DE10050263A1 - Verfahren zur Kennzeichnung und insbesondere zur Beschriftung von Oberflächen optischer Elemente mit UV-Licht - Google Patents
Verfahren zur Kennzeichnung und insbesondere zur Beschriftung von Oberflächen optischer Elemente mit UV-LichtInfo
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Abstract
Beschrieben werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kennzeichnung und insbesondere zur Beschriftung von Oberflächen optischer Gläser mit UV-Licht, das insbesondere ein Excimer-Laser erzeugt. DOLLAR A Das erfindungsgemäße Verfahren und die entsprechende Vorrichtung zeichnen sich durch die Kombination folgender Merkmale aus: DOLLAR A - der Lichtstrahl wird mittels eines optischen Einzelelements fokussiert, DOLLAR A - die zu kennzeichnende Oberfläche und der Fokuspunkt des Lichtstrahles werden in Richtung der Tangentialebene im Scheitelpunkt der Oberfläche relativ zueinander verschoben, und DOLLAR A - zusätzlich wird die zu kennzeichnende Oberfläche in Richtung der Normale im Scheitelpunkt derart verschoben, daß der Fokuspunkt auf der Oberfläche liegt.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kenn
zeichnung und insbesondere zur Beschriftung von Oberflä
chen optischer Elemente, wie Brillengläsern mit UV-Licht,
das insbesondere ein Excimer-Laser erzeugt, sowie auf ei
ne Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Derartige Verfahren und Vorrichtungen werden beispiels
weise zum Anbringen von Firmenzeichen, von Markierungen
für bestimmte Stellen bzw. Punkte eines asphärischen
Brillenglases und/oder von Codierungen verwendet, mit de
nen Eigenschaften einer Linse und insbesondere eines
Brillenglases auf diesem angegeben werden.
Für das Anbringen von Kennzeichnungen sind die verschie
densten Verfahren und Vorrichtungen bekannt. Prinzipiell
unterscheidet man zwischen Verfahren, bei denen Farbstof
fe und insbesondere Fluoreszenzfarbstoffe auf die Ober
fläche aufgebracht bzw. in die Oberfläche eingebracht
werden, und Verfahren, bei denen Gravuren oder dgl. in
die Oberfläche eingebracht werden, also die optische
Oberfläche mit einer kleinen Vertiefung etc. versehen
wird.
Bei Verfahren, bei denen Gravuren in die Oberfläche ein
gebracht werden, unterscheidet man zwischen berührenden
und kontaktlosen Verfahren. Während die berührenden Ver
fahren in der Regel mit einem Stichel oder dgl. ausge
führt werden, benutzt man bei den kontaktlosen Verfahren
die Wechselwirkung von Licht mit der zu kennzeichnenden
Oberfläche oder einer auf die Oberfläche (vorübergehend)
aufgebrachten - die Wechselwirkung hervorrufenden bzw.
verstärkenden - Schicht, die eine besonders gute Wechsel
wirkung mit dem eingestrahlten Licht hat.
Während in der Vergangenheit in erster Linie
Neodym-YAG-Laser für das Markieren bzw. Beschriften von Oberflächen
eingesetzt worden sind, werden seit kurzem auch
Excimer-Laser, deren Emissionswellenlänge im UV liegt, einge
setzt. UV-Licht hat den Vorteil, daß es besonders stark
mit den üblichen Materialien von optischen Elementen, wie
optischen Gläsern (Silikatgläser) oder in der Brillenop
tik verwendeten Kunststoffmaterialien, wie Diethylenbis
glykolcarbonat, Polycarbonat, PMMA oder Polyurethanen
wechselwirkt.
Diese starke Wechselwirkung ist jedoch von Nachteil bei
der Führung des UV-Laserstrahls vom Excimer-Laser hin zu
dem zu kennzeichnenden bzw. zu beschriftenden Objekt. Als
Material für optische Transmissionselemente kommt prak
tisch nur hochreiner Quarz in Frage. Aber auch bei derar
tigen Materialien führen bereits kleinste auf einer opti
schen Oberfläche befindliche Verunreinigungen, wie Staub
partikel zu einer Beschädigung und letztlich zu einer
Zerstörung dieser Oberfläche. Zudem sind Excimer-Laser
verglichen mit anderen Lasern teuer.
