KR102611837B1 - 검류계 스캐너 보정을 위한 광학 기준 생성 - Google Patents

검류계 스캐너 보정을 위한 광학 기준 생성 Download PDF

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Abstract

장치는 기준 소스 빔을 생성하도록 배치된 광원, 및 레이저 프로세싱 타겟에 걸쳐 레이저 프로세싱 빔을 스캔하도록 배치된 레이저 스캐너의 시야 내에 있는 레이저 프로세싱 타겟 상의 적어도 하나의 일시적인 광학 기준을 기준 소스 빔으로 생성하여, 레이저 프로세싱 타겟 상의 레이저 프로세싱 빔의 위치는 적어도 하나의 일시적인 광학 기준에 대하여 조정 가능하도록 배치된 광학 기준 패턴 생성기를 포함한다.

Description

검류계 스캐너 보정을 위한 광학 기준 생성
본 출원은 2017 년 4 월 4 일자로 출원된 미국 가 특허 출원 제 62 / 481,637 호의 이점을 주장하며, 이 특허는 그 전문이 본원에 참조로 포함된다. 본 분야는 스캐너 기준 및 레이저 프로세싱에 관한 것이다.
3D 또는 2D 레이저 스캐너 제조 또는 처리 응용에서, 스캐너는 일반적으로 외부의 확립된 기준에 따라 X, Y 위치로 보정된다. 대부분의 경우, 보정 재료는 작업 표면에 위치하고 표시된 후, 오류 데이터를 수집하기 위하여 온-보드 또는 오프라인 비전 시스템에 의하여 검사된다. 상기 오류 데이터는 스캐너 시야 전체에서 참조 및 실제 레이저 표시 위치 사이의 공간적 차이이다.
적층 제조하는 3D 금속 프린팅 응용에서, 레이저 프로세스는 전체 시야에서 참조 정보 제공 방법에 따른 과제를 제기하는데, 이는 많은 cm2와 같이 실질적일 수 있다. 종래의 스캐닝 응용은 프로세스 기판 또는 보정을 위하여 작업면 상에 위치하고, 순차적으로 제거되는 특수하게 준비된 보정 매체 상에 기준을 제공할 수 있다. 3D 선택적 레이저 소결(3D Select Laser Sintering, SLS) 공정에서, 정밀하게 제어된 금속 입자 층은 작업면을 덮고 있기 때문에, 기준 생성은 일반적으로 불가능하거나 실용적이지 않다. 지지 플래튼은 보정을 위한 기준으로 만들어질 수 있지만, 제조 프로세스가 시작되면 상기 플래튼을 덮는 프린트 재료들 때문에 인시츄 드리프트 모니터링이 어려워진다.
개시된 기술의 일 양태에 따르면, 장치는 기준 소스 빔을 제조하기 위하여 배치되는 광원 및 레이저 프로세싱 타겟에 걸쳐 레이저 프로세싱 빔을 스캔하도록 배치되는 레이저 스캐너의 시야 내에 있는 레이저 프로세싱 타겟 상의 적어도 하나의 일시적인 광학 기준을 기준 소스 빔으로 생성하여, 레이저 프로세싱 타겟 상의 레이저 프로세싱 빔의 위치가 적어도 하나의 일시적인 광학 기준에 대하여 조정 가능해지도록 배치되는 광학 기준 패턴 생성기를 포함한다.
일부 실시예에서, 레이저 프로세싱 타겟은 선택적 레이저 소결 타겟과 같이 적어도 하나의 일시적인 광학 기준을 널리 반사시키도록 배치된 분말 재료를 포함한다. 일부 예에서, 분말 재료는 레이저 프로세싱 빔으로 선택적으로 처리되는 제1층을 형성하고, 추가의 분말 재료는 하나 이상의 후속층을 형성하기 위하여 증착되며, 상기 적어도 하나의 일시적인 광학 기준은 제1층 및 레이저 프로세싱 빔 스캐닝의 인시츄 보정을 제공하기 위한 하나 이상의 후속층 중 적어도 하나에 생성된다.
일부 장치 예는 또한 레이저 스캐너의 하나 이상의 주사 광학계의 스캔 위치에 기초하여 레이저 스캐너를 통해 상기 레이저 프로세싱 타겟에 상기 시야의 서브필드 시야에 광학적으로 결합된 광학 감지기를 또한 포함하고, 상기 광학 감지기는 서브필드에서 적어도 하나의 광학 기준을 감지하기 위하여 배치된다. 일부 예에 따르면, 상기 레이저 스캐너는 상기 하나 이상의 주사 광학계의 상이한 스캔 위치를 위하여, 상기 서브필드 시야 내의 소정의 위치로 레이저 프로세싱 빔을 지향시키도록 형성된다. 다른 실시예에서, 상기 광학 감지기는 카메라, 포토 다이오드, CMOS 감지기 및 CCD 감지기, 어레이 또는 조합 중 하나 이상을 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 광학 감지기는 레이저 프로세싱 빔이 파워가 공급되지 않거나, 비처리 전력일 때 적어도 하나의 일시적인 광학 기준을 감지하도록 배치된다.
일부 실시예에서, 컨트롤러는 광학 감지기 및 레이저 스캐너에 결합되고, 적어도 하나의 일시적인 광학 기준의 감지 위치를 레이저 프로세싱 빔의 위치와 비교하고, 상기 비교에 기초하여 스캔 오류 보정 테이블을 갱신하고, 갱신된 스캔 오류 보정 테이블에 따라 레이저 프로세싱 빔을 스캔할 수 있다. 대표적인 장치는 레이저 스캐너 및 레이저 프로세싱 빔을 생성하고 레이저 스캐너에 레이저 프로세싱 빔을 지향하기 위하여 배치된 레이저 프로세싱 빔 중 하나 또는 모두를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 적어도 하나의 일시적인 광학 기준은 고리모양이며, 상기 적어도 하나의 일시적인 광학 기준에 대한 레이저 프로세싱 빔의 위치 조정은 상기 고리의 감지에 기초한다. 상기 적어도 하나의 일시적인 광학 기준은 상기 레이저 프로세싱 빔의 파장과 이격된 파장을 가질 수 있다.
기준 패턴 생성기의 일부 예는 적어도 하나의 일시적인 광학 기준을 생성하기 위한 회절 빔으로 기준 소스 빔을 회절시키도록 배치된 회절 광학 소자를 포함한다. 일부 회절 광학 소자 예에서, 상기 일시적인 광학 기준은 레이저 스캐너의 시야에서 소정의 기준 패턴으로 이격된 복수의 일시적인 광학 기준에 상응할 수 있다. 다른 예에서, 레이저 스캐너는 상기 레이저 프로세싱 빔을 회절 광학 소자로 생성된 각각의 일시적인 광학 기준의 위치와 관련된 시야의 상이한 서브필드로 지향시키도록 배치될 수 있다. 일부 실시예는 레이저 프로세싱 타겟 또는 레이저 프로세싱 타겟에 인접한 표면에 의하여 반사되는 회절 빔의 0차 부분을 감지하도록 배치된 광학 감지기를 더 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 광원 및 광학 기준 패턴 생성기는 레이저 스캐너 및 레이저 스캐너 및 레이저 프로세싱 타겟에서 적어도 하나의 일시적인 광학 기준의 위치 오류를 감소시키는 레이저 프로세싱 빔 소스로부터 광원 및 광학 기준 패턴 생성기를 열적으로 고립시키는 레이저 프로세싱 빔을 생성시키도록 배치된 레이저 빔 프로세싱 빔 소스로부터의 공간적 분리를 갖는다.
선택된 예에서, 상기 기준 패턴 생성기는 상기 적어도 하나의 일시적인 광학 기준이 레이저 프로세싱 타겟에 걸쳐 동적으로 위치할 수 있도록 조정 빔을 생성하기 위하여 기준 소스 빔을 변조하도록 배치된 공간 광 변조기를 포함한다. 공간 광 변조기는 디지털 마이크로 미러 장치, 실리콘 액정 표시 장치, 음향-광학 변류기 및 전기-광학 빔 변류기 중 하나 이상을 예로서 포함한다. 대표적인 변조된 빔 예에서, 적어도 하나의 일시적인 광학 기준은 레이저 프로세싱 빔의 스캔 위치가 적어도 하나의 일시적인 광학 기준의 동적 위치를 추적할 수 있도록 레이저 프로세싱 빔이 레이저 프로세싱 타겟에 걸쳐 스캔됨에 따라 동적으로 위치할 수 있다.
개시된 기술의 다른 양태에 따르면, 시스템은 적어도 하나의 일시적인 광학 기준을 생성하도록 배치되는 기준 보정기, 적어도 하나의 프로세서, 및 하나 이상의 프로세서의 실행에 응답하여, 시스템이 레이저 프로세싱 타겟에 걸쳐 레이저 프로세싱 빔을 스캔하도록 배치된 레이저 스캐너의 시야 내에 있는 레이저 프로세싱 타겟에서 감지되는 적어도 하나의 일시적인 광학 기준에 대한 레이저 프로세싱 빔의 위치를 조정할 수 있도록 하는 저장된 명령을 포함하는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체를 포함한다.
