CN108698164A - 处理3d激光扫描仪系统中的校准数据的方法 - Google Patents

Abstract

一种方法，包括：确定(i)校准图案的一组预期图案位置与(ii)所述校准图案的一组测量图案位置之间的一组图案位置误差，所述校准图案在被定位在激光系统的激光处理场中的激光目标上并且是基于与所述激光系统的扫描光学器件相关联的一组初始扫描光学器件致动校正产生的；基于所述一组初始扫描光学器件致动校正来确定一组扫描光学器件致动速率；以及基于所述一组扫描光学器件致动速率和所述一组图案位置误差来更新所述一组初始扫描光学器件致动校正，以便形成与所述一组图案位置误差的至少一部分的减少相关联的一组更新的扫描光学器件致动校正。

Description

处理3D激光扫描仪系统中的校准数据的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年1月19日提交的美国临时专利申请No.62/280,668、2016年6月23日提交的美国临时专利申请No.62/344,988以及2016年9月29日提交的美国临时专利申请No.62/401,775的权益，以上专利申请全文以引用方式并入本文。

技术领域

本公开涉及激光扫描场校准。

背景技术

随着高速、高分辨率电流计(galvanometric)激光扫描系统的可用性变得越来越普遍并且已出现了用于此类系统的各种激光处理应用，这些系统的增加的光学校准性能已变得越来越苛刻。光学扫描设备通常包括两个大致正交的旋转镜，其需要校准以便将镜命令角度转换成一个或多个预定工作距离处的空间目标位置。高分辨率应用可以受益于小于10μrad的镜致动器分辨率，但是由于在扫描系统的观测场(field of regard)范围内命令光束位置和实际光束位置之间的校准较差，因此在实践中难以实现此类分辨率。校准问题通常由于与扫描系统的构造公差以及意图的激光处理目标集成到激光扫描系统或应用中之后的位置或取向相关联的误差而复杂化。因此，仍然需要可以在激光扫描系统中实现几μrad的精度的改进的校准方法。

发明内容

在本发明所公开的技术的一些示例中，方法包括确定(i)校准图案的一组预期图案位置与(ii)所述校准图案的一组测量图案位置之间的一组图案位置误差，所述校准图案在被定位在激光系统的激光处理场中的激光目标上并且是基于与所述激光系统的扫描光学器件相关联的一组初始扫描光学器件致动校正产生的；基于所述一组初始扫描光学器件致动校正来确定一组扫描光学器件致动速率；以及基于所述一组扫描光学器件致动速率和所述一组图案位置误差来更新所述一组初始扫描光学器件致动校正，以便形成与所述一组图案位置误差的至少一部分的减少相关联的一组更新的扫描光学器件致动校正。在其他示例中，所述一组扫描光学器件致动速率对应于描述所述一组初始扫描光学器件致动校正的表面函数的导数，并且对所述一组初始扫描光学器件致动校正的所述更新包括评估所述激光处理场中的多个位置处的所述表面函数导数，以及将所述相应的表面函数导数值乘以所述相应的图案位置误差以定义相应的乘积，以及利用所述相应的乘积来修改所述相应的初始扫描光学器件致动校正。

在本发明所公开的技术的附加示例中，装置包括：激光源，所述激光源被定位成生成至少一个处理光束；扫描系统，所述扫描系统被定位成接收所述处理光束并且包括一个或多个扫描光学器件，所述一个或多个扫描光学器件被定位成将所述处理光束引导至激光处理场中与目标相关联的位置；以及控制器，所述控制器耦接到所述激光源和所述扫描系统并且被定位成基于一组扫描光学器件致动校正在所述激光处理场中引导所述处理光束，所述一组扫描光学器件致动校正是根据与一组初始扫描光学器件致动校正相关联的一组扫描光学器件致动速率并且根据对应于一组预期图案位置与一组测量图案位置之间的差异的一组图案位置误差来确定的，其中所述一组测量图案位置对应于利用所述一组初始扫描光学器件致动校正产生的处理光束位置。在一些示例中，所述控制器包括至少一个处理器和包括存储的指令的一个或多个计算机可读存储介质，所述指令响应于由所述至少一个处理器执行，使得所述控制器将所述一组测量图案位置与所述一组预期图案位置进行比较来确定所述一组图案位置误差，以将所述一组图案位置误差曲线拟合至第一函数并且将所述一组初始扫描光学器件致动校正曲线拟合至第二函数，以及基于所述第一函数和对应于所述一组扫描光学器件致动速率的所述第二函数的导函数来修改所述一组初始致动校正。

