用于激光加工滚筒表面的方法和设备的制作方法

专利名称：用于激光加工滚筒表面的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过激光烧蚀在圆柱形滚筒的表面上形成三维微观结构阵列。
背景技术：
通过脉冲激光器烧蚀将微观结构施加到圆柱形滚筒表面上的方法已经被众所周 知多年。主要应用在于雕刻业和苯胺印刷业，在这里，激光被用来产生贮墨凹穴，从而滚筒 能够直接或间接转移图像至平面纸或聚合物膜上。所采用的该技术伴随着各种各样激光器 被用于直接在金属滚筒或覆有陶瓷、橡胶或聚合物层的滚筒中产生凹坑而得以良好发展。 US5327167描述了一种用于在印刷滚筒的表面上烧蚀出不同密度的凹穴的设备。所用的激光通常以直径在10-100微米范围的光斑聚焦到滚筒表面上，以便通过 直接激光烧蚀或通过薄掩膜烧蚀和随后的化学蚀刻来产生穴坑。所用激光器的特性为它们 具有单模光束或低模光束，所述光束被聚焦至圆形光斑，该光斑具有高斯能量分布并且具 有所需直径，并且该激光器发射出充足的单位脉冲能量，足以用单个脉冲烧蚀出穴坑，该激 光器以高重复频率工作，从而它们能高速产生穴坑以便在合理时间内加工滚筒的大表面面 积。所形成的穴坑的直径范围从几十微米至几百微米，下限的设定依据贮墨能力，上限的设 定依据印刷要求的分辨率。最小尺寸的穴坑通过单位脉冲能量适度的单模激光器的独立激 光照射来产生，而通常为六边形的大穴坑通过制造许多彼此相邻的小坑来产生。大的圆形 穴坑是由这样的激光器以单个激光脉冲产生的，该激光器能以具有较高单位脉冲能量的多 个模式发射光束。US6462307公开一种在非圆形单个激光照射中产生穴坑的工艺。在此情况下，主 激光束被分为角度独立的多个子光束，所述子光束的功率被单独调节并且与在滚筒表面上 的位置中的小变化重新组合，以在滚筒表面上形成非圆形的、非高斯能量分布。对该多光 束轮廓调制技术的描述以及其它更标准的印刷滚筒机加工工艺的回顾在Hermig等人的论 文“印版制造中的激光加工”中描述了(光子应用系统技术会议(Photonic Applications Systems Technologies Conference，PhAST，PTuA4，巴尔的摩，2007. 05. 08)。这些聚焦光束技术均不能在带有光滑表面的滚筒表面上产生任意形状的三维结 构。这尤其适用以下情况，其中要制造微透镜或者其它尺寸小于几十微米的光控结构。这 样的结构要求使用掩膜投影法。利用掩膜投影的脉冲激光器烧蚀技术是众所周知的。掩膜被来自脉冲激光器的光 束照射，该光束经过光学元件被整形并且尽量变得均勻一致。投影透镜被用来在基材表面 上形成尺寸缩小的掩膜图案图像。透镜产生这样尺寸的图像，其能使激光烧蚀的每个脉冲 的能量密度超过基材烧蚀阈值。该材料以通常以每激光照射几分之一微米的速率被烧蚀， 因此需要多次激光照射来产生所需深度的结构。相干性已减弱的高功率多模激光器常被用 于该掩膜投影法，以避免图像上的干涉效应。可以采用这些激光烧蚀掩膜投影技术来在基材中产生三维结构，但是对于那些要 具有精确的希望形状的基材，须在每次激光照射后更换掩膜，以对应于微观结构的正确轮廓。移动掩膜是一个缓慢的过程，因此人们已经想出许多方式来避免移动掩膜，但同时还能 产生所希望的立体结构。已经披露许多现有技术例子。它们均使用具有静止掩膜的缩图掩膜投影系统，掩 膜有由不同特征构成的线条，每个线条代表在所需微观结构中的不同深度处的不同轮廓。 多个掩膜特征处于恒定的间距，并且基材在平行于这些特征的线条的方向上被移动，从而 每次激光器发出一个辐射脉冲，基材就精确地移动一个或多个基材上的特征间距。由于要 求保持基材运动与激光器发射精确同步，所以该技术可被称为激光脉冲同步化的基材运动 (LPSSM)。W094/25259公开了用于在聚合物膜中利用LPSSM技术制造具有任意形状的相同 通孔的阵列以形成用于医用器械的薄网的方法和设备。W096/33839描述了一种基于LPSSM 方法和设备的紫外准分子激光器，用于在平面基材表面上制造相同微观结构的二维阵列， 所述微观结构具有任意的三维形状。许多公开文献描述了 LPSSM技术的各种应用。SPIE Proceedings (卷4760，P281， 2002)中命名了“同步化图像扫描”技术并且示出了其可如何被用于制造具有很长的多行喷 口 (有可控的三维轮廓)的喷墨打印头板。Thin Solid Films (卷453-453，P450，2004)示 出了线性结构如喷墨头以及该技术可如何用于在大面积的平面基材上制造微观结构阵列 以形成用于随后复制的原版。SPIE Proceedings (卷5339，P118，2004)示出了通过LPSSM 在平塑料基材上制造用于微透镜阵列的大面积原版的设备例子。该文献提出了与可见缝人 为缺陷相关的问题，该缺陷出现在大表面积基材的加工带之间的界线上。W02007/135379A2介绍一种新的LPSSM方法，以克服在大面积平面基材上的可见 缝缺陷。该现有技术还在掩膜结构中加入半色调边缘特征，以消除在由二元掩膜上的鲜明 边缘造成激光烧蚀微观结构上的表面非连续性。上述的LPSSM的现有技术的一个关键特征是，在任何情况下，所用的基材是平面 的。平面基材的精确运动对于要通过LPSSM制造小器件如喷墨打印头或医用滤网来说不成 问题，因为台架行程要求小。另一方面，对于采用大平面基材来制造用于光控和微透镜阵列 膜复制的原版来说，基材的被控运动变为一个主要问题，因为利用LPSSM制造这样的器件 要求在远超1米的二维距离上有亚微级分辨率和微米级精度。对于LPSSM的主要应用，平面原版的使用并不是理想的，因为大多数行业的大量 膜复制生产线采用滚筒来转印微观结构至薄膜上。平面原版转换为圆柱形工具牵涉到许多 中间步骤并造成滚筒具有线性缝，结果，复制件的长度受滚筒周长限制。于是，人们还是希 望能够直接在圆柱形滚筒的外表面上产生三维微观结构的精确阵列。当LPSSM被用于制造线性器件如喷墨打印头或非光学膜如医用膜网时，可见条带 界面缺陷是不成问题的。但是，当LPSSM方法已被用于制造用于光控和微透镜阵列薄膜复 制的大型原版时，它们是一个严重问题。因此，主要的要求是想出一种方法，其允许在高达 几个平方米的面积上制造出无可见接缝阵列。迄今为止，所有用于制造光学器件的原版的LPSSM技术都使用准分子激光器。它 们采用了活性气体和缓冲气体的混合物作为增益介质。用于最大面积的原版的加工时间可 以达到许多小时，经过这段时间，气体混合物中的活性成分被耗尽且需要定期注入补充气 体。在每次注入周期中，准分子激光器的许多性能例如光束轮廓、发散性、脉冲长度等被改变，因此在基材表面连续精确控制烧蚀过程非常困难。当准分子激光器操作因气体控制活 动被中断时，可见不连续结构通常出现在基材表面上，并且也可能在工作中因气体填充物 的降格而出现。于是，在制造用于光学器件的原版且加工时间很长的情况下，需要使用能以 更高的稳定性级别工作的替代激光器。本发明应对上述这些限制LPSSM被用于制造光控和微透镜阵列膜复制用原版的 问题。

