JP2013514180A - 微細構造を製造するレーザー設備のためのマスクを製造するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

マスク投影技術により固体の表面に微細構造を形成するためのレーザー設備のマスク及び／又はダイヤフラムを製造するための方法において、レーザー放射を散乱させる決められた不透過面部を、マスク及び／又はダイヤフラム基材に、後者をフェムト秒、ピコ秒、又はフッ素レーザー光を用いて粗化・改変させることにより製造する。このようなマスク及びダイヤフラムは、その寿命と精度が大幅に改善され、例えば、固体の表面の回折格子アレイに配置されて、高輝度のスペクトル色及び混合色を生成するのに用いられるブレーズド格子を形成するのに使用することができる。

Description

本発明は、請求項１及び１４の前提部分に係る、微細構造を形成するレーザー設備のためのマスク及び／又はダイヤフラムを製造するための方法及び装置に関する。以下、簡略化の目的で、マスクのみについて説明するが、本明細書においてこの表現はダイヤフラムも包含するものである。

あるレーザー設備では、例えば本発明の出願人による特許文献１に開示されているように、マスク投影技術によって微細構造を形成する。このレーザーは、例えば、波長が２４８ナノメートル（ｎｍ）のＫｒＦエキシマレーザーである。このようなレーザー設備によって実施されるマスク投影技術には、交換装置に配置されるマスク及びダイヤフラムの組み合わせが必要である。

マスクは、レーザー光の所定の強度プロファイルを整形することによってマスク表面のある部分にのみ該レーザー光を通過させるのに用いられる。その結果、高エネルギーレーザーを照射すると、マスクには、変形や大きな摩耗に繋がり得る高い応力が印加される。照射された光がマスク表面の非透過領域を通過するのを防止するための可能性としては、吸収、反射、又は散乱が考えられる。

第１の可能性として、ラッカー塗装をこれらの領域に施すことができるが、ラッカー塗装は長期間応力に耐えられない。光リソグラフィも同様である。第２の可能性として、誘電体ミラーを所望の位置に配置することができる。しかしながら、この技術は非常に制約が多い。

散乱領域を形成するためには、エッチング技術が当該技術分野において現在知られているが、この技術は精度が低すぎる。上記の不都合は、特に、マスクが例えば光学的に効果をもたらす回折格子や同様の微細構造を形成するために用いられる場合に顕著となる。透明度の低い領域を比較的粗く形成する技術のこの深刻な欠点は、サンドブラストによって形成を行う特許文献２に記載の表面粗加工にも当てはまる。

国際公開２００７／０１２２１５号 特開２００２−０１１５８９号公報

従って、本発明の第１の目的は、微細構造を形成するためのレーザー設備に使用するのに適した、高耐摩耗性且つ寸法が安定したマスク及びダイヤフラムを製造するための方法及び装置を提供することである。この目的は、請求項１に記載の方法と、請求項１４に記載の装置とによって達成される。

請求項１の方法により製造されたマスク及びダイヤフラムは、高輝度のスペクトル色や、それに基づき高光強度の混合色を生成する光学的な効果を有する回折格子を形成するのに特に適している。先行技術の回折格子は、溝、及びリブ状格子であり、それに基づき、本発明の第２の目的は、光を照射させるとより高い色強度及びより純粋なスペクトル色を提供する回折格子を形成するために、請求項１により製造されたマスク及びダイヤフラムを使用することである。この目的は、請求項５によって達成される。

以下、本発明を、例示的な実施例の図面を参照しながら、詳細に説明する。

固体の表面に回折格子アレイを直接形成するための２つのレーザー設備を有する本発明に係る装置の概略図を示す。 マスク及びダイヤフラムの組み合わせを用いたレーザー光の強度整形を示す。 好適なブレーズド格子構造の断面図を示す。 図３のブレーズド格子構造を形成するための第１のマスクを示す。 図３のブレーズド格子構造を形成するための第２のマスクを示す。 三角形状のコラム又はピット断面を有するコラム又はブラインドホール格子の形態の他の回折格子を示す。 関連する色画素を有する回折格子アレイを示す。 人間の眼では分解できない、複数の異なる色画素領域から形成されるサブ領域を示す。

図１において、２つのレーザー設備を用いて回折格子を製造するための装置を示す。図の左側のレーザー設備は、例えばブレーズド格子アレイを製造するのに適したエキシマレーザー設備であり、右側のレーザー設備は、一方では格子構造を製造するためのマスク及び／又はダイヤフラムを形成するために用いられ、他方では、直接作用型リップル（ｒｉｐｐｌｅ）格子構造を製造するか、エキシマレーザーによって製造された格子構造にリップル（ｒｉｐｐｌｅ）の間隔の変化に基づく第２の格子構造を重畳するようになっているフェムト又はピコ秒レーザー設備である。

