CN107921579B - 用于在工件上烧蚀地制造周期性的线结构的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在工件(108)上烧蚀地制造周期性的线结构的装置和方法。该装置包括用于产生烧蚀光(110)的脉冲激光器(109)、布置在烧蚀光(110)的光路中的相位掩模(102)、布置在光轴(101)上的成像光学器件(104)和支架(106)，以便将工件(108)布置在像平面(107)中。相位掩模(102)通过干涉在物平面(103)中产生多个等距的平行的线(112)并抑制与光轴(101)平行的衍射级。光轴(101)垂直于物平面(103)。成像光学器件(104)包括平行于线(112)取向的柱面透镜并且构造成使物平面(103)成像到像平面(107)中。

Description

用于在工件上烧蚀地制造周期性的线结构的装置和方法
技术领域
本发明说明了一种用于借助于电磁辐射制造周期性的结构的技术，尤其说明了一种用于通过烧蚀制造周期性的线结构/条纹结构的装置和方法，但并不限制于此。
背景技术
通过使表面具有某种结构，表面区域可具有视觉或触觉特征。此外，衍射结构可根据观察角度显现不同颜色或产生颜色梯度。除了装饰目的之外，具有结构的表面还可防污，例如去湿。
J.Meinertz等在会议“Lasers in Manufacturing 2013”发表并在期刊PhysicsProcedia第41卷第708-712页公开的文献“Micron and Sub-Micron Gratings on Glassby UV Laser Ablation”说明了借助于衍射光栅实现的、平行的线的传统生产(工艺)。然而，加工激光的辐射功率的大部分在衍射光栅处被损失掉。此外，具有衍射光栅主极大的史瓦西光学结构隐没辐射功率的另一很大的部分。
此外，由文献US 2009/0046757已知一种激光辐射装置，借助于它可控制在激光晶化时产生的晶体晶界的位置。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供一种用于更高效地制造微型结构的技术。
根据一方面，提供了一种用于在工件上烧蚀地制造周期性的线结构的装置。该装置包括：脉冲激光器，其用于产生烧蚀光；布置在烧蚀光的光路中的相位掩模，其构造成通过干涉在物平面中产生多个等距的平行的线/条纹并抑制与光轴平行的衍射级，其中，光轴垂直于物平面；布置在光轴上的成像光学器件，其具有与线平行取向的柱面透镜，该柱面透镜构造成将物平面成像到像平面中；以及支架，其构造成将工件布置在像平面中。
所成像的等距的平行的线可将周期性的线结构通过烧蚀制造在工件上。工件上的周期性的线结构可以是局部地或部分地周期性的。所述制造可以是烧蚀光的多个脉冲的成果。周期性的线结构例如可在工件上制成在一个连续的区域中或多个分别连续的区域中。
像平面可垂直于光轴。物平面和像平面可平行。
等距的平行的线的方向限定纵向方向。光轴和纵向方向限定对称平面。垂直于对称平面的方向限定横向方向。
光束可(例如对于垂直于光轴的平面)通过在光束和光轴(或对称平面)之间的角度θ来说明。替代地或补充地，光束可(例如对于垂直于光轴的平面)通过在光束和光轴(或对称平面)之间的(例如沿横向方向的)距离s来说明。
相位掩模可将激光器射入到相位掩膜上的光在其在物平面中的相位方面进行调制。相位掩模可在横向方向上将射入的光根据矩形轮廓调制相移。相位掩模可在纵向方向上(分别对于每个横向方向)具有不变的相移。
所成像的线可通过干涉产生。所成像的线可在像平面中通过两个光束的干涉(2光束干涉)产生。相位掩模可产生所述两个光束。
光束中的每个可分别相应于一个衍射级。(被抑制的)与光轴平行的衍射级还被称为“近轴”光。与光轴不平行的衍射级还被称为“离轴”光。
例如，两个干涉光束(例如由成像光学器件获得的未被抑制的衍射级)可包括光的至少75％、例如80％至90％(例如针对在相位掩模之后的总的辐射功率而言或针对激光功率而言)。替代地或补充地，近轴光的份额可小于10％、小于5％或小于1％(例如针对在相位掩模之后的总的辐射功率而言或针对激光功率而言)。相位掩模可实现在离轴光中(在有用级中)提供尽可能多的光功率以用于高效地利用烧蚀光。
