经由激光微加工形成影像的方法

经由激光微加工形成影像的方法
【专利说明】经由激光微加工形成影像的方法
[0001]相关申请案的交叉参考
[0002]本申请案是2012年12月20日申请的美国临时专利申请案第61/740，430号的非临时申请案，其内容整体以引用方式并入本文中用于全部目的。
[0003]版权公告
[0004]2013伊雷克托科学工业股份有限公司。本专利档案
【发明内容】
的一部分包含受到版权保护的材料。版权所有者不反对专利档案或专利
【发明内容】
中的任何一个的复制，因为其出现在专利商标局的专利文档或档案中，但另外无论如何保留全部版权。37CFR § 1.71 (d)。
技术领域
[0005]本申请案是关于激光处理，且特定言之，本申请案是关于用不同组的激光处理参数处理材料以在该材料中达到不同表面效果的系统、方法及装置。

【发明内容】

[0006]在一些实施例中，一种方法或一种激光系统用不同组的激光处理参数处理一基板以在该基板中达到不同表面效果。
[0007]在一些实施例中，一第一组凹部形成激光参数可用以在该基板中形成一凹部。一第二组抛光激光参数可用以抛光该凹部的一表面。一第三组表面修改激光参数可用以修改该等凹部的一抛光表面使其具有满足期望视觉外观的条件的光学特性。
[0008]在一些实施例中，该等组的参数各包含具有与其他组的值不同的至少一个不同值的参数。
[0009]在一些实施例中，该第三组表面修改激光参数可包含不同组的激光参数以提供满足不同期望视觉外观的条件的不同光学特性。
【附图说明】
[0010]图1示意性地绘示在物品中形成影像的制程的一个实施例。
[0011]图2示意性地绘示在物品中形成影像的制程的另一实施例。
[0012]图3示意性地绘示在物品中形成影像的制程的又一实施例。
[0013]图3A及图3B是经由图3描绘的制程形成的物品中影像的正视图及侧视图。
[0014]图4示意性地绘示在物品中形成影像的制程的又另一实施例。
[0015]图4A及图4B是经由图4描绘的制程形成的物品中影像的正视图及侧视图。
[0016]图5A及图5B绘示示例性激光处理系统。
[0017]图6是强调图5A及图5B的激光处理系统的某些组件的示意图。
[0018]图7是由激光处理系统产生的激光输出的射束腰的放大示意图。
【具体实施方式】
[0019]下文参考附图描述示例性实施例。在不脱离本
【发明内容】
的精神及教示的情况下可能有许多不同形式和实施例，且因此本
【发明内容】
不应解释为受限于本文所述的示例性实施例。更确切而言，提供此等示例性实施例使得本
【发明内容】
将会全面且完整，且将对此项技术者传达本
【发明内容】
的范畴。在图式中，为清楚起见，组件的尺寸及相对尺寸会被放大。本文使用的术语是仅用于描述特定示例性实施例的目的且并非意欲限制。如本文使用，单数形式「一」、「一个」及「该」意欲也包含复数形式，除非上下文中另有明确指示。进一步将了解术语「包括(comprises及/或comprising)」在用于本说明书中时指定存在所述特征、整数、步骤、操作、组件及/或组件，但并非排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、组件、组件及/或其群组。除非另有指定，否则在阐述时，值范围包含该范围的上限及下限，以及其间的任何子范围。
[0020]图1示意性地绘示在物品中形成影像的制程的一个实施例。参考图1，具有呈初步视觉外观的表面10a的物品100可使用具激光雕刻参数的激光脉冲11 (图6)的射束IlOa来加工，以形成具有不同于该初步视觉外观的经修改视觉外观的特性或影像。在绘示的实施例中，物品100包含基板102 (例如由铝或铝合金形成)及布置于基板102的一表面上的层104 (例如由氧化铝形成)。物品100或基板102的表面10a可为平滑或可为粗糙(例如由于经过喷砂)。在另一实施例中，层104可省略(例如使得物品100的表面10a成为基板102的表面)。
[0021]虽然本文举铝或铝合金的实例描述基板102，但将了解本文描述的制程通常将用于金属及金属合金。其他示例性金属包含不锈钢或钛或其合金。
[0022]为了形成经修改视觉外观，激光脉冲11的射束IlOa可被导引至物品100上以移除层104并加工其下方的基板102而形成从基板102的表面延伸达10微米(μπι)或更深(例如数10 μπι)的深度且端接在下凹表面108的凹部106。此制程在本文中可被称为「雕刻制程」。
[0023]在一些实施例中，雕刻制程参数形成具有约10 μ m至约100 μ m范围中的深度的凹部300。在一些实施例中，该深度在约ΙΟμπι至约50μπι的范围中。在一些实施例中，该深度在约10 μ m至约25 μ m的范围中。
[0024]在一个实施例中，经由越过待形成影像的物品100区域多次光栅扫描激光脉冲11的射束IlOa而形成凹部106。激光脉冲11的射束IlOa的参数经选择使得每次穿过就从基板102移除至少若干微米的层，导致下凹表面108具有极光滑的表面。在一个实施例中，可以不同角度且用不同光点重迭度进行扫描以增强下凹表面108的平滑度。
[0025]雕刻制程具有的激光雕刻参数的激光输出包含具有在基板102的表面处的激光光点的激光脉冲11，其中激光光点15a具有包含介于约20 μπι与约125 μπι之间的光点直径的光点尺寸。在一些实施例中，该光点直径介于约60μπι与约IlOym之间。在一些实施例中，该光点直径介于约75μπι与约ΙΟΟμπι之间。为方便起见，术语「光点直径」意欲包含非圆形激光光点(诸如椭圆形激光光点)的空间长轴，以及包含圆形激光光点的直径。
