KR20070086486A

KR20070086486A - 이미지 중계를 갖춘 능동 빔 전달 시스템

Info

Publication number: KR20070086486A
Application number: KR1020077014046A
Authority: KR
Inventors: 시. 브렌트 데인; 프릿츠 비. 해리스; 조셉 티. 타라노프스키; 스튜어트 비. 브라운
Original assignee: 메탈 임프루브먼트 컴퍼니 엘엘시
Priority date: 2004-11-17
Filing date: 2005-11-14
Publication date: 2007-08-27
Also published as: EP1812197A4; ES2620280T3; US20060102604A1; JP5054535B2; JP2008520439A; WO2006060207A3; EP1812197B1; WO2006060207A2; US7851725B2; EP1812197A2

Abstract

레이저 에너지 전달 시스템은 중계 이미징 시스템을 포함한다. 레이저 에너지를 받도록 배치된 입력 광학기와, 입력 광학기에 대한 입사각이 조정 가능한 전송 거울과, 로봇 장착형 광학 조립체가 레이저 에너지를 이동 가능한 타겟 이미지 평면 쪽으로 보내도록 구성된다. 레이저 에너지는, 전송 거울로부터 수신 거울까지의 실질적으로 직선인 세그먼트를 포함하며 그리고 공기를 통한 입력 광학기에 대해 가변 길이 및 가변 각도를 갖는 광 경로를 따른다. 처리 헤드 상에서의 진단기들은 작동을 용이하게 한다.

레이저, 쇼트, 현장, 광학, 응력, 강도, 항공기, 부품

Description

이미지 중계를 갖춘 능동 빔 전달 시스템{ACTIVE BEAM DELIVERY SYSTEM WITH IMAGE RELAY}

본 발명은 고 에너지 레이저 시스템, 빔 전달 시스템, 및 정지 타겟에 사용하기에 적합한 레이저 피닝 시스템에 관한 것이다.

금속을 형성하고 그 표면 특성을 향상시키기 위하여 기계적 충격을 사용 하는 기술은 수년 동안 실현되어 왔다. 현재의 산업 현장에 있어서, 금속 표면의 피닝 처리는 고속 쇼트에 의해 달성되고 있다. 그와 같은 표면 처리는 표면 특성을 향상시키고 많은 응용례에서 아주 중요한데, 피로 및 부식 파괴에 대해서 상당히 향상된 저항성을 나타내는 부품을 제공할 수 있게 된다. 항공 산업 및 자동차 산업에서는 넓은 범위의 피가공물들이 쇼트 피닝되고 있다. 그러나 많은 응용례에서 쇼트 피닝은 충분히 강한 혹은 깊은 처리를 제공하지 못하거나, 혹은 표면 마무리 시의 유해한 영향으로 인해 사용되지 못하는 수도 있다.

레이저의 발명으로 해서, 피닝에 소요되는 강한 충격은 레이저 구동 템프드 플라즈마(laser-driven tamped plasma)에 의해 달성될 수 있다는 점이 급속하게 인정되고 있다. 참조: 응용 물리학 저널(Journal of Applied Physics), Vol. 43, No. 9, 1972년 9월호, 페이지 3893, 비. 피. 페어랜드(B.P. Fairand) 등의 "7075 알루 미늄에서의 레이저 쇼트 미세 조직 및 기계적 물성 변화(Laser Shot Induced Microstructural and Mechanical Property Changes in 7075 Aluminum)". 통상적으로, 고에너지 밀도(약 200j/cm²)의 짧은 펄스 길이(약 30 나노초) 레이저에 의하면 금속 표면에 10kB 내지 30kB의 플라즈마 쇼크가 발생된다. 금속 표면 상의 금속 테이프, 블랙 페인트 또는 다른 흡수 물질로 된 박층은 금속의 삭마(ablation)를 방지하기 위한 완충재(absorber)를 제공한다. 물과 같은 제한(confining) 재료 또는 탬핑(tamping) 재료는 증가된 강도의 쇼크를 제공하는 표면층을 덮는다. 이러한 쇼크는 압축 응력을 부여하며 표준 쇼트 피닝에 비해 더 깊고 더 큰 강도를 부여한다는 것이 밝혀졌다. 시험을 통해서, 이러한 처리는 피로 파괴 및 부식 파괴로부터 피가공물을 강화시키는 데 탁월하다는 점이 밝혀졌다. 레이저 피닝은 또한 표면을 형성하고 조직화하는 데 사용도기도 한다.

이러한 목적으로 사용되는 레이저 시스템의 1종이 발명의 명칭을 "고출력, 고품질 빔 발생 증폭기(HIGH POWER, HIGH BEAM QUALITY REGENERATIVE AMPLIFIER0"로 하는 본 출원인의 선행 미국 특허 제5,239,408호에 설명되어 있다. 상기 미국 특허 제5,239,408호에 설명된 레이저 시스템은, 자극형 브릴루인 분산 SBS 상 켤레/거울 시스템(stimulated Brillouin scattering SBS phase conjugator/mirror system)에 기초한 파장 교정 구성을 사용하여 10 내지 30 나노초 혹은 그 이하의 크기의 펄스 폭에 의해 20 주울/펄스보다 큰 출력 펄스를 발생시킬 수 있는 마스터 진동자/출력 증폭기 MPOA 구성의 고출력 증폭기를 포함한다.

현재의 상용의 고에너지 레이저 피닝 공정들은 레이저 빔 위치를 고정 위치에 유지시킨다. 처리되는 피가공물은, 소망하는 입사각, 점 크기, 및 배향 방향을 유지하면서 레이저 빔을 통과 이동시켜서 적용된 점 패턴을 형성시킨다. 이를 위해서는, 피가공물을 파지하여 프로그램된 위치를 통과 이동시키기 위한 자동 피가공물 유지 고정구가 필요하다. 이러한 방법에 의하면 피가공물은 비싸지고 또한 그 사양이 높아지게 되는데, 이에 따라 새로운 피가공물을 위한 공정을 개발하는 데 있어 상당한 공학적 기술이 필요하게 된다. 또한, 피가공물 크기는 활용되는 자동화 승강 및 취급 용량에 제한받게 된다. 자동화 취급 용량(일례로, 1m 초과 및/또는 100Kg 초과)보다 큰 피가공물 및 피가공 구조체는 종래의 피가공물 이동 방법에 의해서는 레이저 피닝시킬 수 없다.

가요성 빔 공급 시스템은 종종 광섬유의 사용에 기반을 두기도 한다. 그러나 유리 섬유 전송이 통상적으로 높은 파장에서는, 레이저 피닝에 사용되는 아주 높은 펄스 에너지와 높은 피크 출력은 섬유에 손상을 주어서 그 섬유들을 쓸모 없게 만들 수 있다. 일례로, 25J 펄스는 1mm 다중 모드 섬유를 통하여 전달될 수 있는 최대 펄스 에너지(250mJ)의 100배이다. 대표적인 레이저 피닝 응용 장치에 사용되는 것과 같은 단일 주파수 빔용으로, 유리 섬유는 더 낮은 손상 한계치를 갖는다.

고출력 이산화탄소(CO₂) 절단 및 용접 레이저를 전달하기 위한 레이저 빔을 능동적으로 스캐닝하는 해결책이 개발되었다. 극적외선 범위의 10㎛ 파장으로 인해 CO₂ 레이저의 출력은 유리 섬유에 의해서는 전달될 수 없다. 상용의 관절형 아암은 고출력 CO₂ 레이저, 즉 7개의 관절 지점(일반적으로 너클이라 부름)에 의해 연결되는 일련의 중공 튜브로 구성되며 상기 관절 지점 각각은 45도 거울을 하우징하는 구성으로 된 고출력 CO₂ 레이저용으로 개발되었다. 레이저 피닝용 다관절 아암은 많은 수의 중요한 단점을 가지고 있는데, 그 단점들은 우리 발명자들로 하여금 다음과 같은 선택적인 해결책을 개발하도록 했다.

1.빔 회전 - 레이저 피닝을 위해서는 정사각형 빔(CO₂ 레이저와는 다름)을 사용하는 것이 필요하고 각 관절 조인트에서의 평면 밖으로의 반사는 어느 정도의 빔 회전을 야기한다. 이와 같은 것은 정사각형 빔이 아암으로 들어가기 전에 정사각형 빔을 적절히 회전시킴으로써 보상될 수 있기는 하지만, 각각의 아암 세그먼트의 정확한 배향은 필요한 것으로 알려져 있다. 부품에 대한 소정의 공급 각도를 위한 아암 위치는 다수가 있으므로, 상기 7개의 회전 조인트들 각각은 정확하게 인코딩될 필요가 있다.

2. 위치 정확도 - 피닝 빔을 전송하는 데 필요한 구멍 속의 아암들은 통상적으로는 단지 1mrad의 지향 정확도를 가지는데, 이는 레이저 피닝에서 일례로 사용되는 것과 같은 3mm 스팟의 위치에 있어서 최대 1mm까지의 오차에 해당하는 것이다.

3. 광학 손실 - 표준식 7너클 관절형 아암은 입력부와 출력부 사이에 7개의 거울 반사를 필요로 하는데, 이는 빔 전달 중에 광학 손실을 유발하여 시스템의 효율성을 감소시킨다.

4. 길이의 제한 - 관절형 아암은 고정 길이를 갖는데, 이로 인해 피가공물과 관련한 배치에 있어서의 융통성이 제한받게 된다. 최대 전달 길이도 역시 튜브형 아암 세그먼트의 무게 및 기계적 강성과 각 조인트에서의 지지 하중(bearing load)에 의해 제한 받게 된다.

