CN102566325B - 光学加工系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学加工系统，包括加工平台、光学投影镜头、光学模板、中央控制系统、位置补偿系统和光源。其中，位置补偿系统包括位置检测系统、空间光调制器和位置信号处理模块。本发明的光学加工系统中，加工平台实现第一运动轴的步进运动和第二运动轴的扫描运动，光学模板或光学投影镜头实现第三运动轴的扫描运动，通过空间光调制器对第二运动轴方向上的曝光位置进行动态补偿，实现了第二运动轴和第三运动轴这两个扫描轴的精确高速同步，从而能够以“两轴扫描、一轴步进”的方式实现三维加工，其加工效率和加工精度大幅提升。

Description

光学加工系统和方法

技术领域

本发明涉及一种光学加工系统和加工方法，尤其是一种具有位置补偿功能的光学加工系统和加工方法。

背景技术

模版投影光学加工系统，是一种通过投影光路，将光学模版投射到加工表面的一定区域上进行曝光的系统。

光学模版是指具有特定光学图形或者特定光学结构的光学元器件。可以是透射式和反射式光学器件(如制作好图形的铬版掩膜)，衍射光学器件(如透射光栅、位相板等二元光学器件)，折射器件(如微透镜阵列、分光棱镜)，还可以是显示任意图形的空间光调制器，以及它们的组合搭配。

投影光路是对光学模版的光学图形结构的进行放大、缩微、或是分光干涉等光学处理的光学系统。

模版投影光学加工系统，结构简单可靠、制造成本低、生产效率高，在各种领域被广泛应用，包括半导体光刻、光学全息、三维显示、防伪包装材料、印刷制版、光固化成型、激光蚀刻、LED图形化衬底以及光子晶体结构制作等。近年来，随着微光学器件制作技术的发展，高频位相光栅和微透镜阵列等新型光学模版和投影光路的应用，使得模版投影光学加工系统，具有高图形分辨率、高光能利用率和长聚焦深度，具有优异的光学加工能力。

典型的模版投影光学加工系统的为X-Y二维加工系统，采用步进加工方式。其光学模版的轮廓为矩形，经过光学镜组微缩投影到加工表面的曝光区域也是矩形。工件相对投影光学头作X-Y两轴步进移动，通过对矩形曝光区域的二维拼接，最终实现大面积的加工。其典型代表是用于半导体光刻工艺的步进式掩膜投影曝光机(Step-and-Repeat Exposure System)。

在上述二维加工系统的构架基础上，增加第三维运动，即为模版投影三维光学加工系统。增加的第三维运动，可以是光学投影镜头相对加工表面的Z向升降，也可以是光学模版相对光学系统的平移或旋转等等。相对二维加工系统，三维加工系统的灵活性和图形复杂性大幅增强。

图1为典型的模版投影三维光学加工系统的原理图。其中光学模版101为一维光栅，其加工生成的图形102称为光变图像(Optical Variable Graph)，具有二维区块分布和区块内的光栅角度共三个维度的信息。光变图像是光学全息和立体显示的基础，广泛应用于全息防伪印刷包装等领域。

在具体的运动控制方式上，在随着光电和控制技术的发展，对于模版投影二维光学加工系统出现了更为先进的加工方式—飞行曝光方式。相对步进曝光方式，飞行曝光方式加工速度和位置精度大幅提升，图形均匀性也更好。同时，控制系统成本更高，技术难度更大。

飞行曝光方式下，光源进行超短脉冲曝光，平台步进轴(X轴)步进换行，平台扫描轴(Y轴)逐行扫描。扫描轴的运动到达预定曝光位置，即时触发曝光脉冲。在一行的加工过程中扫描轴连续运动无需停顿。

由于曝光脉宽一般在几十纳秒至几毫秒，在如此短的时间内，扫描轴的移动距离远小于系统的光学分辨率，因此不会形成‘拖影’。同时，飞行曝光没有机械定位过程，曝光位置完全由电控系统触发，因此加工精度极高。

采用飞行曝光方式必须具有以下两个要素：

1、大功率短脉冲光源。功率必须足够大，才能在极短的曝光时间内，进行足够能量的曝光。曝光时间必须足够短，才能避免‘拖影’。

2、位置信号处理模块。由扫描轴的位置精确触发曝光脉冲。

虽然飞行曝光加工方式有上述诸多优点，但是通常只适合应用于一维和二维加工系统，对于三维及以上加工系统可以实施但是成效不大，因为在三维系统中，一般最多只能有一个扫描轴，加工效率有限。具体原因分析如下。

