Способ и устройство для структурирования поверхности твердого тела покрытого твердым материалом, с помощью лазера
Изобретение относится к способу и устройству для структурирования поверхности (9) твердого материала, нанесенного на твердое тело, и упаковочной фольге с тиснением, которое нанесено штампами для тиснения или валами для тиснения. Создают структуру как минимум одной области поверхности твердого тела, имеющей покрытие ta-C, для чего используют шаблон (18) в гомогенном пятне (FS) оптической системы для придания формы лучу посредством способа проекции шаблона, а также диаграммы (6) перед оптикой отображений. Структуру получают посредством эксимерного лазера, имеющего длительность импульса в пределах наносекунды (1), и используют некоторое количество сочетаний шаблонов и диафрагм (18, 6), установленных в обменное устройство (28). Обменное устройство приспособлено под размещение одного из шаблонов (18) и одной из диафрагм (6) в траекторию луча лазера независимо друг от друга. Шаблоны (18) и диафрагмы (6) устанавливают в держатели с сохранением способности линейного и кругового перемещения и вращения вокруг своей оси. Изобретение позволяет осуществлять рациональное производство очень сложных, защищенных от подделок отличительных характеристик и/или эстетически привлекательных, эффективных с точки зрения оптической дифракции цветных образцов. 3 н. и 19 з.п. ф-лы, 13 ил.
Данное изобретение относится к способу и устройству для формирования структуры (структурирования) как минимум одной области поверхности твердого тела, покрытого твердым материалом, с помощью устройства, содержащего как минимум один лазер, имеющий длительность импульсов в нано-, пико- или фемтосекундном диапазоне. В частности, обработанная поверхность может являться поверхностью инструмента для тиснения, такого как вал для тиснения или штамп для тиснения, структура поверхности которого переносится на материал, такой как упаковочная фольга или схожий с ней, или может являться поверхностью части ювелирного изделия, такого как часть корпуса часов. В дальнейшем понятие «лазер» распространяется на лазерную систему целиком.
Из уровня техники известно использование эксимерных лазеров, имеющих длительность импульсов в наносекундном диапазоне и длину волны в ультрафиолетовым диапазоне, для формирования микроструктур (микроструктурирования). Лазерное микроструктурирование износоустойчивых поверхностей твердых тел требуется, в основном, для валов для тиснения или штампов для тиснения, если такие валы или штампы для тиснения предназначены, например, для тиснения защищенных от подделок аутентификационных знаков или особых, привлекательных с точки зрения оптической дифракции, маркировок на упаковочной фольге для сигарет или продуктов. Такая упаковочная фольга изготовлена, как правило, из бумаги или пластиковой пленки, имеющей нанесенный осаждением из паровой фазы или напыленный металлический слой, или выполнена целиком из металла, в основном алюминия, или только из бумаги или пластика с поверхностной обработкой, создающей оптически эффективные или эффективные с точки зрения оптической дифракции свойства и структуры. В этом отношении шаблоны или диафрагмы используются предпочтительно для формирования профиля распределения интенсивности (профилирования) лазерного луча.
В публикации WO 2007/012215 на имя заявителя данного изобретения раскрыто создание так называемых неравномерностей (волн, зубцов, рифления) с помощью фемтосекундного лазера на детали, которая может иметь слой из твердого материала, состоящего из супертвердого аморфного углерода, включающего более 50% алмазоподобных sp3-связей, известного под маркировкой ta-C; карбида вольфрама (WC), карбида бора (В4С), карбида кремния (SiC) или аналогичных твердых материалов. Как следует из различных документов, доступных в сети Интернет, большинство супертвердых пленок из аморфного углерода (ta-C) отлично подходят для различных способов применения, в частности для трибологических применений, а также для применений на основе оптической дифракции.
На этом основании целью данного изобретения является усовершенствование указанного способа структурирования поверхности твердого тела, в частности вала для тиснения, предназначенного для создания защищенных от подделок аутентификационных характеристик (знаков) и/или оптически привлекательных маркировок таким образом, что становится возможным как серийное изготовление таких поверхностей с аутентификационными знаками, имеющими повышенную защиту от подделок, так и расширение возможностей дизайна. Данная цель достигается способом согласно пункту 1 формулы изобретения и при помощи устройства согласно пункту 11 формулы изобретения.
Другой целью данного изобретения является разработка способа производства шаблонов или диафрагм для создания микроструктур высокой точности и долговечности. Данная цель достигается способом согласно пункту 9 формулы изобретения.
Еще одной целью данного изобретения является создание способа измерения и оптимизации способа производства. Данная цель достигается способом, раскрытым в пункте 10 формулы изобретения и с помощью устройства в соответствии с пунктом 15 формулы изобретения. Дальнейшие примеры воплощения изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
Далее данное изобретение раскрыто более подробно со ссылкой на чертежи, представляющие собой примеры воплощений.
На Фиг. 1 показана схематичная диаграмма устройства, оснащенного двумя лазерами в соответствии с изобретением,
На Фиг. 2 показано профилирование интенсивности луча с помощью комбинации шаблона и диафрагмы,
На Фиг. 3 показана микроструктурированная область, имеющая форму звезды,
На Фиг. 4 приведена схема линейного обменного устройства для шаблонов и диафрагм, вид сверху,
На Фиг. 5 показано обменное устройство, изображенное на фигуре 4, в соответствии с направлением, указанным стрелкой V на фигуре 4,
На Фиг. 6 показано обменное устройство, изображенное на фигуре 4, в соответствии с плоскостью сечения VI-VI на фигуре 4,
На Фиг. 7 приведена схема поворотного обменного устройства для шаблонов и диафрагм, вид сверху,
На Фиг. 8 показано обменное устройство, изображенное на фигуре 7, в соответствии с направлением, обозначенным стрелкой VIII на фигуре 7,
На Фиг. 9 показано обменное устройство, изображенное на фигуре 7, в соответствии с плоскостью сечения IX-IX на фигуре 7,
На Фиг. 10 приведена схема другого воплощения обменного устройства для шаблонов и диафрагм, имеющего накопители для шаблонов и диафрагм,
На Фиг. 11 показано сечение по линии XI-XI на фигуре 10,
На Фиг. 12 показано сечение по линии XII-XII на фигуре 10, и
На Фиг. 13 приведена схема дифрактометра для измерения и установки (взаимного расположения, юстировки) шаблонов, диафрагм и валов для тиснения, а также для контроля качества при формировании структур на валу для тиснения.