第１レーザー設備Ｌ１は、波長が２４８ナノメートル（ｎｍ）のＫｒＦエキシマレーザーを備え、マスク投影技術により固体の表面に微細構造を製造するために用いられる。第２レーザー設備Ｌ２は、中心波長が７７５ｎｍ又はその周波数２倍（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｄｏｕｂｌｅｄ）若しくは周波数３倍（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｔｒｉｐｌｅｄ）波長のフェムト秒レーザー１５を備え、固体の表面にナノ構造、例えばリップル（ｒｉｐｐｌｅ）格子構造を製造したり、焦点技術によりマスクを形成したりするために用いられる。本願の目的のために、「固体」という表現は、レーザーを用いてその表面に微細構造の回折格子を製造することができるあらゆる基材を包含することを意味し、例えば、ガラス、ガラス又はサファイアからなる時計ガラス、セラミックス、適切な合成材料、及び、宝飾品又はコインの主に金属からなる表面、また特に、包装箔や有機固体をエンボス加工するためのエンボス金型やエンボスプレート等のエンボス工具の硬質材料でコーティングした表面が含まれる。こうした表面は予め前処理されていてもよいし、化学的又は機械的に処理されていてもよいし、また構造化されていてもよい。硬質材料コーティングとしては、例えば、四面体結合非晶質炭素（ｔａ−Ｃ）や、炭化ホウ素（ＷＣ）、炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、又は同様の硬質材料が考えられる。

上記微細構造は、例えば、１〜２μｍの格子周期を有するいわゆるブレーズド格子とすることができ、上記ナノ構造は、例えば、３００ｎｍ〜１０００ｎｍの周期を有し光回折格子として機能する自己組織化リップル構造（ｓｅｌｆ−ｏｒｇａｎｉｚｅｄ ｒｉｐｐｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）とすることができる。以下に説明するように、光を照射すると、角度に応じた分散、すなわち回折によるスペクトル色の分離を発生させるものであればどのような回折、及び光学的作用構造の周期的アレイでもよい。

図１において示す第１レーザー、つまりエキシマレーザー１は、ここではその光２が矩形断面を有する。このレーザー光の強度は、減衰器３によって調節、及び変更できる。ホモジナイザー３Ａ及び視野レンズ３Ｂによって、レーザー光断面に亘る均一な強度分布が、均一スポットＨＳに形成される。微細構造を製造するのに必要なレーザー光断面に亘る強度プロファイルは、均一スポットＨＳに位置付けられたマスク１８によって、この均一な強度分布から成形される。

マスクの後に、好ましくは該マスクに接触するように配置されるダイヤフラム６の開口の幾何学的形状によって、マスク１８により整形されるレーザー光の強度プロファイルの断面形状又は輪郭形状が生成される。マスク１８及びダイヤフラム６は、マスク・ダイヤフラム交換装置に位置付けられる。

ＫｒＦエキシマレーザーの代わりに、波長が１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザー、波長が１５７ｎｍのフッ素（Ｆ２）レーザー、又は波長が３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザーを、第１レーザー１として使用することができる。

フェムト秒レーザーの代わりに、波長が１０６４ｎｍ又はその周波数２倍（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｄｏｕｂｌｅｄ）波長の５３２ｎｍ、又はその周波数３倍（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｔｒｉｐｌｅｄ）波長の２６６ｎｍのＮｄ：ＹＡＧ型ピコ秒レーザーを、第２レーザー１５として使用することができる。

図２も参照すると、マスク１８及びダイヤフラム６によって整形されたレーザー光は、このレーザー光に適切な結像光学系８を通過するように光を案内する偏光ミラー７にぶつかる。結像光学系８は、例えば８：１の所定の結像スケールで、エンボスローラ１０上のｔａ−Ｃ層の表面９に微細構造のための適切なレーザー強度プロファイルを結像する。回転矢印１１によって、エンボスローラ１０を所定の角度だけその長手方向軸周りに回転させることができることを示す。エンボスローラ１０は、変位装置３２上に配置される。

レーザー光のパワー、ひいては強度を調整、監視、且つ安定させるために、レーザー光のごく一部を、ビームスプリッタ４によってパワーメーター５に向ける。パワーメーター５は、減衰器３及び／又はレーザー１の制御のためのデータを送信する。このパワーメーター５は、レーザー光強度プロファイル測定装置５Ａに選択的に交換してもよく、このことは図１において両矢印で示す。装置５及び５Ａは、均一スポットＨＳすなわちマスク平面におけるレーザー光のパワー及び強度分布を正確に測定することができるように、ビームスプリッタ４から、均一スポットＨＳに位置付けられるマスク１８と同じ距離に位置決めされる。カメラ２６が、微細構造化プロセスを観察するために用いられる。この目的のために、偏光ミラー７には、２４８ｎｍ波長のエキシマレーザー放射は反射するが可視光は通過させる干渉層が組み込まれている。

