DK160167B - Fremgangsmaade og apparat til fremstilling af et makroskopoisk flademoenster med en mikroskopisk struktur, isaer en diffraktionsoptisk virksom struktur. - Google Patents

Description

1 DK 160167 B

Opfindelsen angår en fremgangsmåde til fremstilling af et makroskopisk flademønster med en mikroskopisk struktur af den i krav Γ$ indledning angivne art. Opfindelsen angår desuden et apparat til gennemførelse af fremgangsmåden.

5 Sådanne flademønstre tjener f.eks. som et diffraktionsoptisk sikkerhedselement på et dokument (EP-A-0 105 099). De kan være udformede som geometriske figurer, tal, bogstaver, ornamenter, guillocheringer osv. og kan være sammensat ved sammenkædning af et stort antal diffraktionsoptiske elementer. Denne syntese kan real i-10 seres ved, at diffraktionsoptiske strukturer fremstilles ved inter-ferometrisk overlejring af kohærente lysstråler med forskellige indfaldsvinkler, der fotolitografisk omsættes til et overflademi-kroprofil (EP-A-0 105 099), hvorunder der til geometrisk begrænsning af de felter, der skal belyses, kan anvendes forfabrikerede optiske 15 masker. Dersom flademønsteret, der skal fremstilles, og dets mikroskopiske struktur overskrider en bestemt grad af grafisk og strukturel kompleksitet, viser masketeknikken sig at være prohibitiv kostbar. Endvidere kan diffraktionsoptiske strukturelementer med asymmetrisk profil, f.eks. specielle savtandprofiler, ikke frem-20 stilles ved den nævnte interferometriske metode.

Det er kendt at fremstille diffraktionsoptisk virksomme strukturer, såsom fasediffraktionsgitre, fasehologrammer og lignende ved prægning i et termoplastisk substrat ved hjælp af en prægematrice under anvendelse af tryk og varme (CH-PS 594 495). Op-25 bygningen af et flademønster med diffraktionsoptisk virksom struktur ville derfor også kunne ske ved, at man ved gentagne prægninger i et termoplastisk substrat samler talrige fasediffraktionselementer med hinanden. Denne metode fører imidlertid til utilfredsstillende resultater, dels fordi der ved prægekanterne mellem den opvarmede 30 trykzone og den uopvarmede trykløse flade uden for prægeområdet opstår forstyrrende vulster, og dels fordi de forskellige prægezoner ikke kan lægges sømløst mod hinanden, idet kantzonen af en tilstødende gammel prægning nødvendigvis udslettes ved kanten af en ny prægning på grund af metal prægematricers store termiske masse.

35 Fra CH-PS 594 495 er det også kendt at forme valgbare områder af en prægematrice med en mikrostruktur, ved at prægematricen kun opvarmes lokalt eller kun lokalt trykkes mod det termoplasti ske substrat. Derved fås imidlertid ingen skarpt definerede grænser mellem prægede og ikke-prægede partier.

2 DK Ί60167Β

Formålet med opfindelsen er at angive en fremgangsmåde af den i krav l's indledning angivne art samt et apparat, hvormed det er muligt ved afformning af udvalgte fladeområder af en prægematrice, der har en mikrostruktur på økonomisk måde at tilvejebringe et 5 flademønster med en mikroskopisk struktur, ved hvilket prægekanterne er skarpt begrænsede, og som ikke har forstyrrende vulster.

Fremgangsmåden ifølge opfindelsen er kendetegnet i krav 1, og apparatet ifølge opfindelsen til gennemførelse af fremgangsmåden er kendetegnet i krav 8. Fordelagtige videreudformninger er angivet 10 i under kravene.

I det følgende forklares udførelseseksempler på opfindelsen nærmere under henvisning til tegningen. På tegningen viser.

Fig. 1 en principskitse af et apparat ifølge opfindelsen til fremstilling af et flademønster, 15 fig- 2-4 forskellige flademønstre, fig. 5 et stempel, og fig. 6 en principskitse af et apparat til afføling af et mønsterforbi11ede.

I tegningens ikke målestokstro fig. 1 betyder 1 en plan stiv 20 og optisk transparent trykplade. På denne er der på ikke nærmere vist måde fastgjort et optisk transparent substrat 2. Den bort fra trykpladen 1 vendende overflade af substratet 2 er belagt med et tyndt lag 3 af et termoplastisk strålingsabsorberende materiale, i hvilket der skal præges et makroskopisk flademønster med en mikro-25 skopisk struktur, fortrinsvis en diffraktionsoptisk virksom struktur. Laget 3 kan f.eks. bestå af en sort eller farvet formstoffol ie.

