NL1020854C2 - Werkwijze en opstelling voor het aanbrengen van een structuur. - Google Patents

Description

P59603NL00

Titel: Werkwijze en opstelling voor het aanbrengen van een structuur.

ACHTERGROND EN GEBIED VAN DE UITVINDING

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het aanbrengen van een structuur op een oppervlak van een werkstuk. De uitvinding heeft eveneens betrekking op een oppervlak voorzien van een structuur met een 5 dergelijke werkwijze en een matrijs voorzien van een dergelijk oppervlak.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een opstelling voor het aanbrengen van een structuur op een werkstuk.

Uit de praktijk is voor de vervaardiging van een zgn. diffractive optical variable image device (DOVID), zoals bijvoorbeeld een hologram, 10 bekend dat een structuur kan worden aangebracht op een oppervlak door een interferentiepatroon te projecteren op een optisch gevoelig materiaal.

Bij de bekende methode wordt het interferentiepatroon gegenereerd door een uit een laser tredende coherente, monochromatische lichtbundel met een bundelsplitser te splitsen in een eerste en een tweede bundel. De 15 eerste bundel wordt dan op het optisch gevoelige materiaal geprojecteerd, terwijl de tweede bundel via een andere weg dan de eerste bundel eveneens op het materiaal wordt geprojecteerd, bijvoorbeeld door de bundel naar het optisch gevoelige materiaal te reflecteren via een af te beelden object. De tweede bundel valt daarbij onder een van de eerste bundel verschillende 20 hoek in op het optisch gevoelige materiaal. Door de weglengteverschillen tussen de eerste bundel en de tweede bundel, ontstaat dan op het optisch gevoelige materiaal een interferentiepatroon.

Na projectie wordt het lichtgevoelige materiaal ontwikkeld en het interferentiepatroon middels een fotolithografisch proces aangebracht op 25 een kunststof materiaal, waarna via een galvanisch proces de in het kunststof aangebrachte afbeelding in een metaal, veelal nikkel, wordt overgedragen.

Het bekende procédé heeft echter als nadeel dat een veelvoud aan handelingen moet worden verricht om het interferentiepatroon aan te 1020854· -2- brengen. Bovendien kan het interferentiepatroon met de bekende techniek slechts op een beperkt aantal materialen worden aangebracht. Bijvoorbeeld het aanbrengen van een patroon in harde materialen, zoals staal of keramiek, is met het bekende procédé onmogelijk.

5

SAMENVATTING VAN DE UITVINDING

Het is een doel van de uitvinding te voorzien in een werkwijze waarbij met minder handelingen een structuur kan worden aangebracht. Teneinde het gestelde doel te bereiken voorziet de uitvinding in een werkwijze volgens 10 conclusie 1.

Een dergelijke werkwijze is eenvoudiger dan de bekende werkwijze omdat met een dergelijke werkwijze de structuur direct op het werkstuk wordt aangebracht en fotolithografische en galvanische processen achterwege kunnen blijven. Bovendien kan met een werkwijze volgens de 15 uitvinding de structuur op een matrijs worden aangebracht en/of over eerder aangebrachte structuren heen worden aangebracht. Tevens heeft een werkwijze volgens de uitvinding het voordeel dat de aangebrachte interferentiestructuur moeilijk na te maken is, zodat oppervlakken voorzien van een dergelijke interferentiestructuur een echtheidskenmerk hebben.

20 Ook kan met een werkwijze volgens de uitvinding een interferentiestructuur in harde materialen worden aangebracht

De uitvinding voorziet tevens in een oppervlak volgens conclusie 18 en een matrijs volgens conclusie 21. Tevens voorziet de uitvinding in een opstelling volgens conclusie 22.

25 Specifieke uitvoeringsvormen van de uitvinding zijn neergelegd in de afhankelijke conclusies. Verdere voorbeelden, details, aspecten en uitvoeringsvormen van de uitvinding worden hierna besproken aan de hand van de in de tekening weergegeven figuren.

1 0-2 0 « F 4^ -3-

KORTE BESCHRIJVING VAN DE FIGUREN

Fig. 1 toont schematisch een opstelling voor het genereren van een interferentiepatroon.

5 Fig. 2 toont een stroomdiagram van een voorbeeld van een werkwijze volgens de uitvinding.

Fig. 3 toont schematisch een opengewerkt perspectivisch aanzicht van een voorbeeld van een kijkhoekafhankelijke structuur volgens de uitvinding.

Fig. 4 toont een opname met een elektronenmicroscoop van een 10 structuur volgens de uitvinding.

