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特表2023-505772低コヒーレンス光干渉法を用いてレーザ加工機の加工ヘッドと加工対象の物体の表面との間の分離距離を決定し制御するための方法およびシステム
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-02-13
(54)【発明の名称】低コヒーレンス光干渉法を用いてレーザ加工機の加工ヘッドと加工対象の物体の表面との間の分離距離を決定し制御するための方法およびシステム
(51)【国際特許分類】
G01B 11/00 20060101AFI20230206BHJP
B23K 26/03 20060101ALI20230206BHJP
B23K 26/21 20140101ALI20230206BHJP
B23K 26/34 20140101ALI20230206BHJP
B23K 26/38 20140101ALI20230206BHJP
B23K 26/382 20140101ALI20230206BHJP
B23K 26/00 20140101ALI20230206BHJP
【ＦＩ】
G01B11/00 G
B23K26/03
B23K26/21 Z
B23K26/34
B23K26/38 A
B23K26/382
B23K26/00 M
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022533635
(86)(22)【出願日】2020-12-07
(85)【翻訳文提出日】2022-08-01
(86)【国際出願番号】 IB2020061581
(87)【国際公開番号】W WO2021111423
(87)【国際公開日】2021-06-10
(31)【優先権主張番号】102019000023181
(32)【優先日】2019-12-06
(33)【優先権主張国・地域又は機関】IT
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】508138955
【氏名又は名称】アディジェ ソシエタ ペル アチオニ
(74)【代理人】
【識別番号】100101454
【弁理士】
【氏名又は名称】山田 卓二
(74)【代理人】
【識別番号】100189555
【弁理士】
【氏名又は名称】徳山 英浩
(74)【代理人】
【識別番号】100100479
【弁理士】
【氏名又は名称】竹内 三喜夫
(72)【発明者】
【氏名】ドナデッロ，シモーネ
(72)【発明者】
【氏名】プレヴィターリ，バルバラ
(72)【発明者】
【氏名】コロンボ，ダニエーレ
【テーマコード（参考）】
2F065
4E168
【Ｆターム（参考）】
2F065AA06
2F065AA22
2F065FF52
2F065GG07
2F065GG24
2F065HH04
2F065HH13
2F065JJ01
2F065JJ09
2F065LL02
2F065LL12
2F065LL36
2F065LL37
2F065MM06
2F065PP22
4E168AD07
4E168AD11
4E168BA35
4E168BA81
4E168CA07
4E168CA15
4E168EA17
4E168FB01
(57)【要約】
工作機械の加工ヘッドと材料の表面との間の分離距離を決定し制御するための方法およびシステムが記載され、測定低コヒーレンス光放射ビームを発生し、該測定ビームを材料に向けて導き、材料の表面から反射または拡散した測定ビームを光干渉センサ配列に向けて第１入射方向に導くステップと、基準低コヒーレンス光放射ビームを発生し、該基準ビームを光干渉センサ配列に向けて、測定ビームの第１入射方向を基準として予め設定された入射角の第２入射方向に導くステップと、センサ配列の共通入射領域上で測定ビームおよび基準ビームを重畳するステップと、入射領域上で測定ビームと基準ビームとの間の干渉縞パターンの位置を検出するステップと、入射領域の照射軸に沿った干渉縞パターンの位置に基づいて、測定光学経路と基準光学経路との間の光学経路長の差を決定するステップと、を含む。これは、（ａ）加工ヘッドと材料の表面との間の現在の分離距離と、（ｂ）予め定めた公称分離距離との間の差を示す。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
加工ヘッドによって放出され、一連の加工領域を含む材料上の加工軌跡に沿って導かれる高出力加工レーザビームを用いて動作する、材料のレーザ加工のための機械において、加工ヘッドと前記加工領域での材料の表面との間の分離距離を決定するための方法であって、・測定低コヒーレンス光放射ビームを発生するステップであって、前記測定ビームを、前記加工ヘッドを経由して加工領域に向けて導いて、そして前記加工領域内の材料の表面から反射または拡散した測定ビームを、第１入射方向に沿って前記ヘッドを経由して光干渉センサ手段に向けて導いて、測定ビームは、個々の光源から前記光干渉センサ手段への測定光学経路を進行し、該測定光学経路は、前記光源と加工ヘッドとの間にある第１セクションと、前記加工ヘッドと干渉センサ手段との間にあり、個々の予め定めた不変の幾何学的長さを有する第２セクションとを含む、ステップと、
・前記低コヒーレンス光放射の基準ビームを発生するステップであって、前記基準ビームを、前記測定ビームの第１入射方向を基準として予め定めた入射角にある第２入射方向に沿って前記光干渉センサ手段に向けて導いて、基準ビームは、加工ヘッドと材料の表面との間の距離が予め定められた公称分離距離に対応する公称動作条件において、測定光学経路の光学長に相当する光学長の基準光学経路を進行する、ステップと、
・測定ビームおよび基準ビームを、予め定めた照射軸に沿って前記光干渉センサ手段の共通入射領域上で重畳させるステップと、
・前記共通入射領域上の前記照射軸に沿って測定ビームと基準ビームとの間の干渉縞パターンの位置を検出するステップであって、照射軸に沿った前記干渉縞パターンの延長部は、前記低コヒーレンス光放射のコヒーレンス長に対応している、ステップと、
・測定光学経路と基準光学経路との間の光学長の差を、前記入射領域の前記照射軸に沿った前記干渉縞の前記パターンの位置の関数として決定するステップであって、この光学長の差は、（ａ）加工ヘッドと加工領域内の材料の表面との間の現在の分離距離と、（ｂ）予め定めた公称分離距離との間の差を示す、ステップと、を含むことを特徴とする方法。
【請求項2】
照射軸に沿った干渉縞パターンの位置は、前記干渉縞パターンの光放射の強度の包絡線の固有位置である、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記干渉縞パターンの光放射の強度の包絡線の固有位置は、前記光放射の強度の包絡線のピークまたは最大の位置である、請求項２に記載の方法。
【請求項4】
前記光干渉センサ手段は、前記照射軸に沿った光検出器の配列を備え、入射角は、前記干渉縞パターンの空間周波数が光検出器の空間周波数よりも大きくなるように制御される、請求項１または２に記載の方法。
【請求項5】
前記干渉縞パターンの空間周波数は、光検出器の空間周波数の倍数とは異なり、好ましくは光検出器の前記空間周波数の半整数倍に近い、請求項４に記載の方法。
【請求項6】
前記光干渉センサ手段は、前記照射軸に沿った光検出器の配列を備え、前記光検出器の配列は、光検出器のリニア配列である、請求項１に記載の方法。
【請求項7】
前記光干渉センサ手段は、前記照射軸に沿った光検出器の配列を備え、前記光検出器の配列は、光検出器の２次元配置である、請求項１に記載の方法。
【請求項8】
材料のレーザ切削、穿孔または溶接のため、またはレーザによる３次元構造の積層造形のための機械において、前記機械は、前記材料に近接して配置された、アシストガスの流れを与えるためのノズルを有する加工ヘッドを備え、測定光放射ビームは、前記ノズルを経由して導かれ、前記現在の加工領域と同軸であり、または前記現在の加工領域に隣接する材料の測定領域に向けて、好ましくは加工軌跡に沿ってその前方に方向付けられる、請求項１～７のいずれか１つに記載の方法。
【請求項9】
材料のレーザ溶接またはレーザによる３次元構造の積層造形のための機械において、前記機械は、前記材料に近接して配置された加工レーザビームの出力を有する加工ヘッドを備え、測定光放射ビームは、加工ビームの前記出力を経由して導かれ、前記現在の加工領域と同軸であり、または前記現在の加工領域に隣接する材料の測定領域に向けて、好ましくは加工軌跡に沿ってその後方に方向付けられる、請求項１～７のいずれか１つに記載の方法。
【請求項10】
測定光放射ビームは、光学走査システムを用いて前記材料測定領域に向けて方向付けられ、光学走査システムの傾斜は、加工経路に沿って加工ヘッドの前進速度の絶対値および方向に従って制御される、請求項８または９に記載の方法。
【請求項11】
入射領域の前記照射軸は、前記入射角によって定義される平面と前記光干渉センサ手段の検出面との交差によって決定される、請求項１～１０のいずれか１つに記載の方法。
【請求項12】
測定光学経路および基準光学経路は、対応する光学素子を含み、基準光学経路は、測定光学経路に介在する材料の表面に対応する反射戻り素子と、
加工対象の材料によって反射された測定光放射の強度を基準として、前記反射戻り素子によって反射された基準光放射の強度をバランスさせるように構成された光減衰手段と、を含む、請求項１～１１のいずれか１つに記載の方法。
【請求項13】
前記測定光学経路および前記基準光学経路は、共通の光源から由来し、ビーム分割手段を用いて分離され、加工対象の材料の表面および前記反射戻り素子にそれぞれ別個に導かれ、検出光学経路に集められ、該検出光学経路において、測定ビームは基準ビームから分離され、前記ビームは光干渉センサ手段の前記共通入射領域に向けて制御可能な配向に方向付けられ、該制御可能な配向は測定ビームと基準ビームとの間の入射角を決定する、請求項１２に記載の方法。
【請求項14】
材料のレーザ切削、穿孔または溶接のため、またはレーザによる３次元構造の積層造形のための機械において、アシストガスの流れを与えるためのノズルを有する加工ヘッドを備え、測定光放射ビームは、前記ノズルを経由して導かれ、
測定光学経路と基準光学経路との間の光学長の差の決定は、ノズルのアシストガスのチャンバを通過する前記測定光学経路の一部の幾何学的長さおよび正規化屈折率から開始して計算される、測定光学経路の正規化光学長に基づいており、これは、前記ガスの圧力に対するアシストガスの屈折率の予め定めた公称依存関係に従って、前記チャンバ内のアシストガスの圧力の関数として計算される、請求項１に記載の方法。
【請求項15】
測定光学経路と基準光学経路との間の光学長の差の決定は、前記測定光学経路の一部の伝送媒体の幾何学的長さおよび正規化屈折率から計算される、測定光学経路の正規化光学長に基づいており、これは、測定光放射ビームの温度、圧力または他の物理パラメータに対する屈折率の予め定めた公称依存関係に従って、該光学経路の前記少なくとも一部の温度、圧力または他の物理パラメータの関数として計算される、請求項１に記載の方法。
【請求項16】
測定光学経路と基準光学経路との間の光学長の差の決定は、前記測定光学経路の一部の材料伝送媒体の正規化幾何学的長さおよび屈折率から開始して計算される、測定光学経路の正規化光学長に基づいており、正規化幾何学的長さは、測定光放射ビームの材料伝送媒体の機械的変形に対する幾何学的長さの予め定めた公称依存関係に従って、前記材料伝送媒体の機械的変形の関数として計算される、請求項１に記載の方法。
