JP5414884B2 - 硬質材料をコーティングした物体の表面をレーザーによって構造化する方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、硬質材料をコーティングした物体の表面の少なくとも１つの領域を、パルス幅がナノ秒、ピコ秒、又はフェムト秒の範囲の少なくとも１つのレーザーを備える装置によって構造化する方法及び装置に関する。より具体的には、加工面は、その表面構造が包装用フォイルなどの媒体に転写されるエンボスローラ又はエンボスダイなどのエンボス工具の表面であってもよく、又は時計ケースの一部などの宝飾品の表面であってもよい。以下では、「レーザー」という用語はレーザーシステム全体を表す。

この種の方法及び装置は、例えば本発明の出願人に譲渡された国際公開第ＷＯ２００７／０１２２１５号から公知である。このＰＣＴ出願は、ｔａ−Ｃの名称で知られるダイヤモンド様のｓｐ^３結合成分、炭化タングステン、ＷＣ、炭化ホウ素、Ｂ_４Ｃ、炭化シリコン、ＳｉＣ、又は同様の硬質材料の比率が５０％を超える超硬非晶質炭素からなる硬質材料層をコーティングした加工物にフェムト秒レーザーによっていわゆるリップル（波型）を形成する工程を開示している。インターネットから検索できる別の文献に見られるように、主として超硬非晶質炭素膜ｔａ−Ｃは様々な用途、より具体的には、トライボロジー用途に極めて適しているが、光回折用途にも適している。

パルス幅がフェムト秒及びピコ秒範囲であるレーザー装置の用途の他に、マイクロ構造化向けにパルス幅がナノ秒範囲で、波長が紫外線範囲のエキシマレーザーを使用することも、それ自身公知である。物体の耐摩耗性表面のレーザーマイクロ構造化は、エンボスローラ又はエンボスダイが、例えば、偽造耐性のある認証機能、あるいはたばこ又は食品の包装用フォイルへ特定の光回折による魅力的な標識をエンボス加工することを意図する場合に、主としてこれらのエンボスローラ又はエンボスダイ用に必要である。このような包装用フォイルは、ほとんどが、蒸着又はスパッタリングされた金属層を備える紙又はプラスチック層から製造され、又は光学的及び光回折効果機能及び構造を生ずる表面処理を施したほとんどがアルミニウム又はほとんどが紙又はプラスチックである金属から全体が製造されている。

国際公開第ＷＯ２００７／０１２２１５号

この先行技術、より具体的には上述の国際公開第ＷＯ２００７／０１２２１５号を背景に、本発明の目的は、偽造耐性を高めた認証機能を生成すると共に、光回折により生成される魅力的な光学効果を有する表面のデザインの範囲を広げるこのような表面の量産が可能であるように、物体の表面、より具体的には、偽造耐性がある認証機能及び／又は視覚的に魅力的な効果がある標識をエンボス加工するためにエンボスローラ又はエンボスダイの表面を構造化するための上記方法を改良することにある。この目的は、請求項１に記載の方法、及び請求項１１に記載の装置によって達成される。

本発明の別の目的は、マイクロ構造化方法を測定し、制御し、最適化する方法を提供することにある。この目的は、請求項１０に記載の方法、及び請求項１６に記載の装置によって達成される。さらに別の例示的実施形態は従属クレームに定義されている。

以下に例示的実施形態の図面を参照して本発明をより詳細に説明する。

２つのレーザーを有する本発明による装置の概略図を示す。 マスクと絞りの組合せにより整形されたビーム強度を示す。 星型のマイクロ構造化領域を示す。 マスク及び絞り線形交換装置の概略上面図を示す。 図４の矢印Ｖで示される方向の図４の交換装置を示す。 図４の断面ＶＩ−ＶＩに沿った図４の交換装置を示す。 マスク及び絞りの回転式交換装置の概略上面図を示す。 図７の矢印ＶＩＩＩで示される方向の図７の交換装置を示す。 図７の断面ＩＸ−ＩＸに沿った、図７の交換装置を示す。 マスク及び絞り用のマガジンを有するマスク及び絞り交換装置の別の実施形態の概略図を示す。 図１０のＸＩ−ＸＩ線に沿った断面を示す。 図１０のＸＩＩ−ＸＩＩに沿った断面を示す。 マスク、絞り及びエンボスローラを測定し、調整すると共に、エンボスローラへ構造化面を生成する際の品質管理を行う回折装置の概略図を示す。

図１は、ｔａ−Ｃをコーティングしたエンボスローラをマイクロ構造化及びナノ構造化するための２つのレーザーを有する本発明による装置の概略図を示しており、硬質材料の代表例として硬質材料ｔａ−Ｃを挙げた。

第１のレーザー、例えば、波長が２４８ナノメートル（ｎｍ）のＫｒＦエキシマレーザーは、マスク投影技術によってｔａ−Ｃ層にマイクロ構造を生成し、第２のレーザー、すなわち中心波長が７７５ｎｍのフェムト秒レーザーは、集束技術によってｔａ−Ｃ層内のナノ構造を生成する。

マイクロ構造は、例えば、格子周期が１〜２μｍのトレンチ形の格子構造であってよく、ナノ構造は、例えば、光学回折格子としての役割を果たす、周期が約５００ｎｍの自己組織化リップル（波型）構造のものであってもよい。この点に関しては、多色光の照射時の回折によって角依存分散、すなわちスペクトル色への分離を生ずる光回折能動構造のどのような周期的配列でも可能である。

