具有設有諧振管的氣體激光器和可單獨調節(jié)的偏轉裝置的標記儀器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及于一標記儀器（100），其用于通過激光標記一物體，標記儀器（100）包括了復數個氣體激光器（10）和一用于單獨激活每一個氣體激光器（10）來根據待標記的符號發(fā)射一激光束的控制單元。氣體激光器（10）被堆疊使得由氣體激光器（10）發(fā)射的激光束形成一激光束陣列，特別是具有平行激光束的線性陣列，每個氣體激光器（10a-i）包括激光管（12），其至少部分環(huán)繞一內部區(qū)域（5）。儀器（100）進一步包括光束傳輸裝置（14）用于定向激光束陣列到內部區(qū)域（5）以及偏轉裝置組（30）用于重新設置激光束陣列成一需要的激光束陣列。偏轉裝置組（30）被設置在內部區(qū)域（5）內以及包括對應每一激光束的至少一個偏轉裝置（33a,33i）或者對應每一激光束的一個光波導。每一偏轉裝置（30）是在其偏轉方向可單獨調節(jié)的和/或可單獨移置的。
【專利說明】具有設有諧振管的氣體激光器和可單獨調節(jié)的偏轉裝置的標記儀器
【技術領域】
[0001]根據權利要求1前文所述，本發(fā)明涉及于一用于利用激光標記物體的標記儀器?！颈尘凹夹g】
[0002]通常，已知的標記設備使用一單一的激光器，例如，CO2激光器。這樣的一個激光器發(fā)射一激光束，該激光束被傳輸到待標記的物體上。該物體在一傳送帶上相對該標記儀器被移動。典型的，根據一待標記的標識，提供有一掃描設備，用于在物體上定向該激光束。由于通常需要高吞吐量，傳送帶上的物體相對標記儀器的移動速度應越快越好。然而，由于在物體經過時，掃描設備需要足夠的時間將標記寫在物體上，因此該速度并不是可任意增加的。所以說，這種標記設備的速度受限于掃描設備的速度。
[0003]通過包括有復數個激光器以及基于待標記的符號，單獨激活每一激光器發(fā)射激光束的控制單元的通用標記儀器，吞吐量可進一步被提高。這樣的標記儀器被在美國專利US5, 229，573以及美國專利US5，229，574中被描述出。
[0004]為了達到更快的標記速度，需要具有更多氣體激光器的標記儀器。然而，使用的氣體激光器的數量至今很大程度上受限于各個激光器的尺寸，其導致儀器的尺寸過大并同樣妨礙將激光束傳遞至待被標記的物體。
[0005]簡單的通過放置更短的激光管來減少氣體激光器的大小并不是一個好的選擇，因為激光束的輸出功率極其依賴于激光管的長度。通過設置一氣體激光器的幾個激光管成一折疊設計，可減少一些空間。然而，折疊設計依舊帶來相當多的弊端，比如復雜的散熱。
[0006]從美國專利US4, 727, 235中可知一包括多個激光器的標記儀器。該激光器優(yōu)選為二氧化碳激光器。它們發(fā)射的光束通過一具有反射鏡的光束傳輸管被定向到一標記區(qū)域。
[0007]美國專利US5，115，446描述了一用于氣體激光器的組件的支撐結構。該諧振管環(huán)繞一安置有壓縮機和冷卻架的內部區(qū)域。
[0008]美國專利US4，652，722的主題是一用于在移動的物品上刻寫字符的儀器。該儀器包括復數個激光器，每個激光器具有一關聯(lián)的反射鏡，其被初始調節(jié)從而定向相關的激光束到制品上。

【發(fā)明內容】

[0009]本發(fā)明的目的是提供一包括多個具有低空間需求的氣體激光器的標記儀器，且其中每個激光器提供一激光束，該激光束可以被簡單的重定向至待被標記的物體上。
[0010]該目的通過具有權利要求1的特征的標記儀器來解決。
[0011]優(yōu)選的實施方案在從屬權利要求和之后的說明書中，特別是與附圖相聯(lián)系之后給出。
[0012]根據本發(fā)明，以上所述種類的標記儀器的特征在于，氣體激光器被堆疊使得被氣體激光器發(fā)射的激光束形成一激光束的陣列，特別是，具有平行激光束的線性陣列，每個氣體激光器包括至少部分環(huán)繞一內部區(qū)域的激光管，該儀器進一步包括用于定向激光束陣列到內部區(qū)域的光束傳輸裝置和用于重新設置激光束陣列成一期望的激光束陣列的偏轉裝置組，該偏轉裝置組被設置到內部區(qū)域，并且對應每一光束，該偏轉裝置包括至少一個偏轉裝置，特別是，對應每一光束，包括至少一個映射鏡或者一個光波導，且每個偏轉裝置在它的偏轉方向是可單獨調節(jié)的和/或可單獨移置的。
[0013]本發(fā)明的一核心思想在于提供一由激光管環(huán)繞的中央空間，該激光管形成一閉環(huán)或者開環(huán)。通過堆疊激光器，使得中央空間變得足夠大來容納光學元件，例如，偏轉裝置組。
[0014]可以被認為是本發(fā)明的一個基本優(yōu)點的是某些諧振管利于冷卻，這些諧振管被設置在閉環(huán)或開環(huán)的相對面，相對彼此距離最遠，而同時由于光學元件在內部區(qū)域以節(jié)省空間的方式容被納，儀器的總尺寸并未增加。
[0015]可以被視為本發(fā)明的一基本想法的是對應每一激光束，設有至少一個偏轉裝置用于單獨偏轉每個光束。也就是說每個光束被定向到它相應的偏轉裝置。該偏轉裝置可相對彼此獨立地調節(jié)，從而基本可被設為任何需要的配置。
[0016]氣體激光器發(fā)射的光束，S卩，激光束，形成一特別的設置，例如，一平行行進的光束的線性設置?？梢员徽J為是本發(fā)明的一基本優(yōu)點的是允許一線性設置的靈活地映射為任何其他設置。特別是，通過偏轉裝置組可使光束的間隔被改變或減少。
