專利名稱：操作激光掃描器的方法和具有激光掃描器的加工系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及操作激光掃描器的方法和具有激光掃描器的加工系統(tǒng)。特別是，本發(fā)明涉及校準(zhǔn)激光掃描器的方法。
背景技術(shù)：
眾所周知使用激光束加工物體，例如改變物體的材料性質(zhì),或從物體上移除材料。出于此目的，通過激光掃描器(laser scanner)將具有充分高的束能量和足夠光子能量的激光束引導(dǎo)到物體的先前確定的加工位置上。這是通過將激光掃描器的掃描偏轉(zhuǎn)設(shè)置為加工位置在激光掃描器的坐標(biāo)系統(tǒng)中的坐標(biāo)的函數(shù)而實(shí)現(xiàn)的。出于此目的，期望加工的位置的坐標(biāo)必須被轉(zhuǎn)換為激光掃描器的偏轉(zhuǎn)。這可以通過適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)坐標(biāo)變換完成。這種坐標(biāo)變換優(yōu)選是被校準(zhǔn)的。這可以通過例如如下方式實(shí)現(xiàn)使用布置在具有已知直徑且位于坐標(biāo)系統(tǒng)中的已知位置的孔徑之后的檢測(cè)器，由激光掃描器通過該孔徑掃描激光束。掃描穿過孔徑的激光束可以是還執(zhí)行物體加工的激光束，或者它可以是不同的激光束，其光束路徑與執(zhí)行物體加工的激光束具有已知的關(guān)系。根據(jù)檢測(cè)器檢測(cè)到的信號(hào)，可以確定激光掃描器的對(duì)應(yīng)于孔徑位置的掃描偏轉(zhuǎn)，并且因此可以校準(zhǔn)坐標(biāo)變換。可以對(duì)布置了孔徑的多個(gè)已知位置重復(fù)這個(gè)過程。這種裝置和方法可以從US6501061B1和US2005/0205778A1中得知，通過引用將其全部公開內(nèi)容合并到本申請(qǐng)中?；谟蓹z測(cè)器檢測(cè)到信號(hào)確定孔徑相對(duì)于激光掃描器的位置需要大量時(shí)間，這延長(zhǎng)了使用激光加工系統(tǒng)對(duì)物體的整體加工時(shí)間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是考慮到上述問題而完成的。本發(fā)明的目的是提供一種操作和校準(zhǔn)激光掃描器的方法，使得能夠以更短的時(shí)間段和/或以更高的精度確定特定檢測(cè)截面(例如孔徑)相對(duì)于激光掃描器的位置。本發(fā)明的另一目的是提供一種包括激光掃描器的對(duì)應(yīng)加工系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，操作激光掃描器的方法包括通過使用激光掃描器沿著掃描路徑掃描激光束來校準(zhǔn)激光掃描器，檢測(cè)入射到檢測(cè)截面上的激光產(chǎn)生的光強(qiáng)度，并且基于檢測(cè)的光強(qiáng)度確定檢測(cè)截面相對(duì)于激光掃描器的位置。可以由檢測(cè)器對(duì)激光的感光區(qū)域或具有很好的限定的截面的孔徑提供檢測(cè)截面，其中對(duì)激光的檢測(cè)器檢測(cè)穿過孔徑截面的光。根據(jù)其它實(shí)施例，操作激光掃描器的方法包括使用激光掃描器沿著掃描路徑掃描激光束，掃描路徑在包含檢測(cè)截面的平面內(nèi)包括第一部分路徑和第二部分路徑，它們彼此相距一距離而并排延伸，所述距離小于檢測(cè)截面的直徑加上激光束在此平面中的直徑，并且大于激光束在此平面中的直徑的O. 3倍和/或大于檢測(cè)截面的直徑的O. 3倍。因此，激光束沿著第一部分路徑的掃描和激光束沿著第二部分路徑的掃描各個(gè)可以產(chǎn)生可獨(dú)立檢測(cè)的光強(qiáng)度(可將它們彼此進(jìn)行比較)，并且因此便于相對(duì)精確地確定檢測(cè)截面相對(duì)于兩個(gè)部分路徑(也因此相對(duì)于激光掃描器)的位置，。根據(jù)其它實(shí)施例，該方法還包括通過位移第一和第二部分路徑而重復(fù)地修改掃描路徑，同時(shí)可以保持第一和第二部分路徑之間的距離不變?？梢酝ㄟ^位移第一和第二部分路徑而重復(fù)修改掃描路徑，直到所檢測(cè)的當(dāng)沿著第一部分路徑掃描時(shí)所獲得的光強(qiáng)度與當(dāng)沿著第二部分路徑掃描時(shí)所獲得的光強(qiáng)度基本相等和/或直到這些光強(qiáng)度之差基本為零。于是可以得到檢測(cè)截面的中心準(zhǔn)確地位于兩個(gè)部分路徑之間。當(dāng)從與兩個(gè)部分路徑在檢測(cè)截面的區(qū)域中的延伸方向垂直的方向看，檢測(cè)截面相對(duì)于激光掃描器的位置可以因此被精確地確定。 