JP2021179422A - 寸法測定および熱測定のための組合せ光学システム、およびその動作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】物体または材料の表面の温度、および前記システムに関連する予め定めた基準ポイントに対するその距離を決定するための組合せ光学システムを開示する。【解決手段】光プローブ放射線を予め定めた波長範囲で放射するように構成された光放射線源と、放射線を放射する動作状態と放射しない非動作状態との切り替えを交互に制御するように構成された光源制御ユニットと、物体等の表面からの散乱した光放射線および熱的に発光する光放射線を取得するように構成された光学検出器と、前記制御ユニットと同期した処理ユニットであって、光源が動作状態である場合に、物体等の表面から散乱して検出器によって受光される光プローブ放射線に基づいて、物体の表面の距離を決定し、光源が非動作状態である場合に、物体等の表面から熱的に発光して検出器によって受光される光放射線に基づいて、物体等の表面の局所温度を決定する処理ユニットとを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、一般に、光学的測定、特に、工業的製造プロセスに供される物体または材料の光学的測定に関する。より詳細に、本発明は、それぞれ請求項１および請求項１８の前文に従って、物体または材料の表面の温度およびその距離を決定するための組合せ光学システムおよび方法に関する。

更なる態様によれば、本発明は、請求項１９の前文に従って、ワークピースまたは材料のレーザ加工のための機械に関する。

下記の説明および請求項において、用語「物体」は、測定対象の完成品または加工対象のワークピースを意味する。工作機械、特にレーザ加工機への適用において、「ワークピース」、および好ましい実施形態では、「金属ワークピース」は、区別することなく、閉じた断面（例えば、円形、長方形または中空の正方形の形状）、または開いた断面（例えば、平坦な断面、またはＬ字状、Ｃ字状またはＵ字状の断面など）を有する、例えば、シートまたは細長いプロファイル（輪郭）などの任意の製品を特定するために使用される。積層造形(additive manufacturing）における用語「材料」または「前駆体材料」は、レーザビームを用いて局所的な焼結または溶融の対象となる原料（一般にパウダー（粉末）形態）を特定する。

工業プロセスにおいて、前記物体または材料を少し離れて処理するために、例えば、放射線または作動流体を放出することによって、加工ツールが（それと接触することなく）物体または材料に接近するのが一般的である。測定器が、製品の製造プロセスの過程で処理中のワークピースまたは材料に接近したり、あるいは、処理プロセスの中断、過程または終了時に、その幾何学的特徴または物理的特性を検出するために完成品に接近したりすることも知られている。

純粋に工業的製造プロセスの例として、材料、特に金属シートおよびプロファイルのレーザ加工において、レーザ放射線は、多種多様な用途のための加熱ツールとして使用され、これは、ワークピースとレーザビームの相互作用パラメータ、特にワークピースへのレーザビーム入射体積当りのエネルギー密度、および相互作用時間間隔に依存する。

材料に対して実行できる種々のタイプの処理の間の相違は、使用するレーザビームの出力、およびレーザビームと処理される材料との間の相互作用時間に実質的に起因する。
例えば、金属材料に低密度エネルギー（表面１ｍｍ^２当り数十Ｗのオーダー）を長時間（数秒のオーダー）向けることによって、硬化プロセスが実行され、一方、同じ金属材料にでフェムト秒またはピコ秒のオーダーの時間で高エネルギー密度（表面１ｍｍ^２当り数十ＭＷのオーダー）を向けることによって、光アブレーションプロセスが実行される。増加しているエネルギー密度および減少している処理時間の中間範囲では、これらのパラメータを制御することにより、溶接、切削、穴あけ、エッチング、マーキングのプロセスを実行することが可能になる。これらのプロセスは、プロセスの対象となるワークピースから遠く離れて動作する加工ヘッドからレーザビームを放射することによって生ずる。

積層プロセスにおいて、材料は、例えば、フィラメントの形態、またはノズルから放出されるパウダーの形態でもよく、あるいは、代替としてパウダー床の形態で存在してもよい。そして材料は、レーザ放射線によって溶融され、前記材料の再凝固の後に３次元印刷が得られる。

材料のレーザ加工の分野において、機械によって支持される加工ツールが、材料の少なくとも１つの加工面でプリセットされた横方向パワー分布を有する高出力集束レーザビームを発生し、そして、材料に沿ってビームの方向および入射位置を制御し、必要に応じてアシストガスの流れの方向を制御するように構成される。アシストガスは、溶融材料に対する機械的推進機能、燃焼を支援する化学的機能、または加工領域を周囲環境から遮蔽するための技術的機能を有する。

加工ツールが物体または材料に接近する工業プロセスでは、加工の結果は、加工ツールと物体または材料との間の正しい距離、および加工レーザビームのパワーに依存する。例えば、材料のレーザ加工において、特に、前記材料のレーザ切削、穴あけまたは溶接のための金属材料のレーザ加工の制御において、あるいはパウダー前駆体材料から開始する予め定めた構造の積層造形において、加工ツールをワークピースまたは材料から制御された距離に維持し、制御される加工面に集光したレーザビームのパワーを、所望タイプの加工が得られるように適合されたエネルギー範囲で制御することは、重要である。

加工材料からの加工ツールの距離は、測定プローブまたは測定センサ、例えば、飛行時間型レーザスキャナ、レーザ三角測量器、干渉計を用いて測定できる。

ワークピースまたは材料の表面に衝突する加工レーザビームのパワーは、前記ワークピースまたは材料を加熱し、その結果、溶融状態のワークピースまたは材料処理が到達する温度に起因してサーマル帯域（赤外線または可視）の光放射線の発光を生じさせる。溶融状態は、加工レーザビームがオフに切り替わっても一定の時間（典型的には１０分の１秒から数秒の間）維持される。従って、例えば、パイロメータ（放射温度計）、またはより良い、その放射率を知らなくても固体または溶融体の温度を決定できる２色パイロメータを用いて、ワークピースまたは材料の表面から熱的に発光する光放射線を通じて、加工対象のワークピースまたは材料の温度に関する情報、および間接的には加工レーザビームのパワーに関する情報を取得することが可能である。

不都合なことに、これらの測定を行うことは、両方とも工業的プロセスを制御するために不可欠であり、２つの異なるデバイスの使用を含み、その寸法は、例えば、ワークピースまたは材料のレーザ加工のための機械の加工ヘッドとの統合のために、加工ツールまたはその近傍で利用可能なスペースと適合していないことがある。このことはさらに、様々なデバイスを含むシステムにとって高いコストと複雑さを伴う。

本発明の目的は、システムに関連する予め定めた基準ポイントに対して、例えば、物体または材料の表面などの散乱表面の温度および距離を決定するための光学システムを提供することである。これは、削減した部品点数で行えるため、工業用製造機械、例えば、ワークピースまたは材料をレーザ加工する機械などの加工ツールに容易に組み込みでき、測定精度を損なうことがない。

本発明の更なる目的は、物体または材料の表面の温度および距離の実質的な同時決定のためのこうした光学システムを提供することである。

さらに本発明の目的は、距離測定装置に複雑さを追加することなく、サーマル測定を実行することである。

本発明のさらなる目的は、物体または材料の表面の温度およびその距離を決定するための光学システムを提供することであり、これは、既存の工業用製造機械に容易に設置するできる。

本発明のさらに別の目的は、加工レーザビームと整列したワークピースまたは材料のレーザ加工のために機械の加工ヘッドに設置されるように構成された組合せ光学測定システムを提供することであり、加工ヘッドとワークピースまたは材料の表面とを分離する距離、およびレーザビームによる処理中の領域での局所的な溶融材料の温度の同軸測定を実施可能にする。