[0026]在一些实施例中，激光雕刻参数包含具有介于约300奈米(nm)与约2 μπι之间的激光波长的激光输出。在一些实施例中，该激光输出具有红外线激光波长。在一些实施例中，该激光输出具有约 1152nm、1090nm、1080nm、1064nm、1060nm、1053nm、1047nm、980nm、799nm或753nm的激光波长。在一些实施例中，该激光输出具有介于约1150nm与1350nm，780nm与905nm或700nm与100nm之间的激光波长。在一些实施例中，该激光输出具有介于约700nm与1350nm之间的激光波长。在一些实施例中，该激光输出具有介于约980nm与1320nm之间的激光波长。在一些实施例中，该激光输出具有介于约980nm与1080nm之间的激光波长。在一些实施例中，该激光输出具有约1064nm的激光波长。在一些实施例中，该激光输出由红外线固态激光提供。在一些实施例中，该激光输出由二极管帮浦红外线固态激光提供。在一些实施例中，该激光输出由红外线光纤激光提供。
[0027]在一些实施例中，激光雕刻参数具有的激光输出包含具有从约500飞秒(fs)至约200奈秒(ns)范围中的脉冲宽度(脉冲持续时间)的激光脉冲11。在一些实施例中，该等脉冲宽度具有约Ins至约125ns的范围。在一些实施例中，该等脉冲宽度具有约1ns至约10ns的范围。
[0028]在一些实施例中，激光雕刻参数包含以大于50kHz的脉冲重复率将激光脉冲11导引至物品上。在一些实施例中，该脉冲重复率在约50kHz至约100kHz的范围中。在一些实施例中，该脉冲重复率在约75kHz至约500kHz的范围中。在一些实施例中，该脉冲重复率在约10kHz至约200kHz的范围中。
[0029]一般而言，激光雕刻参数包含越过基板102扫描激光输出的多次穿过。然而，在一些实施例中，激光输出越过基板102的单次穿过可足以达到具期望深度的下凹表面108。
[0030]在激光雕刻制程的一个实施例中，激光脉冲11可具有介于20μπι与125 μm之间的光点直径、介于约980nm与1320nm之间的波长、在Ins至10ns范围中的脉冲宽度及在50kHz至500kHz范围中的脉冲重复率。
[0031]在激光雕刻制程的另一实施例中，激光脉冲11可具有介于50μπι与ΙΟΟμπι之间的光点直径、介于约1047nm与1090nm之间的波长、在1ns至10ns范围中的脉冲宽度及在10kHz至200kHz范围中的脉冲重复率。
[0032]形成下凹表面108的激光雕刻制程修改基板102的视觉外观使其具有经雕刻的视觉外观。
[0033]在形成下凹表面108之后，激光脉冲11的射束IlOb可被导引至下凹表面108上以将其传输至高度抛光的下凹表面。本文中此制程被称为一「抛光制程」。在一些实施例中，激光抛光参数包含的激光输出具有含约100 μ J至约2000 μ J范围中的脉冲能量的激光脉冲11。在一些实施例中，该脉冲能量在约250 μ J至约1500 μ J的范围中。在一些实施例中，该脉冲能量在约500 μ J至约100yJ的范围中。
[0034]在一些实施例中，激光抛光参数包含以大于50kHz的脉冲重复率将激光脉冲11导引至下凹表面108上。在一些实施例中，该脉冲重复率大于100kHz。在一些实施例中，该脉冲重复率在约50kHz至约10，OOOkHz的范围中。在一些实施例中，该脉冲重复率在约75kHz至约5，OOOkHz的范围中。在一些实施例中，该脉冲重复率在约10kHz至约2，OOOkHz的范围中。
[0035]在一些实施例中，激光抛光参数包含的激光输出具有在红外线区域之外的激光波长。在一些实施例中，该激光输出具有可见激光波长。在一些实施例中，该激光输出具有介于约400nm与约700nm之间的激光波长。在一些实施例中，该激光输出具有约694nm、676nm、647nm、660nm 至 635nm、633nm、628nm、612nm、594nm、578nm、568nm、54 3nm、532nm、530nm、514nm、511nm、502nm、497nm、488nm、476nm、458nm、442nm、428nm 或 416nm 的激光波长。在一些实施例中，该激光输出具有介于约476nm与约569nm之间的激光波长。在一些实施例中，该激光输出具有绿激光波长。在一些实施例中，该激光输出具有约532nm或约511nm的激光波长。在一些实施例中，该激光输出由绿光固态激光提供。在一些实施例中，该激光输出由二极管帮浦绿光固态激光提供。在一些实施例中，该激光输出由光纤激光提供。
[0036]在一些实施例中，激光抛光参数包含的激光脉冲11在下凹表面108处具有的激光光点15b具有小于在雕刻制程期间使用的光点直径的光点直径。在激光抛光制程的一些实施例中，该光点直径介于约5微米与约50 μ m之间。在一些实施例中，该光点直径介于约15 μπι与约40 μπι之间。在一些实施例中，该光点直径介于约25 μm与约35 μm之间。在一些实施例中，该光点直径约为30 μ mo
[0037]在一些实施例中，激光抛光参数包含越过下凹表面108扫描激光输出的单次穿过。在一些实施例中，激光抛光参数包含越过下凹表面108扫描(诸如光栅扫描)激光输出的多次穿过。
[0038]在一些实施例中，激光抛光参数可包含连续导引的激光脉冲11，其以相互重迭介于约75%与98%之间的激光光点15b撞击在下凹表面108上。在一些实施例中，连续激光光点15b重迭介于约85%与95%之间。在一些实施例中，连续激光光点15b重迭介于约88%与92%之间。在一些实施例中，连续激光光点15b重迭约90%。
[0039]在激光抛光制程的一个实施例中，激光脉冲11可具有介于约25 μm与约35 μπι之间的光点直径、绿光波长、每次脉冲约100 μ J至约1000 μ J范围中的能量、在约500kHz至约2，OOOkHz范围中的脉冲重复率及介于约88%与92%之间的激光光点重迭。
[0040]在激光抛光制程的另一实施例中，激光脉冲11可具有约30μπι的光点直径、约532nm的波长、每次脉冲约500 μ J至约1000 μ J范围中的能量、大于约10kHz的脉冲重复率及约90%的激光光点重迭。
[0041]抛光制程修改了下凹表面108的视觉外观以给予下凹表面108不同于下凹表面108的经雕刻视觉外观且不同于物品100的初步视觉外观的经抛光视觉外观，如在表面10a处所呈现。特定言之，经抛光或平滑的表面可呈足够反射性且意欲对人眼而言显得极其明亮。
