устройство формирования изображений с высоким разрешением внутри прозрачного или малопрозрачного твердого материала

Формула изобретения

1. Устройство для формирования изображений в прозрачном или малопрозрачном материале, содержащее импульсный лазер, две телескопические системы с регулируемыми фокусными расстояниями, оптическую фокусирующую систему, систему обеспечения взаимного перемещения области фокусировки и образца, а также компьютер, соединенный с импульсным лазером и указанной системой обеспечения взаимного перемещения области фокусировки и образца, отличающееся тем, что импульсный лазер выполнен в виде лазера на парах меди с длинами волн излучения 0,51 мкм и 0,58 мкм, оптическая фокусирующая система выполнена в виде ахроматического объектива, устройство дополнительно содержит оптическую линию задержки, размещенную между импульсным лазером и системой обеспечения взаимного перемещения области фокусировки и образца и содержащую два дихроичных зеркала, выполненных и установленных с возможностью пропускания без изменения направления излучения с одной из указанных двух длин волн и с возможностью отражения излучения с другой из указанных длин волн, и два отражающих поворотных зеркала, выполненных с возможностью отражения излучения с указанной другой длиной волны, все указанные четыре зеркала установлены так, что оси излучения между четырьмя зеркалами образуют прямоугольник, устройство также дополнительно содержит соединенное с компьютером средство одновременного перемещения указанных отражающих поворотных зеркал для изменения длины оптического хода отраженного от первого дихроичного зеркала излучения, одна из указанных телескопических систем установлена непосредственно между дихроичными зеркалами, а другая - непосредственно между указанными отражающими поворотными зеркалами.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дихроичные зеркала выполнены с возможностью пропускания излучения с длиной волны 0,51 мкм и отражения излучения с длиной волны 0,58 мкм, а указанные отражающие поворотные зеркала выполнены с возможностью отражения излучения с длиной волны 0,58 мкм.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дихроичные зеркала выполнены с возможностью пропускания излучения с длиной волны 0,58 мкм и отражения излучения с длиной волны 0,51 мкм, а указанные отражающие поворотные зеркала выполнены с возможностью отражения излучения с длиной волны 0,51 мкм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к легкой или пищевой промышленности и может быть использовано при формировании изображений в прозрачном или малопрозрачном для видимого света материале различных изделий, таких как емкости (бутылки, банки, флаконы, графины и т.д.), предметы широкого потребления (стекла очков, защитные стекла часов, всевозможные панели каких-либо приборов, сувенирные изделия и т.п.).

Более конкретно, изобретение относится к устройству для формирования изображений с помощью импульсного лазерного излучения в толще прозрачного или малопрозрачного материала без разрушения его поверхности.

Такие изображения представляют собой совокупность лазерных разрушений в результате фокусировки лазерного излучения в дискретных точках внутри материала изделия (в толще материала) при последовательном перемещении изделия относительно луча лазера, перемещении луча лазера относительно изделия или их взаимного перемещения.

Разрешение получаемого изображения находится в прямой зависимости от количества микроразрушений в единице объема материала: чем больше количество микроразрушений, тем выше разрешение, но тем меньше должно быть одно микроразрушение. Поэтому для получения изображений с высоким разрешением необходимо формировать маленькие микроразрушения.

Известно устройство формирования изображений, включающее лазер, дефокусирующую линзу, имеющую регулируемое фокальное расстояние, фокусирующую линзу, способную перемещаться под управлением вдоль лазерного луча с помощью привода, стол для перемещения образца, сделанного из прозрачного материала, в плоскости, перпендикулярной лазерному лучу, и компьютер, управляющий процессом обработки образца [1].

Изображение в толще прозрачного материала формируется в виде совокупности лазерных разрушений при последовательном перемещении образца по трем декартовым координатам по заданной программе. Каждый импульс лазера формирует одно микроразрушение. К основным недостаткам указанного устройства можно отнести низкое разрешение получаемого изображения, обусловленное формированием микроразрушений относительно большого размера вследствие большой величины энергии импульса.

Наиболее близким к заявленному устройству является устройство формирования изображений с высоким разрешением внутри прозрачного или полупрозрачного твердого материала, включающее источник импульсного лазерного излучения и установленные на оси излучения две телескопические системы с регулируемым фокальным расстоянием, систему фокусировки излучения, систему обеспечения взаимного перемещения области фокусировки и образца, расположенную между телескопической системой и системой фокусировки, и компьютер, соединенный с источником импульсного лазерного излучения и системой обеспечения взаимного перемещения области фокусировки и образца [2].