发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种用于以连续的螺旋形路径使圆柱形滚筒的表面 曝光于来自脉冲激光源的照射以实现表面烧蚀而在该表面上形成由重复的三维微观结构 构成的阵列的方法，包括以下步骤通过激光器产生辐射脉冲；提供具有第一轴和第二轴的矩形掩膜，该掩膜在平行于其第一轴的线中按照固定 间距具有多个特征，该间距对应于要形成的三维微观结构的间距或与之成比例，在该线中 的特征对应于所述三维微观结构的不同深度轮廓，这些深度轮廓共同限定出完整的微观结 构；相对一个投影透镜定位该掩膜，其第一轴基本平行于滚筒的转动轴，其第二轴基 本平行于该滚筒的转动方向；使该掩膜曝光在矩形激光束下，从而其所有特征均曝光在激光束下；通过投影透镜将包含掩膜上的多个特征的图像投影到滚筒表面的目标区上；使滚筒绕其轴转动；使该投影透镜和掩膜相对于该滚筒在基本平行于滚筒转动轴的方向上移动，从而 在滚筒每转动一圈后，该投影透镜和掩膜在平行于滚筒转动轴的方向上移动了等于该微观 结构阵列的该固定间距的距离，所述多个特征由此被相继曝光到相同目标区，从而形成该 微观结构的不同的深度轮廓；和与该转动滚筒的角位相关地控制激光脉冲的时刻，从而当在滚筒表面上的目标区 已在转动方向上移动了一个对应于该微观结构阵列的重复间距的距离的任何时候发生激 光脉冲，从而在滚筒转动每圈中，全数的微观结构重复距离纳入围绕滚筒的螺旋形路径中。根据本发明的第二方面，提供一种烧蚀转动的圆柱形滚筒的表面以在其上形成重 复的三维微观结构的阵列的设备，包括脉冲激光源；掩膜，具有在一条线中按照固定间距的多个特征，在所述线上的多个特征对应于 该三维微观结构的不同的深度轮廓；照射系统，提供曝光掩膜上的由所述特征构成的线的矩形激光束；光学投影系统，用于投影掩膜图像到滚筒表面的目标区；用于使该滚筒绕其轴转动的转动机构；台架和马达系统，用于使该光学投影系统和该掩膜在平行于该滚筒的转动轴的方 向上移动，从而在滚筒转动每圈后，投影系统和掩膜已移动了等于该微观结构阵列的该固 定间距的距离；
控制系统，用于与该滚筒的角位相关地控制激光脉冲的时刻，从而当滚筒表面上 的目标区已在转动方向上移动了一个对应于该微观结构阵列的重复间距的任何时候，该激 光脉冲出现。于是，提供了一种允许在滚筒表面上可靠连续地形成无缝微观结构的新型LPSSM。于是，本发明的基础是连续转动的滚筒和连续线性移动的光学掩膜投影系统的结 合，它们被共同用于通过激光烧蚀在转动滚筒的表面上产生微观结构螺旋线。该掩膜为矩 形并且在其长轴上有一条或两条由多个按固定间距的特征构成的线，该固定间距对应于微 观结构在该方向上的间距。每条线中的结构对应于三维微观结构的不同深度轮廓，限定一 个完整微观结构的所有特征被包含在沿该方向的掩膜上的一条线内。在短轴上，掩膜具有 足够数量的特征，以对应微观结构阵列的在该方向上的最小单一重复间距。因为由特征构 成的每条线沿长轴在掩膜上具有单个微观结构的所有不同深度的轮廓，当在滚筒表面上的 每个点被相继曝光在该线条图像中的每个不同特征时，在该点形成了完整成型的微观结 构。于是，提供了一种允许在滚筒表面上可靠连续地形成无缝微观结构的新型LPSSM。在滚筒表面上的矩形图像可以按照两种方式来定向。第一种方式是，长轴被定向 为平行于滚筒轴。另一种方式是，长轴被定向为垂直于滚筒轴(即围绕滚筒周面布置)。在 两种情况下，在滚筒转动每圈后，矩形图像在平行于滚筒轴的方向上移动一个微观结构的 重复间距。在平行的情况下，滚筒转动每圈，滚筒表面上的每个点仅曝光于单个微观结构特 征。当图像沿滚筒表面前进时，每个点被逐渐曝光于所有的图像特征，只有在整个图像长度 已经过该表面之后，每个点才逐渐曝光于微观结构整个周向线。在垂直的情况下，滚筒表面 上的点在图像单次经过表面时被曝光在一连串完整的微观结构特征下，从而在按方形或矩 形密集布阵情况下产生一行完整的微观结构，或在按六边形密集布阵情况下时产生两行完 整的微观结构。上述方法可被用于产生由独立对称或非对称的重复微观结构构成的且具有任意 密集度的无缝阵列。现在，将从对基材表面上的光束尺寸的要求开始来描述该方法的优选 特征。一个重要特征是，在使滚筒表面移动以在掩膜的全图完全经过之后每个微观结构 元件被完整加工出和完全成形。这实际上通过使用这样的图像来完成，该图像包括加工出 期望的结构形状和深度所需要的所有不同的掩膜特征。在滚筒表面上的线条图像的长度取 决于每个微观结构元件的尺寸和所需要的不同轮廓高度的数量。对于高精度结构化来说， 需要以大约0. 1-0. 2微米深度间隔限定出轮廓的掩膜。例如，对于由25微米深的微观结构 以50微米间距构成的方形阵列，需要至少125个不同的掩膜结构来精确限定形状，因而滚 筒上的最小图像长度为6. 25毫米。对于固定的微观结构深度同尺寸比和给定的材料和烧蚀速率来说，所需要的图像 长度和间距的平方成比例。这意味着，对于大的微观结构，图像长度可以很大，对于小的微 观结构，图像长度可以很短。对于等于间距一半的深度和每次照射0. 2微米的烧蚀速率来 说，对于10微米和100微米的间距特征的图像长度分别为0. 25毫米和25毫米。之前将LPSSM用于三维光学微观结构原版的成型所遇到的主要问题是在相邻的 扫描带之间发生的缝合误差。这样的误差使自身呈现为在基材表面上的按照等于扫描带的宽度的间距的可见线条。对于在图像区的边缘几乎没有材料或没有材料被烧蚀的凹形微观 结构，它们通常是由于照射在被曝光的表面上的光束内的区域烧蚀掉的碎屑沉积造成。