EP1433114A1 - Method and arrangement for laser engraving a substrate surface - Google Patents

Method and arrangement for laser engraving a substrate surface

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Publication number
EP1433114A1
EP1433114A1 EP02779137A EP02779137A EP1433114A1 EP 1433114 A1 EP1433114 A1 EP 1433114A1 EP 02779137 A EP02779137 A EP 02779137A EP 02779137 A EP02779137 A EP 02779137A EP 1433114 A1 EP1433114 A1 EP 1433114A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
engraving
substrate
laser
line
movements
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02779137A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Gerold Simke
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rodenstock GmbH
Laser 2000 GmbH
Original Assignee
Rodenstock GmbH
Laser 2000 GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE10148759A external-priority patent/DE10148759B8/en
Application filed by Rodenstock GmbH, Laser 2000 GmbH filed Critical Rodenstock GmbH
Publication of EP1433114A1 publication Critical patent/EP1433114A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/083Devices involving movement of the workpiece in at least one axial direction
    • B23K26/0853Devices involving movement of the workpiece in at least in two axial directions, e.g. in a plane
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/066Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms by using masks
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/007Marks, e.g. trade marks

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a laser engraving into a surface of a substrate, in which a laser beam is directed at beam intervals or continuously onto the surface to be engraved during an engraving process, the substrate moving in an xy plane perpendicular to the beam direction during the engraving process is and the movements of the substrate movements of the laser beam in the x and y directions are superimposed.
  • US Pat. No. 6,121,574 describes a method of the type mentioned in the introduction in which the substrate is moved in an x-y plane perpendicular to the beam direction during the engraving process and movements of the laser beam in the x and y directions are superimposed on the movements of the substrate.
  • DE 198 40 926 AI describes an arrangement in which several laser beams are combined in one laser spot. It is possible to move the substrate in the vertical z-direction to compensate for different substrate heights and to keep the laser beam focused on the respective surface.
  • Beam shaping diaphragms are arranged in the beam path of the laser beam generated by the laser generator.
  • these shield part of the laser beam in order to bring it into the form, for example of alphanumeric characters, which are to be applied to the surface of a substrate.
  • the beam shaping shutters serve to to split the shaped laser beam into several partial beams, which then ensure that the character to be engraved consists of several points generated by the partial beams, which considerably improves readability.
  • a focusing unit is provided for imaging the beam shaped in this way.
  • This focusing unit is used to focus the laser beam on the surface of the substrate lying on the substrate support and thus to sharply image the character embossed via the beam shaping diaphragm, which is then engraved into the surface by ablation.
  • the laser beam is either constantly directed at the surface of the substrate or a so-called pulse laser is used, which irradiates the surface at beam intervals.
  • this solution requires the entire mask drum to be replaced when a mask part that bears, for example, the most frequently used symbol is worn, which results in a considerable amount of maintenance.
  • a beam deflection unit in the form of a deflection mirror is also provided, which deflects the laser beam in order to bring it onto the surface of the substrate. This deflection takes place in the beam path before passing through the planfeid lens.
  • a flat field lens is used.
  • a method is known from DE 37 28 622 Cl and DE 196 12 406 C2 in which information that is macroscopically, ie essentially visible to the naked eye, is superimposed or embedded with information that is not visible macroscopically.
  • This information can consist of a machine-readable form, such as a barcode, or simply by omitting burn-in points or by realizing small and large burn-in points. This either produces machine-readable information, which, however, cannot be produced with justifiable effort using laser technology, or the information width is very limited if pixels are omitted.
  • the object of the invention is now to create an individual and freely programmable laser engraving in the surface. nes substrate together with an invisible information with an approximately the same manufacturing time compared to conventional laser engraving.
  • the laser engraving consists of a macroscopic structure which is composed of a pattern of microscopic engraving elements, the information encoded in the structure being impressed by macroscopically invisible deviations of the pattern from a desired pattern by the Structure by means of the x and y movements of the substrate and the deviations are generated by means of the x and y movements of the laser beam.
  • the shape of the character can therefore be set via the movement of the substrate. This makes it possible to create a wide variety of characters with a simple change in the movement program. This allows the production of so-called micro-engravings, in which the characters consist of engraving points within a matrix. Information is encrypted behind the presence or absence of engraving points within this matrix.
  • the simple change of the pattern to be engraved by the method according to the invention allows even substrate-specific patterns to be engraved and, furthermore, substrate-specific coded information to be engraved by means of micro-engraving and thus stored.
  • the laser engraving consists of a macroscopic structure, which is composed of a pattern of microscopic engraving elements, information encoded on the structure is imprinted by macroscopically invisible deviations of the pattern from a target pattern. This creates the possibility of accommodating non-visible information in a normally visible structure, which in turn can convey visible information. This invisible information can then be read out again by appropriately enlarging the structure and by comparing the pattern, ie the actual pattern, with the target pattern.
  • the information is introduced with two movements, in that the structure is generated by means of the x and y movements of the substrate and the deviations are generated by means of the x and y movements of the laser beam. Since the deviations only require very small geometric changes in the position of the laser beam on the substrate surface, which, however, have to be carried out with some precision, it is advisable not to use the relatively slow movement of the substrate for this, but to move the massless laser beam, which can be done with higher speed and greater precision.
  • the substrate is moved in a z-direction parallel to the beam direction during the engraving process.
  • This configuration makes it possible to take into account different surface structures and / or different material thicknesses of the substrates.
  • the movement in the z direction is dependent on the structure of the surface. This is done in such a way that the focus of the laser beam is always on the surface at different positions of the substrate in the xy plane.
  • a known surface structure of the substrates to be engraved one after the other can be taken into account in a control program, the surface structure can be programmed as it were. This then controls the z movement depending on the substrate position in the xy plane.
  • Another way of controlling the z movement is to regulate the focusing. Here, it is measured to what extent the laser beam is sharply imaged on the surface of the substrate and the z movement is accordingly initiated until the focus of the laser beam is imaged on the surface.
  • the beam is shaped via beam shaping diaphragms and the shape of the beam shaping diaphragms is sharply imaged on the surface as an engraving point.
  • the movements of the substrate take place discontinuously. This enables a point-by-point engraving in such a way that the substrate remains in a first position, is then moved to the next position, remains there again, etc.
  • a further embodiment of the discontinuous movement consists in the fact that when beam intervals are used, the movements take place in time intervals between the beam intervals.
  • a step-by-step operation is thus realized: a laser pulse with relatively high energy generates the point-like engraving during a pulse interval. After the laser pulse and before the next one, the position of the substrate is changed. This offers the advantage that it is possible to work with relatively high radiation energy and that the engraving points are imaged very precisely, since ablation occurs the surface of the substrate is avoided during the process.
  • the laser engraving consists of a large number of macroscopic structures. In this way, for example, visible points can be lined up. The individual structures can in turn serve to group information.
  • the target pattern is a matrix of set or not set engraving elements.
