专利名称：光栅/光点复制直写仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光栅/光点复制直写仪，是一种由电脑系统、光学影像系统以及精密机械控制系统所构成的可在感光物质上制作光栅或进行光点描写的复制仪器或描写仪器，其具有较大制作自由度、高速制作及低成本等功效。
近来光电工业对光栅元件的需求大量增加，光栅可应用在光集成电路、光学系统、全像展示及光讯号处理等领域上；目前制作光栅的方法有穿透式全像干涉法、反射式全像干涉法、精密机械切削法、电子束蚀刻法及激光直写法等数种方法；穿透式全像干涉法适用于全像艺术展示及光讯号处理，其缺点是制造出来的光栅元件绕射效率低、且无法同轴使用；反射式全像干涉法的适用范围与穿透式全像干涉法相同，虽然绕射效率较高，但依然有重建频率难以控制及复制成本较高的问题；精密机械切削法制造出来的光栅元件在各方面均表现不错，但此法只适用于直线或圆形光栅；电子束蚀刻法为目前最常用的制程，但不适用于制作大绕射角度的光栅元件及折射/绕射复合式光学元件；激光直写法仅适用于制作大绕射角度的光栅元件及折射/绕射复合式光学元件。
基于前述各种已知的光栅形成方式均有其适用的限制性存在，而本发明则是提供一种较佳的解决方案，以解决前述各项问题。
本发明的主要目的在于提供一种光栅/光点复制直写仪，是一种在感光物质上制作光栅的系统，其运用电脑影像系统、光学影像系统以及精密机械控制系统达成，以使光栅制作有着更大的自由度、更快的速度及符合低成本的要求。
本发明的次一目的在于提供一种光栅/光点复制直写仪，其是由一光源模组、一光栅影像产生模组、一光栅影像处理模组、一位置控制模组、位于位置控制模组上的感光物质以及一控制单元所组成，通过光源模组经投射至光栅影像产生模组中，在控制单元的控制下，使光栅影像产生模组送出不同光栅角度及不同光栅节距的光栅影像，然后经光栅影像处理模组予以缩小光栅影像至特定尺寸大小，而使附着在位置控制模组上的感光物质曝光形成光栅影像，以形成一种可便于进行光栅制作的光栅复制系统。
本发明的另一目的在于提供一种光栅/光点复制直写仪，其中该光栅影像产生模组以及光源模组以一点光源取代，则可直接通过位置控制模组令感光物质相对于点光源移动而产生描绘出光栅图形的效果，可轻易地转变为光点直写仪器。
本发明的又一目的在于提供一种光栅/光点复制直写仪，其中该光栅影像产生模组内部可设置由不同节距光栅图形的光栅光罩，而可产生点矩阵光栅的制作效果。
本发明的更一目的在于提供一种光栅/光点复制直写仪，其中该光栅影像产生模组内部可设置液晶投影板，通过控制单元送入影像使其显像的方式，除可产生点矩阵光栅的效果外，更可应用于电脑全像片或绕射式光学元件领域。
本发明的另一目的在于提供一种光栅/光点复制直写仪，其中该光学影像处理模组，可由缩影镜头、平行化镜头配合聚焦镜头的镜头组成或由傅氏转换透镜组所组成，视实际需要具有多种不同变化。
本发明的技术方案在于提供一种光栅/光点复制直写仪，其特征在于包括一光源模组，用来提供产生光栅影像所需要的光源，并利用其提供的能量在感光物质上曝光，一光栅影像产生模组，用来产生预期制作在感光物质上的光栅影像，一光学影像处理模组，用来缩小光栅影像产生模组所产生的影像至预期光栅的大小，一感光物质，用来记录光栅，一感光物质位置控制模组，用来夹持感光物质及控制感光物质的位置，及一控制单元，用来提供各模组所需的控制讯号。
所述的光栅/光点复制直写仪，其特征在于该控制单元由电脑或微处理器构成。
所述的光栅/光点复制直写仪，其特征在于该光源模组使用发光二极管。
所述的光栅/光点复制直写仪，其特征在于其光源模组使用半导体激光。
所述的光栅/光点复制直写仪，其特征在于可由一半导体激光取代该光源模组及光栅影像产生模组。
所述的光栅/光点复制直写仪，其特征在于可由发光二极管取代该光源模组及光栅影像产生模组。
所述的光栅/光点复制直写仪，其特征在于该光栅影像产生模组由光扩散板、可控制旋转角度的光栅光罩以及面积控制光罩所组成。
