JP2012521893A - 硬質材料をコーティングされた固体表面をレーザにより構造化する方法と装置 - Google Patents

Abstract

ｔａ‐Ｃコーティングが施された固体表面９，１０の少なくとも１区域を構造化する方法において、光学システムの均一スポットでマスク１８を使用して、マスク投影技術によりビームが付形され、次いで画像化レンズの前方でダイアフラム６が使用される。ナノ秒範囲のパルス持続時間を有するエキシマレーザ１によって構造が作製され、多くのマスクとダイアフラムの組み合わせ１８，６が交換装置２８内に配置され、該交換装置が、マスク１８の１つとダイアフラム６の１つを互いに独立的にレーザの光路内へ配置するようにされており、マスク１８とダイアフラム６とは、ホールダ内に保持される一方、直線転位または回転転位が可能であり、それら自体を中心として回転可能である。本方法により、極めて複雑かつ極めて不正防止性の高い認証形状特徴の製作および／または見た目に魅力的な光回折効果を有する色彩パターンの製作が合理的に可能になる。このような特徴を有する装置が定義される。

Description

本発明は、硬質材料でコーティングされた固体表面の少なくとも１区域を構造化する方法と装置であって、該装置が、ナノ秒、ピコ秒、フェムト秒各範囲のパルス持続時間を有する少なくとも１レーザを含む形式のものに関する。より具体的にいえば、加工した表面は、表面構造を例えば包装用フォイル等の媒体に転移させるエンボス工具の、例えばエンボスローラまたはエンボスダイ等の表面でよく、または加工した表面は、１個の宝石類の表面、時計のケースの一部等でもよい。この場合、「レーザ」という用語は、レーザ・システム全体を指している。

マイクロ構造作製の場合に、ナノ秒範囲のパルス持続時間と紫外線範囲の波長とを有するエキシマレーザを使用することは、技術的に公知である。固体の耐摩耗性表面にレーザでマイクロ構造を作製するのは、主としてエンボスローラまたはエンボスダイに要求される。その場合、これらのエンボスローラまたはエンボスダイは、例えば、紙巻き煙草または食物の包装用フォイル上に不正防止用の認証形状特徴、または目立つ光回折性の特殊なしるしをエンボスする。この包装用フォイルは、多くの場合、蒸着またはスパッタリングによる金属層を備えるか、全体が金属製、多くはアルミニウム製であるか、全体が光学的な効果もしくは光回折効果のある形状特徴および構造を有するように表面処理された紙またはプラスチックである。この点で、レーザビームの強度分布を付形するには、マスクまたはダイアフラムを使用するのが好ましい。

本発明の出願人の特許文献１には、工作物に対しフェムト秒のレーザによりいわゆる微細波形（リプル）を形成する作業が開示され、該工作物には、ｔａ‐Ｃの名で知られるダイヤモンド様ｓｐ^３結合フラクションが５０％を超える超硬無定形炭素から成る硬質材料層か、または炭化タングステン（ＷＣ）、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、類似の硬質材料のいずれかから成る硬質材料層が設けられている。インターネットで入手できる種々の文書から分かるように、主に超硬無定形炭素フィルムのｔａ‐Ｃが、種々の用途に、より具体的には、摩擦や光の回折を要する用途に好適である。

国際公開第２００７／０１２２１５号明細書

このような背景に基づき、本発明が目的とするのは、固体の、より具体的には不正防止用の認証形状特徴および／または見た目に魅力的なしるしをエンボスするためのエンボスローラの表面を構造化するための既述の方法を改良して、不正防止効果のより高い、かつまた設計範囲のより広い認証形状特徴を作製するための前記表面を量産できるようにすることである。この目的は、請求項１に記載の方法と、請求項１１に記載の装置とにより達成される。
本発明の別の目的は、高精度で長寿命のマイクロ構造を作製するためのマスクおよびダイアフラムを確実に製造する方法を提供することである。この目的は請求項９記載の方法によって達成された。
本発明の別の目的は、前記作製方法を測定し、最適化する方法を提供することである。この目的は、請求項１０記載の方法と、請求項１５記載の装置とにより達せられた。更に、従属請求項には代表的な実施例が定義されている。
以下で、本発明を代表的実施例の図面を参照して、より詳細に説明する。

２つのレーザを有する本発明による装置の略示図。 マスクとダイアフラムとの組み合わせによるビーム強度の付形を示す図。 星の形状を有するマイクロ構造区域の図。 マスクおよびダイアフラムの直線型交換装置の略示平面図。 図４の交換装置を図４の矢印Ｖの方向で見た図。 図４の交換装置を図４のＶＩ‐ＶＩ線に沿って截断した断面図。 マスクおよびダイアフラムの回転型交換装置の略示平面図。 図７の矢印ＶＩＩＩ方向で図７の交換装置を見た図。 図７のＩＸ‐ＩＸ線に沿って図７の交換装置を截断した断面図。 マスクおよびダイアフラム用のマガジンを有するマスクおよびダイアフラムの交換装置の別の実施例の略示図。 図１０のＸＩ‐ＸＩ線沿った断面図。 図１０のＸＩＩ‐ＸＩＩ線に沿った断面図。 マスク・ダイアフラム・エンボスローラの測定および調節用、並びにエンボスローラ上への構造作製時の品質管理用の回折計の略示図。

図１には、ｔａ‐Ｃコーティングされたエンボスローラのマイクロ構造およびナノ構造を作製するための２つのレーザを有する本発明による装置が略示されている。硬質材料ｔａ‐Ｃは硬質材料の代表的なものである。
第１レーザは、波長２４８ナノメートル（ｎｍ）の例えばＫｒＦエキシマレーザであり、マスク投影技術によりｔａ‐Ｃ層にマイクロ構造を作製し、第２レーザは、中心波長７７５ｎｍのフェムト秒レーザであり、集束技術によりｔａ‐Ｃ層にナノ構造を作製する。
マイクロ構造は、例えばトレンチ形格子構造で、格子周期は１‐２μｍであり、ナノ構造は、例えば自己組織化された約５００ｎｍ周期の微細波形構造で形成され、これらが光の回折格子として働く。このため、光を回折する能動的な構造のどの周期的配列でも、角度に応じた分散、つまり多色光照射時の回折によりスペクトル色への分解が可能になる。

