CN117355386A - 用于在工件上光学雕刻衍射光栅的设备和方法 - Google Patents

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C·伯格利
G·杜米特鲁
A·徳罗兹
M·托宁
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Abstract

用于在工件上雕刻衍射光栅的设备，包括光学装置(set‑up)，该光学装置包括激光器、光束成形设备、分束设备和聚焦头。该激光器被配置为输出激光束。该光束成形设备被配置为控制激光束的直径和光强度分布，并输出主激光束。该分束设备被配置用于将主激光束分成多个分裂光束以用于雕刻。该聚焦头包括：显微镜物镜(109)，其被配置为将相应的分裂光束聚焦在工件上的相应焦点中；自动聚焦系统，其被配置为产生用于调整和保持显微镜物镜与工件之间的距离以便保持分裂光束在工件上的相应焦点的定位信号并输出定位信号；和微致动器，其被配置为接收定位信号并调整显微镜物镜与工件之间的距离，从而使自动聚焦系统和微致动器可操作地以闭环连接。用于雕刻的设备还包括定位设备，其被配置为执行在分裂光束的相应焦点中的工件与光学装置之间的相对定位；和控制器，其被配置为根据用于衍射光栅的雕刻指令控制定位设备和激光器。

Description

用于在工件上光学雕刻衍射光栅的设备和方法
技术领域
本发明涉及用于在工件上雕刻衍射光栅的设备和方法，更精确地，涉及通过激光器(其光束被分成多个分裂光束)雕刻衍射光栅的设备和方法。
背景技术
美国公开物US2009/0212030A1涉及高脉冲功率下的激光烧蚀，其工作光斑直径小且受到严格控制。其描述了一项发明，该发明是经优化以满足高精度消融的特定约束的自动聚焦子系统。其将自动聚焦和工作光束共同传播通过大部分光束串(beam train)，以确保自动聚焦将受到与工作光束相同的热变化的影响。
在该美国公开物中，当烧蚀过程产生表面光滑的特征时，当d＝0时可以产生最准确的自动聚焦读数，即工件上的自动聚焦焦点与工作光束焦点重叠。然而，如果被烧蚀表面粗糙，则自动聚焦光束可能会被散射，从而使其在检测器组件上的信号太弱而无法读取。在这种情况下，d可以被设置为>0，以便焦点不重叠。
本发明的目的是实现一种用于同时通过多个光束在工件上雕刻衍射光栅的系统。为了达到这个目的，需要将多个光束保持聚焦在工件表面上，即，找到一种用于能够应对正在被雕刻的或已经存在于工件表面上的衍射光栅的散射性质的自动聚焦的解决方案。
发明内容
在第一方面，本发明提供一种用于在工件上雕刻衍射光栅的设备，包括光学装置(set-up)，该光学装置包括激光器、光束成形设备、分束设备和聚焦头。该激光器被配置为输出激光束。该光束成形设备被配置为控制激光束的直径和光强度分布，并输出主激光束。该分束设备被配置用于将主激光束分成多个分裂光束以用于雕刻。该聚焦头包括：显微镜物镜(109)，其被配置为将相应的分裂光束聚焦在工件上的相应焦点中；自动聚焦系统，其被配置为产生用于调整和保持显微镜物镜与工件之间的距离以便保持分裂光束在工件上的相应焦点的定位信号，并输出定位信号；和微致动器，其被配置为接收定位信号并调整显微镜物镜与工件之间的距离，从而使自动聚焦系统和微致动器可操作地以闭环连接。用于雕刻的设备还包括定位设备，其被配置为执行在分裂光束的相应焦点中的工件与光学装置之间的相对定位；和控制器，其被配置为根据用于衍射光栅的雕刻指令控制定位设备和激光器。
在优选实施例中，用于雕刻的设备还包括功率调节器，其包括被配置为调整激光束的功率的光调制器。
在另外的优选实施例中，用于雕刻的设备还包括雕刻功率控制设备，其被配置为选择性地掩蔽多个分裂光束中的至少一个，从而将入射到工件上的总光束功率限制为未掩蔽的分裂光束的光束功率。
在另外的优选实施例中，该分束设备包括空间光调制器(SLM)。
在另外的优选实施例中，该自动聚焦系统包括发射探测光束的探测光源，该探测光源被配置为低相干光源，并且该探测光源还被配置为通过显微镜物镜将探测光束引导到工件；干涉测量装置，其包括参考路径和测量路径，被配置为接收在工件上反射之后的探测光束作为测量路径，并且参考路径通过在所确定的路径上发送探测光束而获得，所确定的路径包括被配置为模仿所述显微镜物镜的参考透镜和被配置为模仿所述工件的反射镜，此外，由此，参考路径具有给定的固定预定长度，使得参考路径的给定的固定预定长度与测量路径长度之间的差小于低相干光源的空间相干长度，此外，由此，干涉测量装置被配置为组合从参考路径射出的参考光束和从测量路径射出的测量光束，以便使它们干涉并输出干涉光谱；光谱仪，其被配置为读取干涉测量装置的干涉光谱输出并输出光谱；计算单元，其被配置为输入来自光谱仪的光谱、对其进行分析并计算定位数据；微致动器，其被配置为使显微镜物镜移动；和数字/模拟转换器，其接收定位数据并向微致动器输出驱动信号，以便将工件保持在分裂光束的相应焦点中。
在另外的优选实施例中，该自动聚焦系统包括发射探测光束的探测光源，该探测光源被配置为低相干光源，并且探测光源还被配置为通过显微镜物镜将探测光束引导至工件；干涉测量装置，其包括参考路径和测量路径，被配置为接收在工件上反射之后的探测光束作为测量路径，并且参考路径通过在所确定的路径上发送探测光束而获得，所确定的路径包括被配置为模仿所述显微镜物镜的参考透镜和被配置为模仿所述工件的反射镜，此外，由此，参考路径具有给定的固定预定长度，使得参考路径的给定的固定预定长度与测量路径长度之间的差小于低相干光源的空间相干长度，此外，由此，干涉测量装置被配置为组合从参考路径射出的参考光束和从测量路径射出的测量光束，以便使它们干涉并输出干涉光谱；光谱仪，其被配置为读取干涉测量装置的干涉光谱输出并输出光谱；计算单元，其被配置为输入来自光谱仪的光谱、对其进行分析并计算定位数据；微致动器，其被配置为使定位设备移动；和数字/模拟转换器，其接收定位数据并向微致动器输出驱动信号，以便将工件保持在分裂光束的相应焦点中。
在第二方面，本发明提供一种在工件上雕刻衍射光栅的方法，包括提供激光束；通过控制激光束的直径和光强分布形成激光束，并输出主激光束；将主激光束分成多束分裂光束以用于雕刻；用显微镜物镜将相应的分裂光束聚焦在工件上；通过产生用于调整和保持显微镜物镜与工件之间的距离以便保持分裂光束在工件上的相应焦点的定位信号来自动聚焦相应的分裂分束，并输出定位信号；在微致动器的输入处接收定位信号，和用微致动器执行显微镜物镜与工件之间的距离的调整，从而以闭环执行自动聚焦和距离的调整；通过定位设备执行分裂光束的相应焦点中的工件与光学装置之间的相对定位，并根据用于衍射光栅的雕刻指令控制定位设备和激光器并在工件上雕刻衍射光栅。
在另外的优选实施例中，用于雕刻的方法还包括通过包括光调制器的功率调节器调整激光束的功率的步骤。
在另外的优选实施例中，用于雕刻的方法还包括通过选择性地掩蔽多个分裂光束中的至少一个来控制雕刻功率的步骤，从而将入射在工件上的总光束功率限制为未掩蔽的分裂光束的光束功率。