所述的光栅/光点复制直写仪，其特征在于该光栅光罩是包括多个表面形成有不同节距光栅的光罩所组成。
所述的光栅/光点复制直写仪，其特征在于该多个光栅光罩是可排列于同一轴线上，可通过控制单元的控制，使其一光栅光罩移动至光线投射路径上，以产生不同光栅节距影像。
所述的光栅/光点复制直写仪，其特征在于该光栅影像产生模组由光扩散板及液晶显示器所组成。
所述的光栅/光点复制直写仪，其特征在于该光学影像处理模组是使用缩影镜头。
所述的光栅/光点复制直写仪，其特征在于该光学影像处理模组由平行化镜头及聚焦镜头所组成。
所述的光栅/光点复制直写仪，其特征在于该光学影像处理模组由傅氏转换透镜、逆傅氏转换透镜以及滤波光罩所组成。
所述的光栅/光点复制直写仪，其特征在于该滤波光罩可设在两透镜之间。
所述的光栅/光点复制直写仪，其特征在于该些透镜可为单透镜或组合透镜构成。
所述的光栅/光点复制直写仪，其特征在于该位置控制模组使用可程式控制的位移控制平台。
所述的光栅/光点复制直写仪，其特征在于还包括有自动对焦模组。
所述的光栅/光点复制直写仪，其特征在于还包括有成像品质监控模组。
所述的光栅/光点复制直写仪，其特征在于该监控模组可包括一半穿透/半反射透镜、影像接收器以及监视器构成。
所述的光栅/光点复制直写仪，其特征在于该半穿透/半反射透镜是设置在光栅影像处理模组内。
所述的光栅/光点复制直写仪，其特征在于该影像接收器为一CCD元件。
本发明利用光源模组、光栅影像产生模组、光栅影像处理模组、位置控制模组以及控制单元所共同组成的光栅制作仪器，其各项模组的机构设计简便，便于施行，更可在光栅影像处理模组中加入光栅影像品质监视模组，而有线上观测及校准的简便性，而通过控制单元控制该附着有感光物质的位置控制模组，更可仅需改变该光栅影像产生模组为点光源的情况下，形成一种可由光点描绘出光栅的光点直写仪器，其确为一具有较佳的光栅制作自由度、较低的成本及快速制作的效果，更可适用于制出各式光栅影像。
以下结合附图进一步说明本发明的具体结构特征及目的。
附图简要说明
图1是本发明的系统配置示意图。
图2是本发明的一光学影像处理模组的实施例图。
图3是本发明的另一光学影像处理模组的实施例图。
图4是本发明的光栅影像产生模组的实施例图。
图5是本发明的光栅影像产生模组的另一实施例图。
图6是本发明的具有傅氏转换的光学影像处理模组的实施例图。
图7是本发明的设置一监视模组的系统实施例图。
图8是本发明设置一自动对焦模组的实施例图。
如图1所示，本发明的光栅复制仪或光点直写仪的系统架构上，是以一光源模组1、一光栅影像产生模组2、一光学影像处理模组3、一感光物质4、一位置控制模组5以及一控制单元6所共同组成。该光源模组1，用来提供产生光栅影像产生模组2所需的光源，并利用其提供的光能量使感光物质4曝光。该光栅影像产生模组2，则用以产生欲制作在感光物质4上的光栅影像。该光学影像处理模组3，用以接收光栅影像产生模组2送入的影像，并将影像缩小至预定(特定)的光栅面积大小，或对送入的影像进行滤波，消除影像中的杂讯。而感光物质4，供记录光栅影像之用。该位置控制模组5，用以夹持感光物质4及控制感光物质4的位置。此外，该控制单元6提供各模组所需的控制讯号，此控制单元6通常可由电脑或微处理器构成。
由光源模组1产生的光源当成光栅影像产生模组2的背光，再由光学影像处理模组3将光栅影像产生模组2产生的影像进行光学影像处理，并成像于感光物质4上。同时使之曝光，其每次约可记录数百平方微米面积的光栅影像；感光物质4的位置则由位于后方的位置控制模组5控制，如此可将数百平方微米面积的不同光栅拼凑或排列成较大的光栅。光源模组1、光栅影像产生模组2、位置控制模组5所需的控制讯号则由控制单元6提供，上述即构成一光栅复制仪。若将光源模组1及光栅影像产生模组2以点光源取代，则可在感光物质4上得到一个缩小光点，把此一缩小光点当成画笔，感光物质当成画版，依靠位置控制模组5移动感光物质4，可在感光物质4上直接绘写光栅；上述即转变为一光点直写仪。