根據(jù)特定實(shí)施例，還沿著第三部分路徑和第四部分路徑掃描激光束，第三部分路徑和第四部分路徑在檢測(cè)截面的平面中彼此相距一距離延伸，所述距離小于檢測(cè)截面的直徑加上激光束的直徑，并且大于激光束直徑的O. 3倍和/或大于檢測(cè)截面直徑的O. 3倍，其中在檢測(cè)截面的區(qū)域中，第三部分路徑相對(duì)于第一部分路徑以大于30°的角度延伸，并且特別是大于50°，并且特別是大于70°。特別地，這個(gè)角度可以大致是90°。因此，也可以精確地確定在垂直于第三和第四部分路徑的延伸方向的方向上、檢測(cè)截面相對(duì)于激光掃描器的位置。因此，與檢測(cè)截面垂直于第一和第二部分路徑的位置的確定一起，可以在檢測(cè)截面平面內(nèi)的兩個(gè)獨(dú)立方向上精確地確定檢測(cè)截面的位置。根據(jù)示例實(shí)施例，第一和第二部分路徑和/或第三和第四部分路徑各自相互平行或/和彼此相距恒定的距離而延伸。根據(jù)其他實(shí)施例，第一部分路徑和第二部分路徑和/或第三部分路徑和第四部分路徑各自沿著直線延伸。根據(jù)其它示例實(shí)施例，以相反的方向掃描第一部分路徑和第二部分路徑和/或第三部分路徑和第四部分路徑。這允許各自兩個(gè)部分路徑的重復(fù)隨后掃描。根據(jù)其它示例實(shí)施例，檢測(cè)截面提供在用于安裝待加工物體的物體支撐體上，并且該方法還包括基于檢測(cè)截面相對(duì)于激光掃描器的位置確定激光掃描器的坐標(biāo)系統(tǒng)和物體支撐體的坐標(biāo)系統(tǒng)之間的坐標(biāo)變換。由于此，則可以通過激光掃描器將激光束引導(dǎo)到物體支撐體或安裝在其上的物體的任何期望位置。根據(jù)此處的實(shí)施例，該方法還包括使用由激光掃描器引導(dǎo)到物體的期望位置的激光束來加工物體。在這種情況下，激光束可以與用于確定檢測(cè)截面相對(duì)于激光掃描器的位置的激光束相同，或者加工物體的激光束是不同的激光束，加工物體的激光束也由激光掃描器控制并且其光束路徑與用于確定檢測(cè)截面相對(duì)于激光掃描器的位置的激光束具有已知關(guān)系。物體的加工可以特別地是物體的材料特性的改變和從物體上移除材料。根據(jù)示例實(shí)施例，在這種情況下，可以在物體支撐體上提供多個(gè)檢測(cè)截面，例如，三個(gè)檢測(cè)截面，并且確定多個(gè)檢測(cè)截面中的每個(gè)相對(duì)于激光掃描器的位置以及基于多個(gè)檢測(cè)截面的具體位置確定坐標(biāo)變換。因此，可以更加精確地確定適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換。以與以上針對(duì)單個(gè)檢測(cè)截面說明的方式相同的方式分別確定多個(gè)檢測(cè)截面的位置。
根據(jù)不例實(shí)施例，還提供一種包括激光掃描器的加工系統(tǒng)，其中該加工系統(tǒng)被配置為執(zhí)行先前所述的方法。根據(jù)其它實(shí)施例，該加工系統(tǒng)包括激光掃描器；用于入射在預(yù)定檢測(cè)截面上的激光的檢測(cè)器；以及控制激光掃描器并且從檢測(cè)器接收檢測(cè)信號(hào)的控制器，其中，控制器配置為控制激光掃描器使得沿著掃描路徑掃描激光束，掃描路徑在包含檢測(cè)截面的平面內(nèi)包括彼此相距一距離并排延伸的第一部分路徑和第二部分路徑，所述距離小于檢測(cè)截面的直徑加上激光束在包含檢測(cè)截面的平面內(nèi)的直徑，并且大于激光束在包含檢測(cè)截面的平面內(nèi)的直徑的O. 3倍和/或大于檢測(cè)截面直徑的O. 3倍，并且其中控制器包括控制模塊，控制模塊配置為將所檢測(cè)的在沿著所述第一部分路徑掃描時(shí)入射在所述檢測(cè)截面上的激光所產(chǎn)生的第一光強(qiáng)度與所檢測(cè)的在沿著所述第二部分路徑掃描時(shí)入射在所述檢測(cè)截面上的激光所產(chǎn)生的第二光強(qiáng)度進(jìn)行比較。根據(jù)這里的特定實(shí)施例，加工系統(tǒng)還包括至少一個(gè)配置為檢測(cè)檢測(cè)截面或多個(gè)檢測(cè)截面相對(duì)于粒子束柱的位置的粒子束柱。該至少一個(gè)粒子束柱還可以配置為獲得物體的 顯微圖像，以在物體上沉積材料或從物體上移除材料。


根據(jù)以下參照附圖對(duì)示例實(shí)施例的詳細(xì)說明，本發(fā)明的前述以及其他有利的特征將會(huì)更明顯。需要注意的是，不是所有可能的實(shí)施例都必須呈現(xiàn)在此描述的優(yōu)點(diǎn)中的每個(gè)和每一個(gè)、或任何一個(gè)。圖I是激光加工系統(tǒng)的示意圖；圖2是可用于圖I中所示的激光加工系統(tǒng)中的物體支撐體的截面示意圖；圖3a、3b和3c示出了掃描路徑的位移、入射到檢測(cè)截面上的光強(qiáng)和檢測(cè)到的光強(qiáng)度的多個(gè)階段；圖4是可能的掃描路徑的另一示意圖；圖5是加工系統(tǒng)的控制器的一部分的示意圖；和圖6是加工系統(tǒng)的另一控制器的一部分的示意圖。
