一种基于转镜的三维阵列打印系统的激光直写打印方法及装置

1.本发明涉及直写光刻技术领域，尤其涉及一种基于转镜的三维阵列打印系统的激光直写打印方法及装置。


背景技术：

2.三维激光打印技术是一类将材料逐层添加来打印三维物体的“增材制造”技术的统称，其核心原理是：“分层制造，逐层叠加”。
3.三维打印的流程通常是：先通过计算机辅助设计(cad)或计算机动画建模软件建模，设计出需要打印的结构，在将建成的三维模型按照设计的算法切片成逐层的截面，然后提取单个平面的数据，将数据导入三维打印设备。根据三维切片的数据坐标等信息，让各个运动器件协同工作，逐层打印。相较于以前的“减材制造”，三维激光打印技术将机械、材料、光学、通信和控制技术等技术融合贯通，具有减少系统研发周期、降低研制成本和一体打印任意复杂形状结构等优势。目前三维打印技术在社会和生活的各个方面应用越来越广，已经在航天科技、国际空间、电子行业、汽车工业、房屋建筑和医药制备等领域都已经有比较广泛的应用。
4.专利文献cn115639729a公开了一种基于全息相位分束的光纤并行激光直写方法及系统，该方法将一水平偏振方向的激光入射至空间光调制器的液晶面元，利用空间光调制器按照加载的全息相位图对入射激光进行调制生成在空间按设计需要排列的第一光束阵列，将第一光束阵列耦合进光纤阵列，光纤阵列出射的光聚焦后即获得并行激光，利用并行激光在待加工物体上进行激光直写。该方法虽然可以有效提高直写速度和分辨率，但是限于振镜的扫描距离，使得直写打印件的体积不能过大。
5.专利文献cn114415481a公开了一种基于转镜的激光直写系统的刻写方法及装置，该方法包括：构建光功率和声光调制器的输入电压之间的拟合关系；获取转镜扫描有效区域内的光功率分布情况；根据预定刻写光功率和所述光功率分布情况，确定单次刻写视场范围；根据所述单次刻写视场范围，对待刻写文件进行分割，得到至少一个子文件；对所述子文件进行灰度补偿矫正，得到刻写数据文件；根据刻写方向的偏转角度，对每个刻写数据文件的行初始位置坐标进行坐标变换；根据变换后的行初始位置坐标和所述拟合关系，利用基于转镜的激光直写系统进行刻写。该方法公开了基于转镜的刻写系统以及刻写的原理，但是如何解决三维阵列打印问题，在文中并没有提及。


技术实现要素：

6.为了解决上述问题，本发明提供了一种基于转镜的三维阵列打印系统的激光直写打印方法，该方法可以有效解决实际三维刻写过程中耗时过长的问题。
7.一种基于转镜的三维阵列打印系统的激光直写打印方法，所述三维阵列打印系统包括用于提供激光的光源组件，转镜，由扫描透镜、场景以及二向色镜组成的扫描组件，物
镜以及用于固定刻写材料的打印平台以及控制激光强度的模拟数字输出卡；
8.所述光源组件发出的激光经所述转镜反射为扫描x轴方向的刻写激光后，投射至所述扫描组件通过扫描透镜和场镜将刻写激光汇聚至二向色镜，所述二向色镜将汇聚的刻写激光折射至物镜中，通过所述物镜将刻写激光投射在打印平台上的刻写材料；
9.所述激光直写打印方法以下步骤：
10.获取转镜单行扫描的最大刻写长度，并基于最大刻写长度刻写的直线中选取粗细均匀且连续的线段，作为所述转镜的有效刻写长度。
11.根据预设打印参数与步骤1获得的有效刻写长度，计算获得打印平台的单次移动距离，所述预设打印参数包括预设阵列的尺寸大小，阵列中单个刻写结构的尺寸大小，以及阵列中相邻刻写结构之间的间距。
12.基于预设打印参数，有效刻刻写长度以及单次移动距离，对待打印的三维结构进行分层数据切割，生成一个或多个连续垂直分布于转镜扫描平面的二维刻写数据文件。
13.根据预设的刻写功率，将一个或多个二维刻写数据文件输入至三维阵列打印系统中，通过刻写激光对打印平台上的刻写材料进行循环输出，获得所述三维结构对应的阵列打印件。
14.本发明提供的方法通过预设打印参数，有效刻写长度以及打印平台的单次移动距离，生成对应的二维刻写数据，并根据对应的刻写位置进行刻写数据的重复输出，从而仅需对单个三维结构进行解析，大大节省了相对于传统刻写过程需要对整体结构进行解析的耗时。
