NL9002036A - Inrichting en werkwijze voor het met elektromagnetisch straling aanbrengen van merktekens op een voorwerp, en een voorwerp voorzien van merktekens. - Google Patents

Description

Inrichting en werkwijze voor het met elektromagnetische straling aanbrengen van merktekens op een voorwerp, en een voorwerp voorzien van merktekens.

De uitvinding heeft betrekking op een markeersysteem voor het met elektromagnetische straling aanbrengen van een patroon op een oppervlak van een voorwerp, welk markeersysteem een stralingsbroneenheid bevat met een stralingsuittreevlak en een optisch stelstel voor het bestralen van een masker waarin het aan te brengen patroon is bevat met een stralingsbundel afkomstig van het stralingsuittreevlak. Een dergelijke inrichting wordt, bijvoorbeeld gebruikt om merktekens, zoals een logo, een woord voor een naam of een funktie, een piktogram of een andere afbeelding op het oppervlak van een apparaat en/of een bedieningstoets aan te brengen. Door met een zeer intense straling het oppervlak via het masker één of een aantal malen te belichten wordt het patroon op het masker permanent aangebracht op het voorwerp.

Een dergelijke inrichting is bekend uit US-A 3 588 439. Daaruit is bekend om een laserbundel via een lenzenstelsel te verbreden tot. de diameter van het masker en het masker met een objektiefstelsel verkleind af te beelden op het voorwerp. Dit systeem heeft als een eerste belangrijk bezwaar dat het masker belicht wordt met een cirkelvormige stralingsbundel met een konstante diameter. Dit heeft bij een masker dat een langwerpig patroon bevat, bijvoorbeeld een woord, het nadeel dat een groot deel van de op het masker vallende straling door het masker wordt tegengehouden, en slechts een klein deel binnen het patroon valt en het oppervlak bereikt. Daardoor is een langdurige belichting noodzakelijk.

Een tweede hoofdbezwaar van de bekende inrichting is dat deze niet geschikt is voor het aanbrengen van merktekens op een groot oppervlak. Indien een groot doorlopend patroon gewenst is, zal bij de bekende inrichting een aantal, naast elkaar gelegen deelpatronen moeten worden aangebracht. Zichtbare naden waar het oppervlak niet of dubbel bestraald is tussen deze deelpatronen zullen onvermijdbaar zijn.

Het is onder meer een doel van de uitvinding een markeersysteem te verschaffen waarbij aan de bovengenoemde bezwaren tegemoet wordt gekomen en voorwerpen te verschaffen waarbij merktekens van een relatief groot formaat homogeen op het oppervlak daarvan zijn aangebracht. Het is tevens een doel van de uitvinding een werkwijze voor het aanbrengen van merktekens op een oppervlak aan te geven waarbij een efficient stralingsgebruik mogelijk is en de door de stralingsbroneenheid opgewekte straling voornamelijk naar het relevante deel van het masker wordt geleid.

Daartoe heeft het markeersysteera volgens de uitvinding het kenmerk dat dat het optisch stelsel een hoofdafbeeldingstelsel bevat voor het afbeelden van het stralingsuittreevlak op het masker, en dat het optisch stelsel is voorzien van middelen voor het aanpassen van de afmetingen van de doorsnede en/of de positie van de stralingsbundel aan de vorm en/of de plaats van het gebied van het masker waar het patroon zich bevindt. Door met behulp van aftastende of vervormend afbeeldende optiek het stralingsuittreevlak op het masker af te beelden, is het mogelijk alleen dat deel van het masker te belichten waar het patroon van op het oppervlak aan te brengen merktekens zich bevindt. Delen van het masker waar zich geen merktekens bevinden worden niet bestraald zodat een groter gebied met voldoende intensiteit kan worden belicht.

Een eerste uitvoeringsvorm van het raarkeersysteem volgens de uitvinding heeft het kenmerk dat het hoofdafbeeldingsstelstel twee cilinderlenzen bevat waarvan de cilinderassen nagenoeg loodrecht op elkaar staan, welke twee cilinderlenzen een verschillende sterkte hebben voor het in twee richtingen met een verschillende vergroting afbeelden van het stralingsuittreevlak op het masker. Hierdoor wordt bijvoorbeeld een rond stralingsuittreevlak als een ellips afgebeeld op het masker. Wanneer het af te beelden patroon een woord is kunnen de vergrotingsfaktoren zo gekozen worden dat zo weinig mogelijk straling buiten de rechthoek die het woord omslu.it valt. Binnen deze rechthoek valt dus aanmerkelijk meer straling dan wanneer het stralingsuittreevlak onvervormd zou worden afgebeeld.

Een tweede uitvoeringsvorm van het markeersysteem volgens de uitvinding heeft het kenmerk dat het optisch stelsel verder is ingericht voor het bestralen van een deel van het masker, en dat in de stralingsweg tussen het stralingsuittreevlak en het masker middelen zijn aangebracht om elkaar overlappende delen van het masker na elkaar te bestralen. Deze uitvoeringsvorm berust op het inzicht dat een groot patroon met een voldoende intensiteit kan worden bestraald door delen van het patroon na elkaar te bestralen. Wanneer de gekozen delen elkaar daarbij in sterke mate overlappen zodat ieder punt van het patroon binnen een aantal van de bestraalde delen valt zal de overgang aan de rand van de delen niet of nauwelijks zichtbaar zijn. Het eindresultaat op het oppervlak van het voorwerp wordt waargenomen als een egaal aangebracht merkteken zonder zichtbare naden.

Voor patronen die in twee richtingen een grote afmeting hebben kan het markeersysteem het verdere kenmerk hebben dat de middelen voor het na elkaar bestralen van delen van het masker ingericht zijn om delen die in twee richtingen ten opzichte van elkaar zijn verplaatst te bestralen. Hierbij vindt de bestraling plaats volgens een aantal overlappende rijen die ieder zijn opgebouwd uit een aantal overlappende deelbestralingen. Om een homogene verdeling te verkrijgen dient het nominaal aantal bestralingen van ieder punt op het oppervlak een kwadraat te zijn.