일부 시스템 예에서, 적어도 하나의 일시적인 광학 기준은 기준 보정기의 회절 광학 소자로 생성되고 레이저 스캐너와 공통되지 않는 경로를 따라 회절 광학 소자로부터 레이저 프로세싱 타겟으로 지향되는 복수의 일시적인 광학 기준을 포함하고, 시스템이 위치를 조정하게 하는 단계는 적어도 하나의 일시적인 감지 위치를 레이저 프로세싱 빔의 위치와 비교하는 단계, 상기 비교에 기초하여 스캔 오류 보정 테이블을 갱신하는 단계, 및 갱신된 스캔 오류 보정 테이블의 값에 기초한 레이저 프로세싱 빔을 스캔하는 레이저 스캐너를 제어하는 단계에 상응한다. 다른 실시예에서, 적어도 하나의 일시적인 광학 기준은 레이저 스캐너로부터 분리된 광학 경로를 따라 지향되는 레이저 스캐너의 시야 내에 동적으로 위치할 수 있는 광학 기준을 포함하고, 시스템이 위치를 조정하게 하는 단계는 소정의 레이저 프로세싱 패턴을 따라 동적으로 위치할 수 있는 광학 기준을 지향하는 단계, 레이저 스캐너의 시야를 통해 광학적으로 결합되는 광학 감지기로 동적으로 위치할 수 있는 광학 기준을 감지하는 단계 및 감지에 기초한 레이저 프로세싱 빔으로 동적으로 위치할 수 있는 광학 기준을 추적하는 단계를 포함한다.
개시된 기술의 다른 양태에 따르면, 방법은 광원으로 기준 소스 빔을 생성하는 단계 및 적어도 하나의 일시적인 광학 기준에 대하여 레이저 프로세싱 빔의 위치를 조정하기 위하여 기준 소스 빔을 수신하는 광학 기준 패턴 발생기로 레이저 프로세싱 타겟에 걸쳐 레이저 프로세싱 빔을 스캔하도록 배치된 레이저 스캐너의 시야 내에 있는 레이저 프로세싱 타겟에 적어도 하나의 일시적인 광학 기준을 형성하는 단계를 포함한다.
일부 방법 예는 레이저 스캐너를 통하여 레이저 프로세싱 타겟에 광학적으로 결합된 광학 감지기로 적어도 하나의 일시적인 광학 기준을 감지하는 단계, 적어도 하나의 일시적인 광학 기준 및 레이저 프로세싱 빔 사이의 위치 차이를 결정하는 단계, 및 상기 위치 차이를 감소시킴으로써 시야 내의 레이저 스캐너로 레이저 프로세싱 빔의 위치를 조정하는 단계를 더 포함한다. 일부 방법 예에 따르면 상기 적어도 하나의 일시적인 광학 기준을 형성하는 단계는
복수의 일시적인 광학 기준 빔렛을 생성하도록 회절 광학 소자로 기준 소스 빔을 회절시키는 단계, 및 레이저 스캐너의 시야 내에 있는 일시적인 광학 기준의 미리 보정된 배열에 따라 레이저 프로세싱 타겟에 일시적인 광학 기준 빔렛을 지향시키는 단계를 포함한다. 추가적인 방법 예는 레이저 스캐너를 통하여 레이저 프로세싱 타겟에 광학적으로 결합된 광학 감지기로 적어도 하나의 일시적인 광학 기준을 감지하는 단계;를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 일시적인 광학 기준을 형성하는 단계는 레이저 프로세싱 빔으로 타겟을 처리하는 동안 레이저 프로세싱 타겟 상의 적어도 하나의 일시적인 광학 기준의 위치를 변화시키는 단계를 포함하고, 상기 위치 차이를 결정하고 레이저 프로세싱 빔의 위치를 조정하는 단계는 광학 감지기로 적어도 하나의 일시적인 광학 기준을 감지한 것에 기초하여 레이저 프로세싱 빔으로 적어도 하나의 일시적인 광학 기준의 다양한 위치를 추적하는 단계를 포함한다.
개시된 기술의 전술한 특징 및 다른 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 진행되는 다음의 상세한 설명으로부터 보다 명백해질 것이다.
도 1은 선택적 레이저 소결 타겟의 카메라 이미지의 평면도를 나타낸 것이다.
도 2는 작업 표면에서 기준 마커를 생성하는 회절 광학 소자를 포함하는 선택적 레이저 소결 시스템의 예의 개략도이다.
도 3은 선택적 레이저 소결 시스템 예의 다른 개략도이다.
도 4는 기준 보정 및 동적 추적의 예시적인 방법의 흐름도이다.
도 5는 레이저 프로세싱 타겟 예의 평면도이다.
도 6은 레이저 시스템 예의 개략도이다.
도 7은 다른 레이저 시스템 예의 개략도이다.
도8은 광학 기준을 갖는 보정 방법 예의 흐름도이다.
본 출원 및 청구 범위에서 사용된 바와 같이, 단수 형태 "a", "an"및 "the"는 문맥 상 명백하게 다르게 지시되지 않는 한 복수 형태를 포함한다. 또한 "포함한다(include)"라는 용어는 "포함한다(comprise)"를 의미한다. 나아가, "결합된(coupled)"라는 용어는 결합된 항목들 사이에 중간 요소의 존재를 배제하지 않는다.
본 명세서에 설명된 시스템, 장치 및 방법은 어떤 방식으로도 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 대신에, 본 개시는 다양한 개시된 실시예의 모든 신규하고 비 명백한 특징 및 양태에 대해 단독으로 그리고 서로의 다양한 조합 및 하위 조합에 관한 것이다. 개시된 시스템, 방법 및 장치는 임의의 특정 측면 또는 특징 또는 이들의 조합으로 제한되지 않으며, 개시된 시스템, 방법 및 장치는 임의의 하나 이상의 특정 장점이 존재하거나 문제가 해결될 것을 요구하지도 않는다. 임의의 작동 이론은 설명을 용이하게 하기 위한 것이지만, 개시된 시스템, 방법 및 장치는 그러한 작동 이론으로 제한되지 않는다.
개시된 방법들 중 일부의 작동들이 편리한 표시를 위해 특정의 순차적인 순서로 설명되었지만, 이러한 설명 방식은 아래에 설명된 특정 언어에 의해 특정 순서가 요구되지 않는 한 재배열을 포함한다는 것을 이해하여야 한다. 예를 들어, 순차적으로 기술된 동작들은 일부 경우에 재배치되거나 동시에 수행될 수 있다. 또한, 간략화를 위해, 첨부된 도면은 개시된 시스템, 방법 및 장치가 다른 시스템, 방법 및 장치와 함께 사용될 수 있는 다양한 방식을 도시하지 않을 수 있다. 또한, 본 설명은 때때로 개시된 방법을 설명하기 위해 "생성(produce)"및 "제공(provide)"과 같은 용어를 사용한다. 이러한 용어는 수행되는 실제 작업의 고도의 추상화이다. 이러한 용어들에 대응하는 실제 동작들은 특정 구현에 따라 다양할 것이며 당업자에 의해 쉽게 식별 될 수 있다.
일부 예에서, 값, 절차 또는 장치는 "최저(lowest)", "최상(best)", "최소(minimum)"등으로 지칭된다. 이러한 설명은 다수의 사용된 기능적 대안들 중에서 선택이 이루어질 수 있으며, 그러한 선택이 다른 선택에 대해 더 양호하거나, 더 작거나, 또는 다른 방식으로 바람직할 필요는 없음을 나타내는 것으로 이해될 것이다.
도 1 및 도 2에서, 3D 또는 2D 스캐너 기반 처리 툴 내에서 기준 투영을 제공하는 시스템 및 방법이 개시되어 있다. 저전력 레이저 소스는 재료의 작업면(206)으로 지향되는 2차원 그리드 빔(예를 들어, 10-100)을 형성하는 복수의 빔(204a - 204f)으로 단일 빔을 분할하는 단일 또는 다중 회절 광학 소자(DOE)를 통하여 지향되는 레이저 빔(200)을 공급한다. SLS의 경우, 재료의 작업면(206)은 부분적으로 또는 실질적으로 램버시안 분포(208)로 분산되는 것과 같이, DOE로부터의 광을 산란시키는 역할을 하는 금속 분말 층일 수 있다. 빔 또는 레이저 투영 지점의 대응하는 어레이는 재료의 작업면(206)에 SLS 처리 레이저 빔을 투영하기 위해 배치된 레이저 스캐너(210)의 시야를 통한 것을 포함하여 많은 각도로부터 볼 수 있다. DOE 제작은 일반적으로 원숙하고, 고도의 작업이며, SLS 시스템의 투영 플랫폼은 높은 평탄도 요구를 만족하도록 제조될 수 있기 때문에, DOE(202)로부터의 투영 지점의 레이저 스캐너(210), SLS 처리 레이저 빔 및 그리드는 재료의 작업면(206)을 포함하는 SLS 시스템의 다른 요소와 관련하여 위치가 잘 알려질 수 있다. 일부 예에서, 카메라 시스템(212)은 레이저 스캐너(210)가 레이저 스캐너 시야 내에서 명령되는 곳마다 재료의 작업면(206)을 이미지화하도록 레이저 스캐너 내에 구성되거나 레이저 스캐너를 통하여 광학적으로 결합될 수 있다. 카메라 시스템(212)은 레이저 스캐너(210)의 주사 광학계를 통하여 직접 국지적인 타겟 영역의 이미지(100)를 형성할 수 있다. 이미지(100)는 회절 광학 소자(202) 및 저출력 레이저 소스에 의하여 생성되는 조명 기준(102)을 포함한다. SLS 처리 레이저 빔이 SLS 분말 재료를 손상시키지 않도록 저전력으로 켜질 때, 카메라 시스템(212)은 SLS 레이저 프로세싱 빔의 스팟 및 보이는 곳의 DOE 기준 레이저 스팟(102)을 모두 가질 수 있다. 스팟(102, 104) 사이의 공간적 분리는 SLS 시스템을 보정하기 위하여 결정된 오류에 기초하여 조정될 수 있다.