本発明によれば、これらの目的は、請求項１に記載の特徴を有する組合せ光学システムによって達成される。

特定の実施形態は、従属請求項の主題を形成し、その内容は、この説明の不可欠な部分として理解されるべきである。

本発明はまた、請求項１８の特徴を有する、前記組合せ光学システムに関連する予め定めた基準ポイントに対する物体または材料の表面の温度およびその距離を決定するための方法に関する。

本発明の更なる主題は、請求項の記載のように、前記組合せ光学システムを備える、ワークピースまたは材料のレーザ加工のための機械である。

要約すると、本発明は、組合せ光学システムの構築をベースとしており、物体または材料の距離測定（物体または材料の表面によって散乱したプローブ放射線を検出することによって得られる）、およびその表面温度の測定（物体または材料の表面から熱的に発光した光放射線を検出することによって得られる）が、プローブ放射線源のそれぞれの活性化または非活性化に相関する交互の時間において行われる。物体または材料の表面によって散乱したプローブ放射線、および物体または材料の表面から熱的に発光した光放射線の検出は、専用の検出デバイスで、またはより好都合に統合された形態では、共通の検出デバイスで行われる。

より詳細には、本発明の組合せ光学システム主題は、少なくとも１つの光学プローブ放射線を予め定めた波長または予め定めた波長範囲で放射するように構成された光放射線源手段を備える。光放射線源手段は、単一の光源、例えば、発光ダイオード、レーザダイオードまたはスーパールミネッセントダイオードなど、あるいは、異なる波長または交互の間隔で個々の光放射線ビームを放射するように構成された一対の別個の光源でもよい。ただし、単一の光源を経由して異なる波長または交互の間隔で光放射線ビームを放射することも可能であり、例えば、第１ケースでは、光源の励起電流または温度を変化させることによって、あるいは、ビームが２つの異なる光学経路に沿って分割され、例えば、ビームが一方の経路または他方の経路を交互に通過するのを遮断または許可する液晶または機械シャッタなどのデバイスを用いて、一方の経路と他方の経路との間で切り替わる光源を使用することによって可能である。

光放射線源手段を制御するための手段、例えば、プロセッサなどの電子制御手段は、動作状態（少なくとも１つの光プローブ放射線を放射する）から非動作状態（光放射線を放射しない）への前記光源手段の切り替えを選択的に制御するように構成される。好都合なことに、制御手段は、予め定めたスイッチング周波数に従って、光放射線源手段の動作状態から非動作状態への切り替えを交互に制御するように構成される。光放射線源手段が、反転分布条件の結果としてそこに閉じ込められた電荷キャリアの放射再結合に続いて光周波数で光子を放射できる活性領域を有する発光ダイオードを備える一実施形態において、制御手段は、前記発光ダイオードの励起電流の活性化および非活性化を選択的に制御するように構成され、電荷キャリアの集団の熱力学的平衡を変化させるように構成される。高いスイッチング周波数（１〜１００ｋＨｚのオーダー）の条件で、前進速度が低い工業プロセスへの応用では、２つの測定は、実質的に同時であると見なしてもよく、システムは連続ハイブリッド測定システムとして定義してもよい。

少なくとも１つの光検出器または光検出器のリニアアレイまたは２次元アレイまたは類似の光学センサを備える光学検出手段は、前記物体または材料の表面から熱的に発光する少なくとも１つの散乱光放射線および１つの光放射線を検出することができる（典型的には、室温で赤外線スペクトルであるが、近赤外線スペクトルで典型的に検出可能な波長範囲であり、溶融金属の場合は可視スペクトル）。

システムはさらに、電子処理手段、例えば、プロセッサなどを備え、これは、前記物体または材料の表面によって散乱し、検出手段によって受光される光プローブ放射線に基づいて、例えば、光検出器またはリニアアレイまたは２次元アレイの光検出器または類似の光学センサアセンブリへの入射位置（入射方向の関数）、強度、または入射位相の関数として、光学システムの基準システムまたはそれに永久に関連付けられた基準ポイントからの物体または材料の表面の距離を決定するように構成される。電子処理手段はまた、前記物体または材料の表面から熱的に発光し、前記検出手段によって受光される光放射線に基づいて、例えば、熱的に発光した光放射線の予め定めたスペクトル範囲またはスペクトル波長分布における発光強度の関数として、物体または材料の表面の局所温度を決定するように構成される。「局所温度」は、実質的に現在加工中の領域での工業プロセスへの適用時に、プローブ放射線が向けられる領域でのワークピースの表面温度を意味する。

電子処理手段は、光源手段の制御手段と同期しており、光放射線源手段が動作状態である場合は、検出手段によって受光される散乱した光プローブ放射線に基づいて物体または材料の距離を決定するようにし、そして、光放射線源手段が非動作状態である場合は、検出手段によって受光される熱的に発光した光放射線に基づいて物体または材料の表面の局所温度を決定するようにする。

コンパクトな実施形態では、光学的検出手段は、物体または材料の表面から散乱した光プローブ放射線の予め定めた波長（または予め定めた波長範囲）と、前記物体または材料の表面から熱的に発光した光放射線の少なくとも１つの波長とを含むスペクトル感知範囲を有する光検出器手段を含む。

前述の光検出器手段は、光源手段とは別個に配置してもよい。

好都合に、統合された実施形態では、光学検出手段は、例えば、レーザダイオードまたはスーパールミネッセントダイオードなどの放射線光源に通常結合した、少なくとも１つのモニタリング光検出器デバイスを含む。これは、典型的には関連パッケージ内に集積され、１次光放射線を表す前記光源によって放射される２次または部分光放射線を検出するように構成される。例えば、光放射線源手段が、１次放射線発光領域および２次放射発光領域を有する発光ダイオードを備える場合、モニタリング光検出器デバイスは、２次放射発光領域、一般には発光ダイオードの裏面（発光面の反対側）に面する。

この構成によれば、前記物体または材料の表面から同軸に散乱した１次光プローブ放射線は、発光ダイオードの１次発光領域（その開口数内で受光される部分）によって少なくとも部分的に収集され、そして、そこからダイオードの活性領域内でモニタリング光検出器デバイスに後方伝搬する。こうして前記物体または材料の表面から散乱した１次光プローブ放射線は、モニタリング光検出器デバイスの共通入射領域上で、ダイオードによって放射された２次または部分光放射線に少なくとも部分的に重ね合わされる。モニタリング光検出器デバイスは、２次または部分光放射線と、１次光プローブ放射線との間の干渉縞パターンを検出するように構成され、処理手段は、「自己混合干渉法」として知られる手法に従って、干渉縞パターンに基づいて、光放射線源手段に対する前記物体または材料の表面の距離を決定するように構成される。

本発明の異なる態様では、光学検出手段は、物体または材料の表面によって散乱した光プローブ放射線の少なくとも一部を受信するように構成された第１光検出器手段と、前記物体または材料の表面から熱的に発光した光放射線の少なくとも一部を受信するように構成された第２光検出器手段とを含む。第１光検出器手段は、少なくとも１つの空間方向に沿って延びる光検出器アレイ、即ち、リニアまたは２次元光検出器アレイを備え、前記光検出器手段には、波長フィルタリング手段が結合され、これは、前記物体または材料の表面から散乱した、予め定めた波長または予め定めた波長範囲の光プローブ放射線を伝送し、前記物体または材料の表面から熱的に発光した光放射線の波長または偽の環境放射線の他の波長を阻止するように構成される。任意には、波長フィルタリング手段はまた、第２光検出器手段の前方に配置して、熱放射の波長スペクトルの予め定めた部分を選択してもよい。