根据下面参考附图进行的详细描述，本发明所公开的技术的前述和其他特征和优点将变得更加明显。

附图说明

图1示出了可校准激光系统的示例的示意图。

图2示出了具有多个子场的可校准激光系统的另一个示例的示意图。

图3示出了另一个可校准激光系统示例的示意图。

图4是示例校准方法的流程图。

图5是示例计算环境的示意图。

图6A-图6B分别示出了致动校正和致动校正速率的图示。

图6C示出了激光校准目标的平面图。

图7A-图7B分别示出了致动校正和致动校正速率的图示。

具体实施方式

如在本申请和权利要求书中所使用的，除非上下文另有明确指出，否则单数形式的词语“一”、“一个”和“该”包括复数形式。此外，术语“包括”表示“包含”。此外，术语“耦接”不排除耦接项之间存在中间元件。

于此描述的系统、装置和方法不应被解释为以任何方式进行限制。相反，本公开涉及各种公开的实施例的所有新颖的和非显而易见的特征和方面，单独地以及彼此的各种组合和子组合。所公开的系统、方法和装置不限于任何特定方面或特征或其组合，所公开的系统、方法和装置也不要求存在任何一个或多个特定优点或解决问题。任何操作理论都是为了便于解释，但所公开的系统、方法和装置不限于此操作理论。

尽管为了便于表示，以特定的相继顺序描述了某些公开的方法的操作，但是应该理解的是，除非通过在下阐述的特定语言要求特定的顺序，否则应当理解这种描述的方式涵盖重新安排。例如，顺序描述的操作在一些情况下可以被重新安排或同时执行。而且，为了简单起见，附图可能没有示出所公开的系统、方法和装置可以用以与其他系统、方法和装置结合使用的各种方式。此外，该描述有时使用术语诸如“产生”和“提供”来描述所公开的方法。这些术语是对所执行的实际操作的高水平的抽象概念。对应于这些术语的实际操作将根据具体实施而有所不同，并且容易被本领域的普通技术人员所辨别。

在一些示例中，值、过程或装置被称为“最低”、“最佳”、“最小”等。应该理解，此类描述旨在表示可以对许多所使用的功能替代项进行选择，并且这样的选择不不必更好、更小或以其他方式优于其他选择。

在图1中，激光系统100的示例被示出为包括激光源102，该激光源被定位成产生处理光束104，该处理光束通过光纤108光学耦接到扫描系统106。在一些示例中，扫描系统106包括电流计扫描仪，该电流计扫描仪包括至少一个扫描光学器件诸如一对扫描镜110、112，该扫描镜利用镜致动器114、116围绕相应的扫描轴旋转，使得可以基于旋转将处理光束104引导至目标118上选定的坐标位置。扫描系统106通常包括聚焦系统，该聚焦系统包括聚焦光学器件120，该聚焦光学器件被定位成接收来自电流计扫描仪的处理光束104并将处理光束104聚焦在与镜110、112的角位置相关联的选定坐标位置处的目标118处。在一些示例中，聚焦光学器件120是f-θ透镜，该f-θ透镜在聚焦光学器件120的图像平面处包括合适地平坦的聚焦场，该聚焦场对应于目标118处、邻近目标118或与目标118相关联的表面。扫描系统106的各种组件(包括镜110和112、镜致动器114和116以及聚焦光学器件120)限定了预定观测场122，在该观测场上可以相对于处理光束104的命令坐标以合适水平的精度、准确度和分辨率扫描处理光束104。

在一些示例中，目标118能够随平移台124相对于处理光束104的传播方向(包括沿X方向、Y方向、Z方向或X、Y或Z的组合)在各个方向上移动，诸如线性移动或旋转移动。在其他示例中，平移台124可以包括输送机系统，该输送机系统沿大致垂直于处理光束104的选定方向(诸如X或Y)平移目标118。在各种系统中，观测场122具有矩形或正方形形状，但是应当理解，其他形状也是可能的，包括圆形、椭圆形等。在一些输送机系统中，观测场122的一个或多个边缘可以平行于输送机移动方向延伸。目标118可以包括一个或多个基准点(fiducial)126a至126d或其他特征，使得目标118可以相对于观测场122对准，诸如利用一个或多个对准相机128，该一个或多个对准相机128被定位成观察观测场122的部分以便检测基准点126a至126d。

聚焦光学器件120接收处理光束104并将其聚焦到观测场122中的位置处的光斑130。控制器132耦接到扫描系统106并且被配置为将基于激光图案命令136的命令信号134发送至镜致动器114、116。镜致动器114、116产生镜110、112的对应的旋转，这将产生光斑130的对应的移动。在典型示例中，基于与控制器132的微控制器单元(MCU)138相关联的各种信号容量，诸如20位、16位、12位、8位等，可以将镜110、112的旋转命令为各种分辨率，包括小于或等于100μrad、50μrad、20μrad、10μrad、5μrad、1μrad、0.5μrad或甚至0.3μrad。在命令信号134具有20位的位深度和小于0.3μrad的对应的旋转分辨率的情况下，观测场122可能增大或扫描系统106和目标118之间的工作距离可能增大或两者均可增大，并且可以对于各种大场尺寸在目标118的工作表面处实现亚微米级位置精度。在一个示例中，一米宽的观测场122和20位的命令信号可以对应于沿宽度方向(例如，X、Y)的目标118处的0.95μm/位的分辨率。处理光束104的光斑130可以具有各种尺寸，包括在聚焦或未聚焦位置处。例如，扫描系统106可以包括光束扩展器，该光束扩展器可以增大目标118处的光斑130的尺寸，或者可以利用聚焦机制使光斑130散焦，使得处理光束104的较大的散焦横截面位于目标118处。

