СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАСКИ ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МИКРОСТРУКТУР Российский патент 2016 года по МПК G03F1/00 G03F7/00 B23K26/06 C03C23/00 

Настоящее изобретение относится к способу и устройству изготовления маски и/или диафрагмы лазерной установки для создания микроструктур согласно родовому понятию пп. 1 и 14 формулы. В целях упрощения далее в тексте будет иметь место только термин «маска», хотя данный термин также подразумевает и понятие «диафрагма».

В определенных лазерных установках микроструктура может быть создана согласно соответствующему способу проектирования маски, раскрытого заявителем настоящего изобретения, например в WO 2007/012215. Лазер может быть, например, эксимерным лазером на молекулах фтористого криптона (KrF) с длиной волны 248 нанометра (нм). Для применения в такой лазерной установке соответствующего способа проектирования маски требуется комбинация маски и диафрагмы, которые могут быть установлены в устройстве для их замены.

Маска предназначена для формирования заранее заданного профиля лазерного луча так, что луч проходит только через определенные части поверхности маски. В результате, при воздействии лазера большой мощности, маска подвергается тяжелой нагрузке, что ведет к возникновению деформации и высокому износу маски. Для предотвращения прохождения излучения лазера через зоны, которые не должны подвергаться его воздействию, могут использоваться свойства абсорбции, отражения и рассеяния.

Для получения эффекта абсорбции в отношении таких вышеуказанных зон может использоваться лаковое покрытие. Однако, это покрытие не выдерживает долгой нагрузки, что впоследствии происходит и в отношении оптической литографии. Для получения эффекта отражения используется, например, диэлектическое зеркало, размещенное в заданной позиции, но такой способ является очень трудоемким. Для получения эффекта рассеяния в отношении вышеуказанных зон в настоящее время применяется технология травления. Однако, эта технология является очень неточной. Вышеуказанные недостатки особенно часто имеют место, когда маска предназначена для создания, например, оптически эффективной дифракционной решетки и сходных микроструктур.

Этот серьезный недостаток относительно грубого формирования зон малой прозрачности имеет место в случае шероховатой поверхности согласно JP 2002-011589 А, формируемой посредством пескоструйной обработки.

Таким образом, первой задачей настоящего изобретения является обеспечение способа и устройства для изготовления маски и диафрагмы, которые являются высокоизносостойкими, не изменяют свои размеры и пригодны к использованию в лазерных установках при создании микроструктур. Вышеуказанная задача изобретения достигается посредством способа по п.1 и устройства по п.14.

Маска и диафрагма, изготовленные согласно способу по п.1, частично пригодны к использованию для создания оптически эффективной дифракционной решетки, посредством которой получают цвета спектра повышенной яркости и, на базе последней, смешанные цвета высокой интенсивности. Дифракционными решетками предшествующего уровня техники являются решетки с канавками и решетки с ребрами, и иные решетки, основанные на них. Второй задачей настоящего изобретения является использование маски и диафрагмы, изготовленных согласно п.1 формулы, для создания дифракционной решетки, обеспечивающей чистые цвета спектра и высокую интенсивность этих цветов при воздействии света. Эта задача достигается посредством пункта 5 формулы.

Далее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на чертежи, на которых изображены примеры его конструкции.

На фиг.1 показана принципиальная схема устройства согласно настоящему изобретению, которое содержит две лазерные установки для создания массива дифракционной решетки непосредственно на поверхности твердого тела.

На фиг.2 показан пример формирования лазерного луча после его прохождения через комбинацию маски и диафрагмы.

На фиг.3 показано поперечное сечение предпочтительной микроструктуры концентрирующей дифракционной решетки.

На фиг.4 показана первая маска для создания концентрирующей дифракционной решетки, имеющей структуру, показанную на фиг.3.

На фиг.5 показана вторая маска для создания концентрирующей дифракционной решетки, имеющей структуру, показанную на фиг.3.

На фиг.6 показана другая дифракционная решетка, представленная в виде решетки с колонками или несквозными отверстиями, содержащая треугольные колонки или углубления в поперечном сечении.

На фиг.7 показан массив дифракционной решетки с объединенными цветными пикселами.

На фиг.8 показан участок, невидимый человеческому глазу и образованный из множества различных площадей цветных пикселей.

