适用于加工多光子可固化光反应性组合物的光学系统的制作方法

专利名称：适用于加工多光子可固化光反应性组合物的光学系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学系统，更具体地讲，本发明涉及一种适于用 在使用可光致固化材料的制造方法中的光学系统。
背景技术：
在一些多光子固化方法中，例如以全文引用方式并入本文的美国专利No.6,855,478中所述的方法，包括多光子可固化光反应性组合物 的材料层被涂敷到基底(如，硅晶片)上，然后使用如激光束之类的 辐射能聚焦源对其选择性地固化。多光子固化技术可以用于制造二维 和/或三维(3D)的微结构和纳米结构。在一种制造技术中，当近红外光(NIR)辐射脉冲激光束聚焦到工程 光聚树脂上时，会形成体素。树脂内的非线性相互作用过程将部分该 NIR辐射转化为较短的波长，从而使该激光束焦点附近的树脂固化， 其中NIR辐射的两个光子基本上被同时吸收。这种树脂固化可以称为 "光聚合"，并且这种方法可以称为"双光子光聚合"方法。这种树脂 的光聚合不会在那些暴露于强度不足的NIR辐射部分的树脂区域发 生，因为树脂在那些区域不吸收NIR辐射。可以通过控制激光束焦点在三维(即x轴、y轴和z轴方向)上相 对于树脂的位置，而使用多光子光聚合方法一个体素一个体素地构造 3D结构。发明内容本文所述的光学系统将多个细光束导向到图像平面上，其中每个 细光束可以在该图像平面的单个子域中被扫描。可以将该光学系统结合应用在多光子光聚合方法中，来并行制造多个可用于商业应用的二 维(2D)和/或三维(3D)结构。具体地讲，可以将多个细光束导向到多光 子可固化光反应型树脂层上，来并行制造多个尺寸基本相同的体素。 这样，该光学系统就可用于使多光子制造方法的产量提高与阵列中细 光束个数(例如，几十、几百或几千)大致相等的系数。该光学系统 采用了一个分束器装置，分束器装置能够从一个或多个入射光束生成 多个细光束，其中这些细光束具有基本相等的能量(即强度)，并且还 可具有基本相等的脉冲宽度。在一个实施例中，通过反复分离入射光 束来形成细光束。本发明的光学系统还可以包括其他光学部件，例如 多个用于精确扫描光敏树脂层内的细光束的导引反射镜。在一个实施例中，本发明涉及一种制造系统，其包括光源，用 于提供近红外光束；分束器系统，用于将光束至少分离成第一细光束 和第二细光束；多光子可固化光反应性组合物层；以及物镜，其限定 该层视场；该视场至少包括第一子域和第二子域。第一和第二细光束 具有基本相等的能量。由物镜所限定的视场的第一子域限定第一细光 束的第一扫描区域，并且第二子域限定第二细光束的第二扫描区域。在另一个实施例中，本发明涉及一种光学系统，其包括光源， 用于提供光束；分束器系统，用于将光束分离成至少(2"-l)个细光束， 这些细光束包含基本相等的能量以及在一些实施例中，基本相等的光 学路径长度)；以及物镜，其限定图像平面的视场，该视场包括多个 子域，其中所述多个子域中的至少一个限定至少一个所述细光束的扫 描区域。所述分束器包括分束器以及与该分束器光学接触的(2n-2)个棱 镜°在又一个实施例中，本发明涉及一种方法，包括提供其上具有 包括多光子可固化光反应性组合物的层的基底，通过光学系统将具有 基本相等能量的至少两个细光束施加到该层上。该光学系统包括分束 器装置，该分束器装置包括用于将光束分离成至少两个能量基本相等的细光束的分束器系统，以及用于在该层单个子域内扫描细光束中的 每束的细光束扫描系统。该方法还包括使用细光束选择性地固化所述 层在每个子域内的区域。在附图和下文的说明中示出了本发明的一个或多个实施例的细 节。本发明的其他特征、目的和优点从说明书、附图及权利要求书中 将显而易见。


图1A为根据本发明的一个实施例的光学系统的框图。 图1B为一个光学系统的示意图，该光学系统是图1A所示光学系 统的一个实施例。图2为一个微透镜阵列的示意性剖视图，该阵列可以结合到图1B 的光学系统中。图3A示出图1B中光学系统的聚焦透镜的视场的示意图，其中该 视场位于基本平行于图像平面的x-y平面的x-y平面上。图3B示出图3A中视场的示意图，其中视场和子域发生位移。图3C示出聚焦透镜的视场的另一个实施例。图3D为示出多个细光束在树脂层内的焦点强度与由对应细光束 所形成的体素尺寸之间关系的坐标图。图3E为示出聚焦到树脂层的多个细光束的示意性剖视图。图4为可以结合到图1A的光学系统中的分束器装置的一个实施例 的透视图。图5A为结合了图1B中的分束器装置的分束器系统的一个实施例 的示意图。图5B为图4和图5A中分束器装置的示意性剖视图，其中入射光 束穿过该分束器装置传播。图6为可以结合到图1A的光学系统中的分束器装置的另一个实施 例的透视图。图7A为结合了图6中的分束器装置的分束器系统的另一个实施例的示意图。图7B为图6和图7A中分束器装置的示意性剖视图，其中入射光 束穿过分束器装置传播。
具体实施方式
图1A为根据本发明的一个实施例的光学系统1的框图，该系统包 括光束源2、分束器4、细光束定位系统6、物镜8和工件10。光束源 2产生光束，例如平行或会聚的激光束等，分束器4将该光束分离成多 个具有基本相等能量(即强度)和基本相等脉冲宽度的细光束。可以 形成偶数或奇数个细光束，并且分束器4可以将入射激光束分离成任 意适当数量的细光束，例如几十个、几百个或几千个细光束。"细光 束"通常指通过分离另一个光束所形成的激光束。在一个实施例中， 细光束是通过反复分离入射光束来形成的。可以结合到光学系统1中 的合适分束器实例在下文以及No.ll/531870 ( 3M代理人案巻号 62110US002)的美国专利申请中进行描述，该专利申请与本公开同日 提交，其全文并入本文。细光束定位系统6可根据光学系统1的具体构造以及所期望的细 光束传播方向，沿x轴、y轴和/或z轴方向扫描来自分束器4的细光 束。如下面参照图1B所描述的，细光束定位系统6还可以包括诸如多 个用于精确引导由分束器4所形成的细光束的倾斜角度的导引反射镜 等光学元件。细光束定位系统6还可以用物镜8，在一个实施例中，通 过物镜8的光瞳来聚焦/对准细光束。光学系统1可以用于在光学制造方法中实施，例如多光子光聚合 制造方法，在这种情况下，工件IO可以是一层光敏树脂(如，多光子 可固化光反应性组合物)。合适的多光子可固化光反应性组合物实例 在名称为"加工多光子可固化光反应性组合物的方法与装置"(METHOD AND APPARATUS FOR PROCESSING MULTIPHOTON CURABLE PHOTREACTIVE COMPOSITIONS )的美国专利申请No.60/752，529和美国专利申请No.11/313,482中有所描述，二者全文均 以引用的方式并入本文。当实施到光学制造方法中时，光学系统1的物镜8用于将具有基 本相等能量和光学路径的多个细光束导向到树脂IO的层中，以选择性 地固化树脂10的区域，从而在树脂10的层内制造多个尺寸基本相等 的体素。这样，由于多个细光束可用于并行制造多个结构，无论结构 包括重复图案或非重复图案，光学系统1就可以提高多光子制造方法 的产量，提高的系数大致等于阵列中细光束的数量(例如几百或几千)。 在一个实施例中，这些结构基本上相似，而在另一个实施例中，这些 结构不相似。在又一个实施例中，来自光学系统1的两个或多个细光 束可用于制造单一结构。对于相对较大的结构，同使用单一细光束制 造该结构的方法相比，使用一个或更多细光束制造单一结构可以縮短 制造时间。图1B为光学系统13的示意图，该系统是图1A中光学系统1的 一个实施例。光学系统13包括激光束源14、色散补偿部分16、分束 器系统18、反射镜20、微透镜阵列21、 Z轴望远镜22、第一导引反射 镜24、第一中继器26、第二导引反射镜28、第二中继器30和聚焦透 镜32。图1A中的分束器4可以包括分束器系统18，而且图1A中的物 镜8可以是聚焦透镜32。图1A中的细光束定位系统6可以包括z轴望 远镜22、第一导引反射镜24、第一中继器26、第二导引反射镜28和 第二中继器30。光学系统13产生多个聚焦激光细光束36A-36D，这些细光束聚焦 在树脂34的层上并选择性地固化该树脂34的层。光学系统13可以封 闭在环境受控的环境中，以控制光学系统13运行之处的灰尘量和/或温 度。细光束36A-36D穿过光学系统13通过基本相等的光学路径长度。 一般来讲，穿过光学系统13的"光学路径"是一个或多个激光束(或 细光束)从激光束源14到聚焦透镜32的路径。与光学系统1 一样，光学系统13可以用于在光学制造方法中实施，例如多光子光聚合制造 方法，在这种情况下，树脂34层可以是光敏树脂(如多光子可固化光 反应性组合物)层，其多个区域可选择性地被多个聚焦的激光细光束
