RU31215U1 - Устройство для формирования изображения внутри прозрачных или полупрозрачных материалов и изделие с таким изображением - Google Patents

Description

2003111675

lilillliiiijii

° МПК 7 B23K 26/00

Устройство для формирования изображения внутри нрозрачных или полунрозрачных материалов и изделие с таким изображеиием

Группа полезных моделей относится к пищевой и/или легкой промышленности, а именно к устройствам для обработки изделий и формирования изображений внутри прозрачных или полупрозрачных твердотельных материалов, способных воспринимать управляемое лазерное воздействие, например таких как: стеклянные емкости (бутылки, банки, флаконы, графины и т.д.), предметы широкого потребления (стекла очков, защитные стекла часов, всевозможные панели различных приборов и т.п.) и многое другое и может найти применение при маркировке изделий для определения их принадлежности конкретным производителям или иными словами идентификации этих изделий, а также при изготовлении декоративных изделий и сувениров.

Известны устройства для формирования заданного изображения внутри прозрачного материала, которые используются для производства сувенирных изделий, включающие формирование заданного изображения путем последовательной фокусировки лазерного луча на координатных точках и выполнения в выбранных точках микроразрушений одного размера по форме, близкой к сферической или эллиптической, с помощью одного импульса лазера, причем имеется возможность изменять размер следа пробоя (патент России 2177881, кл. В 44 С 5/00, 10.01.2002 г. и патент US 5637244, кл. В 23К 26/02, 10.06.1997).

Недостатком известных устройств является ограниченная область использования, что связано с тем, что след пробоя единичного воздействия имеет по своей форме вид разрушения, близкий к шарообразной или эллипсоидной форме, причем аналогичная (близкая по внешнему виду) форма оптического лазерного пробоя может быть получена на другом

B44C 5/00

аналогичном оборудовании (с использованием иного лазера и формирующей оптики).

Под следом оптического лазерного пробоя здесь и далее подразумевается совокупность микроразрушений в толще прозрачного или полупрозрачного твердотельного материала, которая образуется в одном изделии за один импульс лазерного излучения. Указанный след может иметь форму как одного тела, так и совокупности двух или более тел.

Конкретный вид лазерного пробоя или группы лазерных пробоев для каждого конкретного случая получается при помощи специально создаваемой для этих целей системой формирования лазерного излучения в плоскости (в области) лазерных пробоев и эта система включает лазер, а также оптическую систему, выполненную специальным образом, в том числе, включающую структурный оптический корректор. По определению структурный оптический корректор - это устройство, состоящее из одного или нескольких оптических элементов, предназначенное для изменения (деформации) волнового фронта лазерного излучения, в том числе и его деления на несколько волновых фронтов, и/или для изменения распределения плотности энергии по полю выходного волнового фронта (по площади поперечного сечения выходного пучка лазерного излучения).

Задачами заявленного устройства являются получение при управляемой структуре лазерного пучка следов пробоев (точек) строго индивидуальной заданной формы (в соответствие с инженерным проектированием), в том числе и таких, которые по совокупности параметров практически не воспроизводимы в других условиях, а также получение за один импульс лазерного излучения совокупности следов пробоев, расположенных слитно или раздельно друг от друга и образующих некоторую плоскую или пространственную композицию.

Технический результат, достигаемый при использовании заявленного устройства, заключается в том, что расширяется область

использования и повышается надежность идентификации при использовании устройства для маркировки изделий.

Сущность заявленной полезной модели в части устройства заключается в том, что в устройстве для формирования изображения внутри прозрачных или полупрозрачных материалов, содержащем механизм для установки изделия, блок формирования изображения, включающий в себя источник импульсного лазерного излучения и оптическую систему, оптическая система выполнена с возможностью формирования распределения энергии импульсного лазерного луча по его поперечному сечению, обеспечивающего получение следа лазерного пробоя с формой, отличной от единичного эллипсоида. Причем форма, размеры, количество и взаиморасположение следов могут изменяться в процессе выполнения пробоев.

