DE20120528U1

DE20120528U1 - marking

Info

Publication number: DE20120528U1
Application number: DE20120528U
Authority: DE
Original assignee: Laser Optoelektronik Z GmbH
Current assignee: Laser Optoelektronik Z GmbH
Priority date: 2001-12-19
Filing date: 2001-12-19
Publication date: 2002-03-07
Anticipated expiration: 2011-12-20

Description

MarkiervorrichtungMarking device

Die Erfindung betrifft eine Markiervorrichtung zum Erzeugen einer optischen Markierung oder dergleichen Abbildung auf einem Objekt, mit einer Laserdiode oder dergleichen Lichtquelle zum Erzeugen eines Lichtbündels, wobei im Strahlengang des Lichtbündeis eine Fokussieroptik und eine diffraktive Strahlformungsoptik zum Erzeugen der optischen Markierung angeordnet sind.The invention relates to a marking device for producing an optical marking or similar image on an object, with a laser diode or similar light source for producing a light beam, wherein a focusing optics and a diffractive beam shaping optics for producing the optical marking are arranged in the beam path of the light beam.

Eine derartige Markiervorrichtung ist aus der Praxis bekannt. KO Sie hat sich vor allem bei Anwendungen bewährt, bei denen auf einem Werktisch oder einer Arbeitsplatte Positionen, an denen ein Werkstück, ein Spannwerkzeug und/oder ein Bearbeitungswerkzeug positioniert werden soll, auf einfache Weise markiert werden sollen. Dabei ist-es sogar möglich, mittels der Markiervorrichtung eine Konturlinie auf dem Werktisch zu projizieren, anhand der die Lage-, in der das Werkstück auf dem Werktisch zu positionieren ist, ersichtlich ist. In entsprechender Weise kann mit Hilfe der Markiervorrichtung aber auch das Werkstück selbst optisch markiert werden, um beispielsweise an der markierten Stelle ein Bearbeitungswerkzeug und/oder ein weiteres Werkstück oder Objekt zu.positionieren.Such a marking device is known from practice. It has proven itself particularly useful in applications where positions on a work table or worktop at which a workpiece, a clamping tool and/or a machining tool are to be positioned are to be marked in a simple manner. It is even possible to use the marking device to project a contour line onto the work table, which shows the position in which the workpiece is to be positioned on the work table. In a similar way, the workpiece itself can also be optically marked using the marking device, for example to position a machining tool and/or another workpiece or object at the marked location.

Zum Erzeugen der optischen Markierung weist die Markiervorrichtung eine Laserdiode als Lichtquelle auf, die aus einer Batterie oder einem Akku mit Strom versorgt wird. Zum Fokussieren des Laserstrahls auf das zu markierende Objekt ist im Strahlengang des von der Laserdiode emittierten Laserstrahls eine Fokussierlinse angeordnet. Zwischen der Fokussierlinse und dem Objekt ist eine diffraktive Strahlformungsoptik im Strahlengang vorgesehen, welche den Querschnitt des Laserstrahls entsprechend der auf das Objekt zu projizierenden Markierung formt.To generate the optical marking, the marking device has a laser diode as a light source, which is powered by a battery or rechargeable battery. To focus the laser beam on the object to be marked, a focusing lens is arranged in the beam path of the laser beam emitted by the laser diode. Between the focusing lens and the object, a diffractive beam-forming optic is provided in the beam path, which shapes the cross-section of the laser beam according to the marking to be projected onto the object.

Die Markiervorrichtung weist jedoch noch einen relativ komplizierten Aufbau auf, der einerseits eine Miniaturisierung der Markiervorrichtung erschwert. Andererseits ist aber auch die Herstellung der Markiervorrichtung noch relativ aufwendig, da die Fokussierlinse, die diffraktive Strahlformungsoptik und die Laserdiode bei der Montage exakt relativ zueinander positoniert werden müssen.However, the marking device still has a relatively complicated structure, which on the one hand makes miniaturization of the marking device difficult. On the other hand, the production of the marking device is still relatively complex, since the focusing lens, the diffractive beam-forming optics and the laser diode must be positioned precisely relative to one another during assembly.

