CN102226853B - 分束器装置和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种分束器装置，所述分束器装置包括分束器和围绕所述分束器设置的多个棱镜。所述分束器装置被构造用于将入射激光束分离为多个具有基本相等能量并且以基本相等的光学路径长度穿过所述分束器装置的细光束。

Description

分束器装置和系统
本申请是申请日为2007年9月13日、申请号为200780033975.2(国际申请号为PCT/US2007/078357)、发明名称为“分束器装置和系统”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种光学装置，更具体地讲，本发明涉及用于将光束分离为多个具有基本相等能量的细光束的装置。
背景技术
在一些多光子固化方法中，例如全文以引用的方式并入本文的美国专利No.6,855,478中所述的方法，包括多光子可固化光反应性组合物的材料层被涂敷到基底(如，硅晶片)上，然后使用如激光束之类的辐射能聚焦源对其选择性地固化。多光子固化技术可以用于制造二维和/或三维(3D)的微结构和纳米结构。
在一种制造技术中，当近红外光(NIR)辐射脉冲激光束聚焦到工程光聚树脂上时，会形成体素。树脂内的非线性相互作用过程将部分该NIR辐射转化为较短的波长，从而使该激光束焦点附近的树脂固化，其中NIR辐射的两个光子基本上被同时吸收。这种树脂固化可以称为“光聚合”，并且这种方法可以称为“双光子光聚合”方法。这种树脂的光聚合不会在那些暴露于强度不足的NIR辐射部分的树脂区域发生，因为树脂在那些区域不吸收NIR辐射。
可以通过控制激光束焦点在三维(即x轴、y轴和z轴方向)上相对于树脂的位置，而使用多光子光聚合方法一个体素一个体素地构造3D结构。
发明内容
一般来讲，本发明涉及一种分束器装置，所述分束器装置用于将入射光束分离为多个具有基本相同光束特性(例如，能量基本上相同)的细光束。在一个实施例中，根据本发明的分束器装置包括围绕一个或多个分束器设置的多个棱镜。也就是说，入射光束分离为多个细光束，其中细光束之间的光学光程差基本上为零。由于细光束以基本相似的光学路径长度穿过分束器装置，因此如果有的话，细光束发生基本上相似的脉冲拉伸。因而，预色散或后色散补偿(如果需要)得以简化。
在本发明的一个实施例中，一个或多个入射激光束导向到分束器装置，当光束穿过分束器并传播通过至少一个棱镜通道(即，传播穿过一个棱镜，然后反射回该分束器或进入另一个分束器)时，光束反复地分离为多个细光束。每个细光束各自以基本相等的光学路径长度穿过分束器装置，因此，每个细光束具有基本相等的脉冲宽度。
所得的细光束可以布置为细光束线性阵列或二维(2D)阵列，这可用于结合在多光子光聚合方法中。细光束阵列可以通过正聚焦透镜聚焦到像平面上，该透镜限定了像平面的视场。视场内有子域，每个子域限定了一个像平面区域，在该区域内一个或多个细光束在x轴和y轴方向被扫描。具有基本相同特性的细光束的阵列可结合在多光子光聚合制造方法中，以在树脂的多个区域内基本上同时制造尺寸基本相同的体素，这将使得该制造方法能够并行制造多个二维(2D)和/或三维(3D)结构。
在一个实施例中，本发明涉及一种系统，所述系统包括：用于提供入射光束的光源、用于将入射光束分离为至少(2n-1)个细光束的分束器装置。该分束器装置包括分束器；以及与该分束器光学接触的(2n-2)个棱镜。
在另一个实施例中，本发明涉及一种装置，所述装置包括：分束器，其被构造用于将入射光束分离为第一细光束和第二细光束；第一棱镜构件，其被构造用于将第一细光束反射进分束器；第二棱镜构件，其被构造用于将第二细光束反射进分束器，其中第一细光束穿过分束器并分离为第三细光束和第四细光束，第二细光束穿过分束器并分离为第五和第六细光束。该装置还包括：第三棱镜构件，其被构造用于将第三和第五细光束反射进分束器；以及第四棱镜构件，其被构造用于将第四和第六细光束反射进分束器。第一、第二、第三和第四棱镜被布置用于实现在第三、第四、第五和第六细光束之间预定的光程差。
在又一个实施例中，本发明涉及一种用于将入射光束分离为多个细光束的光学装置。该光学装置包括：第一立方体分束器、第二立方体分束器以及第三立方体分束器，其中第一立方体分束器包括第一分光器部分，第二立方体分束器包括第二分光器部分，第三立方体分束器包括第三分光器部分。第一、第二和第三分光器部分基本上首尾对齐以形成基本上直的线条。该光学装置还包括：设置在第一和第二立方体分束器之间的第一五棱镜、设置在第一和第二分束器之间并且与第一五棱镜相对的第二五棱镜、设置在第二和第三分束器之间的第三五棱镜，以及设置在第二和第三分束器之间并且与第三五棱镜相对的第四五棱镜。
在又一个实施例中，本发明涉及一种系统，所述系统包括用于提供入射光束的光源、以及用于将入射光束分离为彼此间距为P的多个细光束的分束器装置。该分束器装置包括分束器、第一组和第二组棱镜，其中分束器将入射光束分离S次。第一组棱镜沿第一轴线设置，其中第一组棱镜的每个棱镜沿维度LZ接触分束器，并且第一组棱镜的第n个棱镜与第一基准点的距离为Zn，其中Zn根据第一公式计算：
Z n = Σ n = 1 S - 1 n · L Z 2 .
第二组棱镜沿垂直于第一轴线的第二轴线设置，其中第二组棱镜的每个棱镜沿维度Lx接触分束器，并且第二组棱镜的第n个棱镜与第二基准点的距离为Xn，其中Xn根据第二公式计算：
X n = Σ n = 1 s - 1 n · L X 2 + P · 2 ( n - 2 ) .
在附图和下文的说明中示出了本发明的一个或多个实施例的细节。本发明的其他特征、目的和优点从说明书、附图及权利要求书中将显而易见。
附图说明
图1A为采用了根据本发明的分束器装置的一个光学系统的框图。
图1B为一个光学系统的示意图，该光学系统是图1A所示光学系统的一个实施例。
图2为一个微透镜阵列的示意性剖视图，该阵列可以结合到图1B的光学系统中。
图3A示出图1B中光学系统的聚焦透镜的视场的示意图，其中该视场位于基本平行于图像平面的x-y平面的x-y平面上。
图3B示出图3A中视场的示意图，其中视场和子域被移置。
图3C示出聚焦透镜的视场的另一个实施例。
图3D为曲线图，示出了多个细光束在树脂层内焦点的强度与对应细光束形成的体素尺寸之间的关系。
图3E为示出聚焦到树脂层的多个细光束的示意性剖视图。
图4为根据本发明的分束器装置的一个实施例的透视图。
图5A为分束器系统的一个实施例的示意图，该系统包括图4中的分束器装置。
图5B为图4和图5A中分束器装置的示意性剖视图，其中入射光束穿过该分束器装置传播。
图6为根据本发明的分束器装置的另一个实施例的透视图。
图7A为分束器系统的一个实施例的示意图，该系统包括图6中的分束器装置。
图7B为图6和图7A中分束器装置的示意性剖视图，其中入射光束穿过分束器装置传播。
具体实施方式
根据本发明的分束器装置将激光束分离为具有基本相等能量和基本相等波长的多个细光束。“细光束”通常是指通过分离另一个激光束所形成的激光束。在一个实施例中，分束器装置包括分束器和围绕该分束器设置的多个棱镜，使得一组细光束中的细光束在给定的棱镜通道中以基本相等的路径长度传播。棱镜通道是指一种往复过程，其中一组细光束从分束器基本上同时穿过至少一个棱镜，然后再次穿过分束器(或另一个分束器)。在一个实施例中，该组细光束中的每个细光束在给定的棱镜通道中穿过分束器的相同区域。在另一个实施例中，一组细光束在每个棱镜通道之后穿过不同的分束器。由于分束器装置的棱镜的构造彼此相关，因此从入射激光束形成的每个细光束以相同的次数穿过分束器，并且穿过相同数量的棱镜。在一个实施例中，一组细光束中的细光束的数量在穿过分束器之后增加一倍。
具有基本相同能量和光学路径长度的多个细光束可以用于多种应用，例如(但不限于)：在多光子光聚合制造方法中并行加工体素，该应用的实例参见图1B描述，或者其他涉及选择性地暴露光敏材料的应用，以及度量学和干涉仪应用。可将根据本发明的分束器装置结合在其中的一种光学系统在美国专利申请No.11/531836(3M代理人案卷号62109US002)中有进一步的详细描述，该专利申请与本发明同日提交并且全文并入本文中。
当具有不同能量和光学路径长度的细光束的阵列结合到多光子光聚合方法中时，细光束可以形成(并行)多个尺寸不同的体素。体素尺寸的显著变化可以限制多光子光聚合方法产生的所得结构的质量，这将限制使用多光子光聚合方法批量制造二维(2D)和/或三维(3D)微结构和/或纳米结构的可能性。然而，根据本发明的分束器装置可用于并行制造多个尺寸基本相等的体素，因为该分束器装置可产生多个基本相同的细光束，其中每个细光束可用于固化树脂的单个区域。因而，该分束器装置可以用于批量制造3D微结构和/或纳米结构。
