(57)【要約】  本開示は、レーザビーム（１０）を用いてワーク（１）を処理するように構成されたレーザ処理システム（１００）の処理ヘッド（１０１）と、ワークとの間の距離を決定するための測定デバイスに関する。測定デバイスは、処理ヘッド（１０１）とワーク（１）との間の距離を測定するように構成された光干渉断層計（１２０）を備える。光干渉断層計（１２０）において、測定光源によって生成され、ワーク（１）によって反射される測定光（１３）は、２つ以上の参照ステージを有する参照アーム（２００、３００）において反射される測定光と干渉する。２つ以上の参照ステージは、第１の参照ステージ（２１０）において反射された測定光が第１の光路長を進むように構成された第１の参照ステージ（２１０）と、第２の参照ステージ（２２０）において反射された測定光が第１の光路長と異なる第２の光路長を進むように構成された第２の参照ステージ（２２０）とを含む。ワーク（１）によって反射された測定光は、第１の参照ステージ（２１０）の反射された測定光、および第２の参照ステージ（２２０）の反射された測定光と干渉する。
2021533362.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ処理ヘッドとワークとの間の距離を決定するための測定デバイスであって、
前記処理ヘッド（１０１）と前記ワーク（１）との間の距離を決定するように構成された光干渉断層計（１２０）であって、前記光干渉断層計（１２０）は、前記ワーク（１）から反射された測定光を誘導するための測定アームと、異なる光路長を有する２つ以上の参照ステージ（２１０、２２０；３１０、３１１、３１２、３１３、３１４）を有する参照アーム（２００、３００）とを備える、光干渉断層計（１２０）と、
前記測定アームからの測定光と、前記参照アーム（２００、３００）からの測定光との重ね合わせに基づいて、前記距離を決定するように構成された評価ユニット（１３０）と、
を備えることを特徴とする、測定デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の測定デバイスであって、前記光干渉断層計は、前記ワーク（１）によって反射された測定光と、前記２つ以上の参照ステージ（２１０、２２０；３１０、３１１、３１２、３１３、３１４）において反射された測定光とを重ね合わせるように構成されることを特徴とする測定デバイス。
【請求項３】
請求項１または２に記載の測定デバイスであって、前記評価ユニットは、前記ワーク（１）によって反射された測定光と、前記２つ以上の参照ステージ（２１０、２２０；３１０、３１１、３１２、３１３、３１４）のうちの１つにおいて反射された測定光との間の干渉に基づいて前記距離を決定するように構成されることを特徴とする測定デバイス。
【請求項４】
請求項３に記載の測定デバイスであって、前記評価ユニット（１３０）は、前記距離を決定するために、前記ワーク（１）によって反射された測定光と干渉する前記測定光が反射される前記参照ステージに対応する所定のオフセットを考慮に入れるように構成されることを特徴とする測定デバイス。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の測定デバイスであって、前記参照アーム（２００、３００）は、前記測定光を前記２つ以上の参照ステージ（２１０、２２０；３１０、３１１、３１２、３１３、３１４）に分割するためのビームスプリッタアセンブリ（２３０、３２０）を備えることを特徴とする測定デバイス。
【請求項６】
請求項５に記載の測定デバイスであって、前記ビームスプリッタアセンブリ（２３０、３２０）は、前記測定光を、実質的に等分して、前記２つ以上の参照ステージ（２１０、２２０；３１０、３１１、３１２、３１３、３１４）に分割するように構成されることを特徴とする測定デバイス。
【請求項７】
請求項５または６に記載の測定デバイスであって、前記ビームスプリッタアセンブリ（２３０、３２０）は、反射光学素子、部分透過性光学素子、反射ミラー（２３４、３２４）、部分透過性ミラー、プリズムアセンブリ（２３２、３２２）および光ファイバからなる群から選択された少なくとも１つの要素を含むことを特徴とする測定デバイス。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれか１項に記載の測定デバイスであって、前記２つ以上の参照ステージ（２１０、２２０；３１０、３１１、３１２、３１３、３１４）は、順に配置され、前記ビームスプリッタアセンブリ（２３０、３２０）は、前記２つ以上の参照ステージのうちの最後の参照ステージ（２３４、３１４）における反射光学素子（２３４、３２４）と、残りの参照ステージ（２３２、３１０、３１１、３１２、３１３）のうちの少なくとも１つにおける半透過性光学素子（２３２、３２２）とを備えることを特徴とする測定デバイス。
【請求項９】
請求項５〜８のいずれか１項に記載の測定デバイスであって、前記２つ以上の参照ステージは、順に配置され、前記ビームスプリッタアセンブリ（２３０、３２０）は、少なくとも１つのファイバカプラと、前記ファイバカプラに結合された少なくとも２つのファイバセクションとを備え、各参照ステージの測定光はそれぞれのファイバセクションによって提供されることを特徴とする測定デバイス。
【請求項１０】