36A-36D基本上同时固化。
在一个实施例中，树脂34的层中的适当多光子可固化光反应性组 合物包括至少一种能够发生酸或自由基引发的化学反应的活性物质， 以及多光子引发剂系统。使用具有适当波长和足够光强("阈值强度") 的细光束36A-36D对树脂34层的区域进行成像照射，可导致多光子引 发剂系统中发生双光子吸收，这将在暴露于光的层区域引起活性物质 发生酸或自由基引发的化学反应，其中光的强度可以是(例如)来自 细光束36A-36D的近红外光(NIR)强度。这种化学反应使暴露于细光束 36A-36D的树脂34的层区域发生可检测的化学或物理特性变化。可检 测的变化的实例包括(例如)交联、聚合、和/或与光反应性组合物暴 露之前相比溶解度的变化(例如，在特定溶剂中的溶解度更小或更大)。 本文将任何这些可检测的变化的出现称为固化，并且这种固化持续到 固化物形成为止。固化步骤可以发生在树脂34层内的任何区域。该固 化步骤之后，树脂34层可以选择性地通过移除该层的非固化部分或者 从该层上移除固化物本身而获得固化物来形成。
在光学系统13的其他应用中，图像平面可以由另一种材料或另一 类型的图像平面(如，被测量的表面)构成。此外，术语"平面"并 非意图将图像平面限制为基本平坦的表面。虽然本文参照双光子光聚 合系统描述光学系统13，但在其他实施例中，光学系统13可以实施到 其他多光子光聚合系统和其他光学系统中，以利用可光致固化型材料 制造2D或3D结构。
在图1B的实施例中，激光束源14以一系列脉冲输出激光束36， 这些脉冲的脉冲宽度相对较短(例如小于约200飞秒(fs)，但也可以具 体根据光学系统13的应用和需求采用其他脉冲宽度)。激光束源14可以是(例如)飞秒级激光束发生器，或者可以是短相干光源(例如 平行弧灯)。在替代实施例中，激光束源14可以是会聚激光束发生器。 在又一个实施例中，可以用其他适合的辐射能量源代替激光束源14。 此外，光学系统13可以包括一个以上激光束源14。例如，可能需要不
止一个激光束源14 (或其他辐射能量源)，以实现每个细光束36A-36D 的特定功率级别(例如，0.5瓦特/细光束36A-36D)。另外的激光束源 可以设置在邻近激光束源14或相对激光束源14成任何关系的位置处。 例如，可以将不止一个激光束源设置在色散补偿系统16的"上游"， 使得从多个激光束源发出的多个激光束在穿过色散补偿系统16之前会 聚。作为另外一种选择，激光束源14可以输出不止一个激光束36。
激光束36离开激光束源14之后，定位反射镜15定位激光束36。 在替代实施例中，可以使用不止一个定位反射镜15来定位激光束36， 具体取决于激光束36的期望传播方向。在其他替代实施例中，可以在 光学系统13中去除定位反射镜15，这样激光束36可以不改变方向传 播到色散补偿系统16。可以根据光学系统13的设计和激光束36离开 激光束源14之后的期望传播方向来修改一个或多个定位反射镜15的 构造。
激光束36穿过色散补偿系统16，以使激光束36重新成形并且补 偿当激光束36穿过光学系统13所产生的一些色散。例如，在一些情 况下，可能需要在整个光学系统13所限定的光学路径上相对较短的脉 冲宽度。然而，由于可能会从分束器系统18、微透镜阵列21、中继器 26和30之类的光学元件(例如，棱镜、透镜、反射镜等)产生一些伴 随色散，激光束36的脉冲宽度可能会偏离期望的脉冲宽度范围。色散 补偿系统16可以沿光学系统13设置在树脂34层之前的任何位置。此 外，在一些实施例中，光学系统13可以不包括色散补偿系统16。
穿过色散补偿系统16之后，激光束36穿过分束器系统18，该分 束器系统18将激光束36分离为具有基本相等能量的多个细光束36A、36B、 36C和36D，并且这些细光束通过基本相等的光学路径长度。尽 管图IB中示出了四个细光束36A-36D，但在其他实施例中，分束器系 统18可以将激光束36分离成任意偶数或奇数个细光束，例如五个、 八个、十六个、三十二个等等。此外，分束器系统18可以将激光束36 分离成任意适当数量的细光束，例如几十、几百或几千个细光束。图 5A和7A中示出适合的激光分束器系统18的实例实施例。
分束器系统18包括分束器装置18A和聚焦部分18B。分束器装置 18A将入射激光束36分离成细光束36A-36D，而聚焦部分18B将细光 束36A-36D排列成线性的细光束阵列。在替代实施例中，聚焦部分18B 可以将细光束36A-36D排列成任意适当的构造，例如2D阵列或不规 则排列。在一个实施例中，可以通过吸收(例如)奇数个细光束36A-36D 来获得奇数个细光束。例如，可以用涂覆有适用于吸收细光束的导热 材料的黑色金属板来吸收细光束36A。分束器装置18A和聚焦部分18B 的实例如图4 (分束器装置100和聚焦部分153)和图6 (分束器装置 300和聚焦部分356)所示。在替代实施例中，光学系统13可以包括 不止一个分束器系统。例如，可以在图1B所示实施例中的分束器系统 18之后有第二分束器系统，以将每个细光束36A-36D进一步分离为一 个或多个细光束。
细光束36A-36D离开分束器系统18后，细光束36A-36D在反射 镜20处反射并转动约90° ，同时保持线性阵列构造。根据光学系统 13的构造和期望的细光束36A-36D的方向，细光束36A-36D也可以离 开分束器系统18不转动约90°而穿过z轴望远镜22传播，或者作为另 外一种选择，细光束36A-36D可以在不止一个反射镜20处反射或以其 他角度改变方向。细光束36A-36D的线性阵列移动通过微透镜阵列21， 微透镜阵列21聚焦并使细光束36A-36D成形。
图2为微透镜阵列21的示意性剖视图。微透镜阵列21包括布置 为线性阵列的四个微透镜42、 44、 46和48。每一个微透镜42、 44、46和48的表面可以是球面，以使每一个细光束36A-36D成形，从而 实现所需的辐照度。例如，微透镜阵列21可以生成会聚的细光束 36A-36D。微透镜42、 44、 46和48均可以由熔融二氧化硅或任何其他 合适的光学材料制成。优选地，该光学材料为低色散、高热稳定性材 料。在图2所示的实施例中，微透镜阵列21被布置成使得每一个微透 镜42、 44、 46和48接收细光束36A、 36B、 36C或36D中的一个，因 此，微透镜42、 44、 46和48被布置为与细光束36A-36D相同的线性 阵列构造。例如，细光束36A可以移动通过微透镜42，细光束36B可 以移动通过微透镜44，细光束36C可以移动通过微透镜46，细光束36D 可以移动通过微透镜48。
在替代实施例中，微透镜阵列21包括以任何合适的构造布置的任 何适当数量的微透镜。通常，由分束器装置18形成的细光束36A-36D 的数量与微透镜阵列21中微透镜的数量相等。此外，这些微透镜通常 以与细光束36A-36D相同的构造布置。例如，如果从分束器系统18发 射出一个多行和列的十六个细光束组成的2D阵列，那么微透镜阵列 21将通常包括以相似行和列构造布置的十六个微透镜组成的2D阵列， 以使每个微透镜与细光束光学对准。当细光束与微透镜"光学对准" 时，细光束被对准以穿过微透镜。然而，在其他替代实施例中，微透 镜(如，微透镜42、 44、 46或46)可以接收并聚焦不止一个细光束。 在又一个替代实施例中，微透镜阵列21可从光学系统13中去除。例 如，如果激光束源14输出会聚光束，那么当激光束36和细光束36A-36D 穿过分束器系统18时，激光细光束36A-36D可被充分聚焦，因而可以 不需要微透镜阵列21。
现在回到图1B，细光束36A-36D穿过微透镜阵列21之后，穿过 z轴望远镜22。可以通过控制细光束焦点在三维方向(即x轴、y轴 和z轴方向)上相对于树脂34层的位置，在树脂34层内一个体素一个 体素地构造3D结构。为说明起见，图1B中提供了互相正交的x-z轴。 z轴望远镜22调整细光束36A-36D相对于树脂34层的z轴位置。除非另外指明，z轴望远镜22在z轴方向"扫描"细光束36A-36D。例如， 计算机化设备可以控制z轴望远镜22来调整细光束36A-36D在树脂 34层内的z轴位置。当调整细光束36A-36D的z轴位置时，光束36A-36D 中的每一个的焦点同样在树脂34内沿z轴方向移动。如果需要，细光 束36A-36D可以调整为具有适当的波长和强度，使得细光束36A-36D 在其每个焦点处固化树脂34。因此，z轴望远镜22可以帮助调整在树 脂34层内制造的3D结构的z轴维度。z轴望远镜22使得细光束 36A-36D的z轴位置可在不必移动树脂34层的情况下进行调整。然而， 在一些实施例中，树脂34层也可以在z轴方向移动，这可用于制造具 有特定深度的3D结构。例如，在一个实施例中，可以用得自美国宾夕 法尼亚州匹兹堡市航空技术公司(Aerotech, Inc. of Pittsburgh, Pennsylvania)的控制系统来控制在x轴、y轴和z轴方向移动树脂34 层(或其他工件)的机械设备。移动树脂34层还可用于制造大于聚焦 透镜32的视场50 (图3A)的结构。
