JP3126145B2 - スペクトル放射弁別法を用いる材料除去プロセスの制御方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は、材料除去プロセスおよびシステムに関し、
特に材料をパルス光で照射することにより得られるスペ
クトル放射により制御される材料除去プロセスおよびシ
ステムに関する。

（背景技術） 物質コーティングは、工業製品に基く我々の社会にお
いて重要な役割を演じる。コーティングは、腐食防止、
断熱、遮蔽ならびに外観の向上、および識別の手掛かり
を提供する。

橋梁、航空機、自動車および船舶の如き多くの工業製
品の使用寿命において、塗装コーティングは種々の理由
から除去および更新を必要とする。例えば、航空機にお
ける塗料の改装は定期的な保守項目である。商業的航空
会社は、自社の航空機を略々４ないし５年の稼働で再塗
装を行う。米合衆国の軍隊は、３年あるいはそれ以下の
稼働後に航空機の再塗装を行う。大型船舶あるいは橋梁
の外表面のコーティングは、腐食の防止あるいは阻止の
ため、周期的な改装を必要とする。

航空機の表面からの塗料の除去は、特別な問題をもた
らす。このような表面は、大きく、不規則な形状を呈
し、かつ比較的デリケートである。航空機の表面が典型
的に軽量アルミニウムまたは有機材料を基材とする複合
材料であるので、このような表面および下側の基板は、
構造的一体性を損ない得る塗料除去作業の間に特に破損
を受け易い。

多くの異なる方法が塗料コーティングを除去するため
用いられてきた。１つの種類である「粒子媒体ブラスト
（PMB）」法は、剥離される表面にBB、プラスチック媒
体、鋼鉄ショット、小麦スターチおよび（または）砂の
如き粒子を衝突させることを含む。しかし、塗料の如き
硬化したコーティングを除去するにはそれ自体充分に有
効なPMB法は、注意深く管理されなければ、航空機や自
動車において見出される如きデリケートな表面を損傷す
るおそれがある。例えば、衝突粒子は１つの場所にあま
りにも長く滞留すると、衝突された表面があばた状（pi
tted）となるかあるいは応力硬化を生じる。このこと
は、あばた（pitting）あるいは応力硬化は航空機のそ
の部分における負荷を変化させ得るため、航空機の表面
に関して特に重大である。PMB法はまた、航空機の表面
板間にしばしば見出されるパテ継目を損なうことがあ
る。

当技術においては、塗料層を化学的に分解するために
塗装面に化学的合成物を塗布することにより、露呈され
る表面から塗料を剥離することもまた公知である。しか
し、このような化合物は、人間の健康に対して危害を呈
し、通常は有毒であり、またしばしば生物分解し得な
い。とりわけ、これらの種類の化合物は、重大な環境問
題を生じる故に、処理が困難でありかつ高価につく。

機械的塗料除去技術もまた採用されてきた。例えば、
米国特許第4,836,858号「超音波の助けによる塗料除去
法（Ultrasonic Assisted Paint Removal Metho
d）」は、剥離される表面と接触状態に置かれた超音波
往復運動エッジを使用する手に持つ道具を開示してい
る。不都合にも、この道具の使用は、労働集約的であっ
て、これを有効に使用するためには人間の使用者の習熟
に依存する。更に、この道具の制御は、１つの場所に長
すぎる道具の滞留があるならば航空機の表面が損傷する
可能性があるので、航空機に対して用いられる時に問題
となる。

放射エネルギ塗料除去技術もまた、当技術において公
知である。１つのこのようなシステムは、レーザおよび
ビデオ・フレーム・グラバー（video frame grabbe
r）をビデオ制御塗料除去システムに用い、このシステ
ムではビデオ・カメラが剥離される表面のイメージを電
子データ信号へ変換する間、塗料を融除する（ablate）
ためレーザ出力を用いて表面から塗料が剥離される。こ
のデータ信号は、レーザ出力を制御するために使用され
る。プロセッサが、データ信号をメモリーに記憶された
諸パラメータと比較して、充分な塗料が剥離されつつあ
る表面から除去されたかどうかを判定する。充分な量の
塗料が除去されると、表面はレーザで照射され続ける。
照射された領域が充分に剥離されると、プロセッサは別
の領域を融除するためレーザを指向する。ビデオ制御塗
料除去システムの重要な問題は、生成され処理されねば
ならないデータ量が非常に多量であることである。従っ
て、ビデオ制御塗料除去システムのリアルタイム制御
は、非常に困難である。

例えば、繊維強化エポキシまたは他の熱硬化あるいは
熱可塑性複合材から作られた複合構造材の使用は、益々
一般的になっている。多くの航空機および自動車は、表
面構造のためプラスチック複合材を広範囲に採用してい
る。このような構造材は、化粧、識別および偽装を含む
様々な理由のため塗装されている。しかし、このような
塗装された表面は、これらが曝される気象の作用および
機械的作用力の下で劣化し、このため除去および更新を
必要とする。

手作業のサンドペーパー掛け以外に、このような複合
材の表面から塗料を除去するための適当な方法がない。
塗料の除去のためそれ自体充分に有効なPMBおよび機械
的研磨法は、複合材を損傷することが判った。化学的合
成物による塗料の除去は、このような化学的薬品が複合
材ならびに塗料を侵す傾向を有するので、満足し得る解
決法を提供するものではない。

種々の理由から、大きな表面、およびリベットの如き
トポロジー的な異常を有する表面から塗料を除去するた
めの塗料除去手法は、完全に満足し得なかった。このた
め、コーティングの除去、特に航空機や自動車において
見出される如き大きな表面かつしばしばデリケートな表
面からの塗料の除去は、満足に解決されなかった問題で
あることが判る。

（発明の概要） 本発明は、基板上に形成された材料層を除去するため
のシステムおよび方法を有効に提供する。本発明は、露
呈層あるいは下側の構造物の表面を損なうことなく、多
層構造物の特定の材料層の表面を露呈するために用いる
ことができる。本発明は、削摩、加熱および（または）
化学的な暴露の如き伝統的な材料除去プロセスにより容
易に損傷され得る多層構造物を含む層の特定の表面を露
出させるために充分に適合する。本発明は、材料層を構
造物から除去することが要求されるならば、塗料除去産
業ならびに他の産業において広い適合性を見出すもので
ある。

本発明の一特質によれば、光エネルギで照射される材
料が熱の形態で光エネルギを吸収する現象が利用され
る。材料の照射された表面における光のパワーの強さが
充分であれば、この材料は蒸発し、あるいは融除され
る。融除（ablation）は、材料によるエネルギの吸収の
結果として生じる材料の迅速な分解および蒸発であり、
材料の表面から照射する圧力波の生成と関連している。
継続する照射は、継続する融除を生じ、従って、下側の
構造体からの被照射材料の除去を生じる。蒸発状態にあ
る間、材料は、その材料の化学的組成のスペクトル放射
特性を生じる。望ましいことには、本発明は、特定の材
料層の融除（ならびに非融除）を決定するため用いられ
るこのようなスペクトル放射を監視する。このようなス
ペクトル放射の監視は、このように、材料の除去あるい
はコーティングの除去プロセスを制御するため本発明に
より用いられる。

本発明の第１の実施例は、入射した放射による材料の
融除により生じる煙霧（plume）中に存在するスペクト
ル放射を検査する、構造体から材料を除去するためのシ
ステムおよび方法を提供する。入射する放射は、閃光ラ
ンプまたはレーザからでよい。当該システムおよび方法
は、（１）パルス状の光ビームを生成し、（２）構造体
の表面材料を融除するに充分な強さを持つ光ビームでこ
の表面材料を照射して、表面材料に強さを持つスペクト
ル放射信号を生じさせ、（３）光ビームで前記構造体を
走査し、（４）スペクトル放射信号を監視して、選択さ
れた波長を持つスペクトル放射信号の選択された１つを
検出し、かつスペクトル放射の選択された１つの強さを
表わす電子的出力信号を生じ、（５）当該電子的出力信
号と関数的に関連する更新された走査速度を決定し、
（６）更新された走査速度と等しくなるように走査速度
を指向することを含む。第２の実施例は、光源のパルス
周期中に予め定めた間隔で検出されるスペクトル放射信
号の強さに基いて更新された走査速度を決定する。本発
明の第３の実施例は、光源のパルス周期中に予め定めた
間隔中構造体を照射するレーザ・パルスから結果として
生じるスペクトル放射信号の強さに基いて更新された走
査速度を決定する。

本発明の主たる利点は、炭素エポキシ複合材の如き壊
れやすい構造体あるい容易に損傷を受ける材料の表面か
らコーティングを除去するための自動化されたシステム
および方法が提供されることである。本発明の別の利点
は、処理のための特殊な取扱いを要する危険な廃棄物を
生じることなく経済的な方法で、構造体から材料を除去
することができることである。更に、本発明のシステム
および方法は、最小限の人間の介在で動作させることが
できる。本発明は、不均一な厚さのコーティングを除去
するための自動化されたプロセスを提供するため用いら
れ得る。本発明はまた、異なる材料コーティング間を弁
別する。このような弁別は、照射材料を識別し、かつコ
ーティング除去プロセスを制御するために用いられる。
上記および他の利点については、本明細書、図面および
請求の範囲を考察すれば容易に理解されよう。

（図面の簡単な説明） 図１は、本発明による多層構造体から材料を選択的に
除去するためのシステムの一典型実施例のブロック図、 図2Aは、ロボット位置決め機の速度と選択されたスペ
クトル放射信号の平均正規化振幅との間の増加する関数
的関係の一例を示すグラフ、 図2Bは、ロボット位置決め機の速度と選択されたスペ
クトル放射信号の平均正規化振幅との間の減少する関係
の一例を示すグラフ、 図３は、露出されるべき選択された表面を有する典型
的な多層構造体を融除することにより生じるスペクトル
放射を検出して記録するための装置を示す図、 図４は、425ナノメートルの波長におけるクロームを
融除するスペクトル放射の振幅を示すグラフ、 図5Aおよび図5Bは、本発明のシステムおよび方法の特
徴を具現した、基板からコーティングを除去するための
プロセスの一例を示すフローチャート、 図６は、図１のデータ処理回路38のブロック図、 図７は、本発明の諸特徴を具現した所望の表面を露出
するため多層構造体から材料を選択的に除去するための
システムの典型的な第２の実施例のブロック図、 図８は、図７のデータ処理回路38aのブロック図、 図9Aは、ハウジング内に取付けられた閃光ランプの正
面断面立面図、 図9Bは、ハウジング内に取付けられた閃光ランプの側
面断面立面図、 図10Aおよび図10Bは、本発明のシステムおよび方法の
第２の実施例を実現するためのプロセスの一例を示すフ
ローチャート、 図10Aおよび図10Cは、本発明のシステムおよび方法の
第２の実施例を実現するためのプロセスの第２の実施例
を示すフローチャート、 図11は、本発明の種々の特徴を具現する、所望の表面
を露出させるため多層構造体から材料を選択的に除去す
るためのシステムの第３の実施例であって、除去される
材料を融除するための広帯域光源と除去プロセスを制御
するためスペクトル放射を発生するためのレーザとを用
いる第３の実施例のブロック図、 図12Aは、時間の関数として図11の閃光ランプのスケ
ールされた出力と、周期的なデータ・サンプル周期の事
例を示すグラフ、 図12Bは、時間の関数として図16のデータ処理回路38a
のコンパレータの出力信号を示すグラフ、 図12Cは、時間の関数として図11のレーザの出力を示
すグラフ、 図13Aおよび図13Bは、本発明の第３の実施例を実現す
るためのプロセスの一例を示すフローチャート、 図13Aおよび図13Cは、本発明の第３の実施例を実現す
るためのプロセスの一例を示すフローチャート、 図14は、時間の関数として図７の閃光ランプのスケー
ルされた出力強さを定量的に示すグラフ、 図15は、時間の関数としてデータ処理回路38aの割込
み信号71の振幅を定量的に示すグラフ、 図16は、レーザ制御出力信号41fを含む図11のデータ
処理回路38aのブロック図、 図17は、図１のレーザのスケールされた出力を定量的
に示すグラフ、 図18は、時間の関数として図１のデータ処理回路38の
割込み信号71の振幅を定量的に示すグラフである。

