Brevet FR2794675A1 — publié le 20001215

MICROPERFORATION LASER DE FILMS THERMOPLASTIQUIJES OU CELLULOSIQUES PAR FIBRES OPTIQUES Inventeurs: Monsieur Pascal ROYER * Monsieur Michel BRODART * Monsieur Alain DELSAHUT ** La présente invention concerne de nouveaux systimes de microperforations Laser de Films thermoplastiques ou cel lulosiques. Ces Systémes, objets de l'invention permettent notamment la réalisation de tr;s faibles sections de perforations et d'un grand nombre de celles-ci, d'une manière simultanée, par unité de surface. Dans l'état de l'art actuel, les différents equipements utilisés pour la perforation des Films tlermoplastiques ou cellulosiques sont friquemment du type "mécaniquJe", ou thermique du type aigui lles chaudes dans lesquels le Film défilant est perfore après passage sur un rouleau hérissé d'aiguilles très fines. Les inconvenients d'une telle solution resident dans la qualité des microperforations obtenues de diamètre irrégulier et aléatoire, d'une part, et surtout dans la trop grande dimension des pointes perforatrices qui conduit a des surfaces de perforations beaucoup trop élevées dans la plupart des applications d'autre part. Par ailleurs. en exploitation, une modification de la taille des microperforations et de l'écartement entre elles ne peut s'effectuer que par un changement de l'ensemble du rouleau perforateur, d'o une grande limitation dans les possibilités de réalisation a la - 2 - fois pour des raisons techniques et économiques. D'autres équipements industriels de microperforation mieux adaptUs que les équipements essentiellement mécaniques pour la résolution des problemes poses et plus perfectionnês sont bases, d'un point de vue général, sur les applications des Lasers. Cependant, il est difficile d'obtenir avec les techniques Laser seules, un percage simultané d'un grand nombre de trous malgré la mise en oeuvre possible de photomasques, éclaires chacun de faGon homogène par un laser, ce qui conduit a une technique complexe et co t euse. Les systèmes de dêflexion des faisceaux lumineux émis par les Lasers, a I'aide de miroirs galvanomètriques tournants représentent une autre alternative au perçage simultane des trous, mais la quantité de trous obtenus reste relativement faible au regard des besoins. Il est ainsi difficile d'envisager la mise en oeuvre de tels Aquipements dans un grand nombre d'applications o la haute performance et le meilleur compromis technico-aconomique sont recherchés. Les objectifs généraux de l'invention consistent à effectuer les nombreuses perforations nécessaires par l'intermédiaire d'un ou plusieurs faisceaux de Fibres Optiques insérés entre une ou plusieurs sources Laser et le Film a perforer. L'énergie lumineuse du ou des Lasers est répartie egalement entre chacune des Fibres Optiques du ou des faisceaux de Fibres Optiques et le nombre de Fibres Optiques est egal au nombre de trous à perforer, soit par ligne de perforations dans le cas le plus général d'un Film thermoplastique ou cellulosique défilant devant elle, soit pour l'ensemble complet des - 3 perforations dans le cas d'un motif de microperforations complexe ne représentant pas un pointillisme linéaire mais par exemple circulaire, le Film thermoplastique ou cellulosique devant dans cette hypothèse rester fixe pendant les irradiations lumineuses. Les perforations obtenues résultent principalement des effets thermiques dits A l'absorption de la lumière dans une petite surface des Films et des phénomènes de photoablation particulièrement sensibles aux longueurs d'onde ultraviolettes qui sont utilisées d'une manière non limitative suivant l'un des objets de l'invention. D'autres objets de l'invention concernent, d'une part, les systèmes optiques permettant une répartition sensiblement égale et homogène de la lumière émise par une ou plusieurs sources Laser dans le ou les faisceaux de Fibres Optiques et dans chacune des Fibres Optiques constituant les faisceaux élémentaires et d'autre part les systèmes homogénéiseurs-focalisateurs en sortie des Fibres Optiques permettant d'obtenir sur le Film thermo- plastique à perforer des