TW201630680A - 用於可靠地雷射標記物品的方法和裝置 - Google Patents

Abstract

本發明係一種用於在經過陽極氧化之鋁質物品上建立顏色及光學密度可選擇之可看見標記的方法及裝置。該方法包含：提供雷射標記系統，其具有雷射、雷射光學模組以及有效連接至該雷射以控制雷射脈衝參數之控制器以及具有儲存雷射脈衝參數之控制器；選擇關聯預定顏色及光學密度之儲存雷射脈衝參數；導控該雷射標記系統以產生具有關聯預定顏色及光學密度之雷射脈衝參數之雷射脈衝，其包含大於大約1且小於大約1000皮秒之時序脈衝寬度以照射至該經過陽極氧化之鋁。

Description

用於可靠地雷射標記物品的方法和裝置

本發明係有關於經過陽極氧化(anodized)之鋁質物品之雷射標記(laser marking)。特別是關於利用雷射處理系統標記經過陽極氧化之鋁。尤其是，其係關於利用雷射處理系統以一種具持久性且符合商業需求之方式標記經過陽極氧化之鋁。具體言之，其係有關於使得可見光及紅外線波長的皮秒(picosecond)雷射脈衝與經過陽極氧化之鋁之間的交互作用具備獨特特徵，以可靠地並可重複地建立具持久性之預定顏色及光學密度(optical density)的標記。

市面上的產品基於商業、管控、裝飾或功能上的目的，常需要在其上有某種形式的標記。所需的標記特性包含一致性的外觀、持久性以及施加的容易性。外觀係指可靠地並可重複地以一選定之形狀、顏色及光學密度呈現一標記的能力。持久性係儘管經過標記的表面有所磨耗，仍能維持不變之品質。施加的容易性係指製做一具有可編程性(programmability)之標記的材料、時間及資源上的成本。可編程性係指藉由改變軟體以一新的待標記圖案編程標記裝置，而非改變諸如篩版或遮罩等硬體。

經過陽極氧化之鋁，其質輕、堅固、易於形塑且擁有耐久的 表面拋光，故在工業及商業貨品上均有許多應用。陽極氧化意味多種電解鈍化處理中的任何一種，其中天然氧化層被增生於諸如鋁、鈦(titanium)、鋅、鎂、鈮(niobium)或鉭(tantalum)的金屬之上，以增進對於腐蝕或磨損的抵抗力以及獲得裝飾之目的。此等表面疊層事實上可以被著上或染上任何顏色，而在金屬上製造出一個永久性的、不褪色的、耐久性表面。許多此等金屬可以利用本發明之特色被有效益性地進行標記。此外，諸如抗腐蝕之不銹鋼等金屬均可以使用此方式加上標記。諸如此等的許多金屬製成品均需要永久性的、清楚可見的、符合商業需求之標記。經過陽極氧化之鋁係具有此需求之典型材料。利用藉由雷射處理系統產生的雷射脈衝標記經過陽極氧化之鋁可以在極低的標記成本下以可編程之方式快速地製做出耐久之標記。

以雷射脈衝使經過陽極氧化之鋁的表面上產生顏色變化已行之多年。在P.Maja、M.Autric、P.Delaporte、P.Alloncle等人的一篇標題為"Dry laser cleaning of anodized aluminum(經過陽極氧化之鋁的乾式雷射清潔)"的論文中(COLA'99-5th International Conference on Laser Ablation(雷射燒蝕國際會議)，1999年7月19-23日，Göttingen，德國，發行於Appl.Phys.A 69[Suppl.]，S343-S346(1999)，pp S43-S346)，其描述自鋁的表面移除陽極氧化區，但應注意，其顏色變化係發生於雷射能量低於自表面移除陽極氧化區所需雷射能量之處。

被提出以解釋金屬表面之光學密度或顏色變化的機制之一係雷射誘發週期表面微結構(laser-induced periodic surface structures；LIPSS)之產生。A.Y.Vorobyev和Chunlei Guo之論文"Colorizing metals with femtosecond laser pulses(利用飛秒雷射脈衝對金屬著色)"(Applied Physics Letters(應用物理快報)92,(041914)2008，第41914-1頁到第141914-3頁)描述可以利用飛秒雷射脈衝(femtosecond laser pulse)在鋁或類鋁金屬上製造出的各種不同顏色。此論文描述在金屬上製造出黑色或灰色標記並在金屬上建立一金黃的顏色。其亦提到一些其他顏色，但不多加贅述。LIPSS係其對於在金屬表面產生標記所提供的唯一說明。此外，其僅教示或提議具有65飛秒時序脈衝寬度之雷射脈衝以建立該等結構。並且，其並未提及在雷射處理之前，鋁質物品是否經過陽極氧化處理或者表面是否曾經過清潔。該論文亦未討論對於氧化層的可能損傷。

