CN102483577B - 利用可变速率像素时钟的转子成像系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本文公开的技术涉及管理随着扫描头扫掠不与第一轴平行的弯曲路径沿着第一轴的变化像素重叠。尤其，我们展示了随着转子臂扫掠不与第一轴平行的弯曲路径沿着第一轴使用变频像素时钟产生等间隔像素。该像素时钟具有随着扫描头相对于第一轴的位置近似正弦变化的变化频率。

Description

利用可变速率像素时钟的转子成像系统及方法
相关申请
本申请要求2009年3月6日提交的美国临时申请第61/158,310号的权益。
技术领域
本文公开的技术涉及管理随着扫描头扫掠不与第一轴平行的弯曲路径沿着第一轴的变化像素重叠。尤其，我们展示了随着转子臂扫掠不与第一轴平行的弯曲路径沿着第一轴使用变频像素时钟产生等间隔像素。该像素时钟具有随着扫描头相对于第一轴的位置近似正弦变化的变化频率。
背景技术
本设计团队最近在专利申请中已经描述了吞吐量很高的转子臂扫描系统。该转子臂扫描器可以用于，例如，直接写到大面积掩模或PCB基板中。
取代作往复运动的梭件(shuttlecock)或固定头和活动床，将转子臂用于扫描是偏离标准平版印刷和成像装备的关键。转子的使用提出了极具挑战性的数据路径问题，因为数据是在需要变换或映射以便用在极向扫描系统中的笛卡尔网格中给出的，在该极向扫描系统中实际扫描路径也牵涉到工件随着扫描臂旋转的线性运动。
于是，需要开发数据路径的许多新部件。现有平版印刷技术未呈现的许多新问题需要识别和解决。对许多组成工程挑战的解决有可能对像素吞吐量和区域覆盖吞吐量是现有往复系统许多倍的整个系统产生影响。
发明内容
本文公开的技术涉及管理随着扫描头扫掠不与第一轴平行的弯曲路径沿着第一轴的变化像素重叠。尤其，我们展示了随着转子臂扫掠不与第一轴平行的弯曲路径沿着第一轴使用变频像素时钟产生等间隔像素。该像素时钟具有随着扫描头相对于第一轴的位置近似正弦变化的变化频率。本发明的具体方面描述在权利要求书、说明书和附图中。
附图说明
图1描绘了带有三条臂以及正在枢轴148的相对侧写一对工件111、112的扫描系统；
图2进一步描述了带有变形光学部件的所谓一维SLM（空间光调制器）的使用；
图3描绘了像素随时间或扫描头扫掠弧线的变化重叠；
图4描绘了可以实现成低频DDS（直接数字合成器）的变化时钟；以及
图5描绘了依次装载像素和调谐SLM来补偿系统延迟。
具体实施方式
如下详细描述是参考附图给出的。对优选实施例加以描述是为了例示本发明，而不是限制其由权利要求书限定的范围。本领域的普通技术人员可以根据如下的描述认识到多种多样的等效变种。
可变速率像素时钟
旋转打印机横跨笛卡尔（Cartesian）图形的x和y轴具有一般通过r sinθ或r cosθ描述的变化速率。将来自笛卡尔坐标系的栅格化数据变换或映射成随着扫掠弧线驱动调制器的信号可以使用可变速率像素时钟来简化，可变速率像素时钟沿着一般与转子的扫掠一致的笛卡尔轴，将打印头的扫掠划分成等宽分段。如果将90°的扫掠用于打印，则如图3所示，相继像素时钟之间的相对时长在恒定时间参考帧中在大约0.7个单位到1.0个单位之间变化。变化像素时钟可以用于重新装载调制器。如有需要，可以将数据准备与可变时钟分开，或准备、缓冲和装载到系统的可变时钟部分中。以与规则笛卡尔栅格化下的像素相对应的间隔驱动调制器比根据以通过三角函数描述的速率通过笛卡尔坐标系变化过渡的恒速时钟驱动调制器更简单。
像数字合成帧（和多路复用）时钟那样，可以在数据量方面没有成本地使用可变速率像素时钟。
