DE4143066A1

DE4143066A1 - Verfahren und anordnung zum markieren von oberflaechen

Info

Publication number: DE4143066A1
Application number: DE4143066A
Authority: DE
Inventors: Ulf Krause
Original assignee: Jenoptik Jena GmbH; Jenoptik AG
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1991-12-27
Filing date: 1991-12-27
Publication date: 1993-07-01

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Markieren von Oberflächen mittels Laser. Sie ist zur Markierung besonders großer Felder oder schlecht zu beschriftender Materialien einsetzbar.

Bekannte technische Lösungen zur Markierung von Oberflächen oder oberflächennahen Schichten mittels Laser basieren auf folgenden Prinzipien:

- Strahlscanning
- Objektscanning
- Maskenabbildung.

Beim Strahlscanning wird ein Laserstrahl (meist cw) durch Strahlscanner entsprechend der vorgegebenen Schriftzeichen über die zu beschriftende Oberfläche bewegt. Schon bei relativ kleinen Laserleistungen (einige Watt) lassen sich bei entsprechend kleinen Verfahrgeschwindigkeiten fast alle Materialien beschriften. Von Nachteil bei dieser Methode ist der relativ große Zeitaufwand je Markierung (typisch einige Sekunden).

Beim Objektscanning wird dagegen das Objekt bewegt, während der Laserstrahl fest auf einen Punkt im Raum fokussiert ist. Dieses Verfahren eignet sich besonders für große Teile, besitzt jedoch ansonsten die gleichen Vor- und Nachteile wie das Strahlscanning.

Bei der Maskenabbildung wird dagegen das gesamte Schriftfeld mit einem oder mehreren Laserimpulsen auf die zu markierende Oberfläche übertragen. Dabei wird eine Maske, die die entsprechenden Schriftzüge trägt, durch einen Laser beleuchtet und von einer relativ einfachen Optik auf die Oberfläche abgebildet. Die typische Größe der zu markierenden Felder auf den Teilen beträgt ca. 1 bis 2 cm². Die Markierung wird meist mit einem einzigen Laserimpulse angestrebt, so daß Beschriftungszeiten von 0,1 bis 0,01 sec realisierbar sind. In Abhängigkeit vom Material der zu beschriftenden Oberfläche und von der Wellenlänge des eingesetzten Lasers erfordert die Beschriftung von z. B. eingefärbtem Papier Energiedichten von 0,5 J/cm² (Excimerlaser), 2 J/cm² (CO₂-Laser) und 5 J/cm (YAG : Nd³⁺-Laser). Für ein Beschriftungsfeld von 2 cm² werden somit Impulsenergien von 1 bis 10 J benötigt.

Weiterhin sind verschiedene technische Lösungen der Augenchirurgie bekannt, bekannt, bei den beispielsweise nach der EP 01 51 869 das Abtragen der Hornhaut mit einem punktweise abtastenden Excimerlaser erfolgt, wobei nach der US-PS 47 98 204 nur der Abtrag eines Teils der Bowmannschen Membran (einer Hornhautschicht) möglich ist.

Weitere Erfindungen von L'Esperanze tangieren mit ähnlichen Lösungen diesen Komplex, wobei mit der US-PS 47 18 418, US-PS 47 29 372, US-PS 47 32 148 eine Auswahl von diesen anzugeben ist. Rowen, Marshall und Müller benutzen zur Hornhautveränderung eine Maske, deren Transmission sich während der Operation zeitlich ändert, wie in der WO 87-05 496 beschrieben. Die Größe der zu markierenden Felder ist nachteiligerweise aber beschränkt. Andere bekannte Lösungen verwenden ebenfalls eine Anordnung: Laser mit nachgeordneter Maske. Mit diesen teiltransparenten Masken ist man bestrebt, einen Materialabtrag mittels UV-Licht zu realisieren. Die DE-OS 35 35 073 verwendet beispielsweise eine Kontaktlinse als Maske, indem deren lichtdurchlässige Bereiche zur Hornhautchirurgie direkt auf das Auge gelegt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zum Markieren von Oberflächen zu schaffen, die das Markieren von besonders großen Feldern und/oder schlecht zu beschriftenden Materialien ermöglicht. Die markierbare Fläche je Laserimpuls ist wesentlich zu vergrößern.