15.优选的，所述三维阵列打印系统还包括刻写观测组件，包括：相机，照明光源，光阑，聚光透镜，等比例分光片与成像透镜；
16.所述照明光源发出的照明光经所述光阑投射至聚光透镜后转化为平行光，所述平行光再经过等比例分光片反射聚焦入物镜的入瞳处后，通过相机获得所述物镜视场范围内的刻写材料图像，有效监控打印过程中打印件的变化，从而避免降低打印废品率。
17.优选的，在打印时通过调节物镜焦距的偏移量，完成z轴方向上的结构打印，从而简化垂直于转镜扫描方向上结构刻写过程的位置校准工作。
18.具体的，所述打印平台包括可沿y轴方向运动的空气轴承位移台和安装在所述空气轴承位移台上、可在z轴方向上调节的压电位移台，所述压电位移台上放置刻写材料，通过调节压电位移台高度，从而满足不同尺寸的打印需求。
19.具体的，所述单次移动距离根据有效刻写长度与预设打印参数的计算过程如下：
20.当所述有效刻写长度大于单个刻写结构的平面长度，且小于单个刻写结构的平面长度与相邻刻写结构间距之和时，则单次移动距离为有效刻写长度与相邻刻写结构间距之和；
21.当所述有效刻写长度能被单个刻写结构的平面长度与相邻刻写结构间距之和整除时，则单次位移距离即为有效刻写长度；
22.当所述有效刻写长度不能被单个刻写结构的平面长度与相邻刻写结构间距之和整除时，则单次位移距离即为有效刻写长度允许范围之内，单个刻写结构的平面长度与相邻刻写结构间距之和的最大倍数。
23.具体的，所述步骤3中的具体过程如下：
24.在所述有效刻写长度范围内，沿着垂直于转镜扫描平面方向上对三维结构进行分割，获得对应连续的二维平面图像；
25.将所述二维平面图像转换为像素值数据矩阵，并根据预设打印参数与单次移动距离对所有像素数据矩阵进行填充，获得矩阵尺寸统一的二维刻写数据文件。
26.具体的，所述填充通过将零矩阵数据补充在像素数据矩阵中，使得所述像素数据矩阵沿转镜扫描方向的长度与有效刻写长度一致。
27.具体的，在步骤4中，所述刻写功率根据预设初始功率，单次补进功率以及功率步进次数，通过功率轮循的方式计算获得，所述功率轮循的具体过程如下：
28.步骤1、设置初始功率，单次步进功率以及功率步进次数；
29.步骤2、将待打印的二维刻写数据文件导入三维阵列打印系统中，采用步骤1设置的初始刻写功率对单个三维结构进行打印；
30.步骤3、完成一次刻写操作后记录刻写全程功耗及耗时，并根据单次进步功率和功率进步次数，对三维阵列打印系统的当前功率进行一次调节，获得更新功率；
31.步骤4、采用步骤3获得的更新功率通过三维阵列打印系统进行刻写，并记录刻写全程功耗及耗时；
32.步骤5、重复步骤3至步骤4，直至完成功率进步次数，获得刻写功率集合；
33.步骤6、筛选所述刻写功率集合中耗时较小的前三分之一，并选出筛选结果中刻写全程功耗最小的刻写功率，作为三维阵列打印系统最终的刻写功率。
34.具体的，在步骤3中，所述当前功率的调节表达公式如下：
35.j
new
＝jo+(n-1)
×jstep
36.式中，jo表示当前功率，j
step
表示单次补进功率，n表示功率步进次数，j
new
表示更新功率。
37.具体的，所述刻写材料包括光刻胶，玻璃以及硅基底。
38.本发明还提供了一种激光直写打印装置，包括存储器，一个或多个处理器和三维阵列打印系统，用于实现上述的基于转镜的三维阵列打印系统的激光直写打印方法，其具体步骤如下：
39.获取待打印三维结构，采用所述激光直写打印方法对三维阵列打印系统和待打印三维结构进行处理后，通过三维阵列打印系统对待打印三维结构进行打印，获得待打印三维结构对应的阵列打印件。
40.与现有技术相比，本发明的有益效果：
41.本发明通过将待打印的三维结构进行处理生成二维刻写数据文件，根据阵列大小以及单视场扫描范围计算每一个刻写结构的刻写位置，只需要解析一次数据，在不同位置处对数据重复输出，从而实现三维结构的阵列打印。
附图说明
42.图1为本发明提供的激光直写打印方法的流程图；
43.图2为本实施例提供的系统装置示意图；
44.图3为本实施例提供的转镜扫描方向和打印平台移动方向的示意图；