具體實(shí)施例方式在以下描述的示例實(shí)施例中，功能和結(jié)構(gòu)相同的組件盡可能標(biāo)記為相同的附圖標(biāo)記。因此，為了理解特定實(shí)施例的單獨(dú)組件的特征，應(yīng)該參考本發(fā)明的其它實(shí)施例和發(fā)明內(nèi)容的描述。圖I是加工系統(tǒng)I的示意圖。所述加工系統(tǒng)配置為使用激光束和使用多粒子束進(jìn)行物體的加工。例如，在US2011 /0198326AI中可以找到有關(guān)這種系統(tǒng)的背景信息，通過引用將其全部公開內(nèi)容合并在本專利申請(qǐng)中。加工系統(tǒng)I包括兩個(gè)粒子束柱，也就是產(chǎn)生電子束5的電子束柱3，和產(chǎn)生離子束9的離子束柱7，離子束9像電子束5—樣指向加工區(qū)域11的位置。電子束柱3用于引導(dǎo)電子束5到布置在加工區(qū)域11內(nèi)的物體上，并且檢測(cè)相互作用粒子(例如，二次電子、背散射電子或透射的電子)和/或相互作用輻射(例如X光或陰極射線輻射)。如果電子束被引導(dǎo)到物體上的不同位置，并且檢測(cè)的強(qiáng)度與這些位置關(guān)聯(lián)，則可以確定物體的一部分的電子顯微圖像。基于這種電子顯微圖像，可以確定物體上需要進(jìn)一步加工的加工位置。進(jìn)一步的加工可能包括在加工位置沉積材料或從加工位置移除材料。離子束柱7用于引導(dǎo)離子束9到這樣的加工位置上。離子束9可以在物體加工位置移除材料，并且其也可以導(dǎo)致在表面上沉積材料。出于此目的，可以向加工位置供給加工氣體，其中，加工氣體由離子束激活，并且可以從物體移除材料或在物體上沉積材料。離子束也可以類似于電子束而被用于生成物體的圖像。僅可以有限速率通過離子束9從物體上移除材料。如果期望將材料移除進(jìn)行到離子束施加的移除速率將會(huì)花費(fèi)太長(zhǎng)時(shí)間的程度，則可以由激光束進(jìn)行材料移除。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，將物體輸送到激光掃描器74發(fā)出的激光束17的掃描范圍13中，以便使用激光束從物體上移除材料。通過激光束移除材料的速率大于通過離子束的速率。因此，使用激光束可獲得相對(duì)較大的材料移除速率。電子束柱3包括含有陰極23和陽極25的電子源21、產(chǎn)生電子束5的聚光透鏡系 統(tǒng)27、布置在例如束柱3內(nèi)的二次電子檢測(cè)器29、以及聚焦電子束5到加工區(qū)域11內(nèi)的物鏡31。光束偏轉(zhuǎn)器33用于改變電子束5在物體上的入射位置，以及例如掃描物體表面的加工區(qū)域和利用檢測(cè)器29檢測(cè)產(chǎn)生的或釋放的粒子，諸如二次電子，以便獲得物體在掃描加工區(qū)域11中的電子顯微圖像。離子束柱7包括用于形成和加速離子束9的離子源39和電極41、以及束偏轉(zhuǎn)器43和聚焦線圈或聚焦電極45，以便聚焦離子束9到加工區(qū)域11內(nèi)以及在物體的區(qū)域上掃描它。由真空室壁53圍成的真空空間51，具有連接到真空泵的泵口 55并且可以通過口57通氣。為了永久地保持電子束源21在足夠好的真空下，即使加工氣體被引入真空室51中，電子束3也包括孔徑59和另一泵口 61，以便通過分離的真空泵排空包括電子源21的真空部分?？梢詮腢S2005/0184251A1、US6855938 和 DE102006059162A1 獲得有關(guān)使用多粒子束加工樣本的系統(tǒng)的背景信息，其中通過引用將這些公布的全部公開內(nèi)容并入本申請(qǐng)中。激光系統(tǒng)15包括激光器71和透鏡73，以成形和聚焦激光束17。激光束17通過一個(gè)或多個(gè)反射鏡或光纖光導(dǎo)導(dǎo)向靠近真空空間83的真空室壁53的位置，其中，其入射到包括可以通過致動(dòng)器76或78旋轉(zhuǎn)(如箭頭79所示)的兩個(gè)掃描鏡75、77的激光掃描器74上。通過致動(dòng)器76或78對(duì)反射鏡75、77的旋轉(zhuǎn)發(fā)生在彼此成一角度定向的方向上，特別是彼此正交的方向，從而激光束17可以在兩個(gè)反射鏡75、77上反射之后被偏轉(zhuǎn)到兩個(gè)獨(dú)立方向，并且可以掃描掃描區(qū)域13。在所不不例中，激光掃描器74包括兩個(gè)掃描鏡,其每個(gè)可以在一個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)。