金属凹印版激光制造方法及系统.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010231091.5 (22)申请日 2020.03.27 (71)申请人 中国科学院西安光学精密机械研究 所 地址 710119 陕西省西安市高新区新型工 业园信息大道17号 (72)发明人 李明谭羽李珣 (74)专利代理机构 西安智邦专利商标代理有限 公司 61211 代理人 唐沛 (51)Int.Cl. B41C 1/05(2006.01) (54)发明名称 一种金属凹印版激光制造方法及系统 (57)摘要 本发明公开了一种金属凹印版激光制造方 法及系统， 其具有版纹。

2、深度误差可控、 大幅面图 案制造精度高以及制造过程对凹印版基板寿命 影响小等优点。 该方法主要步骤为： 1、 标定单层 图案不同深度与激光加工参数的对应关系； 2、 版 纹结构分层， 得到单层扫描图案； 3、 凹印版基板 位置校准及激光器出射光束焦点位置校准； 4、 单 层扫描图案的轨迹规划； 5、 第一层图案加工制 造； 6、 重复步骤5， 直至版纹结构加工完成。 权利要求书2页 说明书6页 附图2页 CN 111516367 A 2020.08.11 CN 111516367 A 1.一种金属凹印版激光制造方法， 其特征在于， 具体的实施步骤如下： 步骤1： 标定单层图案不同深度与激光加工。

3、参数的对应关系； 步骤2： 版纹结构分层， 得到单层扫描图案； 步骤3： 将凹印版基板放置在激光加工设备的工作台上， 进行凹印版基板位置校准及激 光器出射光束焦点位置校准； 步骤4： 单层扫描图案的轨迹规划； 步骤4.1： 采用衍射光学元件将激光器输出的高斯光束整形成能量分布均匀的平顶光； 步骤4.2： 采用焦点分析仪测量所述平顶光的直径， 依据该直径对步骤2中形成的单层 扫描图案进行轨迹规划， 并将轨迹规划信息输入激光加工设备的振镜控制器； 步骤5： 第一层图案加工制造； 步骤5.1： 采用激光加工设备在凹印版基板上进行第一层图案的加工； 步骤5.2： 采用测距传感器测量已加工区域的制造深度。

4、， 与设置值进行比较， 得到第一 层图案的加工深度误差， 若误差超出阈值， 所述阈值为5-10um， 则利用步骤1中得到单层图 案制造深度与激光加工参数的对应关系， 在下一层制造前调整激光加工参数， 以此来补偿 第一层制造的深度误差； 若误差未超出阈值， 则不进行误差补偿， 直接加工第二层； 6)重复步骤5， 直至版纹结构加工完成。 2.根据权利要求1所述的金属凹印版激光制造方法， 其特征在于： 所述步骤1的具体实 现过程为： 通过激光加工设备在凹印版基板上进行单层图案加工， 测试出激光加工设备加 工出的单层图案深度范围， 以及单层图案不同深度与激光加工参数的对应关系。 3.根据权利要求1所述。

5、的金属凹印版激光制造方法， 其特征在于： 所述步骤2的具体实 现过程为： 根据步骤1获取的单层图案的深度范围， 采用分层软件将设计完成的版纹结构进 行分层， 得到单层扫描图案。 4.一种金属凹印版激光制造系统， 其特征在于： 包括激光加工设备， 其改进之处是， 还 包括衍射光学元件以及测距传感器； 所述衍射光学元件安装在激光加工设备的激光器和振镜加工头之间， 用于对激光器输 出的高斯光束整形为平顶光； 测距传感器安装在激光加工设备上用于对加工的图案深度进行探测。 5.一种金属凹印版激光制造方法， 其特征在于， 具体的实施步骤如下： 步骤1： 标定单层图案不同深度与激光加工参数的对应关系； 步骤。

