JP2021513463A - 表面をレーザ処理する方法及びレーザ処理システム - Google Patents

Abstract

表面をレーザ処理する方法が記述されている。本方法では、大略、第１視点からその表面の方へとレーザ処理ビームを指向させ、それによりそのレーザ処理ビームの焦点をある焦点位置に設け、ひいてはその面をスポットで以て照明しつつ、第１視点とは異なる第２視点からその面上のそのスポットを撮像し、校正データとスポット撮像結果の特徴とに基づきその面の空間座標を特定し、その面のそれら特定済空間座標に基づきその面をレーザ処理する。

Description

本件改良は、総じてレーザ処理システムに関し、より具体的には撮像を伴うレーザ処理システムに関する。

表面のレーザ処理に関しては従来技術が存在している。ある従来技術では、レーザ処理対象面の空間座標が３Ｄ光学撮像システムを用いまず特定される。その３Ｄ光学撮像システムはレーザラインプロジェクタ及びカメラを有し、それらが相互離隔配置されていて相異なる視点を有し相互参照するものである。後続する第２のステップにて、こうして特定されたレーザ処理対象面空間座標をレーザ処理システムに送り、それら空間座標に基づきそれを動作させてその面を処理することができる。実際上、それら３Ｄ光学撮像システム及びレーザ処理システムは個別の光ビーム、個別の基準座標系を有し、校正を踏まえ互いに対応付けうるよう作成される。

従来の表面レーザ処理技術では、ある程度はうまくゆくが改善余地が残っている。

判明しているところによれば、表面に対し変位していくレーザ処理ビームによりその面上にスポットを形成し、そのスポットを撮像することで、その処理対象面の空間座標が得られるはずである。

より具体的には、レーザ処理システム及びカメラの相対的な位置及び向きを知ることで、レーザ処理ビームにより表面上に形成されたスポットをそのカメラにより撮像した結果に基づき、例えば三角測量によりその面の空間座標を特定することができる。その際、任意時点におけるスポット撮像結果の特徴がその処理対象面の位置、向き及び／又は形状により変わりうる。例えばレーザ処理ビームが収束する実施形態では、スポット撮像結果がレーザ処理ビームの焦点に必然的に対応するわけではない。従って、そうした実施形態では、スポット撮像結果の寸法が焦点の寸法と異なりうるので、それを撮像し助力にすることで、レーザ処理ビームによりそうして照明された面の空間座標を特定することができる。そうした特徴の例としては中心位置、具体的形状、寸法（例．直径）、向き等がある。

従って、レーザ処理ビームにより表面上に形成された第１パス（初回通過）時スポットを撮像することで、その面の空間座標を所与公差内で特定することができる。その公差はスポット撮像結果の特徴により影響されうる。例えば、スポットの中心位置を特定しうる場合はその公差を制限することができる。また、スポットの寸法は焦点・面間距離を指し示すものであるので、スポット寸法に基づきその距離の絶対値を計測することができ、その距離計測値を用いることで、適用されるべき焦点変位方向が適正決定された後にレーザ処理ビームの焦点をその面上へ又はそこからある限定された距離以内のところへと動かすことができる。

ご理解頂けるように、レーザ処理ビームにより表面を処理できるのは、その焦点がその面から所定距離以内にあるとき及び十分な強度に達しているときだけである。可動焦点を有するレーザ処理ビームを用いることで、その面の既特定空間座標に基づきその面上でその焦点を動かし、その面をレーザ処理することが可能となる。

ある態様により提供されるのは、表面をレーザ処理する方法であって、第１視点からその面の方へとレーザ処理ビームを差し向け、それと併せそのレーザ処理ビームの焦点をある焦点位置に設けることで、その面をスポットで以て照明する一方、第１視点とは異なる第２視点からその面上のスポットを撮像するステップと、校正データとスポット撮像結果の特徴とに基づきその面の空間座標を特定するステップと、その面のそれら既特定空間座標に基づきその面をレーザ処理するステップと、を有するものである。

別の態様により提供されるのは、レーザ処理システムであって、フレームと、そのフレームに実装されており表面に対する第１視点を有するレーザ処理サブシステムであり、その面の方へとレーザ処理ビームを差し向けそのレーザ処理ビームの焦点をある焦点位置に設けることでその面をスポットで以て照明するよう適合構成されているレーザ処理サブシステムと、上記フレームに実装されており第１視点とは異なる第２視点を有するカメラであり、上記照明と同時にその面のスポットを撮像してそのスポットの画像を生成するよう適合構成されているカメラと、それらレーザ処理サブシステム及びカメラに可通信結合されたコンピュータと、を備え、そのコンピュータが、備わるメモリシステム上に格納されている命令群をプロセッサにて実行することで、校正データと上記画像におけるスポット撮像結果の特徴とに基づきその面の空間座標を特定し、且つその面のそれら既特定空間座標に基づきその面をレーザ処理するようレーザ処理サブシステムに命令するものである。

別の態様により提供されるのは、表面の空間座標を特定する方法であって、第１視点からその面の方へとレーザ処理ビームを差し向け、それと併せそのレーザ処理ビームの焦点をある焦点位置に設けることで、その面をスポットで以て照明する一方、第１視点とは異なる第２視点からその面上のスポットを撮像するステップと、校正データとスポット撮像結果の特徴とに基づきその面の空間座標を特定するステップと、を有するものである。

