DE69125378T2

DE69125378T2 - Suboberflächebeschriftung

Info

Publication number: DE69125378T2
Application number: DE69125378T
Authority: DE
Inventors: Robert Marc Pontardawe Swansea Sa8 3Hd Clement; Neville Richard Llansamlet Swansea Sa7 9Af Ledger; Robert Peter Pen-Y-Lan Cardiff Cf2 5Hr Sunman
Original assignee: United Distillers PLC
Current assignee: Laser Design International Aptos Calif Us LLC
Priority date: 1990-08-15
Filing date: 1991-08-14
Publication date: 1997-10-09
Anticipated expiration: 2011-08-15
Also published as: ATE150702T1; GB2247677B; GB9117521D0; ES2102401T5; EP0543899B2; GB2247677A; HK1007298A1; DK0543899T3; JPH06500275A; PT98686A; CN1064038A; AU8413591A; NO930516D0; DE69125378D1; DE4126626C2; IE72960B1; WO1992003297A1; FI930638L; AU8247091A; IL99170A0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Versehen eines Materialkörpers mit einer unter der Oberfläche angeordneten Markierung unter Verwendung eines Strahls hoher Energiedichte und betrifft zusätzlich einen in Übereinstimmung mit diesem Verfahren oder durch Verwendung dieser Vorrichtung markierten Körper.
Viele Produkte werden in durchsichtigen Behältern aus Glas oder Kunststoff verpackt, und es besteht seit vielen Jahren der Wunsch, Behälter dieses Typs mit einem Markierungsverfahren derart zu versehen, daß, nachdem die Markierung aufgebracht wurde, dieselbe nicht entfernt werden kann. Ein solches Markierungsverfahren wurde offensichtlich Fälschungen entgegenwirkende Anwendungen haben, es würde jedoch auch das Aufbringen eines für jeden Behälter spezifischen Codes ermöglichen und so das Kennzeichnen von Produkten vereinfachen.
Es ist manchen Herstellern von beispielsweise teureren Parfüms bekannt, die Anzahl und Qualität der Einzelhandelsabsatzmärkte zu begrenzen, denen sie die Genehmigung erteilen, ihr Produkt zu verkaufen. Als ein Ergebnis hiervon müssen andere Absatzmärkte, die das gleiche Produkt vertreiben wollen, dies durch Nutzung illegaler Lieferquellen tun. Es ist im Interesse des Herstellers, jeglichen nicht genehmigten Transfer von Waren zu vermindern, der nicht nur ihren Ruf schädigen kann, sondern auch in großem Maße die Aktivitäten von Fälschern verstärken kann, die nicht durch die registrierten Vertreibern auferlegten Einschränkungen behindert werden.
Ein aktuelles System zur Produktkennzeichnung verwendet ein Verfahren zum verdeckten Codieren jedes Behälters mit der Identität des vorgesehenen Händlers vor dem Versand. Nachdem dem Händler das Vorhandensein der Markierung jedoch bewußt ist, muß dieselbe zum Umgehen des Systems nur noch entfernt werden. Wenn es möglich wäre, jeden Behälter mit einer wirklich unauslöschlichen Identifizierung zu versehen, möglichst in Form eines maschinenlesbaren Codes wie einem Strichcode, könnte das System nicht so leicht überwunden werden und würde nicht mehr von der verdeckten Beschaffenheit der Markierung abhängen. So könnte ein Strichcode offen an dem Behälter und bei Bedarf an seinem Verschluß angebracht werden, wodurch die beiden einzigartig verbunden werden würden. Wenn der gefüllte Behälter zu dem Verpackungsstadium fortschreitet, könnte der Strichcode gelesen und auf nachfolgende Verpackungsmaterialien durch einen Druck-, Beschriftungs-, Gravur- oder ähnlichen Vorgang kopiert werden, bis sowohl das Produkt als auch die Verpackung für Weiterversand bereit sind. An dieser Stelle wäre es üblich, die Versandadresse auf der Packung zu vermerken, wenn jedoch der vorgeschlagene Identifikationscode maschinenlesbar wäre, könnte er an der Stelle gelesen werden, an der die Identität des Händlers auf der Verpackung vermerkt ist und die beiden durch eine einfache Software-Ausstattung aufeinander abgestimmt werden. Auf diese Weise könnte die einzigartige Beziehung zwischen dem Produkt und seinem vorgesehenen Händler weiter von den unauslöschlichen Markierungen auf dem Behälter selbst hergestellt werden, egal was mit der äußeren Verpackung geschieht.