當論及雷射脈衝持續時間(duration)之時，量測脈衝持續時間的方法應該加以定義。時序脈衝形狀可以從簡單的高斯脈衝(Gaussian pulse)到更複雜的與個別作業有關之形狀。對於特定型態處理之有利的示範性非高斯雷射脈衝描述於編號7,126,746的美國專利GENERATING SETS OF TAILORED LASER PULSES(產生經過裁製的雷射脈衝群組)之中，發明人Sun等，該專利授讓於本發明之受讓人，此處以參照之形式納入本文。該專利揭示產生具有時間波形(temporal profile)異於二極體激發固態(diode pumped solid state；DPSS)雷射所製造出的典型高斯時間波形之雷射脈衝的方法及裝置。這些非高斯型態之脈衝被稱為"經過裁製的"脈衝，因為其時間波形係藉由結合一個以上的脈衝以產生單一脈衝及/或光電式地調變脈衝而改變自典型的高斯波形。此產生一脈衝，其脈衝能量隨時間改變，通常包含一或多個功率峰值，其中瞬間功率在脈衝持續時間的一小部分增加至一大於脈衝平均功率之數值。此種經過裁製的脈衝在高速率處理材料中可以有所效 用，其不會在材料周遭造成碎片或者過熱的問題。問題在於利用基本上應用於高斯脈衝的標準方法量測諸如該等複雜脈衝的持續時間可能產生異常的結果。高斯脈衝持續時間之量測通常是使用持續時間的半峰全幅值(full width at half maximum；FWHM)量測。相對於此，利用積分平方法，如描述於編號6,058,739的美國專利LONG LIFE FUSED SILICA ULTRAVIOLET OPTICAL ELEMENTS(長壽命熔融石英紫外線光學元件)之中者，發明人Morton等，允許複雜的時序形狀被量測並以一較具意義之方式進行比較。在此專利之中，其利用以下公式量測脈衝持續時間

其中T(t)係代表雷射脈衝時序形狀之函數。

關於可靠地並可重複地在經過陽極氧化之鋁上產生出具有預定顏色及光學密度的標記的另一問題在於，以極易取得的奈秒脈衝寬度固態雷射製造極深色標記所需的能量足以對陽極氧化區造成損傷，此係無法接受的結果。"黑暗度"或"明亮度"或顏色名稱均係相對性的用詞。以數量表示顏色的一個標準方法係參考色度量測(colorimetry)之CIE系統。此系統描述於Ohno,Y.的"CIE Fundamentals for Color Measurements(色彩量測的CIE基礎)"一文之中(IS&T NIP16 Conf，Vancouver，CN，2000年10月16-20日，第540-545頁)。在此量測系統之中，達成符合商業需求的黑色標記需要小於或等於L*=40、a*=5以及b*=10之參數。此產生無可見灰度或彩度的中性黑色。在編號6,777,098的美國專利MARKING OF AN ANODIZED LAYER OF AN ALUMINIUM OBJECT(鋁質物件陽極氧化層之標記)之中，發明人Keng Kit Yeo描述一種以黑色標記對經過陽極氧化之鋁質物品進行標記的方法，該黑色標記位於介於陽極氧化區及鋁之間的疊層之中，因而與陽極氧化表面同樣耐久。其中所述之標記被描述成具有深灰色或黑色之彩度，且相較於未利用奈秒級紅外線雷射脈衝標記過的部分顯得稍為較不具光澤。此外，其必須清除鋁的所有表面微粒，例如，在磨光之後而在陽極氧化之前殘留的微粒。依據該專利所請求的方法製做標記其不利性有以下二個原因：第一，以奈秒級脈衝建立符合商業需求的黑色標記傾向於對氧化層造成破壞；其次，磨光或其他處理之後跟隨的鋁的清潔在流程中加入額外步驟，增加相關費用，並可能干擾其它處理所需要的表面拋光。所需要的，但前述技術未揭示的，係在經過陽極氧化之鋁上製造出黑色或灰色或彩色之標記的可靠且可重複之方法，其不需要昂貴的飛秒雷射或者在製程中干擾到氧化層或在表面備妥之後需要清潔。此外，其並未提供如何在經過陽極氧化之鋁的表面上可重複性地建立各種不同顏色的資訊，亦未徹底追查對於陽極氧化層的脫色或損傷效應。故其有必要提出一種利用較低成本雷射可靠地並可重複地在經過陽極氧化之鋁上建立具有預定光學密度或灰階及顏色之標記的方法，其不會對其上的氧化物造成不良的傷害，且在陽極氧化之前不需要清潔。

本發明之一特色係以各種不同光學密度或灰階及顏色之可看見標記加諸於經過陽極氧化之鋁質物品之上。此等標記應經久耐用且具有符合商業需求之外觀。此係藉由利用皮秒雷射脈衝建立該等標記而達成。該等標記被建立於氧化層下方的鋁的表面處，因此被氧化物所保護。 該皮秒雷射脈衝建立符合商業需求之標記且未對氧化層造成顯著損傷，從而使得該等標記經久耐用。其藉由控制產生及導控皮秒雷射脈衝之雷射參數而在經過陽極氧化之鋁上建立耐久且符合商業需求之標記。在本發明的一特色之中，雷射處理系統被調構成以可編程之方式產生具有適當參數之雷射脈衝。

可選擇以增進雷射標記經過陽極氧化之鋁的可靠性及可重複性的示範性雷射脈衝參數包含雷射種類、波長、脈衝持續時間、脈衝重複率(repetition rate)、脈衝數目、脈衝能量、脈衝時序形狀、脈衝空間形狀以及焦斑(focal spot)尺寸及形狀。進一步的雷射脈衝參數包含指定焦斑相對於物品表面之位置以及導控雷射脈衝相對於物品的相對運動。