На Фиг. 1 представлена схема устройства в соответствии с изобретением, оснащенного двумя лазерами, для микро- и наноструктурирования валов для тиснения, имеющих ta-C покрытие, причем твердый материал ta-C взят в качестве примера твердых материалов.
Первый лазер, например эксимерный KrF лазер с длиной волны 248 нанометров (нм), создает микроструктуры на слое ta-C в соответствии с технологией проекции шаблона, а второй фемтосекундный лазер с центральной длиной волны 775 нм создает наноструктуры на слое ta-C в соответствии с технологией фокусировки.
Микроструктуры могут, например, представлять собой выполненные в виде канавок решетчатые структуры с шагом от 1 до 2 µм, а наноструктуры могут, например, представлять собой самоорганизованные ребристые структуры с периодами примерно 500 нм, действующими в качестве оптической дифракционной решетки. В этом отношении возможно любое периодическое расположение активных структур оптической дифракции, создающее зависимое от угла рассеяние, т.е. разделение на цвета спектра с помощью дифракции при облучении полихроматическим светом.
На фиг. 1 показан первый лазер, эксимерный лазер 1, причем в данном случае его луч 2 имеет прямоугольное поперечное сечение. Интенсивность этого лазерного луча можно устанавливать (регулировать) и изменять с помощью аттенюатора 3. При помощи гомогенизатора 3А и полевой линзы 3В равномерное распределение интенсивности в поперечном сечении лазерного луча достигается в однородном пятне HS. Профиль интенсивности в поперечном сечении лазерного луча, требуемый для создания заданной микроструктуры, получают, профилируя однородное распределение интенсивности с помощью шаблона 18, расположенного в однородном пятне HS.
Геометрическая форма отверстия в диафрагме 6, расположенной после шаблона и предпочтительно в контакте с ним, создает геометрию поперечного сечения или форму контура профиля распределения интенсивности лазерного луча, профилированного с помощью шаблона 18. Шаблон 18 и диафрагма 6 входят в состав обменного устройства шаблона и диафрагмы, более подробное описание которого приведено ниже.
Вместо эксимерного KrF лазера в качестве первого лазера можно использовать ArF эксимерный лазер с длиной волны 193 нм, лазер на фторе с длиной волны 157 нм или XeCl эксимерный лазер с длиной волны 308 нм.
Лазерный луч, профилированный шаблоном 18 и диафрагмой 6, см. также фиг. 2, наталкивается на отклоняющее зеркало 7, которое направляет луч через предусмотренную для данного лазерного луча оптическую систему создания изображений 8, которая создает изображение соответствующего профиля распределения интенсивности лазера для микроструктуры на поверхности 9 слоя ta-C на валу для тиснения 10 с заданным масштабом изображений, например 8:1. Поворотные стрелки 11 показывают, что вал для тиснения 10 можно поворачивать вокруг его продольной оси на заданные углы. Вал для тиснения 10 установлен на передаточном устройстве 32.
Для корректировки, контроля и стабилизации мощности и, таким образом, интенсивности лазерного луча небольшую фракцию (часть) лазерного луча направляют с помощью расщепителя луча 4 на измеритель мощности 5, который доставляет данные для управления аттенюатором 3 и/или лазером 1. Данный измеритель мощности 5 может быть избирательно заменен на устройство измерения профиля распределения интенсивности лазерного луча 5А, что обозначено двойной стрелкой на фиг. 1. Устройства 5 и 5А расположены на том же расстоянии от расщепителя луча 4, что и шаблон 18, находящийся в однородном пятне HS, для осуществления корректного измерения мощности и распределения интенсивности лазерного луча в гомогенном пятне HS, т.е. в плоскости шаблона. Камера 26 служит для наблюдения за процессом создания микроструктуры. С этой целью отклоняющее зеркало 7 имеет систему слоя интерференции, которая отражает излучение эксимерного лазера с длиной волны 248 нм, но пропускает излучение в видимой области спектра.
Для установки (юстировки) прецизионно точно определенного фокусного расстояния лазерного луча, отображенного оптической системой создания изображения 8 на слое ta-C, который должен быть структурирован на всей площади поверхности вала для тиснения 10, положение и связанные с производством отклонения вала от идеальной геометрии измеряют с помощью устройства 16 для контроля положения вала для тиснения, например при помощи тригонометрических способов измерения. Данные этих измерений затем используются для автоматической корректировки (установки) вала для тиснения 10, производимой с помощью устройства перемещения 32, а также для управления корректировкой оси z устройства перемещения 32 в ходе процесса структурирования.
Как было коротко показано в описании одного из примеров воплощения изобретения согласно фиг. 1, профиль распределения интенсивности, необходимый для процесса структурирования с помощью эксимерного лазера в соответствии со способом проекции шаблона, формируется при помощи шаблона и диафрагмы.
Данный процесс описан более детально ниже со ссылкой на фиг. 2: из однородного распределения интенсивности 27 лазерного луча 29 в гомогенном пятне HS с помощью шаблона 18, расположенного в однородном пятне HS, формируется профиль распределения интенсивности в поперечном сечении лазерного луча, необходимый для формирования микроструктуры на слое ta-C вала для тиснения 10. На данном схематическом изображении шаблон 18 имеет прозрачные области 19, расположенные в виде решетки, и области поверхности 20, которые не пропускают лазерный луч, и, таким образом, создают профиль интенсивности в виде решетки 75 с кубовидными участками профиля распределения интенсивности.
Диафрагма 6, установленная в направлении лазерного луча за шаблоном и, предпочтительно, находящаяся с ним в контакте, создает геометрию сечения профиля распределения интенсивности лазерного луча, профилированного с помощью шаблона 18, за счет геометрической формы его отверстия или области прозрачной поверхности. На данной иллюстрации форма отверстия диафрагмы 6Т или прозрачная для лазерного луча область поверхности диафрагмы внутри непроницаемого для лазерного луча участка 6Р имеет форму треугольника, и, следовательно, после диафрагмы, профиль распределения интенсивности 76 лазерного луча 29А имеет треугольную геометрию в сечении.