【請求項17】
基準光学経路の対応する部分の現在の光学長を基準として測定光学経路の少なくとも一部の現在の光学長の摂動を決定することと、前記摂動に基づいて、加工ヘッドと材料の表面との間の分離距離の決定された値を補正することとを含み、
前記光干渉センサ手段に入射する測定ビームは、較正測定光学経路の進行から生ずる少なくとも１つの較正測定ビームを含み、
前記測定ビームは、測定光学経路に沿って介在する静的光学素子の少なくとも１つの再帰反射面によって反射または拡散され、
前記光干渉センサ手段に入射する前記基準ビームは、較正測定光学経路の伝送媒体の幾何学的長さおよび屈折率が校正基準光学経路の伝送媒体の幾何学的長さおよび屈折率に予め定めた許容範囲内で等しい較正の公称動作条件において、較正測定光学経路の光学長に相当する光学長を有する較正基準光学経路の進行から生ずる個々の較正基準ビームを含み、
測定光学経路の少なくとも一部の現在の光学長の摂動を決定することは、
・較正測定ビームおよび較正基準ビームを、予め定めた照射軸に沿って前記光干渉センサ手段の共通入射領域上で重畳することと、
・前記共通入射領域上の前記照射軸に沿って、較正測定ビームと較正基準ビームとの間の干渉縞パターンの位置を検出することと、
・前記入射領域の前記照射軸に沿った前記干渉縞パターンの位置にそれぞれ依存して、較正測定光学経路と較正基準光学経路との間の光学長の差を決定することとを含み、
この光学長の差は、（ａ）較正測定光学経路の幾何学的長さと較正基準光学経路の幾何学的長さとの間の差、および／または、（ｂ）較正測定光学経路の屈折率と較正基準光学経路の屈折率との間の差を示し、
前記較正測定光学経路と前記較正基準光学経路との間の前記光学長差は、測定光学経路の少なくとも一部の現在の光学長での前記外乱を示す、請求項１～１６のいずれか１つに記載の方法。
【請求項18】
ノズルのアシストガスチャンバ内のアシストガスの圧力は、前記チャンバに面する圧力センサを用いて直接検出される、請求項１４に記載の方法。
【請求項19】
ノズルのアシストガスチャンバ内のアシストガスの圧力は、測定ビームの軸に沿ったアシストガスチャンバの保護または境界設定の光学素子の表面の局所的位置の変化の測定から、アシストガスの予め定めた公称位置および圧力を基準として、アシストガスチャンバの保護または境界設定の前記光学素子の表面の位置との間の予め定めた公称関係に従って、間接的に導出され、アシストガスチャンバの保護または境界設定の光学素子の前記表面の局所的位置の変化の測定は、
（ｉ）測定ビーム源と、前記測定ビームが部分後方反射とともに入射する第１表面上の保護または境界設定の光学素子との間の第１セクション、および（ｉｉ）加工対象の材料の表面と、前記測定ビームが部分後方反射とともに入射する第２表面上の保護または境界設定の光学素子との間の第２セクションのうちの少なくとも１つを含む、保護または境界設定の前記光学素子を測定する追加の測定光学経路と、
それがノズルのアシストガスチャンバ内のアシストガスの予め定めた基準圧力値について、加工レーザビームの軸に沿った前記予め定めた公称位置にある場合、保護または境界設定の前記光学素子の前記第１または第２表面への測定ビームの部分後方反射を含む公称動作条件において、保護または境界設定の前記光学素子の追加の測定光学経路の光学長に等しい光学長を有する個々の追加の基準光学経路と、の間の長さの差の関数として決定される、請求項１４に記載の方法。
【請求項20】
前記光干渉センサ手段に入射する測定ビームは、加工領域内の材料の表面からの反射および、高出力加工レーザビームの光学経路に沿って介在する各光学素子を通る透過を伴う、メイン測定光学経路の進行から生ずるメイン測定ビームと、
加工対象の材料の表面からの反射を伴い、前記メイン測定光学経路の幾何学的長さよりも大きい幾何学的長さを有する追加の測定光学経路の進行から生ずる少なくとも１つの追加の多重化測定ビームと、を含み、これは、高出力加工レーザビームの光学経路に沿って介在する光学素子の表面における少なくとも部分後方反射を含み、
該方法は、
・前記共通入射領域上で、（ｉ）メイン測定ビームと基準ビームとの間のメイン干渉縞パターンの光放射の強度のピークまたは最大値とは異なる光放射の強度のピークまたは最大値、または（ｉｉ）メイン干渉縞パターンの光放射の強度の包絡線の固有位置からオフセットした光放射の強度の包絡線の固有位置、を有する追加の干渉縞パターンの位置を検出するステップと、
・追加の測定光学経路と基準光学経路との間の光学長の差を、前記入射領域の前記照射軸に沿った前記追加の干渉縞パターンの位置の関数として決定するステップであって、この光学長の差は、（ｉ）加工ヘッドと加工領域内の材料の表面との間の現在の分離距離と、（ｉｉ）前記予め定めた公称分離距離との間の差を示す、ステップとを含む、請求項１～１９のいずれか１つに記載の方法。
【請求項21】
前記光干渉センサ手段に入射する基準ビームは、メイン基準光学経路の進行から生ずるメイン基準ビームと、
前記メイン基準光学経路の幾何学的長さとは異なる幾何学的長さを有する追加の基準光学経路の進行から生ずる少なくとも１つの追加の多重化基準ビームと、を含み、
該方法は、
・前記共通入射領域上で、（ｉ）測定ビームとメイン基準ビームとの間のメイン干渉縞パターンの光放射の強度のピークまたは最大値とは異なる光放射の強度のピークまたは最大値、または（ｉｉ）メイン干渉縞パターンの光放射の強度の包絡線の固有位置からオフセットした光放射の強度の包絡線の固有位置、を有する追加の干渉縞パターンの位置を検出するステップと、
・測定光学経路と追加の基準光学経路との間の光学長の差を、前記入射領域の前記照射軸に沿った前記追加の干渉縞パターンの位置の関数として決定するステップであって、この光学長の差は、（ｉ）加工ヘッドと加工領域内の材料の表面との間の現在の分離距離と、（ｉｉ）予め定めた公称分離距離との間の差を示す、ステップとを含む、請求項１～２０のいずれか１つに記載の方法。
【請求項22】
加工ヘッドによって放出され、一連の加工領域を含む材料上の加工軌跡に沿って導かれる高出力加工レーザビームを用いて動作する、材料のレーザ加工のための機械において、加工ヘッドと前記加工領域での材料の表面との間の分離距離を決定するための方法であって、請求項１～２１のいずれか１つに記載の、加工ヘッドと材料の表面との間の分離距離を決定するための方法を実行するステップと、
予め定めた加工設計および加工ヘッドと材料の表面との間の決定された分離距離の関数として、加工ヘッドを、材料に向けてまたは材料から遠くへ、あるいは、表面に対して並進または傾斜状態で移動させるステップと、を含むことを特徴とする方法。
【請求項23】
加工ヘッドによって放出され、一連の加工領域を含む材料上の加工軌跡に沿って導かれる高出力加工レーザビームを用いて動作する、材料のレーザ加工のための機械において、加工ヘッドと前記加工領域での材料の表面との間の分離距離を決定するためのシステムであって、・測定低コヒーレンス光放射ビームを発生するための手段と、
・前記測定ビームを、前記加工ヘッドを経由して加工領域に向けて導いて、そして前記加工領域内の材料の表面で反射または拡散した測定ビームを、第１入射方向に沿って前記ヘッドを経由して光干渉センサ手段に向けて導くように構成された前記測定ビームの伝搬のための手段であって、測定ビームは、個々の光源から前記光干渉センサ手段への測定光学経路を進行し、該測定光学経路は、前記光源と加工ヘッドとの間にある第１セクションと、前記加工ヘッドと干渉センサ手段との間にあり、個々の予め定めた不変の幾何学的長さを有する第２セクションとを含む、手段と、
・前記低コヒーレンス光放射の基準ビームを発生するための手段と、
・前記基準ビームを、前記測定ビームの第１入射方向を基準として予め定めた入射角にある第２入射方向に沿って前記光干渉センサ手段に向けて導くように構成された前記基準ビームの伝搬のための手段であって、前記基準ビームは、加工ヘッドと材料の表面との間の距離が予め定められた公称分離距離に対応する公称動作条件において、測定光学経路の光学長に相当する光学長の基準光学経路を進行する、手段とを備え、
測定ビームの伝搬のための手段および基準ビームの伝搬のための手段は、測定ビームおよび基準ビームを、予め定めた照射軸に沿って前記光干渉センサ手段の共通入射領域上で重畳させるように構成され、
システムはさらに、
・前記共通入射領域上の前記照射軸に沿って測定ビームと基準ビームとの間の干渉縞パターンの位置を検出するための手段であって、照射軸に沿った前記干渉縞パターンの延長部は、前記低コヒーレンス光放射のコヒーレンス長に対応している、手段と、
・測定光学経路と基準光学経路との間の光学長の差を、前記入射領域の前記照射軸に沿った前記干渉縞の前記パターンの位置の関数として決定するように構成された処理手段であって、この光学長の差は、（ａ）加工ヘッドと加工領域内の材料の表面との間の現在の分離距離と、（ｂ）予め定めた公称分離距離との間の差を示す、手段と、を備えるシステム。
【請求項24】
加工ヘッドによって放出され、一連の加工領域を含む材料上の加工軌跡に沿って導かれる高出力加工レーザビームを用いて動作する、材料のレーザ加工のための機械であって、前記加工ヘッドと前記材料との間の相対位置を制御するための手段を含み、
前記加工ヘッドと前記加工領域での材料の表面との間の分離距離を決定するためのシステムを備え、
請求項１～２１のいずれか１つに記載の方法を実行するように構成され、
前記加工ヘッドと前記材料との間の相対位置を制御するための前記手段は、予め定めた加工設計および加工ヘッドと材料の表面との間の決定された分離距離に従って動作する、機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、材料、好ましくは金属材料をレーザ加工することに関し、詳細には、材料をレーザ加工、例えば、前記材料をレーザ切削、穿孔または溶接したり、または、前記材料の予め定めた構造の積層造形(additive manufacture)の制御の改良に関する。
【0002】
より詳細には、本発明は、請求項１および請求項２３の前文に規定されているように、材料をレーザ加工するための機械における加工ヘッドと、材料の表面との間の分離距離を決定するための方法およびシステムに関する。
【0003】
他の態様によれば、本発明は、請求項２４の前文に記載の材料をレーザ加工するための機械に関し、これは、前記加工ヘッドと材料の表面との間の分離距離を決定するためのシステムを備え、このシステムは、上述した方法を実行するために提供される。
【背景技術】
【0004】
本明細書および下記請求項では、好ましい実施例での用語「材料」および「金属材料」は、閉じた断面（例えば、中空の円形、長方形または正方形の形状）、または開いた断面（例えば、平坦な断面、またはＬ字状、Ｃ字状またはＵ字状の断面など）を有する、例えば、プレートまたは細長いプロファイル（輪郭）などの任意の製品を特定するために使用される。積層造形における用語「材料」は、レーザビームを用いて局所的な焼結または溶融に曝される原料（一般にパウダー（粉末））を特定する。
【0005】
材料、プレートおよび金属プロファイルを処理するための工業プロセスにおいて、レーザは、多種多様な用途のための加熱ツールとして使用され、これは、レーザビームと加工対象の材料との間の相互作用に関連するパラメータ、特に、材料へのレーザビームの入射の体積当りのエネルギー密度、および相互作用時間に依存する。