6、2： 将整幅的版纹结构划分成多个加工区域， 并确定每个加工区域版纹边界在激光 加工设备坐标系下的理想坐标值； 步骤3： 获取每一个加工区域的单层扫描图案； 步骤4： 将凹印版基板放置在激光加工设备的工作台上， 进行凹印版基板位置校准及激 光器出射光束焦点位置校准； 步骤5： 对每个加工区域的单层扫描图案进行轨迹规划； 步骤5.1： 采用衍射光学元件将激光器输出的高斯光束整形成能量分布均匀的平顶光； 步骤5.2： 采用焦点分析仪测量所述平顶光的直径， 依据该直径对步骤3中形成的每个 加工区域的单层扫描图案进行轨迹规划， 并将轨迹规划输入激光加工设备的振镜控制器； 权利要求书 1/2 页 2 CN。

7、 111516367 A 2 步骤6： 第一加工区域的加工制造； 步骤6.1： 采用激光加工设备在凹印版基板上进行第一加工区域的第一层图案加工； 步骤6.2： 采用测距传感器测量已加工区域的制造深度， 与设置值进行比较， 得到第一 层图案的加工深度误差， 若误差超出阈值， 所述阈值为5-10um， 则利用步骤1中得到单层图 案制造深度与激光加工参数的对应关系， 在下一层制造前调整激光加工参数， 以此来补偿 第一层制造的深度误差； 若误差未超出阈值， 则不进行误差补偿， 直接加工第二层； 步骤6.3： 重复步骤6.1和6.2， 直至第一加工区域版纹加工完成； 步骤7： 第二加工区域的加工制造； 。

8、步骤7.1： 采用视觉图像识别的方式采集步骤6中完成的第一加工区域版纹的边界； 步骤7.2： 通过第一加工区域版纹边界在激光加工设备坐标系下的坐标信息与待加工 的第二加工区域的相邻边界在激光加工设备坐标系下的理想坐标信息进行对比， 得到相邻 版纹边界的位置偏差， 若位置偏差超出第二阈值， 所述第二阈值为8-12um， 则移动工作台对 该误差进行补偿， 补偿之后执行步骤7.3； 若误差未超出第二阈值， 则不进行误差补偿， 直接执行步骤7.3； 步骤7.3： 按照步骤6完成第二加工区域版纹的加工制造； 步骤8： 重复步骤7， 实现整幅版纹结构的加工制造。 6.根据权利要求5所述的金属凹印版激光制造。

9、方法， 其特征在于： 所述步骤1的具体实 现过程为： 通过激光加工设备在凹印版基板上进行单层图案加工， 测试出激光加工设备加 工出的单层图案深度范围， 以及单层图案不同深度与激光加工参数的对应关系。 7.根据权利要求5所述的金属凹印版激光制造方法， 其特征在于： 所述步骤3的具体实 现过程为： 根据步骤1获取的单层图案的深度范围， 采用分层软件将每一个加工区域的版纹 结构进行分层， 得到每一个加工区域的单层扫描图案。 8.一种金属凹印版激光制造系统， 包括激光加工设备， 其改进之处是， 还包括衍射光学 元件、 测距传感器以及图像采集装置； 所述衍射光学元件安装在激光加工设备的激光器和振镜加工头。

10、之间， 用于对激光器输 出的高斯光束整形为平顶光； 测距传感器安装在激光加工设备上用于对加工的图案深度进行探测 图像采集装置安装在激光器侧方， 图像采集装置用于拍摄每个加工区域所对应的边界 图像。 权利要求书 2/2 页 3 CN 111516367 A 3 一种金属凹印版激光制造方法及系统 技术领域 0001 本发明涉及一种凹印版的制造技术， 具体涉及一种金属凹印版激光制造方法及系 统。 背景技术 0002 凹版印刷是一种直接的印刷方法， 它将凹印版凹坑中所含的油墨直接压印到承印 物上， 所印画面的浓淡层次是由凹坑的大小及深浅决定的， 如果凹坑较深， 则含的油墨较 多， 压印后承印物上留下的。