图1A为光学系统1的框图，该光学系统包括光束源2、根据本发明的分束器4、细光束定位系统6、物镜8和工件10。光束源2产生光束，例如平行或会聚的激光束，分束器4将光束分离为多个具有基本相等能量(即强度)并且还可以具有基本相等脉冲宽度的细光束。可以形成偶数或奇数个细光束，并且分束器4可以将入射激光束分离成任意适当数量的细光束，例如几十个、几百个或几千个细光束。“细光束”通常指通过分离另一个光束所形成的激光束。在一个实施例中，细光束是通过反复分离入射光束来形成的。细光束定位系统6可根据光学系统1的具体构造以及所期望的细光束传播方向，沿x轴、y轴和/或z轴方向扫描来自分束器4的细光束。如下面参照图1B所描述的，细光束定位系统6还可以包括诸如多个用于精确引导由分束器4所形成的细光束的倾斜角度的控制反射镜等光学元件。细光束定位系统6还可以用物镜8，在一个实施例中，通过物镜8的光瞳来聚焦/对齐细光束。
光学系统1可以用于在光学制造方法中实施，例如多光子光聚合制造方法，在这种情况下，工件10可以是一层光敏树脂(如，多光子可固化光反应性组合物)。合适的多光子可固化光反应性组合物实例在名称为“METHOD AND APPARATUS FOR PROCESSINGMULTIPHOTON CURABLE PHOTREACTIVE COMPOSITIONS”(加工多光子可固化光反应性组合物的方法与装置)的美国专利申请No.60/752,529和美国专利申请No.11/313,482中有所描述，二者全文均以引用的方式并入本文。
当实施到光学制造方法中时，光学系统1的物镜8用于将具有基本相等能量和光学路径的多个细光束导向到树脂10的层中，以选择性地固化树脂10的区域，从而在树脂10的层内制造多个尺寸基本相等的体素。这样，由于多个细光束可用于并行制造多个结构，无论结构包括重复图案或非重复图案，光学系统1就可以提高多光子制造方法的产量，提高的系数大致等于阵列中细光束的数量(例如几百或几千)。在一个实施例中，这些结构基本上相似，而在另一个实施例中，这些结构不相似。在又一个实施例中，来自光学系统1的两个或多个细光束可用于制造单一结构。对于相对较大的结构，与使用单一细光束制造结构的方法相比，使用一个或多个细光束制造单一结构可以缩短制造时间。
图1B为光学系统13的示意图，该系统是图1A中光学系统1的一个实施例。光学系统13包括激光束源14、色散补偿部分16、分束器系统18、反射镜20、微透镜阵列21、z轴望远镜22、第一控制反射镜24、第一中继器26、第二控制反射镜28、第二中继器30和聚焦透镜32。图1A中的分束器4可以包括分束器系统18，而且图1A中的物镜8可以是聚焦透镜32。图1A中的细光束定位系统6可以包括z轴望远镜22、第一控制反射镜24、第一中继器26、第二控制反射镜28和第二中继器30。
光学系统13产生多个聚焦激光细光束36A-36D，这些细光束聚焦在树脂34的层上并选择性地固化该树脂34的层。光学系统13可以封闭在环境受控的环境中，以控制光学系统13运行之处的灰尘量和/或温度。细光束36A-36D穿过光学系统13通过基本相等的光学路径长度。一般来讲，穿过光学系统13的“光学路径”是一个或多个激光束(或细光束)从激光束源14到聚焦透镜32的路径。与光学系统1一样，光学系统13可以用于在光学制造方法中实施，例如多光子光聚合制造方法，在这种情况下，树脂34层可以是光敏树脂(如多光子可固化光反应性组合物)层，其多个区域可选择性地被多个聚焦的激光细光束36A-36D基本上同时固化。
在一个实施例中，树脂34的层中的适当多光子可固化光反应性组合物包括至少一种能够发生酸或自由基引发的化学反应的活性物质，以及多光子引发剂系统。使用具有适当波长和足够光强(“阈值强度”)的细光束36A-36D对树脂34层的区域进行成像照射，可导致多光子引发剂系统中发生双光子吸收，这将在暴露于光的层的区域引起活性物质发生酸或自由基引发的化学反应，其中光的强度可以是(例如)来自细光束36A-36D的近红外光(NIR)强度。这种化学反应使暴露于细光束36A-36D的树脂34的层的区域发生可检测的化学或物理特性变化。可检测的变化的实例包括(例如)交联、聚合、和/或与光反应性组合物暴露之前相比溶解度的变化(例如，在特定溶剂中的溶解度更小或更大)。本文将任何这些可检测的变化的出现称为固化，并且这种固化持续到固化物形成为止。固化步骤可以发生在树脂34层内的任何区域。该固化步骤之后，可以通过移除层的非固化部分以获得固化物体或从层上移除固化物体本身来可选地形成树脂34层。
在光学系统13的其他应用中，图像平面可以由另一种材料或另一类型的图像平面(如，被测量的表面)构成。此外，术语“平面”并非意图将图像平面限制为基本平坦的表面。虽然本文参照双光子光聚合系统描述光学系统13，但在其他实施例中，光学系统13可以实施到其他多光子光聚合系统和其他光学系统中，以利用可光致固化型材料制造2D或3D结构。
在图1B的实施例中，激光束源14以一系列脉冲输出激光束36，这些脉冲的脉冲宽度相对较短(例如小于约200飞秒(fs)，但也可以具体根据光学系统13的应用和需求采用其他脉冲宽度)。激光束源14可以是(例如)飞秒级激光束发生器，或者可以是短相干光源(例如平行弧灯)。在替代实施例中，激光束源14可以是会聚激光束发生器。在又一个实施例中，可以用其他合适的辐射能量源代替激光束源14。此外，光学系统13可以包括一个以上激光束源14。例如，可能需要不止一个激光束源14(或其他辐射能量源)，以实现每个细光束36A-36D的特定功率级别(例如，0.5瓦特/细光束36A-36D)。另外的激光束源可以设置在邻近激光束源14或相对激光束源14成任何关系的位置处。例如，可以将不止一个激光束源设置在色散补偿系统16的“上游”，使得从多个激光束源发出的多个激光束在穿过色散补偿系统16之前会聚。作为另外一种选择，激光束源14可以输出不止一个激光束36。
激光束36离开激光束源14之后，定位反射镜15定位激光束36。在替代实施例中，可以使用不止一个定位反射镜15来定位激光束36，具体取决于激光束36的期望传播方向。在其他替代实施例中，可以在光学系统13中去除定位反射镜15，这样激光束36可以不改变方向传播到色散补偿系统16。可以根据光学系统13的设计和激光束36离开激光束源14之后的期望传播方向来修改一个或多个定位反射镜15的构造。
激光束36穿过色散补偿系统16，以使激光束36重新成形并且补偿当激光束36穿过光学系统13所产生的一些色散。例如，在一些情况下，可能需要在整个光学系统13所限定的光学路径上相对较短的脉冲宽度。然而，由于可能会从分束器系统18、微透镜阵列21、中继器26和30之类的光学元件(例如，棱镜、透镜、反射镜等)产生一些伴随色散，激光束36的脉冲宽度可能会偏离期望的脉冲宽度范围。色散补偿系统16可以沿光学系统13设置在树脂34层之前的任何位置。此外，在一些实施例中，光学系统13可以不包括色散补偿系统16。
穿过色散补偿系统16之后，激光束36穿过分束器系统18，该分束器系统18将激光束36分离为具有基本相等能量的多个细光束36A、36B、36C和36D，并且这些细光束通过基本相等的光学路径长度。尽管图1B中示出了四个细光束36A-36D，但在其他实施例中，分束器系统18可以将激光束36分离成任意偶数或奇数个细光束，例如五个、八个、十六个、三十二个等等。此外，分束器系统18可以将激光束36分离成任意适当数量的细光束，例如几十、几百或几千个细光束。图5A和7A中示出合适的激光分束器系统18的实例实施例。
分束器系统18包括分束器装置18A和聚焦部分18B。分束器装置18A将入射激光束36分离成细光束36A-36D，而聚焦部分18B将细光束36A-36D排列成线性的细光束阵列。在替代实施例中，聚焦部分18B可以将细光束36A-36D排列成任意适当的构造，例如2D阵列或不规则排列。在一个实施例中，可以通过吸收(例如)奇数个细光束36A-36D来获得奇数个细光束。例如，可以用涂覆有适用于吸收细光束的导热材料的黑色金属板来吸收细光束36A。分束器装置18A和聚焦部分18B的实例如图4(分束器装置100和聚焦部分153)和图6(分束器装置300和聚焦部分356)所示。在替代实施例中，光学系统13可以包括不止一个分束器系统。例如，可以在图1B所示实施例中的分束器系统18之后有第二分束器系统，以将每个细光束36A-36D进一步分离为一个或多个细光束。