ご理解頂けるように、本願にて用いられるところの表現「コンピュータ」は限定的要領で解されるべきでない。これは寧ろ、ある種の形態を採る１個又は複数個の処理ユニットと、ある種の形態を採るメモリシステムでありその又はそれらの処理ユニットによるアクセスが可能なものと、の組合せを包括的に参照しうる広範な感覚で用いられている。同様に、本願にて用いられるところの表現「コントローラ」は、限定的要領で解されるべきでなく、寧ろ、例えば電子デバイス等の装置１個又は複数個を制御する機能（群）を実行する装置なる、或いは装置複数個を有するシステムなる、包括的な感覚で解されるべきである。

ご理解頂けるように、コンピュータやコントローラに備わる様々な機能は、ハードウェアにより実行することも、ハードウェア及びソフトウェア双方の組合せにより実行することもできる。ハードウェアの例としては、プロセッサのシリコンチップの一部として組み込まれた論理ゲート群がある。ソフトウェアはデータ形態、例えばメモリシステム内に格納されたコンピュータ可読命令群等の形態を採りうる。コンピュータ、コントローラ、処理ユニット又はプロセッサチップに関わる表現「よう構成され」は、その動作により関連する諸機能が実行されうるハードウェア又はハードウェアソフトウェアコンビネーションの存在に関わっている。

本件開示を一読することで、本件技術分野に習熟した者（いわゆる当業者）には、本件改良に関する他の多くの特徴並びにそれらの組合せが明らかとなろう。

図面は以下の通りである。

一実施形態に係るレーザ処理システムの例を示す側立面図であり、空間的に隔たる表面Ｓ_Ａ、Ｓ_Ｂ及びＳ_Ｃが併せ示されている。 一実施形態に係る図１のレーザ処理システムの斜視図であり、レーザ処理ビームの焦点が第１焦点経路に沿い動くことで表面が移動スポットで以て照明されることが示されている。 図２の線２Ａ−２Ａに沿い採取された前立面図である。 図２の移動スポットの画像を示す図である。 図２の面の前立面図であり、第２焦点経路に沿った焦点の移動によりその面が移動スポットで以て照明されることが示されている。 図３Ａの移動スポットの画像を示す図である。 図２の面の前立面図であり、第３焦点経路に沿った焦点の移動によりその面が移動スポットで以て照明されることが示されている。 図４Ａの移動スポットの画像を示す図である。 一実施形態に係る図１のレーザ処理システムの斜視図であり、表面を写像する焦点経路に沿いレーザ処理ビームの焦点が動かされることが示されている。 図５Ａの移動スポットの画像を複数枚重ね合わせた図であり、各画像によりその焦点経路の個別部分に関し図５Ａの移動スポットが示されている。

図１に、一実施形態に係り表面Ｓをレーザ処理するレーザ処理システム１０の例を示す。本レーザ処理システム１０は、多様なやり方での面Ｓのレーザ処理に適合させることができる。例えば、実施形態次第では、本レーザ処理システム１０を用い表面をレーザクリーニング、レーザマーキング及び／又はレーザカッティングすることができる。

図示のレーザ処理システム１０はフレーム１２、レーザ処理サブシステム１４及びカメラ１６を有しており、後二者はフレーム１２に実装されている。

レーザ処理サブシステム１４及びカメラ１６のどちらも、面Ｓに対し、それら自身の個別的で相異なる視点を有している。そこで、レーザ処理サブシステム１４が第１視点を有し、その位置及び向きがＸＹＺ座標系にて既知であるとし、カメラ１６がそれとは異なる第２視点を有し、その位置及び向きがＸＹＺ座標系にて既知であるとする。

図示のレーザ処理サブシステム１４は、レーザ処理ビーム１８を面Ｓの方に差し向けるよう、またそのレーザ処理ビーム１８の焦点ＸＹＺ座標系内である焦点位置（Ｘ_ｆｐ，Ｙ_ｆｐ，Ｚ_ｆｐ）を採るよう適合構成されているので、ご理解頂けるようにスポットで以て面Ｓの照明が行われることになる。

カメラ１６は、そのスポットで以て面Ｓが照明されている間に、その面Ｓのそのスポットを撮像してそのスポットの画像、いわば「スポット撮像結果」を生成するよう、適合構成されている。このカメラで処理対象面Ｓの画像群を生成することができる。実施形態によっては、それらの画像が自身の座標系Ｘ’及びＹ’を有していることもあるが、それらはその捕捉後にＸＹＺ座標系に揃えることができる。

図示のコンピュータ２２はレーザ処理サブシステム１４及びカメラ１６に可通信結合されている。本例ではそのコンピュータ２２がフレーム１２に実装され、レーザ処理サブシステム１４及びカメラ１６に有線結合されている。とはいえ、実施形態によっては、コンピュータ２２がレーザ処理サブシステム１４に対し遠隔配置され、無線通信リンク例えばＷｉ−Ｆｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、セルラデータリンク等を介しそれに無線結合されることもありうる。

ご理解頂けるように、コンピュータ２２はメモリシステム２４を有しており、その上に格納されている命令群をプロセッサ（群）２６により実行することで、校正データとスポット撮像結果の特徴（即ち１個又は複数個の特徴）とに基づき面Ｓの空間座標を特定すること、並びに面Ｓのその既特定空間座標に基づきその面Ｓをレーザ処理するようレーザ処理サブシステム１４に命令することができる。