Fig. 5 toont een opname met een elektronenmicroscoop van een . afbeelding opgebouwd uit structuren volgens de uitvinding.

Fig. 6 toont een schematisch een perspectivische aanzicht van de opstelling waarmee de structuren in fign. 4 en 5 zijn vervaardigd.

15

GEDETAILLEERDE BESCHRIJVING

De in fig. 1 getoonde opstelling omvat een laser 101, een bundelsplitser 102, een werkstuk 103 en een spiegel 107. Met de opstelling 20 in fig. 1 kan een werkwijze volgens de uitvinding worden uitgevoerd. In fig.

2 is een stroomdiagram van een voorbeeld van een dergelijke werkwijze getoond. In een eerste stap 201 wordt door de laser 101 een coherente, monochromatische lichtbundel 104 uitgezonden die in stap 202 door de bundelsplitser 102 wordt gesplitst in een eerste bundel 105 en een tweede 25 bundel 106. In het getoonde voorbeeld is de bundelsplitser 102 een halfdoorlatende spiegel. De eerste bundel 104 wordt in stap 203 op een oppervlak 108 van een werkstuk 103 geprojecteerd, terwijl de tweede bundel 106 via een andere weg dan de eerste bundel 105, in het getoonde voorbeeld via de spiegel 107 in stap 204 eveneens op het oppervlak van het werkstuk 30 103 wordt geprojecteerd onder een van de eerste bundel 105 verschillende 1020854* -4- hoek. Door de hoek tussen de bundels 105 en 106 treden er een weglengteverschil op tussen de eerste bundel 105 en de tweede bundel 106 en wordt in stap 205 op het werkstuk 103 een interferentiepatroon geprojecteerd.

5 Met het laserlicht van het geprojecteerde interferentiepatroon wordt bij een geschikte intensiteit en coherentie van het laserlicht in stap 206 een deel van het oppervlak van het werkstuk 103 verwijderd, waardoor een interferentiestructuur op het werkstuk wordt aangebracht. De interferentiestructuur bestaat dan uit pieken en dalen waarbij de pieken 10 met de minima in het interferentiepatroon overeenkomen, terwijl de dalen overeenkomen met de maxima in het interferentiepatroon.

Gebleken is dat een dergelijk interferentiestructuur een kleureffect vertoont dat afhangt van de afstand tussen de pieken in de structuur. In het bijzonder is gebleken dat bij een afstand van kleiner of gelijk aan 2,5 15 micrometer, zoals bijvoorbeeld kleiner dan 1 micrometer en bij voorkeur kleiner of gelijk aan 800 nanometer en/of groter dan 100 nanometer, visueel aantrekkelijke kleureffecten optreden door de vorm van de pieken en de afstand tussen de pieken in de interferentiestructuur. Bovendien zijn de kleureffecten moeilijk na te maken omdat met het blote oog slechts de 20 kleureffecten zichtbaar zijn en de structuur enkel met geavanceerde middelen te achterhalen is, in het bijzonder bij afstanden kleiner dan of gelijk aan 2,5 micrometer.

Een interferentiestructuur in de vorm van een lijnenpatroon waarbij de vorm van de lijnen of de afstand tussen de lijnen varieert, kan 25 bijvoorbeeld worden verkregen door in de lichtbaan een optisch element, zoals een spiegel of lens te plaatsen. Het op het oppervlak geprojecteerde interferentiepatroon zal dan vervormd worden. De structuur die op deze wijze wordt verkregen is moeilijk na te maken, zodat een kopieerbeveiliging wordt verkregen. In het bijzonder is de structuur moeilijk na te maken als 30 het optisch element een complexe kromming heeft, bijvoorbeeld door een 1020854· -5- combinatie van concave en convexe oppervlakken of de aanwezigheid van discontinuïteiten in het optische element zoals bij bijvoorbeeld Fresnel-lenzen bekend is.

In de opstelling van fig. 1 kan het optische element bijvoorbeeld in de 5 eerste bundel 105 geplaatst worden tussen de bundelsplitser 102 en het werkstuk 103 of in de tweede bundel tussen de bundelsplitser 102 en de spiegel 107 of tussen de spiegel 107 en het werkstuk 103. Het is ook mogelijk om op of voor het optisch element het interferentiepatroon te projecteren en een door het optisch element gevormd beeld van het 10 interferentiepatroon op het werkstuk te projecteren.

Voorafgaand aan het aanbrengen van het interferentiepatroon kunnen op het werkstuk een of meer andere structuren worden aangebracht, zoals bijvoorbeeld een zgn. kijkhoekafhankelijk patroon op het werkstuk, waardoor de structuur moeilijk te kopiëren is.

