KR20210123219A - 치수 및 열 측정들을 위한 결합된 광학 시스템 및 그의 동작 방법 - Google Patents

치수 및 열 측정들을 위한 결합된 광학 시스템 및 그의 동작 방법 Download PDF

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KR20210123219A
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시몬느 도나델로
바바라 프레비탈리
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아디제 에스.피.에이.
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Abstract

결합된 광학 시스템은 오브젝트 또는 재료의 표면의 온도 및 시스템과 연관된 미리 결정된 기준 포인트에 대한 그의 거리를 결정하기 위해 설명되며, 이 결합된 광학 시스템은, 미리 결정된 파장의 또는 미리 결정된 파장 범위의 적어도 하나의 광학 프로브 방사선을 방출하도록 구성된 광학 방사선 소스, 광학 프로브 방사선이 방출되는 동작 조건으로부터 광학 프로브 방사선이 방출되지 않는 비동작 조건으로 소스의 스위칭을 교호적으로 제어하도록 배열된 소스 제어 유닛, 오브젝트 또는 재료의 표면으로부터 하나의 열적으로 방출된 광학 방사선 및 적어도 하나의 산란된 광학 방사선을 획득하도록 구성된 광학 검출기들, 및 제어 유닛과 동기화되는 프로세싱 유닛을 포함하고, 프로세싱 유닛은, 소스가 동작할 때 오브젝트의 표면으로부터 산란되고 검출기들에 의해 수신되는 광학 프로브 방사선에 기초하여 오브젝트 또는 재료의 표면의 거리를 결정하고, 그리고 소스가 동작하지 않을 때 오브젝트 또는 재료의 표면으로부터 열적으로 방출되고 검출기들에 의해 수신된 광학 방사선에 기초하여 오브젝트 또는 재료의 표면의 로컬 온도를 결정하도록 배열된다.

Description

치수 및 열 측정들을 위한 결합된 광학 시스템 및 그의 동작 방법{Combined optical system for dimensional and thermal measurements, and operating method thereof}
본 발명은 일반적으로 광학 측정들에 관한 것으로, 특히 산업 제조 프로세스들에 처해지는 오브젝트들 또는 재료들의 광학 측정들에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 각각 청구항 1 및 청구항 18의 전제부에 따라 오브젝트 또는 재료의 거리 및 오브젝트 또는 재료의 표면의 온도를 결정하기 위한 결합된 광학 시스템 및 방법에 관한 것이다.
다른 양상에 따르면, 본 발명은 청구항 19의 전제부에 따른 가공물 또는 재료의 레이저 프로세싱을 위한 기계에 관한 것이다.
다음의 설명 및 청구항들에서, "오브젝트"란 용어는 측정되는 완제품 또는 프로세싱되는 가공물을 의미한다. 기계 툴들 및 특히, 레이저 프로세싱 기계들에 대한 적용에서, "가공물" 및 바람직한 실시예에서, "금속 가공물"은 구별 없이 폐쇄된 횡단면 - 예컨대, 원형, 직사각형 또는 중공 정사각형 - 또는 개방 횡단면 - 예컨대, 평평한 섹션, L-자형, C-자형 또는 U-자형 섹션 등을 갖는 시트 또는 신장된 프로파일과 같은 임의의 제조된 물품을 식별하는 데 사용된다. 어디티브 제조(additive manufacturing)에서 "재료" 또는 "전구체 재료"란 용어는 레이저 빔에 의한, 로컬화된 소결 또는 용융에 처해지는, 일반적으로 분말 형태의 원료를 식별한다.
산업 프로세스들에서, 예컨대, 방사선이나 작동 유체들을 방출함으로써 오브젝트 또는 재료를 일정 거리에서 프로세싱하기 위해 프로세싱 툴이 재료나 상기 오브젝트에 접근 - 상기 오브젝트와 접촉하지 않고 - 하는 것이 일반적이다. 측정 기구는 제품의 제조 프로세스 동안 프로세싱되는 가공물 또는 재료, 또는 심지어, 제조 프로세스의 중단, 과정 또는 종료 동안 일부 기하학적 특징들 또는 물리적 특성들을 검출하기 위해 완제품에 접근하는 것이 또한 알려져 있다.
순전히 산업 제조 프로세스의 예로서, 재료들, 특히 금속 시트들 및 프로파일들의 레이저 프로세싱에서, 레이저 방사선은 가공물과 레이저 빔의 상호작용 파라미터들, 특히 가공물에 대한 레이저 빔의 입사 볼륨 당 에너지 밀도 및 상호작용 시간 간격에 의존하는 매우 다양한 애플리케이션들에 대한 열 툴(thermal tool)로서 사용된다.
재료에 대해 수행될 수 있는 상이한 프로세싱 유형들 간의 차이는 실질적으로, 사용된 레이저 빔의 파워, 및 레이저 빔과 프로세싱되는 재료 간의 상호작용 시간에 기인한다. 예컨대, 금속 재료 상에 장시간(대략 몇 초) 동안 저밀도의 에너지(표면 mm2 당 대략 몇 십 W)를 지향시킴으로써, 경화 프로세스가 수행되는 반면, 동일한 금속 재료 상에 대략 몇 펨토초 또는 몇 피코초의 시간 동안 고밀도의 에너지(표면 mm2 당 대략 몇 십 MW)를 지향시킴으로써, 광-절제 프로세스가 수행된다. 에너지 밀도를 증가시키고 프로세싱 시간을 감소시키는 중간 범위에서, 이러한 파라미터들의 제어는 용접, 절단, 천공, 에칭 및 마킹 프로세스들이 수행될 수 있게 한다. 이러한 프로세스들은 프로세스에 처해지는 가공물에서 멀리 떨어져 동작하는 작업 헤드로부터 레이저 빔을 방출함으로써 발생한다.
어디티브 프로세스들에서, 재료는 예컨대, 필라멘트 형태로, 노즐에서 방출되는 분말 형태로 도입될 수 있거나, 또는 대안적으로 분말 베드(powder bed)의 형태로 존재할 수 있다. 그 후, 재료는 레이저 방사선에 의해 용융되어 상기 재료의 재응고 후에 3-차원 인쇄를 획득한다.
재료들의 레이저 프로세싱 분야에서, 기계에 의해 운반되는 프로세싱 툴은 재료의 적어도 하나의 프로세싱 평면 상에서 미리 설정된 횡방향 파워 분포(transverse power distribution)를 갖는 고-파워 포커싱 레이저 빔을 생성하고 재료를 따라 빔의 방향 및 입사 포지션을 관리할 뿐만 아니라, - 필요한 경우 - 용융된 재료 상에서 기계적 추진 기능들을 갖는 보조 가스의 흐름의 방향, 또는 연소를 지원하기 위한 화학적 기능들 또는 심지어, 주변 환경으로부터 프로세싱 구역을 차폐하기 위한 기술적 기능들을 제어하도록 구성된다.
프로세싱 툴이 오브젝트 또는 재료에 접근하는 산업 프로세스들에서, 프로세싱의 결과들은 프로세싱 툴과 오브젝트 또는 재료 사이의 정확한 거리 및 프로세싱 레이저 빔의 파워에 의존한다. 예컨대, 재료의 레이저 프로세싱에서, 특히 상기 재료의 레이저 절단, 드릴링 또는 용접을 위한 금속 재료의 레이저 프로세싱 또는 분말 전구체 재료로부터 시작하는 미리 결정된 구조들의 어디티브 제조의 제어에서, 프로세싱 툴이 가공물 또는 재료로부터 제어된 거리로 유지하고 작업 표면 상에 포커싱된 레이저 빔의 파워가 원하는 유형의 프로세싱을 획득하도록 적응된 에너지 범위에서 제어되는 것이 중요하다.
프로세싱 재료로부터의 프로세싱 툴의 거리는 측정 프로브들 또는 센서들, 예컨대, 비행 시간 레이저 스캐너들, 레이저 삼각측량기들, 간섭계들에 의해 측정될 수 있다.
가공물 또는 재료의 표면에 충돌하는 프로세싱 레이저 빔의 파워는 상기 가공물 또는 재료를 가열하고 결과적으로, 용융된 상태로 가공물 또는 재료에 의해 도달되는 프로세싱 온도로 인해 열 대역의 광학 방사선(적외선 또는 가시광선)의 방출을 야기하며, 이는 또한 프로세싱 레이저 빔이 스위칭 오프될 때 특정 시간(통상적으로 10분의 1초 내지 몇 초 사이) 동안 유지된다. 따라서 프로세싱되는 가공물 또는 재료의 온도에 관한 정보를 획득하고, 예컨대, 그의 방사율을 알지 못해도 고체 또는 용융 바디의 온도가 결정될 수 있게 하는 고온계(방사선 온도계) 또는 더 양호한 이색 고온계에 의해, 가공물 또는 재료의 표면에 의해 열적으로 방출되는 광학 방사선을 통해 프로세싱 레이저 빔의 파워에 대한 정보를 간접적으로 획득하는 것이 가능하다.
불리하게는, 이러한 측정들(둘 모두가 산업 프로세스를 제어하는 데 필수적임)을 수행하는 것은 2개의 상이한 디바이스들의 사용을 수반하며, 이 디바이스들의 치수들은 예컨대, 가공물 또는 재료의 레이저 프로세싱을 위해 기계의 작업 헤드와의 통합을 위해 프로세싱 툴에서 또는 그 근처에서 사용 가능한 공간들과 호환 불가능할 수 있다. 이는 추가로, 상이한 디바이스들을 포함하는 시스템에 대한 높은 비용 및 복잡성을 수반한다.
본 발명의 목적은 시스템과 연관된 미리 결정된 기준 포인트에 대해 오브젝트 또는 재료의 표면과 같은 산란 표면의 온도 및 거리를 결정하기 위한 광학 시스템을 제공하는 것이며, 이는 감소된 수의 컴포넌트들로 만들어질 수 있고, 이에 따라 측정 정확도를 손상시키지 않고 예컨대, 가공물 또는 재료의 레이저 프로세싱을 위한 기계와 같은 산업 제조 기계의 프로세싱 툴에 쉽게 통합될 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 오브젝트 또는 재료의 표면의 온도 및 거리를 실질적으로 동시에 측정하기 위한 그러한 광학 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가의 목적은 거리 측정 장치에 복잡성을 추가하지 않고 열 측정을 수행하는 것이다.