図１には、第１レーザ、すなわちエキシマレーザ１が示されており、そのレーザビーム２は、この場合、長方形の断面を有している。このレーザ・ビームの強度は、減衰器３により調節かつ変更できる。ホモジナイザー３Ａとフィールドレンズ３Ｂとによって、均一スポットＨＳでは、レーザビーム断面にわたって均一の強度配分が可能になる。マイクロ構造作製に要するレーザビーム断面にわたる強度分布は、この均一な強度配分に基づいて、均一スポットＨＳに配置されたマスク１８によって付形される。
マスクに後置され、好ましくはマスクに接触するダイアフラム６の開口の幾何形状により、マスク１８で付形されたレーザビーム断面の幾何形状または強度分布の輪郭形状が作り出される。マスク１８とダイアフラム６とは、詳しくは後述するマスクおよびダイアフラム交換装置に含まれている。

ＫｒＦエキシマレーザの代わりに、波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ、波長１５７ｎｍの蛍光レーザ、波長３０８ｎｍのＸｅＣｌのエキシマレーザのいずれかを、第１レーザとして使用できる。
マスク１８とダイアフラム６とにより付形されたレーザビームは、図２にも見られるとおり、偏向ミラー７に入射し、偏向ミラーは、このレーザビーム用の適当な画像レンズ８を通して案内し、該レーザビームが、例えば８：１の予め決められた画像縮尺でエンボスローラ１０上のｔａ‐Ｃ層表面９にマイクロ構造用の適当なレーザ強度分布の画像を形成する。回転方向の矢印１１は、エンボスローラ１０が、その長手軸線を中心として、予め決められた角度だけ回転できることを示している。エンボスローラ１０は転位装置３２上に配置されている。

レーザビームの電力、したがって強度を調節し、モニタし、安定化するために、レーザビームの小フラクションがビームスプリッタ４によって電力計５に向けられ、電力計５は、減衰器および／またはレーザ１の制御用データを送信する。この電力計５は、また、レーザビーム強度分布測定装置５Ａと選択的に交換可能であり、このことが図１には両方向矢印で示されている。電力計５と測定装置５Ａとは、ビームスプリッタから、均一スポットＨＳに配置されたマスク１８と等距離のところに配置されることで、均一スポットＨＳでの、すなわちマスク平面での電力およびレーザビーム強度配分の正確な測定が可能になる。マイクロ構造作製工程を観察するためには、カメラ２６が役立っている。この目的のために、偏向ミラー７が干渉層システムを有し、このシステムが、波長２４８ｎｍのエキシマレーザ光は反射するが、可視光は透過させる。

エンボスローラ１０の全表面にわたって構造化されるｔａ‐Ｃ層に画像化レンズ８により画像化されるレーザビームの精密に決められた集束位置を調節するために、理想的な幾何形状からのエンボスローラの位置偏差および作製偏差が、例えば３角法により、エンボスローラの位置査定用の装置１６によって測定される。これらの測定データは、転位装置３２によるエンボスローラ１０の自動調節と、構造作製過程での転位装置３２のｚ軸の修正制御とに利用される。
図１の実施例のところで既に簡単に説明したように、マスク投影技術によるエンボスローラ構造作製工程に必要とされる強度分布は、マスクおよびダイアフラムにより付形される。

この工程を、図２について以下で更に詳しく説明する：均一スポットＨＳでの均一な強度配分２７のレーザビーム２９から、エンボスローラ１０のｔａ‐Ｃ層にマイクロ構造を作製するのに必要なレーザビーム断面にわたる強度分布が、均一スポットＨＳに配置されたマスク１８によって付形される。この略示図では、マスク１８は、グリッド状に設けられたレーザビーム透過区域１９と、レーザビーム不透過の表面区域２０とを有し、立方強度分布部分を有するグリッド状強度分布７５を形成する。
ダイアフラム６は、レーザビーム方向でマスクに後置され、マスクに接触するのが好ましい。ダイアフラム６は、また、その開口または透過表面区域の幾何形状によって、マスク１８により付形されたレーザビーム強度分布の断面幾何形状を作り出す。この図では、ダイアフラムの不透過区域６Ｐ内のレーザビーム透過開口６Ｔまたは表面区域の形状は、３角形であり、したがって、ダイアフラムの後方では、レーザビーム２９Ａの強度分布７６は断面が３角形の幾何形状を有している。

図２の場合、マスク１８の格子周期と、マスク後方のレーザビーム強度分布７６の立方強度分布部分の厚さおよび間隔とは、ｘ軸方向に著しい倍尺で記載されているが、実際には、マスク投影システムの画像化比率は８：１であり、例えば８‐１６μｍに過ぎず、このため、マスクが付形するレーザビーム２９Ａにより、エンボスローラ１０のｔａ‐Ｃ層には、１‐２μｍの格子周期を有し、光学的に効果的なトレンチ形状のマイクロ構造を作製できる。実際には、均一スポットＨＳの表面積とマスク１８の構造化区域との表面積とは等寸法であり、例えば８ｍｍ×８ｍｍ＝６４ｍｍ^２である。構造化されたマスク区域は、図２の略示図とは異なり、１０００‐５００の格子周期を有する縞状格子から成り、これによって付形されたレーザビームは１０００‐５００の立方強度分布部分から成っている。