일 예에서, 2차원 DOE는 단일 빔을 각각 동일한 각도 간격을 갖는 2차원 그리드로 분할하도록 배치된다. SLS 프로세싱 빔과 동일하거나 유사한 파장을 갖는 저전력 단일 모드 레이저 빔은 DOE를 조명하도록 지향된다. DOE는 재료의 작업면이 배치되고, SLS 공정과 관련되고 기준 소스를 왜곡시킬 수 있는 고온 조건으로부터 기준 소스로서 DOE를 제거하는 SLS 프로세싱 챔버의 외부에 배치될 수 있다.
도 3은 선택적 레이저 용융 타겟과 같은 타겟(308)으로 레이저 프로세싱 빔 소스(306)에 의하여 생성되는 레이저 프로세싱 빔(304)을 지향시키도록 배치된 레이저 스캐너(302)를 포함하는 레이저 시스템의 다른 예를 나타낸다. 보정 레이저 빔 소스(310)는 회절 광학 소자(314)를 통하여 기준 생성을 위하여 적절한 레이저 빔을 생성시킨다. 회절 광학 소자는 레이저 빔(312)을 수신하고 기준 스팟(320a - 320i)의 어레이를 형성하도록 포커싱 광학계(318)를 통하여 지향되는 복수의 빔렛을 생성하며, 이는 타겟(308)에서 비영구적일 수 있다. 일부 예에서, 포커싱 광학계(318)는 복수의 빔렛에 대하여 알맞은 초점 심도를 제공하여, 레이저 프로세싱 빔에 대한 허용 오차를 벗어난 z-방향의 초점 변동이 카메라(324)에 의하여 감지될 수 있다. 빔 성형 광학계(322)는 레이저 프로세싱 빔(304)을 수신하도록 배치될 수 있고, 레이저 공정(SLS와 같은)과 관련되거나 보정과 관련된 빔 특성을 조정한다. 하나 이상의 조명된 비영구적인 기준 스팟(320a - 320i)은 레이저 스캐너를 통하여 카메라에 의해, 레이저 프로세싱 빔(304)의 단면, 단면의 일부, 또는 단면의 인접부를 수신하도록 배치되는 빔 분할 요소(326)와 함께 보여질 수 있다. 카메라(324)는 또한 레이저 프로세싱 빔 스팟을 보여줄 수 있고, 이미지는 기준 빔렛 위치(320f) 사이에 존재하는 위치적인 오류를 나타낼 수 있으며, 이는 레이저 프로세싱 빔의 예상 위치(또는 예상되는 오프셋) 및 시야 내의 레이저 프로세싱 빔 스팟의 실제 위치(328)에 대응된다. 대표적인 예는 시스템의 다른 요소로부터 기준 참고 빔렛(316a - 316i)의 생성을 열적으로 고립시키기 위하여 레이저 스캐너(320) 및 관련 광학계(3322)로부터 분리된 타겟(308)에 기준 빔렛(316a - 316i)을 광학적으로 결합시킨다. 다른 예에서, 상기 기준 빔렛(316a -316i)은 레이저 스캐너(302)의 포커싱 광학계를 통하여 결합도리 수 있다.
일부 예에서, 기준 빔렛(316a - 316i)의 위치에 대한 레이저 프로세싱 빔(304)의 위치의 감지 및 보정은 타겟(308)에서 프로세싱 빔(304)의 능동적인 작동 중에 수행될 수 있다. 컨트롤러(330)는 일반적으로 프로세서(332), 메모리(334) 및 하나 이상의 보정 루틴(336) 또는 카메라에 의하여 감지된 위치 오류에 기초하여 레이저 스캐너(302)에 주사 신호를 조정할 수 있는 알고리즘을 포함할 수 있다. 레이저 스캐너 시야 전반의 가변 보정(일부 예에서 Z 방향을 포함)하여 다양한 시야 보정이 제공될 수 있다. 예를 들어, 오류 정정 테이블이 수정도리 수 있고, 시야 전반의 레이저 프로세싱 빔의 변형을 설명하는 다항식 또는 다른 피팅 함수가 갱신될 수 있다. 적합한 컨트롤러 유형은 각각은 일반적으로 하나 이상의 프로세서(332)를 포함하는 하나 이상의 컴퓨터 장치, 컴퓨터 유닛, CPLD, PLC, PLD, PAL, ASIC 등 및 레이저 빔 소스(306), 카메라(324), 레이저 스캐너(302) 및 보정 레이저 빔 소스(310)를 제어하기 위한 하나 이상의 메모리(334)를 포함할 수 있다. 상기 메모리(334)는 레지스터, 캐시 및 RAM과 같은 휘발성 메모리, ROM, EEPROM 및 플래시 메모리와 같은 비휘발성 메모리 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 메모리(334)는 프로세서(332)에 의해 엑세스 가능하고 보정 루틴(336)과 같은 프로세서(332)에 의하여 실행될 수 있는 컴퓨터 실행 가능한 명령 형태로 소프트웨어를 저장할 수 있다. 메모리는 또한 자기 매체CD-ROM, DVD 또는 비일시적인 방법으로 정보를 저장하도록 사용될 수 있고 컨트롤러(330)의 컴퓨팅 환경 내에서 엑세스될 수 있는 기타 다른 매체를 포함하는 착탈식 또는 비착탈식 저장 장치를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 컨트롤러(330)는 보정 레이저 빔 소스 및 레이저 스캐너(320) 사이와 같은 상이한 구성 사이에 분배될 수 있고, 일부 예에서 모든 구성 사이에 통신을 필요로 하지는 않는다. 예를 들어, 보정 레이저 빔 소스(310) 및 회절 광학 소자(314)는 상이한 레이저 프로세싱 타겟을 위한 보정 광학 기준을 제공하기 위해 상이한 레이저 시스템으로 사용될 수 있는 분리된 기준 보정 장치로 형성될 수 있다. 일부 예에서, 보정 목적을 위한 제로 위치 차이(zero positional difference)는 카메라(324)에 의해 감지된 바와 같이 레이저 프로세싱 빔 스팟(328) 및 기준 스팟(320a - 320i) 사이의 소정의 위치 차이에 대응할 수 있다.
도 4는 동적 레이저 처리 방법(400)의 예이다. 402에서, 시간 의존적인 기준 패턴이 컨트롤러의 메모리에 로딩되어 컨트롤러는 레이저 프로세싱 타겟에 걸쳐 기준 패턴에 기초한 입사 빔을 변조시키도록 형성된 공간 광 변조기를 이용한 것과 같이 광학 기준의 이동을 명령할 수 있다. 404에서, 기준 자취 레이저 프로세싱 타겟에 적용되는 시간 기준적인 패턴에 응답하여 시작된다. 일부 예에서, 레이저 프로세싱 타겟 상에서의 기준 자취는 선택적 레이저 소결 또는 다른 적층 제조 공정에서의 분말층의 처리된 타겟 패턴에 대응될 수 있다. 기준 자취 특성은 속도 및 방향 뿐만 아니라 기준 형태 또는 강도의 변화와 같은 다른 시간 의존적 특성을 포함할 수 있다. 406에서, 카메라, 포토 다이오드, CMOS, CCD, 어레이 등과 같은 광학 감지기는 레이저 프로세싱 타겟을 레이저 처리하기 위하여 배치된 레이저 시스템의 레이저 스캐너를 통하여 기준 자취의 기준 및 임의의 관련 기준 특성을 감지할 수 있다. 일부 예에서, 기준 광학 강도 또는 선택된 기준 형상의 변화 속도는 레이저 프로세싱 빔의 소정의 광 파워 또는 빔 특성(빔 형상을 포함)의 시작 또는 변화와 관련될 수 있다. 408에서, 기준이 존재하는지 여부의 결정이 이루어지고, 만약 존재하지 않는다면 410에서 공정이 종료될 수 있다. 412에서, 레이저 프로세싱 빔은 레이저 스캐너로 기준 위치가 지향된다. 414에서 기준의 감지된 위치는 명령된 레이저 프로세싱 빔 위치와 비교될 수 있다. 만약 위치 차이가 존재한다면, 416에서, 광학 기준을 따르는 것과 관련된 부정합 또는 동적 추적 오류와 관련된 스캔 오류에 대응하는 위치 차이는 레이저 프로세싱 빔의 명령된 위치를 조정함으로써 감소될 수 있다. 일부 예에서, 스캔 오류 보정 테이블은 레이저 프로세싱 빔의 명령된 위치로의 조정에 기초하여 갱신될 수 있다. 418에서, 레이저 프로세싱 빔은 반환, 예를 들어 406에서 레이저 스캐너를 통해 기준을 다시 감지함에 따라, 레이저 빔으로 움직이는 광학 기준을 추적하도록 명령한다. 레이저 프로세싱 빔은 레이저 프로세싱 빔 및 감지된 광학 기준의 이전 위치로부터 새로 감지된 위치를 스캔할 수 있다. 일부 예에서, 기준 자취는 용접 경계에 대응될 수 있고, 레이저 프로세싱 빔은 레이저 스캐너 시야를 통한 기준 감지에 기초하여 경계를 형성하기 위한 기준 자취를 동적으로 추적한다.