[0017]本發(fā)明的一個根本想法在于提供可調節(jié)的偏轉裝置。這些可以在標記設備運行之前或者之中被設置到一期望的位置。為了這個目的，每個偏轉裝置可以被一由控制單元控制的電動機移位。
[0018]與棱鏡相反，偏轉裝置組有利的導致更少的失真，特別是當反射鏡被用于作為偏轉裝置時。
[0019]在偏轉裝置是反射鏡的情況下，調節(jié)可以被通過單獨的傾斜反射鏡來實現(xiàn)，S卩，改變偏轉方向或者指定反射鏡的方向。額外地或可選地，反射鏡是可以被移位的，就是可以被移置的。因為激光束可以通過反射鏡被重新設置，反射鏡也可以被稱為映射鏡。
[0020]在本發(fā)明的上下文中，激活每一激光器從而發(fā)射一激光束可被理解為任何過程，該過程可控制在待被標記的物體上是否照射有一光束。因而，激活同樣也可通過一射束光閘(beam shutter)來進行。也就是，一激光器可保持激活，且射束光閘控制激光器的激光束是通過還是阻擋。
[0021]該氣體激光器可為是任何通常已知的種類，例如，氦氖激光器，一氧化碳激光器，IS激光器，氮激光器，或者準分子激光器。優(yōu)選的，氣體激光器為二氧化碳激光器。這些可以作為連續(xù)波(continuous wave)或者脈沖運行。例如,通過調Q (Q-switching)或者鎖模(mode-locking)。
[0022]待標記的符號可以被理解為任何標記，例如，一文字，一圖片或者一圖像的單一像素。符號可以包含一定數量的點或者線。也就是，激光器可被激活，對于短時間內，其在物體上產生點，或對于一可設置的時間段，其可產生特定長度的線。
[0023]在本發(fā)明的上下文中，待被標記的物體可為任何項目或產品，其具有一可被氣體激光器的光影響的表面。特別地，物體可為一包裝，例如用于食物或飲料，水果或標簽。物體的材料可包括塑料，紙質，金屬，陶瓷，纖維，復合材料或有機組織。
[0024]標記自身可為在物體表面的任何變化，例如顏色變化，雕刻或切口。[0025]上述提到的“期望的激光束陣列”可以為任何適用于相應的應用的激光束設置。期望的陣列可以不同于原始的激光束陣列，即，照射到偏轉裝置組之前的設置。特別是，期望的陣列可以是一相對于原始陣列旋轉的線性設置。
[0026]基本上，由氣體激光器發(fā)射的激光束的陣列可以具有任何形式。雖然不是優(yōu)選的，通?？尚械氖?，從堆疊的激光器的不同側面或拐角處，不同激光器的激光束被發(fā)射出。然而，在有利的設計中，在激光器堆疊中的相同拐角處，發(fā)射出所有的激光束。
[0027]用于定向激光束到內部區(qū)域的光束傳輸裝置可以為任何導致發(fā)射的光束進入在激光管之間的內部區(qū)域的裝置。而光束傳輸裝置優(yōu)選為由反射鏡組組成，通常光束傳輸裝置由氣體激光器的輸出耦合器或者由光學纖維形成也是可行的。
[0028]根據本發(fā)明的一優(yōu)選實施例，偏轉裝置被調節(jié)使得在激光束之間的光束間隔被減少了。由于激光器的尺寸大而造成光束間隔大的缺陷因而可被減少。進一步地，可達到較高的標記分辨率。與用于減少光束間隔的設備相反，在用于減少光束間隔的設備中所有的光束被定向在一共有的光學元件，例如合適的棱鏡上，而本發(fā)明的偏轉裝置將會產生更少的光束失真。
[0029]本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例其特征在于，偏轉裝置組包括第一和第二映射鏡組，對應每一激光束，每個映射鏡組包括至少一個映射鏡，且第一映射鏡組定向激光束到第二映射鏡組。因此，每個光束單獨通過至少兩個映射鏡定向。這允許了光束特別靈活的設置。
[0030]通常，偏轉裝置是可以被手動調節(jié)的，特別是可移位的。然而，優(yōu)選為控制單元被配置為調整偏轉裝置和/或者調節(jié)偏轉裝置的偏轉方向，特別是通過萬向支架調節(jié)。為了擴展應用領域，每個偏轉裝置可以被控制單元單獨調節(jié)。在相對成本較低的實例中，對應每一激光束，至少一個偏轉裝置可通過控制單元調節(jié)。有利的是，萬向支架可以允許安裝后的偏轉裝置在至少兩個自由旋轉角度或者甚至所有方向旋轉。
[0031]由控制單元進行的偏轉裝置的調節(jié)允許一可變代碼位置。這意味著，自儀器發(fā)射的激光束的方向可被變動從而改變在物體上的由激光束產生的代碼的位置。另外，代碼的高度可以被改變。
[0032]此外，靜態(tài)的標記也是可行的。在這個情況中，物體相對于標記儀器在整個標記運行中不被移動?？刹僮髌D裝置從而引起激光束的掃描移動從而所有待被印刷的符號可在靜止的物體上連續(xù)的產生。本實施例中優(yōu)選為用于印刷2D圖形，其需要高印刷分辨率。
[0033]優(yōu)選的，控制單元更可以被配置為提供多個多擊選項(multiple strikeoption)。如果激光束是脈沖的，這就意味著多個脈沖被定向到一個物體上的公共點。將通過物體及儀器間的相對移動以及激光器發(fā)射的合適時機來完成這個目的。另外，一激光束的偏轉裝置的調節(jié)可以被改變使得一氣體激光器的連續(xù)脈沖被定向到公共點。有利的是，灰度印刷因此成為可能。
[0034]控制單元還可以配置為設有一高功率選項。一個或者更多的激光束的偏轉裝置的調節(jié)可以被改變使得一個或者更多的氣體激光器的輸出被定向到一個公共點。通過這個方式，所需功率比單一激光器可提供功率更高的材料同樣可被標記。
[0035]控制單元還可以配置為自動調整調節(jié)偏轉裝置以適應物體的位置的變化，例如，補償物體的振動。位置的變化可以通過一傳感器，如超聲波或者光學裝置或者接近開關來確定。[0036]本發(fā)明儀器的一優(yōu)選實施例其特征在于，設有至少一掃描反射鏡裝置，其包括一公共反射鏡反射鏡，所有來自偏轉裝置組的激光束射在公共反射鏡反射鏡上，同時控制單元被配置為用于旋轉掃描反射鏡裝置，特別是通過一振鏡旋轉。