细光束36A-36D离开分束器系统18后，细光束36A-36D在反射镜20处反射并转动约90°，同时保持线性阵列构造。根据光学系统13的构造和期望的细光束36A-36D的方向，细光束36A-36D也可以离开分束器系统18不转动约90°而穿过Z轴望远镜22传播，或者作为另外一种选择，细光束36A-36D可以在不止一个反射镜20处反射或以其他角度改变方向。细光束36A-36D的线性阵列移动通过微透镜阵列21，微透镜阵列21聚焦并使细光束36A-36D成形。
图2为微透镜阵列21的示意性剖视图。微透镜阵列21包括布置为线性阵列的四个微透镜：42、44、46和48。每一个微透镜42、44、46和48的表面可以是球面，以使每一个细光束36A-36D成形，从而实现所需的辐照度。例如，微透镜阵列21可以生成会聚的细光束36A-36D。微透镜42、44、46和48均可以由熔融二氧化硅或任何其他合适的光学材料制成。优选地，该光学材料为低色散、高热稳定性材料。在图2所示的实施例中，微透镜阵列21被布置成使得每一个微透镜42、44、46和48接收细光束36A、36B、36C或36D中的一个，因此，微透镜42、44、46和48被布置为与细光束36A-36D相同的线性阵列构造。例如，细光束36A可以移动通过微透镜42，细光束36B可以移动通过微透镜44，细光束36C可以移动通过微透镜46，细光束36D可以移动通过微透镜48。
在替代实施例中，微透镜阵列21包括以任何合适的构造布置的任何适当数量的微透镜。通常，由分束器装置18形成的细光束36A-36D的数量与微透镜阵列21中微透镜的数量相等。此外，这些微透镜通常以与细光束36A-36D相同的构造布置。例如，如果从分束器系统18发射出一个多行和列的十六个细光束组成的2D阵列，那么微透镜阵列21将通常包括以相似行和列构造布置的十六个微透镜组成的2D阵列，以使每个微透镜与细光束光学对齐。当细光束与微透镜“光学对齐”时，细光束被对齐以穿过微透镜。然而，在其他替代实施例中，微透镜(如，微透镜42、44、46或46)可以接收并聚焦不止一个细光束。在又一个替代实施例中，微透镜阵列21可从光学系统13中去除。例如，如果激光束源14输出会聚光束，那么当激光束36和细光束36A-36D穿过分束器系统18时，激光细光束36A-36D可被充分聚焦，因而可以不需要微透镜阵列21。
现在回到图1B，细光束36A-36D穿过微透镜阵列21之后，穿过z轴望远镜22。可以通过控制细光束焦点在三维方向(即：x轴、y轴和z轴方向)上相对于树脂34层的位置，在树脂34层内一个体素一个体素地构造3D结构。为说明起见，图1B中提供了互相正交的x-z轴。z轴望远镜22调整细光束36A-36D相对于树脂34层的z轴位置。除非另外指明，z轴望远镜22在z轴方向“扫描”细光束36A-36D。例如，计算机化设备可以控制z轴望远镜22来调整细光束36A-36D在树脂34层内的z轴位置。当调整细光束36A-36D的z轴位置时，光束36A-36D中的每一个的焦点同样在树脂34内沿z轴方向移动。如果需要，细光束36A-36D可以调整为具有适当的波长和强度，使得细光束36A-36D在其每个焦点处固化树脂34。因此，z轴望远镜22可以帮助调整在树脂34层内制造的3D结构的z轴维度。z轴望远镜22使得细光束36A-36D的z轴位置可在不必移动树脂34层的情况下进行调整。然而，在一些实施例中，树脂34层也可以在z轴方向移动，这可用于制造具有特定深度的3D结构。例如，在一个实施例中，可以用得自美国宾タ法尼亚州匹兹堡市航空技术公司(Aerotech，Inc.ofPittsburgh，Pennsylvania)的控制系统来控制在x轴、y轴和z轴方向移动树脂34层(或其他工件)的机械设备。移动树脂34层还可用于制造大于聚焦透镜32的视场50(图3A)的结构。
穿过z轴望远镜22之后，细光束36A-36D在第一控制反射镜24处反射并穿过第一中继器26。第一控制反射镜24为电控反射镜，用来调整光束36A-36D传播的角度以及扫描树脂34层内的细光束36A-36D。在图1B的实施例中，第一控制反射镜24被构造为在x轴枢转，以调整细光束36A-36D相对于树脂34层的x轴位置，这使得对细光束36A-36D中的每一个所选择性固化的树脂34层的区域的x轴位置进行选择。第一控制反射镜24在x轴方向扫描细光束36A-36D，从而改变细光束36A-36D中的每一个的焦点的x轴位置。这样，第一控制反射镜24帮助调整在树脂34层内制造的3D结构的x轴维度。
第一中继器26是光学透镜中继器，可以使细光束36A-36D有效聚焦在第二控制反射镜28上。此外，如下所述，第一中继器26帮助细光束36A-36D与聚焦透镜32的光瞳对齐。
第二控制反射镜28为调整光束36A-36D的传播角度的电控反射镜。第二控制反射镜28被构造为在y轴枢转，以调整细光束36A-36D的y轴位置，从而使细光束36A-36D相对于树脂34层对齐。第二控制反射镜28在y轴方向扫描细光束36A-36D，从而改变每一个细光束36A-36D的焦点的y轴位置。这样，第一控制反射镜28帮助调整在树脂34层内制造的3D结构的y轴维度。
第一控制反射镜24和第二控制反射镜28使得可以实现细光束36A-36D的小角度倾斜。第一控制反射镜24和第二控制反射镜28均可以由计算机控制，以准确和精确地控制细光束36A-36D的倾斜角度，这使得可用相对小的度数来控制细光束36A-36D的位置。这样，由于可在相对小的尺度内控制体素的x轴和y轴位置，因此第一控制反射镜24和第二控制反射镜28可用于微米制造和纳米制造。在一个替代实施例中，可以使用检流计代替控制反射镜24和/或28。然而，控制反射镜24和28通常更利于实现小角度的倾斜。在一个实施例中，得自美国新罕布什尔州温德汉姆的纳特菲尔德技术公司(NutfieldTechnology(Windham，New Hampshire))的WAVERUNNER控制软件可用于控制z轴望远镜22、第一控制反射镜24和第二控制反射镜28。此外，控制系统(例如可得自美国德克萨斯州奥斯汀的美国国家仪器公司(National Instruments Corporation of Austin，Texas)的NI LOOKOUT)可用于校正细光束36A-36D在到达Z轴望远镜22、第一控制反射镜24和第二控制反射镜28之前的定向误差，以减少在树脂34层图像平面处的误差。
细光束36A-36D从第二控制反射镜28处反射开后进入第二中继器30。在一个实施例中，第一中继器26和第二中继器30基本上相同。第一中继器26和第二中继器30为光学透镜中继器，其帮助细光束36A-36D与聚焦正透镜32(也可称为“物镜”透镜)的光瞳有效对齐。通常希望将细光束36A-36D与聚焦透镜32的光瞳对齐，以避免畸变。通过使细光束36A-36D与聚焦透镜32的光瞳对齐，可以基本上保持聚焦透镜32的数值孔径(NA)。在一个实施例中，聚焦透镜32的NA为约0.5至约1.5。通常相对于特定物点或像点(如，树脂34)来测量NA。聚焦透镜32的NA与每一个细光束36A-36D的光斑尺寸有关，该光斑尺寸影响每一个细光束36A-36D所形成的体素的尺寸，如下参考图3D所述。第一中继器26和/或第二中继器30还可以放大或缩小细光束36A-36D。
聚焦透镜32可以包括浸液物镜(例如油浸物镜)，以及折射率匹配的流体。可以包括该浸液物镜来消除细光束36A-36D的球面像差。聚焦透镜32使每一个细光束36A-36D紧密聚焦至树脂34层中，以达到阈值强度，从而固化暴露于具有至少该阈值强度的细光束36A-36D部分的树脂34层的区域。由于四个横向放置(即，放置在x方向)的细光束36A-36D被导向到树脂34层，所以树脂34的四个单独区域可以几乎被同时固化。
图3A示出了聚焦透镜32的视场50的示意图，该视场位于基本上平行于树脂34的x-y平面的x-y平面。视场50表示聚焦透镜32可以对细光束36A-36D进行聚焦的区域。视场50内为子域52、54、56和58(虚线表示)。子域52、54、56和58每一个限定树脂34层的一个区域，在这些区域内，各个聚焦细光束36A、36B、36C和36D分别在x轴和y轴方向被扫描。因而子域52、54、56和58限定可以由每一个细光束36A-36D固化的树脂34层的单个区域。然而，在一些实施例中，子域52、54、56和58可以重叠。在一个实施例中，可以为每一个子域52、54、56和58指定X-Y轴坐标系，以帮助控制每一个细光束36A-36D的X-Y轴扫描。例如，可以通过各自的坐标系来将每一个细光束36A-36D的焦点(即：细光束36A-36D具有足够强度以固化树脂34的区域)的X和/或Y坐标控制在各个子域52、54、56和58内，以选择性地固化树脂34层并制造可以(例如)构成3D结构的体素。如前所述，望远镜22调整细光束36A-36D的焦点的Z轴位置。