請求項９に記載の測定デバイスであって、Ｎ個のファイバカプラが連続して配置され、その各々が（ｎ＊Ｎ）個の参照アームに測定光を提供するためにｎ個のファイバセクションに結合されることを特徴とする測定デバイス。
【請求項１１】
請求項９または１０に記載の測定デバイスであって、前記ビームスプリッタアセンブリ（２３０、３２０）は、前記測定光が、参照ステージごとに同じ数のファイバカプラおよび／またはファイバセクションを通過するように構成されることを特徴とする測定デバイス。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の測定デバイスであって、連続した参照アームの光路長間の光路長差（ΔＬ）は、前記測定光のコヒーレンス長に依拠する前記光干渉断層計の測定範囲以下であることを特徴とする測定デバイス。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の測定デバイスであって、全ての参照ステージの光路長は、同じ光路長差（ΔＬ）だけ異なることを特徴とする測定デバイス。
【請求項１４】
レーザビーム（１０）を用いてワーク（１）を処理するためのレーザ処理システムであって、
処理ヘッド（１０１）と、
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の測定デバイスと、
を備えることを特徴とする、レーザ処理システム。
【請求項１５】
レーザ処理ヘッド（１０１）とワーク（１）との間の距離を決定するための方法（４００）であって、
測定光を、前記ワーク（１）上と、参照アーム（２００、３００）の２つ以上の参照ステージ内とに方向付けるステップ（４２０）であって、前記２つ以上の参照ステージの光路長は異なる、ステップ（４２０）と、
前記ワーク（１）によって反射された測定光を、前記２つ以上の参照ステージにおいて反射された測定光と重ね合わせるステップ（４３０）と、
前記重ね合わせに基づいて前記処理ヘッド（１０１）と前記ワーク（１）との間の距離を決定するステップ（４４０）と、
を含むことを特徴とする、方法（４００）。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法であって、前記距離は、前記ワークによって反射された前記測定光と、前記距離に対応する光路長を有する前記２つ以上の参照ステージ（２１０、２２０；３１０、３１１、３１２、３１３、３１４）のうちの１つにおいて反射された前記測定光との間の干渉に基づいて決定されることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、レーザ処理ヘッドとワークとの間の距離を決定するための測定デバイス、この測定デバイスと共に、レーザビームを用いてワークを処理するように構成されたレーザ処理システム、およびレーザビームを用いてワークを処理するための方法、特に、レーザ処理ヘッドとワークとの間の距離を決定するための方法に関する。特に、本開示は、増大した測定範囲を有するワークに対する距離を測定するための光干渉断層計に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザによって材料を処理するためのデバイスにおいて、例えば、レーザ溶接またはレーザ切断のためのレーザ処理ヘッドにおいて、レーザ光源またはレーザファイバの端部から出るレーザビームが、ビーム誘導光学系および集束光学系によって処理されるワーク上に集束されるかまたは集中する。従来から、コリメート光学系および集束光学系を有するレーザ処理ヘッドが用いられ、レーザ光は光ファイバを介して供給される。
【０００３】
レーザ材料処理において、光干渉断層計（ＯＣＴ）を用いて、レーザ切断中のワークに対する距離、事前のエッジ位置、溶接中の溶接深さ、および／または経過中の表面トポグラフィー等の様々な処理パラメータを測定することができる。この目的で、ＯＣＴ測定ビーム等の測定光を、ワーク上に方向付けることができる。任意選択で、例えば、少なくとも１つの可動ミラーにおける反射によって、ＯＣＴ測定ビームを、機械加工されるワークの上で動かすことができる。
【０００４】
厳密な距離測定のために、光学測定ビームの正確な位置決めが必要とされる。レーザ溶接中に光学測定ビームを厳密に位置決めするための既知の技術的解決策は、例えば、レーザビームに対する測定ビームの位置を決定するための、カメラベースの方法に基づく。これらの方法は、例えば、溶接深さ測定のために必要とされる、測定ビームの最適な位置の間接的な決定に基づく。しかしながら、信頼性のある溶接深さ測定のための測定ビームの最適な位置は、送り速度および溶接材料等の様々な処理パラメータに依拠し、したがって、位置を決定するための間接的な方法によって十分な精度で決定することができない。
【０００５】
