CN110446580B - 用于相干成像的方法和系统以及用于材料改性的反馈控制 - Google Patents

用于相干成像的方法和系统以及用于材料改性的反馈控制 Download PDF

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Abstract

提供了在例如手术激光、烧结和焊接应用的材料改性工艺的背景下使用光学干涉测量法的方法和系统。一种产生成像光的成像光源。反馈控制器基于使用成像光产生的干涉测量输出来控制材料改性工艺的至少一个加工参数。提供了一种基于零差滤波的处理干涉图的方法。提供了一种使用干涉测量输出生成材料改性工艺的记录的方法。

Description

用于相干成像的方法和系统以及用于材料改性的反馈控制
相关申请的交叉引用
本申请是2016年8月29日提交的申请No.15/250,086的一部分的继续申请，该申请是2014年8月25日提交的申请No.14/467,131的继续申请，其中申请No.14/467,131现在的专利号为No.9,457,428，其是2011年9月26日提交的申请号No.13/245,334的继续申请，且申请No.13/245,334现在的专利号为No.8,822,875；并要求2011年1月21日提交的美国临时申请No.61/435,076、2010年9月25日提交的美国临时申请No.61/386,496和2016年1月19日提交的美国临时申请No.62/280,499的权益，其全部内容通过引用结合于此。
技术领域
本申请涉及相干成像，并且涉及例如通过使用激光对材料的光学修改或测量。
背景技术
众所周知，激光是处理各种材料的重要工具。示例工艺包括焊接、钻孔、切割、布线、穿孔、烧结和表面处理。材料可以包括金属、半导体、电介质、聚合物、以及硬生物组织和软生物组织。通过使光束聚焦，可以在横向于光束轴的方向上实现改进精度的激光器作用。然而，将激光器的作用定位在光束的轴向方向上可能是困难的。
许多激光工艺的共同点是用于在激光作用之前、期间和/或之后引导加工系统并获得质量保证数据的计量技术。激光相互作用的方面和实际限制可能会干扰标准技术。这些方面的一些示例包括等离子体产生/电学干扰、高纵横比孔、加工激光器致盲、快速移动材料、不可预测的几何形状、材料松弛以及加工激光器对计量仪器的潜在损坏。
控制激光切割深度是在各种显微外科手术中使用激光的主要推动因素。特别地，脊柱外科手术存在巨大需求(一些医院中三分之一的神经外科手术病例)。目前的机械工具陈旧且难以由除经验丰富的外科医生外的人安全有效地使用。由于激光器具有较高的横向控制、无工具磨损和非接触操作(感染控制)，因此希望使用激光器。激光器使用还有其他好处，例如灵活的凝固控制和自然的无菌效果。然而，激光器具有非常差的轴向控制(意味着光束在轴向方向上持续)。这意味着如果不能以极高的精度控制穿孔点，则几乎一定存在对周围软组织的意外伤害。因此，激光器的使用目前在许多情况中已被排除。
目前的激光器系统主要用于软组织，并且依赖于对于给定量的曝光去除恒定的材料的假设。然而，这种假设并不总是好的，而且人们通常不先验性地确切知道需要去除多少组织。神经、矫形外科、耳鼻喉和腹腔镜外科医生对在具有极大不同的光学、机械和热性质的组织界面处的精确切割或烧蚀特别感兴趣。与角膜激光手术不同，这些外科专业主要涉及在微观尺度上具有异质组织特性的不透明、光学混浊的组织类型，其中详细和精确先验光热表征是不可行的。最终的非确定性组织切割/烧蚀工艺极大地阻碍了在这种手术期间使用激光。例如，一些作者最近强调，实际的激光切骨术(切骨的外科程序)由于缺乏激光深度控制而受到限制。精确去除组织的潜在益处可以在该领域以及外科肿瘤学和植入的其他领域中提供显著的临床影响。
在工业应用中，激光处理的优点是可以使用单一激光来清洁、焊接和/或机械加工不同的材料，而无需机械调节或改变化学处理。虽然已经完成了对异质样本或多层样本的激光烧蚀，但是这些工艺需要大量的开发并依赖于均匀的样本特征或具有有限适用性和不同成功的模型。激光焊接和清洁通常也需要大量的多参数优化。材料的特性(例如熔融和烧蚀阈值以及聚合物分子量)使在可用参数空间(包括馈送速率、脉冲能量、脉冲持续时间、波长、辅助气体、光斑尺寸和焦点位置)内实现一组特定加工目标(例如特征纵横比、热影响区等)的问题加剧。因此，工业激光工艺开发需要大量时间和金钱投资，并且可能需要精细公差给料以确保可靠性。焊接和钻孔的激光工艺监控和控制使用传感器来测量被加工区域附近的金属温度、反射率和等离子体温度。这些形式的计量不能提供激光束穿透深度的精确测量。
激光焊接是一种特别适用于自动化和大批量生产的工业工艺。激光焊接的各种应用共同具有通过激光控制加热以产生局限于接合区域的相变的工艺。控制该相变区域(PCR)对于控制焊接的几何形状和质量以及焊接系统的整体生产率是重要的。激光的高空间相干性允许对焊接能量进行极好的横向控制。轴向控制(PCR的深度)和随后的热扩散在厚材料中是有问题的。在这些应用中，使用熟知为“锁孔焊接”的技术将PCR的深度延伸到材料深处(例如，50微米和更深)。这里，光束强度足以熔化表面以打开小的蒸汽通道(也称为“毛细管”或“锁孔”)，其允许光束深入到材料中。取决于具体的应用，锁孔较窄(例如，＜mm)但是深度为几毫米，并且通过施加多达约105W的光功率而维持。因此，PCR内部的光-物质相互作用区域可以是湍流的、不稳定的和高度随机的。不幸的是，锁孔形成的不稳定性可能导致内部空隙和高焊接孔隙率，从而导致焊接失效，并可能带来灾难性后果。通常需要焊接质量验证，这通常使用昂贵的非原位和破坏性测试。提供焊接成像解决方案，但其能力有限，通常在PCR之前或之后监控区域，以跟踪焊接接头或记录冷却的焊接接头的顶表面。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种装置，包括：材料加工光束源，所述材料加工光束源产生在材料改性工艺中施加于样本位置的材料加工光束；成像光源，所述成像光源产生成像光；光学干涉仪，所述光学干涉仪至少使用输送到样本的成像光的分量来产生干涉测量输出，所述干涉测量输出基于到所述样本的至少一个光路长度相对于另一光路长度；以及反馈控制器，所述反馈控制器基于干涉测量输出来控制材料改性工艺的至少一个加工参数。材料改性工艺选自烧结、焊接和钎焊、或其组合。
根据本发明的另一方面，提供了一种与实现材料改性工艺的材料加工系统一同使用的反馈控制装置，所述材料加工系统具有光学接入端口，所述装置包括：成像光源，所述成像光源产生成像光；输入输出端口，所述输入输出端口将成像光的第一分量输出到材料加工系统的光学接入端口，并进而接收成像光的反射分量；光学组合器，所述光学组合器组合反射分量和成像光的另一分量以产生干涉测量输出，干涉测量输出基于第一分量和反射分量所采用的路径长度相对于成像光的所述另一分量所采用的路径长度；反馈控制器，所述反馈控制器基于干涉测量输出来产生影响材料改性工艺的至少一个加工参数的至少一个信号。
在一些实施例中，反馈控制器还被配置为确定是否干涉测量输出初始基本上仅包括沿参考路径反射的光，在这之后，干涉测量输出是基于样本路径的路径长度相对于参考路径的路径长度的。
在一些实施例中，反馈控制器确定干涉测量输出何时进行或是否进行从基本上仅包括沿参考路径反射的光到基于采样路径的路径长度相对于参考路径的路径长度的转变；以及反馈控制器，所述反馈控制器基于考虑该转变的干涉测量输出来产生影响材料改性工艺的至少一个加工参数的至少一个信号。
在一些实施例中，反馈控制器处理干涉测量输出的多个实例以识别关于正被加工的材料的干涉测量输出的变化，并且其中，反馈控制根据这种变化而变化。
在一些实施例中，反馈控制器基于干涉测量输出的变化来提供对改性/样本运动“速度”或另一变化率的指示。
在一些实施例中，反馈处理器还基于干涉测量输出来生成对材料的光学指数的指示。
在一些实施例中，该装置还包括：计算机可读介质；以及记录生成器，所述记录生成器基于多个时间的干涉测量输出生成材料改性工艺的记录，并将该记录存储在计算机可读介质上。
在一些实施例中，反馈控制器是实时控制器，其在所述工艺期间控制材料改性工艺的至少一个加工参数。
在一些实施例中，材料改性加工光束源是固态、光纤或气体激光器。
在一些实施例中，材料加工光束源是离子束和电子束中的至少一种。
在一些实施例中，干涉仪包括：组合器；参考臂，成像光的第一分量被施加到参考臂的输入，从而产生参考臂的输出信号，参考臂具有所述另一光路长度；以及样本臂，成像光的第二分量被施加到样本臂，从而导致样本臂的输出信号，样本臂的输出信号的至少一个分量包括来自样本位置的对成像光的分量的反射，样本臂具有所述至少一个光路长度；其中组合器组合参考臂的输出信号和样本臂的输出信号，以产生作为所述干涉测量输出的组合信号；该装置还包括：信号检测器，被配置为从干涉测量输出产生第一干涉图。
在一些实施例中，该装置包括以下中的至少一个：多个样本臂，针对每个样本臂参考臂组合产生相应的干涉图；多个参考臂，针对每个样本臂参考臂组合产生相应的干涉图；以及多个参考臂和多个样本臂，针对每个样本臂参考臂组合产生相应的干涉图。
在一些实施例中，干涉仪包括：至少一个分束器和/或光学环行器；以及至少一个样本臂，在分束器和/或光学环行器之后，成像信号被施加到样本臂，从而产生样本臂的输出信号，样本臂的输出信号的至少一个分量包括来自样本臂中的至少两个位置和/或正被加工材料的对成像信号的分量的反射，样本臂具有所述至少一个光路长度和所述另一光路长度；其中，分束器和/或光学环行器接收来自样本臂的输出信号并将其导向检测器；该装置还包括：信号检测器，被配置为根据干涉测量输出产生干涉图。
在一些实施例中，该装置还包括：干涉图处理器，其基于干涉测量输出执行分析以产生反映材料加工光束在样本位置处穿透的有多深的深度测量。
在一些实施例中，反馈控制器基于干涉测量输出来执行分析，并生成反馈控制，该反馈控制控制相对于与切割激光最接近的界面的深度切割。
在一些实施例中，反馈控制器基于干涉测量输出来执行分析并生成反馈控制，该反馈控制控制相对于超出当前切割深度的界面的深度切割。
在一些实施例中，反馈控制器基于深度测量来控制材料改性工艺的至少一个加工参数。
在一些实施例中，由反馈控制器控制的材料改性工艺的至少一个加工参数包括以下项中的至少一个：材料加工光束的开启/关断状态；材料加工光束的平均功率；材料加工光束的脉冲持续时间；材料加工光束的峰值强度；材料加工光束的密度；材料加工光束的能量；材料加工光束的颗粒种类；材料加工光束的波长；材料加工光束的脉冲重复率；材料加工光束的脉冲能量；材料加工光束的材料加工光束扫描速度的脉冲形状；材料加工光束的焦点直径；材料加工光束的焦点位置；材料加工光束在样本上的空间图案；材料馈送速率；冷却介质流速；覆盖/辅助气体流速；覆盖/辅助气体压力；覆盖/辅助气体混合；电弧焊工艺参数(如电压、电流和送丝速率)；以及增材材料馈送速率。
在一些实施例中，当深度测量指示指定深度时通过控制材料加工光束关闭，反馈控制器基于深度测量来控制材料改性工艺的至少一个加工参数。
在一些实施例中，该装置还包括：干涉图处理器，所述涉图处理器基于干涉测量输出来执行分析以产生对以下项中的至少一个的指示：在材料改性源光束穿透到指定深度的情况下；当前正被改性的材料的区域与材料的其他区域的接近度；要被穿透的材料的剩余量；已被改性的总深度；所达到的绝对最终深度；深度的波动；深度变化的速度；以及与次表面界面的剩余距离。
在一些实施例中，该装置还被配置为：基于干涉测量输出来感测次表面水平的至少一个变化。
在一些实施例中，在次表面水平感测到的至少一个变化包括以下项中的至少一个：温度变化、状态变化、流体流动和压力波。
在一些实施例中，反馈控制器基于在次表面水平感测到的变化来控制至少一个材料改性参数。
在一些实施例中，通过观察散斑图案的变化来感测次表面水平的变化。
在一些实施例中，反馈控制器基于来自干涉图处理器的指示来控制材料加工光束源关闭材料加工光束。
在一些实施例中，反馈控制器基于来自干涉图处理器的指示来控制材料加工光束源打开材料加工光束。
在一些实施例中，该装置包括：存储器，用于存储针对目标结果的预先计算的合成干涉图；信号检测器，根据干涉测量输出产生测量的干涉图；以及干涉图处理器，将测量的干涉图与预先计算的合成干涉图一起处理以产生相关结果；其中反馈控制器基于相关结果来控制材料改性工艺的至少一个加工参数。
在一些实施例中，针对目标结果的预先计算的合成干涉图是当反射从指定深度返回时对预期内容的估计；以及干涉图处理器通过在每个检测到的元素的基础上将测量的干涉图乘以预先计算的干涉图然后求和来产生相关结果。
在一些实施例中，预先计算的合成干涉图和测量的干涉图中的至少一个被整形以补偿以下项中的至少一个：光谱仪对准；光谱仪光栅角度非线性；光谱仪中成像光学器件的成像失真；波长到波数/频率重新采样；有限尺寸的检测器有效区域；光谱包络形状；色散失配；以及干涉图中包含的降低图像质量的其他非理想因素。
在一些实施例中，该装置还被配置为：处理相关结果以近似地识别由材料加工光束改性的体积何时达到指定深度。
在一些实施例中，该装置还被配置为：根据相关结果何时满足阈值，近似识别何时已达到指定深度。
在一些实施例中，至少一个路径长度是到在样本位置处的第一反射器，而另一路径长度是到在样本位置处的第二反射器。
在一些实施例中，至少一个路径长度是到样本位置处的相应反射器的至少两个路径长度，并且另一路径长度沿着参考臂。
在一些实施例中，该装置还包括：干涉图合成器，其合成预先计算的合成干涉图。
根据本发明的又一方面，提供了一种用于产生和处理干涉测量输出的装置，该装置包括：存储器，存储针对目标结果的预先计算的合成干涉图；干涉仪，用于产生干涉测量输出；信号检测器，根据干涉测量输出产生测量的干涉图；干涉图处理器，将测量的干涉图与预先计算的预期干涉图一起处理以产生相关结果；以及阈值器，被配置为确定结果何时满足阈值。
在一些实施例中，对于多个目标结果中的每一个，存储器存储相应的预先计算的合成干涉图；干涉图处理器，将测量的干涉图与每个预先计算的合成干涉图一起处理以产生相应的相关结果；以及阈值器确定每个相关结果何时满足相应阈值。
在一些实施例中，预先计算的合成干涉图是作为对当在样本位置处通过材料改性光束实现目标结果时的预期内容的估计的干涉图；测量的干涉图是关于样本位置的；以及干涉图处理器通过在每个检测器元素的基础上将测量的干涉图乘以预先计算的合成干涉图然后求和来产生相关结果。
在一些实施例中，预先计算的合成干涉图和测量的干涉图中的至少一个被整形以补偿以下项中的至少一个：光谱仪对准；光谱仪光栅角度非线性；光谱仪中成像光学器件的成像失真；波长到波数/频率重新采样；有限大小的检测器有效区域；光谱包络形状；色散失配；以及干涉图中包含的降低图像质量的其他非理想因素。
在一些实施例中，目标结果是当反射从指定深度返回时对预期内容的估计。
在一些实施例中，该装置还包括：反馈控制器，当相关结果满足阈值时，该反馈控制器控制材料改性光束源关闭材料改性光束。
在一些实施例中，该装置还包括：反馈控制器，当相关结果满足阈值时，该反馈控制器控制材料改性工艺的至少一个加工参数。
在一些实施例中，至少一个加工参数包括以下项中的至少一个：材料加工光束的开启/关断状态；材料加工光束的平均功率；材料加工光束的脉冲持续时间；材料加工光束的峰值强度；材料加工光束的密度；材料加工光束的能量；材料加工光束的颗粒种类；材料加工光束的波长；材料加工光束的脉冲重复率；材料加工光束的脉冲能量；材料加工光束的材料加工光束扫描速度的脉冲形状；材料加工光束的焦点直径；材料加工光束的焦点位置；材料加工光束在样本上的空间图案；材料馈送速率；冷却介质流速；覆盖/辅助气体流速；覆盖/辅助气体压力；覆盖/辅助气体混合；电弧焊工艺参数(如电压、电流和送丝速率)；以及增材材料馈送速率。
在一些实施例中，该装置还包括：反馈控制器，当相关结果满足阈值时，该反馈控制器控制材料改性光束源打开材料改性光束。
在一些实施例中，该装置还包括：干涉图合成器，其合成预先计算的合成干涉图。
根据本发明的又一方面，提供了一种生成材料改性工艺的记录的装置，该装置包括：材料加工光束源，所述材料加工光束源产生在材料改性工艺中施加到样本位置的材料加工光束，其中，材料改性工艺是焊接工艺；成像光源，所述成像光源产生成像光；光学干涉仪，所述光学干涉仪至少使用输送到样本的成像光的分量来产生干涉测量输出，所述干涉测量输出基于到所述样本的至少一个光路长度相对于另一光路长度；以及记录生成器，所述记录生成器基于多个时间的干涉测量输出来生成材料改性工艺的记录。
在一些实施例中，该装置还包括：计算机可读存储介质；其中，记录生成器将该记录存储在计算可读存储介质上。
在一些实施例中，该装置被配置成产生在输送到样本时基本上同轴的材料加工光束和成像光。
根据本发明的又一方面，提供了一种生成材料改性工艺的记录的装置，该装置包括：材料加工光束源，所述材料加工光束源产生在材料改性工艺中施加到样本位置的材料加工光束，其中，材料改性工艺是将激光束用作材料加工光束的医疗处理；成像光源，所述成像光源产生成像光；光学干涉仪，所述光学干涉仪至少使用输送到样本的成像光的分量来产生干涉测量输出，所述干涉测量输出基于到所述样本的至少一个光路长度相对于另一光路长度；以及记录生成器，所述记录生成器基于多个时间的干涉测量输出来生成材料改性工艺的记录。
根据本发明的又一方面，提供了一种用于控制材料改性工艺的至少一个加工参数的方法，该方法包括：利用成像光源产生成像光；至少使用输送到样本的成像光的分量来产生干涉测量输出，所述干涉测量输出基于到所述样本的至少一个光路长度相对于另一光路长度；以及基于干涉测量输出来自动控制材料改性工艺的至少一个加工参数。
在一些实施例中，所述方法还包括：在材料改性工艺中，将材料加工光束施加于样本位置。
在一些实施例中，材料改性光束是钻孔激光；自动控制包括由材料改性光束控制穿孔，使得紧接在检测到穿孔之后，或者在检测到穿孔后的所选超钻周期之后，控制钻孔激光停止。
在一些实施例中，应用材料加工光束包括在燃气涡轮机中制造冷却孔。
在一些实施例中，所述方法还包括：确定是否干涉测量输出初始基本上仅包括沿参考路径反射的光，在这之后，干涉测量输出是基于样本路径的路径长度相对于参考路径的路径长度的。
在一些实施例中，确定干涉测量输出何时进行或是否进行从基本上仅包括沿参考路径反射的光到基于采样路径的路径长度相对于参考路径的路径长度的转变；以及基于考虑该转变的干涉测量输出来产生影响材料改性工艺的至少一个加工参数的反馈。
在一些实施例中，所述方法包括：处理干涉测量输出的多个实例以识别关于正被加工的材料的干涉测量输出的变化，并且其中，反馈控制根据这种变化而变化。
在一些实施例中，所述方法还包括：基于干涉测量输出的变化来产生对改性/样本运动“速度”或另一变化率的指示。
在一些实施例中，所述方法还包括：基于干涉测量输出来产生对材料的光学指数的指示。
在一些实施例中，所述方法还包括：基于多个时间的干涉测量输出来生成材料改性工艺的记录；以及存储该记录。
在一些实施例中，基于干涉测量输出来自动控制材料改性工艺的至少一个加工参数包括：在所述工艺期间实时控制材料改性工艺的至少一个加工参数。
在一些实施例中，材料改性加工光束是激光束。
在一些实施例中，在材料改性工艺中将材料加工光束施加于样本位置包括：将材料加工光束施加于以下项中的至少一个：金属；半导体；电介质；硬生物组织；软生物组织；聚合物；塑料；木头；复合物。
在一些实施例中，材料加工光束是离子束和电子束中的至少一种。
在一些实施例中，产生干涉测量输出包括：将成像光的第一分量施加到参考臂的输入，从而产生参考臂的输出信号，参考臂具有所述另一光路长度；将成像光的第二分量施加到样本臂，从而导致样本臂的输出信号，样本臂的输出信号的至少一个分量包括来自样本位置的对成像光的分量的反射，样本臂具有所述至少一个光路长度；以及组合参考臂的输出信号和样本臂的输出信号，以产生作为所述干涉测量输出的组合信号；该方法还包括：执行信号检测以根据干涉测量输出产生测量的干涉图。
在一些实施例中，该方法包括以下项中的至少一个：针对多个样本臂参考臂组合中的每一个产生相应的干涉图，其中，存在多个样本臂；针对多个样本臂参考臂组合中的每一个产生相应的干涉图，其中，存在多个参考臂；以及针对多个样本臂参考臂组合中的每一个产生相应的干涉图，其中，存在多个参考臂和多个样本臂。
在一些实施例中，产生干涉测量输出包括：在分束器和/或光学环形器处，将成像信号的至少一个分量施加到样本臂，从而产生样本臂的输出信号，样本臂的输出信号的至少一个分量包括来自样本臂中的至少两个位置和/或正被加工材料的对成像信号的分量的反射，样本臂具有所述至少一个光路长度和所述另一光路长度；在分束器和/或光学环行器处，接收来自样本臂的输出信号并将其导向检测器；以及执行信号检测以根据干涉测量输出产生测量的干涉图。
在一些实施例中，所述方法还包括：分析干涉测量输出以产生深度测量，从而反映材料加工光束在样本位置处穿透的有多深。
在一些实施例中，该方法还包括：基于干涉测量输出来执行分析，并生成反馈控制，该反馈控制控制相对于与切割激光最接近的界面的深度切割。
在一些实施例中，该方法还包括基于干涉测量输出来执行分析并生成反馈控制，该反馈控制控制相对于超出当前切割深度的界面的深度切割。
在一些实施例中，基于深度测量来控制材料改性工艺的至少一个加工参数。
在一些实施例中，材料改性工艺的被控制的至少一个加工参数包括以下项中的至少一个：材料加工光束的开启/关断状态；材料加工光束的平均功率；材料加工光束的脉冲持续时间；材料加工光束的峰值强度；材料加工光束的密度；材料加工光束的能量；材料加工光束的颗粒种类；材料加工光束的波长；材料加工光束的脉冲重复率；材料加工光束的脉冲能量；材料加工光束的材料加工光束扫描速度的脉冲形状；材料加工光束的焦点直径；材料加工光束的焦点位置；材料加工光束在样本上的空间图案；材料馈送速率；冷却介质流速；覆盖/辅助气体流速；覆盖/辅助气体压力；覆盖/辅助气体混合；电弧焊工艺参数(如电压、电流和送丝速率)；以及增材材料馈送速率。
在一些实施例中，基于深度测量来控制材料改性工艺的至少一个加工参数包括当深度测量指示指定深度时控制材料加工光束关闭。
在一些实施例中，所述方法还包括：分析干涉测量输出以产生对以下项中的至少一个的指示：在材料改性源光束穿透到指定深度的情况下；当前正被改性的材料的区域与材料的其他区域的接近度；要被穿透的材料的剩余量；已被改性的总深度；所达到的绝对最终深度；深度的波动；深度变化的速度；以及与次表面界面的剩余距离。
在一些实施例中，所述方法还包括：基于干涉测量输出来感测次表面水平的至少一个变化。
在一些实施例中，在次表面水平感测到的至少一个变化包括以下项中的至少一个：温度变化、状态变化、流体流动和压力波。
在一些实施例中，反馈控制器基于在次表面水平感测到的变化来控制至少一个材料改性参数。
在一些实施例中，通过观察散斑图案的变化来感测次表面水平的变化。
在一些实施例中，该方法还包括：基于该指示来控制材料加工光束源关闭材料加工光束。
在一些实施例中，该方法还包括：根据指示来控制材料加工光束源打开材料加工光束。
在一些实施例中，所述方法还包括：将针对目标结果的预先计算的合成干涉图存储在存储器中；根据干涉测量输出来产生测量的干涉图；将测量的干涉图与预先计算的合成干涉图一起处理以产生相关结果；其中基于相关结果来控制材料改性工艺的至少一个加工参数。
在一些实施例中，针对目标结果的预先计算的合成干涉图是当反射从指定深度返回时对预期内容的估计；产生相关结果包括在每个检测到的元素的基础上将第一干涉图乘以预先计算的干涉图然后求和。
在一些实施例中，所述方法还包括：对预先计算的合成干涉图和第一干涉图中的至少一个进行整形以补偿以下项中的至少一个：光谱仪对准；光谱仪光栅角度非线性；光谱仪中成像光学器件的成像失真；波长到波数/频率重新采样；有限尺寸的检测器有效区域；光谱包络形状；色散失配；以及干涉图中包含的降低图像质量的其他非理想因素。
在一些实施例中，所述方法还包括：处理相关结果，以近似地识别由材料加工光束改性的体积何时达到指定深度。
在一些实施例中，所述方法还包括：当相关结果满足阈值时，近似识别何时达到指定深度。
在一些实施例中，至少一个路径长度是到在样本位置处的第一反射器，而另一路径长度是到在样本位置处的第二反射器。
在一些实施例中，至少一个路径长度是到样本位置处的相应反射器的至少两个路径长度，并且另一路径长度沿着参考臂。
在一些实施例中，所述方法还包括：合成预先计算的合成干涉图。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于产生和处理干涉测量输出的方法，该方法包括：将针对目标结果的预先计算的合成干涉图存储在存储器中；产生干涉测量输出；根据干涉测量输出来检测测量的干涉图；将测量的干涉图与预先计算的预期干涉图一起处理以产生相关结果；以及确定结果何时满足阈值。
