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用于检流计 扫描仪校准的光学基准生成

阅读：1012发布：2020-05-28

专利汇可以提供用于检流计扫描仪校准的光学基准生成专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种设备包括：光源，其被定位成产生基准源光束；以及光学基准图案生成器，其被定位成用基准源光束在激光处理目标上产生至少一个瞬态光学基准，该激光处理目标位于激光扫描仪的视场中，所述激光扫描仪被定位成在激光处理目标上扫描激光处理光束，使得激光处理光束在激光处理目标上的定位变得相对于至少一个瞬态光学基准可调整。，下面是用于检流计扫描仪校准的光学基准生成专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种设备，包括：
光源，其被定位成产生基准源光束；以及
光学基准图案生成器，其被定位成用所述基准源光束在激光处理目标上产生至少一个瞬态光学基准，所述激光处理目标位于激光扫描仪的视场中，所述激光扫描仪被定位成在所述激光处理目标上扫描激光处理光束，使得所述激光处理光束在所述激光处理目标上的定位变得相对于所述至少一个瞬态光学基准能够调整。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述激光处理目标包括粉末材料，所述粉末材料被定位成漫反射所述至少一个瞬态光学基准。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述粉末材料形成第一层，所述第一层用所述激光处理光束被选择性地处理，并且额外的粉末材料被沉积，以形成一个或多个后续层，其中，所述至少一个瞬态光学基准在所述第一层处和所述一个或多个后续层中的至少一个处产生，以提供所述激光处理光束的所述扫描的原位校准。
4.根据权利要求1所述的设备，还包括光学检测器，所述光学检测器通过所述激光扫描仪光学耦合到所述激光处理目标，基于所述激光扫描仪的一个或多个扫描光学器件的扫描位置到所述视场的子场视场，其中，所述光学检测器被定位成检测所述子场视场中的所述至少一个瞬态光学基准。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述激光扫描仪被配置为针对所述一个或多个扫描光学器件的不同扫描位置，将所述激光处理光束引导至所述子场视场中的预定位置。
6.根据权利要求4所述的设备，其中，所述光学检测器包括相机、光电二极管、CMOS检测器和CCD检测器中的一个或多个。
7.根据权利要求4所述的设备，其中，所述光学检测器被定位成在所述激光处理光束未上电或处于非处理功率的同时检测所述至少一个瞬态光学基准。
8.根据权利要求4所述的设备，还包括控制器，所述控制器耦合到所述光学检测器和所述激光扫描仪，并且被配置为将所述至少一个瞬态光学基准的检测位置与所述激光处理光束的位置进行比较，以基于所述比较来更新扫描误差校正表，并且根据所更新的扫描误差校正表来扫描所述激光处理光束。
9.根据权利要求8所述的设备，还包括所述激光扫描仪。
10.根据权利要求9所述的设备，还包括激光处理光束源，其被定位成生成所述激光处理光束并且将所述激光处理光束引导至所述激光扫描仪。
11.根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个瞬态光学基准被成形为环形，并且调整所述激光处理光束相对于所述至少一个瞬态光学基准的所述定位是基于对所述环形的检测的。
12.根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个瞬态光学基准具有与所述激光处理光束的波长间隔开的波长。
13.根据权利要求1所述的设备，其中，所述基准图案生成器包括衍射光学元件，所述衍射光学元件被定位成将所述基准源光束衍射成衍射光束，以产生所述至少一个瞬态光学基准。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述至少一个瞬态光学基准包括多个瞬态光学基准，所述多个瞬态光学基准在所述激光扫描仪的所述视场中以预定基准图案间隔开。
15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述激光扫描仪被定位成将所述激光处理光束引导至所述视场的与相应瞬态光学基准的位置相关联的不同子场。
16.根据权利要求13所述的设备，还包括光学检测器，所述光学检测器被定位成检测由所述激光处理目标或邻近所述激光处理目标的表面反射的所述衍射光束的零阶部分。
17.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光源和所述光学基准图案生成器与所述激光扫描仪和激光处理光束源具有空间间隔，所述激光处理光束源被定位成生成将所述光源和所述光学基准图案生成器与所述激光扫描仪和所述激光处理光束源热隔离的所述激光处理光束，所述激光处理光束源减小在所述激光处理目标处所述至少一个瞬态光学基准的位置误差。
18.根据权利要求1所述的设备，其中，所述基准图案生成器包括空间光调制器，所述空间光调制器被定位成调制所述基准源光束，以产生调制光束，使得所述至少一个瞬态光学基准能够动态定位在所述激光处理目标上。
19.根据权利要求18所述的设备，其中，所述空间光调制器包括以下中的一个或多个：
数字微镜器件、硅上液晶器件、声光光束偏转器和电光光束偏转器。
20.根据权利要求18所述的设备，其中，当所述激光处理光束在所述激光处理目标上扫描时，所述至少一个瞬态光学基准能够动态定位，使得所述激光处理光束的扫描位置能够跟随所述至少一个瞬态光学基准的动态位置。
21.一种系统，包括：
基准校准器，其定位成产生至少一个瞬态光学基准；
至少一个处理器；以及
一个或多个包括存储的指令的计算机可读存储介质，所述存储的指令响应于由所述至少一个处理器执行，使得所述系统调整激光处理光束相对于在激光处理目标处检测到的所述至少一个瞬态光学基准的定位，所述激光处理目标位于激光扫描仪的视场中，所述激光扫描仪被定位成在所述激光处理目标上扫描所述激光处理光束。
22.根据权利要求21所述的系统，其中，所述至少一个瞬态光学基准包括多个瞬态光学基准，所述多个瞬态光学基准是用所述基准校准器的衍射光学元件而产生的并且沿着与所述激光扫描仪不共同的路径从所述衍射光学元件被引导至所述激光处理目标；
其中，使得所述系统调整所述定位与光束扫描校准相对应，所述光束扫描校准包括将所述至少一个瞬态光学基准的检测位置与所述激光处理光束的位置进行比较，基于所述比较来更新扫描误差校正表，并且基于所更新的扫描误差校正表中的值来控制所述激光扫描仪扫描所述激光处理光束。
23.根据权利要求21所述的系统，其中，所述至少一个瞬态光学基准包括在所述激光扫描仪的所述视场中能够动态定位的光学基准，所述能够动态定位的光学基准被引导沿着与所述激光扫描仪分离的光路；
其中，使得所述系统系统调整所述定位包括根据预定的激光处理图案来引导所述能够动态定位的光学基准，用通过所述激光扫描仪的所述视场光学耦合的光学检测器来检测所述能够动态定位的光学基准，并且基于所述检测来用所述激光处理光束跟随所述能够动态定位的光学基准。
24.一种方法，包括：
用光源来产生基准源光束；并且
在激光处理目标上形成至少一个瞬态光学基准，所述激光处理目标位于激光扫描仪的视场中，所述激光扫描仪被定位成在所述激光处理目标上扫描激光处理光束，用接收所述基准源光束的光学基准图案生成器，调整所述激光处理光束相对于所述至少一个瞬态光学基准的定位。
25.根据权利要求24所述的方法，还包括：
用通过所述激光扫描仪光学耦合到所述激光处理目标的光学检测器来检测所述至少一个瞬态光学基准；
确定所述至少一个瞬态光学基准和所述激光处理光束之间的位置差；并且通过减小所述位置差，在所述视场中用所述激光扫描仪来调整所述激光处理光束的定位。
26.根据权利要求24所述的方法，其中，形成所述至少一个瞬态光学基准包括：
用衍射光学元件来衍射所述基准源光束，以产生多个瞬态光学基准细光束；并且将所述瞬态光学基准细光束引导至所述激光处理目标，作为位于所述激光扫描仪的所述视场中的所述瞬态光学基准的预校准阵列。
27.根据权利要求25所述的方法，还包括用通过所述激光扫描仪光学耦合到所述激光处理目标的光学检测器来检测所述至少一个瞬态光学基准；
其中，形成所述至少一个瞬态光学基准包括在用所述激光处理光束处理所述目标期间改变所述至少一个瞬态光学基准在所述激光处理目标上的位置；
其中，确定位置差和调整所述激光处理光束的所述定位包括：基于用所述光学检测器对所述至少一个瞬态光学基准的检测，而用所述激光处理光束跟随所述至少一个瞬态光学基准的可变位置。