【0006】
例えば、金属ピースに低密度エネルギー（表面１ｍｍ２当り数十Ｗのオーダー）を長時間（数秒の範囲）向けることによって、硬化プロセスが生じ、一方、同じ金属ピースにフェムト秒またはピコ秒のオーダーの時間で高エネルギー密度（表面１ｍｍ２当り数十ＭＷのオーダー）を向けることによって、光アブレーションプロセスが生ずる。増加しているエネルギー密度および減少している処理時間の中間範囲では、これらのパラメータを制御することにより、溶接、切削、穿孔、彫刻、マーキングのプロセスを実行することが可能になる。
【0007】
穿孔および切削プロセスを含む幾つかのプロセスでは、レーザビームが材料と相互作用する加工領域内にアシストガスの流れを発生させることが必要である。これは、溶融物を駆動する機械的機能、または燃焼を補助する化学的機能、または加工領域を囲む環境からの遮蔽の技術的機能を有する。
【0008】
積層プロセスにおいて、材料は、例えば、アシストガスの流れを考慮して、フィラメントの形態、またはノズルから放出されるパウダーの形態でもよく、あるいは、代替としてパウダー床の形態で存在してもよい。従って、材料は、レーザ放射によって溶融され、前記材料の再凝固の後に３次元モールドが得られる。
【0009】
材料をレーザ加工する分野では、レーザ切削、穿孔および溶接は、同じ機械で実行できるプロセスであり、これは、予め設定された横方向パワー分布を有する集光した高出力レーザビーム、典型的には１～１００００ｋＷ／ｍｍ２のパワー密度を有するレーザビームを材料の少なくとも１つの加工面上に発生でき、そして、材料に沿ってビームの入射の方向および位置を制御できる。材料上で実施できる種々のタイプの加工の差は、使用するレーザビームのパワーと、レーザビームと加工対象の材料との間の相互作用時間に実質的に起因する。
【0010】
【0011】
図１は、レーザビームの光学経路を空気中に有するＣＯ２レーザを使用する工業プロセスのための機械を概略的に示しており、この機械は、単一モードまたはマルチモードのレーザビームＢを放出するように構成された光源、例えば、ＣＯ２レーザ発生器と、光源によって放出されたレーザビームを、全体として符号１４で示す加工ヘッドに向けて伝送するための光学経路に沿って導くように構成された複数の反射ミラー１２ａ，１２ｂ，１２ｃとを備え、加工ヘッドは、材料ＷＰの近くに配置される。加工ヘッド１４は、レーザビームを集光するための光学系１６を備え、一般に、集光レンズで構成され、これは、金属材料に入射する伝搬光軸に沿ってレーザビームを集光するように構成される。ノズル１８が、集光レンズの下流側に配置され、このノズルを経由して、材料の加工面のある領域に向けられたレーザビームが通過する。ノズルは、対応するプラント（不図示）によって注入されたアシストガスのビームを、材料上の加工領域に向けるように構成される。アシストガスは、加工プロセス（穿孔または切削）の実行、そして取得可能なプロセス品質を制御するために使用される。例えば、アシストガスは、金属との発熱反応、例えば、鉄の酸化などを促進する酸素を含んでもよく、これは、発熱反応によって種々のタイプの酸化鉄を発生し、それによりエネルギーを材料の中に放出し、レーザビームから放出されたエネルギーと共にプロセスの動的平衡を維持するのに寄与し、それにより切削速度を増加させることが可能になり、あるいは材料の溶融に寄与しない不活性ガス、例えば、窒素などを発生し、しかし、溶融材料自体の推進機能を実行するが、（金属）材料を加工プロファイルのエッジにおいて不要な酸化から保護し、溶融物の可能性のあるスプラッシュから加工ヘッドを保護し、そして、材料に生じた溝の側面を冷却するために使用してもよく、これにより熱影響ゾーンの延長部を包囲できる。
【0012】
図２は、光ファイバ中に発射されたレーザビームを含む工業加工機械を概略的に示す。この機械は、レーザビームを伝送ファイバ、例えば、イッテルビウム添加ファイバレーザに発射できる光源、例えば、レーザ発生器１０、または直接のダイオードレーザを備え、これは、単一モードまたはマルチモードのレーザビームを放出するように構成され、さらに、光源によって放出されたレーザ光を、材料ＷＰの近くに配置された加工ヘッド１４に向けて導くように構成された光ファイバガイド１２ｄを備える。加工ヘッドでは、発散が制御されたファイバから出現するレーザビームは、屈折コリメーション光学系２０によってコリメートされ、反射光学系２２によって反射され、そして一般に集光レンズからなる光学集光系１６を用いて集光され、材料ＷＰに入射する光伝搬軸に沿って、放出ノズル１８を通過する。
【0013】
第１近似として、理想のレーザビーム、即ち、平行光線に理想的にコリメートされたレーザビームが、光学集光系の下流側で、そのウエストにおいて有限の寸法を有する集光スポットに集中する。一般に、工業的加工では、ビームが入射する材料の壁およびビームが出射する材料の壁を基準として、平面の横方向位置が１／１０ミリメートルまでの精度で定義されたビームのウエストに対応する場合、最適な加工条件に到達する。
【0014】
普通にコリメートされたレーザビームのパワー密度の分布は、典型的には、単一モードのビームの場合、回転対称性を備えたガウシアン形状であり、パワーがビームの長手方向軸（ｚ軸）の周りに集中し、周辺カバーに沿って徐々に減少し、あるいは、マルチモードのビームの場合、回転対称性を有するガウシアンプロファイルの包絡線として記述できる。
【0015】
単一モードまたはマルチモードのレーザ放射のビームの使用は、これは、ガウシアンとして第１近似で記述でき、レーザの高出力用途の分野において、技術的制御の必要性に応答する。実際、ガウシアンビームは、小さなパラメータによって容易に記述され、光源による加工機械のヘッドにおける光学伝送経路に沿ったその伝搬に関して容易に制御できる。それは、パワー分布を変更することなく、伝搬特性から利益が得られるため、遠視野での伝搬条件における光線値および発散値を用いて記述できる（幾何光学近似を使用できる場合）。集光ビームの近視野での伝搬条件では、幾何光学近似が問題とならない加工軌跡に沿って、ビームは、その断面毎にガウシアン形状のパワー分布を維持する。
【0016】
より高次の横モードを含むレーザビームが、非ガウシアンのパワー分布を有する。これらの条件は、典型的には、屈折光学系（透過光学系、即ち、レンズ）または反射光学系（反射光学系、即ち、ミラー）を使用することによって得られ、これはガウシアン分布からビームの形状を変更する。
【0017】
レーザビームの伝搬方向の制御または、ガウシアン形状とは異なり、材料の加工領域内の回転対称性とは異なる対称性を有することがある横方向パワーの分布形状の制御は、例えば、アシストガスの制御された分布に関連して、または、加工ヘッドと材料との間の分離距離、進行すべき加工軌跡、および実行すべきプロセスのタイプの結果として、加工プロセスにとって好都合である。例えば、レーザビームのパワー分布の制御は、可能性としてビームの回転対称性を破壊することによって、加工ヘッドと材料との間の分離距離および加工軌跡に関連して、必要なパワー分布を特定または拡大することを可能にする。
【0018】
レーザビームの伝搬方向の制御またはレーザビームの横方向パワーの分布形状の制御は、可能な限り正確かつ反復可能である必要があることは明らかであり、そのため示した利点が達成できる。この理由のため、材料を基準として、加工ヘッドの移動およびその近位端の位置、即ち、レーザビーム出力の位置、材料を基準としてこれを必要とする加工中のアシストガスの流出のためのノズルの位置は、特にレーザビームが材料に入射するポイントを基準として、現在の加工条件および加工軌跡に沿った現在位置に基づいて、高い精度およびリアルタイムで制御されることが必要である。これに対して材料の厚さ内の望ましくない加工面にレーザパワーを集光するリスク、そして、材料の表面において過剰または不充分であるアシストガスの圧力を使用するリスクがある。
【0019】
これらの理由のため、レーザ加工の分野では、加工ヘッド、即ち、加工ヘッドの近位端と、材料および前記材料の表面との間の分離距離を正確に決定できることが望ましい。
【0020】
金属材料を加工する場合、加工ヘッドの金属端、例えば、ノズルの開口と、材料の表面との間の電気容量の変化を検出するために設けられた静電容量センサを使用することが知られている。
【0021】
こうした手法は、一例として、図３に示している。この図は、加工対象の材料ＷＰから分離距離ｄに配置された先行技術の一実施形態に係る加工ヘッド１４と、プロセスを制御するための関連する電子ユニットＥＣＵとを示す。光源によって発生され、多重反射を有する空気中または光ファイバ内の光学経路を用いて加工ヘッド１４に伝送されたレーザビームは、加工対象の材料でのある入射方向に光伝搬軸に沿って光学集光系に向けてコリメートされ、好ましくは、溶融物の可能性のあるスプラッシュから集光システムを保護するように構成された保護ガラス（不図示）の下流側にあるビーム出力３２から出現する。
【0022】
下記の説明における表現「ビーム出力」は、加工レーザビームが外気中に出現する、即ち、ヘッドの体積の外部で加工対象の材料に向けて伝搬する加工ヘッドの一部を示し、光学集光系の端部またはその保護構造、または加工へのガス供給を必要とする用途のためのアシストガスの流れを供給するためのノズルのテーパ状端部でもよい。この部分は、機械全体を基準として加工ヘッドの遠位部分、または加工対象の材料に対して近位側の端部として考えてもよく、これらの用語は、説明において等しく使用されるであろう。
【0023】
移動アクチュエータ手段４０は、加工ヘッド１４に接続され、サーボモータ４２を用いて加工を制御するためのユニットＥＣＵによって制御され、加工の機械的パラメータを制御し、例えば、機械の特定の実施形態によってそこに与えられる自由度に沿って加工ヘッドの移動を制御し、加工対象の材料上のプログラム加工軌跡Ｔに追従し、特に、そのプロファイルまたは加工プロファイルに基づいて、材料に向けて材料から離れるＺ軸に沿った移動のために、光学集光系を機械的に調整するための手段（図示せず）も設けられ、システムの位置をビーム伝搬方向に横方向（Ｘ－Ｙ軸）およびビーム伝搬方向（Ｚ軸）に較正する。
【0024】
加工ヘッド１４に取り付けられた静電容量センサは、符号４４で示しており、材料に近接する加工ヘッドの端部３２（ここでは、レーザビーム出力と一致するノズルの開口）と、基準電位に配置された材料ＷＰの表面との間の電気容量の変化を検出するように構成される。センサ４４によって検出された電気容量信号は、取得された電気容量の値に基づいて、加工ヘッドと材料との間の分離距離を決定するようにプログラムされ、機械および加工のパラメータの知識を有する関連コンピュータモジュール４６によって処理され、そこから加工を制御するためのユニットＥＣＵへ転送され、フィードバックを用いて加工ヘッドの移動を制御する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0025】
この手法は、不都合には、金属でない材料を加工する場合には適用できない。
【0026】
これはまた、静電容量効果は、レーザビーム出力と材料上の対応する入射ポイントとの間で局所的に生じるだけでなく、加工ヘッドの大きな表面およびレーザビーム出力および入射ポイントに近い材料の結果として、精度を欠いている。エッジに近い材料の表面における有意な曲線（正または負）の場合、または加工ヘッドが局所表面に対して直交していない方向に材料に接近する場合、測定値を補償するための計算アルゴリズムを実行することが必要であり、このアルゴリズムは、コンピュータ用語においてむしろ煩雑であり、いずれの場合も、実際に遭遇し得る構成の複雑さを完全に補償することができない。