図１には、この場合はビーム２が矩形の断面を有する第１のレーザー、すなわちエキシマレーザー１が示されている。このレーザービームの強度は、減衰器３によって調整及び変更が可能である。ホモジナイザ３Ａ及び視野レンズ３Ｂによって、レーザービームの断面全体にわたって均一な強度分布が均一スポットＨＳ内で得られる。生成されるマイクロ構造に必要なレーザービーム断面にわたる強度プロファイルは、均一スポットＨＳ内に配置されたマスク１８によって、上記の均一な強度分布から整形される。

マスクの後に配置され、好ましくはマスクと接触する絞り６の開口部の幾何形状は、マスク１８によって整形されるレーザービームの強度プロファイルの断面形状又は輪郭形状を生成する。マスク１８及び絞り６は、以下により詳細に記載するマスク及び絞り交換装置内に含まれる。

第１のレーザーとして、ＫｒＦエキシマレーザーの代わりに、波長が１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザー、波長が１５７ｎｍの蛍光レーザー、又は波長が３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザーを使用することができる。

マスク１８及び絞り６によって整形されるレーザービーム（図２も参照）は、例えば８：１である所定の結像尺度でエンボスローラ１０のｔａ−Ｃ層の表面９にマイクロ構造用の適切なレーザー強度プロファイルの像を形成するこのレーザービーム用の適切な結像光学系８を通してビームを誘導する偏向ミラー７に衝突する。回転矢印１１によって、エンボスローラ１０をその縦軸を中心に所定の角度だけ回転可能であることが示されている。エンボスローラ１０は転写装置３２に配置されている。

レーザービームの出力、それ故、強度を調整、監視、及び安定化させるために、ビームスプリッタ４によってレーザービームの小部分が、減衰器３及び／又はレーザー１用のデータを送出するパワーメータ５へと誘導される。このパワーメータ５を、図１に二重矢印によって示されるレーザービーム強度プロファイル測定装置５Ａと選択的に入れ換えてもよい。レーザービームのパワー、及び均一スポットＨＳ、すなわちマスク面内の強度分布を適正に測定できるように、装置５及び５Ａは、均一スポットＨＳ内に位置するマスク１８と、ビームスプリッタ４からの距離が同一となるように配置される。カメラ２６はマイクロ構造化工程を観察する役割を果たす。この目的のため、偏向ミラー７は、波長が２４８ｎｍのエキシマレーザー照射は反射するが、可視光線は透過する干渉層システムを有する。

エンボスローラ１０の表面領域全体にわたって構造化されるｔａ−Ｃ層に結像光学系８によって結像されるレーザービームの精密に決定される焦点位置を調整するために、エンボスローラの位置、及びその最適位置からの製造に関連するずれが、エンボスローラの位置探査のための装置１６により、例えば三角測量法を用いて測定される。次に、その測定データは、変位装置３２によるエンボスローラ１０の自動調整、及び構造化工程中の変位装置３２のｚ軸の補正制御のために用いられる。

図１に記載の例示的実施形態の説明で既に簡単に述べたように、マスク投影技術によるエキシマレーザー構造化工程に必要な強度プロファイルは、マスク及び絞りによって整形される。

以下に図２を参照してこの工程をより詳細に説明する。均一スポットＨＳ内でのレーザービーム２９の均一な強度分布２７から、エンボスローラ１０のｔａ−Ｃ層内に生成されるマイクロ構造に必要なレーザービームの断面全体にわたる強度プロファイルが均一スポットＨＳ内に位置するマスク１８によって整形される。図２の概略図では、マスク１８は、格子状に配列された透明領域１９と、レーザービームを透過しない表面領域２０とを有し、したがって立方形の強度プロファイル部分を有する格子状の強度プロファイル７５を形成する。

マスクの後にレーザービームの方向に配置され、好ましくはレーザービームと接触する絞り６は、その開口部又は透過性の表面領域の幾何形状により、マスク１８によって整形されたレーザービームの強度プロファイルの断面形状を生成する。この図では、絞りの開口部６Ｔ、又はレーザービームを透過する不透明部分６Ｐ内の絞りの表面領域は三角形の形状であり、その結果、絞りの後部では、レーザービーム２９Ａの強度プロファイル７６は三角形の断面形状を呈する。

図２では、マスク１８の格子周期、及びマスクの後のレーザービーム強度プロファイル７６の立方形の強度プロファイル部分の厚さ並びに間隔は、ｘ座標方向に大幅に拡大された尺度で示されている。実際に、マスク投影システムの結像比が８：１の場合は、マスクによって整形されたレーザービーム２９Ａによってエンボスローラ１０のｔａ−Ｃ層内の格子周期が１〜２μｍである光学効果があるトレンチ状のマイクロ構造を生成するために、上記のサイズは僅か例えば８〜１６μｍである。実際には、均一スポットＨＳの表面領域とマスク１８の構造化された領域は、例えば８ｍｍ×８ｍｍ＝６４ｍｍ^２のように同じであり、図２の概略図とは異なり、構造化されたマスク領域は１０００〜５００の格子周期を有するストライプ格子からなり、それによって整形されるレーザービームは１０００〜５００の立方形の強度プロファイル部分からなる。