taches lumineuses d'intensité egale d'une tache à l'autre et sensiblement homogène à l'intérieur de chaque tache. L'invention sera mieux comprise à I'aide des figures qui suivent. Cependant, l'invention relative a la microperforation d'un Film thermoplastique ou cellulosique défilant et la plus utilisée en pratique sera décrite en priorité. La Figure 1 représente tres schématiquement un équipement de microperforation par Fibres Optiques suivant l'invention. Cet équipement comprend une ou -4- plusieurs sources Lasers (1) associée(s) à des optiques de couplage d'homogenéisation et de répartition de lumière (2) entre la ou les sources Laser et un ou plusieurs Càble(s) optique(s) (3) comprenant une grand nombre de Fibres Optiques élémentaires (4). Dans ce qui suit, on suppose que seuls une source Laser (1) et un Câble optique (3) à Fibres optiques (4) sont utilises. A titre d'exemple dans le cas de l'utilisation d'un seul Câble optique (3), la quantité de Fibres Optiques èlmentaires (4) dépend du nombre de microperforations par ligne et peut atteindre 1000 sans que ce chiffre soit limitatif de l'invention. Les Fibres Optiques élémentaires (4) sont compactées, par exemple suivant des techniques de collage, à une extrémite (5) du Cable optique (3) dans un manchon. A l'autre extrèmité du Câble optique (3), les Fibres Optiques elemen- taires (4) sont libres et espacées les unes des autres après fixation dans une règlette support (6) La répartition des Fibres Optiques elémentaires (4) dans la reglette (6) est identique à celle des microperforations sur le Film thermoplastique ou cellulosique. La lumière rayonnée (7) par chaque Fibre Optique élémentaire (4) est ensuite homogénéisée et focalisée sur le film thermoplastique ou cellulosique (9) à perforer après passage dans un système optique (8) approprié. Du fait d'un quantum d'énergie du photon E = hc (h = constante de Planck, c = vitesse de la lumière) d'autant plus élIvà que la longueur d'onde lumineuse > est faible, on utilise, préférentiellement suivant l'invention, mais d'une manière non limitative, des Lasers du type ExcmÈre. -5- Par ailleurs.compte tenud'une partde leur faible longueur d'onde et d'autre part de la durée extrêmement courte de l'émission de lumière par impulsion. ces Lasers permettent la réalisation, sans dégagement de chaleur, de microperforations dont le diamètre peut être aussi faible que 5 um. De tels Lasers, utilisables à des longueurs d'onde de 152 à 351 nm sont actuellement disponibles sur le marche. Ils peuvent délivrer des énergies pulsées atteignant couramment 10 joules/cm2 pour des impulsions d'une durée de 10-9 sec. Cela correspond, par exemple, pour un équipement effectuant 400 microperforations par ligne à une énergie d'environ 25000 microloule /cm2 et par microperforation. Cependant, l'énergie réellement nécessaire dépend du diamètre et de la profondeur de la microperforation. Dans le cas des Films thermoplastiques ou cellu- losiques relatifs à l'invention, il est estime qu'avec les Lasers Excimère les plus utilisés, une énergie d'environ 3 ioule/cm2 est nécessaire pour réaliser une microperforation de I unm de profondeur dans un Film thermoplastique. Cela signifie qu'une microperforation sur une épaisseur de 20 unm nécessite une energie par microperforation d'environ 60 ioule/cm2. Cette valeur est non exhaustive, elle dépend notamment du type de matériau constituant les films et de leur réaction plus ou mois forte aux phénomènes de photoablation. Dans l'exemple précédent d'une ligne de microperforations à 400 Fibres optiques, la durée de l'impulsion sera augmentée, mais dépendra également du diamètre de chaque microperformation, pour satisfaire les besoins en energie des microperforations profondes. La quantité d'énergie délivrée par le Laser Excimere dépend notamment de la largeur de l'impulsion 6- de lumière émise et de sa fréquence de répétition. Un grand nombre de paramètres sont ainsi à prendre en compte, en fonction de l'application souhaite, dans le choix du Laser Excimare. Selon un autre objet de l'invention montré sur la Figure 2 et particulièrement concerné