  • the deviations are then formed by omitting or adding or by engraving elements.
  • This matrix is visible as a small dot or small square. It is possible to achieve a high information density on the smallest geometrical area. Due to the small geometrical extent of the matrix, the information can also be stored on curved surfaces, since the small geometrical extent results in only an insignificant spatial extension of the structure even with a strong curvature. This makes both writing and reading the information considerably easier.
  • the matrix is provided with a matrix frame made of engraving elements.
  • the matrix In the macroscopic area, the matrix always appears as a geometric structure, regardless of the number of engraving elements inserted or missing.
  • Such a matrix frame also precisely defines the boundaries of the matrix.
  • the target pattern is selected as engraving elements lying on a line and the deviations are formed by a macroscopically invisible offset of the engraving elements from the line.
  • a line appears straight to the viewer because he does not perceive the offset, even though further information is not visibly stored in the line itself.
  • the target pattern is chosen as engraving elements lying one behind the other on a double line, the line spacing of which lies in the microscopic range. The engraving elements lie on the one line of the double line in the representation of a logical 0 in the coded information and on the other line of the double line in the case of the representation of a logical 1. This results in an exact assignment of the lateral offset and thus an increase in the detection accuracy.
  • the information can even be encoded twice in binary.
  • FIG. 1 is a perspective view of an arrangement according to the invention with a simple steel deflection unit
  • FIG. 2 is a perspective view of an arrangement according to the invention with a galvanometer head
  • FIG. 3 shows a representation of a micro-engraving produced by the method according to the invention in the form of a matrix
  • the arrangement shown in FIG. 1 has a laser generator 1 that generates a laser beam 2.
  • This laser beam 2 passes through a beam shaping diaphragm 3, which is designed as a pinhole.
  • One of the laser beams is serstrahl 2 shaped with a sharply defined circular cross section. It can be reproduced in good quality later.
  • the laser beam 2 undergoes another shape correction in a correction diaphragm 4.
  • the laser beam passes through a beam deflection unit 5, in which a deflection mirror 6 is arranged, which deflects the laser beam 2 perpendicular to its previous direction.
  • This deflected laser beam 2 is focused in a focusing unit 7, which consists of a simple focusing lens, which is connected to the beam deflection unit 5.
  • a substrate support 9 is provided, which is connected to an x-y cross table 10.
  • This x-y cross table 10 can be moved in an x-y plane which is determined by the directions of movement x and y and which is perpendicular to the direction of the deflected laser beam 2.
  • a z drive 1 is provided under the x-y cross table 10, through which the x-y cross table 10 and thus the substrate support 9 can be moved in a z direction lying parallel to the laser beam 2.
  • This arrangement allows a so-called micro-engraving, as shown in FIG. 3, to be produced on a substrate 12 which rests on the substrate support 9 and is fixed there in a manner not shown in any more detail.
  • This micro engraving consists of engraving elements, which in this example are designed as engraving points 13. However, these engraving elements can also have other shapes, and the choice of shape can also already contain information.
  • the engraving points 13 are arranged within a matrix 14. Behind the presence or absence of engraving points 13- Within this matrix 14, information, for example about the substrate 12, is encrypted in that the pattern which is generated with the engraving points 13 within the matrix 14 is of a desired pattern which, in the case of the completely filled matrix 14, would correspond , deviates.
  • the matrix 14 is provided with a matrix frame 15. The engraving points 13 in the matrix frame 15 are not available for coding the information.
  • the x-y cross table 10 moves the substrate 12 below the focus 8, so that the focus 8 lies on the engraving point 13 to be generated. Since the substrate 12 is not flat, the focus 8 is precisely adjusted by means of the z drive 11.
  • the substrate 12 remains in this position until the engraving point 13 is created. The same procedure is then followed at the next engraving point 13 to be generated in the matrix 14.
  • the positioning of the focus 8 on the substrate 12 requires a high degree of accuracy, which must be realized by the x-y cross table 10. This requires a high manufacturing effort and also involves longer positioning times.
  • Beam deflection unit 5 in FIG. 1 is provided with a galvanometer head 16.
  • the galvanometer head 16 includes a first one
  • the first galvanometer mirror 17 is about a first axis
  • the second galvanometer mirror 18 is about a second axis
  • the xy plane is an imaginary and not shown E- plane that expands in the x and y directions.
  • the galvanometer mirrors 17 and 18 are magnetically biased and deflected by an electric field. This makes it possible to carry out deflections of the focus 8 with high speed and high precision. With this arrangement, a movement of the focus 8 can be superimposed on the movement of the substrate 12. This makes it much easier to generate the only microscopically visible deviations of the pattern from engraving points 13.
  • the electrical control of the galvanometer mirrors 17 and 18 also offers the possibility that the information can be written directly from a computing device.
  • the laser engraving consists of a macroscopic structure 21, which is composed of a pattern of engraving points 13. Information coded to structure 21 has been impressed on it by macroscopically invisible deviations of the pattern from a target pattern.
  • the pattern is designed as engraving points 13 lying one behind the other on a double line 24.
  • the line spacing of the double line 24 is in the microscopic range.
  • the engraving points 13 lie on the one line of the double line 24 in the representation of a logical 0 in the coded information and on the other line of the double line 24 in the case of a logical 1.

Abstract

The invention relates to a method and an arrangement for laser engraving a substrate surface, whereby during an engraving process a laser beam, produced by a laser generator, is shaped by means of beam-shaping diaphragms, focussed in a focussing unit and directed continuously or intermittently to the surface which is to be engraved. The aim of said invention is to permit an individual and freely programmable laser engraving of the substrate surface with reduced expenditures on production and maintenance. Said aim is achieved whereby, according to said method, the substrate is moved during the engraving process in a x-y plane, perpendicular to the beam direction and whereby, in said arrangement, the substrate support can be moved in a x-y plane, perpendicular to the laser beam direction.

Description

Verfahren und Anordnung zur Erzeugung einer Lasergravur in eine Oberfläche eines Substrates Method and arrangement for producing a laser engraving in a surface of a substrate
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Lasergravur in eine Oberfläche eines Substrates, bei dem während eines Graviervorganges ein Laserstrahl in Strahlintervallen oder ständig auf die zu gravierende Oberfläche gerichtet wird, wobei das Substrat während des Graviervorganges in einer senkrecht zur Strahlrichtung liegenden x-y-Ebene bewegt wird und den Bewegungen des Substrates Bewegungen des Laserstrahles in x- und y-Richtung überlagert werden.The invention relates to a method for producing a laser engraving into a surface of a substrate, in which a laser beam is directed at beam intervals or continuously onto the surface to be engraved during an engraving process, the substrate moving in an xy plane perpendicular to the beam direction during the engraving process is and the movements of the substrate movements of the laser beam in the x and y directions are superimposed.