エンボスローラ１０の表面領域全体に亘って構造化されるｔａ−Ｃ層上に結像光学系８によって結像されるレーザー光の結像面の正確に定められた位置を調節するために、エンボスローラの位置及び理想の幾何学形状からの製造に関連するずれを、エンボスローラの位置調査のための装置１６によって、例えば、三角測定法によって測定する。そして、これらの測定データは、変位装置３２によるエンボスローラ１０の自動調節及び構造化プロセス中の変位装置３２のＺ軸の補正制御に使用される。

すでに図１に係る例示的な実施例の説明において簡潔に述べたように、マスク投影技術によるエキシマレーザー構造化プロセスに必要な強度プロファイルは、マスク及びダイヤフラムによって整形される。

以下、このプロセスを、図２を参照しながらより詳細に説明する。均一スポットＨＳにおけるレーザー光２９の均一な強度分布７４から、エンボスローラ１０上のｔａ−Ｃ層に製造すべき微細構造に必要なレーザー光断面に亘る強度プロファイルが、均一スポットＨＳ内に位置決めされたマスク１８によって整形される。この概略図において、マスク１８は、グリッド状に配置された透過領域１９と、レーザー光を透過しない表面領域２０とを有し、これにより、立法形状の強度プロファイル部を有するグリッド状強度プロファイル７５を形成する。

レーザー光の方向でマスクの後に、好ましくは該マスクに接触するように配置されるダイヤフラム６によって、マスク１８によってその開口又は透過面領域の幾何学的形状で整形されるレーザー光の強度プロファイルの断面形状が生成される。この図示の例において、ダイヤフラムの開口６Ｔの形状、言い換えると、ダイヤフラムの不透過部６Ｐ内のレーザー光を透過する表面領域の形状は、三角形状であり、その結果、ダイヤフラムを通過後、レーザー光２９Ａの強度プロファイル７６は、三角形状の断面形状を呈する。

図２において、マスク１８の格子周期、並びに、マスクを通過した後のレーザー光の強度プロファイル７５，７６の立法形状強度プロファイル部の厚さ及び間隔を、Ｘ座標軸方向により拡大させて図示する。一例としてマスク投影設備の結像比が８：１とすると、マスクによって整形されたレーザー光２９Ａにより固体の表面９、例えばエンボスローラ１０上のｔａ−Ｃ層に０．５〜５μｍの格子周期を有する格子構造を製造するためには、マスクの格子周期は４〜２０μｍとする。実際には、均一スポットＨＳの表面領域とマスク１８の構造化表面との互いに等しい大きさが８ｍｍ×８ｍｍ＝６４ｍｍ２の場合、図２の概略図示とは対照的に、構造化されるマスク領域は、２０００〜４００の格子周期を有するストライプ状格子から構成され、それにより整形されるレーザー光は、２０００〜４００の立法形状の強度プロファイル部から構成される。

以下の説明においてマスク構造と称する、マスク１８の透過面領域の大きさ、形状、間隔、位置、及び数によって、ｔａ−Ｃ層に所定の光学的効果を有する微細構造を形成するためのレーザー光の強度プロファイルが決まり、ダイヤフラム６によって、レーザー光の強度プロファイルの断面形状、ひいては、エンボスローラ上の微細構造化された領域素子の幾何学形状が決まる。「領域素子」という表現は、ここでは、レーザー光とローラ表面の相対的な移動無しに、マスク及びダイヤフラムにより整形されて、ｔａ−Ｃコーティングされたローラ表面上にレーザー光パルス列で結像されるレーザー光により構造化される、エンボスローラ又はエンボス金型上の表面を示すために使用される。

従って、マスク構造を変化させることによって、特に、マスクをレーザー光の光軸周りに所定の角度回転させることによって、マスクによって整形され合焦光学系８によってエンボスローラのｔａ−Ｃ層上に結像されるレーザー光の強度プロファイルの配向を変化させることができ、これにより、多色光を照射することによる微細構造化された領域素子の光学的効果、例えば、視線方向や視野角並びに色や強度を変化させることができる。

ダイヤフラム６をレーザー光の光軸周りに所定の角度回転させることによって、ダイヤフラムによって整形され合焦光学系によってエンボスローラ上のｔａ−Ｃ層に結像されるレーザー光の断面形状の配向が変化し、これにより、エンボスローラの表面上の、レーザーにより構造化される領域素子の配向が変化する。

