DE102005035896A1

DE102005035896A1 - Verfahren und Vorrichtung von farblich unterschiedlich oder holografisch wirkenden Oberflächenstrukturen auf Festkörpern

Info

Publication number: DE102005035896A1
Application number: DE200510035896
Authority: DE
Inventors: Guenter Reise; Steffen Weismantel; Andy Engel; Udo Loeschner; Dirk Rost
Original assignee: Individual
Current assignee: Lim Laserinstitut Mittelsachsen 09648 Mi De GmbH
Priority date: 2005-07-28
Filing date: 2005-07-28
Publication date: 2007-02-01

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Erzeugung von farblich unterschiedlich oder holografisch wirkenden Oberflächenstrukturen auf wenigstens einem Oberflächenbereich von Gegenständen und Verwendungen von Laserstrahlung zur Herstellung von Gegenständen mit derartigen Oberflächenstrukturen. DOLLAR A Diese zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass der strukturierte Oberflächenbereich des Gegenstandes als farblich verschiedenartig oder holografisch wirkendes Muster sichtbar ist. Dazu wird der Oberflächenbereich des Gegenstandes vorzugsweise mit einer bewegten Femtosekunden-Laserstrahlung so beaufschlagt, dass sich durch die einwirkende und bewegte Femtosekunden-Laserstrahlung sich selbstorganisierende, grabenförmige und als optisches Gitter wirkende Nanostrukturen, sogenannte Ripple-Strukturen, ausbilden. DOLLAR A Dadurch sind farblich verschiedenartig oder holografisch wirkende Abbildungen zum Beispiel Codes, Muster, Schriftzüge, Logos oder Bilder durch Aneinandersetzen von mit einer oder mehreren verschiedenen Polarisationsrichtungen erzeugten Einzelstrukturen realisierbar.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Erzeugung von farblich unterschiedlich oder holografisch wirkenden Oberflächenstrukturen auf wenigstens einem Oberflächenbereich von Gegenständen und Verwendungen von Laserstrahlung zur Herstellung von Gegenständen mit derartigen Oberflächenstrukturen.

Zur Verbesserung der Fälschungssicherheit oder zur Erhöhung der Aussagekraft von Gegenständen mit grafischen oder bildlichen Darstellungen werden unter anderem holografische Abbildungen verwendet. Holografie ist ein Verfahren der Bildaufzeichnung und Bildwiedergabe mit kohärentem Licht, das die Reproduktion räumlicher Bilder ermöglicht. Dazu wird das originale Lichtwellenfeld durch Beugung an einem Interferenzmuster rekonstruiert. Dazu wird ein Objekt mit Licht einen kohärenten Lichtquelle beleuchtet und das vom Objekt durch Reflexion, Transmission, Streuung oder Beugung veränderte Licht mit einer kohärenten Vergleichswelle überlagert. Von dem entstehenden Interferenzwellenfeld wird ein zweidimensionaler Ausschnitt als Intensitätsbild auf einer Platte eines Photopolymeres aufgezeichnet. Grundlage ist ein reales abgebildetes Objekt.

Der in den Patentansprüchen 1, 7 und 9 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Gegenstände wenigstens bereichsweise mit einer Oberflächenstruktur so zu versehen, dass diese Struktur aus unterschiedlichen Betrachtungswinkeln als verschiedenfarbiges Muster sichtbar ist.

Diese Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen 1, 7 und 9 aufgeführten Merkmalen gelöst.

Die Verfahren und Vorrichtungen zur Erzeugung von farblich unterschiedlich oder holografisch wirkenden Oberflächenstrukturen auf wenigstens einem Oberflächenbereich von Gegenständen zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass der strukturiere Oberflächenbereich des Gegenstandes als farblich verschiedenartig oder holografisch wirkendes Muster sichtbar ist. Dazu wird der Oberflächenbereich des Gegenstandes vorzugsweise mit einer bewegten Femtosekunden-Laserstrahlung (im folgenden als fs-Laserstrahlung bezeichnet) so beaufschlagt, dass sich durch die einwirkende und bewegte fs-Laserstrahlung sich selbstorganisierende, grabenförmige und als optisches Gitter wirkende Nanostrukturen (Ripple-Strukturen) ausbilden.

Diese Ripple-Strukturen entstehen bei Bestrahlung von Festkörperoberflächen mit fs-Laserstrahlung entsprechender Energiefluenz. Die Ripples bilden sich dabei vorzugsweise senkrecht zum elektrischen Feldstärkevektor und damit senkrecht zur Polarisationsrichtung der fs-Laserstrahlung aus. Bei gleichen Femtosekunden-Laserparametern entstehen grabenförmige Vertiefungen mit gleichen geometrischen Abmessungen und Abständen. Dadurch werden vorteilhafterweise Interferenzgitterstrukturen mit Gitterperioden im sichtbaren Wellenlängenbereich generiert.