11、墨层就较厚； 相反如果凹坑较浅， 则含的油墨量就较少， 压印后 承印物上留下的墨层就较薄。 这就将在承印物表面形成高低不平的三维微细结构， 这种结 构的还原度是由凹印版的制造品质决定的， 同时也是印刷领域上一种通用的防伪手段。 0003 在合金薄板(如： 镍基镀铬板电铸镍版、 镀铬镍版、 黄铜合金版、 镀铬黄铜合金版、 镀铬多层金属版等)上制造复杂的三维形貌结构传统采用手工雕刻， 但是手工雕刻效率和 合格率都比较低。 0004 从2007年开始， 该领域已经开展采用数字化激光直接雕刻凹版制版技术的研究， 较人工雕刻在制造品质及防伪的方面有了一定的提升， 但制造质量仍不满足下一代产品品 质及防伪。

12、的需求。 0005 目前， 采用激光制造金属凹印版， 通常是采用分层制造的方式实现， 主要存在以下 三个问题： 0006 1、 版纹深度误差不可控， 版纹还原度差； 0007 2、 版纹表面粗糙度差， 传统激光加工输出的高斯光束会容易使版面存在微裂纹， 导致凹印版寿命缩短； 0008 3、 大幅面版纹制造时图案拼接存在接缝， 影响整体制造精度。 发明内容 0009 为了解决背景技术指出的现有激光加工金属凹印版所存在版纹深度误差不可控 以及大幅面版纹制造时图案拼接存在接缝， 影响整体制造精度的问题， 本发明提出一种基 于深度反馈补偿、 激光空间整形、 视觉在线拼接的金属凹印版激光制造方法及系统，。

13、 可有效 解决上述制造难题。 0010 本发明的具体技术方案是： 0011 本发明提出了一种金属凹印版激光制造方法， 具体的实施步骤如下： 0012 步骤1： 标定单层图案不同深度与激光加工参数的对应关系； 0013 步骤2： 版纹结构分层， 得到单层扫描图案； 0014 步骤3： 将凹印版基板放置在激光加工设备的工作台上， 进行凹印版基板位置校准 及激光器出射光束焦点位置校准； 0015 步骤4： 单层扫描图案的轨迹规划； 0016 步骤4.1： 采用衍射光学元件将激光器输出的高斯光束整形成能量分布均匀的平 说明书 1/6 页 4 CN 111516367 A 4 顶光； 0017 步骤4.。

14、2： 采用焦点分析仪测量所述平顶光的直径， 依据该直径对步骤2中形成的 单层扫描图案进行轨迹规划， 并将轨迹规划信息输入激光加工设备的振镜控制器； 0018 步骤5： 第一层图案加工制造； 0019 步骤5.1： 采用激光加工设备在凹印版基板上进行第一层图案的加工； 0020 步骤5.2： 采用测距传感器测量已加工区域的制造深度， 与设置值进行比较， 得到 第一层图案的加工深度误差， 若误差超出阈值， 所述阈值为5-10um， 则利用步骤1中得到单 层图案制造深度与激光加工参数的对应关系， 在下一层制造前调整激光加工参数， 以此来 补偿第一层制造的深度误差； 0021 若误差未超出阈值， 则不。

15、进行误差补偿， 直接加工第二层； 0022 6)重复步骤5， 直至版纹结构加工完成。 0023 进一步地， 上述步骤1的具体实现过程为： 通过激光加工设备在凹印版基板上进行 单层图案加工， 测试出激光加工设备加工出的单层图案深度范围， 以及单层图案不同深度 与激光加工参数的对应关系。 0024 进一步地， 上述步骤2的具体实现过程为： 根据步骤1获取的单层图案的深度范围， 采用分层软件将设计完成的版纹结构进行分层， 得到单层扫描图案。 0025 基于上述制造方法， 本发明还提供了一种金属凹印版激光制造系统， 包括激光加 工设备， 其改进之处是， 还包括衍射光学元件以及测距传感器； 所述衍射光学。

