CN101243021B - 在内处理透明体时形成在表面附近的激光标记 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于在透明体中产生位于表面之下的标记的方法。根据本发明，在表面之下小于500μm的地方形成该标记是通过涂覆在衬底表面上的层系统具有比衬底高的破坏阈值来实现的。如果该层系统形成为对读取波长能减小反射的层系统，则提高了读取时的对比度。如果该层系统对写入波长形成为反射镜，则可以用具有减小了强度的反射写入。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于在透明体内产生位于该透明体表面下方的标记的方法。本发明尤其涉及一种对具有层系统的透明体产生标记的方法。
背景技术
针对本发明的目的，概念“玻璃”完全一般化地被视作一种透明体。如果射线的透入深度至少是光波长的1/10，则在这种关联下就认为体对该光波长是透明的。
用激光射线对玻璃进行内处理(Innenbearbeitung)是公知的。在Laser Magazin 1/95第16及以后的页中例如描述了一种方法，其中采用Nd:YAG激光的激光射线来实现对玻璃的内处理。在此通过形成合适的射线形状保证在玻璃表面上的射线强度远低于破坏阈值。聚焦要在玻璃部件的内部才会导致强度高于破坏阈值。相互作用引起了伴随着开裂的局部融化，该开裂从外部用肉眼就可看见。为了处理采用波长为λ＝1.064μm的Nd:YAG激光射线。该射线在玻璃中的强度非常高而＞1GW/cm2时由于非线性的光效应导致自动聚焦，并最终导致异常吸收，这种异常吸收作为玻璃中的融化区域而可以被注意到。在该文献中提到，在石英玻璃中就融化区域的最小伸展幅度来说达到了最佳的结果，其中达到大约100μm。但是根据该文献，该结果只能用这样一种衬底达到，即该衬底的玻璃外表面具有很高的表面质量。在Laser Magazin中提到，表面上的极小的污染以及表面粗糙度就会导致破坏强度阈值的极大下降，并由此引起对表面的不期望的相互作用。一方面对于市场上常见的硅酸盐玻璃该结果的可再现性较低，并且会导致处理区域进一步扩大。对于玻璃材料SF6，观察到已经在玻璃表面上产生了射线吸收。
在Laser Magazin中虽然讨论了处理区域的伸展幅度，但是没有提到该处理区域可以属于什么样的玻璃深度。很明显从已经接受的来看这是厚的衬底(＞1mm)。在该文献中谈到石英玻璃的材料厚度为20mm。尤其是扩大了的自动聚焦轨迹的出现以及实际处理区域之后的干扰区域(参见图3)表明了一个受到干扰的区域，该区域远远大于1mm。因此对厚度低于1mm的玻璃形成标记是不可能的。
EP 0543899也公开了一种用于在玻璃体中产生标记的方法，其中采用1.064μm的Nd:YAG激光的射线。
该公知方法的缺陷在于，在此在激光射线的实际聚焦区域之外也会发生玻璃的改变。由此引起，可以通过玻璃的局部融化解释的、小气泡类型的改变突然地、几乎爆炸性地出现。由此通过相邻地排列标记点而产生的标记必须与玻璃体的表面之间具有一定的最小间距。在根据EP 0543899的方法中，玻璃体中的标记与表面的最小间距大约是1mm，从而为了避免破裂危险玻璃体的总厚度必须为至少3mm。但在实际中通常必须对玻璃板形成标记，而玻璃板本身的厚度只有1mm。
在EP1051365中提出了一种方法，该方法可以在表面之下对只有1mm厚的玻璃板形成标记。该标记可以形成而不必将标记传递到表面。这是通过对该标记形成选择这样一种波长来达到的，即待形成标记的衬底已经可以吸收该波长。优选透射系数在平稳水平(Plateauniveaus)的60％到95％之间。将吸收最小的波长范围的透射系数称为平稳水平。其优点是在玻璃材料本身内的破坏阈值下降到可以采用比较小的强度，而且由此表面上的可能的污染或表面粗糙不再起什么作用。此外在玻璃中的该平稳水平的限制与玻璃的纯度无关地可以很好再现地得到确定，从而即使在按照标准的玻璃中也能达到可再现的结果。