在另外的优选实施例中，将主激光束分成多个分裂光束，以用于雕刻包括利用空间光调制器(SLM)。
在另外的优选实施例中，自动聚焦的步骤包括用探测光源发射探测光束，该探测光源被配置为低相干光源，发射包括通过显微镜物镜将探测光束引导至工件；实现具有参考路径和测量路径的干涉测量装置，由此，探测光束在测量路径中被引导穿过显微镜物镜并在工件上反射，并且探测光束进一步被分裂并通过在所确定的路径上发送探测光束而在参考路径中被引导，所确定的路径包括被配置为模仿所述显微镜物镜的参考透镜和被配置为模仿所述工件的反射镜，此外，由此，参考路径长度与测量路径长度之间的差小于低相干光源的空间相干长度，此外，由此，干涉测量装置被配置为组合从参考路径射出的参考光束和从测量路径射出的测量光束，以便使它们干涉并输出干涉光谱；通过光谱仪读取干涉测量装置的干涉光谱输出并输出光谱；将来自光谱仪的光谱输入计算单元并对其进行分析并计算定位数据；通过微致动器使显微镜物镜移动；和在数字/模拟转换器中接收定位数据并向微致动器输出驱动信号，以便将工件保持在分裂光束的相应焦点中。
在另外的优选实施例中，自动聚焦的步骤包括用探测光源发射探测光束，该探测光源被配置为低相干光源，发射包括通过显微镜物镜将探测光束引导至工件；实现具有参考路径和测量路径的干涉测量装置，由此，探测光束在测量路径中被引导穿过显微镜物镜并在工件上反射，并且探测光束进一步被分裂并通过在所确定的路径上发送探测光束而在参考路径中被引导，所确定的路径包括被配置为模仿所述显微镜物镜的参考透镜和被配置为模仿所述工件的反射镜，此外，由此，参考路径长度与测量路径长度之间差小于低相干光源的空间相干长度，此外，由此，干涉测量装置被配置为组合从参考路径射出的参考光束和从测量路径射出的测量光束，以便使它们干涉并输出干涉光谱；通过光谱仪读取干涉测量装置的干涉光谱输出并输出光谱；将来自光谱仪的光谱输入计算单元并对其进行分析并计算定位数据；通过微致动器使定位设备移动；和在数字/模拟转换器中接收定位数据并向微致动器输出驱动信号，以便将工件保持在分裂光束的相应焦点中。
附图说明
通过对本发明的优选示例实施例的详细描述并参考附图，将更好地理解本发明，在附图中：
图1是根据本发明示例实施例的用于衍射光栅的光学雕刻的设备的示意性概览；
图2是根据本发明另外的示例实施例的用于衍射光栅的光学雕刻的设备的示意性概览；
图3包含示出根据本发明示例实施例的用于在工件上雕刻衍射光栅的方法的流程图；
图4A和4B示出在非衍射表面(4A)的情况下成功被使用的现有技术的自动聚焦系统以及在衍射结构(4B)的情况下其会如何功能失常；
图5示意性地示出了根据使用本发明的示例雕刻的工件的表面上的一系列焦点和自动聚焦光斑：
图6A、6B和6C示意性地示出了根据本发明的在3个不同时刻的第一雕刻情景；
图7A、7B和7C示意性地示出了根据本发明的在3个不同时刻的第二雕刻情景；
图8包含由于使用现有技术的自动聚焦系统而产生的雕刻的衍射图案的照片；
图9包含根据示例实施例的由本发明产生的雕刻的衍射图案的照片；
图10示出了根据本发明示例实施例的基于光学相干断层扫描的自动聚焦系统；
图11是根据设备的示例实施例的具有自动聚焦系统的聚焦头的示意性描述；
图12示意性地示出了根据本发明示例实施例的通过分裂光束雕刻衍射光栅；
图13是根据示例实施例的光束成形设备的示意图；
图14包含SLM分束装置；
图15包含分束装置的两个示例图示；
图16包含示出根据示例实施例的用于计算SLM设备的相位的算法的流程图；
图17A和17B示出光束和重构平面的两个图示，第一图示(17A)示出其中零阶主要对雕刻中的过功率(over-powering)做出贡献的配置，而第二图示(17B)示出重构平面的移位位置，其中，一阶光束主要对雕刻做出贡献；
图18示出在SLM中使用菲涅耳相位，以便相对于创建的分裂光束的零阶移位重构平面；
图19示出根据示例实施例的包括光束掩蔽设备的功率控制机构；
图20示出根据本发明示例实施例的用于工件的定位设备；
图21示出根据本发明示例实施例的分裂光束在工件表面上的聚焦；
图22示出使用根据本发明构造的压纹辊的压纹装置的示例；
图23示出使用根据本发明构造的注射模制嵌件的注射模制装置的示例；
图24描绘了第三用例示例，其中，在手表表壳上已经用根据本发明的装置雕刻了光栅；
图25示出了另外的用例示例，其中，用根据本发明的雕刻获得的压纹工具压纹的光栅已经被转移到泡罩包装的膜；
图26示出了另外的用例示例，其中，光栅已从用根据本发明的雕刻获得的雕刻的压纹辊转移到食品包装；和
图27示出了另外的用例，其中，光栅已从用根据本发明的雕刻获得的雕刻的压纹辊转移到带有预固化聚合物涂层的膜中。
贯穿附图将使用相同的附图标记来表示相同或相似的特征和项目。
具体实施方式
本发明涉及用于在工件上雕刻衍射光栅的设备和方法。工件通常可以包括金属(举例来说，例如钢)、陶瓷或玻璃中的任何一种。工件表面应符合一定的粗糙度标准，以便使衍射光栅能够呈现这样的效果，并通过衍射入射光产生典型的效果。因此，表面粗糙度标准优于N2。工件可以是例如平面形状或圆柱形形状。
用于雕刻的设备的示例实施例
参考图1，其提供用于在工件101上雕刻衍射光栅(未示出衍射光栅)的设备100的示例实施例的示意性概览。
用于雕刻的设备100包括光学装置，该光学装置包括激光器102、光束成形设备103、分束设备104和聚焦头105。
激光器102被配置为输出激光束106。
光束成形设备103被配置为控制激光束的直径d和激光束中的光强度分布(未示出)，并输出主激光束107。
分束设备104被配置用于将主激光束107分成多个分裂光束108，在图1中将该多个分裂光束表示为一个光束，以便更容易阅读。多个分裂光束108用于雕刻工件101。
聚焦头105包括显微镜物镜109，其被配置为将相应的分裂光束聚焦在工件101上的相应焦点(相应的分裂光束和相应的焦点未示出)中。其还包括自动聚焦系统110，该自动聚焦系统被配置为产生用于调整和保持显微镜物镜109与工件101之间的距离以便保持分裂光束在工件101上的相应焦点的定位信号，由此，自动聚焦系统110还被配置为输出该定位信号。
在优选实施例中，显微镜物镜109与工件101之间的距离可以通过微致动器111根据定位信号进行调整。分束器112可以被配置为使多个分裂光束108在聚焦头105内部偏转并允许从自动聚焦系统110输出的测量光束113在自动聚焦系统110和工件101之间延伸。
用于雕刻衍射光栅的设备100还包括定位设备114，其被配置为执行分裂光束的相应焦点中的工件101与光学装置(更具体地，聚焦头105)之间的相对定位。
控制器115被配置为根据用于衍射光栅的雕刻指令(未示出)控制定位设备114和激光器102。
在优选实施例中，控制器还可以被配置为控制分束设备104和/或自动聚焦系统110。
现在参考图2，其包含根据本发明另外的示例实施例的用于衍射光栅的光学雕刻的设备200的示意性概览。
在图2中，为了更好的可读性，控制器115被省去，即未示出，但是其为设备200的特征并且可以以与图1中所解释的类似的方式连接。
