DE2602330A1

DE2602330A1 - Gravurverfahren und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2602330A1
Application number: DE19762602330
Authority: DE
Inventors: Brian Leonard Dalton
Original assignee: Crosfield Electronics Ltd
Current assignee: Crosfield Electronics Ltd
Priority date: 1975-01-22
Filing date: 1976-01-22
Publication date: 1976-07-29
Also published as: JPS5198501A; US4015221A

Description

Gravurverfahren und Vorrichtung zur Durchführung des

Verfahrens

Beim Tiefdruck wird die Druckfarbe auf eine druckende Fläche aufgebracht, die mit Zellen in Form von Vertiefungen versehen ist, um die Druckfarbe zu halten, überschüssige Tinte wird von den Stegen zwischen den Zellen entfernt und die Druckform wird danach in Berührung mit einem zu bedruckenden Blatt gebracht, wodurch die Druckfarbe aus den Zellen auf das Blatt übertragen wird.

; Die Anmelderin hat bereits ein Verfahren für die Gravur einer Tiefdruckformfläche vorgeschlagen,bei dem die Oberfläche eines Zylinders, der aus Metall bestehen kann, mit Zellen versehen worden ist, die die erforderliche maximale Drucktiefe aufweisen und mit einem Material aufgefüllt sind, das durch einen abtastenden ; Laserstrahl wesentlich leichter zersetzt oder abgedampft werden kann als das Material des Zylinderkörpers. Um den Zylinder zu j gravieren, wird dieser mit einem Laserstrahl abgetastet, dessen

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Energie in Übereinstimmung mit der Vorlage moduliert ist, die graviert werden soll; die Intensität des Strahles und seine Abtastgeschwindigkeit werden so eingestellt, daß die Stege der Zellen
(die aus dem Material des Zylinderkörpers bestehen) unbeeinflußt
bleiben, das Füllmaterial in den Zellen jedoch bis zu einer Tiefe, die von der Strahlenergie des Abtastfleckes, der auf das Füllma-

abhängig ist,
terial auffällt,/zersetzt oder abgedampft wird. Der Laserstrahl

muß bei diesem Verfahren nicht in Abhängigkeit von dem
Zellenmuster moduliert werden, sondern nur in Abhängigkeit von
dem Bildinhalt der Vorlage.

Die vorliegende Erfindung kann nicht nur auf ein solches Verfahren angewendet werden, sondern auch auf ein Verfahren, bei dem
der Laserstrahl ein Näpfchen in einer geeigneten Druckfläche aushebt.

Ein Problem, das bei der Lasergravur von Tiefdruckzylindern zu
verzeichnen ist, ist das Auftreten eines Moire-Musters auf dem
Zylinder, welches durch Variation in der Weite des Bildfleckes
hervorgerufen wird. Das Problem stellt sich auch als Farbverschiebung in Spitzlichtbereichen dar, in denen schmale, unterschiedlich; gefärbte Gravierlinien aufeinander fallen oder einander verfehlen,j

I wenn die zu bedruckende Papierbahn durch die Druckmaschine geführt!

[ wird.

Die Änderung der Weite rührt von der Gauß¹sehen Intensitätsver- ; teilung über den Laserstrahl und von der Schwellenleistung herj,

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die an der Fläche für das Ausheben von Material aus der Fläche erforderlich ist. Daher ist in der Fig. 1 der beigefügten Zeichnung

I die Intensitätsverteilung über den Strahlquerschnitt für einen Strahl hoher Leistung, einen Strahl mittlerer Leistung und einen

j Strahl niederer Leistung dargestellt. Die Abtragsschwelle für

■ Kunststoffmaterial ist durch eine gestrichelte Linie dargestellt.

Es ist ersichtlich, daß eine mittelmäßige Verringerung in der Am-

; plitude nur zu einer kleinen Änderung in der effektiven Strahlibreite führt, d.h. in der Strahlbreite, über die die Intensität : oberhalb der Abtragsschwelle liegt; es ist jedoch ersichtlich, daß die effektive Breite des Strahles wesentlich schneller abnimmt, wenn die Strahlleistung weiter abgeschwächt wird. Wenn j angenommen wird, daß aufeinanderfolgende Abtastlinien so angeordnet ' sind, daß sie bei Punkten halber Leistung einander überlappen, !wie dies in der Fig. 2 dargestellt ist, werden zwischen den Linien Lücken erscheinen, wenn die Amplitude verringert wird, und diese werden sich in dem Druckprodukt als Dichtevariation darstellen, i Die Dichtevariation kann mit dem Zellenmuster eine "Schwebung" aufweisen und es kommt dadurch zur Ausbildung eines Moire-Musters.) Weiterhin lassen die Bereichsvariationen beim Druck einer Farbe weiß·· Papier frei, das durch die nachfolgenden Farben überdeckt oder nicht überdeckt werden kann; dies führt zu Änderungen in der Farbe zwischen verschiedenen Druckprodukten, die nur von sehr kleinen Schwankungen in der Papierposition auf der Druckmaschine abhängen.

