專利名稱：表面下的標記的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及使用高能密度束在物體上提供表面下的標記的一種方法及裝置并還涉及根據(jù)所述方法或使用所述裝置作標記的一種物體。
許多產(chǎn)品是以玻璃或塑料之類透明容器包裝的，多年來就希望能在這種容器上用一種方法加上標記使得一旦加上這種標記便不能被消除。這樣的作標記方法具有明顯的防假冒作用并且還可以在每一個容器上作為其特定的一個代碼以利于產(chǎn)品跟蹤。
人們知道，某些諸如貴得重香水的制造商對授權銷售他們的產(chǎn)品的零售商的銷售數(shù)量與質量是有限制的。結果，其它希望另售同一產(chǎn)品的零售商必須利用非法的貨源。制造商的利益在于取締任何未經(jīng)授權的貨物轉手，這種轉手不但能破壞他們的聲譽而且可能大量增加假冒者的活動，因為他們是不受注冊的賣主所受的限制約束的。
一種現(xiàn)代的產(chǎn)品跟蹤系統(tǒng)采用一種在發(fā)貨前將定貨的另售商的身份隱蔽地編碼在每一個容器上的方法。然而，一旦另售商知道了這種標記的存在，只須將其去掉便可回避這一系統(tǒng)。如果有可能在各容器上提供一種真正不能消除的標識，這可能是諸如條形碼之類的機器可讀的代碼，這樣的系統(tǒng)就不會那樣容易地被克服而且也不再需要依賴標記的隱蔽性了。這一條形碼可以公開地加在容器上，如果愿意，也可以加在它的封裝上，從而將兩者唯一地連接在一起。當已經(jīng)灌裝的容器進入封裝階段時，可將條信碼讀出并用印刷，刻制，雕刻等工藝將其復制在后面的封裝材料上，直到產(chǎn)品與封裝都已準備妥發(fā)運。這時，通常要將發(fā)貨的目的地標明在包裝上，但是如果所提出的標識碼是機器可讀的，這時便可由一個簡單的軟件包將另售商的身份標記在包裝上并將兩者互相關聯(lián)在一起。用這種方法，不管對外部包裝上做了什么手腳，從容器本身上的消除不掉的標記上便可仍然建立產(chǎn)品與其予定的另售商之間的唯一的關系。
過去為了制成一個不能消除的標記，制造廠商幾何無例外地依靠表面標記。然而，這種標記的問題是可以將標記所在的表面部分去掉而銷毀這種標記或者在一個代用容器上加上一個相同的標記來進行仿冒。與之相反，本發(fā)明的一個目的是提供一種使用高能密度束來形成表面下的標記的方法，該標記是離開所在物體的表面的。這樣一種標記具有經(jīng)受得住以后的任何表面處理而同時又十分難于仿冒的優(yōu)點。
使用激光輻射來給容器加標記是已知的，但所生成的標記通常是在一個特定的表面上的刻痕或者可以測出的顏色的改變。例如，美國專利第4，758，703號描述了一種在物體表面上隱蔽地編碼一個顯微鏡可觀察到的圖案的方法，在這一方法中一束不聚焦的激光輻射通過一個屏蔽罩來產(chǎn)生所需要的圖案，激光束的密度是精心控制的使得圖案只蝕刻在表面上而對肉眼看不見。另一方面，美國專利第4，769，310號描述了一種在包含至少一種對輻射敏感的添加劑的陶瓷材料，釉料，玻璃陶瓷和玻璃上作標記的方法，該方法將一個激光束聚焦在要作標記的材料的表面上以在被照射的區(qū)域內誘發(fā)一種顏色改變。
與此相反，美國專利第3657085號描述了一種使用一個電子束，但也提出使用一個激光束作為代用品的可能性，來形成表面下標記的方法。該美國專利的目的是提供一種在諸如眼鏡片這樣的物體上作上標識標記的方法，這種標記在正常情況下是不可見的，但需要時可使其可見。為此目的，電子或激光束聚焦在放置在眼鏡片上的一個屏蔽罩上使電子或激光束通過屏蔽罩的切掉部分沖擊在鏡片的材料上。經(jīng)過與構成鏡片的材料的分子的碰撞該束被散射開，結果束的動能被作為熱能吸收而在鏡片內產(chǎn)生永久性應力圖案。應力圖案對于肉眼是不可見的，但可在編振光的雙拆射下使之可見。
