CN1246826A - 在材料上进行激光刻写的装置 - Google Patents

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Abstract

一种用一激光器、一折射单元、一控制单元和一供电组刻写材料的装置,该激光器、折射单元、控制单元和供电组由紧凑、可移送的部件组成,被一起安装在一手持装置1和一支持装置2中并通过一电缆或玻璃纤维连接17、18被相互连接。

Description

在材料上进行激光刻写的装置
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用激光刻写材料的装置。
瓦尔特·W·魏因富特纳所著的题为“工业中采用激光进行刻写：原理及其应用”的一文中公开了一种激光刻写器的原理和基本结构，该激光刻写器由一固态激光器组成，该固态激光器带有一激光头，该激光头例如带有一光路，单独的若干光学部件被安装在该光路上以确保温度稳定性和机械稳定性。
在该固态激光器的激光头中，有一共振器，其由一所谓的抽运室、两反射器和一声一光开关、一所谓的Q开光。在该抽运室中有一YAG晶体棒和一或几个氪弧光灯，该(些)氪弧光灯的光在该晶体棒中被再现，该晶体棒在两端发射具有一定波长的光。该光通过该两反射器被反射回给该晶体棒，在该共振器后端的反射器反射约99.9％，而前反射器透过12％且因此形成工作束。该Q开关中断该工作束高达每秒40,000次且因此产生高达是连续波激光器工作的1000倍的输出峰值。
而且，该共振器包含用于中断激光束的一机械开关(光闸)和一支座，一滤模器被设置在该支座中以适应该特定应用，以取得更高的光束质量(例如包括在基模操作中)。在一光束扩展器中，离开该共振器的激光束被扩展因数2至10。扩展的激光束借助于两检流计反射器在X和Y方向上，在一折射单元中被折射并借助于一平坦的场聚焦透镜被聚焦在一工件上。
现有的激光刻写器的另外的部件是一用于驱动控制该折射装置的一控制单元的计算机、一Q开关驱动器和一供电组。一附加的成本昂贵的冷却装置被设置用于冷却该抽运室。贵的冷却装置被设置用于冷却该抽运室。
该现有的激光刻写器被形成为一带有一x-y级工作台、带有输入和输出隧道的一往返转换工作台的且可能为一双头构造的的激光设备，象当它被用作为一也用于材料处理，即用于分离、结合、钻孔等的具有高激光功率的固态激光器时，该激光器被附加地被连接至一电源箱且可能被连接至一外部热交换器。作为也是DE3318768A1的目的的该特性的一激光刻写设备具有笨重的构成且因此只能被用在固定的位置。这样一设备也具有相当大的功耗和较低的效率，因为为了确保无故障地运行，该冷却装置要耗费大部分的能量。
该特性的激光设备具有相当大的尺寸且需要供水以冷却该激光器。它还需要与约8kw的功耗相关的三相电流。由于有一离子交换器和一粒子过滤器需要的供水装置，该激光设备要求很多的维护。还必须考虑高的灯耗和抽运室的相当大的磨损和破裂。
如从DE3318768A1中可看到的，该特性的激光刻写设备还需要一昂贵的校准设备和一包含数字光学部件(其中有该加宽透镜系统的一散射透镜和一会聚透镜、若干反射器等)的折射头。这使得该现有激光刻写设备的制造、维护和操作昂贵。
本发明的目的在于提供一种用激光器实际地刻写材料的装置，其具有非常小尺寸和很小重量以及最佳的操纵和最大可能移动性，而这是以低制造和操作成本、以及低功耗、低维护要求、和高停机时间实现的。
根据本发明，该目的是通过权利要求1的特征实现的。