Diese Aufgabe für ein Verfahren zum Markieren von Oberflächen, bei dem ein Material mit einer Anordnung, die eine Laserstrahlung bereitstellt, beschriftet wird, bei dem der Laserstrahl in n-Teilstrahlen unterteilt wird, wobei die Beleuchtung der Oberfläche mit den Teilstrahlen direkt oder indirekt erfolgt, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Unterteilung mit n»1 Teilstrahlen geschehen wird, daß die Teilstrahlen jeweils so punktförmig gebündelt werden, damit in einer bestimmten Ebene im Strahlengang der gesamte Laserstrahlquerschnitt durch n Brennpunkt mit einer durch die Bündelung erhöhten Lichtintensität ausgeleuchtet wird, wobei diese Ebene mit

a) einer Maskenebene oder
b) der zu beschriftenden Oberfläche oder
c) einer Zwischenbildebene

in einem Abbildungssystem zusammenfällt.

Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zum Markieren von Oberflächen, die aus einem Laser, einer Maske, einer Abbildungsoptik und einer Werkstoffplatte, die aufeinanderfolgend auf der Strahlungsachse des Lasers angeordnet sind, besteht, bei der die Maskenebene, die den Strahlquerschnitt der Laserstrahlung großflächig erfaßt, lichtdurchlässige und lichtundurchlässige Zonen aufweist und somit in mehrere Teilstrahlquerschnitte unterschiedlicher Strahlfläche unterteilt, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im parallelen Strahlengang vor oder nach der Maske an bestimmter Stelle eine Mikrolinsenplatte (5) angeordnet ist, die zur Erhöhung der Intensität der Laserstrahlung beiträgt, daß die Mikrolinsenplatte aus einer dichten Packung von Linsen, vorzugsweise Mikrolinsen, besteht, die in maximaler Anzahl n auf einer Trägerplatte angeordnet sind, daß sich in der Brennebene der Mikrolinsenplatte n Brennpunkte ergeben, die durch die Wahl der Linsenpackung realisiert sind, daß zu jedem nächstgelegenen Brennpunkt ein Brennpunktabstand realisiert ist, der etwa dem Linsendurchmesser entspricht.

Alle Linsendurchmesser sind groß gewählt. Die Linsen besitzen einen Durchmesser von 200 µm bis 50 µm und sind mit einer Brennweite von etwa 0,1 mm bis zu einigen mm angeordnet. Die Mikrolinsenplatte ist entweder in das System der Maskenbeleuchtung eingeordnet oder zur Aufspannung einer Zwischenbildebene nach der Maskenbeleuchtung vorgesehen. Die Zwischenbildebene liegt entweder direkt auf der zu beschriftenden Oberfläche oder ist mit der Abbildungsoptik zur Übertragung auf die zu beschriftende Oberfläche der Werkstoffplatte vorgesehen. Erfindungsgemäß wird die Eigenschaft von Mikrolinsenplatten genutzt, das Strahlungsfeld eines Lasers in viele kleine Brennflecke zu konzentrieren. Eine Mikrolinsenplatte besteht aus einer dichten Packung von Linsen, die auf einer Trägerplatte angeordnet sind. Wird eine solch Mikrolinsenplatte in einen parallelen Strahlengang gebracht, so fokussiert jede Linse das auf ihre Fläche

A₁ = πr₁²

fallende Licht auf eine Fläche

A₂ = πr₂²,

wobei
r₂ = f · R

mit
f - Brennweite der Mikrolinsen und
R - Halbwinkel der Laserstrahldivergenz.

Das Verhältnis der Flächen α=A₁/A₂ ergibt den Faktor der Intensitätserhöhung in der Brennebene der Mikrolinsenplatte gegenüber dem unfokussierten Laserstrahl. Besteht die Mikrolinsenplatte aus n in maximal dichter Packung angeordneten Mikrolinsen, so ergeben sich in der Brennebene der Mikrolinsenplatte n Brennpunkte, jeder mit einer Fläche A₂ in einem Abstand von jeweils etwa 2·r₁ zum nächstgelegenen Brennpunkt.