[0037]掃描反射鏡設備可以被理解為任何能夠導致一光束連續(xù)通過一系列空間位置的器械。
[0038]在簡單的情況下，這樣的設備可以包括一可旋轉的反射鏡，其圍繞一垂直于入射光束的平面的軸線旋轉。該旋轉的反射鏡可以包括一鏡筒，即，一具有一定數量共同圍繞一單軸旋轉的反射鏡的多邊形。
[0039]包括有一與一反射鏡連接的振鏡的設備通常被稱為振鏡掃描器。一振鏡掃描器可將輸入電信號轉換為振鏡掃描器的反射鏡的拐角位置，比如，可動線圈或一實心鐵轉子。有益的是，任何反射的光束被定向到的地點獨立于之前的激光束位置進行選址。優(yōu)選地，提供有至少兩個振鏡掃描器。當振鏡掃描器被設置使得每個激光束被從第一振鏡掃描器定向到第二振鏡掃描器時，有益地，任何二維掃描移動成為可能。
[0040]掃描反射鏡設備的任務也可以被聲光設備執(zhí)行。在這種情形下，一聲波與一聲光材料配為一對。聲波的頻率支配穿越聲光材料的激光束的偏轉的角度。通過快速的改變聲波的頻率，激光束的快掃描運動可以實現(xiàn)。
[0041]為了標記相對于標記儀器移動中的物體，另一優(yōu)選實施例中，控制單元被配置為根據物體移動的信息調節(jié)偏轉裝置和/或至少一掃描反射鏡設備。物體因此可以被追尋或追蹤。加速或者減速儀器和移動物體的傳送單元之間的一相對移動是可能的。有利的是，標記過程的速度可以因此被增加。
[0042]根據本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例中，第一和第二映射鏡組分別設置成線性陣列，且每個映射鏡是可傾斜的。在這個實施例中，兩個映射鏡組中的一個中的映射鏡之間的間距可以是固定的，其允許使用一個公共安裝裝置以線性設置支撐映射鏡，同時反射鏡的傾斜依然是可行的。第二映射鏡組可以傾斜出一由照射到第一映射鏡組的激光束形成的平面?？梢蕴峁┯杏糜谡{節(jié)映射鏡的線性陣列中至少一個的位置的定位裝置。特別是，定位裝置可以替代公共安裝裝置。
[0043]本發(fā)明儀器的另一優(yōu)選實施例其特征在于，控制單元被配置為控制偏轉裝置來設置一從偏轉裝置發(fā)射的激光束的收斂或發(fā)散的角度，特別的是，從第二偏轉裝置組發(fā)射的激光束。因此，偏轉裝置能被調節(jié)，使得自儀器的一給定距離，產生激光束之間的一所需距離。激光束制造的文字的高度以及印刷分辨率，即，由物體上的相鄰激光束引起的標記之間的距離，是由激光束的間隔來控制的，因而也能通過調節(jié)收斂的角度來修改。為此，快速傾斜偏轉裝置就足夠了，并不需要改變偏轉裝置之間距離，這樣可能是更加費時的。
[0044]激光器可以被設置使得激光束平行的離開激光器并且形成一線性設置。然而，根據不同的應用，可能需要改變激光束的線性設置的方向。為此，控制單元可以被配置為調節(jié)偏轉裝置，使得照射到偏轉裝置的激光束的線性設置，圍繞平行于發(fā)射的激光束的行進方向的軸轉動，例如轉動90°。因此，水平設置可以旋轉到垂直設置或反之亦然。由于通常產品上待被標記的符號或文字是水平的或垂直的，因而這樣是特別有益的。因此，控制單元可以至少在這兩個重要情況下之間切換。為了旋轉激光束的線性設置，該組偏轉裝置可以包括一第一映射鏡組，其同至少一個或者兩個掃面反射鏡設備一起使用。[0045]根據本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例，為了激光束的焦距的整體調節(jié)，提供有具有至少兩個透鏡的一伸縮設備(telescopic device)。整體調節(jié)可被理解為這樣，即激光器的所有激光束穿過伸縮設備并因而通過相同的方式被影響?？刂茊卧梢赃m應為根據物體的距離設置伸縮裝置，特別是從而使得激光束的焦距對應于物體的距離。有利地，在物體移向儀器或遠離儀器時，物體上產生的標記的光斑尺寸(spot size)可保持恒定可從移動物體的傳送單元和/或使用其他已知的距離檢測裝置，將到物體的距離信號提供給控制單元。由于通過偏轉裝置可減少任意兩個激光束間的最大光束間隔，因而優(yōu)選地，可將伸縮設備設置在偏轉裝置后方。伸縮設備的光學元件因而可以被做的更小。
[0046]根據本發(fā)明的另一實施例，控制單元適應于延遲每個單獨的激光器的激活，這樣，當物體在物體移動方向中相對標記儀器移動的情況下，至少兩個激光束在物體移動方向中照射在物體上的相同位置。激光器的激活的時機可以使得所有激光束在物體移動方向中照射到物體上的相同位置。
[0047]進一步地，與發(fā)出的激光束與物體移動方向間的定位無關，不同的激光束可能在與物體移動方向垂直的一條線中引起激光點。該線的長度取決于發(fā)出的激光束與物體移動方向間的定位。
[0048]本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例其特征在于，每個偏轉裝置為一光波導。光波導可為引導激光器發(fā)射光線的任何靈活的光波導，該光線具有某一波長，特別的是一具有ΙΟμπι波長的紅外光。光波導的例子可為光學纖維或具有內部反射表面的空心管。
[0049]每一光波導可配備有用于將照射出的激光束以合適的角度定向至光波導的核心的輸入耦合光學器件。光波導也可以配有輸出耦合光學器件，其特別地包括至少兩個用于收集遠離光波導的激光輻射的透鏡。輸出耦合光學器件可以確定激光束的尺寸，焦距和焦深。特別是，輸出耦合光學器可以被形成為伸縮裝置。