在图2的示例中，激光器102可以输出脉冲飞秒激光束106，其波长为515nm、脉冲持续时间小于1000fs、频率在50至200kHz范围内、平均功率小于5W、线性偏振并且强度呈高斯分布。
功率调节器201被放置在激光束106中，以降低激光束的总功率并输出激光束206。为此，激光束106穿过被配置为旋转偏振的第一半波片207。然后，第一偏振分束器208过滤激光束，将其一部分分裂到光束收集器(beam dump)212。在优选实施例中，激光束206的功率可以被减小并调整至小于1W。该方法在激光对于光学装置的部件(例如，对于可以被实现为SLM(空间光调制器)头并且可能被损坏的分束设备209)来说太强时特别有用。第二半波片210旋转激光束的偏振，使得其与SLM头209的SLM屏幕(screen)211的优化偏振一致。
然后，将功率被调整的激光束206引导通过光束成形设备103。该光束成形设备103优选地包括光束扩束器213，其被配置为加宽(例如以大于2×的放大率)激光束206的大小，以获得作为扩束光束的主激光束107。光圈(iris)214被插入到扩束光束中以选择扩束光束的中心部分。由于大高斯分布和小光圈的组合，与主激光束107对应的扩束光束的选择的中心部分可以被近似为平坦分布。值得注意的是，这种方法被认为比使用诸如平顶整形器(top hat shaper，未示出)的光束成形设备更好，因为这样的平顶整形器对于输入光束的取向、定位和大小非常敏感，而此处所示的方法不太容易出现定位错误。然而，可以考虑替代的光束成形设备来实现本发明。
主激光束107在反射器215上被引导至SLM屏幕211的中心。光束成形设备103的光圈214被设置为使得主激光束107的大小与SLM屏幕211的有效部分(active part)的大小匹配。在SLM屏幕211上，我们在SLM屏幕的有效区域222内显示相位图像，该相位图像将改变落在位于SLM屏幕的有效区域内222的区域223上的激光主光束107的相位。SLM屏幕211可以包括能够在0和2pi之间移动光的入射相位的LCoS(硅基液晶)显示器。可以使用Gerchberg-Saxton算法来计算要显示的相位，以生成多个分裂光束108，即，以给定距离分开的分裂光束阵列。
返回到图2的装置，SLM屏幕211之后的重构透镜216被配置为将来自多个分裂光束108的单独的相移激光束聚焦到分裂光束首先出现的重构平面217中。在重构平面217中，重构相位的零阶(图2中未提及)对于多个分裂光束108的均匀性可能是一个问题。
第二偏振分束器218和第二光束收集器219被放置在多个分裂光束108中，以过滤原本将对零阶做出贡献的激光束的一部分。
可选的菲涅耳相位(未示出)可以被添加到SLM屏幕211上的计算相位，使得分裂光束108的重构平面217不与重构透镜216的焦平面(未示出)重合。在这样做时，重构透镜216根据所使用的菲涅耳相位在重构平面217之前或之后聚焦零阶。可以选择菲涅尔透镜参数(其焦距)，使得在其处重构分裂光束108的重构平面217从重构透镜216的焦平面移位期望的量(例如，大于10mm)。因为零阶将被聚焦到重构透镜216的焦平面中，因此零阶不再与分裂光束108同时聚焦，来自零阶的能量在重构平面217中的大区域上扩散并且将不干扰分裂光束108。
在图2的装置中，聚焦头105包括具有例如200mm焦距的镜筒透镜220。镜筒透镜220被配置为将图像从重构平面217发送到无穷远、朝向显微镜物镜109，该显微镜物镜可以被实现为无限远校正的显微镜物镜。需要该无限远校正的显微镜物镜，因为其将沿着其光路移动以进行自动聚焦。
在优选实施例中，显微镜物镜109可以具有大于20×的放大率、大于0.35的数值孔径、小于10mm的焦距以及小于10μm的景深。
显微镜物镜109用与显微镜物镜109和镜筒透镜220的放大率直接相关的缩小因子来创建重构平面217的图像。
由于显微镜物镜109的景深较浅，因此需要仔细调整聚点，使得分裂光束108所在的重构平面217的图像与工件101的表面221重合。
可以使用定位设备114将工件101移动到焦点位置。这以闭环方式完成。当工件101就位时，可以使用微致动器(为了更好的可读性而未在图2中示出，但从图1中已知，其在图1中具有附图标记111)(例如将显微镜物镜109移动几微米的压电驱动器)来执行焦点的精细调整，直到达到完美的聚焦位置。替代地，微致动器可以被应用于定位设备114。在另外的替代实施例中，定位设备114和显微镜物镜109中的每一个都可以使用单独的相应微致动器针对聚焦进行调整。代替压电驱动器，还可以使用微调电机或其他适当类型的微致动器。
控制器根据雕刻指令向定位设备发送输入，以在显微镜物镜前面横向移动工件以雕刻光栅。在此移动期间，工件可能会远离聚焦位置漂移。
控制器(图2中未示出，但从图1中已知，其在图1中带有附图标记115)还被配置为根据雕刻指令(也未示出)中表达的雕刻需要来打开和关闭激光器102。
图3包含示出根据本发明实施例的用于在工件上雕刻衍射光栅的方法的流程图。该方法包括在步骤300中提供激光束。在步骤301中，通过控制激光束的直径和光强分布并输出主激光束来形成激光束。在步骤302中，主激光束被分成多个分裂光束以用于雕刻。在步骤303中，用显微镜物镜将相应的分裂光束聚焦在工件上。在步骤304中，通过产生用于调整和保持显微镜和物镜与工件之间的距离以便保持分裂光束在工件上的相应焦点的定位信号，来自动聚焦相应的分裂光束。自动聚焦包括输出定位信号。在步骤305中，在微致动器的输入处接收定位信号，并且微致动器执行显微镜物镜与工件之间的距离的调整，由此，以闭环方式执行自动聚焦和距离调整。在步骤306中，通过定位设备执行分裂光束的相应焦点中的工件与光学装置之间的相对定位，并且根据用于衍射光栅的雕刻指令307控制定位设备和激光器并且对衍射光栅308进行雕刻。
自动聚焦系统110在雕刻期间跟踪表面221，以将其保持在显微镜物镜109的景深中。
申请人发现，当使用现有技术的自动聚焦系统时，这些自动聚焦系统表现出对衍射结构的雕刻扰乱其自动聚焦机构。在大多数相对“快速”的商用自动聚焦系统中，自动聚焦是使用傅科方法(Foucault method)完成的，其中，探测激光束401被刀刃405分成两半，如图4A和4B所示，图4A和4B包含使用傅科方法的自动聚焦系统工作的方式的示意图。跟随的表面400反射来自激光器402的探测激光束401，并且透镜403将探测激光束401成像在传感器404上。根据探测激光束401的图像的位置，自动聚焦机构可以检测工件406的位移。这通过图4A中的示例示出，其中，在图4A的左侧部分所示的位置和图4A的右侧部分所示的位置上，工件406失焦，而在图4A的中间部分中的位置上，工件406聚焦。然后，自动聚焦计算机(图4A和图4B中未示出)可以使用质心位置(图4A的中间部分中的位置)计算距焦点位置的位移。然后，自动聚焦计算机将校正信号发送到致动器(图4A中未示出)以通过移动显微镜物镜407或工件406来调整工件406的位置，该显微镜物镜407具有物镜焦距408。最终，无论表面400是否聚焦，这种自动聚焦都可以跟随表面400。