穿过z轴望远镜22之后，细光束36A-36D在第一导引反射镜24 处反射并穿过第一中继器26。第一导引反射镜24为电控反射镜，用来 调整光束36A-36D传播的角度以及扫描树脂34层内的细光束 36A-36D。在图1B的实施例中，第一导引反射镜24被构造为在x轴枢 转，以调整细光束36A-36D相对于树脂34层的x轴位置，这使得对细 光束36A-36D中的每一个所选择性固化的树脂34层区域的x轴位置进 行选择。第一导引反射镜24在x轴方向扫描细光束36A-36D，从而改 变细光束36A-36D中的每一个的焦点的x轴位置。这样，第一导引反 射镜24帮助调整在树脂34层内制造的3D结构的x轴维度。
第一中继器26是光学透镜中继器，可以使细光束36A-36D有效 聚焦在第二导引反射镜28上。此外，如下所述，第一中继器26帮助 细光束36A-36D与聚焦透镜32的光瞳对准。
第二导引反射镜28为调整光束36A-36D的传播角度的电控反射镜。第二导引反射镜28被构造为在y轴枢转，以调整细光束36A-36D 的y轴位置，从而使细光束36A-36D相对于树脂34层对准。第二导引 反射镜28在y轴方向扫描细光束36A-36D，从而改变每一个细光束 36A-36D的焦点的y轴位置。这样，第一导引反射镜28帮助调整在树 脂34层内制造的3D结构的y轴维度。
第一导引反射镜24和第二导引反射镜28使得可以实现细光束 36A-36D的小角度倾斜。第一导引反射镜24和第二导引反射镜28均 可以由计算机控制，以准确和精确地控制细光束36A-36D的倾斜角度， 这使得可用相对小的度数来控制细光束36A-36D的位置。这样，由于 可在相对小的尺度内控制体素的x轴和y轴位置，因此第一导引反射 镜24和第二导引反射镜28可用于微米制造和纳米制造。在一个替代 实施例中，可以使用检流计代替导引反射镜24和/或28。然而，导引 反射镜24和28通常更利于实现小角度的倾斜。在一个实施例中，得 自美国新罕布什尔州温德汉姆的纳特菲尔德技术公司(Nutfidd Technology of Windham, New Hampshire)的WAVERUNNER控制软件 可用于控制z轴望远镜22、第一导引反射镜24和第二导引反射镜28。 此外，控制系统(例如可得自美国德克萨斯州奥斯汀的美国国家仪器 公司(National Instruments Corporation of Austin, Texas)的 NI LOOKOUT)可用于校正细光束36A-36D在到达z轴望远镜22、第一 导引反射镜24和第二导引反射镜28之前的定向误差，以减少在树脂 34层图像平面处的误差。
细光束36A-36D从第二导引反射镜28处反射开后进入第二中继 器30。在一个实施例中，第一中继器26和第二中继器30基本上相同。 第一中继器26和第二中继器30为光学透镜中继器，其帮助细光束 36A-36D与聚焦正透镜32 (也可称为"物镜"透镜)的光瞳有效对准。 通常希望将细光束36A-36D与聚焦透镜32的光瞳对准，以避免畸变。 通过使细光束36A-36D与聚焦透镜32的光瞳对准，可以基本上保持聚 焦透镜32的数值孔径(NA)。在一个实施例中，聚焦透镜32的NA为约0.5至约1.5。通常相对于特定物点或像点(如，树脂34)来测量 NA。聚焦透镜32的NA与每一个细光束36A-36D的光斑尺寸有关， 该光斑尺寸影响每一个细光束36A-36D所形成的体素的尺寸，如下参 考图3D所述。第一中继器26和/或第二中继器30还可以放大或縮小 细光束36A-36D。
聚焦透镜32可以包括浸液物镜(例如油浸物镜)，以及折射率匹 配的流体。可以包括该浸液物镜来消除细光束36A-36D的球面像差。 聚焦透镜32使每一个细光束36A-36D紧密聚焦至树脂34层中，以达 到阈值强度，从而固化暴露于具有至少该阈值强度的细光束36A-36D 部分的树脂34层的区域。由于四个横向放置(即，放置在x方向)的 细光束36A-36D被导向到树脂34层，所以树脂34的四个单独区域可 以几乎被同时固化。
图3A示出了聚焦透镜32的视场50的示意图，该视场位于基本上 平行于树脂34的x-y平面的x-y平面。视场50表示聚焦透镜32可以 对细光束36A-36D进行聚焦的区域。视场50内为子域52、 54、 56和 58 (虚线表示)。子域52、 54、 56和58每一个限定树脂34层的一个 区域，在这些区域内，各个聚焦细光束36A、 36B、 36C和36D分别在 x轴和y轴方向被扫描。因而子域52、 54、 56和58限定可以由每一个 细光束36A-36D固化的树脂34层的单个区域。然而，在一些实施例中， 子域52、 54、 56和58可以重叠。在一个实施例中，可以为每一个子 域52、 54、 56和58指定x-y轴坐标系，以帮助控制每一个细光束 36A-36D的x-y轴扫描。例如，可以通过各自的坐标系来将每一个细光 束36A-36D的焦点(即细光束36A-36D具有足够强度以固化树脂34 的区域)的x禾口/或y坐标控制在各个子域52、 54、 56和58内，以选 择性地固化树脂34层并制造可以(例如)构成3D结构的体素。如前 所述，望远镜22调整细光束36A-36D的焦点的z轴位置。
由于每一个细光束36A-36D被导向到不同的子域52、 54、 56或58，因此每一个细光束36A-36D聚焦并固化树脂34的不同区域，从而 使光学系统13能够并行制造多达四个3D结构。在一个实施例中，由 于单个细光束36A、 36B、 36C或36D聚焦在子域52、 54、 56或58的 一个之内，因而每个子域40可生成一个结构。例如，如图3A所示， 细光束36A在子域52内固化树脂34以制造结构53 (在图3A中示意 性地示出)，细光束36B在子域54内固化树脂34以制造结构55 (在 图3A中示意性地示出)，细光束36C在子域56内固化树脂34以制造 结构57 (示意性地示出)，细光束36D在子域58内固化树脂34以制 造结构59 (示意性地示出)。当然，如果需要，可在一个或多个子域
52、 54、 56或58内生成多个结构。此外，根据光学系统13制造的结 构数，视场50可以限定任何适当数量的子域。例如，如图3A所示， 子域52、 54、 56和58的个数可直接与使用光学系统13所制造的结构
53、 55、 57和59的个数成比例。然而，在一些实施例中，不存在这种 比例关系。
除了并行制造多个结构53、 55、 57和59之外，光学系统13还可 以用于并行制造基本相同的结构53、 55、 57和59。如前所述，细光束 36A-36D基本上相同(如，每个均显示具有基本上相似的能量和光学 路径长度)。因此，构成结构53、 55、 57和59的每个体素的尺寸基 本上相同。光学系统13并行制造多个基本相同的结构(例如53、 55、 57和59)的能力对于批量制造3D微结构和/或纳米结构具有重大的商 业意义。
在一个实施例中，视场50的x-y平面优选地与树脂34层的x-y 平面基本上平行，以保持光学系统13的准确度和精确度。图3B示出 了视场50和子域52、 54、 56和58，以及移位的视场50'(虚线表示)和 子域52，、 54'、 56，和58'(虚线表示)，如果树脂34层和视场50不 基本平行(例如，都位于X-Y平面)，则可能导致这种位移。
如图3B所示，发生位移的子域52'、 54'、 56'和58'可以与除子域52、 54、 56和58之外的树脂34层的不同区域对准，这会实际縮小可 被细光束36A-36D固化的树脂34层的总面积。例如，在图3B所示的 情况下，发生位移的子域52'、 54'、 56'和58'在y轴方向移动。如果树 脂34层在y轴方向延伸的距离小于子域52'、 54'、 56'和58'移动的量， 那么子域52'、 54'、 56'和58'的一部分会位于树脂34层之外。此外，细 光束36A-36D可能没有与子域52'、 54'、 56'和58'正确对准，因此它们 会在子域52'、 54'、 56'和58'之外被扫描。另外，与子域52、 54、 56和 58相比，发生位移的子域52'、 54'、 56'和58'的面积减少，从而限制了 细光束36A-36D在x-y平面内可被扫描的面积。
