ES3051935T3

ES3051935T3 - Method of determining the local position of at least one optical element in a machine for laser processing of a material, using low-coherence optical interferometry techniques

Info

Publication number: ES3051935T3
Application number: ES20830312T
Authority: ES
Inventors: Simone Donadello; Barbara Previtali; Daniele Colombo
Original assignee: Adige SpA
Current assignee: Adige SpA
Priority date: 2019-12-06
Filing date: 2020-12-04
Publication date: 2025-12-30
Anticipated expiration: 2040-12-04
Also published as: IT201900023214A1; US20250135576A1; CN115038930B; CN115038930A; EP4070036A1; CA3160513A1; US12214441B2; EP4070036B1; PL4070036T3; KR20220120591A; MX2022006915A; JP2023504714A; JP7684964B2; BR112022011062A2; US20220410309A1; TW202132037A; WO2021111393A1

Abstract

Se describe un método y un sistema para determinar la posición local de al menos un elemento óptico asociado con una trayectoria óptica para transportar un haz láser en un cabezal de trabajo de una máquina para el procesamiento láser de un material, que comprende: - generar un haz de radiación óptica de baja coherencia de medición respectivo, conducir el haz de medición hacia el elemento óptico y conducir el haz de medición reflejado o difuso desde el elemento óptico hacia una disposición de sensor óptico interferométrico; - generar un haz respectivo de la radiación óptica de baja coherencia de referencia y conducir el haz de referencia hacia la disposición de sensor óptico interferométrico; - superponer el haz de medición y el haz de referencia en una región común de incidencia del medio sensor; - detectar la posición de un patrón de franjas de interferencia entre el haz de medición y el haz de referencia en la región de incidencia; y - determinar una diferencia en la longitud óptica entre la trayectoria óptica de medición y la trayectoria óptica de referencia en función de la posición del patrón de interferencia a lo largo de un eje de iluminación de la región de incidencia, o de la frecuencia del patrón de interferencia en el dominio de frecuencia, que es indicativa de una diferencia entre (a) la posición local actual del elemento óptico y (b) la posición local nominal predeterminada del elemento óptico. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0002] Método para determinar la posición local de al menos un elemento óptico en una máquina para el procesamiento láser de un material, utilizando técnicas de interferometría óptica de baja coherencia

[0003] La presente invención se refiere al procesamiento láser de un material, preferiblemente un material metálico, y específicamente, mejoras en el control del procesamiento láser de un material, por ejemplo, para el corte, perforación o soldadura por láser de dicho material, o la fabricación aditiva de estructuras predeterminadas de dicho material.

[0004] Más específicamente, la invención se refiere a un método y sistema para determinar la posición local de al menos un elemento óptico asociado con una trayectoria óptica para transportar un haz láser en un cabezal de trabajo de una máquina para el procesamiento láser de un material.

[0005] De acuerdo con un aspecto adicional, la presente invención se refiere a una máquina para el procesamiento láser de un material de acuerdo con la reivindicación 15, que comprende un sistema para determinar la posición de al menos un elemento óptico asociado con una trayectoria óptica para transportar el haz láser, el cual se designa para implementar el método antes mencionado.

[0006] Aspectos adicionales se refieren a la determinación de la presión en una cámara de gas auxiliar asociada con una boquilla de entrega de flujo de gas auxiliar, la cual se encuentra en un cabezal de trabajo de una máquina para el corte, perforación o soldadura por láser de un material, o para la fabricación aditiva de las estructuras tridimensionales a través de láser, y la determinación de la temperatura de un elemento óptico interpuesto a lo largo de la trayectoria óptica de transporte de un haz láser en una máquina para el procesamiento láser de un material, o para la fabricación aditiva de las estructuras tridimensionales mediante láser.

[0007] En la siguiente descripción y reivindicaciones, el término “material” y, en la realización preferida, “material metálico” se utiliza para identificar cualquier artículo fabricado, como, por ejemplo, una placa o un perfil alargado que tiene una sección transversal cerrada, por ejemplo, con una forma circular, rectangular o cuadrada hueca; o una sección transversal abierta, por ejemplo, una sección transversal plana o en forma de L, C, U, etc. En la fabricación aditiva, el término material identifica la materia prima, generalmente en la forma de polvo, sometida a sinterización localizada o fusión mediante el haz láser.

[0008] En los procesos de funcionamiento industrial de material, y placas y perfiles de metal en particular, el láser se utiliza como una herramienta térmica para una amplia variedad de aplicaciones que dependen de los parámetros relacionados con la interacción entre el haz láser y el material que se procesa, en particular, en la densidad de potencia por volumen de incidencia del haz láser en el material y en el intervalo de tiempo de interacción.

[0009] Por ejemplo, al dirigir una densidad baja de potencia (del orden de decenas de W por mm2 de superficie) durante una larga cantidad de tiempo (en el intervalo de segundos) en un material metálico, ocurre un proceso de endurecimiento, mientras que, al dirigir una densidad alta de potencia (del orden de decenas de MW por mm2 de superficie) durante un tiempo de femtosegundos o picosegundos en el mismo material metálico, ocurre un proceso de fotoablación. En el intervalo intermedio de aumento de la densidad de potencia y la disminución del tiempo de procesamiento, el control de dichos parámetros posibilita la implementación de soldadura, corte, perforación, grabado o procesos de marcado.

[0010] En varios procesos, incluyendo los procesos de funcionamiento mediante perforación y corte, es necesario generar un flujo de un gas auxiliar en la región de procesamiento en la cual interactúa el haz láser con el material, el cual tiene funciones mecánicas de conducción de la fusión, o funciones químicas de ayuda a la combustión, o incluso funciones tecnológicas de protección del entorno que rodea la región de procesamiento.

[0011] En el campo de procesamiento por láser de material, el corte, perforación o soldadura por láser son procesos que la misma máquina puede llevar a cabo, dicha máquina es capaz de generar un haz láser de alta potencia enfocado que tiene una distribución de potencia transversal preestablecida en al menos un plano de procesamiento del material, por lo regular un haz láser que tiene una densidad de potencia de entre 1 y 10.000 kWk/mm2, y para controlar la dirección y la posición de incidencia del haz a lo largo del material. La diferencia entre los diversos tipos de procesamiento que pueden realizarse en un material se atribuye de manera considerable a la potencia del haz láser utilizado y al tiempo de interacción entre el haz láser y el material sometido al procesamiento.

[0012] Las máquinas de procesamiento láser de acuerdo con la técnica anterior se muestran en las figuras 1 y 2.

[0013] La figura 1 muestra de forma esquemática una máquina para el procesamiento láser de CO<2>industrial con una trayectoria óptica en el aire del haz láser, el cual incluye una fuente de emisión 10, como, por ejemplo, un dispositivo generador láser de CO<2>, adecuado para emitir un modo sencillo o modo múltiple de haz láser B, y una pluralidad de espejos reflectores 12a, 12b y 12c adaptados para conducir el haz láser emitido por la fuente de emisión a lo largo de una trayectoria óptica para transportar el haz hacia un cabezal de trabajo indicado como una totalidad con 14 dispuestas en proximidad a un material WP. El cabezal de trabajo 14 comprende un sistema óptico para enfocar el haz láser 16, que por lo general consiste en una lente de enfoque, adaptada para enfocar el haz láser a lo largo de un incidente de eje de propagación óptico en el material metálico. Una boquilla 18 se configura aguas abajo de la lente de enfoque y es atravesada por el haz láser dirigido hacia un área de un plano de procesamiento de material. La boquilla se adapta para dirigir un flujo de un gas auxiliar inyectado por una planta correspondiente (no mostrada) hacia el área de procesamiento en el material. El gas auxiliar se utiliza para controlar la ejecución de un proceso de mecanizado (perforación o corte), así como la calidad de procesamiento asequible. Por ejemplo, el gas auxiliar puede incluir oxígeno, el cual promueve una reacción exotérmica con un metal, como, por ejemplo, la oxidación de hierro, lo cual genera diversos tipos de óxidos de hierro a través de una reacción exoenergética, lo cual libera potencia en el material y contribuye, junto con el liberado por el haz láser, para mantener un equilibrio dinámico del procesamiento que permite que la velocidad de corte aumente, o un gas inerte, como, por ejemplo, nitrógeno, el cual no contribuye a la fusión del material, pero lleva a cabo una función propulsora del mismo material fundido, protege el material (metal) de una oxidación no deseada en los bordes del perfil de procesamiento, protege el cabezal de trabajo de cualquier salpicadura del material fundido y también puede utilizarse para enfriar los lados de la ranura producida en el material, lo que confina la extensión de la zona térmicamente alterada.

[0015] La figura 2 muestra de forma esquemática una máquina para el procesamiento industrial de un haz láser acoplado a una fibra óptica. Comprende una fuente de emisión 10, como, por ejemplo, un dispositivo generador láser capaz de acoplar un haz láser a una fibra de transporte, por ejemplo, un láser de fibra dopado con iterbio, o un láser de diodo directo, capaz de emitir un modo sencillo o modo múltiple de haz láser, y una guía de fibra óptica 12d adaptada para conducir el haz láser emitido por la fuente de emisión hacia el cabezal de trabajo 14 configurado en la proximidad del material WP. En el cabezal de trabajo, el haz láser que emerge desde la fibra con su propia divergencia controlada se colima por medio de un sistema dióptrico de colimación 20 y se refleja por medio de un sistema de reflexión 22 antes de enfocarse a través de un sistema de enfoque óptico 16, generalmente que consiste en una lente de enfoque, a lo largo de un incidente de eje de propagación óptica en el material WP que pasa a través de la boquilla de emisión 18.

[0017] La figura 3 ejemplifica un cabezal de trabajo 14 de acuerdo con el estado de la técnica anterior. El número de referencia 30 representa un canal tubular que tiene secciones cilíndricas o cónicas dentro del cual se transmite el haz láser, tal y como se indica en B. El haz láser B generado por medio de la fuente de emisión 10 transportado al cabezal de trabajo a través de una trayectoria óptica en el aire con múltiples reflexiones o en fibra óptica incide colimado en un elemento deflector reflectante 32, el cual desvía el eje de propagación óptica del mismo en una dirección de incidencia en el material que está siendo procesado. El sistema de enfoque óptico 16 está intermedio entre el elemento deflector reflectante 32 y un vidrio protector 34 dispuesto aguas abajo, adaptado para proteger el sistema de enfoque de cualquier salpicadura del material fundido, y comprende una unidad de soporte de lente 36 a la cual se acoplan los mecanismos de ajuste mecánico 38 para la calibración del posicionamiento de la lente de manera transversal a la dirección de propagación del haz (ejes X-Y) y en la dirección de propagación del haz (eje Z).

[0019] Como una primera aproximación, un haz láser ideal, que es un haz láser idealmente colimado en haces paralelos, aguas abajo del sistema de enfoque óptico se concentra en un lugar de enfoque de tamaño finito en su cintura. En general, en los usos de procesamiento industrial, la condición de proceso óptimo se alcanza con una posición del plano transversal que corresponde a la cintura del haz definido de manera precisa incluso por un décimo de un milímetro con respecto a la pared del material donde el haz es incidente y la pared del material a partir de la cual sale el haz.

[0021] La distribución de densidad de potencia de un haz láser normalmente colimado tiene normalmente una forma gaussiana con simetría giratoria en el caso de un haz monomodo, esto es, con potencia concentrada alrededor del eje longitudinal del haz (eje Z) y que disminuye gradualmente a lo largo de un faldón periférico, o puede describirse como la envolvente de perfiles de forma gaussiana con simetría giratoria en el caso de un haz multimodo.

[0023] El uso de haces de radiación láser monomodo o multimodo, que pueden describirse en una primera aproximación como gaussianos, en el campo de las aplicaciones láser de alta potencia, responde a necesidades de control tecnológico. De hecho, un haz gaussiano se describe fácilmente por medio de unos pocos parámetros, y se controla con facilidad en su propagación a lo largo de una trayectoria óptica de transporte desde una fuente de emisión al cabezal de una máquina en funcionamiento debido a que tiene la característica de propagación sin modificar la distribución de potencia, con lo cual puede describirse a través de un valor de radio y un valor de divergencia en las condiciones de propagación de campo lejano (en cuyo caso puede utilizarse una aproximación óptica y geométrica). En las condiciones de propagación de campo cercano del haz enfocado, a lo largo de una trayectoria de procesamiento, donde la aproximación óptica y geométrica ya no es válida, el haz aún mantiene la forma gaussiana de la distribución de potencia en cada una de sus secciones transversales.