16、元件安装在激 光加工设备的激光器和振镜加工头之间， 用于对激光器输出的高斯光束整形为平顶光； 0026 测距传感器安装在激光加工设备上用于对加工的图案深度进行探测。 0027 针对版纹结构幅面较大的情况， 还需要对版纹结构进行幅面划分(即加工区域划 分)， 因此本发明又提出了一种金属凹印版激光制造方法， 具体的实施步骤如下： 0028 步骤1： 标定单层图案不同深度与激光加工参数的对应关系； 0029 步骤2： 将整幅的版纹结构划分成多个加工区域， 并确定每个加工区域版纹边界在 激光加工设备坐标系下的理想坐标值； 0030 步骤3： 获取每一个加工区域的单层扫描图案； 0031 步骤4： 将凹。

17、印版基板放置在激光加工设备的工作台上， 进行凹印版基板位置校准 及激光器出射光束焦点位置校准； 0032 步骤5： 对每个加工区域的单层扫描图案进行轨迹规划； 0033 步骤5.1： 采用衍射光学元件将激光器输出的高斯光束整形成能量分布均匀的平 顶光； 0034 步骤5.2： 采用焦点分析仪测量所述平顶光的直径， 依据该直径对步骤3中形成的 每个加工区域的单层扫描图案进行轨迹规划， 并将轨迹规划输入激光加工设备的振镜控制 器； 0035 步骤6： 第一加工区域的加工制造； 0036 步骤6.1： 采用激光加工设备在凹印版基板上进行第一加工区域的第一层图案加 工； 0037 步骤6.2： 采用测。

18、距传感器测量已加工区域的制造深度， 与设置值进行比较， 得到 第一层图案的加工深度误差， 若误差超出阈值， 所述阈值为5-10um， 则利用步骤1中得到单 说明书 2/6 页 5 CN 111516367 A 5 层图案制造深度与激光加工参数的对应关系， 在下一层制造前调整激光加工参数， 以此来 补偿第一层制造的深度误差； 0038 若误差未超出阈值， 则不进行误差补偿， 直接加工第二层； 0039 步骤6.3： 重复步骤6.1和6.2， 直至第一加工区域版纹加工完成； 0040 步骤7： 第二加工区域的加工制造； 0041 步骤7.1： 采用视觉图像识别的方式采集步骤6中完成的第一加工区域版。

19、纹的边 界； 0042 步骤7.2： 通过第一加工区域版纹边界在激光加工设备坐标系下的坐标信息与待 加工的第二加工区域的相邻边界在激光加工设备坐标系下的理想坐标信息进行对比， 得到 相邻版纹边界的位置偏差， 若位置偏差超出第二阈值， 所述第二阈值为8-12um， 则移动工作 台对该误差进行补偿， 补偿之后执行步骤7.3； 0043 若误差未超出第二阈值， 则不进行误差补偿， 直接执行步骤7.3； 0044 步骤7.3： 按照步骤6完成第二加工区域版纹的加工制造； 0045 步骤8： 重复步骤7， 实现整个整幅版纹结构的加工制造。 0046 基于上述制造方法， 本发明还提供一种金属凹印版激光制造。

20、系统， 包括激光加工 设备， 其改进之处是， 还包括衍射光学元件、 测距传感器以及图像采集装置； 0047 衍射光学元件安装在激光加工设备的激光器和振镜加工头之间， 用于对激光器输 出的高斯光束整形为平顶光； 0048 测距传感器安装在激光加工设备上用于对加工的图案深度进行探测 0049 图像采集装置安装在激光器侧方， 图像采集装置用于拍摄每个加工区域所对应的 边界图像。 0050 本发明的有益效果是： 0051 1、 本发明通过对版纹结构进行分层处理， 并采用实时对每层图案深度进行探测， 从而对版纹结构进行深度误差补偿， 避免了现有深度误差不可控， 版纹还原度差的问题。 0052 2、 本发。

21、明采用衍射光学元件对激光器输出的高斯光束整形成平顶光在凹印版基 板上进行版纹加工， 大大减少了微裂纹出现的几率， 确保了凹印版的使用寿命。 0053 3、 本发明采用对大幅面版纹结构进行分区域加工， 并且通过视觉图像识别的方式 实现了各区域间的边界处衔接误差的获取， 从而实现了衔接误差补偿， 大大提升了大幅面 版纹结构的制造精度。 附图说明 0054 图1为加工小幅面版纹结构时的流程图； 0055 图2为加工大幅面版纹结构时的流程图。 具体实施方式 0056 下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、 完整地描述， 显然， 所描述的实施 例是本发明一部分实施例， 而不是全部的实施例。 基于本发。

