专利名称：表面下的标记的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用高能密度束在物体上提供表面下的标记的一种方法及装置并还涉及根据所述方法或使用所述装置作标记的一种物体。
许多产品是以玻璃或塑料之类透明容器包装的，多年来就希望能在这种容器上用一种方法加上标记使得一旦加上这种标记便不能被消除。这样的作标记方法具有明显的防假冒作用并且还可以在每一个容器上作为其特定的一个代码以利于产品跟踪。
人们知道，某些诸如贵得重香水的制造商对授权销售他们的产品的零售商的销售数量与质量是有限制的。结果，其它希望另售同一产品的零售商必须利用非法的货源。制造商的利益在于取缔任何未经授权的货物转手，这种转手不但能破坏他们的声誉而且可能大量增加假冒者的活动，因为他们是不受注册的卖主所受的限制约束的。
一种现代的产品跟踪系统采用一种在发货前将定货的另售商的身份隐蔽地编码在每一个容器上的方法。然而，一旦另售商知道了这种标记的存在，只须将其去掉便可回避这一系统。如果有可能在各容器上提供一种真正不能消除的标识，这可能是诸如条形码之类的机器可读的代码，这样的系统就不会那样容易地被克服而且也不再需要依赖标记的隐蔽性了。这一条形码可以公开地加在容器上，如果愿意，也可以加在它的封装上，从而将两者唯一地连接在一起。当已经灌装的容器进入封装阶段时，可将条信码读出并用印刷，刻制，雕刻等工艺将其复制在后面的封装材料上，直到产品与封装都已准备妥发运。这时，通常要将发货的目的地标明在包装上，但是如果所提出的标识码是机器可读的，这时便可由一个简单的软件包将另售商的身份标记在包装上并将两者互相关联在一起。用这种方法，不管对外部包装上做了什么手脚，从容器本身上的消除不掉的标记上便可仍然建立产品与其予定的另售商之间的唯一的关系。
过去为了制成一个不能消除的标记，制造厂商几何无例外地依靠表面标记。然而，这种标记的问题是可以将标记所在的表面部分去掉而销毁这种标记或者在一个代用容器上加上一个相同的标记来进行仿冒。与之相反，本发明的一个目的是提供一种使用高能密度束来形成表面下的标记的方法，该标记是离开所在物体的表面的。这样一种标记具有经受得住以后的任何表面处理而同时又十分难于仿冒的优点。
使用激光辐射来给容器加标记是已知的，但所生成的标记通常是在一个特定的表面上的刻痕或者可以测出的颜色的改变。例如，美国专利第4，758，703号描述了一种在物体表面上隐蔽地编码一个显微镜可观察到的图案的方法，在这一方法中一束不聚焦的激光辐射通过一个屏蔽罩来产生所需要的图案，激光束的密度是精心控制的使得图案只蚀刻在表面上而对肉眼看不见。另一方面，美国专利第4，769，310号描述了一种在包含至少一种对辐射敏感的添加剂的陶瓷材料，釉料，玻璃陶瓷和玻璃上作标记的方法，该方法将一个激光束聚焦在要作标记的材料的表面上以在被照射的区域内诱发一种颜色改变。
与此相反，美国专利第3657085号描述了一种使用一个电子束，但也提出使用一个激光束作为代用品的可能性，来形成表面下标记的方法。该美国专利的目的是提供一种在诸如眼镜片这样的物体上作上标识标记的方法，这种标记在正常情况下是不可见的，但需要时可使其可见。为此目的，电子或激光束聚焦在放置在眼镜片上的一个屏蔽罩上使电子或激光束通过屏蔽罩的切掉部分冲击在镜片的材料上。经过与构成镜片的材料的分子的碰撞该束被散射开，结果束的动能被作为热能吸收而在镜片内产生永久性应力图案。应力图案对于肉眼是不可见的，但可在编振光的双拆射下使之可见。
根据本发明的一个第一方面，提供了在一个物体上全表面下的标记的一种方法，包括下述步骤在一个物体的表面上引导一个高能密度束，该束是可以透过该材料的，并将该束聚焦在离开表面但在物体内的一个位置上，导致材料的局部电离化并产生一个电磁辐射更难透过的区域作为标记而在表面上没有任何可检测出的改变。
