NO851396L - Apparat til merking av en flate ved hjelp av straaler - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører apparater til merking av gjenstander eller underlag som er i bevegelse, og går nærmere bestemt ut på et lasermerkesystem innrettet til å frembringe rene, permanente merker på et stort antall ulike materialer. Det foreliggende apparat er særlig egnet til merking av de fleste materialer som benyttes ved næringsmiddel- og forbrukerproduktemballering, beholdere for drikkevarer, lukkeorganer og kapsler for flasker, etiketter og underlag. Slik merking kan innbefatte dato- eller satskoder, ord, tall, varemerker eller firmanavnutforminger.

Slagfritt merke- eller kodingsutstyr representerer velkjent teknikk og innbefatter blekkstrålekodere, for eksempel U.S. patentskrift nr. 4 121 222 (tilhørende nærværende assignatar). Et annet blekkstrålearrangement er illustrert i U.S. patentskrift nr. 3 982 251, hvor en flerhet av pulsstyrte blekkstråler avgrenser en tegnmatrise på underlaget mens det passerer blekkstrålehodet. Ved sist-nevnte patentskrift omformes blekkstrålene som ønsket fra en fargeløs transparent tilstand til en synlig fargetilstand ved hjelp av selektivt anslag av laserenergi mens dråpene er underveis fra blekkstrålehodet til merkepunktet. Selvom blekkstrålemerking representerer et høyst tilfredsstillende merkesystem for mange anvendelsesformål, for eksempel merkingen av papiretiketter og metall- og plastflater, kan blekkstråleskriving være utilstrekkelig og mangelfull når bakgrunnen ved en på forhånd trykket etikett minsker den synlige kontrast for det blekkskrevne merke eller hvor dårlig vedhefting for blekket på en ikke-porøs flate gjør uutslettelig merking umulig.

Dessuten innbefatter kvalitetsblekkstråleskrivere nød-vendigvis avanserte hydrauliske ledninger, ventiler, reser-voarer og annen apparatur for å sikre korrekt beholdning og bevegelse av de blekk og løsningsmidler som er vanlige ved blekkstråleprosessen.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører direkte lasermerk-ing av gjenstander og underlag, hvor de ovennevnte begrensninger ved blekkstrålemerking kan unngås. Det foreliggende lasermerkesystem sørger nærmere bestemt for permanent merking ved høy hastighet på de fleste materialer uten hensyn til overflatepolering, maling eller farge. Det kan enn videre avmerkes tegn med høyere resolusjon og mindre størrelse ved bruk av laserteknologi enn ved blekkstråle-alternativet.

Lasereksiterte merkesystemer representerer generelt sett kjent teknikk. Ved et slikt forsøk, for eksempel som representert ved U.S. patentskrift nr. 3 965 476 (Wenander) og 4 219 721 (Kamen), blir det benyttet en tegnåpningsmaske hvorigjennom laserlyskilden rettes inn mot den gjenstand som skal merkes. I motsetning hertil blir det ved nærværende arrangement generert punkttypesnitt ved skarp fokusering av en flerhet av individuelt modulerte lasere på gjenstanden eller underlaget mens den/det beveger seg langs en rettlinjet bane i nærheten av det optiske fokuseringshode.

En annen vanlig benyttet teknikk for laserskriving inne-bærer avsøking av gjenstandens flate ved å rette én eller flere laserkilder inn mot oscillerende eller roterende speil. Eksempelvis blir det ved U.S. patentskrift nr. 4 404 571 (Kitamura) benyttet et roterende polygonalt speil for effektiv avsøking av en fotofølsom flate. Et annet eksempel representerer U.S. patentskrift nr. 4 024 545 (Dowling), hvor et par speil montert for vippebevegelse, hvert omkring en gjensidig ortogonal akse, setter en enkelt modulert laserkilde i stand til å avsøke et rektangulært flateområde. Ved det tidligere omtalte U.S. patentskrift nr. 3 965 476 (Wenander) blir det likeldes benyttet en flerhet av faste og bevegelige speil og en ledeskrueanordning for å rette laserkilden inn mot den korrekte papirflate. Det vil forstås at hver av disse skriveanordninger omfatter mekaniske elementer med komplisert bevegelse som er kostbare å bygge og vedlikeholde, langsomme i drift og som avgrenser mindre nøyaktige og tydelige (skarpe) tegn.

Enda et annet tidligere kjent arrangement er vist i IBM Technical Disclosure Bulletin, bind 20, nummer 6, november 1977, hvor lysutgangen fra en flerhet av GaAs-lasere kombineres ved bruk av optiske bølgeledere og overføres til et laserhode gjennom fiberoptikk-kanaler. Flere fiberoptikk-kanaler dannes på denne måte og er orientert parallelt i laserhodet for å lette skriving av en tegn-kolonne. Imidlertid har fiberoptikk begrenset effekthåndteringskapasitet og kan enn videre ikke benyttes for transmisjon av energi med relativt lang bølgelengde fra CO -laserne ifølge den foreliggende oppfinnelse. I tillegg

2

krever det parallelle arrangement av flere optiske fibre at den flate av gjenstanden eller underlaget som skal merkes er plassert i bildeplanet i stedet for i brenn- eller fokalplanet, slik at den tilgjengelige merkingsenergitetthet senkes. Endelig må utgangslinsen som benyttes i forbindelse med dette tidligere kjente laserhode med parallelle fiberoptikk-kanaler ha tilstrekkelig tverrgående dimensjon for å avsperre hver av lysstrålene fra de vidt atskilte laserfibre omfattende hele kolonnen av tegnmatrisen. Dette i motsetning til den foreliggende oppfinnelse, hvor korrekt rekkemellomrom er en funksjon av innfallsvinklene for en flerhet av stråler, hver fokusert langs en felles midtakse for utgangslinsen.

