專利名稱：激光器裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及激光器，更具體地講是涉及在打標和編碼應用中使用的激光系統(tǒng)的光學部件。
適用于這種應用的激光器描述于US-A-4618961、US-A-4891819和US-A-5095490。另外，在US-A-4652722中還描述了利用多個相干激光光束以及固定反射裝置、束射管和聚焦透鏡在襯底表面形成標識記號或產生永久變化的激光器裝置。US-A-4652722中權利要求1針對的是使光路徑縮短的特征，說明書描述如何利用反射裝置縮短光路徑。
利用多激光通道制造小型、商業(yè)可行的激光打標系統(tǒng)的主要問題中的一個問題是需要在對產生所需光學打標特性所必需的光學結構進行簡化的同時配置激光通道以便減小通道組件的物理尺寸。通常，各個激光器的物理尺寸并不能同時保證獲得最佳光學特性所需的激光器之間的光學間隔和角度關系。在US-A-4652722中，發(fā)明人指出，該問題的一個可行解決方法是將激光器近平行地放置，然后采用光學方法重新定向每一束光束，進而縮短了光路徑，并在各個激光光束之間設定期望的角度關系。
然而，上述發(fā)明的說明書并沒有處理由多個點產生適當小特征尺寸的問題。
US-A-5168401和WO-A-9604584描述的光學系統(tǒng)涉及激光二極管射出的各條激光光束的準直，但并沒有提到本發(fā)明涉及的問題。EP-A-0538044公開了一種本質上與US-A-4652722和US-A-5389771類似的系統(tǒng)，公開了一種合攏點光源發(fā)出的單光束的裝置。這些說明書均不能認為與本發(fā)明有特定關系。
根據本發(fā)明，激光器裝置包括多個獨立激光器，每個激光器具有輸出端，激光器相對于其它激光器以一定角度放置，由此激光輸出端相互緊鄰放置；還包括多個激光光束再定向器，它配置得截斷激光輸出端射出的激光光束，激光光束再定向器配置得使激光光束路徑的長度延長，使激光光束之間的角度減小。
利用這種裝置，得到的光學系統(tǒng)可以產生多個具有適當間隔的標記以便在移動襯底上產生希臘數字、圖案和/或機器可讀取的標記，同時還可以提供非常小巧的系統(tǒng)，該系統(tǒng)適于安裝在通常在生產線上提供的相對較小的空間內。
激光光束再定向器優(yōu)選地是反射鏡或折射光學棱鏡。
轉向反射鏡可以添加到光束路徑中以改變激光光束之間的角度，轉向反射鏡由所需的電信號控制。
透鏡將激光光束聚焦到目標上，激光光束優(yōu)選地在激光光束再定向器和透鏡之間相交，透鏡優(yōu)選地處于激光光束交叉點和目標表面之間，距交叉點的距離為透鏡的焦距f。
根據本發(fā)明，還提供了一種激光光束分束裝置，用于將激光光束導向多個目標，優(yōu)選地安裝在每個目標上方的激光光束再定向器和各個透鏡之間的各條激光光束的光路長度優(yōu)選地相等。
現在參照附圖描述根據本發(fā)明的裝置實例，其中

圖1用平面視圖示例了裝置的第一實例；圖2用側視圖示例了同一裝置；圖3示例了不帶本發(fā)明激光光束再定向器的激光打標系統(tǒng)，用作對比；圖4A-F示例了圖1系統(tǒng)中使用的反射鏡的細節(jié)；圖5、6和7示例了本發(fā)明裝置的第二、第三和第四備擇實施方案；圖8和9是示例本發(fā)明基本原理的光束圖；圖10示例了聚焦激光光束的透鏡結構；圖11和12示例了本發(fā)明另一實施方案的實例；圖13示例了為激光打標提供兩組或多組激光光束的本發(fā)明實施方案的實例。
