CN85105065A - 具有微观结构的宏观表面图样的生成方法 - Google Patents

Abstract

用一个束源(12)加热热塑性塑料薄层(3)的近似于点状的表面单元，使压印底模(4)的微观结构只在表面单元中被复制，以产生一个有光衍射效应结构的表面图样。靠薄膜(3)对束源(12)的焦点(14)的相对移动及重复压印，使许多这样的表面单元组合成表面图样。在相邻两次压印工序之间，压印底模(4)可以转动或更换。压印的边缘清晰，不存在易出毛病的接缝部分。

Description

本发明涉及到一个具有微观结构的宏观表面图样的产生的方法，即权项1的前序部分所提到的方法。

这种表面图样的用途例如作为在文件上的光衍射保密单元（EP-A-O    105099）。它们可能呈几何图形、数字、字母、装饰品、扭索品饰等形式，也可以例如把很多的光衍射单元串起来合成。这样的合成根据以下事实，即有不同入射角的相干光束的干涉叠加可产生衍射结构。它由光刻的方法转换成表面微观断面（EP-A-O    105099），这里固定的予制光学掩模可用来确定曝光的几何区域。如果需要生成的表面图样以及它的微观结构复杂到一定的程度，则掩模工艺是极为昂贵的。此外，带有非对称的剖面的光衍射结构单元，例如特殊的锯齿图形，不能用上面提到的干涉法生成。

已知具有光衍射效应的结构，诸如相位衍射光、相位全息图等可通过一个压印底模在一个热塑性塑料衬底上施加压力和加热，冲压或压印来产生（瑞士专利说明书NO    594495）。所以，具有光衍射效应结构的表面图样的合成也可以由许多相位衍射单元在一个热塑性塑料衬底上重复压印再串在一起组成。但是，此方法的结果不能令人满意，因为一方面在受热的压力区和在压印区之外没受热的无压区之间，在压印的边缘产生易出故障的接缝;另一方面不同的压印区不能没有接点或接缝密接在一起，因为金属压印底模的高热量意味着在新的压压印的边缘，邻近的、老的压印边区必定会被消除。

从瑞士专利说明书NO    594495亦已知，对于一个具有在热塑性塑料薄层上再现的、微观结构的压印底模选定区，采用对热塑性塑料衬底只是局部加热或只是局部加压的方法。但是，这种工序在压印区和非压印区之间不能产生清晰的、确定的界限。

本发明的基本任务是给出在权项1的前序部分提出的方法，它使得有可能利用微观结构经济地产生表面图样。此方法是将从具有微观结构的压印底模中选择出来的表面区域成形，它的表面图样有清晰的确定界限，没有任何有毛病的边缘部分。

本发明的特征部分在权项1中，其优越性在从属权项中给出。

此后借助于附图更详细地介释本发明的实例。

其中图1是用于产生表面图样装置的基本原理图

图2-4表明不同的表面图样

图5是阳模图

图6是用于扫描原始图样装置的基本原理图

在不成比例的图1中，标号1表示-平面的、刚性的、并且光学透明的压板。固定在它上面的是一块光学透明的衬底2其固定方式，图中未表示，与压板平面1有一定距离的衬底2的表面复盖有一层由热塑性塑料3吸收辐射材料制成的薄层3，在其上压印有微观结构，特别是有光衍射效应结构的宏观表面图样。薄层3可以是例如黑色或彩色的塑料薄膜或箔，亦可以利用诸如塑料溶液中的胶质状的碳材料等将衬底2的表面染色来形成，它的典型厚度是0.1到10微米。

在热塑性塑料薄层3对面是一个不受热的压印底模4，它有以区域方式重现的微观结构。底模4可由例如镍合金制成，使之有柔韧性。这样，用阳模5可以产生一个压印压力，压印底模4及热塑性塑料薄层3之间的压力定义为单位表面积上的压力。压印底模的典型厚度为100微米，最好阳模5要有一个曲率半径典型值约为7毫米的凸起表面。用压力产生器6，阳模5紧压压印底模4，而压印底模4在一个小的接触区7范围内（它的直径典型值为3毫米）对热塑性塑料薄层3加压。在图1中只是简略表示的底模支座8将压印底模4固定，使它只能在这7范围内与热塑性塑料薄层3表面接触，在另外的区域与薄层有一点间距。底模支座8最好这样构成，使压印底模4用少量简单的手工操作或机械操作就可转动或者当压力产生器6处于休止状态时能更换另一个有不同微观结构的压印底模。

安置在压力平面板1的远离压印底模4的一面是一个束源12，它最好是由激光器9、光调制器10和一个透镜系统11组成，并将聚焦的热束或光束13在热塑性塑料薄层3上位于大致在接触区7的中心的焦点14聚焦。由于对直接入射束13及在压印底模4上反射束的吸收使在焦点14周围的薄层3受热。焦点14的直径一般小于100微米用调制器10可或接通或断开地调节热束或光束的能量。