In der Vergangenheit waren Hersteller zum Erzeugen einer unauslöschlichen Markierung beinahe ausschließlich auf Oberflächenmarkierungen angewiesen. Das Problem hinsichtlich dieses Markierungstyps besteht jedoch darin, daß derselbe entweder durch Entfernen des Teils der Oberfläche, auf der die Markierung aufgetragen ist, zerstört wird, oder durch das Aufbringen einer identischen Markierung auf einem Ersatzbehälter imitiert wird. Im Gegensatz hierzu stellt eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung dar, ein Verfahren zum Markieren unter der Oberfläche unter Verwendung eines Strahls hoher Energiedichte zu schaffen, in dem die Markierung einen Abstand von der Oberfläche des betreffenden Körpers aufweist. Eine solche Markierung hat den Vorteil, daß sie nicht nur einer beliebigen nachfolgenden Oberflächenbehandlung standhalten kann, sondern darüber hinaus sehr schwer zu imitieren ist.
Es ist bekannt, Behälter unter Verwendung von Laserbestrahlung zu markieren, aber die erzeugten Markierungen nehmen oft die Form einer Gravur oder einer feststellbaren Farbveränderung bei einer bestimmten Oberfläche an. Zum Beispiel beschreibt das US-Patent Nr. 4,758,703 ein Verfahren zum ver deckten Kodieren eines mikroskopisch sichtbaren Musters auf einer Oberfläche eines Gegenstandes, bei dem ein Strahl unfokussierter Laserstrahlung durch eine Maske hindurchgeführt wird, um das gewünschte Muster zu erzeugen, wobei die Intensität des Laserstrahls sorgfältig gesteuert wird, so daß das Muster gerade auf die Oberfläche geätzt wird und für das bloße Auge unsichtbar bleibt. Das US-Patent Nr. 4,769,310 beschreibt andererseits ein Verfahren zum Markieren von Keramikmaterialien, Glasuren, Glaskeramik und Gläsern, die wenigstens einen strahlungsempfindlichen Zusatzstoff enthalten, bei dem ein Laserstrahl auf die Oberfläche des zu markierenden Materials fokussiert wird, um so eine Farbveränderung innerhalb des bestrahlten Gebietes hervorzurufen.
Es ist auch bekannt, Verbundelemente unter Verwendung eines Laserstrahls zu markieren, wobei die Verbundelemente Schichten aus verschiedenem Material aufweisen, das einen unterschiedlichen Durchlaßgrad für den verwendeten Laserstrahl aufweist. Ein solches Verfahren ist in WO 90/01418 beschrieben, bei dem die Oberfläche einer zweiten Schicht mit einem niedrigen Durchlaßgrad durch eine erste Schicht markiert wird, die einen ausreichend hohen Durchlaßgrad aufweist, um im wesentlichen durchlässig zu sein.
Im Gegensatz hierzu beschreibt das US-Patent Nr. 3,657,085 ein Verfahren zum Versehen eines einheitlichen Materialkörpers mit einer unter der Oberfläche angeordneten Markierung unter Verwendung eines Elektronenstrahls, es wird jedoch auch die Möglichkeit des Verwendens eines Laserstrahls als eine Alternative erwähnt. Die Aufgabe des US-Patents besteht in der Schaffung eines Verfahrens zum Markieren eines Gegenstandes wie einer Brillenlinse mit einer Identifikationsmarkierung, die normalerweise unsichtbar ist, die jedoch bei Bedarf sichtbar gemacht werden kann. Hierfür wird der Elektronenoder Laserstrahl auf eine über die Brillenlinse gelegte Maske fokussiert, so daß der durch die ausgeschnittenen Bereiche der Maske hindurchgehende Strahl auf das Material der Brillenlinse auftrifft. Der Strahl wird durch Zusammenstöße mit den Molekülen des die Linse bildenden Materials mit dem Ergebnis gestreut, daß die kinetische Energie des Strahls als Wärme absorbiert wird, die dauerhafte Belastungsmuster innerhalb der Linse erzeugt. Die Belastungsmuster sind für das bloße Auge unsichtbar, sie können jedoch durch Doppelbrechung in polarisiertem Licht sichtbar gemacht werden.
Eine Übersicht über eine Anzahl verschiedener Lasermarkierungssysteme ist in einem Artikel von D. Winkler unter dem Titel ustatus Quo Beim Laserbeschriften" zu finden (Technica, Bd. 37, Nr. 2, Feb. 1988).