本明細書および図面にわたって、類似の構成要素が類
似の参照番号を用いて示される。

（実施例） 以降の記述は、本発明を実施するために現在考えられ
る最良の形態についての記述である。この記述は、限定
する意図においてなされるべきものではなく、本発明の
一般的原理を記述する目的のためになされるものであ
る。本発明の範囲は、請求の範囲に関して決定されるべ
きである。

本発明の第１の実施例 図１において、予め定めた経路に沿って構造体14の表
面を照射し走査するように指向されたパルス状のレーザ
・ビーム12を発生するためのレーザ10が示される。レー
ザ・ビーム12は、500〜100Hzの範囲内の変調周波数と、
約0.2マイクロ秒のパルス幅とを有し得る。レーザ10
は、周知の形式のレーザ電源11からの信号15により制御
される。レーザ電源11はそれ自体、データ・プロセッサ
40により提供される信号41cにより制御される。構造体1
4が材料の層18および20の如き１つ以上の層を持つ基体1
6からなるものとして例示される本発明の利点について
は、更に容易に理解されよう。しかし、本発明はまた、
均質あるいは集合の構造体のような他のタイプの構造体
から材料を除去するためにも使用され得る。

レーザ・ビーム12により１〜５ジュール/cm²の範囲内
にある強さで照射されるとこれに応答して、層20は融除
して高温材料の煙霧（plume）を形成する。この煙霧
は、融除材料の波長成分特性を持つ光の形態における線
放射即ちスペクトル放射信号17を放出する。信号17は、
検出された放射の強さを表わす電子信号29aを発生する
光検出システム25によって受信される。光検出システム
25は、光学的フィルタ26と、光検出器アレイ28とを含
む。事例として、フィルタ26は、モデル57XXXの如きOri
el社の分析ライン・フィルタとして構成され得る。信号
17は、特定の材料、例えば、特定の用途に依存する露呈
あるいは除去されることを欲する構造体14の層を含む材
料のスペクトル放射と関連することが知られる「サイン
（signature）」波長を持つある光信号27のみを送るよ
うに選択される光学的フィルタ26により濾波される。こ
のサイン波長は、特定の材料が融除されつつあるかどう
かを決定するために使用される。

光検出器アレイ28は、データ処理回路38により受信さ
れる信号27を受信するとこれに応答して、電子出力信号
29aを発生する。光ビーム・スプリッタ11は、レーザ・
ビーム12を分割（transect）して光検出回路25aに対し
てサンプル・レーザ・ビーム12′を与える。データ処理
回路38はまた、狭い帯域通過光学的フィルタ26bとフォ
トダイオード28とを含む光検出回路25aからデータを受
信する。光検出回路25aは、光信号27bを光検出器ダイオ
ード28bへ与える光学的フィルタ26bを介してレーザ出力
12′を検出する。フォトダイオード28bは、光信号27bを
対応する電気信号29bへ変換し、この信号もまたデータ
処理回路38へ与えられる。

図６において、データ処理回路38は、信号29aおよび2
9cにより与えられるデータを連続的に受信するが、速度
制御出力信号39に対する適切な値を決定するためレーザ
10が光エネルギを発生している時、ディジタル／アナロ
グ・コンバータ641の基準値に従って、コンパレータ70
の出力により確立される特定の間隔で生じるデータのみ
を使用する。光検出回路25のフォトダイオード・アレイ
28は、光信号17を連続的に検出するが、プロセッサ610
からのリセット信号640の受信に応答して当該光信号の
みを記憶する。しかし、フォトダイオード・アレイ28
は、回路38の動作の理解を容易にするためＭ×Ｎ個のフ
ォトセルを含み、例示としてのみ、フォトダイオード・
アレイ28は１×100アレイを有し得る。光検出回路25bの
フォトダイオード28bは、基準レーザ・ビーム12′の存
在を連続的に検出し、増幅器617により増幅され望まし
くは０〜５ボルトにスケールされるアナログ信号29bを
生じる。スケールされかつ増幅されたDCアナログ信号61
8は、並列の割込みタイマー612からのホールド入力信号
613の受信に応答して信号260を出力する追跡／ホールド
回路619により受信される。フォトダイオード・アレイ2
8に記憶されたデータは信号29aとして出力され、この信
号は次に増幅されて信号601として増幅器617により０〜
５ボルトの範囲内でスケールされることが望ましい。次
に、信号601は、追跡／ホールド回路602へ与えられる。

フォトダイオード・アレイ28の各セルに記憶されたデ
ータは、プロセッサ610からの一連のクロックされたシ
フト信号640aのフォトダイオード・アレイ28による受信
に応答して、信号29aとして逐次出力される。例えば、
１×100アレイの場合は、プロセッサ610は、アレイ20の
第１のフォトダイオードからのデータを信号29aとして
出力させ、増幅器600により増幅され、次いで追跡／ホ
ールド回路602へ与える指標「０」と関連する調時され
たシフト信号を最初に発生する。連続する各シフト信号
640は、前のシフト信号640aと関連する指標値より
「１」だけ大きい指標値と関連させられる。このため、
フォトダイオード28が100個のフォトダイオードを有す
るならば、プロセッサ610は指標０〜99により示される1
00個のシフト信号を生じる。プロセッサ610は、並列割
込みタイマー612により受信され、各シフト信号640aが
生成される時に同時に生じるタイミング信号611を発生
する。タイミング信号611の受信に応答して、並列割込
みタイマー612はカウント・ダウンを開始し、その後こ
のタイマーがホールド信号613および613aを生じ、当該
ホールド信号613および613aが追跡／ホールド回路619お
よび602をそれぞれトリガーする。並列割込みタイマー6
12において実行されるカウント・ダウンの周期は、追跡
／ホールド回路619および602へ与えられる信号を安定化
させるに充分でなければならない。指標「０」を持つシ
フト信号640aが信号29aの出力を追跡／ホールド回路602
によりトリガーした後の所定時間に、並列割込みタイマ
ー612がホールド信号613および613aを追跡／ホールド回
路602および619のそれぞれへ与えて、信号603および620
のMUX（マルチプレクサ）604への提供を結果として生じ
る。マルチプレクサ604は、プロセッサ610により生成さ
れたアドレス信号607の受信に応答して、信号603、620
を信号606線を介してフラッシュ・アナログ／ディジタ
ル・コンバータ605へ逐次伝送する。信号620、603のデ
ィジタル化表示が、データ・バス614を介してプロセッ
サ610により受信され、当該プロセッサ610が、信号603
の値を信号620の値で除してフォトダイオード・アレイ2
8の中のフォトダイオード番号「１」により記憶された
データを表わす正規化値を生成する。この正規化値は、
プロセッサ610によりデータ・バス615aを介してRAM615
に記憶されるように与えられる。

トリガー信号13は、フォトダイオード・アレイ28に記
憶された全てのデータの各転送サイクル、典型的には指
標「０」を持つシフト信号640aが生成された後のカウン
ト・ダウン期間内に１回のみ生成されることが望まし
い。追跡／ホールド回路602は、ホールド信号613aの受
信に応答して、信号603をマルチプレクサ604へ与える。
このプロセスは、フォトダイオード・アレイ28に記憶さ
れたデータの全てのディジタル化表示がプロセッサ610
により正規化されてRAM615に記憶されるまで、セル１〜
99に記憶された各データに対して反復される。プロセッ
サ610の制御は、ROM616に記憶された命令により行わ
れ、プロセッサ610へデータ・バス616bを介して送られ
る。

フォトダイオード・アレイ28に記憶されたデータのデ
ィジタル表示の全てが正規化されてRAM615に記憶された
後、プロセッサ610は、その時検出中であるどれかの光
情報をフォトダイオード・アレイ28に記憶させるリセッ
ト信号640を生成する。

プロセッサ610はまた、レーザ10のパルス周期（「デ
ータ・サンプル・モード」と呼ばれる）の間の特定の時
間中のみ検出されるデータを処理することが望ましいの
で、フォトダイオード・アレイ28によってデータが記憶
されるべき時を制御する。

データ・サンプル・モード制御は、ウインドウ・コン
パレータ70へ１つの入力として信号618を与えることに
より行われる。ウインドウ・コンパレータ70に対する他
の入力は、ディジタル／アナログ・コンバータ641によ
り与えられる基準電圧である。D/Aコンバータ641は、コ
ンパレータ70により信号618と比較される基準電圧V_REF
でアナログ出力電圧信号642を生じる。信号618と信号64
2との間の差が予め定めた間隔内にある時、コンパレー
タ70の出力信号71は論理「ハイ」となる。プロセッサ61
0が信号71を論理「ハイ」として検出すると、プロセッ
サ610は、先に述べたように、一連のシフト信号640a、
リセット信号640、および一連の信号611を生成すること
によりデータ・サンプル・モードへ進み、その結果フォ
トダイオード・アレイ28に記憶されフォトダイオード28
bにより与えられるデータがプロセッサ610により記憶さ
れ処理される。

出力信号642は、信号618の電圧レベル、V₆₁₈が関係
式:V_WC＜V₆₁₈＜V_WOに従うある電圧限度内にある時にの
み、値V_REFを有する、但し、V_WCはウインドウが消える
（lose）基準電圧を表わし、V_WOはウインドウが開く基
準電圧を表わす。V_WOおよびV_WCに対する値は、プロセッ
サ610によりデータ・バス643を介してD/Aコンバータタ6
41へ与えられ、試行錯誤により経験的に決定され得る。
値V_WOおよびV_WCは、当業者には周知の手段により、プロ
セッサ610へ入力され得る。

例えば、レーザ10の出力は、信号618により定量的に
示され、また図18にグラフで示されるように、０乃至５
ボルトにスケールされる。図示の目的のため、また単な
る例示として、V_WOは3Vであり、V_WCは2Vである。このよ
うな場合、出力信号642は、サンプル間隔t_sampleの間、
基準電圧V_REFと等しい。このような場合、TTL信号71
は、図19に示されるように、各サンプル間隔t_sampleの
間、電圧レベル5VのV₇₁を持つことが望ましい一連のパ
ルスである。このように、データ処理回路38が、レーザ
10のデューティ・サイクルの間に、特定の時間間隔内で
光検出回路25および25bにより生成されたデータの検索
および処理を制御することが理解できる。

信号71は、割込み信号である。従って、信号71が論理
「ハイ」である時は常に、プロセッサ610がデータ・サ
ンプル・モードで動作する。信号71が論理「ロー」であ
る時間間隔中では、プロセッサ610は、他の機能、例え
ば、走査速度値を決定して対応する走査速度制御出力62
2を生じるためデータ・サンプル・モードの間に得たデ
ータの処理を行うことができる。RAM615に記憶されたデ
ータの処理に関する詳細については、更に本文に記載さ
れる。プロセッサ610の出力信号622は、更に本文に述べ
るように、データ・プロセッサ40へ与えられる走査速度
制御信号である。

データ・プロセッサ38はＮを計算する。但し、 また、ｉはフォトダイオード・アレイ28における特定の
フォトダイオードを表わし、ｍはアレイ28におけるフォ
トダイオードの合計数を表わす。値Ｎの目的について
は、更に本文において記載される。Ｎは、フォトダイオ
ード・アレイ28において検出され記憶された光データの
正規化された平均強さを表わす。