In der US 6,121,574 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art beschrieben, bei dem Substrat während des Graviervorganges in einer senkrecht zur Strahlrichtung liegenden x-y-Ebene bewegt wird und den Bewegungen des Substrates Bewegungen des Laserstrahles in x- und y-Richtung überlagert werden.US Pat. No. 6,121,574 describes a method of the type mentioned in the introduction in which the substrate is moved in an x-y plane perpendicular to the beam direction during the engraving process and movements of the laser beam in the x and y directions are superimposed on the movements of the substrate.
In der DE 198 40 926 AI ist eine Anordnung beschrieben, bei der mehrere Laserstrahlen in einem Laserpunkt zusammengefasst werden. Dabei besteht die Möglichkeit, das Substrat in senkrechter z-Richtung zu bewegen, um verschiedene Substrathöhen auszuglei- chen und den Laserstrahl auf der jeweiligen Oberfläche fokussiert zu halten.DE 198 40 926 AI describes an arrangement in which several laser beams are combined in one laser spot. It is possible to move the substrate in the vertical z-direction to compensate for different substrate heights and to keep the laser beam focused on the respective surface.
In der EP 0 601 857 AI ist eine Anordnung beschrieben, die einen Lasergenerator aufweist. Zur Gravur von transparenten Mate- rialien eignen sich Excimer Laser, die im tiefen UV-Spektrum arbeiten und sehr gute Ablationseigenschaften aufweisen.In EP 0 601 857 AI an arrangement is described which has a laser generator. Excimer lasers that work in the deep UV spectrum and have very good ablation properties are suitable for engraving transparent materials.
Im Strahlengang des von dem Lasergenerator erzeugten Laserstrahles sind Strahlformungsblenden angeordnet. Diese schirmen einerseits einen Teil des Laserstrahles ab, um diesen in die Form, beispielsweise von alphanumerischen Zeichen zu bringen, die auf der Oberfläche eines Substrates aufgebracht werden sollen. Andererseits dienen die Strahlformungsblenden dazu, den geformten Laserstrahl in mehrere Teilstrahlen zu zerlegen, die dann dafür Sorge tragen, dass das zu gravierende Zeichen aus mehreren von den Teilstrahlen erzeugten Punkten besteht, wodurch sich die Lesbarkeit erheblich verbessert.Beam shaping diaphragms are arranged in the beam path of the laser beam generated by the laser generator. On the one hand, these shield part of the laser beam in order to bring it into the form, for example of alphanumeric characters, which are to be applied to the surface of a substrate. On the other hand, the beam shaping shutters serve to to split the shaped laser beam into several partial beams, which then ensure that the character to be engraved consists of several points generated by the partial beams, which considerably improves readability.
Zur Abbildung des derart geformten Strahles ist eine Fokussiereinheit vorgesehen. Diese Fokussiereinheit dient dazu, den Laserstrahl auf die Oberfläche des auf der Substratauflage liegenden Substrates zu fokussieren und damit das über die Strahl- formungsblenden aufgeprägte Zeichen scharf abzubilden, welches dann durch Ablation in die Oberfläche eingraviert wird.A focusing unit is provided for imaging the beam shaped in this way. This focusing unit is used to focus the laser beam on the surface of the substrate lying on the substrate support and thus to sharply image the character embossed via the beam shaping diaphragm, which is then engraved into the surface by ablation.
Bei dem Graviervorgang ist der Laserstrahl entweder ständig auf die Oberfläche des Substrates gerichtet oder es wird ein soge- nannter Pulslaser eingesetzt, der die Oberfläche in Strahlintervallen bestrahlt.During the engraving process, the laser beam is either constantly directed at the surface of the substrate or a so-called pulse laser is used, which irradiates the surface at beam intervals.
Es hat sich gezeigt, dass diese bekannte Anordnung und das damit realisierte Verfahren wenig flexibel ist, da jeder Zeichen- Wechsel auch einen Wechsel der Strahlformungsblenden erfordert. Außerdem wird ein erheblicher Teil der Laserenergie an den Strahlformungsblenden reflektiert oder in Wärme umgesetzt.It has been shown that this known arrangement and the method implemented with it are not very flexible since each change of character also requires a change of the beam shaping diaphragms. In addition, a significant part of the laser energy is reflected at the beam shaping diaphragms or converted into heat.
Eine Möglichkeit, zu einem schnelleren und flexibleren Zeichen- Wechsel zu gelangen, ist in der US 4 194 814 A dargestellt. Diese Lösung sieht ebenfalls den Einsatz von Strahlformungsmas- ken vor, die auf einer drehbaren Maskentrommel angeordnet sind. Je nach gewünschtem Zeichen wird das entsprechende Maskenteil, dass das Zeichen formt, in den Strahlengang des Laserstrahles gedreht .One way of achieving a faster and more flexible change of characters is shown in US Pat. No. 4,194,814. This solution also provides for the use of beam shaping masks which are arranged on a rotatable mask drum. Depending on the desired character, the corresponding mask part that forms the character is rotated into the beam path of the laser beam.
Neben dem nicht unerheblichen mechanischen Aufwand erfordert diese Lösung bei einem Verschleiß eines Maskenteiles, das beispielsweise das am meisten benutzte Zeichen trägt, das Auswech- sein der gesamten Maskentrommel, wodurch ein erheblicher Instandhaltungsaufwand entsteht.In addition to the not inconsiderable mechanical effort, this solution requires the entire mask drum to be replaced when a mask part that bears, for example, the most frequently used symbol is worn, which results in a considerable amount of maintenance.
In der Anordnung nach der bereits beschriebenen EP 0 601 857 AI ist auch eine Strahlablenkeinheit in Form eines Umlenkspiegels vorgesehen, der den Laserstrahl ablenkt, um ihn auf die Oberfläche des Substrates zu bringen. Diese Ablenkung erfolgt im Strahlengang vor Passieren des Planfeidobjektives .In the arrangement according to EP 0 601 857 AI already described a beam deflection unit in the form of a deflection mirror is also provided, which deflects the laser beam in order to bring it onto the surface of the substrate. This deflection takes place in the beam path before passing through the planfeid lens.
Es ist nun bekannt eine derartige Strahlablenkungseinheit für eine programmierbare und flexible Lasergravur einzusetzen indem der Umlenkspiegel in einem Galvanometerköpf angeordnet wird. Mit Hilfe des Galvanometerkopfes kann der Laserstrahl innerhalb des Beschriftungsfeldes auf der Oberfläche des Substrates bewegt werden. Damit kann die Form des abzubildenden Zeichens durch eine Bewegung des Galvanometerkopfes und nicht mehr ausschließlich durch eine Strahlformungsblende beeinflusst werden.It is now known to use such a beam deflection unit for programmable and flexible laser engraving by arranging the deflecting mirror in a galvanometer head. With the help of the galvanometer head, the laser beam can be moved within the labeling field on the surface of the substrate. The shape of the character to be imaged can thus be influenced by a movement of the galvanometer head and no longer exclusively by a beam shaping diaphragm.