15 In fig. 3 is schematisch een opengewerkt perspectivisch aanzicht van een gedeelte van een kijkhoekafhankelijke structuur getoond waarop een interferentiestructuur volgens de uitvinding is aangebracht. De kijkhoek afhankelijke structuur heeft een tweetal vlakken 301,302, waarvan de normalen onder een hoek met elkaar staan. In doorsnede gezien vormen de 20 vlakken twee zijden van een driehoek, die al dan niet gelijkbenig kan zijn.

Op een eerste vlak 301 is met een werkwijze volgens de uitvinding een interferentiestructuur aangebracht die bestaat uit een viertal lijnvormige pieken 303-306, die op een afstand van elkaar liggen. De afstand tussen de pieken 303 en 304 is daarbij groter dan de afstand tussen de 25 pieken 304 en 305 resp. 305 en 306.

Een tweede vlak is voorzien van een interferentiestructuur bestaande uit een tweetal lijnvormige pieken 307 en 308 die op een afstand van elkaar liggen. Deze afstand is niet gelijk aan de afstand tussen de pieken 303 en 304 op het eerste vlak 301 en in het getoonde voorbeeld is de afstand groter, 30 maar deze kan ook kleiner zijn.

J020 8 5 4· -6-

Afhankelijk van de hoek waaronder de structuur wordt bekeken, zal ofwel het interferentiestructuur op het eerste vlak 301 ofwel de structuur op het tweede vlak 302 zichtbaar zijn. Voor het blote oog zal dan de kleur van het oppervlak verschillen, afhankelijk van de kijkrichting. De 5 kijkhoekafhankelijke structuur kan bijv. met een laser of op andere wijze worden aangebracht voorafgaand aan het aanbrengen van de interferentiestructuur.

Een werkwijze volgens de uitvinding kan worden uitgevoerd met elk geschikt type laser, zoals bijvoorbeeld een femtosecondenlaser. De gebruikte 10 laser kan ook bijvoorbeeld een koperdamplaser zijn. Een koperdamplaser heeft een hoge bundelkwaliteit, met name door de grote coherentielengte. Bovendien is gebleken dat, in tegenstelling tot hetgeen door deskundigen werd verwacht, met een koperdamplaser interferentiestructuren met een roosterconstante kleiner dan 1 micrometer, en ook met een roosterconstante 15 kleiner dan 800 nanometer en zelfs met een roosterconstante rond de 100 nanometer vervaardigd kunnen worden door het oppervlak van een werkstuk deels te verwijderen door middel van thermische ablatie onder invloed van het laserlicht van de koperdamplaser.

Verwacht werd dat het laserlicht het materiaal zozeer zou verhitten 20 dat het zou smelten. Hierdoor zouden de afmetingen van de structuren veel groter zijn dan de optische limiet van een half maal de golflengte. Gebleken is echter dat het mogelijk is structuren nabij een kwart maal de golflengte te vervaardigen door de optische limiet van een half maal de golflengte te verlagen naar een kwart maal de golflengte, door tussen de laser en het 25 werkstuk een niet-lineair kristal te plaatsen dat de frequentie van het laserlicht verdubbeld en dus de golflengte halveert zonder dat smelten van het materiaal de grootte van de structuur noemenswaardig beïnvloedt.

Fig. 4 toont een met een scanning electron microscope (SEM) gemaakte opname van een oppervlak met een roosterconstante rond de 1 30 micrometer vervaardigd met een koperdamplaser. De opname van fig. 4 -7- toont (delen van) een aantal vlakken van 200 bij 200 micrometer. De vlakken zijn elk opgebouwd uit een aantal lijnen, die op een onderlinge afstand van ongeveer 1 micrometer van elkaar liggen. Uit dergelijke vlakken kan een afbeelding worden samengesteld. Fig. 5 toont een met een 5 scanning electron microscope (SEM) gemaakte opname van een afbeelding die de letter ‘A’ voorstelt. De afbeelding is opgebouwd uit pixels van 200 micrometer bij 200 micrometer die op hun beurt zijn opgebouwd uit een aantal lijnen die op het oppervlak zijn aangebracht met een werkwijze volgens de uitvinding.

10 In fig. 6 is een foto van een opstelling getoond waarmee het vlak in fig. 4 en de afbeelding in fig. 5 zijn vervaardigd. De opstelling omvat een vermogensversterker 1 met een diodegepompte koperdamplaser. De versterker 1 versterkt door een hoofdoscillator 2 gegenereerde laserpulsen. De hoofdoscillator 2 omvat een koperdamplaser die groen en geel laserlicht 15 uit kan zenden met golflengtes 511 nanometer resp. 578 nanometer. In het getoonde voorbeeld wordt het gele laserlicht met een golflengte van 578 nm, weggefilterd door een geelfilter 3.