以下においてマスク構造と称するマスク１８の透過性表面領域のサイズ、形状、間隔及び数は、所定の光学効果を有するｔａ−Ｃ層内のマイクロ構造を生成するためのレーザービーム強度プロファイルを決定し、絞り６は、レーザービーム強度プロファイルの断面形状を、それ故、エンボスローラのマイクロ構造化された基本領域の幾何形状を決定する。「基本領域」という用語は、本明細書では、マスクと絞りとによって整形され、レーザービームとローラ表面との相対運動なしでレーザービームのパルス列（パルスシーケンス）のｔａ−Ｃをコーティングしたローラ表面に結像されるエンボスローラ又はエンボスダイの表面を示すために用いられる。

従って、マスク構造の変更によって、特にレーザービームの光軸を中心にマスクを所定角度だけ回転させることによって、マスクによって整形され、集束光学系８によってエンボスローラのｔａ−Ｃ層に結像されるレーザービーム強度プロファイルの配向を変更することができ、それ故、多色光を照射した場合のマイクロ構造化された基本領域の光学効果、例えば、視野方向、視野角並びにカラー及び輝度を変更することができる。

レーザービームの光軸を中心に所定の角度だけ絞り６を回転させることによって、集束光学系によってエンボスローラのｔａ−Ｃ層に結像される絞りによって整形されるレーザービームの断面形状の配向を、それ故、エンボスローラの表面の、レーザーにより構造化された基本領域の配向を変更する。この手順を以下に説明する。

マイクロ構造化された基本領域は、特定のパターンに従って並置してもよく、又は所定角度だけ回転させた後、この所定角度で同じマイクロ構造を重畳してもよい。さらに、別のマスクを用いる場合は、別のマイクロ構造を基本領域に重畳し、それによって、多色光を照射した場合に新たな回折効果を生み出すことができる。基本領域を並置した場合は、該基本領域の表面及びマイクロ構造を同一にすることも異なるものとすることもできる。

図３は、６つの異なる配向の断面形状が三角形の１２の基本領域から構成され、基本領域内の光回折された線格子状のマイクロ構造の２つの異なる向きを呈するマイクロ構造化された六芒星１００を示す。この星を多色光で見ると、三角形の６つの基本領域から構成された同様のマイクロ構造化された内部六角形１０１と、同様に構造化された六芒星の光条（線）１０２が、同じ視野方向及び同じ視野角で異なる色と異なる輝度で見える。星を、直交する対称軸を中心に回転させて視野方向を変えるか、又は星の表面を傾けることによって視野角を変えると、内部六角形及び光条によって回折される光のカラー及び輝度の両方が変化する。

任意選択的に異なる表面形状を有してもよい多数の基本領域と、ｔａ−Ｃをコーティングしたエンボスローラ上で異なる光学効果を生ずる部分とから構成された複雑な表面領域をエキシマレーザーでマイクロ構造化するには、異なるマスク構造を有する複数のマスクと、異なる絞り開口部の形状を有する複数の絞りを使用する必要があり、マスク１８及び絞り６はレーザービームの光軸を中心に所定の角度αだけ相互に独立して回転可能である。より詳細には、αは１°〜１８０°の間の値であってよい。

以下の加工パラメータは、例えばエンボスローラのｔａ−Ｃ層を構造化するのに適している。すなわち、エキシマレーザーのパルス繰り返し周波数は３０Ｈｚであり、層のレーザービームの流束量は８Ｊ／ｃｍ^２であり、基本領域当たりのレーザーパルス数は１０である。

マスク１８及び絞り６の調整を最適化するために、現場配置の回折装置１２が使用される。図１及び図１３において、レーザー７９の測定用レーザービームがローラ表面に誘導され、生成された構造によって反射され、回折される光線１４が回折装置によって評価される。

本発明により、図１に示すように、さらに微細なマイクロ構造を生成するために、フェムト秒又はピコ秒レーザーでよい第２のレーザー１５が補足的に使用される。強度を減衰器３Ｆによって調整可能及び変更可能なビームの円形断面にわたってガウス強度分布を有するレーザービーム２Ｆが放出される。偏光子１７によって、レーザービームの偏光方向、すなわちレーザービームの伝搬方向ｙに直交するｘｚ面の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焦点断面を達成するために、非合焦レーザービームがビームエキスパンダ３ＦＣによって拡大される。直線偏光され、拡大されたレーザービームはミラー７Ｆによって偏向され、ｚ方向に変位可能に取り付けられたフェムト秒レーザーの波長に適する集束光学系８Ｆによってｔａ−Ｃ層に集束される。

レーザービームの出力、したがって、強度を調整し、制御し、安定化させるために、ビームスプリッタ４Ｆによってレーザービームの一部が、減衰器３Ｆ及び／又はレーザー１５を制御するためのデータを送出するパワーメータ５Ｆへと誘導される。カメラ２６Ｆは構造化工程を観察する役割を果たす。偏向ミラー７Ｆは、フェムト秒レーザーを反射し、可視光線は透過する適切な方法でコーティングされる。

所定の表面領域を構造化するために、エンボスローラを所定の角度範囲αとΦだけ回転させ、ｘ及びｙ方向に変位することによって、エンボスローラのｔａ−Ｃ層へと集束されたレーザービームとローラ表面との間の相対運動が達成されなければならない。この相対運動は変位装置３２Ｆによって達成される。

任意選択的に、強度分布が均一で、波長がより短いレーザービームで構造化工程を行うこともできるようにするため、レーザービーム断面にわたるガウス強度分布へと変換するホモジナイザ３ＦＡ、及び／又はレーザービームの周波数を増倍又は三増倍する装置２３Ｆをフェムト秒レーザービームのビーム経路内に挿入してもよい。これは例えば、フェムト秒レーザー構造化法により石英ガラスからマスク１８及び絞り６とを製造するために有利である。