使用可变像素时钟生成用于再现、重新取样、偏置等的恒定网格、和用于写入的恒定网格。图4例示了可以实现成低频DDS的变化时钟。它在扫掠开始时开始，在一个时钟滴答声结束时，累计整数直到溢出。该整数从存储器装入，并描述变化频率。时钟相位是积分的结果，即使频率突然变化，也是平滑函数。可以将位置误差加入从存储器中读取的频率中。如果在10,000个时钟周期期间将一个数字，比如说，54加入DDS时钟中，则在300微米行程上图像平滑伸展540,000个单元（假设是100MHz DDS时钟）。
图4是存在到MUX（多路复用器）的输入以及校正延迟的像素时钟发生器的高级示意图。借助于高时钟速率加法器，可以将两个输入411、431多路复用413，并且通过可替代累加器415的操作来管理。对于这种以像100或200MHz那样的适当高速运行的像素时钟发生器，累加器415的溢出将用作像素时钟信号。当然，可替代可变时钟设计要考虑到变化复杂性和抖动。在本应用中，时钟抖动不是很关键，因此，预期像所描绘的简单设计就能达到满意效果。
如果无需在扫描方向内插/重新取样，则转子系统的系统复杂性可以降低。然后，只沿着SLM使用内插/重新取样，以便使再现数据与像素相配。变化时钟可以生成与要打印的栅格化数据一致的恒宽像素。这样就避免了沿着扫描方向的内插/重新取样。
在一维中，重新取样与内插之间几乎没有什么差别。重新取样可以看作是内插的一种特殊形式（“线性”、“三次方”等）。一维重新取样可以用简单、显性的公式表达。它将受到二维模式干扰，但对于恒定像素大小，结果将受到限制。
装载SLM时的延迟
通过数据MUX将数据依次装入SLM像素中会给出交错线。如果像素不太大，则可以以非依次顺序（半随机）装载像素，这使每组三个像素的平均时间几乎相同。各个像素分辨不出来，并且大延迟补偿旁边像素的小延迟。考虑到光学系统的模糊性，半随机装载次序可以通过穷举搜索来执行。也许，通过伪随机装载排序，可以将1到8单位（+/-4）延迟变化缩小到+/-1.5。
可替代的是，可以通过如下消除变化延迟：如图5所示，依次装载像素并调谐SLM来补偿系统延迟。每个DAC在x方向将位移一个单位，角度是反正切（1/mux_factor）。角度如此之大（通常0.0625或0.125弧度），使得对于角度的正弦，也需要调整放大率。
在y方向存在类似方位角，即，来自有限转速和平台的连续运动。基板上的写入路径与透镜的路径相差一个方位角，但该方位角随角度而变。由于一旦实现了y方向的内插/重新取样，就仅仅是向y轴的右边发送数据的薄记（book-keeping）的事情了，所以不应该存在实质性问题。如果稍微往工件中心的旁边放置转轴，则可以缩小校正的电范围和不对称。
常见转子光学部件
本文公开的技术尤其可用在其中的环境包括带有中继光学部件的旋转臂打印或观察设备，枢轴在臂的一端上，而光学部件在臂的另一端上，该光学部件将图像信息与工件的表面耦合。枢轴上的光耦合可以在转轴上或偏离转轴。如下段落提供可用于理解可变剂量或剂量补偿函数的作用的有关本发明转子系统的背景。
转子臂系统可以写（或读）工件。它使用静态光学图像设备调制（或收集）转发的图像信息。它在静态光学图像设备与工件的表面之间沿着至少一条旋转臂的光学部件转发图像信息。通过跨过工件的表面重复地扫掠弯曲条纹，可以通过拼接工件上的局部图像从重叠局部图像出发写入相邻图像。
在光学图像设备与工件的表面之间具有基本恒定的方位取向地转发图案信息，例如，局部图像。所谓的“基本恒定”，我们包括在容限内或在栅格化中得到校正的小旋转，当转发形式分开超过旋转光臂的5°扫掠时，在角度关系上产生不超过0.5°旋转变化。
