KR20190109445A - 재료의 수정을 위한 가간섭적 촬영 및 피드백 제어를 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

재료의 수정을 위한 가간섭적 촬영 및 피드백 제어를 위한 방법 및 시스템 Download PDF

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KR20190109445A
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Abstract

수술 레이저, 소결, 및 용접 적용예와 같은 재료 수정 프로세스의 맥락에서 광학적 간섭측정을 이용하기 위한 방법 및 시스템이 제공된다. 촬영 광 공급원은 촬영 광을 생산한다. 피드백 제어기가, 화상 광을 이용하여 생성된 간섭측정 출력을 기초로 재료 수정 프로세스의 적어도 하나의 프로세싱 매개변수를 제어한다. 간섭도를 프로세스하는 방법이 호모다인 필터링을 기초로 제공된다. 간섭측정 출력을 이용하여 재료 수정 프로세스의 기록을 생성하는 방법이 제공된다.

Description

재료의 수정을 위한 가간섭적 촬영 및 피드백 제어를 위한 방법 및 시스템
본원은, 모두의 전체가 본원에서 참조로 포함되는, 이제 특허 제8,822,875호인, 2011년 9월 26일자로 출원된 제13/245,334호의 계속 출원인, 이제 특허 제9,457,428호인, 2014년 8월 25일자로 출원된 제14/467,131호의 계속 출원인, 2016년 8월 29일자로 출원된 제15/250,086호 출원의 부분 계속 출원이고, 2011년 1월 21일자로 출원된 미국 가출원 제61/435,076호, 2010년 9월 25일자로 출원된 미국 가출원 제61/386,496호, 및 2016년 1월 19일자로 출원된 미국 가출원 제62/280,499호의 이익을 주장한다.
본원은, 예를 들어 레이저의 이용을 통한, 가간섭적 촬영, 및 재료의 광학적 수정 및 측정에 관한 것이다.
레이저는 넓은 범위의 재료를 프로세스하기 위한 중요 도구로 알려져 있다. 예시적인 프로세스에는 용접, 드릴링, 컷팅, 라우팅(routing), 천공, 소결, 및 표면 처리가 포함된다. 재료는 금속, 반도체, 유전체, 중합체뿐만 아니라 경질 및 연질 생물학적 조직을 포함할 수 있다. 빔을 포커스함으로써, 빔 축에 횡방향인 방향을 따른 레이저 작용의 정밀도 개선을 달성할 수 있다. 그러나, 빔의 축방향을 따라 레이저 작용을 국소화하는 것(localizing)은 어려울 수 있다.
프로세싱 시스템을 안내하기 위한 그리고 레이저 작용 이전, 도중 및/또는 이후에 품질 확인 데이터를 획득하기 위한 계측 기술이 많은 레이저 프로세스에서 일반적이다. 레이저 상호작용 및 실질적인 제한의 양태가 표준 기술을 방해할 수 있다. 그러한 양태의 일부 예에는 플라즈마 발생/전기 간섭, 고종횡비의 홀, 프로세싱 레이저에 의한 브라인딩(blinding), 신속하게 이동하는 재료, 예상치 못한 기하형태, 재료 이완(material relaxation), 및 프로세싱 레이저에 의한 계측 기구의 손상 가능성이 포함된다.
레이저 컷팅 깊이의 제어는 다양한 미세 수술에서의 레이저를 이용할 수 있게 하는 중요 인자(major enabler)이다. 특히, 척추 수술에서 많은 수요가 있다(일부 병원에서 신경외과 수술 케이스의 1/3). 현재의 기계적 도구는 낡은 것이고, 경험 많은 외과의사를 제외하고 안전하고 효율적으로 사용하기가 어렵다. 레이저를 사용하는 것이 바람직할 것인데, 이는 그 뛰어난 횡방향 제어, 도구 마모 부재, 그리고 비-접촉 동작(감염 제어) 때문이다. 유연한 응고 제어 및 자연적인 무균 효과와 같은, 레이저 이용으로부터의 다른 장점이 있다. 그러나, 레이저에서는 축방향으로 제어하기 매우 어렵다(빔이 축방향으로 계속된다는 것을 의미한다). 이는, 천공 지점이 극도의 정밀도로 제어되지 않는 경우에, 주위 연성 조직에 대한 의도하지 않은 부상이 거의 확실하다는 것을 의미한다. 따라서, 레이저의 이용은 이제까지 많은 경우에 배제되어 왔다.
현재의 레이저 시스템은 주로 연성 조직에서 이용되고, 주어진 양의 노출에 대해서 일정한 재료가 제거된다는 가정에 의존한다. 그러나, 이러한 가정은 항상 양호한 것이 아니고, 또한, 종종 얼마나 많은 조직이 먼저 제거되어야 필요가 있는지를 정확히 알지 못한다. 매우 다양한 광학적, 기계적, 및 열적 특성을 갖는 조직의 인터페이스에서의 정밀한 컷팅 및 절제는 특히 신경학, 정형외과, 이비인후과, 및 복강경 외과의사의 관심 대상이다. 각막 레이저 수술과 달리, 이러한 수술적 특수성은, 미시적 규모에서 불균질한 조직 특성을 갖는 비-투명한, 광학적으로 혼탁한 조직의 유형과 주로 관련되고, 이러한 곳에서 상세하고 정밀하게 우선적인 광학적-열적 특성화(characterization)를 하는 것은 용이하지 않다. 결과적인 비-결정론적 조직 컷팅/절제 프로세스는 그러한 수술 중에 레이저를 이용하는 것을 크게 방해한다. 예를 들어, 몇몇 저작자는, 레이저 깊이 제어의 부족에 의해서 실질적 레이저 절골(뼈를 컷팅하기 위한 수술적 시술)이 제한된다는 것을 최근에 강조하였다. 조직의 정밀한 제거의 잠재적인 장점은 이러한 분야 및 수술적 종양학 및 이식에 관한 분야에서 상당한 임상적인 영향을 제공할 수 있다.
산업적 적용예에서, 레이저 프로세싱은, 기계적 조정이 없이 또는 화학적 처리를 변경하지 않고, 상이한 재료들을 세정, 용접, 및/또는 가공하기 위해서 단일 레이저를 이용할 수 있다는 장점을 갖는다. 비록 불균질한 또는 다층의 샘플의 레이저 절제가 달성되었지만, 이러한 프로세스는 엄청난 양의 개발을 필요로 하고 균일한 샘플 특성 또는 모델에 의존하며, 적용 가능성이 제한되고 성공이 달라진다. 레이저 용접 및 세정은 또한 광범위한 다수-매개변수 최적화를 전형적으로 요구한다. (공급률, 펄스 에너지, 펄스 지속시간, 파장, 보조 가스, 스폿 크기 및 포커스 위치를 포함하는) 이용 가능한 매개변수 공간 내에서 프로세싱 대상(예를 들어, 피쳐(feature) 종횡비, 열 영향 구역 등)의 특정 세트를 달성하는 이러한 문제는 재료의 특성(예를 들어, 용융 및 절제 문턱값 및 중합체 분자량)에 의해서 복잡해진다. 따라서, 산업적 레이저 프로세스 개발은 상당한 시간 및 경제적 투자를 필요로 하고, 신뢰성 보장을 위해서 정밀한 공차의 원재료(fine tolerance feedstock)를 요구할 수 있다. 용접 및 드릴링에 관한 레이저 프로세스 모니터링 및 제어는, 프로세스되는 지역 부근의 금속 온도, 반사도 및 플라즈마 온도를 측정하기 위해서, 센서를 이용하였다. 이러한 형태의 계측은 레이저 빔 침투 깊이의 정확한 측정을 제공하지 못한다.
레이저 용접은, 자동화된 그리고 대량의 제조에 특히 매우 적합한 산업적 프로세스이다. 레이저 용접의 다양한 적용예는 일반적으로 접합 영역으로 국소화된 상 변화를 생성하기 위한 레이저에 의한 제어된 가열의 프로세스를 갖는다. 이러한 상 변화 영역(PCR)을 제어하는 것은 용접의 기하형태 및 품질 그리고 용접 시스템의 전체 생산성을 제어하는데 있어서 중요하다. 레이저 광의 큰 공간적 가간섭성은 훌륭한 용접 에너지의 횡방향 제어를 가능하게 한다. 축방향 제어(PCR의 깊이) 및 후속 열적 확산은 두꺼운 재료에서 문제가 된다. 이러한 적용예에서, PCR의 깊이는, "키홀 용접(keyhole welding)"으로서 널리 알려진 기술을 이용하여 재료 내로 연장된 (예를 들어, 50 마이크로미터의 그리고 그 보다 더 깊은) 깊이이다. 여기에서, 빔 세기는, 광학적 빔이 재료 내의 깊이로 침투할 수 있게 하는 (또한 "모세관" 또는 "키홀"로 알려진) 작은 증기 채널을 개방하기 위해서 표면을 용융시키기에 충분하다. 특정 적용예에 따라, 키홀은 좁으나(예를 들어, mm 미만) 몇 밀리미터로 깊고 ~105 W 정도의 광학적 파워의 인가로 지속된다. 결과적으로, PCR 내의 광-물질 상호작용 영역이 요동적이고, 불안정하며 매우 확률적(stochastic)일 수 있다. 불행하게도, 키홀 형성의 불안정성은 내부 공극, 및 용접 실패를 초래하는 큰 용접 다공도를 초래할 수 있고, 재난적 결과의 가능성이 있다. 종종 고가의 현장외(ex situ) 및 파괴적 테스팅을 이용한, 용접 품질 검증이 일반적으로 요구된다. 용접 촬영 해결책이 제안되나 그 능력이 제한적이고 일반적으로 PCR 이전 또는 이후의 영역을 모니터링하여, 용접 조인트를 추적하거나, 냉각된 용접 조인트의 상단 표면을 기록한다.
발명의 일 양태에 따라, 장치가 제공되고, 장치는: 재료 수정 프로세스에서 샘플 위치에 인가되는 재료 프로세싱 빔을 생산하는 재료 프로세싱 빔 공급원; 촬영 광을 생산하는 촬영 광 공급원; 적어도, 샘플에 전달되는 촬영 광의 성분을 이용하여 간섭측정 출력을 생산하는 광학적 간섭계로서, 간섭측정 출력은, 다른 광학적 경로 길이에 비교되는, 샘플에 대한 적어도 하나의 광학적 경로 길이를 기초로 하는, 광학적 간섭계; 및 간섭측정 출력을 기초로 재료 수정 프로세스의 적어도 하나의 프로세싱 매개변수를 제어하는 피드백 제어기를 포함한다. 재료 수정 프로세스는 소결, 용접, 및 브레이징, 또는 그 조합으로부터 선택된다.
발명의 다른 양태에 따라, 재료 수정 프로세스를 실시하는 재료 프로세싱 시스템과 함께 이용하기 위한 피드백 제어 장치가 제공되고, 재료 프로세싱 시스템은 광학적 접근 포트를 가지며, 피드백 제어 장치는: 촬영 광을 생산하는 촬영 광 공급원; 촬영 광의 제1 성분을 재료 프로세싱 시스템의 광학적 접근 포트에 출력하는 그리고 다시 촬영 광의 반사 성분을 수신하는 입-출력 포트; 촬영 광의 반사 성분과 다른 성분을 조합하여 간섭측정 출력을 생산하는 광학적 조합기로서, 간섭측정 출력은, 촬영 광의 다른 성분에 의해서 취해진 경로 길이에 비교되는, 제1 성분 및 반사 성분에 의해서 취해진 경로 길이를 기초로 하는, 광학적 조합기; 간섭측정 출력을 기초로 재료 수정 프로세스의 적어도 하나의 프로세싱 매개변수에 영향을 미치는 적어도 하나의 신호를 생성하는 피드백 제어기를 포함한다.
일부 실시예에서, 피드백 제어기는, 간섭측정 출력이 초기에 기준 경로(reference path)를 따라 반사된 광만을 실질적으로 포함하는지의 여부를 결정하도록 더 구성되고, 그 후에 간섭측정 출력은 기준 경로의 경로 길이에 비교되는 샘플 경로의 경로 길이를 기초로 한다.
일부 실시예에서, 피드백 제어기는, 간섭측정 출력이 기준 경로를 따라 반사된 광만을 실질적으로 포함하는 것으로부터 기준 경로의 경로 길이에 비교되는 샘플 경로의 경로 길이를 기초로 하는 것으로 전이되는 때 또는 전이되는 경우를 결정하며; 피드백 제어기는 전이를 고려하여 간섭측정 출력을 기초로 재료 수정 프로세스의 적어도 하나의 프로세싱 매개변수에 영향을 미치는 적어도 하나의 신호를 생성한다.
일부 실시예에서, 피드백 제어기는 간섭측정 출력의 다수의 경우를 프로세스하여 프로세스되는 재료에 대한 간섭측정 출력의 변화를 식별하고, 피드백 제어는 그러한 변화에 따라 달라진다.
일부 실시예에서, 피드백 제어기는, 간섭측정 출력의 변화를 기초로, 수정/샘플 이동 "속력" 또는 다른 변화율에 관한 표시를 제공한다.
일부 실시예에서, 피드백 프로세서는 간섭측정 출력을 기초로 재료의 광학적 지수에 관한 표시를 더 생성한다.
일부 실시예에서, 장치는: 컴퓨터 판독 가능 매체; 및 복수의 시간에서 간섭측정 출력을 기초로 재료 수정 프로세스의 기록을 생성하고 그러한 기록을 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장하는 기록 발생기를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 피드백 제어기는, 프로세스 중에 재료 수정 프로세스의 적어도 하나의 프로세싱 매개변수를 제어하는 실시간 제어기이다.
일부 실시예에서, 재료 수정 프로세싱 빔 공급원은 솔리드 스테이트, 섬유, 또는 가스 레이저이다.
일부 실시예에서, 재료 프로세싱 빔 공급원은 이온 빔 및 전자 빔 중 적어도 하나이다.
일부 실시예에서: 간섭계는: 조합기; 기준 아암으로서, 촬영 광의 제1 성분이 기준 아암의 입력부에 인가되어 기준 아암의 출력 신호를 초래하고, 기준 아암은 다른 광학적 경로 길이를 가지는, 기준 아암; 및 샘플 아암으로서, 촬영 광의 제2 성분이 샘플 아암에 인가되어 샘플 아암의 출력 신호를 초래하고, 적어도 샘플 아암의 출력 신호의 성분이 샘플 위치로부터의 촬영 광의 성분의 반사를 포함하고, 샘플 아암은 적어도 하나의 광학적 경로 길이를 가지는, 샘플 아암을 포함하고; 조합기는 기준 아암의 출력 신호와 샘플 아암의 출력 신호를 조합하여 조합된 신호를 간섭측정 출력으로서 생산하고; 장치는 간섭측정 출력으로부터 제1 간섭도(interferogram)를 생산하도록 구성된 신호 검출기를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 장치는: 각각의 간섭도가 각각의 샘플 아암, 기준 아암 조합에 대해서 생성되는, 다수의 샘플 아암; 각각의 간섭도가 각각의 샘플 아암, 기준 아암 조합에 대해서 생성되는, 다수의 기준 아암; 및 각각의 간섭도가 각각의 샘플 아암, 기준 아암 조합에 대해서 생성되는, 다수의 기준 아암 및 다수의 샘플 아암; 중 적어도 하나를 포함한다.
일부 실시예에서, 간섭계는: 적어도 하나의 분할기 및/또는 광학적 서큘레이터(optical circulator); 그리고 분할기 및/또는 광학적 서큘레이터 이후의 적어도 하나의 샘플 아암으로서, 촬영 신호가 샘플 아암에 인가되어 샘플 아암의 출력 신호를 초래하고, 적어도 샘플 아암의 출력 신호의 성분이 샘플 아암 및/또는 프로세스되는 재료 내의 적어도 2개의 위치로부터의 촬영 신호의 성분의 반사를 포함하고, 샘플 아암은 적어도 하나의 광학적 경로 길이 및 다른 광학적 경로 길이를 가지는, 샘플 아암을 포함하고; 분할기 및/또는 광학적 서큘레이터는 샘플 아암으로부터 출력 신호를 수신하고 이를 검출기를 향해서 지향시키며; 장치는 간섭측정 출력으로부터 간섭도를 생산하도록 구성된 신호 검출기를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 장치는: 재료 프로세싱 빔이 샘플 위치에서 얼마나 깊게 침투하였는지를 반영하는 깊이 측정을 생산하기 위해서 간섭측정 출력을 기초로 분석을 실시하는 간섭도 프로세서를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 피드백 제어기는 간섭측정 출력을 기초로 분석을 실시하고, 컷팅 레이저에 가장 근접한 계면에 대한 컷팅 깊이를 제어하는 피드백 제어를 생성한다.
일부 실시예에서, 피드백 제어기는 간섭측정 출력을 기초로 분석을 실시하고, 현재의 컷팅 깊이를 넘어서는 계면에 대한 컷팅 깊이를 제어하는 피드백 제어를 생성한다.
일부 실시예에서, 피드백 제어기는 깊이 측정을 기초로 재료 수정 프로세스의 적어도 하나의 프로세싱 매개변수를 제어한다.
일부 실시예에서, 피드백 제어기에 의해서 제어되는 재료 수정 프로세스의 적어도 하나의 프로세싱 매개변수는: 재료 프로세싱 빔의 온/오프 상태; 재료 프로세싱 빔의 평균 파워; 재료 프로세싱 빔의 펄스 지속시간; 재료 프로세싱 빔의 피크 세기; 재료 프로세싱 빔의 밀도; 재료 프로세싱 빔의 에너지; 재료 프로세싱 빔의 입자 종(particle species); 재료 프로세싱 빔의 파장; 재료 프로세싱 빔의 펄스 반복률; 재료 프로세싱 빔의 펄스 에너지; 재료 프로세싱 빔의 펄스 형상; 재료 프로세싱 빔의 스캔 속력; 재료 프로세싱 빔의 포커스 직경; 재료 프로세싱 빔의 포커스 위치; 샘플 상의 재료 프로세싱 빔의 공간적 패턴; 재료 공급률; 냉각 매체 유량; 커버/보조 가스 유량; 커버/보조 가스 압력; 커버/보조 가스 블렌드(blend); (전압, 전류 및 와이어 공급률과 같은) 아크 용접 프로세스 매개변수; 및 첨가 재료 공급률; 중 적어도 하나를 포함한다.
일부 실시예에서, 피드백 제어기는, 깊이 측정이 특정 깊이를 나타낼 때 재료 프로세싱 빔이 오프되도록 제어함으로써, 깊이 측정을 기초로 재료 수정 프로세스의 적어도 하나의 프로세싱 매개변수를 제어한다.
일부 실시예에서, 장치는: 간섭도 프로세서를 포함하고, 간섭도 프로세서는: 재료 수정 공급원 빔이 특정 깊이까지 침투하였을 때; 재료의 다른 영역에 대한 현재 수정되는 재료의 영역의 근접도; 침투하고자 하는 남은 재료의 양; 수정된 총 깊이; 절대적인 최종 도달 깊이; 깊이의 요동; 깊이 변화 속력; 및 하부표면 계면(subsurface interface)까지의 남은 거리; 중 적어도 하나에 관한 표시를 생산하기 위해서 간섭측정 출력을 기초로 분석을 실시한다.
일부 실시예에서, 장치는 간섭측정 출력을 기초로 하위표면 레벨에서 적어도 하나의 변화를 감지하도록 더 구성된다.
일부 실시예에서, 하위표면 레벨에서 감지되는 적어도 하나의 변화가: 온도 변화, 상태 변화, 유체 유동, 및 압력 파동; 중 적어도 하나를 포함한다.
일부 실시예에서, 피드백 제어기는 하위표면 레벨에서 감지되는 변화를 기초로 적어도 하나의 재료 수정 매개변수를 제어한다.
일부 실시예에서, 하위표면 레벨에서의 변화가 스페클 패턴(speckle pattern)의 변화를 관찰하는 것에 의해서 감지된다.
일부 실시예에서, 피드백 제어기는 재료 프로세싱 빔 공급원을 제어하여, 간섭도 프로세서로부터의 표시를 기초로 재료 프로세싱 빔을 턴 오프시킨다.
일부 실시예에서, 피드백 제어기는 재료 프로세싱 빔 공급원을 제어하여, 간섭도 프로세서로부터의 표시를 기초로 재료 프로세싱 빔을 턴 온시킨다.
일부 실시예에서, 장치는: 목표 결과에 대한 미리 계산된 합성 간섭도를 저장하기 위한 메모리; 간섭측정 출력으로부터 측정 간섭도를 생산하는 신호 검출기; 및 상호관련 결과를 생산하기 위해서 미리 계산된 합성 간섭도와 함께 측정 간섭도를 프로세스하는 간섭도 프로세서를 포함하고; 피드백 제어기는 상호관련 결과를 기초로 재료 수정 프로세스의 적어도 하나의 프로세싱 매개변수를 제어한다.
일부 실시예에서, 목표 결과에 대한 미리 계산된 합성 간섭도는, 반사가 특정 깊이로부터 복귀될 때로 예상되는 것의 추정이고; 간섭도 프로세서는, 검출된 요소별 기반으로 측정 간섭도와 미리 계산된 간섭도를 곱하는 것 그리고 이어서 합계하는 것에 의해서, 상호관련 결과를 생산한다.
일부 실시예에서, 미리 계산된 합성 간섭도 및 측정 간섭도 중 적어도 하나는: 분광계 정렬; 분광계 그레이팅 각도 비선형성(spectrometer grating angle nonlinearity); 분광계 내의 촬영 광학기기로부터의 촬영 왜곡; 파장 대 파동 수/주파수 재-샘플링; 검출기 활성 지역의 유한한 크기; 스펙트럼 엔벨로프 형상(spectral envelope shape); 분산 불합치(dispersion mismatch); 및 화상 품질을 저하시키는 간섭도 내에 포함된 다른-비이상성(non-ideality); 중 적어도 하나를 보상하도록 성형된다.
일부 실시예에서, 장치는, 재료 프로세싱 빔에 의해서 수정된 부피가 특정 깊이에 도달하였을 때를 대략적으로 식별하기 위해서, 상호관련 결과를 프로세스하도록 더 구성된다.
일부 실시예에서, 장치는, 상호관련 결과가 문턱값을 만족시키는 때로부터, 특정 깊이에 도달한 때를 대략적으로 식별하도록 더 구성된다.
일부 실시예에서, 적어도 하나의 경로 길이는 샘플 위치에서 제1 반사부에 대한 것이고, 다른 경로 길이는 샘플 위치에서 제2 반사부에 대한 것이다.
일부 실시예에서, 적어도 하나의 경로 길이는 샘플 위치에서 각각의 반사부에 대한 적어도 2개의 경로 길이이고, 다른 경로 길이는 기준 아암을 따른 것이다.
일부 실시예에서, 장치는: 미리 계산된 합성 간섭도를 합성하는 간섭도 합성기를 더 포함한다.
발명의 또 다른 양태에 따라, 간섭측정 출력을 생산 및 프로세스하기 위한 장치가 제공되고, 그러한 장치는: 목표 결과에 대한 미리 계산된 합성 간섭도를 저장하는 메모리; 간섭측정 출력을 생산하기 위한 간섭계; 간섭측정 출력으로부터 측정 간섭도를 생산하는 신호 검출기; 상호관련 결과를 생산하기 위해서 미리 계산된 예상 간섭도와 함께 측정 간섭도를 프로세스하는 간섭도 프로세서; 및 결과가 문턱값을 만족시키는 때를 결정하도록 구성된 문턱기(thresholder)를 포함한다.
일부 실시예에서, 복수의 목표 결과의 각각에 대해서, 메모리는 각각의 미리 계산된 합성 간섭도를 저장하고; 간섭도 프로세서는 각각의 상호관련 결과를 생산하기 위해서 각각의 미리 계산된 합성 간섭도와 함께 측정 간섭도를 프로세스하며; 그리고 문턱기는 각각의 상호관련 결과가 각각의 문턱값을 만족시키는 때를 결정한다.
일부 실시예에서, 미리 계산된 합성 간섭도는, 샘플 위치에서 재료 수정 빔에 의해서 목표 결과가 달성되는 때로 예상되는 것의 추정인 간섭도이고; 측정 간섭도는 샘플 위치에 대한 것이고; 간섭도 프로세서는, 검출기 요소별 기반으로 측정 간섭도와 미리 계산된 합성 간섭도를 곱하는 것 그리고 이어서 합계하는 것에 의해서 상호관련 결과를 생산한다.
일부 실시예에서, 미리 계산된 합성 간섭도 및 측정 간섭도 중 적어도 하나는: 분광계 정렬; 분광계 그레이팅 각도 비선형성(spectrometer grating angle nonlinearity); 분광계 내의 촬영 광학기기로부터의 촬영 왜곡; 파장 대 파동 수/주파수 재-샘플링; 검출기의 활성 지역의 유한한 크기; 스펙트럼 엔벨로프 형상; 분산 불합치; 및 화상 품질을 저하시키는 간섭도 내에 포함된 다른-비이상성; 중 적어도 하나를 보상하도록 성형된다.
일부 실시예에서, 목표 결과는, 반사가 특정 깊이로부터 복귀되는 때로 예상되는 것의 추정이다.
일부 실시예에서, 장치는: 상호관련 결과가 문턱값을 만족시킬 때 재료 수정 빔을 턴 오프하도록 재료 수정 빔 공급원을 제어하는 피드백 제어기를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 장치는: 상호관련 결과가 문턱값을 만족시킬 때 재료 수정 프로세스의 적어도 하나의 프로세싱 매개변수를 제어하는 피드백 제어기를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 적어도 하나의 프로세싱 매개변수는: 재료 프로세싱 빔의 온/오프 상태; 재료 프로세싱 빔의 평균 파워; 재료 프로세싱 빔의 펄스 지속시간; 재료 프로세싱 빔의 피크 세기; 재료 프로세싱 빔의 밀도; 재료 프로세싱 빔의 에너지; 재료 프로세싱 빔의 입자 종; 재료 프로세싱 빔의 파장; 재료 프로세싱 빔의 펄스 반복률; 재료 프로세싱 빔의 펄스 에너지; 재료 프로세싱 빔의 펄스 형상; 재료 프로세싱 빔의 스캔 속력; 재료 프로세싱 빔의 포커스 직경; 재료 프로세싱 빔의 포커스 위치; 샘플 상의 재료 프로세싱 빔의 공간적 패턴; 재료 공급률; 냉각 매체 유량; 커버/보조 가스 유량; 커버/보조 가스 압력; 커버/보조 가스 블렌드; (전압, 전류 및 와이어 공급률과 같은) 아크 용접 프로세스 매개변수; 및 첨가 재료 공급률; 중 적어도 하나를 포함한다.
일부 실시예에서, 장치는: 상호관련 결과가 문턱값을 만족시킬 때 재료 프로세싱 빔을 턴 온하도록 재료 수정 빔 공급원을 제어하는 피드백 제어기를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 장치는: 미리 계산된 합성 간섭도를 합성하는 간섭도 합성기를 더 포함한다.
발명의 또 다른 양태에 따라, 재료 수정 프로세스의 기록을 생성하는 장치가 제공되고, 그러한 장치는: 재료 수정 프로세스에서 샘플 위치에 인가되는 재료 프로세싱 빔을 생산하는 재료 프로세싱 빔 공급원으로서, 재료 수정 프로세스가 용접 프로세스인, 재료 프로세싱 빔 공급원; 촬영 광을 생산하는 촬영 광 공급원; 적어도, 샘플에 전달되는 촬영 광의 성분을 이용하여 간섭측정 출력을 생산하는 광학적 간섭계로서, 간섭측정 출력은, 다른 광학적 경로 길이에 비교되는, 샘플에 대한 적어도 하나의 광학적 경로 길이를 기초로 하는, 광학적 간섭계; 및 복수의 시간에서 간섭측정 출력을 기초로 재료 수정 프로세스의 기록을 생성하는 기록 발생기를 포함한다.
일부 실시예에서, 장치는: 컴퓨터 판독 가능 저장 매체를 더 포함하고; 기록 발생기는 기록을 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 저장한다.
일부 실시예에서, 장치는, 샘플에 전달될 때 실질적으로 동축적으로 재료 프로세싱 빔 및 촬영 광을 생산하도록 구성된다.
발명의 또 다른 추가적인 양태에 따라, 재료 수정 프로세스의 기록을 생성하는 장치가 제공되고, 그러한 장치는: 재료 수정 프로세스에서 샘플 위치에 인가되는 재료 프로세싱 빔을 생산하는 재료 프로세싱 빔 공급원으로서, 재료 수정 프로세스가 재료 프로세싱 빔으로서 레이저 빔을 이용하는 의료적 프로세스인, 재료 프로세싱 빔 공급원; 촬영 광을 생산하는 촬영 광 공급원; 적어도, 샘플에 전달되는 촬영 광의 성분을 이용하여 간섭측정 출력을 생산하는 광학적 간섭계로서, 간섭측정 출력은, 다른 광학적 경로 길이에 비교되는, 샘플에 대한 적어도 하나의 광학적 경로 길이를 기초로 하는, 광학적 간섭계; 및 복수의 시간에서 간섭측정 출력을 기초로 재료 수정 프로세스의 기록을 생성하는 기록 발생기를 포함한다.
발명의 또 다른 추가적인 양태에 따라, 재료 수정 프로세스의 적어도 하나의 프로세싱 매개변수를 제어하기 위한 방법이 제공되고, 그러한 방법은: 촬영 광학적 공급원으로 촬영 광을 생성하는 단계; 적어도 샘플에 전달되는 촬영 광의 성분을 이용하여 간섭측정 출력을 생산하는 단계로서, 간섭측정 출력은, 다른 광학적 경로 길이에 비교되는, 샘플에 대한 적어도 하나의 광학적 경로 길이를 기초로 하는, 단계; 및 간섭측정 출력을 기초로 재료 수정 프로세스의 적어도 하나의 프로세싱 매개변수를 자동적으로 제어하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은: 재료 수정 프로세스에서 재료 프로세싱 빔을 샘플 위치에 인가하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 재료 수정 빔이 드릴링 레이저이고; 자동적으로 제어하는 단계는, 천공이 검출된 직후에, 또는 천공이 검출된 후에 선택된 과다드릴링 기간 후에, 드릴링 레이저가 정지되게 제어되도록, 재료 수정싱 빔에 의한 천공을 제어하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 재료 프로세싱 빔을 인가하는 단계는 가스 터빈 내에 냉각 홀을 제조하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은: 간섭측정 출력이 초기에 기준 경로를 따라 반사된 광만을 실질적으로 포함하는지의 여부를 결정하는 단계를 더 포함하고, 그 후에 간섭측정 출력은 기준 경로의 경로 길이에 비교되는 샘플 경로의 경로 길이를 기초로 한다.
일부 실시예에서, 간섭측정 출력이 기준 경로를 따라 반사된 광만을 실질적으로 포함하는 것으로부터 기준 경로의 경로 길이에 비교되는 샘플 경로의 경로 길이를 기초로 하는 것으로 전이되는 때 또는 전이되는 경우를 결정하는 단계; 및 전이를 고려하여 간섭측정 출력을 기초로 재료 수정 프로세스의 적어도 하나의 프로세싱 매개변수에 영향을 미치기 위한 피드백을 생성하는 단계.
일부 실시예에서, 방법은: 프로세스되는 재료에 대한 간섭측정 출력의 변화를 식별하기 위해서 간섭측정 출력의 다수의 경우를 프로세스하는 단계를 포함하고, 피드백 제어는 그러한 변화에 따라 달라진다.
일부 실시예에서, 방법은: 간섭측정 출력의 변화를 기초로, 수정/샘플 이동 "속력" 또는 다른 변화율에 관한 표시를 생성하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은: 간섭측정 출력을 기초로 재료의 광학적 지수에 관한 표시를 생성하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은: 복수의 시간에서 간섭측정 출력을 기초로 재료 수정 프로세스의 기록을 생성하는 단계; 및 기록을 저장하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 간섭측정 출력을 기초로 재료 수정 프로세스의 적어도 하나의 프로세싱 매개변수를 자동적으로 제어하는 단계는 프로세스 중에 실시간으로 재료 수정 프로세스의 적어도 하나의 프로세싱 매개변수를 제어하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 재료 수정 프로세싱 빔이 레이저 빔이다.
일부 실시예에서, 재료 수정 프로세스에서 재료 프로세싱 빔을 샘플 위치에 인가하는 단계가: 금속; 반도체; 유전체; 경질 생물학적 조직; 연질 생물학적 조직; 중합체; 플라스틱; 목재; 복합체 중 적어도 하나에 재료 프로세싱 빔을 인가하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 재료 프로세싱 빔이 이온 빔 및 전자 빔 중 적어도 하나이다.
일부 실시예에서: 간섭측정 출력을 생산하는 단계가: 촬영 광의 제1 성분을 기준 아암의 입력부에 인가하여 기준 아암의 출력 신호를 초래하는 단계로서, 기준 아암은 다른 광학적 경로 길이를 가지는, 단계; 촬영 광의 제2 성분을 샘플 아암에 인가되어 샘플 아암의 출력 신호를 초래하는 단계로서, 적어도 샘플 아암의 출력 신호의 성분이 샘플 위치로부터의 촬영 광의 성분의 반사를 포함하고, 샘플 아암은 적어도 하나의 광학적 경로 길이를 가지는, 단계; 및 기준 아암의 출력 신호와 샘플 아암의 출력 신호를 조합하여 조합된 신호를 간섭측정 출력으로서 생산하는 단계를 포함하고; 방법은 간섭측정 출력으로부터 측정 간섭도를 생산하기 위해서 신호 검출을 실시하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은: 복수의 샘플 아암, 기준 아암 조합의 각각에 대한 각각의 간섭도를 생성하는 단계로서, 다수의 샘플 아암이 있는, 단계; 복수의 샘플 아암, 기준 아암 조합의 각각에 대한 각각의 간섭도를 생성하는 단계로서, 다수의 기준 아암이 있는, 단계; 및 복수의 샘플 아암, 기준 아암 조합의 각각에 대한 각각의 간섭도를 생성하는 단계로서, 다수의 기준 아암 및 다수의 샘플 아암이 있는, 단계; 중 적어도 하나를 포함한다.
일부 실시예에서, 간섭측정 출력을 생성하는 단계는: 분할기 및/또는 광학적 서큘레이터에서, 적어도 촬영 광의 성분을 샘플 아암에 인가하여 샘플 아암의 출력 신호를 초래하는 단계로서, 적어도 샘플 아암의 출력 신호의 성분이 샘플 아암 및/또는 프로세스되는 재료 내의 적어도 2개의 위치로부터의 촬영 신호의 성분의 반사를 포함하고, 샘플 아암은 적어도 하나의 광학적 경로 길이 및 다른 광학적 경로 길이를 가지는, 단계; 분할기 및/또는 광학적 서큘레이터에서, 샘플 아암으로부터 출력 신호를 수신하고 이를 검출기를 향해서 지향시키는 단계; 및 간섭측정 출력으로부터 측정 간섭도를 생산하기 위해서 신호 검출을 실시하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은: 재료 프로세싱 빔이 샘플 위치에서 얼마나 깊게 침투하였는지를 반영하는 깊이 측정을 생산하기 위해서 간섭측정 출력을 분석하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은 간섭측정 출력을 기초로 분석을 실시하는 단계 및 컷팅 레이저에 가장 근접한 계면에 대한 컷팅 깊이를 제어하는 피드백 제어를 생성하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은 간섭측정 출력을 기초로 분석을 실시하는 단계 및 현재 컷팅 깊이를 넘어서는 계면에 대한 컷팅 깊이를 제어하는 피드백 제어를 생성하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 재료 수정 프로세스의 적어도 하나의 프로세싱 매개변수를 제어하는 단계가 깊이 측정을 기초로 한다.
일부 실시예에서, 제어되는 재료 수정 프로세스의 적어도 하나의 프로세싱 매개변수는: 재료 프로세싱 빔의 온/오프 상태; 재료 프로세싱 빔의 평균 파워; 재료 프로세싱 빔의 펄스 지속시간; 재료 프로세싱 빔의 피크 세기; 재료 프로세싱 빔의 밀도; 재료 프로세싱 빔의 에너지; 재료 프로세싱 빔의 입자 종; 재료 프로세싱 빔의 파장; 재료 프로세싱 빔의 펄스 반복률; 재료 프로세싱 빔의 펄스 에너지; 재료 프로세싱 빔의 펄스 형상; 재료 프로세싱 빔의 스캔 속력; 재료 프로세싱 빔의 포커스 직경; 재료 프로세싱 빔의 포커스 위치; 샘플 상의 재료 프로세싱 빔의 공간적 패턴; 재료 공급률; 냉각 매체 유량; 커버/보조 가스 유량; 커버/보조 가스 압력; 커버/보조 가스 블렌드(blend); (전압, 전류 및 와이어 공급률과 같은) 아크 용접 프로세스 매개변수; 및 첨가 재료 공급률; 중 적어도 하나를 포함한다.
일부 실시예에서, 깊이 측정을 기초로 재료 수정 프로세스의 적어도 하나의 프로세싱 매개변수를 제어하는 단계는, 깊이 측정이 특정 깊이를 나타낼 때 재료 프로세싱 빔이 오프되도록 제어하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은: 재료 수정 공급원 빔이 특정 깊이까지 침투하였을 때; 재료의 다른 영역에 대한 현재 수정되는 재료의 영역의 근접도; 침투하고자 하는 남은 재료의 양; 수정된 총 깊이; 절대적인 최종 도달 깊이; 깊이의 요동; 깊이 변화 속력; 및 하부표면 인터페이스까지의 남은 거리; 중 적어도 하나에 관한 표시를 생산하기 위해서 간섭측정 출력을 분석하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은: 간섭측정 출력을 기초로 하위표면 레벨에서 적어도 하나의 변화를 감지하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 하위표면 레벨에서 감지되는 적어도 하나의 변화가: 온도 변화, 상태 변화, 유체 유동, 및 압력 파동; 중 적어도 하나를 포함한다.
일부 실시예에서, 피드백 제어기는 하위표면 레벨에서 감지되는 변화를 기초로 적어도 하나의 재료 수정 매개변수를 제어한다.
일부 실시예에서, 하위표면 레벨에서의 변화가 스페클 패턴의 변화를 관찰하는 것에 의해서 감지된다.
일부 실시예에서, 방법은, 표시를 기초로 재료 프로세싱 빔을 턴 오프시키도록 재료 프로세싱 빔 공급원을 제어하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은, 표시를 기초로 재료 프로세싱 빔을 턴 온시키도록 재료 프로세싱 빔 공급원을 제어하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은: 목표 결과에 대한 미리 계산된 합성 간섭도를 메모리에 저장하는 단계; 간섭측정 출력으로부터 측정 간섭도를 생산하는 단계; 상호관련 결과를 생산하기 위해서 미리 계산된 합성 간섭도와 함께 측정 간섭도를 프로세스하는 단계를 포함하고; 재료 수정 프로세스의 적어도 하나의 프로세싱 매개변수를 제어하는 단계는 상호관련 결과를 기초로 한다.
일부 실시예에서, 목표 결과에 대한 미리 계산된 합성 간섭도는, 반사가 특정 깊이로부터 복귀될 때로 예상되는 것의 추정이고; 상호관련 결과를 생산하는 단계는 검출된 요소별 기반으로 제1 간섭도와 미리 계산된 간섭도를 곱하고 이어서 합계하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은: 분광계 정렬; 분광계 그레이팅 각도 비선형성; 분광계 내의 촬영 광학기기로부터의 촬영 왜곡; 파장 대 파동 수/주파수 재-샘플링; 검출기 활성 지역의 유한한 크기; 스펙트럼 엔벨로프 형상; 분산 불합치; 및 화상 품질을 저하시키는 간섭도 내에 포함된 다른-비이상성; 중 적어도 하나를 보상하기 위해서 미리 계산된 합성 간섭도 및 제1 간섭도 중 적어도 하나를 성형하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은: 재료 프로세싱 빔에 의해서 수정된 부피가 특정 깊이에 도달하였을 때를 대략적으로 식별하기 위해서, 상호관련 결과를 프로세스하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은: 상호관련 결과가 문턱값을 만족시킬 때, 특정 깊이에 도달한 때를 대략적으로 식별하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 적어도 하나의 경로 길이는 샘플 위치에서 제1 반사부에 대한 것이고, 다른 경로 길이는 샘플 위치에서 제2 반사부에 대한 것이다.
일부 실시예에서, 적어도 하나의 경로 길이는 샘플 위치에서 각각의 반사부에 대한 적어도 2개의 경로 길이이고, 다른 경로 길이는 기준 아암을 따른 것이다.
일부 실시예에서, 방법은: 미리 계산된 합성 간섭도를 합성하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 또 다른 추가적인 양태에 따라, 간섭측정 출력을 생산 및 프로세스하기 위한 방법이 제공되고, 그러한 방법은: 목표 결과에 대한 미리 계산된 합성 간섭도를 메모리에 저장하는 단계; 간섭측정 출력을 생산하는 단계; 간섭측정 출력으로부터 측정 간섭도를 검출하는 단계; 상호관련 결과를 생산하기 위해서 미리 계산된 예상 간섭도와 함께 측정 간섭도를 프로세스하는 단계; 및 결과가 문턱값을 만족시키는 때를 결정하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 복수의 목표 결과의 각각에 대해서, 각각의 미리 계산된 합성 간섭도를 메모리에 저장하는 단계; 각각의 상호관련 결과를 생산하기 위해서 각각의 미리 계산된 합성 간섭도와 함께 측정 간섭도를 프로세스하는 단계; 및 각각의 상호관련 결과가 각각의 문턱값을 만족시키는 때를 결정하는 단계.
일부 실시예에서, 미리 계산된 합성 간섭도는, 샘플 위치에서 재료 수정 빔에 의해서 목표 결과가 달성되는 때로 예상되는 것의 추정인 간섭도이고; 측정 간섭도는 샘플 위치에 대한 것이고; 상호관련 결과를 생산하는 단계는 검출기 요소별 기반으로 측정 간섭도와 미리 계산된 합성 간섭도를 곱하고 이어서 합계하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은: 분광계 정렬; 분광계 그레이팅 각도 비선형성; 분광계 내의 촬영 광학기기로부터의 촬영 왜곡; 파장 대 파동 수/주파수 재-샘플링; 검출기 활성 지역의 유한한 크기; 스펙트럼 엔벨로프 형상; 분산 불합치; 및 화상 품질을 저하시키는 간섭도 내에 포함된 다른-비이상성; 중 적어도 하나를 보상하기 위해서 미리 계산된 합성 간섭도 및 측정 간섭도 중 적어도 하나를 성형하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 목표 결과는, 반사가 특정 깊이로부터 복귀되는 때로 예상되는 것의 추정이다.