Wie in der Fig. 3 dargestellt ist, kann die Variation der Weite

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der ausgehobenen Zelle oder dem Näpfchen überwunden werden, indem die Laserstrahlbreite an der Stelle, an der der Strahl auf die zu bearbeitende Fläche auffällt, variiert wird, so daß Strahlen niedriger Leistung eine größere Breite aufweisen als Strahlen höherer Leistung, wobei alle Strahlen dieselbe Breite an der Abtragsschwelle aufweisen. Jedoch ist das Erreichen dieses Zieles durch Änderung der Breite des erzeugten Laserstrahles mit der er- ; forderlichen Strahlintensität sehr schwierig und die vorliegende Erfindung sucht das angestrebte Ziel im wesentlichen durch einen anderen Weg zu erreichen.

Daher bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren für Materialabtrag von einer zu gravierenden Fläche durch einen auf die Fläche gerichteten modulierten Laserstrahl, wobei Material von der Fläche an solchen Punkten bis zu einer von der Strahlintensität abhängigen Tiefe abgetragen wird, an denen die Strahlintensität oberhalb der AbtragsschwelIe liegt. Bei diesem Verfahren steuert ein Moduliersignal die Polarisationsrichtung eines Laserstrahles und der polarisierte Strahl wird durch einen Polarisations· [analysator auf eine Fokussierlinse geführt.

' I

; I

iErfindungsgemäß ist vorgesehen, daß ein Polarisationsanalysator

.mit einer mittigen öffnung verwendet wird, durch die ein mittiger ;Teil des Strahles unabhängig von seinem Polarisationszustand hin-

I durchtritt, wobei das Bereitstellen der mittigen öffnung die Weiten

Schwankungen der durch Laserstrahlen mit verschiedenen Modulations graden in der Oberfläche ausgehobenen Löchern oder Näpfchen redu-

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I j

! ziert, und daß die Strahlleistung und der Öffnungsdurchmesser in : Beziehung zu dem Material der Fläche so gewählt werden, daß der Leistungspegel auf der Fläche über die Gesamtheit des fokussierten Fleckes unter der AbtragsschwelIe liegt, wenn nur die mittige öff- : nung Strahlung auf die Fokussierlinse fallen läßt.

Weitere Unteransprüche richten sich auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und besondere Ausgestaltungen dieser Vorrichtung.

Die Erfindung soll nun anhand der beigefügten Figuren näher beschrieben werden:

Fig. 1 zeigt eine grafische Darstellung der über den

Querschnitt des Laserstrahles aufgetragenen

en
Laserleistung' und die AbtragsschwelIe für das

abzutragende Material,

: Fig. 2 zeigt die Überlappung zwischen aufeinanderfol-

; genden Abtastlinien des Strahles,

Fig. 3 zeigt das gewünschte Ergebnis,

j Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung, mit

! der das gewünschte Ergebnis im wesentlichen ^;

■ erreicht wird. *

Io ;

In der Fig. 4 ist ein COj-Laser/dargestellt, der mit zwei end- j ständigen Brewster-Fenstern 11 ausgerüstet ist. Der Laser Io j

-6 - J

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gibt einen Ausgangsstrahl kohärenter Infrarotstrahlung ab, die senkrecht zu der Ebene der Fenster polarisiert ist. Ein elektrooptischer Modulator 12, der vorzugsweise vom Galliumarsenid-Typ

einer Ebene

ist, empfängt das in / polarisierte Licht vom Laser Io. Alternativ kann auch ein elektrooptischer Modulator vom Cadmiumtellurid-Typ eingesetzt werden. Ein solcher Modulationskristall ist von bekannter Bauart und arbeitet so, daß bei nicht über eine Leitung 13 an den Modulator angelegter Mcdulierspannung der aus dem Modulator 13 austretende Strahl immer noch polarisiert ist; wenn eine Modulierspannung angelegt wird, wird der orthogonale Polarisationsvektor des kohärenten Lichtes fortschreitend bezüglich des Vektors in der ursprünglichen Polarisationsebene des Strahls vergrößert, so daß die Strahlpolarisation sukzessiv in eine elliptische Polarisation, danach in eine zirkuläre Polarisation danach in eine elliptische Polarisation, bei der die Haupt- und Nebenachsen im Vergleich zur ersten elliptischen Polarisation vertauscht SiHd₇UHd schließlich wieder in eine ebene Polarisation umgewandelt wird, bei der die Polarisationsebene orthogonal zur Anfangsrichtung der ebenen Polarisation liegt. Der aus dem Modu- j lator 12 austretende Strahl wird dann durch einen Laserverstärker · 14 geführt, dessen Aufgabe es ist, die Leistung des Laserstrahles zu erhöhen; der Grund für die Bereitstellung getrennter Laserelemente Io und 14 ist darin zu sehen, daß der elektrooptische Modulator auf einen Strahl relativ niedriger Leistung einwirken können 'soll. Der Laserverstärker 14 ist so ausgelegt, daß der aus ihm austretende Strahl im vorliegenden Beispiel ungefähr 3 cm Durchmesser aufweist.
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Der Strahl wird nun durch einen Polarisationsanalysator geführt, der aus zwei unter dem Brewster-Winkel angeordneten Polarisatoren 16 und 18 besteht, die aus Germanium hergestellt sind und von der sog. Transmissionsart sind. Im vorliegenden Fall sind jedoch die j Polarisatoren 16 und 18 jeweils mit einer mittigen öffnung 19 ver-

