用于相干成像测量系统和方法的静态和动态校准与流程 专利技术说明

机械加工,机床金属加工设备的制造及其加工,应用技术用于相干成像测量系统和方法的静态和动态校准1.相关申请2.本技术要求于2020年4月16日提交的序列号为63/011235的美国临时申请的权益，所述美国临时申请的通过引用完全并入本文中。技术领域3.本公开涉及用于监测高能束加工应用的相干成像测量系统和方法，并且更特定来说，涉及用于在相干成像测量系统和方法中对准测量束的静态和动态校准技术。背景技术：4.使用相干成像(ci)测量系统(例如，ipg光子学ldd700系统)来监测激光加工应用(例如，激光焊接、激光增材制造、激光打标、激光材料去除、激光清理等)为工艺结果提供了巨大的益处。ci系统的益处主要在它们与激光工艺本身的空间和时间关系上实现。举例来说，更具体的关系包括ci测量束与正在经受处理的工件上的加工激光束斑点的时间空间关系。本文中称为a线的ci系统的典型单次测量基于其中其被获取的上下文而被赋予含义。5.该含义部分是基于测量之处而被指定的含义：在相对于工件(例如，在联接应用形成部件ab中的子部件a和子部件b)的空间中；在相对于处理单元(例如，相对于工件夹具、相对于单元坐标系、相对于工具坐标系等)的空间中；在相对于过程(例如，在过程路径向量之前)的空间中；在相对于过程的时间上(例如，在过程完成之后的100ms)；在相对于加工激光焦斑的空间中(例如，在过程光束之后的0.1mm)；在相对于加工激光功率调制的时间上(例如，在一系列激光脉冲中的每个激光脉冲之后的0.5ms)；以及相对于加工激光束调制模式的时间(例如，在圆形激光摆动模式的开始阶段之后的0.05ms)。6.在激光焊接的示例中，在激光加工期间，可以在加工激光焦斑前方足够远的特定距离处进行ci测量，使得测量不受工艺本身影响，但是足够靠近于焦斑，使得可以使用零件装配几何形状(例如，通过焊接工艺联接的两个部件之间的接缝线)的准确测量来确定焦斑是否与接缝线足够对准。在一些情况下，这些测量可以进一步被用于动态地校正未对准。类似地，在激光焊接期间在相变区域中执行的ci测量可以被用于测量焊接过程的小孔深度——许多激光焊接过程的关键度量。7.对于许多激光加工应用，ci测量结果与激光焦斑和时间功率调制曲线的配准应该具有足够的准确度和精确度，以使所得测量结果在工艺监测和工艺控制的环境中是有用的。具体要求可能取决于应用和为应用执行的ci测量的类型而变化。举例来说，在多模式激光焊接应用中，通常足以在空间上将ci测量结果与工件的表面上的过程光束配准到大约几十到几百微米的距离内。而在单模式激光焊接应用中，可能可期望大约几十微米到单微米的配准距离。8.类似地，对于脉冲焊接应用的小孔深度测量来说，有时期望大约几十到几百微秒的与加工激光的时间功率分布的时间配准。这样的配准对于确保在小孔蒸汽通道打开时执行ci测量可能是可期望的。9.上文示例有助于图示在一些激光加工应用中ci系统对加工激光的时间空间配准的重要性。然而，普遍的重要性远远超出了上文提供的有限的示例。这样的配准有利于更改测量系统行为以获取更有用的测量结果，以及确定测量结果的有用性(例如，通过量化其配准的缺乏)并且相应地更改测量数据处理。10.在一些应用中，严格的配准要求涉及训练有素的专业人员在激光加工站现场调试ci系统。在一些应用中，调试程序可能需要迭代地执行，直到达到特定要求为止。在这些情况下，由应用施加的配准要求非常耗时。执行这种程序的最小知识和时间可能是对激光加工站的未来修改的巨大障碍，因为其可能涉及重新部署训练有素的专业人员、来自训练有素的专业人员的大量远程支持、或针对激光加工站操作者的大量前期培训。11.在许多应用中，配准程序和ci系统校准专用于硬件配置(例如，专用于激光加工站)，并且需要为每个部署的ci系统执行。工程和制造公差可能涉及要为每个激光加工站执行校准，即使站在名义上是相同的。类似地，在一些应用中，期望进一步的校准程序来执行不仅专用于激光加工站而且专用于过程本身的配准程序。因此，被用于监测各种激光加工应用或甚至不同类型的相同激光加工应用的ci系统可能涉及许多校准。12.在其中ci系统具有一些谐振分量、晃动性质或其中a线获取定时周期的相位难以控制和/或预测的其它特性的情况中，有时可能需要回顾地确定a线和过程的其余部分之间的时间空间关系。然而，即使在这些情况中，当与其中可以“按需”触发a线的实施方案进行比较时，本文中描述的技术和设备提供了等值的益处。13.制造公差与非常严格的配准要求相结合，可能涉及在常见但相对不频繁的激光加工站程序之后的ci系统重新校准。这些程序可以包括：改变激光头的保护性盖滑块；改变激光头聚焦光学器件的焦距；更换激光传输纤维；用备用件更换激光头；以及调节ci系统传送光学器件。在这样的应用中，ci系统的终端用户可能需要在其整个使用中监测系统的配准，或者可能需要在其整个操作生命周期中执行多次校准。14.外部环境影响(例如，温度、振动、湿度的改变)和维护(过程纤维的更换、系统的清理)会使过程和成像光学器件之间的配准变化。由于这些影响不能总是被隔离到系统的部件的子集，考虑到所有这些影响对共配准的净影响，直接共配准各种成像和能量束系统的装置是可期望的。在许多情况下，做到这一点的最佳方式是使用(多个)成像系统来对过程光束与材料的相互作用进行观察。15.因此，需要一种新的设备和方法，所述设备和方法：改进配准程序的准确度；改进配准程序的精确度；减少配准程序的时间要求；将配准程序自动化(半自动化或全自动化)；减轻用以执行配准程序的最低知识和经验要求；或其某种组合。技术实现要素：16.与本公开的一个方面一致，一种系统包括材料加工系统、相干成像(ci)测量系统以及一个或多个控制器。所述材料加工系统包括用于生成加工束的加工束源和用于将所述加工束传送到目标的加工束头。所述相干成像(ci)测量系统包括用于生成测量束的相干成像(ci)核心单元以及用于将所述测量束传送到所述目标的ci扫描模块，其中，所述ci测量系统产生ci测量输出。所述一个或多个控制器被配置成接收来自ci核心单元的ci测量输出，以用于监测和/或控制所述材料加工系统。所述一个或多个控制器还被配置成从ci核心单元接收ci测量输出，以用于监测和/或控制所述材料加工系统。所述(多个)控制器还被配置成接收校准测量输出并且至少部分地基于所述校准测量输出而控制所述ci测量系统，使得所述(多个)控制器被配置成控制所述ci测量系统，以修改由所述ci测量系统进行的未来测量，以用于所述ci测量系统和所述加工束的对准。17.与本公开的另一方面一致，提供了一种用于校准相干成像(ci)测量系统的方法。所述方法包括：提供材料加工系统，所述材料加工系统被配置成生成加工束并且将其传送到目标；提供相干成像(ci)测量系统，所述相干成像(ci)测量系统被配置成生成测量束并且将其传送到所述目标，并且被配置成提供ci测量系统输出，以用于控制和/或监测所述材料加工系统；从所述ci测量系统和/或从辅助传感器获得校准测量输出；和至少部分地基于所述校准测量输出而自动地控制所述ci测量系统，其中，所述ci测量系统被控制成修改由所述ci测量系统进行的未来测量，以用于所述ci测量系统和所述加工束的对准。修改由所述ci测量系统进行的未来测量可以包括执行系统级校准、执行过程级校正和/或执行过程内级校正。18.在该方法的一些实施例中，所述ci测量系统被自动地控制以修改由所述ci测量系统进行的未来测量，使得针对所述ci测量系统和所述加工束的对准执行静态校准。在该方法的其它实施例中，所述ci测量系统被自动地控制以修改由所述ci测量系统进行的未来测量，使得针对所述ci测量系统和所述加工束的对准执行动态校准。19.与本公开的另一方面一致，一种系统包括材料加工系统、至少一个材料加工系统控制器、相干成像(ci)测量系统和至少一个ci系统控制器。所述材料加工系统包括用于生成激光加工束的激光器和用于将所述激光加工束传送到目标的加工束头。所述激光器被配置成生成基本上是具有小于2.0的m平方值(squared value)的单个空间模式的输出。所述(多个)材料加工系统控制器被配置成致使所述材料加工系统生成所述激光加工束并且将其引导到所述目标以用于校准测量。20.在该系统的一些实施例中，所述材料加工系统控制器可以被配置成促使所述材料加工系统生成所述激光加工束并且将其引导到所述目标以在所述目标上产生物理改性部。在这些实施例中，所述校准测量输出可以基于所述物理改性部，并且所述ci系统控制器可以被配置成控制所述ci测量系统，以将ci测量系统相对于所述物理改性部对准。在其它实施例中，所述材料加工系统控制器可以被配置成促使所述材料加工系统生成所述激光加工束并且将其引导到所述目标以在所述目标上产生局部过程辐射。在这些实施例中，所述校准测量输出可以基于所述局部过程辐射，并且所述ci系统控制器可以被配置成控制所述ci测量系统，以将ci测量系统相对于所述局部过程辐射对准。21.所述ci测量系统包括用于生成测量束的相干成像(ci)核心单元以及用于将所述测量束传送到所述目标的ci扫描模块，其中，所述ci测量系统产生ci测量输出。所述(多个)ci系统控制器被配置成从ci核心单元接收ci测量输出，以用于监测和/或控制所述材料加工系统。所述(多个)ci系统控制器还被配置成接收校准测量输出并且至少部分地基于所述校准测量输出来控制所述ci测量系统。所述(多个)ci系统控制器被配置成控制所述ci测量系统，以修改由所述ci测量系统进行的未来测量，以用于所述ci测量系统和所述加工束的对准。在该系统的一些实施例中，所述ci测量系统可以包括内联相干成像(ici)测量系统，并且所述ci测量系统可以被配置成产生所述校准测量输出。在其它实施例中，辅助传感器可以被配置成产生所述校准测量输出。22.与本公开的又一方面一致，提供了一种用于校准相干成像(ci)测量系统的方法。所述方法包括：提供材料加工系统，所述材料加工系统包括激光器，所述激光器被配置成生成激光加工束并且将其传送到目标；提供相干成像(ci)测量系统，所述相干成像测量系统被配置成生成测量束并且将其传送到所述目标，并且被配置成提供ci测量系统输出以用于控制和/或监测所述材料加工系统；生成所述激光加工束并且将其引导到所述目标以用于校准测量；从所述ci测量系统和/或从辅助传感器获得校准测量输出；以及至少部分地基于所述校准测量输出而自动地控制所述ci测量系统，其中，所述ci测量系统被控制以修改由所述ci测量系统进行的未来测量，以用于所述ci测量系统和所述加工束的对准。在该方法的一些实施例中，所述激光器可以被配置成生成基本上是具有小于2.0的m平方值的单个空间模式的输出。23.在该方法的一些实施例中，所述激光加工束在所述目标上产生物理改性部，所述物理改性部对应于所述加工束的位置。在这些实施例中，所述校准测量输出可以基于所述物理改性部，并且可以控制所述ci测量系统以将所述ci测量系统相对于所述物理改性部对准。获得所述校准测量输出可以包括举例来说用所述ci测量系统测量所述物理改性部。在其它实施例中，所述激光加工束在所述目标上生成局部过程辐射，所述局部过程辐射表示所述加工束的位置。在这些实施例中，所述校准测量输出可以基于所述局部过程辐射，并且所述ci测量系统可以被控制成将所述ci测量系统相对于所述局部过程辐射对准。获得所述校准测量输出可以包括举例来说用所述ci测量系统检测所述局部过程辐射。附图说明24.通过结合附图阅读以下详细描述，将更好地理解这些和其它特征和优点，其中：25.图1是与本公开的实施例一致的能够进行ci系统校准测量的激光加工系统和相干成像(ci)系统的示意性框图。26.图2是与本公开的其它实施例一致的具有用于ci系统校准测量的2d内联相机的激光加工系统和相干成像(ci)系统的示意性框图。27.图3是与本公开的进一步实施例一致的具有用于ci系统校准测量的双包层纤维和光电检测器的激光加工系统和相干成像(ci)系统的示意性框图。28.图4是与本公开的甚至进一步实施例一致的在激光头下方具有用于ci系统校准测量的2d相机的激光加工系统和相干成像(ci)系统的示意性框图。29.图5是一系列图像，图示了使用在标记的校准目标的光栅扫描期间获取的干涉测量输出测量结果执行并且使用一系列图像处理算法处理的示例性过程光束配准校准。30.图6是图示了针对过程光束配准校准采用的干涉测量数据处理算法的示例的框图。31.图7是针对在ci系统校准测量中的特征检测采用的示例性ci系统扫描模块测量结果获取扫描图案的示意性图示。32.图8是图示了被用于在背向反射的过程光束光和从激光相互作用区传出的过程辐射之间进行区分的时间选通策略的示例的图表。33.图9是图示了用图1中所示的系统在激光扫描头扫描场内的两个位置处执行的示例性过程辐射线扫描的曲线图。34.图10是使用具有2d内联相机的设备的过程光束配准的示例的示意性图示。35.图11是ci系统扫描模块和内联相机之间的共享光学路径的示意性图示。36.图12是图示了被用于使用图2的系统中的2d相机来区分过程光束代表者(proxy)和成像光束代表者测量的示例性时间选通方案的图表。37.图13是用以将ci系统参考系与过程光束/工件参考系对准的校准的示意性图示。38.图14是图示了由图1中所示的系统记录的过程辐射测量结果(左)和可以被用于查找数据的形心(centroid)(右)的数据处理操作(例如，噪声抑制和曲线拟合)的示例的曲线图。39.图15是突出显示当在相反方向上扫描时具有正确和不正确的跟踪误差的所命令的成像光束位置和实际测量束位置中的差异的示例的示意性图示。40.图16是图示了在使用正确的跟踪误差(顶部)和不正确的跟踪误差(底部)在两个相反的方向上扫描静态特征的同时获得的示例性信号测量结果的图表。41.图17是随着扫描场位置变化需要应用于成像系统的扫描模块定位命令以校正激光扫描头中的光学畸变的校正的类型的示例的示意性图示。42.图18是用于涉及激光扫描头的设备的路径特定成像光束和过程光束配准测量结果的示例的示意性图示。43.图19是图示了由图3的系统执行的校准测量的图像，所述系统采用双包层纤维与辅助光电二极管相结合，被用于在激光过程期间确定过程光束中心位置(1)和路径方向(2)。44.图20是图示了由图2的系统执行的校准测量的图像，所述系统采用2d内联相机，被用于在激光过程期间确定过程光束中心位置和路径方向。45.