[0025] Al contrario, un haz láser que comprende modos transversales de un orden mayor tiene una distribución de potencia no gaussiana. Normalmente, estas condiciones se obtienen a través del uso de sistemas dióptricos (sistemas ópticos transmisivos, es decir, lentes) o sistemas catóptricos (sistemas ópticos reflectivos, es decir, espejos), los cuales modifican la forma del haz que inicia desde una distribución gaussiana.

[0026] El control de la dirección de la propagación o de las formas de distribución de la potencia transversal del haz láser diferente a la forma gaussiana y posiblemente con simetría diferente de la giratoria en el área de procesamiento de material, por ejemplo, en relación con la distribución controlada de un gas auxiliar o que depende de la distancia de separación entre el cabezal de trabajo y el material, la trayectoria de procesamiento que debe seguirse y el tipo de proceso que va a realizarse, conlleva las ventajas del proceso operativo. Por ejemplo, el control de la distribución de potencia de un haz láser, posiblemente con la ruptura de la simetría giratoria del haz, puede permitir a la distribución de potencia que se ubique o expanda al lugar en donde se necesita en relación con la distancia de separación entre el cabezal de trabajo y el material y a la trayectoria de procesamiento.

[0027] Es evidente que el control de la dirección de la propagación y del enfoque del haz láser, el control de las formas de distribución de la potencia transversal del haz láser y también el control del flujo del gas auxiliar, en los procesos que lo necesitan, deben ser precisos y repetibles, con el fin de obtener las ventajas indicadas. Por tal motivo, es necesario que la posición de los elementos ópticos que se asocian con la trayectoria óptica de transporte de un haz láser en el cabezal de trabajo de una máquina (interpuesta a lo largo de la trayectoria óptica o que se orienta o está al lado de ésta) se controle con extrema precisión y en tiempo real. De lo contrario, existe un riesgo de enfocar la potencia láser a un plano de procesamiento no deseado en el grosor del material y de uso de una presión de gas auxiliar que, en la superficie del material, es excesiva o insuficiente. La posición de los elementos ópticos de hecho podría variar de acuerdo con las condiciones de funcionamiento actuales de la máquina, pero también debido a errores en el posicionamiento de los elementos por parte del operador en el momento de instalación o la presencia de tolerancias de construcción y holguras de montaje no deseadas. También es necesario revisar los parámetros de funcionamiento de la máquina y el cabezal de trabajo en particular, que incluye la temperatura actual que afecta las áreas de los elementos ópticos cruzados por el haz láser de procesamiento de alta potencia, la presión del gas auxiliar, la deformación mecánica posible de los elementos ópticos asociados con la trayectoria óptica de transporte del haz láser (fibra, espejos, lentes), de forma que estos parámetros no se desvíen de los valores nominales, ocasionando variaciones no controladas del proceso o influenciando la medida del proceso, por ejemplo, la medida de la distancia de separación del cabezal de trabajo del material, el cual debe ser lo más precisa posible en tiempo real para que sea capaz de controlar de manera precisa el movimiento del cabezal de trabajo y la posición de su extremo próximo con respecto al material, esto es, la posición de la salida del haz láser y la boquilla de flujo de salida del gas auxiliar en los procesos que lo necesiten.

[0028] El documento DE 102018105877 B3 divulga un aparato para el mecanizado por láser con un sistema de medida de TCO integrado en donde el sistema de TCO está adaptado para medir la deriva de un escáner de haz asociado con un cabezal de trabajo.

[0029] La presente invención está dirigida a proporcionar un método para supervisar de manera efectiva, posiblemente en tiempo real, un procesamiento láser de un material, y en particular, el estado de los componentes ópticos y los parámetros de funcionamiento de una máquina de procesamiento láser.

[0030] En este contexto, un objeto particular de la invención es para determinar de manera precisa la posición local de un elemento óptico asociado con la trayectoria óptica de transporte del haz láser en un cabezal de trabajo de una máquina del procesamiento láser de un material.

[0031] De acuerdo con la presente invención, estos objetos se consiguen por un método para determinar la posición local de al menos un elemento óptico que tiene las características mencionadas en la reivindicación 1. Las realizaciones específicas forman el objeto de las reivindicaciones dependientes, cuyo contenido pretende ser una parte integral de la presente descripción.

[0032] Una materia objeto adicional de la invención es una máquina para el procesamiento láser de un material, la cual comprende un sistema para determinar la posición de un elemento óptico, configurado para llevar a cabo el método antes mencionado.

[0033] En resumen, la presente invención se basa en una aplicación de los principios de la interferometría óptica.

[0034] La expresión “interferometría óptica” indica una pluralidad de técnicas que hacen uso del fenómeno de la interferencia entre un haz óptico de medida y un haz óptico de referencia, en donde dichos haces se superponen y generan franjas de interferencia. La teoría de la interferometría óptica en luz coherente es bien conocida y se usa para la comparación relativa entre distancias, sin, no obstante, ser capaz de proporcionar información de medida absoluta unívoca para dichas distancias, por ejemplo, siguiendo una interrupción temporal de la señal óptica. La presente invención se inspira en la consideración de que puede llevarse a cabo una medida de distancia absoluta en el dominio óptico usando una técnica de interferometría de baja coherencia. La interferometría de baja coherencia es una técnica simple para medir distancias entre una sonda y un objetivo con alta precisión, y se basa en la comparación entre la distancia recorrida por un haz óptico de medida que se propaga desde una fuente hasta un conjunto detector y, en esta trayectoria, se emite por la sonda y retroreflejado por el objetivo, y la distancia recorrida por un haz óptico de referencia que se propaga desde la fuente hasta el conjunto detector a través de una trayectoria de referencia sintonizada con la trayectoria de medida en una condición de distancia nominal conocida entre la sonda y el objetivo.

[0035] En la interferometría de baja coherencia, los haces ópticos de medida y de referencia se generan mediante fuentes de baja coherencia, por ejemplo, LED o diodos superluminiscentes, y las franjas de interferencia entre los haces antes mencionados solo aparecen cuando las trayectorias ópticas correspondientes, o longitudes de las trayectorias ópticas, la trayectoria óptica que se define como la suma de los productos entre las longitudes geométricas y los indicios refractivos correspondientes dentro de cada porción a lo largo de la totalidad de la trayectoria óptica recorrida, que es, cuando la longitud de la trayectoria de medida corresponde a la longitud de la trayectoria de referencia dentro del intervalo de longitud de coherencia. Asumiendo que la longitud de la trayectoria de referencia se conoce, es posible derivar la longitud de la trayectoria de medida al detectar la presencia de la envolvente de las franjas de interferencia con una resolución del orden de la longitud de coherencia que es normal en el intervalo de micrómetros (desde 5 um hasta 100 um).

[0036] Esta técnica particularmente es robusta con respecto al ruido óptico dado que la luz que procede de otras fuentes o del mismo proceso de procesamiento láser añade de manera incoherente hasta la señal interferométrica sin alterar el patrón de las franjas de interferencia. La medida se aplica de manera local en el punto en el cual el haz óptico de medida está dirigido y es independiente de la morfología del entorno. También permite medidas precisas de distancia absoluta en una distribución sustancialmente coaxial al procesamiento láser.

[0037] Se conocen diferentes técnicas para detectar el patrón de las franjas de interferencia, en el dominio de tiempo, en el dominio de frecuencia y en el dominio de espacio respectivamente. De manera ventajosa, las técnicas de interferometría de baja coherencia con la detección del patrón de las franjas de interferencia en el dominio de espacio y frecuencia son los más prometedores y más eficientes en términos de flexibilidad operativa en comparación con la detección en el dominio de tiempo.

[0038] En la interferometría de baja coherencia que comprende la detección en el dominio de tiempo, el patrón de las franjas de interferencia se detecta mediante un fotodiodo o mediante una colección de fotodiodos, o mediante una pantalla de adquisición similar, al adaptar la longitud de la trayectoria de referencia con el fin de alcanzar una condición cuando las longitudes de la trayectoria de referencia y de la trayectoria de medida corresponden salvo unas tolerancias del orden de la longitud de coherencia. En este caso, la limitación en el intervalo de las mediciones disponibles se asocia con la adaptación de la longitud de la trayectoria de referencia, la cual, por ejemplo, se lleva a cabo por medio de la traslación de un elemento retroreflectante que se configura a lo largo de la trayectoria antes mencionada, siendo posible para la traslación del intervalo espacial del elemento retroreflectante de la trayectoria de referencia que se encuentre entre unos pocos micrones hasta varios milímetros, el tamaño del intervalo de la traslación que está en detrimento de la velocidad de actuación o de la complejidad operacional.

[0039] Aunque la técnica de detección en el dominio de tiempo es bastante simple para realizar y posibilita la fácil adquisición de la correspondencia entre las longitudes ópticas absolutas de la trayectoria de medida y la trayectoria de referencia, lo anterior es, sin embargo, escasamente adecuado para la implementación de aplicaciones en las cuales el curso de un proceso industrial se mide en tiempo real. De hecho, para una medida dinámica, la longitud de la trayectoria de referencia tiene que modularse de manera continua para encontrar la condición que corresponde con la longitud de la trayectoria de medida actual que ocasiona la apariencia del patrón de las franjas de interferencia.

[0040] Lo anterior puede obtenerse por medio de varios tipos de dispositivos de control, que incluye moduladores de índice refractivo o activadores mecánicos de actuación rápida, por ejemplo, activadores piezoeléctricos; sin embargo, estos tipos de dispositivos son bastante caros y muy delicados ya que tienen que operar a una velocidad de actuación mucho más fácil en comparación con la tasa de muestreo para medir la distancia, la cual por lo regular se encuentra por encima de kHz, una condición que a menudo no puede obtenerse con facilidad, especialmente en el intervalo de desplazamientos largos.

[0041] Una técnica de detección diferente se basa en la relación de transformada de Fourier entre la función de densidad espectral y la correlación cruzada de los haces de medida y referencia, por medio de los cuales es posible extraer la medida de distancia diferencial en el espacio real del perfil espectral de las longitudes de onda de los dos haces interferentes. De esta manera, los activadores mecánicos no necesitan alinear la longitud de la trayectoria de referencia con la longitud de la trayectoria de medida. Una sola adquisición espectral de los haces de medida y de referencia superpuestos es posible utilizar una rejilla de difracción y una lente de enfoque aguas abajo del mismo para proyectar la distribución espectral de los haces interferentes en un dispositivo de sensor lineal, por ejemplo, una cámara de video. El espectro de los dos haces interferentes muestra una modulación periódica y la periodicidad (frecuencia) de dicha modulación en el espacio de la longitud de onda varía con la diferencia entre las longitudes ópticas de la trayectoria de medida y de la trayectoria de referencia. Un algoritmo para calcular la transformada de Fourier, por ejemplo, un algoritmo FFT, se aplica con el fin de extraer la medida del pico de intensidad de señal en relación con la diferencia entre las trayectorias ópticas en el espacio real.

[0042] A diferencia de las técnicas de interferometría de baja coherencia en el dominio de tiempo en el cual un escaneo de las longitudes de la trayectoria de referencia se distribuye de manera temporal, y en el dominio de frecuencia en la cual la información para comparar lo longitud de la trayectoria de medida y la trayectoria de referencia se codifica en el espacio de la longitud de onda, la técnica de interferometría de baja coherencia que comprende la detección en el dominio de espacio combina las dos técnicas previas y posibilita la visualización directa del resultado de la medida en el espacio real, haciendo posible una rápida adquisición del mismo por medio de un dispositivo económico, como, por ejemplo, un sensor de imagen, por ejemplo, un sensor lineal.