[0042]图2示意性地绘示在物品100中形成影像的制程的另一实施例。参考图2，已经受上述雕刻及抛光制程的物品(例如物品100)可使用激光脉冲11的射束IlOc经进一步加工以进一步修改经抛光下凹表面108的经抛光视觉外观。此进一步修改的视觉外观可不同于图1中讨论的经修改视觉外观。本文中此制程可被称为一「表面修改制程」。
[0043]举例而言，在一些实施例中，被导引至经抛光下凹表面108并且越过其扫描的激光脉冲11可经组态以产生周期性结构、奈米粒子(例如包含形成基板102的材料)或类似物或其组合，其等经结构化以吸收光。本文中此制程可被称为一「暗化制程」。
[0044]在暗化制程期间被导引至经抛光下凹表面108的激光脉冲11可具有包含相对较短脉冲持续时间的激光处理参数、具有相对较小激光光点直径、可以相对较慢扫描速度施加且可以连续扫描之间的相对较紧密间距来施加。
[0045]在一些实施例中，激光暗化参数包含约500fs至约10ns范围中的脉冲持续时间。在一些实施例中，该脉冲持续时间在约I皮秒(ps)至约50ns的范围中。在一些实施例中，该脉冲持续时间在约I皮秒(ps)至约25ns的范围中。在一些实施例中，该脉冲持续时间在约Ips至约1ns的范围中。
[0046]在一些实施例中，激光暗化参数包含小于在雕刻制程期间使用的光点直径且小于在抛光制程期间使用的光点直径的激光光点15c的光点直径。在激光抛光制程的一些实施例中，该光点直径介于约I微米与约50 μ m之间。在一些实施例中，该光点直径小于约30 μ mo在一些实施例中，该光点直径介于I μπι与30 ym之间。在一些实施例中，该光点直径介于约Iym与约20 μ m之间。在一些实施例中，该光点直径介于约Iym与约10 μ m之间。
[0047]在一些实施例中，暗化制程参数包含以大于1kHz的脉冲重复率将激光脉冲11导引至物品上。在一些实施例中，该脉冲重复率在约1kHz至约100kHz的范围中。在一些实施例中，该脉冲重复率在约10kHz至约500kHz的范围中。在一些实施例中，该脉冲重复率在约10kHz至约300kHz的范围中。在一些实施例中，该脉冲重复率约为10kHz。
[0048]在一些实施例中，暗化制程参数包含呈现约0.5W至约50W范围中的功率的激光脉冲11。在一些实施例中，该功率在约IW至约1W的范围中。在一些实施例中，该功率在约2W至约8W的范围中。在一些实施例中，该功率约为5W。
[0049]在一些实施例中，激光暗化参数包含以介于约Imm/秒与约5000mm/秒之间的扫描速度施加激光脉冲11。在一些实施例中，该扫描速度介于约5mm/秒与约500mm/秒之间。在一些实施例中，该扫描速度介于约1mm/秒与约50mm/秒之间。在一些实施例中，该扫描速度介于约12mm/秒与约40mm/秒之间。在一些实施例中，该扫描速度介于约15mm/秒与约35mm/秒之间。在一些实施例中，该扫描速度约为25mm/秒。
[0050]在一些实施例中，激光暗化参数包含以介于约0.5 μπι与约50 μπι之间的节距(连续扫描之间)施加激光脉冲11。在一些实施例中，连续扫描之间的该节距介于约I μπι与约30μηι之间。在一些实施例中，连续扫描之间的该节距介于约5 μ m与约15 μ m之间。在一些实施例中，连续扫描之间的该节距约为10 μ mo
[0051]在一个实施例中，激光暗化参数包含约Ips至约1ns范围中的脉冲持续时间、小于约30 μm的光点直径、介于约Imm/秒与约50mm/秒之间的扫描速度及介于约I μπι与约30 μm之间的连续扫描间节距。
[0052]在一个实施例中，激光暗化参数包含约Ips至约1ns范围中的脉冲持续时间、介于约I μπι与约30 μm之间的光点直径、介于约15mm/秒与约35mm/秒之间的扫描速度及介于约5 μπι与约15 μm之间的连续扫描间节距。
[0053]在一个实施例中，激光暗化参数包含约Ips至约1ns范围中的脉冲持续时间、介于约Iym与约30 μ m之间的光点直径、约为25mm/秒的扫描速度及约为10 μ m的连续扫描间节距。
[0054]因此，在使经抛光下凹表面108经受暗化制程之后，下凹表面108被给予进一步修改的视觉外观，其不同于物品100的初步视觉外观，如在表面10a处呈现，且不同于经雕刻视觉外观，并且不同于经抛光下凹表面108的经抛光视觉外观。特定言之，该暗化制程意欲吸收光并且使下凹表面108对于人眼而言显黑色。
[0055]图3示意性地绘示在物品100中形成影像的制程的又一实施例。图3A及图3B是经由图3描绘的制程形成的物品中影像的正视图及侧视图。参考图3、图3A及图3B，具有呈初步视觉外观的表面10a的物品100可使用激光脉冲11的射束经加工以形成具有不同于该初步视觉外观的经修改视觉外观的特征或影像。在绘示的实施例中，物品100可经由使基板102经受上文关于图1及图2论述的雕刻及抛光制程而提供，或可以不同方式提供。
[0056]举例而言，在一些实施例中，激光脉冲11的射束可被导引至物品100上以熔化、移除或另外定形或加工基板102、层104或基板102及层104，以形成相互交叉且从物品100的表面延伸至若干微米深度314的凹部300网状结构。本文中此表面修改制程可被称为一「交叉画影线制程」。
[0057]在一些实施例中，凹部300是经由在待形成影像之处越过物品100(例如在由箭头302指示的各个方向上)多次扫描激光脉冲11的射束而形成。此影像可形成在下凹表面108内或在物品100或基板102的表面10a内。在一些实施例中，由箭头302表示的该等扫描方向可沿着并行线延伸。在一些实施例中，由箭头302表示的该等扫描方向可沿着平行于物品100边缘的并行线延伸。在一些实施例中，该等扫描方向可沿着弯曲并行线(未不出)延伸。在一些实施例中，该等扫描方向可沿着非正交的横向(未不出)延伸。在一些实施例中，由箭头302表示的该等扫描方向可沿着相互正交的方向延伸。