일부 실시예에서, 방법은: 상호관련 결과가 문턱값을 만족시킬 때 재료 수정 빔을 턴 오프하도록 재료 수정 빔 공급원을 제어하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은: 상호관련 결과가 문턱값을 만족시킬 때 재료 수정 프로세스의 적어도 하나의 프로세싱 매개변수를 제어하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 적어도 하나의 프로세싱 매개변수는: 재료 프로세싱 빔의 온/오프 상태; 재료 프로세싱 빔의 평균 파워; 재료 프로세싱 빔의 펄스 지속시간; 재료 프로세싱 빔의 피크 세기; 재료 프로세싱 빔의 밀도; 재료 프로세싱 빔의 에너지; 재료 프로세싱 빔의 입자 종; 재료 프로세싱 빔의 파장; 재료 프로세싱 빔의 펄스 반복률; 재료 프로세싱 빔의 펄스 에너지; 재료 프로세싱 빔의 펄스 형상; 재료 프로세싱 빔의 스캔 속력; 재료 프로세싱 빔의 포커스 직경; 재료 프로세싱 빔의 포커스 위치; 샘플 상의 재료 프로세싱 빔의 공간적 패턴; 재료 공급률; 냉각 매체 유량; 커버/보조 가스 유량; 커버/보조 가스 압력; 커버/보조 가스 블렌드; (전압, 전류 및 와이어 공급률과 같은) 아크 용접 프로세스 매개변수; 및 첨가 재료 공급률; 중 적어도 하나를 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은: 상호관련 결과가 문턱값을 만족시킬 때 재료 프로세싱 빔을 턴 온하도록 재료 수정 빔 공급원을 제어하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은: 미리 계산된 합성 간섭도를 합성하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 다른 양태에 따라, 재료 수정 프로세스의 기록을 생성하는 방법이 제공되고, 그러한 방법은: 재료 수정 프로세스의 일부로서 재료 프로세싱 빔을 샘플 위치에 인가하는 단계로서, 재료 수정 프로세스가 용접 프로세스인, 단계; 촬영 광 공급원으로 촬영 광을 생산하는 단계; 적어도, 샘플에 전달되는 촬영 광의 성분을 이용하여 간섭측정 출력을 생산하는 단계로서, 간섭측정 출력은, 다른 광학적 경로 길이에 비교되는, 샘플에 대한 적어도 하나의 광학적 경로 길이를 기초로 하는, 단계; 및 복수의 시간에서 간섭측정 출력을 기초로 재료 수정 프로세스의 기록을 생성하는 단계를 포함한다.
다른 실시예에서, 방법은: 기록을 저장하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 재료 프로세싱 빔 및 촬영 광은 샘플에 전달될 때 실질적으로 동축적이다.
일부 실시예에서, 기록이 레이저 용접의 품질을 포함한다.
일부 실시예에서, 기록은 레이저 용접의 프로세스에서 용융 풀(melt pool)의 원소를 포함한다.
일부 실시예에서, 기록은 임박한 관통의 표시를 포함한다.
일부 실시예에서, 샘플의 내측부 상의 재료 인터페이스가 식별되고 재료 수정 프로세스를 제어하기 위해서 이용된다.
일부 실시예에서, 기록은 키홀 안정성을 포함한다.
일부 실시예에서, 기록은 침투 깊이를 포함한다.
본 발명의 다른 양태에 따라, 재료 수정 프로세스의 기록을 생성하는 방법이 제공되고, 그러한 방법은: 재료 수정 프로세스의 일부로서 재료 프로세싱 빔을 샘플 위치에 인가하는 단계로서, 재료 수정 프로세스가 레이저 빔을 재료 프로세싱 빔으로서 이용하는 의료적 프로세스인, 단계; 촬영 광 공급원으로 촬영 광을 생성하는 단계; 적어도, 샘플에 전달되는 촬영 광의 성분을 이용하여 간섭측정 출력을 생산하는 단계로서, 간섭측정 출력은, 다른 광학적 경로 길이에 비교되는, 샘플에 대한 적어도 하나의 광학적 경로 길이를 기초로 하는, 단계; 및 복수의 시간에서 간섭측정 출력을 기초로 재료 수정 프로세스의 기록을 생성하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은 샘플의 관심 지역 아래의 0의 광학적 경로 길이 차이 지점의 위치를 선택하는 단계 중 적어도 하나를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 0의 광학적 경로 길이 차이 지점은 측정되는 샘플 내에 있도록 선택된다.
일부 실시예에서, 0의 광학적 경로 길이 차이 지점은 측정되는 샘플 아래에 있도록 선택된다.
일부 실시예에서, 방법은: 감도 대 깊이 곡선을 맞추기 위한 탈봇 밴드 기술(Talbot band technique); 비선형 시간 게이팅(nonlinear time gating); 및 최종 디지털화 이전의 아날로그 프린지 신호에 접속하고, 이어서, 신호가 더 약한 깊이에서 감도를 유지하면서 큰 반사도가 예상되는 깊이에 상응하는 특정 프린지 주파수를 감쇠시키기 위해서 직접적 하드웨어 복조 및/또는 필터링을 이용하는 단계 중 적어도 하나를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은: 다수의 프로세싱 위치에서 다수의 샘플을 프로세스하기 위해서 단일 프로세싱 빔 공급원을 이용하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은: 매칭된, 다수의 프로세싱 위치에 대한 샘플 아암 경로 및 공통 기준 경로를 이용하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은: 각각의 프로세싱 위치에 대해서 각각의 기준 아암을 이용하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은: 샘플 아암의 경로 길이를 동적으로 조정하는 단계; 기준 아암의 경로 길이를 동적으로 조정하는 단계 중 적어도 하나를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은: 복수의 기준 아암 사이에서 스위칭하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은: 관심 지점의 위치를 추적하기 위해서 ICI 시스템을 이용하는 단계; 관심 지점의 위치에 대한 0의 광학적 경로 길이 차이 지점의 위치를 (예를 들어, 적응적으로) 조정하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은: a) 드릴링 중에 홀의 하단부를 추적하는 것; b) 천공의 속력을 제어하는 것; c) 재료가 천공될 때 지점을 관찰하는 것; d) 레이저가 재료를 천공할 시점을 예상하는 것; e) 새로운 홀 아래의 표면에 대한 손상을 방지하기 위해서 레이저 프로세스를 조정하는 것; f) 레이저가 턴 오프된 후에 홀이 재충진되지 않았는지를 확인하는 것; g) 드릴링, 컷팅, 또는 용접을 미리 규정된 깊이로 제어하는 것; 및 h) 드릴링, 컷팅 또는 용접을 선택된 재료 인터페이스에 대한 선택된 깊이로 제어하는 것; 중 적어도 하나를 실시하기 위해서 ICI 시스템을 이용하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은: 촬영 광 공급원이, 상이한 축방향 높이들에 있는, 또는 촬영 빔의 중심 축에 대해서 상이한 횡방향 변위들에 있는, 또는 그 조합에 있는 샘플의 다수의 반사 피쳐를 포함하는 샘플의 지역 또는 부피를 조명하도록, ICI 시스템을 구성하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 또 다른 양태에 따라, 다수의 시간에서의 간섭측정 출력을 기초로 하는 레이저 용접 재료 수정 프로세스의 기록이 저장된 컴퓨터 판독 가능 저장 매체가 제공된다.
인라인 가간섭적 촬영 관찰 및/또는 제어 접근방식을 앞서서 요약하였고, 이하에서 구체적으로 설명한다. 더 일반적으로, 설명된 인라인 가간섭적 촬영 관찰 및/또는 제어 접근방식 중 임의의 하나, 또는 둘 이상의 임의의 조합이 이하의 적용예 중 하나에 적용될 수 있다.
하이브리드 레이저 아크 용접을 포함하는, 용접;
브레이징;
딤플링(dimpling), 피팅(pitting), 조질화, 평활화를 포함하는, 표면 텍스쳐링(surface texturing);
광중합, 금속 석출을 포함하는, 레이저 구동형 화학적 프로세스;
선택적 어닐링을 포함하는, 어닐링;
템퍼링;
경화 및 열처리;
소결;
레이저 인큐베이션(laser incubation);
트렌치 컷팅;
트레판 드릴링(trepan drilling) - 이는, 레이저가 둥글고, 깨끗한 홀을 드릴링하기 위해서 원으로 신속하게 조준되는 경우이다;
경질 조직, 또는 금속 중합체, 세라믹의 레이저 천공에서의 단일-측면 관통 검출;
인공 기관 및 그 전구체를 위한 재료를 포함하는, 생물학적 재료의 컷팅;
인쇄 회로 기판 비아(via)의 드릴링 및/또는 인쇄 회로 기판 내의 트렌치 컷팅;
생물학적 재료의 접합 또는 융합 또는 용접.
본 발명의 추가적인 양태가 장치를 제공하고, 그러한 장치는: 재료 수정 프로세스에서 재료의 위치에 적용되는 재료 프로세싱 빔을 생산하는 재료 프로세싱 빔 공급원; 촬영 광을 생산하는 촬영 광 공급원; 적어도, 재료 수정 프로세스 이전, 도중, 및/또는 이후에 재료 내에 생성된 상 변화 영역 및/또는 주위 영역에 전달되는 촬영 광의 성분을 이용하여 간섭측정 출력을 생산하는 광학적 간섭계를 포함하는 가간섭적 촬영 시스템으로서, 간섭측정 출력은, 다른 광학적 경로 길이에 비교되는, 상 변화 영역 및/또는 주위 영역 내의 적어도 하나의 지점에 대한 적어도 하나의 광학적 경로 길이를 기초로 하는, 가간섭적 촬영 시스템; 간섭측정 출력을 수신하고, 재료 수정 프로세스 중의 상 변화 영역 및/또는 주위 영역의 특성을 나타내는 검출기 출력을 생산하는 검출기; 및 복수의 시간에 검출기 출력을 기초로 적어도 하나의 기록을 생성하는 기록 발생기를 포함한다.
이러한 양태에 따라, 재료 수정 프로세스는 부가적 제조 프로세스, 차감적 제조 프로세스, 접합 프로세스, 또는 그 조합의 일부일 수 있다. 부가적 제조 프로세스는 레이저 소결, 선택적 레이저 소결, 레이저 용융, 선택적 레이저 용융, 직접적인 금속 레이저 소결, 전자 빔 용융, 분말 베드 3D 인쇄, 또는 분말 베드 융합, 또는 그 변경예, 파생예, 또는 조합을 포함할 수 있다. 부가적 제조 프로세스는 분말 공급 프로세스, 레이저 금속 침착, 직접적 금속 침착, 또는 레이저 클래딩(cladding), 또는 그 변경예, 파생예, 또는 조합을 포함할 수 있다.
장치가 피드백 프로세서를 포함할 수 있고, 그러한 피드백 프로세서는 가간섭적 촬영 시스템, 검출기 출력, 및 보조 광학적 센서 중 적어도 하나로부터 입력을 수신하고, 재료 수정 프로세스의 하나 이상의 매개변수를 제어하기 위한 피드백으로서 이용되는 출력을 생산한다.
장치는 하나 이상의 보조 광학적 센서를 더 포함할 수 있고; 하나 이상의 보조 광학적 센서는 상 변화 영역, 또는 주위 영역, 또는 그 둘 모두로부터 적어도 하나의 광학적 방출을 수신하고, 하나 이상의 출력을 생산하며; 하나 이상의 출력은 신호 프로세서, 품질 보장 신호 발생기, 피드백 제어기, 및 기록 발생기 중 적어도 하나에 연결되며; 신호 프로세서, 품질 보장 신호 발생기, 피드백 제어기, 및 기록 발생기 중 적어도 하나는 기록, 고지(annunciation), 및 피드백 출력 중 적어도 하나를 생성한다.
장치는 적어도 하나의 기록을 기초로 재료 수정 프로세스의 적어도 하나의 프로세싱 매개변수를 제어한다. 제어되는 재료 수정 프로세스의 적어도 하나의 프로세싱 매개변수가 이하 중 적어도 하나를 포함할 수 있다:
재료 프로세싱 빔의 온/오프 상태;
재료 프로세싱 빔의 평균 파워;
재료 프로세싱 빔의 펄스 지속시간;
재료 프로세싱 빔의 피크 세기;
재료 프로세싱 빔의 밀도;
재료 프로세싱 빔의 에너지;
재료 프로세싱 빔의 입자 종;
재료 프로세싱 빔의 파장;
재료 프로세싱 빔의 펄스 반복률;
재료 프로세싱 빔의 펄스 에너지;
재료 프로세싱 빔의 펄스 형상;
재료 프로세싱 빔의 스캔 속력;
재료 프로세싱 빔의 포커스 직경;
재료 프로세싱 빔의 포커스 위치;
재료 프로세싱 빔의 공간적 패턴;
냉각 매체 유량;
커버/보조 가스 유량;
커버/보조 가스 압력;
커버/보조 가스 블렌드;
전압 및 전류로부터 선택된 적어도 하나의 프로세스 매개변수;
적어도 하나의 불량 매개변수(rejection parameter);
부가적 재료 공급률;
부가적 재료 공급 기하형태; 및
부가적 재료 공급 유형.
제어되는 재료 수정 프로세스의 적어도 하나의 프로세싱 매개변수는 분말 층 두께, 팩킹 밀도(packing density), 층 균일성, 부가적 재료 공급률, 및 침착 재료의 선택 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 장치는, 상 변화 영역 및/또는 주위 영역 내로 전달될 때 실질적으로 동축적으로 재료 프로세싱 빔 및 촬영 광을 생산하도록 구성된다.
일 실시예에서, 재료 수정 프로세스는, 재료 프로세싱 빔으로 부가적인 재료를 수정함으로써, 물체를 제조, 수정, 또는 수리한다.
다른 실시예에서, 적어도 하나의 스캐닝 시스템이 가간섭적 촬영 시스템을 재료에 대해서 지향시킨다.
추가적인 실시예에서, 재료 수정 프로세스 방출이 공간적으로 분해될 수 있도록, 적어도 하나의 보조 센서가 적어도 하나의 스캐닝 시스템에 커플링된다. 적어도 하나의 보조 광학적 센서가 광섬유를 통해서 스캐닝 시스템에 커플링될 수 있다. 광섬유는 다수-클래드 또는 다수-코어 섬유, 또는 그 둘 모두 중 하나를 포함할 수 있고, 촬영 광은 적어도 하나의 보조 광학적 센서와 함께 적어도 하나의 광섬유를 공유한다.
이러한 양태에 따라, 재료의 위치에 인가되는 재료 프로세싱 빔을 이용하는 재료 수정 프로세스를 제어하기 위한 방법이 본원에서 또한 설명되며, 그러한 방법은: 재료 수정 프로세스 이전, 도중, 및/또는 이후에 재료 내에 생성된 상 변화 영역 및/또는 주위 영역에 촬영 광을 인가하는 단계; 적어도, 재료 수정 프로세스 이전, 도중, 및/또는 이후에 상 변화 영역 및/또는 주위 영역에 전달된 촬영 광의 성분을 이용하여 간섭측정 출력을 생산하기 위한 광학적 간섭계를 포함하는 가간섭적 촬영 시스템을 이용하는 단계로서, 간섭측정 출력은, 다른 광학적 경로 길이에 비교되는, 상 변화 영역 및/또는 주위 영역 내의 적어도 하나의 지점에 대한 적어도 하나의 광학적 경로 길이를 기초로 하고; 간섭측정 출력은 재료 수정 프로세스 중의 상 변화 영역 및/또는 주위 영역의 특성을 나타내는, 단계; 그리고 재료 수정 프로세스의 적어도 하나의 프로세싱 매개변수를 제어하기 위해서 간섭측정 출력을 이용하는 단계를 포함한다.
방법에 따라, 재료 수정 프로세스는 부가적 제조 프로세스, 차감적 제조 프로세스, 또는 그 조합의 일부일 수 있다. 부가적 제조 프로세스는 레이저 소결, 선택적 레이저 소결, 레이저 용융, 선택적 레이저 용융, 직접적인 금속 레이저 소결, 전자 빔 용융, 분말 베드 3D 인쇄, 분말 베드 융합, 분말 공급 프로세스, 레이저 금속 침착, 직접적 금속 침착, 또는 레이저 클래딩, 또는 그 변경예, 파생예, 또는 조합을 포함할 수 있다.
방법은 상 변화 영역, 또는 주위 영역, 또는 그 둘 모두로부터 적어도 하나의 광학적 방출을 수신하고, 하나 이상의 출력을 생산하는 하나 이상의 보조 광학적 센서를 배치하는 단계; 하나 이상의 출력을 신호 프로세서, 품질 보장 신호 발생기, 피드백 제어기, 및 기록 발생기 중 적어도 하나에 연결하는 단계로서; 신호 프로세서, 품질 보장 신호 발생기, 피드백 제어기, 및 기록 발생기 중 적어도 하나는 기록, 고지, 및 피드백 출력 중 적어도 하나를 생성하는, 단계; 및 재료 수정 프로세스의 제어, 모니터링, 및 조정 중 하나 이상을 위해서 기록, 고지, 및 피드백 출력 중 적어도 하나를 이용하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제어하는 것은 부가적 제조 품질 보장 정보를 제공하는 것을 포함할 수 있다. 방법은 이하로부터 선택된 적어도 하나의 프로세싱 매개변수를 제어하는 단계를 포함할 수 있다:
재료 프로세싱 빔의 온/오프 상태;
재료 프로세싱 빔의 평균 파워;
재료 프로세싱 빔의 펄스 지속시간;
재료 프로세싱 빔의 피크 세기;
재료 프로세싱 빔의 밀도;
재료 프로세싱 빔의 에너지;
재료 프로세싱 빔의 입자 종;
재료 프로세싱 빔의 파장;
재료 프로세싱 빔의 펄스 반복률;
재료 프로세싱 빔의 펄스 에너지;
재료 프로세싱 빔의 펄스 형상;
재료 프로세싱 빔의 스캔 속력;
재료 프로세싱 빔의 포커스 직경;
재료 프로세싱 빔의 포커스 위치;
재료 프로세싱 빔의 공간적 패턴;
냉각 매체 유량;
커버/보조 가스 유량;
커버/보조 가스 압력;
커버/보조 가스 블렌드;
전압 및 전류로부터 선택된 적어도 하나의 프로세스 매개변수;
적어도 하나의 불량 매개변수(rejection parameter);
부가적 재료 공급률;
부가적 재료 공급 기하형태; 및
부가적 재료 공급 유형.
방법은 분말 층 두께, 팩킹 밀도, 층 균일성, 부가적 재료 공급률, 및 침착 재료의 선택 중 적어도 하나를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
방법은 재료 프로세싱 빔 및 촬영 광을 실질적으로 동축적으로 상 변화 영역 및/또는 주위 영역에 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
방법은, 재료 프로세싱 빔으로 부가적 재료를 수정함으로써 물체를 제조, 수정 또는 수리하기 위해서 이용되는 부가적 제조 프로세스를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
방법은 또한, 재료 수정 프로세스에서 융합, 융합의 부족 또는 그 둘 모두를 검출하기 위해서 하나 이상의 보조 광학적 센서를 배치하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 더 상세한 이해를 위해, 그리고 본 발명이 어떻게 수행될 수 있는지를 명확히 나타내기 위해, 실시예가 첨부 도면을 참조하여 예에 의해 후술될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의해서 제공된 인라인 가간섭적 촬영 시스템으로부터의 피드백 제어를 특징으로 하는 재료 프로세싱 시스템의 블록도이다.
도 2는 도 1의 피드백 제어기의 예시적인 구현의 블록도이다.
도 3은 촬영 시스템으로부터의 피드백 제어를 특징으로 하는 재료 프로세싱 시스템의 블록도로서, 재료 수정 빔 공급원은 촬영 광 공급원으로서 또한 기능한다.
도 4 및 도 5는 인라인 가간섭적 촬영 시스템으로부터의 피드백 제어를 특징으로 하는 재료 프로세싱 시스템의 블록도이다.
도 6 및 도 7은 인라인 가간섭적 촬영 시스템 및 밸런스형 광검출기로부터의 피드백 제어를 특징으로 하는 하나의 그리고 2개의 채널의 재료 프로세싱 시스템의 블록도이다.
도 8은 미리 계산된 합성 간섭도를 이용하여 간섭측정 출력을 프로세스하기 위한 장치의 블록도이다.
도 9는 소 늑골뼈의 레이저 컷팅에 관한 M-모드 OCT 촬영의 예를 도시하며, 여기에서 하위표면 구조물은 초기 1.43x105 펄스에 대한 노출 중에 정적으로 보이며, 이어서 대략적으로 선형인 에칭율(etch rate)을 갖는 급격한 가공이 시작된다.
도 10a 및 도 10b는 ns-지속시간 섬유 레이저(일정 평균 파워 23 W)로부터의 노출로 인한 소 늑골뼈 내의 재료 에칭률 및 제거 효율의 예를 도시한다.
도 11a 및 도 11b는 다수층 샘플의 레이저 컷팅의 M-모드 OCT 촬영의 예이다.
도 12는 드릴링 이전(좌측) 및 이후(우측)의 뼈의 현장의(in situ) B-모드 OCT 화상의 예이다.
도 13은 강 내의 충격식 드릴링(percussion drilling)에 관한 실시간 M-모드 화상의 예이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 의해서 제공된 다른 예시적인 촬영 시스템의 블록도이다.
도 15는, 선택된 필터 깊이에 라인이 중첩된(상단부) 그리고 가공 전방부가 선택된 깊이와 교차될 때 날카로운 피크를 나타내는 호모다인 필터(homodyne filter)로부터의 응답을 보여주는(하단부), 도 14의 시스템으로부터의 완전 프로세스된 M-모드 화상의 도면이다.
도 16은 호모다인 필터-기반의 접근방식을 이용하는 피드백 제어 방법의 흐름도이다.
도 17은 다른 인라인 가간섭적 촬영 시스템의 블록도이다.
도 18은 도 17의 ICI 시스템을 특징으로 하는 레이저 수술 시스템의 블록도이다.
도 19는 도 17의 ICI 시스템을 특징으로 하는 용접 시스템의 블록도이다.
도 20은 호모다인 필터링을 표준(삼차 스플라인 리샘플링(cubic spline resampling), FFT) 프로세싱에 비교하는 도표이다.
도 21은 촬영 빔 및 레이저 생산 피쳐를 도시하며, 촬영 빔은 레이저 생산 피쳐보다 큰 직경을 가지고, 0의 광학적 경로 길이 차이 지점은 측정되는 재료 내측에 위치된 깊이에 있도록 선택된다.
도 22는 스테인리스 강 호일 내의 단일 펄스(수직 라인에 의해서 표시된 5 ms 지속시간) 산소 보조 충격식 드릴링으로부터의 ICI 생성 화상을 도시한다.
도 23은, 레이저 랩 용접 내의 피트-업(fit-up) 및 간극에 접근하기 위해서 ICI가 어떻게 이용될 수 있는지를 보여주는 개략도이다.
도 24는 ICI 제어 레이저 드릴링의 정확도를 검증하기 위한 별도의 스캐닝 광학적 가간섭성 단층촬영 시스템에 의한 스캔을 도시한다.
도 25a, 도 25b, 도 25c, 및 도 25d는 다수의 샘플 위치와 함께 동일 ICI 시스템을 이용하기 위한 여러 가지 선택사항을 도시한다.
도 26은 샘플 표면 아래의 피쳐의 높이를 측정하기 위한 ICI 시스템의 이용을 도시한다.
도 27은, ICI 시스템이 가공 레이저를 직접적으로 제어하는 다른 실시예의 블록도이다.
도 28은, ICI 시스템 인터페이스가 레이저 제어기를 통해서 가공 레이저를 간접적으로 제어하고, 또한 다른 시스템 제어 및/또는 관리 구성요소(예를 들어, 로봇 이동 제어, 재료 공급 제어, 등)와 인터페이스하는, 다른 실시예의 블록도이다.
도 29는 일반화된 실시예에 따른 장치의 블록도이다.
도 30a는 일 실시예에 따른 가간섭적 촬영 시스템의 도면이다.
도 30b 및 도 30c는, 도 30a에 도시된 것과 같은 가간섭적 촬영 시스템과 함께 이용하기 위한, 부가적 제조 장치의 2개의 실시예를 보여주는 도면이다.
도 31은, 일 실시예에 따른, 다수 샘플 아암 경로를 갖는 가간섭적 촬영 시스템의 개략도이다.
도 32는, 일 실시예에 따른, 가간섭적 촬영 빔 입사각이 변경될 수 있게 하는 가간섭적 촬영 시스템 빔 샘플 아암 제어기를 도시하는 도면이다.
도 33은 고정-거리 가간섭적 촬영 탐침 빔 기준을 포함하는 재료 수정 장치를 도시하는 도면이다.
도 34는 보조 광학적 센서를 포함하는 재료 수정 장치를 도시하는 도면이다.
도 35는 본원에서 설명된 실시예에 따른 부가적 제조 프로세스에서의 층방식 측정을 도시한다.
도 36의 (a)는 재료 수정 프로세스의 개략도이다.
도 36의 (b), 도 36의 (c), 도 36의 (d), 도 36의 (e)는 도 36의 (a)의 재료 수정 프로세스의 상이한 재료 상을 구별/분해하기 위해서 이용되는 간섭측정 출력을 도시한다.
도 37은 부가적 제조 프로세스에서 인터페이스 유형들을 구별하기 위해서 이용되는 인터페이스 추적 방법을 보여주는 데이터를 도시한다.
도 38a 및 도 38b는, 시간에 걸쳐 높이/깊이가 변경될 수 있는 정적 인터페이스의 가간섭적 촬영 광학적 경로 길이 측정 및 가간섭적 촬영 시스템에 의해서 측정된 후방산란된 세기를 도시한다.
도 39는 가간섭적 촬영 측정 중의 비-다수 산란, 또는 직접적인 측정에 비교되는 상이한 다수 산란 이벤트를 도시하는 도면이다.
도 40a 내지 도 40f는, 불충분한(도 40a), 충분한(도 40c), 및 과다한(도 40e) 레이저 파워에서의 프로세싱 레이저 파워에 접근하기 위한 재료 수정 프로세스 내의 용융 풀의 가간섭적 촬영 측정, 및 각각 도 40b, 도 40d, 및 도 40f에 도시된 결과적인 추적의 상응하는 가간섭적 촬영 측정을 도시한다.
도 41의 (a) 및 도 41의 (b)는 부가적 제조 프로세스 분말 베드 높이(도 41의 (a), 상부 패널) 및 후방산란된 세기(도 41의 (b), 상부 패널), 그리고 미가공(raw) 재료 층(도 41의 (b), 하부 패널, 도 41의 (a), 하부 패널) 내의 결함의 가간섭적 촬영 측정을 도시한다.
도 42는 재료 공급원료 침착 평면 내로 압출된 부분적 피쳐로부터 초래되는 잠재적인 부가적 제조 프로세스 실패를 식별하기 위해서 이용되는 가간섭적 촬영 형태 측정을 도시하는 도면이다.
도 43의 (a)는 오버행(overhang) 구역(예를 들어, 도면에서 약 6.5 내지 13 mm)을 프로세스할 때 용융 풀 안정성의 상실을 식별하기 위해서 이용되는 분말 베드 부가적 제조 프로세스에서의 레이저 프로세싱 중의 용융 풀의 가간섭적 촬영 측정이고; 도 43의 (b)는 사진이고, 도 43의 (c)는, 오버행 구역 내의 침착 재료의 품질에 접근하기 위해서 이용되는, 결과적인 추적에 관한 가간섭적 촬영 측정이다.
도 44는 부가적 제조 프로세스 중에 하부의 벌크 고체 재료 상의 액체 재료의 접촉각을 측정/결정하기 위해서 이용되는 가간섭적 촬영 형태 측정(좌측) 및 도면(우측)을 도시한다.
도 45는, 추적에서 침착된 부가적 제조 프로세스 재료의 품질/항상성에 대한 접근/결정을 위해서 이용되는, 용융 풀/PCR/프로세싱 빔을 따르는 영역의 가간섭적 촬영 측정으로 도시한 도면이다.
도 46은 부가적 제조 프로세스에서 PCR을 둘러싸는 분말 베드 내의 노출 구역(denuded zone)을 도시하는 도면이다.
도 47은 기준(90)의 재료 프로세싱 빔 프레임에 대한 정렬을 위해서 이용되는 가간섭적 촬영 측정을 도시한다.
도 48a 및 도 48b는, 가간섭적 촬영 측정이 재료 프로세싱 결함을 검출하기 위한 보조 광학적 검출기 측정과 조합된, 재료 수정 프로세스의 상이한 개략적 양태들을 도시한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른, 인라인 가간섭적 촬영(ICI) 및 피드백 제어를 특징으로 하는 재료 프로세싱 시스템의 로직 블록도이다. 시스템은, 소결, 용접, 및 브레이징, 또는 그 조합과 같은, 재료 수정 프로세스를 구현하는 재료 프로세서(10)를 갖는다. 재료 프로세서(10)는, 재료 프로세싱 빔(14)을 생산하는 재료 프로세싱 빔 공급원(12)을 가지며, 그러한 재료 프로세싱 빔은 다시 샘플 위치(16)에 위치된 샘플을 수정한다. 촬영 광(20)을 생산하는 촬영 광 공급원(18)이 또한 도시되어 있고, 적어도 그 성분이 광학적 간섭계(22)에 입력된다. 간섭계(24)는, 피드백 제어기(26)에 입력되는 간섭측정 출력(24)을 생산한다. 피드백 제어기(26)는, 재료 수정 프로세스의 적어도 하나의 프로세싱 매개변수를 제어하기 위해서 재료 프로세서에 입력되는 피드백(29)을 생성한다.
광학적 간섭계(22)는, 적어도, 샘플 위치(16)에 전달되는 촬영 광(20)의 성분을 이용하여, 간섭측정 출력을 생산한다. 라인(28)은 광학적 간섭계(22)와 샘플 위치(16) 사이의 상호작용의 로직적 표상이다. 간섭측정 출력(24)은, 다른 광학적 경로의 길이에 비교되는, 샘플 위치에 대한 적어도 하나의 광학적 경로의 길이를 기초로 한다. 명료함을 위해서 광학적 경로를 도면에 도시하지 않았지만, 다양한 예를 후술한다. 샘플 위치는, 반사된 촬영 광이 수집되는 위치이다. 샘플 위치는, 상이한 대상 촬영을 달성하기 위해서 다양한 선택사항들로부터 선택될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 샘플 위치는 프로세스되는 재료 샘플의 물리적 위치에 위치된다. 일부 실시예에서, 샘플 위치는 프로세스되는 재료 샘플의 물리적 위치 부근에 위치된다. 일부 실시예에서, 샘플 위치는, 재료 프로세싱에 관한 의미 있는 정보를 산출하기 위해서 선택된 위치이다.
일부 실시예에서, 프로세스되는 재료와 관련된 간섭측정 출력의 변화를 식별하기 위해서, 다수의 경우에서의 간섭측정 출력이 프로세스된다. 일부 실시예에서, 피드백 제어의 적어도 일부가 그러한 변화에 따라 달라진다. 일부 실시예에서, 간섭측정 데이터의 변화를 이용하여, 수정/샘플 이동 "속력" 또는 다른 변화율의 표시를 제공한다.
변화를 식별하기 위해서 간섭측정 데이터를 프로세스하는 특정 예에서, 일부 실시예에서, 피드백 제어기는, 간섭측정 출력이 초기에 기준 경로(이러한 기준 경로는 하나의 기준 아암이 있는 경우에 기준 아암을 따를 수 있거나 샘플 아암을 따를 수 있다)를 따라 반사된 광만을 실질적으로 포함하는지의 여부를 결정하도록 추가적으로 구성되고, 그 후에 간섭측정 출력은, 기준 경로의 경로 길이에 비교되는, 샘플 경로(들)의 경로 길이를 기초로 한다. 이는, 예를 들어, 샘플 위치가 초기에 단지 하나의 반사 표면/하위표면을 가질 때(기준 아암이 없는 경우) 또는 반사 표면/하위표면이 없을 때(기준 아암의 경우), 그리고 이어서, 부가적인 반사 표면/하위-표면이 검출되는 일부 지점에서, 재료가 수정된 후에 및/또는 촬영 광학기기에 대해서 이동된 후에, 발생될 수 있다.
일부 실시예에서, 피드백 제어기는, 간섭측정 출력이, 기준 경로(이러한 기준 경로는 하나의 기준 아암이 있는 경우에 기준 아암을 따를 수 있거나 샘플 아암을 따를 수 있다)를 따라 반사된 광만을 실질적으로 포함하는 것으로부터 전이되는 때를 결정하도록 추가적으로 구성되고, 그 후에 간섭측정 출력은, 기준 경로의 경로 길이에 비교되는, 샘플 경로의 경로 길이를 기초로 한다. 피드백 제어기는, 전이를 고려하여 간섭측정 출력을 기초로 재료 수정 프로세스의 적어도 하나의 프로세싱 매개변수에 영향을 미치는 적어도 하나의 신호를 생성한다.
일부 실시예에서, 피드백 제어기(26)는, 프로세스 중에 재료 수정 프로세스의 프로세싱 매개변수를 제어하는 실시간 제어기이다. 다른 실시예에서, 피드백 제어기는 연속적인 프로세스들 사이의 간격 중에 적어도 하나의 프로세싱 매개변수를 제어한다.
일부 실시예에서, 재료 수정 프로세싱 빔 공급원은, 솔리드 스테이트, 섬유, 또는 가스 레이저와 같은 레이저이다.
일부 실시예에서, 재료 수정 프로세싱 빔 공급원이 이온 빔 및/또는 전자 빔을 생성한다.
그러한 시스템에 의해서 프로세스되는 재료는, 예를 들어, 금속, 반도체, 유전체, 경질 생물학적 조직, 연질 생물학적 조직, 플라스틱, 고무, 목재, 복합체 중 적어도 하나일 수 있다. 다른 재료도 가능하다.
일부 실시예에서, 간섭계는 조합기, 그리고, 기준 아암 및 샘플 아암으로 지칭되는, 2개의 구분된 아암을 갖는다. 촬영 광의 제1 성분이 기준 아암의 입력부에 인가되어 기준 아암의 출력 신호를 초래한다. 촬영 광의 제2 성분이 샘플 아암에 인가되어 샘플 아암의 출력 신호를 초래한다. 적어도 샘플 아암의 출력 신호의 성분은 샘플 위치로부터의 촬영 광의 성분의 반사를 포함한다. 조합기는 기준 아암의 출력 신호와 샘플 아암의 출력 신호를 조합하여, 간섭측정 출력으로서 기능하는 조합 신호를 생산한다. 구현예에 따라, 조합기가 커플러, 서큘레이터, 또는 분할기일 수 있고; 조합 기능을 실시하는 임의의 구성요소가 이용될 수 있다.
일부 실시예에서, 시스템은 또한, 간섭측정 출력으로부터 간섭도를 생산하는 신호 검출기를 갖는다. 일부 실시예에서, 신호 검출기는 검출기 요소의 어레이의 형태이다. 특정 예는 라인 카메라이다. 그러한 신호 검출기의 다른 예가 구체적인 상세한 예시적 구현예의 맥락으로 후술된다.
간섭측정 출력으로부터 간섭도를 생산하는 신호 검출기의 다른 예는 증폭된 밸런스형 광다이오드 쌍이다. 그러한 신호 검출기의 다른 예가 구체적인 상세한 예시적 구현예의 맥락으로 후술된다.
일부 실시예에서, 다수의 샘플 아암이 있고, 각각의 간섭도가 각각의 샘플 아암, 기준 아암의 조합에 대해서 생성된다.
일부 실시예에서, 다수의 기준 아암이 있고, 각각의 간섭도가 각각의 샘플 아암, 기준 아암의 조합에 대해서 생성된다.
일부 실시예에서, 다수의 기준 아암 및 다수의 샘플 아암이 있고, 각각의 간섭도가 각각의 샘플 아암, 기준 아암의 조합에 대해서 생성된다.
예를 들어, 샘플 위치에 다수의 반사부가 있는 경우에, 다수의 샘플 아암이 있을 수 있다. 그러한 샘플 아암들은 샘플로부터의 반사를 조합기에 전달하는데 있어서 공통 광학적 구성요소를 공유할 수 있으나, 광학적 경로 길이들은 상이할 것이다. 샘플 아암의 일부가 하위표면 반사부에 대한 것일 수 있다.
다수의 간섭도가 생성되는 임의의 경우에, 이러한 다수의 간섭도는 이어서, 재료 프로세서(10)를 제어하기 위한 피드백(28)을 생성하는데 있어서, 피드백 제어기(26)에 의해서 이용된다.
간섭측정 출력이, 다른 광학적 경로의 길이에 비교되는, 샘플 위치에 대한 적어도 하나의 광학적 경로의 길이를 기초로 한다는 것을 상기한다. 일부 실시예에서, "다른 광학적 경로"는 단순히 샘플에 대한 다른 광학적 경로이다. 사실상, 이러한 경우에 간섭계에 의해서 비교되는 2개의 경로는 동일 샘플의 상이한 반사부들에 대한 2개의 경로이다. 이러한 경우에, 촬영 광은 동일 광학적 경로를 가로지를 것이나, 샘플 위치에서 반사부들의 위치들 사이에 작은 차이가 있다.
일부 실시예에서, 적어도 하나의 경로 길이는 샘플 위치에서 각각의 반사부에 대한 적어도 2개의 경로 길이이고, 다른 경로 길이는 기준 아암을 따른 것이다.
일부 실시예에서, 피드백 제어기는, 간섭측정 출력이 초기에, 기준 경로(이러한 기준 경로는 하나의 기준 아암이 있는 경우에 기준 아암을 따를 수 있거나 샘플 아암을 따를 수 있다)를 따라 반사된 광만을 실질적으로 포함하는지의 여부를 결정하도록 추가적으로 구성되고, 그 후에 간섭측정 출력은, 기준 경로의 경로 길이에 비교되는, 샘플 경로의 경로 길이를 기초로 한다. 이는, 예를 들어, 샘플 위치가 초기에 단지 하나의 반사 표면/하위표면을 가질 때(기준 아암이 없는 경우) 또는 반사 표면/하위표면이 없을 때(기준 아암의 경우), 그리고 이어서, 부가적인 반사 표면/하위-표면이 검출되는 일부 지점에서, 재료가 제거된 후에, 발생될 수 있다.
일부 실시예에서, 피드백 제어기는, 간섭측정 출력이, 기준 경로(이러한 기준 경로는 하나의 기준 아암이 있는 경우에 기준 아암을 따를 수 있거나 샘플 아암을 따를 수 있다)를 따라 반사된 광만을 실질적으로 포함하는 것으로부터 전이되는 때를 결정하도록 추가적으로 구성되고, 그 후에 간섭측정 출력은, 기준 경로의 경로 길이에 비교되는, 샘플 경로의 경로 길이를 기초로 한다. 피드백 제어기는, 전이를 고려하여 간섭측정 출력을 기초로 재료 수정 프로세스의 적어도 하나의 프로세싱 매개변수에 영향을 미치는 적어도 하나의 신호를 생성한다.
일부 실시예에서, 피드백 프로세서는, 재료 프로세싱 빔이 샘플 위치에서 얼마나 깊게 침투하였는지를 반영하는 깊이 측정을 생산하기 위해서, 간섭측정 출력을 기초로 분석을 실시한다. 일부 그러한 실시예에서, 피드백 제어기는 깊이 측정을 기초로 재료 수정 프로세스의 적어도 하나의 프로세싱 매개변수를 제어한다.
일부 실시예에서, 피드백 제어기는 간섭측정 출력을 기초로 분석을 실시하고, 프로세싱 위치에 가장 근접한 인터페이스에 대한 프로세싱(예를 들어, 컷팅) 깊이를 제어하는 피드백 제어를 생성한다.
일부 실시예에서, 피드백 제어기는 간섭측정 출력을 기초로 분석을 실시하고, 현재의 프로세싱 깊이를 넘어서는 인터페이스에 대한 프로세싱 깊이(예를 들어, 컷팅 깊이)를 제어하는 피드백 제어를 생성한다.
재료 수정 프로세스의 임의의 프로세싱 매개변수가 피드백 제어기에 의해서 제어될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 구체적인 예는 이하를 포함한다:
재료 프로세싱 빔의 온/오프 상태;
재료 프로세싱 빔의 평균 파워;
재료 프로세싱 빔의 펄스 지속시간;
재료 프로세싱 빔의 피크 세기;
재료 프로세싱 빔의 밀도;
재료 프로세싱 빔의 에너지;
재료 프로세싱 빔의 입자 종;
재료 프로세싱 빔의 파장;
재료 프로세싱 빔의 펄스 반복률;
재료 프로세싱 빔의 펄스 에너지;
재료 프로세싱 빔의 펄스 형상;
재료 프로세싱 빔의 스캔 속력;
재료 프로세싱 빔의 포커스 직경;
재료 프로세싱 빔의 포커스 위치;
샘플 상의 재료 프로세싱 빔의 공간적 패턴;
재료 공급률;
냉각 매체 유량;
커버/보조 가스 유량;
커버/보조 가스 압력;
커버/보조 가스 블렌드;
(전압, 전류, 및 와이어 공급률과 같은) 아크 용접 프로세스 매개변수; 및
(예를 들어, 브레이징에서의) 부가 재료 공급률.
구체적인 예에서, 피드백 제어기는, 깊이 측정이 특정 깊이를 나타낼 때 재료 수정 공급원 빔이 오프되도록 제어함으로써, 깊이 측정을 기초로 재료 수정 프로세스의 적어도 하나의 프로세싱 매개변수를 제어한다.
일부 실시예에서, 피드백 제어기는, 예를 들어 재료와 연관된 표면 또는 인터페이스에 대해서 절대적 또는 상대적일 수 있는 특정 깊이까지 재료 수정 공급원 빔이 침투한 때에 관한 표시를 생산하기 위해서 간섭측정 출력을 기초로 분석을 실시하는 간섭도 프로세서를 갖는다. 일부 그러한 실시예에서, 피드백 제어기는 재료 프로세싱 빔 공급원을 제어하여, 레이저가 특정 깊이에 침투하였을 때에 관한 표시를 기초로, 재료 프로세싱 빔을 턴 오프시킨다.
일부 실시예에서, 피드백 제어기는, 재료의 다른 영역에 대한 현재 수정된 재료의 영역의 근접도에 관한 표시를 생산하기 위해서 간섭측정 출력을 기초로 분석을 실시하는 간섭도 프로세서를 갖는다.
일부 실시예에서, 피드백 제어기는, 침투하고자 하는 남은 재료의 양에 관한 표시를 생산하기 위해서 간섭측정 출력을 기초로 분석을 실시하는 간섭도 프로세서를 갖는다.
일부 실시예에서, 간섭도 프로세서는, 재료가 특정 깊이에 존재하는 때에 관한 표시를 생산하기 위해서 간섭측정 출력을 기초로 분석을 실시하고, 피드백 제어기는 재료 프로세싱 빔 공급원을 제어하여 그러한 표시를 기초로 재료 프로세싱 빔을 턴 온시킨다. 도 6 및 도 7은 광학적 서큘레이터 및 밸런스형 광검출기를 특징으로 하는 시스템의 2개의 구체적인 예이다. 이러한 도면이 이하에서 설명된다.