校正データがあるので、レーザ処理サブシステム１４の第１視点並びにカメラ１６の第２視点を踏まえ、面Ｓの空間座標をスポット撮像結果の特徴（群）の関数として特定することができる。

そうした校正データの非限定的な例について、以下の諸段落にて説明目的で述べることにする。

図１によれば、潜在的な表面Ｓ_Ａ、Ｓ_Ｂ及びＳ_Ｃは相異なる空間座標を有している。本例では面Ｓ_Ａ、Ｓ_Ｂ及びＳ_ＣのＸ座標がＸ_０〜Ｘ_Ｎに亘っている。他方、面Ｓ_ＡはＺ_Ａ相当、面Ｓ_ＢはＺ_Ｂ相当、面Ｓ_ＣはＺ_Ｃ相当のＺ座標を有しており、またＺ_Ａ＞Ｚ_Ｂ＞Ｚ_Ｃとなっている。

御覧の通り、ある具体的実施形態によれば、面Ｓ_Ａ、Ｓ_Ｂ又はＳ_Ｃの空間座標を、ＸＹＺ座標系に従いスポット撮像結果の中心位置なる形態で提供された特徴を踏まえ、特定することができる。実のところ、本例ではレーザ処理ビーム１８の向きαが所与であるので、ある入射角βに関しカメラ１６により生成された画像におけるスポットの中心の座標Ｘ’及びＹ’（画素単位）の関数として、校正データにより空間座標Ｘ及びＺを指し示すことができる。例えば表１には、ルックアップテーブルの形態で提供される校正データの例が示されている。

面Ｓ_Ａの場合、スポット撮像結果が角度β_Ａでのカメラ１６上への入射によるものであると判別でき、またその中心がカメラ１６により得られた画像内の位置Ｘ’_Ａ及びＹ’_Ａに局在している。従って、上掲の校正データに基づき、面Ｓ_Ａの空間座標がＸ_Ａ，Ｙ，Ｚ_Ａであると判別することができる。同様に、面Ｓ_Ｂの場合、スポット撮像結果が角度β_Ｂでのカメラ１６上への入射によるものであると判別でき、またその中心がその画像内のＸ’_Ｂ及びＹ’_Ｂに位置している。従って、面Ｓ_Ｂの空間座標がＸ_Ｂ，Ｙ，Ｚ_Ｂであると判別することができる。

表１にて提示されたそれに類する校正データを、他の視点組合せに係るレーザ処理サブシステム１４及びカメラ１６向けに提供することができる。従って、面Ｓ_Ａ、Ｓ_Ｂ又はＳ_Ｃの空間座標を実際に特定するのに先立ち、レーザ処理サブシステム１４の第１視点及びカメラ１６の第２視点を踏まえ、正しい校正データを選択することができる。ご理解頂けるように、レーザ処理サブシステム１４の視点はそのレーザ処理サブシステム１４のレーザ放射角に相当している。

御覧の通り、別の具体的実施形態によれば、面Ｓ_Ａ、Ｓ_Ｂ又はＳ_Ｃの空間座標を、ＸＹＺ座標系に従いスポット撮像結果の寸法Ｄなる形態で提供される特徴を踏まえ、特定することができる。より具体的には、スポット撮像結果の寸法Ｄは本例におけるスポット撮像結果の直径に相当している。

実のところ、この具体例ではレーザ処理ビーム１８の向きαが所与であり、且つレーザ処理ビーム１８の光軸２８に沿った軸方向位置をｒとしたときのレーザ処理ビーム１８の集束／発散Ｄ（ｒ）が所与であるので、校正データを、カメラ１６により生成された画像におけるスポットの寸法の関数として空間座標Ｘ及びＺを指し示すものとすることができる。

ご理解頂けるように、収束ビームの性質からしてレーザ処理ビーム１８は収束しつつ焦点２０に向かうこととなるが、焦点２０に到達した後は、そのレーザ処理ビーム１８が発散する。従って、面Ｓ_Ａ、Ｓ_Ｂ又はＳ_Ｃの空間座標をスポット撮像結果の寸法に基づき特定することができる。より具体的には、図１に示すように、面Ｓ_Ａがレーザ処理ビーム１８の焦点２０のすぐ後方に位置しているので、スポット撮像結果の直径Ｄ_Ａは焦点２０の直径Ｄ_ｆｐよりも大きくなる。同様に、面Ｓ_Ｂはレーザ処理ビーム１８の焦点２０の後方、Ｓ_Ａよりも更に遠くに位置している。この場合、スポット撮像結果の直径Ｄ_Ｂは直径Ｄ_Ａよりも大きく且つ焦点２０の直径Ｄ_ｆｐよりも大きくなる。例えば表２には、やはりルックアップテーブルの形態で提供される校正データの例が示されている。

実施形態によっては、カメラ１６により生成された画像内スポットの角度βを用い、焦点２０のどちら側に面Ｓ_Ａ、Ｓ_Ｂ又はＳ_Ｃが実在するかを判別することができる。

上掲の例からご理解頂けるように、面Ｓ_Ａ、Ｓ_Ｂ又はＳ_Ｃの空間座標を、スポット撮像結果の特徴を踏まえ特定することができる。そうした特徴の例としては、中心位置、具体的形状、寸法（例．直径）、向き及び／又はそれらの何らかの組合せがある。