由于每一个细光束36A-36D被导向到不同的子域52、54、56或58，因此每一个细光束36A-36D聚焦并固化树脂34的不同区域，从而使光学系统13能够并行制造多达四个3D结构。在一个实施例中，由于单个细光束36A、36B、36C或36D聚焦在子域52、54、56或58的一个之内，因而每个子域40可生成一个结构。例如，如图3A所示，细光束36A在子域52内固化树脂34以制造结构53(在图3A中示意性地示出)，细光束36B在子域54内固化树脂34以制造结构55(在图3A中示意性地示出)，细光束36C在子域56内固化树脂34以制造结构57(示意性地示出)，细光束36D在子域58内固化树脂34以制造结构59(示意性地示出)。当然，如果需要，可在一个或多个子域52、54、56或58内生成多个结构。此外，根据光学系统13制造的结构数，视场50可以限定任何适当数量的子域。例如，如图3A所示，子域52、54、56和58的个数可直接与使用光学系统13所制造的结构53、55、57和59的个数成比例。然而，在一些实施例中，不存在这种比例关系。
除了并行制造多个结构53、55、57和59之外，光学系统13还可以用于并行制造基本相同的结构53、55、57和59。如前所述，细光束36A-36D基本上相同(如，每个均显示具有基本上相似的能量和光学路径长度)。因此，构成结构53、55、57和59的每个体素的尺寸基本上相同。光学系统13并行制造多个基本相同的结构(例如：53、55、57和59)的能力对于批量制造3D微结构和/或纳米结构具有重大的商业意义。
在一个实施例中，视场50的x-y平面优选地与树脂34层的x-y平面基本上平行，以保持光学系统13的准确度和精确度。图3B示出了视场50和子域52、54、56和58，以及移位的视场50’(虚线表示)和子域52’、54’、56’和58’(虚线表示)，如果树脂34层和视场50不基本平行(例如，都位于x-y平面)，则可能导致这种位移。
如图3B所示，发生位移的子域52’、54’、56’和58’可以与除子域52、54、56和58之外的树脂34层的不同区域对齐，这会实际缩小可被细光束36A-36D固化的树脂34层的总面积。例如，在图3B所示的情况下，发生位移的子域52’、54’、56’和58’在y轴方向移动。如果树脂34层在y轴方向延伸的距离小于子域52’、54’、56’和58’移动的量，那么子域52’、54’、56’和58’的一部分会位于树脂34层之外。此外，细光束36A-36D可能没有与子域52’、54’、56’和58’正确对齐，因此它们会在子域52’、54’、56’和58’之外被扫描。另外，与子域52、54、56和58相比，发生位移的子域52’、54’、56’和58’的面积减少，从而限制了细光束36A-36D在x-y平面内可被扫描的面积。
聚焦透镜32的视场50越大，光学系统13可支持的子域个数就越多，因而光学系统13可并制造的3D结构的个数就越多。虽然图3A所示的聚焦透镜32的视场50包括四个子域52、54、56和58的线性阵列，但是视场50可以包括任何合适构造的任意个数的子域。此外，在替代实施例中，子域52、54、56和58可以重叠。图3C示出了视场60的替代实施例，其包括多个子域62，它们被布置为具有多行和列的2D阵列。
在一个实施例中，聚焦透镜32为可得自日本东京尼康公司(NikonCorporation of Tokyo，Japan)的尼康CFI Plan Fluro 20倍(Nikon CFI PlanFluro 20X)物镜。尼康20倍Multi浸液物镜(Nikon 20X Multi ImmersionObjective)的数值孔径为0.75，视场为1.1毫米(mm)，允许至少128个直径各自为60μm的子域。
图1B的光学系统13还可以包括共焦界面定位器系统，该系统可用于定位和/或跟踪树脂34层和其上设置树脂34层的基底之间的界面。合适的共焦界面定位系统的例子在此前以引用方式并入的名称为“METHOD AND APPARATUS FOR PROCESSING MULTIPHOTONCURABLE PHOTREACTIVE COMPOSITIONS”(加工多光子可固化光反应性组合物的方法与装置)的美国专利申请No.60/752,529中有所描述。
在一个实施例中，树脂34层可以具有弯曲的外形(如，圆柱形图像平面)，其曲率在子域52、54、56和58处基本平坦。一维阵列(例如，图3A所示的阵列)可用于在圆柱形图像平面上打标。
图3D为曲线图，示出了每一个细光束36A-36D在树脂34层内的焦点的强度和由对应细光束36A-36D所形成的体素尺寸之间的关系，假设树脂34层的x-y平面在视场50(图3A)上基本上平坦。线条70对应于细光束36A在图3A的子域52内的焦点，线条72对应于细光束36B在子域54内的焦点，线条74对应于细光束36C在子域56内的焦点，线条76对应于细光束36D在子域58内的焦点。如线条70和76所示，当细光束36A和36D的焦点分别处于阈值强度78时，体素尺寸80和82(沿图3D的x轴)基本上相等。阈值强度78为固化树脂34层的区域所必需的最小强度水平。因此，当细光束36B的焦点处于阈值强度78之下时(如线条72所指出的那样)，由于强度不足以引发必需的树脂34的光子吸收，故而细光束36B不会固化树脂34层。
当细光束36C的焦点强度大于阈值强度78时，由于细光束36C焦点处于或高于阈值强度78的宽度小于细光束36A和36D焦点的宽度，所以细光束36C通过树脂34层形成的体素尺寸84大于分别由细光束36A和36D形成的体素尺寸80和82。当并行形成多个结构(如，结构53、55、57和59，如图3A所示)时，不期望具有尺寸不同的体素80、82和84。所以，理想情况是细光束36A-36D中每一个的焦点基本上等于阈值强度78。当然，在一些实施例中，期望并行制造尺寸不同的体素80、82和84。
每一个细光束36A-36D在树脂34层内的焦点的尺寸和位置还可以影响树脂34层内被细光束36A-36D中的每一个所固化的树脂的量，从而影响细光束36A-36D中的每一个所形成的体素的尺寸。如果需要尺寸基本上相同的体素，可能理想的是树脂34层的x-y平面基本上平坦。如果树脂34层的顶面34A(位于x-y平面，如图3E所示)包括“波纹”或其他表面畸变，那么每一个细光束36A-36D的焦点可能与对应的子域52、54、56和58内的不同。因而，在一些实施例中，可能需要基本上平坦的树脂34层，以在基本上相同的x-y平面内制造体素。树脂34层的顶面34A是树脂34层最靠近聚焦透镜32的表面。
图3E为包括顶面34A的树脂34层的示意性剖视图，并且示出了各自聚焦于树脂34层内的细光束36A-36D。具体地讲，细光束36A的焦点86(即细光束36A的强度足以固化树脂34的部分)聚焦于子域52(虚线表示)内，细光束36B的焦点88聚焦于子域54(虚线表示)内，细光束36C的焦点90聚焦于子域56(虚线表示)内，细光束36B的焦点92聚焦于子域58(虚线表示)内。通过树脂34层的平坦顶面34A，细光束36A-36D的每一个焦点86、88、90和92分别具有基本上相同的z轴坐标和基本上相同的强度。然而，当树脂34层具有不平的顶面34A’时，树脂34层的顶面34A’的z轴坐标不同，这会影响细光束36A-36D的焦点86、88、90和92接触并固化树脂34层的能力。例如，在图3E所示的示例性实施例中，由于顶层34A’低于焦点86，所以细光束36A的焦点86未接触树脂34层。然而，细光束36B和36C的焦点88和90分别接触并固化树脂34层的区域，以形成z轴坐标基本上相似的体素。
在一个实施例中，聚焦透镜32可以包括自动对焦部件，以帮助调整细光束36A-36D的焦点，从而补偿树脂34层内的微小变化(例如，不平的部分)。