周波数増倍装置２３Ｆを使用する場合は、より短い波長向けにビームエキスパンダ３ＦＣ、偏向ミラー７Ｆ、及び集束光学系８Ｆが適切であろう。

あるいは、集束光学系８Ｆの代わりに、適合された対物レンズを有するスキャナ８ＦＳを使用してもよく、それによってエンボスローラのｔａ−Ｃ層へと集束されたレーザービームとスキャナのパラメータに応じて限定されるローラ表面の表面領域との間のより迅速な相対運動の実現が可能になるため、この限定された表面領域を構造化するために必要な時間を、変位システム３２Ｆによって達成される相対運動と比較して実質的に低減できる。スキャナミラー偏向システム８ＦＳを使用する場合は、変位システム３２Ｆは、エンボスローラのより大きい表面領域を構造化する場合に、複数の既に構造化された限定された表面領域を並置する役割だけを果たす。

距離測定システム３２ＦＡによって、構造化工程の前、及び構造化工程と交互にレーザービームの焦点位置が調整され、監視される。

集束技術によるフェムト秒レーザー構造化は主として、エンボスローラ１０のｔａ−Ｃ層内の自己組織化され、光回折効果があるリップル構造（波型構造）を生成するために使用される。これらのリップル構造は、例えば格子周期が５００〜８００ｎｍで、トレンチ深さが３００ｎｍである平行波格子構造でよく、ＰＣＴ出願ＷＯ２００７／０１２２１５号に既に記載されているように、平行なリップルはレーザービームの偏光方向に対して常に垂直である。

基本領域内でエキシマレーザーによって生成される重畳マイクロ構造と同様に、フェムト秒レーザービームパルスによって生成されるフェムト秒レーザーのリップル構造を、レーザービームの偏光方向が変更されるために第１のリップル構造とは配向が異なる第２のリップル構造に重畳してもよい。さらに、エキシマレーザーによって基本領域に生成されたマイクロ構造をフェムト秒レーザーによって生成されたリップル構造に重畳することも可能であり、それによって、エキシマレーザーによって生成されるマイクロ構造の光学効果にフェムト秒レーザーによって生成されるリップル構造の光回折効果が重畳するため、多色光を照射するとさらに新たな光回折効果が生じる。

以下の加工パラメータは、例えば、ｔａ−Ｃ内のリップル構造を生成するのに適している。すなわち、変位速度は１５ｍｍ／秒、中心周波数は７７５ｎｍ、パルス幅は１５０フェムト秒、パルス繰り返し周波数は１ｋＨｚ、レーザービーム焦点内のフルエンスは２．３Ｊ／ｃｍ^２、ガウス焦点半径は２１μｍである。リップル構造を生成するために代替として使用してもよいピコ秒レーザーは、波長が１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧ型のものでもよく、又は周波数増倍機能を有し、波長が５３２ｎｍの同種のレーザーであってもよい。

リップルは、表面をライン走査することによってエンボスローラのｔａ−Ｃ層内に生成され、ラインオフセットは好ましくは、ライン間隔がラインに沿った個々のパルスの間隔に対応するように選択される。

エンボスローラのｔａ−Ｃ層内に生成されるこれらのナノ構造の品質を制御するために、別の白光源又はレーザーダイオード、及び光学効果があるナノ構造によって生成される回折次数を記録する複数のＣＣＤカメラ配列を備える上述したものと同じ現場回折装置１２が使用される。あるいは、第２の現場回折装置を使用することもできよう。リップルによって形成される約０．５μｍの波格子の周期が、エキシマレーザーによってｔａ−Ｃ層内で生成される、例えば１〜２μｍのより大きい格子周期と比較して小さいため、より小さい角度で対応する回折次数が生じる。以下に図１６を参照して、この回折装置の動作原理を説明する。

マスク投影技術によりエキシマレーザーによって生成される構造の寸法は、集束技術によりフェムト秒レーザーによって生成される構造とは異なっており、前者の構造の深さは例えば２５０〜４５０ｎｍであり、格子周期は１．５μｍであるのに対して、後者の構造の深さは２５０〜４００ｎｍであり、格子周期は０．４〜０．７μｍである。

エキシマレーザーによって生成される格子構造とフェムト秒レーザーによって生成されるリップル格子構造とを重畳することによって、エンボス加工によって包装フォイルに生成される回折パターンが複雑であるため模造が非常に困難であり、その偽造はほぼ不可能になる。一方、光学的に極めて効果的なカラー領域が生成される。

この例示的実施形態では、集束光学系以外の光学要素は固定され、ローラ表面に異なる構造化領域を生成するため、ローラはｘ面とｙ面で変位可能なクロステーブルに配置され、軸を中心に回転可能である。それに加え、ローラはさらにｚ面で変位可能であってもよい。しかし、ローラをビームに対して変位させるのではなく、上述のようにスキャナを備える調整光学系を備えることもでき、又は両方の可能性を組み合わせることもできる。

冒頭に記載の通り、ローラ表面には、例えばパルスレーザー堆積法によって被覆されたｔａ−Ｃ層が設けられる。冒頭に引用した国際公開第ＷＯ２００７／０１２２１５号には、テストが実施された異なるコーティングが記載されており、パルスレーザー堆積法によって生成された超硬質の四面体結合炭素層は意図する超微細構造化に極めて適しているものと認識されている。より具体的には、層の厚さは約１〜２μｍ、より具体的には１．５μｍであることが意図する目的に極めて適している。下層の材料へのｔａ−Ｃ層の接着を改善するために、厚さが５０〜３００ｎｍのＷＣ内部層を設けることが有利である。