在一些实施例中，对于多个目标结果中的每一个，将相应的预先计算的合成干涉图存储在存储器中；将测量的干涉图与每个预先计算的合成干涉图一起处理以产生相应的相关结果；以及确定每个相关结果何时满足相应阈值。
在一些实施例中，预先计算的合成干涉图是作为对当在样本位置处通过材料改性光束实现目标结果时的预期内容的估计的干涉图；测量的干涉图是关于样本位置的；以及产生相关结果包括在每个检测器元素的基础上将测量的干涉图乘以预先计算的合成干涉图然后求和。
在一些实施例中，所述方法还包括：对预先计算的合成干涉图和测量的干涉图中的至少一个进行整形以补偿以下项中的至少一个：光谱仪对准；光谱仪光栅角度非线性；光谱仪中成像光学器件的成像失真；波长到波数/频率重新采样；有限大小的检测器有效区域；光谱包络形状；色散失配；以及干涉图中包含的降低图像质量的其他非理想因素。
在一些实施例中，目标结果是当反射从指定深度返回时对预期内容的估计。
在一些实施例中，所述方法还包括：当相关结果满足阈值时，控制材料改性光束源关闭材料改性光束。
在一些实施例中，所述方法还包括：当相关结果满足阈值时，控制材料改性工艺的至少一个加工参数。
在一些实施例中，至少一个加工参数包括以下项中的至少一个：材料加工光束的开启/关断状态；材料加工光束的平均功率；材料加工光束的脉冲持续时间；材料加工光束的峰值强度；材料加工光束的密度；材料加工光束的能量；材料加工光束的颗粒种类；材料加工光束的波长；材料加工光束的脉冲重复率；材料加工光束的脉冲能量；材料加工光束的材料加工光束扫描速度的脉冲形状；材料加工光束的焦点直径；材料加工光束的焦点位置；材料加工光束在样本上的空间图案；材料馈送速率；冷却介质流速；覆盖/辅助气体流速；覆盖/辅助气体压力；覆盖/辅助气体混合；电弧焊工艺参数(如电压、电流和送丝速率)；以及增材材料馈送速率。
在一些实施例中，所述方法还包括：当相关结果满足阈值时，控制材料改性光束源打开材料改性光束。
在一些实施例中，所述方法还包括：合成预先计算的合成干涉图。
根据本发明的又一方面，提供了一种生成材料改性工艺的方法，该方法包括：作为材料改性工艺的一部分，将材料加工光束施加于样本位置，其中，材料改性工艺是焊接工艺；利用成像光源产生成像光；至少使用输送到样本的成像光的分量来产生干涉测量输出，所述干涉测量输出基于到所述样本的至少一个光路长度相对于另一光路长度；以及基于多个时间的干涉测量输出来生成材料改性工艺的记录。
在一些实施例中，所述方法还包括：存储该记录。
在一些实施例中，材料加工光束和成像光在被输送到样本时基本上是同轴的。
在一些实施例中，记录包括激光焊接的质量。
在一些实施例中，记录包括激光焊接工艺中熔池的元素。
在一些实施例中，记录包括即将发生的突破的指示。
在一些实施例中，识别样本内部上的材料界面并将其用于控制材料改性工艺。
在一些实施例中，记录包括锁孔稳定性。
在一些实施例中，记录包括穿透深度。
根据本发明的又一方面，提供了一种生成材料改性工艺的方法，该方法包括：作为材料改性工艺的一部分，将材料加工光束施加于样本位置，其中，材料改性工艺是采用激光束作为材料加工光束的医疗处理；利用成像光源产生成像光；至少使用输送到样本的成像光的分量来产生干涉测量输出，所述干涉测量输出基于到所述样本的至少一个光路长度相对于另一光路长度；以及基于多个时间的干涉测量输出来生成材料改性工艺的记录。
在一些实施例中，该方法还包括以下项中的至少一个：选择低于样本的感兴趣区域的零光路长度差点的位置。
在一些实施例中，零光路长度差点被选择为在正被测量的样本中。
在一些实施例中，零光路长度差点被选择为低于正被测量的样本。
在一些实施例中，该方法还包括以下项中的至少一个：用于调整灵敏度与深度曲线的Talbot带技术；非线性时间选通；以及在最终数字化之前访问模拟条纹信号，然后使用直接硬件解调和/或滤波来衰减某些条纹频率，该某些条纹频率与在保持信号较弱的深度处的灵敏度时的预期高反射率的深度对应。
在一些实施例中，所述方法还包括：使用单个加工光束源处理多个加工位置中的多个样本。
在一些实施例中，所述方法包括：使用到多个加工位置的匹配样本臂路径和公共参考路径。
在一些实施例中，所述方法包括：针对每个加工位置使用相应的参考臂。
在一些实施例中，该方法还包括以下项中的至少一个：动态调节样本臂的路径长度；动态调节参考臂的路径长度。
在一些实施例中，所述方法还包括：在多个参考臂之间切换。
在一些实施例中，一种方法包括：使用ICI系统跟踪兴趣点的位置；相对于兴趣点的位置调节(例如，自适应地)零光路长度差点的位置。
在一些实施例中，该方法还包括使用ICI系统来执行以下项中的至少一个：a)在钻孔期间跟踪孔的底部；b)控制穿孔速度；c)观察材料被穿孔时的点；d)预测激光对材料进行穿孔的时间点；e)调节激光处理，以避免损坏新孔下方的表面；f)确认激光关闭后孔未被重新填充；g)控制钻孔、切割或焊接到规定的深度；以及h)控制钻孔、切割或焊接到相对于选定材料界面的选定深度。
在一些实施例中，所述方法还包括：配置ICI系统，使得成像光源照射样本的区域或体积，该区域或体积包含样本的处于不同轴向高度的多个反射特征、或相对于成像光束的中心轴的不同横向位移、或其任何组合。
根据本发明的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有激光焊接材料改性工艺的记录，该记录基于多个时间的干涉测量输出。
以上概述了内联相干成像观察和/或控制方法，并在下面详述。更一般地，所描述的内联相干成像观察和/或控制方法中的任何一个或两个或更多个的任何组合可以应用于以下应用之一：
焊接，包括混合激光电弧焊接；
钎焊；
表面纹理，包括凹陷、点蚀、粗糙、平滑；
激光驱动的化学处理，包括光聚合、金属沉淀；
退火，包括选择性退火；
回火；
硬化和热处理；
烧结；
激光孵化；
沟槽切割；
钻孔——这是激光快速聚为圆形以钻出圆形、干净的孔；
对硬组织或金属聚合物、陶瓷的激光穿孔中的单面突破检测；
切割包括合成有机体及其前体的材料的生物材料；
在印刷电路板中钻印刷电路板通孔和/或沟槽切割；
连接或熔融或焊接生物材料。
本发明的另一方面提供了一种装置，包括：材料加工光束源，所述材料加工光束源产生在材料改性工艺中施加于材料的位置的材料加工光束；成像光源，所述成像光源产生成像光；相干成像系统，所述相干成像系统包括光学干涉仪，所述光学干涉仪使用在所述材料改性工艺之前、期间和/或之后被输送到在材料中创建的相变区域和/或周围区域的成像光的至少一个分量产生干涉测量输出，所述干涉测量输出基于到所述相变区域和/或所述周围区域中的至少一个点的至少一个光路长度相对于另一光路长度；检测器，接收干涉测量输出并产生检测器输出，该检测器输出指示材料改性工艺期间相变区域和/或周围区域的特征；以及记录生成器，基于多个时间的检测器输出产生至少一个记录。
根据该方面，材料改性工艺可以是增材制造工艺、减材制造工艺、连接工艺或其组合的一部分。增材制造工艺可以包括激光烧结、选择性激光烧结、激光熔化、选择性激光熔化、直接金属激光烧结、电子束熔化、粉末床3D打印或粉末床熔融、或其变体、衍生或组合。增材制造工艺可以包括粉末馈送工艺、激光金属沉积、直接金属沉积或激光熔覆、或其变体、衍生或组合。
该装置可以包括反馈处理器，所述反馈处理器接收来自相干成像系统、检测器输出和辅助光学传感器中的至少一个的输入，并产生用作反馈的输出以控制所述材料改性工艺的一个或多个参数。
该装置还可以包括一个或多个辅助光学传感器；其中一个或多个辅助光学传感器从相变区域或周围区域或其两者接收至少一个光发射，并产生一个或多个输出；其中一个或多个输出连接到信号处理器、质量保证信号生成器、反馈控制器和记录生成器中的至少一个；其中信号处理器、质量保证信号生成器、反馈控制器和记录生成器中的至少一个产生记录、通知和反馈输出中的至少一个。
该装置基于至少一个记录来控制材料改性工艺的至少一个加工参数。材料改性工艺的被控制的至少一个加工参数可以包括以下项中的至少一个：
材料加工光束的开启/关断状态；
材料加工光束的平均功率；
材料加工光束的脉冲持续时间；
材料加工光束的峰值强度；
材料加工光束的密度；
材料加工光束的能量；
材料加工光束的颗粒种类；
材料加工光束的波长；
材料加工光束的脉冲重复率；
材料加工光束的脉冲能量；
材料加工光束的脉冲形状；
材料加工光束的扫描速度；
材料加工光束的焦点直径；
材料加工光束的焦点位置；
材料加工光束的空间图案；
冷却介质流速；
覆盖/辅助气体流速；
覆盖/辅助气体压力；
覆盖/辅助气体混合；
选自电压和电流的至少一个加工参数；
至少一个拒绝参数；
增材材料馈送速率；
增材材料馈送几何形状；以及
增材材料馈送类型。
材料改性工艺的被控制的至少一个加工参数可以包括：粉末层厚度、堆积密度、层均匀性、增材材料馈送速率和对沉积材料的选择中的至少一个。
在一个实施例中，该装置被配置成：产生在被输送到相变区域和/或周围区域中时基本上同轴的材料加工光束和成像光。
在一个实施例中，材料改性工艺通过用所述材料加工光束修改增材材料来制造、改性或修复物体。
在另一实施例中，至少一个扫描系统将相干成像系统引导到材料。
在另一实施例中，至少一个辅助传感器耦合到至少一个扫描系统，使得可以在空间上解析材料改性工艺发射。至少一个辅助光学传感器可以通过光纤耦合到扫描系统。光纤可以包括多包层光纤或多芯光纤或其两者之一，其中，成像光与至少一个辅助光学传感器共享至少一个光纤。
根据该方面，本文还描述了用于控制材料改性工艺的方法，该材料改性工艺使用施加于材料位置的材料加工光束，所述方法包括：在所述材料改性处理之前、期间和/或之后，将成像光施加到在所述材料中创建的相变区域和/或周围区域；使用包括光学干涉仪的相干成像系统，以使用在所述材料改性工艺之前、期间和/或之后被输送到相变区域和/或周围区域的成像光的至少一个分量产生干涉测量输出，所述干涉测量输出基于到所述相变区域和/或所述周围区域中的至少一个点的至少一个光路长度相对于另一光路长度；其中干涉测量输出指示在材料改性工艺期间相变区域和/或周围区域的特征；以及使用干涉测量输出来控制材料改性工艺中的至少一个加工参数。
根据该方法，材料改性工艺可以是增材制造工艺、减材制造工艺或其组合的一部分。增材制造工艺可以包括激光烧结、选择性激光烧结、激光熔化、选择性激光熔化、直接金属激光烧结、电子束熔化、粉末床3D打印、粉末床熔融、粉末馈送工艺、激光金属沉积、直接金属沉积或激光熔覆、或其变体、衍生物或组合。
该方法还可以包括设置一个或多个辅助光学传感器以从相变区域或周围区域或其两者接收至少一个光发射，并产生一个或多个输出；将一个或多个输出连接到信号处理器、质量保证信号生成器、反馈控制器和记录生成器中的至少一个；其中信号处理器、质量保证信号生成器、反馈控制器和记录生成器中的至少一个产生记录、通知和反馈输出中的至少一个；使用记录、通知和反馈输出中的至少一个用于对材料改性工艺进行控制、监视和调节中的一个或多个。
在一个实施例中，控制可以包括提供增材制造质量保证信息。该方法可以包括控制从以下项中选择的至少一个加工参数：
材料加工光束的开启/关断状态；
材料加工光束的平均功率；
材料加工光束的脉冲持续时间；
材料加工光束的峰值强度；
材料加工光束的密度；
材料加工光束的能量；
材料加工光束的颗粒种类；
材料加工光束的波长；
材料加工光束的脉冲重复率；
材料加工光束的脉冲能量；
材料加工光束的脉冲形状；
材料加工光束的扫描速度；
材料加工光束的焦点直径；
材料加工光束的焦点位置；
材料加工光束的空间图案；
冷却介质流速；
覆盖/辅助气体流速；
覆盖/辅助气体压力；
覆盖/辅助气体混合；
选自电压和电流的至少一个加工参数；
至少一个拒绝参数；
增材材料馈送速率；
增材材料馈送几何形状；以及
增材材料馈送类型。
该方法可以包括：控制粉末层厚度、堆积密度、层均匀性、增材材料馈送速率和对沉积材料的选择中的至少一个。
该方法可以包括：将材料加工光束和成像光基本上同轴地施加到相变区域和/或周围区域。
该方法可以包括：通过用所述材料加工光束修改增材材料来控制用于制造、改性或修复物体的增材制造工艺。
该方法还可以包括进一步设置一个或多个辅助光学传感器以检测材料改性工艺中的融合、缺少融合或两者。
附图说明
为了更好地理解本发明，并且为了更清楚地示出如何实现本发明，下面将参考附图示例性地描述实施例，其中：
图1是材料加工系统的框图，其特征在于来自由本发明实施例提供的内联(inline)相干成像系统的反馈控制。
图2是图1的反馈控制器的示例实现方式的框图。
图3是材料加工系统的框图，其特征在于来自成像系统的反馈控制，其中材料改性光束源也用作成像光源。
图4和图5是材料加工系统的框图，其特征在于来自内联相干成像系统的反馈控制。
图6和图7是一个和两个通道材料加工系统的框图，其特征在于来自内联相干成像系统和经平衡的光电检测器的反馈控制。
图8是使用预先计算的合成干涉图来处理干涉测量输出的装置的框图。
图9示出了牛肋骨激光切割的M模式OCT成像的示例，其中次表面结构在暴露于初始1.43×105脉冲期间呈现静态，随后突然开始以近似线性的蚀刻速率进行加工。
图10A和图10B示出了由于来自纳秒持续时间的光纤激光器(恒定平均功率23W)的曝光而导致的牛肋骨中的材料蚀刻速率和去除效率的示例。
图11A和图11B是多层样本的激光切割的M模式OCT成像的示例。
图12是在钻孔之前(左)和钻孔之后(右)的骨头的原位B模式OCT图像的示例。
图13是钢中冲击钻孔的实时M模式图像的示例。
图14是由本发明的实施例提供的另一示例成像系统的框图。
图15是对来自图14的系统的经完全处理的M模式图像的描绘，其中在选定的滤波器深度处叠加有线(顶部)，并且示出了来自零差滤波器的响应——随着加工前沿穿过选定的深度而表现出尖峰(底部)。
图16是使用基于零差滤波器的反馈控制方法的流程图。
图17是另一内联相干成像系统的框图。
图18是以图17的ICI系统为特征的激光手术系统的框图。
图19是以图17的ICI系统为特征的焊接系统的框图。
图20是比较零差滤波与标准(三次样条重采样，FFT)处理的曲线。
图21示出了成像光束和激光产生的特征，该成像光束具有比激光产生的特征更大的直径，并且其中零光路长度差点被选择为位于被测材料内部的深度。
图22示出了由不锈钢箔中的单个脉冲(由垂直线指示的5ms持续时间)氧气辅助冲击钻孔产生的ICI图像。
图23是示出ICI可以如何用于评估激光搭焊中的装配和间隙的示意图。
图24描绘了通过单独的扫描光学相干断层扫描系统的扫描，以验证ICI控制的激光钻孔的准确度。
图25A、图25B、图25C和图25D描绘了使用具有多个样本位置的相同ICI系统的各种选项。
图26描绘了使用ICI系统来测量样本表面下方的特征的高度。
图27是ICI系统直接控制机械加工激光器的另一实施例的框图。
图28是另一实施例的框图，其中ICI系统接口通过激光控制器间接控制机械加工激光器，并且还与其他系统控制和/或管理部件(例如，机器人运动控制、材料馈送控制等)接口。
图29是根据一般化实施例的装置的框图。
图30A是根据一个实施例的相干成像系统的图。
图30B和图30C是示出了与诸如图30A所示的相干成像系统一起使用的增材制造装置的两个实施例的图。
图31是根据一个实施例的具有多个样本臂路径的相干成像系统的示意图。
图32是示出根据一个实施例的相干成像系统光束样本臂控制器的图，该控制器允许改变相干成像光束入射角。
图33是示出包括固定距离相干成像探针光束参考的材料改性装置的图。
图34是示出包括辅助光学传感器的材料改性装置的图。
图35示出根据本文描述的实施例的增材制造工艺中的分层测量。
图36A是材料改性工艺的示意图。
图36B、图36C、图36D、图36E示出了用于区分/解析图36A的材料改性工艺的不同材料相的干涉测量输出。
图37示出了展示界面跟踪方法的数据，用于区分增材制造工艺中的界面类型。
图38A和图38B示出了静态界面的相干成像光路长度测量，其中由相干成像系统测量的高度/深度和背向散射强度随时间变化。
图39是示出了相干成像测量期间的与非多次散射或直接测量相比不同的多次散射事件的图。
图40A至图40F分别示出了在材料改性工艺中的熔池的相干成像测量，以评估激光功率不足(图40A)、激光功率充足(图40C)和激光功率过量(图40E)时的加工激光功率、以及在(图40B、图40D和图40F)中示出的所得轨迹的相应相干成像测量。
图41A和图41B示出了增材制造工艺的粉末床高度(图41A，上图)和背向散射强度(图41B，上图)、和原材料层(图41B、下图，图41、下图)中的缺陷的相干成像测量。
图42是示出用于识别由于挤出到材料原料沉积平面的部分特征而导致的潜在的增材制造工艺失败的相干成像形态测量的图。
图43A是在粉末床增材制造工艺中激光处理期间熔池的相干成像测量，用于识别在处理悬垂区时熔池稳定性的损失(例如，图中约6.5-13mm)；以及图43B是照片，并且图43C是所得轨迹的相干成像测量，用于评估悬垂区中沉积材料的质量。
图44示出了在增材制造工艺中用于测量/确定液体材料在底层的块状固体材料上的接触角的相干成像形态测量(左)和图(右)。
图45是显示尾随熔池/PCR/加工光束的区域的相干成像测量的图，用于评估/确定沉积在轨迹中的增材制造工艺材料的质量/一致性。
图46是显示在增材制造工艺中围绕PCR的粉末床中的裸露区的图。
图47示出了用于相对于附图标记90的材料加工光束帧的对准的相干成像测量。
图48A和图48B示出了材料改性工艺的不同示意性方面，其中，相干成像测量结果与辅助光学检测器测量结果相结合以检测材料加工缺陷。
具体实施方式
图1是根据本发明实施例的以内联相干成像(ICI)和反馈控制为特征的材料加工系统的逻辑框图。该系统具有材料处理器10，其实现材料改性工艺，例如烧结、焊接和钎焊或其组合。材料处理器10具有：材料加工光束源12，其产生材料加工光束14，该材料加工光束14又对位于样本位置16处的样本进行改性。还示出了成像光源18，其产生成像光20，至少一部分成像光20被输入到光学干涉仪22。干涉仪24产生干涉测量输出24，其输入到反馈控制器26。反馈控制器26产生反馈29，反馈被输入到材料处理器以控制材料改性工艺的至少一个加工参数。
光学干涉仪22使用输送到样本位置16的成像光20的至少一个分量来产生干涉测量输出。线28是光学干涉仪22和样本位置16之间的相互作用的逻辑表示。干涉测量输出24基于到样本位置的至少一个光路的长度相比于另一光路的长度。为了清楚起见，在图中未示出光路，但是稍后描述各种示例。样本位置是收集反射成像光的位置。可以从各种选项中选择样本位置以实现不同的成像目标。例如，在一些实施例中，样本位置位于正被加工的材料样本的物理位置。在一些实施例中，样本位置在正被加工的材料样本的物理位置附近。在一些实施例中，样本位置是选定的用于产生关于材料加工的有意义信息的位置。
在一些实施例中，处理多个实例处的干涉测量输出以识别关于正被加工的材料的干涉测量输出的变化。在一些实施例中，反馈控制中的至少一些是这种改变的函数。在一些实施例中，干涉测量数据的变化用于提供对改性/样本运动“速度”或其他变化速率的指示。
在处理干涉测量数据以识别变化的特定示例中，在一些实施例中，反馈控制器进一步被配置为确定干涉测量输出初始是否实质上仅包括沿参考路径反射的光(该参考路径可以沿着参考臂(如果存在参考臂)或沿着样本臂)，在此之后，干涉测量输出为基于样本路径的路径长度相比于参考路径的路径长度。例如，这可能发生在下述情况下：当样本位置初始只有一个反射表面/次表面(在没有参考臂的情况下)或没有反射表面/次表面(在有参考臂的情况下)，然后在材料已被改性和/或已相对于成像光学器件移动之后时，在某个点处，检测到另外的反射表面/次表面。
在一些实施例中，反馈控制器进一步被配置为确定干涉测量输出初始何时从实质上仅包括沿参考路径反射的光(该参考路径可以沿着参考臂(如果存在参考臂)或沿着样本臂)进行转变，在此之后，干涉测量输出为基于样本路径的路径长度相比于参考路径的路径长度。反馈控制器基于考虑该转变的干涉测量输出来产生影响材料改性工艺的至少一个加工参数的至少一个信号。
在一些实施例中，反馈控制器26是实时控制器，其在该工艺期间控制材料改性工艺的加工参数。在另一实施例中，反馈控制器在连续工艺之间的间隔期间控制至少一个加工参数。
在一些实施例中，材料改性加工光束源是激光器，诸如固态、光纤或气体激光器。
在一些实施例中，材料改性加工光束源产生离子束和/或电子束。
由这种系统处理的材料可以是例如以下项中的一个或多个：金属、半导体、电介质、硬生物组织、软生物组织、塑料、橡胶、木材、复合物。其他材料也是可能的。
在一些实施例中，干涉仪具有组合器以及被称为参考臂和样本臂的两个不同的臂。成像光的第一分量被施加到参考臂的输入，从而得到参考臂的输出信号。成像光的第二分量被施加到样本臂，从而得到样本臂的输出信号。样本臂的输出信号的至少一个分量包括对来自样本位置的成像光的分量的反射。组合器组合参考臂的输出信号和样本臂的输出信号，以产生作为干涉测量输出的组合信号。根据实现方式，组合器可以是耦合器、环形器或分束器；可以使用执行组合功能的任何组件。
在一些实施例中，系统还具有：信号检测器，其根据干涉测量输出来产生干涉图。在一些实施例中，信号检测器是检测器元件阵列的形式。一个具体的示例是线相机(1inecamera)。稍后在具体的详细示例实现方式的上下文中描述这种信号检测器的其他示例。
根据干涉测量输出产生干涉图的信号检测器的另一示例是放大的平衡光电二极管对。稍后在具体的详细示例实现方式的上下文中描述这种信号检测器的其他示例。
在一些实施例中，存在多个样本臂，并且针对每个样本臂参考臂组合，生成相应的干涉图。
在一些实施例中，存在多个参考臂，并且针对每个样本臂参考臂组合，生成相应的干涉图。
在一些实施例中，存在多个参考臂和多个样本臂，并且针对每个样本臂参考臂组合，生成相应的干涉图。
例如，可以存在多个样本臂，其中样本位置处存在多个反射器。尽管这样的样本臂可以在将来自样本的反射输送到组合器时共享相同的光学组件，但是光路长度将是不同的。一些样本臂可以是次表面反射器。
对于生成多个干涉图的任何情况，反馈控制器26然后使用这些多个干涉图来生成用于控制材料处理器10的反馈28。
回想到，干涉测量输出基于到样本位置的至少一个光路的长度相比于另一光路的长度。在一些实施例中，“另一光路”仅是到样本不同的光路。实际上，在这种情况下由干涉仪比较的两个路径是到同一样本的不同反射器的两个路径。在这种情况下，成像光将穿过同一光路，除了对于样本位置处的反射器的位置之间的小差异。
在一些实施例中，至少一个路径长度是到样本位置处的相应反射器的至少两个路径长度，并且另一路径长度沿着参考臂。
在一些实施例中，反馈控制器进一步被配置为确定干涉测量输出初始是否实质上仅包括沿参考路径反射的光(该参考路径可以沿着参考臂(如果存在参考臂)或沿着样本臂)，在此之后，干涉测量输出为基于样本路径的路径长度相比于参考路径的路径长度。例如，这可能发生在下述情况下：当样本位置初始只有一个反射表面/次表面(在没有参考臂的情况下)或没有反射表面/次表面(在有参考臂的情况下)，然后在材料已被移除之后时，在某个点处，存在另外的反射表面/次表面。
在一些实施例中，反馈控制器进一步被配置为确定干涉测量输出初始何时从实质上仅包括沿参考路径反射的光(该参考路径可以沿着参考臂(如果存在参考臂)或沿着样本臂)进行转变，在此之后，干涉测量输出为基于样本路径的路径长度相比于参考路径的路径长度。反馈控制器基于考虑该转变的干涉测量输出来产生影响材料改性工艺的至少一个加工参数的至少一个信号。
在一些实施例中，干涉图处理器基于干涉测量输出执行分析以产生反映材料加工光束在样本位置处穿透的有多深的深度测量。在一些这样的实施例中，反馈控制器基于深度测量来控制材料改性工艺的至少一个加工参数。
在一些实施例中，反馈控制器基于干涉测量输出来执行分析，并生成反馈控制，该反馈控制相对于与加工位置最接近的界面控制加工(例如，切割)深度。
在一些实施例中，反馈控制器基于干涉测量输出来执行分析并生成反馈控制，该反馈控制相对于超出当前加工深度的界面控制加工深度(例如，切割深度)。
应该理解，材料改性工艺的任何加工参数可以由反馈控制器控制。具体示例包括：
材料加工光束的开启/关断状态；
材料加工光束的平均功率；
材料加工光束的脉冲持续时间；
材料加工光束的峰值强度；
材料加工光束的密度；
材料加工光束的能量；
材料加工光束的颗粒种类；