图4为根据本发明的一个实施例的分束器装置100的透视图。如参照图5A与5B进一步描述的，分束器装置100可以被构造为接纳入射光束(如，图1B中的激光束36)，或另一类辐射能光束，并可以将入射光束分离为多个具有基本上相等能量和光学路径长度的细光束(如，图1B中的细光束36A-36D)。由于分束器装置100的光学部件(如，分束器装置102和多个下面所述的棱镜)的制造公差，细光束之间的能量和光学路径长度可能略有不同。因此，用短语“基本上相等”来描述细光束的能量和光学路径长度。虽然下面所要描述的分束器装置100是相对于激光束而言的，但分束器装置100也可以将其他类型的光束分离为多个细光束。
分束器装置100包括立方体分束器102和立方体棱镜104(虚线表示)、106(虚线表示)、108(虚线表示)、110(虚线表示)、112以及114。分束器102和棱镜104、106、108、110、112以及114可以由任何合适的光学材料形成，例如熔融二氧化硅。棱镜104、106、108、110、112和114与分束器102光学接触。也就是说，一束光可以基本无障碍地从分束器102传到每个棱镜104、106、108、110、112和114。虽然在图4所示的分束器装置100的实施例中，棱镜104、106、108、110、112和114与分束器102邻接，但在替代实施例中，棱镜104、106、108、110、112和114可以与分束器102分离，同时仍与其光学接触。
立方体分束器102为光学装置，其可将激光束或细光束分离成两个具有基本相等能量的细光束，并且可以是50％能量分束器。在图4所示的实施例中，立方体分束器102由沿接缝120连接的两个三角形玻璃棱镜116和118构造成。三角形玻璃棱镜116和118可以用任何合适的连接方式连接，例如加拿大质胶。当激光束或细光束穿过接缝120时，光束分离成两个或更多个细光束。因此，接缝120也可以称为该立方体分束器102的“分光器部分”。
立方体分束器102具有立方体形状，其包括侧面102A(虚线表示)、102B(虚线表示)、102C、102D、102E和102F，它们都是基本上不反射的，以使得激光束或细光束可以在基本无光学路径障碍的情况下穿过侧面102A-102F。分束器102的侧面102A基本上与侧面102B和102D垂直，侧面102B基本上与侧面102A和102C垂直，侧面102C基本上与侧面102B和102D垂直，而侧面102D基本上与侧面102A和102C垂直。侧面102E和102F基本上彼此平行，并基本上垂直于侧面102A-D。分束器102的侧面102A-F的长度大致相同(在x-z平面内测量)。为了有助于描述分束器装置100，图4中示出了x-y-z轴，其并不旨在以任何方式限制本发明的范围。该x-y-z轴与图1B中所示的x-y-z轴相对应。在替代实施例中，任何包含基本上相等长度的侧面的分束器都可以代替分束器102。
棱镜104、106、108、110、112和114为三直角锥棱镜，并且在图4所示的实施例中具有基本上相似的尺寸。棱镜104和106沿着分束器102的第一侧面102A设置，而棱镜108和110沿着分束器102的第二侧面102B设置，棱镜112沿着分束器102的第三侧面102C设置，棱镜114则沿着分束器102的第四侧面102D设置。棱镜104、106、108、110、112和114之间的相对位置/距离参见图5B中所述。在图4所示的实施例中，棱镜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。在替代实施例中，棱镜104、106、108、110、112和114可由不同材料形成。可以在棱镜104、106、108、110、112和114与立方体分束器102之间设置折射率匹配的流体，以便帮助防止在立方体分束器102和一个或多个棱镜104、106、108、110、112和114之间传播的光束被反射回立方体分束器102中或者被反射回对应棱镜104、106、108、110、112和114中，取决于该光束(或细光束)的传播方向。
图5A和5B分别为根据本发明的分束器系统150和分束器装置100的的示意图，它们用于将光束分离为多个细光束。系统150包括分束器装置100(显示为沿图4中的线5-5截取的横截面)、激光束源152和聚焦部分153，其包括反射镜154和156，以及三角形棱镜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)图1B中的激光束源14，或可以表示图1B中反射镜17反射的激光束36。
在分束器系统150中，激光束165从激光束源152发射出，并且在分束器装置100的立方体分束器102的点151处被导向。如下文进一步详细描述的，在激光束165穿过分束器装置100后，激光束165被分离成16个细光束220-235，聚焦部分153将其布置成线性的细光束阵列166。当然，在替代实施例中，分束器装置100可以用于将激光束165分离成较少或较多数量的细光束，包括几十、几百或几千个细光束。
在一个实施例中，激光束165在分束器102处被导向，使得光束165基本上垂直于立方体分束器102的侧面102A。也就是说，入射激光束165与激光束165首先接触的立方体分束器102的表面之间的角度θ为约90°。如果角度θ大于或小于90°，那么激光束165形成的细光束220-235可以横向位移(即，在x-z平面内位移)。角度θ与90°之间的差值可以称为“入射角”。对于小角度，横向位移D根据以下公式可以近似为：
D＝t*I*((N-1)/N)
在该公式中，t为单个细光束穿过分束器装置100的总光学路径，I为激光束165的入射角，并且N为制造立方体分束器102与棱镜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为约1°(或约0.01745弧度)，t为约224mm，N为1.5，那么离开分束器装置100的每个细光束220-235距离垂直出口位置的横向位移D为约1.33mm。
如果激光束165从标称位置横向移动(即从点151沿z轴移动)，从分束器装置100输出的细光束220-235也会横向移动(就细光束220-235而言，横向移动是在x轴方向上)相同的量。然而，分束器装置100被布置成使得激光束165形成的每个细光束穿过所有棱镜104、106、108、110、112和114，并以线性阵列166离开装置100，无论激光束165的入射角如何。
此外，当入射激光束以非垂直角度导向到分束器100时，如果离开分束器100的细光束220-235不平行，则会具有球面像差。在一些实施例中，如果入射角较小(如，约1°或更小)，细光束220-235的任何像差都可以忽略不计。此外，如果分束器装置100用于图1B中的系统13，那么浸液透镜可用来降低进入分束器100的会聚激光束的球面像差。
如前文所述，分束器装置100包括分束器102和多个棱镜104、106、108、110、112和114。棱镜104、106、108、110、112和114相对于彼此移动，以便获得基本上相等的光学路径长度，同时仍保持相邻细光束220-235之间的间距P。如图5B所示，距离D1-D6表示棱镜104、106、108、110、112和114之间的示例性布置方式，这些棱镜用于生成以基本上相等的光学路径长度穿过分束器装置100的细光束220-235，其中相邻细光束220-235之间的间距P是预定的。在替代实施例中，棱镜104、106、108、110、112和114可以用别的方式布置，以获得以基本上相等的光学路径长度穿过分束器装置100的细光束220-235。
棱镜104、106和112沿x轴方向设置(以下称为“x轴棱镜”)，而棱镜108、110和114沿z轴方向设置(以下称为“z轴棱镜”)。x轴棱镜以在操作上相关的方式移置，而z轴棱镜以在操作上相关的方式移置。此外，x轴棱镜104、106和112的距离D4-D6是根据由分束器装置100生成的细光束220-235之间的所期望间距选定的。
对于z轴棱镜108、110和114，距离D1是在z轴方向从棱镜108的中心轴108A到分束器102的侧面102A测量的。距离D2是在z轴方向从棱镜114的中心轴114A到分束器100的侧面102A测量的。距离D3是在z轴方向从棱镜110的中心轴110A到分束器100的侧面102A测量的。距离D3大于距离D2，距离D2大于D1。
在图5B所示的实施例中，每个距离D1、D2和D3根据以下公式计算：
Z n = Σ n = 1 s - 1 n · L 2