说明书全文

用于检流计扫描仪校准的光学基准生成

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本申请要求享有于2017年4月4日提交的美国临时专利申请第62/481,637号的权益，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

[0003] 本领域涉及扫描仪基准和激光处理。

背景技术

[0004] 在3D或2D激光扫描仪制造或处理应用中，通常根据某个外部建立的参考来校准扫描仪的X、Y位置。通常，校准材料位于工作表面处并被标记，然后由车载或离线视觉系统检查以收集误差数据。误差数据是整个扫描仪视场中参考和实际激光标记位置之间的空间差异。

[0005] 在增材制造3D金属印刷应用中，激光工艺对于如何在整个视场中提供参考信息提2
出了挑战，该视场可能是相当大的，例如，许多cm 。传统的扫描应用可以在处理衬底或特殊制备的校准介质上提供基准，该校准介质被放置在工作平面上以用于校准，并且随后被移除。因为在3D选择激光烧结(SLS)工艺中，精细控制的金属颗粒层覆盖工作平面，所以基准生成通常是不可能或不切实际的。虽然可以用基准来制造支撑压板以用于校准，但是一旦构建过程开始，由于印刷材料覆盖压板，原位漂移监测变得困难。
发明内容

[0006] 根据所公开技术的一个方面，设备包括：光源，其被定位成产生基准源光束；以及光学基准图案生成器，其被定位成用所述基准源光束在激光处理目标上产生至少一个瞬态光学基准，所述激光处理目标位于激光扫描仪的视场中，所述激光扫描仪被定位成在所述激光处理目标上扫描激光处理光束，使得所述激光处理光束在所述激光处理目标上的定位变得相对于所述至少一个瞬态光学基准可调整。

[0007] 在一些实施例中，所述激光处理目标包括粉末材料，所述粉末材料被定位成漫反射所述至少一个瞬态光学基准，例如用选择性激光烧结目标。在一些示例中，所述粉末材料形成第一层，所述第一层用所述激光处理光束被选择性地处理，并且额外的粉末材料被沉积，以形成一个或多个后续层，其中，所述至少一个瞬态光学基准在所述第一层处和所述一个或多个后续层中的至少一个处产生，以提供所述激光处理光束的所述扫描的原位校准。

[0008] 一些设备示例还包括光学检测器，所述光学检测器通过所述激光扫描仪光学耦合到所述激光处理目标，基于所述激光扫描仪的一个或多个扫描光学器件的扫描位置到所述视场的子场视场，其中，所述光学检测器被定位成检测所述子场视场中的所述至少一个瞬态光学基准。根据一些示例，所述激光扫描仪被配置为针对所述一个或多个扫描光学器件的不同扫描位置，将所述激光处理光束引导至所述子场视场中的预定位置。在不同的示例中，所述光学检测器包括一个或多个相机、光电二极管、CMOS检测器、CCD检测器、阵列或组合。在一些实施例中，所述光学检测器被定位成在所述激光处理光束未上电或处于非处理功率的同时检测所述至少一个瞬态光学基准。