別の実施形態によれば、カメラ１６により生成される画像群を前処理することで、カメラ１６の視点により表面Ｓ上に誘起される歪を補正することができる。そうした実施形態では、例えばカメラ１６の１画素が表面ＳにおけるレーザスポットではＸ方向に沿い１ｍｍに相当する、という関係を通じ、その画像の座標系 Ｘ’及びＹ’を補正しレーザの座標系（Ｘ，Ｚ）に対応させることができる。別の具体的実施形態によれば、その画像の方向Ｙ’をレーザ処理サブシステム１４のＺ方向、即ち表面Ｓの位置Ｚにも対応する方向にリンクさせる数学的関係を、校正データセット例えば表１及び表２を参照して述べたそれらの代わりに確立することができる。

更に、本例では、フレーム１２が、そのフレーム１２から張り出し又は窪んでいる１個又は複数個のハンドル３０を取扱目的で有している。より具体的には、本レーザ処理システム１０はポータブルであり、且つ、ユーザが本レーザ処理システム１０を面Ｓの近くに手動で位置決めしてそこを所望の如くレーザ処理させうる要領にて取り扱うことができる。

実施形態によっては、ユーザの方を向くようディスプレイをフレーム１２に実装し、そのユーザ向けにユーザ命令を表示させることができる。そうしたユーザ命令の例としては、本レーザ処理システム１０が面Ｓから遠過ぎ又はそこに近過ぎると判別されたときに本レーザ処理システム１０をその面Ｓに近付け又はそこから遠ざけるようユーザに指示するそれがある。

本例では、レーザ処理ビーム１８が電磁スペクトルの赤外域に属する波長、例えば１０６４ｎｍを有しているため、電磁スペクトルのその赤外域に属する照明を撮像しうるようカメラ１６が構成されている。従って、本例にて用いられるカメラ１６は、これに限定する必要はないものの、電磁スペクトルの赤外域に対し感応的である。

ご理解頂けるように、幾つかの実施形態によればカメラ１６を２Ｄカメラとすることができ、また他の幾つかの実施形態によればカメラ１６を３Ｄカメラとすることができる。そのカメラ１６の特性、例えばセンササイズ、量子効率、１秒当たりフレーム枚数、アパーチャサイズ、そのカメラのレンズの焦点距離及び他の何らかの特性により、校正データが影響されうる。そのシステム性能は、具体的な産業需要に見合うように仕立て上げることができる。目論見上、図示実施形態はカメラ１６を１個しか有していないけれども、レーザ処理システム１０の他の諸実施形態では、それぞれ撮像対象面Ｓに対し相異なる個別的な視点を有する複数個のカメラが備わることもありうる。それらの実施形態では、面Ｓ上を移動するスポットの画像を、それらカメラのうち１個又は複数個により捕捉された画像から発生させればよい。

ある具体的実施形態では、レーザ処理サブシステム１４にファイバ式レーザ光源が備わる。他の幾つかの実施形態によれば、レーザ処理サブシステム１４を、固体レーザ光源や他の何らかの種類のレーザ光源ともすることができる。

更に、２個の回動鏡と可動レンズとで構成されており光をレーザ処理対象面に差し向けうる三軸スキャナを、レーザ処理サブシステム１４に組み込むことができる。別の実施形態によれば、１個の回動鏡と可動レンズとで構成されており光をレーザ処理対象面に差し向けうる二軸スキャナを、レーザ処理サブシステム１４に組み込むことができる。更に別の実施形態によれば、そのスキャナを、反射性の光学部品例えば平坦鏡、収束鏡及び発散鏡の何らかの組合せに依拠したものと、することができよう。

更なる実施形態としては、レーザ処理サブシステム１４が、焦点距離が固定された走査ヘッドを有するものがありうる。それらの実施形態では、その走査ヘッドを面Ｓに近付け又はそこから遠ざけることで、レーザ処理ビーム１８の焦点２０を然るべく動かすことができる。それに代わる実施形態としては、レーザ処理サブシステム１４に対し表面Ｓを動かすことで、表面Ｓに対しレーザ処理ビーム１８の焦点２０を動かせるものがありうる。

実施形態次第ではレーザ処理ビーム１８のパラメタを経時修正することができる。例えば、実施形態によっては、幅、光学パワー、繰り返し周波数、走査速度その他、何らかの好適パラメタを面Ｓに対するレーザ処理ビーム１８の単一パス（１回通過）中に修正してレーザ処理するよう、レーザ処理サブシステム１４を構成することができる。

図２に、別の実施形態に係りレーザ処理サブシステム１４及びカメラ１６を有するレーザ処理システム１０の斜視外観を示す。図示の通り、レーザ処理ビーム１８が面Ｓの方に差し向けられ、そのレーザ処理ビーム１８の焦点２０が第１焦点経路Ｐ_１に沿い動かされ、ひいては移動スポット３２で以て面Ｓの照明が行われている。ご理解頂けるように、その面Ｓ上を移動していくスポット３２がカメラ１６により撮像され、その面Ｓの空間座標が移動スポット撮像結果の諸特徴に基づき特定される。