更に詳細に本文に述べる処理ルーチンによれば、プロ
セッサ610は、レーザ10が構造体14を照射する方法を決
定する制御出力信号622を決定する。例えば、制御信号6
22は、構造体14を横断するレーザ・ビーム12の適当な走
査速度と、あるいはその時照射されつつある領域からの
増分的な離散距離だけ構造体14の表面上の別の領域を照
射するようにレーザ10の出力を指向するため使用される
「指標」制御信号と対応する。ディジタル電気出力信号
622は、光ファイバ・トランシーバ626、例えば、Litton
社の光ファイバ・トランシーバ、モデルE03675−２によ
り、対応するディジタル光信号625へ変換される。信号6
25は、光ファイバ627を介して遠隔の光ファイバ・トラ
ンシーバへ伝搬し、このトランシーバがディジタル光信
号626をディジタル電気信号39へ変換する。プロセッサ6
10の出力制御信号622の光信号625への変換が、制御信号
を電磁干渉即ち「EMI」を比較的受けにくい長い距離伝
搬させ得る。

レーザ10および光検出システム25および25aが、ロボ
ット・コントローラ44により制御されるロボット位置決
め装置42に取付けられている。ビーム・スプリッタ11
が、レーザ・ビーム12を分割して光検出システム25aに
対してサンプル・レーザ・ビーム12′を与える。レーザ
10は、データ・プロセッサ40によりコントローラ44に対
して与えられる経路命令信号41aに従って、予め定めた
経路に沿ってレーザ・ビーム12により構造体14を走査す
るように指向されるう。構造体14がレーザ・ビーム12に
より照射されつつある間、光検出システム25は、スペク
トル放射信号17から濾波されたいずれのスペクトル放射
信号27を検出するように配置されている。本発明の一変
形では、ロボット位置決め装置42の速度が、プロセッサ
610において実行されプロセッサ610によりプロセッサ40
へ与えられる適当な処理ルーチンを用いて生成される制
御信号622によって制御される。プロセッサ610および40
は、当業者には周知のように、単一（simple）RS−232
初期接続手順（handshake）技術を用いて相互に通信す
ることができる。本発明の別の変形においては、出力制
御信号622は、レーザ・ビーム12が構造体14を離散距離
走査するように、ロボット位置決め装置42に指令するた
め使用される論理「ハイ」または「ロー」である。この
後者の処理は、指標付けとも呼ばれる。制御信号39の受
信に応答して、プロセッサ40は更に、ロボット・コント
ローラ44に対するロボット制御信号41bを生成する。

本発明の一変形においては、制御信号41bの値は、本
文において更に詳細に述べるように、特定の用途の要件
に応じて、増加するかあるいは減少する関数によりディ
ジタル出力信号39と関連付けられる。

再び図１において、ロボット位置決め装置42に取付け
られたノズル60が、レーザ10により照射されたばかりの
領域に衝突することにより構造体14を冷却するように指
向される粒子流62を噴射する。この粒子流は、固体粒子
の気体または液体、あるいは気体または液体に同伴され
る固体粒子の組合わせからなる。粒子62は、粒子流供給
源64からダクト69を介してノズル60へ供給され、粒子供
給源64は例えば気体タンク、あるいは米国オハイオ州、
LovelandのCold Jet社から入手可能な形式の二酸化炭
素ペレット供給源でよい。この粒子流は、レーザ10によ
り照射されている領域から材料を融除する排出物（ejec
ta）を有効に払拭する。粒子流供給源64は、データ・プ
ロセッサ40により与えられる信号41dにより選択的に使
用可能状態にされる。

図１において、本発明はまた、ダクト63およびノズル
65を含む真空システム61を用い得る。ノズル65は、レー
ザ10および粒子流が構造体14の表面を走査する時、真空
システム61が融除された排出物および使用済み粒子流を
ノズルの入口67を介して連続的に引出す。ノズル65は、
ロボット位置決め装置42により支持されるように図１に
示されている。

本発明の範囲は先に述べたもの以外のデータ・プロセ
ッサの使用を含むものであるが、データ・プロセッサ40
は、IBM社のATまたはAT互換のパーソナル・コンピュー
タでよい。ロボット位置決め装置42は、米国ミネソタ州
ShoreviewのCIMCORP Precision Systems社製のCIMROC
4000ロボット・コントローラでよい。しかし、他の市
販される産業ロボットもまた本発明の実現において採用
できることを理解すべきである。

材料がそれらのスペクトル放射の強さに基いて弁別で
きることを検証するため、図３および図４に関して述べ
たように実験が行われた。頂部コート56（MIL−Ｃ−832
86）が塗布されたプライマ54（MIL−Ｐ−23377）で塗装
されたアルミニウム基板52を含む構造体50が図３に示さ
れる。プライマ54は、クロム酸ストロンチウム（耐防食
剤）を約４〜５重量％含み、頂部コート56は、約２％の
クロム酸ストロンチウムからなっている。プライマ54の
融除ならびにプライマ54でない材料の融除を判定するた
め、ストロンチウムまたはクロムの原子あるいはイオン
放射線のいずれかを監視することができる。実験におい
ては、クロム酸ストロンチウムの存在を識別するために
425nmのクロム放射線の強さが選択された。

図３において、構造体50が、248nmでUV線を発生するQ
uestek社のシリーズ2000エキシマ・レーザにより生じた
パルス状レーザ・ビーム70からの一連のパルスによる直
角の入射で照射された。レーザ・ビーム70は、100ナノ
秒のパルス幅により10Hzで変調された。表面58における
入射強さは、3.8ジュール/cm²であった。照射されると
これに応答して、領域58付近の材料が融除し、425.4nm
の中心波長透過度（transparency）を有する狭帯域通過
光フィルタ76により濾波されたスペクトル放射信号74を
生じた。光信号74の一成分として含まれる425nmの波長
を有する光が、プライマ54の融除により放射されて、光
信号77として光ファルタ76を通過した。信号77は、LeCr
oy社の9400シリーズ・オシロスコープ80へ与えられた電
気信号を生じたEG＆ＧのOMAモノクロモメータ（monochr
omometer;光検出器）78により検出された。Unisis社の
チャート・レコーダ81におて観察される如き光検出器78
の出力は、図４にグラフで示される。

図４に示されるように、パルス番号０〜30と関連する
信号79の振幅は約20ミリボルトであって頂部コート56の
融除を示している。パルス番号50〜200と関連する信号7
9の振幅は、200mvを越える電圧により表わされ、プライ
マ54の融除により明瞭に生成された。パルス番号200を
越えると、信号79の振幅は減少して、プライマ54の略々
完全な（融除による）除去と、レーザ・ビーム70による
アルミニウム基板52の照射の開始とを示している。

このため、図１および図３に示された装置およびシス
テムが、このような融除された材料により生じたスペク
トル放射のピーク強さを監視することにより、異なる材
料の融除を容易に弁別できることが判る。

本発明のシステムにより実現される方法は、レーザの
出力の波長と検出されることが要求されるスペクトル放
射の選択された波長との間に識別し得る差が存在する場
合に、最も有効に用いられる。この差は、レーザ・ビー
ムが選択されたスペクトル放射の検出と干渉しないこと
を保証する。構造体14の如き多層構造体の選択された表
面を露出するために本発明が用いられる用途において
は、露出されるべき層の材料は、前記構造体を含む他の
材料の融除の結果として生じるスペクトル放射とは弁別
し得る波長のサイン（signature）を有するスペクトル
放射を生じねばならない。さもなければ、材料は弁別す
ることができない。

先に述べたように、信号39により表わされる如き出力
信号29aのピーク・パルス振幅の正規化された平均値と
関連するロボット位置決め装置42の速度は、一般に、出
力信号29aおよび29bの値の比の関数であり、最小および
最大の限度間に制限される。図2Aは、増加する関数の一
例を示す。露出されるべき層（例えば、基板18）により
発生したスペクトル放射がプロセスを制御するため用い
られる場合である、下側の層を露出するため１つ以上の
材料層（層20および18の如き）を除去することが欲され
る用途においては、このような関数は増加する。このよ
うな用途は、ケース１の用途と呼ばれる。

Ｎの関数としての速度の関係が図2Aに示されるように
増加するケース１においては、Ｎが最小閾値Threshold
_minと等しいかあるいはこれより小さければ、データ処
理回路38により発生された信号39は、ロボット位置決め
装置42の速度が最小走査速度Scan Speed_minになるよう
制御される如きものである。Ｎが最大閾値Threshold_max
と等しいかあるいはこれより大きければ、プロセッサ38
により発生された信号39は、ロボット位置決め装置42の
速度が最大走査速度Scan Speed_maxになるように制御さ
れる如きものである。ディジタル・データ・プロセッサ
からの信号29aおよび29bの如き入力データの値の関数と
してこのような出力制御信号を発生させる手法は、当業
者には周知である。

Threshold_minおよびThreshold_maxに対する値は、望ま
しくは図１に関して先に述べたシステムおよび方法を用
いて以下に述べる如く実験的に決定される。本発明の方
法およびシステムにより処理されるべき構造体を表わす
新しい（fresh）サンプル構造体の表面における材料を
照射して融除するため、レーザ10を用いて多数のテスト
走査が行われる。テスト・サンプルは、ロボット位置決
め装置42に対する適切な最小および最大速度を決定する
ため異なる速度で走査される。光検出回路25および25a
からの信号27および27bは、データ処理回路38により処
理される。各テスト走査から決定される値Ｎは、従来の
方法を用いて各テスト毎に記録される。次いで、オペレ
ータが各テスト・サンプルを調べて、どれが受入れ得る
仕上がりを有するかを決定する。

最小閾値、Threshold_minは、大半の材料が除越された
が、依然としてサンプルの色、組織およびスペクトル放
射特性の如き適当な受入れ基準により決定される如き受
入れ得る表面仕上げを有するテスト・サンプルを最初に
識別することにより得られる。次いで、このテスト・サ
ンプルと関連するＮの適当な百分率がThreshold_minとな
るように選定される。最小閾値を確立するため使用され
る値Ｎの適当な百分率の選定は、所与の用途に対する実
験に基くものである。

最大閾値Threshold_maxは、最小材料量が除去されたが
依然として受入れ得る仕上がりを有するテスト・サンプ
ルを識別することにより得られる。この決定は、先に述
べたように、再び適当な受入れ基準に基くものである。
従って、材料テスト・サンプルから結果として生じるデ
ータと関連するＮの或る実質的な百分率が、Threshold
_maxとなるように選定される。

最大走査速度Scan Speed_maxは、Threshold_maxと関連
するデータを生成する時に使用されるロボット位置決め
装置42の走査速度から導出される。この最大走査速度
は、エラーのマージンを提供するため最大観察走査速度
よりやや小さい速度で確立される。例えば、最大観察受
入れ可能走査速度が約101.6mm/秒（4.0インチ／秒）で
あり、かつ10％の完全率が要求されるならば、最大走査
速度は約91.4mm/秒（3.6インチ／秒）に確立される。し
かし、先の事例として示した以外の走査率即ち速度もま
た用いられることを理解すべきである。

レーザが比較的早く移動して融除される材料あの深さ
が結果として減少する故に、高い走査速度が、照射され
た構造体の表面における単位面積当たり吸収される光エ
ネルギを減少する結果となる。ロボット位置決め装置42
の最大装置速度は、充分な深さの材料が構造体から除去
されることを保証するため制限される。