Det foreliggende laserkodingsapparat kombinerer en flerhet av individuelle lasere eller en monolittisk enhet med flerdobbelte stråler i en konstruksjon som utmerker seg ved maksimal enkelthet og som praktisk talt er uten bevegelige deler. Laserstrålen fra hver kilde rettes inn ved hjelp av faste speil gjennom en enkelt utgangslinse og deretter over på den flate som skal merkes. Individuelle laserspeil blir, selvom de er justerbare for innledende oppretting av systemet, ikke beveget og forblir stasjonære under normal drift av apparatet. Den flate som skal merkes plasseres på en tradisjonell transportør eller annen anordning innrettet til å bevege gjenstandene langs en rettlinjet bane i nærheten av laserutgangshodet. Hver laser avgrenser i det vesentlige en energikilde for generering av et parallelt stråleknippe, som fokuseres ved hjelp av utgangslinsen til et punkt av forutbestemt liten størrelse for presisjonsmerking av gjenstandenes flater mens de passerer utgangshodet stort sett i dettes fokalplan. Hver laserkildes innfallsvinkel ved utgangslinsen blir begyn-nelses justert i den hensikt å sørge for en flerhet av nær hverandre beliggende og fokuserte punkter som avgrenser en vertikal kolonne av lyspunkter hvorfra den vanlige alfanumeriske matrise kan oppnås ved modulasjon av punktene etter hvert som gjenstanden eller underlaget beveger seg forbi utgangslinsen. På denne måte unngås kostbare stråleavsøkingsmekanismer.

Ved foreliggende arrangement unngås også de utgifter og konstruktivt kompliserte innretninger som knytter seg til lasermaskesystemer og det er enn videre ikke begrenset til de spesifikke typesnitt som avgrenses av tegnmasken. Ethvert tegn eller annet symbol som kan angis ved hjelp av en punkt-eller linjematrise kan faktisk frembringes og avmerkes ved hjelp av den foreliggende oppfinnelse. Skarpheten av individuelle kolonne-punkter ved hjelp av atskilte modulerte lasere medfører forskjellige andre fordeler i tillegg til den reduserte mekaniske kompleksitet forårsaket ved elimin-eringen av oscillerende, bevegelige eller roterende speil. Det kan for det første benyttes lasere til lavere pris på grunn av det mindre stråleeffektbehov ved det foreliggende system, hvor hver stråle bare avmerker en enkelt rekke av punkter av tegnmatrisen. Ved et enkeltlaser-avsøkingssystem må laseren derimot avgi tilstrekkelig effekt til å avmerke samtlige punkter for tegnmatrisen. En beslektet fordel med det foreliggende system er økt tegn-skrivehastighet ettersom hver laser bare skriver en liten andel av hvert tegn. På liknende måte reduseres den maksimale

lasermoduleringsfrekvens ved oppfinnelsen med en faktor som svarer til antallet av benyttete lasere (syv i det foretruk-

kete utførelseseksempel, mens det oppnås merkingshastighet som tåler sammenlikning.

Det er derfor et formål med den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe et lasermerkingssystem som egner seg for koding av papiretiketter og -merkelapper, andre underlag, trykksaker, plast, malte flater og liknende. Systemet er innrettet til å reprodusere et hvilket som helst symbol eller tegn som er avgrensbart innenfor en matrise med et forutbestemt antall punktrekker. Tegnhøyden fastsettes av utgangslinsens fokallengde og av innfallsvinklene mellom laserkilder. Det er anordnet en flerhet av lasere, fortrinnsvis én for hvert punkt som avgrenser den vertikale kolonne av symbolbildematrisen. Det er et ytterligere formål å redusere de mekaniske kompleksiteter og tilknyttete kostnader ved laserstråle-posisjoneringsapparatur og således unngå bruk av avansert stråleavsøkingsanordninger, herunder for eksempel oscillerende og roterende polygonale speil og gjengete ledeskrue-drivinnretninger. Det er mer spesifikt et ytterligere formål å skaffe tilveie lasermerkingsapparatur hvor de gjenstander som skal merkes føres i nærheten av laserhodet for merking. Et ytterligere formål er å tillate anvendelse av relativt billige lasere med lavere effektuttaks- og modulasjonsbåndbreddekapasitet. Det kan om nødvendig anordnes speil for å rette de ulike laserstråler med korrekt vinkelorientering inn på utgangslinsen, som i sin tur fokuserer strålene over på de gjenstander som skal merkes, i form av atskilte punkter. I tillegg kan det benyttes slike speil for å komprimere det tilsynelatende mellomrom mellom tilstøternde lasere, for derved å lette oppnåelse av en kortere optisk laserbane for et gitt minimalt lasermellomrom og innfallende lysstrålevinkler.

Det henvises til tegningene, hvor:

Fig. 1 er et sideriss i snitt av lasermerkingsapparatet ifølge den foreliggende oppfinnelse. Fig. 2 er et snittriss stort sett etter linjen 2-2 ifølge fig. 1 og illustrerer plasseringen av laser-ledende speil. Fig. 3 er et snittriss stort sett etter linjen 3-3 ifølge fig. 2 og viser den innbyrdes forbindelse mellom de individ uelle laser-ledende speil som sett gjennom leveringsrøret. Fig. 4 er en skjematisk fremstilling av de innbyrdes laseroptiske forbindelser ifølge den foreliggende oppfinnelse. Fig. 5 er en forstørret fremstilling av de fokuserte punkter frembrakt av det foreliggende lasermerkingssystem og illustrerer den hensiktsmessige innbyrdes lineære forbindelse mellom punktstørrelse og mellomrom mellom punktene. Fig. 6 er en fremstilling av punktmønsteret som er et resultat av det foreliggende grupperte laserarangement uten horisontal kompensasjon. Fig. 7 er et skjematisk planriss som illustrerer laser-oppretting som kompenserer for horisontal oppretting.