但 是对于凸形结构，此时材料被烧蚀至微观结构的整个深度，在图像区边缘的可见线条是因 为朝向壁面的斜坡造成了棱脊。因此，另一个重要的特征是，由于滚筒和移动光学元件的联合运动，微观结构的线 条形成为很细的螺旋线形式，其中完成的微观结构构成的每条周向线是在滚筒转动一圈后 形成的。滚筒的连续运动伴随着光学元件在每圈转动时沿滚筒长度前进一个微观结构重复 间距，这能够使可见条带界面的人为现象被消除，因为即使出现碎屑或棱脊作用，它们也在 与最小结构相同的间距上，因此不会被视作缺陷。于是，对于上述考虑的两种情况，在要形 成10微米或100微米间距且其深度等于间距一半的微观结构时，在方形阵列情况下，在基 材表面上的图像形状分别为0. 25毫米长X0. 01毫米宽和25毫米长X0. 1毫米宽。对于结 构中心之间间距为10微米或100微米的六边形密集的微观结构阵列情况，图像将包括平行 的两行特征，其偏置半个间距地沿长轴延伸，图像宽度将增大1. 866倍，从而分别得到0. 25 毫米长X0. 01866毫米宽和25毫米长X0. 1866毫米宽的图像形状。从这些例子中可以看 出，在任何情况下，期望在基材上的线状光束有大的长宽比或者说纵横比。另一个重要特征是，通过光掩膜投影系统用于在滚筒表面形成图像的脉冲激光束 必须有足够多的横向模式，从而它能被认为有很低的空间相干性，因此在图像平面没有显 著的相干效应。直接发出多模低相干光束的激光器是众所周知的。这样的低相干性激光器 的一个例子是准分子气体激光器，它通常以高达1千赫兹的重复频率发出具有数十纳秒持 续时间的脉冲并在紫外线(UV)区域工作。另一例子是多模固态激光器，其以高达几十千赫 兹的重复频率发出持续时间通常为IOns至IOOns的脉冲并且该激光器通常以1. 064微米 左右的波长工作。这样的UV准分子激光器可以被广泛用于材料烧蚀，因为大多数材料强烈 吸收UV。多模固态激光器可被直接用来烧蚀强烈吸收红外(IR)激光波长的材料，或者该激 光器可利用非线性晶体被转换为较短波长。在532nm的可见光区域内和在355nm的紫外范 围内工作的多模固态激光器是容易获得的。后一种激光器特别适用于在此描述的本发明， 因为许多有机材料和无机材料在355nm时吸收强烈。上述的多模激光器都可以被直接使用，无需进一步努力来减小光束相干性。但是 在许多情况下，希望使用能发射出具有单个或数量很有限的空间光束模式的光束的激光 器，从而其具有高得多的相干性。这样的激光器基于固态活性材料并且通常在高达几百千 赫的重复频率下工作，其脉冲长度为几十ns范围，基础波长约为1. 06微米，谐波从可见光 和UV范围下降到266nm。在这些激光器的情况下，需要使激光束经过“扰模器”来减小相 干性。基于将激光束传播至多模光纤的扰模器已经被广泛介绍了并且可以购买获得。这样 的器件被如此说明，其采用熔融二氧化硅的低损光纤并且可在高强度激光脉冲下在UV区 域中工作。US5138675描述一种基于光纤的扰模器，其作为局域网的光学隔离器主要部件。 在 Robinson 和 Ilev 的"Review of Scientific Instruments”(75 卷，4856 页，2004 年 11 月)中描述了研发用于高脉冲能量激光颗粒图像测速仪的扰模器的用途。FM-I是商用的扰 模器，可从Newport公司获得。另一个重要特征是，来自激光器的光束被整形而在上述的掩膜上形成窄长的均勻 线状光束。这通过使用基于透镜阵列或衍射光学元件的标准光学均束器来完成。利用这样的器件，来自低相干性多模激光器或高相干性低模激光器的且已经过扰模器的光束可被容 易整形，变得更均勻一致并且其发散性得到调整，以适应投影光学元件要求。由于掩膜图案 具有高的纵横比，所以在线状光束的长轴上有高能量密度均勻性是重要的，但在短轴上也 希望有，但不是关键的。在短轴方向，掩膜图案足够窄，从而按照高斯能量密度分布的图案 的过度充盈很可能会效率低，但能满足要求。就效率和均勻性而言出是色的解决方式是产 生具有平顶的准高斯分布。这样的方法对激光器光束操控和调制领域的技术人员来说是众 所周知的。另一个重要特征是，只使用包括单激光光束的单掩膜投影单元来照射滚筒表面。 这种布置结构与用于产生激光辐射的单激光器单元的使用相一致，并且这种布置可能是最 方便的布置。但是，在需要较高激光器功率或较高激光器重复频率的情况下，可能希望采用 多于一个的激光源。在此情况下，必须在进入掩膜投影之前，使来自分别的激光源的光束在 进入均束器和光束成形单元前会集。采用偏振反射镜来会集两个正交的偏振激光是众所周 知的。两个或更多激光在透镜阵列均束器的入口孔径处的空间会集也是众所周知的。扰模 器也可以被用于会集多个激光束。光束可以如此会集，多个脉冲时间交叠并且在每个脉冲 上产生较高能量，或者脉冲序列可以被交错开，从而提高有效重复频率。另一个重要特征是矩形光束被用于照射矩形掩膜的表面，掩膜沿长轴有一条或两 条由多个按固定间距的特征构成的线，该固定间距对应于在该方向上的微观结构间距。每 条线上的特征对应三维微观结构的不同深度轮廓且限定一个完整微观结构的所有特征被 包括在该掩膜上的沿该方向的一条线中。在短轴上，掩膜有足够数量的特征，以对应微观结 构阵列的在该方向上的最小单个重复间距。因为滚筒表面上的每个点变成曝光于一条特征 线中的不同特征的每一个之下，所以在该点形成完整成形的三维微观结构。这样的掩膜有 时由金属构成，但对于细微级微观结构的高精度再现，更常使用在石英上构图的铬。制造和 使用这种掩膜的技术是众所周知的。另一个重要特征是，投影透镜被用于在滚筒表面上产生掩膜图案的缩图。该透镜 需要是缩小型的，以在滚筒表面产生高到足以烧蚀材料的激光脉冲能量密度，但同时在掩 膜上保持低到足以避免对掩膜产生任何损坏的低能量密度。根据待烧蚀的滚筒材料和掩膜 材料，通常使用缩小倍数为5-20倍的透镜。所用透镜的另一个重要的要求是其必须具有足 够的光学分辨率以产生在滚筒表面上所需要的尺寸的精确结构。透镜的光学分辨率随激光 波长取值，但与透镜的数值孔径相反地取值，于是为了获得最小结构，应采用最短波长激光 和最高的可能数值孔径的透镜。实际上，通常使用具有0.1-0. 3的数值孔径的透镜。为了 保持滚筒表面上的图像中的特征的间距恒定(即便滚筒表面和透镜之间距离变化)，希望 使用焦阑透镜。用于执行上述方法的设备是如此布置的，待加工的滚筒安装在轴承上，从而它可 绕与滚筒的对称轴线重合的转动轴自由转动。