根據(jù)本發(fā)明的一個第一方面，提供了在一個物體上全表面下的標記的一種方法，包括下述步驟在一個物體的表面上引導一個高能密度束，該束是可以透過該材料的，并將該束聚焦在離開表面但在物體內的一個位置上，導致材料的局部電離化并產(chǎn)生一個電磁輻射更難透過的區(qū)域作為標記而在表面上沒有任何可檢測出的改變。
為了避免疑問，這里對于一種材料所說的名詞可透過是指在一種材料中該高能密度束至少能穿透到所要求的標記深度而言，這樣就包括半透明的材料以及諸如彩色或毛玻璃之類的材料，它們對于可見區(qū)域中的波長上的電磁輻射的傳輸特征是減少了但不是消失了。名詞可透過還包括對于可見區(qū)域內的波長上的電磁輻射是不透明的材料，但它們至少能夠傳輸該高能密度束的電磁頻譜的同一區(qū)域中的波長上的電磁輻射。
在一個較佳實施例中，物體的材料對于可見區(qū)域內波長上的電磁輻射是透明的，從而肉眼可以見到該標記。例如，該材料可以是玻璃或塑料。在另一個實施例中，該材料對于可見區(qū)域內的波長上的電磁輻射是不透明的，因而該標記對于肉眼是隱蔽的但可以被工作在諸如該高能密度束的電磁頻譜內的一個適當波長上的光學儀器所“看見”。雖然，這種標記沒有其可見的等同物的威攝效果，但它的確表示一種真正的不能消除的隱蔽標記。
在上述實施例的任何一個中，該束的焦點相對于要標記的物體是可以移動的，使得標記能具有予定的形狀。例如，該標記可以是三維的和/或包括一個或多個數(shù)字、字母或符號，或者它們的一個組合，它們本身可表示一個標識、一個商標、一個機器可讀碼或任何其它希望的記號。
根據(jù)本發(fā)明的一個第二方面，提供了一種用于在物體上設置表面下標記的裝置，包括用于產(chǎn)生能透過該材料的高能密度束的裝置，以及用于將該束聚焦在物體內部并離開其表面的位置的一個焦點上的裝置，使之產(chǎn)生材料的局部電離化并以增加一個區(qū)域對電磁輻射的不透明性建立一個標記而基本上沒有任何可檢測出的表面改變的方式。
雖然，可以理解為該高能密度束可以是一種諸如電子束那樣的可聚焦粒子束，這種粒子束有足夠的能量能在物體的內部形成局部電離化，但在一個較佳實施例中，用于產(chǎn)生該高能密度束的裝置則是一臺激光器。
激光輻射與物體之間相互作用的可能形式根據(jù)相關激光輻射的功率密度可分為三種類型。按功率密度的遞增次序排列這三種類型為(1)光化學互相作用，包括光感應與光敏化;
(2)熱互相作用，其中入射輻射被作為熱能吸收;以及(3)電離相互作用，它包含被輻射材料的非熱光分解。
這三種相互作用的閾值之間的差可以將需用于產(chǎn)生光化學互相作用的典型功率密度10-3W/cm2(瓦/平方厘米)與諸如光燒蝕與光穿透的電離化相互作用的典型功率密度1012W/cm2進行比較而清楚地展示。
為了產(chǎn)生材料的局部電離化，該束必須具有足夠的能量來分裂分子鏈并在焦點上產(chǎn)生一個等離子體。一旦該束被去掉，等離子體冷卻而形成一個局部化的損壞或破裂區(qū)，任何入射到它上面的電磁輻射都將被散射而該區(qū)域表現(xiàn)為具有增加了的不透明度的一個區(qū)域。
