CN101472742B - 柔性印刷板的直接雕刻 - Google Patents

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Abstract

一种用于直接雕刻柔性印刷板的光学成像头，包括：发射一个或多个波长的辐射的至少两个激光二极管(10，12)；以及用于将该一个或多个波长的辐射成像在相对于该板的表面的不同深度的装置。

Description

柔性印刷板的直接雕刻
技术领域
本发明涉及通过利用高功率二极管激光器直接雕刻敏感柔性印刷板的光学印刷头和方法。
背景技术
传统柔性印刷方法通过在模具内模制诸如橡胶的弹性体，或者通过光聚合UV敏感聚合物来制备印刷板。这些方法缓慢且昂贵。
在弹性体表面上形成凸起图案的另一种方法是使用公知的NdYAG或CO2激光器直接切削凸起图案，这些激光器目前在直接雕刻印刷系统中用作光源。激光器受控制以消融凹陷区域内的弹性体并使凸起区域内的弹性体保持原样。然而，传统柔性印刷板无法快速地激光雕刻。这是因为激光器消融弹性体的较厚层(0.5mm-2mm)。因此，在一个小时之内完成一般的柔性板需要数KW的激光器。
使用CO2激光器来激光雕刻柔性印刷表面的前述尝试的另一个困难是，相对于二极管激光器的约1微米波长，CO2激光器具有10.6微米的长波长，这严重限制了可以实现的分辨率。此外，由于CO2激光器的长波长，需要使用用于远红外的光学元件。相对于用于近红外的光学元件而言，这些用于远红外的光学元件相当昂贵。
美国专利No.6,150,629(Sievers)描述了一种使用不同波长的两个激光器的激光雕刻系统。每个激光器可以独立且随时间调制。该专利严格上说是利用时间上的调制以在板上实现不同效果。利用外部调制声光调制器，这些激光组合成一束并成像在板上。
Sievers方法包含诸多缺点，包括：
◆不同激光束聚焦到相对于板平面的相同深度。
◆不同激光束组合在一个公共光学路径内。
◆使用声光调制器的外部调制。
美国专利No.4,947,023(Minamida)描述了一种通过脉冲激光束用于辊消光(roll dulling)的设备。该系统利用以相同波长发射光的多个激光器，激光可以被组合在一个或多个光学路径内。激光的束发散可以通过扩束器来操纵，从而在板表面上得到不同光斑尺寸。Minamida系统并不使用不同波长，或者光学元件以将不同波长在空间上聚焦到相对于板表面的不同深度。
美国专利No.6,664,498(Forsman)描述了一种用于提高激光加工中材料除去率的方法和设备。该专利的意旨在于加工诸如钢、铝和硅的材料。没有提及印刷板。该专利的主要思想是使用具有非常短激光脉冲串的高功率脉冲激光，通常脉冲持续时间在纳秒范围。使用光纤二极管无法实现该目的。
发明内容
本发明使用高功率激光二极管和/或高功率光纤耦合激光二极管、和/或激光器光纤，而不是目前在直接雕刻印刷系统中用作光源的公知大功率NdYAG和CO2激光器。本发明的多束光学头包含许多激光二极管，每个激光二极管具有约为10瓦特每100微米发射器宽度的相对适中的功率；而不使用只具有一个或两个发射几百瓦特的NdYAG和CO2激光器的大功率束的光学头。
使用二极管激光器而不是NdYAG和CO2激光器的优点为，二极管激光器紧凑、可靠且可以在较高频率直接被调制而无需外部调制器。也可以获得不同波长和高功率的二极管激光器。不使用气体且所需电压较低。
激光二极管现在已经可以获得约为10瓦特每100微米发射器宽度的较高功率。这使得可以使用高功率二极管激光器来直接雕刻新型的较敏感柔性印刷板。
直接雕刻柔性印刷板具有接近1的一般发射率并因此吸收任何波长。入射在板上的激光光被板吸收，且在板内雕刻出有形状的孔。本发明还包括使用光学头以及控制激光光从而增强直接雕刻和消融效果的方法的多个实施例。例如，根据本发明一个发明，用于直接雕刻柔性印刷板的光学成像头包括：发射一个或多个波长的辐射的至少两个激光二极管；以及用于将所述一个或多个波长的辐射成像在相对于所述板的表面的不同深度的装置。
附图说明