图21是图示了由系统使用基于点的测量结果获取(例如，干涉测量输出或与ci系统扫描模块相结合的单点过程辐射测量)来识别过程方向而执行的示例性校准测量技术的图像和图表。46.图22是小孔激光焊接过程的改变(例如，过程速度的改变)可以如何导致蒸汽通道的位置相对于过程光束聚焦位置改变的示例的示意性图示。47.图23是横向于标称激光加工路径方向的测量线的使用可以如何被用于识别标称加工路径和实际加工路径之间的差异的示意性图示。48.图24是局部表面倾斜校准测量过程的示意性图示。49.图25是图示了由ci系统扫描所捕获的工件的区域并且包括使用由ci系统所收集的成像数据所识别的激光斑点直径的图像。具体实施方式50.与本公开一致，用于静态和动态校准的系统和方法可以被用于提供来自相干成像(ci)测量系统(也称为ci系统)的测量束相对于来自材料加工系统的加工束的对准。可以在执行过程之前(即，系统级校准)、在过程期间(即，过程级校准)和/或过程之间(即，过程内级校准)对系统进行校准。尽管所图示的实施例示出激光加工系统，但本文中所描述的系统和方法可以与任何高能束加工应用(例如，电子束)并且不仅仅是激光加工一起使用。ci测量系统的实施例包括举例来说内联相干成像(ici)系统，例如，在第8 822 875号、第9 757 817号和第10 124 410号美国专利、第2020/0023461号美国专利申请公开和序列号为16/721306的美国专利申请(现在第2020/0198050号美国专利申请公开)中公开的系统，所有这些都通过引用完全并入本文中。51.参考图1到图4，与本公开的实施例一致，系统100、100’、100”、100”’通常包括材料加工系统、相干成像(ci)测量系统以及用于控制两个系统的控制器/处理器。材料加工系统包括至少一个材料加工束源(例如，激光器110)，其通过能量束传送系统(例如，激光头112)将加工束111传送到工件102，以执行材料改性过程。ci测量系统包括ci核心单元120，ci核心单元120向工件102提供测量束121，并且从被引导到工件102并且从工件102反射的测量束121的至少一个分量产生干涉测量输出。控制器/处理器(例如，激光控制器154和ci控制器156)中的一个或多个可以被用作监测材料改性过程的至少一个加工参数的反馈控制器以及基于至少一个校准测量而调节相干成像系统的行为的反馈控制器。52.相干成像系统(即，ci核心单元120)包括产生成像光(即，测量束121)的成像光学源(未示出)和使用传送到工件102的成像光的至少一个分量产生干涉测量输出的光学干涉仪(未示出)。相干成像系统还包括扫描模块122，扫描模块122相对于材料加工束源(例如，激光器110)引导成像光的至少一个分量。ci控制器156可以包括对干涉测量输出执行数据处理和分析的处理单元以及协调测量结果获取、引导扫描模块位置并且与外部元件通信的控制器。ci控制器156可以充当使用干涉测量输出测量结果中的至少一个来经由成像系统的测量结果获取和扫描模块定位来校准成像系统的行为的反馈控制器。在一些实施例中，另外或可替选地，由一个或多个辅助传感器或检测器获得被用于校准成像系统的行为的测量结果。53.经受材料加工的工件102可以是具有特定功能性的部件或子部件，或者其可以是其目的是实现相干成像系统校准测量的校准目标。54.材料加工束源可以是激光器110或电子束源。激光束111可以是单模式光束或多模式光束。单模式光束包括2或更小并且更具体地1.5或更小的m平方值的光束。激光束源110可以包括但不限于纤维激光器、盘形激光器、固态激光器、二极管激光器或co2激光器。激光束111可以具有紫外区域、可见区域或红外区域中的光谱分量。55.在激光束的情况下，能量束传送系统(例如，激光头112)可以包括固定光学器件头、摆动头、前物镜扫描头或后物镜扫描头中的一个或多个。激光头112可以包括用以与相干成像系统介接并且与激光束111基本上同轴地引入测量束121的仪器端口。在系统中包括辅助传感器的情况下，激光头110可以包括额外的仪器端口，例如，内联相机端口(参见例如图2)。额外的辅助传感器可以包括内联相机(例如，图2中的2d内联相机230)、光电二极管(例如，图3中的光电检测器330)和光谱仪。辅助传感器还可以具有它们自己的传感器控制模块，以分析和处理测量结果。来自辅助传感器的输出被反馈回到ci控制器156，并且被用于相干成像系统校准。56.使用本文中所描述的系统执行的材料改性过程可以包括但不限于以下各项中的一个或多个：焊接；钻孔；切割；布线；穿孔；铜焊；烧结；表面处理；增材制造；以及减材制造。在第2020/0023461号美国专利申请公开中更详细地公开了使用ici监测和控制摆动处理的一个示例，所述美国专利申请公开通过引用完全并入本文中。57.设备还可以包括其它加工设备，例如，运动控制台(例如，运动台104)、机器人手臂、加工大气系统、气刀、保护气体以及过程控制器。58.ci测量系统可以是更常见的ci测量系统变型中的一个或可以是其变型，包括：时域光学相干断层摄影术(td-oct)；傅立叶域光学相干断层摄影术(fd-oct)、光谱域光学相干断层摄影术(sd-oct)；扫掠源光学相干断层摄影机；低相干干涉测量法(lci)；以及内联相干成像(ici)。59.在sd-oct及其变型中，低相干光源产生处于有限光谱带(举例来说，830到850nm)中的光。该光被注入到干涉仪中，并且最终使用光谱仪进行测量，所述光谱仪可以包括光栅和线扫描相机。在sd-oct型系统中使用的光源的示例包括超发光二极管(sld)和频率梳。60.在ss-oct及其变型中，可调节窄带光源产生注入到干涉仪中的窄带光。所注入光的中心波长在光谱带上被调节以产生单个干涉测量输出。光通常由与光源光谱扫掠同步的光电二极管或平衡光电检测器测量。在ss-oct中使用的光源的示例包括傅立叶域模式锁定(fdml)源和垂直腔表面发射激光器(vcsel)。61.一般而言，ci测量系统变型共享以下特征：分束器(例如，纤维50：50隐失模式耦合器(evanescent mode coupler))，所述分束器将来自光源的光分成将成像光束光传送到被测量的工件的样本臂和含有干涉仪参考光学路径并且可以是静态的或可调节的参考臂。来自样本臂和参考臂的背向反射的光在分束器处重新组合并且传输到成像系统检测器。ci测量系统还包括信号处理器，以解释来自检测器的测量结果。62.在本文中所描述的系统中，光束扫描模块122(例如，检流计扫描仪)被用于动态地控制测量束121(样本臂路径的一部分)相对于加工束111的位置。ci控制器156可以应用系统校准以影响成像束或测量束121相对于加工束111如何定位、何时执行测量和/或如何处理及分析测量结果。ci扫描模块可以包括能够移动或偏转一个或多个测量束的任何装置和/或光学器件，包括但不限于检流计扫描仪、一个或多个移动透镜、压电扫描仪、mems扫描仪、ktn扫描仪、电光偏转器(eod)和声光偏转器(aod)。63.系统进一步包括反馈控制器或处理器(例如，ci控制器156)，以利用相干测量来做出关于过程品质的确定。确定可以是布尔ok/nok确定，或者可以涉及更复杂的过程分析。反馈控制器或处理器还可以利用测量数据来调节过程参数，以改进过程或未来过程的未来方面。64.系统还可以包括用于主要子系统中的每个的控制器(例如，激光器控制器154、激光头控制器152和运动台控制器158)。激光源110可以具有其自身的控制器154，以控制输出功率分布、定时、监测激光健康以及与其它子模块或过程主控器通信。运动控制设备和过程辅助子系统可以具有它们自己的控制器158，以控制操作并且与其它设备通信。激光头112还可以具有其自己的控制器152，以监测激光头健康、驱动光机部件以及与其它设备通信。过程主控制器150(例如，可编程逻辑控制器)可以被用于控制和协调所有各种子系统和它们的控制器。在一些情况下，子系统控制器中的一个(例如，激光头控制器152)可以承担过程主控器的角色。65.系统和对比机制的实施例66.根据各种实施例，不同系统和对比机制可以被用作用以向反馈控制器提供校准测量结果的输入。如本文中所使用，“对比机制”是指允许工件和/或相变区域的一个或多个方面彼此区分的物理属性和/或其测量原理。下文描述了这些系统和对比机制的实施例。67.使用相干成像对比机制的系统10068.根据一些实施例，图1中所示的系统100可以使用干涉测量输出测量结果来将校准测量结果提供给反馈控制器(例如，ci控制器156)。在该实施例中，系统100仍可以并入辅助传感器，但它们的测量结果不用作ci测量系统校准输入。69.在该系统100中，负责产生激光过程的干涉测量输出测量结果的测量系统硬件与被用于生成相干成像系统校准测量结果的测量系统硬件相同。在大多数情况下，该硬件在执行校准测量时维持与在执行过程测量时类似的配置。然而，在一些校准中，可能可期望修改硬件配置、行为和/或参数，以便改进校准测量信号的品质。70.举例来说，在sd-oct型方案中，当测量特定校准特征时，可以增加检测器积分时间以改进snr。在一般的干涉测量设置中，参考光学路径可以被修改以更好地匹配与校准工件相关联的光学路径长度。类似地，可以类似地修改成像光学源功率水平以产生更有利于校准目标测量的背向反射的成像光束水平。71.下文描述了由使用相干成像对比机制的系统100的实施例实现的示例性校准测量例程——过程光束配准。通过分析当ci系统扫描模块122被引导在扫描模块参考系内的特定位置处时所取得的ci系统测量结果来实现相对于过程光束111的ci系统配准。这样的参考系可以包括：在基于检流计的扫描模块的情况下的机械镜偏转角；在模拟检流计的情况下的模拟驱动电压信号水平；在数字检流计的情况下的数字驱动电压信号水平；压电驱动电压；以及扫描模块标准参考系，其可以是或可以不是头部独立的。72.过程光束111在参考系内的精确位置是未知的，并且是校准例程的目标，但是光机部件的机械对准通常确保过程光束111落入扫描模块的扫描场内。在这样的系统中，通过分析工件102的相干测量结果来实现过程光束配准，工件102由于过程光束111而经历了局部物理改性。工件102上的物理改性部被用作用于过程光束斑点的代表者。因为系统中的所有光束传送元件都用于制作该标记并传送/收集成像光束121，所以几乎所有将影响ci测量系统保持与过程光束111准确和精确地共配准的能力的异常效应都可以被立即测量到并且被补偿。73.该对比机制的典型示例涉及用过程光束111在工件102上标记小斑点，使得斑点与未加工的材料相比在高度和/或反射率上不同。相干测量的光学路径长度改变(即，高度)方面可以被用于提供基于路径长度的对比度以识别材料上的斑点。相干测量的背向反射的强度方面可以被用于提供基于反射率(并且在某种程度上基于几何形状)的对比度以识别材料上的斑点。基于高度和强度的对比机制的组合也可以被用于识别过程光束位置。74.通过在扫描模块参考系内的各种点处执行过程感应斑点的相干测量，信号处理和统计算法可以被用于将扫描模块参考系内的区域识别为过程光束(代表者)中心。举例来说，加工过的斑点可以在工件102中形成小的腔。腔的基于高度的测量可以呈现其中表面高度从未改性材料表面朝向腔中心(过程光束中心位置的代表者)减小的行为。在简单的实施方案中，这个位置可以通过取得呈现最低所测量高度的相干测量的位置(在扫描模块系内)来识别。在更复杂的实施方案中，可以采用图像处理算法或拟合操作来识别形心区域。75.除了识别形心之外，本文中所描述的系统还可以被用于确定边界区域、质量中心、功率中心或用于定位过程光束的其它这样的定义。76.可以替代地使用背向散射的强度水平而不是所测量的高度来执行类似的程序。在其它程序中，两个测量结果的组合(例如，强度加权的高度测量、高度加权的强度测量等)可以被用作用于处理的信号。77.如图5中所图示的斑点处理算法的概述中所示，过程光束配准校准可以使用在已标记的校准目标的光栅扫描期间所获取的输出测量结果来执行，并且使用一系列图像处理算法来处理。图6图示了可以被用于过程光束配准校准的干涉测量数据处理算法的更详细示例。78.除了可以被用于识别过程光束代表者的信号类型的变化之外，可以部署不同的扫描模块搜索策略，以便加快获取过程、改进检测准确度、简化数据处理或其一些组合。扫描策略(在扫描模块参考系内)可以包括代表者上方的2d光栅图案、具有迭代地更新的过程光束中心位置的正交扫描向量(例如，用以通过调节两个正交轴线来实现对高斯分布的形心确定的与“使光束步进”类似的过程)、螺旋扫描图案、离散点测量、基于反馈的随机步进扫描等。如图7中的扫描图案示例所图示，不同的扫描模块测量获取扫描图案可以被用于ci系统校准测量中的特征检测，包括正方形网格形成、交叉图案和螺旋图案。79.可以执行对在相同的ci扫描模块位置处的检测器测量结果的平均化，以增强snr并且排除由于过程非理想性引起的变化。可以类似地使用差分测量来增强snr并且减小ci图像中常见的特性散斑图案的影响。在该上下文中，差分测量可以包括在材料表面被改性之前测量材料表面，并且然后在材料表面被过程光束改性之后用基本上类似的获取参数再次测量。然后将两个图像与本领域普通技术人员已知的一个或多个差分计算进行比较。80.使用本征过程发射对比机制的系统10081.根据其它实施例，图1中所示的系统100可以使用本征过程发射作为对比机制。在这些实施例中，ci测量系统硬件可以被配置、操作或扩展，使得ci系统光学部件和检测器可以检测由激光加工应用造成的过程辐射。在该实施例中，系统100仍可以包括辅助传感器，但它们的测量结果不用作ci测量系统校准输入。82.在一些实施方案中，使用本征过程发射涉及：成像光源，所述成像光源可以被关闭或降低到足够低的功率使得其不干涉过程辐射检测；和成像系统检测器，所述成像系统检测器可以被操作使得其可以检测处于背景噪声之上的水平的过程辐射。谱域ci系统特别好地适合于该任务，因为它们可以方便地将它们对过程辐射的检测限制在被用于后续相干成像任务的波长带。这减少和/或消除了源于色像差的配准的误差。83.在系统100的更具体的实施方案中，ci测量系统可以被扩展以适应ci源的光谱带之外的光的传输，以促进通过ci系统部件检测过程辐射。在其它更具体的实施方案中，ci测量系统还可以扩展为包括用以控制进入检测系统的光的量和/或颜色的部件。