도 2는 피드백 제어기의 부분적인 예시적 구현예를 도시한다. 간섭측정 출력(18)을 수신하고 측정 간섭도(32)를 생성하는 신호 검출기(30)가 도시되어 있다. 간섭도 프로세서(34)는 측정 간섭도(32)를 수신한다. 목표 결과를 위한 미리-계산된 합성 간섭도(37)가 저장되는 메모리(36)가 제공된다. 간섭도 프로세서(34)는 측정 간섭도를 미리-계산된 합성 간섭도(37)와 함께 프로세스하여 상호관련 결과(38)를 생산한다. 피드백 제어기는, 측정 간섭도(32) 및 합성 간섭도(37)의 유사성의 측정인 상호관련 결과를 기초로 재료 수정 프로세스의 적어도 하나의 프로세싱 매개변수를 제어한다.
측정 간섭도와의 상호관련을 위해서 즉시 이용될 수 있도록, 목표 결과를 위한 미리-계산된 합성 간섭도가 미리 계산된다. 이는 계산만으로 결정된다는 의미로 합성되며; 광학적 신호는 이러한 생성에 관련되지 않는다.
일부 실시예에서, 목표 결과를 위한 미리-계산된 합성 간섭도는, 재료 프로세싱 빔이 특정 깊이에 도달할 것으로 예상되는 때에 관한 추정이다.
일부 실시예에서, 간섭도 프로세서는, 검출기 요소 기반으로 측정 간섭도와 미리-계산된 간섭도를 곱하고 이어서 합계하는 것에 의해서 상호관련 결과를 생산한다.
일부 실시예에서, 미리-계산된 합성 간섭도 및 측정 간섭도 중 적어도 하나가 이하 중 적어도 하나를 보상하도록 성형된다:
분광계 정렬;
분광계 그레이팅 각도 비선형성;
분광계 내의 촬영 광학기기로부터의 촬영 왜곡;
파장 대 파동 수/주파수 재-샘플링;
검출기 활성 지역의 유한한 크기;
스펙트럼 엔벨로프 형상;
분산 불합치; 및
화상 품질을 저하시키는 간섭도 내에 포함된 다른-비이상성;
보상은, 예를 들어, 합성 간섭도의 개별적인 요소의 진폭 및 복합 상의 제어된 변조를 통해서 달성될 수 있다. 변조량은 장치의 실험적 교정, 광학적 전파의 수치적 모델링, 시스템 응답의 이론적 분석, 및 그 조합 중 적어도 하나로부터 결정될 수 있다. 정확한 방법은 보상하고자 하는 특정 비-이상성에 따라 달라진다.
구체적인 예는 분산이다. 고정된 분산 요소에서, 재료의 분산 항(dispersive terms)으로부터 발생되는 각각의 파장의 상대적인 상 지연/선행(lag/advance)이 합성 간섭도 내의 각각의 요소에 부가될 수 있다. 점진적 분산(즉, 샘플 고유의 분산)이 또한 보상될 수 있는데, 이는 합성 간섭도가 측정하고자 하는 각각의 깊이와 달리 계산될 수 있기 때문이다.
일부 실시예에서, 상호관련 결과를 프로세스하여, 재료 프로세싱 빔이 특정 깊이에 도달한 때를 식별한다. 이는, 예를 들어, 상호관련 결과가 문턱값을 초과하는 때를 결정함으로써 달성될 수 있다.
일부 실시예에서, 시스템은 미리-계산된 합성 간섭도를 합성하는 간섭도 합성기를 더 포함한다.
다른 실시예는, 재료 수정 프로세스를 실시하는 재료 프로세싱 시스템과 함께 이용하기 위한 피드백 제어 시스템을 제공하고, 재료 프로세싱 시스템은 카메라 포트를 갖는다. 그러한 피드백 제어 시스템은, 재료 프로세서를 제외한, 도 1의 기능을 포함한다. 이러한 경우에, 광학적 간섭계(22)는, 도시되지 않은, 카메라 포트를 통해서 재료 프로세서(10)와 상호작용한다. 피드백 제어기(26)로부터 재료 프로세서(10)의 다른 입력부로 피드백(28)이 제공된다.
전술한 실시예는, 예를 들어, 레이저와 같은 재료 수정 빔에 의한 프로세싱 이전, 도중 및/또는 이후에, 재료의 기하형태, 형태, 광학적 산란 및/또는 조성을 측정하기 위해서 이용될 수 있다. 일부 실시예에서, 재료의 기하형태/형태/조성에 관한 피드백 정보가 제공될 수 있고(예를 들어, 홀, 컷팅, 정적 또는 동적 기재 피쳐, 및/또는 용융 풀 깊이), 그러한 정보를 직접적으로 또는 간접적으로 이용하여, 레이저 수정 프로세스와 같은 재료 수정 프로세스를 제어할 수 있다.
일부 재료에서, 본원에서 설명된 시스템은 가공되는 재료의 기하형태의 요소 및 수정 빔과 상호작용하는 표면 아래에 있는 다른 재료 기하형태 요소와 관련한 그 위치를 감지할 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 정보는, 기하형태의 정확한 위치가 이전에 알려지지 않았고 및/또는 특성화되지 않았을 수 있는 경우에도, 수정을 하위표면 기하형태의 미리 규정된 마진(margin) 이내로 안내하기 위해서 이용된다. 일부 실시예에서, 관심 대상의 뼈의 하위표면 층을 침투하기 약간 전의 거리에서 레이저 수정이 중단될 수 있도록, 뼈 내로의 레이저 컷팅의 깊이가 측정된다. 이는 레이저 수술에서 안전 마진을 제공하는데 있어서 유용할 수 있다. 일부 실시예에서, 그러한 마진/피드백은, 일부 실시예에서, 수동적인, 자동적인 또는 그 둘의 일부 조합인 기술을 이용하는, 계측 데이터의 분석을 이용하여 달성된다.
일부 실시예에서, 일부 실시예에서, 레이저 노출 프로세스를 알리기 위해서 추가적으로 이용될 수 있는, 비제한적으로, 온도 변화, 상태 변화, 유체 유동, 및/또는 압력 파동과 같은, 하위표면 레벨에서의 변화를 감지하는 장치, 방법 및 시스템이 제공된다. 일부 실시예에서, 이러한 변화는 다수의 측정 간섭도의 비교/분석을 기초로 결정된다. 간섭도의 상(phase)은 샘플의 이동에 대해서 몇 나노미터 단위의 감도를 갖는다. 약간의 온도, 압력, 유동 및 상태 변화가 조직의 이동을 유발하고, 이는 이러한 상을 변화시킨다. 또한, 가간섭적 화상은 특징적인 "스페클 패턴"을 가지며, 이는 내부 간섭 패턴을 생성하는 샘플의 마이크로규모/나노규모 구성요소의 부분적인 결과이다. 이러한 스페클 패턴은 또한 전술한 변화에 극히 민감하다. 일부 실시예에서, 하위표면 변화는, 스페클 패턴의 변화 주파수를 분석하는 것에 의해서, 변동되는 비율의(varying rate) 레이저 프로세싱 중에 관찰된다.
일부 실시예에서, 설명된 장치는 레이저 용접의 프로세스에서 용융 풀의 원소를 추적하기 위해서 이용된다. 당업자는, 용융 풀(및/또는 키홀) 안정성 및 침투 깊이가 레이저 용접의 품질에 관한 지표가 될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 일부 실시예는 이러한 및/또는 다른 지표를 측정하기 위해서 그리고, 일부 실시예에서, 용접 프로세스 훈련을 위해서, 용접 프로세스 개발을 돕기 위해서 또는 프로세스의 전부 또는 일부에 대한 품질 보장 데이터를 생산하기 위해서 이용된다.
일부 실시예에서, 촬영 광 공급원은, 일부 실시예에서 300 내지 15000 nm일 수 있고 폭(Δλ)을 가질 수 있는 파장(λ0)에 중심을 두는 스펙트럼을 갖는 광 공급원이고, 이는 축방향 해상도(δz)를 제공할 수 있고, 이는 이하의 관계식에 의해서 표시될 수 있다:
Figure pct00001
일부 실시예에서, 촬영 광 공급원이: 초발광 다이오드, 레이저 다이오드, 발광 다이오드, 초고속 광학적 발진기, 반도체 광학적 증폭기 및 할로겐 램프일 수 있으나; 당업자는 다른 적절한 광 공급원이 이용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 다른 실시예에서, 광원은, 일부 실시예에서 1100 nm 내지 1400 nm 범위의 방출 스펙트럼을 갖는 초발광 다이오드(SLD) 또는, 대안적인 실시예에서, 일부 실시예에서 750 nm 내지 900 nm 범위의 방출 스펙트럼을 갖는 Ti:AlO3 발진기를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 선택된 후속 검출기 기술에 따라, λ0 및 Δλ에 의해서 규정되는 스펙트럼 밴드에 걸쳐 신속하게 스위핑되는(swept) 좁은 순간 라인폭을 갖는 광원이 언급된 다른 광원 대신 또는 그와 함께 이용될 수 있다.
다른 실시예에서, 부가적인 광원이 재료 수정을 위해서 포함될 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 광원은 200 nm 내지 15000 nm의 영역 내의 스펙트럼을 가질 수 있고, 일부 실시예에서, 연속적일 수 있고, 또는 다른 실시예에서, 그 방출이 펄스화될 수 있다. 펄스형 방출을 갖는 실시예에서, 1 nJ 내지 1 MJ의 펄스에너지 범위 및 1 fs 내지 30분의 펄스 지속시간 범위가 이용될 수 있다.
일부 실시예에서, (단일 검출기 또는 검출기들의 조합일 수 있는) 신호 검출기가 관심 대상 광의 여러 파장들의 세기를 감지한다. 이는, 검출기 어레이에 걸쳐 공간적으로 스펙트럼을 분산시키기 위해서 회절 요소를 이용하는 것을 포함할 수 있다. 대안적으로, 신호 검출기가 밸런스형 또는 비밸런스형일 광검출기일 수 있고, 여기에서 스펙트럼의 성분의 도달 타이밍이 동시적인 것 또는 시간적으로 분산된 것임을 알 수 있다.
검출된 신호를 측정 및 해석할 수 있는 전자기기가 포함될 수 있다. 정보 프로세싱 체인 중의 이러한 지점에서, 신호는 더 이상 광학적인 것이 아니다. 일부 실시예에서, 이는, 비제한적으로, 온-보드 카메라 하드웨어, 프레임 그래버(frame grabber), 필드 프로그래머블 게이트 어레이, 주문형 집적 회로, 개인용 컴퓨터, 데이터 획득 카드를 포함할 수 있다. 전자기기 하드웨어는 이용되는 피드백 개요 및 방법 또는 알고리즘을 보완하도록 선택될 수 있다.
일부 실시예는, 홀의 위치 하단부 및/또는 하위표면 인터페이스 및/또는 촬영 데이터 내의 관심 대상 변화를 식별할 수 있고 그 위치, 예를 들어 그 절대적 또는 상대적 위치를 기초로 계측치(metric)를 계산하고 매개변수를 제어할 수 있는 방법이나 알고리즘을 구현하는 적절한 컴퓨터 판독 가능 저장 매체 상에 저장된 소프트웨어 및/또는 하드웨어를 포함한다.
도 3은, 수정 레이저(FL)(100)가 또한 촬영 광 공급원으로서의 역할을 하는, 장치의 블록도이다. 이는, 자동적인 촬영 및 프로세싱 빔 정렬을 초래한다. 대조적으로, 도 1, 도 4, 도 5, 도 6, 도 7, 도 14, 도 17, 도 18, 도 19의 실시예는 재료 프로세싱 빔 공급원 및 촬영 광학적 공급원을 특징으로 한다. 빔 분할기(BS)(102), 분산 보상기(DC)(104), 기준 거울(reference mirror)(RM)(106), 검류계 거울(galvanometer mirrors)(GM)(107) 및 광을 샘플(112) 상으로 포커스하기 위한 대물렌즈(116)를 포함하는, 자유-공간 Michelson 간섭계가 이용된다. 검출은, 그레이팅(GR)(114), 렌즈(ASL)(116) 및 광검출기 어레이(IGALC)(118)를 포함하는 분광계에 의해서 달성된다. PC(122) 및 프레임 그레버(FG)(120)는 본원에서 설명된 장치, 방법 및 시스템의 전자기기 및 알고리즘 구성요소를 구현한다. PC(122)는 수정 레이저(100) 및/또는 피드백 경로(124)를 통한 수정 프로세스의 다른 양태를 제어하고, 이러한 경우에 피드백 제어기로서 기능한다.
도 4는 제1의 상세한 구현예의 블록도이다. 이러한 실시예에서, 분리 수정(ML)(200) 및 촬영(SLD)(204) 광 공급원이 도시되어 있다. 이러한 실시예에서, 독립적인 포커스 대물렌즈(208, 210) 이후의 이색성 또는 다른 조합 광학기기(DM)(206)에 의해서 2개의 광 경로가 조합된다. 이러한 실시예에서, 간섭계는 단일-모드 또는, 다른 실시예에서, 다수-모드 광섬유로 구축될 수 있다. 검출은 고속 스펙트럼 검출기(HSS)(212)에 의해서 달성된다. 도시된 실시예가 샘플 아암(216)과 기준 아암(218) 사이의 50:50 파워 분할비(214)를 디스플레이하지만, 다른 실시예에서, 간섭계 내에서 다른 분할비가 가능하고 광학적 파워의 이용 가능성 및/또는 검출 감도에 대한 필요성에 따라 달라질 수 있다. 일부 실시예에서, 다른 간섭계 구성, 예를 들어, Mach-Zehnder, Sagnac, 공통 경로 등이 가능할 수 있다. 한편, 이러한 실시예에서, DM(206)이 촬영 광을 반사시키고 수정 광을 전달하는 것으로 도시되어 있지만, 반전이 부가적으로 가능할 수 있다. 일부 실시예에서, 편광-감응형 또는 중성 반사 광학기기를 통한 빔들의 조합이 발생될 수 있다. 당업자는, 검출, 프로세싱 및 피드백 전자기기가 이러한 도면에 도시된 실시예로부터 생략되고 그러한 프로세싱 단계가 피드백 제어기 내에서 실시될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 피드백 제어기(214)는 HSS(212)의 출력을 수신하고, 수정 레이저(206) 및/또는 재료 수정 프로세스의 일부 다른 양태를 제어한다.
도 5는 제2의 상세한 구현예의 블록도이다. 이러한 실시예에서, 광대역 공급원(300)에 의해서 출력된 짧고, 분산-최적화된 펄스들을 단일 모드 광섬유(310) 내로 커플링시키는 것에 의해서, 하이 파워 광대역 공급원이 생성된다. 이는 일부 실시예에서 약 6의 인자의 스펙트럼 대역폭의 팽창을 초래하나, 다른 실시예에서 그보다 큰 또는 적은 확장이 가능하다. 여기에서 도시된 실시예는, 650 내지 1100 nm 영역 내에서 동작하는 Ti:AlO3 레이저 공급원(301)을 특징으로 한다. 다른 실시예에서, 다른 광학적 촬영 공급원으로부터의 300 내지 15000 nm의 스펙트럼 범위가 가능하다. 이러한 실시예에서, Glan-Taylor 편광기(GTP)(302), Faraday 광학적 격리기(optical isolator)(ISO)(304), 하프-람다 파동판 편광 제어부(half-lambda waveplate polarization control)(305) 및 Fork 프리즘 분산 보상(306)이 도시되어 있다. 다른 실시예에서, 다른 광대역 공급원(예를 들어, 초발광 다이오드, 다른 레이저 및/또는 다른 확장 방법)이 확장된 Ti:AlO3 레이저 공급원을 대체할 수 있다.
이러한 실시예에서, 수정 레이저(ML)(320)가 시준기(351)를 통과하고, 촬영 빔은 샘플 아암 시준기(353)를 통과하며, 그 후에 수정 레이저 빔 및 촬영 빔은, 공통 포커스 대물렌즈(314)에 의해서 포커스되기 전에, 광학적 구성요소(DM)(312)에 의해서 조합된다.
그러한 실시예에서, 렌즈는 무색, 비구면, 및/또는 원뿔형(즉, 액시콘)일 수 있다. 이러한 빔 조합은, 보조 유체(예를 들어, 압축 가스, 물 스프레이)를 수정 프로세스에 인가하기 위해서 이용될 수 있는 선택적인 노즐(316)을 통해서 포커스될 수 있다. 노즐 스프레이는 또한 광학적 빔과 독립적일 수 있고; 즉, 2개가 상이한 지점들로부터 샘플에 전달된다. Michelson 간섭계는, 50:50 분할기(322)(그러나, 다른 실시예에서 다른 분할비가 이용될 수 있다), 기준 아암 시준기(355) 및 기준 거울(326)을 포함한다. 또한 편광 제어기(324, 325, 330)가 도시되어 있다. 이러한 실시예에서 스펙트럼 검출은 섬유-커플링된 반사 그레이팅 분광계(318)를 포함한다. 일부 실시예에서, 렌즈(ASL)(321) 전방의 부가적인 거울은, 빔이 Littrow 구성에 가능한 한 근접하면서 반사 그레이팅(318)에 접근하고 그로부터 떠날 수 있게 하여, 회절 효율을 개선한다. 일부 실시예에서, 투과 그레이팅 및/또는 다수-그레이팅, 및/또는 Fabry-Perot 분광계가 이용될 수 있다. 규소 라인 카메라(330)는, 화상 프로세싱 전자기기(332)에 전달되는 간섭도를 생산하고, 그 출력은 피드백 제어기(334)에 전달된다. 피드백 제어기(334)는, 수정 레이저(320) 또는 수정 프로세스의 다른 양태를 제어하기 위해서 피드백(336)을 생산한다.
수정 및 촬영 광의 적절한 정렬 및 빔 성형은, 촬영 데이터 및 피드백 제어의 품질 및 유용성에 유리할 수 있다. 일부 실시예에서, 드릴링되는 홀과 같은 고종횡비 피쳐로 화상 다운(image down)하는 것이 바람직할 수 있다. 그러한 경우에, (일부 실시예에서, 촬영 및 수정 광을 위한 이색성 거울 빔 조합기를 이용하는) 정렬 방법이, 2개의 빔이 실질적으로 동일한 지점에서 조합기의 반사 표면 상에서 만나는 것을 제공한다. 그러한 실시예에서, 2개의 빔(하나 이상의 거울)의 적절한 빔 제어가 유리하다. 2개의 빔이 조합 광학기기의 동일 지점으로부터 방출되는 경우에, 이들은 이어서 적절한 무색성(또는 다른 설계의) 렌즈를 통해서 포커스될 수 있다. 일부 실시예에서, 렌즈의 포커스 평에 위치된 어레이 검출기 또는 (일부 실시예에서, 수정 레이저 자체로 만들어지는) 핀홀의 이용은, 양 빔이 실질적으로 동일한 스폿에서 포커스되도록, 조합 광학기기의 조정을 도울 수 있다. 이는, 일부 실시예에서, 포커스 부피의 중심을 촬영 시계 내의 희망 위치에 배치하기 위해서, 간섭계의 기준 아암 길이를 합치시키기 위해 이용될 수 있다. 이러한 위치는 수정 적용예를 기초로 즉각적으로 선택될 수 있고 수정 프로세스 전체를 통해서 부가적으로 조정될 수 있다. 다른 실시예에서, 공통 포커스 렌즈가 사용되지 않는 경우에, 모든 빔을 조합 광학기기 상에서 일치시키기 위해서 중앙 광선을 가지는 것이 유리할 수 있다. 또한, 선택의 깊이를 더 효과적으로 촬영/수정하기 위해서, 촬영 빔 및 수정 빔의 포커스 위치를 서로 독립적으로 이동시키는 것이 바람직할 수 있다. 일부 실시예에서, 이는, 공통 포커스 렌즈에 도달하기 전에, 촬영 빔 또는 수정 빔의 발산을 조정함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 촬영 빔의 발산은, 샘플 아암 시준기 렌즈와 섬유 선단부 사이의 거리를 감소시키는 것에 의해서, 증가될 수 있다.
촬영 빔 및 수정 빔의 포커스 스폿 크기가 촬영 결과의 품질에 영향을 미칠 수 있다. 형태 종횡비 및 촬영 빔 개구수(numerical aperture)를 주의 깊게 고려하여야 한다. 횡방향으로 촬영 빔이 홀보다 상당히 더 작은 실시예에서, 결과적인 촬영 데이터가 홀의 하단부 및 그 아래의 인터페이스의 선명한 사인(signature)을 제공할 수 있다. 그러나, 그러한 실시예에서, 큰 개구수 빔에 존재하는 짧은 Raleigh 범위에 의해서, 실제 촬영 범위가 제한될 수 있다. 일부 실시예에서, 개구수는, 홀의 측벽으로부터 방출되는 신호를 거부하기 위해서 이용된다. 그러한 실시예에서, 홀/절개부 주변의 일부가 (준) 투명 샘플 내에서 조명되고 촬영 시스템에 의해서 캡쳐되는 경우에, 상응 신호가 촬영 데이터를 복잡하게 할 수 있고 자동 알고리즘이 피드백을 위해서 데이터를 이용하는 것을 더 어렵게 할 수 있다. 그러나, 샘플이 불투명한 실시예에서, 측벽을 약간 조명하는 것이 유리할 수 있는데, 이는 그러한 신호가 컷팅 폭, 리캐스트(recast) 침착 및 벌크 재료의 깊이에 관한 정보를 제공할 수 있기 때문이다.
일부 실시예에서, 광학적 구성요소들이 샘플 및 기준 아암 내에서 합치되어(일부 실시예에서 그룹 지연 및 더 큰 차수의 분산 항) 2개의 아암 사이의 임의의 분산 불합치를 감소시킨다. 이는 축방향 촬영 해상도를 개선할 수 있다. 샘플 내에 존재하는 재료에 의해서 유발되는 부가적인 분산을 합치시키기 위해서, 기준 아암 내의 이러한 분산 부상을 변경하는 것이 또한 유리할 수 있다.
분산 불합치는, Hofer 등에 의해서 설명된 것과 같은 분산-인코딩된 전체 범위 기술을 이용하여 시스템의 유효 촬영 범위를 증가시키도록 수정된, 간섭계 및 화상 프로세싱 알고리즘에 의도적으로 부가될 수 있다. (여기에서 전체가 참조로 포함된 Optics Express 18:4898-919 (2010)).
샘플 내로 촬영할 때, 수정 레이저에 의해서 생성될 수 있는 탄화의 정도가 고려될 수 있다. 많은 양의 탄화를 유발하는 레이저가 촬영 깊이(그리고 천공에 대한 선행 통지 등)를 감소시킬 수 있다. 탄화가 감소된 레이저(초단 펄스, 3000 nm, 9600 nm 등의 중심 파장)를 선택하는 것이 유리할 수 있다.
방법 및 알고리즘을 이용하여 미가공 데이터를 프로세스할 수 있고 및/또는 피드백 매개변수를 제공할 수 있고, 배경 스펙트럼 차감, 분광계 화소, 파장 및/또는 주파수 공간 사이의 리샘플링/내삽, 노이즈 플로어 균등화(noise floor equalization), 고속 푸리에 변환, Kasai 자동상호관련/도플러 이동, 및/또는 상 및/또는 간섭 프린지의 분리를 기초로 하는 다른 계산의 단계를 포함할 수 있다. 그러한 방법은 프로세서 또는 프로세서들에서 작동되는 하드웨어 및/또는 소프트웨어로 구현될 수 있다. 일부 실시예에서, 스페클 패턴 및/또는 그 변화의 분석을 이용하여, 조직 차별화, 시간적 가열 동역학 및/또는 샘플의 다른 특성을 나타낸다. 그러한 분석은, 예를 들어, 스페클 및 그 진폭의 공간적 또는 시간적 변동을 계산함으로써 실시될 수 있다. 그러한 방법 및 알고리즘은, 일부 실시예에서, 발생된, 발생되고 있는, 및/또는 발생될 열적 손상의 깊이를 평가하기 위해서 이용된다. 많은 이전의 단계를 제거하는 신호 추출 방법이 또한 가능하다. 일 실시예에서, 하나 또는 복수의 시뮬레이트된 광학적 경로 길이 차이, 분광계 내의 비선형성/비이상성, 파장 대 파동수/주파수 변환, 간섭계 내의 단일 또는 다수-차수 분산 불합치, 도플러 이동, 비-이상적인 스펙트럼 형상 및 촬영 데이터에 대한 다른 조정을 기초로, 호모다인 또는 헤테로다인 파형의 세트가 미리 계산될 수 있다. 그러한 호모다인/헤테로다인 파형의 세트에 하드웨어 또는 소프트웨어에 의해서 수집된 데이터를 곱하여, 촬영 공간 내의 복셀의 하나 이상에서 촬영 정보를 결정할 수 있다. 이러한 결과는, 획득된 데이터 내에 존재하는 상이한 간섭 프린지 주파수들의 직교성 및/또는 준-직교성으로 인해서 획득될 수 있다. 이러한 접근 방식의 상세한 예가 이하에서 설명된다. 일부 실시예에서, 방법 및 알고리즘은, 예를 들어, 고속 푸리에 변환을 이용하는 다른 방법에 비해서, 연산 절감을 제공할 수 있다. 이는, 신속한 응답이 프로세스로부터의 개선된 결과를 일반적으로 제공하는 실시간 피드백 적용예에서 바람직할 수 있다. 프로세싱은, 일부 실시예에서, 전체 스펙트럼 데이터 세트를 이용할 수 있거나, 다른 실시예에서, 데이터 세트의 하위섹션을 이용할 수 있다. 데이터 세트의 하위섹션을 이용하는 실시예에서, 이는 프로세싱 시간을 단축할 수 있고, 더 낮은 축방향 해상도를 제공할 수 있으며, 이는 다양한 피드백 목적을 위해서 유용할 수 있다. 호모다인/헤테로다인 필터링은 또한, (내삽, 디지털 분산 보상, 스펙트럼 성형 등을 포함하는) 많은 수의 사후 프로세싱 및/또는 실시간 계산이 시스템의 연산 효율을 떨어뜨릴 수 있는, 광학적 가간섭성 단층촬영의 푸리에 도메인 변형에서 일반적인 화상 프로세싱에서 적용될 수 있다. 비록 이러한 경우로 제한되지 않지만, 그러한 실시예는, 촬영이 필드의 전체 깊이의 하위섹션을 목표로 하는 상황에서 유용할 수 있다.
일부 실시예에서, 인터페이스가 화상 내에서 특정 깊이(들)에 있을 때 실제 간섭도를 측정함으로써 호모다인 파형(들)을 획득하는 것이 유리하다. 복합 호모다인 파형(들)은, Hilbert 변환 및 다른 방법을 이용할 수 있는, 광학적으로 상 이동 광학기기로 및/또는 디지털 프로세싱을 통해서, 인터페이스를 이동시킴으로써 광기계식으로 인터페이스를 이동시키는 것에 의해서 얻어질 수 있다. 이어서, 이러한 파형을 더 최적화하기 위해서, (노이즈 제거, 평균화, 엔벨로프 성형을 포함할 수 있는) 부가적인 성형 단계가 적용될 수 있다. 일부 실시예에서, 피드백 용도를 위해서 더 최적화되도록 알고리즘의 효과적인 점 확산 기능을 변경하기 위한, 디지털, (비제한적으로, 기계적 차단, 편광화 조정, 중성 밀도 필터링, 간섭 필터링, Fabry-Perot 요소를 포함하는) 광학적 또는 다른 방법을 통해서, 스펙트럼 프로파일이 성형된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 비-가우스 스펙트럼 프로파일이 호모/헤테로다인 파형에 디지털적으로 적용되어, 점 확산 기능에서 부가적인 로브(lobe)를 생성할 수 있다. 이러한 로브를 엔지니어링하여, 피드백 알고리즘 정착을 위한 "조기 경고" 신호 또는 구조화된 국소적/전반적 최소치 및 최대치를 제공할 수 있다.
샘플이 투명하거나 반투명한 재료인 실시예에서, 재료가 수정 레이저에 의해서 제거됨에 따라, 샘플 벌크가 원래 점유하였던 공간은 공기로 충진될 수 있다. 샘플이 공기보다 큰 광학적 굴절률을 갖는 실시예에서, 재료가 제거됨에 따라, 임의의 하위표면 반사부까지의 광학적 경로 길이가 감소될 수 있다. 이는, 일반적으로 재료의 선형 제거율 및 광학적 지수와 관련되는 비율로, 반사부의 겉보기 깊이를 (일부 실시예에서, 0의 광학적 경로 길이 차이 지점에 더 근접하게 그리고, 다른 실시예에, 그로부터 더 멀리) 변화시키는 효과를 갖는다. M-모드 화상(후속 예에서 도시되는 "이동-모드")을 이용하는 실시예에서, 재료의 제거가 계속될 때, 피상적 인터페이스 및 하위표면 인터페이스는, 천공 지점에서 결국 만날 때까지, 서로를 향하는 경향이 있다. 2개의 인터페이스의 분리를 감지하는 것 및 피드백 방법 또는 알고리즘에 대한 입력으로서 그러한 분리를 이용하는 것을 이용하여, 보전하고자하는/모니터링하고자 하는 수술 마진을 나타낼 수 있다. 푸리에 도메인에서, 이러한 2개의 인터페이스는, 서로 접근하는 2개의 분리된 주파수들로서 보일 수 있다. 2개의 신호들 사이의 주파수 차이의 변화를 감지하는 방법 및 알고리즘을 구현하는 장치 및 시스템이 그러한 정보를, 컷팅을 제어할 수 있는 프로세스 제어기 및/또는 사용자에게 통신할 수 있다.
동일 기술이, 다수의 인터페이스가 샘플의 특정 피쳐를 나타내는 임의의 재료 프로세싱 시스템에 적용될 수 있고, 부분적으로 그러한 피쳐에 대한 깊이 측정을 기초로 재료 프로세싱을 제어하는 것이 바람직하다.
상대적인 기울기를 측정하는 것은, 제거되는 재료의 유효 광학적 굴절률을 측정할 수 있다. 이는, 피드백하기 위한 유용한 정보일 수 있는 재료의 조성의 지표일 수 있다. 일부 실시예에서, 상대적인 기울기의 변화를 추적하는 것에 의해서, 수정 레이저가 재료를 천공하였을 때 그리고 다음의 것을 시작한 때를 검출할 수 있다.
이러한 동일 원리가 또한, 홀을 충진하는 재료가 물 및/또는 공기 이외의 재료인 상황에도 적용될 수 있다.
일부 실시예에서, 서큘레이터가 공급원과 섬유 분할기 사이에서 간섭계에 부가된다. 일부 실시예에서, (분광계에 더하여 또는 그 대신) 밸런스형 광검출기를 이용하여, 인터페이스가 간섭계의 0의 광학적 경로 길이 차이 지점에 도달할 때 생성되는 간섭 프린지를 검출한다. 그러한 실시예에서, 밸런스형 광검출기는, 검출기의 어레이보다 큰 측정률 또는 푸리에 도메인 모드 록킹 레이저(또는 다른 스위핑된 공급원)의 스위핑률(sweep rate)을 가질 수 있고, 피드백 응답을 개선할 수 있다. 이는, 특정 깊이에서 인터페이스의 도달을 검출하기 위한 고속의, 단순하고 저렴한 피드백을 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 이는, 재료가 시스템 광학기기로부터 먼 특정 거리에 존재하는 때를 검출하기 위해서 이용될 수 있다. 포커스된 레이저 빔의 효율이 포커스와 피수정 재료 사이의 거리에 따라 달라질 수 있다는 것이 당업자에게 알려져 있다. 이러한 실시예는 피코초의 정확도로 재료 프로세싱 시스템에 피드백을 제공하기 위해서 이용될 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 피드백을 이용하여, 일부 실시예에서, 수정 레이저의 포커스 구역과 관련될 수 있는 선택된 깊이 구역(SDZ) 내에 재료가 존재할 때에만 수정 에너지의 방출을 허용할 수 있다. SDZ 위치 및 두께가 촬영 광 공급원 스펙트럼 및 기준 아암 길이의 제어를 통해서 튜닝될 수 있다. 이러한 튜닝은 공장 설정될 수 있고 및/또는 조작자에 의해서 동적으로 설정될 수 있다. 일부 실시예에서, 촬영 빔 및 수정 빔은, 핸드 피스 및 핸드피스의 원위 단부로부터 약간 먼 거리에서 수정 빔의 포커스와 공통-배치되도록 구성된 SDZ에 커플링될 수 있다. 이러한 방식으로, 핸드피스는 통상적인 수술용 메스와 광학적으로 유사하게 작용한다. SDZ는 수술용 메스 블레이드의 선단부의 연부와 유사할 수 있고, SDZ에 위치되는 재료를 절개하기 위해서 이용될 수 있다.
이는, 비제한적으로, 수술의사에게 익숙한 촉각적 인터페이스를 제공하는 것, 총 레이저 에너지 이용의 감소, 재료 및/또는 환자에 대한 총 레이저 노출의 감소를 포함하는, 많은 장점을 가질 수 있다. 재료의 레이저 수정의 몇몇 종류가, 레이저 에너지를 산란 및/또는 흡수하는 플라즈마를 재료 위에 생성할 수 있다는 것이 당업자에게 알려져 있다. 그러한 플라즈마가 존재하는 동안, 추가적으로 인가되는 에너지는 희망하는 수정 효과를 가지지 못할 수 있고, 큰 열 영향 영역에 기여할 수 있다. 일부 실시예에서, 플라즈마는 촬영 광을 차단할 수 있고, 그에 따라, 플라즈마가 사라질 때까지, 재료로부터의 반사가 피드백 시스템을 트리거링하는 것을 방지할 수 있다. 이는, 샘플 부근의 플라즈마 조건이 바람직하지 않다는 것을 제외하면, 수정 인가 에너지가 인가되는 것을 제한하는 장점을 제공한다.
일부 실시예에서, 광전자 피드백 조건이 만족될 때 수정 에너지를 방출하기 위해서 조작자가 그의 승낙을 나타낼 수 있도록, 피드백 제어가 조작자 스위치(예를 들어, 발 페달)와 함께 이용될 수 있다.
일부 실시예에서, 피드백 제어는, 광학적 펄스 피커(picker), 디지털 시드 펄스 제어, 펌프 변조, 셔터, 전자-광학 변조기, Pockles 셀 및/또는 음향-광학 변조기에 의해서 수정 에너지 공급원에서 실시될 수 있다.
광학적 서큘레이터(350) 및 밸런스형 광검출기(352)를 도시한 도 6에 구체적인 예가 도시되어 있다. 밸런스형 광검출기(352)의 출력은, 수정 빔 공급원을 제어하는 피드백 제어기(354)에 전달된다.
2개 채널 버전이 도 7에 도시되어 있다. 하나의 채널의 샘플 아암까지의 경로 길이는 기준 아암의 경로 길이와 대략적으로 동일하나, 인터페이스 신호의 크로스 토크를 방지하기 위해서 채널(2)(그리고, 존재하는 경우, 추가적인 채널) 내의 그 대응부(counterpart)와 매우 상이하다.
도 6 및 도 7의 실시예는 재료가 특정 깊이에 존재하는 때를 검출하기 위해서 이용될 수 있는 시스템의 예를 도시한다. (10a). 샘플로부터 방출되고 시스템 광학기기에 의해서 캡쳐되는 촬영 광의 반사는, 기준 길이 및 샘플 광학적 경로 길이가 합치될 때 (밸런스형) 광 검출기에서 간섭 신호를 생성할 것이다.
측정되는 샘플에 의해서 유도되는 광학적 분산은 가간섭적 화상의 축방향 해상도에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 일부 실시예에서, 샘플은, 광이 샘플 내에서 전파되는 깊이에 따라 달라질 수 있는 간섭 패턴 상의 파장 의존적 상 이동(wavelength dependent phase shift)을 유도할 수 있다. 예를 들어, 전술한 바와 같은, 호모다인/헤테로다인 알고리즘을 이용하여 이러한 영향을 보상할 수 있다. 샘플 내의 재료의 분산 계수는, 일부 실시예에서, 미리 계산될 수 있거나, 다른 실시예에서 반복적으로 결정될 수 있다. 샘플에 의해서 유도된 상 이동이 샘플 내로의 침투 증가에 따라 선형적으로 증가된다는 것을 가정하여 시작할 수 있다. 이러한 방식으로, 검출기 상의 각각의 컬러(즉, 화소 측정)는 어떠한 컬러인지 그리고 신호가 복귀되기 시작하는 샘플 내의 깊이에 의해서 표시되는 특정 상 이동을 가질 수 있다. 각각의 헤테로/호모다인 파형과 연관된 깊이 및 각각의 화소에 의해서 측정된 컬러 모두를 미리 알 수 있다면, 이러한 왜곡은 미리 추정 및 계산될 수 있고, 검출기(들)에 의해서 측정되는 신호에 대해서 곱해지는 헤테로다인/호모다인 파형에 통합될 수 있다. 대안적으로, 시스템을 통해서 전파되는 광학적 신호의 측정은 또한 보상을 위해서 사용되는 분산 불합치 정보를 제공할 수 있다. 헤테로/호모다인 파형 참조 표가 촬영 기간 전에 준비될 수 있다. 그러한 실시예에서, 분산 보정이 0의 부가적인 실시간 연산 부하로 적용될 수 있다.
간섭도 상호관련 문턱값 적용 장치
이제, 적용예의 실시예에 의해서 제공된 간섭도 상호관련 문턱값 적용 장치가 도시된 도 8을 참조한다. 간섭측정 출력(48)을 생산하는 간섭계(46)가 도시되어 있다. 간섭측정 출력(48)을 수신하고 측정 간섭도(52)를 생성하는 신호 검출기(50)가 있다. 간섭도 프로세서(54)는 측정 간섭도를 수신한다. 미리-계산된 합성 간섭도가 저장되는 메모리(56)가 제공된다. 간섭도 프로세서(54)는 측정 간섭도를 미리-계산된 합성 간섭도와 함께 프로세스하여 상호관련 결과(58)를 생산한다. 상호관련 결과가 문턱값을 만족시키는 때를 결정하도록 문턱기(60)가 구성된다.
측정 간섭도와의 상호관련을 위해서 즉시 이용될 수 있도록, 목표 결과를 위한 미리-계산된 합성 간섭도가 미리 계산된다. 이는 계산만으로 결정된다는 의미로 합성되며; 광학적 신호는 이러한 생성에 관련되지 않는다. 다양한 보상을 실시하기 위해서 이러한 간섭도가 어떻게 미리 조정될 수 있는지에 관한 상세 내용을 전술하였다.
일부 실시예에서, 복수의 목표 결과의 각각을 위한 각각의 미리-계산된 합성 간섭도가 있다. 간섭도 프로세서(54)는 측정 간섭도를 미리-계산된 합성 간섭도의 각각과 함께 프로세스하여 각각의 상호관련 결과를 생산한다. 문턱기(60)는, 각각의 상호관련 결과가 각각의 문턱값을 만족시키는 때를 결정한다.
일부 실시예에서, 미리-계산된 합성 간섭도는, 목표 결과가 샘플 위치에서 재료 수정 빔에 의해서 달성될 때 예상되는 것의 추정치인 간섭도이고, 측정 간섭도는 샘플 위치에 대한 것이다. 간섭도 프로세서는, 파장별 기반으로 측정 간섭도와 미리-계산된 간섭도를 곱하고 이어서 합계하는 것에 의해서 상호관련 결과를 생산한다.
일부 실시예에서, 미리-계산된 합성 간섭도 및 측정 간섭도 중 적어도 하나가 이하 중 적어도 하나를 보상하도록 성형된다:
분광계 정렬;
분광계 그레이팅 각도 비선형성;
분광계 내의 촬영 광학기기로부터의 촬영 왜곡;
파장 대 파동 수/주파수 재-샘플링;
검출기 활성 지역의 유한한 크기;
스펙트럼 엔벨로프 형상;
분산 불합치; 및
화상 품질을 저하시키는 간섭도 내에 포함된 다른-비이상성;
일부 실시예는, 미리-계산된 합성 간섭도를 계산하는 간섭도 합성기를 특징으로 한다.
일부 실시예에서, 목표 결과는 재료 수정 빔이 도달한 특정 깊이이다.
일부 실시예에서, 장치는, 상호관련 결과가 문턱값을 만족시킬 때 재료 수정 빔을 턴 오프하도록 재료 수정 공급원을 제어하는 피드백 제어기를 갖는다.
일부 실시예에서, 장치는, 상호관련 결과가 문턱값을 만족시킬 때 재료 수정 빔을 턴 온하도록 재료 수정 공급원을 제어하는 피드백 제어기를 갖는다.
일부 실시예에서, 장치는 미리 계산된 합성 간섭도를 합성하는 간섭도 합성기를 갖는다.
인라인 가간섭적 촬영으로 경질 조직을 레이저 컷팅하는 것의 자동 안내
일부 실시예에서, 전술한 시스템 및 방법 중 하나 이상, 그리고 컴퓨터 저장 매체에 저장된 관련 소프트웨어는 레이저 조사(laser irradiation)에 의해서 경질 조직을 제거하는 것을 자동적 및/또는 수동적으로 안내하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 촬영 기술의 기본은 스펙트럼 도메인 광학적 가간섭성 단층촬영이나, 다른 실시예에서, 다른 변형예(스위핑된 공급원 OCT, 광학적 주파수 도메인 촬영, 시간 도메인 OCT 등)가 이용된다. SDOCT에서 생성된 이동 아티팩트(artifact)가 바람직하고, SDOCT는 일반적으로 집중적인 가공 광의 수용 가능한 거부(acceptable rejection)를 갖는다는 것을 주목하여야 한다.
일부 실시예에서, 가간섭적 촬영을 이용하여, 레이저로 가공되는 샘플로부터 깊이 및 반사도 정보를 신속히 측정한다. 촬영 빔은 종종 에젝타(ejecta), 플라즈마, 집중 촬영 광을 통해서 그리고 수정 구역을 넘어서 볼 수 있다. 이는 하위표면 기하형태의 식별 및 추적을 허용하며, 이는 이어서, 일부 실시예에서, 조직의 얇은 층을 남기기 위한 기준으로서 이용된다.
촬영 및 가공 광의 조합이, 예를 들어, 이색성 거울로, 달성되나, 당업자에게 알려진 편광화 및 다른 기술로 달성될 수도 있다. 사실상 임의의 수정 레이저(250-10600 nm 스펙트럼, CW, μs, ns, ps, fs 지속시간)가 이러한 방식으로 이용될 수 있다. 이는, 가공 레이저를 기존 기반시설/FDA 승인의 적용예 또는 용도에 맞춰 구성할 수 있게 한다.
가공 플랫폼에 통합될 때 촬영 시스템의 다른 유용한 적용예는, 자동 포커스, 영구적 치유 기록 및 (스캐닝 광학기기의 부가와 함께) 전처리 계획 및 후처리 확인이다.
일부 실시예는, 내삽, 디지털 분산 보상, 고속 푸리에 변환 등을 필요로 하는 더 복합한 동작 대신, 헤테로/호모다이닝을 위해서 참조 표를 이용하는 합리적인 화상 프로세싱 알고리즘을 이용한다.