例えば、独国特許出願公開第１０  ２０１３  ００８  ２６９号において記載されているような、ＯＣＴ測定システムの測定範囲を増大させるための既知の方法は、例えば、スキャナー処理光学系におけるレーザ焦点の現在の処理範囲における変化に依拠して、参照アームにおける光路長の同期した調節に基づく。調節は、参照アームの光路長の機械的変更によって、例えば、スキャナミラーによってＯＣＴ測定ビームを偏光させることによって、または線形軸上のエンドミラーまたはプリズムの位置を変更することによって行われる。これらの方法の不利な点は、説明された機構の非常に複雑な制御である。なぜなら、機構は、処理光学系のレーザ焦点の可能な調節ごとに関連付けられた位置または角度位置を推定しなくてはならないためである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２０１３００８２６９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本開示の目的は、レーザ処理ヘッドとワークとの間の距離を決定するための測定デバイス、レーザビームを用いてワークを処理するように構成されたレーザ処理システム、およびレーザビームによってワークを処理するための方法、特に、ワークに対する厳密で誤りのない距離測定を可能にする、レーザ処理ヘッドとワークとの間の距離を決定するための方法を提供することである。特に、本開示の目的は、複雑度が低減されたＯＣＴ測定システムの増大した測定範囲を有する測定デバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的は、独立請求項の主題によって解決される。本発明の有利な展開は従属請求項において指定される。
【０００９】
本開示の態様によれば、レーザ処理ヘッドとワークとの間の距離を決定するための測定デバイスが提供される。測定デバイスは、処理ヘッドとワークとの間の距離を決定するように構成された光干渉断層計を備える。光干渉断層計は、ワークから反射された測定光を誘導するための測定アームと、異なる光路長を有する２つ以上の参照ステージを有する参照アームとを備える。測定デバイスは、測定アームからの測定光と、参照アームからの測定光との重ね合わせに基づいて、距離を決定するように構成された評価ユニットを更に備える。
【００１０】
本開示の態様によれば、レーザビームを用いてワークを処理するように構成されたレーザ処理システムが提供される。レーザ処理システムは、レーザ切断またはレーザ溶接ヘッド等の処理ヘッドと、処理ヘッドとワーク、例えばワーク上またはワーク内の或る位置との間の距離を測定するように構成された光干渉断層計とを備え、光干渉断層計において、ワークから反射された測定光は、２つ以上の参照ステージを有する参照アームにおいて反射された測定光と干渉する。２つ以上の参照ステージは、第１の参照ステージにおいて反射された測定光が第１の光路長を進むように構成された第１の参照ステージと、第２の参照ステージにおいて反射された測定光が第１の光路長と異なる第２の光路長を進むように構成された第２の参照ステージとを含む。ワークによって反射された測定光は、第１および第２の参照ステージの反射された測定光と重ね合わされ、距離が決定されることが可能になる。重ね合わせに起因して、ワークによって反射された測定光は、対応する参照アームの測定光と干渉する可能性がある。例えば、切込みの底部および／もしくはワーク表面に対する距離、または切込み深さを決定することができる。
【００１１】
本発明によれば、参照アームにおけるＯＣＴセンサシステムの測定光が、異なる光路長を有する２つ以上の光路（参照ステージ）に分割される。この配置の利点は、コヒーレンス長に起因して、測定アームからの測定光が、参照アームにおける、適切な光路長を有する参照ステージの測定光の一部と自動的に干渉することである。特に、これは、全ての参照ステージが常に一様に照明されるときに当てはまる。これにより、既知の従来の解決策において用いられる参照アームにおける機械的要素の、同期した、このため複雑な制御がなくなる。
【００１２】
本発明の別の利点は、参照アームに起因して連続した測定間に時間オフセットがないことである。例えば、遠隔処理システムにおいて、コンポーネントに対する処理レーザの位置が、スキャナミラーを介した偏光によって非常に短期間で変更されることが生じ得る。そのような急速な変更の場合であっても、本発明による主題は、間隙のない距離測定を確実にすることができる。なぜなら、測定アーム（またはスキャナ）からの測定光が、自動的に参照アームの参照ステージの適切な測定光と干渉するためである。これは、参照アームの長さの機械的適合に基づく従来の技法では、過度の切り替え時間に起因して達成することができない。
【００１３】
測定光または（光）測定ビームは、光干渉断層計の光源によって生成することができる。光干渉断層計は、測定アームおよび参照アームにおいて反射された測定光の重ね合わせを検出し、干渉から、処理ヘッドとワークとの間の距離を決定するように構成された検出器またはセンサを有する評価ユニットを備えることができる。
【００１４】
第１の参照ステージは、第１の距離範囲をカバーする第１の光路長を有することができる。第２の参照ステージは、第２の距離範囲をカバーする第２の光路長を有することができる。第１の光路長は、第２の光路長よりも小さくすることができる。第１の距離範囲および第２の距離範囲は互いにオフセットされるが、重なり合う場合がある。例えば、第１の距離範囲は、第２の距離範囲よりも小さな値を含むことができる。距離範囲は、同じサイズを有することができる。距離範囲は、測定光のコヒーレンス長に依拠した、光干渉断層計の測定範囲に対応することができる。例えば、光干渉断層計の測定範囲は、約１６ｍｍとすることができる。
【００１５】