图1为本发明的无光纤光学系统的一个通道的示意图；
图2为本发明的光纤耦合系统的一个通道的示意图；
图3为本发明的使用偏振束组合器的无光纤系统的一个通道的示意图；
图4为本发明的使用偏振束组合器的光纤耦合系统的一个通道的示意图；
图5为由两个探测器测量的光斑尺寸的光线痕迹(ray trace)和屏幕截图；
图6为本发明的串行曝光模式的一个通道的示意图；
图7为使用相同波长的两个二极管以及具有不同尺度的光纤的一个通道的示意图；
图8为使用发射不同波长的二极管的图7所示实施例的示意图；
图9为本发明的一个通道的示意图，光纤的远端布置在不同的物平面内；
图10为用于测量像平面内的相对位移V对物平面内的光纤位置U的系统的示意图；
图11为示出像平面内的相对位移对物平面内的光纤位置U之间的曲线图；
图12为包含有厚度为D且折射率为n的玻璃板的本发明实施例；
图13为包含有由多个区域构成的玻璃板的本发明实施例，每个区域具有不同的厚度和不同或相同的折射率；
图14为包含有沿Y方向具有折射率的变化分布(variableprofile)玻璃板的本发明实施例；
图15为示出在诊断系统中是有用的共焦和自动聚焦测量的实施例的示意图；
图16示出使用衍射元件将高斯束分布转换为两种类型的罩式分布(top hat profile)；
图17示出光纤在两个V槽中对准的特定情形的断面；以及
图18为图17所示的V槽之一的展开图。
具体实施方式
本发明提出多种方法，通过这些方法来控制激光二极管光从而增强直接雕刻和消融效应。参考图1，通过针对发射两个不同波长的两个激光二极管10、12的具体情形所示的方案来描述本发明。通过使用发射不同波长的激光二极管，并通过控制成像透镜16的色散，在不同波长的焦点18、20将相对于彼此偏移。
图2描述与图1相同的思想，用于光纤耦合二极管的情形。利用光纤耦合器26而不是束组合器22，将两个不同波长组合到一条光纤内。
从激光二极管发出的光是高度偏振的。因此，通过使用偏振束组合器24，如图3所示，发射相同波长的两个二极管10a、10b的功率可以组合到一个路径内。这样做使得每个波长的功率翻倍，且入射到板上的总功率可以增加到四倍。在光学领域中，偏振束组合器是用于耦合具有不同配置的光源的公知元件。偏振束组合器可以在自由空间中也可以在光纤(主要用于单模光纤)耦合配置中来得到。
图4示出与图3相同的一般概念，用于使用两个不同波长的实施例中的光纤耦合二极管的情形。发射相同波长的两个光纤耦合二极管10a、10b的功率首先通过偏振光纤组合器27组合到一条光纤内。发射第二波长的两个附加二极管10c、10d组合到一个路径内。
为了粗略地检查并呈现该概念，使用特定成像透镜和在800nm及970nm发光的两个二极管进行模拟，如图5所示。结果示出由两个探测器测量的光线痕迹和光斑尺寸。探测器置于两个焦点，二者相对彼此位移了约100微米。成像透镜当然可以设计成获得期望的偏移。
图6示出置为彼此相邻的具有不同波长的激光二极管30a、30b。一般而言，光学头(未示出)沿箭头31所示方向沿着板移动。首先，激光二极管30b被激励且就在那时激光二极管30a，即当其到达已经被激光二极管30b曝光的相同像素时。所述实施例使用光纤耦合二极管。该描述仅针对n个通道中的两个。相同的一般思想当然可以不使用光纤来实施。
具有不同芯直径的光纤33a、33b可以组装在同一V槽35上，如图7所示。这可以针对相同或不同波长来实施。这样，通过使用仅仅一个成像透镜37，即可得到两个尺寸的光斑。图示出相同波长的两个激光二极管32a和32b的示例。如果光纤33b为40微米光纤且光纤33a为100微米光纤，则使用1×2成像透镜37，可以得到20微米光斑40b和50微米光斑40a。
图8示出同一概念，但是现在激光二极管41a和41b发出不同波长。不同直径的光斑42a和42b分别在不同位置得到。
在图9，光纤43a和43b的远端彼此相对地分别在不同物平面45和46内组装在V槽44内。结果，不同光纤端的像平面47和48分别相对彼此偏移。图9示出只是两条光纤的效果。光纤可以相同或者不同，例如具有不同芯直径。光纤可以发出相同或不同波长的辐射。