Wohl aus diesem Grunde werden derzeit beim Einsatz von
Excimer-Lasern in der Praxis nur Vorrichtungen verwendet,
bei denen die Form einer Blende über eine abbildende Op
tik auf die zu gravierende Oberfläche des optischen Ele
mentes abgebildet wird. Diese Vorgehensweise ist wenig
flexibel, da jeder Zeichenwechsel auch einen Wechsel der
Blende erfordert. Vor allem aber ist keine individuelle
Codierung beispielsweise eines individuell für eine be
stimmte Gebrauchssituation berechneten Brillenglases mög
lich. Weiterhin wird bei einer Beschriftung mit einer
Maske der Großteil der Laserenergie an der Maske unge
nutzt reflektiert oder in Wärme umgewandelt. Dies bedeu
tet, daß ein Laser mit einer wesentlich höheren Leistung
benötigt wird, als sie tatsächlich zur Herstellung der
eigentlichen Gravur erforderlich ist. Gerade bei
Excimer-Lasern steigen jedoch die Anschaffungs- und Unterhaltsko
sten überproportional mit der Laserleistung.
Bei Beschriftungsvorrichtungen, bei denen als Laser bei
spielsweise ein Neodym-YAG-Laser verwendet wird, ist es
ferner bekannt, den Laserstrahl scannend über die zu be
schriftende Oberfläche zu führen. Zur Erzeugung eines
"scharfen", genau definierten Fokuspunktes auf einer zu
beschriftenden planen Oberfläche weisen derartige Vor
richtungen sogenannte Planfeldobjektive auf.
Mit Excimer-Lasern arbeitende scannende Vorrichtungen zur
Beschriftung von - insbesondere beliebig konvexen oder
konkaven - Oberflächen sind kommerziell nicht realisiert
worden, da aufgrund der vorstehend genannten Probleme bei
optischen Elementen, durch die der UV-Laserstrahl geführt
werden soll, der Einsatz sogenannter Planfeldobjektive
oder von Objektiven mit einer definierten Bildfeldwölbung
aufgrund der kurzen Standzeiten derartiger notwendiger
weise viellinsiger Objektive äußerst unwirtschaftlich
ist.
Zwar sind scannende Vorrichtungen mit Excimer-Lasern in
der Ophthalmologie und insbesondere für das sog.
Cornea-Shaping bekannt, da in diesem Bereich aufgrund der ver
gleichsweise großen abgetragenen Materialmengen aber die
Punktgröße und -form des Laserstrahls auf der Cornea nur
eine untergeordnete Rolle spielt, stellen sich hier die
Probleme nicht, die beim Beschriften den Einsatz von
Planfeldobjektiven erforderlich machen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur Kennzeichnung und insbesondere zur Beschriftung von
Oberflächen optischer Elemente, wie Brillengläsern mit
UV-Licht, das insbesondere ein Excimer-Laser erzeugt, so
wie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
anzugeben, mit dem bzw. mit der eine exakte Kennzeichnung
bzw. Beschriftung oder Codierung der Oberfläche mit einer
möglichst geringen Leistung der Lichtquelle und insbeson
dere des Lasers sowie mit möglichst geringen Kosten er
reicht wird.
Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist für ein
Verfahren im Patentanspruch 1 angegeben. Vorrichtungen
zur Durchführung dieses Verfahrens sind Gegenstand der
Ansprüche 2 folgende.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch die
Kombination folgender Merkmale aus:
- - der Lichtstrahl wird mittels eines optischen Einzel elements fokussiert,
- - die zu kennzeichnende Oberfläche und der Fokuspunkt des Lichtstrahles werden in Richtung der Tangential ebene im Scheitelpunkt der Oberfläche relativ zuein ander verschoben, und
- - zusätzlich wird die zu kennzeichnende Oberfläche in Richtung der Normale im Scheitelpunkt derart ver schoben, daß der Fokuspunkt auf der Oberfläche liegt.