该方法对探测激光束401的反射敏感并且不太适用于表面400覆盖有衍射结构(例如我们在本发明中雕刻的那些衍射结构)的情况。当显微镜物镜407失焦时，工件406上的表面400上的结构将衍射探测激光。这将改变探测激光束401的反射角度，并且传感器404上的反射质心将不给出工件406的真实位置。因此，发送到致动器的校正信号将是错误的，并且物镜407将不高效地达到聚焦。
可能会发生自动聚焦情景的几种情况，这将从以下解释中变得显而易见。通常，自动聚焦系统会直接干扰正在被雕刻的光栅或在雕刻过程的早期部分中以被雕刻的光栅。
图5示意性地示出了来自用于在工件的表面502上光学雕刻衍射光栅的设备的聚焦分裂光束的一系列焦点501(分裂光束和设备未在图5中示出)以及由设备的自动聚焦系统(图5中未示出)产生的自动聚焦光斑503。自动聚焦光斑503被投影在用于光学雕刻衍射光栅的设备的显微镜物镜(图5中未示出)的视场504内的焦点501附近的表面502上。
现在参考图6A、图6B和图6C，这些图示出了第一雕刻情景，其中，雕刻期间工件的移动使得聚焦光斑503从不直接位于正在被雕刻的光栅601上方。图6A示出了与图5类似的工件的表面502的初始位置，而图6B示出了在工件的表面502已沿着方向602被移动距离m之后已经被雕刻的光栅601，并且图6C示出了在工件的表面502已沿着方向603被移动距离n+m之后已经被雕刻的光栅601。自动聚焦光斑503始终保持在表面502上并远离光栅601。
现在参考图7A、7B和7C，这些图示出了第二雕刻情景，其中，工件的表面502的移动使得聚焦光斑503可以在光栅701被雕刻之后越过光栅701，并且可能导致从现有技术已知自动聚焦功能失常。图7A示出了与图5类似的工件的表面502的初始位置，而图7B示出了在工件的表面502已沿着方向702被移动距离m之后已经被雕刻的光栅701并且聚焦光斑503位于光栅701的边界但尚未受到光栅701的影响，并且图7C示出了在工件的表面502已沿着方向703被移动距离n+m之后已经被雕刻的光栅701并且聚焦光斑503在光栅701上被反射。因此，在图7C中，光栅701可能导致从现有技术已知的自动聚焦功能失常，因为反射的聚焦光斑503变得过于扩散。
现在参考图8，其示出第三雕刻情景，其中，根据现有技术自动聚焦系统的技术实现的自动聚焦光斑(图8中未示出)可以越过工件的表面802上已经存在的第一衍射结构801的路径，这可能导致自动聚焦功能失常(图8中未示出自动聚焦)。图8通过照片示出了对包括第一衍射结构801和第二衍射结构803的表面802的各种雕刻，每个衍射结构包括基本上彼此平行的一组线性结构。第一衍射结构801的线性结构首先已被雕刻在表面803的最初光滑的表面上，并且在根据图6A至图6B的情景进行的该雕刻期间，自动聚焦没有受到扰乱。因此，衍射结构801的线在照片中都具有相对相同的外观。对于衍射结构803的线性结构的雕刻，应用了与图6A至图6B中相同的情景，并且自动聚焦必须扫过第一衍射结构801的竖直线性结构上方，这扰乱了位置读取并导致第二衍射结构803的线性结构的失焦部分，该失焦部分由线性结构的较亮部分804表示。
本专利申请的申请人实现了一种对工件的表面上的这样的衍射图案不敏感的新型自动聚焦系统。与图8所示的结果不同，用多个分裂光束和新型自动聚焦系统在工件上雕刻衍射光栅使得能够获得如通过照片在图9中示出的均匀质量的线性结构，该照片示出了衍射结构901和902，其中，各个线性结构均具有相同的质量，如用于示出线性结构的恒定填充903所指示的。
该解决方案涉及基于光学低相干干涉测量/断层扫描(OCT)原理的自动聚焦系统110的开发。
参考图10，其示意性地示出了根据本发明的自动聚焦系统的示例实施例。自动聚焦系统使用低相干光源1000来发射探测光束1001。低相干是指几nm的光谱带宽。探测光束1001穿过干涉测量装置。分束器1002将探测光束1001分成两个部分a和b。探测光束1001的部分a进入作为测量路径1004的干涉仪的第二臂。探测光束1001的部分b进入作为参考路径1003的干涉仪的一个臂。参考路径的长度1003和测量路径的长度1004之间的差小于接近测量路径1004的长度的低相干光源1000的相干长度。在参考路径1003的端部是透镜1005和反射镜1006，其模仿显微镜物镜1007和工件表面1008。在测量路径1004上，探测光束a穿过显微镜物镜1007并在工件表面1008上反射。然后，来自测量路径1004的探测光束a和来自参考路径1003的探测光束b通过分束器1002组合a+b并干涉。然后，光谱仪1009捕获两个探测光束a+b之间的干涉光谱，并将记录的光谱1010发送到计算机1011，在该计算机处，算法对记录的光谱执行傅里叶变换、从傅里叶变换获得与光路中的每个表面上的反射对应的一系列峰值并过滤峰值以隔离与工件上的反射对应的峰值，并且从后一个峰值确定工件表面距显微镜物镜1007的相对位置1012。定位数据1013是根据相对位置1012和工件的表面1008的预定义参考位置计算的。对工件表面距显微镜的相对位置的确定和根据相对位置和定位数据的预定义参考位置进行计算是根据光学相干断层扫描领域中周知的方法和计算技术进行的，并且在本描述中将不再详细描述。
根据该定位数据1013并根据工件1008的期望位置，计算机1011然后给出校正信号，即，到使显微镜物镜1007移动的微致动器1015(例如，压电致动器)的驱动信号1014，使得工件的表面1008保持在显微镜物镜1007的焦点上。替代地或附加地，驱动信号还可以被引导到定位系统1016，以使工件的表面1008移动从而保持在显微镜物镜1007的焦点上。
自动聚焦系统和微致动器可操作地以闭环连接，以便连续监测和调整工件与显微镜物镜之间的距离。
如图11所示，图11包含根据本发明的具有自动聚焦系统的聚焦头的示意性描述，计算机1011可以包括数字/模拟转换器1100，其被配置为接收定位数据1013并将其作为驱动信号1014输出。在图11中，多个分裂光束108还借助分束器112通过显微镜物镜1007联接。可选的CCD相机1101被配置为接收从表面1008反射的光，以实时观察表面1009。
自动聚焦需要以相对较高的速度工作以跟随工件的移动。例如，自动聚焦可以在高于10Hz的采样率下工作，使得位置始终紧密跟随表面，即处于闭环。定位系统1016的轴线可以例如以1mm/s的速度移动，这意味着自动聚焦最多以每轴线位移100微米检查和调整焦点的位置。
探测光束a在工件表面1008上的反射可能相对较强，因此可能掩盖来自显微镜物镜的内部光学器件和路径中的其他光学元件的反射。简单的数据过滤可以解算工件表面1008的实际位置。
由于OCT型自动聚焦不依赖于光在表面上反射的方式，因此其对衍射结构不敏感，并且可以在要跟随的表面正被雕刻有衍射结构的情况下高效地使用。此外，当雕刻已经带有衍射结构的表面时，即，当正在被雕刻的衍射结构被叠加在现有衍射结构上时，OCT型自动聚焦也很高效。