微細構造化された領域素子は、特定のパターンに応じて並置してもよいし、マスクを所定の角度回転後に、この所定の角度の状態で同一の微細構造に重畳させてもよい。さらに、異なるマスクを使用する場合は、異なる微細構造を領域素子において重畳させることができる。それらを並置する場合、領域素子は同一の又は異なる表面形状及び微細構造を有してもよい。

太陽光に近い白色光放射を回折させたり、回折格子に多色光、例えば昼光色蛍光ランプや白熱電球の光（以下、本明細書では簡潔に「光」と称する）を照射したりすると、波長に応じた回折角度により、いわゆる回折角度分散が起こる。すなわち、光子が特定の波長を有するスペクトル色への、すなわち単色光への分離が起こる。従って、どの回折次数も重ならない場合には、これらのスペクトル色のみが回折光において観察される。

本発明によれば、回折格子アレイを用いることによって、該回折格子アレイの１つ又は複数の所定の視野角及び１つ又は複数の所定の方位視線方向で見える複数の光子波長のスペクトル色が重畳されることにより、混合色が形成される。微細なサブ領域＝人間の眼の分解能未満の色画素領域において異なる格子周期を有する、固体の表面の回折格子アレイを用いることによって、該回折格子アレイに光を照射すると、意図する用途に応じて選択される原色スペクトルの波長である回折スペクトルに現れる３つの異なる原色スペクトル波長の赤、緑、及び青の光子から、混合色が好適に生成される。よって、混合色を人間の眼で見る場合には、原色スペクトルの赤には６３０ｎｍの波長λｒｅｄ、緑には５３０ｎｍの波長λｇｒｅｅｎ、青には４３０ｎｍの波長λｂｌｕｅが例えば有利である。

回折格子アレイは、主に赤、緑、及び青に対して敏感な３つの異なる種類の視色素を含む人間の眼の錐体光受容体と同様に、例えば、原色の赤、緑、及び青を生成する色画素回折格子領域から構成されてもよい。適用可能な回折格子の種類には、例えばマスク投影技術によるエキシマレーザーを用いた構造化により製造される、溝、及びリブ状格子、コラムグリッド格子、及びブレーズド格子、或いは、焦点技術によるフェムト又はピコ秒レーザーの照射又は両構造の重畳化により製造される所定の調整リップル（ｒｉｐｐｌｅ）格子周期を有する自己組織化リップル（ｒｉｐｐｌｅ）格子が挙げられる。

光の所定の入射角又は分散照射のために、それぞれ、色画素領域内の回折格子の格子周期及び配向によって、スペクトル色の回折方向、ひいては、個々の色画素の原色の視野角及び方位視線方向が決まる。この点に関し、少なくとも１つの方位視線方向における少なくとも１つの視野角で効果的な混色を実現するために、少なくとも１つの回折次数の回折角度及び回折方向が混合色の各波長について同一となるように、混合色の波長を選択しアレイの回折格子を配列させなければならない。

以下、ブレーズド格子構造の形成及び該ブレーズド格子構造を形成するのに適したマスクの製造について、図３〜８を参照しながら説明する。ブレーズド格子において、分離性能の最大値ひいては最も高い強度最大値はステップの法線ＳＮに対する反射方向に常に位置付けられるので、分離性能の最大値ひいては最も高い強度最大値は、ステップの傾斜を変化させることによって、すなわち、ブレーズ角αＢを変化させることによって回折次数が０次の場合の最大値からより高い回折次数の場合の最大値にシフトさせることができる。αＢが変化する時、格子周期ｇ及び入射光の入射角αｅが一定である限り、回折角度αｍ＝異なる回折次数の視野角そしてひいては格子の回折の最大値の位置は変化しない。更に、図３において、ｓはブレーズド格子の側部を、ｈはブレーズド格子の高さを、ｅＳは入射ビームを、ＧＮは格子の法線を、ＳＮはステップの法線をそれぞれ示す。

格子表面のほぼ全体、より正確には、格子の凹部の長さと該凹部の数を掛けたステップの幅ｓによって形成される表面が回折に利用されるため、回折の強度ひいては回折されたスペクトル色の観察輝度は、ブレーズド格子において、単純なストライプ状格子＝溝、及びリブ状格子における回折よりも実質的に高くなる。