在其他實(shí)施例中，激光掃描器僅包括一個(gè)可以在兩個(gè)獨(dú)立方向上旋轉(zhuǎn)的掃描鏡。也可以構(gòu)思激光掃描器的其他變形。致動(dòng)器76和78通過如下更詳細(xì)描述的控制器80控制。激光束17穿過窗口 81進(jìn)入真空空間83，真空空間83也由真空室壁53圍成。真空空間83可以通過門85與真空空間51分開。圖I示出了門85的板87，實(shí)線為門的打開位置，虛線為門85的關(guān)閉位置。門的致動(dòng)桿89用于位移板87并且將門85從它的打開位置移動(dòng)到它的關(guān)閉位置以及相反。門85可以通過其與室壁53密封而被實(shí)施為真空擋板，以在真空空間51和83中保持不同的真空壓力。在這種情況下，真空室83通過連接到真空泵的泵口 91排真空，并且可以通過另一口 93通氣。待加工的物體安裝在物體支撐體101上，并且可以連同物體支撐體101 —起在兩個(gè)位置之間來回輸送。出于此目的，提供包括一端具有連接器108的桿105的輸送組件103，利用該連接器108可以保持物體支撐體101，以將其從圖I中的右邊位置(在此位置，物體被布置在粒子束5和9的加工區(qū)域11中)拉到圖I中的左邊位置(在此位置，物體被布置在激光束17的加工區(qū)域13中)。同樣，物體支撐體101可以被輸送組件103從圖I中的左邊位置輸送到圖I中的右邊位置。為此目的，輸送組件103還包括提供在真空室壁53中且被桿105穿過的真空密封件107，這允許桿105位移，以將物體支撐體101在其兩個(gè)位置之間輸送，而不一定使真空空間51和83通氣?？梢蕴峁┸壍?09，以便在輸送物體支撐體101時(shí)支撐它。如果物體支撐體101布置在圖I中的右邊位置的真空空間51中，則桿105的連接器108可以從物體支撐體101上解除，從而可以將桿105從真空室51中移開，并且將門85關(guān)閉。 如果物體支撐體101布置在真空空間51中，則其由定位裝置111支撐，定位裝置111用于相對(duì)于粒子束5和9位移物體支撐體101，使得可以將粒子束從可選方向指引到物體支撐體101的可選位置上。出于此目的，定位裝置111包括基座113和一個(gè)或多個(gè)裝載固定物體支撐體115的部件117的中間部件115。部件113、115和117可以相對(duì)彼此移動(dòng)，以允許物體支撐體101在三維x、y和ζ上位移，并且這些部件也可以相對(duì)彼此旋轉(zhuǎn)，以相對(duì)于粒子束5和9改變物體支撐體101的取向。在圖I中左邊位置的真空空間83中，物體支撐體101布置在定位裝置121上，定位裝置121允許物體支撐體101定位在激光掃描器15的加工區(qū)域13中。US2010/0051828A1中描述了加工系統(tǒng)的其它實(shí)施例，其中可以將激光束加工與粒子束檢驗(yàn)或粒子束加工結(jié)合，通過引用將其全部公開內(nèi)容合并于此。圖2示出了物體支撐體101在圖I中左邊位置的示意截面圖。物體支撐體101包括基座體201，其上附設(shè)了裝載待加工物體205的物體載座203。在所述實(shí)施例中，基座體201包括三個(gè)光檢測(cè)器207，圖2的截面中顯示了其中兩個(gè)。每個(gè)光檢測(cè)器207包括光傳感器209，其被布置為與具有孔徑213的孔徑板211離開一距離。孔徑213形成很好地限定的檢測(cè)截面并且限定光可以進(jìn)入光檢測(cè)器207以被傳感器209檢測(cè)的截面區(qū)域。檢測(cè)器207還包括光傳感器209的兩個(gè)接觸器215，它們?cè)诨w201底側(cè)上裸露，并且相互絕緣，從而當(dāng)物體支撐體101被定位在定位裝置121上時(shí)，它們可以與提供在定位裝置121上的對(duì)應(yīng)彈簧接觸器217接觸。彈簧接觸器217通過導(dǎo)體219連接到控制器80，使得它們可以接收傳感器209的檢測(cè)信號(hào)。具有限定的檢測(cè)截面213的光檢測(cè)器207用于確定激光掃描器74和物體支撐體101的坐標(biāo)系統(tǒng)之間的坐標(biāo)變換，以使激光束17可以指向物體205上的期望位置。出于此目的，必須確定檢測(cè)截面213在激光掃描器的坐標(biāo)系統(tǒng)中的位置。下面參照?qǐng)D3a、3b和3c說明為此目的的過程。圖3a的上部示出了平面214和掃描路徑221的視圖，在平面214中布置了檢測(cè)截面213，沿著掃描路徑221掃描激光束17。掃描路徑221包括第一部分路徑223和第二部分路徑225，第二部分路徑225布置為與第一部分路徑223離開距離d。第一和第二部分路徑223、225通過中間路徑227、228彼此連接，以使第一部分路徑223、中間路徑227、第二部分路徑225、中間路徑228并且之后又是第一部分路徑223被順序重復(fù)地掃描。