但是在该解决方案中的问题是，波长必须与相应的衬底材料匹配，因为不同的玻璃具有不同的平稳水平。例如，如果必须对石英玻璃形成标记，该方法在经济上就没有什么利润，因为石英玻璃本身在UV区域内还表现出非常高的透射系数。对于非石英玻璃，另一个缺点是因为在EP1051365中使用了UV光。UV光在玻璃体中的最终透入深度(由于吸收而导致)限制了处理深度。因此如果要穿过衬底而紧接在表面下面形成标记，EP1051365中提出的方法就不合适。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提出一种如何借助激光射线在玻璃表面附近对玻璃进行内处理而不会在此过程中改变玻璃表面的可能，该激光射线具有位于玻璃的透射曲线的平稳区域内的波长。对应于本发明的解决方案无需特别纯的玻璃类型，对玻璃表面的表面质量也没有特殊要求。
本发明的另一个方面涉及标记的读取。紧密地位于玻璃的表面之下的标记的特征通常在于与未被形成标记的位置相比，形成标记的位置的对比度较弱。读取装置通常不能或者错误地识别这些标记。因此如果找到一种简单的措施来减少读取错误的数量则在经济上是非常有利的。
按照本发明的解决方案在于，用介电薄膜层系统覆盖待处理玻璃的表面，该介电薄膜层系统至少包括一层。
专业人员公知，薄膜层系统通常在被该薄膜层系统覆盖的玻璃表面上产生张力。例如通过真空涂层方法沉积的层所具有的张力会作用于下面的衬底。因此专业人员预计，实际上要设置在表面之下的标记击穿衬底涂层而一直到交界面然后一直到表面的危险，对于经过涂层的衬底无论如何都部分地大于没有涂层时的衬底。
要注意，这样的涂层典型地具有最大几μm的总厚度。通常这样的涂层被限定为小于5μm的总厚度。由于涂层很昂贵，因此有利的是采用低于3μm的涂层。
但是本发明人确定，表面的涂层使得该过程可再现，而且其贡献还在于，即使标记非常靠近地设置在表面之下也不会出现直到表面的破裂。这种不期望效果的一种可能解释是，表面质量的缺乏通过涂层得到了中和。如果该层系统的最外面的层例如具有比玻璃表面更高的破坏阈值，则可能的污染或者不平坦不会导致该破坏阈值低于待形成标记的玻璃衬底的破坏阈值。因此在具有涂层的衬底的外表面上无法看见裂缝。但是这种保护效果的原因还不是很清楚。本发明的措施首次产生经过内处理的、具有涂层的衬底，该内处理的处理范围与由玻璃衬底与第一层形成的交界面相距小于500μm、甚至小于250μm，而且该内处理不需要处理范围达到表面。由此可以首次有效以及经济地在表面之下对厚度小于1mm的玻璃衬底形成标记。
此外，这种在玻璃衬底中紧接在表面下方对薄的、具有多层系统的玻璃板形成标记的可能性还提供了以下优点：不会通过标记类型在表面上形成裂片、微粒、融化或者裂缝。尤其是在所谓的“低缺陷”部件中，表面的无缺陷性对经过涂层的衬底的进一步处理具有很重要的意义。
本发明的另一个方面在于标记的读取。通过现在可以将标记深度限制在表面之下几百μm，极大地简化了读取光学系统。现在为了读取不必再对位于衬底深处的平面成像，而是采用仅对紧接在表面之下的平面成像的光学系统就足以。在衬底面上也存在光不必再透入到衬底深处的优点。因此利用本发明的方法可以对由具有较小的透射系数(例如k＞0.01，尤其是k＞0.08，甚至k＞0.1，其中k是复数折射率的虚部)的材料制成的衬底形成标记。
但是实验也显示出，这样紧接在表面之下形成标记的衬底会导致信号对比度明显比衬底中的标记例如＞300μm的衬底要差得多。但是本发明人发现，如果衬底的表面被涂敷上形成抗反射涂层的薄层系统，则可以大大提高对比度。猜想对于未被涂层的表面来说，用于读取的光的一部分直接被形成表面的交界面反射，并与实际信号重叠，由此干扰该实际信号。在标记位于衬底深处的情况下，传统的读取光学系统能够忽略被表面反射的信号。但由于在此标记靠近表面，因此该信号不能再如此简单地与表面反射分开。借助抗反射涂层减小表面的反射。由此大大提高读取信号的对比度。本发明因此包含在表面之下形成标记的衬底，该衬底包括用于减少直接被表面反射的读取光的装置。
因此根据本发明提出一种用于在表面之下对透明的衬底形成标记的方法，其中该方法包括以下步骤：
-提供衬底，
-借助可以聚焦在表面之下的可见光对衬底形成标记，