Durch die Verwendung eines optischen Einzelelementes sind
die Kosten bei einem eventuell aufgrund einer Beschädi
gung erforderlichen Austausch des optischen Elementes ge
ring. Durch die Relativverschiebung der zu kennzeichnen
den Oberfläche und des Fokuspunktes des Lichtstrahles in
Richtung der Tangentialebene im Scheitelpunkt der Ober
fläche kann auf die Verwendung von Masken oder dgl. ver
zichtet werden, so daß eine Lichtquelle bzw. ein Laser
mit relativ geringer Leistung ausreichend ist, da zu je
dem Zeitpunkt die gesamte Laserleistung zur Herstellung
der Kennzeichnung genutzt wird. Dadurch, daß zusätzlich
die zu kennzeichnende Oberfläche in Richtung der Normale
im Scheitelpunkt der zu kennzeichnenden Fläche derart
verschoben wird, daß der Fokuspunkt immer auf der (belie
big geformten) Oberfläche liegt, erhält man auch bei ge
krümmten Oberflächen und ohne die Verwendung komplizier
ter Objektive eine gleichmäßige Größe und Form des Fokus
punktes auf der Oberfläche, so daß die Kennzeichnung bzw.
Beschriftung exakt ausgeführt werden kann.
Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung
dieses Verfahrens mit wenigstens einer UV-Lichtquelle,
deren Licht eine optische Einrichtung abbildet, ist eine
Spiegelanordnung vorgesehen, die wenigstens einen Spiegel
und insbesondere einen Galvanometerspiegel aufweist, der
den Lichtstrahl in Richtung der Tangentialebene, genauer
gesagt über die Tangentialebene ablenkt. Die optische
Einrichtung weist - bevorzugt lediglich - ein Einzelele
ment auf, das den Lichtstrahl fokussiert. Um immer den
Fokuspunkt auf die Oberfläche des zu kennzeichnenden bzw.
zu beschriftenden optischen Elementes zu legen, und zwar
auch dann, wenn diese Oberfläche konvex oder konkav ge
krümmt ist, ist ein Verschiebetisch vorgesehen, auf dem
das optische Element angeordnet ist, und der dieses in
Richtung der Normalen im Scheitel des Elements ver
schiebt.
Um die Zahl der Flächen, auf die der UV-Lichtstrahl
trifft, möglichst gering zu halten, ist es ferner bevor
zugt, wenn die Spiegelanordnung lediglich einen Galvano
meterspiegel aufweist, der den Lichtstrahl in zwei Rich
tungen ablenkt.
Als Lichtquellen können prinzipiell alle Lichtquellen
verwendet werden, die Licht im UV-Bereich mit einer genü
genden Leistung zur Beschriftung bzw. Kennzeichnung von
optischen Elementen emittieren, beispielsweise UV-Lampen
oder frequenzvervielfachte Laser und insbesondere YAG-
Laser. Besonders bevorzugt ist jedoch der Einsatz von Ex
cimer-Lasern. Dabei sind insbesondere Laser mit einer
Wellenlänge von 193 Nanometer bevorzugt. Selbstverständ
lich können aber auch mehrere Lichtquellen mit gegebenen
falls unterschiedlichen Wellenlängen eingesetzt werden.
Das Einzelelement, das erfindungsgemäß das UV-Licht fo
kussiert, kann eine Einzellinse oder ein Hohlspiegel
sein. Von besonderem Vorteil im Hinblick auf die Stand
zeit des oder der Ablenkspiegel ist es, wenn das Einzele
lement im Lichtweg nach dem oder den Spiegeln angeordnet
ist, da dann die Leistungsdichte auf den Ablenkspiegeln
nicht durch die Fokussierung erhöht wird.
Alternativ ist es möglich, daß das Einzelelement ein
Hohlspiegel ist, der Bestandteil der Spiegelanordnung
ist.
Wie bereits ausgeführt ist es für die Exaktheit der Be
schriftung bzw. Kennzeichnung wesentlich, daß die Form
des Fokuspunktes und die Energieverteilung im Fokuspunkt
exakt definiert sind. Deshalb ist im Lichtweg zwischen
dem Excimer-Laser und der Spiegelanordnung wenigstens ei
ne Blende für den Laserstrahl vorgesehen. Bevorzugt sind
dabei zwei Blenden vorgesehen, von denen die in Licht
richtung erste Blende einen wesentlich kleineren Abstand
vom Excimer-Laser als die zweite Blende von der ersten
Blende hat. Hierdurch ergibt sich eine besonders gute
Strahlformung.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ver
schiebt der Verschiebetisch das Glas auch in Richtung der
Tangentialebene im Scheitel des Glases. Damit können grö
ßere Relativverschiebungen zwischen Lichtstrahl und zu
beschriftenden optischen Element - das im Falle von Bril
lengläsern einen Durchmesser von 70 mm oder mehr haben
kann - durch eine Verschiebung des Tisches ausgeführt
werden. Damit können die Winkel, um die der oder die
Spiegel den Lichtstrahl ablenken vergleichsweise klein
gehalten werden. Dies ist gerade im Falle von reflektie
renden Abbildungselementen von besonderem Vorteil.
