激光打标系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请是2022年2月3日提交的美国非临时申请号17/591,884的国际申请并且要求2021年2月5日提交的美国临时专利申请序列号63/146,488以及2021年5月4日提交的美国临时专利申请序列号63/183,789的权益，所有这些申请以其整体通过援引并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及激光打标系统，更具体地，涉及包括空间光调制器的激光打标系统及其操作方法，空间光调制器具有基于微机电系统的衍射体的多像素线性阵列。

背景技术

激光打标系统广泛的行业中用于在部件或物品的表面上创建图像或标记(比如文本、徽标、条形码、或二维QR码)。常见的标记方法包括氧化、退火、蚀刻、或烧蚀、或表面变色。激光打标的优点包括其可以在各种各样的材料上进行，是永久性的并且不需要物理接触来对工件的表面打标。

激光打标系统通常使用单个激光束，该激光束使用检流计反射镜在工件的表面上扫描并且一次打印一个点。因此，根据标记或图像中像素的大小和复杂性或密度，当前的激光打标系统可以具有两分钟或更长的标记时间来对单个工件的表面打标。此外，已经尝试使用包括空间光调制器(SLM)和硅上液晶(LCOS)调制器的激光打标系统来对更大的区域进行打印或打标，空间光调制器是比如可从Texas Instruments购得的数字式微镜器件(DMD)。然而，这些现有的SLM不能处理为了对比一次单个点更大的区域打标所需的高功率激光。

相应地，需要一种能够对比一次单个点更大的区域打标以减少打标时间并且提高系统吞吐量的激光打标系统。此外，进一步需要一种能够使用更高功率的激光来减少打标时间并且增大单次可以打标的面积的激光打标系统。

发明内容

披露了一种具有空间光调制器(SLM)的激光打标系统及其操作方法，空间光调制器包括基于微机电系统(MEMS)的衍射体的多像素线性阵列。通常，除了SLM之外，激光打标系统还包括：可操作用于照射SLM的激光器；成像光学器件，该成像光学器件可操作用于将基本上线性调制光条聚焦到工件的表面上，该线性光条包括来自SLM的多个像素的光；以及控制器，该控制器可操作用于控制SLM、激光器和成像光学器件以对工件的表面打标，从而在工件的表面上记录二维图像。

在一个实施例中，基于MEMS的衍射体中的每一个都包括悬置在衬底上的多个可静电偏转带，每个带都具有光反射表面。一个或多个带的静电偏转使从第一可静电偏转带的光反射表面反射的光与从相同或相邻衍射体中的衍射体中的带的光反射表面反射的光干涉，以调制入射到其上的光。

在另一实施例中，基于MEMS的衍射体是二维衍射体，这些衍射体各自包括：活塞层，该活塞层通过位于该衬底的拐角处的支柱悬置在该衬底的表面上，该活塞层包括可静电偏转活塞和多个挠曲部，该活塞通过这些挠曲部耦合到这些支柱；位于该活塞的顶表面上的第一反射表面；以及悬置在该活塞层上的面板，该面板包括位于该面板的顶表面上的第二反射表面、以及用于曝光该活塞的孔。活塞的静电偏转使从第一反射表面反射的光与从第二反射表面反射的光干涉，以调制入射其上的光。

下面参考附图详细描述本发明的实施例的进一步特征和优点以及本发明的各种实施例的结构和操作。注意，本发明不限于本文描述的特定实施例。本文呈现这种实施例仅用于说明的目的。基于本文所包含的教导，附加实施例对于本领域技术人员来说将是显而易见的。

附图说明

现在将仅通过举例的方式参考附图描述本发明的实施例，在附图中，对应的附图标记表示对应的部件。此外，并入本文并形成说明书一部分的附图图示了本发明的实施例，并且这些附图与描述一起进一步用于解释本发明的原理并且使相关领域的技术人员能够制造和使用本发明。

图1是包括空间光调制器(SLM)的激光打标系统的框图；

图2A至图2C是图示了包括基于带型微机电系统(MEMS)的衍射体的SLM的实施例的示意性框图；

图3A至图3C是图示了包括基于MEMS的二维(2D)衍射体的SLM的实施例的示意性框图；

图4是SLM的俯视示意性框图，其包括基于MEMS的2D衍射体(比如图3A至图3C所示的衍射体)的多像素线性阵列；

图5A和图5B是激光打标系的统实施例的示意性框图，该激光打标系统包括：具有基于MEMS的衍射体的多像素线性阵列的SLM；以及用于扫描的检流计反射镜；

图6A至图6C是图示了使用激光打标系统的单条纹和多条纹扫描的示意性框图，该激光打标系统包括用于表面改性的、具有基于MEMS的衍射体的多像素线性阵列的SLM；

图7是图示了用于激光打标系统的沿着线性阵列的竖直或纵向轴线的照明和成像光路的光学图，该激光打标系统包括用于表面改性的、具有基于MEMS的衍射体的多像素线性阵列的SLM；