飞行曝光方式的核心内容是扫描轴电控触发曝光。即选择某个运动轴作为扫描轴，扫描轴通常作逐行匀速扫描。每一行上有多个预定曝光点(具体位置取决于加工图形)，当电控系统检测到扫描轴到达这些预定曝光点位置时，触发一系列的脉冲电平，进而触发脉冲光源曝光。

显然，用扫描运动替代步进运动可以大幅提高加工效率和精度。因此，在一个多维加工系统中，步进轴的数目越少越好，扫描轴的数目越多越好。实际情况是，通常扫描轴只能有一个。原因是两个及以上的扫描轴很难实现运动轴位置的同步。举例分析如下：

以两轴X-Y为例，假如需要对四个点(0，3)、(1，5)、(2，4)和(3，6)的进行曝光，当X轴扫描经过0-1-2-3时，很难保证Y轴扫描也依次同步经过3-5-4-6。而且可以看到Y轴的扫描不是单向的，而是存在多次折返，显然这进一步加大了运动控制的难度。三个以上的扫描轴，显然更难同步。

根据上述分析，在二维加工系统中实施飞行曝光，通常择一个运动轴作扫描轴，另一运动轴作步进运动，形成所谓的逐行扫描加工方式。

在三维加工系统中实施飞行曝光，也只能选择一个运动轴作扫描轴，其余两轴用作步进。这种二轴步进一轴扫描的加工方式，相比三轴步进方式，在加工效率和精度都有较大的改进。但是其本身加工效率仍然很低，主要原因是以二轴步进的方式覆盖一定的加工面积，运行效率很低。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种光学加工系统和方法。利用该光学加工系统和方法，加工效率和精度高。

为了实现上述目的，本申请实施例提供的技术方案如下：

一种光学加工系统，包括加工平台、光学投影镜头、光学模板、中央控制系统和位置补偿系统，其中，所述加工平台实现第一运动轴的步进运动和第二运动轴的扫描运动，所述光学模板或光学投影镜头实现第三运动轴的扫描运动，所述位置补偿系统包括：

位置检测系统，用于检测光学投影镜头、待加工物或光学模板的位置；

空间光调制器，其用于产生一位置控制域，该位置控制域投影至光学模板并经光学投影镜头缩放后，在位于加工平台上的待加工物表面的预定曝光区曝光，所述空间光调制器具有位置补偿区，位于所述位置控制域的四周，且所述位置控制域能动的产生于该位置补偿区中；

位置信号处理模块，控制所述位置控制域在所述位置补偿区中进行偏移，当所述位置检测系统检测到预定曝光区与位置控制域在待加工物表面投影的区域之间产生一位置误差时，所述位置信号处理模块控制所述空间光调制器，并使得所述位置控制域在位置补偿区中产生相应的位置偏移，该位置偏移满足所述位置控制域在投影至光学模板并经光学投影镜头缩放后，达到预定曝光区。

优选的，在上述光学加工系统中，所述光学模板实现第三运动轴的扫描运动，所述光学加工系统在所述第三运动轴到达预定位置时实现曝光。

优选的，在上述光学加工系统中，所述第三运动轴进行转动扫描。

优选的，在上述光学加工系统中，所述光学投影镜头实现第三运动轴的扫描运动，所述光学加工系统在所述第三运动轴到达预定位置时实现曝光。

优选的，在上述光学加工系统中，所述空间光调制器为数字微镜元件、液晶显示器件或硅基液晶器件中的一种。

优选的，在上述光学加工系统中，所述位置检测系统包括光栅尺和光栅读数头，所述光栅尺包括第一运动轴光栅尺、第二运动轴光栅尺和第三运动轴光栅尺，所述光栅读数头读取光学投影镜头、待加工物或光学模板的位置信号，并向位置信号处理模块发送一位置信号。