Um eine Abbildung des Laserstrahles auf dem gesamten Beschriftungsfeld zu erreichen, wird ein Planfeldobjektiv eingesetzt.To achieve an image of the laser beam on the entire labeling field, a flat field lens is used.
Eine derartige Anordnung und ein damit realisiertes Verfahren zeigt insbesondere bei dem bevorzugten Laserspektrum den Nach- teil, dass ein derartiges Planfeldobjektiv nur sehr aufwändig herstellbar ist und mit ihm nur kurze Standzeiten erreicht werden können.Such an arrangement and a method implemented with it have the disadvantage, in particular in the case of the preferred laser spectrum, that such a flat field lens can be produced only with great effort and can only be used to achieve a short service life.
Aus der DE 37 28 622 Cl und der DE 196 12 406 C2 ist ein Ver- fahren bekannt, bei dem einer makroskopisch, also im wesentlichen mit dem bloßen Auge sichtbaren Information eine makroskopisch nicht sichtbare Information über- oder eingelagert ist. Diese Information kann aus einer maschinenlesbaren Form, wie einem Barcode bestehen oder einfach durch Weglassen von Ein- brennpunkten oder der Realisierung klein und großer Einbrenn- punkte realisiert werden. Damit wird entweder eine maschinenlesbare Information erzeugt, die jedoch mit einer Lasertechnik nicht mit vertretbaren Aufwand hergestellt werden kann, oder beim Weglassen von Bildpunkten ist die Informationsbreite sehr geschränkt.A method is known from DE 37 28 622 Cl and DE 196 12 406 C2 in which information that is macroscopically, ie essentially visible to the naked eye, is superimposed or embedded with information that is not visible macroscopically. This information can consist of a machine-readable form, such as a barcode, or simply by omitting burn-in points or by realizing small and large burn-in points. This either produces machine-readable information, which, however, cannot be produced with justifiable effort using laser technology, or the information width is very limited if pixels are omitted.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, eine individuelle und frei programmierbare Lasergravur in der Oberfläche ei- nes Substrates zusammen mit einer nicht sichtbaren Information mit einem im Vergleich zum herkömmlichen Lasergravieren annähernd gleichen Herstellungszeitaufwand einzubringen.The object of the invention is now to create an individual and freely programmable laser engraving in the surface. nes substrate together with an invisible information with an approximately the same manufacturing time compared to conventional laser engraving.
Diese Aufgabe wird verfahrensseitig dadurch gelöst, dass die Lasergravur aus einer makroskopischen Struktur besteht, die aus einem Muster von mikroskopischen Gravurelementen zusammengesetzt wird, wobei der Struktur kodierte Informationen durch makroskopisch nicht sichtbare Abweichungen des Musters von ei- nem Soll-Muster aufgeprägt werden, indem die Struktur mittels der x- und y-Bewegung des Substrates und die Abweichungen mittels der x- und y-Bewegungen des Laserstrahles erzeugt werden.On the process side, this object is achieved in that the laser engraving consists of a macroscopic structure which is composed of a pattern of microscopic engraving elements, the information encoded in the structure being impressed by macroscopically invisible deviations of the pattern from a desired pattern by the Structure by means of the x and y movements of the substrate and the deviations are generated by means of the x and y movements of the laser beam.
Die Form des Zeichens kann also über die Bewegung des Substra- tes eingestellt werden. Damit wird es möglich, mit einer einfachen Veränderung des Bewegungsprogrammes verschiedenste Zeichen herzustellen. Dies erlaubt die Herstellung sogenannter Mikro- gravuren, bei denen die Zeichen aus Gravurpunkten innerhalb einer Matrix bestehen. Hinter dem Vorhandensein oder Fehlen von Gravurpunkten innerhalb dieser Matrix sind Informationen verschlüsselt.The shape of the character can therefore be set via the movement of the substrate. This makes it possible to create a wide variety of characters with a simple change in the movement program. This allows the production of so-called micro-engravings, in which the characters consist of engraving points within a matrix. Information is encrypted behind the presence or absence of engraving points within this matrix.
Die einfache Änderung des zu gravierenden Musters durch das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, sogar substratspezifische Muster zu gravieren und weiterhin mittels Mikrogravuren substratspezifische codierte Informationen einzugravieren und damit zu speichern.The simple change of the pattern to be engraved by the method according to the invention allows even substrate-specific patterns to be engraved and, furthermore, substrate-specific coded information to be engraved by means of micro-engraving and thus stored.
Durch die Überlagerung der Bewegungen des Substrates mit Bewe- gungen des Laserstrahles in x- und y-Richtung wird es möglich, die erforderliche Präzision der Bewegung des Substrates zu minimieren, da die Feinjustage durch die Bewegung des Laserstrahles vorgenommen werden kann. Andererseits bietet dies den Vorteil, dass während der Gravur durch den Laserstrahl zusätzliche Bewegungen aufgebracht werden können. Somit wird es beispielsweise möglich, durch ein Kreisen des Strahles eine Verbreiterung der Gravurlinien zu erreichen. Dadurch, dass die Lasergravur aus einer makroskopischen Struktur besteht, die aus einem Muster von mikroskopischen Gravurelementen zusammengesetzt wird, werden der Struktur kodierte Informationen durch makroskopisch nicht sichtbare Abweichungen des Musters von einem Soll-Muster aufgeprägt. Somit wird die Möglichkeit geschaffen, in einer normal sichtbaren Struktur, die ihrerseits sichtbare Informationen vermitteln kann, auch nicht sichtbare Informationen unterzubringen. Diese nicht sichtbare Information kann dann durch entsprechende Vergröße- rung der Struktur und durch einen Vergleich des Musters, d.h. des Ist-Musters, mit dem Soll-Muster dann wieder ausgelesen werden.By superimposing the movements of the substrate with movements of the laser beam in the x and y directions, it becomes possible to minimize the required precision of the movement of the substrate, since the fine adjustment can be carried out by the movement of the laser beam. On the other hand, this has the advantage that additional movements can be applied by the laser beam during engraving. This makes it possible, for example, to broaden the engraving lines by circling the beam. Because the laser engraving consists of a macroscopic structure, which is composed of a pattern of microscopic engraving elements, information encoded on the structure is imprinted by macroscopically invisible deviations of the pattern from a target pattern. This creates the possibility of accommodating non-visible information in a normally visible structure, which in turn can convey visible information. This invisible information can then be read out again by appropriately enlarging the structure and by comparing the pattern, ie the actual pattern, with the target pattern.