Det kan også dannes ved farvning af overfladen af substratet 2, f.eks. ved hjælp af kolloidt kulstof i en kunststofopløsning. Dets typiske tykkelse er 0,1-10 jum.

30 Ud for det termoplasti ske lag 3 er der anbragt en uopvarmet prægematrice 4 med en mikrostruktur, der skal afformes zonevis og f.eks. består af en nikkellegering og fordelagtigt er så fleksibel, at der ved hjælp af et stempel 5 kan fremstilles et flademæssigt snævert begrænset prægetryk mellem prægematricen 4 og det termo-35 plastiske lag 3. Den typiske tykkelse af prægematricen er 100 μια. Stemplet 5 har fordelagtigt en konveks overflade med en typisk krumningsradius på ca. 7 mm. Ved hjælp af et trykapparat 6 trykkes stemplet 5 mod prægematricen 4 og trykker denne i en lille kontaktzone 7, hvis typiske diameter er 3 mm, mod det termoplasti ske lag 3.

DK 160167 B

3

En i fig. 1 skematisk antydet matriceholder 8 fastholder prægematricen 4 på en sådan måde, at denne kun ligger an mod det termo-pl asti ske lag 3 i selve kontaktzonen 7 men ellers har en lille afstand fra det termoplasti ske lag. Matriceholderen 8 er fordelag-5 tigt udført på en sådan måde, at prægematricen 4 med få enkle håndgreb eller endog maskinelt kan drejes eller udskiftes med en anden prægematrice med anden mikrostruktur, når trykapparatet 6 befinder sig i hvilestilling.

På den bort fra prægematricen 4 vendende side af trykpladen 10 1 er der fordelagtigt anbragt en af en laser 9, en optisk modulator 10 og et linsesystem 11 bestående strålekilde 12, der fokuserer en samlet varme- eller lysstråle 13 i en brændplet 14 i det termopla-stiske lag 3 og tilnærmelsesvis i centrum af kontaktzonen 7. Ved absorption af den direkte indfaldende stråle 13 og den mod prægema-15 tri een 4 reflekterede stråle opvarmes laget 3 i brændpletten 14's område. Den typiske diameter af brændpletten 14 er mindre end 100 pi. Ved hjælp af modul atoren 10 kan varme-eller lysstrålen 13's energi styres, eller lysstrålen 13 tændes og slukkes.

Trykapparatet 6 tillader en forskydning af stemplet 5 i 20 z-aksen, der ligger vinkelret på overfladen af delene 1-4. Appara-tets beskrevne konstruktionsdele er monterede på en ikke-vist grundplade på en sådan måde, at trykpladen 1, substratet 2 med det termoplasti ske lag 3 og prægematricen 4 kontinuerligt eller trinvis kan forskydes i forhold til brændpletten 14 og stemplet 5 både i 25 x-aksen og i y-aksen, d.v.s. i et med det termopl asti ske lag 3 parallelt plan. Hertil kan delene 1-4 være forskydelige, og delene 5 og 12 være stationære eller omvendt. Det er også muligt at anbringe delene 1-4 og 12 stationært og ved hjælp af et spejlsystem at lade strålen 12 følge bevægelsen af stemplet 5 i x-y-planet.

30 Prægetrykket indstilles ved hjælp af trykapparatet 6 på en sådan måde, at det termoplastiske lag 3 i dettes kolde tilstand kun elastisk deformerende tilpasser sig efter prægematricen 4's mikrostruktur i kontaktzonen 7 og ved prægetrykkets ophør atter afspænder sig til dets oprindelige, d.v.s. glatte tilstand. Dersom strålen 13 35 imidlertid tændes, samtidig med at prægetrykket udøves, opvarmes det strålingsabsorberende termoplasti ske lag 3 så meget over blødgø-ringstemperaturen i et tilnærmelsesvis punktformet fladeelement, der ligger i strålekilden 12's brændplet 14, at dette fladeelements overflade deformeres plastisk svarende til prægematricen 4's

„ DK 160167 B

4 mikrostruktur og den prægede struktur og bibeholder den prægede struktur efter afkøling, når prægetrykket ophører. Det ønskede flademønster sammensættes nu af flere sådanne fladeelementer.