在典型示例中，激光图案命令136包括X和Y坐标位置，其中处理光束104定位在观测场122中或者在观测场中移动，以便激光处理目标118。为了在观测场122上在对应于将利用处理光束104在目标118上产生的激光图案的预期位置的激光图案命令136与利用处理光束104在目标118上产生的激光图案的实际位置之间提供精度，控制器132包括提供位数量和校正的镜控制校正表140。因此，基于镜控制校正表140中对应的位数量和校正通过控制器138来生成用于观测场122中特定坐标位置的命令信号134。扫描系统106的扫描光学器件和其他组件通常在内部命令位置之间具有高度非线性的关系，内部命令位置诸如是镜110、112的命令旋转位置以及处理光束104在观测场122中对应的X和Y位置。

提供了在整个观测场112上将诸如镜110、112的扫描光学器件的位置预测性地映射到每个场位置的校准过程。为了确定位置误差以使得其被减小，包括场探头144的坐标测量机(CMM)142可以光学耦接到观测场122。可以利用处理光束104在目标118上形成多个校准图案部分146a至146i以提供可由场探头144检测的校准图案147。校准图案147可以具有对应于校准图案命令的各种形状，包括线性或周期性地隔开的线、点、圆、弧、函数等的网格，非线性隔开的网格，随机或伪随机图案形状等。CMM 142可以包括一个或多个数据存储装置或数据分析器148，其可以存储或分析所测量的校准图案数据，使得所测量的校准图案数据可以被发送至控制器132。市售的各种CMM仪器可以以亚微米级测量精度测量对象，诸如目标118，该目标在观测场122中具有校准图案147。也可以使用能够提供高精度测量的其他非CMM设备。

实现如上所述对应于命令位置与实际位置之间的非线性关系的精度可以取决于处理光束104在观测场122中的预期位置与处理光束104在观测场中的如由CMM 142测量的实际位置之间的误差差异的测量精度，并且还取决于对非线性关系进行编码或使用的一个或多个计算过程。例如，扫描系统106能够实现具有高分辨率的高性能精度，但是可能受到处理错误数据的限制。对于扫描系统106，形成了将对象空间(例如，XY、Z等)中的位置映射至扫描光学器件的致动的计算模型，诸如由镜致动器114、116提供的镜110、112的镜旋转角度。计算模型建立了预测性地调节扫描光学器件致动的关系。对于二维扫描示例，该模型可以描述预测性地调节镜110、112的角度旋转以使得处理光束104的主光线150在观测场122的坐标系中的任何对应的命令X、Y位置处与目标118相交的关系。一般来讲，计算模型是分析计算模型，其结合了镜110、112的几何特性和其他参数、以及镜110和112、镜致动器114和116的动态响应、以及扫描系统106的其他硬件动态特性和与命令信号134相关联的延迟或其他定时动态特性。因此，分析模型可以在激光系统100的扫描系统106或其他组件中具有物理基础。

在典型示例中，镜控制校正表140填充有与观测场122上单独的X、Y位置相关联的单独的位值，单独的X、Y位置对应于分析模型的预测。在一些示例中，镜控制校正表140填充有对应于一个或多个任意函数的值。镜控制校正表140还可以包括位校正值，该位校正值是和与分析模型或任意函数相关联的位值分开或组合的，使得基于由CMM 142测量的数据与处理光束104的命令位置之间的误差差异来调节镜控制校正表140中的位值。因此，可以为镜110、112或扫描系统106的其他扫描光学器件中的每一者保持校准偏移表。在扫描系统106的典型示例中，位校正值对应于镜致动器114、116或其他扫描光学器件致动器的编码器位值。在一个实施例中，位校正值对应于修改目标118处的处理光束104的X、Y位置或节点的线性布置的值。因此，处理光束104的预期位置的空间坐标(例如，以长度为单位，诸如mm)可以与改变线性致动表的位数量相关联。由于与诸如镜110、112或激光系统100的其他组件的扫描光学器件相关联的失真，包括机械公差和系统组件的疲劳，可以基于各种物理假设更新镜控制校正表140。另外，可以诸如利用CMM 142和校准图案147来执行一个或多个校准过程，以确定在利用处理光束104实际处理应用目标期间减小或消除误差的对应的偏移和误差。在一些示例中，扫描光学器件控制分辨率可以允许目标118处的处理光束104的精度为0.3μrad，其可以对应于500mm工作距离处的0.5μm。