[0058]在一些实施例中，交叉画影线制程参数包含约I μπι至约50μπι范围中的相邻凹部300间的中心距310或312。在一些实施例中，相邻凹部300间的该中心距在约5 μm至约30μπι的范围中。在一些实施例中，相邻凹部300间的该中心距在ΙΟμ??至20μπι的范围中。扫描间的间隔或节距310或312可与相邻凹部300间的该中心距相同或不同。此外，相邻凹部300间的该中心距可在横向上不同，且扫描间的间隔或节距310或312可在横向上不同。
[0059]在一些实施例中，交叉画影线制程参数包含的激光输出具有在红外线区域之外的激光波长。在一些实施例中，该激光输出具有可见激光波长。在一些实施例中，该激光输出具有介于约400nm与约700nm之间的激光波长。在一些实施例中，该激光输出具有约 694nm、676nm、647nm、660nm 至 635nm、633nm、628nm、612nm、594nm、578nm、568nm、543nm、532nm、530nm、514nm、511nm、502nm、497nm、488nm、476nm、458nm、442nm、428nm 或 416nm 的激光波长。在一些实施例中，该激光输出具有介于约47 6nm与约569nm之间的激光波长。在一些实施例中，该激光输出具有绿激光波长。在一些实施例中，该激光输出具有约532nm或约511nm的激光波长。在一些实施例中，该激光输出由绿光固态激光提供。在一些实施例中，该激光输出由二极管帮浦绿光固态激光提供。在一些实施例中，该激光输出由光纤激光提供。
[0060]在一些实施例中，交叉画影线制程参数包含的激光输出具有包含介于约25μπι与约200 μ m之间的光点直径的光点尺寸的激光光点。在一些实施例中，该光点直径介于约40 μm与约125 μm之间。在一些实施例中，该光点直径介于约50 μπι与约100 μm之间。
[0061]在一些实施例中，交叉画影线制程参数形成具有约I μπι至约10 μ m范围中的深度的凹部300。在一些实施例中，该深度在约I μπι至约5 μπι的范围中。在一些实施例中，该深度在约Iym至约3 μ m的范围中。
[0062]在一些实施例中，激光交叉画影线制程参数包含以介于约25mm/秒与约150mm/秒之间的扫描速度施加激光脉冲11。在一些实施例中，该扫描速度介于约50mm/秒与约10mm/秒之间。在一些实施例中，该扫描速度介于约60mm/秒与约80mm/秒之间。在一些实施例中，该扫描速度约为75mm/秒。
[0063]在一些实施例中，激光交叉画影线制程参数包含呈现约IW至约1W范围中的功率的激光脉冲11。在一些实施例中，该功率在约2W至约8W的范围中。在一些实施例中，该功率在约3W至约6W的范围中。在一些实施例中，该功率约为4W。
[0064]在一个实施例中，激光交叉画影线制程参数包含的激光输出具有可见激光波长、介于约40 μπι与约125 μm之间的光点直径、介于约50mm/秒与约10mm/秒之间的扫描速度、约2W至约8W范围中的功率、约5 μπι至约30 μπι范围中的相邻凹部300间的中心距及约5 μ m至约30 μ m范围中的扫描间的节距310或312。
[0065]在一个实施例中，激光交叉画影线制程参数包含的激光输出具有绿激光波长、介于约50 μ m与约100 μ m之间的光点直径、介于约60mm/秒与约80mm/秒之间的扫描速度、约3W至约6W范围中的功率、约10 μπι至约20 μπι范围中的相邻凹部300间的中心距及约10 μ m至约20 μ m范围中的扫描间的节距310或312。
[0066]在一个实施例中，激光交叉画影线制程参数包含的激光输出具有绿激光波长、介于约50 μ m与约100 μ m之间的光点直径、约75mm/秒范围中的扫描速度、约4W范围中的功率、约10 μπι至约20 μπι范围中的相邻凹部300间的中心距及约10 μπι至约20 μπι范围中的扫描间的节距310或312。
[0067]在交叉画影线制程的一些实施例中，激光脉冲11被导引至物品100上使得其等在撞击物品100之后不聚焦。因为激光脉冲11的射束不聚焦，故光点尺寸极大且在物品100的材料中蚀刻的线将重迭。此造成拱块或凸块304的图案的顶面在物品100的表面10a下方。
[0068]在实施上文示例性描述的交叉画影线制程之后，反射性凸块304的一图案形成于物品100内。凸块304具有平滑表面(例如至少部分由已经被激光脉冲11的射束熔化且接着重新凝固的基板102材料形成)，其是稳定的、抗磨损且凸块304的图案产生具有高亮度的影像。虽然不期望受到任何特定理论的限制，但据信入射在凸块304的图案上的光被凸块304反射及散射使得自凸块304的图案反射的光对于人眼而言呈白色。反射性凸块304的图案提供比原始表面10a的外观、基板表面102的外观、未抛光下凹表面108的外观及经抛光下凹表面108的外观更明亮的白色外观。此外，凸块304的图案提供比可经由常见蚀刻制程达到的白色更明亮的白色。也应注意当在没有先前抛光制程的情况下实施交叉画影线制程时，凸块304的图案提供较不光泽的白色无光外观，然而当在抛光制程之后实施时，该无光白色仍是比可经由常见蚀刻制程达到的白色更明亮的白色。
[0069]图4示意性地绘示在物品100中形成影像的制程的又另一实施例。图4Α及图4Β是经由图4描绘的制程形成的物品中影像的正视图及侧视图。参考图4、图4Α及图4Β，具有呈初步视觉外观的表面10a的物品100可使用激光脉冲11的射束加工以形成具有不同于该初步视觉外观的经修改视觉外观的特征或影像。在绘示的实施例中，物品100可经由使基板102经受上文关于图1及图2论述的雕刻及抛光制程而提供，或可以不同方式提供。
[0070]为了形成经修改视觉外观，激光脉冲11的射束可被导引至物品100上以熔化、移除或另外定形或加工基板102、层104或基板102及层104，以形成从物品100的表面10a延伸至基板102下方或下凹表面108下方达一深度的不重迭凹部402的图案400。本文中此表面修改制程可被称为一「冲压图案化制程」。
[0071]在冲压图案化制程的一些实施例中，凹部402具有约I μπι至约50μπι范围中的深度414。在一些实施例中，深度414在约I μπι至约25 μπι的范围中。在一些实施例中，深度414在约5 μ m至约15 μ m的范围中。