図３のブレーズド格子構造は、図４のマスクを用いて製造される。このマスクは、その不透過面がフェムト秒レーザー又はＦ２レーザー光によって製造できる石英ガラス基材からなる。また、上記エキシマレーザーを照射すると同時にマスクを走査してブレーズド格子構造を製造するための透過三角形状領域は使用しない。フェムト秒レーザーパルス又はフッ素レーザーパルスを照射することによって、石英基材の表面が粗化、及び改変されて、入射光が吸収されずに散乱するようになる。「改変」という表現は、本明細書では、基材の材料密度、構造、及び屈折率の変更を表す。このようにして、このようなマスクの非常に低い熱負荷、高い寸法精度、及び非常に長い寿命が確保できる。

焦点技術によるフェムト秒レーザー又はマスク投影技術によるＦ２レーザーを用いて石英ガラス基材にマスクを製造する方法において、透過透明三角形状領域を自由にする不透明領域が、最小可能合焦又は結像断面Ｆを走査し、図４において灰色で塗りつぶされた小円（ｆｓレーザー）又は黒色で塗りつぶされた小円（Ｆ２レーザー）で表されるレーザーパルスを重畳させることによって製造される。小さい正方形は、正方形状の断面形状を有するレーザー光を使用してもよいことを示す。このようにして、白で示す透過三角形状領域を除き、図４において灰色で示す表面領域の全体を走査する。より詳細には、走査される領域の表面が、これらの領域がエキシマレーザーの入射するレーザー光の部分を散乱することによって該レーザー光に対する不透過領域として働くように、適切なフルエンスのレーザー光により粗化、及び改変される。

量Ｇは、透過三角形の底辺長であり、ここではこのマスクを用いてエキシマレーザーマスク投影技術によりブレーズド格子を製造するために結像比８：１を使用するため、８×格子定数ｇと等しい。それに対応して、Ｈ及びφはそれぞれ透過三角形の高さ及び底角であり、Ｉは、マスク走査方向における透過三角形間の距離である。Ｆ２レーザー設備を使用する場合、異なる結像比２５：１が使用される。

若しくはブレーズド格子構造は、図５に示すストライプ状マスク７９を用いて製造してもよい。このストライプ状マスクは、２つの異なるストライプ幅を有する。これらのストライプ幅は、所定の線形又はステップ関数に応じて各ストライプ幅に亘って０と１との間でまた１と０との間で透過率が変化するブレーズド格子凹部を製造するために必要とされるような幅である。ここで再び、８ｇ及び８ｇ×ｓｉｎαＢという符号は、マスク投影技術によりブレーズド格子構造を形成する際に使用される結像比８：１から導き出される。

ｆｓ又はＦ２レーザー設備を用いて形成できる適切なマスクを製造する方法は、数多くの変形が可能である。第１レーザー設備Ｌ１すなわちマスク投影技術によるエキシマレーザー１のための設備においてブレーズド格子構造を製造するために、選択したマスクを適切なダイヤフラムと一緒に交換装置に載置する。ダイヤフラムは、マスクと同じ製造技術によって製造することができる。マスク又はダイヤフラムのための基材としては、石英ガラス（ＳｉＯ２）、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）、又はフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）が使用できる。

フェムト秒レーザーを使用して、格子構造に配置されるリップル（ｒｉｐｐｌｅ）を製造して、混合可能なスペクトル色を形成することが可能になる。各スペクトル色を形成するための所望の格子定数を生成する異なるリップル（ｒｉｐｐｌｅ）間隔を調節可能に形成するために、リップルの形成中基材の平面をレーザー光に対して所定の角度だけ傾斜させる。

すでに述べたように、眼は、２００μｍ×２００μｍの領域を分解することしかできないため、正方形状色画素の最大辺長は、２００μｍを３で割った値＝６６．６７μｍよりも小さくする必要がある。そして、混合色を生成するために、２００μｍ×２００μｍのサブ領域には、原色の赤、緑、及び青の少なくとも９つの正方形状色画素が含まれる。各色画素は、当然、原色として単一のスペクトル色を含む。従って、辺長が３３．３３μｍの色画素の場合、図８に示すサブ領域８１は、原色の赤、緑、及び青の合計３６個の正方形状色画素８２，８３，８４を含む。

このような大きさにすることにより、例えば、眼で見ることはできないが適合した分光器により検出可能な異なる色の１つ又は幾つかの色画素を特定のサブ領域に分散させた新しい認証機構が可能になる。

以下、図８のサブ領域８１による格子構造のための例示的な計算を示す。正方形状色画素の辺長が３３．３３μｍ、光の入射が垂直、回折角度＝赤、緑、及び青の視野角である３０°であり、格子周期の計算値が、ｇｒｅｄ＝１．２６μｍ、ｇｇｒｅｅｎ＝１．０６μｍ、及びｇｂｌｕｅ＝０．８６μｍの場合、赤色の正方形状画素は２９の格子周期を、緑色の正方形状画素は３８の格子周期を、青色の正方形状画素は４７の格子周期をそれぞれ含む。