Die Einbringung der Information erfolgt mit zwei Bewegungen, indem die Struktur mittels der x- und y-Bewegung des Substrates und die Abweichungen mittels der x- und y-Bewegungen des Laserstrahles erzeugt wird. Da die Abweichungen nur sehr kleine geometrische Veränderungen der Position des Laserstrahles auf der Substratoberfläche erfordern, die allerdings mit einiger Präzi- sion ausgeführt werden müssen, ist es zweckmäßig, hierfür nicht die relativ träge Bewegung des Substrates zu verwenden, sondern den masselosen Laserstrahl zu bewegen, was mit höherer Geschwindigkeit und größerer Präzision erfolgen kann.The information is introduced with two movements, in that the structure is generated by means of the x and y movements of the substrate and the deviations are generated by means of the x and y movements of the laser beam. Since the deviations only require very small geometric changes in the position of the laser beam on the substrate surface, which, however, have to be carried out with some precision, it is advisable not to use the relatively slow movement of the substrate for this, but to move the massless laser beam, which can be done with higher speed and greater precision.
In einer günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Substrat während des Graviervorganges in einer parallel zur Strahlrichtung liegenden z-Richtung bewegt wird.In a favorable embodiment of the invention it is provided that the substrate is moved in a z-direction parallel to the beam direction during the engraving process.
Durch diese Ausgestaltung wird es möglich, verschiedene Ober- flächenstrukturen und/oder verschiedene Materialstärken der Substrate zu berücksichtigen.This configuration makes it possible to take into account different surface structures and / or different material thicknesses of the substrates.
Besonders zweckmäßig ist es hierbei, dass die Bewegung in z- Richtung in Abhängigkeit von der Struktur der Oberfläche er- folgt. Dies geschieht derart, dass der Fokus des Laserstrahles bei unterschiedlichen Stellungen des Substrates in der x-y- Ebene stets auf der Oberfläche liegt. Zur Realisierung der z-Bewegung kann eine bekannte Oberflächenstruktur der nacheinander zu gravierenden Substrate bei einem Steuerprogramm berücksichtigt werden, die Oberflächenstruktur sozusagen festprogrammiert werden. Dadurch wird dann die z- Bewegung in Abhängigkeit der SubstratStellung in der x-y-Ebene gesteuert .It is particularly expedient here that the movement in the z direction is dependent on the structure of the surface. This is done in such a way that the focus of the laser beam is always on the surface at different positions of the substrate in the xy plane. To implement the z movement, a known surface structure of the substrates to be engraved one after the other can be taken into account in a control program, the surface structure can be programmed as it were. This then controls the z movement depending on the substrate position in the xy plane.
Eine andere Möglichkeit der Steuerung der z-Bewegung besteht in einer Regelung des Fokussierens . Hierbei wird gemessen, in wie- weit der Laserstrahl auf der Oberfläche des Substrats scharf abgebildet wird und dementsprechend die z-Bewegung eingeleitet, bis der Fokus des Laserstrahlen auf der Oberfläche abgebildet wird.Another way of controlling the z movement is to regulate the focusing. Here, it is measured to what extent the laser beam is sharply imaged on the surface of the substrate and the z movement is accordingly initiated until the focus of the laser beam is imaged on the surface.
In einer anderen Ausgestaltung des Verfahrens wird der Strahl über Strahlformungsblenden geformt und die Form der Strahlformungsblenden als Gravurpunkt auf der Oberfläche scharf abgebildet. Damit besteht die Möglichkeit durch verschiedene Strahlformungsblenden Gravurpunkte mit einer besonderen Form, die beispielsweise für eine automatische Erkennung besonders geeignet sind, zu erzeugen.In another embodiment of the method, the beam is shaped via beam shaping diaphragms and the shape of the beam shaping diaphragms is sharply imaged on the surface as an engraving point. This makes it possible to use different beam shaping apertures to generate engraving points with a special shape, which are particularly suitable, for example, for automatic detection.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Bewegungen des Substrates diskontinuierlich erfolgen. Hierdurch kann eine punktweise Gravur derart erfolgen, dass das Substrat in einer ersten Stellung verharrt, anschließend in die nächste Stellung bewegt wird, dort wieder verharrt usw.In a further embodiment of the method it is provided that the movements of the substrate take place discontinuously. This enables a point-by-point engraving in such a way that the substrate remains in a first position, is then moved to the next position, remains there again, etc.
Eine weitere Ausgestaltung der diskontinuierlichen Bewegung be- steht darin, dass bei einem Einsatz von Strahlintervallen die Bewegungen in zeitlichen Zwischenräumen zwischen den Strahlin- tervallen erfolgen. Somit wird ein step-by-step-Betrieb realisiert: Ein Laserimpuls mit relativ hoher Energie erzeugt die punktartige Gravur während eines Impulsintervalls . Nach dem Laserimpuls und vor dem nächsten wird die Stellung des Substrates verändert. Dies bietet den Vorteil, das mit relativ hoher Strahlungsenergie gearbeitet werden kann und dass eine sehr genaue Abbildung der Gravurpunkte erfolgt, da eine Ablation auf der Oberfläche des Substrates während des Verfahrens vermieden wird.A further embodiment of the discontinuous movement consists in the fact that when beam intervals are used, the movements take place in time intervals between the beam intervals. A step-by-step operation is thus realized: a laser pulse with relatively high energy generates the point-like engraving during a pulse interval. After the laser pulse and before the next one, the position of the substrate is changed. This offers the advantage that it is possible to work with relatively high radiation energy and that the engraving points are imaged very precisely, since ablation occurs the surface of the substrate is avoided during the process.
Es ist weiterhin möglich, dass die Lasergravur aus einer Viel- zahl makroskopischer Strukturen besteht. Somit können beispielsweise sichtbare Punkte aneinander gereiht werden. Dabei können die einzelnen Strukturen wiederum der Gruppierung von Informationen dienen.It is also possible that the laser engraving consists of a large number of macroscopic structures. In this way, for example, visible points can be lined up. The individual structures can in turn serve to group information.
Es ist zweckmäßig, das Soll-Muster als Matrix von gesetzten o- der nicht gesetzten Gravurelementen zu wählen. Die Abweichungen werden dann durch ein Weglassen oder Hinzufügen oder von Gravurelementen gebildet. Sichtbar ist diese Matrix als kleiner Punkt oder kleines Viereck. Dabei ist es möglich, auf kleinster geometrischer Fläche eine hohe Informationsdichte zu erreichen. Bedingt durch die geringe geometrische Ausdehnung der Matrix können auch auf gekrümmten Oberflächen die Informationen gespeichert werden, da in Folge der geringen geometrischen Ausdehnung auch bei einer starken Krümmung nur eine unwesentliche räumliche Erstreckung der Struktur entsteht. Damit wird sowohl das Schreiben als auch das Lesen der Information erheblich erleichtert.It is expedient to select the target pattern as a matrix of set or not set engraving elements. The deviations are then formed by omitting or adding or by engraving elements. This matrix is visible as a small dot or small square. It is possible to achieve a high information density on the smallest geometrical area. Due to the small geometrical extent of the matrix, the information can also be stored on curved surfaces, since the small geometrical extent results in only an insignificant spatial extension of the structure even with a strong curvature. This makes both writing and reading the information considerably easier.