5. 공정 개발 - 통상적으로 관절형 아암은 아주 가요성 있게 설계되는데, 그 설계는 하나의 주어진 처리 스팟에 있어서 다수의 너클 구성이 가능해지도록 하는 구속을 받게 된다. 그러나 아암을 허용되지 않은 경로를 통해서 가압시키거나 혹은 처리 로봇과의 충돌을 야기함으로써 아암에 손상을 줄 가능성이 여전히 있다. 이러한 이유 때문에, 이동 부품 공정과 이미 결합되어 있는 많은 수의 복잡한 로봇 경로 개발이 여전히 필요하다.

항공기 수리소에서의 항공기 부품이나 혹은 관상광 작업장(pipe yard)에서의 대형 석유 관정 피가공물과 같이, 대형 피가공물을 처리하고 또한 피가공물을 고객의 설비에서 "현장에서(in situ)" 처리할 수 있도록 하는 충분한 융통성을 제공하는 시스템을 제공하는 것이 필요하다.

레이저 빔을 고도로 제어된 방식으로 이동시키고 지향시키는 동안에 피가공물이 수리될 수 있게 하는 레이저 피닝 방법 및 시스템에 대하여 설명한다. 고정된 피가공물 위치를 이용하게 되면 복잡하게 움직이는 정착물(fixture) 및 피가공물을 유지시키는 것을 최소화할 수 있고, 그에 따라 비용과 소요되는 공학 기술을 줄일 수 있게 된다. 피가공물이 아닌 레이저 빔을 이동시킴으로써, 혹은 피가공물을 제한되게 이동시킴으로써, 자동화 취급 능력에 비해서 더 큰 피가공물이 비용 효과적으로 레이저 피닝될 수 있게 된다.

레이저 피닝에 사용되는 것과 같은 고출력을 갖는 레이저 에너지를 포함하는 레이저 에너지를 전달하는 방법 및 시스템이 제공된다. 고출력 레이저 에너지용의 레이저 에너지 전달 시스템의 일 실시예는 레이저 에너지 공급원의 출력부의 이미지를 피가공물의 표면 근처의 타켓 이미지 평면에 중계하는 중계 이미징 시스템을 포함한다. 중계 이미징 시스템은 레이저 에너지 공급원의 출력부로부터 레이저 에너지를 받도록 배치된 입력 광학기와, 입력 광학기에 대해서 입사각이 조정 가능한 전송 거울과, 레이저 에너지를 타겟 이미지 평면을 향해서 지향시키는 로봇 장착형 광학 조립체를 포함한다. 로봇 장착형 광학 조립체는 전송 거울에 대해서 입사각을 조정할 수 있는 수신 거울과, 타겟 표면을 위한 레이저 에너지를 조절하는(condition) 출력 광학기를 포함한다. 레이저 에너지는 전송 거울로부터 수신 거울가지의 실질적으로 직선형인 세그먼트를 포함하는 광 경로를 따른다. 상기 세그먼트는 입력 광학기에 대해서 가변 길이 및 가변 각도를 갖는다. 로봇 장착형 광학 조립체는 타겟 표면 상의 타겟 위치에 레이저 빔을 지향시키도록 위치되므로, 전송 거울과 수신 거울 각도는 이들 사이의 광 경로의 세그먼트의 길이 및 각도를 변화시킴으로써 조정되어, 입력 광학기로부터 나온 레이저 에너지를 공기를 통해서 출력 광학기로 결합시키게 된다. 입력 광학기와 출력 광학기는 레이저 에너지 공급원의 출력부의 근시역 이미지(near field image)를 타켓 이미지에 지향시킴으로써 이미지 중계를 수행한다. 로봇 장착형 광학 조립체는, 타겟 이미지 평면이 피가공물의 타켓 표면의 범위 내에 놓일 수 있고, 그에 따라 타겟 표면에서의 빔 형상이 레이저 에너지 공급원의 출력부 근처의 빔 형상에 근접하게 되게끔, 레이저 빔을 위치시키도록 조작된다.

레이저 에너지를 레이저 에너지 공급원으로부터 피가공물 상의 타겟 표면으로 전달하는 로봇형 시스템이 레이저 피닝의 용도 및 다른 용도에 적합하게 제공된다. 이와 같은 시스템의 일 실시예는 레이저 에너지를 레이저 에너지 공급원의 출력부로부터 받아서 그 레이저 에너지를 광 경로를 따라서 타겟 표면으로 보내도록 배치된 조정 가능한 구성부품(component)들을 구비하는 빔 전달 광학기를 포함한다. 광 경로는 공기를 통한 가변 길이 및 가변 방향을 갖는 빔 전달 광학기의 구성부품들 사이에 가변 세그먼트를 포함한다. 빔 전달 광학기들은 레이저 에너지를 위한 출력 빔 선을 확립한다. 레이저 에너지용의 출력 빔 선을 타겟 표면 상의 타겟 위치들 중에 연속적으로 혹은 단계적으로 이동시키기 위하여 빔 전달 광학기들의 조정 가능한 구성부품에 제어기를 결합시킨다. 본 발명 기술의 실시예에서는 빔 전달 광학기에 진단 센서들이 마련되고, 상기 진단 센서에 의해 제공된 정보는 시스템의 정밀 로봇식 제어 및 다른 진단 기능을 위해 제어기로 피드백될 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 빔 전달 광학기는 레이저 에너지 공급원의 출력부로부터 나온 레이저 에너지를 받고 그 레이저 에너지를 제1 광 경로 세그먼트로 보내도록 배치된 입력 광학기를 포함한다. 제1 광 경로 세그먼트에 대한 입사각을 조정할 수 있는 전송 거울은, 광 경로의 상기한 바와 같은 가변 세그먼트를 포함하는 제2 광 경로 세그먼트 상에 레이저 에너지를 반시시킨ㄷ. 로봇 장착형 광학 조립체는 상기 제2 광 경로 세그먼트에 위치되도록 구성된 수신 거울을 포함한다. 상기 수신 거울은 레이저 에너지를 제3 광 경로 세그먼트 상에 반사시키기 위해 제2 광 경로에 대해서 조정할 수 있는 입사각을 갖는다. 출력 망원경이 로봇 장착형 광학 조립체에는 포함되어서 제3 광 경로 세그먼트에 위치된다. 출력 망원경은 레이저 에너지를 출력 빔 선 상의 타겟 표면을 향해 보낸다. 본 발명 시스템의 실시예에서 출력 광학기는 레이저 에너지를 제1 광 경로를 따라서 투영시키기 위해 배치되며 또한 공기를 통해 가변 길이 세그먼트를 가로지르는 전파(propagation)를 위하여 레이저 에너지의 단면을 확대시키기 위해서도 배치된다.

또한, 본 발명 시스템의 실시예에서, 광학기들은, 빔 전달 광학기들에 의해 야기된 회전을 편의시켜서 타겟 표면 상의 레이저 에너지의 일정한 배향을 유지시킬 수 있도록 레이저 에너지의 단면을 회전시키기 위하여 제공된다. 따라서, 본 발명 시스템의 실시예에서, 레이저 에너지의 단면은 직사각형이고, 전송 거울 및 수신 거울의 가변 각도에서의 반사는 직사각형의 회전을 야기한다. 일 실시예에서, 레이저 에너지의 제1 및 제2 펄스는 타겟 표면으로의 전달을 위해 제1 미 제2 빔 경로 상으로 보내지고, 상기 제1 및 제2 빔 경로는 전송 거울에서 입사 및 반사 빔 선 각각과, 수신 거울에서 입사 및 반사 빔 선 각각을 갖는다. 전송 거울 상의 입사 및 반사 빔 선들을 수용하는 평면과 수신 거울 상의 입사 및 반사 빔 선을 수용하는 평면 사이의 각도에 따라서 제1 및 제2 펄스의 단면을 회전시키기 위한 광학기들이 제공된다.

도면과 발명의 상세한 설명과 특허청구범위를 읽게 되면 본 발명의 다른 특징 및 이점들도 알 수 있다.

도 1은 피가공물을 레이저 피닝하기 위해 구성한 에너지 전달 시스템을 나타낸 다이어그램이다.

도 2는 피가공물을 현장에서 레이저 피닝하기 위해 구성한 에너지 전달 시스템을 나타낸 다이어그램이다.

도 3은 도 1 및 도 2와 유사한 에너지 전달 시스템용의 입력 광학기 및 전송 거울을 나타낸 다이어그램이다.

도 4는 도 1 및 도 2와 유사한 에너지 전달 시스템용의 수신 거울과 전송 거울을 포함하는 로봇 장착형 광학 조립체의 다이어그램이다.

도 5 및 도 6은 도 1 및 도 2와 유사한 에너지 전달 시스템을 단순화하여 나타낸 다이어그램이다.

도 7은 도 1 및 도 2와 유사한 에너지 전달 시스템과 조합하여 사용하도록 구성된 레이저 에너지 공급원을 나타낸 다이어그램이다.

도 1 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 여기서 설명하는 에너지 전달 시스템의 실시예에서는 종래의 에너지 전달 시스템의 관절형 세그먼트들과 7개의 거울들이 고속, 고해상도의 짐발들 상의 2개의 거울로 대체된다. 로봇 장착형 광학 조립체를 포함하는 레이저 피닝 처리 헤드에 대한 전파는 2개의 짐발 장착 거울들 사이의 자유 공기 경로(free air path)에 의해 이루어진다. 처리 헤드 모니터 레이저 지향, 빔 회전, 및 매 조준 단위의(shot-to-shot basis) 레이저 에너지에 빔 진단기들이 위치된다. 끝으로, 기기의 출력부에 위치된 처리 카메라는 레이저 피닝 처리 평면을 이미지화한다.