この場合、光源手段および第１光検出器手段は、散乱した放射線を解析するために適用される手法に応じて、異なる実施形態をとる。

距離を決定するために散乱放射線を解析するための好ましい手法は、三角測量および光干渉法（コヒーレント光、時間、周波数または空間領域における低コヒーレンス、「自己混合干渉法」）手法である。

三角測量手法において、光検出器アレイは、光プローブ放射線の放射方向に対して非ゼロの角度にある観察方向に従って、物体または材料の表面によって散乱した光プローブ放射線を受光するように配置される。そして処理手段は、光検出器アレイの少なくとも１つの延長方向に沿って散乱した光プローブ放射線の入射位置に基づいて、光源手段に対する物体または材料の表面の距離を決定するように構成される。

代替として、光放射線源手段は、光プローブ放射線を、伝搬軸に沿って可変である予め定めた横方向パワー分布を有するビームに整形するように構成された下流ビーム整形手段に結合される。処理手段は、光検出器アレイによって検出される散乱光プローブ放射線の横方向パワー分布に基づいて、光源手段に対する物体または材料の表面の距離を決定するように構成される。

代替として、光放射線源手段は、異なる横方向パワー分布を有する光プローブ放射線の第１同軸ビームおよび第２同軸ビームを放射するように構成され、処理手段は、光検出器アレイによって検出される、第１散乱光プローブ放射線ビームの横方向パワー分布と第２散乱光プローブ放射線ビームの横方向パワー分布との間の差分比較に基づいて、光源手段に対して物体または材料の表面の距離を決定するように構成される。

第１および第２光プローブ放射線ビームは、異なる偏光、好ましくは直交偏光、または異なる波長を有し、または、交互配列の区間で放射される。好都合には、第１および第２光プローブ放射線ビームを異なる波長または交互配列の区間で放射できるようにするために、光放射線源手段は、一対の別個の光放射源を備える。

三角測量法が無指向性である更なる代替例によれば、光放射線源手段は、伝搬軸に対して対称に配置された複数のコリメートまたは集束ビームを含む光プローブ放射線を放射するように構成され、処理手段は、光検出器アレイ上に散乱した光プローブ放射線の前記複数のビームの相互入射位置間の比較に基づいて、光源手段に対する物体または材料の表面の距離を決定するように構成される。

干渉的手法では、光放射線源手段は、光プローブ放射線の第１ビームおよび、基準として前記光放射の第２ビームを放射するように構成される。第１光プローブ放射線ビームは、物体または材料の表面に向かって案内され、物体または材料の表面から反射または散乱したビームは、光学測定経路を経由して干渉光センサ手段に向かって案内される。第２基準光放射線ビームは、予め定めた光学経路長、好ましくは公称動作条件（物体または材料の表面の位置が、予め定めた基準システムに対する予め定めた公称位置である）における光学測定経路の光学経路長と放射線のコヒーレンス長内で等価である予め定めた光学経路長の基準光学経路を経由して、前記干渉光センサ手段に向けて案内される。第１ビームおよび第２ビームは、干渉縞パターンを形成する干渉光センサ手段の共通の入射領域に重ね合わされ、処理手段は、干渉縞パターンに基づいて、光源手段に対して物体または材料の表面の距離を決定するように構成される。

便宜的には、温度を決定する際、処理手段は、物体または材料の表面から決定された距離の関数として、光検出器手段によって受信された熱的に発光した光放射線を正規化するように構成される。これにより、集束ビームを用いた物体または材料の照射の場合（ワークピースでの照射領域が伝搬軸に沿って変化し、そして、物体の形態を補償することによっても変化する）、温度の正確な推定値が取得可能になる。

本発明の組合せ光センサと、前記センサを使用するハイブリッドまたは組合せ測定方法は、工業製造プロセス、例えば、ワークピースまたは材料のレーザ加工、例えば、距離測定および温度測定を行う必要がある、切削、溶接または積層造形など、高度な閉ループ制御において好都合に使用できる。作動温度の取得は、進行中の熱プロセスを安定させるために使用でき、距離の取得は、進行中の加工の寸法精度および位置決め精度を検証または改善するために使用できる。本発明のシステム主題は、例えば、パイロメータおよび距離センサなど、別個の測定機器を有するという不都合を改善し、よりコンパクトな解決策に有利になり、可能性としてプローブ放射線と同じ発光源と統合でき、距離が測定される表面領域に対応する領域で測定される表面によって発光する熱放射線の検出を可能にする。

本発明の追加の特徴および利点は、添付図面を参照して、非限定的な例として与えられる、その一実施形態の下記詳細な説明においてより詳細に提示される。

加工対象のワークピースまたは材料の測定領域における光プローブ放射線ビームの入射状態の概略図であり、プローブ放射線ビームの相対的な後方散乱および熱放射線ビームの発光を示す。 本発明の組合せ光学システムのブロック図である。 光プローブ放射線、散乱した光プローブ放射線および測定対象の物体または材料の表面から熱的に発光する光放射線の時間的傾向を表す図を示す。 先行技術に係るレーザダイオードなど、光放射線源のアセンブリ、およびこうしたアセンブリの光学経路図を示す。 先行技術に係るレーザダイオードなど、光放射線源のアセンブリ、およびこうしたアセンブリの光学経路図を示す。 本発明の組合せ光学システムのブロック図を示し、距離を測定するための動作状態にある。 本発明の組合せ光学システムのブロック図を示し、温度を測定するための動作状態にある。 先行技術に係る、プローブ放射線源および軸外散乱プローブ放射線検出器を用いた三角測量による距離測定の図である。 異なる形状を有する光プローブ放射線ビームを用いた同軸三角測量による距離測定の図である。 レーザ切削プロセスに適用される図８の同軸三角測量による距離測定の図を示す。 伝搬軸に対して対称に配置された複数の光プローブ放射線ビームを用いた同軸三角測量による距離測定の図である。 レーザ製造プロセスに適用される三角測量による距離測定の図を示す。 レーザ製造プロセスに適用される三角測量による距離測定の図を示す。 レーザ製造プロセスに適用される低コヒーレンス干渉法による距離測定の図である。 ワークピースまたは材料のレーザ加工のための機械の電子制御システムのブロック図である。

下記の説明は、一般に、物体または材料の温度、および組合せ光学システムに関連する基準システムの予め定めたポイントに対するその距離を決定するための、本発明に係る組合せ光学システムの構成および動作に関する。より詳細には、本発明の組合せ光学システムは、前記物体または材料の表面の温度および距離を決定するように構成される。適用した例では、本発明のシステムは、ワークピースまたは材料のレーザ加工のための機械に結合されるものとして説明しており、組合せ光学システムに関連する基準システムはまた、レーザ加工機の加工ヘッドの基準システムと永久に関連しており、測定を実行する組合せ光学システムのポイントに対する物体または材料の表面の距離の決定は、簡単な回転並進(rototranslation)変換を用いて、レーザ加工機の加工ヘッドに対する前記物体または材料の表面の距離の決定に帰着できる。

図１は、物体または材料の表面の領域の距離および温度を測定するための状態の概略図を示し、特にワークピースまたは材料ＷＰのレーザ加工を参照する。参照符号Ａは、現在加工している領域を示し、そこに切削、溶接または焼結に使用される加工レーザビームＢが予め定めた伝搬方向Ｚに従って衝突し、その結果、その領域の温度が環境に対して上昇する。充填材料またはアシストガスの表示は省略しており、当業者は、本説明の目的にとって重要ではないため、想定される加工の機能として容易に想到できる。