以互相相反的方向掃描兩個(gè)部分路徑223和225。在所述示例中，中間路徑227是一個(gè)部分路徑的末端與另一個(gè)部分路徑的開端之間的最短直線連接。然而，也有可能中間路徑具有不同的形狀，例如曲線形狀而非直線形狀。也有可能當(dāng)激光掃描器74的掃描位置從一個(gè)部分路徑的末端轉(zhuǎn)變到另一個(gè)部分路徑的開端時(shí)關(guān)閉激光束。在所述示例中，第一部分路徑223和第二部分路徑225是直線。然而，部分路徑也可以沿著彎曲的線或常規(guī)曲線，例如弧線或螺旋線，只要它們彼此相距離d而延伸，如以下將更詳細(xì)說明的。激光束17在檢測(cè)截面213內(nèi)的直徑在圖3a上部中顯示為圓圈。實(shí)際上，激光束具有例如高斯分布的強(qiáng)度分布，如圖3a中部所示，其中曲線代表激光束231在沿著第一部分路徑223掃描期間的強(qiáng)度分布，而曲線233代表激光束17在沿著第二部分路徑225掃描期間的強(qiáng)度分布的位置。在此假定首先掃描第一部分路徑223并且在第一部分路徑之后掃 描第二部分路徑225，從而沿著時(shí)間軸t，第二強(qiáng)度分布233出現(xiàn)得晚于第一強(qiáng)度分布231。在圖3a的底部，曲線235代表由控制器80檢測(cè)并由布置在具有檢測(cè)截面213的孔徑板211下游的光傳感器209產(chǎn)生的強(qiáng)度信號(hào)。該強(qiáng)度信號(hào)由激光束分布213在沿著第一部分路徑223的掃描期間產(chǎn)生。在圖3a中所示的示例中，由于第一部分路徑223與檢測(cè)截面213的中心239重合，所以信號(hào)235具有最大強(qiáng)度。在圖3a底部下方的曲線237代表由光束分布233在激光束17沿著第二部分路徑225掃描期間產(chǎn)生的檢測(cè)信號(hào)。由于第二部分路徑225與第一部分路徑223分離一距離，所以第二部分路徑225不與檢測(cè)截面的中心239重合，從而低強(qiáng)度的激光可以穿過檢測(cè)截面213到達(dá)光傳感器209。因此，信號(hào)237比信號(hào)235具有較低的強(qiáng)度。在所述示例中，由于在第二部分路徑225之前掃描第一部分路徑223,所以信號(hào)237相對(duì)于信號(hào)235延后時(shí)間(t)。為了限定檢測(cè)截面213相對(duì)于激光掃描器的位置，則可以將第一部分路徑223在橫向于其延伸方向的方向上稍微位移，并且分析信號(hào)235的強(qiáng)度。為了使信號(hào)的強(qiáng)度為最大的位移，第一部分路徑223精確地穿過檢測(cè)截面213的中心，使得在垂直于第一部分路徑223的延伸方向的方向上確定檢測(cè)截面213的中心位置，并且其可以等同于垂直于部分路徑223的延伸方向的掃描偏轉(zhuǎn)。然而，信號(hào)235的強(qiáng)度隨著部分路徑223的位置的變化僅輕微改變，從而以這種方式僅可以相對(duì)較低的精度確定檢測(cè)截面213相對(duì)于激光掃描器74的位置。在所述示例中，通過重復(fù)掃描部分路徑223和225來進(jìn)行位置的確定，其中兩個(gè)部分路徑223和225的位置在方向241上持續(xù)位移。圖3b和3c的頂部示出了該持續(xù)位移的兩個(gè)示例。在圖3b的頂部，檢測(cè)截面213在兩個(gè)部分路徑223和225之間的中心，使得兩個(gè)光束分布231和233產(chǎn)生強(qiáng)度相等的檢測(cè)信號(hào)235或237，如圖3b底部所示。在圖3c中，進(jìn)一步增大位移以使第二部分路徑225與檢測(cè)截面213的中心239重合。因此，在第二部分路徑225的掃描期間產(chǎn)生的檢測(cè)信號(hào)237大于在第一部分路徑223的掃描期間產(chǎn)生的檢測(cè)信號(hào)235，如圖3c底部所示。
在所述示例中，確定檢測(cè)截面213在橫向于兩個(gè)部分路徑223和225的延伸方向的方向上的位置，使得位移包含兩個(gè)部分路徑223和225的掃描路徑以使兩個(gè)檢測(cè)信號(hào)235和237具有相同強(qiáng)度，或者這兩個(gè)強(qiáng)度之差最小或者等于零。這具有以下優(yōu)點(diǎn)即使部分路徑的較小位移也導(dǎo)致兩個(gè)檢測(cè)信號(hào)235和237之間相對(duì)較大的差別，從而可以以更高的精度檢測(cè)檢測(cè)截面的位置。檢測(cè)截面213的中心239在激光掃描器的坐標(biāo)系統(tǒng)中的位置對(duì)應(yīng)于橫向于部分路徑223、225的延伸方向的方向上的掃描偏轉(zhuǎn)之間的中心點(diǎn)。