본 발명의 추가의 목적은 이미-존재하는 산업 제조 기계에 쉽게 설치될 수 있는, 오브젝트 또는 재료의 거리 및 오브젝트 또는 재료의 표면의 온도를 결정하기 위한 그러한 광학 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 작업 헤드와 가공물 또는 재료의 표면을 분리하는 거리 및 레이저 빔에 의해 현재 프로세싱되는 영역에서 국부적으로 용융된 재료의 온도의 동축 측정의 실행을 허용하도록 프로세싱 레이저 빔과 정렬된 가공물 또는 재료의 레이저 프로세싱을 위해 기계의 작업 헤드에 설치되도록 구성된 결합된 광학 측정 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 이들 목적들은 청구항 1에 청구된 특징들을 갖는 결합된 광학 시스템에 의해 달성된다.
특정 실시예들은 종속 청구항들의 청구 대상을 형성하며, 그 내용은 이 설명의 통합 부분으로서 이해된다.
본 발명은 또한 청구항 18에 청구된 특징들을 갖는, 상기 결합된 광학 시스템과 연관된 미리 결정된 기준 포인트에 대한 오브젝트 또는 재료의 거리 및 오브젝트 또는 재료의 표면의 온도를 결정하기 위한 방법에 관한 것이다.
본 발명의 다른 청구 대상은 청구된 바와 같이 상기 결합된 광학 시스템을 포함하는, 가공물 또는 재료의 레이저 프로세싱을 위한 기계이다.
요약하면, 본 발명은 결합된 광학 시스템을 구축하는 데 기반을 두며, 여기서 오브젝트 또는 재료의 표면에 의해 산란된 프로브 방사선을 검출함으로써 획득되는 오브젝트 또는 재료의 거리 측정, 및 오브젝트 또는 재료의 표면으로부터 열적으로 방출되는 광학 방사선을 검출함으로써 획득되는 오브젝트 또는 재료의 표면 온도의 측정은 프로브 방사선의 소스의 활성화 또는 비활성화와 각각 상관되는 교호적인 시간들에 발생한다. 오브젝트 또는 재료의 표면에 의해 산란된 프로브 방사선 및 오브젝트 또는 재료의 표면으로부터 열적으로 방출된 광학 방사선의 검출은 전용 검출 디바이스에서, 또는 - 보다 유리하게는, 통합된 형태로 - 공통 검출 디바이스에서 발생한다.
보다 구체적으로, 본 발명의 결합된 광학 시스템 주제는 미리 결정된 파장에서 또는 미리 결정된 파장 범위 내에서 적어도 하나의 광학 프로브 방사선을 방출하도록 구성된 광학 방사선 소스 수단을 포함한다. 광학 방사선 소스 수단은 단일 소스, 예컨대, 발광 다이오드 이를테면, 레이저 다이오드 또는 초발광 다이오드, 또는 상이한 파장들의 또는 교호 간격들로 광학 방사선의 개개의 빔들을 방출하도록 구성된 한 쌍의 별개의 소스들일 수 있지만, 예컨대, 제1 경우에 소스의 온도 또는 여기 전류를 변동시키거나, 빔이 두 개의 상이한 광학 경로들을 따라 분할되는 소스를 사용하여, 예컨대, 빔이 하나의 경로 또는 다른 경로에서 교호적으로 통과하도록 허용하거나 차단하는, 액정들 또는 기계식 셔터들과 같은 디바이스들에 의해 하나의 경로와 다른 경로 사이에서 스위칭함으로써, 단일 소스를 통해 교호적인 간격들로 또는 상이한 파장들의 광학 방사선의 빔들을 방출하는 것이 또한 가능하다.
적어도 하나의 광학 프로브 방사선이 방출되는 동작 조건으로부터 어떠한 광학 방사선도 방출되지 않는 비동작 조건으로의 상기 소스 수단의 스위칭을 선택적으로 제어하도록 광학 방사선 소스를 제어하기 위한 수단, 예컨대, 프로세서 등과 같은 전자 제어 수단이 배열된다. 유리하게는, 제어 수단은 미리 결정된 스위칭 주파수에 따라 동작 조건으로부터 비동작 조건으로의 광학 방사선 소스 수단의 스위칭을 교호적으로 제어하도록 배열된다. 광학 방사선 소스 수단이 집단 반전 조건(population inversion condition)의 결과로서 내부에 한정된 전하 캐리어들의 방사 재결합 후 광학 주파수들에서 광자들을 방출할 수 있는 활성 구역을 갖는 발광 다이오드를 포함하는 실시예에서, 제어 수단은 전하 캐리어들의 집단들의 열역학적 평형을 변경하도록 구성되는 상기 발광 다이오드의 여기 전류의 활성화 및 비활성화를 선택적으로 제어하도록 배열된다. 높은 스위칭 주파수(대략 1-100kHz)의 조건들에서 그리고 발전 레이트가 더 낮은 산업 프로세스에의 적용에 있어, 2개의 측정들은 실질적으로 동시에 고려될 수 있고 시스템은 연속 하이브리드 측정 시스템으로서 정의될 수 있다.
적어도 하나의 광 검출기 또는 광 검출기들 또는 유사한 광학 센서들의 선형 또는 2-차원 어레이를 포함하는 광학 검출 수단은 상기 오브젝트 또는 재료의 표면으로부터 열적으로 방출된 하나의 광학 방사선(통상적으로 실온에서 적외선 스펙트럼에 있지만, 용융된 금속의 경우 근적외선 스펙트럼 및 가시광선 스펙트럼에서 일반적으로 검출 가능한 파장들의 범위에 있음) 및 적어도 하나의 산란된 광학 방사선을 검출할 수 있다.
이 시스템은 프로세서와 같은 전자 프로세싱 수단을 더 포함하며, 이는, 상기 오브젝트 또는 재료의 표면에 의해 산란되고 예컨대, 입사 포지션(이는 입사 방향의 함수임), 강도 또는 광 검출기 상의 또는 선형 또는 2-차원 광 검출기 어레이 상의 또는 유사한 광학 센서 조립체 상의 입사 위상의 함수로서 검출 수단에 의해 수신된 광학 프로브 방사선에 기초하여, 광학 시스템의 또는 광학 시스템과 영구적으로 연관된 기준 시스템의 기준 포인트로부터 오브젝트 또는 재료의 표면의 거리를 결정하도록 배열된다. 전자 프로세싱 수단은 또한, 예컨대, 미리 결정된 스펙트럼 범위의 방출 강도 또는 열적으로 방출된 광학 방사선의 스펙트럼 파장 분포의 함수로서 상기 오브젝트 또는 재료의 표면으로부터 열적으로 방출되고 상기 검출 수단에 의해 수신된 광학 방사선에 기초하여 오브젝트 또는 재료의 표면의 로컬 온도를 결정하도록 배열된다. "로컬 온도"는 실질적으로 현재 프로세싱되는 영역에서 산업 프로세스에의 적용 시에 프로브 방사선이 지향되는 영역에서 가공물의 표면 온도를 의미한다.
전자 프로세싱 수단은 광학 방사선 소스 수단이 동작할 때, 검출 수단에 의해 수신되는 산란된 광학 프로브 방사선에 기초하여 오브젝트 또는 재료의 거리를 결정하고, 광학 방사선 소스 수단이 동작하지 않을 때, 검출 수단에 의해 수신된 열적으로 방출된 광학 방사선에 기초하여 오브젝트 또는 재료의 표면의 로컬 온도를 결정하는 방식으로 소스 수단의 제어 수단과 동기화된다.
콤팩트한 실시예에서, 광학 검출 수단은 오브젝트 또는 재료의 표면으로부터 산란된 광학 프로브 방사선의 미리 결정된 파장(또는 미리 결정된 파장 범위) 및 상기 오브젝트 또는 재료의 표면으로부터 열적으로 방출된 광학 방사선의 적어도 하나의 파장을 포함하는 스펙트럼 감지 범위를 갖는 광 검출기 수단을 포함한다.
전술한 광 검출기 수단은 소스 수단과 별개로 배열될 수 있다.
유리하게는, 통합된 실시예에서, 광학 검출 수단은 광학 방사선 소스에 의해 방출되는 2차 또는 광학 방사선(1차 광학 방사선을 나타냄)을 검출하도록 구성된, 통상적으로 상대적 패키징에 통합된, 레이저 다이오드 또는 초발광 다이오드와 같은 상기 소스에 수직으로 커플링된 적어도 하나의 모니터링 광 검출기 디바이스를 포함한다. 예컨대, 광학 방사선 소스 수단이 1차 방사선 방출 영역과 2차 방사선 방출 영역을 갖는 발광 다이오드를 포함하는 경우에, 모니터링 광 검출기 디바이스는 발광 방사면에 대향하는, 일반적으로 발광 다이오드의 뒷면인 2차 방사선 방출 영역을 향한다.
이 구성에 따르면, 상기 오브젝트 또는 재료의 표면으로부터 동축으로 산란된 1차 광학 프로브 방사선은 적어도 부분적으로 발광 다이오드의 1차 방출 영역(그의 개구수 내에 수용된 부분)에 의해 수집되고 거기로부터, 다이오드의 활성 구역 내에서 모니터링 광 검출기 디바이스로 역-전파된다. 이러한 방식으로, 상기 오브젝트 또는 재료의 표면으로부터 산란된 1차 광학 프로브 방사선은 모니터링 광 검출기 디바이스의 공통 입사 구역 상에서 다이오드에 의해 방출되는 2차 또는 부분 광학 방사선에 적어도 부분적으로 중첩된다. 모니터링 광 검출기 디바이스는 1차 광학 프로브 방사선과 2차 또는 부분 광학 방사선 사이의 간섭 무늬 패턴(interference fringe pattern)을 검출하도록 구성되고, 프로세싱 수단은 "자체-혼합 간섭계(self-mixing interferometry)"로서 알려진 기술에 따라 간섭 무늬 패턴에 기초하여 광학 방사선 소스 수단에 대해 상기 오브젝트 또는 재료의 표면의 거리를 결정하도록 배열된다.