通过借助接附到滚筒轴的精确转动编码器的 伺服控制马达使滚筒转动。掩膜和投影透镜精确安置在投影系统的光轴上，该光轴布置成 垂直并经过滚筒转动轴，从而照到滚筒表面的激光束在两个轴上均垂直于表面。透镜和掩 膜的彼此相对位置是固定不变的，以在滚筒加工中的任何时候保持图像的恒定尺寸。透镜 和掩膜两者均安装在支架上，该支架可在伺服马达驱动台架上在两个正交轴线上运动。台架主轴平行于滚筒轴，因此透镜和掩膜沿该轴的共同运动被用来移动掩膜图像在滚筒的整个长度上经过。台架副轴平行于投影系统的光轴，因此，透镜和掩膜沿该轴的共同运动被用 来精确聚焦掩膜图像在滚筒表面上。大多数激光束均束器有良好限定的输出平面，光束在输出平面有期望的形状和均 勻性。投影系统的掩膜优选位于该平面。该平面距均束器一段特定距离，从而为了在投影 光学元件在其支架上运动经过滚筒长度上的过程中使该平面与掩膜重合，希望均束器也被 安装在同一支架上。以上说明限定了滚筒和投影系统轴的相对取向，但是没有限定绝对轴线方向。在 可用于印刷滚筒雕刻的激光加工工具中，常用到的是水平的滚筒轴，因此可以想到，对用于 执行该方法的任何实际设备的方便取向将是滚筒轴位于水平平面中。该布置结构允许投影 系统的光轴能处于竖向和水平之间的任何角度。竖向或水平是最有可能的。在滚筒水平 布置的情况下，光学系统和滚筒在平行于滚筒轴的方向上的相对运动可以通过两种方式实 现。或是滚筒固定不动而光学元件平行于滚筒轴地移动，或者，光学元件固定不动而滚筒安 装在一个允许其在其整个长度的台架上移动经过。水平滚筒轴不是唯一可行的滚筒取向， 也可以想到滚筒轴沿竖向的布置。在此情况下，投影系统的光轴将位于水平平面。所述方法的一个基础特征是，微观结构在连续的螺旋运动中在滚筒表面上形成。 这是通过使滚筒连续绕其转动轴转动并同时使掩膜图像连续沿滚筒长度移动来实现的。与 此协调运动相关的有三个要点。其一，在滚筒每转动一整圈后，掩膜图像已经沿滚筒轴方向 移动了该微观阵列在该平行于滚筒轴的方向上的一个重复单位间距长度。其二，在滚筒转 动轴上的编码器被用来控制激光器发射，从而以这样的时间间隔发出激光脉冲，其对应于 十分接近该微观结构阵列的在垂直于滚筒轴的方向上的重复间距单元的滚筒表面运动。第 三，激光器发射被如此安排，确切数目的完整微观结构的重复单元被加入滚筒表面的每个 完整周向路径中，从而在相邻周向线上的微观结构恰好匹配形成一个精确阵列。加工的螺旋形特性的后果就是在滚筒表面上的由微观结构构成的线相对滚筒轴 略微倾斜，因此在滚筒表面上的线状光束图像也非常轻微地相对于垂直于或平行于滚筒轴 的方向倾斜，从而匹配图案的螺旋间距。螺旋倾斜角度非常小，因为其对应于沿滚筒的单个 微观结构间距除以滚筒周长。对于300毫米直径的滚筒和10微米和100微米的微观结构 间距，倾斜角度只分别为 10. 61 μ rad(0. 000605° )和 0. 1061 μ rad(0. 00605° )。要求将整数个完整微观结构加入滚筒的每圈转动中和进而恰好匹配螺旋路径的 相邻线上的微观结构的要求的结果就是，激光器的触发不得不由滚筒轴上的转动编码器来 精确控制，从而在滚筒每转动一整圈时发出确切数量的激光脉冲。实际上，由于滚筒上的 图像路径的螺旋形轨迹，必须被纳入的确切数量的脉冲的距离比一圈稍长。每圈转动时的 该额外距离小，但由于其沿滚筒长度累积，因此它需要被消除以在整个滚筒表面上产生精 确的二维阵列。例如，对于300毫米直径的滚筒，围绕滚筒的一个完整的真正周向长度为 942. 477795毫米。与螺旋路径相关的附加距离由微观结构间距和螺旋倾斜角度的乘积得 至IJ。对于100微米和10微米间距的方形阵列微观结构来说，每转动一圈时的附加距离分别 为IOnm和0. lnm。这些围绕滚筒表面的微小的附加距离在经过加工整个滚筒所需要的多圈 转动后累积得到等于一个微观结构间距的总附加距离。在滚筒每圈转动时将整数个脉冲纳入每个螺旋路径中的要求意味着滚筒表面在 激光脉冲之间运动经过的距离和在运动方向上的确切的微观结构间距之间可能略有差异。例如，在300毫米直径滚筒上加工出方形密集的100微米间距的微观结构的情况下，每次 滚筒表面已移动了恰好100微米时触发激光器将导致在一个周向螺旋轨迹上的微观结构 相对于在相邻轨迹上的微观结构有22. 215微米的定位误差。对于10微米的微观结构，误 差是2. 205微米。为了避免该误差，激光器触发被调整以保证脉冲恰好匹配每个螺旋轨迹 的周向路径。对于100微米的微观结构，这意味着在滚筒每圈转动时发出9425个脉冲，这 对应于每个结构缩小2. 357nm。对于10微米间距的微观结构的情况下，在一圈转动中发出 94248个脉冲，导致每个结构上只有23. 3pm的误差。这样的周向匹配误差是不重要的，只要线状光束图像在平行于滚筒轴的方向上被 对准，但对于线条图像垂直于滚筒轴对准的情况，这些误差可能在图像长度上累积并可能 变得重要。当线条图像被布置成垂直于滚筒轴时，出现其它几个与滚筒曲率相关的显著误 差。这些误差如下所述。对于具有100微米间距和50微米深的微观结构的300毫米直径滚筒，在表面 上的线状光束中需要大约250个掩膜结构，上述周向匹配误差导致在图像每端处有大约 士0. 3 μ m的误差。与100 μ m结构尺寸相比，这是可忽略不计的，并且不影响激光加工工艺 的质量和精度。但对于200微米间距、10微米深的微观结构，需要500掩膜特征并且光束长 度变为100mm。在此情况下，每圈转动中发出4712脉冲，导致在图像每端有大约士2.5μπι 的误差，这开始变得显著。在图像线条与滚筒表面运动对准的情况下，滚筒表面曲率相对于投影透镜的焦深 设定了另一个更严格的限制条件。对于给定波长，透镜焦深与光学分辨率的平方成比例，这 意味着其数值范围为微观结构尺寸的平方。弧形滚筒表面上的线条图像的下陷与线长度除 以滚筒直径的平方成比例。为了在滚筒表面上精确形成图像，下陷需小于焦深。该条件对 可由该滚筒加工方法在图像垂直对准滚筒轴情况下形成的最大微观结构尺寸和深度做出 限制。对于波长355nm的UV激光器的特定情况，以300毫米直径滚筒的表面上的特征尺寸 的十分之一的光学分辨率机加工10微米和100微米尺寸微观结构，在下陷超过焦深之前允 许的最大图像长度分别为2. 