[0009] 在一些示例中，控制器耦合到所述光学检测器和所述激光扫描仪，并且被配置为将所述至少一个瞬态光学基准的检测位置与所述激光处理光束的位置进行比较，以基于所述比较来更新扫描误差校正表，并且根据所更新的扫描误差校正表来扫描所述激光处理光束。代表性设备可以包括激光扫描仪和激光处理光束源之一或二者，其被定位成生成所述激光处理光束并将所述激光处理光束引导至所述激光扫描仪。

[0010] 在一些实施例中，所述至少一个瞬态光学基准被成形为环形，并且调整所述激光处理光束相对于所述至少一个瞬态光学基准的所述定位是基于对所述环形的检测的。在一些示例中，所述至少一个瞬态光学基准可以具有与所述激光处理光束的波长间隔开的波长。

[0011] 所述基准图案生成器的一些示例包括衍射光学元件，所述衍射光学元件被定位成将所述基准源光束衍射成衍射光束，以产生所述至少一个瞬态光学基准。在一些衍射光学元件示例中，所述至少一个瞬态光学基准可以对应于多个瞬态光学基准，所述多个瞬态光学基准在所述激光扫描仪的所述视场中以预定基准图案间隔开。在进一步的示例中，所述激光扫描仪可以被定位成将所述激光处理光束引导至与相应瞬态光学基准的位置相关联的、所述视场的不同子场，所述相应瞬态光学基准用所述衍射光学元件产生。一些实施例还可以包括光学检测器，所述光学检测器被定位成检测由所述激光处理目标或邻近所述激光处理目标的表面反射的所述衍射光束的零阶部分。

[0012] 在一些实施例中，所述光源和所述光学基准图案生成器与所述激光扫描仪和激光处理光束源具有空间间隔，所述激光处理光束源被定位成生成将所述光源和所述光学基准图案生成器与所述激光扫描仪和所述激光处理光束源热隔离的所述激光处理光束，所述激光处理光束源减小在所述激光处理目标处所述至少一个瞬态光学基准的位置误差。

[0013] 在所选示例中，所述基准图案生成器包括空间光调制器，所述空间光调制器被定位成调制所述基准源光束，以产生调制光束，使得所述至少一个瞬态光学基准能够动态定位在所述激光处理目标上。举例来说，空间光调制器包括数字微镜器件、硅上液晶器件、声光光束偏转器和电光光束偏转器中的一个或多个。在代表性调制光束示例中，当所述激光处理光束在所述激光处理目标上扫描时，所述至少一个瞬态光学基准能够动态定位，使得所述激光处理光束的扫描位置能够跟随所述至少一个瞬态光学基准的动态位置。

[0014] 根据所公开技术的另一方面，系统包括：基准校准器，其定位成产生至少一个瞬态光学基准；至少一个处理器；以及一个或多个包括存储的指令的计算机可读存储介质，所述存储的指令响应于由所述至少一个处理器执行，使得所述系统调整激光处理光束相对于在激光处理目标处检测到的所述至少一个瞬态光学基准的定位，所述激光处理目标位于激光扫描仪的视场中，所述激光扫描仪被定位成在所述激光处理目标上扫描所述激光处理光束。

[0015] 在一些系统示例中，所述至少一个瞬态光学基准包括多个瞬态光学基准，所述多个瞬态光学基准用所述基准校准器的衍射光学元件来产生并且沿着与所述激光扫描仪不共同的路径从所述衍射光学元件引导至所述激光处理目标；其中，使得所述系统调整所述定位对应于光束扫描校准，所述光束扫描校准包括将所述至少一个瞬态光学基准的检测位置与所述激光处理光束的位置进行比较，基于所述比较来更新扫描误差校正表，并且基于所更新的扫描误差校正表中的值来控制所述激光扫描仪扫描所述激光处理光束。在进一步的系统示例中，所述至少一个瞬态光学基准包括在所述激光扫描仪的所述视场中的能够动态定位的光学基准，所述能够动态定位的光学基准被引导沿着与所述激光扫描仪分离的光路；其中，使得所述系统系统调整所述定位包括根据预定的激光处理图案来引导所述能够动态定位的光学基准，用通过所述激光扫描仪的所述视场光学耦合的光学检测器来检测所述能够动态定位的光学基准，并且基于所述检测来用所述激光处理光束跟随所述能够动态定位的光学基准。

[0016] 根据所公开技术的另一个方面，方法包括：用光源来产生基准源光束；并且在激光处理目标上形成至少一个瞬态光学基准，所述激光处理目标位于激光扫描仪的视场中，所述激光扫描仪被定位成在所述激光处理目标上扫描激光处理光束，用接收所述基准源光束的光学基准图案生成器，调整所述激光处理光束相对于所述至少一个瞬态光学基准的定位。

[0017] 一些方法示例还包括：用通过所述激光扫描仪光学耦合到所述激光处理目标的光学检测器来检测所述至少一个瞬态光学基准；确定所述至少一个瞬态光学基准和所述激光处理光束之间的位置差；并且通过减小所述位置差，在所述视场中用所述激光扫描仪来调整所述激光处理光束的定位。根据一些方法示例，形成所述至少一个瞬态光学基准包括：用衍射光学元件来衍射所述基准源光束，以产生多个瞬态光学基准细光束；并且将所述瞬态光学基准细光束引导至所述激光处理目标，作为位于所述激光扫描仪的所述视场中的所述瞬态光学基准的预校准阵列。额外的方法示例包括用通过所述激光扫描仪光学耦合到所述激光处理目标的光学检测器来检测所述至少一个瞬态光学基准；其中，形成所述至少一个瞬态光学基准包括在用所述激光处理光束处理所述目标期间改变所述至少一个瞬态光学基准在所述激光处理目标上的位置；其中，确定位置差和调整所述激光处理光束的所述定位包括：基于用所述光学检测器对所述至少一个瞬态光学基准的检测，用所述激光处理光束跟随所述至少一个瞬态光学基准的可变位置。