На фиг.1 показано устройство для изготовления дифракционной решетки с двумя лазерными установками. Слева на чертеже расположена установка эксимерного лазера, пригодная для изготовления, например, массива концентрирующей дифракционной решетки. Справа на чертеже расположена лазерная установка, являющаяся фемто- или пикосекундной лазерной установкой, которая предназначена для создания маски и/или диафрагмы для получения, с одной стороны, структуры дифракционной решетки. С другой стороны, эта установка предназначена для изготовления непосредственно работоспособной дифракционной решетки с волнообразным микрорельефом или для наложения одной микроструктуры решетки, получаемой посредством эксимерного лазера, на вторую микроструктуру дифракционной решетки при изменении расстояния между выступами волнообразной микроструктуры дифракционной решетки. Первая лазерная установка L1 состоит из эксимерного лазера на молекулах фтористого криптона (KrF) с длиной волны 248 нанометра (нм) и предназначена для изготовления микроструктур на поверхности твердого тела согласно соответствующему способу проектирования маски. Вторая лазерная установка состоит из фемтосекундного лазера 15, который имеет среднюю длину волны 775 нм или уменьшенный импульс длины волны в два либо в три раза, и предназначена для создания наноструктур (например, дифракционной решетки с волнообразной микроструктурой) на поверхности твердого тела, или маски, в соответствии с методом фокусировки. В рамках данной заявки термин «твердое тело» означает любой материал (подложку), на поверхность которого с помощью лазера может быть нанесена микроструктурированная дифракционная решетка, например на стекло (стекло карманных наручных часов), либо на сапфировые, керамические поверхности, поверхности пригодных синтетических материалов и, главным образом, на металлические поверхности ювелирных изделий и монет и, в частности, также на твердые материалы, поверхность которых обработана гравировальным инструментом, таким как гравировальная плита и гравировальный штамп для тиснения упаковочной пленки, а также органических твердых тел. Поверхность, о которой идет речь, может быть предварительно обработана химическим или механическим способом и структурирована. Кроме того, может быть предусмотрено покрытие твердым материалом, например тетраэдрически связанным аморфным углеродом (ta-C), карбидом вольфрама (WC), карбидом бора (В₄С), карбидом кремния (SiC) или сходным твердым материалом.

Микроструктура может быть представлена, например, в виде так называемой концентрирующей дифракционной решетки, период которой равен от 1 до 2 мкм, с наноструктурой в виде, например, самоорганизующейся волнообразной микроструктуры, имеющей период от 300 нм до 1000 нм, которая действует как оптическая дифракционная решетка. Как будет изложено ниже, возможен любой массив периодической решетки дифракционно-оптической активной структуры, что приводит к получению угловой дисперсии (разделение на спектральные цвета) путем дифракции при воздействии света.

На фиг.1 показан лазерный луч 2 прямоугольного сечения эксимерного лазера 1. Интенсивность лазерного луча может быть отрегулирована и изменена посредством аттенюатора 3. С помощью гомогенизатора 3А и полевой линзы 3В создают равномерное распределение интенсивности лазерного луча вдоль его поперечного сечения в однородной точке HS. Необходимый для формирования микроструктуры профиль лазерного луча в поперечном сечении получают путем однородного распределения интенсивности луча посредством маски 18, расположенной на уровне однородной точки HS.

Геометрическая форма отверстия диафрагмы 6, расположенной после маски, и предпочтительно находящейся в контакте с маской, предназначена для получения необходимой формы профиля лазерного луча - формы поперечного сечения или контура луча, после того, как луч прошел через маску 18. Маска 18 и диафрагма 6 расположены в устройстве замены маски и диафрагмы.

Вместо эксимерного лазера на молекулах фтористого криптона (KrF) в качестве первого лазера 1 может быть использован лазер на молекулах фтористого аргона (ArF) с длиной волны 193 нанометра (нм), лазер на молекулах фтора (F₂) с длиной волны 157 нм, или эксимерный лазер на молекулах ксенон-хлора с длиной волны 308 нм. Вместо фемтосекундного лазера в качестве второго лазера 15 может быть использован пикосекундный лазер Nd:YAG с длиной волны 1064 нм, или с длиной волны вдвое короче (532 нм), либо в три раза короче (266 нм).

После прохождения через маску 18 и диафрагму 6 лазерный луч, см. также фиг.2, падает на угловое зеркало 7, которое направляет луч через фокусирующую оптику, причем лазер отображает профиль подходящей интенсивности для образования микроструктуры на поверхности 9 слоя аморфного углерода (ta-C) вала 10 для тиснения при заранее заданном масштабе изображения, например 8:1. Стрелки 11 иллюстрируют следующее - вал 10 для тиснения может поворачиваться вдоль своей продольной оси на определенные углы. Кроме того, вал 10 для тиснения расположен на перемещающем устройстве 32.

Для регулировки, наблюдения и стабилизации мощности и, таким образом, интенсивности лазерного луча часть луча посредством лучерасщепителя 4 направляется на измеритель мощности 5. Данные, полученные измерителем мощности, поступают на управление аттенюатора и/или лазера 1. Измеритель мощности 5 может быть выборочно заменен на устройство измерения 5А интенсивности лазерного луча, показанное двойной стрелкой на фиг. 1. Устройства 5 и 5А расположены на том же расстоянии от лучерасщепителя 4, что и маска 18, расположенная в однородной точке HS, с целью представления корректных измерений мощности и интенсивности распределения лазерного луча в однородной точке HS, т.е. на плоскости маски. Камера 26 предназначена для наблюдения процесса образования микроструктуры. В целях вышеуказанного наблюдения угловое зеркало 7 имеет интерференционный слой, который отражает эксимерное лазерное излучение с длиной волны 248 нм, но передает видимый свет.