マスク１８の透過表面区域の寸法、形状、間隔、位置、数は、以下ではマスク構成と呼ぶが、このマスク構成が、予め決められた光学的効果を有するｔａ‐Ｃ層にマイクロ構造を作るためのレーザビーム強度分布を決定し、ダイアフラム６が、レーザビーム強度分布の断面幾何形状と、エンボスローラ上のマイクロ構造化された基礎区域の幾何形状とを決定する。この「基礎区域」という用語は、ここではエンボスローラまたはエンボスダイの表面を指すのに使用され、この表面が、マスクおよびダイアフラムにより付形されたレーザビームによって構造化され、ｔａ‐Ｃ被覆のローラ表面にレーザビームのパルス列（パルス・シーケンス）により画像化されるが、そのさい、レーザビームとローラ表面との相対運動は生じない。

したがって、マスク構成を変更することによって、また特に、マスクを予め決められた角度だけレーザビーム光軸を中心として回動することによって、マスクにより付形され、集束レンズ８によりエンボスローラのｔａ‐Ｃ層に画像化されるレーザビーム強度分布の配向を変更でき、ひいては、多色光の照射に対するマイクロ構造化された基礎区域の光学的影響、例えば見る方向や見る角度への影響を、カラーや強度と同様に変更できる。
集束レンズによりエンボスローラ上のｔａ‐Ｃ層に画像化されたレーザビームの、ダイアフラムにより付形された断面幾何形状の配向は、レーザビームの光軸を中心として予め決められた角度だけダイアフラム６を回動させることにより変更でき、ひいては、レーザビームにより構造化されたエンボスローラ表面基礎区域の配向を変更できる。この措置については後述する。

マイクロ構造を有する基礎区域は、特定パターンに従って並置されるか、または予め決められた角度だけマスクを回動させた後に、その角度で同じマイクロ構造が重ねられる。更に、異なるマスクが使用される場合には、異なるマイクロ構造を基礎区域に重ねることができ、それによって、多色光の照明に対する新たな光学的な回折効果が作り出される。基礎区域は、並置される場合、同じまたは異なる表面形状およびマイクロ構造を有することができる。

図３には、６個の突出部を有する星形１００が示されている。この星形は、異なる配向の各６個の３角形状の断面を有する１２の基礎区域から成り、基礎区域内には、光を回折する２つの配向の直線的な格子状のマイクロ構造を有している。この星形を多色光で見た場合、同じようなマイクロ構造の、６個の３角形状の基礎区域から成る内側６角形１０１と、同じようなマイクロ構造の突出部１０２とが、同じ視方向かつ同じ視角で見て、異なるカラー、異なる強度に見える。星形をその直交対称軸を中心として回転させることで視方向を変更した場合、または星形表面を傾斜させることで視角を変更した場合、内側６角形により回折される光と突出部とのカラーおよび強度の両方が変化する。

エキシマレーザによるマイクロ構造作製の場合、ｔａ‐Ｃ被覆されたエンボスローラに対して種々の光学的効果を作り出す種々の表面形状やそれらの部分を任意に有することも可能な、多数の基礎区域から成る複雑な表面区域と、種々のマスク構成を有する多数のマスクと、種々の幾何形状の開口を有する多数のダイアフラムとを使用する必要があり、マスク１８とダイアフラム６とは、レーザビームの光軸を中心として、互いに別個に予め決められた角度αだけ回動可能である。より詳しく言えば、角度αは１°‐１８０°の値である。
次の加工のパラメータは、例えばエンボスローラ上のｔａ‐Ｃを構造化するのに適したものである：すなわち、エキシマレーザのパルス繰り返し周波数３０Ｈｚ、ｔａ−Ｃ層上のレーザビーム・フルエンス８Ｊ／ｃｍ^２、基礎区域あたりのレーザパルス数１０である。

マスク１８とダイアフラム６との調節を最適化するために、図１および図１３に見られるように、現場に配置された回折計１２が使用される。その場合、レーザ７９の測定レーザビームがローラ表面に向けられ、作製された構造によって反射され、回折された光線１４が回折計により評価される。
本発明によれば、一様な精密マイクロ構造を作製する場合、図１に示すように、第２レーザ１５が追加使用されるが、第２レーザは、フェムト秒またはピコ秒のレーザでよい。第２レーザのレーザビーム２Ｆは、ガウスの強度分布でビームの円形断面全体にわたって放射され、そのビーム強度は減衰器３Ｆによって調節可能かつ変更可能である。偏光器１７によって、レーザビームの偏光方向が変更される。言い換えると、レーザビームの伝搬方向に対して直角のｘｚ平面内で電界強度ベクトルの方向が変更される。

ｔａ‐Ｃ層内に極めて小さい集束断面を実現するには、非集束レーザビームの断面が、ビーム伸長器３ＦＣ内で拡大される。直線偏光され拡大されたレーザビームは、ミラー７Ｆにより偏向され、集束レンズ８Ｆによりｔａ‐Ｃ層上へ集束される。集束レンズ８Ｆは、フェムト秒レーザの波長に好適であり、ｚ方向に転位可能に取り付けられる。
電力の、したがってレーザビーム強度の調節、制御、安定化のため、レーザビームの小部分が、ビームスプリッタ４Ｆにより電力計５Ｆに向けられ、電力計５Ｆは、減衰器３Ｆおよび／またはレーザ１５の制御用のデータを送信する。カメラ２６Ｆが構造作製工程の観察に役立つ。偏向ミラー７Ｆは、フェムト秒レーザ放射を反射する一方、可視光を透過するためのコーティングを適当な形式で施されている。

予め決められた区域を構造化するために、エンボスローラのｔａ‐Ｃ層上に集束するレーザビームとローラ表面との相対運動を達成するには、予め決められた角度範囲αおよびΦだけエンボスローラを回動させ、かつｘ方向およびｙ方向に転位させる。この相対運動は転位装置３２Ｆにより行われる。
任意だが、レーザビーム断面全体にわたるガウス強度分布を均一の強度分布に変換するホモジナイザ３ＦＡ、および／またはレーザビーム周波数を２倍または３倍にするための装置２３Ｆを、フェムト秒レーザビームの光路内へ挿入することができ、それによって構造化工程を均一の強度分布およびより短いレーザビーム波長で実施することができる。この措置は、例えば、石英ガラスのマスク１８およびダイアフラム６をフェムト秒レーザで構造化する場合に好都合である。

