用于激光加工滾筒表面的方法和設備的制作方法

專利名稱：用于激光加工滾筒表面的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及通過激光燒蝕在圓柱形滾筒的表面上形成三維微觀結構陣列。
背景技術：
通過脈沖激光器燒蝕將微觀結構施加到圓柱形滾筒表面上的方法已經被眾所周 知多年。主要應用在于雕刻業和苯胺印刷業，在這里，激光被用來產生貯墨凹穴，從而滾筒 能夠直接或間接轉移圖像至平面紙或聚合物膜上。所采用的該技術伴隨著各種各樣激光器 被用于直接在金屬滾筒或覆有陶瓷、橡膠或聚合物層的滾筒中產生凹坑而得以良好發展。 US5327167描述了一種用于在印刷滾筒的表面上燒蝕出不同密度的凹穴的設備。所用的激光通常以直徑在10-100微米范圍的光斑聚焦到滾筒表面上，以便通過 直接激光燒蝕或通過薄掩膜燒蝕和隨后的化學蝕刻來產生穴坑。所用激光器的特性為它們 具有單模光束或低模光束，所述光束被聚焦至圓形光斑，該光斑具有高斯能量分布并且具 有所需直徑，并且該激光器發射出充足的單位脈沖能量，足以用單個脈沖燒蝕出穴坑，該激 光器以高重復頻率工作，從而它們能高速產生穴坑以便在合理時間內加工滾筒的大表面面 積。所形成的穴坑的直徑范圍從幾十微米至幾百微米，下限的設定依據貯墨能力，上限的設 定依據印刷要求的分辨率。最小尺寸的穴坑通過單位脈沖能量適度的單模激光器的獨立激 光照射來產生，而通常為六邊形的大穴坑通過制造許多彼此相鄰的小坑來產生。大的圓形 穴坑是由這樣的激光器以單個激光脈沖產生的，該激光器能以具有較高單位脈沖能量的多 個模式發射光束。US6462307公開一種在非圓形單個激光照射中產生穴坑的工藝。在此情況下，主 激光束被分為角度獨立的多個子光束，所述子光束的功率被單獨調節并且與在滾筒表面上 的位置中的小變化重新組合，以在滾筒表面上形成非圓形的、非高斯能量分布。對該多光 束輪廓調制技術的描述以及其它更標準的印刷滾筒機加工工藝的回顧在Hermig等人的論 文“印版制造中的激光加工”中描述了(光子應用系統技術會議(Photonic Applications Systems Technologies Conference，PhAST，PTuA4，巴爾的摩，2007. 05. 08)。這些聚焦光束技術均不能在帶有光滑表面的滾筒表面上產生任意形狀的三維結 構。這尤其適用以下情況，其中要制造微透鏡或者其它尺寸小于幾十微米的光控結構。這 樣的結構要求使用掩膜投影法。利用掩膜投影的脈沖激光器燒蝕技術是眾所周知的。掩膜被來自脈沖激光器的光 束照射，該光束經過光學元件被整形并且盡量變得均勻一致。投影透鏡被用來在基材表面 上形成尺寸縮小的掩膜圖案圖像。透鏡產生這樣尺寸的圖像，其能使激光燒蝕的每個脈沖 的能量密度超過基材燒蝕閾值。該材料以通常以每激光照射幾分之一微米的速率被燒蝕， 因此需要多次激光照射來產生所需深度的結構。相干性已減弱的高功率多模激光器常被用 于該掩膜投影法，以避免圖像上的干涉效應。可以采用這些激光燒蝕掩膜投影技術來在基材中產生三維結構，但是對于那些要 具有精確的希望形狀的基材，須在每次激光照射后更換掩膜，以對應于微觀結構的正確輪廓。移動掩膜是一個緩慢的過程，因此人們已經想出許多方式來避免移動掩膜，但同時還能 產生所希望的立體結構。已經披露許多現有技術例子。它們均使用具有靜止掩膜的縮圖掩膜投影系統，掩 膜有由不同特征構成的線條，每個線條代表在所需微觀結構中的不同深度處的不同輪廓。 多個掩膜特征處于恒定的間距，并且基材在平行于這些特征的線條的方向上被移動，從而 每次激光器發出一個輻射脈沖，基材就精確地移動一個或多個基材上的特征間距。由于要 求保持基材運動與激光器發射精確同步，所以該技術可被稱為激光脈沖同步化的基材運動 (LPSSM)。W094/25259公開了用于在聚合物膜中利用LPSSM技術制造具有任意形狀的相同 通孔的陣列以形成用于醫用器械的薄網的方法和設備。W096/33839描述了一種基于LPSSM 方法和設備的紫外準分子激光器，用于在平面基材表面上制造相同微觀結構的二維陣列， 所述微觀結構具有任意的三維形狀。許多公開文獻描述了 LPSSM技術的各種應用。SPIE Proceedings (卷4760，P281， 2002)中命名了“同步化圖像掃描”技術并且示出了其可如何被用于制造具有很長的多行噴 口 (有可控的三維輪廓)的噴墨打印頭板。Thin Solid Films (卷453-453，P450，2004)示 出了線性結構如噴墨頭以及該技術可如何用于在大面積的平面基材上制造微觀結構陣列 以形成用于隨后復制的原版。SPIE Proceedings (卷5339，P118，2004)示出了通過LPSSM 在平塑料基材上制造用于微透鏡陣列的大面積原版的設備例子。該文獻提出了與可見縫人 為缺陷相關的問題，該缺陷出現在大表面積基材的加工帶之間的界線上。W02007/135379A2介紹一種新的LPSSM方法，以克服在大面積平面基材上的可見 縫缺陷。該現有技術還在掩膜結構中加入半色調邊緣特征，以消除在由二元掩膜上的鮮明 邊緣造成激光燒蝕微觀結構上的表面非連續性。上述的LPSSM的現有技術的一個關鍵特征是，在任何情況下，所用的基材是平面 的。平面基材的精確運動對于要通過LPSSM制造小器件如噴墨打印頭或醫用濾網來說不成 問題，因為臺架行程要求小。另一方面，對于采用大平面基材來制造用于光控和微透鏡陣列 膜復制的原版來說，基材的被控運動變為一個主要問題，因為利用LPSSM制造這樣的器件 要求在遠超1米的二維距離上有亞微級分辨率和微米級精度。對于LPSSM的主要應用，平面原版的使用并不是理想的，因為大多數行業的大量 膜復制生產線采用滾筒來轉印微觀結構至薄膜上。平面原版轉換為圓柱形工具牽涉到許多 中間步驟并造成滾筒具有線性縫，結果，復制件的長度受滾筒周長限制。于是，人們還是希 望能夠直接在圓柱形滾筒的外表面上產生三維微觀結構的精確陣列。當LPSSM被用于制造線性器件如噴墨打印頭或非光學膜如醫用膜網時，可見條帶 界面缺陷是不成問題的。但是，當LPSSM方法已被用于制造用于光控和微透鏡陣列薄膜復 制的大型原版時，它們是一個嚴重問題。因此，主要的要求是想出一種方法，其允許在高達 幾個平方米的面積上制造出無可見接縫陣列。迄今為止，所有用于制造光學器件的原版的LPSSM技術都使用準分子激光器。它 們采用了活性氣體和緩沖氣體的混合物作為增益介質。用于最大面積的原版的加工時間可 以達到許多小時，經過這段時間，氣體混合物中的活性成分被耗盡且需要定期注入補充氣 體。在每次注入周期中，準分子激光器的許多性能例如光束輪廓、發散性、脈沖長度等被改變，因此在基材表面連續精確控制燒蝕過程非常困難。當準分子激光器操作因氣體控制活 動被中斷時，可見不連續結構通常出現在基材表面上，并且也可能在工作中因氣體填充物 的降格而出現。于是，在制造用于光學器件的原版且加工時間很長的情況下，需要使用能以 更高的穩定性級別工作的替代激光器。本發明應對上述這些限制LPSSM被用于制造光控和微透鏡陣列膜復制用原版的 問題。