[0072]在一些实施例中，冲压图案化制程参数包含约10 μ m至约ΙΟΟμπι范围中的相邻凹部402间的中心距406。在一些实施例中，相邻凹部402间的中心距406在约20 μπι至约75 μ m的范围中。在一些实施例中，相邻凹部402间的中心距406在约30 μ m至约60 μ m的范围中。在一些实施例中，相邻凹部402间的中心距406约为40 μπι。
[0073]在一些实施例中，冲压图案化制程参数包含在物品100上待形成影像之处(例如沿着由图3中的箭头302指示的各个扫描路径)用约10个至100个激光脉冲11形成各个凹部402。在一些实施例中，各个凹部400经由约20个至80个激光脉冲11形成。在一些实施例中，各个凹部400经由约30个至70个激光脉冲11形成。在一些实施例中，各个凹部400经由约40个至60个激光脉冲11形成。
[0074]在一些实施例中，冲压图案化制程参数包含的激光输出具有红外激光波长。在一些实施例中，该激光输出具有介于约700nm与约20 μπι之间的激光波长。在一些实施例中，该激光输出具有约 1152nm、1090nm、1080nm、1064nm、1060nm、1053nm、1047nm、980nm、799nm或753nm的激光波长。在一些实施例中，该激光输出具有介于约1150nm与1350nm之间、780nm与905nm之间或700nm与100nm之间的激光波长。在一些实施例中，该激光输出具有介于约700nm与1350nm之间的激光波长。在一些实施例中，该激光输出具有介于约980nm与1320nm之间的激光波长。在一些实施例中，该激光输出具有介于约980nm与1080nm之间的激光波长。在一些实施例中，该激光输出具有约1064nm的激光波长。在一些实施例中，该激光输出由红外线固态激光提供。在一些实施例中，该激光输出由二极管帮浦红外线固态激光提供。在一些实施例中，该激光输出由红外线光纤激光提供。
[0075]在一些实施例中，该激光输出具有介于约9.4 μπι与约10.6 μπι之间的激光波长。在一些实施例中，该激光输出由CO2激光提供。
[0076]在一些实施例中，冲压图案化制程参数包含的激光脉冲11在下凹表面108处具有的激光光点具有小于在雕刻制程期间使用的光点直径的光点直径。在激光抛光制程的一些实施例中，该光点直径介于约5微米与约50 μ m之间。在一些实施例中，该光点直径介于约15 μ m与约40 μ m之间。在一些实施例中，该光点直径介于约25 μ m与约35 μ m之间。在一些实施例中，该光点直径约为30 μ mo空间长轴410或412可具有约等于或略大于或略小于该光点直径的距离。
[0077]在一些实施例中，冲压图案化制程参数包含以大于1kHz的脉冲重复率将激光脉冲11导引至物品上。在一些实施例中，该脉冲重复率在约1kHz至约100kHz的范围中。在一些实施例中，该脉冲重复率在约50kHz至约500kHz的范围中。在一些实施例中，该脉冲重复率在约75kHz至约200kHz的范围中。在一些实施例中，该脉冲重复率约为10kHz。
[0078]在一些实施例中，冲压图案化制程参数包含呈现约IW至约1W范围中的功率的激光脉冲11。在一些实施例中，该功率在约2W至约8W的范围中。在一些实施例中，该功率在约4W至约6W的范围中。在一些实施例中，该功率约为5W。
[0079]在一个实施例中，冲压图案化制程包含的凹部402具有约5 μ m至约15 μ m范围中的深度414、约30 μ m至约60 μ m范围中的相邻凹部402间的中心距406、经由约30个至70个激光脉冲11的各个凹部402的形成、具有红外线波长的激光脉冲11、介于约15μπι与约40 μm之间的光点直径、约50kHz至约500kHz范围中的脉冲重复率及约IW至约1W范围中的激光脉冲功率。
[0080]在一个实施例中，冲压图案化制程产生的凹部402具有约5 μ m至约15 μ m范围中的深度、约40 μ m的相邻凹部402间的中心距、经由来自光纤激光的具有红外线波长的约40个至60个激光脉冲11的各个凹部402的形成、约30 μπι的光点直径、约10kHz的脉冲重复率及约5W的激光脉冲功率。
[0081]在实施上文示例性描述的冲压图案化制程之后，具有碗状锥度的凹部402的一图案400可形成于物品100内。凹部402具有平滑表面(例如至少部分由已经被激光脉冲11的射束熔化且接着重新凝固的基板102材料形成)，其是稳定的、抗磨损且凹部402的图案400产生具有高亮度的影像。虽然不期望受到任何特定理论的限制，但据信入射在凹部402 的图案400上的光被该等凹部反射及散射使得自凹部402的图案400反射的光对于人眼而言呈白色。凹部402的图案400提供比原始表面10a的外观、基板表面102的外观、未抛光下凹表面108的外观及经抛光下凹表面108的外观更明亮的白色外观。此外，凹部402的图案400提供比可经由常见蚀刻制程达到的白色更明亮的白色。也应注意当在没有先前抛光制程的情况下实施冲压图案化制程时，凹部402的图案400提供较不光泽的白色无光外观，然而当在抛光制程之后实施时，该无光白色仍是比可经由常见蚀刻制程达到的白色更明亮的白色。
[0082]如先前阐述，可经选择以改良基板激光处理(标记)的可靠性及重复性的示例性激光处理参数包含激光类型、波长、脉冲持续时间、脉冲能量、脉冲瞬时形状、脉冲空间形状、聚焦光点尺寸(射束腰)、脉冲重复率、脉冲数、侵蚀尺寸、激光光点重迭、扫描速度及每个撞击位置的扫描穿过次数。额外激光脉冲参数包含指定聚焦光点相对于物品100的表面的位置，以及导引激光脉冲11相对于物品100的相对运动。