周波数を２倍にする装置２３Ｆを使用する場合、ビーム伸長器３ＦＣ、偏向ミラー７Ｆ、集束レンズ８Ｆは、より短い波長に適するものでなければならない。
あるいはまた、集束レンズ８Ｆの代わりに、適当な対物レンズを有するスキャナ８ＦＳを使用することもでき、その場合には、エンボスローラのｔａ‐Ｃ層上に集束されたレーザビームと、スキャナのパラメータに依存するローラ表面の限られた表面積との相対運動を、より迅速に行うことができ、その結果、この限られた表面積を構造化するのに要する時間は、転位装置３２Ｆによる相対運動の場合に比してかなり低減できる。スキャナ・ミラー偏向システム８ＦＳを使用する場合、転位装置３２Ｆは、比較的大きい表面区域をエンボスローラ上に構造化する必要がある時に、既に構造化された多くの表面区域を並置するのに役立つだけである。
レーザビームの集束位置は、構造化工程の前に、かつまた構造化工程と交互に距離測定システム３２ＦＡにより、調節され、モニタされる。

集束技術を使用することによるフェムト秒レーザでの構造化は、主として、エンボスローラ１０のｔａ‐Ｃ層内に、光回折効果を有する自己組織化された微細波形構造を作るのに使用される。これらの微細波形構造は、例えば格子周期５００‐８００ｎｍ、トレンチ深さ３００ｎｍを有する平行波形格子構造でよく、その場合、これらの平行な微細波形は、すでに本発明の出願人のＰＣＴ出願国際公開第２０００７／０１２２１５号明細書に記載されているように、レーザビームの偏光方向と常に直角である。
基礎区域にエキシマレーザにより重ねられたマイクロ構造に似て、フェムト秒レーザビーム・パルスにより作られる微細波形構造には、第２微細波形構造が重ねられ、この第２微細波形構造の配向は、レーザビームの偏光方向が変更されるため、第１微細波形構造の配向とは異なっている。更に、基礎区域にエキシマレーザで作られたマイクロ構造に、フェムト秒レーザで作られる微細波形構造を重ねることができ、それによって、更に、多色光での照射に対する新しい光回折効果を創出できる。なぜなら、エキシマレーザによって作られるマイクロ構造の光学的効果に、フェムト秒レーザによって作られる微細波形構造の光回折効果が重なるからである。

次の加工のパラメータは、例えば、ｔａ‐Ｃ層に微細波形構造を作るのに適したパラメータである：すなわち、転位速度１５ｍｍ／ｓ、中心波長７７５ｎｍ、パルス持続時間１５０ｆｓ、パルス繰り返し周波数１ｋＨｚ、レーザビーム集束フルエンス２．３Ｊ／ｃｍ^２、ガウス集束半径２１μｍである。微細波形構造を作るために代わりに使用できるピコ秒レーザとしては、波長１０６４ｎｍのＮＤ：ＹＡＧタイプのもの、またはこの種のレーザで２倍の周波数と５３２ｎｍの波長とを有するものがある。
微細波形は、エンボスローラのｔａ‐Ｃ層内に、表面を線毎にスキャンすることで作られ、線補正は、線に沿った個別パルス間隔に線間隔が対応するように選択されるのが好ましい。

エンボスローラのｔａ‐Ｃ層内に作られるこれらのナノ構造の品質を管理する場合、既述のものと等しい現場用の回折計１２が使用されるが、この回折計は、別の白色光源またはレーザ・ダイオードと、光学的に効果的なナノ構造により得られる回折次数を記録するための多数のＣＣＤカメラ配列とを含んでいる。あるいはまた、第２の現場用回折計を使ってもよい。エキシマレーザによりｔａ‐Ｃ層に形成されるより大きい格子周期、例えば１‐２μｍの周期に比較すれば、微細波形により形成される波形格子の周期は、より小さく、例えば０．５μｍであるため、対応する回折次数はより小さい角度で現れる。この回折計の動作原理は、図１６を参照して後述される。
マスク投影技術によりエキシマレーザで形成される構造は、集束技術によりフェムト秒レーザで作られる構造とは、寸法が異なっている。エキシマレーザによる構造の深さは、例えば２５０‐４５０ｎｍ、格子周期は１．５μｍに等しいが、フェムト秒レーザによる構造の場合は、深さが２５０‐４００ｎｍ、格子周期が０．４から０．７μｍである。

エキシマレーザによる格子構造とフェムト秒レーザによる微細波形格子構造とが重複することにより模倣が著しく難しくなり、エンボスにより包装フォイル上に複雑な回折パターンが作られるため、偽造はほとんど不可能になる。他方、見た眼には極めて効果的な色彩の区域が作り出される。
この実施例の場合、集束レンズ用以外の光学素子は固定されており、ローラ表面に異なる構造区域を作り出すためにローラは、十字テーブル上に配置されるが、該テーブルは、ｘ平面およびｙ平面内で転位可能な一方、その軸線を中心として回動可能である。加えて、ローラは、更に、ｚ平面内で転位可能である。しかし、ビームに対してローラを転位させる代わりに、既述のようなスキャナで光学素子を調節することもでき、両方の可能性を組み合わせることもできる。

