CN102369081B - 用于使用纳秒范围内脉冲的第一激光器和皮秒或飞秒范围内脉冲的第二激光器来构造具有硬质涂覆的固体表面的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于构造具有ta-C涂敷的固体表面(9，10)的至少一个区域的方法，在此方法中，借助于第一激光器(1)产生第一结构，优选地，第一激光器是具有纳秒范围内脉冲宽度的准分子激光器，借助于具有皮秒或飞秒范围内脉冲宽度的第二激光器(15)产生第二波纹状结构，第二结构重叠在第一结构上。优选地，根据掩模投影技术进行准分子激光器构造，根据聚焦技术进行皮秒或飞秒激光器(15)构造。本方法允许合理制造十分复杂的、非常防伪的认证特征和/或美学上引人注目的光学衍射有效的彩色图案。

Description

用于使用纳秒范围内脉冲的第一激光器和皮秒或飞秒范围内脉冲的第二激光器来构造具有硬质涂覆的固体表面的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种方法和设备，用于构造硬质材料涂覆的固体表面的至少一个区域，所用设备包括至少一个具有纳秒、皮秒或飞秒范围内脉冲宽度的激光器。更特别地，加工面可以是压花工具的表面，或一块宝石例如部分手表壳的表面，所述压花工具如压花辊子或压花模，其表面结构被转移到介质如包装箔等上。以下，名词“激光器”代表整个激光系统。
背景技术
这种方法和设备在本领域是已知的，例如根据本发明申请人的WO 2007/012215。此PCT申请公开了借助飞秒激光器在设有由超硬非晶碳组成的硬质材料层的工件上形成所谓波纹(ripple)，所述超硬非晶碳具有超过50％的类金刚石sp3键部分，这是已知的基于指出ta-C、碳化钨WC、碳化硼B4C、碳化硅SiC或类似的硬质材料。如可在国际互联网上找到的不同文献所显现的那样，大体上超硬非晶碳薄膜，ta-C，非常适合于各种应用，更特别地，适用于摩擦学的应用及光学衍射的应用。
除了具有飞秒和皮秒范围内脉冲宽度的激光设备的应用之外，使用具有纳秒范围内脉冲宽度和紫外范围波长的准分子激光器进行微构造本身也是为人所知的。当压花辊子或压花模是为例如在香烟或食物的包装箔上压印防伪认证特征或特殊的光学衍射的迷人标记而设计的时候，固体耐磨面的激光微构造是这些压花辊子或压花模所主要需要的。这样的包装箔大部分由拥有汽相淀积或溅镀金属层的纸或塑料层组成，或者，它们整个由金属制成，大部分是铝，或者全部是进行过 产生光学上和光学衍射有效的特征和结构的表面处理的纸或塑料。
发明内容
基于在这个现有技术的背景，特别是介绍中所提到的WO2007/012215，本发明的目标是改善所提到的用于构造固体表面的方法，更特别地是用以压印防伪认证特征和/或具有光学上迷人效果的标记的压花辊子或压花模的表面，如此一来，这种产生具有增强防伪的认证特征的表面的批量生产就成为可能，此外，更大的具有由灯光衍射所产生的迷人光学效果的表面的设计范围也是可能的。
本发明的另一个目标是提供一种方法，用于测量、控制和最佳化微构造方法。
根据本发明的一个实施例，提供了一种用于构造具有硬质材料涂敷的固体表面的至少一个区域的方法，所述方法借助分别具有纳秒或皮秒、飞秒范围内脉冲宽度的激光器，该方法的特征在于，借助于具有纳秒范围内脉冲宽度的第一激光器产生第一加工微结构，借助于具有皮秒或飞秒范围内脉冲宽度的第二激光器产生比第一加工微结构更精细的第二波纹状结构，第二波纹状结构重叠在第一加工微结构上。
在上述实施例中，根据掩模投影技术产生第一加工微结构，并根据聚焦技术产生第二波纹状结构。
在上述实施例中，硬质材料涂敷包括ta-C、碳化钨(WC)、碳化硼(B4C)或碳化硅(SiC)。
在上述实施例中，在ta-C硬质材料层及其下层材料之间，提供有厚度在50nm到300nm之间的碳化钨层。
在上述实施例中，第一加工微结构和/或第二波纹状结构的每一个是由多个微结构的重叠产生的，每个重叠的结构与被重叠的结构形成角度(α)或具有不同的方向。
在上述实施例中，为了由第一激光器产生第一加工微结构，在光学系统的均匀点(HS)处使用掩模，并在成像光学器件前面使用光阑，而为了产生第二波纹状结构，在飞秒激光器和相关的聚焦光学器件之 间使用偏振器。
在上述实施例中，在交换器设备中至少安装一个掩模和一个光阑，从而选择的任何掩模和选择的任何光阑都能彼此独立地放置在第一激光器的光束光路上。
在上述实施例中，交换器设备中的掩模和光阑能绕其自身旋转，也能线性地或旋转地移位。
在上述实施例中，掩模和光阑被安装在相应的匣中。