[0044] En una realización típica de un sistema interferométrico de baja coherencia con la detección en el dominio de frecuencia, el haz de medida y el haz de referencia se superponen de manera colineal a lo largo de la misma dirección de incidencia hacia los medios ópticos de dispersión de longitud de onda, como, por ejemplo, una rejilla de difracción, prismas de refracción o elementos ópticos similares para la detección de espectro óptico, adaptado para separar los componentes de frecuencia del haz general obtenido por medio de la superposición del haz de medida y el haz de referencia en la región común de incidencia de los medios de sensor interferométricos ópticos. En esta configuración, el espectro (el patrón de franja de interferencia) de los dos haces interferentes que muestran una modulación periódica y la periodicidad del patrón de franja en el espacio de longitud de onda varía conforme la variación espacial de la trayectoria óptica de medida varía con respecto a la trayectoria óptica y su extensión en el dominio de frecuencia se determina por medio de la longitud de coherencia de la radiación óptica de baja coherencia. Por lo tanto, la medida de la diferencia entre la longitud de la trayectoria óptica de medida y la longitud de la trayectoria óptica de referencia puede extraerse por medio del procesamiento de las señales emitidas por los medios de sensor para detectar la frecuencia del patrón de interferencia entre el haz de medida y el haz de referencia.

[0046] Si el diseño común de un sistema interferométrico de baja coherencia que tiene la detección en el dominio de espacio, la incidencia de los haces de medida y de referencia superpuestos en la superficie de medios de sensor desde las direcciones diferentes, y la superficie de los medios de sensor se adapta de manera directa para detectar el patrón de franjas de interferencia que surge a partir de dicha superposición. En esta configuración, una variación espacial de la trayectoria óptica de medida con respecto a la referencia de la trayectoria óptica se visualiza de manera directa en los medios de sensor como resultado del ángulo mutuo de inclinación de los dos haces. Por lo tanto, la medida de la diferencia entre la longitud de la trayectoria óptica de medida y la longitud de la trayectoria óptica de referencia puede extraerse simplemente al detectar la posición del patrón de las franjas de interferencia en los medios de sensor, la extensión del patrón de franjas de interferencia en la dimensión lineal de los medios de sensor que son del orden de la longitud de coherencia de la radiación óptica de los haces.

[0048] En la técnica de interferometría de baja coherencia que comprende la detección en el dominio de espacio, la longitud de la trayectoria óptica de cada haz que incide de manera oblicua en la región común de incidencia de los medios de sensor varía de manera lineal con la posición junto con el eje de iluminación de los medios de sensor, por lo tanto, la diferencia entre la medida y las trayectorias ópticas de referencia también varía de manera lineal. El patrón de las franjas de interferencia aparece en un intervalo lineal específico de la imagen adquirida a través de los medios de sensor, el cual corresponde a la condición en la cual las longitudes ópticas de la trayectoria de medida y la trayectoria de referencia son iguales dentro de la longitud de coherencia de la radiación óptica, mientras que, en las otras regiones de los medios de sensor, los haces se superponen de manera incoherente. Al detectar la posición de la envolvente del patrón de las franjas de interferencia a lo largo de la extensión lineal de los medios de sensor, es posible para extraer la longitud correspondiente de la trayectoria de medida.

[0050] Dicha medida no se limita a las condiciones en las cuales la envolvente del patrón de las franjas de interferencia se obtiene dentro de la región de iluminación de los medios de sensor, esto es dentro de la región de los dispositivos fotodetectores que forman los medios de sensor. El intervalo de medida se determina por medio de la inclinación de los haces en la región de incidencia o, mejor aún, por el ángulo de incidencia entre los mismos, y, con la misma inclinación de los haces, por el mínimo entre el número de fotodetectores o áreas de fotodetección (también referidos como píxeles de los medios de sensor), iluminados por los haces superpuestos y el número total de los fotodetectores de la disposición de sensor, esto es, por el número mínimo de áreas (píxeles) que deben iluminarse para demodular el patrón de las franjas de interferencia con respecto al número total de áreas (píxeles) disponibles en los medios de sensor. Bajo condiciones normales que comprenden una disposición de sensor que tiene varios miles de fotodetectores, un intervalo de medida de varios décimos de milímetros puede obtenerse antes de la aparición de un efecto de solapamiento de las franjas de interferencia. Sin embargo, los inventores han demostrado que la presencia del efecto de solapamiento del patrón de las franjas de interferencia no limita la medida, pero de hecho puede utilizarse para aumentar el intervalo de distancias medibles. De hecho, dicho sistema de submuestreo resulta en una demodulación del patrón de franja en frecuencias espaciales inferiores, la demodulación que se obtiene de manera análoga, directamente en el nivel de los fotodetectores de la disposición de sensor interferométrico sin la necesidad de elementos adicionales.

[0052] De manera ventajosa, la adopción de una técnica de interferometría que comprende la detección en el dominio espacial posibilita tomar mediciones de distancia precisas utilizando un sistema estático de medida y trayectorias ópticas de referencia y para cada adquisición individual o muestreo de la distribución espacial de la radiación óptica de los haces de medida y de referencia superpuestos, los cuales inciden en los medios de sensor. Para proporcionar un sistema de dicho tipo, los elementos ópticos estándares son exclusivamente necesarios, y las señales emitidas por los medios de sensor se procesan con base en un algoritmo de cálculo simple de forma que no sea computacionalmente exigente.

[0053] La aplicación de las consideraciones anteriores a una máquina para el procesamiento láser de un material, en particular para el corte, perforación o soldadura por láser, o para la fabricación aditiva de estructuras tridimensionales mediante láser, se consigue a través de la configuración de un sistema interferométrico que comprende un trayectoria óptica de medida al menos parcialmente integrada en el cabezal de trabajo y una trayectoria de referencia óptica asociada con la trayectoria óptica de medida, la cual también puede integrarse de manera interna o externa al cabezal de trabajo, en donde de la trayectoria óptica de medida se refleja o difunde por medio de al menos una superficie retroreflectante de un elemento óptico asociado con la trayectoria óptica para el transporte del haz láser, por ejemplo interpuesto a lo largo de la trayectoria óptica en el cabezal de trabajo. Lo anterior permite determinar la posición local de cualquier elemento óptico asociado con la trayectoria óptica de transporte del haz láser, por ejemplo, al interponerse a lo largo de dicha trayectoria en un cabezal de trabajo de una máquina para el procesamiento láser de una material, en relación con una posición local y nominal predeterminada, y la diferencia entre las posiciones permite adquirir información útil sobre la deformación o desplazamiento del elemento óptico supervisado, temporal o permanente, lo cual puede ser la consecuencia de instalaciones incorrectas, desviaciones o perturbaciones que han ocurrido debido a las condiciones de funcionamiento particulares a las cuales está sometido el elemento, por ejemplo, el cual depende de la temperatura ambiente en la proximidad del elemento o la presión de un gas auxiliar que incide en el elemento.

[0054] Las características y ventajas adicionales de la invención serán evidentes y más claras a partir de la siguiente descripción detallada de una realización de la misma, dado como ejemplo no limitante con referencia a las figuras adjuntas, en las cuales:

[0055] las figuras 1 y 2 son ejemplo de máquinas de procesamiento láser de acuerdo con el estado de la técnica anterior; la figura 3 muestra un ejemplo esquemático de un cabezal de trabajo de una máquina láser, de acuerdo con el estado de la técnica anterior;

[0056] la figura 4a muestra una vista esquemática de la configuración de un sistema interferométrico de baja coherencia con detección en el dominio de frecuencia;

[0057] la figura 4b muestra un patrón de interferencia F localizado en un eje de iluminación de una disposición de sensor del patrón de franja de interferencia después de la dispersión de la longitud de onda;

[0058] la figura 4c muestra la relación entre la frecuencia de las franjas de interferencia y la diferencia en las longitudes ópticas de las trayectorias de medida y de referencia;

[0059] la figura 5a es una vista esquemática de la configuración de un sistema interferométrico de coherencia lineal baja con detección en el dominio de espacio;

[0060] la figura 5b es una vista esquemática de la variación en las longitudes de las trayectorias óptimas de medida y de referencia con respecto al punto relativo de incidencia, en un eje de iluminación de una disposición de sensor del patrón de las franjas de interferencia;

[0061] la figura 5c es una vista esquemática (gráfico superior) de la variación en la diferencia entre la longitud de las trayectorias óptimas de medida y de referencia con respecto al punto relativo de incidencia, en un eje de iluminación de una disposición de sensor, del patrón de franjas de interferencia, y la identificación de un patrón de franjas de interferencia en el eje de iluminación de la disposición de sensor en un estado en el cual las longitudes ópticas de las trayectorias de medida y de referencia son iguales (gráfico inferior);

[0062] la figura 6 muestra un diagrama a modo de ejemplo de un sistema para determinar la posición local de un elemento óptico y la distancia de separación entre un cabezal de trabajo de una máquina para el procesamiento láser de un material y la superficie del material, objeto de la invención;

[0063] la figura 7 muestra de manera esquemática la trayectoria del haz láser de procesamiento y el haz óptico de medida de baja coherencia en un cabezal de trabajo de acuerdo con una realización a modo de ejemplo del cabezal de trabajo;

[0064] las figuras 8a-8e son representaciones esquemáticas de diferentes condiciones posibles de la retrorreflexión o la difusión parcial de la radiación óptica de medida en un elemento óptico; y

[0065] la figura 9 es un gráfico que muestra una relación de dependencia del resultado de la lectura interferométrica, expresada en términos de variación de la posición local de una superficie de un elemento óptico para la protección o delimitación de la cámara de gas auxiliar a lo largo del eje del haz de medida, de la tendencia (aumento, disminución) de la presión del gas auxiliar.

[0066] Las figuras 1 a 3 ya se han descrito con referencia al estado de la técnica anterior, y sus contenidos pretenden referirse en el presente documento como siendo comunes a la implementación de una máquina de procesamiento controlado para llevar a cabo un método de acuerdo con las enseñanzas de la presente invención.

[0067] La figura 4a muestra una vista esquemática de la configuración de Michelson de un sistema interferométrico de baja coherencia con detección en el dominio de frecuencia. Un haz colimado de la radiación óptica de medida, indicado con M, que procede de una lente T, y un haz colimado de la misma radiación óptica de referencia, indicado con R que procede de un elemento reflectivo de referencia RM, ambos originados desde una fuente L, inciden en superposición sobre una rejilla de difracción G y de ahí, a través de la lente de enfoque, la distribución espectral de los haces interferentes alcanzan una región de incidencia común C de una disposición de sensor S, en donde forma un patrón de franja de interferencia F, el cual se muestra en la figura 4b.

[0068] La disposición de sensores S comprende, por ejemplo, una disposición de fotodetectores a lo largo de al menos un eje de iluminación de la región de incidencia (eje x en la figura). La disposición de fotodetectores es una disposición lineal o bidimensional de fotodetectores, preferiblemente una disposición lineal. El eje de iluminación de la región de incidencia se determina por medio de la intersección entre el plano definido por el ángulo de incidencia del haz de medida M y del haz de referencia R y la superficie de sensor de dicha disposición de sensor. La figura 4c muestra el resultado del procesamiento de la adquisición del patrón de franja de interferencia mediante fotodetectores, en donde el espectro de los haces interferentes se extraen del perfil de intensidad de la figura 4b, y por medio de un algoritmo FFT la frecuencia de las franjas se determinan, lo cual se sabe depende de la diferencia de fase de los haces interferentes, a saber, en la diferencia correspondiente Δpde las longitudes ópticas de las trayectorias de medida y de referencia.

[0069] La figura 5a es una vista esquemática de la configuración de un sistema interferométrico de baja coherencia con una detección espacial lineal. Un haz colimado de medida de radiación óptica, indicado por M, y un haz colimado de referencia de la misma radiación óptica indicado por R, inciden de forma que se sobrepongan en una región común de incidencia C de una disposición de sensor S, en un ángulo predeterminado de incidencia α, donde forman un patrón de franjas de interferencia F, la extensión de los cuales en la región común de incidencia es el orden de la longitud de coherencia de la radiación óptica. El ancho del haz colimado de medida de radiación óptica y con el ancho del haz colimado de referencia de radiación óptica preferiblemente se diseñan de forma que iluminen de manera considerable la totalidad de la disposición de sensor. Con el fin de aumentar la intensidad y el contraste de la señal detectada, los haces pueden concentrarse en el sensor en la dirección que es perpendicular al eje de iluminación, por ejemplo, por medio de una lente de enfoque cilíndrica.