본 발명의 상이한 양상에서, 광학 검출 수단은 상기 오브젝트 또는 재료의 표면에 의해 산란되는 광학 프로브 방사선의 적어도 일부를 가로막도록 구성된 제1 광 검출기 수단 및 상기 오브젝트 또는 재료의 표면으로부터 열적으로 방출된 광학 방사선의 적어도 일부를 가로막도록 구성된 제2 광 검출기 수단을 포함한다. 제1 광 검출기 수단은 적어도 하나의 공간 방향, 즉 선형 또는 2-차원 광 검출기 어레이를 따라 연장된 광 검출기 어레이를 포함하고, 상기 광 검출기 수단에는 상기 오브젝트 또는 재료의 표면으로부터 산란된 광학 프로브 방사선의 미리 결정된 파장 또는 미리 결정된 파장 범위를 송신하고 상기 오브젝트 또는 재료의 표면으로부터의 열적으로 방출된 광학 방사선의 파장들 또는 스퓨리어스 환경 방사선의 다른 파장들을 차단하도록 구성된 파장 필터링 수단이 커플링된다. 선택적으로, 열 방출의 파장 스펙트럼의 미리 결정된 부분을 선택하기 위해 제2 광 검출기 수단 앞에 파장 필터링 수단이 또한 배치될 수 있다.
이 경우에, 소스 수단 및 제1 광 검출기 수단은 산란된 방사선을 분석하기 위해 적용된 기술들에 의존하여 상이한 실시예들을 취한다.
거리를 결정하기 위해 산란된 방사선을 분석하는 데 선호되는 기술들은 삼각측량 및 광학 간섭계(코히어런트 광, 시간, 주파수 또는 공간 도메인에서 낮은 코히어런스, "자체-혼합 간섭계") 기술들이다.
삼각측량 기술에서, 광 검출기 어레이는 광학 프로브 방사선의 방출 방향에 대해 비-제로 각도로 관찰 방향에 따라 오브젝트 또는 재료의 표면에 의해 산란된 광학 프로브 방사선을 수신하는 방식으로 배열되고, 프로세싱 수단은 광 검출기 어레이의 적어도 하나의 연장 방향을 따라 산란된 광학 프로브 방사선의 입사 포지션에 기초하여 소스 수단에 대한 오브젝트 또는 재료의 표면의 거리를 결정하도록 배열된다.
대안적으로, 광학 방사선 소스 수단은 전파 축을 따라 가변적인 미리 결정된 횡방향 파워 분포를 갖는 빔으로 광학 프로브 방사선을 성형하도록 구성된 다운스트림 빔-성형 수단에 커플링된다. 프로세싱 수단은 광 검출기 어레이에 의해 검출된 산란된 광학 프로브 방사선의 횡방향 파워 분포에 기초하여 소스 수단에 대한 오브젝트 또는 재료의 표면의 거리를 결정하도록 배열된다.
대안적으로, 광학 방사선 소스 수단은 상이한 횡방향 파워 분포를 갖는 광학 프로브 방사선의 제1 및 제2 동축 빔들을 방출하도록 구성되고, 프로세싱 수단은 광 검출기 어레이에 의해 검출된 바와 같은 산란된 광학 프로브 방사선 빔의 횡방향 파워 분포와 제2 산란된 광학 프로브 방사선 빔의 횡방향 전력 분포 간의 차이 비교에 기초하여 소스 수단에 대한 오브젝트 또는 재료의 표면의 거리를 결정하도록 배열된다.
제1 및 제2 광학 프로브 방사선 빔들은 상이한 편광들, 바람직하게는 직교 편광들, 또는 상이한 파장들을 갖거나, 또는 교호 간격들로 방출된다. 유리하게는, 제1 및 제2 광학 프로브 방사선 빔을 상이한 파장들 또는 교호 간격들로 방출할 수 있도록, 광학 방사선 소스 수단은 한 쌍의 별개의 광학 방사선 소스들을 포함한다.
삼각측량 방법이 전방향성인 추가의 대안에 따라, 광학 방사선 소스 수단은 전파 축에 대해 대칭적으로 배열된 복수의 시준된 또는 포커싱된 빔들을 포함하는 광학 프로브 방사선을 방출하도록 구성되고, 프로세싱 수단은 광 검출기 어레이 상에서 산란된 광학 프로브 방사선의 상기 복수의 빔들의 상호 입사 포지션 간의 비교에 기초하여 소스 수단에 대한 오브젝트 또는 재료의 표면의 거리를 결정하도록 배열된다.
간섭계 기술에서, 광학 방사선 소스 수단은 기준으로서 광학 프로브 방사선의 제1 빔 및 상기 광학 방사선의 제2 빔을 방출하도록 구성된다. 광학 측정 경로를 통해, 제1 광학 프로브 방사선 빔은 오브젝트 또는 재료의 표면을 향해 전도되고, 오브젝트 또는 재료의 표면으로부터 반사되거나 산란된 빔은 간섭계 광학 센서 수단을 향해 전도된다. 제2 기준 광학 방사선 빔은 바람직하게는, 오브젝트 또는 재료 표면의 포지션이 미리 결정된 기준 시스템에 대해 미리 결정된 공칭 포지션인 공칭 동작 조건에서 광학 측정 경로의 광학 길이에 대한 방사선의 코히어런스 길이 내에서 등가인 미리 결정된 광학 길이의 기준 광학 경로를 통해 상기 간섭계 광학 센서 수단을 향해 전도된다. 제1 및 제2 빔은 간섭계 광학 센서 수단의 공통 입사 구역 상에서 중첩되어 간섭 무늬 패턴을 형성하고, 프로세싱 수단은 간섭 무늬 패턴에 기초하여 소스 수단에 대한 오브젝트 또는 재료의 표면의 거리를 결정하도록 배열된다.
편의상, 온도의 결정 시에, 프로세싱 수단은 오브젝트 또는 재료의 표면으로부터 결정된 거리의 함수로써 광 검출기 수단에 의해 가로막히는 열적으로 방출된 광학 방사선을 정규화하도록 배열된다. 이는 포커싱된 빔들에 의한 오브젝트 또는 재료의 조명의 경우에 온도의 정확한 추정이 획득될 수 있게 하며, 이에 따라 가공물 상의 조명된 영역은 전파 축을 따라 변동될 뿐만 아니라 오브젝트의 형태를 보상한다.
본 발명의 결합된 광학 센서 주제 및 상기 센서를 사용하는 하이브리드 또는 결합된 측정 방법은 거리 및 온도 측정들이 취해질 필요가 있는, 예컨대, 절단, 용접 또는 어디티브 제조를 위한 가공물 또는 재료의 레이저 프로세싱과 같은 산업 제조 프로세스들의 진보된 폐루프 제어에 유리하게 사용될 수 있다. 작업 온도의 획득은 진행중인 열 프로세스들을 안정화하는 데 사용될 수 있는 반면, 거리의 획득은 진행중인 프로세싱의 치수 정확도 및 포지셔닝 정밀도를 검증하거나 개선하는 데 사용될 수 있다. 본 발명의 시스템 주제는 가능하게는, 거리가 측정되는 표면영역에 대응하는 영역에서 측정되는 표면에 의해 방출되는 열 방사선의 검출을 허용하는, 프로브 방사선과 동일한 방출 소스와 통합되는 보다 콤팩트한 솔루션을 위해 고온계들 및 거리 센서들과 같은 별개의 측정 기구들을 갖는 단점을 해결한다.
본 발명의 추가의 특징들 및 이점들은 첨부 도면들을 참조하여 비-제한적인 예로서 주어진 실시예의 다음의 상세한 설명에서 보다 상세히 제시될 것이다.
도 1은 프로브 방사선 빔의 상대적 후방산란 및 열 방사선 빔의 방출과 함께, 프로세싱되는 가공물 또는 재료의 측정 영역에서 광학 프로브 방사선 빔의 입사 조건의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 결합된 광학 시스템의 블록도이다.
도 3은 광학 프로브 방사선, 산란된 광학 프로브 방사선 및 측정되는 오브젝트 또는 재료의 표면으로부터 열적으로 방출되는 광학 방사선의 시간 추세를 표현하는 다이어그램들을 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 각각 종래 기술에 따른 레이저 다이오드와 같은 광학 방사선 소스의 조립체 및 그러한 조립체의 광학 경로 다이어그램을 도시한다.
도 5는 거리를 측정하기 위한 동작 조건에서 본 발명의 결합된 광학 시스템의 블록도를 도시한다.
도 6은 온도를 측정하기 위한 동작 조건에서 본 발명의 결합된 광학 시스템의 블록도를 도시한다.
도 7은 종래 기술에 따른 프로브 방사선 소스 및 축외 산란된 프로브 방사선 검출기를 사용한 삼각측량에 의한 거리 측정의 다이어그램이다.
도 8은 상이한 형상들을 갖는 광학 프로브 방사선 빔들을 사용한 동축 삼각측량에 의한 거리 측정의 다이어그램이다.
도 9는 레이저 절단 프로세스에 적용된 도 8의 동축 삼각측량에 의한 거리 측정 다이어그램을 도시한다.
도 10은 전파 축에 대해 대칭으로 배열된 다수의 광학 프로브 방사선 빔들을 사용한 동축 삼각측량에 의한 거리 측정 다이어그램이다.
도 11a 및 도 11b는 레이저 제조 프로세스에 적용된 삼각측량에 의한 거리 측정 다이어그램을 도시한다.
도 12는 레이저 제조 프로세스에 적용된 저 코히어런스 간섭계에 의한 거리 측정 다이어그램이다.
도 13은 가공물 또는 재료의 레이저 프로세싱을 위한 기계의 전자 제어 시스템의 블록도이다.
다음의 설명은 일반적으로 결합된 광학 시스템과 연관된 기준 시스템의 미리 결정된 포인트에 대한 오브젝트 또는 재료의 거리 및 오브젝트 또는 재료의 표면의 온도를 결정하기 위해 본 발명에 따른 결합된 광학 시스템의 구성들 및 동작에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명의 결합된 광학 시스템은 상기 오브젝트 또는 재료의 표면의 온도 및 거리를 결정하도록 구성된다. 적용된 예에서, 본 발명의 시스템은 가공물 또는 재료의 레이저 프로세싱을 위한 기계에 커플링된 것으로 설명되고, 결합된 광학 시스템과 연관된 기준 시스템은 또한 레이저 프로세싱 기계의 작업 헤드의 기준 시스템과 영구적으로 연관되며, 이에 따라 측정을 수행하는 결합된 광학 시스템의 포인트에 대한 오브젝트 또는 재료의 표면의 거리의 결정은 간단한 로토트랜슬레이션 변환(rototranslation transformation)들을 사용하여 레이저 프로세싱 기계의 작업 헤드에 대한 상기 오브젝트 또는 재료의 표면의 거리의 결정으로 추적될 수 있다.