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Versehen eines Materialkörpers mit einer unter der Oberfläche angeordneten Markierung geschaffen, das die Schritte aufweist, auf eine Oberfläche des Körpers einen Strahl hoher Energiedichte zu richten, der das Material wenigstens bis zur Tiefe der gewünschten Markierung zu durchdringen vermag, und den Strahl an einem Ort zu fokussieren, der von der Oberfläche einen Abstand aufweist und innerhalb des Materials angeordnet ist, um so lokalisierte Ionisierung des Materials und die Bildung einer Markierung an dem Ort in Form eines Gebietes von erhöhter Undurchlässigkeit für elektromagnetische Strahlung im wesentlichen ohne irgendeine festellbare Änderung der Oberfläche zu bewirken.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Materialkörper für elektromagnetische Strahlung bei Wellenlängen im sichtbaren Bereich durchlässig, wodurch die Markierung für das bloße Auge sichtbar gemacht wird. Zum Beispiel kann das Material aus Glas oder Kunststoff bestehen. Bei einer alternativen Ausführungsform ist das Material für elektromagnetische Strahlung bei Wellenlängen im sichtbaren Bereich undurchlässig, so daß die Markierung dem bloßen Auge verborgen ist, jedoch durch optische Instrumente "gesehen" werden kann, die bei einer geeigneten Wellenlänge im elektromagnetischen Spektrum wie dem des Strahls hoher Energiedichte arbeiten. Während eine solche Markierung nicht die abschreckende Wirkung seines sichtbaren Gegenstücks besitzt, stellt sie eine wirklich unauslöschbare verdeckte Markierung dar.
Zur Verhinderung von Mißverständnissen bezieht sich der Begriff durchlässig, wie er in dieser Beschreibung unter Bezugnahme auf ein Material verwendet wird, auf ein Material, in das ein Strahl hoher Energiedichte wenigstens bis zur Tiefe der gewünschten Markierung eindringen kann, und schließt als solches durchsichtige Materialien und Materialien ein, wie gefärbtes oder Rauchglas, in dem die Durchlaßcharakteristik für elektromagnetische Strahlung bei Wellenlängen im sichtbaren Bereich reduziert, jedoch nicht beseitigt wurde. Der Begriff durchlässig schließt weiter Materialien ein, die für elektromagnetische Strahlung bei Wellenlängen im sichtbaren Bereich undurchlässig sind, die jedoch wenigstens elektromagnetische Strahlung bei Wellenlängen im gleichen Bereich des elektromagnetischen Spektrums wie dem des Strahls hoher Energiedichte durchlassen können.
In beiden der vorhergehenden Ausführungsformen kann der Brennpunkt des Strahls relativ zu dem zu markierenden Körper bewegbar sein, so daß die Markierung eine vorbestimmte Form haben kann. Zum Beispiel kann die Markierung dreidimensional sein und/oder eine oder mehrere Ziffern, Buchstaben oder Zeichen oder eine Kombination daraus aufweisen, die wiederum eine Identifizierung, ein Warenzeichen, einen maschinenlesbaren Code oder irgendeine andere gewünschte Kennzeichnung darstellen können.
Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung in Verbindung mit einem Materialkörper geschaffen, wobei die Vorrichtung zum Versehen eines Materialkörpers mit einer unter der Oberfläche angeordneten Markierung vorgesehen ist und Mittel zum Erzeugen eines Strahls hoher Energiedichte, der das Material wenigstens bis zur Tiefe der gewünschten Markierung zu durchdringen vermag, und Mittel zum Fokussieren des Strahls an einem Ort innerhalb des Materials, der von einer Oberfläche desselben beabstandet ist, aufweist, um so lokalisierende Ionisierung des Materials und die Schaffung einer Markierung an dem Ort in Form eines Gebietes von erhöhter Undurchlässigkeit für elektromagnetische Strahlung im wesentlichen ohne irgendeine feststellbare Änderung der Oberfläche zu bewirken.
Während erkannt werden wird, daß der Strahl hoher Energiedichte ein fokussierbarer Teilchenstrahl sein kann, wie beispielsweise ein Elektronenstrahl mit ausreichender Energie zum Verursachen lokalisierter Ionisierung innerhalb des Materialkörpers, stellt in einer bevorzugten Ausführungsform das Mittel zum Erzeugen des Strahls hoher Energiedichte ein Laser dar.
Die möglichen Typen von Wechselwirkung zwischen Laserstrahlung und einem Materialkörper können unter drei Titeln abhängig von der Leistungsdichte der betreffenden Laserstrahlung nach Kategorien geordnet werden. In der Reihenfolge zunehmender Leistungsdichte sind diese Überschriften wie folgt:
(1) Photochemische Wechselwirkungen einschließlich Photoinduktion oder Photoaktivierung;
(2) Thermische Wechselwirkungen, bei denen die einfallende Bestrahlung als Wärme absorbiert wird; und
(3) Ionisierende Wechselwirkungen, die die nichtthermische Photozersetzung des bestrahlten Material umfassen.
