[發(fā)明專利]將旋轉(zhuǎn)臺式激光直寫裝置的轉(zhuǎn)軸與直寫光軸對準(zhǔn)的對準(zhǔn)組件和方法

有效

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• 申請日: 2015-06-26
• 公開（公告）號: CN104972232A
• 公開（公告）日: 2015-10-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孫洪波;于顏豪;陳岐岱;姜俊
• 申請（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號: B23K26/70
• 分類號: B23K26/70
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 湯雄軍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明的實(shí)施例屬于激光微納加工領(lǐng)域，具體地，涉及將旋轉(zhuǎn)臺式激光直寫裝置的轉(zhuǎn)軸與直寫光軸對準(zhǔn)的對準(zhǔn)組件和方法。

技術(shù)背景

激光微納直寫技術(shù)是一種數(shù)字化的加工技術(shù)，具有加工精度高、可加工形貌復(fù)雜、加工材料廣泛等優(yōu)點(diǎn)。柱坐標(biāo)系下的旋轉(zhuǎn)臺式激光直寫技術(shù)，相對于掃描振鏡加工及樣品臺壓電或直線電機(jī)柵式掃描加工等直寫技術(shù)，具有加工效率高、加工范圍大、加工精度高等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于中心對稱的微納結(jié)構(gòu)加工，成為制作衍射微光學(xué)元件的重要技術(shù)手段。旋轉(zhuǎn)臺式激光直寫要求激光光軸與旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)軸的對準(zhǔn)。如果出現(xiàn)對準(zhǔn)誤差，在光學(xué)元件的加工過程中，將會對其微浮雕結(jié)構(gòu)的掃描半徑等參數(shù)引入誤差，最終對光學(xué)元件的質(zhì)量造成較大影響。

目前解決激光直寫機(jī)轉(zhuǎn)軸與直寫光軸對準(zhǔn)的技術(shù)主要有如下幾種：旋轉(zhuǎn)光柵尺，通過成像系統(tǒng)觀察光柵條紋移動情況或通過CCD監(jiān)測光柵反射的激光光斑明暗變化情況進(jìn)行判斷兩軸是否對準(zhǔn)，缺點(diǎn)是對準(zhǔn)精度受光柵周期影響很難提高，操作較復(fù)雜；利用光電掃描顯微鏡對準(zhǔn)兩軸，即使誤差可滿足小于0.1μm，但操作復(fù)雜，成本很高；采用監(jiān)測旋轉(zhuǎn)的10度楔形片反射的激光對準(zhǔn)兩軸，缺點(diǎn)是檢測精度受楔形片面型影響較大，制作高精度的寫楔形反射基片非常困難。

上述方法對基于空氣軸承的轉(zhuǎn)軸都能夠進(jìn)行至少亞微米精度的對準(zhǔn)，但在對準(zhǔn)過程中存在較難對對準(zhǔn)情況進(jìn)行直觀評估，操作復(fù)雜的問題；而普通基于機(jī)械軸承的轉(zhuǎn)軸由于軸向及徑向跳動較大，利用上述方法較難對對準(zhǔn)情況進(jìn)行判定，造成上述方法適用性有限。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的在于針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)節(jié)方便直觀、適用性廣泛，高精度的旋轉(zhuǎn)臺式激光直寫機(jī)轉(zhuǎn)軸與直寫光軸的空間對準(zhǔn)方法和對準(zhǔn)組件。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的一個方面，提出了一種將旋轉(zhuǎn)臺式激光直寫裝置的轉(zhuǎn)軸與直寫光軸對準(zhǔn)的對準(zhǔn)組件，所述旋轉(zhuǎn)臺式激光直寫裝置包括激光源；激光路徑，依次設(shè)置有激光調(diào)制器、第一反射鏡、第二反射鏡和顯微物鏡，來自激光源的激光束被激光調(diào)制器調(diào)制后通過第一反射鏡和第二反射鏡反射而入射到顯微物鏡上；旋轉(zhuǎn)臺，旋轉(zhuǎn)臺的臺面垂直于直寫光軸，

其中所述對準(zhǔn)組件包括：

平板件，所述平板件的一側(cè)設(shè)置有金屬薄膜，平板件固定于所述旋轉(zhuǎn)臺的臺面上，且平板件的設(shè)置有金屬薄膜的一側(cè)面向所述顯微物鏡；和

數(shù)字成像系統(tǒng)，包括照明光源、可見光分光片、圖像傳感器、顯示器，其中來自照明光源的可見光經(jīng)由可見光分光片反射后透射通過第二反射鏡而通過顯微物鏡入射到平板件的金屬薄膜上，由金屬薄膜反射的可見光通過顯微物鏡、第二反射鏡、可見光分光片而進(jìn)入圖像傳感器，顯示器顯示來自圖像傳感器的圖像。

可選地，所述的金屬薄膜厚度為納米量級，對可見光有部分透過、部分反射的特性。可選地，薄膜厚度滿足透過率約50％。

可選地，所述金屬薄膜為鎳膜。可選地，所述平板件為玻璃平板。

可選地，顯微物鏡為無限遠(yuǎn)式，其成像分辨率記為0.61λ/N.A.，其中λ為光源波長，N.A.為物鏡數(shù)值孔徑；且數(shù)字成像系統(tǒng)還包括在照明光的入射方向上位于圖像傳感器前方的透鏡，圖像傳感器為CCD或CMOS器件，透鏡焦距為顯微物鏡所配套顯微鏡系統(tǒng)的筒鏡焦距，CCD或CMOS器件單個像素單元的尺寸至少小于顯微物鏡的成像分辨率與顯微物鏡放大倍數(shù)之積的一半，透鏡距離圖像傳感器的距離為鏡頭的焦距。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的另一方面，提出了一種利用上述的用于旋轉(zhuǎn)臺式激光直寫裝置的對準(zhǔn)組件將旋轉(zhuǎn)臺式激光直寫裝置的轉(zhuǎn)軸與直寫光軸對準(zhǔn)的方法，包括以下步驟：

(1)將激光焦點(diǎn)聚焦于金屬薄膜表面；

(2)轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)臺，使得激光焦點(diǎn)掃描金屬薄膜，通過數(shù)字成像系統(tǒng)觀察掃描軌跡；

(3)將激光焦點(diǎn)位置向掃描環(huán)形軌跡的圓心調(diào)節(jié)，使掃描環(huán)形軌跡的半徑逐漸減小，直至最終焦點(diǎn)光斑落于圓環(huán)幾何中心處或附近。

可選地，上述方法中，在上述步驟(1)之前，還包括步驟：

(4)調(diào)節(jié)入射激光與旋轉(zhuǎn)臺的臺面垂直；

(5)通過肉眼觀察將激光光束調(diào)節(jié)為正入射至旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)軸處；

(6)裝配顯微物鏡，保證顯微物鏡光軸與激光光束共軸。

可選地，在使得激光焦點(diǎn)掃描金屬薄膜的同時，調(diào)節(jié)激光功率使激光功率僅滿足能夠在金屬薄膜上掃描出清晰的線條軌跡。

可選地，在使得激光焦點(diǎn)掃描金屬薄膜時，選擇激光直寫所用的顯微物鏡或者數(shù)值孔徑不低于激光直寫所用顯微物鏡的數(shù)值孔徑的顯微物鏡進(jìn)行線條掃描。