Zn为从分束器102的侧面102A到从分束器102的侧面102A的第n个z轴棱镜的中心轴的z轴距离(如，对于棱镜108，n＝1；对于棱镜114，n＝2；而对于棱镜110，n＝3)，L为与分束器102相邻的z轴棱镜侧面的z轴尺寸(如，图5B中所示的棱镜108的侧面108B的尺寸L)，而s等于入射光束165的被分离的次数。上面给出的计算Zn的公式假定所有z轴棱镜的尺寸基本相同，而且每个z轴棱镜的尺寸L大于由分束器装置100生成的细光束总数乘以细光束220-235之间的间距P。
对于x轴棱镜，距离D4是在x轴方向从棱镜106的中心轴106A到分束器102的侧面102B测量的。距离D5是在x轴方向从棱镜112的中心轴112A到分束器100的侧面102B测量的。距离D6是在x轴方向从棱镜104的中心轴104A到分束器100的侧面102B测量的。距离D6大于距离D5，距离D5大于D4。
在图5B所示的实施例中，每个距离D1、D2和D3根据以下公式计算：
X n = Σ n = 1 s - 1 n · M 2 + P · 2 ( n - 2 )
Xn为从分束器102的侧面102B到从分束器102的侧面102B的第n个x轴棱镜的中心的x轴距离(如，对于棱镜106，n＝1；对于棱镜112，n＝2；而对于棱镜104，n＝3)，M为与分束器102相邻的x轴棱镜侧面的x轴尺寸(如，图5B中所示的棱镜112的尺寸M)，P为细光束220-235之间的间距(如图5B所示)，且s等于入射光束165被分离的次数。细光束220-235之间的间距P大体为x-z平面中相邻细光束220-235之间的间距。间距P的公差通常取决于分束器装置100的应用。例如，如果细光束220-235与微透镜阵列对齐，间距公差可取决于阵列中每个微透镜之间的间距，以及微透镜的尺寸。与上文用于计算从分束器的侧面102A到每个x轴棱镜中心的z轴距离Zn的公式一样，上面给出的用于计算Xn的公式假定所有x轴棱镜的尺寸基本相似，而且每个z轴棱镜的尺寸L大于由分束器装置100生成的细光束的总数乘以细光束220-235之间的间距P。
分束器102的侧面102A仅用作描述z轴棱镜108、110和114之间间距的基准点，侧面102B仅用作描述z轴棱镜104、106和112之间间距的基准点。应该理解，棱镜104、106、108、110、112和114之间的间距也可以参照分束器装置100的其他部分进行描述，甚至可以彼此参照。然而，为了便于描述，在当前描述中将分束器102的侧面102A和102B作为基准点。
如图5B所示，光束分离系统150将从激光束源152射出的激光束165(其可以是平行、会聚或离散的激光束)转换成16个细光束220-235，每个细光束都具有基本相等的能量，而且都以基本相等的光学路径长度穿过分束器装置100。更具体地讲，当激光束165在区域180穿过分束器102的分光器部分120时，激光束165分离成细光束182和184。例如，当分束器102为由两个三角形棱镜形成的立方体分束器，并且在分光器部分120处用加拿大质胶粘在一起，分光器部分120处的质胶厚度T可以调整为使得对于特定波长的光而言，激光束165的一半(即细光束182)可以向棱镜106反射约90°，而激光束165的另一半(即细光束184)穿过分光器部分120朝棱镜108传播。
在细光束182和184由入射激光束165形成之后，细光束182和184穿过第一棱镜通道。具体地讲，细光束182穿过棱镜106，而细光束184穿过棱镜108。在此第一棱镜通道，细光束182和184分别以基本相等的光学路径长度穿过分束器102以及棱镜106和108，而不管激光束165穿过分光器部分120的哪个区域而分离为细光束182和184，也不管细光束182和184分别从何处进入棱镜106和108。基本相等的光学路径长度可归因于许多因素，包括分束器102的相等长度的侧面102A-102F，棱镜106和108的基本相等的尺寸，以及该分束装置100的构造，即包括根据上文给出的分别计算Xn和Zn的公式分别相对于分束器102的侧面102B和102A设置的棱镜106和108。
另外形成对于细光束182和184，以及在其他棱镜通道形成的细光束之间基本相等的光学路径长度的因素为每个立方体棱镜104、106、108、110、112和114的对称性。入射光束在第一点处进入每个立方体棱镜104、106、108、110、112和114，并在第二点处离开立方体棱镜104、106、108、110、112或114，其中该第一点和第二点距离基准点是基本等距的。例如，对于立方体棱镜106，基准点为顶点106D。以细光束182为示例，细光束182在点183A处进入立方体棱镜106，在点183B处离开。点183A和183B与立方体棱镜106的顶点106D是基本上等距的。棱镜106、108、110、112和114能找到相似的基准点。
在一替代实施例中，不是具有基本上相等的光学路径长度，而是通过调整立方体分束器102的尺寸(即，用具有不相等侧面的分束器代替分束器102)、三直角锥棱镜104、106、108、110、112和114的相对尺寸或立方分束器102与至少一个三直角锥104、106、108、110、112或114之间的相对间距(如，立方体分束器102的表面102B与棱镜108的表面108B之间的相对间距)，在各个棱镜通道的细光束之间采用预定的光程差。
在细光束182和184分别离开棱镜106和108之后，在区域186穿过分束器102的分光器部分120，从而分离成四个细光束188、190、192和194。之后，细光束188、190、192和194穿过第二棱镜通道。在第二棱镜通道中，细光束188和190从分光器部分120向棱镜112反射约90°，而细光束192和194穿过分光器部分120透射向棱镜114。由于棱镜112和114的布置方式，而且因为棱镜112和114具有基本相等的尺寸，细光束188、190、192和194又以基本相等的光学路径长度通过各自的棱镜112和114。
离开各自的棱镜112和114时，细光束188、190、192和194在区域196穿过分束器102的分光器部分120，并分离成八个细光束200-207。具体地讲，细光束188分离为细光束200和201，细光束190分离为细光束202和203，细光束192分离为细光束204和205，细光束194分离为细光束206和207。在第三棱镜通道中，细光束200、202、204和206随后穿过棱镜110，而细光束201、203、205和207随后穿过棱镜114。与先前的棱镜通道一样，在第三棱镜通道中，细光束200-207以基本相等的光学路径长度穿过分束器装置100。
穿过各自的棱镜110和114后，细光束200-207再次穿过分束器102的分光器部分120，并进一步分离成总共十六个细光束220-235。具体地讲，细光束200分离成细光束220和221，细光束201分离成细光束222和223，细光束202分离成细光束224和225，细光束203分离成细光束226和227，细光束204分离成细光束228和229，细光束205分离成细光束230和231，细光束206分离成细光束232和233，细光束207分离成细光束234和235。
聚焦部分153(图5A所示)将细光束220-235重组为细光束阵列166。将细光束220-235布置为阵列166在分束器装置100的一些应用中是可取的。例如，如果将分束器装置100结合在图1B的光学系统13中，细光束220-235可以被布置为与微透镜阵列(如，图1B中的微透镜阵列21)中的微透镜平行。
如前文所述，聚焦部分153包括反射镜154和156，以及三角形棱镜158、160、162和164。反射镜154在x-z平面调节细光束220、222、224、226、228、230、232和234的方向。细光束220、222、224、226、228、230、232和234随后穿过棱镜158，棱镜158将细光束220、222、224、226、228、230、232和234的方向调节约90°射向棱镜160。反射镜156在x-z平面调节细光束221、223、225、227、229、231、233和235的方向，以使细光束221、223、225、227、229、231、233和235定位朝向棱镜164。细光束221、223、225、227、229、231、233和235随后穿过棱镜164，棱镜164将细光束221、223、225、227、229、231、233和235以约90°反射向棱镜162。棱镜160和162被布置为彼此相邻，使得当细光束220-235穿过各自的棱镜160和162时，每个细光束220-235都可枢转约90°，并彼此基本相邻地布置成线性的细光束阵列166。