根据本发明的技术解决方案提供了一种用一固态激光器刻写物品的可移动装置，其中该装置的特征在于小尺寸和低重量以及简单的结构。该刻写装置的形式对于数据输入和对于输出头两者来说可以不同。它也可被连接至任意外围设备例如数字摄像机、CCD图象传感器、扫描仪等。
通过在至少一外壳内一起安装几个各自的部件，该刻写激光器的构造可对应于一面向应用的结构。
在根据本发明的技术方案的第一实施例中，该刻写装置由一手持装置组成，该手持装置包含一折射单元和一固态激光器并通过电缆被连接至一支持装置，该支持装置具有一控制单元和一供电组一例如一蓄电池和/或一供电整流器。而且，有一用于将该控制单元连接至一外部单元和/或输入单元的接口。
在根据本发明的技术方案的第二实施例中，该手持装置仅包含该折射单元并通过玻璃光纤缆被连接至一支持装置，该支持装置包含该固态激光器、该控制单元和该供电组。在该情况下，有一用于将该控制单元连接至一外部单元和/或输入单元的接口。
在本发明的第三实施例中，所有部件可被一起安装在一个外壳中，被形成为一手持装置或一台式装置。
在本发明的所有三个实施例中，尺寸紧凑以使该手持装置例如可被形成为一枪且该支持装置可被安装在一外壳中，其可通过一腰和/或肩带被连至一用户。具有该构成，实现了最大的移动性且这使得该用户能在与供电箱等无关的任意位置进行激光刻写。
如果该手持装置被连接至一传感器单元，例如一扫描仪、摄像机或数字照相机是特别有利的。例如，这使能用该传感器单元记录图象并通过该手持装置被再现在一物品上。因此，该装置最好适用于一被用于储藏具有识别目的的条形码的物品的仓库的管理机构。例如，这些条形码通过该扫描仪被读取，被传送给该手持装置中的一计算机或给另一上属中央计算机并被进行处理。如果需要改变该条形码，旧的条形码可通过该手持装置被使得难以辨认或被去除且新的条形码可被放置在这些物品上。
在根据本发明的技术方案的一有利实施例中，有一用于待被刻写的物品的记录单元，其中该记录单元包含一用于发射一距离读数的距离测量装置，该距离读数控制激光束的聚焦。该记录单元还包含一用于当该待被刻写的物品被正确地定位时释放激光束的开关装置。作为一替代方案，有一用于激光束的静态聚焦的机械锁闩(catch)。
用于待被刻写的物品的记录单元所包含的部件确保该物品在激光束的焦平面中的可靠定位。它还确保该刻写装置的可靠工作。
作为一替换方案或附加地，为了调节焦距的目的，有一透镜系统，例如一自动聚焦照相机的透镜系统。
在本发明的一优选实施例中，为了确保该单元的最大可移动性，该控制单元借助于一无线电、红外或超声波收发报机被无线地连接至一外部控制和/或输入单元。
该控制单元和该供电组的可能部件最好由使用SMD技术的箔电路组成。因此它们特别适合于一紧凑的结构并被装在可由用户随身携带的组成外壳中。
为了确保可能的最小尺寸和最大的效率，该激光器由用一激光二极管被纵向抽运的固态激光器组成，其中该固态激光器包含一带有一激光晶体、一Q开关、一高反射共振器反射器和一输出反射器的激光器组。从而该激光晶体最好没有张力双折射/具有尽可能低的张力双折射。且另外它具有高的荧光持久性及可能的最小尺寸。
该固态激光器可装有一有源Q开关，即装有一光声晶体，或装有一无源Q开关和一激光二极管，其在一脉冲操作中被驱动。
该激光二极管的效率最好尽可能地高。为了确保该效率保持稳定，用一冷却部件，例如帕尔帖部件对该激光二极管进行冷却。如果激光二极管驱动器和帕尔帖驱动器两者或被装在该手持装置中或被装在该支持装置中。术语“驱动器”在此被用于表示一部件的对应的电路板。
这些单独的激光器部件最好采用相互间非常紧凑的配置，以实现最小的尺寸且因此确保可移动操作。