図１に概略的に示すように、少なくとも１つのマスクがエキシマレーザーのビーム経路内に配置され、このマスクはエキシマレーザーと集束光学系との間に配置される。図４〜図１２には、交換装置内のマスクと絞りとの組合せがより詳細に図示され、説明されている。

マスク及び絞り用の基材材料として、好ましくは光学的な品質が高い石英ガラスが使用される。しかし、代替的に、例えばフッ化カルシウムＣａＦ、又はフッ化マグネシウムＭｇＦ_２を使用してもよい。好ましい例示的実施形態では、非透過性マスク又は絞り部分が粗面化によって生成される。

フィールド２６Ｆは、工程の観察、すなわち加工物の表面を観察する役割を果たす２つのカメラを表している。一般に、例えば８×８ｍｍの表面領域上に規則的パターンを有する石英マスクが備えられる。このパターンは単純な陰影でもよいが、別のパターンを企図し、作成してもよい。カメラ２６Ｆは、モニタ２７に接続されている。あるいは、集束技術又はマスク投影技術による蛍光レーザーにより、石英ガラス製の回折マスク又は絞りの不透過性の表面を生成してもよい。また、フェムト秒レーザーを使用する場合は、周波数を二倍又は三倍にすることが有利であろう。

ある簡単な用途では、エキシマレーザービームを整形するためにホルダ内に１つの石英マスク又は複数の石英マスクを備えるだけで充分であろう。しかし、主として美観上の条件も伴い、偽造耐性が高くなければならない極めて微細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複数のマスクと、絞りの開口部の形状が異なる複数の絞りを使用する必要がある。

より詳細には、所定の光回折、すなわち多色効果を有する表面を作成するためのマイクロ構造を生成するレーザービーム強度プロファイルの同時的な整形はマスクによって達成され、所定の光回折効果を有するマイクロ構造を備える基本領域であって且つギャップなく敷き詰めることができる所定のマイクロ構造化された基本領域を生成するためのレーザービームの断面形状の整形、及びその結果としての輪郭形状の整形は絞りによって達成される。

この目的のために、マスク及び絞りはプログラム制御によって、特に相互に独立して変更可能であり、所定角度だけ回転させることができる。マスクの構造はマイクロ構造化された基本領域の光学効果の視野方向と視野角を決定し、絞りは所定の光学効果を有するマイクロ構造化された基本領域の幾何形状と表面位置とを決定する。

マスク及び絞りの交換と回転は、以下に記載するマスク及び絞り交換装置及び回転装置によって達成することができる。図４〜図１２には、マスク及び絞りホルダ用の交換装置の幾つかの実施形態が示されている。基本的に、線形又は回転交換装置、又は両者を組み合わせた交換装置が考えられ、極めて多様なパターンが可能であるように、すべての装置でマスクと絞りとを相互に独立して、迅速に交換可能であることが重要である。これによって、最高の美観上及び光学的な要件を満たす、例えばエンボスローラ又はエンボスダイ等、加工物の下にある多数のパターン及び認証機能を効率的及び経済的に生成することが可能になる。

交換装置によって１つのエンボスローラと別のエンボスローラとで異なるパターンを生成できるだけではなく、認証機能としての、及び美観効果があるパターンとしての役割を果たす多数の異なる構造を極めて効率的及び迅速に同じエンボスローラで生成することが可能になる。

線形交換装置２８は図４〜図６に示されている。図４は、衝突するレーザービームが矢印２９で表され、整形されたレーザービームが２９Ａで表されている上面図を示す。交換装置は、第１のｘ座標テーブル軸４０Ａに取り付けられたマスクホルダ３１Ａ〜３１Ｅ用の取付板３０を有し（図５を参照）、マスク１８Ａ〜１８Ｅがマスクホルダ３１Ａ〜３１Ｅ内に挿入されている。これと同様に、交換装置は、第２のｘ座標テーブル軸４０Ｂに取り付けられた絞りホルダ３４Ａ〜３４Ｅ用の取付板３３を有し（図９を参照）、このホルダ内に絞り６Ａ〜６Ｅが挿入されている。第１及び第２のｘ座標テーブル軸４０Ａ及び４０Ｂはそれぞれのｙ座標テーブル軸４０Ｃ及び４０Ｄに取り付けられている。

図４にはさらに、先ずマスクを通過し、次に絞りを通過することによって射出レーザービーム２９Ａが整形されることを示しており（図２も参照）、これは次に結像光学系８に衝突し、その結果生じるレーザー強度プロファイルが縮小された尺度でｔａ−Ｃがコーティングされたローラ表面に結像される。マスクホルダは歯付きベルト３６によって、また、絞りホルダは歯付きベルト３７によって移動され、これらの歯付きベルトは、特に図４に示されるようにホルダの対応する歯車４１Ａ〜４１Ｅと、４２Ａ〜４２Ｅとそれぞれ協働する。

この例示的実施形態では、すべてのホルダは、それぞれのステップモータ３８、３９によって駆動されるそれぞれの単一の歯付きベルトによって作動される。あるいは、各ホルダをステップモータによって個々に所定角度だけ回転させることも可能である。

それ故、個々のマスク及び絞りを直線的に交換することができる。すなわち、マスク１８Ａ〜１８Ｅの１つ、及び絞り６Ａ〜６Ｅの１つをビーム経路内に配置することができ、さらに、個々のマスクと個々の絞りの両方を所定角度だけ回転させることができる。