出于此目的，兩個(gè)部分路徑223和225必須彼此分離一距離，其中選擇該距離使得激光束17的光當(dāng)沿著第一部分路徑223掃描時(shí)和當(dāng)沿著第二部分路徑225掃描時(shí)入射到檢測(cè)截面213上。因此，兩個(gè)部分路徑223、225之間的距離d應(yīng)該小于基于檢測(cè)截面213的直徑確定的值加上基于激光束17的直徑確定的值?；跈z測(cè)截面213的直徑確定的值可以選擇為例如與檢測(cè)截面213的直徑本身一樣大，或者其可以稍小一些，如檢測(cè)截面213的直徑的O. 9倍或O. 8倍。相似地，基于激光束17的直徑確定的值可以選擇為例如與激光束17在檢測(cè)截面平面上的直徑本身一樣大，或者其可以稍小一些，如激光束17在檢測(cè)截面平面上的直徑的O. 9倍或O. 8倍。
激光束17的直徑可以由傳統(tǒng)方法確定。例如，利用高斯截面或類似的光束截面，可以確定光束的直徑為使得例如90%的光束強(qiáng)度在直徑內(nèi)，而10%的光束強(qiáng)度在直徑外。同樣，為了當(dāng)部分路徑223和225在方向241上偏移時(shí)兩個(gè)信號(hào)235和237的強(qiáng)度之間的差獲得顯著變化，兩個(gè)部分路徑223和225之間的距離d不應(yīng)該太小。例如，距離d應(yīng)該大于激光束直徑的O. 3倍、O. 4倍或O. 5倍，和/或它應(yīng)該大于檢測(cè)截面直徑的O. 3倍、O. 4倍或O. 5倍。利用基于圖3a到3c解釋的方法，可以在一個(gè)方向上準(zhǔn)確地檢測(cè)檢測(cè)截面213的位置，即在與部分路徑223和225延伸方向正交的方向上。圖4示出了可以在兩個(gè)獨(dú)立方向上檢測(cè)檢測(cè)截面213的位置的實(shí)施例。在這個(gè)實(shí)施例中，首先在橫向于部分路徑223和225的延伸方向的方向上確定所述位置，如以上參照?qǐng)D3a-3c所說明的。然后，通過重復(fù)掃描第三部分路徑223'和第四部分路徑225'修改掃描路徑，其中第三和第四部分路徑223'和225'相對(duì)于第一和第二部分路徑223和225取向?yàn)槌?0°的角度。部分路徑223'和225'的位置在方向241'上變化，直到兩個(gè)檢測(cè)到的信號(hào)幾乎相等，或者直到這兩個(gè)信號(hào)之差最小或等于零。因此，在方向241上和預(yù)期的方向241'上精確地限定了檢測(cè)截面213的中心的位置。圖5是用于進(jìn)行上述檢測(cè)信號(hào)的分析的控制器80的一部分的示意圖。光傳感器209的檢測(cè)信號(hào)通過導(dǎo)體219傳輸?shù)娇刂破?0。所述信號(hào)通過包括運(yùn)算放大器241和電阻器243的電流-電壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并且進(jìn)一步由模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器245轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。通過微處理器247分析由模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器245輸出的數(shù)字信號(hào)，以便將所確定的強(qiáng)度彼此進(jìn)行比較，微處理器247配置為確定所檢測(cè)的信號(hào)的產(chǎn)生時(shí)間和強(qiáng)度。微處理器247比較兩個(gè)時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)的強(qiáng)度，并且確定強(qiáng)度的差。該差值被輸出到PI控制器249，PI控制器249繼而在輸出端265提供控制信號(hào)，用于掃描路徑的位移?？刂破?0的另一部件(其產(chǎn)生掃描路徑并控制激光掃描器74的致動(dòng)器76、78以使得沿著掃描路徑引導(dǎo)激光束17)讀取輸出端265處提供的信號(hào)265并作為此信號(hào)的函數(shù)位移該掃描路徑。利用圖5中示意地示出的電路，可以因此位移掃描路徑，直到當(dāng)沿著第一部分路徑223掃描和沿著第二部分路徑225掃描時(shí)產(chǎn)生的兩個(gè)檢測(cè)信號(hào)具有相同的強(qiáng)度為止。圖6示出了圖5所示的控制器的一部分的替代實(shí)施例。在這個(gè)實(shí)施例中，使用包括運(yùn)算放大器241和電阻器的電流-電壓轉(zhuǎn)換器再次轉(zhuǎn)換由傳感器209產(chǎn)生的信號(hào)。