도 1은 레이저 피닝 시스템을 개략적으로 도시하는 것이다. 이 도면은 실제 시스템의 크기의 설계가 아니고 기본 구성부품과 레이아웃만 도시하는 것이다. 도 1의 시스템은, 일례로 도 7에 도시된 것이나 혹은 다른 레이저 에너지 공급원과 같은, 마스터 발진기/출력 증폭기 구성의 레이저(100)를 포함한다. 레이저(100)는 안정된 레이저 테이블(101) 상에 장착된다. 레이저 에너지 공급원으로부터 나온 출력은, 중계 망원경(103)을 통하여 전송 거울 짐발(105) 상에 장착된 전송 거울(105A)로 보내기 위한 빔을 조절하는 입력 광학기(102)로 적용된다. 전송 거울(105A)은 수신 거울 짐발(106) 상에 장착된 수신 거울(106A)로 빔을 반사시킨다. 수신 거울 짐발(106) 상의 수신 거울(106A)은, 결국에는 로봇(108)에 의해 위치되는 로봇 장착형 광학 조립체(107)의 일부다. 로봇 장착형 광학 조립체(107)는 빔을 피가공물(109)의 표면 상의 타겟 위치로 보내기 위한 출력 광학기를 포함한다. 본 실시예에서, 피가공물(109)은 회전식 부품 홀더(110) 상에 장착된다. 물 공급 로봇(111)이 부품 홀더(110) 근처에 장착되고, 레이저 피닝 적용 시에 탬핑 유체를 공급하기 위한 용기(111A)를 포함한다. 본 발명 기술의 실시예에서의 로봇(111)은 레이저 피닝 작업 중에 사용되는 좌표 측정 도량형 접촉 탐침(coordinate measuring metrology touch probe)(예, 레니쇼(Renishaw) 스타일)의 배치를 제어하기도 한다. 로봇(111)용 제어기(112), 로봇(108)용 제어기(113), 및 로봇의 좌표 지정 작업용 제어기 (114)와, 빔 전달 시스템 및 레이저(100)의 조정 가능한 구성부품들과, 다른 조정 가능한 구성부품들이 본 시스템에 마련된다.

입력 광학기(102)로부터 타겟 피가공물까지의 기본 광 경로는 본 실시예에서는 단지 2회전만을 포함하는데, 이들은 고속, 고해상도 짐발을 이용하여 제어된다. 광 경로는 전송 거울(105A)과 수신 거울(106A) 사이에 세그먼트(120)를 포함하는데, 이 세그먼트는 실질적으로 직선형이며 공기를 통한 가변 길이와 전송 거울 짐발의 각도 설정에 의하여 한정된 가변 방향을 갖는다. 가변 길이는, 빔 선이 피가공물(109)의 표면 상의 타겟 위치로 이동할 때에 광학 조립체(107)의 위치 결정에 기초하여 로봇(108)에 의하여 제어된다. 마찬가지로, 가변 방향은 광학 조립체(107)의 위치 결정에 따라서 짐발(105, 106)을 이용하여 설정된다. 도시된 실시예에서, 세그먼트(120)는 자유 공기를 통하여, 즉 튜브와 같은 포위부가 없는 채로 연장된다. 다른 실시예에서는 망원경 튜브 또는 다른 포위부가 충분히 조정 가능한 여건 하에서는 제공될 수도 있다.

물 로봇(111)은 피처리 부품의 표면에 투명 탬핑 층을 보내는 데 사용된다. 선택적인 시스템은 광학 조립체(107) 상에 장착된 로봇과 함께 로봇(108) 상에 물 공급 용기를 통합시킨다.

도시된 처리 챔버(130)는 기술자들을 위한 접근 도어(131), 부품 홀더(110)로의 접근을 허용하는 부품 접근 도어(132), 레이저 방사를 허용하는 셔터(104)를 포함한다. 처리 챔버(130)는 로봇(108)의 작동을 위한 제어된 환경을 제공하는데, 이 때 부품 홀더(110)는 레이저 피닝 작동을 위한 단지 제한된 위치 결정 기능만을 제공하는 데 사용된다. 처리 챔버(130)는 기초 또는 이동 가능한 플랭크와 같은 플랫폼 상에 장착되고, 그 위에는 전송 거울 짐발(105), 로봇 장착형 광학 조립체(107)를 구비한 로봇(108), 로봇(111) 및 회전식 부품 홀더(110)들이 고정된 공간적 관계를 유지하면서 장착된다. 레이저(110) 및 입력 광학기(102)는 처리 챔버(130)와 긴밀하게 결합된 상태로 별도의 스테이지에 장착된다.

도 2는 대형 구조체 상에 현장에서 장착된 레이저 피닝 형성 피가공물과 같은 아주 대형의 부품을 처리하기 위한 구성을 도시한 것이다. 도시된 실시예에서, 로봇 장착형 광학 조립체(201)와 물 로봇(202)이 공통의 처리 플랫폼(200) 상에 장착되었는데, 상기 처리 플랫폼은 항공기의 날개 스킨(wing skin)과 같은 긴 부품(218)의 각기 다른 부분들을 수용할 수 있도록 1조의 정밀 트랙(219)을 따라서 이동할 수 있는 것이다. 세그먼트(220)를 따른 전송 거울 짐발(221)로부터 수신 거울 짐발(222)까지의 처리 빔의 자유 공기 전파는 전송 거울에 입력부(223)를 제공하는 레이저 공급원과 로봇 장착형 광학 조립체(201) 사이의 거리를 융통성 있게 한다. 나사 드라이브(230)와 같은 구동 기구가 플랫폼(230)에 결합되어 대형 물체에 인접한 플랫폼(200)의 정확한 이동을 가능하게 한다. 공기, 물 및 전기 도전체 등을 포함한 유용물(utilities)은 트랙(219)을 따라서 유용물 트랙웨이(231)에 마련된다. 물 로봇 제어기(235), 광학 조립체(201)의 위치 결정용으로 사용되는 로봇용 제어기(236), 및 다른 제어 로직(237)이 상기 유용물에 결합되며 또한 상기 트랙 상의 장치들에 결합된다. 레이저 출력부와 전송 거울 짐발(221) 사이의 셔터(238)에는 입력 광학기가 결합된다.

이 경우, 로봇 장착형 광학 조립체와 물 로봇이 공통의 플랫폼 상에 장착되는데, 상기 플랫폼은 날개 스킨(wing skin)과 같은 긴 부품의 각기 다른 부분들을 수용할 수 있도록 1조의 정밀 트랙을 따라서 이동할 수 있는 것이다. 실제의 빔 전달 시스템은 처리 빔의 자유 공기 전파를 이용하는데, 이에 의하면 레이저 공급원과 처리 기기 사이의 거리가 융통성 있게 된다. 하나의 플랫폼 상에 두 로봇을 통합시키게 되면 이렇게 하지 않은 경우라면 도달하기 어려운 위치에 레이저 에너지를 도달시킬 수 있게 된다. 이러한 것의 예로는 항공기 날개 또는 수직 핀 부착 칸막이(vertical fin attachment bulkhead)의 높이로 상승된 플랫폼이 될 수 있다. 레이저 공급원은 지면 높이에 견고하게 장착되어서 레이저광을 원격의 처리 위치로 공급한다. 레이저와 로봇 장착형 광학 조립체 사이의 연장된 전파 거리, 일례로 5m보다 큰 거리를 위해, 레이저 시스템에 중계 광학기가 변경 설치될 수 있다.

도 3은 도 3에서 M55로 표기된 전송 거울까지의 입력 광학기용의 레이아웃을 도시하는 것이다. 레이저 공급원(300)은 광 경로의 제1 세그먼트를 한정하는 선(301) 상에 출력 빔을 제공한다. 거울(M50)은, 정렬 레이저(AL50), 절반 파 플레이트(WP50), 렌즈(L50), 편광자(P50), 렌즈(51) 및 카메라(C50)를 포함하는 능동 정렬 광학기까지의 제2 세그먼트의 광 경로를 한정하는 선(302) 상에 빔을 반사한다. 편광자(P50)를 통하여 전파되는 빔은 선(303)을 따라서 파 플레이트(WP51)를 통하여 거울(M51)과 거울(M52)과 거울(M53)을 포함하는 시야 회전 광학기에 이르기까지 제3 세그먼트의 광 경로 상에서 진행된다. 거울(M53)로부터, 빔은 회전된 채로 선(304) 상의 제4 세그먼트의 광 경로 상에서 거울(M54)로 전파된다. 거울(M54)은 빔 을 회전시켜서 렌즈(L52) 및 렌즈(L53)를 포함하는 빔 전송 망원경(중계 망원경이라고도 함)을 통하여 선(305)을 따르는 제5 세그먼트의 광 경로 상에서 짐발 장착 전송 거울(M55)까지 이르게 한다. 윈도우(W50, W51)는 망원경용의 진공실(도시되지 않음)의 입력부와 출력부를 한정하는데, 상기 진공실 내에서 빔은 초점이 살려진다. 전송 거울(M55)은 빔을 선(306) 상의 제6 세그먼트의 광 경로를 따라서 가변 각도로 회전시키는데, 이 빔은 앞에서 설명한 바와 같이 가변 길이의 공기를 통하여서 로봇 장착형 광학 조립체 상의 수신 거울로 보내진다.

일 실시예의 정렬 레이저(AL50)는 정확한 정렬을 검증하고 필요한 경우에는 레이저 발사들 사이의 정렬에 대해 피드백 조정을 가능하게 하기 위한 연속파(CW, 즉 비펄스 방식) 레이저를 포함한다. 일 실시예에서, 정렬 레이저(AL50)는 비교적 낮은 출력(500mW 미만)을 발생시키는 다이오드 펌핑(diode-pumped) Nd: YLF 레이저를 포함한다. 정렬 레이저(AL50)는 피닝 레이저(300)과 동일한 파장을 갖거나, 아니면 모든 광학기들을 통한 정렬 빔의 반사 및 초점 형성 특성들이 고출력 빔의 정렬을 위해서 신뢰성 있게 사용될 수 있도록 구성될 수 있다.