【0027】
本発明は、材料をレーザ加工する機械の加工ヘッドと、前記材料の表面との間の分離距離を決定するための方法を提供することを目的とし、この方法は、正確で堅牢であり、即ち、機械が動作する材料の形状または加工条件、例えば、材料を基準とした加工ヘッドの相対速度および並進方向にリンクされた効果によって影響を受けない。
【0028】
本発明の追加の目的が、測定可能な広い範囲の距離で、測定精度を損なうことなく、材料をレーザ加工する機械の加工ヘッドと、前記材料の表面との間の分離距離を決定する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0029】
本発明によれば、これらの目的は、材料をレーザ加工するための機械の加工ヘッドと、前記材料の表面との間の分離距離を決定するための方法を考慮して達成される。この方法は、請求項１に記載された特徴を有する。
【0030】
特定の実施形態は、従属請求項の主題を形成し、その内容は、本明細書の一体部分であると理解されるべきである。
【0031】
本発明はまた、材料をレーザ加工するための機械の加工ヘッドと、前記材料の表面との間の分離距離を決定するためのシステムに関する。そのシステムは、請求項２３に記載された特徴を有する。
【0032】
本発明はまた、材料をレーザ加工するための機械に関し、これは、前記加工ヘッドと材料の表面との間の分離距離を決定するためのシステムを備え、このシステムは、上述した方法を実行するように構成される。
【0033】
要約すると、本発明は、光干渉の原理の応用をベースとしている。
【0034】
用語「光干渉」は、測定光ビームと基準光ビームとの間の干渉の現象を利用する複数の手法を示すものであり、これらのビームは重畳され、干渉縞を発生する。コヒーレント光における光干渉の理論はよく知られており、距離間の相対的比較に使用されているが、これは、例えば、光信号の一時的中断の場合、前記距離について一義的な絶対測定情報を提供できるものでない。
【0035】
本発明は、低コヒーレンス干渉手法を使用することによって、光学ドメインで絶対距離測定を実行できるという考察によって着想される。低コヒーレンス干渉法は、プローブとターゲットとの間の距離を高精度に測定するための簡単な手法であり、光源から検出器アセンブリへ伝搬し、この経路中にプローブによって放射され、ターゲットによって後方反射する測定光ビームが進行した距離と、光源から検出器アセンブリへ、プローブとターゲットとの間の既知の公称距離条件で測定経路に調整された基準経路を通って伝搬する基準光ビームが進行した距離との間の比較をベースとしている。
【0036】
低コヒーレンス干渉法では、測定光ビームおよび基準光ビームは、低コヒーレンス光源、例えば、ＬＥＤまたはスーパールミネッセントダイオードによって発生し、上述のビーム間の干渉縞は、個々の光学経路または光学経路の長さが対応する場合にのみ現れる。光学経路は、進行する光学経路全体に沿った各部分での幾何学的長さおよび個々の屈折率との積の和として定義され、即ち、測定経路の長さがコヒーレンス長の範囲内の基準経路の長さに対応する場合である。基準経路の長さが既知であると仮定すると、干渉縞の包絡線の存在を、典型的にはマイクロメータ範囲（５μｍ～１００μｍ）であるコヒーレンス長のオーダーの分解能で検出することによって、測定経路の長さを導出することが可能である。
【0037】
この手法は、他の光源からまたは前記レーザ加工プロセスから到来する光は、干渉縞パターンを変更することなく、干渉信号にインコヒーレント（非干渉性）で加算されるため、光学的ノイズに関して特に堅牢である。測定は、測定光ビームが方向付けられるポイントにおいて局所的に適用され、周囲の形態から独立している。これはまた、レーザ加工と実質的に同軸である分布において距離の正確な絶対測定を可能にする。
【0038】
好都合には、空間ドメインでの干渉縞パターンの検出を用いた低コヒーレンス干渉手法は、時間ドメインまたは周波数ドメインにおける検出と比較して、本発明の目的のための動作柔軟性の観点で最も有望でより効率的である。
【0039】
実際、時間ドメインでの検出を用いた低コヒーレンス干渉法では、干渉縞パターンは、フォトダイオードまたはフォトダイオードのアレイによって、または類似の獲得スクリーンによって検出され、基準経路の長さを適合させることによって、基準経路の長さと測定経路の長さが、コヒーレンス長のオーダーの許容範囲を除いて対応する条件に到達する。この場合、利用可能な測定範囲の制限は、基準経路の長さの適応に関連しており、これは、例えば、上述の経路に沿って配置された後方反射素子の並進を用いて実行される。基準経路の後方反射素子の並進空間範囲は、数ミクロンから数ミリメートルの間にすることが可能であり、並進範囲のサイズは、駆動速度または動作の複雑さの不利益になる。
【0040】
時間ドメインでの検出手法は、比較的簡単に実行し、測定経路および基準経路の絶対的光学長の間の対応を容易に達成できる。しかし、これは、工業プロセスの過程がリアルタイムで測定される用途の実装には不向きである。実際に、動的測定では、基準経路の長さは、それが現在の測定経路の長さに対応する条件を見つけるために連続的に変調する必要があり、この条件は、干渉縞パターンの出現を生じさせる。これは、屈折率変調器または高速動作機械アクチュエータ、例えば、圧電アクチュエータなどを含む種々のタイプの制御デバイスを用いて取得できる。しかしながら、これらのタイプのデバイスは、かなり高価で非常にデリケートである。その理由は、距離を測定するためのサンプリングレートよりもはるかに速い駆動速度（典型的にはｋＨｚよりも高い）で動作する必要があるためであり、特に大きな変位の範囲では容易に得られない条件である。
【0041】
異なる検出手法が、スペクトル密度関数と、測定ビームおよび基準ビームの相互相関との間のフーリエ変換関係をベースとしており、これにより、２つの干渉ビームの波長のスペクトルプロファイルから実空間における差分距離測定値を抽出することが可能である。こうして基準経路の長さを測定経路の長さに整合さるための機械的アクチュエータが必要でない。重畳された測定ビームおよび基準ビームの単一のスペクトル取得は、回折格子およびその下流側の集光レンズを用いて可能であり、干渉ビームのスペクトル分布をリニアセンサデバイス、例えば、ビデオカメラに投影できる。２つの干渉ビームのスペクトルは、周期的変調を示し、波長空間におけるこの変調の周期性（周波数）は、測定経路の光学長と基準経路の光学長との間の差で変化する。フーリエ変換、例えば、ＦＦＴアルゴリズムを計算するためのアルゴリズムが、実空間における光学経路間の差に関連して信号強度ピークの測定値を抽出するために適用される。
【0042】
この手法はまた、高品質の光学素子を必要とし、これは、信号を取得するための高精度かつ高速のセンサと整列させる必要がある。さらに、後方反射信号は、測定におけるアーチファクトを決定でき、特に高反射性表面の場合、自己相関信号の存在により、取得の感度が減少することがある。絶対距離を計算するために、特定の計算機を必要とするＦＦＴアルゴリズムの実行に基づいて信号を迅速に処理する必要がある。
【0043】
基準経路の長さの走査が時間的に分散される時間ドメインにおける低コヒーレンス干渉手法とは異なり、周波数ドメインにおいて、測定経路と基準経路の長さの間の比較情報が波長空間においてエンコードされ、空間ドメインでの検出を用いた低コヒーレンス干渉手法は、２つの従来技術を組み合わせて、実空間における測定の結果を直接に可視化することを可能にし、例えば、イメージセンサ、リニアセンサなどの経済的なデバイスを用いて迅速な取得を可能にする。
【0044】
空間ドメインでの検出を用いた低コヒーレンス干渉システムの典型的な設計では、測定ビームおよび基準ビームは、異なる方向からセンサ手段表面に入射して重畳される。センサ手段の表面は、この重畳から生じる干渉縞パターンを検出するように直接構成される。この構成では、基準光学経路を基準とした測定光学経路の空間的変化が、２つのビームの相互傾斜角の結果としてセンサ手段に直接表示される。従って、測定光学経路の長さと基準光学経路の長さとの間の差の測定値は、センサ手段上の干渉縞パターンの位置を検出することによって簡単に抽出できる。センサ手段のリニア寸法における干渉縞パターンの延長部(extension)は、ビームの光放射のコヒーレンス長のオーダーである。
【0045】
空間ドメインでの検出を用いた低コヒーレンス干渉手法では、センサ手段の共通入射領域に斜めに入射する各ビームの光学経路の長さは、センサ手段の照射軸に沿った位置とともに直線的に変化する。そのため、測定光学経路と基準光学経路との間の差も直線的に変化する。干渉縞パターンは、センサ手段によって取得される画像の特定のリニア範囲に現れ、これは、測定経路の光学長と基準経路の光学長が、光放射のコヒーレンス長内で等しくなる条件に対応しており、一方、センサ手段の他の領域では、ビームは、インコヒーレントに重畳される。センサ手段の直線延長部に沿って干渉縞パターンの包絡線の位置を検出することによって、測定経路の特定の長さを抽出することが可能である。
【0046】
この測定は、干渉縞パターンの包絡線が、センサ手段の照射領域内、即ち、センサ手段を形成する光検出器デバイスの検知領域内に形成される条件によってのみ制限される。測定範囲は、入射領域上のビームの傾き、または両者間の入射角によって決定され、同じビーム傾斜では、重畳ビームによって照射される光検出器または光検出領域（センサ手段の画素とも呼ばれ）の数と、センサ配列の光検出器の合計数との間の最小値から、または、センサ手段上で利用可能な領域（画素）の合計数を基準として干渉縞パターンを復調するために照射すべき領域（画素）の最小数から決定される。数千個の光検出器を有するセンサ配列を含む共通の条件下では、干渉縞のエイリアシング効果の出現前に、ミリメータの数十分の１の測定範囲が得られる。しかしながら、本発明者らは、干渉縞パターンのエイリアシング効果の存在は、測定を制限せず、実際には、以下に詳細に説明するように、測定可能な距離の範囲を増加させるために使用できることを実証した。実際に、このサブサンプリングのシステムは、より低い空間周波数で干渉縞パターンの有効な復調に反映され、復調は、干渉センサ配列の光検出器のレベルで、追加の素子を介在させる必要なしに、類似の方法で直接に得られる。
【0047】
好都合には、空間ドメインでの検出を用いた干渉手法の採用により、測定光学経路および基準光学経路の静的システムを用いて、センサ手段に入射する重畳された測定ビームおよび基準ビームの光放射の空間分布の個々の取得またはサンプリングのために、正確な距離測定を行うことが可能になる。この種のシステムを提供するために、標準的な光学素子が専ら必要であり、センサ手段によって放出される信号は、簡単な計算アルゴリズムに基づいて処理され、従って計算上は煩わしくない。この手法では、周波数ドメインでの検出手法の不具合、即ち、自己相関信号成分の存在、負の周波数におけるアーチファクトおよび測定可能な距離について高い値における感度の低下も克服される。
【0048】
