CN111913364A - 一种快速制备跨尺度三维微结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种快速制备跨尺度三维微结构的方法，属于跨尺度器件增材制造技术领域，利用飞秒激光双光子聚合两步壳层扫描结合紫外曝光的方法实现百微米量级的大尺寸三维结构的快速制备。在分步曝光中，第一重曝光：通过飞秒激光直写扫描微结构外部轮廓，确定微结构的三维空间形貌，获得低粗糙度、高精度的结构表面；第二重曝光：在紧邻外部轮廓的内部扫描一层内部轮廓，内部轮廓阻止显影液渗透的聚合程度，保护内部未曝光树脂不被显影液去除，确保整个大尺寸三维微结构在显影的过程中不会坍塌变形；第三重曝光：利用高功率紫外光对显影后的三维结构进行整体曝光使结构内部未聚合的材料聚合，提高结构稳定性以及均匀结构整体折射率分布的作用。

Description

一种快速制备跨尺度三维微结构的方法
技术领域
本发明属于跨尺度器件增材制造技术领域，具体涉及兼具大尺寸和高精度特征的跨尺度三维结构的快速制备，通过三重曝光增材制造，在保证亚波长的加工精度下有效的提升大尺寸跨尺度器件的加工效率。
背景技术
随着现代科学技术的飞速发展，传统的仪器系统逐渐从宏观系统向着小型化、集成化的方向发展。而集成器件的发展离不开三维加工技术的发展。基于双光子聚合(TPP)的飞秒激光增材制造技术具有超高的空间分辨率，以及任意复杂三维结构加工的能力。因此，在过去的几十年里，这种技术被广泛应用于光子元件、微机电系统(MEMS)、微流控芯片、生物支架等器件的制备中。但是对于传统的双光子聚合-逐点扫描而言，加工时间长，加工效率低是一个急需解决的问题。
针对双光子聚合加工效率低的问题，研究者们已经提出了一些解决方案。比如：多焦点并行加工以及聚焦光场工程。其中多焦点并行加工可以通过微透镜阵列、空间光调制器(SLM)或者是数字微镜器件(DMD)实现多焦点同时加工。处理速度与焦点的数量成线性关系。但是焦点的数量受到总功率损失以及焦点之间的干扰程度的限制。这种加工方法主要适合制作微结构阵列或者是周期性微结构，并不适合制作复杂的三维结构。聚焦光场工程主要是通过空间光调制器(SLM)对入射光进行相位调制，得到设计的聚焦光场，然后逐层扫描制作三维结构，从而提高加工速度。该方法的主要问题是光场能量密度分布不均匀，从而造成结构表面粗糙度大、空间分辨率低的问题。总体而言，这些方法显著提高了飞秒激光双光子聚合加工的效率，但仍未完全解决任意大尺寸三维微结构快速制造与表面粗糙度、空间分辨率、加工灵活性以及系统成本之间的矛盾。对于大尺寸跨尺度三维微结构的高精度快速制造，仍然需要一种简单的、通用的、低成本的方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种快速制备大尺寸、高精度的跨尺度三维微结构的方法。利用飞秒激光双光子聚合两步壳层扫描结合紫外曝光的方法实现百微米量级的大尺寸三维结构的快速制备。在分步曝光的过程中，第一重曝光：使用优化后的加工参数通过飞秒激光直写扫描微结构外部轮廓，从而确定微结构的三维空间形貌，同时获得低粗糙度、高精度的结构表面；第二重曝光：使用接近聚合物耐受上限的功率参数，在紧邻外部轮廓的内部扫描一层内部轮廓，内部轮廓具有阻止显影液渗透的聚合程度，可以保护内部未曝光树脂不被显影液去除，确保整个大尺寸三维微结构在显影的过程中不会坍塌变形，从而解决现有技术的不足；第三重曝光：利用高功率紫外光对显影后的三维结构进行整体曝光使结构内部未聚合的材料聚合，从而达到进一步提高结构稳定性以及均匀结构整体折射率分布的作用。三重曝光增材制作可以实现大尺寸、高精度三维结构的快速制备。