정렬 레이저(AL50)으로부터 나온 발산 출력(500 mW 미만)은 렌즈(L50)에 의해 시준되어서, 빔 분광기(P50)의 편광 빔 분광기(P50)에서 고출력 빔 경로와 조합된다. 절반 파 플레이트(WP50)를 사용하게 되면, 정렬 래이저의 편광이 S-편광으로 설정되고, 그에 따라 편광기에서 빔 선(303) 상으로 반사된다. P-편광으로 전송된 고출력 빔의 작은 부분이 편광기(P50)에서 반사되고, 정렬 빔의 작은 부분이 편광기(P50)를 통하여 카메라(C50)까지 전송된다. 진단 카메라(C50)가 정렬 빔 및 고출 력 빔의 위치들을 검출하여서 정확한 공통 정렬(co-alignment)을 달성하기 위한 피드백을 제공한다. 카메라가 렌즈(L50)의 초점에 배치된다. 편광기(P50)의 표면으로부터 반사된 고출력 빔 중의 소량 누출의 원 시계(far field)(초점)가 편광기(P50)를 통하여 전송되는 정렬 빔의 일부의 초점과 중첩될 때에는, 공통 정렬이 확인된다. 파 플레이트(WP50)는 편광기(WP50)를 통한 정렬 빔 전송의 분률이 조정될 수 있게 회전될 수 있다.

고출력 레이저가 원형이 아닌 본 발명 시스템의 실시예에서, 전송 거울 및 수신 거울에 의해 야기된 빔의 단면의 회전은 시계 회전자 광학기에서 보정된다. 일례로, 레이저 피닝 시스템에 있어서, 정사각형 빔 단면 또는 기타 직사각형 형상이 바람직하다. 짐발 장착 전송 거울(M55) 상의 입사 및 반사 빔을 수용하는 평면과 짐발 장착 수신 거울(M56) 상의 입사 및 반사 빔을 수용하는 평면 사이의 상대 각도에 따라서(도 4 참조), 정사각형 빔은 로봇 장착형 광학 조립체의좌표에 대해서 회전하게 된다. 시계 회전자 광학기는 빔 단면을 미리 회전시키고, 그에 따라 소망하는 스팟 방향이 타겟 표면으로 전달된다. 시계 회전자 광학기는 3개의 거울(M51 ~ M53)로 구성되는데, 상기 거울들은 원격 제어되는 회전 스테이지를 사용하여 입력 빔 축 둘레에서 회전할 수 있는 공통의 구조체에 견고하게 장착된다. 홀수 개의 반사기(3)들이 있으므로, 3개의 거울 조립체를 회전시키게 되면 정사각형 빔이 2배 비율로 회전하게 되는데, 이를 다시 말하면 45도의 거울 조립체의 회전은 완전 90도의 빔 회전을 유발한다는 것이다. 정사각형 빔의 경우에, 시계 회전자의 ㅁ 22.5도 회전은 모든 요구되는 빔 방향을 제공하게 된다. 시계 회전을 제공하기 위해서 다른 광학적 배열도 사용될 수 있다.

빔의 편광 상태가 정사각형 빔 형상과 직교로 정렬되지 않는 것, 일례로 축 편심 피닝(off-axis peening)도 바람직할 수 있다. 고출력 빔 경로에 배치된 파 플레이트(WP51)는 편광이 임의의 선형 상태로 회전될 수 있게 한다. 시계 회전자와 마찬가지로, 원격 제어되는 회전 스테이지에 장착될 수도 있고, 그 때의 편광은 스테이지의 회전의 비율의 2배로 회전한다.

렌즈(L52, L53)로 형성된 전송 망원경은 정사각형 빔을 확대하는 역할을 하며 광학 이미지를 자유 전파 경로를 가로질러 로봇 장착형 광학 조립체룰 포함하는 처리 헤드로 중계하는 역할을 한다. 이와 같은 망원경을 통한 빔의 확대는 일 실시예에서는 공칭 치수 23mm에서 32.5mm까지 약 1.4배 확대된다. 첫 번재 기능은 빔 면적이 광학 손상의 위험을 줄이면서 전송 거울과 수신 거울에서 2배로 증가한다는 것이다. 두 번째 기능은 망원경의 중계 거리가 제곱된 배율(즉, 2X)만큼 증가하여 잘 한정된 화상이 거리 처리 평면에 제공될 수 있게 한다는 것이다. 끝으로, 빔을 확대시키면 라레이(Raleigh) 범위(초점 공유 파라미터의 2배로 정의됨)가 배율의 1.4배로 2X만큼 증가하여 빔의 자유 공간 전파 특성을 향상시킨다는 것이다. 이와 같은 세 번째의 기능은 처리 헤드 내의 광 중계 망원경과 빔 전달 망원경이 단일 전파 거리를 최적화하기 때문에 중요하다. 그러나 처리 헤드는 ㅁ 45도 처리 중실각(processing solid angle) 내에서 조작되어지므로, 짐발들 사이의 실제 전파 거리는 ㅁ 1m까지 변동할 수 있다. 이와 같은 변동은 도 2에 도시된 것과 같은 대형 부품의 현장에서의 대형 레이저 피닝용으로 배열하는 경우에는 더 커진다.

트랜스미터 짐발과 리시버 짐발은 본 발명 시스템의 실시예에서는 그 설계 및 사양이 유사하다. 각 축에서의 대표적인 시스템용의 모터는 0.25μrad(5.2arcsec)의 해상도, 50μrad(10.3arcsec)의 반복성, 100μrad(20.6arcsec)의 절대 정확도를 갖는다. 이들 사양은 실제로 반사된 빔에 대한 것이기 때문에, 거울 각도들에 있어서의 값들은 2X보다 작다. 전송 거울 및 수신 거울은 대표적인 실시예에서 그 직경이 4인치이고 15 내지 55도의 입사각 범위에 걸쳐 빔을 효과적으로 반사하는 고 손상 한계 코팅(high damage threshold coating)을 갖는다.

도 4는 도 3의 입력 광학기들을 포함하는 본 발명 시스템의 일 실시예에서의 처리 헤드 상의 로봇 장착형 광학 조립체 내의 수신 거울(M56) 및 기타 다른 광학기들을 도시하고 있다. 수신 거울(M56)은 선(407) 상의 제7 세그먼트의 광 경로 상의 빔을 진단 빔 분광기(DS50)로 선회시키도록 조정된다. 빔은 진단 빔 분광기(DS50)를 통해서 렌즈(L57, L58)를 포함하는 출력 망원경으로 전파된다. 처리 헤드 상에 빔 전송 망원경과 입력 광학기와 출력 망원경이 조합되면 일 실시예에서는 최종 렌즈(L58)로부터 79cm 위치의 3mm 스팟용의 타겟 이미지 평면(410)이 확립되게 된다.

도 3 및 도 4에 도시된 중계 이미징 시스템은 레이저로부터 근시역 출력 빔의 정확하고 축소화된 이미지를 부품의 표면 근처에 배치한다. 레이저의 근시역 출력에 높은 균일성의 평탄한 상부 조사 프로파일을 형성하는 도 7에 도시된 것과 같은 레이저 공급원을 사용하여서, 만일 이렇지 않게 되면 레이저 공급원으로부터의 전파에 의해 야기되게 되는 유의적인 광학 회절 구조가 없는 높은 균일성의 평탄한 상부 조사 프로파일을 피가공물의 타겟 표면의 한정적 범위 내에 놓이는 타겟 이미지 평면 안으로 투영된다. 이러한 타겟 이미지 평면의 한정적 범위 내에서의 피가공물의 타겟 표면 상의 조사 프로파일은 레이저 출력으로부터 나온 근시역 이미지와 실질적으로 동일한 품질을 유지한다. 피가공물의 배치를 위한 타겟 이미지 평면 둘레에 허용된 범위는 수행되는 작업의 파라미터에 따라 달라지고 일례로 특정 실시예에서는 타겟 이미지 평면의 ㅁ 1미터 범위 이내일 수 있다. 다른 실시예에서, 타겟 이미지 평면에 대한 피가공물 상의 타겟 표면의 배치를 위한 보다 크거나 작은 한정적 범위는, 레이저 에너지, 레이저 에너지에 의해 수행되는 기능의 요건들, 및 다른 인자들의 특성에 따라서는, 적절할 수도 있다.

처리 헤드 상에는 매 조준시의 에너지 크기 감지, 정렬 진단, 및 출력 빔 프로파일 진단을 위하여 빔 진단기가 제공된다. 빔 진단 분광기(DS50)는 진입 빔의 작은 분률(일례로, 약 0.8%)을 렌즈(l54)를 통하여 선(402) 상의 진단 구성부품과, 진단 빔 분광기(DS51)로 보낸다. 진단 빔 분광기(DS51)를 통하여 전파되는 빔 내에 배치된 시준식 초전기 에너지 계측기(calibrated pyroelectric energy meter)(ED50)는 매 조준시의 에너지 크기를 처리 헤드에 제공하게 된다. 진단 빔 분광기(DS51)는 이와 같은 빔의 일부를 진단 빔 분광기(DS52), 광학 셔터(OS50), 진단 빔 분광기(DS53), 렌즈(L55), 카메라(C51), 카메라(C52), 렌즈(L56), 거울(M57) 및 카메라(C53)를 포함하는 정렬 진단기로 보낸다. 렌즈(L54)와 렌즈(L56)으로 구성된 망원경은 카메라(C53) 상의 레이저의 출력 구멍에 고출력 정사각형 빔의 이미지를 형성한다. 이 망원경은 또한 부품의 표면 상의 처리 표면에 있어서의 크 기가 계측된 공간적 프로파일에도 대응한다. 렌즈(L54, L55)는 빔의 이미지를 카메라(C51) 상의 리시버 짐발 거울(M56)의 평면에 배치한다. 카메라(C52)는 렌즈(L54)의 초점에 배치되고, 그에 따라 이 카메라 상의 정렬 빔의 위치는 리시버 짐발로부터 지향되는 각도를 나타내게 된다. 광학 셔터(OS50)는, 카메라(C51, C52)가 저출력 CW 정렬 빔을 가지고 사용되도록 설정되기 때문에, 정렬 카메라를 고출력 빔으로부터 보호하기 위하여 고에너지 피닝 중에 폐쇄된다.