Apparatet ifølge nærværende oppfinnelse er innrettet til å merke av eller skrive inn alfanumeriske tegn eller andre symboler på flaten av gjenstander som er i bevegelse. Nærmere bestemt blir en flerhet av laserstråler fokusert på flaten i form av atskilte punkter langs en linje på tvers?, av gjenstandenes bevegelsesretning. Denne linje avgrenser en enkelt kolonne av tegn eller symboler som skal avmerkes. Når den gjenstand som skal merkes passerer laserhodet, beskriver hver laser et spor eller linje på gjenstandens flate som avgrenser en korresponderende rekke av merkete tegn. Ved det foretrukkete arrangement ifølge den foreliggende oppfinnelse, har de fokuserte laserpunkter ensartete innbyrdes mellomrom slik at de danner regelmessig fordelte, parallelle tegnrekker.

Som redegjort for nedenfor, skrives tegnene fortrinnsvis inn ved selektiv og synkron pulsstyring av laserne for å frembringe en vertikallinje av i gjensidig avstand beliggende punkter som avgrenser én tegn- eller symbolkolonne. Denne pulsstyringsprosess gjentas suksessivt for å frembringe nærliggende kolonner mens gjenstanden beveger seg i forhold til laserhodet og de fokuserte stråler. På denne måte kan det trykkes tradisjonelle punkttegn. Alternativt kan pulsvarighetene forlenges slik at hver laser avgrenser en flerhet av linjesegmenter innenfor dens tilknyttete rekke på den i bevegelse værende gjenstand. Disse segmenter kan ha

vilkårlig lengde.

Ifølge fig. 1 og 2 innbefatter lasermerkingsapparatet i overensstemmelse med den foreliggende oppfinnelse et hoved-kabinett eller apparatkasse 10, som stort sett er avgrenset av et nedre laserkammer 12 og et øvre speilkammer 14. Kammeret 12 tjener til å inneholde flere lasere, og det er viktig at det sørger for radiofrekvens-skjerming slik at ;: det hindres unødig stråling fra radiofrekvenslaser-ekssita-sjonskilden. Et laserhode 16 er stivt festet til apparatkas-sens 10 kammer 14. Dette hode omfatter et horisontalt og et vertikalt leveringsrør, henholdsvis 18 og 20, et rettviklet grenseflateelement 22 med et innbygget laserspeil 24, en utgangslinse 2 6 fastholdt ved den nedre ende av linserøret 28 for teleskopisk fokuseringsbevegelse inne i det vertikale leveringsrør 20.

Ved det foretrukkete utførelseseksempel er det anordnet syv vannkjølte CC^-gasslasere 30a-g vertikalt i kammeret 12 med deres respektive utganger, d.v.s. de delvis sendende speilender 31, orientert oppover i fig. 1. Lysstrålene fra disse lasere passerer gjennom åpninger 32 utformet i en mellomvegg 34 mellom kammerne og treffer i sin tur de respektive ledende speil 36a-g. Laserne 30 er anordnet i to grupper, 30a-d og 30e-g, av årsaker som skal forklares mer fullstendig nedenfor. Lysaksene for den første gruppe, laserne 30a-d, avgrenser et plan i det vesentlige i flukt med og perpendikulært på speilenes 36a-d midtlinje 38 (fig. 2). På liknende måte avgrenser lysaksene for den andre lasergruppe 30e-g et plan langs midtlinjen 40 for speilene 36e-g.

Laserne 30a-g sender stort sett kollimerte lysstråler med en divergens på omtrent 5 miliradianer (0,29 grader) inn i de respektive speil 36a-g, som i sin tur reflekterer strålene gjennom leveringsrøret 18, fra speilet 24 gjennom leveringsrøret 20 til optisk kontakt med utgangslinsen 26. Banen for lysstrålen fra laseren 30a til den gjenstand 46 som skal merkes, er illustrert med den stiplete linje 48.

I motsetning til de tidligere kjente kompliserte systemer, er hele den optiske bane ved det foreliggende apparat, herunder speilene 36 og 24 samt linsen 26, er fast montert og beveger seg ikke under normale merkingsoperasjoner. Speilene 36a-g er justerbare hver for seg for innledende oppretting av systemet, men krever deretter vanligvis ikke noen bevegelse. Linsen 26 er fortrinnsvis dannet av optisk transparent (10,6 mikronenergi) sinkselenidmateriale. Speilene 36 og 24 er på frontsiden forsynt med gull eller aluminium og kan innbefatte et dielektrisk belegg for forbedret reflekterende effektivitet såsom velkjent innen angjeldende teknikk.

Laserne 30 har umodulert bærebølge og CC^-gassvariasjon med en effektuttakskapasitet på ca. 20 watt i gjennomsnitt, idet toppeffektene er på ca. 50 watt. Vannkjølte kapper og rørledninger 42, som forbinder laserne innbyrdes, er nødvendige ved disse effektnivåer for å opprettholde hensiktsmessige driftstemperaturer. I denne henseende har den foreliggende CC^-laser betydelig høyere virkningsgrad under drift enn alternative laserkilder, hvilket på fordelaktig måte senker systemets effekt- og kjølebehov. De foreliggende lasere arbeider for eksempel ved en effektomformings-virkningsgrad på omtrent 16% sammenliknet med virkningsgraden ved en YAG-laser på 1-2%. Selvom CC^-gasslasere har vært overveid, vil det forstås at lasere med avvikende effektnivåer og bølgelengder vil komme i betraktning i forbindelse med den foreliggende oppfinnelse.