도 1은, 특히 가공물 또는 재료(WP)의 레이저 프로세싱을 참조하여 오브젝트 또는 재료의 표면의 영역의 거리 및 온도를 측정하기 위한 조건의 개략적 표현을 도시한다. 참조부호(A)는, 절단, 용접 또는 소결에 사용되는 프로세싱 레이저 빔(B)이 미리 결정된 전파 방향(Z)에 따라 충돌하는(그 결과, 환경에 대한 영역의 온도가 상승함) 현재 프로세싱되는 영역을 표시한다. 임의의 충전 재료 또는 보조 가스의 표현들은 이들이 본 설명의 목적에 중요하지 않기 때문에 생략되며, 이는 당업자가 예상되는 프로세싱의 함수로서 쉽게 고려할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 프로세싱 레이저 빔(B)에 동축으로, 광학 프로브 방사선(P)이 영역(A)에 충돌하고 그로부터 반사되어 산란된 광학 프로브 방사선(D)을 나타낸다. 동시에, 현재 프로세싱되는 영역(A)의 가공물(WP)의 표면이 또한 열 방사선(T)을 방출한다.
보다 일반적으로 그리고 기하학적 관점으로부터, 광학 프로브 방사선은 단일 빔 또는 다수의 빔들의 엔벨로프, 예컨대, 프로세싱 레이저 빔의 전파 축과 동축이거나 그에 대해 기울어진 단일 시준된 빔 - 이는 단일 광학 빔으로서 근사화될 수 있음 - , 프로세싱 레이저 빔의 전파 축에 대해 상이한 경사각들을 갖거나 상이한 포지션들에서 가공물의 표면 상에 충돌하는 복수의 빔들, 하나 이상의 성형된 빔들, 예컨대, 포커싱된 빔들 또는 미리 결정된 형상(예컨대, 환형) 예컨대, 전파 축을 따라 가변적인 미리 결정된 형상에 따라 그의 횡방향 전력 분포가 제어되는 빔들일 수 있다.
일반적으로, 프로세싱되는 재료 또는 가공물의 표면의 속성들에 의존하여, 프로브 방사선 빔(P)의 후방산란은 입사 빔의 횡방향 분포보다 큰 산란 각에 따라 산란된 역-전파 프로브 방사선 빔(D)을 초래한다. 열적으로 방출된 방사선(T)의 빔은 차례로 훨씬 더 넓은 각도로 산란된다.
도 2는 본 발명의 결합된 광학 시스템의 블록도를 도시한다.
광학 프로브 방사선 소스의 조립체는 10으로 표시되며, 이는 이 실시예에서 여기 또는 집단 반전 조건의 결과로서 그 안에 한정된 전하 캐리어들의 방사 재결합 후에 광학 주파수들에서 광자들을 방출할 수 있는 활성 반도체 구역을 포함하는 발광 다이오드(12) 형태의 광학 프로브 방사선 소스 이를테면, LED, 초발광 다이오드 또는 레이저를 포함한다. 발광 다이오드(12)는 1차 광학 프로브 방사선(P)의 1차 방출 영역, 예컨대, 활성 구역의 전면, 및 상기 1차 광학 프로브 방사선과 상관되는 2차 광학 방사선(P')의 2차 방출 영역 예컨대, 전면에 대향하는 활성 구역의 뒷면을 갖는다.
참조부호(14)는 다이오드(12)의 실제 방출 강도를 표시하는 2차 방사선의 강도를 검출하기 위해 다이오드의 2차 방사선 방출 영역을 향해 발광 다이오드에 수직으로 커플링된 모니터링 광 검출기 디바이스를 표시한다.
발광 다이오드(12)의 활성화 및 비활성화를 제어하기 위한 전자 유닛은 16으로 표시되며, 구동 신호(SP)를 통해 미리 결정된 주파수에 따라 동작 조건으로부터 비동작 조건으로 발광 다이오드(12)의 스위칭을 교호적으로(반복적으로) 제어하도록 배열된다.
빔을 분할/재결합하기 위한 디바이스(18)는 간섭계 기술들에 기초한 거리 측정들을 위해 프로브 방사선의 기준 빔을 추출하기 위해 또는 인지 가능한 손실 없이 소스로부터 나오는 프로브 방사선(P)에 의해 교차되는 방식으로 프로브 방사선(P)(자유 공간에 있거나 적어도 부분적으로 안내될 수 있음)의 전파 경로를 따라 개재된다.
도 1의 표현에 따라, 가공물은 WP로 표시된다. 프로브 방사선(P)의 입사의 결과로서, 상기 가공물은 산란된 프로브 방사선(D)을 후방산란시키고, 프로세싱 레이저 빔(도시되지 않음)의 입사의 결과로서, 상기 가공물은 열적으로 방출된 광학 방사선(T)을 산란시킨다. 산란된 프로브 방사선(D) 및 열적으로 방출된 방사선(T) 둘 모두는 빔 분할/재결합 디바이스(18)를 통해 전파되며, 이로부터, 이 방사선들은 광 검출기 디바이스(14)가 로케이팅된 소스 조립체(10)를 향해 그리고 소스 조립체(10) 외부의 산란된 프로브 방사선을 검출하기 위한 수단(20)을 향해 지향된다. (빔의 편광을 조작하기 위해 전파 경로에 광학 엘리먼트들 이를테면, 편광기 또는 1/4-파 지연 판들을 개재함으로써 획득 가능한) 편광된 빔들의 경우에, 광학 프로브 방사선 빔 및 산란된 광학 프로브 방사선 빔의 라우팅은 편광 선택 기준을 사용하여 2개의 방사선들을 분리함으로써 편리하게 획득될 수 있다.
검출기 수단(20)의 상류에, 광학 필터(22)가 배열될 수 있으며, 이는 가공물(WP)의 표면으로부터 산란된 광학 프로브 방사선의 파장 또는 파장 범위를 송신하고 상기 가공물(WP)의 표면으로부터 나오는 열적으로 방출된 광학 방사선의 파장들을 차단하도록 구성된다.
전자 프로세싱 유닛(30)은 소스 조립체(10) 및 검출기 수단(20)에 커플링되고, 검출기 수단(20)에 의해 검출된 산란된 프로브 방사선(D)을 표시하는 신호(SD) 및 광 검출기 디바이스(14)에 의해 검출된 열 방사선(T)을 표시하는 신호(ST)를 수신하도록 배열된다. 프로세싱 유닛(30)은, (i) 산란된 방사선의 속성 - 이를테면, 위상, 포지션, 방향, 횡방향 파워 분포 - 의 분석에 기초하여 미리 결정된 알고리즘 또는 계산 모델을 적용하여 시스템의 미리 결정된 기준 포인트, 예컨대, 산란된 광학 프로브 방사선(D)을 표시하는 신호에 기초하여 레이저 프로세싱 기계와 영구적으로 연관된 미리 결정된 기준 시스템에서 프로브 방사선(12)의 소스의 포지션에 대한 가공물(WP)의 표면의 거리를 결정하고, 그리고 (ii) 미리 결정된 알고리즘 또는 계산 모델을 적용하여 열적으로 방출된 방사선(T)을 표시하는 신호에 기초하여 가공물(WP)의 표면의 로컬 온도를 결정하도록 배열된다.
프로세싱 유닛(30)은 추가로, 발광 다이오드가 활성화될 때 가공물(WP)의 표면의 거리를 결정하고 발광 다이오드가 비활성화될 때 상기 가공물(WP)의 표면의 로컬 온도를 결정하도록 발광 다이오드(12)의 활성화 및 비활성화와 동시에 동작하기 위해 전자 제어 유닛(16)에 추가로 커플링된다.
시스템 및 특히, 제어 유닛(16)의 동작은 다이오드(12)에 의해 방출되는 광학 프로브 방사선, 가공물(WP)의 표면에 의해 산란되는 광학 프로브 방사선 및 가공물(WP)의 표면으로부터 열적으로 방출되는 광학 방사선의 시간 추세를 표현하는 도 3의 다이어그램들을 참조하여 더 잘 설명된다.
제1 다이어그램은 발광 다이오드(12)의 구동 신호(SP)의 시간 추세를 나타내고, 이에 따라 광학 프로브 방사선의 공칭 시간 추세를 표현한다. 구동 신호(SP)는 - ON으로 표시된 - 프로브 방사선 방출의 활성화 기간들 및 - OFF로 표시된 - 프로브 방사선의 방출의 비활성화 기간들 사이에서 교호적으로 오실레이팅한다. 구형파 신호 파형은 순전히 주기적인 제어 파형을 표시한다. 다른 파형들 예컨대, 정현파가 고려될 수 있다.
제2 다이어그램은 검출 수단(20 및 14)에 의해 검출된 산란된 프로브 방사선(D)을 표시하는 신호(SD) 및 광 검출기 디바이스(14)에 의해 검출된 열 방사선(T)을 표시하는 신호(ST)의 추세를 도시한다. 시간 순간들(tT 및 tD)은 각각 온도를 결정하기 위한 열 방사선(T)의 샘플링 순간들 및 가공물의 거리를 결정하기 위한 산란된 프로브 방사선(D)의 샘플링 순간들을 표시한다.
가공물(WP)의 표면의 로컬 온도와 가공물의 거리를 결정하기 위한 방법은 각각, 광학 프로브 방사선이 방출되는 동작 조건과 광학 프로브 방사선이 방출되지 않는 비동작 조건 사이에서 광학 프로브 방사선 소스를 스위칭하는데 있어 반복적인 선택적 제어, 및 광학 프로브 방사선 소스가 동작할 때, 즉 상기 산란된 프로브 방사선이 설정될 때 가공물(WP)의 표면에 의해 산란된 광학 프로브 방사선을 표시하는 신호들의 획득 및 광학 프로브 방사선 소스가 동작하지 않을 때 즉, (제조 프로세스의 레이저 방사선 및 모든 스퓨리어스 환경 방사선을 제외하고) 상기 열적으로 방출된 방사선이 존재하는 유일한 방사선일 때 가공물(WP)의 표면으로부터 열적으로 방출된 방사선을 표시하는 신호들의 획득에 기초한다.