다른 실시예는, 스캐닝 거울, 더 복잡한 가공 공급원, 가스 보조 컷팅, 더 고성능의 분광계 설계 등 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
SDOCT를 갖는 레이저 가공 프로세스의 동축적 촬영은, 산업적 재료 내의, 에칭률 및 형태 완화와 같은, 프로세스 개발을 위한 중요 매개변수를 측정하기 위한 유용한 정보를 제공한다. 뼈와 같은 조직의 컷팅에서, SDOCT는 유사한 장점을 갖는다. 예시하자면, 단일 모드 광섬유 내에서 확장된 100 fs 모드 록킹 Ti:AlO3 발진기 @ 805 nm(Coherent Mira 900)을 기초로 하는 SDOCT 시스템이 이용되었다. 고속 CMOS 분광계 및 섬유 기반 Michelson 간섭계로, 촬영 시스템은, 312 kHz의 최대 라인률(line rate)에서 1.5 μs (측정) 통합 시간으로 150 ㎛ 에서 측정된, 5 ㎛ 미만의 축방향 해상도(공기 중) 및 100 dB 초과의 감도를 제공한다. 배경 스펙트럼 차감, 가우스 스펙트럼 성형, 큐빅 스플라인 내삽(cubic spline interpolation), FFT 및 노이즈 플로어 균등화를 이용하여, 화상은 PC의 4개의 코어 상의 LabVIEW에서 프로세스하였다. (이러한 설명에서 언급된) 다른 프로세싱 기술 및 방법이 또한 적용되었다.
이러한 실험에서의 가공을 위해서, 1070 nm에서 23 W의 샘플에서의 평균 파워 및 30 내지 80 kHz의 반복률을 갖는 100 내지 200 ns(FWHM) 펄스형 섬유 레이저를 이용하였다(IPG YLP-100-30-30-HC). 가공 및 촬영 빔은 이색성 거울을 통해서 정렬되었고 단일 50 mm 무색성 렌즈를 통해서 함께 포커스되었다. 각각 500 및 340 ㎛의 포커스 깊이에서 양 촬영 및 가공 포커스 직경이 약 20 ㎛ (1/e2)가 되도록, 섬유 시준기가 선택되었다. 동일한 촬영 및 가공 스폿 크기들을 가지는 것은 측벽 신호(후술됨)를 감소시켰고 화양을 단순화하였다. 촬영 및 가공 광은, 냉각, 광학기기의 보호 및 연소의 억제를 제공하기 위해서 2 바아에서 N2 가스를 전달하는(다른 경우에, 다른 가스 및 블렌드가 또한 전달되었다) 500 ㎛ 직경의 가스 노즐 오리피스(노즐 대 샘플 표면 분리 1 mm)를 통해서 동축적으로 전달되었다.
소 늑골뼈의 세척 및 건조된 횡방향 섹션이 두껍고, 콤팩트한 뼈의 편리한 샘플로서 절단되었다. 홀이 골수 축에 횡방향인 방향으로 샘플 내로 충격 드릴링될 때, 촬영 시스템 및 가공 펄스 트레인(train)이 비동기식으로 트리거링되었다. M-모드 화상("이동-모드" - 깊이 및 시간의 함수로서의 반사도)은 재료 수정이 거의 없는 것으로부터 재료 수정이 없는 것까지의 초기 기간을 특징으로 하였고, 샘플 내의 급격한 변화 및 ~10 mm/s에서의 컷팅의 급격한 시작이 후속되었다. 이러한 거동이 이러한 특정 수정 공급원에 일반적이지만, 다른 공급원을 이용하는 경우에 상당히 다르게 나타났다. 도 9에서, M-스캔의 예시적인 섹션은 143,000 가공 펄스 이후의 이러한 급격한 시작 및 그 후의 홀의 대략적으로 선형인 진행을 보여준다.
컷팅을 개시하는데 필요한 가공 펄스의 수는 동일 뼈 샘플에서 102로부터 106까지 변경되었다. 이는, 조직 샘플 내의 큰 정도의 불균질성에 기인한다. 이러한 거동이 이러한 특정 수정 공급원에 일반적이지만, 다른 공급원을 이용하는 경우에 상당히 다르게 나타났다. (혈관의 존재 등으로부터의) 뼈 내의 흡수 및 열적 저항의 작은 변동이 열적 "핵생성" 장소를 생성할 수 있고, 그러한 곳에서 초기에 잔류 수분 또는 탄화의 느린 변화가 광학적 흡수 및 컷팅의 급격한 증가를 초래한다. 시작에서의 가변성은 조직 내에서 짧은 흡수 깊이를 갖는 중심 파장을 생성하는 절제 광 공급원에서 감소될 것이다. 어떠한 경우에도, 가공 광에 노출된 샘플의 지역의 현장 모니터링은 절제의 시작의 직접적인 판독을 제공하였다.
일단 컷팅이 개시되면, 재료 제거는 펄스 수와 대략적으로 선형적이었다. 몇몇 하위표면 인터페이스가 발생되고 일차 가공 전방부와 만나는 것으로 보였다. OCT는 광학적 경로 길이를 측정하고 그에 따라 매체의 굴절률에 의해서 영향을 받는다. 인터페이스 위의 재료 제거는 정지적 하위표면 피쳐에 대한 광학적 경로 길이를 감소시킨다. 기울기의 비율(이하의 식, 하위표면 피쳐의 l-겉보기 깊이, x-홀 깊이)은 제거되는 재료의 효과 지수(n)의 직접적인 측정을 제공하였다. 여기에서 n은, 유사 조직에 대한 과거의 1.530의 기록과 대략적으로 일치되는 1.5인 것으로 확인되었다. 이러한 피쳐는 이하에서 설명되는 바와 같이 안내되는 컷팅을 위한 유용한 정보를 제공할 수 있다.
Figure pct00002
절제의 시작에 관한 확률론적 성질로 인해서, 통상적인 외부적 방법을 이용하여 펄스 당 또는 플루엔스(fluence) 당 컷팅률을 측정하는 것은 매우 어려울 것이다. 그럼에도 불구하고, 이러한 매개변수는 수술 장비 및 과정을 엔지니어링하기 위한 중요한 정보이다. 인라인 가간섭적 촬영에서, 이러한 측정은 직설적이고 정보는 프로세스 직후에(그리고 사실상 그 도중에) 이용 가능하며, 그에 따라 샘플의 추가적인 수정을 필요로 하지 않는다. 예시로서, 23개의 홀이, 평균 파워를 일정하게 유지하면서(23 W) 4개의 상이한 반복률로 늑골뼈 내로 드릴링되었다. 도 10a 및 도 10b는 ns-지속시간 섬유 레이저(일정 평균 파워 23 W)로부터의 노출로 인한 소 늑골뼈 내의 재료 에칭률 및 제거 효율을 도시한다. 오류 바아는 결과의 표준 편차를 나타낸다. M-모드 데이터의 단순한 검사는 결과적인 컷팅률을 제공한다(95% 표준 편차 신뢰 구간을 나타내는 오류 바아를 갖는 도 10a 및 도 10b). 비록 절제가 열적 프로세스를 통해서 달성되지만, 재료 제거는 단순하게 평균 파워에 의존하지 않는다. 예를 들어, 도 10a에서, 펄스 에너지가 거의 3배일 때, 에칭률은 단지 ~50%만큼 증가된다. 이러한 결과를 보여주는 다른 방식은 단위 입사 광 별 재료 제거 효율을 고려하는 것이다. 종종, 컷팅 속력을 희생하지 않고 광 노출을 감소시키는 것이 바람직하다. 증가된 재료 제거 효율은 절제 레이저 공급원의 반복률을 증가시킴으로써 관찰된다(도 10b). 단순하게 설명하면, 에너지가 절반이나 반복률이 2배인 펄스가, 에너지가 2배이나 반복률이 절반인 펄스보다, 절제에 더 효과적이다. 이는, 플라즈마 발생/에젝타로부터의 차폐와 같은 펄스간 효과가 재료 제거를 감소시킨다는 것 그리고 반복률을 더 증가시키는 것으로부터 더 높은 효율이 얻어질 수 있다는 것을 제시한다.
컷팅 안내에서의 기술의 다기능성을 예시하기 위해서, 섬유-커플링된 초발광 다이오드 쌍(1320 ± 35 nm) 및 InGaAs 광다이오드 어레이를 갖는 반사 그레이팅 분광계를 기초로 하는 휴대용 ICI 시스템을 이용하였다. 이러한 스펙트럼 대역의 이용은, 속력 및 검출기 비용의 희생으로, 뼈 내의 더 깊은 촬영을 허용한다. 미세가공 플랫폼 내로 일단 통합되면, 시스템은 공기 내에서 14 ㎛ 축방향 해상도, 30 ㎛ 횡방향 스폿 크기(1/e2)를 갖는다. 큰 촬영 빔 폭을 이용하여, 이하에서 설명되는 바와 같이, 주위 조직뿐만 아니라 절개부의 하단 모두로부터 형태 정보를 수집한다. 이러한 시스템은, 10 μs 통합 시간 및 샘플 상에서의 7 mW 입사에서, 300 ㎛에서 측정된 98 dB 감도를 가졌다. 축방향 라인률은 47 kHz에서 제한된 검출기이다. 이러한 구현예에서, 화상은, 배경 스펙트럼 차감, 선형 내삽, FFT 및 노이즈 플로어 균등화를 이용하여, PC의 4개 코어에서 LabVIEW로 프로세스되었다.
사용된 가공 공급원은, 300 ns FWHM (측정된) 지속시간, 47 kHz의 반복률에서 샘플로의 230 μJ 펄스 입사를 방출하기 위한 TTL 명령을 통해서 펄스화되는 23 ㎛ (1/e2)로 포커스된 1070 nm에서의 100 W (최대 평균 파워) 섬유 레이저(IPG YLR-100-SM)이다. 비록 펄스 FWHM이 300 ns인 것으로 측정되지만, 형상은 약 3 μs의 총 지속시간에서 매우 비대칭적이다. 더 단순한 펄스 형상에 상응하는 더 긴 지속시간의 펄스가 또한 연구되었으나, 저하된 컷팅 품질 및 감소된 재현성을 초래하였다.
촬영 및 컷팅 빔 모두는 이색성 거울을 통해서 동축적으로 정렬되었고 단일 50 mm 무색성 렌즈를 통해서 함께 포커스되었다. 레이저 노출과 촬영 사이에서 최대 지연을 제공하기 위해서 비동기식으로 레이저 노출을 트리거링하도록, 촬영이 전자적으로 제어되었다. 비록 조직이 펄스들 사이에서 평형으로 완화되지 않았지만, 지연은, 신속 변화 인터페이스로부터의 프린지 손실을 최소화함으로써, 촬영 콘트라스트를 개선한다.
테스트된 샘플은 소의 요추의 극돌기로부터 추출된 피질골이었다. 이러한 개념 증명에 적합한 뼈의 얇은 섹션을 생성하기 위해서, 1 mm 직경의 수냉형 드릴 비트를 이용하여, ~ 1mm 공기 간극 위에 안착된 뼈의 약 600 um를 남기고 샘플의 작은 섹션을 비웠다(hollow out). 뼈/공기 인터페이스는 가공을 위한 이상적인 목표 인터페이스를 제공하였다.
레이저 노출 중의 뼈의 M-모드 촬영은 가공 펄스의 함수로서 가공 전방부의 전진을 보여준다. 도 11은, 공기 간극 내로의 천공을 달성하기 위해서(좌측) 그리고 천공 전에 절개를 정지하기 위해서(우측) 레이저 노출이 제어되는 가공을 도시한다. 도 11a는 1000 펄스의 2개의 그룹이 공기 층 내로의 천공을 유발하는 것을 도시하고, 다음 뼈 층(깊이 1.7mm)를 보여준다. 도 11b는, 200 펄스의 7개의 그룹의 인가가 관통 전 150 미크론에서 정지된 컷팅을 초래한다는 것을 도시한다. 드릴링 후의 재료 완화를 보여주기 위해서, 컷팅 후에도 촬영(47 kHz)이 계속되었다. (눈에 대한 안내로서 의도된) 주석: MF-가공 전방부; SI-하위표면 인터페이스; AI-공기 인터페이스; BW-후방 벽; P-천공 지점; LO-가공 레이저 오프; AG-공기 간극; SB-여분의 뼈. 예를 들어, 상단 뼈 층의 불균일성뿐만 아니라 CW 가공에서의 손상의 시작과 관련된 비결정적 성질로 인해서, 재료 제거의 시작은 매우 가변적인 것으로 입증되었고, 예를 들어 도 11a에서 400 펄스를 취하고 도 11b에서는 단지 50을 취하였다. 가공이 일단 시작되면, 이는 천공(도 11a)까지 잘-확립된 비율로 진행되고, 이차 뼈 층이 가시적이 되기 시작한다. 촬영 빔의 일부 방해는 하위표면 구조물의 음영을 유발하나, 뼈/공기 인터페이스로 인한 가장 현저한 불연속성으로, 조직 횡문(tissue striation)이 명확하게 보일 수 있다. 전술한 바와 같이, 가공 전방부 아래의 횡문은 재료 제거 중에 위쪽으로 이동되는 것으로 보인다.
가공 전방부 위로부터의 산란이 모든 화상에서 관찰된다. 이는 홀의 측벽으로부터의 산란으로부터 초래된다. 가공 빔보다 큰 촬영 빔 폭을 이용하여 측벽 수정의 모니터링을 허용하였고, 그에 따라 측방향 스캐닝이 없이 어느 정도의 횡방향 정보를 달성하였다. 측방향 스캐닝은 또한 현장에서(이하 참조), 그러나 감소된 촬영률의 희생으로, 이루어졌다. 레이저 노출이 종료된 후에(도 11a의 펄스 2000, 도 11b의 펄스 1400), 샘플 이완 그리고 측벽 및 하위표면 피쳐가 정적이 된다. 표면 형태의 변화뿐만 아니라 신속 이동 인터페이스의 프린지 상실로 인해서, 가공 중에 산란 광의 변동이 발생된다. 카메라 통합 시간 중에 광의 파장의 절반 초과로 이동되는 SDOCT 인터페이스에서 콘트라스트가 감소될 것임을 주목하여야 한다. 이러한 이동-유도 아티팩트는 바람직하게 시간-도메인 또는 OCT의 스위핑된-공급원 변동에 걸쳐지며, 여기에서 다른 신속 이동 인터페이스가 부정확한 깊이에서 나타날 것이고, 그에 따라 절개를 추적하는 것을 더 어렵게 만든다.
샘플을 병진운동시킴으로써, 프로세싱 이전 및 이후의 드릴링 장소의 B-모드 화상이 얻어졌다. 현장 촬영이 홀 축과 자동적으로 정렬되기 때문에, 고종횡비(20 초과) 홀 내의 깊은 촬영은 직설적이었다. 도 12는 드릴링 이전(좌측) 및 이후(우측)의 뼈의 현장의 B-모드 OCT 화상을 도시한다. 2개의 명확한 홀이 하부 뼈 인터페이스를 보여주는 반면, (도 12의 우측에 상응하는) 중간 홀은 공기 간극 전 150 ㎛에서 정지되도록 드릴링되었다. 여분의 뼈 두께는 중괄호(brace bracket)로 강조되었다. 도 12의 것(좌측)에 상응하는 관통 홀을 통해서 보이는 후방 벽이 BW로 표시되었다. 중간 홀은 공기 간극 위의 여분의 뼈(도 12의 우측의 중괄호)를 명확하게 보여준다. 다른 2개의 홀은 관통 홀이고, 공기 간극 및 하부 뼈 층으로부터의 산란을 보여준다. 열적 컷팅 프로세스에서의 조직 수정에 의해서 유발된 홀의 측벽으로부터의 증가된 산란은 촬영 광의 침투 깊이를 감소시키고, 종종 더 깊은 피쳐를 차단한다. 이는, 수정 장소의 탄화를 유발하지 않거나 거의 유발하지 않는 레이저 수정 프로세스를 선택함으로써 최소화될 수 있다.
이러한 전방 관찰 가간섭적 촬영 능력을 적용하는 것은, 일부 경우에, 이전에 보고되었던 것보다 몇 자리수 더 큰 시간적 해상도로 밀리미터 길이 규모에 걸친 경질 조직 내의 가공의 추적을 초래할 수 있다. 실시간 촬영은, 적은 사전 정보가 이용될 수 있고 가공 에너지에 대한 높은 확률적 응답을 가질 수 있는 조직 내의 정확한 컷팅을 허용한다는 것이 확인되었다. 이러한 개선은, 특히 신경계와 같은 민감한 기관의 근접부에서, 경질 조직 수술 과정에서의 미세 제어를 향한 중요한 진전이다.
스펙트럼 도메인 광학적 가간섭성 단층촬영
본원에서 설명된 실시예는 스펙트럼 도메인 광학적 가간섭성 단층촬영 및 그 변형예를 이용한다. 스펙트럼 도메인 광학적 가간섭성 단층촬영(SDOCT)는 초음파 촬영과 광학적으로 유사한 것으로 설명되었다. 측정은, 고정된 기준 길이에 대한 물체의 광학적 경로 길이(OPL)를 획득하기 위해서 백색, 광섬유 간섭계를 이용한다. 스펙트럼 도메인에서, 샘플 반사의 상대적인 OPL은 간섭계로부터의 출력에서 공간적 간섭 프린지의 간격으로 인코딩된다. 구체적으로, 각각이 zi의 기준 길이로부터 OPL 차이를 갖는, 샘플 아암 내의 p 반사부들의 세트를 고려한다. 결과적인 스펙트럼 간섭도 세기는 대략적으로 다음과 같다:
Figure pct00003
A(k)는 촬영 광 공급원의 스펙트럼 엔벨로프이고, k는 파동수이다. 제1 항은 미리 알려져 있고, 배경 신호로서 차감될 수 있다. 제2 항은 전형적으로 매우 작고 무시될 수 있다. 제3 항에서, 약한 샘플 반사(Ii)는 강한 반사 신호가 곱해진 세기를 가지며, 그 깊이(zi)에 따라 간격(즉, 주파수)이 달라지는 사인파형 간섭 프린지로서 나타난다. 각각의 깊이가 상이한 프린지 주파수에 상응하기 때문에, 신호들은 직교적이고 이동 부분이 없이 독립적으로 모니터링될 수 있다. 그에 따라, 획득 속력 및 신호-대-노이즈는 검출기 및 촬영 광의 세기에 의해서 제한된다. ICI이 가공 빔과 동축적으로 작업할 수 있고, 그에 따라 삼각측량 방법으로 가능하였던 것보다 상당히 더 큰 홀 종횡비에서 깊이 감지를 가능하게 한다.
깊이 정보를 추출하기 위해서, (분광계로 측정된) 스펙트럼 간섭도가 내삽에 의해서 일정 파동수의 유닛에 대해서 재샘플링될 수 있고 FFT를 통해서 I(z)로 변환될 수 있다. (A-스캔 또는 A-라인으로 알려진) 결과적인 함수는 (노이즈 플로어에 대한 로그함수적 유닛으로 도시된) 샘플의 깊이-반사도 프로파일이고, 샘플 내의 각각의 반사 인터페이스는 그 깊이에 중심을 두는 점 확산 함수(PSF)로서 나타난다. 절반 최대에서의 PSF 전체 폭(FWHM)은 일반적으로 시스템의 축방향 해상도로서 지칭되고, 가우스 A(k)에 대해서 다음과 같다:
Figure pct00004
따라서, 광 공급원의 짧은 중심 파장(λ) 및 넓은 스펙트럼(Δλ)이 고해상도 촬영을 위해서 바람직하다. 약 5-10 ㎛의 생물학적 촬영에서의 전형적인 축방향 해상도가, 830 ± 30 nm FWHM(안과) 또는 1310 ± 35 nm FWHM(조직 산란)의 준 가우스 스펙트럼으로 달성된다.
양 및 음의 OPL 사이의 모호함(zi 및 -zi는 동일 간섭도를 생성한다)으로 인해서, 하나의 중요한 촬영 아티팩트가 발생될 수 있다. 스펙트럼 간섭도가 순수하게 실제이기 때문에, 깊이-반사된 프로파일은 0을 중심으로 복잡한 켤레 대칭(conjugate symmetry)을 갖는다. 화상의 절반은 일반적으로 폐기되고, 양의 OPL만을 남긴다. 그러나, 반사 인터페이스가 기준 지점의 음의 측에 위치되는 경우에, 그 사인은 아티팩트로서 화상 내로 다시 랩핑된다(wrap). 따라서, 일부 실시예는 적절한 깊이의 시야(FOV)로 설계되고, 모든 반사 인터페이스가 0의 광학적 경로 길이 차이 지점의 일 측에만 위치되도록 보장하기 위한 주의를 기울인다.
화상을 생성하기 위해서, 많은 스펙트럼 간섭도가 분광계에 의해서 연속적으로 획득될 수 있고, A-라인(깊이의 함수로서의 "축방향-라인"-반사도)으로 프로세스되고, 이어서 반사도 대 깊이 대 A-라인 번호의 3D 데이터세트로서 디스플레이된다. 생물학적 촬영에서, A-라인 번호는, 촬영 빔이 래스터 스캐닝될 때, 횡방향 위치에 상응한다. 이는, B-모드 화상(B = 밝기)으로서 알려진 2의 공간적 차원의 함수로서 반사도의 화상을 생산한다. 대안적으로, 빔이 정적인 경우에, A-라인 번호는 시간에 상응하고, 결과적인 화상은 M-모드 화상(M = 이동)으로 지칭된다. 이러한 유형의 화상은 샘플의 깊이-반사도 프로파일의 급격한 변화를 관찰하는데 유용한다. 예를 들어, 1070 nm 중심 파장, 100 ns 지속시간 섬유 레이저(IPG YLP-1/100/30/30-HC)로 304 스테인리스 강을 충격 드릴링하는 동안 동축적으로 촬영하는 것은 도 13의 M-모드 화상을 제공한다. 가공 전방부(밝은 백색 곡선)는 샘플의 벌크 내로의 하강 ~ 600 ㎛으로 보여진다. 완전한 에칭 깊이 대 펄스 번호 관계가 단일 홀의 드릴링으로부터 획득되었고 컷팅-후 재료 프로세싱을 필요로 하지 않았다.
760 μJ 펄스가 30 kHz에서 20 ㎛ e-2 세기 직경 스폿 상으로 입사되었다. 8.3 바아의 동축적 산소 보조 가스 제트가 이용되었다. 촬영률은 300 kHz이다. 그래프 밝기는 로그함수적 스케일의 샘플 반사도에 상응한다. 도시된 동적 범위는 ~ 60 dB이다.
심지어 몇십 킬로헤르쯔의 획득률로, M-모드 화상은 에칭률을 직접적으로 측정할 수 있을뿐만 아니라, 레이저 드릴링/용접 프로세스의 용융 풀 유동 및 다른 동역학을 측정할 수 있다. 가공 전방부 아래의 감지가 가능하기 때문에, M-모드 데이터가 또한 적절한 피드백 하드웨어와 함께 이용되어, 정확한 샘플 기하형태를 미리 알지 못하는 경우에도, 생물학적 조직을 포함하는 다양한 반투명 재료 내에서 한쪽이 막힌 홀을 컷팅하는 것을 안내할 수 있다.
도 14는, 예로서 호모다인 혼합을 위해서 이용될, 본 발명의 실시예에 의해서 제공된 다른 촬영 시스템의 개략도이다. 그러나, 호모다인 혼합은 본원에서 설명된 임의의 시스템과 함께 이용될 수 있다. 레이블: ISO-섬유 커플링된 광학적 격리기(400); 50:50 - 모드 커플러(402); PC-편광화 제어기(406); TGR-투과 그레이팅(408); ASL-공기 간격 렌즈(410); SiLC-규소 CMOS 라인 카메라(412); 50FC-50 mm 섬유 시준기(414); 10FC-10 mm 섬유 시준기(407, 409). 섬유-커플링된 초발광 다이오드(SLD)(418), 맞춤형 분광계, 및 카메라 포트(더 일반적으로 광학적 접근 포트)를 통해서 레이저 가공 헤드에 인터페이스될 수 있는 섬유 광학적 Michelson 간섭계가 있다. SLD로부터의 촬영 광이 먼저 광학적 격리기 및/또는 서큘레이터를 통과하고, 이는 SLD을 후방-반사로부터 보호한다. 광은 에바네센트(evanescent) 모드 커플러(빔 분할기 또는 빔 조합기) 내로 계속되고, 여기에서 광은 샘플 및 기준 아암 내로 분할되고, 이어서 섬유의 외부로 그리고 자유 공간 내로 커플링된다. 일부 광은 양 간섭계 아암들 내에서 역반사되고, 신호가 재조합되고 모드 커플러에서 인터페이스한다. 편광화 제어기는 단일 모드 섬유 내의 편광화 효과로부터 발생되는 2개의 간섭계 아암들 사이의 불합치를 보정하고 또한 회절 그레이팅 효율을 최적화한다. 편광화 유지 섬유가 또한 편광화 제어기와 함께 또는 그 대신 이용될 수 있다. 투과 그레이팅은 용이한 정렬을 위해서 분광계 내에서 이용된다. 마지막으로, 카메라가 스펙트럼 간섭도를 측정하고 프로세싱을 위해서 데이터를 IEEE-1394를 통해서 데스크탑 컴퓨터(또는 다른 프로세싱 플랫폼, 미도시)에 전달한다.
이하는 도 14의 시스템의 성능에 관한 예시적인 측정이다.
Figure pct00005
일부 실시예는 구성요소의 선택에 따라 상이한 속력, 감도, 해상도 및/또는 동적 범위를 가질 수 있다.
일부 실시예에서, 완전한 시스템은 또한 특정 목적을 위한 가공 헤드를 갖는 맞춤형 인터페이싱을 포함할 수 있다. 이는 일반적으로, 카메라 포트를 수정하는 것 그리고 촬영 및 가공 광을 조합하기 위한 정확한 이색성 광학기기를 선택하는 것에 의해서 달성될 수 있다. 또한, 촬영 빔을 위한 적절히 포커스된 빔 직경이 선택될 수 있다. 일부 구현예에서, 촬영 및 가공 광은, 포커스 길이가 기존 가공 프로세스 요구에 의해서 미리 결정되는 동일 대물렌즈에 의해서 포커스될 것이다(그러나, 이러한 것이 필수적인 것은 아니다). 여기에서, 샘플 아암 시준기의 선택 및 정렬을 이용하여 촬영을 위한 희망 포커스 특성을 제공할 수 있다. 시준기 정렬을 또한 이용하여, 촬영 광과 가공 광 사이의 대물렌즈의 포커스 길이 변동을 보상할 수 있다.
예시적인 적용예로서, 100 mm 포커스 렌즈를 갖는 가공 레이저 헤드가 고려된다. 심도에 걸친 균일한 촬영을 유지하기 위해서, 포커스된 촬영 빔의 Rayleigh 범위가 시스템의 심도의 약 절반이 되도록, 시준기의 포커스 길이가 선택되어야 한다. 전술한 설정을 위해서, 10 mm 시준 렌즈를 선택하였고, 그에 따라, 27 ㎛(1/e2 세기 반경)의 빔 웨이스트(beam waist) 및 2.8 mm의 Rayleigh 범위를 예상한다. 최대 축방향 해상도를 달성하기 위해서, 샘플 아암과 기준 아암 사이의 분산 불합치의 적절한 보상이 사용될 수 있다는 점에 주목한다.
그러한 설계는 탄력적이고, (업그레이드된 카메라에서) 촬영률 또는 축방향 해상도를 개선하기 위해서 수정될 수 있다. 후자는, 더 넓은 스펙트럼의 SLD(또는 다른 광 공급원) 및 라인 밀도가 감소된 그레이팅을 선택하는 것에 의해서 달성된다. 이는, 심도 감소의 단점을 갖는, 그러나 부가적인 재정 비용이 없는 또는 거의 없는, 상당한 해상도 개선을 제공할 수 있다. 예를 들어, 현재의 구성요소를 1200 라인/mm 그레이팅(Edmund Optics NT48-589)과 쌍을 이룬 840 ± 25 nm FWHM 광 공급원(Exalos EXS8410-F413)과 치환하는 것은 3 mm의 최대 범위에 걸쳐 6.2 ㎛ 해상도를 제공할 수 있다. 더 큰 스펙트럼 대역폭에서, 최대 해상도 달성에 있어서 적절한 분산 불합치 보상이 중요하다는 것을 주목하여야 한다.
이와 같은 가간섭적 촬영 기술에서, 검출기의 통합 시간 중에 인터페이스가 ~λ/4 이상 만큼 이동되는 경우에, 프린지 콘트라스트가 상당히 저하("상실")될 것이고, 그에 따라 그러한 인터페이스로부터의 신호가 사라지게 할 것이다. 이는, 추적될 수 있는 인터페이스 속력에 대한 상한에 상응한다. 그러나, 이는 또한, 화상을 복잡하게 하고 자동 피드백을 더 어렵게 하는 반사를 생산할 수 있는 특정 고속 인터페이스(예를 들어, 에젝타)를 거부하는 것과 관련된 장점을 갖는다. 최대 인터페이스 속력은 검출기의 통합 시간에 따라 달라지고, 이는 다시 감도에 영향을 미친다. 35 μs의 통합 시간에서, 시스템은 0.006 m/s까지의 속력으로 이동되는 인터페이스를 추적할 수 있다. 더 빨리 이동하는 인터페이스의 경우에, 각각 0.21 m/s 또는 2.1 m/s의 최대 속력을 제공하기 위해서, (감도를 희생하면서) 통합 시간이 1 μs 또는 100 ns로 감소될 수 있다. 이러한 것이 산업적 프로세스 내의 전형적인 에칭률보다 빠르기 때문에, 이러한 설계는 넓은 범위의 적용예에 적합할 것으로 예상된다. 짧은 통합 시간을 갖는 라인 카메라, 밸런스형 광검출기, 및/또는 스위핑된 공급원의 이용은 보다 더 빠른 이동 인터페이스가 분해되게 할 수 있다.
호모다인 깊이 필터링
자동 피드백 방법으로서 ICI를 이용하기 위해서, 프로세싱은 바람직하게 적어도 데이터 획득만큼 빠르게 작동될 수 있다. 생물학적 촬영에서, 내삽 및 FFT 동작은, 화상 형성을 위해서 FOV 내의 모든 깊이로부터 반사된 세기를 계산할 필요가 있다. 대조적으로, 예를 들어 특정 깊이에 일단 도달하면, 피드백 시스템에서, 촬영 출력의 함수로서 재료 수정 프로세스에서의 변화(예를 들어, 방출 종료)를 트리거링 하기 위해서, 촬영 출력이 이용된다. 이러한 경우에, 모든 깊이로부터 반사도를 계산하는 것이 과다할 수 있다. 드릴링이 미리 규정된 깊이를 침투하였을 때를 결정하기 위한 효율적인 방법이 제공된다.
희망 깊이(z)로 시작하면, 그리고 분광계로부터의 교정 데이터와 함께 전술한 I(k)에 대한 식을 이용하면, 합성 간섭도가 미리-계산되고, 일정 카메라 화소수의 유닛(또는 검출 시스템에 상응하는 베이스(basis))으로 표현된다. 이러한 계산은 미리 고려될 수 있고, 실시간 연산 부담에 기여하지 않는다. 상이한 목표 결과를 위해서, 예를 들어, 몇 개의 가능한 깊이를 달성하기 위해서, 일련의 중간 단계를 통해서 희망 깊이까지의 접근을 추적하기 위해서, 특정 깊이로부터 재료를 제거하기 위해서, 다른 깊이에 비해서 하나의 깊이에서 더 많은 재료를 달성하기 위해서, 또는 목표 깊이로부터의 후방산란의 변화를 최적화하기 위해서 이용되도록 메모리 표로부터 (개별적으로 또는 달리), 다수의 그러한 미리-계산된 합성 간섭도가 생성 및 인출될 수 있다.
합성 간섭도와 카메라로부터의 미가공 데이터를 호모다인 혼합함으로써, 도 20에 도시된 바와 같이 당업자에게 알려진 다른 방법과 비교할 때, (내삽 오류로부터의) 상당히 작은 의사 측면-로브 신호(spurious side-lobe signal)를 가질 수 있는, 희망 깊이로부터의 신호가 추출된다. 카메라로부터의 각각의 촬영 출력에서, 카메라로부터의 미가공 데이터에 화소별 합성 간섭도가 곱해지고 이어서 합계된다. 희망 깊이에 도달하였을 때, 합계 결과가 피크를 가질 것이다.
신호와 다수의 합성 간섭도를 조합하는 것이 바람직한 경우에, 매트릭스 곱 접근방식을 취할 수 있다.
데이터 요소가 검출기로부터 (즉, 다수 카메라 탭을 통해서) 연속적으로 또는 준-연속적으로 전달되고 이어서 일부 실시예에서 수신 전자기기는, 메모리 및/또는 게이트(예를 들어, 필드 프로그래머블 게이트 어레이, FPGA)와 같은 프로세싱 자원을 보전하기 위해서 그리고 전체적인 피드백 대기시간을 줄이기 위해서 이용될 수 있게 되자 마자, 개별적인 요소에 대한 계산을 시작할 수 있다.
예시하면, 이러한 필터 기술이 도 15에서 이용된 분광계 데이터에 적용되어, (도 15에서 라인(100)에 의해서 표시된) 200 ㎛ 목표 깊이를 선택한다. 필터 응답은, 가공 전방부가 깊이(도 15의 하단부)를 통과하는 순간에 선명한, 큰 SNR 응답을 나타낸다.
필터 응답은, 드릴링을 정지시키기 위한 또는 재료 수정 프로세스의 매개변수에 대한 일부 다른 변화를 만들기 위한, 피드백 응답을 트리거링하기 위해서 이용된다. 도 16은, 예를 들어, 미리 규정된 깊이에 도달한 때를 기초로, 드릴링을 정지시키기 위해서 이용될 수 있는, 자동 피드백 제어의 방법에 관한 흐름도이다. 다수의 깊이로부터의 피드백 및 프로세스의 다른 매개변수의 제어를 갖는 더 복잡한 제어 시스템이 또한 가능하다. 일부 실시예에서, (상이한 미리-계산된 합성 간섭도를 선택함으로써) 관심 대상 깊이(들)를 신속하게 그리고 동적으로 변경하기 위해서, 참조표가 이용된다.
깊이 필터링은 표준 프로세스에 비해서 연산 절감을 달성할 수 있다. 우리의 표준 생리적 촬영 코드(배경 차감, 큐빅 스플라인 내삽, FFT, 노이즈 플로어 균등화) 및 호모다인 필터 모두로, 이전에 얻어진, 미가공 실험 데이터의 576 요소 라인의 다수의 블록을 프로세스하는데 필요한 시간이 표 2에서 비교된다. 프로세싱은 Microsoft Windows 7 64-bit 환경에서 쿼드-코어 Intel 데스크탑 CPU 상의 단일 스레드 작동 MATLAB으로 실행되었다. 표 2의 결과는 초당 103 라인 및 호모다인 필터의 이용에 의해서 획득된 상대 속력 증가 인자의 항으로(klps) 표현되었다.
Figure pct00006
매우 작은 그리고 매우 큰 블록 크기에서, FFT 방법은 매우 느리다. 이는, 코드의 연산 복잡성이 아니라, 하드웨어 및 소프트웨어 환경에 특정된 한계의 결과이다. 결과적으로, 2개의 방법들 사이의 최적의 이론적 비교는 중간-크기 블록이다. 여기에서, FFT가 그 최적의 결과를 생산할 때에도, 호모다인 필터는 여전히 2자릿수 만큼 뛰어난 기능을 한다.
라인 기간이 미가공 처리율(throughput rate)을 제한하지만, 이는 단지 총 피드백 대기시간에 대한 최소의 값이다. 데스크탑 하드웨어 및 동작 시스템 고유의 중단 대기시간 및 다른 지연은 누적적이고, 최종적으로 주요 항이 될 수 있다. 이러한 이유로, ICI-계 피드백의 전체 능력은 잠재적으로, 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA) 또는 주문형 집적 회로(ASIC) 형태의 전용 프로세싱 하드웨어의 이용이 없이, 실현될 수 없을 것이다. 이러한 구성요소는 이미, 여기에서 특정된 것을 포함하는, 많은 현대의 카메라에 존재한다. 카메라 온보드의, 여기에서 설명된 호모다인 필터 알고리즘의 용이한 구현예는 데스크탑 PC 병목현상을 외피하고, 카메라 자체가 가공 시스템을 규제할 수 있게 한다.
표면 아래의 촬영
도 17은 인라인 가간섭적 촬영을 특징으로 하는 시스템의 다른 예이다. 이러한 구현예는 ICI의 광섬유 구현예를 특징으로 한다. 광대역 광 공급원(500)은 광을 광섬유(502) 내로 주입한다. 격리기는 후방 반사가 광 공급원에 도달하는 것을 차단한다. 광학적 커플러(504)는 광을 기준 아암(상단)(506) 및 샘플 아암(508)(레이저 프로세싱 시스템에 대한, 하단) 내로 분할한다. 분할 비율은 적용예의 요구에 따라 달라진다. 예로서 50:50(기준 아암에 대한 50%, 샘플에 대한 50%)가 있을 수 있다. 기준 광은 기준 아암을 따라서 이동되고, 역반사된다. 기준 아암의 경로 길이는, 여러 길이의 광섬유를 이용하여, 대략적인 분할로, 그리고 마이크로미터 제어되는 병진운동 스테이지 상에 장착된 거울을 이용하여, 정밀 분할로 설정될 수 있다. 일반적으로, 기준 아암 길이는, 약 200 마이크로미터 미만으로, 레이저 프로세싱 시스템 내의 공작물에 대한 광학적 경로 길이와 합치되도록 설정된다. 종종, 분산 및 제어 반사된 기준 아암 파워를 합치시키기 위해서 기준 거울(미도시)에 앞에 레이저 프로세싱 플랫폼 내에서 이용되는 것과 동일한 포커싱 대물렌즈를 배치하는 것이 편리하다. 기준 아암은 분산 및 편경화 제어를 허용하는 광학기기(510, 512)를 포함한다. 기준 및 샘플 아암 모두가 합치된 분산에 근접하도록, 분산 제어가 이루어진다. (최대 간섭을 위해서) 기준 및 샘플 아암으로부터의 후방 반사가 유사한 편광화 상태를 가지도록, 편광화 제어가 일반적으로 설정된다. 기준 아암은 또한, 검출기 포화 및 촬영 동적 범위를 제어하기 위한, 조정 가능한 세기의 감쇠기(미도시)를 포함할 수 있다. 이는, 가변적 중성 밀도 필터, 섬유 커플러의 오정렬, 또는 단부 반사 거울에 대한 포커스 대물렌즈의 병진운동(모두 미도시)에 의해서 달성될 수 있다. 샘플 아암 섬유는 인라인 가간섭적 촬영 시스템을 빠져 나가고 외부 레이저 프로세싱 플랫폼에 연결된다. 광은 공작물에서 후방산란되고 동일 섬유를 따라서 역으로 이동된다. 후방-반사된 광은 광학적 커플러(504)에서 분할되고, 그에 따라 그 일부는 고속 분광계(514)에 연결된 섬유 내로 주입된다(그 양은 커플러 분할율에 따라 다르다). 후방산란된 샘플 광은 광학적 커플러에서 분할되고, 그에 따라 그 일부는 고속 분광계에 연결된 섬유 내로 주입된다(그 양은 커플러 분할율에 따라 다르다). 샘플 광 및 기준 광은 광섬유(516) 내에서 간섭한다. 광은 분광계 내의 그 파장에 따라 분산된다. 검출기는, 파장의 함수로서 세기를 측정하는 분광계일 수 있다. 보강 피크 및 상쇄 피크의 위치는, 기준 아암에 비교되는 샘플 아암의 상대적 경로 길이에 관한 정보를 포함한다. 광이 샘플 아암 내의 하나 초과의 깊이(예를 들어, 레이저 키홀의 측면)로부터 동시에 후방산란되는 경우에, 모든 깊이의 강도 및 상대적인 위치가 간섭도에서 인코딩된다. 스펙트럼 간섭도(파장의 함수로서의 세기)가 검출기에 의해서 전자 신호로 변환되고 프로세싱을 위해서 제어 전자기기(518)로 전달된다. 전자 프로세싱 시스템은 분광계를 제어하고(예를 들어, 트리거링하고) 미가공 검출기 데이터를 프로세스한다. 하나의 프로세싱 기술(소위 표준 OCT 프로세싱)은 후방 차감, 카메라 화소 수로부터 일정 주파수로의 변환 단계를 위한 큐빅 스플라인 내삽, 깊이의 함수로서 후방산란의 그래프를 제공하기 위한 고속 푸리에 변환이다. 샘플 아암 내에 하나의 큰 반사 인터페이스만이 존재하는 경우에, 결과적인 그래프는 시스템의 축방향 해상도에 의해서 설정된 그 폭 깊이를 갖는 하나의 강한 피크를 가질 것이다. 축방향 해상도는 분광계에 의해서 측정된 파장 대역폭(그에 따라, 고해상도 달성을 위한 대역폭의 공급원 필요성)에 반비례한다. 대안적으로, 더 빠른 프로세싱 시간 및 개선된 화상 품질을 위해서, 전술한 호모다인 필터링 접근방식이 이용될 수 있다. 일부 실시예에서, 피드백 제어기(별도의 전자 프로세싱(518) 또는 그 일부)는 재료 수정 프로세스의 하나 이상의 프로세싱 매개변수를 제어하기 위한 피드백을 생성한다. 예들이 다른 실시예의 맥락으로 앞서서 제공되었다.
도 18은 전방-관찰 안내형 레이저 수술에 대한 ICI의 적용에 관한 블록도이다. 레이저는 조직 절개에서 유용한데, 이는 광이 매우 타이트하게 포커스될 수 있고, 그에 따라 수술의사가 작은 부피로 조직을 절제할 수 있게 한다. 광이 횡방향 치수에서 매우 정밀하게 전달될 수 있는 반면, 레이저 절개의 최종 깊이를 제어하는 것은 어렵다. 조직이 매우 불균질하여 제거율의 변동이 클 수 있고, 이는 전달되는 총 에너지가 절개 깊이에 관한 양호한 예측변수가 되지 못하게 한다. 도 18은, 일반적으로 기계적 방법(예를 들어, 드릴)에 의해서 제거될 수 있는 경질 또는 연질 조직의 부피를 포함하는 환자 처리 지역(600)을 도시한다. ICI 시스템은 조직이 절제될 때 절개 깊이를 측정하고, 미리 결정된 깊이에서 레이저 노출을 종료시킨다. 더 중요하게, ICI이 적외선 광(~1300 nm)을 이용하여 실시될 때, (절제 전방부를 넘어서는) 조직 내의 촬영이 가능하다. 이는, 인터페이스가 침투되기 전에(그리고 집중적인 수술 레이저가 민감한 하위표면 조직을 손상시키기 전에), 노출이 종료될 수 있게 한다.