这样的部件可以包括以下各项中的一个或多个：特定波长滤波器；具有可调节过滤水平的中性密度过滤；改变纤维弯曲半径；纤维衰减器；以及孔径调节(通过可变光阑(iris))。这些元件中的任何一个都可以通过本领域普通技术人员已知的致动器灵活地移除和/或引入到光学路径中。84.在一些实施方案中，通过成像系统光学路径返回的过程光可以被转向到更适合于这样的测量的第二检测器(例如，光电检测器)，或者ci检测器可以被具体地修改以允许更好地检测校准信号。85.下文更详细地描述由系统100的实施例使用本征过程发射对比机制实现的示例性校准测量例程——过程光束配准。通过关闭ci系统光源或将ci系统光源减小到可忽略的水平来实现视场中的过程光束位置。ci测量系统的光学传送路径被用于通过激光头传输从激光相互作用区传出的过程辐射，并且到ci测量系统的检测器上。出于增加过程辐射(例如，黑体辐射)测量的信噪比(snr)的目的，ci光学传送路径可以被暂时修改(例如，光学滤波器或孔径的改变)和/或ci检测器可以使其设置被暂时改变(例如，sd-oct型系统中的线扫描相机上的积分时间的增加)。在采用平衡光电二极管检测方案的ss-oct系统中，举例来说，可以禁用(例如，阻挡)通道对的输入中的一个，以避免校准信号的共模抵消。86.可以执行特定的激光过程，以便生成要被用作用于过程光束中心的代表者的局部过程辐射源(例如，黑体发射器)。特定的工件/测试件材料类型可以被用于增强检测器上的代表者信号。钨可以被用于允许增加的加工光束能量密度及抗表面熔化。其它材料(类型和几何形状)可以被用于针对特定黑体辐射光谱进行具体优化。特定的激光加工参数(例如，低功率脉冲对高功率脉冲)也可以被用于增强代表者信号或防止对工件的损坏。非损坏性的激光过程允许生成用于代表者检测的过程辐射，同时保留底层的零件——从而使得有可能直接在生产零件上并且直接在生产环境内执行配准程序。87.额外的辅助激光工艺考虑可以被用于进一步增强工件对损坏的抵抗力和/或增强所测量的过程辐射信号。在激光加工期间，部署于工件表面上方的保护气体可以有助于稳定表面温度、减轻工件氧化及保持检测到的信号水平一致。可以使用气刀来防止过程蒸汽遮蔽到检测器的光学路径，而这不利地影响snr。88.在其中色像差可能对准确的过程光束配准引起问题的一些情况中，例如在基于扫描仪的激光加工中，可以在生产时或在校准程序期间有意或无意地、永久或暂时地修改ci光学传送路径，以改进ci源带之外的光谱带的抑制。出于代表者识别的目的，仅传输与ci光源重叠的过程辐射的光谱分量可以减轻与激光头的色像差相关联的任何配准误差。89.在其中与色像差相关联的系统误差可以忽略或不存在的其它情况中，ci光学传送路径可以被修改以传输更宽的光谱带，以改进所收集的过程辐射信号。在一些情况中，ci光学传送路径可以被修改为以过程辐射的一个或多个特定光谱带为目标。特定光谱带的目标有助于改进配准准确度，因为某些光谱带可能与代表者更强烈地相关联，而其它光谱带可能是环境或被用于创建代表者的过程的副产品。90.举例来说，激光脉冲可以被用于在钢板上建立激光相互作用区，以充当黑体发射源(代表者)，其中，空间黑体发射分布的峰值与加工光束的中心一致。与代表者相关联的主要光谱分量主要落在光谱的红外部分中。等离子体可能作为激光过程的非预期副产品而产生，这又可能增加可见和紫外光谱区域中的过程辐射水平。由于过程环境和过程设备(例如，保护/覆盖气体流)，与峰值等离子体辐射信号相关联的空间位置可能不同于与黑体发射源的中心相关联的空间位置，并且可能引起确定代表者的中心位置的误差。通过抑制红外区域之外的光谱分量，可以抑制与等离子体相关联的信号，并且可以以改进的准确度来检测黑体发射源中心。类似地，可以在ci系统光学路径中采用凹口滤波器来阻挡背向反射的过程光束光，以更好地以黑体辐射为目标。91.在一些实施例中，用光学部件过滤掉过程光束辐射可能是不可行的。在这种情况中，时间选通可以被用于将激光相互作用区中的过程辐射与背向反射的过程光束光分离。这样的时间选通的示例包括基于脉冲的激光加工波形，其中仅在脉冲的工作循环的关闭部分期间执行(或保存)过程辐射测量。如图8中的时间信号选通示例中所示，时间选通策略可以被用于在背向反射的过程光束光和从激光相互作用区传出的过程辐射之间进行区分。对激光功率分布(实线)的知晓允许仅在激光器关闭时进行的检测器信号测量(虚线)被隔离。如果不知道激光功率分布，则检测器信号的特定特征(例如，尾部区域(目标信号))可以被用于隔离与所期望的过程事件相关联的检测器信号。这种类型的选通确保由测量系统仅收集在工件表面处生成的辐射。可以使用类似的时间选通技术来有效地过滤掉可能具有更短或更长衰减时间的不想要的光谱分量。92.在一些实施方案中，可以通过访问(或命令)激光选通驱动信号来实现精确的时间选通。然而，在一些情况中，经由该方法执行时间选通可能不可行或不准确。因此，所获取信号本身的特性可以被用于执行时间选通。作为示例，识别由尾部区域跟随的大尖峰可以被用于隔离呈信号尾部的形式的所期望光谱分量(参见图8)。在其它实施方案中，额外的光电二极管可以被用于通过背向反射的过程光束光的测量来光学地识别激光器开启周期。93.在其中加工光束波长和成像光束波长足够靠近使得色像差产生可忽略的误差或者其中光学传送系统被构造成使得色像差不是问题的另一示例中，背向反射的过程光束本身可以被用作用于检测的代表者。在这样的示例中，可以选择激光过程，使得激光强度太低而不能产生对工件的任何显著加热或对加工光束的吸收。相反，加工光束光从工件背向反射掉，并且其一部分通过ci光学传送路径传输并且传输到检测器上。在这个示例中，背向反射的光的峰值空间强度被用作用于过程光束中心的代表者。94.可以应用与上文描述的(例如，参见图7)类似的扫描模块扫描策略和信号处理策略来获取和分析检测到的过程辐射信号。在图9中示出了沿着穿过激光相互作用区的线性扫描的点的测量到的过程辐射。图9示出了使用沿着x轴的扫掠在激光扫描头扫描场内的两个位置处执行的过程辐射测量。强度分布(例如，其峰值或形心)被用作用于ci系统扫描模块系内的过程光束位置的代表者。可以执行类似的测量以确定沿着y轴的对准。如图9中所示，在激光头扫描场的中心处，ci参考系与过程光束的对准良好。因此，扫掠的强度分布在沿着在ci参考系中执行的扫掠的0μm的距离处最大化。由于色像差，在于激光头扫描场中偏离中心的点(右上)处，在ci参考系中执行的相同测量扫掠在沿着扫掠的-200μm处呈现峰值强度分布信号。然后，未来的ci测量光束定位操作可以考虑到该误差，以改进定位准确度。95.可以在过程光束扫描场内的其它地方处以及沿着其它ci参考系轴线执行类似配准测量，以改进总体校准。可以应用类似于“使光束步进”的迭代扫描技术来改进测量准确度。可以执行对在相同的ci扫描模块位置处的检测器测量结果的平均化，以增强snr并且排除由于过程非理想性引起的变化。96.具有2d内联相机的系统100′97.图2中所示的系统100’进一步包括举例来说联接到能量束传送系统中包括的2d相机端口的2d内联相机230。在一些实施例中，ci控制器156可以包括用于提取和分析2d相机测量结果的至少一个处理单元，并且由2d相机测量结果获取的数据可以被传递到负责实施ci系统校准的反馈控制器。98.在大多数实施方案中，ci系统硬件允许成像光源被关闭或降低到足够低的功率，使得其不干涉过程辐射检测。可替选地或另外，成像光源可以在时间上被修改，使得对于至少一个时间例项，它不干扰过程辐射检测。99.在许多实施方案中，2d相机测量结果由相机控制器提取并且传递给负责执行数据处理操作的另一控制器。然而，在一些情况中，相机控制器可以承担该责任。数据处理可以由另一件专用硬件来执行，或者可以在现有硬件(例如，反馈控制器)上执行。100.包括在能量束传送系统(例如，激光头122)中的2d相机端口可以被以内联相机配置使用(例如，透过光束传送系统观察)。在其它实施方案中，2d相机可以被设置成离轴的，以避免共享加工光束和成像光束光学路径。在离轴配置中，多个2d相机可以被用于在校准测量期间实现多个视角。在任一配置中，2d相机光学路径还可以包括额外光学器件(例如，聚焦透镜、滤波器、孔径、反射镜)以改进校准测量品质。光学路径还可以被设计成更好地传输某些光谱带(例如，nir)并且具体地抑制其它光谱带(例如，vis)。101.2d相机230相对于处理光束111和测量光束121的特定光学路径可以是可变的。在一些实施例中，相机端口可以与测量光束121共享光学路径的至少一些部件。在其它实施例中，在光学路径中不存在重叠。2d相机硬件还可以具有根据被执行的校准测量的类型可配置的可调节性质(例如，曝光时间、帧速率、视场)。102.下文更详细地描述由具有2d内联相机230的系统100’的实施例实现的示例性校准测量例程——过程光束配准。通过执行成像光束到内联相机参考帧(例如，相机帧像素)的配准以及加工光束到相同内联相机参考系的配准来实现过程光束配准。当两个光束或更具体地它们的个别光束代表者在相机参考系中被配准时，相机帧内的分离距离可以被用于量化成像光束和加工光束配准的程度(或相反地量化它们的未对准程度)。103.图10示出了使用2d相机的加工光束和成像光束代表者配准的示例。2d内联相机检测背向反射的成像光束光(成像光束代表者)和过程辐射(过程光束代表者)。图像处理被用于识别未对准的程度并且相应地校正成像光束位置。图10中的图像示出了成像光束代表者和加工光束代表者的未对准。为了将成像光束代表者配准到加工光束代表者，可以记录2d相机上的加工光束代表者位置。ci系统扫描模块被用于主动调节成像光束位置，直到其代表者位置与加工光束代表者重叠(在可接受的程度内)为止。在成像光束位置相对于2d相机帧的特定校准已经被先验地执行使得相机上的成像光束代表者位置被映射到ci扫描模块位置的情况中，成像光束与加工光束的配准可以通过从相机上的成像光束代表者和加工光束代表者之间的位移对校正反算来执行。104.在这种类型的设置中，光学路径和2d相机设置准许成像光束代表者和加工光束代表者的检测。可以类似于上文针对系统100描述的加工光束代表者，使用本征过程发射对比机制来建立加工光束代表者。可以通过使用从工件的表面背向反射的成像光束光的至少一些分量来建立成像光束代表者。类似于针对使用本征过程发射对比机制的系统100的工件材料和几何形状优化所描述的，可以选择工件材料和几何形状以将特定量的背向反射的成像光束转向到2d相机。105.在其中共享了相机光学路径和ci系统光学路径的情况中，如图11中所示，可以通过分光器实现将背向反射的光束中的一些从ci系统转向到相机。取决于ci系统检测器和相机的规范和要求，分光器的比率(例如，50∶50对90∶10对99∶1)可以是设备特定的。也可以使用偏振ci光源和偏振分光器来实现光的分割。将背向反射的成像光束光引导到相机上的其它可能装置包括机械可调节反射器(例如，反射镜)，以在期望进行相干测量时将光引导到ci测量系统，以及在期望进行加工光束配准时将光引导到相机。106.在其中相机光学路径与ci系统光学路径分离(例如，离轴相机)的情况中，可以有意地选择工件几何形状和/或材料类型和/或夹具位置以引起目的在于增加沿着相机光学路径引导的光的量的漫散射或成角度的镜面反射。107.成像光束代表者和加工光束代表者两者都在2d相机上配准的事实对个别检测呈现了一些额外的挑战。随着成像光束与加工光束的配准改进，两个代表者开始在相机上重叠，并且可能不可单独地区分。如果色像差是不显著的，并且加工光束代表者由与成像光束代表者不同的光谱分量组成，则可以应用可调节光谱滤波来分辨检测器上的每个光束代表者。然而，如果色像差是不可忽略的，或者如果更简单的实施方案是有利的，则两个斑点可以在时间上被分辨。图12示出了被用于使用2d相机来区分过程光束代表者和成像光束代表者测量的2d相机时间选通方案的示例。如所示出，激光功率(顶部图表实线)和成像光束功率(顶部图表虚线)的时间调制以及与2d相机帧的同步允许将帧分类为过程光束代表者帧(底部左图表)或成像光束代表者帧(底部右图表)。108.举例来说，可以通过关闭或阻挡ci光源首先在相机上检测加工光束代表者。可以使用类似于针对系统100所描述的激光过程使用本征过程发射对比机制的激光过程来在检测器上生成加工光束代表者。一旦在相机帧中识别出加工光束代表者，就存储其中心像素位置，并且停止激光过程。然后打开ci光源。从工件背向反射的成像光束光在相机上提供成像光束代表者。然后成像光束代表者的中心像素可以被记录，并且被与过程光束代表者中心进行比较，以确定配准的程度。然后该信息可以被反馈给ci系统(如上文所描述)，以进一步改进校准。109.取决于2d相机的帧速率、加工光束上升/下降时间、ci光源上升/下降时间和工件，两个代表者也可以通过执行脉冲激光加工序列来在时间上进行分辨。虽然多脉冲序列对于执行两个光束代表者的共配准不是严格必要的，但其确实允许执行帧平均化以增强与每个代表者的中心识别相关联的snr并且允许更准确的测量。可以使用帧平均化来对抗由各种源造成的噪声，包括相机快门噪声、激光过程非理想性、工件表面缺陷、低信号水平、差的相机对比度等)。110.除了在时间上选通加工光束代表者信号和成像光束代表者信号之外，还可能需要针对加工光束代表者获取、针对成像光束代表者获取或针对两者来具体地修改系统设置。由于每个辐射源的性质的不同，当测量每个代表者时，很可能辐射强度水平可以是不同的。因此，可能需要应用一些技术(例如，动态光学过滤、调节相机曝光时间、加工功率调节或成像光束功率调节)来确保每个代表者的光学强度水平处于检测器的可测量范围内。111.具有双包层纤维的系统100”112.图3中所示的系统100”进一步包括双包层纤维330，双包层纤维330被用于在它的核心内传输相干成像系统光并且在它的包层内传输过程辐射。在该系统100”中，至少一个光电检测器332被用于测量来自双包层纤维包层的过程辐射，并且数据处理硬件(例如，ci控制器156)被用于提取光电检测器测量结果。在美国专利第10124410号中描述了这种配置的细节，所述美国专利通过引用完全并入本文中。在系统100”的大多数实施方案中，ci系统光源是可控的，使得其可以被调节以促进或不干涉系统校准测量。113.由系统100”实现的示例性校准测量例程——过程光束配准——类似于上文针对使用本征过程发射对比机制的系统100所描述的示例性校准测量例程。