Оптическая система может включать в себя, по меньшей мере, две цилиндрические линзы, установленные в одной плоскости между источником импульсного лазерного излучения и объективом, так что образующие их цилиндрических поверхностей расположены под углом друг к другу.

По другому варианту устройства оптическая система включает, по меньшей мере, две цилиндрические линзы, установленные в одной плоскости между источником импульсного лазерного излучения и объективом с возможностью вращения их в этой плоскости с изменением угла между их образующими цилиндрических поверхностей.

Оптическая система также может включать установленную между источником импульсного лазерного излучения и объективом плоскопараллельную прозрачную пластину с оптической неоднородностью.

Оптическая система устройства включает, по меньшей мере, один фильтр, выбранный из группы: дифракционные, диффузные, шлейфообразующие, звездные, или иные.

Оптическая система может быть выполнена децентрированной.

Оптическая система включает светоделительный элемент, который обеспечивает разделение лазерного луча, по меньшей мере, на две части, и фокусировку полученных лучей в выбранных точках внутри прозрачного или полупрозрачного твердотельного материала маркируемого изделия.

Оптическая система устройства включает в себя объективы с требуемой для этого аберрационной коррекцией и/или структурный оптический корректор. В качестве структурного оптического корректора используются дополнительные оптические элементы, например, деталь с оптической неоднородностью, фильтр или фильтры со спецэффектами. Оптическая система может включать в себя, по меньшей мере, один светоделительный и/или отражательный элемент, по меньшей мере, два объектива и структурный оптический корректор, размеш;енный между светоделительным элементом и одним из объективов.

Известны изделия, изготовленные частично или полностью из прозрачного или полупрозрачного материала, содержаш;ие выполненное внутри прозрачного или полупрозрачного материала изображение, образованное одинаковыми или разными по размерам микроразрушениями, полученными лучом лазера, проходяш1им через оптическую систему (патент России 2177881, кл. В 44 С 5/00, 10.01.2002 г. и патент US 5637244, кл. В 23К 26/02, 10.06.1997).

Недостатком известных изделий является ограниченная область использования, что связано с тем, что след пробоя единичного воздействия по форме является близким к шарообразному или эллипсоидному.

Задачами заявленной полезной модели в части изделия являются получение изделия, в котором нанесено внутреннее изображение при управляемой структуре лазерного пучка, состоящее из совокупности следов пробоев строго индивидуальной заданной формы (в соответствие с инженерным проектированием), в том числе и таких, которые по совокупности параметров практически не воспроизводимы в других

условиях, a также получение изделия с изображением, состоящим из совокупности групп пробоев, каждая из которых получена за один импульс лазерного излучения и состоит из пробоев, расположенных слитно или раздельно друг от друга и образующих некоторую плоскую или пространственную композицию.

Технический результат, достигаемый при использовании заявленного изделия, заключается в том, что расширяется область использования и повышается надежность идентификации при использовании изделия, содержащего нанесенное маркировочное изображение указанного вида.

Сущность заявленной полезной модели в части изделия заключается в том, что изделие, выполненное частично или полностью из прозрачного или полупрозрачного твердотельного материала, содержит выполненное внутри изображение, образованное следами лазерных пробоев (или группами следов пробоев) заданной формы и конфигурации, полученными лучом лазера, проходящим через оптическую систему, причем форма каждого следа лазерного пробоя отлична от единичного эллипсоида. Заданная форма, размер или групповая конфигурация пробоев внутри материала изделия обеспечивается системой формирования изображения, в частности оптической системой.

Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 изображены оптическая система с объективом и структурным корректором и изделие; на фиг.2 топограмма распределения энергии в пятне рассеяния полученном системой по фиг.1 без детали 1; на фиг.З, то же, при наклоне оптической системы на плюс 1 градус; на фиг.4, то же, при наклоне оптической системы на минус 1 градус; на фиг.З цилиндрическая линза, состоящая из одного элемента; на фиг. 6 топограмма распределения энергии в пятне рассеяния для объектива (детали 2, 3,4) с линзой по фиг.З; на фиг.7, то же, при наклоне оптической системы на 1 градус; на фиг.8 изображена оптическая система с оптическим корректором; на фиг.9 топограмма

распределения энергии в пятне рассеяния для системы по фиг.8; на фиг. 10 изображена оптическая система с оптическим корректором, развернутым относительно оптического корректора по фиг.8 на 90 градусов; на фиг. 11 топограмма распределения энергии в пятне рассеяния, полученном системой по фиг. 10 на фиг. 12 цилиндрическая линза, состоящая из двух элементов, образующие которых совпадают; на фиг. 13, то же, при развороте одного элемента относительно другого на 90 градусов; на фиг. 14 вид лазерного пробоя полученной системой с корректорами по фиг.8 и 10; на фиг. 15 оптическая система, состоящая из телескопа и децентрированного относительно него объектива; на фиг. 16 топограмма распределения энергии в пятне рассеяния полученном системой по фиг. 15; на фиг. 17, то же, при наклоне оптической системы на 1 градус; на фиг. 18 схема формирования следа лазерного пробоя двумя объективами; на фиг. 19 и 20 показан принцип формирования изображения точки с корректором из плоскопараллельной пластины стекла с неоднородностью; на фиг.21 вид следа лазерного пробоя полученного системой по фиг.20; на фиг.22 приведена схема со светоделительными призмами; на фиг.23 приведена блок-схема устройства для формирования изображения.

На наглядном примере можно показать создание управляемого процесса формирования структурно регулируемого изображения следа пробоя за один импульс лазера. На фиг.1 приведена разработанная для этих целей оптическая система, содержащая структурный оптический корректор 1, линзы 2, 3, 4, образующие объектив с фокусным расстоянием мм и относительным отверстием . Аберрационная коррекция этого объектива выполнена для длины волны (лямда) 1,064 мкм. На фиг.2 показана топограмма распределения энергии в пятне рассеяния для этого случая. На фиг.З приводится диаграмма распределения энергии в пятне рассеяния этого же объектива при наклоне его относительно оптической оси на плюс 1 градус. На фиг.4, то же, при наклоне на минус 1 градус. Структурным оптическим корректором в этой оптической схеме является

.

деталь 1, представляющая собой вогнуто-плоскую цилиндрическую линзу 5 (фиг. 5) диаметром 30 мм с радиусом кривизны цилиндрической поверхности мм и направлением 6 образующей цилиндрической поверхности. Топограмма распределения энергии в изображении, получаемая при помощи такой оптической схемы (фиг.1), представлена на фиг.6. Та же топограмма при наклоне оптической системы на 1 градус представлена на фиг.7. След лазерного пробоя в этом случае примет вид отрезка длиной 1 мм, ориентированного параллельно образующей 6 (фиг.5). Очевидно, что, изменяя конструктивные параметры корректора, можно в заданном диапазоне изменять значения длины и ширины изображения в виде отрезка. Рассмотрим вариант, когда структурный оптический корректор будет в виде двух элементов (две цилиндрических выпукло-плоских линзы), например, первая 7 (фиг.8 и 12) диаметром 21 мм с радиусом кривизны цилиндрической поверхности мм и направлением 10 (фиг. 12) образующей цилиндрической поверхности, а вторая 8 (фиг. 10 и 12) в виде кольца с внутренним диаметром 21 мм и наружным диаметром 30 мм с радиусом кривизны цилиндрической поверхности мм и направлением 9 (фиг. 12) образующей цилиндрической поверхности. С помощью оптического корректора 7 с объективом мм, состоящим из трех линз 2, 3, 4 (фиг.8), получим пятно рассеяния в виде отрезка длиной 0,3 мм, топограмма распределения энергии которого приведена на фиг.9. С помощью оптического корректора 8 с тем же объективом мм получим такое же пятно рассеяния в виде отрезка длиной 0,3 мм, топограмма распределения энергии которого приведена на фиг.11. Если ориентация образующих 9 и 10 (фиг. 12) цилиндрических поверхностей совпадает, то при помощи объектива вместе с обоими корректорами будет получен лазерный пробой в виде отрезка, ориентированного параллельно образующим цилиндрических поверхностей. Если корректор 7 развернуть на 90 градусов относительно корректора 8 (фиг. 13) и образующие их цилиндрических поверхностей