Ved stationær skrivemåde tændes strålen 13 kun kortfristet.

5 Derefter afkøles det opvarmede volumen af det termoplasti ske lag 3 hurtigt ved varmeafgivelse til prægematricen 4 og stemplet 5 samt til laget 3 henholdsvis substratet 2. Trykapparatet 6 bringer stemplet 5 i hvilestilling og adskiller derved prægematricen 4 fra det termoplastiske lag. I brændpletten 14's område bibeholdes den 10 prægede struktur. Derefter gentages denne prægeproces successivt, idet substratet 2 med dets termoplasti ske lag 3 mellem de enkelte prægninger og ved slukket strålekilde 12 og ophævet prægetryk forskydes et bestemt stykke i en bestemt retning i x-y-planet i forhold til brændpletten 14 og stemplet 5. Mellem de enkelte præg-15 ninger kan prægematricen 4 udskiftes eller drejes et bestemt stykke om x-aksen. Derved kan sammenhængende eller fra hinanden adskilte områder af laget 3 forsynes med ønskede mikroskopiske strukturer.

Ved dynamisk skrivemåde forskydes prægematricen 4 og substratet 2 med laget 3 ved tændt strålekilde 12 og arbejdende tryk-20 apparat 6 kontinuerligt med bestemt hastighed i forhold til brændpletten 14 og stemplet 5, således at sammenhængende båndformede fladeområder af prægematricen 4's mikrostruktur afformes. Også ved dynamisk skrivemåde kan der ved successiv afformning tilvejebringes ønskede flademønstre med mikroskopisk struktur.

25 De ved den beskrevne fremgangsmåde fremstillede makro skopiske flademønstre kan være geometriske figurer, tal, bogstaver, ornamenter, guillocheringer osv.,, hvis mikroskopiske struktur danner et eneste eller flere forskellige fasediffraktionsgitre, faseholo-grammér, kinoforms og lignende. Således er det f.eks. muligt på 30 økonomisk måde at fremstille et komplekst fletværk af sammenslyngede makroskopiske linier med diffraktionsoptisk virksom mikroskopisk struktur i det termoplasti ske lag, hvor de mikroskopiske strukturer ændres fra linie til linie eller endog langs en linie, f.eks. varierer kvasikontinuerligt, således at der for det menneskelige øje 35 opstår en virkning som farvet bevægede guillocheringsmønstre. Den beskrevne fremgangsmåde kan dog f.eks. også anvendes til fremstilling af finkonturerede mikrostrukturer, således som de f.eks. anvendes inden for den såkaldte integrerede optik.

Af det på det termoplasti ske lag 3 fremstillede flademønster

DK 160167 B

5 kan der ved kendte kemiske og galvaniske fremgangsmåder fremstilles et duplikat i form af en metal prægematrice, der anvendes til massereproduktion af flademønsteret i et konventionelt prægeapparat.

Fig. 2 viser som et enkelt eksempel på et ved den beskrevne 5 fremgangsmåde fremstillet flademønster et smalt bånd, der er fremstillet ved en eneste skrivebevægelse i y-aksen. Bredden af båndet er tilnærmelsesvis lig med eller lidt større end diameteren af brændpletten 14 og er f.eks. 50 μια. Båndets struktur danner f.eks. et lineært fasediffraktionsgitter med 10-2000 linier pr. mm.

10 Ved samling af flere sådanne bånd, som vist i fig. 3, kan der fremstilles flademønstre af ønsket størrelse, hvor de mikroskopiske strukturer af ved siden af hinanden beliggende bånd går sømløst over i hinanden. Dersom flere sådanne bånd anbringes ved siden af hinanden, uden at prægematricen 4 herunder bevæges i 15 forhold til laget 3, opstår der, som det ses i fig. 3, en mikroskopisk struktur, hvis strukturlinier sømløst forløber over flere bånd.

Som det ses i fig. 4 kan en fremstillet struktur overskrives påny. Derved slettes den gamle struktur, dersom strålens energi- tæthed er tilstrækkelig stor. Dette forenkler fremstillingen af 20 komplekse strukturer, idet de fladeområder, der ved en påfølgende anden skrivning skal udfyldes med en anden struktur, ikke skal lades være fri ved den første skrivning.