冒頭に述べたように、ローラ表面はｔａ‐Ｃ層で被覆されているが、このｔａ‐Ｃ層は、例えばパルス・レーザで析出されたものである。冒頭に引用した国際公開第２００７／０１２２１５号明細書には異なるコーティングが挙げられており、それについての試験が行われているが、その後に判明したことは、パルス・レーザにより析出されたこの四面体型結合の超硬炭素層が、所期の高精密構造の作製に好適であるということだった。より詳しく言えば、約１‐２μｍの、より具体的には１．５μｍの層厚が、所期の目的に極めて好適である。下の材料に対するｔａ‐Ｃ層の被着を改善するには、５０‐３００ｎｍ厚さのＷＣ中間層を設けるのが好ましい。
図１に略示したように、エキシマレーザの光路内には、エキシマレーザと集束レンズとの間に少なくとも１つのマスクが配置される。図４から図１２には、交換装置内でのマスクとダイアフラムとの組み合わせが、より詳しく描かれ、説明されている。

マスクおよびダイアフラムの基板材料としては、光学的に高品質の石英ガラスを用いるのが好ましい。しかし、また、例えばフッ化カルシウム（ＣａＦ）またはフッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）を用いてもよい。一好適実施例では不透過性のマスクまたはダイアフラム部分が粗面化によって設けられる。
区画２６Ｆは、工程観察、すなわち工作物の表面観察に役立つ２つのカメラを表している。一般に、石英ガラスには、例えば８×８ｍｍの表面積上に規則的なパターンが設けられる。このパターンは、単純なハッチングでよいが、他のパターンも考えられ、作製できる。カメラ２６Ｆはモニタ２７に接続されている。あるいはまた、石英ガラスから成る回折ダイアフラムまたはマスクの不透明の表面は、集束技術またはマスク投影技術により蛍光レーザで作られる。また、周波数を２倍または３倍にすることは、フェムト秒レーザの使用時には好都合である。

幾つかの単純な用途では、ホールダに保持された単数または複数の石英マスクによりエキシマレーザビームを付形することで十分だろう。しかし、主として美的な条件を課せられ、かつ十分な不正防止効果がなければならない高精度で複雑なカラー・パターンの場合は、異なるマスク構造を有する多数のマスクと、異なる幾何形状の開口を有する多数のダイアフラムとを使用せねばならない。
より詳しく言えば、マスクによってレーザビーム強度分布が同時的に付形されることで、予め決められた光の回折、すなわち多色効果を表面に生じさせるマイクロ構造が作製され、ダイアフラムによってレーザビームの断面幾何形状と、ひいてはその輪郭形状とが付形されることで、隙間なしに重なり合わないように予め決められたマイクロ構造化された基礎区域が作製され、しかもこのマイクロ構造は、予め決められた光回折効果を有している。

この目的のために、マスクとダイアフラムは、プログラム制御形式で特に互いに独立的に変更でき、予め決められた角度で回動できる。マスク構成は、マイクロ構造化された基礎区域の光学効果が得られる視方向と視角とを決定し、ダイアフラムは、予め決められた光学的効果を有するマイクロ構造を有する基礎区域の幾何形状および表面位置を決定する。
マスクおよびダイアフラムの交換と回動とは、後述するマスクおよびダイアフラム交換装置と回動装置により行うことができる。
図４から図１２には、マスクおよびダイアフラムのホールダ用の交換装置の幾つかの実施例が示されている。基本的には、直線型または回転型または組み合わせ型の交換装置が考えられるが、どの交換装置にも重要なことは、マスクとダイアフラムの両方が互いに別個に、かつ迅速に交換でき、それにより極めて多様なパターンが可能になることである。それによって、多数のパターンと認証形状特徴とが、工作物、例えばエンボスローラまたはエンボスダイに効率的かつ経済的に作製でき、高度の美的要求や光学的要求に応えることができる。

交換装置により、１つのエンボスローラと他のエンボスローラとで異なるパターンを作製できるだけでなく、同一のエンボスローラ上に極めて効率的かつ迅速に認証形状特徴としても美的効果のあるパターンとしても役立つ多数の異なる構造を作製することが可能である。
直線型交換装置２８は図４‐図６に示されている。図４には、平面図が示されているが、この図には、入射レーザビームが矢印２９で示され、付形されたレーザビームが符号２９Ａで示されている。交換装置は、マスク・ホールダ３１Ａ‐３１Ｅ用の取付けプレート３０を有し、該プレートは、図５に示すように、ｘ軸の第１テーブル４０Ａに取付けられ、マスク１８Ａ‐１８Ｅがマスク・ホールダ３１Ａ‐３１Ｅに挿入されている。同じような形式で、交換装置は、ダイアフラム・ホールダ３４Ａ‐３４Ｅ用の取付けプレート３３を有し、該プレートは、図９に示すように、ｘ軸の第２テーブル４０Ｂに取付けられ、該ホールダにはダイアフラム６Ａ‐６Ｅが挿入されている。ｘ軸の第１と第２のテーブル４０Ａ，４０Ｂは、各々ｙ軸のテーブル４０Ｃ，４０Ｄに取付けられている。

更に、図４に示すように、レーザビーム２９は、先ずマスクを通過し、次にダイアフラムを通過することで、図２にも示されているように、レーザビーム２９Ａが付形され、次いで、画像化レンズ８へ入射し、このレンズへの入射の結果、レーザ強度分布がｔａ‐Ｃ層被覆ローラ表面に縮尺で画像化される。マスク・ホールダは歯付きベルト３６により動かされ、ダイアフラム・ホールダは歯付きベルト３７によって動かされるが、これらの歯付きベルトは、特に図４に示すように、各々対応歯車４１Ａ‐４１Ｅ、４２Ａ‐４２Ｅと協働する。
この実施例ではすべてのホールダが、各ステップ・モータ３８，３９により駆動される各々単一の歯付きベルトによって作動する。あるいはまた、ステップモータによって各ホールダを予め決められた角度で個別に回動させることもできる。
また、個々のマスクおよびダイアフラムは直線的に交換できる、つまりマスク１８Ａ‐１８Ｅの１つとダイアフラム６Ａ‐６Ｅの１つとを光路内に配置でき、更に、個々のマスクと個々のダイアフラムの両方を予め決めた角度で回動することができる。