當前，市場上能夠得到的有能力感應電離化相互作用的激光器只有脈沖激光器，它的峰值能量在聚焦時足以在有關材料內產(chǎn)生一個等離子體。在本發(fā)明的一個較佳實施例中，在焦點上該激光器的功率密度至少為107W/cm2而脈沖寬度不大于10-6秒使得每一脈沖的能量密度至少為10J/cm2(焦耳/平方厘米)而足以在激光束的焦點上引發(fā)材料的局部電離化。
如果要標記的物體對可見區(qū)域內的波長上的電磁輻射是透明的，則用于建立所需的高能密度束的裝置最好是一臺工作在波長1.06um上的Nd-YAG(摻釹釔鋁柘榴石)激光器。
有利的是，可以設置使光束的焦點相對于物體移動的裝置，具體地該裝置包含至少一個設置在光徑上的可動反射鏡。反射鏡的運動可以由使得標記的最后形狀得以容易地操縱的一個計算機程序來控制而可動的反射鏡本身可包含一電流計鏡。雖然認為任何適當?shù)难b置都可用來移動該反射鏡，諸如一臺伺服電機或手動操縱桿，但電流計鏡的性質提供了反應速度與使控制容易，這些都顯示出超過其它控制裝置的突出優(yōu)點。
在另一個實施例中，用于聚焦該束的裝置可包含具有可變焦距的透鏡部件，它既可以是一種校準透鏡，它將光束聚焦的在物體內相同的深度上而不管表面有什么樣的曲率，也可以是一種變焦鏡，它使得標記可以在物體內不同的深度上作出從而允許產(chǎn)生三維標記。
在又一個實施例中，提供了一個可見激光輻射的第二光源以便利高能密度束的對準。
根據(jù)本發(fā)明的一個第三方面，提供了一種標有標記的物體，其中的標記包括一個離開該物體的表面的一個作為局部電離化的結果的內部受破壞的區(qū)域。
在一個較佳實施例中，物體對于可見區(qū)域內的波長上的電磁輻射是透明的，從而使標記能被肉眼所見。例如，該材料可以是玻璃或塑料。然而，在另一個實施例中，該物體對于可見區(qū)域內的波長上的電磁輻射是不透明的，使得對于肉眼，標記是隱蔽的，但是在電磁頻譜內一個適當波長上工作的光學儀器可以“看見”這一標記。
該標記可以是三維的和/或包含一個或多個數(shù)字、字母或符號，或者它們的組合，而有利的是該物體可包括一容器。
現(xiàn)在將以示例方式參照附圖對本發(fā)明的一個實施例進行說明，其中

圖1是根據(jù)本發(fā)明的第二方面的一個裝置的示意圖，以及圖2是在整個圖1的裝置中電能分布方式的示意圖。
從圖1中可見，源10產(chǎn)生一束激光輻射12，該束12被引導沖擊在物體14上，在本例中該物體是一個瓶子。由于意圖使最終的表面下的標記為肉眼可見的，瓶子14選擇為對電磁頻譜的可見區(qū)域內的電磁輻射透明的材料構成，例如玻璃或塑料。此外，源10也是這樣選擇的使得瓶子14的材料對于源10所產(chǎn)生的激光輻射束12同樣是透明的。
在所示的裝置中，源10包括一個高能密度脈沖Nd-YAG(摻釹釔鋁柘榴石)激光器，它發(fā)射有波長為1.06um的一個脈沖激光輻射束12，這是肉眼看可見的。脈沖束12一經(jīng)從Nd-YAG激光器10射出，它便入射到一個第一反射面16上，它將束12導經(jīng)一個束擴張器18與一個束混合器20到達一個第二反射面22。一個以低功率He-Ne(氦-氖)激光器24形式的第二激光輻射源設置在鄰接Nd-YAG激光器10的地方并發(fā)射一個具有波長638nm的第二可見激光輻射束26。該第二束26沖擊在束混合器20上而被反射到朝向第二反射面22的方向上與來自Nd-YQG激光器10的脈沖激光輻射束12重合。因而，束混合器20的必要性質是它應能傳輸具有波長1.06um的電磁輻射。以這種方法He-Ne激光束26向混合的He-Ne/Nd-YAG束12，26提供了便于光學對準的可見光成份。