在图6至9的任何一个实施例中，在光纤被引导的光学辐射可以处于充满或未充满状态。一般而言，激光二极管可以相对彼此相对在时间上调制从而在直接雕刻板上获得不同效果。
图10描述其中图像位置偏移被测量的特定测量系统的示例。
图11的曲线示出，由图10的系统测量的，光纤远端的图像位置相对位移作为位置U的函数。图像位置的位移V是通过移动显微镜透镜的位置以便发现最小光斑而发现的。激光束分析器用于测量和界定包含95％激光束能量的光斑。
对于使用放大倍数为2的远心成像透镜的这种具体情形，可以看出，在物平面内移动光纤远端Xmm导致像位置0.508Xmm的位移。例如，从U＝40到U＝40.2移动光纤远端0.2mm，致使图像移动了0.1mm的绝对相对距离。
如图12所示，置于光纤52的远端和成像透镜54之间的厚度为D的玻璃板50，将导致像平面从像平面47移到像平面48。像平面位置的位移V为板的厚度D及其折射率n的函数。该示意图给出了这种玻璃板对于单个激光二极管55的特定情形的效果。实线描述了不使用板且光线聚焦在像平面47内的情形。虚线描述使用板且焦点移动到像平面48的情形。当由不同波长构成的多激光源被使用时，位移V将为波长的函数，这是因为折射率n为波长的函数。
玻璃板可以由多个区域构成，每个区域具有不同的厚度和相同或不同的折射率，如图13所示。这种结构使得可以在光纤端前面移动和调整玻璃板，从而得到所需的位移。
玻璃板也可以具有沿Y方向变化的折射率的可变分布。这种形式的玻璃板示于图14。这种结构使得可以在光纤端前面移动和调整玻璃板的正确区域，从而得到所需的位移。该玻璃板也可以插在成像透镜和成像表面之间。
这种概念的示例示于图15。光学探测器60a和60b分别通过光纤耦合器61a和61b以及光纤63a至63d光学耦合到激光二极管62a、62b。入射在印刷板上的激光辐射被部分地往回反射并被光学探测器60a和60b探测。在光学探测器60a处的信号V1和在光学探测器60b处的信号V2与印刷板的位置成比例。当板在位置A时，在光学探测器60a处的信号为其最大值，且当板在位置B时，在光学探测器60b处的信号为其最大值。因此，信号V1和V2可以用于将成像透镜调整在相对于印刷板位置的期望距离。再者，信号V1和V2可以在暴露到激光束之后或者期间用于检查和诊断印刷板。
当使用单模二极管时，束的高斯分布可以利用衍射光学元件转换成如图16所示的罩式分布。这种衍射元件由多个公司制作，包括www.holoor.co.il/website/data/index.html。
图1至16所述的光源可以是二极管激光器和/或光纤耦合二极管激光器。如图1至16所述的光纤相对于彼此对准的不同配置可以相对于印刷鼓的慢和/或快轴来达成(慢和快轴对于印刷领域技术人员而言是公知参数)。
光纤可以在空间内按照任何配置相对彼此对准；例如，如图17和18所示，在诸如V槽65的机械支撑内。光纤可以一个与另一个相邻地和/或一个位于另一个之上地对准，其中两个或更多个V槽以三明治配置相互叠加地对准。三明治配置的具体情形见图17。
通过使用不同波长的二极管，可以得到用于直接雕刻的诸多优点。通过恰当的光学设计，可以增加景深，同时可以保持适合直接雕刻质量的较好光斑尺寸。
二极管可以相对于彼此在空间上(通过使用具有不同芯直径的光纤，或者通过将光纤的远端置于不同物平面)和/或在时间上调制，从而获得直接雕刻板的不同效果。例如，通过在第二二极管之前启动第一二极管，等等。
当使用发射不同波长的光的激光二极管时，可以使多色光源适合例如共同转让的同样待审的美国专利申请No.11/353,217中所述印刷板的直接雕刻印刷板的特定光学和热学特性。
本发明的优点包括：
增加功率和景深同时保持较好的光斑尺寸，该光斑尺寸对于直接雕刻所需质量而言是足够的。
激光可以同时或者相对于彼此在时间上调制，从而对特定雕刻板产生更好热效应。
激光的直接调制不需要外部调制。
部件列表
10  激光二极管
10a 波长λ2P偏振
10b 波长λ2S偏振
10c 波长λ1P偏振