[0018] 所公开技术的前述和其他特征和优点将从下面参考附图进行的详细描述中变得更加明显。

附图说明

[0019] 图1是选择性激光烧结目标的相机图像的平面图；

[0020] 图2是示例选择性激光烧结系统的示意图，该系统包括在工作表面处生成基准标记的衍射光学元件；

[0021] 图3是选择性激光烧结系统示例的另一示意图；

[0022] 图4是基准校准和动态跟踪的示例方法的流程图；

[0023] 图5是示例激光处理目标的平面图；

[0024] 图6是激光系统示例的示意图；

[0025] 图7是另一激光系统示例的示意图；

[0026] 图8是具有光学基准的示例校准方法的流程图。

具体实施方式

[0027] 如在本申请和权利要求中使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数形式，除非上下文另有明确指示。此外，术语“包含”是指“包括”此外，术语“耦合”不排除在耦合项之间存在中间元素。

[0028] 本文描述的系统、设备和方法不应被解释为以任何方式进行限制。相反，本公开涉及各种公开的实施例的所有新颖的和非显而易见的特征和方面，单独地以及在与彼此的各种组合和子组合中。所公开的系统、方法和设备不限于任何特定的方面或特征或其组合，所公开的系统、方法和设备也不要求任何一个或多个特定的优点存在或要求问题被解决。任何操作理论都是为了便于解释，但是所公开的系统、方法和设备不限于这些操作理论。

[0029] 尽管为了便于呈现，以特定的连续顺序描述了一些公开的方法的操作，但是应该理解，这种描述方式包括重新排列，除非下面阐述的特定语言要求特定的顺序。例如，依次描述的操作在一些情况下可以重新排列或同时执行。此外，为了简单起见，附图可能没有示出所公开的系统、方法和设备可以与其他系统、方法和设备结合使用的各种方式。此外，描述有时使用诸如“产生”和“提供”等的术语来描述所公开的方法。这些术语是所执行的实际操作的高级抽象。对应于这些术语的实际操作将根据具体实施方式而变化，并且本领域普通技术人员容易辨别。

[0030] 在一些示例中，值、过程或设备被称为“最低”、“最佳”、“最小”等。应当理解，这样的描述旨在指示可以在许多使用的功能替代方案中进行选择，并且这样的选择不需要比其他选择更好、更小或者以其他方式更优选。

[0031] 在图1和图2中，公开了在基于3D或2D扫描仪的处理工具内提供基准投影的系统和方法。低功率激光源提供激光束200，引导该激光束200通过单个或多个元件衍射光学元件(DOE)202，该衍射光学元件202将单个光束分成多个光束204a-204f，以形成引导至材料206的工作平面的二维光束网格(例如，10-100)。在SLS的情况下，材料206的工作平面可以是金属粉末层，该金属粉末层也用于散射来自DOE的光，例如，散射成部分或实质上朗伯分布208。可以从许多角度观察光束或激光投影点的对应阵列，包括通过激光扫描仪210的视场，该激光扫描仪210被定位成将SLS处理激光束引导至材料206的工作平面。因为DOE制造通常是成熟的、高精度的过程，并且因为SLS系统的投影平台可以被制造成满足高平坦度要求，所以DOE 202的投影点网格可以在位置上相对于激光扫描仪210、SLS处理激光束和SLS系统的其他组件(包括材料206的工作平面)是公知的。在一些示例中，相机系统212被配置在激光扫描仪内或通过激光扫描仪光学耦合，以便在激光扫描仪视场内命令激光扫描仪210的任何地方对材料206的工作平面成像。相机系统212可以直接通过激光扫描仪210的扫描光学器件形成局部目标区域的图像100。图像100包含由衍射光学元件202和低功率激光源生成的照明基准102。当SLS处理激光束以低功率打开，以便不损坏SLS粉末材料时，相机系统
212可以同时让SLS激光处理光束的点104和DOE基准激光点102在视野中。然后，可以确定点
102、104之间的空间间隔，并且可以基于所确定的误差来调整激光处理光束的位置，以便校准SLS系统。

[0032] 在一个示例中，二维DOE被定位成将单个光束分成二维光束网格，每个光束具有相等的角间距。其波长可以与SLS处理光束相同或相似的低功率单模激光束被引导以照射DOE。DOE可以位于材料工作平面所位于的SLS处理室外部，将DOE作为参考源从高温条件中移除，所述高温条件可以与SLS处理相关并且可能导致参考源失真。

[0033] 图3示出了激光系统300的另一示例，其包括激光扫描仪302，该激光扫描仪302被定位成将由激光处理光束源306生成的激光处理光束304引导至目标308，例如选择性激光熔化目标。校准激光束源310通过衍射光学元件314生成适于基准生成的激光束312。衍射光学元件接收激光束312，并生成多个细光束316a-316i，通过聚焦光学器件318引导这些细光束316a-316i，以在目标308处形成可以是非永久性的基准点320a-320i的阵列。在一些示例中，聚焦光学器件318为多个细光束316a-316i提供合适的聚焦深度，使得相机324可以检测到激光处理光束304的超出公差的z方向聚焦变化。光束成形光学器件322可以被定位成接收激光处理光束304并调整与激光处理(例如，SLS)相关联或与校准相关联的光束特性。相机324可以通过激光扫描仪302并用分束元件326观察一个或多个照射的非永久性基准点320a-320i，该分束元件326可以被定位成接收激光处理光束304的横截面、横截面的一部分或邻近横截面。相机324还可以观察激光处理光束点328，并且图像可以示出基准细光束位置320f和激光处理光束点在视场中的实际位置328之间是否存在位置误差，该基准光束位置320f可以对应于激光处理光束点的预期位置(或预期偏移)。代表性示例将基准细光束
316a-316i光学耦合到与激光扫描仪320和相关联的光学器件322分离的目标308，以便将基准参考细光束316a-316i的生成与系统的其他组件热隔离。在进一步的示例中，基准细光束
316a-316i可以通过激光扫描仪302的聚焦光学器件耦合。