在上述实施例中，在工件表面上产生结构期间，借助于衍射计测量这些结构，并且所测量的值用于调整光束强度和/或成像和聚焦光学器件。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种用于实现如前所述的方法的设备，其特征在于，所述设备包括纳秒范围内的第一激光器(1)和皮秒或飞秒范围内的第二激光器(15)，该设备包括装置(32、32F)，用于先将要被构造目标(10)的表面(9)放置在第一激光光束(2)的成像光学器件(8)的成像平面上以产生第一加工微结构，再将其放置在第二激光光束(2F)的聚焦光学器件(8F)的聚焦平面上以产生比第一加工微结构更精细的第二波纹状结构，使得第二波纹状结构重叠在第一加工微结构上。
在上述实施例中，第一激光器(1)是波长为248nm的氟化氪(KrF)准分子激光器，或波长为193nm的氟化氩(ArF)准分子激光器，或波长为157nm的氟(fluor)激光器，或波长为308nm的氯化氙(XeCl)准分子激光器。
在上述实施例中，用于产生第二波纹状结构的第二激光器(15)是中心波长为775nm的飞秒激光器，或具有1064nm的波长或532nm的倍频波长的Nd：YAG型皮秒激光器。
在上述实施例中，在第一个激光器(1)和其成像光学器件(8)之间，至少安装一个掩模和光阑组合(18、6)；或者，多个掩模和光阑组合被安装在交换器设备(28、53、54)中，该交换器设备适合于在第一激光器(1)的光束光路(29)上彼此独立地放置一个掩模(18) 和一个光阑(6)，掩模(18)和光阑(6)能线性地或旋转地移位，还能绕着其自身在支架(31A到31E；34A到34E)中旋转。
在上述实施例中，交换器设备(54)中的掩模(18)中的每一个和光阑(6)中的每一个被放置在固定装置(55、56)中，而固定装置(55、56)被安装在相应的匣中。
在上述实施例中，所述设备包括具有至少一个CCD阵列(80、80F)的衍射计(12)，用于测量分别由准分子激光器和飞秒激光器产生的结构所反射和衍射的辐射(14、14F)。
在上述实施例中，所述设备用于在压花辊子上构造区域，以在包装箔上压印认证特征和/或光学衍射有效区域。
在上述实施例中，所述设备用于在涂敷的或无涂敷的手表零件、硬币或宝石上构造区域，以产生认证特征和/或光学衍射有效标记。
根据本发明的有一个实施例，提供了一种借助于如前所述的设备而产生的包装箔，其特征在于，它具有光学衍射有效区域和/或认证特征，其包括至少一个由准分子激光器根据掩模投影技术所产生的第一加工微结构和至少一个由飞秒或皮秒激光器根据聚焦技术所产生的比第一加工微结构更精细的第二波纹状结构，第二波纹状结构重叠在第一加工微结构上。
在上述实施例中，在没有出现认证特征和/或光学衍射有效区域或标志的位置进行打磨。
附图说明
下面，参照具体的实施例的附图更详细地解释本发明。
图1示出根据本发明使用两个激光器的设备的示意图。
图2示出借助于掩模和光阑的组合来进行光强整形。
图3示出具有星形的微构造的区域。
图4示出线性掩模和光阑交换器设备的俯视示意图。
图5示出沿着图4中的箭头V所指示方向的图4的交换器设备。
图6示出根据图4中的VI-VI截面的图4的交换器设备。
图7示出旋转掩模和光阑交换器设备的俯视示意图。
图8示出沿着图7中的箭头VIII所指示方向的图7的交换器设备。
图9示出根据图7中的IX-IX截面的图7的交换器设备。
图10示出具有用于掩模和光阑的匣的掩模和光阑交换器设备的另一实施例。
图11示出图10中沿着线XI-XI线的截面。
图12示出图10中沿着线XII-XII的截面，和
图13示出衍射计的示意图，其用于测量和调整掩模、光阑和压花辊子，也用于压花辊子上的结构的产生过程中的质量控制。
具体实施方式
图1示出根据本发明具有两个用于微结构和纳结构ta-C涂敷的压花辊子的激光器的设备的示意图，硬质材料ta-C象征性地代表硬质材料。
第一激光器，例如波长为248nm(纳米)的氟化氪(KrF)准分子激光器，根据掩模投影技术在ta-C层中产生微结构，而第二激光器，中心波长在775nm的飞秒激光器，根据聚焦技术在ta-C层中产生纳结构。
微结构可以是例如栅周期为1μm到2μm的沟形栅结构，而纳结构可以是例如周期大约为500nm的自组织波纹结构，其起到光学衍射光栅的作用。在这方面，任何光学衍射主动结构(optical diffraction active structure)的周期阵列都可能通过复色光照射下的衍射而产生角度依赖的色散，即分成光谱色。
图1示出第一激光器，准分子激光器1，这里，其光束2具有矩形截面。可以通过衰减器3来调整和改变这个激光器的光束强度。借助于均匀器3A和场镜3B，在均匀点HS处，获得激光光束横截面上的强度均匀分布。通过这个均匀的强度分布，并借助于位于均匀点HS处的掩模18，形成产生微结构所需要的激光光束横截面的强度分布。
安装在掩模后的光阑6中的孔径的几何形状(优选地，光阑和掩模相接触)产生由掩模18整形的激光光束的强度分布的截面几何形状或轮廓形状。掩模18和光阑6包括在掩模和光阑的交换器设备内，下面将更加详细地描述之。