聚焦透镜32的视场50越大，光学系统13可支持的子域个数就越 多，因而光学系统13可并制造的3D结构的个数就越多。虽然图3A所 示的聚焦透镜32的视场50包括四个子域52、 54、 56和58的线性阵 列，但是视场50可以包括任何合适构造的任意个数的子域。此外，在 替代实施例中，子域52、 54、 56和58可以重叠。图3C示出了视场60 的替代实施例，其包括多个子域62，它们被布置为具有多行和列的2D 阵列。
在一个实施例中，聚焦透镜32为可得自日本东京尼康公司(Nikon Corporation of Tokyo, Japan)的尼康CFI Plan Fluro 20倍(Nikon CFI Plan Fluro 20X)物镜。尼康20倍Multi浸液物镜(Nikon 20X Multi Immersion Objective)的数值孔径为0.75，视场为1.1毫米(mm)，允许至少128个 直径均为60飽的子域。图IB的光学系统13还可以包括共焦界面定位 器系统，该系统可用于定位和/或跟踪树脂34层和其上设置树脂34层 的基底之间的界面。合适的共焦界面定位系统的例子在此前以引用方 式并入的名称为"METHOD AND APPARATUS FOR PROCESSING MULTIPHOTON CURABLE PHOTREACTIVE COMPOSITIONS "(加 工多光子可固化光反应性组合物的方法与装置)的美国专利申请 No.60/752,529中有所描述。在一个实施例中，树脂34层可以具有弯曲的外形(如，圆柱形图
像平面)，其曲率在子域52、 54、 56和58处基本平坦。 一维阵列(例 如，图3A所示的阵列)可用于在圆柱形图像平面上打标。
图3D为坐标图，示出了每一个细光束36A-36D在树脂34层内的 焦点的强度和由对应细光束36A-36D所形成的体素尺寸之间的关系， 假设树脂34层的x-y平面在视场50 (图3A)上基本上平坦。线条70 对应于细光束36A在图3A的子域52内的焦点，线条72对应于细光束 36B在子域54内的焦点，线条74对应于细光束36C在子域56内的焦 点，线条76对应于细光束36D在子域58内的焦点。如线条70和76 所示，当细光束36A和36D的焦点分别处于阈值强度78时，体素尺寸 80和82 (沿图3D的x轴)基本上相等。阈值强度78为固化树脂34 层的区域所必需的最小强度水平。因此，当细光束36B的焦点处于闺 值强度78之下时(如线条72所指出的那样)，由于强度不足以引发 必需的树脂34的光子吸收，故而细光束36B不会固化树脂34层。
当细光束36C的焦点强度大于阈值强度78时，由于细光束36C 焦点处于或高于阈值强度78的宽度小于细光束36A和36D焦点的宽 度，所以细光束36C通过树脂34层形成的体素尺寸84大于分别由细 光束36A和36D形成的体素尺寸80和82。当并行形成多个结构(如， 结构53、 55、 57和59，如图3A所示)时，不期望具有尺寸不同的体 素80、 82和84。所以，理想情况是细光束36A-36D中每一个的焦点 基本上等于阈值强度78。当然，在一些实施例中，期望并行制造尺寸 不同的体素80、 82和84。
每一个细光束36A-36D在树脂34层内的焦点的尺寸和位置还可 以影响树脂34层内被细光束36A-36D中的每一个所固化的树脂的量， 从而影响细光束36A-36D中的每一个所形成的体素的尺寸。如果需要 尺寸基本上相同的体素，可能理想的是树脂34层的x-y平面基本上平 坦。如果树脂34层的顶面34A(位于x-y平面，如图3E所示)包括"波纹"或其他表面畸变，那么每一个细光束36A-36D的焦点可能与对应 的子域52、 54、 56和58内的不同。因而，在一些实施例中，可能需 要基本上平坦的树脂34层，以在基本上相同的x-y平面内制造体素。 树脂34层的顶面34A是树脂34层最靠近聚焦透镜32的表面。
图3E为包括顶面34A的树脂34层的示意性剖视图，并且示出了 均聚焦于树脂34层内的细光束36A-36D。具体地讲，细光束36A的焦 点86 (即细光束36A的强度足以固化树脂34的部分)聚焦于子域52 (虚线表示)内，细光束36B的焦点88聚焦于子域54(虚线表示)内， 细光束36C的焦点90聚焦于子域56 (虚线表示)内，细光束36B的 焦点92聚焦于子域58(虚线表示)内。通过树脂34层的平坦顶面34A， 细光束36A-36D的每一个焦点86、 88、 90和92分别具有基本上相同 的z轴坐标和基本上相同的强度。然而，当树脂34层具有不平的顶面 34A'梹保髦34层的顶面34A'接膠轴坐标不同，这会影响细光束 36A-36D的焦点86、 88、 90和92接触并固化树脂34层的能力。例如， 在图3E所示的示例性实施例中，由于顶层34A'接陀诮沟86，所以细 光束36A的焦点86未接触树脂34层。然而，细光束36B和36C的焦 点88和90分别接触并固化树脂34层的区域，以形成z轴坐标基本上 相似的体素。
在一个实施例中，聚焦透镜32可以包括自动对焦部件，以帮助调 整细光束36A-36D的焦点，从而补偿树脂34层内的微小变化(例如， 不平的部分)。
图4为分束器装置100的透视图，该装置可以结合在图1B的光学 曝光系统13中。如参照图5A与5B进一步描述的，分束器装置100 可以被构造为接纳入射光束(如，图1B中的激光束36)，或另一类辐 射能光束，并可以将入射光束分离为多个具有基本上相等能量和光学 路径长度的细光束(如，图1B中的细光束36A-36D)。由于分束器装 置100的光学部件(如，分束器装置102和多个下面所述的棱镜)的制造公差，细光束之间的能量和光学路径长度可能略有不同。因此， 用短语"基本上相等"来描述细光束的能量和光学路径长度。虽然下 面所要描述的分束器装置100是相对于激光束而言的，但分束器装置 100也可以将其他类型的光束分离为多个细光束。
分束器装置100包括立方体分束器102和立方体棱镜104(虚线表 示)、106 (虚线表示)、108 (虚线表示)、110 (虚线表示)、112 以及114。分束器102和棱镜104、 106、 108、 110、 112以及114可以 由任何合适的光学材料形成，例如熔融二氧化硅。棱镜104、 106、 108、 110、 112和114与分束器102光学接触。也就是说， 一束光可以基本 无障碍地从分束器102传到每个棱镜104、 106、 108、 110、 112和114。 虽然在图4所示的分束器装置100的实施例中，棱镜104、 106、 108、 110、 112和114与分束器102邻接，但在替代实施例中，棱镜104、 106、 108、 110、 112和114可以与分束器102分离，同时仍与其光学 接触。
立方体分束器102为光学装置，其可将激光束或细光束分离成两 个具有基本相等能量的细光束，并且可以是50%能量分束器。在图4 所示的实施例中，立方体分束器102由沿接缝120连接的两个三角形 玻璃棱镜116和118构造成。三角形玻璃棱镜116和118可以用任何 合适的连接方式连接，例如加拿大质胶。当激光束或细光束穿过接缝 120时，光束分离成两个或更多个细光束。因此，接缝120也可以称为 该立方体分束器102的"分光器部分"。
立方体分束器102具有立方体形状，其包括侧面102A(虚线表示)、 102B (虚线表示)、102C、 102D、 102E和102F，它们都是基本上不 反射的，以使得激光束或细光束可以在基本无光学路径障碍的情况下 穿过侧面102A-102F。分束器102的侧面102A基本上与侧面102B和 102D垂直，侧面102B基本上与侧面102A和102C垂直，侧面102C 基本上与侧面102B和102D垂直，而侧面102D基本上与侧面102A和102C垂直。侧面102E和102F基本上彼此平行，并基本上垂直于侧面 102A-D。分束器102的侧面102A-F的长度大致相同(在x-z平面内测 量)。为了有助于描述分束器装置100，图4中示出了 x-y-z轴，其并 不旨在以任何方式限制本发明的范围。该x-y-z轴与图1B中所示的 x-y-z轴相对应。在替代实施例中，任何包含基本上相等长度的侧面的 分束器都可以代替分束器102。