図２Ａは図２の線２Ａ−２Ａに沿い採取された前立面図であり、御覧の通り第１焦点経路Ｐ_１が表面Ｓに対応していない。より具体的には、焦点２０が動かされる移動方向３４が第１焦点経路Ｐ_１に沿っており、本例ではその経路が面Ｓよりも上にある。実施形態によっては、第１焦点経路Ｐ_１を予め定めてコンピュータ２２のメモリシステム上に格納しておくこと、並びに移動スポット撮像結果の諸特徴に基づきそれを後刻更新することができる。実施形態によっては、焦点経路Ｐ_１のことを面Ｓの初期空間座標と呼ぶことができる。

図２Ｂに、移動スポット３２の画像３６でありカメラ１６により生成されたものを示す。図示画像３６が捕捉されたのはカメラ１６の捕捉時間中であり、またその捕捉時間はそのスポットが移動し面Ｓを横断するのに必要な期間よりも長い時間であった。そのため、画像３６に示される移動スポット３２’が、そのスポットの移動方向３４に沿い延びる筋状の形状を有し、その寸法例えば太さｔが変動するものとなっている。

これに代わる実施形態としては、図２Ｂに示す移動スポット撮像結果３２’が複数枚の画像から得られ、各画像がカメラ１６の捕捉時間中に捕捉され、またそのスポットが移動し表面Ｓを横断するのに必要な期間よりもその捕捉時間が短いものがありうる。そうした実施形態では、面Ｓの諸部分の空間座標を移動中に特定することができる。実施形態によっては、面Ｓの諸部分の空間座標を、特定直後にコンピュータ２２のメモリシステム内で更新することができる。そうした更新を経て、面Ｓの初期空間座標をその面Ｓの更新版又は現空間座標にすることができる。

この具体例における画像３６はグレースケールである。この画像３６を構成する画素群は、それらの強度が所定の閾値（例．グレースケールの範囲が０〜２５６に亘る場合は５０超の強度）よりも高い場合に、移動スポット撮像結果３２’の一部分であると目される。

レーザ処理サブシステム１４及びカメラ１６の位置及び向きが既知であるため、面Ｓの空間座標を、移動スポット撮像結果３２’の中心経路３８に基づき、及び／又は、移動スポット撮像結果３２’の太さｔ即ち中心経路３８に対し垂直な方向に沿い計測された太さｔに基づき、特定することができる。例えば本実施形態では、移動スポット撮像結果３２’の太さｔがその全長に亘り太さ閾値ｔ_{ｔｈｒｅｓ}超即ちｔ＞ｔ_{ｔｈｒｅｓ}であると判別されることがありうる。適切に収束されたビームの太さが、グレースケール強度の最大値半値を以て計測した場合に画像上で３画素になりそうであれば、ｔ_{ｔｈｒｅｓ}は例えば４画素とすればよい。こうした場合、第１焦点経路Ｐ_１が面Ｓから遠過ぎると判別されるので、それに続く焦点２０の第２パスでは経路を近付けることができる。

図３Ａは面Ｓの別の前立面図であり、先の移動スポット撮像結果を踏まえ面Ｓの方に近付けられた経路たる第２焦点経路Ｐ_２が示されている。御覧の通り、第２焦点経路Ｐ_２は、空間的に隔たっていて表面Ｓに対応している２個の部分４２及び４４と、その間にあり面Ｓから空間的に隔たっている中間部分４６とを有している。

図３Ｂに、第２焦点経路Ｐ_２に沿い動かされた移動スポットの画像４０を示す。御覧の通り、移動スポット撮像結果のうち空間的に隔たる部分４２’及び４４’での太さｔが太さ閾値ｔ_{ｔｈｒｅｓ}未満であることから、焦点２０が空間的に隔たる部分４２及び４４において面Ｓ上で所与公差内で動かされたことを、確認することができる。実施形態によっては公差が例えば６ｍｍとされよう。とはいえ、移動スポット撮像結果の中間部分４６の太さｔがなおも太さ閾値ｔ_{ｔｈｒｅｓ}超である。こうしたことから、第２焦点経路Ｐ_２は中間部分４６にて面Ｓからまだまだ遠過ぎる、と判別することができ、また、焦点２０の後続第３パスでは第２焦点経路Ｐ_２のその部分にて面Ｓに焦点２０を一層近付けねばならない、と判別することができる。更に、面Ｓの空間座標を、移動スポット撮像結果３２”の中心経路３８’を踏まえて特定し、それを用いることで、第２焦点経路Ｐ_２を更に調整して表面不整にマッチさせることができる。

図４Ａは面Ｓの別の前立面図であり、本方法の先行する反復によって面Ｓに近付けられた経路たる第３焦点経路Ｐ_３が示されている。御覧の通り、第３焦点経路Ｐ_３は空間的に隔たる２個の部分４２及び４４、即ち面Ｓに相当していると先に判別された二部分を有している。他方で第３焦点経路Ｐ_３の中間部分４８は異なっており、面Ｓに相当するよう修正されている。本実施形態では、第３焦点経路Ｐ_３に沿い動かしつつ焦点２０を撮像して移動スポット３２”’を提供することで、図４Ｂに示す画像５０を得ることができる。図示の通り、画像５０における移動スポット撮像結果３２”’の太さｔは、その長さ方向に亘り太さ閾値ｔ_{ｔｈｒｅｓ}未満となっている。従って、この場合、面Ｓの空間座標について、第３焦点経路Ｐ_３の空間座標に対応していると判別することができる。