Der Unterschied zwischen den Schwellenwerten dieser drei Wechselwirkungen wird deutlich veranschaulicht durch Vergleichen der typischen Leistungsdichte von 10-³ W/cm², die zum Erzeugen einer photochemischen Wechselwirkung benötigt wird, mit der Leistungsdichte von 10¹² W/cm², die für Ionisierungswechselwirkungen wie Photoabtragung und Photozerstörung typisch ist.
Damit lokalisierte Ionisierung des Materials erfolgen kann, muß der Strahl ausreichende Energie besitzen, um Molekülbindungen aufzuspalten und ein Plasma an einem Brennpunkt zu erzeugen. Nachdem der Strahl entfernt worden ist, kühlt sich das Plasma ab zum Bilden einer lokalisierten Zone von Defekten oder Zerreißung, die jegliche auf sie auftreffende elektromagnetische Strahlung mit dem Ergebnis zerstreut, daß die Zone als ein Gebiet vergrößerter Undurchlässigkeit erscheint.
Wenn das Mittel zum Erzeugen des Strahls mit hoher Energiedichte einen Laser darstellt, hat der Laser vorzugsweise eine Energiedichte am Brennpunkt von wenigstens 10 J/cm². Momentan stellen jedoch die einzigen im Handel erhältlichen Laser, die Ionisierungswechselwirkungen hervorrufen können, gepulste Laser mit einer Höchstenergie dar, die im fokussierten Zustand ausreicht, um ein Plasma in dem betreffenden Material zu erzeugen. Deshalb wird bei einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform ein Laser mit einer Leistungsdichte am Brennpunkt von wenigstens 10&supmin;&sup7; W/cm² mit einer Pulsdauer von nicht mehr als 10&supmin;&sup6; Sekunden gepulst, so daß die Energiedichte jedes Pulses wenigstens 10 J/cm² beträgt, was zum Hervorrufen lokalisierter Ionisierung des Materials am Brennpunkt des Strahls ausreicht.
Wenn der zu markierende Materialkörper bei Wellenlängen im sichtbaren Bereich für elektromagnetische Strahlung durchlässig ist, dann stellt das Mittel zum Erzeugen des benötigten Strahls hoher Energiedichte vorzugsweise einen bei einer Wellenlänge von 1.06 µm arbeitenden Nd-YAG (mit Neodymium dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat )-Laser dar.
Vorteilhafterweise können Mittel zum Bewegen des Brennpunktes des Strahls relativ zu dem Körper vorgesehen sein, und insbesondere können die Mittel wenigstens einen bewegbaren Spiegel aufweisen, der in dem Strahlengang angeordnet ist. Die Bewegung des Spiegels kann durch ein Computerprogramm gesteuert werden, durch das die Endform der Markierung leicht manipuliert werden kann, während der bewegbare Spiegel selbst einen Galvanometerspiegel darstellen kann. Während erkannt wurde, daß ein beliebiges geeignetes Mittel zum Bewegen des Spiegels vorgesehen werden kann, wie zum Beispiel ein Servomotor oder ein manueller Steuerknüppel, schaffen die Eigenschaften eines Galvanometerspiegels eine Reaktionsgeschwindigkeit und eine Leichtigkeit der Steuerung, die einen wichtigen Vorteil im Vergleich zu alternativen Steuermitteln darstellen.
Bei einer anderen Ausführungsform können die Mittel zum Fokussieren des Strahls ein Linsenelement variabler Brennweite entweder in Form einer Korrekturlinse, die den Strahl an der gleichen Tiefe innerhalb des Körpers ungeachtet irgendeiner Krümmung der Oberfläche desselben fokussiert oder in Form einer Zoonlinse einschließen, so daß Markierungen an verschiedenen Tiefen im Körper vorgenommen werden können und so die Erzeugung dreidimensionaler Markierungen ermöglicht wird.
In noch einer weiteren Ausführungsform kann eine Sekundärquelle sichtbarer Laserstrahlung vorgesehen sein, um die Ausrichtung des Strahls hoher Energiedichte zu vereinfachen.
Gemäß einem dritten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein markierter Materialkörper geschaffen, in dem die Markierung eine innere Zone mit Defekten als Ergebnis lokalisierter Ionisierung aufweist, wobei die Markierung von einer Oberfläche des Körpers einen Abstand aufweist und in Form eines Gebietes von erhöhter Undurchlässigkeit für elektromagnetische Strahlung ohne irgendeine feststellbare Änderung der Oberfläche vorliegt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Materialkörper für elektromagnetische Strahlung bei Wellenlängen im sichtbaren Bereich durchlässig, wodurch die Markierung für das bloße Auge sichtbar gemacht wird. Zum Beispiel kann das Material aus Glas oder Kunststoff bestehen. Bei einer alternativen Ausführungsform ist der Materialkörper jedoch für elektromagnetische Strahlung bei Wellenlängen im sichtbaren Bereich undurchlässig, so daß die Markierung dem bloßen Auge verborgen ist, jedoch durch optische Instrumente "gesehen" werden kann, die bei einer geeigneten Wellenlänge im elektromagnetischen Spektrum arbeiten.