lorsque l'energie lumineuse délivrée par un seul Laser (1) est insuffisante, deux Lasers (1) sont associés chacun à un Cable optique (3).Une lentille (10), préférentiellement divergente permet, à partir du faisceau Laser de faible O10 ouverture d'éclairer. d'une manière sensiblement homogène la totalité de la surface de l'extrémité (5) des 2 Càbles (3). Les Fibres unitaires (4) de chaque Càble optique (3) sont raccordas à la même règlette support (6). Le reste de l'kquipement montre sur la Figure 1 demeure inchangé. Il est entendu que l'utilisation d'ecrite ci-dessus de 2 Lasers associés chacun à 1 Càble optique n'est pas limitative. Selon les applications et notamment le nombre total de Fibres Optiques par ligne de micro- perforations nécessaires, le nombre de lasers et des Càbles optiques correspondants pourra être supérieur à 2. La Figure 3 montre selon un nouvel objet de l'invention un exemple de couplage de 2 Lasers Excimere (1) dans un seul Càble (3) à Fibres Optiques (4). L'éenergie lumineuse rayonnée par les 2 Lasers (1), subissent après focalisation une reflection totale sur 2 miroirs (11). I.Les rayons lumineux réfléchis (12) sont captes par un Prisme (13) et à leur sortie sur la face (14) du 7- Prisme (13) sont focalisés par une Lentille (15) dans un Câble (3) à Fibres Optiques (4). Les Fibres optiques élémentaires (4) utilisées dans le cadre de l'invention sont un élément essentiel des S nouveaux systèmes de microperforation proposes. Lorsque leur nombre dans un Câble optique (3) est élevé, la mise en oeuvre du Câble (3) et des Fibres optiques élémentaires (4) peut être simplifiée si l'énergie lumineuse émise par un seul Laser est repartie entre plusieurs Câbles optiques (3). La Figure 4 montre, selon un autre objet de l'invention un exemple de réalisation non limitatif dans laquelle un seul Laser, de puissance suffisante, délivre l'énergie lumineuse à 4 CAbles optiques (3). La lumière d'énergie E émise par le Laser (1) et après passage dans une lentille de focalisation (16) est reçue sur une lame semi-rèfléchissante (17) transmettant une lumière d'énergie E et réfléchissant une lumière d'energie 3E. Cette lumière refléchie est reçue par une deuxième lame semirëfléchissante (18) transmettant une lumière d'énergie E et réfléchissant une lumière d'energie E. Cette lumière réfléchie est reçue par une nouvelle lame semi-réfléchissante (19) qui transmet et réflechit une lumière de mème énergie E. Cette lumière réfléchie est reçue par une dernière lame (20) à reflection totale qui réflchit une énergie E Dans cette configuration selon l'invention, les 4 Cables optiques (3) recoivent la même énergie lumineuse, soit le quart de l'énergie totale emise par le Laser (1). Les Fibres optiques (4) utilisées dans le cadre de - 8 - l'invention doivent en priorité présenter des bons coefficients de transmission dans la gamme des longueurs d'onde lumineuse émises dans Il ultraviolet par les Lasers Excimère. Selon un autre objet de l'invention, on utilise préférentiellement des Fibres de Silice fondue et éventuellement des Fibres optiques de Quartz fondu. Des Fibres optiques plastiques, par exemple du type Polymethylmtacrylate (PMMA), peuvent aussi être employées par suite de leur remarquable souplesse d'emploi et d'une grande soliditY, même dans des conditions d'utilisation extrêmes. Cependant leur perte de transmission, aux très faibles longueurs d'ondes ultraviolettes est élevée, et dans l'dtat de l'art !5 actuel, leur emploi peut être raserve, d'une manière non limitative, aux longueurs d'ondes supérieures à 300 nm. I.es Fibres Optiques en silice fondue, préconisées selon un des objets de l'invention présentent des caractéristiques de transmission particulièrement satisfaisantes dans l'ultraviolet. La Figure 5 montri les caractéristiques de transmission de ces Fibres Optiques en silice fondue maintenant disponibles sur le marché, et d'une longueur de 1 mètre. Cette longueur de 1 mètre à été choisie dans le cadre du Brevet d'une manière non limitative, mais elle correspond à la longueur moyenne nécessaire dans un grand nombre d'applications. On constate, à titre d'exemple, qu'aux longueurs d'onde de 351 nm, 308nm, 248nm et 193nm amises par les Lasers Excimare pouvant être utilises dans les systèmes de microperforations selon l'invention, les pertes de transmission pour une Fibre Optique en silice fondue de longueur égale à 1 mètre sont respectivement de 2.3%, 3,5%. 