[0083]可经调适以雕刻、抛光及修改物品100表面的示例性激光处理系统可包含多个工具(诸如独立导引的激光头)以实施雕刻制程、抛光制程及额外修改制程中的一个或多个。Cutler的美国专利第5，847，960号描述一种多工具微加工系统且以引用方式并入本文中。或者，该激光处理系统的示例性激光可经组态以用不同组激光处理参数来雕刻、抛光及修改物品100的表面而实现不同的雕刻制程、抛光制程及额外修改制程。或者，一个激光处理系统可用以实施雕刻制程、抛光制程及额外修改制程中的两个，且另一激光处理系统可用以实施雕刻制程、抛光制程及额外修改制程中的另一个。或者，雕刻制程、抛光制程及额外修改制程中的每个可在截然不同的激光处理系统上实施。
[0084]可被一些实施例有利地使用的激光处理参数包含使用具IR到UV范围中，或更特定言之从约10.6微米降至约266nm的波长的激光。激光38中的一个或多个可在IW至100W范围中操作，或一些可在IW至12W范围中操作。脉冲持续时间可在Ips至100ns的范围中，或在一些实施例中，该脉冲持续时间可在Ips至200ns的范围中。激光重复率可在IkHz至10MHz的范围中，或在一些实施例中，该激光重复率可在1KHz至IMHz的范围中。激光能量密度可在约0.1 X 10-6J/cm2至100.0J/cm2的范围中，或在一些实施例中，该激光能量密度可在约1.0X 10-2J/cm2至10.0J/cm2的范围中。激光束相对于被标记物品100移动的速度可在lmm/s至1m/s范围中，或针对一些实施例而言，该扫描速度可在10mm/s至Im/s范围中。物品100表面上相邻列的激光脉冲11间的节距或间距可在I微米至1000微米的范围中，或针对一些实施例而言，该节距或间距可在10微米至100微米的范围中。在物品100表面处测量的激光脉冲11的激光光点15的尺寸可在I微米至1000微米的范围中，或对于一些实施例而言，该激光光点可在25微米至500微米的范围中。激光脉冲11的聚焦光点相对于物品100表面的位置(标高)可在-1Omm至+1mm的范围中，或对于一些实施例而言，该聚焦光点相对于该表面的标高可在Omm至+5mm的范围中。
[0085]可经调适以处理物品100的示例性激光处理系统系ESI丽5330微加工系统2，其由波特兰的伊雷克托科学工业股份有限公司OR 97229制造。此一微加工系统2可使用在30KHz脉冲重复率下具有5.7W平均功率的二极管帮浦Q开关的固态激光38，且对于一些实施例而言，可经组态以发射532nm的第二谐波波长或其他波长。可经调适以处理物品100的另一示例性激光处理系统是ESI ML5900微加工系统，其也由波特兰的伊雷克托科学工业股份有限公司OR 97229制造。此一激光微加工系统2可使用可经组态以在至高达5MHz脉冲重复率下发射约266nm(UV)至约1064nm(IR)波长的固态二极管帮浦激光38。举例而言，激光38可视情况使用固态谐波频率产生器来加倍频率而将波长减小至532nm或增三倍达约355nm，由此分别产生可见(绿)或紫外线(UV)激光脉冲。
[0086]其他示例性激光微加工系统包含模型5335、5950及5970，其等也由波特兰的伊雷克托科学工业股份有限公司OR 97229制造。
[0087]在一些实施例中，激光38可以是以1064nm波长操作的二极管帮浦Nd:YV04固态激光，其是由德国西泽斯劳滕Kaiserslautern的Lumera Laser GmbH制造的快速模型。激光38可经组态以在IMHz至2MHz脉冲重复率下产生至高达6W的持续功率。在一些实施例中，激光38可以是在355nm波长的三倍频率下操作的二极管帮浦Nd:YV04固态激光，其是由加利福尼亚州圣克拉拉(95054)的Spectra-Physics制造的先锋模型。激光38可经组态以产生至高达2.5W，但通常在产生约IW功率的80MHz模式锁定脉冲重复率下运行。
[0088]激光微加工系统2可经由添加适当激光38、激光光学器件6及8、零件处理设备及控制软件被调适以根据本文发明的方法可靠且可重复地处理表面。此等修改容许激光处理系统用适当激光处理参数将激光脉冲11以期望速度及节距导引至适当定位且固定的物品100上的期望位置来产生具期望颜色及光学密度的期望表面效果。
[0089]图5A及图5B是适用于处理物品100的ESI模型丽5330激光微加工系统2的图，且图6是强调图5A及图5B的激光微加工系统2的某些组件的示意图。参考图5A、图5B及图6，对ESI模型MM5330激光微加工系统2的调适包含:激光镜及功率衰减器4 ;激光束操纵光学器件6 (诸如一对检流计控制镜)及激光场光学器件8，其经调适以处理激光波长、功率及在一些实施例中处理射束尺寸；夹盘10，其经调适以固定物品100 ;平台14、18及20，其经调适以移动物品100及激光脉冲11相对于彼此的位置；及控制器12，其经调适以储存激光处理及/或射束位置定靶数据以及造成激光38发射激光脉冲11并且将其等导引至物品100上的指定位置。
[0090]图5B示出经调适的ESI模型丽5330激光微加工系统2的另一图，其包含:互锁控制器26，其控制互锁传感器(未示出)的操作，该互锁传感器在MM5330激光微加工系统2的各个面板开启时防止激光38操作；控制器28、激光电源30、激光束准直仪32、激光束光学器件34及激光镜36，其全部已经调适以与经调适激光38协作。
[0091]激光38或替代激光可经组态以与控制器28及激光电源30协作以产生具Ips至1，OOOns持续时间的激光脉冲11。此等激光脉冲11可为高斯的或由激光束光学器件34特定成型以达到期望的表面效果。与控制器28、激光束操纵光学器件6及激光场光学器件8协作的激光束光学器件34协作以导引激光脉冲11以在由卡盘10固定的物品100上形成激光光点15。在一些实施例中，激光束操纵光学器件6可包含一个或多个检流计、快速操纵镜、声光学偏转器、电光学偏转器或其任何组合。运动控制组件Y平台14、X平台18、Z平台(光学器件平台)20及激光束操纵光学器件6组合以提供组合式射束定位能力，其一个态样是在当物品100相对于激光脉冲的激光光点15连续运动时能够相对于物品100定位激光束。Cutler等人的美国专利第5，751，585号中描述此能力，其受让给本申请案的受让人且以引用方式并入本文中。组合式射束定位包含在当物品100相对于激光束运动时能够在物品100上建立呈特定形状的表面效果，其是经由使控制器28导引运动控制组件(即Y平台14、X平台18、Z平台20及激光束操纵光学器件6)的一部分以补偿因运动控制组件的其他部分引起的连续相对运动。