На фиг. 2 период решетки шаблона 18 и толщина, а также интервал в расположении кубовидных участков профиля распределения интенсивности лазерного луча 76 за шаблоном изображены в значительно увеличенном масштабе в направлении координаты x; фактически, при масштабе отображения шаблона системой проекции шаблона 8:1, они составляют, например, от 8 до 16 µм для создания оптически эффективных микроструктур в виде канавок, имеющих периоды дифракционной решетки от 1 до 2 µм на слое ta-C на валу для тиснения 10 с помощью лазерного луча 29А, профилированного шаблоном. На самом деле при одинаковых размерах площадей поверхности однородного пятна HS и структурированной области шаблона 18, например, 8 мм × 8 мм = 64 мм2, структурированная область шаблона, в отличие от схематически изображенной на фиг.2, включает решетку из полос, имеющую от 1000 до 500 периодов решетки, а лазерный луч, профилированный таким образом, состоит из 1000-500 кубовидных участков профиля распределения интенсивности.
Размер, форма, расстояние (промежуток, шаг), положение и количество областей с прозрачной поверхностью шаблона 18, далее называемые структурой шаблона, определяют профиль распределения интенсивности лазерного луча для формирования на слое ta-C микроструктуры, имеющей заданный оптический эффект, а диафрагма 6 определяет геометрию сечения профиля распределения интенсивности лазерного луча и, таким образом, геометрическую форму микроструктурированной основной области на валу для тиснения. Термин «основная область» применяется в данном случае для обозначения поверхности на валу для тиснения или штампе для тиснения, структурированной с помощью лазерного луча, профилированного шаблоном и диафрагмой, и отображенной на поверхности вала, покрытой слоем ta-C, с помощью серии импульсов лазерного излучения без относительного перемещения лазерного луча и поверхности вала.
Следовательно, меняя структуру шаблона и, особенно, вращая шаблон вокруг оптической оси лазерного луча на заданные углы, можно менять ориентацию профиля распределения интенсивности лазерного луча, профилированного шаблоном и отображенного на слое ta-C вала для тиснения с помощью фокусирующей оптики 8, и, таким образом, менять оптический эффект основной микроструктурированной области, например направление и угол наблюдения, а также цвет и интенсивность, при облучении полихроматическим светом.
При вращении диафрагмы 6 вокруг оптической оси лазерного луча на заданные углы меняется ориентация геометрии поперечного сечения лазерного луча, профилированного диафрагмой, отображенного на слое ta-C на валу для тиснения с помощью фокусирующей оптики, и, таким образом, производится ориентация структурированной с помощью лазера основной области на поверхности вала для тиснения. Данная процедура описана ниже.
Микроструктурированные основные области могут быть размещены либо рядом, в соответствии с конкретным рисунком, либо, после вращения шаблона на заданный угол, накладываться на ту же микроструктуру под этим заданным углом. Кроме того, если используются различные шаблоны, различные микроструктуры могут накладываться в основной области, что позволяет создавать новые эффекты оптической дифракции при облучении полихроматическим светом. Если данные области размещаются рядом, то основные области могут иметь те же или разные формы и микроструктуры поверхности.
На фиг. 3 схематически показана микроструктурированная шестилучевая звезда 100, состоящая из двенадцати основных областей, имеющих треугольную форму поперечного сечения в шести различных ориентациях, и обладающая двумя различными ориентациями дифракции света решетчатых микроструктур внутри основных областей. Если смотреть на эту звезду в полихроматическом свете, имеющий одинаковую микроструктуру внутренний шестиугольник 101, состоящий из шести треугольных основных областей, и имеющие одинаковую микроструктуру лучи 102 звезды будут иметь различный цвет и различные интенсивности при том же направлении наблюдения и под тем же углом наблюдения. Если направление наблюдения меняется при повороте звезды вокруг ее ортогональной оси симметрии или если угол наблюдения меняется путем наклона поверхности звезды, меняются обе характеристики - цвет и интенсивность света, дифрагированного внутренним шестиугольником и лучами.
Для микроструктурирования с помощью эксимерного лазера и создания областей со сложной поверхностью, состоящих из большого количества основных областей, которые по желанию также могут иметь различную форму поверхности и части которых могут производить различные оптические эффекты на валу для тиснения, покрытом слоем ta-C, следует использовать множество шаблонов, имеющих различные структуры шаблона, и множество диафрагм, имеющих отверстия различной геометрии; при этом шаблон 18 и диафрагма 6 должны быть установлены с возможностью вращения вокруг оптической оси лазерного луча независимо друг от друга на заданный угол α. Более конкретно, α может принимать значение между 1° и 180°.
Следующие параметры обработки являются приемлемыми, например, для структурирования слоя ta-C на валу для тиснения: частота повторения импульсов эксимерного лазера 30 Гц, флюенс лазерного луча на слое 8 Дж/см2, количество лазерных импульсов, воздействующих на основную область, равно 10.
Для оптимизации установки (расположения, юстировки) шаблона 18 и диафрагмы 6 в процессе обработки используют in situ дифрактометр 12, см. Фиг. 1 и 13, где измеряющий лазерный луч лазера 79 направлен на поверхность вала, а лучи 14, отраженные и дифрагированные созданными структурами, оценивают с помощью дифрактометра.
Согласно данному изобретению для создания еще более тонких микроструктур, согласно Фиг. 1, дополнительно используют второй лазер 15, который может быть фемтосекундным или пикосекундным лазером. Лазерный луч 2F испускается с Гауссовым распределением интенсивности по круговому поперечному сечению луча, интенсивность которого можно устанавливать и менять с помощью аттенюатора 3F. При помощи поляризатора 17 изменяют направление поляризации лазерного луча, т.е. направление вектора интенсивности электрического поля в плоскости xz перпендикулярно направлению распространения лазерного луча у.
Для получения очень маленьких фокусных поперечных сечений на слое ta-С поперечное сечение несфокусированного лазерного луча увеличивают в расширителе пучка 3FC. Линейно поляризованный и расширенный лазерный луч отклоняют с помощью зеркала 7F и фокусируют на слое ta-C с помощью фокусирующей оптики 8F, которая подходит для длины волны фемтосекундного лазера и установлена с возможностью перемещения по оси z.