發明內容
根據本發明的第一方面，提供一種用于以連續的螺旋形路徑使圓柱形滾筒的表面 曝光于來自脈沖激光源的照射以實現表面燒蝕而在該表面上形成由重復的三維微觀結構 構成的陣列的方法，包括以下步驟通過激光器產生輻射脈沖；提供具有第一軸和第二軸的矩形掩膜，該掩膜在平行于其第一軸的線中按照固定 間距具有多個特征，該間距對應于要形成的三維微觀結構的間距或與之成比例，在該線中 的特征對應于所述三維微觀結構的不同深度輪廓，這些深度輪廓共同限定出完整的微觀結 構；相對一個投影透鏡定位該掩膜，其第一軸基本平行于滾筒的轉動軸，其第二軸基 本平行于該滾筒的轉動方向；使該掩膜曝光在矩形激光束下，從而其所有特征均曝光在激光束下；通過投影透鏡將包含掩膜上的多個特征的圖像投影到滾筒表面的目標區上；使滾筒繞其軸轉動；使該投影透鏡和掩膜相對于該滾筒在基本平行于滾筒轉動軸的方向上移動，從而 在滾筒每轉動一圈后，該投影透鏡和掩膜在平行于滾筒轉動軸的方向上移動了等于該微觀 結構陣列的該固定間距的距離，所述多個特征由此被相繼曝光到相同目標區，從而形成該 微觀結構的不同的深度輪廓；和與該轉動滾筒的角位相關地控制激光脈沖的時刻，從而當在滾筒表面上的目標區 已在轉動方向上移動了一個對應于該微觀結構陣列的重復間距的距離的任何時候發生激 光脈沖，從而在滾筒轉動每圈中，全數的微觀結構重復距離納入圍繞滾筒的螺旋形路徑中。根據本發明的第二方面，提供一種燒蝕轉動的圓柱形滾筒的表面以在其上形成重 復的三維微觀結構的陣列的設備，包括脈沖激光源；掩膜，具有在一條線中按照固定間距的多個特征，在所述線上的多個特征對應于 該三維微觀結構的不同的深度輪廓；照射系統，提供曝光掩膜上的由所述特征構成的線的矩形激光束；光學投影系統，用于投影掩膜圖像到滾筒表面的目標區；用于使該滾筒繞其軸轉動的轉動機構；臺架和馬達系統，用于使該光學投影系統和該掩膜在平行于該滾筒的轉動軸的方 向上移動，從而在滾筒轉動每圈后，投影系統和掩膜已移動了等于該微觀結構陣列的該固 定間距的距離；
控制系統，用于與該滾筒的角位相關地控制激光脈沖的時刻，從而當滾筒表面上 的目標區已在轉動方向上移動了一個對應于該微觀結構陣列的重復間距的任何時候，該激 光脈沖出現。于是，提供了一種允許在滾筒表面上可靠連續地形成無縫微觀結構的新型LPSSM。于是，本發明的基礎是連續轉動的滾筒和連續線性移動的光學掩膜投影系統的結 合，它們被共同用于通過激光燒蝕在轉動滾筒的表面上產生微觀結構螺旋線。該掩膜為矩 形并且在其長軸上有一條或兩條由多個按固定間距的特征構成的線，該固定間距對應于微 觀結構在該方向上的間距。每條線中的結構對應于三維微觀結構的不同深度輪廓，限定一 個完整微觀結構的所有特征被包含在沿該方向的掩膜上的一條線內。在短軸上，掩膜具有 足夠數量的特征，以對應微觀結構陣列的在該方向上的最小單一重復間距。因為由特征構 成的每條線沿長軸在掩膜上具有單個微觀結構的所有不同深度的輪廓，當在滾筒表面上的 每個點被相繼曝光在該線條圖像中的每個不同特征時，在該點形成了完整成型的微觀結 構。于是，提供了一種允許在滾筒表面上可靠連續地形成無縫微觀結構的新型LPSSM。在滾筒表面上的矩形圖像可以按照兩種方式來定向。第一種方式是，長軸被定向 為平行于滾筒軸。另一種方式是，長軸被定向為垂直于滾筒軸(即圍繞滾筒周面布置)。在 兩種情況下，在滾筒轉動每圈后，矩形圖像在平行于滾筒軸的方向上移動一個微觀結構的 重復間距。在平行的情況下，滾筒轉動每圈，滾筒表面上的每個點僅曝光于單個微觀結構特 征。當圖像沿滾筒表面前進時，每個點被逐漸曝光于所有的圖像特征，只有在整個圖像長度 已經過該表面之后，每個點才逐漸曝光于微觀結構整個周向線。在垂直的情況下，滾筒表面 上的點在圖像單次經過表面時被曝光在一連串完整的微觀結構特征下，從而在按方形或矩 形密集布陣情況下產生一行完整的微觀結構，或在按六邊形密集布陣情況下時產生兩行完 整的微觀結構。上述方法可被用于產生由獨立對稱或非對稱的重復微觀結構構成的且具有任意 密集度的無縫陣列。現在，將從對基材表面上的光束尺寸的要求開始來描述該方法的優選 特征。一個重要特征是，在使滾筒表面移動以在掩膜的全圖完全經過之后每個微觀結構 元件被完整加工出和完全成形。這實際上通過使用這樣的圖像來完成，該圖像包括加工出 期望的結構形狀和深度所需要的所有不同的掩膜特征。在滾筒表面上的線條圖像的長度取 決于每個微觀結構元件的尺寸和所需要的不同輪廓高度的數量。對于高精度結構化來說， 需要以大約0. 1-0. 2微米深度間隔限定出輪廓的掩膜。例如，對于由25微米深的微觀結構 以50微米間距構成的方形陣列，需要至少125個不同的掩膜結構來精確限定形狀，因而滾 筒上的最小圖像長度為6. 25毫米。對于固定的微觀結構深度同尺寸比和給定的材料和燒蝕速率來說，所需要的圖像 長度和間距的平方成比例。這意味著，對于大的微觀結構，圖像長度可以很大，對于小的微 觀結構，圖像長度可以很短。對于等于間距一半的深度和每次照射0. 2微米的燒蝕速率來 說，對于10微米和100微米的間距特征的圖像長度分別為0. 25毫米和25毫米。之前將LPSSM用于三維光學微觀結構原版的成型所遇到的主要問題是在相鄰的 掃描帶之間發生的縫合誤差。這樣的誤差使自身呈現為在基材表面上的按照等于掃描帶的寬度的間距的可見線條。對于在圖像區的邊緣幾乎沒有材料或沒有材料被燒蝕的凹形微觀 結構，它們通常是由于照射在被曝光的表面上的光束內的區域燒蝕掉的碎屑沉積造成。