本发明还提供了一种光学加工方法，使用上述的光学加工系统，包括步骤：

(1)、加工平台沿第二运动轴进行扫描，光学模板或光学投影镜头沿第三运动轴进行扫描运动；

(2)、预定曝光区在第二运动轴方向上到达预定位置，并逐渐偏离预定位置；

(3)、光学模板或光学投影镜头沿第三运动轴运动至预定位置；

(4)、位置检测系统检测预定曝光区与位置控制域在待加工物表面投影的区域在第二运动轴方向上的位置误差，并向位置信号处理模块提供一位置信号；

(5)、位置信号处理模块根据所述位置信号计算补偿该位置误差所需的位置偏移量，并控制空间光调制器上的位置控制域在补偿区进行偏移，使得该位置控制域经光学投影镜头缩放后，到达预定曝光区；

(6)、触发曝光脉冲，在预定曝光区曝光。

本发明还提供了一种光学加工方法，使用上述的光学加工系统，包括步骤：

(1)、加工平台沿第二运动轴进行扫描，光学模板或光学投影镜头沿第三运动轴进行扫描运动；

(2)、预定曝光区在第二运动轴方向上到达预定位置；

(3)、位置检测系统检测到预定曝光区在第二运动轴方向上到达预定位置，并向位置信号处理模块提供一位置信号，位置信号处理模块控制空间光调制器上的位置控制域在位置补偿区内进行偏移运动，该偏移运动与第二运动轴的扫描运动同步，可以使得位置控制域经光学投影镜头缩放后始终位于预定曝光区；

(4)、光学模板或光学投影镜头扫描至预定位置，触发曝光脉冲，在预定曝光区曝光。

优选的，在上述光学加工方法中，所述步骤(3)中，位置控制域在位置补偿区内的运动为等间距的步进运动。

优选的，在上述光学加工方法中，所述步骤(3)中，位置检测系统检测到预定曝光区在第二运动轴方向上到达预定位置时，位置信号处理模块开始输出触发脉冲给空间光调制器。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明的光学加工系统中，加工平台实现第一运动轴的步进运动和第二运动轴的扫描运动，光学模板或光学投影镜头实现第三运动轴的扫描运动，通过空间光调制器对第二运动轴方向上的曝光位置进行动态补偿，实现了第二运动轴和第三运动轴这两个扫描轴的精确高速同步，从而能够以“两轴扫描、一轴步进”的方式实现三维加工，其加工效率和加工精度大幅提升。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为现有技术中模板投影三维光学加工系统的原理示意图；

图2所示为本发明具体实施例中光学加工系统的结构示意图；

图3所示为本发明具体实施例中位置补偿系统的方框示意图；

图4A至4B所示为本发明具体实施例中图形偏移得到位置补偿的简易示意图；

图5所示为本发明具体实施例中第一种光学加工方法的流程图；

图6所示为本发明具体实施例中第二种光学加工方法的流程图；

图7所示为本发明具体实施例中利用第一种光学加工方法实现位置补偿的示意图；

图8所示为本发明具体实施例中利用第二种光学加工方法实现位置补偿的示意图。

具体实施方式

本发明的目的在于通过在光学系统中引入空间光调制器对其中一个扫描轴的曝光位置动态补偿，实现了两个扫描轴的精确高速同步，从而能够以“两轴扫描、一轴步进”的方式实现三维加工，以实现加工速度和加工精度大幅提升。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

在以下实施例中，光学投影镜头固定静止，光学模板实现在第三运动轴的扫描运动，但是在其他实施例中，也可以是光学投影镜头进行升降式的扫描运动，而光学模板静止。在其他实施方式中，第三运动轴的扫描运动也可以由加工平台的上下运动实现。

参图2所示，光学加工系统200包括加工平台201、光学投影镜头202、光学模板203、中央控制系统204、位置补偿系统205和光源206。参图3所示，位置补偿系统205包括位置检测系统2051、空间光调制器2052和位置信号处理模块2055。

加工平台201为X-Y两轴加工平台，可以实现X轴(第一运动轴)的步进运动和Y轴(第二运动轴)的扫描运动。

光学投影镜头202，可以对投影的光学图形结构进行放大、缩微、或是分光干涉等光学处理。

光学模板203，是具有特定光学图形或者特定光学结构的光学元器件。可以是透射式和反射式光学器件(如制作好图形的铬版掩膜)、衍射光学器件(如投射光栅、位相板等二元光学器件)或折射器件(如微透镜阵列、分光棱镜)。在本实施例中，光学模板203上设有特定的光学图形，以决定曝光区域内的图形结构。同时，光学模板203实现沿第三运动轴的扫描运动。优选的，光学模板203进行转动扫描。在其他实施方式中，光学模板203的扫描运动还可以是往复式的角度翻转或沿直线的平移运动。

