JP6131008B2 - レーザスキャナを操作する方法及びレーザスキャナを備える加工システム - Google Patents

Description

本発明は、レーザスキャナを操作する方法及びレーザスキャナを備える加工システムに関する。特に、本発明は、レーザスキャナを較正する方法に関する。

［関連出願の相互参照］
本願は、独国にて２０１１年８月４日に出願された「レーザスキャナを較正する方法及びレーザスキャナを備える加工システム（METHOD FOR CALIBRATING A LASER SCANNER AND PROCESSING SYSTEM WITH LASER SCANNER）」と題する特許出願第１０ ２０１１ １０９ ４４９．４号の優先権を主張し、当該出願の内容の全体を参照により本明細書に援用する。

レーザビームを用いて対象物を加工する、例えば対象物の材料特性を変更する、又は対象物から材料を除去することが知られている。この目的で、十分に高いビームエネルギー及び十分な光子エネルギーを有するレーザビームを、レーザスキャナによって対象物の予め決定された加工場所へ指向させる。これは、レーザスキャナの座標系における加工場所の座標の関数としてレーザスキャナの走査偏向を設定することにより行われる。この目的で、所望の加工場所の座標をレーザスキャナの偏向に変換しなければならない。これは、適当な数学的座標変換により達成することができる。

このような座標変換は、較正されることが好ましい。これは、例えば、既知の直径を有し座標系における既知の場所に配置した開口の後ろに配置した検出器を用い、レーザビームをレーザスキャナで開口を通して走査することにより達成することができる。開口を通して走査するレーザビームは、対象物の加工も実行するレーザビームとすることができ、又は対象物の加工を実行するレーザビームと既知の関係にあるビーム経路を有する異なるレーザビームであってもよい。検出器により検出される信号に従って、開口の場所に対応するレーザスキャナの走査偏向を決定し、座標変換をそれにより較正することができる。このプロセスを、開口が配置された複数の既知の場所で繰り返すことができる。このような装置及び方法は、特許文献１及び特許文献２から既知であり、当該文献の全開示を参照により本願に援用する。

検出器が検出した信号に基づきレーザスキャナに対する開口の位置を決定するには、多大な時間を要し、レーザ加工システムでの対象物の全処理時間が延びる。

米国特許第６，５０１，０６１号明細書 米国特許出願公開第２００５／０２０５７７８号明細書

本発明は、上記課題を考慮して達成された。

本発明の目的は、より短時間で且つ／又は高精度でレーザスキャナに対する開口等の特定の検出断面の位置を決定することを可能にする、レーザスキャナを操作及び較正する方法を提供することである。レーザスキャナを備える対応の加工システムを提供することも、本発明の目的である。

本発明の実施形態によれば、レーザスキャナを操作する方法は、レーザビームをレーザスキャナで走査経路に沿って走査することによりレーザスキャナを較正するステップと、検出断面に入射するレーザ光により誘導された光強度を検出するステップと、検出された光強度に基づきレーザスキャナに対する検出断面の位置を決定するステップとを含む。検出断面は、レーザ光に対する検出器の感光性領域又は明確に画定された断面を有する開口により提供することができ、レーザ光の検出器は、開口断面を横断する光を検出する。

さらに他の実施形態によれば、レーザスキャナを操作する方法は、レーザビームをレーザスキャナで走査経路に沿って走査するステップを含み、走査経路は、検出断面を含む平面内に第１部分経路及び第２部分経路を含み、第１部分経路及び第２部分経路は、この平面内の検出断面の直径とレーザビームの直径とを足したものよりも短い距離であり、また当該平面内のレーザビームの直径の０．３倍よりも大きく且つ／又は検出断面の直径の０．３倍よりも大きい距離だけ相互に離れて、並んで延在する。したがって、第１部分経路に沿ったレーザビームの走査及び第２部分経路に沿ったレーザビームの走査それぞれにより、相互に比較できる別個に検出可能な光強度が得られるので、２つの部分経路に対する、ひいてはレーザスキャナに対する検出断面の場所の比較的正確な決定が促進される。

さらに他の実施形態によれば、本方法は、第１部分経路と第２部分経路との間の距離を一定に維持可能なまま、第１部分経路及び第２部分経路を変位させることにより走査経路を繰り返し変更するステップをさらに含む。第１部分経路及び第２部分経路の変位による走査経路の繰り返し変更は、第１部分経路に沿った走査時に得られる検出された光強度と第２部分経路に沿った走査時に得られる光強度とが実質的に等しくなるまで、且つ／又はこれら光強度間の差が実質的にゼロになるまで行うことができる。