Hver laser 30 er forsynt med en elektrode 44 koplet til en pulsstyrt kilde for radiofrekvensenergi (ikke vist) som tjener til dielektrisk ekssitering av den enkelte laser til lysutstråling. For dette formål blir det benyttet en frekvens på tilnærmet 2 7 MHz. Såsom det er gjort rede for mer detaljert nedenfor, er hver laser fortrinnsvis pulsstyrt til å frembringe en serie av punkter på den flate som avgrenser en tegnmatrise. Varigheten og intensiteten av hver punkt-produserende puls og pulsrepetisjonstakten bestemmes av det flatemateriale som skal merkes, hastigheten av den transportør som forflytter gjenstandene som skal merkes forbi laserhodet og betraktninger med hensyn til kjøling av laser. Alternativt kan laserpulsvarighetene forlenges, slik at det produseres tegn eller symboler avgrenset av linjesegmenter av vilkårlig lengde langs tegnmatriserekkene.

Drift av de enkelte lasere ved en pulsomhyllingseffekt på 20 watt og en 50% driftssyklus, d.v.s. en gjennomsnittlig lasereffekt på 10 watt, gir høye merkingshastigheter uten å øke kjølebehovene for laserne unødig. Det vil imidlertid forstås at systemet kan tilpasses høyere effektnivåer dersom det sørges for tilstrekkelig laserkjøling. Slike høyere nivåer kan være ønskelige under laserkoding av flater som krever høyere merkingsenergi.

Den maksimale modulerings- eller pulsrepetisjonsfrekvens ved den foreliggende radiofrekvensekssiterte CO^-laser med umodulert bærebølge er ca. 10 KHz. Imidlertid tillater anvendelsen av flere lasere en total matrisepunktskrivehas-tighet på 70 tusen punkter/sekund. Dette motsvarer et kolonnemellomrom på 0,14 mm for en transportørhastighet på 1 meter/sekund. Rekkemellomrommet fastsettes, såsom redegjort for nedenfor, ved innfallsvinklene for nærliggende laserstråler og ved utgangslinsens fokallengde.

Den energien som kreves for å merke en flate (målt i milijoule per kvadratmillimeter, mJ/mm 2 ) er en funksjon av flateabsorpsjonen og andre egenskaper ved materialet. Trykte etiketter eller merkelapper krever eksempelvis i alminnelighet mellom ca. 20 og 40 mJ/mm 2 bortsett fra når det brukes spesialskriveblekk, som bare krever ca. 10 mJ/mm<2>for punktmerking. Plastflater kan kreve opp til 150 mJ/mm<2>selvom enkelte plastmaterialer kan merkes ved hjelp av så lite energi som 20 mJ/mm 2. Merking av metalliske flater er vanskelig på grunn av metallets høye reflektivitet ved en lysutgang med en forholdsvis lang bølgelengde på 10,6 mikroner fra CG^ -laseren. Eksponeringsvarigheter må økes tilsvarende på grunn av tapt reflektert laserenergi.

Dersom man for eksempel antar at den ovenfor beskrevne laser drives ved en 50% driftssyklus, en pulseffekt på 20 watt, 10K punkter/sekund/laser og en punktdiameter på 0,25 mm (0,ol tomme), kan merkingsenergien per punkt beregnes som følger: 2

Punktareal = 3,14 x (d/2) hvor d = diameter

= 50,64 x IO<-5>cm<2>

-2 2

= 5,1 x 10 mm

Energi per punkt = punktvarighet x lasereffekt

= (0,5)/IO 4sekunder x 20 watt

= 1 millijoule

Punktenergitetthet = energi per punkt / punktareal

= 1/(5,lo x 10~<2>)

2

= 19,6 mj/mm

Det foreliggende apparat kan således drives ved stort sett dets maksimumshastighet for å produsere opp til 70.000 x 10 tusen punkter/sekund på ulike vanlige flater.

Det er imidlertid klart at energitettheten minsker omvendt proporsjonalt med kvadratet av punktdiameteren, og pulsvarigheter og pulsrepetisjonstakter må følgelig justertes tilsvarende. Dersom det for eksempel antas at det for hensiktsmessig merking kreves en energitetthet på 19,6

2

mj/mm , såsom beregnet ovenfor, og at dessuten punktdiameteren økes med en faktor på to, til 0,508 mm; må pulsvarig-heten økes med en faktor på 4, til 0,2 millisekunder, og pulsrepetisjonstakten minskes med den samme faktor til 2.500 punkter/sekund/laser (17.500 punkter/sekund totalt). Alternativt kunne det benyttes en laser med en pulsomhyllingseffekt på 80 watt, dersom den ble tilstrekkelig kjølet, ved den førstnevnte pulstakt på 10 K punkter/sekund.

Sentralt ved den foreliggende oppfinnelse er et merkings-apparat med minimal konstruktiv kompleksitet og bevegelige deler samt enn videre et apparat med kompakt utforming. Som forklart i det etterfølgende, oppnås disse formål ved hjelp av den foreliggende kombinasjon hvor flere individuelle laserstråler rettes inn og fokuseres som punkter med regelmessige og forutbestemte mellomrom, langs en linje på tverss av gjenstandens bevegelsesretning. De individuelle laserspeil 36 tjener nærmere bestemt delvis til å redusere det effektive mellomrom mellom strålene, for derved å iverksette en motsvarende betydelig reduksjon i stråle-banelengden og apparatets totale størrelse. Dessuten er speilene og laserne anordnet på innfelt måte for å unngå stråle-skygging under opprettholdelse av den smale stråle-atskillelse som kreves for å oppnå forutbestemte punkt-mellomrom i en maskin med kompakt konstruksjon.