最小走査速度Scan Speed_minは、Threshold_minと関連
するデータを生成する時に使用されるロボット位置決め
装置42の走査速度から導出される。前記最小走査速度
は、エラーのマージンを提供するためThreshold_minと関
連する走査速度よりやや大きい速度に確立されることが
望ましい。例えば、受入れ得る最小走査速度が約50.8mm
/秒（2.0インチ／秒）であり、10％の安全率が要求され
るならば、最小走査速度は約55.9mm/秒（2.2インチ／
秒）に確立される。再び、本発明の使用が上記の走査速
度に限定されるものと見做すべきでないことを理解すべ
きである。

低い走査速度が、照射構造体により吸収されるより多
くの光エネルギ／単位時間を結果として得ることにな
り、従って、より大きな深さの材料が構造体の照射領域
から融除される。照射される面積があまりにも多くの光
エネルギ／単位時間で暴露されるならば、損傷が生じ
る。ロボット位置決め装置42の最小走査速度は、このよ
うな損傷を防止するように制御される。

ケース１に関する本発明の上記の方法およびシステム
の動作の一例は、図5Aおよび図5Bにまとめて示されるフ
ローチャート、および以降の論議に関して更によく理解
されよう。このようなフローチャートと関連する諸ステ
ップは、プロセッサ610、プロセッサ40、および（また
は）ロボット・コントローラ44（図１）、あるいは周知
の技法を用いる相等する制御装置に実現される適切な制
御プログラムに容易に組込むことができる。ロボット位
置決め装置42の最小および最大の走査速度に対する動作
パラメータ（それぞれ、Scan Speed_minおよびScan Sp
eed_max）、Threshocld_minおよびThreshold_maxは、ステ
ップ100においてプロセッサ610へ与えられる。また、レ
ーザ10に対する変調周波数およびデューティ・サイクル
は、ステップ100においてデータ・プロセッサ40へ入力
される。経路命令は、ステップ102において、データ・
プロセッサ40へ入力されてこれにより読出される。この
経路命令は、ロボット位置決め装置42の予め定めた経路
を規定する。従って、経路命令に基いて、経路に沿った
ロボット位置決め装置42の初期位置P₀および終了位置P
_endと対応する値は、ステップ104においてセットされ
る。次に、ロボット位置決め装置42の走査速度に対する
初期変数は、ステップ106において最小走査速度Scan S
peed_minに等しくセットされる。ロボット位置決め装置4
2は、ステップ108において使用可能状態にされ、かつス
テップ110においてその初期位置P₀へ移動させられる。
ステップ112および114において、レーザ10および粒子流
供給源64が使用可能状態にされる。この段階で、レーザ
10が、構造体14を適切な場所において照射するレーザ・
ビーム12を出力する。

融除面22は、それぞれ、信号29aおよび29bを生成する
光検出システム25および25aにより濾波されるスペクト
ル放射17を生じる。これらの信号は、ステップ116にお
いてプロセッサ610により読出される。ステップ118にお
いて、プロセッサ610が、値Ｎが最小閾値Threshold_min
と等しいかあるいはこれより小さいかどうか判定する。
この判定が7YESであれば、プロセスはステップ122へ進
み、こでプロセッサ610が可変走査速度Scan Speedに対
する値を最小走査速度Scan Speed_minに等しくなるよう
に規定する。ステップ118における判定がNOならば、プ
ロセッサ610は、Ｎが最大閾値Treshold_maxと等しいかあ
るいはこれより大きいかどうか判定する。ステップ120
における判定がYESであれば、プロセッサ610は最大走査
速度Scan Speed_maxに等しくなるように走査速度を規定
する。ステップ120における判定がNOであれば、プロセ
ッサ610は、走査速度とＮとの間の適当な増加する関数
的関係に基いて、ケース１の用途に対する走査速度をス
テップ126において決定する。次いで、走査速度制御出
力622の値がステップ127において決定された走査速度に
等しくセットされる。次に、プロセッサ610は、先に述
べたように、適切な走査速度制御出力信号622をデータ
・プロセッサ40へ与える。データ・プロセッサ40は更
に、ステップ128において、ロボット・コントローラ44
へ与えられるロボット速度制御信号41bを生じる。コン
トローラ44は、ロボット位置決め装置44に適当な走査速
度で移動するように指令する。

次に、データ・プロセッサ40が、ステップ130におい
てロボット位置決め装置42の位置を表わすデータを読出
し、コンピュータ制御のロボット位置決めシステムが市
販されているので、周知の手法に従ってステップ131に
おいてロボット位置決め装置42の位置を決定する。ロボ
ット位置決め装置42の位置が決定される１つの方法は、
ロボット・コントローラ44からデータ・プロセッサ40へ
与えられるフィードバック信号45を用いることである。
フィードバック信号45は、位相四分象限出力信号を有す
る図示しない１つ以上の回転軸エンコーダの出力信号を
含む。フィードバック信号45は、典型的には、例えば、
Ｘ、ＹおよびＺ軸の座標によりロボット位置決め装置42
の位置を規定するのに必要な各運動軸毎に１つの回転軸
エンコーダからのデータを含む。ロボット位置決め装置
42の位置の評価もまた、１つ以上の回転軸からの角度変
位データを必要とする。ロボット・アクチュエータの位
置を規定するため必要なデータを提供し、かつかかるデ
ータを解釈するための手法は、当業者には周知である。

ロボット位置決め装置42の位置が決定された後、予め
定めた経路に沿ったロボット位置決め装置42のその時の
位置P₁がステップ102においてデータ・プロセッサ40に
入力された経路命令により前に規定された予め定めた経
路の終りの位置P_endであるかどうかについて、ステップ
132において、データ・プロセッサ40により判定が行わ
れる。ステップ132において判定がYESであるならば、レ
ーザ10が予め定めた経路全体を走査したため、構造体14
の処理が完了する。次いで、ステップ136において、デ
ータ・プロセッサ40が、粒子流供給源64を使用不能状態
にするため出力信号を与え、ロボット位置決め装置42を
使用不能状態にするため当該出力信号をロボット・コン
トローラ44へ、またレーザ10を使用不能状態にするため
当該出力信号をレーザ電源11へ与える。しかし、ステッ
プ132における判定がNOであれば、レーザ10は構造体14
に沿った予め定めた全経路を走査せず、構造体14は完全
に処理されない。次いで、プロセスは、先に述べたよう
に、ステップ116で継続する。

ロボット位置決め装置42の速度が図2Bに示されたよう
に限度間の減少関数によりＮと関連させられることが望
ましいある用途があることを理解すべきである。このよ
うなケースは、材料層（一例として、構造体14の層20）
を除去するため下側の層（一例として、層18）を露出す
ることが望ましい場合に生じ、その場合には除去される
べき融除層により生じるスペクトル放射信号がプロセス
の制御のため使用される。このようなケースは、ケース
２と呼ばれる。ケース２の用途においては、本発明は図
5Aおよび図5Bに関して記載したように実現され得る。し
かし、ステップ126において、信号39、または信号622の
値は、図2Bに関して先に述べた如きＮと関数的に関連さ
せられる。

図2Bおよび図４に関して述べたケース２において、ア
ルミニウム基板からのクロムを含むプライマの如きコー
ティングの融除は、425nmのスペクトル放射信号を生じ
る。スペクトル放射の振幅即ち強さは、約75と200のパ
ルス間でピーク値となる。その後、プライマの減衰量が
融除されるべく利用され、そのためスペクトル放射の振
幅が急激に低減する。ケース２の用途の制御は、レーザ
・ビームの走査速度が例えば図2Bに示された如き減少関
数によりＮと関数的に関連付けられる場合に行われ得
る。

プライマが融除されると、このプライマはその波長特
性における強いスペクトル放射信号を生じて下側のアル
ミニウム面が露出されなかったことを示す。従って、プ
ライマがアルミニウム表面から除去されるのに充分なパ
ルスで照射されるように、レーザ・ビームの走査速度が
比較的低いことが望ましい。しかし、アルミニウムが露
出されるに伴い、低い振幅をもつスペクトル放射により
示される如き、425nmのスペクトル放射信号を生じる少
量のプライマが存在する。アルミニウムに対する損傷を
避けるために、走査速度は増加される。

ケース２においては、最小閾値は、本文に先に述べた
如き基準を用いて受入れ得る表面仕上げを結果として得
る最大走査速度と関連するように選定される。このよう
な条件のセットは、所要の表面の露出の最大限度を示
す。最大閾値は、所要表面の露出の最小限度を表わす受
入れ得る表面仕上げを結果として生じる最小走査速度と
関連するように選定される。プロセッサ610は、減少す
る関数的関係を出力信号622の値とＮとの間に実現する
ように、標準的手法を用いて適当にプログラムされる。

本発明の第２の実施例 本発明の第２の実施例もまた、構造体から材料を除去
するためのシステムおよび方法を提供するもので、露出
された表面を損傷することなく多層構造体の特定の層の
表面、あるいは露出されたサービス（scrvice）の下側
にある表面を露出するために用いられる。この第２の実
施例は、閃光ランプ光源を用いて構造体を照射するため
の光ビームを生じるが、第１の実施例はこの目的のため
にレーザを用いる。閃光ランプまたは閃光管は、典型的
には光エネルギが伝送される透明管内にホールドされた
プラズマ中に電流を流すことにより、電気エネルギを光
エネルギに変換する気体を充填したデバイスである。

前記第２の実施例のブロック図が図７に示され、同図
のおいては、予め定めた経路に沿って構造体14の表面を
照射し走査するために、水晶窓520を介して光ビーム549
を生じるための広帯域閃光ランプであることが望ましい
パルス状光源548が示される。閃光ランプ548は、従来の
閃光ランプ電源９により与えられる出力信号15により制
御され、この電源９は更にデータ・プロセッサ40からの
出力信号41cによって制御される。閃光ランプ548は、広
帯域出力ビームを有するキセノン閃光ランプでよい。広
帯域閃光ランプの出力は、広範囲の電磁スペクトル成分
を提供して、閃光ランプにより照射される材料が融除さ
れるように当該成分の一部が広範囲と異なる材料により
熱の形態で吸収される可能性を強化するという利点を提
供する。

閃光ランプ548の出力は、適当な周波数、例えば4Hzで
変調され、約1200〜2400マイクロ秒の範囲内の固定され
たパルス幅を有する。約1200マイクロ秒のパルス幅は、
プラスチック複合構造体から塗料コーティングを除去す
るのに適することが判り、一方約2400マイクロ秒のパル
ス幅は金属表面からコーティングを除去するために用い
ることができる。望ましい実施例においては、構造体14
の表面におけるビーム549の入射強さは、９〜10ジュー
ル/cm²程度である。

光ビーム549により照射されるとこれに応答して、層2
0が図示しない煙霧を形成し、この煙霧が、フィルタ26
（Ｍ×Ｎ）個のフォトダイオード・アレイ28とを含む光
検出回路25により監視されるスペクトル放射信号17を生
じる。但し、ＭおよびＮは正の整数である。信号17は、
選択された波長に対してのみトランスペアレント（tran
sparent）である狭帯域通過光学的フィルタ26により濾
波されるが、このような信号が光ビーム549の成分であ
る時は常に信号27を通す。信号27は、フォトダイオード
・アレイ28により検出され、対応する電気出力信号29a
へ変換される。融解石英の光パイプ505が、閃光ランプ5
48が取付けられたハウジング512を貫通して、基準光信
号506を光ファイバを通してフィルタ26cとフォトダイオ
ード28bとを含む光検出回路25bへ伝送する。（所与の信
号線上に現れる信号が、信号線と同じ参照番号を用いる
ことにより示されることを理解すべきである。）光検出
回路25および25bにおけるフィルタ26は、同じ狭帯域通
過特性を持つことが望ましい。光信号506が、閃光ラン
プ548の瞬間的な出力を表わす。光検出回路25bは、速度
制御出力信号39により表わされる如きロボット位置決め
装置42の適切な走査速度を決定する入力として信号29a
および29cを使用するデータ処理回路38aへ与えられる基
準アナログ電気信号29cを生じる。

