ES2892280T3 - Un sistema y método para el marcado láser de sustratos - Google Patents

Abstract

Un método de marcado láser de un sustrato (120), que comprende: colocar un sustrato (120) en relación con un cabezal de escaneo (116) de un sistema de marcado láser que tiene una fuente de láser (112) que genera un haz láser (114) de potencia predeterminada y duración predeterminada; producir un haz láser (114) que tiene una primera intensidad; y controlar, por medio de al menos un controlador (118), un conjunto de dispositivos ópticos (751-758), entre la fuente de láser (112) y el cabezal de escaneo (116), para aplicar un patrón seleccionado de porciones de un perfil espacial recibido del haz láser (1100B) al sustrato (120) para conseguir una segunda intensidad diferente de la primera intensidad del haz láser a una tasa de deposición de potencia en relación con una tasa de difusión térmica en el sustrato (120) para un intervalo de tiempo predeterminado para calentar térmicamente ubicaciones del sustrato (120) con el patrón seleccionado de las porciones (1100B) en donde la segunda intensidad efectúa la carbonización de materiales del sustrato (120) sin ablación para crear una marca.

Description

DESCRIPCIÓN

Un sistema y método para el marcado láser de sustratos

Antecedentes de la invención

Realizaciones en este documento se refieren en general a sistemas y métodos de marcado láser y más particularmente a tales sistemas y métodos que se usan para marcar sustratos de papel.

El marcado de productos y embalajes basados en papel se logra habitualmente mediante la ablación de una capa de material, es decir, tinta, para exponer una capa subyacente de un color diferente proporcionando de este modo un contraste. Este proceso no requiere la destreza del operador. Únicamente se necesita asegurarse de que hay suficiente energía láser para eliminar la capa superior y no demasiada energía para que no queme las capas posteriores. Por lo tanto, el operador determina la potencia o energía de umbral necesaria para la ablación y asegura que la impresora láser opera por encima de ese umbral.

Sin embargo, existen materiales de sustrato que no tienen subcapas distinguibles que permiten la ablación de una de las capas individuales. En estos casos, el marcado se logra por un cambio de color que se induce por una reacción química estimulada por la energía láser. El papel de impresora blanco es un sustrato de este tipo. Usar un sistema de marcado láser de CO2 estándar para marcar papel de fotocopiadora blanco producirá una marca con ablación que es marrón claro en color y tiene un contraste pobre. Tales marcas generalmente no son aceptables para el usuario. En la mayoría de los casos, aumentar la potencia/energía láser hace la marca más clara y reduce en contraste, justo lo opuesto del efecto deseado. Debido a que la ablación elimina el material de superficie, la única indicación visible de una marca es desde los extremos de las fibras de papel desde las que se vaporizan las porciones quemadas y el aglutinante de lignina amarillento.

El papel es un sustrato multicomponente compuesto de una mezcla de fibra de papel (celulosa) o pulpa, un aglutinante (lignina), químicos de procesamiento, colorantes, rellenos y químicos de acabado. Estos químicos son una mezcla de materiales naturales y sintéticos. Una forma de inducir un cambio de color en papel es a través de la carbonización de la fibra o aglutinante sin vaporización posterior de la fibra o aglutinante. La carbonización se produce en un intervalo de temperatura estrecho que es dependiente del material. El papel de fotocopiadora carbonizará en el intervalo de temperatura de 200-250 °C. El desafío técnico es cómo controlar espacial y temporalmente la temperatura del papel de tal manera que la carbonización crea la imagen impresa deseada. Además, fundiendo el aglutinante y no vaporizando el mismo, el aglutinante fundido envuelve cualquier carbonización formada en la superficie mejorando de este modo la durabilidad de la impresión. Hasta la fecha, los sistemas de marcado láser y métodos habitualmente no controlan de forma efectiva la temperatura del papel para crear una imagen sin vaporizar el aglutinante. Por consiguiente, la fibra de papel quemada se expone provocando que la imagen sea susceptible a mancharse.

El documento US20150210085 divulga un sistema de marcado láser que incluye un aparato láser para suministrar un haz láser que tiene una distribución de irradiación no gaussiana a través de una sección transversal de haz. La distribución de irradiación no gaussiana del haz láser tiene una distribución de irradiación sustancialmente uniforme a través de la sección transversal de haz. Un modulador de luz espacial se acopla para recibir el haz láser. El modulador de luz espacial se controla para generar un haz láser emitido que incluye un patrón óptico a través de la sección transversal de haz para marcar un objeto objetivo con la matriz de códigos de datos. Un amplificador óptico se acopla al modulador espacial para recibir el haz láser emitido desde el modulador de luz espacial y generar un haz láser amplificado que contiene el mismo patrón óptico que el generado por el modulador de luz espacial. El haz láser amplificado del amplificador óptico tiene una amplificación sustancialmente uniforme a través de la sección transversal del haz. El haz amplificado mantiene la distribución de irradiación sustancialmente uniforme a través de su sección transversal de haz.

Sumario de la invención

Las realizaciones incluyen el método o métodos y sistema para depositar energía láser de tal manera que eleve el sustrato a la temperatura de carbonización apropiada y al mismo tiempo minimice el área de calentamiento para crear el tamaño de punto deseado.

Un aspecto de las realizaciones incluye un método de marcado láser de un sustrato que incluye colocar un sustrato en relación con un cabezal de escaneo de un sistema de marcado láser que tiene una fuente de láser que genera un haz láser de potencia predeterminada y duración predeterminada; y producir un haz láser que tiene una primera intensidad. El método incluye controlar, por al menos un controlador, un conjunto de dispositivos ópticos, entre la fuente de láser y el cabezal de escaneo, para aplicar un patrón seleccionado de porciones del perfil espacial recibido del haz láser al sustrato para conseguir una segunda intensidad diferente de la primera intensidad de haz láser a una tasa de deposición de potencia en relación con una tasa de difusión térmica en el sustrato para un intervalo de tiempo predeterminado para calentar térmicamente ubicaciones del sustrato con el patrón seleccionado de las porciones. La segunda intensidad efectúa la carbonización de materiales del sustrato sin ablación para crear una marca.

Realizaciones del método pueden incluir adicionalmente controlar una forma de impulsos de haz láser proporcionando un dispositivo de modulador de haz láser entre la fuente de haz láser y el cabezal de escaneo y controlar el dispositivo de modulador de haz láser para controlar una o más características de impulso láser asociadas con la forma de impulsos de haz láser. Las características de impulso de haz láser pueden comprender intensidad de pico, anchura de impulso, tiempo de caída y tiempo de subida.

Otro aspecto de las realizaciones incluye un sistema de marcado láser que tiene un cabezal de escaneo para marcar un sustrato a través de una carbonización sin ablación de componentes del sustrato, que comprende: una fuente de láser que genera un haz láser de potencia predeterminada, primer perfil espacial y duración predeterminada. El sistema incluye un medio para producir un haz láser que tiene una primera intensidad y un perfil espacial recibido; y un conjunto de dispositivos ópticos entre la fuente de láser. Al menos un controlador controla el conjunto de dispositivos ópticos, entre la fuente de láser y el cabezal de escaneo, para aplicar un patrón seleccionado de porciones del perfil espacial recibido del haz láser al sustrato para conseguir una segunda intensidad diferente de la primera intensidad de haz láser a una tasa de deposición de potencia en relación con una tasa de difusión térmica en el sustrato para un intervalo de tiempo predeterminado para calentar térmicamente ubicaciones del sustrato con el patrón seleccionado de las porciones en donde la segunda intensidad efectúa la carbonización sin ablación de materiales del sustrato para crear una marca.

Breve descripción de los dibujos

Una descripción particular indicada brevemente anteriormente se presentará por referencia a realizaciones específicas de la misma que se ilustran en los dibujos adjuntos.

Entendiendo que estos dibujos representan únicamente realizaciones típicas y, por lo tanto, no deben considerarse como limitación de su alcance, las realizaciones se describirán y explicarán con especificación y detalle adicionales a través del uso de los dibujos adjuntos en los que:

La Figura 1 ilustra impulsos de haz láser gaussianos de visualización gráfica.

La Figura 2 ilustra un esquema de un sistema de marcado láser con sensores.

La Figura 3 ilustra un diagrama de bloques de un sistema de marcado láser que incluye una implementación transmisiva de un modulador de forma de impulso o modulador de haz.

La Figura 4 ilustra un diagrama de bloques de un sistema de marcado láser que incluye una implementación reflectiva de un modulador de forma de impulso o modulador de haz.

La Figura 5 ilustra una representación de un patrón de haces láser de un perfil espacial gaussiano estándar de un haz láser.

La Figura 6 ilustra una representación del haz láser de la Figura 5 ampliado en una dimensión.

La Figura 7 ilustra una representación de un conjunto lineal de dispositivos ópticos con el haz ampliado proyectado en el mismo.

La Figura 8A ilustra un sistema de marcado láser usando un conjunto de dispositivos reflectivos.

La Figura 8B ilustra un sistema de marcado láser usando un conjunto de dispositivos transmisivos.

La Figura 9 ilustra una representación de un perfil de intensidad que se aplica a un conjunto lineal de elementos ópticos.

La Figura 10 ilustra una representación de un perfil de intensidad modificado desde un patrón seleccionado de los elementos ópticos de la Figura 9.

La Figura 11A ilustra la aplicación de un haz láser no modificado (estándar) en la dirección de escaneo.