具体地，使用短的共振器几何形状，意味着实现很短的激光脉冲且因此实现高脉冲峰值输出。为了确保带有较小外部尺寸的尽可能紧凑的构造，最好通过由一适当的反射器构造，例如以对光束轴成45°定位的两反射器，产生的一折叠的光列(optical train)来实现该短共振器几何形状。
而且，该装置具有用于最好通过两透镜扩展光束的另一透镜系统。作为替换或附加地，该光束通过另一反射器系统被扩展，该反射器系统包括至少两反射器，其中该反射器系统最好还具有通过多反射的一折叠光列。
在本发明的一优选实施例中，设置若干偏振器，以生成偏振的激光。然而，该光也可通过激光晶体自身生成。这样，可能提高一声光Q开关部件的衍射效率。因为根据本发明的装置最好具有至少一高衍射效率的透镜系统，具体为一晶体，这是特别有利的，其中该透镜系统在有低高频功率输入时有效地中断共振器中的激光处理。
为了进一步提高紧凑度和减少重量，根据本发明的该装置的这些部件是由纤维加强的材料、陶瓷或合成材料制造的。而且，这些透镜系统被放置在一起和/或通过粘着被固定。
为了确保对折射单元快速、精确和低成本的驱动，在本发明的优选实施例中，该驱动单元的电机(折射单元通过其而被调节)由一数据存储单元，具体地为磁或光数据存储单元，的一读/写头的驱动单元构成。然而，本发明并不限于此种驱动单元。而且，常规的驱动单元，例如检流计扫描仪，可被提供作为该折射单元的驱动单元。
通过参照附图中所示的本发明的实施例，将更详细地了解本发明。附图为：
图1为带有定位在一支持装置中的一固态激光器的一手持激光刻写装置的概略性功能方框图。
图2为带有定位在一手持装置中的一固态激光器的该手持激光刻写装置的概略性功能方框图。
图3为带有定位在一腰带上的一手持装置和一支持装置的概略性视图。
图4为带有无线信号输入的一手持激光刻写装置的概略性功能方框图。
图5为用于缩短共振器长度的可能的反射器构造。
用于用固态激光器刻写物品的装置的在图1和2中示出的概略性功能方框图示出了相同部件的不同构造。它们可通过由相似构造(例如将一激光刻写装置中的所有部件一起安装在一外壳中，其中该装置是作为一可移动的刻写站的台式装置的形式)组成的本发明的其他实施例而被补充。
术语“刻写”被用来表示任何形式的物品标记，例如带有任意类型笔迹的标记，以及生成图象和三维雕刻。而且，术语“刻写”被理解为包括通过取走若干层表面材料(例如条形码、铭文等)等而去除刻写元素。
图1示出包括一手持装置1和一单部分或双部分支持装置2的一紧凑手持激光刻写装置的功能方框图。在本发明的该实施例中，手持装置1包含一折射单元7，其被放置在待被刻写的物品的前方，可被连接至一记录和校准待被刻写的物品的记录单元。而且，该手持装置1包含一传感器单元8，其例如可包括一扫描仪、一CCD图象传感器或一数字摄像机。
支持装置2包含一控制单元21、一固态激光器4和一供电组22，该供电组22被连接至该支持装置的若干单元。控制单元21具有一微处理器11、一高频发生器12、一读/写存储单元或另一存储介质13、用于放大控制信号供进行折射单元7中的反射器校准(检流计扫描仪)的信号放大器200和一输入及监视单元14。该固态激光器4由一激光器组5(或这些激光部件的另一机械地稳定的构造)和一激光二极管6组成。该激光器组5包含一纵向地或横向地抽运的激光晶体50、一Q开关51(有源或无源Q转换)、一高反射共振器反射器52和一输出反射器53。
折射单元7中的反射器校准的驱动单元可由一数据存储单元，具体为一磁数据存储单元，的读/写头的驱动单元构成。在此情况下，由于该读/写头的驱动单元自身已具有信号放大器，可省去信号放大器200。