材料加工光束的波长；
材料加工光束的脉冲重复率；
材料加工光束的脉冲能量；
材料加工光束的脉冲形状；
材料加工光束的扫描速度；
材料加工光束的焦点直径；
材料加工光束的焦点位置；
材料加工光束在样本上的空间图案；
材料馈送速率；
冷却介质流速；
覆盖/辅助气体流速；
覆盖/辅助气体压力；
覆盖/辅助气体混合；
电弧焊工艺参数(诸如电压、电流和送丝速率)；以及
增材材料馈送速率(例如，在钎焊中)。
在具体示例中，当深度测量指示指定深度时通过控制材料改性源光束关闭，反馈控制器基于深度测量来控制材料改性工艺的至少一个加工参数。
在一些实施例中，反馈控制器具有干涉图处理器，该干涉图处理器基于干涉测量输出执行分析以产生材料改性源光束何时穿透到指定深度的指示，该指定深度可以是例如绝对的或者相对于与材料相关的表面或界面的。在一些这样的实施例中，反馈控制器基于对激光器何时穿透到指定深度的指示来控制材料加工光束源关断材料加工光束。
在一些实施例中，反馈控制器具有干涉图处理器，该干涉图处理器基于干涉测量输出来执行分析，以产生对当前正被改性的材料的区域与材料的其他区域的接近度的指示。
在一些实施例中，反馈控制器具有干涉图处理器，该干涉图处理器基于干涉测量输出来执行分析，以产生对要穿透的材料的剩余量的指示。
在一些实施例中，干涉图处理器基于干涉测量输出来执行分析以产生对材料何时存在于指定深度的指示，并且反馈控制器基于所述指示来控制材料加工光束源打开材料加工光束。图6和图7是这种系统的两个具体示例，该系统以光学环行器和平衡的光电检测器为特征。这些图如下所述。
图2示出了反馈控制器的部分示例实现方式。示出了信号检测器30，其接收干涉测量输出18并生成测量的干涉图32。干涉图处理器34接收测量的干涉图32。设置了存储器36，其中存储有用于目标结果的预先计算的合成干涉图37。干涉图处理器34将测量的干涉图与预先计算的合成干涉图37一起处理以产生相关结果38。反馈控制器基于相关结果来控制材料改性工艺的至少一个加工参数，该相关结果是测量的干涉图32和合成的干涉图37的相似性的度量。
针对目标结果的预先计算的合成干涉图是预先计算的，使得该合成干涉图直接可用于与测量的干涉图相关。该合成干涉图是在仅根据计算而确定的意义上合成的；该合成干涉图生成中不涉及光信号。
在一些实施例中，针对目标结果的预先计算的合成干涉图是在材料加工光束达到指定深度时对预期内容的估计。
在一些实施例中，干涉图处理器通过在检测器元素的基础上将测量的干涉图乘以预先计算的干涉图然后求和来产生相关结果。
在一些实施例中，预先计算的合成干涉图和测量的干涉图中的至少一个被整形以补偿以下项中的至少一个：
光谱仪对准；
光谱仪光栅角度非线性；
光谱仪中成像光学器件的成像失真；
波长到波数/频率重新采样；
有限尺寸的检测器有效区域；
光谱包络形状；
色散失配；以及
干涉图中包含的降低图像质量的其他非理想因素。
例如，可以通过合成干涉图的各个元素的符合和振幅的受控调制来实现补偿。调制量可以根据装置的实验校准、光学传播的数学建模、系统响应的理论分析和上述项的组合中的至少一个来确定。确切的方法取决于要补偿的具体非理想性。
一个具体示例是色散。对于固定的色散元素，可以将由材料的色散项引起的每个波长的相对相位滞后/提前加到合成干涉图中的每个元素上。还可以补偿渐进色散(即，样本中色散本征)，因为可以针对每个待测量的深度不同地计算合成干涉图。
在一些实施例中，处理相关结果以识别材料加工光束何时达到指定深度。例如，这可以通过确定相关结果何时超过阈值来实现。
在一些实施例中，该系统还包括：干涉图合成器，其合成预先计算的合成干涉图。
另一实施例提供了一种与实现材料改性工艺的材料加工系统一起使用的反馈控制系统，该材料加工系统具有相机端口。这种反馈控制系统包括图1的功能，不包括材料处理器。在这种情况下，光学干涉仪22通过未示出的相机端口与材料处理器10相互作用。从反馈控制器26提供反馈28给材料处理器10的另一输入。
上述实施例可以例如用于在材料改性光束(例如激光)处理之前、期间和/或之后，测量材料的几何形状、形态、光学散射和/或组成。在一些实施例中，可以提供关于材料的几何形状/形态/组成的反馈信息(例如，孔、切割、静态或动态次表面特征和/或熔池深度)，并且可以直接或者间接地使用这样的信息来控制材料改性工艺，例如激光改性工艺。
在一些材料中，本文描述的系统可以感测被加工材料的几何形状的元素以及该元素相对于与改性光束相互作用的表面下方的其他材料几何元素的位置。在一些实施例中，该信息用于将改性引导到次表面几何形状的规定边缘内，即使所述几何形状的精确位置可能先前未知和/或未表征。在一些实施例中，测量切割到骨中的激光的深度，使得激光改性可以在激光穿透感兴趣的骨的次表面层之前一定距离停止。这对于在激光手术中提供安全留白可以是有用的。在一些实施例中，通过在一些实施例中使用手动、自动或两者的某种组合的技术对计量数据的分析来实现这样的留白/反馈。
在一些实施例中，提供了感测次表面水平的变化的装置、方法和系统，次表面水平的变化例如但不限于温度变化、状态变化、流体流动和/或压力波，在一些实施例中，装置、方法和系统可以进一步用于通知激光曝光工艺。在一些实施例中，基于对多个测量的干涉图的比较/分析来确定这些变化。干涉图的相位对样本中几纳米量级的运动是敏感的。轻微的温度、压力、流动和状态变化引起组织的运动，其改变该相位。而且，相干图像具有特征“散斑图案”，其是样本的微米观/纳米观分量的部分结果，从而产生内部干涉图案。这种散斑图案对上述变化也非常敏感。在一些实施例中，通过分析散斑图案的变化频率，在变化速率的激光处理期间观察次表面变化。
在一些实施例中，所述装置用于在激光焊接工艺中跟踪熔池的元件(elements)。本领域技术人员将理解，熔池(和/或锁孔)稳定性和穿透深度可以是激光焊接质量的指标。一些实施例用于测量这些和/或其他指标，并且在一些实施例中，用于约束焊接工艺、帮助焊接工艺开发、或产生用于整个或部分工艺的质量保证数据的目的。
在一些实施例中，成像光源是具有以波长λo为中心的光谱的光源，在一些实施例中波长λo可以在300和15000nm之间并且可以具有宽度Δλ，宽度Δλ可以提供轴向分辨率δz，可以用以下关系表示：
Figure BDA0002204796170000321
在一些实施例中，成像光源可以是：超发光二极管、激光二极管、发光二极管、超快光学振荡器、半导体光放大器和卤素灯；然而，普通技术人员将理解可以使用其他合适的光源。在其他实施例中，光源可以包括：超发光二极管(SLD)，在一些实施例中具有1100nm至1400nm范围内的发射光谱；或者在替代实施例中，Ti：AlO3振荡器，在一些实施例中具有750nm至900nm范围内的发射光谱。在一些实施例中，取决于选定的后续检测器技术，具有较窄瞬时线宽的光源可以代替所提到的其他源使用或与所提到的其他源一起使用，该较窄瞬时线宽在由λo和Δλ定义的光谱带上被快速扫过。
在其他实施例中，可以包括用于材料改性的附加光源。在一些实施例中，这些源可以具有200nm至15000nm范围内的光谱，且在一些实施例中，这些源的发射谱可以是连续的、或者在其他实施例中可以是脉冲型的。在具有脉冲发射的实施例中，可以使用范围从1nJ到1MJ的脉冲能量和范围从1fs到30分钟的脉冲持续时间。
在一些实施例中，信号检测器(其可以是单个检测器或检测器的组合)感测感兴趣的不同波长的光的强度。这可以涉及使用衍射元件使光谱在检测器阵列上空间分散。备选地，信号检测器可以是平衡光电检测器或非平衡光电检测器，其中可以知道光谱分量的到达定时是同时的或在时间上分散的。
可以包括能够测量和解释检测到的信号的电子器件。在信息处理链的这一点上，信号不再是光学的。在一些实施例中，这些可以包括但不限于机载相机硬件、帧抓取器、现场可编程门阵列、专用集成电路、个人计算机、数据采集卡。可以选择电子器件硬件来补充所采用的反馈方案和方法或算法。
一些实施例包括存储在适当的计算机可读存储介质上的软件和/或硬件，该软件和/或硬件执行能够识别孔和/或次表面界面的位置底部和/或成像数据中的感兴趣变化，并且可以基于其位置(例如它们的绝对或相对位置)计算度量和控制参数的方法或算法。
图3是将改性激光器(FL)100也用作成像光源的装置的框图。这导致成像和加工光束对准是自动的。相反，图1、图4、图5、图6、图7、图14、图17、图18、图19的实施例的特征在于材料加工光束源和成像光源。使用自由空间迈克尔逊干涉仪，其包括分束器(BS)102、色散补偿器(DC)104、参考镜(RM)106、检流计镜(GM)107和用于将光聚焦到样本112上的物镜116。通过包括光栅(GR)114、透镜(ASL)116和光电检测器阵列(IGALC)118在内的光谱仪完成检测。PC 122和帧抓取器(FG)120实现本文描述的装置、方法和系统的电子器件和算法组件。PC 122通过反馈路径124来控制改性激光器100和/或改性工艺的另一方面，并且在这种情况下PC 122用作反馈控制器。
图4是第一详细实现的框图。在该实施例中，示出了单独的改性(ML)光源200和成像(SLD)光源204。在该实施例中，在独立的聚焦物镜208、210之后，两个光路由二向色或其他组合光学器件(DM)206组合。在该实施例中，干涉仪可以构建在单模光纤中，或者在其他实施例中构建在多模光纤中。借助于高速光谱检测器(HSS)212完成检测。虽然所示实施例在样本臂216和参考臂218之间显示50∶50的功率划分比214，但在其他实施例中，干涉仪中的其他分束比是可行的并且其他分束比可以取决于光功率的可用性和/或对检测灵敏度的需要。在一些实施例中，其他干涉仪配置例如Mach-Zehnder、Sagnac、公共路径等也是可行的。虽然在该实施例中，DM 206被示出为反射成像光并透射改性光，但是反过来也是可能的。在一些实施例中，可以发生经由偏振敏感光学器件或中性反射光学器件对光束组合。本领域技术人员将理解，从该图中所示的实施例中省略了检测、处理和反馈电子器件，并且这些处理步骤可以在反馈控制器内执行。反馈控制器214接收HSS 212的输出，并控制改性激光器206和/或材料改性工艺的一些其他方面。
图5是第二详细实现方式的框图。在该实施例中，通过将宽带源300输出的短的、经色散优化的脉冲耦合到一段单模光纤310中来创建大功率宽带源。这导致光谱带宽的扩展，在一些实施例中，约为6倍，但是在其他实施例中，可以进行更多或更少的加宽。这里示出的实施例的特征在于在650至1100nm的范围内工作的Ti：AlO3激光源301。在其他实施例中，来自其他光学成像源的光谱范围为300至15000nm是可行的。在该实施例中，示出了Glan-Taylor偏振器(GTP)302、法拉第光学隔离器(ISO)304、半λ波片偏振控制305和叉形棱镜色散补偿306。在其他实施例中，其他宽带源(诸如超发光二极管、其他激光器和/或其他加宽方法)可以代替加宽的Ti：AlO3激光源。
在该实施例中，改性激光器(ML)320穿过准直器351，并且成像光束穿过样本臂准直器353，之后改性激光器束和成像光束在它们被共同的聚焦物镜314聚焦之前由光学组合器(DM)312组合。
在这样的实施例中，透镜可以是消色差的、非球面的和/或圆锥形的(即，锥透镜)。该光束组合可以通过可选的喷嘴316聚焦，该喷嘴可以用于将辅助流体(例如，压缩气体、水喷射)施加于改性工艺。喷嘴喷雾也可以独立于该光束；即，喷嘴喷雾和光束从不同的点输送到样本。迈克尔逊干涉仪包括50∶50分束器322(尽管在其他实施例中，可以使用其他分束比)、参考臂准直器355和参考镜326。还示出了偏振控制器324、325、330。该实施例中的光谱检测涉及光纤耦合反射光栅光谱仪318。在一些实施例中，透镜前面的附加镜(ASL)321可以允许光束接近和离开反射光栅318(尽可能接近Littrow配置)，从而提高衍射效率。在一些实施例中，可以使用透射光栅和/或多光栅和/或法布里-珀罗光谱仪。硅线相机330产生干涉图，该干涉图被传递到图像处理电子器件332，图像处理电子器件332的输出被传递到反馈控制器334。反馈控制器334产生反馈336以控制改性激光器320或改性工艺的一些其他方面。
改性光和成像光的适当对准和光束整形可以有益于成像数据和反馈控制的质量和有用性。在一些实施例中，期望的是成像为高纵横比特征，例如正被钻凿的孔。在这种情况下，对准方法(在一些实施例中，针对成像光和改性光使用二向色镜光束组合器)提供了两个光束在基本相同的点处相遇在组合器的反射表面上。在这样的实施例中，对两个光束的适当光束控制(一个或多个反射镜)是有益的。利用从组合光学器件的相同点发出的两个光束，然后可以通过适当的消色差(或其他设计)透镜聚焦该两个光束。在一些实施例中，使用位于透镜的焦平面处的阵列检测器或针孔(在一些实施例中，由改性激光器本身制成)可以帮助组合光学器件的调节，使得两个光束基本上聚焦在同一点上。在一些实施例中，这可以用于匹配干涉仪的参考臂长度，以将焦点体积的中心置于成像视场中的期望位置处。可以基于即将到来的改性应用来选择该位置，并且可以在整个改性工艺中另外调节该位置。在其他实施例中，例如那些不使用共同的聚焦透镜的实施例，使所有光束的中心线在组合光学器件上重合可以是有益的。另外，可以希望将成像光束和改性光束的焦点位置彼此独立地移位，以更有效地成像/改性选择的深度。在一些实施例中，这可以通过在成像光束和改性光束到达公共聚焦透镜之前调节成像光束或改性光束的发散来实现。例如，可以通过减小样本臂准直器透镜和光纤末端之间的距离来增加成像光束的发散。
成像光束和改性光束的焦斑尺寸可以对成像结果的质量产生影响。应仔细考虑形态纵横比和成像光束数值孔径。在成像光束横向远小于孔的实施例中，所得到的成像数据可以给出孔的底部和其下方的界面的清晰标记。然而，在这样的实施例中，实际成像范围可能受到大数值孔径光束中存在的短瑞利范围的限制。在一些实施例中，采用数值孔径来抑制从孔的侧壁发出的信号。在这样的实施例中，如果孔/切口周边的部分在(准)透明且由成像系统捕获的样本中被照射，则相应的信号可能使成像数据复杂化并且可能使得自动算法更难以使用数据进行反馈。然而，在样本不透明的实施例中，对侧壁进行一些照射可能是有益的，因为这样的信号可以提供关于切割宽度、重铸沉积和块状材料的深度的信息。
在一些实施例中，光学组件在样本臂和参考臂中匹配(在一些实施例中为群延迟和更高阶的色散项)，以减少两个臂之间的任何色散失配。这可以改善轴向成像分辨率。改变参考臂中的这种色散补偿以匹配由样本中存在的材料引起的附加色散也可以是有益的。
可以有意地将分散性失配增材到干涉仪和经过修改的图像处理算法，以使用分散编码的全范围技术例如Hofer等人描述的那些(Optics Express 18：4898-919(2010)，其全部内容通过引用并入本文)的技术来增加系统的有效成像范围。
当成像到样本中时，可以考虑可以由改性激光器产生的碳化程度。引起大量碳化的激光可以减少成像深度(以及穿孔的提前通知等)。选择碳化降低的激光(超短脉冲，中心波长为3000nm、9600nm等)可以是有益的。
方法和算法可以用于处理原始数据和/或提供反馈参数，并且可以包括背景频谱减法、光谱仪像素之间的重采样/插值、波长和/或频率空间、噪声本底均衡、快速傅里叶变换、Kasai自相关/多普勒频移和/或基于干涉条纹的相位和/或分离的其他计算。这些方法可以在处理器或多个处理器上运行的硬件和/或软件中实现。在一些实施例中，采用对散斑图案和/或其变化的分析来指示组织分化、时间加热动力学和/或样本的其他特征。例如，可以通过计算散斑的空间变化或时间变化及散斑的振幅来执行这些分析。在一些实施例中，这些方法和算法用于评估已经发生、正在发生和/或将来发生的热损伤的深度。省略了许多先前步骤的信号提取方法也是可行的。在一个实施例中，可以基于仿真光路长度差、光谱仪中的非线性/非理想性、波长到波数/频率转换、干涉仪中的单阶或多阶色散失配、多普勒频移、非理想频谱形状和对成像数据的其他调节中的一个或多个，预先计算零差或外差波形集合。可以将这样的零差/外差波形的集与硬件或软件收集的数据相乘，以确定成像空间中的一个或多个体素处的成像信息。由于采集数据中存在的不同干涉条纹频率的正交性和/或准正交性，可以获得该结果。下面描述该方法的详细示例。在一些实施例中，与使用例如快速傅立叶变换的其他方法相比，该方法和算法可以提供计算节省。这对于实时反馈应用可能是期望的，其中快速响应通常提供来自工艺的改进结果。在一些实施例中，处理可以使用全谱数据集，或者在其他实施例中，使用数据集的子部分。在使用数据集的子部分的实施例中，可以减少处理时间，并且可以提供较低的轴向分辨率，这可以用于各种反馈目的。零差/外差滤波还可以施加于光学相干断层扫描的傅立叶域变体中的一般图像处理，其中大量的后处理和/或实时计算(包括内插、数字色散补偿、频谱整形等)可妨碍系统的计算效率。虽然不限于这种情况，但是这样的实施例在成像针对全景深的子部分的情况下可能是有用的。
在一些实施例中，当界面处于图像中的特定深度时，通过测量真实干涉图来获得零差波形是有益的。复杂的零差波形可以是通过经由用相移光学器件光学地移动和/或通过数字处理移动界面来光机械地移动界面而获得的，数字处理可以使用希尔伯特变换和其他方法。然后，可以应用附加的整形步骤(其可以包括去噪、平均、包络整形)以进一步优化这些波形。在一些实施例中，通过数字、光学(包括但不限于机械阻挡、偏振调节、中性密度滤波、干涉滤波、法布里-珀罗元件)或改变较适合反馈使用的算法的有效点扩散函数的其他方法来整形光谱分布。例如，在一个实施例中，非高斯光谱分布可以数字地施加于零差/外差波形，以在点扩散函数中产生附加的波瓣。可以设计这些波瓣以提供“早期预警”信号或结构化的局部/全局最小值和最大值以供反馈算法适用。
在样本是透明或半透明材料的实施例中，当通过改性激光器除去材料时，原本由样本本体所最初占据的空间可以填充有空气。在样本的光学折射率大于空气的实施例中，当去除材料时，可以减少到任何次表面反射器的光路长度。这具有改变所述反射器的表观深度的效果(在一些实施例中、更接近零光路长度差点，以及在其他实施例中、更远离零光路长度差点)，改变速率通常与材料的线性去除速率和光学指数相关。在使用M模式图像(“运动模式”，在后面的示例中示出)的实施例中，表面界面和次表面界面在持续的材料去除的情况下朝向彼此趋向，直到表面界面和次表面界面在穿孔点处最终会合。感测两个界面的分离并使用这种分离作为反馈方法或算法的输入可以用于表示要保留/监视的手术留白。在傅里叶域中，这两个界面可以表现为彼此接近的两个独立频率。实现感测两个信号之间的频率差的变化的方法和算法的装置和系统可以将这样的信息传送给可以控制切割的工艺控制器和/或用户。
相同的技术可以施加于任何材料加工系统，其中多个界面指示样本的特定特征，并且期望部分地基于对那些特征的深度测量来控制材料处理。
测量相对斜率可以测量被去除材料的有效光学折射率。这可以作为材料成分的指标，这可以作为用于反馈的有用信息。在一些实施例中，可以通过跟踪相对斜率的变化来检测改性激光器何时穿孔一种材料并在下一种材料上开始。
这些相同的原理还可以施加于填充孔的材料是水和/或除空气之外的材料的情况。
在一些实施例中，环形器被增材到源和光纤分束器之间的干涉仪。在一些实施例中，平衡光电检测器(除光谱仪之外或代替光谱仪)用于检测当界面到达干涉仪的零光路长度差点时产生的干涉条纹。在这样的实施例中，平衡光电检测器可以具有比检测器阵列更高的测量速率或者傅立叶域锁模激光器(或其他扫描源)的扫描速率，并且改善反馈响应。这可以为检测界面到达某个深度提供快速、简单和廉价的反馈。在一些实施例中，这可以用于检测材料何时存在于远离系统光学器件一定距离处。本领域技术人员已知聚焦激光束的有效性可以取决于焦点与待改性材料之间的距离。该实施例可以用于以皮秒准确度向材料加工系统提供反馈。在一些实施例中，该反馈可以用于仅在材料存在于选定深度区域(SDZ)中时允许发射改性能量，在一些实施例中，选定深度区域可以与改性激光器的聚焦区域相关。可以通过控制成像光源光谱和参考臂长度来调谐SDZ位置和厚度。该调节可以是工厂设置的，和/或可以由操作员动态设置。在一些实施例中，成像光束和改性光束可以耦合到手持件和SDZ，SDZ被配置为与改性光束的焦点共同定位远离手持件的远端的一定距离。以这种方式，手持件充当传统手术手术刀的光学模拟。SDZ类似于手术刀刀片尖端的刃，并且可以用于切割位于SDZ处的材料。
这可以具有许多优点，包括但不限于提供外科医生熟悉的触觉界面、减少总激光能量使用、减少对材料和/或患者的总激光暴露。本领域技术人员已知，某些种类的材料激光改性可以在材料上方产生对激光能量进行散射和/或吸收的等离子体。由于存在这样的等离子体，进一步施加的能量可能不具有期望的改性效果并且可能使得产生更大的热影响区域。在一些实施例中，等离子体可以阻挡成像光，从而防止来自材料的反射触发反馈系统，直到所述等离子体已经消散。这提供了限制施加改性应用能量的优点，除非样本附近的等离子体条件是有利的。
在一些实施例中，反馈控制可以与操作员开关(例如脚踏板)结合使用，使得操作元可以在满足光电反馈条件时指示他/她同意发射改性能量。
在一些实施例中，可以通过光脉冲选择器、数字种子脉冲控制、泵调制、快门、电光调制器、Pockles单元和/或声光调制器对改性能量源实现反馈控制。
图6描绘了一个具体的示例，它示出了光学环行器350和平衡光电检测器352。平衡光电检测器352的输出进入到反馈控制器354，反馈控制器354控制改性光束源。
双通道版本如图7所示。沿着一个通道的样本臂向下的路径长度与参考臂的路径长度大致相同，但与通道2(以及其他通道，如果存在的话)中的其对应部分非常不同，以避免干扰信号中的串扰。
图6和图7的实施例是能够用于检测材料何时存在于特定深度的系统的示例。(10a)。当参考光路长度和样本光路长度匹配时，对从样本发出且由系统光学器件捕获的成像光的反射将在(平衡的)光电检测器处产生干涉信号。
由测量的样本引起的光学色散会对相干图像的轴向分辨率产生不利影响。在一些实施例中，样本可以在干涉图案上引起波长相关的相移，该相移可以取决于光在样本中传播的深度。例如，如上所述的零差/外差算法可用于补偿这些影响。在一些实施例中，样本中材料的色散系数可以是先验计算的，或者在其他实施例中，可以是迭代确定的。可以假设由样本引起的相移随着对样本的渗透的增加而线性增加。以这种方式，检测器上的每种颜色(即，像素测量)可以具有一定的相移，该相移由颜色本身和信号从样本中返回的深度决定。如果每个像素测量的颜色和与每个异差/零差波形相关的深度都可以先验地知道，则可以先验地估计和计算该失真，并且该失真可以结合到与由检测器测量的信号相乘的外差/零差波形中。备选地，测量传播通过系统的光信号还可以提供用于补偿的色散失配信息。可以在成像会话之前准备异差/零差波形查找表。在这样的实施例中，可以在零附加的实时计算负载的情况下应用色散校正。
干涉图相关阈值处理装置
现在参考图8，示出了由本申请实施例提供的干涉图相关阈值处理装置。示出了干涉仪46，其产生干涉测量输出48。存在了信号检测器50，其接收干涉测量输出48并生成测量的干涉图52。干涉图处理器54接收测量的干涉图。设置了存储器56，其中存储有预先计算的合成干涉图。干涉图处理器54将测量的干涉图与预先计算的合成干涉图一起处理以产生相关结果58。阈值器60被配置为确定相关结果何时满足阈值。
针对目标结果的预先计算的合成干涉图是预先计算的，使得该合成干涉图直接可用于与测量的干涉图相关。该合成干涉图是在仅根据计算而确定的意义上合成的；该合成干涉图生成中不涉及光信号。上面已经提供了如何先验地调节该干涉图以进行各种补偿的详细信息。
在一些实施例中，针对多个目标结果中的每一个存在相应的预先计算的合成干涉图。干涉图处理器54将测量的干涉图与每个预先计算的合成干涉图一起处理以产生相应的相关结果。阈值器60确定每个相关结果何时满足相应阈值。
在一些实施例中，预先计算的合成干涉图是作为对当在样本位置处通过材料改性光束实现目标结果时的预期内容的估计的干涉图；且测量的干涉图是针对相同位置的。干涉图处理器通过在每个波长的基础上将测量的干涉图乘以预先计算的合成干涉图然后求和来产生相关结果。
在一些实施例中，预先计算的合成干涉图和测量的干涉图中的至少一个被整形以补偿以下项中的至少一个：
光谱仪对准；
光谱仪光栅角度非线性；
光谱仪中成像光学器件的成像失真；
波长到波数/频率重新采样；
有限尺寸的检测器有效区域；
光谱包络形状；
色散失配；以及
干涉图中包含的降低图像质量的其他非理想因素。
一些实施例的特征在于干涉图合成器，其计算预先计算的合成干涉图。
在一些实施例中，目标结果是材料改性光束达到的指定深度。