閃光ランプ548および光検出システム25、25bはロボッ
ト・コントローラ44により使用可能状態にされるロボッ
ト位置決め装置42上に載置されている。データ・プロセ
ッサ40は、速度制御出力信号39を解釈して、ロボット・
コントローラ44へ与えられるそれ自体の速度制御信号41
bを生じる。データ・プロセッサ40はまた、コントロー
ラ44に対して経路命令を生じることにより、ロボット位
置決め装置42が周知の手法に従う予め定めた経路を移動
するように指令される。このため、閃光ランプ548は、
ロボット位置決め装置42の出力を制御することにより、
構造体14の表面上の予め定めた経路に沿って光ビーム54
9で構造体14を走査する。

第２の実施例における閃光ランプ548は広帯域光源で
ある故に、光ビーム549は、光検出回路25により監視さ
れることが望まれる同じ波長を持つスペクトル成分を含
み得る。従って、光検出回路25は、このような波長が閃
光ランプ548により生成されるか、あるいは構造体14か
ら融除する材料の煙霧からのものであるかの如何に拘わ
らず、光学的フィルタ26により選択される波長と等しい
波長を有する全ての光を検出することができる。従っ
て、データ処理回路38aが融除材料によてのみ生じるス
ペクトル放射を解釈することが必要である。

データ処理回路38aは、信号29a、29cにより与えられ
るデータを連続的に受信するが、速度制御出力信号39に
対する適切な値を決定するため閃光ランプ548が光エネ
ルギを発生している時に、ディジタル／アナログ・コン
バータ641の基準値に従ってコンパレータ70の出力によ
り確立される特定の間隔で生じるデータを使用するのみ
である。

図８において、光検出回路25のフォトダイオード・ア
レイ28が、光信号17を連続的に検出するが、プロセッサ
610からのリセット信号640の受信に応答してこれら光信
号17を記憶するのみである。しかし、先に述べたよう
に、フォトダイオード・アレイは、回路38aの動作の理
解を容易にするため、（Ｍ×Ｎ）個のフォトセルを含
み、また例示としてのみ、フォトダイオード・アレイは
（１×100）アレイを有する。光検出回路25bのフォトダ
イオード28bは、閃光ランプ548の出力を連続的に検出し
て、増幅器617により増幅されかつ０乃至５ボルトにス
ケールされることが望ましいアナログ信号29cを生じ
る。このスケールされかつ増幅されたDCアナログ信号61
8は、追跡／ホールド回路619により受け取られ、この追
跡／ホールド回路が並列割込みタイマー612からのホー
ルド入力信号613の受信に応答して信号620を出力する。
フォトダイオード・アレイ28に記憶されたデータは信号
29aとして出力され、この信号29aは次に増幅器617によ
り増幅され、かつ望ましくは信号601として０乃至５ボ
ルトにスケールされる。次に、信号601は、追跡／ホー
ルド回路602へ与えられる。

フォトダイオード・アレイ28の各セルに記憶されたデ
ータは、プロセッサ610からの一連のクロックされたシ
フト信号640aをフォトダイオード・アレイ28が受信する
とこれに応答して信号29aとして逐次出力される。例え
ば、１×100アレイの場合、プロセッサ610は最初に指標
「０」と関連する調時されたシフト信号を生成し、この
指標「０」がアレイ20の第１のフォトダイオードからの
データを信号29aとして出力させ、増幅器600により増幅
させ、次いで追跡／ホールド回路602へ与えさせる。連
続する各シフト信号640は、前のシフト信号640aと関連
する指標値より「１」だけ大きい指標値と関連させられ
る。このため、フォトダイオード28が100個のフォトダ
イオード持つならば、プロセッサ610が０乃至99の指標
により表わす100個のシフト信号を生じる。プロセッサ6
10は、並列割込みタイマー612により受信されかつ各シ
フト信号640aが生成される時に同時に生成されるタイミ
ング信号611を生じる。タイミング信号611の受信に応答
して、並列割込みタイマー612がカウント・ダウンを開
始し、その後このタイマー612がホールド入力信号613お
よび613aを生じ、これらの信号613および613が追跡／ホ
ールド回路619および620をそれぞれトリガーする。並列
割込みタイマー612において実現されたカウント・ダウ
ンの期間は、追跡／ホールド回路619および602へ与えら
れる信号を安定させるのに充分でなければならない。指
標「０」を持つシフト信号640aが追跡／ホールド回路60
2による信号29aの出力をトリガーした後の予め定めた時
間に、並列割込みタイマー612が、追跡／ホールド回路6
02および619のそれぞれに対してホールド入力信号613お
よび613aを与えて、マルチプレクサ604に対する信号603
および620の提供を結果として生じる。マルチプレクサ6
04は、プロセッサ610により生成されたフラッシュ・ア
ドレス信号607の受信に応答して信号603、620を信号606
線を介してフラッシュ・アナログ／ディジタル・コンバ
ータ605へ逐次伝送する。信号620および603のディジタ
ル化表示は、データ・バス614を介してプロセッサ610に
より受信され、このプロセッサ610は、信号603の値を信
号620の値で除して、フォトダイオード・アレイ28内の
フォトダイオード番号「１」で記憶されるデータを表わ
す正規化値を生成する。この正規化値は、プロセッサ61
0によりデータ・バス615aを介してRAM615に記憶される
ように与えられる。

トリガー信号13は、典型的には指標「０」を持つシフ
ト信号640aが生成された後のカウント・ダウン期間内
に、フォトダイオード・アレイ28に記憶された全てのデ
ータの転送の各サイクル毎に１回だけ生成されることが
望ましい。追跡／ホールド回路602は、ホールド入力信
号613aの受信に応答して、信号603をマルチプレクサ604
へ与える。このプロセスは、フォトダイオード・アレイ
28に記憶されたデータの全てのディジタル表示がプロセ
ッサ610により正規化されかつRAM615に記憶されるま
で、セル１〜99に記憶された各データに対して反復され
る。プロセッサ610の制御は、ROM616に記憶された命令
により行われ、データ・バス616bを介してプロセッサ61
0へ伝送される。

フォトダイオード・アレイ28に記憶されたデータの全
てのディジタル表示が正規化されてRAM615に記憶された
後に、プロセッサ610は、その時検出しつつあるどんな
光情報でもフォトダイオード・アレイ28に記憶させるリ
セット信号640を生成する。

プロセッサ610はまた、フォトダイオード・アレイ28
によりデータが記憶されるべき時を制御するが、これは
信号29aおよび29c間の差が最大化されるように、閃光ラ
ンプ548のデューティ・サイクルにおける特定の時間
（「データ・サンプル・モード」と呼ばれる）において
のみ検出されるデータを処理することが望ましい故であ
る。これらの信号間の差を最大化することは、光検出回
路25、25bおよびデータ処理回路38aからなる光検出シス
テムの解像度を向上させる利点を有する。

データ・サンプル・モードの制御は、ウインドウ・コ
ンパレータ70に対する１つの入力として信号618を与え
ることによって行われる。ウインドウ・コンパレータ70
に対する他の入力は、ディジタル／アナログ・コンバー
タ641により与えられる基準電圧である。D/Aコンバータ
641は、コンパレータ70により信号618と比較される基準
電圧V_REFでアナログ出力電圧信号642を生じる。信号618
と642との間の差が予め定めた間隔内にある時、コンパ
レータ70の出力信号71が論理「ハイ」となる。プロセッ
サ610が信号71を論理「ハイ」として検出する時、プロ
セッサ610は、前述したように、一連のシフト信号640
a、リセット信号640、および一連の信号611を生じるこ
とによりデータ・サンプル・モードへ移行して、その結
果フォトダイオード・アレイ28に記憶されフォトダイオ
ード28bにより合耐えられたデータがプロセッサ610によ
り記憶され処理されるようにする。

出力信号642は、信号618の電圧レベルV₆₁₈が関係式
（V_WC＜V₆₁₈＜V_WO）に従うある電圧限界内にある時の
み、値V_REFを有する。但し、V_WCはウインドウ電圧が閉
じる基準電圧を表わし、V_WOはウインドウが開く基準電
圧を表わす。V_WOおよびV_WCに対する値は、プロセッサ61
0によりデータ・バス643を介してD/Aコンバータ641へ与
えられ、試行錯誤により経験的に決定される。V_WOおよ
びV_WCの値は、当業者には周知の手段によりプロセッサ6
10へ入力される。しかし、V_WC＞V₆₁₈＞V_WOである時にデ
ィジタル／アナログ・コンバータ641の出力がV_REFとな
るようにすることが望ましい本発明の用途があることを
理解すべきである。

一例として、閃光ランプ548の出力は、信号618により
定性的に表わされ、先に述べたように、かつ図14にグラ
フにより示されるように、０乃至５ボルトにスケールさ
れる。例示の目的のため、また事例としてのみ、V_WOは3
Vであり、V_WCは1Vである。このような場合、サンプル間
隔t_sample中に、出力信号642は基準電圧V_REFと等しい。
この場合、TTL信号71は、図15に示されるように、各サ
ンプル間隔t_sample中に5Vの電圧レベルV₇₁を持つことが
望ましいパルス列である。このように、データ処理回路
38aが閃光ランプ548のデューティ・サイクル中の特定の
時間間隔内で光検出回路25、25bにより生成されるデー
タの検索および処理を制御することが理解できよう。

信号71は、割込み信号である。従って、信号71が論理
「ハイ」である時は常に、プロセッサ610がデータ・サ
ンプル・モータで動作する。信号71が論理「ロー」であ
る時間間隔中に、プロセッサ610は他の機能を実施す
る。例えば、データ・サンプル・モードの間に得たデー
タを処理して走査速度値を決定して対応する走査速度制
御出力622を生じる。RAM615に記憶されたデータの処理
に関する詳細については、以下本文に記述する。プロセ
ッサ610の出力信号622は、本文に先に述べたように、デ
ータ・プロセッサ40へ与えられる走査速度制御信号であ
る。

図9AおよびＢにおいて、閃光ランプ548は、約170nm乃
至5000nmの範囲にわたる波長成分を有する非コヒーレン
ト光を生じる、ハウジング512に取付けられた広帯域キ
セノン閃光ランプであることが望ましい。ハウジング51
2は、固定具554により下部ハウジング552へ取付けられ
た上部ハウジング550を含む。ハウジング512は、黒い硬
質陽極酸化アルミニウムから作られる。ガスケット556
が、上下部のハウジング550、552間に介挿されて上部ハ
ウジング550におけるチャンバ551に湿った空気が侵入す
ることを阻止する。光エネルギ源514の端部の電気的コ
ネクタ567は、下部ハウジング552の壁部563の開口562で
支持されかつこれを貫通して延在する。閃光ランプ548
は、下部ハウジング552の壁部563間に支持された融解石
英の防水ジャケット551内に定置される。閃光ランプ548
の位置は、電気的コネクタ567aおよび567b上に嵌合する
Ｏ−リング圧縮取付け材558により維持され、図示しな
いねじ固定具により壁部563に対して固定されている。
圧縮取付け剤558と壁部563間に介挿されたＯ−リング55
9が、その間に防水シールを提供する。一例として、反
射器516は、図9Bに示される如き7.00cmの長軸および2.8
0cmの短軸を有する楕円形の断面と、約15.00cmの長さと
を有する。この場合、閃光ランプ548の長軸は、反射器5
16の焦点と略々一致している。しかし、反射器516の断
面が色々な方法、例えば望ましくはキー穴あるいはカス
プ（cusp）で整形できることを理解すべきである。