Для корректировки, управления и стабилизации мощности и, за счет этого, интенсивности лазерного луча небольшую часть лазерного луча направляют с помощью расщепителя пучка 4F на измеритель мощности 5F, который поставляет данные для управления аттенюатором 3F и/или лазером 15. Камера 26F служит для наблюдения за процессом структурирования. Преломляющее зеркало 7F имеет покрытие, подходящее для отражения излучения фемтосекундного лазера и пропускания видимого света.
Для структурирования заданных областей поверхности осуществляют относительное перемещение лазерного луча, сфокусированного на слое ta-C вала для тиснения, и поверхностью вала, путем вращения вала для тиснения в заданных диапазонах углов α и φ и его смещения в направлении x и y. Данное относительное перемещение осуществляют с помощью устройства перемещения 32F.
По желанию, для того, чтобы иметь возможность осуществлять процесс структурирования поверхности с гомогенным распределением интенсивности, а также лазерным лучом, имеющим меньшую длину волны, в траекторию фемтосекундного лазерного луча можно поместить гомогенизатор 3FA, который преобразует Гауссово распределение интенсивности в поперечном сечении лазерного луча в гомогенное распределение интенсивности и/или устройство 23F для удвоения или утроения частоты лазерного луча. Это является предпочтительным, например, при производстве шаблонов 18 и диафрагм 6 из кварцевого стекла структурированием с помощью фемтосекундного лазера.
Если используется устройство удвоения частоты 23F, то расширитель пучка 3FC, преломляющее зеркало 7F и фокусирующая оптика 8F должны подходить для меньшей длины волны.
Альтернативно, вместо фокусирующей оптики 8F можно использовать сканер 8FS с адаптированным объективом, что позволяет осуществлять более быстрое относительное перемещение между лазерным лучом, сфокусированным на слое ta-C вала для тиснения, и ограниченной областью поверхности вала, зависящей от параметров сканера, таким образом, что время, требуемое для структурирования данной ограниченной области поверхности, может быть значительно сокращено по сравнению с относительным перемещением, совершаемым с помощью системы перемещения 32F. Если используется система преломляющего зеркала 8FS сканера, система перемещения 32F служит только для совмещения множества ограниченных областей поверхности с уже сформированной структурой, когда большие области поверхности на валу для тиснения должны быть структурированы.
С помощью системы измерения расстояния 32FA фокусное положение лазерного луча корректируют (устанавливают) и контролируют до осуществления процесса структурирования и чередуют с процессом структурирования.
Структурирование с помощью фемтосекундного лазера в соответствии с технологией фокусировки в основном используют для создания самоорганизованных, эффективных с точки зрения оптической дифракции рифленых структур в слоях ta-C на валу для тиснения 10. Такие рифленые структуры могут представлять собой, например, решетчатые структуры в виде параллельных волн (пульсаций) с периодами решетки от 500 до 800 нм и глубиной канавок 300 нм, где параллельные волны (пульсации), как уже было описано в заявке РСТ WO 2007/012215 на имя заявителя данного изобретения, всегда перпендикулярны направлению поляризации лазерного луча.
По аналогии с налагающимися (совмещенными, перекрывающимися) микроструктурами, полученными с помощью эксимерного лазера на основной области, рифленая структура, полученная с помощью импульсов луча фемтосекундного лазера, может быть совмещена или наложена на вторую рифленую структуру, ориентация которой отличается от ориентации первой рифленой структуры благодаря изменению направления поляризации лазерного луча. Более того, существует возможность наложения микроструктуры, сформированной на основной области с помощью эксимерного лазера, на рифленую структуру, сформированную с помощью фемтосекундного лазера, создавая таким образом новые эффекты оптической дифракции при облучении полихроматическим светом, т.к. оптический эффект микроструктуры, созданной эксимерным лазером, накладывается на эффект оптической дифракции на рифленой структуре, созданной фемтосекундным лазером.
Следующие параметры обработки являются подходящими, например, для создания рифленых структур на слое ta-C: скорость перемещения 15 мм/с, центральная длина волны 775 нм, длительность импульса 150 фс, частота повторения импульсов 1 кГц, флюенс в фокусе лазерного луча 2.3 Дж/см, радиус гауссового фокуса 21 µм. Пикосекундный лазер, который также применим в качестве альтернативы для создания рифленых структур, может представлять собой лазер Nd:YAG типа с длиной волны 1064 нм, или лазер такого же типа с удвоенной частотой и длиной волны 532 нм.
Рифленую структуру создают на слое ta-C на валу для тиснения путем послойного сканирования поверхности, причем смещение линии предпочтительно выбирают таким образом, чтобы интервал между линиями соответствовал интервалу между отдельными импульсами вдоль данной линии.
Для контроля за качеством наноструктур, созданных на слое ta-C на валу для тиснения, используют тот же in situ дифрактометр 12, как описано выше, который содержит иной источник белого света или лазерный диод и множество ПЗС-камер, установленных для записи порядков дифракции, создаваемых оптически эффективными наноструктурами. Альтернативно, можно использовать второй in situ дифрактометр. За счет меньших периодов решетки, например 0,5 µм, созданной рифленой структурой, по сравнению с большими периодами решетки, например 1-2 µм, созданной на слоях ta-C эксимерным лазером, соответствующие порядки дифракции возникают под меньшими углами. Принцип действия такого дифрактометра будет описан ниже со ссылкой на Фиг. 16.
Структуры, созданные эксимерным лазером в соответствии с технологией проекции шаблона, отличаются от структур, создаваемых фемтосекундным лазером в соответствии с технологией фокусировки, по их размерам, при этом глубина первых структур находится, например, в диапазоне от 250 до 450 нм, и период решетки соответствует 1.5 µм, а глубина вторых структур находится в диапазоне 250-400 нм, а период решетки - между 0.4 и 0.7 нм.
При наслаивании (наложении, совмещении) структур решетки, созданных эксимерным лазером, и рифленых структур решетки, созданных фемтосекундным лазером, имитация становится заметно более сложной из-за сложных дифракционных картин, созданных на упаковочной фольге путем тиснения, а их подделка становится практически невозможной. С другой стороны, создаются оптически эффективно окрашенные области.