[0050]優(yōu)選的，多個光波導可具有相同的長度。這將導致在物體上引起的標記的質量以及光斑尺寸更為恒定。
[0051]在下文中，在標記儀器內，氣體激光器以及氣體激光器的設置的優(yōu)選變體將被描述。
[0052]每個氣體激光器包括了用于激發(fā)在激光管內的氣體來產生激光器光線的激發(fā)裝置。優(yōu)選的，每個激光管設有激發(fā)裝置。
[0053]每個氣體激光器的多個管形成一公共空間，其也可以被稱為一諧振器。特別的，該管可以是直形管，就是說這些管沿著一直線具有一縱軸，且由相鄰的管形成拐角區(qū)。因此，一個激光器的諧振器的形狀也可被稱為一矩形環(huán)，其可以是一環(huán)路形式的閉環(huán)或者是在兩個管之間具有間隔的開環(huán)。
[0054]在一個激光器的每兩個相鄰的諧振管之間形成的角優(yōu)選為大于激光器的典型折疊設計中的角度。特別優(yōu)選的是該角大于60°，這簡化了該氣體激光器的接入和制造。
[0055]本發(fā)明的一個基本想法是提供一標記儀器，其具有堆疊在彼此之上的氣體激光器的陣列，從而提供一整個的線性陣列。線性陣列提供了用于印刷代碼的點或者線的多個激光束。因此，氣體激光器組成一多光束激光器的一基本構建塊。
[0056]優(yōu)選的，氣體激光器基本上為二維結構或者扁平單元，諧振管以單層的方式被設置在其中。作為標記儀器的核心構建塊，氣體激光器的二維結構允許塊的堆疊，并從而創(chuàng)建了一個陣列。
[0057]本發(fā)明的一個特別優(yōu)選實施例中，每個氣體激光器的諧振管被設置成開環(huán)或者閉環(huán)的形狀，或者環(huán)繞一自由中央空間的回路的形狀，或者在它們之間的內部區(qū)域的形狀。氣體激光器的功率根本上由管狀空間或者諧振器的長度來決定的，諧振器形成一個空腔，在空腔中，激光在相對設置的背光鏡以及部分反射輸出I禹合器間被反射。諧振器是圍繞一自由中央空間形成的，與線性的諧振器相比，其導致諧振器長度的增長且激光器設備的整體長度并不增大。而且，相比于鋸齒形折疊的激光管，由于相對的激光管間隔開從而形成自由內部區(qū)域，其更利于散熱。通過省略那些通常伴隨鋸齒形折疊一起使用的復雜的換熱器，空間需求將被減少。本發(fā)明儀器的整體空間消耗并未因為形成一自由內部空間而被增大，這是因為該空間被用于容納光學元件。
[0058]連接元件被設置到在諧振管之間的拐角上，因此可能是連接兩個相鄰管的拐角法蘭。該連接元件容納用于耦合諧振管間激光的反射鏡。
[0059]此外，每個氣體激光器可包括兩個端部法蘭，端部法蘭與在公共管空間的相對軸的末端上的諧振管相連接。端部法蘭中的一個包含輸出耦合器而另一個則包含背光鏡。
[0060]在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，每個激光器的諧振管被設置成三角形，矩形，正方形或者U型圖案。在任何情況下，一內部區(qū)域是至少部分被諧振管環(huán)繞的。在一個三角形圖案中，激光器的諧振器包含了三個諧振管，而在矩形或者正方形圖案中，諧振器由四個諧振管構成。在其他優(yōu)選實施例，對應每個激光器，設有五或者更多的諧振管，其被設置成一多邊形的形式。本發(fā)明的激光器的設計具有一類環(huán)形的諧振管設置，其允許諧振器的幾何形狀的優(yōu)化，比如優(yōu)化至所需求的功率和特殊應用的三維空間限制。作為開環(huán)或者回路的實施例，U型圖案通過環(huán)上的開口可使得進入自由中央空間變得容易。U型圖案可以通過三個或者四個直形諧振管形成拐角。在任何情況下，通過設置相應激光管在二維線圈的形狀或通過在一個或多個限制內部區(qū)域的側面上提供激光管的折疊設計，可使得每一氣體激光器的諧振管長度增大。
[0061]在另一優(yōu)選實施例中，一個激光器的諧振管被設置在一平面。就是說，第一激光器的諧振管被設置在一個第一平面以及第二激光器的諧振管被設置在第二平面。每個激光器的諧振管可以被設置在獨立且分隔開的平面。這提供了一個非常緊湊和扁平的激光器的設計。因此，激光器可以被簡單的堆疊。扁平的激光器的堆疊設置提供了一單獨的激光器的陣列，其允許在待被標記的物體上生成一點-矩陣標記。由于各個激光器的扁平形狀，在各個激光束之間的距離可以保持的很小。
[0062]在另一優(yōu)選實施例中激光器具有相同的形式或者相同地被構建。激光器的形式相同使得激光器的堆疊簡單，從而形成一個多光束標記儀器。優(yōu)選地，鄰近的激光器的相鄰諧振管具有相同的長度。
[0063]每個激光器的連接元件或者彎角件可被堆疊在彼此上并相連接。然而，在一個優(yōu)選實施例中，連接元件被集成在一公共支撐結構中，該支撐結構形成在標記儀器的拐角區(qū)域內。這降低了成本和制造時間。
[0064]在本發(fā)明的一個特別優(yōu)選的實施例中，每個激光器的激光管被設置成一環(huán)，且每個激光器包含一在兩個激光管之間連接的集成輸出法蘭，該集成輸出法蘭包括了輸出耦合器和相應的激光器的背光鏡。[0065]該集成輸出法蘭建立了一閉合的諧振管的圈或者環(huán)，其增強了穩(wěn)定性并提供了一特別緊湊的設計。在與其連接的諧振管間，集成輸出法蘭可能提供一流體連接，有時流體連接不被提供。
[0066]本發(fā)明還涉及于一標記系統(tǒng)，其包括如上所述的一標記儀器，并進一步包括用于相對于物體移動方向傾斜標記儀器的樞轉裝置。