图1的光源模组1必须具有发出的光可使感光物质4感光的波长，并能控制光进入光学影像处理模组3的时间及光强度，以精确控制适当的曝光量。一种可行的光源模组1是以汞灯、激光或其它类似的装置作为令感光物质4感光的光源，在其前方加上电子快门即可直接由控制单元6控制曝光时间。另一种可行的光源模组是选择合适波长的发光二极管或半导体激光作为令感光物质4感光的光源。由于发光二极管或半导体激光的发光时间及光强度可直接由控制单元6控制，因此无需快门机构即可达到控制曝光量的效果。
感光物质4是可以记录光能量强度的物质，常用的感光物质有卤化银、光聚合物及光阻等材料，一般将感光物质4以涂布或其它方式附着在玻璃、金属或其它物质的光学面上，以便于通过位置控制模组5或通过其它机具夹持及便于供后续加工处理。
该位置控制模组5用来夹持感光物质4，并使感光物质4可做不同方向的移动，并能作精密的步进式或连续式移动。位置控制模组5可以是一般同调光干涉时使用的位移平台，也可以是集成电路制程中所使用的位移平台，视需要而决定移动时控制的轴数而定。若设为光栅复制仪时，最好有X轴及Y轴上的位移控制；若设为光点直写仪时，最好有X轴及Y轴上的位移控制及Z轴上的旋转控制，移动方式最好是连续式。
该光学影像处理模组3可为一光学缩影机构，利用透镜成像的方式，可以把光栅影像产生模组2产生的光栅影像缩影在位置控制模组5前方，此时将感光物质4置于位置控制模组5上，就可以把缩小后的光栅影像记录在感光物质4上。如图2的光学影像处理模组的一实施例，以单一缩影镜头3a构成，亦可由单透镜或是透镜组构成，达到缩小光栅影像至特定大小的效果。
在图3的光学影像处理模组的另一实施例中，是以一平行化镜头3b以及一聚焦镜头3c所组成，该平行化镜头3b以及聚焦镜头3c均可为单透镜或透镜组构成，该平行化镜头3b可令光栅影像产生模组2送入的由任意点光源所产生的发散球面光转换为平行光。而该聚焦镜头3c则可令已被平行化的平行光收成为球面光，并在感光物质4上聚成一点。此聚焦点的大小由平行化镜头3b以及聚焦镜头3c的透镜品质所决定，此聚焦点的品质亦为成像品质的关键所在；而由于在平行化镜头3b及聚焦镜头3c间的光讯号传播方式是以平行光方式传播，因此平行化镜头3b及聚焦镜头3c间的距离可任意调整，而不致影响成像品质。此系统在使用期间会因为感光物质的表面不平整、系统受到振动的影响或其它因素使得原来在感光物质4面上有良好成像品质的影像变差，此项缺点可在光学影像处理模组3中加入如图8的自动对焦模组即可排除，此自动对焦模组是在界于该两平行化镜头3b、3c之间的光路上设置一半穿透/半反射镜73。而在外部设置一激光二极管70以及两感应器71、72，通过激光二极管70产生激光经半穿透/半反射镜73反射至感光物质4位置处，再通过相同路径折返，此折返讯号是由两感应器71、72所接收。两感应器所接收的讯号可通过自动对准理论得知是否对焦准确，若未能准确对焦，则将此讯号转变为校正讯号，移动聚焦镜头3c的位置，以获得精确对焦的效果，然而此自动对焦是属于现有技术，在此不予赘述，且自动对焦模组的加入方式亦依照自动对焦技术的差异而有其它不同的实施型态，但以不影响光学影像处理模组3原有的功能均为可行。
该用以产生供光学影像处理模组3使用的光栅影像产生模组2的构造上亦有数种不同实施方式，在全像展示的应用中产生的“点矩阵光栅”，是由各种方向及不同节距的直线光栅所组成，在实际应用上需要数十种不同的光栅角度，不同的光栅节距仅需数种即可。图4揭示一种适用于产生“点矩阵光栅”的光栅影像产生模组2，以光扩散板2a、数个表面设有不同节距的光栅光罩2b、2c、2d以及面积控制光罩2e所组成。该数个光栅光罩2b～2d的个别的节距依缩影后的需求光栅节距及缩影倍率而定。此数个光栅光罩是同时固定在一个X方向的位移平台上，视需要可以在X方向上移动，以使合适的光罩移动到光投射轴线上，以选择不同的光罩节距。而各个光栅光罩2b、2c、2d是可自由旋转，经旋转马达以齿轮或皮带控制其旋转角度来选定所需的光栅角度。光栅光罩的数量不一定是三个，可以视需要增加或减少，而相关的位移平台及旋转马达则由图1的控制单元6控制以达成自动化。该面积控制光罩2e用以决定缩影后光栅影像的曝光面积大小；各个光栅光罩2b～2d必须置于适合的物距上，而该光扩散板2a及面积控制光罩2e必须放置在光投射轴线上，并尽量靠近各个光栅光罩2b～2d，以形成一种可产生不同节距大小及不同光栅角度的光栅影像的光栅影像产生模组。