Die Markierung kann dreidimensional sein und/oder eine oder mehrere Ziffern, Buchstaben oder Zeichen oder eine Kombination daraus aufweisen, während der Materialkörper vorteilhafterweise einen Behälter darstellt.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung soll jetzt, um ein Beispiel zu geben, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
Figur 1 ein schematisches Schaubild einer Vorrichtung in Übereinstimmung mit dem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung darstellt; und
Figur 2 ein schematisches Schaubild der Art darstellt, in der elektrische Energie über die Vorrichtung von Figur 1 verteilt wird.
Wie Figur 1 entnommen werden kann, erzeugt eine Quelle 10 einen Strahl von Laserstrahlung 12, der so gerichtet ist, daß er auf einem Materialkörper 14 auftrifft, welcher in dem vorliegenden Beispiel in Form einer Flasche vorliegt. Da die sich ergebende unter der Oberfläche angeordnete Markierung für das bloße Auge sichtbar sein soll, wird die Flasche 14 aus einem solchen Material wie Glas oder Kunststoff gewählt, das für elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums durchlässig ist. Weiter wird die Quelle 10 in einer solchen Weise ausgewählt, daß das Material der Flasche 14 ähnlich durchlässig für den Strahl von Laserbestrahlung 12 ist, den sie erzeugt.
Bei der gezeigten Vorrichtung weist die Quelle 10 einen gepulsten Nd-YAG-Laser (mit Neodymium dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat) hoher Energiedichte auf, der einen gepulsten Strahl von Laserstrahlung 12 mit einer Wellenlänge von 1,06 µm abstrahlt, der folglich für das bloße Auge unsichtbar ist. Nachdem der gepulste Strahl 12 von dem Nd-YAG-Laser 10 abgestrahlt wurde, trifft derselbe auf eine erste reflektierende Oberfläche 16 auf, die den Strahl 12 durch einen Strahlenerweiterer 18 und einen Strahlenvereiniger 20 auf eine zweite reflektierende Oberfläche 22 richtet. Eine zweite Quelle von Laserstrahlung in Form eines He-Ne (Helium-Neon)-Lasers 24 niedriger Leistung wird neben dem Nd-YAG Laser 10 angeordnet und strahlt einen zweiten Strahl sichtbarer Laserbestrahlung 26 mit einer Wellenlänge von 638 nm ab. Der zweite Strahl 26 trifft auf den Strahlenvereiniger 20, wo er gleichzeitig mit dem gepulsten Strahl von Laserstrahlung 12 von dem Nd-YAG- Laser 10 zu der zweiten Reflektoroberfläche 22 hin reflektiert wird. Daher stellen die erforderlichen Eigenschaften des Strahlenvereinigers 20 dar, daß er elektrische Strahlung mit einer Wellenlänge von 1,06 µm übertragen, wohingegen er elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von 638 nm reflektieren soll. Auf diese Weise schafft der He-Ne-Laserstrahl 26 den kombinierten He-Ne/Nd-YAG Strahl 12, 26 mit einer sichtbaren Komponente, die optische Ausrichtung vereinfacht.
Nachdem sie vereinigt worden sind, werden die beiden zusammenfallenden Strahlen 12, 26 an der zweiten reflektierenden Oberfläche 22 zu einer dritten reflektierenden Oberfläche 28 reflektiert und von der dritten reflektierenden Oberfläche 28 weiter zu einer vierten reflektierenden Oberfläche 30 reflektiert. Von der vierten reflektierenden Oberfläche 30 wird der kombinierte Strahl 12, 26 noch einmal zu einer Kopfeinheit 32 reflektiert, von wo der kombinierte Strahl 12, 26 schließlich zu der Flasche 14 hin gerichtet wird. Zum Vereinfachen des Markierens an verschiedenen Höhen von dem Boden der Flasche 14 werden die dritte und die vierte reflektierende Oberfläche 28 und 30 integriert mit der Kopfeinheit 32 montiert, um so in einer vertikalen Ebene unter der Einwirkung eines Schrittmotors 34 (nicht gezeigt) einstellbar zu sein.