Для регулирования конкретной точной позиции плоскости изображения лазерного луча, получаемого посредством оптики формирования изображения, для создания на слое по всей поверхности вала для тиснения микроструктур, положение вала для тиснения и, связанные с производством отклонения вала для тиснения от идеальной формы, измеряются посредством устройства 16 для обзора позиции вала для тиснения, например, с помощью тригонометрического способа измерений. Данные, полученные в результате такого измерения, используются в дальнейшем для автоматической регулировки вала 10 для тиснения посредством перемещающего устройства 32 и для управления коррекцией вдоль оси z перемещающего устройства 32 в течение процесса структурирования.

В соответствии с фиг. 1, второй лазер 15 является фемтосекундным или пикосекундным. Интенсивность лазерного луча 2F может быть отрегулирована и изменена посредством аттенюатора 3F. Направление поляризации лазерного луча меняют с помощью поляризатора 17.

Чтобы обеспечить фокус очень малого поперечного сечения, поперечное сечение несфокусированного лазерного луча увеличивают в лучевом расширителе 3FC. Линейно поляризованный и расширенный лазерный луч отклоняется зеркалом 7F и фокусируется посредством фокусирующей оптики 8F, установленной с возможностью смещения в направлении z.

Для регулировки, наблюдения и стабилизации мощности и, таким образом, интенсивности лазерного луча, небольшую часть луча посредством лучерасщепителя 47 направляют на измеритель 5F мощности, который поставляет данные для управления аттенюатором 3F и/или лазером 15. Для наблюдения процесса образования микроструктуры используется камера 26F.

При структурировании заданных зон поверхности необходимо обеспечивать относительное смещение лазерного луча, сфокусированного на вале для тиснения, путем вращения этого вала для тиснения в заданных угловых диапазонах α и Ф и путем его перемещения в направлениях х и y. Указанное относительное смещение задают перемещающим устройством 32F.

При необходимости, в цепочку прохождения лазерного луча от фемтосекундного лазера может быть включен гомогенизатор 3FA, преобразующий гауссовское распределение интенсивности по поперечному сечению лазерного луча в равномерное распределение интенсивности, и/или устройство 23F для удвоения или утроения частоты лазерного луча, чтобы процесс структурирования выполнялся с равномерным распределением интенсивности и при помощи более коротких длин волн лазерного излучения. Это является предпочтительным, например, при изготовлении масок 18 и диафрагм 6 из кварцевого стекла путем структурирования фемтосекундным лазером.

В альтернативном случае, вместо фокусирующей оптики 8F можно использовать сканер 8FS с адаптированным объективом, позволяющий реализовать более быстрое перемещение лазерного луча, сфокусированного на вале для тиснения, по ограниченной области на поверхности этого вала, в зависимости от параметров сканера, в результате чего можно существенно снизить время, требующееся для структурирования этой ограниченной области, по сравнению со выполнением смещения посредством перемещающего устройства 32F. В случае применения сканерной зеркальной отклоняющей системы 8FS перемещающее устройство 32F служит только для совмещения множественных уже структурированных ограниченных областей поверхности, тогда как большие области поверхности должны быть структурированы на вале для тиснения.

Посредством системы 3FA измерения расстояния фокусное положение лазерного луча регулируют и мониторят перед проведением процесса структурирования или попеременно с процессом структурирования.

Структурирование фемтосекундным лазером в соответствии с методом фокусировки используется для создания эффективных самоорганизующихся дифракционных волнообразных структур на вале 10 для тиснения. Над валом 10′ для тиснения установлен диффрактометр 12.

Как уже было кратко упомянуто в описании, в примере конструкции согласно фиг. 1, интенсивность профиля, необходимая для процесса структурирования эксимерным лазером согласно соответствующему способу проектирования маски, формируется посредством маски и диафрагмы.

Ниже будет подробно описан данный процесс структурирования со ссылкой на фиг. 2. Лазерный луч 29 с равномерным распределением интенсивности 74 попадает на плоскость маски (HS). Профиль интенсивности вдоль поперечного сечения лазерного луча, необходимый для образования микроструктуры на поверхности слоя аморфного углерода (ta-C) вала 10 для тиснения, формируют с помощью маски 18, расположенной в однородной точке HS. На настоящем чертеже схематически показана маска 18, имеющая прозрачные области 19, расположенные так, что они образуют решетку, и непрозрачный для лазерного луча промежуток 20. Таким образом, формируется профиль интенсивности 75 в виде решетки с кубическими профилями интенсивности.

Диафрагма 6, расположенная после маски в направлении действия лазерного луча, предпочтительно находится в контакте с маской. Диафрагма образует форму поперечного сечения профиля лазерного луча, после того как луч прошел через отверстия маски 18 определенной геометрической формы или ее прозрачную поверхность. На настоящей фигуре форма отверстия 6Т диафрагмы, которое является прозрачным для лазерного луча, или форма поверхности диафрагмы внутри непрозрачной части 6Р, выполнена в виде треугольника. После прохождения через диафрагму профиль 76 лазерного луча 29А имеет треугольную форму в поперечном сечении.