このとき、検出断面の中心が２つの部分経路間のちょうど中間に位置付けられると結論付けることができる。したがって、検出断面の領域における２つの部分経路の延在方向に対して垂直な方向に見た場合、レーザスキャナに対する検出断面の位置を正確に決定することができる。

特定の実施形態によれば、レーザビームは、第３部分経路及び第４部分経路に沿ってさらに走査され、第３部分経路及び第４部分経路は、検出断面の直径とレーザビームの直径とを足したものよりも短い距離であり、またレーザビームの直径の０．３倍よりも大きく且つ／又は検出断面の直径の０．３倍よりも大きい距離だけ相互に離れて、検出断面の平面内に延在し、検出断面の領域において、第３部分経路は、第１経路に対して３０°よりも大きい、特に５０°よりも大きい、特に７０°よりも大きい角度で延びる。特に、この角度は実質的に９０°であり得る。したがって、第３部分経路及び第４部分経路の延在方向に対して垂直な方向のレーザスキャナに対する検出断面の位置を正確に決定することも可能である。したがって、第１部分経路及び第２部分経路に対して垂直な検出断面の位置の決定と共に、検出断面の位置の正確な決定が、検出断面の平面内における２つの独立した方向で可能である。

例示的な実施形態によれば、第１部分経路及び第２部分経路及び／又は第３部分経路及び第４部分経路はそれぞれ、相互に平行に又は／且つ相互に一定の距離だけ離れて延在する。他の実施形態によれば、第１部分経路及び第２部分経路及び／又は第３部分経路及び第４部分経路はそれぞれ、直線に沿って延在する。

さらに他の例示的な実施形態によれば、第１部分経路及び第２部分経路及び／又は第３部分経路及び第４部分経路は逆方向に走査される。これにより、２つの部分経路それぞれをその後繰り返し走査することが可能となる。

さらに他の実施形態によれば、検出断面は、加工すべき対象物を取り付けるための対象物ホルダに設けられ、本方法は、レーザスキャナに対する検出断面の位置に基づきレーザスキャナの座標系と対象物ホルダの座標系との間の座標変換を求めるステップも含む。すると、これにより、レーザビームをレーザスキャナにより対象物ホルダ又はそれに取り付けた対象物の任意の所望の場所へ指向させることが可能となる。本明細書中の実施形態によれば、本方法は、レーザスキャナにより対象物の所望の場所へ指向させたレーザビームで対象物を加工するステップも含む。レーザビームは、この場合、レーザスキャナに対する検出断面の位置を定めるために用いるのと同じレーザビームとすることができ、又はこれとは異なる対象物の加工用のレーザビームであり、同じくレーザスキャナにより制御され、レーザスキャナに対する検出断面の位置を定めるのに用いるレーザビームと既知の関係にあるビーム経路を有するレーザビームであってもよい。対象物の加工は、特に、対象物の材料特性の変更及び対象物からの材料の除去であり得る。

例示的な実施形態によれば、この場合、対象物ホルダに複数の検出断面、例えば３つの検出断面等を設け、レーザスキャナに対する複数の検出断面それぞれの位置を決定し、且つ複数の検出断面の具体的な位置に基づき座標変換を求めることが可能である。したがって、適切な座標変換を高精度で定めることが可能である。複数の検出断面の位置は、単一の検出断面について上述したのと同様にそれぞれ定められる。

実施形態によれば、上述の方法を実行するよう構成された、レーザスキャナを含む加工システムも提供される。

他の実施形態によれば、加工システムは、レーザスキャナと、所定の検出断面に入射するレーザ光用の検出器と、レーザスキャナを制御し且つ検出器から検出信号を受け取るコントローラとを備え、コントローラは、走査経路に沿ってレーザビームを走査するようにレーザスキャナを制御するよう構成され、走査経路は、検出断面を含む平面内に第１部分経路及び第２部分経路を含み、第１部分経路及び第２部分経路は、検出断面を含む平面内の検出断面の直径とレーザビームの直径とを足したものよりも短い距離であり、また検出断面を含む平面内のレーザビームの直径の０．３倍よりも大きく且つ／又は検出断面の直径の０．３倍よりも大きい距離だけ相互に離れて、並んで延在し、コントローラは、第１部分経路に沿った走査時に検出断面に入射するレーザ光により生じる検出された第１光強度を、第２部分経路に沿った走査時に検出断面に入射するレーザ光により生じる検出された第２光強度と比較するよう構成された制御モジュールを含む。

本明細書中の特定の実施形態によれば、加工システムは、少なくとも１つの粒子ビームカラムも含み、これは粒子ビームカラムに対する１つ又は複数の検出断面の位置を検出するよう構成される。少なくとも１つの粒子ビームカラムは、対象物の顕微鏡像を得るか、対象物に材料を堆積するか、又は対象物から材料を除去するよう構成することもできる。