Det vil forstås at de enkelte laserstråler må være rettet inn både i tverr- eller vertikalretningen, i den hensikt å sørge for det utvalgte mellomrom mellom punktene eller rekkene, og i side- eller lengderetningen, for å frembringe punktkolonner, som ligger på linje, fra de synkroniserte lasere. Oppretting av punktene i både tverr- og sideretningen med hensyn på den ovenfor beskrevne konstruksjon vil bli tatt i betraktning i sin tur. Fig. 5 representerer syv tilstøtende punkter 50-56 som omfatter den enkle kolonne på på et gitt tidspunkt er skrevet av det foreliggende apparat. Som tidligere angitt, kan det skrives sekventielle nærliggende kolonner til dannelse av en tegnmatrise mens den gjenstand som skal merkes beveger seg forbi merkingsapparatet. Hvert av punktene 50-56 omfatter én prikk innenfor en bestemt tegnrekke som er skrevet på gjenstanden som er i bevegelse. Hvert punkt i fig. 5 og den rekke det representerer er skrevet ved hjelp av én av laserne 30a-g. Som forklart nedenfor, er de nærliggende punkter henholdsvis 50-56 ikke dannet ved hjelp av tilstøtende lasere i den viste rekkefølge, d.v.s. laserne henholdsvis 30a-g. De enkelte lasergrupper er derimot innfelt slik at en gitt lasergruppe skriver hvert annet punkt langs den vertikale tegnkolonne. Punktene 50-56 er derfor skrevet av laserne, henholdsvis 30a, 30e, 30b, 30f, 30c, 30g og 30d. Dette svarer til rekkefølgen av speilene fra venstre til høyre som sett i fig. 3. Fig. 4 illustrerer de innbyrdes optiske forbindelser ved en utgangslinse 26 med en fokallengde 'F' . Ved normal drift føres gjenstanden 46 i nærheten av laserhodet slik at de flater 60 som skal merkes befinner seg i det vesentlige innenfor utgangslinsens fokalplan. De fullt opptrukkete linjer 62 representerer en lysstråle fra en hvilken som helst gitt laser/speil-kombinasjon 30/36 mens de stiplete linjer 64 angir en liknende stråle fra den neste nærliggende laser/speil-kombinasjon som vist fra ventre til høyre i fig. 3. Dersom for eksempel linjene 62 således angir en stråle fra speilet 36b, representerer linjene 64 en laserstråle fra enten speil 36e eller 36f.

Utgangslinsen 26 fokuserer på tradisjonell måte innfallende parallelle lysstråler til enkel prikk i fokalplanet mens den bringer innfallende lysstråler, som konvergerer på linsen, til å divergere under den samme relative vinkel. De stråler 62, som såsom vist er parallelle, belyser således et enkelt punkt eller prikk 66 på flaten 60 mens strålene 62 og 64, som konvergerer under en vinkel 0 på linsen, divergerer derfra under den samme vinkel. Mellomrommet mellom tilstøtende punkter er således bestemt av det velkjente forhold at buelengde er produktet mellom bueradius og buevinkel såsom følger:

Vertikalt punktmellomrom = F . G

hvor F er linsens bueradius eller fokallengde; 9 er buevinkelen i radianer; og punktmellomrommet er stort sett identisk med buelengdeproduktet (se fig. 4). Det vil forstås at høyden av tegntypesnittet lett kan endres ved å skifte ut utgangslinsen med en annen med hensiktsmessig fokallengde.

Som angitt er det tverrgående eller vertikale mellomrom mellom punktene en funksjon av den relative innfallsvinkel 0 mellom tilstøtende laserstråler som treffer utgangslinsen. Man kan komme frem til et tilnærmet uttrykk for denne vinkel gjennom det samme forhold bue/radiuslengde-forhold som betraktet ovenfor, nemlig som følger:

© = d/l

hvor 'd' er sidemellomrommet mellom nærliggende laserstråler ved en gitt bueradius eller strålelengde og '1' er denne strålelengde. Det kan ses at det minimale mellomrom mellom tilstøtende stråler, i fravær av stråleforkortelsen ifølge den foreliggende oppfinnelse, er bestemt av de fysikalske diametre av laserne, hvilket følgelig resulterer i en motsvarende minimal strålelengde 1 for en forutbestemt innfallsvinkel 9. Et viktig trekk ved det foreliggende speilarrangement er imidlertid den tydelige "sammentrykking"

av strålesidenrellomrommet d, hvilket tillater en motsvarende reduksjon av den totale lengde av strålebanen. Ved å plassere speilene som vist i fig. 2 og 3, kan det oppnås et tydelig, relativt smalt mellomrom 58 mellom nærliggende stråler uten hensyn til den virkelige monteringsavstand laserne imellom. På denne måte kan det oppnås en betraktelig redusert banelengde 48 uten å la dette gå ut over den ønskete innbyrdes vinkelforbindelse mellom de innfallende lyskilder. Speilene 36a-g er jevnt fordelt og har et mellomrom 58 i vertikalretningen, slik at tegnpunktrekkene blir beliggende i regelmessige avstander (se fig. 3).

Som tidligere bemerket er laserne og tilknyttete speil delt i en første gruppe a-d og en andre gruppe e-g, hvori de enkelte laser- og speilakser ligger i et gitt plan. Dette arrangement er nødvendig for å redusere speil-skygging ved tilstøtende laserstråler, hvilket ellers ville oppstå dersom alle syv speil 36 var plassert langs en enkelt akse. De innbyrdes forbindelser og forhold mellom de syv speil innenfor deres respektive to plan fremgår av fig. 3. Det vil lett forstås at det ville forekomme betydelig speil-overlapping og medfølgende stråle-skygging dersom de syv speil skulle slås sammen i en enkelt rekke eller plan.

Selvom speilene kan atskilles fysikalsk for å unngå overlapping, :: resulterer et slikt økt lineært mellomrom nødvendigvis i en motsvarende økt innfallsvinkel B mellom tilstøtende lysstråler, hvilket såsom angitt overføres til en proporsjonalt økt tegnhøyde.