이와 같은 점들을 감안해서, 앞에서 설명한 바와 같이 고정 스테이지 또는 회전 스테이지 상에 장착되는 물체를 레이저 피닝하는 데 사용하는 시스템에서는, 통상적인 시스템에서의 리시버 짐발 및 타겟 평면으로부터의 거리는 약 0.5 내지 1.5미터가 될 수 있다. 그러나 이와 같은 거리는 빔 전달 시스템의 특정 용도 및 구성부품의 크기 설정에 있어서의 실질적인 제한에 따라서는 더 커지거나 혹은 작아질 수 있다.

도 1에 도시된 회전하는 부품 스테이지는 일례로 처리 로봇식 시스템에 의해 제어되는 단일 축 회전 스테이지를 포함한다. 능동 빔 전달 시스템의 일 실시예는 50X50X50cm³의 처리 체적에 대해 ㅁ 45도 중실각(0.5π steradian)의 범위 내에서 빔을 전달하도록 구성된다. 이와 같은 처리 체적은, 각도 범위(즉, 법선에 보다 더 근접시키는 입사각)를 제한함으로써, 혹은 앞에서 설명한 바와 같이 전체 로봇식 플랫폼을 이동시킴으로써 추가로 확장시킬 수 있다. 소요되는 로봇 이동을 단순화시키는 다른 방법은 처리할 피가공물을 "제7 축"으로서의 로봇 제어기에 의해 구동 되는 단순한 회전 스테이지 상에 배치하는 것이다. 수평 평면에서 빔에 의해 소요되는 각 운동을 부품의 회전으로 전달함으로써, 추가적인 융통성이 제공된다. 이와 같은 방식에 있어서, 처리 헤드 각 운동은 기본적으로는, 부품 회전에 의해 마련된 수평 각도를 갖는 도 4의 도면의 평면 내에 그리고 그 평면 밖에 있을 수 있다. 이는 다수의 측면을 갖는 부품의 다른 표면들로의 접근성을 제공하고, 또한 기어 및 일체형 블레이드 로터와 같은 원형으로 대칭인 단면을 갖는 부품들에 특별히 적용할 수도 있다.

도 5 및 도 6은 상기한 바와 같이 구현된 레이저 에너지 전달 시스템의 사시도를 제공하고 있다. 선(500) 상의 입력 레이저 빔은 입력 광학기에 의해 트랜스미터 짐발(501) 상의 거울로 투사된다. 트랜스미터 짐발(501) 상의 거울은 빔을 선(502) 상의 가변 각도에서 공기의 가변 길이를 가로질러 리시버 짐발(503) 상에 장착된 거울로 반사시킨다. 이 빔은 빔 선(507) 상의 진단기와 출력 망원경을 포함하는 처리 헤드(504)를 통하여 타겟 피가공물(505)로 전파된다. 로봇(506)은 빔의 전달을 위하여 처리 헤드(504)를 위치시킨다. 리시버 짐발(503) 및 트랜스미터 짐발(501)은 레이저 조사를 처리 헤드(504)로 보내기 위해 협동(coordinate)한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 로봇(506)이 처리 헤드를 재위치시키므로, 트랜스미터 짐발(501)은 빔을 타겟 위치로 보내기 위해 리시버 짐발(503)과 협동하여 작동된다. 알 수 있는 바와 같이, 빔 선(500, 502) 상의 빔은 평면(508) 내에 배치되는데, 상기 평면의 방향은 트랜스미터 짐발(501) 상에 장착된 거울 상의 입사각 및 반사각에 의해 한정된다. 또한, 빔 선(502, 507) 상의 빔은 평면(509) 내에 배치되는데,상기 평면의 방향은 리시버 짐발(503) 상에 장착된 거울 상의 입사각 및 반사각에 의해 한정된다. 로봇이 처리 헤드(504)를 위치시키므로, 이들 평면들이 회전되어서, 빔 선(502)의 거리와 트랜스미터 짐발(501)과 리시버 짐발(503) 사이의 거리가 변화한다.

트랜스미터 짐발과 리시버 짐발을 포함하는 능동 빔 전달 시스템의 자동화는, 빔 전달 기기를 조작함으로써 레이저 피닝 공정을 수행하는 소위 "담당 제어기(controller in charge)"로서 작용하는 프로그램을 포함하는 소프트웨어 제어식 로봇 시스템을 가지고 달성된다. 주어진 부품에 대해서 사전에 특정된 공정 맵은 필요에 따라 레이저를 점화시키는 제어기에 의해 트래버스(traverse)법으로 재어진다. 고정 제어를 로봇 시스템으로부터 중앙 제어기로 전달하도록 하는 고 수준 시스템이 구성될 수 있다. 이 제어기는 2개의 공정 로봇뿐만 아니라 레이저(점화 트리거를 경유), 빔 전달 짐발을 보낸다. 일례로 현장 처리 공정의 중앙 처리식 작동을 위한 원격 컴퓨터를 포함하는 특정 실시예에 맞도록 한 다른 제어 시스템 구성도 적용될 수 있다.

공정은, 하나의 (x, y, z) 타겟 위치, 타겟 위치 상의 입사각(θ, φ), 정사각형 빔 회전 파라미터, 및 처리 헤드의 처리 표면으로부터의 거리(스팟 크기를 결정함)로 구성된 부품 상에서의 각 레이저 스팟에 대해서 변화된다. 로봇 제어기(혹은 고 수준 중앙 제어기)가 처리 헤드를 다음의 처리 스팟으로 이동시키도록 준비되면 파마미터들을 짐발 제어기 로직으로 전송하고, 그에 따라 시계 및 편광 회전뿐만 아니라 트랜스미터 짐발 및 리시버 짐발 각도에 대한 적절한 조정이 로봇 운 동과 협동하여 이루어질 수 있다. 로봇의 시준 위치에 기초하여 파라미터들은 리시버 짐발의 중심의 계산된 (x, y, z) 위치, 부품의 입사각(θ, φ), 정사각형 빔 회전을 포함하게 된다. 짐발 제어기 로직이 이동을 마치고 짐발이 정착되었을 때에, 로봇 제어기에 통지되어, 로봇 제어기는 이어서 레이저를 점화시켜서 다음의 처리 스팟으로 이동시킨다.

고출력 빔을 트랜스미터 짐발로부터 리시버 짐발 거울의 중앙으로 보내고, 이어서 리시버 짐발 거울이 처리 헤드의 광 축 아래에 빔을 정확히 전달하도록 하는 방향으로 상기 리시버 짐발 거울을 배향시키기 위해, 짐발 제어는 로봇 제어기에 의해 사용된 좌표 시스템에 맞게 조정된다. 좌표 시스템의 맵핑은 일례로 로봇 제어기가 그 자신의 좌표 시스템에 기초하여 1조의 알려진 조정 위치를 통하여 단계를 밟도록 함으로써 행해질 수 있다. 각 위치에서, 빔은 각 위치에 정합되도록 우선 수동으로 보내지고, 이어서 피드백 제어 하에서 보내지고나서, 최적으로 보내진다. 각 위치를 위해서 로봇 제어기에 의해 전송된 위치 데이터 및 이들 위치에 정합되게끔 요구되는 짐발 각도로부터, 짐발 제어기 로직을 위해 일치하는 좌표 시스템이 구성될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 처리 헤드에는 4개의 조정 카메라가 장착되어 았다. 이들 카메라 각각은 개별적인 정렬 기능을 갖는다. 정렬 카메라를 사용하는 대표적인 작동 모드는 두 가지가 있다. 그 첫 번째로는, 조정 과정 중이나 혹은 각 부품을 처리하기 전 또는 부품 상에서 스팟 그룹을 처리하기 전과 같은 때에, 정확한 빔 정렬을 주기적으로 확인하는 데 카메라가 사용된다. 두 번째 작동 방식은 각 레이저 쇼트 사이의 지향 각도의 폐루프형 최적화를 포함하는 것이다. 따라서 주어진 응용례에 적용된 공정은 저출력 레이저를 사용하는 단일 조정 단계나, 각 레이저 쇼트 간의 연속 조정이나, 어떤 중간적인 체제를 포함한다.

일 실시예에서, 4개의 진단 카메라 각각의 출력은 4채널 프레임 그래버(4-channel frame-grabber) 안으로 공급된다. 온보드 이미지 머신 비젼 처리는 제어 컴퓨터로부터 컴퓨터화 가능한 명령을 내려놓을 것이고, 이에 따라 처리량의 최대화가 가능해진다. 각 카메라는 시스템의 일 실시예에서 트리거 작동을 할 수 있고, 이에 따라 지령 시에 CCD 리프레쉬 사이클(refresh cycle)을 위해 대기할 필요 없이 바로 이미지 포착이 개시될 수 있다. 4대의 카메라 각각의 기능의 예에 대해서는 이하의 설명 부분에서 설명한다.