45.图4为本实施例提供的转镜波形示意图；
46.图5为本实施例提供的一种三维阵列打印系统的结果示意图；
47.图中，1、780nm飞秒激光器；2、780nm半波片；3、第一反射镜；4、第二反射镜；5-6、衍射光栅；7、屋脊反射镜；8、反射镜；9、第一4f扩束透镜；10、第二4f扩束透镜；11、第三反射镜；12、第四反射镜；13、780nm空间光调制器；14、反射镜；15、透镜；16、780nm多通道声光调制器；17、透镜；18、二向色镜；19、像旋转器；20、反射镜；21、转镜；22、扫描透镜；23、场镜；24、二向色镜；25、高na物镜；26、光刻胶样品；27、压电位移台；28、空气轴承位移台；29、成像透镜；30、等比例分光片；31、聚光透镜；32、光阑；33、照明光源；34、相机；35、模拟数字输出卡。
具体实施方式
48.为了更好的阐述本发明的目的以及具体的实施方式，下面将结合实施实例以及附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。本领域技术人员在理解本发明技术方案的基础上进行修改或者等同替换，而未脱离本发明的技术方案的原理的均应涵盖在本发明的保护范围内。
49.一种基于转镜的三维阵列打印系统的激光直写打印方法，包括以下步骤：
50.根据转镜单行扫描的最大刻写长度，控制电压大小使得转镜可以在光刻胶上刻写出线条，测量线条的粗细，选取相对连续粗细均匀的长度作为转镜的有效扫描长度。
51.为了容易计算实际刻过程中的刻写数据和位移台移动位置，通常可以选取100um，150um这种数值作为转镜的有效扫描长度。
52.根据预设打印参数和步骤1获得的有效刻写长度，计算获得打印平台的单次移动距离，其中该单次位移距离的具体计算过程如下：
53.当所述有效刻写长度大于单个刻写结构的平面长度，且小于单个刻写结构的平面长度与相邻刻写结构间距之和时，则单次移动距离为有效刻写长度与相邻刻写结构间距之和；
54.当所述有效刻写长度能被单个刻写结构的平面长度与相邻刻写结构间距之和整除时，则单次位移距离即为有效刻写长度；
55.当所述有效刻写长度不能被单个刻写结构的平面长度与相邻刻写结构间距之和整除时，则单次位移距离为有效刻写长度允许范围之内，单个刻写结构的平面长度与相邻刻写结构间距之和的最大倍数。
56.本实施例中三维阵列结构的平面方向加工尺寸可以为10cm*10cm，单个三维结构的平面尺寸150um*150um大小左右。
57.基于预设打印参数，有效刻刻写长度以及单次移动距离，对待打印的三维结构进行分层数据切割，生成一个或多个连续垂直分布于转镜扫描平面的二维刻写数据文件。
58.根据预设的刻写功率，将所述刻写数据文件输入至三维阵列打印系统中，通过刻写激光对打印平台上的刻写材料进行循环输出，获得对应的三维阵列打印件，其中刻写功率的选取方式如下：
59.步骤1、设置初始功率，单次步进功率以及功率步进次数；
60.步骤2、将待打印的单个三维结构数据导入三维阵列打印系统中，采用步骤1设置的初始刻写功率进行刻写；
61.步骤3、完成一次刻写操作后记录刻写全程功耗及耗时，并根据单次进步功率和功率进步次数，对三维阵列打印系统的当前功率进行一次调节，获得更新功率；
62.步骤4、采用步骤3获得的更新功率通过三维阵列打印系统进行刻写，并记录刻写全程功耗及耗时；
63.步骤5、重复步骤3至步骤4，直至完成功率进步次数，获得刻写功率集合；
64.步骤6、筛选所述刻写功率集合中耗时较小的前三分之一，并选出筛选结果中刻写全程功耗最小的刻写功率，作为三维阵列打印系统最终的刻写功率。
65.如图2所述，为本实施例提供的一种三维阵列打印系统，其具体的工作过程如下：