Источник импульсного лазерного излучения выполнен в виде двух лазеров: первый лазер генерирует излучение с энергией, близкой к порогу пробоя, но не превышающей его значения. Оно фокусируется в относительно большое фокальное пятно. Второй лазер генерирует излучение с меньшей, чем у первого лазера энергией, которая в совокупности с излучением первого лазера превышает порог пробоя. Это излучение фокусируется в меньшее пятно, являющееся частью большего пятна фокусировки первого лазера. Система формирует изображения в виде лазерных разрушений путем взаимного перемещения области фокусировки лазерного луча и образца.

Принцип действия прототипа основан на том, что после импульса излучения одного лазера плотность электронов и, как следствие, коэффициент поглощения материала в зоне воздействия излучения повышается, и импульс излучения второго лазера, следующий за первым, производит разрушение материала, имея меньшую энергию, при этом разрушение имеет меньший, чем в [1] размер, что в конечном итоге приводит к существенному повышению разрешения получаемых изображений.

Недостатком указанного устройства для формирования изображений является сложность конструкции в связи с использованием двух лазеров, что приводит к удорожанию устройства формирования изображений и удорожанию процесса обработки.

Задачей изобретения является повышение разрешения получаемого изображения без усложнения конструкции устройства.

Указанная задача решается тем, что в устройстве для формирования изображений в прозрачном или малопрозрачном материале, содержащем импульсный лазер, две телескопические системы с регулируемыми фокусными расстояниями, оптическую фокусирующую систему, систему обеспечения взаимного перемещения области фокусировки и образца, а также компьютер, соединенный с импульсным лазером и указанной системой обеспечения взаимного перемещения области фокусировки и образца, импульсный лазер выполнен в виде лазера на парах меди с длинами волн излучения 0,51 и 0,58 мкм, оптическая фокусирующая система выполнена в виде ахроматического объектива, устройство дополнительно содержит оптическую линию задержки, размещенную между импульсным лазером и системой обеспечения взаимного перемещения области фокусировки и образца и содержащую два дихроичных зеркала, выполненных и установленных с возможностью пропускания без изменения направления излучения с одной из указанных двух длин волн и с возможностью отражения излучения с другой из указанных длин волн, и два отражающих поворотных зеркала, выполненных с возможностью отражения излучения с указанной другой длиной волны, все указанные четыре зеркала установлены так, что оси излучения между четырьмя зеркалами образуют прямоугольник, устройство также дополнительно содержит соединенное с компьютером средство одновременного перемещения указанных отражающих поворотных зеркал для изменения длины оптического хода отраженного от первого дихроичного зеркала излучения, одна из указанных телескопических систем установлена непосредственно между дихроичными зеркалами, а другая - непосредственно между указанными отражающими поворотными зеркалами.

Предпочтительно, чтобы дихроичные зеркала были выполнены с возможностью пропускания излучения с длиной волны 0,51 мкм и отражения излучения с длиной волны 0,58 мкм, а указанные отражающие поворотные зеркала выполнены с возможностью отражения излучения с длиной волны 0,58 мкм.

Также предпочтительно, чтобы дихроичные зеркала были выполнены с возможностью пропускания излучения с длиной волны 0,58 мкм и отражения излучения с длиной волны 0,51 мкм, а указанные отражающие поворотные зеркала выполнены с возможностью отражения излучения с длиной волны 0,51 мкм.

Сущность предложенного технического решения заключается в следующем.