本發明之特色藉由利用取決於所用特定雷射脈衝參數之範圍從肉眼幾乎無法察覺到黑色的光學密度加深陽極氧化區下方的鋁的表面之顏色而建立耐久且符合商業需求之標記。本發明之其他特色建立呈棕褐或金黃色彩的各種不同光學密度之顏色，同樣地取決於所用的特定雷射脈衝參數。本發明之其他特色藉由對染色或著色之陽極氧化區進行脫色或局部脫色，同時對下方的鋁加上或不加上標記，以在經過陽極氧化之鋁上建立耐久且符合商業需求之標記。

為了達成依據本發明目的之前述及其他特色，以本文所實施並寬廣陳述之形式，揭示一種用於在經過陽極氧化的鋁質物品上建立顏色及光學密度可選擇之可見標記的方法，以及調構以執行該方法之裝置。本發明係一種用於在經過陽極氧化的鋁質物品上建立顏色及光學密度可選擇之可見標記的方法及裝置。該方法包含提供雷射標記系統，其具有雷射、 雷射光學模組(laser optics)以及控制器有效連接至該雷射以控制雷射脈衝參數以及具有儲存雷射脈衝參數之控制器、選擇關聯預定顏色及光學密度之儲存雷射脈衝參數、導控該雷射標記系統以產生具有關聯預定顏色及光學密度之雷射脈衝參數之雷射脈衝，其包含大於大約1且小於大約1000皮秒之時序脈衝寬度以照射至該經過陽極氧化的鋁之上。

10‧‧‧雷射

12‧‧‧雷射脈衝

14‧‧‧雷射光學模組

16‧‧‧雷射光斑

18‧‧‧物品

20‧‧‧控制器

22‧‧‧平台

30‧‧‧經過陽極氧化之鋁

32‧‧‧裂縫

34‧‧‧標記區域

36‧‧‧經過陽極氧化之鋁

38‧‧‧標記

40‧‧‧焦斑

42‧‧‧光束腰徑表面

44‧‧‧光軸

46‧‧‧直徑

48‧‧‧直徑

60-66‧‧‧標記

70‧‧‧經過陽極氧化之鋁

72‧‧‧標記

74‧‧‧鋁質物品

80‧‧‧鋁質物品

82‧‧‧標記

100‧‧‧經過陽極氧化之鋁質物品

102‧‧‧標記

110‧‧‧圖案

112‧‧‧數位表示方式

114‧‧‧列表

116‧‧‧列表中的項目

118‧‧‧鋁質物品

120‧‧‧透明陽極氧化層

122‧‧‧標記

124‧‧‧光阻層

126‧‧‧雷射脈衝

128‧‧‧光阻區域

130‧‧‧光阻區域

132‧‧‧光阻層中的空位

134‧‧‧光阻層

136‧‧‧空位下方的區段

138‧‧‧第二光阻層

140‧‧‧第二光阻層中的區域

142‧‧‧雷射脈衝

144‧‧‧著色區域

146‧‧‧著色區域

Fb‧‧‧陽極氧化區脫色的能量密度門檻值

Fu‧‧‧標記陽極氧化區下之鋁的能量密度門檻值

Fs‧‧‧表面燒蝕的能量密度門檻值

圖1，雷射處理系統。

圖2，以先前技術奈秒脈衝製做出之標記。

圖3，以皮秒脈衝製做出之標記。

圖4，射束腰徑。

圖5，位於經過陽極氧化之鋁上的灰階標記。

圖6，位於經過陽極氧化之鋁上的標記。

圖7，染色後的、加上可見光標記之經過陽極氧化之鋁。

圖8，染色後的、加上IR標記之經過陽極氧化之鋁。

圖9，顯示可見光雷射脈衝門檻值之關係圖。

圖10，顯示IR雷射脈衝門檻值之關係圖。

圖11，轉換成雷射參數的影像資料。

圖12a-i，施加至一鋁質物品之著色陽極氧化區。

本發明之一目標係以各種不同光學密度及顏色之可看見標記，耐久性地、可選擇性地、可預測性地且可重複性地標記經過陽極氧化 處理之鋁質物品。以有利之方式，其使得該等標記出現於鋁的表面或其附近，並維持陽極氧化層大致完整無損以保護該表面和該等標記。以此方式做出的標記被稱為夾層標記(interlayer mark)，因為其被製做於形成陽極氧化區的氧化層下方的鋁的表面處或表面上。理想情況下，氧化物在標記之後維持完整無損以保護標記並提供一機械性地毗連於相鄰標記及非標記區域間之表面。此外，該等標記應能夠可靠且可重複性地產生，意味若需要具有一特定顏色及光學密度之標記，則其知悉當以雷射處理系統處理該經過陽極氧化之鋁時將會產生預定結果之一組雷射參數。其同時亦應理解，此等以一雷射處理系統建立之標記係看不見的。在此特色之中，該雷射處理系統建立在一般觀看條件下不可看見之標記，但在例如當被紫外光照射時的其他條件下變成可被看見。其應可理解，此等標記係被用以提供防盜標記或其他特殊標記。