[0034] 在一些示例中，可以在激光处理光束304在目标308处的主动操作期间执行对相对于基准细光束316a-316i的位置的激光处理光束304的位置的检测和校准。控制器330通常包括处理器332、存储器334和一个或多个校准例程336或算法，该校准例程336或算法可以基于用相机324检测到的位置误差来调整耦合到激光扫描仪302的扫描信号。可以提供各种场校正，包括在激光扫描仪视场上的可变校正(在一些示例中包括在Z方向上)。例如，可以修改误差校正表，并且可以更新描述在视场上的激光处理光束的变化的多项式或其他拟合函数。合适的控制器类型可以包括一个或多个计算机装置、计算单元、CPLD、PLC、PLD、PAL、ASIC等，其中的每个通常包括一个或多个处理器332和一个或多个存储器334，以用于控制激光处理光束源306、相机324、激光扫描仪302和校准激光束源310。存储器334可以包括易失性存储器，例如寄存器、高速缓存和RAM、非易失性存储器，例如ROM、EEPROM和闪速存储器或组合。存储器334可由处理器332访问，并且可以以可由处理器332执行的计算机可执行指令的形式存储软件，例如校准例程336。存储器334还可以包括可移动或不可移动的存储器，包括磁介质、CD-ROMS、DVD或可以用于以非暂时性方式存储信息并且可以在控制器330的计算环境内访问的任何其他介质。在一些示例中，控制器330可以分布在不同组件之间，例如校准激光束源和激光扫描仪302之间，并且在一些示例中，不需要在所有组件之间通信。例如，校准激光束源310和衍射光学元件314可以被配置为单独的基准校准装置，该装置可以用于不同的激光系统，以提供用于不同激光处理目标的校准光学基准。在一些示例中，用于校准目的的零位置差可以对应于由相机324检测到的激光处理光束点328和基准点320a-320i之间的预定位置差。

[0035] 图4是动态激光处理方法400的示例。在402处，时间依赖的基准图案加载到控制器的存储器中，使得控制器可以命令光学基准的移动，例如用空间光调制器，该空间光调制器被配置为在激光处理目标上基于基准图案调制入射光束。在404处，开始对应于应用于激光处理目标的时间依赖的基准图案的基准轨迹。在一些示例中，激光处理目标上的基准轨迹可以对应于选择性激光烧结或其他增材制造工艺中粉末层的处理的目标图案。基准轨迹特性可以包括速度和方向以及其他时间依赖的特性，例如基准形状或强度的变化。在406处，光学检测器(例如，相机、光电二极管、CMOS、CCD、阵列等)通过被定为成激光处理激光处理目标的激光系统的激光扫描仪，检测基准轨迹的基准和任何相关联的基准特性。在一些示例中，所选基准形状或基准光强的调制速率可以与激光处理光束的预定光功率或光束特性(包括光束形状)的发起或变化相关联。在408处，确定基准是否存在，如果其不存在，则过程可以在410处结束。在412处，用激光扫描仪将激光处理光束引导至基准位置。在414处，可以将基准的检测位置与所命令的激光处理光束位置进行比较。如果存在位置差，则在416处，可以通过调整激光处理光束的所命令的位置，减小与关联于未对准的扫描误差或关联于跟随光学基准的动态跟踪误差相对应的位置差。在一些示例中，可以基于对激光处理光束的所命令的位置的调整来更新扫描误差校正表。在418处，通过返回，例如通过在406处通过激光扫描仪再次检测基准，命令激光处理光束跟随与激光处理光束一起移动的光学基准。激光处理光束可以从激光处理光束和检测到的光学基准的先前位置扫描到新检测到的位置。在一些示例中，基准轨迹可以对应于焊缝，并且激光处理光束基于通过激光扫描仪视场对基准的检测来动态跟踪基准轨迹，以形成焊缝。

[0036] 图5示出了高功率激光系统的扫描视场500(例如，用于增材制造工艺)，包括选择性激光烧结。在典型示例中，视场500由激光扫描仪的扫描范围定义，该激光扫描仪被定位成接收和扫描在激光处理目标502上用激光源(例如，光纤激光器)生成的激光处理光束。激光扫描仪通常包括一个或多个扫描镜，使得对于耦合到一个或多个扫描镜和激光源之间的激光处理光束的光路的相机，可以定义子场视场504。在子场视场504中，激光处理光束在激光处理目标502处相对于坐标轴508a、508b在子场视场504中的预定位置中形成激光点506。如图所示，激光点506偏离与坐标轴508a、508b的交点相对应的子场视场504的中心位置，但是更典型地，预先校准激光系统和激光扫描仪，使得激光点506被引导至坐标轴508a、508b的中心交点位置。

[0037] 在激光扫描仪的选择的扫描位置中，类似于子场视场504的子场视场510a-510d可以在扫描仪视场中朝向相对于激光处理目标502的不同位置处。基于激光源和激光扫描仪之间的初始对准，激光处理光束可以形成相应的激光点512a-512d，这些激光点512a-512d通常在相应的子场视场510a-510d中在相应位置处具有共同的位置。在激光源和激光扫描仪与激光处理目标502和相关联的目标构建板514的集成期间，激光扫描仪的参考帧对准并映射到激光处理目标502和构建板514，例如相对于具有定义的原点516的全局坐标系。可以以各种方式执行这种初始校准，包括基于构建板514上的永久基准标记、用校准玻璃板和坐标测量机、或者用其它技术(包括本文公开的那些技术)来对准激光扫描仪位置。例如，多个光学基准518a-518d可以在相对于全局坐标系和原点516的精确预定位置中瞬态形成在激光处理目标502上，并且可以调整激光扫描仪和激光源，使得激光点512a-512d变得与瞬态光学基准518a-518d对准。瞬态光学基准518a-518d可以具有各种形状，例如点、线、网格、十字准线和环形，但是图5所示的环形形状通常与光学检测器的更快速和/或更精确的检测相关联。