除了KrF准分子激光器，波长193nm的氟化氩(ArF)准分子激光器、波长157nm的氟(fluor)激光器或波长308nm的氯化氙(XeCl)准分子激光器都可用作第一激光器。
参见图2，由掩模18和光阑6整形后的激光光束，入射在偏转镜7上，光束被其导向适合于该激光光束的成像光学器件8，从而以预定的成像比例，例如8∶1，在压花辊子10的ta-C层的表面9上形成适合于微结构的激光强度分布的图像。转向箭头11表明压花辊子10可以绕其纵轴以预定的角度旋转。压花辊子10安装在转印器32上。
为了调整、监视和稳定激光光束的功率及强度，借助于分光镜4将一小部分激光光束导向功率计5，以提供控制衰减器3和/或激光器1所需的数据。如图1中用双向箭头所示，可有选择地用激光光束强度分布测量设备5A来代替功率计5。设备5和5A到分光镜4的距离与到位于均匀点HS处的掩模18的距离相同，这是为了能够正确测量在均匀点HS处(即在掩模平面内)的功率和激光光束的强度分布。摄像机26用于观测微结构的过程。为此，偏转镜7具有干涉层系统，其反射波长为248nm的准分子激光，但透射可见光。
为调整由成像光学器件8成像在构造在压花辊子10的整个表面上的ta-C层上的激光光束的精确确定的焦点位置，借助于检查压花辊子的位置的设备16来测量压花辊子相对于理想几何的位置和与产生相关的偏差，例如，借助于三角测量方法。然后，借助于移位设备32，这些测量数据被用来自动调整压花辊子10，而且，构造过程中，这些测量数据也被用于移位设备32的z轴的修正控制。
如同根据图1的具体实施例的描述中所简要提到的那样，借助于掩模和光阑，形成准分子激光器根据掩模投影技术进行构造处理所需要的强度分布。
下面，参照图2进一步解释这个过程：通过均匀点HS处的激光光束29的均匀强度分布27，并借助于位于均匀点HS处的掩模18，形成在压花辊子10上的ta-C层中产生微结构所需要的激光光束横截面的强度分布。在本示意图中，掩模18具有栅状布局的透光区19和对激光光束不透明的表面区域20，并因此形成了具有立方形强度分布部分的栅状强度分布75。
光阑6按激光光束的方向安装在掩模后(优选地，光阑和掩模相接触)，通过掩模孔径或透光表面区域的几何形状产生掩模18整形过的激光光束的强度分布的截面几何。在本示图中，光阑孔径6T或在不透明部分6P内部的对激光光束透明的光阑表面区域的形状是三角形，因此，在光阑之后，激光光束29A的强度分布76呈现出三角形的截面几何。
在图2中，掩模18的栅周期和厚度以及掩模后激光光束强度分布76的立方形强度分布部分的间隔在x坐标方向被大大放大了；实际上，当掩模投影系统的成像比例为8∶1时，它们只有测量例如8μm到16μm，这是为了借助于掩模整形过的激光光束29A在压花辊子10上的ta-C层中产生具有1μm到2μm栅周期的光学上有效的沟形微结构。实际上，当均匀点HS的表面区域和掩模18的构造区域大小相同时，例如，8mm X 8mm＝64mm2，则与图2的示意图对比，所构造的掩模区域包含的条纹栅有1000到500个栅周期，而由此形成的激光光束包含1000到500个立方形强度分布部分。
掩模18的大小、形状、间隔、位置和透明表面区域的数目(以下称之为掩模结构)，确定了在具有预定的光学效果的ta-C层中创建微结构的激光光束的强度分布，而光阑6确定了激光光束强度分布的截面几何及压花辊子上的微构造的基本区域的几何形状。这里，名词“基本区域”是指压花辊子或压花模上的由掩模和光阑整形后的激光光束所构造的表面，其在一个激光光束脉冲串(脉冲序列)内被成像在ta-C涂敷的辊子表面上，而且，激光光束和辊子表面间没有相对移动。
因此，通过改变掩模结构，特别地，通过以预定的角度绕激光光束的光轴旋转掩模，可以改变掩模整形过的并借助于聚焦光学器件8成像在压花辊子的ta-C层上的激光光束强度分布的方向，并因此改变复色光照射时的微构造的基本区域的光学效果，例如，观察方向和观察角，以及颜色和强度。
通过以预定的角度绕激光光束的光轴旋转光阑6，改变激光光束的光阑整形过的借助于聚焦光学器件成像在压花辊子上的ta-C层上的截面几何的方向，并因此改变压花辊子的表面上的激光构造的基本区域的方向。下面描述这个过程。微构造的基本区域可以是根据特殊的图案而并置的，或者，以预定的角度旋转掩模之后，与此预定角度下的相同的微结构重叠。此外，如果使用不同的掩模，那么不同的微结构可以重叠在基本区域中，从而创建新的复色光照射下的光学衍射效果。如果它们是并置的，那么基本区域可具有相同的或不同的表面形状和微结构。
图3示意性地示出微构造的六芒星(six-rayed star)100，其包括十二个基本区域并呈现出两个不同的光线衍射方向，所述十二个基本区域是六个不同方向上的三角形截面，在基本区域内部是线栅形状的微结构。当在复色光下观察这个星的时候，在相同观察方向和相同观察角下，星的类似微构造的包括六个三角形基本区域的内部六边形101和类似微构造的芒区(ray)102呈现出不同的颜色和不同的强度。当绕着星的垂直对称轴旋转星来改变观察方向或倾斜星的表面来改变观察角时，由内部六边形和芒区所产生的光衍射的颜色和强度也都随之改变。