在一些实施例中，该装置具有反馈控制器，当相关结果满足阈值时，该反馈控制器控制材料改性源关闭材料改性光束。
在一些实施例中，该装置具有反馈控制器，当相关结果满足阈值时，该反馈控制器控制材料改性源打开材料改性光束。
在一些实施例中，该装置具有干涉图合成器，其合成预先计算的合成干涉图。
用内联相干成像技术自动引导对硬组织的激光切割
在一些实施例中，上述系统和方法中的一个或多个以及存储在计算机存储介质上的相关软件被配置用于通过激光照射自动和/或手动引导对硬组织的去除。
在一些实施例中，成像技术的基础是光谱域光学相干断层扫描，但是在其他实施例中，采用其他变体(扫频光源OCT、光学频域成像、时域OCT等)。注意，在SDOCT中产生的运动伪像是有利的，并且SDOCT通常具有可接受的对强加工光的抑制。
在一些实施例中，相干成像用于快速测量来自用激光加工的样本的深度和反射率信息。成像光束通常能够透过喷射物、等离子体、强烈成像光并且超出改性区域。这允许识别和跟踪次表面几何形状，在一些实施例中，该次表面几何形状然后用作对备用薄层组织的参考。
成像光和加工光的组合例如通过二向色镜实现，但也可以通过偏振和本领域技术人员已知的其他技术来实现。事实上，任何改性激光器(250-10600nm光谱，CW，μs、ns、ps、fs持续时间)都可以以这种方式使用。这可以允许将加工激光器定制到应用或使用现有的基础架构/FDA批准。
当集成到加工平台中时，成像系统的其他有用应用是自动聚焦、永久治疗记录以及(在增材扫描光学器件的情况下)预处理计划和后处理确认。
一些实施例采用流线型图像处理算法，该算法使用异差/零差的查找表来代替需要内插、数字色散补偿、快速傅里叶变换等的更复杂的操作。
其他实施例的特征在于包括一个或多个扫描镜、更复杂的加工源、气体辅助切割、更高性能的光谱仪设计等。
使用SDOCT进行激光加工工艺的同轴成像为测量工业材料中的工艺开发的关键参数提供了有用的信息——例如蚀刻速率和形态松弛。在切割骨骼等组织时，SDOCT具有类似的优点。为了证明，使用了基于100fs锁模Ti：AlO3振荡器@805nm(Coherent Mira 900)的SDOCT系统，其在单模光纤中展宽。凭借高速CMOS光谱仪和基于光纤的迈克尔逊干涉仪，成像系统在1.5μs(测量)积分时间、最大线速率为312kHz的情况下在150μm处测量到的小于5μm的轴向分辨率(在空气中)和大于100dB灵敏度。使用背景谱减法、高斯谱整形、三次样条插值、FFT和噪声本底均衡，在PC的4个核(和/或其他软件环境)上在LabVIEW中处理图像。还应用了其他处理技术和方法(在本说明书中提到)。
对于这些实验中的加工，使用100-200ns(FWHM)脉冲光纤激光器(IPG YLP-100-30-30-HC)，其中样本处的平均功率在1070nm处为23W并且重复率在30-80kHz的范围内。加工光束和成像光束通过二向色镜对准，并通过单一50毫米的消色差透镜聚焦在一起。选择光纤准直器使得成像焦点直径和加工焦点直径分别为约20μm(1/e2)，其中焦深分别为500μm和340μm。具有相同的成像光斑尺寸和加工光斑尺寸减小了侧壁信号(稍后时论)并简化了图像。成像光和加工光通过500微米直径的气体喷嘴孔口(喷嘴到样本表面分离1毫米)同轴输送，该体喷嘴孔口以2巴输送N2气体(在其他情况下，也输送其他气体和混合物)，以提供对光学器件的冷却、保护和抑制燃烧。
牛肋骨的经洗涤和干燥的横切面用作厚的紧凑骨头的方便样本。成像系统和加工脉冲序列是异步触发的，这是因为在横向于骨髓轴的方向上打孔到样本中。M模式图像(“运动模式”——反射率随深度和时间而改变)表明切割行为的特征在于初始周期几乎没有材料改性，随后样本快速变化和突然开始以约10mm/s进行切割。虽然这种行为对于这种特定的改性源是常见的，但是已经看到使用其他源而显著不同。在图9中，M扫描的示例截面示出了在143000个加工脉冲之后的这种突然开始以及此后孔的近似线性行进。
对相同骨头样本，启动切割所需的加工脉冲数量从102至106变化。这归因于组织样本中的大程度的不均匀性。虽然这种行为对于这种特定的改性源是常见的，但是已经看到使用其他源而显著不同。骨中吸收和热阻的微小变化(来自血管的存在等)可产生热“成核”位点，其中残留水分或碳化的初始缓慢变化导致光学吸收和切割的失控增加。对于产生在组织中具有短吸收深度的中心波长的烧蚀光源，开始的可变性可能降低。在任何情况下，原位监测暴露于加工光的样本区域提供了直接读出烧蚀开始。
一旦启动切割，则材料去除与脉冲数近似成线性。几个次表面界面似乎上升并满足主要加工前沿。OCT测量光路长度，因此OCT受介质折射率的影响。界面上方的材料去除减少了到静止的次表面特征的光路长度。斜率的比率(下面的等式，1-次表面特征的表观深度，x-孔深度)直接测量正被去除材料的有效指数(n)。此处，发现n为1.5，这与针对类似组织的过去报告值1.530非常一致。如下所述，这些特征可以为引导切割提供有用的信息。
Figure BDA0002204796170000441
由于烧蚀开始的随机性，所以使用常规非原位方法测量每次脉冲或每次积分通量(fluence)切割率将非常困难。然而，这些参数是工程手术设备和程序的重要信息。使用内联相干成像，这些测量非常直接，并且在该工艺之后(以及实际上，在工艺期间)可以立即获得信息，而无需进一步对样本进行改性。作为演示，以四种不同的重复率在肋骨上钻了23个孔，从而保持平均功率恒定(23W)。图10A和图10B示出了由于来自纳秒持续时间的光纤激光器(恒定平均功率23W)的曝光而导致的牛肋骨中的材料蚀刻速率和去除效率。误差条指示结果的标准差。对M模式数据的简单检查产生所得的切割速率(图10A和图10B，误差条指示95％的标准差置信区间)。虽然通过热处理实现烧蚀，但材料去除不仅取决于平均功率。例如，在图10A中，当脉冲能量几乎增加三倍时，蚀刻速率仅增加约50％。显示该结果的另一方式是考虑每单位入射光的材料去除的效率。通常希望在不牺牲切割速度的情况下减少曝光。通过增加烧蚀激光源的重复率来观察增加的材料去除效率(图10B)。用简单的术语来解释，具有一半能量但是两倍重复率的脉冲在烧蚀时比具有两倍能量但是一半重复率的脉冲更有效。这表明诸如屏蔽等离子体产生/喷射物之类的脉冲内效应减少了材料去除，并且通过进一步提高重复率可以获得更高的效率。
为了证明该技术在引导切割中的多功能性，使用了便携式ICI系统，便携式ICI系统基于光纤耦合的超发光二极管对(1320±35nm)和具有InGaAs光电二极管阵列的反射光栅光谱仪。使用该光谱带允许在骨中进行更深的成像，但代价是速度和检测器成本。一旦集成到微加工平台中，该系统在空气中具有14μm轴向分辨率、30μm横向斑点(1/e2)。如下所述，大成像光束宽度用于收集来自切口底部以及周围组织的形态信息。该系统在300μm处测量的灵敏度为98dB，其中积分时间为10μs并且样本上的入射功率为7mW。轴线速率检测器限制在47kHz。在此实现方案中，使用背景频谱减法、线性插值、FFT和噪声本底均衡，在PC的4个核心上在LabVIEW中处理图像。
此处使用的加工源是100W(最大平均功率)光纤激光器(IPG YLR-100-SM)，在1070nm处聚焦到23μm(1/e2)，通过TTL命令使其脉动以便以47kHz的重复频率发射300nsFWHM(测量的)持续时间、230μJ脉冲，该脉冲入射到样本上。虽然脉冲FWHM被测量为300ns，但形状非常不对称，其中总持续时间为约3μs。还研究了与更简单的脉冲形状对应的更长持续时间的脉冲，但导致切割质量降低和再现性降低。
成像光束和切割光束两者通过二向色镜对准，并通过单个50mm的消色差透镜聚焦在一起。电子控制成像以与激光曝光异步触发，从而在激光曝光和成像之间提供最大延迟。尽管组织对于脉冲之间的均衡并没有松弛，但是通过最小化来自快速变化的界面的条纹冲洗使得延迟改善成像对比度。
测试的样本是从牛腰椎的棘突中提取的皮质骨。为了形成适合于论证这种概念的薄的骨骼部分，使用1mm直径的水冷钻头来挖空样本的小部分，从而留下约600μm的位于约1mm气隙上方的骨骼。骨骼/空气界面为加工提供了理想的目标界面。
激光曝光期间骨骼的M模式成像示出了加工前沿作为加工脉冲的函数的进展。图11示出了其中控制激光曝光以实现穿入到气隙(左)并在穿入之前停止切口(右)的加工。图11A示出了两组1000个脉冲导致穿入到空气层，从而显示下一骨层(深度1.7mm)。图11B示出了7组200个脉冲的应用导致在穿入之前150微米停止切割。切割后继续成像(47kHz)以显示钻孔后的材料松弛。注释(旨在作为表面上的参考)：MF-加工前沿；SI-次表面界面；AI-空气界面；BW-后壁；P-穿入点；LO-加工激光器关闭；AG-气隙；SB-备用骨骼。材料去除的开始证明了是高度可变的，例如，图11A中取400个脉冲，并且图11B中仅取50个，这可能是由于顶部骨层的不均匀性以及CW加工中的损坏开始的不确定性。一旦启动加工，它就以明确的速率行进直至穿入(图11A)，并且第二骨层变得可见。成像光束的一些阻碍导致次表面结构的阴影，但是组织条纹清晰可见，其中由于骨骼/空气界面而具有最明显的不连续性。如前所述，加工前沿下方的条纹似乎在材料去除期间向上移动。
在所有图像中观察到从加工前沿上方的散射。这来自于孔的侧壁的散射。使用大于加工光束的成像光束宽度以允许监测侧壁改性，从而在没有横向扫描的情况下实现一定程度的横向信息。还原位进行横向扫描(见下文)，但代价是成像率降低。在激光曝光终止后(图11A中的脉冲2000，图11B中的脉冲1400)，样本松弛，并且侧壁和次表面特征变得静止。加工期间散射光的变化是由于表面形态的变化以及快速移动界面的条纹冲洗(fringewashout)而发生的。请注意，在相机积分时间期间SDOCT接口移动超过光波长一半会降低对比度。这种运动引起的伪像优于OCT的时域或扫描源变化(其中其他快速移动的界面将出现在不正确的深度处，因此使得较难以跟踪切口)。
通过平移样本，获得了处理前后钻孔现场的B模式图像。由于原位成像自动与孔轴对准，因此在高纵横比(＞20)孔中进行深度成像非常直接。图12示出了钻孔前(左)后(右)孔的原位B模式OCT图像。两个清晰的孔显示下部骨界面，而中间孔(对应于图12右侧)被钻孔以在气隙之前的150μm停止。使用大括号突出显示备用骨骼厚度。将穿过与图12中的孔对应的孔(左)看到的后壁标记为BW。中间孔清楚地示出了气隙上方的备用骨(图12右侧的大括号)。另两个孔是通孔，显示了气隙和来自下骨层的散射。由热切割工艺中的组织改性引起的孔侧壁的散射增加降低了成像光的穿透深度，有时遮蔽了更深的特征。通过选择引起很少的改性位点碳化或不引起改性位点碳化的激光改性工艺来使之最小化。
在某些情况下，应用这些前视相干成像能力可以导致在毫米长度尺度上跟踪硬组织中的加工，其中比先前报道的时间分辨率大几个数量级。证明了实时成像允许在组织中准确切割，其中该组织的可获得的先验信息很少，并且该组织可能对加工能量具有高度随机响应。这种发展是硬组织外科程序中精细控制的重要步骤，特别是在诸如神经系统的敏感器官附近。
光谱域光学相干断层扫描
本文描述的实施例使用光谱域光学相干断层扫描和变体。光谱域光学相干断层扫描(SDOCT)已被描述为超声成像的光学仿真。该测量使用白光光纤干涉仪来获得物体相对于固定参考长度的光路长度(OPL)。在光谱域中，样本反射的相对OPL被编码在来自干涉仪的输出中的光谱干涉条纹的间隔中。具体来说，考虑样本臂中的一组p反射器，每个反射器与参考长度zi具有OPL差。得到的光谱干涉图强度约为：
Figure BDA0002204796170000471
A(k)是成像光源的光谱包络，并且k是波数。第一项先验地已知，并且可以被减去背景信号。第二项通常非常小，并且可以忽略不计。在第三项中，弱样本反射(Ii)的强度与强参考信号相乘，并显示为正弦干涉条纹，其间隔(即，频率)取决于其深度(zi)。由于每个深度对应于不同的条纹频率，因此信号是正交的并且可以在没有移动部件的情况下独立地监视。因此，采集速度和信噪比受到检测器和成像光强度限制。应该强调的是，ICI可以与加工光束同轴工作，从而支持具有远高于可行的三角测量方法的孔纵横比的深度感测。
为了提取深度信息，可以通过内插将光谱干涉图(用光谱仪测量)重新采样为恒定波数的单位，并且可以通过FFT将光谱干涉图变换为I(z)。得到的函数(称为A扫描或A线)是样本的深度反射率分布(以相对于噪声本底的对数单位显示)，其中样本中的每个反射界面显示为以其深度为中心的点扩散函数(PSF)。PSF半高宽(FWHM)通常称为系统的轴向分辨率，并且对于高斯A(k)，通常为：
Figure BDA0002204796170000481
因此，对于高分辨率成像，期望光源的短中心波长(λ)和宽光谱(Δλ)。利用830±30nm FWHM(眼科)或1310±35nm FWHM(散射组织)的准高斯光谱实现生物成像中的典型轴向分辨率，5-10μm量级。
由于正OPL与负OPL(zi和-zi产生相同的干涉图)之间的模糊性，可能出现一个重要的成像伪影。由于光谱干涉图是纯真实的，因此深度反射的分布相对于零具有复共轭对称性。通常丢弃一半图像，仅留下正OPL。然而，如果反射界面位于参考点的负侧，则其签名将作为伪影反向包裹在图像中。因此，一些实施例被设计为具有足够的深度视场(FOV)并且注意确保所有反射界面仅位于零光路长度差点的一侧。
为了创建图像，许多光谱干涉图可以由光谱仪连续采集，处理成A线(“轴线”-反射率作为深度的函数)，然后显示为反射率相比深度和A线数的3D数据集。在生物成像中，A线数对应于成像光束被光栅扫描时的横向位置。这产生了作为两个空间维度的函数的反射率图像，称为B模式图像(B＝亮度)。备选地，如果光束是静态的，则A线数对应于时间，并且所得到的图像被称为M模式图像(M＝运动)。这类图像可用于观察样本的深度-反射率分布的快速变化。例如，在用1070nm中心波长、100ns持续时间的光纤激光器(1PG YLP-1/100/30/30-HC)对304不锈钢的冲击钻孔期间的同轴成像给出图13中的M模式图像。可以看到加工前沿(亮白色曲线)下降约600μm进入样本本体。通过对单孔进行钻孔获得完整的蚀刻深度与脉冲数关系，并且该关系不需要后切式材料处理。
760μJ脉冲以30kHz入射到20μm e-2强度直径点上。使用8.3巴的同轴氧气辅助气体喷射。成像速率为300kHz。图形亮度对应于对数标度的样本反射率。所示动态范围为约60dB。
在采集速率为甚至几十千赫兹的情况下，M模式图像不仅能够直接测量蚀刻速率，还能够测量熔池流量和激光钻孔/焊接工艺的其他动态性。由于可以在加工前沿下方进行感应，因此M模式数据也可以与适当的反馈硬件结合使用，以指导包括生物组织在内的各种半透明材料的盲孔切割，即使未先验地已知确切的样本几何形状。
图14是本发明实施例提供的另一成像系统的示意图，该系统将用作零差混合的示例。然而，零差混合可以与本文描述的任何系统一起使用。标记：ISO-光纤耦合光隔离器400；50∶50-模式耦合器402；PC-偏振控制器406；TGR-透射光栅408；ASL-空气间隔透镜410；SiLC-硅CMOS线阵相机412；50FC-50mm光纤准直器414；10FC-10mm光纤准直器407、409。存在光纤耦合的超发光二极管(SLD)418、定制光谱仪和光纤光学迈克尔逊干涉仪，其可以通过相机端口(更一般地是光接入端口)对接到激光加工头。来自SLD的成像光首先通过光学隔离器和/或环形器，其保护SLD免受背反射。光继续进入消散模式耦合器(分束器或光束组合器)，此时光被分成样本臂和参考臂，然后耦合出光纤并进入自由空间。一些光在两个干涉仪臂中被回射，并且信号在模式耦合器处重新组合并干涉。偏振控制器校正由于单模光纤中的偏振效应引起两个干涉仪臂之间的失配，并且还优化衍射光栅效率。偏振保持光纤也可以与偏振控制器一起使用或代替偏振控制器使用。在光谱仪中使用透射光栅以便于对准。最后，相机测量光谱干涉图，并通过IEEE-1394将数据发送到台式计算机(或其他处理平台，未示出)以进行处理。
以下是图14的系统性能的示例测量。
表1：计算出的系统性能特性
Figure BDA0002204796170000501
一些实施例可以具有不同的速度、灵敏度、分辨率和/或动态范围，这取决于部件的选择。
在一些实施例中，完整系统还将包括针对特定应用与加工头对接的定制。这通常可以通过修改相机端口并选择正确的二向色光学器件以组合成像光和加工光来实现。另外，可以选择用于成像光束的适当聚焦光束直径。在一些实现方式中，成像光和加工光将由相同的物镜聚焦(尽管这不是必需的)，其焦距由现有的加工工艺要求预先确定。这里，样本臂准直器的选择和对准可用于给出成像所需的焦点特性。准直器对准还可用于补偿物镜在成像光和加工光之间的焦距变化。
作为示例应用，考虑具有100mm聚焦透镜的加工激光器头。为了在景深上保持均匀成像，应选择准直器的焦距，使得聚焦的成像光束的瑞利范围为约系统景深的一半。对于上述设置，选择10mm准直透镜，因此期望光束腰部为27μm(1/e2强度半径)并且瑞利范围为2.8毫米。请注意，为了获得最大的轴向分辨率，可以使用对样本臂和参考臂之间的色散失配的适当补偿。
该设计是灵活的，设计可以进行修改以提高成像速率(使用升级的相机)或轴向分辨率。后者是通过选择更宽的光谱SLD(或其他光源)和具有降低的线密度的光栅来实现的。这将提供显著的分辨率改善，而缺点是减少景深，但是附加成本很少或没有附加的成本。例如，用和1200线/mm光栅(Edmund Optics NT48-589)配对的840±25nm FWHM光源(ExalosEXS8410-F413)替换当前部件可以在3mm的最大范围上提供6.2μm的分辨率。请注意，对于更高的光谱带宽，适当的色散失配补偿对于实现最大分辨率是重要的。
注意，在诸如此类的相干成像技术中，如果在检测器的积分时间期间界面移动约λ/4或更大，则条纹对比度将显著降低(“褪色”)，从而导致来自该界面的信号消失。这对应于可以跟踪的界面速度的上限。然而，它的好处还在于能够拒绝某些高速界面(例如，喷射物)，这些界面会产生使图像复杂化且使自动反馈更困难的反射。最大界面速度取决于检测器的积分时间，其进而影响灵敏度。对于35μs的积分时间，系统可以跟踪以高达0.006m/s的速度移动的界面。对于移动速度更快的界面，积分时间可以减少(以灵敏度为代价)至1μs或100ns，以实现最大速度分别为0.21m/s或2.1m/s。由于这比工业工艺中的典型蚀刻速率快，因此预期该设计将适用于广泛的应用。使用具有较短积分时间的线阵相机、平衡光电检测器和/或扫频源可以允许更快地解析移动界面。
零差深度过滤
为了使用ICI作为自动反馈方法，加工优选地能够至少与数据采集一样快地运行。在生物成像中，插值和FFT操作对于根据FOV内的所有深度计算反射强度以形成图像是必要的。相反，在反馈系统中，成像输出用于根据成像输出(例如，终止发射)，例如一旦达到某个深度，触发材料改性工艺的变化。在这种情况下，根据所有深度计算反射率可能过多。提供了一种用于确定钻孔何时穿透规定深度的有效方法。
从期望深度z开始、并使用来自光谱仪的校准数据的上述I(k)的等式，预先计算合成干涉图，并且合成干涉图以恒定的相机像素数(或对应于检测系统的基础)为单位表示。此计算可以先验地完成，并且不会对实时计算负荷产生影响。可以从存储器表生成和绘制(单独地或以其他方式地)多个这样的预先计算的合成干涉图以用于不同的目标结果，例如，实现若干可能深度中的一个、通过一系列中间步骤跟踪接近所需深度、从指定深度去除材料、在与另一深度相比的一个深度处实现更多的材料、或优化来自目标深度的背向散射的变化。
通过将合成干涉图与来自相机的原始数据进行零差混合，提取来自所需深度的信号，当本领域技术人员已知的其他方法相比时，该信号可以具有显著更低的寄生旁瓣信号(来自插值误差)，如图20所示。对于来自相机的每个成像输出，来自相机的原始数据逐像素地乘以合成干涉图，然后求和。当达到所需深度时，求和结果将具有峰值。
在希望将信号与多个合成干涉图组合的情况下，可以采用矩阵乘法方法。
如果数据元素从检测器串行或准串行传输(即，通过多个相机抽头)，则在一些实施例中接收电子器件可以在它们变得可用时开始对各个元素进行计算，以便保留诸如存储器和/或门(例如在现场可编程门阵列，FPGA)之类的处理资源并减少整体反馈延迟。
为了说明，该滤波器技术施加于图15使用的光谱仪数据，选择200μm目标深度(由图15的线100指示)。过滤器响应在加工前沿穿过深度的时刻显示出清晰的高SNR响应(图15底部)。
过滤器响应用于触发反馈响应以停止钻孔，或者对材料改性工艺的参数进行一些其他更改。图16是自动反馈控制方法的流程图，该方法例如可以用于基于何时达到规定深度来停止钻孔。具有来自多个深度的反馈和对工艺的其他参数的控制的更复杂的控制系统也是可行的。在一些实施例中，采用查找表来快速并动态地改变感兴趣的深度(通过选择不同的预先计算的合成干涉图)。
与标准处理相比，深度过滤可以实现计算节省。使用我们的标准生物成像代码(背景减法、三次样条插值、FFT、噪声本底均衡)和零差滤波器处理先前采集的原始实验数据的576元素线的多个块所需的时间在表2中进行比较。在Microsoft Windows 764位环境中，在四核英特尔台式机CPU上使用运行MATLAB的单线程进行处理。表2中的结果以103线每秒(klps)表示，并且通过使用零差滤波器获得相对速度增加因子。
表2：4x 105图像线的处理速度比较
Figure BDA0002204796170000531
对于非常小和非常大的块大小，FFT方法非常慢。这是特定于硬件和软件环境的限制的结果，而不是代码的计算复杂性。因此，两种方法之间的最佳理论比较是中间大小的块。在这里，即使FFT产生其最佳结果，零差滤波器仍然优于它两个数量级。
虽然线路周期限制了原始吞吐速率，但它仅是总反馈延迟的最小值。台式硬件和操作系统固有的中断延迟(Interrupt latency)和其他延迟是附加的，并且可能最终成为主导项。因此，如果不使用现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)形式的专用处理硬件，则可能无法实现基于ICI的反馈的全部能力。这些部件已存在于许多现代相机中，包括此处指定的相机。在相机上实现的此处描述的零差滤波器算法的易用性避开了台式PC瓶颈，并允许相机本身训练加工系统。
表面下方成像
图17是以内联相干成像为特征的系统的另一示例。该实现方式以ICI的光纤实现方案为特征。宽带光源500将光注入到光纤502中。隔离器阻挡背向散射到达光源。光耦合器504将光分成参考臂(顶部)506和样本臂508(底部，到激光加工系统)。划分比率取决于应用需求。一个示例是50∶50(参考臂50％，样本50％)。参考光沿参考臂行进并被背向反射。参考臂的路径长度可以通过使用各种长度的光纤来粗分设置，并使用安装在具有千分尺控制的平移台上的反射镜来精分设置。通常，参考臂长度被设置为与到激光加工系统中的工件的光路长度相匹配，小于约200微米。通常，在参考镜(未示出)之前放置与激光加工平台中使用的聚焦物镜相同的聚焦物镜是方便的，以便匹配色散和控制经反射的参考臂功率。参考臂包含允许色散和偏振控制的光学器件510、512。进行色散控制，使得样本臂和参考臂接近色散匹配。偏振控制通常设置为使得来自样本臂的参考反射和背向散射具有相似的偏振态(用于最大干涉)。参考臂还可以包括可控强度衰减器(未示出)以控制检测器饱和和成像动态范围。这可以通过可变中性密度滤波器、光纤耦合器的未对准、或聚焦物镜相对于末端参考镜的平移(均未示出)来实现。样本臂光纤离开内联相干成像系统，并连接到外部激光处理平台。光背向散射离开工件并沿同一光纤返回。背向散射的参考光在光耦合器504处分裂，因此该参考光的一部分被注入到连接到高速光谱仪514的光纤中(量取决于耦合器分光比)。背向散射的样本光在光耦合器处分裂，因此将其一部分注入连接到高速光谱仪的光纤中(量取决于耦合器分光比)。样本光和参考光在光纤516中干涉。光根据其在光谱仪中的波长而分散。检测器可以是光谱仪，其测量强度，强度是波长的函数。构造峰和破坏峰的位置包含关于样本臂与参考臂相比的相对路径长度的信息。如果光从样本臂中的多于一个深度(例如，激光锁孔的侧面)同时背向散射，则所有深度的强度和相对位置被编码在干涉图中。光谱干涉图(强度作为波长的函数)由检测器转换成电信号并传输到控制电子器件518以进行处理。电子加工系统控制光谱仪(例如，触发)，并处理原始检测器数据。一种处理技术(所谓的标准OCT处理)是反向减法、用于从相机像素数到恒定频率步进的转换的三次样条插值、快速傅里叶变换以产生背向散射图作为深度的函数。如果样本臂中只有一个高反射界面，则所得的图形将具有一个强峰，其中所述一个强峰的宽度由系统的轴向分辨率设置。轴向分辨率与光谱仪测量的波长带宽成反比(因此需要宽带光源来实现高分辨率)。备选地，上述零差滤波方法可用于更快的处理时间和改进的图像质量。在一些实施例中，反馈控制器(电子处理518的一部分或与电子处理518分开)生成反馈以控制材料改性工艺的一个或多个加工参数。以上在其他实施例的上下文中提供了示例。