4毫米和24毫米。这种与滚筒曲率相关的图像线长度限制规定了可在掩膜上容纳的微观轮廓特征 的最大数量，因此规定了可允许的最大微观结构深度。对于10微米和100微米的特征，其 长度分别由焦深限制条件分别设定为2. 4毫米和24毫米情况下，掩膜特征的最大数量在两 种情况下为240。对于10微米微观结构，且其中其深度为横向尺寸的75%且具有0. 1微米 /激光脉冲的烧蚀速率，总共只需要75个掩膜特征，因此因滚筒曲率而造成的下陷小于焦 深的要求不是一个限制条件。但是，对于100微米微观结构，即使烧蚀速率高达0. 2微米/ 激光脉冲，240个掩膜轮廓限制了其深度于小于尺寸的50%。对于200微米微观结构，图像 长度被限制到47mm，掩膜轮廓的数量限制到135，深度限制到尺寸的13. 5%。当线条图像沿表面运动方向对准时由于滚筒曲率出现了另一个问题。这是因为当 由透镜产生的平面图像被投影到滚筒的弯曲表面上时出现的线条图像的线性扭曲造成的。 对于深度为50微米的100微米微观结构，需要至少250个掩膜轮廓并且图像线条长度为 25mm。如果具有该长度的线条图像被投影到直径为300毫米的滚筒的表面上，则图像被延 长了几乎30微米，从而在线条每一端的特征位移15微米，这足以造成在所形成的微观结构 中的形状精度的显著降低。
于是，可以从以上说明中清楚看到，除非微观结构小而浅，否则最好在线条图像平 行于滚筒轴对准的情况下实现本文所述的激光加工方法。因此，这是执行本文所述工艺的 优选方法。为了在完整的滚筒表面上产生可高度重复的微观结构，必须保证掩膜投影系统在 任何时候都保持聚焦在滚筒表面上。具有完美的圆度和同心度的大滚筒的制造可能很难， 因此滚筒表面和透镜之间距离在加工过程中可能会改变。对于透镜数值孔径小且焦深大时 的大微观结构，图像能够保持聚焦在滚筒表面上，不用在加工过程中进行调整。但是，对于 非常小的微观结构且透镜数值孔径大且对应的焦深小的情况，某种形式的自动聚焦系统是 必须的。存在并可采用多种形式的激光烧蚀自动聚焦系统，但是对于本发明的滚筒加工方 法，优选基于光学的滚筒表面高度传感器的系统。光学高度传感器被接附到其上安装有光 学投影系统的支架上，因此它可以在加工过程中沿滚筒长度移动。传感器测量点相对于投 影系统的轴沿这样的方向角偏置，该方向将其定位在该表面上快行进到投影系统前的位置 上。表面高度参考信号被处理，信息被反馈给驱动台架上的伺服马达的控制系统，该马达驱 动投影系统沿其光轴移动，以保持焦点。为了保证将所有微观结构高度精确地安置在整个滚筒表面上，需要补偿所有三个 用于相对光学投影系统移动滚筒表面的台架的误差。使投影系统在Z方向上沿它的垂直于 滚筒表面的光轴移动以控制焦点的线性台架中的误差不显著，因为总行程可能最多为1毫 米或2毫米。由滚筒直径变化和滚筒转速变化引起的在X方向上围绕滚筒周向的微观结构 的安置误差由接附到滚筒轴上的精确转动编码器触发激光器来完全补偿。微观结构在滚筒 表面上的安置中出现所能造成最大显著误差的台架是被用于使滚筒相对投影系统沿平行 于滚筒轴的Y方向的运动的线性台架。该台架可以移动投影光学元件或滚筒支架，但在这 两者情况下都具有误差范围，该误差范围会引起由投影系统在滚筒表面上产生的图像在所 有三个轴上偏离期望位置。台架行程沿所有三个轴的校准将给出使误差被彻底修正的信 息。在垂直于滚筒表面的Z方向上出现的误差通过上述的自动聚焦系统被修正，该自动聚 焦系统使投影系统沿其光轴移动以保持焦距。在平行于滚筒轴方向的Y方向上出现的误差 可以通过对Y台架的线性运动施加合适的修正被补偿。但是，在围绕滚筒周面的X方向上 出现的误差无法通过其它轴的运动来修正。取而代之的是，这些误差通过对发出激光的触 发器的脉冲时刻控制来补偿。触发器脉冲时刻的变化对于将结构安置在滚筒表面上的不同 X位置上有影响。只要这些误差小，则这样的用于修正因Y台架的运动而引起的X方向周向 误差的方法是有效的。激光脉冲能量、重复频率和功率要求可以根据滚筒表面材质和微观结构尺寸和深 度而显著变化。对于具有相似的深度尺寸比的微观结构，滚筒表面上的光束面积与尺寸的 立方成比例。于是，对于需要相同的烧蚀能量密度的滚筒表面材质，每个激光脉冲所包含的 能量规模大小为微观结构尺寸的立方。滚筒表面每移动一个微观结构间距时激光器发射的 要求导致了对于给定的滚筒表面速度与微观结构尺寸相反地变化的激光重复频率。例如，将考虑方形密集的深度为间距一半的具有10微米和100微米间距的微观结 构。如果材料是聚合物且激光器在UV区域工作，则在能量密度为大约3mJ/mm2的情况下，可 以得到0. 2 μ m/照射的烧蚀速率。在此情况下，光束长度分别为0. 25mm和25mm，而光束面积为0.0025mm2和2. 5mm2,脉冲能量分别为7. 5 μ J和7. 5mJ。对于以每秒1圈的速度转动 的300毫米直径滚筒，表面速度为0. 9426m/s，对于10微米和100微米微观结构的激光重复 频率分别为94.26kHz和9.426kHz。从这些数字，在滚筒表面上的激光器功率要求可经计算 分别为0. 707W和70. 7W。对于1米长的滚筒，激光加工时间可经计算分别为28小时和2.8小时。对于具有10微米和100微米间距且深度为间距一半的六边形密集微观结构，光束 的长度和宽度分别为0. 25毫米和0. 01866毫米以及25毫米和0. 1866毫米，而光束面积为 0. 00467mm2和4. 67mm2。对于3mJ/cm2的能量密度，脉冲能量分别为14 μ J和14mJ0对于以 每秒半圈的速度转动的300毫米直径滚筒，激光重复频率为47. IkHz和4. 71kHz，得到在滚 筒表面的激光器功率要求分别为0. 66W和66W。对于1米长的滚筒，激光加工时间可以经计 算分别为30小时和3小时。


现在将参照附图来描述方法和设备的各方面，其中图1示出了根据本发明的一个实施例的用于激光掩膜投影的设备的示意图；图2示出了用于形成不同深度的微观结构轮廓的激光脉冲同步的基材运动的原 理；图3示出了根据本发明的一个实施例的用于在滚筒上进行激光加工的设备的示 意图；图4示出了形成在滚筒表面上的微观结构的图像图案的细节。图5示出了保持图像聚焦于滚筒表面的示意图；图6示出了触发激光器脉冲的方法的示意图；图7示出了采用两个激光器的滚筒加工设备的示意图。