図５には、図４の矢印Ｖの方向、つまりレーザビームの方向で見た図が示されており、この図からは、マスク・ホールダ３１Ａ‐３１Ｅがボールベアリングの内レース４５Ａ‐４５Ｅを備え、この内レースが外レース４６Ａ‐４６Ｅと協働することが分かる。マスク・ホールダは取付けプレート３０に取付けられている。
図６には図４のＶＩ‐ＶＩ平面に沿って截断した断面をレーザビーム方向で見た図が示され、この場合、ダイアフラム・ホールダ３４Ａ‐３４Ｅ、ステップモータ３９、歯付きベルト３７が備えられ、ダイアフラム・ホールダが取付けプレート３３に取り付けられている。図６からは、更にダイアフラム・ホールダ３４Ａ‐３４Ｅが、各々ボールベアリングの内レース４３Ａ‐４３Ｅを含み、該内レースがボールベアリングの外レース４４Ａ‐４４Ｅと協働することが分かる。
マスクとダイアフラムとの回動用には、歯付きベルト駆動装置の代わりに、各ステップモータで駆動される各共通軸を介して作動するウォームギヤとスピンドルの駆動装置を使用できる。あるいはまた、予め決められた角度だけ各マスクと各ダイアフラムとのホールダを回動させることは、該ホールダ用の別個のステップモータで実施できる。

ｙ軸テーブル４０Ｃは、取付けプレート３０をレーザビームの伝搬方向と平行に転位させることができるので、現時点でレーザビームの均一スポットＨＳ内の加工位置にあるマスク１８Ｃの構造化された区域を正確に位置決めするのに役立ち、かつまた、取付けプレート３３をレーザビームの伝搬方向と平行に転位できるｙ軸テーブル４０Ｄを転位させることで、現時点で加工位置にあるマスク１８Ｃと、現時点で加工位置にあるダイアフラム６Ｃとの間の予め決めた最小間隔が調節されるか、またはマスク１８とダイアフラム６Ｃ、つまりダイアフラム開口との構造化された表面側が互いに直接接触せしめられる。

図７‐図９にはマスクとダイアフラムとが回転式に転位可能な構成が示されており、この場合、ホールダを有する図４‐図６に示したのと等しいマスクとダイアフラム、ボールベアリングの内レースと外レース、歯車、歯付きベルト、ステップモータが、直線的に長方形の取り付けプレートに配置されるのではなく、円形の取付けプレート４７，４８に各々回動可能に配置され、かつまたステップモータ３８または３９が各々、すべてのマスクまたはダイアフラム・ホールダを歯付きベルトを介して同時駆動するか、または各ホールダが別個に各ステップモータによって駆動される。

図８は、図７の矢印ＶＩＩＩの方向、すなわちレーザビームの方向で見た図であり、図９は、図７のＩＸ‐ＩＸ平面に沿って截断した断面図である。双方の取付けプレートは、取付けプレート４７用のホールダ４９Ｈを有するステップモータ４９と、取付けプレート４８用のホールダ５０Ｈを有するステップモータ５０との各々により駆動され、マスク１８Ａ‐１８Ｅを位置決めするｙ軸テーブル５１上と、ダイアフラム６Ａ‐６Ｃをｙ方向で位置決めするｙ軸テーブル５２上に各々配置されている。この円型配置形式５３は、直線型配置形式２８よりコンパクトな設計が可能である。
図１０‐図１２に示された別の交換装置５４の場合、ホールダを有するマスクとダイアフラムとが各マガジン５７，５８内に収容され、そこから別個に取り出し、光路内へ挿入できる。この位置では、マスクとダイアフラムとは各自の軸線を中心として回転できる。

図１０に示すように、各マスク１８は固定具５５に、各ダイアフラム６は固定具５６に固定され、該固定具が各マガジン５７，５８内に配置され、マスク固定具はマスク交換装置５９内とマスク・スライダ６０内に配置され、ダイアフラム固定具は、同じように、ダイアフラム交換装置６１内とダイアフラム・スライダ６２内に配置されている。これら交換装置とスライダとは両方向矢印で示されている。
特に図１２には、図１０のＸＩＩ‐ＸＩＩ平面に沿った断面が示され、マスクとダイアフラムの両方が回転できることが分かる。この目的のために、マスクまたはダイアフラムの固定具は、回動可能に構成されたマスク・ホールダ６３またはダイアフラム・ホールダ６７内に配置され、該ホールダが、予め決められた角度だけステップモータ６４，６８各々により回動され、ステップモータ６４は、マスク・ホールダ６３上の歯車６６と噛み合う歯付きベルト６５を駆動する。同じ形式で、ステップモータ６８が、ダイアフラム・ホールダ６７を予め決められた角度だけ回動させ、かつ歯付きベルト６９を介してダイアフラム・ホールダ上の歯車７０を駆動する。

マスクおよびダイアフラムを回動する機構は、両方とも、各取付けプレート７１，７２に取り付けられている。マスク・ホールダ６３およびマスク・マガジン５７の取付けプレート７１と、ダイアフラム・ホールダおよびダイアフラム・マガジン５８の取付けプレート７２とは、それぞれｙ軸テーブル７３，７４に配置されている。
光回折に効果的な構造を作製するための２レーザ・システムと、マスクおよびダイアフラムの交換装置とを有する複合装置を用いる場合には、作製された構造の効率的なモニタリングの実施が不可欠である。理論的には、エンボスローラまたはエンボスダイを構造化し、次いでそれらの工作物を実験室で検査し、欠陥があった場合には、引き続き装置を調節することができよう。しかし、このやり方は、加工された工作物、より詳しく言えばエンボスローラの効率的製作には、複雑すぎ、かつ時間を食い過ぎる。

