CN111844738B - 一种用于slm面曝光设备的同步可变透镜及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于SLM面曝光设备的同步可变透镜及应用，所述同步可变透镜包括陶瓷基片以及设置于所述陶瓷基片上的导线和多个电极单元，每一电极单元对应一透镜模块，所述导线包括高电平导线和低电平导线，每个所述电级单元包括两副电极，其中一副为固定极性电极，另一副为可变极性电极，所述固定极性电极的正电极与高电平导线连接，负电极与低电平导线连接，所述可变极性电极的两个电极通过开关模块均与高电平导线和低电平导线连接，所述开关模块在载波周期相同的上脉冲和下脉冲的激发下改变与高电平导线或低电平导线的连接状态，所述下脉冲在上脉冲之后触发。与现有技术相比，本发明具有结构简单、有效提高扫描速率等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种SLM面曝光设备，尤其是涉及一种用于SLM面曝光设备的同步可变透镜及应用。
背景技术
粉末床熔融增材制造主要是通过高功率激光将粉末熔合在一起，包括SLS(Selective laser sintering，选择性激光烧结)和SLM(Selective laser melting，选择性激光熔化)。
熔融增材制造的工艺优势在于：1)加工标准金属时，致密度超过99％，良好的力学性能与传统工艺相当；2)可加工材料种类持续增加，所加工零件可后期焊接；3)精度和表面质量相对最高，可以直接使用或者只需相对简单的后处理。因而，从产品质量上，粉末床熔融增材制造，特别是SLM，从性能上是最有望大面积替代现有工艺应用于以汽车行业为代表的高产量工业行业的现有高性能工艺的。然而其也存在劣势：1)原料价格昂贵，2)速度偏低。这就造成了该技术在这些行业推广的严重瓶颈。
原料价格昂贵尚可通过新材料包开发等“软件”方式实现，但是受限于激光系统的功率与协同控制技术水平，目前只能通过多激光提高速率。就典型的SLM技术为例，根据报道和行业展会显示，目前最多的协同激光束也止步于12激光，而且尚在研发阶段，而且难度很大，成本极高，并且由于多激光直接照射加热的控制协同与熔融成形问题复杂，调试工艺的难度也极大。即使这样，SLM技术的打印效率依然远远不敌直接能量沉积增材制造打印技术(DED技术)或新兴的超音速沉积增材制造技术(SD技术)，但DED技术和SD技术精度较差、必须进行精密机床后加工；同样也不敌密度较低而性能受限的3DP技术，那就更远远不敌目前的传统生产技术。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于SLM面曝光设备的同步可变透镜及应用，能以较少材料实现快速扫描。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于SLM面曝光设备的同步可变透镜，包括陶瓷基片以及设置于所述陶瓷基片上的导线和多个电极单元，每一电极单元对应一透镜模块，所述导线包括高电平导线和低电平导线，每个所述电级单元包括两副电极，其中一副为固定极性电极，另一副为可变极性电极，所述固定极性电极的正电极与高电平导线连接，负电极与低电平导线连接，所述可变极性电极的两个电极通过开关模块均与高电平导线和低电平导线连接，所述开关模块在载波周期相同的上脉冲和下脉冲的激发下改变与高电平导线或低电平导线的连接状态，所述下脉冲在上脉冲之后触发。
进一步地，通过对所述开关模块的控制实现所述两副电极间同侧电极的极性状态，进而实现对每个透镜模块的开关状态的控制。
进一步地，所述上脉冲的每个载波承载的脉冲个数与开关模块个数相同，且每一脉冲为高电平或低电平，在高电平下，对应开关模块导通。
进一步地，所述开关模块包括上MOS管和下MOS管。
进一步地，所述上MOS管和下MOS管之间设置有存储电容。
进一步地，所述上MOS管通过时序控制模块与一上通讯总线连接，所述下MOS管与一下通讯总线连接，分别接收对应信号。
进一步地，每一所述时序控制模块与每一开关模块对应设置，在时序控制模块的控制下，相邻开关模块的时间相移为(T-td)/n，其中，T是一个载波周期，td是下脉冲宽度，n是开关模块总数。
进一步地，所述上脉冲和下脉冲的脉宽最小为10-9s级。
进一步地，所述陶瓷基片为PLZT透明陶瓷基片。
进一步地，所述导线和电极单元通过沉积-光刻方式成形于陶瓷基片上。