Für die Beschriftung eines Materials mit einer Schwellenenergiedichte von I₀ auf einer Fläche A₀ mittels Maskenabbildung wird ohne Mikrolinsenplatte eine Laserimpulsenergie von E₀=I₀·A₀ benötigt. Durch das Einbringen einer Mikrolinsenplatte in den Strahlengang kann

a) bei gleichbleibender Laserenergie E₀ und gleichem Material (gleiche Schwellenergiedichte) die zu beschriftende Fläche um den Faktor α vergrößert werden oder
b) bei gleichbleibender Laserenergie E₀ und gleicher zu beschriftenden Fläche A₀ ein schwerer zu beschriftendes Material (um α größere Schwellenergiedichte) beschriftet werden oder
c) das gleiche Material auf der gleichen Fläche mit einer um α kleineren Laserenergie beschriftet werden.

Eine Kombination dieser Variante ist möglich.

Die Mikrolinsenplatte kann dabei entweder in das System der Maskenbeleuchtung eingeordnet werden oder eine Zwischenbildebene aufspannen, die entweder direkt auf der zu beschriftenden Oberfläche liegt oder durch die bereits vorhandene Abbildungsoptik auf die Oberfläche übertragen wird.

Die Vorteile der Erfindung liegen darin, daß sie überall dort einsetzbar ist, wo besonders große Felder oder schlecht zu beschriftende Materialien zu markieren sind. Die Größe und die Kosten des erfindungsgemäßen Lasermarkierungssystems ist/sind gering. Mit ihm läßt sich die markierbare Fläche je Impuls wesentlich (gegenüber bekannter Lösungen) vergrößern. Die Palette der für die Beschriftung geeigneten Materialien erweitert sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in mehreren Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 die Mikrolinsenplatte mit einer dichten Packung von Linsen;

Fig. 2 die Brennebene der Mikrolinsenplatte;

Fig. 3 übliche Anordnung von maskenabbildenden Markiersystemen;

Fig. 4 ein Detail der erfindungsgemäßen Anordnung mit einer der Maske nachgeordneten Mikrolinsenplatte;

Fig. 5 ein Detail der erfindungsgemäßen Anordnung mit einer der Maske nachgeordneten Mikrolinsenplatte und einer zusätzlichen Abbildungsoptik;

Fig. 6 ein Detail der erfindungsgemäßen Anordnung mit einer der Maske vorgeordneten Mikrolinsenplatte.

Die von einem Laser (1) bereitgestellte Strahlung verläuft in Richtung der Strahlungsachse des Lasers (1). Eine Maske (2), eine Mikrolinsenplatte (5), die vor oder nach der Maske (2) an bestimmter Stelle angordnet ist, eine Abbildungsoptik (3) und eine Werkstoffplatte (4) befinden sich aufeinanderfolgend auf der Strahlungsachse. Diese erfindungsgemäße Anordnung ist in Fig. 4 dargestellt. Die Maskenebene weist lichtdurchlässige und lichtundurchlässige Zonen auf. In Fig. 1 ist der Aufbau der Mikrolinsenplatte (5) entnehmbar. Sie besteht aus einer dichten Packung von Linsen (6), vorzugsweise Mikrolinsen, die im maximaler Anzahl n auf einer Trägerplatte angeordnet sind. Die Linsen sollen den Radius r₁ besitzen. In der Brennebene der Mikrolinsenplatte nach Fig. 2 ergeben sich n Brennpunkte, die durch die Wahl der Linsenpackung realisiert sind. Zu jedem nächstgelegenen Brennpunkt besteht ein Brennpunktabstand, der etwa dem Linsendurchmesser 2r₁ entspricht. Fig. 4 zeigt eine einfache Variante zur Beschriftung mittels Mikrolinsenplatte (5). Die Maske (2) wird mit parallelem Licht ausgeleuchtet. Nach der Maske (2) befindet sich die Mikrolinsenplatte (5), in deren Fokusebene die zu beschriftende Werkstoffplatte (4) angeordnet ist. Aufgrund der relativ geringen Brennweite der Mikrolinsen (6) eignet sich der in Fig. 5 dargestellte Aufbau besser zur Beschriftung der Werkstoffplatte (4). Dabei wird die Fokusebene der Mikrolinsen (6) von einer zusätzlichen Abbildungsoptik (3) auf das zu beschriftende Werkstück (4) projiziert. Somit ist ein größerer Abstand zur Werkstückoberfläche möglich. Im Aufbau nach Fig. 6 dient die Mikrolinsenplatte (5) zur Ausleuchtung der abzubildenden Masken (2). Die Fokusebene der Mikrolinsen (6) liegt auf der Maske (2). Bei dieser Anordnung besteht die Möglichkeit, die Mikrolinsenplatte (5) in ein bereits bestehendes Markierungssystem ohne wesentliche Änderungen im System zu integrieren.