光学模板203用以决定曝光区域内的图形结构，该图形结构为预先设计在光学模板203上。

易于想到，在本发明的光学加工系统中，多种多个光学模板可以更换交替使用。

中央控制系统204用以控制加工平台201沿X轴的步进运动、加工平台201沿Y轴的扫描运动以及光学模板203沿第三运动轴的扫描运动。

位置检测系统2051，用于检测光学投影镜头202、待加工物或光学模板203的位置。

在一种实际应用中，位置检测系统2051包括光栅尺和光栅读数头，光栅尺包括第一运动轴光栅尺、第二运动轴光栅尺和第三运动轴光栅尺，所述光栅读数头读取光学投影镜头、待加工物或光学模板的位置信号，并向位置信号处理模块2055发送一位置信号。具体地，第一运动轴光栅尺用以检测待加工物在第一运动轴上的位置坐标；第二运动轴光栅尺用以检测待加工物在第二运动轴方向上的位置坐标；第三运动轴光栅尺用以检测光学模板或光学投影镜头转动的角度或移动位置。

可选的，本发明所适用的位置检测系统2051的类型并不局限于光栅尺，也可以是脉冲编码盘、激光干涉仪、磁栅尺等其它类型。

参图4A-4B所示，空间光调制器2052，其用于产生一位置控制域2053，该位置控制域2053投影至光学模板203并经光学投影镜头202缩放后，在位于加工平台201上的待加工物207表面的预定曝光区2071曝光，所述空间光调制器2052具有位置补偿区2054，位于所述位置控制域2053的四周，且所述位置控制域2053能动的产生于该位置补偿区2054中。

通过改变空间光调制器2052上显示的位置控制域2053的形状和位置，可以控制投影到加工平台表面的曝光区域的形状和位置，例如曝光区域的轮廓大小和形状。在实际应用中，该位置控制域2053通常为矩形。

空间光调制器2052与光学模板203保持独立关系，也即空间光调制器2052对曝光区域内的图形结构没有影响，而光学模板203对曝光区域的形状和位置没有影响。空间光调制器2052与光学模板203在投影光路中的具体位置和先后顺序无须固定，只要满足上述独立条件即可。

空间光调制器2052可以优选自数字微镜元件、液晶显示器件或硅基液晶器件中的一种。

位置信号处理模块2055，控制所述位置控制域2053在所述位置补偿区2054中进行偏移，当位置检测系统2051检测到预定曝光区2071与位置控制域在待加工物表面投影的区域之间产生一位置误差时，位置信号处理模块2055控制空间光调制器2052，并使得位置控制域2053在位置补偿区2054中产生相应的位置偏移，偏移后的位置控制域为2053′(参图4B)，该位置偏移满足偏移后的位置控制域2053′在投影至光学模板203并经光学投影镜头202缩放后，达到预定曝光区2071。

位置信号处理模块2055优选集成于中央控制系统204中。

光源206，为脉冲光源，用以实现超短脉冲曝光。光源206的功率必须足够大，以在极短的曝光时间内，进行足够能量的曝光。曝光时间必须足够短，才能避免‘拖影’。本发明光学加工系统中，在光学模板203到达预定位置时触发曝光。

利用上述光学加工系统200实现位置补偿的方法有两种：(1)一步式补偿：即在第三运动轴到达预定位置时，计算第二运动轴的位置误差并通过位置控制域在补偿区的一次偏移实现；(2)“锁定”补偿或多步式补偿：即在第二运动轴到达预定位置时，通过控制空间光调制器上的位置控制域位置与第二运动轴同步偏移，使得在一段足够长的时间内，位置控制域经光学投影镜头缩放后始终锁定在预定曝光区上。从而可以等待，第三运动轴到达其预定位置时触发曝光脉冲。

参图5所示，第一种加工方法具体如下实现：

(1)、加工平台沿第二运动轴进行扫描，光学模板或光学投影镜头沿第三运动轴进行扫描运动；

(2)、预定曝光区在第二运动轴方向上到达预定位置，并逐渐偏离预定位置；

(3)、光学模板或光学投影镜头沿第三运动轴运动至预定位置；

(4)、位置检测系统检测预定曝光区与位置控制域在待加工物表面投影的区域在第二运动轴方向上的位置误差，并向位置信号处理模块提供一位置信号；

(5)、位置信号处理模块根据所述位置信号计算补偿该位置误差所需的位置偏移量，并控制空间光调制器上的位置控制域在补偿区进行偏移，使得该位置控制域经光学投影镜头缩放后，到达预定曝光区；