Es besteht deshalb die Aufgabe, eine Markiervorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die kostengünstig herstellbar ist und einen einfachen Aufbau aufweist.The object is therefore to create a marking device of the type mentioned above which can be produced cost-effectively and has a simple structure.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, dass die Fokussieroptik und die Strahlformungsoptik durch ein einstückiges, eine diffraktive Lichteintrittsfläche und eine diffraktive Lichtaustrittsfläche aufweisendes optisches Element gebildet sind.The solution to this problem is that the focusing optics and the beam shaping optics are formed by a one-piece optical element having a diffractive light entry surface and a diffractive light exit surface.

In vorteilhafter Weise braucht dann bei der Herstellung der Markiervorrichtung nur ein einziges optisches Element gefertigt und an der Laserdiode oder der Lichtquelle positioniert zu werden. Die Montage der einzelnen Komponenten der Markiervorrichtung ist dadurch gut automatisierbar, was eine kostengünstige Herstellung der Laserdiode ermöglicht. Da eine zusätzliche Fokussierlinse eingespart wird, weist die Markiervorrichtung 5 außerdem einen besonders kompakten und platzsparenden Aufbau auf. Die diffraktive Oberflächenstruktur kann ein binäres oder mehrstufiges Höhenprofil aufweisen und insbesondere als Fres-Advantageously, only a single optical element needs to be manufactured and positioned on the laser diode or the light source when producing the marking device. The assembly of the individual components of the marking device can therefore be easily automated, which enables the laser diode to be produced cost-effectively. Since an additional focusing lens is saved, the marking device 5 also has a particularly compact and space-saving design. The diffractive surface structure can have a binary or multi-level height profile and can be used in particular as a fres-

nellinse ausgebildet sein. Diffraktive Oberflächenstrukturen sind als solche bekannt, beispielsweise aus dem Aufsatz &ldquor;Mikrooptische Elemente, Funktionen und lithographische Herstellungstechnologien" von Ernst-Bernhard Kley u.a., LaserOpto, Heft 33, Seite 78 bis 83 (3/2001), der hiermit in die Offenbarung miteinbezogen wird.nel lens. Diffractive surface structures are known as such, for example from the article "Micro-optical elements, functions and lithographic production technologies" by Ernst-Bernhard Kley et al., LaserOpto, Issue 33, pages 78 to 83 (3/2001), which is hereby incorporated into the disclosure.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Lichteintrittsfläche des optischen Elements zur Fokussierung des Lichtbündels und die Lichtaustrittsfläche zum Formen des Lichtbündels entsprechend der zu erzeugenden optischen Markie-In a preferred embodiment of the invention, the light entry surface of the optical element is designed to focus the light beam and the light exit surface is designed to shape the light beam according to the optical marking to be produced.

^ rung ausgebildet. Es ist aber auch eine umgekehrte Anordnung möglich, bei welcher die Lichteintrittsfläche des optischen Elements zum Erzeugen der optischen Markierung und die Lichtaustrittsfläche zur Fokussierung des Lichtbündels ausgebildet ist. Durch diese Maßnahmen kann die optische Markierung mit großer Präzision und Abbildungsqualität auf das Objekt projiziert werden. Außerdem ergibt sich ein einfaches Design der optisch wirksamen Grenzflächen des optischen Elements, was bei der Konstruktion des optischen Elements entsprechend geringe Entwicklungskosten und eine schnelle Anpassung des Designs der Grenzflächen an die jeweilige Applikation ermöglicht.^ tion. However, a reverse arrangement is also possible, in which the light entry surface of the optical element is designed to produce the optical marking and the light exit surface is designed to focus the light beam. These measures enable the optical marking to be projected onto the object with great precision and image quality. In addition, the optically effective interfaces of the optical element can be designed simply, which enables correspondingly low development costs when constructing the optical element and rapid adaptation of the interface design to the respective application.

Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist dasIn a practical embodiment of the invention, the

K5 optische Element beabstandet zu der Lichtquelle angeordnet und es ist eine Verstellvorrichtung zum Einstellen des Abstands zwischen der Lichtquelle und dem optischen Element vorgesehen.K5 optical element is arranged at a distance from the light source and an adjustment device is provided for adjusting the distance between the light source and the optical element.

Die Lage der Ebene, in der die optische Markierung scharf abgebildet wird, kann dann durch Einstellen der Verstellvorrichtung auf einfache Weise in ihrem Abstand zu der Laserdiode oder Lichtquelleverändert und somit an die jeweils gewünschte Anwendungen angepasst werden.The position of the plane in which the optical marking is sharply imaged can then be easily changed in terms of its distance from the laser diode or light source by adjusting the adjustment device and thus adapted to the respective desired application.

Besonders vorteilhaft ist, wenn die Laserdiode einen in einem Gehäuse angeordneten Halbleiterchip aufweist, wenn das Gehäuse eine Öffnung für den Lichtaustritt aufweist, und wenn das optische Element als Fenster in diese Öffnung eingesetzt ist.It is particularly advantageous if the laser diode has a semiconductor chip arranged in a housing, if the housing has an opening for the light exit, and if the optical element is inserted into this opening as a window.

· · · i &iacgr;&iacgr;· · · i &iacgr;&iacgr;

Das optische Element bildet dann einen integralen Bestandteil der Laserdiode oder Lichtquelle, so dass für die Strahlerzeugung und die für die Projektion der Markierung auf das Objekt erforderliche Optik praktisch nur ein einziges Bauelement benötigt wird. Das optische Element erfüllt dabei eine Doppelfunktion, nämlich einerseits den Lichtstrahl zu fokussieren und zu formen und andererseits aber auch die Öffnung des Gehäuses abzudichten und somit den Halbleiterchip vor Verschmutzung, Feuchtigkeit und dergleichen Medien zu schützen. Außerdem &Iacgr; 0 ermöglicht die Integration des optischen Elements in die Gehäuse-Öffnung eine sehr kompakte, gut miniaturisierbare Markier- ^k vorrichtung.The optical element then forms an integral part of the laser diode or light source, so that practically only a single component is required for beam generation and the optics required for projecting the marking onto the object. The optical element fulfils a dual function, namely, on the one hand, to focus and shape the light beam and, on the other hand, to seal the opening of the housing and thus protect the semiconductor chip from dirt, moisture and similar media. In addition, the integration of the optical element into the housing opening enables a very compact, easily miniaturizable marking device.

Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:An embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the drawing.

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Markiervorrichtung, die eine Laserdiode aufweist, in deren Strahlengang ein optisches Element angeordnet ist, die beidseitig diffraktive optische Grenzflächen aufFig. 1 is a schematic representation of a marking device comprising a laser diode in whose beam path an optical element is arranged, which has diffractive optical interfaces on both sides on

weist,indicates,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines diffraktiven optischen Elements,Fig. 2 is a perspective view of a diffractive optical element,

Fig. 3 eine Seitenansicht einer Markiervorrichtung, die eine Laserdiode aufweist, in die ein diffraktives optisches Element integriert ist, undFig. 3 is a side view of a marking device comprising a laser diode in which a diffractive optical element is integrated, and

Fig. 4 eine Aufsicht auf die Lichtabstrahlseite der Laserdiode .Fig. 4 is a plan view of the light emitting side of the laser diode.

Eine im ganzen mit 1 bezeichnete Markiervorrichtung zum Erzeugen einer optischen Markierung 2 auf einem Objekt weist eine Laserdiode 3 zum Erzeugen eines divergenten Lichtbündels 4 auf. Das Lichtbündel 4 ist in Fig. 1 nur schematisch dargestellt und weist einen etwa rechteckigen, oder ovalen Querschnitt auf, derA marking device, designated as a whole by 1, for producing an optical marking 2 on an object has a laser diode 3 for producing a divergent light beam 4. The light beam 4 is only shown schematically in Fig. 1 and has an approximately rectangular or oval cross-section, which

ausgehend von einer Lichtabstrahlstelle 5 der Laserdiode 3 zu der Markierung 2 zunimmt.starting from a light emission point 5 of the laser diode 3 to the marking 2.