在本文的激光系统100的示例中，基于镜控制校正表140的表征(characterization)来修改镜控制校正表140，该表征产生目标118处处理光束104的位置误差。尽管镜110、112未正确引导处理光束104并且留下对应的光束位置误差，但总的来说，在CMM 142和用于确定位置误差并校准扫描系统106的扫描光学器件的其他测量系统的分辨率下，处理光束104在观测场122上的实际位置体现了扫描系统106和激光系统100的其他组件的响应动态，包括机械公差和制造误差。

可以通过对镜控制校正表140的一组或多组值进行数值微分来获得表征，该一组或多组值诸如是与观测场122中的各种X、Y位置相关联的致动位校正值。在其他示例中，可以对与描述扫描系统106的分析模型或产生位置误差的致动位校正值相对应的一个或多个函数(诸如多项式或曲线拟合多项式)执行微分。MCU 138可以执行数值微分，或者外部计算设备也可以用于确定导数值。导数值可以对应于观测场122上的致动速率，例如，以位/mm计，并且镜控制校正表140可被更新以包括导数值。

利用在观测场122上(例如，在对应于网格布置的多个均匀隔开的节点处)确定的致动速率值，可以通过将以位/mm计的导数值乘以以mm计的位置误差值来将节点位置与由CMM 142测量的位置之间的光束位置误差转换为镜致动位。可以利用转换的镜致动位来更新由镜控制校正表140提供的致动校正，使得激光系统100利用图案命令136的后续光束扫描操作更加精确。一般来讲，可以在没有关于基础误差机制或扫描光学器件几何结构的特定假设的情况下提供校正。在一些示例中，可以执行进一步的校准迭代，使得可以基于描述系统动态特性和机械公差的附加测量、误差、函数和导数来更新镜控制校正表140。后续的更新可以在观测场122上的零或最小位置误差上产生收敛。利用所提供的致动速率并且具有扫描系统的动态特性中的物理基础，镜控制校正表140的节点密度可以被选择为相对稀疏，同时仍在对应的节点处提供亚微米和亚μrad分辨率下的优异的扫描精度，并且镜控制校正表140的节点密度可以在节点间区域上被内插。

处理光束104的光斑130的最小尺寸可由激光系统100中使用的激光源102的类型限定。在一些示例中，激光源102包括诸如光纤振荡器、固态增益块、激光二极管源等的增益介质152以及诸如一个或多个激光二极管模块、光纤振荡器、电源等的泵浦源154。激光源102可以在一个或多个模式下操作，诸如脉冲、连续波、准连续波等，并且通常接收与激光图案命令136相关联的激光命令信号156。利用命令信号134，扫描系统106引导基于激光图案命令136生成的处理光束104以形成校准图案147(或另一个激光图案)，其可以包括目标118处的离散位置处的聚焦、未聚焦或可变聚焦的激光标记、孔或其他特征。在一些示例中，CMM142耦接到平移台124，使得可以相对于场探头144移动目标118上的校准图案147。

在代表性示例中，校准图案147的测量位置和校准图案147的预期位置(例如，命令位置)之间的差异被曲线拟合至高阶二维多项式或被配置为表示或描述数据的其他表面函数。在一个示例中，使用九阶多项式。在其他示例中，可以根据对差异数据的拟合质量使用更高阶或更低阶多项式。镜控制校正表140中用于产生校准图案147的致动器校正值被曲线拟合至能够微分的低阶多项式。在一个示例中，五阶多项式与镜110、112在观测场122上的慢响应变化联合使用。在其他示例中，可以使用更高阶或更低阶多项式，并且可以取决于扫描光学器件诸如镜110、112、镜致动器114、116或扫描系统106或激光系统100的其他组件的响应特征。使用低阶多项式还允许降低与校准图案相关联的测量或节点的密度，并且可以显著减少校准时间。

在图2中，激光系统200包括控制器，该控制器202耦接到多个激光系统模块202a、202b。激光系统模块202a、202b包括相应的激光源204a、204b和扫描系统206a、206b。扫描系统206a、206b包括相应的扫描光学器件208a、208b，扫描光学器件208a、208b限定在扫描光学器件208a、208b于激光处理目标212处的相应的视场上延伸的相应的相邻扫描场210a、210b，并且限定在其上可以扫描相应的激光束216a、216b的对应的观测场214。扫描场210a、210b通常是相对于与观测场214相关联的全局坐标系限定的。在一些示例中，相邻扫描场210a、210b可以在重叠部分218处重叠。在其他示例中，相邻扫描场210a、210b共享邻接边界。尽管存在两个扫描场210a、210b，其他实施例可以包括附加的扫描场，所述附加的扫描场包括各种相邻关系，包括线性关系、四边形关系等。

控制器202包括微控制器单元(MCU)220或耦接到激光系统模块202a、202b的另一个计算机处理单元，以便协调对激光源204a、204b进行的激光束216a、216b的生成和在观测场214中对激光束216a、216b进行的相关引导的控制以便处理目标212。MCU 220耦接到存储扫描光学器件致动校正数据的控制表222，所述扫描光学器件致动校正数据校正相应的激光束216a、216b在目标212的表面处的位置。在代表性示例中，控制表222存储初始组扫描光学器件致动校正，其可以对应于描述扫描光学器件208a、208b以及激光系统200的其他组件的响应特性的分析或启发式模型，因为利用激光图案化命令224命令激光束216a、216b并在扫描场210a、210b上对激光束216a、216b进行扫描。

