(57)【要約】外科用レーザまたは溶接用途などの材料改変処理に関して光学干渉法を使用する方法およびシステムを提供する。撮像光源は撮像光を生成する。フィードバックコントローラは、撮像光を用いて作成された干渉計出力に基づいて、材料改変処理の少なくとも一つの処理パラメータを制御する。ホモダインフィルタリングに基づくインターフェログラムを処理する方法を提供する。干渉計出力を用いて材料改変処理の記録を作成する方法を提供する。2013545613.tif 000009
2013545613.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料改変処理の際にサンプルの位置に適用される材料処理ビームを生成する材料処理ビーム源と、
撮像光を生成する撮像光源と、
該サンプルに供給される該撮像光の少なくとも一成分を用いて、該サンプルに対する少なくとも一つの光路長であって別の光路長と比較した該光路長に基づく干渉計出力を生成する光学干渉計と、
該干渉計出力に基づいて該材料改変処理の少なくとも一つの処理パラメータを制御するフィードバックコントローラと
を備える機器。
【請求項２】
光アクセスポートを有し材料改変処理を実施する材料処理システムと共に使用するための、フィードバック制御機器であって、
撮像光を生成する撮像光源と、
該材料処理システムの該光アクセスポートに該撮像光の第1の成分を出力し、戻ってくる該撮像光の反射成分を受光する入出力ポートと、
干渉計出力を生成するために、該反射成分と該撮像光の別の成分とを組み合わせる光コンバイナであって、該干渉計出力が、該撮像光の該別の成分が通る経路長と比較した該第1の成分および該反射成分が通る経路長に基づく、光コンバイナと、
該干渉計出力に基づいて、該材料改変処理の少なくとも一つの処理パラメータに影響を与える少なくとも一つの信号を発生させるフィードバックコントローラと
を備える前記フィードバック制御機器。
【請求項３】
のちに参照経路の経路長と比較したサンプル経路の経路長に基づく干渉計出力が、最初、参照経路に沿って反射した光だけを実質的に含むか否かを判定するようにフィードバックコントローラがさらに構成されている、請求項1または2記載の機器。
【請求項４】
フィードバックコントローラが、
干渉計出力が、参照経路に沿って反射した光だけを実質的に含むものから、該参照経路の経路長と比較したサンプル経路の経路長に基づくものへと移行した時点、または移行したのか否か
を判定し、かつ
該フィードバックコントローラが、該移行を考慮した該干渉計出力に基づいて、材料改変処理の少なくとも一つの処理パラメータに影響を与える少なくとも一つの信号を発生させる、
請求項3記載の機器。
【請求項５】
フィードバックコントローラが、処理されている材料に関する干渉計出力の変化を識別するために、該干渉計出力の多数の事例を処理し、かつフィードバック制御が、該変化の関数である、請求項1または2記載の機器。
【請求項６】
フィードバックコントローラが、干渉計出力の変化に基づいて、改変/サンプル運動「速度」または別の変化率の表示を提供する、請求項5記載の機器。
【請求項７】
フィードバックプロセッサが、干渉計出力に基づいて材料の光学指数の表示をさらに作成する、請求項1または2記載の機器。
【請求項８】
コンピュータ可読媒体と、
複数の時点の干渉計出力に基づいて材料改変処理の記録を作成し、かつ該記録を該コンピュータ可読媒体に保存する記録ジェネレータと
をさらに備える、請求項1または2記載の機器。
【請求項９】
フィードバックコントローラが、材料改変処理の少なくとも一つの処理パラメータを該処理中に制御するリアルタイムコントローラである、請求項1または2記載の機器。
【請求項１０】
材料改変処理ビーム源が、固体レーザ、ファイバレーザ、またはガスレーザである、請求項1記載の機器。
【請求項１１】
材料処理ビーム源が、イオンビームおよび電子ビームの少なくとも一方である、請求項1記載の機器。
【請求項１２】
前記干渉計出力から第1のインターフェログラムを生成するように構成された信号検出器をさらに備える機器であって、
干渉計が、
コンバイナと、
前記別の光路長を有する参照アームであって、該参照アームの入力に撮像光の第1の成分が適用されて該参照アームの出力信号が得られる、参照アームと、
前記少なくとも一つの光路長を有するサンプルアームであって、該サンプルアームに撮像光の第2の成分が適用されて該サンプルアームの出力信号が得られ、該サンプルアームの該出力信号の少なくとも一成分が、サンプル位置からの、該撮像光の成分の反射を含む、サンプルアームと
を備え、
該コンバイナは、干渉計出力として組合せ信号を生成するために、該参照アームの該出力信号と、該サンプルアームの該出力信号とを組み合わせる、
請求項1または2記載の機器。
【請求項１３】
サンプルアームと参照アームとのそれぞれの組合せに関してそれぞれのインターフェログラムが作成される、多数のサンプルアーム、
サンプルアームと参照アームとのそれぞれの組合せに関してそれぞれのインターフェログラムが作成される、多数の参照アーム、ならびに
サンプルアームと参照アームとのそれぞれの組合せに関してそれぞれのインターフェログラムが作成される、多数の参照アームおよび多数のサンプルアーム
のうちの少なくとも一つを備える、請求項12記載の機器。
【請求項１４】
前記干渉計出力からインターフェログラムを生成するように構成された信号検出器をさらに備える機器であって、
干渉計が、
少なくとも一つのスプリッタおよび/または光サーキュレータと、
該スプリッタおよび/または該光サーキュレータの後続の、前記少なくとも一つの光路長と前記別の光路長とを有する少なくとも一つのサンプルアームであって、該サンプルアームに画像信号が適用されて該サンプルアームの出力信号が得られ、該サンプルアームの該出力信号の少なくとも一成分が、該サンプルアームおよび/または処理されている材料の少なくとも2つの位置からの、該画像信号の成分の反射を含む、サンプルアームと
を備え、
該スプリッタおよび/または該光サーキュレータは、該サンプルアームからの該出力信号を受信して、該出力信号を検出器に向かわせる、
請求項1または2記載の機器。
【請求項１５】
どれくらい深く材料処理ビームがサンプル位置において貫入したかを示す深さ測定を行うために、干渉計出力に基づいて解析を実行するインターフェログラムプロセッサ
をさらに備える、請求項1または2記載の機器。
【請求項１６】
フィードバックコントローラが、干渉計出力に基づいて解析を実行し、かつ切断レーザに最も近い境界面に対して深さ切断を制御するフィードバック制御を作成する、請求項1記載の機器。
【請求項１７】
フィードバックコントローラが、干渉計出力に基づいて解析を実行し、かつ現在の切断の深さよりも深い境界面に対して深さ切断を制御するフィードバック制御を作成する、請求項1記載の機器。
【請求項１８】
フィードバックコントローラが、深さ測定に基づいて材料改変処理の少なくとも一つの処理パラメータを制御する、請求項12、13、14、15のいずれか一項記載の機器。
【請求項１９】
フィードバックコントローラによって制御される、材料改変処理の少なくとも一つの処理パラメータが、
材料処理ビームのオン/オフ状態、
材料処理ビームの平均パワー、
材料処理ビームのパルス持続時間、
材料処理ビームのピーク強度、
材料処理ビームの密度、
材料処理ビームのエネルギー、
材料処理ビームの粒子の種類、
材料処理ビームの波長、
材料処理ビームのパルス繰り返し率、
材料処理ビームのパルスエネルギー、
材料処理ビームのパルス波形、
材料処理ビームの走査速度、
材料処理ビームの焦点直径、
材料処理ビームの焦点位置、
材料処理ビームの、サンプル上の分布様式、
材料の送り速度、
冷却媒体の流量、
カバー/アシストガスの流量、
カバー/アシストガスの圧力、
カバー/アシストガスの混合、
アーク溶接の処理パラメータ（電圧、電流、およびワイヤの送り速度など）、ならびに
添加材の送り速度
のうちの少なくとも一つを含む、請求項1または2記載の機器。
【請求項２０】
フィードバックコントローラが、深さ測定が特定の深さを示したときに材料処理ビームをオフにするよう制御することによって、深さ測定に基づいて材料改変処理の少なくとも一つの処理パラメータを制御する、請求項18記載の機器。
【請求項２１】
材料改変源ビームが特定の深さに貫入した時点、
材料の他の領域に対する、現在改変されている材料領域の接近、
貫入を受ける材料の残量、
改変された深さ全長、
到達された最終絶対深さ、
深さの変動、
深さの変化速度、および
表面下の境界面までの残存距離
のうちの少なくとも一つの表示を生成するために、干渉計出力に基づいて解析を実行するインターフェログラムプロセッサ
をさらに備える、請求項1または2記載の機器。
【請求項２２】
干渉計出力に基づいて表面下レベルにおける少なくとも一つの変化を検知するようにさらに構成されている、請求項1記載の機器。
【請求項２３】
表面下レベルにおいて検知される少なくとも一つの変化が、温度変化、状態変化、流体の流れ、および圧力波のうちの少なくとも一つを含む、請求項22記載の機器。
【請求項２４】
フィードバックコントローラが、表面下レベルにおいて検知される変化に基づいて少なくとも一つの材料改変パラメータを制御する、請求項22または23記載の機器。
【請求項２５】
表面下レベルにおける変化が、スペックルパターンの変化を観察することによって検知される、請求項22記載の機器。
【請求項２６】
フィードバックコントローラが、インターフェログラムプロセッサからの表示に基づいて、材料処理ビームをオフにするために材料処理ビーム源を制御する、請求項21記載の機器。
【請求項２７】
フィードバックコントローラが、インターフェログラムプロセッサからの表示に基づいて、材料処理ビームをオンにするために材料処理ビーム源を制御する、請求項21記載の機器。
【請求項２８】
目標結果に関して事前に計算された合成インターフェログラムを保存するためのメモリと、
干渉計出力から測定インターフェログラムを生成する信号検出器と、
相関結果を生成するために、該事前に計算された合成インターフェログラムと共に該測定インターフェログラムを処理するインターフェログラムプロセッサと
を備え、
フィードバックコントローラは、該相関結果に基づいて材料改変処理の少なくとも一つの処理パラメータを制御する、
請求項1または2記載の機器。
【請求項２９】
目標結果に関して事前に計算された合成インターフェログラムが、特定の深さから反射が戻ってきたときに予想される推定のものであり、かつ
インターフェログラムプロセッサが、測定インターフェログラムと、事前に計算されたインターフェログラムとを検出された要素ごとに乗算し、次に、合算することによって、相関結果を生成する、
請求項28記載の機器。
【請求項３０】
事前に計算された合成インターフェログラムおよび測定インターフェログラムの少なくとも一方が、
分光計のアラインメント、
分光計回折格子の角度非線形性（spectrometer grating angle nonlinearity）、
分光計の撮像光学部品による画像の歪み、
波長から波数/周波数のリサンプリング、
検出器の作用領域の有限サイズ、
スペクトルの包絡線形状、
分散不一致、および
画像の品質を低下させる、インターフェログラムに含まれている別の非理想性
のうちの少なくとも一つを補償するように形成されている、請求項28記載の機器。
【請求項３１】
材料処理ビームによって改変された体積が特定の深さに到達した時点を近似的に識別するために、相関結果を処理するようにさらに構成されている、請求項29記載の機器。
【請求項３２】
相関結果が閾値を満たした時点から、特定の深さに到達した時点を近似的に識別するようにさらに構成されている、請求項31記載の機器。
【請求項３３】
少なくとも一つの経路長が、サンプル位置にある第1の反射体に対するものであり、かつ別の経路長が、サンプル位置にある第2の反射体に対するものである、請求項1または2記載の機器。
【請求項３４】
少なくとも一つの経路長が、サンプル位置にあるそれぞれの反射体に対する少なくとも2つの経路長であり、かつ別の経路長が、参照アームに沿うものである、請求項1または2記載の機器。
【請求項３５】
事前に計算される合成インターフェログラムを合成する、インターフェログラムシンセサイザ
をさらに備える、請求項28記載の機器。
【請求項３６】
目標結果に関して事前に計算された合成インターフェログラムを保存するメモリと、
干渉計出力を生成するための干渉計と、
該干渉計出力から測定インターフェログラムを生成する信号検出器と、
相関結果を生成するために、事前に計算された予想インターフェログラムと共に該測定インターフェログラムを処理するインターフェログラムプロセッサと、
結果が閾値を満たした時点を判定するように構成されたスレショルダ（thresholder）と
を備える、干渉計出力を生成および処理するための機器。
【請求項３７】
複数の目標結果のそれぞれに関して、メモリが、それぞれの事前に計算された合成インターフェログラムを保存し、
インターフェログラムプロセッサが、それぞれの相関結果を生成するために、該それぞれの事前に計算された合成インターフェログラムと共に測定インターフェログラムを処理し、かつ
スレショルダが、該それぞれの相関結果がそれぞれの閾値を満たした時点を判定する、
請求項36記載の機器。
【請求項３８】
事前に計算された合成インターフェログラムが、サンプル位置において材料改変ビームによって目標結果が達成されたときに予想される推定のものであるインターフェログラムであり、
測定インターフェログラムが、サンプル位置に関するものであり、かつ
インターフェログラムプロセッサが、該測定インターフェログラムと、該事前に計算された合成インターフェログラムとを検出器要素ごとに乗算し、次に、合算することによって、相関結果を生成する、
請求項36記載の機器。
【請求項３９】
事前に計算された合成インターフェログラムおよび測定インターフェログラムの少なくとも一方が、
分光計のアラインメント、
分光計回折格子の角度非線形性、
分光計の撮像光学部品による画像の歪み、
波長から波数/周波数のリサンプリング、
検出器の作用領域の有限サイズ、
スペクトルの包絡線形状、
分散不一致、および
画像の品質を低下させる、インターフェログラムに含まれている別の非理想性
のうちの少なくとも一つを補償するように形成されている、請求項36記載の機器。
【請求項４０】
目標結果が、特定の深さから反射が戻ってきたときに予想される推定のものである、請求項36記載の機器。
【請求項４１】
相関結果が閾値を満たしたときに、材料改変ビームをオフにするために材料改変ビーム源を制御するフィードバックコントローラ
をさらに備える、請求項36記載の機器。
【請求項４２】
相関結果が閾値を満たしたときに、材料改変処理の少なくとも一つの処理パラメータを制御するフィードバックコントローラ
をさらに備える、請求項36記載の機器。
【請求項４３】
少なくとも一つの処理パラメータが、
材料処理ビームのオン/オフ状態
材料処理ビームの平均パワー、
材料処理ビームのパルス持続時間、
材料処理ビームのピーク強度、
材料処理ビームの密度、
材料処理ビームのエネルギー、
材料処理ビームの粒子の種類、
材料処理ビームの波長、
材料処理ビームのパルス繰り返し率、
材料処理ビームのパルスエネルギー、
材料処理ビームのパルス波形、
材料処理ビームの走査速度、
材料処理ビームの焦点直径、
材料処理ビームの焦点位置、
材料処理ビームの、サンプル上の分布様式、
材料の送り速度、
冷却媒体の流量、
カバー/アシストガスの流量、
カバー/アシストガスの圧力、
カバー/アシストガスの混合、
アーク溶接の処理パラメータ（電圧、電流、およびワイヤの送り速度など）、ならびに
添加材の送り速度
のうちの少なくとも一つを含む、請求項42記載の機器。
【請求項４４】
相関結果が閾値を満たしたときに、材料改変ビームをオンにするために材料改変ビーム源を制御するフィードバックコントローラ
をさらに備える、請求項36記載の機器。
【請求項４５】
事前に計算される合成インターフェログラムを合成する、インターフェログラムシンセサイザ
をさらに備える、請求項36記載の機器。
【請求項４６】
溶接処理である材料改変処理の際にサンプル位置に適用される材料処理ビームを生成する材料処理ビーム源と、
撮像光を生成する撮像光源と、
サンプルに供給される該撮像光の少なくとも一成分を用いて、該サンプルに対する少なくとも一つの光路長であって別の光路長と比較した該光路長に基づく干渉計出力を生成する光学干渉計と、
複数の時点の該干渉計出力に基づいて該材料改変処理の記録を作成する記録ジェネレータと
を備える、材料改変処理の記録を作成する機器。
【請求項４７】
コンピュータ可読の記憶媒体
をさらに備え、
記録ジェネレータが、該コンピュータ可読の記憶媒体に記録を保存する、
請求項46記載の機器。
【請求項４８】
材料処理ビームおよび撮像光を、サンプルに供給するときに実質的に同軸上に生成するように構成されている、請求項46または請求項47記載の機器。
【請求項４９】
材料処理ビームとしてレーザビームを採用する医療処理である材料改変処理の際にサンプル位置に適用される材料処理ビームを生成する材料処理ビーム源と、
撮像光を生成する撮像光源と、
サンプルに供給される該撮像光の少なくとも一成分を用いて、該サンプルに対する少なくとも一つの光路長であって別の光路長と比較した該光路長に基づく干渉計出力を生成する光学干渉計と、
複数の時点の該干渉計出力に基づいて該材料改変処理の記録を作成する記録ジェネレータと
を備える、材料改変処理の記録を作成する機器。
【請求項５０】
撮像光源を用いて撮像光を発生させる工程；
サンプルに供給される該撮像光の少なくとも一成分を用いて、該サンプルに対する少なくとも一つの光路長であって別の光路長と比較した該光路長に基づく干渉計出力を生成する工程；および
該干渉計出力に基づいて材料改変処理の少なくとも一つの処理パラメータを自動的に制御する工程
を含む、材料改変処理の少なくとも一つの処理パラメータを制御するための方法。
【請求項５１】
材料改変処理の際にサンプル位置に材料処理ビームを適用する工程
をさらに含む、請求項50記載の方法。
【請求項５２】
さらに、材料改変ビームが、ドリリングレーザであり、かつ
自動的に制御する工程が、穿孔が検出された直後に、または、穿孔が検出された後の選択された超過ドリリング期間（overdrilling period）の後に、該ドリリングレーザが制御されて停止するように、該材料改変ビームによる穿孔を制御する段階を含む、
請求項51記載の方法。
【請求項５３】
材料処理ビームを適用する工程が、ガスタービンに冷却孔を製作する段階を含む、請求項52記載の方法。
【請求項５４】
のちに参照経路の経路長と比較したサンプル経路の経路長に基づく干渉計出力が、最初、参照経路に沿って反射した光だけを実質的に含むか否かを判定する工程
をさらに含む、請求項50または51記載の方法。
【請求項５５】
干渉計出力が、参照経路に沿って反射した光だけを実質的に含むものから、該参照経路の経路長と比較したサンプル経路の経路長に基づくものへと移行した時点、または移行したのか否か
を判定する；および
該移行を考慮した該干渉計出力に基づいて、材料改変処理の少なくとも一つの処理パラメータに影響を与えるフィードバックを作成する、
請求項54記載の方法。
【請求項５６】
処理されている材料に関する干渉計出力の変化を識別するために、該干渉計出力の多数の事例を処理する工程
を含み、
フィードバック制御は、該変化の関数である、
請求項50または51記載の方法。
【請求項５７】
干渉計出力の変化に基づいて、改変/サンプル運動「速度」または別の変化率の表示を作成する工程
をさらに含む、請求項56記載の方法。
【請求項５８】
干渉計出力に基づいて材料の光学指数の表示を作成する工程
をさらに含む、請求項50または51記載の方法。
【請求項５９】
複数の時点の干渉計出力に基づいて材料改変処理の記録を作成する工程；および
該記録を保存する工程
をさらに含む、請求項50または51記載の方法。
【請求項６０】
干渉計出力に基づいて材料改変処理の少なくとも一つの処理パラメータを自動的に制御する工程が、該材料改変処理の該少なくとも一つの処理パラメータを該処理中にリアルタイムで制御する段階を含む、請求項50または51記載の方法。
【請求項６１】
材料改変処理ビームが、レーザビームである、請求項51記載の方法。
【請求項６２】
材料改変処理の際にサンプル位置に材料処理ビームを適用する工程が、
金属、
半導体、
誘電体、
生物硬組織、
生物軟組織、
高分子、
プラスチック、
木、
複合物
のうちの少なくとも一つに該材料処理ビームを適用する段階を含む、請求項51記載の方法。
【請求項６３】
材料処理ビームが、イオンビームおよび電子ビームの少なくとも一方である、請求項51記載の方法。
【請求項６４】
前記干渉計出力から測定インターフェログラムを生成するために信号検出を実行する工程をさらに含む方法であって、
干渉計出力を生成する工程が、
前記別の光路長を有する参照アームの入力に撮像光の第1の成分を適用して該参照アームの出力信号を得る段階；
前記少なくとも一つの光路長を有するサンプルアームに撮像光の第2の成分を適用して該サンプルアームの出力信号を得る段階であって、該サンプルアームの該出力信号の少なくとも一成分が、サンプル位置からの、該撮像光の成分の反射を含む、段階；および
該干渉計出力として組合せ信号を生成するために、該参照アームの該出力信号と該サンプルアームの該出力信号とを組み合わせる段階
を含む、
請求項50または51記載の方法。
【請求項６５】
多数のサンプルアームが存在する場合に、サンプルアームと参照アームとの複数の組合せのそれぞれに関してそれぞれのインターフェログラムを作成する工程；
多数の参照アームが存在する場合に、サンプルアームと参照アームとの複数の組合せのそれぞれに関してそれぞれのインターフェログラムを作成する工程；ならびに
多数の参照アームおよび多数のサンプルアームが存在する場合に、サンプルアームと参照アームとの複数の組合せのそれぞれに関してそれぞれのインターフェログラムを作成する工程
のうちの少なくとも一つを含む、請求項64記載の方法。
【請求項６６】
干渉計出力を作成する工程が、
スプリッタおよび/または光サーキュレータにおいて、前記少なくとも一つの光路長と前記別の光路長とを有するサンプルアームに撮像光の少なくとも一成分を適用して該サンプルアームの出力信号を得る段階であって、該サンプルアームの該出力信号の少なくとも一成分が、該サンプルアームおよび/または処理されている材料の少なくとも2つの位置からの、画像信号の成分の反射を含む、段階；
該スプリッタおよび/または該光サーキュレータにおいて、該サンプルアームからの該出力信号を受信して、該出力信号を検出器に向かわせる段階；ならびに
該干渉計出力から測定インターフェログラムを生成するために、信号検出を実行する段階
を含む、
請求項50または51記載の方法。
【請求項６７】
どれくらい深く材料処理ビームがサンプル位置において貫入したかを示す深さ測定を行うために、干渉計出力を解析する工程
をさらに含む、請求項50または51記載の方法。
【請求項６８】
干渉計出力に基づいて解析を実行して、切断レーザの最も近くの境界面に対して深さ切断を制御するフィードバック制御を作成する工程
をさらに含む、請求項50記載の方法。
【請求項６９】
干渉計出力に基づいて解析を実行して、現在の切断の深さよりも深い境界面に対して深さ切断を制御するフィードバック制御を作成する工程
をさらに含む、請求項50記載の方法。
【請求項７０】
材料改変処理の少なくとも一つの処理パラメータを制御する工程が、深さ測定に基づく、請求項64、65、66、67のいずれか一項記載の方法。
【請求項７１】
制御される、材料改変処理の少なくとも一つの処理パラメータが、
材料処理ビームのオン/オフ状態、
材料処理ビームの平均パワー、
材料処理ビームのパルス持続時間、
材料処理ビームのピーク強度、
材料処理ビームの密度、
材料処理ビームのエネルギー、
材料処理ビームの粒子の種類、
材料処理ビームの波長、
材料処理ビームのパルス繰り返し率、
材料処理ビームのパルスエネルギー、
材料処理ビームのパルス波形、
材料処理ビームの走査速度、
材料処理ビームの焦点直径、
材料処理ビームの焦点位置、
材料処理ビームの、サンプル上の分布様式、
材料の送り速度、
冷却媒体の流量、
カバー/アシストガスの流量、
カバー/アシストガスの圧力、
カバー/アシストガスの混合、
アーク溶接の処理パラメータ（電圧、電流、およびワイヤの送り速度など）、ならびに
添加材の送り速度
のうちの少なくとも一つを含む、請求項50または51記載の方法。
【請求項７２】
深さ測定に基づいて材料改変処理の少なくとも一つの処理パラメータを制御する工程が、深さ測定が特定の深さを示したときに材料処理ビームをオフにするよう制御する段階を含む、請求項70記載の方法。
【請求項７３】
材料改変源ビームが特定の深さに貫入した時点、
材料の他の領域に対する、現在改変されている材料領域の接近、
貫入を受ける材料の残量、
改変された深さ全長、
到達された最終絶対深さ、
深さの変動、
深さの変化速度、および
表面下の境界面までの残存距離
のうちの少なくとも一つの表示を生成するために干渉計出力を解析する工程
をさらに含む、請求項50または51記載の方法。
【請求項７４】
干渉計出力に基づいて表面下レベルにおける少なくとも一つの変化を検知する工程
をさらに含む、請求項50記載の方法。
【請求項７５】
表面下レベルにおいて検知される少なくとも一つの変化が、温度変化、状態変化、流体の流れ、および圧力波のうちの少なくとも一つを含む、請求項74記載の方法。
【請求項７６】
フィードバックコントローラが、表面下レベルにおいて検知された変化に基づいて少なくとも一つの材料改変パラメータを制御する、請求項74または75記載の方法。
【請求項７７】
表面下レベルにおける変化が、スペックルパターンの変化を観察することによって検知される、請求項74記載の方法。
【請求項７８】
表示に基づいて、材料処理ビームをオフにするために材料処理ビーム源を制御する工程
をさらに含む、請求項73記載の方法。
【請求項７９】
表示に基づいて、材料処理ビームをオンにするために材料処理ビーム源を制御する工程
をさらに含む、請求項73記載の方法。
【請求項８０】
目標結果に関して事前に計算された合成インターフェログラムをメモリに保存する工程；
干渉計出力から測定インターフェログラムを生成する工程；および
事前に計算された合成インターフェログラムと共に該測定インターフェログラムを処理して、相関結果を生成する工程
をさらに含み、
材料改変処理の少なくとも一つの処理パラメータを制御する工程が、該相関結果に基づく、
請求項50または51記載の方法。
【請求項８１】
目標結果に関して事前に計算された合成インターフェログラムが、特定の深さから反射が戻ってきたときに予想される推定のものであり、かつ
相関結果を生成する工程が、第1のインターフェログラムと事前に計算されたインターフェログラムとを検出された要素ごとに乗算し、次に、合算する段階を含む、
請求項80記載の方法。
【請求項８２】
分光計のアラインメント、
分光計回折格子の角度非線形性、
分光計の撮像光学部品による画像の歪み、
波長から波数/周波数のリサンプリング、
検出器の作用領域の有限サイズ、
スペクトルの包絡線形状、
分散不一致、および
画像の品質を低下させる、インターフェログラムに含まれている別の非理想性
のうちの少なくとも一つを補償するように、事前に計算された合成インターフェログラムおよび第1のインターフェログラムの少なくとも一方を形成する工程
をさらに含む、請求項80記載の方法。
【請求項８３】
材料処理ビームによって改変された体積が特定の深さに達した時点を近似的に識別するために、相関結果を処理する工程
をさらに含む、請求項81記載の方法。
【請求項８４】
相関結果が閾値を満たしたときに、特定の深さに到達した時点を近似的に識別する工程
をさらに含む、請求項83記載の方法。
【請求項８５】
少なくとも一つの経路長が、サンプル位置にある第1の反射体に対するものであり、かつ別の経路長が、サンプル位置にある第2の反射体に対するものである、請求項50または51記載の方法。
【請求項８６】
少なくとも一つの経路長が、サンプル位置にあるそれぞれの反射体に対する少なくとも2つの経路長であり、かつ別の経路長が、参照アームに沿うものである、請求項50または51記載の方法。
【請求項８７】
事前に計算される合成インターフェログラムを合成する工程
をさらに含む、請求項80記載の方法。
【請求項８８】
目標結果に関して事前に計算された合成インターフェログラムをメモリに保存する工程；
干渉計出力を生成する工程；
該干渉計出力から測定インターフェログラムを検出する工程；
相関結果を生成するために、事前に計算された予想インターフェログラムと共に該測定インターフェログラムを処理する工程；および
結果が閾値を満たした時点を判定する工程
を含む、干渉計出力を生成および処理するための方法。
【請求項８９】
複数の目標結果のそれぞれに関して、それぞれの事前に計算された合成インターフェログラムをメモリに保存する；
それぞれの事前に計算された合成インターフェログラムと共に測定インターフェログラムを処理して、それぞれの相関結果を生成する；および
該それぞれの相関結果がそれぞれの閾値を満たした時点を判定する、
請求項88記載の方法。
【請求項９０】
事前に計算された合成インターフェログラムが、サンプル位置において材料改変ビームによって目標結果が達成されたときに予想される推定のものであるインターフェログラムであり、