激光源
提供用于雕刻的能量的激光源可以选自各种不同的激光源。
由于SLM头的发热，因此可能需要限制激光功率和脉冲持续时间。因此，需要仔细调整这些参数。SLM LCoS头对温度变化非常敏感，并且应当优选进行冷却。此外，功率超过SLM头功率阈值的入射光可能会对其造成永久性损坏。
实际上，在常用的SLM器件中，如果SLM上的峰值功率密度高于20MW/cm2，则LCoS上存在损坏风险。对于CW激光器，损坏阈值对于冷却SLM头来说是60W/cm2的平均密度功率。
对于精确激光烧蚀，优选的实施例是使用飞秒激光器。然而，皮秒激光器也可以用于本申请。即使更长的脉冲持续时间也能有效，但结果可能会因我们正在雕刻的表面上的热影响而劣化。
参考图12，其示意性地示出了根据本发明的示例实施例的通过分裂光束对衍射光栅的雕刻。已经在工件的表面1202上以线1201形式产生来自多个分裂光束(分裂光束未示出)的多个激光冲击光斑(impact spot)。优选地，激光频率被选择为在1kHz和10MHz之间(图12中未示出激光)。激光的频率取决于工件的表面移动的速度，移动由箭头1200指示，并且两个连续激光脉冲之间的期望距离由表面1202上的两个连续激光冲击光斑之间的距离0d指示。分裂光束分布(由黑色圆圈1204示出)的用白色圆圈示出的重复对准冲击1203创建了光栅结构。通常，如果激光频率较高，则我们可以通过以较快的速度移动工件表面来获得连续激光冲击光斑之间相同距离0d。
激光的波长优选被选择为515nm。然而，其可以具有任何适当的值。
激光的偏振态优选为线性，因为LCoS屏幕对偏振敏感并且仅对水平偏振光起作用。如果激光不是偏振的，则可以添加偏振步骤，这相对简单。
显微镜物镜
显微镜物镜可以是用于激光雕刻的任何类型的显微镜物镜。
对于光栅的雕刻，我们需要具有小聚焦光斑，最多是期望周期的一半。如果我们要雕刻周期为1μm的光栅，则这意味着分裂光束的最大聚焦光斑直径为500nm。
根据这些信息，可以根据以下公式找到物镜数值孔径与激光波长之间所需的关系：
(聚焦光斑直径)≈2/pi*波长/(数值孔径)
因此，我们可以理解，为了更好的结果，波长必须小，而数值孔径必须大。
例如，对于343nm的“蓝光/UV”波长，物镜的数值孔径必须为至少0.44，以具有500nm的聚焦光斑直径。
对于515nm的“绿光”波长，物镜数值孔径必须为至少为0.66。
对于1030nm的“红外”波长，物镜数值孔径必须为至少1.3，如果没有浸液物镜(immersion objective)，则这是不可能的，而浸液物镜不是本申请的选择。
此外，两个分裂光束之间的最小距离也是需要考虑的因素。如果使用SLM，则该最小距离取决于SLM屏幕分辨率和重构透镜的焦距，公式如下：
(最小重构分离)＝2*(重构透镜焦距)*波长/(SLM像素宽度)/(SLM以像素计的宽度)
增加SLM上的像素数量(并且因此增加光束的大小)以及减小重构透镜的波长和焦距可以有助于减少最小重构分离。这种方法有局限性，因为当减小重构透镜的波长和焦距时，球面像差将变得占主导地位。更好的方法是利用显微镜物镜将具有给定放大率并充当缩小器以将重构平面的图像投影到工件表面上的事实。
在使用与SLM不同的分束器的情况下，我们具有不同的模拟参数，其调整对于本领域技术人员来说是周知的并且这里将不更详细地讨论。
光束成形设备
然后，功率被调整的激光束206被引导通过光束成形设备103。该光束成形设备103优选地包括光束扩束器213，其被配置为加宽激光束206的大小，例如以大于3×的放大率加宽，以获得作为扩束光束的主激光束107。光圈214被插入到扩束光束中以选择扩束光束的中心部分。由于大高斯分布和小光圈组合的组合，与主激光束107对应的扩束光束的选择的中心部分可以近似为平坦分布。
参考图13，其示出了根据本发明示例实施例的光束成形设备的示意图。其与图2的装置中所示的光束成形设备类似，因为其示出了功率被调整的激光束206被引导通过光束成形设备103。光束成形设备103包括扩束器213，其被配置为加宽激光束206的大小，以获得作为扩束光束的主激光束107。光圈214插入扩束光束中，以选择扩束光束的中心部分。由于大高斯分布和小光圈组合的组合，与主激光束107对应的扩束光束的选择的中心部分可以近似为平坦分布。
光束成形设备103可以包括被配置为首先将如图表1300中所示的具有半高全宽FWHM1的第一高斯强度分布的功率被调整的激光束206整形为如图表1301中所示的具有半高全宽FWHM2>FWHM1的第二更宽高斯强度分布、整形为如图表1302中所示的具有半高全宽FWHM3的平顶强度分布的主激光束107的任何元件。
这样的元件可以例如包括能够产生任何种类的任意光束分布的全息板。
还可以使用一系列光学元件，其形状被设计为将高斯分布变形为平顶(例如折射光束成形设备)。
优选地，本发明利用主激光束107的特定光束形状和直径，为此特别地创建了全息元件或光学元件。此外，它们需要非常精细的对准以取得期望的结果。
分束设备
本发明优选地利用SLM(空间光调制器)以创建分裂光束。图14示意性地示出了一个示例SLM分束装置，其中，主激光束107到达SLM 1400的硅基液晶(LCoS)显示器1401并在其上反射以获得多个分裂光束108。然后，后者被引导通过重构透镜216以被聚焦为重构平面217中的对应多个点，重构平面217与重构透镜216相距重构长度1402。
参考图15，在另外的实施例中，本发明可以利用不同的分束设备，举例来说，例如具有透射全息板(holographic plate in transmission)1501的装置1500或具有反射全息板(holographic plate in reflexion)1503的装置1502，其分别将把入射的主激光束107分成任何期望配置的分裂光束108。
未示出的另一示例可以是在其中全息板固定在旋转支架上以使分裂光束分布旋转的装置。全息板可以与或不与聚焦透镜一起使用，以创建分裂光束分布。
未示出的另外的示例可以涉及使用光栅(透射(in transmission)光栅或反射(inreflexion)光栅)，例如达曼光栅来代替SLM，以在被透镜聚焦后生成分裂光束分布。这与具有全息板的装置类似。
未示出的另外的示例可以涉及使用SLM，其中，相位不断变化，并且在这种情况下，可以在进行雕刻时即时(on the fly)改变分裂光束的数量。然后，还可以即时改变分裂光束的一些参数，例如分裂光束之间的距离或其在重构平面中的分布。
空间光调制器(SLM)
按照定义，空间光调制器是一种修改与之相互作用的激光束相位的设备。
对于要通过SLM获得的给定分裂光束分布，我们用迭代相位检索傅里叶算法(例如Gerchberg-Saxton算法)来计算要被显示的相位。图16包含示出了根据示例实施例的用于计算SLM设备的相位的算法的流程图。