:sehen. Daher ist ersichtlich, daß der innere Teil des Laserstrahls

I stets ungehindert durch die öffnungen 19 auf eine Fokussierlinse ι
2o auftreffen kann. Der Transmissionsgrad des äußeren Teils des

1 Laserstrahles durch den Polarisationsanalysator hindurch hängt von dem Ausmaß ab, in dem die an den elektrooptischen Modulator 12 angelegte Modulierspannung die Polarisation des Strahles gej ändert hat. Der Strahl wird durch die Fokussierlinse 2o zu einem iFleck auf der Oberfläche eines Zylinders 22 fokussiert. Es kann gezeigt werden, daß der fokussierte Strahlungsfleck eines Laser-1 Strahles umgekehrt proportional zu dem effektiven Durchmesser der Linse ist, durch die der Strahl hindurchtritt. Daher ist der Radius des aus der Modulation, bei der nur die mittigen öffnungen ί den Strahl durchlassen, resultierenden fokussierten Flecks größer als der Radius des fokussierten Flecks, der sich bei einer Modulation ergibt, bei der der gesamte Strahl im wesentlichen ohne Abschwächung durch den Polarisationsanalysator hindurchtritt.

Bei Fehlen der mittigen öffnungen in den Brewsterwinkel-Polarisatoren würden bei Null-Modulation die Polarisatoren alle Strahlung zurückweisen, wenn sie vollkommen wären, so daß keine Strahlung die Linse erreichen würde. Bei voller Modulation würden die Polariaatoren als klarer Fenster wirken, die alle Strahlung zu der

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Linse hindurchlassen. Für Modulationszwischenwerte würde das von

den Polarisatoren aufgebaute "Fenster" wenigerfklar sein und daher j , würden die Kurven der Laserleistung über dem Strahlquerschnitt \ hinter dem Polarisationsanalysator den Kurven der Fig. 1 gleichen j und die Breite des Teils des Strahles, bei dem die Laserleistung ■ oberhalb der AbtragsschwelIe liegt, würde sich in großem Maße mit dem Modulationsgrad des Strahles ändern. j

Indem nun aber die Brewsterwinkel-Polarisatoren (man könnte sie auch Analysatoren nennen) mit mittigen öffnungen versehen werden, lassen die Polarisatoren den mittigen Teil des Strahles hindurch, und zwar unabhängig von dem Polarisationsgrad. Dies beeinflußt den Null-Modulationszustand auf der Zylinderoberfläche nicht, da der enge Strahl, der auf die Linse auftrifft, zu einem größeren Fleck fokussiert wird als dies bei dem der vollen Modulation entsprechenden weiten Strahl der Fall ist, und der sich ergebende Leistungspegel in diesem breiteren Fleck liegt unter der Abtragsschwelle. Für Zwischenwerte hält die durch die mittigen öffnungen hindurchtretende Strahlung in der Tat einen "Leistungssockel"

j für die Kurven in dem Diagramm gemäß Fig. 1 bereit, der die Kurvet

j effektiv relativ zu der horizontalen Abtragsschwelle anhebt, so daß auf jeder Seite der vertikalen Mittellinie der Kurven die Punkte,an denen die Kurven hoher und mittlerer Leistung die Linie der Abtragsschwelle schneiden, sich jeweils zu dem Punkt hinbewegen, an dem die Kurve hoher Leistung diese Schwelle schneidet. Die Art und Heise, in der die Strahlungsintensität sich über dem Querschnitt des fokussierten Strahles ändert, ist etwas komplex

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wegen des Vorhandenseins der Seitenlappen einer voll entwickelten Gauß¹sehen Kurve, und wegen auftretender Brechungseffekte; die Variation der Strahlungsintensität über dem Querschnitt des fokussierten Strahles ist aber auch deshalb komplex, weil<im allgemeinen die durch die mittigen öffnungen hindurchtretende Strahlung einen Polarisationsvektor aufweist, der in der Strahlung nicht vorhanden ist, die durch den die mittigen öffnungen umgebenden Analysierring nicht vorhanden ist. Die Leistungsvariation ist daher etwas schwierig darzustellen, aber die Wirkung liegt in der Reduzierung der auf der Werkstückoberfläche zu verzeichnenden Unterschiede in den Breiten derjenigen Teile der Strahlquerschnitte für verschiedene Modulation, bei denen die Leistung oberhalb der AbtragsschwelIe liegt.