図9Aにおいて、閃光ランプ548に対する接近は、当業
者には周知の如き図示しない装置により、下部ハウジン
グ552に対して取外し自在に取付けられた取外し可能接
近板570、572により行われる。Ｏ−リング571は、接近
板570と下部ハウジング552との間に防水シールを提供す
る。同様に、Ｏ−リング573は、接近板572と下部ハウジ
ング552との間に防水シールを提供する。

閃光ランプ548を付勢する電力は、ケーブル取付け具5
68を介して上部ハウジング550に侵入する高電圧同軸ケ
ーブル579により従来通り提供され、中心導体566aと撚
り子導体ストラップ566bとを含んでいる。中心導体566
は、従来通り、この中心導体にハンダ付けあるいは鑞付
けされたラグ565により高電圧ターミナル・ポスト569a
に接続されている。ターミナル・ポスト569aは、高電圧
導体567aに鑞付けされた撚りケーブル575aを介して閃光
ランプ548と電気的に接続される。電気的な帰路は、低
電圧コネクタ576bおよびターミナル・ポスト569bに鑞付
けあるいはハンダ付けされた撚りケーブル575bにより提
供される。撚り子導体ストラップ566bの端部は、ターミ
ナル・ポスト569bに接続されたラグ565bで成端されてい
る。

閃光ランプ548は、下記の如く下部ハウジング552から
取外すことができる。即ち、第１に、給電がハウジング
512から遮断されねばならない。次いで、急速結合具555
がそれぞれ入口管544と出口管546とから切離される。固
定具554が、下部ハウジング552に結合されたステーショ
ン557から取外され、下部ハウジングが上部ハウジング5
50から分離できるようにする。次いで、接近板570、572
が下部ハウジング552から取外される。撚りケーブル575
aおよび575bが、それぞれターミナル・ポスト569aおよ
び569bから取外される。圧縮取付け具558が、壁部563か
ら外されてそれらの各撚りケーブル575aおよび575b上に
滑らされる。次に閃光ランプ548が開口562を介してある
いは下部ハウジング552から防水ジャケット547から注意
深く滑らせて外される。閃光ランプ548の交換は、閃光
ランプの取外しのため先に述べたステップと逆の順序で
行うことにより行われる。

閃光ランプ548により生じる光は、石英防水ジャケッ
ト551を介して発射され、直接あるいは反射器516の反射
面517から反射により窓520を経て下部ハウジング552か
ら出る。窓520は、融解石英が優れた透明度と熱に対す
る高い抵抗性を持つ故に、このような材料から作られる
ことが望ましい。更に、石英の透明度は、紫外線に露出
することから劣化することがない。ガスケット581は、
窓520を窓フレーム580との間に介挿され、そのため窓が
ボルト582により下部ハウジング552に対して防水構成に
ホールドされるようにする。

閃光ランプ548および反射器516は、例えば、水供給源
（図示せず）から入口管544を経てハウジング512へ約7.
6／分（２ガロン／分）の流量で供給され、かつ出口
管546を経て還流される約10℃（50゜F）の温度を持つ脱
イオン水で冷却されることが望ましい。脱イオン水は、
少なくとも１メグオームの電気抵抗を有することが望ま
しい。入口管544は、ハウジング512を貫通して、閃光ラ
ンプ548の全長にわたり水を分配して反射器の腔部を充
填する多数の出口576を持つ下部ハウジング552に取付け
られたマニフォールド574と接続されている。水はま
た、石英防水ジャケット551のテーパ状端部588を通り貫
けて電気コネクタ567a、567bおよび閃光ランプ548を冷
却する。閃光ランプ548からの放射エネルギの生成の結
果として生じる熱は、水により吸収され、出口管546と
流通するポート578を介してチャンバ564から排出され
る。

閃光ランプの使用寿命を最大化するために、閃光ラン
プの動作が厳密に減衰される、即ち、約0.77の減衰係数
で動作させられるべきことは周知である。閃光ランプの
減衰係数を決定する要因は、閃光ランプの給電回路にお
ける典型的に用いられる単一メッシュのパルス形成ネッ
トワーク（「PFN」）のインダクタンス、PFNのキャパシ
タンスＣ、閃光ランプのアーク長さ、および閃光ランプ
の両端子間の動作電圧Ｖを含む。閃光ランプのエネルギ
出力Ｅは、関係式Ｅ＝（1/2）CV²により特徴付けられ
る。しかし、Ｖは、使用寿命を最大化するために、最適
の電圧の約±５％以上は変化してはならない。更に、こ
のような回路を実現するため要求される余分なキャパシ
ターの経費の故に、またこの種の回路の寿命制限特性の
故に、Ｃを変化させるのは実際的ではない。従って、閃
光ランプ548の有効寿命を最大化するために、このラン
プは固定されたパルス幅で一定の繰返し率で動作させる
ことが望ましい。

単に事例として、閃光ランプ548は、60.0KPaの圧力の
キセノン・ガスで充填され、28cmの全長、7mmの内径、9
mmの外径、および15cmのアーク長さの透明管を持つよう
に構成することができる。このような特定の閃光ランプ
は、1200〜1800マイクロ秒の範囲内の全幅半値（FWHM）
の固定パルス幅を持つ４〜5Hzの繰返し率と、アーク長
さが約100〜120ジュール/cm入力エネルギで動作させら
れることが望ましい。特徴となる、構造体14の表面を照
射するのに使用可能な閃光ランプの有効出力エネルギ
は、閃光ランプに対する入力エネルギの約20乃至25％で
ある。閃光ランプは、当業者には公知の如く、図示しな
い適当な電源によって給電される。

閃光ランプ548が約.77の減衰係数で動作させられる故
に、構造体表面における入射エネルギ強さが一般にこの
表面と閃光ランプとの間の距離に反比例するので、構造
体14の表面におけるエネルギ密度（ジュール/cm²）を制
御する望ましい方法は、閃光ランプと構造体表面との間
に適当な距離を確立することである。構造体表面におけ
るエネルギ束（J/秒）は、構造体表面を横切る照射光エ
ネルギ・ビーム549の走査速度を制御することによって
制御されることが望ましい。閃光ランプと構造体14の表
面との間の距離は、窓および閃光ランプが固定距離だけ
離れているので、前記構造体の表面と窓520との間の離
隔距離ｄに関して更に便利なように論述する。

再び図７において、第２の実施例もまた、先に述べた
如きノズル60と、粒子流供給源64と、真空システム61と
を含む。

Threshold_minおよびThreshold_maxに対する値は、第１
の実施例に関するケース１とケース２に関して先に述べ
たように、経験的に決定することができる。しかし、こ
の場合、光エネルギ源はレーザではなく閃光ランプであ
る。閃光ランプは、約４〜5Hzの繰返し率と、一定のデ
ューティ・サイクルとを有する。閃光ランプ出力のパル
ス幅は、1200〜2400マイクロ秒の範囲内で一定であるこ
とが望ましい。閃光ランプ548と処理されるべき構造体
の表面との間の典型的な離隔距離は、典型的に2.5cmで
ある。

一例として、本発明のプロセスおよびシステムは、ケ
ース１タイプの用途に対して以下に述べかつ図10Aおよ
び図10Bに示される如く実現することができる。図10Aお
よび図10Bに示されるように、ロボット位置決め装置42
の最小および最大走査速度（それぞれ、Scan Speed_min
およびScan Speed_max）、Threshold_minおよびThreshol
d_max、および基準カウントに対する動作パラメータは、
ステップ300においてプロセッサ610に入力される。また
ステップ300においては、閃光ランプ548に対する変調周
波数およびデューティ・サイクルは、データ・プロセッ
サ40に入力され。経路命令は、ステップ302においてデ
ータ・プロセッサ40によって入力されかつ読出される。
この経路命令は、ロボット位置決め装置42の予め定めた
経路を規定する。次いで、前記経路命令に基いて、予め
定めた経路の端部におけるロボット位置決め装置42の初
期位置P₀および終了位置P_endと対応する値は、ステップ
304においてセットされる。次に、ロボット位置決め装
置42の初期走査速度は、ステップ306において、最小走
査速度Scan Speed_minと等しくセットされる。ロボット
位置決め装置42および粒子流供給源64は、ステップ308
においてデータ・プロセッサ40により使用可能状態にさ
れる。ロボット位置決め装置42は、ステップ310におい
てその初期位置P₀へ移動される。ステップ312におい
て、閃光ランプ548が使用可能状態にされる。ステップ3
14として、最小走査速度Scan Speed_minと等しい速度で
適当な場所において構造体14を照射して走査するよう
に、閃光ランプ548が光ビーム549を出力する。システム
はこの時動作状態となる。

閃光ランプ548による照射に応答して、融除面22が、
光学的フィルタ26により濾波されるスペクトル放射17を
生じる。光検出器アレイ28は、このアレイがデータ処理
回路38aから「リセット」信号を受取る時、濾波された
スペクトル放射信号27を検出して、このスペクトル放射
信号27の強さを表わすデータを記憶する。アレイ28が、
データ処理回路38aからの一連の「シフト」信号の受取
りと同時に、分析のためデータ処理回路38aへ与えられ
る信号29aを逐次出力する。光検出回路25bは、閃光ラン
プ548の出力の強さを検出して、閃光ランプ548の出力強
さにおける変動の影響を排除するため信号29aの値を正
規化するため使用されるデータ処理回路38へ基準信号29
cを与える。

データ処理回路38aのプロセッサ610は、下記の如く信
号29aおよび29cを処理する。即ち、ステップ315におい
て、データ処理回路38aが、光検出回路25および25aによ
り検出されるデータを読出すかどうか、即ち、割込み信
号71が「ハイ」である時を判定する。ステップ315にお
ける判定がNOであれば、プロセスは再びステップ315へ
ループ・バックする。ステップ315における判定がYESで
あれば、プロセスはステップ316へ進み、ここでデータ
処理回路38aが信号29a、29cを読出して、これら信号が
以下に述べるように適当な走査速度を決定するため分析
されるようにする。プロセッサ610は、下記の如くＮを
計算する。即ち、 また、ｉはフォトダイオード・アレイ28における特定の
フォトダイオードを表わし、ｍはアレイ28におけるフォ
トダイオードの総数を表わす。先に述べたように、Ｎは
検出されかつフォトダイオード・アレイ28に記憶された
光データの正規化された平均強さを表わす。

ステップ318において、プロセッサ38aは、Ｎが最小閾
値Threshold_minと等しいかあるいはこれより小さいかを
判定する。この判定がYESであれば、プロセスはステッ
プ322へ進み、ここでデータ・プロセッサ610が可変走査
速度に対する値を最小走査速度Scan Speed_minと等しく
なるように規定する。ステップ318における判定がNOで
あれば、データ・プロセッサ610は、Ｎは最大閾値Threh
old_maxと等しいかあるいはこれより大きいかを判定す
る。ステップ320における判定がYESであれば、データ・
プロセッサ610は、走査速度を最大走査速度Scan Speed
_maxに等しくなるように規定する。ステップ320における
判定がNOであれば、ステップ326において、データ・プ
ロセッサ610が可変Scan Speed_detに対する値を決定
し、この値はケース１の用途について本文において先に
述べた如きＮの値と関数的に関連し、またステップ327
において、走査速度をScan Speed_detに等しくセットす
る。次に、データ処理回路38は、走査速度制御出力信号
39をデータ・プロセッサ40へ与える。データ・プロセッ
サ40は、次に、ステップ328においてロボット・コント
ローラ44に対する速度制御信号41bを生じ、このロボッ
ト・コントローラ44がロボット・コントローラ44を適当
な走査速度で移動するよう指令する。