실제로, 발광 다이오드(12)(광학 프로브 방사선 소스)가 활성화될 때, 즉 도 3에 ON으로 표시된 간격들에서, 산란된 광학 프로브 방사선은 거리 측정을 위해 검출기 수단(20)을 향하게 된다. 검출기 수단(20)은 "자기-혼합 간섭계" 기술이 적용될 때 광학 프로브 방사선의 소스 조립체의 광 검출기 디바이스(14)와 일치할 수 있다. 발광 다이오드(12)(프로브 방사선 소스)가 활성화되지 않을 때, 즉 도 3에서 OFF로 표시된 간격들에서, 소스 조립체의 광 검출기 디바이스(14)는 온도를 추정하기 위해 미리 결정된 스펙트럼 범위에 걸친 열 방출을 검출한다.
이러한 방식으로, 2개의 측정들의 조합이 효과적으로 획득될 수 있다.
1 내지 100kHz 범위의 광학 프로브 방사선의 방출의 반복 스위칭 주파수는 레이저 제조 프로세스의 과정에서 동시에 그리고 연속적으로 측정들을 근사할 수 있게 될 정도로 충분히 높은 것으로 발명자들에 의해 간주된다. 유리하게는, 이 하이브리드 구성은 단일 광학 시스템을 통해 고온 가공물의 거리 및 온도의 원격의 그리고 신속한 광학 측정을 허용한다. 동등하게 유리하게는, 결합된 광학 시스템, 특히 광학 프로브 방사선의 소스 조립체는 프로세스 레이저 빔에 동축으로 정렬될 수 있으며, 용융된 재료의 온도는 고온 측정 접근법(pyrometric approach)을 통해 쉽게 결정될 수 있다. 이러한 방식으로, 레이저 제조 프로세스 예컨대, 절단, 용접, 어디티브 제조의 파라미터들은 실시간으로 효율적으로 제어될 수 있고 따라서, 프로세스 제어가 개선된다.
더욱이, 비시준된 프로브 빔의 경우에, 광 검출기 디바이스(14)에 의해 수신된 열적으로 방출된 방사선은 거리에 따라 변동되기 때문에, 예컨대, 측정 빔의 광학 경로의 개구수의 가변성에 대응하도록 수집 개구수의 가변성을 보상함으로써, 이전 샘플링 기간에 발생하는 거리의 결정으로부터 열적으로 방출된 방사선의 강도의 판독치들을 정규화하는 것이 가능하다.
전자 프로세싱 유닛(30)과 전자 제어 유닛(16)의 동기화는, 샘플링 주파수가 스위칭 주파수보다 훨씬 높은 경우 획득 시스템에 의한 디지털 구별에 의해 또는 로크-인 유형의 증폭기들에서 사용되는 것들과 유사한 복조 기술들을 통해 산란된 프로브 방사선 및 열적으로 방출된 방사선의 판독치들을 인식하고 분리하는 것을 가능하게 한다는 것이 주의되어야 한다.
콤팩트한 구성들에서, 넓은 스펙트럼 검출 범위를 갖고 이에 따라 넓은 스펙트럼 파장들(이는 프로브 방사선의 파장 또는 파장 범위는 물론 진행중인 프로세싱에 대한 열 방출 파장들의 관심 범위를 포함함)에 걸친 광학 방사선을 획득하도록 구성된 광 검출기 수단이 또한 사용될 수 있다.
논의에 일반성을 부여하기 위해 위에서 설명된 검출기 수단(20)의 기능은 시스템의 통합된 구성에서 광 검출기 디바이스(14)에 의해 수행될 수 있으며, 여기서 광 검출기 디바이스(14)는 또한 열적으로 방출된 방사선(T)에 추가로, 산란된 프로브 방사선(D)을 검출하는 것을 담당한다. 이는 예컨대, 도 4a에 도시된 유형의 소스 광학 방사선 조립체가 사용되는 경우 가능하다.
도 4a에서, 참조 부호(50)는 일반적으로, 다이오드를 구동하기 위한 전기 연결부들(60)을 지지하는 베이스(58) 상에 배열되는 열-분산 지지부(54) 상에 배열되고 보호 케이싱(56)에 의해 둘러싸인 레이저 다이오드(52)를 포함하는 종래 기술에 따른 TO-CAN 패키징의 광학 방사선 소스의 조립체를 표시한다. 확대에서, 레이저 다이오드(52)가 도시되고, 방사선 출력 창(64)을 향하는 1차 방사선 방출 영역(62) 및 방사선 출력 창(64)에 대해 레이저 다이오드(52)의 후방을 향하는 2차 방사선 방출 영역(66)이 식별된다. 2차 방사선 방출 영역(66)을 향해서, 레이저 다이오드(52) 뒤에, 모니터링 광 검출기 디바이스(68)가 배치된다.
소스 조립체(50)의 광학 경로 다이어그램이 도 4b에 도시된다. 레이저 다이오드(52)의 1차 방사선 방출 영역(62)에 의해 방출된 1차 광학 프로브 방사선 빔(P)은 상기 빔을 시준 및 포커싱하기 위해 다양한 광학 엘리먼트들을 통과하고, 가능하게는, 레이저 프로세싱 빔(도시되지 않음)의 광학 전파 시스템과 동축으로, 현재 프로세싱 영역(A)에서 분석될 가공물(WP)의 산란 표면에 충돌한다. 동시에, 1차 광학 프로브 방사선을 대표하는 2차 광학 방사선 빔(P')은 모니터링 광 검출기 디바이스(68)를 향해 반대 방향으로 방출된다. 광학 경로의 가역성을 고려하면, 가공물(WP)의 표면에 의해 반사되거나 산란되는 광학 방사선(D)은 상기 방사선이 광학 경로의 개구수 내에 있는 한 동일한 전파 방향을 따라 반대 방향으로 적어도 부분적으로 커플링되고, 방사선이 레이저 다이오드(52)를 통과하고 모니터링 광 검출기 디바이스(68) - 여기서 2차 광학 방사선 빔(P')을 간섭하여 간섭 무늬 패턴을 형성하며, 이는 "자체-혼합 간섭계"로서 알려진 간섭계 분석 기술들을 적용하는 것을 가능하게 함 - 에 충돌할 때까지 경로를 되돌아간다. 이 기술은 진동 측정으로부터 깊이 측정까지 광범위한 애플리케이션들 예컨대, 레이저 어블레이션 프로세스들에서 사용된다.
도 5 및 도 6은 도 2에 표현된 본 발명의 결합된 광학 시스템의 블록도를 참조하여, 가공물(WP)의 표면으로부터 열적으로 방출된 광학 방사선 및 산란된 광학 방사선을 검출하기 위한 구성들을 도시한다.
구체적으로, 도 5는 가공물(WP)의 거리를 측정하기 위한 동작 조건에서의 구성을 도시하며, 여기서 제어 유닛(16)은 ON 시간 간격에서 발광 다이오드에 구동 신호(SP)를 인가하고, 프로세싱 유닛(30)은 검출 수단(20)에 의해 검출된 산란된 프로브 방사선(D)을 표시하는 신호(SD)를 획득하는 반면, 도 6은 가공물(WP)의 온도를 측정하기 위한 동작 조건에서의 구성을 도시하며, 여기서 제어 유닛(16)은 OFF 시간 간격에서 발광 다이오드에 어떠한 구동 신호(SP)도 인가하지 않고 프로세싱 유닛(30)은 광 검출기 디바이스(14)에 의해 검출된 열 방사선(T)을 표시하는 신호(ST)를 획득한다.
도 7 내지 도 11은 프로브 방사선의 소스로부터 가공물(WP)의 거리를 결정하기 위한 삼각측량 기술들의 적용에 사용되는, 본 발명의 결합된 광학 시스템 및 프로브 방사선의 일부 구성들을 도시한다.
삼각측량 원리는 기하학적 고려사항들로부터 가공물의 거리를 결정하는 데 사용될 수 있다. 예컨대, 방사선 소스(12)와 산란된 방사선 검출 수단(20)이 축외(off-axis) 상태인 도 7에 도시된 전통적인 삼각측량 구성에서, Z는 거리가 측정되는 축을 표시한다면, X-Y 평면에서 투영된 프로브 방사선 입사 영역의 포지션은 프로브 방사선 빔이 관찰 방향에 대해 비-제로 경사각을 갖는 경우 가공물의 거리에 의존한다. 따라서 측정은 선형 또는 2차원 광 검출기 어레이(PD) 상에서 가공물에 의해 산란된 프로브 방사선을 검출함으로써 수행될 수 있다. 단일 프로브 방사선 빔의 경우 그리고 다수의 프로브 방사선 빔들의 경우 둘 모두에서, 이들이 관찰 축에 대해 기울어진 경우, 광 검출기 어레이(PD) 상에서 그의 겉보기 포지션은 거리에 선형적으로 의존한다. 이러한 경우들에서, 단일 시준된 빔을 프로브 방사선으로 사용하는 것이 바람직하지만, 이 구성은 전파 방향을 따라 빔의 광학 경로가 차단되는 경우, 또는 반사율이 검사 중에 있는 표면의 경사에 따라 변동되는 경우, 또는 거리가 변동됨에 따라 측정 빔이 상기 측정 영역을 벗어나는 경우 이방성 현상을 도입할 수 있다.
제어된 형상을 갖는 프로브 방사선 빔을 사용하는 보다 일반적인 경우(여기서 빔은 전파 축(Z)을 따라 가변 형상(예컨대, 포커싱된 빔의 직경의 변동을 가짐)을 가짐)에서, 회전축(Z)을 따른 가공물의 거리는 가능하게는, 입사 영역의 포지션에 대한 지식과 결합하여, 광 검출기 어레이(PD) 상에 투영된 산란된 프로브 방사선의 빔의 형상을 관찰함으로써 결정될 수 있다. 그러한 경우들에서, 예컨대, 예비 교정 후에, 프로브 방사선의 빔 형상이 알려진 경우 거리가 결정될 수 있다.
도 8을 참조하면, 상이한 형상들을 가진 2개의 프로브 방사선 빔들, 예컨대, 상이한 방식으로 시준된 빔들을 동시에 사용하는 것이 가능하다. 2개의 빔들은 가공물의 표면의 동일한 영역에 충돌하도록 정렬되거나 바람직하게는 동축으로 중첩될 수 있다. 2개의 빔들 중 하나(바람직하게는 시준된 빔)는, 광 검출기 어레이(PD) 상의 빔들의 2개의 입사 스폿들의 형상들 사이의 비교로부터 절대 거리 측정을 획득하는 방식으로 기준 빔으로서 간주될 수 있다. 이 차동 측정은 어떠한 절대 교정도 요구하지 않고 이에 따라 보다 신뢰할 수 있는 결과들을 제공한다. 도 8은 제1 프로브 빔(P1) 및 제2 동축 프로브 빔(P2)을 도시하며, 여기서 제1 빔(P1)은 전파 축(Z)을 따라 가변적인 횡방향 파워 분포 추세를 갖는 반면, 제2 빔(P2)은 일정한 횡방향 파워 분포 추세를 갖는다. 도 8은 2개의 상이한 전파 거리들에서 2개의 빔들의 횡방향 치수들 간의 비교를 도시한다.