棱镜104、 106、 108、 110、 112和114为三直角锥棱镜，并且在 图4所示的实施例中具有基本上相似的尺寸。棱镜104和106沿着分 束器102的第一侧面102A设置，而棱镜108和110沿着分束器102的 第二侧面102B设置，棱镜112沿着分束器102的第三侧面102C设置， 棱镜114则沿着分束器102的第四侧面102D设置。棱镜104、 106、 108、 110、 112和114之间的相对位置/距离参见图5B中所述。在图4 所示的实施例中，棱镜104、 106、 108、 110、 112和114由相同材料 形成，并因而具有基本相同的折射率。在替代实施例中，棱镜104、 106、 108、 110、 112和114可由不同材料形成。可以在棱镜104、 106、 108、 110、 112和114与立方体分束器102之间设置折射率匹配的流体，以 便帮助防止在立方体分束器102和一个或多个棱镜104、 106、 108、 110、 U2和114之间传播的光束被反射回立方体分束器102中或者被反射回 对应棱镜104、 106、 108、 110、 112和114中，取决于该光束(或细 光束)的传播方向。
图5A和5B分别为用于将光束分离成多个细光束的分束器系统 150和分束器装置100的示意图。系统150包括分束器装置100 (显示 为沿图4中的线5-5截取的横截面)、激光束源152和聚焦部分153， 其包括反射镜154和156，以及三角形棱镜158、 160、 162和164。激 光束源152可以是任何激光束源，并且可以是(例如)图1B中的激光 束源14，或可以表示图1B中反射镜17反射的激光束36。
在分束器系统150中，激光束165从激光束源152发射出，并且在分束器装置100的立方体分束器102的点151处被导向。如下文进
一步详细描述的，在激光束165穿过分束器装置100后，激光束165 被分离成16个细光束220-235，聚焦部分153将其布置成线性的细光 束阵列166。当然，在替代实施例中，分束器装置100可以用于将激光 束165分离成较少或较多数量的细光束，包括几十、几百或几千个细 光束。
在一个实施例中，激光束165在分束器102处被导向，使得光束 165基本上垂直于立方体分束器102的侧面102A。也就是说，入射激 光束165与激光束165首先接触的立方体分束器102的表面之间的角 度栉90° 。如果角度6大于或小于90°，由激光束165形成的细光束 220-235可以横向位移(即在x-z平面内位移)。角度6与90。的差值可 以称为"入射角"。横向位移D可以根据下列用于小角度的公式大概 计算
D = t*I*((N-l)/N)
在该公式中，t为单个细光束穿过分束器装置IOO的总光学路径， I为激光束165的入射角，并且N为制造立方体分束器102与棱镜104、 106、 108、 110、 112和114所用材料(如，玻璃)的折射率。例如， 如果入射角I为约l。(或约0.01745弧度)，t为约224mm， N为1.5， 那么离开分束器装置100的细光束220-235中的每束距离垂直出口位置 的横向位移D为约1.33mm。
如果激光束165从标称位置横向移动(即从点151沿z轴移动)， 从分束器装置100输出的细光束220-235也会横向移动(就细光束 220-235而言，横向移动是在x轴方向上)相同的量。然而，分束器装 置100被布置成使得激光束165形成的细光束中的每束穿过所有棱镜 104、 106、 108、 110、 112和114，并以线性阵列166离开装置100， 无论激光束165的入射角如何。此外，当入射激光束以非垂直角度导向到分束器100时，如果离
开分束器100的细光束220-235不平行，则会具有球面像差。在一些实施例中，如果入射角较小(如，约1。或更小)，细光束220-235的任何像差都可以忽略不计。此外，如果分束器装置IOO用于图1B的系统13中，可以用浸液透镜来降低入射会聚光束的球面像差。
如前文所述，分束器装置IOO包括分束器102和多个棱镜104、106、108、 110、 112和114。棱镜104、 106、 108、 110、 112和114相对于彼此移动，以便获得基本上相等的光学路径长度，同时仍保持相邻细光束220-235之间的间距P。如图5B所示，距离D^D6表示棱镜104、106、 108、 110、 112和114之间的示例性布置方式，这些棱镜用于生成以基本上相等的光学路径长度穿过分束器装置100的细光束220-235，其中相邻细光束220-235之间的间距P是预定的。在替代实施例中，棱镜104、 106、 108、 110、 112和114可以用别的方式布置，以获得以基本上相等的光学路径长度穿过分束器装置100的细光束220-235。
棱镜104、 106和112沿x轴方向设置(以下称为"x轴棱镜")，而棱镜108、 110和114沿z轴方向设置(以下称为"z轴棱镜")。x轴棱镜以相互操作性关系位移，而z轴棱镜以相互操作性关系位移。此外，x轴棱镜104、 106和112的距离D4-D6是根据由分束器装置100生成的细光束220-235之间的所期望间距选定的。
对于z轴棱镜108、 110和114，距离D!是在z轴方向从棱镜108的中心轴108A到分束器102的侧面102A测量的。距离D2是在z轴方向从棱镜114的中心轴114A到分束器100的侧面102A测量的。距离D;是在z轴方向从棱镜110的中心轴IIOA到分束器100的侧面102A测量的。距离D3大于距离D2，距离D2大于Di。在图5B所示的实施例中，每个距离02和D3根据以下公式
计算
n 、，n=l 2
Zn为从分束器102的侧面102A到从分束器102的侧面102A的第n个z轴棱镜的中心轴的z轴距离(如，对于棱镜108， n=l;对于棱镜U4， n = 2;而对于棱镜110, n = 3) ， L为与分束器102相邻的z轴棱镜侧面的z轴尺寸(如，图5B中所示的棱镜108的侧面108B的尺寸L)，而s等于入射光束165的被分离的次数。上面给出的计算Zn的公式假定所有z轴棱镜的尺寸基本相同，而且每个z轴棱镜的尺寸L大于由分束器装置100生成的细光束总数乘以细光束220-235之间的间距P。
对于x轴棱镜，距离04是在x轴方向从棱镜106的中心轴106A到分束器102的侧面102B测量的。距离Ds是在x轴方向从棱镜112的中心轴112A到分束器100的侧面102B测量的。距离D6是在x轴方向从棱镜104的中心轴104A到分束器100的侧面102B测量的。距离D6大于距离Ds，距离D5大于D4。
在图5B所示的实施例中，每个距离Di、 D2和D3根据以下公式计
算:
n = 1 2
Xn为从分束器102的侧面102B到从分束器102的侧面102B的第n个x轴棱镜的中心的x轴距离(如，对于棱镜106， n=l;对于棱镜112， n = 2;而对于棱镜104， n = 3) ， M为与分束器102相邻的x轴棱镜侧面的x轴尺寸(如，图5B中所示的棱镜112的尺寸M) ， P为细光束220-235之间的间距(如图5B所示)，并且s等于入射光束165被分离的次数。细光束220-235之间的间距P大体为x-z平面中相邻细光束220-235之间的间距。间距P的公差通常取决于分束器装置100的应用。例如，如果细光束220-235与微透镜阵列对准，间距公差可取决于阵列中每个微透镜之间的间距，以及微透镜的尺寸。与上文用于计算从分束器的侧面102A到每个x轴棱镜中心的z轴距离Zn的公式一样，上面给出的用于计算Xn的公式假定所有x轴棱镜的尺寸基本相似，而且每个z轴棱镜的尺寸L大于由分束器装置100生成的细光束的总数乘以细光束220-235之间的间距P 。
分束器102的侧面102A仅用作描述z轴棱镜108、 110和114之间间距的基准点，侧面102B仅用作描述z轴棱镜104、 106和112之间间距的基准点。应该理解，棱镜104、 106、 108、 110、 112和114之间的间距也可以参照分束器装置100的其他部分进行描述，甚至可以彼此参照。然而，为了便于描述，在当前描述中将分束器102的侧面102A和102B作为基准点。
如图5B所示，光束分离系统150将从激光束源152射出的激光束165(其可以是平行、会聚或离散的激光束)转换成16个细光束220-235，每个细光束都具有基本相等的能量，而且都以基本相等的光学路径长度穿过分束器装置100。更具体地讲，当激光束165在区域180穿过分束器102的分光器部分120时，激光束165分离成细光束182和184。例如，当分束器102为由两个三角形棱镜形成的立方体分束器，并且在分光器部分120处用加拿大质胶粘在一起，分光器部分120处的质胶厚度T可以调整为使得对于特定波长的光而言，激光束165的一半(即细光束182)可以向棱镜106反射约90。，而激光束165的另一半(即细光束184)穿过分光器部分120朝棱镜108传播。