通过近轴光的少的份额，可实现对比明显的线结构。可选地，可在相位掩模和成像光学器件之间、例如直接在成像光学器件处布置遮光部(或镜子)，以用于阻断(或从光路中反射走)近轴光。两个光束可在相位掩模和成像光学器件之间在成像光学器件之前的区域中不重叠。遮光部或镜子可布置在该区域中。
离轴光的至少大部分可提高成像的分辨能力。例如可制成更精细的线结构。替代地或补充地，抑制近轴光可提高成像的景深。景深可为50μm至250μm，例如100μm。替代地或补充地，抑制近轴光和/或加强离轴光可减小或防止柱面透镜的几何(例如圆柱形的或球形的)像差对等距的线的成像的影响。
物平面可基本上相应于相位掩模的平面和/或位于相位掩模的塔尔博特区域中。
成像光学器件可将多个等距的平行的线成像到像平面中。成像光学器件可构造成进行变小的成像。成像可构造成在横向方向上的间距变小。所成像的线在像平面中的间距可小于等距的线在物平面中的间距。
成像光学器件可包括其他的光学元件(例如透镜)。成像光学器件例如可包括两个柱面透镜的双合透镜，其具有相应组合的屈光力。
相位掩模可为光高效的(Lichteffizient)。相位掩模可具有至少75％、例如80％至90％的透射度。相位掩模的光输出可显著高于衍射光栅的光输出，例如是衍射光栅的光输出的多倍。此外，使用相位掩模可通过干涉抑制近轴光，而不阻断或吸收主极大。高的透射度可抵抗相位掩模的发热或老化。
激光器和/或相位掩模可构造成，在物平面中在跨度X上产生多个等距的线。从相位掩模出发的(例如至少基本上未被抑制的)衍射级可在成像光学器件中在整个跨度X上与光轴间隔开。由成像光学器件获得的(例如至少基本上未被抑制的)衍射级例如可与光轴间隔开大于跨度X的距离。
激光器和/或相位掩模可构造成，在物平面中在第一跨度上产生多个等距的线。衍射级可在成像光学器件中在与第一跨度对应的第二跨度上与光轴间隔开。第一跨度可横向于光轴在物平面中延伸。
第二跨度可横向于光轴在成像光学器件的地点处延伸，例如在成像平面中或在成像光学器件的主平面中。第二跨度可(例如在烧蚀光的基本上准直的光束的情况下)基本上等于第一跨度。第二跨度可(例如在烧蚀光的发散的光束的情况下)由于光束发散而相比于第一跨度变大。第二跨度与第一跨度的对应性可以是跨度的比例。该比例系数可等于1或大于1。
激光器的光可构造用于进行烧蚀。光可构造成，通过高的热作用和/或形成等离子体而引起材料的局部剥蚀或改变。烧蚀光可构造成，在像平面中引起容纳在支架中的工件上的烧蚀。工件的表面或截面可借助于支架布置在像平面中。
工件可包括玻璃和/或为玻璃体。表面可为玻璃表面。玻璃可为硅酸盐玻璃。
光的烧蚀作用可由其波长、脉冲持续时间、脉冲重复频率(或复现率)、脉冲能量、辐射功率、注量和/或强度确定。辐射功率可涉及脉冲功率。脉冲功率可为脉冲能量和脉冲持续时间的比。注量可为每有效面积的脉冲能量。强度可为每有效面积的脉冲功率。
干涉光束可为最低的未被抑制的衍射级。光束的间隔可由下述方式实现，即，光束在成像光学器件中不重叠。
工件能以可垂直于线运动的方式布置在像平面中。例如可制成大面积的结构。大面积的结构可通过不同的烧蚀脉冲的线精确的延续而组成。替代地或组合地，大面积的结构可通过基本上统计上地分布在工件的表面上的烧蚀脉冲组成。在这两种情况下，烧蚀脉冲可在工件的表面上重叠。
支架可构造成，使工件平行于像平面并且例如垂直于所成像的等距的线以稳定的进给速度移动。例如可制成均匀的大面积的结构。稳定的进给速度可基本上和/或至少暂时恒定。
脉冲激光的复现率r和支架的进给速度v可同步。例如可至少暂时在复现率r和进给速度v之间存在关系v＝r·b·n，n为整数。其中，b可为所成像的等距的线的周期性。
复现率可为10Hz至5kHz，例如为100Hz至1kHz。脉冲持续时间可为10ns至100ns，例如为20ns。