本發明之一實施例使用一經過調構之雷射處理系統以標記經過陽極氧化之鋁質物品。可以被調構成用以標記經過陽極氧化之鋁質物品之一示範性雷射處理系統係由位於97229，OR，Poitland之Electro Scientific Industries公司所產製的ESI MM5330微加工系統(micromachining system)。此系統係採用二極體激發式Q型開關固態雷射之微加工系統，其在30KHz脈衝重複率、第二諧振倍增至532奈米波長下具有5.7W之平均功率。另一可以被調構成用以標記經過陽極氧化之鋁質物品之示範性雷射處理系統係亦由位於97229，OR，Portland之Electro Scientific Industries公司所產製的ESI ML5900微加工系統。此系統採用之固態二極體激發式雷射可以被組構成在上達5MHz的脈衝重複率下發射出從大約355奈米(UV)到大約1064奈米(IR) 之波長。上述之任一系統均可以藉由加入適當之雷射、雷射光學模組、部件處置設備及控制軟體而被調構成用以依據揭示於本說明書中的方法在經過陽極氧化之鋁的表面上可靠地且可重複地產生標記。這些修改使得雷射處理系統能夠在預定的速率及間距下將具有適當雷射參數的雷射脈衝導控至預定地方之適當定位及承置的經過陽極氧化之鋁質物品上以建立具有預定顏色及光學密度的標記。此一經過調構之系統之示意圖顯示於圖1之中。

圖1顯示依據本發明一實施例之被調構成用以標記物品之ESI MM5330微加工系統之示意圖。調構內容包含雷射10，此在本發明一實施例之中係運作於1064奈米波長之二極體激發Nd：YVO4固態雷射，由德國Kaiserslautern的Lumera laser GmbH製造的Rapid型號機組。此雷射選擇性地利用固態諧振頻率產生器將頻率倍增以使得波長降低至532奈米或使頻率增加至三倍而將波長降低至355奈米，從而分別產生可見光(綠色)或紫外線(UV)雷射脈衝。此雷射10額定產生6瓦特之連續功率並具有1000KHz的最大脈衝重複率。此雷射10與控制器20協同運作以產生具有1至1,000皮秒持續時間之雷射脈衝12。這些雷射脈衝12可以是高斯型或者是經由雷射光學模組14特別形塑或裁製過之形式以允許預定之標記施加。雷射光學模組14，與控制器20協同運作，導控雷射脈衝12以在物品18之上或其附近形成雷射光斑16。物品18被固定於平台22之上，其包含移動控制構件，與控制器20及雷射光學模組14協同運作以提供複合射束定位能力。複合射束定位係在物品18相對於雷射光斑16移動之時，藉由使控制器20導控雷射光學模組14中之操控構件而補償平台22、雷射光斑16或二者引發的相對運動，以將形狀標記於物品18之上的功能。

當雷射脈衝12被導控以在物品18之上或其附近形成雷射光斑16之時，亦由雷射光學模組14配合控制器20加以塑形。雷射光學模組14控制雷射脈衝12之空間形狀，其可以是高斯或特別形塑之形狀。舉例而言，其可以使用"頂帽式(top hat)"空間形貌，其投送出在照射至被標記物品的整個光斑內具有均勻輻射劑量之雷射脈衝12。諸如此類的特殊形塑形狀之空間形貌可以利用繞射光學構件造出。雷射脈衝12亦可以被雷射光學模組14中的光電式構件、可操控反射鏡構件或振鏡(galvanometer)構件柵阻或導控。

雷射光斑16係指雷射脈衝12所形成的雷射光束之焦斑。如前所述，雷射光斑16處的雷射能量分佈係取決於雷射光學模組14。此外，雷射光學模組14控制雷射光斑16的聚焦深度(depth of focus)，或是量測平面遠離焦平面(focal plane)時光斑失焦的速度。藉由控制聚焦深度，控制器20可以導控雷射光學模組14以及平台22可重複地以高精確度將雷射光斑16定位於物品18的表面處或其附近。藉由將焦斑定位於物品表面的上方或下方以製做標記允許雷射光束失焦特定程度，從而增加雷射脈衝照射之區域並減少表面處的雷射能量密度(fluence)。由於光束腰徑之幾何結構已知，將焦斑明確定位於物品實際表面上方或下方將對光斑尺寸及能量密度提供進一步的精確控制。

皮秒級雷射，其產生範圍從1到1,000皮秒的雷射脈衝寬度，係用以在經過陽極氧化之鋁上可靠地並可重複地建立標記之較佳雷射。圖2係顯微照片，其顯示利用大於1奈秒脈衝之先前技術雷射建立於經過陽極氧化之鋁30上之一標記。該陽極氧化區在標記區域34之中顯示清 楚的裂縫痕跡32，一個不良的結果。圖3顯示利用皮秒級雷射在同一形式的經過陽極氧化之鋁36上製做出的同一顏色及光學密度之標記38，其顯示並無裂痕。皮秒級雷射對經過陽極氧化之鋁質物品施加符合商業需求之黑色標記，且未對氧化層造成損傷。商業上可接受之黑色係定義成一個具有CIE色度L*=40、a*=5、且b*=10或更小之標記。使用皮秒級雷射之另一優點在於其更加便宜、需要更少之維護以及通常比先前技術飛秒級雷射具有遠遠較長的運作壽命。此外，本發明之特色不需要在陽極氧化之前先清潔鋁的表面以建立符合商業需求的標記。