[0067]如隨后將說明的那樣，通過傾斜標記儀器，可使印刷分辨率改變，即改變在一垂直于一物體移動方向的方向中物體上標記點間的距離，變成可能。這是通過在一垂直于一物體移動方向的方向中的光束間隔來控制。由于激光器可延遲至，當物體在物體移動方向中移動了如光束間隔一樣大時，才被激活，因而物體移動方向中的光束間隔并不對印刷分辨率起決定作用。
[0068]然后，可以通過傾斜標記儀器而改變垂直于一物體移動方向的方向中的光束間隔，并因而改變激線束的設置。優(yōu)選的，控制單元被適應于根據一需要的印刷分辨率通過旋轉裝置來傾斜標記儀器。
[0069]在激光束線性設置的情況下，激光束的線性設置以及物體移動方向間的傾斜角控制了在垂直于物體移動方向的一方向中，物體上的標記點之間的距離。如果激光束的線性設置垂直于物體移動方向，標記點之間的距離最大。為了設置一更小的距離，傾斜角度可以被減小。在加上適當的激光器的發(fā)射時機，傾斜角度可以被設置使得標記點形成一連續(xù)線或者分隔的標記點。重疊標記點可以被制造用來引起不同的標記點的強度，比如，用于灰度印刷。此外，傾斜角可以為零，若選擇一相應的發(fā)射間延遲，即選擇激光器的激活，標記點的完全重疊可達成。
[0070]本發(fā)明更充分的理解以及其他各種不同特征及本發(fā)明的優(yōu)點將結合附圖通過以下說明而變得更清楚。以下說明僅是一些例子，而非對本申請的任何限制。附圖中的等效部件分別用相同的附圖標記標示。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0071]圖1為本發(fā)明標記儀器第一實施例的示意圖；
[0072]圖2A到圖2C示出了光束整形裝置組和偏轉裝置組的第一構造的不同視圖；
[0073]圖3A到圖3C示出了光束整形裝置組和偏轉裝置組的第二構造的不同視圖；
[0074]圖4A和圖4B示出了光束整形裝置組和偏轉裝置組的第三構造的不同視圖；
[0075]圖5示出了偏轉裝置組的另一構造；
[0076]圖6示出了用于重新設置激光束成二維陣列的偏轉裝置組的映射鏡的構造；
[0077]圖7不出了根據本發(fā)明的標記系統(tǒng)和相對于標記系統(tǒng)移動的待被標記的物體；
[0078]圖8A到圖8D示意性地示出了相對于物體移動方向離開本發(fā)明標記儀器的激光束的設置，以及由激光束制造的標記。
【具體實施方式】
[0079]圖1示出了根據本發(fā)明的一標記儀器100的第一實施例的示意圖，標記儀器100包括了，多個氣體激光器10，每個激光器發(fā)射一激光束，激光束被用于制造物體(未示出)上的一標記。為了形成和定向激光束，該儀器100進一步包括光學裝置30、40、45、50。[0080]在所示的例子中，多個氣體激光器10包含9個氣體激光器10a-10i。通常，有大量的氣體激光器10是理想的，比如，至少4或者6個激光器。每個氣體激光器10包括諧振管12，諧振管相互流體連接。也就是，一氣體激光器的諧振管12形成一共同的諧振器三維空間。不同的激光器10的諧振管12之間流體連接也是可行的。
[0081]在所描述的實施例中，氣體激光器是指二氧化碳激光器，且相應地，氣體激光器可包括其他氣體，如CO，N2和He。
[0082]諧振管12圍繞內部空間或者諧振管之間的自由中央空間5，被設置成環(huán)形。通過連接單元16形成的環(huán)形用于連接屬于相同激光器的相鄰諧振管12。連接元件16被設置到堆疊的激光器的拐角，且容納有用于將激光從一個相鄰諧振器管12向其他諧振器管進行反射的反射鏡。自然地，根據使用的激光器氣體選擇所有的反射鏡。在本情況中，反射鏡包括在C02激光器的波長區(qū)域內反射的材料，即，中紅外福射(medium-1R radiation)、主要在10.6 μ m處。比如，可提供有一銅鏡或具有用于增加反射性和/或防止空氣中銹蝕的涂層的基材。
[0083]在所描述的例子中，諧振管12形成一矩形的形狀的密封圈。通常，任何其他至少部分封閉內部區(qū)域5的形狀可被選擇，例如一三角形，一正方形或一 U形。
[0084]每個氣體激光器IOa-1Oi的諧振管12構成一個密封三維空間。激光器的三維空間可彼此間相隔或相互連接從而形成一共用的密封三維空間。在密封的激光器內，通常需要在長時間內使激光器氣體組合物保持不變。為此，總的氣體三維空間被通過一額外的氣藏19來增加。氣藏中的氣體不會被激發(fā)從而產生氣體光線。然而，氣藏19與一個或多個諧振管12的氣體三維空間相連。
[0085]標記儀器100進一步包括了在每個諧振管12上的激發(fā)裝置(excitation means)(未示出)和與諧振管12相連結的冷卻塊(未標示出)。有可能每個諧振管12的立方體設置的每一邊都有一個冷卻塊。因此，每個冷卻塊不只是冷卻一單個諧振管，而是不同激光器IOa-1Oi的復數個諧振管12。冷卻塊可以具有復數個通道，通過這些通道冷卻液可以循環(huán)。
[0086]每個激光器10的諧振管12被設置在獨立且分隔開的平面層。激光器10大致相同并且被以平行的方式堆疊在彼此上。激光器10被合適的連接裝置互相連接，比如螺栓、螺釘或者其他類似物。
[0087]激光器10的矩形形狀可在一個角上是開放的。在圖示的實施例中，左上部的角是開放的，在其上提供有一集成輸出法蘭17。在這個角上，激光器三維空間被一背光鏡18截止，背光鏡18用于將激光反射回諧振管12中。背光鏡18可與一端管12連接，該端管12通過集成輸出法蘭17被支撐，或者背光鏡18可與集成輸出法蘭17連結。