好ましくは、参照ステージからの光が、距離決定のためにワークから反射された測定光と干渉する際の参照ステージがわかっている。第２の参照ステージからの光がワークから反射された測定光と干渉し、そこから測定値が決定されるとき、評価ユニットは、このため、距離を決定するために、測定値に対し、第２の距離範囲に対応する所定のオフセットを加えるように構成することができる。例えば、初期距離および対応する参照ステージを知ることができ、距離の変化を追跡することができる。代替的にまたは更に、評価ユニットは、例えば、容量的または誘導的距離測定のためのセンサによって、測定される距離がどの距離範囲に入るか、およびいずれの参照ステージがこの距離範囲に対応するかを決定するように構成することができる。しかしながら、評価ユニットは、ロボットアームコントローラから処理ヘッドの位置データを取得するか、またはスキャナコントローラから１つ以上のスキャンミラーの位置データを取得することもでき、そこから関連距離範囲および対応する参照ステージを決定することができる。
【００１６】
好ましくは、光干渉断層計は、測定光を２つ以上の参照ステージに分割するためのビームスプリッタアセンブリを含む。特に、ビームスプリッタ構成は、２つ以上の参照ステージ間で、測定光を実質的に等しい部分に、すなわち等しい強度で分割するように構成することができる。例えば、参照アームにおける測定光は、それぞれの光路長間で等しい部分に分割される。２つの参照ステージの場合、測定光の強度は５０％とすることができ、３つの参照ステージの場合、３３％とすることができ、以下同様である。結果として、距離測定において、ＯＣＴ信号品質は、全ての参照ステージについて同一である。
【００１７】
好ましくは、ビームスプリッタアセンブリは、反射ミラー、部分透過性ミラー、プリズムアセンブリおよび光ファイバカプラからなる群から選択された少なくとも１つの素子を含む。光ファイバカプラは、ファイバからの入射光を少なくとも２つのファイバ間で分割するように構成することができる。ビームスプリッタアセンブリは、これらの素子のうちの１つの複数のコピー、または素子の任意の組合せを含むことができる。
【００１８】
実施形態によれば、それぞれの参照ステージ間の測定光の分割は、自由ビームに基づく。自由ビームは、半透過性光学素子、例えば、半透過性ミラーまたはプリズムによってそれぞれ部分的に反射される。例えば、２つ以上の参照ステージは順に配置され、ビームスプリッタアセンブリは、２つ以上の参照ステージの最後の参照ステージにおいて反射性エンドミラーを含み、残りの参照ステージのうちの少なくとも１つ、特に各々において半透過性光学素子を含む。このため、測定ビームは、測定光がそれぞれの参照ステージに入ることができるように、または半透過性光学素子によって後続の参照ステージに反射することができるように、半透過性光学素子によって分割することができる。
【００１９】
別の実施形態において、測定光の分割は、ファイバ技術によって実施することができる。１つの可能な実施態様は、複数のファイバ部分（またはファイバセクション）を、測定光がそれぞれの参照ステージに提供されるように配置されたファイバコネクタ（またはファイバカプラ）と連結することである。特に、ビームスプリッタアセンブリは、複数の連続したファイバセクションを含むことができ、各参照ステージのための測定光は、それぞれのファイバセクションによって提供される。
【００２０】
好ましくは、２つ以上の参照ステージの全ての参照ステージの光路長は異なる。特に、全ての参照ステージの光路長は、同じ光路長差だけ異なることができる。換言すれば、全ての参照ステージの対応する距離範囲は、同じサイズを有することができるが、異なる値までシフトされる。光路長は、最初の参照ステージから最後の参照ステージまで、同じ光路長差で連続して増大または減少させることができる。特に、隣接する参照ステージ間の光路長差は同一とすることができる。
【００２１】
いくつかの実施形態では、光干渉断層計は、測定光のコヒーレンス長に依拠する基本測定範囲を有する。この場合、基本測定範囲は、１つの参照ステージを用いて測定可能な最大距離範囲に対応する。第１の光路長と第２の光路長との間の光路長差は、基本測定範囲以下とすることができ、好ましくは、基本測定範囲の７０％〜１００％とすることができる。例えば、２つの隣接する参照ステージ間の光路長差は、ＯＣＴセンサの基本測定範囲に概ね対応するように選択することができる。代替的に、小さな重なり領域が存在する場合があり、すなわち、光路長差は、センサの基本測定範囲よりも僅かに小さい。これにより、測定アームにおける測定物体の距離が連続変化する場合、前の参照ステージの干渉信号が消滅する前に、後続の参照ステージから安定したＯＣＴ干渉信号が生じることが確実にされる。
【００２２】
本開示の別の態様によれば、レーザビームを用いてワークを処理するためのレーザ処理ヘッドのための方法、特に、レーザ処理ヘッドとワークとの間の距離を決定する方法が提供される。本方法は、光干渉断層計の測定光をワーク上および参照アームの２つ以上の参照ステージ内に方向付けることであって、２つ以上の参照ステージにおける測定光の光路長は異なる、方向付けることと、ワークから反射された測定光を、２つ以上の参照ステージにおいて反射された測定光と重ね合わせることと、重ね合わせに基づいて、処理ヘッドとワークとの間の距離を決定することとを含む。
【００２３】
本方法は、本開示の処理ヘッドによって実施することができる。加えて、処理ヘッドは、本開示による方法を実行するように構成することができる。
本開示の実施形態が図面に示され、以下でより詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本開示の実施形態による、処理ヘッドを有するレーザ処理システムを示す図である。