通过彼此相继的脉冲产生的线结构可重叠。每个脉冲的进给b·n＝v/r可小于像侧的跨度Y。例如进给可为0.9·Y至1.0·Y。
替代地或补充地，进给可为像侧的跨度Y的几分之一。进给b·n可为Y/m，其中，m＝2,3,4，……。因此，可通过多次使用烧蚀光而实现工件中的线结构的期望的伸展，例如平行于光轴的伸展。
线结构可在遵循像侧的周期性b的情况下延续直至期望的伸展。此外，线结构可通过曲折的行进而延续成期望的面。
替代地或补充地，可在成像光学器件之后或作为成像光学器件的部件布置有扫描器。扫描器可构造成，使所成像的等距的线在一个或两个维度中移位，例如形成周期性的线结构的上述延续。
相位掩模可构造成，抑制所有的偶数的衍射级(连同零级在内)。
未被抑制的衍射级可关于光轴对称。替代地或补充地，成像光学器件可关于光轴对称布置。成像光学器件可关于由相位掩模(或等距的线)和光轴限定的平面镜向对称。
成像光学器件可获得两个未被抑制的衍射级，例如两个第一衍射级。被抑制的衍射级可为归零的衍射级。相位掩模能以“+1/-1”配置来布置(例如关于激光或其光路)。此外，相位掩模可抑制第二衍射级，例如各偶数的衍射级。“+1/-1”配置可实现离轴光的两个干涉的光束的一致的功率或强度。
替代地，被抑制的衍射级可为第一衍射级。相位掩模可(例如关于激光或其光路)以“0/-1”配置来布置。“0/-1”配置可实现特别高效地抑制近轴光。
在所有的配置中，第三(或更高的)衍射级可具有可忽略的小的强度，和/或(例如通过成像光学器件的侧向伸展而)在几何上被排除(例如阻断)。
成像光学器件可在仅仅一个维度中成像。成像光学器件可垂直于等距的线成像。
物平面中的等距的线和所成像的等距的线可具有基本上相同的长度。物平面中的等距的线和/或像平面中的所成像的等距的线可具有的长度为约10mm至约50mm，例如20mm。
成像光学器件可将多个等距的线成像到像平面中。成像可变小。成像光学器件可(在像平面中)垂直于等距的线变小。所成像的线的间距可小于物平面中的等距的线的间距。所成像的线的间距(即，其周期性b)可小于人眼的分辨能力。
变小的系数Y/X＝b/g可在1/5至1/100的范围中，例如为1/10或1/80。物平面中的等距的线的周期性g可为2μm至200μm，例如25μm。物平面中的等距的线的周期性可为g＝d或g＝d/2，其中d为相位掩模的周期性。所成像的等距的线的组可具有10μm至1mm、例如100μm的在像平面中的像侧的跨度Y。
相位掩模的周期性d可为5μm至500μm，例如50μm。所成像的等距的线的周期性b可为0.5μm至25μm，例如2.5μm或5μm。
每个脉冲可成像10至1000个，例如50、80至100、200或500个等距的线。
根据所成像的平行的线制成的周期性的线结构可作为玻璃表面上的浮雕光栅漫散射地和/或衍射反射地起作用，例如用于可见光。
柱面透镜的仅仅很小的外部的、与光轴间隔开的区域可被未被抑制的衍射级照亮和/或有助于像平面中的成像。
此外，装置可具有布置在成像光学器件和像平面之间的振幅掩模。振幅掩模可与像平面间隔开。振幅掩模可与工件一起或并行地移动。
根据另一方面，提供了一种用于在工件上或在工件中烧蚀地制造周期性的线结构的方法。该方法包括以下步骤：借助于脉冲激光器产生烧蚀光；将相位掩模布置在烧蚀光的光路中以通过干涉抑制与光轴平行的衍射级并在物平面中产生多个等距的线，其中，光轴垂直于物平面；借助于布置在光轴上的并且平行于线取向的柱面透镜将物平面成像到像平面中；以及将工件布置在像平面中。
附图说明
下面借助实施例参考附图说明其他的技术特征，其中：
图1示出了用于在工件上制造周期性的线结构的装置的示意性的框图；
图2针对与光轴的角度和距离示意性地示出了从相位掩模发出的光的功率分布；
图3示意性地示出了图1的装置的实施例；
图4示出了用于图1和图3的装置或图2的分布的相位掩模的第一配置/构型；并且
图5示出了用于图1和图3的装置或图2的分布的相位掩模的第二配置。
具体实施方式