В данном примере воплощения изобретения оптические элементы, за исключением фокусирующей оптики, закреплены (зафиксированы), и для получения на поверхности вала по-разному структурированных областей вал располагают на столе поперечного перемещения, который может перемещаться в плоскосте X и Y и может вращаться вокруг своей оси. Кроме того, вал может перемещаться в плоскости Z. Однако, вместо перемещения вала относительно луча, возможно также использование корректирующей оптики со сканером, как указано выше, или комбинация обоих вариантов.
Как было указано во введении, поверхность вала имеет слой ta-C, который был нанесен, например, лазерным импульсным напылением. В заявке WO 2007/012215, цитированной во введении, упомянуты различные покрытия, с которыми проводились испытания, и было установлено, что такой супертвердый тетраэдрически связанный углеродный слой, формируемый импульсным лазерным напылением, очень подходит для создания намеченной (запланированной) очень тонкой структуры. В частности, толщина слоя приблизительно от 1 до 2 µм, в частности 1,5 µм, может быть вполне подходящей для намеченных целей. Для улучшения адгезии слоя ta-C к расположенному под ним материалу предпочтительно предусмотреть промежуточный слой из карбида вольфрама (WC) толщиной от 50 до 300 нм.
Как схематично показано на фиг.1, как минимум один шаблон расположен в траектории луча эксимерного лазера, причем шаблон расположен между эксимерным лазером и фокусирующей оптикой. На фиг. 4-12 комбинации шаблона и диафрагмы в обменных устройствах изображены более детально.
В качестве материала подложки для шаблонов и диафрагм предпочтительно используют кварцевое стекло высокого оптического качества. В качестве альтернативы можно использовать, например, фтористый кальций, CaF, или фтористый магний MgF2. В предпочтительном примере воплощения непрозрачный участок шаблона или диафрагмы создается огрублением поверхности (приданием шероховатости).
Поле 26F символизирует две камеры, которые служат для наблюдения за процессом, т.е. для обследования поверхности детали. Как правило, шаблоны из кварца имеют регулярную структуру на поверхности площадью, например, 8×8 мм; данная структура (рисунок) может быть простой штриховкой, но можно рассмотреть и создать также и другие структуры (рисунки). Камеры 26F подключены к монитору 27. В качестве альтернативы, непрозрачные поверхности дифракционных шаблонов или диафрагм из кварцевого стекла могут быть произведены с помощью фторидного лазера по технологии фокусировки или способом проекции шаблона. Удвоение или утроение частоты также может быть полезным при использовании фемтосекундного лазера.
В некоторых простых применениях может быть достаточным наличие одного шаблона из кварца или кварцевых шаблонов в держателе для профилирования луча эксимерного лазера. Однако, в случае очень тонких и сложных цветных рисунков, которые в большинстве случаев также должны удовлетворять эстетическим требованиям и обладать большей степенью защиты от подделок, следует использовать множество шаблонов, имеющих различные структуры шаблона, и множество диафрагм с отверстиями различной геометрии.
Более детально, одновременное придание формы профилю распределения интенсивности лазерного луча для создания микроструктур с целью формирования поверхностей, обладающих заданной оптической дифракцией, т.е. мультицветовым эффектом, достигается с помощью шаблона, а создание поперечной геометрии и, следовательно, придание формы контуру лазерного луча для создания беззазорных, напоминающих черепицу, определенным образом микроструктурированных основных областей с микроструктурами, обладающими заданным эффектом оптической дифракции, достигается с помощью диафрагмы.
Для этой цели шаблоны и диафрагмы можно менять и поворачивать на определенные углы, в частности, независимо друг от друга, способом, включающим программное управление. Структура шаблона определяет направление наблюдения и угол наблюдения оптического эффекта микроструктурированной основной области, а диафрагма определяет геометрическую форму и поверхностное положение микроструктурированной основной области, обладающей заданным оптическим эффектом.
Смену и вращение шаблонов и диафрагм можно осуществлять с помощью обменного устройства для шаблона и диафрагмы и поворотных устройств, описанных ниже.
На фигурах 4-12 представлены некоторые воплощения обменных устройств для шаблона и держателей диафрагм; в основном рассматриваются линейные, или поворотные, или комбинированные обменные устройства, и важным во всех устройствах является тот факт, что и шаблоны, и диафрагмы могут быть заменены независимо друг от друга и быстро, что дает возможность формирования большого количества разнообразных рисунков. Это позволяет осуществлять эффективное и экономичное формирование большого количества рисунков и аутентификационных знаков на основной детали, например валу для тиснения или штампе для тиснения, которые отвечают самым строгим эстетическим и оптическим требованиям.
Обменное устройство позволяет не только формировать различные рисунки между одним валом для тиснения и другим, но также эффективно и быстро на одном и том же валу для тиснения создавать большое количество различных рисунков, служащих аутентификационными знаками и одновременно удовлетворяющих эстетическим требованиям.
Линейное обменное устройство 28 изображено на Фиг. 4-6. На Фиг. 4 показан вид сверху, где воздействующий лазерный луч обозначен стрелкой 29, а профилированный лазерный луч обозначен 29А. Обменное устройство имеет монтажную плиту 30 для установки на нее держателей 31А-31Е шаблонов, установленную на оси первого x координатного стола 40А, см. фиг. 5, причем шаблоны 18А-18Е помещены в держатели шаблонов 31А-31Е. Аналогично, обменное устройство имеет монтажную плиту 33 для держателей диафрагм 34А-34Е, которая установлена на оси второго x координатного стола 40 В, см. фиг.6, причем в держатели установлены диафрагмы 6А-6Е. Оси первого и второго x координатных столов 40А и 40В установлены соответственно на осях у координатных столов 40С и 40D.
Как видно далее из фиг. 4, лазерный луч 29 сначала проходит через шаблон, а затем через диафрагму, за счет чего выходящий лазерный луч 29А профилируется, см. также фиг. 2, а затем попадает на оптическую систему создания изображений 8, с помощью которой полученные профили распределения интенсивности лазерного луча отображаются на покрытой слоем ta-C поверхности вала в уменьшенном масштабе. Держатели шаблонов перемещаются с помощью зубчатого (приводного) ремня 36, а держатели диафрагмы - с помощью зубчатого (приводного) ремня 37, который взаимодействует с соответствующими зубчатыми колесами 41А-41Е, соответственно 42А-42Е на держателях, как показано, в частности, на фиг. 4.