但 是對于凸形結構，此時材料被燒蝕至微觀結構的整個深度，在圖像區邊緣的可見線條是因 為朝向壁面的斜坡造成了棱脊。因此，另一個重要的特征是，由于滾筒和移動光學元件的聯合運動，微觀結構的線 條形成為很細的螺旋線形式，其中完成的微觀結構構成的每條周向線是在滾筒轉動一圈后 形成的。滾筒的連續運動伴隨著光學元件在每圈轉動時沿滾筒長度前進一個微觀結構重復 間距，這能夠使可見條帶界面的人為現象被消除，因為即使出現碎屑或棱脊作用，它們也在 與最小結構相同的間距上，因此不會被視作缺陷。于是，對于上述考慮的兩種情況，在要形 成10微米或100微米間距且其深度等于間距一半的微觀結構時，在方形陣列情況下，在基 材表面上的圖像形狀分別為0. 25毫米長X0. 01毫米寬和25毫米長X0. 1毫米寬。對于結 構中心之間間距為10微米或100微米的六邊形密集的微觀結構陣列情況，圖像將包括平行 的兩行特征，其偏置半個間距地沿長軸延伸，圖像寬度將增大1. 866倍，從而分別得到0. 25 毫米長X0. 01866毫米寬和25毫米長X0. 1866毫米寬的圖像形狀。從這些例子中可以看 出，在任何情況下，期望在基材上的線狀光束有大的長寬比或者說縱橫比。另一個重要特征是，通過光掩膜投影系統用于在滾筒表面形成圖像的脈沖激光束 必須有足夠多的橫向模式，從而它能被認為有很低的空間相干性，因此在圖像平面沒有顯 著的相干效應。直接發出多模低相干光束的激光器是眾所周知的。這樣的低相干性激光器 的一個例子是準分子氣體激光器，它通常以高達1千赫茲的重復頻率發出具有數十納秒持 續時間的脈沖并在紫外線(UV)區域工作。另一例子是多模固態激光器，其以高達幾十千赫 茲的重復頻率發出持續時間通常為IOns至IOOns的脈沖并且該激光器通常以1. 064微米 左右的波長工作。這樣的UV準分子激光器可以被廣泛用于材料燒蝕，因為大多數材料強烈 吸收UV。多模固態激光器可被直接用來燒蝕強烈吸收紅外(IR)激光波長的材料，或者該激 光器可利用非線性晶體被轉換為較短波長。在532nm的可見光區域內和在355nm的紫外范 圍內工作的多模固態激光器是容易獲得的。后一種激光器特別適用于在此描述的本發明， 因為許多有機材料和無機材料在355nm時吸收強烈。上述的多模激光器都可以被直接使用，無需進一步努力來減小光束相干性。但是 在許多情況下，希望使用能發射出具有單個或數量很有限的空間光束模式的光束的激光 器，從而其具有高得多的相干性。這樣的激光器基于固態活性材料并且通常在高達幾百千 赫的重復頻率下工作，其脈沖長度為幾十ns范圍，基礎波長約為1. 06微米，諧波從可見光 和UV范圍下降到266nm。在這些激光器的情況下，需要使激光束經過“擾模器”來減小相 干性。基于將激光束傳播至多模光纖的擾模器已經被廣泛介紹了并且可以購買獲得。這樣 的器件被如此說明，其采用熔融二氧化硅的低損光纖并且可在高強度激光脈沖下在UV區 域中工作。US5138675描述一種基于光纖的擾模器，其作為局域網的光學隔離器主要部件。 在 Robinson 和 Ilev 的"Review of Scientific Instruments”(75 卷，4856 頁，2004 年 11 月)中描述了研發用于高脈沖能量激光顆粒圖像測速儀的擾模器的用途。FM-I是商用的擾 模器，可從Newport公司獲得。另一個重要特征是，來自激光器的光束被整形而在上述的掩膜上形成窄長的均勻 線狀光束。這通過使用基于透鏡陣列或衍射光學元件的標準光學均束器來完成。利用這樣的器件，來自低相干性多模激光器或高相干性低模激光器的且已經過擾模器的光束可被容 易整形，變得更均勻一致并且其發散性得到調整，以適應投影光學元件要求。由于掩膜圖案 具有高的縱橫比，所以在線狀光束的長軸上有高能量密度均勻性是重要的，但在短軸上也 希望有，但不是關鍵的。在短軸方向，掩膜圖案足夠窄，從而按照高斯能量密度分布的圖案 的過度充盈很可能會效率低，但能滿足要求。就效率和均勻性而言出是色的解決方式是產 生具有平頂的準高斯分布。這樣的方法對激光器光束操控和調制領域的技術人員來說是眾 所周知的。另一個重要特征是，只使用包括單激光光束的單掩膜投影單元來照射滾筒表面。 這種布置結構與用于產生激光輻射的單激光器單元的使用相一致，并且這種布置可能是最 方便的布置。但是，在需要較高激光器功率或較高激光器重復頻率的情況下，可能希望采用 多于一個的激光源。在此情況下，必須在進入掩膜投影之前，使來自分別的激光源的光束在 進入均束器和光束成形單元前會集。采用偏振反射鏡來會集兩個正交的偏振激光是眾所周 知的。兩個或更多激光在透鏡陣列均束器的入口孔徑處的空間會集也是眾所周知的。擾模 器也可以被用于會集多個激光束。光束可以如此會集，多個脈沖時間交疊并且在每個脈沖 上產生較高能量，或者脈沖序列可以被交錯開，從而提高有效重復頻率。另一個重要特征是矩形光束被用于照射矩形掩膜的表面，掩膜沿長軸有一條或兩 條由多個按固定間距的特征構成的線，該固定間距對應于在該方向上的微觀結構間距。每 條線上的特征對應三維微觀結構的不同深度輪廓且限定一個完整微觀結構的所有特征被 包括在該掩膜上的沿該方向的一條線中。在短軸上，掩膜有足夠數量的特征，以對應微觀結 構陣列的在該方向上的最小單個重復間距。因為滾筒表面上的每個點變成曝光于一條特征 線中的不同特征的每一個之下，所以在該點形成完整成形的三維微觀結構。這樣的掩膜有 時由金屬構成，但對于細微級微觀結構的高精度再現，更常使用在石英上構圖的鉻。制造和 使用這種掩膜的技術是眾所周知的。另一個重要特征是，投影透鏡被用于在滾筒表面上產生掩膜圖案的縮圖。該透鏡 需要是縮小型的，以在滾筒表面產生高到足以燒蝕材料的激光脈沖能量密度，但同時在掩 膜上保持低到足以避免對掩膜產生任何損壞的低能量密度。根據待燒蝕的滾筒材料和掩膜 材料，通常使用縮小倍數為5-20倍的透鏡。所用透鏡的另一個重要的要求是其必須具有足 夠的光學分辨率以產生在滾筒表面上所需要的尺寸的精確結構。透鏡的光學分辨率隨激光 波長取值，但與透鏡的數值孔徑相反地取值，于是為了獲得最小結構，應采用最短波長激光 和最高的可能數值孔徑的透鏡。實際上，通常使用具有0.1-0. 3的數值孔徑的透鏡。為了 保持滾筒表面上的圖像中的特征的間距恒定(即便滾筒表面和透鏡之間距離變化)，希望 使用焦闌透鏡。