在这个示例中，通过收集过程辐射、将其传输通过双包层纤维的内包层、并且将其在光电检测器上配准来测量过程光束代表者。与使用本征过程发射对比机制的系统100不同，由ci系统检测器收集的过程辐射并不用于校准测量。光电检测器测量与ci系统扫描模块位置同步，以将测量结果映射到有用的ci系统参考系。114.当试图将成像系统参考系与过程辐射共配准时，相干测量光束光谱带和由内包层收集的光谱分量之间的色像差异可能导致色像差。为了考虑到这些误差，可以通过数据处理来校正(例如，提前校准、建模)色像差效应，或者可以通过光学地过滤掉距测量光束光谱带足够远的过程辐射光谱分量来消除色像差效应。115.具有定位在下方的2d摄像机的系统100”’116.图4中所示的系统100”’进一步包括定位成足够靠近过程的工作平面(即，含有工件表面的平面)的2d相机430。系统100”’还包括用以控制到达2d相机的光的量和光谱分量的光学过滤元件(未示出)以及用于提取和分析2d相机测量结果的至少一个处理单元(例如，ci控制器156)。由2d相机测量结果获取的数据可以被传递到负责实施ci系统校准的反馈控制器。117.由系统100”’启用的示例性校准测量例程——过程光束配准——类似于上文针对包括2d内联相机的系统100’所描述的示例性校准测量例程。然而，在这种情况中，2d相机430被定位在工作平面处，并且被直接用于检测加工光束和成像光束。2d相机430通常还具有额外的过滤，以确保测量光束和加工光束被充分衰减到可由检测器测量的水平。118.系统100”’还可以包括额外的自动化硬件和控制器，以使得能够在执行校准的同时将2d相机430自动定位在正确的校准测量位置处，并且将2d相机430定位成使得当执行激光加工时其不挡道。在其它系统中，2d相机430的定位可以由系统操作者手动地执行。119.可以使用与针对系统100’所描述的技术类似的技术来同步化光束在相机430上的位置和测量，以允许区分每个光束类型。在许多情况中，可期望加工源和成像光源功率水平的进一步同步，以实现在检测器的范围内(即，高于检测器噪声并且低于其饱和值)的读数。120.在某些情况中，可能无法将加工源功率降低到其可以由检测器测量到的足够低的水平。为了适应这点，一些系统可以利用源泵泄漏光而不是操作性光束。在其它系统中，可以使用额外的光学光束采样部件来在加工光束到达检测器之前减小加工光束的强度。一些系统可以进一步包括校准光源，所述校准光源具有与加工源类似的光谱品质但处于基本上较低的输出功率，所述校准光源可以基本上沿着加工光束光学路径被引导。该校准光源可以被用作用于2d相机测量的过程光束源的代表者。虽然成像光源功率水平通常可以减小到足够低以被检测到，但相同的技术也可以应用于成像光束。121.在进一步的实施例中，上文系统100、100’、100”、100”’中的任何系统的组合可以用于实现不同的检测对比机制，因为不同的技术可以更好地适合于某些类型的配准程序和激光过程。122.校准类型123.可以使用上文描述的系统执行各种类型的校准，以有益于不同类型的激光加工应用。本文中所描述的示例是激光焊接应用中通常遇到的非限制性示例。虽然在激光焊接的上下文中描述了这些示例，但是这样的示例和配准过程可以扩展到其它形式的能量束焊接和其它激光加工应用。124.通常，在校准过程没有先验输入的情况下，校准测量可以由系统执行。然而，在一些情况中，先验信息对于减少校准时间和增加校准准确度可能是有用的。先验信息可以呈以下各项中的一个或多个的形式：默认校准，其从类似子系统上的一系列相同类型的过去校准测量结果编译而来；针对同一子系统的过去的校准测量结果；以及来自光学模型或模拟的输出，例如由计算光学模拟软件(例如，迈克尔逊光学设计(zemax optical design))所采用的光学模型或模拟。125.对于一些应用，可以使用先验信息来实现足够的校准，但在大多数应用中，使用先验信息来补充测量系统校准例程。126.静态校准127.上文系统可以被用于执行静态(即，非过程特定的)校准测量。这样的测量通常在ci测量系统首次集成到激光加工站中时或者对ci传送光学器件和/或过程光束传送光学器件执行修改时执行。对于具有高精确度校准要求的应用(例如，单模激光加工)，可以更频繁地执行这样的校准，以补偿设备公差限制、温度漂移、环境波动、机械振动、加工期间的动态力等。通过与过程主控器和/或外部设备通信，可以在批量生产中在使用所述系统的背景中执行这些静态校准中的一个或多个。128.在失败的品质测量的某一阈值之后、在温度改变之后、在维护之后或在加工系统的一个或多个零件被替换之后，还可以对由系统周期性地加工的工件执行一个或多个静态校准程序。由于工件上的可用空间在校准标记附近可能具有几何复杂性，一些实施例包括抑制所扫描图像数据的一部分的能力，使得这些区域不会错误地吸引和混淆对比度检测算法。在其中执行多个校准程序的情况中，可以对这些结果进行平均，并且分析它们的分布，以确定过程光束和测量光束的配准是否可能是正确的。举例来说，如果测量结果的分布的宽度等于或大于工件处的过程光束的预期尺寸，则配准可能不是很好。然而，如果测量结果的分布比该值小得多，则良好配准的机会很高。129.首先在校准的上下文中描述以下示例。额外的子示例被用于图示可以如何部署上文描述的系统/对比机制以执行这样的校准。尽管本文中仅描述了几个选择的子示例，但上文描述的系统和对比机制可以被用于本文中未明确描述的其它子示例中。特定的校准可以使用上文描述的系统和对比机制的实施例来实现。130.过程光束/工件参考系配准131.在具有激光头的ci系统集成中，过程光束对准/配准为ci系统扫描模块参考系提供了有意义的原点。成像系统扫描模块的硬件原点(电气/机械参考系原点)在没有校准或对准的情况下不会自然地与过程光束中心一致。因此，过程光束中心配准测量对于将成像系统扫描模块原点与过程光束中心对准是有利的。如图13中所示的成像系统参考系对准所图示的，可以使用校准来将ci系统参考系(成像系统系)与过程光束/工件参考系(激光头参考系)对准。132.对过程光束中心在成像系统扫描模块xy系中的测量为成像系统提供xy校正以使其参考系以过程光束原点为中心。类似的校准可以被用于将成像系统扫描模块xy定向与工件/激光头xy定向对准，并且提供缩放校准以将成像系统扫描模块xy标度(scale)与工件/激光头xy标度匹配。133.过程光束中心检测可以通过上文描述的代表者和对比机制(例如，过程辐射、工件表面划界和后续基于光学路径长度的感测、工件表面划界和后续背向反射的光束强度等)中的一个或多个来实现。过程光束中心的后续检测可以用上文描述的传感器中的一个或多个来执行。下文示例图示过程光束中心对准程序的可能实施方案，但许多其它变化也是可能的。134.在一个实施方案中，过程光束被用于在定位于激光头下方的工件上标记小特征。该特征被标记得小得足以将其形心定位在可接受的公差(例如，±10-20μm)内，但大得足以对零件表面产生可由相干测量系统检测的畸变(例如，高度的变形、表面反射率的改变、偏振的改变等)。其中最大或最小畸变与过程光束中心一致的畸变通常是可期望的——举例来说，激光烧蚀过程，其中，所得的孔具有与过程光束中心一致的最大深度。也可以使用其它激光标记和/或点焊接。用于该校准的材料包括阳极化铝、铝、钢、不锈钢、铜、镀镍铜和其它常用金属。也可以使用聚合物和石墨。特定来说，石墨是有利的，因为其在常规大气压力下没有液相。这意味着激光标记的边界可能被清楚地限定，并且容易用图像处理算法分割。在一个实施例中，被标记的材料是在单元上制造的产品，这允许在生产中的光束共配准进行实时重新校准和/或验证。135.成像系统扫描模块以限定的扫描图案在工件上方移动成像斑点，并且在每个位置处记录所期望的测量量(例如，深度、强度等)。用目标信号值(例如，局部最大值或最小值)将过程光束中心识别为扫描模块参考系内的成像斑点位置。也可以采用额外数据处理技术(例如，拟合、平均化和过滤)来增强检测准确度。136.该过程的特定实施方案涉及校准目标的两次测量获取——一次在激光斑点加工之前，并且一次在激光加工之后。激发前获取是从未加工的校准目标或校准目标的未加工区域获得的。激发后获取是在执行激光加工以在目标上创建特征之后获取的。该过程可以是标记型过程或烧蚀型过程。示例性激光加工参数包括：用连续波单模激光器生成的3ms、600w脉冲；以及用连续波多模激光器生成的2ms、2000w脉冲。校准目标的材料类型是上文描述的。每个获取是表示随着空间中的3d位置变化的背向反射的强度的4d数据集，并且通过在矩形光栅图案上方扫描成像光束的同时执行相干测量而获得。计算获取之间的绝对差。然后执行一系列图像处理操作(例如，强度阈值化、轮廓计算和凸包计算)以增加图像对比度并且检测特征点。137.使用其中每个后续阶段比前一阶段具有更少的数据点的分层过滤方案来清理数据。该方案被分成预处理、特征点提取和几何拟合阶段。预处理阶段利用最近邻去噪和图像强度阈值技术(nearest neighbor denoising and image intensity thresholding technique)来提取所获取数据中的最大并且最可见强度的斑块。特征点提取阶段取决于斑块近似和凸包计算，以便计算来自前一阶段的所提取的强度斑块中的特征点。几何拟合阶段将圆拟合到所提取的特征点——为在前一阶段中提取的特征点计算边界框和最小封闭圆。几何拟合的输出被用于确定过程光束代表者位置并且评估算法的准确性。拟合形心被指定为过程光束代表者位置。拟合半径被用于通过与由加工光束斑点尺寸和过程参数支配的值的预期范围进行比较来确定拟合的准确度。138.可以执行不同的扫描图案和搜索优化策略以增强检测速度和准确度，如图7中所示。简单扫描图案包括矩形网格、圆形网格、螺旋网格、矩形光栅扫描、螺旋扫描和十字准线扫描图案。更复杂的搜索可能涉及具有逐渐更精细的搜索位置的迭代方法、包括随机行走的更复杂的搜索策略、先验测量的使用以及模型的使用。139.校准例程的输入可以包括举例来说穿过激光头的标称过程光束路径和成像光束路径的光学建模、先前校准点值的收集和/或类似校准点值的收集。这些输入可以被用于提供开始点，上文概述的校准扫描图案以所述开始点为中心。更准确的开始中心点可以涉及更少的测量迭代以实现相同水平的校准准确度。更具体的示例涉及针对标称光学配置使用计算光学模型来产生成像光束校正向量，以将成像光束与工件表面附近的加工光束对准。可以针对不同光学配置(例如，激光扫描头中的扫描反射镜角度或不同的散焦位置)生成一系列校正向量。校正向量由测量系统在其校准例程期间使用，以使矩形光栅扫描图案以标称校正的位置(即，从计算光学模型产生的位置)为中心。这增加了校准代表者位于校准测量扫描视场内的可能性，从而减轻了对相同系统校准的搜索例程和迭代测量的需要。140.在另一实施方案中，使用过程光束经由加热在工件的表面上产生黑体辐射源。辐射源最常见的是黑体发射器，但在一些实施方案中可以是由过程生成的等离子体。通过仔细选择过程参数，有可能在材料的表面上产生辐射源而不会对材料本身造成显著的损坏。这样的过程对于目标再使用、检测准确度可能是有益的，并且甚至可能允许生产零件被用于过程。使用生产零件作为校准目标可以允许减少高生产量生产线上的停机时间，并且可以实现更频繁的重新校准。因为黑体源主要通过能量吸收和传导到大部分材料中来介导，其表观位置应该是极其稳定的，并且关于过程光束的中心对称。这可以提供非常准确和可重复的光束配准。141.如上文所描述的，可以直接使用相干测量系统光学器件(例如，图1中所示的系统100)、使用双包层纤维的包层结合光电二极管(例如，图3中所示的系统100”)、2d内联相机(例如，图2中所示的系统100’)或其一些组合来捕获由源产生的辐射。在直接相干测量系统检测或双包层纤维检测的情况中，测量斑点以扫描图案移动，如上文所描述的，并且在每个位置处记录所检测到的强度。与最大强度相关联的扫描位置(或类似突出特征，例如，信号质量的中心)被识别为过程光束原点。可以在检测之前对过程辐射应用光谱过滤以改进准确度。142.图14中示出了在沿着成像系统扫描模块轴线中的一个的线扫描期间由相干测量系统直接记录的过程辐射测量结果的示例。图14中所示的过程辐射线扫描拟合图示了由系统100记录的过程辐射测量结果(左曲线图)和数据处理操作(右曲线图)。左边的曲线图示出了随成像系统测量位置沿着其搜索轴线变化的辐射强度测量结果。右曲线图示出了额外数据处理和拟合算法(例如，噪声抑制和曲线拟合)的结果，以查找形心。在这种情况中，拟合形心表示沿着ci系统扫描轴线的过程光束中心位置。这里，扫描轴线距离比例已经被调节，使得零位置对应于拟合的中心，以图示校正后的ci光束位置。143.在2d内联相机的情况中，过程辐射被记录在相机上。背向反射的成像光束可以同时或随后被记录在相机上(参见图10)。上文更详细地描述了这样的检测的可能排序。如果内联相机已经相对于成像系统被校准，则成像光束位置校正可以被用于直接计算对成像光束扫描模块的校正。然而，如果尚未执行这样的校准，则可以在不同的成像光束位置处(如由扫描模块引导)执行背向反射的成像光束的额外获取，直到成像光束定位误差(相对于相机上的过程光束中心)已经被充分地最小化为止。也可以应用额外的数据处理和光谱过滤来改进性能。144.在许多实施方案中，过程光束中心位置被自动地检测，或者在最小的用户输入的情况下被检测，并且被保存为一般系统校准。145.类似的技术可以被用于识别和校准ci系统相对于更方便的参考系(例如，激光头系、工件系或世界系)的缩放和旋转。虽然缩放和旋转是由ci系统使用的主要校正性变换，但可能可期望额外变换(例如，反射和畸变校正)来改进测量系统的定位准确度。这些校准测量的方面可以允许使用相同的校准过程来识别针对ci系统的多个变换校正。然而，也可以独立执行这些变换类型校准测量。146.由于问题的几何性质，变换校准通常比过程光束原点类型校准涉及更多。它们通常涉及在工件上(或在激光头下方)创建一个以上特征，例如校准目标/工件上的标记或辐射发射器。为了确定缩放因子，举例来说，在ci系统待被对准的参考系中创建已知分离距离的两个特征。在ci系统参考系中识别特征，并且确定在ci系中特征之间的分离距离。ci参考系距离与目标参考系距离的比率被用于确定ci系统的校正性缩放因子。147.相同的识别特征可以被用于确定ci系统所期望的旋转校正。