La Figura 11B ilustra la aplicación de un haz láser pixelado escaneado.

La Figura 12 ilustra una representación gráfica de un patrón escaneado de dos píxeles para efectuar una carbonización para producir una marca.

La Figura 13A ilustra un diagrama de bloques de un modulador de conformación de impulsos con un conjunto de elementos ópticos transmisivos.

La Figura 13B ilustra un diagrama de bloques de un modulador de conformación de impulsos con elementos ópticos reflectivos inclinados.

La Figura 13C ilustra un diagrama de bloques de un modulador de conformación de impulsos con un conjunto multidimensional de elementos ópticos.

La Figura 14 ilustra un diagrama de bloques de un modulador de conformación de impulsos con un conjunto de elementos ópticos refractivos.

La Figura 15 ilustra un diagrama de bloques de dispositivo informático.

La Figura 16 ilustra un método de marcado de carbonización controlado sin ablación.

La Figura 17 ilustra un método de premodificación de forma de impulsos de haz láser.

La Figura 18 ilustra un método de pixelización del haz láser.

Descripción detallada

En este documento se describen realizaciones con referencia a las figuras adjuntas en donde números de referencia similares se usan a lo largo de todas las figuras para designar elementos similares o equivalentes. Las figuras no están dibujadas a escala y se proporcionan solamente para ilustrar aspectos divulgados en este documento. A continuación se describen diversos aspectos divulgados con referencia a aplicaciones de ejemplo no limitantes para ilustración. Debería entenderse que numerosos detalles específicos, relaciones y métodos se exponen para proporcionar un entendimiento total de las realizaciones divulgadas en este documento. Un experto en la materia, sin embargo, reconocerá fácilmente que las realizaciones divulgadas pueden ponerse en práctica sin uno o más de los detalles específicos o con otros métodos. En otros casos, estructuras bien conocidas u operaciones no se muestran en detalle para evitar obstaculizar aspectos divulgados en este documento. Las realizaciones no se limitan por el orden ilustrado de actos o eventos, ya que algunos actos pueden producirse en órdenes diferentes y/o simultáneamente con otros actos o eventos. Adicionalmente, no se requieren todos los actos o eventos ilustrados para implementar una metodología de acuerdo con las realizaciones. La invención se define mediante las reivindicaciones.

A pesar de que los intervalos numéricos y parámetros que exponen el alcance amplio son aproximaciones, los valores numéricos expuestos en ejemplos no limitantes específicos se notifican con tanta precisión como sea posible. Cualquier valor numérico, sin embargo, contiene inherentemente ciertos errores que resultan necesariamente de la desviación típica encontrada en sus respectivas mediciones de prueba. Además, todos los intervalos divulgados en este documento se entenderán para incluir cualquier y todos los subintervalos subsumidos en los mismos. Por ejemplo, un intervalo de "menor que 10" puede incluir cualquiera y todos los subíndices entre (e incluyendo) el valor mínimo de cero y el valor máximo de 10, es decir, cualquiera y todos los subíndices que tienen un valor mínimo de igual a o mayor que cero y un valor máximo de igual o menor que 10, por ejemplo, 1 a 4.

Los inventores de las realizaciones de la invención han determinado que controlando una tasa de deposición de potencia de un haz láser en un sustrato de papel para conseguir una intensidad predeterminada de un impulso de energía láser, el sustrato de papel puede marcarse de forma efectiva mediante la carbonización de material de papel sin carbonizar un material de resina del sustrato de papel. El término "papel" o "sustrato de papel" como se usa en este documento significa cualquier sustrato compuesto de un material de celulosa y un agente aglutinante tal como una resina, entre otros constituyentes. Por consiguiente, un sustrato de papel puede incluir, por ejemplo, una hoja de papel o papel más grueso tal como un embalaje de cartón. El término "material de papel" como se usa en este documento se concibe para referirse al material celulósico del sustrato de papel. Obsérvese, mientras ejemplos de realizaciones descritas en este documento pueden referirse a un sustrato de papel, las realizaciones no se limitan de esta forma, y la invención puede cubrir sustratos de carbonización distintos de los sustratos de papel. Es decir, controlando la tasa de deposición de potencia de un haz láser como se describe en este documento, pueden carbonizarse de forma efectiva materiales de un sustrato para generar una imagen sin afectar de forma perjudicial la imagen o sustrato. La aplicación específica a la carbonización de papel para impresión con la especificación precisa de parámetros de láser se considera novedosa, al menos para estos inventores.

La Figura 1 ilustra impulsos de haz láser gaussianos de visualización gráfica. Por ejemplo, con respecto a la Figura 1, tres impulsos láser gaussianos se ilustran gráficamente con distancia radial en unidades arbitrarias (u.a.) en el eje horizontal e intensidad en unidad arbitraria (u.a.) en el eje vertical. La línea L representa la intensidad de umbral en unidades arbitrarias (u.a.) requerida para la carbonización del sustrato. El impulso 1A tiene la misma cantidad de energía en el impulso que en 1B y 1C, pero es menor en intensidad, y una anchura de impulso más larga. Este impulso láser nunca alcanza el umbral para carbonización y no marcará. El impulso 1C tiene una intensidad excesiva y probablemente vaporizaría el material dejando una marca marrón claro. El impulso 1B tiene una intensidad que excede justo el umbral para carbonización y dejará la marca deseada.

La Figura 2 ilustra un esquema de un sistema de marcado láser 10 con al menos un sensor 22. El sistema de marcado láser 10 controla directamente la energía láser emitida desde el láser sin usar cualquier dispositivo óptico externo adicional.

El proceso de calentamiento láser de un sustrato se conoce bien. Por lo tanto, los inventores han descubierto que el calentamiento láser de diferente sustratos pueden modelarse analíticamente. El láser ilumina el sustrato con una cantidad definida de potencia para una cantidad de tiempo establecida. Parte de esta energía (potencia X tiempo) se absorbe por el sustrato y se convierte a calor. La subida de temperatura se determina por la tasa de deposición de potencia y la tasa de difusión térmica en el sustrato mediante conductividad térmica. Un sustrato de metal requiere un impulso de potencia de pico alto entregado en un periodo de tiempo corto para elevar la temperatura antes de que la conductividad térmica alta del metal difunda la energía láser. El papel, por otra parte, necesita muy poca potencia en un mayor periodo de tiempo debido al tiempo de difusión relativamente largo.

El sistema de marcado láser 10 puede incluir una fuente de láser 12 para generar un haz láser 14 que se transmite a un cabezal de escaneo 16. Se proporciona un controlador 18 en comunicación de señal con la fuente de láser 12 y el cabezal de escaneo 16. El cabezal de escaneo 16 incluye espejos galvanométricos y ópticas enfocadas (no mostrados) para controlar la trayectoria de haz del haz láser 14 hacia un sustrato de papel 20 para deposición de potencia dentro de un campo de marcado del sustrato de papel 20.

El sistema 10 también puede incluir un sensor 22, tal como un sistema de visión por máquina que puede detectar una marca generada en el sustrato 20. Por ejemplo, el sensor 22 puede detectar el contraste de color entre una marca generada y porciones del sustrato no marcado. El sensor 22 está en comunicación de señal con el controlador 18, que puede incluir un dispositivo de memoria y puede programarse para comparar un parámetro detectado de una marca con datos almacenados en relación con un parámetro de contraste de umbral predeterminado o gama de un contraste deseado. En la medida en que el contraste detectado está por encima o por debajo de un umbral deseado o no dentro de una gama preferida, el controlador 18 está en comunicación de señal con la fuente de láser 12 para ajustar los parámetros de impulsos anteriormente referenciados para controlar la tasa de deposición de energía láser en el sustrato 20. El contraste es un nivel de contraste de carbonización.

El controlador 18 del sistema 10 puede programarse para comparar un contraste de color detectado o medido con umbrales de contraste inferior y superior, y transmitir señales en respuesta a un contraste detectado por encima o por debajo de los umbrales. El sistema 10 está configurado para calentar el sustrato iterativamente hasta que se efectúa la carbonización en el sustrato sin ablación y con un nivel de contraste de carbonización deseado.

En resumen, el sistema de marcado láser 10 conduce el láser con las características de impulso específicas de potencia de pico, anchura de impulso y tiempo de subida para conseguir los resultados de marcado deseados. Las características de impulso se definirían específicamente para diferentes tipos de papel o sustratos.

Ya que el haz láser desde la fuente de láser puede controlarse directamente para modificaciones de conformación de macro impulso, entonces puede usarse un dispositivo óptico externo (externo a la fuente de láser) para realizar una conformación de macro impulso. Un dispositivo óptico de este tipo se usaría para ajustar la potencia de pico, anchura de impulso, tiempo de caída y tiempo de subida del haz láser introducido. Por medio de un ejemplo no limitante, los dispositivos ópticos pueden ser transmisivos, refractivos o reflectivos y podrían ser en forma de un modulador electroóptico (EO), un modulador acústico-óptico (AO), un modulador espacial de luz (SLM) o un modulador de metamaterial (MM). Otro modulador de haz puede incluir un modulador cristal líquido (LC). En las Figuras 3 y 4 se muestran posibles implementaciones.