8.4% et 35%. L'utilisation de Lasers Excimere émettant une radiation lumineuse UV supérieure à 200 nm est donc particulièrement préconisée dans le cadre de l'invention, sans que ce choix soit en aucun cas limitatif. L.es Fibres Optiques en silice fondue employées dans le cadre de l'invention présentent une ouverture numérique relativement faible égale à environ 0,22, soit un angle total de diffusion de la lumière d'environ 25 degrés. Cette faible ouverture du faisceau lumineux facilite l'obtention de microperforations de faible diamètre. La structure de la Fibre Optique (4) utilisée dans le cadre de l'invention est aussi montràe sur la t5 Figure 5. Le coeur (21) de la Fibre Optique (4) est réalisé par étirage ou filage d'un matériau en silice fondue. La gaine optique (22) est réaliste en silice dopée de façon à obtenir un indice optique inférieur à celui de la silice fondue et satisfaire aux conditions de guidage nécessaires. Une 2ème gaine (23) ne nécessitant aucune propriété optique particulière est utilisée pour améliorer dans le cadre de l'invention les propriétés mécaniques de la Fibre Optique proprement dite. Compte tenu de la nécessité de r&aliser des microperforations de très faible diamètre, entre O10 et um par exemple, le diamètre "optique" des Fibres Optiques (4) utilisées dans le cadre de l'invention, soit le diamètre de la gaine optique, doit être le plus faible possible, tout en conservant des propriétés mécaniques suffisantes. A titre non limitatif, la formule approchbe D = 4d o D est le diamètre de la - o10 - galne optique et d le diamètre du trou des micro- performations permet de choisir avec une bonne approximation les dimensions de la Fibre Optique (4) Dans le cadre de l'invention, des Fibres Optiques (4) de diamètre optique égal à 110 um et de diamètre de coeur égal à 100 um sont utilisées sans que ce choix soit limitatif de l'invention. Pour des raisons notamment de tenue en température (400 C), de mise en oeuvre aisée dans un Câble Optique et de manutentions diverses, on utilise à titre non limitatif une gaine mécanique extérieure (23) en polyimide. ILes Fibres Optiques élementaires (4) sont fixées dans la réglette (6) o des échancrures ont étée aménagées pour loger chacune des Fibres Optiques (4) par simple collage ou suivant des procédés mécaniques connus. Le diamètre des microperforations recherché étant très inférieur à celui des Fibres Optiques (4) et la répartition de la lumière sur le Film thermoplastique ou cellulosique (9) dépendant de l'ouverture numérique de la Fibre Optique (4), il est nécessaire selon l'invention, soit d'effectuer une préparation particulière des extrémités diffusantes des Fibres Optiques (4). soit d'utiliser un sous-ensemble homogénéiseur-focalisateur (8). Comme il est montré sur la Figure 6 et selon un des objets de l'invention, la Fibre Optique (4) est terminée par un cane (24) obtenu suivant des procédes connus par etirage à haute température par exemple. La dimension réelle de la tache lumineuse (25) permettant une microperforation dépend de la distance entre l'extrémité du cône et le Film défilant. Si l'extrémità du cCne et -1. 1 - le Film sont proches du contact, on admet que la dimension de la tache lumineuse sur le Film est égal à celle de l'extrémité de la Fibre conique. Dans le cas contraire, la dimension de la tache lumineuse sur le Film dépendra de l'ouverture numérique à l'extrémité rayonnante du cone et sera donc plus èlévée que la dimension de l'extrémité conique de la Fibre Optique. L'utilisation d'un sous-ensemble homogcnèiseur- focaliseur (8) se rév6le la plus satisfaisante dans beaucoup d'applications. Certains dispositifs sont commercialisés. mais leur coût est élév6 et leur utilisation complexe, surtout lorsque le nombre de Fibres Optiques par ligne est