图1示出了总地用附图标记100表示的用于制造周期性的线结构的装置。装置100包括用于产生烧蚀光110的脉冲激光器109、布置在烧蚀光110的光路中且具有物平面103的相位掩模102、布置在光轴101上的成像光学器件104和支架106，以便将工件108布置在成像光学器件104的像平面107中。
通过干涉，相位掩模102在物平面103中产生第一线结构。物平面103垂直于光轴101。物平面在相位掩模102的近场中位于相位掩模102的背对激光器109的侧上。
物平面103可与相位掩模的平面间隔开塔尔博特距离或二分之一塔尔博特距离(或二分之一塔尔博特距离的整数倍或塔尔博特距离的整数倍)。
在相位掩模102的远场中，所述干涉抑制与光轴101平行的衍射级。(至少基本上)两个光束116和118从相位掩模102出发。光束116和118关于光轴101对称伸延。
成像光学器件104借助于柱面透镜的正屈光力使物平面103成像到像平面107中。可选地，成像光学器件104包括其他例如分别具有正屈光力的光学元件。通过具有两个柱面透镜的双合透镜，在组合的屈光力相同的情况下，相比于相应的屈光力的单个柱面透镜，可降低成像缺陷。双合透镜可不对称。柱面透镜可分别以凸侧朝相位掩模102取向。
物平面103、成像光学器件104和像平面107相对彼此如此布置，即，使第一线结构成像成变小的第二线结构。第二线结构在物平面107中通过两个光束116和118的干涉而产生。
烧蚀光可为单色的。烧蚀光可包括紫外线光。脉冲激光器109可产生紫外线光。脉冲激光器109可为准分子激光器，例如氩氟激光器。光的波长可在126nm至351nm的范围中。光的波长例如可为193nm。
第一线结构和第二线结构分别含有等距的平行的线，即，光强度的最大值。这些线垂直于图1的绘图页面并且限定纵向方向。纵向方向和光轴101设定对称平面。相对于对称平面限定光束116和118中的每个光束的角度θ和距离s，例如在垂直于光轴的平面中在成像光学器件104处。角度θ和/或距离s可在对称平面的相对的两侧上具有相反的符号。
成像光学器件104可构造成获得两个光束116和118的相干性和/或相对的相位。成像光学器件104的光学路径长度可(例如由于未校正的光学元件、例如由于柱面透镜而)与射入到成像光学器件上的光束116和118的角度θ有关。
相位掩模102可将烧蚀光(或至少其大部分)分布到离散的角度上，例如分布到相应于两个光束116和118的限定的角度上。成像光学器件104可(例如基于通过相位掩模的照亮和/或由于一个或多个遮光物而)仅用于离散的角度。由此可避免光学路径长度的角度依赖性对于锐度和/或对比度来说不利的影响。成像光学器件的校正(例如针对角度依赖性)可不发生。
两个光束116和118可关于对称平面对称。光束116和118的两个角度可在值上相同。由此，为了高对比度的干涉，两个光束116和118可经过在相位掩模102和工件106之间的相同的光学路径长度。
图2示意性地示出了烧蚀光在位于成像光学器件104之前或位于成像光学器件中的、垂直于光轴101的平面中的功率分布200。关于相对于对称平面的角度θ和相对于对称平面的距离s，示意性地示出了光的功率分布200。所述分布200关于相对于对称平面的角度示出了功率的离散分布。
一个衍射级限定了用于第一光束116的功率202的锐角θ>0。另一衍射级限定了用于第一光束118的功率204的锐角θ<0。(至少相对于离轴光的功率202和204而言)没有近轴光206进入成像光学器件104中。
柱面透镜可(例如在对称平面中)具有圆形的横截面。柱面透镜不是必须(例如关于几何的成像缺陷)进行修正。由于离散的角度分布200，可在成像光学器件104中取消对非圆柱体的修正。
至少在实施例中，成像光学器件的光学路径长度可(至少基本上)仅仅取决于射入到成像光学器件上的光束相对于光轴或对称平面的角度。成像光学器件的光学路径长度可(至少基本上)与离光轴101的距离s无关。因此可使相位掩模的光在跨度X上成像，该跨度与光轴101重叠。
替代地或补充地，跨度X可很小，例如跨度X可相比于物距G很小。替代地或补充地，光束116和118可在成像光学器件104中不重叠，从而跨度X相比于与对称平面的距离s很小，如示意性地针对功率分布200示出的那样。由此可进一步降低对成像光学器件104的要求。例如可将更轻或成本更有利的柱面透镜用在成像光学器件104中。