【図２】本開示の実施形態による、光干渉断層計を有する処理ヘッドを示す図である。
【図３】本開示の実施形態による、光干渉断層計の参照アームを示す図である。
【図４】レーザビームを用いてワークを処理するための方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下において、別段の記載がない限り、類似の参照符号は、類似の同等の要素のために用いられる。
【００２６】
図１は、本開示の実施形態によるレーザ処理システム１００の概略図を示す。レーザ処理システム１００は、処理ヘッド１０１、特に、レーザ切断またはレーザ溶接ヘッドを含む。
【００２７】
レーザ処理システム１００は、レーザビーム１０（「処理ビーム」または「処理レーザビーム」とも呼ばれる）を生成するためのレーザデバイス１１０と、処理ヘッド１０１の端面とワーク１との間の距離を測定するための測定デバイスとを備える。測定デバイスは、光干渉断層計１２０、特に、コヒーレンスの短い光干渉断層計（ｏｐｔｉｃａｌ  ｓｈｏｒｔ−ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ  ｔｏｍｏｇｒａｐｈ）を備える。
【００２８】
レーザデバイス１１０は、レーザビーム１０をコリメートするためのコリメータレンズ１１２を含むことができる。処理ヘッド１０１内で、レーザビーム１０は、適切な光学系１０３によってワーク１の方向に約９０°偏光される。光干渉断層計１２０は通常、光測定ビーム１３をコリメートするように構成されたコリメータ光学系１２２と、光測定ビーム１３をワーク１上に集束するように構成された集束光学系１２４とを備える。
【００２９】
いくつかの実施形態では、レーザビーム１０および光測定ビーム１３は、少なくとも部分的に同軸であり、特に、少なくともセクションにおいて同軸で重ね合わせることができる。例えば、光干渉断層計１２０は、光測定ビーム１３をレーザデバイス１１０の光路に結合するように構成することができる。光測定ビーム１３とレーザビーム１０の統合は、コリメータ光学系１２２の下流かつ集束光学系の上流で行うことができる。
【００３０】
本明細書に記載の他の実施形態で修正することができる典型的な実施形態において、コリメータ光学系１２２および集束光学系１２４は、処理ヘッド１０１に一体化される。例えば、処理ヘッド１０１は、処理ヘッド１０１に一体化されるかまたは処理ヘッド１０１に装着されたコリメータモジュール１０２を含むことができる。集束光学系１２４は、レーザビーム１０および測定ビーム１３のための集束レンズ等の共有集束光学系とすることができる。
【００３１】
実施形態によれば、レーザ処理システム１００、または処理ヘッド１０１等のその一部は、処理方向２０に沿って移動可能とすることができる。処理方向２０は、ワーク１に対する処理ヘッド１０１等のレーザ処理システム１００の切断もしくは溶接方向および／または移動方向とすることができる。特に、処理方向２０は、水平方向とすることができる。処理方向２０は、「送り方向」とも呼ぶことができる。
【００３２】
本開示において、距離測定は、干渉計によって光のコヒーレンス特性を利用する、光干渉断層計の原理に基づく。光干渉断層計１２０は、測定光を光導波路１３２に結合するブロードバンド光源（例えば、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ））を有する評価ユニット１３０を含むことができる。好ましくはファイバカプラを有するビームスプリッタ１３４において、測定光は、参照アーム１３６と、光導波路１３８を介して処理ヘッド１０１内につながる測定アームとに分割される。本発明によれば、参照アーム１３６は、光干渉断層計１２０の測定範囲を増大させるための２つ以上の連続した参照ステージ（図２および図３）を含む。
【００３３】
光測定ビーム１３は、例えば、ワーク１の表面上に方向付けることができる。表面から反射して戻される測定光は、集束光学系１２４によって、光導波路１３８の入口／出口面上にマッピングされ、ファイバカプラ１３４における参照アーム１３６から反射して戻された光と重ね合わされ、次に、評価ユニット１３０内に戻るように方向付けされる。重ね合わされた光は、参照アーム１３６と測定アームとの間の光路長差に関する情報を含む。この情報は、評価ユニット１３０において評価され、それによって、ユーザは、ワークの表面と処理ヘッド１０１との間の距離に関する情報を受信する。
【００３４】
本発明による参照アームについて、図２および図３を参照して以下でより詳細に説明する。図２は、本開示に実施形態による、光干渉断層計を有する処理ヘッド１０１を示す。
【００３５】
光干渉断層計は、例えば、レーザビームを用いた切断、溶接、アブレーション、ならびに追加的なＳＬＭ（選択的レーザ溶融）およびＬＭＤ（レーザ材料堆積）のためのレーザ材料処理における光学距離測定のために用いることができる。特に、本発明による光干渉断層計の応用分野は、ＯＣＴ測定システムの大きな光学測定範囲を必要とするプロセスをカバーする。
【００３６】