好ましい実施形態では、加工レーザビームＢに対して同軸に、光プローブ放射線Ｐが領域Ａに衝突し、そこから反射して、散乱した光プローブ放射線Ｄとして現れる。同時に、領域ＡにあるワークピースＷＰの表面は、現在処理中であり、熱放射線Ｔを発光する。

より一般的には、幾何学的観点から、光プローブ放射線は、単一ビームまたは複数のビームのエンベロープ（包絡線）、例えば、加工レーザビームの伝搬軸に対して同軸または傾斜した単一のコリメートされたビーム（単一の光ビームとして近似できる）、加工レーザビームの伝搬軸に対して異なる位置または異なる傾斜角でワークピースの表面に衝突する複数のビーム、１つ以上の整形ビーム、例えば、集束ビームまたは、予め定めた形状（例えば、環状）、例えば、伝搬軸に沿って可変である予め定めた形状に従って制御されたそれらの横方向パワー分布を持つビーム、でもよい。

一般に、ワークピースの表面または加工される材料の特性に応じて、プローブ放射線ビームＰの後方散乱は、入射ビームの横方向分布より大きな散乱角に従って散乱される後方伝搬したプローブ放射線ビームＤをもたらす。そして熱的に発光する放射線Ｔのビームは、さらに広い角度で散乱される。

図２は、本発明の組合せ光学システムのブロック図を示す。

光プローブ放射線源のアセンブリは１０で示し、これは、本実施形態では、発光ダイオード１２、例えば、ＬＥＤ、スーパールミネッセントダイオードまたはレーザなどの形態の光プローブ放射線の光源を含み、これは、励起または反転分布条件の結果として、そこに閉じ込められた電荷キャリアの放射性再結合に続いて、複数の光周波数で光子を放射できる活性半導体領域を含む。発光ダイオード１２は、１次光プローブ放射線Ｐの１次放射領域（例えば、活性領域のフロント面）と、前記１次光プローブ放射線に相関する２次光放射線Ｐ’の２次放射領域（例えば、フロント面の反対側にあるアクティブ領域のリア面）とを有する。

参照符号１４は、発光ダイオードに通常結合されるモニタリング光検出器デバイスを示し、ダイオードの２次放射発光領域に面して、ダイオード１２の実際の発光強度を示す２次放射線の強度を検出する。

発光ダイオード１２の活性化および非活性化を制御するための電子ユニットは、符号１６で示し、駆動信号Ｓ_Ｐを経由して予め定めた周波数に従って、発光ダイオード１２の動作状態から非動作状態への切り替えを交互に（繰り返し）制御するように構成される。

ビームを分割／再結合するためのデバイス１８は、光源１２から到来するプローブ放射線Ｐと交差するように、感知できる損失なしで、または干渉テクニックに基づく距離測定のためにプローブ放射線の基準ビームを抽出するために、プローブ放射線Ｐ（自由空間中でもよく、または少なくとも部分的に案内されてもよい）の伝搬経路に沿って挿入される。

図１の表現によれば、ワークピースはＷＰで付与している。プローブ放射線Ｐの入射の結果として、前記ワークピースは、散乱したプローブ放射線Ｄを後方散乱し、加工レーザビーム（不図示）の入射の結果として、前記ワークピースは、熱的に発光した光放射線Ｔを散乱する。散乱したプローブ放射線Ｄおよび熱的に発光した放射線Ｔの両方は、ビーム分割／再結合デバイス１８を経由して伝搬し、そこから光検出器デバイス１４が配置されている光源アセンブリ１０および散乱プローブ放射線を検出するための手段２０（光源アセンブリ１０の外部）に向けられる。偏光ビームの場合（ビームの偏光を操作するための伝搬経路に光学要素、例えば、偏光器または４分の１波長遅延板などを挿入することによって得られる）、光プローブ放射線ビームおよび散乱光プローブ放射線ビームの経路設定は、偏光選択基準を用いて２つの放射線を分離することによって好都合に得られる。

検出器手段２０の上流には、光学フィルタ２２を配置でき、これは、ワークピースＷＰの表面からの散乱光プローブ放射線の波長または波長範囲を伝送し、前記ワークピースＷＰの表面から来る熱的に発光した光放射線の波長を阻止するように構成される。

電子処理ユニット３０は、光源アセンブリ１０および検出器手段２０に接続され、検出器手段２０によって検出される散乱プローブ放射線Ｄを示す信号Ｓ_Ｄおよび、光検出器デバイス１４によって検出される熱放射線Ｔを示す信号Ｓ_Ｔを受信するように構成される。処理ユニット３０は、（ｉ）散乱放射線の特性（例えば、位相、位置、方向、横方向パワー分布など）の解析に基づいて、予め定めたアルゴリズムまたは計算モデルを適用し、散乱した光プローブ放射線Ｄを示す信号に基づいて、システムの予め定めた基準ポイント、例えば、レーザ加工機に永久に関連付けられた予め定めた基準システムにおけるプローブ放射線１２の光源の位置に対するワークピースＷＰの表面の距離を決定するように、そして（ｉｉ）予め定めたアルゴリズムまたは計算モデルを適用して、熱的に発光した放射線Ｔを示す信号に基づいてワークピースＷＰの表面の局所温度を決定するように、構成される。

処理ユニット３０はさらに、電子制御ユニット１６に接続され、発光ダイオード１２の活性化および非活性化と同期して動作し、発光ダイオードが活性である場合はワークピースＷＰの表面の距離を決定し、発光ダイオードが非活性である場合は前記ワークピースＷＰの表面の局所温度を決定する。

システムの動作、特に制御ユニット１６の動作は、図３の図を参照してより説明しており、ダイオード１２によって放射された光プローブ放射線、ワークピースＷＰの表面で散乱する光プローブ放射線、およびワークピースＷＰの表面から熱的に発光する光放射線の時間傾向を表す。

第１の図は、発光ダイオード１２の駆動信号Ｓ_Ｐの時間傾向を示し、従って、光プローブ放射線の公称時間傾向を表す。駆動信号Ｓ_Ｐは、プローブ放射線の放射の活性化期間（オンで示す）とプローブ放射線の放射の非活性化期間（オフで示す）との間で交互に振動する。方形波信号波形は、純粋に周期的な制御波形を示す。他の波形、例えば、正弦波も考えられる。

第２の図は、検出手段２０，１４によって検出された散乱プローブ放射線Ｄを示す信号Ｓ_Ｄの傾向、および光検出器デバイス１４によって検出された熱放射線Ｔを示す信号Ｓ_Ｔの傾向を示す。時刻ｔ_Ｔ，ｔ_Ｄはそれぞれ、温度を決定するための熱放射線Ｔのサンプリング時刻と、ワークピースの距離を決定するための散乱プローブ放射線Ｄのサンプリング時刻を示す。

ワークピースＷＰの表面の局所温度およびその距離を決定する方法は、光プローブ放射線が放射される動作状態と、光プローブ放射線が放射されない非動作状態との間で光プローブ放射線源を切り替える際の繰り返し選択制御をベースとし、そして、光プローブ放射線源が動作状態である場合、即ち、前記散乱プローブ放射線が確立した場合、ワークピースＷＰの表面によって散乱した光プローブ放射線を示す信号の取得をベースとし、そして、光プローブ放射線源が非動作状態である場合、即ち、前記熱的発光放射線が、存在する唯一の放射線である場合（製造プロセスのレーザ放射線および偽の環境放射線を除いて）、ワークピースＷＰの表面からの熱的発光放射線を示す信号の取得をベースとしている。