為了產生小型激光打標或編碼設備，獨立激光器1緊密地配置，它們各自的輸出端2相互緊鄰地配置，呈交錯、疊蓋關系，如圖1和3所示。如圖3所示，只要激光光束通過普通的聚焦透鏡4，得到的各條激光光束3之間的角度將使光束在距透鏡4為f的適當距離上、在總寬度為D的范圍內彼此間隔開。這一寬度對于許多打標應用來說太大了。
圖1和2，與圖3相比，示出多反射鏡組件5、6是如何將激光光束3的總路徑由L延長到L1的，同時減小了各條激光光束3之間的角度，由此產生一組總間隔寬度為D1的光束，該間隔遠小于圖3所示裝置的總間隔D。第一再定向反射鏡組件5具有多反射鏡51，它具有不同的適當反射角度以便使光束組3再定向到第二再定向反射鏡組件6的各個區(qū)域上，組件6具有一個單45°角反射鏡61，它將光束3反射到聚焦透鏡4。
該結構的幾何形狀和透鏡4的焦距決定了在目標襯底上產生的標記的點間隔和點尺寸(如下面參照圖8和9描述的)，和標記點間隔，通過改變聚焦透鏡4上的激光光束3之間的角度可以分別或總體地對其進行調節(jié)。
激光器1射出的激光光束3的間隔角度一開始是4.33°，利用圖4A-F詳細示出的反射鏡組件5中的各個反射鏡51可以將其調節(jié)到0.2°和1.0°之間(圖4A-F所示的結構是0.8°)。圖4A-D分別在圖4E的截面A-A、B-B、C-C和D-D處的兩個相互正交的獨立剖面中示出構成獨立反射鏡51的反射鏡表面，以及反射鏡間隔和相對角度。這些截面的位置示于圖4E，圖4E和4F示出反射鏡組件5和6，圖4F是與圖4E成90°的剖面視圖，其中只示出反射鏡表面51中的一個表面。
圖5、6和7用側視圖示出備擇實施方案。在圖5中，附加可調節(jié)反射鏡組件7和8獨立于反射鏡組件5和6產生的光束角度調節(jié)，對光束長度進行調節(jié)。圖6的實施方案示出附加反射鏡組件9，它將光束3橫向地再定向到它們的初始方向平面，圖7實施方案結合了圖5和圖6實例的特點。
圖4A-C還示例了反射鏡組件5和6的細節(jié)。
構成本發(fā)明概念基礎的理論如下，將參照圖8和9進行描述。
圖8示例了多個按一定角度配置的激光器的幾何結構，激光器距焦距為f的透鏡的距離是D1，在距聚焦透鏡為D2的近平面表面上形成一系列聚焦激光光點。圖9示出圖8中兩個相鄰激光束的光學結構，其中包含了衍射效應。在圖9中，相鄰激光束相互成φ角，在中心的最近鄰點間隔為Y。離開內徑為W1的激光器孔徑的每束激光光束在射出孔徑的遠場擴展為θ角，并由焦距為f的透鏡聚焦為直徑為W2的光點，與相鄰激光光點的距離為S。
根據最低階高斯激光光束的標準光學理論，利用一階薄透鏡近似，可以進行如下計算。
首先，由基本激光理論可知，對于高斯束腰為W1的離開激光器孔徑的激光光束，激光光束離散可以由下述給出
g≈(4λ)(πW1) (1)其中λ是離開波導的光波長，π是近似值為3.14159的物理常數。
對于通過透鏡聚焦的高斯激光光束，可以很容易地導出下式，該等式可以在絕大多數關于該主題的標準教科書中找到。
W2=[(1/W1)2(1-(D1/f)2+(1/fg))2]-2(2)和W2=f+[(D1-f)f2]/[(D1-f)2+((πW1)2/(4λ))2] (3)其中D2是透鏡到最小聚焦光點尺寸W2的距離(主焦距)。