本发明还提供一种激光超高速扫描装置，包括上述所述的可变透镜。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明设置可变极性电极，将按照要求的顺序打开或关闭可变透镜中的各透镜模块，实现将面平行光分割成阵列小点光，这样就相当于小点光按规定路径的扫描，不仅能实现等效单点光的扫描方式(每个扫描周期内，所有阵列单元分布打开，即时序脉冲相位都不一致)，还能实现等效的多激光扫描(部分阵列单元同时打开，即时序脉冲相位部分一致)，功能完善。
2、本发明通过载波周期相同的上脉冲和下脉冲实现对开关状态的控制，能以较少的材料实现海量开关的同时通断控制。
3、由于目前的计算机处理器主频已经达到GHz级，因此等效的扫描频率按单脉冲＝处理器的主频估算，因此，本发明可实现双向高达MHz～GHz级低能激光的超高速扫描。
4、本发明通过时序控制模块实现开关模块是否开闭的轮流确认，可靠性高。
5、本发明打破传统以较慢的多点扫描曝光方式，完整的设计了一套面曝光扫描方式的光路系统，将有望彻底打破目前的打印速度瓶颈。
附图说明
图1为本发明的可变透镜的示意图；
图2为本发明电极单元开关态示意图；
图3为本发明开关模块的示意图；
图4为本发明上脉冲与下脉冲的原理示意图；
图5为本发明上脉冲的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
本实施例提供一种用于SLM面曝光设备的同步可变透镜，如图1和图2所示，包括陶瓷基片以及设置于陶瓷基片上的导线和多个电极单元，每一电极单元对应一透镜模块，导线包括高电平导线和低电平导线，每个电级单元包括两副电极，其中一副为固定极性电极，另一副为可变极性电极，固定极性电极的正电极与高电平导线连接，负电极与低电平导线连接，可变极性电极的两个电极通过开关模块均与高电平导线和低电平导线连接，开关模块在载波周期相同的上脉冲和下脉冲的激发下改变与高电平导线或低电平导线的连接状态，下脉冲在上脉冲之后触发，通过对开关模块的控制实现两副电极间同侧电极的极性状态，进而实现对每个透镜模块的开关状态的控制，如图3和图4所示。
如图1所示，同步可变透镜包括陶瓷基片以及设置于陶瓷基片上的导线和多个电极单元，每一电极单元对应一透镜模块，导线包括高电平导线和低电平导线，每个电级单元包括两副电极，其中一副为固定极性电极，另一副为可变极性电极，固定极性电极的正电极与高电平导线连接，负电极与低电平导线连接，可变极性电极的两个电极通过开关模块均与高电平导线和低电平导线连接。如图2所示，电级单元的两副电极中，若同侧电极极性同号，且上+下－，则单元呈现开态，光可以通过；若同侧电极极性异号时，单元呈现关态，光只可微量通过。
上述陶瓷基片采用基于可光电调控的PLZT透明陶瓷。光电陶瓷的质量比式子：Pb1-xLax(Zr1-yTiy)1-x/4O3简写成PLZT(x/(1-y)/y；优选的x＝6.5～10，y＝0.25～0.4。其对比度可达1:30～1:100，对于全开状态时，光学透过率>72％，最高可达98％。
透明陶瓷通过常规热压法制成薄片，然后在薄皮的双面进行超细导线、电极和电子元件(包括晶体管、电容、电阻等)的布置，采用多层光刻技术直接成形，使其形成可控的阵列形态。为了保证面曝光的分辨率，变长单元的阵列单元数可以做到100个以上，每个单元边长10～100um。电极材料目前优选的有金、银、铂金和紫铜，通过沉积-光刻的方式制作。高电平导线和低电平导线沉积-光刻制造的供电线，这里，电平导线与电极不同在于，除材质可能不同，导线PLZT之间需要沉积绝缘层。
如图3所示，本实施例的开关模块包括上MOS管和下MOS管。优选地，上MOS管和下MOS管之间设置有存储电容。上MOS管通过时序控制模块与一上通讯总线连接，下MOS管与一下通讯总线连接，分别接收对应信号。每一时序控制模块与每一开关模块对应设置，时序控制模块是实现开关模块轮流确认是否开闭的关键。上MOS管和上脉冲相当于可变电极的极性，相当于预开关作用，设立预开关是因为可实现依次输入，同时打开；等开关确认好，下MOS管和下脉冲一打开，需要可变光镜开的部分就一下子同步全部打开。
上述同步可变透镜使用时需要的电极单元数量众多，则相应的开关模块也较多，以100×100＝10000个单元为例，开关单元就需要4×10000＝40000个，如此众多的开关管都要做到微米甚至亚微米级尺寸，就不能采用传统PCB板进行外部对接元件的方式，需要对开关模块的控制方式进行优化设计。
如图3和图4所示，本实施例海量的开关模块通过专用电路设计实现同时通断控制。总体实现方法为：系统解码器把前端接收的控制代码解码成载波周期相同的两段，分别为上脉冲(或编码脉冲)及下脉冲(或释电脉冲)。