実際には、発光ダイオード１２（光プローブ放射線源）が活性である場合、即ち、図３にオンＯＮで示す区間において、散乱した光プローブ放射線は、距離測定のために検出器手段２０に向けられる。検出器手段２０は、「自己混合干渉法」手法が適用される場合、光プローブ放射線の光源アセンブリの光検出器デバイス１４と一致してもよい。発光ダイオード１２（プローブ放射線源）が活性でない場合、即ち、図３にオフＯＦＦで示す区間において、光源アセンブリの光検出器デバイス１４は、温度を推定するために予め定めたスペクトル範囲に渡って熱放射を検出する。

このように２つの測定値の組合せが有効に得られる。

光プローブ放射線の放射の繰り返しスイッチング周波数が、１〜１００ｋＨｚの範囲内であり、本発明者によって、測定を、レーザ製造プロセスの過程で同時かつ連続的であると近似できるのに充分高いものと考えられる。好都合なことに、このハイブリッド構成により、単一の光学システムを経由して高温のワークピースの温度および距離のリモートかつ迅速な光学測定を可能にする。同様に好都合なことに、組合せ光学システム、特に光プローブ放射線の光源アセンブリは、加工レーザビームと同軸に整列でき、溶融材料の温度は、パイロメータアプローチによって容易に決定できる。このように、例えば、切削、溶接、積層造形などのレーザ製造プロセスのパラメータは、リアルタイムで効率的に制御でき、こうしてプロセス制御が改善される。

さらに、非コリメートプローブビームの場合、光検出器デバイス１４によって受光される熱的発光放射線は距離とともに変化するため、例えば、測定ビームの光学経路の開口数の変動性に対応して、収集する開口数の変動性を補償することによって、前回サンプリング期間に発生する距離の決定から熱的発光放射線の強度の読み取り値を正規化することが可能である。

電子処理ユニット３０と電子制御ユニット１６との同期は、ロックインタイプ増幅器で使用されるものと類似した復調テクニックを経由して、あるいは、サンプリング周波数がスイッチング周波数よりもかなり高い場合には取得システムによるデジタル弁別によって、散乱プローブ放射線および熱的発光放射線の読み取り値を認識して分離することを可能にすることに留意すべきである。

コンパクトな構成では、光検出器手段を使用してもよく、これは、広いスペクトル検出範囲を有し、従って、プローブ放射線の波長または波長範囲、そして進行中の加工のための熱的発光波長の対象範囲を含む、広い波長スペクトルに渡って光放射線を取得するように構成される

上記の検出器手段２０の機能は、議論に普遍性を与えるために、システムの統合した構成における光検出器デバイス１４によって実施してもよく、光検出器デバイス１４は、熱的発光放射線Ｔに加えて、散乱したプローブ放射線Ｄの検出にも関与する。これは、例えば、図４ａに示すタイプの光源光放射線アセンブリが使用される場合に可能である。

図４ａにおいて、参照符号５０は、概して、先行技術に係るＴＯ−ＣＡＮパッケージ内の光放射源のアセンブリを示し、熱分散支持体５４上に配置され、ダイオードを駆動するための電気接続部６０を支持するベース５８上に配置された保護ケーシング５６によって囲まれたレーザダイオード５２を含む。拡大図では、レーザダイオード５２を示しており、放射線出力窓６４に面する１次放射線発光領域６２と、放射線出力窓６４に対してレーザダイオード５２のリア側に面する２次放射線発光領域６６が特定される。レーザダイオード５２の後方にある２次放射線発光領域６６に面して、モニタリング光検出器デバイス６８が配置される。

光源アセンブリ５０の光学経路図を図４ｂに示す。レーザダイオード５２の１次放射線発光領域６２によって放射される１次光プローブ放射線ビームＰは、種々の光学エレメントを通過して、前記ビームをコリメートして集束し、現在加工領域Ａにおいて解析対象のワークピースＷＰの散乱面に衝突するものであり、可能性としてレーザ加工ビームの光学伝搬システム（不図示）と同軸でもよい、同時に、１次光プローブ放射線を表す２次光放射ビームＰ’が、モニタリング光検出器デバイス６８に向かって反対方向に放射される。光学経路の可逆性を考慮すると、ワークピースのＷＰの表面によって反射または散乱した光放射線Ｄは、同じ伝搬方向に沿って反対方向に少なくとも部分的に結合され、前記放射線が光学経路の開口数内にあり、それがレーザダイオード５２を横切ってしてモニタリング光検出器デバイス６８に衝突するまで光学経路を後戻りする程度になる。それは、２次光放射線ビームＰ’と干渉して、干渉縞パターンを形成し、これは、「自己混合干渉法」として知られる干渉解析手法を適用することを可能にする。この手法は、振動測定から深さ測定まで、例えば、レーザアブレーションプロセスなど、幅広い用途で使用される。

図５と図６は、図２に表す本発明の組合せ光学系のブロック図を参照して、ワークピースＷＰの表面からの散乱光放射線および熱的に発光する光放射線を検出するための構成を示す。

詳細には、図５は、ワークピースＷＰの距離を測定するための動作状態にある構成を示し、制御ユニット１６は、オン時間区間で発光ダイオードに駆動信号Ｓ_Ｐを印加し、処理ユニット３０は、検出手段２０によって検出された散乱プローブ放射線Ｄを示す信号Ｓ_Ｄを取得する。図６は、ワークピースＷＰの温度を測定するための動作条件にある構成を示し、制御ユニット１６は、オフ時間区間で駆動信号ＳＰを発光ダイオードに印加せず、処理ユニット３０は、光検出器デバイス１４によって検出される熱放射線Ｔを示す信号Ｓ_Ｔを取得する。

図７〜図１１は、プローブ放射線源からのワークピースＷＰの距離を決定するための三角測量手法の適用において使用される本発明のプローブ放射線および組合せ光学システムのいくつかの構成を示す。

三角測量の原理を使用して、幾何学的考察からワークピースの距離を決定できる。例えば、放射線源１２および軸外の散乱放射線検出手段２０を備えた、図７に示す古典的な三角測量構成において、Ｚが、距離が測定される軸を示す場合、ＸＹ面に投影されるプローブ放射線の入射領域の位置は、プローブ放射線ビームが観察方向に対して非ゼロの傾斜角を有する場合にはワークピースの距離に依存する。従って、測定は、リニアまたは２次元の光検出器アレイＰＤ上でワークピースによって散乱したプローブ放射線を検出することによって実行できる。単一のプローブ放射線ビームの場合および複数のプローブ放射線ビームの場合の両方において、これらが観察軸に対して傾斜していれば、光検出器アレイＰＤ上のそれらの見かけの位置は距離に線形的に依存する。これらの場合、プローブ放射線として単一のコリメートビームを使用することが好ましいが、伝搬方向に沿ってビームの光学経路が遮られたり、検査対象の表面の傾斜に応じて反射率が変化したり、距離が変化するにつれて測定ビームが前記測定領域から離れたりすると、この構成は異方性現象が導入する可能性がある。

制御された整形を伴うプローブ放射線ビームを使用するより一般的な場合は、ビームは、伝搬軸Ｚに沿って可変形状を有し（例えば、集束ビームの直径の変化を伴う）、回転軸Ｚに沿ったワークピースの距離は、可能性として入射領域の位置の知識との組合せで、光検出器アレイＰＤに投射された散乱プローブ放射線のビーム形状を観察することによって決定できる。こうした場合、例えば、予備較正の後にプローブ放射のビーム形状が既知であれば、距離は決定できる。