짐발 위치 카메라는 도 4에 C51로 나타내었다. C51을 제공하는 광학기들은 리시버 짐발 거울의 광학 평면에 정렬 빔의 이미지를 제공하도록 하기 위해 설치된다. 이와 같은 방식에서, 카메라 상의 빔 이미지의 조정된 위치는 수신 미러(M56) 상의 빔의 중심 정렬과 관련된 정보를 제공하고, 수신 거울(M56) 상의 경사각(카메라의 시야 범위 이내임)에 의해 영향을 받지 않는다. 짐발들에 대해 조정된 좌표 시스템이 주어지면, 수신 거울(M56) 상의 빔의 위치는 트랜스미터 짐발 거울(M55)의 전달 각도에만 대응하고 트랜스미터 짐발 거울(M55)로부터 나온 전달 각도를 교정하는 데 사용될 수 있다.

짐발 각도 카메라는 도 4에 C52로 나타내었다. C52는 렌즈(L54)의 초점에 정확하게 위치된다. 이와 같은 방식에서, 이 카메라 상의 빔 이미지의 위치는 리시버 짐발 미러(M56)로부터 나온 빔 전달 각도에 관련된 것이고, 리시버 짐발 거울(M56) 상의 빔 위치에 의해서는 영향을 받지 않는다. 이 카메라 상의 이미지의 위치는 리시버 짐발 거울(M56)로부터 나온 전달 각도를 교정하는 데 사용될 수 있다.

근시역 카메라는 도 4에 C53으로 나타내었다. C53을 제공하는 광학기들은 고출력 정사각형 빔의 이미지를 레이저 시스템의 출력 구멍의 근시역에나 혹은 그 근시역 내에 제공하도록 하기 위해 설치된다. 이와 같은 이미지는 또한 처리 표면에 빔의 공간적 프로파일을 제공한다. 빔 전달 처리 헤드 상에 카메라를 배치함으로써, 빔 전달 열(beam delivery train) 내의 광학적 손상에 의해 야기될 수 있거나 혹은 오정렬(misalignment) 또는 빔 잘림(beam clipping)에 의해 야기될 수 있는 어떠한 문제점들고 검출될 수 있다. 각 레이저 쇼트에 대해서 빔의 크기, 그 균일성, 그 회전 방향이 감시될 수 있다.

공정 카메라는 도 4에서 C54로 나타내었다. 이 공정 카메라는 처리 헤드의 출력부에 설치되고, 이 공정 카메라에는 처리 평면에 고정 초점을 갖는 표준 비디오 이미징 렌즈가 장착된다. 이 공정 카메라는 레이저 피닝 공정을 상세하게 보여 준다. 공정 카메라(C54)는 더 많은 수의 선택적이거나 혹은 추가적인 적용례를 갖는다. 일 실시예에서, 공정 카메라는 저출력 적외선 정렬 빔뿐만 아니라 외기의 가시광 모두를 보여 줄 수 있고, 로봇 좌표 시스템을 처리 헤드의 광학 축에 능동적으로 정렬시키는 데 사용될 수 있다. 공정 카메라(C54)는 머신-비젼 분석(machine-vision analysis)을 처리할 부품의 위치를 위치 결정하고 조정하는 데 적용하기 위한 실시예에서 사용될 수 있는데, 이에 의하면 접촉 탐침(레니쇼 스타일)으로 좌표 를 측정할 필요성을 가능하게 제거된다. 알려진 치수의 조정 타겟을 이용하게 되면, 기록된 이미지 치수의 분석은 처리 헤드와 처리 표면 사이의 거리의 조정도 제공하게 된다.

처리율은 로봇의 이동에 소요되는 시간에 제약을 받는다. 처리할 부품이 아닌 빔 전달 처리 헤드를 이동시키는 자동화 공정은 처리를 가속화시킨다. 그러나 동일한 기본적인 기계적 제한 사항들 중 일부가 여전히 존재한다. 능동 빔 전달 시스템을 이용하면, 두 가지의 대표적인 전략이 제품 처리량을 증가시킨다.

먼저, 출력 빔 선(처리 헤드의 운동을 거쳐서)과 물 로봇을 빔 트랜스미터 및 리시버 짐발과 함께 연속적으로 이동시킴으로써, 적절하게 동기화된 레이저 시스템이 점화되어서 각 쇼트 사이에서의 처리 헤드의 이동을 정지시키기 않아도 소망하는 처리 패턴을 형성시키게 된다. 각 펄스 사이에서의 로봇과 짐발의 기계적 정착에 대한 필요성이 제거되거나 감소되어, 처리량이 증가한다.

선택적인 해결책에 있어서, 하나의 타겟 상의 다중 레이저 피닝 스팟들은 입력부에서의 수신 거울 짐발을 처리 헤드에 스캐닝시키기만 해도 처리 헤드 위치로부터 액세스된다. 액세스 가능한 스팟들의 수는 전달 광학기들의 시계(視界)에 의해서만 제한될 것이다. 일례로, 3mm 정사각형 스팟들의 5x5 배열이 적절히 선택된 광학 구성부품들을 구비한 단일 처리 헤드로부터 아래에 놓일 수 있다. 처리의 최종적인 반복 주파수는 펄스들 사이에서의 물 층의 정착 시간에 의해서만 제한될 것이다. 도 7에 도시된 것과 같은 레이저의 펄스 반복 주파수(PRF: pulse repetition frequency)는, 약 30회의 주기에 걸쳐 평균된 평균 PRF가 5Hz 이하로 유지되는 한 은, 한번에 10 내지 20 쇼트들에 대해 10Hz에도 도달할 수 있다는 점을 감안할 때, 이러한 기술은 아주 강력한 기술이 될 수 있다. 격발(burst)들 사이에 처리 헤드의 재위치가 이어지는 신속한 레이저 격발은 큰 처리 영역의 범위에 걸쳐지며 레이저 피닝 형성 공정에서 아주 유용하다.

SBS 상 결합기 거울 시스템과 베플이 있는 중계 망원경을 포함하는 재생 레이저 증폭기를 구비하는 마스터 발진기/출력 증폭기 구성의 기본 구조는 도 7에 도시되어 있는데, 이는 본 명세서에 설명된 시스템에 사용하기에 적합하다. 도 7의 실시예는 미국 특허 제5,239,408호에 개시된 유사한 증폭기의 개량된 버전인데, 상기 미국 특허는 본 명세서에 완전히 기재된 것처럼 해서 참고로 포함된다. 도 7의 증폭기 시스템은 폭켈스 셀(Pockels cell) 또는 패러데이 회전자와 같은 회전자(740), 제1 내부 공동 중계 망원경(720), 슬랩형 이득 매체(750), 제2 내부 공동 중계 망원경(770) 및 SBS 상 결합기/거울 시스템(760)을 포함한다. 슬랩(750)은 펌프 공동(도시되지 않음) 안에서 둘러싸인다. 2개의 편광기(702, 706)가 각각 입력 펄스를 잡고 출력 펄스를 추출하기 위해 포함되기도 한다. 7개의 평탄형 고 반사 거울(711, 712, 713, 714, 715, 716, 717)이 슬랩(750)을 통한 광 경로를 한정하고, 망원경(720)과 편광기(706)와 망원경(770)은 링을 SBS 상 결합기(760)에 연결시킨다. 추가의 중계 망원경(780)이 링 증폭기의 근시역 출력부(편광기(706)에서의 출력부 근처의 위치)의 이미지를 도시되지 않은 타겟 전달 광학기들로 중계한다.

작동시에, 마스터 발진기(708)는 S-편광을 갖는 입력 펄스를 공급한다. 상기 입력 펄스는, 편광기(702)에서 반사되어, 격리 회전자(740)를 통하여 진행해서, 극 성화가 변경되지 않은 채로 유지되어, 편광기(706)에서 또 다시 반사되어 거울(711 ~ 717)들에 의해 한정된 링 형상 광 경로 안으로 들어가서, 편광기(706)에서 반시계 방향으로 링 통과(ring transit)를 진행한다.

링 내에서, 빔은 빔을 P-편광기 쪽으로 90만큼 회전시키는 90도 회전자(708)로 들어간다. 펄스는 중계 망원경(720)을 통과하는 광 경로(719)를 따라서 거울(711, 712)을 통과하여 진행한다.

망원경(720)은 진공 기밀 밀봉부(726)에 의해 장착된 제1 렌즈(724)와 진공 기밀 밀봉부(730)에 의해 장착된 제2 렌즈(728)를 구비하는 진공실(722)을 포함한다. 진공실(722) 내측의 망원경 초점 위치에 있는 배플(729)은 각도 빔 및 고스트 반사를 차단한다.

망원경(720)으로부터 나온 빔은 거울(713)을 통과하여 슬랩(750) 안을 통과하는데, 그 슬랩에서 빔은 거울(714, 715)에 의해 다시 슬랩(750)을 통해 반사된다. 펌핑된 체적의 거의 균일한 충전은 기본적으로 거울들이 거의 전파의 방향으로 있는 제1 지그재그 통과 및 제2 지그재그 통과에 의해 달성된다. 이와 같은 방식에서, 제2 지그재그 통과는 제1 지그재그 통과에서 놓칠 수 있는 영역으로부터 이득을 추출하는 경향을 보인다.

슬랩(750)으로부터 나온 빔은 망원경(720)을 통과하는 경로(742)를 따라서 거울(716)로부터 반사되고, 거울(717)에서는 다시 편광기(706)로 반사된다. 빔은 S-편광으로부터 P-편광까지 90도 회전자(708)에 의해 회전되기 때문에, P-편광 빔은 편광기(706)에 의해 90도 회전자(708)로 전송되어서 링을 반시계 방향으로 2회 째 통과한다. 그러나 이와 같은 제2 회째 링 통과 중에, 90도 회전자(708)는 편광을 다시 S-편광으로 90도 회전시켜 놓는다. 따라서 빔이 링을 2회째 통과하는 말기에 편광기(706)에 도달하게 되면 빔을 SBS 상 결합기(760) 안으로 반사되어 제2 내부 공동 중계 망원경(770)을 통과한다.