測定インターフェログラムが、サンプル位置に関するものであり、かつ
相関結果を生成する工程が、該測定インターフェログラムと該事前に計算された合成インターフェログラムとを検出器要素ごとに乗算し、次に、合算する段階を含む、
請求項88記載の方法。
【請求項９１】
分光計のアラインメント、
分光計回折格子の角度非線形性、
分光計の撮像光学部品による画像の歪み、
波長から波数/周波数のリサンプリング、
検出器の作用領域の有限サイズ、
スペクトルの包絡線形状、
分散不一致、および
画像の品質を低下させる、インターフェログラムに含まれている別の非理想性
のうちの少なくとも一つを補償するように、事前に計算された合成インターフェログラムおよび測定インターフェログラムの少なくとも一方を形成する工程
をさらに含む、請求項88記載の方法。
【請求項９２】
目標結果が、特定の深さから反射が戻ってきたときに予想される推定のものである、請求項88記載の方法。
【請求項９３】
相関結果が閾値を満たしたときに、材料改変ビームをオフにするために材料改変ビーム源を制御する工程
をさらに含む、請求項88記載の方法。
【請求項９４】
相関結果が閾値を満たしたときに、材料改変処理の少なくとも一つの処理パラメータを制御する工程
をさらに含む、請求項88記載の方法。
【請求項９５】
少なくとも一つの処理パラメータが、
材料処理ビームのオン/オフ状態、
材料処理ビームの平均パワー、
材料処理ビームのパルス持続時間、
材料処理ビームのピーク強度、
材料処理ビームの密度、
材料処理ビームのエネルギー、
材料処理ビームの粒子の種類、
材料処理ビームの波長、
材料処理ビームのパルス繰り返し率、
材料処理ビームのパルスエネルギー、
材料処理ビームのパルス波形、
材料処理ビームの走査速度、
材料処理ビームの焦点直径、
材料処理ビームの焦点位置、
材料処理ビームの、サンプル上の分布様式、
材料の送り速度、
冷却媒体の流量、
カバー/アシストガスの流量、
カバー/アシストガスの圧力、
カバー/アシストガスの混合、
アーク溶接の処理パラメータ（電圧、電流、およびワイヤの送り速度など）、ならびに
添加材の送り速度
のうちの少なくとも一つを含む、請求項94記載の方法。
【請求項９６】
相関結果が閾値を満たしたときに、材料改変ビームをオンにするために材料改変ビーム源を制御する工程
をさらに含む、請求項88記載の方法。
【請求項９７】
事前に計算される合成インターフェログラムを合成する工程
をさらに含む、請求項88記載の方法。
【請求項９８】
溶接処理である材料改変処理の一部としてサンプル位置に材料処理ビームを適用する工程；
撮像光源を用いて撮像光を発生させる工程；
サンプルに供給される該撮像光の少なくとも一成分を用いて、該サンプルに対する少なくとも一つの光路長であって別の光路長と比較した該光路長に基づく干渉計出力を生成する工程；および
複数の時点の該干渉計出力に基づいて該材料改変処理の記録を作成する工程
を含む、材料改変処理の記録を作成する方法。
【請求項９９】
記録を保存する工程
をさらに含む、請求項98記載の方法。
【請求項１００】
材料処理ビームおよび撮像光が、サンプルに供給されるときに実質的に同軸上にある、請求項98または請求項99記載の方法。
【請求項１０１】
記録が、レーザ溶接の品質を含む、請求項98記載の方法。
【請求項１０２】
記録が、レーザ溶接の処理における溶融池（melt pool）の要素を含む、請求項98記載の方法。
【請求項１０３】
記録が、目前に迫った突破の表示を含む、請求項98記載の方法。
【請求項１０４】
サンプルの内部の材料境界面が、材料改変処理を制御するために識別および使用される、請求項98記載の方法。
【請求項１０５】
記録が、キーホールの安定性を含む、請求項98記載の方法。
【請求項１０６】
記録が、貫入深さを含む、請求項98記載の方法。
【請求項１０７】
材料処理ビームとしてレーザビームを採用する医療処理である材料改変処理の一部としてサンプル位置に材料処理ビームを適用する工程；
撮像光源を用いて撮像光を発生させる工程；
サンプルに供給される撮像光の少なくとも一成分を用いて、該サンプルに対する少なくとも一つの光路長であって別の光路長と比較した該光路長に基づく干渉計出力を生成する工程；および
複数の時点の該干渉計出力に基づいて該材料改変処理の記録を作成する工程
を含む、材料改変処理の記録を作成する方法。
【請求項１０８】
サンプルの関心対象の領域の下の光路長差ゼロ点（zero optical path length difference point）の位置を選択する工程の少なくとも一つをさらに含む、前記方法の請求項のいずれか一項記載の方法。
【請求項１０９】
光路長差ゼロ点が、測定されているサンプル内にくるように選択される、請求項108記載の方法。
【請求項１１０】
光路長差ゼロ点が、測定されているサンプルより下にくるように選択される、請求項108記載の方法。
【請求項１１１】
感度対深さ曲線を調整するトルボットバンド技術、
非線形時間ゲート、および
最後のデジタル化の前にアナログ干渉縞信号にアクセスし、次に、直接ハードウェア復調および/またはフィルタリングを用いて、信号がより弱い深さに対する感度を維持しながらも、高い反射率が予想される深さに対応する特定の干渉縞周波数を減衰させる工程
のうちの少なくとも一つをさらに含む、前記請求項のいずれか一項記載の方法。
【請求項１１２】
多数の処理位置にある多数のサンプルを処理するために、単一の処理ビーム源を使用する工程
をさらに含む、前記請求項のいずれか一項記載の方法。
【請求項１１３】
共通の参照経路および多数の処理位置に一致したサンプルアーム経路を使用する工程
を含む、請求項112記載の方法。
【請求項１１４】
それぞれの処理位置に関して、それぞれの参照アームを使用する工程
を含む、請求項112記載の方法。
【請求項１１５】
サンプルアームの経路長を動的に調節する工程；および
参照アームの経路長を動的に調節する工程
のうちの少なくとも一つをさらに含む、前記請求項のいずれか一項記載の方法。
【請求項１１６】
複数の参照アームを切り替える工程
をさらに含む、請求項1記載の方法。
【請求項１１７】
関心対象の点の位置を追跡するために、ICIシステムを使用する工程；および
該関心対象の点の位置に対して光路長差ゼロ点の位置を調節する工程
を含む方法、または前記請求項のいずれか一項記載の方法。
【請求項１１８】
a）ドリリング中の孔の底の追跡、
b）穿孔の速度の制御、
c）材料が穿孔された時点の観察、
d）レーザが材料を穿孔する時点の予想、
e）新しい孔の下の表面の損傷を回避するための、レーザ処理の調節、
f）レーザがオフにされた後に孔が再び埋められていないことの確認、
g）所定の深さに対するドリリング、切断、または溶接の制御、および
h）選択された材料境界面に対する選択された深さに対するドリリング、切断、または溶接の制御
のうちの少なくとも一つを実行するために、ICIシステムを使用する工程
をさらに含む、前記請求項のいずれか一項記載の方法。
【請求項１１９】
異なる軸方向高さもしくは撮像ビームの中心軸に対する異なる横方向のずれまたはこれらの任意の組合せである、サンプルの多数の反射特徴を含む、該サンプルの面積または体積を、撮像光源が照明するように、ICIシステムを構成する工程
をさらに含む、前記請求項のいずれか一項記載の方法。
【請求項１２０】
複数の時点の干渉計出力に基づくレーザ溶接の材料改変処理の記録が保存された、コンピュータ可読の記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、双方ともその全体が参照により本明細書に組み入れられる2010年9月25日に提出された米国特許仮出願第61/386,496号明細書、および、2011年1月21日に提出された米国特許仮出願第61/435,076号明細書の恩典を主張するものである。
【０００２】
分野
本願は、コヒーレント撮像に関し、レーザの使用などによる、材料の光学的な改変または測定に関する。
【背景技術】
【０００３】
発明の背景
レーザは、広範な材料を処理するための重要な道具として知られている。例示的な処理として、溶接、ドリリング、切断、ルーティング（routing）、穿孔、焼結、および表面処理が挙げられる。材料としては、金属、半導体、誘電体、高分子、ならびに生物の硬組織および軟組織を挙げることができる。ビームの焦点を合わせることによって、ビーム軸に対して横の方向におけるレーザの作用の精度を改善することが可能であり得る。しかしながら、ビームの軸方向におけるレーザの作用を局所化することが困難な場合がある。
【０００４】
多くのレーザ処理に共通しているのは、処理システムを誘導し、かつレーザの動作の前、間、および/または後の品質保証データを取得するための計測技術である。レーザ相互作用および実際上の制約の様々な局面が、標準的な技術を妨げている場合がある。このような局面のいくつかの例として、プラズマ発生/電気的干渉、高アスペクト比の孔、処理レーザによる眼障害（blinding）、高速移動する材料、予測不可能な幾何学的形状、材料の緩み、および処理レーザによる計測機器への潜在的な損害が挙げられる。
【０００５】
レーザの切断の深さの制御は、様々な顕微鏡下手術でのレーザの使用を可能にする主なものである。具体的には、非常に多くの脊髄手術が必要とされている（一部の病院では、神経外科の事例の3分の1）。現状の機械的な道具は、原始的であり、熟練した外科医の他に安全かつ効率的に使用することが困難である。レーザを使用することは、高い横方向制御、道具の摩耗がないこと、および非接触手術（感染管理）のゆえに、望ましい。レーザの使用には、柔軟な凝固制御および固有の無菌効果など、他の利点がある。しかしながら、軸方向制御に関しては、レーザは非常に劣っている（つまり、ビームは、軸方向に進み続ける）。このことは、穿孔点が、あまり正確に制御されない場合、ほぼ確実に、軟組織の周囲を意図せずに傷つけてしまうことを意味している。したがって、これまで、莫大な数の事例において、レーザの使用が除外されてきた。
【０００６】
現状のレーザシステムは、主に軟組織に対して使用されており、一定の材料が所定量の照射によって除去されるという想定に基づいている。しかしながら、この想定は、常に正しいものではなく、さらに言うと、どれくらいの組織を除去する必要があるのかについて事前には正確に分からない場合が多い。光学特性、機械特性、および熱特性の非常に異なる組織の境界面における正確な切断または切除は、神経外科、整形外科、耳鼻咽喉科、および腹腔鏡下手術の執刀医にとって特に関心事である。角膜のレーザ手術とは違って、これらの外科的特殊性は、主に、顕微鏡スケールにおいて組織特性が不均一であり、非透過性であり、光学的に混濁した組織のタイプに関係するものであり、この場合、詳細かつ正確な、事前の光-熱的特徴付けを行うことは不可能である。このような結果としての非確定的な組織の切断/切除処理は、上記の外科手術中にレーザを使用することの大きな妨げになっている。例えば、最近、複数の著者が、実際のレーザ骨切り術（骨を切断する外科手術）がレーザの深さ制御の欠如によって制限されていることを強調している。組織の正確な除去の潜在的な利益は、外科腫瘍学およびインプランテーションの様々な領域に重要な臨床的影響をもたらし得る。
【０００７】
工業用途において、レーザ処理には、機械的調節、または化学的処理の変更を行うことなく、様々な材料の洗浄、溶接、および/または加工を行うために単一レーザを使用することができるという利点がある。不均一なまたは多層のサンプルのレーザ切除が達成されてきたが、これらの処理は、莫大な量の展開を要し、また、適用性が限られ、かつ成果が様々である、一様なサンプル特性またはモデルに依存する。レーザによる溶接および洗浄の双方には、一般に、広範囲のマルチパラメータの最適化が必要とされる。利用可能なパラメータ空間（送り速度、パルスエネルギー、パルス持続時間、波長、アシストガス、スポットサイズ、および焦点位置を含む）内での処理対象（例えば、特徴のアスペクト比、熱影響域など）の特定の設定を達成するというこの問題は、材料の特性（例えば、溶融および切除の閾値ならびに高分子分子量）と組み合わされる。したがって、工業用途のレーザ処理の開発は、かなりの時間および財政投資を必要とし、また、信頼性を保証するために、良質な許容範囲の原材料を要する場合がある。溶接およびドリリングの、レーザ処理の監視および制御は、処理されている領域の近くの金属の温度、反射率、およびプラズマ温度を測定するために、センサを使用してきた。計測のこれらの形態では、レーザビームの貫入深さの正確な測定が行われない。
【０００８】
レーザ溶接は、大量の自動製造に特によく適した工業処理である。レーザ溶接の様々な適用においては、共通して、連結領域に局所化された相転移をもたらすために、レーザによる制御された加熱の処理が行われる。この相転移領域（PCR）を制御することは、溶接の幾何学的形状および品質ならびに溶接システムの生産性全体を制御するために重要である。レーザ光の高い空間コヒーレンスにより、溶接エネルギーの優れた横方向制御が可能である。軸方向制御（PCRの深さ）およびその後の熱拡散は、厚い材料において問題となる。これらの適用に際して、PCRの深さは、「キーホール溶接」として広く知られている技術を用いる場合、材料内の深くにまで及ぶ（例えば、50マイクロメートル以上の深さ）。この場合、ビーム強度は、光ビームが材料内に深く貫入することを可能にする小さな蒸散チャネル（「キャピラリ」または「キーホール」としても知られている）を開けるよう、表面を溶かすのに十分である。特定の適用に応じて、キーホールは、狭い（例えば、＜mm）が、数ミリメートルの深さがあり、また、キーホールには約105W程度の光パワーの適用が維持される。結果として、PCR内の光と物質との相互作用領域は、乱れており、不安定であり、また、極めて確率論的である。残念ながら、キーホール形成の不安定性は、最悪の結果を招く可能性のある、溶接の失敗をもたらす内部ボイドおよび高い溶接気孔率につながる場合がある。通常、溶接の品質検証が必要とされ、多くの場合、費用の掛かる、エクスサイチューの破壊試験が利用される。溶接を撮像する解決策が提案されているが、その性能は限られている。また、この解決策は、溶接連結部を追跡するため、または、冷却された溶接連結部の上面を記録するために、通常、PCRの前または後のいずれかの領域を監視する。
【発明の概要】
【０００９】
概要
本発明の一局面によれば、材料改変処理の際にサンプル位置に適用される材料処理ビームを生成する材料処理ビーム源と、撮像光を生成する撮像光源と、サンプルに供給される撮像光の少なくとも一成分を用いて、サンプルに対する少なくとも一つの光路長であって別の光路長と比較した該光路長に基づく干渉計出力を生成する光学干渉計と、干渉計出力に基づいて材料改変処理の少なくとも一つの処理パラメータを制御するフィードバックコントローラとを備える機器が提供される。
【００１０】
本発明の別の局面によれば、光アクセスポートを有し材料改変処理を実施する材料処理システムと共に使用するための、フィードバック制御機器であって、撮像光を生成する撮像光源と、材料処理システムの光アクセスポートに撮像光の第1の成分を出力し、かつ戻ってくる撮像光の反射成分を受光する入出力ポートと、第1の成分および反射成分が通る経路長であって撮像光の別の成分が通る経路長と比較した該経路長に基づく干渉計出力を生成するために、反射成分および撮像光の別の成分を組み合わせる光コンバイナと、干渉計出力に基づいて材料改変処理の少なくとも一つの処理パラメータに影響を与える少なくとも一つの信号を発生させるフィードバックコントローラとを備える機器が、提供される。
【００１１】
態様によっては、のちに参照経路の経路長と比較したサンプル経路の経路長に基づく干渉計出力が、最初、参照経路に沿って反射した光だけを実質的に含むか否かを判定するようにフィードバックコントローラがさらに構成される。
【００１２】
態様によっては、フィードバックコントローラは、干渉計出力が、参照経路に沿って反射した光だけを実質的に含むものから、参照経路の経路長と比較したサンプル経路の経路長に基づくものへと移行した時点、または移行したのか否かを判定し、また、フィードバックコントローラは、移行を考慮した干渉計出力に基づいて、材料改変処理の少なくとも一つの処理パラメータに影響を与える少なくとも一つの信号を発生させる。
【００１３】
態様によっては、フィードバックコントローラは、処理されている材料に関する干渉計出力の変化を識別するために、干渉計出力の多数の事例を処理し、この場合、フィードバック制御は、このような変化の関数である。
【００１４】
態様によっては、フィードバックコントローラは、干渉計出力の変化に基づいて、改変/サンプル運動「速度」または別の変化率の表示を提供する。
【００１５】
態様によっては、フィードバックプロセッサは、干渉計出力に基づいて材料の光学指数の表示をさらに作成する。
【００１６】
態様によっては、本機器は、コンピュータ可読媒体と、複数の時点の干渉計出力に基づいて材料改変処理の記録を作成し、かつコンピュータ可読媒体に記録を保存する記録ジェネレータとをさらに備える。
【００１７】
態様によっては、フィードバックコントローラは、材料改変処理の少なくとも一つの処理パラメータを該処理中に制御するリアルタイムコントローラである。
【００１８】
態様によっては、材料改変処理ビーム源は、固体レーザ、ファイバレーザ、またはガスレーザである。
【００１９】
態様によっては、材料処理ビーム源は、イオンビームおよび電子ビームの少なくとも一方である。
【００２０】
態様によっては、干渉計は、コンバイナと；前記別の光路長を有する参照アームであって、該参照アームの入力に撮像光の第1の成分が適用されて該参照アームの出力信号が得られる、参照アームと；前記少なくとも一つの光路長を有するサンプルアームであって、該サンプルアームに撮像光の第2の成分が適用されて該サンプルアームの出力信号が得られ、該サンプルアームの出力信号の少なくとも一成分が、サンプル位置からの、撮像光の成分の反射を含む、サンプルアームとを備え、この場合、コンバイナは、前記干渉計出力として組合せ信号を生成するために、参照アームの出力信号とサンプルアームの出力信号とを組み合わせ、本機器は、干渉計出力から第1のインターフェログラムを生成するように構成された信号検出器をさらに備える。
【００２１】
態様によっては、本機器は、サンプルアームと参照アームとのそれぞれの組合せに関してそれぞれのインターフェログラムが作成される多数のサンプルアーム；サンプルアームと参照アームとのそれぞれの組合せに関してそれぞれのインターフェログラムが作成される多数の参照アーム；サンプルアームと参照アームとのそれぞれの組合せに関してそれぞれのインターフェログラムが作成される多数の参照アームおよび多数のサンプルアーム；のうちの少なくとも一つを備える。
【００２２】
態様によっては、干渉計は、少なくとも一つのスプリッタおよび/または光サーキュレータと、スプリッタおよび/または光サーキュレータの後続の、前記少なくとも一つの光路長および前記別の光路長を有する少なくとも一つのサンプルアームとを備え、該サンプルアームに画像信号が適用されて該サンプルアームの出力信号が得られ、該サンプルアームの該出力信号の少なくとも一成分は、該サンプルアームおよび/または処理されている材料の少なくとも2つの位置からの、画像信号の成分の反射を含み、この場合、スプリッタおよび/または光サーキュレータは、サンプルアームからの出力信号を受信して、該出力信号を検出器に向かわせ、本機器は、干渉計出力からインターフェログラムを生成するように構成された信号検出器をさらに備える。
【００２３】
態様によっては、本機器は、どれくらい深く材料処理ビームがサンプル位置において貫入したかを示す深さ測定を行うために、干渉計出力に基づいて解析を実行するインターフェログラムプロセッサをさらに備える。
【００２４】
態様によっては、フィードバックコントローラは、干渉計出力に基づいて解析を実行し、切断レーザに最も近い境界面に対して深さ切断を制御するフィードバック制御を作成する。
【００２５】
態様によっては、フィードバックコントローラは、干渉計出力に基づいて解析を実行し、現在の切断の深さよりも深い境界面に対して深さ切断を制御するフィードバック制御を作成する。
【００２６】
態様によっては、フィードバックコントローラは、深さ測定に基づいて材料改変処理の少なくとも一つの処理パラメータを制御する。
【００２７】
態様によっては、フィードバックコントローラによって制御される、材料改変処理の少なくとも一つの処理パラメータは、材料処理ビームのオン/オフ状態、材料処理ビームの平均パワー、材料処理ビームのパルス持続時間、材料処理ビームのピーク強度、材料処理ビームの密度、材料処理ビームのエネルギー、材料処理ビームの粒子の種類、材料処理ビームの波長、材料処理ビームのパルス繰り返し率、材料処理ビームのパルスエネルギー、材料処理ビームのパルス波形、材料処理ビームの走査速度、材料処理ビームの焦点直径、材料処理ビームの焦点位置、材料処理ビームの、サンプル上の分布様式、材料の送り速度、冷却媒体の流量、カバー/アシストガスの流量、カバー/アシストガスの圧力、カバー/アシストガスの混合、アーク溶接の処理パラメータ（電圧、電流、およびワイヤの送り速度など）、ならびに添加材の送り速度のうちの少なくとも一つを含む。
【００２８】
態様によっては、フィードバックコントローラは、深さ測定が特定の深さを示したときに材料処理ビームをオフにするよう制御することによって、深さ測定に基づいて材料改変処理の少なくとも一つの処理パラメータを制御する。
【００２９】
態様によっては、本機器は、材料改変源ビームが特定の深さまで貫入した時点、材料の他の領域に対する現在改変されている材料領域の接近、貫入を受ける材料の残量、改変された深さ全長、到達された最終絶対深さ、深さの変動、深さの変化速度、および表面下の境界面までの残存距離の少なくとも一つの表示を生成するために、干渉計出力に基づいて解析を実行するインターフェログラムプロセッサをさらに備える。
【００３０】
態様によっては、本機器は、干渉計出力に基づいて表面下レベルにおける少なくとも一つの変化を検知するようにさらに構成される。
【００３１】
態様によっては、表面下レベルにおいて検知される少なくとも一つの変化は、温度変化、状態変化、流体の流れ、および圧力波のうちの少なくとも一つを含む。
【００３２】
態様によっては、フィードバックコントローラは、表面下レベルにおいて検知された変化に基づいて少なくとも一つの材料改変パラメータを制御する。
【００３３】
態様によっては、表面下レベルにおける変化は、スペックルパターンの変化を観察することによって検知される。
【００３４】
態様によっては、フィードバックコントローラは、インターフェログラムプロセッサからの表示に基づいて、材料処理ビームをオフにするために材料処理ビーム源を制御する。
【００３５】
態様によっては、フィードバックコントローラは、インターフェログラムプロセッサからの表示に基づいて、材料処理ビームをオンにするために材料処理ビーム源を制御する。
【００３６】
態様によっては、本機器は、目標結果に関して事前に計算された合成インターフェログラムを保存するためのメモリと、干渉計出力から測定インターフェログラムを生成する信号検出器と、相関結果を生成するために、事前に計算された合成インターフェログラムと共に測定インターフェログラムを処理するインターフェログラムプロセッサとを備え、
この場合、フィードバックコントローラは、相関結果に基づいて材料改変処理の少なくとも一つの処理パラメータを制御する。
【００３７】
態様によっては、目標結果に関して事前に計算された合成インターフェログラムは、特定の深さから反射が戻ってきたときに予想される推定のものであり、また、インターフェログラムプロセッサは、測定インターフェログラムと事前に計算されたインターフェログラムとを検出された要素ごとに乗算し、次に、合算することによって、相関結果を生成する。
【００３８】
態様によっては、事前に計算された合成インターフェログラムおよび測定インターフェログラムの少なくとも一方が、分光計のアラインメント、分光計回折格子の角度非線形性（spectrometer grating angle nonlinearity）、分光計の撮像光学部品による画像の歪み、波長から波数/周波数のリサンプリング、検出器の作用領域の有限サイズ、スペクトルの包絡線形状、分散不一致、および画像の品質を低下させる、インターフェログラムに含まれている別の非理想性のうちの少なくとも一つを補償するように形成される。
【００３９】
態様によっては、本機器は、材料処理ビームによって改変された体積が特定の深さに到達した時点を近似的に識別するために、相関結果を処理するようにさらに構成される。
【００４０】
態様によっては、本機器は、相関結果が閾値を満たした時点から、特定の深さに到達した時点を近似的に識別するようにさらに構成される。
【００４１】
態様によっては、少なくとも一つの経路長は、サンプル位置にある第1の反射体に対するものであり、別の経路長は、サンプル位置にある第2の反射体に対するものである。
【００４２】
態様によっては、少なくとも一つの経路長は、サンプル位置にあるそれぞれの反射体に対する少なくとも2つの経路長であり、別の経路長は、参照アームに沿うものである。
【００４３】
態様によっては、本機器は、事前に計算される合成インターフェログラムを合成するインターフェログラムシンセサイザをさらに備える。
【００４４】
本発明のさらに別の局面によれば、干渉計出力を生成および処理するための機器であって、目標結果に関して事前に計算された合成インターフェログラムを保存するメモリと、干渉計出力を生成するための干渉計と、干渉計出力から測定インターフェログラムを生成する信号検出器と、相関結果を生成するために、事前に計算された予想インターフェログラムと共に測定インターフェログラムを処理するインターフェログラムプロセッサと、結果が閾値を満たした時点を判定するように構成されたスレショルダ（thresholder）とを備える機器が、提供される。
【００４５】
態様によっては、複数の目標結果のそれぞれに関して、メモリは、それぞれの事前に計算された合成インターフェログラムを保存し、インターフェログラムプロセッサは、それぞれの相関結果を生成するために、それぞれの事前に計算された合成インターフェログラムと共に測定インターフェログラムを処理し、スレショルダは、それぞれの相関結果がそれぞれの閾値を満たした時点を判定する。
【００４６】
態様によっては、事前に計算された合成インターフェログラムは、サンプル位置において材料改変ビームによって目標結果が達成されたときに予想される推定のものであるインターフェログラムであり、測定インターフェログラムは、サンプル位置に関するものであり、インターフェログラムプロセッサは、測定インターフェログラムと事前に計算された合成インターフェログラムとを検出器要素ごとに乗算し、次に、合算することによって、相関結果を生成する。
【００４７】
態様によっては、事前に計算された合成インターフェログラムおよび測定インターフェログラムの少なくとも一方は、分光計のアラインメント、分光計回折格子の角度非線形性、分光計の撮像光学部品による画像の歪み、波長から波数/周波数のリサンプリング、検出器の作用領域の有限サイズ、スペクトルの包絡線形状、分散不一致、および画像の品質を低下させる、インターフェログラムに含まれている別の非理想性のうちの少なくとも一つを補償するように形成される。
【００４８】
態様によっては、目標結果は、特定の深さから反射が戻ってきたときに予想される推定のものである。
【００４９】
態様によっては、本機器は、相関結果が閾値を満たしたときに、材料改変ビームをオフにするために材料改変ビーム源を制御するフィードバックコントローラをさらに備える。
【００５０】
態様によっては、本機器は、相関結果が閾値を満たしたときに材料改変処理の少なくとも一つの処理パラメータを制御するフィードバックコントローラをさらに備える。
【００５１】
態様によっては、少なくとも一つの処理パラメータは、材料処理ビームのオン/オフ状態、材料処理ビームの平均パワー、材料処理ビームのパルス持続時間、材料処理ビームのピーク強度、材料処理ビームの密度、材料処理ビームのエネルギー、材料処理ビームの粒子の種類、材料処理ビームの波長、材料処理ビームのパルス繰り返し率、材料処理ビームのパルスエネルギー、材料処理ビームのパルス波形、材料処理ビームの走査速度、材料処理ビームの焦点直径、材料処理ビームの焦点位置、材料処理ビームの、サンプル上の分布様式、材料の送り速度、冷却媒体の流量、カバー/アシストガスの流量、カバー/アシストガスの圧力、カバー/アシストガスの混合、アーク溶接の処理パラメータ（電圧、電流、およびワイヤの送り速度など）、ならびに添加材の送り速度のうちの少なくとも一つを含む。
【００５２】
態様によっては、本機器は、相関結果が閾値を満たしたときに、材料改変ビームをオンにするために材料改変ビーム源を制御するフィードバックコントローラをさらに備える。
【００５３】
態様によっては、本機器は、事前に計算される合成インターフェログラムを合成するインターフェログラムシンセサイザをさらに備える。
【００５４】
本発明のさらに別の局面によれば、材料改変処理の記録を作成する機器であって、溶接処理である材料改変処理の際にサンプル位置に適用される材料処理ビームを生成する材料処理ビーム源と、撮像光を生成する撮像光源と、サンプルに供給される撮像光の少なくとも一成分を用いて、サンプルに対する少なくとも一つの光路長であって別の光路長と比較した該光路長に基づく干渉計出力を生成する光学干渉計と、複数の時点の干渉計出力に基づいて材料改変処理の記録を作成する記録ジェネレータとを備える機器が提供される。