Ved nøjagtig dosering af strålen 13's energitæthed og skrivehastigheden er det imidlertid også muligt oven på den gamle 25 struktur at præge en ny struktur, uden at den gamle struktur slettes helt.

Fordelene ved opfindelsen ses let. Som allerede nævnt kan både meget små linie- eller punktformede flader og større sammenhængende fladedele forsynes med diffraktionsoptisk virksomme mikro-30 strukturer uden synlige sømlinier ved skrivninger tæt op mod hinanden eller delvis overskrivning. Strukturerne af sådanne flademønstres enkelte fladeelementer kan være identiske eller variere fra element til element. Der kan også afformes mi kroprofil er, der ikke kan fremstilles ved interferometriske metoder. Prægekanterne er 35 skarpt afgrænsede og har ingen forstyrrende vulster. Generelt er det ved den beskrevne fremgangsmåde for første gang muligt at fremstille fint konturerede mikrostrukturer uden at være bunde til stive maskesystemer og at automatisere forløbet af fremgangsmåden ved nummerisk programmering og styring.

DK 160167 B

e

Dersom prægetrykket ved hjælp af stemplet 5 udelukkende udøves i brændpletten 14's område, vil uønskede partielle koldde-f ormeri nger af laget 3 som følge af prægematricen 4's tryk under hele prægetiden være reduceret til det ubetinget nødvendige med 5 hensyn til varigheden og hyppigheden ved steder, hvor prægematricen 4's mikrostruktur ikke skal afformes. Endvidere lettes udskiftningen af matricen, og i sammenligning med trykudøvelsen over den fulde flade kan der anvendes væsentligt mindre prægekræfter, hvilket letter den mekaniske udførelse af apparatet.

10 I fig. 5 ses et stempel 5', der består af en kugleholder 15 og en kugle 16. Kuglen 16 ligger med lille spillerum i et cylindrisk rum 17 i kugleholderen 15. Det cylindriske rum 17's længdeakse falder sammen med x-aksen (fig. 1). En del af kuglen 16 rager ud af kugleholderen 15 og danner den konvekse overflade af stemplet 5'.

15 Rummet 17 er over en trykluftledning 18 og en magnetventil 19 forbundet med en som trykapparat 6' virkende trykluftkilde 20.

Luftovertrykket i rummet 17, der trykker kuglen 16 mod prægematricen 4 (fig. 1), kan afbrydes og atter oprettes ved hjælp af magnetventilen 19 og kan varieres fint inden for vide grænser, 20 hvilket muliggør en nøjagtig justering af prægetrykket. Den automatiserede afbrydelse af prægetrykket ved hjælp af magnetventilen 19 muliggør på enkel måde udskiftning, drejning eller forskydning af prægematricen 4. Luftlejringen af kuglen 16 ved dens sider sikrer en lille rullemodstand. Lækluften, der undviger mellem kuglen 16 og 25 kugleføringens cylindriske væg, giver en luftkøling af kuglen 16.

I fig. 6 betegner 21 et grafisk forbillede, hvis makrosko piske flademønster 22 aftastes ved hjælp af en optoelektronisk aftaster 23, og som et makroskopisk flademønster med mikroskopisk struktur gengives målestokstro på laget 3 (fig. 1). En forskyd-30 ningsenhed 24 fører den af en lyskilde, et linsesystem og en lysdetektor (ikke vist) bestående aftaster 23, f.eks. linie for linie hen over mønsterforbiIlede 21. Synkront hermed forskydes brændpletten 14 og stemplet 5 i forhold til laget 3 og prægematricen 4. På tegningen er dette vist i form af en pantograf 25's stangsystem, der bevæges 35 ved hjælp af forskydningsenheden 24 og herunder drejes om et fast drejepunkt 26. Aftasteren 23's elektriske udgang er over en forstærker 27 og en tærskel kontakt 28 forbundet med en styreindgang 29 til strålekilden 12's modulator 10.

Dersom mønsterforbillede 21's lokale reflektivitet

7 DK 160167 B

overskrider en forud fastsat værdi, åbnes modulatoren 10, således at prægematricen 4's mikrostruktur afformes på de korresponderende steder af laget 3. Ved en reflektion, som ligger under den forud fastsatte værdi, sker der derimod hverken en blivende overformning 5 af mikrostrukturen eller en slettelse af en eventuel tidligere præget struktur.