도 9는 B로 표시된 프로세싱 레이저 빔이 충돌하여 가공물에 절단부(K)를 생성하는, 가공물의 프로세싱 영역에서 가공물의 표면 상의 한 쌍의 동축 프로브 방사선 빔들의 입사 영역을 도시한다. 유리하게는, 한 쌍의 빔들의 대칭은 절단부(K)의 존재를 개선하는 것을 가능하게 한다. 유사한 기술이 유리하게는, 용접 또는 천공을 위한 레이저 빔들의 경우에 또한 적용된다.
위에서 설명된 바와 같이 차동 측정 기술에서 2개의 빔들 간을 구별하기 위해 다양한 방법들이 고려될 수 있다. 예컨대, 2개의 빔들은 상이한 편광들을 가질 수 있으며, 편광에 따라 빔 분할기 디바이스에 의해 별개의 직교 편광들을 검출하도록 구성된 2개의 센서들을 사용함으로써 구별될 수 있다. 다른 예에 따라, 2개의 빔들은 상이한 파장들을 가질 수 있고, 따라서 이색성 미러들 또는 스펙트럼 필터들에 의해 상이한 스펙트럼 구역들을 검출하도록 구성된 2개의 센서들을 사용함으로써 구별될 수 있다. 또 다른 예에 따라, 2개의 펄스 빔들 즉, 시간 도메인에서 동일한 판독치를 소스로부터의 커맨드 신호와 상관시키도록 단일 센서에 의해 판독되는 방식으로 선택적으로 그리고 교호적으로 활성화되는 2개의 빔들이 사용될 수 있다.
도 10을 참조하면, 각각, 상단 도면의 측면도 및 하단 도면의 단면에 따라, 공통 전파 축(Z)에 대해 대칭적으로 경사지도록 배열되는 복수의 포커싱된 프로브 방사선 빔들(P1-P8)이 도시된다. 측정이 발생하는 전파 축을 중심으로 대칭적으로 또는 이 축에 대해 대칭적으로 배열된 다수의 빔들의 사용은, 그것이 측정 방향에 독립적으로 등방성 거리의 측정을 허용하기 때문에 특히 유리하다. 등방성 빔 구성은 레이저 프로세싱 기계들에 관한 애플리케이션들에서 유용하며, 여기서 프로브 방사선은 프로세싱 레이저 빔의 전파 축에 동축으로 사용되어 우선적인 방향들에 의존하지 않고 사각 영역들이 없는 거리 측정을 획득할 수 있다.
마지막으로, 도 11a 및 도 11b를 참조하면, 거의 동축 삼각측량 구성이 도시된다. 도 2와 공통된 엘리먼트들은 동일한 참조 부호들로 표시된다. 도 11a는 프로브 방사선이 가공물 상에 포커싱되는 삼각측량 시스템의 도면을 도시하는 반면, 도 11b는 가공물이 포커싱 평면에 대해 뒤로 세팅되는 단순화된 다이어그램이 도시된다. 검출기 수단(20)은 비디오 카메라의 형태로 도시되며, 이 비디오 카메라 앞에, 포커싱 렌즈(20a)가 배열되며, 이는 산란된 프로브 방사선의 파장 또는 파장 범위를 송신하도록 구성된 대역-통과 필터(20b)의 하류에 있다. 프로브 방사선(P) 및 산란된 프로브 방사선(D)의 경로는 이색성 미러(M)를 통해 프로세싱 레이저 빔(B)의 경로와 정렬되고, 포커싱 렌즈(L)는 가공물(WP) 상에 빔들을 포커싱하도록 배열된다.
도 11b는 렌즈(L)를 통해 포커싱한 후, 각도(α)로 가공물(WP) 상에 충돌하는 프로브 방사선 빔(P)을 도시한다. 포커싱 평면(F)으로부터 가공물(WP)의 거리가 0이 아닌 경우, 경사 빔은 축에 대한 포지션(y1)에서 가공물(WP)에 충돌하며, 이는 관계 y1 = f(z)에 따라 축(Z)을 따른 가공물 거리(z)의 함수이다. 포커싱 렌즈(L)에 의해 캡처된 관련 산란된 프로브 방사선(D)은 추가 포커싱 렌즈(20a)를 통해 검출기 수단(20)으로 전도되고, 축에 대해 거리(y2)에서 상기 검출기 수단에 충돌하며, 이는 차례로, 관계 y2 = f(z)에 따라 Z 축을 따른 가공물의 거리(z)와 상관된다. 따라서 관계를 반전시킴으로써(즉, z = f-1(y2)) 거리(z)를 결정하는 것이 가능하다.
도 12는 프로브 방사선의 소스로부터 가공물(WP)의 거리를 결정하기 위한 간섭계 기술들의 적용에 사용되는, 본 발명의 결합된 광학 시스템의 구성을 도시한다. 도 2와 공통된 엘리먼트들은 동일한 참조 부호들로 표시된다.
간섭계 구성은 거리 또는 일반적으로 광학 경로들 간의 차이를 측정하기 위해 코히어런트 또는 부분적 코히어런트 방사선 빔들 사이에서 발생하는 간섭 현상을 사용한다. 통상적인 간섭계 구성은 2개의 암들(각각 측정 암 및 기준 암)을 포함하며, 이를 따라 공통 광학 방사선이 지향된다. 측정 암의 광학 경로를 이동하는 - 그리고 측정 암을 따라 개재된 가공물(WP)에 의해 후방 산란하는 - 광학 방사선 빔 및 기준 암의 광학 경로를 이동하는 - 그리고 고정된 미러에 의해 반사되는 - 광학 방사선 빔은 간섭 센서 수단의 공통 입사 구역(여기서 이 광학 방사선 빔들이 중첩됨) 상에서 재결합되어, 2개의 암들 사이의 광학 경로의 차이의 함수로서 각각 보강적 또는 상쇄적 간섭으로 인해 프린지 패턴을 생성하는 간섭 현상을 발생시킨다. 간섭계 센서 수단은, 가능하게는 시간 도메인, 주파수 도메인 또는 공간 도메인에서 간섭 측정 기술일 수 있는 특정 간섭계 기술에 따라 분광계 또는 다른 광학 엘리먼트와 결합되는 광 검출기 또는 광 검출기들의 어레이 이를테면, 선형 광 검출기 어레이 또는 2-차원 광 검출기 어레이일 수 있다. 간섭계 센서 수단은 측정 암을 따른 광학 경로의 기하학적 길이 또는 굴절률의 (공간 도메인, 주파수 도메인 또는 시간 도메인에서의) 변동들의 함수로서 간섭 패턴을 검출할 수 있는 반면, 통상적으로 기준 암의 광학 경로는 일정하고 공칭 동작 조건들로 지칭된다.
도 12는 주파수 도메인에서 저 코히어런스 광학 간섭계 기술에 적응된 마이켈슨(Michelson) 간섭계 구성을 도시하며, 여기서, 광학 측정 경로의 길이와 기준 광학 경로 사이의 비교에 관한 정보는 파장들의 공간에 인코딩된다. 특히, 주파수 도메인에서의 광학 간섭계 기술은 스펙트럼 밀도 함수와 측정 및 기준 빔들의 교차-상관 간의 푸리에 변환 관계에 기초하며, 이를 통해 2개의 간섭 빔들의 파장들의 스펙트럼 프로파일로부터 실제 공간에서 거리들의 차동 측정을 추출하는 것이 가능하다. 중첩된 측정 및 기준 빔들의 단일 스펙트럼 획득은, 간섭 빔들의 스펙트럼 분포를 선형 센서 디바이스 예컨대, 비디오 카메라 상에 투영하도록 회절 격자 및 상기 격자의 하류에 있는 포커싱 렌즈를 사용하여 가능하다. 2개의 간섭 빔들의 스펙트럼은 주기적인 변조를 보여주며, 파장 공간에서 이 변조의 주기성(주파수)은 기준 경로 및 측정 경로의 광학 길이들 간의 차이가 변동됨에 따라 변동된다. 푸리에 변환 계산 알고리즘 예컨대, FFT 알고리즘은 실제 공간에서 광학 경로들 간의 차이와 관련하여 신호 강도 피크의 측정을 추출하는 데 적용된다. 도면에서, P는 이색성 미러 또는 유사한 빔 분할기/결합기 디바이스(BSC)를 통한 분할 후에, 가공물(WP)이 개재되는 광학 측정 경로를 따라 이동하는 프로브 방사선을 표시하며, PR은 반사 미러(RM)가 개재되는 기준 광학 경로를 따라 이동하는 프로브 방사선을 표시한다. 가공물(WP)에 의해 산란된 프로브 방사선(D) 및 기준 프로브 방사선(PR)은 빔 분할기/결합기 디바이스(BSC)에서 재결합되고 그로부터, 일반적으로 SENS로 표시된 간섭계 센서 수단의 조립체로 지향된다.
설명된 결합된 광학 시스템은 유리하게는, 프로세싱 동안 헤드 및 가공물 온도에 대한 가공물의 표면의 거리를 결정하고 이러한 파라미터들에 기초하여 프로세스 제어를 수행하도록 가공물 또는 재료의 레이저 프로세싱을 위한 기계와 연관되는데, 예컨대, 레이저 프로세싱 기계의 작업 헤드에 영구적으로 커플링된다. 유리하게는, 광학 프로브 방사선은 작업 헤드로부터 가공물의 표면의 실제 분리 거리 및 프로세싱되는 가공물 상의 용융 재료의 부분의 온도를 결정하도록, 프로세싱 영역에서 동축 측정들을 수행하기 위해 프로세싱 레이저 빔과 정렬된다.
도 13은 가공물 또는 재료의 레이저 프로세싱을 위한 기계의 전자 제어 시스템의 블록도를 도시한다.
시스템은 ECU로 전체적으로 도면에 표시된 전자 프로세싱 및 제어 수단을 포함하며, 이는 기계에 온보드로 단일 프로세싱 유닛에 통합되거나 분산된 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 상기 프로세싱 및 제어 수단은 예컨대, 작업 헤드를 포함하는 기계의 상이한 부분들에 로케이팅된 프로세싱 모듈을 포함한다.