도 5는 선택적 레이저 소결을 포함하는 적층 제조 공정을 위한 것과 같은 고전력 레이저 시스템을 위한 스캐닝 시야(500)를 나타낸다. 일반적인 예에서, 시야(5000)는 레이저 프로세싱 타겟(502)에 걸쳐 레이저 소스(광섬유 레이저와 같은)로 생성되는 레이저 프로세싱 빔을 수신 및 스캔하도록 배치된 레이저 스캐너의 스캔 도달 거리에 의하여 정의된다. 레이저 스캐너는 일반적으로 하나 이상의 스캔 미러를 포함하므로, 하나 이상의 스캔 미러 및 레이저 소스 사이의 레이저 프로세싱 빔의 광학 경로에 결합된 카메라에 대하여 서브필드 시야(504)가 정의될 수 있다. 서브필드 시야(504)에서, 레이저 프로세싱 빔은 좌표축(508a, 508b)에 대하여 서브필드 시야(504) 내의 소정의 위치에 레이저 프로세싱 타겟(502)에서 레이저 스팟(506)을 형성한다. 도시된 바와 같이, 레이저 스팟(506)은 좌표축(508a, 508b)의 교차점에 대응하는 서브필드 시야(504)의 중심 위치로부터의 오프셋이지만, 더 일반적으로는 레이저 시스템 및 레이저 스캐너는 레이저 스팟이 좌표축(508a, 508b)의 중심 교차점 위치로 지향되도록 사전 보정된다.
레이저 스캐너의 선택된 스캔 위치에서, 서브필드 시야(504)와 유사한 서브필드 시야는 레이저 프로세싱 타겟(502)에 대한 상이한 위치에서 스캐너 시야 내로 지향될 것이다. 레이저 소스 및 레이저 스캐너 사이의 초기 정렬에 기초하여, 레이저 프로세싱 빔은 각각의 위치에서 각각의 서브필드 시야(512a - 512d) 내의 공통된 위치를 일반적으로 갖는 각각의 레이저 스팟(512a - 512d)을 형성할 수 있다. 레이저 프로세싱 타겟 및 관련된 타겟 빌드 플레이트(514)로 레이저 소스 및 레이저 스캐너를 통합하는 동안, 레이저 스캐너의 기준 프레임은 정의된 원점(516)을 갖는 글로벌 좌표 시스템에 대한 것과 같이 레이저 프로세싱 타겟(502) 및 빌드 플레이트로 정렬되고 매핑된다. 이러한 초기 보정은 빌드 플레이트(514) 상의 영구적인 기준 마크에 기초하여 여기 개시된 것들을 포함하여, 좌표 유리 플레이트 및 좌표 측정 기계 또는 다른 기술로 레이저 스캐너 위치를 정렬하는 것을 포함하는 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 복수의 광학 기준(518a - 518d)은 글로벌 좌표 시스템 및 원점(516)에 대한 정확한 소정의 위치 내에서 레이저 프로세싱 타겟(502) 상에 일시적으로 형성될 수 있고, 레이저 스캐너 및 레이저 소스는 레이저 스팟(512a - 512d)이 일시적인 광학 기준(518a - 518)에 맞추어 정렬되도록 조정될 수 있다. 일시적인 광학 기준(518a - 518d)은 스팟, 라인, 그리드, 십자선, 고리형과 같은 다양한 형상을 갖지만, 도 5에 도시된 고리 형상은 일반적으로 광학 감지기에 의한 감지가 보다 빠르고 및/또는 정확한 것과 관련된다.
레이저 처리 시스템(즉, 레이저 소스 및 레이저 스캐너를 포함하는)의 수명 동안 또는 심지어 레이저 프로세싱 타겟(502) 중 하나의 레이저 처리 동안 변위 오차는 레이저 스팟(512a - 512d) 의 위치 및 일시적인 광학 기준(518a - 518d) 사이 및 레이저 스캐너의 시야에 걸쳐 발생하며, 부정확하게 처리된 타겟을 초래한다. 대표적인 예에서, 일시적인 광학 기준(518a - 518d) 은 레이저 스캐너 서브필드 시야(510a - 510d)를 통하여 감지되며 변위 오차는 결정되고 정정되어 레이저 프로세싱 타겟은 레이저 프로세싱 빔으로 정확하게 처리될 수 있다. 일반적인 예에서, 레이저 스캐너 주사 명령 테이블의 인시츄 조정은 100 μm, 10 μm 또는 심지어 1 μm보다 좋은 레이저 스캐닝 정확성을 유지하도록 레이저 가공된 재료의 층 사이에서 수행될 수 있다. 일부 예에서, 일시적인 광학 기준(518a- 518d)은 투과성 재료층 상의 소정의 패턴을 갖는 회절 빔 스플리터와 같은 회절 광학 소자로 생성된 회절 패턴에 대응될 수 있다. 일반적인 예에서, 일시적인 광학 기준(510a -510d)의 위치는 레이저 스캐너에 대한 기준 생성기의 공간적 분리 및 열적 고립을 기초로 하여 레이저 가공 동안 또는 사이에 정확성의 견고함을 가질 수 있다. 일부 예에서, 공간적 분리는 공기 분리, 레이저 스캐너 또는 다른 구성과의 인접 경계, 또는 절연 재료, 냉각 시스템 등이 제공되는 열적 고립 등을 포함할 수 있다.
일부 예에서, 기준 생성기의 0차원 축에 대한 빌드 플레이트(514), 레이저 프로세싱 타겟 및 시야(500)의 수직 정렬은 레이저 스캐너의 중심축(522)으로부터 이격될 수 있는 0차 회절 기준(520)을 생성하도록 할 수 있다. 선택된 예에서, 0차 회절 기준은 시야(500)의 외부이다. 기준 생성기의 내부 정확성을 유지하기 위하여, 0차 회절 기준(520)은 감지되고 이동 및 강도 변형은 허용 오차를 벗어난 조건에 대응될 수 있다.
도 6에서, 레이저 시스템(600)은 레이저 프로세싱 빔(604)을 생성하도록 배치된 레이저 소스(602)를 포함한다. 상기 레이저 프로세싱 빔(604)은 일반적으로 고전력 연속, 준연속, 또는 펄스 빔이다. 일부 예에서, 레이저 소스(602)는 능동적으로 도핑된 광섬유 증폭기, 광섬유 발진기, 또는 광섬유 발진기-증폭기 조합, 고체 상태 블록, 또는 복수의 반도체 레이저 소스(예를 들어, 단일 이미터 레이저 다이오드, 레이저 다이오드 바 등)와 같은 이득 매체(606)를 포함한다. 대표적인 실시예에서, 이득 매체(606)는 다이오드 레이저 또는 광섬유 발진기와 같은 시드 소스(608) 및 하나 이상의 광섬유 결합 레이저 다이오드 모듈 또는 광섬유 레이저 소스와 같은 펌프 소스(610)에 결합되는 활성 광섬유이다. 전원(612)은 전력 소스를 제공하도록 펌프 소스(610) 또는 시드 소스(608, 존재한다면)에 결합된다. 이득 매체(606)는 방출되고 레이저 프로세싱 빔(604)의 주광선에 대응될 수 있는 광축(615)을 따라 전파되는 레이저 프로세싱 빔을 소정의 위치로 전달시키는 전달 광섬유(614)에 결합될 수 있다. 콜리메이션 광학계(616)와 같은 하나 이상의 빔 성형 광학계가 존재할 수 있다. 레이저 프로세싱 빔(604)은 일반적으로 레이저 주사 광학계(624) 상의 입사에 따른 레이저 프로세싱 빔(604)의 방향을 변화시키기 위하여 각각의 스캔 미러 회전축(622a, 622b)에 대하여 회전하도록 배치된 하나 이상의 검류계 스캔 미러(620a, 620b)를 일반적으로 포함하는 2D 또는 3D 검류계 레이저 스캐너로 지향된다. 레이저 주사 광학계(624) 또는 하나 이상의 레이저 스캐너(618)의 광학계는 z-초점 조정을 제공하도록 축(615)을 따라 병진될 수 있다. 레이저 프로세싱 빔(604)은 그 후 검류계 스캔 미러(620a, 620b)에 의한 광축(615)의 편향 및 레이저 스캐너(618)의 다른 광학계에 의한 z-위치에 기초한 레이저 프로세싱 타겟(626) 상의 선택된 위치로 지향된다. 대표적인 예에서, 레이저 스캐너(618)에 의하여 제공되는 초점 깊이는 일반적으로 수십 미크론이므로, z 방향에서의 초점은 XY 위치보다 일반적으로 더 큰 오차를 허용한다. 따라서, 초기 보정 후, 일반적으로 주기적인 z 보정에 대한 필요성이 감소한다.