Der strukturierte Oberflächenbereich ist wenigstens eine ebene Einzelstruktur, eine aus mehreren Einzelstrukturen zusammengesetzte Struktur oder eine Kombination aus zusammengesetzten Strukturen. Dadurch sind farblich verschiedenartig oder holografisch wirkende Abbildungen zum Beispiel Codes, Muster, Schriftzüge, Logos oder Bilder durch Aneinandersetzen von mit einer oder mehreren verschiedenen Polarisationsrichtungen erzeugten Einzelstrukturen als Basisformen unterschiedlicher Geometrie zum Beispiel Dreiecke, Quadrate, Rechtecke, Sechsecke, Kreise und Ellipsen mit Ripple-Strukturen realisierbar.

Der Gegenstand mit wenigstens einem derartigen Oberflächenbereich ist damit insbesondere codiert. Damit ergeben sich die vielfältigsten Anwendungsmöglichkeiten auch hinsichtlich einer Fälschungssicherheit der unterschiedlichsten Gegenstände. Damit können Gegenstände einfach und ökonomisch günstig codiert werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 6 und 8 angegeben.

Die Weiterbildung nach Patentanspruch 2, wobei die Polarisationsrichtung des Laserstrahls senkrecht zur oder in Bewegungsrichtung oder unter einem vorgegebenen, während der Bewegung wahlweise konstant gehaltenen oder variierten Winkels relativ zur Bewegungsrichtung eingestellt oder über eine Steuerung gesteuert wird, führt zu den unterschiedlichsten auch wellenförmigen Ripple-Strukturen und damit zu den vielfältigsten Farben bei gleichen und unterschiedlichen Betrachtungswinkeln.

Bei beabstandeten Linienbewegungen der Laserstrahlung und rechtem Winkel zwischen Polarisations- und Bewegungsrichtung ergibt sich vorteilhafterweise eine einheitliche Farbe des bestrahlten Bereichs der Oberfläche des Gegenstandes bei gleichen Betrachtungswinkel. Bei geänderten Betrachtungswinkel ändert sich auch die Farbe.

Bei gleichen Richtungen der Polarisation der Laserstrahlung und der Bewegung des Laserstrahles können Bereiche einheitlicher Farbe bei gleichen Betrachtungswinkel auf dem Gegenstand erzeugt werden.

Die Weiterbildung nach Patentanspruch 3, wobei über eine Einrichtung zur Änderung der Polarisation im Strahlengang der Laserstrahlung die Polarisationsrichtung des Laserstrahls schrittweise oder kontinuierlich eingestellt oder über eine Steuerung gesteuert wird, führt je nach Bewegung des Laserstrahles zu Linien, Ringen oder Spiralen aus nacheinander folgenden Spektralfarben.

Die Weiterbildung nach Patentanspruch 5, wobei zur Erzeugung der zu strukturierenden Oberflächenbereiche der Laserstrahl so geführt wird, dass geradlinige, kreisförmige, bogenförmige, ellipsenförmige oder spiralförmige Bahnen entstehen, führt zu den unterschiedlichst ausgestaltbaren Oberflächenbereichen des Gegenstandes. Mit den unterschiedlichsten Kombinationen und Aneinanderreihungen können die vielfältigsten Symbole, Schriftzüge und bildlichen Darstellungen jeweils einzeln oder in Kombinationen realisiert werden.

Vorteilhafterweise ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 der strukturierte Ober flächenbereich des Gegenstandes ein Code oder der Gegenstand ein codierter Gegenstand. Insbesondere bei der letzten Variante ist der Gegenstand eine metallische Folie, die mit den unterschiedlichsten weiteren Gegenständen verbunden werden kann.