図８を参照すると、異なる形状を有する２つのプローブ放射線ビーム、例えば、異なる方法でコリメートされたビームを同時に使用することが可能である。２つのビームは、ワークピースの表面の同じ領域に衝突するように整列させたり、または好ましくは同軸に重ね合わせてもよい。２つのビームのうちの一方（好ましくはコリメートされたビーム）は、光検出器アレイＰＤ上のビームの２つの入射スポットの形状間の比較から絶対距離測定値を得るような方法で、基準ビームと見なしてもよい。この差分測定は、絶対較正を必要としないため、より信頼できる結果をもたらす。図８は、第１プローブビームＰ１および第２同軸プローブビームＰ２を示し、第１ビームＰ１は、伝搬軸Ｚに沿って可変である横方向パワー分布傾向を有し、第２ビームＰ２は、一定の横方向パワー分布傾向を有する。図８は、２つの異なる伝搬距離における２つのビームの横方向寸法の比較を示す。

図９は、ワークピースの加工領域におけるワークピースの表面上の一対の同軸プローブ放射線ビームの入射領域を示し、符号Ｂで示す加工レーザビームが衝突し、ワークピースに切り欠きＫを生成している。好都合には、一対のビームの対称性により、切り欠きＫの存在を修正することが可能である。類似の手法が、溶接または穿孔用のレーザビームの場合にも好都合に適用される。

上述したような差分測定手法において２つのビームを区別するために種々の方法が考えられる。例えば、２つのビームは、異なる偏光を有してもよく、偏光に応じてビームスプリッタデバイスを用いて別個の直交偏光を検出するように構成された２つのセンサを使用することによって、区別できる。他の例によれば、２つのビームは、異なる波長を有してもよく、従って、ダイクロイックミラーまたはスペクトルフィルタを用いて、様々なスペクトル領域を検出するように構成された２つのセンサを使用することによって区別できる。さらに別の例によれば、２つのパルスビームを使用してもよく、即ち、２つのビームは、単一のセンサによって読み取られるように選択的かつ交互に起動され、その読み取り値を、光源からのコレンド信号と時間ドメインで相関させる。

図１０を参照すると、複数の集束プローブ放射線ビームＰ１〜Ｐ８を示しており、上側図の側面図および下側図の断面図にそれぞれ従って、共通の伝搬軸Ｚに対して対称に傾斜して配置される。測定が行われる伝搬軸に対して対称に、またはこの軸に対して対称に配置された複数のビームを使用すると、測定方向とは無関係に等方性距離の測定が可能になるため、特に好都合である。等方性ビーム構成は、レーザ加工機での応用に適しており、プローブ放射線は加工レーザビームの伝搬軸に対して同軸に使用でき、優先方向に依存しない、死角領域のない距離測定値を取得できる。

最後に、図１１ａと図１１ｂを参照すると、ほぼ同軸の三角測量構成が示される。図２に共通する要素は、同じ参照符号で示す。図１１ａは、プローブ放射線がワークピースに集束される三角測量システムの図を示し、図１１ｂでは、ワークピースが集束面に対して後退している簡略図が示される。検出器手段２０は、ビデオカメラの形態で示し、その前方には集束レンズ２０ａが配置され、散乱プローブ放射線の波長または波長範囲を伝送するように構成されたバンドパスフィルタ２０ｂの下流側である。プローブ放射線Ｐおよび散乱プローブ放射線Ｄの経路は、ダイクロイックミラーＭを経由した加工レーザビームＢの経路と整列しており、集束レンズＬが、ビームをワークピースＷＰに集束するように配置される。

図１１ｂは、プローブ放射線ビームＰを示し、レンズＬを経由した集束した後、角度αでワークピースＷＰに衝突する。集束面ＦからのワークピースＷＰの距離がゼロでない場合、傾斜したビームは、軸に対して位置ｙ_１でワークピースＷＰに衝突し、これは、軸Ｚに沿ったワークピースの距離ｚの関数であり、関係ｙ_１＝ｆ（ｚ）に従う。集束レンズＬによって捕捉された関連の散乱プローブ放射線Ｄは、更なる集束レンズ２０ａを経由して検出器手段２０に案内され、軸に対して距離ｙ^２で前記検出器手段に衝突する。これは、ｙ_２＝ｆ（ｚ）の関係に従って、Ｚ軸に沿ったワークピースの距離ｚと相関する。従って、関係を反転することによって、距離ｚを決定することが可能である。即ち、ｚ＝ｆ^−１（ｙ_２）である。

図１２は、プローブ放射線源からのワークピースＷＰの距離を決定するための干渉計手法の適用において使用される本発明の組合せ光学システムの構成を示す。図２に共通する要素は、同じ参照符号で示される。

干渉計構成は、コヒーレントまたは部分的にコヒーレントな放射線ビーム間で生じる干渉現象を利用して、距離または、一般に光学経路間の差を測定する。典型的な干渉計構成は、２つのアーム、それぞれ測定アームと基準アームを備え、それに沿って共通の光放射線が方向付けられる。測定アームの光学経路を進行し、測定アームに沿って介在するワークピースＷＰによって後方散乱される光放射ビームと、基準アームの光学経路を進行し、固定ミラーによって反射される光放射線ビームは、干渉計センサ手段の共通の入射領域において再結合され、そこで重ね合わされ、２つのアーム間の光学経路の差の関数として、それぞれ建設的または破壊的な干渉による干渉縞パターンを生成する干渉現象を生じさせる。干渉計センサ手段は、光検出器または光検出器アレイ、例えば、リニア光検出器アレイまたは２次元光検出器アレイでもよく、可能性として分光計または、特定の干渉計手法（時間ドメイン、周波数ドメインまたは空間ドメインの干渉計手法でもよい）に係る他の光学エレメントと組み合わせてもよい。干渉計センサ手段は、測定アームに沿った光学経路の幾何学的長さまたは屈折率の変動（空間ドメイン、周波数ドメインまたは時間ドメイン）の関数として干渉パターンを検出することができ、一方、典型的には、基準アームの光学経路は一定であり、公称動作条件と参照される。

図１２は、周波数ドメインにおける低コヒーレンス光干渉計手法に適合したマイケルソン干渉計構成を示し、光測定経路の長さと基準光学経路との間の比較に関する情報は、波長の空間でエンコードされる。詳細には、周波数ドメインでの光干渉計手法は、スペクトル密度関数と、測定ビームと基準ビームの相互相関との間のフーリエ変換関係をベースとしており、これにより２つの干渉ビームの波長のスペクトルプロファイルから実空間での距離の距離の差分測定値を抽出することが可能である。回折格子と前記格子の下流にある集束レンズを用いて、重なり合う測定ビームおよび基準ビームの単一のスペクトル取得が可能であり、干渉ビームのスペクトル分布をリニアセンサデバイス、例えば、ビデオカメラ上に投影できる。２つの干渉ビームのスペクトルは、周期的な変調を示し、波長空間におけるこの変調の周期性（周波数）は、測定経路と基準経路の光学長の差が変化すると、変化する。フーリエ変換計算アルゴリズム、例えば、ＦＦＴアルゴリズムを適用して、実空間での光学経路間の差に関連する信号強度ピークの測定値を抽出する。図において、Ｐは、ワークピースＷＰが介在する光学測定経路に沿って進行するプローブ放射線を示し、Ｐ_Ｒは、ダイクロイックミラーまたは類似のビームスプリッタ／コンバイナデバイスＢＳＣを経由して分割された後、反射ミラーＲＭが介在する基準光学経路に沿って進行するプローブ放射を示す。ワークピースＷＰによって散乱したプローブ放射線Ｄおよび基準プローブ放射線Ｐ_Ｒは、ビームスプリッタ／コンバイナデバイスＢＳＣで再結合され、そこから、全体にＳＥＮＳで示す干渉センサ手段のアセンブリに向けられる。