在替代实施例中，聚焦部分153可以包括其他构造和部件，以便将细光束220-235布置成细光束阵列。此外，分束器装置100可用来形成除线性阵列之外其他布置方式的细光束220-235，例如2D阵列(如，矩形阵列)。为了获得2D阵列，x轴棱镜104、106和112可以在y轴方向位移(垂直于图像平面)。作为另外一种选择，聚焦部分153包括被构造为可将细光束220-235布置成2D阵列的光学元件(如，反射镜和/或棱镜)。
虽然在图5B示出的实施例中细光束220-235是同相的，但在替代实施例中，细光束220-235不是同相的。这可以通过(例如)其他外部光学器件和聚焦部分153的其他构造实现。
间距P1也等于细光束188和190之间，以及细光束192和194之间的间距。在一个实施例中，距离D7基本上等于约二分之一间距P1(即1/2P1)。要改变间距P1，可以使距离D1和D4相对于彼此改变。要改变间距P2A，即第一对细光束200和202与第二对细光束204和206之间的侧向间距，可以使距离D2和D5相对于彼此调整。也可以使距离D2和D5相对于彼此调整，从而改变第一对细光束201和203与第二对细光束205和207之间的间距P2B。也可以使距离D3和D6相对于彼此调整，以改变第一四组合细光束221、223、225和227与第二四组合细光束229、231、233和235之间的间距P3A。调整距离D3和D6还可以改变第一四组合细光束220、222、224和226与第二四组合细光束228、230、232和234之间的间距P3B。在图5B所示的实施例中，间距P、P1、P2A、P2B、P3A、P3B基本上相等。在图5B所示的实施例中，距离D8基本上等于约1.5P。
在序列棱镜通道中棱镜之间的距离与在该序列棱镜通道之后生成的细光束间距之间的示例性关系在另外的棱镜通道中可以重复。
作为另外一种选择，细光束220-235之间的间距P也可以通过在分束器102的非反射侧面102A与棱镜104和106之间、在分束器102的非反射侧面102B与棱镜108和110之间、在分束器102的非反射侧面102C与棱镜112之间，以及在分束器102的非反射侧面102D与棱镜114之间放置一层折射率匹配的流体来调整。这使得无需拆卸分束器装置100就可以调整细光束200-235之间的间距P。
虽然阵列166中的细光束220-235基本上平行，而且彼此不干涉，但在一些应用中，例如在一些计量学应用中，可能期望细光束220-235中的至少两个干涉。因此，在替代实施例中，两个或更多个细光束220-235之间的间距可以调整，以使得两个或更多个细光束220-235部分或全部重叠，从而产生干涉作用。
在替代实施例中，分束器装置100可以包括更少或更多数量的棱镜104、106、108、110、112和114，以便将入射激光束165分离成更少或更多数量的细光束。利用分束器装置100，可以形成具有2n个细光束的2D阵列，其中n等于入射激光束165穿过分束器102的分光器部分120的次数。为了获得偶数个细光束，需要(2*n)-2个棱镜。因此，如果需要32个细光束，分束器装置应包括八个棱镜。即：
32个细光束＝2n＝25(因此，n＝5)
所需棱镜数量＝(2*n)-2＝(2*5)-2＝8
如果在分束器装置100上添加另外的棱镜，x轴棱镜可以根据上文中计算Xn的公式间隔开，而z轴棱镜可以根据上文中计算Zn的公式间隔开。
虽然图4-5B的实施例中示出的是立方体棱镜，但在其他实施例中也可以用其他类型的棱镜代替立方体棱镜104、106、108、110、112和114。一般来讲，在合适的棱镜中，入射光束在第一点进入棱镜，并在第二点离开棱镜，其中第一和第二点距离基准点基本上是等距的。例如，对于立方体棱镜104，基准点为点104A。以细光束201为示例性实例，细光束201在点240处进入棱镜104，并在点242处离开。点240和242与棱镜104的点104A基本上是等距的。包括这种结构的其他合适的棱镜包括但不限于五棱镜(如图6所示)或波罗棱镜。
图6根据本发明的另一个实施例示出了分束器装置300，其包括三个分束器302、304和306，以及四个围绕分束器302、304和306设置的五棱镜308、310、312和314。在一个实施例中，分束器302、304和306彼此相同，而且每个都可以与图4-5B中分束器装置100的50％能量的立方体分束器102相类似。在替代实施例中，分束器302、304和306可以是任何其他类型的包含基本相等长度侧面(在x-z平面测量)的分束器。例如，在图6所示的实施例中，分束器302的侧面302A、302B、302C和302D的长度基本相等，分束器304的侧面304A、304B、304C和304D的长度基本相等，分束器306的侧面306A、306B、306C和306D的长度基本相等。
分束器302包括分光器部分316，其可以是(例如)一条接缝，两个三角形棱镜在该接缝处连接而形成分束器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。在图6所示的实施例中，分束器302、304和306被布置为彼此相邻，但分光器部分316、318和320在x-z平面内相对于彼此移动。分光器部分316、318和320之间的位移由棱镜308、310、312和314之间的位移所致，如下面参照图7B进一步所述。
五棱镜308、310、312和314每个都是五面的棱镜。如参照图7A和7B所描述的，光束在棱镜308、310、312或314的两个侧面反射，这使得光束偏离约90°。五棱镜308、310、312和314围绕立方体棱镜302、304和306布置，以使得在每个棱镜通道中，细光束以基本上相似的光学路径长度穿过分束器装置300。五棱镜308、310、312和314与分束器302、304和306之间的布置方式参照图7B进行描述。
图7A为根据本发明的分束器系统350的示意图，该系统用于将光束分离为多个细光束。系统350包括分束器装置300(如沿图6中的线7-7截取的横截面所示)、激光束源352、聚焦透镜353、浸液透镜(未示出)、聚焦部分356，该聚焦部分包括第一组透镜358和360、反射镜362和364、第二组透镜366和368，以及三角形反射镜370和372。在图7A所示的实施例中，激光束源352射出会聚激光束374。在替代实施例中，激光束源352可以是任何辐射能光束源。
在分束器系统350中，具有相对较低数值孔径(NA)(如，小于或等于约0.04)的会聚激光束374从激光束源352射出并导向到分束器装置300的立方体分束器302。会聚激光束374由多个会聚光束组成，其通过会聚透镜353会聚成单一的激光束，该激光束最终分离成多个细光束400-407。依据激光束源352与分束器系统300之间的距离，会聚激光束374可以分离成多个会聚细光束，这些会聚细光束在离开分束器装置300后会聚成聚焦细光束。更具体地讲，在穿过分束器302、304和306以及五棱镜308、310、312和314之后，激光束374被分离成八个具有基本相等能量的细光束400-407。此外，这八个细光束中的每一个都以基本相等的路径长度穿过分束器装置300。聚焦部分356可将从分束器装置300输出的细光束400-407排列成线性的聚焦细光束阵列376。因此，如果细光束400-407用于光学系统(如，图1B中的光学系统13)中，可以不必使用微透镜阵列来聚焦细光束400-407。
如图7B所示，在激光束374被导入分束器302后，激光束374穿过分束器302的分光器部分316，并分离成细光束380和382。细光束380在x-z平面从入射激光束374的方向384枢转约90°，同时细光束382沿方向384穿过分光器部分316射向五棱镜312。随后，在第一棱镜通道中，细光束380穿过五棱镜308，而细光束382穿过五棱镜312。更具体地讲，细光束380穿过侧面308B进入棱镜308，在五棱镜308的侧面308D反射，枢转约45°，并在侧面308E反射，然后穿过侧面308C离开棱镜308。相似地，细光束382通过穿过侧面312B进入棱镜312而穿过五棱镜312，在侧面312D反射，枢转约45°并在侧面312E反射，然后穿过侧面312C离开棱镜312。
与立方体棱镜104、106、108、110、112和114一样，入射光束在第一点处进入五棱镜(如，五棱镜308、310、312或314)，并在第二点处离开该棱镜，其中第一点和第二点距离基准点是基本上等距的。例如，对于五棱镜308，基准点为顶点308A。以细光束380为示例性实例，细光束380在点385A处进入五棱镜308，并在点385B处离开。点385A和385B距离五棱镜308的顶点308A基本上是等距的。棱镜310、312和314也能找到类似的基准点。