其中在借助该可见光形成标记之前用包括至少一个介电层的层系统对该衬底涂覆，其中层材料的破坏阈值在用于形成标记的光照射之下大于衬底材料的破坏阈值。
能够将所述标记与层系统的、与衬底交界的交界面相距小于500μm，优选小于350μm，而不会损坏表面。
对于读取有利的是，层系统对适用于读取标记的波长形成为抗反射层。
另外在这样的方法中，如果将标记刻在两个不同的深度，其中该深度差异位于横向像素密度的数量级内，则还可以提高横向投影的像素密度。
如果将层系统对用于形成标记的光形成为反射镜，并且借助由穿过衬底施加的层系统造成的反射来形成标记，则可以在该重叠的区域中提高强度。
同时还可以这样形成所述层系统，使得该层系统对于适用于读取的波长来说至少部分是可穿透的。
形成一种具有位于表面之下的标记以及具有介电层系统的衬底，该层系统至少包括一个介电层，其中该标记在衬底中仅位于离交界面500μm的地方而不会一直到交界面，该交界面是介电层系统与衬底形成的。
优选地，所述层系统的材料对于至少一个在可见区域内的适用于形成标记的波长来说具有比衬底材料高的破坏阈值。
为了读取有利的是，所述层系统对于至少一个适用于读取标记的波长来说形成为减小反射的层。
具有上述标记和层系统，而且该层系统对于适用于形成标记的波长来说形成为反射镜层的衬底是本发明的一部分。
具体实施方式
下面借助示例详细描述本发明。
在第一个示例中，Borofloat玻璃被涂以四层的抗反射涂层。Borofloat玻璃具有1.52的折射率。借助PVD方法(物理蒸镀沉积)敷设下面的层系统：
接着用频率加倍的Nd:YAG激光对衬底进行内处理，即用于形成标记的激光波长在空气中是532nm。
可见光的使用，即波长范围在420nm到780nm的光的使用，与现有技术中选择的波长相比具有显著的优点：
如果采用1064m、即频率未加倍的ND:YAG激光的光，则形成损坏机制(像素)的主要部分是玻璃表面或内侧的热融化，这种热融化会产生“注入通道”。热效应的结果是，像素明显变大，因为与532m相比必须采用更多的能量来产生高于阈值的强度，而且该能量不能由介电体很快地传输。(吸收限制了聚焦射线的透入深度。)
在UV区域，主要的损坏效果是激光消融(Laserablation)，即原子的碰撞电离。由于几种工业玻璃在该区域的吸收系数比较高(高达20％)，该方法仅有限地一方面适用于在深处形成标记，另一方面适用于不同的玻璃类型。(吸收限制了聚焦射线的透入深度。)
在532nm时，热融化和激光消融的组合起着产生像素的效果。因此根据透镜在明显更高的深度区域(靠近玻璃表面(限制在1064nm)以及在玻璃内部深处(在UV区域受到吸收的限制))中的聚焦而产生任意小的像素。像素大小基本上与射线的能量和聚焦有关，而与材料特性(前提是具有可透射的光学特性)无关。
此外更为简单的是调整激光射线，因为激光射线是可见的。该调整可以在合适的强度时进行，以保护调整人员的眼睛。
利用该系统借助像素写入方式写入字母。各个像素彼此之间的距离是100μm。所测量的像素的垂直伸展幅度是80-100μm。所测量的像素的水平伸展幅度大约是20-50μm。
与表面之间的距离是300μm。不会造成直到表面的破裂。
在该方法中确定，通过AR(抗反射层)能以更小的强度达到相同的结果(像素大小)。该效果可能是由于，降低了涂层/空气或玻璃/涂层的交界面对激光的反射。
在第二个示例中，提高水平像素密度而不会因此产生将各个像素连接起来的裂缝。实验表明，简单地减小两个像素之间的距离恰好就会产生这样的连接裂缝。在此这种连接像素的裂缝持续下去并最终到达表面的危险非常高。
无损坏地提高像素密度的问题由本发明人解决，尽管只需要一个平面结构(数字的和字母的符号)还是写入了第二像素平面，其中第二像素平面的水平中心位于第一平面的像素的空隙中。两个平面之间只有150μm的距离。由此观察者得到像素密度提高的印象，而且明显提高了对比关系。
在第三个示例中，应当紧接在表面之下从衬底的背面开始对衬底写入。该衬底例如具有n＝1.52的折射率。对于激光的偏振选择p偏振，作为入射角度选择57°，该角度大致相当于Brewster角。由此保证在激光射线入射时只有非常小的一部分被玻璃衬底的背面反射。然后该光根据Snellius法则以38°的角在玻璃中传播。