图8是激光打标系统的实施例的示意性框图，该激光打标系统包括：具有基于MEMS的衍射体的多像素线性阵列的SLM；以及可以将工件固定到其的移动固定装置或平台；

图9是激光打标系统的另一个实施例的示意性框图，该激光打标系统包括具有基于MEMS的衍射体的多像素线性阵列的SLM，并且该激光打标系统的焦点在用于扫描的检流计反射镜前面；

图10是使用包括基于MEMS的SLM的表面改性系统来对表面进行改性或打标的方法的流程图；

图11A至图11C是图示了使用表面的两次或更多次扫描的交错来对表面进行改性或打标的方法的示意性框图；以及

图12A和图12B是基于MEMS的2D衍射体的线性阵列中的两个相邻的八像素组的示意性框图，图示了用于记录具有高密度图案的图像的像素成形方法。

具体实施方式

本文参考附图描述了一种激光打标系统及其操作方法，该激光打标系统包括空间光调制器(SLM)，该空间光调制器具有基于微机电系统(MEMS)的衍射体的多像素线性阵列。

在下面的描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节，以便提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明。在其他情况下，没有详细示出或以框图形式示出公知的结构和技术，以避免不必要地模糊对该描述的理解。

描述中对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。在说明书的不同地方出现的短语“在一个实施例中”不一定指同一个实施例。如本文中使用的术语“耦合”可以包括直接电连接两个或更多个部件或元件以及通过一个或多个介于中间的部件间接连接。

图1是包括空间光调制器(SLM 102)的激光打标系统100的框图，该空间光调制器具有基于微机电系统(MEMS)的衍射体(在该图中未示出)的多像素线性阵列。简言之，除了SLM 102之外，激光打标系统100还包括：激光器104，该激光器可操作用于照射SLM；成像光学器件106，该成像光学器件可操作用于将基本上线性调制光条聚焦到固定装置108或平台上的工件的表面上；以及控制器110，该控制器可操作用于控制SLM、激光器和成像光学器件从而使线性调制光条在工件的表面上扫描，以在工件的表面上记录二维(2D)图像。通常，如在所示的实施例中，激光打标系统100进一步包括照明光学器件112，该照明光学器件具有光束形成光学系统，以将矩形光束引导到SLM 102的线性阵列上。

典型地，激光器104能够以连续波(CW)模式或脉冲模式在355纳米(nm)到高达约2000nm的红外(IR)波长的紫外(UV)波长下操作，脉冲的宽度或持续时间是约1飞秒(fs)到约500纳秒(ns)，重复率是约10kHz到约300kHz，并且能量范围是约10微焦耳(μJ)最高到大于10毫焦耳(mJ)。在对激光打标系统特别有用的一个实施例中，激光器104能够在约514nm的可见光波长(λ)、约200μJ的脉冲能量、约260fs的脉冲宽度或持续时间、以及100kHz的重复率下工作。

如上所述，SLM 102包括基于MEMS的衍射体的多像素线性阵列，这些衍射体被分组或耦合以提供约10个至约1088个单独可寻址像素。合适的SLM 102包括具有以下部分的SLM：带型静电可调衍射光栅的线性阵列，比如光栅光阀(GLV

成像光学器件106可以包括使线性调制光条在工件的表面上扫描的动态光学元件、以及将调制光引导到检流计反射镜和/或将来自检流计反射镜的调制光聚焦到工件的表面上的多个静态光学元件。

用于放置或固定要打标的工件的固定装置108可以包括静态固定装置或可移动平台，该可移动平台可操作用于将工件相对于基本上静止的线性调制光条移动或重新定位，以时线性调制光条在工件的表面上扫描。在任一实施例中，无论是静态的还是可移动的，固定装置108都优选地包括多个传感器和发信号装置，以在工件处于要打标的恰当位置时向激光打标系统中的其他部件发出信号。在下文更详细描述的一些实施例中，固定装置108包括可移动平台，该可移动平台能够沿着两条正交轴线移动，从而使得能够使多个平行光条扫描以在工件上记录或打标上更大的2D图像。在其他实施例中，激光打标系统100包括具有检流计反射镜的成像光学器件106、和可移动平台(固定装置108)，该可移动平台能够沿着与检流计反射镜扫描线性调制光条的方向正交的单条轴线移动，以在工件上记录或打标上更大的2D图像。

