)動至預(yù)定位置；(4)、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)；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(shè)定條件，若位置誤差滿足設(shè)定條件時，觸發(fā)曝光脈沖，在預(yù)定曝光區(qū)曝光；(7)、若所述位置誤差不滿足設(shè)定條件時，返回步驟(3)。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)模板實現(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)”的方式實現(xiàn)三維加工，其加工效率和加工精度大幅提升。同時由于設(shè)置了偏差篩選模塊，可以進(jìn)一步減小了誤差，提高了加工精度。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(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I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)明具體實施例中利用第一種光學(xué)加工方法實現(xiàn)位置補(bǔ)償?shù)氖疽鈭D；圖8所示為本發(fā)明具體實施例中利用第二種光學(xué)加工方法實現(xiàn)位置補(bǔ)償?shù)氖疽鈭D。
具體實施例方式本發(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)”的方式實現(xiàn)三維加工，以實現(xiàn)加工速度和加工精度大幅提升。本發(fā)明的再一目的是公開一種光學(xué)加工系統(tǒng)和方法，該方法通過提升光學(xué)模板的轉(zhuǎn)速，減小其掃描周期，使得每次第二運(yùn)動軸到達(dá)預(yù)定位置至最后曝光的時間段內(nèi)，光學(xué)模板可以多次掃過預(yù)定曝光角度，也即光學(xué)模板獲得多次曝光時機(jī)，從其中篩選出第二運(yùn)動軸定位偏差最小的曝光時機(jī)進(jìn)行曝光，即可提升第二運(yùn)動軸的曝光位置精度。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)合本申請實施例中的附圖，對本申請實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本申請一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒旧暾堉械膶嵤├?，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施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本申請保護(hù)的范圍。在以下實施例中，光學(xué)投影鏡頭固定靜止，光學(xué)模板實現(xiàn)在第三運(yùn)動軸的掃描運(yùn)動，但是在其他實施例中，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、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(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。可以是透射式和反射式光學(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、位相板等二兀光學(xué)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(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，用于檢測待加工物207或光學(xué)模板203的位置。在一種實際應(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?？蛇x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)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(chǎn)生于該位置補(bǔ)償區(qū)2054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。空間光調(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，輸出第一觸發(fā)脈沖至空間光調(diào)制器2052，以控制所述位置控制域2053在所述位置補(bǔ)償區(qū)2054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)與位置控制域2053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)中產(chǎn)生相應(yīng)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(xué)模板203并經(jīng)光學(xué)投影鏡頭縮放后，達(dá)到預(yù)定曝光區(qū)2071。優(yōu)選的，位置控制域 2053在位置補(bǔ)償區(qū)2054內(nèi)的運(yùn)動為等間距的步進(jìn)運(yùn)動。偏差篩選模塊2056，其在光學(xué)模板202到達(dá)預(yù)定位置時，用以判斷預(yù)定曝光區(qū)與位置控制域2053在待加工物表面投影的區(qū)域之間的位置誤差是否滿足設(shè)定條件，在位置誤差滿足設(shè)定條件時，觸發(fā)曝光脈沖并實現(xiàn)曝光。偏差篩選模塊2056輸出第二觸發(fā)脈沖,第二觸發(fā)脈沖與第一觸發(fā)脈沖的時序相同，第二觸發(fā)脈沖的周期是第二觸發(fā)脈沖寬度的M倍，其中，M大于I。光學(xué)模板203的轉(zhuǎn)動周期為第一觸發(fā)脈沖周期的非整數(shù)倍。進(jìn)一步地，光學(xué)模板203的轉(zhuǎn)動周期為第一觸發(fā)脈沖周期的(N+1/M)倍，其中N為大于等于I的整數(shù)。