该固态激光器4的端部通过玻璃光纤缆17被连接至折射单元7。该玻璃光纤缆17可与包含微处理器11和传感器单元8、微处理器11和折射单元7之间的连接线31的一电缆以及一将供电组22连接至手持装置1的供电电缆相组。如果控制单元21和固态激光器4被与供电组22分开地定位-例如在不同的外壳或一外壳的不同部分中-必须在一方面的控制单元21和固态激光器4与另一方面的供电组22之间设置一附加的供电电缆。
供电组22包括一蓄电池9和一供电整流器10。用于冷却的一帕尔帖部件的驱动器也安装在该供电组中(未示出)。
一接口15将一外部控制和监视单元3连接至控制单元21的微处理器11以输入需要的数据。替代可通过电缆被连接至控制单元21的外部控制及监视单元3，无线发送也是可能的。这意味着替代接口15的接口连接点，可在一外部控制及监视单元和控制单元21之间有信号的电-磁、电-光或电-声传输。作为替代，可有直接数据输入，例如通过一小型膝上型机。
该固态激光器4由用激光二极管6纵向或横向抽运的一固态激光器组成，其中为了提高效率且因此实现最大输出，该固态激光器的激光器组5不包含任何偏振器。该激光器晶体50是一没有张力双折射或具有尽可能低的张力双折射的晶体，其中该晶体的尺寸尽可能地小。与一高频发生器的低输出相关联，该高频发生器的高频输出例如低于或等于2至4瓦。且激光晶体50的一最佳选择，该激光器组5的构造可以非常紧凑，因为低功耗还仅导致有限的热量发射。
激光器组5的操作可用一有源Q开关(高频源)，使用一光-声晶体被连续地抽运，或该有源Q开关可由一无源Q开关替换。
根据本发明的该装置的紧凑度可通过使用该折射单元7或激光器头中带有反射器等的一折叠的光列而被进一步提高。总之，这样做出一带有可能的最小外部尺寸和重量的便携式激光刻写装置。
根据图2中所示的一激光刻写装置的一实施例，该固态激光器4和该折射单元7一起被安装在一手持装置1中。而且，控制单元21与供电组22一起被安装在一支持装置2中。
该控制和供电装置通过一电缆18被连接至手持装置1。通过一接口15，还有与一外部控制及监视单元3和与一传感器单元8的连接。如在根据图1的本发明的实施例中，该传感器单元8可由一数字摄像机、一CCD图象传感器或一扫描仪组成。而且，如在根据图1的实施例中，该传感器单元8可与该手持装置1耦合，以使该手持装置1也可被用来接收信号。在该支持装置2中还安装有两个放大用于折射单元7中的反射器校准的控制信号的信号放大器(未示出)。
图3示出了使用根据本发明的手持激光刻写装置(其由一手持装置1和一支持装置2组成)的概略性视图。在本发明的该实施例中，支持装置2可被固定在带有一腰或胯带16的一用户的腰上。固定该支持装置的一替换的方法是一帆布背包形式，一支持装置被固定在用户的背上以及通过侧(背带)附连。
手持装置1和支持装置2之间的连接是通过一电缆连接17、18实现的，其中该电缆连接包括一玻璃光纤缆和/或一连接电缆。
手持装置1例如可被与一摄像机80耦合，以使信号输入允许物品或人员的图象被记录，其中这些记录通过该控制单元的信号处理被进一步处理以控制该固态激光器和该折射单元。
在根据图1的构造中，该手持装置1包含折射单元7及可能的传感器单元8/80。在本发明的该实施例中，支持装置2包含该固态激光器、该控制单元和供电组。
在根据图2的构造中，该手持装置1包含该激光器配置和可能与一传感器部件相关联的该折射单元7，。在该构造中，该支持装置2包含该控制单元和该供电组。在支持装置2的前侧，有用于对该手持装置和用于该外部控制及监视单元的连接17、18的该支持装置2的一连接点15。
为了减小支持装置2的尺寸，该支持装置包含尽可能的与SMD部件相关联的箔电路，以使支持装置2可舒适地装在用户的腰上。作为一替换方案，替代这些箔电路，也可设置带有SMD部件的多层构造。