[0038] 在激光处理系统(即，包括激光源和激光扫描仪的激光处理系统)的寿命期间，或者甚至在一个激光处理目标502的激光处理期间，在激光点512a-512d和瞬态光学基准518a-518d的位置之间以及在激光扫描仪的视场上会产生位移误差，从而得到不精确处理的目标。在代表性示例中，通过激光扫描仪子场视场510a-510d检测瞬态光学基准518a-
518d，并且确定和校正位移误差，使得可以用激光处理光束精确地处理激光处理目标502。
在典型示例中，可以在待激光处理的材料层之间执行激光扫描仪扫描命令表的原位调整，以保持优于100μm、10μm或甚至1μm的激光扫描精度。在一些示例中，瞬态光学基准518a-
518d可以对应于用衍射光学元件生成的衍射图案，例如在透射材料层上具有预定图案的衍射分束器。在典型示例中，基于基准生成器相对于激光扫描仪的空间分离和热隔离，瞬态光学基准510a-510d的放置在激光处理期间或之间可以具有精度的鲁棒性。在一些示例中，空间分离可以包括空气分离、与激光扫描仪或其他组件的邻接边界、或者被提供有绝缘材料的热隔离、冷却系统等。

[0039] 在一些示例中，构建板514、激光处理目标和视场500相对于基准生成器的零阶轴的垂直对准可以允许生成零阶衍射基准520，该零阶衍射基准520可以与激光扫描仪的中心轴522间隔开。在选择的示例中，零阶衍射基准520在视场500外部。为了保持基准生成器的内部精度，可以检测零阶衍射基准520，并且转移(shift)或强度变化可以对应于超出公差条件。

[0040] 在图6中，激光系统600包括激光源602，该激光源602被定位成生成激光处理光束604。激光处理光束604通常是高功率连续、准连续或脉冲光束。在一些示例中，激光源602包括增益介质606，例如有源掺杂光纤放大器、光纤振荡器或光纤振荡器-放大器组合、固态块或多个半导体激光源(例如，单发射器激光二极管、激光二极管棒等)。在代表性实施例中，增益介质606是有源光纤，其耦合到种子源608，例如二极管激光器或光纤振荡器，并且耦合到泵浦源610，例如一个或多个光纤耦合的激光二极管模块或光纤激光源。电源612耦合到泵浦源610和种子源608(如果存在)，以提供电源。增益介质606可以耦合到传送光纤614，该传送光纤614传送到预定位置，激光处理光束604被发射并且沿着光轴615传播，该光轴615可以对应于激光处理光束604的主光线。一个或多个光束成形光学器件例如准直光学器件
616。激光处理光束604被引导至2D或3D检流计激光扫描仪618，该扫描仪618通常包括一个或多个检流计扫描镜620a、620b，所述检流计扫描镜620a、620b被定位成围绕相应的扫描镜旋转轴622a、622b旋转，以改变入射到激光扫描光学器件624上的激光处理光束604的方向。
激光扫描光学器件624或激光扫描仪618的一个或多个其他光学器件可以沿着轴615平移，以提供z焦点调整。然后，基于用检流计扫描镜620a、620b对光轴615的偏转以及激光扫描仪
618的其他光学器件的z位置，激光处理光束604被引导至激光处理目标626上的选择的位置。在代表性示例中，z方向上的焦点通常比XY位置更能容忍误差，因为激光扫描仪618提供的焦点深度通常为几十微米。因此，在初始校准之后，通常减少了对周期性z校准的需求。

[0041] 激光扫描仪618通常被配置为旋转扫描镜620a、620b，使得激光处理光束604可以被引导至与激光扫描仪618的视场628相对应或关于激光扫描仪618的预定区域。为了在视场628中的不同位置处选择性地提供激光处理光束604，激光扫描仪618和激光源602耦合到激光控制器630。激光控制器630通常包括至少一个处理器632和一个或多个存储器634，该存储器634配置有指令(例如，图案命令文件636)，这些指令可由至少一个处理器632执行，以控制由目标626接收的激光处理光束604的光束发起、终止、功率水平、重复率、调制和/或其他特性，并控制在视场628中的光束扫描位置。在初始校准期间，与激光源602的参考帧相对应的视场628中的扫描位置被映射到目标626的区域，使得与图案命令文件636相关联的预期光束位置可以在预定的横向公差和/或z公差内(即，包括目标626的平面内或平面外)对应于目标626上的实际光束位置。映射通常包括误差表637的生成，该误差表637可以包括标量校正值，这些标量校正值提供视场628和为目标626定义的全局坐标系之间的对应关系。

[0042] 在用激光处理光束604对目标626进行的激光处理、对目标626的操纵(例如，加载、分层、移除、移动等)、长期使用、环境条件变化、光学和/或机械退化、日常维护等期间，与初始校准相关联的扫描公差可能恶化，使得命令的扫描位置相对于目标626不够精确。基准校准器638可以相对于目标626以预定的空间和方向关系定位。基准校准器638可以包括校准激光源640，其被定位成生成基准源光束642。基准源光束642通常是较高质量的低功率光束2 2 2
(例如，M ≤5、M ≤2、M ≤1.2等)，并且通常具有偏离激光处理光束604的波长的波长。在一些示例中，基准源光束642可以具有与激光处理光束604相同或相似的波长。