图18是ICI施加于前视引导激光手术的框图。激光对于组织烧蚀是有用的，因为光可以非常紧密地聚焦，从而允许外科医生以小体积去除组织。虽然可以在横向尺寸上以高精度输送光，但是难以控制激光切口的最终深度。在去除速率变化很大的情况下，组织可以是高度异质的，从而使得输送的总能量不是切口深度的良好预测因子。图18示出了患者治疗区域600，其包含通常通过机械方法(例如，钻孔)去除的一定体积的硬组织或软组织。ICI系统在组织被烧蚀时测量切口深度，并在预定深度处终止激光曝光。更重要的是，当使用红外光(约1300nm)实现ICI时，可以成像到组织中(超出烧蚀前沿)。这允许在界面被穿透之前(并且在强手术激光可能损坏脆弱的次表面组织之前)终止曝光。
提供了内联相干成像系统602；这包括干涉仪、宽带光源和光谱仪，并且图17描绘了示例实现方案。患者治疗区域标记为600。存在外科手术激光器604，其产生由外科医生控制的曝光，并通过反馈控制来改变曝光。存在机械控制的聚焦头610(但在一些其他实施例中可以是手持的)，其同轴地组合成像光束和手术光束并收集从治疗区域背向散射的成像光。在一些实施例中，成像和手术激光可以在手术激光的传播路径中更早地组合，使得成像和手术光在聚焦头处预先组合。来自ICI系统602的光谱干涉图数据被传递到电子处理606，电子处理606产生用于手术激光和机械控制的聚焦头的电子反馈控制。另外，为图像显示608生成输出。
来自ICI干涉仪的样本臂的光束被设定为与手术激光器604同轴。这可以用适当二向色镜在自由空间中完成。这保证了成像沿着与手术光束方向相同的线。设定参考臂长度，使得样本臂和参考臂紧密匹配。外科医生可以在他/她开始手术激光之前使用图像显示器对目标区域(和下方)成像。成像系统还可以用于使用与其他成像模态(例如预先记录的MRI或CT)的共同配准来微调手术激光的位置。这将允许外科医生在较大解剖学特征的背景下使用ICI来实时观察小体积的治疗区域。电子处理将进行共同配准。此外，手术医生可以使用预先记录的成像模态来去除选定的留白。
一旦手术医生确定手术激光将瞄准与治疗计划一致的正确治疗区域，他/她就开始烧蚀工艺。系统可以被编程为：在切割特定深度之后终止曝光，或者保持在特定预设留白内，或者当烧蚀到达选定界面的特定距离时终止曝光。ICI系统可用于提供治疗过程的永久记录，这对术后分析有用。
图19是将原位计量的ICI施加于激光焊接的框图。激光焊接提供窄而深的焊接，从而非常适合自动化和大批量生产。激光焊接的各种应用共同具有通过激光控制加热以产生局限于接合区域的相变的工艺。控制该相变区域(PCR)可用于控制焊接质量和焊接系统的整体生产率。激光的高空间相干性允许对焊接能量进行极好的横向控制。轴向控制(PCR的深度)和随后的热扩散特别在厚材料中是更突显问题的。在这些应用中，使用熟知为“锁孔焊接”的技术将PCR的深度延伸到材料深处(例如，约mm)。这里，光束强度足以熔化表面以打开小的蒸汽通道(也称为“毛细管”或“锁孔”)，其允许光束深入到材料中。取决于具体的应用，锁孔较窄(＜mm)但是深度为几毫米，并且通过施加多达约104W的光功率而维持。
在图19中，提供了内联相干成像系统702；这包括干涉仪、宽带光源和光谱仪，并且图17描绘了示例实现方案。焊接平台用700指示。考虑到反馈控制，存在焊接激光器704，其产生由焊接控制器705控制的焊接光束。聚焦物镜703将成像和焊接光束组合以输送到焊接工件701，并收集从焊接区域背向散射的成像光。可能还有附加焊接输入，如辅助气体、电弧、增材材料等。来自ICI系统702的光谱干涉图数据被传递到电子处理706，电子处理产生用于焊接控制器704的电子反馈控制。另外，为图像显示708生成输出。在这种情况下，ICI系统702通过光纤到自由空间耦合器720连接到焊接平台相机端口718。
为了实时测量锁孔形成，ICI成像系统702的样本臂设定为与焊接激光束同轴和/或接近同轴，以聚焦在PCR中。这可以通过准直图像光束并将图像光束引导到焊接平台相机端口中来完成。ICI系统用于监控所形成的锁孔的深度，从而确保其适合焊接所有工件的深度。在脉冲激光焊接中，ICI系统可以以焊接激光的重复率的倍数运行，从而提供激光曝光之前、期间和之后的图像。这提供了关于蒸汽通道的创建及蒸汽通道随后的再填充的直接信息。在连续波焊接源的情况下，ICI系统可以直接监控锁孔稳定性。该信息的反馈可用于优化焊接参数(例如激光强度、馈送速率和辅助气体)，以增加锁孔稳定性。
图像显示器708在焊接过程中向操作员显示关于锁孔穿透和稳定性的实时信息，并提供位于工件上的精确区域的焊接产生的永久记录。这对以后的质量保证很重要。
本发明的另一实施例提供了一种基于光纤的ICI，其中使用共同的电介质物镜来组合成像光和激光。这样的实施例可选地包括反馈控制器，例如，如前面描述的任何其他实施例中所限定的。
组合、混合或互换本文所述的基本设计元素的其他实施例是可能的，并且对于本领域技术人员来说是显而易见的。这些包括但不限于从包括被改性材料的下侧在内的其他方向(即，不与改性光束内联(in-line))成像。
设计灵敏度与深度的关系以管理动态范围
ICI与其他形式的相干成像(例如OCT)的不同之处在于使用来自反射光强度的信息。在OCT成像应用中，可能希望具有非常平坦的灵敏度与深度的关系，以便在整个图像上保持均匀的对比度和可见度。在ICI中，主要关注于对光学反射(例如，金属)表面定位，因此在整个图像上的均匀对比度不如在OCT中那么重要。
在一些实施例中，采取步骤来设计成像系统的灵敏度与深度的函数，以相对于较弱的反射衰减明亮的反射并扩展整体动态范围。由于材料在不同定向上的高度可变的反射率，ICI可以受益于这种扩展的动态范围。可以从界面强烈地生成反射，或者可以微弱地生成反射。在不同的高度处可能存在多个表面和内部反射。可以将基于ICI的系统的操作配置为在感兴趣的区域中更敏感，预期在感兴趣的区域中的反射可能更弱。
例如，当使用诸如图5所示的ICI系统时，加工特征的周边可以自然地将更多的光反射到成像系统中而不是孔的底部。因此，可以从较浅的深度预计较强的信号。如果成像系统配置为具有最大灵敏度(以便优化其检测孔底部的能力)，则可能存在使检测器饱和的风险，其中来自孔顶部的信号强得多。
在一些实施例中，通过将零光路长度差点定位在样本中的感兴趣区域之下而不是在其上方，管理灵敏度与深度的关系。这可以通过增加参考臂的长度和更新成像系统的输出来实现，以反映现在通过增加条纹频率来指示较浅深度的事实。在图21和图23中图示了材料内部的零光路长度差点的位置。在图21中，零光路长度差点D被设定为低于样本，特别是低于在A、B和C处的反射器。类似地，在图23中，零光路长度差点B低于熔池。在其他实施方式中，零光路长度差点被配置为位于低于被测量材料的深度处。
该方法利用系统的自然灵敏度与深度行为(由于检测器中的有限光谱分辨率，其趋向于随着路径长度差异增加而减小)以抵消自然样本反射率(其倾向于随深度而减小)。以这种方式，相对于表面结构(其倾向于反射更多)以更高的灵敏度检测样本中更深的结构(该更深的结构倾向于反射更少)。该实践的附加优点是，在成像系统附近的烟雾、等离子体、碎片和其他光散射源在图像中看起来更深，被衰减，并且由于复杂的共轭模糊而不会包裹到感兴趣的区域中。这与医学成像领域(例如，光学相干断层摄影术)中的技术教导不同，其中复共轭模糊性使得不希望将零光路长度差点置于样本内部、或在某些情况下放置在样本下方。
在一些实施例中，零光路长度差点位于感兴趣区域上方。
在一些实施例中，通过使用Talbot带技术来定制灵敏度与深度的关系的曲线来管理灵敏度与深度的关系，例如，如Woods和Podoleanu所证明的。见Woods等人(OpticsExpress 16：9654-9670(2008))；Podoleanu(Optics Express 15：9867-9876(2007))；Podoleanu等人(Optics Letters 32：2300-2302(2007))，所有这些都通过引用整体并入本文。这种方法允许表面反射器的强烈的可调节的衰减，并且可以用于减少可能使检测器饱和的明亮表面反射。
在一些实施例中，通过使用非线性时间选通来管理灵敏度与深度的关系，例如，如Muller等人(Optics Letters 32：3336(2007))所证明的，其全部内容通过引用并入本文。该方法利用非线性和频生成来定义高灵敏度的深度窗口，其中深度窗口外部的灵敏度降低。将窗口放置在弱反射位点附近，表面反射减弱并防止使检测器饱和。
在一些实施例中，通过在最终数字化之前访问仿真条纹信号来管理灵敏度与深度的关系，例如在扫频源成像系统中，然后使用直接硬件解调和/或滤波来衰减对与深度应的某些条纹频率，在该深度处，期望高反射率，同时保持信号较弱的深度处的灵敏度。这可以通过将数字和/或仿真滤波器元件增材到检测器和图像处理器之间的信号线来实现。
已经描述了管理灵敏度与深度的关系的四种具体方法。在一些实施例中，实现了两种、三种或所有四种方法的组合。另外，虽然在图5的实施例的上下文中进行了描述，但是应该理解，这些方法中的两个或更多个中的任何一个或任何组合可以结合本文描述或要求保护的任何其他实施例来应用。
激光焊接的观察与工艺开发
在一些实施例中，诸如图14中所示的装置通过相机端口或一些其他合适的光接入对接到激光焊接光束输送系统内的光束线。成像和焊接激光束与二向色镜组合并通过共同的物镜聚焦。
在一些实施例中，该装置施加于观察激光焊接工艺，例如锁孔焊接工艺，在一些实施例中，具有对焊接工艺的反馈，并且在一些实施例中，没有对焊接工艺的任何反馈。
在本文描述的以反馈为特征的ICI的任何实施例中，可以使用反馈控制定律或多个反馈控制定律中的选定的一个来实现闭环反馈的操作。
在本文描述的以反馈为特征的ICI的任何实施例中，材料改性工艺可以被配置为能够使用多个控制定律中的选定的一个来操作，多个控制定律中的至少一些是反馈控制定律，并且多个控制定律中的至少一个是开环控制定律。在一些实施例中，使用混合控制定律，其在某些时间是开环的，并且在某些时间是闭环。例如，可以通过选择规定零反馈数据的控制定律来实现开环模式。操作者可能希望由于各种原因不实现闭环控制。在本领域中应理解，用于实现期望结果的控制定律可以根据操作的目标而显著变化。例如，可以希望使用ICI来测量不受控制的激光焊接引起焊接缺陷的程度。通过选择规定零反馈数据的控制定律，系统被驱动以进行操作，好像没有控制一样。因此，ICI可用于表征和测量标准激光焊接系统的性能，其中在标准系统中，基于ICI的控制将不可用。在其他实施例中，可以期望实现控制定律，由此在较深的穿透水平和较浅的穿透水平之间调节焊接深度。在其他实施例中，可以期望实现控制定律，由此仅限制焊接深度穿透的最坏情况界限，从而有时允许开环操作，并且仅当穿透深度接近控制范围的极限时才允许深度控制操作。
通过测量由焊接光束产生的锁孔底部的位置反射率(或其他焊接结果)，可以产生激光锁孔深度的测量值(或其他焊接结果)。在一些实施方式中，这可以以高达并超过300kHz的速率实现。这是激光焊接的全深度的密切近似。在使用如图5所示的内联相干成像系统进行观察的同时(但是反馈控制器被停用)执行脉冲激光焊接实验。发现了在该工艺期间由ICI系统指示的深度与通过截面、抛光和蚀刻(本领域技术人员使用的分析程序)所揭示的焊缝深度紧密匹配。因此，ICI数据可以减少或消除对这种昂贵且破坏性的分析步骤的需要。此外，通过将成像数据存储在诸如硬盘驱动器或固态盘的存储介质上，这种ICI数据还可以加速工艺开发并提供100％焊接检查和焊接的永久诊断记录。ICI的反馈可以提高焊接设备的生产效率，并可以实现以前不可能或经济的激光焊接。
这是因为成像系统提供的实时反馈可以用于改变工艺变量，使得随着它被加速到更高速度和/或推动到较大深度，补偿工艺中原料的变化(例如，不良的配合)和不稳定性(例如，可变的焊接深度)。这可以将激光焊接系统的可用性扩展为包括更低成本的输入原料、更高的处理速度和/或更深的穿透，同时保持可接受的质量。
焊接程序开始或结束期间的瞬态效应可能对焊接结果产生负面影响(例如，不一致的焊缝深度，例如未充满)。在一个实施例中，成像系统提供的反馈可用于通过控制一个或多个工艺参数来减少这些缺陷，以补偿焊接在其开始、结束或两者处的瞬态行为。在一个具体的示例中，图5中描述的系统测量在两块钢板的搭接焊缝期间焊接锁孔的深度。在焊接开始时，成像数据指示锁孔未穿透到选定的焊接深度。该数据由反馈控制器处理，结果是相对于加工光束减慢了材料馈送速率。如果没有对速度进行调节，这具有允许锁孔穿透更接近选定深度的效果。
对成像系统进行多路复用
在一些实施例中，单个加工激光器(更一般地，单个加工光束源)用于在多个加工位置处处理多个样本，并且加工激光器可以与一个或多个ICI系统配对。这可以更好地利用相对昂贵的加工激光器，并更好地利用ICI系统的能力。在这些情况下，来自该组样本的采样数据与加工激光器的方向性相协调，使得采样数据可以与特定样本相关联。
在一些实施例中，在精确匹配的传播延迟的情况下使用单个参考臂和相应的样本臂。图25A中描绘了这种情况的一个示例。然而，从多路复用ICI功能的角度来看，独特的挑战是能够在该组加工位置之间匹配整体传播延迟，使得可以使用单个固定参考臂。该挑战源自于光纤的运行可能很长并且多路复用器可以为每个多路复用通道增加不同(例如，可变)延迟的事实。
在一些实施例中，不是使用匹配的样本臂路径，而是在切换主加工光束路径的同时，在参考路径中进行动态光路切换。该方法允许每个样本的优化参考路径以及使参考臂远离加工位置(例如，在机器人上)处的任何振动的自由度。图25B中描绘了这种情况的一个示例。这里，参考多路复用器用于在各种固定参考臂之间切换。备选地，可以采用一些其他种类的可变参考臂。在一些实施例中，在每个加工位置处提供单独的参考臂。样本臂和参考臂连接到2×2消散模式耦合器的一侧，并且来自另一侧的连接从每个加工位置多路复用(即，开关或选择器)到公共照明和检测通道。在大多数实际情况中，这些通道对光路长度不敏感。该方法还使光学损耗最小化。作为光学开关、选择器或多路复用器的备选或补充，光学快门也可以用在样本臂和参考臂中。所有动态元件的操作与主加工光束方向性的定时相协调，以适当地隔离任何不需要的光学反射信号。图25C中描绘了这种方法的一个示例。
在一些实施例中，照明和检测通道连接到2x1消散模式耦合器的一侧，其输出被多路复用到不同的加工位置，其中2x1消散模式耦合器连接到1x2消散模式耦合器的一侧，1x2消散模式耦合器的两个输出连接到单独的参考臂和样本臂。该方法消除了需要两个光学多路复用器的复杂性和费用。作为光学开关、选择器或多路复用器的备选或补充，光学快门也可以用在样本臂和参考臂中。所有动态元件的操作与主加工光束方向性的定时相协调，以适当地隔离任何不希望的光学反射信号。图25D中描绘了这种方法的一个示例。
在图25A、图25B、图25C和图25D中，每个单元是不同的激光加工位置。“激光单元”是业界常用的术语，其描述了材料被加工的封闭区域。这里描绘了50：50分束器，但是可以使用其他分离比来调节系统的动态范围和灵敏度。
在本发明的一些实施例中，参考臂被配置成使得参考臂的路径长度在一些情况下在系统操作期间(或者备选地在系统不操作时)可调节。可调参考臂允许系统更简单的操作，因为可以根据需要调节参考臂路径长度。相应地，在一些实施例中，提供了主要路径上的路径长度的可调节性。例如，可以使用可调参考臂用于以下项中的一个或多个：
补偿样本中的运动；
将样本中感兴趣的区域调节到更高或更低的区域；
测量开关或多臂ICI系统中的多个样本；
在手术环境中轻松快速地配置ICI系统。
可以通过使用可拉伸的光学介质、使用电动自由空间反射器和耦合装置、或使用多反射镜机构来实现可调光学参考臂，仅举几个具体示例。
可以在ICI系统的操作期间执行可调光路长度元件的手动或自动调节。这样的调节将是有益的，以便允许调节在系统的运行时间期间如何捕获ICI图像的能力。
在一些实施例中，ICI系统用于跟踪内部反射界面或可能随时间改变的一些其他感兴趣点的位置。然后，调节参考臂或样本臂中的光路长度，使得内部反射界面的位置(或一些其他感兴趣的点)变为零光路长度差点，使得零光路长度差点是动态地确定的。备选地，可以选择零光路长度差点以具有与内部反射界面的位置(或其他感兴趣点)的期望相对位置。
对突破/突破后的重新填充成像
激光通常用于在冲击钻孔和穿孔钻孔等工艺中对金属、聚合物、组织和陶瓷以及其他材料进行穿孔。在一些实施例中，ICI系统用于执行以下项中的一个或组合：
a)在钻孔期间跟踪孔的底部；
b)控制穿孔速度；
c)观察材料被穿孔时的点；
d)预测激光对材料进行穿孔的时间点；
e)调节激光处理，以避免损坏新孔下方的表面；
f)确认激光关闭后孔未被重新填充；
g)控制钻孔、切割或焊接到所选的深度；
h)控制钻孔、切割或焊接到相对于选定材料界面的选定深度；以及
i)在激光钻孔、激光切割或激光焊接工艺中产生即将发生突破的指示。
有利地，ICI系统能够执行这些功能而无需物理进入被穿孔部分的远侧。这比许多现有的突破检测技术具有相当大的优势。
举例来说，图14中所示的ICI系统可以通过相机端口或对光束线的其他合适光学接入对接到激光钻孔系统，其中通过二向色镜将光束线与加工光束组合。为了证明其在钻孔期间跟踪孔的底部并观察突破的能力，将1070nm光的单个5ms脉冲施加到厚度为102微米的钢箔上。预先使用CMOS检测器阵列来对准成像和钻孔焦点。可以通过施加的脉冲能量和氧气辅助气体压力来控制穿孔。图22中示出了来自三个示例实验的M模式图像。图22示出了由不锈钢箔中的单个脉冲(由垂直红色线指示的5ms持续时间)氧气辅助冲击钻孔的ICI图像。水平虚线指示箔的厚度。在图22的片(tile)“a”中，77mJ的脉冲无法将箔穿孔，但是在钻孔脉冲结束并且孔以熔化再次填充之前，箔几乎被穿孔(在约15μm内)。在片“b”中，77mJ的脉冲在非常接近钻孔脉冲的末端短暂地将箔穿孔。此时，辅助气体开始清扫孔，从而在脉冲之后几百微秒，其中ICI系统几乎不记录信号。在此时段之后，孔会重新填充，如初始表面深度处或附近的单个界面的标志所示。在片“c”中，使用更强的钻孔脉冲，使得孔在几毫秒内被穿孔。更具体地说，将脉冲能量增加到100mJ会在约3.5ms内产生孔，该孔在该脉冲后保持敞开。由于钻孔脉冲保持孔敞开足够长的时间以使辅助气体清理周边熔体，因此孔不会重新填充，这由ICI图像指示，证实已成功穿孔。通过测量通过箔传输并用高速光电二极管检测的光功率来确认这些解释。在钻孔完成之后，源自被穿孔的材料的远端壁的深度的信号的存在可以指示存在浮渣和/或出口孔直径与成像光束焦点的直径相当。
通过使用诸如图5中详述的反馈处理器，ICI系统可以通过基于其测量的处理后的干涉测量信号发信号通知工艺参数(例如，脉冲能量)的变化来控制穿孔速率。类似地，在检测到突破时，反馈处理器可以发信号通知钻孔激光停止，可选地在选定的超钻周期之后。这具有能够降低对被穿孔的材料的远侧上存在的材料的“后壁撞击”类型损坏的可能性的重要特征。这种能力是ICI系统在诸如燃气轮机中的冷却孔的制造之类的应用领域中提供的相当大的优势。
这种突破的标志在不同的材料中是不同的。在金属中，可以观察到紧接在穿孔之前，钻孔激光的穿透速率发生明显的加速。
这可以用作标志以指示即将发生的穿孔并且允许准备停止或以其他方式改变穿孔点附近的工艺。如果紧接在穿孔之前停止该工艺，则可以使用化学(例如，轻酸蚀刻)或其他程序来完成该孔。此外，可以观察到熔融后的液体流动和随后的孔堵塞。ICI系统可用于生成这些事件的记录，和/或生成警报、通知、警告和/或请求附加处理以清理该孔。
在另一实施例中，ICI系统用于控制印刷电路板通孔的激光钻孔和/或印刷电路板中的沟槽切割。本领域技术人员将会知道，这些结构通常通过穿透一层或多层导电和/或绝缘材料而形成。ICI图像处理器能够确定材料通过该工艺贯穿的深度以及该工艺对各种材料层的接近度。具体地，在成像数据中，在钻孔期间，次表面层可以通过次表面层在图像中看起来上升的倾向来识别，如图11B中的标记AI所示。同时，孔的底部看起来下降(MF)。当这两个标志如图11A所示在点P处相遇时，次表面层是穿孔的。该特征(我们在此称为“剪刀特征”)及其前体(例如图11B中由MF和AI突出显示的特征)在许多应用中具有实际的反馈控制效用，其在各种实施例中包括但不限于在半透明和/或全透明介质中的切割、钻孔、激光手术和任何其他材料去除技术。检测剪刀特征及其前体允许图像处理器和/或反馈控制器通过实现对一个或多个工艺变量的改变来启动、停止、减慢和/或加速钻孔工艺和/或将材料改性工艺引导到相对于正被改性的材料中的次表面特征的位置，即使在开始处理之前没有表征这些特征。这些能力是有利的，因为它们允许更快和/或更准确地对材料进行整体处理。在一些实施例中，ICI成像数据为关于对激光损伤敏感的组织的选定手术切缘提供指导，因此它使得能够实现更安全的激光外科程序，该激光外科程序在没有其益处的情况下可以不容易被执行。
在另一实施例中，ICI系统用于在焊接工艺期间实时检测焊接光束的突破和两种材料之间的间隙。该信息由电子器件解译。在一些实施例中，生成信号输出以供操作员和/或附加工艺控制电子器件接收。例如，图14所示的ICI系统可以与激光锁孔焊接机的光束输送子系统(通过相机端口/其他光接入和二向色镜)对接，应用于将两片金属搭接焊接在一起(见图22)。在该示例工艺中，期望确定何时焊缝贯穿第一材料(F)、两个表面(A)在贯穿点处的配合以及焊缝到第二材料(D)中的进一步贯穿。通过调节参考臂(416)的长度，零光路长度差点B位于略微下方(下方足够的距离，使得图像中不出现复共轭模糊伪影)焊缝的预期最大贯穿深度。这对于增强来自材料内的更深信号是有用的，因为更深的特征自然地将更少的光反射到成像系统中，并且系统在更短的光路差下更敏感。
成像系统具有由“E”表示的单侧视场范围。当材料被贯穿时，随着近端材料被贯穿到深度C并进入视野，信号开始被记录。随着工艺达到深度F，成像系统可以记录穿透加速度，因为近端材料的远端壁失去其机械强度并且变形。当远端壁在深度F处穿透时，其信号衰减或完全消失，从而指示突破。此时，成像系统记录来自远端材料的近端壁的反射。轴向位置与这两个反射的差表示两片(A)材料的焊接间隙/配合，其是可以显示、存储和/或中继到反馈控制器的输出。随着工艺光束继续贯穿到远端材料中，深度可以像之前一样成像，因此远端材料内部的焊缝的最终深度也可以被测量、显示、记录在存储介质上和/或被中继到反馈控制器。
另外，虽然在图14的实施例的上下文中进行了描述，但是应该理解，这些方法中的两个或更多个中的任何一个或任何组合可以结合本文描述或要求保护的任何其他实施例来应用。该方法可以施加于具有或不具有反馈的实施例。
有意散焦/大成像光束以确定区域内的最低或最高深度
在一些实施例中，ICI系统被配置成使得成像光束照射样本的区域或体积，该区域或体积包含处于不同轴向高度的样本的多个反射特征、或相对于成像光束的中心轴的不同横向位移、或其任何组合。在一些情况下，样本的反射特征可以完全在样本的表面上。在其他情况下，反射特征可以与样本的内部结构、界面、物体或其他反射元件相关。这允许同时检测成像光束的照射区域或体积内的多个特征高度，其可以在不需要横向扫描或处理之后的附加QA步骤的情况下被测量。在本发明的一些实施例中，当成像光束与可选的样本加工光束同轴输送时，可以获得显著的效率。
作为具体示例，在一个实施例中，诸如图14所示的ICI系统连接到激光束输送系统上的光接入端口，以用于产生金属凹坑的设备。在该实施例中，样本臂准直器(图14中的407)的焦距被选择为短的，以便在输送头到达聚焦物镜(未示出)之前在输送头内产生小的成像光束直径。成像和加工光束通过二向色镜组合。在该示例中，加工光束可以是例如二氧化碳激光、Nd：YAG激光、光纤激光或能够在金属中产生凹坑的任何其他激光。对于该示例，假设样本臂具有样本臂准直器透镜和样本臂物镜(其也用作改性激光器的物镜)，如图5的实施例中所示(参见元件351和314)。在样本处，成像光束的近似直径等于成像光纤(元件402和参考臂416的光纤准直器409之间的光纤)的模场直径与样本物镜：样本臂准直器透镜焦距(图5的透镜314、353)的比率的乘积。对于5微米的典型模场直径和100毫米的样本物镜焦距，5毫米的样本臂准直器焦距将在样本上产生100微米直径的斑点。另外，可以通过改变样本臂准直器透镜和光纤尖端之间的距离来进一步修改样本斑点直径，但是这可能不会导致最佳的光收集效率。