[0070] La disposición de sensores S comprende, por ejemplo, una disposición de fotodetectores a lo largo de al menos un eje de iluminación de la región de incidencia (eje x en la figura). La disposición de fotodetectores es una disposición lineal o bidimensional de fotodetectores, preferiblemente una disposición lineal. El eje de iluminación de la región de incidencia se determina por medio de la intersección entre el plano definido por el ángulo de incidencia del haz de medida M y del haz de referencia R y la superficie de sensor de dicha disposición de sensor. En la figura 5b, el gráfico muestra de manera sistemática la variación en las longitudespde las trayectorias ópticas de medida y de referencia, haciendo referencia a la frente de ola incidente inicial de los haces de medida y de referencia en la región común de incidencia de la disposición de sensor S, en la configuración común en la cual los dos haces incidentes son simétricos en la disposición de sensor. El eje x indica la posición o la coordenada x a lo largo del eje de iluminación de la disposición de fotodetectores. El número de referenciap1 indica la longitud adicional de una primera trayectoria óptica, por ejemplo, de la trayectoria óptica de medida del haz de radiación óptico de medida M, con respecto al punto inicial de incidencia del frente de onda del haz de medida M en un primer extremo de la región común de incidencia C, x<1>, la cual es el origen del eje de medida. El número de referencia p2 indica la longitud adicional de una segunda trayectoria óptica, por ejemplo, de la trayectoria óptica de referencia del haz de radiación óptica de referencia R, con respecto al punto inicial de incidencia del frente de onda del haz de referencia R en un segundo extremo de la región común de incidencia, x<2>, la cual es opuesta a la primera. El número de referencia Δpindica la diferencia entre las longitudes adicionales de las dos trayectorias,p1 -p2, la cual es cero en la coordenada media de la disposición de sensor, y varía de un valor Δpx1

en el extremo x1 de la región común de incidencia a un valor Δp<x2>en el extremo x<2>de la región común de incidencia.

[0071] En la figura 5c, el gráfico superior muestra la curva Δp que corresponde al gráfico en la figura 5b, y el gráfico inferior muestra la identificación de un patrón de franjas de interferencia F en el eje de iluminación (x) de la disposición de sensor S que ocurre cuando las longitudes ópticas de las trayectorias de medida y de referencia son iguales. La envolvente del patrón de las franjas de interferencia F se indica con sombreado, y la diferencia respectiva Δppentre las longitudes adicionales de las trayectorias de los haces ópticos de medida y de referencia se asocia con la coordenada del pico de la envolvente, x<p>, por medio de un gráfico superior.

[0072] P<M>y P<R>indican las trayectorias de medida y de referencia, las longitudes generales de las cuales pueden expresarse como P<M>= P1p1 y P<R>= P2p2, donde P1 es la longitud óptica de la trayectoria óptica de medida de la fuente de radiación óptica de baja coherencia para el primer frente de onda incidente en la disposición de sensor, y P2 es la longitud óptica de la trayectoria óptica de referencia de la misma fuente de radiación óptica de baja coherencia al primer frente de onda incidente en la disposición de sensor, y preferiblemente es constante. Es posible considerar P1 como compuesto de P<nom>+ d, donde P<nom>es la longitud nominal de la trayectoria óptica que incluye una primera sección comprendida entre la fuente de radiación óptica de baja coherencia y una superficie retroreflectante predeterminada del elemento óptico a partir del cual puede determinarse la posición, en su posición nominal predeterminada, y una segunda sección comprendida entre la superficie retroreflectante antes mencionada y la disposición de sensor S, cuyas secciones tienen una longitud geométrica predeterminada y constante correspondiente. d indica el desplazamiento de la posición del elemento óptico con respecto a su posición nominal. P2 es la longitud óptica de la trayectoria óptica de referencia, la cual es equivalente a la longitud P<nom>de la trayectoria óptica de medida en una condición operativa nominal, en donde el elemento óptico se encuentra en su posición nominal predeterminada.

[0073] La diferencia en la longitud óptica entre la trayectoria óptica de medida y de la trayectoria óptica de referencia se representan de manera matemática como:

[0075]

[0077] y las franjas de interferencia aparecen en la condición en la cual este es cero, que es:

[0079]

[0081] una relación que puede desglosarse como:

[0083]

[0085] que puede escribirse de nuevo como:

[0087]

[0089] la cual puede escribirse de nuevo como:

[0091]

[0094] esto es, la posición actual del elemento óptico es igual a la diferencia entre las longitudes adicionales de la trayectoria óptica de medida y de la trayectoria óptica de referencia.

[0095] Por lo tanto, la posición local actual de un elemento óptico con respecto a su posición local nominal, determinada por una diferencia en una longitud óptica entre la trayectoria óptica de medida y la trayectoria óptica de referencia, es atribuible a una diferencia entre las longitudes adicionales de la trayectoria óptica de medida y de la trayectoria óptica de referencia, por lo tanto a un movimiento del patrón de las franjas de interferencia a lo largo del eje de iluminación x de la disposición de sensor S con respecto a una posición nominal, por ejemplo el plano medio de dicha disposición de sensor S.

[0096] En la solicitud la cual es la materia objeto de la invención, la longitud de la trayectoria óptica de referencia se establece de tal forma que corresponde a la longitud de la trayectoria óptica de medida en una posición nominal predeterminada del elemento óptico, y la diferencia entre (a) la posición local actual de dicho elemento óptico y (b) la posición local nominal predeterminada de dicho elemento óptico a lo largo del eje de los resultados del haz de medida de la diferencia en la longitud entre la trayectoria óptica de medida y de la trayectoria óptica de referencia, reconocible de acuerdo con la posición del patrón de franja de interferencia a lo largo del eje de iluminación de la región de incidencia de la disposición de sensor S, si una técnica interferométrica con detección del patrón de franja de interferencia en el dominio de espacio se utiliza, como una función de la frecuencia del patrón de franja de interferencia, si una técnica interferométrica con detección del patrón de franja de interferencia en el dominio de frecuencia se utiliza.

[0097] Cabe señalar que la posición local es la posición a lo largo del eje z de un área del elemento óptico local al eje del haz óptico de medida que afecta el elemento, en relación con un sistema de referencia predeterminado, por ejemplo, un sistema de referencia axial a lo largo del eje de propagación del haz láser de procesamiento, o un sistema de referencia cartesiano del cabezal de trabajo. La superficie retroreflectante del elemento óptico puede ser la primera superficie del elemento óptico que el haz de medida encuentra, o la superficie opuesta a esta, dependiendo en la cantidad de la radiación óptica que se refleja, prefiriendo llevar a cabo la medida con base en la cantidad más alta de la radiación de reflexión.

[0098] La “posición local”, por lo tanto, indica la posición local de un elemento rígido o lleva información sobre la posición de un área de un elemento que está sujeto a deformación. Por lo tanto, es posible que el eje del haz de medida pueda controlarse de manera dinámica en la cercanía del eje del haz de procesamiento de forma que explore la superficie del elemento óptico en un plano xy.

[0099] De manera ventajosa, en el caso preferido de la técnica interferométrica con detección del patrón de franja de interferencia en el dominio de espacio, una posición media del patrón de franja de interferencia a lo largo del eje de iluminación de la disposición de sensor corresponde a la posición nominal del elemento óptico. De manera alternativa, una posición final del patrón de franja de interferencia a lo largo del eje de iluminación puede corresponder con la posición nominal del elemento óptico, si dicha posición pueden variar únicamente en una dirección, de forma que el patrón de interferencia solo se mueva hacia el extremo opuesto del eje de iluminación. Con referencia al gráfico inferior en la figura 5c, la posición xp del patrón de las franjas de interferencia a lo largo del eje de iluminación es la posición intrínseca de la envolvente de la intensidad de la radiación óptica de dicho patrón de franjas de interferencia, y dicha posición intrínseca de la envolvente de la intensidad de la radiación óptica de dicho patrón de las franjas de interferencia es, por ejemplo, la posición del pico o la intensidad máxima de la envolvente de la radiación óptica, o la posición promedio de los fotodetectores pesados con la intensidad óptica de la envolvente de franja.

[0101] La detección de la envolvente de franja puede llevarse a cabo por medio de técnicas de demodulación de perfil de intensidad óptica, por ejemplo, al aplicar un filtro espacial de paso de banda, o filtros de paso alto y paso bajo en una secuencia, de forma que revele únicamente los componentes de señal que corresponden a la frecuencia espacial de las franjas de interferencia. Por ejemplo, en una primera etapa del procesamiento de los datos de intensidad óptica, la intensidad óptica detectada por una matriz de sensores se integran en la dirección que es perpendicular a la dirección de desarrollo de la franja de interferencia, por ejemplo, para columnas de una matriz de sensores orientados de forma que reciba un patrón de las franjas de interferencia alineadas de manera vertical (dicho funcionamiento no se necesita si la disposición de sensor es una disposición de sensor lineal de fotodetectores en la cual los haces se enfocan por medio de una lente cilíndrica). Posteriormente, la señal generada por los fotodetectores se normaliza con respecto a una señal de fondo, por ejemplo, extraída de una imagen desprovista de franjas de interferencia. Por lo tanto, un filtro espacial de paso alto se aplica, por lo tanto, a 1/5 de la frecuencia espacial de fotodetector con el fin de eliminar el punto de referencia y mantener el patrón de las franjas de interferencia. Dado que, en este sentido, una señal se obtiene oscilando alrededor de cero, el valor absoluto de la señal se extrae y, en consecuencia, se aplica un filtro espacial de paso bajo, por ejemplo, a 1/25 de la frecuencia espacial de fotodetector con el fin de extraer la envolvente del patrón de las franjas de interferencia. La posición del patrón de las franjas de interferencia se obtiene por último al detectar la posición de la envolvente del patrón de franja cuando se busca el máximo de la misma o cuando se compara la envolvente con una función de modelo predeterminado (por ejemplo, una función gaussiana) y se extrae el pico de la función de modelo.

[0102] La figura 6 muestra un diagrama a modo de ejemplo de un sistema del objeto de la invención para determinar la posición local de al menos un elemento óptico asociado con una trayectoria óptica para transportar un haz láser en un cabezal de trabajo 14 de una máquina para el procesamiento láser de un material WP, integrada, de acuerdo con la realización preferida en la actualidad, en un sistema para determinar la distancia de separación entre el cabezal de trabajo y el material.

[0104] En la figura, 100 indica una fuente de radiación óptica de baja coherencia que tiene de manera adecuada la polarización lineal, como, por ejemplo, un LED o un diodo superluminiscente, por ejemplo, el cual opera en el intervalo de longitud de onda visible o cerca del infrarrojo. La radiación óptica emitida por la fuente 100, aguas abajo de un aislador óptico adecuado 120, se inyecta a una guía de onda óptica, por ejemplo, una fibra óptica 140, y se lleva a un divisor de haz 160 que se adapta para generar un haz de medida de la radiación óptica M, la cual se encamina a una trayectoria óptica de medida P<M>, y un haz de radiación óptica de referencia R que se encamina en una trayectoria óptica de referencia P<R>.

[0106] La trayectoria óptica de medida P<M>y de la trayectoria óptica de referencia P<R>son trayectorias guiadas e incluyen guías ópticas (por ejemplo, fibras ópticas) que se adaptan para mantener la misma polarización del haz a lo largo de la totalidad de la trayectoria.

[0108] La trayectoria óptica de medida P<M>se conduce al cabezal de trabajo 14 de una máquina para el procesamiento láser de un material tal y como se describió anteriormente, y posiblemente emerge de la misma hacia el material WP que se procesa, en la cual posiblemente incide. La región donde se emite el haz de medida M corresponde a la sección del cabezal de medida, cuya distancia desde el material mencionado anteriormente se pretende medir, por ejemplo, la abertura en la boquilla para suministrar el flujo de gas auxiliar o la salida para el haz láser.

[0110] La trayectoria de referencia óptica P<R>es, en su lugar, conducida a un elemento retroreflectante 180, preferiblemente a través de la interposición de un filtro de densidad óptica 200, de un elemento de compensación de dispersión óptica 220, de una lámina λ/4240 y de una lente de enfoque 260. El elemento óptico reflectante 180 se configura a lo largo de la trayectoria óptica de referencia, de forma que la longitud óptica de la trayectoria óptica de referencia del divisor de haz 160 a l elemento óptico reflectante 180 corresponde a la longitud óptica de la trayectoria óptica de referencia del divisor de haz 160 a la superficie (de reflexión) del elemento óptico que va a ser supervisado, que es, la posición del cual va a determinarse, en su posición nominal predeterminada. El elemento óptico reflectante puede moverse de manera axial en tal forma que determine una longitud de trayectoria de referencia óptica diferente, o una de una pluralidad de trayectorias ópticas de referencia que incluyen elementos ópticos reflectantes correspondientes 180 y que tiene diferentes longitudes ópticas puede seleccionarse, para cambiar entre los métodos para determinar la posición local de diferentes elementos ópticos y posiblemente a un método para determinar la distancia de separación entre el material que se procesa WP y el cabezal de trabajo, esto es, el extremo de cabezal de trabajo proximal al material, como, por ejemplo, la apertura de la boquilla de gas auxiliar o la salida de haz.