Innerhalb der Kopfeinheit 32 trifft der kombinierte He-Ne/Nd- YAG-Strahl 12, 26 nacheinander auf zwei bewegliche Spiegel 36 und 38 auf. Der erste der beiden Spiegel 36 ist so angeordnet, daß er zu dem kombinierten Strahl 12, 26 geneigt ist, der auf denselben als ein Ergebnis einer Reflexion von der vierten reflektierenden Oberfläche 30 auftrifft, und ist in einer solche Weise bewegbar, daß eine Reflexion des Strahls von demselben zum Bewegen in einer vertikalen Ebene bewirkt wird. Der zweite der beiden Spiegel 38 ist in ähnlicher Weise geneigt, diesmal zu dem Strahl 12, 26, der auf denselben als eine Folge einer Reflexion von dem ersten Spiegel 36 auftrifft, und ist in einer solchen Weise bewegbar, daß eine Bewegung eines reflektierten Strahls 12, 26 in eine horizontale Ebene bewirkt wird. Es wird folglich für Fachleute offensichtlich sein, daß der von der Kopfeinheit 32 austretende Strahl 12, 26 durch die gleichzeitige Bewegung des ersten und des zweiten Spiegels 36 und 38 in eine jegliche gewünschte Richtung bewegt werden kann. Zur Vereinfachung dieser Bewegung werden die beiden bewegbaren Spiegel 36 und 38 auf einem jeweiligen ersten und zweiten Galvonometer 40 und 42 angebracht. Während erkannt wird, daß ein beliebiges geeignetes Mittel zum Steuern der Bewegung der beiden Spiegel 36 und 38 vorgesehen werden kann, wie beispielsweise die Verwendung individueller Servomotoren oder eines manuellen Steuerknüppels, kombiniert der angenommene Ansatz eine Reaktionsgeschwindigkeit mit einer Leichtigkeit der Steuerung, was einen wichtigen Vorteil gegenüber alternativen Steuermitteln darstellt.
Bei Austreten aus der Kopfeinheit 32 wird der kombinierte Strahl 12, 26 fokussiert, indem er durch eine Linsenanordnung 44 hindurchgeht, die ein oder mehrere Linsenelemente umfassen kann. Ein erstes Linsenelement 46 bringt den Strahl 12, 26 zu einem Brennpunkt an einer ausgewählten Stelle im Abstand von der Oberfläche der Fläche 14 innerhalb der Dicke des Glasoder Kunststoffmaterials, aus dem die Flasche 14 hergestellt ist. Wie gut bekannt ist, ist die maximale Leistungsdichte des Strahls 12, 26 umgekehrt proportional zu dem Quadrat des Radius des Strahls 12, 26 an seinem Brennpunkt, welcher wiederum umgekehrt proportional zu dem Radius des Strahls 12, 26 ist, der auf die Fokussierlinse 46 auftrifft. Daher ist für einen Strahl 12, 26 elektromagnetischer Strahlung mit der Wellenlänge λ und dem Radius R, der auf eine Linse mit einer Brennweite f auftrifft, die Leistungsdichte an dem Brennpunkt E zu einer ersten Annäherung gegeben durch die Formel
E = PR/λ²f²W/m²
wobei P die durch den Laser erzeugte Leistung darstellt. Aus dieser Formel wird der Wert und der Zweck des Strahlenerweiterers 18 leicht erkennbar, da ein Vergrößern des Radius des Strahls R dazu dient, die Leistungsdichte E des Brennpunktes zu vergrößern. Darüberhinaus stellt das Linsenelement 46 typischerweise eine Linse kurzer Brennweite mit einer Brennweite in dem Bereich zwischen 20 mm und 100 mm dar, so daß typische Leistungsdichten bei dem Brennpunkt des Strahls 12, 26 über 10&sup7; W/cm² betragen. Wenn die Pulsdauer des Nd-YAG-Lasers 10 bei nicht mehr als 10&supmin;&sup6; Sekunden gehalten wird, dann gleicht diese Leistungsdichte einer Energiedichte von mindestens 10 J/cm². Bei Energiedichten dieser Größenordnung erfolgt lokalisiert Ionisierung innerhalb des Glas- oder Kunststoffmaterials an dem Brennpunkt des auftreffenden Strahls 12, 26, was zu der Erzeugung einer Zone von Defekten führt, die jegliche auf dieselbe auftreffende elektromagnetische Strahlung mit dem Ergebnis streut, daß die Zone als eine Markierung in Form eines Gebietes erhöhter Undurchlässigkeit erscheint, im wesentlichen ohne irgendeine feststellbare Veränderung an der Oberfläche der Flasche 14 zu bewirken. Durch Bewegen des Brennpunkts des Strahls 12, 26 unter Verwendung der Spiegel 36 und 38 kann die Markierung in eine vorbestimmte Form gebracht werden und kann insbesondere dazu gebracht werden, eine oder mehrere Ziffern, Buchstaben oder Zeichen oder eine Kombination daraus aufzuweisen, die wiederum eine Identifizierung, eine Marke, einen maschinenlesbaren Code oder eine beliebige andere gewünschte Kennzeichnung darzustellen.