【００５５】
態様によっては、本機器は、コンピュータ可読の記憶媒体をさらに備え、この場合、記録ジェネレータは、コンピュータ可読の記憶媒体に記録を保存する。
【００５６】
態様によっては、本機器は、材料処理ビームおよび撮像光を、サンプルに供給するときに実質的に同軸上に生成するように構成される。
【００５７】
本発明のさらなる局面によれば、材料改変処理の記録を作成する機器であって、材料処理ビームとしてレーザビームを採用する医療処理である材料改変処理の際にサンプル位置に適用される材料処理ビームを生成する材料処理ビーム源と、撮像光を生成する撮像光源と、サンプルに供給される撮像光の少なくとも一成分を用いて、サンプルに対する少なくとも一つの光路長であって別の光路長と比較した該光路長に基づく干渉計出力を生成する光学干渉計と、複数の時点の干渉計出力に基づいて材料改変処理の記録を作成する記録ジェネレータとを備える機器が提供される。
【００５８】
本発明のさらなる局面によれば、材料改変処理の少なくとも一つの処理パラメータを制御するための方法であって、撮像光源を用いて撮像光を発生させること、サンプルに供給される撮像光の少なくとも一成分を用いて、サンプルに対する少なくとも一つの光路長であって別の光路長と比較した該光路長に基づく干渉計出力を生成すること、および干渉計出力に基づいて材料改変処理の少なくとも一つの処理パラメータを自動的に制御することを含む方法が提供される。
【００５９】
態様によっては、本方法は、材料改変処理の際にサンプル位置に材料処理ビームを適用することをさらに含む。
【００６０】
態様によっては、材料改変ビームは、ドリリングレーザであり、また、自動的に制御することは、穿孔が検出された直後に、または、穿孔が検出された後の選択された超過ドリリング期間（overdrilling period）の後に、ドリリングレーザが制御されて停止するように、材料改変ビームによる穿孔を制御することを含む。
【００６１】
態様によっては、材料処理ビームを適用することは、ガスタービンに冷却孔を製作することを含む。
【００６２】
態様によっては、本方法は、のちに参照経路の経路長と比較したサンプル経路の経路長に基づく干渉計出力が、最初、参照経路に沿って反射した光だけを実質的に含むか否かを判定することをさらに含む。
【００６３】
態様によっては、干渉計出力が参照経路に沿って反射した光だけを実質的に含むものから、参照経路の経路長と比較したサンプル経路の経路長に基づくものへと移行した時点、または移行したのか否かを判定する、および、移行を考慮した干渉計出力に基づいて、材料改変処理の少なくとも一つの処理パラメータに影響を与えるフィードバックを作成する。
【００６４】
態様によっては、本方法は、処理されている材料に関する干渉計出力の変化を識別するために、干渉計出力の多数の事例を処理することを含み、この場合、フィードバック制御は、このような変化の関数である。
【００６５】
態様によっては、本方法は、干渉計出力の変化に基づいて、改変/サンプル運動「速度」または別の変化率の表示を作成することをさらに含む。
【００６６】
態様によっては、本方法は、干渉計出力に基づいて材料の光学指数の表示を作成することをさらに含む。
【００６７】
態様によっては、本方法は、複数の時点の干渉計出力に基づいて材料改変処理の記録を作成すること、および、該記録を保存することをさらに含む。
【００６８】
態様によっては、干渉計出力に基づいて材料改変処理の少なくとも一つの処理パラメータを自動的に制御することは、材料改変処理の少なくとも一つの処理パラメータを該処理中にリアルタイムで制御することを含む。
【００６９】
態様によっては、材料改変処理ビームは、レーザビームである。
【００７０】
態様によっては、材料改変処理の際にサンプル位置に材料処理ビームを適用することは、金属、半導体、誘電体、生物硬組織、生物軟組織、高分子、プラスチック、木、複合物のうちの少なくとも一つに材料処理ビームを適用することを含む。
【００７１】
態様によっては、材料処理ビームは、イオンビームおよび電子ビームの少なくとも一方である。
【００７２】
態様によっては、干渉計出力を生成することは、前記別の光路長を有する参照アームの入力に撮像光の第1の成分を適用して参照アームの出力信号を得ることを含み；前記少なくとも一つの光路長を有するサンプルアームに撮像光の第2の成分を適用してサンプルアームの出力信号を得ることを含み、ここで、サンプルアームの出力信号の少なくとも一成分は、サンプル位置からの、撮像光の成分の反射を含み；前記干渉計出力として組合せ信号を生成するために、参照アームの出力信号とサンプルアームの出力信号とを組み合わせることを含み；本方法は、干渉計出力から測定インターフェログラムを生成するために信号検出を実行することをさらに含む。
【００７３】
態様によっては、本方法は、多数のサンプルアームが存在する場合に、サンプルアームと参照アームとの複数の組合せのそれぞれに関してそれぞれのインターフェログラムを作成すること、多数の参照アームが存在する場合に、サンプルアームと参照アームとの複数の組合せのそれぞれに関してそれぞれのインターフェログラムを作成すること、ならびに、多数の参照アームおよび多数のサンプルアームが存在する場合に、サンプルアームと参照アームとの複数の組合せのそれぞれに関してそれぞれのインターフェログラムを作成することのうちの少なくとも一つを含む。
【００７４】
態様によっては、干渉計出力を作成することは、スプリッタおよび/または光サーキュレータにおいて、前記少なくとも一つの光路長と前記別の光路長とを有するサンプルアームに撮像光の少なくとも一成分を適用してサンプルアームの出力信号を得ることを含み、ここで、サンプルアームの出力信号の少なくとも一成分は、サンプルアームおよび/または処理されている材料の少なくとも2つの位置からの、画像信号の成分の反射を含み；スプリッタおよび/または光サーキュレータにおいて、サンプルアームからの出力信号を受信して、該出力信号を検出器に向かわせることを含み；かつ干渉計出力から測定インターフェログラムを生成するために信号検出を実行することを含む。
【００７５】
態様によっては、本方法は、どれくらい深く材料処理ビームがサンプル位置において貫入したかを示す深さ測定を行うために、干渉計出力を解析することをさらに含む。
【００７６】
態様によっては、本方法は、干渉計出力に基づいて解析を実行すること、および、切断レーザに最も近い境界面に対して深さ切断を制御するフィードバック制御を作成することをさらに含む。
【００７７】
態様によっては、本方法は、干渉計出力に基づいて解析を実行すること、および、現在の切断の深さよりも深い境界面に対して深さ切断を制御するフィードバック制御を作成することをさらに含む。
【００７８】
態様によっては、材料改変処理の少なくとも一つの処理パラメータを制御することは、深さ測定に基づく。
【００７９】
態様によっては、制御される、材料改変処理の少なくとも一つの処理パラメータは、材料処理ビームのオン/オフ状態、材料処理ビームの平均パワー、材料処理ビームのパルス持続時間、材料処理ビームのピーク強度、材料処理ビームの密度、材料処理ビームのエネルギー、材料処理ビームの粒子の種類、材料処理ビームの波長、材料処理ビームのパルス繰り返し率、材料処理ビームのパルスエネルギー、材料処理ビームのパルス波形、材料処理ビームの走査速度、材料処理ビームの焦点直径、材料処理ビームの焦点位置、材料処理ビームの、サンプル上の分布様式、材料の送り速度、冷却媒体の流量、カバー/アシストガスの流量、カバー/アシストガスの圧力、カバー/アシストガスの混合、アーク溶接の処理パラメータ（電圧、電流、およびワイヤの送り速度など）、ならびに添加材の送り速度のうちの少なくとも一つを含む。
【００８０】
態様によっては、深さ測定に基づいて材料改変処理の少なくとも一つの処理パラメータを制御することは、深さ測定が特定の深さを示したときに材料処理ビームをオフにするよう制御することを含む。
【００８１】
態様によっては、本方法は、材料改変源ビームが特定の深さまで貫入した時点、材料の他の領域に対する現在改変されている材料領域の接近、貫入を受ける材料の残量、改変された深さ全長、到達された最終絶対深さ、深さの変動、深さの変化速度、および表面下の境界面までの残存距離のうちの少なくとも一つの表示を生成するために、干渉計出力を解析することをさらに含む。
【００８２】
態様によっては、本方法は、干渉計出力に基づいて表面下レベルにおける少なくとも一つの変化を検知することをさらに含む。
【００８３】
態様によっては、表面下レベルにおいて検知される少なくとも一つの変化は、温度変化、状態変化、流体の流れ、および圧力波のうちの少なくとも一つを含む。
【００８４】
態様によっては、フィードバックコントローラは、表面下レベルにおいて検知された変化に基づいて少なくとも一つの材料改変パラメータを制御する。
【００８５】
態様によっては、表面下レベルにおける変化は、スペックルパターンの変化を観察することによって検知される。
【００８６】
態様によっては、本方法は、表示に基づいて、材料処理ビームをオフにするために材料処理ビーム源を制御することをさらに含む。
【００８７】
態様によっては、本方法は、表示に基づいて、材料処理ビームをオンにするために材料処理ビーム源を制御することをさらに含む。
【００８８】
態様によっては、本方法は、目標結果に関して事前に計算された合成インターフェログラムをメモリに保存すること、干渉計出力から測定インターフェログラムを生成すること、相関結果を生成するために、事前に計算された合成インターフェログラムと共に測定インターフェログラムを処理することをさらに含み、この場合、材料改変処理の少なくとも一つの処理パラメータを制御することは、相関結果に基づく。
【００８９】
態様によっては、目標結果に関して事前に計算された合成インターフェログラムは、特定の深さから反射が戻ってきたときに予想される推定のものであり、相関結果を生成することは、第1のインターフェログラムと事前に計算されたインターフェログラムとを検出された要素ごとに乗算し、次に、合算することを含む。
【００９０】
態様によっては、本方法は、分光計のアラインメント、分光計回折格子の角度非線形性、分光計の撮像光学部品による画像の歪み、波長から波数/周波数のリサンプリング、検出器の作用領域の有限サイズ、スペクトルの包絡線形状、分散不一致、および  画像の品質を低下させる、インターフェログラムに含まれている別の非理想性のうちの少なくとも一つを補償するように、事前に計算された合成インターフェログラムおよび第1のインターフェログラムの少なくとも一方を形成することをさらに含む。
【００９１】
態様によっては、本方法は、材料処理ビームによって改変された体積が特定の深さに到達した時点を近似的に識別するために、相関結果を処理することをさらに含む。
【００９２】
態様によっては、本方法は、相関結果が閾値を満たしたときに、特定の深さに到達した時点を近似的に識別することをさらに含む。
【００９３】
態様によっては、少なくとも一つの経路長は、サンプル位置にある第1の反射体に対するものであり、別の経路長は、サンプル位置にある第2の反射体に対するものである。
【００９４】
態様によっては、少なくとも一つの経路長は、サンプル位置にあるそれぞれの反射体に対する少なくとも2つの経路長であり、別の経路長は、参照アームに沿うものである。
【００９５】
態様によっては、本方法は、事前に計算される合成インターフェログラムを合成することをさらに含む。
【００９６】
本発明のさらなる局面によれば、干渉計出力を生成および処理するための方法であって、目標結果に関して事前に計算された合成インターフェログラムをメモリに保存すること、干渉計出力を生成すること、干渉計出力から測定インターフェログラムを検出すること、相関結果を生成するために、事前に計算された予想インターフェログラムと共に測定インターフェログラムを処理すること、および、結果が閾値を満たした時点を判定することを含む方法が提供される。
【００９７】
態様によっては、複数の目標結果のそれぞれに関して、それぞれの事前に計算された合成インターフェログラムをメモリに保存する、それぞれの相関結果を生成するために、それぞれの事前に計算された合成インターフェログラムと共に測定インターフェログラムを処理する、および、それぞれの相関結果がそれぞれの閾値を満たした時点を判定する。
【００９８】
態様によっては、事前に計算された合成インターフェログラムは、サンプル位置において材料改変ビームによって目標結果が達成されたときに予想される推定のものであるインターフェログラムであり、測定インターフェログラムは、サンプル位置に関するものであり、相関結果を生成することは、測定インターフェログラムと事前に計算された合成インターフェログラムとを検出器要素ごとに乗算し、次に、合算することを含む。
【００９９】
態様によっては、本方法は、分光計のアラインメント、分光計回折格子の角度非線形性、分光計の撮像光学部品による画像の歪み、波長から波数/周波数のリサンプリング、検出器の作用領域の有限サイズ、スペクトルの包絡線形状、分散不一致、および画像の品質を低下させる、インターフェログラムに含まれている別の非理想性のうちの少なくとも一つを補償するように、事前に計算された合成インターフェログラムおよび測定インターフェログラムの少なくとも一方を形成することをさらに含む。
【０１００】
態様によっては、目標結果は、特定の深さから反射が戻ってきたときに予想される推定のものである。
【０１０１】
態様によっては、本方法は、相関結果が閾値を満たしたときに、材料改変ビームをオフにするために材料改変ビーム源を制御することをさらに含む。
【０１０２】
態様によっては、本方法は、相関結果が閾値を満たしたときに材料改変処理の少なくとも一つの処理パラメータを制御することをさらに含む。
【０１０３】
態様によっては、少なくとも一つの処理パラメータは、材料処理ビームのオン/オフ状態、材料処理ビームの平均パワー、材料処理ビームのパルス持続時間、材料処理ビームのピーク強度、材料処理ビームの密度、材料処理ビームのエネルギー、材料処理ビームの粒子の種類、材料処理ビームの波長、材料処理ビームのパルス繰り返し率、材料処理ビームのパルスエネルギー、材料処理ビームのパルス波形、材料処理ビームの走査速度、材料処理ビームの焦点直径、材料処理ビームの焦点位置、材料処理ビームの、サンプル上の分布様式、材料の送り速度、冷却媒体の流量、カバー/アシストガスの流量、カバー/アシストガスの圧力、カバー/アシストガスの混合、アーク溶接の処理パラメータ（電圧、電流、およびワイヤの送り速度など）、ならびに添加材の送り速度のうちの少なくとも一つを含む。
【０１０４】
態様によっては、本方法は、相関結果が閾値を満たしたときに、材料改変ビームをオンにするために材料改変ビーム源を制御することをさらに含む。
【０１０５】
態様によっては、本方法は、事前に計算される合成インターフェログラムを合成することをさらに含む。
【０１０６】
本発明の別の局面によれば、材料改変処理の記録を作成する方法であって、溶接処理である材料改変処理の一部としてサンプル位置に材料処理ビームを適用すること、撮像光源を用いて撮像光を発生させること、サンプルに供給される撮像光の少なくとも一成分を用いて、サンプルに対する少なくとも一つの光路長であって別の光路長と比較した該光路長に基づく干渉計出力を生成すること、および、複数の時点の干渉計出力に基づいて材料改変処理の記録を作成することを含む方法が提供される。
【０１０７】
態様によっては、本方法は、記録を保存することをさらに含む。
【０１０８】
態様によっては、材料処理ビームおよび撮像光は、サンプルに供給されるとき、実質的に同軸上にある。
【０１０９】
態様によっては、記録は、レーザ溶接の品質を含む。
【０１１０】
態様によっては、記録は、レーザ溶接の処理における溶融池（melt pool）の要素を含む。
【０１１１】
態様によっては、記録は、目前に迫った突破の表示を含む。
【０１１２】
態様によっては、サンプルの内部の材料境界面は、材料改変処理を制御するために識別および使用される。
【０１１３】
態様によっては、記録は、キーホールの安定性を含む。
【０１１４】
態様によっては、記録は、貫入深さを含む。
【０１１５】
本発明の別の局面によれば、材料改変処理の記録を作成する方法であって、材料処理ビームとしてレーザビームを採用する医療処理である材料改変処理の一部としてサンプル位置に材料処理ビームを適用すること、撮像光源を用いて撮像光を発生させること、サンプルに供給される撮像光の少なくとも一成分を用いて、サンプルに対する少なくとも一つの光路長であって別の光路長と比較した該光路長に基づく干渉計出力を生成すること、および、複数の時点の干渉計出力に基づいて材料改変処理の記録を作成することを含む方法が提供される。
【０１１６】
態様によっては、本方法は、サンプルの関心対象の領域の下の光路長差ゼロ点（zero optical path length difference point）の位置を選択することの少なくとも一つをさらに含む。
【０１１７】
態様によっては、光路長差ゼロ点は、測定されるサンプル内にくるように選択される。
【０１１８】
態様によっては、光路長差ゼロ点は、測定されるサンプルの下にくるように選択される。
【０１１９】
態様によっては、本方法は、感度対深さ曲線を調整するトルボットバンド技術；非線形時間ゲート；ならびに最後のデジタル化の前にアナログ干渉縞信号にアクセスし、次に、直接ハードウェア復調および/またはフィルタリングを用いて、信号がより弱い深さに対する感度を維持しながらも、高い反射率が予想される深さに対応する特定の干渉縞周波数を減衰させること；のうちの少なくとも一つをさらに含む。
【０１２０】
態様によっては、本方法は、多数の処理位置にある多数のサンプルを処理するために、単一の処理ビーム源を使用することをさらに含む。
【０１２１】
態様によっては、本方法は、共通の参照経路および多数の処理位置に一致したサンプルアーム経路を使用することを含む。
【０１２２】
態様によっては、本方法は、それぞれの処理位置に関して、それぞれの参照アームを使用することを含む。
【０１２３】
態様によっては、本方法は、サンプルアームの経路長を動的に調節すること、参照アームの経路長を動的に調節することのうちの少なくとも一つをさらに含む。
【０１２４】
態様によっては、本方法は、複数の参照アームを切り替えることをさらに含む。
【０１２５】
態様によっては、方法は、関心対象の点の位置を追跡するためにICIシステムを使用すること、関心対象の点の位置に対して光路長差ゼロ点の位置を（例えば、適応的に）調節することを含む。
【０１２６】
態様によっては、本方法は、
a）ドリリング中の孔の底の追跡、
b）穿孔の速度の制御、
c）材料が穿孔された時点の観察、
d）レーザが材料を穿孔する時点の予想、
e）新しい孔の下の表面への損傷の回避のための、レーザ処理の調節、
f）レーザがオフにされた後に孔が再充填されていないことの確認、
g）所定の深さに対するドリリング、切断、または溶接の制御、および
h）選択された材料境界面に対する選択された深さへのドリリング、切断、または溶接の制御
のうちの少なくとも一つを実行するために、ICIシステムを使用することをさらに含む。
【０１２７】
態様によっては、本方法は、異なる軸方向高さもしくは撮像ビームの中心軸に対する異なる横方向のずれまたはこれらの任意の組合せである、サンプルの多数の反射特徴を含む、該サンプルの面積または体積を、撮像光源が照明するように、ICIシステムを構成することをさらに含む。
【０１２８】
本発明のさらに別の局面によれば、複数の時点の干渉計出力に基づく、レーザ溶接の材料改変処理の記録が保存された、コンピュータ可読の記憶媒体が提供される。
【０１２９】
以上、インラインコヒーレント画像観察および/また制御手法について、要約してきたが、以下では、これについて詳細に述べる。
【０１３０】
より一般的には、記載されている複数のインラインコヒーレント画像観察および/または制御手法の任意の一つ、または、これらの2つ以上の任意の組合せは、
ハイブリッドレーザアーク溶接を含む溶接、
ろう付け、
ディンプリング（dimpling）、穴あけ（pitting）、粗化、平滑化を含む表面テクスチャリング、
光重合、金属沈殿を含むレーザ誘起化学処理、
選択アニーリングを含むアニーリング、
焼き戻し、
硬化および熱処理、
焼結、
レーザ培養（Laser incubation）、
溝掘り（Trench cutting）、
トレパンドリリング（Trepan drilling）（これは、レーザが、丸くきれいな孔をドリリングするために、迅速に円周部に向けられる場合である）、
硬組織または金属高分子、セラミックのレーザ穿孔における片面突破検出、
合成器官（synthetic organ）およびその前駆体（precursor）のための材料を含む生物材料の切断、
プリント基板のビアのドリリングおよび/またはプリント基板の溝掘り、
生物材料の連結または融合または溶接
の用途のうちの一つに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１３１】
【図１】本発明の態様によって実現された、インラインコヒーレント撮像システムからのフィードバック制御を特徴として有する材料処理システムのブロック図である。
【図２】図1のフィードバックコントローラの例示的な実施局面のブロック図である。
【図３】材料改変ビーム源が撮像光源としても機能する撮像システムからのフィードバック制御を特徴として有する材料処理システムのブロック図である。
【図４】インラインコヒーレント撮像システムからのフィードバック制御を特徴として有する材料処理システムのブロック図である。
【図５】インラインコヒーレント撮像システムからのフィードバック制御を特徴として有する材料処理システムのブロック図である。
【図６】インラインコヒーレント撮像システムおよびバランスド光検出器からのフィードバック制御を特徴として有する、チャネルが一つの材料処理システムのブロック図である。
【図７】インラインコヒーレント撮像システムおよびバランスド光検出器からのフィードバック制御を特徴として有する、チャネルが2つの材料処理システムのブロック図である。
【図８】事前に計算された合成インターフェログラムを用いて干渉計出力を処理するための機器のブロック図である。
【図９】最初の1.43×l05パルスまでの照射の間は表面下の構造に動きがないように見えるが、その後は、エッチ速度がほぼ線形である加工が突然開始される、牛の肋骨のレーザ切断のMモードOCT画像の例を示している。
【図１０】ns持続ファイバレーザ（23Wの一定平均パワー）の照射による、牛の肋骨における材料エッチ速度および除去効率の例を示している。
【図１１】多層サンプルのレーザ切断のMモードOCT画像の例である。
【図１２】ドリリングの前（左）および後（右）の骨のインサイチューのBモードOCT画像の例である。
【図１３】鋼のパーカッションドリリングのリアルタイムMモード画像の例である。
【図１４】本発明の態様によって実現された、別の例示的な撮像システムのブロック図である。
【図１５】図14のシステムからの、完全に処理されたMモード画像の描画であり、線が、選択されたフィルタ深さに重ね合わされており（上）、また、加工フロント（machining front）が、選択された深さと交差した際に鋭いピークを示すホモダインフィルタの応答を示している（下）。
【図１６】ホモダインフィルタをベースにした手法を用いたフィードバック制御の方法のフローチャートである。
【図１７】別のインラインコヒーレント撮像システムのブロック図である。
【図１８】図17のICIシステムを特徴として有するレーザ手術システムのブロック図である。
【図１９】図17のICIシステムを特徴として有する溶接システムのブロック図である。
【図２０】ホモダインフィルタリングと標準的な（三次スプラインリサンプリング、FFT）処理とを比較したグラフである。
【図２１】撮像ビームおよびレーザによって形成された特徴を示しており、この場合、撮像ビームの直径は、レーザによって形成された特徴よりも大きく、また、光路長差ゼロ点は、測定されている材料内に位置する深さとして選択されている。
【図２２】ステンレス鋼箔に対する、シングルパルス（垂直線によって示されている5msの持続時間の）の、酸素によってアシストされたパーカッションドリリングのICI作成画像を示している。
【図２３】どのようにしてICIを、レーザ重ね溶接におけるフィットアップ（fit-up）および隙間を見積もるために使用することができるかについて示している概略図である。
【図２４】ICI制御のレーザドリリングの精度を検証するために、別個のスキャニング光コヒーレンストモグラフィーシステムによる走査を描いている。
【図２５Ａ】同じICIシステムを多数のサンプル位置で使用するための様々な選択肢を描いている。
【図２５Ｂ】同じICIシステムを多数のサンプル位置で使用するための様々な選択肢を描いている。
【図２５Ｃ】同じICIシステムを多数のサンプル位置で使用するための様々な選択肢を描いている。
【図２５Ｄ】同じICIシステムを多数のサンプル位置で使用するための様々な選択肢を描いている。
【図２６】サンプルの表面の下の特徴の高さを測定するICIシステムの使用を描いている。
【図２７】ICIシステムが加工レーザを直接制御する別の態様のブロック図である。
【図２８】ICIシステムインターフェースが、レーザコントローラを介して加工レーザを間接的に制御し、さらに、他のシステム制御および/または管理構成部品（例えば、ロボット運動制御、材料送り制御など）と接続されている別の態様のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０１３２】
詳細な説明
図1は、本発明の態様に係る、インラインコヒーレント撮像（ICI）およびフィードバック制御を特徴として有する材料処理システムの論理ブロック図である。本システムは、材料改変処理を実施する材料処理装置10を有する。材料処理装置10は、材料処理ビーム源12を有する。材料処理ビーム源12は、材料処理ビーム14を生成し、その結果、材料処理ビーム14は、サンプル位置16に配置されたサンプルを改変する。さらに、撮像光20を生成する撮像光源18が示されている。撮像光20の少なくとも一成分が、光学干渉計22に入力される。干渉計24は、フィードバックコントローラ26に入力される干渉計出力24を生成する。フィードバックコントローラ26は、材料改変処理の少なくとも一つの処理パラメータを制御するために材料処理装置に入力されるフィードバック29を作成する。
【０１３３】
光学干渉計22は、サンプル位置16に供給される撮像光20の少なくとも一成分を用いて、干渉計出力を生成する。線28は、光学干渉計22とサンプル位置16との相互作用の論理的表示である。干渉計出力24は、サンプル位置に対する少なくとも一つの光路の長さであって別の光路の長さと比較した長さに基づく。光路は、明瞭にするために、図には描かれていないが、様々な例について後に説明する。サンプル位置は、そこから反射する撮像光が収集される位置である。サンプル位置は、様々な撮像目的を達成するために、様々な選択肢より選択することができる。例えば、態様によっては、サンプル位置は、処理される材料サンプルの物理的位置にある。態様によっては、サンプル位置は、処理される材料サンプルの物理的位置の近くにある。態様によっては、サンプル位置は、材料処理に関して意味のある情報を得るために選択された場所である。
【０１３４】
態様によっては、多数の事例の干渉計出力が、処理されている材料に関する干渉計出力の変化を識別するために処理される。態様によっては、フィードバック制御の少なくとも一部は、このような変化の関数である。態様によっては、干渉計データの変化は、改変/サンプル運動「速度」または他の変化率の表示を行うために使用される。
【０１３５】
一部の態様における、変化を識別するために干渉計データを処理する特定の例では、のちに参照経路の経路長と比較したサンプル経路の経路長に基づく干渉計出力が、最初、参照経路（この参照経路は、参照アームがあるならば参照アームに沿っていてもよいし、または、サンプルアームに沿っていてもよい）に沿って反射した光だけを実質的に含むか否かを判定するようにフィードバックコントローラがさらに構成される。このことは、例えば、サンプル位置に、最初、ただ一つの反射性の表面/表面下部がある（参照アームがない場合）か、または、反射性の表面/表面下部がなく（参照アームがある場合）、材料が、改変された後、および/または、撮像光学部品に対して移動された後、ある時点で、さらなる反射性の表面/表面下部が検出された場合に、行われる場合がある。
【０１３６】
態様によっては、フィードバックコントローラは、干渉計出力が、参照経路（この参照経路は、参照アームがあるならば参照アームに沿っていてもよいし、または、サンプルアームに沿っていてもよい）に沿って反射した光だけを実質的に含む（その後で、干渉計出力は、参照経路の経路長と比較したサンプル経路の経路長に基づく）ものから移行した時点を判定するようにさらに構成される。フィードバックコントローラは、移行を考慮した干渉計出力に基づいて材料改変処理の少なくとも一つの処理パラメータに影響を与える少なくとも一つの信号を生成する。
【０１３７】