光干渉断層計は、処理ヘッド１０１とワーク１との間の距離を測定するように構成され、測定光源によって光干渉断層計において生成され、ワーク１によって反射される測定光は、参照アーム２００において２つ以上の参照ステージによって反射される測定光と干渉する。２つ以上の参照ステージは、第１の参照ステージ２１０において反射された測定光が第１の光路長を進むように構成された第１の参照ステージ２１０と、第２の参照ステージ２２０において反射された測定光が第１の光路長と異なる第２の光路長を進むように構成された第２の参照ステージ２２０とを含む。ワーク１から反射された測定光は、第１の参照ステージ２１０の反射された測定光および第２の参照ステージ２２０の反射された測定光と干渉する。この干渉から、処理ヘッド１０１とワーク１との間の距離を決定することができる。
【００３７】
典型的には、２つ以上の参照ステージの各参照ステージの光路長は異なる。特に、各参照ステージの光路長は、同じ光路長差ΔＬまたはその倍数だけ異なることができる。２つ以上の参照ステージを提供することにより、ＯＣＴ測定システムの有効測定範囲は、参照ステージＮの数および２つの隣接レベル間の光路長の差ΔＬに依拠する範囲だけ増大する。
【００３８】
測定範囲の拡張は、例えば、（Ｎ−１）＊ΔＬとして指定することができる。この式は、次の参照ステージとの小さな重なり領域が存在するように光路差が選択されるとき、すなわち、ΔＬがＯＣＴセンサの基本測定範囲よりも僅かに小さいときに概ね成り立つ。このようにして、測定アームにおける測定物体の距離が連続変化する場合、前の参照ステージの干渉信号が消滅する前に、後続の参照ステージから安定したＯＣＴ干渉信号が生じることを確実にすることができる。
【００３９】
いくつかの実施形態では、光干渉断層計１２０は、例えば、測定光源によって生成される測定光を２つ以上の参照ステージに均等に分割するためのビームスプリッタアセンブリ２３０を備える。特に、ビームスプリッタアセンブリ２３０は、２つ以上の参照ステージにわたって実質的に同じ割合で測定光を配分するように構成することができる。例えば、参照アーム２００における測定光は、それぞれの光路にわたって等しい割合で配分される。２つの参照ステージの場合、測定光の強度は５０％とすることができ、３つの参照ステージの場合、３３％とすることができ、以下同様である。結果として、ＯＣＴ信号品質は、距離測定における全ての参照ステージについて同一である。
【００４０】
通常、ビームスプリッタアセンブリ２３０は、反射ミラー２３４、部分透過性ミラー、プリズムアセンブリ２３２および光ファイバからなる群から選択される少なくとも１つの素子を含む。ビームスプリッタアセンブリは、これらの素子のうちの１つの複数のコピー、または素子の任意の組合せを含むことができる。図２の例において、プリズムアセンブリ２３２および反射ミラー２３４は、測定光を第１の参照ステージ２１０および第２の参照ステージ２２０に分割し、特にこれらを均等に分割するのに用いられる。
【００４１】
図３は、本開示の実施形態による光干渉断層計の参照アーム３００を示す。参照アーム３００は、複数の参照ステージ、すなわち、第１の参照ステージ３１０、第２の参照ステージ３１１、第３の参照ステージ３１２、第４の参照ステージ３１３および第５の参照ステージ３１４を備える。隣接するまたは連続した参照ステージ間の光路長差は、ΔＬによって示される。隣接するまたは連続した参照ステージ間の光路長差は、全ての隣接する参照ステージについて実質的に同一とすることができる。
【００４２】
図３の例において、測定光を個々の参照ステージに分割することは、例えば、ビームスプリッタアセンブリ３２０のエンドミラー３２４またはプリズムもしくはプリズムアセンブリ３２２において反射して戻される自由ビームに基づく。例えば、２つ以上の参照ステージが順に配置され、ビームスプリッタアレイ３２０は２つ以上の参照ステージの最後の参照ステージにおいて反射性エンドミラー３２４を有し、残りの参照ステージの各々においてプリズムアセンブリ３２を有する。
【００４３】
別の実施形態（図示せず）において、測定光の分割は、ファイバ技術によって実施することができ、ビームスプリッタアセンブリは、複数のファイバカプラおよび複数の光ファイバまたはファイバセクションを含む。ここで、光ファイバを介して導かれる測定光は、Ｎフィバカプラによってｎ個の更なる光ファイバまたはファイバセクションに分割され、それによって、測定光が個々の参照ステージに提供される。例えば、光を２つの光ファイバまたはファイバセクションに分割するファイバカプラを用いることができる。参照ステージにおける等しい強度を確実にするために、測定光は、好ましくは、参照ステージごとに同じ数の光ファイバおよび／またはファイバカプラを通過するように分割される。このため、ｎ＊Ｎ個の参照ステージを一様に照明することができる。
【００４４】
最後の参照ステージは、測定光のための最も長い光路長を有する参照ステージとすることができる。第１の参照ステージは、測定光のための最も短い光路長を有する参照ステージとすることができる。中間参照ステージの光路長は、第１の参照ステージから最後の参照ステージまで、光路長差ΔＬずつ連続して増大させることができる。例えば、第１の参照ステージは、０ｍｍ〜１６ｍｍの第１の距離範囲に対応することができ、第２の参照ステージは、１６ｍｍ〜３２ｍｍの第２の距離範囲に対応することができる等である。このため、個々の参照ステージまたは光路長に対応する距離範囲は等しくすることができる。距離範囲は、間隙のない測定、および可能な限り強力な信号を可能にするために、重なることもできる。例えば、第１の距離範囲は０ｍｍ〜１６ｍｍとすることができ、第２の距離範囲は１２ｍｍ〜２８ｍｍとすることができる等である。隣接する距離範囲の重なりは、距離範囲のサイズの約１０％〜２５％に対応することができる。重なり合う距離範囲を有する参照ステージの場合、２つ以上のピークが信号内に現れる場合がある。この場合、評価ユニットは、最も小さな距離に対応するピークを用いるように構成することができる。