레이저 스캐너(618)는 일반적으로 스캔 미러(620a, 620b)를 회전하도록 형성되어 레이저 프로세싱 빔(604)은 레이저 스캐너(618) 시야에 대응되는 또는 관련된 소정의 영역으로 지향될 수 있다. 시야(628) 내의 상이한 위치에서 레이저 프로세싱 빔(604)을 선택적으로 제공하기 위하여, 레이저 스캐너(618) 및 레이저 소스(602)는 레이저 컨트롤러(630)에 결합된다. 레이저 컨트롤러(630)는 일반적으로 적어도 하나의 프로세서(632) 및 패턴 명령 파일(636)과 같은 지시로 형성된 하나 이상의 메모리(634)를 포함하고, 빔 개시, 종료, 전력 레벨, 반복 속도, 변형 및/또는 타겟에 의하여 수신되는 다른 빔 특성을 제어하고, 시야(628) 내의 빔 스캔 위치를 제어하기 위한 다른 빔 특성을 제어하기 위한 적어도 하나의 프로세서로 실행 가능하다. 초기 보정 동안, 레이저 소스(602)의 기준 프레임에 대응되는 시야(628) 내의 스캔 위치 타겟(626)의 영역으로 매핑되어 패턴 명령 파일(636)과 관련된 유도 빔 위치는 소정의 측면 허용 오차 및/또는 z 허용 오차(즉, 타겟(626)의 평면 내로 또는 외부로) 내에 타겟(626) 상의 실제 빔 위치에 대응될 수 있다. 매핑은 일반적으로 시야(628) 및 타겟(626)을 위하여 정의된 글로벌 좌표 시스템 사이의 대응을 제공하는 스칼라 보정값을 포함하는 오류 테이블(637)의 생성을 포함한다.
레이저 프로세싱 빔(604), 타겟(626)의 조작(예를 들어, 로딩, 층화, 제거, 이동 등), 연장된 사용, 환경 조건의 변화, 광학 및/또는 기계적 열화, 루틴 유지 등으로 타겟(626)의 레이저 가공 동안, 초기 보정과 관련된 스캐닝 허용 오차는 명령된 스캔 위치가 타겟(626)에 대하여 충분히 정확하지 않도록 악화될 수 있다. 기준 보정기(638)는 타겟(626)에 대하여 소정의 공간 및 방향 관계로 위치될 수 있다. 기준 보정기(638)는 기준 소스 빔(642)을 생성하도록 배치된 보정 레이저 소스(640)를 포함할 수 있다. 기준 소스 빔(642)은 일반적으로 각각 고품질의 저전력 빔이며(예를 들어, M2 ≤ 5, M2 ≤ 2, M2 ≤ 1.2 등), 일반적으로 레이저 프로세싱 빔(604)의 파장으로부터의 파장 오프셋에 있다. 일부 예에서, 기준 소스 빔(642)은 레이저 프로세싱 빔(604)과 동일 또는 유사한 파장을 가질 수 있다.
일반적진 예에서, 기준 소스 빔(642)은 회절 광학 소자와 같은 기준 패턴 생성기(646)로 광축(644)을 따라 시준된 빔으로서 지향된다. 기준 패턴 생성기(646)는 일반적으로 일시적이고 타겟(626)과 소정의 위치 관계를 갖는 각각의 광학 기준(650a - 650 e)을 생성하는 복수의 기준 빔렛(648a -648e)으로 기준 소스 빔(642)을 회절시킨다. 대표적인 예에서, 타겟(626)은 선택적 레이저 소결 또는 다른 적층 제조 공정에 알맞은 재료와 같은 분말 재료를 포함하며, 이는 입사광에 대한 반사 범위(예를 들어 램버시안 또는 부분 램버시안 프로파일)를 제공하도록 비구형이다. 광학 기준(650a - 650d)는 이 재료 상에 형성될 수 있고 광학 기준(650a)으로부터 멀어지는 다른 화살표에 의하여 도시된 것과 같은 대응되는 반사 범위를 제공한다. 일반적으로, 비경면 반사는 기준 패턴 생성기(646, 또는 다른 관련 결합 광학계) 및 레이저 주사 광학계(624) 사이에 대한 각을 가로지르는 충분한 산란을 제공할 만큼 충분히 잘 퍼진다.
광학 기준(650a) 반사의 반사된 기준 부분(652)은 레이저 주사 광학계(624)를 통하여 결합될 수 있고 스캔 미러(620a, 620b)로부터 반사될 수 있다. 빔 스플리터(654) 또는 다른 알맞은 파장 의존적 빔 지향 광학계는 반사된 기준 부분(652, 예를 들어, 반사, 굴절, 투과, 조합 등을 통하여)을 수신하고 카메라, 하나 이상의 포토 다이오드, CCD, CMOS 센서, 어레이 등과 같은 광학 감지기로 지향시키도록 레이저 프로세싱 빔(604)의 경로 내에 배치될 수 있다. 대표적인 예로, 광학 감지기(656)는 광학 감지기(656) 및 타겟(626) 사이의 광학 경로에 의하여 정의되는 이동 가능한 시야를 가지며, 이는 스캔 미러(620a, 620b)의 스캔 위치 및 미러 영역을 포함한다. 일반적인 실시예에서, 광학 감지기의 시야는 전파 축(615)에 대하여 광학적으로 정렬되어서 시야의 중심이 공정 동안 타겟(626)에서 레이저 프로세싱 빔(604)의 스팟의 위치에 대응되지만, 다른 정렬도 가능하다. 컨트롤러(630)는 기분 보정기(638)가 광학 기준(650a - 650d)을 생성하고 광학 감지기(656)로부터 감지 신호를 수신하도록 기준 보정기(638) 및 광학 감지기(656)에 결합된다. 수신된 감지 신호는 광학 기준을 고려하여 위치된 시야를 갖는 광학 기준(650a)의 감지된 광학 특성 또는 시야(658)가 각각의 광학 기준(650b- 650d)을 고려하도록 이동하게끔 이동된 스캔 미러(620a, 620b)를 갖는 광학 기준(650b- 650d)의 감지된 광학 특성에 대응될 수 있다. 대표적인 실시예에서, 예를 들어 공간 분리 및/또는 기준 보정기의 열적 냉각을 통하여, 타겟(626)에서 광학 기준(650a -650d)의 위치 오류를 감소시키도록 기준 보정기(638)는 레이저 스캐너(618) 및 레이저 소스(602)로부터 충분히 열적으로 분리된다.
레이저 시스템(600)의 일부 예에서, 타겟(626)은 컨트롤러(630)의 z-스테이지 컨트롤러(666)를 갖는 z-스테이지로 낮아지는 빌드 플레이트 베이스(662)를 포함할 수 있다. 분말 재료의 층은 빌드 플레이트 베이스(662) 위에 제공되며 푸싱 바(668)는 분말 재료의 표면을 평탄화하고 분말층의 상부가 타겟(626)에서 레이저 프로세싱 빔(604)의 초점에 대하여 소정의 평면과 대응되도록 추가 재료를 제거하기 위하여 사용될 수 있다. 레이저 프로세싱 빔(604)으로 특정 분말층을 가공한 후(선택적 레이저 소결 공정을 따른 것과 같이), 빌드 플레이트 베이스(662)는 z-스테이지(664)로 낮아질 수 있고 추가적인 분말층은 증착되고 평탄화되어 추가적인 층은 레이저 프로세싱 빔(604)으로 처리될 수 있다. 일부 예에서, z-스테이지는 또한 x, y, 또는 xy변환을 제공하거나, 타겟(626)을 변환하는 컨베이어 시스템을 포함할 수 있다. 대표적인 예에서, 보정 루틴(660)은 수동으로 선택된 시간에서 또는 레이저 프로세싱 빔(604)으로 레이저 가공하는 동안 또는 분말 재료 층의 가공 사이와 같이 레이저 프로세스 또는 가공 단계 사이에, 가공의 시작 또는 끝을 포함하는 하나 이상의 자동으로 선택된 시간 또는 간격 동안 컨트롤러(630)로 수행될 수 있다. 일부 예에서, 보정 루틴(660)은 타겟(626)에서 기준 보정기(638)가 광학 기준(650a -650d)을 생성하도록 하는 것을 포함하는 기준 명령(670)을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 광학 기준(650a - 650d)은 레이저 시스템의 하나 이상의 요소에 전력이 공급되는 동안 타겟에 일시적으로 지향될 수 있다. 보정 루틴(660) 동안 스캔 미러(620a, 620b)는 광학 기준(650a - 650d)과 관련된 소정의 위치로 지향될 수 있고, 광학 감지기(656)는 각 위치에서 시야(658) 내의 광학 기준의 위치를 감지할 수 있다. 감지 위치에 기초하여, 위치적인 오류가 결정될 수 있고, 오류 보정 테이블(637)은 시야(628) 내의 다른 스캔 위치에 대한 알맞은 보정 값을 결정하도록 일반적으로 하나 이상의 내삽/외삽 기술을 사용하여 갱신될 수 있다.