La Figura 3 ilustra un diagrama de bloques de un sistema de marcado láser 100A que incluye una implementación transmisiva de un modulador de forma de impulso o un modulador de haz 124. La Figura 4 ilustra un diagrama de bloques de un sistema de marcado láser 100B que incluye una implementación reflectiva de un modulador de forma de impulso o un modulador de haz 124'. En las realizaciones mostradas en las Figuras 3 y 4, los sistemas de marcado láser 100A, 100B incluyen una fuente de láser 112 configurada para producir un haz láser 114. La fuente de láser 112 se acopla al controlador 118 o dispositivo informático para controlar parámetros del haz láser 114. Por medio de un ejemplo no limitante, la fuente de láser 112 puede controlar la anchura de impulso, tasa de salida, tiempo de caída y tiempo de subida del haz láser. En otras palabras, la fuente de láser 112 se controla para realizar modificaciones de conformación de macro impulso para producir una marca.

La fuente de láser 112 descrita en este documento con respecto a cualquiera de las realizaciones divulgadas puede comprenderse de un láser de onda cuasi continua (que tiene una salida de láser de potencia constante, pero de duración variable y controlable); un láser de súper impulsos (que tiene una potencia moderadamente alta y duración más corta y controlable y frecuencia de impulso limitada); o un láser de conmutación de Q (que tiene potencias de pico muy altas, duración muy corta y frecuencia de impulso variable). Pueden considerarse otras fuentes de láser.

La fuente de láser puede ser un láser de gas tal como CO2, o un láser de estado sólido tal como un YAG, o puede incluir un láser de diodo u otros láseres de tipo semiconductor o puede incluir láseres de fibra. La luz puede emitirse dentro de un intervalo de longitud de onda de 0,3 micrómetros a aproximadamente 20 micrómetros, y preferentemente desde aproximadamente 9,0 micrómetros a aproximadamente 11 micrómetros.

El sistema de marcado láser 100A y 100B incluye moduladores de conformación de impulsos 124, 124' configurados para controlar la tasa de deposición de potencia de láser en el sustrato 120 reflejando, refractando o difractando primeras porciones 114A del haz láser 114 al cabezal de escaneo 116 y segundas porciones 114B del haz láser a un dispositivo de absorción de haz láser 132, tal como, sin limitación, un bloque de carbono o tubo anodizado negro. El modulador de forma de impulso o el modulador de haz 124, 124' puede controlarse por el controlador 118 o un dispositivo informático, como se describirá en más detalle en relación con la Figura 10, 13A-13C y 14. El dispositivo informático se describe en detalle en relación con la Figura 15. En algunas realizaciones, los elementos ópticos refractantes pueden sustituirse con elementos ópticos de difracción para cambiar una dirección del haz láser.

Para los propósitos de esta invención, un modulador se define para ser un material que cuando se estimula por una señal externa, cambia una o más de sus propiedades materiales de tal forma que un haz de luz que impacta con el material tiene su magnitud y/o fase modificada. La señal de estímulo preferida sería una señal electrónica, pero también puede ser un estímulo de luz, un estímulo térmico, un estímulo acústico u otros tipos de estímulos electromagnéticos. Las propiedades materiales que pueden cambiarse incluirían: permitividad, permeabilidad, conductividad, polarizabilidad o cristalinidad, por ejemplo. En la realización preferida, la magnitud del cambio y la tasa de cambio serían controlables por la señal de estímulo. El control de la magnitud de cambio permite el control de la magnitud, es decir, atenuación, de la luz reflejada/transmitida desde/a través del material. De manera similar, el control de la tasa de cambio de las propiedades materiales permite el control del tiempo de subida y tiempo de caída del cambio en magnitud del haz de luz que impacta.

El modulador 124 o 124' puede comprenderse de una única pieza de material o puede comprenderse de un conjunto de piezas (píxeles) controladas individualmente de material. La pieza única interactuaría con toda la anchura del haz y operaría de forma uniforme en todo el haz de luz. A la inversa, el conjunto de píxeles operaría, cada uno, en porciones pequeñas del haz, indicada en este punto como minihaces. Cada minihaz tendría su magnitud y fase (en relación con los píxeles contiguos) modificadas de tal forma que el haz compuesto reflejado/transmitido desde/a través del material ahora comprende una imagen o patrón.

El dispositivo de modulador de conformación de impulsos puede incluir un dispositivo MOEM (micro-óptico-electro­ mecánico). El MOEM puede incluir conjuntos de micro espejos (elementos ópticos) tales como el Dispositivo de Microespejos Digital (DMD) de Texas Instruments®. El tamaño de píxel de cada elemento óptico es mucho más pequeño que el diámetro de haz entrante. Los elementos ópticos pueden ser dispositivos reflectivos ópticos. Los elementos ópticos pueden incluir una combinación de micro ópticas y dispositivos MEM (micro-electro-mecánico).

El dispositivo de modulador de conformación de impulsos puede incluir un SLM (modulador espacial de luz). El SLM puede incluir píxeles individualmente direccionables (elementos ópticos) configurados para ser transmisivos (cristal líquido) o reflectivos (LCOS - cristal líquido sobre silicio). Los elementos ópticos pueden controlar la magnitud y/o fase de la luz que impacta.

El dispositivo de modulador de conformación de impulsos puede incluir elementos EO (electro-ópticos). Los elementos EO pueden incluir un material de cristal que, cuando se estimula por un campo eléctrico, usa polarización para atenuar el haz láser.

El dispositivo de modulador de conformación de impulsos puede incluir elementos AO (acústico-ópticos). Los elementos AO pueden incluir un material de cristal que usa un estímulo acústico para cambiar el índice de refracción del cristal, modificando de este modo la magnitud y fase del haz láser. El cambio de magnitud puede incluir magnitudes de activado, desactivado u otras intermedias a través de atenuación entre activado (magnitud completa que impacta el material) y desactivado (magnitud cero).

El dispositivo de modulador de conformación de impulsos puede incluir elementos ópticos de LC (cristal líquido). Las propiedades de cristal líquido del elemento óptico pueden configurarse para cambiar la polarizabilidad en estimulación. Un único dispositivo atenuaría un haz reflejado/transmitido. Un conjunto de cristales líquidos puede cambiar la magnitud y fase de un haz reflejado/transmitido o haz refractado, creando de este modo el patrón deseado.

El dispositivo de modulador de conformación de impulsos puede incluir elementos ópticos de PCM (material de cambio de fase). El PCM incluye una clase amplia de materiales que se someten a un cambio de fase (metal/aislante, cristal/amorfo, por ejemplo) que podrían usarse para modificar la magnitud de todo un haz o magnitud y fase de minihaces. Un ejemplo sería un compuesto de óxido de vanadio comúnmente encontrado en ventanas térmicas, o grafeno.

El dispositivo de modulador de conformación de impulsos puede incluir elementos ópticos hechos de metamateriales. Los metamateriales son materiales sintéticos que tienen propiedades materiales que no se encuentran en materiales naturales. Los metamateriales pueden ser materiales con volumen o de superficie y pueden comprenderse de algunas de las tecnologías anteriores. Por ejemplo, una capa de superficie micro estructurada en un dispositivo óptico, tal como una lente, podría contener una capa de grafeno intercalada entre dos capas conductoras delgadas pero ópticamente transmisivas. Aplicando una tensión a través de la capa de grafeno, puede controlarse la transmisión a través de o reflectividad desde el dispositivo óptico.

La Figura 13A ilustra un diagrama de bloques de un modulador de conformación de impulsos 1324 con un conjunto de elementos ópticos transmisivos 1351, 1352, 1353, 1354, 1355, 1356, 1357 y 1358. El conjunto de elementos ópticos transmisivos incluye 8 elementos. Sin embargo, esto es para propósitos de ilustración. El conjunto de elementos transmisivos puede tener cualquier número de elementos incluyendo, pero sin limitación, una docena de elementos ópticos, cientos de elementos ópticos o miles de elementos ópticos.

El conjunto de elementos ópticos transmisivos 1351, 1352, 1353, 1354, 1355, 1356, 1357 y 1358 son, cada uno, controlables individualmente a través del controlador 1318. El controlador 1318 puede acoplarse a los generadores de señales de control (CSG) 1341, 1342, 1343, 1344, 1345, 1346, 1347 y 1348. Cada respectivo CSG 1341, 1342, 1343, 1344, 1345, 1346, 1347 y 1348 puede ser adaptativo a una señal de control o señal electrónica desde el controlador 1318. El CSG 1341, 1342, 1343, 1344, 1345, 1346, 1347 y 1348 puede generar una de una señal electrónica, un estímulo de luz, un estímulo térmico, un estímulo acústico, otros tipos de estímulos electromagnéticos u otra señal de control para controlar al menos una propiedad óptica de los elementos ópticos transmisivos 1351, 1352, 1353, 1354, 1355, 1356, 1357 y 1358 a los que se acopla un correspondiente CSG. Una propiedad óptica puede incluir un cambio en una propiedad física o una propiedad material. Una propiedad física puede incluir inclinar el elemento óptico. Las propiedades materiales pueden incluir: permitividad, permeabilidad, conductividad, polarizabilidad o cristalinidad, por ejemplo. En algunas realizaciones, la magnitud del cambio y la tasa de cambio serían controlables por la señal de estímulo. El control de la magnitud de la intensidad del haz láser o minihaces puede controlarse mediante la atenuación de la luz reflejada, refractada o transmitida desde/a través del material.