具体实施例方式图1是表示采用焦阑透镜的光学掩膜投影系统的关键元件的简图。掩膜11被来 自激光器12的光束照射。在掩膜11前的场透镜13将由掩膜11传输的激光辐射14聚焦 在透镜入射瞳15处。投影透镜16将掩膜11上图案的图像产生在基材18的表面上。当这 样的光学投影系统被用于LPSSM时，掩膜相对透镜16和激光束14保持固定不动，而基材18 如图所示在一个方向Y上被连续移动。图2以概略图方式表示LPSSM的原理，仅示出了图1所示类型的光学投影系统的 掩膜和基材。掩膜21具有多个特征22、22’和22”，它们是以固定间距23安置的具有不同 直径的简单圆孔。当激光脉冲照射掩膜21上的所有三个孔时，该投影系统在基材24表面 上产生这三个孔的图像。对应于掩膜21中的这三个孔的三个结构被烧蚀到基材24表面 中。基材24在Y方向上被连续移动，该Y方向与在基材24上的图像中的孔行对齐。每当 基材24已经移动了等于基材24上的孔图的一个间距的距离时，发出激光脉冲。通过此方 法，使得来自掩膜21中的三个不同孔中每个孔的图像在基材24上交叠，形成对应于三个孔22,22'和22”的三维结构。基材24沿Y方向在图中从左向右移动，因此，当基材移入对应 于第一孔22的图像的位置25时，在基材中烧蚀出结构的第一轮廓。当基材移动至对应于 下个孔22’的位置26时，在第一轮廓顶侧烧蚀出结构的第二轮廓。当基材移动至对应于第 三孔22”的位置27时，烧蚀出最终轮廓以形成完整的微观结构。随着基材沿Y方向移动， 完整的微观结构在图中向右离开光束。
图3表示可被用于执行上述滚筒构图方法的设备的细节。圆柱形滚筒31安装在 轴32、32’上并在伺服马达系统(图中未示出)的驱动下绕该轴连续转动。激光器单元33 产生射入光学均束器34的脉冲激光束。在此情况下，激光器33是多模类型的，其在光束中 具有足够多的模数而被认为非相干的，因此不需要扰模器。均束器34将来自激光器33的 光束转变为矩形线光束，其在掩膜35表面上具有改善的能量密度均勻性。投影透镜36在 转动的滚筒31的表面上产生掩膜35上的线条图案的缩小图像37。在此图中，线条图像被 调准接近平行于但不是精确平行于滚筒31的转动轴32。线条图像垂直于滚筒轴32的调 准也是可行的。来自透镜36的光束的光轴被调准至精确地经过滚筒的转动轴32并且垂直 于滚筒轴32，从而在滚筒表面上的掩膜图像恰好垂直于该表面。透镜36、掩膜35和均束器 34均安装在伺服马达驱动台架上的支架(未示出)上，其被调准平行于滚动轴32，从而允 许整个光学组件在Y方向上沿滚筒31的整个长度经过。在激光加工中，滚筒31被连续转 动，装载有光学投影单元和均束器的支架被连续地从滚筒31的一端移动到另一端，从而掩 膜35的图像在整个滚筒表面上绘制出连续的螺旋路径。该图还示出了反射镜38，它被用来 将来自均束器34的光偏转至掩膜35。该布置结构如图所示是用于产生更紧凑的光学布局， 但实际上，可以将反射镜安置在光学系统中的其它位置，或甚至全部省掉。在所示的布置结 构中，与移动的均束器34和光学投影系统相比，激光器33是固定不动的，因此其至均束器 34的距离随着滚筒31加工的进行而变化。依据激光束特性，可能期望使激光器33随均束 器34 —起移动，以保持恒定间隔。在此情况下，激光器33也被安装在装载有均束器34和 投影光学元件的运动支架上。解决此问题的一个替代方式是保持整个光学系统在平行于滚 筒轴32的方向上固定，取而代之的是将滚筒31安装在使滚筒在其整个长度上移动的线性 台架系统(未示出)上。在附图所示的情况下，此时线条图像沿滚筒轴方向被调准以使滚 筒表面上的所有点都曝光在图像中的特征之下，表面加工必须在线条图像的全长偏置超出 滚筒加工区的始边的情况下开始，并且为了在滚筒整个长度上持续加工，直到线条图像的 全长已走过滚筒加工区的终点。结果，投影系统相对滚筒31在平行于滚筒轴32的方向上 走过的距离等于滚筒加工长度加图像长度。 图4示出了滚筒表面上的矩形图像如何调准为相对于滚筒轴线成一个小角度以 便能够执行精确的螺旋形加工路径。滚筒41安装在轴42、42’上并且沿一个方向如此转动， 即该表面在图中的X方向上从上到下连续地移动。该光学投影系统具有指向图面内的轴并 且在滚筒表面上产生图像。整个光学系统沿Y方向从左向右连续移动以经过滚筒表面。示 出了该投影透镜在滚筒表面上的图像区域的两个放大视图。在右手侧图像43所示的情况 下，正在加工一个六边形密集阵列。在左手侧图像43’所示的情况下，正在加工微观结构的 一个正方形阵列。在两种情况下，为了简明起见，示出了长度仅为5个微观结构的图像。在两种情况下，该图像的放大视图示出了三个不同区域没有曝光在任何激光脉冲下的未加 工区域44、44’，微观结构已经曝光在一个、两个或三个激光脉冲下且因而部分成型的区域 45、45’，微观结构已经曝光在掩膜上的图像的所有特征下并因而完全成型的区域46、46’。 为了在整个滚筒表面上形成连续螺旋路径，线条图像相对于滚筒轴倾斜一个小角度47。该 角度这样定义，即在滚筒完整转动一圈之后，图像在Y方向上偏移一个微观结构重复间距， 因而该角度通过该微观结构重复间距与滚筒周长之比而给定。为清楚起见，该图示出了夸 大的图像倾斜角度，而实际上该角度很小。图像在滚筒表面上的倾斜实际上通过使掩膜转 过所需角度来获得。该角度的设定精度取决于微观结构的尺寸和深度以及滚筒直径，但只 在滚筒表面上的线条图像的长度最大的情况下用于最大最深的结构才变得重要。光束宽度 取决于微观结构阵列的几何形状。对于六边形密集阵列，光束宽度48是在垂直于滚筒轴的 方向上的阵列重复间距，因此包括如图所示的相邻的两条结构线。在平行于滚筒轴49的方 向上的阵列重复间距限定了图像在滚筒每圈转动下沿方向Y的增量移动。对于正方形阵列 情况，光束宽度和在滚筒每圈转动下的图像Y方向增量移动均简化为微观结构的宽度。图5示出了一种设备的例子，该设备能用于确保由投影系统产生的图像保持聚焦 在滚筒表面上，即使在滚筒直径是变化的、不是正圆形或者偏心安装在其轴上的情况下。圆 柱形滚筒51安装在轴52上，该轴形成其转动轴线。在此图中，滚筒51如图所示顺时针转 动。来自激光器53的、已经过均束器和反射镜(如果需要)的光束到达掩膜54。透镜55 在滚筒51表面上产生掩膜54的缩小图像。