На фиг.2 в сильно увеличенном масштабе в направлении координаты "x" проиллюстрированы: период решетки маски 18, ее толщина, а также расстояние между кубическими профилями интенсивности 75, 76 лазерного луча после маски в направлении действия луча. Кроме того, в проиллюстрированном примере период решетки маски равен 4-20 мкм при масштабе решетки 8:1 по отношению к ее реальному размеру, с целью получения, например, микроструктур решеток с периодом 0,5-5 мкм на поверхности твердого тела 9 (например, слоя аморфного углерода (ta-c) на валу 10 для тиснения, посредством лазерного луча 29А, сформированного маской. В действительности, при равных размерах площади поверхности однородной точки HS и структурированной области маски 18, например, 8 мм × 8 мм = 64 мм², структурированная область маски в противоположность рисунку 2, состоит из ленточной решетки с периодом 400-2000 нм, а лазерный луч, сформированный маской, состоит из 400-2000 кубических профилей интенсивности.

Размер, форма, расстояние, положение и количество прозрачных поверхностей маски 18 (далее именуемых как «структура маски»), задают профиль интенсивности лазерного луча для создания микроструктуры, имеющей заранее заданный оптический эффект в слое аморфного углерода (ta-c). Диафрагма 6 задает поперечное сечение профиля интенсивности лазерного луча и, таким образом, геометрическую форму микроструктурированных поверхностных элементов на валу для тиснения. Термин «поверхностные элементы» используется для обозначения поверхности на валу для тиснения или гравировальной плите, причем поверхность, о которой идет речь, формируют лазерным лучом посредством маски и диафрагмы, попадающего на слой аморфного углерода (ta-c), которым покрыта поверхность вала, в виде последовательности импульсов этого луча без относительного перемещения лазерного луча и поверхности вала.

В результате путем изменения микроструктуры маски и, в частности, путем поворота маски вокруг оптической оси лазерного луча на предварительно заданные углы, направленность интенсивности профиля лазерного луча, сформированного маской, и попадающего на слой аморфного углерода (ta-c) вала для тиснения, посредством фокусирующей оптики 8, может быть изменена. Таким образом может быть изменен оптический эффект микроструктурированных поверхностных элементов при воздействии полихроматическим светом, например, направление наблюдения, угол обзора, а также цвет и интенсивность луча.

Посредством поворота диафрагмы 6 вокруг оптической оси лазерного луча на предварительно заданные углы, направление поперечного сечения, сформированного с помощью диафрагмы лазерного луча, попадающего на слой аморфного углерода (ta-c) на вал для тиснения через фокусирующую оптику, изменяется. Таким образом, может изменяться и направление образованных лазером поверхностных элементов на поверхности вала для тиснения.

Микроструктурированные поверхностные элементы могут располагаться рядом согласно конкретному изображению или, после поворота маски на предварительно заданный угол, могут быть совмещены с такой же микроструктурой под заданным углом. Кроме того, в случае, если используются разные маски, то могут быть совмещены различные микроструктуры в области поверхностных элементов. Если различные маски расположены рядом, то поверхностные элементы могут иметь одинаковую или различную поверхность и микроструктуру.

Если белый свет, близкий к солнечному, дифрагируется или если на дифракционную решетку воздействуют полихроматичным светом, например, посредством ламп дневного света или лампочек (далее - «свет»), вследствие зависимости угла дифракции от длины волны происходит так называемая угловая дисперсия, т.е. разделение света на спектральные цвета, фотоны которого имеют конкретную длину волны, т.е. происходит разделение на монохроматический свет. Таким образом, в случае, если ни один порядок дифракции не перекрыт, то можно наблюдать спектральные цвета в дифрагированном свете.

Согласно изобретению, посредством массивов дифракционной решетки создают смешанные цвета путем наложения длин волн спектральных цветов множества фотонов, которые можно наблюдать с одного или нескольких заранее выбранных углов обзора и одного или нескольких заранее выбранных азимутальных направлений обзора массивов дифракционной решетки. С помощью массивов дифракционной решетки на поверхности твердого тела, имеющей различные периоды решетки в микроскопических подобластях (площадь цветных пикселей, невидимая человеческому глазу) предпочтительно получают смешанные цвета при воздействии света на массив дифракционной решетки при помощи фотонов трех различных основных спектральных цветов - красного, зеленого и синего, длины волн которых входят в дифракционный спектр. Длина волны для основных спектральных цветов выбрана в зависимости от предполагаемого применения. Таким образом, если смешанный цвет будет видим человеческому глазу, то для основного спектрального красного цвета длина волны должна быть равна λ_кр = 630 нм, зеленого - λ_зел = 530 нм, синего - λ_син = 430 нм. Перечисленные значения являются предпочтительными.

Массив дифракционной решетки может состоять, например, из участков цветных пикселей (главным образом красных, зеленых и синих пикселей), аналогично колбочкам сетчатки человеческого глаза, подразделяющихся на три типа и реагирующих на красный, зеленый и синий цвет. Применяемыми дифракционными решетками являются: решетки с канавками и решетки с ребрами, решетки с колонками, концентрирующие решетки, которые изготавливают посредством эксимерного лазера согласно соответствующему способу проектирования маски, самоорганизующиеся волнообразные решетки с предварительно подобранными периодами решетки, получаемые посредством воздействия фемто- или пикосекундных лазеров в соответствии с методом фокусировки или путем наложения друг на друга микроструктур.