전자 프로세싱 및 제어 수단(ECU)과 연관된 메모리 수단(M)은 예컨대, 작업 헤드 및/또는 가공물을 이동시키기 위한 명령들의 형태로 미리 결정된 프로세싱 궤적을 포함하는 미리 결정된 프로세싱 모델 또는 프로그램 및 광학 빔의 파워 분포, 빔의 파워 강도 및 프로세싱 궤적의 함수로서 레이저 빔의 활성화 시간들을 표시하는 물리적 프로세싱 파라미터들을 저장한다.
전자 프로세싱 및 제어 수단(ECU)은 프로세싱 궤적을 획득하고 상기 궤적을 따라 프로세싱 레이저 빔의 인가를 제어하기 위해 메모리 수단(M)에 액세스하도록 배열된다. 미리 결정된 프로세싱 궤적을 따라 프로세싱 레이저 빔의 인가를 제어하는 것은, 미리 결정된 패턴 또는 프로세싱 프로그램을 참조하여, 즉 메모리 수단에 의해 획득된 프로세싱 궤적 정보 및 프로세싱 파라미터들에 따라 미리 결정된 프로세싱 영역을 향한 레이저 빔의 미리 결정된 파워 분포의 조사를 제어하는 것 그리고 - 일부 애플리케이션들에서- 보조 가스 흐름의 전달을 제어하는 것을 포함한다.
위에서 설명된 바와 같은 본 발명의 결합된 광학 시스템(S)은 산란된 프로브 방사선(D)을 획득함으로써 작업 헤드와 가공물 사이의 거리뿐만 아니라 이 거리의 시간에 따른 진화, 및 열적으로 방출된 방사선(T)을 획득함으로써 프로세싱 영역에서 가공물의 표면 온도를 실시간으로 검출하도록 기계에 온보드로 배열된다.
전자 프로세싱 및 제어 수단(ECU)은 본 발명의 결합된 광학 시스템(S)으로부터, 시간에 따른 작업 헤드와 가공물 사이의 거리, 즉 상호 포지션을 표시하는 신호, 및 프로세싱 영역에서 가공물의 표면 상의 로컬 온도와 관련된 신호를 수신하도록 배열된다.
전자 프로세싱 및 제어 수단(ECU)은 프로세싱의 기계적 파라미터들을 제어하기 위한 제1 제어 모듈(CM1)을 포함하며, 이는 기계의 특정 실시예에 의해 작업 헤드에 허용되는 자유도를 따라 작업 헤드를 이동시키기 위한 액추에이터 수단 및 작업 헤드의 포지션에 대해 프로세싱되는 재료를 이동시키기 위한 작동 수단을 포함하는 알려진 세트의 액추에이터 수단을 향해 제1 커맨드 신호들(CMD1)을 방출하도록 배열되며, 이는 작업 헤드와 가공물 사이의 결정된 거리 즉, 상호 포지션의 함수로서 작업 헤드의 레이저 빔의 출력에서 프로세싱되는 재료에 대해 프로그래밍된 프로세싱 궤적을 제공하도록 작업 헤드를 이동시키기 위해 작동 수단과 협력하도록 구성된다. 이들 액추에이터 수단은 이들이 당업계에 알려져 있기 때문에 상세하게 설명하지 않는다.
전자 프로세싱 및 제어 수단(ECU)은 프로세싱의 물리적 파라미터들을 제어하기 위한 제2 제어 모듈(CM2)을 포함하며, 이는 즉각적인 프로세싱 조건들 즉, 현재 프로세싱되는 영역에서 가공물의 표면의 로컬 온도의 함수로서 예컨대, 레이저 빔의 강도 및 횡방향 파워 분포를 제어하기 위해 레이저 빔의 생성 및 송신을 제어하기 위한 수단을 향해 제2 제어 신호(CMD2)를 방출하도록 배열된다.
유리하게는, 작업 헤드의 포지션 및 프로세싱의 물리적 파라미터들의 폐루프 제어는 절단 및 용접 프로세스들에서 프로세싱 레이저 빔의 포커싱의 정밀도, 어디티브 제조 프로세스들에서 재료 증착의 높이의 정밀도, 펄스식 프로세싱 레이저 빔의 주파수 또는 활성화 듀티 사이클, 보조 가스의 압력, 프로세싱(절단 또는 용접) 궤적을 따른 헤드의 병진운동의 속도, 어디티브 제조 프로세싱들에서 분말식 재료들의 유속의 증가를 허용한다.
더욱이, 폐루프 온도 제어는 특히, 열 안정화를 위해 그리고 이에 따라 프로세스의 안정화를 위해 사용될 수 있다.
위의 논의에서 본 발명의 제안된 실시예는 성질 상 단지 예시적이며 본 발명을 제한하지 않는다는 것이 주의되어야 한다. 당업자는 상이한 실시예들에서 본 발명을 쉽게 구현할 수 있을 것이지만, 이 상이한 실시예들은 본원에서 기술된 원리들로부터 벗어나지 않고 따라서 본 특허에 포함된다.
이는 산란된 광학 프로브 방사선에 대해 그리고 광 검출기 디바이스들, 예컨대, 비디오 카메라들 또는 분광계들과 상이한 열적으로 방출된 방사선에 대해 검출 수단을 사용할 가능성과 관련하여 특히 사실이다.
당연히, 본 발명의 원리를 침해함 없이도, 실시예들 및 실행의 세부사항들은 순전히 비-제한적인 예(그리하여 첨부된 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 보호 범위로부터 벗어남 없이)에 의해 설명되고 예시된 것과 관련하여 폭넓게 변동될 수 있다.

Claims (20)

  1. 결합된 광학 시스템(combined optical system)으로서,
    상기 결합된 광학 시스템은, 상기 결합된 광학 시스템과 연관된 미리 결정된 기준 포인트로부터 오브젝트 또는 재료의 거리 및 상기 오브젝트 또는 재료의 표면의 온도를 결정하기 위한 것이며, 상기 결합된 광학 시스템은,
    - 미리 결정된 파장에서 또는 미리 결정된 파장 범위에서 적어도 하나의 광학 프로브 방사선(optical probe radiation)을 방출하도록 구성된 광학 방사선 소스 수단;
    - 상기 광학 방사선 소스 수단이 상기 적어도 하나의 광학 프로브 방사선을 방출하는 동작 조건과 상기 광학 방사선 소스 수단이 어떠한 광학 프로브 방사선도 방출하지 않는 비동작 조건 사이에서 상기 광학 방사선 소스 수단의 스위칭을 교호적으로 제어하도록 배열된, 상기 광학 방사선 소스 수단을 제어하기 위한 수단;
    - 상기 오브젝트 또는 재료의 표면으로부터 열적으로 방출된 하나의 광학 방사선 및 적어도 하나의 산란된 광학 방사선을 검출하도록 구성된 광학 검출 수단;
    - 상기 제어 수단과 동기화되는 프로세싱 수단을 포함하고,
    상기 프로세싱 수단은,
    상기 광학 방사선 소스 수단이 동작할 때, 상기 오브젝트 또는 재료의 표면으로부터 산란되고 상기 검출 수단에 의해 수신되는 광학 프로브 방사선에 기초하여 상기 기준 포인트로부터 상기 오브젝트 또는 재료의 표면의 거리를 결정하고; 그리고
    상기 광학 방사선 소스 수단이 동작하지 않을 때, 상기 오브젝트 또는 재료의 표면으로부터 열적으로 방출되고 상기 검출 수단에 의해 수신되는 광학 방사선에 기초하여 상기 오브젝트 또는 재료의 표면의 로컬 온도를 결정하도록 배열되는 것을 특징으로 하는,
    결합된 광학 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 광학 방사선 소스 수단은 1차 광학 프로브 방사선 및 상기 1차 광학 프로브 방사선을 나타내는 2차 또는 부분 광학 방사선을 방출하도록 배열되고, 상기 광학 검출 수단은, 상기 2차 또는 부분 광학 방사선을 검출하기 위한, 상기 광학 방사선 소스 수단에 수직으로 커플링된 적어도 하나의 모니터링 광 검출기 디바이스를 포함하는,
    결합된 광학 시스템.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 오브젝트 또는 재료의 표면으로부터 산란된 1차 광학 프로브 방사선은 상기 모니터링 광 검출기 디바이스의 공통 입사 구역 상에서 상기 2차 또는 부분 광학 방사선에 적어도 부분적으로 중첩되고,
    상기 모니터링 광 검출기 디바이스는 상기 오브젝트 또는 재료의 표면에 의해 산란된 상기 1차 광학 프로브 방사선과 상기 2차 또는 부분 광학 방사선 사이의 간섭 무늬 패턴(interference fringe pattern)을 검출하도록 구성되고,
    상기 프로세싱 수단은 상기 간섭 무늬 패턴에 기초하여 상기 광학 방사선 소스 수단으로부터 상기 오브젝트 또는 재료의 표면의 거리를 결정하도록 배열되는,
    결합된 광학 시스템.
