CN107598380A - 用于三维对象的激光图案化设备 - Google Patents

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Abstract

在此公开了一种用于三维对象的激光图案化设备，所述激光图案化设备包括：激光发生器；光束扩展器，被配置为调节由激光发生器产生的激光束的尺寸；动态聚焦模块，被配置为调节穿过光束扩展器的激光束的z轴聚焦位置；扫描头，被配置为调节穿过光束扩展器的激光束的x轴聚焦位置和y轴聚焦位置；形状识别器，被配置为识别三维对象的形状；控制器，被配置为提取三维对象的x轴数据、y轴数据和z轴数据，并且控制扫描头和动态聚焦模块，以利用激光束对三维对象进行图案化。

Description

用于三维对象的激光图案化设备
本申请要求于2016年7月11日提交到韩国知识产权局的第10-2016-0087381号韩国专利申请的优先权，该韩国专利申请的全部公开内容通过引用被包含于此。
技术领域
本发明的示例性实施例涉及一种用于三维对象的激光图案化(laserpatterning)设备。
背景技术
激光加工的意思是利用激光束对对象进行处理，并且近年来激光加工也已经被用于在对象的将被处理的表面上形成特定图案。用于激光加工的激光图案化设备是用于利用激光束在对象上形成预定图案的设备。
然而，常规的激光图案化设备不可对三维弯曲对象进行图案化。另外，难以使用常规的激光图案化设备，这是因为当对与生物移植体(诸如，人工晶状体(intraocularlens))有关的对象进行图案化时，常规的激光图案化设备可能无法确保高精度和控制误差。
【专利文献】
第10-1243998号韩国专利(2013年3月8日)。
发明内容
因此，本发明涉及一种用于三维对象的激光图案化设备，所述激光图案化设备能够通过微米图案或纳米图案来影响细胞的阵列、细胞的移动方向、细胞的粘附等。
另外，本发明用于提供一种用于三维对象的激光图案化设备，所述激光图案化设备能够利用脉冲激光束产生微米级至纳米级的图案。
另外，本发明用于提供一种用于三维对象的激光图案化设备，所述激光图案化设备能够利用动态聚焦模块对纳米级至微米级的线宽进行均匀地处理，其中，所述动态聚焦模块能够调节激光束的聚焦高度。
另外，本发明用于提供一种用于三维对象的激光图案化设备，所述激光图案化设备能够通过微米图案和纳米图案来调节细胞的移动和粘附，其中，所述微米图案影响细胞的阵列和细胞的移动方向，所述纳米图案影响细胞的粘附。
此外，本发明用于提供一种用于三维对象的激光图案化设备，所述激光图案化设备能够利用光学相干断层扫描装置(OCT)、激光干涉仪、共聚焦显微镜和双光子显微镜中的任何一种来获取三维对象的表面信息。
本发明的其它优点、目的和特征，将在下面的描述中被部分地阐述，并且对于本领域普通技术人员来说将通过检查以下内容部分地变得清楚，或者可通过本发明的实施被学习。
根据本发明的一方面，一种用于三维对象的激光图案化设备包括：激光发生器；光束扩展器，被配置为调节由激光发生器产生的激光束的尺寸；动态聚焦模块，被配置为调节穿过光束扩展器的激光束的z轴聚焦位置；扫描头，被配置为调节穿过光束扩展器的激光束的x轴聚焦位置和y轴聚焦位置；形状识别器，被配置为识别三维对象的形状；控制器，被配置为提取三维对象的x轴数据、y轴数据和z轴数据，并且控制扫描头和动态聚焦模块，以利用激光束对三维对象进行图案化。
激光发生器可利用脉冲激光束源产生纳秒激光束、皮秒激光束和飞秒激光束中的一种。
光束扩展器可通过调节激光束的尺寸而将激光束转换成准直光束。
动态聚焦模块可包括第一透镜和第二透镜，并且动态聚焦模块可通过调节第一透镜和第二透镜来调节穿过光束扩展器的激光束的汇聚和发散，从而调节激光束的z轴焦点。
扫描头可包括振镜，所述振镜包括x轴扫描镜和y轴扫描镜。
所述激光图案化设备还可包括被配置为将激光束汇聚在三维对象上的聚光器，其中，所述聚光器包括远心F-theta透镜或F-theta透镜。