图5则为光栅影像产生模组的另一实施例，其与图4不同之处是在于以一液晶投影板2f取代前述呈机械转动或位移的各组光栅光罩2b～2d，背光则直接沿用图1的光源模组1及该光扩散板2a达成。经由控制单元6控制液晶投影板2f，而可在液晶投影板2f上产生任意的影像。此一光栅影像产生模组的实施例不仅可产生“点矩阵光栅”的效果，更可适用于电脑全像片及绕射式光学元件等等的领域，在此应用领域上，该面积控制光罩2e可有可无。
如图2、3以缩影方式设计的光学影像处理模组3，用光栅影像产生模组2及光源模组1来控制复制的光栅图形及曝光时间的机构即为光栅复制仪。若使用点光源来取代光栅影像产生模组及光源模组的功能，并将点光源放置在适当的物距上，意即将点光源取代该光栅影像产生模组2的位置。点光源经过图2、3以缩影方式设计的光学影像处理模组缩影后，可在感光物质4的成像面上形成缩小成十分微小的光点。把此一微小的光点当成画笔，再利用控制感光物质4位置的位置控制模组5控制此微小光点与感光物质4的相对位置，并控制光点的光强度大小，即可在感光物质4上绘制任意的光栅，此机构即为光点直写仪。
有许多种方式可以产生理想的点光源，一种可行的方法是将激光光束聚焦并经过针孔滤波而得到理想的点光源；另一种可行的方法是直接使用发光二极管或激光二极管当成理想的点光源；或者将一般光源聚焦，然后在焦平面上用一个针孔施以滤波，也可以得到一个理想的点光源；需要注意的是所选择的光源必须具有能让感光物质4感光的波长并且能控制光源的光强度及曝光量。
光学影像处理模组3不一定是利用缩影的原理设计。如图6为另一种可行的光学影像处理模组，此一模组是利用光学傅氏转换原理所达成，由一傅氏转换透镜3d、一逆傅氏转换透镜3e以及一滤波光罩3f所组成，该傅氏或逆傅氏转换透镜3d、3e可为单透镜或透镜组。图4、5的光栅影像产生模组2与此图6的傅氏转换光学影像处理模组搭配使用时，则必须将光扩散板2a丢弃不用，所使用的光源模组1必须能产生平行的激光，具有能让感光物质4感光的波长而且能控制对感光物质的曝光量。
当光栅影像产生模组2上的光栅影像受到平行激光的照射，经过傅氏转换透镜3d对光栅影像作傅氏转换，此时滤波光罩3f由于是置于傅氏转换平面上，如此，即可对光栅影像的频谱讯号作滤波处理。经过滤波后的光栅影像频谱讯号再经过逆傅氏转换透镜3e作逆傅氏转换后，即可在逆傅氏转换透镜3e后方，在其后焦距的平面上得到经过滤波处理的光栅影像，再把感光物质4置于此平面上，即可记录光栅影像。此影像可能被放大或缩小，视两透镜3d、3e彼此间焦距的比例关系。在运用上，一般均是把光栅影像适度缩小处理，自动对焦模组亦可加入至此傅氏转换光学影像处理模组中，傅氏转换光学影像处理模组不一定只使用一组傅氏光学转换透镜，也可以使用两组或更多组的傅氏光学转换透镜，每两组傅氏光学转换透镜之间的距离，较宜为前面一组傅氏光学转换透镜中逆傅氏转换透镜的后焦距，再加上后面一组傅氏光学转换透镜中傅氏转换透镜的前焦距。在每一组傅氏光学转换透镜中均有一个傅氏转换平面，滤波光罩可以放置在任一傅氏转换平面上对光栅影像作滤波处理，傅氏转换光学影像处理模组仅适用于光栅复制仪上。
光栅复制仪及光点直写仪在实际的应用上需经常校准，因此在系统上具有鉴视功能以便于线上校准即十分重要的。图7是揭示一加监视模组6于系统上的一实施例，监视模组6可使用与一般显微镜监视模组相同的原理，于图面中所使用的监视模组6包括一个半穿透/半反射镜61、一个CCD影像接收器62以及一个监视器63，当光栅影像投射在感光物质4上时，表面散射光将循原光路反向传播，半穿透/半反射镜61可将光讯号偏折，避免影响原来的光路。经偏折后的光讯号成像在CCD影像接收器62上，CCD影像接收器62可令光讯号转换成电讯号，抓取电讯号即可在监视器63上观察感光物质4上的光栅影像品质，同时做线上校准，除了图7中所使用的安置方式外，监视模组亦可放置在其它适当的位置上。