可以基于控制表222中的初始组扫描光学器件致动校正在目标212上形成校准图案226。将产生校准图案226，使得在由激光束216a、216b产生的校准图案226的特征的实际位置与对应于激光图案化命令224的校准图案226的特征的预期位置之间可能存在位置误差。CMM 228可以耦接到目标212上的校准图案226，以利用检测相机230测量校准图案226的特征的位置，以便检测位置误差。在一些示例中，可以在目标212上扫描检测相机230，并且在其他示例中，平移台232用于在检测相机230的视野中移动目标212。CMM 228可以在数据存储装置/分析器234中存储和/或者分析与校准图案226相关联的测量位置数据。CMM 228可以耦接到控制器202或其他外部计算设备以发送位置数据以供其他使用和修改。

在代表性示例中，控制器202可以将用于校准图案226的测量位置数据存储在控制表222中，并且可以诸如利用高阶多项式确定拟合至位置误差数据的曲线。控制器202还可以将测量位置数据与对应于产生校准图案226的激光图案命令224的预期位置数据进行比较，以便确定位置差异或误差。控制器202还可以对拟合至初始组扫描光学器件致动校正的表面函数(例如，多项式)进行微分，并将对应的微分扫描光学器件致动速率存储在控制表222中。应当理解，还可以利用控制器202外部的一个或多个计算设备来存储和/或者操纵各种计算、算法和存储的表格数据，包括微分、曲线拟合以及位置和致动数据。可以利用对应于乘以位置误差的扫描光学器件致动速率的扫描光学器件致动校正来更新控制表222中的初始扫描光学器件致动校正。更新的控制表222将在观测场214上提供用于激光束216a、216b的改善的扫描精度，包括在重叠部分218或扫描场210a、210b之间的边界中，使得激光处理可以在观测场214上无缝地发生。通过校准图案形成、检测和数据拟合、微分和更新的进一步迭代，可以实现附加的精度改善。

图3示出了激光系统300的示例，其包括激光源302，该激光源耦接到3D扫描系统304和控制器306。激光源302包括泵浦源308和耦接到泵浦源308的增益介质310，该增益介质基于泵浦源308提供的能量生成激光束312。扫描系统304例如通过自由空间或光纤耦接接收激光束312，并将激光束312引导至位于3D扫描系统304的视场316中的目标314。3D扫描系统304包括光学耦接到激光束312并且耦接到一对相应的镜致动器322、324的一对电流计扫描镜318、320，该镜致动器旋转扫描镜316、318以便通过聚焦光学器件326将激光束312引导至视场316中的X、Y位置。3D扫描系统304还包括Z透镜328，该Z透镜也光学耦接到激光束312并随耦接的Z透镜致动器330平移以便改变利用聚焦光学器件326聚焦的激光束312的光斑332的焦平面。例如，可以选择聚焦光学器件326，以便在视场316上具有相对平坦的焦平面，但是改善的平坦度会增加透镜的成本。此外，聚焦光学器件326的平坦度程度会由于光学器件的不同而有所不同，或者可以在视场316的中心区域中保持基本平坦并且朝向视场326的边缘劣化。因此，Z透镜328可用于保持焦平面在视场316上的平坦度，或者可以扩大聚焦光学器件326的视场容量。另外，一些激光目标可包括可变表面拓扑结构，其需要在处理期间或在利用激光束312的处理步骤之间动态改变焦平面的z位置。

控制器306耦接到激光源302和扫描系统304，以便基于激光图案命令334协调激光束312的生成和引导，以便对目标314的表面进行激光图案化。控制器306通常包括MCU 336或另一个控制器设备(例如，PLC、CPLD、ASIC、FPGA等)，其被定位成发送对应于激光图案命令334的扫描致动信号340和激光源信号338。控制器306还包括镜控制校正表342和包括用于镜致动器322、324和z透镜致动器330的扫描致动器校正值的z聚焦控制校正表344，使得激光束312可被引导至目标314，从而激光束312的位置精确地对应于激光图案命令334。