然而，通過多路復(fù)用器251將轉(zhuǎn)換的信號(hào)交替地供給到具有反饋電阻器254的第一運(yùn)算放大器253和具有反饋電阻器256的第二運(yùn)算放大器255，從而第一運(yùn)算放大器253總是接收當(dāng)沿著第一部分路徑223掃描時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)，并且第二運(yùn)算放大器255總是接收當(dāng)沿著第二部分路徑225掃描時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)。多路復(fù)用器251包括同步輸入端或復(fù)位輸入端252，通過該同步輸入端或復(fù)位輸入端252,在第一部分路徑223的每次橫越(traversal)開始時(shí)復(fù)位多路復(fù)用器251。運(yùn)算放大器253、255的輸出端分別連接到鎖存器259和261，其存儲(chǔ)經(jīng)放大的信號(hào)的最大值并且將最大值供給到后續(xù)比較器263。比較器的輸出端265提供的信號(hào)從而代表分別在第一和第二部分路徑的橫越期間檢測(cè)的光強(qiáng)度之差。鎖存器259和261各自具有復(fù)位輸入端260或262，從而可以在第一和第二掃描路徑的每次橫越之前將它們和多路復(fù)用 器251 —起復(fù)位。雖然關(guān)于本發(fā)明的特定示例實(shí)施方式描述了本發(fā)明，但對(duì)本發(fā)明的技術(shù)人員而言，許多替代、修改和變化是顯而易見的。因此，在此提出的本發(fā)明的示例實(shí)施例目的是說明性而并非作為任何方式的限制。在不脫離所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進(jìn)行各種變化。
權(quán)利要求
1.一種操作激光掃描器的方法，所述方法包括使用所述激光掃描器沿著掃描路徑掃描激光束，并且檢測(cè)由所述激光束入射到檢測(cè)截面上的激光產(chǎn)生的光強(qiáng)度；以及基于所檢測(cè)的光強(qiáng)度確定所述檢測(cè)截面相對(duì)于所述激光掃描器的位置；其中所述掃描路徑在包含所述檢測(cè)截面的平面中包括彼此鄰近且彼此相距一距離延伸的第一部分路徑和第二部分路徑，所述距離小于所述檢測(cè)截面的直徑加上所述激光束在包含所述檢測(cè)截面的平面內(nèi)的直徑，并且大于所述激光束在包含所述檢測(cè)截面的平面內(nèi)的直徑的O. 3倍或大于所述檢測(cè)截面的直徑的O. 3倍。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，還包括將所檢測(cè)的在沿著所述第一部分路徑掃描期間由入射到所述檢測(cè)截面的激光產(chǎn)生的第一光強(qiáng)度與所檢測(cè)的在沿著所述第二部分路徑掃描期間由入射到所述檢測(cè)截面的激光產(chǎn)生的第二光強(qiáng)度進(jìn)行比較。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，還包括通過位移所述第一和第二部分路徑而重復(fù)地改變所述掃描路徑，直到所檢測(cè)的第一和第二光強(qiáng)度幾乎相等為止。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述檢測(cè)截面相對(duì)于所述激光掃描器的位置被確定為位于所述第一和第二部分路徑之間的中心位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中的任一項(xiàng)所述的方法，其中所述第一部分路徑和所述第二部分路徑以相對(duì)于彼此恒定的距離延伸。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中的任一項(xiàng)所述的方法，其中所述第一部分路徑和所述第二部分路徑各自沿著直線延伸。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中的任一項(xiàng)所述的方法,其中以相反的方向掃描所述第一部分路徑和所述第二部分路徑。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中的任一項(xiàng)所述的方法，其中所述掃描路徑在包含所述檢測(cè)截面的平面內(nèi)包括彼此相距一距離延伸的第三部分路徑和第四部分路徑，所述距離小于所述檢測(cè)截面的直徑加上所述激光束在包含所述檢測(cè)截面的平面內(nèi)的直徑，并且大于所述激光束在包含所述檢測(cè)截面的平面內(nèi)的直徑的O. 3倍或大于所述檢測(cè)截面的直徑的O. 3倍；并且其中所述第一部分路徑和所述第三部分路徑之間的最小角度大于30°，特別是大于50°， 并且尤其是大于70°。