o2l}C 3/ /6

будут взаимно перпендикулярны, то при помощи центральной зоны объектива с корректором 7 будет получен лазерный пробой в виде отрезка 11 (фиг. 14), а при помощи краевой зоны объектива с корректором 8 будет получен лазерный пробой в виде отрезка 12 (фиг. 14) такой же длины, как и отрезок 11. Форма лазерного пробоя за один импульс лазера примет вид «креста, показана на фиг. 14. Если корректор 8 вращать относительно первого корректора 7 с постоянной или переменной скоростью, не синхронизируя вращение с импульсами лазера, то в этом случае будет получена группа следов лазерных пробоев, представляющих из себя пересекающиеся отрезки, взаимная угловая ориентация которых случайна. Расчетным выбором радиусов (например, при равных радиусах, в частности при мм) цилиндрических поверхностей корректоров можно добиться «разрыва пятна рассеяния корректора 8 в центральной зоне (лазерный пробой, образованный объективом с корректором 8 будет в виде двух отрезков, расположенных на одной линии). Можно структурный оптический корректор сделать из трех элементов (три цилиндрических линзы) и расположить образующие их цилиндрических поверхностей под углом 60 градусов. В этом случае след лазерного пробоя будет в виде шести лучевой звезды. Если еще и начать вращать эти линзы друг относительно друга с постоянной или переменной скоростью, не синхронизируя этот процесс с импульсами излучения лазера, то вероятность «подделки изображения, состоящего из совокупности таких следов, практически равна нулю.

Путем специальной аберрационной коррекции объективов для наклонных пучков (пример: вид пятна рассеяния на фиг.З и 4) или создавая децентрированные оптические системы (пример на фиг. 15), где объектив 13 децентрирован относительно телескопа 14 на 5 мм параллельно оптической оси, в этом случае можно получить требуемую произвольную фигуру рассеяния (фиг. 16, 17). Если, например, взять даже два одинаковых объектива (самый простой случай - можно два разных объектива, или один

объектив с оптическим структурным корректором, а другой - без и т.д. и т.п.), имеющих аберрационную коррекцию для одного наклонного пучка в виде точки рассеяния (фиг.З и 4) и собрать их в систему согласно фиг. 18, то вид точки лазерного пробоя за один импульс будет характерным только для этой схемы, но абсолютно произвольным. В отличие от примера с оптическим корректором в виде цилиндрической линзы вид точки такого лазерного пробоя невозможно повторить на другом аналогичном оборудовании. Такой вид точки лазерного пробоя невозможно получить при помощи одного объектива (одной оптической схемы). По виду точки такого лазерного пробоя невозможно установить - при помощи какого количества и каких именно объективов (оптических систем) было получено такое изображение (форма следа лазерного пробоя). На фиг. 18 представлена схема с двумя объективами: один импульс излучения лазера 15 после расширения пучка на телескопе 16 делится на светоделителе 17 на два равноэнергетических пучка. Первый объектив 18 формирует наклонным пучком +(плюс)1 град, через светособирательный блок 19 в материале маркируемой детали 20 след изображения по форме соответствующую фиг.З. Второй объектив 21 при помощи зеркал 22, 23 формирует наклонным пучком - (минус) град, через светособирательный блок 19 в том же или близком геометрическом месте маркируемой детали след изображения по форме соответствующий фиг.4, (симметричный первому относительно горизонтальной оси). Форма точки лазерного пробоя будет сложной по структуре и соответствовать энергетическому сложению воздействия от двух объективов.