したがって、図１３に示す回折計の構成を有する測定・調節装置を用いることにより、エンボスローラが構造化されている間に、作製された構造を測定し、放射強度、集束位置、画像化平面の位置等を調節できるようにすることを提案する。その場合、多数の回折次数が、同時に評価され、互いに比較され、かつ決められた基準回折記録と比較される。

著しく単純に構成され略示された回折計１２が、エンボスローラ１０の上方に取付けられ、事実上、円弧状に構成された２つの第１保持セグメント７８，８１を含み、該セグメントには、予め決められた断面を有する測定ビーム１４を発生させるレーザ・ダイオード７９と、作製されたマイクロ構造上で回折されるビーム・フラクション１４を測定するためのＣＣＤカメラ配列８０とが、それぞれ配置され、同じように、回折計１２は、円弧状に構成された２つの保持セグメント７８Ｆ，８１Ｆを含み、該セグメントには、予め決められた断面を有する測定ビーム１４Ｆを発生させるレーザ・ダイオード７９Ｆと、作製された微細波形構造上で回折されたビーム・フラクション１４Ｆを測定するためのＣＣＤカメラ配列８０Ｆとが、それぞれ配置されている。加えて、図示されてはいないが評価用の電子素子が設けられている。ＣＣＤ配列は、各々４分円に沿って変位可能であり、異なる回折次数を検出するか、またはＸ線検出器に似て空間的に変位して異なる回折次数を記録する。

このように、各エンボス構造について、回折次数の画像の位置が、ＣＣＤ配列の最初の空間スキャン時、例えば構造化されたばかりのエンボスローラの試験時に、自動式に検出され記録される。エンボスローラは、例えば少なくとも１つの圧電アクチュエータ８２により回動可能かつ転位可能な転位装置に支持されることで、回転テーブル８３上で構造化中の、またはこれから構造化される固体表面を精密に水平方向に整合させることができる。回転テーブル８３は、またリフティングテーブル８４上配置され、ｘ軸とｙ軸のテーブル８５に結合されている。

図１に示す現場での品質管理の場合、レーザ・ダイオードの単色レーザビームまたは小断面積の白色光源のビームが、基礎区域に向けられ、基礎区域が検査される。マイクロ構造とナノ構造それぞれの光学効果により異なる回折角度で現れる異なる回折強度または各回折次数での強度分布が、回折計１２により記録され、互いに比較される。強度、より詳しく言えば各回折次数での強度分布は、幾何形状、深さ、作製された構造の寸法精度によって決められる結果、寸法の変化や構造深さの不足を検出できる。予め決められた基準構造から過度に外れた場合は、構造作製工程は中断され、レーザビーム・パラメータとローラ位置との適正化が図られる。

図１３に示した回折計による包括的な品質管理の場合、小横断面積の白色光源のビームが、エンボスローラ１０の完成した構造表面に向けられる。より詳しく言えば、エキシマレーザによりマイクロ構造化された表面部分が、一方の白色光源により照射され、続いて、フェムト秒レーザによりナノ構造化された表面部分が、他の白色光源で照射される。光線の入射角度は、円弧状保持セグメント内で白色光源を変位させることによって変更できる。マイクロ構造表面部分の光学効果により創出される回折次数は、ＣＣＤカメラ配列８０Ｆによって記録され、ナノ構造表面部分の光学効果によって創出される回折次数は、別のＣＣＤカメラ配列８０によって記録される。

異なる回折角度で現れる回折次数を精密に記録するためには、カメラ配列を円弧状保持セグメント内で変位させることができる。
ｔａ‐Ｃ層内にマスク投影技術によりエキシマレーザを用いて作製されたマイクロ構造は、フェムト秒レーザを用いたナノ構造による例えば０．５μｍの微細波形の、より小さい格子周期に比較すると、例えば１‐２μｍのより大きい周期の回折構造であるため、対応回折次数は異なる角度で現れる。したがって、異なる回折次数の重なりを防止するため、円弧状保持セグメント８１の半径は円弧状保持セグメント８１Ｆの半径より小さく選択されている。

これらの寸法から、エンボスローラの構造化された全表面にわたって次の特性が決定される：
画像の鮮明度、強度比較による画像のコントラストまたは色の印象。
最適に、また非最適に構造化された表面部分の寸法および分布。
構造化度の差、すなわち予め決められた表面小区域で検出された作製構造の最適回折区域と該表面小区域の寸法との比。
完全構造化度、すなわち作製された構造の最適回折区域の合計表面積と測定区域の全表面積との比。
マイクロ構造およびナノ構造の表面区域に対する品質係数。

前記方法により構造化されたエンボスローラの使用に関して言えば、例えば包装フォイルであれば、この形式で構造化したエンボスローラと対応ローラとの間を通過させ、歯を省くことにより自体公知の技術でロゴが作成される箇所が、マイクロ構造化され、引き続き次のエンボスローラ対により従来式に梨地仕上げされる。
この処置の場合、また包装フォイル上に作製される構造を測定するため、相応に改変し適合させた型の回折計を使用し、それらの測定値をエンボスローラ上の構造作製での修正に使用することもできる。

これまでの説明に基づいて、本発明の範囲内で種々の改変が可能である。したがって、石英プレート製のマスクやダイアフラムを提供する代わりに、例えばＣａＦ_２製のマスクおよび／またはダイアフラムを製造でき、あるいはまた電気的に可変の結晶によりマスクおよび／またはダイアフラムを形成することができる。これらの結晶の場合、レーザビームの透過度の高い区域または極めて低い区域を作ることができる。ダイアフラムは、また金属フォイルで作ることもできる。
以上の説明では、エンボスローラを工作物表面の例として挙げたが、本発明は、他の被覆表面または非被覆表面、例えばエンボスダイの隆起表面、エンボスローラの歯、入射光を直接に回折する表面、例えば時計の側、コイン、例えば装飾コインや流通コイン、宝石等々に構造を作製するにも適している。