図４の矢印Ｖの方向、すなわちレーザービームの方向での図である図５には、外側の玉軸受レース４６Ａ〜４６Ｅと協働する内側の玉軸受レース４５Ａ〜４５Ｅがマスクホルダ３１Ａ〜３１Ｅに備えられていることが示されている。マスクホルダは、取付板３０に取り付けられている。

図６は、図４のＶＩ−ＶＩ面の、すなわちレーザービーム方向の断面図を示しており、絞りホルダ３４Ａ〜３４Ｅ及びステップモータ３９、並びに歯付きベルト３７が見え、絞りホルダが取付板３３に配置されている。図６ではさらに、絞りホルダ３４Ａ〜３４Ｅの各々が、外側の玉軸受レース４４Ａ〜４４Ｅと協働する内側の玉軸受レース４３Ａ〜４３Ｅを備えていることが分かる。

マスクと絞りとを回転させるための歯付きベルトの代わりに、それぞれのステップモータによって駆動されるそれぞれの共通シャフトによって作動されるウォームギヤ及びスピンドルドライブを使用してもよい。しかし、その代わりに各マスク及び各絞りホルダの所定角度の回転を、各マスク及び各絞りホルダごとに別個のステップモータによって達成してもよい。

取付板３０をレーザービームの伝搬方向と平行に変位させることを可能にするｙ座標テーブル軸４０Ｃは、現在レーザービームの均一スポットＨＳ内の加工位置にあるマスク１８Ｃの構造化領域を精密に位置決めする役割を果たし、取付板３３をレーザービームの伝搬方向と平行に変位させることを可能にするｙ座標テーブル軸４０Ｄを変位させることによって、現在加工位置にあるマスク１８Ｃと現在加工位置にある絞り６Ｃとの所定の最短距離が調整され、又は、マスク１８Ｃと絞り６Ｃの構造化される側の面、すなわち絞りの開口部が互いに直に接触するようにされる。

図７〜図９には、マスク及び絞りの回転変位可能な配置が示されており、ホルダ、内側と外側の玉軸受レース、歯車、歯付きベルト、及びステップモータを有する図４〜図６と同じマスク及び絞りが、矩形の取付板へ直線移動可能に配置されるのではなく、円形の取付板４７及び４８にそれぞれ回転可能に配置されており、ステップモータ３８又は３９のいずれかが歯付きベルトを介してすべてのマスク又は絞りをそれぞれ駆動するか、又は各ホルダがそれぞれのステップモータによって別個に駆動される。

図８は、図７の矢印ＶＩＩＩ方向、すなわちレーザービームの方向の図であり、図９は、図７のＩＸ−ＩＸ面の断面図である。取付板はそれぞれのステップモータ４９によって駆動され、ホルダ４９Ｈは取付板４７及び５０用の、また、ホルダ５０Ｈは取付板４８用のホルダであり、マスク１８Ａ〜１８Ｅを位置決めするためにｙ座標テーブル軸５１に、また、絞り６Ａ〜６Ｃをｙ方向に位置決めするためにｙ座標テーブル軸５２にそれぞれ配置されている。円形の配置５３によって、線形の配置２８よりもコンパクトな設計が可能になる。

図１０〜図１２には、マスク及び絞りの取付具がそれぞれのマガジン５７及び５８内に配置され、このマガジンから探索されたマスクと絞りとが相互に独立してビーム経路内に投入される別の交換装置５４が示されている。この位置では、マスクと絞りとは独自の軸を中心に回転可能である。

図１０に見られるように、各マスク１８は取付具５５内に、また、各絞りは取付具５６内に取り付けられ、マスク及び絞りの取付具はそれぞれのマガジン５７及び５８内に配置され、マスクの取付具はマスク交換装置５９及びマスクスライダ６０内に配置され、絞りの取付具は同様に絞り交換装置６１及び絞りスライダ６２内に配置され、これらの装置は矢印で示されている。

特に、図１０の面ＸＩＩ−ＸＩＩの断面図である図１２には、マスクと絞りの両方を回転可能であることが分かる。この目的のため、マスク又は絞りの取付具は、ステップモータ６４又は６８によってそれぞれ所定の角度だけ回転可能である回転可能に配置されたマスクホルダ６３又は絞りホルダ６７内にそれぞれ配置され、ステップモータ６４は、マスクホルダの歯車６６に連結された歯付きベルト６５を駆動する。同様に、絞りホルダ６７は、歯付きベルト６９により絞りホルダの歯車７０を作動するステップモータ６８によって所定の角度だけ回転される。

マスクと絞りの両方の回転機構はそれぞれの取付板７１及び７２に取り付けられている。マスクホルダ及びマスクマガジン５７の取付板７１、並びに絞りホルダ及び絞りマガジン５８の取付板７２はそれぞれのｙ座標テーブル軸７３、７４に配置されている。

光回折効果がある構造を生成するための２つのレーザーシステムと、マスク及び絞り交換装置とを有する複雑な装置を使用する場合、生成される構造の効率的な監視を実施することは不可欠である。理論上は、エンボスローラ又はエンボスダイを構成し、次にこれらの加工物を試験室で検査し、その後、欠陥がある場合は装置を調整することは可能であろう。しかし、これは加工された加工物、より具体的にはエンボスローラを効率的に生成するには煩雑すぎ、且つ時間がかかりすぎる。