En algunas realizaciones, los elementos ópticos transmisivos 1351, 1352, 1353, 1354, 1355, 1356, 1357 y 1358 pueden controlarse para cambiar tanto una propiedad óptica como una propiedad física. Por ejemplo, un elemento óptico transmisivo desactivado puede dirigir el haz láser que impacta en el mismo a un absorbedor de haces 832 para la absorción de esa porción de la intensidad de láser.

La Figura 13B ilustra un diagrama de bloques de un modulador de conformación de impulsos 1324B con elementos ópticos reflectivos inclinados. Supóngase que el conjunto de elementos ópticos reflectivos 1361, 1362, 1363, 1364, 1365, 1366, 1367 y 1368 puede tener una primera orientación física para reflejar un perfil espacial recibido del haz láser que impacta en el elemento óptico directamente al absorbedor de haces 1332. En otras palabras, los elementos ópticos reflectivos 1361, 1362, 1363, 1364, 1365, 1366, 1367 y 1368 pueden configurarse para inclinarse individualmente. Por medio de un ejemplo no limitante, un DMD puede configurarse para inclinar un elemento óptico ±12°. Mientras los elementos ópticos reflectivos se describen como que están inclinados para cambiar una dirección de propagación del haz láser o minihaces, en algunas realizaciones, los elementos ópticos reflectivos pueden hacerse de un material que cambia su reflectividad para reflejar el haz láser o minihaces en una dirección particular.

El conjunto de elementos ópticos reflectivos 1361, 1362, 1363, 1364, 1365, 1366, 1367 y 1368 pueden tener una segunda orientación física para reflejar un perfil espacial recibido del haz láser que impacta en el elemento óptico directamente a un cabezal de escaneo 1316. Los términos "primero" y "segundo" se usan para un marco de referencia o para indicar un punto de referencia. El término "primera" orientación física no se prefiere sobre la "segunda" orientación física.

Puede crearse un patrón seleccionado de porciones del perfil espacial recibido del haz láser para conseguir una segunda intensidad diferente de la intensidad recibida del haz láser. En este punto, en este ejemplo, los elementos ópticos reflectivos 1361, 1363, 1365 y 1368 se orientan para reflejar al absorbedor de haces 1332. En este punto, en este ejemplo, los elementos ópticos reflectivos 1362, 1364, 1366 y 1367 se orientan para reflejar el haz láser que impacta en los mismos al cabezal de escaneo 1316. Siendo los elementos ópticos reflectivos 1362, 1364, 1366 y 1367 seleccionados como el patrón seleccionado de porciones del perfil espacial recibido del haz láser para conseguir una segunda intensidad diferente de la intensidad recibida de haz láser. El CSG 1341, 1342, 1343, 1344, 1345, 1346, 1347 y 1348 puede generar una de una señal electrónica, un estímulo de luz, un estímulo térmico, un estímulo acústico, otros tipos de estímulos electromagnéticos u otra señal de control para controlar al menos una propiedad óptica de los elementos ópticos 1351, 1352, 1353, 1354, 1355, 1356, 1357 y 1358 a los que se acopla el c Sg .

La Figura 13C ilustra un diagrama de bloques de un modulador de conformación de impulsos 1324C con un conjunto multidimensional de elementos ópticos 1371-1378 en una primera fila, elementos ópticos 1381-1388 en una segunda fila y elementos ópticos 1391-1398 en una tercera fila. Estos elementos ópticos pueden ser transmisivos, reflectivos y/o refractivos. Los elementos ópticos 1371-1378 en una primera fila, los elementos ópticos 1381-1388 en una segunda fila y los elementos ópticos 1391-1398 en una tercera fila se controlan individualmente por un conjunto de generadores de señales de control 1340.

La Figura 14 ilustra un diagrama de bloques de un modulador de conformación de impulsos con un conjunto de elementos ópticos refractivos. El conjunto de elementos ópticos refractivos 1451, 1452, 1453, 1454, 1455, 1456, 1457 y 1458 son, cada uno, controlables individualmente a través del controlador 1418. El controlador 1418 puede acoplarse a los generadores de señales de control (CSG) 1441, 1442, 1443, 1444, 1445, 1446, 1447 y 1448. En este punto, las propiedades materiales de cada elemento óptico 1451, 1452, 1453, 1454, 1455, 1456, 1457 y 1458 se controla para refractar el haz láser que impacta a uno de o bien el cabezal de escaneo 1416 o bien el absorbedor de haces 1432.

Los elementos ópticos 1452, 1454, 1456 y 1457 dirigen su porción del haz láser al cabezal de escaneo 1416. Los elementos ópticos 1451, 1453, 1455 y 1458 dirigen su porción del haz láser al absorbedor de haces 1432. Los elementos ópticos 1452, 1454, 1456 y 1457 representan el patrón seleccionado de porciones del perfil espacial recibido del haz láser creado para conseguir una segunda intensidad diferente de la intensidad recibida de haz láser.

Podrían considerarse otros de tales medios de modulación. Adicionalmente, pueden utilizarse ópticas de conformación de haz para convertir un haz gaussiano, tal como desde la fuente de láser 112 (Figura 3 o 4), en una distribución espacial con forma de sombrero de copa o de dónut antes de modificar la distribución temporal con el modulador, como se describirá en más detalle en relación con las Figuras 8A y 8B. Esto proporciona incluso más control sobre la energía depositada en el sustrato 120.

En algunas realizaciones, todos los elementos ópticos pueden configurarse para descargar la luz que impacta al absorbedor de haces. Una señal de control seleccionaría un patrón de elementos ópticos para transmitir a, reflejar a o refractar al cabezal de escaneo. En otras palabras, inicialmente los elementos ópticos se inicializan para descargar al absorbedor de haces.

En algunas realizaciones, todos los elementos ópticos pueden configurarse o inicializarse para transmitir, reflejar o refractar la luz que impacta al cabezal de escaneo. Una señal de control seleccionaría un patrón de elementos ópticos para transmitir, reflejar o refractar la luz que impacta al cabezal de escaneo y el resto (no seleccionado) para descargar al absorbedor de haces.

La Figura 8A ilustra un sistema de marcado láser 800A usando un conjunto de dispositivos reflectivos. La Figura 8B es el haz un sistema de marcado láser 800B usando un conjunto de dispositivos transmisivos. La operación del sistema de marcado láser 800A u 800B se describirá en relación con las Figuras 5-7, 9-10 y 11A-11B. En la realización de la Figura 8A, el modulador de conformación de impulsos 824A puede incluir un conjunto de dispositivos reflectivos, tales como el MOEM, LCD, SLM o PCM anteriormente referenciados para controlar la potencia depositada o entregada al sustrato.

La Figura 5 ilustra una representación de un patrón de haces láser 500 de un perfil espacial gaussiano estándar de un haz láser. La Figura 6 ilustra una representación de un patrón de haces láser 600 del haz láser de la Figura 5 ampliado en una dimensión. La ampliación puede lograrse por un elemento o elementos ópticos de conformación de haz después de la fuente de láser, pero antes del modulador o integrados en el modulador. La Figura 7 ilustra una representación de un conjunto lineal de dispositivos ópticos 751-758 con el haz ampliado proyectado en el mismo. En la ilustración, la intensidad del haz láser a través del dispositivo óptico 751-758 se varía de tal forma que cada dispositivo óptico está configurado para transmitir o reflejar su propia intensidad que impacta en el mismo. En algunas realizaciones, cada dispositivo óptico 751-758 puede tener la misma intensidad que impacta en el mismo.

Supóngase, el patrón de haces láser inicial de la fuente de láser 812 tiene un perfil espacial gaussiano. La fuente de láser 812 puede variar este perfil espacial gaussiano de acuerdo con propiedades de conformación de macro impulsos. El perfil espacial gaussiano es para propósitos de ilustración y pueden usarse otros perfiles de haz láser.

Con respecto a la Figura 8A, los sistemas de marcado láser 800A pueden incluir una óptica de conformación de impulso 835 que puede colocarse en una ubicación en línea con la fuente de láser 812, pero antes del modulador 824A. La óptica de conformación de pulso 835 puede convertir un haz gaussiano, tal como desde la fuente de láser 812, en una distribución espacial con forma de sobrero de copa o dónut antes de modificar la distribución temporal con el modulador. La óptica de conformación de pulso 835 puede expandir un haz gaussiano, tal como desde la fuente de láser 812. Los medios de expandir el perfil espacial del haz inicial pueden comprender elementos ópticos anamorfos, un telescopio o una única lente tal como con una potencia cilíndrica.

El modulador 824A puede incluir un conjunto de dispositivos reflectivos de luz (es decir, los elementos ópticos 1361­ 1368 de la Figura 13b ) o un conjunto de dispositivos refractivos de luz (es decir, los elementos ópticos 1451-1458 de la Figura 14) que están configurados para dividir el haz láser 814 en las primeras porciones 814A que se dirigen al cabezal de escaneo 816 y las segundas porciones 814B que se dirigen a un dispositivo de absorción de haz láser 832. Más específicamente, se proporcionan uno o más controladores 818 para controlar el estado de los dispositivos reflectivos (es decir, los elementos ópticos 1361-1368 de la Figura 13B) para reflejar porciones del haz láser 814 para generar las primeras porciones 814A y las segundas porciones 814B. El uno o más controladores 818 pueden controlar una refracción del material de los dispositivos refractivos (es decir, los elementos ópticos 1451-1458 de la Figura 14) para refractar porciones del haz láser 814 para generar las primeras porciones 814A y las segundas porciones 814B. Cada uno de los elementos ópticos ya sean reflectivos, refractivos o transmisivos divide el haz de láser (inicial) recibido en minihaces, denominados en ocasiones como un haz pixelado. El número de minihaces individuales es igual al número de dispositivos ópticos.