控制器可提取三维对象的x轴表面形状数据、y轴表面形状数据和z轴表面形状数据，并且基于提取的数据控制动态聚焦模块调节激光束的z轴聚焦位置以及控制扫描头调节激光束的x轴聚焦位置和y轴聚焦位置，以按照微米级至纳米级的宽度和深度对三维对象的表面进行精细地图案化。
形状识别器可包括光学相干断层扫描装置(OCT)、激光干涉仪、共聚焦显微镜和双光子显微镜中的一种，以提取三维对象的包括x轴数据、y轴数据和z轴数据的表面形状信息。
三维对象是生物移植体，可利用纳秒激光束、皮秒激光束和飞秒激光束中的一种照射三维对象，以在三维对象上形成精细的图案。
所述激光图案化设备还可包括超精密工作台，在所述超精密工作台中，三维对象被控制为位于动态聚焦模块和扫描头的有效处理区域和有效焦距内。
应理解的是，本发明的前述一般性描述和以下的详细描述均为示例性和解释性的，并且旨在提供对所要求保护的本发明的进一步说明。
附图说明
通过下面结合附图的具体实施方式，本发明的上述和其它目的、特征以及其它优点将被更清楚地理解，其中：
图1是示出根据本发明的实施例的在用于三维对象的激光图案化设备中的激光束路径的示图；
图2是示出根据本发明的实施例的三维对象的激光图案化的光束路径的示图；
图3是示出根据本发明的实施例的激光图案化的光束范围的示图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。然而，本发明可以以不同的形式被实施，并且不应该被解释为限于在此所阐述的实施例。
在特定实施例中，可省略本领域所公知的装置结构或处理的详细描述，以避免本领域普通技术人员对本公开的理解模糊。另外，说明书中使用的术语为考虑到本发明的功能而定义的术语，并且这些术语可根据用户或操作者的意图或实践而变化。因此，这些术语应该基于在此公开的全部内容而被定义。
本公开仅由权利要求的类别定义。提供这些实施例使得本公开将是透彻和完整的，并且这些实施例将向本领域技术人员充分传达本公开的范围。
根据本发明的用于三维对象的激光图案化设备可被用于对生物移植体(例如，人工晶状体、牙种植体或矫形外科植入物)进行处理。同时，所述激光图案化设备可包括激光发生器和光束调节器，并且可在生物移植体中形成影响细胞的阵列和移动方向的一个或更多个微米图案和纳米图案。
图1是示出根据本发明的实施例的在用于三维对象的激光图案化设备中的激光束路径的示图。
参照图1，根据本发明的实施例的用于三维对象的激光图案化设备可包括激光发生器10、光束扩展器20、光束调节器30、聚光器50、形状识别器60以及控制器70，以对三维对象1进行精细地图案化。
激光发生器10可产生用于图案化的激光束。具体地，激光发生器10可使用脉冲激光源。因此，激光发生器10可产生纳秒激光束、皮秒激光束和飞秒激光束中的一种。其中，飞秒激光束可以是例如具有1至1000飞秒脉冲持续时间的微波激光束。具体地，激光发生器10可产生具有在该飞秒范围内的脉冲持续时间的脉冲激光束。这里，脉冲重复率可以在两位数至三位数的kHZ范围内或者在MHz范围内。激光图案化设备可使用具有从红外光到紫外光的范围内的全部波长的激光束。例如，激光束的波长可包括紫外光波长、绿光波长和红外光波长。
根据本发明的实施例的用于三维对象的激光图案化设备可在三位对象1中形成具有微米级到纳米级的宽度和深度的图案。激光图案化设备可通过根据设计的图案的尺寸改变和使用激光波长，来实现各种尺寸的图案。例如，在三维对象是生物移植体当中的人工晶状体的情况下，可通过在某一时刻利用激光束照射直径为10mm或更大(优选地，直径为12mm)的对象的整个表面，来产生几微米至纳米级的图案。也就是说，通过改变激光波长以具有短的紫外光波长并使用短的紫外光波长，根据本发明的实施例的用于三维对象的激光图案化设备可克服聚光器50的衍射极限并实现纳米级图案。
由激光发生器10产生的激光束可以是脉冲飞秒激光束，并且可穿过光束扩展器20和光束调节器30。
光束扩展器20可调节由激光发生器10产生的激光束的尺寸。具体地，光束扩展器20可放大或缩小激光束。另外，光束扩展器20可将激光束转换成具有较小分散和较小汇聚的准直光束。因此，由激光发生器10产生的激光束可被转换成准直光束，这是因为激光束在穿过光束扩展器20时通过放大或缩小而被调节尺寸。通过光束扩展器20处理的激光束的尺寸可以与在根据本发明的实施例的用于三维对象的激光图案化设备的最后阶段中入射到透镜上的激光束的尺寸相等。光束扩展器20可改变由激光发生器10产生的激光束的直径，并且输出被改变的激光束。可以以手动方式或自动方式调节光束扩展器20。