[0092]激光脉冲11也由与控制器28协作的激光束光学组件34定形。激光束光学组件34可决定激光脉冲11的空间几何形状以及空间能量轮廓，其可为高斯或特定轮廓。举例而言，「高帽形」空间轮廓可用以陈述具在撞击被标记物品100的激光光点15的整个区域上方具有均匀能量密度分布的激光脉冲11。诸如此的特定成形的空间轮廓可使用绕射光学组件或其他光学射束成形组件来建立。在高斯轮廓下，假设在轮廓上某一点超过烧蚀临限，则烧蚀临限区域内的聚焦光点区域会超过烧蚀临限而可能造成损坏，同时烧蚀临限外部的聚焦光点的区域将不会移除材料。Dunsky等人的美国专利第6，433，301号中发明在微加工时使用绕射光学组件，其受让给本申请案的受让人且以引用方式并入本文中。
[0093]激光光点尺寸是指激光束的聚焦光点的尺寸。被标记物品100表面上的激光光点15的实际光点尺寸可归因于定位在表面上方或下方的聚焦光点而不同。此外，激光束光学组件34、激光束操作光学器件6、激光场光学器件8及Z平台20协作以控制激光光点15的聚焦深度，或当物品100上的交叉点移开聚焦平面时激光光点15如何快速地不聚焦。经由控制聚焦深度，控制器28可导引激光束光学组件34、激光束操作光学器件6、激光场光学器件8及Z平台20以将激光光点高精度地重复定位在样品表面处或其附近。经由将聚焦光点定位在物品100表面上方或以下来制作标记容许激光束散焦达特定量且由此增大激光脉冲11照射的区域并且降低表面处的激光能量密度。由于已知射束腰的几何形状，故将聚焦光点精确定期在物品100实际表面上方或以下将提供对光点尺寸及能量密度的额外精度控制。经由通过结合使用皮秒激光(其产生Ips至1，OOOps范围中的激光脉冲宽度)定位聚焦光点来改变激光光点几何形状而改变激光能量密度是一种如上所述在物品100上可靠地且可重复地建立一些表面效果的方式。也可经由AOM能量密度衰减器或沿着射束路径44定位的其他光学衰减器件来改变能量密度。
[0094]图7示出激光脉冲聚焦光点40及其附近的射束腰的图。射束腰由表面42表示，其系经由FWHM方法在激光脉冲11行进所沿着的光学轴44上 测量的激光脉冲11的空间能量分布的直径(或空间长轴)。直径48表示当激光处理系统将激光脉冲11聚焦在表面102上方一段距离(A-O)时，基板102表面上的激光光点15的激光光点尺寸。直径46表示当激光处理系统将激光脉冲11聚焦在表面102以下一段距离(O-B)时，基板102表面上的激光光点15的激光光点尺寸。
[0095]将了解可使用其他或额外激光或不同微加工系统，且不同雕刻、抛光及表面修改技术可用以提供期望光学表面特性。一些替代微加工系统、激光及制程参数可见于美国专利第8，379，679号、第8，389，895号及第8，604，380号中，其等以引用方式并入本文中。
[0096]前述内容说明了本发明的实施例且不被解释为其限制。虽然已经描述本发明的一些示例性实施例，但熟悉此项技术者将易于了解在本质上不脱离本发明的新颖教示及优点的情况下该等示例性实施例中可能存在许多修改。因此，全部此等修改意欲包含在如权利要求书中所定义的本发明的范畴内。因此，应了解前述内容说明了本发明且不被解释为限制于发明的本发明的特定示例性实施例，且对发明的示例性实施例以及其他实施例的修改意欲包含在附属权利要求的范畴内。本发明由以下权利要求书及其中包含的权利要求等效物定义。
【主权项】
1.一种用不同组的激光处理参数处理一基板以在该基板中达到不同表面效果的方法，材料具有具一第一表面特性的一外表面，该方法包括: 使用具第一参数值的一第一组激光处理参数，其可操作以在该基板中形成一凹部以在该外表面下方达到一深度，其中该基板中的该凹部具有具一第二表面特性的一下凹表面； 使用具第二参数值的一第二组激光处理参数，其可操作以改变该下凹表面使其具有不同于该第二表面特性的一第三表面特性，其中该等第二参数值的至少一个不同于该等第一参数值的一对应者；及 使用具第三参数值的一第三组激光处理参数，其可操作以改变该下凹表面使其具有不同于该第二表面特性及该第三表面特性的一第四表面特性，其中该等第三参数值的至少一个不同于该等第一参数值的一对应者，且其中第三参数值的该至少一个或该等第三参数值的另一个不同于该等第二参数值的一对应者。2.如权利要求1的方法，其中该第一组激光处理参数适用于执行一雕刻制程，且其中该第二组激光处理参数适用于执行一抛光制程以抛光该下凹表面的部分。3.如权利要求1的方法，其中该第三组激光处理参数适用于执行一暗化制程以暗化该下凹表面的部分。4.如权利要求1的方法，其中该第三组激光处理参数适用于执行一交叉画影线制程以给该下凹表面的部分交叉画影线。5.如权利要求1的方法，其中该第三组激光处理参数适用于执行一冲压制程以冲压该下凹表面中的凹部。6.如权利要求1的方法，其中该第一及第二组激光处理参数具有不同波长值或光点尺寸值。7.如权利要求1的方法，其中该第一及第三组激光处理参数具有不同脉冲宽度值或光点尺寸值。8.如权利要求1的方法，其中该第一及第三组激光处理参数具有不同重复率值或光点尺寸值。9.如权利要求1的方法，其中该第二及第三组激光处理参数具有不同扫描速度值或光点尺寸值。10.如权利要求1的方法，其中该等第一参数值包括具有介于约25μm与约ΙΟΟμ??之间的空间长轴的光点尺寸、红外线波长、介于约1ns与约10ns之间的脉冲宽度及介于约10kHz与约200kHz之间的脉冲重复率中的至少两个。11.如权利要求1的方法，其中该等第二参数值包括具有介于约10μπι与约50 μπι之间的空间长轴的光点尺寸、可见波长、介于约1ns与约10ns之间的脉冲宽度、大于约10kHz的脉冲重复率及介于约500 μ J至约1000 μ J的脉冲能量中的至少两个。12.如权利要求1的方法，其中该等第三参数值包括具有短于约50μ m的空间长轴的光点尺寸、介于约500fs与约50ps之间的脉冲宽度及慢于约50mm/秒的扫描速度中的至少两个。