[0088]激光器三維空間的另一末端則通過輸出I禹合器13被截止于同一個角上。輸出率禹合器13 I禹合出一激光束,并又可同時被連接至一端管12或集成輸出法蘭17。輸出I禹合器13可為部分反射鏡13或也可稱為部分反射輸出耦合器。發(fā)射的激光束可隨后通過光束傳輸裝置14被定向至內部區(qū)域5內。在圖示的實施例中，光束傳輸裝置14包括至少一設置在集成輸出法蘭17上的反射鏡14。從光束傳輸裝置14反射出的激光束通過在集成輸出法蘭17內的一個孔進入內部區(qū)域5。通常對于所有激光器10，提供有一公共的集成輸出法蘭17是可能的。然而，在所描述的實施例中，對應每個激光器10，就有一個集成輸出法蘭17，且每一集成輸出法蘭17不出有一光束傳輸裝置14和一個孔,相應激光束可穿過該孔。[0089]在內部區(qū)域5內，提供有用于整形和偏轉激光束的光學裝置30、40、45、50，這一設置有助于使得空間需求相對較低。同時，一個激光器中相對的諧振管12通過內部區(qū)域5分隔開，其有利于諧振管12的冷卻。
[0090]來自光束傳輸裝置14的激光束照射到一用于重新聚焦激光束的光束整形裝置組40上。該組光束整形裝置對應每一激光束包括有一光束整形裝置40a-40i。因此，激光束的聚焦可以被彼此單獨設置。圖示的是對于每一光束整形裝置40a-40i，設有一個透鏡。然而，每個光束整形裝置可以包括至少兩個光學元件，比如，反射鏡或者透鏡，來形成一個伸縮裝置，有益的是，調節(jié)激光束的焦距則只需要伸縮裝置的光學元件的微小位移。
[0091]激光束然后射到偏轉裝置組30上。在示出的例子中，激光束預先行進通過光束整形裝置40。然而，該順序可以被改變，或者這兩種裝置中的單個元件可替換，即光束整形裝置40的一個元件可被設置在偏轉裝置30的兩個元件間。
[0092]通常也可以是光束傳輸裝置14形成部分伸縮裝置40或者部分偏轉裝置30。在是部分偏轉裝置的情況下，光束傳輸裝置14可以組成第一映射鏡組。因而有助于減少需要的光學元件的數量。
[0093]在描述的實施例中，偏轉裝置組30對應每一激光束包括了一個偏轉裝置。這些偏轉裝置33a-33i還可以被稱為作為一第一映射裝置組33。通常，偏轉裝置可以是改變激光束的傳播方向的任何裝置。在示出的例子中，偏轉裝置是反射鏡。映射鏡組可以獨立于彼此被放置。因此，射到偏轉裝置30的激光束的設置可以通過調節(jié)單獨的反射鏡33a-33i的位置來改變。反射鏡因此可以被稱為映射鏡33a-33i。
[0094]映射鏡33a_33i是可傾斜和可移位的，就是說可平移地移動。為了傾斜反射鏡，每個映射鏡33a-33i被萬向安裝。一控制單元(未示出)可以適應為通過萬向架設置每個映射鏡33a-33i到需要的位置。
[0095]在離開偏轉裝置30之后，激光束射到一系列公共光學元件上，即，所有激光束射到的光學元件上。這可包括一用于激光束焦點的整體調整的伸縮設備45。與前述的伸縮裝置40相反，伸縮設備45相同的影響到所有的激光束。
[0096]光路中的光學元件可進一步包括用于改變一激光束的強度分布，或使一激光束的強度分布均勻的裝置，以及用于改變激光束的偏振(polarisation)的裝置，特別是用于達成一激光束的整個截面的一共同偏振的裝置，或用于消偏激光束的裝置。
[0097]最終，激光束通過一掃描鏡設備50定向出儀器100。這個設備50可包括兩個振鏡掃描器50，每一掃描器具有一可旋轉的公共反射鏡50a，所有激光束射在公共反射鏡上。通過這兩個振鏡掃描器50，對于激光束可很容易地設置為任何行進方向。
[0098]如圖2A到2C所示，為從不同角度示出的，偏轉裝置組30以及光束整形裝置組40的第一不例。
[0099]為了激光束90a_90i的光束整形和準直，光束整形裝置組40包括復數個光束整形裝置40a-40i，每個具有至少兩個透鏡41和42。為了調節(jié)每個激光束90a_90i的焦點，并從而調節(jié)待被標記的物體上的光點尺寸，透鏡41、42可以在激光束90a-90i的傳播方向偏移。激光整形裝置40a-40i因而組成伸縮裝置40a-40i。當每個激光束90a_90i有一個伸縮裝置40a-40i時，光束也可以為了路徑長度差異被調節(jié)。
[0100]在通過伸縮裝置40a-40i之后，激光束90a_90i照射到偏轉裝置組30，該偏轉裝置組30包括第一和第二映射鏡組33、34。就是說，每個光束90a-90i被自第一映射鏡33a_33i定向到第二映射鏡34a-34i。第一映射鏡組33和第二映射鏡組34分別以線性陣列35、36設置。
[0101]在示出的例子中，激光束90a-90i被偏轉裝置組30映射出，使得激光束的線性設置被旋轉，例如，90°。該構造因此也可以被稱為作為一水平-垂直像素的映射器。第一和第二映射鏡組33、34被設置成一平面且相互垂直。
[0102]通過萬向支架，映射鏡33、34可以被調節(jié)使得傳出的激光束90a_90i在期望的方向上平行行進。
[0103]用于在物體上印刷符號的激光束90a_90i的掃描運動可以通過第二映射鏡組34被執(zhí)行。另外，第二映射鏡組34可以定向激光束90a-90i到一掃描反射鏡設備。
[0104]如圖3A到3C所示，為從不同角度示出的，偏轉裝置組30以及激光整形裝置組40的另一構造不例。
[0105]該構造與之前構造中的第一和第二映射鏡組33、34的設置不同。在當前情況下，第一映射鏡組33、第二映射鏡組34形成線性陣列，其(不同于先前的構造)不再一平面內。相反，兩個線性陣列成一個角度(在本例子中為45° )來降低在激光束90a-90i之間的空間。同時，激光束90a-90i的線性設置被旋轉90°。
[0106]圖4A和4B示出了另一映射鏡33、34的有益構造。與之前的情況一樣，圖4A和4B描述的構造展示了第一和第二映射鏡組33、34，每映射鏡組分別被設置成線性陣列35、36。然而，第二映射鏡組34被傾斜使得反射的激光束90a-90i收斂，也就是說。基于距離儀器所需距離的需要間隔，光束間隔被進一步減少從而可改變產生標記的分辨率以及尺寸。