激光器104、照明光学器件112、SLM 102、成像光学器件106、以及固持在固定装置108上的工件沿箭头114指示的方向光学耦合。此外，激光器104、照明光学器件112、SLM102、成像光学器件106、以及固定装置108通过控制总线116以信号通信的方式与控制器110电耦合，并且彼此电耦合。具体地，控制器110向SLM 102提供数字图像数据、控制激光器104的功率水平、控制成像光学器件106中的检流计反射镜的操作、以及通过控制总线116控制固定装置108(如果包括的话)的可移动平台。此外，当工件处于要打标的合适位置时，固定装置108可以向控制器110、SLM 102和/或激光器104发信号，并且当加载到SLM的图像数据准备好被记录在工件上时，SLM可以向激光器发信号，使得激光器可以发出脉冲。

可选地，如在所示实施例中一样，激光打标系统100可以进一步包括第二(一个或多个)轴线控制器118，该第二轴线控制器通过第二控制总线116与SLM 102、成像光学器件106、以及固定装置108的可移动平台(如果包括的话)以信号通信的方式电耦合，从而控制线性光条沿着两条正交轴线中的一条的移动。

现在将参考图2A至图2C描述包括基于MEMS的带型静电可调衍射体(比如GLV

参考所示的实施例中的图2A和图2B，SLM 200包括由数千个独立的、可寻址的静电致动带204构成的线性阵列202，每个带具有支撑在衬底208的表面上方的光反射表面206，其中多个带被分组在一起以形成基于MEMS的衍射体。带204中的每一个都包括电极210，并且可通过静电力穿过间隙或空腔212朝向衬底208偏转，这些静电力是当在带204中的电极210与形成在衬底中或衬底上的基电极214之间施加电压时产生的。电极210中的每一个都由驱动器218中的多个驱动通道216中的一个驱动，该驱动器可以与线性阵列202一体地形成在同一衬底208上如实施例所示，或者形成在第二衬底或芯片上并与线性阵列电耦合(未示出)。

图2B中示出了图2A的SLM 200的带204的示意性截面侧视图。参考图1B，带204包括将带支撑在衬底208的表面222上方的弹性机械层220、传导层或电极210和反射层224，该反射层包括上覆在机械层和传导层上的反射表面206。

通常，机械层220包括拉紧的氮化硅膜，并且在带204的两端处通过典型地也由氮化硅制成的多个支柱或结构柔性地支撑在衬底208的表面222上方。如图所示，导电层或电极210可以形成在机械层220上并且与该机械层直接物理接触，或者形成在机械层下面。导电层或电极210可以包括与标准MEMS制造技术兼容的任何合适的导电或半导体材料。例如，用于电极210的导电层可以包括掺杂的多晶硅(聚乙烯)层或金属层。替代地，如果反射层224是金属的，则该反射层也可以用作电极210。

单独的、离散的反射层224(如果包括了的话)可以包括与标准MEMS制造技术兼容的任何合适的金属、电介质或半导体材料，并且能够使用标准光刻技术来图案化以形成反射表面206。

在所示实施例中，多个带被分组在一起以形成大量的MEMS通道或像素226，每个由数量少得多的驱动通道216驱动。带204的偏转引起从反射表面206反射的光与从相邻带的反射表面反射的光相长干涉或相消干涉，从而使像素226能够在开或亮状态、关或暗状态或中间灰度级之间切换。特别地，要注意的是，基于MEMS的衍射体的灰度控制可以提供来自每个像素到工件的表面上的光的精确剂量，以补偿照射SLM 200的光的不均匀性或通过成像光学器件从SLM传输到工件的表面的调制光的不均匀性。

参考图2C，在适用于激光打标系统的一个实施例中，线性阵列202包括1088个可单独寻址的带204，这些带可以组合在一起以形成通道或像素226，这些通道或像素具有取决于像素大小要求的任意数量的带。此外，SLM可以包括具有高达10位振幅调制的驱动通道216(如图2A所示)，以支持灰度级，并且能够以高达350kHz的速度来调制或切换。再次参考图2C，阴影矩形图示了由指向SLM 200上的矩形光束照射的线性阵列202上的被照射区域228。在激光打标系统的一些实施例中，期望提供具有正方形纵横比的像素配置。例如，在线性阵列202包括各自具有约25μm的宽度的约带204并且被照射区域228具有约75μm的宽度的所示实施例中，带可以被分组以形成各自包括三个相邻带的部分的360个正方形像素226a。替代地，被照射区域的宽度可以减小到约50μm，并且带204可以被分组以形成512个50μm×50μm平方像素226b，这些像素各自包括两个相邻带的部分，或者被照射区域的宽度可以进一步减小到约25μm，使得每个带形成1088个25μm×25μm正方形像素226c。