Bei einer weiten Ausgestaltung der Erfindung ist eine
Steuereinheit vorgesehen, die die Lichtquelle, den oder
die Spiegel und insbesondere Galvanometerspiegel und den
Verschiebetisch in Zuordnung zu der gewünschten Kenn
zeichnung bzw. Beschriftung oder Codierung sowie zur Form
des zu beschriftenden Gegenstandes steuert. Die Steuer
einheit kann insbesondere eine frei programmierbare Steu
ereinheit sein, so daß beliebige Zeichen bzw. Codierungen
erzeugt werden können.
Durch die Verwendung einer derartigen Steuereinheit ist
es insbesondere möglich, optischer Elemente und insbeson
dere Brillengläser individuell zu gravieren; damit ist es
möglich, beispielsweise Auftragsnummern aufzubringen, so
daß die Fälschungssicherheit erhöht wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße
Vorrichtung können insbesondere zur Kennzeichnung bzw.
Beschriftung von Brillengläsern aus einem Silikat- oder
Kunststoffmaterial eingesetzt werden.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des all
gemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungs
beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exempla
risch beschrieben, auf die im übrigen hinsichtlich der
Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfin
dungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es
zeigen:
Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
Die in Fig. 1 schematisch dargestellte erfindungsgemäße
Vorrichtung weist eine Laserstrahlquelle 1 auf, die bei
dem gezeigten Ausführungsbeispiel einen UV-Laserstrahl
mit einer Wellenlänge von 193 Nanometer erzeugt. Im An
schluß an die Laserstrahlquelle 1 ist im Lichtweg in ei
nem Abstand a eine erste Blende 2 angeordnet; nach der
ersten Blende 2 ist mit einem Abstand b eine zweite Blen
de 2' angeordnet. Die beiden Blenden 2 und 2' formen den
Strahl der Laserstrahlquelle 1, so daß er kreisförmig ist
oder jede andere gewünschte, durch die Form der Blenden
vorgegebene Form hat.
Der derart geformte Strahl trifft auf einen x/y-Galvano
meterkopf 4, der den Strahl in einer x/y-Ebene, d. h. in
einer Ebene parallel zur Auflagefläche des nicht darge
stellten optischen Elements ablenkt.
Im Anschluß an den Galvanometerkopf 4 ist eine Einzellin
se 5 mit einer Brennweite f vorgesehen, die den Laser
strahl auf eine Beschriftungsebene 6 auf einem x/y/z-
Verschiebetisch 7 fokussiert. Durch die Verschiebung des
Tisches 7 ist es nicht nur möglich, den Fokuspunkt des
Laserstrahls immer auf eine gekrümmte Oberfläche eines
auf dem Tisch 7 liegenden (nicht dargestellten) Elemen
tes zu legen.
Darüberhinaus ist es durch die zusätzliche Verschiebung
des Tisches in x/y-Richtung möglich, die Auslenkung des
Laserstrahls im Galvanometerkopf auf kleine Winkelwerte
zu beschränken.
Vorstehend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbei
spiels ohne Beschränkung des allgemeinen, der allgemeinen
Beschreibung und den Ansprüchen entnehmbaren Erfindungs
gedankens beschrieben worden:
So ist es möglich, mehrere Lichtquellen und insbesondere
Laserstrahlquellen gegebenenfalls mit unterschiedlichen
Wellenlängen zu verwenden. Anstelle nur eines Spiegels im
Galvanometerkopf 4 können auch zwei Spiegel eingesetzt
werden.
Im Falle eines Spiegels der Spiegel oder im Falle zweier
Spiegel wenigstens ein Spiegel können zumindest in einer
Richtung keine Planspiegel sein, so daß die optische Wir
kung der Linse 5 ganz oder teilweise von dem oder den
Spiegeln aufgebracht wird. Ferner kann die Strahlformung
durch Blenden etc. auch anders als dargestellt erfolgen.