Структурный оптический корректор может быть выполнен в виде плоскопараллельной пластины, имеющей зоны оптической неоднородности. Приведем простейщий случай неоднородности (фиг. 19). Пусть толщина плоскопараллельного стекла 24 равна П; а стекло в своей массе, кроме среднего участка, однородно и имеет показатель преломления п; пусть средний участок также однороден, но имеет показатель

преломления n+An, причем An мало по сравнению с п. Если на стекло падает излучение в виде плоской волны 25, то на выходе из стекла волна 26 приобретает вмятину с плоским дном; глубина этой вмятины, т.е. волновая аберрация h волны, деформированной неоднородностью, окажется равной:

При условии, что h 0,25А,, происходят искажения в дифракционном изображении точки, и при увеличении величины искажений проходящего волнового фронта значительный процент энергии переходит из центрального ядра изображения в окружающие его «хвосты. Поясним это на примере (см. фиг.20). Пусть в стекле 27 заключена неоднородность 28, занимающая 10% площади стекла и расположенная прямолинейно. На фиг.21 показано изображение точки, построенное оптической системой объектив + такое стекло. В этом случае в изображении точки появляются «хвосты, ориентированные в направлении, перпендикулярном к направлению неоднородности. Чем больще значение An, а вместе с ним и h, тем больше эти «хвосты увеличиваются, в них переходит достаточная часть энергии для формирования такого вида точки лазерного пробоя. Получение достаточной неоднородности в стекле возможно как в процессе варки стекла, так и искусственным путем. Папример, зона 27 (фиг.20) делается из одного стекла, а зона 28 из другого, имеющего отличный от зоны 27 стекла показатель преломления. Или вся пластина делается из одного стекла, но зона 27 по толщине по оси меньше (больше) зоны 28 на требуемую в каждом конкретном случае величину. Этим примером показана возможность влияния на форму точек зон неоднородностей оптического стекла. Задавать можно различные конфигурации зон неоднородностей, которые будут соответственно изменять форму точки.

Оптическая система включает светоделительный элемент, по меньшей мере, два объектива и структурный оптический корректор, размещенный между светоделительным элементом и одним из объективов.

h-HAn.

в качестве структурного оптического корректора могут применяться дифракционные, диффузные, шлейфообразующие, звездные и другие специальные фильтры. Оптический корректор может находиться как в статическом, так и в динамическом состоянии. Например, вращая корректор с разной скоростью можно создавать абсолютно случайное распределение точек управляемого лазерного пробоя в объеме материала изделия. Также возможно создание одновременного управляемого распределения группы точек пробоя за один лазерный импульс за счет применения различных светоделительных приспособлений, например, при помощи объектива 29 и множительных призм 30 (фиг.22).

Можно увеличить размеры пробоя по осям X и У при сохранении минимальных осевых размеров. Это дает возможность при ограниченном количестве пробоев выполнять хорощо читаемые символы (цифры, буквы, значки). При использовании минимальных по всем трем координатам пробоев для написания подобных таких же символов со схожей «видностью необходимо использовать количество пробоев, которое в квадратической зависимости больше, чем размер пробоя с регулируемым пробоем больше обычного.

В результате фокусировки лазерного излучения при помощи оптических систем со специально заданными свойствами в дискретных точках материала изделия (в толще материала) при относительных перемещениях относительно друг друга изделия и луча лазера по заданной программе с помощью компьютера получается новый вид изображения, состоящего из управляемых лазерных оптических пробоев. Идентификация принадлежности изделий конкретным производителям достигается за счет нового вида управляемого (в отличие от неуправляемого случайного) лазерного оптического пробоя, достигаемого за счет специально созданных для этого оптических систем, обладающих заданными свойствами, и структурного оптического корректора. При этом возможно формирование надписи и/или логотипа предприятия

изготовителя, состоящих из некоторого множества указанных нробоев и возможно определение принадлежности по одному или нескольким заданным оптическим пробоям при рассмотрении их невооруженным или вооруженным любым подходящим оптическим, оптико-электронным, телевизионным или другим распознающим устройством.

