在由至少部分透明非晶、半结晶或结晶材料制成物体中结构
化装饰图案或技术图案的方法
技术领域
[0001] 本
发明涉及在由至少部分透明的非晶、半结晶或结晶材料制成的物体 的厚度中结构化装饰图案或技术图案的方法。本发明更特别涉及使用单电 荷或多电荷离子束的结构化方法。
背景技术
[0002] 在由非晶或结晶材料制成的物体的厚度中借助
激光束雕刻装饰图案 是已知的。为此，使用强激光，借助透镜聚焦其光束以在透明物体内的所 需
位置创建一系列的点。透镜能够将来自
激光器的相干光会聚在非常小的 表面上，从而能够达到超过损伤
阈值并足以在透明物体中创建微裂纹的光 学功率值。尺寸通常为50至150微米的这些微裂纹对应于激光束已聚焦在 此并且此处的材料已在加热作用下
熔化的位置。这些微裂纹充当环境光的 散射中心，以使它们有可能暴露在观察者的视线中。因此有可能在由透明 材料制成的物体的厚度中雕刻将会形成二维图案的点的网络。为了进行三 维雕刻，可以如此精确地
叠加多个二维点网络以使所得图案产生由单
块雕 刻而得的
印象。
[0003] 上文简要描述的技术的优点在于有可能在由透明材料制成的物体，如 由玻璃制成的物体或由聚甲基
丙烯酸甲酯(PMMA)制成的物体中制造二 维或三维图案。这些图案可具有技术功能或美学功能。在消费品领域中， 由透明材料制成的物体特别为人所知，其中基于照片的数字化文件，例如 雕刻人脸的再现。此类产品相当成功地迎合了消费者。但是，这种雕刻技 术的主要缺点之一是通常需要长时间在由透明材料制成的物体中雕刻图 案，这使得其在工业领域中的应用成问题。
发明内容
[0004] 发明概述
[0005] 本发明的目标在于通过提供特别快速并且容易自动化的在由至少部 分透明材料制成的物体的厚度中结构化图案的方法来补救上文提到的问 题以及其它问题。
[0006] 为此，本发明涉及一种在由至少部分透明的非晶、半结晶或结晶材料 制成的物体的厚度中结构化装饰图案或技术图案的方法，该由至少部分透 明材料制成的物体包含顶面和背向顶面延伸的底面，所述方法包括步骤： 向由至少部分透明材料制成的物体的顶面或底面的至少一个提供划定至 少一个开口的掩模，开口的轮廓(outline)对应于要结构化的装饰图案或 技术图案的轮廓(profile)，所述掩模在不要结构化的位置
覆盖该由至少 部分透明材料制成的物体的所述至少一个顶面或底面，所述方法还包括步 骤：借助单电荷或多电荷离子束穿过掩模的所述至少一个开口结构化装饰 图案或技术图案，所述掩模的机械性质足以防止离子束的离子在该表面被 掩模覆盖的位置蚀刻该由至少部分透明材料制成的物体的所述至少一个 顶面或底面。
[0007] 根据本发明的方法的一个特定实施方案，所述单电荷或多电荷离子束 由
电子回旋共振(ECR)类型的单电荷或多电荷离子源产生。
[0008] 根据本发明的方法的另一特定实施方案，所述至少部分透明物体由蓝
宝石、红宝石或金刚石制成，优选是合成的。
[0009] 根据本发明的方法的另一特定实施方案，所述至少部分透明物体由半 结晶有机材料制成。
[0010] 根据本发明的方法的再一特定实施方案，所述至少部分透明物体由矿 物玻璃或非晶有机材料制成。
[0011] 根据本发明的方法的再一特定实施方案，在该由至少部分透明材料制 成的物体的顶面和底面的至少一个上沉积掩模：
[0012] ·通过在要在其上结构化的顶面和/或底面的要被掩模覆盖的位置选 择性沉积(如喷墨印刷)掩蔽材料；
[0013] ·或通过在要在其上将掩模结构化的顶面和/或底面的整体上沉积掩 蔽材料层，接着在要结构化的顶面和/或底面的位置烧蚀掩蔽层。
[0014] 根据本发明的方法的再一特定实施方案，借助激光束烧蚀掩蔽层。
[0015] 根据本发明的方法的再一特定实施方案，掩蔽层是紫外线
辐射敏感树 脂，其借助UV源结构化。
[0016] 本发明还涉及根据本发明的方法由至少部分透明的非晶、半结晶或结 晶材料制成的物体。这一物体可以特别是用于钟表如
手表的玻璃、
表盘或 表圈、
表壳(case)的中心或底盖、钟表