上述した組合せ光学システムは、ワークピースまたは材料のレーザ加工のための機械と好都合に関連付けられ、例えば、レーザ加工機の加工ヘッドに永久に結合されて、ヘッドを基準としたワークピースの表面の距離、および加工中のワークピース温度を決定し、そして、これらのパラメータに基づいて、プロセス制御を実行する。好都合には、光プローブ放射線は、加工領域で同軸測定を実行するために、加工レーザビームと整列してもよく、加工ヘッドからワークピースの表面の実際の分離距離および処理中のワークピース上にある溶融材料部分の温度を決定できる。

図１３は、ワークピースまたは材料のレーザ加工のための機械の電子制御システムのブロック図を示す。

システムは、ＥＣＵで全体として図に示す電子処理および制御手段を備え、これは、機械に搭載された単一の処理ユニットに統合してもよく、または分散形式で実装してもよく、前記処理および制御手段は、機械の様々な部分、例えば、加工ヘッド、に設置された処理モジュールを備える。

電子処理および制御手段に関連するメモリ手段Ｍは、予め定めた処理モデルまたはプログラムを保存し、例えば、加工ヘッド及び／又はワークピースを移動するための命令の形態で予め定めた加工軌道、および加工軌道の関数としての光ビームのパワー分布、ビームのパワー強度およびレーザビームの活性化時間を示す物理的加工パラメータを含む。

電子処理および制御手段ＥＣＵは、メモリ手段Ｍにアクセスして加工軌道を取得し、前記軌道に沿った加工レーザビームの印加を制御するように構成される。予め定めた加工軌道に沿った加工レーザビームの印加を制御することは、予め定めたパターンまたは加工プログラムを参照して、即ち、メモリ手段によって取得された加工軌道情報および処理パラメータに従って、予め定めた加工領域に向いた、予め定めたパワー分布のレーザビームの照射を制御することを含み、そして一部の用途ではアシストガスフローの供給を制御することを含む。

上述した本発明の組合せ光学システムＳは、機械に搭載して配置され、散乱プローブ放射線Ｄを取得することによって、加工ヘッドとワークピースとの間の距離、そしてこの距離の経時変化をリアルタイムで検出し、熱放射放射線Ｔを取得することによって、加工領域でのワークピースの表面温度をリアルタイムで検出する。

電子処理および制御手段ＥＣＵは、本発明の組合せ光学システムＳから、距離、即ち、加工ヘッドとワークピースとの間の経時的な距離、即ち、相互の位置を示す信号、および加工領域でのワークピースの表面の局所温度に関連する信号を示す信号を受信するように構成される。

電子処理および制御手段ＥＣＵは、既知のアクチュエータ手段セットに向けて第１コマンド信号ＣＭＤ１を発生するように配置される、加工の機械的パラメータを制御するための第１制御モジュールＣＭ１を備え、加工ヘッドを機械の特定の実施形態によって許容される自由度に沿って移動させるためのアクチュエータ手段を備え、加工ヘッドの位置に対して加工される材料を移動するためのアクチュエータ手段と、これは、加工ヘッドを移動するためのアクチュエータ手段と協調するように構成され、加工ヘッドのレーザビームの出力で加工される材料上でのプログラム化された加工軌道を、決定した距離の関数として、即ち、作業ヘッドとワークピースとの間の相互位置の関数として提示する。これらのアクチュエータ手段は、該技術分野で知られているため、詳細には説明していない。

電子処理および制御手段ＥＣＵは、加工の物理的パラメータを制御するための第２制御モジュールＣＭ２を備え、レーザビームの生成および伝送を制御するための手段（例えば、瞬間的な加工条件の関数として、レーザビームの強度および横方向パワー分布、即ち、現在加工中の領域内のワークピースの表面の局所温度の関数を制御するため）に向けて第２制御信号ＣＭＤ２を発生するように構成される。

好都合には、加工ヘッドの位置および加工の物理的パラメータの閉ループ制御により、切削および溶接プロセスにおける加工レーザビームの集束の精度の増加を可能にし、積層造形プロセスにおける材料堆積の高さの精度、パルス加工レーザビームの周波数または活性デューティサイクル、アシストガスの圧力、加工（切削または溶接）軌道に沿ったヘッドの並進速度、および積層造形プロセスにおけるパウダー材料の流量の増加を可能にする。

さらに、閉ループ温度制御は、特に熱安定化のために、そして加工の安定化のために使用できる。

前述の議論において提案された本発明の実施形態は、本質的に単に例示的なものに過ぎず、本発明を限定するものではないことに留意すべきである。当業者は、本発明を異なる実施形態で容易に実施することができるが、本明細書に記載の原理から逸脱せず、したがって本特許に含まれる。

これは、光検出器デバイス、例えば、ビデオカメラまたは分光計とは異なる、散乱光プローブ放射線および熱発光放射線のための検出手段を使用する可能性に関して特に当てはまる。

当然ながら、本発明の原理を損なうことなく、実施形態および実装の詳細は、添付した請求項によって定義される発明の保護範囲から逸脱することなく、純粋に非限定的な例として説明し図示したものに対して大幅に変更してもよい。

Claims (20)