在细光束182和184由入射激光束165形成之后，细光束182和184穿过第一棱镜通道。具体地讲，细光束182穿过棱镜106，而细光束184穿过棱镜108。在此第一棱镜通道，细光束182和184分别以基本相等的光学路径长度穿过分束器102以及棱镜106和108，而不管激光束165穿过分光器部分120的哪个区域而分离为细光束182和184，也不管细光束182和184分别从何处进入棱镜106和108。基本相等的光学路径长度可归因于许多因素，包括分束器102的相等长度的侧面102A-102F,棱镜106和108的基本相等的尺寸，以及该分束装置100的构造，即包括根据上文给出的分别计算X。和Zn的公式分别相对于分束器102的侧面102B和102A设置的棱镜106和108。
另外形成对于细光束182和184，以及在其他棱镜通道形成的细光束之间基本相等的光学路径长度的因素为每个立方体棱镜104、 106、108、 110、 112和114的对称性。入射光束在第一点处进入每个立方体棱镜104、 106、 108、 110、 112和114，并在第二点处离开立方体棱镜104、 106、 108、 110、 112或114，其中该第一点和第二点距离基准点是基本等距的。例如，对于立方体棱镜106，基准点为顶点106D。以细光束182为示例，细光束182在点183A处进入立方体棱镜106，在点183B处离开。点183A和183B与立方体棱镜106的顶点106D是基本上等距的。棱镜106、 108、 110、 112和114能找到相似的基准点。
在一替代实施例中，不是具有基本上相等的光学路径长度，而是通过调整立方体分束器102的尺寸(即，用具有不相等侧面的分束器代替分束器102)、三直角锥棱镜104、 106、 108、 110、 112和114的相对尺寸或立方分束器102与至少一个三直角锥104、 106、 108、 110、112或114之间的相对间距(如，立方体分束器102的表面102B与棱镜108的表面108B之间的相对间距)，在每个棱镜通道的细光束之间采用预定的路径差值。
在细光束182和184分别离开棱镜106和108之后，在区域186穿过分束器102的分光器部分120，从而分离成四个细光束188、 190、192和194。之后，细光束188、 190、 192和194穿过第二棱镜通道。在第二棱镜通道中，细光束188和190从分光器部分120向棱镜112反射约90埃 腹馐192和194穿过分光器部分120透射向棱镜114。由于棱镜112和114的布置方式，而且因为棱镜112和114具有基本相等的尺寸，细光束188、 190、 192和194又以基本相等的光学路径长度通过各自的棱镜112和114。
离开各自的棱镜112和114时，细光束188、 190、 192和194在区域196穿过分束器102的分光器部分120，并分离成八个细光束200-207。具体地讲，细光束188分离为细光束200和201，细光束190分离为细光束202和203，细光束192分离为细光束204和205，细光束194分离为细光束206和207。在第三棱镜通道中，细光束200、202、204和206随后穿过棱镜110，而细光束201、 203、 205和207随后穿过棱镜114。与先前的棱镜通道一样，在第三棱镜通道中，细光束200-207以基本相等的光学路径长度穿过分束器装置100。
穿过各自的棱镜IIO和114后，细光束200-207再次穿过分束器102的分光器部分120，并进一步分离成总共十六个细光束220-235。具体地讲，细光束200分离成细光束220和221，细光束201分离成细光束222和223，细光束202分离成细光束224和225,细光束203分离成细光束226和227，细光束204分离成细光束228和229,细光束205分离成细光束230和231，细光束206分离成细光束232和233，细光束207分离成细光束234和235。
聚焦部分153 (图5A所示)将细光束220-235重组为细光束阵列166。将细光束220-235布置为阵列166在分束器装置100的一些应用中是可取的。例如，如果将分束器装置100结合在图1B的光学系统13中，细光束220-235可以被布置为与微透镜阵列(如，图1B中的微透镜阵列21)中的微透镜平行。
如前文所述，聚焦部分153包括反射镜154和156，以及三角形棱镜158、 160、 162和164。反射镜154在x-z平面调节细光束220、 222、224、 226、 228、 230、 232和234的方向。细光束220、 222、 224、 226、
228、 230、 232和234随后穿过棱镜158，棱镜158将细光束220、 222、224、 226、 228、 230、 232和234的方向调节约90。射向棱镜160。反射镜156在x-z平面调节细光束221、 223、 225、 227、 229、 231、 233和235的方向，以使细光束221、 223、 225、 227、 229、 231、 233和235定位朝向棱镜164。细光束221、 223、 225、 227、 229、 231、 233和235随后穿过棱镜164，棱镜164将细光束221、 223、 225、 227、
229、 231、 233和235以约90。反射向棱镜162。棱镜160和162被布置为彼此相邻，使得当细光束220-235穿过各自的棱镜160和162时，每个细光束220-235都可枢转约90° ，并彼此基本相邻地布置成线性的细光束阵列166。
在替代实施例中，聚焦部分153可以包括其他构造和部件，以便将细光束220-235布置成细光束阵列。此外，分束器装置IOO可用来形成除线性阵列之外其他布置方式的细光束220-235，例如2D阵列(如，矩形阵列)。为了获得2D阵列，x轴棱镜104、 106和112可以在y轴方向位移(垂直于图像平面)。作为另外一种选择，聚焦部分153包括被构造为可将细光束220-235布置成2D阵列的光学元件(如，反
射镜和/或棱镜)。
虽然在图5B示出的实施例中细光束220-235是同相的，但在替代实施例中，细光束220-235不是同相的。这可以通过(例如)其他外部光学器件和聚焦部分153的其他构造实现。
间距P!也等于细光束188和190之间、以及细光束192和194之间的间距。在一个实施例中，距离D7基本上等于约二分之一间距P!(即，^P。。要改变间距Pp可以使距离D!和D4相对于彼此改变。要改变间距P2A，即第一对细光束200和202与第二对细光束204和206之间的侧向间距，可以使距离D2和Ds相对于彼此调整。也可以使距离D2和Ds相对于彼此调整，从而改变第一对细光束201和203与第二对细 光束205和207之间的间距P2B。也可以使距离D3和D6相对于彼此调 整，以改变第一四组合细光束221、 223、 225和227与第二四组合细 光束229、 231、 233和235之间的间距P3A。调整距离03和06还可以 改变第一四组合细光束220、 222、 224和226与第二四组合细光束228、 230、 232和234之间的间距P3B。在图5B所示的实施例中，间距P、 Pp P2A、 P2B、 P3A、 P3B基本上相等。在图5B所示的实施例中，距离 D8基本上等于约1.5P。
在序列棱镜通道中棱镜之间的距离与在该序列棱镜通道之后生成 的细光束间距之间的示例性关系在另外的棱镜通道中可以重复。
作为另外一种选择，细光束220-235之间的间距P也可以通过在 分束器102的非反射侧面102A与棱镜104和106之间、在分束器102 的非反射侧面102B与棱镜108和110之间、在分束器102的非反射侧 面102C与棱镜112之间，以及在分束器102的非反射侧面102D与棱 镜114之间放置一层折射率匹配的流体来调整。这使得无需拆卸分束 器装置100就可以调整细光束200-235之间的间距P。
虽然阵列166中的细光束220-235基本上平行，而且彼此不干涉， 但在一些应用中，例如在一些计量学应用中，可能期望细光束220-235 中的至少两个干涉。因此，在替代实施例中，两个或更多个细光束 220-235之间的间距可以调整，以使得两个或更多个细光束220-235部 分或全部重叠，从而产生干涉作用。
在替代实施例中，分束器装置100可以包括更少或更多数量的棱 镜104、 106、 108、 110、 112和114，以便将入射激光束165分离成更 少或更多数量的细光束。利用分束器装置100，可以形成具有2"个细 光束的2D阵列，其中n等于入射激光束165穿过分束器102的分光器 部分120的次数。为了获得偶数个细光束，需要(2*11)-2个棱镜。因此，如果需要32个细光束，分束器装置应包括八个棱镜。艮P:
32个细光束=2"=25 (因此，n=5) 所需棱镜数量=(2*n)-2 = (2*5)-2 = 8