ご理解頂けるように、図２〜４Ｂを参照して述べた例では、本方法の相次ぐ反復により面Ｓの空間座標が特定されている。しかしながら、ご理解頂けるように、実施形態によっては、より少数の反復しか必要でないことやより多数の反復が必要になることがありうる。それらの反復、一般には焦点経路Ｐ_ｉに沿い焦点２０を動かしつつ生じた移動スポットを撮像し従前の焦点経路Ｐ_ｉを更新するそれの１秒当たり実行回数が、多くなるのかより少数になるのかは、実施形態次第である。やはりご理解頂けるように、幾つかの実施形態ではレーザ処理システム１０が固定され、面Ｓがそれに対して可動とされる。他の幾つかの実施形態では、面Ｓを固定し、レーザ処理システム１０をその面Ｓに対し可動とすることができる。やはりご理解頂けるように、レーザ処理システム１０が面Ｓに対し可動であれば、表面不整が場所、距離及びピーク対バレー値の面で経時的に変化する。

注記されることに、実施形態によっては、面Ｓの初期又は現空間座標を、レーザ処理ビーム１８の各回パス後、場合によってはその最中に、更新することができる。

例えば、図２Ａ、図３Ａ及び図４Ａに示した諸実施形態によれば、面Ｓの初期空間座標を初期的に第１焦点経路Ｐ_１に対応付けた上でそれを更新することで、レーザ処理ビーム１８の第２パス後に第２焦点経路Ｐ_２に、次いでレーザ処理ビーム１８の第３パス後に第３焦点経路Ｐ_３に、等々といった具合に対応付けていくことができる。

本実施形態によれば、面Ｓの現空間座標を特定するステップを、面Ｓをレーザ処理する工程に対し非依存的且つ同時的なものとすることができる。例えば、面Ｓをレーザ処理ビーム１８により照明しカメラ１６により撮像することでその面Ｓの現空間座標を特定している間中、レーザ処理サブシステム１４を、その面の先行する独立な空間座標に基づき面Ｓをレーザ処理するプロセスに投入することができる。

面Ｓに対するレーザ処理ビーム１８の単一パス中にカメラ１６が移動スポットの画像を複数枚捕捉する実施形態にあっては、レーザ処理ビーム１８の通過経路を面Ｓ上へと徐々に近付けつつその面Ｓの諸部分の部分空間座標を特定していくよう、レーザ処理システム１０を構成することができる。これらの実施形態では、面Ｓの諸部分の現空間座標をリアルタイム更新すること、ひいては面Ｓのうちレーザ処理ビームが通過したばかりの諸部分の部分空間座標をそれらに反映させることができる。そのため、現空間座標のうち一部分しか更新されないことがある。

想起される通り、面Ｓの新規更新された空間座標をメモリシステム上に格納することができるので、レーザ処理サブシステム１４では、そのメモリシステムに直接又は間接的にアクセスすることで、その面Ｓの最新な空間座標を入手することができる。注記されることに、コンピュータ２２により面Ｓの空間座標が更新される第１の情報処理ステップを、コンピュータ２２によりレーザ処理ビーム１８の後続パスの空間座標が特定される第２の情報処理ステップから、独立なものとすることができる。そうした実施形態では、そのメモリシステム上に格納されている現空間座標に、第１及び第２の情報処理ステップ双方にて随意にアクセスすることができる。両情報処理ステップを別々の頻度で実行することができる。

ご理解頂けるように、上記撮像に際し、焦点２０の強度Ｉをレーザ処理閾値Ｉ_{ｔｈｒｅｓ}超にすることができる。実施形態によっては、レーザクリーニング閾値、レーザマーキング閾値又はレーザカッティング閾値がそのレーザ処理閾値Ｉ_{ｔｈｒｅｓ}とされうる。そうした場合、上記撮像中にレーザ処理ビーム１８を用いレーザ処理すること、例えば焦点２０の相次ぐパス中に面Ｓをレーザクリーニング、レーザマーキング又はレーザカッティングすることができる。無論、レーザ処理ビーム１８の波長は、所望するレーザ処理の種類及びレーザ処理対象素材に基づき選択することができる。例えば、既知の通り、ステンレス鋼やアルミニウムのレーザクリーニングは、１０６４ｎｍなる中心波長を有するレーザビームで以て行うことができ、プラスチック、複合材及び有機素材は、１０．６４μｍ付近の波長を有するレーザビームで以てより容易に処理することができる。

ある動作モードでは、上記撮像に際しレーザ処理ビーム１８の焦点２０の強度Ｉがレーザ処理閾値Ｉ_{ｔｈｒｅｓ}超とされるので、面Ｓが上首尾にレーザ処理されたことをスポット撮像結果の諸特徴に基づき判別することができる。例えば図２Ｂの画像３６からは、焦点２０の第１焦点経路Ｐ_１沿い第１パスでは面Ｓのどこも上首尾にレーザ処理されなかったと判別することができる。しかし、図３Ｂの画像４０からは、焦点２０の第２焦点経路Ｐ_２沿い第２パスでは空間的に隔たる２個の部分４２及び４４にて面Ｓが上首尾にレーザ処理された、中間部分４６は不首尾にレーザ処理されたか全くレーザ処理されないままで存置された、と判別することができる。そして、図４Ｂの画像５０からは、第３焦点経路Ｐ_３の中間部分４８にて面Ｓが上首尾にレーザ処理された、と判別することができる。