掩膜54和透镜55均接附到伺服马达驱动台 架56上的一个支架上，从而两者沿平行于投影系统光轴且垂直于滚筒表面的Z方向共同移 动。支承装载有透镜55和掩膜54的支架的台架本身被安装在其上装有均束器的第二 支架上。第二支架被运动方向平行于滚筒轴5的第二伺服马达驱动台架驱动2。图中未示 出的第二台架具有使投影系统和相关的均束器沿滚筒51的长度移动的功能。光学传感器 单元57接附到第二支架上，从而它与投影光学元件沿该滚筒51的长度下移。传感器57如 此安装，从而它能测量从传感器57到滚筒表面上的将要曝光在激光脉冲下的点处的相对 距离。由传感器57产生的距离数据通过控制器58被处理并被用来驱动投影系统台架上的 伺服马达，以将透镜55至滚筒表面上的加工点的距离保持恒定，从而掩膜54的图像总是在 焦点上。对于此应用，期望滚筒51以一定精度制造，从而当它转动且光学投影系统横过滚 筒51的整个长度时，希望表面位置的变化和进而投影光学元件的Z向运动较小(例如小于 1毫米)。这意味着，掩膜54至没有安装在与该掩膜54相同的支架上的均束器的距离也以 在加工过程中少量变化。这种距离的少量变化对在掩膜54上形成的光束的形状和均勻性 的影响可忽略不计。图6示出了一种设备的例子，该设备可被用于控制激光发射，从而在滚筒表面上 形成的微观结构是没有不连续的完美二维阵列。滚筒61安装在轴62上并且绕该轴在图中 顺时针转动。来自激光器63的光束经过均束器64，到达掩膜65。在激光器63被触发而发 出脉冲的时刻，投影透镜66在滚筒61表面上产生掩膜65的图像。滚筒61每转一圈中加 入恰好整数的完整微观结构和进而恰好整数的激光脉冲是重要的，因而需要相对于滚筒61的转动来触发激光器63的精确方法。这通过将高分辨率转动编码器67接附到滚筒轴上并 利用光学读取头68来记录滚筒61在所有时刻的角位来实现。光学读取头68的输出被控 制单元69处理，其产生信号以使激光器63在适当的角位发射。对所用的转动编码器67的 角度分辨率的要求由微观结构的尺寸和滚筒直径来定并且最极端的是用于最小微观结构 和最大滚筒直径的情况下。例如，考虑在具有500毫米直径的滚筒61表面上加工出10微 米的微观结构。在滚筒61每圈转动时加入确切数量的微观结构的要求意味着，编码器67、 读取机构和数据处理系统需要具有在滚筒表面的比微观结构尺寸小至少一个但最好两个 数量级的空间分辨率。对于10微米微观结构，这意味着在滚筒表面的空间分辨率为0. 1微 米，对于500毫米直径的滚筒61，这可换算为0. 2 μ rad的角度分辨率。这样的编码器67可 在市场上从很多供货商那里买到。图7示出了一种设备，它与图3所示的设备相似，但在这里采用了具有相同波长的 两个激光器71和71’，这两激光器具有较少的光束模数并因而具有显著的相干性。两个激 光器71和71’被布置成能产生具有不同偏振的光束。激光器71如图所示产生竖向偏振的 光束，而激光器71’是水平偏振的。两个光束在偏振反射镜72处会集。该偏振反射镜具有 介电涂层，其择优反射竖向偏振的辐射并择优透射水平偏振的辐射。在对来自激光器71和 71’的光束进行适当的角度和空间调整的情况下，在经过偏振反射镜72后的两个结合的光 束可被布置成在角度和空间方面完美重合。由于在此情况下光束是相干的，所以需要使光 束经过扰模器73，随后才经过光学系统的其余部分，包括常见的均束器74、掩膜75和透镜 76，接着照射滚筒77。如在图3中那样，透镜76和掩膜75能够沿Z方向移动，以便聚焦， 而透镜76、掩膜75和均束器74沿Y方向移动以覆盖滚筒77的长度。在激光器71、71’固 定不动且它们和均束器74之间距离变化的情况下，希望扰模器73也安装在与均束器74相 同的支架上以便随之移动。因为来自激光器71、71’的光束具有有限的模数，所以在激光器 和扰模器73之间的距离的变化就光束尺寸变化而言不太可能有显著影响，而扰模器73和 均束器74之间的距离变化可能会因增大的光束发散性而导致更显著的光束尺寸变化。如 果需要，激光器71和71’也可以安装在与扰模器73、均束器74和投影系统相同的支架上。 或者，整个光学系统可以保持固定不动，而使滚筒77在其整个长度范围上移动。在此图中， 滚筒表面的线条图像如图所示被调准为接近垂直于滚筒77的转动轴，但是被调准为接近 平行于滚筒轴也是可行的。因此，上面描述的本发明提供一种按照一条连续的螺旋形路径使转动的圆柱形滚 筒的整个表面积曝光在来自脉冲激光源的具有适当能量密度的构图照射下以使得该表面 烧蚀从而形成具有任何密集度但没有接缝线或不连续部分的、由独立的对称或不对称的重 复三维微观结构构成的阵列的方法，包括以下步骤a.通过激光器产生辐射脉冲；b.均束、整形和调整激光束以形成单个矩形线状光束，其在长轴上具有平顶的能 量密度曲线；c.布置具有长轴和横轴的矩形掩膜；d.在掩膜长轴上布置一条或两条由按照固定间距的多个特征构成的线，该间距对 应于在该方向上的微观结构间距，每条线中的特征对应于该三维微观结构的不同的深度轮廓并且限定出一个完整微观结构的所有深度轮廓被包含在沿该方向的该掩膜上该方向中 的一条线中；e.在该掩膜的短轴上布置足够数量的特征，以对应于该微观结构阵列的在该方向 上的最小单一重复间距；f.相对投影透镜定位该掩膜；g.使均勻的矩形线状激光束经过掩膜，从而限定微观结构的深度轮廓的所有所述 特征均位于激光束中；h.通过投影透镜，将由掩膜上的所有所述特征构成的缩小的线状光束图像投影到 目标区上；i.精确定位圆柱形滚筒的表面在目标区中；j.精确定位穿过投影透镜中心的激光束光轴以经过滚筒的转动轴并垂直于滚筒 的转动轴，从而照射滚筒的激光束垂直于滚筒表面；k.使滚筒绕其轴连续转动；1.使该投影透镜和该掩膜一起相对于该滚筒在平行于滚筒转动轴的方向连续移 动，从而在滚筒每转一圈后，投影透镜和掩膜移动了等于该微观结构阵列在平行于滚筒转 动轴的方向上的重复间距的距离；m.与该转动滚筒的精确角位相关地控制脉冲激光器的触发，从而在无论何时滚筒 表面上的目标区已移动一个非常接近该阵列在转动方向上的一个重复的微观结构单元间 距的距离时，发出激光脉冲，从而在滚筒转动每圈后，精确数目的多个微观结构重复单元被 加入围绕滚筒的整个周向螺旋路径中；η.控制透镜和掩膜单元至滚筒表面的距离，从而掩膜图像总是在焦点上，即便滚 筒表面不是完美平坦的；上述的发明还提供一种通过构图照射来烧蚀聚合物涂覆滚筒的表面以形成由三 维微观结构构成的密集的规则阵列，包括ο.