In het getoonde voorbeeld is wordt het laserlicht gepulseerd uitgezonden. Bijvoorkeur is de pulsduur zo kort mogelijk. Bij proefnemingen 20 met de in fig. 6 getoonde opstelling is veelal een pulsduur van enkele tientallen nanoseconden gebruikt. Bij vervaardiging van de vlakken in fig. 4 en 5 is een pulsduur van 25 nanoseconden toegepast. In het getoonde voorbeeld zijn blokvormige pulsen gebruikt met zo stijl mogelijke flanken. Een blokvormige puls voorkomt versmelting van het oppervlak van het 25 materiaal op een effectieve wijze. Ander pulsvormen, zoals trapezoïdaal of driehoekig zijn echter ook mogelijk.

Via een set spiegels 4 wordt de laserbundel vanuit de hoofdoscillator 2 in de versterker 1 gebracht om versterkt naar de hoofdoscillator 2 teruggevoerd te worden. Het licht uit de hoofdoscillator 2 en de versterker 1 30 wordt via een, niet getoond, niet-lineair kristal door een buis 5 met een lens 1020854· -8- en een masker geleid, waarbij de doorsnede van de bundel via de lens en het masker in vierkante vorm wordt gebracht. Het niet-lineaire kristal verhoogt de frequentie en verkleind zodoende de golflengte. Aan het uitgaande uiteinde van de buis 5 staat een anti-reflectievenster 6 dat voorkomt dat 5 ongewenst licht naar de hoofdoscillator 2 gereflecteerd wordt.

De uit de buis 5 tredende bundel wordt via een spiegel 7 op een lens 8 gericht die het licht in de bundel evenwijdig maakt. De evenwijdige bundel wordt dan na het geelfilter 3 gepasseerd te hebben via een verzwakker 9 naar een apertuurinrichting 10 geleid. De apertuurinrichting 10 verwijdert 10 nog aanwezige divergerende componenten uit de bundel. Vervolgens wordt de laserbundel door een bundelsplitser 11, in het vakgebied ook bekend als een beamsplitter, in twee bundels met ongeveer gelijke intensiteit gesplitst.

i

Met een tweetal spiegels 12 worden de twee bundels op het werkstuk 14 geprojecteerd waardoor een interferentiepatroon ontstaat.

15 Tussen de spiegels 12 en het werkstuk 14 zijn lenzen 13 geplaatst, die de randen van het beeld verscherpen. Het werkstuk 14 kan middels een x-y translator 15 worden verschoven waardoor naast elkaar structuren kunnen worden aangebracht. Door meerdere structuren naast elkaar aan te brengen kan een afbeelding, zoals de ‘A’ in fig. 5 worden vervaardigd. In het 20 voorbeeld van fig. 6 is het werkstuk van gereedschapsstaal met een hoog Chroom en Vanadium gehalte. Ander materialen, zoals bijvoorbeeld andere metalen, legeringen of keramiek kunnen echter ook worden toegepast.

De in fig. 5 getoonde afbeelding is aangebracht op een werkstuk van staal, in het bijzonder een stalen matrijs. Met een opstelling volgens de 25 uitvinding kan een structuur ook in een ander materiaal worden aangebracht, zoals bijvoorbeeld andere metalen, glas, papier of keramiek.

Een structuur volgens de uitvinding kan als echtheidskenmerk worden toegepast, bijvoorbeeld voor optische informatiedragers, zoals compact disks of digital versatile disks, waardepapieren, zoals papiergeld of 30 bankpassen, farmaceutische producten, reserveonderdelen van bijv. auto’s, 1 Q 2 O 9 5 4*? -9- helikopters of vliegtuigen, gespuitgiette producten of anderszins. Een structuur volgens de uitvinding kan eveneens worden toegepast ter waarmerking en/of verfraaiing van scheerapparaten, speelgoed, aluminiumstaven, munten, sieraden, horloges, pennen, onderdelen en 5 artikelen voor toepassing in de nucleaire industrie