机芯的卷绕机构冠 (winding-mechanism crown)或按钮头(push-button head)、手表或珠 宝首饰的腕带连接(wristlet link)或甚至钟表机芯的
夹板(bridge)。
[0017] 本发明还涉及一种便携物体，特别是表壳(watchcase)，其包含至少 一个选自玻璃、表盘、夹板(bridge)和底盖的元件，所述至少一个元件 由至少部分透明的非晶、半结晶或结晶材料制成并根据本发明的方法结构 化，该元件包含通过边缘互连的至少一个顶面和至少一个底面，所述便携 物体还包含
光源，布置所述光源以经其底面或经其边缘照亮所述元件。
[0018] 由于这些特征，本发明提供一种借助单电荷或多电荷离子束在由至少 部分透明材料制成的物体中选择性结构化三维技术图案或装饰图案的方 法。根据本发明，术语单电荷离子是指其电离程度等于+1的离子，且术语 多电荷离子是指其电离程度大于+1的离子。该离子束可包含都具有相同电 离程度的离子，或可来自具有不同电离程度的离子的混合物。
[0019] 通过借助离子束经掩模轰击由至少部分透明材料制成的物体的表面， 有可能在该物体中从表面到一定深度结构化三维技术图案或装饰图案。实 际上，在击中该由至少部分透明材料制成的物体时，离子束的离子穿入该 物体并从距这一物体的表面极短距离，通常大约10至15纳米，到通常200 至500纳米的深度创建空腔或空隙型
缺陷。
[0020] 在第一方面中，如果考虑到在该由至少部分透明材料制成的物体中由 离子创建的缺陷为基本立方形，则这样的立方体的一条边的长度通常为大 约50至200纳米。显然，创建的缺陷的尺寸和此类缺陷达到的深度特别取 决于制成该物体的材料的性质、离子的电离程度和离子射中物体表面的速 度。还要理解的是，在物体中创建的缺陷的尺寸从表面向这一物体的内部 降低。特别通过透射电子显微术进行的分析表明，根据本发明的方法借助 离子束结构化的由至少部分透明材料制成的物体从表面向内部表现出大 约10至15纳米的无缺陷的极薄表
面层，接着是厚度为100至500纳米并 在其中形成缺陷的非晶结构层。超出这一非晶结构层，几乎没有观察到离 子轰击对制成该物体的材料的结构的进一步效应。
[0021] 在已知的
离子注入技术中，这些之一包括借助
电子回旋共振类型的单 电荷或多电荷离子源轰击要处理的物体表面。这样的系统也被称为电子回 旋共振或ECR。
[0022] ECR离子源利用电子回旋共振创建
等离子体。在与通过向位于要电离 的气体体积内的区域施加的
磁场界定的电子回旋共振对应的
频率下，将微 波注入要电离的低压气体体积。
微波加热要电离的气体体积中存在的自由 电子。这些自由电子在热搅动的作用下与
原子或分子碰撞并引发其电离。 产生的离子对应于所用气体的类型。这种气体可以是纯的或复合的。其也 可由获自固体或液体材料的蒸气构成。ECR离子源能够产生单电荷离子， 即其电离程度等于1的离子，或甚至多电荷离子，即其电离程度大于1的 离子。
[0024] 从本发明的方法的实施方案的实例的下列详述中更清楚呈现本发明 的其它特征和优点，这一实例仅参考附图作为举例说明而非限制给出，其 中：
[0025] -图1是根据
现有技术的ECR电子回旋共振类型的单电荷或多电荷离 子源的示意性视图；
[0026] -图2A和2B是图解根据本发明借助多电荷离子束在由至少部分透明 材料制成的物体的表面中结构化装饰图案的方法的步骤的透视图；
[0027] -图3是穿过借助氮离子束轰击的由蓝宝石制成的物体的厚度的横截 面视图；
[0028] -图4是表壳的透视图，在其各种元件中具体体现根据本发明的方法 的教导的装饰图案；
[0029] -图5A和5B图解根据本发明的方法照亮手表玻璃的顶面中的装饰图 案的两个不同实施方案；
[0030] -图6图解具体体现为金属片形式的掩模，其中已切割出开口，其轮 廓对应于要结构化的图案；
[0031] -图7A是图4中所示的表壳的底视图；
[0032] -图7B是表盘的顶视图，在其中已结构化装饰图案以及构成技术图案 的小时标度，和