转子可以具有几个臂，例如，2、3、4、6或8条臂，从而使单位时间的扫描表面区域倍增。笨重、复杂、易碎的机构零件，或昂贵的或需要许多连接和服务的零件可以静态地放置在转子的中心或枢轴附近，并被多条臂共享。通过旋臂在放置在转子的枢轴或其附近的静态图像设备与工件之间转发图像。
结合中继光学部件来描述转子系统是因为它可以用于读写工件。例如，它可用于直接写大面积掩模或PCB（印刷电路板）。或者，它可以用于检查大面积掩模。它与像平台那样的工件定位机构一起使用，这方面的细节在本发明的范围之外。
图1描绘了带有三条臂以及正在枢轴148的相对侧写一对工件111、112的转子扫描系统。这个系统可以具有100%的忙闲度。每个转子通过60°的弧线写入。每次只有一条臂140在写，交替地在两个工件111和112上。激光能量通过两个SLM147和149之间的极化控制器132被开关，并且数据流也在SLM之间被开关。由于激光器120和数据路径135在写机器中属于最昂贵模块，所以这个实施例被设计成100%时间地使用激光器和数据信道，而臂中的SLM和光学部件分别具有50%和33%的较低忙闲度。这可以是，例如，带有三条旋转臂140A-C的写系统的例子。对于这些臂和中继光学部件，可以有多种多样的可替代设计。该图概念性地描绘了激光器120和控制器135将数据发送给两个SLM130，两个SLM130将数据转发132、147、149给旋转臂。它示出了每条臂如何在每个SLM的前面移动，以及将一系列同心印记写在工件111、112上。虽然在该图中示出了两个工件，也取决于其尺寸，也可以将更多的工件放置在转子下面。虽然该例子被描述成写系统，但转发的方向可以同样容易地从工件回到其上面放置了激光器120的一对检测器，和回到其它地方。在可替代配置中，可以使用一个工件；可以使用四条臂。
这种技术的一些特别有用应用牵涉到在电子基板上画图案，譬如：晶片的正面和背面；PCB；堆积、插入和柔性互连基板；以及掩模、模具、模板和其他母板。同样，转子写入器可以用于在显示器中的面板、电子纸、塑料逻辑卡片和光伏电池板上画图案。图案制作可以通过曝光光致抗蚀剂来完成，但也可以通过像热或光化学过程那样的其它光行为来完成：熔融、蒸发、消融、热定影、激光诱发的图案转印、退火、热解和光诱发的蚀刻和沉积。
转子系统用极向扫描运动取代笛卡尔平板床式xy平台的惯常运动。潜在好处包括高吞吐量、低成本和机械简单性。扫描动作通过旋转运动来完成，旋转运动在机械上比直线运动更容易达到高精度。转子外围的点的位置精度由轴承的质量和角度编码器的精度决定。这两种组件都可以高质量地采购到。在扫描期间以及在扫描行程之间旋转降低了振动和瞬时力。平衡良好的转子基本上不发出振动或将反作用力施加在支承结构上，而往复直线运动每个行程需要将它们的冲力反向两次，当这样做时，会产生很强干扰。转子可以具有较高的扫描速度以及较小的机械开销。有几条臂的转子几乎将整圈都用于写入。例如，有四条臂的转子可以扫过80°弧线。在一圈的360°当中，转子在4×80°=320°期间都在扫描。往复运动需要更大的机械开销。往复运动的开销随着扫描速度增大而变得更大。
转子系统可以具有很高数据速率和吞吐量，并且可以用于这些特性用得着的任何类型图案制作：照相排版、印刷、雕刻、书写安全标志等。即使在高转速，例如，60、120、300、600r.p.m.或更高转速上，转子也作平稳运动，并且具有小的机械开销。作为转子的外围速度的扫描速度可以比类似的往复运动系统高，例如，2、4、8、20m/s或更高。