Además, cada dispositivo reflectivo (es decir, los elementos ópticos 1361-1368 de la Figura 13B) está configurado para incluir un conjunto de reflectivos tales como el conjunto de espejos o micro espejos anteriormente mencionada para generar minihaces de la primera porción de láser 814A, que puede denominarse como un haz pixelado entregado al cabezal de escaneo 816. Los dispositivos refractivos pueden incluir elementos ópticos 1451-1458 (Figura 14) que incluyen píxeles de cristal líquido para generar minihaces de la primera porción de láser 814A, que puede denominarse como un haz pixelado entregado al cabezal de escaneo 816.

Cada dispositivo reflectivo, refractivo o transmisivo del conjunto de dispositivos define un píxel. Como se describe a continuación con respecto a un método para generar una marca en un sustrato, el controlador 818 y el cabezal de escaneo 816 están configurados para escanear el haz pixelado a través de un campo de marcado del sustrato para generar una imagen dentro del campo de marcado.

La Figura 8B es el haz un sistema de marcado láser 800B usando un modulador 824B que tiene un conjunto de dispositivos transmisivos (o elementos ópticos) que se controlan o bien para transmitir luz entre los mismos o bien atenuar la luz que impacta en cada elemento óptico de tal forma que se bloquea la luz. En algunas realizaciones, un conjunto de dispositivos transmisivos (o elementos ópticos) puede variar la intensidad o magnitud del haz de luz transmitido entre los mismos. Por ejemplo, los elementos ópticos no seleccionados pueden controlarse para atenuar un 100 % del haz que impacta en los mismos y otros elementos ópticos que se seleccionan pueden atenuar la luz por un 0 %. En otras realizaciones, uno o más de los elementos ópticos seleccionados pueden atenuar la luz por una cantidad para cambiar una magnitud de la intensidad de la luz por una cantidad que es menor que el 100% de atenuación, pero mayor que el 0 %.

El método o proceso general se describe ahora en referencia con las Figuras 5-7, 8A-8B, 9, 10, 11A-11B y 12. En referencia con la Figura 5, inicialmente se genera un haz láser 814 que tiene un perfil espacial inicial desde la fuente 812. Por ejemplo, la Figura 5 representa un patrón de haces láser 500 que tiene un perfil espacial gaussiano. En algunas realizaciones, una lente con potencia cilíndrica, por ejemplo, amplía el perfil espacial del haz láser 114 en una dimensión como en la Figura 6 y la Figura 7 para corresponder a dimensiones del modulador 824A u 824B que tiene el conjunto de dispositivos reflectivos, refractivos o transmisivos.

La Figura 9 ilustra una representación de un perfil de intensidad 900 (recibido) que se aplica a un conjunto lineal de elementos ópticos de un modulador. La Figura 10 ilustra una representación de un perfil de intensidad modificado 1000 desde un patrón seleccionado de los elementos ópticos de la Figura 9 para provocar la carbonización de los materiales en el sustrato 820 sin ablación. El modulador 824A puede recibir el haz expandido 814 en los elementos ópticos del modulador, como se ve mejor en la Figura 9. Como alternativa, el modulador 824B puede recibir el haz expandido en los elementos ópticos o dispositivos transmisivos. En la realización de la Figura 8A y la Figura 13B, los minihaces se reflejan fuera del conjunto de dispositivos reflectivos o elementos ópticos movibles. Como alternativa, el haz expandido 814 puede difractarse o refractarse por un conjunto de dispositivos transmisivos. Aún además, el haz expandido 814 puede difractarse o refractarse por un conjunto de dispositivos refractivos o elementos ópticos.

En cualquiera de estos casos, una primera porción de haz 814A se transmite al cabezal de escaneo 816 como un haz pixelado que incluye múltiples minihaces o patrón de haces seleccionado como se muestra en la Figura 10. Además, una segunda porción 814B (no seleccionada) del haz 814 se transmite a un dispositivo de absorción de haz láser 832. Los dispositivos reflectivos, refractivos o transmisivos pueden tener dos posiciones (binarias) o posiciones continuas. El conjunto puede ser un conjunto bidimensional (2D) para manipulaciones de haz más complejas, como se muestra en la Figura 13C.

En referencia con la Figura 10, las posiciones de los dispositivos reflectivos, refractivos o transmisivos individuales se controlan de tal forma que puede generarse cualquier patrón de imagen activado/desactivado. Los dispositivos de estado "DESACTIVADO" reflejan, refractan o transmiten la potencia de láser o segunda porción del haz 814 al dispositivo de absorción de haz 832 (descarga de haz) y los dispositivos "ACTIVADOS" reflejan o transmiten la primera porción 814A al cabezal de escaneo 816. La Figura 10 muestra un ejemplo de un patrón seleccionado resultante.

Como puede observarse a partir del patrón de la Figura 10, el patrón de elementos ópticos seleccionados se selecciona para producir una pluralidad de características de impulsos de minihaz que incluyen intensidad de pico, anchura de impulso, tiempo de caída y tiempo de subida. En el patrón, que se mueve de izquierda a derecha, el primer píxel "ACTIVADO" tiene una primera anchura de impulso y una primera intensidad. El segundo píxel "ACTIVADO" se separa por un píxel desde el primer píxel "ACTIVADO" y tiene una segunda anchura de impulso y una segunda intensidad. La primera anchura de impulso y la segunda anchura de impulso pueden ser la misma. Sin embargo, la primera intensidad y la segunda intensidad pueden ser diferentes. El siguiente píxel "ACTIVADO" o el tercer píxel "ACTIVADO" se separa por un píxel del segundo píxel "ACTIVADO", pero está directamente adyacente a un cuarto píxel "ACTIVADO". Por lo tanto, el tercer "ACTIVADO" y cuarto "ACTIVADO" son dos minihaces o píxeles yuxtapuestos que forman colectivamente un minihaz con una anchura de impulso controlada.

La separación de un píxel entre el primer píxel o minihaz "ACTIVADO" y el segundo píxel minihaz "ACTIVADO" o puede ser la separación térmica necesaria entre la aplicación de los minihaces. La separación térmica puede ser una función de la conductividad térmica del sustrato y la difusión térmica. Aunque se muestra únicamente un píxel o minihaz como una base de separación térmica, otros números de minihaces pueden presentarse "DESACTIVADOS" para una separación térmica necesaria para evitar el sobrecalentamiento en una ubicación particular. La separación térmica también puede ser una función de la intensidad de un minihaz particular que se aplica tal como en una fila de escaneo particular.

Por medio de un ejemplo no limitante, tres, cuatro o cinco minihaces o píxeles adyacentes puede seleccionarse en un patrón para producir una anchura de impulso de tres, cuatro o cinco minihaces o píxeles. Un conjunto de minihaces adyacentes de un grupo de minihaces para generar un haz láser con anchura de impulso variable. Adicionalmente, uno cualquiera de los minihaces puede seleccionarse para la intensidad asociada con el mismo. En algunas realizaciones, todos los minihaces pueden ser minihaces no seleccionados como parte de un patrón determinado. En otras realizaciones, dependiendo de la marca, todos los minihaces pueden seleccionarse como parte de un patrón determinado. Describir todas las combinaciones posibles de anchuras de impulso variables es prohibitivo. Las variaciones y patrones de anchura de impulso pueden limitarse por el número de elementos ópticos. La variación de intensidad es una función de la variación en la forma de impulsos de haz láser inicial y cualquier conformación de impulso posterior antes de la modulación. El patrón de minihaces se selecciona para efectuar una carbonización de materiales del sustrato sin ablación para crear una marca. Un respectivo minihaz se aplica a una respectiva ubicación en el sustrato. En algunas realizaciones, una secuencia de minihaces, separados en tiempo, se aplican a la misma ubicación del sustrato para oscurecer las marcas a través de la carbonización de materiales sin ablación.

Adicionalmente, seleccionar los tercer y cuarto minihaces "ACTIVADOS" adyacentes también selecciona la subida y caída de este grupo de minihaces. Por ejemplo, seleccionar otros minihaces adyacentes en la serie de los elementos ópticos provocaría un tiempo de subida y tiempo de caída diferentes a seleccionar o controlar con el número de minihaces adyacentes que efectúan la anchura de impulso de haz para ese grupo.

La Figura 11A ilustra la aplicación de un haz láser no modificado (estándar) 1100A en la dirección de escaneo. La Figura 11B ilustra la aplicación de un haz láser pixelado escaneado basándose en un único patrón que se aplica a un sustrato.

La Figura 12 ilustra una representación gráfica de un patrón escaneado de dos píxeles 1200 para efectuar una carbonización para producir una marca. La Figura 12 representa una secuencia de 12 filas de patrones de minihaz, separados en fila de tiempo/escaneo. El patrón de minihaces se desplaza o altera de modo que una secuencia de minihaces se aplican a la misma ubicación para formar la marca en el contraste deseado con el sustrato a través de una carbonización de materiales sin ablación.

El cabezal de escaneo de la impresora se controla para pasar o escanear el haz pixelado o patrón de la Figura 10 a través de y dentro del campo de marcado del sustrato de papel de la misma manera como se usa para un sistema de marcado láser estándar. El control los espejos individuales en sincronización con la impresora escáner y el mensaje a imprimirse. De este modo, se produce un patrón estático en el sustrato usando un patrón dinámico durante el escaneo.