衬底的正面具有多层系统，该多层系统至少部分反射38°的光，主要是绿光，但至少反射波长等于用于形成标记的波长的光。优选地全部反射用于写入的光。例如采用波长为532nm的频率加倍的Nd:YAG激光的射线。
在写入过程期间，由于反射而紧接在玻璃衬底的经过涂层的一侧的表面之下形成一个重叠区域，在该区域中入射光和反射光重叠并形成干涉图案。如果调整激光能量，使得单个射线中的强度明显低于破坏阈值，而在重叠区域中存在强度高于破坏阈值的位置，则限于在重叠区域形成标记。该效果通过在重叠区域中建立起具有四倍强度的所谓干涉条纹来支持。
如果可能，上面提到的多层系统优选这样选择，即该多层系统对于用于读取的光作为抗反射涂层发挥作用。例如应当借助蓝色的LED在0°时读取。
在图1中示意性示出这种情况。示出具有正面3和背面5的衬底1。正面3涂覆有介电层系统7。穿过背面5射入的写入光Lin在衬底1中被正面3的层系统7反射，并作为反射的写入光Lref穿过背面5而从衬底1射出。在入射的写入光Lin和反射的写入光Lref重叠的重叠区域，由于用作写入光的激光射线的干涉而形成具有特征干涉条纹的干涉图案，在该干涉条纹中形成高强度的波腹。标记的像素在衬底1中借助点线示出。
为了读取，借助第一透镜13校准蓝色LED11的光，并通过分光器15落在待读取的、形成了标记的衬底1上。层系统7在蓝光的0°照射下作为AR涂层发挥作用。由此光达到该标记，并部分地被该标记散射回分光器15。例如在一个像素的地方用虚线箭头显示受到散射的光。被散射回的光部分地穿透分光器15。由此借助第二透镜17在检测器19中对标记平面成像。
Claims (10)
1.一种用于在表面之下对透明的衬底形成标记的方法，其中该方法包括以下步骤：
-提供衬底，
-借助聚焦在表面之下的可见光对衬底形成标记，
其特征在于，
-在借助该可见光形成标记之前用包括至少一个介电层的层系统对该衬底涂覆，其中层材料的破坏阈值在用于形成标记的光照射之下大于衬底材料的破坏阈值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述标记与所述层系统的、与衬底交界的交界面相距小于500μm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述层系统对适用于读取标记的波长形成为抗反射层。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为了提高横向投影的像素密度，将所述标记写在两个不同的深度，其中该深度差异位于横向像素密度的数量级内。
5.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述层系统对用于形成标记的光形成为反射镜层，并且借助由穿过衬底施加的层系统造成的反射来形成标记。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述层系统对于适用于读取的波长来说至少部分是可穿透的。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述标记与所述层系统的、与衬底交界的交界面相距小于350μm。
8.一种具有位于表面之下的标记以及具有介电层系统的衬底，该层系统至少包括一个介电层，其特征在于，该标记在衬底中仅位于离交界面500μm的地方而不是一直到交界面，该交界面是介电层系统与衬底形成的，其中，所述层系统的材料对于至少一个在可见区域内的适用于形成标记的波长来说具有比衬底材料高的破坏阈值。
9.根据权利要求8所述的衬底，其特征在于，所述层系统对于至少一个适用于读取标记的波长来说形成为减小反射的层。
10.根据权利要求8或9所述的衬底，其特征在于，所述层系统对于适用于形成标记的波长来说形成为反射镜层。
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