В предлагаемом устройстве для формирования изображений вместо двух импульсных лазеров используется один импульсный лазер на парах меди, имеющий две длины волны излучения (0,51 и 0,58 мкм). Импульсы лазера излучаются попарно. Первым в паре на выходе из лазера следует импульс с длиной волны 0,51 мкм, вторым - импульс с длиной волны 0,58 мкм [3]. Для получения микроразрушения малого размера один из импульсов при фокусировании излучения в материале должен создать в области фокусировки температурное поле и поле термоупругих напряжений, близких к пределу прочности материала. Другой импульс, следующий через определенный интервал времени за первым, при фокусировании в материале создает лазерное разрушение. Для того чтобы величина разрушения была малой, второй импульс должен быть сфокусирован в материале в момент достижения в области фокусировки величины термоупругих напряжений, меньшей предела прочности, а плотность энергии, выделяющейся в материале при фокусировке излучения второго импульса, должна быть достаточной для испарения малого объема материала без возникновения большого температурного градиента и, соответственно, напряжений, превышающих предел прочности материала. В этом случае разрушение формируется не по механизму трещинообразования, а по механизму абляции материала. Поскольку время образования указанных температурных полей и полей термоупругих напряжений связано с физическими свойствами материала образца, у разных материалов оно отличается. Следовательно, между парой импульсов, приводящих к одному лазерному разрушению, должна быть задержка по времени, зависящая от свойств материала, а устройство, обеспечивающее такую задержку, должно иметь возможность ее регулировки. С этой целью на оси излучения лазера под углами 45 и 135° к оси установлены два дихроичных зеркала, пропускающие без отклонения излучение с одной из вышеуказанных длин волн (например, с длиной волны 0,58 мкм) и отражающие перпендикулярно оси излучение с другой из вышеуказанных длин волн (например, с длиной волны 0,51 мкм). Отраженные от первого дихроичного зеркала импульсы излучения попадают в ответвленную часть оптической оси - оптическую линию задержки, где в зависимости от положения подвижных отражающих поворотных зеркал временной интервал между импульсами в паре меняется. Такая конструкция линии задержки позволяет в зависимости от свойств материала уменьшить временной интервал между парой импульсов или увеличить его. В зависимости от конкретной задачи можно менять последовательность прохождения импульсов в паре после выхода из оптической линии задержки (после прохождения второго дихроичного зеркала). Оптимальным является случай, когда на материал нужно сначала воздействовать импульсом с длиной волны 0,58 мкм, затем - импульсом с длиной волны 0,51 мкм. Тогда используют дихроичные зеркала, пропускающие импульсы с длиной волны 0,58 мкм и отражающие импульсы с длиной волны 0,51 мкм. Перемещая поворотные зеркала, можно установить подходящую длину оптического хода в ответвленной части указанной линии задержки для того, чтобы первым после второго дихроичного зеркала вышел импульс с длиной волны 0,58 мкм. При такой схеме можно оставить первым после прохождения второго дихроичного зеркала импульс с длиной волны 0,51 мкм, но с уменьшенным временным интервалом между импульсами в паре.

Когда нужно воздействовать на материал сначала импульсом с длиной волны 0,51 мкм, но с интервалом, большим, чем начальный (т.е. на выходе из лазера - порядка 6 наносекунд), применяется схема с дихроичными зеркалами, пропускающими импульсы с длиной волны 0,51 мкм, и поворотными зеркалами, отражающими импульсы с длиной волны 0,58 мкм.

Регулирование величин энергий излучений импульсов, выделяющихся в единице объема материала при фокусировке излучений, необходимое для создания требуемых температурных полей и полей термоупругих напряжений, и создания лазерного разрушения, в предлагаемом техническом решении происходит путем управляемого компьютером изменения энергии излучения лазера и увеличением или уменьшением области фокусировки телескопическими системами с регулируемым фокусным расстоянием.

Поскольку фокусировка излучений с обеими длинами волн в материале изделия осуществляется одним и тем же фокусирующим элементом, фокусирующая система должна иметь ахроматический фокусирующий объектив.

Таким образом, использованием в устройстве для формирования изображений с высоким разрешением лазера на парах меди с излучением на двух длинах волн и соответствующим изменением конструкции оптической схемы путем введения линии задержки можно добиться высокого качества получаемого изображения без усложнения конструкции устройства, а следовательно, без увеличения его стоимости и стоимости обработки.

Изобретение поясняется чертежом, где представлена схема предлагаемого устройства:

1 - импульсный лазер,

2 - телескопические системы,

3 - система взаимного перемещения области фокусировки и образца,

4 - оптическая фокусирующая система,

5 - образец,

6 - область фокусировки,

7 - компьютер,

8 - оптическая линия задержки,

9 - дихроичные зеркала,

10 - отражающие поворотные зеркала.

Стрелками указаны направления сигналов управления компьютера.