本発明によれば、材料を、レーザ加工するための機械、特に、レーザ切削、穿孔または溶接または積層造形のための機械に上述した検討の適用は、加工ヘッド内に少なくとも部分的に一体化された測定光学経路と、測定光学経路に関連する基準光学経路とを含む干渉計システムの構成を用いて達成され、これは、加工ヘッド内またはその外部に一体化されてもよい。測定光学経路は、ビームの出力の領域で測定ヘッドから現れ、または、より一般的には加工対象の材料の表面に近接しているヘッドの端部に現れる。
【図面の簡単な説明】
【0049】
本発明の追加の特徴および利点は、添付図面を参照して、非限定的な例として与えられる、その実施形態の下記詳細な説明においてより詳細に提示されるであろう。
【0050】
【図1】先行技術に係るレーザ加工機械の例である。
【図2】先行技術に係るレーザ加工機械の例である。
【図3】先行技術に係る、加工対象の材料に近いレーザ機械の加工ヘッドおよび関連する制御手段の概略例を示す。
【図4a】空間検出を用いたリニア低コヒーレンス干渉システムの構成の概略図である。
【図4b】干渉縞パターンの、センサ配列の照射軸上の、相対入射ポイントを基準とした測定光学経路および基準光学経路の長さの変化の概略図である。
【図4c】干渉縞パターンの、センサ配列の照射軸上の、相対入射ポイントを基準とした測定光学経路の長さと基準光学経路の長さとの間の差の変化の概略図（上グラフ）、および測定基準経路の光学長と基準光学経路の光学長が等しい条件でのセンサ配列の照射軸上の干渉縞パターンの識別（下グラフ）である。
【図5】本発明の主題である、材料をレーザ加工する機械の加工ヘッドと材料の表面との間の分離距離を決定するためのシステムの概略図である。
【図6】加工ヘッドの簡略化した実施形態に係る、加工ヘッド内の加工レーザビームおよび低コヒーレンス測定光ビームの経路を概略的に示す。
【図7】材料の切削または穿孔領域において、加工ヘッドの出力における加工レーザビームおよび測定低コヒーレンス光ビームの相対位置の詳細図である。
【図8】前記干渉縞パターンの空間周波数と、干渉縞パターンのセンサ配列の照射軸に沿った光検出器のリニア配列している光検出器の空間周波数との比の関数として、シミュレーションした干渉縞パターンのコントラストまたは可視性(visibility)値の傾向を示すグラフである。
【図9a】測定光学経路と基準光学経路との間の光学長の差の意味で表される干渉計測定値の結果と、例えば、レーザ切削プロセスで使用されるアシストガスの圧力との依存関係を示すグラフである。 これは、加工ヘッドと材料の表面との間の予め定めた分離距離について、測定光学経路の一部に沿って形成される。
【図9b】測定ビームに沿ってアシストガスのチャンバを保護または境界設定する光学素子の表面の局所位置の変化の観点で表される干渉計測定値の結果と、アシストガスの圧力の傾向（増加、減少）との間の依存関係を示すグラフである。
【図10a】加工ヘッドと材料との間の分離距離の関数として、センサ配列の照射軸に沿った干渉縞パターンの識別を示すメイン信号、およびセンサ配列の照射軸に沿った個々の追加の干渉縞パターンの識別を示す対応する追加の多重化信号を示すダイアグラムである。これは、進行する追加の測定または基準光学経路から生じ、メイン測定または基準光学経路の幾何学的長さとは異なる幾何学的長さを有し、これは、加工レーザビームの光学経路に沿って介在する光学素子の表面に少なくとも１つの部分後方反射を含む。
【図10b】加工ヘッドと材料との間の分離距離の関数として、メイン干渉縞パターンを示す信号のピークの傾向を表す例示的な較正カーブである。
【図10c】切削プロセス中に行われる測定を表す一連のグラフを示す。
【発明を実施するための形態】
【0051】
【0052】
図４ａは、リニア空間検出を備えた低コヒーレンス干渉計システムの構成の概略図である。光放射の測定コリメートビーム（Ｍで示す）と、同じ光放射の基準コリメートビーム（Ｒで示す）が、センサ配列Ｓの共通入射領域Ｃ上で予め定めた入射角αで重畳されるように入射して、これらは干渉縞パターンＦを形成する。共通入射領域上でその延長部は、光放射のコヒーレンス長のオーダーである。光放射の測定コリメートビームの幅および光放射の基準コリメートビームの幅は、好ましくは、センサ配列全体を実質的に照射するようなサイズである。検出された信号の強度およびコントラストを増加させるために、ビームは、例えば、シリンドリカル集光レンズを用いて照射軸に対して垂直な方向にセンサ上に集光してもよい。
【0053】
センサ配列Ｓは、例えば、入射領域の少なくとも１つの照射軸（図中のｘ軸）に沿った光検出器の配列を含む。光検出器の配列は、光検出器のリニアまたは２次元の配列であり、好ましくはリニア配列である。入射領域の照射軸は、測定ビームＭおよび基準ビームＲの入射角によって定義される平面と、センサ配列のセンサ面との間の交点によって決定される。
【0054】
図４ｂにおいて、グラフは、測定光学経路および基準光学経路の長さＰの変化を概略的に示し、２つの入射ビームがセンサ配列上で対称である典型的な構成において、センサ配列Ｓの共通入射領域上の個々の測定ビームおよび基準ビームの初期の入射波面を参照している。ｘ軸は、光検出器配列の照射軸に沿った位置またはｘ座標を示す。参照符号ｐ１は、測定軸の原点である、共通入射領域Ｃの第１端ｘ１における測定ビームＭの波面の初期の入射ポイントを基準として、第１光学経路、例えば、測定光放射ビームＭの測定光学経路の追加の長さを示す。参照符号ｐ２は、第１端とは反対にある、共通入射領域の第２端ｘ２における基準ビームＲの波面の初期の入射ポイントを基準として、第２光学経路、例えば、基準光放射ビームＲの基準光学経路の追加の長さを示す。参照符号Δｐは、２つの経路の追加の長さの差ｐ１－ｐ２を示し、これはセンサ配列の中間座標においてゼロであり、共通入射領域の端ｘ１における値Δｐｘ１から共通入射領域の端ｘ２における値Δｐｘ２に変化する。
【0055】
図４ｃにおいて、上グラフは、図４ｂのグラフに対応するカーブΔｐを示し、下グラフは、測定経路および基準経路の光学長が等しい場合に生じるセンサ配列Ｓの照射軸（ｘ）上の干渉縞パターンＦの識別を示す。干渉縞パターンＦの包絡線はハッチングで示しており、測定光ビームおよび基準光ビームの経路の追加の長さの間の特定の差Δｐｐは、上側グラフを用いて包絡線ピークｘｐの座標に関連付けられる。
【0056】
ＰＭおよびＰＲは、測定経路および基準経路を示し、その全長は、ＰＭ＝Ｐ１＋ｐ１、ＰＲ＝Ｐ２＋ｐ２として表され、Ｐ１は、低コヒーレンス光放射源からセンサ配列に入射する第１波面までの測定光学経路の光学長であり、Ｐ２は、同じ低コヒーレンス光放射源からセンサ配列に入射する第１波面への基準光学経路の光学長であり、好ましくは一定である。Ｐ１は、Ｐｈｅａｄ＋Ｄｓｔａｎｄｏｆｆで構成されると考えることができ、Ｐｈｅａｄは、加工ヘッド内の上流および内部での光学経路の長さであり、低コヒーレンス光放射源と、加工対象の材料ＷＰに対して近位側にある加工ヘッドの端部（例えば、レーザビーム出力３２）との間にある第１部分と、加工ヘッドの上述した近位側端部（例えば、レーザビーム出力３２）と、センサ配列Ｓの間にある第２部分とを含み、これらの部分は特定の予め定めた不変の幾何学的長さを有し、Ｄｓｔａｎｄｏｆｆは、加工対象の材料ＷＰに対して近位側にある加工ヘッドの端部と、前記材料の表面との間にある外気中の分離距離である。Ｐ２は、基準光学経路の光学長であり、これは公称動作条件における測定光学経路の光学長と等価であり、下記でＰ１ｎｏｍとして示しており、加工ヘッドの近位端部（例えば、レーザビーム出力３２）と、材料ＷＰの表面との間の距離は、予め定めた公称分離距離Ｄｓｔａｎｄｏｆｆ＿ｎｏｍに対応する。
【0057】
測定光学経路と基準光学経路との間の光学長の差は、下記のように数学的に表される。
ＰＭ－ＰＲ
干渉縞は、これがゼロである条件、即ち、下記条件で現れる。
ＰＭ－ＰＲ＝０
ある関係が下記のように分解できる。
Ｐ１＋ｐ１－（Ｐ２＋ｐ２）＝０
下記のように書き換えられる。
Ｐｈｅａｄ＋Ｄｓｔａｎｄｏｆｆ＋ｐ１－Ｐ２－ｐ２＝０
ここから下記のものが推定される。
Ｐｈｅａｄ＋Ｄｓｔａｎｄｏｆｆ－Ｐ２＋Δｐ＝０
Ｐｈｅａｄ＋Ｄｓｔａｎｄｏｆｆ－Ｐ１ｎｏｍ＋Δｐ＝０
Ｐｈｅａｄ＋Ｄｓｔａｎｄｏｆｆ－Ｐｈｅａｄ－Ｄｓｔａｎｄｏｆｆ＿ｎｏｍ＋Δｐ＝０
Δｐ＝Ｄｓｔａｎｄｏｆｆ＿ｎｏｍ－Ｄｓｔａｎｄｏｆｆ
即ち、（ａ）加工ヘッドと加工領域内の材料の表面との間の現在の分離距離Ｄｓｔａｎｄｏｆｆと、（ｂ）公称分離距離Ｄｓｔａｎｄｏｆｆ＿ｎｏｍとの差は、測定光学経路の追加の長さと基準光学経路と間の差に等しい。
ＰＭ－ＰＲ
干渉縞は、これがゼロである条件、即ち、下記条件で現れる。
ＰＭ－ＰＲ＝０
ある関係が下記のように分解できる。
Ｐ１＋ｐ１－（Ｐ２＋ｐ２）＝０
下記のように書き換えられる。
Ｐｈｅａｄ＋Ｄｓｔａｎｄｏｆｆ＋ｐ１－Ｐ２－ｐ２＝０
ここから下記のものが推定される。
Ｐｈｅａｄ＋Ｄｓｔａｎｄｏｆｆ－Ｐ２＋Δｐ＝０
Ｐｈｅａｄ＋Ｄｓｔａｎｄｏｆｆ－Ｐ１ｎｏｍ＋Δｐ＝０
Ｐｈｅａｄ＋Ｄｓｔａｎｄｏｆｆ－Ｐｈｅａｄ－Ｄｓｔａｎｄｏｆｆ＿ｎｏｍ＋Δｐ＝０
Δｐ＝Ｄｓｔａｎｄｏｆｆ＿ｎｏｍ－Ｄｓｔａｎｄｏｆｆ
即ち、（ａ）加工ヘッドと加工領域内の材料の表面との間の現在の分離距離Ｄｓｔａｎｄｏｆｆと、（ｂ）公称分離距離Ｄｓｔａｎｄｏｆｆ＿ｎｏｍとの差は、測定光学経路の追加の長さと基準光学経路と間の差に等しい。
【0058】
従って、測定光学経路と基準光学経路との間の光学長の差によって決定される、加工ヘッド１４と材料ＷＰの表面との間の現在の分離距離（公称分離距離とは異なる）は、測定光学経路および基準光学経路の追加の長さの間の差に起因しており、従って、公称位置、例えば、センサ配列Ｓの中央面を基準として、センサ配列Ｓの照射軸ｘに沿った干渉縞パターンの移動に起因している。
【0059】
アシストガスの流れを含むレーザ切削または穿孔の用途において、加工される材料に近接する加工ヘッドの端部は、一般に、アシストガスノズルの端部であり、一方、ガスが供給されない溶接または積層造形の用途では、加工される材料に近接する加工ヘッドの端部は、一般に、加工レーザビーム出力であることに留意する。
【0060】
本発明の主題を形成する用途では、基準光学経路の長さは、加工ヘッドと加工領域内の材料の表面との間の予め設定された公称分離距離で測定光学経路の長さに対応するように設定される。そして、（ａ）加工ヘッドと、加工領域内の材料の表面との間の現在の分離距離と、（ｂ）予め定めた公称分離距離との差は、測定光学経路と基準光学経路との間の長さの差から生じ、これは、センサ配列Ｓの入射領域の照射軸に沿った干渉縞パターンの位置に基づいて識別できる。好都合には、照射軸に沿った干渉縞パターンの中間位置が、予め設定された公称分離距離に対応する。代替として、照射軸に沿った干渉縞パターンの端部位置が、ノズルと、加工対象の材料との間のゼロ公称分離距離に対応してもよく、これは、ヘッドの近位端を構成するノズルと材料との間の接触と等価である。これにより、両者間の分離距離を増加するだけになり、干渉縞パターンは、照射軸の反対側端部に向けて専ら移動する。
【0061】
図４ｃの下グラフを参照すると、照射軸に沿った干渉縞パターンの位置Ｘｐは、前記干渉縞パターンの光放射の強度の包絡線の固有の位置であり、干渉縞パターンの光放射の強度の包絡線のこの固有位置は、例えば、光放射の包絡線のピークまたは最大強度の位置であり、光検出器の中間位置は、縞包絡線の光強度で重み付けされる。
【0062】