Na lezing van het voorgaande liggen verschillende varianten 'voor de vakman voor de hand. In het bijzonder is het mogelijk om het patroon direct te projecteren, dat wil zeggen een enkele laserbundel direct op het werkstuk te projecteren, waarbij tussen de laserbron en het werkstuk een masker is 10 geplaatst dat met het interferentiepatroon overeenkomt. Een dergelijk masker kan bijv. worden verkregen door een opening met de gewenste vorm in een donker gekleurd materiaal of door een chroompatroon met de gewenste vorm op een plaat van glas of kwarts. Ook is het mogelijk om het interferentiepatroon aan te brengen door met een laserbundel met kleine 15 doorsnede op het werkstuk te schrijven. Eveneens ligt voor de deskundige voor de hand de uit de laser komende bundel in meer dan twee bundels te splitsen waardoor een complex interferentiepatroon, zoals bijvoorbeeld een rooster met loodrecht op elkaar staande lijnen wordt verkregen, dat zeer moeilijk na te maken is. Tevens ligt voor de hand om bij de in fig. 6 20 getoonde opstelling het niet-lineaire kristal op een andere positie in de opstelling te plaatsen, zoals bijvoorbeeld tussen de buis 5 en de spiegel 7.

1020854*

Claims (22)

1. Werkwijze voor het aanbrengen van een structuur op een oppervlak van een werkstuk, omvattende: het vormen van een interferentiepatroon van laserlicht met geschikte golflengte en intensiteit 5 het projecteren van het interferentiepatroon op het oppervlak en het met het geprojecteerde laserlicht verwijderen van een deel van een oppervlak van het werkstuk, waardoor in het werkstuk een interferentiestructuur wordt aangebracht corresponderend met het interferentiepatroon.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, verder omvattend: het aanbrengen van een onderliggende structuur op het oppervlak voorafgaande aan het projecteren van het interferentiepatroon.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, waarbij de onderliggende structuur een van de kijkhoek afhankelijke structuur is.

4. Werkwijze volgens conclusies 2 of 3, waarbij de onderliggende structuur wordt aangebracht met behulp van laserlicht. 20

5. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij het interferentiepatroon lijnen omvat en de vorm van de lijnen of de afstand tussen de lijnen varieert.

6. Werkwijze volgens conclusie 5, waarbij de variatie wordt verkregen door een optisch element, zoals een spiegel of lens, dat tussen het werkstuk en een bron van het laserlicht is geplaatst. 1020854* -11-

7. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij met het laserlicht een deel van het oppervlak door ablatie van het oppervlak wordt verwijderd.

8. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij het laserlicht een golflengte in het optisch infrarode en/of zichtbare en/of ultraviolette gebied heeft.

9. Werkwijze volgens conclusie 8, waarbij het laserlicht van een 10 koperdamplaser afkomstig is.

10. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij het werkstuk van een materiaal is uit de groep bestaande uit: metaal, glas, kunststof, keramiek en papier. 15

11. Werkwijze volgens conclusie 10, waarbij het werkstuk van staal is.

12. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij het werkstuk een matrijs is. 20

13. Werkwijze volgens conclusie 12, waarbij het werkstuk een matrijs voor het vervaardigen van optische informatiedragers is.

14. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij het 25 interferentiepatroon lijnen met een onderlinge afstand kleiner dan of gelijk aan 2,5 micrometer omvat.

15. Werkwijze volgens conclusie 14, waarbij het interferentiepatroon lijnen met een onderlinge afstand kleiner dan of gelijk aan 1 micrometer 30 omvat. 1020854« -12-

16. Werkwijze volgens conclusie 15, waarbij het interferentiepatroon lijnen met een onderlinge afstand kleiner dan of gelijk aan 800 nanometer omvat. 5

17. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij het interferentiepatroon lijnen met een onderlinge afstand van ten minste 100 nanometer omvat.

18. Werkstukoppervlak voorzien van een structuur met een werkwijze volgens een der voorgaande conclusies.

19. Werkstukoppervlak volgens conclusie 18, met een kijkhoekafhankelijke structuur waarop een interferentiestructuur ligt. 15

20. Werkstukoppervlak volgens conclusies 18 of 19, waarop een patroon van interferentiestructuren is aangebracht, waarvan ten minste een interferentiestructuur is aangebracht met een werkwijze volgens een der conclusies 1-17. 20

21. Matrijs met ten minste een oppervlak volgens een der conclusies 18- 20.

22. Opstelling voor het aanbrengen van een structuur op een oppervlak 25 van een werkstuk, omvattende: een laser; een bundelsplitser voor het in ten minste twee bundels splitsen van uit de laser komend laserlicht; middelen voor het op een oppervlak projecteren van de bundels zodanig dat 30 op het oppervlak een interferentiepatroon ontstaat, bij welke opstelling in 1020354* -13- gebruik door het geprojecteerde laserlicht een deel van een oppervlak van het werkstuk wordt bewerkt waardoor op het oppervlak een interferentiestructuur wordt aangebracht die correspondeert met het interferentiepatroon. 1020854·