用于執行上述方法的設備是如此布置的，待加工的滾筒安裝在軸承上，從而它可 繞與滾筒的對稱軸線重合的轉動軸自由轉動。通過借助接附到滾筒軸的精確轉動編碼器的 伺服控制馬達使滾筒轉動。掩膜和投影透鏡精確安置在投影系統的光軸上，該光軸布置成 垂直并經過滾筒轉動軸，從而照到滾筒表面的激光束在兩個軸上均垂直于表面。透鏡和掩 膜的彼此相對位置是固定不變的，以在滾筒加工中的任何時候保持圖像的恒定尺寸。透鏡 和掩膜兩者均安裝在支架上，該支架可在伺服馬達驅動臺架上在兩個正交軸線上運動。臺架主軸平行于滾筒軸，因此透鏡和掩膜沿該軸的共同運動被用來移動掩膜圖像在滾筒的整個長度上經過。臺架副軸平行于投影系統的光軸，因此，透鏡和掩膜沿該軸的共同運動被用 來精確聚焦掩膜圖像在滾筒表面上。大多數激光束均束器有良好限定的輸出平面，光束在輸出平面有期望的形狀和均 勻性。投影系統的掩膜優選位于該平面。該平面距均束器一段特定距離，從而為了在投影 光學元件在其支架上運動經過滾筒長度上的過程中使該平面與掩膜重合，希望均束器也被 安裝在同一支架上。以上說明限定了滾筒和投影系統軸的相對取向，但是沒有限定絕對軸線方向。在 可用于印刷滾筒雕刻的激光加工工具中，常用到的是水平的滾筒軸，因此可以想到，對用于 執行該方法的任何實際設備的方便取向將是滾筒軸位于水平平面中。該布置結構允許投影 系統的光軸能處于豎向和水平之間的任何角度。豎向或水平是最有可能的。在滾筒水平 布置的情況下，光學系統和滾筒在平行于滾筒軸的方向上的相對運動可以通過兩種方式實 現。或是滾筒固定不動而光學元件平行于滾筒軸地移動，或者，光學元件固定不動而滾筒安 裝在一個允許其在其整個長度的臺架上移動經過。水平滾筒軸不是唯一可行的滾筒取向， 也可以想到滾筒軸沿豎向的布置。在此情況下，投影系統的光軸將位于水平平面。所述方法的一個基礎特征是，微觀結構在連續的螺旋運動中在滾筒表面上形成。 這是通過使滾筒連續繞其轉動軸轉動并同時使掩膜圖像連續沿滾筒長度移動來實現的。與 此協調運動相關的有三個要點。其一，在滾筒每轉動一整圈后，掩膜圖像已經沿滾筒軸方向 移動了該微觀陣列在該平行于滾筒軸的方向上的一個重復單位間距長度。其二，在滾筒轉 動軸上的編碼器被用來控制激光器發射，從而以這樣的時間間隔發出激光脈沖，其對應于 十分接近該微觀結構陣列的在垂直于滾筒軸的方向上的重復間距單元的滾筒表面運動。第 三，激光器發射被如此安排，確切數目的完整微觀結構的重復單元被加入滾筒表面的每個 完整周向路徑中，從而在相鄰周向線上的微觀結構恰好匹配形成一個精確陣列。加工的螺旋形特性的后果就是在滾筒表面上的由微觀結構構成的線相對滾筒軸 略微傾斜，因此在滾筒表面上的線狀光束圖像也非常輕微地相對于垂直于或平行于滾筒軸 的方向傾斜，從而匹配圖案的螺旋間距。螺旋傾斜角度非常小，因為其對應于沿滾筒的單個 微觀結構間距除以滾筒周長。對于300毫米直徑的滾筒和10微米和100微米的微觀結構 間距，傾斜角度只分別為 10. 61 μ rad(0. 000605° )和 0. 1061 μ rad(0. 00605° )。要求將整數個完整微觀結構加入滾筒的每圈轉動中和進而恰好匹配螺旋路徑的 相鄰線上的微觀結構的要求的結果就是，激光器的觸發不得不由滾筒軸上的轉動編碼器來 精確控制，從而在滾筒每轉動一整圈時發出確切數量的激光脈沖。實際上，由于滾筒上的 圖像路徑的螺旋形軌跡，必須被納入的確切數量的脈沖的距離比一圈稍長。每圈轉動時的 該額外距離小，但由于其沿滾筒長度累積，因此它需要被消除以在整個滾筒表面上產生精 確的二維陣列。例如，對于300毫米直徑的滾筒，圍繞滾筒的一個完整的真正周向長度為 942. 477795毫米。與螺旋路徑相關的附加距離由微觀結構間距和螺旋傾斜角度的乘積得 至IJ。對于100微米和10微米間距的方形陣列微觀結構來說，每轉動一圈時的附加距離分別 為IOnm和0. lnm。這些圍繞滾筒表面的微小的附加距離在經過加工整個滾筒所需要的多圈 轉動后累積得到等于一個微觀結構間距的總附加距離。在滾筒每圈轉動時將整數個脈沖納入每個螺旋路徑中的要求意味著滾筒表面在 激光脈沖之間運動經過的距離和在運動方向上的確切的微觀結構間距之間可能略有差異。例如，在300毫米直徑滾筒上加工出方形密集的100微米間距的微觀結構的情況下，每次 滾筒表面已移動了恰好100微米時觸發激光器將導致在一個周向螺旋軌跡上的微觀結構 相對于在相鄰軌跡上的微觀結構有22. 215微米的定位誤差。對于10微米的微觀結構，誤 差是2. 205微米。為了避免該誤差，激光器觸發被調整以保證脈沖恰好匹配每個螺旋軌跡 的周向路徑。對于100微米的微觀結構，這意味著在滾筒每圈轉動時發出9425個脈沖，這 對應于每個結構縮小2. 357nm。對于10微米間距的微觀結構的情況下，在一圈轉動中發出 94248個脈沖，導致每個結構上只有23. 3pm的誤差。這樣的周向匹配誤差是不重要的，只要線狀光束圖像在平行于滾筒軸的方向上被 對準，但對于線條圖像垂直于滾筒軸對準的情況，這些誤差可能在圖像長度上累積并可能 變得重要。當線條圖像被布置成垂直于滾筒軸時，出現其它幾個與滾筒曲率相關的顯著誤 差。這些誤差如下所述。對于具有100微米間距和50微米深的微觀結構的300毫米直徑滾筒，在表面 上的線狀光束中需要大約250個掩膜結構，上述周向匹配誤差導致在圖像每端處有大約 士0. 3 μ m的誤差。與100 μ m結構尺寸相比，這是可忽略不計的，并且不影響激光加工工藝 的質量和精度。但對于200微米間距、10微米深的微觀結構，需要500掩膜特征并且光束長 度變為100mm。在此情況下，每圈轉動中發出4712脈沖，導致在圖像每端有大約士2.5μπι 的誤差，這開始變得顯著。在圖像線條與滾筒表面運動對準的情況下，滾筒表面曲率相對于投影透鏡的焦深 設定了另一個更嚴格的限制條件。對于給定波長，透鏡焦深與光學分辨率的平方成比例，這 意味著其數值范圍為微觀結構尺寸的平方。弧形滾筒表面上的線條圖像的下陷與線長度除 以滾筒直徑的平方成比例。為了在滾筒表面上精確形成圖像，下陷需小于焦深。該條件對 可由該滾筒加工方法在圖像垂直對準滾筒軸情況下形成的最大微觀結構尺寸和深度做出 限制。對于波長355nm的UV激光器的特定情況，以300毫米直徑滾筒的表面上的特征尺寸 的十分之一的光學分辨率機加工10微米和100微米尺寸微觀結構，在下陷超過焦深之前允 許的最大圖像長度分別為2. 