[0033] -图7C是钟表机芯的夹板(bridge)的图示，在其中已使用根据本发 明的方法结构化装饰图案。
具体实施方式
[0034] 本发明的实施方案的详述
[0035] 本发明由创造性的总体思路出发，其包括使用单电荷或多电荷离子束 经由掩模选择性轰击由至少部分透明材料制成的物体的表面以在这一物 体中创建三维技术图案或装饰图案。术语单电荷或多电荷离子束是指包含 在
电场的作用下
加速并表现出全都相同的电离程度或表现出不同的电离 程度的离子的束。离子射中该物体表面并在其中穿透至一定深度，以创建 空腔或空隙型缺陷，其性质，特别是光学性质，不同于未受
离子轰击影响 的材料性质。要理解的是，离子穿入该物体的深度和创建的缺陷的尺寸取 决于多个因素，其中可提到制成所述至少部分透明物体的材料的性质、离 子的
质量、离子的电离程度或甚至离子射中物体表面的速度。还要理解的 是，这些缺陷的特征，即其尺寸和它们在物体表面下达到的深度决定其物 理性质，特别是光学性质。甚至在一些情况下，根据本发明的方法在该由 至少部分透明材料制成的物体中结构化的三维技术图案或装饰图案在正 常使用条件下无法察觉，并且只有当用户在已在其中结构化图案的物体表 面上喷射少量
蒸汽时才能利用该图案的亲
水性质揭示其存在。在另一些情 况下，形成所需技术图案或装饰图案的缺陷充当光散射中心，以使该图案 甚至在正常
亮度条件下也可察觉，并且在借助光源照亮已在其中结构化这 一图案的物体时更清楚地突显出来。
[0036] 存在许多离子注入技术。在本
申请的范围内，对ECR电子回旋共振 类型的单电荷或多电荷离子源特别感兴趣。非常示意性地并且如本
专利申 请所附的图1中所示，整体由通用参考数字1标示的ECR离子源包含注 入段2(其中引入要电离的气体体积4和微波6)、
磁约束段8(其中创建 等离子体10)和借助
阳极12a和
阴极12b(在它们之间施加高
电压)提取 和加速等离子体10的离子的提取段12。在其输出口，ECR离子源1产生 离子束14，其根据要求可包含全都表现出相同电离程度的离子，或甚至由 表现出不同电离程度的离子的混合物产生。在第一方面中，离子加速电压 在1kV至1000kV之间且注入剂量在1.1015离子.cm-218 -2
至10 离子.cm 之间。
[0037] 由结晶透明材料制成并且根据本发明的方法在其中制造装饰图案的 物体的一个实例显示在图2A和2B中。整体由通用参考数字16标示，该 物体是由蓝宝石制成的玻璃并意图从顶部封闭表壳。该玻璃16包含顶面 18a和背向顶面18a延伸并通过边缘20沿其外缘连接到顶面18a上的底面 18b。在图2A和2B中所示的实例中，已经选择在玻璃16的顶面18a中结 构化装饰图案22，在这种情况下是希腊字母Ω。显然，这一实例仅作为举 例说明而非限制给出，要理解的是，有可能在玻璃16的底面18b中结构 化图案，或甚至在玻璃16的顶面18a和底面18b中各自结构化装饰图案。
[0038] 仅作为实例，已根据本发明的方法处理的蓝宝石玻璃16是平面的。其 顶面18a和底面18b互相平行延伸，相距厚度e＝2mm。在借助掩模24 掩蔽玻璃16的顶面18a以划定其轮廓与所需装饰图案22对应的开口25， 借助由具有+1至+3的电离程度的氮离子构成的离子束14轰击玻璃16。借 助上文参照图1描述的类型的ECR离子源1产生离子束14。所用离子加 速电压为37.5kV且离子注入剂量为0.5*1016离子.cm-2。据观察，在上文详 述的实验条件下，装饰图案22在正常环境亮度条件下难以察觉，并且只有 当用户将蒸汽吹向玻璃16的顶面18a时才可揭示其存在。在
申请人的意见 中，这一现象被解释为在其中结构化装饰图案22的玻璃16的区域表现出 亲水行为。因此，当蒸汽落在玻璃16的顶面18a上时，在其中已结构化装 饰图案22的亲水区域中形成与顶面18a的其余部分上相比具有较低表面张
力的较薄水层。在已结构化装饰图案22的位置的水层因此较低光学扩散并 因此变得可被用户察觉。