(6)、触发曝光脉冲，在预定曝光区曝光。

参图6所示，第二种加工方法具体如下实现：

(1)、加工平台沿第二运动轴进行扫描，光学模板或光学投影镜头沿第三运动轴进行扫描运动；

(2)、预定曝光区在第二运动轴方向上到达预定位置；

(3)、位置检测系统检测到预定曝光区在第二运动轴方向上到达预定位置，并向位置信号处理模块提供一位置信号，位置信号处理模块控制空间光调制器上的位置控制域在位置补偿区内进行偏移运动，该偏移运动与第二运动轴的扫描运动同步，可以使得位置控制域经光学投影镜头缩放后始终位于预定曝光区；

(4)、光学模板或光学投影镜头扫描至预定位置，触发曝光脉冲，在预定曝光区曝光。

在上述第二种加工方法中，位置控制域2053在位置补偿区2054内的运动为等间距的步进运动。

第一种加工方法中，空间光调制器2052所需的刷新频率较低，但是其控制逻辑较为复杂。空间光调制器2052的偏移步距不固定，而是需要根据位置误差计算获得。其响应时间因此较长，约为几毫秒。

第二种加工方法中，空间光调制器2052所需的刷新频率较高，但是其偏移步距固定，控制逻辑简单，响应时间较短，约为几百微秒。

两种加工方法中，空间光调制器调制器2052都有一个响应时间。由于对应一个给定的电控系统，该响应时间是一个固定值，因而易于补偿。故本发明的技术方案中不再赘述。

两种加工方法中，位置控制域2053的偏移步距的最小值均为一个像素。

为了进一步说明本发明的技术方案，下面结合附图对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

以下实施过程是针对上述第一种加工方法进行的示例性举例。

参图7所示，X轴为第一运动轴，做步进运动。Y轴为第二运动轴，做扫描运动，对应加工平台201的行扫描。θ轴为第三运动轴或模板轴，对应光学模版203的旋转。图中描述了加工过程中某连续3个点的曝光控制原理，此3个点的坐标(X，Y，θ)依次分别是(0，0，120°)、(0，4.8，60°)和(0，10.1，112.5°)。

在整个加工过程中，θ轴保持匀速旋转，处于连续高速扫描的状态。

首先，X轴步进运动到坐标X＝0。

然后，Y轴移动到本行(X＝0)的起点Y＝-1，开始行扫描。

参坐标轴A和B，当Y轴扫描经过预定位置Y＝0之后，随着Y轴的向前扫描，预定曝光区逐渐偏离预定位置Y＝0，由坐标轴B可见，Y轴位置偏差逐渐增大。

经过一段时间后，θ轴扫描经过预定位置θ＝120°。

此时，位置检测系统2051检测到θ轴到达预定位置，同时读取此时预定曝光区与实际投影区域在Y轴方向上的位置误差，并将此位置信号传递给位置信号处理模块2055。

参坐标轴C，位置信号处理模块2055根据位置信号计算补偿该位置误差所需的位置偏移量，并控制空间光调制器(SLM)2052上的位置控制域在补偿区进行偏移，使得该位置控制域经光学投影镜头缩放后，到达预定曝光区，以补偿Y轴方向上的位置误差。

空间光调制器2052完成偏移后，位置信号处理模块2055输出触发脉冲到脉冲光源206，完成最终曝光。

由于空间光调制器2052的偏移的最小步距为一个像素，因此补偿后的Y轴置偏差小于一个像素，但是往往不为零，参坐标轴D。

本实施方案的具体软硬件参数配置，在此不予详述。

以下实施过程是针对上述第二种加工方法进行的示例性举例。

参图8所示，X轴为第一运动轴，做步进运动。Y轴为第二运动轴，做扫描运动，对应加工平台201的行扫描。θ轴为第三运动轴或模板轴，对应光学模版的旋转。图中描述了加工过程中某连续3个点的曝光控制原理，此3个点的坐标(X，Y，θ)依次分别是(0，0，120°)、(0，4.8，60°)和(0，10.1，112.5°)。