次に、データ・プロセッサ40は、本発明の第１の実施
例に関して先に述べた如く、ステップ330においてロボ
ット位置決め装置42の位置を表わすデータ読出し、ステ
ップ331においてロボット位置決め装置42の位置を決定
する。ロボット位置決め装置42の位置が決定された後、
ロボット位置決め装置42の位置P₁がステップ302におい
て経路命令により規定される予め定めた経路P_cndの端部
の位置であるかどうかについて、判定がステップ332に
おいてなされる。ステップ332における判定がYESであれ
ば、閃光ランプ548が予め定めた経路全体を走査したの
で、構造体14の処理は完了する。次いで、ステップ336
において、データ・プロセッサ40が、出力信号を、二酸
化炭素ペレット供給源64を使用不能状態にするため、ロ
ボット位置決め装置42を使用不能状態にするためロボッ
ト・コントローラ44に、また閃光ランプ548を使用不能
状態における閃光ランプ電源９に与える。しかし、ステ
ップ332における判定がNOであれば、閃光ランプ548は、
構造体14に沿って予め定めた経路全体を走査せず、構造
体14が完全に処理されなかったことを示す。このような
場合、プロセスは再びステップ316へループ・バック
し、次いで先に述べたように継続する。

ケース２タイプの用途の場合は、本発明は、図10Aお
よび図10Cに関して述べるように、実現される。次に図1
0Cにおいて、ステップ318′で、データ・プロセッサ38a
が、Ｎが最小閾値Threshold_minと等しいかあるいはこれ
より小さいかどうか判定する。この判定YESであれば、
プロセスはステップ322へ進み、ここでデータ・プロセ
ッサ610が可変走査速度に対する値を最大走査速度Scan
Speed_maxに等しくなるように規定する。ステップ31
8′における判定がNOであれば、ステップ320′におい
て、データ・プロセッサ610は、Ｎの強さが最大閾値Thr
eshold_maxと等しいかあるいはこれより大きいかを判定
する。ステップ320′における判定がYESならば、データ
・プロセッサ610は、ステップ322′において走査速度を
最大走査速度Scan Speed_maxに等しくなるように規定す
る。ステップ320′における判定がNOならば、ステップ3
26において、データ・プロセッサ610が可変走査速度に
対する値を決定し、この値はケース２の用途に対して先
に本文に述べた如くＮの値と関数的に関連させられる。
ステップ320′における判定がYESならば、走査速度の値
はScan Speed_minに等しくセットされる。ステップ32
2′または324′のいずれかの後、プロセスはステップ31
5で継続する。他の点においては、プロセスはケース１
の状況に対して述べたプロセスと同じである。

本発明の第３の実施例 本発明の第３の実施例は、構造体から材料を除去する
ためのシステムおよび方法を提供するもので、多層構造
体の特定の層の表面を損傷することなくかかる当該特定
の層の表面を露出するためにも用いることができる。第
３の実施例は、構造体の表面を走査して照射する当該表
面を融除するパルス状光ビームを生じるため閃光ランプ
を使用する。この閃光ランプのパルス間では、照射面
が、この表面の融除をも生じるレーザ・ビーム・パルス
によって更に照射される。レーザ・ビーム・パルスが誘
発する融除により生じるスペクトル放射が検出されて、
光源の適切な走査速度を決定するため分析される。

材料は、主として閃光ランプ光源による照射の結果生
じる融除の結果として構造体から除去される。閃光ラン
プの１つの利点は、等しいパワーのレーザと比較して動
作させるのに比較的安いことである。しかし、閃光ラン
プ光源は、構造体からの材料の融除と関連するスペクト
ル放射と同じ波長を持つスペクトル放射を生じ得る。こ
のような場合、光検出回路25は、閃光ランプと融除材料
の双方により生じるスペクトル放射を弁別する方法を持
たない。従って、レーザは、構造体をサンプルして構造
体のみに起因し得るスペクトル放射を生成するために使
用される。

第３の実施例は、図11にブロック図形態で示される。
図11において示されるシステムは、図11に示したシステ
ムがレーザ・エネルギ12のパルスで構造体14を照射する
ためのレーザ10と、レーザ電源11と、光検出回路25bの
代わりに光検出回路25aとを更に含むことを除いて、図
７に関して述べたものと略々同じである。図１および図
７に示された類似の参照される特徴点と共通する図11に
示される特徴点は、先に述べたように機能する。レーザ
10は、従来のレーザ電源11へ与えられデータ処理回路38
aにより生じる制御信号41fに従って制御される。信号41
fの受信に応答して、レーザ電源11は、レーザ電源制御
信号41gを生じてこれをレーザ10へ供給する。

レーザ10は、図12Aに示される如く、閃光ランプ548の
出力が最小あるいは最小付近である時、周期的な間隔と
一致する閃光ランプ548のデューティ・サイクルの予め
定めた間隔中に単一の狭帯域のコヒーレント・パルスで
構造体14の表面22を更に照射するために指向されるパル
ス状レーザ・ビーム12′を生じることが望ましい。

光ビーム548により照射されるとこれに応答して、表
面22における材料は融除して気化した材料の煙霧（図示
せず）を形成し、これが先に述べたようにある波長と強
さ持つスペクトル放射信号17を生じる。構造体14のレー
ザ・ビーム20による照射もまた、表面22における材料を
融除させてスペクトル放射信号17を生じさせる。しか
し、光ビーム549により構造体14を融除する目的は、構
造体の表面から材料を除去することであるが、レーザ・
ビーム12′の目的は、このような融除材料が閃光ランプ
のスペクトル出力からの干渉を生じることなく検出する
ことができるスペクトル放射を生じるように、構造体の
表面における材料を融除することである。

露出されるべき層を含む材料の融除と関連する１つ以
上の選定される（サイン）波長は、前に述べたように、
材料の特定層の融除または非融除を決定するために使用
される。しかし、閃光ランプ548が広帯域光源であるこ
とが望ましいので、このランプはまたこのようなサイン
波長成分を持つ光エネルギを生じる。この問題を克服す
るため、本発明は、閃光ランプ548の出力の強さ即ち振
幅が相対的最小であるかあるいはその付近である時、融
除材料により生じるスペクトル放射の強さに基く適切な
走査速度を決定するための手段を含んでいる。

レーザは狭帯域のコヒーレント出力を有する故に、レ
ーザ10は、レーザ・ビーム12′と関連する波長が光信号
27から検出されることを所望されるサイン波長から弁別
し得るように選定されることが望ましい。このように、
サイン波長を持つスペクトル放射が生成されても、これ
ら放射が閃光ランプ548の出力ではなく専ら照射材料を
融除に帰因し得るように、レーザ10の目的が表面22にお
ける融除を刺激することであることが理解できよう。再
び、レーザ10により生じる融除は、構造体14の表面から
材料を除去する主たる方法とすることを意図するもので
はない。

再び図11において、レーザ・ビーム12′は、例えば、
レーザ・ビーム12′をビーム・スプリッタ11で分割する
ことによりサンプルされ、当該ビーム・スプリッタ11
は、サンプル・ビーム20′を狭帯域通過光学的フィルタ
26とフォトダイオード28bとからなる光検出回路25aへ与
える。光学的フィルタ26bは、レーザ・ビーム20′の波
長を含む光エネルギの非常に狭い帯域に対して透過し得
るように選定される。光検出回路25aの出力は、データ
処理回路38aへ与えられる信号29bである。

データ処理回路38aは一般に、以下に述べることを除
いて、図８に関して先に述べたように動作する。データ
・サンプル期間t_sampleは、図12Aおよび図12Bに示され
るように、ウインドウ・コンパレータ641の動作パラメ
ータに対するV_WOおよびV_WCの適切な値を選定することに
より、閃光ランプ548の出力が最小値または最小値付近
にある時に生じるように制御されることが望ましい。更
に、プロセッサ610がデータ・サンプル・モードにある
時、プロセッサ610は、図12Cに示されるように望ましく
はレーザが単一レーザ・パルスを生じるように図16に示
される如く、レーザ10を制御することをレーザ電源11に
指令する出力信号41fを生じる。t_sampleの期間は、レー
ザ・ビーム12′により生じるスペクトル放射を表わすデ
ータがサンプルされ記録されるように、望ましくはレー
ザ・ビーム12′のパルス幅と略々等しくなければならな
い。

Threshold_min、Threshold_max、Scan Speed_minおよび
Scan Speed_maxに対する値は、一般に、以下に述べるこ
とを除いて、ケース１およびケース２の両方の状況に対
する第１の実施例に関して先に述べた如くに決定され
る。単なる事例として、処理されるべき構造体を表わす
新しいサンプル構造の表面における材料を照射して融除
するため、多数のテスト走査が、パルス波変調された閃
光ランプ548を用いて行われる。

光源の変調周波数は約４乃至5Hzであるが、デューテ
ィ・サイクルは、例えば1200乃至2400マイクロ秒の範囲
内の固定パルス幅を用いることにより変化させることが
できる。閃光ランプ548と処理されるべき構造体表面と
の間の典型的な離隔距離は、典型的には2.5cmである。
閃光ランプ548の出力が最小強さ即ち振幅あるいはその
付近である周期的なデータ・サンプル間隔中に、レーザ
10が、データ信号29aにより表わされる融除材料からの
スペクトル放射の生成を刺激するためテスト・サンプル
を照射して融除する。

これらのテストにわたって、閃光ランプ548のパルス
状光エネルギ・ビーム549が異なる速度で幾つかのテス
ト・サンプルを照射し走査するように、ロボット位置決
め装置42が使用可能状態にされる。融除材料により生じ
る濾波されたスペクトル放射信号27が、信号29aを生じ
る光検出回路25によって監視される。第１の実施例に関
して先に述べたように、光検出回路25aがレーザ10の出
力を検出して、これもデータ処理回路38aに与えられる
基準光信号29aを生じる。信号29aおよび29bは、以降の
分析のため先に述べた手法に従って、データ処理回路38
aによって記録される。

本発明のケース１のタイプの用途に関して、オペレー
タは、大部分の材料が除去されたが、依然として先に述
べた如き適切な受入れ基準に基く受入れ得る表面仕上げ
を有する全てのテスト・サンプルから１つのテスト・サ
ンプルを識別し得る。このテスト・サンプルと関連する
値Ｎの適切な百分率を用いて、ケース１の用途に対する
80〜90％の如き最小閾値を確立する。ここで、 また、ｉはフォトダイオード・アレイ28における特定の
フォトダイオードを表わし、ｍはアレイ28におけるフォ
トダイオード数を表わす。再び、Ｎは、検出されフォト
ダイオード・アレイ28に記憶された光データの正規化さ
れた平均強さを表わす。

最大閾値Threshold_maxは、最少量の材料が除去された
が依然として受入れ得る仕上げを有するテスト・サンプ
ルを識別することにより得られる。この後者のテスト・
サンプルは、「第２の選択されたテスト・サンプル」と
呼ばれる。第２の選択されたテスト・サンプルと関連す
る値Ｎの実質的な百分率が、Threshold_maxとして確立さ
れる。このような実質的な百分率は、約80〜95％であ
る。ケース１の状況に対する最小および最大の走査速度
は、最小および最大の閾値と関連する走査速度である。
しかし、ケース２のタイプの用途の場合は、最小閾値は
最大速度値と関連付けられ、最大閾値は最小閾値と関連
付けられて、この場合走査速度は減少関数により走査速
度と関数的に関連付けられる。

ケース１のタイプの用途に対する本発明の第２の実施
例の方法およびシステムの動作事例については、図13A
および図13Bに示されるフローチャートおよび以降の論
議に関して更によく理解されよう。