此外，激光图案化设备还可包括布置在其中的各种光学元件(诸如，偏振器、半波片、分束器、滤光器和快门)。
光束调节器30可调节发射到三维对象的激光束的聚焦高度和位置。光束调节器30可包括动态聚焦模块31和扫描头32。光束调节器30的动态聚焦模块31可调节激光束的聚焦高度，扫描头可沿着三维对象调节激光束的聚焦位置。
动态聚焦模块31可基于三维对象的三维数据来调节穿过聚光器50的激光束的聚焦位置。具体地，动态聚焦模块31可包括两个透镜。也就是说，动态聚焦模块31可包括第一透镜(未示出)和第二透镜(未示出)。可通过调节第一透镜和第二透镜之间的距离，来调节穿过动态聚焦模块31的激光束的发散和汇聚，从而调节穿过聚光器50的激光束的焦点。
换句话说，动态聚焦模块31可调节穿过光束扩展器20的激光束的聚焦高度(即，z轴聚焦位置)。动态聚焦模块31可调节穿过光束扩展器20的激光束的汇聚和发散，以调节激光束的z轴位置(即，激光束的聚焦高度)。
动态聚焦模块31可通过驱动水平往复运动的马达(未示出)来调节发射到扫描头32的激光束的长度。例如，当动态聚焦模块31通过马达的水平往复运动向左移动时，激光束的焦点远离三维对象1。因此，激光束可在图1中的z轴方向上向上移动，使得激光束的高度变短。相反，当动态聚焦模块31向右移动时，激光束靠近三维对象1。因此，激光束的焦点可在图1中的z轴方向上向下移动，使得激光束的高度变长。因此，可在z轴方向上控制入射到三维对象1上的激光束的聚焦位置。
动态聚焦模块31可允许三维对象1沿其三维表面的高度被图案化。例如，由于作为生物移植体中的一种的人工晶状体根据角膜的形状而弯曲，因此将利用激光束进行图案化的人工晶状体的高度(即，z轴位置)可根据x轴和y轴而变化。因此，可通过调节穿过动态聚焦模块31的激光束的z轴聚焦位置来执行均匀的图案化，以对应于针对各个x轴坐标和y轴坐标的不同的z轴位置。另外，可以以纳米级至微米级的线宽来执行图案化。动态聚焦模块31可移动动态聚焦模块3中的光学系统或者移动包括在光学系统中的每个透镜。因此，可提供三维对象的表面上的线宽的均匀性，并且可通过快速实时地控制激光束的高度来提高生产率。
由动态聚焦模块31来调节z轴聚焦位置的激光束的x轴聚焦位置和y轴聚焦位置可由扫描头32调节。
扫描头32可调节三维对象1的x轴聚焦位置和y轴聚焦位置。扫描头32可包括x轴扫描镜和y轴扫描镜，并且可执行二维扫描。x轴扫描镜和y轴扫描镜可允许激光束沿着三维对象1的弯曲表面在x轴和y轴方向上被精细地控制。
扫描头32的x轴扫描镜和y轴扫描镜可沿着图案化的方向反射激光束，以利用激光束照射三维对象1的期望的位置。x轴扫描镜和y轴扫描镜可以是一对振镜型扫描镜(galvanometer-type scan mirror)，所述一对扫描镜可沿着穿过x-y平面的一个轴的方向反射激光束。
因此，如上所述，光束调节器30可调节激光束的聚焦高度和聚焦位置。激光束可在穿过光束扩展器20时通过放大或缩小来被调节尺寸，以被转换为准直光束并且在受控制的方向上被折射。可调节穿过光束扩展器20的激光束的聚焦位置，使得以这样一种方式与三维对象1对应，在所述方式中，由动态聚焦模块31调节激光束的z轴聚焦位置，并且由扫描头32调节激光束的x轴坐标和y轴坐标。
聚光器50可设置在光束调节器30下方，以将穿过动态聚焦模块31和扫描头32的飞秒激光束汇聚在三维对象1上。
聚光器50可汇聚激光束。聚光器50可汇聚穿过光束调节器30的激光束，以利用激光束照射三维对象1。聚光器50可包括远心F-theta透镜或F-theta透镜。因此，可形成微米级图案或纳米级图案。
通过这些组件，可调节多个参数(诸如，激光束的照射位置和焦距以及输出激光束的脉冲波形、照射时间、发散特性和像散)中的至少一个。