Deze uitvoeringsvorm heeft als verder kenmerk dat dat het optisch stelsel een veldmasker en een objektiefstelsel bevat die zich tussen het stralingsuittreevlak en het genoemde masker bevinden, waarbij het veldmasker en het masker in gekonjugeerde vlakken van het objektiefstelsel zijn aangebracht, en dat verder tussen het veldmasker en het masker een instelbaar afbuigstelsel is aangebracht voor het selekteren van een deel van het masker waarop het veldmaster wordt afgebeeld. Hierbij wordt het stralingsuittreevlak niet rechtstreeks op het masker afgebeeld maar op een veldmasker dat als diafragma dienst doet. Dit veldmasker wordt op het eigenlijke masker afgebeeld. Hierdoor is de vorm van de belichtingsvlek op het masker beter te definiëren en kunnen deze vorm en de mate van overlap bij de bestraling van het masker beter aan elkaar aangepast worden.

Bij voorkeur heeft deze uitvoeringsvorm het verdere kenmerk dat aan ten minste een van de randen van het veldmasker de doorlaatbaarheid een gradient vertoont. Door een geleidelijke overgang van de doorlaatbaarheid aan de rand van het veldmasker resulteert een kleine fout in de positionering van het te bestralen deel van het masker in een zeer gering verschil in totale stralingsintensiteit van de betreffende punten van het masker. Een voor het oog waarneembaar verschil in kontrast in het aangebrachte merkteken is daarmee vrijwel uitgesloten, ook bij een gering nominaal aantal bestralingen. Een lineair verloop van de doorlaatbaarheid, dus een konstante gradient, is voldoende.

Deze uitvoeringsvorm kan als verder kenmerk hebben dat naast het veldmasker een veldlens is aangebracht. Door de veldlens wordt straling die door het veldmasker treedt in de richting van het. objektiefstelsel afgebogen. Dit verkleint de diameter van de stralingsbundel ter hoogte van het objektiefstelsel, waardoor lensfouten in dat stelsel minder invloed hebben. Bij voorkeur heeft de veldlens een sterkte waarmee het hoofdafbeeldingsstelsel en het objektiefstelsel op elkaar afgebeeld worden. De veldlens kan zowel vóór als achter het veldmasker zijn aangebracht, of wanneer de veldlens uit meer elementen bestaat, kan het veldmasker ook tussen deze elementen zijn aangebracht.

Bij voorkeur heeft deze uitvoeringsvorm van het markeersysteem volgens de uitvinding als verder kenmerk dat het instelbaar afbuigstelstel een galvanometerspiegel is die tussen het objektiefstelsel en het masker is aangebracht. Een galvanospiegel is nauwkeurig en snel te sturen en door deze spiegel tussen de objektieflens en het masker te plaatsen doorloopt de straling de objektieflens steeds op dezelfde wijze en in dezelfde richting.

Het markeersysteem volgens de uitvinding kan verder als kenmerk hebben dat dat het optisch stelsel tussen het stralingsuittreevlak en het hoofdafbeeldingsstelstel een verder lenzenstelsel bevat waarvan de brandpuntsafstand ten minste een orde van grootte kleiner is dan de brandpuntsafstand(en) van het hoofdafbeeldingsstelsel, waarbij het verdere lenzenstelsel zich op een afstand tot het stralingsuittreevlak bevindt die gelijk is aan de brandpuntsafstand van het verdere stelsel. Het verdere lenzenstelsel fungeert, hierbij als kondensorlens, waardoor door het optisch stelsel een beeld van het stralingsuittreevlak gevormd wordt dat een zeer grote scherptediepte heeft. Het masker kan daarmee direkt, door schaduwwerking, op het oppervlak geprojekteerd worden met een voldoende afstand tussen het masker en het te markeren oppervlak. Een zekere afstand tot het oppervlak nodig om beschadiging van het masker, ten gevolge van van het oppervlak afkomstig gas en materiaal, te vermijden.

Een verder bezwaar van de uit ÜS-A 3 588 439 bekende inrichting is dat de stralingsbroneenheid een laser is. Een laser wekt een stralingsbundel op waarbinnen een sterkte ruimtelijke helderheidsvariatie heerst, met een ongeveer Gaussische vorm. Het masker wordt daardoor inhomogeen bestraald, wat tot gevolg heeft dat ook het op het oppervlak aangebrachte merkteken een waarneembare helderheidsvariatie zal vertonen.

Een voorkeursuitvoeringsvorm van het markeersysteem volgens de uitvinding heeft dan ook het kenmerk dat in de stralingsweg tussen de laser en het optisch stelsel een lichtgeleider is aangebracht voor het homogeniseren van door de laser opgewekte straling, en dat een van de laser afgekeerd uiteinde van de lichtgeleider het genoemde stralingsuittreevlak vormt. Door veelvuldige reflektie van de laserstraling in de lichtgeleider gaat de intensiteitsverdeling in de bundel laserstraling verloren en wordt het van de laser afgekeerde uiteinde van de lichtgeleider egaal, zonder ruimtelijke intensiteitsvariatie belicht.

Het wordt opgemerkt dat het op zichzelf bekend is, uit US-A 4 741 615, om een belichtingssysteem voor het belichten van een masker te voorzien van lichtgeleider voor het homogeniseren van de laserstraling. Uit dit dokument is het echter niet bekend om dit toe te passen bij een markeersysteem en daarbij het masker selektief te belichten op die plaatsen waar het masker transparant is, bijvoorbeeld door aanpassing van de vorm van de bestralingsbundel of het herhaaldelijk en overlappend bestralen van de transparante delen van het masker.