Plasseringen av lasere og tilknyttete speil i mer enn ett plan vil som vist lette oppnåelse av en total reduksjon i apparatstørrelse, samtidig som det unngås stråle-skygging, som ellers ville kunne opptre på grunn av speilenes innbyrdes tette plassering. Det må imidlertid bemerkes at utgangslinsen 26 er sirkulært symmetrisk omkring sin akse og derfor at utilsiktet sideveis vinkelforskyvning av strålene gir opphav til sideveis feilinnstillinger på samme måte som tilsiktet vertikal forskyvning frembringer verti-kant punkt-mellomrom. Da det ønskes å oppnå kolineære vertikale tegnkolonner, må sideveise punkt-forskyvninger

kompenseres for eller elimineres.

Dersom det ikke benyttes kompensasjon, resulterer sideveis forskyvning mellom speilmidtaksene 38 og 40 i kolonnepunktmønsteret ifølge fig. 6. Det dannes punkter 70 ved hjelp av laserne og speilene som ligger i planet for aksen 38, mens det dannes punkter 72 fra de korresponderende kilder avgrenset av aksen 40. Det foretrukkete arrangement for iverksettelse av horisontal kompensasjon er illustert i fig. 7 hvori stråler 74 generelt angir laserstråler fra kildene langs aksen 38 mens stråler 76 på liknende måte representerer strålene fra kildene langs aksen 40. I stedet for å være rettet på konvergerende måte mot linsens midtpunkt, rettes laserstrålene med hensikt inn parallelt med hensyn til vertikalplanet, slik at de treffer linsen langs dens horisontale akse henholdsvis til venstre og høyre for den vertikale akse. Ettersom strålene 74 og 76 er parallelle med hensyn til et vertikalt plan, fokuserer utgangslinsen 26 disse stråler langs en enkelt vertikal linje, slik at det avgrenses en kolineær tegnkolonne.

Alternativt kan laserne fokuseres på utgangslinsens midtpunkt og de enkelte lasergrupper pulsstyres i tidsstyrt rekkefølge for å iverksette oppretting av samme. Den andre gruppe av lasere pulsstyres således ikke før gjenstanden, som tidligere er merket med den første gruppe av punkter, har beveget seg slik at den første punktgruppe ligger kolineært i flukt med den vertikale akse som avgrenser den andre gruppe. Det vil forstås at det førstnevnte arrangement er å foretrekke fordi det ved dette unngås sekventielle tidsstyringskretser og opprettingsproblemer at laserne får anledning til å pulsstyres samtidig.

Selvom lysutgangen fra laserne 30 er svært godt kollimert, er den ikke absolutt parallell, men divergerer derimot under en kjent liten vinkel ø på omtrent 5 milliradianer. Lys fra en gitt laser 30 fokuseres derfor ikke til en prikk av uendelig liten størrelse, men derimot til et endelig punkt eller prikk av synlige proporsjoner. Hvert punkts diameter er bestemt av de identiske innbyrdes forbindelser og forhold som avgrenser punktmellomrom;nemlig punktdiameteren er produktet av stråledivergensvinkelen ( p og fokallengden som følger:

Punktdiameter = F . 0.

I forbindelse med en typisk fokallengde på for eksempel ca. 50,8 mm (to tommer) og en stråledivergens på 5 milliradianer fås en punktdiameter på 10 miller:

Punktdiameter = 50,8 mm x 0,oo5 radianer

= 0,2 54 mm (0,olo tomme)

Ifølge fig. 5 er de individuelle punkter 50-56 vist i innbyrdes nærliggende, tangerende ordning hvori mellomrommet mellom punktene svarer til punktdiameteren. Ved en slik konfigurasjon må den relative laserkonvergensvinkel 0 innstilles slik at den svarer til den individuelle stråledivergensvinkel <p for de valgte lasere.

Om ønskes kan mellomrommmet mellom punktene selvsagt velges slik at det frembringes punkter som ligger i innbyrdes avstand eller som overlapper hverandre i stedet for punkter som tangerer hverandre.

Det vil forstås at variasjoner i de foran beskrevne utførelsesformer ligger innenfor rammene for det kompakte, mekanisk strømlinjeformete apparat ifølge oppfinnelsen, herunder for eksempel avvikende antall eller type av lasere, flere eller færre laser/speil-plan eller avvikende utforminger av laserhodets leveringsrør.

Claims (22)

1. Stråleapparat til merking av et underlag (46, 60), karakterisert ved at det omfatter: (a) et antall lasere (30a-g) som hver genererer en stråle med tilstrekkelig energiintensitet til å merke underlaget (46, 60); (b) stråleprojiseringsorgan (36a-g; 24; 26) for å rette hver av nevnte laserstråler (62) inn slik at de treffer underlaget og danner et atskilt punkt (66) på underlaget; og (c) organ for å modulere hver laserstråles energiintensitet tilstrekkelig til å merke underlaget bare ved utvalgte atskilte punkter (66), slik at det dannes et forutbestemt punktmønster på underlaget.

2. Apparat i samsvar med krav 1, karakterisert ved at hver av nevnte laserstråler (62) har en individuell begynnelsesretning og nevnte laserprojiserings-organ (36a-g; 24; 26) er innrettet til å avskjære nevnte stråler slik de innledningsvis er rettet og bøye av retningen i det minste én gang før laserstrålen projiseres mot nevnte atskilte punkt på underlaget (46, 60).

3. Laserapparat til merking av tegn på et underlag, karakterisert ved at det omfatter: (a) et antall lasere (30a-g), som hver genererer en stråle (62) med koherent energi, hvilke lasere er anordnet i minst to grupper (30a-d, 30e-g), idet strålene fra hver gruppe avgrenser et plan, hvilke plan er stort sett parallelle med hverandre; (b) en utgangslinse (26) som er anbrakt i banen for laserstrålen og mot hvilken energistrålene er rettet for fokusering på nevnte underlag (46, 60), som er plassert ved linsens (26) fokalplan, hvorved utgangslinsen (26) smelter de parallelle grupper av stråler sammen i en enkelt kolonne av stråler ved sitt fokalplan.