本發明之一實施例在陽極氧化區下的經過陽極氧化之鋁上執行標記之施加。對於待產生的夾層標記，其雷射能量密度定義為：F=E/s

其中E係雷射脈衝能量而s係雷射光斑面積，必須滿足Fu<F<Fs，其中Fu係基板之雷射修改門檻值，此例中之基板係鋁，而Fs係表面層或陽極氧化區之損傷門檻值。Fu和Fs已然經由實驗獲得，且代表所選擇雷射使基板及表面層開始受損之能量密度。對於10皮秒(ps)脈衝，實驗顯示Al(鋁)的Fu對於皮秒綠光係~0.13焦耳/平方公分(J/cm²)而對於皮秒IR則是~0.2焦耳/平方公分，而Fs對於皮秒綠光係~0.18焦耳/平方公分而對於皮秒IR則是~1焦耳/平方公分。在此等數值之間改變雷射能量密度產生不同顏色及光學密度之標記。不同的脈衝持續時間及雷射波長將各自具有對應的Fu及Fs數值。一組特定之雷射參數的實際門檻值係經由實驗決定。

關聯一特定顏色或光學密度之雷射參數亦可以透過實驗以外的方法決定。例如，雷射參數可以藉由執行雷射/材料交互作用之電腦模 擬而決定。其可以取用諸如教科書、雷射手冊或其他技術文獻等有關雷射/材料交互作用之資訊的其他來源，並自其推斷而決定適當之雷射參數。藉由導控雷射處理系統以產生具有適當雷射參數之雷射脈衝並精確地控制雷射能量密度，可以在經過陽極氧化之鋁質物品上可靠地並可重複地建立預定顏色及光學密度之標記。

本發明之一實施例藉由調整雷射光斑之位置，從位於鋁質物品的表面處變成位於鋁的表面上方或下方之一明確距離處，而精確地控制在該鋁質物品的表面處的雷射能量密度。圖4顯示雷射脈衝焦斑40及其鄰近處之光束腰徑之示意圖。光束腰徑由表面42表示，其係雷射脈衝由FWHM方法在該雷射脈衝沿其行進的光軸44上量測的空間能量分佈之直徑。直徑48代表當雷射處理系統將雷射脈衝聚焦於該表面上方一距離(A-O)處時該鋁的表面上的雷射脈衝光斑尺寸。直徑46代表當雷射處理系統將雷射脈衝聚焦於該表面下方一距離(B-O)處時該鋁的表面上的雷射脈衝光斑尺寸。

除了符合商業需求之黑色，對物品施加具有灰階數值之標記亦有效用。圖5及圖6顯示由本發明一實施例所做出的施加於經過陽極氧化之鋁上的一連串灰階標記。標記的光學密度範圍從幾乎與背景無法分辨到全黑。依據本發明之一特色，每一灰階標記均可以被表示成CIE色度量測數值之特有三元數組，L*、a*及b*。本發明之一特色將每一預定灰階數值連結一組雷射參數，其依照命令可靠地且可重複地在經過陽極氧化之鋁上產生預定之灰階數值標記。其亦應注意，肉眼可能看起來無法察覺的標記，當以廣域可見光之外的頻率照射時，例如紫外光，可以變成可被看見。

圖5顯示本發明一實施例在經過陽極氧化之鋁70上製造出 的黑色標記60、62、64以及66。此等標記60、62、64以及66具有範圍從小於L*=40、a*=5及b*=10到完全透明的CIE色度，使之成為符合商業需求之標記。該等標記的另一特徵在於，由於它們係位於無損傷的陽極氧化區的下方，故其在一寬廣的視角範圍內均具有一致的外觀。利用先前技術方法所做出的標記，由於對於陽極氧化層之損傷，故傾向於隨著視角的改變在外觀上具有很大的差異。特別是，當利用先前技術奈秒級脈衝進行標記之時，施加足夠雷射脈衝能量至表面以做出深色標記對陽極氧化區造成損傷，此使得標記之外觀隨著視角變化。依據本發明一特色做出之標記，無論標記顏色多深，均不會損傷陽極氧化區，亦不會隨著視角不同而在外觀上有所變化。此等改良之標記係利用以下雷射參數造成：

標記60、62、64、66之光學密度範圍從相對於未標記的鋁 幾乎無法察覺的60到全黑的66。介於該二個極端之間的灰階光學密度64、66係藉由移動焦斑使其更接近物品、增加能量密度從而建立更深色之標記而產生。焦斑在鋁的表面上方的高度之改變從零開始，即最深色光學密度標記62之情形，在圖5之中由右至左每一標記64、66遞增500微米之增量，結束於表面上方5毫米處的最淺色標記60。注意以位於鋁的表面上方4.5至1.5毫米之焦斑所產生的標記64顯現出棕褐或金黃色，而以焦斑一毫米或更短者產生之標記62及66則顯現出灰色或黑色。維持此對於雷射焦斑距工作表面距離的精確控制加上將其他雷射參數維持於正常雷射處理的公差之內，使其得以在經過陽極氧化之鋁上製做出具有預定顏色及光學密度之雷射標記。此外，最深色標記顯示一小於L*=40、a*=5而b*=10之CIE色度，使其成為符合商業需求之黑色標記。