下脉冲在上脉冲之后触发，脉宽最小可以达到10-9s级(对应于GHZ级的处理器)，实际脉宽根据目前的开关状态需要维持时间而定。比如，如图5所示，在第i个周期对应的时间段，第1、4、5、6、9、……n个开关模块需要开10ms，则下脉冲脉宽则为10ms。对于上脉宽，以第i段上脉冲为例，每个载波需承载n脉冲，如图5所示的脉宽含义是n个mos管，需要导通(高电平)第1、4、5、6、9、……n个。使用该控制，可以只用上下两路通讯总线，即可实现对多如40000个元件进行准确控制。
本实施例通过耦合上下脉冲控制波形，具体地：当上通讯总线发出开关信号脉冲，n个开关模块轮流接收一段对应的脉冲信号(1或0)，以确定是接入高电平(此时，可变电极高电平端的开关为“开”状态，低电平端的开关为“关”状态)，还是低电平(此时，可变电极高电平端的开关为“关”状态，低电平端的开关为“开”状态)，该过程通过上MOS管实现。但此时不能马上让电极变成正极或负极，这样会出现延时。因此需要设置一个下MOS管，所有开关模块的下MOS管都由下通讯总线同步控制，即当下脉冲/释电脉冲触发，下MOS管被统一激发打开，此时，接入正级或负极的开关模块使对应的可变电极变成正极或负极，其余的开关模块依然处于断路状态。由于上MOS管只有在时序控制模块“开”状态导通，与下MOS模块不同步，因而需要一个电容C3“存储”接收到的电平信息，以便在下MOS管触发时打开，使可变电极显示相应的极性。
在一个优选的实施方式中，图3中的时序控制模块由一个由LC电路和二极管形成的方波时间子电路和LC型相移子电路组成，所有元件也由“沉积-光刻”制造。这里方波时间子电路控制着该开关模块的接收频率，与系统载波周期保持一致，而接收导通脉宽为上脉冲的脉宽，而相邻的两个开关模块间的时间相移固定为(T-td)/n，其中，T是一个载波周期，td是下脉冲宽度，n是开关单元总数。由此即可实现固定顺序的轮流信号接收。
实施例2
本实施例提供一种激光超高速扫描装置，包括如实施例1所述的同步可变透镜。由于目前的家用计算机处理器主频已经达到GHz级，因此该扫描装置等效的扫描频率按单脉冲＝处理器的主频估算，最高也可达GHz级。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由本发明所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种用于SLM面曝光设备的同步可变透镜，其特征在于，包括陶瓷基片以及设置于所述陶瓷基片上的导线和多个电极单元，每一电极单元对应一透镜模块，所述导线包括高电平导线和低电平导线，每个所述电极单元包括两副电极，其中一副为固定极性电极，另一副为可变极性电极，所述固定极性电极的正电极与高电平导线连接，负电极与低电平导线连接，所述可变极性电极的两个电极通过开关模块均与高电平导线和低电平导线连接，所述开关模块在载波周期相同的上脉冲和下脉冲的激发下改变与高电平导线或低电平导线的连接状态，所述下脉冲在上脉冲之后触发，按照要求的顺序打开或关闭可变透镜中的各透镜单元，实现将面平行光分割成阵列小点光。
2.根据权利要求1所述的用于SLM面曝光设备的同步可变透镜，其特征在于，通过对所述开关模块的控制实现所述两副电极间同侧电极的极性状态，进而实现对每个透镜模块的开关状态的控制。
3.根据权利要求1所述的用于SLM面曝光设备的同步可变透镜，其特征在于，所述上脉冲的每个载波承载的脉冲个数与开关模块个数相同，且每一脉冲为高电平或低电平，在高电平下，对应开关模块导通。
4.根据权利要求1所述的用于SLM面曝光设备的同步可变透镜，其特征在于，所述开关模块包括上MOS管和下MOS管。
5.根据权利要求4所述的用于SLM面曝光设备的同步可变透镜，其特征在于，所述上MOS管和下MOS管之间设置有存储电容。
6.根据权利要求4所述的用于SLM面曝光设备的同步可变透镜，其特征在于，所述上MOS管通过时序控制模块与一上通讯总线连接，所述下MOS管与一下通讯总线连接，分别接收对应信号。
7.根据权利要求6所述的用于SLM面曝光设备的同步可变透镜，其特征在于，每一所述时序控制模块与每一开关模块对应设置，在时序控制模块的控制下，相邻开关模块的时间相移为(T-td)/n，其中，T是一个载波周期，td是下脉冲宽度，n是开关模块总数。
8.根据权利要求1所述的用于SLM面曝光设备的同步可变透镜，其特征在于，所述上脉冲和下脉冲的脉宽最小为10-9s级。
9.根据权利要求1所述的用于SLM面曝光设备的同步可变透镜，其特征在于，所述陶瓷基片为PLZT透明陶瓷基片。
10.一种激光超高速扫描装置，其特征在于，包括如权利要求1所述的可变透镜。
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