При заданном угле падения света, или диффузного излучения, период дифракционной решетки и направление дифракционной решетки в площади цветного пикселя определяют направление дифракции спектральных цветов и, таким образом, определяют угол обзора и азимутального направления обзора основных цветов в отношении отдельного цветного пикселя. В связи с чем выбирают длину волны смешанного цвета, а массивы дифракционной решетки выравнивают таким образом, чтобы угол дифракции и направление дифракции, по крайней мере, одного порядка дифракции, было одинаковым для каждой длины волны смешанного цвета в целях достижения эффективного смешивания цвета в отношении, по крайней мере, одного угла обзора, по крайней мере, в одном азимутальном направлении.

Далее со ссылкой на фиг.3 и 8 будет описано создание микроструктуры концентрирующей решетки, а также изготовление маски, пригодной для создания такой микроструктуры. В концентрирующей дифракционной решетке максимум разделительной функции, и, таким образом, максимум наибольшей интенсивности может быть смещен от максимума нулевого порядка дифракции до максимума большего порядка дифракции посредством изменения наклона граней, т.е. с помощью изменения угла блеска α_В, поскольку максимум разделительной функции и, следовательно, максимум наибольшей интенсивности всегда расположены в направлении отражения относительно нормали ступеней SN. Когда изменяется угол сев, то угол дифракции α_m (угол обзора различных порядков дифракции и, следовательно, положения максимумов дифракционной решетки) остается неизменным до тех пор, пока период решетки q и угол падения света α_e являются постоянными. Кроме того, на фиг.3 под позицией «s» показана боковая грань концентрирующей решетки, h - высота концентрирующей решетки, eS - падающий луч, GN - нормаль решетки, SN - нормаль ступеней.

Так как почти вся поверхность решетки или, точнее, поверхность, сформированная шириной ступени s, умноженная на длину канавки и на количество канавок, используется для получения эффекта дифракции, то интенсивность дифракции и, следовательно, наблюдаемая яркость рассеянных спектральных цветов в концентрирующей решетке существенно выше, чем дифракция на простой ленточной решетке (решетки с канавками и решетки с ребрами).

Микроструктуру концентрирующей решетки, показанную на фиг.3, получают посредством маски, показанной на фиг.4. Маска состоит из подложки кварцевого стекла, непрозрачная поверхность которого может быть получена с помощью фемтосекундного лазера или лазером на молекулах фтора, причем избегают одновременной передачи треугольной области луча, необходимого для получения микроструктуры концентрирующей решетки при воздействии упомянутого эксимерного лазера, и сканирования маски. При воздействии импульсами фемтосекундного лазера или лазера на молекулах фтора поверхность кварцевого стекла становится шероховатой и модифицируется таким образом, что падающий свет рассеивается, но не поглощается. Термин «модифицируется» предполагает изменение плотности материала, микроструктуры и показателя преломления подложки. Таким образом, обеспечивается очень низкая термическая нагрузка, высокая точность размеров и длительный срок службы.

При производстве маски на основе подложки кварцевого стекла посредством фемтосекундного лазера в соответствии с методом фокусировки или посредством лазера на молекулах фтора согласно соответствующему способу проектирования маски, получают непрозрачную область, содержащую прозрачные треугольные участки, путем сканирования с наименьшим возможным фокусом, или поперечное сечение F и перекрывающие друг друга импульсы, которые представлены на фиг.4 в качестве небольших серых окружностей после воздействия фемтосекундным лазером или небольших окружностей черного цвета после воздействия лазера на молекулах фтора. Небольшие квадраты иллюстрируют то, что также может быть применен лазерный луч, поперечное сечение которого выполнено в виде квадрата. Таким образом, за исключением треугольников, показанных белым цветом, вся поверхность, проиллюстрированная серым цветом, сканируется. Более конкретно, просканированная поверхность становится шероховатой и модифицируется при соответствующей плотности потока лазерного луча так, что данная поверхность сильно рассеивает падающий луч эксимерного лазера и, следовательно, действует, как непрозрачная поверхность в отношении луча.

Величина G - основание треугольника, равная произведению 8 (использован масштаб 8:1 для получения концентрирующей дифракционной решетки согласно соответствующему способу проектирования маски посредством эксимерного лазера) на постоянную решетки g. Соответствующим образом, Н - высота, φ - основной угол треугольника, I - расстояние между треугольниками в направлении сканирования маски. В случае, если используется лазер на молекулах фтора, то применяется масштаб 25:1.

Микроструктура концентрирующей решетки может альтернативно изготавливаться посредством ленточной маски 79 согласно фиг.5, причем полосы маски имеют две различные ширины, как требуется для получения канавки концентрирующей решетки, коэффициент пропускания которой колеблется между 0 и 1 и между 1 и 0 для соответствующей ширины полос в соответствии с заранее определенной линейной или ступенчатой функциями. И в этом случае, величины 8g и 8g × sinα_B являются результатом примененного масштаба 8:1, который использован при создании микроструктуры концентрирующей дифракционной решетки согласно соответствующему способу проектирования маски.