[0043] 在典型示例中，基准源光束642作为准直光束沿着光轴644被引导至基准图案生成器646，例如衍射光学元件。基准图案生成器646将基准源光束642衍射成多个基准细光束648a-648e，这些基准细光束648a-648e形成相应的光学基准650a-650e，这些光学基准
650a-650e通常是瞬态的并且与目标626具有预定的位置关系。在代表性示例中，目标626包括粉末材料(例如，适于选择性激光烧结或另一种增材制造工艺的材料)，该材料是非镜面的，以便为入射光提供一定范围的反射(例如，具有朗伯或部分朗伯轮廓)。光学基准650a-
650d可以形成在该材料上，并提供对应的反射范围，例如，由远离光学基准650a的不同箭头所示的反射范围。通常，非镜面反射足够地散射，以在基准图案生成器646(或其他相关耦合光学器件)和激光扫描光学器件624之间对向的角度上提供足够的散射。

[0044] 光学基准650a的反射的反射基准部分652可以通过激光扫描光学器件624耦合，并从扫描镜620a、620b反射。分束器654或其他合适的波长依赖的光束引导的光学器件可以位于激光处理光束604的路径中，以接收和引导反射的基准部分652(例如，通过反射、折射、透射、组合等)到光学检测器656(例如，相机)、一个或多个光电二极管、CCD、CMOS 传感器、阵列等。在代表性示例中，光学检测器656具有由光学检测器656和目标626之间的光路定义的可移动视场658，包括扫描镜620a、620b的扫描位置和镜区域。在典型实施例中，光学检测器656的视场658相对于传播轴615光学对准，使得视场658的中心对应于在处理期间激光处理光束604在目标626处的点的位置，但其他对准也是可能的。控制器630可以耦合到基准校准器638和光学检测器656，以使得基准校准器638生成光学基准650a-650d，并从光学检测器
656接收检测信号。接收到的检测信号可以对应于其视场658位于光学基准650a视野中的光学基准650a的检测光学特性，或者对应于其扫描镜620a、620b移动使得视场658移动到相应光学基准650b-650d视野中的光学基准650b-650d的检测到的光学特性。在代表性实施例中，基准校准器638与激光扫描仪618和激光源602充分热分离，以减少光学基准650a-650d在目标626处的位置误差，例如通过基准校准器的空间分离和/或热冷却。

[0045] 在激光系统600的一些示例中，目标626可以包括构建板基座662，该构建板基座662用控制器630的z级控制器666用z级664降低。粉末材料层设置在构建板基底662上方，并且推杆668可以用于平整粉末材料的表面并移除多余的材料，使得粉末层的顶部对应于激光处理光束604在目标626处的焦点的预定平面。在用激光处理光束604处理特定粉末层之后(例如，根据选择性激光烧结工艺)，构建板基底662可以用z级664降低，并且可以沉积和平整额外粉末层，使得额外层可以用激光处理光束604处理。在一些实施例中，z级664还可以提供x、y或xy平移，或者可以包括平移目标626的传送器系统。在代表性示例中，可以在手动选择的时间或者在一个或多个自动选择的时间或间隔期间，包括在过程的开始或结束，在用激光处理束604进行激光处理期间，或者在激光处理或处理步骤之间(例如，在粉末材料层的处理之间)，用控制器630执行校准例程660。在一些示例中，校准例程660可以包括基准命令670，该基准命令670包括使基准校准器638在目标626处产生光学基准650a-650d。在进一步的示例中，当激光系统300的一个或多个组件通电时，光学基准650a-650d可以瞬态引导至目标626。在校准例程660期间，扫描镜620a、620b被引导至与光学基准650a-650d相关联的预定位置，并且光学检测器656在视场658中在每个位置处检测光学基准650a-650d的位置。基于检测到的位置，可以确定位置误差，并且通常使用一种或多种内插/外推技术来更新误差校正表637，以确定视场628中其他扫描位置的合适校正值。

[0046] 在一些实施例中，用基准校准器638生成的基准细光束648e可以对应于由基准图案生成器646产生的零阶衍射。在一些示例中，光学基准650e可以形成在邻近目标626的单独表面672上，或者可以形成在目标626上。在一些示例中，分束器674可以被定位成例如通过针孔光圈680将从表面672接收的反射光束676的一部分引导至光学检测器678。在一些示例中，可以使用不位于基准细光束648e的路径中的其他光束引导光学器件(或者没有光束引导光学器件)，来代替分束器674。可以基于检测到的零阶反射光束676的变化，检测基准校准器638与表面672和目标626之间的未对准或对准变化，例如，可以对应于表面672相对于基准细光束648e的角度变化的反射的光束位置的漂移。例如，光学检测器678可以耦合到激光控制器630，并且基准误差检测例程682可以与激光源602的操作形成互锁，可以指示存在未对准，或者基准校准器638已经造成基准精度的降低。

[0047] 图7是被配置用于动态瞬态光学基准放置和跟踪的激光系统700。激光系统700包括激光源702，该激光源702被定位成产生激光束704，该激光束704通常从传送光纤706发射。在一些示例中，激光束704经由自由空间、光束均化器和/或其他光学器件耦合。激光束704沿着传播轴705被引导至激光扫描仪706，该激光扫描仪706包括一对扫描镜708a、708b，这些扫描镜708a、708b通常用检流计致动器可绕相应的正交轴710a、710b旋转，以改变接收到的激光束704的方向。聚焦光学器件712接收激光束704，并将激光束704聚焦到激光处理目标714，例如焊接目标、切割目标、图案化目标、选择性激光烧结目标、增材制造目标等。激光控制器716耦合到激光源702和激光扫描仪706，以控制激光束704的光束特性，例如功率、波长、重复率、点强度/发散轮廓和/或几何形状等。激光控制器通常包括至少一个处理器
718和至少一个配置有各种指令和数据存储装置的存储器720，使得处理器718响应于存储器720中的指令可以使得激光源702发射激光束704，并使得激光扫描仪706改变扫描位置，使得激光束704在激光处理目标714处形成激光点722。