形状识别器60可识别三维对象1的形状。如图1所示，形状识别器60可设置在与激光束的路径不同的空间内。形状识别器60还可设置在激光束在动态聚焦模块31和扫描头32之间进行传播的路径中。形状识别器60可通过光的干涉现象来识别三维对象1的三维弯曲表面，并且在图中指示该三维弯曲表面。可使用折射率通过干涉仪获得三维对象1的形状信息，并且可将获得的形状信息发送到控制器70。具体地，因为三维对象1具有透明的弯曲形状，所以难以识别三维对象1的高度和表面。因此，可通过使用折射率通过干涉仪获取三维对象1的三维表面信息并且通过将获取的信息与输入到控制器70的图进行匹配，来找到三维对象1的特定点(例如，弯曲顶点)。因此，可掌握将通过激光束照射被图案化的位置。可通过形状识别器60对各种表面结构灵活地执行图案化。
另外，形状识别器60可包括光学相干断层扫描装置(optical coherencetomography，OCT)以识别三维对象1的形状。例如，可以以三维方式对三维对象1的透明弯曲表面进行扫描，在所述三维方式中，使用激光束作为检查光源来测量三维表面的坐标，并且基于测量的数据利用激光束对三维对象1的表面进行图案化。这里，用于激光图案化的激光束当然可以是纳秒激光束、皮秒激光束和飞秒激光束中的一种。例如，激光束可具有大于100nm且小于10000nm的波长，并且具有1Hz到几百GHz的脉冲重复率。
此外，当然，形状识别器60可包括但不限于共聚焦显微镜或双光子显微镜，以识别三维对象1的形状。这里，共聚焦显微镜是利用共聚焦原理的显微镜。包括共聚焦显微镜的形状识别器60可通过从激光束中去除与三维对象1的形状不一致的光并且仅使用与三维对象1的焦点重合的光，来识别三维对象1的形状。另外，形状识别器60可包括使用双光子吸收现象来识别三维对象1的形状的双光子显微镜。
控制器70可接收三维设计的图案数据，以提取x轴聚焦位置、y轴聚焦位置和z轴聚焦位置的数据，以便对三维对象的弯曲表面进行图案化。扫描头32可基于提取的数据控制x轴聚焦位置和y轴聚焦位置的二维数据。另外，动态聚焦模块31可控制z轴聚焦位置数据。因此，可实时控制三维图案数据。因此，可按照微米级到纳米级的宽度和深度对人工晶状体的表面进行精细地图案化。
因此，根据本发明的实施例的用于三维对象的激光图案化设备可包括激光干涉仪、共聚焦显微镜和双光子显微镜中的一种，以提取生物移植体的三维表面形状信息(例如，人工晶状体的三维透明弯曲表面形状信息)。可利用激光束照射三维对象的表面，以按照微米级到纳米级的宽度和深度对三维对象的表面进行图案化。当然，用于激光图案化的激光束可以是纳秒激光束、皮秒激光束和飞秒激光束中的一种。
因此，当利用激光束对三维对象1的表面进行图案化时，可克服图案定心缺陷、图案切割缺陷、图案重叠缺陷、产品表面瑕疵等。
根据本发明的实施例的用于三维对象的激光图案化设备还可包括超精密工作台(ultra-precision stage)(未示出)。当三维对象1被安装在超精密工作台上进行处理时，存在将发生变形的可能性，在所述变形中，对象偏离光学系统的有效焦距。因此，可根据由纳米级超精密工作台限定的坐标系中的大量轴的组合来控制三维对象1，以将三维对象1定位在动态聚焦模块31和扫描头32的有效处理区域和有效焦距内。
同时，尽管未在附图中示出，但是三维对象1可以是人工晶状体。人工晶状体可包括位于其中心区域内的光学部件以及位于其周边区域内的触觉部件。根据本发明的实施例的用于三维对象的激光图案化设备可利用飞秒激光束照射人工晶状体的触觉部件，以对人工晶状体的触觉部件精细地进行图案化。通过在触觉部件上形成各种微米级或纳米级图案，可实现细胞的阵列且同时具有方向性，并且实现细胞的移动和粘附。
图2和图3是示出根据本发明的实施例的三维对象的激光图案化的光束路径的示图。
参照图2，由激光发生器10产生的激光束通过光束扩展器20被发送到光束调节器30。被发送到光束调节器30的激光束的z轴可由动态聚焦模块31调节，激光束的x轴和y轴可由扫描头32调节。
参照图3，可利用激光束照射三维对象1，激光束的x轴、y轴和z轴可由动态聚焦模块31和扫描头32调节。