当成像光束到达样本时，光束的部分从多个深度背向散射。这些反射由成像系统接收，并基于它们的光路长度产生干涉测量输出。该输出由信号处理器设备通过诸如零差滤波器算法之类的算法或者必要时的具有光谱重新整形的傅立叶变换、必要时的内插重采样、Kaiser-Bessel滤波(例如，Vergnole等人例如，Optics Express18：10446-61(2010)，其全部内容通过引用并入本文)的某种组合来检测和电子处理，并且根据一个或多个深度生成对样本的反射率的表示。可以使用可用的检测器技术以超过300kHz的速率获取该测量。通过在图形处理器单元上处理图像数据已经实现了超过600kHz的图像处理速率。在一些实施例中，该技术施加于实时工艺控制。
在激光产生的凹坑的具体示例中，这些结构用于在两个板之间产生间隙，这两个板稍后被搭接焊接在一起。初始表面上方凹坑的高度是在随后的焊接工艺期间预期的间隙的重要指标。凹坑通常以两个或更多个的组产生。在一些实施例中，通过使用最终凹坑几何形状的原位测量，将检测到的凹坑高度的不足从图像加工系统馈送到反馈控制器(例如图5中)，以引起凹坑形成工艺参数的变化。
图21示出了施加于样本的成像光束的示例，使得其直径大于感兴趣的特征。从样本中的几个深度(A-C)测量反射。可以在单个光学采集中同时测量这些深度(轴向扫描也称为A扫描)。当成像光束与用于处理这些特征的光束同轴输送时，它可以快速测量特征的高度和深度，而无需附加的测量步骤。在图21的右手侧示意性地示出了作为一个或多个深度的函数的样本的反射率的表示。可以看出，在A扫描强度中存在代表以下中的每一个的相应峰值：A：凹坑尖端的高度B：原始表面的高度，以及C：凹坑底部的高度。上面讨论的凹坑高度用A-B表示。特征中其他高度处的其他表面可以在A扫描中生成标志，但是为了清楚起见，在图21中省略了这些标志。
另外，虽然在图14的实施例的上下文中进行了描述，但是应该理解，这些方法中的两个或更多个中的任何一个或任何组合可以结合本文描述或要求保护的任何其他实施例来应用。该方法可以施加于具有或不具有反馈控制的实施例。
在图21中，还示出了先前介绍的将零光路长度差点(D)置于被测材料内的实践。如果来自深度A的反射比深度C亮得多，则该配置改善了图像质量，因为谱域相干成像系统通常以较小的灵敏度记录来自较大光路差的反射，从而改变成像系统的动态范围并降低潜在饱和度。
本文描述的用于测量样本上的表面特征高度的方法也可用于测量样本表面下方的特征的高度，如图26中的示例所示。在一些实施例中，这可以是表征加工光束的紧接区域中的材料的有效方式。在一些实施例中，该方法可用于对准加工光束。
示出对钻孔控制的验证的实施示例
通过使用图5所示的内联相干成像系统提供的全自动深度控制，在从孔到孔稳定变化30微米的深度处钻出14个孔。在PC上运行的零差滤波器算法(图像处理电子器件的一个实施例，332)用于高效地处理来自硅线相机(330)的原始成像数据，并确定是否需要进一步加工激光器曝光以实现所期望的深度。用户将一系列孔的所期望深度编程到PC中。PC读取该编程并合成适当的零差波形以与原始成像数据混合以获得目标深度处的样本反射率。通过钻孔的过程，当从零差输出满足选定的阈值时(在这种情况下，噪声本底的RMS强度的5倍)，PC发信号通知反馈控制器(334)停止该工艺。在该实施例中，反馈控制器由PC的数字输出子系统(National Instruments PCI-6229)和函数生成器(Tektronix AFG3022B)组成。该反馈控制器引导经调制的CW光纤激光器(320)发射对样本进行钻孔的脉冲(持续时间为100微秒量级)。该系统能够产生优于300微秒的开环反馈响应时间。
为了确认结果，使用单独的扫描光学相干断层扫描系统来测量处理过的样本的拓扑。对准以在钻孔的平面内进行扫描，系统测量所钻的孔的深度。得到的图像如图24所示，并示出了14个孔，其中深度从孔到孔稳定地变化30微米。
扫描仪校正
在一些实施例中，成像和加工光束可以通过主动扫描光学器件和透镜指向样本。如本领域普通技术人员所理解的，扫描加工光束允许光学焦点的快速和精确移动，这对于许多材料处理应用(例如，汽车焊接)是期望的。在ICI的材料处理器子系统中包括扫描仪增强了经扫描材料处理，其具有本文描述的ICI系统的一些或全部优点。当光束从一个地方扫描到另一个地方时，扫描光学器件/透镜组合可以引起到材料的光路长度的调制，在一个示例中，使得平坦表面看起来是弯曲的。光学地管理这些调制可以放宽对深度视场和/或在ICI系统内的在计算上更高效的反馈计算的设计要求。在一些应用中，可以通过应用与扫描光学位置相关的深度偏移(例如，在图像和/或反馈处理器内)来数字地管理调制。
在一个实施例中，通过将参考臂长度调节等于或接近由扫描位置生成的预期和/或测量的调制的量来基本上补偿路径长度调制。这种调节可以通过电动平移台、压电元件、拉伸样本或参考光纤、电磁螺线管或音圈和/或通过包括可以从参考臂光束路径引入或去除的若干个参考镜来实现。通过向报告的深度测量增加等于期望校正的数字偏移，可以在图像处理步骤中包括附加调节。在一些实施例中，通过ICI的成像部件直接测量存在的路径长度调制以用于整个区域和/或待在样本上处理的路径。这可以通过例如将原始原料放置在加工系统中并记录ICI数据来实现，因为光学器件通过在处理材料时要使用的运动路径被扫描。在该数据中指示和/或跟踪的表面拓扑与样本的已知表面拓扑之间的差可以用作用于扫描引起的光路长度调制的光学和/或数字管理的校正功能。
成像系统在该程序期间收集数据，从而记录原始表面的位置。如果样本臂和/或参考臂的路径长度变化超过系统的总轴向视场，则使用样本臂和/或参考臂中的路径长度调节硬件来跟随原始表面可以是有利的。可以进行校正的迭代调节，直到原始表面的水平看起来足够平坦，以便在执行扫描程序时使用图像处理算法。
聚焦光束通过扫描透镜的横向扫描位置近似于透镜有效焦距与以弧度表示的扫描角度的乘积。如果两个光束以相同的扫描角度被引入镜头，则当镜头扫描跨越材料时，镜头的色差(即，作为波长的函数的焦距变化)可能导致成像光束和加工光束之间的横向空间离散(walkoff)。在一些实施例中，通过使用插入到样本准直器之间的成像光束路径中的检流计或其他有源元件向成像光束增加小的角度偏差，可以在与加工光束组合之前预先校正成像光束的扫描角度。将控制这些有源元件与扫描组合光束的主扫描光学器件同步。通过将两个光束聚焦到CCD或CMOS检测器阵列或其他光束仿形(profiling)设备例如PRIMESFocusMonitor上，可以完成对该校正的验证。
代替或者除了基于光谱仪之外(称为“频谱”或“傅立叶域”)的配置，低相干干涉测量也可以用光谱扫描光源(称为“扫频光源”、“光频域成像”和/或有时“傅立叶域模式锁定”)的配置来执行。Choma等人(Optics Express 11：2183-9(2003)，其全部内容通过引用并入本文)对这些方法进行了区分和比较。应当理解，这些方法中的任何一个或两者可以与本文描述和要求保护的任何内联相干成像系统一起使用。一般技术人员将进一步理解，这两种方法(当一起使用或单独使用时)对样本中存在的运动的响应不同，如Yun等人(OpticsExpress 12：2977-2998(2008)，其全部内容通过引用并入本文)所讨论的。在ICI实施例中使用这些技术中的一个或组合是基于移动物体的速度(参见Yun等人)、将成像传感器与工艺中的光发射隔离(光谱仪检测在此处是有利的)的需要、成像率(目前，扫描源可能比光谱仪更快地成像，如Wieser等人(Optics Express 18：14685-704(2010)，其全部内容通过引用并入本文)所讨论的、以及设备的整体成本和复杂性(目前，扫描源相对复杂且昂贵，并且使用这两种技术的成本是相加的)来选择的。
图27是另一实施例的示意框图。所示为改性激光器(ML)，其生成改性光束，该改性光束在通向二向色镜(DM)的途中穿过光纤和透镜，其中它与来自ICI光学模块的成像光束组合。现在，组合光束基本上是同轴的。它们通过镜子通过喷嘴中的共同物镜反射到样本上。从样本反射离开的成像光传回到ICI光学模块。ICI光学模块具有到ICI处理器控制器的输出，其生成针对ML的自动反馈控制，并且更一般地生成控制信号以控制至少一个加工参数。
在图27的实施例中，ICI系统由两个元件组成；ICI光学模块和ICI处理器/控制器。ICI光学模块包括ICI系统的电光元件，并且与激光材料加工系统的喷嘴光学对接，并且与ICI处理器/控制器电对接。ICI处理器/控制器负责：对图像数据的处理，以及用于对加工激光器操作的控制信号的生成。ICI模块可以组合在一起，或者可以与系统的其他元件组合。
在本发明的另一实施例中，ICI系统可以可选地配置成与附加系统元件对接，如图28所示。ICI处理器/控制器还可以与激光控制器电对接，并且可以向激光控制器提供控制信号以用于对加工激光器的操作。ICI处理器/控制器可以与整体激光材料加工系统的其他方面对接，称为“大量系统控制和管理”。这些附加系统方面可以包括材料控制、馈送控制、喷嘴位置控制、气体流量控制以及单个实现中可能需要的其他方面。
可以认为另外的类似实施例包括在喷嘴中具有多个样本和喷嘴和/或不同数量的转向镜和/或喷嘴中的转向镜的不同排序的操作。这些将被认为对于本领域普通技术人员是等同的。
为了在脉冲激光加工器中实现全自动反馈，使用内联相干成像将适当的信息输出到专门设计的图像处理器和反馈控制器。例如，在一些实施例中，内联相干成像系统的成像窗口被同步到相对于材料改性光脉冲的开始的特定时间延迟。最优延迟取决于所需的反馈类型以及材料改性工艺的目标。从脉冲内反馈(即，当材料改性源光入射到材料上时)的测量产生与材料松弛后不同的结果。脉冲内反馈可用于控制材料改性工艺的总贯穿深度。特别地，由于加工光束可以改性材料的速度，脉冲内反馈受益于非常快的反馈响应(1-100微秒量级的响应时间)以获得良好的准确度。来自后期的反馈(即，当材料改性光源未入射到样本上时)用于控制孔的最终形态，其中样本(例如金属)的松弛几何形状是受关注的。
在使用准连续材料改性光源的实施例中，成像系统与材料改性工艺的开始的同步对于自动反馈是重要的。在一些实施例中，在材料改性开始之前样本的图像采集对于允许相对于原始样本位置和/或光学背向散射性质的反馈是有用的。例如，可以在运行中完成相对于样本顶部控制改性的反馈。此外，原始光学背向散射特性可用于调节图像加工参数和/或反馈控制算法，以实现非均匀材料的鲁棒反馈。
在内联相干成像光学单元中，通过使用共同的聚焦物镜来向样本输送成像光和加工光，显著地实现了对实际加工工艺的反馈。这使得与市场上的现有加工平台和技术的集成比使用单独的聚焦物镜以及在一些实施例中的样本和物镜之间的附加二向色镜尝试向样本输送成像光和加工光更容易且更便宜。特别是，工艺气体的输送、来自工艺喷射物的对二向色镜的损坏、和色散补偿都受到后一种方法的阻碍。内联相干成像系统通过使用共同的聚焦物镜来向样本输送成像光和加工光两者，从而避免了这个问题。在一些实施例中，通过在400和950nm之间的光谱区域中操作成像光源来显著地辅助集成到现有系统中，因为现有的相机端口硬件通常与这样的波长兼容。另外，该光谱区域允许使用更快和/或更灵敏的基于硅的检测器硬件。
内联相干成像的实施例中的图像处理器设计和配置不同于在低相干干涉测量(例如光学相干断层扫描)的其他应用中教导的那些。在ICI成像系统中，在处理之前不适合缓冲数千个光谱采集，这在OCT中是通常的实践。在一些实施例中，ICI系统以1到100的集合获取光谱以减少反馈等待时间。需要专门的图像处理算法、在线(online)界面检测和反馈控制器、以及适当算法以通过识别样本中指示工艺条件(例如，去除的材料的深度、剩余材料的深度、材料高度的变化、材料光学性质的变化、材料厚度的变化)的选定界面，将未处理的成像信息减少到一个或几个输出参数。
当处理不透明材料时，通常可以通过跟踪算法将加工特征的底部识别为强度高于选定阈值的第一信号，这是因为算法从最深深度变化到最浅深度。在某些情况下，成像系统将以足够的数量收集多次散射的光子，从而错误地触发这种情况。在这些情况下，当算法从最深处穿过到最浅处时，可以通过跟踪算法将孔的底部确定地识别为高于选定阈值的第一峰值。在一些实施例中，图像处理算法可以对一个或多个采集的结果进行平均以增强信噪比。处理ICI图像以用于反馈的后续步骤是应用算法以通过识别样本中的选定界面来将未处理的成像信息减少到一个或几个输出参数，所述选定界面指示工艺条件，例如去除的材料深度、剩余材料深度、材料高度的变化、材料光学性能的变化、材料厚度的变化。根据期望的反馈，这些测量中的一个或多个被传输到反馈控制器，该反馈控制器可以基于这些测量来调节工艺参数。在一些实施例中，该算法使用比例-积分-导数反馈方法。一个或多于一个输出参数可以对接到材料改性平台内的加工光源和/或其他子系统。
材料改性平台内的被控制的控制参数可以包括例如但不限于：样本位置；材料改性光束转向和/或聚焦；材料改性光源脉冲持续时间、强度、脉冲能量、脉冲能量密度(fluence)和/或光频率；气体辅助压力和/或气体类型。
在一些实施例中，图像处理器可以存储在处理链中的一个或多个点处存在的数据，以用于故障排除和质量保证使用。
某些材料的高反射率可能导致检测器饱和，或者使噪声本底上方的系统点扩散函数的远端特征(有时称为“肩部”)升高。这些中的任意一个都可能降低图像质量并妨碍自动反馈处理。ICI检测器和/或图像处理器的一些实施例能够检测这些不利条件并在运行中采取校正措施。例如，干涉图的相长干涉条纹上的检测器饱和倾向于夹住条纹的顶部，这产生了将在多个深度上扩散的附加频率分量功率，从而导致成像伪影。在该示例中，ICI控制器的一些实施例可以检测到检测器上的一个或多个像素处于饱和水平，并且切换到适合于饱和的不同处理算法。即使使用限幅光谱，大部分信号功率仍然以基频输送，因此在一些实施例中，可以使用最大搜索程序来定位亮反射器的深度。本发明的一些实施例可以动态地或静态地调节检测器增益，调节检测器灵敏度，调节检测器积分时间，调制参考臂功率，和/或调制照明强度，作为管理饱和度的其他方法。在检测器没有饱和但是点扩散功能肩部已经大大提升到噪声本底之上的情况下，本发明的一些实施例将采用数字动态范围压缩来将肩部强度减小到低于可接受水平(通常低于噪声本底)。
在一些实施例中，反馈控制器的一个或多个输出对接到内联相干成像单元或图像处理器单元，以允许在这些单元内的参数的即时调节以实现鲁棒的反馈控制。这些参数的示例包括但不限于：参考臂功率、参考臂长度、图像光束偏振、参考或样本阻挡(即，光束阻挡)、图像采集时间(积分时间和平均图像数量)、检测器增益和/或动态范围。
在一些实施例中可以采用的更高级的反馈技术包括：
-选择主要加工前沿周围约10个深度的窗口，并在这些深度内跟踪前沿。
-在主要加工前沿深度下方某一距离处选择约10个深度的另一窗口(这取决于期望多少个突破的提前通知)并在该深度内搜索界面信号。
-在找到次表面界面时，检查针对已知特征的标志，确保它是所选的目标界面。
-向反馈控制器报告限度深度。
-反馈控制器决定是否需要减慢或停止工艺，并对工艺设备实现这种控制。
一些实施例以以下项中的一个或多个为特征：
-配置为使成像焦点尽可能接近目标深度以最大化SNR的光学器件。这可以意味着成像和加工焦点彼此轴向移位。
-配置为避免可能混淆图像处理反馈系统的侧壁反射的光学器件；
-控制何时触发成像系统的系统定时；
-包括零差滤波算法的流线型图像处理，处理来自减少的样本深度子集的反射强度。此外，该算法比标准技术提供更高质量的点扩散函数(参见图20)；
-在图像处理器中使用FPGA或ASIC以减少处理等待，从而使得能够提高处理速度；
-可以实时运行的界面和/或信号趋势跟踪算法。
当用于描述本文所述发明的功能时，术语“反馈”和“反馈控制”指的是自动电子和/或电光反馈控制，其中由ICI成像子系统生成的数据由控制器进一步处理，以向材料处理子系统提供控制信号。
应注意，本文描述的任何实施例可以用用于改性光束和成像光束的共同物镜来实现。
在本发明的所有实施例中，使用样本臂光路和参考光路。在整个发明中，这些路径可以重叠并在各个点共享。本申请中的光路长度是指由成像光穿过的导致光路延迟的所有空间和物质，包括物理路径长度以及光学色散和其他光学频率相关的相位变化、具有不同相位的光学介质和/或组速度。
增材制造的相干成像与控制
背景技术
增材制造(AM)(也称为3D打印)提供了产生功能性的、几何复杂的多种材料部件的能力，这些材料具有通过传统的制造方法(如铸造、铣削、模制、成型、锻造、轧制等)无法实现或不可行的性质(例如，几何、机械、光学、热学等)。增材制造工艺可以使用包括金属、塑料、有机材料、电介质、复合材料和功能梯度材料在内的材料生产物体。在许多增材制造工艺中，通过分层部件制造来生产三维物体。在许多这些方法中，每层的生产涉及使用局部能源，例如激光束或电子束，以将原材料原料改性成其所需的形式，通常通过固态工艺，包括但不限于熔化和蒸发(即相变)。使用受控的局部能源允许将热能赋予处理过的材料并引起材料变化。通过控制材料相和温度，可以改变材料的性质(例如，表面张力和润湿性)以允许沉积具有某些所需性质的新部件层。然而，增材制造工艺固有的潜在复杂性使得在实践中实现材料沉积的必要控制是困难的。
在AM工艺中，需要精确控制能源-材料相互作用以实现足够的材料沉积和完整部件的制造(或修复)。在许多AM系统中，基于一组建立的工艺参数来执行开环处理。这种开环处理需要大量的工艺和数据库开发，以便确定合适的工艺参数方案。除了需要大量资源外，这种方法还限制了新材料、部件几何形状和工艺修改的开发。此外，由于制造部件的性质不确定，这种方法限制了在功能组件、商业产品和关键应用中增材制造的部件的使用。需要广泛的工艺认证，以确保足够的部件性质，从而否定了(negating)增材制造工艺的优点，包括：以低周转时间生产高度特定/定制的部件；生产几何形状复杂的部件；以及通过小批量生产而节省成本、和不需要附加的工具。
在基于金属的增材制造工艺中，使用强烈的局部能源结合增材工艺固有的分层构建性质来引起材料相变并允许材料被操纵成所需的几何形状/形式，导致一系列复杂的潜在物理现象，物理现象相互作用最终决定了制造部件的性质(例如，机械、微结构、光学等)，并且如果控制不当可能导致构建失败。在给定的AM工艺期间这些机制的相互作用以及这些相互作用对整体零件性质的影响尚未被完全理解。此外，确定工艺参数以平衡这些相互作用并实现工艺稳定性需要在工艺开发中付出巨大努力。已知工艺不稳定会导致许多不利影响，这可能导致部件几何形状和尺寸偏差；机械、光学和/或电气部件性质的恶化；以及可能最终导致构建失败。由于毛细管不稳定性(沉积材料从连续结构中破裂)导致的轨道碎裂、通常称为“球化(balling)”的加工缺陷通常是由于加工材料对其底层/周围环境的润湿不充分而发生的。球化通常是由于在制造工艺期间由能量源赋予的能量密度不足而导致的，并且导致部件密度和机械性质的劣化。增材制造工艺通常依赖于先验工艺开发和/或间接测量技术来确定应该避免哪种工艺参数方案以最小化球化的影响。然而，球化对构建参数和部件几何形状的强烈依赖性限制了这种方法的有效性。
在加工悬垂结构期间出现另一常见的基于金属的AM工艺缺陷。悬垂结构通常是指在工艺原材料例如金属粉末的底层之上构建的结构。悬垂结构也可以是在没有底层支撑的区域中构建的结构。悬垂结构的加工通常导致材料加工光束源正对材料进行改性的区域中的温度、稳定性、大小和形态的显著变化；可以显著影响工艺沉积性质；以及是构建错误的常见来源。检测此类故障的可靠方法尚未得到很好地开发。为了获得更一致的结果，工艺支撑结构/支架被集成到AM部件设计中。这些结构的使用以及与悬垂处理相关联的困难导致增加的构建材料消耗/浪费、对工艺开发的增加的要求、对附加设计考虑的需要以及部件设计限制。
通常认为增材制造构建时间是广泛采用这些工艺的障碍。增材制造工艺的分层性质导致层处理时间成为整体构建时间的重要瓶颈。然而，如果工艺参数不相应地平衡，则增加层处理速度通常会导致工艺缺陷。由于部件几何形状而产生的在交互环境中的连续变化上平衡工艺参数证明是困难的。许多AM工艺没有部件故障识别系统，部件故障识别系统能够在发生故障时识别部件故障，并相应地停止或改变工艺。因此，在构建完成之前不会识别部件故障-有效地增加了构建工艺的长度。检测工艺中早期发生的故障并相应地停止或改变工艺的能力可以使得能够显著减少部件生产和工艺开发时间，并可以导致更高质量的部件。
现有的增材制造工艺监控系统实现了NIR热CMOS相机、高温计、光电二极管和高速相机的组合，以评估热稳定性、PCR范围和光强度等指标。这些系统不能测量增材制造工艺形态和其他基于干涉测量的工艺度量。
实施例
增材制造是一种材料改性工艺，其可以定义为“从三维模型数据中结合材料以制造物体的工艺，通常是一层一层地，与减材制造技术相反”(ASTM F2792)。这里的定义包括出于增材、改性、修复等目的而将材料结合到现有物体上。
在增材制造中，能量源-材料相互作用区的特征通常在于工件表面上存在熔池(即“熔化池”)。在本公开中，术语“相变区域”(PCR)用于更一般地指能量源(即，材料加工光束)改性材料或与材料相互作用的区域。术语“光束相互作用区”也用于指代该区域。材料的改性通常可统称为烧结(即熔化)工艺。材料的改性通常也可称为焊接工艺。改性工艺一般可能包括完全熔化、部分熔化和液相烧结机制的某种组合。在增材制造领域中，烧结是通用术语，包括基于熔化、部分熔化和/或液相烧结物理机制的方法。出于本公开的目的，术语烧结用作描述包括熔化、部分熔化和/或液相烧结物理机制的方法的通用术语。取决于材料，可以实现高达100％的密度，其中材料特性与传统制造方法的材料特性相当。该工艺可以涉及任何形式的激光烧结，其可以称为选择性激光烧结、选择性激光熔化、直接金属激光烧结或电子束熔化。粉末床3D打印、粉末床熔融和粉末馈送工艺是非限制性示例。根据ASTM F42标准，粉末馈送工艺属于定向能量沉积工艺类别，并且通常称为激光金属沉积、直接金属沉积或激光熔覆。
一些实施例提供混合工艺，例如，组合增材制造和减材制造的工艺。减材制造工艺包括去除材料，例如车削、钻孔、打孔、铰孔、铣削等。这里描述的包括质量保证和/或反馈控制的特征可以施加于这种混合工艺。在这样的工艺中，质量保证和/或反馈控制还可以包括对减材制造操作的质量保证和/或控制；增材操作和减材操作之间的协调和定时；以及对增材制造操作的质量保证和/或控制，其可以包括本文所述的用于增材制造的相同控制特征和参数。
增材制造系统可以包括但不限于以下项的组合：至少一个材料加工光束源；光束输送系统；材料搬运设备；原料/原材料(即增材材料)馈送源；以及工艺控制/监控系统。材料加工光束源可以包括但不限于激光束和/或电子束。光束输送系统可以包括输送光学器件和/或电磁场控制系统。光束输送系统还可以包括：光学扫描单元，包括但不限于：检流计、多边形扫描仪、MEM(微机电系统)和/或压电设备。
在一些实施例中，该装置包括可电改性的光学材料，用于沿着干涉仪的光路的某些部分改变折射率，以允许相干成像景深的快速变化(包括连续或离散的变化)。
在一些实施例中，该装置包括在相干成像系统的参考臂中的光束扫描设备，以便补偿和/或适应样本臂光路长度的变化。在一些实施例中，样本臂路径长度的变化由AM加工光束部署产生。
在图29中示出了根据一般实施例的框图。参考图29，该装置包括与增材制造系统1集成的相干成像系统(CIS)2。增材制造系统用相干成像处理3和监视和/或反馈控制5增材地制造(或修复或改性)三维部件；以及基于相干成像干涉测量数据，对最终部件属性和整体质量4进行原位评估。监控和质量保证信息可以保存6以供以后使用。
包括内联相干成像(ICI)、光学相干断层扫描(OCT)和低相干干涉测量(LCI)在内的相干成像测量技术是用于测量光路长度变化的宽带干涉测量技术，以及通过扩展样本形态的变化来使用。如本文所述，诸如内联相干成像的相干成像测量技术可用于在激光处理应用例如增材制造期间测量/评估材料的形态变化。然后，可以使用通过这种测量获得的形态和其他干涉测量输出数据来控制该工艺的方面。