本发明通过如下技术方案实现：
一种快速制备大尺寸、高精度三维结构的方法，具体步骤如下：
(1)、飞秒激光双光子聚合加工样品准备：
具体步骤：首先将显微镜盖玻片依次使用丙酮和无水乙醇棉球擦拭，使用去离子水冲洗后放在真空干燥箱中干燥；然后，在清洗干净的盖玻片表面滴上光刻胶；最后，将样品片放在加热台上前烘，前烘后在室温环境下冷却；
(2)、第一重曝光：飞秒激光直写扫描大尺寸三维结构外部功能壳层；
具体步骤：首先，搭建振镜基飞秒激光双光子聚合加工系统，由光纤飞秒激光振荡器产生的飞秒脉冲激光依次通过渐变密度衰减片和电控光闸，经过反射镜Ⅰ反射后通过由透镜Ⅰ和透镜Ⅱ组成的扩束系统，光束尺寸扩大后的激光束通过扫描振镜控制光束偏转角度，然后由透镜Ⅲ和透镜Ⅳ组成的4F光学系统将激光束的角度偏转投影到物镜入瞳处，由高数值孔径物镜将入射光紧聚焦到加工样品内部，配合位移台的移动，从而实现三维扫描；同时，照明光源、滤光片、反射镜Ⅲ、透镜Ⅴ以及CCD组成实时监控系统，可以实时观察加工样品的状态；正式加工前，通过不断减小样品衬底片与高数值孔径物镜之间的距离，使飞秒脉冲激光聚焦在聚合物薄膜与衬底玻璃片的交界面位置，以该位置作为加工的起始界面；然后，使用飞秒激光双光子聚合逐点扫描从三维结构外部轮廓开始向内扫描组成外部功能层；外部功能层扫描结束后，保持样品原位不动，以便于后期内部保护壳层的扫描；
(3)、第二重曝光：飞秒激光直写扫描大尺寸三维结构内部保护壳层；
具体步骤为：在外部功能壳层扫描结束后，使用飞秒激光双光子聚合逐点扫描以外部功能层的终点作为内部保护层的起点，向内扫描组成内部保护层；内部保护层扫描结束后，将加工后的样品置于正丙醇溶液中浸泡显影，显影时间为30-90min；显影结束后，将样品从显影液中取出，并使用洗耳球鼓风，从而加速样品表面残留显影液的蒸发，完成大尺寸高精度三维微结构的制备；
(4)、第三重曝光：高功率紫外光曝光制备三维微结构；
具体步骤为：将步骤(3)中显影后的三维微结构放置在高功率紫外灯下，打开紫外灯光源进行曝光，曝光一定时间后，关闭紫外灯，从而获得高稳定性以及折射率分布均匀的三维微结构。
进一步地，步骤(1)所述的光刻胶为掺杂质量分数为1％的光引发剂四乙基米氏酮的有机无机杂化光刻胶SZ2080。这种光刻胶具有超低的收缩率，是飞秒激光双光子聚合常用光学树脂。另一方面，为了提高光刻胶的双光子聚合效果，在光刻胶中加入质量分数为1％的光引发剂四乙基米氏酮。光刻胶取液工具为胶头滴管，取液剂量为1滴。样品加热仪器使用的是恒温加热台。加热温度为100℃，加热时间为30-90min。所用玻璃盖玻片尺寸为50*24*0.17毫米。所用棉球为医用脱脂棉球。
进一步地，步骤(2)所述的飞秒激光中心波长为780nm，脉冲宽度为100fs，重复频率为80MHz。衰减片为圆形渐变密度滤光片，光密度为0-4.0，工作波长400-1100nm，直径50mm。光闸使用的是具有高速开关频率的声光调制器，开关频率可达70MHz。反射镜Ⅰ和反射镜Ⅱ是工作波长在800nm附近的介质膜反射镜，直径为25.4mm。反射镜Ⅲ是镀铝金属膜反射镜，直径为25.4mm。