在代表性实施例中，镜和z聚焦控制校正表342、344包括初始组致动校正，其对应于视场316上的扫描光学器件响应动态特性的相应分析模型。例如，可以对与聚焦光学器件326的光学设计相关联的聚焦场变化和镜致动器的角移动中的非线性进行建模，以产生可以填充表342、344中对应于视场316中相应位置的X、Y、Z节点位置的值。可以利用激光图案命令334在目标314上形成校准图案346，并且可以利用CMM 348测量校准图案346的特征，CMM 348利用CMM检测器350扫描表面。特征通常可以包括激光标记、孔等。在一些示例中，校准图案特征可以包括用于X、Y位置的线性隔开的网格特征352，并且CMM 348的测量可以确定X和Y中的位置偏移或误差。对于Z位置，可以使用各种焦距处线性隔开的网格特征354，其具有对应的不同水平的失焦模糊和特征尺寸以及暗度变化。可以基于在目标焦平面上方和下方形成的校准图案的预定特征354来辨别和量化聚焦误差。因此，可以将测量的位置和特征尺寸发送至控制器306，并且可以通过将测量的位置和尺寸与由图案命令334定义的光斑332的预期位置和尺寸进行比较来确定X、Y位置误差和Z位置误差。在典型示例中，一个或多个特征354也可以用作特征352，使得与X、Y位置和Z位置相关联的测量可以单独执行或同时执行。

用于镜致动器322、324和z透镜致动器330的初始组致动校正可以被拟合至相应的参数能够微分的多项式近似。可以获得对应于初始组的多项式近似的导函数，并且可以将其与位置误差一起使用以确定可以存储在相应的镜和z聚焦控制校正表342、344中的更新组致动校正。更新组致动校正通常是位值，其在激光束312的扫描期间产生用于光斑332在视场316中的X、Y位置和Z位置的更精确的位置，以便符合激光图案命令334的预期位置。在典型示例中，对于各种图案化应用，可以实现几微米或更小的激光束312的迹线精度。

图4示出了用于激光系统的示例校准方法400，该方法包括：在402处，利用激光束生成激光系统校准图案，该激光束是基于激光图案化命令通过激光系统生成并扫描的。根据激光图案化命令产生的校准图案包括对应于一组预期图案位置值的图案特征，并且是使用与激光束的扫描相关联的一组初始扫描光学器件致动校正产生的。在404处，测量校准图案的特征以便确定一组测量图案位置值。在406处，根据测量值和预期值之间的差异，确定一组图案位置误差值。在408处，通过该组初始扫描光学器件致动校正的微分来确定一组扫描光学器件致动速率。在一些示例中，该组误差数据和该组初始扫描光学器件致动校正以及对应的扫描光学器件致动速率可以被拟合至多项式近似。在410处，可以基于该组扫描光学器件致动速率和该组位置误差值，例如，通过将误差和速率相乘并将乘积与初始校正相加，来更新该组初始扫描光学器件校正以形成修改组扫描光学器件致动校正。在410处，可以将修改的扫描光学器件致动校正与误差预期阈值进行比较，并且如果未超出阈值，则更新的扫描光学器件致动校正可用于利用激光系统来扫描激光束，并且校准可以在416处结束。如果未超出阈值或者如果期望后续校准以进一步细化更新的扫描光学器件致动校正，则可以利用修改的扫描光学器件致动校正替换初始扫描光学器件校正，并且可以在414处重复校准方法。

图5示出了代表性的计算环境500，其可以实现本文所述的用于激光系统和激光系统模块和组件的方法步骤和算法。计算环境500以一般形式示出并且并非旨在建议对任何特定用途或功能进行限制，因为本文的各种示例或示例的部分可以在通用或专用计算系统中实现，包括台式计算机、平板电脑、移动设备、MCU、PLC、ASIC、FPGA、CPLD等。计算环境500包括计算组件502的核心分组，该核心分组包括一个或多个处理单元504、506和存储器508、510。在一些示例中，处理单元可以基于RISC或CSIC架构进行配置，并且可以包括一个或多个通用中央处理单元、专用集成电路、图形或共处理单元或其他处理器。在一些示例中，计算组件502的多个核心分组可以分布在激光系统模块中，并且软件512的各种模块可以在单独的激光模块上独立实现。

存储器508、510可以是易失性存储器(例如，寄存器、高速缓存、RAM)、非易失性存储器(例如，ROM、EEPROM、闪存存储器等)或易失性存储器和非易失性存储器的组合。存储器508、510通常可由处理单元504、506访问，并且可以以计算机可执行指令的形式存储软件512，该计算机可执行指令可由耦接到存储器508、510的一个或多个处理单元504、506执行。计算环境500还可以包括存储装置514、输入和输出设备或端口516、518以及通信连接520。存储装置514可以是可拆卸或不可拆卸的，并且包括磁性介质、CD-ROM、DVD或者可用于以非暂态方式存储信息并且可以在计算环境500内访问的任何其他介质。在典型示例中，存储装置514可以存储用于实现本文所述的一个或多个方法步骤和算法的软件512的指令。

输入和输出设备和端口516、518可以包括激光扫描系统、激光源、坐标测量机等。可以包括各种互连器，诸如可以将计算环境500的各种组件和激光系统组件(诸如激光束生成和扫描组件，包括致动器、检测器、电源等)耦接在一起的一个或多个总线、控制器、路由器、交换机等。通信连接520和输入和输出端口516、518使得能够经通信介质与各种激光系统组件进行通信，包括其他激光系统计算设备以及外部系统组件和计算设备。通信介质诸如电介质、光学介质、RF介质等可以传输信息，信息诸如是计算机可执行指令、激光图案信号、激光生成信号、激光束扫描信号、反馈检测和监视信号或调制数据信号中的其他数据。调制数据信号可以包括具有一个或多个特性(例如，频率、幅度、占空比等)的信号，该一个或多个特性被设置或改变以便对信号中的信息进行编码。