Ein zweites Linsenelement 48 kann in Reihe hinter dem Fokussierlinsenelement 46 angeordnet werden, um jegliche Krümmung der Oberfläche der Flasche 14 zu kompensieren. Es wird erkannt werden, daß eine solche Korrekturlinse nicht erforder- lich sein wird, wenn der zu markierende Körper 14 eine im wesentlichen ebene Oberfläche zu dem auftreffenden Strahl darstellt, und der Bedarf an einem solchen Element kann vollständig wegfallen, wenn das erste Element 46 eine variable Brennweite hat und zum Beispiel eine flache Feldlinse aufweist. Es soll jedoch angemerkt werden, daß diese Verwendung eines oder mehrerer optischer Elemente eine besonders einfache und elegante Art ist, sicherzustellen, daß eine Markierung an einer konstanten Tiefe innerhalb des Körpers 14 vorgesehen wird, ungeachtet irgendeiner Krümmung der Oberfläche desselben.
Wenn die Dicke des zu markierenden Körpers 14 es zuläßt, kann weiter ein drittes Linsenelement 50 in Form einer Zoomlinse in der Linsenanordnung 44 eingeschlossen werden und hierdurch die Erzeugung dreidimensionaler Markierungen innerhalb des Materials des Körpers 14 vereinfacht werden.
Im Interesse der Sicherheit sind die beiden Laser 10 und 24 und ihre jeweiligen Strahlen 12 und 26 in einer Sicherheitskammer 52 wie in Figur 2 gezeigt eingeschlossen, wobei der kombinierte Strahl 12, 26 aus der Sicherheitskammer 52 erst nach Hindurchgehen durch die Linsenanordnung 44 austritt. Zugriff zu den beiden Lasern 10 und 24 und den im Gang der jeweiligen Strahle 12, 26 angeordneten verschiedenen optischen Elementen wird mittels eines Türfeldes 54 erhalten, das mit einer Verriegelung 56 versehen ist, welche den Betrieb des gepulsten Nd-YAG Lasers 10 verhindert, wenn das Türfeld 54 geöffnet ist. Es soll festgestellt werden, daß der He-Ne- Laser 24 nicht unbedingt mit einer Verriegelung in der gleichen Weise ausgestattet werden muß, da derselbe nur bei sehr niedriger Leistung arbeitet und keine bedeutende Gefahr für eine die Vorrichtung verwendende Person darstellt. Die Leistung des kombinierten Strahls 12, 26 ist aufgrund des gepulsten Nd-YAG-Lasers 10 tatsächlich so überwältigend, daß, nachdem der He-Ne-Laser 24 zum Ausrichten der notwendigen optischen Elemente verwendet worden ist, derselbe vor dem Markieren des Körpers 14 ausgeschaltet werden kann.
Eine elektrische Einphasen-Netzversorgung von 240 Volt wird über die Türfeldverriegelung 56 einer darunter angeordneten Netzverteilereinheit 58 zugeführt und von der Sicherheitskammer 52 isoliert, um irgendwelche elektrische Effekte zu verhindern, die den Betrieb der Laser 10 und 24 stören. Von der Verteilereinheit 58 wird elektrische Leistung des Netzes sowohl dem gepulsten Nd-YAG-Laser 10 und dem He-Ne-Laser 24 als auch einer Kühleinheit 60 zugeführt, die zum Kühlen des gepulsten Nd-YAG-Lasers 10 dient. Darüberhinaus wird elektrische Leistung des Netzes auch dem Schrittmotor 34 und einem Computer 62 zugeführt. Drei Wechselstrom/Gleichstromwandler und zugeordnete Spannungsregler führen geregelte Gleichspannungen von 9 V, 12 V, 15 V, die jeweils dem He-Ne-Laser 24 zum Vereinfachen des Pumpmechanismus zugeführt werden, einer weiteren Verriegelung 64, die vorzeitiges Feuern des gepulsten Nd-YAG-Lasers 10 verhindert, und der Kopfeinheit 32 und insbesondere dem ersten und dem zweiten Galvanometer 40 und 42 zu, um eine vorbestimmte Bewegung des ersten und des zweiten Spiegels 36 und 38 zu erzeugen.
Zum Erzeugen einer Markierung einer gewünschten Form in dem Körper 14 wird die 15 V Gleichstromversorgung durch den Computer 62 moduliert, um so eine Reihe von Bewegungen des ersten und des zweiten Galvanometerspiegels 36 und 38 in Übereinstimmung mit einem vorbestimmten Computerprogramm zu erzeugen. Da die Bewegung der beiden Spiegel 36 und 38 die Stellung des Brennpunktes steuert, kann durch Koordinieren der Pulsation des Nd-YAG-Lasers mit der Bewegung der beiden Spiegel 36 und 38 ein Gebiet lokalisierter Ionisierung zur gewünschten Form erzeugt werden. Der Computer 62 kann auch zum Steuern der Zoomlinsen 50, wenn solche vorgesehen sind, verwendet werden, wodurch ermöglicht wird, daß die Markierung dreidimensional wird, wenn der Strahl 12, 26 an unterschiedlichen Tiefen in dem Materialkörper 14 fokussiert wird.