ロボット位置決め装置42の最小および最大走査速度
（それぞれ、Scan Speed_minおよびScan Speed_max）、
Threshold_minおよびThreshold_max対する動作パラメータ
は、ステップ400においてプロセッサ610へ入力される。
更に閃光ランプ548に対する変調周波数およびデューテ
ィ・サイクルは、データ・プロセッサ40へ入力される。
経路命令は、ステップ402においてデータ・プロセッサ4
0に入力されこれにより読出される。この経路命令は、
ロボット位置決め装置42の予め定めた経路を規定する。
次いで、経路命令に基いて、ロボット位置決め装置42の
初期位置P₀および終了位置P_endと対応する値が、ステッ
プ404においてセットされる。次に、ステップ406におい
て、ロボット位置決め装置42の初期走査速度がScan Sp
eed_minと等しくセットされる。ロボット位置決め装置42
および粒子流供給源64が、ステップ408において使用可
能状態にされる。ステップ410において、ロボット位置
決め装置42が予め定めた経路の初めにその初期位置P₀へ
移動される。ステップ412において、閃光ランプ548およ
び粒子流供給源414は、データ・プロセッサ40によって
使用可能状態にされる。この段階において、システムが
動作状態にあり、これにより閃光ランプ548が場所P₀で
始まる光ビーム549でScan Speed_minに等しい速度で構
造体14の表面を照射して走査し、データ・プロセッサ38
aが適切な走査速度制御出力信号39を決定して生成する
ため信号29a、29bにコード化されたデータを分析するよ
うに配置される。閃光ランプ548が使用可能状態にある
間、レーザ10が、先に述べた周期的間隔の単一パルスに
より構造体14の表面を照射する。

閃光ランプ548による表面22の融除は、光検出回路25
により監視されるスペクトル放射信号17を生成する。フ
ォトダイオード・アレイ28が、フィルタ26を通過するサ
イン波長を有する濾波されたスペクトル放射信号27の存
在を検出して、データ処理回路38aへ与えられる出力信
号29aを生じる。処理回路38aもまた、基準光信号29bを
受信する。

ステップ415において、データ処理回路38aが、信号71
を読出すことによりデータ信号29a、29bを読出すかどう
か判定する。ステップ415における判定がNOであれば、
プロセスはステップ415を繰返すようにループ・バック
する。ステップ415における判定がYESであれば、データ
処理回路38aが、信号29bが信号29aに代わる第２の実施
例に関して先に述べた方法において光検出回路29aおよ
び29bからデータを読出す。データ処理回路38aが信号29
a、29bを読出す間、ステップ417において、データ処理
回路38aが、レーザ電源11をトリガーしてレーザ10に１
つのパルスを放出するよう指令する信号41fを生じる。
次いで、データ処理回路38aは、先に述べたように、デ
ータ信号29a、29bと関連するＮを決定する。

ステップ418において、データ・プロセッサ610が、Ｎ
が最小閾値Threshold_minと等しいかあるいはこれより小
さいかを判定する。この判定がYESであれば、プロセス
はステップ422へ進み、ここでデータ・プロセッサ40が
可変走査速度に対する値を最小走査速度Scan Speed_min
に等しく規定する。ステップ418における判定がNOであ
れば、ステップ420において、データ・プロセッサ40
が、Ｎが最大閾値Threshold_maxと等しかあるいはこれよ
り大きいかを判定する。ステップ420におけるこの判定
がYESであれば、データ・プロセッサ610は、決定された
走査速度Scan Speed_detをScan Speed_maxに等しくなる
ように規定する。ステップ420における決定がNOなら
ば、ステップ426において、データ・プロセッサ610が、
先に述べたように、可変走査速度に対する値を決定し、
ここで決定された走査速度は、図2Aにおいて例示したよ
うに、増加関数によりＮと関連付けられる。次にステッ
プ427において、プロセッサ610は、走査速度Scan Spee
d_detに等しくセットする。

ステップ428において、データ処理回路38aは、データ
・プロセッサ40へ与えられる走査速度制御出力信号39を
生じる。信号39の受信に応答して、プロセッサ40は、ロ
ボット位置決め装置44に適切な走査速度で移動するよう
指令しかつステップ428において、ロボット・コントロ
ーラ44へ与えられる信号41bを生じる。

次に、データ・プロセッサ40は、ステップ430におい
てロボット位置決め装置42の位置を表わすデータを読出
し、ステップ431において、周知の手法に従ってロボッ
ト位置決め装置42の位置を決定する。ロボット位置決め
装置42の位置が決定された後、ステップ432において、
ロボット位置決め装置42の位置P₁がステップ402で経路
命令により規定された予め定めた経路P_endの終りにおけ
る位置であるかどうかについて判定が行われる。ステッ
プ432における判定がYESであれば、閃光ランプ548が予
め定めた経路全体を走査したので、構造体14の処理は完
了する。次いで、ステップ436において、データ・プロ
セッサ40が、出力信号を、粒子流供給源64を使用不能状
態にするため、ロボット位置決め装置42を使用不能状態
にするためロボット・コントローラ44に、また閃光ラン
プ548を使用不能状態にするため閃光ランプ電源９へ与
える。しかし、ステップ432における判定がNOであれ
ば、閃光ランプ548は構造体14に沿って予め定めた経路
全体を走査せず、構造体14が完全に処理されなかったこ
とを示す。このような場合、更に別の経路命令がプロセ
ッサ40により生成されてロボット・コントローラ44へ与
えられ、次いで、プロセスはステップ413へループ・バ
ックした後、先に述べたように継続する。

図13Aおよび図13Bに関して述べた一般的プロセスもま
た実現され、これにおいて図2Bに示されたように、減少
関数により走査速度がＮと関連付けられる。図13Cによ
れば、ステップ418′においてＮ≦Threshold_minかどう
かについてプロセッサ610により判定が行われる。418′
における判定がYESならば、走査速度の値がScan Speed
_maxに等しくセットされる。ステップ418′における判定
がNOならばステップ420′においてＮ≧Threshold_maxか
どうかについて判定が行われる。この判定がYESなら
ば、ステップ424′において、走査速度の値がScan Spe
ed_minに等しくセットされる。ステップ422′または42
4′のいずれかの後、プロセスはステップ415へループ・
バックする。さもなければ、プロセスはステップ426へ
続き、ここでScan Speed_detが決定され、そこで決定走
査速度の値が図2Bに示した如き減少関数によりＮと関連
付けられる。

本発明については望ましい実施態様に関して記載した
が、本発明は本文に開示された装置またはプロセスの正
確な形態に限定されるものでないことを理解すべきであ
る。従って、本発明は、請求の範囲から逸脱することな
く特定的に記載されたもの以外の実施が可能であること
が理解されよう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハム，リチャード・ロイ アメリカ合衆国カリフォルニア州92106, サン・ディエゴ，エヴァーグリーン・ス トリート 1881 (72)発明者 フーガーワーフ，ジョン・デーヴィッド アメリカ合衆国カリフォルニア州92129, サン・ディエゴ，ハイカーヒル・ロード 9528 (56)参考文献 特開 昭64−48686（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−296623（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−264184（ＪＰ，Ａ) 特開 昭48−23092（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−137596（ＪＰ，Ａ) 特公 昭57−52438（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭46−19270（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 26/00

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】構造体から材料を除去するシステム（図1
   1）において、 目標領域における構造体（14）の表面材料（18、20）を
   照射するためのパルス周期を有し、前記表面材料を融除
   するのに充分な強さを持つパルス状非コヒーレント光ビ
   ーム（544）を発生する光エネルギ源（512）と、 前記非コヒーレント光ビーム（544）のパルス間の時間
   においてパルス状のコヒーレント・レーザ・ビーム（1
   2′）を発生するレーザ源（10）であって、前記レーザ
   ・ビーム（12′）は、前記構造体（14）の前記目標領域
   を照射し、かつ前記表面材料をしてスペクトル放射信号
   （17）を生ぜしめるように前記表面材料を融除するのに
   充分な強さを有する、レーザ源（10）と、 前記非コヒーレント光エネルギ源（512）と前記レーザ
   源（10）とを支持して、前記構造体（14）を前記非コヒ
   ーレント光ビームおよび前記レーザ・ビームにより走査
   するための走査手段（42、44）と、 前記走査手段に取付けられ、前記スペクトル放射を監視
   して選択された波長を持つ前記レーザ・ビーム（12′）
   に応答する前記スペクトル放射信号の選択された１つを
   検出し、かつ前記スペクトル放射信号の前記選択された
   １つの強さを表わす電気出力信号（29a）を生成する光
   検出手段（25）と、 前記監視手段および前記走査手段に結合され、前記パル
   ス周期の予め定めた間隔中に生じた電気出力信号（29
   a）と関数的に関連する走査速度を決定するデータ・プ
   ロセッサ（38a、40）と を備える構造体から材料を除去するシステム。
2. 【請求項２】前記レーザ源（10）が、前記非コヒーレン
   ト光ビームの振幅が最小値にある時、前記非コヒーレン
   ト光ビーム（549）のパルス間の時間において前記パル
   ス状コヒーレント・レーザ・ビーム（12′）を発生する
   請求項１記載のシステム。
3. 【請求項３】前記光検出手段が、前記パルス状コヒーレ
   ント・レーザ・ビーム（12′）のサンプル（20′）を検
   出しかつ該レーザ・ビームの検出されたサンプルの第２
   の電気出力信号（29b）を生成する別の光検出手段（25
   a）を更に含み、前記データ・プロセッサにより決定さ
   れる走査速度が、前記第２の電気出力信号と関数的に更
   に関連させられる請求項２記載のシステム。
4. 【請求項４】前記光エネルギ源が閃光ランプ（512）を
   含み、該閃光ランプにより発生される前記パルス状非コ
   ヒーレント光ビーム（544）が、170乃至5000ナノメート
   ルの範囲の波長を有するスペクトル成分を含む請求項２
   記載のシステム。
5. 【請求項５】前記表面材料（18、20）が、主として前記
   閃光ランプ（512）からの照射（544）の結果生じる融除
   の結果として前記構造体（14）から除去される請求項４
   記載のシステム。
6. 【請求項６】構造体から材料を除去する方法において、 （１）広帯域出力を有するパルス状光ビーム（544）を
   発生するステップと、 （２）目標領域における構造体（14）の表面材料（18、
   20）を照射し、前記パルス状非コヒーレント光ビーム
   が、前記表面材料を融除するのに充分な強さを有するス
   テップと、 （３）前記表面材料をしてスペクトル放射（17）を生ぜ
   しめるように前記表面材料を融除するのに充分な強さを
   有するレーザ・パルス（12′）により前記構造体の前記
   目標領域を前記光ビーム（544）のパルス間（図12A〜図
   12C）において照射するステップと、 （４）前記目標領域を前記レーザ・パルス（12′）で照
   射し続ける間、前記構造体を前記パルス状非コヒーレン
   ト光ビーム（544）により走査するステップと、 （５）前記スペクトル放射信号（17）を監視して選択さ
   れた波長を持つ前記スペクトル放射信号の選択された１
   つを検出し、かつ前記スペクトル放射信号の前記選択さ
   れた１つの強さを表わす電気出力信号（29a、29c）を生
   成するステップと、 （６）前記パルス周期の予め定めた間隔中に生じた前記
   電気出力信号と関数的に関連する更新された走査速度を
   決定するステップと、 （７）前記更新された走査速度と等しくなるように前記
   走査速度を指令するステップと を備える構造体から材料を除去する方法。
7. 【請求項７】前記生成されたパルス状非コヒーレント光
   ビームが、170乃至5000ナノメートルの範囲の波長を有
   するスペクトル成分を含む請求項６記載の方法。
8. 【請求項８】前記表面材料上に粒子流を衝突させること
   により、前記構造体を冷却しかつ洗浄するステップを更
   に含む請求項７記載の方法。
9. 【請求項９】前記表面材料上に粒子流を衝突させるステ
   ップが、前記表面材料上に乾燥気体に同伴された二酸化
   炭素ペレット流を衝突させるステップを含む請求項８記
   載の方法。