élevé. Selon un autre objet de l'invention, on utilise des lentilles focalisatrices comme il est montré sur la Figure 7. Ces lentilles (26) sont préférentiellement des lentilles sphériques focalisant la lumière au voisinage de la surface de la lentille. Ces lentilles sphériques sont placées sensiblement côte à côte, indifféremment, dans le sous-ensemble (8) ou la reglette (6) et en face de chacune des Fibres Optiques (4). A titre d'exemple non limitatif de l'invention, la réglette (6) comporte 400 Fibres Optiques (4) de diamètre optique 110 um et la quantité de microperforations etant fixée à 160 000, on utilise des lentilles sphériques (26) produites par la Société COHERENT de diamètre 2 mm et d'une distance focale t,1 mm. Le Film thermoplastique ou cellulosique (9) défilant est placé à une distance de i mm de la surface des sphères (26) et le diamètre de la tache lumineuse sur le Film thermoplastique ou cellulosique est voisin de 30 um. - 12 - Le Film thermoplastique ou cellulosique (9) défile devant les Fibres Optiques epointes ou le sous-ensemble homogenriseur-focalisateur (8) a une vitesse dépendant de la fréquence de répétition des impulsions lumineuses rayonnées par le Laser. Le temps de passage (T) d'une ligne de microperforations à l'autre doit être tres voisin du temps séparant 2 impulsions lumineuses successives émises par le Laser. Le temps T est calcule par la formule: Temps de défilement/mètre du Film (seconde) T d'une ligne à l'autre = (seconde) nombre de lignes de micro- perforations/m:tre A titre d'exemple non limitatif. si le Temps de défilement par metre est de 1/3 de seconde et le nombre de lignes de microperforations par mètre est de 500 avec 1000 Fibres Optiques par ligne, soit 500 000 micro- perforations/seconde, le temps de passage d'une ligne à l'autre est de 1 seconde. ce qui impose une fréquence de répétition de 1500 HZ pour le Laser. Selon un autre objet général de l'invention, et comme il est montré sur la Figure 8, le Film thermoplastique ou cellulosique (9) ne défile pas progressivement, de manière régulière, devant une réglette (6) de Fibres Optiques comme montre sur la Figure 1, mais présente une position fixe pendant la durée des microperforations. Dans ces applications,les microperforations ne se présentent pas sous la forme habituelle de lignes de trous parallèles entre elles et successives, mais représentent au contraire, le plus -13- souvent, un motif varié, par exemple g forme circulaire ou. connotation publicitaire. Selon l'invention. les Fibres Optiques (4) ne sont plus uniquement raccordées linéairement sur une reglette support unique (6) comme il est montre Figure 1 mals suivant une matrice (27) de Fibres Optiques (4) représentant le motif à microperforer ultérieurement sur le Film (9). Les lasers (1), les Fibres Optiques (4) utilisées et l'homogénliseurfocalisateur (28) sont identiques fonctionnellement à ceux décrits suivant les précédents objets de l'invention. Cependant, les lentilles de focalisation et d'homogénéisation individuelles, dans le cas d'un grand nombre de fibres, peuvent être remplacées par un reseau de microlentilles intégrées dont les facilités d'utilisation sont plus grandes et le coût global plus faible. Lorsqu'un motif de microperforations a été réalisé, l'obtention de nouveaux motifs identiques nécessite le déplacement d'une longueur de Film vierge à la position précédente. Cette opération peut s'effectuer, à titre non limitatif, à l'aide d'un moteur pas à pas. Pendant ce déplacement, un cache (29) de lumière est inserre entre l'homoganeiseur-focalisateur (28) et le Film thermoplastique ou cellulosique (9) de faeon à isoler momentanément le Film thermoplastique ou cellu- losique (9) des irradiations lumineuses. - 14 - REVENDICA'TIONS t) Système optique de microperforations de Films thermoplastiques ou cellulosiques (9), défilants ou fixes, caractérise en ce qu'il comporte une ou pitislet.rs sources L.aser (1) délivrant, via un dispositif de couplage, d'homogeoneisat ion et de répartiLton de puissance, des énergies lumineuses dans un ou plusieurs Càbles (3) à Fibres Optiques (4), les extramites desquelles etant raccordees soit suivant une ligne à une r'glette support (6), soit à un bloc matriciel (27) et apres passage dans un systeme homogenèiseur-focalisateur (8) ou (28) générant un grand nombre de taches lumineuses perforatrices de très faible diamètre sur le Film thermoplastique ou cellulosique (9). 