透镜Ⅰ和透镜Ⅱ组成扩束系统，透镜Ⅰ是K9玻璃平凸透镜，焦距为4-8mm，直径为25.4mm；透镜Ⅱ是K9玻璃平凸透镜，焦距为40-80mm，直径为50.8mm；透镜Ⅰ和透镜Ⅱ之间的距离是透镜Ⅰ和透镜Ⅱ的焦距的和，扩束倍数为5-10倍。国产高速扫描振镜最大扫描角度为正负15°。由透镜Ⅲ和透镜Ⅳ组成4F光学系统，透镜Ⅲ是K9玻璃平凸透镜，焦距为100-200mm，直径为50.8mm；透镜Ⅳ是K9玻璃平凸透镜，焦距为100-200mm，直径为50.8mm；透镜Ⅲ与扫描振镜的距离是透镜Ⅲ的焦距，透镜Ⅳ和透镜Ⅲ的距离是透镜Ⅲ和透镜Ⅳ的焦距的和，物镜与透镜Ⅳ的距离是透镜Ⅳ的焦距。使用的高数值孔径物镜包括奥林巴斯公司生产的高数值孔径油镜。物镜放大倍数为20-100倍，数值孔径为0.85-1.42。照明光源使用的是白色LED光源。滤光片使用的是波段选择吸收型滤光片，透射范围：560-2500nm。滤光片的作用是滤除照明光源中的短波部分，避免照明光使材料聚合。透镜Ⅴ是K9玻璃平凸透镜，焦距为50-250mm，直径为50.8mm；成像CCD是国产高清免驱工业相机，具有500万彩色像素。
进一步地，步骤(2)所述的加工起始界面的具体确定方法是首先确保样品衬底片与高数值孔径物镜之间的距离远大于物镜工作距离，然后通过手动位移台不断减小样品与物镜之间的间距，由于样品中掺杂的光引发剂在激光激发下会发出荧光，当聚焦光斑靠近光刻胶与衬底片的交界面时，会产生绿色的荧光亮斑；此时，使用高精度压电位移台控制样品与物镜间的距离以100nm的间隔缩减，当绿色光斑达到最亮时聚焦光斑正好位于光刻胶与衬底片的接触面，以此时的位置作为加工起始界面。
进一步地，步骤(2)所述的制备的三维微结构的直径为10-1000μm，高度为10-120μm。
进一步地，步骤(2)所述外部功能层的扫描参数是从三维结构外部轮廓向内扫描1-5层，层间距为20-500nm，激光功率为5-30mw，单点曝光时间为50-2500μs。
进一步地，步骤(3)所述内部保护层的扫描参数是以外部功能层的终点作为内部保护层的起点，向内扫描1-5层组成内部保护层，层间距为20-500nm，激光功率为20-35mw，单点曝光时间为50-2500μs。
进一步地，步骤(4)所述紫外灯的中心波长是365nm，曝光功率密度为200-1200mw/cm2，曝光时间为30s-3min。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)、与光刻和电子束曝光等工艺相比，本发明方法简单、适用性广、成本低，无需掩膜，可以实现光刻和电子束曝光很难做到的任意三维结构的制备。
(2)、与飞秒激光双光子聚合逐点扫描相比，本发明有效的解决了逐点扫描加工效率低的问题，大幅度提升大尺寸三维微结构的制作效率。
(3)、从发展潜力来说，本发明的三重曝光策略可以和逐点扫描结合，在保证亚波长的加工精度的前提下，实现任意大尺寸三维结构的快速制备，同时本发明的加工策略适用于市面上大部分商用负性光刻胶，在微光学、微机械、微电子和微流体等领域具有巨大的应用潜力。
附图说明
图1为本发明的一种制备跨尺度三维微结构的方法的振镜基飞秒激光双光子聚合加工系统的光路示意图。
图2为本发明的一种制备跨尺度三维微结构的方法的工艺流程图。
图3为本发明的一种制备跨尺度三维微结构的方法的两步壳层扫描原理图。
图4为本发明的一种制备跨尺度三维微结构的方法制备的大尺寸球面透镜的整体扫描电镜图。
图5为本发明的一种制备跨尺度三维微结构的方法制备的大尺寸球面透镜的底部水平截面荧光共聚焦显微镜图。