本発明の上記の又は他の有利な特徴は、添付図面を参照した以下の例示的な実施形態の詳細な説明からより明確となるであろう。可能な実施形態の全てが本明細書中に示す利点のそれぞれ又はいずれかを必ずしも示すとは限らないことに留意されたい。

レーザ加工システムの概略図である。 図１に示すレーザ加工システムで用いることができる対象物ホルダの断面の概略図である。 走査経路の変位、検出断面に入射する光強度、及び検出された光強度の１段階を示す。 走査経路の変位、検出断面に入射する光強度、及び検出された光強度の１段階を示す。 走査経路の変位、検出断面に入射する光強度、及び検出された光強度の１段階を示す。 可能な走査経路のさらに別の概略図である。 加工システムのコントローラの一部の概略図である。 加工システムのさらに別のコントローラの一部の概略図である。

以下で説明する例示的な実施形態において、機能及び構造が同様のコンポーネントは可能な限り同様の参照符号で示す。したがって、特定の実施形態の個々のコンポーネントの特徴を理解するには、他の実施形態及び発明の概要の説明を参照されたい。

図１は、加工システム１の概略図である。この加工システムは、レーザビーム及び複数の粒子ビームで対象物の加工を実行するよう構成される。このようなシステムに関する背景情報は、例えば、米国特許出願公開第２０１１／０１９８３２６号明細書で見ることができ、当該出願の全開示を参照により本特許出願に援用する。

加工システム１は、２つの粒子ビームカラム、すなわち電子ビーム５を発生させる電子ビームカラム３及びイオンビーム９を発生させるイオンビームカラム７を含み、イオンビーム９は、電子ビーム５のように加工領域１１内の場所へ指向させる。

電子ビームカラム３は、電子ビーム５を加工領域１１内に配置した対象物へ指向させるよう働き、また相互作用粒子、例えば二次電子、後方散乱電子、若しくは透過電子、及び／又はＸ線若しくはカソードルミネッセンス光（cathodoluminescence radiation）等の相互作用放射線を検出するよう働く。電子ビームを対象物上の種々の場所へ指向させ、検出された強度をそれらの場所に関連付ければ、対象物の一部の電子顕微鏡像を求めることができる。このような電子顕微鏡像に基づき、さらなる加工を必要とする対象物上の加工場所を決定することが可能である。さらなる加工は、加工場所における材料の堆積又は加工場所からの材料の除去を含み得る。

イオンビームカラム７を用いて、イオンビーム９をこのような加工場所へ指向させる。イオンビーム９は、対象物加工場所における材料を除去することができ、表面上への材料の堆積を誘発することもできる。この目的で、イオンビームにより活性化されるプロセスガスを加工場所に供給すること、及び対象物から材料を除去するか又は対象物に材料を堆積することが可能である。イオンビームは、電子ビームと同様に、対象物の像の生成に用いることもできる。

イオンビーム９による対象物からの材料の除去は、限定された速度でしか可能でない。イオンビームにより施される除去速度では時間がかかりすぎるような材料除去が望まれる場合、材料除去をレーザビームにより行うことができる。これを行うために、レーザスキャナ７４が発するレーザビーム１７の走査領域１３に対象物を搬送して、レーザビームを用いて対象物から材料を除去する。レーザビームによる材料除去の速度は、イオンビームによる速度よりも速い。したがって、比較的速い材料除去速度がレーザビームで得られる。

電子ビームカラム３は、カソード２３及びアノード２５を含む電子源２１と、ビーム５を発生させるコンデンサレンズ系２７と、例えばカラム３内に配置される二次電子検出器２９と、電子ビーム５を加工領域１１内に集束させる対物レンズ３１とを備える。ビームデフレクタ３３を設けて、対象物への電子ビーム５の入射場所を変え、例えば対象物の表面の加工領域を走査し、且つ二次電子等の生成又は放出された粒子を検出器２９で検出することで、走査した加工領域１１における対象物の電子顕微鏡像を得るようにする。

イオンビームカラム７は、イオン源３９と、イオンビーム９を形成及び加速する電極４１と、ビームデフレクタ４３と、集束コイル若しくは集束電極４５とを備えることで、イオンビーム９を加工領域１１内に集束させて対象物の一領域にわたって走査するようにする。

真空空間５１が真空室壁５３により画定されており、真空室壁５３は、真空ポンプに接続したポンプポート５５を有し、ポート５７を介して換気される。プロセスガスを真空室５１に導入した場合でも電子源２１を十分な真空下で永久に維持するために、電子カラム３は、開口５９及びさらに別のポンプポート６１を備えることで、電子源２１を含む真空部分を別個の真空ポンプにより排気するようにする。