[0107]優(yōu)選的，第二映射鏡組34可通過萬向架被控制單元傾斜。第一映射單元組33可以要么被固定使得這些反射鏡在印刷運行中不能被移位，要么反射鏡也可以被萬向轉動。
[0108]在圖2A到圖4B的實施例中示出了，激光束90a_90i的掃描運動可以通過傾斜第二映射鏡組34的映射鏡34a-34i被運行。掃描設備，例如具有一用于重定向所有激光束90a-90i公共反射鏡的振鏡掃描器，在這種情況下并不存在。然而，提供有這樣的掃描設備也可能是有用的。
[0109]為了設置偏轉裝置到任何圖2A到圖2C、圖3A到圖3C以及圖4A和圖4B所示的構造，優(yōu)選的設有一控制單元。
[0110]圖5示意性的示出了映射鏡33a-33i的另一設置。這里，偏轉裝置組30由一單一映射反射鏡組33組成。穿過伸縮裝置40a-40i的激光束90a_90i的線性陣列自映射鏡33a-33i被反射使得激光束90a-90i之間的光束距離被減小了。在任何兩個相鄰反射的激光束90a-90i間的光束距離可以是相同的。在示出的例子中，激光束90a-90i的線沒有旋轉出由映射鏡33a-33i和伸縮裝置40a-40i形成的平面。傾斜映射鏡33a_33i使得反射的激光束90a-90i行進出所述平面會導致光束距離或者間隔的改變。因此，本實施例中激光束90a-90i的掃描動作并不是通過偏轉裝置組30實現(xiàn)的。而是通過如圖1所示的掃描設備所實現(xiàn)的。
[0111]光束間隔的減少將允許優(yōu)化氣體激光器的堆疊設計，其用于在不危害印刷分辨率或文字尺寸的情況下，熱冷卻及RF激活，即一更大的氣體激光器間隔可被補償。
[0112]圖6描述了用于重新設置激光束90a_90i成激光束的二維陣列(例如，3乘3的矩形陣列)的映射鏡的構造。再次，偏轉裝置組30包括了第一和第二映射鏡組33、34。在本例子中所示的，伸縮裝置40a-40i被設置到第一和第二映射鏡組33、34之間。然而，可替代的是，伸縮裝置40a-40i可以設置在第一映射鏡組3之前3或者在第二映射鏡組34之后。
[0113]圖6還示出了光束傳輸裝置，其將來自激光器的光束90a_90i重定向到第一映射鏡組33。光束傳輸裝置通過反射鏡組14a-14i形成，即每一激光束對應一個光束傳輸裝置。在其他的實施例中，該反射鏡組可以由一長反射鏡代替。
[0114]第二映射鏡組34a_34i被設置成二維陣列使得反射的激光束90a_90i以二維陣列被映射。有益的是，激光束90a、90i之間最遠距離被大大減小了，尤其是與激光束的任何線性設置相比。光束更加的緊密排列，并且因此通過光學元件，例如是聚焦光學器件45，的中央部分。由于光學象差主要發(fā)生在光學元件的外部區(qū)域，二維的設置有助于提高聚焦和激光束的光束質量。尤其是外部大多數激光束相比于激光束的線性設置遭受較少的失真。此夕卜，光學元件的大小可以被減小，使得總成本更低。
[0115]圖7示意性的示出了一標記系統(tǒng)120和待被標記的物體I。
[0116]物體I在物體移動方向2中移動，并在圖中示出了其在三個不同的位置的情形，SP其依序在三個不同的位置上。標記系統(tǒng)120包括有一標記儀器100及一用于使標記儀器100傾斜的樞轉裝置110。
[0117]標記儀器100可包括任何前述的部件，例如由兩個映射鏡組組成的偏轉裝置，每映射鏡組被設置成線性陣列。如圖7所示，提供有一控制單元20及一定位裝置60。定位裝置60用于定位映射鏡的線性陣列。在相應的陣列中單獨的映射鏡可被固定從而其不被移位而是被傾斜，例如通過萬向支架傾斜。
[0118]標記儀器100發(fā)射復數個激光束，圖7示出了其中的三個激光束90a、90b、90c。隨著物體I被移動，激光束90a、90b、90c相應的被重定向。
[0119]取決于物體I的位置和形狀，物體I及儀器100間的距離可改變的大小如圖中的標記“d”中指示的。此外，依序在一個時間點，對于每個激光束90a、90b、90c，距離可能不同。仍然，激光束90a、90b、90c在物體I上的光點尺寸將會是相同的。為此，提供有如上所述的由控制單元20調節(jié)的光束整形裝置。
[0120]在下文中，樞轉裝置110的功能和好處將會參考圖8A至8D來解釋，其示意性的示出了相對于物體移動方向2通過儀器100發(fā)射的激光束90a-90i的設置。
[0121]在圖8A中，激光束90a_90i的線性設置平行與物體移動方向。激光束90a_90i的至少兩個通過單獨延遲氣體激光器的發(fā)射，被照射到物體I上相同的點80。該延遲可以被設置等于激光束90a-90i間的間隔除以物體的速度或者在激光束的線性設置的方向中物體的速度。
[0122]在圖8B至圖8D中，激光束90a_90i的線性設置以α角，帶有角度地與物體的行進方向2相傾斜。該傾斜角度α可以通過樞轉裝置110被設置。與發(fā)射的延遲一起，該傾斜導致由點81-89形成的線的印刷。如圖8Β所示，該點81-89可以重疊，或者可以如圖8C和圖8D所示的，被分隔開。制造的線的長度因此由激光束90a-90i和物體移動方向2之間的傾斜角度α確定。每個點81-89的尺寸可以通過光束整形裝置被控制，且因此線的寬度也可以通過光束整形裝置被控制。
[0123]由于每一激光器的氣體三維空間至少部分圍繞一公共內部區(qū)域，且該公共內部區(qū)域被用于容納光學元件，因此前述的標記儀器有助于表現(xiàn)出最小的空間需求。這些光學元件中，一偏轉裝置組有利的允許改變光束間隔并重新設置由氣體激光器產生的多個激光束。每個激光束可以被光束整形裝置單獨調節(jié)。