Es ist möglich, dass die Matrix mit einem Matrixrahmen aus Gra- vurelementen versehen wird. Damit erscheint die Matrix im makroskopischen Bereich immer als ein geometrisches Gebilde, unabhängig von der Anzahl der eingebrachten oder fehlenden Gravierelemente. Auch definiert ein solcher Matrixrahmen genau die Grenzen der Matrix.It is possible that the matrix is provided with a matrix frame made of engraving elements. In the macroscopic area, the matrix always appears as a geometric structure, regardless of the number of engraving elements inserted or missing. Such a matrix frame also precisely defines the boundaries of the matrix.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, das Soll-Muster als auf einer Linie liegenden Gravurelementen gewählt wird und die Abweichungen durch einen makroskopisch nicht sichtbaren Versatz der Gravurelemente von der Linie ge- bildet werden. Dem Betrachter erscheint eine solche Linie gerade, da er den Versatz nicht wahrnimmt, obwohl in der Linie selbst noch weitere Information nicht sichtbar gespeichert ist. In einer Variante hierzu ist vorgesehen, dass das Soll- Muster als auf einer Doppellinie hintereinander liegenden Gravurelementen gewählt wird, deren Linienabstand im mikroskopischen Bereich liegt. Dabei liegen die Gravurelemente bei der Darstellung einer logischen 0 in der kodierten Information auf der einen Linie der Doppellinie und bei der Darstellung einer logischen 1 auf der anderen Linie der Doppellinie. Damit ergibt sich eine genaue Zuordnung des seitlichen Versatzes und dadurch eine Erhöhung in der Erken- nungsgenauigkeit .In a further embodiment of the method, it is provided that the target pattern is selected as engraving elements lying on a line and the deviations are formed by a macroscopically invisible offset of the engraving elements from the line. Such a line appears straight to the viewer because he does not perceive the offset, even though further information is not visibly stored in the line itself. In a variant of this, it is provided that the target pattern is chosen as engraving elements lying one behind the other on a double line, the line spacing of which lies in the microscopic range. The engraving elements lie on the one line of the double line in the representation of a logical 0 in the coded information and on the other line of the double line in the case of the representation of a logical 1. This results in an exact assignment of the lateral offset and thus an increase in the detection accuracy.
Durch ein Auslassen von Gravurelementen auf der einen oder auf der anderen Linie kann dann die Information sogar doppelt binär verschlüsselt werden.By omitting engraving elements on one or the other line, the information can even be encoded twice in binary.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispie- les näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigtThe invention will be explained in more detail below on the basis of an exemplary embodiment. In the accompanying drawings
Fig. 1 eine Perspektivdarstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einer einfachen Stahlablenkungseinheit,1 is a perspective view of an arrangement according to the invention with a simple steel deflection unit,
Fig. 2 eine Perspektivdarstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einem Galvanometerkopf,2 is a perspective view of an arrangement according to the invention with a galvanometer head,
Fig. 3 eine Darstellung einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Mikrogravur in Form einer Matrix und3 shows a representation of a micro-engraving produced by the method according to the invention in the form of a matrix and
Fig. 4 die Darstellung einer makroskopischen Struktur mit einem eine Information enthaltenden mikroskopischen Muster.4 shows a macroscopic structure with a microscopic pattern containing information.
Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung weist einen Lasergenerator 1 auf, der einen Laserstrahl 2 erzeugt. Dieser Laserstrahl 2 passiert eine Strahlformungsblende 3, die als Lochblende ausgebildet ist. Durch diese Strahlformungsblende 3 wird ein der La- serstrahl 2 mit einem scharf abgegrenzten kreisrunden Querschnitt geformt. Damit kann er später in guter Qualität abgebildet werden.The arrangement shown in FIG. 1 has a laser generator 1 that generates a laser beam 2. This laser beam 2 passes through a beam shaping diaphragm 3, which is designed as a pinhole. One of the laser beams is serstrahl 2 shaped with a sharply defined circular cross section. It can be reproduced in good quality later.
In einer Korrekturblende 4 erfährt der Laserstrahl 2 eine nochmalige Formkorrektur.The laser beam 2 undergoes another shape correction in a correction diaphragm 4.
Im weiteren Strahlengang passiert der Laserstrahl eine Strahlablenkungseinheit 5, in dem ein Umlenkspiegel 6 angeord- net ist, der den Laserstrahl 2 senkrecht zu seiner bisherigen Richtung ablenkt.In the further beam path, the laser beam passes through a beam deflection unit 5, in which a deflection mirror 6 is arranged, which deflects the laser beam 2 perpendicular to its previous direction.
Dieser abgelenkte Laserstrahl 2 wird in einer Fokussiereinheit 7, die aus einer einfachen Fokussierlinse besteht, welche mit der Strahlablenkungseinheit 5 verbunden ist, fokussiert.This deflected laser beam 2 is focused in a focusing unit 7, which consists of a simple focusing lens, which is connected to the beam deflection unit 5.
Unter dem Fokus 8 ist eine Substratauflage 9 vorgesehen, die mit einem x-y-Kreuztisch 10 verbunden ist. Dieser x-y- Kreuztisch 10 ist in einer x-y-Ebene, die durch die Bewegungs- richtungen x und y bestimmt wird, und die senkrecht zu der Richtung des abgelenkten Laserstrahles 2 liegt, bewegbar.Under the focus 8, a substrate support 9 is provided, which is connected to an x-y cross table 10. This x-y cross table 10 can be moved in an x-y plane which is determined by the directions of movement x and y and which is perpendicular to the direction of the deflected laser beam 2.
Zusätzlich ist unter dem x-y-Kreuztisch 10 ein z-Antrieb 1 vorgesehen, durch den der x-y-Kreuztisch 10 und damit die Sub- stratauflage 9 in einer parallel zum Laserstrahl 2 liegenden z- Richtung bewegbar ist.In addition, a z drive 1 is provided under the x-y cross table 10, through which the x-y cross table 10 and thus the substrate support 9 can be moved in a z direction lying parallel to the laser beam 2.
Diese Anordnung erlaubt die Herstellung einer sogenannten Mik- rogravur, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, auf einem Substrat 12, das auf der Substratauflage 9 aufliegt und dort in nicht näher dargestellter Art und Weise fixiert ist. Diese Mikrogra- vur besteht aus Gravurelementen, die in diesem Beispiel als Gravurpunkte 13 ausgeführt sind. Diese Gravurelemente können aber auch andere Formen aufweisen, wobei die Wahl der Form auch bereits eine Information enthalten kann.This arrangement allows a so-called micro-engraving, as shown in FIG. 3, to be produced on a substrate 12 which rests on the substrate support 9 and is fixed there in a manner not shown in any more detail. This micro engraving consists of engraving elements, which in this example are designed as engraving points 13. However, these engraving elements can also have other shapes, and the choice of shape can also already contain information.