인라인 가간섭적 촬영 시스템(602)이 제공되고; 이는 간섭계, 광대역 광 공급원 및 분광계를 포함하고, 예시적인 구현예가 도 17에 도시되어 있다. 환자 처리 지역이 600에 표시되어 있다. 수술의사에 의해서 제어되고 피드백 제어에 의해서 수정되는 노출을 생성하는 수술 레이저(604)가 있다. 촬영 및 수술 빔을 동축적으로 조합하고 처리 지역으로부터 후방산란된 촬영 광을 수집하는, 로봇 제어형 포커싱 헤드(610)가 있다(그러나, 일부 다른 실시예에서, 핸드헬드형일 수 있다). 일부 실시예에서, 촬영 및 수술 레이저 광이 수술 레이저의 전파 경로 내에서 더 일찍 조합될 수 있고, 그에 따라 촬영 및 수술 광은 미리-조합되어 포커싱 헤드에 도달한다. ICI 시스템(602)으로부터의 스펙트럼 간섭도 데이터는, 수술 레이저 및 로봇 제어형 포커싱 헤드를 위한 전자 피드백 제어를 생성하는 전자 프로세싱(606)에 전달된다. 또한, 화상 디스플레이(608)를 위한 출력이 생성된다.
ICI 간섭계의 샘플 아암으로부터의 빔이 수술 레이저(604)와 동축적이 되도록 설정된다. 이는, 적절한 이색성 거울로 자유 공간 내에서 이루어질 수 있다. 이는, 촬영이 수술 빔 방향과 동일한 라인을 따르도록 보장한다. 샘플 아암 및 기준 아암이 밀접하게 합치되도록, 기준 아암 길이가 설정된다. 수술의사는, 수술 레이저를 시작하기 전에, 목표 지역(및 그 아래)을 촬영하기 위해서 화상 디스플레이를 이용할 수 있다. 촬영 시스템은 또한 다른 촬영 양상(예를 들어, 미리기록된 MRI 또는 CT)과의 공통-정합(co-registration)을 이용하여 수술 레이저의 위치를 미세 튜닝할 수 있다. 이는, 수술의사가, 더 큰 해부조직적 피쳐의 맥락으로 ICI을 이용하여 실시간으로 처리 지역의 작은 부피를 볼 수 있게 할 것이다. 전자 프로세싱이 이러한 공통-정합을 실시할 수 있다. 또한, 수술의사는 미리기록된 화상 양상을 이용하여 제거하고자 하는 마진을 선택할 수 있다.
수술 레이저가 처리 계획과 일치되는 올바른 처리 지역을 목표로 한다는 것이 수술의사에 의해서 확인되면, 그는 절제 프로세스를 시작한다. 특정 깊이의 컷팅 후에 노출을 종료시키도록, 또는 특정의 미리 설정된 마진 내에서 유지되도록, 또는 절제가 선택된 인터페이스까지의 특정 거리에 도달할 때 노출을 중단시키도록, 시스템이 프로그래밍될 수 있다. ICI 시스템을 이용하여, 수술후 분석을 위해서 유용한, 처리 과정에 관한 영구적인 기록을 제공할 수 있다.
도 19는 레이저 용접을 위한 현장 계측을 위한 ICI의 적용에 관한 블록도이다. 레이저 용접은, 자동화된 그리고 대량의 제조에 매우 적합한, 좁고 깊은 용접을 제공한다. 레이저 용접의 다양한 적용예는 일반적으로 접합 영역으로 국소화된 상 변화를 생성하기 위한 레이저에 의한 제어된 가열의 프로세스를 갖는다. 이러한 상 변화 영역(PCR)을 제어하는 것은 용접의 품질 그리고 용접 시스템의 전체 생산성을 제어하기 위해서 이용될 수 있다. 레이저 광의 큰 공간적 가간섭성은 훌륭한 용접 에너지의 횡방향 제어를 가능하게 한다. 축방향 제어(PCR의 깊이) 및 후속 열적 확산은 특히 두꺼운 재료에서 더 문제가 된다. 이러한 적용예에서, PCR의 깊이는, "키홀 용접"으로서 널리 알려진 기술을 이용하여 재료 내로 연장된 깊이(~ mm)이다. 여기에서, 빔 세기는, 광학적 빔이 재료 내의 깊이로 침투할 수 있게 하는 (또한 모세관 또는 "키홀"로 알려진) 작은 증기 채널을 개방하기 위해서 표면을 용융시키기에 충분하다. 특정 적용예에 따라, 키홀은 좁으나(mm 미만) 몇 밀리미터로 깊고 ~104 W 정도의 광학적 파워의 인가로 지속된다.
도 19에서, 인라인 가간섭적 촬영 시스템(702)이 제공되고; 이는 간섭계, 광대역 광 공급원 및 분광계를 포함하고, 예시적인 구현예가 도 17에 도시되어 있다. 용접 플랫폼이 700에 도시되어 있다. 피드백 제어를 고려하여, 용접 제어기(705)에 의해서 제어되는 용접 빔을 생성하는 용접 레이저(704)가 있다. 포커싱 대물렌즈(703)는 용접 공작물(701)에 전달하기 위해서 촬영 빔 및 용접 빔을 조합하고, 용접 지역으로부터 후방산란된 촬영 광을 수집한다. 보조 가스, 전기 아크, 부가 재료 등과 같은 부가적인 용접 입력이 있을 수 있다. ICI 시스템(702)으로부터의 스펙트럼 간섭도 데이터는, 용접 제어기(704)를 위한 전자 피드백 제어를 생성하는 전자 프로세싱(706)에 전달된다. 또한, 화상 디스플레이(708)를 위한 출력이 생성된다. 이러한 경우에, ICI 시스템(702)은 자유-공간 커플러(720)로의 섬유를 통해서 용접 플랫폼 카메라 포트(718)에 연결된다.
키홀 형성을 실시간으로 측정하기 위해서, ICI 촬영 시스템(702)의 샘플 아암이 용접 레이저 빔과 동축적이 되도록 및/또는 거의 동축적이 되도록, 그에 따라 PCR에서 포커스되도록 설정된다. 이는, 화상 빔을 시준함으로써 그리고 이를 용접 플랫폼 카메라 포트 내로 지향시킴으로써 이루어질 수 있다. ICI 시스템을 이용하여 형성된 키홀의 깊이를 모니터링하고, 그에 따라 모든 공작물을 용접하기 위한 적절한 깊이가 되도록 보장한다. 펄스형 레이저 용접에서, ICI 시스템은 다수의 용접 레이저의 반복률로 작동될 수 있고, 그에 따라 레이저 노출 이전, 도중 및 이후의 화상을 제공할 수 있다. 이는, 증기 채널의 생성, 및 그 후속 재충진에 관한 직접적인 정보를 제공한다. 연속-파동 용접 공급원으로, ICI 시스템은 키홀 안정성을 직접적으로 모니터링할 수 있다. 이러한 정보로부터의 피드백을 이용하여 용접 매개변수(예를 들어, 레이저 세기, 공급률, 및 보조 가스)를 최적화할 수 있고, 그에 따라 키홀 안정성을 높일 수 있다.
화상 디스플레이(708)는 용접이 진행될 때 키홀 침투 및 안정성에 관한 실시간 정보를 조작자에게 보여주고, 공작물 상의 정확한 영역에 위치된, 용접 생성에 관한 영구적인 기록을 제공한다. 이는 추후의 품질 보장을 위해서 중요할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는, 촬영 광 및 레이저 광을 조합하기 위해서 공통 이색성 대물렌즈가 이용되는 섬유-기반의 ICI을 제공한다. 그러한 실시예는, 선택적으로, 예를 들어 전술한 임의의 다른 실시예에서 규정된 바와 같은, 피드백 제어기를 포함한다.
본원에서 설명된 기본적인 설계 요소를 조합, 혼합 또는 상호교환하는 다른 실시예가 가능할 수 있고, 당업자에게 자명할 것이다. 이는, 비제한적으로, 수정되는 재료의 하부측을 포함하는, 다른 방향으로부터의 (즉, 수정 빔과 인-라인이 아닌) 촬영을 포함한다.
관리 동적 범위에 대한 감도 대 깊이의 엔지니어링
ICI은, 반사된 광의 세기로부터의 정보가 이용되는 방식에 있어서, (OCT와 같은) 가간섭적 촬영의 다른 형태와 상이하다. OCT 촬영 적용예에서, 전체 화상에 걸쳐 균일한 콘트라스트 및 가시성을 유지하기 위해서, 매우 편평한 감도 대 깊이 관계를 가지는 것이 바람직할 수 있다. ICI에서, 어떤 사람은 광학적으로 반사적인 (예를 들어, 금속) 표면(들)의 위치결정에 주로 관심을 가지고, 그에 따라 전체 화상에 걸친 균일한 콘트라스트는 OCT에서 만큼 중요하지 않다.
일부 실시예에서, 더 약한 것에 비하여 밝은 반사를 감쇠시키고 전체적인 동적 범위를 확장시키기 위해서, 촬영 시스템의 감도 대 깊이 함수를 엔지니어링하기 위한 단계를 취한다. ICI은, 상이한 배향들에서의 재료의 매우 가변적인 반사도로 인해서, 그러한 확장된 동적 범위로부터 이득을 취할 수 있다. 반사는 인터페이스로부터 강하게 생성될 수 있거나, 이들이 약하게 생성될 수 있다. 다른 높이들에서, 다수의 표면 및 내부 반사가 있을 수 있다. 반사가 더 약할 수 있는 것으로 예상되는 관심 영역 내에서 더 민감하도록, ICI 기반 시스템의 동작을 구성할 수 있다.
예를 들어, 도 5에 도시된 것과 같은 ICI 시스템을 이용할 때, 가공된 피쳐의 주변은 당연히, 홀의 하단보다, 더 많은 광을 촬영 시스템 내로 반사할 수 있다. 그에 따라, 더 강한 신호가 더 얕은 깊이로부터 예상될 수 있다. 촬영 시스템이 (홀의 하단을 검출하기 위한 그 능력의 최적화를 위해서) 최대 감도를 위해서 구성되는 경우에, 홀의 상단에서 기원하는 훨씬 더 강한 신호로 검출기를 포화시킬 위험이 있을 수 있다.
일부 실시예에서, 감도 대 깊이는, 샘플 내의 관심 지역의 위 대신 그 아래의 0의 광학적 경로 길이 차이 지점을 위치결정하는 것에 의해서 관리된다. 이는, 기준 아암의 길이를 증가시키는 것, 그리고 더 얕은 깊이가 이제 증가된 프린지 주파수에 의해서 표시된다는 사실을 반영하도록 촬영 시스템의 출력을 업데이트하는 것에 의해서, 달성될 수 있다. 재료 내측의 0의 광학적 경로 길이 차이 지점의 위치는 도 21 및 도 23에서 도식적으로 예시되어 있다. 도 21에서, 0의 광학적 경로 길이 차이 지점(D)은 샘플 아래가 되도록, 특히 A, B 및 C에서 반사부 아래가 되도록 설정된다. 유사하게, 도 23에서, 0의 광학적 경로 길이 차이 지점(B)은 용접 풀 아래에 위치된다. 다른 구현예에서, 0의 광학적 경로 길이 차이 지점은, 측정되는 재료 아래에 위치되는 깊이에 위치되도록 구성된다.
이러한 접근방식은, (깊이에 따라 감소되는 경향이 있는) 자연적인 샘플 반사도에 반대로 작용하도록 (검출기의 유한한 스펙트럼 해상도로 인해서, 경로 길이 차이가 증가함에 따라 감소되는 경향이 있는) 시스템의 자연적인 감도 대 깊이 거동을 이용한다. 이러한 방식으로, (덜 반사하는 경향이 있는) 샘플 내의 더 깊은 구조물은 (더 반사하는 경향이 있는) 피상적 구조물에 비해서 더 큰 감도로 검출된다. 이러한 실무의 부가적인 장점은, 촬영 시스템에 근접한 연기, 플라즈마, 파편 및 다른 광 산란 공급원이 화상 내에서 더 깊어 보이고, 감쇠되며, 그리고 복합 켤레 모호성으로 인해서 관심 영역 내로 랩핑되지 않는다는 것이다. 이는, 복잡한 켤레 모호성이 0의 광학적 경로 길이 차이 지점을 샘플 내측에 또는 일부 실시예에서 그 아래에 배치하는 것을 바람직하지 못하게 만드는, 의료 촬영 필드(예를 들어, 광학적 가간섭성 단층촬영) 분야의 교시 내용과 상이하다.
일부 실시예에서, 0의 광학적 경로 길이 차이 지점은 관심 대상 지역의 위에 위치된다.
일부 실시예에서, 감도 대 깊이는, 예를 들어 'Woods and Podoleanu'에서 예시된 바와 같이, 감도 대 깊이 곡선을 맞춰 조정하기 위한 Talbot 밴드 기술을 이용하는 것에 의해서 관리된다. 모두의 전체가 본원에서 참조로 포함되는 Woods et al. (Optics Express 16:9654-9670 (2008)); Podoleanu (Optics Express 15:9867-9876 (2007)); Podoleanu et al (Optics Letters 32:2300-2302 (2007)) 참조. 이러한 접근방식은 피상적 반사부의 강하고 조정 가능한 감쇠를 허용하고, 검출기를 포화시킬 수 있는 밝은 표면 반사를 감소시키기 위해서 이용될 수 있다.
일부 실시예에서, 감도 대 깊이는, 예를 들어, 전체가 본원에서 참조로 포함되는, Muller et al. (Optics Letters 32:3336 (2007))에 의해서 예시된 바와 같은, 비선형 시간 게이팅을 이용하는 것에 의해서 관리된다. 이러한 접근방식은, 이탈 감도가 감소된, 고감도의 깊이 창을 규정하기 위한 비선형적 합계 주파수 생성을 이용한다. 약한 반사의 장소에 근접 배치된 창에서, 피상적 반사가 감소되고, 검출기를 포화시키는 것이 방지된다.
일부 실시예에서, 감도 대 깊이는, 예를 들어 스위핑된 공급원 촬영 시스템에서, 최종 디지털화 전에 아날로그 프린지 신호에 접근하는 것, 그리고 이어서 신호가 더 약한 깊이에서의 감도를 유지하면서 큰 반사도가 예상되는 깊이에 상응하는 특정 프린지 주파수를 감쇠시키기 위해서 직접적인 하드웨어 복조 및/또는 필터링을 이용하는 것에 의해서, 관리된다. 이는, 검출기와 화상 프로세서 사이의 신호전달 라인에 디지털 및/또는 아날로그 필터 요소를 부가하는 것에 의해서 달성될 수 있다.
감도 대 깊이를 관리하기 위한 4가지 구체적인 접근방식을 설명하였다. 일부 실시예에서, 그러한 접근방식 중 2개, 3개 또는 4개 전부의 조합이 구현된다. 또한, 도 5의 실시예의 맥락으로 설명하였지만, 이러한 접근방식 중 임의의 하나 또는 둘 이상의 임의의 조합이 본원에서 설명되거나 청구된 임의의 다른 실시예와 함께 적용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
레이저 용접의 관찰 및 프로세스 개발
일부 실시예에서, 도 14에 도시된 것과 같은 장치가, 카메라 포트 또는 일부 다른 적합한 광학적 접근을 통해서 레이저 용접 빔 전달 시스템 내측의 빔 라인에 인터페이스된다. 촬영 및 용접 레이저 빔이 이색성 거울로 조합되고 공통 대물렌즈를 통해서 포커스된다.
일부 실시예에서, 이러한 장치는, 일부 실시예에서 용접 프로세스에 대한 피드백과 함께, 그리고 일부 실시예에서 용접 프로세스에 대한 어떠한 피드백도 없이, 키홀 용접 프로세스와 같은, 레이저 용접 프로세스를 관찰하기 위해서 적용된다.
피드백을 특징으로 하는 본원에서 설명된 ICI의 임의의 실시예에서, 폐쇄 루프 피드백의 동작이 피드백 제어 법칙, 또는 복수의 피드백 제어 법칙 중에서 선택된 하나를 이용하여 달성될 수 있다.
피드백을 특징으로 하는 본원에서 설명된 ICI의 임의의 실시예에서, 일부가 피드백 제어 법칙이고 그 적어도 하나가 개방 루프 제어 법칙인, 복수의 제어 법칙 중에서 선택된 하나를 이용하여 동작될 수 있도록, 재료 수정 프로세스가 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 시간의 일부에 개방 루프이고 시간의 일부에 폐쇄 루프인, 하이브리드 제어 법칙이 이용된다. 개방 루프 모드는, 예를 들어, 0의 피드백 데이터를 규정하는 제어 법칙을 선택함으로써 달성될 수 있다. 조작자는, 여러 가지 이유로 폐쇄 루프 제어를 실시하는 것을 원치않을 수 있다. 당업계에서, 희망 결과를 획득하기 위한 제어 법칙이 동작의 목적에 따라 크게 달라질 수 있다는 것이 이해된다. 예를 들어, ICI을 이용하여, 비제어 레이저 용접이 용접 결함을 유발하는 범위를 측정하는 것이 요구될 수 있다. 0의 피드백 데이터를 규정하는 제어 법칙을 선택함으로써, 시스템은, 제어가 없는 것과 같이 동작되도록 강제될 수 있다. 따라서, ICI을 이용하여, 표준 시스템에서, ICI 기반의 제어가 이용될 수 없는 표준 레이저 용접 시스템의 성능을 특성화하고 측정할 수 있다. 다른 실시예에서, 용접 깊이가 더 깊은 침투 레벨과 더 낮은 침투 레벨 사이에서 변조될 수 있게 하였던 제어 법칙의 실시가 요구될 수 있다. 다른 실시예에서, 최악의 경우에만 용접 깊이 침투의 경계가 제한되게 하여, 때때로 개방 루프 동작을 허용하는, 그리고 침투 깊이가 제어 범위의 한계에 접근하였을 때에만 깊이 제어 동작되게 하는, 제어 법칙의 실시가 요구될 수 있다.
용접 빔에 의해서 생성된 키홀(또는 다른 용접 결과)의 하단으로부터 위치 반사도를 측정함으로써, 레이저 키홀(또는 다른 용접 결과)의 깊이의 측정이 생산될 수 있다. 일부 구현예에서, 이는 300 kHz까지의 그리고 이를 초과하는 비율에서 달성될 수 있다. 이는, 레이저 용접의 전체 깊이에 관한 근접 개산(close approximation)이다. 도 5에 도시된 것과 같은 인라인 가간섭적 촬영 시스템으로, 그러나 피드백 제어기는 비활성화시킨 상태에서, 펄스형 레이저 용접 실험을 실시하였다. 프로세스 중에 ICI 시스템에 의해서 표시된 깊이가, 횡단 섹션화, 폴리싱 및 에칭에 의해서 나타나는 용접 이음매의 깊이와 밀접하게 합치된다는 것이 발견되었다(당업자에 의해서 이용되는 분석 과정). 그에 따라, ICI 데이터는 이러한 고비용의 그리고 파괴적인 분석 단계의 필요성을 감소 또는 제거할 수 있다. 또한, 그러한 ICI 데이터는 또한 프로세스 개발을 가속할 수 있고, 하드디스크 드라이브 또는 솔리드 스테이트 디스크와 같은 저장 매체에 촬영 데이터를 저장함으로써, 용접에 관한 100% 용접 검사 및 영구적인 진단 기록을 제공할 수 있다. ICI으로부터의 피드백은 더 생산적인 용접 장비를 유도할 수 있고, 이전에 가능하지 않았거나 경제적이지 않았던 레이저 용접을 가능하게 한다.
이는, 촬영 시스템에 의해서 제공되는 실시간 피드백이, 더 빠른 속력으로 가속되고 및/또는 더 깊은 깊이로 밀어 넣어질 때 프로세스 내의 공급원료의 변동(예를 들어, 열등한 피팅 업(fit up)) 및 불안성정(예를 들어, 가변적인 용접 깊이)을 보상하는 방식으로 프로세스 변수를 변경하기 위해서 이용될 수 있기 때문이다. 이는, 용인될 수 있는 품질을 유지하면서, 저비용의 입력 공급원료, 더 빠른 프로세싱 속력 및/또는 더 깊은 침투를 포함하도록 레이저 용접 시스템의 이용성을 확장할 수 있다.
용접 과정의 시작 또는 마감 중의 일시적 효과가 용접의 결과에 부정적인 영향을 미칠 수 있다(예를 들어, 일정하지 않은 이음매 깊이, 예를 들어 과소충진). 일 실시예에서, 용접의 시작에서, 그 마감에서 또는 둘 모두에서 용접의 일시적 거동을 보상하기 위해서 하나 이상의 프로세스 매개변수를 제어함으로써, 촬영 시스템에 의해서 제공된 피드백을 이용하여 이러한 결함을 줄일 수 있다. 구체적인 예에서, 도 5에서 설명된 시스템은 2개의 강판의 겹침 용접 전체를 통해서 용접 키홀의 깊이를 측정한다. 용접의 시작에서, 촬영 데이터는, 키홀이 선택된 용접 깊이까지 침투하지 않았다는 것을 나타낸다. 이러한 데이터는 피드백 제어기에 의해서 프로세스되고, 결과적으로 프로세싱 빔에 대한 재료 공급률을 보여준다. 이는, 속력에 대한 조정이 이루어지지 않은 경우에 가질 수 있는 것보다, 키홀이 선택된 깊이에 더 근접하여 침투할 수 있게 하는 효과를 갖는다.
촬영 시스템의 다중화
일부 실시예에서, 단일 가공 레이저(더 일반적으로 단일 프로세싱 빔 공급원)을 이용하여 다수의 프로세싱 위치에서 다수의 샘플을 프로세스하고, 가공 레이저는 하나 이상의 ICI 시스템과 쌍을 이룰 수 있다. 이는 비교적 고가인 가공 레이저를 보다 잘 이용할 수 있게 하고, ICI 시스템의 능력을 보다 잘 이용할 수 있게 한다. 이러한 상황에서, 샘플의 세트로부터의 샘플링된 데이터는 가공 레이저의 지향성과 조합되고, 그에 따라 샘플링된 데이터가 특정 샘플과 연관될 수 있다.
일부 실시예에서, 단일 기준 아암 및 각각의 샘플 아암이 정밀하게 합치된 전파 지연과 함께 이용된다. 이러한 예가 도 25a에 도시되어 있다. 그러나, 다중화된 ICI 기능의 관점으로부터의 특유의 해결과제는, 단일 고정 기준 아암이 이용될 수 있도록 프로세싱 위치들의 세트 사이에서 전체적인 전파 지연을 합치시킬 수 있는 능력이다. 이러한 해결과제는, 광섬유가 길게 연장되고 다중화기가 각각의 다중화된 채널을 위해서 상이한(예를 들어, 가변적인) 지연을 부가할 수 있다는 사실로부터 기인한다.
일부 실시예에서, 합치된 샘플 아암 경로를 이용하는 대신, 주 프로세싱 빔 경로가 스위칭되는 것과 동시에, 기준 경로 내의 동적 광학적 경로 스위치가 만들어진다. 이러한 접근방식은 각각의 샘플에 대한 최적화된 기준 경로를 허용하고, (예를 들어, 로봇 상에서) 기준 아암을 프로세싱 위치에서의 임의의 진동으로부터 멀리 위치시킬 수 있는 자유를 허용한다. 이러한 것의 예가 도 25b에 도시되어 있다. 여기에서, 기준 다중화기는 여러 가지 고정된 기준 아암들 사이에서 스위칭하기 위해서 이용된다. 대안적으로, 일부 다른 종류의 가변적인 기준 아암이 이용될 수 있다. 일부 실시예에서, 분리된 기준 아암이 각각의 프로세싱 위치에서 제공된다. 샘플 및 기준 아암은 2 x 2 에바네센트 모드 커플러의 일 측면에 연결되고, 다른 측면으로부터의 연결이 각각의 프로세싱 위치로부터 공통 조명 및 검출 채널로 다중화된다(즉, 스위치 또는 선택기). 이러한 채널은 대부분의 실제 경우에서 광학적 경로 길이에 민감하지 않다. 이러한 접근방식은 또한 광학적 손실을 최소화한다. 광학적 셔터가 또한, 광학적 스위치, 선택기 또는 다중화기에 대한 대안으로서 또는 그에 부가하여, 샘플 및 기준 아암 내에서 이용될 수 있다. 모든 동적 요소의 동작이 주 프로세싱 빔 지향성의 타이밍과 협력하여, 임의의 바람직하지 못한 광학적 반사 신호를 적절히 격리시킨다. 이러한 접근방식의 예가 도 25c에 도시되어 있다.
일부 실시예에서, 조명 및 검출 채널이 1 x 2 에바네센트 모드 커플러의 일 측면에 연결되고, 그 출력은, 2개의 출력이 분리된 기준 아암 및 샘플 아암에 연결되는 2 x 1 에바네센트 모드 커플러의 일 측면에 연결되는 상이한 프로세싱 위치들로 대중화된다. 이러한 접근방식은 2개의 광학적 다중화기의 필요성과 관련된 복잡성 및 지출을 방지한다. 광학적 셔터가 또한, 광학적 스위치, 선택기 또는 다중화기에 대한 대안으로서 또는 그에 부가하여, 샘플 및 기준 아암 내에서 이용될 수 있다. 모든 동적 요소의 동작이 주 프로세싱 빔 지향성의 타이밍과 협력하여, 임의의 바람직하지 못한 광학적 반사 신호를 적절히 격리시킨다. 이러한 접근방식의 예가 도 25d에 도시되어 있다.
도 25a, 도 25b, 도 25c, 및 도 25d에서, 각각의 셀이 상이한 레이저 프로세싱 위치에 있다. "레이저 셀"은, 재료가 프로세스되는 폐쇄 지역을 설명하는, 산업계에서의 일반적인 용어이다. 50:50 분할기가 여기에 도시되어 있으나, 다른 분할 비율을 이용하여 시스템의 동적 범위 및 감도를 조정할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에서, 일부 경우에 시스템의 동작 중에, 또는 대안적으로 시스템이 동작되지 않는 동안, 기준 아암의 경로 길이가 조정될 수 있도록, 기준 아암이 구성된다. 기준 아암 경로 길이가 필요에 따라 튜닝될 수 있음에 따라, 조정 가능한 기준 아암은 시스템의 보다 단순한 동작을 허용한다. 따라서, 일부 실시예에서, 일차 경로 상의 경로 길이의 조정 가능성이 제공된다. 조정 가능한 기준 아암은, 예를 들어, 이하 중 하나 이상을 위해서 이용될 수 있다.
샘플 내의 이동의 보상;
샘플 내의 관심 지역을 더 높은 또는 더 낮은 지역으로 조정;
스위칭된 또는 다수 아암 ICI 시스템 내의 다수 샘플의 측정;
수술 환경에서 ICI 시스템을 용이하고 신속하게 구성.
몇몇 구체적인 예를 말하자면, 연신 가능 광학적 매체의 이용, 모터 동작되는 자유 공간 반사부 및 커플링 장치의 이용, 또는 다수-반사 거울 메커니즘의 이용에 의해서, 조정 가능한 광학적 기준 아암이 달성될 수 있다.
조정 가능한 광학적 경로 길이 요소의 수동적 또는 자동적 조정이 ICI 시스템의 동작 중에 실시될 수 있다. 시스템의 작동 시간 동안 ICI 화상을 어떻게 캡쳐할지를 조정할 수 있는 능력을 허용하는데 있어서, 그러한 조정이 유리할 수 있다.
일부 실시예에서, ICI 시스템을 이용하여 내부 반사 인터페이스의 위치, 또는 시간에 걸쳐 변화될 수 있는 일부 다른 관심 지점을 추적한다. 이어서, 내부 반사 인터페이스(또는 일부 다른 관심 지점)가 0의 광학적 경로 길이 차이 지점이 되도록, 그에 따라 0의 광학적 경로 길이 차이 지점이 동적으로 결정되도록, 기준 또는 샘플 아암 내의 광학적 경로 길이가 조정된다. 대안적으로, 내부 반사 인터페이스(또는 다른 관심 지점)의 위치에 대한 희망하는 상대적 위치를 갖도록, 0의 광학적 경로 길이 차이 지점이 선택될 수 있다.
돌파 촬영/돌파 후의 재충진
레이저는, 충격식 드릴링 및 트레판 드릴링과 같은 프로세스에서, 금속, 중합체, 조직 및 세라믹 그리고 다른 재료를 천공하기 위해서 일반적으로 이용된다. 일부 실시예에서, ICI 시스템은 이하 중 하나 또는 그 조합을 실시하기 위해서 이용된다.
a) 드릴링 중에 홀의 하단을 추적하는 것;
b) 천공 속력의 제어;
c) 재료가 천공되는 시점의 관찰;
d) 레이저가 재료를 천공할 시점의 예상;
e) 새로운 홀 아래의 표면에 대한 손상을 방지하기 위한 레이저 프로세스의 조정;
f) 레이저가 턴 오프된 후에 홀이 재충진되지 않았는지의 확인;
g) 선택된 깊이까지 드릴링, 컷팅 또는 용접을 제어;
h) 선택된 재료 인터페이스에 대한 선택된 깊이까지 드릴링, 컷팅 또는 용접을 제어; 및
i) 레이저 드릴링, 레이저 컷팅 또는 레이저 용접의 프로세스에서 임박한 돌파에 관한 표시의 생성.
유리하게, ICI 시스템은, 천공되는 부분의 원위 측에 대한 물리적인 접근이 없이, 이러한 기능을 실시할 수 있다. 이는, 많은 기존 돌파 검출 기술보다 상당히 유리하다.
예로서, 도 14에 도시된 ICI 시스템은, 이색성 거울에 의해서 프로세싱 빔과 조합되는, 빔 라인에 대한 카메라 포트 또는 다른 적합한 광학적 접근을 통해서 레이저 드릴링 시스템에 인터페이스될 수 있다. 드릴링 중에 홀의 하단부를 추적하고 돌파를 관찰할 수 있는 그 능력을 예시하자면, 1070 nm 광의 개별적인 5 ms 펄스가 102 마이크로미터 두께의 강 호일에 인가되었다. 촬영 및 드릴링 포커스가 CMOS 검출기 어레이를 이용하여 미리 정렬되었다. 천공은 인가 펄스 에너지 및 산소 보조 가스 압력으로 제어될 수 있다. 3개의 예시적인 예로부터의 M-모드 화상이 도 22에 도시되어 있다. 도 22는 스테인리스 강 호일 내의 단일 펄스(수직 적색 라인에 의해서 표시된 5 ms 지속시간) 산소 보조 충격식 드릴링으로부터의 ICI 화상을 도시한다. 수평 쇄선은 호일의 두께를 나타낸다. 도 22의 타일(tile) "a"에서, 77 mJ 펄스는 호일을 천공하지 못하나, 드릴링 펄스가 종료되기 전에 호일이 (약 15 um 내에서) 거의 천공되고 홀은 용융체로 재충진된다. 타일 "b"에서 77 mJ 펄스는 드릴링 펄스의 종료에 매우 근접하여 호일을 간단히 천공한다. 이러한 지점에서, 펄스로부터 수백 마이크로초 이후에 남아 있는 홀을 보조 가스가 청소하기 시작하고, 여기에서 신호는 ICI 시스템에 의해서 거의 레지스터링(register)되지 않는다. 이러한 기간 후에, 원래의 표면 깊이에서 또는 그 부근에서 단일 인터페이스의 사인에 의해서 표시된 바와 같이 홀이 재충진된다. 타일 "c"에서, 더 강한 드릴링 펄스를 이용하여, 홀이 몇 밀리초 이내에 천공되게 한다. 더 구체적으로, 펄스 에너지를 100 mJ까지 증가시키는 것은, 펄스 이후에 개방 유지되는 홀을 ~3.5 ms 이내에 생성한다. 보조 가스가 주변 용융물을 제거할 수 있을 정도로 충분히 길게 드릴링 펄스가 홀을 개방 유지하기 때문에, 홀은 재충진되지 않고, 이는 ICI 화상에 의해서 표시되며, 성공적인 천공이 이루어졌다는 것을 확인한다. 이러한 해석은, 호일을 통해서 전달되고 고속 광다이오드로 검출된 광학적 파워의 측정에 의해서 확인된다. 드릴링이 종료된 후에 천공된 재료의 원위 벽의 깊이로부터 기원하는 신호의 존재는, 드로스(dross)의 존재 및/또는 출구 홀 직경이 촬영 빔 포커스의 직경에 필적한다는 것을 나타낼 수 있다.
도 5에서 상세하게 도시된 것과 같은 피드백 프로세서의 이용으로, ICI 시스템은, 측정하는 프로세스된 간섭측정 신호를 기초로, 프로세스 매개변수(예를 들어, 펄스 에너지)의 변화를 신호전달하는 것에 의해서 천공률을 제어할 수 있다. 유사하게, 돌파의 검출 시에, 선택적으로 선택된 과다드릴링 기간 이후에, 피드백 프로세서는 드릴링 레이저를 중단하도록 신호할 수 있다. 이는, 천공되는 재료의 원위 측에 존재하는 재료에 대한 "후방 벽 타격"-유형의 손상 가능성을 감소시킬 수 있는 중요한 특징을 갖는다. 이러한 능력은, 가스 터빈 내의 냉각 홀의 제조와 같은, 적용 분야에서 ICI 시스템에 의해서 제공되는 상당한 장점이다.
이러한 돌파의 사인은 상이한 재료들에서 상이하다. 금속에서, 천공 직전에, 드릴링 레이저의 침투율의 현저한 가속이 발생되는 것이 관찰될 수 있다.
이는, 임박한 천공을 표시하기 위한 그리고 천공 지점에 근접하여 프로세스를 중단 또는 달리 변경하기 위한 준비가 이루어질 수 있게 하기 위한 신호로서 이용될 수 있다. 프로세스가 천공 직전에 중단되는 경우에, 화학적(예를 들어, 약산 에칭) 또는 다른 과정을 이용하여 홀을 완성할 수 있다. 또한, 액체의 유동 및 융해 후의 홀의 후속 차폐가 관찰될 수 있다. ICI 시스템을 이용하여, 이러한 이벤트의 기록을 생성할 수 있고, 및/또는 알림, 고지, 경고를 생성할 수 있고, 및/또는 홀을 청소하기 위한 부가적인 프로세싱을 요청할 수 있다.
다른 실시예에서, ICI 시스템을 이용하여, 인쇄 회로 기판 비아의 레이저 드릴링 및/또는 인쇄 회로 기판 내의 트렌치 컷팅을 제어한다. 당업자는, 이러한 구조가 종종 전도성 및/또는 절연 재료의 하나 이상의 층의 천공을 통해서 형성된다는 것을 알 것이다. ICI 화상 프로세서는, 프로세스에 의해서 재료가 얼마나 깊게 침투되었는지 그리고 재료의 다양한 층에 대한 프로세스의 근접도를 결정할 수 있다. 구체적으로, 촬영 데이터에서, 하위표면 층은, 도 11b에서 레이블 AI에 의해서 표시된 바와 같이, 화상 내에서 상승되는 것으로 보이는 그 경향에 의해서, 드릴링 중에 식별될 수 있다. 동시에, 홀의 하단부가 떨어지는 것으로 보인다(MF). 하위표면 층은, 이러한 2개의 사인이 지점(P)에서 도 11a에 도시된 바와 같이 만날 때, 천공된다. (여기에서, "가위 특징"으로 지칭되는) 이러한 특징 및 (도 11b에서 MF 및 AI에 의해서 강조된 특징과 같은) 그 전조는 많은 적용예에서 피드백 제어를 위한 실질적인 유틸리티를 가지며, 그러한 적용예는, 여러 실시예에서, 비제한적으로, 컷팅, 드릴링, 레이저 수술, 및 반-투명 및/또는 완전-투명 매체에서의 임의의 다른 재료 제거 기술을 포함한다. 가위 특징 및 그 전조의 검출은, 화상 프로세서 및/또는 피드백 제어기가, 하나 이상의 프로세스 변수의 변화를 실시하는 것에 의해서, 드릴링 프로세스를 시작, 중단, 감속 및/또는 가속할 수 있게 하고, 및/또는, 그러한 특징이 프로세싱의 시작 이전에 특성화되지 않은 경우에도, 수정되는 재료 내의 하위표면 피쳐에 대한 위치로 재료 수정 프로세스를 안내할 수 있게 한다. 이러한 능력이 유리한데, 이는 그러한 능력이 더 신속하고 및/또는 더 정확한 전체적인 재료 프로세싱을 가능하게 하기 때문이다. 일부 실시예에서, ICI 촬영 데이터는, 레이저 손상에 민감한 조직(들)에 관한 선택된 수술 마진에 대한 안내를 제공하고, 그에 따라 이러한 장점이 없이는 용이하게 실시될 수 없는 레이저 수술 과정이 더 안전해지게 할 수 있다.
다른 실시예에서, ICI 시스템은, 용접 프로세스 중에 실시간으로, 용접 빔의 돌파 및 2개의 재료 사이의 간극을 검출하기 위해서 이용된다. 이러한 정보는 전자기기에 의해서 해석된다. 일부 실시예에서, 신호 출력은, 조작자 및/또는 부가적인 프로세스 제어 전자기기에 의한 수신을 위해서 생성된다. 예를 들어, 도 14에 도시된 ICI 시스템은 (카메라 포트/다른 광학적 접근 및 이색성 거울을 통해서) 금속의 2개의 시트를 함께 겹침 용접하기 위해서 적용되는 레이저 키홀 용접 기계의 빔 전달 하위 시스템과 인터페이스할 수 있다(도 22 참조). 이러한 예시적인 프로세스에서, 용접이 제1 재료(F)를 침투하는 때, 침투 지점에서의 2개의 표면(A)의 피팅 업, 및 제2 재료(D) 내로의 용접의 추가적인 침투를 결정하는 것이 요구된다. 기준 아암(416)의 길이를 조정함으로써, 0의 광학적 경로 길이 차이 지점(B)은 용접의 예상되는 최대 침투 깊이의 약간 아래에 (화상 내에서 복잡한 켤레 모호성 아티팩트가 발생되지 않도록 아래쪽으로 충분한 거리에) 위치된다. 이는 재료 내로부터의 더 깊은 신호를 향상시키는데 있어서 유용한데, 이는, 더 깊은 피쳐가 당연히 촬영 시스템 내로 적은 광을 반사하고 시스템이 짧은 광학적 경로 차이에서 더 민감하기 때문이다.
촬영 시스템은 "E"에 의해서 표시된 단일 측면형 시계 범위를 갖는다. 재료가 침투됨에 따라, 근위 재료가 깊이(C)까지 침투되고 시계에 진입할 때, 신호가 레지스터링되기 시작한다. 프로세스가 깊이(F)에 도달함에 따라, 촬영 시스템은, 근위 재료의 원위 벽이 그 기계적 강도를 잃고 변형될 때, 침투의 가속을 레지스터링할 수 있다. 원위 벽이 깊이(F)에서 침투됨에 따라, 그 신호가 감쇠되거나 완전히 사라져 돌파를 표시한다. 이러한 지점에서, 촬영 시스템은 원위 재료의 근위 벽으로부터의 반사를 레지스터링한다. 이러한 2개의 반사로부터의 축방향 위치의 차이는 재료의 2개의 단편(A)의 용접 간극/피팅 업을 나타내며, 이는 디스플레이, 저장 및/또는 피드백 제어기에 중계될 수 있는 출력이다. 프로세스 빔이 원위 재료 내로 계속 침투함에 따라, 깊이는 이전과 같이 촬영될 수 있고 그에 따라 원위 재료 내측의 최종 용접 깊이가 또한 측정, 디스플레이, 저장 매체 상에서 기록, 및/또는 피드백 제어기에 중계될 수 있다.
또한, 도 14의 실시예의 맥락으로 설명하였지만, 이러한 접근방식 중 임의의 하나 또는 둘 이상의 임의의 조합이 본원에서 설명되거나 청구된 임의의 다른 실시예와 함께 적용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 이러한 접근방식은 피드백이 있거나 없는 상태에서 실시예에 적용될 수 있다.
영역 내의 가장 낮은 또는 가장 높은 깊이를 결정하기 위한 의도적으로 디포커스된/큰 촬영 빔
일부 실시예에서, ICI 시스템은, 촬영 빔이, 상이한 축방향 높이들에 있는, 또는 촬영 빔의 중심 축에 대해서 상이한 횡방향 변위들에 있는, 또는 그 조합에 있는 샘플의 다수의 반사 피쳐를 포함하는 샘플의 지역 또는 부피를 조명하도록, 구성된다. 일부 경우에, 샘플의 반사 피쳐가 전체적으로 샘플의 표면 상에 위치될 수 있다. 다른 경우에, 반사 피쳐가 샘플의 내부 구조물, 인터페이스, 물체 또는 다른 반사 요소와 관련될 수 있다. 이는, 횡방향 스캐닝 또는 프로세싱 후의 부가적인 QA 단계를 필요로 하지 않고 측정될 수 있는, 촬영 빔의 조명된 지역 또는 부피 내의 다수의 피쳐 높이를 동시에 검출할 수 있게 한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 촬영 빔이 선택적 샘플 프로세싱 빔과 동축적으로 전달될 때, 상당한 효율이 획득될 수 있다.
특정 예로서, 일 실시예에서, 도 14에 도시된 것과 같은 ICI 시스템은, 금속 내에 딤플을 생산하는 디바이스를 위한 레이저 빔 전달 시스템 상의 광학적 접근 포트에 연결된다. 이러한 실시예에서, 포커스 대물렌즈(미도시)에 도달하기 전에 전달 헤드 내측에서 작은 촬영 빔 직경을 생산하기 위해서, 샘플 아암 시준기의(도 14의 407) 포커스 길이가 짧게 선택된다. 촬영 및 프로세싱 빔이 이색성 거울에 의해서 조합된다. 이러한 예에서, 프로세싱 빔은, 예를 들어, 이산화탄소 레이저, Nd:YAG 레이저, 섬유 레이저, 또는 금속 내에 딤플을 생산할 수 있는 임의의 다른 레이저일 수 있다. 이러한 예에서, 샘플 아암이, 도 5의 실시예에서 도시된 바와 같이, 샘플 아암 시준기 렌즈 및 (수정 레이저를 위한 대물렌즈로서 또한 기능하는) 샘플 아암 대물 렌즈를 갖는 것을 가정한다(요소 351 및 314 참조). 샘플에서, 촬영 빔은 촬영 섬유(기준 아암(416)의 섬유 시준기(409)와 요소(402) 사이의 섬유)의 모드 필드 직경과 샘플 대물렌즈:샘플 아암 시준기 렌즈 포커스 길이(도 5의 렌즈(314, 353))의 비율의 곱과 대략적으로 동일한 직경을 갖는다. 5 um의 전형적인 모드 필드 직경 및 100 mm의 샘플 대물렌즈 포커스 길이, 5 mm의 샘플 아암 시준기 포커스 길이가 샘플 상에서 100 um 직경의 스폿을 생산할 수 있다. 또한, 샘플 스폿 직경은, 샘플 아암 시준기 렌즈와 섬유 선단부 사이의 거리를 변경하는 것에 의해서 더 수정될 수 있으나, 이는 최적의 광 수집 효율을 초래하지 않을 수 있다.