縞包絡線の検出は、例えば、バンドパス空間フィルタまたはハイパスおよびローパスフィルタを順次適用することによって、光強度プロファィル復調手法を用いて実行でき、干渉縞の空間周波数に対応する信号成分だけを明らかにする。例えば、光強度データを処理する第１ステップでは、センサマトリクスによって検出される光強度は、干渉縞の展開方向に対して垂直な方向、例えば、垂直に整列された干渉縞パターンを受信するように配向されたセンサマトリクスの列について積分される（センサ配列が、シリンドリカルレンズを用いてビームが集光される光検出器のリニア配列である場合、この動作は必要とされない）。続いて、光検出器によって発生した信号は、例えば、干渉縞のない画像から抽出されたバックグランド信号を基準として正規化される。従って、ハイパス空間フィルタが、例えば、光検出器空間周波数の１／５に適用され、ベースラインを除去し、干渉縞パターンを維持する。こうしてゼロ付近で振動する信号が得られるため、信号の絶対値が抽出され、従って、ローパス空間フィルタが、例えば、光検出器空間周波数の１／２５に適用され、干渉縞パターンの包絡線を抽出する。最後に、干渉縞パターンの位置は、縞パターンの包絡線の位置を検出することによって、その最大値を求めたり、または、包絡線を予め定めたモデル関数（例えば、ガウス関数）と比較し、モデル関数のピークを抽出することによって得られる。
【0063】
図５は、材料ＷＰをレーザ加工するための機械の加工ヘッド１４と、前記材料の表面との間の分離距離を決定するためのシステムの例示的な図を示し、これは、現時点で好ましい実施形態に従って本発明の主題を形成する。
【0064】
図において、符号１００は、ＬＥＤまたはスーパールミネッセントダイオードなど、直線偏光を適切に有する低コヒーレンス光放射源を示し、例えば、可視または近赤外の波長範囲で動作する。光源１００によって放出された光放射は、適切な光アイソレータ１２０の下流側で光導波路、例えば、光ファイバ１４０の中に注入され、ビームスプリッタ１６０に搬送され、これは、測定光学経路ＰＭ上に経路設定された測定光放射ビームＭ、および基準光学経路ＰＲ上に経路設定された基準光放射ビームＲを発生するように構成される。
【0065】
測定光学経路ＰＭおよび基準光学経路ＰＲは、導波経路であり、経路全体に沿って同じビーム偏光を維持するように構成された光ガイド（例えば、光ファイバ）を含む。
【0066】
測定光学経路ＰＭは、上述のように、材料をレーザ加工するための機械の加工ヘッド１４に導かれ、そこから加工対象の材料ＷＰに向けて現れて、その上に入射する。測定ビームＭが出力される領域は、測定ヘッドの領域に対応しており、それは、上記材料からの前記測定ヘッドの距離が測定されることを意図しており、例えば、アシストガスの流れやレーザビーム出力を供給するノズルの開口である。
【0067】
代わりに、基準光学経路ＰＲは、好ましくは、光学濃度フィルタ２００、光分散補償素子２２０、λ／４プレート２４０および集光レンズ２６０を介在させることによって、反射戻り素子１８０に導かれる。光学反射素子１８０は、基準光学経路に沿って配置され、ビームスプリッタ１６０から光反射素子１８０までのこの経路の光学長が、ビームスプリッタ１６０から加工対象の材料ＷＰ（反射）表面までの測定光学経路の光学長に対応するようにしており、動作状態では、前記表面は、加工ヘッドから、即ち、材料に近接した加工ヘッドの端部（例えば、アシストガスまたはビーム出力のためのノズルの開口）から予め設定された公称分離距離Ｄｓｔａｎｄｏｆｆ＿ｎｏｍの位置にある。
【0068】
測定光学経路および基準光学経路ＰＭ，ＰＲは、光放射がこれらの経路に沿って両方の方向に進行し、加工対象の材料ＷＰの表面および反射光学素子１８０でそれぞれ反射した後、ビームスプリッタ１６０に戻るように形成される。基準光学経路ＰＲでは、基準ビームＲがλ／４プレート２４０を通過する二重通過により、ビームの直線偏光の約９０°回転をもたらし、これにより測定ビームＭの直線偏光に対して直交する直線偏光を想定する。従って、ビームスプリッタ１６０は、測定光ビームおよび基準光ビームの再結合を行って、これらを方向付けし、検出光学経路ＰＤ（測定光学経路の一部および基準光学経路の一部に共通）に沿ってセンサ配列Ｓに向けて重畳される。
【0069】
測定および基準光ビームの両方は、シリンドリカル集光レンズ２８０を経由して導かれ、これは、この軸に沿って信号を集中させることを目的として、コリメートビームを１つの方向、特に、センサ配列の照射軸に対して直交する方向に集光するように構成され、これにより光検出器の照射を最適化し、偏光ビームスプリッタ３００に到達し、これらの偏光に基づいて基準光ビームＲから測定光ビームＭの分離を行い、その第１のものを第１反射素子Ｍ１に向けて、その第２のものを第２反射素子Ｍ２に方向付け、後者のケースでは、元の偏光を回復させるλ／２プレート３２０を介在させることによって、この構成のため、第１および第２反射素子Ｍ１，Ｍ２は、測定光ビームおよび基準光ビームをセンサ配列Ｓにそれぞれ方向付けし、より正確にはセンサ配列の共通入射領域に向けて入射角αで方向付けする。反射素子Ｍ１，Ｍ２が、相対光ビームの伝搬軸に沿って並進移動可能であり、そして入射面（図中の破線位置）に対して垂直な軸の周りに回転移動可能であるようにシステムが形成される場合、入射角αは、予め設定された値の範囲内で制御されることが好都合である。
【0070】
上述したように、センサ配列Ｓは、複数の光検出器デバイスを備え、その各々がその上に入射する光強度を表す特定の信号を放出するように構成され、これらの信号は、全体として処理手段３５０に送信され、これは、重畳された測定光ビームおよび基準光ビームの全体入射光パワーを取得することによって、センサ配列の共通入射領域Ｃに形成される干渉縞パターンＦを識別するように構成される。
【0071】
好ましくは、測定光学経路および基準光学経路は、対応する光学素子を備え、特に、基準光学経路は、反射戻り素子を備え、その反射および光拡散特性は、測定光学経路に介在する材料の表面の反射および光拡散特性に可能な限り対応している。光減衰手段および／または光分散手段を必要に応じて設けてもよく、これらは、加工対象の材料によって反射した測定光放射の強度に関して、前記反射戻り素子によって反射した基準光放射の強度および色分散をバランスさせるように構成される。
【0072】
図５のシステムまたは同等のシステムを用いて、材料をレーザ加工する機械の加工ヘッド１４と、ヘッドから放出される加工レーザビームによって追従される予め定めた加工軌跡Ｔに沿って定義される加工領域内の材料ＷＰの表面との間の分離距離を決定するための方法が実行される。
【0073】
この方法は、低コヒーレンス光放射の測定ビームＭを発生することを含み、これは、加工ヘッド１４を経由して加工領域に向けて導かれ、加工領域内の材料ＷＰの表面によって反射または拡散され、加工ヘッド１４を経由してセンサ配列Ｓに向けて第１入射方向に導かれる。
【0074】
金属材料を加工する場合、測定光ビームが材料の第１表面で反射または拡散されると仮定することが可能である。特定の場合、例えば、溶接または積層造形プロセスでは、溶接される固体（または基板）の表面の代わりに、溶融金属の第１表面を表す溶融池の表面からの距離を測定する必要がある。材料の内部サブ表面層は、非金属および半透明材料（セラミック、プラスチック、生物組織など）または塗装金属中で信号を発生する。
【0075】
測定光放射ビームＭは、特に、光源１００からセンサ配列Ｓまでの測定光学経路に沿って進行し、これは、特定の予め定めた不変の幾何長さを有する２つの部分を含み、第１部分は、光源１００と、材料ＷＰに近接している加工ヘッド１４の端部との間であり、第２部分は、材料ＷＰに近接している加工ヘッド１４の端部と、センサ配列Ｓとの間である。
【0076】
前記低コヒーレンス光放射の基準ビームＲは、同じ光源１００によって発生し、このビームは、測定ビームＭの第１入射方向を基準として予め定めた入射角で、第２入射方向にセンサ配列Ｓに向かって導かれる。基準ビームＲは、公称動作状態において測定光学経路ＰＭの光学長と等価である光学長を有する基準光学経路ＰＲに沿って進行し、加工ヘッド１４と材料ＷＰとの間の距離は、予め定めた公称分離距離Ｄｓｔａｎｄｏｆｆ＿ｎｏｍに対応する。
【0077】
測定ビームＭおよび基準ビームＲは、予め設定された照射軸に沿ってセンサ配列Ｓの共通入射領域Ｃ上で重畳される。共通入射領域Ｃ上での測定ビームＭと基準ビームＲとの間の干渉縞パターンＦの位置は、上述したように、処理手段３５０によって検出され、測定光学経路ＰＭと基準光学経路ＰＲとの間の光学長の差を決定することを可能にし、それは、（ａ）加工ヘッド１４と、加工領域における材料ＷＰの表面との間の現在の分離距離と、（ｂ）予め設定された公称分離距離と、の間の差を示す。
【0078】
この方法は、加工ヘッドと、材料上の現在の加工領域との間の分離距離を決定するために、加工中にリアルタイムで実行してもよく、例えば、加工対象のピース、または実行されたプロセスを特定するために、加工の前または後に実行してもよい。
【0079】
図６および図７を参照して、加工ヘッド内の加工レーザビームＢおよび測定光ビームＭの経路の例示的な実施形態および、材料ＷＰの切削または穿孔部における加工レーザビームＢおよび測定光ビームＭの相対位置を概略的に示す。
【0080】
図６は、レーザビームを偏向する反射素子、例えば、符号ＤＭで示すダイクロイックミラーを示し、これは、加工レーザビームＢの伝搬の光軸を、ヘッド進入方向から、加工対象の材料ＷＰ上での入射方向に偏向する。これは、横方向レーザビーム入力を含む加工ヘッドの一実施形態で採用される構成である。この実施形態では、測定光放射ビームＭは、材料の測定領域に向けて方向付けられ、実質的な偏向なしでダイクロイックミラーＤＭを通過し、反射光学走査システムＳＭまたは折り返しミラーを用いて、その傾斜は、測定ポイントが表面を捕まえる位置を制御するために、加工軌跡に沿った加工ヘッドの前進速度の絶対値および方向に基づいて、例えば、圧電的に制御される。反射光学走査システムＳＭの下流には、集光レンズＦＬが配置され、測定ポイントが材料の表面を捕まえる位置Ｈを制御できる。図に見られるように、測定ビームの伝搬方向は、反射光学走査システムＳＭの傾斜によって制御でき、加工レーザビームＢに同軸的に重畳されないように、それとは異なるように制御される。当業者が、加工レーザビームに対して透明であり、横方向入力から来る測定ビームを反射するダイクロイックミラーが設けられる、「二重」または「反対」構成も可能であることを理解するであろう。
【0081】
好都合には、レーザを用いた材料のレーザ切削、穿孔または溶接、または３次元構造の積層造形のための機械において、機械は、材料の近くに配置されたアシストガスの流れを供給するためのノズルを含む加工ヘッドを備え、測定光放射ビームは、ノズルを経由して導かれ、現在の加工領域と同軸、または現在の加工領域の近傍、好ましくは加工軌跡に従ってその前方にある材料の測定領域に向けて方向付けられる。
【0082】
好都合には、レーザ溶接のため、またはレーザを用いた３次元構造の積層造形のための機械において、機械は、レーザビームを集光するために、光学系の下流側に、高出力加工レーザビームのための出力を含む加工ヘッドを備え、このシステムは、レーザビームの近くに配置される。測定光放射ビームは、上述のビーム出力を経由して導かれ、現在の加工領域と同軸、または前記現在の加工領域の近傍、好ましくは加工軌跡に従ってその後方にある材料の測定領域に向けて方向付けられる。
【0083】