图6为本发明的一种制备跨尺度三维微结构的方法制备的大尺寸球面透镜的聚焦效果。
图7为本发明的一种制备跨尺度三维微结构的方法制备的大尺寸球面透镜的成像效果。
图8为本发明的一种制备跨尺度三维微结构的方法制备的大尺寸球面透镜的实际壳扫描加工时间以及对应的体扫描加工时间的柱状图。
图9为本发明的一种制备跨尺度三维微结构的方法制备的大尺寸球面人造复眼的扫描电子显微镜图。
图10为本发明的一种制备跨尺度三维微结构的方法制备的大尺寸球面人造复眼的三维共聚焦显微镜图。
图11为本发明的一种制备跨尺度三维微结构的方法制备的高精度悬空光子晶体的整体扫描电子显微镜图。
图12为本发明的一种制备跨尺度三维微结构的方法制备的高精度悬空光子晶体局部放大的扫描电子显微镜图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步地说明。
实施例1
利用三重曝光增材制造技术快速制备大尺寸球面透镜。
利用三重曝光增材制造技术可以实现任意大尺寸三维结构的快速制备，利用两步壳层扫描制备外部功能层和内部保护层，可以解决大尺寸微结构壳层扫描带来的结构坍塌变形的问题，然后利用紫外曝光提高结构的长期稳定性并均匀结构折射率分布，从而制作出大尺寸微光学元件-球面透镜。
利用三重曝光增材制造技术制备大尺寸球面透镜的方法，具体步骤如下：
(1)、飞秒激光双光子聚合加工样品准备
具体步骤：首先将显微镜盖玻片(尺寸为50*24*0.17毫米)依次使用丙酮和无水乙醇浸泡的医用脱脂棉球沿固定的方向多次擦拭，在使用去离子水来回冲洗多次后放在95℃的真空干燥箱中干燥10min；然后，在清洗干净的盖玻片表面使用胶头滴管滴上1滴掺杂1％质量分数四乙基米氏酮的有机无机杂化光刻胶SZ2080；最后，将样品片放在恒温加热台上前烘，加热温度为100℃，加热时间为1小时，前烘后在室温环境下冷却到室温。
(2)、第一重曝光：飞秒激光直写扫描大尺寸三维结构外部功能壳层
具体步骤：首先，搭建振镜基飞秒激光双光子聚合系统，由图1所示，由光纤飞秒激光振荡器产生的飞秒脉冲激光(中心波长为780nm，脉冲宽度为100fs，重复频率为80MHz)依次通过渐变密度衰减片和电控光闸，经过反射镜1反射后通过由透镜Ⅰ和透镜Ⅱ组成的扩束系统，光束尺寸扩大5倍后的激光束通过扫描振镜控制光束偏转角度，然后由透镜Ⅲ和透镜Ⅳ组成的4F光学系统将激光束的角度偏转投影到物镜入瞳处，由高数值孔径物镜将入射光紧聚焦到加工样品内部，配合位移台的移动，从而实现三维扫描；同时，照明光源、滤光片、反射镜Ⅲ、透镜Ⅴ以及CCD组成实时监控系统。正式加工前，首先确保样品衬底片与高数值孔径物镜之间的距离远大于物镜工作距离，然后通过手动位移台不断减小样品与物镜之间的间距，由于样品中掺杂的光引发剂在激光激发下会发出荧光，当聚焦光斑靠近光刻胶与衬底的交界面时，会产生绿色的亮斑。此时，使用高精度压电位移台控制样品与物镜间的距离以100nm的间隔缩减，当绿色光斑达到最亮时聚焦光斑正好位于光刻胶与衬底片的接触面，以此时的位置作为加工起始界面。然后，使用飞秒激光双光子聚合逐点扫描从三维结构外部轮廓开始向内扫描3层组成外部功能层，层间距为200nm，激光功率为15mw，单点曝光时间为300μs，外部壳层扫描结束后，保持样品原位不动，以便于后期内部保护壳层的扫描。
(3)、第二重曝光：飞秒激光直写扫描大尺寸三维结构内部保护壳层；