4毫米和24毫米。這種與滾筒曲率相關的圖像線長度限制規定了可在掩膜上容納的微觀輪廓特征 的最大數量，因此規定了可允許的最大微觀結構深度。對于10微米和100微米的特征，其 長度分別由焦深限制條件分別設定為2. 4毫米和24毫米情況下，掩膜特征的最大數量在兩 種情況下為240。對于10微米微觀結構，且其中其深度為橫向尺寸的75%且具有0. 1微米 /激光脈沖的燒蝕速率，總共只需要75個掩膜特征，因此因滾筒曲率而造成的下陷小于焦 深的要求不是一個限制條件。但是，對于100微米微觀結構，即使燒蝕速率高達0. 2微米/ 激光脈沖，240個掩膜輪廓限制了其深度于小于尺寸的50%。對于200微米微觀結構，圖像 長度被限制到47mm，掩膜輪廓的數量限制到135，深度限制到尺寸的13. 5%。當線條圖像沿表面運動方向對準時由于滾筒曲率出現了另一個問題。這是因為當 由透鏡產生的平面圖像被投影到滾筒的彎曲表面上時出現的線條圖像的線性扭曲造成的。 對于深度為50微米的100微米微觀結構，需要至少250個掩膜輪廓并且圖像線條長度為 25mm。如果具有該長度的線條圖像被投影到直徑為300毫米的滾筒的表面上，則圖像被延 長了幾乎30微米，從而在線條每一端的特征位移15微米，這足以造成在所形成的微觀結構 中的形狀精度的顯著降低。
于是，可以從以上說明中清楚看到，除非微觀結構小而淺，否則最好在線條圖像平 行于滾筒軸對準的情況下實現本文所述的激光加工方法。因此，這是執行本文所述工藝的 優選方法。為了在完整的滾筒表面上產生可高度重復的微觀結構，必須保證掩膜投影系統在 任何時候都保持聚焦在滾筒表面上。具有完美的圓度和同心度的大滾筒的制造可能很難， 因此滾筒表面和透鏡之間距離在加工過程中可能會改變。對于透鏡數值孔徑小且焦深大時 的大微觀結構，圖像能夠保持聚焦在滾筒表面上，不用在加工過程中進行調整。但是，對于 非常小的微觀結構且透鏡數值孔徑大且對應的焦深小的情況，某種形式的自動聚焦系統是 必須的。存在并可采用多種形式的激光燒蝕自動聚焦系統，但是對于本發明的滾筒加工方 法，優選基于光學的滾筒表面高度傳感器的系統。光學高度傳感器被接附到其上安裝有光 學投影系統的支架上，因此它可以在加工過程中沿滾筒長度移動。傳感器測量點相對于投 影系統的軸沿這樣的方向角偏置，該方向將其定位在該表面上快行進到投影系統前的位置 上。表面高度參考信號被處理，信息被反饋給驅動臺架上的伺服馬達的控制系統，該馬達驅 動投影系統沿其光軸移動，以保持焦點。為了保證將所有微觀結構高度精確地安置在整個滾筒表面上，需要補償所有三個 用于相對光學投影系統移動滾筒表面的臺架的誤差。使投影系統在Z方向上沿它的垂直于 滾筒表面的光軸移動以控制焦點的線性臺架中的誤差不顯著，因為總行程可能最多為1毫 米或2毫米。由滾筒直徑變化和滾筒轉速變化引起的在X方向上圍繞滾筒周向的微觀結構 的安置誤差由接附到滾筒軸上的精確轉動編碼器觸發激光器來完全補償。微觀結構在滾筒 表面上的安置中出現所能造成最大顯著誤差的臺架是被用于使滾筒相對投影系統沿平行 于滾筒軸的Y方向的運動的線性臺架。該臺架可以移動投影光學元件或滾筒支架，但在這 兩者情況下都具有誤差范圍，該誤差范圍會引起由投影系統在滾筒表面上產生的圖像在所 有三個軸上偏離期望位置。臺架行程沿所有三個軸的校準將給出使誤差被徹底修正的信 息。在垂直于滾筒表面的Z方向上出現的誤差通過上述的自動聚焦系統被修正，該自動聚 焦系統使投影系統沿其光軸移動以保持焦距。在平行于滾筒軸方向的Y方向上出現的誤差 可以通過對Y臺架的線性運動施加合適的修正被補償。但是，在圍繞滾筒周面的X方向上 出現的誤差無法通過其它軸的運動來修正。取而代之的是，這些誤差通過對發出激光的觸 發器的脈沖時刻控制來補償。觸發器脈沖時刻的變化對于將結構安置在滾筒表面上的不同 X位置上有影響。只要這些誤差小，則這樣的用于修正因Y臺架的運動而引起的X方向周向 誤差的方法是有效的。激光脈沖能量、重復頻率和功率要求可以根據滾筒表面材質和微觀結構尺寸和深 度而顯著變化。對于具有相似的深度尺寸比的微觀結構，滾筒表面上的光束面積與尺寸的 立方成比例。于是，對于需要相同的燒蝕能量密度的滾筒表面材質，每個激光脈沖所包含的 能量規模大小為微觀結構尺寸的立方。滾筒表面每移動一個微觀結構間距時激光器發射的 要求導致了對于給定的滾筒表面速度與微觀結構尺寸相反地變化的激光重復頻率。例如，將考慮方形密集的深度為間距一半的具有10微米和100微米間距的微觀結 構。如果材料是聚合物且激光器在UV區域工作，則在能量密度為大約3mJ/mm2的情況下，可 以得到0. 2 μ m/照射的燒蝕速率。在此情況下，光束長度分別為0. 25mm和25mm，而光束面積為0.0025mm2和2. 5mm2,脈沖能量分別為7. 5 μ J和7. 5mJ。對于以每秒1圈的速度轉動 的300毫米直徑滾筒，表面速度為0. 9426m/s，對于10微米和100微米微觀結構的激光重復 頻率分別為94.26kHz和9.426kHz。從這些數字，在滾筒表面上的激光器功率要求可經計算 分別為0. 707W和70. 7W。對于1米長的滾筒，激光加工時間可經計算分別為28小時和2.8小時。對于具有10微米和100微米間距且深度為間距一半的六邊形密集微觀結構，光束 的長度和寬度分別為0. 25毫米和0. 01866毫米以及25毫米和0. 1866毫米，而光束面積為 0. 00467mm2和4. 67mm2。對于3mJ/cm2的能量密度，脈沖能量分別為14 μ J和14mJ0對于以 每秒半圈的速度轉動的300毫米直徑滾筒，激光重復頻率為47. IkHz和4. 71kHz，得到在滾 筒表面的激光器功率要求分別為0. 66W和66W。對于1米長的滾筒，激光加工時間可以經計 算分別為30小時和3小時。


現在將參照附圖來描述方法和設備的各方面，其中圖1示出了根據本發明的一個實施例的用于激光掩膜投影的設備的示意圖；圖2示出了用于形成不同深度的微觀結構輪廓的激光脈沖同步的基材運動的原 理；圖3示出了根據本發明的一個實施例的用于在滾筒上進行激光加工的設備的示 意圖；圖4示出了形成在滾筒表面上的微觀結構的圖像圖案的細節。圖5示出了保持圖像聚焦于滾筒表面的示意圖；圖6示出了觸發激光器脈沖的方法的示意圖；圖7示出了采用兩個激光器的滾筒加工設備的示意圖。