为了避免疑问，这里对于一种材料所说的名词可透过是指在一种材料中该高能密度束至少能穿透到所要求的标记深度而言，这样就包括半透明的材料以及诸如彩色或毛玻璃之类的材料，它们对于可见区域中的波长上的电磁辐射的传输特征是减少了但不是消失了。名词可透过还包括对于可见区域内的波长上的电磁辐射是不透明的材料，但它们至少能够传输该高能密度束的电磁频谱的同一区域中的波长上的电磁辐射。
在一个较佳实施例中，物体的材料对于可见区域内波长上的电磁辐射是透明的，从而肉眼可以见到该标记。例如，该材料可以是玻璃或塑料。在另一个实施例中，该材料对于可见区域内的波长上的电磁辐射是不透明的，因而该标记对于肉眼是隐蔽的但可以被工作在诸如该高能密度束的电磁频谱内的一个适当波长上的光学仪器所“看见”。虽然，这种标记没有其可见的等同物的威摄效果，但它的确表示一种真正的不能消除的隐蔽标记。
在上述实施例的任何一个中，该束的焦点相对于要标记的物体是可以移动的，使得标记能具有予定的形状。例如，该标记可以是三维的和/或包括一个或多个数字、字母或符号，或者它们的一个组合，它们本身可表示一个标识、一个商标、一个机器可读码或任何其它希望的记号。
根据本发明的一个第二方面，提供了一种用于在物体上设置表面下标记的装置，包括用于产生能透过该材料的高能密度束的装置，以及用于将该束聚焦在物体内部并离开其表面的位置的一个焦点上的装置，使之产生材料的局部电离化并以增加一个区域对电磁辐射的不透明性建立一个标记而基本上没有任何可检测出的表面改变的方式。
虽然，可以理解为该高能密度束可以是一种诸如电子束那样的可聚焦粒子束，这种粒子束有足够的能量能在物体的内部形成局部电离化，但在一个较佳实施例中，用于产生该高能密度束的装置则是一台激光器。
激光辐射与物体之间相互作用的可能形式根据相关激光辐射的功率密度可分为三种类型。按功率密度的递增次序排列这三种类型为(1)光化学互相作用，包括光感应与光敏化;
(2)热互相作用，其中入射辐射被作为热能吸收;以及(3)电离相互作用，它包含被辐射材料的非热光分解。
这三种相互作用的阈值之间的差可以将需用于产生光化学互相作用的典型功率密度10-3W/cm2(瓦/平方厘米)与诸如光烧蚀与光穿透的电离化相互作用的典型功率密度1012W/cm2进行比较而清楚地展示。
为了产生材料的局部电离化，该束必须具有足够的能量来分裂分子链并在焦点上产生一个等离子体。一旦该束被去掉，等离子体冷却而形成一个局部化的损坏或破裂区，任何入射到它上面的电磁辐射都将被散射而该区域表现为具有增加了的不透明度的一个区域。
当前，市场上能够得到的有能力感应电离化相互作用的激光器只有脉冲激光器，它的峰值能量在聚焦时足以在有关材料内产生一个等离子体。在本发明的一个较佳实施例中，在焦点上该激光器的功率密度至少为107W/cm2而脉冲宽度不大于10-6秒使得每一脉冲的能量密度至少为10J/cm2(焦耳/平方厘米)而足以在激光束的焦点上引发材料的局部电离化。
如果要标记的物体对可见区域内的波长上的电磁辐射是透明的，则用于建立所需的高能密度束的装置最好是一台工作在波长1.06um上的Nd-YAG(掺钕钇铝柘榴石)激光器。
有利的是，可以设置使光束的焦点相对于物体移动的装置，具体地该装置包含至少一个设置在光径上的可动反射镜。反射镜的运动可以由使得标记的最后形状得以容易地操纵的一个计算机程序来控制而可动的反射镜本身可包含一电流计镜。虽然认为任何适当的装置都可用来移动该反射镜，诸如一台伺服电机或手动操纵杆，但电流计镜的性质提供了反应速度与使控制容易，这些都显示出超过其它控制装置的突出优点。
在另一个实施例中，用于聚焦该束的装置可包含具有可变焦距的透镜部件，它既可以是一种校准透镜，它将光束聚焦的在物体内相同的深度上而不管表面有什么样的曲率，也可以是一种变焦镜，它使得标记可以在物体内不同的深度上作出从而允许产生三维标记。
在又一个实施例中，提供了一个可见激光辐射的第二光源以便利高能密度束的对准。
根据本发明的一个第三方面，提供了一种标有标记的物体，其中的标记包括一个离开该物体的表面的一个作为局部电离化的结果的内部受破坏的区域。