位置信號處理模塊2055和偏差篩選模塊2056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實現(xiàn)位置補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ袃煞N(I) 一步式補(bǔ)償即在第三運(yùn)動軸到達(dá)預(yù)定位置時，計算第二運(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現(xiàn)(I)、加工平臺沿第二運(yùn)動軸進(jìn)行掃描，光學(xué)模板沿第三運(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)模板沿第三運(yùn)動軸運(yùn)動至預(yù)定位置；(4)、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)；
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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(shè)定條件，若位置誤差滿足設(shè)定條件時，觸發(fā)曝光脈沖，在預(yù)定曝光區(qū)曝光；(7)、若所述位置誤差不滿足設(shè)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(xiàn)(I)、加工平臺沿第二運(yùn)動軸進(jìn)行掃描，光學(xué)模板沿第三運(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，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)；(4)、光學(xué)模板掃描至預(yù)定位置，偏差篩選模塊判斷所述位置誤差是否滿足設(shè)定條件，在所述位置誤差滿足設(shè)定條件時，觸發(fā)曝光脈沖并實現(xiàn)曝光。第二種光學(xué)加工方法中，設(shè)定條件為位置誤差小于等于D，其中，D =第二運(yùn)動軸的掃描速度*(第二觸發(fā)脈沖的周期/M)。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?？臻g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軸或模板軸為第三運(yùn)動軸，對應(yīng)光學(xué)模版的旋轉(zhuǎn)。假定曝光點(diǎn)的坐標(biāo)(X，Y，Θ )為(0,0,120)。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 = O。然后，Y軸開始行掃描，參坐標(biāo)軸A，Y軸先到達(dá)預(yù)定位置，隨著Y軸的向前掃描，開始逐漸偏離預(yù)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(xiàn)在空間光調(diào)制器上的距離，亦即，假設(shè)Y軸位置誤差為I個像素，則位置控制域需要相應(yīng)在空間光調(diào)制器上步進(jìn)I個像素即可實現(xiàn)補(bǔ)償。參坐標(biāo)軸D，圓圈標(biāo)記表示曝光位置，由圖中可以看出，在Y軸到達(dá)預(yù)定位置至曝光的時間段內(nèi)，Θ軸3次經(jīng)過預(yù)定位置(Θ = 120)，并在第3次實現(xiàn)曝光。由于Θ軸的掃描周期不是第一觸發(fā)脈沖周期的整數(shù)倍，因此Θ軸的這3個曝光時機(jī)對應(yīng)的Y軸定位偏差并不相同。其中第3個曝光時機(jī)對應(yīng)的Y軸定位偏差最小，是最佳時機(jī)。參坐標(biāo)軸B和C，在Θ軸每次到達(dá)預(yù)定位置時，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(jù)位置信號計算補(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，補(bǔ)償后的位置誤差參坐標(biāo)軸C。坐標(biāo)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(biāo)軸E和F分別為第一觸發(fā)脈沖和第二觸發(fā)脈沖的時序圖。Θ軸曝光時機(jī)的篩選，由電控系統(tǒng)自動完成，可以保證篩選過程的高速和準(zhǔn)確。具體地，通過電路設(shè)計，由“第一觸發(fā)脈沖”生成一路同步“第二觸發(fā)脈沖”。兩者的時序完全相同，唯一的區(qū)別是脈沖寬度?！暗谝挥|發(fā)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(biāo)軸F中僅僅用一條線代替。而“第二觸發(fā)脈沖”的脈沖寬度較大，約為第二觸發(fā)脈沖的M分之一。坐標(biāo)軸D所示的“ Θ軸觸發(fā)脈沖”與“偏差篩選信號”進(jìn)行‘與，運(yùn)算，所得有效脈沖的最前一個觸發(fā)曝光。由坐標(biāo)軸D和坐標(biāo)軸E可以看到，Θ軸的第3個曝光時機(jī)滿足上述條件，最終觸發(fā)曝光。圖7的實例是某個點(diǎn)的曝光結(jié)果，更為普遍的情況是，曝光點(diǎn)的Θ坐標(biāo)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(fā)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(diǎn)(Θ坐標(biāo)任意)，總可篩選出的一個較小的Y軸定位偏差。由坐標(biāo)軸C和圖坐標(biāo)軸E對比可知，“第二觸發(fā)脈沖”的脈沖寬度越小，篩選出的脈沖對應(yīng)的Y軸定位偏差越小。但是，如果“第二觸發(fā)脈沖”的脈沖寬度太小，則可能過濾掉 Θ軸所有的觸發(fā)脈沖。最終選取時，“第二觸發(fā)脈沖”的脈沖寬度應(yīng)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(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軸或模板軸為第三運(yùn)動軸，對應(yīng)光學(xué)模版的旋轉(zhuǎn)。