一种可变间距式多光束曝光加工系统及方法

技术领域

本发明属于激光加工领域，具体涉及一种可变间距式多光束曝光加工系统，同时还涉及一种可变间距式多光束曝光加工方法。

背景技术

多光束曝光技术是一种通过同时使用多个光束进行曝光的方法。使用特殊的光学器件生成多达数百个分束光束，然后通过并行处理来显著提高生产力和生产效率，在以往的单光束加工操作中，其输出只能在有限的范围内增加，部分原因是工件上的热负荷太高，因此，多束激光束的并行操作允许每个单独的分束激光束以最大效率运行，从而以几乎没有热应力的高效方式加工工件。

目前，多光束激光曝系统包括：用作光源的半导体激光器件；将此激光器件出射的激光束的直径缩小到预定大小的第一透镜组；将由第一透镜组缩小了的激光束连续地反射到与记录媒质输送方向相正交的方向的光偏转器；以及使光偏转器偏转的激光束在记录媒质预定位置上成像的第二透镜组。然而，该多光束激光曝系统，由于加工间距单一，面对不同间距加工需要开发多套与之对应的加工系统，结构复杂，体积大，而且更无法满足多间距加工的应用需求，同时所形成的激光加工效率低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种改进的可变间距式多光束曝光加工系统。

同时本发明还涉及一种可变间距式多光束曝光加工方法。

为解决以上技术问题，本发明采用如下技术方案：一种可变间距式多光束曝光加工系统，其包括延光线入射方向依次设置的微透镜阵列和激光缩束单元，微透镜阵列用于实现光斑聚焦，激光缩束单元包括外径逐级变小且中心对齐的第一光学柱面镜、第二光学柱面镜和第三光学柱面镜，其中微透镜阵列和第一光学柱面镜之间为固定光学间距；第一光学柱面镜与第二光学柱面镜之间、第二光学柱面镜与第三光学柱面镜之间为可变间距，且在所述激光缩束单元的处理下，光束缩小倍率为4x-6x，同时在成像面上产生聚焦的多光束之间间距为3.9-6.1mm。

优选地，第一光学柱面镜、第二光学柱面镜和第三光学柱面镜延光线入射方向依次分布，且三者的入射面均为凸面、出射面均为平面。

根据本发明的一个具体实施和优选方面，第一光学柱面镜、第二光学柱面镜和第三光学柱面镜的入射面曲率半径依次为r1、r2、r3，其中r1＞r3＞r2，r1＞r2+r3，同时，第一光学柱面镜、第二光学柱面镜和第三光学柱面镜的中心厚度为依次为h1、h2、h3，其中h1＜h3＜h2。在一些具体实施方式中，第一光学柱面镜入射面为凸面，出射面为平面，入射面曲率半径为849.36mm，中心厚度为7.87mm。第二光学柱面镜入射面为凸面，出射面为平面，入射面曲率半径为482.91mm。中心厚度为10.13mm。第三光学柱面镜入射面为凸面，出射面为平面。入射面曲率半径为585.33mm，中心厚度为7.98mm。

优选地，第一光学柱面镜和第二光学柱面镜之间光学间距在9.99～229.60mm之间可调；和/或，第二光学柱面镜和第三光学柱面镜光学间距在10.00～228.69mm之间可调。简言之，可以调节第二光学柱面镜和/或第三光学柱面镜的位置以改变光学间距，以达束缩小倍率为4x-6x，同时产生聚焦的多光束之间间距在3.9-6.1mm之需求。

在一些具体实施方式中，微透镜阵列、第一光学柱面镜、第二光学柱面镜和第三光学柱面镜中，每相邻两个光学元件之间的光学间距误差小于0.05mm；和/或，微透镜阵列、第一光学柱面镜、第二光学柱面镜和第三光学柱面镜的轴偏移均小于0.02mm，角度偏移小于0.5′。