如果参照目标参考系中的已知轴线或一组轴线标记了特征，则可以使用相对于ci系统参考系中的特定轴线的特征位置来计算旋转以将两个参考系对准。148.对于这些类型的校准过程，与激光源和/或单元同步(例如，通过标准通信协议或间接地经由单元操作者)可能是有利的。149.上文程序可以被扩展以包括更复杂的特征生成，以便举例来说通过创建关于目标参考系中的多个轴线具有明显不对称的特征来考虑到参考系畸变和反射。150.在一些ci系统光学路径配置中，可以使用类似类型的多个变换校正因子(例如，多个缩放因子)来考虑到：ci系统参考系中的多个轴线(不一定正交)；目标参考系中的多个轴线(不一定正交)；ci系统光束路径中的光学畸变(例如，与ci扫描模块相关联的光学畸变)；激光头光束路径中的光学畸变(例如，扫描头中的透镜畸变)；目标参考系中的不同几何形状(例如，圆柱形表面对球形表面对平面表面)；和ci扫描模块跟踪误差。151.ci系统扫描模块被用于相对于目标参考系定位和扫描成像光束。扫描由光学装置实现，光学装置受惯性和有限加速度和/或转换速率限制。因此，成像光束的真实位置滞后于所命令位置一个跟踪误差。在简单的形式中，跟踪误差表现为在所命令位置之后的成像光束位置的恒定时间滞后(例如，0.1ms)。通常，跟踪误差跟随更复杂的系统响应，并且通常取决于输入驱动命令本身。152.本文中呈现的示例图示了跟踪误差的最简单形式，但是所概述的技术可以被扩展以识别和校正跟踪误差的更复杂模型。通过在目标参考系中创建一个或多个特征(例如，高度标记或过程辐射发射器)并且命令ci系统扫描模块在不同方向上并且沿着不同的轴线扫描过特征，可以确定跟踪误差。153.图15图示了当跟踪误差被正确考虑到与不正确地考虑到时在目标参考系中的定位的差异。具体而言，图15中所示的跟踪误差示意图突出显示了当在相反方向上扫描时在具有正确和不正确的跟踪误差的情况下所命令的成像光束位置和实际测量光束位置中的差异。不正确的跟踪误差情况突出显示了可以如何使用在一个方向上扫描时测得的静态特征与在另一个方向上扫描时测得的静态特征之间的距离来计算跟踪误差距离。当正确地校准时，在目标参考系中的位置上方的扫描产生与扫描方向无关的相同测量信号。当不正确地校准时，在目标参考系中采样的实际位置相对于同一参考系中的所命令位置系统地偏离。尽管图15中的示例示出了真实位置滞后于所命令的位置，但对于某些类型的不正确的跟踪误差，真实位置可能领先于所命令位置。154.在正确类型的目标和成像系统扫描图案的情况下，可在成像系统(或辅助系统)的目标参考系特征的测量结果中识别不正确的跟踪误差，如图16中所示。特定来说，图16示出了在使用正确的跟踪误差(顶部)和不正确的跟踪误差(底部)在两个相反的方向上扫描静态特征的同时获得的示例性信号测量结果。如所示出，在一个方向上扫描在ci系统扫描路径中的一个位置/时间处产生峰值信号，例如与来自过程辐射发射器的峰值发射强度相关联的峰值信号，而在相反方向上扫描在相同特征上方的相同图案在ci系统扫描路径中的不同位置/时间处产生峰值。使用扫描路径中的时间/位置上的差异来确定跟踪误差。在一些情况中，该差异与扫描模块或其它ci系统校准的额外知晓或建模相结合使用，以确定跟踪误差。155.如先前所识别，跟踪误差有可能取决于驱动命令的方面。这样的相依性的示例可以包括命令速度、命令位移和扫描模块轴线。为了改进ci系统准确度，可以在不同的输入条件下执行多个跟踪误差校准。156.类似地，为了正确地获取跟踪误差校准测量结果，ci系统以及在一些情况中其辅助传感器可以被修改(相对于其测量操作条件)以收集校准测量信号。举例来说，可以延长ci系统检测器积分时间，或者可以执行额外的测量平均化，以实现来自过程辐射发射器的更好的snr。也可以实施特殊的激光过程以生成这样的信号。157.在ci系统的生产期间，仅执行ci扫描模块跟踪误差校准可能就足够了。然而，跟踪误差校准可以在终端使用应用中执行，以用于改进的测量准确度。158.ci扫描模块长期漂移159.工程公差可能导致ci系统扫描模块的长期漂移，其中，(例如，目标参考系配准、跟踪误差等的)校准准确度随时间恶化。改变的环境条件(例如，温度)可能使过程加速。160.为了对抗长期漂移并且确保足够的扫描模块定位准确度，可以周期性地执行上文描述的类型的扫描模块校准。可以自动地检测和实施更新的校正的相干测量系统极大地有益于终端用户。成像系统与激光加工单元的自动化和同步进一步简化了重新校准序列，从而允许自动地(或半自动地)执行测量结果的生成和检测。161.扫描仪场校正162.在固定的光学器件激光头中，由于过程光束相对于激光头的位置是固定的，因此单个过程光束/工件参考原点配准可能是足够的。然而，固定的光学器件实施方案中的进一步扩展可以涉及对于不同的散焦位置(例如，相对于激光头的焦平面的不同平面)的多个共配准。163.当激光头涉及光束扫描光学器件时，共配准校准过程出现复杂情况。扫描光学器件允许加工激光束的焦点相对于激光头移动。激光扫描头的示例包括但不限于可从ipg光子公司(ipg photonics corporation)得到的2d高功率扫描仪和3d高功率扫描仪。164.在基于这样的扫描仪的实施方案中，成像系统参考系可以在整个激光头扫描场的多个位置处与过程光束位置(和参考系)配准。在一些应用中，可以通过限制扫描场的有效工作面积(或体积)来放宽配准要求。类似地，在配准精确度要求降低的应用中，可能没有必要在扫描场内的多个位置处进行校准。165.然而，存在其中这样的额外配准可能是可期望或有利的应用和扫描头硬件。示例性应用包括单模激光加工应用，例如，电迁移部件的小孔焊接，其中由窄直径的单模光束在工件表面上产生的相变区域相对于测量系统在扫描场中的不同位置处的共配准误差较小。在这样的应用中，缺少额外的校准点可能引起测量结果在扫描场内的一个或多个区域处偏离目标。用于一些应用的相关定位标度可以是大约几微米到几十微米。166.其中额外共配准可能可期望或有利的示例性硬件部署包括其中测量光谱带不同于加工光束光谱带的系统。在这样的系统中，由头内的各种光学部件引起的色像差引起测量斑点针对扫描场内的不同位置从加工光束的聚焦位置偏离不同的量。这样的偏差可能大得足以引起在相对于相变区域或工件上的特定特征的不正确位置处进行测量。167.图17中示出了随着扫描场位置变化可以应用于成像系统扫描模块定位命令以校正激光扫描头中的光学畸变的校正的类型的示例。此示例图示了可以被用于2d扫描头的2d校正的类型。可以使用类似的3d校正来校正3d扫描头。168.除了由色效应引起的扫描场共配准误差之外，在扫描场中的不同位置处的共配准误差可以由其它光学和几何效应引起。举例来说，通过激光头的加工激光束路径和ci测量系统光束路径的未对准可能导致类似的扫描场共配准误差。对头的热影响(例如热透镜效应(thermal lensing))也可能产生共配准误差。169.取决于系统和应用，整个扫描场的一般校准可能足以将测量光束和加工光束共配准。然而，在涉及非常高程度的共配准的系统或应用中，可能可期望围绕执行加工激光路径的更具体的共配准校准，如图18中所示。图18示出了针对涉及激光扫描头的设备的路径特定的成像光束和过程光束配准测量的示例。特定校准可以减少总校准时间(例如，通过将校准位置限制于与过程相关的校准位置)，并且可改进准确度(例如，通过在较粗略的通用校准网格之间引入校准位置)。如所图示的示例中所示，这样的校准可以在加工路径上的特定位置处执行并且可以在路径周围的位置处(例如，边界周边)执行。170.类似的校准测量可以被用于补偿与扫描场内的不同位置相关联的光学路径长度改变和测量光束焦点的改变。成像系统与激光加工系统的同步促进这样的校准。在这种情况中，与系统运动控制(例如，扫描仪位置)的同步可以被用于自动地引导(或读取)加工激光焦点位置。与加工激光源或其控制器的同步可以被用于指示何时应当执行校准过程以及何时成像系统准备好执行下一个校准测量。171.主扫描仪过程光束跟踪和位置误差172.与ci系统扫描模块校正类似，激光扫描头也可以使用校正来考虑到它们自己的跟踪误差、光学畸变、机械对准和热效应。具有集成相干测量系统的激光加工系统可以利用ci测量系统(或其辅助检测器)来确定激光头扫描仪校正——主扫描仪校正。173.上文描述的用以校准ci系统的类似策略可以被用于执行主扫描仪校准。举例来说，主扫描仪可以被用于在激光头下方的目标上生成一系列校准标记。然后，成像系统测量(相干、过程辐射或其一些组合)可以被用于确定与主扫描仪相关联的跟踪或定位误差。174.一个更具体的、非限制性的示例包括在一个方向上行进时使用主扫描仪在头下方的工件上标记一系列点，以及在相反方向上行进时标记另一系列点。然后，当主扫描仪保持在静态位置中时，可以使用ci测量系统扫描模块来执行所标记表面的相干测量。相干测量系统的基于高度的测量可以被用于识别标记在工件表面上的特征的位置。然后，在一个方向上标记的特征相对于在另一个方向上标记的特征的位置可以被用于识别主扫描仪跟踪误差。175.出于校准测量的目的，代替ci系统扫描模块(或除了ci系统扫描模块之外)，主扫描仪也可以被用于将测量光束定位在工件上的特定位置处。在这种情况中，在主扫描仪位置和成像系统测量之间提供同步。虽然用完全校准的成像系统执行这样的测量可能是有用的，但是可以以使得完全成像系统校准不是先决条件的方式执行主扫描仪校准测量。176.可以仅在系统调试或生产时执行主扫描仪校准。然而，在一些情况中，可以执行周期性校准以对抗光机恶化或环境条件的改变(例如，热透镜效应)。177.动态校准178.上文描述的系统也可以被用于执行动态(即，过程特定的)校准测量，如下文示例中所描述的。通常针对每种类型的激光加工应用以及针对应用加工参数的主要改变来执行这样的测量。也可以在加工应用期间连续地执行校准/调节，以实现高校准准确度以及减少激光站停机时间(即，不花费在执行激光加工上的时间)。在许多高生产量激光加工生产环境中，最短的系统停机时间至关重要。179.与静态校准一样，在高精确度过程中也可能需要周期性地执行动态校准，以补偿设备公差限制、温度漂移、环境波动、机械振动、生产期间的动态力等。180.动态校准也被用于将成像系统测量结果与激光过程的特定于激光过程和/或工件的方面配准。激光过程的方面可以被检测为ci系统动态校准的一部分，并且被反馈(或转发)以影响过程的特定方面的未来ci测量。激光过程的这些方面包括但不限于以下各项：过程路径几何形状；过程路径速度；过程路径方向；过程路径正切角；过程时间；激光功率时间分布；关于过程路径及其局部接近度的光学路径长度改变；关于过程路径及其局部接近度的工件从激光头的偏移；沿着过程路径和局部接近度的成像系统和过程光束共配准；关于过程路径和局部接近度的测量光束焦点位置的改变；相变区域几何形状；相变区域范围；相变区域位置；相变区域辐射强度(即，温度)；熔池位置；熔池几何形状；小孔位置；小孔几何形状；激光束斑点尺寸；激光束能量分布；激光束时间特性(例如，连续波与脉冲波、脉冲宽度、脉冲周期、脉冲频率、脉冲形状)；测量光束反射率分布(即，表面反射率和/或表面下反射率)；工件基准标记/参考/基面；以及测量光束分散。181.动态校准可以通过在过程测量(例如，qa确定)的过程之前对类似过程进行测量来执行。这些校准测量结果可以被存储，使得它们可以被实施以用于目标过程。目标过程的改变通常会提示重新校准步骤。182.在其它动态校准实施方案中，校准测量在执行过程测量的过程期间执行。这些校准测量可以在过程开始时立即执行，使得过程的剩余部分可以用校准的系统来监测。校准测量也可以与过程测量同时地散布或执行，以用于改进的准确度。183.相变区域测量184.除了提供过程监测品质确定之外，还可以使用相变区域的测量来提供动态测量系统校准测量。举例来说，相变区域的过程辐射测量允许在激光加工而不是使系统离线期间执行过程光束共配准校准测量。这可以被用于具有高生产量要求的应用中。图19示出了采用双包层纤维结合辅助光电二极管(例如，图3中所示的系统100”)的相干成像系统可以如何被用于确定激光过程期间的过程光束中心位置(1)。在这个示例中，双包层纤维可以包括由卡斯托光学器件(castoroptics)制造的双包层纤维耦合器。类似地，图20图示了相变区域和相干测量光束的2d内联相机测量(例如，使用图2中所示的系统100’)也可以如何被用于确定激光加工应用期间的过程光束配准。可以使用其它对比机制(举例来说，ci系统光学路径测量)进行类似测量，以确定加工期间的过程光束对准。185.相变区域的测量可以直接地或间接地被用于执行其它基于过程的校准。举例来说，图19示出了相变区域(pcr)的尾部区域可以如何通过双包层纤维设置来检测并且被用于确定过程方向/正切角(2)。这样的测量通常取决于成像系统参考系相对于目标参考系的校准的存在。类似地，图20示出了过程的2d内联相机图像可以如何被用于从pcr尾部区域识别过程方向。这样的过程通常涉及额外的校准步骤，以将内联相机参考系与成像系统、扫描头和工件参考系中的至少一个配准。186.图21指示可以如何围绕pcr扫描基于点的测量(例如，相干高度测量、通过相干系统的过程发射测量、通过双包层纤维的过程发射测量)。通过将单点测量与围绕圆形(或类似的)扫描模块扫描图案的位置同步，测量信号分布中的所得信号和特征可以被用于识别pcr尾部中心线的方向，并且因此识别过程方向。中心线可以经由随扫描路径中的位置变化的信号中的局部最大值或峰值(如图21所示)识别。然后，可以将扫描路径中的位置映射到ci系统参考系，以确定ci系统参考系中的准瞬时路径方向(例如，在顶部示例中向右，并且在底部示例中向左)。187.类似地，pcr尾部长度的测量可以被用于识别过程速度或过程速度的改变。pcr尾部的长度通常随过程速度而增加。然而，确切性质可以取决于其它过程因素，例如材料类型、材料几何形状、激光斑点尺寸及辅助气体。这样的关系的先验获知或过程建模(例如，基于冷却速率)可以与尾部长度测量一起使用以确定过程速度。过程速度然后可以被用于引导测量系统在过程之前或之后的特定位置或时间处进行测量。188.相变区域的其它方面的测量对于在特定激光加工应用期间的测量定位可能是至关重要的。举例来说，在小孔激光焊接中，建立测量光束与在焊接期间形成的蒸汽通道的对准，以使用相干成像系统执行小孔深度测量。