图4中所示的一手持激光刻写装置的实施例示出一半导体激光器的构造，该半导体激光器具有在一支持装置中的一激光二极管6和一准直器透镜系统55，以及带有一处理器11和一存储部件13的控制单元。供电组9(蓄电池)可与该支持装置耦合或它可构成一分离的支持装置。
根据本发明的该实施例，该手持装置1包含带有两反射器的一折射单元7。而且，如在根据图1的实施例中，一传感器单元8可被连接至该手持装置1。
该信号输入可通过传感器单元或通过自一外部数据输入装置3的无线连接而实现。为此，有一被连接至该控制单元一侧上的一发送接收机部件19的无线电、红外或超声波发送接收机。一对应的发送接收机部件被设置在该外部控制单元3上。
图5a至5d示出了由晶体50、反射99.9％的光的反射器52和反射约88％的光并透射12％的光的输出反射器53组成的共振器。
图5a示出了至今为止被通常使用的共振器部件的构造。两反射器52和53以及晶体50一个在一个之后地被配置以使激光束没有任何偏转地离开输出反射器53。
为了使该手持激光器刻写装置更加紧凑，根据图5b的共振器除了上述共振器部件外还具有一被定位在与光束轴成45°角处的反射器100。作为这种构造的结果，该激光束在通过输出反射器53离开之前被偏转90°。该偏转导致一折叠的光列，其允许该共振器的更紧凑的构造且因此进一步提高该手持激光刻写装置的紧凑度。
如图5c中所示，由于根据图5b偏转的激光束在它通过反射器53离开之前，通过定位在与光束轴成45°角处的另一反射器101被再偏转90°而进一步增强了该效果。
导致该偏转的折叠的光列便于实现该共振器的紧凑的构造，与常规的共振器相比的该共振器的长度以及该装置的整个尺寸被明显地减小。
图5d示出了图5c后的另一实施例。根据图5d中的该实施例，该光列还具有在两反射器100和101之间的一Q开关51(有源或无源Q转换)。而且，在反射器53之后有一光闸103，该光闸被用于当待被刻写的物品被正确定位时释放激光束。在光闸103之后由一反射器系统300，用于扩展激光束，其中该反射器系统由两反射器301和302组成。进入反射器系统300的激光束不被输出直至两反射器301和302上的多次反射。

Claims (27)

1.一种用一激光器、一折射单元、一控制单元和一供电组刻写材料的装置，其特征在于
该激光器(4)、折射单元(7)、控制单元(21)和供电组(22)由紧凑、可移送的部件组成。
2.根据权利要求1的装置，其特征在于几个部件被一起安装在至少一外壳中。
3.根据权利要求2的装置，其特征在于一手持装置(1)和一支持装置(2)，该手持装置(1)包含该折射单元(7)和该激光器(4)，而该支持装置(2)包含该控制单元(21)和该供电组(22)以及一用于将该控制单元(21)连接至一外部控制和/或输入单元(3)的接口(15)。
4.根据权利要求2的装置，其特征在于一手持装置(1)包含该折射单元(7)，其中该手持装置(1)通过一玻璃光纤缆(17)被连接至一包含该激光器(4)、该控制单元(21)和该供电组(22)，以及一用于将该控制单元(21)连接至一外部控制和/或输入单元(3)的接口(15)的支持装置(2)。
5.根据权利要求2的装置，其特征在于所有的部件被一起安装在一手持装置(手持激光刻写器)中。
6.根据权利要求3至5中任一项的装置，其特征在于该手持装置(1)被连接至一传感器单元(8)，具体为连接至一扫描仪、摄像机、数字相机或类似装置。
7.根据权利要求3至5中至少一项的装置，其特征在于该手持装置(1)是采用适合于手臂的构造的形式。
8.根据权利要求3至5中至少一项的装置，其特征在于该支持装置(2)最好可被连接至一腰和/或肩带(16)。