对于准分子激光器微构造的复杂表面区域来说，由于所述复杂表面区域包括很多可选择性地具有不同表面形状的基本区域，且部分复杂表面区域在ta-C涂敷的压花辊子上产生不同的光学效果，因此必须使用具有不同掩模结构的多个掩模和具有不同光阑孔径几何的多个光阑，掩模18和光阑6可以以预定的角度α彼此独立地绕激光光束的光轴旋转。更特别地，α是在1°到180°之间的值。
举例来说，下列加工参数适合于在压花辊子上构造ta-C层：准分子激光器的脉冲重复频率为30Hz，层上的激光光束能量密度为8J/cm2，每个基本区域上的激光脉冲个数为10。
为了优化掩模18和光阑6的调整，现场配置有衍射计装置12，见图1和13，其中，激光器的测量激光光束79被导向辊子表面，衍射计测定由所创建的结构反射和衍射射线14。
根据本发明，为了产生更精细的微结构，根据图1，还使用第二激光器15，其为飞秒或皮秒激光器。所发射的激光光束2F的光束圆截面是高斯强度分布，借助于衰减器3F调整和改变其强度。借助于偏振器17改变激光光束的偏振方向，即，电场强度矢量在与激光光束的传播方向y垂直的xz平面内的方向。
为了在ta-C层内获得非常小的聚焦截面，先用扩束器3FC扩大未聚焦的激光光束的横截面。用镜子7F来偏转线偏振且扩束的激光光束，并借助于聚焦光学器件8F将其聚焦在ta-C层上，所述聚焦光学器件8F适合于飞秒激光器波长并被可移位地安装在z方向上。
为了调整、控制和稳定激光光束的功率及强度，借助于分光镜4F将一小部分激光光束导向功率计5F，以提供控制衰减器3F和/或激光器15所需的数据。摄像机26F用于观测构造的过程。按适当的方式对偏转镜7F进行镀膜，以反射飞秒激光辐射，而透射可见光。
为了构造预定的表面区域，必须通过以预定的角度范围α和□旋转压花辊子以及在x和y方向内移动其位置，来实现聚焦在压花辊子的ta-C层上的激光光束与辊子表面之间的相对移动。由移位设备32F实现这个相对移动。
选择性地，可在飞秒激光光束的光路中加入将激光光束横截面上的高斯强度分布转换成均匀强度分布的均匀器3FA和/或将激光光束倍频或三倍频的设备23F，这是为了也能用均匀强度分布和较短波长的激光光束来执行构造过程。举例来说，这有利于用飞秒激光器结构从石英玻璃制造掩模18和光阑6。
如果使用倍频设备23F，那么扩束器3FC、偏转镜7F和聚焦光 学器件8F必须适合于较短的波长。可选地，可以使用具有自适应物镜的扫描器8FS来代替聚焦光学器件8F，从而允许实现聚焦在压花辊子的ta-C层上的激光光束与取决于扫描器的参数的辊子表面的有限的表面区域之间的更快的相对移动，这样一来，同借助于移位系统32F所实现的相对移动比较起来，构造这个有限的表面区域所需要的时间被大大减少了。如果使用扫描器镜的反射偏转系统8FS，那么当要在压花辊子上构造较大的表面区域时，移位系统32F只用于并置多个已构造的有限的表面区域。
在构造过程以前和可选地在构造过程中，借助于测距系统32FA来调整和监视激光光束的焦点位置。
根据聚焦技术的飞秒激光器的构造主要用来在压花辊子10的ta-C层上创建自组织的光学衍射有效的波纹结构。这些波纹结构可以是例如栅周期为500nm到800nm而沟槽深度为300nm的平行波栅结构，其中，如本发明申请人的PCT申请WO 2007/012215中所描述的那样，平行波纹总是垂直于激光光束的偏振方向。
与由准分子激光器在基本区域上所产生的重叠的微结构类似，由飞秒激光光束脉冲产生的飞秒激光波纹结构可以与第二波纹结构重叠，所述第二波纹结构的方向不同于第一波纹结构，这是因为激光光束的偏振方向的不同。此外，借助于准分子激光器在基本区域上产生的微结构可与借助于飞秒激光器产生的波纹结构相重叠，从而进一步创建出在复色光的照射下的新的光学衍射效果，这是因为准分子激光器产生的微结构的光学效果与飞秒激光器产生的波纹结构的光学衍射效果重叠了。
举例来说，下列加工参数适合于在ta-C层里产生波纹结构：移位速度15mm/s，中心波长775nm，脉冲宽度150fs，脉冲重复频率1kHz，激光光束聚焦处的能量密度为2.3J/cm2，高斯焦点半径21μm。可选地，适合于产生波纹结构的皮秒激光器可以是波长为1064nm的Nd：YAG型激光器，或者具有倍频的此类激光器，其波长为532nm。
通过逐行地扫描表面，在压花辊子上的ta-C层中产生波纹，优 选地，这样选择行偏置(line offset)——使行距(line spacing)对应于沿行的单个脉冲的间隔。