したがって、エンボスローラを構造化する間に生成される構造を測定し、焦点位置又は結像面の位置の照射強度を調整できるように、図１３に示す回折装置を有する測定調整装置を備えることが提案される。この場合は、複数の回折次数が同時に評価され、互いに及び確定された基準回折記録と比較される。

大幅に簡略化され、概略的に示した回折装置１２は、エンボスローラ１０の上方に取り付けられ、基本的に、所定の断面を有する測定用ビーム１４を生成するためのレーザーダイオード７９が上に取り付けられた２つの第１の保持セグメント７８及び８１の半円形の配置、及びそれぞれ生成されたマイクロ構造により回折されるビーム部分１４を測定するためのＣＣＤカメラアレイ８０、並びに所定の断面を有する測定用ビーム１４Ｆを生成するためのレーザーダイオード７９Ｆが上に取り付けられた２つの第２の保持セグメント７８Ｆ及び８１Ｆの半円形の配置、及びそれぞれ生成されたリップル構造により回折されるビーム部分１４Ｆを測定するためのＣＣＤカメラアレイ８０Ｆを備えている。それに加え、図示していない評価電子機器が備えられる。ＣＣＤアレイは各々、異なる回折次数を検出するために四分円に沿って変位可能であり、又はアレイは異なる回折次数を記録するためにＸ線検出器と同様に空間変位可能である。

このように、アレイの最初の空間的走査中に、例えば、構造化されたばかりのエンボスローラのテスト中に、各エンボス構造に対して回折次数画像の位置を自動的に検出し、記録することができる。それ自体は昇降テーブル８４上に配置され、ｘ−ｙ座標テーブル８５に連結されている回転テーブル８３上で構造化されている、又は構造化される予定の物体表面の精密な水平方向の位置合わせを可能にするために、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によって回転可能、変位可能な変位装置に支持される。

図１に示す現場品質管理のために、レーザーダイオードの単色レーザービーム、又は断面が小さい白光源のビームが検査される基本領域へ誘導される。マイクロ構造及びナノ構造のそれぞれの光学効果により異なる回折角度で生ずる異なる回折強度、又は回折次数における強度分布は回折装置１２によって記録され、互いに比較される。回折次数における強度、及びより具体的には強度分布は生成される構造の幾何形状、深さ、及び寸法精度によって決定されるので、寸法の変化、及び構造の不十分な深さを検出することができる。所定の基準構造からの偏差が過度に大きい場合は、構造化工程は中断され、レーザービームのパラメータ及びローラ位置の修正が行われる。

図１３に示す回折装置による総合的な品質管理のために、構造化が完了したエンボスローラ１０の表面に断面が小さい白光源のビームが誘導される。より詳細には、エキシマレーザーによってマイクロ構造化された表面部分が白光源によって照射され、フェムト秒レーザーによってナノ構造化された表面部分が、次いで別の白光源によって照射される。白光源を円弧状の保持器内で変位させることによって、光線の入射角を変更することができる。マイクロ構造化された表面部分の光学効果によって生成される回折次数はＣＣＤカメラアレイ８０Ｆによって記録され、ナノ構造化された表面部分の光学効果によって生成される回折次数は別のＣＣＤカメラアレイ８０によって記録される。

異なる回折角度で生じる回折次数を正確に記録するために、アレイを円弧状保持器内で変位させることができる。

マスク投影技術によるエキシマレーザーによるマイクロ構造化によってｔａ−Ｃ層内に生成された、例えば１〜２μｍの回折構造の周期が、フェムト秒レーザーによるナノ構造化によって生成された、例えば０．５μｍのリップルのより小さい格子周期よりも大きいため、異なる角度で対応する回折次数が生じる。したがって、異なる回折次数の重畳を避けるため、円弧状の保持器８１の半径は、円弧状の保持器８１Ｆの半径よりも小さく選択される。

これらの寸法から、エンボスローラの構造化された表面領域全体にわたって以下の特性を定量的に確定できる。
強度の比較による画像の鮮鋭度、画像のコントラスト又は色印象。
最適に構造化された表面部分とそうではない表面部分のサイズと分布。
微分構造化度、すなわち小さい所定の表面領域で検出された、その小さい表面領域のサイズに対する生成済み構造の最適な回折領域の比率。
積分構造化度、すなわち測定フィールドの全表面領域に対する生成された構造の最適に回折された領域の合計表面領域の比率。
マイクロ構造化及びナノ構造化表面領域の品質。

上記方法によって構造化されたエンボスローラの用途に関しては、例えばこのようにして構造化されたエンボスローラと噛み合いローラとの間に包装フォイルが通され、自身公知の技術によるエンボスローラの歯を省くことによってロゴが生成される位置がマイクロ構造化され、次いで後続のエンボスローラ対によって従来の方法でサテン仕上げされる。

このような手順において、包装フォイルに生成された構造の測定用に対応して修正、適合された回折装置のバージョンを使用し、エンボスローラの構造を生成する際に測定された補正用の値を用いることも可能である。

上記記載を基に、本発明の範囲内での変形が可能である。したがって、石英板製のマスク及び絞りを備える代わりに、例えばＣａＦ_２製のマスク及び／又は絞りを製造し、又は、レーザービームの透過性が高いか、又は極めて低いゾーンを生成可能な電気的に可変な結晶によってこれらを形成することが可能である。絞りを金属フォイルで製造することもできる。