試料の加工に複数の粒子ビームを用いるシステムに関する背景情報は、米国特許出願公開第２００５／０１８４２５１号明細書、米国特許第６，８５５，９３８号明細書、及び独国特許第１０ ２００６ ０５９ １６２号明細書から得ることができ、上記公報の全開示を参照により本願に援用する。

レーザシステム１５は、レーザビーム１７を整形及び集束するためにレーザ７１及びレンズ７３を含む。レーザビーム１７を、１つ又は複数のミラー又は光ファイバライトガイドを介して真空空間８３の真空室壁５３付近の場所へ指向させ、そこで２つの走査ミラー７５、７７を含むレーザスキャナ７４に入射させ、走査ミラー７５、７７を、矢印７９で示すようにアクチュエータ７６又は７８により枢動させることができる。アクチュエータ７６、７８によるミラー７５、７７の枢動は、相互に対して角度をなした向きの、特に相互に直交する方向に行われるので、レーザビーム１７は、２つのミラー７５及び７７での反射後に２つの独立した方向に偏向されて走査領域１３を走査することができる。

図示の例では、レーザスキャナ７４は、それぞれが１方向に枢動できる２つの走査ミラーを備える。他の例では、レーザスキャナは、２つの独立した方向に枢動できる１つの走査ミラーのみを備える。レーザスキャナの他の変形形態も考えられる。

アクチュエータ７６及び７８は、より詳細に後述するようにコントローラ８０により制御される。

レーザビーム１７は、真空室壁５３により同じく画定された真空空間８３に窓８１を通して入る。真空空間８３は、ドア８５により真空空間５１から隔てることができる。図１は、ドア８５の板８７について、ドアの開放位置の状態を実線で、ドア８５の閉鎖位置の状態を破線で示す。ドアのアクチュエータロッド８９を用いて、板８７を変位させ、ドア８５をその開放位置からその閉鎖位置へ、またその逆へ移動させる。ドア８５は、真空空間５１及び８３内で異なる真空圧を維持するために、室壁５３から封鎖することにより真空クロージャとして実施することができる。この場合、真空室８３は、真空ポンプに接続したポンプポート９１を介して排気させ、さらに別のポート９３を介して換気させることができる。

加工すべき対象物は、対象物ホルダ１０１に取り付け、対象物ホルダ１０１と共に２つの位置間で往復搬送させることができる。この目的で、連結器１０８を一端に有するロッド１０５を備える搬送アセンブリ１０３を設け、連結器１０８で対象物ホルダ１０１を保持することで、対象物を粒子ビーム５及び９の加工領域１１に配置する図１の右側位置から、対象物をレーザビーム１７の加工領域１３内に配置する図１の左側位置へ、対象物ホルダを引き込むことができる。同様に、対象物ホルダ１０１は、搬送アセンブリ１０３により図１の左側位置から図１の右側位置へ搬送することができる。搬送アセンブリ１０３は、この目的で、真空室壁５３に設けられてロッド１０５を貫通させる真空シール１０７も含み、これは、真空空間５１及び８３を換気する必要なく、ロッド１０５の変位による対象物ホルダ１０１の２つの位置間での搬送を可能にする。対象物ホルダ１０１の搬送中にこれを支持するために、レール１０９を設けることができる。対象物ホルダ１０１が図１の右側位置で真空空間５１内に配置されている場合、ロッド１０５の連結器１０８を対象物ホルダ１０１から解放することができるので、ロッド１０５を真空室５１から除去してドア８５を閉鎖することができる。

対象物ホルダ１０１が真空空間５１内に配置されている場合、対象物ホルダ１０１は位置決め装置１１１により支持され、位置決め装置１１１を用いて、対象物ホルダ１０１を粒子ビーム５及び９に対して変位させることで、ビームを選択可能な方向から対象物ホルダ１０１の選択可能な場所へ指向させることができる。この目的で、位置決め装置１１１は、ベース１１３と、対象物ホルダ１０１が固定されるコンポーネント１１７を担持する１つ又は複数の中間コンポーネント１１５とを備える。コンポーネント１１３、１１５、及び１１７を相互に対して移動させて、３次元ｘ、ｙ、及びｚでの対象物ホルダ１０１の変位を可能にすることができ、コンポーネントは、粒子ビーム５及び９に対する対象物ホルダ１０１の向きを変えるために相互に対して回転可能でもあり得る。

図１の左側位置における真空空間８３内では、対象物ホルダ１０１を位置決め装置１２１上に配置し、位置決め装置１２１は、レーザスキャナ１５の加工領域１３における対象物ホルダ１０１の位置決めを可能にする。