加工レーザビームＢと同軸である測定ビームＭの入射は、例えば、穿孔深さ、溶接高さおよび／または、積層造形中の構造化材料の高さおよび深さを評価するために適切に使用される。加工領域を基準としてセットバック（後退）位置での測定ビームＭの入射は、溶接品質または積層堆積を確認するために使用される。加工領域を基準として前方位置での測定ビームＭの入射は、切削および溶接中の材料からのヘッドの分離距離の早期測定のために、あるいは、例えば、加工軌跡に沿って溶接継手を追跡するために、空間走査後の材料の表面の形態を識別するために使用される。後者の構成は、一例として図７に示しており、Ｎは、アシストガスを供給するノズルを示し、Ｂは、材料ＷＰの現在の加工領域に入射する加工レーザ光を示し、切削動作が矢印で示す軌跡に従って進行中であり、これは溝Ｇを形成しており、Ｍは、測定ビームを示す。切削動作では、加工ビームＢと同軸である測定ビームＭの配置は、測定を極めて不確実し、それは、切削エッジで取られるためであり、材料中の溝の壁は、制御できないプロファイル（輪郭）を有し、これは多数の加工パラメータに依存する。
【0084】
下記の本明細書では、本発明の改善について説明する。
【0085】
好都合には、測定ビームおよび基準ビームがセンサ配列Ｓの共通入射領域に入射する構成において、入射角αは、測定可能な距離範囲を増加させるために、干渉縞パターンの空間周波数が光検出器の空間周波数よりも大きくなる程度まで制御され延長する。
【0086】
測定ビームおよび基準ビームが平面波として伝搬すると仮定すると、入射角の面内であるセンサ配列Ｓの照射軸に沿ったｘ座標の関数として、合計光強度は、下記のように近似できることが知られている。
【0087】
【数1】
【0088】
ここで、Ｉ１およびＩ２は、個々のビームの強度であり、ｋｆは、干渉縞パターンの波数または空間周波数である。センサ配列の法線を基準とした測定ビームおよび基準ビームの入射角をα１，α２として示すと、干渉縞の間の間隔は、下記のように与えられる。
【0089】
【数2】
【0090】
従って、より大きい傾斜角は、干渉縞パターンのより大きい周波数をもたらし、従って、センサ配列上のより大きい干渉縞密度をもたらす。
【0091】
先行技術によれば、ナイキストサンプリング基準に配慮して、エイリアシングまたはサブサンプリングの現象を回避するために、光検出器の空間周波数は、センサ配列上のサンプリング画素空間周波数（ｋｐで示す）に対応して、干渉縞パターンの周波数ｋｆよりも少なくとも２倍大きいことが必要であり、即ち、ｋｆ／ｋｐ比は、０．５より小さくする必要である。
【0092】
光学経路の差に関する情報は、センサ配列に入射する光放射の強度プロファイルにおいて干渉縞パターンの包絡線の位置から直接抽出できる。ＮＰは、重畳された測定ビームおよび基準ビームの両方によって照射されるセンサ配列の光検出器デバイスの数を示し、測定可能な最大経路差は、それ故、下記のものである。
【0093】
【数3】
【0094】
測定範囲は、重畳されたビームの照射された光検出器の数に正比例し、それはセンサ配列の分解能およびビームの寸法の結果である。従って、測定可能な経路間の差の範囲の増加は、光検出器デバイスの数を増加させることによって得られ、これはセンサ配列を形成する場合に、より大きなコストを導入することがあり、それに起因する信号を処理する場合に、より大きな費用を導入することがある。上記の測定可能な差の範囲はまた、干渉縞パターンの周波数と光検出器の空間周波数との間のｋｆ／ｋｐ比に正比例する。ｋｆ／ｋｐ比は、測定ビームと基準ビームとの間の入射角および、光検出器の空間的寸法に依存する。従って、ビームの傾斜と照明された光検出器の数との間のバランスを達成することが必要である。
【0095】
本発明者らは、使用される低コヒーレンス光放射の波長およびコヒーレンス長に依存して、数十個の干渉縞が、典型的には、センサ配列の共通入射領域に形成される干渉縞パターン中に見えることに気付いた。ナイキスト基準に配慮しながら、広い測定範囲に渡って大きい数の干渉縞を獲得することは、多数の光検出器を必要とし、これは情報の過剰な獲得をもたらす。理由は、干渉縞パターンの包絡線の位置だけが、測定経路と基準経路との間の差を決定するために関連しているためである。その結果、本発明者らは、干渉縞パターンをますますより小さな空間周波数で復調する可能性を調査した。これは、測定ビームと基準ビームとの間のますますより大きな入射角で取得可能であり、そのため、干渉縞パターンの周波数は光検出器の空間周波数よりも大きくなる（エイリアシング現象の発生をもたらす条件）。
【0096】
一定の数の光検出器を想定すると、この手法により、単に干渉縞の減少したコントラストの代償として、情報を失うことなく測定範囲を増加させることが可能になる。理由は、複数の縞が単一の光検出器によって検出されるためである。
【0097】
干渉縞のコントラストνは、下記の関係に従ってエイリアシング係数ｋｆ／ｋｐに依存することが先行技術から証明できる。
【0098】
【数4】
【0099】
図８に示すように、光検出器の空間周波数ｋｐの整数倍においてゼロである。
【0100】
好都合には、局所的に最大コントラストを有するには、干渉縞パターンの空間周波数は、光検出器の空間周波数より大きく、光検出器の空間周波数の倍数とは異なる必要があり、光検出器の前記空間周波数の半整数倍に近いことが好ましい。
【0101】
実際、図８のグラフから明らかなように、干渉縞間のコントラストνの傾向を連続ラインとして示しており、この傾向は、ｋｆ／ｋｐ比の関数として計算され、極大は光検出器の空間周波数の半整数倍に近く、最大コントラスト（非連続ラインによって図に定性的に示される）の急激な低下を伴う。
【0102】
好都合には、測定ビームと基準ビームとの間の入射角を選択して、約１．５（または約２．５、約３．５等）に等しいｋｆ／ｋｐ比を得ることが可能である。
【0103】
以上説明した本発明は、下記に記載したように改善してもよい。
【0104】
一般に、測定光放射ビームの伝搬特性は、前記ビームが伝搬する伝送手段の物理パラメータ（温度、圧力、機械的変形）によって影響される。その理由は、伝送手段の屈折率がこれらのパラメータに依存して変化し得るためである。
【0105】
レーザを用いた材料のレーザ切削、穿孔または溶接、または３次元構造の積層造形のための機械において、アシストガスの流れを供給するノズルを備える加工ヘッドを備え、ノズルと加工対象の材料との間の距離を決定することを望む機械では、測定光放射ビームは、ノズルを経由して伝搬するように構成される。従って、測定ビームの伝搬特性は、アシストガスの圧力に影響される。
【0106】
図９ａは、加工ヘッド（のノズル）と、１ｍｍの材料の表面との間の予め定めた分離距離について、干渉計測定値（測定光学経路ＰＭと基準光学経路ＰＲとの間の光学長の差の意味で表現される）の結果と、測定光学経路の一部（典型的には、アシストガスを供給するノズルのチャンバ内）に沿って形成されるアシストガスの圧力との間の依存関係を示す。２つの測定で行われた実験値から、そして部分的に不連続である補間カーブから判るように、依存性は、実質的にリニア（線形）である。
【0107】
従って、本発明の方法の精度を改善するために、測定光学経路と基準光学経路との間の光学長の差の決定は、好ましくは、測定光学経路の正規化光学長に基づくことができ、この長さは、幾何学的長さおよび、アシストガスのチャンバまたはノズルを通過する前記測定光学経路の一部の正規化屈折率から計算される。正規化屈折率は、アシストガスの屈折率と前記ガスの圧力との間の予め定めた公称依存関係に従って、前記チャンバ内のアシストガスの圧力の関数として計算される。
【0108】
これらの理由のために、ノズルのアシストガスチャンバ内のアシストガスの圧力は、前記チャンバに面する圧力センサによって直接検出してもよく、または、これは、特定の予め定めた公称位置に対する前記光学素子の表面の位置と、アシストガスの圧力との間の予め定めた公称関係に従って、測定ビームの軸に沿ってアシストガスのチャンバを保護または境界設定するための光学素子の表面の局所的な位置の変化の測定から間接的に導出してもよい。
【0109】
光学素子の前記表面の局所的位置の変化の測定は、例えば、（ａ）（ｉ）測定ビームの光源と、前記測定ビームが部分後方反射とともに入射する第１表面での光学素子との間の第１部分および（ｉｉ）加工対象の材料の表面と、前記測定ビームが部分後方反射とともに入射する第２表面での光学素子との間の第２部分の少なくとも１つを含む、前記光学素子を参照する補助測定光学経路と、（ｂ）ノズルのアシストガスチャンバ内のアシストガスのための予め定めた基準圧力値で、加工レーザビームの軸に沿った予め定めた公称位置にある場合、前記光学素子の前記第１表面または第２表面における測定ビームの部分後方反射を含む公称動作状態における前記光学素子の補助測定光学経路の光学長に等しい光学長を有する特定の補助基準光学経路との間の長さの差の関数として決定される。
【0110】
図９ｂは、測定ビームの軸に沿ってアシストガスのチャンバを保護または境界設定するための光学素子の表面の局所位置の変化の意味で表現される干渉計測定値の結果と、上記チャンバ内のアシストガスの圧力の傾向（増加、減少）との間の依存関係を示す。カーブＡは、チャンバ内の圧力が増加するにつれて、アシストガスのチャンバを保護または境界設定するための光学素子の表面の局所的な位置の変化を表す。カーブＢは、チャンバ内の圧力が減少するにつれて、アシストガスのチャンバを保護または境界設定するための光学素子の表面の局所的な位置の変化を表す。
【0111】
より一般的に言えば、測定光学経路と基準光学経路との間の光学長の差の決定は、測定光学経路の正規化光学長に基づくものにでき、これは、幾何学的長さから、そして前記測定光学経路の前記伝送手段または前記測定光学経路の一部の前記伝送手段の正規化屈折率から計算され、その屈折率は、予め定めた公称関係に従って、光学経路の前記部分の温度に基づいて計算される。
【0112】
代替または上記との組合せで、測定光学経路と基準光学経路との間の光学長の差の決定は、正規化幾何学的長さから、そして前記測定光学経路の一部の材料伝送手段の屈折率から計算される測定光学経路の正規化光学長に基づいてもよい。正規化幾何学的長さは、予め定めた公称関係に従って、前記材料伝送手段の機械的変形に基づいて計算される。
【0113】
さらに好都合には、本発明の主題を形成する手法は、基準光学経路の対応する部分の現在の光学長を基準として、測定光学経路の少なくとも一部の現在の光学長の外乱を決定し、前記外乱に基づいて、加工ヘッドと材料の表面との間の分離距離について決定された値を補正することを可能にし、例えば、加工距離の測定から外乱測定値を減算することによる（可能性として補正係数を適用した後に）。外乱は、例えば、測定光学経路が内部に延びる伝送手段の少なくとも１つの物理パラメータの変化の結果として形成される。
【0114】
これらの理由のために、センサ配列Ｓに入射する測定ビームは、これに沿って進行される測定較正光学経路から生じる少なくとも１つの測定較正ビームを含む。測定ビームは、測定光学経路に沿って介在した静的光学素子の少なくとも１つの後方反射表面によって反射または拡散される。センサ配列Ｓに入射する基準ビームは、これに沿って進行される測定較正光学経路から得られる特定の基準較正ビームを含む。これは、測定較正光学経路の伝送手段の幾何学的長さおよび屈折率が、予め定めた許容範囲内で基準較正光学経路の伝送手段の幾何学的長さおよび屈折率に等しい公称較正動作状態において測定較正光学経路の光学長に等しい光学長を有する。静的光学素子は、例えば、レーザビームの光学集光システム１６でもよい。