態様によっては、フィードバックコントローラ26は、材料改変処理の処理パラメータを該処理中に制御するリアルタイムコントローラである。別の態様では、フィードバックコントローラは、一連の処理の合間に少なくとも一つの処理パラメータを制御する。
【０１３８】
態様によっては、材料改変処理ビーム源は、固体レーザ、ファイバレーザ、またはガスレーザなどのレーザである。
【０１３９】
態様によっては、材料改変処理ビーム源は、イオンビームおよび/または電子ビームを発生させる。
【０１４０】
上記のシステムによって処理される材料は、例えば、金属、半導体、誘電体、生物硬組織、生物軟組織、プラスチック、ゴム、木、複合物の一つまたは複数であってもよい。その他の材料も可能である。
【０１４１】
態様によっては、干渉計は、コンバイナ、ならびに、参照アームおよびサンプルアームと呼ばれる2つの別個のアームを有する。撮像光の第1の成分が、参照アームの入力に適用され、この結果、参照アームの出力信号が得られる。撮像光の第2の成分が、サンプルアームに適用され、この結果、サンプルアームの出力信号が得られる。サンプルアームの出力信号の少なくとも一成分は、サンプル位置からの、撮像光の成分の反射を含む。コンバイナ（combiner）は、参照アームの出力信号とサンプルアームの出力信号とを組み合わせて、干渉計出力として機能する組合せ信号を生成する。実施局面に応じて、コンバイナは、カプラ、サーキュレータ、またはスプリッタであってもよく、組合せ機能を果たす任意の構成部品が使用され得る。
【０１４２】
態様によっては、本システムはまた、干渉計出力からインターフェログラムを生成する信号検出器を有する。態様によっては、信号検出器の形態は、検出素子のアレイである。特定の例は、ラインカメラ（line camera）である。このような信号検出器の他の例については、特定の詳細な例示的な実施局面に関連して後に説明する。
【０１４３】
干渉計出力からインターフェログラムを生成する信号検出器の別の例は、一対の増幅平衡フォトダイオード（amplified balanced photodiode）である。このような信号検出器の他の例については、特定の詳細な例示的な実施局面に関連して後に説明する。
【０１４４】
態様によっては、多数のサンプルアームが存在し、サンプルアームと参照アームとのそれぞれの組合せに関してそれぞれのインターフェログラムが作成される。
【０１４５】
態様によっては、多数の参照アームが存在し、サンプルアームと参照アームとのそれぞれの組合せに関してそれぞれのインターフェログラムが作成される。
【０１４６】
態様によっては、多数の参照アームおよび多数のサンプルアームが存在し、サンプルアームと参照アームとのそれぞれの組合せに関してそれぞれのインターフェログラムが作成される。
【０１４７】
例えば、サンプル位置に多数の反射体が存在する場合に、多数のサンプルアームが存在してもよい。このようなサンプルアームは、サンプルからの反射をコンバイナに供給する際に共通の光学構成部品を共用してもよいが、光路長が、異なる場合がある。いくつかのサンプルアームは、表面下の反射体に対するものであってもよい。
【０１４８】
多数のインターフェログラムが作成されるいずれの場合も、このような場合に、これらの多数のインターフェログラムは、材料処理装置10を制御するためにフィードバック28を作成する際、フィードバックコントローラ26によって使用される。
【０１４９】
干渉計出力が、サンプル位置に対する少なくとも一つの光路の長さであって別の光路の長さと比較した長さに基づいていることを思い起こそう。態様によっては、「別の光路」は、単に、サンプルに対する異なる光路である。この場合に干渉計によって比較される2つの経路が、同じサンプルの異なる反射体に対する2つの経路であることが効果的である。この場合、撮像光は、サンプル位置における反射体の位置がわずかに異なる点を除いては同じである光路を通過する。
【０１５０】
態様によっては、少なくとも一つの経路長は、サンプル位置にあるそれぞれの反射体に対する少なくとも2つの経路長であり、別の経路長は、参照アームに沿うものである。
【０１５１】
態様によっては、のちに参照経路の経路長と比較したサンプル経路の経路長に基づく干渉計出力が、最初、参照経路（この参照経路は、参照アームがあるならば参照アームに沿っていてもよいし、または、サンプルアームに沿っていてもよい）に沿って反射した光だけを実質的に含むか否かを判定するようにフィードバックコントローラがさらに構成される。このことは、例えば、サンプル位置に、最初、ただ一つの反射性の表面/表面下部がある（参照アームがない場合）か、または、反射性の表面/表面下部がなく（参照アームがある場合）、材料が除去された後、ある時点で、さらなる反射性の表面/表面下部が存在する場合に、行われる場合がある。
【０１５２】
態様によっては、フィードバックコントローラは、干渉計出力が、参照経路（この参照経路は、参照アームがあるならば参照アームに沿っていてもよいし、または、サンプルアームに沿っていてもよい）に沿って反射した光だけを実質的に含む（その後で、干渉計出力は、参照経路の経路長と比較したサンプル経路の経路長に基づく）ものから移行した時点を判定するようにさらに構成される。フィードバックコントローラは、移行を考慮した干渉計出力に基づいて、材料改変処理の少なくとも一つの処理パラメータに影響を与える少なくとも一つの信号を生成する。
【０１５３】
態様によっては、フィードバックプロセッサは、どれくらい深く材料処理ビームがサンプル位置において貫入したかを示す深さ測定を行うために、干渉計出力に基づいて解析を実行する。一部のこのような態様では、フィードバックコントローラは、深さ測定に基づいて材料改変処理の少なくとも一つの処理パラメータを制御する。
【０１５４】
態様によっては、フィードバックコントローラは、干渉計出力に基づいて解析を実行し、処理位置に最も近い境界面に対して処理（例えば、切断）の深さを制御するフィードバック制御を作成する。
【０１５５】
態様によっては、フィードバックコントローラは、干渉計出力に基づいて解析を実行して、現在の処理の深さよりも深い境界面に対して処理の深さ（例えば、切断の深さ）を制御するフィードバック制御を作成する。
【０１５６】
材料改変処理の任意の処理パラメータが、フィードバックコントローラによって制御され得ることが、理解されるべきである。特定の例として、
材料処理ビームのオン/オフ状態、
材料処理ビームの平均パワー、
材料処理ビームのパルス持続時間、
材料処理ビームのピーク強度、
材料処理ビームの密度、
材料処理ビームのエネルギー、
材料処理ビームの粒子の種類、
材料処理ビームの波長、
材料処理ビームのパルス繰り返し率、
材料処理ビームのパルスエネルギー、
材料処理ビームのパルス波形、
材料処理ビームの走査速度、
材料処理ビームの焦点直径、
材料処理ビームの焦点位置、
材料処理ビームの、サンプル上の分布様式、
材料の送り速度、
冷却媒体の流量、
カバー/アシストガスの流量、
カバー/アシストガスの圧力、
カバー/アシストガスの混合、
アーク溶接の処理パラメータ（電圧、電流、およびワイヤの送り速度など）、ならびに
添加材の送り速度（例えば、ろう付けの場合）
が挙げられる。
【０１５７】
特定の例では、フィードバックコントローラは、深さ測定が特定の深さを示したときに材料改変源ビームをオフにするよう制御することによって、深さ測定に基づいて材料改変処理の少なくとも一つの処理パラメータを制御する。
【０１５８】
態様によっては、フィードバックコントローラは、材料改変源ビームが、特定の深さに貫入した時点の表示を生成するために、干渉計出力に基づいて解析を実行するインターフェログラムプロセッサを有する。なお、この特定の深さは、例えば、絶対的であってもよいし、または、材料に関連する表面もしくは境界面に相対的であってもよい。一部のこのような態様では、フィードバックコントローラは、レーザが特定の深さに貫入した時点の表示に基づいて、材料処理ビームをオフにするために材料処理ビーム源を制御する。
【０１５９】
態様によっては、フィードバックコントローラは、材料の他の領域に対する、現在改変されている材料領域の接近の表示を生成するために、干渉計出力に基づいて解析を実行するインターフェログラムプロセッサを有する。
【０１６０】
態様によっては、フィードバックコントローラは、貫入されている材料の残量の表示を生成するために、干渉計出力に基づいて解析を実行するインターフェログラムプロセッサを有する。
【０１６１】
態様によっては、インターフェログラムプロセッサは、材料が特定の深さに存在する時点の表示を生成するために、干渉計出力に基づいて解析を実行し、フィードバックコントローラは、前記表示に基づいて、材料処理ビームをオンにするために材料処理ビーム源を制御する。図6および図7は、光サーキュレータおよびバランスド光検出器を特徴として有するこのようなシステムの2つの具体例である。これらの図については、以下で説明する。
【０１６２】
図2は、フィードバックコントローラの部分的で例示的な実施局面を示している。干渉計出力18を受信し、測定インターフェログラム32を作成する信号検出器30が、示されている。インターフェログラムプロセッサ34は、測定インターフェログラム32を受信する。目標結果に関して事前に計算された合成インターフェログラム37が保存されたメモリ36が備えられている。インターフェログラムプロセッサ34は、相関結果38を生成するために、事前に計算された合成インターフェログラム37と共に測定インターフェログラムを処理する。フィードバックコントローラは、測定インターフェログラム32と合成インターフェログラム37との類似性の測定である相関結果に基づいて、材料改変処理の少なくとも一つの処理パラメータを制御する。
【０１６３】
目標結果に関して事前に計算された合成インターフェログラムは、測定インターフェログラムとの相関のためにすぐに使用できるように、事前に計算されている。それは、計算だけから求められるという意味で合成されており、光信号は、その作成に関与していない。
【０１６４】
態様によっては、目標結果に関して事前に計算された合成インターフェログラムは、材料処理ビームが特定の深さに到達したときに予想される推定のものである。
【０１６５】
態様によっては、インターフェログラムプロセッサは、測定インターフェログラムと事前に計算されたインターフェログラムとを検出器要素ごとに乗算し、次に、合算することによって、相関結果を生成する。
【０１６６】
態様によっては、事前に計算された合成インターフェログラムおよび測定インターフェログラムの少なくとも一方が、
分光計のアラインメント、
分光計回折格子の角度非線形性、
分光計の撮像光学部品による画像の歪み、
波長から波数/周波数のリサンプリング、
検出器の作用領域の有限サイズ、
スペクトルの包絡線形状、
分散不一致、および
画像の品質を低下させる、インターフェログラムに含まれている別の非理想性
のうちの少なくとも一つを補償するように形成される。
【０１６７】
補償は、合成インターフェログラムの個々の要素の複合的な位相および振幅の制御された変調によって達成されてもよい。変調の量は、機器の経験的な較正、光伝搬の数学モデリング、システム応答の理論的解析、およびこれらの組合せのうちの少なくとも一つから決定することができる。的確な方法は、補償される特定の非理想性に応じて決められる。
【０１６８】
特定の例は、分散である。固定の分散要素について、材料の分散条件から発生する、各波長の相対位相遅れ/進みは、合成インターフェログラムの各要素に付加することができる。漸進的な分散（すなわち、サンプルに固有の分散）もまた、補償することができる。なぜなら、合成インターフェログラムは、測定される各深さに関して様々に計算することができるからである。
【０１６９】
態様によっては、相関結果は、材料処理ビームが特定の深さに到達した時点を識別するために処理される。このことは、例えば、相関結果が閾値を超えた時点を判定することによって、達成することができる。
【０１７０】
態様によっては、本システムは、事前に計算される合成インターフェログラムを合成するインターフェログラムシンセサイザをさらに含む。
【０１７１】
別の態様は、カメラポートを有する、材料改変処理を実施する材料処理システムと共に使用するためのフィードバック制御システムを提供する。このようなフィードバック制御システムは、材料処理装置を含まずに、図1の機能を備える。この場合、光学干渉計22は、図示されていないカメラポートを介して、材料処理装置10と相互作用する。フィードバック28は、フィードバックコントローラ26から材料処理装置10の別の入力に供給される。
【０１７２】
上に記載した態様は、例えば、レーザなどの材料改変ビームによる処理の前、間、ならびに/または後の材料の幾何学的形状、形態、光散乱、および/もしくは組成を測定するために使用することができる。態様によっては、材料の幾何学的形状/形態/組成に関するフィードバック情報が、供給されてもよく（孔、切断、静的もしくは動的な表面下の特徴、および/または溶融池深さなど）、また、このような情報は、レーザ改変処理などの材料改変処理を制御するために、直接的または間接的に使用されてもよい。
【０１７３】
材料によっては、本明細書に記載したシステムは、働き掛けられている材料の幾何学的形状の要素、および、改変ビームと相互作用している表面の下にある他の、材料の幾何学的要素に対するその位置を検知することができる。態様によっては、この情報は、表面下の幾何学的形状の正確な位置が、事前に、分かり得ず、および/または、特徴付けられ得ない場合であっても、前記表面下の幾何学的形状の所定のマージン内で改変を誘導するために使用される。態様によっては、レーザ改変が、関心対象の骨の表面下の層を貫通する前のある程度の距離で中断され得るように、骨に対するレーザ切断の深さが測定される。このことは、レーザ手術において安全なマージンを得るために有用であり得る。態様によっては、このようなマージン/フィードバックは、計測データの解析を用いて、態様によっては、手動、自動、または2つの何らかの組合せである技術を用いて、達成される。
【０１７４】
いくつかの態様において、態様によってはレーザ照射処理について知らせるためにさらに使用することができる、表面下レベルにおける変化（温度変化、状態変化、流体の流れ、および/または圧力波などであるが、これらに限定されない）を検知する機器、方法、およびシステムが提供される。態様によっては、これらの変化は、多数の測定インターフェログラムの比較/解析に基づいて求められる。インターフェログラムの位相は、数ナノメートルのオーダーの、サンプルの動きに対して感度が高い。わずかな温度、圧力、流れ、および状態の変化は、この位相を変化させる組織の動きの原因となる。また、コヒーレント画像は、内部干渉パターンを生成する、サンプルのマイクロスケール/ナノスケールの成分の部分的な結果である「スペックルパターン」の特徴を有する。さらに、このスペックルパターンは、上記した変化に対して極めて感度が高い。態様によっては、表面下の変化は、スペックルパターンの変化の周波数を解析することによって、様々な速度のレーザ処理中に観察される。
【０１７５】
態様によっては、記載した機器は、レーザ溶接の処理の際に溶融池の要素を追跡するために使用される。当業者は、溶融池（および/またはキーホール）の安定性および貫入深さが、レーザ溶接の品質の指標となり得ることを理解する。
【０１７６】
一部の態様が、態様によっては溶接処理の統制、溶接処理の展開の補助、または処理の全体もしくは部分に関する品質保証データの生成を行う目的で、これらの指標および/または他の指標を測定するために使用される。
【０１７７】
態様によっては、撮像光源は、態様によっては300〜15000nmであってもよく、かつ幅Δλを有してもよい、波長λOに中心があるスペクトルを有する光源であって、距離分解能δzをもたらし得る光源であり、このことは、以下の関係によって表することができる。
2013545613.tif 000003
【０１７８】
態様によっては、撮像光源は、スーパールミネセントダイオード、レーザダイオード、発光ダイオード、超高速光発振器、半導体光増幅器、およびハロゲンランプであってもよい。しかしながら、当業者は、他の適切な光源が使用され得ることを理解する。他の態様では、光源は、態様によっては1100nm〜1400nmの範囲の発光スペクトルを有するスーパールミネセントダイオード（SLD）を含んでもよいし、または、代替的な態様では、態様によっては750nm〜900nmの範囲の発光スペクトルを有するTi:AlO3発振器を含んでもよい。態様によっては、選択される後段の検出器技術に応じて、λOおよびΔλによって決定されるスペクトル帯にわたって迅速に広がる、狭い瞬間の線幅を有する光源が、言及した他の光源の代わりに、または、これと共に使用されてもよい。
【０１７９】
他の態様では、付加的な光源が、材料改変のために含まれてもよい。態様によっては、これらの源は、200nm〜15000nmの領域のスペクトルを有してもよく、態様によっては連続的に発光するものであってもよいし、または、他の態様ではパルス発光するものであってもよい。パルス発光を行う態様では、1nJ〜1MJの範囲のパルスエネルギーおよび1fs〜30分の範囲のパルス持続時間が使用されてもよい。
【０１８０】
態様によっては、信号検出器（単一の検出器または検出器の組合せであってもよい）は、関心対象の光の様々な波長の強度を検知する。このことは、空間的に検出器アレイの全体にスペクトルを分散させるための回折素子の使用を含んでもよい。あるいは、信号検出器は、バランスド光検出器またはアンバランスド光検出器であってもよく、この場合、スペクトルの成分の到着のタイミングが、同時であるか、または、時間的に分散するかについて知ることができる。
【０１８１】
検出信号の測定および解釈を行うことのできる電子機器が含まれてもよい。一連の情報処理におけるこの時点では、信号は、もはや光学的ではない。態様によっては、これらは、オンボードカメラハードウェア、フレーム取り込み器、フィールドプログラマブルゲートアレイ、特定用途向け集積回路、パーソナルコンピュータ、データ取得カードを含んでもよいが、これらに限定されない。電子機器ハードウェアは、フィードバックスキーマおよび採用される方法またはアルゴリズムを補足するために選択されてもよい。
【０１８２】
一部の態様は、孔の底の位置および/または表面下の境界面および/または画像データにおける関心対象の変化を識別することができる方法またはアルゴリズムを実行する、適切なコンピュータ可読の記憶媒体に保存されたソフトウェアおよび/またはハードウェアを含み、これらの位置（例えば、これらの絶対位置または相対位置）に基づいて、メトリクスを計算し、パラメータを制御することができる。
【０１８３】
図3は、改変レーザ（FL）100が撮像光源としても機能する機器のブロック図である。これにより、撮像ビームおよび処理ビームのアラインメントが自動的に行われる。対照的に、図1、図4、図5、図6、図7、図14、図17、図18、および図19の態様は、材料処理ビーム源および撮像光源を特徴として有する。ビームスプリッタ（BS）102と、分散補償器（DC）104と、参照ミラー（RM）106と、ガルバノミラー（GM）107と、サンプル112に光の焦点を合わせるための対物レンズ116とを含む自由空間マイケルソン干渉計が、使用されている。検出は、回折格子（GR）114と、レンズ（ASL）116と、光検出器アレイ（IGALC）118とを備える分光計によって達成される。PC122およびフレーム取り込み器（FG）120は、本明細書に記載した機器、方法、およびシステムの電子機器およびアルゴリズムコンポーネントを実装している。PC122は、フィードバック経路124を介して改変レーザ100および/または改変処理の別の局面を制御し、この場合は、フィードバックコントローラとして機能する。
【０１８４】
図4は、第1の詳細な実施局面のブロック図である。この態様では、別々の改変光源（ML）200および撮像光源（SLD）204が、示されている。この態様では、2つの光路は、個別の焦点対物レンズ208、210の後で、二色性または他の組合せ光学部品（DM）206によって組み合わされる。  この態様では、干渉計は、シングルモード光ファイバによって構成することができるが、他の態様では、マルチモード光ファイバによって構成することができる。検出は、高速スペクトル検出器（HSS）212を用いて達成される。図示した態様では、サンプルアーム216と参照アーム218との50:50のパワー分割比214が示されているが、他の態様では、干渉計における他の分割比が、可能であり、光パワーの利用可能性および/または検出感度の必要性に応じて決められてもよい。態様によっては、他の干渉計の構成、例えば、マッハツェンダー、サニャック、共通路などが可能であってもよい。この態様では、DM206が、撮像光を反射し、改変光を通すように示されているが、この逆もさらに可能であり得る。態様によっては、ビームの組合せは、偏光感度のあるまたはニュートラルな反射光学部品を介して行われてもよい。当業者は、検出、処理、およびフィードバックの電子機器が、この図に示されている態様から省略され、このような処理工程が、フィードバックコントローラ内で実行されてもよいことを理解する。フィードバックコントローラ214は、HSS212の出力を受信し、改変レーザ206および/または材料改変処理の何らかの他の局面を制御する。
【０１８５】
図5は、第2の詳細な実施局面のブロック図である。この態様では、ハイパワー・ブロードバンド・ソース（high power broadband source）は、ブロードバンド源300により、分散が最適化された短いパルス出力をシングルモード光ファイバ310の長さに結合することによって、形成されている。これにより、スペクトルバンド幅の拡大が、態様によっては6の係数のオーダーで、他の態様では多かれ少なかれ拡大するように、可能である。ここで図示されている態様は、650〜1100nmの領域で機能するTi:AlO3レーザ源301を特徴として有する。他の態様では、他の撮像光源からの300〜15000nmのスペクトル域も可能である。この態様では、グランテーラー偏光子（GTP）302、ファラデー光アイソレータ（ISO）304、ハーフラムダ（half-lambda）波長板偏光コントローラ305、およびフォークプリズム分散補償器（Fork prism dispersion compensation）306が、示されている。他の態様では、他のブロードバンド源（スーパールミネセントダイオード、他のレーザ、および/または他の拡大方法）が、拡大Ti:AlO3レーザ源の代わりを務めてもよい。
【０１８６】
この態様では、改変レーザ（ML）320がコリメータ351を通過し、また、撮像ビームがサンプルアームのコリメータ353を通過した後で、改変レーザビームおよび撮像ビームは、共通の焦点対物レンズ314によって焦点を合わせられる前に、光学構成部品（DM）312によって組み合わされる。
【０１８７】
このような態様では、レンズは、色収差を補正したもの、非球面型、および/または円錐型（すなわち、アキシコン）であってもよい。このビームの組合せは、補助流体（例えば、圧縮ガス、例えば、水噴霧）を改変処理に適用するために使用することができる随意のノズル316を介して焦点を合わせられてもよい。また、ノズルスプレーは、光ビームから独立していてもよい。すなわち、この場合、これら2つは、異なる位置からサンプルに供給される。マイケルソン干渉計は、50:50スプリッタ322（ただし、他の態様では、他の分割比が採用されてもよい）、参照アームのコリメータ355、および参照ミラー326を含む。さらに、偏光コントローラ324、325、330が示されている。この態様におけるスペクトル検出は、ファイバ結合された反射型回折格子分光計318を伴っている。態様によっては、レンズの前の追加のミラー（ASL）321によって、ビームが、リトロー構成に可能な限り近い反射型回折格子318への接近およびこれからの離脱を行うことが可能になり得て、回折効率が改善される。態様によっては、透過型回折格子および/または多重回折格子、および/またはファブリーペロー分光計が、使用されてもよい。シリコンラインカメラ（silicon line camera）330は、画像処理電子機器332に送られるインターフェログラムを生成し、画像処理電子機器332の出力は、フィードバックコントローラ334に送られる。フィードバックコントローラ334は、改変レーザ320または改変処理の何らかの他の局面を制御するために、フィードバック336を生成する。
【０１８８】
改変光および撮像光の適切なアラインメントおよびビーム成形は、画像データおよびフィードバック制御の品質ならびに有用性にとって有益であり得る。態様によっては、ドリリングされている孔などの、高アスペクト比の特徴を撮像することが望ましい場合がある。このような場合、アラインメント方法（態様によっては、撮像光および改変光のための二色性ミラービームコンバイナを用いる）によって、2つのビームは、コンバイナの反射面上のほぼ同じ点に集められる。このような態様では、2つのビームの適切なビームコントローラ（一つまたは複数のミラー）が、有益である。2つのビームは、組合せ光学部品の同じ点から発出すると、次いで、適切に色収差を補正した（または他の設計の）レンズによって焦点を合わせることができる。態様によっては、レンズの焦点面に配置されたアレイ検出器またはピンホール（態様によっては、改変レーザ自体によって形成される）を使用することによって、組合せ光学部品の調節を補助することができ、これにより、双方のビームは、実質的に同じスポットに焦点を合わせられる。このことは、態様によっては、撮像視野内の所望の位置に焦点領域（focal volume）の中心が配置されるように干渉計の参照アームの長さを適合させるために利用することができる。この位置は、改変用途に基づいて直前に選択されてもよく、さらには、改変処理の全体を通して調節されてもよい。共通の焦点レンズが使用されないような他の態様では、組合せ光学部品上で一致するすべてのビームのための中心光線を有することが有益であり得る。さらに、選択物の深さをより効率的に撮像/改変するために、撮像ビームおよび改変ビームの焦点位置を互いに別々にシフトさせることが、望ましい場合がある。態様によっては、このことは、撮像ビームまたは改変ビームの発散を、これらが共通の焦点レンズに到達する前に、調節することによって、達成されてもよい。例えば、撮像ビームの発散が、サンプルアームのコリメータレンズとファイバの先端との間の距離を減少させることによって、増大されてもよい。
【０１８９】
撮像ビームおよび改変ビームの焦点サイズは、撮像結果の品質に影響を与え得る。形態アスペクト比、および撮像ビーム開口数（imaging beam numerical aperture）について慎重に考慮すべきである。撮像ビームが孔よりも横方向に関して大幅に小さい態様では、結果として得られる画像データが、孔の底およびその下の境界面についての明瞭なシグネチャを示す場合がある。しかしながら、このような態様では、実際の撮像範囲は、高開口数ビームに見られる短いレイリー（Raleigh）範囲によって限定される場合がある。態様によっては、孔の側壁から発出する信号を除去する開口数が採用される。このような態様では、（半）透明であり、かつ撮像システムによって捕捉されるサンプルの孔/切口の周囲の部分が照明される場合、対応する信号が、画像データを複雑にする場合があり、また、自動アルゴリズムがフィードバックのためのデータを使用することをより難しくする場合がある。しかしながら、サンプルが不透明である態様では、側壁をある程度照明することは有益であり得る。なぜなら、このような信号によって、切断幅、改鋳堆積（recast deposition）、およびバルク材料の深さに関する情報を得ることができるからである。
【０１９０】
態様によっては、サンプルアームおよび参照アームの光学構成部品が、2つのアーム間の任意の分散不一致を低減するために、適合される（態様によっては、群遅延およびより高いオーダーの分散に関して）。これにより、撮像距離分解能を改善することができる。サンプル内に存在する材料によって発生するさらなる分散を一致させるために、参照アームにおいてこの分散補償を変化させることも有益であり得る。
【０１９１】
分散不一致が、意図的に、Hoferら（その全体が参照により本明細書に組み入れられる、Bernd Hofer,Boris Povazay,Angelika Unterhuber,Ling Wang,Boris Hermann,Sara Rey,Gerald Matz,and Wolfgang Drexler,Optics Express 18,4898-919（2010））によって説明されているような分散符号化全領域技術（dispersion-encoded full range technique）を用いて、システムの撮像有効範囲を大きくするように修正された干渉計および画像処理アルゴリズムに加味されてもよい。
【０１９２】
サンプルを撮像するとき、改変レーザによって形成され得る炭化の程度について、考慮することができる。大量の炭化を発生させるレーザは、撮像の深さ（および穿孔のための事前の観察など）を低減させる場合がある。炭化の少ない選択レーザ（中心波長が3000nm、9600nmなどの超短波パルス）が、有益である場合がある。
【０１９３】