4. Apparat i samsvar med krav 3, karakterisert ved at det ytterligere innbefatter organ for å modulere energien fra hver av laserne (30a-g) slik at stråler i nevnte eneste kolonne kan merkes selektivt på underlaget (46, 60) for å danne ønskete tegn.

5. Laserapparat til merking av tegn på et underlag, karakterisert ved at det omfatter: (a) et antall lasere (30a-g), som hver genererer en stråle med koherent energi og som er anordnet i minst to grupper (30a-d, 30d-g), idet strålene fra hver gruppe avgrenser et plan ; (b) en utgangslinse (26) anbrakt i banen for strålene og mot hvilken energistrålene er rettet for å treffe midten av linsen (26) for fokusering på underlaget (46, 60), som er plassert ved dens fokalplan, hvorved utgangslinsen fokuserer hver gruppe av stråler til en kolonne av punkter ved sitt fokalplan.

6. Apparat i samsvar med krav 5, karakterisert ved at det ytterligere innbefatter organ for å modulere energien fra hver av laserne slik at stråler kan merkes selektivt på underlaget for å danne ønskete tegn.

7. Laserapparat til merking av tegn på et underlag, karakterisert ved at det omfatter: (a) et antall lasere (30a-g), som hver genererer en stråle med koherent energi; (b) et leveringsrør (18, 20) hvori energistrålene passerer og hvorigjennom energistrålene beveger seg; (c) en utgangslinse (26) anbrakt ved enden av leveringsrøret (18, 20) fjernt fra laserne (30a-g) og mot hvilken energistrålene er rettet for fokusering på underlaget (46, 60); (d) reflekteringsorgan (36a-g; 24) for å lede energistrålene fra laserne til utgangslinsen (26) og som innbefatter organ for å redusere mellomrommet mellom energistråler for å minske lengden av strålebanen og den motsvarende lengde av leveringsrøret (18, 20).

8. Laserapparat til merking av tegn på et underlag, karakterisert ved at det omfatter: (a) et antall lasere (30a-g), som hver genererer en stråle med koherent energi og som er anordnet i minst to grupper (30a-d, 30e-g) idet strålene fra hver gruppe avgrenser et plan, hvilke plan er stort sett parallelle med hverandre; (b) et leveringsrør (18, 20) hvori energistrålene passerer og hvorigjennom energistrålene beveger seg; (c) en utgangslinse (26) anbrakt ved enden av leverings-røret fjernt fra laserne og mot hvilken energistrålene er rettet for fokusering på underlaget (46, 60), som er plassert ved dens fokalplan; (d) reflekteringsorgan (30a-g; 24) for å holde gruppene av stråler parallelle mens de passerer gjennom leverings-røret og for å lede gruppene av energistråler over på utgangslinsen (26), hvorved utgangslinsen smelter de parallelle grupper av stråler sammen til en enkelt kolonne av stråler ved sitt fokalplan.

9. Apparat i samsvar med krav 8, karakterisert ved at det ytterligere innbefatter organ for å modulere energien fra hver av laserne slik at stråler i nevnte eneste kolonne kan merkes selektivt på underlaget for å danne ønskete tegn.

10. Laserapparat til merking eller innskriving av symboler på gjenstander (46, 60) eller underlag understøttet for relativ bevegelse, karakterisert ved at det innbefatter: et antall lasere (30a-g) innrettet til å generere energistråler; organ for modulering av lasernes energiintensiteter; organ (30a-g; 24; 26) for å projisere laserenergien over på gjenstandene, idet projiseringen av energi fra hver laser på en gjenstand avgrenser et atskilt punkt på overflaten (60) av gjenstanden (46) på et gitt tidspunkt, idet nevnte projiseringsorgan innbefatter organ for oppretting av apparatet slik at et antall punkter (66) projisert av laserne til ethvert tidspunkt befinner seg på linje i innbyrdes avstand, slik at tidsprojeksjonen av laserne over på gjenstanden avgrenser parallelle linjer eller rekker på dennes flate (60) hvorved symboler kan skrives inn på gjenstanden ved individuell og selektiv modulering av lasernes energiintensiteter.

11. Lasermerkingsapparat i samsvar med krav 10, karakterisert ved at hver av nevnte moduleringsorgan er innrettet til selektivt å sette en laser i stand til å produsere et antall i innbyrdes avstand beliggende punkter (66) som avgrenser rekken på overflaten (60) av gjenstanden (46) som er i bevegelse, hvilke moduleringsorgan er synkronisert slik at de av de selektivt aktiverte lasere produserte punkter avgrenser tegnkolonner.

12. Laserapparat til merking eller innskriving av tegn og andre symboler på gjenstander eller underlag som er i bevegelse, karakterisert ved at det omfatter: en utgangslinse (26) som har en fokallengde, idet den flate av gjenstandene som skal merkes er plassert stort sett ved utgangslinsens fokalplan; et hus(10); et antall lasere (30a-g) anordnet i huset slik at energiutgangene fra laserne er orientert stort sett parallelt med hverandre; organ (30a-g; 24) for å lede energistrålene fra laserne over på utgangslinsen (26) under forutbestemte vinkler mellom strålene slik at rekkenes forutbestemte mellomrom fastsettes av nevnte vinkler og av utgangslinsens fokallengde.

13. Lasermerkingsapparat i samsvar med krav 12, karakterisert ved at nevnte organ som tjener til å lede eller rette energistrålene under forutbestemte vinkler, innbefatter et speil (30a-g) plassert langs energibanen for hver laser, hvilke speil er orientert slik at de reflekterer laserstrålene under nevnte forutbestemte vinkler.