Im Strahlengang dieses Lichtbündels 4 ist zwischen der Laserdi-5 ode 3 und dem Objekt eine optisches Element 6 angeordnet, das eine der Abstrahlseite der Laserdiode 2 zugewandte diffraktive Lichteintrittsfläche 7 und an ihrer gegenüberliegenden Seite eine diffraktive Lichtaustrittsfläche 8 aufweist. In Fig. 2 sind die diffraktiven optischen Oberflächenbereiche des optisehen Elements 6 nur schematisch als von einer Ebene abweichende Oberflächenstruktur dargestellt. Die diffraktiven optischen Oberflächenbereiche können in an sich bekannter Weise bei-™ spielsweise photolithographisch oder mittels eines entsprechenden Replikationswerkzeugs hergestellt werden.In the beam path of this light beam 4, an optical element 6 is arranged between the laser diode 3 and the object, which has a diffractive light entry surface 7 facing the emission side of the laser diode 2 and a diffractive light exit surface 8 on its opposite side. In Fig. 2, the diffractive optical surface areas of the optical element 6 are only shown schematically as a surface structure deviating from a plane. The diffractive optical surface areas can be produced in a manner known per se, for example photolithographically or by means of an appropriate replication tool.

Die Lichteintrittsfläche 7 ist zur Fokussierung des Lichtbündels 4 und die Lichtaustrittsfläche 8 zum Formen des Lichtbündels 4 in ein Lichtbündel 4' mit einem der optischen Markierung entsprechendem Querschnitt ausgebildet, der bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 3 etwa die Form eines Fadenkreuzes aufweist. In entsprechender Weise können aber auch beliebige andere Markierungen auf das Objekt projiziert werden, wie z.B. eine unterbrochene oder durchgehende Linie, ein Kreis, ein Pfeil oder dergleichen Symbol.The light entry surface 7 is designed to focus the light beam 4 and the light exit surface 8 is designed to form the light beam 4 into a light beam 4' with a cross-section corresponding to the optical marking, which in the embodiment according to Fig. 1 and 3 has approximately the shape of a crosshair. In a corresponding manner, however, any other markings can also be projected onto the object, such as a broken or continuous line, a circle, an arrow or similar symbol.

Die Abstände zwischen einer der Lichteintrittsfläche 7 zugeordneten optischen Hauptebene und der Lichtabstrahlstelle 5 der Laserdiode 3 einerseits sowie zwischen dieser Hauptebene und der optischen Markierung 2 auf dem Objekt andererseits sind derart aufeinander abgestimmt, dass die Lichtabstrahlstelle 5 der Laserdiode 3 auf das Objekt abgebildet wird, das heißt es wird eine konturenscharfe Markierung auf die Objektoberfläche projiziert.The distances between a main optical plane assigned to the light entry surface 7 and the light emission point 5 of the laser diode 3 on the one hand and between this main plane and the optical marking 2 on the object on the other hand are coordinated with one another in such a way that the light emission point 5 of the laser diode 3 is imaged onto the object, i.e. a sharply contoured marking is projected onto the object surface.

Die Laserdiode 3 weist einen in der Zeichnung nicht näher dargestellten, an sich bekannten Halbleiterchip auf, der in einem eine Lichtaustritts-Öffnung aufweisenden Bauelement-The laser diode 3 has a semiconductor chip, not shown in detail in the drawing, which is known per se and which is mounted in a component housing having a light exit opening.

