CN104972232B - 将旋转台式激光直写装置的转轴与直写光轴对准的对准组件和方法 - Google Patents

Abstract

一种将旋转台式激光直写装置的转轴与直写光轴对准的组件，直写装置包括激光源；激光路径，依次设置有激光调制器、第一反射镜、第二反射镜和显微物镜，激光束被激光调制器调制后通过第一和第二反射镜反射而入射到显微物镜上；旋转台，旋转台的台面垂直于直写光轴。对准组件包括：平板件，一侧设置有金属薄膜，平板件固定于旋转台的台面上，且金属薄膜面向显微物镜；和数字成像系统，包括照明光源、可见光分光片、图像传感器、显示器，其中来自照明光源的可见光经由分光片反射后透射通过第二反射镜而通过显微物镜入射到金属薄膜上，由金属薄膜反射的可见光通过显微物镜、第二反射镜、可见光分光片而进入图像传感器，显示器显示来自图像传感器的图像。

Description

将旋转台式激光直写装置的转轴与直写光轴对准的对准组件 和方法

技术领域

本发明的实施例属于激光微纳加工领域，具体地，涉及将旋转台式激光直写装置的转轴与直写光轴对准的对准组件和方法。

技术背景

激光微纳直写技术是一种数字化的加工技术，具有加工精度高、可加工形貌复杂、加工材料广泛等优点。柱坐标系下的旋转台式激光直写技术，相对于扫描振镜加工及样品台压电或直线电机栅式扫描加工等直写技术，具有加工效率高、加工范围大、加工精度高等优点，尤其适用于中心对称的微纳结构加工，成为制作衍射微光学元件的重要技术手段。旋转台式激光直写要求激光光轴与旋转台转轴的对准。如果出现对准误差，在光学元件的加工过程中，将会对其微浮雕结构的扫描半径等参数引入误差，最终对光学元件的质量造成较大影响。

目前解决激光直写机转轴与直写光轴对准的技术主要有如下几种：旋转光栅尺，通过成像系统观察光栅条纹移动情况或通过CCD监测光栅反射的激光光斑明暗变化情况进行判断两轴是否对准，缺点是对准精度受光栅周期影响很难提高，操作较复杂；利用光电扫描显微镜对准两轴，即使误差可满足小于0.1μm，但操作复杂，成本很高；采用监测旋转的10度楔形片反射的激光对准两轴，缺点是检测精度受楔形片面型影响较大，制作高精度的写楔形反射基片非常困难。

上述方法对基于空气轴承的转轴都能够进行至少亚微米精度的对准，但在对准过程中存在较难对对准情况进行直观评估，操作复杂的问题；而普通基于机械轴承的转轴由于轴向及径向跳动较大，利用上述方法较难对对准情况进行判定，造成上述方法适用性有限。

发明内容

本发明的在于针对现有技术中的不足，提供一种结构简单、调节方便直观、适用性广泛，高精度的旋转台式激光直写机转轴与直写光轴的空间对准方法和对准组件。

根据本发明的实施例的一个方面，提出了一种将旋转台式激光直写装置的转轴与直写光轴对准的对准组件，所述旋转台式激光直写装置包括激光源；激光路径，依次设置有激光调制器、第一反射镜、第二反射镜和显微物镜，来自激光源的激光束被激光调制器调制后通过第一反射镜和第二反射镜反射而入射到显微物镜上；旋转台，旋转台的台面垂直于直写光轴，

其中所述对准组件包括：

平板件，所述平板件的一侧设置有金属薄膜，平板件固定于所述旋转台的台面上，且平板件的设置有金属薄膜的一侧面向所述显微物镜；和

数字成像系统，包括照明光源、可见光分光片、图像传感器、显示器，其中来自照明光源的可见光经由可见光分光片反射后透射通过第二反射镜而通过显微物镜入射到平板件的金属薄膜上，由金属薄膜反射的可见光通过显微物镜、第二反射镜、可见光分光片而进入图像传感器，显示器显示来自图像传感器的图像。