レーザビーム加工を粒子ビーム検査又は粒子ビーム加工と組み合わせることができる加工システムのさらに他の実施形態は、米国特許出願公開第２０１０／００５１８２８号明細書に記載されており、その全開示を参照により本明細書に援用する。

図２は、図１の左側位置における対象物ホルダ１０１の概略断面図を示す。対象物ホルダ１０１は、対象物台２０３を取り付けたベース体２０１を含み、対象物台２０３は加工すべき対象物２０５を担持する。

図示の例では、ベース体２０１は、３つの光検出器２０７を含み、図２の断面ではそのうちの２つを示す。光検出器２０７はそれぞれ、開口２１３を有する開口板２１１から離れて配置した光センサ２０９を備える。開口２１３は、明確に画定された検出断面を形成し、光がセンサ２０９により検出されるために光検出器２０７に入ることができる断面積を画定する。検出器２０７は、光センサ２０９の２つの接点２１５も備え、接点２１５は、ベース体２０１の底面で相互に離間しており（insolated）、対象物ホルダ１０１が位置決め装置１２１上に位置決めされると位置決め装置１２１に設けられた対応のばね接点２１７と接触できるようになっている。ばね接点２１７は、導体２１９を介してコントローラ８０に接続されることで、センサ２０９の検出信号を受け取ることができる。

画定された検出断面２１３を有する光検出器２０７を用いて、レーザスキャナ７４と対象物ホルダ１０１の座標系との間の座標変換を求め、レーザビーム１７を対象物２０５上の所望の場所へ指向できるようにする。この目的で、レーザスキャナの座標系における検出断面２１３の位置を決定することが必要である。この目的のための手順を、図３ａ、図３ｂ、及び図３ｃを参照して以下で説明する。

図３ａの上段部は、検出断面２１３が配置される平面２１４と、レーザビーム１７を走査する走査経路２２１との図を示す。走査経路２２１は、第１部分経路２２３と、第１部分経路２２３から距離ｄだけ離れて配置した第２部分経路２２５とを含む。第１部分経路２２３及び第２部分経路２２５を中間経路２２７及び２２８により相互に接続し、第１部分経路２２３、中間経路２２７、第２部分経路２２５、中間経路２２８、及び続いて再度第１部分経路２２３が、順次繰り返し走査されるようにする。２つの部分経路２２３及び２２５は、相互に逆方向に走査される。図示の例では、中間経路２２７は、一方の部分経路の終わりと他方の部分経路の始まりとの間の最短直線接続部である。しかしながら、中間経路が、直線形状ではなく湾曲形状等の異なる形状を有することも可能である。レーザスキャナ７４の走査位置が一方の部分経路の終わりから他方の部分経路の始まりへ移行する際に、レーザビームを停止させることも可能である。

図示の例では、第１部分経路２２３及び第２部分経路２２５は直線状である。しかしながら、部分経路は、より詳細に後述するように相互に距離ｄだけ離れて延びていれば、曲線（curved lines）又は円弧若しくは渦巻等の一般曲線（general curves）を辿ることもできる。

検出断面２１３の平面内のレーザビーム１７の直径を、図３ａの上段部に円として示す。実際には、レーザビームは、図３ａの中段部に示すように例えばガウシアンプロファイルである強度プロファイルを有し、図中、曲線は第１部分経路２２３に沿った走査中のレーザビームの強度プロファイル２３１を表し、曲線２３３は第２部分経路２２５に沿った走査中のレーザビーム１７の強度プロファイルの場所を表す。ここでは、第１部分経路２２３を最初に走査し、第２部分経路２２５を第１部分経路の後に走査して、第２強度プロファイル２３３が時間軸ｔに沿って第１強度プロファイル２３１よりも後に生じるようにすると考える。

図３ａの下段部において、曲線２３５は、コントローラ８０が検出し、且つ検出断面２１３を有する開口板２１１の下流に配置した光センサ２０９が発生させる強度信号を表す。強度信号は、第１部分経路２２３に沿った走査中にレーザビームプロファイル２３１により発生する。第１部分経路２２３は、図３ａに示す例では検出断面２１３の中心２３９と一致し、信号２３５は最大強度を有する。

図３ａの下段部における曲線２３７は、第２部分経路２２５に沿ったレーザビーム１７の走査中にビームプロファイル２３３により発生する検出信号を表す。第２部分経路２２５は第１部分経路２２３から離れて配置されるので、第２部分経路２２５は検出断面の中心２３９と一致しないことで、検出断面２１３を通過して光センサ２０９に達するレーザ光の強度が低くなり得る。したがって、信号２３７は、信号２３５よりも低い強度を有する。図示の例では、第１部分経路２２３を第２部分経路２２５の前に走査するので、信号２３７は信号２３５に対して時間（ｔ）だけ遅れる。