Der Gegenstand ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 ein Gegenstand mit wenigstens einem Code, Muster, Schriftzug, Logo und/oder Bild jeweils einzeln oder in wenigstens einer Kombination oder mit dem strukturierten Oberflächenbereich ein Umformwerkzeug für die Übertragung des strukturierten Oberflächenbereiches auf andere Gegenstände.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen gezeigt und wird im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
1 eine sich durch die einwirkende und bewegte fs-Laserstrahlung selbstorganisierende, grabenförmige und als optisches Gitter wirkende Nanostruktur (Ripple-Struktur) und
2 ein Muster bestehend aus Ripple-Strukturen bei verschiedenen Beleuchtungswinkeln.
In dem Ausführungsbeispiel werden nachfolgend ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von farblich unterschiedlich oder holografisch wirkenden Oberflächenstrukturen auf wenigstens einem Oberflächenbereich von Gegenständen und eine Verwendung von Laserstrahlung zur Herstellung von Gegenständen mit derartigen Oberflächenstrukturen zusammen näher erläutert.
Zur Herstellung von Gegenständen mit mindestens einer wenigstens bereichsweise veränderten sichtbaren Oberflächenstruktur wird ein Oberflächenbereich des Gegenstandes mit einer bewegten fs-Laserstrahlung so beaufschlagt, dass sich durch die einwirkende und bewegte fs-Laserstrahlung selbstorganisierende, grabenförmige Nanostrukturen als ein optisches Gitter mit vorgegebener, im Bereich der Wellenlängen des sichtbaren Lichtes liegenden, Gitterkonstanten und Gitterrillentiefe auf dem vorgegebenen Oberflächenbereich ergeben. Derartige Nanostrukturen sind auch als Ripple-Strukturen bekannt (Darstellung in der 1). Dazu ist eine laserstrahlauskoppelnde Einrichtung eines Femtosekunden-Lasers (fs-Laser) oder eine laserstrahlablenkende Einrichtung beabstandet zum Gegenstand angeordnet, so dass die fs-Laserstrahlen auf die Oberfläche des Gegenstandes gelangen können. Der fs-Laser weist eine mittlere Wellenlänge von 780 nm auf. Zur Realisierung von ebenen Figuren (Darstellungen in der 2) auf dem Oberflächenbereich wird die Laserstrahlung über diesen Oberflächenbereich des Gegenstandes geführt. Dazu wird entweder eine die Laserstrahlen des fs-Lasers auskoppelnde Einrichtung oder die Laserstrahlen des fs-Lasers ablenkende Einrichtung beabstandet zum Gegenstand angeordnet und bewegt. Die die Laserstrahlen auskoppelnde Einrichtung ist dazu an ein x-,y-Positioniersystem gekoppelt. Die die Laserstrahlen ablenkende Einrichtung ist ein Scannerspiegel. Die Laserstrahlen des fs-Lasers werden so über den Bereich der Oberfläche des Gegenstandes geführt, dass eine ebene Figur oder mindestens ein Zeichen jeweils einzeln, mehrfach oder in Kombinationen entsteht. Ebene Figuren sind dazu Mehrecke, Kreise, Ellipsen und Spiralen auch zusammengesetzt als bildliche Darstellungen. Zeichen sind insbesondere Buchstaben oder bekannte Sonderzeichen. Dazu sind die jeweiligen Antriebe der Einrichtungen und der fs-Laser mit einer Steuerung als Steuereinrichtung vorzugsweise als Computer zusammengeschaltet. Damit können die fs-Laserstrahlen zum einen mehrfach beabstandet geradlinig, kreisförmig, bogenförmig oder ellipsenförmig oder zum anderen spiralförmig über wenigstens den Bereich die Oberfläche des Gegenstandes geführt werden.
In einer ersten Ausführungsform des Ausführungsbeispiels ist die Polarisationsrichtung der fs-Laserstrahlung winklig zur Bewegungsrichtung des fs-Laserstrahles. Der Winkel beträgt entweder 90° oder eine Einrichtung zur Änderung der Polarisation befindet sich im Strahlengang der Laserstrahlung. Im zweiten Fall können entweder andere Winkel eingestellt oder Winkel in Abhängigkeit der Bewegung der Laserstrahlen kontinuierlich oder schrittweise geändert werden. Die Einrichtung zur Änderung der Polarisation als ist dazu mit der Steuereinrichtung zusammengeschaltet.
In einer zweiten Ausführungsform des Ausführungsbeispiels sind die Richtungen der Polarisation der fs-Laserstrahlung und der Bewegung des fs-Laserstrahles gleich.
In einer dritten Ausführungsform des Ausführungsbeispiels können auch Figuren und/oder Zeichen durch Kombination der Merkmale der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform auf der Oberfläche des Gegenstandes erzeugt werden, so dass die vielfältigsten Darstellungen realisierbar sind.
Ergebnis ist ein Gegenstand mit mindestens einer wenigstens bereichsweise veränderten und damit farblich unterschiedlich oder holografisch wirkenden Oberflächenstruktur, der auch als Umformwerkzeug einsetzbar ist. Der Gegenstand weist damit vorteilhafterweise einen Code auf oder ist selbst ein codierter Gegenstand. Im letzteren Fall kann dieser mit weiteren Gegenständen verbunden oder in diese integriert werden. Anstelle des Codes können die Gegenstände mit Mustern, Schriftzügen, Logos oder Bildern versehen werden, wobei fs-Laserstrahlung verwendet wird.