14. Laserapparat til merking eller innskriving av tegn og andre symboler på gjenstander eller underlag som er i bevegelse, idet den flate (60) på gjenstandene som skal merkes beveges lineært stort sett innenfor et fokalplan, karakterisert ved at det omfatter: et hus (10); et antall lasere (30a-g) anordnet i det vesentlige side ved side stort sett langs en tverrakse i huset (10) slik at utgangene fra laserne danner energistråler stort sett perpendikulært på tverraksen, en utgangslinse (26) som har en fokallengde; organ for å lede eller rette energi strålene fra laserne over på utgangslinsen under forutbestemte vinkler mellom strålene som målt innenfor et plan avgrenset av energistrålene, idet nevnte rette- eller ledeorgan innbefatter speil (36a-g) som er plassert slik at de reflekterer energistrålen fra hver laser, hvilke speil er anordnet slik at det tilsynelatende tverrgående mellomrom mellom speilene som sett langs en reflektert energistråles akse er mindre enn mellomrommet mellom laserutgangsstrålene, hvorved det lettere kan oppnås et apparat med kortere total laserstrålebanelengde.

15. Laserapparat til merking eller innskriving av tegn ■ og andre symboler på gjenstander (46) eller underlag som er i bevegelse, karakterisert ved at det omfatter: et hus (10), et antall lasere (30a-g) anbrakt i huset i det vesentlige side ved side av hverandre, idet et minimalt mellomrom mellom tilstøtende lasere er avgrenset av diameteren av laserne omkring deres respektive energiutgangsakser, hvilke lasere er anordnet i minst to grupper (30a-d, 30e-g) hvori lasernes energiaksene, som omfatter hver gruppe, avgrenser et særskilt plan; en utgangslinse (26) som har en fokallengde, idet den flate av gjenstandene som skal merkes, forflyttes lineært stort sett innenfor fokalplanet; et speil (36a-g) plassert langs hver lasers strålebane, idet hvert speil er innrettet til å rette eller lede laserstrålene over på utgangslinsen under forutbestemte mellomliggende vinkler som målt med hensyn på nevnte plan, idet et forutbestemt tegnrekkemellomrom bestemmes av utgangslinsens fokallengde og av de forutbestemte laser-strålevinkler, mens speilene befinner seg i innbyrdes avstand innenfor deres respektive laserstråleplan slik at de innfallende og reflekterte energistråler ikke blokkeres av speilene og slik at kvotienten av mellomrommet mellom tilstøtende speil, dividert med energistrålebanelengden fra speilene til utgangslinsen avstedkommer den forutbestemte gjensidige forbindelse mellom energistrålene og rekkemellomrommet.

16. Lasermerkingsapparat i samsvar med krav 15, karakterisert ved at det tilsynelatende mellom rom mellom speilene er mindre enn det minimale mellomrom mellom laserne slik at de innfallende energistråler lettere treffer utgangslinsen (26) under nevnte forutbestemte vinkler, hvilket resulterer i et apparat med kortere total strålebanelengde.

17. Lasermerkingsapparat i samsvar med krav 15, karakterisert ved at det innbefatter organ for innledningsvis justering av speilene (36a-g) slik at energistrålene fra hver av lasergruppene (30a-d, 30e-g) avgrenser særskilte plan og treffer utgangslinsen parallelt med hverandre, hvorved linsen fokuserer de plane, parallelle stråler til en linje avgrenset i linsens fokalplan.

18. Laserapparat til merking eller innskriving av tegn og andre symboler på gjenstander (46) eller underlag som er i bevegelse, karakterisert ved at det omfatter: et hus (10), et antall lasere (30a-g) inne i huset; et speil (36a-g) tilknyttet hver laser og montert inne i huset; justeringsorgan for oppretting av speilene; en utgangslinse (26) mot hvilken utgangsenergien fra hver laser rettes ved hjelp av dens tilknyttete speil, hvorved laserenergien fra hver av laserne fokuseres i form av et punkt (66) på en flate av en gjenstand som skal merkes.

19. Lasermerkingsapparat i samsvar med krav 18, karakterisert ved at laserne avgrenser i det vesentlige parallelle energiutgangsakser med et innbyrdes mellomrom bestemt av lasernes tverrdimensjon, idet den fra speilene reflekterte laserenergi avgrenser parallelle refleksjonsenergiakser og avstandene mellom refleksjons-aksene er mindre enn avstandene mellom utgangsaksene, hvorved lengden av strålebanene til utgangslinsen kan forkortes tilsvarende.

20. Lasermerkingsapparat i samsvar med krav 18, karakterisert ved at laserne (30a-g) avgrenser i det vesentlige parallelle energiutgangsakser med et minimalt innbyrdes mellomrom fastsatt av lasernes tverrdimensjon, hvilke utgangsakser ytterligere avgrenser i det minste to stort sett parallelle plan, hvorved det effektive mellomrom mellom tilstøtende energiutgangsakser, såsom målt langs en linje parallell med planene og perpendikulær på energiutgangsaksene, kan være mindre enn energiaksenes mellomrom.

21. Lasermerkingsapparat i samsvar med krav 20, karakterisert ved at laserenergiutgangen, som avgrenser hvert av planene, reflekteres slik at nevnte reflekterte laserenergi avgrenser særskilte parallelle plan svarende til laserutgangsplanene, hvorved laserenergien fra hver av laserne (30a-g) kan fokuseres ved hjelp av utgangslinsen (26) over på en flate (60) av en gjenstand (46) som skal merkes, i form av punkter langs en linje.

22. Lasermerkingsapparat i samsvar med krav 20, karakterisert ved at laserenergiutgangen, som avgrenser hvert av planene, reflekteres slik at nevnte reflekterte laserenergi faller inn på utgangslinsen (26) langs en linje, hvorved laserenergien fra laserne som avgrenser hvert av planene, kan fokuseres ved hjelp av utgangslinsen over på en flate (60) av en gjenstand som skal merkes, i form av punkter langs minst to atskilte linjer.