Een voorkeursuitvoeringsvorm van het markeersysteem volgens de uitvinding heeft het kenmerk dat de laser geschikt is voor het opwekken van straling met een golflengte van ten hoogste ongeveer 1 pm, bijvoorbeeld een Nd:glas of een Nd:YAG laser. Bij deze golflengte, in het nabije infrarood die bijvoorbeeld in een neodymlaser straling wordt opgewekt, is glas transparant, en kunnen de elementen van het optisch stelsel relatief goedkope standaard elementen zijn die uit dat materiaal zijn vervaardigd. Dit betekent een aanzienlijke kostenbesparing ten opzichte van optische elementen die transparant zijn bij langere golflengten. Tevens kan het masker bestaan uit een metaalpatroon op een glazen substraat is aangebracht hetgeen voordelig is bij patronen en letters zoals de "o" met een van de omgeving losliggend deel.

Deze uitvoeringsvorm van het markeersysteem volgens de uitvinding heeft als verder kenmerk dat de lichtgeleider een gebogen optische vezel is. Door een optische vezel in scherpe bochten te leggen wordt een homogene lichtverdeling aan het uiteinde bereikt, ook wanneer de verdeling aan de ingang inhomogeen is. Bovendien is een optische vezel flexibel, waardoor de laser en de het optische stelsel van het markeersysteem zonder problemen op enige afstand in een willekeurige positie ten opzichte van elkaar kunnen worden geplaatst.

Opgemerkt wordt dat het op zichzelf bekend is, uit DE-A 35 09 421, om een langwerpig, transparant gebogen lichaam te gebruiken om de stralingsbundel van een laser te homogeniseren. Dit bekende lichaam is echter tevens voorzien van vernauwingen, en moet dus speciaal volgens een specifikatie vervaardigd worden. Verder wordt voor dit lichaam geëist dat de in- en uittreerichtingen van de laserstraling evenwijdig van elkaar zijn. Bovendien is het uit dit dokument niet bekend dit homogeniserend lichaam in een markeersysteem te gebruiken.

Het wordt tevens opgemerkt dat het bekend is, uit GB-A 2 154 017, om een Nd:YAG laser te gebruiken voor oppervlaktebehandeling (surfacing) van voorwerpen waarbij een flexibele optische vezel gebruikt wordt om straling van de laser naar het te bewerken oppervlak te leiden. Het is niet bekend uit dit dokument om dezelfde vezel te gebruiken om de laserstraling te homogeniseren, noch om via een masker een patroon van merktekens op het oppervlak aan te brengen.

Bij voorkeur heeft het markeersysteem volgens de uitvinding het kenmerk, dat de stralingsgeleider of optische vezel uitwisselbaar is zodat de diameter van de stralingsgeleider of optische vezel aanpasbaar is aan de uitgestrektheid van het te bestralen deel van het patroon van merktekens en de vergrotingsfaktor van het optisch stelsel. Op deze wijze kan door het verwisselen van alleen de stralingsgeleider de oppervlakte van het te bestralen deel van het masker worden veranderd. Dit heeft het voordeel dat opnieuw aligneren en scherpstellen van lenzen niet nodig is.

Een voorkeursuitvoeringsvorm van het markeersysteem volgens de uitvinding heeft het verdere kenmerk dat de verdere objektieflens is ingericht om het masker één op één, of vergroot, op het oppervlak af te beelden. Doordat de stralingsverdeling homogeen is, en doordat de straling een betrekkelijk kleine golflengte heeft is het mogelijk zeer goed gedefinieerde maskers te gebruiken en daarmee zeer fijne lijnen op het oppervlak te vormen. Hierdoor is het niet langer noodzakelijk het masker verkleind op het oppervlak af te beelden om een patroon van merktekens met de gewenste scherpte te kreëeren. Omdat., in de inrichting volgens de uitvinding, de elektromagnetische straling op de transparante delen van het masker wordt gekoncentreerd, is het zelfs mogelijk om het masker kleiner uit te voeren dan de uiteindelijke afbeelding en toch een voldoende stralingsintensiteit op het oppervlak te bereiken.

Het markeersysteem volgens de uitvinding heeft verder als kenmerk dat naast de positie van het masker een verdere veldlens is aangebracht. Deze verdere veldlens heeft tot doel de straling die uit het masker treedt te koncentreren op de verdere objekt.j eflens zodat lensfouten in deze verdere objektieflens geen grote invloed hebben op de kwaliteit van de afbeelding van het. masker. Tevens, doordat slechts een klein deel van de verdere objektieflens wordt gebruikt, is de scherptediepte van de afbeelding op het oppervlak groot. Ook de verdere veldlens kan vóór, achter of, indien deze uit verschillende elementen is samengesteld, aan weerszijden van het masker zijn aangebracht. De sterkte van de veldlens is zodanig dat het objektiefstelsel en de verdere objektieflens op elkaar worden afgebeeld. Indien het veldmasker en het objektiefstelsel ontbreken beeldt de verdere veldlens het hoofdafbeeldingsstelsel en de verdere objektieflens op elkaar af.

Bij voorkeur heeft het. markeersysteem volgens de uitvinding het. kenmerk dat. op ten minste één van de optische elementen in het markeersysteem een antireflektielaag is aangebracht.

Een antireflektielaag op de optische elementen vermindert het stralingsverlies ten gevolge van Fresnelreflektie waardoor een hogere stralingsintenisteit op het. oppervlak van het voorwerp verkregen wordt, en dus een patroon sneller aangebracht kan worden of een groter oppervlak met voldoende stralingsintensiteit bestraald kan worden.