图3示出了装置100的实施例的示意性的截面图。在图3中示出的截面图的平面平行于光轴101并且垂直于等距的线113。
在装置100的在图3中示出的实施例中，相位掩模102在物平面103中产生第一线结构112。与第一线结构112究竟是否存在无关地，光束116和118构造成通过在像平面107中的叠加产生烧蚀的线结构113。
为清晰起见，图3是示意性的。光束走向例如可具有(在图3中未示出的)中间焦点，例如在成像平面105和像平面107之间。替代地，对于会聚的光束116和118，中间焦点可在物平面103和成像平面105之间。
在图3中示出的实施例中，两个光束116和118分别为(至少近似)准直的光束，例如其方式为：使光束116和118相应于限定的衍射级，所述衍射级由相位掩模在相对于光轴成限定的衍射角度θ的情况下发射出。光束116和118的用附图标记114-2表示的跨度X可基本上相应于由激光器109照亮的用附图标记114-1表示的跨度X。
在光束116和118很小地分散时，附图标记为114-2的跨度X可大于附图标记为114-1的被照亮的跨度X。例如，在成像平面105中(或就在成像光学器件104紧前方)，跨度X可比在物平面103中(或紧接在相位掩模102之后)的跨度X大最大10％。
光束116和118与光轴101在成像光学器件104输入侧(至少近似)围成限定的角度+θ或-θ。光束116和118借助于成像光学器件104的成像利用仅仅一个(至少近似)离散的角度范围。此外，在光束116和118相对于光轴101对称地伸延并且成像光学器件104相对于光轴101对称地布置时，成像的角度(至少近似)在数值上相同。
在具有仅仅单一的角度值的情况下的成像可改善成像的光束的干涉和/或降低对成像光学器件104的要求。例如可实现特别锋锐/清晰的和/或对比明显的线结构113，尽管对于简单的柱面透镜应预期到光束116和118的波前的失真。
线结构113可在像平面107中横向于等距的线具有矩形轮廓。成像的高的锐度可相应于矩形轮廓的陡的侧面。替代地，线结构113可在像平面107中横向于等距的线具有正弦式的强度分布。
在高的对比度的情况下，线结构113的强度最小值可基本上是无辐射的，从而在强度分布的谷地中，工件108保持未经处理。
图3示出了具有在成像光学器件中分开的光束116和118的实施例。相比于光束116和118的跨度X，光束116和118与对称平面的距离W可很大。
图4和图5示出了装置100的用于相位掩模102的实施例的部段300。成像光学器件104包括平行于线112取向的柱面透镜。相比于在成像平面105中光束116和118与对称平面的距离W，柱面透镜的半径很大。柱面透镜104不必进行非圆柱修正。
图4示出了相位掩模102的第一配置，在其中光束116和118相应于两个第一衍射级+1和-1。该第一配置可实现烧蚀光110的功率对称地分布到两个光束116和118上。
图5示出了相位掩模102的第二配置，在其中光束116相应于归零的衍射级，并且光束118相应于第一衍射级。该第二配置可实现在没有有损耗的遮光的情况下完全抑制近轴光。
柱面透镜104使得能够实现在纵向方向上扩展地加工工件108。加工范围还通过借助于支架106移动工件来拓宽。支架106使工件108连续地在像平面107中在激光器109的脉冲运行不间断的情况下移动。替代地或补充地，支架使工件转动，例如以便加工弯曲的表面。转动是围绕当前的加工区域的瞬时的法向交点进行的。
例如使工件在横向方向连续移动，使得在激光器109的每个脉冲中，在与通过前一个脉冲加工过的区域重叠的加工区域中，所成像的平行的线叠合。因为脉冲持续时间和移动速度的乘积相比于所成像的线的宽度很小，所以可避免费时的启动和制动过程。
通过使用相位掩模104可将激光器109的注量近乎完全用于加工工件108。
工件108可包括玻璃。该技术可用于对具有玻璃陶瓷的灶台、眼镜片或初级包装件做标记或表面加工。