13.如权利要求1的方法，其中该等第三参数值包括具有介于约50μ m与约100 μ m之间的空间长轴的光点尺寸、短于100nm的波长、介于约I瓦特至5瓦特的平均功率及快于约70mm/秒的扫描速度中的至少两个。14.如权利要求1的方法，其中该等第三参数值包括红外线波长、介于约3瓦特至10瓦特的平均功率及介于约75kHz与约125kHz之间的脉冲重复率中的至少两个。15.如权利要求1的方法，其中该第二组的激光脉冲在该下凹表面上形成激光光点且被导引使得一连续激光光点重迭先前激光光点达75%至95%。16.如权利要求1的方法，其中该第二组的激光脉冲产生一反射性或抛光表面。17.如权利要求1的方法，其中该第三组的激光脉冲在该下凹表面中产生周期结构，其被结构化以吸收光。18.如权利要求1的方法，其中该第三组的激光脉冲在该下凹表面中形成不相重迭凹坑的一图案。19.一种用不同组的激光处理参数处理一基板以在该基板中达到不同表面效果的方法，材料具有具一第一表面特性的一外表面，该方法包括: 使用具第一参数值的一第一组激光处理参数，其可操作以经由在该基板中形成一凹部以在该外表面下方达到一深度而雕刻该基板，其中该基板中的该凹部具有具一第二表面特性的一下凹表面； 使用具第二参数值的一第二组激光处理参数，其可操作以抛光该下凹表面使其具有不同于该第二表面特性的一第三表面特性，其中该等第二参数值的至少一个不同于该等第一参数值的一对应者；及 使用具第三参数值的一第三组激光处理参数，其可操作以修改该下凹表面使其具有不同于该第二表面特性及该第三表面特性的一第四表面特性，其中该等第三参数值的至少一个不同于该等第一参数值的一对应者，且其中第三参数值的该至少一个或该等第三参数值的另一个不同于该等第二参数值的一对应者。20.一种用不同组的激光处理参数处理一基板以在该基板中达到不同表面效果的激光系统，材料具有具一第一表面特性的一外表面，该方法包括: 一第一激光，其经组态以提供具第一参数值的一第一组激光处理参数，其可操作以在该基板中形成一凹部以在该外表面下方达到一深度，其中该基板中的该凹部具有具一第二表面特性的一下凹表面； 一第二激光，其经组态以提供具第二参数值的一第二组激光处理参数，其可操作以改变该下凹表面使其具有不同于该第二表面特性的一第三表面特性，其中该等第二参数值的至少一个不同于该等第一参数值的一对应者，其中该第二激光是该第一激光或是一不同激光；及 一第三激光，其经组态以提供具第三参数值的一第三组激光处理参数，其可操作以改变该下凹表面使其具有不同于该第二表面特性及该第三表面特性的一第四表面特性，其中该等第三参数值的至少一个不同于该等第一参数值的一对应者，且其中第三参数值的该至少一个或该等第三参数值的另一个不同于该等第二参数值的一对应者，其中该第三激光是该第一或第二激光或是一不同激光。21.一种修改铝表面的外观的方法，其包括: 在铝表面中形成一凹部以提供展示一第一光吸收级的一下凹铝表面；及 经由以介于约15mm/秒与约35mm/秒之间的扫描速度及介于约5 μπι与约15 μm之间的连续扫描间节距来施加激光输出以处理该下凹铝表面的区域而修改该下凹铝表面，其中该激光输出包括具有约Ips至约1ns范围中的脉冲持续时间、介于约I μπι与约30 μπι之间的激光光点直径的激光脉冲，及其中该激光输出的施加造成该下凹铝表面的经处理区域呈现大于该第一光吸收级的一第二光吸收级，由此造成该下凹铝表面的该等经处理区域对观看该下凹铝表面的该等经处理区域的人眼而言呈黑色。22.—种修改铝表面的外观的方法，其包括: 在铝表面中形成一凹部以提供展示一第一表面外观的一下凹铝表面；及 经由以介于约60mm/秒与约80mm/秒之间的扫描速度及介于约10 μ m与约20 μ m之间的连续扫描间节距来施加激光输出以处理该下凹铝表面的区域而修改该下凹铝表面，其中该激光输出包括具有绿激光波长、介于约50 μπι与约100 μπι之间的激光光点直径及约3W至约6W范围中的功率的激光脉冲，及其中该激光输出的施加造成该下凹铝表面的经处理区域展示比该第一表面外观显得更白的一第二表面外观，由此造成该下凹铝表面的该等经处理区域对观看该下凹铝表面的该等经处理区域的人眼而言呈白色。23.—种修改铝表面的外观的方法，其包括: 在铝表面中形成一凹部以提供展示一第一表面外观的一下凹铝表面；及 经由用约30个至70个激光脉冲以约50kHz至约500kHz范围中的脉冲重复率施加激光输出以处理该下凹铝表面的单独区域来形成单独凹部而修改该下凹铝表面，该等单独凹部呈相邻凹部间的中心距在约30 μπι至约60 μπι范围中且具有约5 μπι至约15 μπι范围中的深度来分开，其中该激光输出包括具有红外线激光波长、介于约15 μ m与约40 μ m之间的激光光点直径及约IW至约1W范围中的功率的激光脉冲，及其中该激光输出的施加造成该下凹铝表面的经处理区域呈现比该第一表面外观显得更白的一第二表面外观，由此造成该下凹铝表面的该等经处理区域对观看该下凹铝表面的该等经处理区域的人眼而言呈白色。
【专利摘要】一种用三组不同的激光处理参数处理一基板(102)以在该基板(102)中达到不同表面效果的方法和激光处理系统(2)。一第一组激光参数用以在该基板中形成一凹部(106)。一第二组激光参数用以抛光该凹部(106)的表面(108)。一第三组激光参数用以修改该凹部(106)的抛光表面(108)以具有满足期望视觉外观的条件的光学特性。
【IPC分类】B23K26/364, B23K26/362, B23K26/352, B23K26/40
【公开号】CN104884205
【申请号】CN201380058957
【发明人】罗伯特·莱辛巴哈, 杰弗瑞·豪尔顿, 松本久, 单芳, 麦克·谢恩·挪威尔
【申请人】伊雷克托科学工业股份有限公司
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2013年12月19日
【公告号】US20140175067, WO2014100469A1, WO2014100469A8