  4. 제2 항 또는 제3 항에 있어서,
    상기 광학 방사선 소스 수단은 1차 방사선 방출 영역 및 2차 방사선 방출 영역을 갖는 발광 다이오드를 포함하고, 상기 모니터링 광 검출기 디바이스는 상기 2차 방사선 방출 영역을 향하고, 상기 오브젝트 또는 재료의 표면에 의해 산란된 상기 1차 광학 프로브 방사선은 상기 1차 방출 영역에 의해 적어도 부분적으로 수집되는,
    결합된 광학 시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제어 수단은 전하 캐리어들의 집단들의 열역학적 평형(thermodynamic equilibrium)을 변경하도록 구성되는 상기 발광 다이오드의 여기 전류의 활성화 및 비활성화를 선택적으로 제어하도록 배열되는,
    결합된 광학 시스템.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 광학 검출 수단은 상기 오브젝트 또는 재료의 표면에 의해 산란된 광학 프로브 방사선의 상기 미리 결정된 파장 및 상기 오브젝트 또는 재료의 표면으로부터 열적으로 방출된 광학 방사선의 적어도 하나의 파장을 포함하는 스펙트럼 검출 범위를 갖는 광 검출기 수단을 포함하는,
    결합된 광학 시스템.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 광학 검출 수단은 상기 오브젝트 또는 재료의 표면에 의해 산란되는 광학 프로브 방사선의 적어도 일부를 가로막도록 구성된 제1 광 검출기 수단 및 상기 오브젝트 또는 재료의 표면으로부터 열적으로 방출된 광학 방사선의 적어도 일부를 가로막도록 구성된 제2 광 검출기 수단을 포함하는,
    결합된 광학 시스템.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 광 검출기 수단은, 적어도 하나의 공간 방향을 따라 연장되고 상기 광학 프로브 방사선의 방출 방향에 대해 비-제로 각도로 관찰 방향으로부터 상기 오브젝트 또는 재료의 표면에 의해 산란된 상기 광학 프로브 방사선을 수신하도록 배열된 광 검출기 어레인지먼트를 포함하고, 상기 프로세싱 수단은 상기 광 검출기 어레인지먼트의 상기 적어도 하나의 연장 방향을 따라 상기 오브젝트 또는 재료의 표면으로부터 산란된 광학 프로브 방사선의 입사 포지션에 기초하여 상기 광학 방사선 소스 수단에 대한 상기 오브젝트 또는 재료의 표면의 거리를 결정하도록 배열되는,
    결합된 광학 시스템.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 광 검출기 수단은 적어도 하나의 공간 방향을 따라 연장되는 광 검출기 어레인지먼트를 포함하고, 상기 광학 방사선 소스 수단은 전파 축을 따라 가변적인 미리 결정된 횡방향 파워 분포(transverse power distribution)를 갖는 빔으로 상기 적어도 하나의 광학 프로브 방사선을 성형하도록 구성된 다운스트림 빔-성형 수단에 커플링되고, 상기 프로세싱 수단은, 상기 오브젝트 또는 재료의 표면에 의해 산란되고 상기 광 검출기 어레인지먼트에 의해 검출되는 광학 프로브 방사선의 횡방향 파워 분포에 기초하여 상기 광학 방사선 소스 수단에 대한 상기 오브젝트 또는 재료의 표면의 거리를 결정하도록 배열되는,
    결합된 광학 시스템.
  10. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 광 검출기 수단은 적어도 하나의 공간 방향을 따라 연장되는 광 검출기 어레인지먼트를 포함하고, 상기 광학 방사선 소스 수단은 상이한 횡방향 파워 분포들을 갖는 제1 및 제2 동축 광학 프로브 방사선 빔을 방출하도록 구성되고, 상기 프로세싱 수단은 상기 광 검출기 어레인지먼트에 의해 검출되는 상기 오브젝트 또는 재료의 표면으로부터 산란된 제2 광학 프로브 방사선 빔의 횡방향 파워 분포와 상기 오브젝트 또는 재료의 표면으로부터 산란된 제1 광학 프로브 방사선 빔의 횡방향 파워 분포와 사이의 차이 비교에 기초하여 상기 광학 방사선 소스 수단에 대해 상기 오브젝트 또는 재료의 표면의 거리를 결정하도록 배열되는,
    결합된 광학 시스템.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 광학 프로브 방사선 빔들은 상이한 편광들, 바람직하게는 직교 편광들을 갖는,
    결합된 광학 시스템.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 광학 프로브 방사선 빔들은 상이한 파장들을 갖는,
    결합된 광학 시스템.
  13. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 광학 프로브 방사선 빔들은 교호 간격들로 방출되는,
    결합된 광학 시스템.
  14. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 광 검출기 수단은 광 검출기 어레이를 포함하고, 상기 광학 방사선 소스 수단은 전파 축에 대해 대칭적으로 배열된 복수의 빔들을 포함하는 광학 프로브 방사선을 방출하도록 구성되고, 상기 프로세싱 수단은 상기 광 검출기 어레인지먼트 상의 상기 오브젝트 또는 재료의 표면으로부터 산란된 광학 프로브 방사선의 상기 복수의 빔들의 상호 입사 포지션 간의 비교에 기초하여 상기 광학 방사선 소스 수단에 대한 상기 오브젝트 또는 재료의 표면의 거리를 결정하도록 배열되는,
    결합된 광학 시스템.
  15. 제7 항에 있어서,
    상기 광학 방사선 소스 수단은 상기 광학 방사선의 제2 기준 빔 및 제1 광학 프로브 방사선 빔을 방출하도록 구성되고,
    상기 제1 광학 프로브 방사선 빔의 전파 수단을 포함하는 상기 시스템은 측정 광학 경로를 통해, 상기 오브젝트 또는 재료의 표면을 향해 상기 프로브 빔을 전도하고 그리고 상기 오브젝트 또는 재료의 표면으로부터 반사되거나 산란된 빔을 간섭계 광학 센서 수단을 향해 전도하도록 구성되고,
    상기 시스템은, 상기 오브젝트 또는 재료의 표면의 포지션이 상기 시스템과 연관된 미리 결정된 기준 포인트에 대해 미리 결정된 공칭 포지션인 공칭 동작 조건에서 바람직하게는 상기 측정 광학 경로의 광학 길이와 등가의 미리 결정된 광학 길이의 기준 광학 경로를 통해 상기 간섭계 광학 센서 수단을 향해 상기 기준 빔을 전도하도록 구성된 상기 제2 기준 광학 방사선 빔의 전파 수단을 포함하고;
    상기 제1 및 제2 빔들의 전파 수단은 상기 간섭계 광학 센서 수단의 공통 입사 구역 상에 상기 제1 및 제2 빔들을 중첩시키도록 배열되고,
    상기 제1 검출기 수단은 상기 공통 입사 구역 상에서 상기 기준 빔과 상기 측정 빔 사이의 간섭 무늬 패턴을 검출하도록 구성된 간섭계 광학 센서 수단을 포함하고, 상기 간섭계 광학 센서 수단은, 적어도 하나의 공간 방향을 따라 연장되는 광 검출기 어레인지먼트를 포함하고,
    상기 프로세싱 수단은 상기 간섭 무늬 패턴에 기초하여 상기 광학 방사선 소스 수단으로부터 상기 오브젝트 또는 재료의 표면의 거리를 결정하도록 배열되는,
    결합된 광학 시스템.
  16. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 검출기 수단의 입력에 파장 필터링 수단이 커플링되고, 상기 필터링 수단은, 상기 오브젝트 또는 재료의 표면에 의해 산란된 광학 프로브 방사선의 상기 미리 결정된 파장 또는 상기 미리 결정된 파장 범위를 송신하고 상기 오브젝트 또는 재료의 표면으로부터 열적으로 방출되는 광학 방사선의 파장들을 차단하도록 구성되는,
    결합된 광학 시스템.
  17. 제6 항 또는 제7 항에 있어서,
    상기 프로세싱 수단은 또한, 상기 오브젝트 또는 재료의 표면의 결정된 거리의 함수로써 상기 광 검출기 수단에 의해 가로막히는 상기 열적으로 방출된 광학 방사선을 정규화하도록 배열되는,
    결합된 광학 시스템.
  18. 제1 항 내지 제17 항 중 어느 한 항에 따른 결합된 광학 시스템과 연관된 미리 결정된 기준 포인트로부터 오브젝트 또는 재료의 거리 및 상기 오브젝트 또는 재료의 표면의 온도를 결정하기 위한 방법으로서,
    - 미리 결정된 파장에서 또는 미리 결정된 파장 범위 내에서 적어도 하나의 광학 프로브 방사선을 방출하도록 구성된 광학 방사선 소스 수단을 제공하는 단계;
    - 상기 광학 방사선 소스 수단이 적어도 하나의 광학 프로브 방사선을 방출하는 동작 조건과 상기 광학 방사선 소스 수단이 어떠한 광학 프로브 방사선도 방출하지 않는 비동작 조건 사이에서 미리 결정된 주파수에 따라 상기 광학 방사선 소스 수단의 스위칭을 교호적으로 제어하는 단계;
    - 상기 오브젝트 또는 재료의 표면으로부터 열적으로 방출된 하나의 광학 방사선 및 적어도 하나의 산란된 광학 방사선을 검출하는 단계;
    - 상기 오브젝트 또는 재료의 표면에 의해 산란되고 상기 광학 방사선 소스 수단이 동작할 때 검출되는 광학 프로브 방사선에 기초하여 상기 기준 포인트로부터 상기 오브젝트 또는 재료의 표면의 거리를 결정하는 단계; 및
    - 상기 오브젝트 또는 재료의 표면으로부터 열적으로 방출되고 상기 광학 방사선 소스 수단이 동작하지 않을 때 검출되는 광학 방사선에 기초하여 상기 오브젝트 또는 재료의 표면의 온도를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    방법.
  19. 가공물 또는 재료의 레이저 프로세싱을 위한 기계로서,
    상기 기계는, 작업 헤드에 의해 방출되고 그리고 일련의 프로세싱 영역들을 포함하는 가공물 또는 재료 상에서 작업 궤적을 따라 전도되는 프로세싱 레이저 빔에 의해 동작하고 프로세싱 파라미터들을 제어하기 위한 수단을 포함하고,
    상기 기계는, 상기 가공물 또는 재료의 표면의 온도 및 상기 작업 헤드로부터의 상기 가공물 또는 재료의 표면의 거리를 결정하기 위해 상기 작업 헤드에 영구적으로 커플링되는, 제1 항 내지 제17 항 중 어느 한 항에 따른 결합된 광학 시스템을 포함하며,
    상기 프로세싱 파라미터 제어 수단은 미리 결정된 프로세싱 설계, 상기 가공물 또는 재료의 표면의 결정된 온도, 및 상기 작업 헤드에 대한 상기 가공물 또는 재료의 표면의 결정된 거리에 기초하여 작용하는 수단인 것을 특징으로 하는,
    가공물 또는 재료의 레이저 프로세싱을 위한 기계.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 프로세싱 파라미터들은, 상기 프로세싱 레이저 빔의 강도 및 횡방향 파워 분포, 상기 작업 헤드와 상기 가공물 또는 재료 사이의 상대적 포지션, 어디티브 제조 프로세스(additive manufacturing process)에서 재료의 증착의 높이, 펄스식 프로세싱 레이저 빔의 활성화의 주파수 또는 듀티 사이클, 보조 가스의 압력, 작업 궤적을 따른 상기 작업 헤드의 병진운동 속도, 어디티브 제조 프로세스들에서 분말형 재료들의 유량 중에서 적어도 하나를 포함하는,
    가공물 또는 재료의 레이저 프로세싱을 위한 기계.
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