【００４５】
最も小さな光路長を有する第１の参照ステージよりも長い光路長を有する参照ステージの測定値から距離を決定するために、この参照ステージの測定範囲または距離範囲のシフトに対応する所定のオフセットを測定値に加えなくてはならない。例えば、第１の距離範囲が０ｍｍ〜１６ｍｍであり、第２の距離範囲が１６ｍｍ〜３２ｍｍであるとき、距離を決定するためのオフセットとして第２の参照ステージの測定値に１６ｍｍが加えられなくてはならない。なぜなら、参照ステージの可能な測定値は同じであり、この例では、全ての参照ステージについて０〜１６であるためである。第２の参照ステージからの光が、ワークから反射された測定光と干渉し、そこから測定値が決定される場合、評価ユニットは、距離を決定するために、測定値に対し、第２の参照ステージまたは第２の距離範囲に対応する所定のオフセットを加えるように構成することができる。参照ステージからの光が、距離決定のためにワークから反射された測定光と干渉する際の参照ステージを、例えば、初期距離および対応する参照ステージを知り、距離の変化を追跡することによって決定することができる。例えば、初期距離が第１の参照ステージの第１の距離範囲内にあるとき、距離は増大し、第２の距離範囲内に入り、光干渉断層計はまず、測定値の上昇を検出し、次に、測定値の低値への急転を検出する。なぜなら、距離測定の基礎である干渉が次に高い参照ステージから到来するやいなや、測定値の大きさは、測定値範囲の低値に変化するためである。上記で与えた例において、０ｍｍ〜１６ｍｍの距離に対応する０ｍｍ〜１６ｍｍの測定値が第１の参照ステージから決定された。１６ｍｍの後続の測定値が０ｍｍまたは１ｍｍに急激に変化する場合、隣接する第２の参照ステージから干渉が生じ、１６ｍｍのオフセットを加えなくてはならない。代替的に、または加えて、評価ユニットは、測定される距離がいずれの距離範囲内に入るか、およびいずれの参照ステージがこの距離範囲に対応するかを、例えば、容量的または誘導的距離測定のためのセンサによって決定し、それによって次に、対応するオフセットを測定値に加えるように構成することができる。評価ユニットは、ロボットアームコントローラから処理ヘッドの位置データを受信するか、またはスキャナコントローラから１つ以上のスキャンミラーの位置データを受信し、そこから、関連距離範囲および対応する参照ステージ、ならびに加えられることになるオフセットを決定することができる。第１の参照ステージ、または最も小さい光路長を有する参照ステージのオフセットは、０とすることができる。
【００４６】
図４は、レーザビームを用いてワークを処理するための方法４００のフローチャートを示す。
【００４７】
方法４００は、ブロック４１０において、光干渉断層計において測定光を生成することと、ブロック４２０において、ワーク、および参照アームの２つ以上の参照ステージに測定光を方向付けることであって、２つ以上の参照ステージにおける測定光の光路長は異なる、方向付けることと、ブロック４３０において、ワークから反射された測定光を、２つ以上の参照ステージにおいて反射された測定光と重ね合わせることと、ブロック４４０において、重ね合わせに基づいて処理ヘッドとワークとの間の距離を決定することとを含む。特に、距離は、重ね合わされた測定光の干渉に基づいて決定することができる。距離を決定することは、上述したように、測定値に所定のオフセットを加えることを更に含むことができる。
【００４８】
本発明によれば、ＯＣＴセンサシステムの測定光が、参照アームにおける参照ステージの２つ以上の光路長または進行距離に分割される。この構成の利点は、測定アームからの測定光が、参照アームにおける、適切な光路長を有する参照ステージの測定光の一部と自動的に干渉することである。特に、これは、全ての参照ステージが常に一様に照射されるときに当てはまる。これにより、既知の従来の解決策において用いられる参照アームにおける機械的要素の、同期した、このため複雑な制御がなくなる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年9月3日(2020.9.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビーム（１０）を用いてワーク（１）を処理するためのレーザ処理システムであって、
処理ヘッド（１０１）と、
レーザ処理ヘッドとワークとの間の距離を決定するための測定デバイスであって、
前記処理ヘッド（１０１）と前記ワーク（１）との間の距離を決定するように構成された光干渉断層計（１２０）であって、前記光干渉断層計（１２０）は、前記ワーク（１）から反射された測定光を誘導するための測定アームと、異なる光路長を有する３つ以上の参照ステージ（２１０、２２０；３１０、３１１、３１２、３１３、３１４）を有する参照アーム（２００、３００）とを備える、光干渉断層計（１２０）と、
前記測定アームからの測定光と、前記参照アーム（２００、３００）からの測定光との重ね合わせに基づいて、前記距離を決定するように構成された評価ユニット（１３０）と、