最后，對于激光通道間的角度很小的正常條件，tan(φ)的值近似為φ，這樣利用簡單的幾何關系可以得到S≈φD2(4)由此，根據這組等式，可以導出聚焦光點尺寸W2，對于確定的聚焦光點尺寸W2可以導出光點間隔S，對于確定的幾何參數(W1、D1和φ)和光學參數(f和λ)，可以導出主焦距D2和光點間隔S。
計算實例作為范例，給出下列參數λ=10.6×10-4cm(二氧化碳激光器波長)f=5.0cmW1=0.40cmD1=130cmφ=0.01弧度然后，根據這些值可以導出以下參數θ=0.0337弧度 (根據等式1)W2=0.0116cm(根據等式2)D2=5.1cm (根據等式3)S=0.051cm (根據等式4)上述值對于稍稍高于3.0mm的七點字符高度是典型的，其中字符高度H等于H=(N-1)S+W2(5)
其中N是激光通道數，S是在最小光點尺寸平面上的光點間距(主焦面，不必是焦平面)，W2是在該平面上的聚焦光束直徑?，F在將等式4代入上式，得到H=(N-1)φD2+W2(6)其中φ是進入聚焦透鏡的激光通道間的角度，D2是透鏡到激光光束主焦點的距離。在透鏡的焦平面上，其中透鏡距該平面的距離為f，并且在該平面上測量光點間隔，可以得到簡化式D2=f，這樣上式可以簡化為H=(N-1)φf+W2(7)該等式確定了字符高度與激光光束角度和透鏡焦平面上的透鏡焦距之間的關系。為了將光束路徑延長到商業(yè)可行的長度，同時調節(jié)光束間隔角度以獲得等式3給出的所需字符高度，反射鏡系統(tǒng)需要調節(jié)的正是相鄰激光光束間的角度φ。
上述考慮還清楚地表明期望將待打標的襯底放置在焦平面21內，因為在此激光光束3聚焦最好，光點寬度W2最小。然而，為了獲得透鏡4相對于反射鏡6和襯底的最佳位置，還要考慮其它條件。
參照圖10，可知ψ=(Nmax-1)φ (8)其中Nmax是激光光束總數，φ是外圍激光光束23和24之間的角度。
因此，可以從等式7和8得到，如果忽略光點寬度W2H=ψf (9)因此，由于φ和f與透鏡4和光束交叉點20之間的距離C無關，所以焦平面21上的字符高度H也與距離C無關。
比較相似三角形，可以得到Y/(L-X)=a/L (10)其中L是透鏡4和激光光束匯聚點22之間的距離，a是最外圍激光光束23在透鏡4上的入射位置到透鏡4的光軸的徑向距離，Y是最外圍激光光束23在沿著透鏡4的光軸、指向點22的方向距透鏡4的距離為X的點上到透鏡4的光軸的徑向距離。
根據薄透鏡公式，可知L=Cf/(C-f) (11)
其中C是交叉點20到透鏡4的距離。
對于小角度可以得到a≈Cψ2----(12)]]>根據等式10，可以求得Y對X的導數。結合等式11和12，結果可以表示為dYdX=(f-C)ψ----(13)]]>所以，當f=c時dYdX=0]]>這一結果表明，當透鏡4放置在距光束交叉點20的距離為f(即透鏡的焦距)的位置上時，字符高度H在焦平面附近是固定的。換句話說，保持距離C和f相等可以使焦平面21前后的字符高度變化為零。
這意味著，裝置可以在彎曲或粗糙表面上打標，而不會顯著地改變字符高度，這具有顯著的商業(yè)價值。
具有這些特征的裝置實施方案的又一實例示于圖11和12，它包括光束延伸殼體30、透鏡組件31和空氣噴嘴組件32。激光光束3通過光束光闌組件33引入，激光輸出由光束護罩34屏蔽，該護罩用于防止設備使用人員意外地受到激光輻射。光束護罩34還將激光打標區(qū)包圍起來，使得激光打標過程產生的碎屑能夠通過真空清除裝置(未示出)通過出口36吸走。