Een andere uitvoeringsvorm van het markeersysteem volgens de uitvinding heeft als eigenschappen dat het markeersysteem een laser bevat voor het. opwekken van straling met een golflengte van ongeveer 1 pm, een optische vezel voor het homogeniseren van de door de laser opgwekte straling, en een optisch stelsel voor het afbeelden van een van de laser afgekeerd uiteinde van de optische vezel op een masker waarin het aan te brengen patroon is bevat., welk optisch stelsel een hoofdafbeeldingsstelsel bevat en een verder lenzenstelsel waarvan de brandpuntsafstand ten minste een orde van grootte kleiner is dan de brandpuntsafstand van het hoofdafbeeldingsstelsel en waarbij het verdere lenzenstelsel zich op een afstand tot het stralingsuittreevlak bevindt die gelijk is aan de brandpuntsafstand van het verdere stelsel. In deze uitvoeringsvorm wordt een homogeen bestraald masker verkregen dat op het voorwerp kan worden afgebeeld met voldoende intensiteit om een afbeelding met een homogeen kontrast te verkrijgen en lineaire afmeting van meer dan 10 mm.

De uitvoeringsvormen waarbij verder een lenzenstelsel met een korte brandpuntsafstand vlakbij het stralingsuittreevlak is aangebracht. hebben als verder kenmerk dat het verdere stelsel voorzien is van een antireflektielaag. Deze antireflektielaag voorkomt dat straling ten gevolge van Fresnelreflektie op of bij het stralingsuittreevlak gekoncentreerd wordt en dat in dit vlak aanwezig materiaal beschadigd raakt.

De uitvinding heeft eveneens betrekking op een werkwijze voor het aanbrengen van merktekens op een oppervlak. Volgens de uitvinding omvat de werkwijze de volgende stappen: - het opwekken van elektromagnetische straling met behulp van een laser; - het homogeniseren van de opgewekte straling door deze een lichtgeleider te laten doorlopen; - het bestralen van een masker waarin de aan te brengen merktekens zijn bevat, door een van de laser afgekeerd uiteinde van de lichtgeleider op het masker af te beelden, waarbij de afmetingen van het bestraalde deel van het masker aangepast worden aan de vorm van het gebied van het masker dat door de merktekens is ingenomen; en - het projekteren van door het masker tredende straling op het te markeren oppervlak.

Op deze wijze is een patroon op het voorwerp aan te brengen dat een homogene helderheid heeft en een lineaire grootte van ten minste ongeveer 10 mm.

Een bijzondere uitvoeringsvorm van deze werkwijze heeft als verdere eigenschap dat waarbij elkaar grotendeels overlappende delen van het masker na elkaar worden bestraald. De overlappende delen kunnen in twee richtingen ten opzichte van elkaar verschoven zijn.

De voordelen van deze werkwijzen zijn in het voorgaande reeds beschreven aan de hand van het markeersysteem en zijn bijzondere uitvoeringsvormen.

Deze, en andere, meer gedetailleerde aspekten van de uitvinding worden nu nader toegelicht aan de hand van de tekeningen.

In de tekeningen wordt in de figuren 1a en 1b een uitvoeringsvorm weergegeven waarin, met behulp van cilinderlenzen, slechts een deel van het masker wordt bestraald; figuur 2 een uitvoeringsvorm getoond waarbij het masker in delen en stapsgewijs bestraald wordt; figuur 3 een verdere uitvoeringsvorm getoond, waarbij van een veldmasker gebruik gemaakt wordt, en waarbij de stralingsbroneenheid een laser en een lichtgeleider bevat; figuur 4 weergegeven op welke wijze elkaar overlappende delen van het masker worden bestraald; en in figuur 5 een optisch systeem voor een markeerinrichting weergegeven met een afbeeldingsstelsel met sterk verschillende brandpuntsafstanden waarbij het masker één op één op het oppervlak wordt afgebeeld.

In figuren 1a en 1b is een markeersysteem volgens de uitvinding schematisch weergegeven. In deze figuren is een stralingsbroneenheid 10 met een stralingsuittreevlak 11 aangegeven. Een masker 30 met een daarin aangebracht patroon van merktekens wordt door straling, afkomstig van de stralingsbroneenheid, bestraald en vervolgens met een objektiefstelsel 40 afgebeeld op het oppervlak 51 van het voorwerp 50. Het patroon dat op het. masker 30 is aangebracht wordt, bij een voldoende intense bestraling permanent overgebracht op het oppervlak 51. Dit gebeurt, doordat het materiaal van het oppervlak 51 ten gevolge van de inwerking van de straling verhit wordt en verkleurt, wordt verwijderd, of door een chemische reaktie ontleedt of reageert met een omgevingsgas. Het voorwerp 50 kan vervaardigd zijn uit een materiaal dat voor een dergelijke bewerking geschikt is, of het oppervlak 51 kan van een dunne laag van een dergelijk materiaal zijn voorzien.

Behalve door rechtstreekse inwerking van straling op het materiaal van het oppervlak is het ook mogelijk het oppervlak te voorzien van een materiaal dat. na bestraling nog een chemische behandeling moet ondergaan om het patroon zichtbaar te maken en of te fixeren. Bijvoorbeeld een fotolak die na bestraling ontwikkeld moet worden. Een verdere bewerking kan ook bestaan uit het met chemische middelen wegetsen van materiaal van het oppervlak op niet, of juist wel, bestraalde delen.

Hoewel het masker 30 weergegeven is als een masker dat transparant is ter plaatse van de weer te geven merktekens, kan een masker natuurlijk ook op die plaatsen spiegelend zijn, waarbij de spiegelende delen van het masker op het voorwerp worden afgeheeld. De rest van het masker is dan absorberend of, om verhitting van het masker te voorkomen, transparant.

Om een egaal, helder en kontrastrijk patroon van merktekens te verkrijgen, dienen de posities van de merktekens gelijkmatig en met voldoende intensiteit bestraald te worden. Wanneer de merktekens een langwerpig patroon vormen, betekent dat dat bij het onvervormd afbeelden van het stralingsuittreevlak 11 op het masker veel straling terecht komt op ondoorlatende delen van het masker en verloren gaat. Dit betekent weer dat de bestraling lang duurt en veel energie kost.