软件512可以包括一个或多个软件模块或程序，包括可以提供与激光系统的激光束的生成和控制相关联的各种设置的激光束生成软件模块522，作为示例包括脉冲和重复率控制并与激光图案化命令对应。基底台移动模块524可用于控制基底台的移动，所述基底台的移动可以相对于激光系统的扫描组件的视场移动激光目标。X-Y扫描控制模块526可用于控制将激光束扫描到与扫描系统相关联的观测场中的各种X、Y位置。在典型示例中，使用双镜电流计扫描仪。z聚焦控制模块528可用于控制激光束在观测场中的各种X、Y位置处的焦平面。在典型示例中，扫描系统包括z聚焦调节透镜，其可被平移以改变激光束在观测场中的聚焦位置。镜致动校正表530包括与将激光束引导至观测场中的预期X、Y位置处的目标相关联的可修改的值。类似地，场聚焦致动校正表532包括与将激光束引导至观测场中的预期焦平面Z位置处的目标相关联的可修改的值。还可以提供测量位置和误差表534，其存储与校准图案的测量结果和检测到的位置误差相关联的值。曲线拟合算法536可以确定适合软件512的各种表中的值的各种参数函数及其导数。算法可以包括多项式回归和内插法，并且途径可以包括最小二乘法、牛顿式、高斯-牛顿法等。本文的各种算法可例如体现为由数字计算机或控制器执行的软件或固件指令。

图6A示出了X轴镜致动校正值和Y轴镜致动校正值的功能表示600、602。X、Y场点中的每一个场点具有仅应用于以mm计的X和Y位置的以位计的相关联的校正值。图6B示出了功能表示600、602的微分版本的功能表示604、606，以便示出与X轴和Y轴致动校正表相关联的致动校正速率。图6C示出了示例激光图案化的校准特征608和相邻位置610，该位置对应于基于产生校准特征608的激光命令而预期要产生校准特征608的位置。坐标测量机可用于测量偏移以便确定位置误差。

图7A示出了控制z聚焦透镜线性运动以便使焦平面变平的z聚焦校正值的功能表示700。功能表示700的弯曲形状与在观测场的X、Y位置上的焦距变化的改变相关联。根据被扫描的激光束的工作距离的误差，从零值的偏移通常指示对于整个观测场的焦点移位。图7B是对应于功能表示700的导函数表示702。观测场的中心可被选择为Z＝0，因为从中心焦点的变化在同一位置为零。

已参照所示实施例描述和示出了所公开的技术的原理，应当认识到，可以在不背离这些原理的情况下对所示实施例进行布置和细节上的修改。例如，以软件示出的所示实施例的元素可以以硬件实现，并且反之亦然。而且，来自任何示例的技术可以与任何一个或多个其他示例中描述的技术组合。应当理解，诸如参照所示示例描述的那些过程和功能可以在单个硬件或软件模块中实现，或者可提供单独的模块。提供上述特定布置是为了便于说明，并且可以使用其他布置。

根据所公开的技术的原理可以应用的许多可能的实施例，应当认识到，所示出的实施例仅仅是代表性示例，而不应被视为限制本公开的范围。在这些部分中具体提到的替代方案仅仅是示例性的，并且不构成本文所述实施例的所有可能的替代方案。例如，本文所述的系统的各个组件可以在功能和使用上组合。因此，我们要求落在所附权利要求的范围和精神内的一切内容的所有权。

Claims (24)

1.一种方法，包含：

确定(i)校准图案的一组预期图案位置与(ii)所述校准图案的一组测量图案位置之间的一组图案位置误差，所述校准图案在被定位在激光系统的激光处理场中的激光目标上并且是基于与所述激光系统的扫描光学器件相关联的一组初始扫描光学器件致动校正产生的；

基于所述一组初始扫描光学器件致动校正来确定一组扫描光学器件致动速率；以及

基于所述一组扫描光学器件致动速率和所述一组图案位置误差来更新所述一组初始扫描光学器件致动校正，以便形成与所述一组图案位置误差的至少一部分的减少相关联的一组更新的扫描光学器件致动校正。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述一组扫描光学器件致动速率对应于描述所述一组初始扫描光学器件致动校正的表面函数的导数，并且对所述一组初始扫描光学器件致动校正的所述更新包括评估所述激光处理场中的多个位置处的所述表面函数导数，以及将所述相应的表面函数导数值乘以所述相应的图案位置误差以定义相应的乘积，以及利用所述相应的乘积来修改所述相应的初始扫描光学器件致动校正。