压力产生器6允许阳模5在正一轴方向，即部件1至4表面的垂线方向移动。以上所描述的本装置的这些部件用如下方法安装在一个（图中没画出的）底板上，使压板1、带有热塑性塑料薄层3的衬底2及压印底模4，相互之间可以移动;它们相对于焦点14及阳模5不仅能在X-轴，同样亦能在y-轴方向移动，即在一个平行于热塑性塑料薄层3的平面，连续地或分步地移动。为此目的部件1至4是可移动的，而部件5和12是固定不动的，或者反之。也可能是这样：部件1至4和12是固定不动的，而用一个反射镜系统使光束13跟踪阳模5在X-y平面上运动。

利用压力产生器6对压印压力作如下调节：在冷却状态下在接触区7热塑性塑料薄层3仅按压印底模4的微观结构作弹性形变，当压印压力被卸除时，就松弛回到原始状态，即平滑的状态，另一方面，如果在加上压印压力的同时接通束13，辐射吸收热塑性塑料表面层3在束源12的焦点14的一个近似点状表面单元处会加热到它的软化温度以上，温度升高到如此的程度，使在上面提到的表面单元中，薄层3的表面发生塑性变形，其形状与压印底模4的微观结构相对应。在冷却之后压印压力移去，被压印的结构保持不变。所希望的表面图样是由许多这样的表面单元组成的。

在静态的书写方式中，光束13只是短时间的被接通。然后一方面通过在压印底模4及阳模5中的热传导，另一方面通过在薄层3和衬底2中的热传导，被加热的热塑性塑料薄层3的体积急骤冷却。压力产生器6移动阳模5使之处于休止位置，并从而将压印底模4跟热塑性塑料薄层3分开，在焦点14附近保留了被压印的结构。这样的压印过程连续地重复。在断开束源12和去除压印压力，即处于两次压印之间时，衬底2及它的热塑性塑料薄层3相对于焦点14和阳模5在X-y平面上，在一个给定的方向移动一个给定的量。在两次压印之间时，压印底模4可以更换或者围绕X-轴方向扭转一个给定的量。由此，薄层3的联结在一起的或彼此孤立的区域可以印有任意的微观结构。

在动态书写方式中，在接通束源12和压力产生器6处于工作状态时，压印底模4及带有薄层3的衬底2相对于焦点14和阳模5以指定的速度不断地移动，因而压印底模4微观结构的、互相连接的带状表面区将被复制在薄层3上，在动态书写形式中，通过不断的成形也能产生具有微观结构的、所要求的表面图样。

根据已描述的方法所产生的宏观表面图样可以是几何图形、数字、字母、装饰品、扭索饼饰等等，它们的微观结构组成一个单独的或许多不同的相位衍射光栅、相位全息图、电影形象（Kinoform）和类似物，因而，例如可能在热塑性塑料薄层3中用有尤衍射效果的微观结构经济地产生一个由交织的、宏观线条组成的复杂编织图样。在那里微观结构随行而变化或者甚至沿着一条线以准连续方式变化，因而，人类肉眼看见带活动彩带的扭索饰图样效应。但是，所描述的方法也可用在例如产生良好的与轮廓相等的微观结构，如同在称之谓集成光学工艺中（integrated    ORtics）所用的那样。

从热塑性塑料薄层3上生成的表面图样，采用已知的化学和电的工艺有可能生产出金属压印底模形状的复制品。这样产生的压印底模在普通的压印装置中可供大量生产表面图样之用。

图2作为根据已描述方法所产生的表面图样的简例，表示出沿y-轴由单次书写移动产生的窄条或窄带。窄条或窄带的宽度近似等于或稍大于焦点14的直径，例如为50微米。窄条形状的结构例如是一个在每毫米中有10到2000条线的线性相位衍射光衍。

将这些窄条排列成行，如图3所示，可以生成任意要求尺寸的表面图样，它具有相邻窄条彼此接合，并没有一点断裂的微观结构。当一系列这样窄条并列放置，并在压印底模4对于薄层3没有相对运动时，产生的微观结构的结构线条连续地通过一系列窄条，如图3所示。

图4表示所生成的结构能重新改写。在这种情况下，如果光束的能量密度足够高的话，老的结构就会消失。因为在第一步书写工序中，不需要空出那些在紧接的第二步书写工序中的为其它结构所复盖的表面区域，使这个复杂结构的生产工序简化。

但是，精确地定量控制束13的能量密度及书写速度，也有可能在老的结构上压印出一个新结构，而在此工序中，老的结构将完全消失。

现在本发明的优点已显而易见。如上所述，可得到具有光衍射效应的微观结构的很细的线条或点状表面，也可得到更大面积的彼此连接的表面部分。这种微观结构没有可见的联结线，是通过在邻接介质中产生微观结构或将一个微观结构部分地写在另一个上面而得到的。这种表面图样的单个表面单元的结构可能完全相同或各不相同，也有可能产生不能用相干法得到的微观剖面，压印的边缘可清晰地确定，不含有带来麻烦的接缝。总之，所述的方法第一次提供了合成精细轮廓的微观结构的可能性，它摆脱了原来非要不可的刚性掩模系统，在本发明中，工作过程由数码程序控制，可实现全自动化。