优选地，微透镜阵列、第一光学柱面镜、第二光学柱面镜和第三光学柱面镜均由熔融石英制成。

进一步的，微透镜阵列光学焦距为400±5mm；和/或，固定光学间距为5～10mm；和/或，入射光束为等间距光束且平行入射经过微透镜阵列。

本发明的另一技术方案是：一种可变间距式多光束曝光加工方法，该方法采用多光束曝光加工系统，且包括如下步骤：

1)光路设定

将微透镜阵列、第一光学柱面镜、第二光学柱面镜和第三光学柱面镜延光线入射方向依次分布，且微透镜阵列和第一光学柱面镜之间所形成的固定光学间距为5～10mm，

2)光束聚焦调节

在设定的固定光学间距中，平行入射光束经过微透镜阵列后产生聚焦光束，并依次通过第一光学柱面镜、第二光学柱面镜和第三光学柱面镜的变倍缩束后，由所述第一光学柱面镜和所述第二光学柱面镜之间光学间距在9.99～229.60mm之间可调或者所述第二光学柱面镜和所述第三光学柱面镜光学间距在10.00～228.69mm之间可调，以改变光学间距，实现光束缩小倍率为4x-6x，且在成像面上产生聚焦的多光束之间间距为3.9-6.1mm。

由于以上技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点：

采用现有的多光束曝光加工系统，由于加工间距单一，面对不同间距加工需要开发多套与之对应的加工系统，结构复杂，体积大，而且更无法满足多间距加工的应用需求，同时所形成的激光加工效率低等不足，而本发明通过多光束曝光加工系统进行整体设计巧妙地解决了现有的各种不足。采用该多光束曝光加工系统后，平行入射光束经过微透镜阵列后产生聚焦光束，并依次通过第一光学柱面镜、第二光学柱面镜和第三光学柱面镜的变倍缩束，并结合光学间距之间的调整以形成光束缩小倍率为4x-6x，同时多光束之间间距在3.9-6.1mm产生聚焦，因此，与现有技术相比，本发明一方面在某一个固定光学间距设定下，通过同样参数柱面镜所形成的变倍缩束和各光学间距调节，使光束缩小倍率为4x-6x、多光束之间间距在3.9-6.1mm的激光加工之需；另一方面在中心对齐、外径逐级变小的光学元件布局下，不仅实现等光斑间距的线型光斑输出，而且能够改善激光加工效率，同时操作方便，结构简单，体积小。

附图说明

图1为实施例1的可变间距式多光束曝光加工系统的主视图；

图2为实施例2的可变间距式多光束曝光加工系统的主视图；

图3为实施例3的可变间距式多光束曝光加工系统的主视图；

其中：1、微透镜阵列；2、激光缩束单元；21、第一光学柱面镜；22、第二光学柱面镜；23、第三光学柱面镜；3、成像面。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图与具体实施方式对本发明做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

实施例1

如图1所示，本实施例的可变间距式多光束曝光加工系统，其包括延光线入射方向依次设置的微透镜阵列1和激光缩束单元2，微透镜阵列1用于实现光斑聚焦，激光缩束单元2包括外径逐级变小且中心对齐的第一光学柱面镜21、第二光学柱面镜22和第三光学柱面镜23，其中微透镜阵列1和第一光学柱面镜21之间为固定光学间距；第一光学柱面镜21与第二光学柱面镜22之间、第二光学柱面镜22与第三光学柱面镜23之间为可变间距，且在激光缩束单元2的处理下，光束缩小倍率为4x，同时在成像面3上产生聚焦的多光束之间间距在3.94-4.39mm。

在一些具体实施方式中，微透镜阵列1的光学焦距为400mm，微透镜阵列1和第一光学柱面镜21之间的距离为10mm，第一光学柱面镜21、第二光学柱面镜22和第三光学柱面镜23的入射面曲率半径依次为r1、r2、r3，其中r1＞r3＞r2，r1＞r2+r3，同时，第一光学柱面镜21、第二光学柱面镜22和第三光学柱面镜23的中心厚度为依次为h1、h2、h3，其中h1＜h3＜h2。

本例中，第一光学柱面镜21入射面为凸面，出射面为平面，入射面曲率半径为849.36mm，中心厚度为7.87mm，材料为熔融石英；第二光学柱面镜22入射面为凸面，出射面为平面，入射面曲率半径为482.91mm，中心厚度为10.13mm，材料为熔融石英；第三光学柱面镜23入射面为凸面，出射面为平面，入射面曲率半径为585.33mm，中心厚度为7.98mm，材料为熔融石英。