具體實施例方式圖1是表示采用焦闌透鏡的光學掩膜投影系統的關鍵元件的簡圖。掩膜11被來 自激光器12的光束照射。在掩膜11前的場透鏡13將由掩膜11傳輸的激光輻射14聚焦 在透鏡入射瞳15處。投影透鏡16將掩膜11上圖案的圖像產生在基材18的表面上。當這 樣的光學投影系統被用于LPSSM時，掩膜相對透鏡16和激光束14保持固定不動，而基材18 如圖所示在一個方向Y上被連續移動。圖2以概略圖方式表示LPSSM的原理，僅示出了圖1所示類型的光學投影系統的 掩膜和基材。掩膜21具有多個特征22、22’和22”，它們是以固定間距23安置的具有不同 直徑的簡單圓孔。當激光脈沖照射掩膜21上的所有三個孔時，該投影系統在基材24表面 上產生這三個孔的圖像。對應于掩膜21中的這三個孔的三個結構被燒蝕到基材24表面 中。基材24在Y方向上被連續移動，該Y方向與在基材24上的圖像中的孔行對齊。每當 基材24已經移動了等于基材24上的孔圖的一個間距的距離時，發出激光脈沖。通過此方 法，使得來自掩膜21中的三個不同孔中每個孔的圖像在基材24上交疊，形成對應于三個孔22,22'和22”的三維結構。基材24沿Y方向在圖中從左向右移動，因此，當基材移入對應 于第一孔22的圖像的位置25時，在基材中燒蝕出結構的第一輪廓。當基材移動至對應于 下個孔22’的位置26時，在第一輪廓頂側燒蝕出結構的第二輪廓。當基材移動至對應于第 三孔22”的位置27時，燒蝕出最終輪廓以形成完整的微觀結構。隨著基材沿Y方向移動， 完整的微觀結構在圖中向右離開光束。
圖3表示可被用于執行上述滾筒構圖方法的設備的細節。圓柱形滾筒31安裝在 軸32、32’上并在伺服馬達系統(圖中未示出)的驅動下繞該軸連續轉動。激光器單元33 產生射入光學均束器34的脈沖激光束。在此情況下，激光器33是多模類型的，其在光束中 具有足夠多的模數而被認為非相干的，因此不需要擾模器。均束器34將來自激光器33的 光束轉變為矩形線光束，其在掩膜35表面上具有改善的能量密度均勻性。投影透鏡36在 轉動的滾筒31的表面上產生掩膜35上的線條圖案的縮小圖像37。在此圖中，線條圖像被 調準接近平行于但不是精確平行于滾筒31的轉動軸32。線條圖像垂直于滾筒軸32的調 準也是可行的。來自透鏡36的光束的光軸被調準至精確地經過滾筒的轉動軸32并且垂直 于滾筒軸32，從而在滾筒表面上的掩膜圖像恰好垂直于該表面。透鏡36、掩膜35和均束器 34均安裝在伺服馬達驅動臺架上的支架(未示出)上，其被調準平行于滾動軸32，從而允 許整個光學組件在Y方向上沿滾筒31的整個長度經過。在激光加工中，滾筒31被連續轉 動，裝載有光學投影單元和均束器的支架被連續地從滾筒31的一端移動到另一端，從而掩 膜35的圖像在整個滾筒表面上繪制出連續的螺旋路徑。該圖還示出了反射鏡38，它被用來 將來自均束器34的光偏轉至掩膜35。該布置結構如圖所示是用于產生更緊湊的光學布局， 但實際上，可以將反射鏡安置在光學系統中的其它位置，或甚至全部省掉。在所示的布置結 構中，與移動的均束器34和光學投影系統相比，激光器33是固定不動的，因此其至均束器 34的距離隨著滾筒31加工的進行而變化。依據激光束特性，可能期望使激光器33隨均束 器34 —起移動，以保持恒定間隔。在此情況下，激光器33也被安裝在裝載有均束器34和 投影光學元件的運動支架上。解決此問題的一個替代方式是保持整個光學系統在平行于滾 筒軸32的方向上固定，取而代之的是將滾筒31安裝在使滾筒在其整個長度上移動的線性 臺架系統(未示出)上。在附圖所示的情況下，此時線條圖像沿滾筒軸方向被調準以使滾 筒表面上的所有點都曝光在圖像中的特征之下，表面加工必須在線條圖像的全長偏置超出 滾筒加工區的始邊的情況下開始，并且為了在滾筒整個長度上持續加工，直到線條圖像的 全長已走過滾筒加工區的終點。結果，投影系統相對滾筒31在平行于滾筒軸32的方向上 走過的距離等于滾筒加工長度加圖像長度。 圖4示出了滾筒表面上的矩形圖像如何調準為相對于滾筒軸線成一個小角度以 便能夠執行精確的螺旋形加工路徑。滾筒41安裝在軸42、42’上并且沿一個方向如此轉動， 即該表面在圖中的X方向上從上到下連續地移動。該光學投影系統具有指向圖面內的軸并 且在滾筒表面上產生圖像。整個光學系統沿Y方向從左向右連續移動以經過滾筒表面。示 出了該投影透鏡在滾筒表面上的圖像區域的兩個放大視圖。在右手側圖像43所示的情況 下，正在加工一個六邊形密集陣列。在左手側圖像43’所示的情況下，正在加工微觀結構的 一個正方形陣列。在兩種情況下，為了簡明起見，示出了長度僅為5個微觀結構的圖像。在兩種情況下，該圖像的放大視圖示出了三個不同區域沒有曝光在任何激光脈沖下的未加 工區域44、44’，微觀結構已經曝光在一個、兩個或三個激光脈沖下且因而部分成型的區域 45、45’，微觀結構已經曝光在掩膜上的圖像的所有特征下并因而完全成型的區域46、46’。 為了在整個滾筒表面上形成連續螺旋路徑，線條圖像相對于滾筒軸傾斜一個小角度47。該 角度這樣定義，即在滾筒完整轉動一圈之后，圖像在Y方向上偏移一個微觀結構重復間距， 因而該角度通過該微觀結構重復間距與滾筒周長之比而給定。為清楚起見，該圖示出了夸 大的圖像傾斜角度，而實際上該角度很小。圖像在滾筒表面上的傾斜實際上通過使掩膜轉 過所需角度來獲得。該角度的設定精度取決于微觀結構的尺寸和深度以及滾筒直徑，但只 在滾筒表面上的線條圖像的長度最大的情況下用于最大最深的結構才變得重要。光束寬度 取決于微觀結構陣列的幾何形狀。對于六邊形密集陣列，光束寬度48是在垂直于滾筒軸的 方向上的陣列重復間距，因此包括如圖所示的相鄰的兩條結構線。在平行于滾筒軸49的方 向上的陣列重復間距限定了圖像在滾筒每圈轉動下沿方向Y的增量移動。對于正方形陣列 情況，光束寬度和在滾筒每圈轉動下的圖像Y方向增量移動均簡化為微觀結構的寬度。圖5示出了一種設備的例子，該設備能用于確保由投影系統產生的圖像保持聚焦 在滾筒表面上，即使在滾筒直徑是變化的、不是正圓形或者偏心安裝在其軸上的情況下。圓 柱形滾筒51安裝在軸52上，該軸形成其轉動軸線。在此圖中，滾筒51如圖所示順時針轉 動。來自激光器53的、已經過均束器和反射鏡(如果需要)的光束到達掩膜54。