本發明之另一特色決定具有灰階之外顏色之標記與皮秒雷射脈衝參數之間的關係。灰階之外的顏色可以以二種不同方式產生於經過陽極氧化之鋁上。第一，其可以在一光學密度之範圍中產生金黃色調。其係藉由在鋁及氧化物塗層間的交界面處做出變化而產生此顏色。仔細選擇雷射脈衝參數將產生預定之金黃顏色而不致損傷氧化物塗層。圖5亦顯示由本發明之一特色產生之金黃或棕褐的各種不同色彩。

經過陽極氧化之鋁的雷射標記亦可以藉由使用IR波長雷射脈衝以對鋁施加標記的本發明之一特色達成。此特色藉由以二種不同方式改變鋁的表面處之雷射能量密度而產生不同灰階密度之標記。如上所述，其可以藉由將焦斑定位於鋁的表面的上方或下方以改變表面處之能量密度而造出灰階。控制灰階的第二種方式係藉由在標記預定圖案之時改變照射 點距(bite size)或線條間距以改變位於鋁的表面處之總劑量。改變照射點距係指調整雷射脈衝光束相對於鋁的表面移動之速率或者改變脈衝重複率或者二者均改變，此導致在鋁上連續雷射脈衝撞擊位置間的距離改變。改變線條間距係指調整標記線條之間的距離以達成各種不同程度之交疊。圖6顯示具有標記72的陣列之一鋁質物品74。此等標記72被安排於包含六行四列的陣列之中。此六行代表鋁的表面上方範圍從0(頂列)到5毫米(底列)的六個焦斑Z向高度。四列則代表由左至右的5、10、20及50微米之間距。其應可以從圖6看出，改變焦斑之Z向高度及改變雷射脈衝之間距能夠以可預測之方式產生從小於CIEL*=40、a*=5、且b*=10到幾近透明之間的任何預定光學密度之灰階，從而在經過陽極氧化之鋁上產生符合商業需求之標記。

可以利用皮秒雷射脈衝施加至經過陽極氧化之鋁上之一第二種型態之標記係藉由藉由被染色陽極氧化區之脫色所造成的顏色對比上之改變。在一微觀的尺度上，陽極氧化區係多孔性的，且將輕易地接受許多種染劑。再次參見圖3，此經過陽極氧化之鋁之顯微照片顯示表面之多孔性質。用以標記染色後的經過陽極氧化之鋁之雷射脈衝可以，取決於波長及脈衝能量，在標記鋁時將染色脫除，使得陽極氧化區變成透明，從而將下方的鋁之上的標記顯現出來。利用較高之能量密度，其有可能同時進行染色脫除以及先前段落所述之以黑色、灰階或彩色標記陽極氧化層下方之鋁。能量較低之脈衝可以部分脫除陽極氧化區之染色，使其呈半透明，從而對其下之鋁標記局部上色。最後，較長波長的脈衝可以在未造成陽極氧化區之脫色下在鋁上施加具有符合商業需求的黑色或灰階顏色之標記。圖7顯示一染色後的經過陽極氧化之鋁質物品，具有利用可見光(532奈米)雷射脈衝製做而成之標記。注意陽極氧化區中的染色在接受雷射脈衝的區域中被脫除。圖8顯示同一種染色後的經過陽極氧化之鋁質物品，具有利用IR(1064奈米)雷射脈衝製做而成之標記。注意陽極氧化區並未被IR雷射脈衝脫色，故未能使得下方的鋁質顏色穿越原始氧化物的半透明狀態而顯現出來。

本發明之另一特色係有關於利用皮秒雷射以經過著色之陽極氧化區對經過陽極氧化之鋁施加雷射標記。由於陽極氧化通常形成一多孔性之表面，故可能引入染劑，其改變鋁之外觀。此等染劑可以是不透明或半透明，允許不同數量之入射光抵達鋁，且經由陽極氧化區被反射回來。圖7顯示經過陽極氧化之鋁質物品80，其依據本發明之一特色在陽極氧化 區之中具有粉紅染色並被製做成標記82的陣列。顏色之產生係藉由脫除氧化層中的染色，而下方的鋁顯現出從原有(銀)色到一系列經過雷射標記的色彩從棕褐到灰色最後到黑色之顏色。這些色彩係藉由改變鋁的表面處的雷射脈衝之能量密度而產生。圖中的四列代表將雷射脈衝之間距從10微米改變到50微米，而行則代表將距表面的焦斑距離從0.0毫米改變到5.0毫米。此等雷射參數在所有的情況下均使得覆蓋鋁的氧化物中的染色脫除，而讓鋁上的標記得以顯現出來。雷射標記光學密度之範圍從透明到CIE色度小於L*=40、a*=5、b*=10。用以產生此等標記之雷射參數顯示於表3之中。

陽極氧化區染色之脫除係與頻率相關的。如圖7所示，532奈米之雷射脈衝即使在最低的能量密度亦能脫除陽極氧化區之染色。另一方面，IR雷射波長，在染色後的經過陽極氧化之鋁上建立標記，且對於多數的半透明染劑顏色並不會脫除其染色。圖8顯示經過陽極氧化之鋁質物 品100，具有粉紅染色以及以1R雷射脈衝製做而成之標記102。該等標記從半透明到黑色，且係藉由改變焦斑到表面之距離以及藉由改變間距二者，以修改雷射能量密度而製成。圖中的六行代表使雷射脈衝焦斑與鋁的表面之間的距離從5.5毫米(右側)變化到零(左側)。圖中的四列則代表使雷射脈衝間距從10微米變化到50微米。用以產生此等標記之雷射參數顯示於表4之中。