脉冲激光源；p.掩膜，具有就单个微观结构而言由多个按照固定间距的特征构成的单条线，并 且该掩膜位于激光源和目标区之间；q.照射系统，用于产生均勻的矩形线状激光束，该激光束照射该掩膜上的由所述 特征构成的整条单线，并且该照射系统设置在激光源和目标区之间；r.光学投影系统，它采用其位置相对掩膜被固定的透镜，用于缩小掩膜图像到该 目标区上，并且该光学投影系统设置在掩膜和该目标区之间；S.用于使该滚筒绕其轴转动且因而滚筒表面移入该目标区内的转动台架和马达 系统；t.线性台架和马达系统，其造成透镜和掩膜单元在平行于该滚筒转动轴的方向上 并在滚筒的整个长度上一起连续移动；U.线性台架和马达系统，其造成透镜和掩膜在垂直于滚筒表面的方向上移动；v.传感器和控制系统，其使透镜和掩膜在垂直于滚筒表面的方向上移动以保持透 镜和滚筒表面之间的恒定间隔；w.控制系统，它将滚筒的准确角度位置与脉冲激光器发射相关联。
权利要求
一种按照连续螺旋形路径使圆柱形滚筒的表面曝光在来自脉冲激光源的照射下以实现表面烧蚀从而在该表面上形成由重复的三维微观结构构成的阵列的方法，包括以下步骤通过激光器产生辐射脉冲；提供具有第一轴和第二轴的矩形掩膜，该掩膜具有在一条平行于其第一轴的线中的多个按照固定间距的特征，该固定间距对应于要形成的三维微观结构的间距或与之成比例，在该线中的特征对应于所述立体微观结构的不同深度轮廓，这些深度轮廓共同限定出完整的微观结构；相对于一个投影透镜定位该掩膜，其中，其第一轴基本平行于该滚筒的转动轴，其第二轴基本平行于该滚筒的转动方向；使该掩膜曝光在矩形激光束下，从而其所有特征均曝光在激光束下；通过投影透镜将包含掩膜上的多个特征的图像投影到滚筒表面的目标区上；使该滚筒绕其轴转动；使该投影透镜和该掩膜相对于该滚筒在基本平行于滚筒转动轴的方向上移动，从而在该滚筒每转动一整圈后，该投影透镜和该掩膜移动了等于该微观结构阵列的在平行于该滚筒转动轴的方向上的该固定间距的距离，所述多个特征由此被相继曝光到相同目标区，从而形成该微观结构的不同深度的轮廓；与该转动滚筒的角位相关地控制激光脉冲的时刻，从而当无论何时该滚筒表面上的目标区已在转动方向上移动了对应于该微观结构阵列的重复间距的距离时发送激光脉冲，从而在该滚筒转动每圈后，全部的微观结构重复间距纳入到围绕滚筒的螺旋形路径中。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，该滚筒表面上的矩形光束图像的第一长轴 定位成相对于平行于该滚筒转动轴的线成一个小角度，该角度由该三维微观结构的在平行 于该转动轴的方向上的所述间距除以滚筒周长来限定。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，该滚筒表面上的矩形光束图像的第一长轴 定位成相对于垂直于该滚筒转动轴的线成一个小角度，该角度由该三维微观结构的在平行 于该转动轴的方向上的所述间距除以滚筒周长来限定。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征是，该激光器是固态激光器，其发 射出的光束具有单横向模式，并且光学扰模器被用来增加光束中的模量，以产生具有低空 间相干度的光束。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征是，该激光器是固态激光器，其发 射出的光束具有少量的横向模式，并且光学扰模器被用来增加光束中的模量，以产生具有 低空间相干度的光束。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征是，该激光器是固态激光器，其发 射出的光束具有数量足够大的横向模式，从而在无需使用光学扰模器情况下具有低的空间 相干性度。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征是，使用多于一个的激光器，来自 激光器的光束被会集而在掩膜上形成单个矩形激光束。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征是，在该滚筒表面上产生的该微观 结构阵列按照正方形或矩形形状密集。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征是，在该滚筒表面上产生的该微观 结构阵列按照六边形形状密集。
10. 一种烧蚀转动的圆柱形滚筒的表面以在滚筒表面上形成由重复的三维微观结构构 成的阵列的设备，包括脉冲激光源；掩膜，具有在一条线上按照固定间距的多个特征，在所述线上的多个特征对应于该三 维微观结构的不同的深度轮廓；照射系统，用于提供矩形激光束以照射该掩膜上的由所述多个特征构成的线；光学投影系统，用于将掩膜图像投影到该滚筒表面的目标区；用于使该滚筒绕其轴转动的转动机构；台架和马达系统，用于使该光学投影系统和该掩膜在平行于该滚筒的转动轴的方向上 移动，从而在该滚筒转动每圈后，该投影系统和该掩膜已移动了等于该微观结构阵列的该 固定间距的距离；控制系统，用于与该滚筒的角位相关地控制激光脉冲的时刻，从而无论何时当该滚筒 表面上的目标区已在转动方向上移动了对应于该微观结构阵列的重复间距时，发射激光脉冲。
全文摘要
一种使滚筒表面曝光在来自脉冲激光源的具有适当能量密度的构图照射下以造成表面烧蚀而形成密集规则的三维微观结构阵列的方法包括以下步骤相对于目标区定位掩膜，该掩膜具有在一条线上的多个按照固定间距的特征；通过掩膜投影均匀的线状激光束以投影由该掩膜上的多个特征构成的图像到目标区；在掩膜和目标区之间缩小光束所携的图像；定位滚筒表面在目标区中以便烧蚀；连续转动滚筒，从而该表面在垂直于滚筒转动轴的第一方向上移动并同时使该投影光束相对滚筒在平行于滚筒转动轴的第二方向上移动；使投影的微观结构阵列倾斜，以对应于激光束在滚筒表面上所沿着的螺旋路径；与滚筒在目标区内的准确角位相关地控制脉冲激光器的发射。还描述了一种执行该方法的设备。
文档编号B23K26/073GK101990479SQ200980109980
公开日2011年3月23日 申请日期2009年3月18日 优先权日2008年3月18日
发明者P·T·路姆斯比 申请人:万佳雷射有限公司