SBS 상 결합기로부터 다시 나와 진행하는 빔은 여전히 S-편광을 가지면서 반전된 상 오류를 갖는데, 이는 편광기(706)에서 시계 방향으로 거울(717)까지 반사되고, 이 거울에서 망원경(720)을 통과하는 경로(742)를 따라서 거울(716)로 진행한다. 거울(716)에서 나온 빔은 첫 번째로 슬랩(750)을 통과하여 진행하고 거울(714, 715)에 의해서 다시 슬랩(750)을 두 번째로 통과해서 반사된다. 슬랩(750)으로부터 나와 진행하는 빔은 거울(713)에서 반사되어 다시 망원경(720)과 거울(712, 711)을 통해서 90도 회전자(708)로 진행한다. 90도 회전자(708)는 편광을 다시 P-편광으로 90만큼 회전시켜서 그 빔을 편광기(706)으로 전송하고, 그에 따라 링을 통과하는 세 번째 통과가 완성되는데, 그러나 이때에는 처음 2회의 통과와는 반전된 방향이다.

빔은 P-편광을 가지므로, 빔은 편광기(706)을 통과하여서, 링을 통과하는 네 번째 통과 중에 링을 시계 방향으로, 혹은 두 번째 통과 중에 반전된 방향으로 통과하여 진행한다. 링을 통과하는 네 번째 통과의 말기에 90도 회전자는 편광을 다시 S-편광으로 회전시켜서 빔이 편광기(706)에서 링 밖으로 해서 차단 회전기(740) 안으로 반사되게끔 한다. 이러한 관점에 의하면, 순 누적 상 오류는 실질적으로 영이어서, 파면 교정 출력 펄스를 제공할 수 있게 된다. 차단 회전자(740)는 빔의 편 광을 P-편광으로 회전시켜서 빔이 고에너지 출력 펄스로서 편광기(702)를 통과할 수 있게 한다.

따라서, 도 7에 도시된 증폭기를 통과하는 빔은, 상 결합기로 진입하기 전에 링 둘레의 2회전 경로를 이용하고 또한 상 결합기를 빠져나간 후의 링 둘레의 동일 또는 반대된 2회전 경로를 이용함으로써, 감소된 회절을 나타내며 빔 내의 고 피크 동요와 같은 것의 최소화를 보인다. 또한, 링은 포켈스 셀(Pockels cell) 대신에 수동 편광 회전자를 사용한다. 또한, 공진기 내의 모든 광학 구성부품들은 중계 망원경(제1 내부 공동 망원경(720) 및 제2 내부 공동 망원경(770)을 통과하는 2개의 경로)을 사용하여 이미지 평면 근처에 배치된다. 증폭기는 또한 보다 높은 손실에 대한 이득비를 나타내는 데, 이 때에 2개의 슬랩 통과는 각 링 통과에서 이득(gain)을 제공한다. SBS 상 결합기는 거울 시스템으로서 작용하여 빔 내의 상 수차를 편위시킨다. 본 발명의 실시예에서, SBS 상 결합기/거울 시스템(760)은 펄스 폭 제어용으로 사용된 구성부품, 링 내의 광 경로용의 정렬 기준점으로서 사용된 구성부품들을 포함하는데, 이들 구성부품들은 자기 초점 맞춤 및 SBS 매체에 의해 유도된 다른 수차를 제한한다.

양호한 일 실시예에서 도 7의 단일 주파수 마스터 발진기(708)는 완화 펄스-파종 발진기(relaxation pulse-seeded oscillator)를 포함하는데, 이 발진기는 양호한 진폭과 순간 안정성을 갖는 일관된 단일 주파수를 제공하며, 그의 대표적인 펄스 프로파일은 1.2메가와트보다 큰 펄스 높이와, 약 24 나노초의 완전 폭 절반 최대치의 펄스 폭을 갖는다. 다른 마스터 발진기 실시예도 상기한 바와 같이 사용 될 수 있다. 일 실시예에서의 완화 펄스-파종 발진기는, 광학 링을 한정하는 다수의 또 다른 반사기와 출력 커플러를 구비하고 바람직하기로는 출력 커플러를 포함하는 총 홀수개의 반사기를 구비하는 레이저 공진기를 포함한다. Q-스위치 및 이득 매체가 공진기에 포함된다. 공진기 내의 발진 에너지를 검출하기 위하여 검출기가 공진에 결합된다. 이득 매체용 에너지 공급원, Q-스위치, 및 검출기에는 제어기가 결합된다. 공진기의 구성부품은 펌프 에너지 공급원을 가지고 이득 매체에서 이득을 형성하는 중에 손실을 유도하는데, 손실에 대한 이득이 완화 발진 펄스를 발생시키기에 충분한 정도로 달성될 때까지 유도한다. 환화 펄스의 개시가 검출되면 제어기는 Q-스위칭을 이용하여 손실을 저감시키고, 그에 다라 단일 주파수를 갖는 출력 펄스가 생성된다. 공진기에서의 1조의 에타론(etalon)은 완화 발진 펄스의 개시 중에 발진을 단일의 종방향 공동 모드로 제한시킨다. 또한, 횡방향 모드 제한 구멍이 레이저 공진기 내에 배치된다.

레이저 피닝 방법 및 시스템과, 이와 같은 용도 및 다른 용도에 적합하며 레이저 빔을 고도로 제어된 방식으로 이동시키고 보내는 동안에 피가공물을 고정되게 하는 레이저 에너지 전달 시스템이 제공된다. 고정된 피가공물 위치를 활용하게 되면 복잡하게 이동하는 정착물 및 피가공물을 유지시키는 것을 최소화할 수 있고, 그에 의해 비용과 소요되는 공학 기술을 줄일 수 있다. 피가공물이 아닌 레이저 빔을 이동시킴으로써 자동화 처리 용량보다도 큰 피가공물 및 피가공 구조체를 비용 효과적으로 레이저 피닝시킬 수 있게 된다.

본 명세서에서 설명한 시스템은, 일례로 항공기 수리소에서의 항공기나 혹은 관상광 작업장(pipe yard)에서의 대형 석유 관정 피가공물과 같이, 대형 피가공물을 고객의 설비에서 "현장에서(in situ)" 처리할 수 있도록 하는 충분한 융통성을 제공한다. 관심을 갖는 특정 적용례는 수십 미터의 길이의 부품의 처리를 요하는 레이저 피닝 형성을 위한 적용례이다.

일반적으로, 고 에너지 레이저 빔 펄스를 여러 가지의 피가공물의 표면을 가로질러서 제어된 방식으로 이동할 수 있게 하는 방법론 및 그와 결부된 메커니즘에 있어서, 처리 중에 고정된 위치에 유지된 피가공물이 제공되는데, 여기서 레이저 빔의 근시역 공간 프로파일 및 이미지와 쇼트 위치 방향은 다른 레이저 쇼트들을 기준으로 삼아 유지된다. 이와 같은 시스템은, 잘 한정된 패턴의 레이저 쇼트를, 때에 따라서는 인접하는 쇼트들의 열 안으로 배열된 레이저 쇼트들을 사용하는 레이저 피닝에 의해, 피가공물 표면 및 그 하부 표면에 잔류 압축 응력장을 형성시킬 수 있다. 각각의 쇼트는 레이저 빔 입사각의 주의 깊은 제어에 의해 적절한 피가공물 위치에 배치되어야 한다. 빔 이미지 위치 및 빔 회전은 정사각형 또는 직사각형 빔을 나타낸다. 레이저 피닝 또는 다른 처리를 받는 피가공물의 이동은 본 발명의 기술이 적용된 시스템에서 감소되거나 배제된다.

여기에 설명된 본 발명 기술의 대표적인 사용은 소형 및 대형 피가공물 또는 피가공 구조체의 레이저 피닝, 레이저 피닝 형성, 열 처리, 조직화, 절단 및 용접과 같은 기타 표면 개질용의 레이저 빔 전달을 포함한다. 본 발명의 시스템은, 초소성 형성, 페인트 또는 다른 형태의 코팅 제거, 에칭, 조각(engraving) 및 마킹(marking)을 포함하지만 이에 제한되지 않는 레이저 에너지의 재료 처리 응용례를 위한 빔 전달에 적합하다.

이상에서는 양호한 실시예 및 보기를 들어서 본 발명을 상세하게 설명하였지만, 이러한 예들은 제한적 의미가 아닌 예시적인 것으로 의되된 것이다. 당업자에들이라면 본 발명의 기술 사상 및 특허청구범위의 범위 내에서 수정 및 조합을 쉽게 이루어낼 수 있다.