• ··

Gehäuse 9 angeordnet ist. In Fig. 1 und 3 ist erkennbar, dass das Gehäuse 9 einen etwa zylindrischen vorderen Gehäuseabschnitt mit der daran angeordneten Lichtaustritts-Öffnung und an seinem gegenüberliegenden Ende einen Ringbund hat, der seitlieh über den vorderen Gehäuseabschnitt übersteht. Die Laserdiode 3 ist über eine in der Zeichnung nicht näher dargestellte Halterung mit einem Gerätegehäuse verbunden, welches die Laserdiode 3, eine zu deren Stromversorgung vorgesehene Batterie &Iacgr;0 sowie eine an sich bekannte Ansteuerschaltung 1T für die Laserdiode 3 aufnimmt. Selbstverständlich kann die Markiervorrichtung 1 aber auch aus einem Akku, einer Solarzelle oder dem ) Stromnetz mit Strom versorgt werden.Housing 9 is arranged. In Fig. 1 and 3 it can be seen that the housing 9 has an approximately cylindrical front housing section with the light exit opening arranged thereon and at its opposite end an annular collar which projects laterally beyond the front housing section. The laser diode 3 is connected via a holder not shown in detail in the drawing to a device housing which accommodates the laser diode 3, a battery λ0 provided for its power supply and a control circuit 1T known per se for the laser diode 3. Of course, the marking device 1 can also be supplied with power from a rechargeable battery, a solar cell or the power grid.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 3 ist das optische Element 6 in die Lichtaustritts-Öffnung des Gehäuses 9 eingesetzt. In Fig. 2 und 4 ist erkennbar, dass das optische Element 6 etwa kreisscheibenförmig ausgebildet ist und mit seiner Mittelachse konzentrisch zur Mittelachse des Gehäuses 9 angeordnet ist. An seinem Außenrand ist das optische Element 6 mit einem Dichtmittel, wie z.B. einem Klebstoff, dichtend mit dem die Öffnung umgrenzenden Gehäuserand verbunden. An seiner Rückseite weist das Gehäuse 9 Anschlusskontakte auf, die mit elektrischen Anschlüssen der Ansteuerschaltung 1 1 verbunden sind.
'25In the embodiment according to Figure 3, the optical element 6 is inserted into the light exit opening of the housing 9. In Figures 2 and 4 it can be seen that the optical element 6 is approximately circular disk-shaped and is arranged with its central axis concentric to the central axis of the housing 9. At its outer edge, the optical element 6 is connected to the housing edge surrounding the opening with a sealing agent, such as an adhesive. On its rear side, the housing 9 has connection contacts that are connected to electrical connections of the control circuit 11.
'25

/Schutzansprüche/Protection claims

Claims

1. Marking device ( 1 ) for producing an optical marking ( 2 ) or similar image on an object, with a laser diode ( 3 ) or similar light source for producing a light beam ( 4 , 4 '), wherein a focusing optics and a diffractive beam-shaping optics for producing the optical marking ( 2 ) are arranged in the beam path of the light beam ( 4 , 4 '), characterized in that the focusing optics and the beam-shaping optics are formed by a one-piece optical element ( 6 ) having a diffractive light entry surface ( 7 ) and a diffractive light exit surface ( 8 ).

2. Marking device ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the light entry surface ( 7 ) of the optical element ( 6 ) is designed to focus the light beam ( 4 , 4 ') and the light exit surface ( 8 ) is designed to shape the light beam ( 4 , 4 ') in accordance with the optical marking ( 2 ) to be produced.

3. Marking device ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the light entry surface ( 7 ) of the optical element ( 6 ) is designed to shape the light beam ( 4 , 4 ') in accordance with the optical marking ( 2 ) to be produced and the light exit surface ( 8 ) is designed to focus the light beam ( 4 , 4 ').

4. Marking device ( 1 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the optical element ( 6 ) is arranged at a distance from the light source and that an adjusting device is provided for setting the distance between the light source and the optical element ( 6 ).

5. Marking device ( 1 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the laser diode ( 3 ) has a semiconductor chip arranged in a housing ( 9 ), that the housing ( 9 ) has an opening for the light exit, and that the optical element ( 6 ) is inserted as a window in this opening.