촬영 빔이 샘플에 도달할 때, 빔의 부분이 복수의 깊이로부터 후방-반사된다. 이러한 반사는 촬영 시스템에 의해서 수신되고, 그 광학적 경로 길이를 기초로 간섭측정 출력을 생성한다. 이러한 출력은, 호모다인 필터 알고리즘과 같은 알고리즘, 또는 푸리에 변환과 필요에 따른 스펙트럼 재성형의, 필요에 따른 내삽적 재샘플링의, Kaiser-Bessel 필터링(예를 들어, 여기에서 전체가 참조로 포함되는, Vergnole et al., Optics Express 18:10446-61 (2010))의 조합에 의해서, 신호 프로세서 디바이스에 의해서 검출되고 전자적으로 프로세스되며, 하나 이상의 깊이의 함수로서 샘플의 반사도의 표상을 생성한다. 이러한 측정은, 이용 가능한 검출기 기술을 이용하여 300 kHz 초과의 비율로 획득될 수 있다. 600 kHz 초과의 화상 프로세싱률이, 그래픽 프로세서 유닛 상의 화상 데이터의 프로세싱에 의해서 달성되었다. 일부 실시예에서, 이러한 기술은 실시간 프로세스 제어에 적용된다.
레이저 생성된 딤플의 구체적인 예에서, 이러한 구조물은, 추후에 함께 겹침 용접되는 2개의 판들 사이에 간극을 생성하기 위해서 이용된다. 원래의 표면 위쪽의 딤플의 높이는, 후속 용접 프로세스 중에 예측되는 간극에 관한 중요 지표이다. 딤플은 종종 둘 이상의 그룹으로 생성된다. 일부 실시예에서, 최종 딤플 기하형태의 현장 측정을 이용하여, 검출된 딤플 높이의 부적절성이 (도 5에서와 같이) 화상 프로세싱 시스템으로부터 피드백 제어기로 공급되어, 딤플 형성 프로세스 매개변수의 변화를 유발한다.
도 21은, 촬영 빔의 직경이 관심 피쳐보다 크도록, 샘플에 인가되는 촬영 빔의 예를 도시한다. 샘플 (A-C) 내의 몇몇 깊이로부터 반사가 측정되었다. 이러한 깊이는 하나의 광학적 획득(A-스캔으로 지칭되는 축방향 스캔)에서 동시에 측정될 수 있다. 촬영 빔이 이러한 피쳐를 프로세스하기 위해서 이용되는 빔과 동축적으로 전달될 때, 부가적인 측정 단계를 필요로 하지 않고, 피쳐의 높이 및 깊이를 신속하게 측정할 수 있다. 하나 이상의 깊이의 함수로서의 샘플의 반사도의 표상이 도 21의 우측에 개략적으로 도시된다. A-스캔 세기 내에 각각의 피크가 있다는 것이 확인될 수 있으며, 그러한 피크는 A: 딤플 선단부의 높이, B: 최초(virgin) 표면의 높이; 및 C: 딤플 홈통(dimple trough)의 높이를 각각 나타낸다. 전술한 딤플의 높이는 A-B에 의해서 표시된다. 피쳐 내의 다른 높이들의 다른 표면들이 A-스캔에서 사인을 생성할 수 있으나, 이는 명료함을 위해서 도 21에서 생략되었다.
또한, 도 14의 실시예의 맥락으로 설명하였지만, 이러한 접근방식 중 임의의 하나 또는 둘 이상의 임의의 조합이 본원에서 설명되거나 청구된 임의의 다른 실시예와 함께 적용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 이러한 접근방식은 피드백 제어가 있거나 없는 상태에서 실시예에 적용될 수 있다.
도 21에서, 측정되는 재료 내측에 0의 광학적 경로 길이 차이 지점(D)을 배치하는 것에 관한 이전에 도입된 실무가 또한 예시되어 있다. 깊이(A)로부터의 반사가 깊이(C)보다 훨씬 더 밝은 경우에, 이러한 구성은 화상 품질을 개선하는데, 이는, 스펙트럼 도메인 가간섭적 촬영 시스템이 전형적으로 낮은 감도로 더 큰 광학적 경로 길이 차이로부터의 반사를 레지스터링하고 그에 의해서 촬영 시스템의 동적 범위를 이동시키고 잠재적인 포화를 감소시키기 때문이다.
샘플 상의 표면 피쳐 높이를 측정하기 위한 본원에서 설명된 방법은, 예로서 도 26에 도시된 바와 같이, 샘플 표면 아래의 피쳐의 높이를 측정하기 위해서 또한 이용될 수 있다. 일부 실시예에서, 이는, 프로세싱 빔의 인접 영역 내의 재료를 특성화하기 위한 효과적인 방식이 될 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 방법은 프로세싱 빔을 정렬시키기 위해서 이용될 수 있다.
드릴링 제어의 검증을 보여주는 구현예
도 5에 도시된 인라인 가간섭적 촬영 시스템에 의해서 제공되는 완전 자동적 깊이 제어를 이용하여, 홀마다 30 미크론만큼 일정하게 달라지는 깊이들에서, 14개의 홀을 드릴링하였다. PC(화상 프로세싱 전자기기의 일 실시예, 332) 상에서 작동되는 호모다인 필터 알고리즘을 이용하여, 규소 라인 카메라(330)로부터의 미가공 촬영 데이터를 효율적으로 프로세스하였고, 희망 깊이를 달성하기 위해서 추가적인 가공 레이저 노출이 필요한지의 여부에 관한 결정을 하였다. 사용자는 일련의 홀에 대한 희망 깊이(들)을 PC 내로 프로그래밍하였다. PC는 이러한 프로그래밍을 판독하고 적절한 호모다인 파형을 합성하여, 목표 깊이에서의 샘플 반사도를 획득하기 위해 미가공 촬영 데이터와 혼합하였다. 홀의 드릴링 과정을 통해서, 선택된 문턱값이 호모다인 출력으로부터 만족될 때(이러한 경우에, 노이즈 플로어의 RMS 세기의 5배), PC는 프로세스를 중단하도록 피드백 제어기(334)에 신호한다. 이러한 실시예에서, 피드백 제어기는 PC의 디지털 출력 하위시스템(National Instruments PCI-6229) 및 함수 발생기(Tektronix AFG3022B)로 구성된다. 이러한 피드백 제어기는, 샘플을 드릴링하는 펄스(약 100 마이크로초의 지속시간)를 방출하도록, 변조 CW 섬유 레이저(320)를 지향시킨다. 이러한 시스템은 300 마이크로초보다 양호한 개방 루프 피드백 응답 시간을 생성할 수 있다.
결과 확인을 위해서, 별개의 스캐닝 광학적 가간섭성 단층촬영 시스템을 이용하여 프로세스된 샘플의 형태를 측정하였다. 홀이 드릴링되는 평면 내의 스캔에 정렬되어, 시스템은 드릴링된 홀의 깊이를 측정한다. 결과적인 화상이 도 24에 도시되어 있고, 홀마다 30 마이크로미터만큼 일정하게 달라지는 깊이를 갖는 14개의 홀을 도시한다.
스캐너 보정
일부 실시예에서, 촬영 및 프로세싱 빔이, 능동적 스캐닝 광학기기 및 렌즈에 의해서 샘플을 향해서 지향될 수 있다. 당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, 프로세싱 빔을 스캐닝하는 것은, 많은 재료 프로세싱 적용예(예를 들어, 자동 용접)에서 바람직한 광학적 포커스의 신속하고 정밀한 이동을 가능하게 한다. ICI 시스템의 많은 장점의 일부 또는 전부를 갖는 ICI 증강 스캐닝된 재료 프로세싱의 재료 프로세서 하위시스템 내의 스캐너의 포함이 본원에서 설명된다. 스캐닝 광학기기/렌즈 조합은, 빔이 하나의 장소로부터 다른 장소로 스캐닝될 때 재료의 광학적 경로 길이의 변조를 초래할 수 있고, 이는, 하나의 예에서, 편평한 표면이 곡선형으로 보이게 한다. 이러한 변조를 광학적으로 관리하는 것은, 깊이 시야에 대한 및/또는 ICI 시스템 내의 더 연산적으로 효율적인 피드백 계산에 대한 설계 요건을 완화할 수 있다. 일부 적용예에서, 변조는, 스캔 광학기기 위치와 상호 관련되는 (예를 들어, 화상 내의 및/또는 피드백 프로세서 내의) 깊이 오프셋을 적용하는 것에 의해서, 디지털적으로 관리될 수 있다.
일 실시예에서, 스캔 위치에 의해서 생성된 예상 변조 및/또는 측정 변조와 동일한 또는 그에 근접하는 양만큼 기준 아암 길이를 조정함으로써, 경로 길이 변조가 실질적으로 보상된다. 그러한 조정은, 모터화된 병진운동 스테이지, 압전 요소, 샘플 또는 기준 섬유 연신, 전자기적 솔레노이드 또는 보이스 코일에 의해서, 및/또는 기준 아암 빔 경로에 대해서 도입 또는 제거될 수 있는 몇몇 기준 거울의 포함에 의해서, 이루어질 수 있다. 희망 보정과 동일한, 보고된 깊이 측정에 대한 디지털 오프셋을 부가하는 것에 의해서, 부가적인 조정이 화상 프로세싱 단계에 도입될 수 있다. 일부 실시예에서, 경로 길이 변조 존재는, ICI의 촬영 구성요소에 의해서 샘플 상에서 프로세스되는 전체 지역 및/또는 경로에 대해서 직접적으로 측정된다. 이는, 예를 들어, 최초의 원재료를 프로세싱 시스템 내에 배치하는 것 그리고 재료를 프로세싱할 때 이용되는 이동 경로를 통해서 광학기기가 스캐닝될 때 ICI 데이터를 기록하는 것에 의해서 달성될 수 있다. 샘플의 이러한 데이터에서 표시된 및/또는 추적된 표면 형태와 알고 있는 표면 형태 사이의 차이가, 스캔-유도된 광학적 경로 길이 변조의 광학적 및/또는 디지털 관리를 위한 보정 함수로서 이용될 수 있다.
촬영 시스템은 이러한 프로그램 중에서 데이터를 수집하여 최초 표면의 위치를 기록한다. 경로 길이가 시스템의 전체 축방향 시계보다 많이 변화되는 경우에, 최초 표면을 따르도록 샘플 및/또는 기준 아암에서 경로 길이 조정 하드웨어를 이용하는 것이 유리할 수 있다. 보정의 반복적인 조정은, 스캔 프로그램을 실행하는 동안 최초 표면의 레벨이 화상 프로세싱 알고리즘의 이용을 위해서 충분히 편평하게 보일 때까지, 이루어질 수 있다.
스캔 렌즈를 통한 포커스된 빔의 횡방향 스캔 위치는 렌즈 유효 포커스 깊이와 라디안(radian)으로 표시된 스캔 각도의 곱에 근접한다. 렌즈의 색수차(즉, 파장의 함수로서의 포커스 길이 변화)는, 촬영 빔 및 프로세싱 빔 모두가 동일 스캔 각도에서 렌즈 내로 도입되는 경우에, 촬영 빔 및 프로세싱 빔이 재료에 걸쳐 스캐닝될 때, 촬영 빔과 프로세싱 빔 사이의 횡방향 공간적 워크오프(walkoff)를 유발할 수 있다. 일부 실시예에서, 촬영 빔의 스캔 각도는, 샘플 시준기와의 사이에서 촬영 빔 경로 내로 삽입된 검류계 또는 다른 능동적 요소를 이용하여 촬영 빔에 작은 각도 편차를 부가하는 것에 의해서, 프로세스 빔과 조합되기 전에, 미리-보정될 수 있다. 이러한 능동적 요소는, 조합된 빔을 스캔하는 주 스캐닝 광학기기와 동기화되도록 제어될 수 있다. 이러한 보정의 검증은, 양 빔을 CCD 또는 CMOS 검출기 어레이 또는 PRIMES FocusMonitor와 같은 다른 빔 프로파일링 장비 상으로 포커스하는 것에 의해서 달성될 수 있다.
작은 가간섭성 간섭측정이 또한, ("스펙트럼" 또는 "푸리에 도메인"으로 지칭되는 분광계-기반의 구성 대신에 또는 그에 부가적으로, ("스위핑된 공급원", "광학적 주파수 도메인 촬영" 및/또는 종종 "푸리에 도메인 모드-록드"로 지칭되는) 스펙트럼적으로 스위핑된 광학적 공급원 구성으로 실시될 수 있다. 이러한 접근방식은 Choma 등(본원에서 전체가 참조로 포함되는 Optics Express 11:2183-9 (2003))에 의해서 구분되고 비교된다. 이러한 접근방식 중 어느 하나 또는 모두가 본원에서 설명되고 청구된 임의의 인라인 가간섭적 촬영 시스템과 함께 이용될 수 있다. 당업자는, Yun 등(본원에서 전체가 참조로 포함되는 Optics Express 12:2977-2998 (2008))에 의해서 논의된 바와 같이, 이러한 2개의 접근방식이 (함께 또는 분리되어 이용될 때) 샘플 내에 존재하는 이동에 달리 응답한다는 것을 더 이해할 것이다. ICI 실시예 내에서 이러한 기술 중 하나 또는 그 조합을 이용하는 것은, 이동 물체의 속력(Yun 등 참조), 프로세스로부터의 광학적 방출로부터의 촬영 센서의 격리 필요성(여기에서 분광계 검출이 유리하다), 촬영률(현재, 본원에서 전체가 참조되는 Wieser 등(Optics Express 18:14685-704 (2010)에 의해서 설명된 바와 같이 스위핑된 공급원이 분광계보다 더 신속하게 촬영할 수 있다), 및 디바이스의 전체적인 비용 및 복잡성(현재, 스위핑된 공급원은 비교적 복잡하고 고가이며, 양 기술의 이용 비용은 부가적이다)을 기초로 선택된다.
도 27은 다른 실시예의 개략적 블록도이다. 이색성 거울(DM)로 가는 동안 섬유 및 렌즈를 통과하는 수정 빔을 생성하는 수정 레이저(ML)가 도시되어 있으며, 그러한 수정 레이저는 이색성 거울에서 ICI 광학 모듈로부터의 촬영 빔과 조합된다. 조합된 빔은 이제 실질적으로 동축적이다. 이들은 노즐 내의 공통 대물렌즈를 통해서 거울에 의해서 샘플로 반사된다. 샘플에서 반사된 촬영 광은 ICI 광학기기 모듈로 다시 전달된다. ICI 광학기기 모듈은 ICI 프로세서 제어기에 대한 출력을 가지며, 이는 ML을 위한 자동 피드백 제어를 생성하고, 이는 더 일반적으로 적어도 하나의 프로세싱 매개변수를 제어하기 위한 제어 신호를 생성한다.
도 27의 실시예에서, ICI 시스템은 2개의 요소; ICI 광학기기 모듈 및 ICI 프로세서/제어기를 포함한다. ICI 광학기기 모듈은 ICI 시스템의 전자 광학 요소를 포함하고, 레이저 재료 프로세싱 시스템의 노즐과 광학적으로 인터페이스하고, ICI 프로세서/제어기와 전기적으로 인터페이스한다. ICI 프로세서/제어기는 화상 데이터의 프로세싱 및 가공 레이저의 동작을 위한 제어 신호의 생성을 담당한다. ICI 모듈들이 함께 조합될 수 있거나, 시스템의 다른 요소와 조합될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, ICI 시스템은, 도 28에 도시된 바와 같이, 부가적인 시스템 요소와 인터페이스하도록 선택적으로 구성될 수 있다. ICI 프로세서/제어기는 또한 레이저 제어기와 전기적으로 인터페이스할 수 있고, 가공 레이저의 동작을 위해서 레이저 제어기에 제어 신호를 제공할 수 있다. ICI 프로세서/제어기는, "시스템 제어 및 관리의 벌크"로 지칭되는, 전체적인 레이저 재료 프로세싱 재료 프로세싱 시스템의 다른 양태와 인터페이스할 수 있다. 이러한 부가적인 시스템 양태는 재료 제어, 공급 제어, 노즐 위치 제어, 가스 유동 제어, 및 개별적인 구현예에서 요구될 수 있는 것과 같은 다른 양태를 포함할 수 있다.
다수의 샘플 및 노즐 및/또는 노즐 내의 상이한 수의 전향 거울 및/또는 노즐 내의 전향 거울의 상이한 순서를 바탕으로 하는 동작을 포함하기 위한 부가적인 유사한 실시예가 고려될 수 있다. 이들은 당업자에게 균등한 것으로 간주될 수 있다.
펄스 레이저 가공에서 완전 자동 피드백을 가능하게 하기 위해서, 인라인 가간섭적 촬영을 이용하여, 적절한 정보를 특별하게 설계된 화상 프로세서 및 피드백 제어기에 출력한다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 인라인 가간섭적 촬영 시스템의 촬영 창이, 재료 수정 광학적 펄스의 시작에 대한 특정 지연 시간에 대해서 동기화된다. 최적의 지연은, 희망하는 피드백의 종류뿐만 아니라 재료 수정 프로세스의 대상에 따라 달라진다. 인트라펄스(즉, 재료 수정 공급원 광이 재료 상으로 입사되는 동안) 측정으로부터의 피드백은 재료가 이완된 후와 다른 결과를 초래한다. 인트라펄스 피드백은, 재료 수정 프로세스의 총 침투 깊이를 제어하기 위해서 이용될 수 있다. 특히, 인트라펄스 피드백은 양호한 정확도를 위한 매우 신속한 피드백 응답(약 1 내지 100 마이크로초의 응답 시간)으로부터 이점을 가지는데, 이는 프로세싱 빔이 재료를 수정할 수 있는 속도 때문이다. 늦은 시간으로부터의 피드백(즉, 재료 수정 광 공급원이 샘플에 입사되지 않을 때)을 이용하여, 샘플(예를 들어, 금속)의 이완된 기하형태와 관련되는 홀의 최종 형태를 제어한다.
준연속적 재료 수정 광 공급원을 이용하는 실시예에서, 재료 수정 프로세스의 시작에 대한 촬영 시스템의 동기화는 자동 피드백에 있어서 중요하다. 일부 실시예에서, 재료 수정이 시작되기 전의 샘플의 화상 획득은, 최초 샘플 위치 및/또는 광학적 후방산란 특성에 대한 피드백을 허용하는데 있어서 유용한다. 예를 들어, 샘플의 상단에 대한 수정을 제어하기 위한 피드백이 상황에 따라(on the fly) 이루어질 수 있다. 또한, 최초의 광학적 후방산란 특성을 이용하여, 화상 프로세싱 매개변수 및/또는 피드백 제어 알고리즘을 조정할 수 있고, 그에 따라 불균질한 재료에 대한 강건한 피드백을 가능하게 할 수 있다.
인라인 가간섭적 촬영 광학적 유닛에서, 촬영 및 가공 광 모두를 샘플에 전달하기 위해서 공통 포커스 대물렌즈를 이용하는 것에 의해서, 실제 가공 프로세스에 대한 피드백이 충분히 가능해질 수 있다. 이는, 분리된 포커스 대물렌즈, 그리고 일부 실시예에서, 샘플과 대물렌즈 사이의 부가적인 이색성 거울을 이용하여 촬영 및 가공 광을 샘플에 전달하고자 하고 전달하는 경우보다, 시장에서의 기존 가공 플랫폼 및 기술과의 통합을 상당히 더 용이하게 그리고 저렴하게 만든다. 특히, 프로세스 가스의 전달, 프로세스 에젝타로부터의 이색성 거울에 대한 손상, 및 분산 보상 모두가 후자의 접근방식에 의해서 방해된다. 인라인 가간섭적 촬영 시스템은, 촬영 및 가공 광 모두를 샘플에 전달하기 위해서 공통 포커스 대물렌즈를 이용함으로써, 이러한 문제를 방지한다. 일부 실시예에서, 기존 시스템 내로의 통합은, 400 내지 950 nm의 스펙트럼 영역 내에서 촬영 광 공급원을 동작시킴으로써, 상당히 보조되는데, 이는 기존 카메라 포트 하드웨어가 그러한 파장과 종종 양립될 수 있기 때문이다. 또한, 이러한 스펙트럼 영역은 더 신속하고 및/또는 더 민감한 규소 기반 검출기 하드웨어가 이용될 수 있게 한다.
인라인 가간섭적 촬영의 실시예에서의 화상 프로세서 설계 및 구성은 (광학적 가간섭성 단층촬영과 같은) 작은 간섭성 간섭측정의 다른 적용예에서 교시된 것과 상이하다. ICI 촬영 시스템에서, OCT에서 일반적으로 실시되는 것과 같이 프로세싱 전에 몇천 개의 스펙트럼 획득을 버퍼링하는 것은 적합하지 않다. 일부 실시예에서, ICI 시스템은 피드백 대기 시간을 줄이기 위해서 1 내지 100개의 세트로 스펙트럼을 획득한다. 제거된 재료의 깊이, 남은 재료의 깊이, 재료 높이의 변화, 재료의 광학적 성질의 변화, 재료 두께의 변화와 같은 프로세스 조건을 나타내는 샘플 내의 선택된 인터페이스를 식별하는 것에 의해서, 하나의 또는 몇 개의 출력 매개변수에 대한 프로세스되지 않은 촬영 정보를 감소시키기 위해서, 특별한 화상 프로세싱 알고리즘, 온라인 인터페이스 검출 및 피드백 제어기뿐만 적절한 알고리즘이 요구된다.
불투명 재료를 프로세싱할 때, 가공된 피쳐의 하단부가 종종, 알고리즘을 추적하는 것에 의해서, 알고리즘이 가장 깊은 깊이로부터 가장 얕은 깊이로 이동될 때 선택 문턱값을 초과하는 세기를 갖는 제1 신호로서 확실하게 식별될 수 있다. 일부 경우에, 이러한 조건을 잘못 트리거링하는 것과 관련하여, 다수의 산란된 광자가 촬영 시스템에 의해서 충분한 양으로 수집될 것이다. 이러한 상황 하에서, 홀의 하단부는, 알고리즘을 추적하는 것에 의해서, 알고리즘이 가장 깊은 깊이로부터 가장 얕은 깊이로 이동될 때 선택 문턱값을 초과하는 제1 피크로 확실하게 식별될 수 있다. 일부 실시예에서, 화상 프로세싱 알고리즘은 신호 대 노이즈비를 향상시키기 위해서 하나 이상의 회득 결과를 평균화할 수 있다. 피드백을 위한 ICI 화상 프로세싱에서의 후속 단계는, 제거된 재료의 깊이, 남은 재료의 깊이, 재료 높이의 변화, 재료의 광학적 성질의 변화, 재료 두께의 변화와 같은 프로세스 조건을 나타내는 샘플 내의 선택된 인터페이스를 식별하는 것에 의해서, 하나의 또는 몇 개의 출력 매개변수에 대한 프로세스되지 않은 촬영 정보를 감소시키기 위한 알고리즘의 적용이다. 희망 피드백에 따라서, 이러한 측정 중 하나 이상이 피드백 제어기에 전달되고, 그러한 피드백 제어기는 이러한 측정을 기초로 프로세스 매개변수를 조정할 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 알고리즘은 비례-적분-미분 피드백 방법을 이용한다. 출력 매개변수의 하나 이상이 재료 수정 플랫폼 내의 가공 광 공급원 및/또는 다른 하위시스템에 대해서 인터페이스될 수 있다.
제어되는 재료 수정 플랫폼 내의 제어 매개변수는, 예를 들어, 그러나 비제한적으로, 샘플 위치; 재료 수정 빔 조향 및/또는 포커싱; 재료 수정 광 공급원 펄스 지속시간, 세기, 펄스 에너지, 펄스 영향, 및/또는 광 주파수; 가스 보조 압력 및/또는 가스 유형을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 화상 프로세서는 하나 이상의 지점에 존재하는 데이터를 문제 해결 및 품질 보장 용도를 위한 프로세싱 체인 내에 저장할 수 있다.
일부 재료의 큰 반사도는 검출기가 포화되게 하거나, (종종 "쇼울더"로 지칭되는) 시스템 점 확산 함수의 거리 피쳐를 노이즈 플로어를 초과로 증가시킬 수 있다. 이들 모두는 화상 품질을 감소시킬 수 있고 자동 피드백 프로세싱을 방해할 수 있다. ICI 검출기 및/또는 화상 프로세서의 일부 실시예는 이러한 부정적인 조건을 검출할 수 있고 상황에 따라 보정적인 측정을 할 수 있다. 예를 들어, 간섭도의 보강 간섭 프린지에서의 검출기 포화는 프린지의 상단을 클립(clip)하는 경향이 있고, 이는 다수의 깊이에 걸쳐 확산되어 촬영 아티팩트를 초래할 수 있는 부가적인 주파수 성분 파워를 생성한다. 이러한 예에서, ICI 제어기의 일부 실시예는 검출기 상의 하나 이상의 화소가 포화 레벨에 있다는 것을 검출할 수 있고, 포화에 적합한 다른 프로세싱 알고리즘으로 스위칭할 수 있다. 클립핑된 스펙트럼에서도, 신호 파워의 대부분이 기본 주파수에서 여전히 전달되고 그에 따라, 일부 실시예에서, 최대 탐색 과정(maximum seek procedure)을 이용하여 밝은 반사부의 깊이를 위치결정할 수 있다. 본 발명의 일부 실시예는, 다른 포화 관리 방법으로서, 동적 또는 정적으로 검출기 이득을 조정할 수 있고, 검출기 감도를 조정할 수 있고, 검출기 통합 시간을 조정할 수 있고, 기준 아암 파워를 변조할 수 있고, 및/또는 조명 세기를 변조할 수 있다. 검출기가 포화되지 않은 경우에, 그러나 점 확산 함수 쇼울더가 노이즈 플로어 초과로 실질적을 상승된 경우에, 본 발명의 일부 실시예는, 쇼울더 세기를 허용 가능 레벨 이하로 (일반적으로 노이즈 플로어 이하로) 감소시키기 위해서 디지털 동적 범위 압축을 이용할 것이다.
일부 실시예에서, 피드백 제어기의 출력의 하나 이상이 인라인 가간섭적 촬영 유닛에 또는 화상 프로세서 유닛에 인터페이스되고, 그에 따라 강건한 피드백 제어를 달성하기 위한 이러한 유닛 내의 매개변수의 상황에 따른 조정을 허용한다. 그러한 매개변수의 예는 비제한적으로, 기준 아암 파워, 기준 아암 길이, 화상 빔 편광화, 기준 또는 샘플 방해(즉, 빔 차단), 화상 획득 시간(통합 시간 및 평균화하기 위한 화상의 수), 검출기 이득, 및/또는 동적 범위를 포함한다.
일부 실시예에서 이용될 수 있는 더 진보된 피드백 기술은 이하를 포함한다:
- 일차 가공 전방부 주위의 ~ 10개의 깊이의 창을 선택하고 그러한 깊이 내에서 전방부를 추적하는 것.
- 일차 가공 전방부 깊이 아래로 약간의 거리(이는, 돌파에 관한 얼마나 많이 앞선 통지가 요구되는지에 따라 달라진다)의 ~ 10개의 깊이의 다른 창을 선택하고 그러한 깊이 내의 인터페이스 신호를 탐색하는 것.
- 하위표면 인터페이스가 발견될 때, 그러한 것이 선택된 목표 인터페이스인지 확인하기 위해서 알려진 피처에 대한 신호를 체크하는 것.
- 마진 깊이를 피드백 제어기에 보고하는 것.
- 피드백 제어기가, 프로세스를 감속할 또는 정지시킬 필요가 있는지를 결정하고, 그러한 제어를 프로세스 장비에서 실시하는 것.
일부 실시예는 이하 중 하나 이상을 특징으로 한다:
- SNR을 최대화하기 위해서 촬영 포커스를 목표 깊이에 가능한 한 근접되게 배치하도록 구성된 광학 기기. 이는, 촬영 및 가공 포커스가 서로로부터 축방향으로 변위된다는 것을 의미할 수 있다.
- 화상 프로세싱 피드백 시스템의 혼란을 유발할 수 있는 측벽 반사를 방지하도록 구성된 광학기기;
- 촬영 시스템을 격발하는 때를 제어하기 위한 시스템 타이밍;
- 호모다인 필터 알고리즘, 샘플 깊이의 감소된 하위세트로부터의 반사 세기를 프로세싱하는, 호모다인 필터 알고리즘을 포함하는 합리적인 화상 프로세싱. 또한, 이러한 알고리즘은 표준 기술보다 더 높은 품질의 점 확산 함수를 제공한다(도 20 참조);
- 프로세싱 지연시간을 감소시켜, 프로세싱 속력을 높일 수 있도록, 화상 프로세서 내에서 FPGA 또는 ASIC를 이용하는 것;
- 실시간으로 작동될 수 있는 인터페이스 및/또는 신호 트렌드 추적 알고리즘.
"피드백" 및 "피드백 제어"라는 용어는, 본원에서 설명된 본 발명의 기능을 설명하기 위해서 이용될 때, 자동 전자 및/또는 전기-광학적 피드백 제어를 지칭하며, 여기에서 ICI 촬영 하위시스템에 의해서 생성된 데이터가 제어기에 의해서 더 프로세스되어 제어 신호를 재료 프로세싱 하위시스템에 제공한다.
본원에서 설명된 임의의 실시예가 수정 빔 및 촬영 빔을 위한 공통 대물렌즈로 구현될 수 있다는 것을 주목하여야 한다.
본 발명의 모든 실시예에서, 샘플 아암 광학적 경로 및 기준 광학적 경로가 이용된다. 이러한 경로는, 본 발명 전체를 통해서 여러 지점에서, 중첩될 수 있고 공유될 수 있다. 이러한 적용예에서의 광학적 경로 길이는, 물리적 경로길이뿐만 아니라 광학적 분산 및 다른 광학적 주파수 의존성 상 변동, 가변적인 상을 갖는 광학적 매체 및/또는 그룹 속도를 포함하는, 광학적 경로 지연에 기여하는 촬영 광이 횡단하는 모든 공간 및 물질을 지칭한다.
부가적 제조의 가간섭적 촬영 및 제어
배경
(3D 인쇄로도 알려진) 부가적 제조(AM)는, 통상적인 제조 방법(예를 들어, 주조, 밀링, 몰딩, 성형, 단조, 압연, 등)을 통해서 달성 또는 실현할 수 없는 (예를 들어, 기하형태적, 기계적, 광학적, 열적 등) 특성을 갖는 넓은 범위의 재료로 이루어진 기능적인, 기하형태적으로-복잡한 부품을 생산할 수 있는 능력을 제공한다. 부가적 제조 프로세스는, 금속, 플라스틱, 유기 재료, 유전체, 복합 재료, 및 기능적으로-등급화된 재료를 포함하는 재료로부터 물체를 생산할 수 있다. 많은 부가적 제조 프로세스에서, 3-차원적인 물체가 층-방식의 부품 제조를 통해서 생산된다. 이러한 프로세스 중 많은 프로세스에서, 각각의 층의 생산은, 종종 비제한적으로 용융 또는 증발(즉, 상 변화)을 포함하는 고체 상태 프로세스에 의해서, 미가공 재료 원재료를 희망 형태로 수정하기 위해서, 레이저 빔 또는 전자 빔과 같은 국소적인 에너지 공급원을 이용하는 것을 포함한다. 제어되고, 국소화된 에너지 공급원의 이용은, 열 에너지가 프로세스되는 재료에 부여될 수 있게 하고 재료 변화가 유도될 수 있게 한다. 재료 상 및 온도의 제어를 통해서, 재료의 특성(예를 들어, 표면 장력 및 습윤성)이 수정될 수 있고, 그에 따라 특정 희망 특성을 갖는 새로운 부품 층의 침착을 허용한다. 그러나, 부가적 제조 프로세스 고유의 기본적인 복잡성은 실제로 재료 침착의 필요 제어를 달성하는 것을 어렵게 한다.
AM 프로세스에서, 충분한 재료 침착 및 완전한 부품의 제조(또는 수리)를 달성하기 위해서, 에너지 공급원-재료 상호작용의 정밀 제어가 요구된다. 많은 AM 시스템에서, 구축된 프로세스 매개변수의 세트를 기초로 개방-루프 프로세싱이 실시된다. 그러한 개방-루프 프로세싱은, 적합한 프로세스 매개변수 체제를 결정하기 위해서, 집중적인 프로세스 및 데이터베이스 개발을 필요로 한다. 막대한 양의 자원을 필요로 하는 것 외에도, 이러한 접근 방식은 새로운 재료, 부품 기하형태, 및 프로세스 수정의 개발을 제한한다. 또한, 이러한 접근방식은 기능적 조립체, 상업 제품, 및 중요한 적용예에서 부가적 제조된 부품을 이용하는 것을 제한하는데, 이는 제조된 부품의 특성의 불확실성 때문이다. 충분한 부품 특성을 보장하기 위한 광범위한 프로세스 인증이 요구되어, 적하 및 재적재 시간이 짧은 매우-특정된/맞춤된 부품이 생산; 기하형태적으로 복잡한 부품의 생산; 및 소량 생산 및 적은 부가적인 도구를 통한 절감을 포함하는, 부가적 제조 프로세스의 장점을 상쇄한다.
금속-기반의 부가적 제조 프로세스에서, 재료 상 변화를 유도하기 위한 그리고 재료가 희망 기하형태/형태로 조작될 수 있게 하기 위한 집중적이고, 국소적인 에너지 공급원의 이용은, 적층 프로세스 고유의 층-방식의 구축 성질과 조합되어, 소정 범위의 복잡하고, 기본적인 물리적 현상을 초래하고, 그 상호작용은 최종적으로 제조 부품의 특성(예를 들어, 기계적, 미세조직적, 광학적, 등)을 결정하고, 적절하게 제어되지 않는 경우에, 구축 실패를 초래할 수 있다. 주어진 AM 프로세스 중의 이러한 메커니즘의 상호작용, 및 전체 부품 특성에 미치는 이러한 상호작용의 영향은 완전히 이해되지 않는다. 또한, 이러한 상호작용을 균형잡기 위한 그리고 프로세스 안정성을 달성하기 위한 프로세스 매개변수의 결정은 프로세스 개발에서 많은 노력을 필요로 한다. 프로세스 불안정성은 많은 치명적인 효과를 초래하는 것으로 알려져 있고, 이는 부품 기하형태 및 치수적 편차; 기계적, 광학적, 및/또는 전기적 부품 특성의 저하를 초래할 수 있고; 최종적으로 구축 실패를 초래할 수 있다. 모세관 불안정성(연속적인 구조물로부터의 침착 재료의 분리)으로부터 초래되는 단편화(fragmentation)를 추적하면, "볼링(balling)"으로 널리 알려진 프로세싱 결함은 일반적으로, 프로세스되는 재료의 그 하부/주위 환경에 대한 불충분한 습윤의 결과로서 발생된다. 볼링은 일반적으로, 제조 프로세스 중에 에너지 공급원에 의해서 부여되는 불충분한 에너지 밀도의 결과로서 발생되고, 부품 밀도 및 기계적 특성의 저하를 초래한다. 부가적 제조 프로세스는 전형적으로, 볼링 효과를 최소화하기 위해서 어떠한 프로세스 매개변수 체제를 피하여야 하는지를 결정하기 위해, 우선적인 프로세스 개발 및/또는 간접 측정 기술에 의존한다. 그러나, 구축 매개변수 및 부품 기하형태에 대한 볼링의 강한 의존성은 그러한 방법의 효율성을 제한한다.
다른 일반적인 금속-기반의 AM 프로세스의 결함은 오버행 구조물을 프로세스하는 동안 발생된다. 오버행 구조물은 일반적으로, 금속 분말과 같은 프로세스 미가공 재료의 하부 층의 상단에 구축된 구조물을 지칭한다. 오버행 구조물은 또한 하부 지지부가 없는 영역 내에 구축된 구조물일 수 있다. 오버행 구조물을 프로세스하는 것은 종종, 재료 프로세싱 빔 공급원이 재료를 수정하는 영역 내에서 온도, 안정성, 크기, 및 형태의 상당한 변화를 초래하고; 프로세스 침착 특성에 상당한 영향을 미칠 수 있고; 일반적인 구축 오류 발생원이다. 그러한 실패를 검출하기 위한 양호한 신뢰 가능한 방법은 개발되지 않았다. 더 일정한 결과를 달성하기 위해서, 프로세스 지지 구조물/받침부(scaffolding)가 AM 부품 설계 내로 통합된다. 이러한 구조물의 이용, 및 오버행 프로세싱과 연관된 난제는 증가된 구축 재료 소비/폐기, 증가된 프로세스 개발 요건, 부가적인 설계 고려 사항의 필요성, 및 부품 설계 제한을 초래한다.
부가적 제조 구축 시간은 일반적으로 이러한 프로세스의 광범위한 채택을 방해하는 것으로 간주된다. 부가적 제조 프로세스의 층-방식 성질은, 전체적인 구축 시간에 대한 상당한 병목부가 되는 층 프로세싱 시간을 초래한다. 그러나, 층 프로세싱 속력의 증가는 종종, 프로세스 매개변수가 그에 따라 균형을 이루지 못하는 경우에, 프로세스 결함을 초래할 수 있다. 부품 기하형태의 결과로서 발생되는, 상호작용 환경에서 연속적인 변화에 걸쳐 프로세스 매개변수의 균형을 잡는 것은 어려운 것으로 입증되었다. 많은 AM 프로세스는, 부품 실패의 발생 시에 이를 식별할 수 있고 그에 따라 프로세스를 중단 또는 수정할 수 있는 부품 실패 식별 시스템을 갖지 않는다. 결과적으로, 구축 완료까지 부품 실패는 식별되지 않으며 - 구축 프로세스의 길이를 상당히 증가시킨다. 프로세스에서 조기에 발생되는 실패를 검출할 수 있는 그리고 그에 따라 프로세스를 중단 또는 수정할 수 있는 능력은, 부품 생산 및 프로세스 개발 시간을 상당히 단축할 수 있게 하고, 보다 양호한 품질의 부품을 초래할 수 있다.
기존 부가적 제조 프로세스 모니터링 시스템은, 열적 안정성, PCR 범위, 및 광 세기와 같은 계측치를 평가하기 위해서, NIR 열적 CMOS 카메라, 고온계, 광다이오드, 및 고속 카메라의 조합을 구현한다. 이러한 시스템은 부가적 제조 프로세스 형태 및 다른 간섭측정-기반의 프로세스 계측치를 측정할 수 없다.
실시예
부가적 제조는, "차감형 제조 기술에 대비되는 것으로서, 3D 모델 데이터로부터, 일반적으로 층 위의 층으로, 물체를 만들기 위한 재료 결합 프로세스"(ASTM F2792)로서 정의될 수 있는 재료 수정 프로세스이다. 여기에서, 이러한 정의는, 부가, 수정, 수리 등을 포함하는 목적을 위해서, 기존 물체 상에 부가하기 위해서 재료를 결합시키는 것을 포함한다.
부가적 제조에서, 에너지 공급원-재료 상호작용 구역은 종종, 공작물 표면 상의 용융된 풀(즉, "용융 풀")의 존재를 특징으로 한다. 이러한 개시 내용에서, 에너지 공급원(즉, 재료 프로세싱 빔)이 재료를 수정하거나 그와 상호작용하는 영역을 더 일반적으로 지칭하기 위해서, "상 변화 영역"(PCR)이라는 용어가 이용된다. "빔 상호작용 구역"이라는 용어가 또한 이러한 영역을 지칭하기 위해서 이용된다. 재료의 수정은 일반적으로 결(즉, 용융) 프로세스로서 지칭될 수 있다. 재료의 수정은 또한 일반적으로 용접 프로세스로서 지칭될 수 있다. 수정 프로세스는 일반적으로 완전 용융, 부분적 용융, 및 액체-상 소결 메커니즘의 일부 조합을 포함할 수 있다. 부가적 제조 분야에서, 소결은, 용융, 부분적 용융, 및/또는 액체-상 소결 물리적 메커니즘을 기초로 하는 프로세스를 포함하는 일반적인 용어이다. 이러한 개시 내용을 위해서, 소결이라는 용어는, 용융, 부분적 용융, 및/또는 액체-상 소결 물리적 메커니즘을 포함하는 프로세스를 설명하기 위한 일반적인 용어로서 사용된다. 재료에 따라, 통상적인 제조 방법으로부터의 재료 특성과 필적하는 재료 성질과 함께, 100% 까지의 밀도가 달성될 수 있다. 프로세스는, 선택적 레이저 소결, 선택적 레이저 용융, 직접 금속 레이저 소결, 또는 전자 빔 용융으로 지칭될 수 있는, 레이저 소결의 임의의 형태를 포함할 수 있다. 분말 베드 3D 인쇄, 분말 베드 융합, 및 분말 공급 프로세스가 비제한적인 예이다. ASTM F42 표준에 따라, 분말 공급 프로세스는 지향성 에너지 침착 프로세스의 분류에 포함되고, 일반적으로 레이저 금속 침착, 직접적 금속 침착, 또는 레이저 클래딩으로서 지칭된다.
일부 실시예는 하이브리드 프로세스, 예를 들어, 부가적 제조와 차감 제조를 포함한 프로세스를 제공한다. 차감 제조 프로세스는, 선반, 드릴링, 보링, 리밍(reaming), 밀링, 및 기타에서와 같은, 재료의 제거를 포함한다. 품질 보장 및/또는 피드백 제어를 포함하는 본원에서 설명된 특징이 그러한 하이브리드 프로세스에 적용될 수 있다. 그러한 프로세스에서, 품질 보장 및/또는 피드백 제어는 또한, 부가적 제조에 대해서 본원에서 설명된 동일 제어 특징 및 매개변수를 포함할 수 있는, 품질 보장 및/또는 차감 제조 동작의 제어; 적층 동작과 차감 동작 사이의 조율 및 타이밍; 및 품질 보장 및/또는 부가적 제조 동작의 제어를 포함할 수 있다.
부가적 제조 시스템은, 비제한적으로, 적어도 하나의 재료 프로세싱 빔 공급원; 빔 전달 시스템; 재료 취급 장비; 공급원료/미가공 재료(즉, 적층 재료) 공급원; 및 프로세스 제어/모니터링 시스템의 조합을 포함할 수 있다. 재료 프로세싱 빔 공급원은, 비제한적으로, 레이저 빔 및/또는 전자 빔을 포함할 수 있다. 빔 전달 시스템은 전달 광학기기, 및/또는 전자기장 제어 시스템을 포함할 수 있다. 빔 전달 시스템은, 비제한적으로, 검류계, 다각형 스캐너, MEM(미세전기기계적 시스템), 및/또는 압전 디바이스를 포함하는, 광학적 스캐닝 유닛을 더 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 장치는, 가간섭적 촬영 심도에 대한 신속한 (연속적 또는 단속적 변화를 포함하는) 변화를 허용하기 위해서 간섭계의 광학적 경로의 일부 부분을 따라 굴절률을 변경하기 위해서 이용되는, 전기적으로-수정 가능한 광학적 재료를 포함한다.