【權利要求】
1.用于利用激光標記一物體(1)的標記儀器，包括 復數個氣體激光器(10);及 一用于根據待被標記的一符號，單獨激活每個氣體激光器(IOa-1Oi)從而發(fā)射一激光束(90a-90i)的控制單元(20)； 其中氣體激光器(IOa-1Oi)被堆疊使得由氣體激光器(IOa-1Oi)發(fā)射的激光束(90a-90i)形成一激光束(90a-90i )的陣列，特別是一具有平行激光束(90a_90i )的線性陣列； 其特征在于， 每個氣體激光器(IOa-1Oi)包括至少部分環(huán)繞一個內部區(qū)域(5)的諧振管(12)， 所述儀器進一步包括: 用于定向激光束陣列到內部區(qū)域(5)的光束傳輸裝置(14);及用于重新設置激光束(90a-90i)陣列到一期望的激光束(90a-90i)陣列的偏轉裝置組(30)； 所述偏轉裝置組(30)被設置到內部區(qū)域(5)，且對應每一激光束，所述偏轉裝置組(30)包括至少一個偏轉裝置(33a-331、34a-34i)，特別是，對應每一激光束，包括至少一映射鏡或者一個光波導(33a-33 1、34a-34i);以及， 每個偏轉裝置(33a-331、34a-34i)在它們的偏轉方向可單獨調節(jié)和/或可單獨移置。
2.如權利要求1所述的標記儀器，其特征在于， 所述偏轉裝置(33a-331、34a-34i)被調節(jié)使得在激光束(90a-90i)之間的光束間隔被減小。
3.如權要求I或2所述的標記儀器，其特征在于， 偏轉裝置組(30)包括一第一和第二映射鏡組(33、34)； 對應每一激光束(90a-90i)，每個映射鏡組(33、34)包括了至少一個映射鏡(33a-331、34a-34i);且 第一映射鏡組(33)定向激光束(90a - 90i)到第二映射鏡組(34)上。
4.如權利要求1到3任一項所述的標記儀器，其特征在于， 所述控制單元(20)被配置為移置偏轉裝置(33a-331、34a-34i)和/或調節(jié)偏轉裝置(33a-331、34a-34i)的偏轉方向，特別是通過萬向支架移置和/或調節(jié)。
5.如權利要求1到4任一項所述的標記儀器，其特征在于， 所述控制單元(20)被配置為控制偏轉裝置(33a-331、34a-34i)來設置一從偏轉裝置(33a-331、34a-34i)發(fā)射的激光束(90a-90i)的收斂或發(fā)散的角度。
6.如權利要求1到5任一項所述的標記儀器，其特征在于， 控制單元(20)適應于延遲每個激光器(10)的激活，這樣，當物體(1)在物體移動方向(2)上相對標記儀器(100)移動的情況下，至少兩個激光束(90a-90i)在物體移動方向(2)上照射在物體上的相同位置。
7.如權利要求1到6任一項所述的標記儀器，其特征在于， 每個偏轉裝置(33a - 331、34a - 34i)都是一光波導且所述光波導具有相同的長度。
8.如權利要求1到7任一項所述的標記儀器，其特征在于， 每個氣體激光器(10)的諧振管(12)被設置成三角形、矩形、正方形或者U型圖案。
9.如權利要求1到8任一項所述的標記儀器，其特征在于， 每個氣體激光器(1Oa-1Oi)包括一個部分反射輸出耦合器(13);及 所述部分反射輸出耦合器(13)被配置來發(fā)射互相平行行進的激光束(90a-90i)，其中激光束(90a-90i )特別形成一線性陣列。
10.如權利要求1到9任一項所述的標記儀器，其特征在于， 每個氣體激光器(1Oa-1Oi )包括連接元件(16)，所述連接元件(16)連接對應的氣體激光器(IOa-1Oi)的相鄰激光管(12)來形成一公共的管狀空間。
11.如權利要求10所述的標記儀器，其特征在于， 氣體激光器(10)的連接元件(16)每個都包括一內腔，其與至少兩個與連接元件(16)相連的相鄰諧振管(12)流體連通。
12.如權利要求10或者11所述的標記儀器，其特征在于， 氣體激光器(10)的多個連接元件(16)被集成到一在標記儀器的拐角區(qū)域形成的公共支撐結構。
13.如權利要求9到12任一項所述的標記儀器，其特征在于， 每個氣體激光器(1Oa-1Oi )包含一連接在兩個諧振管(12)之間的集成輸出法蘭(17)，所述集成輸出法蘭(17)包括部分反射輸出I禹合器(13)和相應氣體激光器(10)的背光鏡(18)。
14.如權利要求13所述的標記儀器，其特征在于， 集成輸出法蘭(17)的每一個包括用于定向各自氣體激光器(IOa-1Oi)的激光束(90a-90i)到內部區(qū)域(5)的光束傳輸裝置(14)。
15.如權利要求1到14任一項所述的標記儀器，其特征在于， 控制單元(20)還被配置為調節(jié)偏轉裝置組(30)使得至少兩個氣體激光器(10)的激光束被定向到一公共點。
16.包括有如權利要求1至15任一項所述的一標記儀器(100)的標記系統(tǒng)，且 所述標記系統(tǒng)包括用于相對于待被標記的物體(1)的物體移動方向(2)傾斜所述標記儀器(100)的樞轉裝置(110)。
【文檔編號】B23K26/00GK103764336SQ201280042965
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2012年7月19日 優(yōu)先權日:2011年9月5日
【發(fā)明者】凱文·L·安布魯斯特, 布拉德·D·吉爾馬丁, 彼得·J·屈克達爾, 伯納德·J·理查德, 丹尼爾·J·瑞安 申請人:奧迪克激光應用技術股份有限公司