为了控制在压花辊子上的ta-C层中产生的这些纳结构的质量，使用与上述相同的现场衍射计12，其包括另一个白光光源或激光二极管和多个CCD摄像机阵列，用于记录由光学上有效的纳结构所创建的衍射级。可选地，可以使用第二现场衍射计。由于同由准分子激光器在ta-C层中产生的例如1μm到2μm的较大的栅周期相比，由波纹形成的波栅的周期较小，只有例如0.5μm，因此，相应的衍射级出现在较小角度上。下面将参照图16描述这个衍射计的工作原理。
在尺寸上来说，由准分子激光器根据掩模投影技术所产生的结构不同于由飞秒激光器根据聚焦技术所产生的结构，例如，前者的结构的结构深度在250nm到450nm之间且栅周期为1.5μm，而后者结构的结构深度在250nm到450nm之间且栅周期在0.4μm到0.7μm之间。
由于由准分子激光器产生的栅结构与由飞秒激光器产生的波纹栅结构的重叠，因此通过压印而创建在包装箔上的衍射图是复杂的，基于此点，仿制变得困难得多，而伪造也基本是不可能的。另一方面，创建了光学上非常奏效的色彩区域。
在本具体实施例中，除了聚焦光学器件以外的光学元件都是固定的，并且，为了在辊子表面上产生不同的构造区域，辊子被置于十字工作台上，该工作台可在绕其轴旋转的同时在X和Y平面内移位。此外，辊子在Z平面内也是可移位的。然而，非相对于光束移动辊子的位置，也可提供具有如上所述的扫描器的调整光学器件，或将两者结合。
如在介绍中所提到的那样，辊子表面具有ta-C层，其经历过例如脉冲激光沉积。在介绍中所引用的WO 2007/012215中，提到了已进行过测试的不同涂敷，而同时，人们认识到由脉冲激光器沉积所产生的这种超硬的四面体键合碳层非常适合于预期的超精细结构。更准确地说，大约1μm到2μm厚的层，更特别地，1.5μm厚的层，可能非常适合于预期目的。为了提高ta-C层与下层材料间的粘合性，提供 厚度为50nm到300nm的WC中间层是有利的。
如图1中所示，在准分子激光器的光路上至少放置一个掩模，该掩模位于准分子激光器和聚焦光学器件之间。在图4到12中，更详细地描绘和描述了交换器设备中的掩模和光阑组合。
作为掩模和光阑的基底材料，优选地，使用高光学性能的石英玻璃。然而，可选地，例如也可使用氟化钙CaF或氟化镁MgF2。在一个优选的具体实施例中，通过粗糙化来创建非透明的掩模或光阑部分。
场26F表征两个摄像机，其用于过程观测，即，观测工件的表面。一般地，石英掩模在例如8mm X 8mm的表面区域上具有规律图案；这个图案可以是简单的影线(hatching)，但是，也可设想和创建其它图案。摄像机26F连接至监视器27。可选地，根据聚焦和掩模投影技术，也可使用氟激光器来产生在来自石英玻璃的衍射掩模或光阑中的不透明表面。而且，如果使用的是飞秒激光器，那么倍频或三倍频可能是有利的。
在一些简单应用中，提供一个对准分子激光光束进行整形的支架中的一个或多个石英掩模可能就足够了。然而，在非常精细和复杂的彩色图案的情况下，主要还是受制于美学条件并且要很大程度上防伪，因此必须要使用多个具有不同的掩模结构的掩模和多个具有不同的光阑孔径几何的光阑。
更特别地，借助于掩模实现用于产生微结构(该微结构用于产生具有预定的光学衍射的表面，即，具有多色效果的表面)的激光光束强度分布的同时整形，同时，借助于光阑实现截面几何的形成并因此实现产生无间隙平铺的预定的微结构基本区域(该微结构基本区域具有预定的光学衍射效果)的激光光束轮廓形状。
为此，可以按程序控制的方式，特别地，彼此独立的方式，来改变掩模和光阑，而且可按预定角度旋转掩模和光阑。掩模结构决定微构造的基本区域的光学效果的观察方向和观察角，而光阑决定具有预定光学效果的微构造的基本区域的几何形状和表面位置。
可以借助于下述掩模和光阑交换器和旋转设备来交换和旋转掩 模和光阑：
在图4到12中，说明了用于掩模和光阑支架的某些交换器设备的实施例；基本上，可以设想线性的或旋转的或组合的交换器设备，重要的是，在所有设备中，掩模和光阑都可以彼此独立且迅速地交换，以获得非常多种图案。这允许在下层工件上，例如在压花辊子或压花模上，有效和经济地产生大量图案和认证特征，其满足最高的美学要求和光学要求。
交换器设备不但允许在不同压花辊子间产生不同的图案，而且，还允许在同一个压花辊子上非常有效且迅速地创建大量不同的结构，以作为认证特征和美学有效图案。
图4到6示出了线性交换器设备28。图4显示一俯视图，其中，箭头29表示入射激光光束，箭头29A表示整形后的激光光束。交换器设备具有用于掩模支架31A到31E的固定板30，其安装在第一x坐标工作台轴40A上，见图5，掩模18A到18E插在掩模支架31A到31E中。与此类似，交换器设备具有用于光阑支架34A到34E的固定板33，其安装在第二x坐标工作台轴40B上，见图9，其中，光阑6A到6E插在光阑支架34A到34E中。第一和第二x坐标工作台轴40A和40B安装在相应y坐标工作台轴40C和40D上。