일부 실시예에서, 기준 보정기(638)로 생성된 기준 빔렛(648e)은 기준 패턴 생성기(646)에 의하여 생성된 0차 회절에 대응될 수 있다. 광학 기준(650e)은 타겟(626)에 인접한 별도의 표면(672) 상에 형성되거나, 일부 예에서 타겟(626) 상에 형성될 수 있다. 일부 예에서, 빔 스플리터(674)는 예를 들어, 핀홀 구멍(pinehole aperture, 680)를 통하여, 표면(672)으로부터 광학 감지기(678)로 수신되는 반사 빔(676)의 일부를 지향시키도록 배치될 수 있다. 일부 예에서, 기준 빔렛(648e)의 경로 내에 위치하지 않은 다른 빔 지향 광학계(또는 비 빔 지향 광학계)가 빔 스플리터(674) 대신에 사용될 수 있다. 표면(672) 및 타겟(626) 사이의 오정렬 또는 정렬 변화는 기준 빔렛(648e)에 대한 표면(672)의 각도 변화에 대응되는 반사 빔 위치에서의 이동과 같은 감지되는 0차 반사 빔(676) 내의 변형에 기초하여 감지될 수 있다. 광학 감지기(678)는 레이저 컨트롤러(630)에 결합될 수 있으며 기준 오류 감지 루틴(682)은 레이저 소스(602)의 작동과의 인터로크를 형성할 수 있고, 예시적인 방법으로, 오정렬의 존재 또는 기준 보정기(638)가 기준 정확도의 감소가 누적되었음을 나타낼 수 있다.
도 7은 동적인 일시적인 광학 기준 배치 및 추적을 위하여 형성된 레이저 시스템(700)이다. 레이저 시스템(700)은 일반적으로 전달 광섬유(706)로부터 방출되는 레이저 빔(704)을 생성하기 위하여 배치된 레이저 소스(702)를 포함한다. 일부 예에서, 레이저 빔(704)은 자유 공간, 빔 균질기 및/또는 다른 광학계를 통하여 결합되었다. 레이저 빔(704)은 수신된 레이저 빔(704)의 방향을 변경하기 위한 검류계 액츄에이터를 갖는 각각의 직교 축(710a, 710b)에 대하여 일반적으로 회전 가능한 스캔 미러 한 쌍(710a, 710b)을 따라 지향된다. 초점 광학계(712)는 레이저 빔(704)을 수신하고, 용접 타겟, 절단 타겟, 패터닝 타겟, 선택적 레이저 소결 타겟, 적층가공 타겟 등 과 같은 레이저 프로세싱 타겟(714)에 레이저 빔 초점을 맞춘다. 레이저 컨트롤러(716)는 전력, 파장, 반복 속도, 스팟 강도/분산 프로파일 및/또는 기하학적 구조 등과 같은 레이저 빔의 특성을 제어하기 위하여 레이저 소스(702) 및 레이저 스캐너(706)에 결합된다. 레이저 컨트롤러는 일반적으로 적어도 하나의 프로세서(718) 및 다양한 명령이 및 저장 장치로 형성된 적어도 하나의 메모리(720)를 포함하여, 메모리(720)의 명령어에 응답하는 프로세서(718)가 레이저 소스(702)가 레이저 빔(704)을 방출할 수 있도록 하고 레이저 빔이 레이저 프로세싱 타겟(714)에서 레이저 스팟을 형성할 수 있도록 레이저 스캐너가 스캔 위치를 변경시키도록 한다.
대표적인 예에서, 레이저 시스템(700)은 레이저 프로세싱 타겟에 광학 기준(726)을 지향시키고, 레이저 프로세싱 타겟에서 광학 기준(726)을 변경시키도록 배치된 기준 보정기(724)를 포함한다. 기준 보정기(724)는 레이저 스캐너(706)로부터 분리되어 배치될 수 있지만, 공간적 분리는 다른 예에서 달라질 수 있다. 예를 들어, 기준 보정기(724)는 레이저 스캐너(706)에 기계적으로 부착되거나 레이저 스캐너(706)에 근접하여 위치할 수 있지만, 기준 보정기(724)는 일반적으로 충분히 분리된 공간적 거리 및/또는 커플링을 갖도록 형성되어 기준 보정기(724) 및 레이저 프로세싱 타겟(714) 사이의 보정이 불변하거나 레이저 스캐너(706) 및 레이저 프로세싱 타겟(714) 사이의 보정 감소로부터 독립적으로 변한다. 일부 예에서, 기준 보정기(726)는 기준 소스 빔(730)을 생성하도록 배치된, 레이저, LED 등과 같은 광원(728), 및 관련 영역 또는 레이저 스캐너(706)에 의한 레이저 빔(704)의 스캔 도달 거리에 대응되는 관련 영역의 일부에 걸쳐 선택적인 위치 내의 광학 기준을 선택적으로 제공하기 위한 기준 소스 빔(730)을 수신 및 공간적으로 변조하도록 배치된 공간 광 변조기(732)를 포함한다. 공간 광 변조기(732)의 적절한 예는 예를 들어, 디지털 마이크로 미러 장치(digital micro-mirror device, DMD), 실리콘 액정 표시(LCoS) 장치, 음향 광학 변조기, 또는 전기 광학 변조기를 포함한다. 레이저 컨트롤러는 기준 보정기(724)에 결합되고, 광학 기준(726)의 위치를 변경하기 위한 기준 이동 명령(736)에 의해 형성된다. 일부 예에서, 기준 이동 명령(736) 및 기준 보정기(724)는 레이저 컨트롤러(716)와 통신하지 않는 별도의 컨트롤러에 결합될 수 있다.
광학 감지기(738)는 광학 기준(726)의 반사된 빔 부분(740)을 수신하기 위하여 배치된다. 일반적인 예에서, 레이저 프로세싱 타겟(714)은 경면반사만을 생성하지는 않는 표면을 가져서, 반사된 빔 부분(740)에 대응되는, 레이저 프로세싱 타겟(714)에 의하여 반사되는 광의 일부는 레이저 주사 광학계(712) 및 스캔 미러(708a, 708b)를 통하여, 광학 감지기(738)로 반사된 빔 부분(740)을 지향시키는 선택적 광학계(742)로 지향된다. 광학 감지기(738)는 스캔 미러(708a, 708b)의 위치에 의하여 부분적으로 정의될 수 있는 시야(744)를 갖는다. 광학 감지기(738)는 레이저 스팟(722) 및 광학 기준(726)을 감지할 수 있고, 레이저 컨트롤러(716)는 레이저 스팟(722) 및 광학 기준(726) 사이의 위치 차이를 결정하는 감지 신호를 수신할 수 있다. 레이저 스팟(722)은 시야(744) 내의 소정의 위치(중심)에 정렬되고, 위치 차이는 소정의 위치 및 광학 기준(726)의 감지 위치에 기초하여 결정된다. 레이저 컨트롤러(716)는 기준 이동 명령(736)에 기초하여 레이저 스팟(722)의 예상된 위치가 제공될 수 있다. 일부 예에서, 레이저 컨트롤러(716)는 관련 영역(734) 내의 광학 기준(726)을 감지하기 위하여 스캔 위치 범위를 통해 레이저 스캐너에게 명령할 수 있다.
기준 이동 명령(736)으로 광학 기준(726)의 위치는 다른 위치로의 시간 의존적인 프로세싱 자취를 따라가기 위하여 변경될 수 있고, 이는 변위된 광학 기준(748)을 형성한다. 레이저 컨트롤러(716)는 광학 기준(726) 및 레이저 스팟(722) 사이의 위치 차이를 감소시키는 새로운 위치로 레이저 스팟(722)의 스캔 위치를 레이저 컨트롤러(716)가 조정할 수 있도록 하는 기준 추적 명령(750)을 포함할 수 있다. 조정은 일반적으로 실시간으로 수행되어 레이저 스팟(722)은 시간 의존적인 프로세싱 자취(746)를 추적할 수 있다. 일부 예에서, 다양한 폐 루프 제어 방법은 레이저 스팟(722)이 PID, PI, 리드 래그 등을 포함하지만 이로 제한되지 않는 광학 기준(748)의 새로운 위치로 광학 기준(726)을 추적하도록 하기 위하여 위치 오류의 수렴 및 실질적인 감소를 제공하도록 사용될 수 있다. 프로세싱 자취(746)를 따르는 것과 같은 광학 기준(726)의 감지된 위치 및 광학 기준의 나중 위치는 메모리(720)에 저장될 수 있어 레이저 빔(704)은 광학 기준이 이동하거나 더 이상 관련 영역(734) 또는 시야(744) 내에 있지 않은 후의 위치로 이동할 수 있다. 기준 추적 명령(750)은 또한 레이저 소스(702) 또는 관련 빔 성형 광학계가 감지된 기준(726, 748) 사이의 변화에 기초하여, 직경, 형상, 조사량 등과 같은 레이저 스팟(722)의 특성을 조정하도록 할 수 있다. 예를 들어, 빔 성형 광학계는 광섬유 기반 빔 성형, 줌 팽창, 렌즈의 상대적인 움직임, 거울 또는 빔 특성을 변화시키는 다른 광학 요소를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 레이저 프로세싱 타겟(714)은 복수의 인접 서브타겟을 포함할 수 있고 시간 의존적인 자취(746)는 인접 서브타겟의 영역을 따라 추적할 수 있다.