2) Systeme optique de microperforations de films selon la revendication I caractérise en ce que les Sources Lasers (1) émettent des longueurs d'onde lumineuses se situant dans le domaine ultraviolet lointain. 3) Systeme optique de microperforations de films selon la revendication 1 caractérise en ce que le coeur (21) des Fibres optiques (4) est réalisé à partir d'un matériau en silice (ou quartz) fondue et la gaine optique (22) en silice dopée. 4) Système optique de microperforations de films selon les revendications 1 et 3 caractérisé en ce que le diamètre de la gaine optique (22) des Fibres optiques(4) est sensiblement 4 fois supérieur A celui de la tache optique de photoablation reçue par le Film (9). ) Système optique de microperforations de films selon l'une quelconque des revendications de i à 4 caractérisé en ce que le dispositif de couplage, d'homogenéisation et de répartinn d'énergie lumitneuse (2) se compose de plusieurs Lasers (1) associés f un - 15 - nombre égal de Càbles (3) à Fibres Optiques (4), lesquelles sont raccordées à une même réglette support (8). 6) Systèeme optique de microperforations de filinms selon l'une quelconque des revendications de 1 à 4 caract.risé en ce que le dispositif de couplage, d'homogénèisation et de rèpartion d'ënergie lumineuse (2) se compose de 2 Lasers (1) dont les énergies lumineuses individuel les émises s'ajoutent. apres passage dans un prisme (13), l'energie totale résultant.e étant recue dans un unique Cable (3) à Fibres Optiques 14). i) Système optique de microperforations de films selon I'une quelconque des revendications I à 4 caractérise en ce que le dispositif de couplage. lb d'homogÉnéisation et de répartition d'energie lumineuse (2) comprend un Laser (1) unique emettant une énergie lumineuse repartie également entre 4 Câbles (3) à Fibres Optiques (4). 8) SysLème optique de microperforations de films selon les revendications L. 3 et 4 caracterisé en ce que le dispositif d'homogénéisation et de focalisation (8) comporte des Flbres Optiques élamentaires (4) qui presentent une extrémité diffusante (24) de forme con i que. 9) Système optique de microperforations de films selon la revendication 1 caractérise en ce que le dispositif d'homogénéisation et de focalisation (8) comporte des Fibres Optiques (4) ilémentaires aoit es chacune à une lentille (26) préférentiellement sphérique focalisant la lumière au voisinage de sa surface. - 16 - ) Systême optique de microperforations de films selon l'une quelconque des revendications de 1 a 9 caractérisé en ce que le Dispositif de raccordement. de couplage et de répartition d'Pnergie lumineuse comporte des Fibres optiques (4) raccordées à un bloc matriciel (271), lesquelles Fibres Optiques (4) représentent le motif d'une configuration complexe tel qu'in dessin à deux dimensions dont les microperformations sur le film thermoplastique ou cellulosique (9), placé en posilion fixe, en reproduise les contours. 11) Systeme optique de microperloratlions de films selon l'une quelconque des revendications de 1 à 10 caractérisé en ce que le Dispositif d'homogeneisation et de focalisation (28) comporte des Fibres Optiques (4) dont les extrémités associées ou non a des Lentilles (26) préférentiellement sphériques représentent, suivant un pointillisme, le motif d'une configuration complexe tel qu'un dessin a deux dimensions et délivrent sur le film (9) une énergie lumineuse sous forme de spots lumineux générant les microperforations. 12) Système Optique de microperforations de films selon l'une quelconque des revendications de 1 a i1 caractérisé en ce que le Dispositif d'homogenéisation et de focalisation comporte des lentilles (26) utilisées sous forme de réseaux de microlentilles intégrées réalisées suivant les technologies de production de masse.