[0111] De manera específica, en el caso de determinar la posición de una pluralidad de elementos ópticos interpuestos a lo largo de la trayectoria óptica para transportar el haz láser, una pluralidad de las trayectorias de medidas ópticas se proporcionan, asociadas con una pluralidad de trayectorias ópticas de referencia correspondientes, al extraer una pluralidad correspondiente de los haces ópticos de medida respectivamente asociados con cada uno de dicha pluralidad de elementos ópticos, aguas abajo de la reflexión o difusión desde al menos una superficie retroreflectante de cada uno de dicha pluralidad de elementos ópticos. La pluralidad de las trayectorias ópticas de referencia se configura para conducir haces ópticos de referencia separados o superpuestos respectivos, esto es, se determina por medio de una variación continua de la longitud de una trayectoria óptica de referencia básica a través de un elemento óptico para la desviación y separación de los haces ópticos de referencia.

[0112] Las trayectorias óptimas de medida y de referencia P<M>, P<R>son de tal forma que la radiación óptica pasa a través de ellas en ambas direcciones, regresando hacia el divisor de haz 160 después de la reflexión, respectivamente a la al menos superficie retroreflectante parcial del elemento óptico y al elemento óptico reflectante 180. En la trayectoria óptica de referencia P<R>, el doble paso del haz de referencia R a través de la placa λ/4240 ocasiona una rotación de 90° de la polarización lineal del haz, el cual asume una polarización lineal que es ortogonal a la polarización lineal del haz de medida M. El divisor de haz 160 posteriormente realiza una recombinación del haz óptico de medida y el haz óptico de referencia y los dirige, superpuestos, a lo largo de una trayectoria óptica de detección PD (común a una porción de la trayectoria óptica de medida y a una porción de la trayectoria óptica de referencia) hacia la disposición de sensor S.

[0113] Tanto el haz óptico de medida como el de referencia se conducen a través de una lente de enfoque cilíndrico 280, la cual puede enfocar el haz colimado en solo una dirección, en particular, la dirección ortogonal al eje de iluminación de la disposición de sensor, con el objetivo de concentrar la señal a lo largo de dicho eje, para de ese modo optimizar la iluminación de los fotodetectores, y llegar a una divisor de haz de polarización 300 que realiza la separación del haz óptico de medida M del haz óptico de referencia R con base en su polarización, dirigiendo el primero de los mismos hacia un primer elemento reflectante M1, el segundo de los mismos hacia un segundo elemento retroreflectante M2, en este último caso al interponer una placa λ/2 320 que puede restaurar la polarización original. Debido a esta configuración, el primer y el segundo elemento reflectante M1, M2 dirigen el haz óptico de medida y el haz óptico de referencia hacia la disposición de sensor S, respectivamente, y con mayor precisión, hacia la región común de incidencia de la disposición de sensor, en un ángulo de incidencia α. El ángulo de incidencia α puede controlarse de manera ventajosa dentro del intervalo preestablecido de valores en una realización del sistema en el cual los elementos reflectantes M1 y M2 son respectivamente móviles en traslación a lo largo del eje de propagación del haz óptico relativo y en rotación alrededor de un eje de rotación que es normal con respecto al plano de incidencia (posición discontinua en la figura).

[0114] Por supuesto, en una realización basada en una técnica interferométrica con detección del patrón de las franjas de interferencia en el dominio de frecuencia, la trayectoria de detección óptica PD no proporciona una vez más la separación de los haces de medida y de referencia, pero comprende un espectrómetro de acuerdo con la arquitectura descrita en la figura 4a.

[0115] Tal y como se describió anteriormente, la disposición de sensor S comprende una pluralidad de dispositivos de fotodetector, cada uno de los cuales se adapta para emitir una señal particular y representativa de la intensidad óptica de incidencia en el mismo, y dichas señales se transmiten, en su totalidad, a medios de procesamiento 350 configurados para identificar un patrón de franjas de interferencia F que se forma en la región común de la incidencia C de la disposición de sensor al adquirir la potencia óptica incidente del haz óptico de medida y el haz óptico de referencia superpuestos.

[0116] Preferiblemente, la trayectoria óptica de medida y la trayectoria óptica de referencia comprenden elementos ópticos correspondientes, y, en particular, de la trayectoria óptica de referencia comprende un elemento de retorno reflectante, las propiedades reflectantes y de difusión óptica del cual corresponden a las propiedades reflectantes y de difusión óptica del elemento óptico supervisado e interpuesto en la trayectoria óptica de medida tanto como sea posible. De manera opcional, los medios de atenuación óptica pueden proporcionarse, adaptarse para equilibrar la intensidad de la radiación óptica de referencia reflejada mediante dicho elemento retroreflectante con respecto a la intensidad de radiación óptica de medida reflejada mediante el elemento óptico supervisado.

[0117] Por medio del sistema de la figura 6, o sistemas equivalentes, se implementa un método para determinar la posición local de al menos un elemento óptico.

[0118] El método comprende generar un haz de radiación óptica de medida de baja coherencia M, el cual se conduce hacia un elemento óptico asociado con, por ejemplo, o interpuesto a lo largo de la trayectoria óptica de transporte del haz láser en un cabezal de trabajo de una máquina para el procesamiento láser de un material, y, reflejado o esparcido por medio de al menos una superficie de retroreflexión de dicho elemento óptico, se conduce a través del cabezal de trabajo 14 hacia la disposición de sensor S.

[0119] En el caso de elementos ópticos reflectantes, puede asumirse que la reflexión o dispersión del haz óptico de medida ocurre en la primera superficie del elemento, mientras que en el caso de los elementos ópticos reflectantes puede asumirse que la reflexión o la dispersión del haz óptico de medida ocurre en ambas superficies del elemento. El haz de radiación óptica de medida M recorre específicamente por una trayectoria de medida óptica desde la fuente 100 hasta la disposición de sensor S, la cual incluye dos secciones que tienen una longitud geométrica predeterminada y constante cuando dicho elemento óptico se encuentra en una posición nominal predeterminada que corresponde a una condición operativa predeterminada, respectivamente, una primera sección comprendida entre la fuente 100 y la superficie de retroreflexión de dicho elemento óptico, y una segunda sección comprendida entre la superficie de retroreflexión de dicho elemento óptico y la disposición de sensor S.

[0120] A partir de la misma fuente 100, un haz de dicha radiación óptica de baja coherencia de referencia R se genera, el cual se conduce hacia la disposición de sensor S. El haz de referencia R viaja a lo largo de una trayectoria óptica de referencia P<R>de la longitud equivalente a la longitud óptica de la trayectoria óptica de medida PM en la condición operativa nominal, en la cual la posición de dicho elemento óptico es la posición nominal predeterminada.

[0121] El haz de medida M y el haz de referencia R se superponen en la región común de incidencia C de la disposición de sensor S a lo largo del eje de iluminación preestablecido.

[0122] Al aplicar una técnica interferométrica con una detección del patrón de las franjas de interferencia en el dominio de espacio, la posición de un patrón de franjas de interferencia F entre el haz de medida M y el haz de referencia R a lo largo del eje de iluminación en la región de incidencia común C se detecta a través de los medios de procesamiento 350 y permite, tal y como se describió anteriormente, determinar la diferencia en la longitud óptica entre la trayectoria óptica de medida P<M>y de la trayectoria óptica de referencia P<R>, la cual es un indicio de la diferencia entre (a) y la posición local actual del elemento óptico y (b) la posición local nominal predeterminada de dicho elemento óptico a lo largo del eje del haz de medida.

[0123] Al aplicar una técnica interferométrica con la detección del patrón de las franjas de interferencia en el dominio de frecuencia, la frecuencia de un patrón de franjas de interferencia F entre el haz de medida M y el haz de referencia R se obtiene al dispersar dichos haces en longitud de onda a lo largo del eje de iluminación en la región de incidencia común C se detecta a través de los medios de procesamiento 350 y permite, tal y como se describió anteriormente, determinar la diferencia en la longitud óptica entre la trayectoria óptica de medida P<M>y de la trayectoria óptica de referencia P<R>, la cual es un indicio de la diferencia entre (a) y la posición local actual del elemento óptico y (b) la posición local nominal predeterminada de dicho elemento óptico a lo largo del eje del haz de medida.

[0124] El método puede implementarse en tiempo real durante un procesamiento de un material, pero también antes o después del procesamiento, por ejemplo, para calificar el estado de un elemento óptico del cabezal de trabajo. El material que está siendo procesado también puede estar ausente en una etapa de supervisión de un elemento óptico conducido de manera separada de una etapa de procesamiento, por ejemplo, al utilizar una radiación óptica de baja coherencia en una longitud de onda reflejada al máximo por medio de dicho elemento óptico. En caso de que el material esté presente cuando tenga lugar la supervisión de los elementos ópticos durante una etapa de procesamiento, se toma la parte de la señal de medida, la cual es retroreflejada a una superficie del elemento óptico de interés para el cual se selecciona una trayectoria óptica de referencia correspondiente.

[0125] Con referencia a la figura 7, se muestra de manera esquemática una realización a modo de ejemplo de la trayectoria del haz láser de procesamiento B y el haz óptico de medida M dentro del cabezal de trabajo.

[0126] La figura 7 muestra un elemento reflectante que desvía el haz láser, como, por ejemplo, un espejo dicroico, referido como DM, el cual desvía el eje óptico de propagación del haz láser de procesamiento B de una dirección de entrada al cabezal hacia una dirección de incidencia en el material WP que está siendo procesado. Esta es una configuración que se adopta en una realización del cabezal de trabajo que comprende una entrada de haz láser lateral. En dicha realización, el haz de radiación óptica de medida M está dirigido hacia el elemento óptico para ser supervisado aguas abajo (y hacia la región de medida de material), pasando a través del espejo dicroico DM sin una desviación apreciable, por medio de un sistema de escaneo óptico de reflexión SM, o espejo plegable, cuya inclinación puede ser controlada, por ejemplo, a través de piezoelectricidad, de acuerdo con la necesidad de explorar diferentes áreas del elemento óptico para controlar la posición en la cual el punto de medida intercepta la superficie del elemento. El elemento de la materia objeto es, en el ejemplo que se muestra sin limitación, una lente de enfoque FL. Tal y como puede observarse en la figura, la dirección de propagación del haz de medida puede controlarse por medio de la inclinación del sistema de escaneo óptico reflectante SM, de forma que no se sobreponga de manera coaxial en el haz láser de procesamiento, sino que sea diferente del mismo. Un experto en la técnica también entenderá que una configuración “doble” u “opuesta” es posible, en la cual se proporciona el espejo dicroico, el cual es transparente al haz láser de procesamiento, pero refleja el haz de medida que procede de una salida lateral.

[0127] Las figuras 8a, 8b y 8c muestran de manera esquemática una primera condición de difusión retroreflectante o parcial de la radiación óptica de medida, a una primera superficie S1 o a una segunda superficie S2 del elemento óptico E, y con una posible interposición del material WP que está siendo procesado. MT denota la parte del haz de radiación óptica de medida que pasa a través del elemento óptico E, y MR1 y MR2 denotan la parte del haz de radiación óptica de medida que se refleja en las superficies S1 o S2 del elemento óptico E. En la figura 8c, MTR denota la parte del haz de radiación óptica de medida que pasa a través del elemento óptico E, pero se refleja en la trayectoria de retorno por medio del material WP, con MTR2 la parte de la radiación óptica de medida, la cual además se refleja por medio de la superficie S2 del elemento óptico E y con MTR2R la parte del haz de radiación óptica de medida, el cual se refleja por medio del material WP y con MTR2RT la parte del haz de radiación óptica de medida, el cual pasa a través del elemento óptico E.