Claims

Verfahren zur Erzeugung von farblich unterschiedlich oder holografisch wirkenden Oberflächenstrukturen auf wenigstens einem Oberflächenbereich von Gegenständen, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenbereich des Gegenstandes so mit Laserstrahlen beaufschlagt wird, dass die bei der Laserstrahleinwirkung, insbesondere bei der Femtosekunden-Laserstrahlung, auf Festkörperoberflächen entstehenden Ripple-Strukturen als sich selbst organisierende grabenförmige Nanostrukturen ein optisches Gitter mit vorgegebener, im Bereich der Wellenlängen des sichtbaren Lichtes liegenden, Gitterkonstanten und Gitterrillentiefe auf dem vorgegebenen Oberflächenbereich darstellen, und dass der Oberflächenbereich wenigstens eine ebene Figur oder mindestens ein Zeichen jeweils einzeln, mehrfach oder in wenigstens einer Kombination ist.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisationsrichtung des Laserstrahls senkrecht zur oder in Bewegungsrichtung oder unter einem vorgegebenen, während der Bewegung wahlweise konstant gehaltenen oder variierten Winkels relativ zur Bewegungsrichtung eingestellt oder über eine Steuerung gesteuert wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Einrichtung zur Änderung der Polarisation im Strahlengang der Laserstrahlung die Polarisationsrichtung des Laserstrahls schrittweise oder kontinuierlich eingestellt oder über eine Steuerung gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der zu strukturierenden Oberflächenbereiche der Laserstrahl so mit einer Steuerung geführt wird, dass geradlinige, kreisförmige, bogenförmige, ellipsenförmige oder spiralförmige Bahnen entstehen.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der strukturierte Oberflächenbereich wenigstens eine ebene Einzelstruktur, eine aus mehreren Einzelstrukturen zusammengesetzte Struktur oder eine Kombination aus zusammengesetzten Strukturen ist.
Verfahren nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der strukturierte Oberflächenbereich wenigstens ein Code, Muster, Schriftzug, Logo und/oder Bild jeweils einzeln oder in wenigstens einer Kombination ist.
Vorrichtung zur Erzeugung von farblich unterschiedlich oder holografisch wirkenden Oberflächenstrukturen auf wenigstens einem Oberflächenbereich von Gegenständen mit dem Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine bewegt geführte laserstrahlauskoppelnde Einrichtung eines Lasers oder eine bewegte laserstrahlablenkende Einrichtung beabstandet zur Oberfläche des Gegenstandes so angeordnet ist, dass die bei der Laserstrahleinwirkung, insbesondere bei der Femtosekunden-Laserstrahleinwirkung, auf dem Oberflächenbereich von Festkörpern entstehenden Ripple-Strukturen als sich selbst organisierende grabenförmige Nanostrukturen ein optisches Gitter mit vorgegebener, im Bereich der Wellenlängen des sichtbaren Lichtes liegenden, Gitterkonstanten und Gitterrillentiefe auf dem vorgegebenen Oberflächenbereich darstellen, und dass der Oberflächenbereich wenigstens eine ebene Figur oder mindestens ein Zeichen jeweils einzeln, mehrfach oder in wenigstens einer Kombination ist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstand mit dem strukturierten Oberflächenbereich ein Gegenstand mit wenigstens einem Code, Muster, Schriftzug, Logo und/oder Bild jeweils einzeln oder in wenigstens einer Kombination ist oder dass der Gegenstand mit dem strukturierten Oberflächenbereich ein Umformwerkzeug für die Übertragung des strukturierten Oberflächenbereiches auf andere Gegenstände ist.
Verwendung von Laserstrahlung zur Herstellung von Gegenständen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Laserstrahleinwirkung, insbesondere Femtosekunden-Laserstrahleinwirkung, auf Festkörperoberflächen entstehenden Ripple-Strukturen als sich selbst organisierende grabenförmige Nanostrukturen ein optisches Gitter mit vorgegebener, im Bereich der Wellenlängen des sichtbaren Lichtes liegenden, Gitterkonstanten und Gitterrillentiefe auf einem vorgegebenen Oberflächenbereich darstellen und die entstehenden Strukturen zur Herstellung von Gegenständen mit mindestens einer farblich unterschiedlich oder holografisch wirkenden Oberflächenstruktur verwendet werden.