色画素の回折強度は、格子周期の数、すなわち、色画素内の格子凹部の全長、また、原色の波長によって決まる。強度は、個々の原色画素の表面領域の大きさ又は数によってのみ制御することができる。この点に関し、光源といった異なる要因を考慮に入れる必要がある。すなわち、例えば、昼間の太陽光、朝の太陽光、夕方の太陽光、昼光色蛍光ランプ、白熱電球等があり、これらは出射波長帯に亘る強度特性が異なるため、各スペクトル色の強度に影響を及ぼす。更に、人間の眼、すなわち、原色の選択された波長に対する人間の眼の明所視分光感度を考慮に入れる必要がある。

ＤＩＮ５０３３規格のカラーチャートに基づく計算によれば、例えば、白色は、それぞれが３３．３３μｍ×３３．３３μｍの画素表面積を有する３６個の色画素からなる２００μｍ×２００μｍのサブ領域が、１４個の赤色画素８２と、１０個の緑色画素８３と、１２個の青色画素８４とから構成される画素レイアウトでは、視線方向において格子の回折によって生成された上記スペクトル色の赤、緑、及び青から得られる。同じ計算によれば、２２個の赤画素８２と、３個の緑画素８３と、１１個の青画素８４とからなる画素レイアウトでは、ピンク色が得られる。同じ計算に基づき、２１個の赤画素８２と、７個の緑画素８３と、８個の青画素８４とからなる画素レイアウトでは、肌色が得られる。

人間の眼の分解能について言及したのは、生成されるスペクトル混合色が機械可読及び分析可能ではないということを意味するものではない。特に認証機構の場合、認証機構は一般的に出来る限り小さくすべきであるが、機械による読み取りが特に適切である。

所定の光の入射角に対し、色画素領域内の回折格子の格子周期及び配向によって、スペクトル色の回折方向、ひいては個々の画素の原色の視野角及び方位視線方向が決まる。この点に関し、少なくとも１つの方位視線方向における少なくとも１つの視野角で効果的な混色を実現するために、少なくとも１つの回折次数の回折角度及び回折方向が混合色の各波長について同一となるように、混合色の個々の波長に対して異なる格子周期を選択しアレイの回折格子を配列させなければならない。

図３によれば、ブレーズド格子７７において、αＢは、回折格子凹部の傾斜角度（ブレーズ角）であり、回折角度αｍは、格子の法線ＧＮと各回折次数ｚの回折された単色ビーム部分ｇｓの強度最大の回折方向との間の角度であり、従って、所定の入射角αｅにおけるこのビームの視野角αｍ及び視線方向ｇＳを示す。

回折角度αｍは、入射光の波長と、入射角αｅと、格子周期ｇとによって決まる。回折された単色ビーム部分の「方位視線方向」ａＢという表現は、格子の法線と回折方向ｇＳとによって定まる平面の格子平面ＧＥとの交線の、格子の法線ＧＮを起点とする方向のことを指し、方位角αｚによって特徴付けられる。図７を参照されたい。図７において、ｓＢは、回折されたビームの視線方向を示す。

従って、混合色のための視野角は更に、異なる色画素の種類の一致する格子周期に依存し、視線方向は、異なる色画素領域における、該混合色を形成するために必要な格子構造、すなわち、格子凹部ＧＦの配向によって決まる。混合色の形成は、十分な数の異なる色画素領域によって形成される最大２００μｍ×２００μｍの人間の眼では分解不可能なサブ領域内で達成されなければならない。

色画素内の格子凹部ＧＦが複数の方位配向を有する場合、複数の視線方向が実現できる。例えば、サブ領域内に含まれる原色の複数の画素の一方の半分の格子構造が、該画素の他方の半分の格子構造に対して垂直に配置されている場合、特に格子を拡散白色光で照射すると、互いに垂直な２本の方位視線方向ａＢができる。図８を参照のこと。しかし、この目的を達成するためには、サブ領域内の色画素の総数の半分の数が混合色を生成するのに十分でなくてはならない。しかしながら、この場合、混合色は２本の方位視線方向のそれぞれにおいて強度が低下して感知される。

また同様に、互いに１２０°ずれた３本の方位視線方向を実現することもできる。図６によれば、コラムグリッド格子８０によって、すなわち、異なる断面形状、例えば円形状、三角形状、四角形状、又は六角形状且つ異なる寸法の隆起又は相補的ピットの形態のコラムＰによって、複数の方位視線方向を実現できる。例えば、三角形状のコラム又はピットの断面によって、２／３π＝１２０°ずれた３本の方位視線方向ａＢが得られる。