基于带型MEMS的SLM 200的优点包括：

a.线性阵列202像素计数为从约1000个至约8000个像素226；

b.能够调制从355nm至1064nm(包括约514nm)的宽范围的激光波长；

c.带204的低质量和高张力使得能够实现小于约300ns的高速切换，这是数字微镜器件(DMD)高达十倍快并且是硅上液晶(LCOS)器件一千倍快；

d.调制光强度的自然模拟灰度控制，其中幅度分辨率仅受驱动通道216的位深度的限制；

e.高功率处理，这是由于带204由氮化硅制成，氮化硅是一种坚固的无定形高温陶瓷，其功率密度高达并超过10kW/cm

f.即使在高通量UV照射下也表现出非接触、高可靠性>10,000小时的寿命；

g.具有图像的无边界像素通过对角度调制的光进行空间滤波来形成，从而消除投影像素图像的“屏蔽门”效应。

现在将参考图3A至图3C和图4描述特别有利于在激光打标中使用的另一种类型的SLM，该SLM包括基于MEMS的二维(2D)衍射体的多像素线性阵列，比如可从美国加利福尼亚州圣何塞市的硅光机器公司购得的线性平面光阀(LPLV

为了清楚起见，在下面的描述中省略了制造和操作基于MEMS的二维(2D)衍射体的许多细节，这些细节是公知的并且与本发明无关。基于MEMS的2D衍射体在例如由AlexanderPayne等人于2006年6月20日发布的发明名称为“Two-Dimensional Spatial LightModulator[二维空间光调制器]”的共同转让的美国专利序列号7,064,883中有更详细的描述，该美国专利通过援引以其全文并入本文。

图3A图示了处于静止或非驱动状态的2D调制器或衍射体300的截面侧视图的示意性框图。参考图3A，2D衍射体300通常包括活塞层302，该活塞层通过位于活塞层和/或2D衍射体的拐角处的支柱306悬置在衬底304的表面上方。活塞层302包括可静电偏转活塞302a和多个挠曲部302b，活塞通过这些挠曲部柔性地或可移动地耦合到支柱306。上覆在活塞层302上的面板308包括第一光反射表面310和孔或切口部分312，该孔或切口部分将面板与活塞302a上的或附接到该活塞的第二反射表面314分开。第二光反射表面314可以直接形成在活塞302a的顶表面上，或者如实施例所示，形成在反射镜316上，该反射镜被支撑在活塞302a上方并通过从活塞延伸到反射镜的中心支柱318与活塞分开。第一光反射表面310和第二光反射表面314具有相等的面积和反射率，使得在操作中，由形成在活塞层302中或该活塞层上的电极320和衬底304中的电极322引起的活塞302a的静电偏转使从第一光反射表面310反射的光与从第二光反射表面314反射的光相长干涉或相消干涉。

通常，衬底304中的电极322耦合到驱动电路或驱动器324中的多个驱动通道中的一个，该驱动电路或驱动器可以一体地形成在与2D衍射体300相邻的或在该衍射体下面的衬底中，如所示实施例中一样。衬底304中的电极322可以通过从驱动器到电极延伸穿过衬底的通孔耦合到驱动器324，并且形成在活塞层302中或该活塞层上的电极320可以通过延伸穿过支柱306和活塞层之一的导体耦合到驱动器或电接地。如下面更详细解释的，典型地，多个单独2D衍射体300在单一驱动通道的控制下被分组或编组在一起，以用作SLM的多像素线性阵列中的单一像素。

图3B是处于活动或驱动状态的、图3A的2D衍射体300的示意性框图，示出了朝向衬底304偏转的活塞302a，并且图3C是图3A和图3B的2D衍射体的俯视图，图示了静态第一光反射表面310和可移动的第二光反射表面314。

现在将参考图4的框图描述基于MEMS的密集堆积的2D衍射体的示例性多像素线性阵列。图4是SLM 400的平面俯视图，该SLM包括2D衍射体402(比如图3A至图3C中所示的衍射体)的线性阵列401，这些衍射体一起被分组到或耦合到多个驱动通道或像素。

参考图4，在一个实施例中，沿着第一水平或纵向轴线406将2D衍射体402分组为交错通道或像素404的线性阵列401。单个像素404中的2D衍射体402中的每一个都共享共用驱动通道或驱动器408。尽管在所示实施例中，每个像素404都被描绘为具有沿着垂直于阵列的水平或纵向轴线406的横向或竖直或横向轴线410分组的单列12个2D衍射体402，但这仅仅是为了有助于阵列的图示。应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，每个通道或像素都可以包括任何数量的2D衍射体，这些衍射体跨越阵列的宽度或竖直轴线或横向轴线布置成任何长度的一列或多列。例如，在特别适用于本披露的光谱成形系统和方法的SLM400的一个实施例中，每个像素404都包括沿着阵列的横向轴线410分组的单列40个衍射体。类似地，SLM 400可以包括任意数量的像素404的阵列401或彼此首尾相邻放置的多个单独的阵列401。因为阵列401的光学有效区域通过增加每个像素的衍射体列数而变大，后一种配置可以帮助增大SLM 400的功率处理。如果每个衍射体的损坏阈值是恒定的，则功率处理可以与面积增加成比例地增大。