透鏡55 在滾筒51表面上產生掩膜54的縮小圖像。掩膜54和透鏡55均接附到伺服馬達驅動臺 架56上的一個支架上，從而兩者沿平行于投影系統光軸且垂直于滾筒表面的Z方向共同移 動。支承裝載有透鏡55和掩膜54的支架的臺架本身被安裝在其上裝有均束器的第二 支架上。第二支架被運動方向平行于滾筒軸5的第二伺服馬達驅動臺架驅動2。圖中未示 出的第二臺架具有使投影系統和相關的均束器沿滾筒51的長度移動的功能。光學傳感器 單元57接附到第二支架上，從而它與投影光學元件沿該滾筒51的長度下移。傳感器57如 此安裝，從而它能測量從傳感器57到滾筒表面上的將要曝光在激光脈沖下的點處的相對 距離。由傳感器57產生的距離數據通過控制器58被處理并被用來驅動投影系統臺架上的 伺服馬達，以將透鏡55至滾筒表面上的加工點的距離保持恒定，從而掩膜54的圖像總是在 焦點上。對于此應用，期望滾筒51以一定精度制造，從而當它轉動且光學投影系統橫過滾 筒51的整個長度時，希望表面位置的變化和進而投影光學元件的Z向運動較小(例如小于 1毫米)。這意味著，掩膜54至沒有安裝在與該掩膜54相同的支架上的均束器的距離也以 在加工過程中少量變化。這種距離的少量變化對在掩膜54上形成的光束的形狀和均勻性 的影響可忽略不計。圖6示出了一種設備的例子，該設備可被用于控制激光發射，從而在滾筒表面上 形成的微觀結構是沒有不連續的完美二維陣列。滾筒61安裝在軸62上并且繞該軸在圖中 順時針轉動。來自激光器63的光束經過均束器64，到達掩膜65。在激光器63被觸發而發 出脈沖的時刻，投影透鏡66在滾筒61表面上產生掩膜65的圖像。滾筒61每轉一圈中加 入恰好整數的完整微觀結構和進而恰好整數的激光脈沖是重要的，因而需要相對于滾筒61的轉動來觸發激光器63的精確方法。這通過將高分辨率轉動編碼器67接附到滾筒軸上并 利用光學讀取頭68來記錄滾筒61在所有時刻的角位來實現。光學讀取頭68的輸出被控 制單元69處理，其產生信號以使激光器63在適當的角位發射。對所用的轉動編碼器67的 角度分辨率的要求由微觀結構的尺寸和滾筒直徑來定并且最極端的是用于最小微觀結構 和最大滾筒直徑的情況下。例如，考慮在具有500毫米直徑的滾筒61表面上加工出10微 米的微觀結構。在滾筒61每圈轉動時加入確切數量的微觀結構的要求意味著，編碼器67、 讀取機構和數據處理系統需要具有在滾筒表面的比微觀結構尺寸小至少一個但最好兩個 數量級的空間分辨率。對于10微米微觀結構，這意味著在滾筒表面的空間分辨率為0. 1微 米，對于500毫米直徑的滾筒61，這可換算為0. 2 μ rad的角度分辨率。這樣的編碼器67可 在市場上從很多供貨商那里買到。圖7示出了一種設備，它與圖3所示的設備相似，但在這里采用了具有相同波長的 兩個激光器71和71’，這兩激光器具有較少的光束模數并因而具有顯著的相干性。兩個激 光器71和71’被布置成能產生具有不同偏振的光束。激光器71如圖所示產生豎向偏振的 光束，而激光器71’是水平偏振的。兩個光束在偏振反射鏡72處會集。該偏振反射鏡具有 介電涂層，其擇優反射豎向偏振的輻射并擇優透射水平偏振的輻射。在對來自激光器71和 71’的光束進行適當的角度和空間調整的情況下，在經過偏振反射鏡72后的兩個結合的光 束可被布置成在角度和空間方面完美重合。由于在此情況下光束是相干的，所以需要使光 束經過擾模器73，隨后才經過光學系統的其余部分，包括常見的均束器74、掩膜75和透鏡 76，接著照射滾筒77。如在圖3中那樣，透鏡76和掩膜75能夠沿Z方向移動，以便聚焦， 而透鏡76、掩膜75和均束器74沿Y方向移動以覆蓋滾筒77的長度。在激光器71、71’固 定不動且它們和均束器74之間距離變化的情況下，希望擾模器73也安裝在與均束器74相 同的支架上以便隨之移動。因為來自激光器71、71’的光束具有有限的模數，所以在激光器 和擾模器73之間的距離的變化就光束尺寸變化而言不太可能有顯著影響，而擾模器73和 均束器74之間的距離變化可能會因增大的光束發散性而導致更顯著的光束尺寸變化。如 果需要，激光器71和71’也可以安裝在與擾模器73、均束器74和投影系統相同的支架上。 或者，整個光學系統可以保持固定不動，而使滾筒77在其整個長度范圍上移動。在此圖中， 滾筒表面的線條圖像如圖所示被調準為接近垂直于滾筒77的轉動軸，但是被調準為接近 平行于滾筒軸也是可行的。因此，上面描述的本發明提供一種按照一條連續的螺旋形路徑使轉動的圓柱形滾 筒的整個表面積曝光在來自脈沖激光源的具有適當能量密度的構圖照射下以使得該表面 燒蝕從而形成具有任何密集度但沒有接縫線或不連續部分的、由獨立的對稱或不對稱的重 復三維微觀結構構成的陣列的方法，包括以下步驟a.通過激光器產生輻射脈沖；b.均束、整形和調整激光束以形成單個矩形線狀光束，其在長軸上具有平頂的能 量密度曲線；c.布置具有長軸和橫軸的矩形掩膜；d.在掩膜長軸上布置一條或兩條由按照固定間距的多個特征構成的線，該間距對 應于在該方向上的微觀結構間距，每條線中的特征對應于該三維微觀結構的不同的深度輪廓并且限定出一個完整微觀結構的所有深度輪廓被包含在沿該方向的該掩膜上該方向中 的一條線中；e.在該掩膜的短軸上布置足夠數量的特征，以對應于該微觀結構陣列的在該方向 上的最小單一重復間距；f.相對投影透鏡定位該掩膜；g.使均勻的矩形線狀激光束經過掩膜，從而限定微觀結構的深度輪廓的所有所述 特征均位于激光束中；h.通過投影透鏡，將由掩膜上的所有所述特征構成的縮小的線狀光束圖像投影到 目標區上；i.精確定位圓柱形滾筒的表面在目標區中；j.精確定位穿過投影透鏡中心的激光束光軸以經過滾筒的轉動軸并垂直于滾筒 的轉動軸，從而照射滾筒的激光束垂直于滾筒表面；k.使滾筒繞其軸連續轉動；1.使該投影透鏡和該掩膜一起相對于該滾筒在平行于滾筒轉動軸的方向連續移 動，從而在滾筒每轉一圈后，投影透鏡和掩膜移動了等于該微觀結構陣列在平行于滾筒轉 動軸的方向上的重復間距的距離；m.與該轉動滾筒的精確角位相關地控制脈沖激光器的觸發，從而在無論何時滾筒 表面上的目標區已移動一個非常接近該陣列在轉動方向上的一個重復的微觀結構單元間 距的距離時，發出激光脈沖，從而在滾筒轉動每圈后，精確數目的多個微觀結構重復單元被 加入圍繞滾筒的整個周向螺旋路徑中；η.