3.根据权利要求1所述的方法，还包含将所述一组图案位置误差曲线拟合至第一函数，所述第一函数表征所述激光系统的扫描响应，所述扫描响应包括所述一组测量图案位置的分辨率下的机械公差和制造误差。

4.根据权利要求4所述的方法，还包含将所述一组初始扫描光学器件致动校正曲线拟合至能够微分的第二函数。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述第一函数是二阶或更高阶的多项式函数，并且所述第二函数是二阶或更高阶的多项式函数。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述第一函数是六阶或更高阶的函数，并且所述第二函数是四阶或更高阶的函数。

7.根据权利要求1所述的方法，还包含基于所述初始扫描光学器件致动校正来产生所述校准图案。

8.根据权利要求1所述的方法，还包含测量所述校准图案以便确定所述一组测量图案位置。

9.根据权利要求8所述的方法，其中利用坐标测量机执行所述测量。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述一组初始扫描光学器件致动校正对应于分析系统模型，所述分析系统模型包括所述扫描光学器件的激光扫描系统动态特性。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述一组初始扫描光学器件致动校正对应于基于先前校准获得的一组扫描光学器件校正，所述先前校准确定在先组图案位置误差和在先组扫描光学器件致动速率。

12.根据权利要求1所述的方法，其中所述扫描光学器件包括多个电流计扫描镜，并且所述扫描光学器件致动校正对应于相应的镜旋转角度，所述相应的镜旋转角度将激光处理光束引导至所述激光系统的所述激光处理场中相应的X坐标和Y坐标。

13.一种装置，包含：

激光源，所述激光源被定位成生成至少一个处理光束；

扫描系统，所述扫描系统被定位成接收所述处理光束并且包括一个或多个扫描光学器件，所述一个或多个扫描光学器件被定位成将所述处理光束引导至激光处理场中与目标相关联的位置；以及

控制器，所述控制器耦接到所述激光源和所述扫描系统并且被定位成基于一组扫描光学器件致动校正在所述激光处理场中引导所述处理光束，所述一组扫描光学器件致动校正是根据与一组初始扫描光学器件致动校正相关联的一组扫描光学器件致动速率并且根据对应于一组预期图案位置与一组测量图案位置之间的差异的一组图案位置误差来确定的，其中所述一组测量图案位置对应于利用所述一组初始扫描光学器件致动校正产生的处理光束位置。

14.根据权利要求13所述的装置，其中所述控制器包括至少一个处理器和包括存储的指令的一个或多个计算机可读存储介质，所述指令响应于由所述至少一个处理器执行，使得所述控制器将所述一组测量图案位置与所述一组预期图案位置进行比较来确定所述一组图案位置误差，以将所述一组图案位置误差曲线拟合至第一函数并且将所述一组初始扫描光学器件致动校正曲线拟合至第二函数，以及基于所述第一函数和对应于所述一组扫描光学器件致动速率的所述第二函数的导函数来修改所述一组初始致动校正。

15.根据权利要求14所述的装置，其中所述第一函数是六阶或更高阶的函数，并且所述第二函数是四阶或更高阶的函数。

16.根据权利要求13所述的装置，其中所述目标包括形成于所述目标的表面上的校准图案，所述校准图案包括根据所述一组预期图案位置产生的图案特征。

17.根据权利要求16所述的装置，还包含坐标测量机，所述坐标测量机耦接到所述校准图案以便确定所述一组测量图案位置。

18.根据权利要求13所述的装置，其中所述一组初始扫描光学器件致动校正对应于分析系统模型，所述分析系统模型包括与所述一个或多个扫描光学器件相关联的激光扫描系统动态特性。

19.根据权利要求13所述的装置，其中所述一组初始扫描光学器件致动校正对应于基于先前校准获得的一组扫描光学器件校正，所述先前校准确定在先组图案位置误差和在先组扫描光学器件致动速率。

20.根据权利要求13所述的装置，其中所述一个或多个扫描光学器件包括一对电流计扫描镜，并且所述扫描光学器件致动校正对应于相应的镜旋转角度，所述相应的镜旋转角度将所述处理光束引导至所述激光系统的所述激光处理场中相应的X和Y坐标。

21.根据权利要求13所述的装置，其中所述一个或多个扫描光学器件包括能够平移的Z轴透镜，并且所述扫描光学器件致动校正对应于所述激光系统的所述激光处理场中的所述处理光束的焦平面的Z坐标位置。

22.根据权利要求13所述的装置，其中所述场包括多个相邻扫描场，并且其中所述至少一个处理光束包括单独的处理光束，所述单独的处理光束被以所述扫描系统引导至所述相应的扫描场中。

23.根据权利要求22所述的装置，其中所述相邻扫描场包括重叠部分，其中所述单独处理光束的第一处理光束的预期位置对应于所述重叠部分中的所述单独处理光束的第二处理光束的预期位置。

24.根据权利要求1所述的方法，其中所述扫描光学器件致动校正对应于z轴光学器件平移位置。