レーザスキャナに対する検出断面２１３の位置を定めるために、続いて、第１部分経路２２３をその延在方向を横断する方向にいくらか変位させ、信号２３５の強度を解析することが可能となる。信号の強度が最大となる変位のためには、第１部分経路２２３が検出断面２１３のちょうど中心を通過して、検出断面２１３の中心の位置を第１部分経路２２３の延在方向に対して垂直な方向で決定し、部分経路２２３の延在方向に対して垂直な走査偏向と一致させることができるようにする。しかしながら、信号２３５の強度は、部分経路２２３の位置の変動に伴い僅かにしか変わらないので、このように、レーザスキャナ７４に対する検出断面２１３の位置は、比較的低い精度でしか決定することができない。

図示の例では、位置の決定は、部分経路２２３及び２２５を繰り返し走査することにより行われ、その際、両部分経路２２３及び２２５の場所を方向２４１に連続的に変位させる。図３ｂ及び図３ｃの上段部は、この連続変位の２つの例を示す。図３ｂの上段部では、検出断面２１３は２つの部分経路２２３及び２２５間の中央にあり、図３ｂの下段部に示すように、２つのビームプロファイル２３１及び２３３から等しい強度の検出信号２３５又は２３７が得られるようになっている。図３ｃでは、変位をさらに大きくして、第２部分経路２２５が検出断面２１３の中心２３９と一致するようにする。したがって、図３ｃの下段部に示すように、第２部分経路２２５の走査中に発生する検出信号２３７は、第１部分経路２２３の走査中に発生する検出信号２３５よりも大きい。

図示の例では、２つの部分経路２２３及び２２５の延在方向を横断する方向の検出断面２１３の位置の決定は、２つの部分経路２２３及び２２５を含む走査経路を変位させて、２つの検出信号２３５及び２３７が同じ強度を有するか又はこれら２つの強度間の差が最小若しくはゼロに等しくなるようにするよう行われる。これには、部分経路の変位が軽微であっても２つの検出信号２３５及び２３７間の差が比較的大きくなるので、検出断面の位置を高精度で検出できるという利点がある。レーザスキャナの座標系における検出断面２１３の中心２３９の位置は、このとき、部分経路２２３、２２５の延在方向を横断する方向の走査偏向間の中心点に対応する。

この目的で、２つの部分経路２２３及び２２５を相互に離間して位置付ける必要があり、その際の距離は、レーザビーム１７の光が第１部分経路２２３に沿った走査時及び第２部分経路２２５に沿った走査時に検出断面２１３に入射するよう選択する。したがって、２つの部分経路２２３、２２５間の距離ｄは、検出断面２１３の直径に基づき決定される値とレーザビーム１７の直径に基づき決定される値とを足したものよりも小さくすべきである。検出断面２１３の直径に基づき決定される値は、例えば、検出断面２１３自体の直径と同じ大きさであるよう選択することができ、又は検出断面２１３の直径の０．９倍若しくは０．８倍等、僅かに小さくすることができる。同様に、レーザビーム１７の直径に基づき決定される値は、例えば、検出断面自体の平面内のレーザビーム１７の直径と同じ大きさであるよう選択することができ、又は検出断面の平面内のレーザビーム１７の直径の０．９倍若しくは０．８倍等、僅かに小さくすることができる。

レーザビーム１７の直径は、従来の方法により定めることができる。例えば、ガウス断面（Gaussian cross-section）又は同様のビーム断面では、ビームの直径を、例えばビーム強度の９０％が直径内にあり、ビーム強度の１０％が直径外にあるよう定めることができる。

また、部分経路２２３及び２２５が方向２４１に移動する際に２つの信号２３５及び２３７の強度間の差が著しく変わるように、２つの部分経路２２３及び２２５間の距離ｄが小さすぎないようにすべきである。例えば、距離ｄは、レーザビームの直径の０．３倍、０．４倍、又は０．４倍よりも大きくすべきであり、且つ／又は検出断面の直径の０．３倍、０．４倍、又は０．５倍よりも大きくすべきである。