[0039] 参考与上文所述相同的玻璃16提供根据本发明的方法的实施方案的 第二个实例。在玻璃16的顶面18a中结构化的装饰图案22也不变，只改 变离子轰击参数。在这种情况下，借助由具有+1至+3的电离程度的氮离 子构成的离子束14轰击玻璃16。借助上文参照图1描述的类型的ECR离 子源1产生离子束14。所用离子加速电压为37.5kV且离子注入剂量为
1.1017离子.cm-2。据观察，在上文详述的实验条件下，在玻璃16中结构化 的装饰图案22在白天肉眼可见，并且在借助光源照亮已在其中结构化该装 饰图案22的玻璃16时更清楚地突显出来。要理解的是，形成装饰图案22 的缺陷充当光散射中心，以使装饰图案22甚至在正常亮度条件下也可察 觉。
[0040] 在上文详述的两个实例中，看出使用相同离子和用相同电压加速它们 就有可能通过仅改变注入离子计量来改变所得装饰图案22的物理性质，特 别是光学性质。确实在0.5*1016离子.cm-2的离子注入剂量下，装饰图案22 在正常光照条件下为肉眼难以察觉，并且通
过喷射蒸汽以利用其亲水性质 揭示其存在。在第二种情况下，离子注入剂量为1*1017-2
离子.cm 并且有可 能在玻璃16中创建充当光散射中心的缺陷，以使装饰图案22甚至在白天 也可察觉。在该由至少部分透明材料制成的物体中结构化的图案的物理行 为的这些差异被解释为在离子轰击的作用下出现在该物体中的缺陷的尺 寸和每单位体积的浓度不同。
[0041] 图3是借助氮离子束轰击的蓝宝石样品26的厚度中的横截面视图。在 检查此图时，观察到蓝宝石样品26从表面向内表现出下列层系：
[0042] ·首先极薄的表面层28，通常大约7至15纳米，其令人惊讶地轻微 或不受离子轰击影响并保持其
晶体结构。尝试解释这一现象，即当氮离子 射向蓝宝石样品26的表面时，氮离子从
能量最低的路径穿入蓝宝石样品 26，并穿过晶体
硅结构的晶胞。
[0043] ·然后，第一非晶层30，其厚度通常为50至60纳米。该第一非晶层 30以空腔32为特征，随着氮离子更深地穿入蓝宝石样品26的厚度，空腔 32的尺寸递减。这一现象被解释为氮离子越深地穿入蓝宝石样品26的厚 度，其速度越低且对蓝宝石样品26的晶体结构造成的损伤越小。
[0044] ·然后，不含空腔的第二非晶层34，其厚度为大约20至30纳米。蓝 宝石的晶体结构因此被离子轰击高度扰乱到蓝宝石样品26的表面下方大 约80至100纳米的深度。
[0045] ·最后，厚度为大约50至60纳米的最终层36，其结晶度受扰但没有 在其整个体积中使蓝宝石变成非晶。
[0046] ·在这一最终层36以外，发现在本体(volume)38中的蓝宝石。
[0047] 在图4中，仅举例显示表壳40，其一些部件已根据本发明的方法处理。 它们由表圈42、表腰(middle)44、
表冠46、校正器47和腕带连接48 构成。这些各种元件根据本发明的方法借助由至少部分透明材料制成的物 体具体体现，其中该结构是结晶、半结晶或甚至非晶的并且其中借助单电 荷或多电荷离子束雕刻装饰图案22。
[0048] 带有上述装饰图案22的玻璃16在表盘50上延伸并从表壳40的顶部 封闭(参见图5A和5B)。这是备选实施方案，其中通过离子轰击创建的 缺陷形成散射光的装饰图案22。为了进一步增强该装饰图案22，设想借助 光源52照亮玻璃16。该光源52可面向玻璃16的边缘
20布置。光源52 产生的光因此穿入到玻璃16的厚度中并从玻璃16向上朝观察者54提取被 形成装饰图案22的缺陷散射的一部分光，以使装饰图案22发光并且非常 易见。光源52也可布置在表盘50和玻璃16之间。光源52产生的光直接 穿入玻璃16或首先反射到表盘50上，然后部分被形成装饰图案22的缺陷 朝表壳40外散射，以使这一装饰图案22完美可见。
[0049] 图6图解具体体现为金属片56形式的掩模，其中已切割出开口25， 其轮廓对应于要结构化的装饰图案22。
[0050] 图7A是图4中所示的表壳40的底视图。该表壳40被由至少部分透 明的结晶、半结晶或非晶材料制成的底壳58封闭，在其中根据本发明的方 法结构化装饰图案22。