Modulatoren 10 kan også styres på en sådan måde, at der ikke sker en prægning ved større men derimod ved mindre reflektion af mønsterforbilledet. Endvidere kan modulatoren 10 betjenes gradueret 10 i stedet for binært, hvorved afhængigheden af strålen 13's energi af mønsterforbi11edet 21's reflektion kan være lineær eller ikke-line-ær. Den graduerede betjening af modulatoren 10 giver en modulering af bredden af de prægede fladeelementer.

15 20 25 30 35

Claims (10)

1. Fremgangsmåde til fremstilling af et makroskopisk flade- 5 mønster med en mikroskopisk struktur, især en diffraktionsoptisk virksom struktur ved afformning af udvalgte fladeområder af en prægematrice (14) med mikrostruktur i et termoplastisk lag (3), kendetegnet ved, at man ved hjælp af en strålekilde (12) opvarmer et i dennes brændplet (14) liggende tilnærmelsesvis punkt-10 formet fladeelement af det termoplasti ske lag (3), således at prægematricens (4) mikrostruktur kun i dette fladeelement afformes plastisk, og at flademønsteret sammensættes af flere sådanne fladeelementer.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, 15 at der kun i brændplettens (14) område udøves et prægetryk.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 2, kendetegnet ved, at prægetrykket udøves i brændplettens (14) område ved hjælp af et stempel (5,5') med konveks overflade.

4. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af kravene 1-3, 20 kendetegnet ved, at sammenhængende båndformede fladeområder af prægematricens (4) mikrostruktur afformes ved kontinuerlig forskydning af prægematricen (4) og det termoplasti ske lag (3) i forhold til brændpletten (14).

5. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af kravene 1-3, 25 kendetegnet ved, at det termopl asti ske lag (3) ved afbrudt strålekilde (12) og ophævet prægetryk forskydes trinvis i forhold til brændpletten (14).

6. Fremgangsmåde ifølge krav 5, kendetegnet ved, at prægematricen (4) drejes eller udskiftes ved forskydningen.

7. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af kravene 1-6, kendetegnet ved, at et mønsterforbillede (21) aftastes ved hjælp af en optoelektronisk aftaster (23), at prægematricen (4) og det termoplasti ske lag (3) synkront hermed forskydes i forhold til brændpletten (14), og at strålekilden (12) styres på en sådan måde i 35 afhængighed af aftasterens (23) udgangssignal, at prægematricens (4) mikrostruktur kun afformes ved korresponderende steder af laget (3), dersom mønsterforbilledets (21) lokale refleksibilitet overskrider en forud bestemt værdi.

8. Apparat til gennemførelse af fremgangsmåden ifølge et DK 160167 B hvilket som helst af kravene 1-7 med en plan stiv trykplade (1), et substrat (2) med et termoplastisk lag (3), en prægematrice (4) og et stempel (5,5'), kendetegnet ved, at trykpladen er transparent, at der ved den modsat stemplet (5) beliggende side af 5 trykpladen (1) er anbragt en strålekilde (12), hvis brændplet (14) opvarmer et tilnærmelsesvis punktformet fladeelement af det termo-plasti ske lag (3), at stemplet (5,5') har en konveks overflade og udelukkende i brændplettens (14) område fremstiller et prægetryk, og at prægematricen (4) og det termoplasti ske lag (3) er forskydelige i 10 forhold til brændpletten (14) og stemplet (5,5') i et med det termoplasti ske lag (3) parallelt plan.

9. Apparat ifølge krav 8, kendetegnet ved, at stemplet (5') består af en kugleholder (15) og en kugle (16), at kuglen (16) er anbragt i et cylindrisk rum (17) i kugleholderen 15 (15), og at det cylindriske rum (17) over en trykluftledning (18) er sluttet til en trykluftkilde (20).

10. Apparat ifølge krav 8 eller 9, kendetegnet ved, at det har en forskydningsenhed (24), der fører en optoelek-trisk aftaster (23) hen over et mønsterforbiIlede (21) og synkront 20 hermed forskyder prægematricen (4) og det termoplasti ske lag (3) i forhold til brændpletten (14) og stemplet (5,5'), og at aftasterens (23) elektriske udgang er forbundet med en styreindgang (29) til en modulator (10) for energien af den fra strålekilden (12) udgående stråle (13). 25 30 35