在每个实施例中，振幅掩模可布置在工件108和成像光学器件104之间，例如布置在像平面107中。振幅掩模可实现由线结构组成的图示。该图示可包括图形、字样、象形图或机器可读的代码。机器可读的代码可具有一维结构(例如作为条形码)或可具有二维结构(例如作为QR码)。

Claims (11)

1.一种用于在工件(108)上烧蚀地制造周期性的线结构的装置(100)，包括：
用于产生烧蚀光(110)的脉冲激光器(109)；
布置在所述烧蚀光(110)的光路中的相位掩模(102)，该相位掩模 被构造成，通过干涉在物平面(103)中产生多个等距的平行的线(112)并抑制与光轴(101)平行的衍射级，其中，所述光轴(101)垂直于所述物平面(103)；
布置在所述光轴(101)上的成像光学器件(104)，该成像光学器件具有平行于所述线(112)取向的柱面透镜，该柱面透镜被构造成，使所述物平面(103)成像到像平面(107)中；和
支架(106)，该支架被构造成，将所述工件(108)布置在所述像平面(107)中。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，未被抑制的衍射级(116，118)与所述光轴(101)成离散的角度，所述柱面透镜不具有非圆柱修正。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述未被抑制的衍射级(116，118)关于所述光轴(101)对称，所述成像光学器件(104)关于所述光轴对称。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述相位掩模被构造成，在所述物平面(103)中在第一跨度(114-1)上产生多个等距的平行的线(112)，其中，所述成像光学器件(104)布置在所述光轴(101)上，使得未被抑制的衍射级(116、118)在成像光学器件(104)中在与所述第一跨度(114-1)对应的第二跨度(114-2)上与所述光轴(101)间隔开。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述工件在所述像平面(107)中被布置成能垂直于所述线(112，113)运动。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述支架(106)被构造成，使所述工件(108)平行于所述像平面(107)并且垂直于所成像的等距的线(113)以稳定的进给速度移动。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述脉冲激光器(109)的复现率r和所述支架(106)的进给速度v是同步的，使得
v＝r·b·n，n为整数，
其中，b为所成像的等距的线(113)的周期性。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，两个彼此相继的脉冲之间的进给为像侧的跨度(115)的整数分之一。
9.根据权利要求1至3、7和8中任一项所述的装置，其特征在于，所述成像光学器件(104)垂直于等距的平行的线(112)变小。
10.根据权利要求1至3、7和8中任一项所述的装置，还包括布置在所述成像光学器件(104)与所述像平面(107)之间的振幅掩模。
11.一种用于在工件(108)上烧蚀地制造周期性的线结构的方法，包括：
借助于脉冲激光器(109)产生烧蚀光(110)；
将相位掩模(102)布置在所述烧蚀光(110)的光路中，以通过干涉在物平面(103)中产生多个等距的平行的线(112)并抑制与光轴(101)平行的衍射级，其中，所述光轴(101)垂直于所述物平面(103)；
借助于布置在所述光轴(101)上的、平行于所述线(112)取向的柱面透镜使所述物平面(103)成像到像平面(107)中；以及
将所述工件(108)布置在所述像平面(107)中。
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