Obwohl der Einsatz von Brewsterwinkel-Polarisatoren in dem vor- : stehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel dargestellt ist, können natürlich auch andere Polarisatorarten eingesetzt werden; z.B. können auch Gitterpolarisatoren eingesetzt werden. Obwohl die vorliegende Beschreibung die Bereitstellung von Druckfarbe aufnehmenden Zellen in der Gravurdruckform beschrieben hat, kann die Erfindung natürlich auch in gleicher Weise bei einer Gravurdruckform verwendet werden, in der die die Druckfarbe auf- j

nehmenden Ausnehmungen Näpfchen (grooves) sind. Die Erfindung er-j j möglicht es, daß die Tiefe der Näpfchen als Funktion der Modulation ι der Strahlleistungsamplitude variiert werden kann, während die ! Weite der Näpfchen im wesentlichen konstant bleibt. Auch hier ist die Druckform typischerweise ein Zylinder mit einer Metallbasis

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und einem Kunststoffüberzug und der Laserstrahl hebt Material aus dem Kunststoffüberzug ab.

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Claims

Patentansprüche

Verfahren für Materialabtrag von einer zu gravierenden Fläche durch einen auf die Fläche gerichteten modulierten Laserstrahl, wobei Material von der Fläche an solchen Punkten bis zu einer von der Strahlintensität abhängigen Tiefe abgetragen wird, an denen die Strahlintensität oberhalb der Abtragsschwelle liegt, bei dem ein Moduliersignal die Polarisationsrichtung eines Laserstrahles steuert und der polarisierte Strahl durch einen Polarisationsanalysator auf eine Fokussierlinse geführt ι wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Polarisationsanalysator mit einer mittigen öffnung verwendet wird, durch die ein mittiger Teil des Strahls unabhängig von seinem Polarisationszustand hindurchtritt, wobei das Bereitstellen der mittigen öffnung die Weitenschwankungen der durch Laserstrahlen mit verschiede- \ nen Modulationsgraden in der Oberfläche ausgehobenen Löcher I oder Näpfchen reduziert, und daß die Strahlleistung und der Öffnungsdurchmesser in Beziehung zu dem Material der Fläche so gewählt werden, daß der Leistungspegel auf der Fläche über die Gesamtheit des fokussierten Fleckes unter der Abtragsschwel Ie liegt, wenn nur die raittige öffnung Strahlung auf die Fo- . kussierlinse fallen läßt.
2. Vofrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Laser und einer Polarisationseinrichtung zur Erzeugung eines polarisierten kohärenten Lichtstrahles für das

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Ausheben von Material aus der Fläche mit einer von der Strahl-

intensität auf der Oberfläche abhängigen Tiefe, einem Polari- i

I sationsmodulator für die Modulierung der Polarisation des j

■ Strahles kohärenter Strahlung und mit einem Polarisationsana- \ lysiersystem, durch das hindurch der modulierte Strahl auf eine Fokussierlinse für die Fokussierung des Laserstrahles auf die Oberfläche gelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Polarisationsanalysiersystem (16,18) mit einer mittigen öffnung (19,19) versehen ist, durch die ein mittiger Teil des Strahles unabhängig von seiner Polarisation hindurchtritt, wodurch auf der zu gravierenden Fläche die Breite des Teiles des Strahles, für den die Intensität oberhalb der Abtragssehwel Ie liegt, unabhängig von der Strahlmodulation im wesentlichen konstant haltbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Polarisationsanalysiersystem mindestens einen Brewsterwinkel-Polarisator aufweist.

j
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Polarisationsanalysiersystem zwei oder mehrere Brewsterwin-

(16,18)
kel-Polarisatoren/aufweist, die in Abstand voneinander längs

des optischen Pfades angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Polarisationsmodulator (12) ein Modulator

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mit Galliumarsenid-Kristall ist.

;
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekenn-

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zeichnet, daß der Modulator/zwischen einem die Lichtquelle bildenden Laser (lo) und einem Laserverstärker (14) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der die Lichtquelle bildende Laser (lo) mit unter dem Brewsterwinkel angeordneten Fenstern (11) versehen ist.

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