原色に対して異なる画素サイズを選択する場合、最大限可能な混合色の強度を達成するためにサブ領域を完全に色画素で埋められるよう、より大きな画素の辺長は、最も小さい画素の辺長の整数倍としなければならない。強度の低下、すなわち、暗化効果は、サブ領域に、例えばｔａ−Ｃ層基材の場合には構造化されていない、又は、光の波長を吸収若しくは異なる方向に回折させる格子構造を有する画素領域を挿入することによって達成できる。

混合色を形成するために原色の強度を制御するためには、例えばブレーズド格子は溝、及びリブ状格子よりも高い強度を生成するので、色画素の数及び表面積並びに視線方向における画素の回折次数の選択に加えて、サブ領域の原色の画素に異なる種類の回折格子を利用することもできる。

本発明によれば、回折格子アレイは、金属、金属合金、ガラス、硬質表面を有する合成材料、及びｔａ−Ｃ層、或いは硬質金属等の他の硬質材料、炭化タングステンや炭化ホウ素等の炭化物の表面に適用される。より具体的には、回折格子アレイは、耐摩耗性硬質材料、例えば、認証機構、色パターン、又は包装箔の色効果を有するサインをエンボス加工するためのエンボス工具に適用できる。ただし、エンボス加工を施す材料の物性及びエンボス加工のパラメータに基づき、意図する回折‐光学的効果に最適な回折格子パターンをエンボス加工されたポジ型が表すような、断面形状及び微細構造の寸法を有するように、エンボス工具上の回折格子構造のネガ型を設計しなければならない。

任意の所望のマスクや任意の所望のダイヤフラムをエキシマレーザーのビーム経路上に載置することを可能にするダイヤフラム及びマスク用交換装置を有する第１レーザー設備Ｌ１によって、異なる格子定数を有する多数の異なる格子構造だけではなく、格子構造領域の外側輪郭について数多くの設計が可能になる。従って、正方形、矩形、三角形、平行四辺形、六角形、或いは可能であれば円形等の複数のサブ領域から構成される構造化領域素子の形状を設計することが可能である。これらの領域素子には、色や混合色を形成するための最も多様な格子領域が可能である。配置の仕方によっては、例えば、３つの平行四辺形又は複数の線を有する星から構成される３次元のキューブのようなパターンを形成することも可能である。

更に、２つのレーザー設備によって、最も多様な格子構造を重畳させることが可能になる。例えば、特に認証機構としても使用できるような色及び混合色の他の組み合わせを形成するために、まず、エキシマレーザーを用いて、パターンに配置された特定の格子構造及び領域素子を製造し、その上にフェムト秒レーザーを用いて、リップル（ｒｉｐｐｌｅ）格子構造を適用することができる。また、格子周期や格子凹部の配向に階段状の変化をつけることにより、回折格子パターンを傾斜又は回転させて、異なる視野角や、階段状又は連続的な色の変化、色パターン又は色画像が現れたり消えたりといったことも実現できる。

Claims (20)