66.780nm飞秒激光器1(刻写光激光器)产生一束780nm飞秒激光，透过780nm半波片2进行偏振方向调整。经过第一反射镜3和第二反射镜4调整激光方向后，透过衍射光栅5-6，再由屋脊反射镜7对光束进行高度提升后，原路返回衍射光栅6-5。反射镜3选择为d型反射镜，从衍射光栅5返回的光束经反射镜4反射，从反射镜3上方传播(即越过反射镜3)，并由反射镜8反射进入扩束透镜组9-10，完成扩束。再由第三反射镜11和第四反射镜12调整光束方向后入射到780nm空间光调制器13，通过在空间光调制器13上加载全息图将单光束调制为多光束。再经过反射镜14反射，通过透镜15对全息图进行傅里叶变换，在透镜15焦平面处产生多焦点。
67.780nm多通道声光调制器16放置在透镜15焦平面处，每个通道通过一个焦点，以实现对每一束光的独立调制。再由透镜17对发散光重新准直，经过二向色镜18，进入像旋转器19。
68.780nm飞秒激光经过像旋转器19调制后，经反射镜20反射后进入转镜21。多光束通过转镜21反射后经扫描透镜22、场镜23，再由二向色镜24反射后进入高na物镜25，并聚焦到光刻胶样品26上。压电位移台27和空气轴承位移台28在程序控制下带动光刻胶样品26进行扫描运动。
69.照明光源33采用led灯，发出的照明光通过光阑32后被聚光透镜31转化为平行光，再经过等比例分光片30反射后，依次经过成像透镜29、二向色镜24，聚焦到高na物镜25的入瞳处。此外，光刻胶样品26处图像依次经过高na物镜25、二向色镜24、成像透镜29、等比例分光片30成像到相机34处，用于刻写观察
70.其中，当单次刻写的数据为m*n结构大小的数据时，仅需要针对转镜扫描方向上进行数据分割就行，其中，m表示阵列在垂直转镜扫描方面方向上的结构个数，n为转镜扫描方向上转镜有效扫描长度范围内的结构个数，如图3所示，在实际刻写过程中采用转镜水平扫描方向与打印平台水平移动方向垂直，从而提高单次位移过程中的刻写效率。
71.如果，n恰好可以整除阵列的列数，则位移台只需要移动4/n次即可。如果n不能整除阵列的列数，则位移台移动：“取整(4/n)+1”次可以完成对整个阵列的刻写。当数据为4*4结构大小的数据时，通过传统振镜需要移动16次才能完成4*4的阵列刻写，通过转镜仅需5次即可完成4*4的阵列刻写，这极大地提高了刻写效率，如图4所示，为系统中转镜输出的波形图。
72.如图5所示，为系统打印输出的结果示意图。

技术特征：
1.一种基于转镜的三维阵列打印系统的激光直写打印方法，其特征在于，所述三维阵列打印系统包括转镜，所述激光直写打印方法包括以下步骤：获取转镜单行扫描的最大刻写长度，并基于最大刻写长度刻写的直线中选取粗细均匀且连续的线段，作为所述转镜的有效刻写长度；根据预设打印参数与有效刻写长度，计算获得打印平台的单次移动距离，所述预设打印参数包括预设阵列的尺寸大小，阵列中单个刻写结构的尺寸大小，以及阵列中相邻刻写结构之间的间距；基于预设打印参数，有效刻刻写长度以及单次移动距离，对待打印的三维结构进行分层数据切割，生成一个或多个连续垂直分布于转镜扫描平面的二维刻写数据文件；根据预设的刻写功率，将一个或多个二维刻写数据文件输入至三维阵列打印系统中，通过刻写激光对打印平台上的刻写材料进行循环输出，获得所述三维结构对应的阵列打印件。2.根据权利要求1所述的基于转镜的三维阵列打印系统的激光直写打印方法，其特征在于，所述单次移动距离根据有效刻写长度与预设打印参数的计算过程如下：当所述有效刻写长度大于单个刻写结构的平面长度，且小于单个刻写结构的平面长度与相邻刻写结构间距之和时，则单次移动距离为有效刻写长度与相邻刻写结构间距之和；当所述有效刻写长度能被单个刻写结构的平面长度与相邻刻写结构间距之和整除时，则单次位移距离即为有效刻写长度；当所述有效刻写长度不能被单个刻写结构的平面长度与相邻刻写结构间距之和整除，则单次位移距离即为有效刻写长度允许范围之内，单个刻写结构的平面长度与相邻刻写结构间距之和的最大倍数。3.根据权利要求1所述的基于转镜的三维阵列打印系统的激光直写打印方法，其特征在于，所述二维刻写数据文件的生成过程如下：在所述有效刻写长度范围内，沿着垂直于转镜扫描平面方向上对三维结构进行分割，获得对应连续的二维平面图像；将所述二维平面图像转换为像素值数据矩阵，并根据预设打印参数与单次移动距离对所有像素数据矩阵进行填充，获得矩阵尺寸统一的二维刻写数据文件。