上記説明では、加工物の例としてエンボスローラを示したが、本発明は、例えばエンボスダイの隆起面又はエンボスローラの歯などの別のコーティング表面又は非コーティング表面、又は時計のケースの一部、又は例えば円形のコインなどのコインや宝飾品など、入射光を直に回折する表面を構造化するのにも適している。

Claims (20)

1. 硬質材料をコーティングした物体の表面の少なくとも１つの領域を、パルス幅がナノ秒、ピコ秒、又はフェムト秒の範囲のレーザーによって構造化する方法であって、パルス幅がナノ秒の範囲の第１のレーザーによって第１の構造を生成し、その上に、パルス幅がピコ秒又はフェムト秒の範囲の第２のレーザーによって第２のリップル状の構造を重畳することを特徴とする方法。
2. 前記第１の構造が、マスク投影技術により生成され、前記第２の構造が集束技術により生成される、請求項１に記載の方法。
3. 前記硬質材料コーティングが、ｔａ−Ｃ、炭化タングステン（ＷＣ）、炭化ホウ素、（Ｂ_４Ｃ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、又は同様の硬質材料からなることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. ｔａ−Ｃ硬質材料層とその下層にある材料との間に、厚さが約５０〜３００ｎｍ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３に記載の方法。
5. 第１及び／又は第２の構造の各々が、複数のマイクロ構造を重畳することによって生成され、前記重畳構造の各々が前記重畳構造に対して角度（α）をなし、又は異なる配位を有することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. 前記第１のレーザーによって前記第１の構造を生成するために、光学系の均一スポット（ＨＳ）内のマスクが、次に結像光学系の前の絞りが使用され、前記第２の構造を生成するために、前記フェムト秒レーザーと関連する光学系との間の偏光装置が使用されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
7. 少なくとも１つのマスクと１つの絞りとが交換装置内に配置されることによって、選択された任意のマスク及び選択された任意の絞りを相互に独立して、前記第１のレーザーのビーム経路内に配置可能であることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 前記交換装置内の前記マスク及び絞りがそれ自体の周囲を回転可能であると共に、直線変位又は回転変位可能であることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 前記マスク及び絞りが、それぞれのマガジン内に配置されることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 前記構造を前記加工物の表面に生成している間に、これらの構造が回折装置によって測定され、該測定値がビーム強度及び／又は前記結像及び集束光学系を調整するために使用されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法を実施する装置であって、ナノ秒範囲にある第１のレーザー（１）と、ピコ秒又はフェムト秒範囲にある第２のレーザー（１５）とを備え、前記装置が先ず、構造化されるオブジェクト（１０）の表面を前記第１のレーザービーム（２）の前記結像光学系（８）の結像面に配置し、次に前記第２のレーザービーム（２Ｆ）の前記集束光学系（８Ｆ）の集束面に配置することを特徴とする装置。
12. 前記第１のレーザー（１）が、波長が２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザー、又は波長が１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザー、又は波長が１５７ｎｍの蛍光レーザー、又は波長が３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザーであることを特徴とする、請求項１１に記載の装置。
13. 前記リップル構造を生成するための前記第２のレーザーが、中心波長が７７５ｎｍのフェムト秒レーザー（１５）、又は波長が１０６４ｎｍ、又は周波数増倍波長が５３２ｎｍのＮｄ：ＹＡＧ型のピコ秒レーザーであることを特徴とする、請求項１１に記載の装置。
14. 前記第１のレーザー（１）とその結像光学系（８）との間に少なくとも一組のマスクと絞りの組合せ（１８，６）が配置され、交換装置（２８、５３、５４）内に幾つかのマスクと絞りの組合せが配置され、前記交換装置が、マスクの１つ（１８）及び絞りの１つ（６）の両方を相互に独立して前記第１のレーザー（１）の前記ビーム経路（２９）内に配置するように構成され、前記マスク（１８，１８Ａ〜１８Ｅ）と絞り（６，６Ａ〜６Ｅ）が直線変位又は回転変位可能であり、及びそれ自体を中心にホルダ（３１Ａ〜３１Ｅ；３４Ａ〜３４Ｅ）内で回転可能であることを特徴とする、請求項１１に記載の装置。
15. 前記交換装置（５４）内の前記マスク（１８）と絞り（６）が各々取付具（５５，５６）内に配置され、該取付具がそれぞれのマガジン内に配置されることを特徴とする、請求項１４に記載の装置。
16. 前記エキシマレーザー及び前記フェムト秒レーザーによって生成される前記構造によって反射され、回折される照射（１４，１４Ｆ）を測定する少なくとも１つのＣＣＤアレイ（８０，８０Ｆ）を有する回折装置（１２）を備えることを特徴とする、請求項１１に記載の装置。
17. 包装フォイルに認証機能及び／又は光回折効果領域をエンボス加工するための領域をエンボスローラに構造化するための、請求項１１に記載の装置。
18. コーティングされた又はコーティングされていない時計の部品、コイン、又は宝飾品に認証機能及び／又は光回折効果の標識を生成するための領域を構造化するための、請求項１１に記載の装置。
19. マスク投影技術によるエキシマレーザーによって生成される少なくとも第１の構造と、集束技術によるフェムト秒レーザー又はピコ秒レーザーによって生成される前記第１の構造に重畳した少なくとも第２の構造とから構成される光回折効果領域及び／又は認証機能を有することを特徴とする、請求項１７に記載の装置によって製造される包装フォイル。
20. 認証機能及び／又は光回折効果領域又はロゴがない位置ではサテン仕上げされることを特徴とする、請求項１９に記載の包装フォイル。

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