일부 실시예에서, 장치는, 샘플 아암 광학적 경로 길이의 변화를 보상 및/또는 수용하기 위해서, 가간섭적 촬영 시스템의 기준 아암 내에서 빔 스캐닝 디바이스를 포함한다. 일부 실시예에서, 샘플 아암 경로 길이의 변화는 AM 프로세싱 빔 전개로부터 초래된다.
일반화된 실시예에 다른 블록도가 도 29에 도시되어 있다. 도 29를 참조하면, 장치는, 부가적 제조 시스템(1)과 통합된 가간섭적 촬영 시스템(CIS)(2)을 포함한다. 부가적 제조 시스템은 가간섭적 촬영 프로세싱(3) 및 모니터링 및/또는 피드백 제어(5)로 3-차원적인 부품을 부가적 제조하고(또는 수리 또는 수정하고); 가간섭적 촬영 간섭측정 데이터를 기초로 최종 부품 특성 및 전체적인 품질(4)의 현장 평가를 실시한다. 모니터링 및 품질 확인 정보가 추후의 이용을 위해서 저장된다(6).
인라인 가간섭적 촬영(ICI), 광학적 가간섭성 단층촬영(OCT), 및 작은 가간섭성 간섭측정(LCI)을 포함하는, 가간섭적 촬영 측정 기술은, 광학적 경로 길이의 변화를 측정하기 위해서 그리고 단순한 형태의 연장 변화에 의해서 이용되는 광대역 간섭측정 기술이다. 본원에서 설명된 바와 같이, 인라인 가간섭적 촬영과 같은 가간섭적 촬영 측정 기술을 이용하여, 부가적 제조와 같은 레이저 프로세싱 적용 중에, 재료의 형태 변화를 측정/평가할 수 있다. 그러한 측정에 의해서 얻어진 형태 및 기타 간섭측정 출력 데이터가 이어서 프로세스의 양태 제어를 위해서 이용될 수 있다.
가간섭적 촬영 시스템은, 비제한적으로, (광대역) 광 공급원; 적어도 하나의 "샘플 아암"(미지의 광학적 경로 길이를 갖는 샘플 또는 기타에 의해서 종료되는 간섭계 아암) 및 적어도 하나의 "기준 아암"(잘 알려진 광학적 경로 길이 및/또는 잘 알려진 종료 지점을 갖는 간섭계 아암)을 포함하는 간섭계; 비제한적으로, 광학적 그레이팅과 같은, 분광계; 및 비제한적으로, 광다이오드 및/또는 라인스캔 카메라, 및/또는 전하결합소자(CCD)를 포함하는 검출기의 조합을 포함할 수 있다. 일반적으로, 가간섭적 촬영 시스템은, 중앙 처리 유닛(CPU), 그래픽 처리 유닛(GPU), 아날로그 대 디지털 변환기(ADC), 디지털화기, 디지털 획득 디바이스(DAQ), 및 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA) 중 하나 이상을 포함하는, 신호 프로세싱, 저장, 및/또는 디스플레이 하드웨어를 더 포함한다.
일 실시예에서, 가간섭적 촬영 시스템의 검출기 및/또는 신호 프로세서는, 예를 들어 가간섭적 신호 시간 동역학, 스펙트럼 형상, 또는 그 일부 조합에 의해서, 간섭측정 출력과 수신된 프로세스로부터의 가간섭적 방출을 구별하도록 구성된다. 구별된 신호는 이어서 신호 프로세서 및/또는 피드백 제어기를 통해서 라우팅될 수 있고, 본원의 다른 곳에서 설명되는 보조 광학적 검출기로부터의 처리와 유사하게 처리될 수 있다.
가간섭적 촬영 광 공급원은, 비제한적으로, 다이오드, 초발광 다이오드(SLD 또는 SLED), 또는 스위핑된 공급원 광 공급원(예를 들어, VCSEL - 수직 공동 표면-방출 레이저)을 포함할 수 있다. 가간섭적 촬영 광 고급원은, SLD의 경우에서와 같이, 광대역일 수 있고, 비제한적으로, 200 nm 미만, 200 내지 400 nm, 400 내지 700 nm(가시광선), 700 내지 900 nm(NIR), 900 내지 1100 nm(빔 프로세스광의 일부 형태), 1100 내지 2000 nm(IR) 및/또는 2000 nm 초과(원적외선IR), 또는 그 조합을 포함하는, 스펙트럼 대역의 범위에 포함될 수 있다. 스펙트럼 대역폭은 1 nm 미만, 1 내지 10 nm, 10 내지 50 nm, 50 내지 100 nm, 100 내지 1000 nm, 1000 nm 초과 또는 그 조합을 포함할 수 있다. 가간섭적 촬영 광 공급원은, VCSEL의 경우와 같이, 협-대역일 수 있고, 특정 스펙트럼 대역에 걸쳐 스위핑할 수 있다. 광원 폭은: 1 nm 미만, 1 내지 10 nm, 10 nm 초과, 또는 그 조합일 수 있다. 스위핑은: 미만 200 nm, 200 내지 400 nm, 400 내지 700 nm (가시광선), 700 내지 900 nm(NIR), 900 내지 1100 nm(빔 프로세스 광의 일부), 1100 내지 2000 nm(IR) 및/또는 >2000 nm 초과(원적외선), 또는 그 조합의 스펙트럼 대역에 걸쳐 실시될 수 있다.
일 실시예에 따른 가간섭적 촬영 시스템이 도 30a에 도시되어 있다. 이러한 실시예에서, CIS(7)는 촬영 광 공급원(SLD), 격리기, 빔 분할기, 촬영 광을 기준 아암 및 샘플 아암(13)에 전달하는 광학적 요소를 포함한다. 검출기가 분광계로 구현될 수 있다.
도 30b 및 도 30c는 부가적 제조 장치의 2개의 예를 도시한다. 이러한 실시예에 따라, 시스템은, 비제한적으로, 적어도 하나의 재료 프로세싱 빔 공급원(8); 재료 프로세싱 빔 전달 시스템(9A, 9B), 부가적 제조 원재료 및/또는 미가공 재료 취급 및 공급기 시스템(10A, 10B), 비제한적으로, 도 30a에 도시된 것과 같은, 적어도 하나의 가간섭적 촬영 시스템(7), CIS로부터 샘플 아암(13) 촬영 광을 수용하고 가간섭적 촬영 빔 문의 위치(interrogation location) 및 타이밍을 실시하는 광학적 스캐너 또는 다른 빔 제어 디바이스(예를 들어, 다각형 스캐너, 검류계, 및/또는 압전 디바이스)(43A, 43B), 프로세스 제어 시스템(11), 및/또는 품질 제어 시스템(41)을 포함한다. 또한, 프로세싱 빔-재료 상호작용 구역(42A, 42B)가 도시되어 있다. 실시예에 따라, 간섭측정 출력을 기초로 부가적 제조 프로세스와 관련하여 측정, 평가, 및/또는 QA 및/또는 피드백 결정을 실시하기 위해서, 프로세싱 빔-재료 상호작용 구역(42A, 42B) 및 그 주위 지역(26)의 가간섭적 촬영 측정 빔 문의가, 재료 프로세싱 이전에, 도중에, 및/또는 이후에 실시될 수 있다.
일부 실시예에서, 도 31에 도시된 것과 같이, 장치는, 샘플 아암 광학적 경로 길이의 변화를 보상 및/또는 수용하기 위해서, 가간섭적 촬영 시스템 내에서 다른 길이의 다수의 기준 아암 경로(12A, 12B)를 포함한다. 샘플 아암 경로 길이의 변화는 AM 프로세싱 빔 전개로부터 초래될 수 있다.
도 31의 실시예는 또한 다수의 샘플 아암 경로(13A 및 13B)를 갖는 가간섭적 촬영 시스템을 도시한다. 일부 실시예는, 구축 평면/표면/부피의 상이한 면적들을 문의하기 위해서 다수의 샘플 아암 경로를 이용할 수 있다. 장치는, 구축 평면/표면/부피의 동일한 면적을, 그러나 상이한 입사각들로부터 문의하기 위해서 다수의 샘플 아암 경로를 이용할 수 있다. 일부 실시예에서, 측정들이 동시에 실시된다.
일부 실시예에서, 개별적인 샘플 아암 촬영 빔이 부가적 제조의 구축 부피/면적의 상이한 양태들을 문의하도록, 장치가 다수의 가간섭적 촬영 시스템 설정을 포함한다. 개별적인 샘플 아암 빔은 상이한 면적 및/또는 부피를 문의할 수 있다. 개별적인 샘플 아암 빔은 동일한 면적/부피, 그러나 상이한 입사각들을 문의할 수 있다.
도 32의 실시예에서, 장치는, 부품 표면(16A, 16B)(또는 일부 다른 부가적 제조 좌표계/기준 프레임)에 대한 가간섭적 촬영 빔 입사각(15A, 15B)이 자동적/수동적으로 제어/조정될 수 있게 하는, 가간섭적 촬영 시스템 빔 샘플 아암 빔 전개 구성요소/조립체(14A, 14B)를 포함한다. 즉, 샘플 내의 변화(16A에서 16B)에 적응시키기 위해서 빔 입사각을 조정(15A에서 15B)하기 위해서 조립체가 14A로부터 14B로 변화되도록, 일부 실시예가 구현될 수 있다. 장치는, 촬영 빔 입사각이 부가적 제조 프로세싱 빔-샘플 상호작용 평면에 대해서 특정 각도(들)(예를 들어, 수직)로 유지될 수 있게 하는 광학적 및/또는 기계적 및/또는 전기적 구성요소를 더 포함할 수 있다. 장치는, 이전에 규정된 평면에 대한, 촬영 빔 입사각이 입력 또는 제어 신호를 기초로 규정되게 할 수 있다.
일부 실시예에서, 장치는 링-형상의 샘플 아암 조명 빔 프로파일을 갖는 가간섭적 촬영 시스템을 포함한다. 빔 프로파일은 상이한 입사각들로부터 샘플/부품/표면을 동시에 문의하기 위해서 이용될 수 있다. 빔 프로파일은 상이한 공간적 영역에서 샘플/부품/표면을 동시에 문의하기 위해서 이용될 수 있다.
일부 실시예에서, 도 33에 도시된 것과 같이, 장치는 고정-거리 가간섭적 촬영 탐침 빔 기준(227)을 포함한다. 이러한 기준은, 절대 높이/깊이 좌표계를 구축하기 위한 재-교정 표준으로서 이용될 수 있다. 이러한 기준은 또한, 가간섭적 촬영 구현예와 연관된 시간적 안정성 문제를 극복하기 위해서 이용될 수 있다. 고정-거리 기준은, 가간섭적 촬영 빔(217) 전개 헤드(228)에 부착된 고정-거리 광학적 경로에 의해서 구현될 수 있다. 가간섭적 촬영 빔은 프로세싱 빔(218)과 동일한 헤드를 통해서 전개될 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 기준은 부가적 제조 시스템 구축 환경(228) 내의 고정 기준 지점을 통해서 구축될 수 있고, 또는 제조 중의 부품 상의 기준 위치를 기초로 구축될 수 있다.
일부 실시예에서, 장치는, 자체적인 연관 가간섭적 촬영 시스템 샘플 아암 빔을 각각 가지는, 하나 이상의 프로세싱 빔 전개를 실현하는 광학적 설정을 포함한다. 일부 실시예에서, 개별적인 프로세싱 빔 이동 경로들이 서로 디커플링된다. 일부 실시예에서, 개별적인 프로세싱 빔 이동 경로들이 서로 (또는 일부 다른 것과) 커플링된다. 일부 실시예에서, 가간섭적 촬영 시스템 샘플 아암 빔은 프로세싱 빔 이동으로부터 디-커플링된다. 일부 실시예에서, 가간섭적 촬영 시스템 샘플 아암 빔은 프로세싱 빔 이동에 커플링된다.
일부 실시예에서, 장치는, 가간섭적 촬영 시스템 샘플 아암의 편광화를 제어/결정하기 위해서 편광화 제어기를 포함한다. 장치는, 상이한 샘플 아암 광학적 편광화를 프로세스하기 위한 구성요소를 분광계 내에 더 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 장치는 미가공 재료/원재료 공급 메커니즘의 측정, 모니터링, 및/또는 제어를 위해서 더 이용될 수 있다. 예를 들어, 도 33의 실시예에서, 장치는, 222에서 표시된, 측정 빔(217)이 미가공 재료/원재료(219) 공급 메커니즘을 직접적으로 화상화할 수 있게 하는 방식으로 설정된 가간섭적 촬영 시스템을 포함한다.
도 34의 실시예에서, 장치는, (당업자에게 알려진) 광다이오드, 및 선택적으로 연관 편향, 예비-증폭, 증폭 및 데이터 획득 기술/시스템과 같은, 부가적 도는 보조 광학적 센서(837)를 포함한다. (본원에서 보조 광학적 검출기로도 지칭되는) 그러한 보조 광학적 센서는, 프로세스되는 재료로부터의 흑체 복사선, (프로세싱 빔 공급원(830)에 의해서 생성된) 재료 프로세싱 빔으로부터의 후방-반사된 광, 및 프로세스(829)로부터의 임의의 다른 고유의 광학적 방출과 같이 가간섭적 촬영 시스템(836)에 의해서 직접적으로 유발되지 않는 프로세스로부터의 광학적 방출을 측정하는, 복수의 파장 대역에서 광을 수집한다. 그러한 광학적 보조 센서는, 200 내지 400 nm(UV), 400 내지 700 nm(가시광선), 700 내지 900 nm(NIR), 900 내지 1100 nm(프로세스 광), 1100 내지 2000 nm(IR) 및/또는 2000 nm 초과(원적외선)와 같은 특정 광 대역을 수집하도록 그 조성 또는 광학적 필터링에 의해서 구성될 수 있다. 센서는 또한 재료 프로세싱 빔 공급원의 출력 또는 그 일부 물리적 프록시, 예를 들어 빔 전달 경로 내의 광학기기로부터의 부분적인 반사를 측정하기 위한 것을 포함할 수 있다. 이러한 센서에 의해서 수집된 광학적 신호는 이어서 신호 프로세서(838)에 의해서 프로세스될 수 있고, 데이터 기록 시스템(839)에 의해서 기록될 수 있고, 품질 보장 및 더 많은 프로세스 지식을 위해서 다른 신호에 대해서 비교될 수 있고, 및/또는 피드백 프로세서(840)에 연결될 수 있고 재료 수정 프로세스를 제어하기 위한 피드백 메커니즘으로서 이용될 수 있다. 보조 광학적 센서 신호는 또한, 기록, 고지, 또는 재료 수정 프로세스를 제어하기 위한 피드백 출력 중 적어도 하나를 생성하기 위해서 PCR로부터 적어도 하나의 광학적 방출을 수신하는 기록 발생기에 연결될 수 있다.
그에 따라, 보조 광학적 센서(들)(837)의 출력은 신호 프로세서(838), 품질 보장 신호 발생기, 피드백 제어기(840), 및 기록 발생기 중 적어도 하나에 연결될 수 있다. 신호 프로세서(838), 품질 보장 신호 발생기, 피드백 제어기(840), 및 기록 발생기 중 적어도 하나는 기록, 고지, 및 피드백 출력 중 적어도 하나를 생성한다. 기록, 고지, 및 피드백 출력 중 적어도 하나가 재료 수정 프로세스의 제어, 모니터링, 및 조정 중 적어도 하나를 위해서 이용될 수 있다.
일부 실시예에서, 장치는 재료 프로세싱 빔과 동축적인 가간섭적 촬영 빔 전개를 포함한다. 일부 실시예에서, 장치는 가간섭적 촬영 빔 전개를 포함하고, 그 정렬은 재료 프로세싱 빔에 대해서 이루어지나, 반드시 동축적으로 정렬될 필요는 없다. 일부 실시예에서, 장치는 가간섭적 촬영 빔 전개를 포함하고, 그 정렬은 AM 프로세스 재료 공급 메커니즘에 대해서 이루어진다. 일부 실시예에서, 분말 공급되는 AM 프로세스의 경우에서와 같이, 그러한 정렬은 분말 스트림에 대한 동축적인 정렬의 형태로 실현될 수 있다. 일부 실시예에서, 분말 공급되는 AM 프로세스의 경우에서와 같이, 그러한 정렬은 분말 베드 재코팅 메커니즘의 이동 경로에 평행한 정렬의 형태로 실현될 수 있다.
고유의 프로세스 방출은 일반적으로 다양한 레이저 프로세스에 관한 가치 있는 데이터를 제공할 수 있다. 그러나, 본원에서 설명된 바와 같이 그러한 측정과 가간섭적 촬영의 동시적인 조합이 상당한 이점을 제공할 수 있다. 그에 따라, 특정 실시예에서, 예를 들어 34에서, 고유 방출 신호가 가간섭적 촬영 신호와 함께 수집, 분석, 및/또는 사용된다.
일부 실시예에서, 도 34에 도시된 것과 같이, 부가적인 광학적 센서가 광섬유(들)(832)에 의해서 광학적 시스템에 커플링될 수 있다. 분해 단면도로 도시된 바와 같이, 그러한 광섬유는, 834에서 단일-모드 및 다수모드 채널(그러한 구성은 이중-클래드 섬유로 지칭될 수 있다)을 분리하는 모드 커플러(835)와 조합된 작은 코어(832c)를 중심을 추가적으로 위치된 다수모드 코어(832b) 주위에 위치되는 클래딩(832a)을 포함할 수 있다. 그러한 커플러의 예로서, Castor Optics(Montreal, QC, Canada)가 제조한 DCFC1가 있다. 그러한 구성은, 가간섭적 촬영 시스템이, (전술한) 고유의 프로세스 방출을 다수모드 코어 내로 효율적으로 수집하면서, 동시에 모달 분산(modal dispersion)이 거의 없이 또는 없이 작은 코어를 통해서 효율적으로 동작될 수 있게 한다.
일부 실시예에서, 복수의 가간섭적 촬영 및 비간섭적(즉, 고유 방출) 촬영 채널을 광학적 시스템에 전달하고 및/또는 광학적 시스템에서 수집하기 위해서 다수-코어 섬유가 이용된다. 그러한 코어는, 동심적, 공통-선형적, 그리드로 배열될 수 있고, 다른 크기들을 가질 수 있다.
추가적인 실시예에서, 광학적 신호를 전술한 섬유 구조물에 커플링시키는 렌즈는, 수집되는 파장 대역 중 하나 이상에 대해서, 반사방지 코팅되고 및/또는 무색으로 설계된다.
도 34의 일부 실시예에서, 가간섭적 촬영 광은 이동 가능 거울(들) 또는 다른 스캐닝 시스템(831)에 의해서 재료에 전달된다. 보조 광학적 센서(예를 들어, 도 34의 837)를 또한 특징으로 하는 실시예에서, 보조 센서가 또한 스캐닝 시스템을 통해서 커플링될 수 있고 보조 센서가 수집하는 고유의 방출이 공간적으로 분해될 수 있게 한다. 이러한 방식으로, 프로세스의 많은 새로운 양태가 나타날 수 있고, 측정될 수 있고, 추적될 수 있고, (품질 보장 및 프로세스 개발 목적을 위해서) 문의될 수 있고, 및/또는 폐쇄-루프 피드백 제어를 위한 수단으로서 이용될 수 있다. 예를 들어, 가간섭적 촬영 시스템에 의해서 측정되는 침투 깊이와 관련된 PCR의 후방부에 대한 하나 이상의 위치에서 적외선 방출의 세기를 관찰하는 것은, 단순한 그 자체의 적외선 측정보다, 재료의 냉각률에 관한 보다 양호한 측정을 제공할 수 있다. 다른 예에서, 가간섭적 촬영 시스템은, 본원에서 설명된 부가적인 광학적 센서에 의해서 수신되는 신호를 더 정확하게 특징화 및/또는 해석하기 위해서 이용되는 PCR의 기하형태의 양태를 측정하기 위해서 이용된다. 그러한 다수-지점, 다수-파장 측정은, 약 10 us, 100 us, 1 ms, 10 ms, 100 ms, 또는 1 s의 시간의 작은 단계로 그리고 관련 재료의 열적 및 화학적 시간 상수에 의해서 정해지는 바와 같은 사이의 타임스케일(timescale)로 직렬화 또는 병렬화될 수 있다.
도 34에 도시된 것과 같은 실시예에서, 보조 광학적 검출기 측정은, 자체에 대한 양 검출 방법에 의해서 검출될 수 없는 프로세스 피쳐 및/또는 결함을 검출하기 위해서 가간섭적 측정과 함께 이용된다. 보조 광학적 검출기 측정은 또한, 융합의 부족 및 "폴스 프렌드(false friend)"와 같은 프로세스 결함, 즉, (비제한적으로 레이저 용접, 전자 빔 용접 등을 포함하는) 용접과 같은, 재료 결합 적용예에서의 프로세싱 결함을 검출하기 위해서 가간섭적 측정과 함께 이용될 수 있고, 결합되는 재료들 사이의 불충분한 융합은 공작물 외부 표면 상에서 비가시적인 결함 지표를 갖는 열등한 품질의 결합부를 초래한다. 보조 광학적 검출기 측정은, 재료 수정 프로세스의 결과로서 방출되는 열적 신호의 측정을 포함할 수 있다. 열적 신호는 상 변화 영역으로부터, 또는 상 변화 영역을 뒤따르는 영역, 또는 그 둘 모두로부터 방출될 수 있다.
일부 실시예에서, 보조 광학적 센서는, 본원에서 언급된 광학적 시스템에 커플링된 분광계일 수 있다. 그러한 분광계는 또한, 적용예에서 요구되는 바에 따라, 신호 프로세서, 기록 발생기, 및/또는 피드백 프로세서에 연결될 수 있다.
도 34의 실시예와 같은 실시예에서, 보조 광학적 센서(837)는 열적 카메라, 고속 가시광선 카메라, 방사계(bolometer), 고온계, 및/또는 1D 또는 2D 어레이, 또는 그 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
고유 방출 센서 및 가간섭적 촬영 시스템의 조합이 또한 용접 프로세스와 함께 이용될 수 있다. 용접 프로세스는 부가적 제조 프로세스의 일부로서 실시될 수 있다. 용접 프로세스는 부가적 제조 프로세스의 맥락을 벗어나서 실시될 수 있다.
일부 실시예에서, 보조 광학적 검출기 측정 및 가간섭적 촬영 측정의 조합을 이용하여 재료 프로세싱 결함을 검출한다. 여러 실시예에서, 재료 프로세싱은 (더 큰 전체 프로세스의 일부일 수 있거나 그렇지 않을 수 있는) 첨가 프로세스 또는 용접 프로세스일 수 있다. 다수의 가간섭적 촬영 빔이 이용될 수 있다. (각각이 개별적인 수용 원뿔(acceptance cone) 및/또는 감도의 스펙트럼 대역을 갖는) 다수 보조 검출기가 이용될 수 있다. 도 48a 및 도 48b는 상이한 실시예들을 도시한다. 재료 프로세싱 결함이 빔-재료 상호작용 구역(792) 상 변화 영역 및/또는 주변 영역에서 발생될 수 있다. 보조 검출기 수용 원뿔(750) 및 가간섭적 촬영 빔(751)이 프로세싱 빔(749)로부터 특정의 오프셋된 거리(각각 793 및 794)에 배치된다. 오프셋 거리가 일정할 수 있거나, 다를 수 있다. 예를 들어, 이들은 그래픽 사용자 인터페이스, 스크립트 인터페이스, 및/또는 애플리케이션 프로그램 인터페이스(API)를 통해서 사용자가 프로그래밍한 이동 경로에 따라 달라질 수 있다. 일부 실시예에서, 이동 경로는 CAD(computer aided drawing) 소프트웨어, CAM(computer aided manufacturing) 소프트웨어, 또는 이들과 전술한 바와 같은 사용자 프로그래밍의 조합과 같은 다른 공급원으로부터 부여될 수 있다. 일부 실시예에서, 이동 경로는, 산업용 버스 인터페이스(예를 들어, DeviceNet, ProfiNET, ProfiBUS, Ethernet IP, EtherCAT, 범용 직렬 통신, TCP/IP, 등) 및/또는 프로세스 제어기 및/또는 원격 프로세싱 헤드 제어기로부터의 아날로그 입력을 통해서, 상황에 따라(예를 들어, 프로세스 이전, 도중, 및/또는 이후에) 자동적으로 계산 및/또는 업데이트될 수 있다. 일부 실시예에서, 빔 위치는 프로세스 자체의 최근의 측정을 기초로 조정된다. 예를 들어, 가간섭적 측정 시스템에 의해서 검출된 재료 동역학의 방해가 보조 검출기에 의한 확인 측정을 요구할 수 있거나, 그 반대일 수 있다. 일부 실시예에서, 오프셋 거리가 0이다(즉, 보조 검출기 수용 원뿔, 가간섭적 촬영 빔, 및 재료 프로세싱 빔이 동축적으로 정렬된다). 일부 실시예에서, 보조 검출기 수용 원뿔 및 가간섭적 촬영 빔 오프셋이 동일하다(즉, 보조 검출기 수용 원뿔 및 가간섭적 촬영 빔이 동축적으로 정렬된다). 일부 실시예에서, 보조 검출기 수용 원뿔 및/또는 가간섭적 촬영 빔은 적어도 하나의 관심 프로세스 영역을 측정하도록 배치된다. 관심 프로세스 영역은, 비제한적으로: 상 변화 영역, 상 변화 영역 앞의 영역, 상 변화 영역 뒤의 영역, 및 상 변화 영역에 인접한 영역 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 보조 검출기 수용 원뿔 및 가간섭적 촬영 빔은 동일한 관심 프로세스 영역을 측정하도록 배치된다. 일부 실시예에서, 보조 검출기 수용 원뿔 및 가간섭적 촬영 빔은 상이한 관심 프로세스 영역들을 측정하도록 배치된다. 일부 실시예에서, 프로세스는 "수직 방향"으로 2개의 재료를 결합하는 것을 포함한다. 그러한 구성에서, 프로세싱 빔 경로는, 먼저 상단 재료(798)와, 이어서 재료들(799) 사이의 결합부와, 이어서 기부 재료(800)와 만나도록 구성된다(도 48a 참조). 일부 실시예에서, 프로세스는 "수평 방향"으로 2개의 재료를 결합하는 것을 포함한다. 그러한 구성에서, 프로세싱 빔 경로는, 양 재료와 직접적으로 만나도록, 그리고 결합부가 재료들 사이에 존재하고 프로세스 빔에 노출되도록(그러한 구성의 예가 맞대기-결합이다) 구성된다.
도 48a 및 도 48b에서, 보조 광학적 검출기 수용 콘 및 가간섭적 촬영 빔의 변위가 2차원적(2D)으로 도시되어 있고, 3차원적(3D) 구성이 또한 가능하다는 것이 이해될 것이다.
도 48a 및 도 48b에 도시된 것과 같은 실시예에서, 검출된 결함은 융합 부족 결함(797)을 포함할 수 있다. 융합 부족 결함은 물리적 재료 표면 상의 연관된 증거 마크(796)를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 융합 부족 결함은 재료 표면 상에서 연관된 증거 마크 또는 외부의 융합 부족 지표를 가지지 않을 수 있다. 그러한 결함은 일반적으로 (독일어로 "falsch Freunde"로 알려진) "폴스 프렌드" 결함(795)으로 지칭된다. 융합 부족은 (예를 들어, 프로세스되지 않은 또는 최초 재료(802)를 남기는) 하단부 재료를 용융시키는데 있어서 불충분한 프로세싱 빔 에너지로부터 초래될 수 있다. 융합 부족은, 양/모든 재료(801)를 용융/프로세스할 수 있는 충분한 프로세싱 빔 에너지가 있는, 그러나 물리적 왜곡(비제한적인 예가 양호하지 못한 고정 및/또는 재료 휘어짐을 포함한다)이 결합부(803)에서 충분한 접촉 및/또는 융합을 방지하는(예를 들어 간극을 생성하는) 경우에도 초래될 수 있다. 융합 부족 또는 폴스 프렌드 결함은 기부 재료가 완전히 프로세스될 때 초래될 수 있다. 융합 부족 또는 폴스 프렌드 결함은 기부 재료가 부분적으로 프로세스될 때 초래될 수 있다. 융합 부족 또는 폴스 프렌드 결함은 기부 재료가 프로세스되지 않을 때 초래될 수 있다.
일부 실시예에서, 도 48a 및 도 48b에 도시된 것과 같이, 보조 검출기는, 예를 들어 흑체 복사선과 같은 프로세스 복사선으로, 온도를 측정한다. 본원에서 사용된 바와 같이, "흑체 복사선", "회색체 복사선", 및 그 변형 용어는 모두 프로세스 복사선의 상호 교환 가능한 그리고 비제한적인 예로 간주된다. 보조 검출기는 흑체 복사선 또는 다른 프로세스 복사선을 측정한다. 일부 실시예에서, 보조 검출기는 흑체/프로세스 복사선 및 온도의 일부 조합을 측정한다. 온도 변화는 융합 부족 및/또는 폴스 프렌드를 검출하기 위해서 이용될 수 있다. 프로세스 복사선(예를 들어, 흑체 복사선)은 융합 부족 및/또는 폴스 프렌드를 검출하기 위해서 이용될 수 있다. 재료 표면(804)으로부터의 온도 변화 및/또는 프로세스 복사선의 변화를 이용하여 융합 부족 및/또는 폴스 프렌드를 검출할 수 있다. 온도 변화는 온도의 증가를 포함할 수 있다. 온도 변화는 온도의 감소를 포함할 수 있다. 프로세스 복사선의 변화는 프로세스 복사선의 증가를 포함할 수 있다. 프로세스 복사선의 변화는 프로세스 복사선의 감소를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 에너지 전달/수집을 제어하기 위해서 그리고 재료 표면으로부터의 각도형 반사/방출을 보상하기 위해서, 보조 검출기 수용 원뿔의 개구수(NA) 및/또는 가간섭적 촬영 빔이 (예를 들어, Keplerian, Galilean, 및 수차 방지 개선을 포함하는) 망원경 또는 당업자에게 알려진 다른 굴절/반사 광학기기의 이용에 의해서 조정될 수 있다.
일부 실시예에서, 비제한적으로, 원격-스캐닝 재료 프로세싱 빔, 가간섭적 촬영 빔의 NA 및/또는 포커스, 및/또는 보조 검출기 수용 원뿔을 능동적으로 실시간으로 조정하여, 빔 전달 시스템 내의 광학적 비-이상성 및/또는 프로세스의 변화를 보상할 수 있다. 그러한 보상은 해당되는 또는 유사한 이전 실행 프로세스에서의 이전의 프로세스 측정에 의해서 계산/결정될 수 있다.
일부 실시예에서, 도 48a 및 도 48b에 도시된 것과 같이, 보조 검출기 측정 및 가간섭적 촬영 측정의 조합이 품질 보장 목적(비제한적으로, 프로세스를 위한 품질 지표를 제공하는 것을 포함)을 위해서 사용된다. 그러한 측정의 조합은 프로세스 제어 목적 및/또는 프로세스 개발 목적을 위해서 이용될 수 있다. 조합된 보조 검출기 및 가간섭적 촬영 측정이 프로세스 이전(시간적 및/또는 공간적), 프로세스 도중, 및/또는 프로세스 이후(시간적 및/또는 공간적)에 이루어질 수 있다. 일부 실시예에서, 보조 검출기 측정은, 해당되는 또는 유사한 이전 실행 프로세스에서의 이전의 프로세스 측정에 의해서 계산/결정될 수 있다.
일부 실시예에서, "조합"은 보조 검출기 측정 및 가간섭적 촬영 측정이 어떻게 서로 함께, 및/또는 동시에 이용되는지를 더 설명할 수 있다. 보조 검출기 측정을 이용하여 가간섭적 촬영 측정을 게이트(gate)(시간적 및/또는 공간적)할 수 있고, 그 반대일 수 있다. 보조 검출기 측정을 이용하여 특정 가간섭적 촬영 측정을 가중(weight)할 수(예를 들어, 더 중요하게 만들 수) 있고, 그 반대일 수 있다. 보조 검출기 측정을 이용하여 가간섭적 촬영 측정을 개시할 수 있고, 그 반대일 수 있다. 보조 검출기 측정 및 가간섭적 촬영 측정이 일부 규칙적 또는 불규칙적 패턴으로 교번적이 될 수 있다. 일부 실시예에서, 보조 검출기 측정 및 가간섭적 촬영 측정이 동시에 실시될 수 있다.
일부 실시예에서, 빔 전달 시스템은, 재료 프로세싱 빔 및/또는 가간섭적 촬영 빔의 각도가 작업되는 재료에 대해서 변화될 수 있게 하는 5-축 광학적 스캐너를 이용한다. 그러한 스캐너의 예로서, 마이크로가공을 위해서 주로 이용되는 precSYS™ 전달 광학기기(SCANLAB GmbH, Munich, Germany)가 있다. 재료 프로세싱 빔의 각도는, 예를 들어 (끈(leash)으로 PCR을 당기는 경우와 같이) 프로세스에 선행하거나 프로세스에 후행할 수 있다. 스캐너는 또한, PCR 재료 표면 내의 변화에 대한 적응을 위해서 프로세싱 및/또는 촬영 빔의 각도를 제어하기 위해서 이용될 수 있다(예를 들어, 도 32 참조). 일부 실시예에서, 그러한 제어를 이용하여 (a) PCR 표면에 대한 특정 각도(들)을 보장한다. 그러한 제어는 PCR 표면에 대한 적응형 빔 각도를 달성하기 위해서 이용될 수 있다.
일부 실시예에서, 도 35에 도시된 것과 같이, 층-방식 가간섭적 촬영 측정이 실시될 수 있다. 예를 들어, 도 35a, 도 35b, 도 35c, 및 도 35d는 상이한 층들에서의 측정에 상응한다. 간섭측정 출력이 3-차원적인 물리적 부품 랜더링(35E)을 생성할 수 있다. 이러한 정보를 이용하여 물리적 부품 치수를 결정할 수 있고, 부품 공차를 평가할 수 있고, 부품 밀도를 결정할 수 있고, 공극/다공도의 존재를 검출할 수 있고, 및/또는 구축 프로세스 또는 부품 자체에 관한 다른 결정을 할 수 있다.
일부 실시예에서, 가간섭적 촬영 측정을 이용하여, 부품 설계로부터의 검출 형태 편차를 기초로 프로세스 중에 보정 작용을 한다. 보정 작용은 재료 제거, 부가적인 원재료의 공급, 부가적 제조 장비 이동 제어 경로의 변화의 형태로, 및/또는 다른 재료 프로세싱의 형태로 실시될 수 있다. 재료 프로세싱의 다른 형태는, 비제한적으로, 재용융을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 가간섭적 촬영 시스템으로부터의 간섭측정 출력을 이용하여, 부가적 제조 프로세스에 관련된 상이한 재료 유형들을 구별/분해한다. 일부 실시예에서, 금속, 플라스틱, 유기물, 반도체, 중합체, 및 유전체와 같은 재료들 사이의 구별이 실시된다. 일부 실시예에서, 상이한 금속, 플라스틱, 유기물, 반도체, 중합체, 및 유전체 사이의 구별이 실시된다. 일부 실시예에서, 가간섭적 촬영 측정을 이용하여, 복합 및/또는 기능적으로 등급화된 부품과 같은, 다수-재료 부품의 부가적 제조에 관련된 재료들을 구별한다. 그러한 정보를 이용하여 공급 재료의 공급을 제어/변경할 수 있거나, 새롭게 침착된 재료의 조성을 측정 및/또는 평가할 수 있다.
일부 실시예에서, 간섭측정 출력을 이용하여, (예를 들어, 도 36의 (a)에 도시된 프로세스에 대해서, 도 36의 (b), 도 36의 (c), 도 36의 (d), 도 36의 (e)에 도시된 바와 같이) 가간섭적 촬영 빔 문의 위치의 함수로서 간섭측정 출력의 변화와 같은, 재료 수정 프로세스의 상이한 재료 상들을 구별/분해한다. 이러한 정보는: 원재료 대 침착 재료; 액체 대 고체 대 기체 상; 벌크 고체 대 분말/미립자 고체를 포함하는, 상이한 프로세스 상들을 구별하기 위해서 이용될 수 있다. 예를 들어, 도 36의 (e)는, 도 37의 플롯으로 도시된 바와 같이, 간섭측정 출력의 시간적 변화를 이용하여 액체 상을 고체 상으로부터 구별하고 및/또는 재료 원재료를 프로세스된 (침착된) 재료로부터 구별한다. 일부 실시예에서, 이러한 정보는 품질 보장 목적 및/또는 피드백/제어 목적을 위해서 이용된다.
일부 실시예에서, 가간섭적 촬영 분해 재료 상 정보는, 부가적 제조 프로세스 중에 재료 상 변환의 특성(개시, 지속시간, 안정성, 등을 포함)을 결정하기 위해서 이용된다. 이러한 정보를 이용하여, 프로세스의 열적 사이클을 결정할 수 있고 및/또는 제조된 부품의 기계적 및/또는 미세조직 특성을 구분할 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 정보는 이어서 QA를 위해서 이용된다. 재료 상 정보를 피드백/제어 적용예에서 이용하여, 비제한적으로, 기계적 부품 특성 및/또는 미세조직을 결정하는 것을 포함하는, 목적을 위해서 부가적 제조 중에 열적 사이클을 제어할 수 있다.
일부 실시예에서, 가간섭적 촬영 시스템의 스펙트럼 내역 내의 재료 투명도(및/또는 반투명도)를 활용하여, 부가적 제조 프로세스 중에 층-대-층(층간) 결합 및/또는 하위-층 피쳐를 모니터링한다.
일부 실시예에서, 간섭측정 출력을 이용하여 프로세싱 중에 재료 사출을 측정/정성화한다. 그러한 정보를 이용하여 프로세스 매개변수 공간 품질 및/또는 안정성을 평가할 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 정보는 피드백/제어 목적을 위해서 이용된다. 일부 실시예에서, 재료 사출 품질, 빈도수, 주기성, 규칙성, 속력, 모멘텀, 및/또는 힘이 간섭측정 출력을 기초로 결정된다.
일부 실시예에서, 가간섭적 촬영 측정을 이용하여, (구축 또는 수리하고자 하는) 부품, 및/또는 구축 플랫폼을 정렬시키고, 및/또는 부가적 제조 프로세스 중에 소정의 규정된 좌표계에 대해서 고정한다. 예를 들어, 도 47의 실시예에서, 정렬(91)은 기준(90)의 프로세싱 빔 프레임에 대해서 실시된다. 다른 실시예에서, 정렬은 이동-제어 구동형 좌표계에 대해서 실시될 수 있다.
일부 실시예에서, 부가적 제조 프로세스의 이전의 층으로부터의 광학적 경로 길이 측정을 이용하여, 광학적 경로 길이 (및/또는 측정된 높이 및/또는 측정된 깊이 및/또는 거리) 기준을 구축한다. 이러한 기준은 가간섭적 촬영 광학적 경로 길이 및/또는 높이 및/또는 깊이 및/또는 거리와 연관된 일시적 안정성 문제를 극복하기 위해서 이용된다. 예를 들어, 정적 인터페이스의 가간섭적 촬영 광학적 경로 길이 측정은, 온도 변화, 물리적 진동 등을 포함하는 환경적 영향으로 인해서, 시간에 걸쳐 달라질 수 있다. 도 38a 및 도 38b에 도시된 바와 같이, 이러한 영향은 가간섭적 촬영 시스템에 의해서 측정된 높이(57a, 57b) 및 후방 산란 세기(59a, 59b)의 변동을 초래할 수 있다. 이전의 층 기준의 이용은, 측정 정확도/정밀도에 대한 일시적 안정성의 영향을 극복하거나 최소화할 수 있다. 이는, 분, 시간, 또는 일의 시간스케일에 걸쳐 발생되는 부가적 제조 프로세스에서 특히 중요하다.
일부 실시예에서, 가간섭적 촬영 간섭측정 출력을 이용하여, 가간섭적 촬영 측정 중에 발생되는 다수의 산란 이벤트를 검출/식별한다. 예를 들어, 도 39는, 비-다수 산란, 또는 직접적, 측정(60A)에 대비되는, 상이한 다수 산란 이벤트들(60B, 60C)을 도시한다. 이러한 정보는, 가간섭적 촬영 측정에 대한 품질 보장 계측/불량 매개변수로서 이용될 수 있다. 다수 산란 정보는, 가간섭적 촬영 측정 구현예에 대한 피드백 제어 매개변수로서 이용될 수 있다. 일부 실시예에서, 다수 산란 정보는, 부가적 제조 프로세스에 대한 품질 보장 계측/불량 매개변수로서 이용된다. 다수 산란 정보는, 부가적 제조 프로세스에 대한 피드백 제어 매개변수로서 이용될 수 있다. 이러한 개시 내용에서, 다수 산란은 간섭계의 샘플 아암 내의 부가적인 반사 및/또는 재료 변화에 의해서 유도된 광학적 경로 길이 변화(연장 포함)를 포함한다. 간섭도 상 변화를 이용하여 다수 산란을 검출/식별할 수 있다. 일부 실시예에서, 광학적 편광화의 변화를 이용하여 다수 산란을 검출/식별한다.
일부 실시예에서, 다수 산란 검출은, 부가적 제조 프로세스의 품질 계측 및/또는 피드백 제어 매개변수로서 이용된다.
일부 실시예에서, 부가적 제조 프로세스에 제공된 가간섭적 촬영 피드백을 이용하여 전체적인 제조 및/또는 수리 시간을 단축한다.