Die Gravurpunkte 13 sind innerhalb einer Matrix 14 angeordnet. Hinter dem Vorhandensein oder Fehlen von Gravurpunkten 13 in- nerhalb dieser Matrix 14 sind Informationen, z.B. über das Substrat 12, verschlüsselt, indem das Muster, das mit den Gravurpunkten 13 innerhalb der Matrix 14 erzeugt wird, von einem Soll-Muster, das in dem Falle der vollständig ausgefüllten Mat- rix 14 entsprechen würde, abweicht. Zur genauen Definition ist die Matrix 14 mit einem Matrixrahmen 15 versehen. Die Gravurpunkte 13 in dem Matrixrahmen 15 stehen für eine Kodierung der Information nicht zur Verfügung.The engraving points 13 are arranged within a matrix 14. Behind the presence or absence of engraving points 13- Within this matrix 14, information, for example about the substrate 12, is encrypted in that the pattern which is generated with the engraving points 13 within the matrix 14 is of a desired pattern which, in the case of the completely filled matrix 14, would correspond , deviates. For exact definition, the matrix 14 is provided with a matrix frame 15. The engraving points 13 in the matrix frame 15 are not available for coding the information.
An den Stellen innerhalb der Matrix 14, an denen ein Gravurpunkt 13 erzeugt werden soll, fährt der x-y-Kreuztisch 10 das Substrat 12 unter den Fokus 8, so dass der Fokus 8 an dem zu erzeugenden Gravurpunkt 13 liegt. Da das Substrat 12 nicht eben ist, erfolgt eine genaue Einstellung des Fokus 8 mittels des z- Antriebes 11.At the locations within the matrix 14 at which an engraving point 13 is to be created, the x-y cross table 10 moves the substrate 12 below the focus 8, so that the focus 8 lies on the engraving point 13 to be generated. Since the substrate 12 is not flat, the focus 8 is precisely adjusted by means of the z drive 11.
In dieser Position verharrt das Substrat 12, bis der Gravurpunkt 13 erzeugt ist. Anschließend wird bei dem nächsten zu erzeugenden Gravurpunkt 13 in der Matrix 14 in gleicher Weise verfahren.The substrate 12 remains in this position until the engraving point 13 is created. The same procedure is then followed at the next engraving point 13 to be generated in the matrix 14.
Wie aus dem Verfahren ersichtlich wird, erfordert die Positionierung des Fokus 8 auf dem Substrat 12 eine hohe Genauigkeit, die durch den x-y-Kreuztisch 10 realisiert werden muss. Dies erfordert einen hohen Herstellungsaufwand und bringt auch größere Positionierzeiten mit sich.As can be seen from the method, the positioning of the focus 8 on the substrate 12 requires a high degree of accuracy, which must be realized by the x-y cross table 10. This requires a high manufacturing effort and also involves longer positioning times.
Um dies zu umgehen, ist in Fig. 2 die Anordnung anstelle derTo avoid this, the arrangement is in Fig. 2 instead of
Strahlabienkungseinheit 5 in Fig. 1 mit einem Galvanometerköpf 16 versehen. Der Galvanometerkopf 16 beinhaltet einen erstenBeam deflection unit 5 in FIG. 1 is provided with a galvanometer head 16. The galvanometer head 16 includes a first one
Galvanometerspiegel 17 und einen zweiten GalvanometerspiegelGalvanometer mirror 17 and a second galvanometer mirror
18, Der erste Galvanometerspiegel 17 ist um eine erste Achse18, The first galvanometer mirror 17 is about a first axis
19, die senkrecht zur Richtung des nicht abgelenkten Laserstrahles 2 und parallel zu einer x-y-Ebene liegt, schwenkbar. Der zweite Galvanometerspiegel 18, ist um eine zweite Achse19, which is perpendicular to the direction of the undeflected laser beam 2 and parallel to an x-y plane, pivotable. The second galvanometer mirror 18 is about a second axis
20, die senkrecht zur Richtung des nicht abgelenkten Laserstrahles 2 und senkrecht zu der x-y-Ebene liegt, schwenkbar ist. Die x-y-Ebene ist eine gedachte und nicht dargestellte E- bene, die sich in x- und in y-Richtung ausdehnt.20, which is perpendicular to the direction of the undeflected laser beam 2 and perpendicular to the xy plane, is pivotable. The xy plane is an imaginary and not shown E- plane that expands in the x and y directions.
Die Galvanometerspiegel 17 und 18 werden magnetisch vorgespannt und durch ein elektrisches Feld ausgelenkt. Damit wird es mög- lieh, Auslenkungen des Fokus 8 mit hoher Geschwindigkeit und hoher Präzision vorzunehmen. Durch diese Anordnung kann eine Bewegung des Fokus 8 der Bewegung des Substrates 12 überlagert werden. Somit wird es wesentlich leichter möglich, die nur mikroskopisch sichtbaren Abweichungen des Musters von Gravurpunk- ten 13 zu erzeugen. Auch bietet die elektrische Ansteuerung der Galvanometerspiegel 17 und 18 die Möglichkeit, dass die Information aus einer rechentechnischen Einrichtung heraus direkt geschrieben werden kann.The galvanometer mirrors 17 and 18 are magnetically biased and deflected by an electric field. This makes it possible to carry out deflections of the focus 8 with high speed and high precision. With this arrangement, a movement of the focus 8 can be superimposed on the movement of the substrate 12. This makes it much easier to generate the only microscopically visible deviations of the pattern from engraving points 13. The electrical control of the galvanometer mirrors 17 and 18 also offers the possibility that the information can be written directly from a computing device.
Wie in Fig. 4 dargestellt, besteht die Lasergravur aus einer makroskopischen Struktur 21, die aus einem Muster von Gravurpunkten 13 zusammengesetzt wird. Dabei sind der Struktur 21 kodierte Informationen durch makroskopisch nicht sichtbare Abweichungen des Musters von einem Soll-Muster aufgeprägt worden.As shown in FIG. 4, the laser engraving consists of a macroscopic structure 21, which is composed of a pattern of engraving points 13. Information coded to structure 21 has been impressed on it by macroscopically invisible deviations of the pattern from a target pattern.
Wie in der Vergrößerung 22 eines Ausschnittes 23 der Struktur 21 zu erkennen ist, ist das Muster als auf einer Doppellinie 24 hintereinander liegenden Gravurpunkten 13 ausgeführt. Der Linienabstand der Doppellinie 24 liegt im mikroskopischen Be- reich. Dabei liegen die Gravurpunkte 13 bei der Darstellung einer logischen 0 in der kodierten Information auf der einen Linie der Doppellinie 24 und bei der Darstellung einer logischen 1 auf der anderen Linie der Doppellinie 24. As can be seen in the enlargement 22 of a section 23 of the structure 21, the pattern is designed as engraving points 13 lying one behind the other on a double line 24. The line spacing of the double line 24 is in the microscopic range. The engraving points 13 lie on the one line of the double line 24 in the representation of a logical 0 in the coded information and on the other line of the double line 24 in the case of a logical 1.