Het optisch stelsel in het markeersysteera volgens de uitvinding zoals getoond in de figuren 1a en 1b bevat twee cilinderlenzen 21 en 22 waarvan de cilinderassen, dat wil zeggen de richtingen waarin de lenzen geen optische sterkte hebben, loodrecht op elkaar staan. Figuur 1a geeft een aanzicht van een markeersysteem weer in het vlak waarin de lens 21 sterkte heeft en figuur 1b van het vlak waarin de lens 22 sterkte heeft. De twee cilinderlenzen hebben een verschillende optische sterkte waardoor het stralingsuittreevlak 11 in de twee richtingen met een verschillende vergroting op het masker 30 wordt afgeheeld. In het geval het uittreevlak rond is, is de afbeelding daarvan op het masker ellipsvormig. De intensiteitsverdeling binnen het vlak verandert niet door de cilinderlenzen, zodat een homogene intensiteitsverdeling in het uittreevlak 11 leidt tot een eveneens homogene intensiteitsverdeling binnen de afbeelding op het. masker 30. Doordat de afbeelding nu vervormd is, bijvoorbeeld ellipsvormig, valt meer straling binnen het deel van het masker waar een langwerpig patroon, bijvoorbeeld een weer te geven woord, zich bevindt. Uiteraard dient de lange as van de ellips in de lengterichting van het patroon gericht te zijn. Door de vervorming is de intensiteit van de straling die het masker doorloopt hoger en kan dus volstaan worden met een kortere bestraling. Wanneer volstaan kan worden met een geringe vervorming kunnen de twee cilinderlenzen 21 en 22 uit één stuk transparant materiaal gevormd zijn waarvan de twee vlakken cilindrisch met onderling loodrechte cilinderassen gevormd zijn.

In figuur 2 is schematisch een tweede uitvoeringsvorm van het markeersysteem volgens de uitvinding weergegeven. Het markeersysteem bevat een stralingsbroneenheid 10, met een uittreevlak 11 en een masker 30. Met een hoofdafbeeldingsstelsel 20 wordt het stralingsuittreevlak afgebeeld op het masker 30. Vervolgens wordt het masker via een verder objektiefstelsel 40 afgebeeld op het oppervlak 51 van het te markeren voorwerp 50. In de stralingsweg tussen het hoofdafbeeldingsstelsel 20 en het. masker 30 is een instelbaar afbuigstelsel aangebracht, bijvoorbeeld een spiegel 23 die draaibaar is rond een as 24. Ook andere afbuigstelsels kunnen worden toegepast zoals een spiegelend polygoon, een draaibare planparallelle plaat of een roteerbaar hologram.

In deze uitvoeringsvorm wordt het uittreevlak 11 niet op het hele masker afgebeeld maar slechts op een deel van het masker en op een deel van het patroon van merktekens. Met behulp van het afbuigstelsel 23 wordt vervolgens het masker stap voor stap afgetast waarbij ieder te bestralen punt. van het masker een aantal malen wordt bestraald. Wanneer daarbij ieder punt een voldoend groot aantal, bijvoorbeeld tien, maal bestraald wordt dan is het verschil tussen delen van het patroon die een keer vaker of minder vaak zijn bestraald op het oppervlak van het voorwerp niet direkt meer waar te nemen. Dus wanneer het te bestralen oppervlak 51 en het masker 30 groot zijn, kan hierdoor het hele oppervlak en het hele masker bestraald worden zonder dat overgangen tussen eerder en later bestraalde delen zichtbaar zijn. De stapsgewijze bestraling kan bijvoorbeeld verkregen worden door een gepulsde stralingsbron te gebruiken en het afbuigstelsel synchroon daarmee stapsgewijs opnieuw in te stellen. Ook kan dit afbuigstelsel langzaam en kontinue bedreven worden.

In figuur 3 is een verdere uitwerking van deze uitvoeringsvorm getoond. In deze uitvoeringsvorm is de stralingsbroneenheid 10 weergegeven als een laser 12, bijvoorbeeld een Nd:YAG of Nd:glas laser, waarvan de straling met een lensje 13 in een optische vezel 14 wordt gekoppeld. De vezel 14 is tamelijk lang en in een aantal bochten gelegd waardoor de ruimtelijke variatie van de stralingsintensiteit in de opgewekte laserbundel aan het uiteinde 11 van de vezel verloren is gegaan. Het uiteinde is daardoor homogeen verlicht en vertoont niet meer de voor een dergelijke laser karakteristieke ruimtelijke energieverdeling. De vezel is bijvoorbeeld 2 tot 10 ro lang en heeft een kerndiameter van meer dan 100 pm. Het uiteinde 11 van de vezel is het stralingsuittreevlak van de stralingsbroneenheid 10. De exakte diameter van de vezel wordt bepaald door de gewenste bundeldiameter ter plaatse van het masker. Hiermee kan, door alleen de vezel te vervangen door een vezel met een andere kerndiameter, de bundeldiameter aangepast worden aan de optimale diameter voor een ander masker. Het opnieuw opstellen van het optisch stelsel is dan overbodig.

Het stralingsuittreevlak 11 wordt met behulp van het hoofdafbeeldingsstelsel 20 sterk vergroot afgebeeld op een veldmasker 26. Het veldmasker 26 is een diafragma met een vierkante of rechthoekige apertuur. In geval de apertuur rechthoekig is zal het hoofdafbeeldingsstelsel 20 bij voorkeur een cilindrisch stelsel zijn zoals in het bovenstaande beschreven, waarmee met zo weinig mogelijk stralingsverlies de gehele apertuur wordt belicht. Wanneer de apertuur vierkant is kunnen de twee cilinderlenzen 21 en 22 vervangen worden door een rotatie symmetrisch stelsel met dezelfde sterkte in de twee richtingen.