小孔激光焊接过程的改变(例如，过程速度的改变)可以促使蒸汽通道的位置相对于过程光束焦点位置改变，如图22中所示。如图22中所图示，焊接速度的增加可以导致在加工光束后面的蒸汽通道位置的滞后距离增加。类似地，焊接方向的改变可以导致蒸汽通道的方向的改变滞后于过程光束。额外过程效应(例如，材料几何形状或成分的改变或过程光束的周期性摆动)也可以促使蒸汽通道位置的改变。在沿着焊接路径的一个或多个位置处的蒸汽通道位置的校准测量对于实现用于小孔深度测量的测量光束定位是有益的，并且可以被用于在相同过程期间或对于后续过程设置用于小孔深度测量的成像光束位置。189.ci测量系统测量结果可以被用于基于特定深度特征(例如，最深所测量深度、在特定深度处的点的聚类、具有特定类型的深度变化的测量结果、具有特定信号强度水平或变化的测量结果等)的出现来识别蒸汽通道的位置。过程辐射测量也可以被用于识别蒸汽通道位置。这样的测量可以包括峰值辐射水平、辐射水平的特定变化、一个或多个特定光谱带的辐射、pcr的地形辐射测量结果中的特定特征等。190.在其它激光加工应用(例如，增材制造、标记、清理和切割)中，可以识别和校准与激光小孔焊接中的蒸汽通道类似的特征。191.加工前和加工后校准测量192.作为激光过程的结果，在工件上产生的一个或多个特征的测量以及意在经受激光加工的工件的一个或多个特征的测量也可以被用于动态系统校准。这样的加工后特征可以由系统(具有或不具有辅助传感器)通过在空间或时间上或在两者上在过程之后足够远地测量来测量。由于测量是在激光过程之后执行的，因此测量通常依赖于基于高度或基于外部辐射强度的对比机制。193.在许多激光加工应用中，过程(例如，在高度、反射率、偏振、材料密度等上)产生可被相干测量系统或辅助检测器检测的改变。示例包括激光焊接应用中的焊道、增材制造中的固化焊道、划片应用中的玻璃反射率改变以及激光清理中的所移除材料区域。通过在相对于过程光束参考系原点的特定位置处并且用特定测量扫描图案执行测量，激光过程的额外特征可以被确定并且被用于指导未来的测量系统定位。在路径的先验获知有限或没有的情况下，这些动态校准测量可以被用于构造激光加工路径以及其它激光加工校准。194.在其它情况中，校准测量可以被用于确定应用于一组标称过程参数的校正，以校正过程中的非理想性。举例来说，相干测量系统可以访问输入到激光扫描头的标称加工路径。然而，扫描头中的物理限制(例如，有限加速度)可以促使真实路径略微偏离所命令版本。动态校准可以被用于校正这些类型的偏差。195.这些类型的校准测量的特定示例涉及相干测量光束的一系列线性扫掠，所述一系列线性扫掠垂直于固化的焊道上方的标称焊接路径(或沿着焊接路径的类似标记)并且以其为中心，同时运动控制系统(例如，扫描头、机器人、线性台、旋转台等)执行运动路径，如图23中所示。图23示出了横向于标称激光加工路径的测量线的使用可以如何被用于识别标称和实际加工路径之间的差异。横向扫掠通常沿着焊接路径从加工光束偏移(向前或向后)。在该示例中，由激光过程产生的特征(例如，标记线)的基于高度的测量被用作校准目标。196.如果真实或实际运动路径与标称运动路径相同(底部示意图)，则线在横向测量分布中的每个中居中显现，并且特征在从线性扫掠重构的图像的中心中显现为直线。随着实际路径和标称路径之间的差异增大(顶部示意图)，每一横向测量轮廓内的线的位置根据路径位置和正切角的偏差而变化。与标称运动路径的偏差促使特征在图像中显现偏移和/或畸变(例如，更宽)。这些偏差可以随沿着路径的位置变化而发展，因为标称路径和实际路径之间的未对准可以随沿着路径的位置变化而改变。197.示例图示了使用基于高度的对比机制的路径误差检测。可以使用基于背向反射的强度的对比机制、过程辐射对比机制或所有三者的组合来采用类似策略。在运动路径期间，在距过程光束的不同超前和滞后距离处的垂直扫描的额外集合也可以被用于更准确地识别这样的运动路径校正。198.上文示例是被用于识别激光加工运动路径的扫描图案和策略的类型的简单图示。可以使用更复杂的扫描图案来构造动态校正。其它示例还可以涉及使用相干成像散斑相关性、相干成像高度测量相关性、2d内联相机图像相关性、与光学计算机鼠标中的跟踪操作类似的跟踪操作、过程发射的检测或背向反射的光束。199.可以应用于成像系统以用于监测激光加工应用的动态校准(识别和/或校正)的示例包括但不限于：加工路径误差；加工路径正切角；加工路径速度；由光束传送光学器件引起的光学路径长度改变；激光相互作用区域范围；激光相互作用区域位置；相变区域范围；相变区域位置；工件倾斜；和工件表面弯曲。200.举例来说，在激光站运动控制系统(或激光扫描头)在其加工路径上驱动过程光束时，可以通过(在扫描模块参考系内)执行测量光束的重复圆形扫描图案来校准局部工件表面倾斜。在大多数实施方案中，过程光束在该过程期间被禁用，以便不损坏工件。通常以高频率执行圆形扫描图案，以实现在激光加工路径期间测量的大量完全圆形周期。频率通常受相干成像系统扫描模块的硬件限制所支配。201.对于每个圆形扫描，在整个圆上进行的ci系统高度测量被映射到它们在圆形扫描图案周围的对应xy位置。与xyz数据的平面拟合产生ci系统参考系中的平面的倾斜。通过执行一系列连续扫描，可以生成随沿着路径(其映射到圆形扫描编号)的位置变化的平面倾斜角度的演变。然后，倾斜角度的随焊接路径的变化的改变可以被用于修改ci系统测量扫描策略和数据处理算法，同时监测激光过程。202.在图24中示出了这样的局部表面倾斜校准测量过程。在激光头沿着其运动路径轨迹在具有表面弯曲的零件上方移动时，如图24中所示，ci系统扫描模块以周期性圆形图案扫描测量光束，从而进行与测量光束位置同步的ci测量。在该示例中，相对于ci系统扫描模块参考系(与工件的表面相对)生成圆形图案，以测量相对于扫描模块参考系的工件倾斜。ci高度测量被映射到其对应的圆形光束扫描图案迭代，并且进一步被映射到其在图案内的对应xy位置。一旦将循环内的ci高度测量结果映射到其xy位置，将平面拟合应用于数据(x：x位置，y：y位置，z：ci高度测量结果)。依据平面拟合系数，生成表示瞬时局部表面倾斜的表面法向向量。然后将表面法向向量映射到系统便利的角度坐标系(例如，沿着焊接路径方向的倾斜角度)。对于每个扫描循环重复该过程。为每个循环分配时间戳(例如，循环的中点相对于路径开始时间发生的时间)，从而允许绘制随沿着激光加工路径的时间变化的表面倾斜角度。随加工路径位置变化的倾斜可以由ci系统使用，以提供ci系统扫描模块定位校正，并且可以被用于校正ci系统高度测量(未示出)。203.虽然在该示例中使用了圆形扫描图案，但其它扫描图案也可以被用于该校准。这样的扫描图案可以包括但不限于：对围绕xy扫描场分布的有限数量的点进行采样、扫描十字准线图案、扫描螺旋图案以及扫描矩形光栅图案。提供足够的点(至少三个)以可靠地拟合表面的任何扫描图案对于该校准来说都是足够的。204.类似地，虽然在该示例中使用了平面拟合，但是其它数据处理算法和表面拟合技术可以被用于该校准。举例来说，更多涉及的表面弯曲拟合可以被用于识别第一阶倾斜校正以及未来的表面畸变。数据处理和拟合技术可以采取迭代方法或者可以执行直接计算。产生一个或多个表面倾斜或弯曲度量的任何加工技术对于该校准是足够的。205.加工光束摆动模式识别和配准206.对于某些类型的激光加工应用(例如，高反射性金属(例如，铜或铝)的焊接)，通常以小的周期性方式摆动过程光束以改进过程结果。与上文描述的测量技术类似的测量技术可以被用于具体地识别摆动过程的方面，以改进测量光束相对于摆动过程光束的配准。这些测量结果也可以被用于影响测量数据随后如何被处理和分析。摆动过程的相关方面的示例包括但不限于：摆动相位；摆动形状；摆动周期；与标称摆动形状的几何偏差；以及由摆动过程引起的相变区域的改变。207.受益于校准测量的示例性工作流程208.以下部分提供了受益于上文描述的校准测量或由上文描述的校准测量实现的工作流程的类型的示例。这里描述的工作流程可以通过互换上文描述的设备实施例、对比机制和校准类型来实现。类似地，工作流程也可以通过使用不同的通信方法(例如，下文描述的方法)来实现。209.自动校准过程和单元同步210.本文中所识别的校准过程中的许多校准过程的自动化以及甚至半自动化为终端用户提供了许多益处。自动化使用户与激光加工系统和成像系统的交互最小化。这意味着终端用户使用更少的资源来操作设备(例如，更少的训练有素的人员、更少的培训、更少的时间等)。最少的用户交互还导致用户误差的风险降低或后果减少。系统校准过程期间的用户误差可能对测量准确度和过程可靠性具有影响，因为该误差会传播到系统所执行的所有后续测量。类似地，自动化减少了用以执行校准的总时间，并且允许在对激光过程或生产环境更方便的时间上的例项处而不是在对操作者更方便的时间执行校准。211.不同的校准过程涉及激光加工系统和成像系统之间的不同的同步水平。同步可以通过激光加工系统和成像系统之间的直接通信或信令来实现，或者可以经由与一个或多个过程控制器的通信来间接地实现。加工系统和成像系统之间的同步可以包括但不限于以下各项中的一个或多个：加工激光位置的成像系统控制；加工激光功率分布的成像系统控制；预定义的加工激光工作的成像系统控制；成像系统与加工激光位置的同步；成像系统与加工激光功率分布的同步；成像系统与预定义的加工激光工作的同步；以及与预定义的成像系统校准工作匹配并且经由共同开始信号同步的预定义的加工激光工作。同步的形式可以包括但不限于：共同外部开始信号；共同外部同步信号；对应的成像和加工系统工作的用户配置；定位信号；功率分布信号；数字信号；模拟信号；光学信号；由激光过程本身生成的光学信号；以及通用工业通信协议(例如，tcp/ip、ethernet-ip、profinet等)。212.同步也可以被用于确保成像系统接收到用于校准测量的足够信号。其还可以被用于确保针对校准执行的激光加工不会对校准工件产生太大的损坏。213.除了加工和成像系统的校准之外，测量系统和加工系统/单元之间的同步也可以被用于补偿加工性能随时间的恶化。随着系统的持续使用，激光加工站部件(例如，光学器件、夹具、气体传送系统)的一般磨损和撕裂可能使激光加工性能缓慢地降级。成像系统对激光加工站性能的测量可以被用于识别这样的降级(例如，通过降低的过程辐射水平)并且校正系统性能(例如，增加所命令的激光功率以进行补偿、自动地替换系统部件、向用户提供指示等)。类似的检测和校正可以被执行以用于过程引起的对站的损坏，例如，过程排出物对激光头保护性光学器件的污染。214.制造时的校准215.在制造时，相干成像系统通常经历校准操作以改进测量系统的准确度。举例来说，例如由于设计公差及其自身的制造可变性而引入的子部件可变性被测量和校准。216.在可能时，用集成到将在激光加工应用中使用的激光头中的测量系统执行ci系统的校准。然而，由于现实世界的限制，在ci系统到达其终端使用位置之前与激光头集成并非总是可能的。在这种情况中，可以用相同型号的激光头、类似类型的激光头或替代的校准头来执行ci校准。被用于校准的激光头与最终使用的激光头之间的偏差可以是可忽略的，并且在系统调试时不执行进一步校准。在一些应用(例如，具有高精确度要求的应用)中，进一步的校准操作可以在系统调试时执行，如下文将描述的。217.以下示例图示了与ci系统到激光扫描头中的集成有关的校准过程的方面。本文中描述的校准过程的顺序不是限制，并且在一些实施方案中，某些校准操作可以并行地执行。218.在执行校准过程之前，ci系统与激光扫描头机械地集成。一些激光头(例如，从ipg光电公司得到的激光头)包括专用于ci系统集成的端口。其它激光头可能需要介接硬件以将ci系统附接到现有的内联相机(或其它传感器)端口。其它激光头可以包括对机械调节点、光学光束路径和传送光学器件的物理改性，以适应相干成像系统。219.在机械集成之后，建立与激光头和ci系统的电气和通信接口。在完全自动校准过程中，激光头、ci系统、激光源以及在适用情况下单元运动控制设备都彼此通信(直接或间接)。本文中描述的部件的术语指的是硬件的特定件和硬件控制器。220.在半自动校准过程中，可以建立上文通信链路中的一些通信链路，但用户也参与过程，从而提供缺失的通信和同步元素。举例来说，当激光头和ci系统准备就绪并且准备执行它们的校准操作例程时，用户可以按下按钮来触发激光器激发。激光器又提供同步信号以开始激光头和ci系统操作。221.在完全自动的环境中，激光头、ci系统、激光源和运动控制子系统之间的通信通常由充当过程主控器的一件设备控制。过程主控器具有激光过程(或校准过程)的各个方面的知识，并且知道子系统应该如何同步以便实现成功的操作。在一些应用中，过程主控器可以通过额外硬件(例如，可编程逻辑控制器(plc)、机器人接口、外部计算机/服务器、智能电话、平板电脑或微控制器)来实现。在其它应用中，子系统(例如，激光头控制器、ci系统控制器或激光控制器)中的一个可以承担过程主控器的角色。通信通常经由过程主控器和每个子系统之间的双向通信直接实现。然而，在一些应用中，一些子系统可以与其它子系统同步，并且与主控器间接地通信。通信可以采取数字信令、模拟信令、联网通信协议(例如，tcp/ip)或其某种组合的形式。222.一旦已经建立了机械、电气和通信集成，就可以执行校准程序。可以在激光头的工作距离处使用校准目标。一旦校准目标已经由用户或由单元中的其它设备自动地设置，则用户或单元向过程主控器(pm)指示目标已就位。pm命令ci系统自动地执行其场深校准，所述场深校准可以包括调节ci系统传送光学器件以更好地将测量光束聚焦在工件上，并且可以包括调节ci系统内的参考光学路径以更好地匹配激光头光束传送路径。在场深校准期间，ci系统执行校准目标的测量，并且基于测量而机电地调节其自身的子部件。在大多数校准例程中，机电调节和后续测量被迭代地执行，直到所得的测量结果被充分优化或达到目标值为止。一旦校准完成，ci系统就向pm发信号。223.在该校准例程期间，不需要激光头扫描功能性和激光输出。pm使这些子系统断电或处于空闲状态中，使得它们的操作不影响校准过程。224.可以类似地自动地校准ci系统扫描模块跟踪误差校准。在一些跟踪误差校准中，仅执行校准目标和ci系统。在这些校准中，具有特定特征(例如，锐利边缘)的校准目标被设置在激光头下方。一旦已经设置了目标，pm就命令系统执行其跟踪误差校准。