在图16的算法中，我们从附图标记为1600的随机相位和与所用激光的幅度A对应的恒定幅度1601开始。我们对由随机相位和恒定幅度A组成的复图像(i是虚数单位符号)进行傅里叶变换1602。该傅里叶变换1602的结果实际上是重构平面1608。我们计算表示重构平面的所得图像1603的相位并且添加1605期望的分裂光束分布S1604作为新的复图像的幅度。然后，我们获取该复图像并进行傅立叶逆变换1606以获得新的复图像以返回到SLM屏幕1607。然后，我们从该新的复图像提取1609相位其是需要发送到SLM以显示期望的分裂光束分布(未示出)的相位。
通过将该算法作为循环运行多次(例如1到100次)可以提高重构效率。
在SLM之后，我们放置重构透镜，以便对光的相位进行傅里叶变换，并在透镜的傅里叶平面中获得期望的分裂光束分布。这例如在图2中由具有附图标记216的特征示出。
图17A和17B示出了激光主光束107和重构平面1701、1704的两个图示，由此，重构平面1701与SLM 1706相距重构长度1707，图17A示出了其中零阶1700主要对雕刻(雕刻未示出)中的过功率做出贡献的配置，并且图17B示出了重构平面1704的移位位置，其中，一阶光束主要对雕刻(雕刻未示出)做出贡献。
参考图17A，理想地，来自受SLM影响的激光主光束的所有能量将被重新排列成期望的分布。不幸的是，能量的某些部分将不受影响，因为SLM 1706在每个像素之间具有空间(图17中未示出)，在该空间中光被散射并且不被完美地控制。这部分光和光的不受控制的其他部分将有助于在傅里叶平面1705/重构透镜1702的重构平面1701中零阶1700的出现(apparition)。
为了解决这个问题，我们可以使用以下两种方法之一。
第一种方法(未示出)在于使用偏振分束器去除尽可能多的不受SLM显示器影响的光。如果SLM显示器被配置为对水平偏振光起作用，则该偏振分束器拒绝垂直偏振光。
图17B所示的第二种方法在于将菲涅耳透镜1703的菲涅耳相位添加到根据Gerchberg-Saxton算法计算的相位。该菲涅尔相位将使平面1704移动，在该平面1704处，远离重构透镜1702的傅里叶平面1701重构分裂光束，在图17B的情况下，在距重构透镜1702的新的重构长度1708处重构分裂光束。
图18示出了在SLM 1706处用菲涅耳透镜1703使用菲涅耳相位以便相对于创建的分裂光束的零阶1700移位重构平面1704的另外的示例。图18还示出了对零阶做出贡献的光束1800和对分裂光束分布做出贡献的光束1801。
可以使用以下公式计算移位的重构平面1704的新位置：
(距重构透镜的新距离)＝(重构透镜焦距)×((菲涅尔焦距)-1)/(重构透镜焦距+菲涅尔焦距-SLM与重构透镜之间的距离)
R＝f(F-d)/(f+F–d)
功率控制设备
图19示出了根据示例实施例的包括光束掩蔽设备的功率控制机构。该功率控制机构是图2所示的功率控制机构218、219的优选实施例。
功率控制机构的目标是调整分裂光束分布的功率，以便在所有分束上以相似的光通量完成雕刻。
SLM头1900上的主激光束107具有恒定功率，并且多个分裂光束108中的分裂光束功率分布取决于被重构的分裂光束的数量。给定数量的分裂光束给出了每个分裂光束的特定光通量。如果我们希望改变分裂光束的数量，例如，以同时用更少的分裂光束进行雕刻，并且激光功率保持不变，则分裂光束之间的功率分布会发生变化，并且与在其他分布中相比，每个分裂光束具有更大的光通量或更低的光通量。
为了解决这个问题，我们可以引入掩蔽设备1901。该掩蔽设备1901位于与重构平面1902重合的位置。可以使用内部功率或功率调节器(例如图2所示的功率调节器201)或例如光调制器来设置激光器(激光器未示出)的功率，使得当使用分裂光束的最大分布时达到每个分裂光束的期望光通量。
当用不同数量的分裂光束进行雕刻时，为了补偿功率，我们在重构平面1902中保留相同数量的分裂光束，但是我们将不需要的分裂光束的位置移位到将被掩蔽设备1901阻挡的区域中。
最终，如上文已经提到的，还可以通过改变激光器的功率或通过控制光调制器来调整分裂光束分布的功率。但这两个选项相对较慢，并且可能在雕刻过程中引入一些延迟。
当使用功率控制设备时，唯一需要的步骤是通过考虑需要被掩蔽的分裂光束来计算分裂光束分布的相位。当显示新分布的新相位时，在没有额外的延迟的情况下对光斑执行功率调整。附图标记1903和1904示出了功率控制的示例，其中，光束分布的不同相位导致不同的光束被掩蔽。附图标记1905指向掩蔽设备1905的边界，而附图标记1906指示重构平面1902的边界。在示例1903中，相位通过SLM被设置为具有分布在由掩蔽设备1905的边界界定的重构平面的区域中的2条平行线上的16个光束。在示例1904中，通过SLM设置的相位被改变，使得在由掩蔽设备1905的边界界定的重构平面的区域中仅重构分布在一条直线上的8个光束。成对1907地在掩蔽设备上重构剩余的8个光束，从而降低了用于雕刻的总功率，因为剩余的8个光束被有效地阻挡。
定位设备
定位设备(举例来说，例如图2中所示的定位设备114)被配置为保持工件并将工件作为整体移动到显微镜物镜或光学装置的前面。
参考图20，该装置的另外两个实施例，定位设备可以分别分布在图20的上部部分的平面工件2000或图20的下部部分的圆柱形工件2001与整个光学装置2002和2003之间。例如，光学装置2002或2003将被允许在水平轴线X上平移，而在对板雕刻时工件2000可沿着竖直轴线Y移动，并且圆柱形工件2001将在旋转轴线2004上，以在对辊雕刻时在方向R上旋转。
通过移动光学装置2002、2003或工件2000、2001或两者的组合，一个或两个轴线组合地控制聚焦头(图20中未示出)和工件之间在Z方向上的距离。
虚线圆圈2005指示圆柱形工件2001的表面2006上的位置，其中，来自光学装置2003的光2007包括在其相应的焦点中冲击表面2006的分裂光束和自动聚焦探测光束(分裂光束和探测光束未示出)。这在图21中进行了说明，其中，在圆柱形工件2001的表面2006处示出了分裂光束的相应焦点2100。图21中未示出聚焦的自动聚焦探测光束的焦点。光学装置2003中的显微镜物镜2101(图21中未示出)被配置为聚焦分裂光束2007和自动聚焦探测光束。
轴线的移动优选满足在100mm上最大跟踪误差为+/-5μm的准确度以及在整个行进距离上重复性为+/-10μm的可重复度。
这些轴线还可以被配置为以大于10mm/s、通常低于10m/s的速度移动工件2000、2001的表面。雕刻速度取决于激光频率、聚焦光斑直径以及两个激光脉冲之间的期望距离，公式如下：
(两个脉冲之间的距离)＝(表面速度)/(激光频率)
本发明优选用例的示例