具体步骤为：在外部壳层扫描结束后，使用飞秒激光双光子聚合逐点扫描以外部功能层的终点作为内部保护层的起点，向内扫描1层组成内部保护层，层间距为200nm，激光功率为25mw，单点曝光时间为300μs。内部保护层扫描结束后，将加工后的样品置于正丙醇溶液中浸泡显影，显影时间为40min。显影结束后，将样品从显影液中取出，并使用洗耳球鼓风，从而加速样品表面残留显影液的蒸发，完成大尺寸高精度三维微纳结构的制备。
(4)、第三重曝光：高功率紫外光曝光制备的三维微纳结构；
将步骤(3)中显影后的三维微结构放置在高功率紫外灯下，打开紫外灯光源进行曝光，曝光一定时间后，关闭紫外灯，从而获得高稳定性以及折射率均匀的球面透镜。紫外灯的中心波长是365nm，曝光功率密度为1000mw/cm2，曝光时间为1min。
球面微透镜直径460μm，高度115μm，使用奥林巴斯60x数值孔径1.35的油浸物镜制备。
由图3可知，三重曝光增材制造中两步壳层扫描的原理是先通过低功率参数扫描结构外部轮廓从而形成外部功能层，然后使用高功率参数扫描内部轮廓形成保护层，从而实现大尺寸三维结构的快速制备。
由图4可知利用三重曝光增材制造技术快速制备的大尺寸球面透镜的表面光滑，结构形貌良好。加工器件的尺寸受到加工物镜视场及工作距离的限制。
由图5可知利用三重曝光增材制造技术快速制备的大尺寸球面透镜的结构内部存在荧光，从而证明结构内部没有被显影液去除，因此证明内部保护层具有阻止显影液向内渗透的效果。
由图6可知利用三重曝光增材制造技术快速制备的大尺寸球面透镜具有良好的聚焦效果。
由图7可知利用三重曝光增材制造技术快速制备的大尺寸球面透镜具有良好的成像效果。
由图8可知利用三重曝光增材制造技术快速制备的大尺寸球面透镜使用飞秒激光壳层扫描仅仅需要1.73小时，如果使用飞秒激光逐点体扫描的话需要173.79个小时，加工效率提升了将近101倍。并且随着加工器件尺寸的增大，三重曝光增材制造技术对加工效率的提升会更加显著。
实施例2
利用三重曝光增材制造技术快速制备大尺寸球面人造复眼。
利用三重曝光增材制造技术可以实现任意大尺寸三维微结构的快速制备，利用两步壳层扫描制备外部功能层和内部保护层，可以解决大尺寸微结构壳层扫描带来的结构坍塌变形的问题，然后利用紫外曝光提高结构的长期稳定性并均匀结构折射率分布，从而制作出大尺寸复杂微光学元件-球面人造复眼。
利用三重曝光增材制造技术快速制备大尺寸球面人造复眼的方法，具体步骤如下：
步骤(1)、(2)、(3)、(4)同实施例1。
球面人造复眼主眼直径是460μm，高度是110μm，小眼直径是30μm，高度高是10μm，使用奥林巴斯60x数值孔径1.35的油浸物镜制备。
由图9可知利用三重曝光增材制造技术快速制备的大尺寸球面人造复眼的表面光滑，结构没有坍塌变形。
由图10可知利用三重曝光增材制造技术快速制备的大尺寸球面人造复眼的3D结构形貌良好，具有很高的结构质量。
利用三重曝光增材制造技术可以快速制备出形貌良好的大尺寸球面人造复眼。
实施例3
利用三重曝光中的飞秒激光两步壳层扫描与逐点扫描结合快速制备高精度悬空光子晶体。
利用飞秒激光双光子聚合壳层扫描可以实现任意大尺寸三维微结构的快速制备，利用两步壳层扫描制备外部功能层和内部保护层，可以解决大尺寸微结构壳层扫描带来的结构坍塌变形的问题，同时使用两步壳层扫描与逐点扫描相结合，可以实现亚波长的空间加工分辨率，然后利用紫外曝光提高结构的长期稳定性并均匀结构折射率分布。从而制作出悬空的高精度光子晶体结构。