可选地，所述的金属薄膜厚度为纳米量级，对可见光有部分透过、部分反射的特性。可选地，薄膜厚度满足透过率约50％。

可选地，所述金属薄膜为镍膜。可选地，所述平板件为玻璃平板。

可选地，显微物镜为无限远式，其成像分辨率记为0.61λ/N.A.，其中λ为光源波长，N.A.为物镜数值孔径；且数字成像系统还包括在照明光的入射方向上位于图像传感器前方的透镜，图像传感器为CCD或CMOS器件，透镜焦距为显微物镜所配套显微镜系统的筒镜焦距，CCD或CMOS器件单个像素单元的尺寸至少小于显微物镜的成像分辨率与显微物镜放大倍数之积的一半，透镜距离图像传感器的距离为镜头的焦距。

根据本发明的实施例的另一方面，提出了一种利用上述的用于旋转台式激光直写装置的对准组件将旋转台式激光直写装置的转轴与直写光轴对准的方法，包括以下步骤：

(1)将激光焦点聚焦于金属薄膜表面；

(2)转动旋转台，使得激光焦点扫描金属薄膜，通过数字成像系统观察扫描轨迹；

(3)将激光焦点位置向扫描环形轨迹的圆心调节，使扫描环形轨迹的半径逐渐减小，直至最终焦点光斑落于圆环几何中心处或附近。

可选地，上述方法中，在上述步骤(1)之前，还包括步骤：

(4)调节入射激光与旋转台的台面垂直；

(5)通过肉眼观察将激光光束调节为正入射至旋转台转轴处；

(6)装配显微物镜，保证显微物镜光轴与激光光束共轴。

可选地，在使得激光焦点扫描金属薄膜的同时，调节激光功率使激光功率仅满足能够在金属薄膜上扫描出清晰的线条轨迹。

可选地，在使得激光焦点扫描金属薄膜时，选择激光直写所用的显微物镜或者数值孔径不低于激光直写所用显微物镜的数值孔径的显微物镜进行线条扫描。

可选地，通过行进方向与转轴垂直的两部正交平移台对转轴与光轴的空间位置进行对准。

可选地，激光焦点在薄膜表面扫描得到亚微米特征尺寸的扫描线条。

可选地，实现转轴与激光光轴对准的判据为：激光扫描轨迹所围成的区域面积最小。

可选地，所述方法还包括步骤：根据旋转台标称径向跳动，从转轴与激光光轴对准的位置将扫描半径径向移动到2倍-5倍于标称径向跳动值的位置开始扫描，通过观察激光扫描轨迹评估转轴真实的径向跳动值。

可选地，所述方法还包括步骤：根据旋转台标称轴向跳动，以激光准焦的位置作为运动的中心沿转轴轴向位移2倍-5倍于标称轴向跳动值的位置，位移过程中记录在不同位置时光斑的形貌，记录完成后重新回至准焦位置，旋转该旋转台以通过观察光斑形貌评估转轴真实的轴向跳动值。

附图说明

图1是根据本发明的一个示例性实施例的将旋转台式激光直写装置的转轴与直写光轴的对准组件的结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的底部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。

图1是根据本发明的一个示例性实施例的将旋转台式激光直写装置的转轴与直写光轴的对准组件的结构示意图，其中：1为激光器，2为线性渐变中性密度滤光片，3为光闸，4为扩束镜，5为第一介质反射镜，6为第二介质反射镜，7为物镜，8为镀有金属薄膜的玻璃平片，9为A轴旋转台，10为Y轴平移台，11为X轴平移台，12为50％/50％可见光分光片，13为照明光源，14为数字相机及15为计算机。

在示例性实施例中，激光器1为美国光谱物理公司Tsumami飞秒振荡器，中心波长780nm，重复频率80MHz，输出平均功率约1W。无论飞秒振荡器是否处于锁模状态，均能够在镍膜上扫描出线条轨迹，说明了这种方法不仅限于飞秒激光器。