如图22中的优选用例的第一示例所示，工件可以是具有轴向圆柱形对称性的压纹辊2200，例如直径在10mm和250mm之间并且长度在50mm和1500mm之间的钢辊。根据本发明，压纹辊2200可以在其横向表面上构造有雕刻图案2205，使得衍射光栅2201、2202、2203被雕刻在其横向表面上，如雕刻2205的放大视图2204所示。压纹辊2200可以用作压纹工具，以便雕刻诸如箔2206的产品并获得压纹图案2207，其中，压纹衍射光栅或构成计算机生成的全息图2207-1、2207-2、2207-3的光栅如压纹的放大视图2209中表示，对应于衍射光栅2201、2202、2203。压纹衍射光栅可用于实现例如美学、设计、认证、品牌传播等目的。如此雕刻的压纹辊2200可以安装在压纹装置(图22中未示出)中，例如安装在具有两个辊的装置中，该两个辊即雕刻的压纹辊2200和反向辊2208，而后者在此处描绘的示例中是光滑的。
本发明的该优选用例适用于使用如图22所示的旋转过程对厚度在大约5μm至500μm范围内的薄膜或薄包装箔进行精细压纹。这在食品业、制药、日用品、烟草业、奢侈品等中是周知的，以使用旋转压纹辊对薄包装薄膜和箔进行压纹。这样的薄包装箔可用于包裹一堆香烟或降低风险的烟草产品，或用作咖啡或茶片、巧克力、黄油或类似食品以及药品、香水、电子产品、珠宝或手表的包装材料。压纹薄膜或箔可以例如是包括下列的列表中的任一种：金属箔、与有机基材层压的金属箔、与有机基材例如纸层压的塑料膜、与有机基材例如纸层压的聚合物膜、金属化聚合物膜、聚合物膜、混合聚合物膜或一般混合物。
图23描绘本发明的第二优选用例示例，其中，工件2300的横向尺寸(即，长度、宽度、高度)可以小于200mm，其具有至少一个空腔2301，并且可以使用作为注射模制模具，根据本发明而构造，以便实现将使用模制模具制造的物体的美学、设计、认证、品牌传播等目的。
本发明的该优选的第二用例示例适用于通过注射模制将雕刻的衍射光栅2302转移到熔融聚合物2303中，而熔融聚合物完全填充工件2300的至少一个空腔2301并且在冷却时固化并因此构建具有至少一个空腔的形状的塑料零件以及在其外表面上转移的衍射光栅2304。聚合物可以例如是包括聚碳酸酯、聚丙烯、聚苯乙烯、PMMA、等级混合聚合物或一般混合物的列表中的任何一种。
图24描绘本发明的第三优选用例示例，其中，工件2400的横向尺寸，(即长度、宽度、高度)可以小于100mm，并且其可以用作珠宝零件，作为手表部件，例如作为手表表壳。
可以使用根据本发明的设备在工件2400的外表面上雕刻至少一个衍射光栅2401，以实现例如美学、设计、认证、品牌传播等目的。工件2400优选是金属的，例如由钢、金合金、铂或任何贵金属合金制成，并且其外表面可以表现出比N2精加工等级更好的表面粗糙度。
根据本发明，雕刻图案2401可以由被雕刻在工件2400的特定元件上的衍射光栅或构成计算机生成的全息图的光栅组成。
图25示出本发明的另外的优选用例示例，其中，衍射光栅或构成计算机生成的全息图的光栅被雕刻到辊(图中未示出)上，然后以图22所示的方式被转移到泡罩包装2500的组成薄膜。泡罩包装用于各种行业，例如药品、食品、烟草等，并且主要由基于聚合物的膜2501(例如厚度在50μm和150μm之间的涂覆PET)和基于金属的膜2502(例如厚度在20μm和50μm之间的铝箔)组成，并且基于聚合物的膜2501和基于金属的膜2502被密封在一起，从而构成用于待包装产品的袋2504。基于聚合物的膜2501或基于金属的膜2502中的至少一者可以使用根据本发明雕刻的辊进行压纹，如图22所示，使得至少一个膜嵌入包含衍射光栅或构成计算机生成的全息图的光栅的雕刻图案2503，以便实现美学、设计、认证、品牌传播等目的。
图26示出了本发明的另外的优选用例示例，其中，衍射光栅或构成计算机生成的全息图的光栅被雕刻到辊(图中未示出)上，然后如图22所示被转移到基于金属的膜2602，例如厚度在5μm和25μm之间的铝膜，属于食品包装2600，包裹和保存食品2601，例如巧克力。
基于金属的膜2602可以使用根据本发明雕刻的辊进行压纹，如图22所示，使得其嵌入包含衍射光栅或构成计算机生成的全息图的光栅的雕刻图案2603，以便实现美学、设计、认证、品牌传播等目的。
优选用例的另外的示例在图27中解释。根据本发明，在辊2705上雕刻衍射光栅或构成计算机生成的全息图的光栅，并且辊2705与膜2701结合使用，膜2701可以是包括下列的列表中的任一种：金属箔、与有机基材层压的金属箔、与有机基材例如纸层压的塑料膜、与有机基材例如纸层压的聚合物膜、金属化聚合物膜、聚合物膜、混合聚合物膜或一般混合物。膜2701由单元2703前面的引导辊2702引导，单元2703将透明或半透明有机材料沉积到膜2701上，该透明或半透明有机材料例如为可以使用IR或UV辐射固化的树脂或清漆，并将其预固化成带有预固化聚合物涂层的膜2704。
膜2704在带有包含衍射光栅2710、2711、2711或构成计算机生成的全息图的光栅的雕刻图案2706的雕刻辊2705与光滑辊2707之间被引导。雕刻图案2706被压印到膜2704中，然后膜2704传送到最终固化站2708前面。结果，获得膜2709，其由膜2701和带有包含衍射光栅2714-1、2714-2、2714-3或构成计算机生成的全息图的光栅的雕刻图案2706的压纹2713的固化的透明或半透明有机材料组成，以便实现美学、设计、认证、品牌传播等目的。

Claims (12)

1.一种用于在工件上雕刻衍射光栅的设备，所述设备包括：
光学装置，所述光学装置包括激光器(102)、光束成形设备(103)、分束设备(104)和聚焦头(105)；
所述激光器(102)被配置为输出激光束(106)；
所述光束成形设备(103)被配置为控制所述激光束(106)的直径和光强分布，并输出主激光束(107)；
所述分束设备(104)被配置为将所述主激光束(107)分成多个分裂光束(108)以用于雕刻；
所述聚焦头(105)包括：
显微镜物镜(109)，所述显微镜物镜被配置为将相应分裂光束聚焦在所述工件(101)上的相应的焦点中，
自动聚焦系统(110)，所述自动聚焦系统被配置为产生定位信号，所述定位信号用于调整和保持所述显微镜物镜(109)与所述工件(101)之间的距离，以便保持分裂光束在所述工件(101)上的相应焦点，并输出所述定位信号；和
微致动器(111)，所述微致动器被配置为接收所述定位信号并调整所述显微镜物镜(109)与所述工件(101)之间的距离，由此，所述自动聚焦系统和所述微致动器可操作地以闭环连接；
定位设备(114)，所述定位设备被配置为执行在分裂光束的相应焦点中的所述工件(101)与所述光学装置之间的相对定位；以及
控制器(115)，所述控制器被配置为根据用于衍射光栅的雕刻指令控制所述定位设备(114)和所述激光器(102)。
2.根据权利要求1所述的用于雕刻的设备，还包括：
功率调节器(201)，所述功率调节器包括被配置为调整所述激光束(106)的功率的光调制器。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的用于雕刻的设备，还包括：