Claims

레이저 에너지 공급원으로부터 레이저 에너지를 전달하는 장치에 있어서,

레이저 에너지 공급원의 이미지를 타겟 이미지 평면으로 중계하는 중계 이미징 시스템으로서, 레이저 에너지 공급원의 출력부로부터 레이저 에너지를 받도록 배치된 입력 광학기와, 상기 입력 광학기에 대한 입사각을 조정할 수 있는 짐발 상에 장착된 전송 거울과, 로봇 장착형 광학 조립체를 포함하고, 상기 로봇 장착형 광학 조립체는 상기 전송 거울에 대한 입사각을 조정할 수 있는 짐발 상에 장착된 수신 거울과, 레이저 에너지를 타겟 이미지 평면 쪽으로 보내는 출력 광학기를 포함하는 구성으로 된, 중계 이미징 시스템과;

상기 전송 거울, 로봇 장착형 광학 조립체 및 수신 거울이 레이저 에너지를 로봇 장착형 광학 조립체를 통하여 타겟 피가공물의 표면 상의 타겟 위치로 보내도록 구성된 제어기를 포함하고,

상기 타겟 이미지 평면은 표면 상의 타겟 위치의 전 또는 후에 소정 범위의 거리 내에 있는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 타겟 이미지 평면은 상기 표면 상의 타겟 위치 전 또는 후에 약 1미터 범위 내에 위치된 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 레이저 조사는, 수신 거울로부터 출력 광학기를 통하여 타 겟 피가공물의 표면까지의, 실질적으로 직선형이며 가변 길이를 갖는 광 경로를 따르는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 레이저 조사는, 송신 거울로부터 수신 거울까지의 실질적으로 직선형인 세그먼트와, 수신 거울로부터 출력 광학기를 통하여 타겟 피가공물의 표면까지의 실질적으로 직선형인 세그먼트를 포함하는 광 경로를 따르는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 레이저 조사는, 송신 거울로부터 수신 거울까지의 실질적으로 직선형인 세그먼트와, 수신 거울로부터 출력 광학기를 통하여 타겟 피가공물의 표면까지의 실질적으로 직선형인 세그먼트를 포함하는 광 경로를 따르고,

레이저 에너지는 제1 및 제2 펄스를 피가공물의 표면으로 전달하기 위한 제1 및 제2 빔 경로 상으로 보내지고,

상기 제1 및 제2 빔 경로는 송신 거울에서의 입사 및 반사된 빔 선과, 수신 거울에서의 입사 및 반사된 빔 선을 구비하며,

제어기는, 송신 거울에서의 입사 및 반사된 빔 선을 수용하는 평면의 방향을 제어하고 또한 수신 거울에서의 입사 및 반사된 빔 선을 수용하는 평면의 방향을 제어하기 위하여 송신 거울 및 수신 거울을 조정하고, 또한 상기 제1 및 제2 빔 경로를 타겟 피가공물의 표면 상의 각 위치들로 보내도록 로봇 장착형 광학 조립체를 조정하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 전송 거울 및 수신 거울은 레이저 에너지가 관통하여 전파되게 하는 자유 공기의 가변 길이에 의해 분리되고, 상기 가변 길이는 약 1m 이상의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 전송 거울 및 수신 거울은 레이저 에너지가 관통하여 전파되게 하는 자유 공기의 가변 길이에 의해 분리되고, 상기 제1 및 제2 펄스는 단면을 가지며, 공기를 통하여 전파시키기 위하여 상기 제1 및 제2 펄스의 단면을 확대시키는 광학기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 펄스는 단면을 가지며, 상기 제1 및 제2 펄스의 단면을 회전시키는 광학기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 레이저 에너지는 제1 및 제2 펄스를 피가공물의 표면으로 보내기 위하여 제1 및 제2 빔 경로 상으로 보내지고,

상기 제1 및 제2 빔 경로는 송신 거울에서의 입사 및 반사된 빔 선과, 수신 거울에서의 입사 및 반사된 빔 선을 구비하며,

송신 거울 상의 입사 및 반사된 빔 선을 수용하는 평면과 수신 거울 상의 입사 및 반사된 빔 선을 수용하는 평면 사이의 각도에 따라서 제1 및 제2 펄스의 단면을 회전시키도록 하는 제어 가능한 광학기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 피가공물을 상기 광학 조립체에 인접하게 유지시키도록 구성된 회전 스테이지를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 피가공물이 실질적으로 원형 대칭인 단면을 가지며, 피가공물을 상기 광학 조립체에 인접하게 유지시키도록 구성된 회전 스테이지를 포함하고, 상기 제어기는 상기 회전 스테이지의 회저늘 제어하는 구성부품을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 레이저 에너지는 펄스 당 약 10주울 내지 약 100주울의 범위에 있는 펄스 당 에너지를 갖는 레이저 펄스를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 레이저 에너지는 약 10 내지 30 나노초 범위의 펄스 폭을 갖는 레이저 펄스를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 레이저 에너지는, 펄스 당 약 10주울 내지 약 100주울의 범위에 있는 펄스 당 에너지를 가지며 약 10 내지 30 나노초 범위의 펄스 폭을 갖는 레이저 펄스를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 광학 조립체는 진단 구성부품을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 레이저 에너지는 약 1.1 마이크론 이하의 파장을 가지며 펄스 당 250mJ 보다 큰 에너지를 갖는 레이저 펄스를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 레이저 에너지는 약 1.1 마이크론 이하의 파장을 가지며 펄스 당 10J 보다 큰 에너지를 갖는 레이저 펄스를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 레이저 에너지 공급원은 마스터 발진기/출력 증폭기 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
레이저 에너지 공급원으로부터 레이저 에너지를 전달하는 방법에 있어서,

레이저 에너지를 타겟 표면으로 보내기 위해 로봇 장착형 광학 조립체를 위치시키는 단계와;

레이저 에너지 공급원의 출력부로부터 나온 레이저 에너지를 받는 것과, 레이저 에너지를 로봇 장착형 광학 조립체 상의 수신 거울로 보내기 위하여 송신 거울에서의 레이저 에너지의 입사각을 조정하는 것과, 레이저 에너지를 타겟 이미지 평면으로 보내기 위하여 수신 거울에서의 레이저 에너지의 입사각을 조정하는 것을 포함하며, 상기 타겟 이미지 평면은 타겟 표면 상의 타겟 위치 전 또는 후의 일정 범위의 거리 내에 있도록 구성하여서, 공급원의 출력의 이미지를 타겟 이미지 평면으로 중계하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제19항에 있어서, 상기 타겟 이미지 평면은 상기 표면 상의 타겟 위치 전 또는 후에 약 1미터 범위 내에 위치된 것을 특징으로 하는 방법.
제19항에 있어서, 레이저 조사는, 수신 거울로부터 출력 광학기를 통하여 타겟 피가공물의 표면까지의 실질적으로 직선형인 광 경로를 따르는 것을 특징으로 하는 방법.
제19항에 있어서, 레이저 조사는, 송신 거울로부터 수신 거울까지의 실질적으로 직선형인 세그먼트와, 수신 거울로부터 출력 광학기를 통하여 타겟 표면까지의 실질적으로 직선형인 세그먼트를 포함하는 광 경로를 따르는 것을 특징으로 하는 방법.
제19항에 있어서, 레이저 조사는, 송신 거울로부터 수신 거울까지의 실질적으로 직선형인 세그먼트와, 수신 거울로부터 출력 광학기를 통하여 타겟 피가공물의 표면까지의 실질적으로 직선형인 세그먼트를 포함하는 광 경로를 따르고,

레이저 에너지는 제1 및 제2 펄스를 피가공물의 표면으로 전달하기 위한 제1 및 제2 빔 경로 상으로 보내지고,

상기 제1 및 제2 빔 경로는 송신 거울에서의 입사 및 반사된 빔 선과, 수신 거울에서의 입사 및 반사된 빔 선을 구비하며,

송신 거울에서의 입사 및 반사된 빔 선을 수용하는 평면의 방향을 제어하고 또한 수신 거울에서의 입사 및 반사된 빔 선을 수용하는 평면의 방향을 제어하기 위하여 송신 거울 및 수신 거울을 조정하는 단계와, 또한 상기 제1 및 제2 빔 경로를 타겟 피가공물의 표면 상의 각 위치들로 보내도록 로봇 장착형 광학 조립체를 조정하는 단계도 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제19항에 있어서, 상기 전송 거울 및 수신 거울은 레이저 에너지가 관통하여 전파되게 하는 자유 공기의 가변 길이에 의해 분리되고, 상기 가변 길이는 약 1m 이상의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
제19항에 있어서, 상기 전송 거울 및 수신 거울은 레이저 에너지가 관통하여 전파되게 하는 자유 공기의 가변 길이에 의해 분리되고, 상기 레이저 에너지는 단면을 갖는 펄스를 포함하고, 공기의 가변 길이를 통하여 전파시키기 위하여 상기 펄스들의 단면을 확대시키는 단계도 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제19항에 있어서, 상기 레이저 에너지는 단면을 가지는 펄스를 포함하고, 상 기 펄스의 단면을 회전시키는 것도 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제9항에 있어서, 상기 레이저 에너지는 타겟 표면으로 보내기 위하여 제1 및 제2 빔 경로 상으로 보내지는 제1 및 제2 펄스를 포함하고,

상기 제1 및 제2 빔 경로는 송신 거울에서의 입사 및 반사된 빔 선과, 수신 거울에서의 입사 및 반사된 빔 선을 구비하며,

송신 거울 상의 입사 및 반사된 빔 선을 수용하는 평면과 수신 거울 상의 입사 및 반사된 빔 선을 수용하는 평면 사이의 각도에 따라서 제1 및 제2 펄스의 단면을 회전시키는 단계도 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제19항에 있어서, 피가공물을 상기 로봇 장착형 광학 조립체에 인접하게 유지시키는 단계도 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제19항에 있어서, 피가공물을 상기 레이저 에너지의 제1 펄스와 제2 펄스 사이에 위치시키는 단계도 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제19항에 있어서, 레이저 에너지는 펄스 당 약 10주울 내지 약 100주울의 범위에 있는 펄스 당 에너지를 갖는 레이저 펄스를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제19항에 있어서, 레이저 에너지는 약 10 내지 30 나노초 범위의 펄스 폭을 갖는 레이저 펄스를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제19항에 있어서, 레이저 에너지는, 펄스 당 약 10주울 내지 약 100주울의 범위에 있는 펄스 당 에너지를 가지며 약 10 내지 30 나노초 범위의 펄스 폭을 갖는 레이저 펄스를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제19항에 있어서, 레이저 에너지는 약 1.1 마이크론 이하의 파장을 가지며 펄스 당 250mJ 보다 큰 에너지를 갖는 레이저 펄스를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제19항에 있어서, 레이저 에너지는 약 1.1 마이크론 이하의 파장을 가지며 펄스 당 10J 보다 큰 에너지를 갖는 레이저 펄스를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.