Существует большое количество возможных вариантов производства пригодной маски, которая может быть создана с помощью фемтосекундного лазера или лазера на молекулах фтора. Выбранную маску располагают вместе с подходящей диафрагмой в устройстве замены в целях получения микроструктуры концентрирующей решетки в первой лазерной установке L1, т.е для дальнейшего воздействия эксимерным лазером 1 согласно соответствующему способу проектирования маски. Диафрагма может быть получена тем же способом, что и маска. В качестве подложки для маски или диафрагмы могут быть использованы следующие материалы: кварцевое стекло (SiO₂), сапфир (Al₂О₃), фторид кальция (CaF₂), или фторид магния (MgF₂).

Фемтосекундный лазер может быть использован для получения волнообразной поверхности в микруструктуре решетки и позволяет создать спектральные цвета, которые затем могут быть смешаны. Для регулируемого создания различных интервалов волнообразных поверхностей, посредством которых получают желаемую постоянную решетки для создания соответствующего спектрального цвета, плоскость подложки наклонена на определенный угол по отношению к лазерному лучу в течение формирования волнообразной поверхности.

Поскольку, как упомянуто выше, сетчатка глаза человека воспринимает лишь область 200 мкм × 200 мкм, то максимальная длина стороны квадрата цветного пикселя должна иметь значение не менее, чем 200 мкм, деленное на 3 (66,67 мкм). Таким образом, чтобы получить смешанный цвет, область 200 мкм × 200 мкм должна содержать, по крайней мере 9 квадратных цветных пикселей основного цвета - красного, зеленого и голубого, причем каждый пиксель по существу содержит отдельный спектральный цвет, являющийся одним из основных. Следовательно, в отношении длины стороны цветного пикселя 33,33 мкм, область 81 согласно фиг.8, содержит в сумме 36 квадратных цветных пикселя 82, 83, 84 - красного, зеленого и голубого цвета соответственно.

Такой порядок параметров обеспечивает новый класс признаков аутентификации, где в какой-либо конкретной области, например один или несколько цветных пикселей различного цвета, чередуются, что является незаметным для сетчатки человеческого глаза за исключением обнаружения такого чередования посредством настроенного спектрометра.

Ниже указан типичный расчет микроструктуры решетки в соответствии с областью 81, показанной на фиг.8. Для длины стороны квадрата цветного пикселя (33,33 мкм) при перпендикулярном падении света и угле дифракции, равным 30° (угол обзора α_m для красного, зеленого и голубого цвета с рассчитанными значениями периода решетки - g_красн=1.26 мкм, g_зелен=1.06 мкм, g_голуб=0.86 мкм) квадрат красного пикселя содержит 29 периодов дифракционной решетки, квадрат зеленого пикселя содержит 38 периодов дифракционной решетки и квадрат синего пикселя содержит 47 периодов дифракционной решетки.

Интенсивность дифракции цветного пикселя - это функция количества периодов решетки, т.е. функция суммарной длины канавок решетки в цветном пикселе и длины волны основного цвета. Контроль интенсивности достигается только за счет размера площади поверхности или количества отдельных основных цветовых пикселей соответственно. В связи с чем различные факторы должны приниматься во внимание (например, источник света), т.е., например, солнечный свет утром или вечером, лампы дневного освещения, лампочки и т.д., которые имеют различные характеристики интенсивности в диапазоне исходящих длин волн, и, следовательно, имеют различное влияние на интенсивность каждого цвета спектра. Кроме того, должна учитываться спектральная чувствительность человеческого глаза в отношении дневного зрения. В соответствии с расчетами, основанными на цветовом атласе по стандарту DIN 5033, белый цвет получают, например, из вышеупомянутых цветов спектра - красного, зеленого и синего, полученных посредством дифракции на решетке в направлении наблюдения со следующей структурой пикселей, когда площадь 200 мкм × 200 мкм состоит из 36 цветных пикселей, причем площадь поверхности одного пикселя 33.33 мкм × 33.33 мкм состоит из: 14 красных цветовых пикселей 82, 10 зеленых цветовых пикселей 83, и 12 синих цветовых пикселей 84. На основании вышеуказанного расчета розовый цвет получают посредством следующей структуры пикселей: 21 красный пиксель 82, 7 зеленых пикселей 83 и 8 синих пикселей 84.

Упоминание о разрешающей способности человеческого глаза не означает, что получаемые спектральные и смешанные цвета не пригодны для машинного считывания, а также их анализа. Особенно в случае признаков аутентификации, которые, как правило, должны сводиться к минимуму, машинное считывание является особенно приемлемым.

При заданном угле падения света, или диффузного излучения, период дифракционной решетки и направление дифракционной решетки в площади цветного пикселя определяют направление дифракции спектральных цветов и, таким образом, определяют угол обзора и азимутального направления обзора основных цветов в отношении отдельного цветного пикселя. В связи с чем выбирают различные периоды решеток для отдельных длин волн смешанного цвета, а дифракционные решетки выравнивают таким образом, чтобы угол дифракции и направление дифракции, по крайней мере, для одного порядка дифракции, были одинаковыми для каждой длины волны смешанного цвета в целях достижения эффективного смешивания цвета в отношении, по крайней мере, одного угла обзора, по крайней мере, в одном азимутальном направлении.