1. 組合せ光学システムであって、
   物体または材料の表面温度、および前記システムに関連する予め定めた基準ポイントからのその距離を決定するものであり、
   ・少なくとも１つの光プローブ放射線を予め定めた波長または予め定めた波長範囲で放射するように構成された光放射線源手段と、
   ・前記少なくとも１つの光プローブ放射線を放射する動作状態と、光プローブ放射線を放射しない非動作状態との間で前記光放射線源手段の切り替えを交互に制御するように構成された、光放射線源手段を制御するための手段と、
   ・前記物体または材料の表面からの少なくとも１つの散乱光放射線および熱的に発光する１つの光放射線を検出するように構成された光学検出手段と、
   ・前記制御手段と同期した処理手段であって、
   ａ）光放射線源手段が動作状態である場合に、前記物体または材料の表面から散乱して前記検出手段によって受光される光プローブ放射線に基づいて、前記基準ポイントからの前記物体または材料の表面の距離を決定し、そして、
   ｂ）光放射線源手段が非動作状態である場合に、前記物体または材料の表面から熱的に発光して前記検出手段によって受光される光放射線に基づいて、前記物体または材料の表面の局所温度を決定するように構成された、処理手段と、を備えるシステム。
2. 前記光放射源手段は、１次光プローブ放射線および、前記１次光プローブ放射線を表す２次または部分的光放射線を放射するように構成され、
   前記光検出手段は、前記２次または部分的光放射線を検出するために、前記光放射線源手段に通常結合された少なくとも１つのモニタリング光検出器デバイスを含む、請求項１に記載のシステム。
3. 前記物体または材料の表面から散乱した１次光プローブ放射線は、前記モニタリング光検出器デバイスの共通入射領域上で前記２次または部分的光放射線に少なくとも部分的に重ね合わされ、
   前記モニタリング光検出器デバイスは、２次または部分的光放射線と、前記物体または材料の表面によって散乱した１次光プローブ放射線との間の干渉縞パターンを検出するように構成され、
   処理手段は、前記干渉縞パターンに基づいて、前記光放射線源手段からの前記物体または材料の表面の距離を決定するように構成される、請求項２に記載のシステム。
4. 前記光放射線源手段は、１次放射線発光領域および２次放射線発光領域を有する発光ダイオードを備え、
   前記モニタリング光検出器デバイスは、前記２次放射線発光領域に面しており、
   前記物体または材料の表面によって散乱した１次光プローブ放射線は、前記１次発光領域によって少なくとも部分的に収集される、請求項２または３に記載のシステム。
5. 前記制御手段は、前記発光ダイオードの励起電流の活性化および非活性化を選択的に制御するように構成され、これは、電荷キャリアの集団の熱力学的平衡を変更するように構成される、請求項４に記載のシステム。
6. 前記光学検出手段は、前記物体または材料の表面によって散乱した光プローブ放射線の前記予め定めた波長と、前記物体または材料の表面から熱的に発光した光放射線の少なくとも１つの波長とを含むスペクトル検出範囲を有する光検出器手段を含む、請求項１に記載のシステム。
7. 前記光学検出手段は、前記物体または材料の表面によって散乱した光プローブ放射線の少なくとも一部を受信するように構成された第１光検出器手段と、
   前記物体または材料の表面から熱的に発光した光放射線の少なくとも一部を受信するように構成された第２光検出器手段とを含む、請求項１に記載のシステム。
8. 前記第１光検出器手段は、少なくとも１つの空間方向に沿って延びる光検出器構成であって、前記物体または材料の表面によって散乱した前記光プローブ放射線を、光プローブ放射線の発光方向に対して非ゼロ角度の観察方向から受光するように配置された光検出器構成を備え、
   処理手段は、光検出器構成の前記少なくとも１つの延長方向に沿って、前記物体または材料の表面から散乱した光プローブ放射線の入射位置に基づいて、前記光放射線源手段を基準とした前記物体または材料の表面の距離を決定するように構成される、請求項７に記載のシステム。
9. 前記第１光検出器手段は、少なくとも１つの空間方向に沿って延びる光検出器構成を備え、
   前記光放射源線手段は、前記少なくとも１つの光プローブ放射線を、伝搬軸に沿って可変である予め定めた横方向パワー分布を有するビームに整形するように構成された下流ビーム整形手段に結合され、
   処理手段は、前記物体または材料の表面によって散乱して、光検出器構成によって検出される光プローブ放射線の横方向パワー分布に基づいて、前記光放射線源手段を基準とした前記物体または材料の表面の距離を決定するように構成される、請求項７に記載のシステム。
10. 前記第１光検出器手段は、少なくとも１つの空間方向に沿って延びる光検出器構成を備え、
    前記光放射源線手段は、異なる横方向パワー分布を有する第１および第２同軸光プローブ放射線ビームを放射するように構成され、
    処理手段は、光検出器装置によって検出され、前記物体または材料の表面から散乱した第１光プローブ放射線ビームの横方向パワー分布と前記物体または材料の表面から散乱した第２光プローブ放射線ビームの横方向パワー分布との間の差分比較に基づいて、前記光放射線源手段を基準とした前記物体または材料の表面の距離を決定するように構成される、請求項７に記載のシステム。
11. 前記第１および第２光プローブ放射線ビームは、異なる偏光、好ましくは直交偏光を有する、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記第１および第２光プローブ放射線ビームは、異なる波長を有する、請求項１０に記載のシステム。
13. 前記第１および第２光プローブ放射線ビームは、交互配列の区間で放射される、請求項１０に記載のシステム。
14. 前記第１光検出器手段は、光検出器アレイを含み、
    前記光放射線源手段は、伝搬軸に対して対称に配置された複数のビームを含む光プローブ放射線を放射するように構成され、
    処理手段は、光検出器構成上における前記物体または材料の表面から散乱した光プローブ放射線の前記複数のビームの相互の入射位置の間の比較に基づいて、前記光放射線源手段を基準とした前記物体または材料の表面の距離を決定するように構成される、請求項７に記載のシステム。
15. 前記光放射線源手段は、前記光放射線の第１光プローブ放射線ビームおよび第２基準ビームを放射するように構成され、
    該システムは、測定光学経路を経由して、前記プローブビームを前記物体または材料の表面に向けて案内し、前記物体または材料の表面から反射または散乱したビームを干渉計光学センサ手段に向けて案内するように構成され、
    該システムは、前記物体または材料の表面の位置が、該システムに関連する予め定めた基準ポイントに対する予め定めた公称位置である公称動作条件おいて、予め定めた光学長、好ましくは測定光学経路の光学長と等価である基準光学経路を経由して、前記基準ビームを前記干渉計光学センサ手段に向けて案内するように構成された、第２基準光放射線ビームの伝搬手段を含み、
    第１および第２ビームの伝搬手段は、前記第１および第２ビームを前記干渉計光学センサ手段の共通入射領域上で重ね合わせるように構成され、
    前記第１検出器手段は、少なくとも１つの空間方向に沿って延びている、前記共通入射領域上での測定ビームと基準ビームとの間の干渉縞パターンを検出するように構成された、光検出器構成を含み、
    処理手段は、前記干渉縞パターンに基づいて、前記光放射線源手段からの前記物体または材料の表面の距離を決定するように構成される、請求項７に記載のシステム。
16. 波長フィルタリング手段が前記第１検出器手段の入力に結合しており、
    前記波長フィルタリング手段は、前記物体または材料の表面によって散乱した前記予め定めた波長または前記予め定めた波長範囲の光プローブ放射線を伝送し、そして前記物体または材料の表面から熱的に発光する光放射線の波長を阻止するように構成される、請求項７に記載のシステム。
17. 前記処理手段はまた、前記物体または材料の表面の決定した距離の関数として、前記光検出器手段によって受信された熱的に発光する光放射線を正規化するように構成される、請求項６または７に記載のシステム。
18. 物体または材料の表面の温度および、請求項１〜１７のいずれか１つに記載の組合せ光学システムに関連する予め定めた基準ポイントからのその距離を決定するための方法であって、
    ・少なくとも１つの光プローブ放射線を予め定めた波長または予め定めた波長範囲で放射するように構成された光放射線源手段を用意するステップと、
    ・予め定めた周波数に従って、前記少なくとも１つの光プローブ放射線を放射する動作状態と光プローブ放射線を放射しない非動作状態との間で、前記光放射線源手段の切り替えを交互に制御するステップと、
    ・前記物体または材料の表面からの少なくとも１つの散乱した光放射線および熱的に発光する１つの光放射線を検出するステップと、
    ・光放射線源手段が動作状態である場合に検出された、前記物体または材料の表面によって散乱した光プローブ放射線に基づいて、前記基準ポイントからの前記物体または材料の表面の距離を決定するステップと、
    ・光放射線源手段が非動作状態である場合に検出された、前記物体または材料の表面から熱的に発光した光放射線に基づいて、前記物体または材料の表面の温度を決定するステップと、を含む方法。
19. ワークピースまたは材料のレーザ加工用の機械であって、
    加工ヘッドによって放射される加工レーザビームを用いて動作し、
    一連の加工領域を含むワークピースまたは材料上の加工軌道に沿って案内され、
    加工パラメータを制御するための手段を含み、
    前記ワークピースまたは材料の表面の温度および加工ヘッドからのその距離を決定するために、前記加工ヘッドに永久に結合した、請求項１〜１７のいずれか１つに記載の組合せ光学システムを含み、
    前記加工パラメータ制御手段は、予め定めた加工設計、前記ワークピースまたは材料の表面の決定した温度、および作業ヘッドに対する前記ワークピースまたは材料の表面の決定した距離に基づいて動作する、機械。
20. 前記加工パラメータは、加工レーザビームの強度および横方向パワー分布のうちの少なくとも１つ、前記加工ヘッドと前記ワークピースまたは材料との間の相対位置、積層造形プロセスでの材料の堆積の高さ、パルス加工レーザビームの活性の周波数またはデューティサイクル、アシストガスの圧力、加工軌道に沿った加工ヘッドの並進速度、積層造形プロセスでのパウダー材料の流量、を含む請求項１９に記載の機械。

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