在一个较佳实施例中，物体对于可见区域内的波长上的电磁辐射是透明的，从而使标记能被肉眼所见。例如，该材料可以是玻璃或塑料。然而，在另一个实施例中，该物体对于可见区域内的波长上的电磁辐射是不透明的，使得对于肉眼，标记是隐蔽的，但是在电磁频谱内一个适当波长上工作的光学仪器可以“看见”这一标记。
该标记可以是三维的和/或包含一个或多个数字、字母或符号，或者它们的组合，而有利的是该物体可包括一容器。
现在将以示例方式参照附图对本发明的一个实施例进行说明，其中
图1是根据本发明的第二方面的一个装置的示意图，以及图2是在整个图1的装置中电能分布方式的示意图。
从图1中可见，源10产生一束激光辐射12，该束12被引导冲击在物体14上，在本例中该物体是一个瓶子。由于意图使最终的表面下的标记为肉眼可见的，瓶子14选择为对电磁频谱的可见区域内的电磁辐射透明的材料构成，例如玻璃或塑料。此外，源10也是这样选择的使得瓶子14的材料对于源10所产生的激光辐射束12同样是透明的。
在所示的装置中，源10包括一个高能密度脉冲Nd-YAG(掺钕钇铝柘榴石)激光器，它发射有波长为1.06um的一个脉冲激光辐射束12，这是肉眼看可见的。脉冲束12一经从Nd-YAG激光器10射出，它便入射到一个第一反射面16上，它将束12导经一个束扩张器18与一个束混合器20到达一个第二反射面22。一个以低功率He-Ne(氦-氖)激光器24形式的第二激光辐射源设置在邻接Nd-YAG激光器10的地方并发射一个具有波长638nm的第二可见激光辐射束26。该第二束26冲击在束混合器20上而被反射到朝向第二反射面22的方向上与来自Nd-YQG激光器10的脉冲激光辐射束12重合。因而，束混合器20的必要性质是它应能传输具有波长1.06um的电磁辐射。以这种方法He-Ne激光束26向混合的He-Ne/Nd-YAG束12，26提供了便于光学对准的可见光成份。
混合以后，两个重合的束12，26在第二反射面22上被反射向一个第三反射面28并从那里再次被反射向一个第四反射面28并从那里再次被反射向一个第上反射面30。混合束12，26再一次从第四反射面30上被反射到一个头部单元(head anit)32上，从那里最终将混合束引导到瓶子14上。为了便于在从瓶子14的底部向上的不同高度上作标记，第三与第四反射面28与30连同头部单元32是整体安装的，使之在一台步进电机34(未示出)的作用下能沿一个垂直面进行调整。
在头部单元32中，混合的He-Ne/Nd-YAG束12，26顺序地入射到两个可动反射镜36与38上。两个反射镜中的第一个36是设置成向作为从第四反射面的反射结果而入射到它上面的混合束12，26的方向倾斜的，并且是以这样一种方式可动的，使得从它上面反射的束能在一个垂直平面上移动。两个反射镜中的第二个38是类似地倾斜的，但这时它是向着作为第一反射镜36的反射结果而入射在它上面的束12、26倾斜的，并且是以这样一种方式可动的，使得被反射的束12、26在一个水平面上移动。结果，对于本领域的技术人员而言，这是十分明显的，即从头部单元32发出的束12、26可由第一与第二反射镜36与38的同时运动而在任意要求的方向上移动。为了便利这一运动，两个可动反射镜36与38是安装在各自的第一与第二电流计40与42上的。虽然认为可设置任何适用的装置来控制两个反射镜36与38的运动，例如使用独立的伺服电机或者手动操纵杆，但这里所采用的方法结合了反应速度与容易控制，它们代表了超过其它控制装置的突出优点。