方法およびアルゴリズムは、生データの処理および/またはフィードバックパラメータの供給を行うために使用されてもよく、また、方法およびアルゴリズムは、背景スペクトル減算、分光計画素、波長、および/もしくは周波数空間の間のリサンプリング/補間、ノイズフロア等化（noise floor equalization）、高速フーリエ変換、カサイ（Kasai）自己相関/ドップラー偏移、ならびに/または干渉縞の位相および/もしくは分離に基づく他の計算の工程を含んでもよい。このような方法は、ハードウェアおよび/または一つのプロセッサもしくは複数のプロセッサ上で実行されるソフトウェアで実施されてもよい。態様によっては、スペックルパターンおよび/またはその変化の解析が、組織の区別、時間的加熱動態、および/またはサンプルの他の特性を示すために採用される。これらの解析は、例えば、スペックルおよびその振幅の、空間的または時間的な変動を計算することによって実行することができる。このような方法およびアルゴリズムは、態様によっては、発生した熱損傷、発生している熱損傷、および/または将来発生する可能性のある熱損傷の深さを評価するために使用される。以前の工程の多くをなしで済ませる、信号抽出の方法も可能である。一態様では、一組のホモダインまたはヘテロダイン波形は、一つまたは複数の模擬光路長差、分光計の非線形性/非理想性、波長から波数/周波数への変換、干渉計におけるシングルまたはマルチオーダーの分散不一致、ドップラー偏移、非理想スペクトル形状、および画像データに対する他の調節に基づいて、事前に計算することができる。このようなホモダイン/ヘテロダイン波形の組は、画像空間内の一つまたは複数のボクセルにおける画像情報を判定するために、ハードウェアまたはソフトウェアによって収集されたデータと乗算することができる。この結果は、取得されたデータに存在する異なる干渉縞周波数の直交性および/または準直交性により得ることができる。この手法の詳細な例については、以下で説明する。態様によっては、方法およびアルゴリズムは、例えば高速フーリエ変換を使用する他の方法と比べた場合に、計算処理上の節約をもたらし得る。このことは、高速応答によって一般に処理の結果が改善されるリアルタイムフィードバック用途にとって、望ましい場合がある。処理は、態様によっては、完全なスペクトルデータセットを使用することができ、または、他の態様では、データセットの小区分を使用することができる。データセットの小区分を使用する態様では、これにより、処理時間が短縮され、様々なフィードバックの目的に有用であり得るより低い距離分解能がもたらされ得る。また、ホモダイン/ヘテロダインフィルタリングは、多数の後処理および/またはリアルタイム計算（補間、デジタル分散補償、スペクトル形成などを含む）が、システムの計算効率を阻害する可能性がある、光コヒーレンストモグラフィーのフーリエ領域変形における画像処理の用途一般を有することができる。この場合に限らず、このような態様は、撮像が被写界深度全体の小区分を対象とする状況下で有用であり得る。
【０１９４】
態様によっては、境界面が画像内の特定の深さにあるときに実際のインターフェログラムを測定することによって、ホモダイン波形を得ることは有益である。複雑なホモダイン波形は、ヒルベルト変換および他の方法を使用することができる、位相シフト光学部品および/またはデジタル処理によって光学的に、境界面を移動させることによって光学機械的に境界面をシフトさせることによって得られてもよい。この場合、さらなる形成工程（ノイズ除去、平均化、包絡線形成を含む場合がある）が、これらの波形をさらに最適化するために適用されてもよい。態様によっては、スペクトルプロファイルは、アルゴリズムの有効点広がり関数をフィードバックの使用にとってより最適なものへ変化させるために、デジタル的方法、光学的方法（機械的遮蔽、偏光調整、ニュートラルな密度フィルタリング、干渉フィルタリング、ファブリーペロー素子を含むが、これらに限定されない）、または他の方法によって、形成される。例えば、一態様では、非ガウス型スペクトルプロファイルが、点広がり関数のさらなるローブを形成するために、ホモ/ヘテロダイン波形にデジタル的に適用されてもよい。これらのローブは、「早期警戒」信号を供給するために設計されてもよいし、または、フィードバックアルゴリズムにとって解決すべき局所的/大域的な最小および最大として構成されてもよい。
【０１９５】
サンプルが透明または半透明な材料である態様では、サンプルの体積によって当初占められていた空間は、材料が改変レーザによって除去されるに従って、空気で満たされ得る。サンプルが空気よりも大きな、屈折の光学指数を有する態様では、材料が除去されるに従って、表面下の反射体に対する光路長が、減少する場合がある。このことは、一般に材料の線形除去速度および光学指数に関係のある速度で、前記反射体の見かけの深さを（態様によっては、光路長差ゼロ点のより近くに、また、他の態様では、光路長差ゼロ点からより遠くに）変化させる効果がある。Mモード画像（後の例において示される「モーションモード」）を使用する態様では、表面境界面および表面下の境界面は、これらが穿孔点において最終的に交わるまで、連続的な材料の除去とともに互いの方向に向かっていく。2つの境界面の分離の検知、および、このような分離の、フィードバック方法またはアルゴリズムへの入力としての使用は、保持/監視されるべき外科的マージンを示すために使用されてもよい。フーリエ領域では、これらの2つの境界面は、互いに接近する2つの別々の周波数として見えてもよい。2つの信号間の周波数差の変化を検知する方法およびアルゴリズムを実施する機器およびシステムは、切断を制御することができる処理コントローラおよび/または使用者にこのような情報を伝達することができる。
【０１９６】
同じ技術が、多数の境界面がサンプルの特定の特徴を示す任意の材料処理システムに適用されてもよく、また、これらの特徴の深さ測定に部分的に基づいて材料処理を制御することが望ましい。
【０１９７】
相対勾配を測定することによって、除去されている材料の屈折の有効光学指数を測定することができる。これは、フィードバックにとって有用な情報であり得る、材料の組成の指標となり得る。態様によっては、相対勾配の変化を追跡することによって、改変レーザが、一つ目の材料を穿孔し終え、次を開始した時点を検出することが可能であってもよい。
【０１９８】
これらの同じ原理は、孔を満たしている材料が、水、および/または空気以外の材料である状況にも適用することができる。
【０１９９】
態様によっては、サーキュレータが、干渉計の光源とファイバスプリッタとの間に追加される。態様によっては、バランスド光検出器（分光計に加えて、または、これの代わりに）が、境界面が、干渉計の光路長差ゼロ点に到達したときに生成される干渉縞を検出するために使用される。このような態様では、バランスド光検出器は、検出器のアレイよりも高い測定速度、または、フーリエ領域モードロックレーザ（または他の掃引源）の掃引速度を有してもよく、フィードバック反応を改善する。これは、特定の深さへの境界面の到達を検出するための、高速、単純、かつ安価なフィードバックを提供することができる。態様によっては、これは、材料がシステム光学部品から特定の距離だけ離れた時点を検出するために使用することができる。当業者にとって、焦点レーザビームの有効性が、焦点と改変されている材料との距離に依存し得ることは公知である。この態様は、材料処理システムにピコ秒の正確さでフィードバックを供給するために使用することができる。態様によっては、このフィードバックは、材料が、態様によっては改変レーザの焦点領域に関係してもよい選択された深さ領域（SDZ）内にある場合にのみ、改変エネルギーの放出を可能にするために、使用されてもよい。SDZの位置および厚さは、撮像光源スペクトルおよび参照アームの長さの制御によって調整されてもよい。この調整は、工場で行われてもよく、および/または、操作者によって動的に行われてもよい。態様によっては、撮像ビームおよび改変ビームは、ハンドピースに結び付けられてもよく、SDZは、ハンドピースの遠位端から幾分距離の離れた、改変ビームの焦点と同じ場所に配置されるように構成されてもよい。このようにして、ハンドピースは、従来の外科用メスの光学的な類似物として機能する。SDZは、メスの刃の先端のエッジに類似しており、SDZに配置された材料を切開するために使用することができる。
【０２００】
このことには、多数の利点があり得る。これらの多数の利点として、外科医に馴染みの触知性のインターフェースを提供すること、レーザエネルギーの使用量全体を減少させること、材料および/または患者へのレーザ照射の総量を減少させることが挙げられるが、これらに限定されない。当業者にとって、何種類かの、材料のレーザ改変が、レーザエネルギーを散乱させ、および/または吸収する、材料上のプラズマを発生させる場合があることは公知である。このようなプラズマが存在する間は、さらなる印加エネルギーは、所望の改変効果をもちえず、熱影響域をより大きくすることに寄与する場合がある。態様によっては、プラズマは、撮像光を阻害する場合があり、これによって、前記プラズマが消えるまで、材料からの反射が、フィードバックシステムをトリガすることが妨害される。これにより、サンプルの近くのプラズマ状態が好適でない限り、改変適用エネルギーの印加が制限されるという利点が得られる。
【０２０１】
態様によっては、フィードバック制御は、操作者が、光電子フィードバック条件が満たされた場合に改変エネルギーを放出することへの自分の承認を示すことができるように、操作者用スイッチ（フットペダルなど）と併せて使用されてもよい。
【０２０２】
態様によっては、改変エネルギー源に対するフィードバック制御が、光パルスピッカ（optical pulse picker）、デジタルシードパルス制御、ポンプ変調、シャッタ、電気光学変調器、ポッケルスセル、および/または音響光学変調器を用いて、行われてもよい。
【０２０３】
特定の例が、光サーキュレータ350およびバランスド光検出器352を示している図6に描かれている。バランスド光検出器352の出力は、改変ビーム源を制御するフィードバックコントローラ354に進む。
【０２０４】
2つのチャネル版が、図7に描かれている。一方のチャネルのサンプルアームの経路長は、参照アームの経路長とほぼ同じであるが、チャネル2（もしあるならば、さらなるチャネル）のそれらの対応部分は、干渉信号のクロストークを回避するために、非常に異なっている。
【０２０５】
図6および図7の態様は、特定の深さに材料がある時点を検出するために使用することができるシステムの例である。（10a）。サンプルから発出し、システム光学部品によって捉えられる、撮像光の反射は、参照光路長とサンプル光路長とが一致する場合に、（バランスド）光検出器において干渉信号を発生させる。
【０２０６】
測定されているサンプルによって引き起こされる光学分散は、コヒーレント画像の距離分解能に悪影響を与える場合がある。態様によっては、サンプルは、光がサンプル内で伝搬した深さに依存し得る干渉パターンに対して、波長依存の位相シフトを発生させる場合がある。例えば上に記載したようなホモダイン/ヘテロダインアルゴリズムは、これらの効果を補償するために使用することができる。サンプルにおける材料の分散係数は、態様によっては、事前に計算することができるし、または、他の態様では、繰り返し求めることができる。サンプルによって引き起こされる位相シフトが、サンプルへの貫入の増加に伴い線形的に増加すると想定することから開始してもよい。このように、検出器上の各色（例えば、画素測定）は、それがどの色によるのか、およびサンプル内のどの深さから信号が戻ってきているのかを指定された特定の位相シフトを有してもよい。各画素によって測定される色、および各ヘテロ/ホモダイン波形に関連する深さが、双方とも、事前に知られ得る場合、この収差は、事前に推定し、計算することができ、検出器によって測定される信号に乗算されるヘテロダイン/ホモダイン波形に組み込まれてもよい。
【０２０７】
あるいは、システムを伝播する光信号の測定によっても、補償のために使用される分散不一致情報を得ることができる。ヘテロ/ホモダイン波形のルックアップテーブルが、撮像セッションの前に用意されてもよい。このような態様では、分散補正は、付加的なリアルタイム計算の負荷がゼロの状態で、適用することができる。
【０２０８】
インターフェログラム相関の閾値化機器
次に、図8を参照すると、本願の態様によって提供されるインターフェログラム相関の閾値化機器が示されている。干渉計出力48を生成する干渉計46が示されている。干渉計出力48を受信し、測定インターフェログラム52を作成する信号検出器50が存在している。インターフェログラムプロセッサ54は、測定インターフェログラムを受信する。事前に計算された合成インターフェログラムが保存されたメモリ56が用意されている。インターフェログラムプロセッサ54は、相関結果58を生成するために、事前に計算された合成インターフェログラムと共に測定インターフェログラムを処理する。スレショルダ60は、相関結果が閾値を満たした時点を判定するように構成されている。
【０２０９】
目標結果に関して事前に計算された合成インターフェログラムは、測定インターフェログラムとの相関のためにすぐに使用できるように、事前に計算されている。それは、計算だけから求められるという意味で合成されており、光信号は、その作成に関与していない。様々な補償を実行するためにこのインターフェログラムがどのように事前に調節され得るのかの詳細については、上で説明してきた。
【０２１０】
態様によっては、複数の目標結果のそれぞれに関して、それぞれの事前に計算された合成インターフェログラムが存在する。インターフェログラムプロセッサ54は、それぞれの相関結果を生成するために、事前に計算された合成インターフェログラムのそれぞれと共に測定インターフェログラムを処理する。スレショルダ60は、それぞれの相関結果がそれぞれの閾値を満たした時点を判定する。
【０２１１】
態様によっては、事前に計算された合成インターフェログラムは、サンプル位置において材料改変ビームによって目標結果が達成されたときに予想される推定のものであるインターフェログラムであり、測定インターフェログラムは、サンプル位置に関するものである。インターフェログラムプロセッサは、測定インターフェログラムと事前に計算された合成インターフェログラムとを波長ごとに乗算し、次に、合算することによって、相関結果を生成する。
【０２１２】
態様によっては、事前に計算された合成インターフェログラムおよび測定インターフェログラムの少なくとも一方が、
分光計のアラインメント、
分光計回折格子の角度非線形性、
分光計の撮像光学部品による画像の歪み、
波長から波数/周波数のリサンプリング、
検出器の作用領域の有限サイズ、
スペクトルの包絡線形状、
分散不一致、および
画像の品質を低下させる、インターフェログラムに含まれている別の非理想性
のうちの少なくとも一つを補償するように形成される。
【０２１３】
一部の態様は、事前に計算される合成インターフェログラムを計算するインターフェログラムシンセサイザを特徴として有する。
【０２１４】
態様によっては、目標結果は、材料改変ビームによって到達される特定の深さである。
【０２１５】
態様によっては、本機器は、相関結果が閾値を満たしたときに、材料改変ビームをオフにするために材料改変源を制御するフィードバックコントローラを有する。
【０２１６】
態様によっては、本機器は、相関結果が閾値を満たしたときに、材料改変ビームをオンにするために材料改変源を制御するフィードバックコントローラを有する。
【０２１７】
態様によっては、本機器は、事前に計算される合成インターフェログラムを合成するインターフェログラムシンセサイザを有する。
【０２１８】
インラインコヒーレント画像を用いた、硬組織のレーザ切断の自動誘導
態様によっては、上に記載したシステムおよび方法の一つまたは複数、ならびにコンピュータ記憶媒体に保存された関連ソフトウェアは、レーザ照射による硬組織の除去を自動および/または手動で誘導するために構成される。
【０２１９】
態様によっては、撮像技術のベースは、スペクトル領域の光学コヒーレンストモグラフィーであるが、他の態様では、他の変種（掃引源OCT、光周波数領域撮像、時間領域OCTなど）が採用される。SDOCTにおいて作成された動きアーチファクトが好適であり、SDOCTは、通常、強い加工光の許容可能な除去を有することに留意されたい。
【０２２０】
態様によっては、コヒーレント撮像は、深さおよびレーザによって加工されているサンプルからの反射情報を素早く測定するために使用される。撮像ビームは、多くの場合、エジェクタ（ejecta）、プラズマ、強い撮像光を通過し、改変領域よりも深い領域に行くことができる。これにより、表面下の幾何学的形状の識別および追跡が可能となり、この結果、表面下の幾何学的形状は、態様によっては、組織の薄い層を残しておくための基準として使用される。
【０２２１】
撮像光および加工光の組合せは、例えば、二色性ミラーを用いて達成されるが、当業者には公知の、偏光および他の技術を用いて同様に達成されてもよい。実際、任意の改変レーザ（250〜10600nmのスペクトル、CW、μs、ns、ps、fsの持続時間）を、このように使用することができる。これにより、用途に合わせた加工レーザの調整、または、既存のインフラストラクチャーの使用/FDAの認可が可能となり得る。
【０２２２】
加工プラットフォームに組み込まれる場合の撮像システムの他の有用な用途は、自動焦点、恒久的な治療記録、ならびに（走査光学部品の追加を伴う）処置前のプランニングおよび処置後の確認である。
【０２２３】
一部の態様は、補間、デジタル分散補償、高速フーリエ変換などを必要とするより複雑な操作の代わりに、ヘテロ/ホモダイニングのためのルックアップテーブルを使用する合理化された画像処理アルゴリズムを採用する。
【０２２４】
他の態様は、走査ミラー、より複雑な加工源、ガスアシスト切断、より性能の優れた分光計の設計などの一つまたは複数を含むことを特徴とする。
【０２２５】
SDOCTによるレーザ加工処理の同軸撮像は、工業材料における処理展開のための限界パラメータ（エッチ速度および形態の緩みなど）を測定するために有用な情報を提供する。骨などの組織を切断する際、SDOCTは、同様の利点を有する。実証のために、シングルモード光ファイバで広げられた、100fsのモードロックTi:AlO3発振器（805nm）（Coherent Mira 900）に基づいたSDOCTシステムが使用された。高速CMOS分光計およびファイバをベースとしたマイケルソン干渉計と共に、撮像システムは、312kHzの最大ライン速度で1.5μsの（測定）積分時間において150μmで測定される、＜5μmの距離分解能（空気中）および＞100dBの感度を実現する。画像は、背景スペクトル減算、ガウス型スペクトル形成、三次スプライン補間、FFT、およびノイズフロア等化を用いて、4コアのPC上でLabVIEW（および/または他のソフトウェア環境）において処理された。他の処理技術および方法（本明細書で言及されている）も適用された。
【０２２６】
これらの実験における加工では、サンプルにおける平均パワーが1070nmにおいて23Wであり、繰り返し率が30〜80kHzである、100〜200nsの（FWHM）パルスファイバレーザが、使用された（IPG YLP-100-30-30-HC）。加工ビームおよび撮像ビームは、二色性ミラーを介して位置合わせされ、単一の50mmの色収差を補正したレンズを介して共に焦点を合わせられた。ファイバコリメータは、撮像焦点直径および加工焦点直径の双方が、約20μm（1/e2）となり、それぞれの焦点の深さが、500および340μmとなるように、選択された。撮像スポットサイズおよび加工スポットサイズを同じにすることによって、側壁信号（後に説明する）が低減され、画像が単純化された。撮像光および加工光は、2バールのN2ガス（他の場合は、他のガスおよび混合物が同様に供給される）を供給する、直径500μmのガスノズルオリフィス（ノズルとサンプル表面との間隔は1mm）を用いて同軸上に供給され、冷却、光学部品の保護、および燃焼の抑制をもたらした。
【０２２７】
洗浄して乾燥した、牛の肋骨の横断面は、厚い小型の骨の好適なサンプルとして機能した。撮像システムおよび加工パルス列は、骨髄の軸に対して横方向の孔がサンプルにパーカッションドリリングされたときに、非同期的にトリガされた。Mモード画像（「モーションモード」、深さおよび時間の関数としての反射率）は、切断挙動が、最初の期間は材料改変がほぼ皆無であり、その後、サンプルに急速な変化が生じ、約10mm/sの切断が突然開始されたことによって特徴付けられたことを示した。この挙動は、この特定の改変源に共通である一方で、他の源を使用した場合には実質的に異なることが観察された。図9では、Mスキャンの例示的な断面が、143,000の加工パルスの後のこの突然の開始、および、その後の孔のほぼ線形的な進行を示している。
【０２２８】
切断の開始に必要とされた、加工パルスの数は、同じ骨のサンプルに関して102から106まで変動した。この原因は、組織サンプルの不均等性の度合が大きいことにある。この挙動は、この特定の改変源に共通である一方で、他の源を使用した場合には実質的に異なることが観察された。骨の吸収性および耐熱性の小さな変動（血管の存在などに由来する）は、熱「核形成」（thermal"nucleation"）部位を形成する場合があり、そこでは、残留湿気の最初はゆっくりとした変化または炭化が、光吸収の急激な増加および切断につながる。開始の変動性は、組織における吸収の深さが短い中心波長を生成する切除光源に関しては、低減される可能性がある。いずれにしても、加工光にさらされた、サンプルの領域のインサイチューな監視によって、切除の開始の直接的な読み取りが行われた。
【０２２９】
切断が開始されてしまうと、材料の除去は、パルス数に応じてほぼ線形的であった。複数の表面下の境界面は、上昇し、主要な加工フロントと一致するように見える。OCTは、光路長を測定し、したがって、媒体の屈折率によって影響を受ける。境界面上の材料除去は、動かない表面下の特徴に対する光路長を減少させる。勾配の比率（以下の計算式、lは、表面下の特徴の見かけの深さであり、xは、孔の深さである）によって、除去されている材料の実効屈折率（n）の直接測定が与えられた。ここでは、nは、同様の組織に関する1.530という過去の報告とほぼ一致する1.5であることが分かった。これらの特徴は、以下で述べるような誘導切断にとって有用な情報を提供することができる。
2013545613.tif 000004
【０２３０】
切除の開始が確率論的な特性を有するため、従来のエクスサイチューな方法を用いるパルス当たりの測定またはフルエンス切断率当たりの測定は、非常に困難である。にもかかわらず、これらのパラメータは、手術の機器および手順を設計する上で重要な情報である。インラインコヒーレント撮像を用いるならば、これらの測定は容易であり、情報は、処理後すぐに（実際は、処理中に）入手可能であり、サンプルのさらなる改変を全く必要としない。実証として、肋骨に23個の孔が、平均パワーを一定（23W）に保ちながら、4つの異なる繰り返し率でドリリングされた。図10は、ns持続ファイバレーザ（23Wの一定の平均パワー）の照射による、牛の肋骨に関する材料エッチ速度および除去効率を示している。エラーバーは、結果の標準的な偏差を示している。Mモードデータの単純な検査によって、切断率が結果として得られた（図10では、エラーバーは、95％の標準偏差の信頼区間を示している）。切除は熱処理によって達成されるが、材料除去は、単純に、平均パワーに応じて決まるわけではない。例えば、図10（左）では、エッチ速度は、パルスエネルギーが約3倍になったときに、約50％しか増加していない。この結果を示す別の方法では、単位入射光当たりの材料除去の効率が考慮されるべきである。多くの場合、切断速度を犠牲にすることなく、露光量を減らすことが望ましい。切除レーザ源の繰り返し率を増加させることによって、材料除去効率が増加することが観察される。分かりやすく説明すると、切除については、エネルギーは半分だが、繰り返し率が2倍であるパルスの方が、エネルギーは2倍だが、繰り返し率が半分であるパルスよりも効果的である。このことは、プラズマ発生/エジェクタによる遮蔽などのパルス内効果（intrapulse effect）が、材料除去を低減させること、および、繰り返し率をさらに増加させることによって、より高い効率が得られる可能性があることを示唆している。
【０２３１】
誘導切断の技術の汎用性を実証するために、ファイバ結合された一対のスーパールミネセントダイオード（1320±35nm）、および、InGaAsフォトダイオードアレイを有する反射型回折格子分光計に基づいたポータブルICIシステムが、使用された。このスペクトル帯の使用は、速度および検出器のコストを犠牲にして、骨のより深い撮像を可能とする。マイクロマシニングプラットフォームへ組み込まれると、システムは、空気中で14μmの距離分解能、30μmの横方向スポットサイズ（1/e2）を有する。大きな撮像ビーム幅が、以下で述べるように切口の底および周辺組織の双方から形態情報を収集するために使用される。このシステムは、10μsの積分時間およびサンプルに対する7mWの入射において、300μmで測定される98dBの感度を有していた。軸方向ライン速度は、47kHzに限定される検出器である。この実施局面では、画像は、背景スペクトル減算、線形補間、FFT、およびノイズフロア等化を用いて、4コアのPC上でLabVIEWにおいて処理された。
【０２３２】
ここで使用される加工源は、23μm（1/e2）の焦点の1070nm、100W（最大平均パワー）のファイバレーザ（IPG YLR-100-SM）であり、これは、47kHzの繰り返し率でサンプルに入射する、300nsのFWHM（測定）持続時間の230μJのパルスを放出するためにTTLコマンドによってパルス化される。パルスFWHMは、300nsであると測定されるが、波形は、約3μsの全持続時間に関して極めて非対称的である。より単純なパルス波形に対応するより長い持続時間のパルスが、さらに調査されたが、切断品質の低下および再現性の低下に終わった。
【０２３３】
撮像ビームおよび切断ビームの双方は、二色性ミラーを介して同軸上に位置合わせされ、単一の50mmの色収差を補正したレンズを介して共に焦点を合わせられた。撮像は、レーザ露光と撮像との間の最大遅延を得るためにレーザ露光とは非同期的にトリガされるように電子的に制御された。組織は、パルスの間、平衡状態へと緩むことはなかったが、遅延は、高速で変化する境界面からのフリンジウォッシュアウト（fringe washout）を最小限に抑えることによって、画像コントラストを改善する。
【０２３４】
試験サンプルは、牛の腰椎の棘突起から摘出された皮質骨であった。このコンセプトの証明に適した、骨の薄い部位を形成するために、直径1mmの水冷ドリルビットが、サンプルの小部位を抉るために使用され、約1mmの空隙の上に約600umの骨が残された。骨/空気の境界面によって、加工のための理想的な目標境界面が提供された。
【０２３５】
レーザ露光中の骨のMモード画像は、加工パルスの関数として加工フロントが進行することを示している。図11は、空隙に対して穿孔を達成するために（左）、また、穿孔の前に切断を停止するために（右）、レーザ露光が制御された加工を示している。図11の左図は、2つのグループの1000のパルスが、空気層に対して穿孔させていることを示しており、隣の骨の層（深さ1.7mm）を示している。図11の右図は、7つのグループの200のパルスの適用によって、切断が、貫通の前に150ミクロンで停止したことを示している。画像（47kHz）が、ドリリングの後の材料の緩みを示すように、切断の後も続いていた。注記（参照のため）：MF-加工フロント、SI-表面下の境界面、AI-空気境界面、BW-後壁、P-穿孔点、LO-加工レーザのオフ、AG-空隙、SB-残された骨。材料除去の開始が、非常に可変的であることが証明された。例えば、図11の左図では、400のパルスで開始され、図11の右図では、わずか50のパルスで開始された。これは、骨の上層の不均一性、および、CW加工における損傷の開始の非決定的な特性に起因しているのだと思われる。加工は、一旦開始されると、穿孔（図11の左図）が行われるまで一定の速度で進行し、二次的な骨の層が可視的となった。撮像ビームの何らかの障害物によって、表面下の構造は隠蔽されるが、組織の条痕は、骨/空気の境界面に起因する最も顕著な不連続性と共に、明瞭に見ることができる。前に説明したように、加工フロントの下の条痕は、材料除去の間は、上方に移動するように見える。
【０２３６】
加工フロント上の散乱が、すべての画像において観察される。これは、孔の側壁による散乱に原因がある。側壁の改変の監視を可能とするために、加工ビームよりも幅の広い撮像ビームが、使用された。これにより、横方向に走査することなく、ある程度の横方向の情報が得られる。横方向の走査も、インサイチューで行われるが（以下参照）、その代償として、撮像速度が低下する。レーザ露光が終了した後（図11の左図では2000個目のパルス、図11の右図では1400個目のパルス）、サンプルは緩み、側壁および表面下の特徴は変化しなくなる。加工中の散乱光の変動は、表面形態の変化および高速で移動する境界面からのフリンジウォッシュアウトによって発生する。カメラ積分時間（camera integration time）中に光の波長の半分よりも多く移動する、SDOCTの境界面では、コントラストが低下することに留意されたい。この運動によって発生するアーチファクトは、他の高速で移動する境界面が、正しくない深さに現れ、この結果、切断の追跡をより困難にするOCTの時間領域または掃引源変動に関しては好ましい。
【０２３７】