【0115】
測定光学経路の少なくとも１つの部分の現在の光学長における外乱の決定は、下記ステップを含む。
・測定較正ビームおよび基準較正ビームを、照射軸に沿ったセンサ配列Ｓの共通入射領域上で重畳させるステップ。
・測定較正ビームと基準較正ビームとの間の干渉縞パターンの位置を、共通入射領域内の照射軸に沿って検出するステップ。
・入射領域の照射軸に沿った干渉縞パターンの位置に基づいて、測定較正光学経路と基準較正光学経路との間の光学長の差（（ａ）測定較正光学経路の幾何学的長さと、基準較正光学経路の幾何学的長さとの間、および／または、（ｂ）測定較正光学経路の屈折率と基準較正光学経路の屈折率、の間の差を示す）をそれぞれ決定するステップ。測定較正光学経路と基準較正光学経路との間の光学長の差は、測定光学長の少なくとも一部の現在の光学長における上記の外乱を示す。
・測定較正ビームおよび基準較正ビームを、照射軸に沿ったセンサ配列Ｓの共通入射領域上で重畳させるステップ。
・測定較正ビームと基準較正ビームとの間の干渉縞パターンの位置を、共通入射領域内の照射軸に沿って検出するステップ。
・入射領域の照射軸に沿った干渉縞パターンの位置に基づいて、測定較正光学経路と基準較正光学経路との間の光学長の差（（ａ）測定較正光学経路の幾何学的長さと、基準較正光学経路の幾何学的長さとの間、および／または、（ｂ）測定較正光学経路の屈折率と基準較正光学経路の屈折率、の間の差を示す）をそれぞれ決定するステップ。測定較正光学経路と基準較正光学経路との間の光学長の差は、測定光学長の少なくとも一部の現在の光学長における上記の外乱を示す。
【0116】
干渉縞パターンの位置が検出された場合、干渉縞パターンの予め定めた基準位置（測定および基準較正光学経路の光学長が等しい条件に対応する）が、純粋に非限定的な例として、光検出器の照射軸に沿った中間位置または終了位置でもよい。
【0117】
本発明の主題を形成する手法を用いて、測定経路および基準経路の長さの間の測定可能な差の範囲を増加させる他の解決策が、加工レーザビームの光学経路および測定光放射ビームの光学経路に沿って介在する少なくとも１つの光学素子の表面での部分後方反射を利用することであり、または、主基準光学経路の長さとは異なる予め定めた長さを有する基準光学経路を利用することである。
【0118】
一実施形態では、センサ配列Ｓに入射する測定ビームは、これに沿って進行されるメイン測定光学経路（加工領域内の材料の表面からの反射と、高出力加工レーザビームの光学経路に沿って介在された各光学素子を経由する伝送とを備える）から生じる主測定ビームと、これに沿って進行される追加の測定光学経路（加工対象の材料の表面からの反射を備え、メイン測定光学経路の幾何学的長さよりも大きな幾何学的長さを有する）から生じる少なくとも１つの追加の多重化測定ビームとを含み、例えば、高出力加工用レーザ光の光学経路に沿って配置された光学素子の表面および測定用光放射線に沿って配置された光学素子の表面に少なくとも１つの部分後方反射を含むためである。
【0119】
本実施形態では、本発明の方法は、追加の測定ビームと基準ビームとの間の干渉によって決定される、センサ配列Ｓの共通入射領域Ｃ上の追加の干渉縞パターンの位置の検出をベースとしている。追加の干渉縞パターンは、例えば、（ｉ）メイン測定ビームと基準ビームとの間のメイン干渉縞パターンの光放射の包絡線のピークまたは最大強度とは異なる、例えば、これより低い光放射の包絡線のピークまたは最大強度、または（ｉｉ）メイン干渉縞パターンと同時に出現する場合、メイン干渉縞パターンの光放射の強度包絡線の固有位置とは異なる光放射の強度包絡線の固有位置、を含む。
【0120】
図１０ａは、センサ配列Ｓの照射軸（垂直軸）に沿って光検出器によって放出された信号を示すグラフであり、この信号は、共通入射領域上に形成される干渉縞パターンの包絡線の強度を示す。特に、図は、干渉信号を示し、従って、加工ヘッドとそれに面する材料との間の分離距離（水平軸）の関数として、照射軸（垂直軸）に沿った干渉縞パターンの空間位置を示す。例えば、こうしたグラフは、基準光学経路の一定の長さを提供し、加工ヘッドと材料の表面との間の相対位置（即ち、材料の表面から加工ヘッドの分離距離である）を、ｚ軸に沿って連続的に変化させることによって、そして分離距離についての予め定めた離散値の関数として干渉信号測定値を取得することによって、較正ステップにおいて発生してもよい。
【0121】
図は、エイリアシング状態における強い干渉信号の取得と、干渉縞パターンを示す信号のピークのほぼリニア傾向（図１０ｂに示す）に従って、約２ｍｍ（約１５００画素に対応）の範囲に渡って干渉縞パターンの包絡線の並進を示す。感度は、光検出器または入射領域の画素の寸法に対応する分離距離として定義できる（この場合、１．５μｍ／画素）。センサ配列の照射軸全体に渡って干渉縞パターンの包絡線の並進は、加工ヘッドと材料の表面との間の分離距離（約０．２５ｍｍから約２ｍｍ）を決定することを可能にする。
【0122】
丸付き領域において、対応する追加の多重化信号はマーク付与され、センサ配列の照射軸に沿った個々の追加の干渉縞パターンの識別を示すものであり、これは、これに沿って進行される追加の測定または基準光学経路から生じ、メイン測定または基準光学経路の幾何学的長さよりも大きい幾何学的長さを有し、これは、加工レーザビームの光学経路に沿って介在する光学素子の表面における少なくとも１つの部分後方反射を含む。
【0123】
複数の別個の動作範囲が、センサ配列上で対向または重畳されておらず、個々の干渉縞を代替的に示すために、充分な程度に分離している場合、干渉縞パターンの選択は自動的であり、メイン測定ビームおよび追加の測定ビームの一方だけが基準ビームと干渉する、加工ヘッドと材料との間の分離距離に到達した結果として、センサ配列Ｓの表面上に落下する干渉縞パターンを生成する。
【0124】
前回の条件では、追加の測定光学経路と基準光学経路との間の光学長の差が、入射領域の照射軸に沿った追加の干渉縞パターンの位置の関数として決定され、これは、（ｉ）加工ヘッドと加工領域内の材料の表面との間の現在の分離距離と、（ｉｉ）予め定めた公称分離距離と、の間の差を示す。
【0125】
異なる実施形態では、センサ配列Ｓに入射する基準ビームは、これに沿って進行されるメイン基準光学経路から生じるメイン基準ビームと、これに沿って進行される追加の基準光学経路から生じる少なくとも１つの追加の多重化基準ビームとを備え、これは、メイン基準光学経路の幾何学的長さとは異なる幾何学的長さを有する。
【0126】
本実施形態では、本発明の方法は、測定ビームと追加の基準ビームとの間の干渉から決定されるセンサ配列Ｓの共通入射領域での追加の干渉縞パターンの位置の検出をベースとしている。
【0127】
この場合、追加の干渉縞パターンは、例えば、（ｉ）メイン測定ビームと基準ビームとの間のメイン干渉縞パターンの光放射の包絡線のピークまたは最大強度とは異なる、例えば、これより低い光放射の包絡線のピークまたは最大強度、または、（ｉｉ）メイン干渉縞パターンと同時に現れる場合には、メイン干渉縞パターンの光放射の強度包絡線の固有の位置とは異なる光放射の強度包絡線の固有の位置、を含む。
【0128】
複数の別個の動作範囲がセンサ配列に対面または重畳されておらず、個々の干渉縞を代替で示すために充分な程度に分離している場合、干渉縞パターンは、追加の基準経路を選択するために選択される。
【0129】
従って、上記の条件では、測定光学経路と追加の基準光学経路との間の光学長の差が、入射領域の照射軸に沿った追加の干渉縞パターンの位置の関数として決定され、これは、（ｉ）加工ヘッドと加工領域内の材料の表面との間の現在の分離距離と、（ｉｉ）予め定めた公称分離距離と、の間の差を示す。
【0130】
図１０ａから理解できるように、小さい延長部、例えば、懸案の測定に採用された延長部の半分を有する照射軸を有するセンサ配列Ｓは、第１範囲内のメイン干渉縞パターンを示す信号測定値および第２範囲内の追加の干渉縞パターンを示す信号測定値に依存して、同じ数値範囲０．２５～２ｍｍでの加工ヘッドと材料の表面との間の分離距離の検出を可能にするであろう。
【0131】
図１０ｃは、切削プロセスの間に実行される測定を表す一連のグラフを示しており、この例では、３ｍｍの厚さを有する軟鋼製の平板内に４０ｍｍの幅を有する正方形の切開を切削し、加工ヘッドは、板からのある公称距離（加工中に１．３から１．２ｍｍの間で変化し得る）の位置で動作している。
【0132】
上グラフは、一連のプロセスパラメータの経時的傾向を示す。特に、ＶｘとＶｙとして示すカーブは、切削面上の直交方向ｘ，ｙにおける切削ヘッドの並進速度を表し、ＰＬとして示すカーブは、加工レーザビームの光強度を表し、カーブＰｒは、アシストガスの圧力を表す。中央グラフは、加工ヘッドとピースとの間の実際の分離距離について測定された傾向を示す。下グラフは、空間ドメインでの検出技術を用いて得られた干渉縞の経時的傾向を示す。
【0133】
加工ヘッドと加工領域内の材料の表面との間の分離距離の正確な決定は、現在の加工領域または較正加工領域であっても、適切には、レーザ加工機のプロセスを制御するためのＥＣＵユニットが、加工距離または他の加工パラメータの補正または制御のためのフィードバックを使用することを可能にし、例えば、干渉計測定の結果の関数として、例えば、Ｚ軸に沿って材料に向けてまたは離れて、加工ヘッドの移動を制御するために、移動アクチュエータ手段４０に作用し、例えば、予め定めた加工プロジェクトの関数として、加工ヘッドと材料との間の距離を予め定めた値付近に維持するためである。これは、例えば、切削プロセスの効率を改善するために特に有用である。代替または追加として、加工ヘッドと材料の表面との間の分離距離の決定により、プロセスを制御するＥＣＵユニットは、空間走査の後に、移動アクチュエータ手段４０に作用することによって、Ｚ軸に代わりの複数の軸に沿って加工ヘッドの移動を制御するフィードバックを使用でき、例えば、加工中の表面の形態に適合した予め定めた経路に沿って加工ヘッドの軌跡を維持するために、従って、表面に対する並進移動または傾斜を伴う。これは、例えば、溶接継手を追跡する結果として、溶接プロセスを最適化するために特に有用である。
【0134】
前述の議論において提案された設計は、純粋に例示的な性質のものであり、本発明を限定するものではないことに留意すべきである。当業者は、本発明を種々の実施形態で容易に実施することができ、これは本明細書に記載の原理から逸脱せず、したがって本特許に含まれる。
【0135】
これは、様々な低コヒーレンス光放射波長を使用する可能性に関して、引用したもの、あるいは非限定的な例として、図５に示したものとは異なる光学素子を介在させた測定光学経路および基準光学経路に対して、特に適用可能である。
【0136】
当然ながら、本発明の原理を損なうことなく、実施形態および実装の詳細は、添付の請求項によって定義される本発明の保護の範囲から逸脱することなく、非限定的な例として、純粋に説明され例示されたものに関して、大幅に変更してもよい。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4a】
【図4b】
【図4c】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9a】
【図9b】
【図10a】
【図10b】
【図10c】
【国際調査報告】