Claims (19)

1. ナノ秒範囲のパルス持続時間を有するレーザを用いて、マスク投影技術により、硬質材料のコーティングを有する固体表面（９）の少なくとも１区域を構造化する方法において、
   光学的なビーム付形システムの均一スポット（ＦＳ）で、マスク（１８）が、次いでダイアフラムが、画像化レンズの前方で使用される、固体表面の少なくとも１区域を構造化する方法。
2. 少なくとも１つのマスクと１つのダイアフラムとが交換装置内に収容されており、これによって、どの所望のマスクも、どの所望のダイアフラムも、互いに独立的にレーザの光路内へ配置可能であることを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 前記構造が、多数のマイクロ構造を重ねることにより作製され、重ねられる構造が各々、既に重ねられている構造と或る角度（α）をなすことを特徴とする、請求項１記載の方法。
4. 交換装置内の前記マスクおよびダイアフラムが、それら自体を中心として回動可能であり、かつまた直線転位または回転転位が可能であることを特徴とする、請求項１記載の方法。
5. 前記マスクおよびダイアフラムが各マガジン内に配置されることを特徴とする、請求項４記載の方法。
6. 前記硬質材料のコーティングが、ｔａ‐Ｃ、炭化タングステン（ＷＣ）、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、その他類似の硬質材料のいずれから成ることを特徴とする、請求項１記載の方法。
7. ｔａ‐Ｃ層とその下の材料との間に、５０‐３００ｎｍ厚の炭化タングステン層が設けられることを特徴とする、請求項６記載の方法。
8. マスク投影技術によりナノ秒レーザで作製された構造に、ピコ秒またはフェムト秒範囲のパルス持続時間を有し、かつ集束技術により作業する第２レーザにより第２の微細波形構造が重ねられることを特徴とする、請求項１記載の方法。
9. マスクまたはダイアフラムを製造する場合に、フェムト秒レーザが使用され、該レーザの放射によって基板上に、好ましくは透明石英板上にレーザビーム不透過の表面が、粗さを増すことにより創出されることを特徴とする、請求項８記載の方法。
10. 工作物表面に構造を作製するさい、該構造が回折計によって測定され、その測定値が、ビーム強度および／または画像レンズと集束レンズとを調節するのに使用されることを特徴とする、請求項１または請求項８記載の方法。
11. 請求項１記載の方法を実施する装置において、
    レーザ（１）とその画像レンズ（８）との間に、少なくとも１つのマスクとダイアフラムとの組み合わせ（１８，６）が配置され、多数のマスク／ダイアフラムの組み合わせが交換装置（２８，５３，５４）内に収容され、交換装置が、レーザ（１）の光路（２９）内にマスク（１８）の１つとダイアフラム（６）の１つの両方を互いに独立的に配置するようにされており、マスク（１８，１８Ａ‐１８Ｅ，１８／１‐１８／９）とダイアフラム（６，６Ａ‐６Ｂ）とは、直線転位と回転転位が可能であり、かつまたそれら自体を中心としてホールダ（３１Ａ‐４１Ｅ；３４Ａ‐３４Ｅ）内で回転可能であることを特徴とする、請求項１記載の方法を実施する装置。
12. 交換装置（５４）内のマスク（１８）とダイアフラム（６）とが、各々固定具（５５，５６）内に配置され、該固定具が各々のマガジン内に配置されていることを特徴とする、請求項１１記載の装置。
13. 前記方法を実施する前記装置が、ピコ秒またはフェムト秒の範囲の第２レーザ（１５）を含み、また工作物（１０）の表面（９）を先ず位置づける装置（３２，３２Ｆ）を含み、該工作物表面（９）が、第１レーザビーム（２）の画像化レンズ（８）の画像化平面内で構造化され、次いで第２レーザビーム（２Ｆ）の集束レンズ（８Ｆ）の焦平面内へ位置づけられることを特徴とする、請求項１１記載の装置。
14. 第１レーザ（１）が、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ、波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ、波長１５７ｎｍの蛍光レーザ、波長３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザのいずれかであり、微細波形構造を作製する第２レーザが、中心波長７７５ｎｍのフェムト秒レーザ（１５）、波長１０６４ｎｍまたは周波数を２倍にされた波長５３２ｎｍのＮｄ：ＹＡＧ型ピコ秒レーザのいずれかであることを特徴とする請求項１３記載の装置。
15. 前記方法を実施する前記装置が回折計（１２）を含み、該回折計が、エキシマレーザおよびフェムト秒レーザによる構造各々により反射され、回折された放射（１４，１４Ｆ）を測定する少なくとも１つのＣＣＤ配列（８０，８０Ｆ）を有することを特徴とする、請求項１３記載の装置。
16. 前記方法を実施する前記装置が、包装フォイル上に認証形状特徴および／または回折効果区域をエンボスするために、エンボスローラ上またはエンボスダイ上の複数区域を構造化するための装置である、請求項１３記載の装置。
17. 前記方法を実施する装置が、コーティングされた、またはコーティングされていない時計部分、コイン、宝石類の複数区域に、認証形状特徴および／または光回折効果のあるしるしを構造化するための装置である、請求項１３記載の装置。
18. 請求項１６記載の構造化されたエンボスローラまたはエンボスダイによってエンボスされた包装フォイルにおいて、
    該包装フォイルが、光回折効果を有する区域および／または認証形状特徴を備え、該区域および形状特徴が、マスク投影技術を用いてエキシマレーザにより作製された少なくとも１つの第１構造と、その上に重ねてフェムト秒またはピコ秒のレーザにより作製された少なくとも１つの第２構造とを含むことを特徴とする、包装フォイル。
19. 認証形状特徴のない箇所および／または光回折効果のある区域またはロゴのない個所が梨地仕上げされることを特徴とする、請求項１８記載の包装フォイル。

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