相干成像系统可以包括但不限于以下项的组合：(宽带)光源；干涉仪，包括至少一个“样本臂”(由样本终止或以其他方式具有未知光路长度的干涉仪臂)和至少一个“参考臂”(具有明确定义的光路长度和/或公知的终止点的干涉仪臂)；光谱仪，例如但不限于光栅；以及检测器，包括但不限于光电二极管和/或线扫描相机和/或电荷耦合器件(CCD)。通常，相干成像系统还包括信号处理、存储和/或显示硬件，包括以下项中的一个或多个：中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、模数转换器(ADC)、数字转换器、数字采集设备(DAQ)和现场可编程门阵列(FPGA)。
在一个实施例中，相干成像系统的检测器和/或信号处理器被配置为区分干涉测量输出与来自工艺的非相干发射，该非相干发射例如通过非相干信号时间动态、频谱形状或其的某组合来接收。然后，可以通过信号处理器和/或反馈控制器来路由所区分的信号，并将所区分的信号视为来自本文其他各处所述的辅助光学检测器的所区分的信号。
相干成像光源可以包括但不限于：二极管、超发光二极管(SLD或SLED)或扫频源光源(例如，VCSEL-垂直腔表面发射激光器)。相干成像光源可以是宽带的，如在SLD的情况下，并且落入光谱带的范围，包括但不限于：＜200nm、200-400nm、400-700nm(可见光)、700-900nm(NIR)、900-1100nm(某些形式的光束工艺光)、1100-2000nm(IR)和/或＞2000nm(远IR)或其组合。光谱带宽可以包括＜1nm、1-10nm、10-50nm、50-100nm、100-1000nm、＞1000nm或其组合。相干成像光源可以是窄带——如在VCSEL的情况下，并且扫过特定光谱带。光源宽度可以是：＜1nm、1-10nm、＞10nm或其组合。扫描可以在以下光谱带上进行：＜200nm、200-400nm、400-700nm(可见光)、700-900nm(NIR)、900-1100nm(某些形式的光束工艺光)、1100-2000nm(IR)和/或＞2000nm(远IR)或其组合。
图30A中示出了根据一个实施例的相干成像系统。在该实施例中，CIS 7包括成像光源(SLD)、隔离器、分束器和将成像光输送到参考臂和样本臂13的光学元件。检测器可以用光谱仪实现。
图30B和图30C示出了增材制造装置的两个示例。根据这些实施例，该系统包括但不限于：至少一个材料加工光束源8；材料加工光束输送系统9A、9B；增材制造原料和/或原材料搬运和馈送系统10A、10B；至少一个相干成像系统7，例如但不限于图30A所示的相干成像系统；光学扫描仪或其他光束控制设备(例如，多边形扫描仪、检流计和/或压电设备)43A、43B，其接收对来自CIS的光进行成像的样本臂13并执行相干成像光束询问位置和定时；工艺控制系统11；和/或质量控制系统41。还示出了加工光束-材料相互作用区42A、42B。根据实施例，加工光束-材料相互作用区42A和42B及其周围区域26的相干成像测量光束询问可以在材料处理之前、期间和/或之后执行，以便基于干涉测量输出来执行测量、评估和/或关于增材制造工艺的QA和/或反馈决策。
在一些实施例中，例如图31中所示，该装置包括在相干成像系统中具有不同长度的多个参考臂路径12A、12B，以补偿和/或适应样本臂光路长度的变化。AM加工光束部署可以导致样本臂路径长度的变化。
图31的实施例还示出了具有多个样本臂路径13A和13B的相干成像系统。一些实施例可以使用多个样本臂路径来询问构建平面/表面/体积的不同区域。该装置可以使用多个样本臂路径但是从不同的入射角来询问构建平面/表面/体积的同一区域。在一些实施例中，同时进行测量。
在一些实施例中，该装置包括多个相干成像系统设置，使得各个样本臂成像光束询问增材制造系统的构建体积/区域的不同方面。各个样本臂光束可以询问不同的区域和/或体积。各个样本臂光束可以以不同的入射角询问同一区域/体积。
在图32的实施例中，该装置包括：相干成像系统光束样本臂光束部署部件/组件14A、14B，其允许相干成像光束入射角15A、15B相对于部件表面16A、16B(或一些其他增材制造坐标系/参照系)自动/手动地控制/调节。也就是说，一些实施例可以实现为使得组件从14A变为14B以调节光束入射角15A至15B，以适应样本(16A至16B)的变化。该装置还可以包括：光学和/或机械和/或电子部件，其允许成像光束入射角相对于增材制造加工光束-样本相互作用平面保持在特定角度(例如，垂直)。该装置可以允许成像光束入射角相对于先前限定的平面基于输入或控制信号来限定。
在一些实施例中，该装置包括具有环形样本臂照射光束分布的相干成像系统。光束分布可用于同时从不同入射角询问样本/部件/表面。光束分布可用于同时在不同空间区域处询问样本/部件/表面。
在一些实施例中，例如图33中所示，该装置包括固定距离相干成像探测光束参考227。该参考可以用作重新校准标准以建立绝对高度/深度坐标系。该参考还可用于克服与相干成像实现相关联的时间稳定性问题。固定距离参考可以通过附接到相干成像光束217部署头228的固定距离光路来实现。相干成像光束可以通过与加工光束218相同的头来部署。在一些实施例中，该参考通过增材制造系统构建环境228内的固定参考点来建立，或者基于正在制造的部件上的参考位置来建立。
在一些实施例中，该装置包括：光学设置，其实现一个或多个加工光束部署，每个加工光束部署具有其自身的相关联的相干成像系统样本臂光束。在一些实施例中，各个加工光束运动路径彼此解耦合。在一些实施例中，各个加工光束运动路径彼此耦合(或耦合到一些其他的加工光束运动路径)。在一些实施例中，相干成像系统样本臂光束与加工光束运动相解耦合。在一些实施例中，相干成像系统样本臂光束耦合到加工光束运动。
在一些实施例中，该装置包括偏振控制器，以控制/指示相干成像系统样本臂的偏振。该装置还可以包括光谱仪中的部件，以处理不同的样本臂光学偏振。
在一些实施例中，该装置还用于测量、监控和/或控制原材料/原料供应机构。例如，在图33的实施例中，该装置包括相干成像系统设置，以便允许测量光束217直接对原料/原料219供应机构进行成像，如222所指示。
在图34的实施例中，该装置包括附加或辅助光学传感器837例如光电二极管、以及可选地相关联的偏置、预放大、放大和数据采集技术/系统(本领域技术人员已知的)。这种辅助光学传感器(在此也称为辅助光学检测器)收集多个波长带中的光，这些波长带测量是来自该工艺的光学发射(其不是由相干成像系统836直接引起的)，例如来自被加工材料的黑体辐射、来自材料加工光束的背向散射光(由加工光束源830产生的)和来自工艺829的任何其他本征光发射。这种光学辅助传感器可以通过它们的组成或光学滤波来配置，以收集特定的光带，例如200-400nm(UV)、400-700nm(可见光)、700-900nm(NIR)、900-1100nm(加工光)、1100-2000nm(IR)和/或＞2000nm(远IR)。传感器还可以包括用于测量材料加工光束源的输出或其一些物理代理(例如来自光束输送路径中的光学器件的部分反射)的传感器。然后，由这些传感器收集的光信号可以由信号处理器838处理，由数据记录系统839记录，与其他信号进行比较以用于质量保证和更大的工艺知识，和/或连接到反馈处理器840并用作用于控制材料改性工艺的反馈机制。辅助光学传感器信号还可以连接到记录生成器，该记录生成器接收来自PCR的至少一个光发射，以生成记录、通知或反馈输出中的至少一个来控制材料改性工艺。
因此，辅助光学传感器837的输出可以连接到信号处理器838、质量保证信号生成器、反馈控制器840和记录生成器中的至少一个。信号处理器838、质量保证信号生成器、反馈控制器840和记录生成器生成记录、通知和反馈输出中的至少一个。记录、通知和反馈输出中的至少一个可以用于对材料改性工艺进行控制、监视和调节中的一个或多个。
在一些实施例中，所述装置包括与材料加工光束同轴的相干成像光束部署。在一些实施例中，所述装置包括：相干成像光束部署，其对准是相对于材料加工光束，但不必是同轴对准。在一些实施例中，所述装置包括：相干成像光束部署，其对准是相对于AM工艺材料馈送机构。在一些实施例中，诸如在粉末馈送AM工艺的情况下，这种对准可以实现为对粉末流同轴对准的形式。在一些实施例中，诸如在粉末床AM工艺的情况下，这种对准可以实现为与粉末流重新涂覆机构的运动路径平行的对准的形式。
本征工艺发射可以在总体上提供关于各自激光工艺的有价值的数据。然而，如本文所述的这种测量与相干成像的同时组合可产生实质性益处。因此，在某些实施例中，例如图34，本征发射信号与相干成像信号一起被收集，分析和/或使用。
在一些实施例中，例如图34中所示的实施例，附加光学传感器可以通过光纤832耦合到光学系统。如扩展的截面所示，这种光纤可以包括位于多模芯部832b周围的包层832a，该多模芯部832b还位于与模式耦合器835相结合的较小的芯部832c周围，模式耦合器835在834处将单模通道和多模通道(这种配置可以称为双包层光纤)分离。这种耦合器的示例是由Castor Optics(加拿大QC的蒙特利尔市)制造的DCFC1。这样的配置允许相干成像系统通过较小的芯部高效地操作，同时几乎没有模态分散，同时高效地将本征工艺发射(如上所述)收集到多模芯部中。
在一些实施例中，多芯部光纤用于向光学系统输送和/或收集多个相干成像和非相干(即，本征发射)成像通道。这种芯部可以是同心的、共线的、布置在栅格中，并且可以具有不同的大小。
在另一实施例中，将光信号耦合到上述光纤结构中的透镜是用于收集的一个或多个波带的抗反射涂覆和/或无色设计。
在图34的一些实施例中，相干成像光通过可移动镜或其他扫描系统831输送到材料。在也以辅助光学传感器(例如，图34中的837)为特征的实施例中，辅助传感器也可以通过扫描系统耦合并允许它们收集的本征发射在空间上被解析。通过这种方式，可以揭示、测量、跟踪、询问(用于质量保证和工艺开发目的)该工艺的许多新方面，和/或将该工艺的许多新方面用作闭环反馈控制的手段。例如，相对于由相干成像系统测量的贯穿深度，观察到PCR后部的一个或多个位置处的红外发射强度可以比仅仅通过红外测量自身更好地测量材料的冷却速率。在另一示例中，相干成像系统用于测量PCR的几何形状的以下方面：该方面用于更精确地表征和/或解释由本文所述的附加光学传感器接收的信号。这样的多点、多波长测量可以以下参数被串行化或并行化：在10us、100us、1ms、10ms、100ms或1s的数量级上以小时间步长，和由涉及材料的热量时间常数和化学时间常数所指示的之间的时间尺度。
在诸如图34所示的实施例中，辅助光学检测器测量与相干测量结合使用，以检测由任一检测方法自身不能检测到的工艺特征和/或缺陷。辅助光学检测器测量也可以与相干测量结合使用，以检测工艺缺陷，例如缺少熔融、和“假朋友(false friends)”，即材料接合应用例如焊接(包括但不限于激光焊接、电子束焊接等)中的处理缺陷，其中，接合的材料之间的熔融不充分导致接合质量差，其中工件外部表面上缺陷指标不可见。辅助光学检测器测量可以包括对由于材料改性工艺而发射的热信号的测量。热信号可以从相变区域、或者从尾随相变区域的区域、或者从两者都发射。
在一些实施例中，辅助光学传感器可以是耦合到本文提到的光学系统的光谱仪。这种光谱仪还可以根据应用的要求连接到信号处理器、记录生成器和/或反馈处理器。
在诸如图34的实施例的实施例中，辅助光学传感器837可以包括热相机、高速可见相机、辐射热测量计、高温计和/或1D或2D阵列中的一个或多个、或其组合。
本征发射传感器和相干成像系统的组合也可以与焊接工艺一起使用。焊接工艺可以作为增材制造工艺的一部分来执行。焊接工艺可以在增材制造环境之外进行。
在一些实施例中，辅助光学检测器测量和相干成像测量的组合用于检测材料处理缺陷。在各种实施例中，材料处理可以是增材工艺或焊接工艺(其可以是或可以不是更大的整体工艺的一部分)。可以采用多个相干成像光束。可以采用多个辅助检测器(每个辅助检测器具有灵敏度的各自接收锥和/或光谱带)。图48A和图48B示出了不同的实施例。材料加工缺陷可能出现在光束-材料相互作用区792相变区和/或周围区域中。辅助检测器接收锥750和相干成像光束751定位在距加工光束749的特定偏移距离(分别为793和794)处。偏移距离可以是固定的，或者它们可以变化。例如，它们可以根据用户通过图形用户界面、脚本界面和/或应用程序界面(API)编程的运动路径而变化。在一些实施例中，运动路径可以从另一源(例如，计算机辅助绘图(CAD)软件、计算机辅助制造(CAM)软件、或者这些的组合)与如上所述的用户编程一起导入。在一些实施例中，可以通过工业总线接口(例如，DeviceNet、ProfiNET、ProfiBUS、以太网IP、EtherCAT、通用串行通信、TCP/IP等)和/或来自工艺控制器和/或远程处理头控制器的仿真输入即时(例如，在工艺之前、期间和/或之后)自动计算和/或更新运动路径。在一些实施例中，基于工艺自身的最近测量来调节光束位置。例如，由相干测量系统检测到的材料动态的扰动可以要求辅助检测器进行确认测量，或反之亦然。在一些实施例中，偏移距离等于零(即，辅助检测器接收锥、相干成像光束和材料加工光束同轴对准)。在一些实施例中，辅助检测器接收锥和相干成像光束偏移是相等的(即，辅助检测器接收锥和相干成像光束同轴对准)。在一些实施例中，辅助检测器接收锥和/或相干成像光束被定位成测量至少一个感兴趣的工艺区域。感兴趣的工艺区域可以包括但不限于以下项中的一个或多个：相变区域、相变区域之前的区域、相变区域后面的区域和与相变区域相邻的区域。在一些实施例中，辅助检测器接收锥和相干成像光束被定位成测量相同的感兴趣的工艺区域。在一些实施例中，辅助检测器接收锥和相干成像光束被定位成测量不同的感兴趣的工艺区域。在一些实施例中，该工艺包括在“垂直方向”上接合两种材料。在这样的配置中，加工光束路径使得它首先遇到顶部材料798，然后是材料799之间的接合，然后是基材800(参见图48A)。在一些实施例中，该工艺包括在“水平方向”上接合两种材料。在这样的配置中，加工光束路径使得它直接遇到两种材料，并且接合存在于材料之间并暴露于加工光束(这种配置的示例是对接接合)。
在图48A和图48B中，应理解辅助光学检测器接收锥和相干成像光束的位移以二维(2D)示出，并且三维(3D)配置也是可能的。
在诸如图48A和图48B所示的实施例中，检测到的缺陷可以包括缺少熔融缺陷797。缺少熔融缺陷可能在物理材料表面上具有相关联的见证标记796。在一些实施例中，缺少熔融缺陷可能在材料表面上没有任何相关联的见证标记或外部缺少熔融指标。这种缺陷通常被称为“假朋友”(在德语中称为“falsch Freunde”)缺陷795。由于加工光束能量不足以熔化底部材料(例如，留下未处理的或原始的材料802)，可能导致缺少熔融。即使在存在足够的加工光束能量来熔化/处理两种/所有材料801，但是物理变形(非限制性示例包括固定不良和/或材料翘曲)阻止接合(例如，产生间隙)803中的充分接触和/或熔融时，也可能导致缺少熔融。当基材被完全处理时，可能导致缺少熔融或假朋友缺陷。当基材被部分处理时，可能导致缺少熔融或假朋友缺陷。当不处理基材时，可能导致缺少熔融或假朋友缺陷。
在一些实施例中，例如图48A和图48B中所示的那些，辅助检测器测量温度，例如通过诸如黑体辐射的处理辐射。如本文所用，术语“黑体辐射”、“灰体辐射”及其变体都被认为是可互换的和工艺辐射的非限制性示例。辅助检测器测量黑体辐射或其他工艺辐射。在一些实施例中，辅助检测器测量黑体/工艺辐射和温度的某种组合。温度变化可以用于检测缺少熔融和/或假朋友。工艺辐射(例如，黑体辐射)可用于检测缺少熔融和/或假朋友。来自材料表面804的温度变化和/或工艺辐射变化可用于检测缺少熔融和/或假朋友。温度变化可以包括温度升高。温度变化可以包括温度降低。工艺辐射变化可以包括工艺辐射的增加。工艺辐射变化可以包括工艺辐射的减少。
在一些实施例中，辅助检测器接收锥和/或相干成像光束的数值孔径(NA)可以通过使用望远镜(包括例如开普勒、伽利略和其上的抗畸变改进)或本领域技术人员已知的其他折射/反射反射光学器件来调节，以控制能量输送/收集并补偿脱离材料表面/从材料表面离开的成角度的反射/发射。
在一些实施例中，包括但不限于远程扫描的材料加工光束，可以实时地主动调节相干成像光束和/或辅助检测器接收锥的NA和/或焦点，以补偿光束输送系统的非理想性和/或工艺的变化。这种补偿可以通过所讨论的工艺或类似的先前进行的工艺的先前测量来计算/确定。
在一些实施例中，例如图48A和图48B中所示的那些，辅助检测器测量和相干成像测量的组合用于质量保证目的(包括但不限于提供用于该工艺的质量指标)。这种测量的组合可以用于工艺控制目的和/或工艺开发目的。组合的辅助检测器和相干成像测量可以在工艺(在时间上和/或空间上)之前、在工艺期间和/或在(在时间上和/或空间上)工艺之后进行。在一些实施例中，辅助检测器测量可以通过所讨论的工艺或类似的先前进行的工艺的先前测量来计算/确定。
在一些实施例中，“组合”可以进一步描述辅助检测器测量和相干成像测量如何彼此结合使用和/或彼此同步使用。辅助检测器测量可以用于选通(在时间上和/或在空间上)相干成像测量，或反之亦然。辅助检测器测量可以用于加权(例如，使得更重要)某些相干成像测量，或反之亦然。辅助检测器测量可以用于启动相干成像测量，或反之亦然。辅助检测器测量和相干成像测量可以以一些规则或不规则的模式交替。在一些实施例中，可以同时执行辅助检测器测量和相干成像测量。
在一些实施例中，光束输送系统使用五轴光学扫描仪，其允许材料加工光束和/或相干成像光束的角度相对于正被加工的材料而改变。这种扫描仪的示例是precSYSTM输送光学器件(德国慕尼黑市的SCANLAB GmbH)，其主要用于微加工。材料加工光束的角度可以例如引导工艺(如同通过皮带拉动PCR)、或者跟随工艺。扫描仪还可用于控制加工光束和/或成像光束的角度，以便适应PCR材料表面的变化(参见，例如，图32)。在一些实施例中，这种控制用于确保相对于PCR表面的特定角度。这种控制可用于实现相对于PCR表面的自适应光束角度。
在一些实施例中，例如图35中所示，可以执行逐层相干成像测量。例如，35A、35B、35C和35D对应于不同层的测量。干涉测量输出可以生成三维物理部分渲染35E。该信息可用于确定物理部件尺寸，做出对部件公差的评估，确定部件密度，检测空隙/孔隙的存在，和/或做出关于所构建的工艺或部件自身的其他确定。
在一些实施例中，相干成像测量用于在工艺期间基于检测到的与部件设计的形态偏差来采用校正动作。可以以材料烧蚀、附加原料的供应、增材制造设备运动控制路径的变化和/或其他形式的材料处理的形式来执行校正动作。其他形式的材料加工可以包括但不限于重新熔化。
在一些实施例中，来自相干成像系统的干涉测量输出用于区分/解析增材制造工艺中涉及的不同材料类型。在一些实施例中，执行在诸如金属、塑料、有机物、半导体、聚合物和电介质的材料之间的区分。在一些实施例中，进行不同金属、塑料、有机物、半导体、聚合物或电介质之间的区分。在一些实施例中，相干成像测量用于区分多材料部件的增材制造中涉及的材料，例如复合物和/或功能梯度部件。这些信息可用于控制/改变馈送材料的供应，或用于测量和/或评估新沉积的材料的组成。
在一些实施例中，干涉测量输出用于区分/解析材料改性工艺的不同材料相，例如作为相干成像光束询问位置的函数的干涉测量输出的变化(例如，针对图36A所示的工艺，如图36B、图36C、图36D、图36E所示)。此信息可用于区分不同的工艺相，包括：原料与沉积材料；液相与固相与气相；大块固体与粉末固体/颗粒固体。例如，图36E示出了干涉测量输出的时间变化用于区分液相与固相(参见箭头)，和/或区分材料原料与处理过的(沉积的)材料，如图37的曲线图所示。在一些实施例中，该信息用于质量保证目的，和/或用于反馈/控制目的。
在一些实施例中，相干成像解析材料相信息用于确定在增材制造工艺期间材料相转变的性质(包括起始、持续时间、稳定性等)。该信息可用于确定工艺的热循环和/或辨别制造部件的机械性质和/或微观结构性质。在一些实施例中，该信息然后用于QA。材料相信息可用于反馈/控制应用中以控制增材制造期间的热循环，用于包括但不限于规定机械部件性质和/或微结构的目的。
在一些实施例中，相干成像系统的光谱带中的材料透明度(和/或半透明度)被用于在增材制造工艺期间监视层到层(层间)接合和/或次层特征。
在一些实施例中，干涉测量输出用于在处理期间测量/量化材料喷射。这些信息可用于评估工艺参数空间质量和/或稳定性。在一些实施例中，该信息用于反馈/控制目的。在一些实施例中，基于干涉测量输出来确定材料喷射量、频率、周期性、规律性、速度、动量和/或力。
在一些实施例中，相干成像测量用于在增材制造工艺期间相对于某些定义的坐标系对准(待构造或修复的)部件和/或构建平台和/或固定。例如，在图47的实施例中，相对于参考90的加工光束帧(beam frame)来执行对准91。在其他实施例中，可以相对于运动控制驱动的坐标系来执行对准。
在一些实施例中，来自增材制造工艺的先前层的光路长度测量用于建立光路长度(和/或测量的高度和/或测量的深度和/或距离)参考。该参考可用于克服与相干成像光路长度和/或高度和/或深度和/或距离相关联的时间稳定性问题。例如，静态界面的相干成像光路长度测量可以由于包括温度变化、物理振动等在内的环境影响而随时间变化。如图38A和图38B所示，这些效果可能导致由相干成像系统测量的高度/深度57a、57b和背向散射强度59a、59b的变化。使用先前的层参考可以克服或最小化时间稳定性对测量准确度/精度的影响。这在分钟、小时或天的时间尺度上发生的增材制造工艺中尤其重要。
在一些实施例中，相干成像干涉测量输出用于检测/识别在相干成像测量期间发生的多次散射事件。例如，图39示出了与非多次散射或直接测量60A相比的不同多次散射事件60B、60C。该信息可以用作相干成像测量的质量保证度量/拒绝参数。多次散射信息可以用作相干成像测量实现的反馈控制参数。在一些实施例中，多次散射信息用作增材制造工艺的质量保证度量/拒绝参数。多次散射信息可以用作增材制造工艺的反馈控制参数。为了本公开的目的，多次散射包括由干涉仪的样本臂中的附加反射和/或材料变化引起的光路长度变化(包括延伸)。干涉图相位变化可用于检测/识别多次散射。在一些实施例中，光学偏振的变化用于检测/识别多次散射。
在一些实施例中，多次散射检测用作增材制造工艺的质量度量和/或反馈控制参数。
在一些实施例中，提供给增材制造工艺的相干成像反馈用于减少整体制造和/或修复时间。
在一些实施例中，相干成像干涉测量输出用于评估增材制造工艺参数质量。工艺参数质量可以包括以下项中的一个或多个：光束能量/功率、光束扫描速度、束斑大小、光束部署方法、通过附加能源(如附加能量束、加热线圈、热交换器等)的材料预热或冷却、增材材料馈送速率、增材材料层厚度、增材材料成分、增材材料密度、增材材料馈送几何形状、光束扫描/处理几何形状、工艺支撑结构的使用、工艺固定的使用、工艺环境氧气(或其他气体)浓度、工艺环境温度、工艺环境压力、再处理策略、后处理策略/处理、以及处理暂停/中断。干涉测量输出可以包括形态稳定性；相对/绝对形态水平；相干测量期间信号丢失的频率；干涉图相位变化；界面展宽(即增加A线宽度)；生成/修改/改变界面子结构(包括肩部、子包络峰、展宽、变窄)；界面强度变化；形态变化；频移；光谱仪输出的相对频率测量；界面强度水平；多个界面的发生/出现/消失、和/或多个界面的相对位置和/或强度和/或子结构的变化；以上作为时间(包括时间导数和斜率)的函数的参数变化；以上作为空间(包括空间导数和斜率)的函数的参数变化；以及以上作为空间和时间的组合的函数的参数变化。在一个实施例中，如图40A至图40F所示，其利用熔池的相干成像测量来对加工激光功率进行评估，相干成像高度和/或强度测量用于识别在激光处理功率不足的情况下的处理(图40A)；在激光功率处理充足的情况下的处理(图40C)；以及在过度的激光功率下的处理(在“键控(keyholing)”方式中的处理——通常被认为是有缺陷的处理方式)(图40E)。该实施例还使用沉积轨迹的相干成像测量(在处理之后)来评估/识别/量化增材制造工艺的结果。这可以包括表面粗糙度、不连续性、特征、不规则性和/或其他缺陷。该信息可用于工艺开发目的和/或工艺修改目的。在上述实施例中，通过(图40B、图40D和图40F中)所示的所得轨迹的相干成像测量来检测不同激光功率情况下的处理效果。
在一些实施例中，相干成像测量用于在增材制造工艺期间对处理束斑大小和/或形状和/或时间分布的反馈/控制。反馈信号可用于确定构建工艺期间的时间/位置，其中可增加束斑大小以实现更快的构建速率。干涉测量输出可用于确保工艺保持在其期望的稳定性状态内，同时增加构建速率。在一些实施例中，干涉测量输出用于根据构建的当前部分需要高公差还是低公差来确定光斑大小转变点。