实际上，一种实现含有直径为一米，每秒自转3.3圈，以及向心加速度为20g的转子。加速力将恒力施加在旋转组件上，使得重达50克的透镜感到10N的向外恒力。借助于四条臂和转速，系统以10m/s的外围速度—在往复运动平台上不可能达到的机械速度每秒写入13笔。而且，借助于轴承的适当平衡和设计，使运动是平稳的，具有高机械精度，以及需要一点电力就能维持。如果图像发生器是用于在工件上创建1D局部图像的具有2MHz恒定帧速率的微机械1D SLM，那么沿着扫描方向每隔5微米就要发生一次SLM的重新装载，以及像素大小可以是5×5微米，使小于15微米的线宽可以被写入。借助于有效地具有8000×1个像素的微机械1D SLM，每个行程将用图案填充40mm宽的条纹，并且对于非直线扫描，有一些减小地每秒覆盖0.3平方米或每分钟覆盖20平方米。与其它写入技术相比，这是很高的覆盖速率。
图2进一步描述了带有变形光学部件的所谓一维SLM的使用。光源205（弧光灯、气体放电、激光器、激光器阵列、激光等离子体、LED（发光二极管）、LED阵列等）照射一维SLM204。将反射（或在通常情况下发射）的辐射光作为线段203投影在工件201上。驱动SLM的数据随着工件被扫描207发生变化以建立起曝光图像。高度变形光学系统206将来自一列（或行）中的多个镜面的能量集中在图像中的一点上，并且整个二维照射阵列形成跨过工件扫掠的窄线段203。在一个维中，变形光学部件将照射区域缩小到，例如，原来的1/2到1/5，以便60毫米宽的SLM将成像成长30到12mm的线段。沿着短维度，变形光学部件高度缩小镜面的列，以便聚焦成像3微米宽，即，基本上是单条可分辨线那样的窄区域。可替代的是，该区域可以1或5微米宽或不到10微米宽。聚焦成3微米宽区域可能牵涉到缩小到原来的1/80，近似从240微米到3微米。变形光路将镜面的行缩小到在图像平面上各个镜面组合在一起分辨不出来的程度。如在相关申请中所述，可以将SLM放置在沿着SLM的一个维度锐聚焦而沿着另一个维度散焦的平面上。这可以降低透镜系统的临界状态。
转子使许多图像处理仪器都能够用在大平面基板上，和用于例如在太阳能电池板、显示基板、金属薄板、建筑玻璃、卷到卷塑料、纸张等上高速扫描。通过旋转臂，可以在外围上捕获图像，将它们传送到摄像机或光学分析仪器，例如，反射仪、分光光度仪、散射仪、多光谱摄像机、偏振仪、荧光或光致发光仪器可能所在的枢轴。可以将复杂、笨重或易碎的仪器固定地安装在枢轴上，并且仍然可以访问，比如说，在转子下面的传送机构上通过的两米宽薄膜光伏面板的表面上的任何点，从而无需移走薄板来分析或停止卷到卷流动地能够在大型工件上以密集网格进行整区检查或分析。转子可以只含有平面光学部件，或可以在臂中含有反射中继器，以便从远IR（红外）到深UV（紫外）都允许消色差使用。照射光，例如，用于荧光研究的UV可以从枢轴引入，或可以在转子内生成。
如上所述，本文公开的技术使许多仪器都能够用在大平面基板上，和用于例如在太阳能电池板、显示基板、金属薄板、建筑玻璃、卷到卷塑料、纸张等上高速扫描。通过旋转臂，可以在外围上捕获图像，将它们传送到摄像机或检测器（例如，光导摄像管、CCD（电荷耦合器件）、CID（电荷注入器件）、CMOS（互补金属氧化物半导体）器件、和/或TDI（甲苯二异氰酸酯）、强化、门控、雪崩、单光子、光子计数、干涉、色度、外差、光电导或辐射热探测器或阵列）所处，或光学分析仪器（例如，反射仪、分光光度仪、比色计、散射仪、多光谱摄像机、偏振仪、或荧光、光致发光或光声仪器）可能所在的枢轴。