サンプルを平行移動させることによって、処理前および処理後のドリリング位置のBモード画像が得られた。インサイチューの撮像は、孔の軸に自動で位置合わせされるため、高アスペクト比（＞20）の孔の深い撮像が容易であった。図12は、ドリリング前（左）およびドリリング後（右）のボアの、インサイチューのBモードOCT画像を示している。2つの明瞭な孔は、下方の骨の境界面を示しており、一方、中央の孔（図12右に対応している）は、空隙の前の150μmで停止するようにドリリングされた。残された骨の厚さが、括弧で強調されている。図12（左）のものに対応する、孔を介して見られる後壁には、BWという符号が付けられている。中央の孔は、明瞭に、空隙の上方の残された骨（図12右の括弧）を示している。他の2つの孔は、貫通孔であり、空隙および下方の骨の層からの散乱を示している。熱切断処理における組織改変によって、孔の側壁からの散乱の増加が引き起こされると、撮像光の貫入深さが低下し、場合によっては、より深くの特徴が目立たなくなる。このことは、改変位置の炭化をほとんど起こさないか、または、全く起こさないレーザ改変処理を選択することによって、最小限に抑えることができる。
【０２３８】
これらの先進的なコヒーレント撮像機能を適用することによって、場合によっては、以前に報告されていたよりも数桁も大きな時間分解能を有する、ミリメートルの長さのスケールの、硬組織の加工の追跡が実現され得る。リアルタイム画像によって、わずかな事前の情報のみが入手可能であり、かつ加工エネルギー対して極めて確率論的に反応する場合がある組織の正確な切断が可能になることが実証された。この開発は、硬組織の外科手術、特に神経システムなどの繊細な器官の近傍での硬組織の外科手術における微妙な制御に向けての重要な一歩である。
【０２３９】
スペクトル領域の光学コヒーレンストモグラフィー
本明細書に記載した態様は、スペクトル領域の光学コヒーレンストモグラフィーおよび変種を使用している。スペクトル領域の光学コヒーレンストモグラフィー（SDOCT）は、超音波撮像の光学的な類似物であると説明されている。この測定では、固定された参照長さに対する、対象物に関する光路長（OPL）を得るために、白色光の光ファイバ干渉計が使用される。スペクトル領域において、サンプル反射に関する相対OPLは、干渉計からの出力におけるスペクトル干渉縞の間隔に関してコード化される。具体的に、サンプルアームにおける一組の反射体pであって、それぞれのOPLが参照長さziと異なる反射体pについて考えてみよう。結果として得られるスペクトルインターフェログラム強度は、おおよそ
2013545613.tif 000005
である。
【０２４０】
A（k）は、撮像光源のスペクトル包絡線であり、kは波数である。第1の項は、事前に知られており、背景信号として差し引くことができる。第2の項は、一般に極めて小さいため、無視することができる。第3の項において、弱いサンプル反射（Ii）は、強い参照信号が乗じられるその強度を有し、また、その間隔（すなわち、周波数）がその深さ（zi）に依存する正弦波干渉縞として現れる。各深さは、異なる干渉縞周波数に対応しているため、信号は、直交し、動く部分がなくとも独立して監視することができる。したがって、取得速度および信号対雑音比は、検出器および撮像光の強度によって制限される。ICIは、加工ビームと同軸上で機能することができ、これにより、三角測量法によって可能であるものよりも、かなり大きなアスペクト比の孔の深さ検知が可能になることが強調されるべきである。
【０２４１】
深さ情報を抽出するために、スペクトルインターフェログラム（分光計を用いて測定される）が、補間によって一定の波数を単位としてリサンプリングされてもよく、また、FFTによってI（z）に変換されてもよい。結果として得られる関数（Aスキャン（A-scan）またはAライン（A-line）として知られている）は、サンプルの深さ-反射率プロファイル（ノイズフロアに関連して対数単位で示される）であり、サンプルの各反射境界面は、その深さに中心がある点広がり関数（PSF）として現れる。PSFの半値全幅（FWHM）は、通常、システムの距離分解能であると言われ、また、ガウスA（k）については、
2013545613.tif 000006
であると言われる。
【０２４２】
したがって、光源の短中心波長（λ）および広範囲のスペクトル（Δλ）が、高分解能撮像には望ましい。生物学的撮像における5〜10μmというオーダーの一般的な距離分解能は、830±30nmのFWHM（眼科学）または1310±35nmのFWHM（散乱組織）の準ガウス型スペクトルによって達成される。
【０２４３】
一つの重要な画像アーチファクトが、正および負のOPL（ziおよび-ziは、同じインターフェログラムを生成する）の間の多義性に起因して、発生する場合がある。スペクトルインターフェログラムは、純粋に実数であるため、深さ反射プロファイルは、ゼロを中心に複雑な共役対称性を有する。画像の半分は、通常、正のOPLのみを残して切り捨てられる。しかしながら、反射境界面が、参照点の負の側に位置する場合、そのシグネチャは、アーチファクトとして画像に反映される。したがって、一部の態様は、適切な深さの視野（FOV）を有するように設計され、すべての反射境界面が、光路長差ゼロ点の一方の側にのみ配置されることを保証するよう取り計らわれる。
【０２４４】
画像を形成するために、多くのスペクトルインターフェログラムが、分光計によって連続的に取得され、Aライン（「軸方向ライン（axial-line）」、深さの関数としての反射率）に処理され、次いで、反射率対深さ対Aライン数の3Dデータセットとして表示される。生物学的撮像では、Aライン数は、撮像ビームがラスタ走査される際の横方向位置に対応している。これにより、Bモード画像（B＝輝度（brightness））として知られている、2つの空間次元の関数として反射率の画像が生成される。あるいは、ビームが静止している場合は、Aライン数は、時間に対応しており、結果として得られる画像は、Mモード画像（M＝運動（motion））と呼ばれる。このタイプの画像は、サンプルの深さ-反射率プロファイルにおける高速変化を観察することに有用である。例えば、中心波長が1070nmで持続時間が100nsのファイバレーザ（IPG YLP-1/100/30/30-HC）を用いた、304ステンレス鋼のパーカッションドリリング中の同軸撮像によって、図13のMモード画像が得られる。サンプルの体積に対して約600μmまで下降する加工フロント（明るい白の曲線）が見られる。完了したエッチ深さ対パルス数の関係は、単一の孔をドリリングすることから得られ、切断後の材料処理を必要としなかった。
【０２４５】
760μJのパルスが、20μm e-2強度直径スポットに30kHzで入射した。8.3バールの同軸酸素アシストガスジェットが使用された。撮像速度は300kHzである。グラフの明るさは、対数スケールのサンプル反射率に対応する。示されているダイナミックレンジは、約60dBである。
【０２４６】
数十キロヘルツの取得速度であっても、Mモード画像は、エッチ速度を直接測定できるばかりでなく、溶融池の流れおよびレーザによるドリリング/溶接処理の他の動態をも測定することができる。加工フロントの下方の検知が可能であるため、さらにMモードデータは、適切なフィードバックハードウェアと共に、サンプルの正確な幾何学的形状が事前に分からなくても、生体組織を含む様々な半透明材料のブラインド孔切断（blind hole cutting）を誘導するために使用することもできる。  
【０２４７】
図14は、ホモダインミキシングの例として使用される、本発明の態様によって提供される別の撮像システムの概略図である。しかしながら、ホモダインミキシングは、本明細書に記載した任意のシステムと共に使用することができる。符号：ISO-ファイバ結合された光学アイソレータ400、50:50-モードカプラ402、PC-偏光コントローラ406、TGR-透過型回折格子408、ASL-空気間隔レンズ（Air spaced lens）410、SiLC-シリコンCMOSラインカメラ412、50FC-50mmファイバコリメータ414、10FC-10mmファイバコリメータ407、409。ファイバ結合されたスーパールミネセントダイオード（SLD）418、カスタム分光計、および、カメラポート（より一般的には光アクセスポート）を介してレーザ加工ヘッドと接続することのできる光ファイバマイケルソン干渉計が存在する。SLDからの撮像光は、最初、後方反射からSLDを保護する光アイソレータおよび/または光サーキュレータを通過する。光は、エバネセントモードカプラ（ビームスプリッタまたはビームコンバイナ）に進み、そこで、この場合はファイバから自由空間までをつなぐサンプルアームおよび参照アームに向けて分割される。一部の光が、双方の干渉計アームにおいて逆反射し、信号は、モードカプラにおいて再び組み合わされ、干渉する。偏光コントローラは、シングルモードファイバ内の偏光効果によって生じた、2つの干渉計アーム間の不一致を補正し、さらに、回折格子の効率を最適化する。また、偏光維持ファイバが、偏光コントローラと共に、または、偏光コントローラの代わりに使用されてもよい。透過型回折格子は、アラインメントを容易にするために分光計内で使用される。最後に、カメラは、スペクトルインターフェログラムを測定し、IEEE-1394を介して、処理用のデスクトップコンピュータ（または、図示されていない他の処理プラットフォーム）にデータを伝送する。
【０２４８】
以下は、図14のシステムの性能に関する例示的な測定である。
【０２４９】
（表１）計算されたシステム性能特性
2013545613.tif 000007
＊低速のカメラ動作に使用可能なノイズ仕様に基づく。実際の値は最速でより低値と予想される。
†サンプルアームの光学部品が約80％の効率を有すると想定。
【０２５０】
一部の態様は、構成部品の選択に応じて、異なる速度、感度、分解能、および/またはダイナミックレンジを有してもよい。
【０２５１】
態様によっては、完結したシステムは、特定用途向けの加工ヘッドとのカスタムインターフェースをさらに含む。このことは、一般に、カメラポートを改造し、撮像光と加工光とを組み合わせる適正な二色性光学部品を選択することによって、達成することができる。さらに、撮像ビームの適切な焦点ビーム直径が、選択されてもよい。実施局面によっては、撮像光および加工光は、同じ対物レンズによって焦点を合わせられる（しかしながら、これは必須ではない）。なお、この対物レンズの焦点距離は、既存の加工処理の要求によって予め定められている。この場合、サンプルアームのコリメータの選択およびアラインメントを、撮像に関して所望の焦点特性を得るために利用することができる。さらに、コリメータのアラインメントは、撮像光および加工光との間の対物レンズの焦点距離の変動を補償するために利用することができる。
【０２５２】
例示的な応用として、100mmの焦点レンズを有する加工レーザヘッドが考えられる。被写界深度の全体にわたって均一な画像を維持するために、コリメータの焦点距離は、焦点撮像ビームのレイリー範囲が、システムの被写界深度の約半分になるように、選択されるべきである。上に記載した設定に関して、10mmのコリメーティングレンズが選択され、この結果、27μmのビームウエスト（1/e2強度半径）および2.8mmのレイリー範囲が予想される。最大の距離分解能を達成するために、サンプルアームと参照アームとの間の分散不一致の適切な補償が役に立ち得ることに留意されたい。
【０２５３】
設計は、柔軟であり、撮像速度（アップグレードされたカメラを用いて）または距離分解能を改善するために修正することができる。後者は、より幅の広いスペクトルのSLD（または他の光源）および線密度の低い回折格子を選択することによって達成される。これにより、被写界深度が浅くなるという欠点があるものの、さらなる金銭的コストをほとんどあるいは全くかけずに、分解能が大幅に改善される。例えば、現在の構成部品を、1200線/mmの回折格子（Edmund OpticsNT48-589）と840±25nmのFWHM光源（Exalos EXS8410-F413）とのペアに置き換えることによって、3mmの最大範囲にわたって6.2μmの分解能を得ることができる。より高いスペクトルバンド幅を用いる場合、適切な分散不一致の補償は、最大分解能を達成するために重要であることに留意されたい。
【０２５４】
このようなコヒーレント撮像技術では、検出器の積分時間中に境界面が約λ/4以上移動する場合、干渉縞コントラストが大幅に低下し（「ウォッシュアウト（washed out）」）、この結果、その境界面からの信号が消失することに留意されたい。このことは、追跡することのできる境界面速度の上限に対応する。しかしながら、このことには、画像を複雑にし、自動フィードバックをより困難にする反射を生成する特定の高速な境界面（例えば、エジェクタ）を取り除くという利益もある。最大境界面速度は、検出器の積分時間に依存し、また感度に影響を及ぼす。35μsの積分時間の場合、システムは、最大0.006m/sの速度で移動する境界面を追跡することができる。より高速に移動する境界面については、積分時間を、1μsまたは100nsまで短くすることができ（感度を犠牲にして）、これによって、それぞれ0.21m/sまたは2.1m/sの最大速度が得られる。これは、工業処理における一般的なエッチ速度よりも高速であるため、この設計は、広範な用途に適すると期待される。積分時間のより短いラインカメラ、バランスド光検出器、および/または掃引源の使用により、さらに高速に移動する境界面の解像も可能となり得る。
【０２５５】
ホモダイン式の深さフィルタリング
自動フィードバック方法としてICIを使用するために、処理は、少なくともデータ取得と同じ速さで実行することができることが好ましい。生物学的撮像では、画像を形成するためにFOV内のすべての深さからの反射強度を計算するために、補間およびFFTの操作が必要である。一方、フィードバックシステムでは、画像出力は、例えば特定の深さに到達した時点で、画像出力の関数として材料改変処理の変化（例えば、放出の終了）をトリガするために使用される。この場合、すべての深さからの反射率を計算することは、過度である場合がある。ドリリングが所定の深さに貫入した時点を判定するための効率的な方法が、提供される。
【０２５６】
所望の深さzから開始し、分光計からの較正データと共に上に示したI（k）に関する計算式を使用して、合成インターフェログラムが事前に計算され、一定のカメラ画素数（または、検出システムに対応するベース）を単位にして表現される。この計算は、事前に完了させることができ、リアルタイム計算の負荷の一部とはならない。多数のこのような事前に計算される合成インターフェログラムは、作成されてよく、様々な目標結果のために使用されるメモリテーブルから（個々に、または、他の仕方で）読み出されてよい。様々な目標結果とは、例えば、複数の可能な深さのなかの一つを達成すること、一連の中間工程を介して所望の深さへの接近を追跡すること、特定の深さから材料を除去すること、ある深さから、別の深さからよりも多くの材料を得ること、または目標深さからの後方散乱の変化を最適化することである。
【０２５７】
合成インターフェログラムと、カメラからの生データとをホモダインミキシングすることによって、図20に示されているように、当業者に公知の他の方法と比較した際に、スプリアスなサイドローブ信号（補間誤差に由来する）が大幅に低減され得る、所望の深さからの信号が、抽出される。F。カメラからの各画像出力については、カメラからの生データが、画素ごとに合成インターフェログラムと乗算され、次に、合算される。所望の深さに到達した時点で、合算された結果はピークに達する。
【０２５８】
信号と多数の合成インターフェログラムとを組み合わせることが望ましい場合、行列乗算手法が採用されてもよい。
【０２５９】
データ要素が、検出器から連続的に、または準連続的に（すなわち、多数のカメラタップ（camera tap）を介して）転送される場合、態様によっては、受信用電子機器が、メモリおよび/またはゲート（フィールドプログラマブルゲートアレイ、FPGAなどに基づく）などの処理リソースを維持するために、ならびに、フィードバックの待ち時間全体を低減するために、利用可能になるとすぐに個々の要素に基づいて計算を開始してもよい。
【０２６０】
実証するために、このフィルタ技術が、図15において、使用される分光計データに適用されている。なお、200μmの目標深さ（図15の線100によって示されている）が選択されている。フィルタ応答は、加工フロントが上記深さを通過した瞬間に、明瞭な高SNR応答を示している（図B下）。
【０２６１】
フィルタ応答は、ドリリングを停止するか、または材料改変処理のパラメータに何かしら他の変化を起こすためのフィードバック反応をトリガするために使用される。図16は、自動フィードバック制御の方法のフローチャートであり、この方法は、例えば、所定の深さに到達した時点に基づいて、ドリリングを停止させるために使用することができる。多数の深さに基づくフィードバックおよび処理の他のパラメータの制御が行われる、より複雑な制御システムもまた可能である。態様によっては、ルックアップテーブルが、（様々な事前に計算された合成インターフェログラムを選択することによって）関心対象の深さを迅速かつ動的に変更するために、採用される。
【０２６２】
深さフィルタリングは、標準的な処理に比べて計算上の節約を達成することができる。事前に取得された生の実験データの576の要素ラインの多数のブロックを処理するために必要とされる時間について、本発明者らの標準的な生物学的画像コード（背景減算、三次スプライン補間、FFT、ノイズフロア等化）を用いた場合と、ホモダインフィルタを用いた場合との双方が、表2で比較されている。処理は、Microsoft Windows 7の64ビットの環境において、クアドコアのIntelデスクトップCPUによって、シングルスレッドで実行されるMATLABを用いて実行された。表2の結果は、103ライン/秒（klps）を単位として表されており、相対速度増加係数は、ホモダインフィルタを用いることによって得られる。
【０２６３】
（表２）4×105の画像ラインの処理速度の比較
2013545613.tif 000008
【０２６４】
極めて小さなブロックサイズおよび極めて大きなブロックサイズについて、FFT方法は極めて遅い。これは、ハードウェアおよびソフトウェアの環境に特有の制約の結果であり、コードの計算上の複雑さの結果ではない。結果的に、2つの方法の最良の理論上の比較は、中間サイズのブロックである。この場合、FFTがその最良の結果を生み出している場合であっても、ホモダインフィルタは、これよりも2桁ほど優れている。
【０２６５】
ライン周期は、生のスループット率を限定しているものの、フィードバック待ち時間全体に対して最小値でしかない。割り込み待ち時間、ならびにデスクトップハードウェアおよびオペレーティングシステムに固有の他の遅延は、付随的であり、最終的には優勢的な条件となる可能性がある。このため、ICIをベースにしたフィードバックの完全な機能が、フィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）または特定用途向け集積回路（ASIC）の形態をとる専用の処理ハードウェアを使用することなく、実現される可能性はない。これらの構成部品は、ここで詳しく述べたカメラを含む多くの最近のカメラ内にすでに存在している。ここで説明したホモダインフィルタアルゴリズムをカメラに実装することが容易であることによって、デスクトップPCがボトルネックになることが回避され、カメラ自体による加工システムの統制が可能になる。
【０２６６】
表面下の撮像
図17は、インラインコヒーレント撮像を特徴として有するシステムの別の例である。この実施局面は、ICIの光ファイバの実施局面を特徴として有する。ブロードバンド光源500は、光ファイバ502に光を注入する。アイソレータは、後方反射が光源に到達することを阻止する。光カプラ504は、参照アーム（上）506とサンプルアーム508（下）（レーザ処理システムに向かう）とに対して光を分割する。分割の比率は、用途の必要性に応じて決められる。例では、50:50（参照アームに50％、サンプルアームに50％）である。参照光は、参照アーム沿って進み、後方に反射する。参照アームの経路長は、様々な長さの光ファイバを用いて大まかな区域として、およびマイクロメートル制御の平行移動ステージに取り付けられたミラーを用いて細かな区域として設定することができる。通常、参照アームの長さは、レーザ処理システムのワークピースに対する光路長に一致するように設定され、約200マイクロメートル未満である。分散を一致させ、参照アームの反射パワーを制御するために、参照ミラー（図示せず）の前に、レーザ処理プラットフォームにおいて使用されるものと同じ焦点対物レンズを配置することが好適である場合が多い。参照アームは、分散および偏光の制御を可能にする光学部品510、512を含む。分散制御は、参照アームおよびサンプルアームの双方が、一致した分散に近くなるように、行われる。偏光制御は、通常、サンプルアームからの参照および後方反射が、同様の偏光状態（最大干渉に関して）を有するよう設定される。参照アームはまた、検出器の飽和（detector saturation）および画像のダイナミックレンジを制御するために、制御可能な強度減衰器（図示せず）を有してもよい。このことは、ニュートラルな可変密度フィルタ、ファイバカプラの位置ずらし、または末端参照ミラーに対する焦点対物レンズの平行移動（すべて図示せず）によって達成することができる。サンプルアームのファイバは、インラインコヒーレント撮像システムから出て、外部のレーザ処理プラットフォームと接続される。光は、ワークピースから後方散乱し、同じファイバに沿って戻ってくる。後方反射した参照光は、光カプラ504において分割され、その一部が、高速分光計514と接続されたファイバに注入される（量は、カプラの分割比に応じて決まる）。後方散乱したサンプル光は、光カプラにおいて分割され、その一部が、高速分光計と接続されたファイバに注入される（量は、カプラの分割比に応じて決まる）。サンプル光および参照光は、光ファイバ516内で干渉する。光は、分光計内で、その波長に応じて分散される。検出器は、波長の関数として強度を測定する分光計であってもよい。建設的ピークおよび相殺的ピークの位置は、参照アームと比較したサンプルアームの相対経路長に関する情報を含んでいる。光が、サンプルアーム内で、一つより多い深さ（例えば、レーザキーホールの側部）から同時に後方散乱する場合、強度およびすべての深さの相対位置が、インターフェログラム内でコード化される。スペクトルインターフェログラム（波長の関数としての強度）は、検出器によって電子信号に変換され、処理のための制御電子機器518に伝送される。電子処理システムは、分光計を制御し（例えば、トリガする）、生の検出器のデータを処理する。一つの処理技術（いわゆる標準的なOCT処理）は、背景減算、カメラ画素数から一定の周波数段階への変換のための三次スプライン補間、深さの関数としての後方散乱のグラフを得るための高速フーリエ変換である。サンプルアームに、ただ一つの高反射境界面がある場合は、結果として得られるグラフは、その幅がシステムの距離分解能によって設定された一つの強いピークを有する。距離分解能は、分光計によって測定された波長バンド幅に反比例する（したがって、ブロードバンド源に関しては、高分解能を達成する必要がある）。あるいは、上に記載したホモダインフィルタリングの手法は、処理時間をより速くし、画像の品質を改善するために使用されてもよい。態様によっては、フィードバックコントローラ（電子処理518の一部であるか、または、これとは別である）は、材料改変処理の一つまたは複数の処理パラメータを制御するためのフィードバックを作成する。例については、他の態様との関連において、上で示してきた。
【０２６７】
図18は、ICIが前方視誘導レーザ手術に適用されているブロック図である。レーザは、組織の切除に有用である。なぜなら、光は、極めて絞って焦点を結ぶことができるため、外科医が体積の小さな組織を除去することを可能にするからである。高い精度の横寸法を有する光を供給することができるものの、レーザ切開の最終的な深さを制御することは困難である。組織は、極めて不均一であり、除去速度が大きく変動し得る。これにより、供給されるエネルギーの全体は、切開の深さを予測する良い材料にならない。図18は、通常は機械的方法（例えば、ドリル）によって除去される多くの硬組織または軟組織を含む、患者の処置領域600を示している。ICIシステムは、組織が切除される際に切開の深さを測定し、所定の深さでレーザ露光を終了させる。さらに重要なことは、ICIが、赤外光（約1300nm）を用いて使用されるとき、組織（切除フロントよりも深い）の撮像が可能なことである。これにより、境界面が貫通される前に（および強い外科用レーザによって繊細な表面下組織が傷つけられ得る前に）、照射を終了させることが可能になる。
【０２６８】
干渉計と、ブロードバンド光源と、分光計とを含むインラインコヒーレント撮像システム602が用意され、例示的な実施局面については、図17に描かれている。患者の処置領域は、600によって示されている。外科医によって制御され、かつフィードバック制御によって修正される照射を発生させる外科用レーザ604が存在している。撮像ビームと外科用ビームとを同軸上で組み合わせ、かつ処置領域から後方散乱した撮像光を収集するロボット制御の焦点ヘッド610（しかしながら、一部の他の態様では手で操作されてもよい）が存在している。態様によっては、撮像レーザ光および外科用レーザ光は、撮像光および外科用光が事前に組み合わされた状態で焦点ヘッドに到達するように、外科用レーザの伝播経路の前の方で組み合わされてもよい。ICIシステム602からのスペクトルインターフェログラムデータは、外科用レーザおよびロボット制御の焦点ヘッドのための電子フィードバック制御を作成する電子処理606に伝送される。さらに、画像ディスプレイ608に対する出力が作成される。
【０２６９】
ICI干渉計のサンプルアームからのビームは、外科用レーザ604と同軸上になるよう設定される。このことは、適切な二色性ミラーを用いて自由空間において行うことができる。このことによって、画像が、外科用ビームの方向と同じ線に沿うことが保証される。参照アームの長さは、サンプルアームと参照アームとがほぼ一致するように設定される。外科医は、自分が外科用レーザを始動させる前の目標領域（および、その下）を画像化するために画像ディスプレイを使用することができる。撮像システムは、他の画像モダリティ（事前に記録されたMRIまたはCTなど）の共記録（co-registration）を使用して、外科用レーザの位置を微調整するためにも使用することができる。これにより、外科医は、より大きな解剖学的特徴との関連において、体積の小さな処置領域を、ICIを使用することによってリアルタイムで見ることが可能になる。電子処理によって、この共記録は行われる。さらに、外科医は、事前に記録された画像モダリティを使用して、除去されるマージンを選択することができた。
【０２７０】
外科医は、外科用レーザの照準が、処置計画と一致する正しい処置領域に合っていることを確認すると、切除処理を開始する。システムは、特定の深さが切断された後に照射を終了させるように、特定の事前に設定したマージンを残すように、または、切除が選択された境界面から特定の距離に到達した際に照射を終了させるように、プログラムすることができる。ICIシステムは、術後の分析に有用な、処置手続きの恒久的な記録を行うために使用することができる。
【０２７１】
図19は、レーザ溶接のためのインサイチューな計測にICIが適用されているブロック図である。レーザ溶接は、大量の自動製造によく適した狭く深い溶接を行う。レーザ溶接の様々な適用においては、共通して、連結領域に局所化された相転移をもたらすために、レーザによる制御された加熱の処理が行われる。この相転移領域（PCR）を制御することは、溶接の品質および溶接システムの生産性全体を制御するために使用することができる。レーザ光の高い空間コヒーレンスにより、溶接エネルギーの優れた横方向制御が可能である。軸方向制御（PCRの深さ）およびその後の熱拡散は、特に厚い材料においてより問題となる。これらの適用に際して、PCRの深さは、「キーホール溶接」として広く知られている技術を用いる場合、材料内の深くにまで及ぶ（〜mm）。この場合、ビーム強度は、光ビームが材料内に深く貫入することを可能にする小さな蒸散チャネル（キャピラリまたは「キーホール」としても知られている）を開けるよう、表面を溶かすのに十分である。特定の適用に応じて、キーホールは、狭い（＜mm）が、数ミリメートルの深さがあり、また、キーホールには約104W程度の光パワーの適用が維持される。
【０２７２】
図19では、干渉計と、ブロードバンド光源と、分光計とを含むインラインコヒーレント撮像システム702が用意されており、例示的な実施局面については、図17に描かれている。溶接プラットフォームは、700によって示されている。フィードバック制御を考慮して、溶接コントローラ705によって制御される溶接ビームを発生させる溶接レーザ704が存在している。焦点対物レンズ703は、溶接ワークピース701に送るために撮像ビームと溶接ビームとを組み合わせ、溶接領域から後方散乱した撮像光を収集する。アシストガス、電気アーク、添加材などの付加的な溶接入力があってもよい。ICIシステム702からのスペクトルインターフェログラムデータは、溶接コントローラ704のための電子フィードバック制御を作成する電子処理706に伝送される。さらに、画像ディスプレイ708に対する出力が作成される。この場合、ICIシステム702は、ファイバ-自由空間カプラ（fiber to free-space coupler）720を介して、溶接プラットフォームのカメラポート718と接続されている。