9.根据权利要求3至5中至少一项的装置，其特征在于有一用于待被刻写的物品的记录单元，其中该记录单元具有一用于发射距离读数的距离测量装置，该距离读数控制激光束的聚焦；和一用于当该待被刻写的物品被正确定位时，释放激光束(动态聚焦)的开关装置。
10.根据以上权利要求中至少一项的装置，其特征在于为了调节焦距，有一透镜系统，具体为一自动聚焦相机的透镜系统。
11.根据以上权利要求中至少一项的装置，其特征在于有一带有用于待被刻写的物品的机械锁闩(静态聚焦)的记录单元。
12.根据以上权利要求中至少一项的装置，其特征在于该控制单元(21)通过一无线电、红外或超声波发送接收机被无线地连接至一外部控制和/或输入单元。
13.根据以上权利要求中至少一项的装置，其特征在于至少该控制单元(21)和/或供电组(22)由带有用SMD技术获得的部件的箔电路组成。
14.根据以上权利要求中至少一项的装置，其特征在于该激光器(4)由用一激光二极管(6)被纵向或横向抽运的一固态激光器组成，其中其抽运容量最好对应于待被抽运的材料的基模容量，且特征还在于该激光器(4)具有带有一激光晶体(50)、一Q开关(51)、一高反射共振器反射器(52)和一输出反射器(53)的一激光器组(5)。
15.根据权利要求14的装置，其特征在于该激光晶体(50)不具有张力双折射/其张力双折射是尽可能地低，且该激光晶体具有高荧光持久性以及具有最小可能的尺寸。
16.根据权利要求14或15的装置，其特征在于一固态激光器(4)，其通过一光一声晶体、FTIR晶体或类似物被持续地抽运并被Q转换/调制。
17.根据权利要求14或15的装置，其特征在于有一通过一有源Q开关部件和一连续波或脉冲控制的激光二极管(6)被驱动的固态激光器(4)。
18.根据以上权利要求中至少一项的装置，其特征在于该激光二极管(6)的效率是尽可能地高。
19.根据以上权利要求中至少一项的装置，其特征在于该用于冷却该激光二极管的装置具有一冷却部件，具体地为一帕尔帖部件。
20.根据权利要求19的装置，其特征在于该激光二极管驱动器和该帕尔帖驱动器两者都被定位在或者该手持装置或者该支持装置中。
21.根据以上权利要求中至少一项的装置，其特征在于有具体地借助于一折叠光列，包括尽可能短的共振器长度的单独的若干激光器部件的一紧凑的构造。
22.根据以上权利要求中至少一项的装置，其特征在于作为一展宽透镜系统的一反射器系统，其具体地具有一带有折叠光列的反射器构造，和/或一借助于两透镜的展宽透镜系统。
23.根据以上权利要求中至少一项的装置，其特征在于该反射器构造具有定位在与该光束轴成45°处的至少两反射器。
24.根据以上权利要求中至少一项的装置，其特征在于用于生成偏振光，以提高该声一光Q开关部件的衍射效率的光学部件或激光晶体。
25.根据以上权利要求中至少一项的装置，其特征在于有至少一具有高衍射效率的透镜系统，具体为一晶体，其中该透镜系统在有一低高频功率输入时有效地中断该共振器中的激光处理。
26.根据以上权利要求中至少一项的装置，其特征在于通过由纤维加强材料、陶瓷和/或合成材料制成的部件，以及被粘贴上的部件。
27.根据以上权利要求中至少一项的装置，其特征在于该折射单元通过该驱动单元的电机而被调节，该驱动单元的电机由一数据存储单元，具体为一磁或光数据存储单元的读/写头的驱动单元构成。
CN98802368A 1997-02-06 1998-02-06 在材料上进行激光刻写的装置 Pending CN1246826A (zh)

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