光束延伸殼體30是密封的，以確保反射鏡5、6、7、8保持清潔，免受環(huán)境灰塵和激光打標過程中激光器產生的碎屑的污染。清潔的過濾空氣通過空氣噴嘴組件32循環(huán)，以防止激光打標過程產生的碎屑和殘渣污染透鏡組件31中的聚焦透鏡4。通過利用透鏡焦點調節(jié)螺母35調節(jié)透鏡組件31可以細微調節(jié)透鏡4。
現參照圖13，本發(fā)明實施方案還可以包含光束分束設備40，它可以使一組激光光束3在多個位置上產生激光標記。圖13所示的多線裝置安裝了兩組透鏡組件31，第三透鏡組件位置安裝了一個孔塞41。如果利用透鏡組件31替換孔塞41，光束分束設備還可以將激光光束3進一步分開，以便在三個位置上產生激光標記。
在工作中，激光光束3通過反射鏡組件5和6進入多線光束延伸殼體42，如上所述，該組件延長了光束路徑的總長。然后，光束入射到光束分束設備40上，該設備包括一臺安裝在轉動電流計上的反射鏡。當然，反射鏡可以安裝在任何可以產生往復轉動運動的設備上，例如壓電或磁感應設備。
光束分束設備40按照需要將激光光束3再定向到另一個再定向反射鏡43上。再定向反射鏡43將激光光束3指向安裝在透鏡組件31內部的聚焦透鏡4，再定向反射鏡配置得使反射鏡組件6和聚焦透鏡4之間的光束3的總體路徑長度相等。
這樣，不論光束從哪個聚焦透鏡發(fā)出，激光光束3的光學特性都是相同的，上述的有益特性可以通過小型裝置提供給多個目標。
權利要求
1．一種激光器裝置，包括多個獨立激光器(1)，每個激光器(1)具有輸出端(2)，激光器(1)彼此以一定角度安裝，由此激光輸出端(2)相互緊鄰地配置在一起；多個激光光束再定向器(5)配置得截斷激光輸出端(2)射出的激光光束(3)，激光光束再定向器(5)配置得使激光光束路徑延長，并降低激光光束(3)之間的角度。
2．權利要求1的激光器裝置，其中轉向反射鏡添加到光束路徑中以改變激光光束之間的角度，轉向反射鏡由所需的電信號控制。
3．權利要求1或2的激光器裝置，其中一個或多個激光光束再定向器(6,7,8)添加到光束路徑中以改變或減小裝置的一維或多維尺度。
4．前述任意權利要求的激光器裝置，其中激光光束再定向器(6,7,8)是反射鏡。
5．前述任意權利要求的激光器裝置，其中激光光束再定向器(6,7,8)是折射光學棱鏡。
6．前述任意權利要求的激光器裝置，還包括激光光束分束裝置(40)，它將激光光束(3)導向多個目標。
7．前述任意權利要求的激光器裝置，還包括透鏡(4)，它將激光光束(3)聚焦到目標表面。
8．權利要求7的激光器裝置，其中光束(3)配置得在激光光束再定向器(5)和透鏡(4)之間交叉，透鏡(4)位于激光光束(3)的交叉點(20)和目標表面之間，距交叉點(20)的距離為透鏡(4)的焦距f。
9．權利要求6和7或8的激光光束裝置，其中激光光束再定向器(5)和各個透鏡(4)之間的激光光束(3)的各條路徑長度是相等的。
全文摘要
一種激光打標器裝置包括彼此以一定角度安裝的多個獨立激光器(1)。激光器(1)的輸出端(2)相互緊鄰地配置在一起,且多個激光光束再定向器(5)配置得截斷激光輸出端(2)射出的激光光束(3),激光以便使激光光束路徑延長,并降低激光光束(3)之間的角度。
文檔編號H01S3/00GK1230268SQ9719773
公開日1999年9月29日 申請日期1997年8月29日 優(yōu)先權日1996年9月11日
發(fā)明者L·V·蘇特爾, R·布拉克布恩 申請人:多米諾印刷科學公開有限公司