La Figura 12 muestra un ejemplo de cómo se expone un patrón estático de dos píxeles en el sustrato para un tiempo sustancialmente mayor que produce el mismo patrón como si el haz de inicio se escanease a través.

El tiempo de exposición por píxel aumenta linealmente con el número de espejos en el conjunto y, por lo tanto, la energía en el sustrato aumenta linealmente. Esto acelera el proceso y proporciona un medio de control del calentamiento del sustrato. Usando este enfoque, se puede crear cualquier patrón deseado para producir cualquier imagen en el sustrato usando carbonización sin ablación.

Este concepto puede expandirse para incluir un conjunto de espejos 2D. Todos los píxeles "DESACTIVADOS" se dirigirían a una descarga de absorbedor de haces. Esto permite que el láser se opere en un modo de onda continua (CW) proporcionando una mejor estabilidad de potencia. Los espejos de conmutación de alta velocidad determinan la velocidad de la generación de patrón y no el tiempo de subida y tiempo de caída mucho más lentos de una fuente de láser de CO2. Es decir, los tiempos de subida y caída relativamente lentos de un láser de CO2 de CW pueden aumentarse de forma efectiva usando espejos de alta velocidad para modificar la forma de impulso.

Obsérvese que la resolución impresa se determina por el tamaño del punto carbonizado y no el tamaño de punto con mejor enfoque. Este método permite que el punto de carbonización sea menor que la dimensión del píxel proyectado. Debido a que los espejos pueden colocarse a una resolución mucho más alta, el posicionamiento de subpíxeles de múltiples exposiciones de píxeles produce un punto de carbonización con tamaño de subpíxel. Esta es una técnica usada en cámaras de superresolución.

Podría lograrse una mejora adicional en velocidad usando un láser de súper impulsos o un láser de conmutación de q. La sincronización de un láser rápido con un conjunto de espejos permitirá un 100 % de utilización de la potencia de láser y minimización del tiempo de retención de los espejos.

La Figura 15 ilustra un diagrama de bloques del dispositivo informático 1550. Un controlador 118 (Figura 3) también puede ser un dispositivo informático 1550 o puede ser un procesador separado interconectado con un dispositivo informático principal. El controlador 118 del sistema de marcado láser 100A, 100B, 800A u 800B, y los controladores de las realizaciones descritas a continuación, puede ser un único controlador o múltiples controladores para controlar diferentes componentes de los sistemas de marcado láser divulgados en este documento. El término "controlador" como se usa en este documento significa la circuitería electrónica que efectúa instrucciones ejecutables de un programa informático de acuerdo con operaciones de aritmética, lógica, control y entrada/salida (E/S) como se especifica por las instrucciones. Por ejemplo, en algunas realizaciones, el controlador 118 también puede programarse para funcionar como un controlador proporcional integral derivado (PID) para comparar un contraste de color detectado o medido con umbrales de contraste inferior y superior, y transmitir señales en respuesta a un contraste detectado por encima o por debajo de los umbrales.

El sistema puede incluir un modelo de carbonización 1570 para generar el patrón seleccionado de porciones del perfil espacial recibido para producir la deposición de potencia controlada se basa en la carbonización de componentes del material del sustrato. El modelo de carbonización 1570 puede incluir una pluralidad de tipos de sustrato (o tipos de papel) 1572, conductividad térmica 1574 por tipo y difusión térmica 1576 por tipo. El modelo 1570 puede basarse en la tasa de movimiento del sustrato 1578 y los componentes de la marca 1579. Los componentes pueden incluir fecha, hora, caracteres alfanuméricos u otras marcas. Otro parámetro puede incluir la primera intensidad del haz láser y la forma de impulso del haz láser inicial. La difusión térmica en el sustrato puede basarse en conductividad térmica del sustrato.

El sistema puede incluir un generador de patrón de conformación de micro impulsos 1580 para cada fila de escaneo 1, fila 2,..., fila X. Cada fila incluiría al menos un minihaz en donde cada minihaz tiene una anchura de impulso 1582, una ubicación en la serie de elementos ópticos para definir el tiempo de subida 1584 y el tiempo de caída 1586. Por ejemplo, la selección del primer elemento óptico en el conjunto tiene un tiempo de subida y caída diferente que la selección del último elemento óptico en el conjunto. Cada haz también tiene una intensidad 1588. La intensidad puede controlarse tal como a través de atenuación en algunas realizaciones. Un grupo de minihaces tendría su propia anchura de impulso y tiempos de subida y caída basándose en los minihaces adyacentes seleccionados en la serie de elementos ópticos como seleccionados.

El dispositivo informático 1550 puede incluir uno o más procesadores 1552 y memoria de sistema en el disco duro 1554. Dependiendo de la configuración exacta y tipo de dispositivo informático, la memoria de sistema puede ser volátil (tal como RAM 1556), no volátil (tal como memoria de sólo lectura (ROM 1558), memoria flash 1560 y similares) o alguna combinación de las mismas. La memoria de sistema puede almacenar el sistema operativo 1564, una o más aplicaciones, y puede incluir datos de programa para realizar una o más operaciones, funciones, métodos y procesos descritos en este documento.

El dispositivo informático 1550 también puede tener características o funcionalidad adicionales. Por ejemplo, el dispositivo informático 1550 también puede incluir dispositivos de almacenamiento de datos adicionales (extraíbles y/o no extraíbles) tales como, por ejemplo, discos magnéticos, discos ópticos o cinta. El medio de almacenamiento informático puede incluir medios volátiles y no volátiles, no transitorios, extraíbles y no extraíbles implementados en cualquier método o tecnología para el almacenamiento de datos, tales como instrucciones legibles por ordenador, estructuras de datos, módulos de programa u otros datos. Memoria de sistema, almacenamiento extraíble y almacenamiento no extraíble son todos ejemplos de medio de almacenamiento informático. El medio de almacenamiento informático incluye, pero sin limitación, RAM, ROM, Memoria de Sólo Lectura Eléctricamente Borrable (EEPROM), memoria flash u otra tecnología de memoria, memoria de sólo lectura de disco compacto (CD-ROM), discos versátiles digitales (DVD) u otro almacenamiento óptico, casetes magnéticas, cinta magnética, almacenamiento de disco magnético u otros dispositivos de almacenamiento magnético, o cualquier otro medio físico que puede usarse para almacenar los datos deseados y que puede accederse por un dispositivo informático. Cualquiera de estos medios de almacenamiento informático puede ser parte del dispositivo.

El dispositivo informático 1550 también puede incluir o tener interfaces para dispositivo o dispositivos de entrada (no mostrados) tales como un teclado, ratón, lápiz óptico, dispositivo de entrada de voz, dispositivo de entrada táctil, etc. El dispositivo informático 1550 puede incluir o tener interfaces para su conexión al dispositivo o dispositivos de salida tales como un visualizador 1562, altavoces, etc. El dispositivo informático 1550 puede incluir un bus periférico 1566 para conectarse a periféricos. El dispositivo informático 1550 puede contener una conexión o conexiones de comunicación que permiten que el dispositivo se comunique con otros dispositivos informáticos, tales como a través de una red o una red inalámbrica. A modo de ejemplo, y no como limitación, la conexión o conexiones de comunicación pueden incluir medios por cable tales como una red por cable o conexión por cable directa, y medios inalámbricos tales como medios acústicos, frecuencia de radio (RF), infrarrojos y otros medios inalámbricos. El dispositivo informático 1550 puede incluir una tarjeta de interfaz de red 1568 para conectarse (por cable o inalámbricamente) a una red.

El código de programa informático para efectuar operaciones descritas anteriormente puede escribirse en varios lenguajes de programación, incluyendo pero sin limitación a un lenguaje de programación de alto nivel, tal como C o C++, por conveniencia de desarrollo. Además, el código de programa informático para efectuar operaciones de realizaciones descritas en este documento también puede escribirse en otros lenguajes de programación, tales como, pero sin limitación a, lenguajes interpretados. Algunos módulos o rutinas pueden escribirse en lenguaje de ensamblaje o incluso microcódigo para mejorar el rendimiento y/o uso de memoria. Se apreciará adicionalmente que la funcionalidad de cualquiera o todos los módulos de programa también puede implementarse usando componentes de hardware discretos, uno o más circuitos integrados específicos de la aplicación (ASIC), o un procesador de señales digitales (DSP) programado o microcontrolador. Un código en el que se describe un programa de las realizaciones puede incluirse como un firmware en una RAM, una ROM y una memoria flash. De otra manera, el código puede almacenarse en un medio de almacenamiento legible por ordenador tangible tal como una cinta magnética, un disco flexible, un disco duro, un disco compacto, un disco foto-magnético, un disco versátil digital (DVD).

La Figura 16 ilustra un método de marcado de carbonización controlado sin ablación. Las etapas de método de marcado de un sustrato a través de carbonización se describirán ahora en más detalle. Los métodos en este documento pueden realizarse en el orden de los bloques mostrados o un orden diferente. Los bloques de método pueden realizarse contemporáneamente. Pueden añadirse o eliminarse otros bloques.