在示例性实施例中，线性渐变中性密度滤光片2的最大OD值为2，用于调节用于加工的激光功率。

扩束镜4用于改善激光的发散角，使最终入射到物镜的激光为平行光束且光束直径稍大于物镜入瞳。

介质反射镜5与介质反射镜6为针对飞秒激光红外波长的反射镜，对可见光有透过效果，固定于二维倾斜光学调整架上。

在示例性实施例中，物镜7为数值孔径为0.9的100X物镜，固定于物镜固定架上。

在示例性实施例中，介质反射镜6的光学调整架与物镜7的固定架同时固定在精密升降台上，可对两者进行高度上的整体位移。

在示例性实施例中，镀有金属薄膜的玻璃平片8是通过磁控溅射的方法将金属镍沉积到经过清洗的玻璃光学窗口所得，玻璃光学窗口直径30mm，厚度3mm，表面平行度小于1分，溅射后的薄膜透过率约50％。玻璃平片也可以由其他材质的平片代替。需要指出的是，也可以使用其他的金属膜，例如金膜、银膜等。不过，发明人在实验中观察，发现金属镍膜相对于金属银、金等薄膜扫描所得的轨迹通过数字成像系统观察对比度更高、更清晰，实验中利用780nm的激光器通过数值孔径0.9的100X物镜在金属镍膜上制作了线宽约0.5微米的线条轨迹。所述的金属薄膜厚度为纳米量级，对可见光有部分透过、部分反射的特性，因而激光焦点在扫描薄膜可通过数字成像系统观察到扫描轨迹。在示例性实施例中，玻璃平片8未镀膜表面紧贴A轴旋转台9台面，利用台面上的螺丝孔位通过压片压紧玻璃平片实现固定。

在示例性实施例中，A轴旋转台9采用空气轴承，利用光电编码器实现角度闭环反馈。

在示例性实施例中，Y轴平移台10与X轴平移台11均采用气浮导轨，利用光栅尺实现位置闭环反馈。

在示例性实施例中，照明光源13为通过光纤耦合而出的卤钨灯光源。

在示例性实施例中，数字相机14由镜头及图像传感器等组成。镜头采用透镜，透镜焦距160mm；图像传感器为CMOS传感器，像素尺寸5.2μm×5.2μm。

基于以上，本发明的实施例提出了一种将旋转台式激光直写装置的转轴与直写光轴对准的对准组件，所述对准组件包括：

平板件，所述平板件的一侧设置有金属薄膜，平板件固定于旋转台的台面上，且平板件的设置有金属薄膜的一侧面向显微物镜；和

数字成像系统，包括照明光源、可见光分光片、图像传感器、显示器，其中来自照明光源的可见光经由可见光分光片反射后透射通过第二反射镜6而通过显微物镜7入射到平板件的金属薄膜上，由金属薄膜反射的可见光通过显微物镜、第二反射镜、可见光分光片而进入图像传感器，显示器显示来自图像传感器的图像。

下面具体描述将旋转台式激光直写装置的转轴与直写光轴对准的方法，包括如下步骤：

镀膜后的玻璃平片镀膜面向外，非镀膜面紧贴于转轴平台表面，玻璃窗口圆心置于转轴轴线附近，利用夹具将玻璃窗口压紧于平台表面并固定；

打开激光快门，调节固定在二维倾斜光学调整架上的介质反射镜倾角，使金属膜反射的激光光束与入射光束重合，保证激光光束与转轴轴线相平行；

通过肉眼观察，将激光光轴调节至旋转台转轴处；

将数值孔径为0.9的100倍显微物镜共轴装配于光路中；

调节样品的与物镜间的相对距离，使激光经过显微物镜聚焦于样品表面；

旋转转轴对样品进行试扫描，通过监视器观察扫描轨迹；

旋转线性渐变中性密度滤光片的角度对激光的功率进行衰减，优化功率后使激光能够在样品上扫描得到明显轨迹并且轨迹线条尺寸最小；

使用优化的激光功率对金属薄膜进行回转扫描，转轴轴线通过扫描圆环轨迹的圆心处，光轴通过激光焦点处，观察激光焦点位于扫描圆环上的位置，确定转轴与光轴的相对空间位置关系，具体地，调节固定物镜的升降台的位移以及Y轴平移台的位移，使激光焦点与扫描轨迹的圆心重合，即可完成旋转台式激光直写机的转轴与直写光轴对准。

对于轴向跳动及径向跳动可达到微米量级的基于机械轴承的旋转台，受旋转台径向跳动等指标的限制，旋转台在径向上的真实轴线距离其理想轴线即有微米量级的跳动，不能做到将激光焦点准确调节至扫描轨迹的正中心处。因此，可以采用人工判别的方式实现光轴与旋转台转轴的对准，实现对准的判据是激光扫描轨迹所围成的区域面积最小。

根据旋转台标称的径向跳动，在两轴对准的位置上向径向位移至少2倍(例如2倍-5倍，进一步地，如稍大于2倍)于标称径向跳动值的位置，通过观察激光扫描轨迹即可直观评估转轴真实的径向跳动值。根据旋转台标称的轴向跳动，以激光准焦的位置作为运动的中心沿转轴轴向位置位移至少2倍(例如2倍-5倍，进一步地，如稍大于2倍)于标称轴向跳动值的位置，位移过程中记录在不同位置时光斑的形貌，记录完成后将激光重新调节至准焦位置，以例如每秒10度的转速旋转该旋转台，即可通过观察光斑形貌即可直观评估转轴真实的轴向跳动值。