22、明中的实施例， 本领域普通技术 人员在有没做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明保护的范围。 0057 在发明的描述中， 需要说明的是， 术语 “第一” 、“第二” 仅用于描述目的， 而不能理 说明书 3/6 页 6 CN 111516367 A 6 解为指示或暗示相对重要性。 0058 在本发明的描述中， 需要说明的是， 除非另有明确的规定和限定， 术语 “安装” 、“相 连” 、“连接” 应做广义理解， 例如， 可以是固定连接， 也可以是可拆卸连接， 或一体地连接； 可 以是机械连接， 也可以是电连接； 可以是直接相连， 也可以通过中间媒介间接相连， 可以是 两个元件内。

23、部的连通。 对于本领域的普通技术人员而言， 可以具体情况理解上述术语在本 发明中的具体含义。 0059 实施例1 0060 本实施例中提供的金属凹印版激光制造方法是在凹印版基板上加工幅面为 150mmx70mm的图案， 其具体实施过程如图1所示： 0061 步骤1： 标定单层图案不同深度与激光加工参数的对应关系； 0062 采用激光加工设备在凹印版基板上进行尺寸为40mmx40mm的单层图案加工， 测试 出单层图案制造的深度范围， 以及单层图案制造深度与激光加工参数(功率、 频率等参数) 的对应关系； 0063 步骤2： 版纹结构分层， 得到单层扫描图案； 0064 将设计好的印版结构(幅面1。

24、50mmx70mm， 深度范围5 m-500 m)采用分层软件进行 分层， 采用均匀分层模式， 单层分层厚度为10 m， 得到单层扫描图案； 0065 步骤3： 将凹印版基板放置在激光加工设备的工作台上， 进行基板位置及焦点位置 校准， 要求基板位置精度为50 m， 对焦精度20 m； 0066 步骤4： 单层扫描图案的轨迹规划； 0067 步骤4.1： 采用衍射光学元件将激光器输出的高斯光束整形成能量分布均匀的平 顶光， 要求光束不均匀性小于10； 0068 步骤4.2： 采用焦点分析仪测量所述平顶光的直径， 依据该直径对步骤2中形成的 单层扫描图案进行轨迹规划， 并将轨迹规划信息输入激光加。

25、工设备的振镜控制器； 0069 步骤5： 第一层图案加工制造； 0070 步骤5.1： 采用激光加工设备在凹印版基板上进行第一层图案的加工； 0071 步骤5.2： 采用测距传感器(测量精度为2 m)测量已加工区域的制造深度， 与设置 值进行比较， 得到单层图案扫描制造深度误差(第一层)， 若误差超出阈值， 所述阈值为5- 10um， 则利用步骤1中得到单层图案制造深度与激光加工参数的对应关系， 在下一层制造前 (第二层)调整激光加工参数， 以此来补偿第一层制造的深度误差， 若不超出误差， 则不进行 误差补偿， 直接加工第二层； 0072 6)重复步骤5， 直至整幅版纹结构加工完成。 0073。

26、 在该实施例中， 采用的金属凹印版激光制造系统包括激光加工设备、 衍射光学元 件以及测距传感器； 衍射光学元件安装在激光加工设备的激光器和振镜加工头之间， 用于 对激光器输出的高斯光束整形为平顶光； 测距传感器安装在激光加工设备上用于对加工的 图案深度进行探测。 0074 实施例2 0075 本实施例中提供的金属凹印版激光制造方法是在凹印版基板上加工幅面为 1500mmx800mm的图案， 由于幅面尺寸较大， 需要进行分区域加工， 其具体实施过程如图2所 示： ： 说明书 4/6 页 7 CN 111516367 A 7 0076 步骤1： 标定单层图案不同深度与激光加工参数的对应关系； 00。