[0128] Otra condición operativa posible se muestra en la figura 8d, en la cual la trayectoria óptica de medida incluye al menos una tercera sección intermedia entre la primera sección de la fuente a la superficie retroreflectante S2 del elemento óptico E y la segunda sección entre la superficie retroreflectante S2 del elemento óptico E y la disposición de sensor S. Dicha tercera sección está comprendida entre una primera y una segunda reflexión a la superficie retroreflectante S2 del elemento óptico e incluye al menos una retrorreflexión parcial a la superficie retroreflectante S1 del elemento óptico E. MR2 indica la parte del haz de radiación óptica de medida, el cual se refleja por medio de la superficie S2 del elemento óptico E, con MR21 la parte del haz de radiación óptica de medida, el cual se refleja de manera adicional por medio de la superficie S1 del elemento óptico E, y con MR212 la parte del haz de radiación óptica de medida, el cual se refleja de nuevo por medio de la superficie S2 del elemento óptico E. La tercera sección antes mencionada tiene una longitud geométrica y óptica nominal predeterminada y correspondiente bajo las condiciones nominales cuando el elemento óptico se encuentra en la posición nominal predeterminada y/o en la condición operativa predeterminada.

[0129] Otra condición operativa posible se muestra en la figura 8e, en la cual la trayectoria de medida óptica incluyen al menos una tercera sección intermedia entre la primera sección de la fuente hasta la superficie retroreflectante S1 del elemento óptico E y la segunda sección entre la superficie retroreflectante S1 del elemento óptico E y la disposición de sensor S. Dicha tercera sección está comprendida entre una primera y una segunda retrorreflexión hacia la superficie retroreflectante S1 del elemento óptico e incluye al menos una reflexión parcial hacia la superficie retroreflectante S2’ de un elemento óptico E’ diferente, también se interpone a lo largo de la trayectoria óptica de transporte del haz láser. La tercera sección antes mencionada tiene una longitud geométrica y óptica nominal predeterminada y correspondiente cuando el elemento óptico E se encuentra en la posición nominal predeterminada y/o en la condición operativa predeterminada.

[0130] La condición operativa predeterminada se encuentra en una condición de reposo de la máquina o una condición de procesamiento asociada con los parámetros de procesamiento predeterminados.

[0131] Asimismo, la primera y segunda secciones de la trayectoria óptica de medida pueden incluir al menos una retroreflexión parcial en una superficie retroreflectante de un elemento óptico diferente interpuesto a lo largo de la trayectoria óptica de medida para el haz láser o del material que está siendo procesado.

[0132] De manera ventajosa, el método descrito permite la verificación del posicionamiento y la posible deformación o desplazamiento, temporal (en proceso) o permanente del elemento óptico asociado con la trayectoria óptica de transporte de un haz láser, como, por ejemplo, una lente o un espejo. Un elemento óptico, de hecho, puede sufrir cambios en su forma debido a la temperatura del entorno en la cual reside, o, en caso de ser flexible, debido a la presión a la que está expuesto, o mejor aún, debido a la presión de la diferencia establecida entre las habitaciones de un entorno que se divide. Un elemento óptico también puede someterse a cambios en su posición debido a los efectos de la temperatura o presión si dichos parámetros físicos afectan el asiento receptor del mismo, por ejemplo, un anillo deformable, el cual puede trasladarse.

[0133] A continuación, se describe un caso de aplicación específica.

[0134] En una máquina para el corte, perforación o soldadura por láser o para la fabricación aditiva de estructuras tridimensionales mediante láser, que comprende un cabezal de trabajo llevado en una boquilla para suministrar un flujo de gas auxiliar, es conveniente controlar la presión del gas auxiliar en la cámara de la boquilla sin tener que recurrir a la instalación de sensores específicos. El conocimiento de la presión del gas auxiliar también es útil para determinar la influencia de la presión de gas auxiliar en la característica de propagación de un haz de radiación óptica de medida propagado a través de la boquilla y utilizado, por ejemplo, para determinar la distancia del cabezal de trabajo (de la boquilla) a partir del material que está siendo procesado.

[0135] La presión del gas auxiliar en la cámara de gas auxiliar de la boquilla puede derivarse de manera indirecta a partir de la medida del cambio en la posición local de una superficie de un elemento óptico protector o un límite de la cámara de gas auxiliar interpuesto a lo largo de la trayectoria óptica de transporte del haz láser de procesamiento o de un elemento óptico auxiliar que se orienta hacia dicha cámara de gas auxiliar, posiblemente fuera del eje del haz láser de procesamiento, de acuerdo con un modelo de referencia predeterminado que indica una relación nominal predeterminada entre la posición local de la superficie de dicho elemento óptico en relación con una posición nominal predeterminada correspondiente que equivale a un valor de presión de referencia predeterminado del gas auxiliar, y la presión del gas auxiliar.

[0136] Dicho modelo de referencia puede construirse empezando por una medida de presión directa y a partir de la detección de la posición del elemento óptico en una etapa de calibración.

[0137] La figura 9 muestra una relación de dependencia del resultado de la lectura interferométrica, expresada en términos de variación de la posición local de una superficie de un elemento óptico para la protección o delimitación de la cámara de gas auxiliar a lo largo del eje del haz de medida, de la tendencia (aumento, disminución) de la presión del gas auxiliar en la cámara antes mencionada. La curva A representa el cambio en la posición local de una superficie del elemento óptico protector o límite de la cámara de gas auxiliar a medida que la presión dentro de la cámara aumenta. La curva B representa el cambio en la posición local de una superficie del elemento óptico protector o límite de la cámara de gas auxiliar a medida que la presión dentro de la cámara disminuye. La histéresis entre las dos curvas puede atribuirse a deformaciones no elásticas de los materiales involucrados.

[0138] En esta realización, la trayectoria óptica de referencia comprende de manera ventajosa un elemento óptico que corresponde al elemento de protección óptico o al elemento de ayuda óptica, dispuesto a lo largo de la trayectoria óptica de referencia en una posición que corresponde a la posición nominal del elemento de protección óptica o del elemento óptico auxiliar en la trayectoria óptica de medida y sujeto a un valor de presión controlado, el cual constituye el valor de presión de referencia predeterminado antes mencionado del gas auxiliar en la trayectoria óptica de medida.

[0139] De manera similar a la medida de presión indirecta, un caso de aplicación específico adicional de la presente invención se refiere a la determinación de la temperatura de un elemento óptico o de un medio de transmisión interpuesto a lo largo de la trayectoria óptica de transporte del haz láser de procesamiento o del entorno en el cual se ubica el elemento, si lo anterior determina la deformación o el desplazamiento locales. El estado de dicho elemento óptico se determina al adoptar un método para determinar su posición local tal y como se describió anteriormente, en el cual el haz de referencia se desplaza a lo largo de una trayectoria óptica de referencia de longitud óptica igual a la longitud óptica de la trayectoria óptica de medida en una condición operativa nominal que incluye una retrorreflexión del haz de medida en una superficie del elemento óptico cuando se encuentra en la posición nominal predeterminada que corresponde a un valor de temperatura de referencia predeterminado. La temperatura de funcionamiento del elemento óptico se determina posteriormente de acuerdo con un modelo de referencia predeterminado que indica una relación nominal entre la posición del elemento óptico en relación con la posición nominal predeterminada y la temperatura del elemento.

[0140] Un caso de aplicación específico adicional del método para determinar la posición del elemento óptico objeto de la invención se refiere a la determinación de una perturbación de la longitud óptica actual de al menos una porción de la trayectoria óptica de medida con respecto a la longitud óptica actual de una porción correspondiente de la trayectoria óptica de referencia.

[0141] Las características de propagación del haz de radiación óptica de medida están influidas por los parámetros (temperatura, presión, deformaciones mecánicas) del medio de transmisión en el cual se propaga, esencialmente debido a que el índice de refracción del medio de transmisión es variable de acuerdo con dichos parámetros. Por lo tanto, método de acuerdo con la invención puede utilizarse para medir las variaciones del índice de refracción del medio de transmisión cruzado, por ejemplo, las variaciones de índice de refracción inducido por la presión del gas auxiliar, asumiendo que las posiciones de los elementos ópticos reflectantes son estáticas.

[0142] En una máquina para el corte, perforación o soldadura por láser de un material, o para la fabricación aditiva de estructuras tridimensionales mediante láser, que comprende un cabezal de trabajo que lleva una boquilla para el suministro del flujo de gas auxiliar, el haz de radiación óptica de medida se propaga a través de la boquilla y sus características de propagación son influidas por la presión del gas auxiliar.

[0143] Con el fin de mejorar la precisión del objeto del proceso de la invención, la determinación de la diferencia en la longitud óptica entre la trayectoria óptica de medida y de la trayectoria óptica de referencia puede, por lo tanto y preferiblemente, basarse en una longitud óptica normalizada de la trayectoria óptica de medida, lo cual se calcula empezando por la longitud geométrica y el índice de refracción normalizada de la porción de dicho trayecto de medida óptica que pasa a través de la cámara de gas auxiliar que es la boquilla. El índice de refracción normalizada se calcula como una función de la presión del gas auxiliar en dicha cámara, de acuerdo con una relación nominal predeterminada que depende del índice de refracción del medio de transmisión llenado con el gas auxiliar en la presión de dicho gas.

[0144] En términos más generales, ya que la longitud óptica de la trayectoria óptica de medida depende de la longitud geométrica de la trayectoria y en el índice de refracción del medio de transmisión, la determinación de la diferencia en la longitud óptica entre la trayectoria óptica de medida y de la trayectoria óptica de referencia puede basarse en una longitud óptica normalizada de la trayectoria de medida óptica, la cual se calcula empezando por la longitud geométrica y un índice de refracción normalizada del medio de transmisión de dicha trayectoria de medida óptica, o de un medio de transmisión de una porción de dicha trayectoria óptica de medida, cuyo índice de refracción se calcula como una función de la variación de al menos un parámetro físico del medio de transmisión, como, por ejemplo, la temperatura de acuerdo con una relación nominal predeterminada entre el índice de refracción o reflexión y la temperatura del mismo elemento.

[0145] De manera alternativa, o en combinación con lo anterior, la determinación de la diferencia de longitud óptica entre la trayectoria óptica de medida y de la trayectoria óptica de referencia puede basarse en una longitud óptica normalizada de la trayectoria óptica de medida, la cual se calcula empezando por la longitud geométrica normalizada y un índice de refracción de un medio de transmisión de material de una porción de dicha trayectoria óptica de medida, en la cual la longitud geométrica normalizada se calcula como una función de la deformación mecánica (por ejemplo, alargamiento o acortamiento) de dicho medio de transmisión de acuerdo con una relación nominal predeterminada.

[0146] De manera ventajosa, la técnica del objeto de la invención permite determinar una perturbación de la longitud óptica actual de al menos una porción de la trayectoria óptica de medida con respecto a la longitud óptica actual de una porción correspondiente de la trayectoria óptica de referencia, y corregir el valor determinado de la posición local actual del elemento óptico a lo largo del eje del haz de medida con respecto a la posición local nominal con base en la perturbación determinada, por ejemplo, al sustraer la medida de la perturbación de la medida de la posición local actual del elemento óptico (posiblemente después de aplicar un factor de corrección). La perturbación ocurre, por ejemplo, debido a la variación de al menos un parámetro físico del medio de transmisión dentro del cual se extiende la trayectoria óptica de medida.

[0147] Para dichos propósitos, el haz de medida que incide en la disposición de sensor S comprende al menos un haz de medida de calibración, el cual resulta del recorrido de una trayectoria óptica de medida de calibración, en donde el haz de medida se refleja o difunde a través de al menos una superficie retroreflectante de un elemento óptico estático interpuesto a lo largo de la trayectoria óptica de medida, y en donde el haz de referencia que incide en la disposición de sensor S comprende un haz de referencia de calibración, el cual resulta del recorrido de una trayectoria óptica de referencia de calibración que tiene una longitud óptica equivalente a la longitud óptica de la trayectoria óptica de medida de calibración en una condición operativa nominal de calibración en la cual la longitud geométrica y el índice de refracción del medio de transmisión de la trayectoria óptica de medida de calibración son iguales a la longitud geométrica y al índice de refracción del medio de transmisión de la trayectoria óptica de referencia de calibración dentro de un intervalo de tolerancia predeterminada. El elemento óptico estático puede ser, por ejemplo, el sistema de enfoque óptico 16 del haz láser.