を備える、測定デバイスと、
を備え、
前記参照アーム（２００、３００）は、測定光を前記３つ以上の参照ステージ（２１０、２２０；３１０、３１１、３１２、３１３、３１４）に分割するためのビームスプリッタアセンブリ（２３０、３２０）を備え、前記ビームスプリッタアセンブリ（２３０、３２０）は、前記測定光を、実質的に等分して、前記３つ以上の参照ステージ（２１０、２２０；３１０、３１１、３１２、３１３、３１４）に分割するように構成され、
前記３つ以上の参照ステージ（２１０、２２０；３１０、３１１、３１２、３１３、３１４）は順に配置されることを特徴とする、レーザ処理システム。
【請求項２】
請求項１に記載の測定デバイスであって、前記光干渉断層計は、前記ワーク（１）によって反射された測定光と、前記３つ以上の参照ステージ（２１０、２２０；３１０、３１１、３１２、３１３、３１４）において反射された測定光とを重ね合わせるように構成されることを特徴とする測定デバイス。
【請求項３】
請求項１または２に記載の測定デバイスであって、前記評価ユニットは、前記ワーク（１）によって反射された測定光と、前記３つ以上の参照ステージ（２１０、２２０；３１０、３１１、３１２、３１３、３１４）のうちの１つにおいて反射された測定光との間の干渉に基づいて前記距離を決定するように構成されることを特徴とする測定デバイス。
【請求項４】
請求項３に記載の測定デバイスであって、前記評価ユニット（１３０）は、前記距離を決定するために、前記ワーク（１）によって反射された測定光と干渉する前記測定光が反射される前記参照ステージに対応する所定のオフセットを考慮に入れるように構成されることを特徴とする測定デバイス。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の測定デバイスであって、前記ビームスプリッタアセンブリ（２３０、３２０）は、反射光学素子、部分透過性光学素子、反射ミラー（２３４、３２４）、部分透過性ミラー、プリズムアセンブリ（２３２、３２２）および光ファイバからなる群から選択された少なくとも１つの要素を含むことを特徴とする測定デバイス。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の測定デバイスであって、前記ビームスプリッタアセンブリ（２３０、３２０）は、前記２つ以上の参照ステージのうちの最後の参照ステージ（２３４、３１４）における反射光学素子（２３４、３２４）と、残りの参照ステージ（２３２、３１０、３１１、３１２、３１３）のうちの少なくとも１つにおける半透過性光学素子（２３２、３２２）とを備えることを特徴とする測定デバイス。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の測定デバイスであって、前記ビームスプリッタアセンブリ（２３０、３２０）は、少なくとも１つのファイバカプラと、前記ファイバカプラに結合された少なくとも２つのファイバセクションとを備え、各参照ステージの測定光はそれぞれのファイバセクションによって提供されることを特徴とする測定デバイス。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の測定デバイスであって、連続した参照アームの光路長間の光路長差（ΔＬ）は、前記測定光のコヒーレンス長に依拠する前記光干渉断層計の測定範囲以下であることを特徴とする測定デバイス。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の測定デバイスであって、全ての参照ステージの光路長は、同じ光路長差（ΔＬ）だけ異なることを特徴とする測定デバイス。
【請求項１０】
レーザ処理ヘッド（１０１）とワーク（１）との間の距離を決定するための方法（４００）であって、
測定光を、前記ワーク（１）上と、参照アーム（２００、３００）の３つ以上の参照ステージ内とに方向付けるステップ（４２０）であって、前記３つ以上の参照ステージの光路長は異なり、前記測定光は、参照アームのビームスプリッタアセンブリ（２３０、３２０）によって実質的に等分され、前記３つ以上の参照ステージ（２１０、２２０；３１０、３１１、３１２、３１３、３１４）に分割され、前記３つ以上の参照ステージ（２１０、２２０；３１０、３１１、３１２、３１３、３１４）は順に配置されている、ステップ（４２０）と、
前記ワーク（１）によって反射された測定光を、前記３つ以上の参照ステージにおいて反射された測定光と重ね合わせるステップ（４３０）と、
前記重ね合わせに基づいて前記処理ヘッド（１０１）と前記ワーク（１）との間の距離を決定するステップ（４４０）と、
を含むことを特徴とする、方法（４００）。
【請求項１１】
請求項１０に記載の方法であって、前記距離は、前記ワークによって反射された前記測定光と、前記距離に対応する光路長を有する前記３つ以上の参照ステージ（２１０、２２０；３１０、３１１、３１２、３１３、３１４）のうちの１つにおいて反射された前記測定光との間の干渉に基づいて決定されることを特徴とする方法。
【国際調査報告】
2021533362.tif 000007
2021533362.tif 000008
2021533362.tif 000009
2021533362.tif 000010
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