Het veldmasker 26 wordt door het objektiefstelsel 25 afgebeeld op een deel van het masker 30. Dit masker bevat het op het oppervlak over te brengen patroon van merktekens. Tussen het objektiefstelsel 25 en het masker 30 is een galvanometerspiegel geplaatst waarmee de positie van de afbeelding van het veldmasker op het masker 30 stapsgewijs verplaatst kan worden. Eventueel is tussen de galvanometerspiegel 23 en het masker 30 nog een optisch stelsel 29 aangebracht waarmee de beeldveldkromming van het objektiefstelsel 25 en ten gevolge van de spiegel 23 wordt opgeheven (field-flattener). Het patroon op het masker 30 wordt tenslotte met behulp van het objektiefstelsel 40 afgebeeld op het te markeren oppervlak 51 van het voorwerp 50.

Naast het veldmasker 26 is een veldlens 27 aangebracht.

De funktie van deze lens is de straling die door het veldmasker 26 valt te koncentreren op het objektiefstelsel 25. Doordat de straling op slechts een klein deel van het objektiefstelsel 25 valt, wordt het veldmasker 26 met een grote scherptediepte op het masker 30 afgebeeld en is de invloed van lensfouten op de kwaliteit van de afbeelding klein.

Naast het masker 30 is eveneens een veldlens 31 aangebracht. Deze verdere veldlens koncentreert de straling op de verdere objektieflens 40 en heeft eveneens gunstige effekten op de kwaliteit van de afbeelding van het masker 30 op het oppervlak 51.

De wijze waarop het veldmasker 26 op het masker 30 stapsgewijs overlappend wordt afgebeeld is geïllustreerd in figuur 4.

Het masker 30 wordt impulsgewijs bestraald waarbij het veldmasker een afbeelding Ij_, i = 1, ..., n, op een deel van het masker vormt waarop een patroon van af te beelden merktekens is aangebracht, in de figuur weergegeven met TEXT. De door de impulsgewijze of stapsgewijze bestraling gevormde afbeeldingen 1^ overlappen elkaar in belangrijke mate zodat ieder punt van het patroon TEXT binnen een aantal afbeeldingen valt, waarbij dat aantal zo groot is dat een bestraling meer of minder geen zichtbaar effekt heeft op het patroon van merktekens dat op het oppervlak 51 ontstaat. Het exacte nominale aantal hangt af van de intensiteit van de straling en van de eigenschappen van het materiaal van het oppervlak 51. Het veldmasker kan voorzien zijn van randen met een geleidelijke afname van de doorlaatbaarheid. Hierdoor heeft een niet geheel korrekte positionering nauwelijks effekt op de hoeveelheid straling aan de rand van het bestraalde deel, en dus op de helderheid van het aangebrachte merkteken.

Om ieder punt van het patroon TEXT in voldoende mate te bestralen is het noodzakelijk om een aantal inloop- en uitloopbestralingen uit te voeren die grotendeels gebieden van het masker betreffen waar zich geen merktekens bevinden. In de figuur zijn dit de gebieden Iy, ..-,I3 en Ιη_2ι ...,In-

Het wordt opgemerkt dat, ter verduidelijking van de figuur, de randen van de aangegeven bestralingsvelden 1^ niet samenvallen met de richting van de verplaatsing van de velden over het masker. In de praktijk zal dit bij voorkeur wel het geval zijn. Tevens zal bij voorkeur de afstand waarover twee op elkaar volgende afbeeldingen zijn verschoven gelijk zijn aan 1/N van de breedte van de afbeelding, waarbij N het nominale aantal belichtingsimpulsen is waaraan ieder punt van het patroon wordt blootgesteld.

Om een patroon van merktekens dat in twee richtingen een relatief grote afmeting heeft egaal te bestralen kunnen de te bestralen delen in twee richtingen ten opzichte van elkaar zijn verschoven.

Daarbij wordt dan bestraald in een aantal rijen van overlappende delen, welke rijen elkaar onderling ook overlappen. Het beste resultaat wordt daarbij verkregen wanneer de mate van overlap in de twee richtingen gelijk is, dat wil zeggen dat het nominaal aantal bestralingen voor ieder punt een kwadraat is. De eerste bestralingen van twee verdere rijen zijn in figuur 4 aangeduid met en . De bestraling van delen van het masker is te realiseren door het afbuigstelsel stapgewijs in te stellen en daarmee gesynchroniseerd een stralingimpuls in de stralingsbron op te wekken. Ook kan de instelling kontinu worden geregeld waarbij dan op regelmatige tijdstippen, wanneer de instelling de juiste waarde heeft, een stralingimpuls van korte duur op te wekken.

In figuur 5 is een wat anders uitgevoerd optisch stelsel voor het markeersysteem volgens de uitvinding weergegeven. In deze figuur is van de stralingsbroneenheid 110 alleen het stralingsuittreevlak 111 aangegeven, bijvoorbeeld het uiteinde van een vezel. De straling die uit het vlak 111 uittreedt wordt met behulp van een eerste lensje 121 ingevangen. Het positieve lensje 121 heeft een brandpuntsafstand f^ en is ook op die afstand van het stralingsuittreevlak 111 geplaatst. Straling uitgezonden in verschillende richtingen en afkomstig van hetzelfde punt op het stralingsuittreevlak wordt door het lensje tot een evenwijdige bundel gekollimeerd. Bundels afkomstig van de verschillende punten van het vlak snijden elkaar in een vlak 112 dat op de afstand f1 aan de andere zijde van het lensje 121 ligt. Een tweede lens 122 met een brandpuntsafstand f2 bundelt de straling afkomstig van het vlak 112 tot een vrijwel evenwijdige bundel waarin het masker 130 met het patroon van merktekens is geplaatst. Daartoe is de afstand van het vlak 112 tot de lens 122 gelijk aan de brandpuntsafstand f2 van de tweede lens 122. De brandpuntsafstand van de tweede lens 122 is ten minste een orde van grootte groter dan die van het eerste lensje 121. Hierdoor ontstaat achter de lens 122 een afbeelding van het stralingsuittreevlak 111 met een zeer grote scherptediepte. Daardoor is het mogelijk om zowel het masker 130 als het oppervlak 151 te bestralen en het patroon in het masker af te beelden, zonder tussenkomst van een objektieflens. Door de grote scherptediepte kan voldoende afstand tussen het oppervlak 151 en het masker 130 worden bewaard om te voorkomen dat het masker beschadigd wordt door gas of materiaal dat tijdens het markeren van het oppervlak vrijkomt.