如果在分束器装置100上添加另外的棱镜，x轴棱镜可以根据上文 中计算Xn的公式间隔开，而z轴棱镜可以根据上文中计算Zn的公式间隔开。
虽然图4-5B的实施例中示出的是立方体棱镜，但在其他实施例中 也可以用其他类型的棱镜代替立方体棱镜104、 106、 108、 110、 112 和114。 一般来讲，在合适的棱镜中，入射光束在第一点进入棱镜，并 在第二点离开棱镜，其中第一和第二点距离基准点基本上是等距的。 例如，对于立方体棱镜104，基准点为点104A。以细光束201为示例 性实例，细光束201在点240处进入棱镜104，并在点242处离开。点 240和242与棱镜104的点104A基本上是等距的。包括这种结构的其 他合适的棱镜包括但不限于五棱镜(如图6所示)或波罗棱镜。
图6根据本发明的另一个实施例示出了分束器装置300，其包括三 个分束器302、 304和306，以及四个围绕分束器302、 304和306设置 的五棱镜308、 310、 312和314。在一个实施例中，分束器302、 304 和306彼此相同，而且每个都可以与图4-5B中分束器装置100的50% 能量的立方体分束器102相类似。在替代实施例中，分束器302、 304 和306可以是任何其他类型的包含基本相等长度侧面(在x-z平面测量) 的分束器。例如，在图6所示的实施例中，分束器302的侧面302A、 302B、 302C和302D的长度基本相等，分束器304的侧面304A、 304B、 304C和304D的长度基本相等，分束器306的侧面306A、 306B、 306C 和306D的长度基本相等。分束器302包括分光器部分316，其可以是(例如) 一条接缝，两
个三角形棱镜在该接缝处连接而形成分束器302。相似地，分束器304 包括分光器部分318，而分束器306包括分光器部分320。在图6所示 的实施例中，分束器302、 304和306被布置为彼此相邻，但分光器部 分316、 318和320在x-z平面内相对于彼此移动。分光器部分316、 318和320之间的位移由棱镜308、 310、 312和314之间的位移所致， 如下面参照图7B进一步所述。
五棱镜308、 310、 312和314每个都是五面的棱镜。如参照图7A 和7B所描述的，光束在棱镜308、 310、 312或314的两个侧面反射， 这使得光束偏离约90。。五棱镜308、 310、 312和314围绕立方体棱镜 302、 304和306布置，以使得在每个棱镜通道中，细光束以基本上相 似的光学路径长度穿过分束器装置300。五棱镜308、 310、 312和314 与分束器302、 304和306之间的布置方式参照图7B进行描述。
图7A为分束器系统350的示意图，其可以(例如)结合在图1B 的光学系统13中，用于将光束分离成多个细光束。系统350包括分束 器装置300 (如沿图6中的线7-7截取的横截面所示)、激光束源352、 聚焦透镜353、浸液透镜(未示出)、聚焦部分356，该聚焦部分包括 第一组透镜358和360、反射镜362和364、第二组透镜366和368， 以及三角形反射镜370和372。在图7A所示的实施例中，激光束源352 射出会聚激光束374。在替代实施例中，激光束源352可以是任何辐射 能光束源。
在分束器系统350中，具有相对较低数值孔径(NA)(如，小于或 等于约0.04)的会聚激光束374从激光束源352射出并导向到分束器 装置300的立方体分束器302。会聚激光束374由多个会聚光束组成， 其通过会聚透镜353会聚成单一的激光束，该激光束最终分离成多个 细光束400-407。依据激光束源352与分束器系统300之间的距离，会 聚激光束374可以分离成多个会聚细光束，这些会聚细光束在离开分束器装置300后会聚成聚焦细光束。更具体地讲，在穿过分束器302、 304和306以及五棱镜308、 310、 312和314之后，激光束374被分离 成八个具有基本相等能量的细光束400-407。此外，这八个细光束中的 每一束都以基本相等的路径长度穿过分束器装置300。聚焦部分356可 将从分束器装置300输出的细光束400-407排列成线性的聚焦细光束阵 列376。因此，如果细光束400-407用于光学系统(如，图1B中的光 学系统13)中，可以不必使用微透镜阵列来聚焦细光束400-407。
如图7B所示，在激光束374被导入分束器302后，激光束374 穿过分束器302的分光器部分316，并分离成细光束380和382。细光 束380在x-z平面从入射激光束374的方向384枢转约90°，同时细光 束382沿方向384穿过分光器部分316射向五棱镜312。随后，在第一 棱镜通道中，细光束380穿过五棱镜308，而细光束382穿过五棱镜 312。更具体地讲，细光束380穿过侧面308B进入棱镜308，在五棱镜 308的侧面308D反射，枢转约45。并在侧面308E反射，然后穿过侧面 308C离开棱镜308。相似地，细光束382通过穿过侧面312B进入棱镜 312而穿过五棱镜312，在侧面312D反射，枢转约45° ，并在侧面312E 反射，然后穿过侧面312C离开棱镜312。
与立方体棱镜104、 106、 108、 110、 112和114一样，入射光束 在第一点处进入五棱镜(如，五棱镜308、 310、 312或314)，并在第 二点处离开该棱镜，其中第一点和第二点距离基准点是基本上等距的。 例如，对于五棱镜308，基准点为顶点308A。以细光束380为示例性 实例，细光束380在点385A处进入五棱镜308,并在点385B处离开。 点385A和385B距离五棱镜308的顶点308A基本上是等距的。棱镜 310、 312和314也能找到类似的基准点。
在离开棱镜308和312之后，细光束380和382分别穿过分束器 306的分光器部分318的区域386。在穿过分束器306的分光器部分318 之后，细光束380分离成细光束388和390，而细光束382分离成细光束392和394。在第二棱镜通道中，细光束388和392穿过五棱镜310， 而细光束390和394穿过五棱镜314。具体地讲，细光束388和392分 别穿过侧面310B进入棱镜310，在侧面310D反射，枢转约45。并在侧 面310E反射，然后穿过侧面310C离开棱镜310。细光束390和394 分别穿过侧面314B进入棱镜314，在侧面314D反射，枢转约45°并在 侧面314E反射，然后穿过侧面314C离开棱镜314。
在离开各自的棱镜310和314后，细光束388、 390、 392和394 穿过棱镜306的分光器部分320的区域396，并进一步分离成总共八个 细光束400-407。细光束388分离成细光束400和401，细光束390分 离成细光束402和403，细光束392分离成细光束404和405，细光束 392分离成细光束406和407。
如图7A所示，聚焦部分356可将细光束400-407布置为细光束阵 列376，其可以(例如)引入微透镜阵列(如，图2中的微透镜阵列 21)，以用于多光子光聚合制造方法。第一组透镜358和360使细光 束400-407平行并重导向到各自的反射镜362和364上。具体地讲，细 光束400、 402、 404和406穿过透镜358，并且被平行校准及重新导向 到反射镜362上，而细光束401、 403、 405和407穿过透镜360，并且 被平行校准及重新导向到反射镜360上。细光束400、 402、 404和406 在反射镜362上反射，而细光束401、 403、 405和407在反射镜364 上反射。反射镜362和364朝第二组透镜366和368反射各个细光束 400-407，透镜366和368可聚焦细光束400-407。由于细光束400-407 之前已被透镜358和360平行校准，所以细光束400-407被聚焦。
穿过透镜366之后，细光束400、 402、 404和406从三角形反射 镜370上反射。穿过透镜368之后，细光束401、 403、 405和407从 三角形反射镜372上反射。反射镜370和372被布置为彼此相邻，以 使细光束400-407从各自的反射镜370和372上反射，细光束400-407 均枢转约90° ，并被彼此基本相邻地布置成线性的细光束阵列376。与图5A中分束器系统150的聚焦部分153 —样，聚焦部分356 可以包括其他构造和部件，以便将细光束400-407布置为细光束阵列。 例如，可以用平面反射镜代替三角形反射镜370和372，以便以约90° 反射细光束400-407。此外，聚焦部分356可以将细光束400-407布置 成其他结构，例如2D阵列或其他非线性阵列。