1. 固体の表面に微細構造を形成するためのレーザー設備のマスク及び／又はダイヤフラムであって、そのレーザー放射を透過しない領域が入射レーザー放射を散乱させるものであるマスク及び／又はダイヤフラムを製造する方法において、レーザー放射を散乱させる前記領域を、フェムト秒、ピコ秒、又はフッ素レーザー光を照射することによって、粗化、及び改変させることを特徴とする方法。
2. 前記基材が、石英ガラス（ＳｉＯ２）、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）、又はフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記フェムト秒レーザーの中心波長が、７７５ｎｍ、又はその周波数２倍（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｄｏｕｂｌｅｄ）若しくは周波数３倍（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｔｒｉｐｌｅｄ）波長であり、
   前記フッ素レーザーの波長が、１５７ｎｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 多数の透明な三角形を有するマスク（７８）又は段階的な透明度を有する多数のストライプを有するマスク（７９）を製造することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 固体の表面に微細構造を形成するための、請求項１〜４の方法により製造されたマスク又はダイヤフラムの使用であって、少なくとも１つのダイヤフラムと共に少なくとも１つのマスクを回転且つ交換装置に配置し、前記少なくとも１つのマスクを、エキシマレーザー設備のマスク投影ユニットの均一スポット（ＨＳ）に位置付けて、ブレーズド格子（７７）の形成に使用する、マスク及びダイヤフラムの使用。
6. 前記ブレーズド格子（７７）は回折格子アレイに配置されており、前記ブレーズド格子の格子周期ｇが０．５μｍから５μｍの範囲であり、前記ブレーズド格子は線状又は円形状であることを特徴とする請求項５に記載の使用。
7. 各回折格子アレイがサブ領域から構成され、前記サブ領域が、人間の眼の分解能よりも低い値を有する長手方向寸法を有するとともに少なくとも１つの画素を含み、画素が、単一のスペクトル色を生成するための限定された回折格子構造であり、前記単一のスペクトル色が、選択された格子パラメータと、少なくとも１つの決められた方位視野角（ａＢ）且つ決められた回折角度（αｍ）における入射角（αｅ）とにより回折するものであることを特徴とする請求項５又は６に記載の使用。
8. 各前記サブ領域が、同一の回折角度（αｍ）且つ同一の方位視野角（ａＢ）において、２つの異なるスペクトル色を生成する異なる格子定数をそれぞれ有する少なくとも２つの画素を含むことを特徴とする請求項７に記載の使用。
9. 少なくとも１つの所定の視線方向において異なるスペクトル色が重畳されて混合色を生成するように、画素領域及び／又は画素数を選択することを特徴とする請求項８に記載の使用。
10. 意図する用途に応じて、原色スペクトル赤、緑、及び青の波長を選択し、前記混合色を人間の眼によって見えるものとする場合、前記３色が、波長λｒｅｄが６３０ｎｍの赤、波長λｇｒｅｅｎが５３０ｎｍの緑、及び波長λｂｌｕｅが４３０ｎｍの青であることを特徴とする請求項８又は９に記載の使用。
11. 前記サブ領域の最大長手方向寸法が２００μｍであり、それに関連する画素領域の最大長手方向寸法が６６．６７μｍであることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか一項に記載の使用。
12. 複数のサブ領域を、固体の表面に適用し、並置させてサイン、画像、ロゴ、又は認証機構を形成することを特徴とする請求項７〜１１のいずれか一項に記載の使用。
13. 前記固体の表面が、包装箔をエンボス加工するためのエンボスローラ又はエンボス金型の、硬質材料でコーティングされた表面であり、前記硬質材料コーティングが、ｔａ−Ｃ、炭化ホウ素（ＷＣ）、炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、又は同様の硬質材料からなることを特徴とする請求項１２に記載の使用。
14. 請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法を実施するための装置であって、
    ブレーズド格子、溝、及びリブ状格子、又はコラムグリッド格子を製造するための第１レーザー設備（Ｌ１）が、波長が２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザー（１）、又は波長が１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザー、又は波長が１５７ｎｍのフッ素レーザー、又は波長が３０８ｎｍのＸｅＣｌエキシマレーザーを備え、
    リップル（ｒｉｐｐｌｅ）構造を製造するための第２レーザー設備（Ｌ２）が、中心波長が７７５ｎｍ又はその周波数２倍若しくは３倍波長のフェムト秒レーザー（１５）或いは、波長が１０６４ｎｍ又はその周波数２倍若しくは３倍波長のＮｄ：ＹＡＧ型のピコ秒レーザーを備えることを特徴とする装置。
15. 前記第１レーザー（１）とその結像光学系（８）との間に、少なくとも１つのマスク及びダイヤフラムの組み合わせ（１８，６）が配置され、多数のマスク及びダイヤフラムの組み合わせが回転且つ交換装置に配置され、前記交換装置が、前記マスク（１８）の１つ及び前記ダイヤフラム（６）の１つの両方を、互いに独立させて前記レーザー（１）のビーム経路（２９）上に載置するようになっており、前記マスク（１８）及びダイヤフラム（６）が、ホルダー内に配置されるとともに、直線的又は回転的に変位可能且つそれらの周りに回転可能であることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
16. 前記マスク（６）が、ブレーズド格子を製造するための三角形状マスク（７８）又はストライプ状マスク（７９）であることを特徴とする請求項１５に記載の装置。
17. 包装箔に回折‐光学的効果を有する領域をエンボス加工するためのエンボスローラ又はエンボス金型上に、領域を構造化するための請求項１４〜１６のいずれか一項に記載の装置。
18. コーティングされた若しくはコーティングされていない時計部品、ガラス若しくはサファイアからなる時計ガラス、コイン、又は装飾物の一部に、回折‐光学的効果を有するサイン又は認証機構を製造するための１４〜１６のいずれか一項に記載の装置。
19. 請求項１７により構造化したローラ又はエンボス金型を用いてエンボス加工された包装箔であって、スペクトル色の色画素、又は混合色を形成するための異なる色の色画素を含む回折‐光学的効果を有する領域及び／又は認証機構を有することを特徴とする包装箔。
20. 回折‐光学的効果を有する領域、認証機構、及び／又はロゴが設けられていない位置において、サテン仕上げが施されていることを特徴とする請求項１９に記載の包装箔。

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