In een uitvoeringsvorm van het markeersysteem is de stralingsbroneenheid een Nd:YAG laser die straling opwekt met een golflengte van ongeveer 1 pm. De straling wordt door een vezel geleid met een diameter van 1000 pm. Het lensje 121 is een bikonvexe lens met een brandpuntsafstand van 7 mm en is op ongeveer 8 mm van het eindvlak van de vezel is geplaatst. De tweede lens is een planokonvexe lens met een brandpuntsafstand van 300 mm en is op ongeveer 320 mm van het eindvlak van de vezel geplaatst. Het masker bevindt zich op 480 mm van de vezel en is homogeen belicht met een bundel roet een diameter van ongeveer 43 mm. De lenzen staan niet exact op 7 en 314 mm omdat de lenzen zelf een dikte hebben.

Behalve een rotatie-symmetrische lens, kan de lens 122 in de vorm van twee cilinderlenzen met onderling gekruiste cilinderassen zijn uitgevoerd. Daardoor wordt, zoals in het voorgaande reeds gesteld, een andere hoogte-breedte verhouding van het bestraalde veld op het masker verkregen. Tevens kan ook het lensje 121 samengesteld zijn uit twee cilinderlenzen.

Door gebruik te maken van de in het voorgaande beschreven inrichting en werkwijze, kan een uitgestrekt en homogeen patroon worden aangebracht op een voorwerp zoals bijvoorbeeld de voorzijde van een draagbare of in een auto aangebrachte radio. In het bijzonder kan een dergelijk apparaat voorzien zijn van een voorzijde, of van bedieningstoetsen, die van binnenuit belicht worden. Daartoe is het betreffende deel vervaardigd uit een transparant materiaal, wit of gekleurd, aan de voorzijde waarvan een donkere, ondoorlatende laag van bijvoorbeeld een zwarte kunststof is aangebracht. Met behulp van het markeersysteem volgens de uitvinding wordt het donkere kunststof homogeen en volledig verwijderd, zonder dat het onderliggende transparante materiaal door de straling beïnvloed wordt. Door in het apparaat, achter het op deze wijze aangebrachte patroon, een lichtbron aan te brengen, is het opschrift op het merkteken aan de buitenzijde van het apparaat, ook bij slechte lichtomstandigheden, goed te zien.

Claims (23)

1. Markeersysteem voor het met elektromagnetische straling aanbrengen van een patroon op een oppervlak (51) van een voorwerp (50), welk markeersysteem een stralingsbroneenheid (10) bevat met een stralingsuittreevlak (11) en een optisch stelstel (20) voor het bestralen van een masker (30) waarin het aan te brengen patroon is bevat met een stralingsbundel afkomstig van het stralingsuittreevlak, met het kenmerk, dat het optisch stelsel (20) een hoofdafbeeldingstelsel (21, 22) bevat voor het afbeelden van het stralingsuittreevlak (11) op het masker (30), en dat het optisch stelsel is voorzien van middelen voor het aanpassen van de afmetingen van de doorsnede en/of de positie van de stralingsbundel aan de vorm en/of de plaats van het gebied van het masker (30) waar het patroon zich bevindt.

2. Markeersysteem volgens konklusie 1, met het kenmerk, dat het hoofdafbeeldingsstelstel twee cilinderlenzen (21, 22) bevat waarvan de cilinderassen nagenoeg loodrecht op elkaar staan, welke twee cilinderlenzen (21, 22) een verschillende sterkte hebben voor het in twee richtingen met een verschillende vergroting afbeelden van het stralingsuittreevlak (11) op het masker (30).

3. Markeersysteem volgens konklusie 1 of 2, met het kenmerk, dat het optisch stelsel verder is ingericht voor het bestralen van een deel van het masker (30), en dat in de stralingsweg tussen het stralingsuittreevlak (11) en het masker (30) middelen (23, 24) zijn aangebracht om elkaar overlappende delen (1^,...,1 ) van het masker (30) na elkaar te bestralen.

4. Markeersysteem volgens konklusie 3, met het kenmerk dat de middelen (23, 24) voor het na elkaar bestralen van delen van het masker (30) ingericht zijn om delen die in twee richtingen ten opzichte van elkaar zijn verplaatst te bestralen.

5. Markeersysteem volgens konklusie 3 of 4, met het kenmerk, dat het optisch stelsel een veldmasker (26) en een objektiefstelsel (25) bevat die zich tussen het stralingsuittreevlak (11) en het. genoemde masker (30) bevinden, waarbij het veldmasker (26) en het masker (30) in gekonjugeerde vlakken van het objektiefstelsel (25) zijn aangebracht, en dat verder tussen het veldmasker (26) en het masker (30) een instelbaar afbuigstelsel (23,24) is aangebracht voor het selekteren van een deel van het masker (30) waarop het veldmaster (26) wordt afgebeeld.

6. Markeersysteem volgens konklusie 5, met het kenmerk, dat aan ten minste een van de randen van het veldmasker (26) de doorlaatbaarheid een gradient vertoont.