これに代わる実施形態のなかには、第２焦点経路Ｐ_２のうち空間的に隔たる部分４２及び４４に沿い焦点２０の第２パスにて既に上首尾なレーザ処理が行われたであろうとの理由で、中間部分４８のみで構成されるよう第３焦点経路Ｐ_３が決定されるものがある。

また別の動作モードでは、上記撮像に際しレーザ処理ビーム１８の焦点２０の強度Ｉがレーザ処理閾値Ｉ_{ｔｈｒｅｓ}未満とされるので、その撮像中に面Ｓを不必要にレーザ処理せずにその面Ｓの空間座標を特定することができる。その後、そのレーザ処理ビーム１８の焦点２０の強度Ｉをレーザ処理閾値Ｉ_{ｔｈｒｅｓ}より上に高めることで、面Ｓの既決定空間座標に基づき、例えばその焦点スポット２０のパス１回のみで、その面Ｓを実際にレーザ処理することができる。

図５Ａに、面Ｓの斜視外観を、そのレーザ処理対象面Ｓが配置されるレーザ処理窓５２を写像する焦点経路Ｐと共に示す。このレーザ処理窓５２は、レーザ処理サブシステム１４の動作フィールドに対応付けることができる。焦点経路Ｐを、そのレーザ処理窓５２にて焦点２０により走査されうるよう連続的なものとすることができる。他方、これに代わる諸実施形態では、レーザ処理窓５２を写像する焦点経路Ｐが、互いに空間的に隔たる複数本の焦点経路Ｐ_ｉを含むものとされる。これらの実施形態では、レーザ処理窓３２を写像する焦点経路（群）に沿った焦点の動きに由来する面Ｓの照明を、一連の画像を通じ図５Ｂに示す如くに撮像することができる。上述の方法に依拠し、レーザ処理窓５２内における面Ｓの座標をそれら一連の画像から特定することができ、それを助力として、レーザ処理対象面Ｓに対応するものとなるまで焦点経路Ｐ_ｉを更新することができる。

実施形態によっては、レーザ処理ビーム１８により実行されるレーザ処理の種類を、面Ｓの既決定空間座標に依りつつ制御するよう、レーザ処理システム１０を構成することができる。より具体的には、焦点２０が面Ｓの所定空間領域の方を向いているときだけ、焦点２０の強度をレーザ処理閾値Ｉ_{ｔｈｒｅｓ}より上に高めることができる。例えば、面Ｓが所与深さにあり又は所定の深さ範囲内にあると判別されたときに、焦点２０の強度をレーザ処理閾値Ｉ_{ｔｈｒｅｓ}より上に高めることができる。これに代わる幾つかの実施形態によれば、面Ｓが所与の非レーザ処理ゾーン内にあるとの判別を受け、焦点２０の強度をレーザ処理閾値Ｉ_{ｔｈｒｅｓ}未満に低めることができる。

ご理解頂けるように、上述及び描出した諸例は専ら例示を意図したものである。例えば、他の幾つかの実施形態によれば、そのフレームを対地固定することができる。これに代え、そのフレームを、レーザ処理サブシステムが実装される第１フレームと、カメラが実装される第２フレームとを有するものとし、それら第１フレーム及び第２フレームを互いに一体化させることができる。また例えば、位置キャプタ、参照アクチュエータその他何らかの手段により互いに機械的に基準付けされている独立なフレーム群に、カメラ及びレーザ処理サブシステムを実装することができよう。ご理解頂けるように、表現「校正データ」は、表、アレイ、更には数学的関係の形態で格納されたデータが包括されるよう、広く解されることを意図したものである。本レーザ処理システムが、表面の三角測量を可能とする何れの種類の好適構成を有していてもよい。例えば、レーザ処理システムが呈しうる構成には、レーザ処理ビームが表面に対し垂直でありカメラがその面を斜め視角から撮像する標準構成、レーザ処理ビームが表面に対し斜めでありカメラがその面を垂直視角から撮像する逆転構成、レーザ処理ビームとカメラの視野とが表面に対し斜めでありそれらが同じ方向を向いているスペキュラ構成、並びにレーザ処理ビームとカメラの視野とが表面に対し斜めでありそれらが逆の方向を向いているルックアウェイ構成がある。但し、好適であれば他のどのような構成を用いてもよい。ある種の実施形態によれば、レーザ処理対象面の初期座標に基づきレーザ処理ビームの第１パスを実行することができる。他方、ある種の実施形態、とりわけ表面の初期座標が未知な諸実施形態によれば、レーザ処理ビームの焦点のデフォルト焦点経路に対応付けうるデフォルト空間座標に基づき、その面Ｓに対するレーザ処理ビームの第１パスを実行することができる。例えば、ある種の実施形態によれば、レーザ処理システムのフレームから所定間隔（例．３０ｃｍ）分だけ空間的に隔たる平面内に広がるよう、デフォルト焦点経路を設定することができる。技術的範囲は別項の特許請求の範囲によって指し示される。

Claims (23)