Согласно фиг.3 угол α_B концентрирующей дифракционной решетки 77 является углом наклона канавок дифракционной решетки (угол блеска), а угол дифракции α_m - это угол между нормалью решетки GN и направлением дифракции интенсивности максимума дифрагированной монохроматической части луча gs соответствующего порядка дифракции z. Таким образом, на фиг.3 показан угол обзора α_m и направление обзора gS для вышеуказанной части луча при заранее определенном угле падения α_е.

Угол дифракции α_m определяется длиной волны падающего света, углом падения α_е и периодом решетки g. Термин «азимутальное направление обзора» аВ дифрагированного монохроматического луча относится к направлению, происходящему из нормали решетки GN, пересекающему линию плоскости, образованной нормалью решетки и направлением дифракции gS с плоскостью решетки GE, и характеризуется азимутальным углом α_z, см. также фиг.7. На фиг.7 sB иллюстрирует направление обзора дифрагированного луча.

Таким образом, угол обзора смешанного цвета дополнительно зависит от соответствующих периодов дифракционной решетки различных цветовых пикселей, а направление микроструктуры дифракционной решетки определяет направление обзора, т.е. в различных площадях цветовых пикселей для создания смешанного цвета необходимы канавки GF дифракционной решетки. Создание смешанного цвета должно выполняться в области, которая является невидимой для человеческого глаза - не более, чем 200 мкм × 200 мкм, и формируется путем наличия надлежащего количества различных площадей цветовых пикселей.

Наблюдение в нескольких направлениях может быть осуществлено, если канавки GF решетки цветных пикселей имеют несколько азимутальных направлений - например, если микроструктура решетки в одной половине пикселей основного цвета, содержащегося в микроскопической подобласти, направлена перпендикулярно по отношению к микроструктуре в соседней половине пикселей. Кроме того, на фиг.8 показано два азимутальных направления обзора аВ, перпендикулярных друг другу, в частности, при воздействии диффузным белым светом на микроструктуру решетки. Однако, для этого половины от суммарного количества цветных пикселей внутри микроскопической подобласти должно быть достаточно для получения смешанного цвета. Несмотря на вышеизложенное, в данном случае смешанный цвет будет восприниматься со сниженной интенсивностью в каждом из двух азимутальных направлений обзора.

Кроме того, таким способом можно наблюдать три азимутальных направления, отстоящих друг от друга на 120°. Согласно фиг.6 с помощью решеток с колонками 80, т.е. посредством колонок Р в форме приподнятостей или комплементарных углублений с различной формой поперечного сечения (например, окружности, треугольника, прямоугольника, шестиугольника) и различных размеров, можно наблюдать множество азимутальных направлений обзора. Например, треугольная колонка или углубление образует три азимутальных направления обзора аВ, которые отстоят друг от друга на 2/3π=120°.

В случае, если для основных цветов выбран разный размер пикселей, то длина стороны большего пикселя должна быть кратна длине стороны меньшего пикселя, так чтобы микроскопическая подобласть была полностью заполнена цветными пикселями для достижения максимально возможной интенсивности смешанного цвета. Уменьшение интенсивности, т.е. эффект затемнения, может быть достигнут за счет вставки площади пикселей в микроскопическую подобласть, которая, например, не структурирована в отношении подложки из слоя аморфного углерода (ta-C) или имеет микроструктуру, которая поглощает свет длин волн либо рассеивает его в различных направлениях. Для управления интенсивностью основных цветов в целях получения смешанных цветов, за исключением количества и площади поверхности цветовых пикселей, выбора порядка дифракции пикселей в направлении обзора, в пикселях основных цветов микроскопической подобласти могут быть использованы различные типы дифракционных решеток, т.к, например, посредством концентрирующих дифракционных решеток получают большую интенсивность, чем с помощью решетки с канавками или с ребрами.

Согласно изобретению массивы дифракционной решетки применимы к поверхностям твердых тел, таких как металлы, металлические сплавы, стекло, синтетические материалы с твердыми поверхностями, а также слоем аморфного углерода (ta-C), или к иным твердым материалам - твердым сплавам, и карбидам - карбид вольфрама или карбид бора. Более конкретно, массивы дифракционных решеток могут быть применимы к износостойким твердым материалам, например, гравировальным инструментам в целях нанесения признаков аутентификации, цветных изображений или знака с цветовым эффектом на фольгу для упаковки. Причем очевидно, что катод микроструктуры дифракционной решетки на гравировальном инструменте должен быть спроектирован с таким поперечным сечением и размерами микроструктуры, чтобы, исходя из свойств материала, который подлежит гравированию, и из параметров процесса гравирования, гравируемый анод обеспечивал бы оптимальный рисунок для предполагаемого дифракционного оптического эффекта.