在一些实施例中，执行增材制造工艺粉末床(或沉积在构建区域上的某种形式的原材料，包括例如构建平台和/或底层制造/修复的层)的相干成像测量。在一些实施例中，这样的测量可以包括但不限于高度/深度/长度(图41A，上面板)和/或背向散射强度(图41B，上面板)，并且可以用于确定原材料层形态、均匀性、厚度、密度、缺少材料的区域70(如图41B所示，下面板)、多余材料的区域、层缺陷69(如图41A所示，下面板)和/或层材料相。该信息用于AM质量保证和/或反馈/控制目的。可以执行包括以下项中的一个或多个的校正动作：附加材料沉积/供应；所供应/沉积的材料去除(通过包括低能脉冲的材料喷射在内的方法；通过所供应的气流的机械去除；通过直接物理接触的机械去除；磁性去除；等)；所供应/沉积的材料的密度的改变；所供应/沉积的材料的位置的改变；所供应/沉积的材料的材料成分的改变；材料沉积/供应计划的改变；以及材料沉积率/供应率的变化。
在一些实施例中，增材制造工艺沉积的形态测量用于反馈/控制目的，用于对沉积材料施加校正动作。这些动作可以包括以下项中的一个或多个：部件公差的改进/改变、沉积成分的改进/改变、沉积微结构的改进/改变、沉积机械性质(例如，密度)的改进/改变。在一些实施例中，校正动作包括向层提供附加材料。在一些实施例中，校正动作包括层的机械堆积增加其堆积密度。在一些实施例中，校正动作包括实现材料重新熔化的附加处理。在一些实施例中，校正动作包括作为激光或电子束处理的结果的材料烧蚀/切割。在一些实施例中，校正动作包括通过传统制造方法(例如，铣削、钻孔、切割等)和/或化学方法(包括蚀刻)的材料去除。在一些实施例中，校正动作包括沉积抛光(通过机械、化学、基于激光、基于电子束和/或热机制)。在一些实施例中，校正动作包括修改AM工艺以增材/修改/去除工艺支持结构。在一些实施例中，校正动作包括注入/插入/增材新材料以充当化学的、机械的和/或结构的稳定剂/增强剂(包括注入填充材料以增加部件密度)。在一些实施例中，校正动作包括在构建工艺期间和之后的阶段实施诸如热等静压(HIP)的处理。
在一些实施例中，相干成像形态测量用于识别由于AM工艺重涂机构(例如擦拭器刮片、重涂器刮片、辊)与正在制造/修复的部件的特征的碰撞而导致的潜在AM工艺故障。识别这些潜在的故障可用于实施校正动作。
在一些实施例中，相干成像形态测量用于识别由于部件特征挤出到材料原料沉积平面或以其他方式干扰材料原料供应而导致的潜在AM工艺故障。识别这些潜在的故障可用于实施校正动作。例如，在图42所示的实施例中，相干成像系统测量75用于识别：进入粉末床72增材制造系统的重涂刮片73平面74的部件挤出71。
在一些实施例中，干涉测量输出用于评估液相(通常由激光/电子束产生)对部件的底层和/或相邻的固体结构、和/或原料材料的底层和/或相邻固体结构的润湿/粘附。该信息可以进一步用于控制/反馈工艺，涉及对AM工艺参数的控制以改变润湿/粘附。
在一些实施例中，相和/或光谱测量用于评估所供应的原料层(包括粉末床熔融工艺期间的粉末床)的堆积密度。该信息可用于提供校正动作。
在一些实施例中，相干成像形态测量用于使重涂机构(例如，擦拭刮片、辊、材料喷射机构、材料挤出机等)相对于正在构造/修复的部件、和/或构建平台、和/或另一AM系统坐标系对准。
在一些实施例中，粉末层厚度的形态和/或密度测量用于改变减小的层厚度、增加的层厚度、减小的堆积密度、增加的堆积密度等区域中的AM工艺参数。该信息可用于控制粉末沉积机制和引导/控制动作，以允许在特定区域内进行校正。
在一些实施例中，相干成像测量用于控制粉末床气体屏蔽。这种控制可以包括气体屏蔽流速或气体屏蔽流动几何形状。可以使用相干成像测量来确定是否充分处理工艺喷射(例如，如果喷射材料进行扫描使得喷射材料不落回在粉末床和/或处理部件上)，以及如果不是，则这些测量可以用于根据需要改变屏蔽机制。
在一些实施例中，相干成像干涉测量输出用于在悬垂结构的处理期间监测PCR。在增材制造工艺中，处理悬垂结构(例如具有由原粉末而不是沉积的块状材料组成的底层的结构)导致不利的工艺效应(包括PCR崩溃、PCR膨胀、沉积的材料结构/形态/微结构的变化等)。在悬垂结构的处理期间PCR和周围区域的相干成像测量可以用于向AM工艺提供反馈，以改变工艺参数，避免有害影响，和/或减少/改变对AM工艺支撑结构/支架的需求。例如，在粉末床增材制造工艺中的激光加工期间熔池的相干成像测量(图43A)用于在处理悬垂区时识别熔池稳定性的损失(熔池形态的快速变化)(例如，图中约6.5-13mm)。所得轨道的相干成像测量(图43C)和/或轨道照片(图43B)用于评估悬垂区(例如，6.5-13mm)中的沉积材料的质量。
在一些实施例中，相干成像干涉测量输出用于识别对AM工艺支撑结构/支架的需求。该信息可用于根据需要注入附加的支持材料。在一个实施例中，该信息用于在处理期间去除支撑结构，因为不再需要它们。根据需要，这些信息还可用于变化/改变支撑结构的材料和/或形状。
在一些实施例中，相干成像干涉测量输出可用于以材料流速率/速度，送丝速率/速度和/或沉积速率(质量/时间)的形式执行原料馈送速率测量。例如，如图33所示，干涉测量输出用于执行增材制造工艺材料原料219的基于速率/速度的测量。可以使用材料流的多普勒相干成像(包括多普勒ICI和多普勒OCT)测量来实现这种测量。如图33的展开图所示，相干成像光束217被设置成与粉末/材料流相交，在222处以允许进行这种测量的这种角度224示出。在一些实施例中，散斑方差相干成像技术用于实现这种测量。
在一些实施例中，使用相干成像确定的馈送速率信息来控制材料馈送器以改变馈送速率或一个或多个其他AM工艺参数(例如，粉末、扫描速度、光斑大小、脉冲长度与连续模式等)。
在一些实施例中，多种材料馈送速率的原料馈送速率测量用于确定所得AM沉积物的材料/合金成分。在多种不同材料馈送的情况下，材料馈送速率(其决定每种材料的质量的比率)直接决定了工艺沉积物的材料类型/合金。这种测量可用于控制不同的材料馈送速率，以特定地控制AM沉积物的材料组成/合金。这种反馈可以在复合材料的制造中、在功能梯度材料(FGM)的制造中或在异质材料的制造中实施。
在一些实施例中，例如图33中所示，原料(粉末或线)流219的相干成像测量用于确定制造/修复的零件表面上的流的精度、准确度和/或影响面积(大小、几何形状和/或位置)。在图33所示的实施例中，相对于加工光束相互作用区220，通过扫描测量光束226通过工艺相互作用区225而进行的相干成像测量可用于测量和/或评估21A和21B所示的粉末流冲击区域的精度/准确度(在一些实施例中，可存在多个粉末流冲击区域)。该信息可用于增材制造QA目的，和/或相对于处理(激光/电子)束/能量源来控制原料流的光斑大小、其形状和/或其冲击位置。相干成像测量反馈可用于提高原料流的准确度和精度。
在一些实施例中，在增材制造工艺期间进行的相干成像测量用于确定和/或控制增材制造系统的运动控制设备运动路径。例如，相干成像测量可用于控制AM系统加工光束的运动路径。在一些实施例中，相干成像测量用于执行加工光束自动聚焦。
在一些实施例中，在粉末馈送型增材制造工艺(也称为定向能量沉积)期间进行相干成像测量。在一些实施例中，相干成像用于进行测量，包括PCR、原始原料和/或沉积材料的大小、形态、反射率、偏振变化、相变、质量、润湿、粘附和/或表面张力，用于包括质量保证和反馈控制工艺的目的。控制工艺可以包括修改光束功率、光斑大小、扫描速度、材料馈送速率、气体屏蔽和/或运动路径几何形状。
在各种实施例中，相干成像测量可用于：执行直接位于其功能组件内的部件的增材制造工艺，直接在其组件内执行部件修复，或者在移动组件内和/或在移动参考系中执行增材制造和/或修复部件。
在一些实施例中，相干成像测量用于测量和/或评估增材制造加工光束时间分布对光束-材料相互作用的影响。实施例可以进一步包括：将该信息用于反馈/控制应用和/或验证处理方案/参数空间。在一些实施例中，时间分布是指脉冲与连续模式、和/或脉冲周期、和/或脉冲占空比、和/或脉冲形状。该信息可用于控制增材制造工艺期间的加热和冷却(热)循环。
在一些实施例中，相干成像测量用于测量和/或评估增材制造加工光束空间分布对光束-材料相互作用的影响，并且可选地将该信息用于反馈/控制应用和/或验证处理方案/参数空间。
在一些实施例中，偏振敏感相干成像用于测量/评估增材制造工艺。偏振敏感相干成像可以在与偏振敏感光学相干断层扫描系统类似的方案中实现。这种系统通常用于生物医学成像应用中。在一些实施例中，该方法还包括：使用该信息来解析/检测加工光束和/或样本臂光束的多次散射事件(参见例如图39)。偏振敏感信息可用于在增材制造工艺期间解析/检测材料相变。偏振敏感信息可用于检测/解析等离子体和/或其他增材制造工艺发射的存在，或用于在增材制造处理之前/期间/之后检测/解析材料性质变化。
在一些实施例中，使用相干成像形态测量来向增材制造工艺提供反馈和/或质量保证信息，以允许在没有形态信息的情况下制造不可能的结构。
在一些实施例中，例如图44中所示，使用相干成像形态测量来测量/确定液体材料80在底层的块状固体材料81上的接触角79。方法还可以包括在增材制造工艺的反馈/控制机制中使用该信息。
在一些实施例中，相干成像干涉测量输出用于提供对加工光束功率的指示(直接或间接)。在一些实施例中，由加工光束传播引起的光路长度的变化用于进行光束功率测量。
AM粉末材料的再利用可以降低增材制造的总成本，但是也可以为不一致的性能增加某些风险，尤其是在不严格控制原料再处理技术时。因此，在本发明的一些实施例中，相干成像系统通过在材料处理之前对原料的相干成像形态测量来感测原料层高度、原料堆积、原料均匀性、原料密度和/或原料团块的出现的变化，从而评估由材料加工光束作用的粉末的质量。然后，操作员和/或反馈处理器可以使用这种评估来警告、停止和/或控制/调节工艺。这些评估也可以由记录生成器保存以供以后考虑和/或建立经验模型以通知未来的工艺和/或开发合适的工艺参数空间。
在一些实施例中，相干成像测量用于直接或间接地检测/评估材料原料设备的磨损。一些实施例可以进一步包括：使用在材料工艺之前采取的原料材料形态测量来推断对材料原料供应设备的损坏。在粉末床增材制造工艺中，在底层的部件层之上沉积粉末层，用于进行材料处理以实现新的层沉积物/结构。在粉末床工艺中，粉末层通过包括但不限于涂覆刮片、擦拭刮片和/或辊在内的机构来沉积。在一些实施例中，沉积的粉末床层中的不规则性(包括但不限于条纹、空隙、粉末团块、处理后的材料沉积物/副产物的存在、或其组合)用于评估/测量沉积机构的磨损/损坏。直接从材料原料供应设备获取的相干成像形态测量可用于评估/测量设备磨损/损坏。
在一些实施例中，相干成像干涉测量输出特征用于识别增材制造工艺方案的方面。一些实施例可以进一步包括使用形态(例如以高度信息的形式)来识别有害的、差的、有效的和/或合适的AM处理方案。PCR形态测量可用于将其分类为落在目标形态水平/阈值之内、之上或之下。该分类可涉及对稳定熔池(PCR)的识别、混沌熔池(以波动/振荡形态测量的形式)(例如，图40A)和/或键控工艺方案(熔池界面高度低于底层高度)(例如，图40E)。在一些实施例中，除了形态测量之外或代替形态测量，可以使用相干成像背向散射强度测量来识别上述AM处理方案。
在一些实施例中，例如图45中所示，对熔池/PCR/加工光束83的后缘区域82的相干成像测量用于评估/确定AM沉积材料(称为“轨道”)85的质量/一致性。熔池/PCR/加工光束83的前缘区域84的相干成像测量可用于确定/评估AM工艺原料(在一些工艺中其为粉末床86的形式)的质量/一致性。此类信息可用于质量保证目的，用于反馈/控制目的，和/或用于工艺开发目的。在一些实施例中，相干测量可以暗示基于形态的信息、背向散射强度信息、相信息或其组合。
在一些实施例中，PCR的相干成像测量的时间变化用于识别加工参数方案质量。该信息可用于反馈/控制目的，用于质量保证目的和/或用于工艺开发目的。时间变化可用于识别PCR稳定性或PCR相变。
悬垂区的增材制造是对许多增材工艺的挑战，并且通常需要使用支架/支撑结构。这种支撑结构增加了工艺材料的消耗，并增加了去除这些结构所需的后处理要求。悬垂特征的处理也增加了构建失败/缺陷的可能性。在一些实施例中，相干成像测量用于：识别正发生悬垂处理的区域，在处理这些结构期间测量/评估处理稳定性，和/或提供QA/反馈控制信号。底层的形态测量可以允许更好地建立和因此处理悬垂位置。相干成像干涉测量输出可用于识别/表征稳定和不稳定的悬垂处理方案。该信息可用于：控制和/或开发AM工艺，以避免与悬垂处理相关联的工艺失败；和/或处理以较大角度(相对于底层平面)生长的悬垂结构。在一些实施例中，该信息可用于减少对材料支撑结构/支架的需要。
在一些实施例中，相干成像测量用于监测PCR周围的裸露区，如图46所示。在粉末床熔融工艺期间，但不限于该期间，在熔池/PCR附近和之前的粉末床区域可能由于粉末吸收到熔池/PCR中而失去粉末(变得裸露)。图46示出了在整体粉末床89的范围内围绕PCR 87的裸露区88。裸露区的相干成像测量可用于监测/控制沉积物生长工艺。裸露测量可用于测量AM工艺的输入质量。一些实施例可以进一步包括使用形态测量来确定沉积物/轨迹体积。输入材料质量和轨迹体积的组合可用于确定轨迹密度和/或孔隙度的存在。一些实施例可以进一步包括使用该信息来：确定AM工艺效率和/或优化工艺参数和/或提供质量保证信息/决策。裸露测量可用于确定粉末缺乏的区域和/或过量粉末消耗的区域。该信息可以用于对应地调节工艺参数(例如沉积物/轨迹重叠和/或处理运动路径)。在一些实施例中，对粉末缺乏的区域的识别可导致材料处理暂时停止/延迟/改变，因为附加的馈送材料沉积在其位置。
在一些实施例中，粉末层和处理层相干成像干涉测量输出测量的比较可用于评估层特性，包括但不限于层密度、层微结构，层间粘合、层内粘合、孔隙率、物理缺陷、公差偏差和/或层翘曲。
在一些实施例中，相干成像系统信号损失可用于推断PCR表面的稳定性和/或角度。涉及熔化材料润湿到底层/相邻固体结构(包括但不限于粉末床和粉末馈送AM工艺)的增材工艺涉及熔池。熔池表面相对于材料加工光束源的角度取决于各种参数，包括AM工艺参数、材料性质和环境性质。在相干成像光束与材料加工光束同轴对准的实施例中，相干成像信号损失可用于确定相对于材料加工光束的熔池表面角度。熔池角度信息可用于提供QA度量，或用于反馈/控制目的以修改工艺参数。
在一些实施例中，相干成像系统干涉测量输出的时间变化用于确定PCR的范围。一些实施例可以进一步包括使用PCR范围来设置AM工艺参数，包括但不限于线间间隔、阴影线距离、轨迹重叠、材料加工光束功率、材料加工光束扫描速度等。可以基于干涉仪输出强度水平来建立PCR范围。相干成像系统干涉测量输出中的空间变化(相干成像光束询问区域的变化)可用于建立PCR的范围。
在一些实施例中，相干成像测量基于但不限于以下项中的一个或多个来与来自附加监视技术的测量同时执行：光电二极管、热传感器、高温计、相机、辐射热测量计、其1D或2D阵列。
在一些实施例中，对相干成像系统干涉测量输出执行界面/深度/高度跟踪技术，以允许实现进一步的QA度量和/或控制/反馈工艺。界面跟踪方法可用于区分界面类型(参见例如图37)，包括但不限于材料原料、原材料、PCR、处理后的沉积物/轨迹和AM工艺没备。可以使用不同的界面跟踪方法来实现不同界面类型的测量/度量，包括但不限于材料原料、原材料、PCR、处理后的沉积物/轨迹和AM工艺设备。界面跟踪可以包括以下项中的一个或多个：各个相干成像A线的最亮像素位置和强度、各个A线的高斯拟合、各个A线的加权平均的形式、以及对高于某些阈值或在特定的视野内的A线峰值的识别。相关算法可用于进一步补充界面跟踪技术，以用于包括但不限于质量保证、反馈/控制和/或工艺开发的目的。
等同
鉴于以上教导，本文描述的实施例的修改和变化是可行的。因此应理解，在所附权利要求的范围内，可以以不同于本文具体描述的其他方式来实践本公开。

Claims (32)

1.一种装置，包括：
材料加工光束源，所述材料加工光束源产生在材料改性工艺中施加于材料的一定位置的材料加工光束；
成像光源，所述成像光源产生成像光；
相干成像系统，所述相干成像系统包括光学干涉仪，所述光学干涉仪使用在所述材料改性工艺之前、期间和/或之后被输送到在材料中创建的相变区域和/或周围区域的成像光的至少一个分量产生干涉测量输出，所述干涉测量输出基于到所述相变区域和/或所述周围区域中的至少一个点的至少一个光路长度相对于另一光路长度；
检测器，所述检测器接收所述干涉测量输出并产生检测器输出，所述检测器输出指示在所述材料改性工艺期间所述相变区域和/或所述周围区域的特性，
记录生成器，所述记录生成器基于多个时间的检测器输出产生至少一个记录；以及
一个或多个辅助光学传感器，其中所述一个或多个辅助光学传感器从相变区域或周围区域或这两者接收至少一个本征光发射，并产生一个或多个输出，其中所述本征光发射是所述材料改性工艺的本征光发射，并且不由相干成像系统直接引起；
其中所述一个或多个输出连接到信号处理器、质量保证信号生成器、反馈处理器和记录生成器中的至少一个；
其中所述信号处理器、所述质量保证信号生成器、所述反馈处理器和所述记录生成器中的至少一个产生记录、通知和反馈输出中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述材料改性工艺是增材制造工艺、减材制造工艺、结合工艺的一部分。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述材料改性工艺是增材制造工艺、减材制造工艺、结合工艺的组合。
4.根据权利要求2或3所述的装置，其中，所述增材制造工艺包括激光烧结、激光熔化、直接金属激光烧结、电子束熔化、粉末床3D打印或粉末床熔融、或其组合。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述激光烧结包括选择性激光烧结，且所述激光熔化包括选择性激光熔化。
6.根据权利要求2或3所述的装置，其中，所述增材制造工艺包括粉末馈送工艺、激光金属沉积或激光熔覆、或其组合。
7.根据权利要求2或3所述的装置，其中，所述增材制造工艺包括直接金属沉积。
8.根据权利要求1所述的装置，还包括反馈处理器，所述反馈处理器接收来自相干成像系统、检测器输出和辅助光学传感器中的至少一个的输入，并产生用作反馈的输出以控制所述材料改性工艺的一个或多个参数。
9.根据权利要求1所述的装置，还包括：
计算机可读存储介质；
其中，所述记录生成器将所述记录存储在计算可读存储介质上。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置基于所述至少一个记录来控制材料改性工艺的至少一个加工参数。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，材料改性工艺的被控制的所述至少一个加工参数包括以下项中的至少一个：
材料加工光束的开启/关断状态；
材料加工光束的平均功率；
材料加工光束的脉冲持续时间；
材料加工光束的峰值强度；
材料加工光束的密度；
材料加工光束的能量；
材料加工光束的颗粒种类；
材料加工光束的波长；
材料加工光束的脉冲重复率；
材料加工光束的脉冲能量；
材料加工光束的脉冲形状；
材料加工光束的扫描速度；
材料加工光束的焦点直径；
材料加工光束的焦点位置；
材料加工光束的空间图案；
冷却介质流速；
覆盖/辅助气体流速；
覆盖/辅助气体压力；
覆盖/辅助气体混合；
选自电压和电流的至少一个加工参数；
至少一个拒绝参数；
增材材料馈送速率；
增材材料馈送几何形状；以及
增材材料馈送类型。
12.根据权利要求10所述的装置，其中，材料改性工艺的被控制的所述至少一个加工参数包括：粉末层厚度、堆积密度、层均匀性、增材材料馈送速率和对沉积材料的选择中的至少一个。
13.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置被配置成：产生在被输送到相变区域和/或周围区域中时同轴的材料加工光束和成像光。
14.根据权利要求1所述的装置，其中，材料改性工艺通过用材料加工光束使增材材料改性来制造、改性或修复物体。
15.根据权利要求1所述的装置，还包括至少一个扫描系统，其将所述相干成像系统引导到所述材料。
16.根据权利要求1所述的装置，其中，至少一个辅助传感器耦接到至少一个扫描系统，使得能够在空间上解析材料改性工艺发射。
17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述至少一个辅助光学传感器通过光纤耦接到所述扫描系统。
18.根据权利要求17所述的装置，其中，所述光纤是多包层光学或多芯光纤之一或这两者，并且其中所述成像光与所述至少一个辅助光学传感器共享至少一根光纤。
19.根据权利要求15所述的装置，其中，所述至少一个辅助光学传感器耦接到所述至少一个扫描系统，使得能够在空间上解析材料改性工艺发射。
20.根据权利要求1所述的装置，其中，所述材料改性工艺选自烧结、焊接和其组合。
21.根据权利要求20所述的装置，其中，所述焊接包括钎焊。
22.根据权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个本征光发射至少包括来自被加工材料的黑体辐射。
23.一种用于监测和/或控制材料改性工艺的方法，所述材料改性工艺使用施加到材料的一定位置的材料加工光束，所述方法包括：
在所述材料改性工艺之前、期间和/或之后，将成像光施加到在所述材料中创建的相变区域和/或周围区域；
使用包括光学干涉仪的相干成像系统，以使用在所述材料改性工艺之前、期间和/或之后被输送到相变区域和/或周围区域的成像光的至少一个分量产生干涉测量输出，所述干涉测量输出基于到所述相变区域和/或所述周围区域中的至少一个点的至少一个光路长度相对于另一光路长度；
其中干涉测量输出指示在材料改性工艺期间相变区域和/或周围区域的特征；
使用干涉测量输出来控制材料改性工艺中的至少一个加工参数；
设置一个或多个辅助光学传感器以从相变区域或周围区域或这两者接收至少一个本征光发射，并产生一个或多个输出，其中所述本征光发射是所述材料改性工艺的本征光发射，并且不由相干成像系统直接引起；
将所述一个或多个输出连接到信号处理器、质量保证信号生成器、反馈控制器和记录生成器中的至少一个；
其中所述信号处理器、所述质量保证信号生成器、所述反馈控制器和所述记录生成器中的至少一个产生记录、通知和反馈输出中的至少一个；以及
将记录、通知和反馈输出中的至少一个用于对材料改性工艺进行控制、监视和调节中的一个或多个。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述控制包括：提供质量保证信息。
25.根据权利要求23所述的方法，包括控制选自以下项中的至少一个加工参数：
材料加工光束的开启/关断状态；
材料加工光束的平均功率；
材料加工光束的脉冲持续时间；
材料加工光束的峰值强度；
材料加工光束的密度；
材料加工光束的能量；
材料加工光束的颗粒种类；
材料加工光束的波长；
材料加工光束的脉冲重复率；
材料加工光束的脉冲能量；
材料加工光束的脉冲形状；
材料加工光束的扫描速度；
材料加工光束的焦点直径；
材料加工光束的焦点位置；
材料加工光束的空间图案；
冷却介质流速；
覆盖/辅助气体流速；
覆盖/辅助气体压力；
覆盖/辅助气体混合；
选自电压和电流的至少一个加工参数；
至少一个拒绝参数；
增材材料馈送速率；
增材材料馈送几何形状；以及
增材材料馈送类型。
26.根据权利要求23所述的方法，包括控制以下项中的至少一个：粉末层厚度、堆积密度、层均匀性、增材材料馈送速率和对沉积材料的选择。
27.根据权利要求23所述的方法，包括将材料加工光束和成像光同轴地施加到相变区域和/或周围区域。
28.根据权利要求23所述的方法，包括：通过用所述材料加工光束使增材材料改性来控制用于制造、改性或修复物体的增材制造工艺。
29.根据权利要求23所述的方法，还包括设置一个或多个辅助光学传感器以检测材料改性工艺中的融合、缺少融合或两者。
30.根据权利要求23所述的方法，其中，所述材料改性工艺选自烧结、焊接和其组合。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，所述焊接包括钎焊。
32.根据权利要求23所述的方法，其中，所述至少一个本征光发射至少包括来自被加工材料的黑体辐射。
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