기준 보정기는 관련 영역(734)에 걸쳐 레이저 빔(704)을 스캐닝하기 위한 스캔 회전 보정값(예를 들어, 스캔 미러(708a, 708b)의 회전 증가분)을 제공할 수 있는 보정 루틴(752)을 제공하기 위하여 레이저 컨트롤러(718) 및 광학 감지기(738)로 구성될 수 있다. 예를 들어, 기준 보정기(724)는 광학 기준(726, 748)으로 도시된 위치 또는 다른 위치와 같은 관련 영역(734) 내 소정의 보정 위치로 광학 기준을 지향시킨다. 광학 기준(726, 748)의 위치로 명령된 레이저 빔(704, 또는 레이저 스캐너(706))으로, 광학 감지기(738)는 각각의 광학 기준(726, 748) 사이의 위치 차이 및 레이저 빔의 스팟 또는 광학 감지기(738)의 시야(744) 내의 소정의 위치를 감지할 수 있다. 레이저 컨트롤러(716)는 스캔 미러(708a, 708b)에 대한 스캔 액츄에이터 비트 보정을 포함할 수 있어 레이저 빔(704)이 레이저 프로세싱 타겟(714)의 글로벌 좌표에 정확히 대응되는 관련 영역(734) 내에 레이저 스팟(722)을 형성할 수 있는 스캔 액츄에이터 오류 보정 테이블(754)을 포함할 수 있다. 일부 예에서, 레이저 스캐너(706)는 z 방향의 스캐닝 능력을 포함할 수 있고, 오류 보정 테이블(754)은 z 방향에 대한 스캔 액츄에이터 비트 보정을 포함할 수 있다. 스캔 액츄에이터 오류 보정 테이블(754)은 보정 루틴(752)에 의해 감지되고 결정된 위치 차이에 기초한 오류 보정 값에 의해 갱신될 수 있다. 감지기(738)는 기준 스팟 크기 또는 초점이 흐려지는 것과 관련된 흐릿한 형체에 기초한 초점 변화와 같은 위치 오류를 감지할 수 있다.
도 8은 기준 보정기에 의한 레이저 프로세싱 타겟 및 레이저 시스템의 보정 방법(800)이다. 802에서 복수의 광학 기준은 기준 보정기에 의해 생성되고, 일반적으로 타겟과 관련하여(X, Y 및/또는 Z 방향을 따라) 레이저 시스템의 레이저 프로세싱 빔을 스캔하도록 배치된 관련 레이저 스캐너로부터 분리된 축을 따라, 레이저 프로세싱 타겟으로 지향된다. 대표적인 예에서, 광학 기준은 일반적으로 일시적으로 생성되어 레이저 프로세싱 타겟의 표면은 광학 기준에 의하여 영구적으로 표시되지 않거나 레이저 프로세싱 타겟은 광학 기준에 기초한 보정 및/또는 감지를 위하여 영구적으로 표시될 필요가 없다. 804에서, 레이저 스캐너는 복수의 광학 기준 중 선택된 하나의 예상 위치에 대응되는 레이저 스캐너의 관련 영역 내의 위치로 프로세스 전력, 저전력, 무전력에서 레이저 프로세싱 빔을 지향시키기 위하여 레이저 컨트롤러로 명령될 수 있다. 806에서, 광학 기준 중 선택된 하나는 레이저 스캐너를 통하여 광학 감지기의 레이저 프로세싱 타겟으로의 광학 결합에 기초하여 광학 감지기(카메라와 같은)를 갖는 레이저 스캐너의 관련 영역의 서브필드 내에서 감지된다. 808에서, 레이저 컨트롤러는 예상 위치와 감지된 기준 위치를 비교하고, 하나 이상의 X, Y, Z 위치 오류와 같은 위치 오류를 결정한다.
810에서, 레이저 컨트롤러는 결정된 위치 오류가 50 μm, 20 μm, 10 μm, 5 μm, 3 μm, 1 μm와 같은 허용 오차 조건 밖인지 여부를 확인한다. 위치 오류가 허용 오차 밖이라면, 812에서, 컨트롤러는 오류를 감소시키는 레이저 스캐너에 대한 스캔 작동 보정을 결정한다. 814에서, 오류 보정 테이블은 레이저 스캐너 및 레이저 프로세싱 빔의 명령된 위치에 대한 오류 감소를 생성하는 보정에 의하여 레이저 스캐너에서 갱신된다. 816에서, 확인은 복수의 광학 기준 중 마지막 광학 기준이 감지되고 비교되었는지 여부로 수행되고, 또한 선택된 광학 기준의 오차에 대한 확인이 허용 오차 내의 조건으로 이동하였는지 여부에 의하여 수행될 수도 있다. 만약 확인하여야 할 추가적인 광학 기준이 있으면, 818에서, 다른 복수의 광학 기준이 선택되고 이후의 프로세스 단계가 모든 광학 기준이 감지되고 분석될 때까지 수행될 수 있다. 모든 광학 기준이 감지되고 오류 보정 테이블이 광학 기준과 관련된 위치 보정에 기초한 보정에 의해 갱신된 후, 추가적인 추가적인 보정이 광학 기준이 지향되지 않고 오류 테이블이 새로운 보정 값 또는 보정 값과 관련된 새로운 값으로 갱신될 수 있는 레이저 스캐너의 관련 영역 내의 다른 영역 또는 지역에 대하여 적용될 수 있다. 대표적인 예에서, 관련 영역 내의 다른 위치에 대한 추가적인 보정은 광학 기준과 관련된 보정에 기초한 선형 또는 곡선형 피팅 알고리즘에 의해 결정될 수 있다. 적절한 스캔 작동 값 보정 방법은 "3D 레이저 스캐너 시스템에서 보정 데이터를 처리하는 방법"이라는 제목의 미국 특허 출원 번호 15/410,612에 개시된 것들을 포함하고, 그 전문이 여기에 참조로서 포함된다. 보정은 그러한 기능의 보정 또는 변형에 맞는 고차 다항식에 기초하여 상이한 노드(예를 들어, x, y, 및/또는 z 좌표의 하나 이상의 그리드를 형성)에서 레이저 스캐너의 관련 영역에 걸쳐 적용될 수 있다. 보정의 초기 세트는 타겟으로 레이저 프로세싱 빔을 지향시키는 것과 관련된 레이저 스캐너 및 광학계를 특징짓는 계산 모델에 기초하여 제공될 수 있다.비 노드 위치에 대한 보정은 인접 보정 노드 사이의 내삽으로부터 결정될 수 있다.
도시된 실시 예를 참조하여 개시된 기술의 원리를 설명하고 도시하였지만, 도시된 실시 예는 그러한 원리를 벗어나지 않고 배열 및 세부사항이 수정될 수 있음이 인식될 것이다. 예를 들어, 소프트웨어로 나타난 도시된 실시예의 요소는 하드웨어로 구현될 수 있으며 그 역도 마찬가지이다. 또한, 임의의 예로부터의 기술은 임의의 하나 이상의 다른 예에 설명된 기술과 조합될 수 있다. 도시된 예를 참조하여 설명된 것과 같은 절차 및 기능은 단일 하드웨어 또는 소프트웨어 모듈로 구현될 수 있거나 별개의 모듈이 제공될 수 있음을 이해할 것이다. 위의 특정 배열은 편리한 설명을 위해 제공되며, 다른 배열이 사용될 수 있다.
개시된 기술의 원리가 적용될 수 있는 많은 가능한 실시예를 고려하여, 도시된 실시예는 단지 대표적인 예이며 본 개시의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다는 것을 인식하여야 한다. 이 섹션에서 구체적으로 언급된 대안은 단지 예시적인 것이며 본 명세서에 설명된 실시예에 대한 모든 가능한 대안을 구성하지는 않는다. 예를 들어, 본 명세서에 기술된 시스템의 다양한 구성 요소는 기능 및 사용에 결합될 수 있다. 따라서 우리는 첨부된 청구 범위의 범위와 사상 내의 모든 것을 청구한다.

Claims (27)

  1. 기준 소스 빔을 생성하도록 배치된 광원; 및
    레이저 프로세싱 타겟에 걸쳐 레이저 프로세싱 빔을 스캔하도록 배치된 레이저 스캐너의 시야 내에 있는 분말 재료로 만들어진 레이저 프로세싱 타겟 상에 적어도 하나의 일시적인 광학 기준을 상기 기준 소스 빔으로 생성하도록 배치된 광학 기준 패턴 생성기;를 포함하는 장치로서,

    여기서 상기 광학 기준 패턴 생성기는 상기 레이저 스캐너를 통해 상기 레이저 프로세싱 타겟 상의 상기 레이저 프로세싱 빔의 위치를 상기 레이저 스캐너의 시야 내에서 적어도 하나의 일시적인 광학 기준의 위치에 대하여 조정 가능하도록 상기 레이저 스캐너와 연결되도록 구성되는, 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 프로세싱 타겟은 적어도 하나의 일시적인 광학 기준을 널리 반사시키도록 배치된 분말 재료를 포함하는 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 분말 재료는 상기 레이저 프로세싱 빔으로 선택적으로 처리되는 제1층을 형성하고, 추가의 분말 재료는 하나 이상의 후속층을 형성하기 위하여 증착되며, 상기 적어도 하나의 일시적인 광학 기준은 제1층 및 레이저 프로세싱 빔 스캐닝의 인시츄 보정을 제공하기 위한 하나 이상의 후속층 중 적어도 하나에 생성되는 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 스캐너를 통해 상기 레이저 프로세싱 타겟에 광학적으로 결합된 광학 감지기를 더 포함하는 장치로,
    여기서, 상기 레이저 스캐너를 통한 상기 광학적 결합은 상기 레이저 스캐너의 하나 이상의 주사 광학계의 스캔 위치에 기초한 시야의 서브필드 시야에 대한 것으로,
    여기서, 상기 광학 감지기는 상기 서브필드에서 적어도 하나의 광학 기준을 감지하기 위하여 배치되는, 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 광학 기준 패턴 생성기는, 상기 하나 이상의 주사 광학계의 상이한 스캔 위치를 위하여, 상기 서브필드 시야 내의 소정의 위치로 레이저 프로세싱 빔을 지향시키도록 형성된 상기 레이저 스캐너를 통해 상기 레이저 스캐너와 연결되도록 구성된, 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 광학 감지기는 카메라, 포토 다이오드, CMOS 감지기 및 CCD 감지기 중 하나 이상을 포함하는 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 광학 감지기는 레이저 프로세싱 빔이 파워가 공급되지 않거나, 비처리 전력일 때 적어도 하나의 일시적인 광학 기준을 감지하도록 배치되는 장치.