Claims

1. Verfahren zum Markieren von Oberflächen, bei dem ein Material mit einer Anordnung, die eine Laserstrahlung bereitstellt, beschriftet wird, bei dem der Laserstrahl in n Teilstrahlen unterteilt wird, wobei die Beleuchtung der Oberfläche mit den Teilstrahlen direkt oder indirekt erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterteilung mit n»1 Teilstrahlen geschehen wird, daß die Teilstrahlen jeweils so punktförmig gebündelt werden, damit in einer bestimmten Ebene im Strahlengang der gesamte Laserstrahlquerschnitt durch n Brennpunkte mit einer durch die Bündelung erhöhten Lichtintensität ausgeleuchtet wird, wobei diese Ebene mit a) einer Maskenebene
b) der zu beschriftenden Oberfläche oder
c) einer Zwischenbildebenein einem Abbildungssystem zusammenfällt.

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zum Markieren von Oberflächen, die aus einem Laser, einer Maske, einer Abbildungsoptik und einer Werkstoffplatte, die aufeinanderfolgend auf der Strahlungsachse des Lasers angeordnet sind, besteht, bei der die Maskenebene, die den Strahlquerschnitt der Laserstrahlung großflächig erfaßt, lichtdurchlässige und lichtundurchlässige Zonen aufweist und somit in mehrere Teilstrahlquerschnitte unterschiedlicher Strahlfläche unterteilt, dadurch gekennzeichnet, daß im parallelen Strahlengang vor oder nach der Maske (2) an bestimmter Stelle eine Mikrolinsenplatte (5) angeordnet ist, die zur Erhöhung der Intensität der Laserstrahlung beiträgt, daß die Mikrolinsenplatte (5) aus einer dichten Packung von Linsen (6), vorzugsweise Mikrolinsen, besteht, die in maximaler Anzahl n auf einer Trägerplatte angeordnet sind, daß sich in der Brennebene der Mikrolinsenplatte (5) n Brennpunkte ergeben, die durch die Wahl der Linsenpackung realisiert sind, daß zu jedem nächstgelegenen Brennpunkt ein Brennpunktabstand realisiert ist, der etwa dem Linsendurchmesser entspricht.

3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zum Markieren von Oberflächen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle Linsendurchmesser gleich groß gewählt sind.

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zum Markieren von Oberflächen nach Anspruch 2 und Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Linsen (6) mit einem Durchmesser von 0,2 mm angeordnet sind.

5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zum Markieren von Oberflächen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Linsen (6) mit einer Brennweite von etwa 0,1 mm bis zu einigen mm angeordnet sind.

6. Anordnung zur Durchführng des Verfahrens zum Markieren von Oberflächen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrolinsenplatte (5) entweder in das System der Maskenbeleuchtung eingeordnet ist oder zur Aufspannung einer Zwischenbildebene nach der Maskenbeleuchtung vorgesehen ist.

7. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zum Markieren von Oberflächen nach Anspruch 2 und Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenbildebene entweder direkt auf der zu beschriftenden Oberfläche liegt oder mit der Abbildungsoptik (3) zur Übertragung auf die zu beschriftende Oberfläche der Werkstoffplatte vorgesehen ist.