为了最大化SLM 400的对比度或为它提供足够的对比度，期望来自照明源的入射光具有小于衍射SLM 400的一阶衍射角(θ)的数值孔径(NA)或锥角(Θ)。SLM的衍射角(θ)被定义为在0阶模式或状态下从像素404反射的光与在正和/或负1阶模式下从同一像素反射的光之间的角度。然而，根据光栅方程，周期性表面(比如，SLM 400的阵列401)的衍射角由入射在阵列上的光的波长与周期性表面(即像素404)的特征的空间周期或间距的比率来设定。特别地，光栅方程陈述：

sinθ＝mλ/Λ

其中，θ是从表面反射的光的衍射角，m是衍射光线的阶数(整数)，λ是入射光的波长，并且Λ是衍射体402的空间或间距。当集中具有多个2D衍射体402的单个像素并且入射光是理想平面波或具有数值孔径(NA)＝0时，光由于惠更斯-菲涅耳原理而扩散。扩散角Θ定义为：

Θ＝λ/D

其中，D是像素大小。

用基于传统光栅的SLM实现足够的对比度需要借助于孔径限制照明NA(并且遭受相关的吞吐量损失)，或者通过减小单独衍射体的尺寸和空间周期或间距来提供大的衍射角。然而，后一种途径由于许多原因而存在问题，这些原因包括：需要较大、较高电压的驱动电路来驱动较小的可移动光栅元件，以及这种较小的光栅元件导致SLM的光学功率处理能力降低。

与传统的基于光栅的SLM相比，包括基于MEMS的2D衍射体402的SLM 400(比如LPLV

图5A是激光打标系统500的实施例的示意性框图，该激光打标系统包括：具有基于MEMS的衍射体的多像素线性阵列的SLM 502；以及用于扫描的检流计反射镜。为了清楚和简化附图的目的，光路被示出为展开的，使得SLM 502看起来是透光的。然而，应当理解，因为SLM 502是反射性的，所以实际的光路在SLM处被折叠成90°或更小的角度。

参考图5A，除了SLM 502之外，激光打标系统500进一步包括：激光器504，该激光器可操作以产生用于照射SLM的激光；照明光学器件506，该照明光学器件将激光引导到SLM上；成像光学器件508，该成像光学器件可操作以将基本上线性的调制光条510聚焦到工件514的表面512上，该工件在固定装置516或平台上或固定到该固定装置或平台；以及控制器518，该控制器可操作以控制SLM、激光器和成像光学器件以使线性调制光条在工件的表面上扫描，而在其上记录2D图像。

如上所述，激光器504能够以CW模式或脉冲模式在从355nm开始的UV波长到高达约2000nm的IR波长下操作，其宽度或持续时间是约1fs到约500ns，重复率是约10kHz到约300kHz，并且能量范围是约10微焦耳(μJ)到大于10毫焦耳(mJ)。

SLM 502可以包括基于MEMS的带型衍射体(比如图2A至图2C所示)的多像素线性阵列或者2D衍射体(比如图3A至图3C和图4所示)的多像素线性阵列。

照明光学器件506可以包括光束形成光学系统以将激光引导到SLM 502上。参考图5A，光束形成光学系统的元件可以包括鲍威尔透镜520、长轴准直透镜521、以及柱面短轴线聚焦透镜522，以将照明成形或聚焦成基本上均匀地延伸穿过SLM 502的线性阵列的矩形光束或照明线。

成像光学器件508可以包括：用于使线性调制光条510在工件514的表面512上扫描的检流计反射镜524；用于将调制光引导向检流计反射镜的多个柱面透镜526；用于将调制光中的0阶光束与1阶光束分离的傅立叶孔径528；以及用于将调制光聚焦到工件的表面上的傅立叶变换(FT)透镜530。

优选地，成像光学器件的柱面透镜526和FT透镜530包括熔融石英透镜，以减少聚焦到工件514的表面512上的调制光的热焦点偏移。在一些实施例中，照明光学器件506的透镜520、521、522中的一个或多个还可以包括熔融石英透镜，以减少聚焦到SLM 502上的激光的热焦点偏移。

用于放置或固定要打标的工件514的固定装置516可以包括静态固定装置或可移动平台，该静态固定装置或可移动平台可操作用于将工件相对于基本上静止的线性调制光条移动或重新定位，以使线性调制光条在工件的表面上扫描。如上所述，在任一实施例中，无论是静态的还是可移动的，固定装置516都优选地包括多个传感器和发信号装置，以在工件处于要打标的适当位置中时向激光打标系统中的其他部件发出信号。