В данном примере воплощения все держатели активируются с помощью одного соответствующего зубчатого (приводного) ремня, приводимого в действие соответствующим шаговым двигателем 38, 39. Альтернативно, можно отдельно поворачивать каждый держатель на заданный угол с помощью шагового двигателя.
Таким образом, отдельные шаблоны и диафрагмы можно менять линейно, т.е. один из шаблонов 18А-18Е и одну из диафрагм 6А-6Е можно поместить в траекторию луча, более того, как отдельный шаблон, так и отдельную диафрагму можно повернуть на заданный угол.
Как видно из фиг. 5, показывающей изображение в направлении стрелки V на фиг. 4, т.е. в направлении лазерного луча, держатели шаблонов 31А-31Е имеют внутренние кольца подшипника 45А-45Е, которые связаны с внешними кольцами подшипников 46А-46Е. Держатели шаблонов установлены на монтажной плите 30.
На Фиг. 6 показано сечение в соответствии в плоскостью VI-VI на фиг. 4 и в направлении лазерного луча, где видны держатели диафрагм 34А-34Е и шаговый двигатель 39, а также зубчатый приводной ремень 37, причем держатели диафрагм установлены на монтажной плите 33. Как видно из фиг. 6, каждый держатель диафрагмы 34А-34Е имеет внутреннее кольцо шарикоподшипника 43А-43Е, которое взаимодействует с внешним кольцом шарикоподшипника 44А-44Е.
Вместо зубчатых (приводных) ремней для вращения шаблонов и диафрагм можно использовать червячные передачи и приводы шпинделя, приводимые в действие соответствующими обычными (общими) валами, которые, в свою очередь, приводятся в движение соответствующими шаговыми двигателями. Альтернативно, однако, поворот держателя каждого шаблона и каждой диафрагмы на заданные углы можно осуществлять с помощью отдельного шагового двигателя для каждого держателя шаблона и диафрагмы.
y-координатный стол 40С, позволяющий смещать монтажную плиту 30 параллельно направлению распространения лазерного луча, служит для точного размещения структурированной области шаблона 18С, находящегося в данный момент в положении обработки в гомогенном пятне HS лазерного луча, и перемещение у-координатного стола 40D, позволяющее переместить монтажную плиту 33 параллельно направлению распространения лазерного луча, приводит к установке заранее заданного минимального расстояния между шаблоном 18С, который в данный момент находится в положении обработки, и диафрагмой 6С, которая в данный момент находится в положении обработки, или приводит в прямой контакт друг с другом структурированные области поверхности шаблона 18С и диафрагму 6С, т.е. отверстие диафрагмы.
На фиг. 7-9 показано размещение шаблонов и диафрагм, перемещаемых вращением (поворотом), где те же шаблоны и диафрагмы, что и на фиг. 4-6, с держателями, внутренние и внешние кольца подшипников, зубчатые колеса, зубчатые приводные ремни и шаговые двигатели установлены не линейно на прямоугольной монтажной плите, а с возможностью поворота на круглой монтажной плите 47 и 48 соответственно, и либо шаговый двигатель 38 или 39 приводит в движение соответственно все держатели шаблонов или диафрагм одновременно с помощью зубчатого (приводного) ремня, либо каждый держатель отдельно приводится в движение соответствующим шаговым двигателем.
На Фиг. 8 показано изображение в направлении стрелки VIII на фиг. 7, т.е. в направлении лазерного луча, а на фиг. 9 приведено сечение в соответствии с плоскостью IX-IX на фиг. 7. Монтажные плиты приводятся в движение соответствующим шаговым двигателем 49 с держателем 49Н для монтажной плиты 47 и шаговым двигателем 50 с держателем 50Н для монтажной плиты 48, и установлены на оси у координатного стола 51 для размещения шаблонов 18А-18Е и, соответственно, на оси у координатного стола 52 для размещения диафрагм 6А-6С в направлении оси у. Круговое размещение 53 позволяет использовать более компактную конструкцию, чем линейное размещение 28.
На фиг. 10-12 представлено другое обменное устройство 54, где шаблоны и диафрагмы со своими держателями установлены в соответствующие накопители 57 и 58 и могут быть изъяты из них и введены в траекторию луча независимо друг от друга. В данном положении они могут вращаться вокруг своих осей.
Как показано на фиг. 10, каждый шаблон 18 установлен в фиксатор 55, а каждая диафрагма 6 - в фиксатор 56, а фиксаторы шаблона и диафрагмы установлены в соответствующие накопители 57 и 58, причем фиксаторы шаблонов установлены в обменное устройство шаблона 59 и в ползун 60 шаблонов, а фиксаторы диафрагм аналогично - в обменное устройство диафрагм 61 и в ползун 62 диафрагм, данные устройства изображены в виде стрелок.
В частности на фиг. 12 показано сечение по плоскости XII-XII на фиг.10, и видно, что и шаблон и диафрагму можно вращать. Для этой цели фиксатор шаблона или диафрагмы установлен соответственно на держатель шаблона 63 или держатель диафрагмы 67, размещенные с возможностью вращения, которые можно поворачивать на заданный угол с помощью шагового двигателя 64 или 68 соответственно, причем шаговый двигатель 64 приводит в движение зубчатый приводной ремень 65, который соединен с зубчатым колесом 66 на держателе шаблона. Аналогично, держатель диафрагмы 67 поворачивают на заданный угол с помощью шагового двигателя 68, который приводит в движение зубчатое колесо 70 на держателе диафрагмы с помощью зубчатого (приводного) ремня 69.
И механизм поворота шаблона, и механизм поворота диафрагмы установлены на соответствующих монтажных плитах 71 и 72. Монтажная плита 71 держателя шаблона и накопителя шаблонов 57, а также монтажная плита 72 держателя диафрагмы и накопителя диафрагм 58 установлены на соответствующих осях у координатных столов 73, 74.
При использовании сложного устройства с двумя лазерными системами и обменными устройствами шаблонов и диафрагм для создания эффективных для оптической дифракции структур необходимо обеспечить эффективный контроль полученных структур. Теоретически можно было бы структурировать вал для тиснения или штамп для тиснения, а затем провести проверку этих деталей в лаборатории с последующей корректировкой (доведением) устройства в случае выявления дефектов. Однако этот процесс представляется слишком сложным и требующим больших временных затрат для эффективного производства обработанных на станке деталей, в частности валов для тиснения.