如果仅仅在焦点14区域是用阳模5产生压印压力，则在整个压印时间内，在薄层3和压印底模4的不形成微结构的加压接触处，不希望有的局部冷却形变根据加压的时间和频率，可减小到一定必要的程度。此外，底模的更换是很方便的。与在整个表面产生压力来比，实质上所用压印力更小，从而使本装置的机械设计更容易实现。

图5表示阳模5′，它包括球支撑架15及球16，球16安置在位于支撑架15中的园柱形空间17中，并跟支撑架15有少量的空隙。园柱形空间17的纵轴和

-轴（图1）一致。球16的一部分伸出支撑架15，形成阳模5′的凸形表面。园柱形空间17通过压缩空气管18及电磁阀19与作为压力产生器6′的压缩空气源20连接。

在空间17中递增的大气压力将球16压向压印底模4（图1），此压力可由阀19控制接通或切断，并可在宽的范围内细调，因而允许精密调节压印压力。用阀19自动切断压印压力可方便地更换、转动或移动压印底模4。球16的边缘被空气垫支撑，以确保球有低的滚动阻力。在球16及球导向部件的筒壁之间所逸出的洩漏空气为球16提供了空气冷却。

图6中标号21指的是一个原始图样，它的宏观表面图样22通过一个光电扫描仪23扫描，而作为一个在薄层3（图1）上有微观结构的宏观表面图样按比例尺真实再现。移动单元24使由光源、透镜系统及光探测器（图中没画出）组成的扫描仪23在原始图样21上一行行地跟踪。同时，焦点14及阳模5同步地相对于薄层3及压印底模4移动。在附图中表示一个缩放尺25形式的杠杆系统，它由移动单元24来推动，围绕着一个固定支点26转动。扫描仪23的电输出通过放大器27及阈开关28接到束源12的调制器10的一个控制输入端29。

如果原始图样21的局部反射性超过某个予定值，调制器10打开，于是压印底模4的微结构就在薄层3的对应点上产生;当反射性低于某个予定值时，则相反，即不形成永久性的微结构，也不消除以前可能压印了的结构。

调制器10也可以这样控制，即在原始图样21的反射量高的情况下不发生压印;而在反射量低的情况下发生压印。此外，调制器10可以连续方式代替开关方式工作，因为光束13的能量和原始图象21的反射性的关系可以是线性或非线性的。调制器10的连续方式工作产生压印表面单元的宽度的调制。

Claims (10)

1、一个产生具有微观结构特别是具有光衍射效应结构的宏观表面图样的方法，该方法利用在热塑性塑料薄层(3)上形成一个有微观结构的压印底模(4)的选定表面区，其特征是：用一个束源(12)加热热塑性塑料薄层(3)的一个近似点形状的、处于所述束源焦点位置(14)的表面单元，使压印底模(4)的微观结构只在所述表面单元塑性地成形，而许多这样的表面单元组成了该表面图样。

2、根据权项1的方法的特征是：仅在焦点（14）区域才产生压印压力。

3、根据权项2的方法的特征是：在焦点（14）区域的压印压力是用一个有凸起表面的阳模（5，5′）产生的。

4、根据权项1至3中之一的方法，的特征是：压印底模（4）的微观结构的相互连接带状表面区是由压印底模（4）及热塑性塑料薄层（3）相对于焦点（14）不间断地移动而形成于热塑性塑料薄层上的。

5、根据权项1至3中之一的方法的特征是：当束源（12）被切断及压印压力取消时，热塑性塑料薄层（3）是以逐步方式相对于焦点（14）移动的。

6、根据权项（5）的方法的特征是：压印底模（4）在移动步骤中，被转动或更换。

7、根据权项1至6中任意一项的方法的特征是：用一个光电扫描仪（23）对应于压印底模（14）同步地扫描原始图样（21），而热塑性塑料薄层（3）相对于焦点（14）移动，束源（12）由扫描仪（23）的输出信号控制。

8、为了实施根据权项1至7中任意一项的方法的装置包括一个平坦的、坚硬的压板（1）、一个有热塑性塑料薄层（3）的衬底（2）、一个压印底模（4）及一个阳模（5，5′），其特征为：束源（12）配置在压板（1）不对着阳模（5）的一边，所述束源（112）的焦点（14）将热塑性塑料薄层（3）的近似于点状的表面单元加热，阳模（5，5′有一个凸形表面，并且在焦点（14）区域产生压印压力，压印底模（4）及热塑性塑料薄层（3）装在一个与热塑性塑料薄层（3）相并行的平面上，并可相对于焦点（14）和阳模（5，5′）移动。

9、根据权项8的装置的特征是：阳模（5′）包括球支撑架（15）和球（16），球（16）安放在位于球支撑架（15）内的园柱形空间（17）里，而园柱形空间（17）通过压缩空气管（18）和压缩空气源（20）相连接。

10、根据权项8或9的装置的特征是：备有一个移动单元（24），它控制光电扫描仪（23）在原始图样（21）上扫描，压印底模（4）和热塑性塑料薄层（3）与此同步相对于焦点（14）和阳模（5，5′）移动。扫描仪（23）的电输出端跟束源（12）的控制输入端（29）相连接。

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