在图5B所示的替代实施例中，固定装置516包括可移动带516a，该可移动带可操作用于使多个单独的部件或工件514a快速且有效地移动经过500的焦点，从而在该多个部件或工件上打标上或记录一个或多个图像。应当理解，因为可以将数据加载到用于SLM 502的控制器518的速度独立于并且远远大于固定装置516或带516a移动以及记录图像的速度，所以激光系统500可以定制记录在每个单独的部件或工件514/514a上的图像。这种图像可以包括例如序列号、部件号、以及部件的数据或数据表。

取决于线性调制光条510和/或要记录的图像的大小，该图像可以在沿着单一轴线跨越表面的线性调制光条510的单次扫描或单条纹中记录在工件514的表面512上，或者通过沿着垂直于线性调制光条的长轴的第一轴线在表面上的线性调制光条的多次扫描或条纹(多条纹)来记录，随后将线性调制光条沿着平行于长轴的第二轴线重新定位。

图6A至图6C是图示了使用激光打标系统(比如图5A和图5B所示的激光打标系统)的单条纹和多条纹扫描的示意性框图。

图6A图示了单条纹扫描的实施例，其中线性调制光条602沿单个方向跨越工件606的表面604移动一次从而以单遍次或扫描记录图像。应当理解，该实施例提供了最短的写入时间(在一些实施例中小于1秒)，并且可以通过在X方向上仅需要单轴扫描仪来降低激光打标系统的复杂性。然而，要注意的是，使用单条纹扫描的激光打标系统可能需要1毫焦耳或更高的较高能量激光器，这取决于SLM的线性阵列中的像素相对于线性调制光条602的物理大小，与使用更小或更短的线性调制光条602并且将多次扫描或多遍次拼接在一起以形成图像的多条纹系统相比，使用单条纹扫描的激光打标系统的分辨率和对比度可能更低。

图6B图示了多条纹扫描的实施例，其中线性调制光条602沿X方向在工件606的表面604上移动多次，随后沿Y方向对线性调制光条转位或重新定位并且沿相同的X方向重复扫描，以使用拼接在一起的多次扫描或遍次来记录图像。通过拼接在一起，可以意味着第二次以及随后的扫描与先前的扫描重叠，或者扫描在工件606的表面604上彼此邻接或相邻、基本上没有重叠。应当理解，虽然这种多条纹方法的写入时间比单条纹方法的写入时间更长，但这种多条纹方法仍然比使用DMD或LCOS调制器的现有激光打标系统的逐点方法快得多。将进一步理解，线性调制光条602的较短的长轴使得能够使用较低功率的激光器，同时在记录的图像中提供更高的分辨率和对比度。

图6C图示了多条纹扫描的另一个实施例，其中线性调制光条602在开始第二次或后续扫描之前不被重置到X轴上的初始起点，而是在Y方向上对线性调制光条转位或重新定位之后使沿X方向扫描的方向反向。应当理解，与图6B的实施例相比，该实施例提供了更短的写入时间，这是由于消除了在完成X方向上的每次扫描之后对X轴检流计反射镜或可移动平台或固定装置重新定位的需要，同时证明了分辨率和对比度方面的相同改进并且使得能够使用更低功率的激光器。如在关于图6B描述的实施例中，多次扫描或多遍次可以以重叠或非重叠遍次拼接在一起。

图7是图示了用于激光打标系统的线性阵列的沿着竖直或纵向轴线的照明和成像光路的展开光学图，示出了调制光中的0阶光束与1阶光束的分离。为了清楚和简化附图的目的，光路被示出为展开的，使得SLM 702看起来是透光的。然而，如上所述，应当理解，因为SLM 702是反射性的，所以实际光路在SLM处被折叠成锐角。

参考图7，光路从激光器704开始并且穿过变形照明光学器件706以照射SLM 702的线性阵列的基本上线性部分，并且穿过成像光学器件708从而将调制光聚焦到工件712的表面710上。在一些实施例(比如所示的实施例)中，照明光学器件706是变形照明光学器件并且可以包括鲍威尔透镜714、长轴准直透镜716、以及柱面短轴聚焦透镜718，以将照明成形或聚焦成基本上均匀地延伸穿过SLM 702的线性阵列的基本上矩形光束或照明线。成像光学器件708可以包括：多个柱面透镜720，该多个柱面透镜将调制光引导到一个或多个检流计反射镜722；第一傅立叶变换(FT)透镜724；傅立叶孔726，该傅立叶孔将调制光中的0阶光束728与正1阶光束730和负1阶光束732分离；以及第二傅立叶逆变换(FT)透镜734。

图8是激光打标系统800的另一个实施例的示意性框图，该激光打标系统包括：具有基于MEMS的衍射体的多像素线性阵列的SLM 802；以及可以将工件806固定到其的移动固定装置或平台804。参考图8，激光打标系统800进一步包括：激光器808，该激光器可操作用于生成用于照射SLM 802的激光；照明光学器件810，该照明光学器件用以将激光引导到SLM上；成像光学器件812，该成像光学器件可操作用于将基本上线性调制光条814聚焦到位于可移动固定装置或平台804上的或固定到该可移动固定装置或平台的工件806的表面816上；以及控制器820，该控制器可操作用于控制SLM、激光器和可移动平台以用线性调制光条在工件的表面上扫描从而在工件的表面上记录2D图像。