Поэтому возникло предложение снабдить (дополнить) измерительное и корректирующее устройство установленным дифрактометром согласно фиг. 13, чтобы характеризовать (измерять) структуры, созданные в процессе структурирования вала для тиснения, с тем чтобы корректировать интенсивность излучения, положение фокуса относительно положения плоскости отображения и пр. В данном случае множественные порядки дифракции одновременно оценивают и сравнивают один с другим и с установленными контрольными (реперными) дифракционными записями.
Значительно упрощенная и схематически представленная установка дифрактометра 12 смонтирована над валом для тиснения 10 и содержит полукруглое размещение двух первых поддерживающих сегментов 78 и 81, на которых установлены лазерные диоды 79 для генерирования измерительного луча 14, имеющего заданное поперечное сечение, и, соответственно, комплекты ПЗС камер 80 для измерения фрагментов («фракций») луча 14, дифрагированного на полученных микроструктурах, а также полукруглое размещение двух вторых поддерживающих сегментов 78F и 81F, на которых установлены лазерные диоды 79F для генерирования измерительного луча 14F, имеющего заданное поперечное сечение, и, соответственно, комплекты ПЗС камер 80F для измерения фрагментов луча 14F, дифрагированного на полученных рифленых структурах. В дополнение, предусмотрены не показанные электронные средства оценки качества. Каждый комплект ПЗС может независимо перемещаться вдоль четвертей круга с целью определения различных порядков дифракции, или комплекты перемещаются в пространстве подобно детектору рентгеновского излучения для регистрации различных порядков дифракции.
Таким образом, для каждой тисненой структуры положение изображений порядков дифракции может быть автоматически определено и зарегистрировано в течение первого пространственного сканирования, например, в процессе тестирования только что структурированных валов для тиснения. Вал для тиснения опирается на устройство для перемещения, которое может вращаться и перемещаться, например, с помощью как минимум одного пьезоэлектрического привода 82, для точной горизонтальной ориентации поверхности твердого тела, которая структурируется или подлежит структурированию, на поворотном столе 83, который, в свою очередь, установлен на подъемном столе 84 и соединен с x-y координатным столом 85.
Для осуществления контроля качества на месте согласно фиг. 1 следует проверить, что монохроматический лазерный луч лазерного диода или луч от источника белого света небольшого поперечного сечения направлен на основную область, которую предполагается исследовать. Различные интенсивности дифракций, возникающих под различными углами дифракции благодаря оптическому эффекту микро- и наноструктур, соответственно, или распределения интенсивности в порядках дифракции регистрируются с помощью установки дифрактометра 12 и сравниваются друг с другом. Интенсивности и, в частности, распределения интенсивности в порядках дифракции определяются (зависят от) геометрической формы, глубины и точности (правильности) размеров полученных структур, так что можно определить изменения размеров и незначительные изменения глубины структуры. В случае чрезмерного отклонения от заданной эталонной структуры процесс структурирования прерывается и производится настройка параметров лазерного луча и положения вала.
Для всестороннего контроля качества с помощью дифрактометра, показанного на фиг. 13, луч от источника белого света с небольшим поперечным сечением направляют на поверхность окончательно структурированного вала 10 для тиснения. Более детально, участки поверхности, микроструктурированные с помощью эксимерного лазера, облучают источником белого света, а участки поверхности, наноструктурированные с помощью фемтосекундного лазера, облучают позже другим источником белого света. Угол падения лучей можно менять путем перемещения источников белого света в круглых дугообразных держателях. Порядки дифракции, созданные оптическим эффектом микроструктурированных участков поверхности, регистрируют с помощью комплекта ПЗС камер 80F, а порядки дифракции, созданные оптическим эффектом наноструктурированных участков поверхности, регистрируют с помощью другого комплекта ПЗС камер 80.
Для прецизионной регистрации порядков дифракции, возникающих под различными углами дифракции, комплекты можно перемещать в дугообразных круглых держателях.
За счет больших периодов дифрагирующих структур, например 1-2 µм, созданных на слоях ta-C путем микроструктурирования с помощью эксимерного лазера в соответствии со способом проекции шаблона, по сравнению с меньшими периодами решетки рифленой поверхности, например 0.5 µм, созданными путем наноструктурирования с помощью фемтосекундного лазера, соответствующие порядки дифракции возникают под различными углами. Поэтому, для того, чтобы избежать наложения различных порядков дифракции, радиус круглого дугообразного держателя 81 выбирают меньше, чем радиус круглого дугообразного держателя 81F.
Исходя из данных таких измерений, можно количественно определить следующие характеристики всей структурированной области поверхности вала для тиснения: резкость изображения, контрастность изображения или выраженность цвета с помощью сравнения интенсивности.
Размер и распределение оптимально и неоптимально структурированных участков поверхности.
Дифференциальную степень структурирования, т.е. отношение площадей созданных структур с оптимальной дифракцией, определенных в небольшой заданной области поверхности, к размеру данной небольшой области поверхности.
Интегральную степень структурирования, т.е. отношение суммарной площади поверхности созданных структур с оптимальной дифракцией к общей площади поверхности измеренной области.
Качественные характеристики микро- и наноструктурированных областей поверхности.
Что касается применения вала для тиснения, структурированного описанным выше способом, упаковочную фольгу, например, пропускают между валом для тиснения, структурированном описанным способом, и сопряженным валом, и места, на которые следует нанести логотип способом, известным как «пропускание зубцов» (by-omitting teeth technique), микроструктурируют для последующего сатинирования, обычно с помощью следующей пары валов для тиснения.
При такой процедуре также можно использовать соответствующим образом измененную и адаптированную версию устройства дифрактометра для измерения структур, созданных на упаковочной фольге, и использовать данные измерений для корректировки процесса получения структур на валу для тиснения.
На основании приведенного выше описания возможны изменения в рамках изобретения. Так, можно вместо использования шаблонов и диафрагм, изготовленных из кварцевых пластин, изготавливать шаблоны и/или диафрагмы, например, из CaF2 или создавать их из кристаллов, меняющихся под действием электричества, в которых могут быть созданы зоны высокой или очень низкой проницаемости для лазерного луча. Диафрагмы также могут быть изготовлены из металлической фольги.