El método 1600 de marcado láser de un sustrato puede comprender, en el bloque 1602, colocar un sustrato en relación con un cabezal de escaneo de un sistema de marcado láser que tiene una fuente de láser (es decir, fuente de láser 112 u 812) que genera un haz láser de potencia predeterminada y duración predeterminada. La potencia y duración predeterminadas para formar una forma de impulso puede variarse a través de control de conformación de macro impulso en la fuente de láser. El método 1600 puede comprender, en el bloque 1604, producir un haz láser que tiene una primera intensidad. El método 1600 puede comprender, en el bloque 1606, controlar, por al menos un controlador (es decir, el controlador 118 u 818), un conjunto de dispositivos ópticos, entre la fuente de láser y el cabezal de escaneo (es decir, el cabezal de escaneo 116 u 816), para aplicar un patrón seleccionado de porciones del perfil espacial recibido del haz láser al sustrato (es decir, el sustrato 120 u 820) para conseguir una segunda intensidad diferente de la primera intensidad de haz láser a una tasa de deposición de potencia en relación con una tasa de difusión térmica en el sustrato para un intervalo de tiempo predeterminado para calentar térmicamente ubicaciones del sustrato con el patrón seleccionado de las porciones en donde la segunda intensidad efectúa la carbonización de materiales del sustrato sin ablación para crear una marca.

El método 1600 puede comprender, en el bloque 1608, dirigir, por el conjunto de dispositivos ópticos, minihaces láser no seleccionados a un absorbedor de haces (es decir, el absorbedor 132 u 832); y, en el bloque 1608, absorber, por el absorbedor, los minihaces láser no seleccionados dirigidos al mismo.

El método 1600 puede alterar el perfil espacial que impacta en los dispositivos ópticos. La Figura 17 ilustra un método 1700 de premodificación de forma de impulsos de haz láser.

Haciendo referencia ahora a la Figura 17, el método 1700 de alteración del perfil espacial antes de la modulación puede incluir, en el bloque 1702, expandir el haz láser que tiene un primer perfil espacial para crear el perfil espacial recibido con un perfil de intensidad espacial expandido desde el haz láser en relación con la primera intensidad. El método 1700 puede incluir, en el bloque 1704, dirigir el perfil de intensidad espacial expandido hacia un modulador de haz que tiene el conjunto de dispositivos ópticos.

La Figura 18 ilustra un método 1800 de pixelización del haz láser. Haciendo referencia ahora a la Figura 18, el método 1800 de pixelar el perfil espacial por la modulación puede incluir, en el bloque 1802, pixelar el perfil de intensidad espacial expandido del haz láser con el conjunto de dispositivos ópticos para crear minihaces láser discretos. El método 1800 puede incluir, en el bloque 1804, depositar la potencia en el sustrato a la tasa de la deposición de potencia con minihaces seleccionados de los minihaces discretos del perfil de intensidad espacial pixelado, los minihaces seleccionados forman el patrón seleccionado de las porciones del perfil espacial recibido del haz láser. En algunas realizaciones, la deposición de la potencia con los minihaces seleccionados del perfil de intensidad espacial pixelado incluye seleccionar minihaces en un patrón de minihaces que proporciona una separación térmica para compensar la difusión térmica en las ubicaciones de la aplicación de potencia al sustrato 820.

El método puede comprender adicionalmente, en el bloque 1806, escanear, por el cabezal de escaneo 816, en un patrón de escaneo el patrón seleccionado de las porciones del perfil de intensidad espacial pixelado en el campo de marcado a través de una pluralidad de filas, en donde espejos del cabezal de escaneo 816 se controlan para exponer el sustrato 820 dentro del campo de marcado para generar la marca dentro del campo de marcado a través de una carbonización de los materiales. En el bloque 1808, el patrón seleccionado de las porciones del perfil de intensidad espacial pixelado se varía por fila en el patrón de escaneo (Figura 12) para alinear un minihaz de una fila con una fila de escaneo posterior del patrón de escaneo en donde la carbonización del material se efectúa por una secuencia de minihaces alineados aplicados a la misma ubicación de aplicación en el sustrato.

El patrón seleccionado de porciones del perfil espacial recibido para producir la deposición de potencia controlada se basa en la carbonización de componentes del material del sustrato, una tasa de movimiento del sustrato, la primera intensidad del haz láser, conductividad térmica del sustrato y contenido de la marca en donde la difusión térmica en el sustrato se basa en la conductividad térmica del sustrato. El patrón seleccionado puede basarse en el modelo de carbonización 1570.

La tasa de la deposición de potencia puede basarse en las características de impulso de haz láser que comprenden intensidad de pico, anchura de impulso, tiempo de caída y tiempo de subida asociados a la forma de impulsos de haz láser de cada minihaz o combinación de minihaces (grupos de minihaces adyacentes) y separación entre minihaces o grupos de minihaces.

El sistema está configurado para controlar el dispositivo de modulador de haz para controlar la selección de uno o más dispositivos ópticos del conjunto de dispositivos ópticos para generar el patrón seleccionado de porciones del perfil espacial recibido para efectuar una carbonización sin ablación.

En algunas realizaciones, los sistemas de marcado láser 100A, 100B, 800A y 800B pueden incluir un sensor acoplado al controlador y sistema de visión informático como se describe en relación con la Figura 2. Por lo tanto, en algunas realizaciones, el método puede comprender adicionalmente detectar, por un sensor, un estado de la marca generada en el sustrato; y controlar, por el al menos un controlador en comunicación de señal con el sensor y la fuente de láser, una duración de la deposición de potencia aplicada al sustrato por el patrón seleccionado de porciones del perfil espacial recibido en respuesta al estado detectado de la marca para efectuar adicionalmente una carbonización de materiales del sustrato; y repetir la detección hasta un nivel de carbonización final conseguido.

Mientras diversas realizaciones divulgadas se han descrito anteriormente, debería entenderse que se han presentado a modo de ejemplo únicamente, y no limitación. Pueden hacerse numerosos cambios, omisiones y/o adiciones a la materia objeto divulgada en este documento de acuerdo con las realizaciones divulgadas en este documento sin alejarse del alcance de las realizaciones. También, pueden sustituirse equivalentes para elementos de la misma sin alejarse del alcance de las realizaciones. Además, mientras puede haberse desvelado una característica particular con respecto a únicamente una de varias implementaciones, tal característica puede combinarse con una o más otras características de las otras implementaciones según pueda desearse y sea ventajoso para cualquier aplicación dada o particular.

Adicionalmente, pueden hacerse muchas modificaciones para adaptar una situación o material particular a los contenidos de las realizaciones sin alejarse del alcance de las mismas. Por lo tanto, la amplitud y alcance de la materia objeto proporcionada en este documento no debería limitarse por ninguna de las realizaciones explícitamente descritas anteriormente. En su lugar, el alcance de la invención debería definirse de acuerdo con las siguientes reivindicaciones.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Un método de marcado láser de un sustrato (120), que comprende:

colocar un sustrato (120) en relación con un cabezal de escaneo (116) de un sistema de marcado láser que tiene una fuente de láser (112) que genera un haz láser (114) de potencia predeterminada y duración predeterminada; producir un haz láser (114) que tiene una primera intensidad; y

controlar, por medio de al menos un controlador (118), un conjunto de dispositivos ópticos (751-758), entre la fuente de láser (112) y el cabezal de escaneo (116), para aplicar un patrón seleccionado de porciones de un perfil espacial recibido del haz láser (1100B) al sustrato (120) para conseguir una segunda intensidad diferente de la primera intensidad del haz láser a una tasa de deposición de potencia en relación con una tasa de difusión térmica en el sustrato (120) para un intervalo de tiempo predeterminado para calentar térmicamente ubicaciones del sustrato (120) con el patrón seleccionado de las porciones (1100B) en donde la segunda intensidad efectúa la carbonización de materiales del sustrato (120) sin ablación para crear una marca.

2. El método de la reivindicación 1, en donde el haz láser (114) tiene un primer perfil espacial (500), comprendiendo el método adicionalmente:

expandir el haz láser (114) para crear el perfil espacial recibido (900) con un perfil de intensidad espacial expandido (600) desde el haz láser en relación con la primera intensidad;

dirigir el perfil de intensidad espacial expandido (600) hacia un modulador de haz (124) que tiene el conjunto de dispositivos ópticos (751-758);

pixelar el perfil de intensidad espacial expandido (600) del haz láser con el conjunto de dispositivos ópticos (751­ 758) para crear minihaces láser discretos (1000); y

depositar potencia en el sustrato (120) a la tasa de la deposición de potencia con minihaces seleccionados de los minihaces láser discretos del perfil de intensidad espacial pixelado (1000), los minihaces seleccionados forman el patrón seleccionado de las porciones del perfil espacial recibido del haz láser.

3. El método de la reivindicación 2:

en donde la deposición de la potencia con los minihaces seleccionados del perfil de intensidad espacial pixelado (1000), incluye seleccionar minihaces en un patrón de minihaces que proporciona una separación térmica para compensar la difusión térmica en las ubicaciones de la aplicación de potencia al sustrato (120);

y/o

que comprende adicionalmente:

escanear, por medio del cabezal de escaneo (116), en un patrón de escaneo el patrón seleccionado de las porciones del perfil de intensidad espacial pixelado (1000) en un campo de marcado a través de una pluralidad de filas (R1-R12), en donde espejos del cabezal de escaneo (116) son controlados para exponer el sustrato (120) dentro del campo de marcado para generar la marca dentro del campo de marcado a través de una carbonización de los materiales; y

en donde el patrón seleccionado de las porciones del perfil de intensidad espacial pixelado (1000) se varía por fila (R1-R12) en el patrón de escaneo para alinear los minihaces seleccionados de una fila con los minihaces seleccionados de una fila de escaneo posterior del patrón de escaneo, en donde la carbonización del material se efectúa por una secuencia de minihaces alineados seleccionados aplicados a las ubicaciones de aplicación en el sustrato (120).