在整个加工过程中，θ轴保持匀速旋转，处于连续高速扫描的状态。

首先，X轴步进运动到坐标X＝0。

然后，Y轴移动到本行(X＝0)的起点Y＝-1，开始行扫描。

当Y轴扫描经过预定曝光位置Y＝0之后，每隔一定的间距，位置信号处理模块2055输出触发脉冲给空间光调制器2052。坐标轴A中，脉冲触发间距为0.5。

随着Y轴的向前扫描，预定曝光区在第二运动轴方向上到达预定位置并逐渐偏离预定位置Y＝0，由坐标轴B可见，Y轴位置误差逐渐增大。

接收到位置信号处理模块2055的触发脉冲后，空间光调制器2052步进式地偏移其上的位置控制域2053(参图4A和坐标轴C)，使得位置控制域经光学投影镜头缩放后始终跟随预定曝光区进行偏移，从而持续地补偿Y轴的位置偏差。空间光调制器2052的偏移单步距离等于0.5，与Y轴的脉冲触发间隔一致。

参坐标轴D，经过空间光调制器2052位置补偿后，Y轴的最终定位偏差一直保持在0.5以下。

此时，由于Y轴的最终定位偏差一直保持在很小值(近似为零)，可以视为Y轴处于“静止”状态。

参坐标轴E，Y轴保持“静止”一段时间之后，θ轴扫描经过预定位置θ＝120°，位置信号处理模块2055输出触发脉冲到脉冲光源206，完成最终曝光。

由上述实施例可知：两轴(Y轴和θ轴)飞行曝光同步，对于每个加工点，加工平台的Y轴扫过预定位置后，空间光调制器控制投影光斑跟随Y轴持续偏移，使得在一段足够长的时间内，Y轴保持‘锁定’，从而可以等待θ轴扫描经过该点的预定角度。

在曝光全程中，θ轴始终进行匀速旋转，可以视作θ轴对坐标范围0°～360°作周期性扫描。θ轴旋转频率越高，扫描周期越短，所需Y轴保持锁定的时间越短，空间光调制器所需的偏移行程越小。

基于上述实施例，本发明的具体参数可配置如下：

1、基本硬件参数

为了分析和阐述的方便，假设最终生成的曝光图形中，曝光点沿着Y方向紧密排列。

空间光调制器的单个像素尺寸为13.68um*13.68um。

空间光调制器的全部像素尺寸为1024*768，其中1024对应平台X轴方向，768对应平台Y轴方向。

投影光学系统的微缩倍数为20倍。

2、典型加工要求

Y轴的扫描曝光频率为F＝100Hz，其曝光周期即为10ms。

Y轴允许的最大定位偏差2um。

3、具体参数配置

a)空间光调制器的位置控制域的像素尺寸为256*256，

因此每个曝光点的大小为175.104um*175.104um，

其中175.104um＝13.68um*256/20。

从而确定了以下参数：

最终光学加工的图形分辨率为175.104um。

Y轴的扫描速度v＝175.104um*100Hz＝17510.4um/s。

b)位置补偿区在Y方向可用的偏移距离为128像素。

Y方向可用的最大偏移行程768-256＝512像素。

c)光栅轴θ的旋转频率和具体实现

空间光调制器的偏移行程为128像素，是空间光调制器曝光区域256像素的一半，可获得的Y轴锁定时间为曝光周期的一半。

与此相对应，光栅θ轴旋转的的最低频率为曝光频率的两倍，即为200Hz。

在曝光频率一定的情况下，空间光调制器偏移行程相对空间光调制器曝光区域越大，Y轴保持锁定的时间越长，所需的θ轴旋转频率越低。显然θ轴的转速越高，越有利于θ轴和Y轴同步配合的稳定和可靠。因此稍微增大θ轴的旋转频率，取为250Hz。