1. 表面をレーザ処理する方法であって、
   第１視点から上記表面の方へとレーザ処理ビームを差し向けるステップであり、そのレーザ処理ビームの焦点をある焦点位置に設けることでその面をスポットで以て照明する一方、第１視点とは異なる第２視点からその面上のそのスポットを撮像するステップと、
   校正データと上記スポット撮像結果の特徴とに基づき上記表面の空間座標を特定するステップと、
   上記表面の上記既特定空間座標に基づきその面をレーザ処理するステップと、
   を有する方法。
2. 請求項１の方法であって、上記特徴が、上記スポット撮像結果の中心位置なる形態で提供される方法。
3. 請求項１の方法であって、上記特徴が、上記スポット撮像結果の寸法なる形態で提供される方法。
4. 請求項１の方法であって、上記差し向けの際に、上記レーザ処理ビームの焦点をある焦点経路に沿い動かすことで上記表面を移動スポットで以て照明し、上記撮像の際にその面上のその移動スポットを撮像する方法。
5. 請求項４の方法であって、上記特徴が、上記移動スポット撮像結果の中心経路なる形態で提供される方法。
6. 請求項４の方法であって、上記特徴が、上記移動スポット撮像結果の寸法であり上記焦点の移動方向に対し垂直な寸法なる形態で提供される方法。
7. 請求項４の方法であって、上記焦点経路が、レーザ処理窓を写像する複数本の焦点経路を含む方法であり、更に、上記表面のうちレーザ処理窓内がレーザ処理され終えるまで、それら複数本の焦点経路に関し上記差し向け、上記撮像、上記特定及び上記レーザ処理を実行するステップを、有する方法。
8. 請求項１の方法であって、上記撮像中に上記焦点がレーザ処理閾値超の強度を呈する方法。
9. 請求項１の方法であって、上記指差し向けが上記表面の初期空間座標に基づき実行される方法であり、更に、その面の既特定空間座標に基づきそれら初期空間座標を更新するステップを有する方法。
10. 請求項９の方法であって、上記レーザ処理が上記特定に対し非依存的且つ同時的な方法。
11. フレームと、
    上記フレームに実装されており表面に対する第１視点を有するレーザ処理サブシステムであり、その面の方にレーザ処理ビームを差し向けそのレーザ処理ビームの焦点をある焦点位置に設けることでその面をスポットで以て照明するよう適合構成されているレーザ処理サブシステムと、
    上記フレームに実装されており上記第１視点とは異なる第２視点を有するカメラであり、上記照明と同時に上記表面の上記スポットを撮像してそのスポットの画像を生成するよう適合構成されているカメラと、
    上記レーザ処理サブシステム及び上記カメラに可通信結合されたコンピュータであり、備わるメモリシステム上に格納されている命令群をプロセッサにより実行することで、
    校正データと上記画像における上記スポット撮像結果の特徴とに基づき上記表面の空間座標を特定し、且つ
    上記表面の上記既特定空間座標に基づきその面をレーザ処理するようレーザ処理サブシステムに命令する、
    コンピュータと、
    を備えるレーザ処理システム。
12. 請求項１１のレーザ処理システムであって、上記フレームが、自フレームから張り出した１個又は複数個のハンドルを有するレーザ処理システム。
13. 請求項１１のレーザ処理システムであって、上記レーザ処理ビームが、電磁スペクトルの赤外域に属する波長を有し、上記カメラが、その電磁スペクトルのその赤外域に属する照明を撮像するよう構成されているレーザ処理システム。
14. 請求項１１のレーザ処理システムであって、上記特徴が、上記スポット撮像結果の中心位置なる形態で提供されるレーザ処理システム。
15. 請求項１１のレーザ処理システムであって、上記特徴が、上記スポット撮像結果の寸法なる形態で提供されるレーザ処理システム。
16. 請求項１１のレーザ処理システムであって、上記差し向けに際し、上記レーザ処理ビームの焦点をある焦点経路に沿い動かすことで上記表面を移動スポットで以て照明し、上記撮像に際しその面上のその移動スポットを撮像するレーザ処理システム。
17. 請求項１６のレーザ処理システムであって、上記特徴が、上記移動スポット撮像結果の中心経路なる形態で提供されるレーザ処理システム。
18. 請求項１６のレーザ処理システムであって、上記特徴が、上記移動スポット撮像結果の寸法であり上記焦点の移動方向に対し垂直な寸法なる形態で提供されるレーザ処理システム。
19. 表面の空間座標を特定する方法であって、
    第１視点から上記表面の方へとレーザ処理ビームを差し向けるステップであり、そのレーザ処理ビームの焦点をある焦点位置に設けることでその面をスポットで以て照明する一方、第１視点とは異なる第２視点からその面上のそのスポットを撮像するステップと、
    校正データと上記スポット撮像結果の特徴とに基づき上記表面の空間座標を特定するステップと、
    を有する方法。
20. 請求項１９の方法であって、上記特徴が、上記スポット撮像結果の中心位置なる形態で提供される方法。
21. 請求項１９の方法であって、上記特徴が、上記スポット撮像結果の寸法なる形態で提供される方法。
22. 請求項１９の方法であって、上記差し向けが上記表面の初期空間座標に基づき実行される方法であり、更に、その面の既特定空間座標に基づきそれら初期空間座標を更新するステップを有する方法。
23. 請求項２２の方法であって、更に、上記表面の上記現空間座標に基づきその面をレーザ処理するステップを有し、そのレーザ処理が上記特定に対し非依存的且つ同時的な方法。
    

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