从头部单元32发出的混合束12、26通过透镜组件44被聚焦，该组件可包含一个或多个透镜部件。一个第一透镜部件46将束12、26聚焦在离开瓶子14的表面而在制造瓶子14的材料玻璃或塑料的厚度内的一个选定的点上。众所周知，束12、26的最大功率密度与束12、26在其焦点上的半径的平方成反比，后者又与入射到聚焦透镜46上的束12、26的半径成反比。从而，对于具有波长λ与半径R的一个入射到具有焦距f的透镜上的电磁辐射束12、26，在焦点E上的功率密度的一个一次近似由下式给出E=PR2λ2f2W/m2]]>其中P为激光器产生的功率。从这一表式中可清楚地看到束扩张器18的价值与目的，因为增大束的半径R可增大焦点的功率密度E。此外，透镜部件46是一个典型的短焦距透镜，其焦距在20mm与100mm之间，从而使在束12、26的焦点上的典型功率密度超过107W/cm2。如果Nd-YAG激光器10的脉冲宽度保持在不超过10-6秒内，则这一功率密度等价于至少10J/cm.+2的能量密度。在这一量级上的能量密度产生在玻璃或塑料材料内在入射束12、26的焦点上的局部电离化，这便导致一个破坏区的建立，它散射任何入射到它上面的电磁辐射，结果是这一区域以一种增加的不透明度而基本上在瓶子14的表面上不导致任何可检测到的改变的一个区域的方式显示为一个标记。通过使用反射镜36与38来移动束12、26的焦点可将标记做成予定的形状，尤其是可以做成包含一个或多个数字、字母或符号，或者它们的一种组合，而这本身又表示一种标识、一个商标、一个机器可读的代码或者任何其它要求的记号。
为了补偿瓶子14表面的任何曲率，可将一第二透镜部件48与聚焦透镜部件46串联地放置。如果要标记的物体14对入射束呈现一个基本上平坦的表面则将认为这样一个校准透镜是不需要的，并且如果第一透镜46具有可变的焦距且包含诸如一个平面场透镜，则对这样一个部件的需求完全是要排除的。然而，要指出的是，使用一个或多个光学部件是保证不论物体14具有怎样的表面曲率都能在该物体内一个恒定的深度上做标记的一种特别简单和精巧的方法。
如果要标记的物体14的厚度允许，也可以在透镜组件44中包含一个变焦透镜方式的第三透镜部件50，从而方便在物体14内建立三维标记。
为了安全起见，两台激光器10与24以及它们各自的束12与26是封闭在图2所示的一个安全室52中的，只有通过透镜组件44以后的混合束12、26从安全室52中射出。对两个激光器10与24以及设置在各自的束12、26的路径上的各种光学部件的接近是通过一块门板54进行的，在门板54上装有互锁装置56以防止在门板54打开时脉冲型Nd-YAG激光器10工作。要指出的是，He-Ne激光器24不需要以同样的方式安装互锁装置，因为它只在非常低的功率上工作而对于一名熟练的操作人员并不构成严重的危险。事实上，由于脉冲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对准必要的光学部件时，在对物体14进行标记以前可将激光器10关掉。
一条单相240伏供电总线经由门板互锁装置56馈送到一个设置在安全室52下面的供电分配单元58中，为了防止任何电效应干扰激光器10与24的工作，该配电单元是与安全室52绝缘的。从配电单元58向脉冲Nd-YAG激光器10与He-Ne激光器24以及用于冷却脉冲Nd-YAG激光器的一个冷却单元60供电。此外，电源电能也提供给一台步进电机34以及一台计算机62。三个AC/DC转换器与关联的稳压器提供9伏，12伏与15伏的直流稳压电源，它们被分别馈送到He-Ne激光器24以促进泵机制，送到防止脉冲Nd-YAG激光器10过早发射的另一个互锁装置10，以及到头部单元32特别是到第一与第二电流计40与42以产生第一与第二反射镜36与38的予先确定的运动。
为了在物体14内产生一个具有所要求的形状的标记，15伏直流电源被计算机62调制使之按照一个予先确定的计算机程序产生第一与第二电流计反射镜36与38的一系列运动。由于两个反射镜36与38的运动控制着焦点的位置，对Nd-YAG激光器的脉冲与两个反射镜36与38的运动进行协调可以产生具有要求的形状的局部电离化区域。如果设置了变焦透镜50，计算机62也可用于控制该透镜使得当束12、26聚焦在物体14内不同的深度上时标记成为三维的。
权利要求
1.一种在一个物体上提供表面下的标记的方法，包括下述步骤将一个高能密度束导向对该束来说其材料是透明的一个物体的表面上，以及将该束聚焦在一个离开表面而在该物体内的一个位置上使材料产生局部电离化并建立一个对电磁辐射具有增强的不透明的区域作为标记，而在表面上基本上没有任何可察觉出的改变。