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中的任一項(xiàng)所述的方法，其中在物體支撐體上提供所述檢測(cè)截面，并且其中所述方法還包括基于所確定的所述檢測(cè)截面相對(duì)于所述激光掃描器的位置確定所述激光掃描器的坐標(biāo)系統(tǒng)和所述物體支撐體的坐標(biāo)系統(tǒng)之間的坐標(biāo)變換。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中在所述物體支撐體上提供兩個(gè)或更多個(gè)檢測(cè)截面，其中基于所檢測(cè)的光強(qiáng)度確定所述兩個(gè)或更多個(gè)檢測(cè)截面相對(duì)于所述激光掃描器的位置，并且其中，基于所述兩個(gè)或更多個(gè)檢測(cè)截面相對(duì)于所述激光掃描器的位置確定所述坐標(biāo)變換。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的方法，還包括利用由所述激光掃描器產(chǎn)生的激光束加工安裝在所述物體支撐體上的物體。
12.一種包括激光掃描器和控制器的加工系統(tǒng)，其中所述加工系統(tǒng)被配置為執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1-11中的任一項(xiàng)所述的方法。
13.—種加工系統(tǒng)，尤其是根據(jù)權(quán)利要求12的加工系統(tǒng)，包括激光掃描器；檢測(cè)器，其被配置為檢測(cè)入射到所述檢測(cè)器的預(yù)定檢測(cè)截面上的激光；以及控制器，其被配置為控制所述激光掃描器并從所述檢測(cè)器接收檢測(cè)信號(hào)，其中，所述控制器被配置為控制所述激光掃描器，使得沿著掃描路徑掃描所述激光束，所述掃描路徑在包含所述檢測(cè)截面的平面內(nèi)包括第一部分路徑和第二部分路徑，其中，所述第一部分路徑和所述第二部分路徑彼此鄰近且彼此相距一距離延伸，所述距離小于所述檢測(cè)截面的直徑加上所述激光束在包含所述檢測(cè)截面的平面內(nèi)的直徑，并且大于所述激光束在包含所述檢測(cè)截面的平面內(nèi)的直徑的O. 3倍或大于所述檢測(cè)截面的直徑的O. 3倍，并且其中所述控制器包括控制模塊，所述控制模塊被配置為將所檢測(cè)的在沿著所述第一部分路徑掃描時(shí)入射所述檢測(cè)截面的激光所產(chǎn)生的第一光強(qiáng)度與所檢測(cè)的在沿著所述第二部分路徑掃描時(shí)入射所述檢測(cè)截面的激光所產(chǎn)生的第二光強(qiáng)度進(jìn)行比較。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的加工系統(tǒng)，其中所述控制模塊被配置為產(chǎn)生代表所述第一光強(qiáng)度和所述第二光強(qiáng)度之差的信號(hào)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的加工系統(tǒng)，其中所述控制器被配置為控制所述激光掃描器，以使所述第一和第二部分路徑位移，直到所述差最小。
16.根據(jù)權(quán)利要求12-15中的任一項(xiàng)所述的加工系統(tǒng)，還包括至少一個(gè)粒子束柱，其被配置為檢測(cè)所述檢測(cè)截面相對(duì)于所述粒子束柱的位置。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的加工系統(tǒng)，其中所述加工系統(tǒng)被配置為使用所述至少一個(gè)粒子束柱在物體上沉積材料或從物體上移除材料。
全文摘要
本公開提供了一種操作激光掃描器的方法以及一種加工系統(tǒng)。所述方法包括使用所述激光掃描器沿著掃描路徑掃描激光束，并且檢測(cè)由所述激光束入射到檢測(cè)截面上的激光產(chǎn)生的光強(qiáng)度；以及基于所檢測(cè)的光強(qiáng)度確定所述檢測(cè)截面相對(duì)于所述激光掃描器的位置；其中所述掃描路徑在包含所述檢測(cè)截面的平面中包括彼此鄰近且彼此相距一距離延伸的第一部分路徑和第二部分路徑，所述距離小于所述檢測(cè)截面的直徑加上所述激光束在包含所述檢測(cè)截面的平面內(nèi)的直徑，并且大于所述激光束在包含所述檢測(cè)截面的平面內(nèi)的直徑的0.3倍或大于所述檢測(cè)截面的直徑的0.3倍。
文檔編號(hào)B23K26/00GK102922127SQ20121034655
公開日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月4日
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