【０２７３】
キーホールの形成をリアルタイムで測定するために、ICI撮像システム702のサンプルアームは、PCRに焦点を合わせられる溶接レーザビームと同軸および/またはほぼ同軸に設定される。このことは、撮像ビームを平行にし、これを溶接プラットフォームのカメラポートに向かわせることによって、行うことができる。ICIシステムは、形成されるキーホールの深さを監視するために使用され、それが、すべてのワークピースの溶接にとって適切な深さとなることを保証する。パルスレーザ溶接において、ICIシステムは、溶接レーザの多くの繰り返し率で動作することができ、レーザ露光の前、間、および後の画像を提供する。これは、蒸散チャネルの形成およびその後の再充填に関する直接的な情報を与える。連続波の溶接源を用いて、ICIシステムは、キーホールの安定性を直接監視することができる。この情報からのフィードバックは、キーホールの安定性を増加させるために、溶接パラメータ（レーザ強度、送り速度、およびアシストガスなど）を最適化することに使用することができる。
【０２７４】
画像ディスプレイ708は、溶接処理中のキーホールの貫入および安定性に関するリアルタイム情報を操作者に示し、ワークピース上の正確な領域に配置される、溶接形成の恒久的な記録を提供する。このことは、後の品質保証にとって重要であり得る。
【０２７５】
本発明の別の態様は、共通の誘電体の対物レンズが撮像光とレーザ光とを組み合わせるために使用される、ファイバをベースにしたICIを提供する。このような態様は、随意に、例えば先に説明した任意の他の態様において規定されたようなフィードバックコントローラを含む。
【０２７６】
本明細書に記載した基本的な設計要素の組合せ、混合、または交換を行う他の態様は、可能であり得るとともに、当業者には明らかである。これらは、改変されている材料の下側を含む他の方向からの撮像（すなわち、改変ビームとインラインでない）を含むが、これに限定されない。
【０２７７】
ダイナミックレンジを管理するための、感度対深さの設計
ICIは、反射光の強度からの情報が使用される方法に関して、他の形態のコヒーレント撮像（OCTなど）とは異なっている。OCT撮像の適用では、画像全体にわたる均一なコントラストおよび視認性を維持するために極めてフラットな感度対深さの関係を有することが、望ましい場合がある。ICIでは、（例えば、金属の）反射面を光学的に配置することに主な関心があるため、画像全体にわたる均一なコントラスは、OCTの場合ほど重要ではない。
【０２７８】
態様によっては、より弱い反射に対して明るい反射を減衰させ、ダイナミックレンジ全体を広くするように、撮像システムの感度対深さ機能を設計する工程がとられる。ICIは、材料の反射率が様々な方向に極めて変化しやすいため、このような広くされたダイナミックレンジから恩恵を受ける場合がある。反射は、境界面から強く発生してもよいし、または、弱く発生してもよい。様々な高さに、多数の表面反射および内部反射があってもよい。ICIをベースにしたシステムの動作を、反射がより弱い可能性があると予想される関心対象の領域に対してより高い感度を有するように構成することが可能である。
【０２７９】
例えば、図5に示されているようなICIシステムを使用する場合、加工される特徴の周囲は、当然ながら、孔の底よりも多くの光を撮像システムに向けて反射することができる。したがって、深さがより浅いことから、より強い信号を予想することができる。撮像システムが、最大感度を有するように構成される（孔の底を検出するその性能を最適化するために）場合、孔の最上部に発生するかなり強い信号によって検出器が飽和するリスクがある可能性がある。
【０２８０】
態様によっては、感度対深さは、光路長差ゼロ点をサンプルの関心対象の領域の上に配置する代わりに、この下に配置することによって管理される。このことは、参照アームの長さを増加させ、深さがより浅いことは今度は干渉縞の周波数を増加させることによって示されるという事実を反映させるために撮像システムの出力をアップデートすることによって、達成することができる。材料内の光路長差ゼロ点の位置は、図21および図23において図解されている。図21では、光路長差ゼロ点Dは、サンプルの下にくるように、具体的には、A、BおよびCにある反射体の下にくるように、設定されている。同様に、図23では、光路長差ゼロ点Bは、溶融池の下にある。他の実施局面では、光路長差ゼロ点は、測定されている材料の下の深さに配置されるように構成される。
【０２８１】
この手法は、自然なサンプル反射率（深さとともに減少する傾向にある）に対抗するために、システムの自然な感度対深さ挙動（検出器の有限スペクトル分解能に起因して、経路長差が増加するとともに減少する傾向にある）を利用している。このように、サンプル内のより深くの構造（より少なく反射する傾向にある）は、表面構造（より多く反射する傾向にある）に対するより高い感度によって、検出される。この実践のさらなる利点は、煙、プラズマ、デブリ、および撮像システムの近傍の光の散乱の他の原因が、画像内ではより深くに現れ、減衰され、複素共役の多義性により関心対象の領域に含まれないことである。このことは、複素共役の多義性が光路長差ゼロ点をサンプル内に、または場合によってはサンプルの下に配置することを望ましくないこととする医療撮像分野（例えば、光学コヒーレンストモグラフィー）における技術の教示とは異なっている。
【０２８２】
態様によっては、光路長差ゼロ点は、関心対象の領域の上に配置される。
【０２８３】
態様によっては、感度対深さは、例えば、WoodsおよびPodoleanuによって実証されているように、感度対深さの曲線を調整するために、トルボットバンド技術を用いることによって、管理される。Daniel WoodsおよびAdrian Podoleanuの「Controlling the shape of Talbot bands' visibility」（Opt.Express 16,9654-9670（2008））、Adrian Gh.Podoleanuの「Unique interpretation of Talbot Bands and Fourier domain white light interferometry」（Opt.Express 15,9867-9876（2007））、Adrian PodoleanuおよびDaniel Woodsの「Power-efficient Fourier domain optical coherence tomography setup for selection in the optical path difference sign using Talbot bands」（Opt.Lett.32,2300-2302（2007））を参照のこと。なお、これらすべてについて、それぞれの全体は、参照により本明細書に組み入れられる。この手法は、表面反射体の強力な調節可能な減衰を可能にし、また、検出器を飽和させる可能性のある明るい表面反射を低減させるために使用することができる。
【０２８４】
態様によっては、感度対深さは、例えば、その全体が参照により本明細書に組み入れられるMullerら（Matthew S.Muller,Paul J.L.Webster,and James M.Fraser,Optics Letters 32,3336（2007））によって実証されているように、非線形時間ゲートを用いることによって、管理される。この手法は、高感度の深さ窓（この外の感度は低減される）を規定するために、非線形和周波発生（nonlinear sum frequency generation）を利用している。窓が反射の弱い場所の近くに配置されると、表面反射は低減され、検出器の飽和が防止される。
【０２８５】
態様によっては、感度対深さは、例えば掃引源撮像システムにおいて、最後のデジタル化の前にアナログ干渉縞信号にアクセスし、次いで、信号のより弱い深さに対する感度を維持する間は高い反射率が予想される深さに対応する特定の干渉縞周波数を減衰させるためにハードウェアによる直接の復調および/またはフィルタリングを用いることによって管理される。このことは、検出器と画像プロセッサとの間の信号線にデジタルおよび/またはアナログのフィルタ部品を追加することによって、達成することができる。
【０２８６】
感度対深さを管理する4つの具体的な手法について説明してきた。態様によっては、2つ、3つ、または4つすべての手法の組合せが実施される。さらに、図5の態様に関して説明したが、これらの手法の任意の一つ、またはこれらの手法の2つ以上の任意の組合せが、ここに記載されているか、または特許請求されている任意の他の態様と共に使用することができることが理解されるべきである。
【０２８７】
レーザ溶接の観察および処理展開
態様によっては、図14に示されているような機器は、カメラポートまたは何らかの他の適切な光アクセスを介して、レーザ溶接ビーム供給システム内のビームラインと接続される。撮像レーザビームおよび溶接レーザビームは、二色性ミラーを用いて組み合わされ、共通の対物レンズを介して焦点を合わせられる。
【０２８８】
態様によっては、この機器は、レーザ溶接処理（キーホール溶接処理など）を観察するために、態様によっては溶接処理へのフィードバックと共に、態様によっては溶接処理へのいかなるフィードバックもなしに、適用される。
【０２８９】
フィードバックを特徴として有する本明細書に記載したICIの任意の態様では、閉ループフィードバックの動作が、フィードバック制御原理または複数のフィードバック制御原理から選択された一つを利用して達成されてもよい。
【０２９０】
フィードバックを特徴として有する本明細書に記載したICIの任意の態様では、材料改変処理は、少なくとも一部がフィードバック制御原理であり、かつ少なくとも一つが開ループ制御原理である複数の制御原理から選択された一つを利用して動作することができるように構成されてもよい。態様によっては、時に開ループであり、時に閉ループであるハイブリッド制御原理が用いられる。開ループモードは、例えば、ゼロフィードバックデータを規定する制御原理を選択することによって達成されてもよい。様々な理由で閉ループ制御を実現しないことが、操作者によって望まれる場合がある。所望の結果を得るための制御原理は、動作の目的に応じて大幅に変更することができることが、当該技術分野では理解されている。例えば、制御されないレーザ溶接によってどの程度の溶接欠陥が発生するのかをICIを用いて測定することが望ましい場合がある。ゼロフィードバックデータを規定する制御原理を選択することによって、システムは、あたかも制御されていないかのように動作させられる。このようにして、ICIは、標準的なレーザ溶接システムの性能の特徴付けおよび測定を行うために使用することができ、この場合、標準的なシステムでは、ICIをベースにした制御を別なふうには利用することができない。他の態様では、溶接深さをより深い貫入レベルとより浅い貫入レベルとの間で調節する制御原理を実行することが望ましい場合がある。他の態様では、溶接深さ貫入の最悪の限界だけが制限され、これにより、場合により開ループ動作、および、貫入深さが制御範囲の限界に近付いた場合のみの深さ制御動作を可能にする制御原理を実行することが望ましい場合がある。
【０２９１】
溶接ビームによって形成されたキーホール（または他の溶接結果）の底からの位置反射率を測定することによって、レーザキーホール（または他の溶接結果）の深さの測定を行うことができる。実施局面によっては、このことは、最大300kHz超の速度で達成されてもよい。これは、レーザ溶接の深さ全長のほぼ近似である。パルスレーザ溶接の実験は、図5に示されているようなインラインコヒーレント撮像システムを用いるが、フィードバックコントローラは使用しない観察の間に行われた。処理中のICIシステムによって示された深さが、断面化（cross sectioning）、研磨、およびエッチング（当業者によって用いられる解析手続き）によって明らかになる溶接シームの深さとほぼ一致することが発見された。したがって、ICIデータは、この費用が掛かる破壊的な解析工程を縮小または除去することができる。さらに、このようなICIデータは、ハードディスクドライブまたは固体ディスクなどの記憶媒体に画像データを保存することによって、処理展開を加速させること、100％の溶接検査を行うこと、および、恒久的な溶接部の特徴の記録を行うこともできる。ICIからのフィードバックは、より生産力のある溶接設備につながり、以前であれば不可能であるか、または経済的ではなかったレーザ溶接を可能とする。
【０２９２】
これは、撮像システムよって供給されるリアルタイムフィードバックは、それが、より高速に加速され、および/またはより大きな深さまで押されるときに、原材料の変化（例えば、フィットアップ不良（poor fit up））および処理の不安定性（例えば、変化する溶接深さ）を補償するように処理変数を変更するために使用することができるからである。このことは、許容可能な品質を維持しながら、より低コストの入力原材料、より高い処理速度、および/またはより深い貫入を含むようにレーザ溶接システムのユーザビリティを拡張することができる。
【０２９３】
溶接手続きの最初または最後の間の過渡効果が、溶接の結果に悪影響を与える場合がある（例えば、シーム深さの不一致、例えば、欠肉）。一態様では、撮像システムによって供給されるフィードバックは、溶接の最初、最後、または両方における過渡挙動を補償するために一つまたは複数の処理パラメータを制御することによってこれらの欠点を軽減するために、使用することができる。特定の例では、図5に記載されているシステムは、2枚の鋼の板の重ね溶接の間中、溶接キーホールの深さを測定する。溶接の開始時、画像データは、キーホールが選択された溶接深さまでまだ貫入していないことを示す。このデータは、処理ビームに対する材料の送り速度を遅くする結果と共にフィードバックコントローラによって処理される。これには、キーホールが、速度の調節が行われなかった場合よりも、選択された深さのより近くまで貫入することを可能にする効果がある。
【０２９４】
撮像システムの多重化
態様によっては、単一の加工レーザ（より一般的には、単一の処理ビーム源）は、多数の処理位置にある多数のサンプルを処理するために使用され、また、この加工レーザは、一つまたは複数のICIシステムと組み合わせられる場合がある。これにより、比較的高価な加工レーザをより有効に活用し、ICIシステムの性能をより有効に活用することができる。これらの状況では、一組のサンプルからサンプリングされたデータは、サンプリングされたデータが特定のサンプルに関連付けられ得るように、加工レーザの指向性と連動される。
【０２９５】
態様によっては、単一の参照アーム、およびそれぞれのサンプルアームは、伝播遅延が正確に一致された状態で使用される。この例は、図25Aに描かれている。しかしながら、多重化ICI機能の観点からの唯一の課題は、単一の固定の参照アームを使用することができるように、一組の処理位置の間の伝播遅延全体を一致させる機能にある。この課題は、光ファイバの距離（run）が長い場合があり、マルチプレクサによって、各多重化チャネルに対して異なる（例えば、可変の）遅延が加えられる場合があるという事実から生じる。
【０２９６】
態様によっては、互いに一致した複数のサンプルアーム経路は使用されずに、参照経路の光路の動的切り替えが、主要な処理ビーム経路が切り替えられるのと同時に、行われる。この手法により、各サンプル経路に対する最適な参照経路、および、参照アームを処理位置（例えば、ロボット）における任意の振動から遠ざけて自由に配置することが可能となる。この例は、図25Bに描かれている。ここでは、参照マルチプレクサが、様々な固定参照アームを切り替えるために使用されている。あるいは、何か他の種類の可変参照アームが採用されてもよい。態様によっては、別々の参照アームが、各処理位置に備えられる。サンプルアームおよび参照アームは、2×2エバネセントモードカプラの一方の側と接続されており、他方の側からの接続は、各処理位置から共通の照明チャネルおよび検出チャネルにかけて多重化されている（すなわち、スイッチまたはセレクタ）。これらのチャネルは、最も実際的な場合において、光路長の影響を受けない。さらに、この手法は、光損失を最小化する。また、光スイッチ、セレクタ、もしくはマルチプレクサの代わりに、または、光スイッチ、セレクタ、もしくはマルチプレクサに加えて、光シャッタが、サンプルアームおよび参照アームにおいて使用されてもよい。すべての動的要素の動作は、任意の望ましくない光反射信号を適切に分離するために、主要な処理ビームの指向性のタイミングと連動される。この手法の例は、図25Cに描かれている。
【０２９７】
態様によっては、照明チャネルおよび検出チャネルは、2×1エバネセントモードカプラの一方の側と接続され、その出力は、様々な処理位置に対して多重化され、この場合、それは、1×2エバネセントモードカプラの一方の側と接続され、その2つの出力は、別々の参照アームおよびサンプルアームと接続される。この手法により、2つの光マルチプレクサを必要とする際の複雑さおよび費用が免除される。また、光スイッチ、セレクタ、もしくはマルチプレクサの代わりに、または、光スイッチ、セレクタ、もしくはマルチプレクサに加えて、光シャッタが、サンプルアームおよび参照アームにおいて使用されてもよい。すべての動的要素の動作は、任意の望ましくない光反射信号を適切に分離するために、主要な処理ビームの指向性のタイミングと連動される。この手法の例は、図25Dに描かれている。
【０２９８】
図25A、図25B、図25C、および図25Dにおいて、各セルというのは、異なるレーザ処理位置のことである。「レーザセル」は、当該産業において共通の用語であり、材料が処理される囲まれた領域のことを表現している。50:50のスプリッタが、ここでは描かれているが、他の分割比が、システムのダイナミックレンジおよび感度を調節するために用いられてもよい。
【０２９９】
本発明の態様によっては、参照アームは、参照アームの経路長が、場合によっては、システムの動作中に、あるいはシステムが動作していない間に、調節可能であるように構成される。調節可能な参照アームにより、参照アームの経路長を必要に応じて調整することができるため、システムのより単純な動作が可能となる。同様に、態様によっては、主経路の経路長の調節機能が、実現されてもよい。調節可能な参照アームは、例えば、
サンプルの運動の補償、
より高い領域またはより低い領域に対するサンプルの関心対象の領域の調節、
切り替えアームまたはマルチアームのICIシステムにおける多数のサンプルの測定、
外科的状況におけるICIシステムの容易かつ迅速な構成
の一つまたは複数のために使用されてもよい。
【０３００】
調節可能な光学参照アームは、少しだけ具体例を挙げるならば、伸縮自在の光媒体の使用、電動式の自由空間反射体および結合機器の使用、または多反射ミラー機構の使用によって、実現されてもよい。
【０３０１】
調節可能な光路長部品の手動または自動の調節は、ICIシステムの動作中に実行されてもよい。このような調節は、システムの実行時間中にICI画像をキャプチャするやり方を調節する機能を可能にするために有益である。
【０３０２】
態様によっては、ICIシステムは、内部の反射境界面の位置、または経時的に変化する可能性のある、関心対象の何か他の点を追跡するために使用される。この場合、参照アームまたはサンプルアームの光路長は、内部の反射境界面の位置（または関心対象の何か他の点）が、光路長差ゼロ点となるように調節される。これにより、光路長差ゼロ点は、動的に決定される。あるいは、光路長差ゼロ点は、内部の反射境界面の位置（または関心対象の他の点）に対して所望の相対位置となるように、選択することができる。
【０３０３】
突破の撮像/突破後の再充填
レーザは、一般に、パーカッションドリリングおよびトレパンドリリングのような処理において、金属材料、高分子材料、組織材料、およびセラミック材料ならびに他の材料を穿孔するために使用されている。態様によっては、ICIシステムが、
a）ドリリング中の孔の底の追跡、
b）穿孔の速度の制御、
c）材料が穿孔された時点の観察、
d）レーザが材料を穿孔する時点の予測、
e）新しい孔の下の表面の損傷を回避するためのレーザ処理の調節、および
f）レーザがオフにされた後に孔が再充填されていないことの確認、
g）選択された深さへのドリリング、切断、または溶接の制御、および
h）選択された材料境界面に対する選択された深さへのドリリング、切断、または溶接の制御、および
i）レーザドリリング、レーザ切断、またはレーザ溶接の処理における目前に迫った突破の表示の作成
の一つまたは組合せを実行するために使用される。
【０３０４】
好適には、ICIシステムは、穿孔されている部分の先端側に物理的にアクセスすることなく、これらの機能を実行することができる。このことは、多くの既存の突破検出技術よりも相当に好適である。
【０３０５】
例として、図14に示されているICIシステムは、カメラポートまたはビームラインに対する他の適切な光アクセスを介して、レーザドリリングシステムと接続することができ、この場合、それは、二色性ミラーを介して処理ビームと組み合わされる。ドリリング中の孔の底を追跡して、突破を観察するその機能を実証するために、1070nmの光の個々の5msのパルスが、厚さ102マイクロメートルの鋼箔に適用された。撮像焦点およびドリリング焦点は、前もってCMOS検出器アレイを用いて位置合わせされた。穿孔は、印加パルスエネルギーおよび酸素アシストガス圧力に関して制御された。3つの例示的な実験からのMモード画像が、図22に示されている。図22は、シングルパルス（垂直の赤い線によって示されている5msの持続時間）の、酸素にアシストされた、ステンレス鋼箔へのパーカッションドリリングからのICI画像を示している。水平の破線は、箔の厚さを示している。図22のタイル「a」では、77mJのパルスは、箔を穿孔し損なっているが、箔は、ドリリングパルスが終了し、孔が溶融物によって再充填される前に、ほとんど穿孔されている（約15μm以内）。タイル「b」では、77mJのパルスは、ドリリングパルスの終了の間際に、簡単に箔を穿孔している。この時点で、アシストガスは、孔をきれいにし始め、ICIシステムによってほとんど信号が記録されていない、パルスの後の数百マイクロ秒を残す。この期間の後、孔は、元の表面深さにおける、または、これの近くの単一の境界面のシグネチャが示しているように、再充填される。タイル「c」では、孔を数ミリ秒で穿孔するより強力なドリリングパルスが、使用されている。より具体的には、100mJにパルスエネルギーを増加させることによって、パルス後も開いたままである孔が、約3.5msで形成される。ドリリングパルスによって、アシストガスが周囲の溶融物を除去するのに十分長く、孔は開いたままにされたため、孔は、再充填されておらず、このことは、ICI画像によって示されており、穿孔が成功したことが確認される。これらの解釈は、箔を介して伝達され、かつ高速フォトダイオードを用いて検出される光パワーの測定によって、確認される。ドリリングが終了した後に穿孔されている材料の遠位壁の深さから発生する信号の存在は、ドロスがあること、および/または、出口孔の直径が撮像ビームの焦点の直径と同程度であることを示している場合がある。
【０３０６】
図5に詳述されているようなフィードバックプロセッサの使用によって、ICIシステムは、該システムが測定する、処理される干渉信号に基づいて、処理パラメータ（例えば、パルスエネルギー）の変化について信号を送ることによって、穿孔の速度を制御することができる。同様に、突破を検出すると、フィードバックプロセッサは、選択された超過ドリリング期間の後に随意に、ドリリングレーザを停止させるための信号を送ることができる。これには、穿孔されている材料の遠位側にある材料に対する「後壁ストライク（back wall strike）」タイプの損傷の可能性を低減することができるという重要な特徴がある。この機能は、ガスタービンにおける冷却孔の製作などの適用分野において、ICIシステムによってもたらされる注目すべき利点である。
【０３０７】
突破のこのシグネチャは、異なる材料では異なる。金属では、穿孔の直前に、ドリリングレーザの穿孔速度が、明らかに加速することを観察することができる。
【０３０８】
このことは、穿孔が目前に迫っていることを示し、穿孔点の近くで処理を停止させるか、または、そうでなければ処理を変更するための用意を行うことを可能にするシグネチャとして使用することができる。処理が穿孔の直前で停止される場合、化学的方法（例えば、光酸エッチング（light acid etch））または他の方法が、孔を完成させるために使用されてもよい。さらに、液体の流れおよび溶融後の孔におけるその後の障害物を観察することができる。ICIシステムは、これらの事象の記録を作成するために、および/または、警報、通知、警告を作成するために、および/または、孔をきれいにするためのさらなる処理を要求するために、使用されてもよい。
【０３０９】
別の態様では、ICIシステムは、プリント基板のビアのレーザドリリングおよび/またはプリント基板の溝堀りを制御するために、使用される。当業者は、これらの構造が、導電性および/または絶縁性の材料から構成される一つまたは複数の層の穿孔によって形成される場合が多いことを知っている。ICI画像プロセッサは、どれくらい深く材料が処理によって貫入されたか、および、材料の様々な層に対する処理の接近を判定することができる。具体的には、画像データにおいて、表面下層は、図11Bの符号AIによって示されているように、画像内では上昇するように見えるその傾向によって、ドリリング中に識別することができる。同時に、孔の底は、下降するように見える（MF）。表面下層は、これらの2つの特徴が、図11Aに明示されているように、点Pにおいて一致するときに穿孔される。この特徴（本明細書では「はさみ特徴（scissor feature）と呼ぶ」）およびその前兆（図11BのMFおよびAIによって強調されている特徴など）には、多くの用途のフィードバック制御に関して十分な有用性がある。なお、これらの多くの用途としては、様々な態様における、切断、ドリリング、レーザ手術、ならびに半透明および/または全透明の媒体の任意の他の材料除去技術が挙げられるが、これらに限定されない。はさみ特徴およびその前兆を検出することにより、画像プロセッサおよび/またはフィードバックコントローラが、一つもしくは複数の処理変数の変更を行うことによって、ドリリング処理の開始、停止、減速、および/または加速を行うこと、ならびに/または、改変されている材料の表面下の特徴（このような特徴が、処理の開始に先立って特徴付けられない場合でも）に関連する位置に材料改変処理を誘導することが可能となる。これらの機能は、より高速なおよび/またはより正確な、材料の処理全体を可能にするため、好適である。態様によっては、ICI画像データは、レーザによる損傷に弱い組織に関して選択された外科的マージンまでの誘導を提供し、これにより、それは、その恩恵がなければ容易に実行することができないより安全なレーザ外科手術を可能にする。
【０３１０】
別の態様では、ICIシステムは、溶接ビームの突破および溶接処理中に2つの材料間の隙間をリアルタイムで検出するために使用される。この情報は、電子機器によって解釈される。態様によっては、操作者および/または付加的な処理制御電子機器が受信する信号出力が作成される。例えば、図14に示されているICIシステムは、2枚の金属シートを互いに重ね溶接することに使用されるレーザキーホール溶接機のビーム供給サブシステムと（カメラポート/他の光アクセスおよび二色性ミラーを介して）接続することができる（図22参照）。この例示的な処理では、溶接が第1の材料（F）を貫通した時点、貫通点における2つの表面のフィットアップ（A）、および第2の材料（D）に対する溶接部のさらなる貫入を判定することが望ましい。参照アーム（416）の長さを調節することによって、光路長差ゼロ点Bが、予想された溶接部の最大貫入深さのわずか下に（複素共役多義性によるアーチファクトが画像内に現れないように、十分な距離だけ下に）配置される。このことは、材料内からのより深くの信号を強調することに有用である。なぜなら、より深くの特徴は、当然ながら、撮像システムに対してより少ない光しか反射せず、システムは、より短い光路差に対してより良い感度があるからである。
【０３１１】
撮像システムは、「E」によって示されている片面の視野領域を有する。材料が貫通される場合に、近位側の材料が深さCまで貫通され、視野に入ると、信号が記録され始める。処理が深さFに到達すると、撮像システムは、近位側の材料の遠位壁が、その機械的強度を失って、変形する際に、貫入の加速を記録することができる。深さFの遠位壁が貫通されると、その信号は減衰するか、または、完全に消失して、突破を示す。この時点で、撮像システムは、遠位側の材料の近位壁からの反射を記録する。これらの2つの反射の軸方向位置の差は、表示、保存、および/またはフィードバックコントローラに中継され得る出力である、材料の2つの部品の溶接の隙間/フィットアップ（A）を示している。処理ビームが、遠位側の材料に貫入し続けるとき、深さは、すでに述べたように画像化することができる。こうして、同様に、遠位側の材料内の溶接部の最終的な深さの測定、表示、記憶媒体への記録、および/またはフィードバックコントローラへの中継を行うことができる。