θ轴高转速的具体机械结构如下：

由转速为3000转/分的交流伺服电机驱动，通过5倍机械增速比带动光栅旋转，

光栅轴θ的转速n＝15000转/分＝250转/秒。光栅轴的定位结构采用滚珠轴承即可。

显然通过其它的驱动和定位方式，例如空气轴承和磁悬浮轴承，很容易获得更高的转速。

d)空间光调制器的刷新频率

根据Y轴允许的最大定位偏差2um，空间光调制器的偏移步距小于2um/(13.68um/20倍)＝2.92个像素，取为2个像素。

空间光调制器的刷新频率为(256/2)*F＝12800Hz。目前国际上商用空间光调制器最高刷新频率可达30000Hz。

Y轴的定位偏差要求越小，空间光调制器偏移步距相应地越小，导致空间光调制器的刷新频率越高。

综上所述，本发明的光学加工系统中，加工平台实现第一运动轴的步进运动和第二运动轴的扫描运动，光学模板或光学投影镜头实现第三运动轴的扫描运动，通过空间光调制器对第二运动轴方向上的曝光位置进行动态补偿，实现了第二运动轴和第三运动轴这两个扫描轴的精确高速同步，从而能够以“两轴扫描、一轴步进”的方式实现三维加工，其加工效率和加工精度大幅提升。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种光学加工系统，其特征在于：包括加工平台、光学投影镜头、光学模板、中央控制系统和位置补偿系统，其中，所述加工平台实现第一运动轴的步进运动和第二运动轴的扫描运动，所述光学模板实现第三运动轴的扫描运动，所述光学加工系统在所述第三运动轴到达预定位置时实现曝光，所述第三运动轴进行转动扫描,所述位置补偿系统包括：

位置检测系统，用于检测光学投影镜头、待加工物或光学模板的位置；

空间光调制器，其用于产生一位置控制域，该位置控制域投影至光学模板并经光学投影镜头缩放后，在位于加工平台上的待加工物表面的预定曝光区曝光，所述空间光调制器具有位置补偿区，位于所述位置控制域的四周，且所述位置控制域能动的产生于该位置补偿区中；

位置信号处理模块，控制所述位置控制域在所述位置补偿区中进行偏移，当所述位置检测系统检测到预定曝光区与位置控制域在待加工物表面投影的区域之间产生一位置误差时，所述位置信号处理模块控制所述空间光调制器，并使得所述位置控制域在位置补偿区中产生相应的位置偏移，该位置偏移满足所述位置控制域在投影至光学模板并经光学投影镜头缩放后，达到预定曝光区。

2.根据权利要求1所述的光学加工系统，其特征在于：所述空间光调制器为数字微镜元件、液晶显示器件或硅基液晶器件中的一种。

3.根据权利要求1所述的光学加工系统，其特征在于：所述位置检测系统包括光栅尺和光栅读数头，所述光栅尺包括第一运动轴光栅尺、第二运动轴光栅尺和第三运动轴光栅尺，所述光栅读数头读取光学投影镜头、待加工物或光学模板的位置信号，并向位置信号处理模块发送一位置信号。

4.一种光学加工方法，使用权利要求1所述的光学加工系统，其特征在于，包括步骤：

(1)、加工平台沿第二运动轴进行扫描，光学模板沿第三运动轴进行扫描运动；

(2)、预定曝光区在第二运动轴方向上到达预定位置，并逐渐偏离预定位置；

(3)、光学模板沿第三运动轴运动至预定位置；

(4)、位置检测系统检测预定曝光区与位置控制域在待加工物表面投影的区域在第二运动轴方向上的位置误差，并向位置信号处理模块提供一位置信号；

(5)、位置信号处理模块根据所述位置信号计算补偿该位置误差所需的位置偏移量，并控制空间光调制器上的位置控制域在补偿区进行偏移，使得该位置控制域经光学投影镜头缩放后，到达预定曝光区；

(6)、触发曝光脉冲，在预定曝光区曝光。

5.一种光学加工方法，使用权利要求1所述的光学加工系统，其特征在于，包括步骤：

(1)、加工平台沿第二运动轴进行扫描，光学模板沿第三运动轴进行扫描运动；

(2)、预定曝光区在第二运动轴方向上到达预定位置；

(3)、位置检测系统检测到预定曝光区在第二运动轴方向上到达预定位置，并向位置信号处理模块提供一位置信号，位置信号处理模块控制空间光调制器上的位置控制域在位置补偿区内进行偏移运动，该偏移运动与第二运动轴的扫描运动同步，可以使得位置控制域经光学投影镜头缩放后始终位于预定曝光区；

(4)、光学模板扫描至预定位置，触发曝光脉冲，在预定曝光区曝光。

6.根据权利要求5所述的光学加工方法，其特征在于：所述步骤（3）中，位置控制域在位置补偿区内的运动为等间距的步进运动。

7.根据权利要求5所述的光学加工方法，其特征在于：所述步骤（3）中，位置检测系统检测到预定曝光区在第二运动轴方向上到达预定位置时，位置信号处理模块开始输出触发脉冲给空间光调制器。

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