[0148] Determinar la perturbación de la longitud óptica actual de al menos una porción de la trayectoria óptica de medida incluye las siguientes operaciones:

[0149] - superposición del haz de medida de calibración y el haz de referencia de calibración de una región de incidencia común de la disposición de sensor S, a lo largo del eje de iluminación;

[0150] detección de la posición de un patrón de las franjas de interferencia entre el haz de medida de calibración y el haz de referencia de calibración a lo largo del eje de iluminación en la región común de incidencia, o la frecuencia de un patrón de las franjas de interferencia entre el haz de medida de calibración y el haz de referencia de calibración, si se aplica una técnica de interferometría con la detección; y

[0151] determinar una diferencia en longitud óptica entre la trayectoria óptica de medida de calibración y de la trayectoria óptica de referencia de calibración, que indica una diferencia entre (a) la longitud geométrica de la trayectoria óptica de medida de calibración y la longitud geométrica de la trayectoria óptica de referencia de calibración, y/o (b) el índice de refracción de la trayectoria óptica de medida de calibración y el índice de refracción de la trayectoria óptica de referencia de calibración, dependiendo de la posición del patrón de las franjas de interferencia a lo largo del eje de iluminación de la región de incidencia, o de la frecuencia del patrón de las franjas de interferencia en el dominio de frecuencia.

[0152] La diferencia de longitud óptica entre la trayectoria óptica de medida de calibración y de la trayectoria óptica de referencia de calibración indica la perturbación antes mencionada de la longitud óptica de al menos una porción de la trayectoria óptica de medida.

[0153] La corrección del valor determinado de la posición local actual del elemento óptico a lo largo del eje del haz de medida con respecto a la posición local nominal con base en la perturbación determinada se lleva a cabo, por ejemplo, al sustraer el valor de calibración del valor de medida principal.

[0154] Las mejoras de la invención se describirán en lo sucesivo en la presente descripción.

[0155] En particular, una solución para aumentar el intervalo de diferencia entre las longitudes de las trayectorias de medida y de referencia medibles por medio de la técnica de la invención es aprovechar las retroreflexiones parciales en las superficies de al menos un elemento óptico diferente interpuesto a lo largo de la trayectoria del haz láser de procesamiento y del haz de radiación óptica de medida, o de explotar las trayectorias de medida y de referencia de longitudes predeterminadas diferentes de la longitud de la trayectoria óptica de referencia principal. En una realización, el haz de medida que incide en la disposición de sensor S comprende un haz de medida principal, el cual resulta del recorrido de un trayectoria óptica de medida principal con reflexión de la superficie retroreflectante del elemento óptico que se mide y con la trasmisión a través de cualquier otro elemento óptico interpuesto a lo largo de la trayectoria óptica del haz láser de procesamiento corriente arriba de dicho elemento óptico que se mide, y al menos un haz de medida multiplexo adicional, el cual resulta del recorrido de un trayectoria óptica de medida adicional, con reflexión de la superficie retroreflectante de dicho elemento óptico que se mide y que tiene una longitud geométrica mayor a la longitud geométrica de la trayectoria óptica de medida, por ejemplo, debido a que incluye al menos una reflexión parcial en la superficie de un elemento óptico diferente interpuesto a lo largo de la trayectoria óptica del haz láser de procesamiento y del haz de radiación óptica de medida.

[0156] En esta realización, el método de la invención se basa en la detección de la posición de un patrón adicional de franjas de interferencia en la región de incidencia común C de la disposición de sensor S, determinado por medio de la interferencia entre el haz de medida y el haz de referencia adicionales. En una técnica interferométrica con detección del patrón del franja de interferencia en el dominio de espacio, el patrón adicional de las franjas de interferencia tiene, por ejemplo, (i) un pico o una intensidad máxima de la envolvente de la radiación óptica distinta de, por ejemplo menor que, el pico o intensidad máxima de la envolvente de la radiación óptica del patrón principal de los franja de interferencia entre el haz de medida y el haz de referencia principales, o (ii) una posición intrínseca de la envolvente de intensidad de la radiación óptica que es diferente de la posición intrínseca de la intensidad de radiación óptica del patrón de interferencia principal, si aparece al mismo tiempo que el patrón de interferencia principal.

[0157] En una condición anterior, una diferencia en la longitud óptica, por lo tanto, se determina entre la trayectoria óptica de medida y de la trayectoria óptica de referencia adicionales, la cual indica una diferencia entre (a) la posición local actual de dicho elemento óptico y (b) la posición local, nominal y predeterminada de dicho elemento óptico, a lo largo del eje del haz de medida, como una función de la posición del patrón adicional de las franjas de interferencia a lo largo del eje de iluminación de la región de incidencia, o de la frecuencia de dicho patrón de franjas de interferencia en el dominio de frecuencia.

[0158] En una realización diferente, el haz de referencia que incide en la disposición de sensor S comprende un haz de referencia principal, el cual resulta del recorrido de una trayectoria óptica de referencia principal y al menos un haz de referencia multiplexo adicional, el cual resulta del recorrido de una trayectoria óptica de referencia adicional que tiene una longitud geométrica diferente de la longitud geométrica de la trayectoria óptica de referencia principal. En esta realización, el método de la invención se basa en la detección de la posición de un patrón adicional de franjas de interferencia en la región de incidencia común de la disposición de sensor S, determinado por medio de la interferencia entre el haz de medida y el haz de referencia adicional.

[0159] También en este caso, en una técnica interferométrica con detección del patrón del franja de interferencia en el dominio de espacio, el patrón adicional de las franjas de interferencia tiene, por ejemplo, (i) un pico o una intensidad máxima de la envolvente de la radiación óptica distinta de, por ejemplo menor que, el pico o intensidad máxima de la envolvente de la radiación óptica del patrón principal de los franja de interferencia entre el haz de medida y el haz de referencia principales, o (ii) una posición intrínseca de la envolvente de intensidad de la radiación óptica que es diferente de la posición intrínseca de la intensidad de radiación óptica del patrón de interferencia principal, si aparece al mismo tiempo que el patrón de interferencia principal.

[0160] En caso de que varios intervalos de funcionamiento distintos no se encuentren al lado de o superpuestos en la disposición de sensor, pero se separan lo suficiente para mostrar de manera alternativa las franjas de interferencia, la selección del patrón de las franjas de interferencia ocurre al seleccionar la trayectoria de referencia adicional. En una condición anterior, una diferencia en la longitud óptica, por lo tanto, se determina entre la trayectoria óptica de medida y de la trayectoria óptica de referencia adicionales, la cual indica una diferencia entre (a) la posición local actual de dicho elemento óptico y (b) la posición local, nominal y predeterminada de dicho elemento óptico, a lo largo del eje del haz de medida, como una función de la posición del patrón adicional de las franjas de interferencia a lo largo del eje de iluminación de la región de incidencia, o de la frecuencia de dicho patrón de franjas de interferencia en el dominio de frecuencia.

[0161] De manera conveniente, la determinación precisa de la posición de un elemento óptico, y mejor aún de cada elemento óptico de la trayectoria de transporte del haz láser, la cual puede seleccionarse a través de la consideración de una trayectoria óptica de referencia correspondiente, la cual puede asociarse con del trayectoria óptica de medida, permite una unidad de control de la máquina de procesamiento láser para operar en retroalimentación la corrección o control de algunos parámetros de funcionamiento, como, por ejemplo, la presión del gas auxiliar, o para emitir una señal de alarma y detener cada proceso de funcionamiento, si determina que un elemento óptico se encuentra en una posición anormal. Lo anterior es particularmente útil para mejorar la seguridad de un proceso de fabricación, por ejemplo.

[0162] Debe advertirse que la realización propuesta de la presente invención en el análisis anterior tiene una naturaleza ilustradora y no limitante de la presente invención. Un experto en la técnica puede implementar fácilmente la presente invención en diferentes realizaciones, la cual no se desvíe del principio descrito en el presente documento y, en consecuencia, están presentes en esta patente.

[0163] Lo anterior es particularmente aplicable con respecto a la posibilidad de usar longitudes de onda de radiación óptica de baja coherencia diferentes a las citadas, o las trayectorias ópticas de medida y de referencia que tienen elementos ópticos interpuestos que son diferentes de aquellos ilustrados en la figura 6 puramente por medio de un ejemplo no limitante.

[0164] Por supuesto, el principio de la invención que se entiende, los detalles de fabricación y las realizaciones pueden variar ampliamente en comparación con lo que se ha descrito e ilustrado por medio únicamente de un ejemplo no limitante, sin desviarse del alcance de la invención tal y como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims

1. REIVINDICACIONES

1. Método para determinar la posición local de al menos un elemento óptico asociado con una trayectoria óptica de transporte para un haz láser en un cabezal de trabajo (14) de una máquina para el procesamiento láser de un material, caracterizado por que incluye las etapas de:

- generar un haz de radiación óptica de baja coherencia de medida (M), que conduce dicho haz de medida hacia dicho elemento óptico (E), y que conduce el haz de medida reflejado o disperso por medio de al menos una superficie retroreflectante de dicho elemento óptico, en el cual dicho haz de medida incide con al menos una reflexión parcial, hacia los medios de sensor interferométrico óptico (S), en donde el haz de medida recorre una trayectoria óptica de medida desde una fuente correspondiente a dichos medios de sensor interferométricos ópticos que incluye una primera sección entre dicha fuente y dicha superficie retroreflectante de dicho elemento óptico y una segunda sección entre dicha superficie retroreflectante de dicho elemento óptico y los medios de sensor interferométrico, que tienen una longitud geométrica nominal predeterminada correspondiente cuando dicho elemento óptico se encuentra en una posición nominal predeterminada que corresponde a una condición operativa predeterminada,

- generar un haz de referencia correspondiente de dicha radiación óptica de baja coherencia, y que conduce dicho haz de referencia hacia dichos medios de sensor interferométricos ópticos, en donde el haz de referencia recorre una trayectoria óptica de referencia que tiene una longitud óptica equivalente a la longitud óptica de la trayectoria óptica de medida en una condición operativa nominal en la cual la posición de dicho elemento óptico es la posición nominal predeterminada;

- superponer el haz de medida y el haz de referencia en una región común de incidencia de dichos medios de sensor interferométricos ópticos, a lo largo de un eje de iluminación predeterminado;

- detectar la posición de un patrón de franjas de interferencia entre el haz de medida y el haz de referencia dicho eje de iluminación en dicha región común de incidencia, en donde la extensión de dicho patrón de franjas de interferencia a lo largo del eje de iluminación corresponde a la longitud de coherencia de dicha radiación óptica de baja coherencia, o detectar la frecuencia de un patrón de franjas en el espectro de longitud de onda, obtenido por medio de la interferencia entre el haz de medida y el haz de referencia mediante la dispersión de longitud de onda de dichos haces, cuya extensión en el dominio de frecuencia se determina por medio de la longitud de coherencia de dicha radiación óptica de baja coherencia; y - determinar una diferencia en la longitud óptica entre la trayectoria óptica de medida y de la trayectoria óptica de referencia que indica una diferencia entre (a) la posición local actual de dicho elemento óptico y (b) la posición local, nominal y predeterminada de dicho elemento óptico, a lo largo del eje del haz de medida, como una función correspondiente de la posición de dicho patrón de las franjas de interferencia a lo largo del eje de dicha iluminación de dicha región de incidencia, o de la frecuencia de dicho patrón de franjas de interferencia en el dominio de frecuencia.

2. Método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde dicha trayectoria óptica de medida incluye al menos una tercera sección intermedia entre dicha primera y segunda sección y comprendida entre una primera y segunda retroreflexión en dicha superficie retroreflectante del elemento óptico, el cual incluye al menos una retrorreflexión parcial en una segunda superficie retroreflectante de dicho elemento óptico, dicha tercera sección que tiene una longitud geométrica y óptica nominal predeterminada cuando dicho elemento óptico se encuentra en la posición nominal predeterminada y/o en la condición operativa predeterminada.

3. Método de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en donde dicha trayectoria óptica de medida incluye al menos una tercera sección intermedia entre dicha primera y segunda sección y comprendida entre una primera y segunda retrorreflexión en dicha superficie retroreflectante del elemento óptico, el cual incluye al menos una retrorreflexión parcial en una superficie retroreflectante de un elemento óptico diferente interpuesto a lo largo de la trayectoria óptica de transporte para el haz láser, dicha tercera sección que tiene una longitud geométrica y óptica nominal predeterminada cuando dicho elemento óptico se encuentra en la posición nominal predeterminada y/o en la condición operativa predeterminada.