从图4中还可进一步看出，激光光束29先通过掩模后通过光阑，出射激光光束29A因此得以整形，也见图2，接着光束入射到成像光学器件8上，借助于成像光学器件8，所产生的激光强度分布以缩小的尺寸成像在ta-C涂敷的辊子表面上。由齿形啮合带36来移动掩模支架，由齿形啮合带37来移动光阑支架，它们分别与支架上对应的齿轮41A到41E、42A到42E相配合，如在图4中特别出现的那样。
在本具体实施例中，由单个相应齿形啮合带激励所有的支架，该齿形啮合带是由步进马达38和39分别驱动的。可选地，可以借助于步进马达以预定的角度分别旋转各支架。
因此，可以线性地交换各个掩模和光阑，即，掩模18A到18E中的一个与光阑6A到6E中的一个可被置于光束光路上，并且，进一 步地，各个掩模和光阑两者都可以以确定的角度旋转。
图5是根据图4中的箭头V方向(即，根据激光光束的方向)的示图，从中可以看出，掩模支架31A到31E具有内部球轴承滚道45A到45E，其与外部球轴承滚道46A到46E相配合。掩模支架被安装在固定板30上。
图6根据图4中的VI-VI平面和激光光束的方向示出截面，其中，光阑支架34A到34E和步进马达39以及齿形啮合带37是可见的，而光阑支架安装在固定板33上。图6中，更明显的是，光阑支架34A到34E各包含内部球轴承滚道43A到43E，其与外部球轴承滚道44A到44E相配合。
不用齿形啮合带来驱动掩模和光阑旋转，可使用分别由相应的步进马达驱动的相应的公共轴所激励的蜗轮和长轴传动机构。然而，可选地，借助于用于各掩模和各光阑支架的独立的步进马达，也可实现各掩模和各光阑支架的预定角度的旋转。
允许固定板30平行于激光光束的传播方向移位的y坐标工作台轴40C，被用于当前在激光光束的均匀点HS处的加工位置处的掩模18C的构造区域的精确定位，通过移动允许固定板33平行于激光光束的传播方向移位的y坐标工作台轴40D的位置，来调整当前在加工位置处的掩模18C与当前在加工位置处的光阑6C之间的预定最短距离，或者，将掩模18C的构造表面侧面和光阑6C(即，光阑孔径)相互直接接触。
在图7到9中，示出了掩模和光阑的可旋转移位的配置，其中，与图4到6中相同，掩模和光阑具有支架、内部和外部的球轴承滚道、齿轮、齿形啮合带和步进马达，掩模和光阑被分别旋转地安装在圆形的固定板47和48上，而不是被线性地安装在矩形固定板上，而且，步进马达38或39同时通过齿形啮合带分别驱动所有的掩模或光阑支架，或者由各个步进马达分别驱动各支架。
图8是根据图7中的箭头VIII方向(即，根据激光光束的方向)的示图，图9根据图7中的IX-IX平面示出截面。固定板由具有用于 固定板47的支架49H的相应步进马达49和具有用于固定板48的支架50H的50驱动，并沿y方向被分别安装在对掩模18A-18E进行定位的y坐标工作台轴51上和在对光阑6A-6C进行定位的y坐标工作台轴52上。与线性的配置28相比，圆形的配置53允许更紧凑的设计。
图10到12示出另一个交换器设备54，其中，具有其固定装置的掩模和光阑被安装在相应的匣57和58中，而且，可被从中抽出并被彼此独立地引入光束光路。在这个位置，它们可以绕着自身的轴旋转。
如图10中所出现的那样，各掩模18被固定在固定装置55中，各光阑6被固定在固定装置56中，掩模和光阑固定装置被安装在相应的匣57和58中，掩模固定装置被安装在掩模交换器59和掩模滑块60中，类似地，光阑固定装置被安装在光阑交换器61和光阑滑块62中，用箭头来表示这些设备。
特别地，图12根据图10中的XII-XII平面示出截面，可以看出，掩模和光阑都是可以旋转的。为此，掩模或光阑固定装置被分别置于可旋转安装的掩模支架63或光阑支架67中，其可分别借助于步进马达64或68以预定的角度旋转，驱动齿形啮合带65的步进马达64被连接至掩模支架上的齿轮66。以相同方式，光阑支架67借助于步进马达68以预定的角度旋转，所述步进马达68经由齿形啮合带69激励光阑支架上的齿轮70。
掩模和光阑旋转机构都被安装在相应的固定板71和72上。掩模支架和掩模匣57的固定板71以及光阑支架和光阑匣58的固定板72都被安装在相应的y坐标工作台轴73和74上。
当使用具有两个激光系统及掩模和光阑交换器设备的复合设备来产生光学衍射有效结构时，实现所产生的结构的有效监视是不可或缺的。构造压花辊子或压花模并接着在实验室中检查这些工件，以备后来在有缺陷的情况下调整设备，这在理论上是可能的。然而，对加工的工件(更特别地，对压花辊子)的有效生产来说，这是非常复杂和耗时的。
因此，建议根据图13提供配置有衍射计装置的测量和调整设备， 以测量在构造压花辊子时所创建的结构并允许分别调整焦点处和成像平面处的辐射强度等等。这里，同时测定多个衍射级，并将其相互比较和与确定的参考衍射记录相比较。