如上所述，激光器808能够以CW模式或脉冲模式在从355nm开始的UV波长到高达约2000nm的IR波长下操作，其宽度或持续时间是约1fs到约500ns，重复率是约10kHz到约300kHz，并且能量范围是约10微焦耳(μJ)到大于10毫焦耳(mJ)。

SLM 802可以包括基于MEMS的带型衍射体(比如图2A至图2C所示)的多像素线性阵列或者2D衍射体(比如图3A至图3C和图4所示)的多像素线性阵列。

照明光学器件810可以包括光束形成光学系统822，以将基本上矩形光束引导到SLM 802上。尽管在该图中未示出，但是光束形成光学系统822的元件可以包括鲍威尔透镜和长轴准直透镜，如图5和图7所示。照明光学器件810可以进一步包括柱面短轴聚焦透镜824，以讲矩形光束基本上均匀地引导或聚焦在SLM 802的线性阵列上。

成像光学器件812可以包括：第一傅立叶变换(FT)透镜826；傅立叶孔828，该傅立叶孔用于将调制光中的0阶光束与正负1阶光束分离；以及第二傅立叶逆变换(FT)透镜830，该第二傅立叶逆变换透镜用于将调制光聚焦到工件806的表面816上。如在上文描述的实施例中，成像光学器件812的FT透镜826、830可以包括熔融石英透镜，以减少聚焦到工件806的表面816上的调制光的热焦点偏移。在一些实施例中，照明光学器件810的光束形成光学系统822和聚焦透镜824的一个或多个元件还可以包括熔融石英透镜，以减少聚焦到SLM 802上的激光的热焦点偏移。

用于放置或固定要打标的工件806的固定装置或平台804可以相对于静止的、基本上线性调制光条814移动或至少沿着第一轴线或X轴移动，以执行如上文参考图6A所描述的单条纹扫描。更优选地，平台804进一步可操作用于沿着平行于线性光条的长轴的第二轴线或Y轴相对于线性调制光条814对固持在该平台上的工件806重新定位，以执行如上文参考图6B和图6C所描述的多条纹扫描之一。

图9是激光打标系统900的另一个实施例的示意性框图，该激光打标系统包括：SLM902，该SLM具有基于MEMS的衍射体的多像素线性阵列并且具有成像光学器件904，该成像光学器件包括可操作用于将调制光束聚焦在检流计反射镜906前的光学元件，这些检流计反射镜用于使调制光束跨越工件910的表面908扫描。与上面参考图5A和图5B示出和描述的实施例一样，为了清楚和简化附图，光路被示出为展开的，使得SLM 902看起来是透光的。然而，应当理解，因为SLM 902是反射性的，所以实际的光路在SLM处被折叠成90°或更小的角度。

参考图9，激光打标系统900进一步包括：激光器912，该激光器可操作用于生成用于照射SLM 902的激光；照明光学器件914，该照明光学器件将激光引导到SLM上；静态固定装置916，要打标的工件910放置或固定在该静态固定装置上；以及控制器918，该控制器可操作用于控制SLM、激光器和检流计反射镜906以使线性调制光条920在工件的表面908上扫描从而在该工件的表面上记录2D图像。应当注意，尽管从SLM 902通过成像光学器件904调制的光被示出为单独的调制光束或小光束921，以表示来自各个像素或像素组的光和暗调制光(如在上文描述的激光打标系统500、800的实施例中一样)，但激光打标系统900的成像光学器件904可操作用于将基本上线性或矩形调制光条920照射在工件910的表面908上。可选地，如在所示实施例中一样，激光打标系统900可以进一步包括位于封壳(未示出)中的窗口922，该封壳围封激光打标系统以保护检流计反射镜906。

如上所述，激光器912能够以CW模式或脉冲模式在从355nm开始的UV波长到高达约2000nm的IR波长下操作，其宽度或持续时间是约1fs到约500ns，重复率是约10kHz到约300kHz，并且能量范围是约10微焦耳(μJ)到大于10毫焦耳(mJ)。

还如上所述，SLM 902可以包括基于MEMS的带型衍射体(比如图2A至图2C所示)的多像素线性阵列或者2D衍射体(比如图3A至图3C和图4所示)的多像素线性阵列。

照明光学器件914可以包括光束形成光学系统924，以形成矩形光束并将其基本上均匀地引导到SLM 902的线性阵列上。尽管在该图中未示出，但是光束形成光学系统924的元件可以包括鲍威尔透镜和长轴准直透镜，如图5和图7所示。