2.根据权利要求1的一种方法，其中的物体对于可见区域内的波长上的电磁辐射是透明的。
3.根据权利要求1的一种方法，其中的物体对于可见区域内的波长上的电磁辐射是不透明的，使得该标记只能被在电磁频谱内一个适当的波长上工作的光学仪器看见。
4.根据以上权利要求中任何一项的一种方法，其中该束的焦点相对于要标记的物体是可以移动的，使得该标记可具有予定的形状。
5.根据权利要求4的一种方法，其中，该标记是三维的。
6.根据权利要求4或5的一种方法，其中，该标记包括一个或多个数字、字母或符号，或者它们的一个组合。
7.一种在一个物体上提供表面下的标记的装置，包括一个高能密度束的装置，所述物体的材料对它说来是透明的，以及用于将该束聚焦在物体内离开一个表面的一个位置上的装置，使得材料局部电离化并建立一个对电磁辐射具有增大了的不透明度的区域作为标记，且在表面上没有任何可以察觉出的改变。
8.根据权利要求7的一种装置，其中，该高能密度束是一个可聚焦的粒子束。
9.根据权利要求7的一种装置，其中，用于产生一个高能密度束的装置是一台激光器。
10.根据权利要求9的一种装置，其中，该激光器在焦点上具有至少10J/cm2的功率密度并以小于10-6秒的脉冲宽度脉动。
11.根据权利要求9至11中任何一项的一种装置，其中，该激光器是一台Nd-YAG激光器。
12.根据权利要求9至11中任何一项的一种装置，其中，该激光器是一台Nd-YAG激光器。
13.根据权利要求9至11中任何一项的一种装置，其中，设置了相对于物体来移动束的焦点的装置，使得标记能具有予定的形状。
14.根据权利要求13的一种装置，其中，移动束的焦点的装置包括至少一个设置在束的路径上的可动反射镜。
15.根据权利要求14的一种装置，其中，所述至少一个可动反射镜的运动是由一个计算机程序控制的。
16.根据权利要求14或15的一种装置，其中，所述至少一个可移动反射镜是一个电流计反射镜。
17.根据权利要求9至16中任何一项的一种装置，其中，用于将束聚焦的装置包括一个具有可变焦距的透镜部件。
18.根据权利要求9至17中任何一项的一种装置，其中，还设置了一个第二可见激光辐射源以便利该高能密度束的对准。
19.一种被标记的物体，其中，该标记包括一个作为局部电离化的结果的、离开该物体的一个表面的内部破坏区。
20.根据权利要求19的一种被标记的物体，其中，该物体对于可见区域内的波长上的电磁辐射是透明的。
21.根据权利要求20的一种被标记的物体，其中，该物体是玻璃或塑料的。
22.根据权利要求19的一种被标记的物体，其中，该物体对于可见区域内的波长上的电磁辐射是不透明的，从而该标记只能被在电磁频谱内一个适当波长上工作的光学仪器所看见。
23.根据权利要求19至22中任何一项的一种被标记物体，其中，该标记是三维的。
24.根据权利要求19至23中任何一项的一种被标记物体，其中，该标记包含一个或多个数字、字母或符号，或者它们的一个组合。
25.根据权利要求19至24中任何一项的一种被标记物体，其中，该物体是一个容器。
全文摘要
描述了以对电磁辐射具有增大了的不透明度的一个区域的方式在一个物体(14)上提供表面下的标记的一种方法与装置。该方法包括将一个高能密度束(12，26)导向对它说来其材料为透明的一个物体(14)的表面上，以及将束(12，26)聚焦在物体(14)内部离开表面的一个位置上从而使材料(14)局部电离化。在一个较佳实施例中，该装置包括一台激光器(10)作为一个高能密度束源并设置了装置(36，38)用于相对于物体(14)移动束(12，26)的焦点使标记能具有预定的形状。
文档编号B23K26/00GK1064038SQ9110565
公开日1992年9月2日 申请日期1991年8月15日 优先权日1990年8月15日
发明者罗伯特·马克·克勒蒙特, 尼维勒·理查德·里德格, 罗伯特·彼得·桑曼 申请人:联合蒸馏器公司