控制透鏡和掩膜單元至滾筒表面的距離，從而掩膜圖像總是在焦點上，即便滾 筒表面不是完美平坦的；上述的發明還提供一種通過構圖照射來燒蝕聚合物涂覆滾筒的表面以形成由三 維微觀結構構成的密集的規則陣列，包括ο.脈沖激光源；p.掩膜，具有就單個微觀結構而言由多個按照固定間距的特征構成的單條線，并 且該掩膜位于激光源和目標區之間；q.照射系統，用于產生均勻的矩形線狀激光束，該激光束照射該掩膜上的由所述 特征構成的整條單線，并且該照射系統設置在激光源和目標區之間；r.光學投影系統，它采用其位置相對掩膜被固定的透鏡，用于縮小掩膜圖像到該 目標區上，并且該光學投影系統設置在掩膜和該目標區之間；S.用于使該滾筒繞其軸轉動且因而滾筒表面移入該目標區內的轉動臺架和馬達 系統；t.線性臺架和馬達系統，其造成透鏡和掩膜單元在平行于該滾筒轉動軸的方向上 并在滾筒的整個長度上一起連續移動；U.線性臺架和馬達系統，其造成透鏡和掩膜在垂直于滾筒表面的方向上移動；v.傳感器和控制系統，其使透鏡和掩膜在垂直于滾筒表面的方向上移動以保持透 鏡和滾筒表面之間的恒定間隔；w.控制系統，它將滾筒的準確角度位置與脈沖激光器發射相關聯。
權利要求
一種按照連續螺旋形路徑使圓柱形滾筒的表面曝光在來自脈沖激光源的照射下以實現表面燒蝕從而在該表面上形成由重復的三維微觀結構構成的陣列的方法，包括以下步驟通過激光器產生輻射脈沖；提供具有第一軸和第二軸的矩形掩膜，該掩膜具有在一條平行于其第一軸的線中的多個按照固定間距的特征，該固定間距對應于要形成的三維微觀結構的間距或與之成比例，在該線中的特征對應于所述立體微觀結構的不同深度輪廓，這些深度輪廓共同限定出完整的微觀結構；相對于一個投影透鏡定位該掩膜，其中，其第一軸基本平行于該滾筒的轉動軸，其第二軸基本平行于該滾筒的轉動方向；使該掩膜曝光在矩形激光束下，從而其所有特征均曝光在激光束下；通過投影透鏡將包含掩膜上的多個特征的圖像投影到滾筒表面的目標區上；使該滾筒繞其軸轉動；使該投影透鏡和該掩膜相對于該滾筒在基本平行于滾筒轉動軸的方向上移動，從而在該滾筒每轉動一整圈后，該投影透鏡和該掩膜移動了等于該微觀結構陣列的在平行于該滾筒轉動軸的方向上的該固定間距的距離，所述多個特征由此被相繼曝光到相同目標區，從而形成該微觀結構的不同深度的輪廓；與該轉動滾筒的角位相關地控制激光脈沖的時刻，從而當無論何時該滾筒表面上的目標區已在轉動方向上移動了對應于該微觀結構陣列的重復間距的距離時發送激光脈沖，從而在該滾筒轉動每圈后，全部的微觀結構重復間距納入到圍繞滾筒的螺旋形路徑中。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征是，該滾筒表面上的矩形光束圖像的第一長軸 定位成相對于平行于該滾筒轉動軸的線成一個小角度，該角度由該三維微觀結構的在平行 于該轉動軸的方向上的所述間距除以滾筒周長來限定。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征是，該滾筒表面上的矩形光束圖像的第一長軸 定位成相對于垂直于該滾筒轉動軸的線成一個小角度，該角度由該三維微觀結構的在平行 于該轉動軸的方向上的所述間距除以滾筒周長來限定。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的方法，其特征是，該激光器是固態激光器，其發 射出的光束具有單橫向模式，并且光學擾模器被用來增加光束中的模量，以產生具有低空 間相干度的光束。
5.根據權利要求1至3中任一項所述的方法，其特征是，該激光器是固態激光器，其發 射出的光束具有少量的橫向模式，并且光學擾模器被用來增加光束中的模量，以產生具有 低空間相干度的光束。
6.根據權利要求1至3中任一項所述的方法，其特征是，該激光器是固態激光器，其發 射出的光束具有數量足夠大的橫向模式，從而在無需使用光學擾模器情況下具有低的空間 相干性度。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的方法，其特征是，使用多于一個的激光器，來自 激光器的光束被會集而在掩膜上形成單個矩形激光束。
8.根據權利要求1至7中任一項所述的方法，其特征是，在該滾筒表面上產生的該微觀 結構陣列按照正方形或矩形形狀密集。
9.根據權利要求1至8中任一項所述的方法，其特征是，在該滾筒表面上產生的該微觀 結構陣列按照六邊形形狀密集。
10. 一種燒蝕轉動的圓柱形滾筒的表面以在滾筒表面上形成由重復的三維微觀結構構 成的陣列的設備，包括脈沖激光源；掩膜，具有在一條線上按照固定間距的多個特征，在所述線上的多個特征對應于該三 維微觀結構的不同的深度輪廓；照射系統，用于提供矩形激光束以照射該掩膜上的由所述多個特征構成的線；光學投影系統，用于將掩膜圖像投影到該滾筒表面的目標區；用于使該滾筒繞其軸轉動的轉動機構；臺架和馬達系統，用于使該光學投影系統和該掩膜在平行于該滾筒的轉動軸的方向上 移動，從而在該滾筒轉動每圈后，該投影系統和該掩膜已移動了等于該微觀結構陣列的該 固定間距的距離；控制系統，用于與該滾筒的角位相關地控制激光脈沖的時刻，從而無論何時當該滾筒 表面上的目標區已在轉動方向上移動了對應于該微觀結構陣列的重復間距時，發射激光脈沖。
全文摘要
一種使滾筒表面曝光在來自脈沖激光源的具有適當能量密度的構圖照射下以造成表面燒蝕而形成密集規則的三維微觀結構陣列的方法包括以下步驟相對于目標區定位掩膜，該掩膜具有在一條線上的多個按照固定間距的特征；通過掩膜投影均勻的線狀激光束以投影由該掩膜上的多個特征構成的圖像到目標區；在掩膜和目標區之間縮小光束所攜的圖像；定位滾筒表面在目標區中以便燒蝕；連續轉動滾筒，從而該表面在垂直于滾筒轉動軸的第一方向上移動并同時使該投影光束相對滾筒在平行于滾筒轉動軸的第二方向上移動；使投影的微觀結構陣列傾斜，以對應于激光束在滾筒表面上所沿著的螺旋路徑；與滾筒在目標區內的準確角位相關地控制脈沖激光器的發射。還描述了一種執行該方法的設備。
文檔編號B23K26/073GK101990479SQ200980109980
公開日2011年3月23日 申請日期2009年3月18日 優先權日2008年3月18日
發明者P·T·路姆斯比 申請人:萬佳雷射有限公司