假定曝光點(diǎn)的坐標(biāo)(Χ，Υ，Θ)為(0，0，120)。由坐標(biāo)軸F和坐標(biāo)軸D可以看到，在 Y軸鎖定時間段(位置控制域的偏移運(yùn)動與第二運(yùn)動軸同步的時間)內(nèi)，Θ軸3次掃過預(yù)定曝光角度120度(圖中雖然顯示了 4次，但是在第3次實現(xiàn)曝光之后，Y軸的鎖定時間即結(jié)束，第4次在實際中不存在，該處僅是為了方便理解本發(fā)明技術(shù))，也即存在3次曝光機(jī)會。由于Θ軸的掃描周期不是第一觸發(fā)脈沖周期的整數(shù)倍，因此Θ軸的這3個曝光時機(jī)對應(yīng)的Y軸定位偏差并不相同。其中第3個曝光時機(jī)對應(yīng)的Y軸定位偏差最小，是最佳時機(jī)。坐標(biāo)軸D所示的“ Θ軸觸發(fā)脈沖”與“第二觸發(fā)脈沖”進(jìn)行‘與’運(yùn)算，所得有效脈沖的最前一個觸發(fā)曝光。由坐標(biāo)軸D和坐標(biāo)軸E可以看到，Θ軸的第3個曝光時機(jī)滿足上述條件，最終觸發(fā)曝光。綜上所述，本發(fā)明的光學(xué)加工系統(tǒng)中，加工平臺實現(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)模板實現(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)”的方式實現(xiàn)三維加工，其加工效率和加工精度大幅提升。同時由于設(shè)置了偏差篩選模塊，可以進(jìn)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(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(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)模板實現(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，輸出第一觸發(fā)脈沖至空間光調(diào)制器，以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)；偏差篩選模塊，判斷所述位置誤差是否滿足設(shè)定條件，在所述位置誤差滿足設(shè)定條件時，觸發(fā)曝光脈沖并實現(xiàn)曝光。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)加工系統(tǒng)，其特征在于所述光學(xué)模板進(jìn)行轉(zhuǎn)動掃描。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)加工系統(tǒng)，其特征在于所述偏差篩選模塊輸出第二觸發(fā)脈沖，所述第二觸發(fā)脈沖與第一觸發(fā)脈沖的時序相同，所述第二觸發(fā)脈沖的周期是第二觸發(fā)脈沖寬度的M倍，其中，M大于I。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)加工系統(tǒng)，其特征在于所述光學(xué)模板的轉(zhuǎn)動周期為第一觸發(fā)脈沖周期的非整數(shù)倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)加工系統(tǒng)，其特征在于所述光學(xué)模板的轉(zhuǎn)動周期為第一觸發(fā)脈沖周期的(N+1/M)倍，其中N為大于等于I的整數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)加工系統(tǒng)，其特征在于所述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。
7.一種光學(xué)加工方法，使用權(quán)利要求3至5任意一項所述的光學(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，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)；(4)、光學(xué)模板掃描至預(yù)定位置，偏差篩選模塊判斷所述位置誤差是否滿足設(shè)定條件， 在所述位置誤差滿足設(shè)定條件時，觸發(fā)曝光脈沖并實現(xiàn)曝光。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光學(xué)加工方法，其特征在于所述設(shè)定條件為所述位置誤差小于等于D，其中，D =第二運(yùn)動軸的掃描速度*(第二觸發(fā)脈沖的周期/M)。
9.一種光學(xué)加工方法，使用權(quán)利要求I所述的光學(xué)加工系統(tǒng)，其特征在于，包括步驟(I)、加工平臺沿第二運(yùn)動軸進(jìn)行掃描，光學(xué)模板沿第三運(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)模板沿第三運(yùn)動軸運(yùn)動至預(yù)定位置；(4)、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)、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(shè)定條件，若位置誤差滿足設(shè)定條件時，觸發(fā)曝光脈沖，在預(yù)定曝光區(qū)曝光；(7)、若所述位置誤差不滿足設(shè)定條件時，返回步驟(3)。
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、位置信號處理模塊和偏差篩選模塊。本發(fā)明的光學(xué)加工系統(tǒng)中，加工平臺實現(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)模板實現(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G03F7/20GK102591159SQ20121007639
公開日2012年7月18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