図３ａ〜図３ｃに基づき説明した方法では、検出断面２１３の位置を一方向で、すなわち部分経路２２３及び２２５の延在方向に直交する方向で、正確に検出することができる。

図４は、検出断面２１３の位置を２つの独立した方向で検出することができる実施形態を示す。

この実施形態では、最初に、図３ａ〜図３ｃを参照して上述したように、部分経路２２３及び２２５の延在方向を横断する方向で位置を決定する。続いて、第３部分経路２２３’及び第４部分経路２２５’を繰り返し走査することにより走査経路を変更するが、その際、第３部分経路２２３’及び第４部分経路２２５’を、第１部分経路２２３及び第２部分経路２２５に対して９０°の角度に向ける。部分経路２２３’及び２２５’の位置を、２つの検出された信号がほぼ等しくなるまで、又はこれら２つの信号間の差が最小又はゼロに等しくなるまで、方向２４１’に変える。したがって、検出断面２１３の中心の位置は、方向２４１及び目的方向２４１’の両方で正確に定められる。

図５は、上述した検出信号の解析を実行するためのコントローラ８０の一部の概略図である。光センサ２０９の検出信号は、導体２１９を介してコントローラ８０へ伝送される。信号は、演算増幅器２４１及び抵抗２４３を備える電流電圧変換器により変換され、アナログデジタル変換器２４５によりデジタル信号にさらに変換される。アナログデジタル変換器２４５により出力されたデジタル信号は、マイクロプロセッサ２４７により解析され、マイクロプロセッサ２４７は、検出された信号の発生時間及び強度を判定することにより判定された強度を相互に比較するよう構成される。マイクロプロセッサ２４７は、２つの時間的に連続した信号をそれらの強度に関して比較し、強度の差を求める。この差は、ＰＩコントローラ２４９へ出力され、ＰＩコントローラ２４９はさらに、走査経路の変位のための制御信号を出力２６５において供給する。走査経路を発生させて、レーザビーム１７を走査経路に沿って指向させるようレーザスキャナ７４のアクチュエータ７６、７８を制御するコントローラ８０のさらに別のコンポーネントが、出力２６５において供給された信号２６５を読み取り、この信号に応じて走査経路を変位させる。

したがって、図５に概略的に示す回路では、第１部分経路２２３に沿った走査時及び第２部分経路２２５に沿った走査時に発生する２つの検出信号が同じ強度を有するまで、走査経路を変位させることが可能である。

図６は、図５に示すコントローラの部分の代替的な実施形態を示す。この実施形態では、センサ２０９が発生させた信号が、演算増幅器２４１及び抵抗を備える電流電圧変換器を用いてこの場合も変換される。しかしながら、変換された信号は、マルチプレクサ２５１を介してフィードバック抵抗２５４を有する第１演算増幅器２５３とフィードバック抵抗２５６を有する第２演算増幅器２５５とに交互に供給され、第１演算増幅器２５３は第１部分経路２２３に沿った走査時に発生する信号を常に受け取り、第２演算増幅器２５５は第２部分経路２２５に沿った走査時に発生する信号を常に受け取るようになっている。マルチプレクサ２５１は、同期入力又はリセット入力２５２を含み、これを介して第１部分経路２２３の各横断の開始時にリセットされる。

演算増幅器２５３、２５５の出力は、ラッチメモリ２５９及び２６１にそれぞれ接続され、ラッチメモリ２５９及び２６１は、増幅信号の最大値を記憶してその最大値を後続の比較器２６３へ供給する。したがって、比較器の出力２６５において供給される信号は、第１部分経路及び第２部分経路それぞれの横断中に検出された光強度の差を表す。ラッチメモリ２５９及び２６１はそれぞれ、リセット入力２６０又は２６２を有するので、第１走査経路及び第２走査経路の各横断前にマルチプレクサ２５１と共にリセットすることができる。

本発明をその特定の例示的な実施形態に関して説明したが、多くの代替形態、変更形態、及び変形形態が当業者には明らかとなるであろう。したがって、本明細書に記載した本発明の例示的な実施形態は、説明を意図したものであり、決して限定を意図したものではない。添付の特許請求の範囲に記載される本発明の趣旨及び範囲から逸脱せずに、様々な変更を加えることができる。

Claims (17)