Устройство работает следующим образом. По сигналу с компьютера 7 включается импульсный лазер 1 с заданной энергией излучения. Каждой телескопической системе 2 задается определенный коэффициент расширения пучка излучения. Поворотные подвижные зеркала 10 линии задержки 8 устанавливаются в положение, соответствующее определенной задержке между парой импульсов с разными длинами волн, а система обеспечения взаимного перемещения области фокусировки и образца 3 обеспечивает фокусировку излучения в определенной области образца. После выхода из лазера 1 пучок излучения представляет собой попарно следующие друг за другом импульсы. В каждой паре импульсы отличаются длиной волны (0,51 и 0,58 мкм). Временной интервал между импульсами пары составляет несколько (˜6) нс, причем раньше в паре следует импульс с длиной волны 0,51 мкм. Первым по ходу луча дихроичным зеркалом 9 пучок разделяется на две волновые составляющие. Импульсы одной волновой составляющей проходят сквозь дихроичные зеркала 9 без отклонения. Импульсы второй составляющей отклоняются к подвижным поворотным зеркалам 10 линии задержки 8, а затем выводятся из линии задержки, отклоняясь в направлении первой составляющей. Временной интервал между парой импульсов с разной длиной волны меняется в зависимости от длины линии задержки. Расходимость и апертура первой и второй составляющей, а следовательно, и диаметр их фокусировки, изменяются телескопическими системами 2, одна из которых размещена между дихроичными зеркалами 9, а другая - между поворотными зеркалами 10. Далее импульсы обеих волновых составляющих, разделенные во времени, проходят через систему обеспечения взаимного перемещения области фокусировки и образца, которая может быть выполнена в виде системы портального типа или сканирующего зеркала 3, и с помощью фокусирующей системы 4 попадают в область фокусировки 6 образца 5. Импульс одной волновой составляющей фокусируется в объеме материала раньше импульса второй и создает в области фокусировки температурное поле и поле термоупругих напряжений требуемой величины. Энергия, выделяемая при фокусировке в единице объема материала, определяется типом материала образца и обеспечивается заданием величины энергии импульса лазера и величиной расширения или сужения пучка излучения, производимой телескопической системой. Второй импульс фокусируется в области, в которой уже сформировано температурное поле и поле термоупругих напряжений требуемой величины. Величина этой области может быть больше, меньше или равна величине области фокусировки первого импульса, но одна из них является частью другой.

Эффективность предложенного устройства проверена при получении изображения в объеме прозрачного тарного стекла. В качестве лазера использовался лазер на парах меди, с частотой следования импульсов от 10 до 25 кГц, с длинами волн излучения ₁=0,51 мкм, ₂=0,58 мкм, мощностью излучения до 20 Вт и длительностью импульса 15-20 нс. Расходимость пучка излучения составляла 0,1 мрад. В качестве системы взаимного перемещения области фокусировки излучения и образца использовалась система портального типа.

При использовании импульсов излучения с временной задержкой 10 нс между зеленой (0,51 мкм) и желтой (0,58 мкм) волновыми составляющими (первым следовал импульс с длиной волны 0,58 мкм) при величине энергии в каждом из импульсов 0,2 мДж и коэффициентах расширения пучков в телескопических системах на зеленой и желтой составляющих 2 и 1,5, соответственно, при фокусном расстоянии ахроматического объектива 14 мм, за один импульс были получены микроразрушения с продольным размером от 0,02 мм и с поперечным размером от 0,01 мм. Такая обработка позволила получить изображения с высоким разрешением, невидимые невооруженным глазом, используемые для скрытой маркировки.

Для получения хорошо различимого невооруженным глазом с высоким разрешением изображения размер поперечного разрушения при той же величине задержки составил 0,2 мм. При этом величина энергии каждого импульса составляла 0,5 мДж, а коэффициенты расширения пучков в телескопических системах на зеленой и желтой составляющих были равны 1 и 1 соответственно.

Таким образом, использование одного лазера на парах меди позволяет формировать изображения с высоким разрешением внутри прозрачных и полупрозрачных твердых материалов без усложнения конструкции.

Источники информации

1. Патент US 5637244, опубл. 19.08.1993.

2. Патент US 6509548, опубл. 21.01.2003.

3. Лябин Н.А. Разработка и исследование промышленных отпаянных лазеров на парах меди мощностью 10-50 Вт для технологического и медицинского применения. Дис. на соиск. уч. ст. кандидата технических наук. - Фрязино, 2002, с.120-126.