权利要求
1.一种光栅/光点复制直写仪，其特征在于包括一光源模组，用来提供产生光栅影像所需要的光源，并利用其提供的能量在感光物质上曝光，一光栅影像产生模组，用来产生预期制作在感光物质上的光栅影像，一光学影像处理模组，用来缩小光栅影像产生模组所产生的影像至预期光栅的大小，一感光物质，用来记录光栅，一感光物质位置控制模组，用来夹持感光物质及控制感光物质的位置，及一控制单元，用来提供各模组所需的控制讯号。
2.根据权利要求1所述的光栅/光点复制直写仪，其特征在于该控制单元由电脑或微处理器构成。
3.根据权利要求1所述的光栅/光点复制直写仪，其特征在于该光源模组使用发光二极管。
4.根据权利要求1所述的光栅/光点复制直写仪，其特征在于其光源模组使用半导体激光。
5.根据权利要求1所述的光栅/光点复制直写仪，其特征在于可由一半导体激光取代该光源模组及光栅影像产生模组。
6.根据权利要求1所述的光栅/光点复制直写仪，其特征在于可由发光二极管取代该光源模组及光栅影像产生模组。
7.根据权利要求1所述的光栅/光点复制直写仪，其特征在于该光栅影像产生模组由光扩散板、可控制旋转角度的光栅光罩以及面积控制光罩所组成。
8.根据权利要求7所述的光栅/光点复制直写仪，其特征在于该光栅光罩是包括多个表面形成有不同节距光栅的光罩所组成。
9.根据权利要求8所述的光栅/光点复制直写仪，其特征在于该多个光栅光罩是可排列于同一轴线上，可通过控制单元的控制，使其一光栅光罩移动至光线投射路径上，以产生不同光栅节距影像。
10.根据权利要求1所述的光栅/光点复制直写仪，其特征在于该光栅影像产生模组由光扩散板及液晶显示器所组成。
11.根据权利要求1所述的光栅/光点复制直写仪，其特征在于该光学影像处理模组是使用缩影镜头。
12.根据权利要求1或11所述的光栅/光点复制直写仪，其特征在于该光学影像处理模组由平行化镜头及聚焦镜头所组成。
13.根据权利要求1所述的光栅/光点复制直写仪，其特征在于该光学影像处理模组由傅氏转换透镜、逆傅氏转换透镜以及滤波光罩所组成。
14.根据权利要求13所述的光栅/光点复制直写仪，其特征在于该滤波光罩可设在两透镜之间。
15.根据权利要求13所述的光栅/光点复制直写仪，其特征在于该些透镜可为单透镜或组合透镜构成。
16.根据权利要求1所述的光栅/光点复制直写仪，其特征在于该位置控制模组使用可程式控制的位移控制平台。
17.根据权利要求1所述的光栅/光点复制直写仪，其特征在于更包括有自动对焦模组。
18.根据权利要求1所述的光栅/光点复制直写仪，其特征在于更包括有成像品质监控模组。
19.根据权利要求18所述的光栅/光点复制直写仪，其特征在于该监控模组可包括一半穿透/半反射透镜、影像接收器以及监视器构成。
20.根据权利要求19所述的光栅/光点复制直写仪，其特征在于该半穿透/半反射透镜是设置在光栅影像处理模组内。
21.根据权利要求19所述的光栅/光点复制直写仪，其特征在于该影像接收器为一CCD元件。
全文摘要
一种光栅/光点复制直写仪,是由控制单元、光源模组、光栅/光点影像产生模组、光学影像处理模组、位置控制模组以及位在该位置控制模组上的感光物质所组成。控制单元控制该光源模组、光栅/光点影像产生模组与位置控制模组,在光源模组提供光栅/光点影像产生模组适当光源下,经光学影像处理模组而使光栅缩小尺寸或过滤光线后,搭配位置控制模组的移动控制,使感光物质上产生所需的光栅图案或光点描写图形。
文档编号G03B41/00GK1198541SQ97111119
公开日1998年11月11日 申请日期1997年5月6日 优先权日1997年5月6日
发明者郭奇旺, 李世光 申请人:华锦光电科技股份有限公司