其它可能用途是用于热（红外发射）、颜色、平整度、光洁度、膜厚、化学成分、清洁度的光学测量，或用于图案完整性或保真性的核实。在需要表面图像或所发现缺陷或特征的确切地点的情况下，本方法特别有用。可以将复杂、笨重或易碎的仪器固定地安装在枢轴上，并且仍然可以访问，比如说，在转子下面的传送机构上通过的两米宽薄膜光伏面板的表面上的任何点，从而无需移走薄板来分析或停止卷到卷流动地能够在大型工件上以密集网格进行整区检查或分析。转子可以只含有平面光学部件，或可以在臂中含有反射中继器，以便从远IR到深UV都允许消色差使用。照射光（例如，用于反射光显微术的可见入射光）可以从枢轴引入，或可以在转子内生成。通过组合在一条光臂中或通过应用不同光臂，可以将几种仪器和/写入模式组合在一个转子中。至少一种仪器或光学图像设备可以通过臂发射激发束，并且接收从工件返回的图像，例如，用于荧光研究的UV。旋转可以以恒定或变化角速度继续下去，或可替代地，通过停停走走的方式驱动，尤其对于工件的随机访问分析。成像光学部件的聚焦可以是固定的，不时地变化或在扫描期间动态的，并且基于来自基于干涉测量、背反射、与光纤末端的接近度、光学三角测量、光学散焦或视差；流体流动、压力或粘性阻力；以及超声波飞行时间或相位、电容、电感或指示距离或位置的其它合适现象的焦点传感器的反馈。
一些特定实施例
本发明可以作为方法或适用于实施方法的设备来实施。本发明可以是像内含执行计算机辅助方法的逻辑的媒体或可以与硬件结合形成计算机辅助设备的程序指令那样的制品。
一个实施例是管理随着扫描头扫掠不与第一轴平行的弯曲路径沿着第一轴的变化像素重叠的方法。像素时钟以随着扫描头相对于第一轴的位置近似正弦变化的变化频率运行，从而使扫描头沿着第一轴扫掠的距离在像素时钟的滴答声之间基本相等。
在可替代实施例中，在像素时钟的周期内通过扫描头确定要写入的一个或多个像素。另外，也可以将在像素时钟的周期内扫描头读取的一个或多个像素值保存到存储器中。
可应用于上面任何实施例的本发明的一个方面是使扫描头在转子臂上跨越工件地作圆周运动。
本发明的另一个方面是使工件201随着扫描头扫掠弯曲路径沿着运动轴移动。
在另一个实施例中，由直接数字合成器生成像素时钟。该直接数字合成器根据累加器415的溢出发出像素时钟滴答声的信号。可替代的是，该直接数字合成器将变化增量加入累加器415中，并在固定阈值上触发溢出。
在另一个实施例中，取代加入变化增量，该直接数字合成器将恒定增量加入累加器415中，并根据至少一些溢出调整溢出阈值。这个实施例当然可以与这些方法的其它方面结合。
一个设备实施例是尤其可用于旋转扫描系统的变频像素时钟。该变频像素时钟管理随着扫描头扫掠不与第一轴平行的弯曲路径沿着第一轴的像素间距。该变频像素时钟包括像素时钟、与该像素时钟耦合的时钟信号线、和与该像素时钟耦合的转子位置信号线。该像素时钟响应该转子位置转子信号线地达到同步，并且生成随着转子相对于第一轴的位置近似正弦变化的变频时钟信号，从而使转子沿着第一轴扫掠的距离在时钟信号之间基本相等。
该像素时钟的一个方面是进一步包括响应每个时钟信号输出多个像素值的栅格值装载器。一个可替代方面包括响应每个时钟信号存储多个像素值的栅格值存储器。
在一些实现中，转子使扫描头在转子臂上跨越工件地作圆周运动。
与上面的任何方面和实现结合，该像素时钟可以是工件随着扫描头扫掠弯曲路径沿着运动轴移动的系统的一部分。
上面的任何像素时钟都可以包括直接数字合成器。该直接数字合成器可以包括累加器，和根据累加器的溢出生成时钟信号。在一些实施例中，该直接数字合成器将变化增量加入累加器中，在固定阈值上触发溢出。在可替代实施例中，该直接数字合成器将恒定增量加入累加器中，并根据至少一些溢出调整溢出阈值。