  8. 제4항에 있어서,
    광학 감지기 및 레이저 스캐너에 결합되고, 적어도 하나의 일시적인 광학 기준의 감지 위치를 레이저 프로세싱 빔의 위치와 비교하고, 상기 비교에 기초하여 스캔 오류 보정 테이블을 갱신하고, 갱신된 스캔 오류 보정 테이블에 따라 레이저 프로세싱 빔을 스캔할 수 있도록 형성된 컨트롤러를 더 포함하는 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    레이저 스캐너를 더 포함하는 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    레이저 프로세싱 빔을 생성하고 레이저 스캐너로 레이저 프로세싱 빔을 지향하도록 배치된 레이저 프로세싱 빔 소소를 더 포함하는 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 일시적인 광학 기준은 고리 모양이며, 상기 적어도 하나의 일시적인 광학 기준에 대한 상기 레이저 프로세싱 빔의 위치 조정은 상기 고리 모양의 감지에 기초하는, 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 일시적인 광학 기준은 상기 레이저 프로세싱 빔의 파장과 이격된 파장을 갖는 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 광학 기준 패턴 생성기는 상기 적어도 하나의 일시적인 광학 기준을 생성하기 위하여 상기 기준 소스 빔을 회절빔으로 회절시키도록 배치된 회절 광학 소자를 포함하는 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 일시적인 광학 기준은 레이저 스캐너의 시야에서 소정의 기준 패턴으로 이격된 복수의 일시적인 광학 기준을 포함하는 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 레이저 스캐너는 상기 레이저 프로세싱 빔을 각각 일시적인 광학 기준의 위치와 관련된 시야의 상이한 서브필드로 지향시키도록 배치되는 장치.
  16. 제13항에 있어서,
    레이저 프로세싱 타겟 또는 레이저 프로세싱 타겟에 인접한 표면에 의하여 반사되는 회절 빔의 0차 부분을 감지하도록 배치된 광학 감지기를 더 포함하는 장치.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 광원 및 광학 기준 패턴 생성기는
    레이저 스캐너; 및
    레이저 스캐너 및 레이저 프로세싱 타겟에서 적어도 하나의 일시적인 광학 기준의 위치 오류를 감소시키는 레이저 프로세싱 빔 소스로부터 광원 및 광학 기준 패턴 생성기를 열적으로 고립시키는 레이저 프로세싱 빔을 생성시키도록 배치된 레이저 빔 프로세싱 빔 소스;
    로부터의 공간적 분리를 갖는 장치.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 광학 기준 패턴 생성기는 상기 적어도 하나의 일시적인 광학 기준이 레이저 프로세싱 타겟에 걸쳐 동적으로 위치할 수 있도록 조정 빔을 생성하기 위하여 기준 소스 빔을 변조하도록 배치된 공간 광 변조기를 포함하는 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 공간 광 변조기는 디지털 마이크로 미러 장치, 실리콘 액정 표시 장치, 음향-광학 변류기 및 전기-광학 빔 변류기 중 하나 이상을 포함하는 장치.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 일시적인 광학 기준은 레이저 프로세싱 빔의 스캔 위치가 적어도 하나의 일시적인 광학 기준의 동적 위치를 추적할 수 있도록 레이저 프로세싱 빔이 레이저 프로세싱 타겟에 걸쳐 스캔됨에 따라 동적으로 위치할 수 있는 장치.
  21. 적어도 하나의 일시적인 광학 기준을 생성하도록 배치되는 기준 보정기;
    적어도 하나의 프로세서; 및
    하나 이상의 프로세서의 실행에 응답하여, 시스템이 레이저 프로세싱 타겟에 걸쳐 레이저 프로세싱 빔을 스캔하도록 배치된 레이저 스캐너의 시야 내에 있는 레이저 프로세싱 타겟에서 감지되는 적어도 하나의 일시적인 광학 기준에 대한 레이저 프로세싱 빔의 위치를 조정할 수 있도록 하는 저장된 명령을 포함하는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체;를 포함하는 시스템으로,
    여기서 상기 적어도 하나의 일시적인 광학 기준은 상기 레이저 스캐너로부터 분리된 광학 경로를 따라 지향되는 상기 레이저 스캐너의 시야 내에 동적으로 위치할 수 있는 광학 기준을 포함하고,
    여기서 시스템이 위치를 조정하게 하는 단계는 소정의 레이저 프로세싱 패턴을 따라 동적으로 위치할 수 있는 광학 기준을 지향하는 단계, 상기 레이저 스캐너의 시야를 통해 광학적으로 결합되는 광학 감지기로 동적으로 위치할 수 있는 광학 기준을 감지하는 단계 및 상기 감지에 기초한 상기 레이저 프로세싱 빔으로 동적으로 위치할 수 있는 광학 기준을 추적하는 단계를 포함하는, 시스템.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 일시적인 광학 기준은 기준 보정기의 회절 광학 소자로 생성되고 레이저 스캐너와 공통되지 않는 경로를 따라 회절 광학 소자로부터 레이저 프로세싱 타겟으로 지향되는 복수의 일시적인 광학 기준을 포함하고,
    시스템이 위치를 조정하게 하는 단계는 적어도 하나의 일시적인 감지 위치를 레이저 프로세싱 빔의 위치와 비교하는 단계, 상기 비교에 기초하여 스캔 오류 보정 테이블을 갱신하는 단계, 및 갱신된 스캔 오류 보정 테이블의 값에 기초한 레이저 프로세싱 빔을 스캔하는 레이저 스캐너를 제어하는 단계에 상응하는 시스템.
  23. 삭제
  24. 광원으로 기준 소스 빔을 생성하는 단계;
    적어도 하나의 일시적인 광학 기준에 대하여 레이저 프로세싱 빔의 위치를 조정하기 위하여 기준 소스 빔을 수신하는 광학 기준 패턴 생성기로 레이저 프로세싱 타겟에 걸쳐 레이저 프로세싱 빔을 스캔하도록 배치된 레이저 스캐너의 시야 내에 있는 레이저 프로세싱 타겟에 적어도 하나의 일시적인 광학 기준을 형성하는 단계; 및
    상기 레이저 스캐너를 통하여 상기 레이저 프로세싱 타겟에 광학적으로 결합된 광학 감지기로 적어도 하나의 일시적인 광학 기준을 감지하는 단계;를 포함하는 방법으로
    여기서 상기 적어도 하나의 일시적인 광학 기준을 형성하는 단계는 상기 레이저 프로세싱 빔으로 타겟을 처리하는 동안 상기 레이저 프로세싱 타겟 상의 상기 적어도 하나의 일시적인 광학 기준의 위치를 변화시키는 단계를 포함하고,
    여기서 상기 위치 차이를 결정하고 상기 레이저 프로세싱 빔의 위치를 조정하는 단계는 상기 광학 감지기로 상기 적어도 하나의 일시적인 광학 기준을 감지한 것에 기초하여 상기 레이저 프로세싱 빔으로 적어도 하나의 일시적인 광학 기준의 다양한 위치를 추적하는 단계를 포함하는, 방법.
  25. 제24항에 있어서,
    레이저 스캐너를 통하여 레이저 프로세싱 타겟에 광학적으로 결합된 광학 감지기로 적어도 하나의 일시적인 광학 기준을 감지하는 단계;
    적어도 하나의 일시적인 광학 기준 및 레이저 프로세싱 빔 사이의 위치 차이를 결정하는 단계; 및
    상기 위치 차이를 감소시킴으로써 시야 내의 레이저 스캐너로 레이저 프로세싱 빔의 위치를 조정하는 단계;
    를 더 포함하는 방법.
  26. 제24항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 일시적인 광학 기준을 형성하는 단계는
    복수의 일시적인 광학 기준 빔렛을 생성하도록 회절 광학 소자로 기준 소스 빔을 회절시키는 단계; 및
    레이저 스캐너의 시야 내에 있는 일시적인 광학 기준의 미리 보정된 배열에 따라 레이저 프로세싱 타겟에 일시적인 광학 기준 빔렛을 지향시키는 단계;
    를 포함하는 방법.
  27. 삭제
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