利用飞秒激光两步壳层扫描与逐点扫描结合快速制备悬空的高精度光子晶体结构，具体步骤如下：
步骤(1)、(2)、(3)、(4)同实施例1。
悬空光子晶体的支柱长20μm，宽20μm，高10μm。光子晶体设计线宽10nm，周期1.5μm。结构的支柱使用飞秒激光两步壳层扫描制作，精细的光子晶体结构使用飞秒激光逐点扫描制作。为了实现更高的加工分辨率，我们使用奥林巴斯60x数值孔径1.42的油浸物镜制备光子晶体结构。
由图11可知利用飞秒激光两步壳层扫描与逐点扫描以及紫外曝光结合快速制备高精度悬空光子晶体的整体形貌良好，结构没有坍塌变形。
由图12可知利用飞秒激光两步壳层扫描与逐点扫描以及紫外曝光结合快速制备高精度悬空光子晶体的加工线宽可以达到165nm，具有超越衍射极限的加工分辨率。

Claims (8)

1.一种快速制备跨尺度三维微结构的方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)、飞秒激光双光子聚合加工样品准备：
具体步骤：首先将显微镜盖玻片依次使用丙酮和无水乙醇棉球擦拭，使用去离子水冲洗后放在真空干燥箱中干燥；然后，在清洗干净的盖玻片表面滴上光刻胶；最后，将样品片放在加热台上前烘，前烘后在室温环境下冷却；
(2)、第一重曝光：飞秒激光直写扫描大尺寸三维结构外部功能壳层；
具体步骤：首先，搭建振镜基飞秒激光双光子聚合加工系统，由光纤飞秒激光振荡器产生的飞秒脉冲激光依次通过渐变密度衰减片和电控光闸，经过反射镜Ⅰ反射后通过由透镜Ⅰ和透镜Ⅱ组成的扩束系统，光束尺寸扩大后的激光束通过扫描振镜控制光束偏转角度，然后由透镜Ⅲ和透镜Ⅳ组成的4F光学系统将激光束的角度偏转投影到物镜入瞳处，由高数值孔径物镜将入射光紧聚焦到加工样品内部，配合位移台的移动，从而实现三维扫描；同时，照明光源、滤光片、反射镜Ⅲ、透镜Ⅴ以及CCD组成实时监控系统，可以实时观察加工样品的状态；正式加工前，通过不断减小样品衬底片与高数值孔径物镜之间的距离，使飞秒脉冲激光聚焦在聚合物薄膜与衬底玻璃片的交界面位置，以该位置作为加工的起始界面；然后，使用飞秒激光双光子聚合逐点扫描从三维结构外部轮廓开始向内扫描组成外部功能层；外部功能层扫描结束后，保持样品原位不动，以便于后期内部保护壳层的扫描；
(3)、第二重曝光：飞秒激光直写扫描大尺寸三维结构内部保护壳层；
具体步骤为：在外部功能壳层扫描结束后，使用飞秒激光双光子聚合逐点扫描以外部功能层的终点作为内部保护层的起点，向内扫描组成内部保护层；内部保护层扫描结束后，将加工后的样品置于正丙醇溶液中浸泡显影，显影时间为30-90min；显影结束后，将样品从显影液中取出，并使用洗耳球鼓风，从而加速样品表面残留显影液的蒸发，完成大尺寸高精度三维微结构的制备；
(4)、第三重曝光：高功率紫外光曝光制备三维微结构；
具体步骤为：将步骤(3)中显影后的三维微结构放置在高功率紫外灯下，打开紫外灯光源进行曝光，曝光一定时间后，关闭紫外灯，从而获得高稳定性以及折射率分布均匀的三维微结构。
2.如权利要求1所述的一种快速制备跨尺度三维微结构的方法，其特征在于，步骤(1)所述的光刻胶为掺杂质量分数为1％的光引发剂四乙基米氏酮的有机无机杂化光刻胶SZ2080；光刻胶取液工具为胶头滴管，取液剂量为1滴；样品加热仪器使用的是恒温加热台；加热温度为100℃，加热时间为30-90min；所用玻璃盖玻片尺寸为50*24*0.17毫米；所用棉球为医用脱脂棉球。