虽然通过引用上面详述的优选实施例和例子公开了本文公开的技术，但不言而喻，这些例子的目的在于例示，而不是限制。在所述实施例、实现和特征中暗示了计算机辅助处理。于是，本文公开的技术可以体现在使用跨越工件扫掠弧线的至少一条光臂读写工件201的方法、包括使用跨越工件扫掠弧线的至少一条光臂进行工件读写的逻辑和资源的系统、将计算机辅助控制用于使用跨越工件扫掠弧线的至少一条光臂读写工件的系统、内含使用跨越工件扫掠弧线的至少一条光臂进行工件读写的逻辑的媒体、内含使用跨越工件扫掠弧线的至少一条光臂进行工件读写的逻辑的数据流、或使用跨越工件扫掠弧线的至少一条光臂进行计算机辅助工件读写的计算机可访问服务中。可以设想，本领域的普通技术人员可以容易地作出各种修改和组合，这些修改和组合都在本文所公开技术的精神和所附权利要求书的范围之内。

Claims (16)

1.一种管理随着扫描头扫掠不与第一轴平行的弯曲路径沿着第一轴的变化像素重叠的方法，所述方法的进一步特征在于：
使扫描头在转子臂上跨越工件地作圆周运动；以及
使像素时钟以随着扫描头相对于第一轴的位置近似正弦变化的变化频率运行，从而使扫描头沿着第一轴扫掠的距离在像素时钟的滴答声之间基本相等。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括确定在像素时钟的周期内通过扫描头要写入的一个或多个像素。
3.如权利要求1所述的方法，进一步包括将在像素时钟的周期内扫描头读取的一个或多个像素值保存到存储器中。
4.如权利要求1-3的任何一项所述的方法，进一步包括使工件随着扫描头扫掠弯曲路径沿着运动轴移动。
5.如权利要求1-3的任何一项所述的方法，其中，由直接数字合成器生成像素时钟。
6.如权利要求5所述的方法，其中，该直接数字合成器根据累加器的溢出发出像素时钟滴答声的信号。
7.如权利要求6所述的方法，其中该直接数字合成器将变化增量加入累加器中，并在固定阈值上触发溢出。
8.如权利要求6所述的方法，其中，该直接数字合成器将恒定增量加入累加器中，并根据至少一些溢出调整溢出阈值。
9.一种包含扫描头和变频像素时钟的旋转扫描系统，该变频像素时钟管理随着扫描头扫掠不与第一轴平行的弯曲路径沿着第一轴的像素间距，该变频像素时钟包括：
像素时钟；
与该像素时钟耦合的时钟信号线；以及
与该像素时钟耦合的转子位置信号线；
该旋转扫描系统的进一步特征在于：
包含转子臂的转子，该转子被配置成使扫描头跨越工件地作圆周运动，其中，该像素时钟响应该转子位置信号线地达到同步，并且进一步生成随着转子相对于第一轴的位置近似正弦变化的变频时钟信号，从而使转子沿着第一轴扫掠的距离在时钟信号之间基本相等。
10.如权利要求9所述的旋转扫描系统，其中，该像素时钟进一步包括配置成响应每个时钟信号输出多个像素值的栅格值装载器。
11.如权利要求9所述的旋转扫描系统，其中，该像素时钟进一步包括配置成响应每个时钟信号存储多个像素值的栅格值存储器。
12.如权利要求9-11的任何一项所述的旋转扫描系统，其中，将工件配置成随着扫描头扫掠弯曲路径沿着运动轴移动。
13.如权利要求9所述的旋转扫描系统，其中，该像素时钟包括配置成生成时钟信号的直接数字合成器。
14.如权利要求13所述的旋转扫描系统，其中，该直接数字合成器包括累加器，和其中，该直接数字合成器被配置成根据累加器的溢出生成时钟信号。
15.如权利要求13-14的任何一项所述的旋转扫描系统，其中，该直接数字合成器被进一步配置成将变化增量加入累加器中，并在固定阈值上触发溢出。
16.如权利要求13-14的任何一项所述的旋转扫描系统，其中，该直接数字合成器被进一步配置成将恒定增量加入累加器中，并根据至少一些溢出调整溢出阈值。
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