Claims

1. Verfahren zum Versehen eines Materialkörpers (14) mit einer unter der Oberfläche angeordneten Markierung, das die Schritte aufweist, auf eine Oberfläche des Körpers (14) einen Strahl (12) hoher Energiedichte zu richten, der das Material wenigstens bis zur Tiefe der gewünschten Markierung zu durchdringen vermag, und den Strahl (12) an einem Ort zu fokussieren, der von der Oberfläche einen Abstand aufweist und innerhalb des Materials angeordnet ist, um so lokalisierte Ionisierung des Materials und die Bildung einer Markierung an dem Ort in Form eines Gebietes von erhöhter Undurchlässigkeit für elektromagnetische Strahlung im wesentlichen ohne irgendeine feststellbare Änderung der Oberfläche zu bewirken.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Materialkörper (14) für elektromagnetische Strahlung bei Wellenlängen im sichtbaren Bereich durchlässig ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Materialkörper (14) für elektromagnetische Strahlung bei Wellenlängen im sichtbaren Bereich undurchlässig ist, so daß die Markierung nur durch optische Instrumente detektierbar ist, die bei einer geeigneten Wellenlänge im elektromagnetischen Spektrum arbeiten.

4. Verfahren nach einem vorangehenden Anspruch, bei dem der Brennpunkt des Strahls (12) relativ zum zu markierenden Körper (14) bewegbar ist, so daß die Markierung eine vorbestimmte Form haben kann.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Brennpunkt des Strahls (12) in drei Dimensionen relativ zum zu markierenden Körper (14) bewegbar ist.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die Markierung eine oder mehrere Ziffern, Buchstaben, Symbole oder eine Kombination derselben aufweist.

7. Vorrichtung in Verbindung mit einem Materialkörper (14), wobei die Vorrichtung zum Versehen des Materialkörpers (14) mit einer unter der Oberfläche angeordneten Markierung vorgesehen ist und Mittel (10) zum Erzeugen eines Strahls (12) hoher Energiedichte, der das Material wenigstens bis zur Tiefe der gewünschten Markierung zu durchdringen vermag, und Mittel (44) zum Fokussieren des Strahls (12) an einem Ort innerhalb des Materials und der von einer Oberfläche desselben beabstandet ist, aufweist, um so lokalisierte lonisierung des Materials und 20 die Schaffung einer Markierung an dem Ort in Form eines Gebietes von erhöhter Undurchlässigkeit für elektromagnetische Strahlung im wesentlichen ohne irgendeine feststellbare Änderung an der Oberfäche zu bewirken.

8. Kombination nach Anspruch 7, bei der der Strahl (12) hoher Energiedichte ein fokussierbarer Teilchenstrahl ist.

9. Kombination nach Anspruch 7, bei der das Mittel (10) zum Erzeugen eines Strahls hoher Energiedichte (12) ein Laser ist.

10. Kombination nach Anspruch 9, bei der der Laser (10) eine Spitzenenergiedichte am Brennpunkt von wenigstens 10 J/cm² hat.

11. Kombination nach Anspruch 9 oder 10, bei der der Laser (10) eine Leistungsdichte am Brennpunkt von wenigstens 10&sup7; W/cm² aufweist und mit einer Pulsdauer von weniger als 10&supmin;&sup6; sek. gepulst ist.

12. Kombination nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei der der Laser (10) durch einen Nd-YAG-Laser erzeugt ist.

13. Kombination nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei der Mittel (32) zum Bewegen des Brennpunkts des Strahls (12) relativ zum Körper (14) vorgesehen sind, so daß die Markierung von vorbestimmter Form sein kann.

14. Kombination nach Anspruch 13, bei der die Mittel (32) zum Bewegen des Brennpunkts des Strahls (12) wenigstens einen bewegbaren Spiegel (36, 38) aufweisen, der im Strahlengang (12) angeordnet ist.

15. Kombination nach Anspruch 14, bei der die Bewegung des wenigstens einen bewegbaren Spiegels (36, 38) durch ein Computerprogramm gesteuert ist.

16. Kombination nach Anspruch 14 oder 15, bei der der wenigstens eine bewegbare Spiegel (36, 38) ein Galvanometerspiegel ist.

17. Kombination nach einem der Ansprüche 9 bis 16, bei der die Mittel (44) zum Fokussieren des Strahls (12) ein Linsenelement (46) variabler Brennweite einschließen.

18. Kombination nach einem der Ansprüche 9 bis 17, bei der außerdem eine Sekundärquelle sichtbarer Laserstrahlung (24) vorgesehen ist, um die Ausrichtung des Strahls hoher Energiedichte (12) zu erleichtern.

19. Markierter Materialkörper (14), in dem die Markierung eine innere Zone mit Defekten als Ergebnis lokalisierter Ionisierung aufweist, wobei die Markierung von einer Oberfläche des Körpers (14) einen Abstand aufweist und in Form eines Gebietes von erhöhter Undurchlässigkeit für elektromagnetische Strahlung ohne irgendeine feststellbare Änderung der Oberfläche vorliegt.

20. Markierter Materialkörper nach Anspruch 19, bei dem der Materialkörper (14) für elektromagnetische Strahlung bei Wellenlängen im sichtbaren Bereich durchlässig ist.

21. Markierter Materialkörper nach Anspruch 20, bei dem der Materialkörper (14) aus Glas oder Kunststoff besteht.

22. Markierter Materialkörper nach Anspruch 19, bei dem der Materialkörper (14) für elektromagnetische Strahlung bei Wellenlängen im sichtbaren Bereich undurchlässig ist, so daß die Markierung nur durch optische Instrumente gesehen werden kann, die bei einer geeigneten Wellenlänge im elektromagnetischen Spektrum arbeiten.

23. Markierter Materialkörper nach einem der Ansprüche 19 bis 22, bei dem die Markierung im wesentlichen nichteben ist.

24. Markierter Materialkörper nach einem der Ansprüche 19 bis 23, bei dem die Markierung eine oder mehrere Ziffern, Buchstaben oder Symbole oder eine Kombination davon aufweist.

25. Markierter Materialkörper nach einem der Ansprüche 19 bis 24, bei dem der Materialkörper (14) ein Behälter ist.