混合以后，兩個重合的束12，26在第二反射面22上被反射向一個第三反射面28并從那里再次被反射向一個第四反射面28并從那里再次被反射向一個第上反射面30?；旌鲜?2，26再一次從第四反射面30上被反射到一個頭部單元(head anit)32上，從那里最終將混合束引導到瓶子14上。為了便于在從瓶子14的底部向上的不同高度上作標記，第三與第四反射面28與30連同頭部單元32是整體安裝的，使之在一臺步進電機34(未示出)的作用下能沿一個垂直面進行調整。
在頭部單元32中，混合的He-Ne/Nd-YAG束12，26順序地入射到兩個可動反射鏡36與38上。兩個反射鏡中的第一個36是設置成向作為從第四反射面的反射結果而入射到它上面的混合束12，26的方向傾斜的，并且是以這樣一種方式可動的，使得從它上面反射的束能在一個垂直平面上移動。兩個反射鏡中的第二個38是類似地傾斜的，但這時它是向著作為第一反射鏡36的反射結果而入射在它上面的束12、26傾斜的，并且是以這樣一種方式可動的，使得被反射的束12、26在一個水平面上移動。結果，對于本領域的技術人員而言，這是十分明顯的，即從頭部單元32發(fā)出的束12、26可由第一與第二反射鏡36與38的同時運動而在任意要求的方向上移動。為了便利這一運動，兩個可動反射鏡36與38是安裝在各自的第一與第二電流計40與42上的。雖然認為可設置任何適用的裝置來控制兩個反射鏡36與38的運動，例如使用獨立的伺服電機或者手動操縱桿，但這里所采用的方法結合了反應速度與容易控制，它們代表了超過其它控制裝置的突出優(yōu)點。
從頭部單元32發(fā)出的混合束12、26通過透鏡組件44被聚焦，該組件可包含一個或多個透鏡部件。一個第一透鏡部件46將束12、26聚焦在離開瓶子14的表面而在制造瓶子14的材料玻璃或塑料的厚度內的一個選定的點上。眾所周知，束12、26的最大功率密度與束12、26在其焦點上的半徑的平方成反比，后者又與入射到聚焦透鏡46上的束12、26的半徑成反比。從而，對于具有波長λ與半徑R的一個入射到具有焦距f的透鏡上的電磁輻射束12、26，在焦點E上的功率密度的一個一次近似由下式給出E=PR2λ2f2W/m2]]>其中P為激光器產(chǎn)生的功率。從這一表式中可清楚地看到束擴張器18的價值與目的，因為增大束的半徑R可增大焦點的功率密度E。此外，透鏡部件46是一個典型的短焦距透鏡，其焦距在20mm與100mm之間，從而使在束12、26的焦點上的典型功率密度超過107W/cm2。如果Nd-YAG激光器10的脈沖寬度保持在不超過10-6秒內，則這一功率密度等價于至少10J/cm.+2的能量密度。在這一量級上的能量密度產(chǎn)生在玻璃或塑料材料內在入射束12、26的焦點上的局部電離化，這便導致一個破壞區(qū)的建立，它散射任何入射到它上面的電磁輻射，結果是這一區(qū)域以一種增加的不透明度而基本上在瓶子14的表面上不導致任何可檢測到的改變的一個區(qū)域的方式顯示為一個標記。通過使用反射鏡36與38來移動束12、26的焦點可將標記做成予定的形狀，尤其是可以做成包含一個或多個數(shù)字、字母或符號，或者它們的一種組合，而這本身又表示一種標識、一個商標、一個機器可讀的代碼或者任何其它要求的記號。
為了補償瓶子14表面的任何曲率，可將一第二透鏡部件48與聚焦透鏡部件46串聯(lián)地放置。如果要標記的物體14對入射束呈現(xiàn)一個基本上平坦的表面則將認為這樣一個校準透鏡是不需要的，并且如果第一透鏡46具有可變的焦距且包含諸如一個平面場透鏡，則對這樣一個部件的需求完全是要排除的。然而，要指出的是，使用一個或多個光學部件是保證不論物體14具有怎樣的表面曲率都能在該物體內一個恒定的深度上做標記的一種特別簡單和精巧的方法。