針對532奈米(綠光)雷射波長之陽極氧化區染色脫除、對鋁進行標記以及使表面燒蝕之間的關係顯示於圖9之中。針對532奈米(綠光)雷射脈衝配合給定於表1、2及3內的參數，圖9顯示以焦耳/平方公分(Joules/cm2)為單位的陽極氧化區脫色(Fb)、標記陽極氧化區下之鋁(Fu)、以 及表面燒蝕(Fs)的能量密度門檻值。就本發明之一特色而言，532奈米雷射脈衝產生的數值係Fb=0.1焦耳/平方公分、Fu=0.13焦耳/平方公分以及Fs=0.18焦耳/平方公分。圖10顯示配合給定於表1、2及3內的參數之1064奈米(IR)雷射脈衝之以焦耳/平方公分為單位的能量密度門檻值。就本發明之一特色而言，1064奈米(IR)雷射脈衝之以焦耳/平方公分為單位的能量密度門檻值係Fu=0.2焦耳/平方公分以及Fs=1.0焦耳/平方公分。注意其並無針對陽極氧化區脫色之門檻值，因為IR波長雷射脈衝在雷射能量密度大到足以損傷覆蓋的陽極氧化區之前，尚無法開始對陽極氧化區脫色。其亦應注意Fb、Fu及Fs的精確數值將取決於所使用的特定雷射及光學模組。對於一特定之處理配置以及待進行標記之物品，其應以實驗的方式決定，並儲存於控制器之中以供後續使用。

在本發明之另一實施例中，經過調構之雷射處理系統之可編程特性使得經過陽極氧化之鋁質物品可以標記以符合商業需求之標記圖案。如圖11所示，在此特色之中，一圖案110被轉換成一數位表示方式112，其被分解成一列表114，其中在列表114之中的每一項目116均包含一位置或複數位置的表示方式，具有一顏色及光學密度關聯至每一位置。列表114被儲存於控制器20之中。控制器20將雷射參數連結列表114中的每一項目116，當該等雷射參數被以命令之形式傳送至雷射10、光學模組14及移動控制平台22之時，將致使雷射10發出一或多個雷射脈衝12，照射到鋁質物品18的表面16或其附近。該等脈衝將建立一具有預定顏色及光學密度之標記。當標記正被建立時，藉由依據儲存於列表中的位置相對於鋁質物品18移動雷射脈衝12，使得預定範圍顏色及光學密度之標記以預定之圖案被 製做於經過陽極氧化之鋁的表面之上。

在本發明的另一實施例之中，著色之陽極氧化區被圖案化於先前圖案化的標記之上以呈現額外的顏色及光學密度。在此特色之中，灰階圖案被建立於經過陽極氧化之鋁質物品之上。該物品接著被塗覆以光阻塗層，其可以藉由曝光至雷射脈衝而被顯影。經過灰階圖案化及光阻塗覆後之物品被置入雷射處理系統之中，並進行校準對齊使得系統可以準確地將雷射脈衝施加至已經加諸於物品上的圖案。所使用的光阻係一種被稱為"負型"光阻劑者，其中暴露至雷射輻射之區域將被移除，而未暴露之區域將留存於物品上繼續後續之處理。殘留的光阻保護物品表面使其免於被染色，而已被曝光且之後被移除的陽極氧化區域將被染上預定之顏色。此陽極氧化層被設計成半透明以容許光線穿過陽極氧化區而到達下方的圖案並被反射回來穿過陽極氧化區，從而產生具有選定顏色及光學密度之有色圖案。此有色陽極氧化區若有需要亦可以利用本發明其他特色所揭示之技術予以脫色，以產生具有預定透明度之預定顏色。此顏色可以施加於其下圖案的整個區域，或者以逐點的方式為之，僅受限於雷射系統之解析度，通常在10到400微米的範圍之內。此動作可以重覆以產生多重顏色之疊覆。在本發明之一特色中，其以多重顏色疊覆網格之形式施加陽極氧化區顏色疊覆，諸如貝爾圖案(Bayer pattern)。藉由將灰階圖案設計成配合顏色疊覆網格，可以將耐久性、符合商業需求之全彩影像建立於經過陽極氧化之鋁質物品之上。

圖12a至圖12i顯示用以利用二種顏色建立此種顏色疊覆的一連串步驟。在圖12a之中，鋁質物品118具有透明陽極氧化層120以及先 前依據本發明之其他特色施加之標記122。負型光阻124被施加至透明陽極氧化層120之表面。在圖12b之中，雷射脈衝126對光阻124之區域128、130進行曝光。在圖12c之中，未曝光之光阻134在光阻處理之後留存下來，但已曝光之光阻被移除，留下處理後之光阻層134中的空位132。圖12d顯示基礎陽極氧化層120中在處理後之光阻層134中的空位132下方的區段136中的陽極氧化區被染以顏色。完整無損的處理後之光阻層134防止陽極氧化區獲致顏色，除了處理後之光阻層134中已被移除的區域132之外。圖12e顯示物品118在處理後之光阻層移除之後包含具有顏色部分之陽極氧化區136之基礎陽極氧化區120以及先前施加之標記122之相對位置。