Устройство для формирования изображения внутри прозрачных или полупрозрачных материалов на примере блок-схемы фиг.23, содержит лазер 15 с блоком 31 его управления, питания и охлаждения, структурный оптический корректор 32, вспомогательные телескопические системы 33, оптический блок формирования изображения 34 (позиции 15, 31-34 являются оптической системой получения управляемого следа лазерного пробоя в виде структурно регулируемых точек), системы обеспечения сканирования и/или позиционирования 35, устройства 36 подачи изделия 20 в зону формирования изображения и компьютера 37 с программным обеспечением, управляющим процессом.

Оптическая система может включать в себя различные объективы, в том числе и с требуемой аберрационной коррекцией, и/или структурные оптические корректоры. Пример оптической системы со структурным корректором представлен на фиг.1. Структурный оптический корректор может быть самостоятельным оптическим узлом, например, в виде группы цилиндрических линз, работа которых подробно описана в способе, деталью с оптической неоднородностью, фильтрами со спецэффектами или его функции выполняют другие оптические элементы системы, например, объективы и/или телескопы с требуемой аберрационной коррекцией. Оптическая система может включать в себя, по меньшей мере, один свето делительный элемент 29. Если поворачивать такой светоделительный элемент 29 (фиг.22) вокруг оптической оси системы в процессе нанесения изображения, то получим один из возможных примеров реализации возможности динамического изменения взаимного расположения следов лазерных пробоев.

Устройство 36 подачи изделия 20 в зону маркировки может быть выполнено в виде конвейерного механизма и выполнять конвейерную подачу изделия (маркируемой детали) в зону обработки. Также оно обеспечивает требуемое позиционирование этого изделия относительно оптической системы формирования изображения и синхронизацию начала маркировки со временем прихода изделия в требуемое положение. Устройство 36 может обеспечивать требуемое перемещение изделия в процессе обработки (например, вращения). Позиционирующие и/или сканирующие функции может выполнять и отдельная система 35 позиционирования и/или сканирования, работающая как с оптической системой, так и с устройством 36 подачи и установки изделия 20 в зоне формирования изображения, например, для синхронизации конкретного положения изделия с импульсами пробоев и/или с перемещением элементов структурного оптического корректора.

Изделие может быть выполнено частично или полностью из прозрачного или полупрозрачного материала и содержит, выполненное внутри прозрачного или полупрозрачного материала изображение, образованное разными по форме и/или размерам микроразрушениями, полученными лучом лазера, проходящим через оптическую систему. Разная форма и/или размер микроразрушений обеспечивается оптической системой.

.&D3///e (

Claims (9)

1. Устройство для формирования изображения внутри прозрачного или полупрозрачного материала, содержащее источник импульсного лазерного излучения и оптическую систему, отличающееся тем, что оптическая система выполнена с возможностью формирования распределения энергии импульсного лазерного луча по его поперечному сечению, обеспечивающего получение формы следа лазерного пробоя, отличной от единичного эллипсоида.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптическая система выполнена с возможностью разделения лазерного луча, по меньшей мере, на две части, и фокусировки полученных лучей в выбранных точках внутри материала одного маркируемого изделия.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптическая система включает, по меньшей мере, две цилиндрические линзы, установленные в одной плоскости между источником импульсного лазерного излучения и объективом, так что образующие их цилиндрических поверхностей расположены под углом друг к другу.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптическая система включает, по меньшей мере, две цилиндрические линзы, установленные в одной плоскости между источником импульсного лазерного излучения и объективом с возможностью вращения их в этой плоскости с изменением угла между их образующими цилиндрических поверхностей.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптическая система включает установленную между источником импульсного лазерного излучения и объективом плоскопараллельную прозрачную пластину с оптической неоднородностью.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптическая система включает, по меньшей мере, один фильтр, выбранный из группы: дифракционные, диффузные, шлейфообразующие, звездные или иные.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптическая система выполнена децентрированной.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптическая система включает светоделительный элемент, по меньшей мере, два объектива и структурный оптический корректор, размещенный между светоделительным элементом и одним из объективов.

9. Изделие, выполненное частично или полностью из прозрачного или полупрозрачного материала, имеющее внутри указанного материала изображение, сформированное следами лазерных пробоев, отличающееся тем, что каждый след лазерного пробоя имеет форму, отличную от единичного эллипсоида.