В описании вал для тиснения приведен в качестве примера поверхности детали, но данное изобретение также подходит для структурирования других поверхностей с покрытием или без, например выступающих поверхностей штампа для тиснения, или зубцов вала для тиснения, или поверхности, напрямую отклоняющей (дифрагирующей) падающий свет, такой как часть корпуса часов или монеты, например декоративной монеты или монеты, находящейся в обращении, или части ювелирного украшения.
1. Способ структурирования поверхности (9) твердого материала, нанесенного на твердое тело, включающий воздействие на по меньшей мере одну область поверхности (9) лазерным лучом с длительностью импульса в наносекундном диапазоне (1), который пропускают через шаблон (18) и затем диафрагму (6) для профилирования лазерного луча перед оптическими системами создания изображения (7, 8) для отображения лазерного света на поверхности (9), при этом шаблон используют в пятне (FS) с гомогенным распределением интенсивности оптического лазерного луча.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере один шаблон и одну диафрагму устанавливают в обменное устройство, за счет чего любой требуемый шаблон и любая требуемая диафрагма могут быть помещены в траекторию лазерного луча независимо друг от друга.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что структурирование производят путем наложения множества микроструктур, при этом каждая из накладывающихся структур образует угол (α) с наложенными структурами.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что шаблоны и диафрагмы устанавливают в обменном устройстве с возможностью вращения вокруг своих осей и с возможностью перемещения линейно или по кругу.
5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что шаблоны и диафрагмы устанавливают в соответствующие накопители.
6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что твердый материал покрытия состоит из ta-C, карбида вольфрама (WC), карбида бора (В4С), карбида кремния (SiC) или аналогичных твердых материалов.
7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что между слоем из материала ta-C и расположенным ниже материалом имеется слой карбида вольфрама толщиной от 50 до 300 нм.
8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что структурирование, произведенное с помощью наносекундного лазера и шаблона, накладывают на вторую, рифленую, структуру, полученную с помощью второго лазера, имеющего длительность импульсов в пико- или фемтосекундном диапазонах, и обработкой посредством фокусировки.
9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что для производства шаблонов или диафрагм используют фемтосекундный лазер, излучение которого создает непроницаемую для лазерного луча поверхность на подложке, предпочтительно прозрачной кварцевой пластине, за счет повышенной шероховатости.
10. Способ по п. 1 или 8, отличающийся тем, что при производстве структур на поверхности детали данные структуры подлежат измерению с помощью дифрактометра, а измеренные значения используют для корректировки интенсивности луча и/или оптических систем создания изображения и фокусировки.
11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что его осуществляют в соответствии со способом проекции шаблона.
12. Способ по п. 8, отличающийся тем, что второй лазер используют в соответствии с технологией фокусировки.
13. Устройство для структурирования поверхности (9) твердого материала, нанесенного на твердое тело, способом по п. 1, характеризующееся тем, что между лазером (1) и его оптическими системами создания изображения (8) в обменное устройство (28, 53, 54) установлена как минимум одна комбинация шаблона и диафрагмы (18, 6), при этом обменное устройство адаптировано для размещения, по меньшей мере, одного из шаблонов (18) и одной диафрагмы (6) в траектории луча (29) лазера (1) независимо друг от друга, при этом, по меньшей мере, один шаблон (18, 18А-18Е, 18/1-18/9) и, по меньшей мере, одна диафрагма (6, 6А-6Е) размещены с возможностью перемещения линейно или по кругу и вращения вокруг их осей в держателях (31А-31Е; 34А-34Е).
14. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что каждый шаблон (18) и каждая диафрагма (6) в обменном устройстве (54) помещены в фиксаторы (55, 56), которые установлены в соответствующие накопители.
15. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что оно содержит второй лазер (15) с длительностями импульсов в пикосекундном или фемтосекундном диапазоне, при этом устройство содержит средства (32, 32F) для расположения подлежащей структурированию поверхности (9) изделия (10) сначала в плоскости изображения оптической системы создания изображения (8) первого лазерного луча (2), а затем в фокальной плоскости фокусирующей оптики (8F) второго лазерного луча (2F).
16. Устройство по п. 15, отличающееся тем, что первый лазер (1) представляет собой эксимерный KrF лазер с длиной волны 248 нм, или ArF эксимерный лазер с длиной волны 193 нм, или лазер на фторе с длиной волны 157 нм, или эксимерный XeCl лазер с длиной волны 308 нм, а второй лазер, используемый для создания рифленых структур, представляет собой фемтосекундный лазер (15) с центральной длиной волны 775 нм, или пикосекундный лазер Nd:YAG типа с длиной волны 1064 нм, или лазер с удвоенной частотой и длиной волны 532 нм.
17. Устройство по п. 15, отличающееся тем, что оно содержит дифрактометр (12), имеющий как минимум один комплект ПЗС (80, 80F) для измерения излучения (14, 14F), отраженного и дифрагированного структурами эксимерного лазера и фемтосекундного лазера соответственно.
18. Устройство по п. 15, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью структурирования областей на вале для тиснения или штампе для тиснения с целью нанесения аутентификационных знаков и/или создания эффективных с точки зрения оптической дифракции областей на упаковочной фольге.
19. Устройство по п. 15, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью структурирования областей на деталях часов, имеющих или не имеющих покрытия, монет или ювелирных украшений с целью нанесения аутентификационных знаков и/или знаков с эффективной оптической дифракцией.
20. Упаковочная фольга с тиснением, которое нанесено штампами для тиснения или валами для тиснения, отличающаяся тем, что она имеет области оптической дифракции, содержащие как минимум одну первую структуру, полученную посредством эксимерного лазера и шаблона, и, по меньшей мере, одну вторую структуру, полученную посредством фемтосекундного или пикосекундного лазера, наложенную на первую.
21. Упаковочная фольга по п. 20, отличающаяся тем, что она сатинирована в тех местах, в которых нет областей оптической дифракции или логотипов.
22. Упаковочная фольга по п. 20, отличающаяся тем, что указанная как минимум одна первая структура получена способом проекции шаблона.