根据本实施例，成像光学器件904包括：第一聚焦柱面透镜926，该第一聚焦柱面透镜位于检流计反射镜906前、用于沿着X轴将光聚集在工件910的表面908处，其中X焦点确定调制光条920的宽度；以及第二聚焦柱面透镜928，该第二聚焦柱面透镜用于沿着Y轴使光聚焦，其中Y焦点确定调制光条的高度。

最后，如在上文描述的实施例中一样，成像光学器件904的透镜926、928可以包括熔融石英透镜，以减少聚焦到工件910的表面908上的调制光的热焦点偏移。在一些实施例中，照明光学器件914的光束形成光学系统924的一个或多个元件还可以包括熔融石英透镜，以减少聚焦到SLM 902上的激光的热焦点偏移。

图10是使用包括基于MEMS的SLM的激光打标系统来对表面进行改性或打标的方法的流程图。参考图10，该方法开始于将工件定位在激光打标系统的固定装置上并且开始将数字图像数据发送到激光打标系统的SLM(1002)。当检测到工件被定位在固定装置上、数字图像数据由SLM接收、并且衍射体被安置时，从激光器生成光(1004)。通常，这可以通过经控制总线向激光器发送适当持续时间的脉冲来实现。接下来，将来自激光器的光光学耦合到SLM以基本上均匀地照射SLM的线性阵列，并且对入射在SLM上的光进行调制(1006)。然后使用成像光学器件将来自SLM的调制光投射并聚焦成工件的表面上的基本线性光条；该线性光条包括来自SLM的多个像素的光(1008)。接下来，激光器、SLM、以及成像光学器件中的扫描仪或检流计反射镜被操作以使线性调制光条在工件的表面上扫描，以在工件的表面上记录图像(1010)。然后确定多条纹是否是必要的或期望的(1012)。如果不需要多条纹，即，如果单条纹扫描足以记录所需图像，则该过程结束。如果由于图像的大小、线性调制光条的长度、或所记录的图像中的期望分辨率或对比度而需要多条纹，则沿着平行于线性光条的长轴的轴线在工件的表面上对线性调制光条重新定位或转位(1014)，并且重复该过程。

可选地，如在图10所示的实施例中一样，该方法可以进一步包括初始校准步骤(步骤1016)，在该初始校准步骤中，使用定位在固定装置上的工件或测试件上的测试标记或图案来校准激光打标系统，使用调制光强度的灰度控制来为每个像素调整投射到工件上的光的精确剂量以校准光中的不均匀性。测试标记的评估可以由激光打标系统的用户手动完成，也可以使用集成到系统中的扫描仪或相机自动完成。

图11A至图11C是图示了使用表面的两次或更多次扫描的交错来对表面进行改性或打标的方法的示意性框图。20.参考图11A，该方法开始于控制激光打标系统的激光器、SLM和成像光学器件以在第1遍次中使线性调制光条跨越工件的表面扫描，以在第一位置上打标上第一数量的点1102，并且参考图11B，第2遍次的第二次使线性调制光条在工件的表面上扫描以在与第一位置交错的第二位置上打标上第二数量的点1104，以记录期望的图像1106，如图11C所示。在这些图中，SLM沿竖直或Y方向调制，而沿水平或X方向扫描工件。应当理解，这种方法减少了SLM和成像光学器件上的热负荷。

在另一个实施例中，该方法可以进一步包括像素成形以提高具有高密度图案的图像的分辨率。图12A和图12B是基于MEMS的2D衍射体(比如LPLV

因此，已经描述了包括具有基于MEMS的衍射体的多像素线性阵列的空间光调制器(SLM)的激光打标系统的实施例以及使用激光打标系统的系统。上面已经借助于图示指定功能及其关系的实施方式的功能和示意性框图描述了本发明的实施例。为了描述的方便，这些功能构建框的边界已经在这里任意定义。只要适当地执行指定的功能及其关系，就可以定义替代边界。

具体实施例的前述说明将如此充分地揭示本发明的一般性质，使得其他人可以通过应用本领域技术内的知识，在不脱离本发明的一般构思的情况下，容易地修改和/或调整这些具体实施例的各种应用，而无需过度实验。因此，基于本文呈现的教导和指导，这些调整和修改旨在在所披露的实施例的等同物的含义和范围内。应当理解，本文中的措辞或术语是出于描述而非限制的目的，使得本说明书的术语或措辞将由本领域技术人员根据教导和指导来解释。

应当理解，具体实施方式部分而不是发明内容部分和摘要部分旨在用于解释权利要求。发明内容部分和摘要部分可以阐述发明人所设想的本发明的一个或多个但不是所有示例性实施例，因此，不旨在以任何方式限制本发明和所附权利要求。

本发明的广度和范围不应受任何上述示例性实施例的限制，而应仅根据所附权利要求及其等同物来限定。