进一步的，第一光学柱面镜21和第二光学柱面镜22之间光学间距在9.99～229.60mm之间可调；或者，第二光学柱面镜22和第三光学柱面镜23光学间距在9.99～229.60mm之间可调。

本实施例的可变间距式多光束曝光加工方法，包括如下步骤：

1)光路设定

将微透镜阵列1、第一光学柱面镜21、第二光学柱面镜22和第三光学柱面镜23延光线入射方向依次分布，其中微透镜阵列和第一光学柱面镜之间所形成的固定光学间距为10mm，光学元件的面型精度均小于0.005mm，相邻两个光学元件之间的光学间隔误差小于0.05mm，各光学元件的轴偏移小于0.02mm，角度偏移0.5′；

2)光束聚焦调节

平行入射光束经过微透镜阵列1后产生聚焦光束，其中入射光束为等间距16光束平行入射间距为10mm，且聚焦光束依次通过第一光学柱面镜21、第二光学柱面镜22和第三光学柱面镜23的变倍缩束后，随着可变光学间距的调整，实现光束缩小倍率为4x，其中固定光学间距为10mm，第一光学柱面镜21和第二光学柱面镜22之间的间距为9.99mm，第二光学柱面镜22与第三光学柱面镜之间间距为228.69mm，且在成像面3上产生聚焦的多光束之间间距为3.94-4.39mm，即，进行等光斑间距的线型光斑输出。

实施例2

如图2所示，本实施例的可变间距式多光束曝光加工系统，其与实施例1基本相同，不同之处在于。

具体的，在固定光学间距为10mm设定下，移动第二光学柱面镜22和第三光学柱面镜23，使得第一光学柱面镜21和第二光学柱面镜22之间间距为129.30mm，第二光学柱面镜22与第三光学柱面镜之间间距为110.30mm，这样一来，实现光束缩小倍率为5x，同时在成像面3上产生聚焦的多光束之间间距为4.975-5.008mm，即，进行等光斑间距的线型光斑输出。

实施例3

如图3所示，本实施例的可变间距式多光束曝光加工系统，其与实施例2基本相同，不同之处在于。

具体的，在固定光学间距为10mm设定下，移动第二光学柱面镜22，使得第一光学柱面镜21和第二光学柱面镜22之间间距为229.60mm，第二光学柱面镜22与第三光学柱面镜之间间距为10.00mm，这样一来，实现光束缩小倍率为6x，同时在成像面3上产生聚焦的多光束之间间距为5.995-6.010mm，即，进行等光斑间距的线型光斑输出。

综上，以上述8束平行入射光束经过微透镜阵列1后先经过第一光学柱面镜、第二光学柱面镜、第三光学柱面镜，再产生聚焦光束为例，具体数据如下。

综上，采用该多光束曝光加工系统后，在固定光学间距设定的不变化的基础上，通过各光学柱面镜的厚度、入射面曲率半径等尺寸配合，并在第一光学柱面镜与第二光学柱面镜之间或者第二光学柱面镜与第三光学柱面镜之间的可变间距调整，使得平行入射光束经过微透镜阵列后产生聚焦光束，并依次通过第一光学柱面镜、第二光学柱面镜和第三光学柱面镜的变倍缩束，并结合光学间距之间的调整以形成光束缩小倍率为4x-6x，同时多光束之间间距在3.9-6.1mm产生聚焦，因此，与现有技术相比，本发明一方面在某一个固定光学间距设定下，通过变倍缩束和光学间距调节，以实施多加工间距的聚焦调节，不仅操作方便，结构简单，体积小，而且满足在同样参数柱面镜下调节不同的光学间距，使得光束缩小倍率为4x-6x、且多光束之间间距在3.9-6.1mm的激光加工之需；另一方面在中心对齐、外径逐级变小的光学元件布局下，不仅实现等光斑间距的线型光斑输出，而且能够改善激光加工效率；第三方面由三个实施例对比可知，在保持固定光学间距不变的前提下，随着第二光学柱面镜逐步远离第一光学柱面镜、且逐步贴近第三光学柱面镜所形成的光束缩小倍率是变大的，同时在成像面上产生聚焦的多光束之间间距也是增大的，这样满足实际等光斑间距的线型光斑输出之需求，提高实用性。

以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。