[0051] 图7B是表盘50的顶视图，在其中已根据本发明的方法结构化装饰图 案22。通过采用根据本发明的方法，还已在表盘50中结构化技术图案60， 在这种情况下是在12点、3点、6点和9点的四个小时标度。
[0052] 图7C是钟表机芯的夹板(bridge)62的图示，在其中已使用根据本 发明的方法结构化装饰图案22。
[0053] 显然，本发明不限于上述实施方案，并且本领域技术人员可设想各种
修改和简单的替代性实施方案而不脱离如所附
权利要求书界定的本发明 的范围。
[0054] 特别应该指出，掩模可以金属片的形式存在，其中已切割出要结构化 的图案的轮廓，随后将该金属片固定到要在其中结构化该图案的物体的表 面上。类似地，掩模也可由陶瓷制成。也可通过在要在其中结构化图案的 顶面和/或底面的要被掩模覆盖的位置选择性沉积(如喷墨印刷)掩蔽材料 来获得掩模。也可通过在要在其中结构化图案的物体的顶面和/或底面的整 体上沉积掩蔽材料层来获得掩模。随后在要结构化图案的位置例如借助激 光束在物体厚度中烧蚀这一掩蔽层。也可借助光敏
树脂层(例如对紫外线 辐射敏感)获得掩模，并借助光源(例如紫外线)结构化。在任何情况下， 掩模必须表现出使得离子束在被掩模覆盖的物体位置无法成功蚀刻要在 其中结构化图案的该由至少部分透明材料制成的物体表面的机械性质。
[0055] 术语透明材料是指由于容易让光透过而能透过其厚度清楚识别物体 的材料。
[0056] 术语由至少部分透明材料制成的物体是指由具有至少一个透明区(要 在其中根据本发明的方法结构化技术图案或装饰图案)的材料块制成的物 体，该物体的其它区域任选不透明。
[0057] 术语玻璃是指表现出玻璃体转变现象的非晶固体。
[0058] 制成根据本发明的方法结构化技术图案或装饰图案的物体的至少部 分透明材料可选自结晶、半结晶或非晶的。在非常适合本发明的需求的结 晶材料中，可以提到蓝宝石、红宝石或金刚石。可以考虑使用这些宝石的 天然形式，但应该理解的是，使用合成获得的蓝宝石、红宝石或金刚石在 工业生产领域中更现实。在非晶材料领域中，非常适合本发明的需求的材 料的一个实例是矿物玻璃。适用于实施本发明的方法的半结晶或非晶材料 的进一步实例是聚丙烯均聚物、聚丙烯共聚物和聚对苯二
甲酸乙二醇酯， 它们是半结晶透明热塑性材料，以及晶体聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯， 其是非晶热塑性材料。
[0059] 标号单
[0060] 1.ECR离子源
[0061] 2.注入段
[0062] 4.要电离的气体体积
[0063] 6.微波
[0064] 8.磁约束段
[0065] 10.等离子体
[0066] 12.提取段
[0067] 12a.阳极
[0068] 12b.阴极
[0069] 14.离子束
[0070] 16.玻璃
[0071] 18a.顶面
[0072] 18b.底面
[0073] 20.边缘
[0074] 22.装饰图案
[0075] e.厚度
[0076] 24.掩模
[0077] 25.开口
[0078] 26.蓝宝石样品
[0079] 28.表面层
[0080] 30.第一非晶层
[0081] 32.空腔
[0082] 34.第二非晶层
[0083] 36.最终层
[0084] 38.本体(Volume)
[0085] 40.表壳(Watchcase)
[0086] 42.表圈(Bezel)
[0087] 44.表腰(Middle)
[0088] 46.表冠(Crown)
[0089] 47.校正器(Corrector)
[0090] 48.连接(Link)
[0091] 50.表盘(Dial)
[0092] 52.光源
[0093] 54.观察者
[0094] 56.金属片
[0095] 58.底盖(Back)
[0096] 60.技术图案
[0097] 62.夹板(Bridge)