3.如权利要求1所述的一种快速制备跨尺度三维微结构的方法，其特征在于，步骤(2)所述的飞秒激光中心波长为780nm，脉冲宽度为100fs，重复频率为80MHz；衰减片为圆形渐变密度滤光片，光密度为0-4.0，工作波长400-1100nm，直径50mm；光闸使用的是具有高速开关频率的声光调制器，开关频率可达70MHz；反射镜Ⅰ和反射镜Ⅱ是工作波长在800nm附近的介质膜反射镜，直径为25.4mm；反射镜Ⅲ是镀铝金属膜反射镜，直径为25.4mm；透镜Ⅰ和透镜Ⅱ组成扩束系统，透镜Ⅰ是K9玻璃平凸透镜，焦距为4-8mm，直径为25.4mm；透镜Ⅱ是K9玻璃平凸透镜，焦距为40-80mm，直径为50.8mm；透镜Ⅰ和透镜Ⅱ之间的距离是透镜Ⅰ和透镜Ⅱ的焦距的和，扩束倍数为5-10倍；国产高速扫描振镜最大扫描角度为正负15°；由透镜Ⅲ和透镜Ⅳ组成4F光学系统，透镜Ⅲ是K9玻璃平凸透镜，焦距为100-200mm，直径为50.8mm；透镜Ⅳ是K9玻璃平凸透镜，焦距为100-200mm，直径为50.8mm；透镜Ⅲ与扫描振镜的距离是透镜Ⅲ的焦距，透镜Ⅳ和透镜Ⅲ的距离是透镜Ⅲ和透镜Ⅳ的焦距的和，物镜与透镜Ⅳ的距离是透镜Ⅳ的焦距；使用的高数值孔径物镜包括奥林巴斯公司生产的高数值孔径油镜；物镜放大倍数为20-100倍，数值孔径为0.85-1.42；照明光源使用的是白色LED光源；滤光片使用的是波段选择吸收型滤光片，透射范围：560-2500nm；滤光片的作用是滤除照明光源中的短波部分，避免照明光使材料聚合；透镜Ⅴ是K9玻璃平凸透镜，焦距为50-250mm，直径为50.8mm；成像CCD是国产高清免驱工业相机，具有500万彩色像素。
4.如权利要求1所述的一种快速制备跨尺度三维微结构的方法，其特征在于，步骤(2)所述的加工起始界面的具体确定方法是首先确保样品衬底片与高数值孔径物镜之间的距离远大于物镜工作距离，然后通过手动位移台不断减小样品与物镜之间的间距，由于样品中掺杂的光引发剂在激光激发下会发出荧光，当聚焦光斑靠近光刻胶与衬底片的交界面时，会产生绿色的荧光亮斑；此时，使用高精度压电位移台控制样品与物镜间的距离以100nm的间隔缩减，当绿色光斑达到最亮时聚焦光斑正好位于光刻胶与衬底片的接触面，以此时的位置作为加工起始界面。
5.如权利要求1所述的一种快速制备跨尺度三维微结构的方法，其特征在于，步骤(2)所述的制备的三维微结构的直径为10-1000μm，高度为10-120μm。
6.如权利要求1所述的一种快速制备跨尺度三维微结构的方法，其特征在于，步骤(2)所述外部功能层的扫描参数是从三维结构外部轮廓向内扫描1-5层，层间距为20-500nm，激光功率为5-30mw，单点曝光时间为50-2500μs。
7.如权利要求1所述的一种快速制备跨尺度三维微结构的方法，其特征在于，步骤(3)所述内部保护层的扫描参数是以外部功能层的终点作为内部保护层的起点，向内扫描1-5层组成内部保护层，层间距为20-500nm，激光功率为20-35mw，单点曝光时间为50-2500μs。
8.如权利要求1所述的一种快速制备跨尺度三维微结构的方法，其特征在于，步骤(4)所述紫外灯的中心波长是365nm，曝光功率密度为200-1200mw/cm2，曝光时间为30s-3min。
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