10d 波长λ1S偏振
12  激光二极管
16  成像透镜
18  焦点
20  焦点
22  束组合器
24  偏振束组合器
26  光纤耦合器
27  偏振光纤组合器
30a 激光二极管
30b 激光二极管
31  头移动方向
32a 激光二极管
32b 激光二极管
33a 光纤
33b 光纤
35  V槽
37  成像透镜
40a 50微米直径的光斑
40b 20微米直径的光斑
41a 激光二极管
41b 激光二极管
42a 50微米直径的光斑
42b 20微米直径的光斑
43a 光纤
43b 光纤
44  V槽
45  物平面
46  物平面
47  像平面
48  像平面
50  玻璃板
52  光纤
54  成像透镜
55  激光二极管
60a 光学探测器
60b 光学探测器
61a 光纤耦合器
61b 光纤耦合器
62a 激光二极管
62b 激光二极管
63a 光纤
63b 光纤
63d 光纤
63d 光纤
65  V槽

Claims (21)

1.一种用于直接雕刻柔性印刷板的光学成像头，包括：
发射一个或多个波长的辐射的至少两个激光二极管，其中，所述至少两个激光二极管是光纤耦合的；以及
用于成像的装置，其将至少两个波长的辐射成像在相对于所述板的表面的不同深度，该用于成像的装置包括远心透镜，
其中所述成像在相对于所述板的表面的不同深度是通过在远心透镜的不同物平面内调整所述二极管或所述光纤的远端来实现的。
2.如权利要求1所述的光学成像头，其中在所述用于成像的装置的前面使用非成像光学元件。
3.如权利要求1所述的光学成像头，其中所述激光二极管为多模和/或单模激光二极管。
4.如权利要求1所述的光学成像头，其中所述激光二极管使用依赖于波长的束组合器来耦合。
5.如权利要求1所述的光学成像头，其中所述激光二极管使用依赖于偏振的束组合器来耦合。
6.如权利要求1所述的光学成像头，包括直接在时间上相对于彼此调制所述激光二极管的装置。
7.如权利要求1所述的光学成像头，其中所述用于成像的装置包括位于该光学路径内的玻璃板。
8.如权利要求1所述的光学成像头，其中所述用于成像的装置包括色散光学元件。
9.如权利要求1所述的光学成像头，其中所述光纤耦合的激光二极管具有不同芯直径，从而在所述板上雕刻不同尺寸斑点。
10.如权利要求1所述的光学成像头，其中所述二极管的至少一部分在远心透镜的同一物平面内对准。
11.如权利要求1所述的光学成像头，其中所述二极管的至少一部分在远心透镜的不同物平面内对准。
12.如权利要求1所述的光学成像头，还包括：
在辐射之后或辐射期间检查和诊断所述印刷板的装置。
13.如权利要求7所述的光学成像头，其中所述玻璃板由多个区域构成，每个区域具有不同的厚度和不同或相同的折射率。
14.如权利要求12所述的光学成像头，其中所述用于检查和诊断的装置包括探测器和光纤耦合器以测量从该板的往回反射。
15.一种用于雕刻柔性印刷板的方法，包括步骤：
提供发射一个或多个波长的辐射的至少两个激光二极管；
提供包含可消融层的印刷板，其中该可消融层适于强吸收所述一个或多个波长的辐射；以及
将所述一个或多个波长的辐射成像在相对于所述板的表面的相同或不同深度。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述成像在所述印刷板上的相同或不同斑点处。
17.如权利要求15所述的方法，其中所述激光二极管是光纤耦合的。
18.如权利要求16所述的方法，其中所述激光二极管是光纤耦合的。
19.如权利要求17所述的方法，其中所述光纤具有不同芯直径，以在所述板上雕刻不同尺寸斑点。
20.如权利要求18所述的方法，其中所述光纤具有不同芯直径，以在所述板上雕刻不同尺寸斑点。
21.如权利要求17所述的方法，其中所述成像在相对于所述板的表面的不同深度，是通过在远心透镜的不同物平面内调整至少一部分所述二极管或部分所述光纤的远端来实现的。
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