1. レーザスキャナを操作する方法であって、
   前記レーザスキャナを用いて走査経路に沿ってレーザビームを走査し、検出断面に入射する前記レーザビームのレーザ光により生じる光強度を検出するステップであって、前記検出断面は対象物ホルダに設けられ、前記対象物ホルダ上に対象物が、前記検出断面から距離をおいて取り付けられるステップと、
   前記検出された光強度に基づき前記レーザスキャナに対する前記検出断面の位置を決定するステップと
   を含み、前記走査経路は、前記検出断面を含む平面内にあり、第１部分経路及び第２部分経路を含み、前記第１部分経路及び前記第２部分経路は、前記検出断面を含む平面内の前記検出断面の直径と前記レーザビームの直径とを足したものよりも短い距離であり、また前記検出断面を含む平面内の前記レーザビームの直径の０．３倍よりも大きいか又は前記検出断面の直径の０．３倍よりも大きい距離だけ相互に離れて、相互に隣接して延在する方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記第１部分経路に沿った走査中に前記検出断面に入射するレーザ光により生じる検出された第１光強度と、前記第２部分経路に沿った走査中に前記検出断面に入射するレーザ光により生じる検出された第２光強度とを比較するステップをさらに含む方法。
3. 請求項２に記載の方法において、前記検出された第１光強度及び前記検出された第２光強度が実質的に等しくなるまで前記第１部分経路及び前記第２部分経路を変位させることにより、前記走査経路を繰り返し変更するステップをさらに含む方法。
4. 請求項３に記載の方法において、前記レーザスキャナに対する前記検出断面の位置は、前記第１部分経路と前記第２部分経路との間の中央に位置決めされるよう決定される方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法において、前記第１部分経路及び前記第２部分経路は、相互に一定の距離だけ離れて延在する方法。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法において、前記第１部分経路及び前記第２部分経路は、それぞれ直線に沿って延在する方法。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法において、前記第１部分経路及び前記第２部部経路は、逆方向に走査される方法。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法において、前記走査経路は、前記検出断面を含む平面内に第３部分経路(223’)及び第４部分経路(225’)を含み、前記第３部分経路及び前記第４部分経路は、前記検出断面を含む平面内の前記検出断面の直径と前記レーザビームの直径とを足したものよりも短い距離であり、また前記検出断面を含む平面内の前記レーザビームの直径の０．３倍よりも大きいか又は前記検出断面の直径の０．３倍よりも大きい距離だけ相互に離れて延在し、
   前記第１経路と前記第３部分経路との間の最小角度は、３０°よりも大きい、特に５０°よりも大きい、特に７０°よりも大きい方法。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法において、前記方法は、前記レーザスキャナに対する前記検出断面の決定された位置に基づき前記レーザスキャナの座標系と前記対象物ホルダの座標系との間の座標変換を求めるステップをさらに含む方法。
10. 請求項９に記載の方法において、２つ以上の検出断面が前記対象物ホルダに設けられ、前記レーザスキャナに対する前記２つ以上の検出断面の位置は、前記検出された光強度に基づき決定され、前記座標変換は、前記レーザスキャナに対する前記２つ以上の検出断面の位置に基づき求められる方法。
11. 請求項９又は１０に記載の方法において、前記対象物を前記レーザスキャナが発生させるレーザビームで加工するステップをさらに含む方法。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法を実行するよう構成された、レーザスキャナ及びコントローラを備える加工システム。
13. 請求項１２に記載の加工システムにおいて、
    前記レーザスキャナと、
    所定の検出断面に入射するレーザ光を検出するよう構成された検出器と、
    前記レーザスキャナを制御し且つ前記検出器から検出信号を受け取るよう構成されたコントローラと
    を備え、前記コントローラは、走査経路に沿って前記レーザビームを走査するように前記レーザスキャナを制御するよう構成され、前記走査経路は、前記検出断面を含む平面内に第１部分経路及び第２部分経路を含み、前記第１部分経路及び前記第２部分経路は、前記検出断面を含む平面内の前記検出断面の直径と前記レーザビームの直径とを足したものよりも短い距離であり、また前記検出断面を含む平面内の前記レーザビームの直径の０．３倍よりも大きいか又は前記検出断面の直径の０．３倍よりも大きい距離だけ相互に離れて、相互に隣接して延在し、
    前記コントローラは、前記第１部分経路に沿った走査時に前記検出断面に入射する前記レーザ光により生じる検出された第１光強度を、前記第２部分経路に沿った走査時に前記検出断面に入射する前記レーザ光により生じる検出された第２光強度と比較するよう構成された制御モジュールを含む加工システム。
14. 請求項１３に記載の加工システムにおいて、前記制御モジュールは、前記第１光強度と前記第２光強度との間の差を表す信号を発生するよう構成される加工システム。
15. 請求項１４に記載の加工システムにおいて、前記コントローラは、前記差が最小になるまで前記第１部分経路及び前記第２部分経路を変位させるように前記レーザスキャナを制御するよう構成される加工システム。
16. 請求項１２〜１５のいずれか１項に記載の加工システムにおいて、少なくとも１つの粒子ビームカラムをさらに備え、該粒子ビームカラムは、該粒子ビームカラムに対する前記検出断面の位置を検出するよう構成される加工システム。
17. 請求項１６に記載の加工システムにおいて、該加工システムは、前記少なくとも１つの粒子ビームカラムを用いて、対象物に材料を堆積するか又は該対象物から材料を除去するよう構成される加工システム。

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