大大简化和示意性示出的衍射计装置12被安装在压花辊子10上，并基本上包括两个第一保持扇形体(retaining segment)78和81的半圆形的配置和两个第二保持扇形体78F和81F的半圆形的配置，其中，用于产生具有预定截面的测量光束14的激光二极管79和用于测量在产生的微结构上衍射的光束部分14的CCD摄像机阵列80被分别安装在第一保持扇形体78和81上，用于产生具有预定截面的测量光束14F的激光二极管79F和用于测量在产生的波纹结构上衍射的光束部分14F的CCD摄像机阵列80F被分别安装在第二保持扇形体78F和81F上。此外，提供非代表性测定电子器件(non-represented evaluating electronics)。为了检测不同的衍射级，各CCD阵列可沿着四分之一圆移位，或者，为了记录不同的衍射级，类似于X射线检测器，阵列在空间上是可移位的。
照这样，对各个压印结构来说，在阵列的第一空间扫描期间，例如，在测试刚构造的压花辊子期间，可以自动检测和记录衍射级像的位置。压花辊子由可旋转的和可移位的移位设备支撑，例如，借助于至少一个压电启动器82，这是为了允许在水平方向上精确对齐正被构造或将被构造在转台83上的固体表面，其中，转台83又被安装在升降台84上并被连接至x-y坐标工作台85。
为了根据图1的现场质量控制，把激光二极管的单色激光光束或小横截面的白光光源的光束导向将要检验的基本区域上。用衍射计装置12记录分别由于微结构和纳结构的光学效果而在不同的衍射角下出现的不同的衍射强度或衍射级中的强度分布，并将其彼此进行比较。强度，更特别地，衍射级中的强度分布，是由所产生的结构的几何形状、深度和尺寸精度决定的，因此，可以检测尺寸变化和不充分的结构深度。在严重偏离预定的参考结构的情况下，中断构造过程，并执行激光光束参数和辊子位置的修正。
对借助于图13中所示出的衍射计而进行的全面质量控制来说，小横截面的白光光源的光束被导向完成构造的压花辊子10的表面上。更特别地，用白光光源照射由准分子激光器微构造的表面部分，用另一个白光光源照射随后由飞秒激光器纳米构造的表面部分。可通过将白光光源在圆弧形保持器上移位，来改变射线的入射角。借助CCD摄像机阵列80F，记录由微构造的表面部分的光学效果所创建的衍射级，并借助于另一个CCD摄像机阵列80，记录由纳米构造的表面部分的光学效果所创建的衍射级。
为了精确记录出现在不同衍射角下的衍射级，阵列可在圆弧形保持器中移位。
与借助于飞秒激光器而纳米构造的较小波纹栅周期(例如，0.5μm)相比，在借助于准分子激光器根据掩模投影技术而微结构的ta-C层中产生的衍射结构的周期较大，例如，1μm到2μm，因此，相应的衍射级出现在不同的角度上。因此，为了避免不同衍射级互相重叠，圆弧形保持器81的半径应选择为小于圆弧形保持器81F的半径。
由这些测量，可在整个压花辊子构造的表面区域上定量确定下列性质：
图像清晰度、图像对比度或通过强度比较的色彩印象(color impression)。
最佳和非最佳构造的表面部分的大小和分布。
结构差别程度(Differential structuring degree)，即，在小的预定表面区域中检测的所产生的结构的最佳衍射区域与该小的表面区域的大小之比。
结构完整程度(Integral structuring degree)，即，在所产生的结构的最佳衍射区域的表面区域的总和与测量场的总表面区域之比。
微结构和纳结构表面区域的质量指数。
考虑根据上述方法所构造的压花辊子的应用，例如，包装箔在以此方式所构造的压花辊子和配套辊子之间通过，根据本身已知的通过 遗漏粗糙面(omitting teeth)技术微构造出将要创建商标的地方，以便随后通常借助于后面的压花辊子对其进行打磨。
在这样过程中，使用相应修改和改编的衍射计装置版本来测量包装箔上所创建的结构，或者，使用测量值来校正压花辊子上的结构的产生，都是可能的。
基于上述描述，在本发明的范围内进行变化是可能的。除了提供由石英片制造的掩模和光阑来制造掩模和/或光阑，借助于电可变晶体从例如CaF2来形成掩模和/或光阑也是可能的，其中，在所述晶体中可以创建激光光束的高透光区或极低透光区。还可以从金属箔来制造光阑。
在描述中，已经指出压花辊子作为工件表面的例子，但本发明也适合于构造其它涂敷或无涂敷的表面，例如压花模的凸纹表面(raised surface)或压花辊子粗糙面，或直接衍射入射光的表面例如手表壳或硬币的部分，比如装饰性的硬币或流通硬币或一块宝石。

Claims (20)