27、77 采用激光加工设备在凹印版基板上进行尺寸为40mmx40mm的单层图案加工， 测试 出单层图案制造的深度范围， 以及单层图案制造深度与激光加工参数(功率、 频率等参数) 的对应关系； 0078 步骤2： 将整幅(幅面为1500mmx800mm， 深度范围5 m-500 m的图案)的版纹结构划 分成多个加工区域， 并确定每个加工区域版纹边界在激光加工设备坐标系下的理想坐标 值； 0079 步骤3： 获取每一个加工区域的单层扫描图案； 0080 根据步骤1获取的单层图案的深度范围， 采用分层软件将每一个加工区域的版纹 结构进行分层， 采用均匀分层模式， 单层分层厚度为10 m， 得到每一个加工。

28、区域的单层扫描 图案。 0081 步骤4： 将凹印版基板放置在激光加工设备的工作台上， 进行基板位置及焦点位置 校准， 要求基板位置精度为50 m， 对焦精度20 m； 0082 步骤5： 对每个加工区域的单层扫描图案进行轨迹规划； 0083 步骤5.1： 采用衍射光学元件将激光器输出的高斯光束整形成能量分布均匀的平 顶光； 0084 步骤5.2： 采用焦点分析仪测量所述平顶光的直径， 依据该直径对步骤3中形成的 每个加工区域的单层扫描图案进行轨迹规划， 并将轨迹规划输入激光加工设备的振镜控制 器； 0085 步骤6： 第一加工区域的加工制造； 0086 步骤6.1： 采用激光加工设备在凹印版。

29、基板上进行第一加工区域的第一层图案加 工； 0087 步骤6.2： 采用测距传感器(测量精度为2 m)测量已加工区域的制造深度， 与设置 值进行比较， 得到第一层图案的加工深度误差， 若误差超出阈值， 所述阈值为5-10um， 则利 用步骤1中得到单层图案制造深度与激光加工参数的对应关系， 在下一层制造前调整激光 加工参数， 以此来补偿第一层制造的深度误差； 0088 若误差未超出阈值， 则不进行误差补偿， 直接加工第二层； 0089 步骤6.3： 重复步骤6.1和6.2， 直至第一加工区域版纹加工完成； 0090 步骤7： 第二加工区域的加工制造； 0091 步骤7.1： 采用视觉图像识别的。

30、方式采集步骤6中完成的第一加工区域版纹的边 界； 0092 步骤7.2： 通过第一加工区域版纹边界在激光加工设备坐标系下的坐标信息与待 加工的第二加工区域的相邻边界在激光加工设备坐标系下的理想坐标信息进行对比， 得到 相邻版纹边界的位置偏差， 若位置偏差超出第二阈值， 所述第二阈值为8-12um， 则移动工作 台对该误差进行补偿， 补偿之后执行步骤7.3； 0093 若误差未超出第二阈值， 则不进行误差补偿， 直接执行步骤7.3； 0094 步骤7.3： 按照步骤6完成第二加工区域版纹的加工制造； 0095 8)重复步骤7， 实现整个基板全幅面版纹制造。 0096 在该实施例中， 由于进行了分。

31、区域加工， 为了满足拼接后图案的精度要求， 采用的 说明书 5/6 页 8 CN 111516367 A 8 金属凹印版激光制造系统包括激光加工设备、 衍射光学元件、 测距传感器以及图像采集装 置； 衍射光学元件安装在激光加工设备的激光器和振镜加工头之间， 用于对激光器输出的 高斯光束整形为平顶光； 测距传感器安装在激光加工设备上用于对加工的图案深度进行探 测图像采集装置安装在激光器侧方， 图像采集装置用于拍摄每个加工区域所对应的边界图 像。 0097 最后应说明的是： 以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案， 而非对其限制； 尽 管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明， 本领域的普通技术人员应当理解： 其依 然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改， 或者对其中部分或者全部技术特征进 行等同替换； 而这些修改或者替换， 并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术 方案的范围。 说明书 6/6 页 9 CN 111516367 A 9 图1 说明书附图 1/2 页 10 CN 111516367 A 10 图2 说明书附图 2/2 页 11 CN 111516367 A 11 。