对于将转轴与光轴对准，其核心在于利用了另外的平板件，其上设置有金属薄膜，然后转动旋转台时用激光焦点扫描金属薄膜，同时观察扫描轨迹，以调节激光焦点基本上位于初始扫描金属薄膜所形成的圆环几何中心处或附近。

基于以上，本发明提出了一种利用上述用于旋转台式激光直写装置的对准组件将旋转台式激光直写装置的转轴与直写光轴对准的方法，包括以下步骤：

(1)将激光焦点聚焦于金属薄膜表面；

(2)转动旋转台，使得激光焦点扫描金属薄膜，通过数字成像系统观察扫描轨迹，同时调节激光功率，使扫描得到的线条线宽最小；

(3)将激光焦点位置向扫描环形轨迹的圆心调节，使扫描环形轨迹的半径逐渐减小，直至最终焦点光斑落于圆环几何中心处或附近。

进一步地，上述方法中，在上述步骤(1)之前，还包括步骤：

(4)调节入射激光与旋转台的台面垂直；

(5)通过肉眼观察将激光光束调节为正入射至旋转台转轴处；

(6)装配显微物镜，保证显微物镜光轴与激光光束共轴。

在示例性实施中，通过行进方向与转轴垂直的两部正交平移台对转轴与光轴的空间位置进行对准。

在示例性实施中，激光焦点在薄膜表面扫描得到亚微米特征尺寸的扫描线条。

旋转台式激光直写机转轴与直写光轴的空间对准精度由数字成像系统分辨率决定。为了提高对准精度，主要从两个方面改进：提高对准参照系的精细度，即使扫描线条更加精细；提高数字成像系统的分辨率。

提高对准参照系的精细度：使用高数值孔径的物镜进行线条扫描；利用线性渐变中性密度滤光片对激光功率进行衰减，使激光功率仅满足能够在金属薄膜扫描出清晰的线条轨迹，避免高功率扫描使线条尺寸变粗。

提高数字成像系统的分辨率：物镜为无限远式，其成像分辨率记为0.61λ/N.A.，λ为光源波长，N.A.为物镜数值孔径；入射物镜的激光应为平行光束；相机镜头采用透镜，透镜焦距为物镜所配套显微镜系统的筒镜焦距；相机图像传感器为CCD或CMOS器件，要求器件单个像素单元的尺寸不大于物镜成像分辨率与物镜放大倍数之积的一半；相机镜头距离相机图像传感器的距离为镜头的焦距。

基于空气轴承的转轴径向跳动较小，通常在扫描线条线宽的亚微米量级乃至更低，将激光焦点最终位移至扫描圆环的正中心即可实现对准；这种转轴的轴向跳动与径向跳动基本相当，很难观察到激光光斑形貌的变化。

而基于机械轴承的转轴径向跳动可达微米量级，差于本发明亚微米量级的对准精度，对准仅需将激光光斑位移至扫描圆环结构的几何中心附近即可；轴向跳动也可达微米量级，扫描过程中光斑形貌发生变化。

因此，对于机械轴承的转轴，选择激光直写所用的显微物镜或者数值孔径不低于激光直写所用显微物镜的数值孔径的显微物镜，将扫描半径移动至转轴轴向跳动值2倍-5倍(在进一步的实施例中，稍大于2倍)的位置开始扫描，即可通过观察扫描轨迹评估轴承径向跳动情况；以激光准焦的位置为参照，通过精密电控位移台改变激光焦点与金属膜表面间的相对距离，记录不同偏移位置激光光斑的形貌，然后位移回激光准焦处，旋转转轴通过激光聚焦光斑形貌变化评估轴承轴向跳动。

利用本发明的技术方案，与现有技术相比，可以获得如下的至少一个方面的技术优点：

1、对准操作直观简单，在对准过程中即能够对对准状态进行直观观察与简单评估。

2、具有最高可达数字成像系统光学分辨率的亚微米级高对准精度。

3、能够对普通基于机械轴承的转轴进行有效对准，并且在转轴转动过程中能够通过扫描轨迹评估轴承径向跳动，通过激光聚焦光斑形貌变化评估轴承轴向跳动。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (14)