4. Método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde dicha primera y segunda secciones de la trayectoria óptica de medida incluyen al menos una retroreflexión parcial en una superficie retroreflectante de un elemento óptico diferente interpuesto a lo largo de la trayectoria óptica de medida para el haz láser o del material que se está trabajando.

5. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el haz de medida se dirige sobre dicha región común de incidencia de dichos medios de sensor interferométricos ópticos a lo largo de una primera dirección de incidencia y el haz de referencia se conduce sobre dicha región común de incidencia de dichos medios de sensor interferométricos ópticos a lo largo de una segunda dirección

de incidencia en un ángulo predeterminado de incidencia con respecto a la primera dirección de incidencia.

6. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde el haz de medida y el haz de referencia se superponen de manera colineal a lo largo de la misma dirección de incidencia hacia los medios ópticos de dispersión de longitud de onda, adaptados para separar los componentes de frecuencia del haz obtenidos por medio de la superposición del haz de medida y el haz de referencia sobre dicha región común de incidencia de dichos medios de sensor interferométricos ópticos.

7. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dicha condición operativa predeterminada es una máquina en condición en reposo o en una condición en funcionamiento asociado con los parámetros de funcionamiento preestablecidos.

8. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la posición del patrón de franjas de interferencia a lo largo del eje de iluminación es la posición intrínseca de la envolvente de la intensidad de la radiación óptica de dicho patrón de franjas de interferencia, siendo la posición intrínseca de la envolvente de la intensidad de la radiación óptica de dicho patrón de franjas de interferencia la posición del pico o máximo de la envolvente de la intensidad de dicha radiación óptica.

9. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el haz de medida que incide en los medios de sensor interferométricos ópticos comprende un haz de medida principal, el cual resulta del recorrido de un trayectoria óptica de medida principal con retroreflexión de dicho al menos una superficie retroreflectante de dicho elemento óptico que se mide y con la trasmisión a través de cualquier otro elemento óptico interpuesto a lo largo de la trayectoria óptica del haz láser de procesamiento corriente arriba de dicho elemento óptico que se mide, y al menos un haz de medida multiplexo adicional, el cual resulta del recorrido de un trayectoria óptica de medida adicional, con reflexión de al menos dicha una superficie retroreflectante de dicho elemento óptico que se mide y que tiene una longitud geométrica mayor a la longitud geométrica de dicha trayectoria óptica de medida, la cual incluye al menos una retrorreflexión parcial en la superficie de un elemento óptico diferente interpuesto a lo largo de la trayectoria óptica del haz láser de procesamiento y del haz de radiación de medida, el método que comprende las etapas de:

- detectar en dicha región común de incidencia la posición de un patrón de franjas de interferencia que tiene (i) un pico o punto máximo de intensidad de la radiación óptica diferente al pico o punto máximo de intensidad de la radiación óptica del patrón principal de las franjas de interferencia entre el haz de medida y el haz de referencia, o (ii) una posición intrínseca de la envolvente de la intensidad del desplazamiento de la radiación óptica de la posición intrínseca de la envolvente de la intensidad de la radiación óptica del patrón principal de las franjas de interferencia; y

- determinar una diferencia en la longitud óptica entre la trayectoria óptica de medida y de la trayectoria óptica de referencia adicionales que indica una diferencia entre (a) la posición local actual de dicho elemento óptico y (b) la posición local, nominal y predeterminada de dicho elemento óptico, a lo largo del eje del haz de medida, como una función de la posición de dicho patrón de las franjas de interferencia a lo largo de dicho eje de iluminación de dicha región de incidencia, o de la frecuencia de dicho patrón de franjas de interferencia en el dominio de frecuencia respectivamente.

10. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el haz de referencia que incide en dichos medios de sensor interferométricos ópticos comprende un haz de referencia principal, el cual resulta del recorrido de una trayectoria óptica de referencia principal y al menos un haz de referencia multiplexo adicional, el cual resulta del recorrido de una trayectoria óptica de referencia adicional que tiene una longitud geométrica diferente de la longitud geométrica de dicha trayectoria óptica de referencia principal,

el método que comprende las etapas de:

- detectar en dicha región común de incidencia la posición de un patrón de franjas de interferencia que tiene (i) un pico o punto máximo de intensidad de la radiación óptica diferente al pico o punto máximo de intensidad de la radiación óptica del patrón principal de las franjas de interferencia entre el haz de medida y el haz de referencia principal, o (ii) una posición intrínseca de la envolvente de la intensidad del desplazamiento de la radiación óptica de la posición intrínseca de la envolvente de la intensidad de la radiación óptica del patrón principal de las franjas de interferencia; y

- determinar una diferencia en la longitud óptica entre la trayectoria óptica de medida y de la trayectoria óptica de referencia adicional que indica una diferencia entre (a) la posición local actual de dicho elemento óptico y (b) la posición local, nominal y predeterminada de dicho elemento óptico, a lo largo del eje del

haz de medida, como una función de la posición de dicho patrón de las franjas de interferencia a lo largo de dicho eje de iluminación de dicha región de incidencia, o de la frecuencia de dicho patrón de franjas de interferencia en el dominio de frecuencia respectivamente.

11. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende determinar la posición de una pluralidad de elementos ópticos interpuestos a lo largo de la trayectoria de transporte óptico para el haz láser de alta potencia, caracterizado porque incluye la implementación de una pluralidad de trayectorias ópticas de medida, asociadas a una pluralidad de trayectorias ópticas de referencia correspondientes, mediante la extracción de una pluralidad correspondiente de haces ópticos de medida asociados a cada uno de dichos elementos ópticos, respectivamente, aguas abajo de la reflexión o difusión desde al menos una superficie retroreflectante de cada uno de dichos elementos ópticos, estando dispuesta dicha pluralidad de trayectorias ópticas de referencia para conducir respectivos haces ópticos de referencia separados o superpuestos, o estando determinada por medio de una variación continua en la longitud de una trayectoria óptica de referencia base a través de un elemento óptico para la desviación y separación de dichos haces ópticos de referencia.

12. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende determinar una perturbación de la longitud óptica actual de al menos una porción de la trayectoria óptica de medida con respecto a la longitud óptica actual de una porción correspondiente de la trayectoria óptica de referencia, y que corrige el valor determinado de la posición local actual del elemento óptico a lo largo del eje del haz de medida con respecto a la posición local nominal en la base de dicha perturbación,

en donde el haz de medida que incide sobre dicho medio sensor interferométrico óptico comprende al menos un haz de medida de calibración que resulta del recorrido de una trayectoria óptica de medida de calibración, en donde dicho haz de medida se refleja o difunde a través de al menos una superficie retroreflectante de un elemento óptico estático interpuesto a lo largo de la trayectoria óptica de medida, y en donde el haz de referencia que incide sobre dicho medio sensor interferométrico óptico comprende un haz de referencia de calibración respectivo, el cual resulta del recorrido de una trayectoria óptica de referencia de calibración que tiene una longitud óptica equivalente a la longitud óptica de la trayectoria óptica de medida de calibración en una condición operativa nominal de calibración en la cual la longitud geométrica y el índice de refracción del medio de transmisión de la trayectoria óptica de medida de calibración son iguales a la longitud geométrica y al índice de refracción del medio de transmisión de la trayectoria óptica de referencia de calibración dentro de un intervalo de tolerancia predeterminada, y en donde la determinación de la perturbación de la longitud óptica actual de al menos una parte de la trayectoria óptica de medida incluye:

- superponer el haz de medida de calibración y el haz de referencia de calibración en una región común de incidencia de dichos medios de sensor interferométricos ópticos, a lo largo de un eje de iluminación predeterminado;

- detección de la posición de un patrón de las franjas de interferencia entre el haz de medida de calibración y el haz de referencia de calibración a lo largo de dicho eje de iluminación en dicha región común de incidencia, o la frecuencia de un patrón de las franjas de interferencia entre el haz de medida de calibración y el haz de referencia de calibración obtenido por medio de la dispersión de longitud de onda de dichos haces; y

- determinar una diferencia en longitud óptica entre la trayectoria óptica de medida de calibración y de la trayectoria óptica de referencia de calibración, que indica una diferencia entre (a) la longitud geométrica de la trayectoria óptica de medida de calibración y la longitud geométrica de la trayectoria óptica de referencia de calibración, y/o (b) el índice de refracción de la trayectoria óptica de medida de calibración y el índice de refracción de la trayectoria óptica de referencia de calibración, dependiendo de la posición de dicho patrón de las franjas de interferencia a lo largo del eje de dicha iluminación de dicha región de incidencia, o de la frecuencia de dicho patrón de las franjas de interferencia en el dominio de frecuencia, dicha diferencia de longitud óptica entre la trayectoria óptica de medida de calibración y de la trayectoria óptica de referencia de calibración es indicativa de la perturbación antes mencionada de la longitud óptica de al menos una porción de la trayectoria óptica de medida.

13. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende el control del eje de propagación del haz de radiación óptica de medida en una cercanía predeterminada del eje de propagación del haz láser de procesamiento.

14. Sistema para determinar la posición local de al menos un elemento óptico (E) asociado con una trayectoria óptica de transporte para un haz láser en un cabezal de trabajo (14) de una máquina para el procesamiento láser de un material, que comprende:

- medios para generar un haz de radiación óptica de baja coherencia de medida (M);

- medios para la propagación de dicho haz de medida, adaptado para conducir dicho haz de medida hacia dicho elemento óptico, y para conducir el haz de medida reflejado o disperso por medio de al menos una superficie retroreflectante de dicho elemento óptico, en el cual dicho haz de medida incide con al menos una retroreflexión parcial, hacia los medios de sensor interferométrico óptico (S), en donde el haz de medida recorre un trayectoria óptica de medida desde una fuente correspondiente (100) a dichos medios de sensor interferométricos ópticos que incluye una primera sección entre dicha fuente y dicha superficie retroreflectante de dicho elemento óptico y una segunda sección entre dicha superficie retroreflectante de dicho elemento óptico y los medios de sensor interferométrico, que tienen una longitud geométrica nominal predeterminada correspondiente cuando dicho elemento óptico se encuentra en una posición nominal predeterminada que corresponde a una condición operativa predeterminada;

- medios para generar un haz de referencia correspondiente de dicha radiación óptica de baja coherencia; - medios para la propagación de dicho haz de referencia, adaptados para dirigir dicho haz de referencia hacia dichos medios sensores interferométricos ópticos, en donde el haz de referencia recorre una trayectoria óptica de referencia que tiene una longitud óptica equivalente a la longitud óptica de la trayectoria óptica de medida en una condición de funcionamiento nominal en donde la posición de dicho elemento óptico es la posición nominal predeterminada;

en donde los medios para la propagación del haz de medida y los medios para la propagación del haz de referencia están dispuestos para superponer el haz de medida y el haz de referencia en una región común de incidencia de dichos medios sensores interferométricos ópticos, a lo largo de un eje de iluminación predeterminado;

- medios para detectar la posición de un patrón de franjas de interferencia entre el haz de medida y el haz de referencia dicho eje de iluminación en dicha región común de incidencia, en donde la extensión de dicho patrón de franjas de interferencia a lo largo del eje de iluminación corresponde a la longitud de coherencia de dicha radiación óptica de baja coherencia, o para detectar la frecuencia de un patrón de franjas en el espectro de longitud de onda, obtenido a partir de la interferencia entre el haz de medida y el haz de referencia mediante la dispersión de longitud de onda de dichos haces, cuya extensión en el dominio de frecuencia se determina por medio de la longitud de coherencia de dicha radiación óptica de baja coherencia; y

- medios de procesamiento (350) dispuestos para determinar una diferencia en la longitud óptica entre la trayectoria óptica de medida y de la trayectoria óptica de referencia que indica una diferencia entre (a) la posición local actual de dicho elemento óptico y (b) la posición local, nominal y predeterminada de dicho elemento óptico, a lo largo del eje del haz de medida, como una función correspondiente de la posición de dicho patrón de las franjas de interferencia a lo largo del eje de dicha iluminación de dicha región de incidencia, o de la frecuencia de dicho patrón de franjas de interferencia en el dominio de frecuencia.

15. Máquina para el procesamiento láser de un material, que opera por medio de un haz láser de procesamiento de alta potencia conducido a lo largo de una trayectoria óptica de transporte para el haz láser que comprende al menos un elemento óptico, caracterizado porque comprende un sistema para determinar la posición de dicho al menos un elemento óptico, configurado para llevar a cabo un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13.