1.一种用于构造具有硬质材料涂敷的固体表面的至少一个区域的方法，所述方法借助分别具有纳秒或皮秒、飞秒范围内脉冲宽度的激光器，该方法的特征在于，借助于具有纳秒范围内脉冲宽度的第一激光器产生第一加工微结构，借助于具有皮秒或飞秒范围内脉冲宽度的第二激光器产生比第一加工微结构更精细的第二波纹状结构，第二波纹状结构重叠在第一加工微结构上。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据掩模投影技术产生第一加工微结构，并根据聚焦技术产生第二波纹状结构。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，硬质材料涂敷包括ta-C、碳化钨(WC)、碳化硼(B4C)或碳化硅(SiC)。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在ta-C硬质材料层及其下层材料之间，提供有厚度在50nm到300nm之间的碳化钨层。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第一加工微结构和/或第二波纹状结构的每一个是由多个微结构的重叠产生的，每个重叠的结构与被重叠的结构形成角度(α)或具有不同的方向。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，为了由第一激光器产生第一加工微结构，在光学系统的均匀点(HS)处使用掩模，并在成像光学器件前面使用光阑，而为了产生第二波纹状结构，在飞秒激光器和相关的聚焦光学器件之间使用偏振器。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在交换器设备中至少安装一个掩模和一个光阑，从而选择的任何掩模和选择的任何光阑都能彼此独立地放置在第一激光器的光束光路上。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，交换器设备中的掩模和光阑能绕其自身旋转，也能线性地或旋转地移位。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，掩模和光阑被安装在相应的匣中。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在工件表面上产生结构期间，借助于衍射计测量这些结构，并且所测量的值用于调整光束强度和/或成像和聚焦光学器件。
11.一种用于实现根据权利要求1到10的任何一个的方法的设备，其特征在于，所述设备包括纳秒范围内的第一激光器(1)和皮秒或飞秒范围内的第二激光器(15)，该设备包括装置(32、32F)，用于先将要被构造目标(10)的表面(9)放置在第一激光光束(2)的成像光学器件(8)的成像平面上以产生第一加工微结构，再将其放置在第二激光光束(2F)的聚焦光学器件(8F)的聚焦平面上以产生比第一加工微结构更精细的第二波纹状结构，使得第二波纹状结构重叠在第一加工微结构上。
12.如权利要求11所述的设备，其特征在于，第一激光器(1)是波长为248nm的氟化氪(KrF)准分子激光器，或波长为193nm的氟化氩(ArF)准分子激光器，或波长为157nm的氟(fluor)激光器，或波长为308nm的氯化氙(XeCl)准分子激光器。
13.如权利要求11所述的设备，其特征在于，用于产生第二波纹状结构的第二激光器(15)是中心波长为775nm的飞秒激光器，或具有1064nm的波长或532nm的倍频波长的Nd：YAG型皮秒激光器。
14.如权利要求11所述的设备，其特征在于，在第一个激光器(1)和其成像光学器件(8)之间，至少安装一个掩模和光阑组合(18、6)；或者，多个掩模和光阑组合被安装在交换器设备(28、53、54)中，该交换器设备适合于在第一激光器(1)的光束光路(29)上彼此独立地放置一个掩模(18)和一个光阑(6)，掩模(18)和光阑(6)能线性地或旋转地移位，还能绕着其自身在支架(31A到31E；34A到34E)中旋转。
15.如权利要求14所述的设备，其特征在于，交换器设备(54)中的掩模(18)中的每一个和光阑(6)中的每一个被放置在固定装置(55、56)中，而固定装置(55、56)被安装在相应的匣中。
16.如权利要求11所述的设备，其特征在于，所述设备包括具有至少一个CCD阵列(80、80F)的衍射计(12)，用于测量分别由准分子激光器和飞秒激光器产生的结构所反射和衍射的辐射(14、14F)。
17.如权利要求11所述的设备，用于在压花辊子上构造区域，以在包装箔上压印认证特征和/或光学衍射有效区域。
18.如权利要求11所述的设备，用于在涂敷的或无涂敷的手表零件、硬币或宝石上构造区域，以产生认证特征和/或光学衍射有效标记。
19.一种借助于根据权利要求17的设备而产生的包装箔，其特征在于，它具有光学衍射有效区域和/或认证特征，其包括至少一个由准分子激光器根据掩模投影技术所产生的第一加工微结构和至少一个由飞秒或皮秒激光器根据聚焦技术所产生的比第一加工微结构更精细的第二波纹状结构，第二波纹状结构重叠在第一加工微结构上。
20.如权利要求19所述的包装箔，其特征在于，在没有出现认证特征和/或光学衍射有效区域或标志的位置进行打磨。
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