일부 실시예에서, 가간섭적 촬영 간섭측정 출력을 이용하여 부가적 제조 프로세스 매개변수 품질을 평가한다. 프로세스 매개변수 품질은, 빔 에너지/파워, 빔 스캐닝 속력, 빔 스폿 크기, 빔 전개 방법, (부가적인 에너지 빔, 가열 코일, 열 교환기 등과 같은) 부가적인 에너지 공급원을 통한 재료 예열 또는 냉각, 부가 재료 공급률, 부가적 재료 층 두께, 부가 재료 조성, 부가 재료 밀도, 부가 재료 공급 기하형태, 빔 스캐닝/프로세싱 기하형태, 프로세스 지지 구조물의 이용, 프로세스 고정의 이용, 프로세스 환경 산소(또는 다른 가스) 농도, 프로세스 환경 온도, 프로세스 환경 압력, 재-프로세싱 전략, 프로세싱-후 전략/처리, 및 프로세싱 정지/중단 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 간섭측정 출력은 형태 안정성; 상대적/절대적 형태 레벨; 가간섭적 측정 중의 신호 손실의 주파수; 간섭도 상 변화; 인터페이스 확장(즉, A-라인 폭의 증가); (쇼울더, 하위-엔벨로프 피크, 확장, 협소화를 포함하는) 인터페이스 구조물에 대한 생성/수정/변화; 인터페이스 세기 변화; 형태 변화; 주파수 이동; 분광계 출력 내의 상대적인 주파수 측정; 인터페이스 세기 레벨; 다수 인터페이스 및/또는 그 상대적 위치 및/또는 세기 및/또는 하위구조물에 대한 변화의 발생/출현/사라짐; (시간적 편차 및 기울기를 포함하는) 시간의 함수로서의 전술한 매개변수 변화; (공간적 편차 및 기울기를 포함하는) 공간의 함수로서의 전술한 매개변수의 변화; 및 공간 및 시간의 조합의 함수로서의 전술한 매개변수의 변화를 포함할 수 있다. 프로세싱 레이저 파워를 평가하기 위해서 용융 풀의 가간섭적 촬영 측정을 이용하는, 도 40a 내지 도 40f에 도시된, 일 실시예에서, 가간섭적 촬영 높이 및/또는 세기 측정을 이용하여, 불충분한 레이저 프로세싱 파워에서의 프로세싱(도 40a); 충분한 레이저 파워에서의 프로세싱(도 40c); 및 과다 레이저 파워에서의 프로세싱("키홀링(keyholing)" 체제에서의 프로세싱 - 일반적으로 결함적 프로세싱 체제로 간주된다)(도 40e)을 식별한다. 이러한 실시예는, 부가적 제조 프로세스의 결과를 평가/식별/정성화하기 위해서, (프로세싱 후에) 침착된 트랙의 가간섭적 촬영 측정을 추가적으로 이용한다. 이는 표면 조도, 불연속성, 피쳐, 불규칙성, 및/또는 다른 결함을 포함할 수 있다. 이러한 정보는 프로세스 전개 목적 및/또는 프로세스 수정 목적을 위해서 이용될 수 있다. 전술한 실시예에서, 상이한 레이저 파워 체제에서의 프로세싱의 영향이 도 40b, 도 40d, 및 도 40f에 도시된 결과적인 트랙의 가간섭적 촬영 측정에 의해서 검출된다.
일부 실시예에서, 가간섭적 촬영 측정은, 부가적 제조 프로세스 중에 프로세싱 빔 스폿 크기 및/또는 형상 및/또는 시간적 프로파일의 피드백/제어를 위해서 이용된다. 피드백 신호를 이용하여, 더 신속한 구축률을 달성하기 위해서 빔 스폿 크기가 증가될 수 있는 구축 프로세스 중에, 시간/위치를 결정할 수 있다. 간섭측정 출력을 이용하여, 구축률이 증가되는 동안 프로세스가 희망하는 안정성 체제 내에서 유지되도록 보장할 수 있다. 일부 실시예에서, 간섭측정 출력을 이용하여, 현재 구축 부분이 큰 또는 작은 공차를 필요로 하는지의 여부에 따라 스폿 크기 전이점을 결정한다.
일부 실시예에서, 부가적 제조 프로세스 분말 베드(또는, 예를 들어 구축 플랫폼 및/또는 하부의 제조된/수리된 층을 포함하는, 구축 지역 위에 침착된 미가공 재료의 일부 형태)의 가간섭적 촬영 측정이 실시된다. 일부 실시예에서, 그러한 측정은, 비제한적으로, 높이/깊이/길이(도 41의 (a), 상부 패널) 및/또는 후방 산란된 세기(도 41의 (b), 상부 패널)를 포함할 수 있고, 미가공 재료 층 형태, 균일성, 두께, 밀도, (도 41의 (b), 하부 패널에 도시된 바와 같은) 재료 부족 지역(70), 과다 재료 지역, (도 41의 (a), 하부 패널에 도시된 바와 같은) 층 결함(69), 및/또는 층 재료 상을 결정하기 위해서 이용될 수 있다. 이러한 정보는 AM 품질 보장 및/또는 피드백/제어 목적을 위해서 이용된다. 이하 중 하나 이상을 포함하는 보정 작용이 실시될 수 있다: 부가적인 재료 침착/공급; (저에너지 펄스에 의한 재료 사출; 공급 가스 스트림을 통한 기계적 제거; 직접적인 물리적 접촉에 의한 기계적 제거; 자기적 제거 등을 포함하는 방법을 통한) 공급된/침착된 재료 제거; 공급된/침착된 재료의 밀도에 대한 변화; 공급된/침착된 재료의 위치에 대한 변화; 공급된/침착된 재료의 재료 조성에 대한 변화; 재료 침착/공급 체계에 대한 변화; 및 재료 침착률/공급률에 대한 변화.
일부 실시예에서, 부가적 제조 프로세스의 형태 측정은 침착 재료에 대해서 보정 작용을 적용하기 위한 피드백/제어 목적을 위해서 이용된다. 그러한 작용은 부품 공차에 대한 개선/변화, 침착 조성에 대한 개선/변화, 침착 미세조직에 대한 개선/변화, 침착 기계적 특성(예를 들어, 밀도)에 대한 개선/변화 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 보정 작용은 부가적인 재료를 층에 공급하는 것을 포함한다. 일부 실시예에서, 보정 작용은 그 팩킹 밀도를 높이기 위한 층의 기계적 팩킹을 포함한다. 일부 실시예에서, 보정 작용은 재료 재-용융을 달성하기 위한 부가적인 프로세싱을 포함한다. 일부 실시예에서, 보정 작용은 레이저 또는 전자 빔 프로세싱의 결과로서의 재료 제거/컷팅을 포함한다. 일부 실시예에서, 보정 작용은 통상적인 제조 방법(예를 들어, 밀링, 드릴링, 컷팅 등) 및/또는 화학적 방법(에칭을 포함)을 통한 재료 제거를 포함한다. 일부 실시예에서, 보정 작용은 (기계적, 화학적, 레이저-기반의, 전자-빔 기반의, 및/또는 열적 메커니즘을 통한) 침착 폴리싱을 포함한다. 일부 실시예에서, 보정 작용은 프로세스 지지 구조물을 부가/수정/제거하기 위한 AM 프로세스의 수정을 포함한다. 일부 실시예에서, 보정 작용은 (부품 밀도를 높이기 위한 충진제 재료의 주입을 포함하는) 화학적, 기계적, 및/또는 구조적 안정화제/향상제로서 작용하기 위한 새로운 재료를 주입/삽입/부가하는 것을 포함한다. 일부 실시예에서, 보정 작용은 구축 프로세스 도중의 그리고 이후의 스테이지에서의 열간 정수압 프로세싱(HIP)과 같은 처리를 실시하는 것을 포함한다.
일부 실시예에서, 가간섭적 촬영 형태 측정은, (와이퍼 블레이드, 재코팅기 블레이드, 롤러와 같은) AM 프로세스 회전 메커니즘과 제조/수리되는 부품의 피쳐의 충돌로 인한, 잠재적인 AM 프로세스 실패를 식별하기 위해서 이용된다. 그러한 잠재적인 실패의 식별을 이용하여 보정 작용을 실시할 수 있다.
일부 실시예에서, 가간섭적 촬영 형태 측정은, 재료 원재료 침착 평면 내로 돌출하는 또는 재료 원재료 공급과 달리 간섭하는 부품 피쳐로부터 초래되는 잠재적인 AM 프로세스 실패를 식별하기 위해서 이용된다. 그러한 잠재적인 실패의 식별을 이용하여 보정 작용을 실시할 수 있다. 예를 들어, 도 42에 도시된 실시예에서, 가간섭적 촬영 시스템 측정(75)을 이용하여, 분말 베드(72) 부가적 제조 시스템의 재코팅기 블레이드(73) 평면(74) 내로의 부품 돌출부(71)를 식별한다.
일부 실시예에서, 간섭측정 출력을 이용하여, 하부의 및/또는 인접한 부품의 고체 구조물 및/또는 하부의 및/또는 인접한 원재료의 고체 구조물에 대한 (일반적으로 레이저/전자 빔으로부터 초래되는) 액체 상의 습윤/접착을 평가한다. 이러한 정보는, 습윤/접착을 변경하기 위한 AM 프로세스 매개변수의 제어를 포함하는 제어/피드백 프로세스를 위해서 더 이용될 수 있다.
일부 실시예에서, 상 및/또는 분광적 측정을 이용하여 (분말 베드 융합 프로세스 중의 분말 베드를 포함하는) 공급된 원재료 층의 팩킹 밀도를 평가한다. 이러한 정보는 보정 작용을 제공하기 위해서 이용될 수 있다.
일부 실시예에서, 가간섭적 촬영 형태 측정을 이용하여, 재코팅 메커니즘(예를 들어, 와이퍼 블레이드, 롤러, 재료 젯팅 메커니즘, 재료 압출기 등)을 구축/수리 중인 부품, 및/또는 구축 플랫폼, 및/또는 다른 AM 시스템 좌표계에 대해서 정렬시킨다.
일부 실시예에서, 분말 층 두께의 형태 및/또는 밀도 측정을 이용하여, 층 두께가 감소된, 층 두께가 증가된, 팩킹 밀도가 감소된, 팩킹 밀도가 증가된, 기타의 지역 내의 AM 프로세스 매개변수를 변경한다. 이러한 정보는, 분말 침착 메커니즘 및 안내/제어 작용을 제어하여 보정이 특정 영역 내에서 실시될 수 있게 하기 위해서 이용된다.
일부 실시예에서, 가간섭적 촬영 측정을 이용하여 분말 베드 가스 차폐를 제어한다. 그러한 제어는 가스 차폐 유량 또는 가스 차폐 유동 기하형태를 포함할 수 있다. 가간섭적 촬영 측정을 이용하여, 프로세스 사출이 충분히 핸들링되는지(예를 들어, 사출된 재료가, 분말 베드 및/또는 프로세스된 부품 상에 다시 착지되지 않는 방식으로 스위핑되는지)를 결정할 수 있고, 그렇지 않은 경우에, 이러한 측정을 이용하여 필요에 따라 차폐 메커니즘을 변경할 수 있다.
일부 실시예에서, 가간섭적 촬영 간섭측정 출력을 이용하여 오버행 구조물의 프로세싱 중에 PCR을 모니터링한다. 부가적 제조 프로세스에서, (침착된 벌크 재료 대신 미가공 분말로 이루어진 하부의 층을 갖는 구조물과 같은) 오버행 구조물을 프로세스하는 것은 (PCR 붕괴, PCR 팽창, 침착된 재료 구조물/형태/미세조직에 대한 변화, 등을 포함하는) 부정적인 프로세스 효과를 초래한다. 오버행 구조물의 프로세싱 동안 PCR 및 주위 지역을 가간섭적 촬영 측정하는 것을 이용하여 AM 프로세스에 대한 피드백을 제공할 수 있고, 그에 따라 프로세스 매개변수를 변경할 수 있고, 치명적 결함을 방지할 수 있고, 및/또는 지지 구조물/받침부의 AM 프로세스 필요성을 감소/변화시킬 수 있다. 예를 들어, 분말 베드 부가적 제조 프로세스에서 레이저 프로세싱 중에 용융 풀을 가간섭적 촬영 측정하는 것(도 43의 (a))을 이용하여, 오버행 구조물(예를 들어, 약 도면에서 약 6.5 내지 13 mm)을 프로세싱할 때, 용융 풀 안정성의 상실(용융 풀 형태의 급격한 변화)을 식별한다. 결과적인 트랙(도 43의 (c)) 및/또는 트랙의 사진(도 43의 (b))의 가간섭적 촬영 측정을 이용하여 오버행 구역(예를 들어, 6.5 내지 13 mm) 내의 침착 재료의 품질을 평가한다.
일부 실시예에서, 가간섭적 촬영 간섭측정 출력을 이용하여 지지 구조물/받침부의 AM 프로세스 필요성을 식별한다. 이러한 정보를 이용하여, 필요에 따라, 부가적인 지지 재료를 주입할 수 있다. 일 실시예에서, 이러한 정보를 이용하여 프로세싱 중에 지지 구조물이 더 이상 필요치 않을 때 지지 구조물을 제거한다. 그러한 정보를 또한 이용하여, 필요에 따라 지지 구조물의 재료 및/또는 형상을 변화/변경할 수 있다.
일부 실시예에서, 가간섭적 촬영 간섭측정 출력을 이용하여, 재료 스트림 속도/속력, 와이어 공급 속도/속력, 및/또는 침착률(질량/시간) 형태의 원재료 공급률 측정을 실시할 수 있다. 예를 들어, 도 33에 도시된 바와 같이, 간섭측정 출력을 이용하여 부가적 제조 프로세스 재료 원재료(219)의 속도/속력 기반 측정을 실시한다. 재료 스트림의 (도플러 ICI 및 도플러 OCT을 포함하는) 도플러 가간섭적 촬영 측정을 이용하여 그러한 측정을 실현할 수 있다. 도 33의 확대도에서 도시된 바와 같이, 가간섭적 촬영 빔(217)은, 그러한 측정이 이루어질 수 있게 하는 각도(224)로 222에서 도시된, 분말/재료 스트림과 교차되도록 설정된다. 일부 실시예에서, 스페클-가변성 가간섭적 촬영 기술을 이용하여 그러한 측정을 실현한다.
일부 실시예에서, 가간섭적 촬영-결정된 공급률 정보를 이용하여 재료 공급기를 제어하고, 그에 따라 공급률 또는 하나 이상의 다른 AM 프로세스 매개변수(예를 들어, 분말, 스캔 속력, 스폿 크기, 펄스 길이 대 연속 모드 등)를 변경한다.
일부 실시예에서, 다수 재료 공급률의 원재료 공급률 측정을 이용하여 결과적인 AM 침착의 재료/합금 조성을 결정한다. 다수의 상이한 재료 공급의 경우에, (각각의 재료의 질량의 비율을 결정하는) 재료 공급률의 비율이 프로세스 침착의 재료 유형/합금을 직접적으로 결정한다. 그러한 측정을 이용하여 상이한 재료 공급률들을 제어할 수 있고, 그에 따라 구체적으로 AM 침착의 재료 조성/합금을 제어할 수 있다. 그러한 피드백은 복합 재료의 제조에서, 기능적으로 등급화된 재료(FGM)의 제조에서, 또는 이질성 재료들의 제조에서 구현될 수 있다.
일부 실시예에서, 도 33에 도시된 것과 같이, 원재료(분말 또는 와이어) 스트림(219)의 가간섭적 촬영 측정을 이용하여 스트림의 정밀도, 정확도 및/또는 제조/수리 중의 부품 표면 상의 영향 지역(크기, 기하형태, 및/또는 위치)을 결정한다. 도 33에 도시된 실시예에서, 프로세스 상호작용 구역(225)을 통한 측정 빔(226)의 스위핑에 의해서 만들어진 가간섭적 촬영 측정을 이용하여, 프로세싱 빔 상호작용 구역(220)에 대한, 21A및 21B에 의해서 도시된 분말 스트림 영향 영역(들)(일부 실시예에서, 다수의 분말 스트림 영향 영역이 있을 수 있다)의 정밀도/정확도를 측정 및/또는 평가할 수 있다. 이러한 정보는, 부가적 제조 QA 프로세스를 위해서, 및/또는 원재료 스트림의 스폿 크기, 그 형상, 및/또는 프로세싱(레이저/전자) 빔/에너지 공급원에 대한 그 영향 위치를 제어하기 위해서 이용될 수 있다. 가간섭적 촬영 측정 피드백을 이용하여 원재료 스트림의 정확도 및 정밀도를 개선할 수 있다.
일부 실시예에서, 부가적 제조 프로세스 중에 이루어진 가간섭적 촬영 측정을 이용하여 부가적 제조 시스템의 이동 제어 장비 이동 경로를 결정 및/또는 제어한다. 예를 들어, 가간섭적 촬영 측정을 이용하여 AM 시스템 프로세싱 빔의 이동 경로를 제어할 수 있다. 일부 실시예에서, 가간섭적 촬영 측정을 이용하여 프로세싱 빔 자동 포커싱을 실시한다.
일부 실시예에서, 가간섭적 촬영 측정은 (지향성 에너지 침착으로도 지칭되는) 분말 공급 유형 부가적 제조 프로세스 중에 이루어진다. 일부 실시예에서, 가간섭적 촬영을 이용하여, 품질 보장 및 피드백 제어 프로세스를 포함하는 목적을 위해서, PCR, 미가공 원재료, 및/또는 침착된 재료의 크기, 형태, 반사도, 편광화 변화, 상 변화, 질량, 습윤, 접착, 및/또는 표면 장력을 포함하는 측정을 실시한다. 제어 프로세스는 빔 파워, 스폿 크기, 스캔 속력, 재료 공급률, 가스 차폐, 및/또는 이동 경로 기하형태를 수정하는 것을 포함할 수 있다.
여러 실시예에서, 가간섭적 촬영 측정을 이용하여, 기능적 조립체 내에 직접적으로 위치되는 부품의 부가적 제조 프로세스를 실시할 수 있고, 조립체 내에서 직접적으로 부품 수리를 실시할 수 있고, 또는 이동 조립체 내의 및/또는 이동 기준 프레임 내의 부품의 부가적 제조 및/또는 수리를 실시할 수 있다.
일부 실시예에서, 가간섭적 촬영 측정을 이용하여, 부가적 제조 프로세싱 빔의 시간적 프로파일이 빔-재료 상호작용에 미치는 영향을 측정 및/또는 평가한다. 실시예는 피드백/제어 적용예를 위한 및/또는 프로세싱 체제/매개변수 공간을 검증하기 위해서 이러한 정보를 이용하는 것을 더 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 시간적 프로파일은 펄스형 모드 대 연속적 모드, 및/또는 펄스 기간, 및/또는 펄스 듀티 사이클, 및/또는 펄스 형상을 지칭한다. 이러한 정보를 이용하여 부가적 제조 프로세스 중에 가열 및 냉각 (열적) 사이클을 제어할 수 있다.
일부 실시예에서, 가간섭적 촬영 측정을 이용하여, 부가적 제조 프로세싱 빔의 시간적 프로파일이 빔-재료 상호작용에 미치는 영향을 측정 및/또는 평가하고, 선택적으로 피드백/제어 적용예를 위해서 및/또는 프로세싱 체제/매개변수 공간을 검증하기 위해서 이러한 정보를 이용한다.
일부 실시예에서, 편광화-민감성 가간섭적 촬영을 이용하여 부가적 제조 프로세스를 측정/평가한다. 편광화-민감성 가간섭적 촬영은, 편광화 민감성 광학적 가간섭성 단층촬영 시스템과 유사한 체계로 구현될 수 있다. 그러한 시스템은 일반적으로 생물 의학적 촬영 적용예에서 이용된다. 일부 실시예에서, 방법은 프로세싱 빔 및/또는 샘플 아암 빔의 다수의 산란 이벤트(예를 들어, 도 39 참조)를 분해/검출하기 위해서 이러한 정보를 이용하는 것을 더 포함한다. 편광화 민감 정보를 이용하여 부가적 제조 프로세스 중에 재료 상 변화를 분해/검출할 수 있다. 편광화 민감 정보를 이용하여, 플라즈마 및/또는 다른 부가적 제조 프로세스 방출의 존재를 검출/분해할 수 있거나, 부가적 제조 프로세싱 이전/도중/이후에 재료 특성 변화를 검출/분해할 수 있다.
일부 실시예에서, 가간섭적 촬영 형태 측정을 이용하여 피드백 및/또는 품질 보장 정보를 부가적 제조 프로세스에 제공하고, 그에 따라 형태 정보가 없는 구조물의 제조를 불가능하게 한다.
일부 실시예에서, 도 44에 도시된 것과 같이, 가간섭적 촬영 형태 측정을 이용하여, 하부 벌크 고체 재료(81)에 대한 액체 재료(80)의 접촉각(79)을 측정/결정한다. 그러한 방법은 부가적 제조 프로세스의 피드백/제어 메커니즘에서 이러한 정보를 이용하는 것을 더 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 가간섭적 촬영 간섭측정 출력을 이용하여 프로세싱 빔 파워의 (직접적 또는 간접적) 지표를 제공한다. 일부 실시예에서, 프로세싱 빔 전파에 의해서 유도된 광학적 경로 길이의 변화를 이용하여 빔 파워 측정을 한다.
AM 분말 재료의 재-사용은 부가적 제조의 전체 비용을 감소시킬 수 있으나, 또한, 특히 원재료 재-프로세싱 기술이 엄격하게 제어되지 않을 때, 성능이 일정하지 않을 수 있는 특정 위험성을 부가할 수 있다. 그에 따라, 본 발명의 일부 실시예에서, 가간섭적 촬영 시스템은, 재료 프로세싱에 앞서서 원재료의 가간섭적 촬영 형태 측정에 의해서, 원재료 층 높이, 원재료 팩킹, 원재료 균일성, 원재료 밀도의 변동, 및/또는 원재료 덩어리의 발생을 감지하고, 그에 따라 재료 프로세싱 빔이 작용하는 분말의 품질을 평가한다. 이어서, 조작자 및/또는 피드백 프로세서가 그러한 평가를 이용하여 경고할 수 있고, 프로세스를 중단 및/또는 제어/조정할 수 있다. 이러한 평가는 또한 추후의 고려를 위해서 및/또는 미래의 프로세스를 알려주기 위한 실험적 모델을 구축하기 위해서 및/또는 적절한 프로세스 매개변수 공간을 개발하기 위해서 기록 발생기에 의해서 저장될 수 있다.
일부 실시예에서, 가간섭적 촬영 측정을 이용하여 재료 원재료 장비 마모를 직접적으로 또는 간접적으로 검출/평가한다. 일부 실시예는, 재료 원재료 공급 장비에 대한 손상을 추정하기 위해서, 재료 프로세스 이전에 취해지는, 원재료 형태 측정을 이용하는 것을 더 포함할 수 있다. 분말 베드 부가적 제조 프로세스에서, 새로운 층 침착/구조물을 달성하기 위한 하부 재료 프로세싱의 목적을 위해서, 분말의 층이 하부 부품 층의 상단에 침착된다. 분말 베드 프로세스에서, 분말 층은, 비제한적으로, 재코팅기 블레이드, 와이퍼 블레이드, 및/또는 롤러를 포함하는 메커니즘에 의해서 침착된다. 일부 실시예에서, 비제한적으로, 스트리크(streak), 공극, 분말 덩어리, 프로세스된 재료 침착/부산물의 존재, 또는 그 조합을 포함하는, 침착된 분말 베드 층 내의 불규칙성을 이용하여 침착 메커니즘 마모/손상을 평가/측정한다. 재료 원재료 공급 장비에 대해서 직접적으로 이루어진 가간섭적 촬영 형태 측정을 이용하여 장비 마모/손상을 평가/측정할 수 있다.
일부 실시예에서, 가간섭적 촬영 간섭측정 출력 사인을 이용하여 부가적 제조 프로세스 체제의 양태를 식별한다. 일부 실시예는, 치명적인, 양호하지 못한, 유효한, 및/또는 적합한 AM 프로세싱 체제를 식별하기 위해서 (높이 정보 형식과 같은) 형태를 이용하는 것을 더 포함할 수 있다. PCR 형태 측정을 이용하여, 이를 목표 형태 레벨/문턱값 이내, 초과, 또는 미만인 것으로 분류할 수 있다. 이러한 분류는 안정적 용융 풀(PCR), (요동/진동되는 형태 측정 형식의) 혼란스러운 용융 풀(예를 들어, 도 40a), 및/또는 키홀 프로세스 체제(하부 층 높이 미만인 용융 풀 인터페이스 높이)(예를 들어, 도 40e)에 관한 식별을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 형태 측정에 더하여 또는 그 대신에, 가간섭적 촬영 후방산란 세기 측정을 이용하여 전술한 AM 프로세싱 체제를 식별할 수 있다.
일부 실시예에서, 도 45에 도시된 것과 같이, 용융 풀/PCR/프로세싱 빔(83)에 후속하는(82) 영역의 가간섭적 촬영 측정을 이용하여 ("트랙"으로 지칭되는) AM 침착 재료(85)의 품질/항상성을 평가/결정한다. 용융 풀/PCR/프로세싱 빔(83)에 선행하는(84) 영역의 가간섭적 촬영 측정을 이용하여 (일부 프로세스에서, 분말 베드(86)의 형태인) AM 프로세스 원재료의 품질/항상성을 결정/평가할 수 있다. 그러한 정보는 품질 보장 목적을 위해서, 피드백/제어 목적을 위해서, 및/또는 프로세스 개발 목적을 위해서 이용될 수 있다. 일부 실시예에서, 가간섭적 측정은 형태 기반 정보, 후방산란 세기 정보, 상 정보, 또는 그 조합을 암시할 수 있다.
일부 실시예에서, PCR의 가간섭적 촬영 측정의 시간적 변동을 이용하여 프로세싱 매개변수 체제 품질을 식별한다. 이러한 정보는 피드백/제어 목적을 위해서, 품질 보장 목적을 위해서, 및/또는 프로세스 개발 목적을 위해서 이용될 수 있다. 시간적 변동을 이용하여 PCR 안정성 또는 PCR 상 변화를 식별할 수 있다.
오버행 구역의 부가적 제조는 많은 적층 프로세스에서의 해결과제이고, 종종 받침부/지지 구조물의 이용을 요구한다. 그러한 지지 구조물은 프로세스 재료 소비를 증가시키고, 이러한 구조물의 제거에 필요한 프로세싱-후 요건을 증가시킨다. 오버행 피쳐의 프로세싱은 또한 구축 실패/결함의 가능성을 높인다. 일부 실시예에서, 가간섭적 촬영 측정을 이용하여, 오버행 프로세싱이 발생되는 영역을 식별하고, 이러한 구조물의 프로세싱 중의 프로세스 안정성을 측정/평가하며, 및/또는 QA/피드백 제어 신호를 제공한다. 하부 층의 형태 측정은, 오버행 위치가 더 양호하게 확립될 수 있게 하고 그에 따라 프로세스되게 할 수 있다. 가간섭적 촬영 간섭측정 출력을 이용하여 안정적인 그리고 불안정한 오버행 프로세싱 체제들을 식별/특성화할 수 있다. 이러한 정보를 이용하여, 오버행 프로세싱과 연관된 프로세스 실패를 피하기 위한 AM 프로세스를 제어 및/또는 개발하기 위해서, 및/또는 (하부 평면에 대해서) 더 큰 각도로 성장되는 오버행 구조물을 프로세스하기 위해서 이용될 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 정보를 이용하여 재료 지지 구조물/받침부의 필요성을 감소시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 가간섭적 촬영 측정을 이용하여, 도 46에 도시된 바와 같이, PCR을 둘러싸는 노출 구역을 모니터링한다. 비제한적으로, 분말 베드 융합 프로세스 중에, 용융 풀/PCR 내로의 분말 흡수의 결과로서, 용융 풀/PCR에 인접하고 선행하는 분말 베드의 지역이 분말을 잃을 수 있다(노출되기 시작할 수 있다). 도 46은 전체적인 분말 베드(89)의 맥락에서 PCR(87)를 둘러싸는 노출 구역(88)을 도시한다. 노출 구역의 가간섭적 촬영 측정을 이용하여 침착 성장 프로세스를 모니터링/제어할 수 있다. 노출 측정을 이용하여 AM 프로세스에 대한 입력 질량을 측정할 수 있다. 일부 실시예에서는 침착/트랙 부피를 결정하기 위해서 형태 측정을 이용하는 것을 더 포함할 수 있다. 입력 재료 질량 및 트랙 부피의 조합을 이용하여, 트랙 밀도 및/또는 다공도의 존재를 결정할 수 있다. 일부 실시예는, AM 프로세스 효율을 결정하기 위해서 및/또는 프로세스 매개변수를 최적화하기 위해서 및/또는 품질 보장 정보/판정을 제공하기 위해서 이러한 정보를 이용하는 것을 더 포함할 수 있다. 지속시간 측정을 이용하여, 분말이 부족한 영역 및/또는 과다 분말 소비 영역을 결정할 수 있다. 이러한 정보를 이용하여, (침착/트랙 중첩 및/또는 프로세싱 이동 경로와 같은) 프로세스 매개변수를 그에 따라 조정할 수 있다. 일부 실시예에서, 분말이 부족한 영역의 식별은, 부가적인 공급 재료가 그 장소에서 침착됨에 따라 일시적으로 중단/지연/변경되는 재료 프로세싱을 초래할 수 있다.
일부 실시예에서, 분말 층과 프로세스된 층 가간섭적 촬영 간섭측정 출력 측정의 비교를 이용하여, 비제한적으로, 층 밀도, 층 미세조직, 층간 접착, 층 내부의 접착, 다공도, 물리적 결함, 공차의 편차, 및/또는 층 왜곡을 포함하는 층 특성을 평가할 수 있다.
일부 실시예에서, 가간섭적 촬영 시스템 신호 손실을 이용하여 PCR 표면의 안정성 및/또는 각도를 추정할 수 있다. (비제한적으로, 분말 베드 및 분말 공급 AM 프로세스를 포함하는) 하부/인접 고체 구조물에 대한 용융 재료의 습윤을 포함하는 적층 프로세스가 용융 풀을 포함한다. 재료 프로세싱 빔 공급원에 대한 용융 풀의 표면 각도는, AM 프로세스 매개변수, 재료 특성, 및 환경 특성을 포함하는, 다양한 매개변수에 따라 달라진다. 가간섭적 촬영 신호 손실은, 가간섭적 촬영 빔이 재료 프로세싱 빔에 동축적으로 정렬되는 실시예에서, 재료 프로세싱 빔에 대한 용융 풀 표면 각도를 결정하기 위해서 이용될 수 있다. 용융 풀 각도 정보가 QA 계측을 제공하기 위해서, 또는 프로세스 매개변수를 수정하기 위한 피드백/제어 목적을 위해서 이용될 수 있다.
일부 실시예에서, 가간섭적 촬영 시스템 간섭측정 출력의 시간적 변동을 이용하여 PCR의 범위를 구축한다. 일부 실시예는, 비제한적으로, 라인-간 간격, 해칭 거리, 트랙 중첩, 재료 프로세싱 빔 파워, 재료 프로세싱 빔 스캐닝 속력 등을 포함하는 AM 프로세스 매개변수를 설정하기 위해서 PCR 범위를 이용하는 것을 더 포함할 수 있다. PCR 범위는 간섭계 출력 세기 레벨을 기초로 구축될 수 있다. 가간섭적 촬영 시스템 간섭측정 출력의 공간적 변동(가간섭적 촬영 빔 문의 영역의 변동)을 이용하여 PCR의 범위를 구축할 수 있다.
일부 실시예에서, 가간섭적 촬영 측정은, 비제한적으로, 광다이오드, 열적 센서, 고온계, 카메라, 방사계, 그 1D 또는 2D 어레이 중 하나 이상을 기초로 하는 부가적인 모니터링 기술로부터의 측정과 동시에 실시된다.
일부 실시예에서, 추가적인 QA 계측 및/또는 제어/피드백 프로세스가 실시될 수 있게 하기 위해서, 인터페이스/깊이/높이 추적 기술이 가간섭적 촬영 시스템 간섭측정 출력에 대해서 실시된다. 인터페이스 추적 방법을 이용하여, 비제한적으로, 재료 원재료, 미가공 재료, PCR, 프로세스된 침착/트랙, 및 AM 프로세스 장비를 포함하는, 인터페이스 유형들(예를 들어, 도 37 참조)을 구별할 수 있다. 상이한 인터페이스 추적 방법들을 이용하여, 비제한적으로, 재료 원재료, 미가공 재료, PCR, 프로세스된 침착/트랙, 및 AM 프로세스 장비를 포함하는, 상이한 인터페이스 유형들의 측정/계측을 실시할 수 있다. 인터페이스 추적은 개별적인 가간섭적 촬영 A-라인, 개별적인 A-라인의 가우스 피팅, 개별적인 A-라인의 가중된 평균화의 형태, 및 특정 문턱값을 초과하는 A-라인 피크의 식별 중의, 또는 특정 시계 내의 가장 밝은 화소 위치 및 세기 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 상호 관련 알고리즘을 이용하여, 비제한적으로, 품질 보장, 피드백/제어, 및/또는 프로세스 개발을 포함하는 목적을 위해서 인터페이싱 추적 기술을 추가적으로 보충할 수 있다.
균등물
전술한 교시 내용에 비추어 본원에서 설명된 실시예의 변경예 또는 변형예가 가능할 것이다. 그에 따라, 첨부된 청구범위의 범위 내에서, 구체적으로 본원에서 설명된 것과 달리 개시 내용이 실행될 수 있다는 것이 이해될 것이다.

Claims (27)

  1. 장치이며:
    재료 수정 프로세스에서 재료의 위치에 적용되는 재료 프로세싱 빔을 생산하는 재료 프로세싱 빔 공급원;
    촬영 광을 생산하는 촬영 광 공급원;
    적어도, 재료 수정 프로세스 이전, 도중, 및/또는 이후에 재료 내에 생성된 상 변화 영역 및/또는 주위 영역에 전달되는 촬영 광의 성분을 이용하여 간섭측정 출력을 생산하는 광학적 간섭계를 포함하는 가간섭적 촬영 시스템으로서, 간섭측정 출력은, 다른 광학적 경로 길이에 비교되는, 상 변화 영역 및/또는 주위 영역 내의 적어도 하나의 지점에 대한 적어도 하나의 광학적 경로 길이를 기초로 하는, 가간섭적 촬영 시스템;
    간섭측정 출력을 수신하고, 재료 수정 프로세스 중의 상 변화 영역 및/또는 주위 영역의 특성을 나타내는 검출기 출력을 생산하는 검출기;
    복수의 시간에 검출기 출력을 기초로 적어도 하나의 기록을 생성하는 기록 발생기; 및
    하나 이상의 보조 광학적 센서로서, 상 변화 영역, 또는 주위 영역, 또는 그 둘 모두로부터 적어도 하나의 광학적 방출을 수용하고 적어도 하나의 출력을 생산하는, 하나 이상의 보조 광학적 센서를 포함하고;
    하나 이상의 출력이 신호 프로세서, 품질 보장 신호 발생기, 피드백 프로세서, 및 기록 발생기 중 적어도 하나에 연결되고;
    신호 프로세서, 품질 보장 신호 발생기, 피드백 프로세서, 및 기록 발생기 중 적어도 하나가 기록, 고지, 및 피드백 출력 중 적어도 하나를 생성하는, 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    재료 수정 프로세스가 부가적 제조 프로세스, 차감적 제조 프로세스, 접합 프로세스, 또는 그 조합의 일부인, 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    부가적 제조 프로세스가 레이저 소결, 선택적 레이저 소결, 레이저 용융, 선택적 레이저 용융, 직접적인 금속 레이저 소결, 전자 빔 용융, 분말 베드 3D 인쇄, 또는 분말 베드 융합, 또는 그 변경예, 파생예, 또는 조합을 포함하는, 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    부가적 제조 프로세스가 분말 공급 프로세스, 레이저 금속 침착, 직접적 금속 침착, 또는 레이저 클래딩, 또는 그 변경예, 파생예, 또는 조합을 포함하는, 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    피드백 프로세서를 더 포함하고, 피드백 프로세서는 가간섭적 촬영 시스템, 검출기 출력, 및 보조 광학적 센서 중 적어도 하나로부터 입력을 수신하고, 재료 수정 프로세스의 하나 이상의 매개변수를 제어하기 위한 피드백으로서 이용되는 출력을 생산하는, 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    컴퓨터 판독 가능 저장 매체를 더 포함하고;
    기록 발생기는 기록을 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 저장하는, 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    장치가 적어도 하나의 기록을 기초로 재료 수정 프로세스의 적어도 하나의 프로세싱 매개변수를 제어하는, 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    제어되는 재료 수정 프로세스의 적어도 하나의 프로세싱 매개변수가:
    재료 프로세싱 빔의 온/오프 상태;
    재료 프로세싱 빔의 평균 파워;
    재료 프로세싱 빔의 펄스 지속시간;
    재료 프로세싱 빔의 피크 세기;
    재료 프로세싱 빔의 밀도;
    재료 프로세싱 빔의 에너지;
    재료 프로세싱 빔의 입자 종;
    재료 프로세싱 빔의 파장;
    재료 프로세싱 빔의 펄스 반복률;
    재료 프로세싱 빔의 펄스 에너지;
    재료 프로세싱 빔의 펄스 형상;
    재료 프로세싱 빔의 스캔 속력;
    재료 프로세싱 빔의 포커스 직경;
    재료 프로세싱 빔의 포커스 위치;
    재료 프로세싱 빔의 공간적 패턴;
    냉각 매체 유량;
    커버/보조 가스 유량;
    커버/보조 가스 압력;
    커버/보조 가스 블렌드;
    전압 및 전류로부터 선택된 적어도 하나의 프로세스 매개변수;
    적어도 하나의 불량 매개변수;
    부가적 재료 공급률;
    부가적 재료 공급 기하형태; 및
    부가적 재료 공급 유형; 중 적어도 하나를 포함하는, 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    제어되는 재료 수정 프로세스의 적어도 하나의 프로세싱 매개변수가 분말 층 두께, 팩킹 밀도, 층 균일성, 부가적 재료 공급률, 및 침착 재료의 선택 중 적어도 하나를 포함하는, 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    장치는, 상 변화 영역 및/또는 주위 영역 내로 전달될 때 실질적으로 동축적으로 재료 프로세싱 빔 및 촬영 광을 생산하도록 구성되는, 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    재료 수정 프로세스는, 재료 프로세싱 빔으로 부가적인 재료를 수정함으로써, 물체를 제조, 수정, 또는 수리하는, 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    재료가 금속, 반도체, 유전체, 유리, 세라믹, 중합체, 플라스틱, 및 복합체 중 적어도 하나를 포함하는, 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    가간섭적 촬영 시스템을 재료에 대해서 지향시키는 적어도 하나의 스캐닝 시스템을 더 포함하는, 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    재료 수정 프로세스 방출이 공간적으로 분해될 수 있도록, 적어도 하나의 보조 광학적 센서가 적어도 하나의 스캐닝 시스템에 커플링되는, 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    적어도 하나의 보조 광학적 센서가 광섬유를 통해서 스캐닝 시스템에 커플링되는, 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    광섬유는 다수-클래드 또는 다수-코어 섬유, 또는 그 둘 모두 중 하나이고, 촬영 광은 적어도 하나의 보조 광학적 센서와 함께 적어도 하나의 광섬유를 공유하는, 장치.
  17. 제13항에 있어서,
    재료 수정 프로세스 방출이 공간적으로 분해될 수 있도록, 적어도 하나의 보조 광학적 센서가 적어도 하나의 스캐닝 시스템에 커플링되는, 장치.
  18. 재료의 위치에 인가되는 재료 프로세싱 빔을 이용하는 재료 수정 프로세스를 모니터링 및/또는 제어하기 위한 방법이며:
    재료 수정 프로세스 이전, 도중, 및/또는 이후에 재료 내에 생성된 상 변화 영역 및/또는 주위 영역에 촬영 광을 인가하는 단계;
    적어도, 재료 수정 프로세스 이전, 도중, 및/또는 이후에 상 변화 영역 및/또는 주위 영역에 전달된 촬영 광의 성분을 이용하여 간섭측정 출력을 생산하기 위한 광학적 간섭계를 포함하는 가간섭적 촬영 시스템을 이용하는 단계로서, 간섭측정 출력은, 다른 광학적 경로 길이에 비교되는, 상 변화 영역 및/또는 주위 영역 내의 적어도 하나의 지점에 대한 적어도 하나의 광학적 경로 길이를 기초로 하고;
    간섭측정 출력이 재료 수정 프로세스 중의 상 변화 영역 및/또는 주위 영역의 특성을 나타내는, 단계;
    재료 수정 프로세스의 적어도 하나의 프로세싱 매개변수를 제어하기 위해서 간섭측정 출력을 이용하는 단계;
    상 변화 영역, 또는 주위 영역, 또는 그 둘 모두로부터 적어도 하나의 광학적 방출을 수용하고 적어도 하나의 출력을 생산하기 위해서 하나 이상의 보조 광학적 센서를 배치하는 단계;
    신호 프로세서, 품질 보장 신호 발생기, 피드백 제어기, 및 기록 발생기 중 적어도 하나에 하나 이상의 출력을 연결하는 단계로서;
    신호 프로세서, 품질 보장 신호 발생기, 피드백 제어기, 및 기록 발생기 중 적어도 하나가 기록, 고지, 및 피드백 출력 중 적어도 하나를 생성하는, 단계; 및
    재료 수정 프로세스의 제어, 모니터링, 및 조정 중 적어도 하나를 위해서 기록, 고지, 및 피드백 출력 중 적어도 하나를 이용하는 단계를 포함하는, 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    제어는 품질 보장 정보를 제공하는 것을 포함하는, 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    재료 프로세싱 빔의 온/오프 상태;
    재료 프로세싱 빔의 평균 파워;
    재료 프로세싱 빔의 펄스 지속시간;
    재료 프로세싱 빔의 피크 세기;
    재료 프로세싱 빔의 밀도;
    재료 프로세싱 빔의 에너지;
    재료 프로세싱 빔의 입자 종;
    재료 프로세싱 빔의 파장;
    재료 프로세싱 빔의 펄스 반복률;
    재료 프로세싱 빔의 펄스 에너지;
    재료 프로세싱 빔의 펄스 형상;
    재료 프로세싱 빔의 스캔 속력;
    재료 프로세싱 빔의 포커스 직경;
    재료 프로세싱 빔의 포커스 위치;
    재료 프로세싱 빔의 공간적 패턴;
    냉각 매체 유량;
    커버/보조 가스 유량;
    커버/보조 가스 압력;
    커버/보조 가스 블렌드;
    전압 및 전류로부터 선택된 적어도 하나의 프로세스 매개변수;
    적어도 하나의 불량 매개변수;
    부가적 재료 공급률;
    부가적 재료 공급 기하형태; 및
    부가적 재료 공급 유형;
    으로부터 선택된 적어도 하나의 프로세싱 매개변수를 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
  21. 제18항에 있어서,
    분말 층 두께, 팩킹 밀도, 층 균일성, 부가적 재료 공급률, 및 침착 재료의 선택 중 적어도 하나를 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
  22. 제18항에 있어서,
    재료 프로세싱 빔 및 촬영 광을 실질적으로 동축적으로 상 변화 영역 및/또는 주위 영역에 인가하는 단계를 포함하는, 방법.
  23. 제18항에 있어서,
    재료 프로세싱 빔으로 부가적 재료를 수정함으로써 물체를 제조, 수정 또는 수리하기 위해서 이용되는 부가적 제조 프로세스를 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
  24. 제18항에 있어서,
    부가적인 제조 프로세스를 제어하는 단계를 포함하고, 재료가 금속, 반도체, 유전체, 유리, 세라믹, 중합체, 플라스틱, 및 복합체 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  25. 제18항에 있어서,
    재료 수정 프로세스에서 융합, 융합의 부족 또는 그 둘 모두를 검출하기 위해서 하나 이상의 보조 광학적 센서를 배치하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  26. 제1항에 있어서,
    재료 수정 프로세스가 소결, 용접, 브레이징, 및 그 조합으로부터 선택되는, 장치.
  27. 제18항에 있어서,
    재료 수정 프로세스가 소결, 용접, 브레이징, 및 그 조합으로부터 선택되는, 방법.
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