如果要標記的物體14的厚度允許，也可以在透鏡組件44中包含一個變焦透鏡方式的第三透鏡部件50，從而方便在物體14內建立三維標記。
為了安全起見，兩臺激光器10與24以及它們各自的束12與26是封閉在圖2所示的一個安全室52中的，只有通過透鏡組件44以后的混合束12、26從安全室52中射出。對兩個激光器10與24以及設置在各自的束12、26的路徑上的各種光學部件的接近是通過一塊門板54進行的，在門板54上裝有互鎖裝置56以防止在門板54打開時脈沖型Nd-YAG激光器10工作。要指出的是，He-Ne激光器24不需要以同樣的方式安裝互鎖裝置，因為它只在非常低的功率上工作而對于一名熟練的操作人員并不構成嚴重的危險。事實上，由于脈沖Nd-YAG激光器10而使得混合束12、26如此重要，所以在使用He-Ne激光器24對準必要的光學部件時，在對物體14進行標記以前可將激光器10關掉。
一條單相240伏供電總線經(jīng)由門板互鎖裝置56饋送到一個設置在安全室52下面的供電分配單元58中，為了防止任何電效應干擾激光器10與24的工作，該配電單元是與安全室52絕緣的。從配電單元58向脈沖Nd-YAG激光器10與He-Ne激光器24以及用于冷卻脈沖Nd-YAG激光器的一個冷卻單元60供電。此外，電源電能也提供給一臺步進電機34以及一臺計算機62。三個AC/DC轉換器與關聯(lián)的穩(wěn)壓器提供9伏，12伏與15伏的直流穩(wěn)壓電源，它們被分別饋送到He-Ne激光器24以促進泵機制，送到防止脈沖Nd-YAG激光器10過早發(fā)射的另一個互鎖裝置10，以及到頭部單元32特別是到第一與第二電流計40與42以產(chǎn)生第一與第二反射鏡36與38的予先確定的運動。
為了在物體14內產(chǎn)生一個具有所要求的形狀的標記，15伏直流電源被計算機62調制使之按照一個予先確定的計算機程序產(chǎn)生第一與第二電流計反射鏡36與38的一系列運動。由于兩個反射鏡36與38的運動控制著焦點的位置，對Nd-YAG激光器的脈沖與兩個反射鏡36與38的運動進行協(xié)調可以產(chǎn)生具有要求的形狀的局部電離化區(qū)域。如果設置了變焦透鏡50，計算機62也可用于控制該透鏡使得當束12、26聚焦在物體14內不同的深度上時標記成為三維的。
權利要求
1.一種在一個物體上提供表面下的標記的方法，包括下述步驟將一個高能密度束導向對該束來說其材料是透明的一個物體的表面上，以及將該束聚焦在一個離開表面而在該物體內的一個位置上使材料產(chǎn)生局部電離化并建立一個對電磁輻射具有增強的不透明的區(qū)域作為標記，而在表面上基本上沒有任何可察覺出的改變。
2.根據(jù)權利要求1的一種方法，其中的物體對于可見區(qū)域內的波長上的電磁輻射是透明的。
3.根據(jù)權利要求1的一種方法，其中的物體對于可見區(qū)域內的波長上的電磁輻射是不透明的，使得該標記只能被在電磁頻譜內一個適當?shù)牟ㄩL上工作的光學儀器看見。
4.根據(jù)以上權利要求中任何一項的一種方法，其中該束的焦點相對于要標記的物體是可以移動的，使得該標記可具有予定的形狀。
5.根據(jù)權利要求4的一種方法，其中，該標記是三維的。
6.根據(jù)權利要求4或5的一種方法，其中，該標記包括一個或多個數(shù)字、字母或符號，或者它們的一個組合。