7. Markeersysteem volgens konklusie 5 of 6, met het kenmerk, dat naast het veldmasker (26) een veldlens (27) is aangebracht.

8. Markeersysteem volgens konklusie 5, 6 of 7, met het kenmerk, dat het instelbaar afbuigstelstel (23, 24) een galvanometerspiegel is die tussen het objektiefstelsel (25) en het masker (30) is aangebracht.

9. Markeersysteem volgens één van de voorgaande konklusies, met het kenmerk, dat het optisch stelsel tussen het stralingsuittreevlak (111) en het hoofdafbeeldingsstelstel (120) een verder lenzenstelsel (121) bevat waarvan de brandpuntsafstand (f^) ten minste een orde van grootte kleiner is dan de brandpuntsafstand(en) (f2) van het hoofdafbeeldingsstelsel (120), waarbij het verdere lenzenstelsel (121) zich op een afstand tot het stralingsuittreevlak (111) bevindt die gelijk is aan de brandpuntsafstand (f^) van het verdere stelsel (121).

10. Markeersysteem volgens één van de voorgaande konklusies, waarbij de stralingsbroneenheid (10) een laser (12) bevat, met het kenmerk, dat in de st.ralingsweg tussen de laser (12) en het optisch stelsel (20) een lichtgeleider (14) is aangebracht voor het homogeniseren van door de laser (12) opgewekte straling, en dat een van de laser afgekeerd uiteinde van de lichtgeleider (14) het genoemde stralingsuittreevlak (11) vormt.

11. Markeersysteem volgens konklusie 10, met het kenmerk, dat de laser geschikt is voor het opwekken van straling met een golflengte van ten hoogste ongeveer 1 ym, bijvoorbeeld een Nd:glas of een Nd:YAG laser.

12. Markeersysteem volgens konklusie 10 of 11, met het kenmerk, dat de lichtgeleider (14) een gebogen optische vezel is.

13. Markeersysteem volgens konklusie 10, 11 of 12, met het kenmerk, dat de stralingsgeleider of optische vezel (14) uitwisselbaar is zodat, de diameter van de stralingsgeleider of optische vezel (14) aanpasbaar is aan de uitgestrektheid van het te bestralen deel van het patroon van merktekens en de vergrotingsfaktor van het optisch stelsel.

14. Markeersysteem volgens één van de voorgaande konklusies, waarbij in de stral.ingsweg tussen het masker (30) en het oppervlak (51) een verdere objektieflens (40) is aangebracht, met het kenmerk, dat de verdere objektieflens (40) is ingericht om het masker (30) één op één, of vergroot, op het oppervlak (51) af te beelden.

15. Markeersysteem volgens konklusie 14, met het kenmerk, dat naast de positie van het masker (30) een verdere veldlens (31) is aangebracht.

16. Markeersysteem volgens één van de voorgaande konklusies, met het kenmerk, dat op ten minste één van de optische elementen in het markeersysteem een antireflektielaag is aangebracht.

17. Markeersysteem voor het met elektromagnetische straling aanbrengen van een patroon van merktekens op een oppervlak (51) van een voorwerp, welk markeersysteem een laser bevat voor het opwekken van straling met een golflengte van ongeveer 1 pm, een optische vezel voor het homogeniseren van de door de laser opgwekte straling, en een optisch stelsel voor het afbeelden van een van de laser afgekeerd uiteinde van de optische vezel op een masker waarin het aan te brengen patroon is bevat, welk optisch stelsel een hoofdafbeeldingsstelsel (120) bevat en een verder lenzenstelsel (121) waarvan de brandpuntsafstand (f^) ten minste een orde van grootte kleiner is dan de brandpuntsafstand (f2) van het hoofdafbeeldingsstelsel en waarbij het verdere lenzenstelsel zich op een afstand tot het stralingsuittreevlak bevindt die gelijk is aan de brandpuntsafstand van het verdere stelsel.

18. Markeersysteem volgens konklusie 9 of 17, met het kenmerk, dat het verdere stelsel (121) voorzien is van een antireflektielaag.

19. Werkwijze voor het aanbrengen van merktekens op een oppervlak (51) van een voorwerp (50), welke werkwijze de volgende stappen omvat: - het opwekken van elektromagnetische straling met behulp van een laser (12); - het homogeniseren van de opgewekte straling door deze een lichtgeleider (14) te laten doorlopen; - het bestralen van een masker (30) waarin de aan te brengen merktekens zijn bevat, door een van de laser (12) afgekeerd uiteinde (11) van de lichtgeleider (14) op het masker (30) af te beelden, waarbij de afmetingen van het bestraalde deel van het masker aangepast worden aan de vorm van het gebied van het masker (30) dat door de merktekens is ingenomen; en - het projekteren van door het masker (30) tredende straling op het te markeren oppervlak (51).

20. Werkwijze volgens konklusie 19, waarbij elkaar grotendeels overlappende delen (I^,...,In) van het masker (30) na elkaar worden bestraald.

21. Werkwijze volgens konklusie 20, met het kenmerk, dat de grotendeels overlappende delen in twee richtingen ten opzichte van elkaar verschoven worden.

22. Voorwerp voorzien van een merkteken of een patroon van merktekens aangebracht door middel van bestraling met elektromagnetische straling, welk merkteken een lineaire uitgestrektheid heeft van ten minste ongeveer 10 mm, en welk merkteken een homogeen kontrast met een achtergrond heeft over het gehele oppervlak van het merkteken of het patroon.

23. Voorwerp volgens konklusie 22, waarbij het merkteken of patroon is aangebracht op een deel van het voorwerp dat een ondoorschijnende laag op een, althans gedeeltelijk, transparante laag bevat en waarbij het merkteken of patroon is aangebracht door plaatselijke verwijdering van uitsluitend materiaal van de ondoorschijnende laag.