1.一种将旋转台式激光直写装置的转轴与直写光轴对准的对准组件，所述旋转台式激光直写装置包括激光源；激光路径，依次设置有激光调制器、第一反射镜、第二反射镜和显微物镜，来自激光源的激光束被激光调制器调制后通过第一反射镜和第二反射镜反射而入射到显微物镜上；旋转台，旋转台的台面垂直于直写光轴，

其中所述对准组件包括：

平板件，所述平板件的一侧设置有金属薄膜，平板件固定于所述旋转台的台面上，且平板件的设置有金属薄膜的一侧面向所述显微物镜；和

数字成像系统，包括照明光源、可见光分光片、图像传感器、显示器，其中来自照明光源的可见光经由可见光分光片反射后透射通过第二反射镜而通过显微物镜入射到平板件的金属薄膜上，由金属薄膜反射的可见光通过显微物镜、第二反射镜、可见光分光片而进入图像传感器，显示器显示来自图像传感器的图像；

所述的金属薄膜厚度为纳米量级，对可见光有部分透过、部分反射的特性。

2.根据权利要求1所述的对准组件，其中：

薄膜厚度满足透过率50％。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的对准组件，其中：

所述金属薄膜为镍膜。

4.根据权利要求3所述的对准组件，其中：

所述平板件为玻璃平板。

5.根据权利要求1所述的对准组件，其中：

显微物镜为无限远式，其成像分辨率记为0.61λ/N.A.，其中λ为光源波长，N.A.为物镜数值孔径；且

数字成像系统还包括在照明光的入射方向上位于图像传感器前方的透镜，图像传感器为CCD或CMOS器件，透镜焦距为显微物镜所配套显微镜系统的筒镜焦距，CCD或CMOS器件单个像素单元的尺寸至少小于显微物镜的成像分辨率与显微物镜放大倍数之积的一半，透镜距离图像传感器的距离为镜头的焦距。

6.一种利用根据权利要求1-5中任一项所述的对准组件将旋转台式激光直写装置的转轴与直写光轴对准的方法，包括以下步骤：

(1)将激光焦点聚焦于金属薄膜表面；

(2)转动旋转台，使得激光焦点扫描金属薄膜，通过数字成像系统观察扫描轨迹；

(3)将激光焦点位置向扫描环形轨迹的圆心调节，使扫描环形轨迹的半径逐渐减小，直至最终焦点光斑落于圆环几何中心处或附近。

7.根据权利要求6所述的方法，其中在上述步骤(1)之前，还包括步骤：

(4)调节入射激光与旋转台的台面垂直；

(5)通过肉眼观察将激光光束调节为正入射至旋转台转轴处；

(6)装配显微物镜，保证显微物镜光轴与激光光束共轴。

8.根据权利要求6所述的方法，其中：

在使得激光焦点扫描金属薄膜的同时，调节激光功率使激光功率仅满足能够在金属薄膜上扫描出清晰的线条轨迹。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其中：

在使得激光焦点扫描金属薄膜时，选择激光直写所用的显微物镜或者数值孔径不低于激光直写所用显微物镜的数值孔径的显微物镜进行线条扫描。

10.根据权利要求6所述的方法，其中：

激光焦点在薄膜表面扫描得到亚微米特征尺寸的扫描线条。

11.根据权利要求6所述的方法，其中：

通过行进方向与转轴垂直的两部正交平移台对转轴与光轴的空间位置进行对准。

12.根据权利要求6所述的方法，其中：

实现转轴与激光光轴对准的判据为：激光扫描轨迹所围成的区域面积最小。

13.根据权利要求6所述的方法，还包括步骤：

根据旋转台径向跳动标称值，从转轴与激光光轴对准的位置将扫描半径径向移动到2倍-5倍于标称径向跳动标称值的位置开始扫描，通过观察激光扫描轨迹评估转轴真实的径向跳动值。

14.根据权利要求6所述的方法，还包括步骤：

根据旋转台标称轴向跳动标称值，以激光准焦的位置作为运动的中心沿转轴轴向位移2倍-5倍于标称轴向跳动标称值的位置，位移过程中记录在不同位置时光斑的形貌，记录完成后重新回至准焦位置，旋转该旋转台以通过观察光斑形貌评估转轴真实的轴向跳动值。