跟踪误差校准测量可以如先前所描述和图示的执行。在自动化环境中，校准测量结果由ci系统处理，并且反馈给ci系统以相应地调节其扫描模块行为。在一些情况中，校准测量和扫描模块行为改变之间的映射可以是充分已知的，使得非迭代方法是足够的。然而，在其它情况中，迭代地执行校准测量和扫描模块行为调节，直到跟踪误差被充分地校准为止。一旦校准完成，ci系统就向pm发信号。225.在一些跟踪误差校准例程中，校准目标可能没有为校准设计的特定特征。在这些情况中，可以使用激光头、激光器、运动控制设备或其一些组合来创建被用于跟踪误差校准的特定特征。在这些情况中，pm与ci系统和特征创建设备两者通信，以确保在指定位置中或在指定时间处创建特征以允许执行校准。在一些情况中，这可以涉及用激光在校准目标上标记类似特征，以及将这些特征的位置(在空间和/或时间上)传递到ci系统，使得ci系统知道何时以及在何处执行其校准例程。在其中使用过程辐射(与更永久地标记在材料表面上的特征相反)来创建用于校准测量的测量信号的情况中，可期望激光器激发事件和ci系统之间的精确时间同步，以确保在发射过程辐射时执行ci系统测量。226.pm可以根据需要向激光器、激光头和运动控制设备传递特定的过程参数，以增强由ci系统检测的信号。这些参数可以是先验已知的，或者它们可以经由来自ci系统的反馈来优化。举例来说，pm可以用已知的参数集激发激光器，命令ci系统执行其测量，从ci系统接收关于测量信号水平(例如，无信号、低信号、良好信号、高信号)的反馈，然后相应地调节激光器参数。一旦校准了跟踪误差，ci系统就使用它来更准确地将ci测量与ci扫描模块命令的位置以及工件上的最终测量位置同步。代替pm对过程参数的直接低水平控制，每个子系统可以具有由pm响应于来自ci系统的反馈而调用的过程参数(即，工作)的预定义集合。227.通过过程主控器和适当的子系统之间的同步，过程光束和工件参考系配准可以类似地自动化。这些校准例程的自动化版本可以如下实现。pm向单元发信号，以将校准目标自动地装载到头下方。这可以通过自动机器人手臂或通过通知单元操作者来实现。然后，单元响应于pm(例如，通过来自机器人的响应或单元操作者的输入)以指示目标已被装载。一旦目标已经被加载，pm就向激光扫描头发信号，以将激光束定位到其自身的参考系原点。在一些情况中，准确的过程光束共配准可以涉及初始ci系统“预扫描”以获取背景信号水平或参考几何形状。在这些情况中，pm向ci系统发信号以执行预扫描测量。一旦测量完成，ci系统就向pm发信号。然后，举例来说，如上文所描述的，pm向激光器发信号进行操作以生成用于ci系统的过程光束代表者信号。在一些实施方案中，操作激光器以烧蚀校准目标，并且ci系统测量所得的烧蚀特征。在其它实施方案中，在激光器正在操作时(或刚好在激光器已经被操作之后)，由ci系统执行激光相互作用区的过程辐射测量。pm负责将ci系统测量(例如，通过获取信号，例如数字上升边沿)与激光器操作同步。一旦ci系统已经完成校准测量，其就相应地向pm发信号。ci系统使用该校准来相应地重新对中其参考系，并且在过程光束中心系中执行后续测量。228.如上文所描述的，除了完成信令校准之外，ci系统还可以基于测量信号水平/品质而向pm提供反馈。pm又调节激光器的加工参数，以改进测量信号水平。该反馈可以在校准程序本身期间或在校准测量完成之后被提供和实施，使得校准过程可以在改进的操作条件的情况下重新开始。对于一些校准，可以多次执行例程，以利用统计数据处理(例如，平均化)或拟合来改进校准结果。对于每次迭代，可以使用相同的校准目标区域，可以使用目标上的新位置，或者可以使用新目标。229.类似地执行工件参考系定向和缩放校准。pm向单元发信号以加载校准目标(或将目标移位到新位置)。当目标准备好时，单元对pm响应。然后，pm引导激光扫描头以标记图案(例如，加号或类似特征)以指示工件上的扫描头坐标轴。一旦完成，扫描头就向pm发信号，pm又引导ci系统执行其校准测量。一个这样的示例可以是ci系统执行一系列相干测量，同时其扫描模块在标记特征上方沿着矩形光栅扫描图案驱动测量光束。然后，ci系统数据处理单元展开相干测量，以将它们映射回到零件的表面上的矩形网格，并且使用图像处理算法来识别标记在工件表面上的图案的特征。然后，ci系统计算这些特征相对于其自身参考系的定向和缩放。然后，ci系统使用该信息来更新其自身的参考系校准。一旦校准完成，ci系统就向pm发信号。ci系统自动地将这些参考系校准应用于其后续测量操作和扫描模块命令，以实现测量光束在目标参考系中定位。230.由于多个校准序列通常由ci系统使用，ci系统可以保持跟踪其自身的校准状态，以指示举例来说哪些校准已经被执行、某些校准何时已经被执行或更新、哪些校准仍将被执行以及哪些校准将在未来得到更新。一旦校准完成，其就由ci系统应用，以执行激光加工应用的校准测量。pm或单元还可以保持对ci系统校准状态的跟踪。ci系统制造商可以使用该信息来识别系统何时已完全校准。231.对于涉及ci系统集成到激光扫描头中的应用，通常有利的是在整个激光扫描头的扫描场的多个位置处执行ci系统测量光束与激光束的共配准——以适应光学畸变(例如，色像差)。用于ci检测的过程光束代理者生成和ci系统测量之间的同步与上文描述的过程光束配准过程所述的同步类似地实现。然而，扫描场校准涉及额外的自动化考虑，以便将共配准过程与关于扫描场的各种位置同步。232.pm可能具有扫描场校准位置的知识。它可以将该信息预先编程，或者它可以请求来自激光扫描头和/或ci系统的信息。类似地，激光扫描头和ci系统可以具有用于执行这种类型的校准的预加载配置设置，并且pm可以被用于在不知道精确的扫描场坐标的情况下将扫描场内的每个位置处的加工和测量同步。233.pm将激光扫描头和ci系统引导到扫描场内的第一位置。然后，它执行与上文描述的过程光束共配准步骤类似的操作序列，以实现扫描场位置、激光器激发和ci测量之间的同步。一旦针对第一位置已经完成校准，ci系统就向pm发信号。pm将扫描头和ci系统引导到重复该过程的下一个位置。执行该程序，直到扫描场内的位置已被校准为止。ci系统使用扫描场校准来实施在扫描场内的各种位置处的ci系统定位校正。在大多数应用中，ci系统涉及扫描场位置的信令(直接地来自扫描头控制器或间接地经由pm)，使得其可以应用适当的扫描场校正。ci系统可以使用由校准测量生成的查找表或校准测量的模型(例如，拟合)来实现该校正。234.扫描头应用还可涉及随扫描场位置变化的ci系统光学路径长度校准测量。在大多数激光扫描头中，ci系统测量光束的光学路径长度随扫描场位置变化(举例来说，由于在扫描头从其原点向外偏转光束时增加的几何路径长度，或由于光束在给定扫描仪位置处所通过的聚焦光学厚度的量的改变)而改变。235.类似于扫描场过程光束共配准校准，可以自动进行光学路径校准。该校准不需要与激光器同步。pm命令激光器处于关闭或空闲状态。pm向单元发信号以加载平坦的校准目标或具有已知表面弯曲和倾斜的校准目标。一旦零件被加载，单元就向pm发信号。然后，pm将扫描头引导到扫描场内的指定位置，并且等待来自扫描头的就位信号。一旦就位，pm就引导ci系统执行其校准测量。这种测量通常呈光学路径长度测量的形式。然后，由ci系统处理测量结果以确定光学路径偏差。在已知弯曲或倾斜表面的情况中，ci系统的处理单元对光学路径偏差测量执行平坦化校正。通常相对于到在扫描场的原点处的工件的光学路径长度来测量光学路径偏差。然而，可以使用其它参考(例如，从扫描头工作平面散焦达2mm的平面)。236.一旦ci系统已经在特定位置处执行其测量，其就向pm发信号，所述pm又向扫描头发信号以移动到下一位置，并且重复过程。一旦已经在整个扫描场的目标点处执行了光学路径校准，则ci系统处理模块创建查找表或模型(例如，拟合)，以便在执行过程测量时实施随扫描场位置变化的光学路径长度校正。如针对关于扫描场的过程光束共配准所执行的，ci系统在激光加工应用期间使用对扫描场路径的知晓和同步，以便实施校正。这通常经由与pm或扫描头的直接或间接通信来实现。该通信可以在各种时间处执行，包括：在过程开始之前以给予ci系统执行计算以准备过程的测量的机会；在激光加工应用期间实时地；以及在应用的测试运行之后。237.可以关于扫描场执行类似的校准测量，以校准以下各项：随扫描场位置变化的测量光束的光学色散；随扫描场位置变化的测量光束焦距的改变；随扫描场位置变化的工件参考系缩放的改变；以及随扫描场位置变化的工件参考系旋转的改变。238.虽然在本文中在完成的单元组件的上下文中描述了自动校准程序，但也有可能仅在相关子系统和子模块的情况下执行某些校准。举例来说，可以对没有操作性激光器的单元执行光学路径校准。239.系统调试240.为了限制系统调试期间的工作负担，在制造时可以执行尽可能多的校准过程。然而，由于上文描述的约束，在调试之前，并不总是能够将ci系统与单元或激光头集成。类似地，虽然在系统的制造期间可能已经执行了校准，但是由于运输和安装引起的未对准，可能可期望对系统的某些方面进行重新校准。241.一般来说，在系统调试期间校准程序的实施方案反映了在制造时的情况或程序的子集。在这种情况中，过程主控器可以类似地是ci系统或终端使用位置的控制器。可以执行自动调试检查以确定哪些校准仍然准确以及哪些需要重新校准，而不是整体执行校准例程中的一些校准例程。这些自动调试检查通常涉及如针对完全校准所执行的在各种子系统和过程主控器之间的相同类型的同步和通信。然而，操作通常不那么耗费时间。举例来说，光学路径校准的检查可以涉及在扫描场内的目标点的小子集处执行光学路径偏差测量。如果这些测量结果与在系统制造期间进行的测量结果一致，则校准被视为准确。如果检查失败，则重新执行光学路径校准。242.如上文所描述的，ci系统或过程主控器可以保持跟踪其校准状态，以用于显示给调试系统的个人。这可以被用于举例来说将剩余程序告知个人，可以被用于阻挡单元的某些操作，直到调试完成为止，或者可以被用于向用户提供调试完成的告示。虽然pm可以被用于使调试过程自动化，但单元信令和通信方案中的限制可以涉及一些手动交互(例如，加载校准目标并且在加载时按压按钮)。243.测量工作校准监测和更新244.在激光加工应用中，相变区域的ci系统测量提供关于过程的重要信息。在这些应用中的许多应用中，执行以pcr的特定子区域为目标的ci测量以获得目标过程信息。举例来说，在小孔激光焊接中，可期望将测量光束与在焊接过程期间在焊接零件上产生的蒸汽通道对准，以用于测量小孔深度。245.在许多激光焊接过程中，蒸汽通道相对于加工光束的位置取决于许多因素，包括但不限于：材料类型；材料几何形状；过程速度；过程功率；过程路径；摆动图案；保护气体部署；羽流抑制技术；环境条件；和散焦。通常，对于给定的过程或过程的子区域，由ci系统执行用以确定蒸汽通道相对于过程光束的位置的校准。一旦已经建立了该校准，其对于上文描述的过程参数和条件的小扰动通常是准确的。然而，如果存在大规模改变，则可能可期望重新校准蒸汽通道位置。可以在其它激光加工应用中执行对过程参数空间的方面的类似校准。246.在具有集成ci系统的激光加工单元中，可以设置自动工作流程以执行过程特定的校准。在激光焊接期间的小孔对准的情况中，可以在ci系统内定义特定的对准工作。这些对准工作可以在每种新类型的过程之前运行，以确定校准。它们也可以周期性地运行，并且散布有激光过程的测量工作，以根据需要验证或更新校准。247.小孔校准工作可以是以特定相干测量信号特征(例如，最深深度、特定深度变化、特定深度范围、特定强度信号水平等)为目标的关于过程光束中心的相干测量序列。类似地，如上文所描述的，过程辐射测量也可以被用于执行小孔校准测量。一旦执行了测量，ci系统处理单元就执行算法或图像辨识例程以识别特定校准。248.除了更新ci系统如何定位其测量光束以测量蒸汽通道之外，小孔校准测量还可以被用于给激光过程的测量工作(或测量工作的方面)分配优度度量。该优度度量可以被用作用于输出的置信指标，或者可以被用于向用户或过程主控器提供应当停止操作直到应用新的校准为止的告示。249.在设备的一些实施例中，ci系统子部件可以允许与激光过程本身的小孔测量并行地执行小孔校准测量。这里，不需要将校准测量与过程的目标测量交替或散布进行。相反，可以在过程本身期间执行小孔校准测量，并且实时或近实时地将小孔校准测量应用于ci系统。250.还有可能通过资源共享技术与过程测量工作一起执行这样的校准测量。举例来说，通过针对小孔深度测量周期的某一部分并以某一间隔相对于预期小孔位置调节测量光束的目标位置，可以与小孔深度测量一起执行小孔校准测量。该信号可以与标称小孔位置信号进行比较，以确定是否存在改进的校准。这样的比较可以基于信号特性，例如，信号强度、信号密度、信号变化等。251.虽然过程可能名义上是恒定的，但由于过程环境的不受控制的改变，可能期望周期性的小孔重新校准。这些不受控制的改变包括但不限于：过程设备的热改变、过程设备的机械磨损、激光头光学器件的污染、过程原材料和部件规格的变化、过程夹具改变、ci系统的热改变以及ci系统的机械改变。252.在一些实施方案中，校准测量由ci系统执行，由ci系统处理，并且由ci系统自动地应用，而无需用户干预。然而，在其它实施方案中，在实施新的校准之前，物理或监管约束可能涉及某种级别的用户交互(例如，确认更新的校准)。253.自动过程维护、记录和用户/外部通信254.在一系列类似的激光过程期间进行的自动校准测量提供了数据，以实现长期统计数据生成、过程趋势分析和单元运行健康监测。举例来说，通过收集成像光束随时间离开工件表面的背向散射的强度，有可能看到随时间变化的强度的降低。随着更多的材料被加工，降低的强度可能与激光头覆盖玻璃的污染相关联。类似地，它也可能与老化的光源或更多的材料污染相关联。通过设置额外的校准目标点，例如在激光头内的校准目标点和在激光头下方的校准目标点，有可能隔离强度降低的源。这样的隔离有助于识别受污染的覆盖玻璃。一旦被识别，ci系统可以直接地或经由过程主控器间接地向用户提供告示，以指示应当使用新的盖玻片。在其它系统中，该信号可以是自动的，使得覆盖玻璃被更频繁地替换。给用户的告示可以呈单元上的视觉信号(例如，led、显示器)、来自单元的音频信号(例如，钟声、蜂鸣)或电子通知(例如，智能电话应用程序、平板电脑应用程序、可穿戴技术、pc程序、电子邮件)的形式。