为了使每个棱镜通道中的细光束以基本相等的光学路径长度穿过 分束器300，以及为了获得细光束400-407之间的期望间距P4，五棱镜 308、 310、 312和314之间有少量位移。结合分束器302、 304和306 对该位移进行了最好的描述。在图6所示的布置方式中，五棱镜308 的顶点308A和五棱镜312的顶点312A是未对准的。因此，五棱镜312 的非反射侧面312B与分束器302的侧面302B对准并且相邻，而五棱 镜308的非反射侧面308B相对于分束器302的侧面302C移动了距离 Sp位移距离S!也可以称为五棱镜308与312之间的"位移距离"。 五棱镜308的非反射侧面308C与分束器304的侧面304D也对准并且 彼此相邻，而五棱镜312的非反射侧面312C相对于分束器304的侧面 304A移动了距离S2。距离S!与S2基本上相等，因为分束器302和304 的尺寸基本上相等，并且五棱镜308和312的尺寸也基本上相等。距 离S,和S2根据第一棱镜通道后细光束388和392之间的所需间距P3 选定。间距P3也等于细光束390和394之间的间距。 一般来讲，距离
Si和S2都基本等于P3。
五棱镜310和312也相对于彼此移位。更具体地讲，五棱镜310 的顶点310A和五棱镜314的顶点314A是不对准的。因此，五棱镜310 的非反射侧面310B与分束器304的侧面304C对准并且相邻，而五棱 镜314的非反射侧面314B相对于分束器304的侧面304B移动距离S3。 位移距离S3也可以称为五棱镜308与312之间的位移距离。五棱镜314 的非反射侧面314C与分束器306的侧面306A也对准并且彼此相邻， 而五棱镜310的非反射侧面310C相对于分束器304的侧面304A移动了距离S4。距离S3和S4基本上相等，因为分束器304和306的尺寸基 本上相等，并且五棱镜310和314的尺寸也基本上相等。距离S3和S4 根据P3和P4之间的所需相对间距选定，P4为细光束400、 402、 404 和406之间的间距，其也等于细光束401、 403、 405和407之间的间
距。在图7B所示的实施例中，间距P4基本上等于间距P3。 一般来讲，
距离S3和S4都基本上等于P4。
在替代实施例中，分束器装置300可以将激光束374分离成八个 以上的细光束。例如，可以在聚焦部分356之前添加另外的分束器和 五棱镜"组"，从而增加另外的用于使细光束400-407穿过的棱镜通道。 分束器和五棱镜组为分束器， 一个五棱镜被布置为与该分束器相邻， 并且一个五棱镜相对于该分束器位移，位移距离通常等于通过棱镜通 道的细光束之间的间距。例如，在图7B中，分束器306与五棱镜310 和314构成了分束器和五棱镜组。在图7B所示的实施例中，添加分束 器和五棱镜组可使细光束的数量增加为原来的两倍。
本文描述了本发明的多种实施例。这些及其他实施例均在以下权 利要求书的范围内。
权利要求
1.一种制造系统，包括光源，用于提供光束；分束器系统，用于将所述光束分离成至少第一细光束和第二细光束，所述第一细光束和第二细光束具有基本相等的能量；以及多光子可固化光反应性组合物层；以及物镜，限定所述层的视场，所述视场包含至少第一子域和第二子域，其中所述第一子域限定所述第一细光束的第一扫描区域，并且所述第二子域限定所述第二细光束的第二扫描区域。
2. 根据权利要求l所述的制造系统，还包括微透镜阵列，至少包括用于使所述第一细光束成形的第一微透镜 和用于使所述第二细光束成形的第二微透镜。
3. 根据权利要求2所述的制造系统，其中所述第一微透镜与所述 物镜的视场内的所述第一子域光学对准，并且所述第二微透镜与所述 第二子域光学对准。
4. 根据权利要求l所述的制造系统，其中所述分束器系统包括 分束器；以及多个棱镜，围绕所述分束器设置并与所述分束器光学接触。
5. 根据权利要求4所述的制造系统，其中所述分束器系统的每个 棱镜选自由立方体棱镜、五棱镜和波罗棱镜组成的组。
6. 根据权利要求4所述的制造系统，其中所述分束器系统的所述 分束器为立方体分束器。
7. 根据权利要求4所述的制造系统，其中所述分束器系统还包括聚焦部分，被构造为使所述第一细光束和第二细光束布置成阵 列，其中所述物镜的第一子域和第二子域以基本相同的阵列布置。
8. 根据权利要求l所述的制造系统，其中所述第一细光束和第二 细光束具有基本相等的光学路径长度。
9. 根据权利要求l所述的制造系统，还包括细光束扫描系统，用 于在所述第一子域中扫描所述第一细光束和在所述第二子域中扫描所 述第二细光束。
10. 根据权利要求9所述的制造系统，其中所述细光束扫描系统 包括检流计扫描仪。
11. 根据权利要求9所述的制造系统，其中所述细光束扫描系统设置在所述分束器系统与所述物镜之间。
12. 根据权利要求9所述的制造系统，其中所述细光束扫描系统 设置在所述物镜与所述多光子可固化光反应性组合物层之间。
13. 根据权利要求9所述的制造系统，其中所述细光束扫描系统包括z轴望远镜，用于调整所述第一细光束和第二细光束中的每束相 对于所述层的Z轴位置；第一导引组件，用于分别在所述第一子域和第二子域内沿X轴方向扫描所述第一细光束和第二细光束中的每束；以及第二导引组件，用于分别在所述第一子域和第二子域内沿y轴方向扫描所述第一细光束和第二细光束中的每束。
14. 根据权利要求1所述的制造系统，其中所述光束为激光束。
15.根据权利要求l所述的制造系统，还包括 色散补偿系统，用于调整所述光束的脉冲宽度。
16. —种光学系统，包括 光源，用于提供光束；分束器系统，用于将所述光束分离成具有基本相等能量的至少 (2n-l)个细光束，其中所述分束器包括 分束器；以及(2n-2)个棱镜，与所述分束器光学接触；以及 物镜，限定图像平面的视场，所述视场包括多个子域，其中所述 多个子域中的至少一个限定至少一个所述细光束的扫描区域。
17. 根据权利要求16所述的光学系统，还包括细光束扫描系统， 用于在至少一个所述子域内扫描至少一个所述细光束。
18.根据权利要求16所述的光学系统，还包括 z轴望远镜，用于调整每个所述细光束相对于所述图像平面的z 轴位置；第一导引组件，用于在至少一个所述子域内沿x轴方向扫描每个所述细光束；以及第二导引组件，用于在至少一个所述子域内沿y轴方向扫描每个 所述细光束。
19. 根据权利要求18所述的光学系统，其中所述第一导引组件包 括第一计算机导引反射镜，并且所述第二导引组件包括第二计算机导 引反射镜。
20. 根据权利要求16所述的光学系统，还包括 微透镜阵列，包括用于使至少一个所述细光束成形的至少一个微透镜。
21. 根据权利要求16所述的光学系统，其中所述分束器装置包括 适于将所述细光束布置成阵列的光学元件，其中所述阵列为线性阵列 或二维阵列中的一者。
22. 根据权利要求16所述的光学系统，其中所述分束器系统的每 个棱镜选自由立方体棱镜、五棱镜和波罗棱镜组成的组。
23. 根据权利要求16所述的光学系统，其中所述分束器系统的所 述分束器为立方体分束器。
24. —种方法，包括提供基底，其上具有包含多光子可固化光反应性组合物的层； 通过光学系统将至少两个细光束施加到所述层，所述光学系统包括分束器系统，用于将光束分离成具有基本相等能量的所述细 光束；以及细光束扫描系统，用于在所述层的分离子域内扫描每个所述 细光束；以及使用所述细光束选择性地固化所述层在每个子域内的区域。
25. 根据权利要求24所述的方法，还包括 相对于所述层沿x轴、y轴和z轴方向扫描所述细光束。
26. 根据权利要求25所述的方法，其中相对于所述层调整所述细 光束的x轴位置包括倾斜第一导引反射镜，其中所述细光束中的每个 细光束在所述第一导引反射镜反射，并沿所述x轴方向枢转，并且其 中相对于所述层调整所述细光束的y轴位置包括倾斜第二导引反射镜， 其中每个所述细光束在所述第二导引反射镜反射，并沿所述y轴方向 枢转。
27.根据权利要求24所述的方法，其中所述分束器系统包括 分束器；以及(2n-2)个棱镜，与所述分束器光学接触；其中所述分束器装置将所述光束分离成(2n-l)个细光束，所述细光 束横穿基本相等的光学路径长度通过所述分束器装置，并具有基本相等的能量，并且其中每个所述细光束在所述层的分离子域内被扫描。
全文摘要
本发明涉及一种光学系统，所述光学系统包括能够产生多个具有基本相等的能量和基本相等的光学路径长度的激光细光束的分束器装置。在一种应用中，所述光学系统的所述细光束可以导向到多光子可固化光反应性树脂，来并行制造多个基本相等尺寸的体素。
文档编号G02B26/08GK101517454SQ200780034223
公开日2009年8月26日 申请日期2007年9月10日 优先权日2006年9月14日
发明者安德鲁·J·默南, 迪安·法克里斯 申请人:3M创新有限公司