7.一種在一個物體上提供表面下的標記的裝置，包括一個高能密度束的裝置，所述物體的材料對它說來是透明的，以及用于將該束聚焦在物體內離開一個表面的一個位置上的裝置，使得材料局部電離化并建立一個對電磁輻射具有增大了的不透明度的區(qū)域作為標記，且在表面上沒有任何可以察覺出的改變。
8.根據(jù)權利要求7的一種裝置，其中，該高能密度束是一個可聚焦的粒子束。
9.根據(jù)權利要求7的一種裝置，其中，用于產(chǎn)生一個高能密度束的裝置是一臺激光器。
10.根據(jù)權利要求9的一種裝置，其中，該激光器在焦點上具有至少10J/cm2的功率密度并以小于10-6秒的脈沖寬度脈動。
11.根據(jù)權利要求9至11中任何一項的一種裝置，其中，該激光器是一臺Nd-YAG激光器。
12.根據(jù)權利要求9至11中任何一項的一種裝置，其中，該激光器是一臺Nd-YAG激光器。
13.根據(jù)權利要求9至11中任何一項的一種裝置，其中，設置了相對于物體來移動束的焦點的裝置，使得標記能具有予定的形狀。
14.根據(jù)權利要求13的一種裝置，其中，移動束的焦點的裝置包括至少一個設置在束的路徑上的可動反射鏡。
15.根據(jù)權利要求14的一種裝置，其中，所述至少一個可動反射鏡的運動是由一個計算機程序控制的。
16.根據(jù)權利要求14或15的一種裝置，其中，所述至少一個可移動反射鏡是一個電流計反射鏡。
17.根據(jù)權利要求9至16中任何一項的一種裝置，其中，用于將束聚焦的裝置包括一個具有可變焦距的透鏡部件。
18.根據(jù)權利要求9至17中任何一項的一種裝置，其中，還設置了一個第二可見激光輻射源以便利該高能密度束的對準。
19.一種被標記的物體，其中，該標記包括一個作為局部電離化的結果的、離開該物體的一個表面的內部破壞區(qū)。
20.根據(jù)權利要求19的一種被標記的物體，其中，該物體對于可見區(qū)域內的波長上的電磁輻射是透明的。
21.根據(jù)權利要求20的一種被標記的物體，其中，該物體是玻璃或塑料的。
22.根據(jù)權利要求19的一種被標記的物體，其中，該物體對于可見區(qū)域內的波長上的電磁輻射是不透明的，從而該標記只能被在電磁頻譜內一個適當波長上工作的光學儀器所看見。
23.根據(jù)權利要求19至22中任何一項的一種被標記物體，其中，該標記是三維的。
24.根據(jù)權利要求19至23中任何一項的一種被標記物體，其中，該標記包含一個或多個數(shù)字、字母或符號，或者它們的一個組合。
25.根據(jù)權利要求19至24中任何一項的一種被標記物體，其中，該物體是一個容器。
全文摘要
描述了以對電磁輻射具有增大了的不透明度的一個區(qū)域的方式在一個物體(14)上提供表面下的標記的一種方法與裝置。該方法包括將一個高能密度束(12，26)導向對它說來其材料為透明的一個物體(14)的表面上，以及將束(12，26)聚焦在物體(14)內部離開表面的一個位置上從而使材料(14)局部電離化。在一個較佳實施例中，該裝置包括一臺激光器(10)作為一個高能密度束源并設置了裝置(36，38)用于相對于物體(14)移動束(12，26)的焦點使標記能具有預定的形狀。
文檔編號B23K26/00GK1064038SQ9110565
公開日1992年9月2日 申請日期1991年8月15日 優(yōu)先權日1990年8月15日
發(fā)明者羅伯特·馬克·克勒蒙特, 尼維勒·理查德·里德格, 羅伯特·彼得·桑曼 申請人:聯(lián)合蒸餾器公司