雕刻功率控制设备，所述雕刻功率控制设备被配置为选择性地掩蔽所述多个分裂光束中的至少一个，从而将入射到所述工件上的总光束功率限制为未掩蔽的分裂光束的光束功率。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于雕刻的设备，其中，所述分束设备包括：空间光调制器(SLM)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的用于雕刻的设备，其中，
所述自动聚焦系统包括：
探测光源，所述探测光源发射探测光束，所述探测光源被配置为低相干光源并且所述探测光源还被配置为通过所述显微镜物镜将所述探测光束引导至所述工件；
干涉测量装置，所述干涉测量装置包括参考路径和测量路径，被配置为接收在所述工件上反射之后的探测光束作为所述测量路径，并且所述参考路径通过在所确定的路径上发送所述探测光束而获得，所确定的路径包括被配置为模仿所述显微镜物镜的参考透镜和被配置为模仿所述工件的反射镜，此外，由此，所述参考路径具有给定的固定预定长度，使得所述参考路径的给定的固定预定长度与测量路径长度之间的差小于所述低相干光源的空间相干长度，此外，由此，所述干涉测量装置被配置为组合从所述参考路径射出的参考光束和从所述测量路径射出的测量光束，以便使所述参考光束和所述测量光束干涉并输出干涉光谱；
光谱仪，所述光谱仪被配置为读取所述干涉测量装置的干涉光谱输出并输出光谱；
计算单元，所述计算单元被配置为输入来自所述光谱仪的光谱、对所述光谱进行分析并计算定位数据；
微致动器，所述微致动器被配置为使所述显微镜物镜移动；和
数字/模拟转换器，所述数字/模拟转换器接收所述定位数据并向所述微致动器输出驱动信号，以便将所述工件保持在分裂光束的相应焦点中。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的用于雕刻的设备，其中，
所述自动聚焦系统包括：
探测光源，所述探测光源发射探测光束，所述探测光源被配置为低相干光源，并且所述探测光源还被配置为通过所述显微镜物镜将所述探测光束引导至所述工件；
干涉测量装置，所述干涉测量装置包括参考路径和测量路径，被配置为接收在所述工件上反射之后的探测光束作为测量路径，并且所述参考路径通过在所确定的路径上发送所述探测光束而获得，所确定的路径包括被配置为模仿所述显微镜物镜的参考透镜和被配置为模仿所述工件的反射镜，此外，由此，所述参考路径具有给定的固定预定长度，使得所述参考路径的给定的固定预定长度与测量路径长度之间的差小于所述低相干光源的空间相干长度，此外，由此，所述干涉测量装置被配置为组合从所述参考路径射出的参考光束和从所述测量路径射出的测量光束，以便使所述参考光束和所述测量光束干涉并输出干涉光谱；
光谱仪，所述光谱仪被配置为读取所述干涉测量装置的干涉光谱输出并输出光谱；
计算单元，所述计算单元被配置为输入来自所述光谱仪的光谱、对所述光谱进行分析并计算定位数据；
微致动器，所述微致动器被配置为使所述定位设备移动；和
数字/模拟转换器，所述数字/模拟转换器接收所述定位数据并向所述微致动器输出驱动信号，以便将所述工件保持在分裂光束的相应焦点中。
7.一种用于在工件上雕刻衍射光栅的方法，所述方法包括：
提供激光束(300)；
通过控制所述激光束的直径和光强分布来形成(301)所述激光束，并输出主激光束；
将所述主激光束分成(302)多个分裂光束以用于雕刻；
用显微镜物镜将相应的分裂光束聚焦(303)在所述工件上；
通过产生用于调整和保持所述显微镜物镜与所述工件之间的距离以便保持分裂光束在所述工件上的相应焦点的定位信号来自动聚焦(304)相应的分裂分束，并输出所述定位信号；
在微致动器的输入处接收(305)所述定位信号，和用所述微致动器(305)执行所述显微镜物镜与所述工件之间的距离的调整，从而以闭环执行自动聚焦和距离的调整；
通过定位设备执行(306)分裂光束的相应焦点中的所述工件与光学装置之间的相对定位，并根据用于衍射光栅的雕刻指令(307)控制(306)定位设备和激光器并在工件上雕刻衍射光栅(308)。
8.根据权利要求7所述的用于雕刻的方法，还包括以下步骤：
通过包括光调制器的功率调节器来调整所述激光束的功率。
9.根据权利要求7或8所述的用于雕刻的方法，还包括以下步骤：
通过选择性地掩蔽所述多个分裂光束中的至少一个来控制雕刻功率，从而将入射在所述工件上的总光束功率限制为未掩蔽的分裂光束的光束功率。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的用于雕刻的方法，其中，
将所述主激光束分成多个分裂光束以用于雕刻包括利用空间光调制器(SLM)。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的用于雕刻的方法，其中，
自动聚焦的步骤包括：
用探测光源发射探测光束，所述探测光源被配置为低相干光源，所述发射包括通过显微镜物镜将探测光束引导至所述工件；
实现具有参考路径和测量路径的干涉测量装置，由此，所述探测光束在测量路径中被引导穿过所述显微镜物镜并在所述工件上反射，并且所述探测光束进一步被分裂并通过在所确定的路径上发送所述探测光束而在所述参考路径中被引导，所确定的路径包括被配置为模仿所述显微镜物镜的参考透镜和被配置为模仿所述工件的反射镜，此外，由此，参考路径长度与测量路径长度之间的差小于所述低相干光源的空间相干长度，此外，由此，所述干涉测量装置被配置为组合从所述参考路径射出的参考光束和从所述测量路径射出的测量光束，以便使所述参考光束和所述测量光束干涉并输出干涉光谱；
通过光谱仪读取所述干涉测量装置的干涉光谱输出并输出光谱；
将来自所述光谱仪的光谱输入计算单元并对所述光谱进行分析，并计算定位数据；
通过微致动器使所述显微镜物镜移动；和
在数字/模拟转换器中接收所述定位数据并向所述微致动器输出驱动信号，以便将所述工件保持在分裂光束的相应焦点中。
12.根据权利要求7至10中任一项所述的用于雕刻的方法，其中：
自动聚焦的步骤包括：
用探测光源发射探测光束，所述探测光源被配置为低相干光源，所述发射包括通过显微镜物镜将探测光束引导至所述工件；
实现具有参考路径和测量路径的干涉测量装置，由此，所述探测光束在测量路径中被引导穿过所述显微镜物镜并在所述工件上反射，并且所述探测光束进一步被分裂并通过在所确定的路径上发送所述探测光束而在所述参考路径中被引导，所确定的路径包括被配置为模仿所述显微镜物镜的参考透镜和被配置为模仿所述工件的反射镜，此外，由此，所述参考路径长度与所述测量路径长度之间差小于低相干光源的空间相干长度，此外，由此，所述干涉测量装置被配置为组合从所述参考路径射出的参考光束和从所述测量路径射出的测量光束，以便使所述参考光束和所述测量光束干涉并输出干涉光谱；
通过光谱仪读取所述干涉测量装置的干涉光谱输出并输出光谱；
将来自所述光谱仪的光谱输入计算单元并对所述光谱进行分析，并计算定位数据；
通过微致动器使所述定位设备移动；和
在数字/模拟转换器中接收所述定位数据并向所述微致动器输出驱动信号，以便将所述工件保持在分裂光束的相应焦点中。
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