4.根据权利要求3所述的基于转镜的三维阵列打印系统的激光直写打印方法，其特征在于，所述填充通过将零矩阵数据补充在像素数据矩阵中，使得所述像素数据矩阵沿转镜扫描方向的长度与有效刻写长度一致。5.根据权利要求1所述的基于转镜的三维阵列打印系统的激光直写打印方法，其特征在于，所述刻写功率根据预设初始功率，单次补进功率以及功率步进次数，通过功率轮循的方式计算获得，所述功率轮循的具体过程如下：步骤1、设置初始功率，单次步进功率以及功率步进次数；步骤2、将待打印的二维刻写数据文件导入三维阵列打印系统中，采用步骤1设置的初始刻写功率对单个三维结构进行打印；步骤3、完成一次刻写操作后记录刻写全程功耗及耗时，并根据单次进步功率和功率进步次数，对三维阵列打印系统的当前功率进行一次调节，获得更新功率；步骤4、采用步骤3获得的更新功率通过三维阵列打印系统进行刻写，并记录刻写全程
功耗及耗时；步骤5、重复步骤3至步骤4，直至完成功率进步次数，获得刻写功率集合；步骤6、筛选所述刻写功率集合中耗时较小的前三分之一，并选出筛选结果中刻写全程功耗最小的刻写功率，作为三维阵列打印系统最终的刻写功率。6.根据权利要求1所述的基于转镜的三维阵列打印系统的激光直写打印方法，其特征在于，所述三维阵列打印系统还包括用于提供激光的光源组件，由扫描透镜、场景以及二向色镜组成的扫描组件，物镜以及用于固定刻写材料的打印平台以及控制激光强度的模拟数据输出卡；所述光源组件发出的激光经所述转镜反射为扫描x轴方向的刻写激光后，投射至所述扫描组件通过扫描透镜和场镜将刻写激光汇聚至二向色镜，所述二向色镜将汇聚的刻写激光折射至物镜中，通过所述物镜将刻写激光投射在打印平台上的刻写材料。7.根据权利要求1所述的基于转镜的三维阵列打印系统的激光直写打印方法，其特征在于，所述三维阵列打印系统设有刻写观测组件，包括：相机，照明光源，光阑，聚光透镜，等比例分光片与成像透镜；所述照明光源发出的照明光经所述光阑投射至聚光透镜后转化为平行光，所述平行光再经过等比例分光片反射聚焦入物镜的入瞳处后，通过相机获得所述物镜视场范围内的刻写材料图像。8.根据权利要求7所述的基于转镜的三维阵列打印系统的激光直写打印方法，其特征在于，在打印时通过调节物镜焦距的偏移量，完成垂直于转镜扫描方向上的结构打印。9.根据权利要求7所述的基于转镜的三维阵阵列打印系统的激光直写打印方法，其特征在于，所述打印平台包括可沿y轴方向运动的空气轴承位移台和安装在所述空气轴承位移台上、可在z轴方向上调节的压电位移台，所述压电位移台上放置刻写材料。10.一种激光直写打印装置，其特征在于，包括存储器，一个或多个处理器和三维阵列打印系统，所述存储器中存储有可执行代码，所述一个或多个处理器执行可执行代码，用于实现权利要求1～9任一项所述的基于转镜的三维阵列打印系统的激光直写打印方法，其具体步骤如下：获取待打印三维结构，采用所述激光直写打印方法对三维阵列打印系统和待打印三维结构进行处理后，通过三维阵列打印系统对待打印三维结构进行打印，获得待打印三维结构对应的阵列打印件。

技术总结
本发明公开了一种基于转镜的三维阵列打印系统的激光直写打印方法，包括：基于最大刻写长度刻写的直线中选取粗细均匀且连续的线段，作为转镜的有效刻写长度；根据预设打印参数和有效刻写长度，计算获得打印平台的单次移动距离；根据预设打印参数，有效刻写长度以及单次移动距离，生成一个或多个连续垂直分布于转镜扫描平面的二维刻写数据文件；根据预设的刻写功率，二维刻写数据文件输入至三维阵列打印系统中，通过刻写激光对打印平台上的刻写材料进行循环输出，获得所述三维结构对应的阵列打印件。本发明还提供了一种激光直写打印方法。本发明提供的方法可以有效解决实际三维刻写过程中耗时过长的问题。写过程中耗时过长的问题。写过程中耗时过长的问题。


技术研发人员：汤孟博 匡翠方 杨臻垚 王洪庆 詹兰馨 刘旭 李海峰
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.03.13
技术公布日：2023/8/14