Первая лазерная установка L1 с устройством замены диафрагмы и маски позволяет располагать любую желаемую маску и диафрагму на пути луча эксимерного лазера, что обеспечивает большой выбор не только в отношении различных микроструктур дифракционных решеток с различными постоянными решетки, но также и в отношении большого количества возможных конструкций внешнего контура микроструктуры дифракционной решетки. Таким образом, возможно разработать форму структурных элементов области, сформированной из множества микроскопических подобластей в виде: квадратов, прямоугольников, треугольников, параллелограммов, шестиугольников и т.д. или, возможно, окружностей. В данной области возможно наличие большого количествоа микроструктур дифракционной решетки для получения различных цветов и смешанного цвета. В некоторых случаях также возможно создать, например, появляющуюся трехмерную структуру куба, состоящего из трех параллелограммов или звезд с множеством лучей.

Кроме того, две лазерные установки позволяют наложить друг на друга разнообразные микроструктуры решеток. Например, получить конкретную микроструктуру решетки и поверхностные элементы, расположенные в изображении, с помощью эксимерного лазера, на которых располагают волнообразную микроструктуру посредством фемтосекундного лазера с целью создания иной комбинации цвета со смешанным цветом, которая может, в частности, также использоваться для признаков аутентификации. Также могут быть получены различные углы обзора, непрерывное или ступенчатое изменение цвета, или появление либо исчезновение цветовых узоров или цветных изображений при наклоне или повороте дифракционной решетки путем скачкообразного изменения периода решетки или путем изменения направления канавок дифракционной решетки.

Согласно одному из вариантов изобретения, концентрирующие решетки расположены в виде массива дифракционной решетки, причем период решетки g варьируется от 0,5 до 5 мкм, и причем концентрирующая решетка является линейной или кольцевой.

Согласно одному из вариантов изобретения, несколько подобластей применяют для поверхности твердых тел и располагают рядом для формирования знаков, изображений, логотипов или признаков аутенификации.

Согласно одному из вариантов изобретения, между первой лазерной установкой и фокусирующей оптикой, расположены, по крайней мере, одна комбинация маски и диафрагмы, причем комбинации маски и диафрагмы установлены во вращающем и поворотном устройстве замены, причем устройство замены приспособлено для размещения в нем независимо друг от друга маски и диафрагмы на пути луча лазера, причем маска и диафрагма установлены в держателях в течение линейного или вращательного перемещения и вращения вокруг собственной оси.

Согласно одному из вариантов изобретения, упаковочную пленку подвергают санитарной обработке в местах, где предусмотрены оптически эффективные дифракционные области, признаки аутентификации, и/или логотипы.

Наконец отметим, что используемые в настоящей заявке термины «волнообразная микроструктура» и «рельеф поверхности, возникающий под действием лазерного излучения» следует рассматривать как эквивалентные друг другу.

Изобретение относится к области лазерной обработки материалов и касается способа и устройства для изготовления масок и диафрагм лазерной установки для создания микроструктур на поверхности твердого тела. Способ включает в себя формирование на поверхности маски промежутков, которые рассеивают лазерное излучение. Рассеивающие лазерное излучение промежутки маски модифицируются за счет изменения плотности материала, структуры и показателя преломления. Модификация осуществляется посредством луча фемтосекундного или пикосекундного лазера или лазера на молекулах фтора. Модифицированные промежутки маски обеспечивают сильное рассеивание падающего луча лазера и действуют как непрозрачная поверхность для падающего луча лазера во время создания микроструктур на поверхности твердого тела. Технический результат заключается в повышении износостойкости масок и повышении точности изготовления. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ изготовления маски или диафрагмы лазерной установки для создания микроструктур на поверхности твердого тела, в которой промежутки маски или диафрагмы, являющиеся непрозрачными для лазерного луча, рассеивают лазерное излучение, отличающийся тем, что промежутки, рассеивающие лазерное излучение, модифицируются за счет изменения плотности материала, структуры и показателя преломления посредством луча с соответствующей плотностью потока от фемтосекундного или пикосекундного лазера или лазера на молекулах фтора, вследствие чего указанные промежутки сильно рассеивают падающий луч лазера и действуют как непрозрачная поверхность для падающего луча лазера во время создания микроструктур на поверхности твердого тела.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что маска или диафрагма содержит подложку, которая выполнена из кварцевого стекла SiO₂, или сапфира Al₂O₃, или фторида кальция CaF₂, или фторида магния MgF_2.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что фемтосекундный лазер имеет среднюю длину волны 775 нм или длину волны, соответствующую удвоению или утроению частоты, а длина волны лазера на молекулах фтора равна 157 нм.

4. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что получают маску (78), имеющую ряд прозрачных треугольников, или маску (79), имеющую ряд полос ступенчатой прозрачности.

5. Устройство для осуществления способа изготовления маски и диафрагмы по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, что оно содержит лазерную установку, использующую луч фемтосекундного, пикосекундного лазера или лазера на молекулах фтора для модификации областей поверхности маски или диафрагмы путем изменения плотности материала, микроструктуры и показателя преломления указанных областей поверхности таким образом, что эти области сильно рассеивают падающий луч лазера, причем устройство также содержит сканирующее средство, выполненное с возможностью сканирования импульсами сфокусированного лазера поверхности маски или диафрагмы с образованием на них указанных непрозрачных областей.