圖12f顯示一物品118具有基礎陽極氧化區120，包含顏色部分136以及第二光阻層138。圖12g顯示此光阻之第二疊層138被雷射脈衝142照射，使得區域140被曝光。圖12h顯示具有基礎陽極氧化區120之物品118進行被移除光阻140下方陽極氧化區之染色以及殘留光阻138移除之後之情況。此使得完整無損的基礎陽極氧化層包含著色區域136、144，位於先前標記區域122之上。圖12i顯示後續雷射脈衝146被用以選擇性地對該鋁質物品先前經過陽極氧化及染色之部分進行脫色，以產生額外的預定顏色或光學密度。本發明此特色所述之處理造成彩色圖案疊覆於灰階圖案之上，以可編程的圖案形式產生具有耐久性且符合商業需求之顏色及光學密度之範圍寬廣之標記。

在本發明的另一實施例之中，可以使用特定之圖案將著色陽極氧化區建立於經過陽極氧化之鋁質物品之上，產生觀看時呈全彩影像之外觀。在此特色之中，其利用本文所述之技術將一影像之圖案代表形式施 加至表面上。顏色染劑以例示於圖12a至圖12i之方式引入，但該等染劑引入陽極氧化基礎層之圖案係被設計成將灰階表示方式轉換成全彩的方式。此一圖案之一實例係一貝爾濾光鏡(Bayer filter，圖中未顯示)，其將紅色、綠色及藍色濾光鏡元素並列於一圖案之中，使得眼睛對紅色、綠色及藍色元素之感知融合成其光學密度與著色陽極氧化區濾光鏡下方的灰階標記相關之單一顏色，從而產生全彩影像或圖案之外觀。光阻可以是負型或正型光阻，且曝光該光阻之圖案可以藉由遮罩產生，諸如使用於電路或半導體應用之中者，或者由電子裝置直接寫入，或者藉由諸如噴墨之技術直接沉積，或者藉由雷射直接燒蝕。

前述實施例之細節可以在未脫離本發明之基本原理下進行許多修改，此對於習於斯藝者應係顯而易見的。本發明之範疇因此應由以下之申請專利範圍所界定。

10‧‧‧雷射

12‧‧‧雷射脈衝

14‧‧‧雷射光學模組

16‧‧‧雷射光斑

18‧‧‧物品

20‧‧‧控制器

22‧‧‧平台

Claims (12)

1. 一種經過陽極氧化之鋁質物品，包含：鋁質基板；氧化層，設置在該鋁質基板的基板表面之上，該氧化層具有氧化層表面；以及雷射標記，製作於該物品的該氧化物表面之下的明確距離處，其中該標記對肉眼而言是無法察覺的，但是當以廣域可見光之外的光照射該標記時，該標記可以變成可被看見。
2. 如申請專利範圍第1項所述之經過陽極氧化之鋁質物品，其中該標記具有等於或小於L*=40、a*=5及b*=10之光學密度。
3. 如申請專利範圍第1項所述之經過陽極氧化之鋁質物品，其中該標記在寬廣的視角範圍內均具有一致的外觀。
4. 如申請專利範圍第1項所述之經過陽極氧化之鋁質物品，其中該經過陽極氧化之鋁質物品具有在鋁之上的氧化層，其中該標記包括與非標記區域相鄰的標記區域，以及其中該氧化層維持完整無損且提供機械性地毗連於相鄰的該標記區域及該非標記區域間之表面。
5. 如申請專利範圍第1項所述之經過陽極氧化之鋁質物品，其中該標記在以UV照射下為可看見。
6. 如申請專利範圍第1項所述之經過陽極氧化之鋁質物品，其中該標記具有黑色、透明、灰色、棕褐色(tan)或金黃色(gold)的其中之一的顏色。
7. 如申請專利範圍第1項所述之經過陽極氧化之鋁質物品，其中該標記白色的顏色。
8. 如申請專利範圍第1項所述之經過陽極氧化之鋁質物品，其中該標記以變化的光學密度呈現預定圖案，以形成影像。
9. 如申請專利範圍第1項所述之經過陽極氧化之鋁質物品，其中該標記係在該基板的表面之上的明確距離處。
10. 如申請專利範圍第1項所述之經過陽極氧化之鋁質物品，其中該氧化層是以染劑染色。
11. 如申請專利範圍第10項所述之經過陽極氧化之鋁質物品，其中該氧化層的染色被雷射脫色。
12. 如申請專利範圍第1至11項中任一項所述之經過陽極氧化之鋁質物品，其中該經過陽極氧化之鋁質物品是由以下方法所製成，該方法包括：提供雷射標記系統，其具有雷射、雷射光學模組、平台以及有效連接至該雷射及該雷射光學模組及該平台之控制器，該雷射發出雷射脈衝，該雷射脈衝在該控制器的導控下藉由該雷射光學模組與該平台協同運作而被導控至該經過陽極氧化之鋁質物品，該雷射標記系統還具有雷射脈衝參數以界定該雷射脈衝與該經過陽極氧化之鋁質物品間之交互作用之特性；決定與建立具有該預定性質之該標記相關聯之特定雷射脈衝參數；提供該特定雷射脈衝參數予該控制器；以及與該控制器、該雷射光學模組及該平台協同運作，控制該雷射以產生具有該特定雷射脈衝參數之該雷射脈衝；以及導控該雷射脈衝以照射至該經過陽極氧化之鋁質物品，從而建立具有該預定性質之該標記。