【０３１２】
さらに、図14の態様に関して説明したが、これらの手法の任意の一つ、またはこれらの手法の2つ以上の任意の組合せが、本明細書に記載されているまたは特許請求されている任意の他の態様と共に使用することができることが理解されるべきである。この手法は、フィードバックの有無に関係なく、複数の態様に適用することができる。
【０３１３】
領域内の最も低いまたは最も高い深さを求めるために意図的に焦点をぼかした/大きな撮像ビーム
態様によっては、撮像ビームの中心軸に対する様々な軸方向高さもしくは様々な横方向のずれまたはこれらの任意の組合せである、サンプルの多数の反射特徴を含む、サンプルの面積または体積を、撮像ビームが照明するように、ICIシステムが構成される。事例によっては、サンプルの反射特徴は、完全に、サンプルの表面に関するものであり得る。他の事例では、反射特徴は、内部構造、境界面、目標物、またはサンプルの他の反射要素に関する場合がある。これにより、横断走査または処理後の付加的なQA工程を必要とすることなく測定され得る、撮像ビームの照明される面積または体積において、多数の特徴高さの同時検出が可能になる。本発明の態様によっては、撮像ビームが随意のサンプル処理ビームと同軸上に供給されるときに、かなりの効率を得ることができる。
【０３１４】
特定の例として、一態様では、図14に描かれているようなICIシステムは、金属に窪みを形成する装置のためのレーザビーム供給システムの光アクセスポートと接続される。この態様では、サンプルアームのコリメータ（図14の407）の焦点距離は、焦点対物レンズ（図示せず）に到達する前において供給ヘッド内で小さな撮像ビーム直径を形成するために、短くなるように選択される。撮像ビームおよび処理ビームは、二色性ミラーを用いて組み合わされる。この例では、処理ビームは、例えば、炭酸ガスレーザ、Nd:YAGレーザ、ファイバレーザ、または金属に窪みを形成することのできる任意の他のレーザであってもよい。この例の場合、サンプルアームは、図5の態様に描かれているような、サンプルアームのコリメータレンズおよびサンプルアームの対物レンズ（改変レーザ用の対物レンズとしても機能する）（部品351および314参照）を有すると想定されている。サンプルにおいて、撮像ビームは、撮像ファイバ（部品402と参照アーム416のファイバコリメータ409との間のファイバ）のモードフィールド直径と、サンプル対物レンズおよびサンプルアームのコリメータレンズの焦点距離の比率（図5のレンズ314、353）との積とほぼ等しい直径を有する。5umの一般的なモードフィールド直径および100mmのサンプル対物レンズの焦点距離の場合、サンプルアームの5mmのコリメータ焦点距離によって、サンプル上に直径100umのスポットが形成される。さらに、サンプルスポット直径は、サンプルアームのコリメータレンズとファイバの先端との間の距離を変更することによって、さらに修正することができるが、これによっては、最適な集光効率が得られない場合がある。撮像ビームが、サンプルに到達すると、ビームの一部が、複数の深さから後方反射する。これらの反射は、撮像システムによって受光され、その光路長に基づいて干渉計出力が生成される。この出力は、ホモダインフィルタアルゴリズムなどのアルゴリズム、またはフーリエ変換と、必要に応じてスペクトル再形成、必要に応じて補間リサンプリング、カイザーベッセルフィルタリング（Kaiser-Bessel filtering）（例えば、その全体が参照により本明細書に組み入れられるVergnoleら（Sebastien Vergnole、Daniel Levesque、およびGuy LamoucheのOptics Express 18,10446-61（2010）参照））との何らかの組合せを用いて信号プロセッサ装置によって検出され、電子的に処理され、一つまたは複数の深さの関数としてのサンプルの反射率の表現を作成する。この測定は、利用可能な検出器技術を用いて、300kHzを超える速度で行うことができる。600kHzを超える画像処理速度は、グラフィック処理ユニット上で画像データを処理することによって達成された。態様によっては、この技術は、リアルタイム処理制御に適用される。
【０３１５】
レーザによって形成される窪みの特定の例では、これらの構造は、後に互いに重ね溶接される2枚のプレート間に隙間を形成するために利用される。元の表面上の窪みの高さは、後の溶接処理中に予想される隙間の重要な指標である。窪みは、2つ以上のグループで形成されることが多い。態様によっては、最終的な窪みの幾何学的形状のインサイチューな測定を用いて窪みの高さで検出された不足が、画像処理システムからフィードバックコントローラ（図5におけるような）に送られ、窪み形成の処理パラメータを変化させる。
【０３１６】
図21は、その直径が関心対象の特徴よりも大きくなるようにしてサンプルに適用される撮像ビームの例を示している。反射は、サンプル内の複数の深さ（A〜C）から測定されている。これらの深さは、一回の光学的取得（Aスキャンとも呼ばれる軸方向走査）において同時に測定されてもよい。撮像ビームは、これらの特徴を処理するために使用されるビームと同軸上に供給されると、さらなる測定工程を必要とすることなく、特徴の高さおよび深さを高速で測定することができる。一つまたは複数の深さの関数としてのサンプルの反射率の表示が、図21の右側に概略的に示されている。A：窪みの山の先端の高さ、B：未加工の表面の高さ、およびC：窪みの谷の高さのそれぞれを示す、Aスキャン強度のそれぞれのピークが存在することを見ることができる。上に述べた窪みの高さは、A-Bによって表される。特徴の他の高さにある他の表面は、Aスキャンのシグネチャを作成することができるが、明確にするために図21ではこれらを省略している。
【０３１７】
さらに、図14の態様に関して説明したが、これらの手法の任意の一つ、またはこれらの手法の2つ以上の任意の組合せが、本明細書に記載されているまたは特許請求されている任意の他の態様と併せて使用することができることが理解されるべきである。この手法は、フィードバック制御の有無に関係なく、複数の態様に適用することができる。
【０３１８】
図21では、測定されている材料内に光路長差ゼロ点（D）を配置するという先に紹介した実践が、実際に行われている。深さAからの反射が、深さCよりもかなり明るいならば、この構成は、画像の品質を改善している。なぜなら、スペクトル領域コヒーレント撮像システムは、一般に、より低い感度でより長い光路差の反射を記録するため、撮像システムのダイナミックレンジがシフトし、潜在的な飽和が低減されるからである。
【０３１９】
サンプル上の表面特徴高さを測定するための本明細書に記載した方法は、図26の例によって示されているように、サンプルの表面下の特徴の高さを測定するために使用することもできる。態様によっては、このことは、処理ビームの直近の領域の材料を特徴付ける効果的な方法であり得る。態様によっては、この方法は、処理ビームの位置合わせをするために使用されてもよい。
【０３２０】
ドリリング制御の検証を示す実施局面の例
図5に示されているインラインコヒーレント撮像システムによって行われる完全に自動の深さ制御を用いることによって、深さが孔ごとに30マイクロメートルずつ異なる14の孔が、ドリリングされた。PC（画像処理電子機器の一態様、332）上で実行されるホモダインフィルタアルゴリズムが、シリコンラインカメラ（330）からの生の画像データを効率的に処理するために、および、所望の深さを達成するのにさらなる加工レーザ露光が必要か否かを判定するために使用された。使用者は、一連の孔の所望の深さをPCにプログラムした。PCは、このプログラムを読み出し、目標深さのサンプル反射率を得るために、生の画像データとミキシングするための適切なホモダイン波形を合成した。孔をドリリングする過程で、選択された閾値がホモダイン出力によって達成された（この場合、ノイズフロアのRMS強度の5倍）ときに、PCは、処理を中止するようフィードバックコントローラ（334）に対して信号を送る。この態様では、フィードバックコントローラは、PCのデジタル出力サブシステム（National Instruments PCI-6229）および関数ジェネレータ（Tektronix AFG3022B）から構成されていた。このフィードバックコントローラは、変調CWファイバレーザ（320）に、サンプルをドリリングするパルス（100マイクロ秒のオーダーの持続時間）を放出させた。このシステムは、300マイクロ秒よりも良好な反応時間の開ループフィードバックを生成することができる。
【０３２１】
結果を確認するために、別個のスキャニング光コヒーレンストモグラフィーシステムが、処理されたサンプルの位相を測定するために使用された。孔がドリリングされた平面を走査するために位置合わせされたシステムによって、ドリリングされた孔の深さが測定される。結果として得られた画像が、図24に描かれており、これは、深さが孔ごとに30マイクロメートルずつ異なる14の孔について示している。
【０３２２】
スキャナ補正
態様によっては、撮像ビームおよび処理ビームは、アクティブ走査光学部品およびレンズを用いてサンプルに向けられてもよい。当業者には分かるように、処理ビームを走査させることによって、多くの材料処理用途（例えば、自動車の溶接）に望ましい、光焦点の高速かつ正確な移動が可能である。ICIの材料処理装置サブシステムにスキャナを含めることによって、走査される材料処理は、本明細書に記載されているICIシステムの多くの利点の一部またはすべてにより補強される。走査光学部品/レンズの組合せは、ビームがある場所から別の場所まで走査されるときに、材料に対する光路長を変調させ、一例では平面を湾曲して見せる。これらの変調を光学的に管理することによって、深さ視野および/またはICIシステムにおける計算処理上より効率的なフィードバック計算に対する設計上の要件を緩めることができる。用途によっては、変調は、走査光学位置と相関する深さオフセット（例えば、画像プロセッサおよび/またはフィードバックプロセッサにおける）を適用することによって、デジタル的に管理することができる。
【０３２３】
一態様では、経路長変調は、走査位置によって発生する、予想および/または測定される変調に等しいか、またはこれに近似する量だけ、参照アームの長さを調節することによって、実質的に補償される。このような調節は、電動の平行移動ステージ、圧電素子、サンプルもしくは参照ファイバの伸長、電磁ソレノイド、もしくは音声コイルを用いて、および/または、参照アームのビーム経路に導入され得るか、もしくはここから取り除かれ得る複数の参照ミラーを含むことによって、行うことができる。
【０３２４】
さらなる調節を、所望の補正と等しい、報告された深さ測定にデジタルオフセットを加えることによって、画像処理工程に含めることができる。態様によっては、存在する経路長変調は、ICIの画像構成部品によってサンプルに関して処理される全体的な領域および/または経路について直接測定される。このことは、例えば、光学部品が、材料を処理する際に使用することができる運動経路を通じて走査されるときに、処理システム内に未加工の原材料を配置し、ICIデータを記録することによって、達成されてもよい。このデータにおいて示され、および/または追跡される表面位相と、サンプルの知られている表面位相との差は、走査によって発生する光路長変調を光学的および/またはデジタル的に管理するための補正機能として使用することができる。
【０３２５】
撮像システムは、このプログラムの間にデータを収集し、未加工の表面の位置について知らせる。未加工の表面を追跡するためにサンプルアームおよび/または参照アーム内に経路長を調節するハードウェアを使用することが、その経路長がシステムの軸方向視野全体よりも大きく変化する場合、好適である場合がある。補正の繰り返し調節は、走査プログラムが実行される間に、未加工の表面のレベルが画像処理アルゴリズムの使用のために十分に平坦に見えるまで行うことができる。
【０３２６】
走査レンズを介した焦点ビームの横断走査位置は、レンズ有効焦点距離と、ラジアンで表現された走査角との積に近似する。レンズの色収差（すなわち、波長の関数としての焦点距離の変化）は、双方のビームが同じ走査角でレンズに導入された場合にそれらが材料にわたって走査されるとき、撮像ビームと処理ビームとの間の横方向空間ウォークオフ（transverse spatial walkoff）を発生させる場合がある。態様によっては、撮像ビームの走査角は、サンプルコリメータとの間の撮像ビーム経路に挿入された検流計または他の能動素子を使用して小さな角度偏差を撮像ビームに加えることによって、処理ビームとの組合せの前に、事前に補正されてもよい。これらの能動素子は、組合せビームを走査する主走査光学部品と同期されて制御される。この補正の検証は、双方のビームの焦点をCCDもしくはCMOS検出器アレイまたはPRIMES FocusMonitorなどの他のビームプロファイリング装置に合わせることによって、達成することができる。
【０３２７】
低コヒーレンス干渉法は、分光計をベースにした（「スペクトル」または「フーリエ領域」と呼ばれる）構成の代わりに、または、これに加えて、スペクトル掃引光源（「掃引源」、「光学周波数領域撮像」、および/または時として「フーリエ領域モードロック」と呼ばれる）構成を用いて同様に実行することができる。これらの手法は、Chomaら（その全体が参照により本明細書に組み入れられる、Michael Choma,Marinko Sarunic,Changhuei Yang,およびJoseph IzattのOptics Express 11,2183-9（2003））によって区別され、比較される。これらの手法の一方または双方が、本明細書に記載されているまたは特許請求されている任意のインラインコヒーレント撮像システムと共に使用されてもよいことが理解される。当業者は、これらの2つの手法（併せてまたは別々に使用される際の）は、Yunら（その全体が参照により本明細書に組み入れられる、S.H.Yun,G.J.Tearney,J.F.de Boer,およびB.E.BoumaのOptics Express 12,2977-2998（2008））によって述べられているように、サンプルに現れる運動に対して異なる反応を示すことをさらに理解する。ICIの態様におけるこれらの技術の一つまたは組合せの使用は、移動する対象物の速度（Yunら参照）、処理（ここでは分光計検出が好適である）からの発光から画像センサを分離する必要性、撮像速度（現時点では、掃引源の方が、Wieserら（その全体が参照により本明細書に組み入れられる、Wolfgang Wieser、Benjamin R Biedermann、Thomas Klein、Christoph M Eigenwillig、およびRobert HuberのOpticsExpress 18,14685-704（2010））によって述べられているように、分光計よりも高速に撮像することができる）、ならびに装置の全体的なコストおよび複雑さ（現時点では、掃引源の方が、比較的複雑かつ高価であり、双方の技術を使用するコストが加算される）に基づいて、選択される。
【０３２８】
図27は、別の態様の概略ブロック図である。示されているのは、二色性ミラー（DM）に向かう途中でファイバおよびレンズを通過する改変ビームを発生させる改変レーザ（ML）であり、この場合、改変ビームは、ICI光学部品モジュールからの撮像ビームと組み合わされる。このとき、組み合わされるビームは、実質的に同軸上になる。これらは、ミラーに反射して、ノズルにおける共通の対物レンズを通過して、サンプルに向かう。サンプルから反射した撮像光は、ICI光学部品モジュールまで通過して戻る。ICI光学部品モジュールは、ICIプロセッサコントローラに対する出力を有し、ICIプロセッサコントローラは、MLに対して自動フィードバック制御を作成し、より一般的には、少なくとも一つの処理パラメータを制御するために制御信号を発生させる。
【０３２９】
図27の態様では、ICIシステムは、2つの部品、すなわち、ICI光学部品モジュールおよびICIプロセッサ/コントローラから構成されている。ICI光学部品モジュールは、ICIシステムの電気光学部品と、レーザ材料処理システムのノズルとの光学的インターフェースと、ICIプロセッサ/コントローラとの電気的インターフェースとを備える。ICIプロセッサ/コントローラは、画像データの処理、および加工レーザの動作に関する制御信号の発生に関与している。ICIモジュールは、互いに組み合わされてもよいし、または、システムの他の部品と組み合わされてもよい。
【０３３０】
本発明の別の態様では、ICIシステムは、随意に、図28に示されているように、付加的なシステム部品と接続されるように構成されてもよい。また、ICIプロセッサ/コントローラは、レーザコントローラと電気的に接続されてもよく、また、加工レーザの動作のためのレーザコントローラに制御信号を供給してもよい。ICIプロセッサ/コントローラは、「システム制御および管理のバルク」と呼ばれる、レーザ材料処理システム全体の他の局面と接続されてもよい。これらの付加的なシステムの局面は、材料制御、供給制御、ノズル位置制御、ガス流れ制御、および個々の実施局面において必要とされ得る他の局面を含んでもよい。
【０３３１】
付加的な同様の態様として、多数のサンプルもしくはノズルおよび/またはノズル内の様々な数の回転ミラーおよび/またはノズル内の順序の異なる回転ミラーを動作させることが考えられてもよい。これらは、当業者にとっては均等物であると考えられる。
【０３３２】
パルスレーザ加工において完全な自動フィードバックを可能にするために、インラインコヒーレント撮像は、特別に設計された画像プロセッサおよびフィードバックコントローラに適切な情報を出力するために使用される。例えば、態様によっては、インラインコヒーレント撮像システムの撮像窓は、材料改変光パルスの最初に関連した特定の時間遅延と同期される。最適な遅延は、所望の種類のフィードバックおよび材料改変処理の対象物に依存する。パルス内フィードバック（材料改変源光が材料に入射する間）測定によって、材料が緩んだ後と比べて異なる結果が得られる。パルス内フィードバックは、材料改変処理の貫入の深さ全長を制御するために使用されてもよい。具体的には、パルス内フィードバックは、処理ビームが材料を改変することができる速度のゆえに、良好な正確性のための極めて高速なフィードバック反応（1〜100マイクロ秒のオーダーの反応時間）から恩恵を得ている。後の時間からのフィードバック（すなわち、材料改変光源がサンプルに入射しないとき）は、孔の最終的な形態を制御するために使用され、この場合、サンプル（例えば金属）の緩んだ幾何学的形状が関心事である。
【０３３３】
準連続的な材料改変光源を使用する態様では、材料改変処理の開始へ撮像システムを同期させることが、自動フィードバックにとって重要である。態様によっては、材料改変の開始の前の、サンプルの画像取得が、未加工のサンプルの位置および/または光後方散乱特性に関するフィードバックを可能にするために有用である。例えば、サンプルの最上部に対する改変を制御するためのフィードバックを、オンザフライで行うことができる。さらに、生の光学後方散乱特性は、不均一な材料に対するロバストなフィードバックを可能とするために、画像処理パラメータおよび/またはフィードバック制御アルゴリズムを調節するために使用することができる。
【０３３４】
インラインコヒーレント撮像光学ユニットでは、実際の加工処理に関するフィードバックは、サンプルに対して画像光および加工光の双方を供給する共通の焦点対物レンズの使用によって、大幅に可能となる。これにより、市場において既存の加工プラットフォームおよび技術との統合が、大幅に容易となり、別々の焦点対物レンズ、および、態様によってはサンプルと対物レンズとの間の付加的な二色性ミラーを用いて、サンプルに画像光および加工光を供給しようとする場合よりも費用が安くなる。具体的には、処理ガスの供給、処理エジェクタによる二色性ミラーの損傷、および分散補償がすべて、後者の手法によって妨げられる。インラインコヒーレント撮像システムでは、サンプルに対して画像光および加工光の双方を供給する共通の焦点対物レンズを使用することによって、この問題が回避される。態様によっては、既存のシステムへの組込みは、撮像光源を400〜950nmのスペクトル領域内で操作することによって、大いに補助される。これは、既存のカメラポートハードウェアが、このような波長に適合する場合が多いからである。さらに、このスペクトル領域により、より高速および/またはより高感度の、シリコンベース検出器ハードウェアを使用することが可能となる。
【０３３５】
インラインコヒーレント撮像の態様における画像プロセッサの設計および構成は、低コヒーレンス干渉法（光学コヒーレンストモグラフィーなど）の他の応用において教示されているものとは異なっている。ICI撮像システムでは、OCTの実践では一般的であるように、処理の前に数千のスペクトル取得をバッファリングすることは、適切ではない。態様によっては、ICIシステムは、フィードバック待ち時間を減らすために、1〜100セットのスペクトルを取得する。特殊な画像処理アルゴリズム、オンライン境界面検出、およびフィードバックコントローラが必要とされ、さらに、除去された材料の深さ、残っている材料の深さ、材料の高さの変化、材料の光学特性の変化、材料の厚さの変化などの処理条件を示すサンプルにおいて選択された境界面を識別することによって、一つまたはいくつかの出力パラメータに対して未処理の画像情報を減らす適切なアルゴリズムが必要とされる。
【０３３６】
不透明な材料を処理する際、加工された特徴の底は、多くの場合、アルゴリズムが最も深い深さから最も浅い深さまで横断するときに選択された閾値より上の強度を有する第1の信号に関するアルゴリズムを追跡することによって、積極的に識別することができる。場合によっては、この条件を間違ってトリガするのに十分な量の多散乱光子が、撮像システムによって収集される。これらの環境下で、孔の底は、アルゴリズムが最も深い深さから最も浅い深さまで横断するときに選択された閾値より上の第1のピークとしてのアルゴリズムを追跡することによって、積極的に識別することができる。態様によっては、画像処理アルゴリズムは、信号対ノイズ比を強調するために一つまたは複数の取得の結果を平均化してもよい。フィードバックのためのICI画像の処理の後の工程は、除去された材料の深さ、残っている材料の深さ、材料の高さの変化、材料の光学特性の変化、材料の厚さの変化などの処理条件を示すサンプルにおいて選択された境界面を識別することによって、未処理の画像情報を減らすアルゴリズムを、一つのまたはいくつかの出力パラメータに適用することである。所望のフィードバックに応じて、これらの測定の一つまたは複数が、これらの測定に基づいて処理パラメータを調節することができるフィードバックコントローラに伝送される。態様によっては、このアルゴリズムは、比例積分微分（proportional-integral-derivative）フィードバック方法を利用する。一つまたは複数の出力パラメータが、加工光源および/または材料改変プラットフォーム内の他のサブシステムと関連付けられてもよい。
【０３３７】
制御される、材料改変プラットフォームにおける制御パラメータは、例えば、サンプルの位置、材料改変ビームの操作および/または焦点、材料改変光源パルスの持続時間、強度、パルスエネルギー、パルスフルエンス、および/または光周波数、ガスアシスト圧力および/またはガスの種類を含んでもよいが、これらに限定されない。
【０３３８】
態様によっては、画像プロセッサは、トラブルシューティングおよび品質保証における使用のために、一連の処理における一つまたは複数の点に存在するデータを保存してもよい。
【０３３９】
反射率の高い一部の材料は、検出器を飽和させるか、または、システムの点広がり関数の距離特徴（時として「ショルダ（shoulder）」と呼ばれる）をノイズフロアよりも大きくする場合がある。これらのいずれかが、画像の品質を低下させ、自動フィードバック処理を妨げる場合がある。ICI検出器および/または画像プロセッサの一部の態様は、これらの悪条件を検出して、オンザフライで補正措置を講じることができる。例えば、インターフェログラムの建設的な干渉縞による検出器の飽和は、多数の深さに広がる追加の周波数成分パワーを生成する縞の最上部を切り取ることになり、これにより、画像アーチファクトが発生する。この例では、ICIコントローラの一部の態様は、検出器の一つまたは複数の画素が飽和レベルにあることを検出し、飽和に適した異なる処理アルゴリズムに切り替えることができる。切り取られたスペクトルであっても、信号パワーの大部分が、まだ基本的な周波数で供給され、したがって、態様によっては、最大値の探求手続きが明るい反射体の深さを配置するために使用され得る。本発明の一部の態様は、飽和を管理する他の方法のように、動的または静的に、検出器ゲインの調節、検出器感度の調節、検出器積分時間の調節、参照アームパワーの変調、および/または照明強度の変調を行ってもよい。検出器は飽和しなかったが、点広がり関数ショルダが実質的にノイズフロアよりも大きくなった事例では、本発明の一部の態様は、ショルダ強度を許容可能なレベルより下に（通常はノイズフロアより下に）低減するために、デジタルダイナミックレンジ圧縮を採用する。
【０３４０】
態様によっては、フィードバックコントローラの一つまたは複数の出力が、ロバストなフィードバック制御を達成するためにインラインコヒーレント撮像ユニットまたは画像プロセッサユニット内でのパラメータのオンザフライ調節を可能にするために、インラインコヒーレント撮像ユニットまたは画像プロセッサユニットと関連付けられる。このようなパラメータの例は、参照アームのパワー、参照アームの長さ、撮像ビーム偏光、参照またはサンプル障害物（すなわち、ビーム遮蔽物）、画像取得時間（平均の画像の積分時間および数）、検出器ゲイン、および/またはダイナミックレンジを含むが、これらに限定されない。
【０３４１】
一部の態様に採用してもよいより進歩したフィードバック技術は、
- 主要な加工フロントの周囲の約10個の深さについての窓を選択し、かつこれらの深さ内におけるフロントを追跡すること、
- 主要な加工フロント深さよりある程度の距離（これは、どれくらいの突破の通知が望まれるかに依存する）だけ下にある約10個の深さについての別の窓を選択し、かつこの深さ内の境界面信号を探索すること、
- 表面下の境界面が発見されたとき、シグネチャが、選択した目標境界面であることを保証するために、このシグネチャと既知の特徴とを照合すること、
- フィードバックコントローラに対するマージン深さを報知すること、
- フィードバックコントローラが、処理の減速または停止を行う必要があるか否かを決定し、処理装置に対してこのような制御を行うこと
を含む。
【０３４２】
一部の態様は、以下の一つまたは複数を特徴として有する：
‐ SNRを最大化するために目標深さの可能な限り近くに画像の焦点を配置するように構成された光学部品。このことは、画像の焦点および加工の焦点が軸方向に互いにずれていることを意味する場合がある。
- 画像処理フィードバックシステムを混乱させる可能性のある、側壁の反射を回避するように構成された光学部品。
- 撮像システムを始動させる時点を制御するシステムタイミング。
- サンプルの深さの減少されたサブセットからの反射強度を処理するホモダインフィルタアルゴリズムを含む合理化された画像処理。さらに、このアルゴリズムは、標準的な技術よりも品質のより高い点広がり関数を提供する（図20参照）。
- 処理待ち時間を減らし、処理速度の向上を可能にするために画像プロセッサにおいてFPGAまたはASICを使用すること。
- リアルタイムで実行することのできる境界面および/または信号の傾向追跡アルゴリズム。
【０３４３】
「フィードバック」および「フィードバック制御」という用語は、本明細書に記載した発明の機能を説明するために使用される場合、自動電子的および/または電気光学的フィードバック制御を意味しており、この場合、ICI画像サブシステムによって作成されるデータは、材料処理サブシステムに制御信号を供給するために、コントローラによってさらに処理される。
【０３４４】
本明細書に記載した任意の態様は、改変ビームおよび撮像ビームに共通の対物レンズを用いて実施されてもよいことに留意されたい。
【０３４５】
本発明のすべての態様において、サンプルアーム光路および参照光路が使用されている。これらの経路は、重なり合っていてもよく、また、本発明の全体にわたって様々な点で共有されている。この適用における光路長は、物理的な経路長ならびに光学分散および他の光周波数依存の位相変化を含む、光路遅延に寄与する撮像光が横断するすべての空間および物質、ならびに様々な位相および/または群速度を有する光媒体を意味している。
【０３４６】
本開示の多くの変形例および変更例が、上記の技術に照らして可能である。したがって、添付の特許請求の範囲内で、本開示が、本明細書に具体的に記載したのと異なる方法で実践され得ることが理解されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２５Ｃ】
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【図２５Ｄ】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【国際調査報告】
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