在离开棱镜308和312之后，细光束380和382分别穿过分束器306的分光器部分318的区域386。在穿过分束器306的分光器部分318之后，细光束380分离成细光束388和390，而细光束382分离成细光束392和394。在第二棱镜通道中，细光束388和392穿过五棱镜310，而细光束390和394穿过五棱镜314。具体地讲，细光束388和392分别穿过侧面310B进入棱镜310，在侧面310D反射，枢转约45°并在侧面310E反射，然后穿过侧面310C离开棱镜310。细光束390和394分别穿过侧面314B进入棱镜314，在侧面314D反射，枢转约45°并在侧面314E反射，然后穿过侧面314C离开棱镜314。
在离开各自的棱镜310和314后，细光束388、390、392和394穿过棱镜306的分光器部分320的区域396，并进一步分离成总共八个细光束400-407。细光束388分离成细光束400和401，细光束390分离成细光束402和403，细光束392分离成细光束404和405，细光束392分离成细光束406和407。
如图7A所示，聚焦部分356可将细光束400-407布置为细光束阵列376，其可以(例如)引入微透镜阵列(如，图2中的微透镜阵列21)，以用于多光子光聚合制造方法。第一组透镜358和360使细光束400-407平行并重导向到各自的反射镜362和364上。具体地讲，细光束400、402、404和406穿过透镜358，并且被平行校准及重新导向到反射镜362上，而细光束401、403、405和407穿过透镜360，并且被平行校准及重新导向到反射镜360上。细光束400、402、404和406在反射镜362上反射，而细光束401、403、405和407在反射镜364上反射。反射镜362和364朝第二组透镜366和368反射各个细光束400-407，透镜366和368可聚焦细光束400-407。由于细光束400-407之前已被透镜358和360平行校准，所以细光束400-407被聚焦。
穿过透镜366之后，细光束400、402、404和406从三角形反射镜370上反射。穿过透镜368之后，细光束401、403、405和407从三角形反射镜372上反射。反射镜370和372设置为彼此相邻，使得当细光束400-407从各自的三角形反射镜370和372反射时，每个细光束400-407都可枢转约90°，并彼此基本相邻地布置成细光束线性阵列376。
与图5A中分束器系统150的聚焦部分153一样，聚焦部分356可以包括其他构造和部件，以便将细光束400-407布置为细光束阵列。例如，可以用平面反射镜代替三角形反射镜370和372，以便以约90°反射细光束400-407。此外，聚焦部分356可以将细光束400-407布置成其他结构，例如2D阵列或其他非线性阵列。
为了使每个棱镜通道中的细光束以基本相等的光学路径长度穿过分束器300，以及为了获得细光束400-407之间的期望间距P4，五棱镜308、310、312和314之间有少量位移。结合分束器302、304和306对该位移进行了最好的描述。在图6所示的布置方式中，五棱镜308的顶点308A和五棱镜312的顶点312A是未对齐的。因此，五棱镜312的非反射侧面312B与分束器302的侧面302B对齐并且相邻，而五棱镜308的非反射侧面308B相对于分束器302的侧面302C偏移距离S1。位移距离S1也可以称为五棱镜308与312之间的“位移距离”。五棱镜308的非反射侧面308C与分束器304的侧面304D也对齐并且彼此相邻，而五棱镜312的非反射侧面312C相对于分束器304的侧面304A偏移距离S2。距离S1与S2基本上相等，因为分束器302和304的尺寸基本上相等，并且五棱镜308和312的尺寸也基本上相等。距离S1和S2根据第一棱镜通道后细光束388和392之间的所需间距P3选定。间距P3也等于细光束390和394之间的间距。一般来讲，距离S1和S2都基本等于P3。
五棱镜310和312也相对于彼此移位。更具体地讲，五棱镜310的顶点310A和五棱镜314的顶点314A是不对齐的。因此，五棱镜310的非反射侧面310B与分束器304的侧面304C对齐并且相邻，而五棱镜314的非反射侧面314B相对于分束器304的侧面304B移动距离S3。位移距离S3也可以称为五棱镜308与312之间的位移距离。五棱镜314的非反射侧面314C与分束器306的侧面306A也对齐并且彼此相邻，而五棱镜310的非反射侧面310C相对于分束器304的侧面304A偏移距离S4。距离S3和S4基本上相等，因为分束器304和306的尺寸基本上相等，并且五棱镜310和314的尺寸也基本上相等。距离S3和S4根据P3和P4之间的所需相对间距选定，P4为细光束400、402、404和406之间的间距，其也等于细光束401、403、405和407之间的间距。在图7B所示的实施例中，间距P4基本上等于间距P3。一般来讲，距离S3和S4都基本上等于P4。
在替代实施例中，分束器装置300可以将激光束374分离成八个以上的细光束。例如，可以在聚焦部分356之前添加另外的分束器和五棱镜“组”，从而增加另外的用于使细光束400-407穿过的棱镜通道。分束器和五棱镜组为分束器，一个五棱镜被布置为与该分束器相邻，并且一个五棱镜相对于该分束器位移，位移距离通常等于通过棱镜通道的细光束之间的间距。例如，在图7B中，分束器306与五棱镜310和314构成了分束器和五棱镜组。在图7B所示的实施例中，添加分束器和五棱镜组可使细光束的数量增加为原来的两倍。
本发明涉及一种分束器装置，所述分束器装置包括一个或多个分束器以及围绕该一个或多个分束器设置的多个棱镜，该多个棱镜的构造允许该一个或多个分束器形成的细光束以基本相等的光学路径长度穿过该分束器装置。此外，该分束器将激光束分离为具有基本相等能量的细光束。
本文描述了本发明的多种实施例。这些及其他实施例均在以下权利要求书的范围内。

Claims (6)

1.一种用于将入射光束分离为多个细光束的光学装置，所述光学装置包括：
第一立方体分束器，包括第一分光器部分；
第二立方体分束器，包括第二分光器部分；
第三立方体分束器，包括第三分光器部分；
第一五棱镜，设置在所述第一和第二立方体分束器之间；
第二五棱镜，设置在所述第一和第二立方体分束器之间并且与所述第一五棱镜相对；
第三五棱镜，设置在所述第二和第三立方体分束器之间；以及
第四五棱镜，设置在所述第二和第三立方体分束器之间并且与所述第三五棱镜相对。
2.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述第一五棱镜包括第一顶点，所述第二五棱镜包括第二顶点，并且所述第一和第二五棱镜被布置成使得所述第一顶点和所述第二顶点不对齐。
3.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述第一和第二五棱镜相对于彼此偏移距离S1，所述第三和第四五棱镜相对于彼此偏移距离S2，并且S1和S2被选择以实现所述多个细光束之间的期望间距。
4.一种系统，包括：
光源，用于提供入射光束；以及
分束器装置，用于将所述入射光束分离为多个彼此间隔为间距P的细光束，其中所述分束器装置包括：
分束器，其中所述分束器将所述入射光束分离S次；
第一组棱镜，沿第一轴线设置，其中所述第一组棱镜的每个棱镜沿维度LZ接触所述分束器，并且所述第一组棱镜的第n个棱镜与第一基准点的距离为Zn，其中Zn根据第一公式计算：
Z n = Σ n = 1 S - 1 n · L Z 2 ; 以及
第二组棱镜，沿垂直于所述第一轴线的第二轴线设置，其中所述第二组棱镜的每个棱镜沿维度Lx接触所述分束器，并且所述第二组棱镜的第n个棱镜离第二基准点的距离为Xn，其中Xn根据第二公式计算：
X n = Σ n = 1 s - 1 n · L x 2 + P · 2 ( n - 2 ) .
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述分束器为立方体分束器，所述第一基准点为所述立方体分束器的第一侧面，所述第二基准点为所述立方体分束器的第二侧面。
6.根据权利要求4所述的系统，其中所述第一组和第二组棱镜的每个棱镜为三直角锥棱镜。
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