255.类似地，其它校准测量的记录可以被用于识别细微的过程改变。举例来说，小孔位置校准随时间的小的改变可以与过程环境和零件夹具的改变相关联。这些长期趋势可以被用于识别改变的来源，并且对过程及其设备进行纠正。过程光束共配准校准的记录可以用于识别与头中的光束传送相关联的光学部件的问题。趋势可以随时间并且与其它数据源进行比较，以识别例如热透镜效应、对光学部件的损坏和光学部件松动的问题。256.在许多激光加工应用中，过程光束焦点的知晓允许足够品质的过程结果。相对于加工激光束的焦平面定位工件表面对于在过程期间将恰当的能量耦合到材料中是重要的。通常，经受激光加工的材料被定位成其表面处于激光束的焦平面处，以使材料表面处的能量耦合最大化。然而，将材料表面从焦平面偏移(通常称为散焦)以将激光束能量分布在更大的表面区域上也是常见的。本领域的技术人员可以有意地将光束散焦到材料中或远离材料散焦。类似地，配准激光斑点在工件表面上方的空间位置的能力可以确保目标材料区域经受加工。257.在具有集成ci系统的激光加工站上，有可能使用ci系统作为引导系统，以相对于零件的表面定位过程光束的焦平面，以及定位过程光束斑点在材料表面上方的侧向(xy)位置。由ci系统提供的关于过程光束的3d焦点的信息可以由机器操作者在新零件上的设置期间使用，或者可以被自动地传递到机器控制器(例如，plc、机器人控制器、扫描头控制器等)以致动光学或机械调节，以将过程光束焦点定位在相对于工件的所期望位置中。这样的调节对于各种各样的应用可能是可期望的，包括但不限于，高公差过程(例如，具有单模式光束的激光加工)和其中材料公差变化或过程夹具降级可能需要从一个零件到下一个零件的主动补偿的组装线过程。258.对于被用作引导系统的ci系统，ci系统可以被校准到过程光束焦平面和侧向位置。本文中所图示的其它示例概述用于校准到材料的表面上的过程光束侧向位置的可能技术。这些技术也可以应用于以下示例中，以将ci系统校准到过程光束3d焦点位置。为简单起见，这里的示例包括围绕材料的表面以矩形图案扫描ci系统测量光束并且使用ci系统高度测量结果来分辨由过程光束标记的在材料的表面上的斑点。然而，也可以采用其它ci系统测量模式(例如，黑体发射测量)和其它扫描策略。类似地，ci系统可以与过程控制器直接地通信以自动地执行校准过程，或者在一些情况中可能需要用户交互。下文更详细地描述示例性自动校准过程。259.过程控制器与运动控制设备通信以相对于校准目标或工件定位激光头。这可能涉及将目标材料装载到激光加工头下方或将激光加工头定位在新的位置中以指向目标材料。260.过程控制器命令激光器(例如，通过数字信令或标准通信协议，例如，tcp/ip)在目标表面上标记斑点。该过程的参数可以由控制器预定义、在激光器本身内预设或通过与ci系统的通信获得。一旦已经形成斑点，过程控制器命令ci系统执行其校准操作。ci系统可以在零件的表面上方执行矩形(或如本文中所公开的其它图案)扫描以捕获工件的表面上的划界区域，如图25中的图像所示。261.使用本文中所描述的对比检测算法，ci系统使用其收集的成像数据来识别激光斑点直径(代表者)，如图25中所示。尽管散斑出现在图像中，但检测算法抵抗散斑的效应，并且可以通过增大ci系统的光束传送系统的数值孔径来减小散斑尺寸。262.一旦获取ci系统校准测量结果，ci系统就处理信息以自动地计算关于所划界斑点的量，例如，其中心位置和直径。注意，通过拟合或形心查找ci系统的轴向测量上的峰值，可以减小图像中的散斑和量化噪声的效应。在一些实施例中，安全软件特征允许制造商限制对终端用户可用的轴向分辨率，以便更好地遵守关于装置性能的政府法规。263.该程序的进一步扩展包括迭代ci系统扫描以平铺不同的搜索区域和/或修改扫描区域以更好地定位斑点。类似地，如果有必要，则ci系统可以迭代地与过程控制器(或直接地与激光器)通信，以激发额外的斑点来增强对比度或向激光加工事件提供更精确的时间同步。264.斑点xy中心位置被用作工件的表面上的过程光束侧向位置的代表者。斑点的直径可以被用作材料的表面处的过程光束直径的代表者，尽管更间接地，因为处理热效应通常在材料表面上产生比过程光束斑点尺寸大得多的标记。265.该校准程序的进一步扩展包括以变化的激光头偏移距离(即，激光头和工件表面之间的距离)执行一系列这种类型的校准。266.这一系列测量生成随偏移距离变化的斑点(代表者)直径。在这样的测量期间，偏移距离可以经由过程控制器被传递到ci系统，或者可以由ci系统本身直接地测量(经由其高度测量能力)。举例来说，可以对矩形扫描区域的周边附近(即，不含有激光标记斑点的区域)的ci系统高度测量结果进行平均化，以产生到工件表面的偏移距离的ci系统测量结果。267.然后，分析随偏移距离变化的斑点(代表者)直径，以确定激光束的焦平面。在一些情况中，该分析可以包括查找与最小斑点直径相关联的偏移距离。在一些情况中，将此数据拟合到函数(例如，高斯光束宽度方程)可以被用于增加校准稳健性。268.在使用不同激光过程的其它校准例程中，随偏移距离变化的其它度量可以被用于识别焦平面。示例可以包括：最大化黑体辐射强度、最大化斑点深度、最大化斑点尺寸、最大化斑点高度变化、最小化斑点高度变化、最大化黑体辐射、最大化黑体发射器直径、局部最大化黑体发射器直径、最小化黑体发射器直径、最大化斑点对称性(最小化像散)、最小化激光划线特征宽度以及最大化激光划线特征宽度。269.随偏移距离数据变化的相同斑点(代表者)直径也可以被用于生成用于过程光束焦散的代表者。该信息可以由ci系统进一步存储或分析，以产生光束品质的指示。信息还可以被传递到激光单元或用户，以用于外部分析。光束品质分析在激光器和单元调试操作期间有用，以确保恰当的功能性。类似地，周期性光束品质测量和分析或者在预期的损坏行为(例如，在激光头覆盖玻璃上生成飞溅、碰撞机械系统)之后的测量和分析可以被用于验证持续光束传送品质和/或识别问题。类似的测量和分析可以被用于识别次优的光束传送性能(例如，产生焦点位置漂移的热透镜效应)。270.应当注意，对于某些能量束参数和材料组合，表观斑点(代表者)直径的最小值可以存在于真实过程光束焦点最小值的一个或多个侧部上。这是因为，在最高强度(最紧密焦点)下，一些过程将更快地开始小孔(蒸汽毛细管)模式，并且因此吸收更多的总能量，从而导致更大的热效应，并且因此导致更大的表观斑点(代表者)直径。271.过程光束校准斑点的常规测量也可随时间使用以跟踪单元健康并且识别过程问题。通过记录校准度量(例如，斑点xy位置、斑点直径、黑体强度等)，ci系统可以分析数据中的趋势，以指示光束传送部件中的潜在问题。举例来说，覆盖玻璃光学器件可能变得被过程排出物污染，并且随时间的推移产生光束传输问题。这可能表现为较小的标记斑点直径，或者在黑体情况中，表现为较弱的黑体发射器。类似地，由于松散的、损坏的或次优的光束传送光学器件而可以观察到所记录的度量的趋势。该信息可以由ci系统直接呈现(例如，通过告示)，或者可以被传递到ci系统用户或激光单元控制器，以用于外部分析。272.所有这些方法都应用了该原理的变化：应用于具有相同时间功率分布的相同材料的相同能量应该产生非常类似的结果。如果表面标记的这些测量中的任何测量基本上随时间变化，则那些变化可能是激光源和光束传送系统的性能变化的代表者。273.过程光束校准过程可以进一步与其它ci系统校准测量组合以减少多次校准所需的步骤数目或总时间。举例来说，在矩形扫描区域高度地图的周边处的未处理区域可以被用于校准由不同光束传送路径(尤其与光束扫描激光头相关)引入的工件倾斜和光学倾斜。这些额外ci系统校准度量的类似记录可以被用于识别单元健康和过程问题的额外方面(例如，单元夹具的磨损)。274.在某些ci系统校准程序期间，使用容易得到的材料作为校准目标(例如，金属薄片)可能就足够了。对于一些ci系统校准，校准目标可以是经受激光材料加工的工件(即，预生产零件)或在其已经经受材料加工的工件(即，生产后零件)。对于其它ci系统校准，可能需要特定于校准的所制造的校准目标。275.在一些实施例中，ci系统和/或相机数据被用于识别运动系统(例如，机器人、线性轴线或线性输送机系统)相对于头的行进方向。类似的ci系统测量可以被用于识别相对于头的工件放置、工件定向、夹具放置和夹具定向。这将允许精确计算所谓的“飞行焊接”或协调的运动操作。276.最后，在一些实施例中，校准目标被刚性地附接到非工件物体，这将允许非工件物体相对于光束传送和运动控制(例如，机器人)系统的位置和定向。277.ci系统健康监测278.除了用于识别过程问题和激光单元问题之外，自动校准测量还可以用于监测ci系统本身的状态和健康。在确定ci系统的运行状态的明确目的的情况下，可以周期性地执行校准测量。在校准ci系统的另一方面的目的的情况下，校准测量可以执行，但也可以被用于或重新用于确证ci系统健康或ci系统条件的改变。279.一般来说，重复的过程光束对准或其它校准的分组太宽可能是不恰当的激光系统或ci系统性能的指标，或自动对准过程中的不足。在这些事件中的任何事件中，本公开的实施例可以利用关于自动地计算的对准的分布的阈值作为用于告示或外部信号的触发器，以请求帮助或停止进一步的加工，直到可以补救故障条件为止。280.来自头内的校准目标的背向反射测量可以被用于对老化光源的识别。然后，衰减的光源输出功率趋势可以被反馈到ci系统，以增加光源驱动电流，或类似地命令更高的标称输出功率，以在性能随时间降级时实现类似的输出功率水平。281.类似的校准可以被用于检测和实施以下的校正性动作：相干系统参考光学路径的条件(例如，长度、折射率、透射、色散等的改变)；相干系统样本光学路径的条件(例如，长度、折射率、透射、色散等的改变)；ci系统检测器中的光谱未对准或校准问题；以及检测ci系统光源中的光谱不稳定性。282.在上文示例中，可以使用一个或多个校正性动作来纠正问题并且允许ci系统继续正常地运行。然而，在其它情况中，校正性动作可能已经被应用并且不能再被应用(例如，使光源驱动电流最大化)，或者没有纠正动作可以被应用。在这种情况中，校正性动作可以是向过程主控器和/或用户提供通知，以指示系统不再正确地运行并且需要维修或更换。在一些例项中，该信号可以被用于切换到备用ci系统或备用系统子部件。283.可以收集和分析系统校准数据中的监测趋势，以建立关于校准稳定性的统计数据，并且实现概率失效模式和效应分析(fmea)数据。举例来说，在激光小孔焊接中，小孔对准校准数据可以被用于确定用于特定激光焊接过程的对准稳定性。对准中的小改变对ci系统测量品质的效应可以被特征化并且被用于确定所期望的重新校准频率。对小孔未对准非常敏感的焊接过程可能涉及更频繁的重新校准。类似地，对小孔未对准非常敏感的焊接过程通常是更不稳定的过程。在这种情况中，小孔对准校准数据可以被用作通常指示焊接过程的稳定性的代表者，并且可以被用作对于过程品质的确定和对于进一步优化的需要。当ci系统确定期望特定的重新校准或者校准不再准确时，其可以自动地执行校准例程，或者其可以向单元或用户提供应当执行这样的程序以便持续操作的指示。284.机器可读代码辨识285.在许多行业中，在产品、部件和子部件的表面上包含零件识别标记(例如条形码或二维码)是有用的。这样的识别标记可以用于库存跟踪、产品终端使用跟踪、出处来源和安全标记。286.在一些应用中，ci系统可以被利用于这样的识别标记扫描。ci系统校准可以被用于实现正确的测量光束扫描策略和测量处理算法(或配置)，以可靠地辨识识别标记。举例来说，可以使用校准来适应不同的材料背景、识别标记颜色、识别标记高度/深度、识别标记位置和识别标记尺寸。在其中这些标记是品质控制系统的一部分的情况中，ci系统将能够捕获标记数据，并且将其与在测量标记时之前、期间和之后进行的其它ci系统测量相关联。287.ci系统也可以被用作这样的识别标记的生成过程的一部分。举例来说，ci系统可以被用于测量标记并且确定其是否具有足够的深度/高度或足够的变色。来自ci系统的输出可以在识别标记加工阶段期间被反馈以修改标记过程。该过程的共同实现是在激光生成的识别标记(例如，激光标记或激光划片过程)的上下文中。标记工件的激光器可以是执行工件的激光加工的相同激光器。标记可以在激光加工环境的上下文中发生，或者可以在过程本身之前或之后执行。288.在一些实施例中，ci系统可以被用作识别标记读取器。一些识别标记对于传统读取器(例如，条形码读取器、相机、led扫描仪)不可见可能是有益的。举例来说，出于安全或美观的目的，这些标记可以被用于隐藏产品标识符。ci系统可以被用于在生成这样的标记时引导激光过程，并且提供关于生成过程的品质的反馈。这样的标记可以通过在材料的表面上标记主要适合于ci测量检测的特征(例如，亚微米特征)来生成。对于光学透明或半透明的材料(在ci测量光束或过程光束的颜色处)，这样的特征可以被标记在材料的表面下方。表面下特征可能有益于标记塑料、玻璃或半宝石和宝石。当读取这些特征时，ci系统将选用地校准零件的呈现的倾斜和/或来自ci系统测量光束所穿过的光学介质(例如，透镜、空气、水、油等)的光学路径长度畸变。289.在实施例中，使用脉冲激光或冲压来非常准确地在工件的表面上以浮雕形式构造3d qr码或条形码，但是图案的负部分和正部分之间的高度变化是如此之小(10μm或更小，或者50μm或更小)，并且转变是如此之平缓，以至于它们不能被传统的读取器读取，或者可能甚至不能被肉眼识别。如果对雕刻/冲压系统的充分控制是可能的，则可以有可能在3d qr或条形码的每个横向位置中编码多个值水平，因此显著增加了可以在工件上每单位表面积产生的数据密度。290.选用地，该代码可以被覆盖以保护其免于刮伤或其它损坏。该涂层可能对可见光不透明(但对ci系统透明)，以使得视觉识别甚至更加困难。产生这些特征的绝对困难将使得它们可以用于防伪应用。291.虽然本文中已经描述了本发明的原理，但是本领域技术人员应当理解，该描述仅以示例方式，并不作为对本发明范围的限制。除了本文中示出和描述的示例性实施例之外，预期其它实施例也在本发明的范围内。本领域普通技术人员的修改和替换被认为在本发明的范围内，本发明的范围不受除了所附权利要求书之外的限制。









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