例如，发射到具有三维对象1的不同高度的x轴区域(即，成像面)和y轴区域的激光束可具有相同的尺寸。根据聚光器50的聚光透镜的规格来确定x轴方向和y轴方向上的区域尺寸，并且因此可确定z轴方向上的聚焦范围。当x轴方向和y轴方向上的区域尺寸为120mm×120mm时，z轴方向上的聚焦范围可以是8mm。另外，当x轴方向和y轴方向上的区域尺寸为180mm×180mm时，z轴方向上的聚焦范围可以是41mm。当x轴方向和y轴方向上的区域尺寸为300mm×300mm时，z轴方向上的聚焦范围可以是202mm。也就是说，基于输入到控制器70的三维对象1的三维图案数据，动态聚焦模块31可调节与由扫描头32调节的x轴坐标和y轴坐标对应的激光束的z轴。
通过以上描述清楚的是，本发明的示例性实施例可提供一种用于三维对象的激光图案化设备，所述激光图案化设备通过微米图案或纳米图案来影响细胞的阵列、细胞的移动方向、细胞的粘附等。
另外，可利用脉冲激光束产生微米级至纳米级的图案。
另外，可使用能够调节激光束的聚焦高度的动态聚焦模块来均匀地处理纳米级至微米级的线宽。
另外，可通过微米图案和纳米图案来调节细胞的移动和粘附，其中，微米图案影响细胞的阵列和细胞的移动方向，纳米图案影响细胞的粘附。
此外，可利用光学相干断层扫描装置(OCT)、激光干涉仪、共聚焦显微镜和双光子显微镜中的任何一种来获取三维对象的表面信息。
尽管参照说明性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将清楚的是，可在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下进行各种变化和修改。

Claims (10)

1.一种用于三维对象的激光图案化设备，包括：
激光发生器；
光束扩展器，被配置为调节由激光发生器产生的激光束的尺寸；
动态聚焦模块，被配置为调节穿过光束扩展器的激光束的z轴聚焦位置；
扫描头，被配置为调节穿过光束扩展器的激光束的x轴聚焦位置和y轴聚焦位置；
形状识别器，被配置为识别三维对象的形状；
控制器，被配置为：提取三维对象的x轴数据、y轴数据和z轴数据，并且控制扫描头和动态聚焦模块，以利用激光束对三维对象进行图案化。
2.根据权利要求1所述的激光图案化设备，其中，激光发生器利用脉冲激光束源产生纳秒激光束、皮秒激光束和飞秒激光束中的一种。
3.根据权利要求1所述的激光图案化设备，其中，光束扩展器通过调节激光束的尺寸而将激光束转换成准直光束。
4.根据权利要求1所述的激光图案化设备，其中，动态聚焦模块包括第一透镜和第二透镜，并且动态聚焦模块通过调节第一透镜和第二透镜来调节穿过光束扩展器的激光束的汇聚和发散，从而调节激光束的z轴焦点。
5.根据权利要求1所述的激光图案化设备，其中，扫描头包括振镜，所述振镜包括x轴扫描镜和y轴扫描镜。
6.根据权利要求1所述的激光图案化设备，所述激光图案化设备还包括被配置为将激光束汇聚在三维对象上的聚光器，其中，所述聚光器包括远心F-theta透镜或F-theta透镜。
7.根据权利要求1所述的激光图案化设备，其中，控制器提取三维对象的x轴表面形状数据、y轴表面形状数据和z轴表面形状数据，并且基于提取的数据控制动态聚焦模块调节激光束的z轴聚焦位置以及控制扫描头调节激光束的x轴聚焦位置和y轴聚焦位置，以按照微米级至纳米级的宽度和深度对三维对象的表面进行精细地图案化。
8.根据权利要求1所述的激光图案化设备，其中，形状识别器包括光学相干断层扫描装置、激光干涉仪、共聚焦显微镜和双光子显微镜中的一种，以提取三维对象的包括x轴数据、y轴数据和z轴数据的表面形状信息。
9.根据权利要求1所述的激光图案化设备，其中，三维对象是生物移植体，三维对象被照射纳秒激光束、皮秒激光束和飞秒激光束中的一种，以在三维对象上形成精细的图案。
10.根据权利要求1所述的激光图案化设备，所述激光图案化设备还包括超精密工作台，在所述超精密工作台中，三维对象被控制为位于动态聚焦模块和扫描头的有效处理区域和有效焦距内。
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