Claims (12)
1. Verfahren zur Kennzeichnung und insbesondere zur Be
schriftung von Oberflächen optischer Elemente, wie
Brillengläser mit UV-Licht, das insbesondere ein Ex
cimer-Laser erzeugt,
gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merk
male:
der Lichtstrahl wird mittels eines optischen Einzelelements fokussiert,
die zu kennzeichnende Oberfläche und der Fokus punkt des Lichtstrahles werden in Richtung der Tangentialebene im Scheitelpunkt der Oberfläche relativ zueinander verschoben, und
zusätzlich wird die zu kennzeichnende Oberflä che in Richtung der Normale im Scheitelpunkt derart verschoben, daß der Fokuspunkt auf der Oberfläche liegt.
der Lichtstrahl wird mittels eines optischen Einzelelements fokussiert,
die zu kennzeichnende Oberfläche und der Fokus punkt des Lichtstrahles werden in Richtung der Tangentialebene im Scheitelpunkt der Oberfläche relativ zueinander verschoben, und
zusätzlich wird die zu kennzeichnende Oberflä che in Richtung der Normale im Scheitelpunkt derart verschoben, daß der Fokuspunkt auf der Oberfläche liegt.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An
spruch 1, mit wenigstens einer UV-Lichtquelle, deren
Licht eine optische Einrichtung abbildet,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Spiegelanordnung (3) vorgesehen ist, die wenigstens einen Spiegel und insbesondere einen Galvanometerspiegel aufweist, der den Lichtstrahl in Richtung der Tangentialebene (x,y-Ebene) ablenkt,
daß die optische Einrichtung ein Einzelelement (5) aufweist, das den Lichtstrahl fokussiert,
und daß ein Verschiebetisch (7) vorgesehen ist, auf dem das optische Element angeordnet ist, und der dieses in Richtung der Normalen im Scheitel des Ele ments verschiebt.
daß eine Spiegelanordnung (3) vorgesehen ist, die wenigstens einen Spiegel und insbesondere einen Galvanometerspiegel aufweist, der den Lichtstrahl in Richtung der Tangentialebene (x,y-Ebene) ablenkt,
daß die optische Einrichtung ein Einzelelement (5) aufweist, das den Lichtstrahl fokussiert,
und daß ein Verschiebetisch (7) vorgesehen ist, auf dem das optische Element angeordnet ist, und der dieses in Richtung der Normalen im Scheitel des Ele ments verschiebt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelanordnung le
diglich einen Galvanometerspiegel (4) aufweist, der
den Lichtstrahl in zwei Richtungen ablenkt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle ein Ex
cimer-Laser (I) ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der Excimer-Laser (1)
UV-Licht mit einer Wellenlänge von 193 Nanometer
emittiert.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß das Einzelelement eine
Einzellinse (5) oder ein Hohlspiegel ist, und
daß das Einzelelement im Lichtweg nach dem oder den
Spiegeln (4) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß das Einzelelement ein
Hohlspiegel ist, der Bestandteil der Spiegelanord
nung ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß im Lichtweg zwischen dem
Excimer-Laser (1) und der Spiegelanordnung (3) we
nigstens eine Blende (2) für den Laserstrahl vorge
sehen ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß zwei Blenden (2, 2')
vorgesehen sind, von denen die im Lichtrichtung er
ste Blende (2) einen wesentlich kleineren Abstand
vom Excimer-Laser (1) als die zweite Blende (2') von
der ersten Blende (2) hat.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9,
daß dadurch gekennzeichnet, daß der Verschiebetisch
(7) das Element auch in Richtung der Tangentialebene
(x, y) im Scheitel des Elements verschiebt.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinheit vor
gesehen ist, die die Lichtquelle, den Galvanometer
spiegel und den Verschiebetisch in Zuordnung zu der
gewünschten Kennzeichnung bzw. Beschriftung sowie
zur Form des zu beschriftenden Gegenstandes steuert.
12. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bzw. der
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur
Kennzeichnung bzw. Beschriftung von Brillengläsern
aus einem Silikat- oder Kunststoffmaterial.
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