Verfahren und Anordnung zur Erzeugung einer Lasergravur in eine Oberfläche eines SubstratesMethod and arrangement for producing a laser engraving in a surface of a substrate
BezugzeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Lasergenerator1 laser generator
2 Laserstrahl 3 Strahlformungsblende2 laser beam 3 beam shaping aperture
4 Korrekturblende4 correction aperture
5 Stahlablenkungseinheit5 steel deflection unit
6 Umlenkspiegel6 deflecting mirror
7 Fokussiereinheit 8 Fokus7 focusing unit 8 focus
9 Substratauflage9 substrate support
10 x-y-Kreuztisch10 x y cross table
11 z-Antrieb11 sterndrive
12 Substrat 13 Gravurpunkt12 substrate 13 engraving point
14 Matrix14 matrix
15 Matrixrahmen15 matrix frames
16 Galvanometerkopf16 galvanometer head
17 erster Galvanometerspiegel 18 zweiter Galvanometerspiegel17 first galvanometer mirror 18 second galvanometer mirror
19 erste Achse19 first axis
20 zweite Achse20 second axis
21 Struktur21 structure
22 Vergrößerung 23 Ausschnitt22 Magnification 23 Detail
24 Doppellinie x Bewegungsrichtung y Bewegungsrichtung z Bewegungsrichtung 24 double line x direction of movement y direction of movement z direction of movement

Claims

Verfahren und Anordnung zur Erzeugung einer Lasergravur in eine Oberfläche eines SubstratesPatentansprüche Method and arrangement for producing a laser engraving in a surface of a substrate
1. Verfahren zur Erzeugung einer Lasergravur in eine Oberfläche eines Substrates, bei dem während eines Graviervorganges ein Laserstrahl in Strahlintervallen oder ständig auf die zu gravierende Oberfläche gerichtet wird, wobei das Substrat (12) während des Graviervorganges in einer senkrecht zur Strahlrichtung liegenden x-y-Ebene bewegt wird und den Bewegungen des Substrates Bewegungen des Laserstrahles in x- und y-Richtung überlagert werden, d a - du r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Lasergravur aus einer makroskopischen Struktur (21) besteht, die aus einem Muster (14) von mikroskopischen Gravurelementen (13) zusammengesetzt wird, wobei der Struktur (21) kodierte Informationen durch makroskopisch nicht sichtbare Abwei- chungen des Musters (14) von einem Soll-Muster aufgeprägt werden, indem die Struktur (21) mittels der x- und y- Bewegung des Substrates (12) und die Abweichungen mittels der x- und y-Bewegungen des Laserstrahles (2) erzeugt werden.1. A method for producing a laser engraving into a surface of a substrate, in which a laser beam is directed at beam intervals or continuously onto the surface to be engraved during an engraving process, the substrate (12) during the engraving process in an xy plane perpendicular to the beam direction is moved and the movements of the substrate are superimposed on movements of the laser beam in the x and y directions, since you are characterized in that the laser engraving consists of a macroscopic structure (21) consisting of a pattern (14) of microscopic engraving elements (13) the structure (21) coded information is impressed by macroscopically invisible deviations of the pattern (14) from a target pattern by the structure (21) by means of the x and y movement of the substrate (12) and the deviations are generated by means of the x and y movements of the laser beam (2).
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Substrat (12) während des Graviervorganges in einer parallel zur Strahlrichtung liegenden z- Richtung bewegt wird.2. The method according to claim 1, so that the substrate (12) is moved during the engraving process in a z direction parallel to the beam direction.
3. Verf hren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Bewegung in z-Richtung in Abhängigkeit von der Struktur der Oberfläche erfolgt, derart, dass der Fokus (8) des Laserstrahles (2) bei unterschiedli- chen Stellungen des Substrates (12) in der x-y-Ebene stets auf der Oberfläche liegt.3. The method according to claim 2, characterized in that the movement in the z-direction is dependent on the structure of the surface, such that the focus (8) of the laser beam (2) in different positions of the substrate (12) in the xy plane is always on the surface.
4. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n - z e i c hn e t, dass der Strahl über Strahlformungsblenden geformt und die Form der Strahlformungsblenden als Gravurpunkt auf der Oberfläche scharf abgebildet wird.4. The method according to claim 2, characterized - zeic hn et that the beam is shaped using beam shaping shutters and the shape of the beam shaping shutters is sharply depicted as an engraving point on the surface.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Bewegungen des Substrates (13) diskontinuierlich erfolgen.5. The method according to any one of claims 1 to 4, so that the movements of the substrate (13) are discontinuous.
6. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n - z e i c hn e t, dass bei einem Einsatz von Strahlintervallen die Bewegungen in zeitlichen Zwischenräumen zwischen den Strahlintervallen erfolgen.6. The method as claimed in claim 5, so that the use of beam intervals means that the movements take place in time intervals between the beam intervals when using beam intervals.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e nn z e i c hn e t, dass die Lasergravur aus einer7. The method according to any one of claims 1 to 6, d a d u r c h g e k e nn z e i c hn e t that the laser engraving from a
Vielzahl makroskopischer Strukturen (21) besteht.Numerous macroscopic structures (21) exist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e nn z e i c h n e t, dass das Soll-Muster als Mat- rix (14) von gesetzten oder nicht gesetzten Gravurelementen (13) gewählt wird und die Abweichungen durch ein Weglassen oder Hinzufügen oder von Gravurelementen (13) gebildet werden.8. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the target pattern is selected as the matrix (14) of set or not set engraving elements (13) and the deviations by omitting or adding or by engraving elements ( 13) can be formed.
9. Verfahren nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c hn e t, dass die Matrix (14) mit einem Matrixrahmen (15) aus Gravurelementen (13) versehen wird.9. The method according to claim 8, so that the matrix (14) is provided with a matrix frame (15) made of engraving elements (13).
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Soll-Muster als auf einer Linie liegenden Gravurelementen (13) gewählt wird und die Abweichungen durch einen makroskopisch nicht sichtbaren Versatz der Gravurelemente (13) von der Linie gebildet werden.10. The method according to any one of claims 1 to 6, so that the desired pattern is chosen as engraving elements (13) lying on a line and the deviations are formed by a macroscopically invisible offset of the engraving elements (13) from the line.
11. Verfahren nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Soll-Muster als auf einer Doppellinie (24) hintereinander liegenden Gravurelementen (13) gewählt wird, deren Linienabstand im mikroskopischen Bereich liegt, wobei die Gravurelemente (13) bei der Darstellung einer logischen 0 in der kodierten Information auf der einen Linie der Doppellinie (24) und bei der Darstellung einer logischen 1 auf der anderen Linie der Doppellinie (24) liegen. 11. The method according to claim 10, characterized in that the target pattern as on a double line (24) one behind the other engraving elements (13) is selected, the line spacing of which is in the microscopic range, the engraving elements (13) when displaying a logical 0 in the coded information on one line of the double line (24) and when displaying a logical 1 on the other line of the double line (24 ) lie.
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