4. El método de la reivindicación 2, en donde el conjunto de dispositivos ópticos (751-758) comprende uno de dispositivos reflectivos y dispositivos refractivos; y

que comprende adicionalmente:

dirigir, por medio del conjunto de dispositivos ópticos (751-758), minihaces láser no seleccionados (114B) a un absorbedor de haces (132); y

absorber, por medio del absorbedor (132), los minihaces láser no seleccionados (114B) dirigidos al mismo.

5. El método de la reivindicación 1, en donde el patrón seleccionado de porciones del perfil espacial recibido para producir la deposición de potencia controlada se basa en la carbonización de componentes del material del sustrato (120), una tasa de movimiento del sustrato (120), la primera intensidad del haz láser (114), conductividad térmica del sustrato (120) y contenido de la marca en donde la difusión térmica en el sustrato se basa en conductividad térmica del sustrato (120).

6. El método de la reivindicación 5, en donde la tasa de la deposición de potencia se basa en las características de impulso de haz láser que comprenden intensidad de pico, anchura de impulso, tiempo de caída y tiempo de subida asociados a la forma de impulsos de haz láser.

7. El método de la reivindicación 5, en donde el control del conjunto de dispositivos ópticos (751-758) comprende: proporcionar un dispositivo de modulador de haz (124) que tiene el conjunto de dispositivos ópticos (751-758) entre la fuente de haz láser (112) y el cabezal de escaneo (116); y

controlar el dispositivo de modulador de haz (124) para controlar la selección de uno o más dispositivos ópticos del conjunto de dispositivos ópticos (751-758) para generar el patrón seleccionado de porciones del perfil espacial recibido para efectuar una carbonización sin ablación;

y opcionalmente en donde el dispositivo de modulador de haz (124) comprende uno de un modulador micro-ópticoelectro-mecánico, un modulador electro-óptico, un modulador acústico-óptico, un modulador espacial de luz, un modulador de cristal líquido, un modulador de cristal líquido sobre silicio, un modulador micro-electro-mecánico, un modulador de material de cambio de fase, un modulador micro-electro-mecánico y un modulador espacial de luz de metamaterial.

8. El método de la reivindicación 1:

en donde el conjunto de dispositivos ópticos (751-758) se asocia a un dispositivo de modulador de haz (124) que comprende uno de un modulador micro-óptico-electro-mecánico, un modulador electro-óptico, un modulador acústico-óptico, un modulador espacial de luz, un modulador de cristal líquido, un modulador de cristal líquido sobre silicio, un modulador micro-electro-mecánico, un modulador de material de cambio de fase, un modulador micro-electro-mecánico y un modulador espacial de luz de metamaterial;

y/o

que comprende adicionalmente:

detectar, por medio de un sensor, un estado de la marca generada en el sustrato (120);

controlar, por medio del al menos un controlador (118) en comunicación de señal con el sensor y la fuente de láser (112), una duración y una tasa de la deposición de potencia aplicada al sustrato (120) por el patrón seleccionado de porciones del perfil espacial recibido en respuesta al estado detectado de la marca para efectuar adicionalmente una carbonización de materiales del sustrato; y

repetir la detección hasta un nivel de carbonización final conseguido.

9. Un sistema de marcado láser que tiene un cabezal de escaneo (116) para marcar un sustrato (120) a través de una carbonización de componentes del sustrato, comprendiendo el sistema:

una fuente de láser (112) que genera un haz láser (114) de potencia predeterminada, primer perfil espacial y duración predeterminada;

un conjunto de dispositivos ópticos (751-758) entre la fuente de láser (112) y el cabezal de escaneo (116); y

al menos un controlador (118) para controlar el conjunto de dispositivos ópticos (751-758), entre la fuente de láser (112) y el cabezal de escaneo (116), para aplicar un patrón seleccionado de porciones de un perfil espacial recibido del haz láser al sustrato (120) para conseguir una segunda intensidad diferente de la primera intensidad del haz láser a una tasa de deposición de potencia en relación con una tasa de difusión térmica en el sustrato (120) para un intervalo de tiempo predeterminado para calentar térmicamente ubicaciones del sustrato con el patrón seleccionado de las porciones, en donde la segunda intensidad efectúa la carbonización de materiales del sustrato (120) sin ablación para crear una marca.

10. El sistema de la reivindicación 9, que comprende adicionalmente:

un modulador de haz (124) que tiene el conjunto de dispositivos ópticos (751-758): y

medios para expandir el primer perfil espacial (835) para crear el perfil espacial recibido con un perfil de intensidad espacial expandido (600) desde el haz láser (114) en relación con la primera intensidad; y dirigir el perfil de intensidad espacial expandido (600) al modulador de haz (124);

en donde el conjunto de dispositivos ópticos (751-758) pixela el perfil de intensidad espacial expandido del haz láser (114) para crear minihaces láser discretos (1000); y

en donde el controlador (118) genera una deposición de potencia controlada de minihaces seleccionados que corresponden al patrón seleccionado de las porciones del perfil espacial recibido.

11. El sistema de la reivindicación 10, en el que:

el controlador (118) controla la deposición de la potencia con los minihaces seleccionados del perfil de intensidad espacial pixelado, y en donde los minihaces seleccionados se seleccionan en un patrón de minihaces que proporciona una separación térmica para compensar la difusión térmica en las ubicaciones de la aplicación de potencia al sustrato (120);

y/o

el cabezal de escaneo (116) está configurado para escanear en un patrón de escaneo el patrón seleccionado de las porciones del perfil de intensidad espacial pixelado en el campo de marcado a través de una pluralidad de filas (R1-R12), en donde espejos del cabezal de escaneo (116) son controlados para exponer el sustrato (120) dentro de un campo de marcado para generar la marca dentro del campo de marcado a través de una carbonización de los materiales; y en donde el patrón seleccionado de las porciones del perfil de intensidad espacial pixelado se varía por fila (R1-R12) en el patrón de escaneo para alinear los minihaces seleccionados de una fila con los minihaces seleccionados de una fila de escaneo posterior del patrón de escaneo, en donde la carbonización del material se efectúa por medio de una secuencia de minihaces alineados seleccionados aplicados a las ubicaciones de aplicación en el sustrato (120).

12. El sistema de la reivindicación 10, en donde el conjunto de dispositivos ópticos (751-758) comprende uno de dispositivos reflectivos y dispositivos refractivos; y

que comprende adicionalmente:

un absorbedor de haces (132); y

el controlador (118) configurado para controlar el conjunto de dispositivos ópticos (751-758) para dirigir minihaces láser no seleccionados (114B) hacia el absorbedor de haces (132) en donde el absorbedor de haces absorbe los minihaces láser no seleccionados dirigidos al mismo.

13. El sistema de la reivindicación 9, en el que:

el patrón seleccionado de las porciones del perfil espacial recibido para producir la deposición de potencia controlada se basa en la carbonización de componentes del material del sustrato (120), una tasa de movimiento del sustrato (120), la primera intensidad del haz láser (114), conductividad térmica del sustrato (120) y contenido de la marca en donde la difusión térmica en el sustrato se basa en la conductividad térmica del sustrato; y/o

el conjunto de dispositivos ópticos (751-758) está asociado a un dispositivo de modulador de haz (124) que comprende uno de un modulador micro-óptico-electro-mecánico, un modulador electro-óptico, un modulador acústico-óptico, un modulador espacial de luz, un modulador de cristal líquido, un modulador de cristal líquido sobre silicio, un modulador micro-electro-mecánico, un modulador de material de cambio de fase, un modulador micro-electro-mecánico y un modulador espacial de luz de metamaterial.

14. El sistema de la reivindicación 12, en el que:

la tasa de la deposición de potencia se basa en las características de impulso de haz láser (114) que comprenden intensidad de pico, anchura de impulso, tiempo de caída y tiempo de subida asociados a la forma de impulsos de haz láser;

y/o

el controlador (118) está configurado para controlar el dispositivo de modulador de haz (124) para controlar la selección de uno o más dispositivos ópticos del conjunto de dispositivos ópticos (751-758) para generar un subconjunto de minihaces para efectuar una carbonización sin ablación;

y/o

el dispositivo de modulador de haz (124) comprende uno de un modulador micro-óptico-electro-mecánico, un modulador electro-óptico, un modulador acústico-óptico, un modulador espacial de luz, un modulador de cristal líquido, un modulador de cristal líquido sobre silicio, un modulador micro-electro-mecánico, un modulador de material de cambio de fase, un modulador micro-electro-mecánico y un modulador espacial de luz de metamaterial.

15. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 14, que comprende medios adicionales (112) para producir el haz láser (114) que tiene una primera intensidad y el perfil espacial recibido,

y opcionalmente en donde:

los medios (112) para producir el haz láser (114) que tiene la primera intensidad y el perfil espacial recibido comprenden medios para expandir el primer perfil espacial para crear el perfil espacial recibido con un perfil de intensidad espacial expandido desde el haz láser en relación con la primera intensidad.