[0048] 在代表性示例中，激光系统700还包括基准校准器724，该基准校准器724被定位成将光学基准726引导至激光处理目标714，并在激光处理目标714处改变基准位置。基准校准器724可以与激光扫描仪706分开放置，但空间间隔可以在不同的示例中不同。例如，基准校准器724可以机械地附接到激光扫描仪706或者位于激光扫描仪706附近，但基准校准器724通常被配置有足够分开的空间距离和/或耦合，使得基准校准器724和激光处理目标714之间的校准保持不变或者独立于激光扫描仪706和激光处理目标714之间的校准降低而变化。在一些示例中，基准校准器726包括被定位成生成基准源光束730的光源728(例如，激光器、LED等)以及空间光调制器732，该空间光调制器被定位成接收并空间调制基准源光束730，以在能视场734或能视场734的一部分上的选择性位置中选择性地提供光学基准726，该能视场734对应于在用激光扫描仪706的情况下激光束704的扫描范围。空间光调制器732的合适示例包括数字微镜器件(DMD)、硅上液晶(LCoS)器件、声光调制器或电光调制器。激光控制器716耦合到基准校准器724，并配置有基准移动命令736，以改变光学基准726的位置。在一些示例中，基准移动命令736和基准校准器724可以耦合到不与激光控制器716通信的单独的控制器。

[0049] 光学检测器738被定位成接收光学基准726的反射的光束部分740。在典型示例中，激光处理目标714具有不产生排他性镜面反射的表面，使得由激光处理目标714反射的对应于反射的光束部分740的一部分光通过激光扫描光学器件712和扫描镜708a、708b被引导至选择性光学器件742，该选择性光学器件742将反射的光束部分740引导至光学检测器738。光学检测器738可以具有视场744，该视场744可以部分由扫描镜708a、708b的位置定义。光学检测器738可以检测激光点722和光学基准726，并且激光控制器716可以接收检测信号，以确定激光点722和光学基准726之间的位置差。在一些示例中，激光点722与视场744中的预定位置(例如，中心)对准，并且基于光学基准726的预定位置和检测到的位置来确定位置差。基于基准移动命令736，可以向激光控制器716提供激光点722的预期位置。在一些示例中，激光控制器716可以命令激光扫描仪706通过扫描位置的范围，以检测能视场734中的光学基准726。

[0050] 利用基准移动命令736，可以改变光学基准726的位置，以跟随时间依赖的处理轨迹746到达不同的位置，形成移位的光学基准748。激光控制器716可以包括基准跟踪命令750，该基准跟踪命令750使得激光控制器716将激光点722的扫描位置调整到新位置，该新位置减小了光学基准726和激光点722之间的位置差。通常实时执行调整，使得激光点722可以跟随时间依赖的处理轨迹746。在一些示例中，可以使用各种闭环控制方法来提供位置误差的会聚或显著减少，以允许激光点722跟随光学基准726到达光学基准748的新位置，包括但不限于PID、PI、超前-滞后等。光学基准726的检测到的位置和光学基准的稍后位置(例如，沿着处理轨迹746)可以存储在存储器720中，使得激光束704可以移动到光学基准已经移动到或不再在能视场734或视场744中之后的位置。基准跟踪命令750还可以使得激光源
702或相关联的光束成形光学器件基于检测到的光学基准726、748之间的变化来调整激光点722的特征，例如直径、形状、辐照度等。举例来说，光束成形光学器件可以包括透镜、反射镜或改变光束特性的其他光学组件的相对运动，基于光纤的光束成形，变焦扩展。在一些示例中，激光处理目标714可以包括多个相邻子目标，并且时间依赖的处理轨迹746可以跟随沿着相邻子目标的边界。

[0051] 基准校准器724还可以配置有激光控制器718和光学检测器738，以提供校准例程752，该校准例程752可以提供扫描旋转校正值(例如，用于扫描镜708a、708b的旋转增量)，以用于激光束704在能视场734上的扫描。例如，基准校准器724可以将光学基准引导至能视场734中的预定校准位置，例如光学基准726、748所示的位置或其他位置。在命令激光束704(或激光扫描仪706)到光学基准726、748的位置的情况下，光学检测器738可以检测相应光学基准726、748和激光束704的点之间的位置差或光学检测器738的视场744中的预定位置。
激光控制器716可以包括扫描致动器误差校正表754，该扫描致动器误差校正表754可以包括针对扫描镜708a、708b的扫描致动器不同校正，使得激光束704可以在能视场734中精确地与激光处理目标714的全局坐标相对应的位置中形成激光点722。在一些示例中，激光扫描仪706可以包括z方向上的扫描能力，并且误差校正表754也可以包括针对z方向的扫描致动器比特校正。扫描致动器误差校正表754可以基于用校准例程752检测和确定的位置差来用误差校正值进行更新。检测器738可以检测位置误差，例如，基于基准点尺寸变化的焦点变化或与散焦相关联的模糊。

[0052] 图8是用基准校准器来校准激光处理目标和激光系统的方法800。在802处，用基准校准器生成多个光学基准，并将其引导至激光处理目标，通常沿着与相关联的激光扫描仪分离的轴，该激光扫描仪被定位成相对于目标扫描激光系统的激光处理光束(例如，沿着X、Y和/或Z方向)。在代表性的示例中，光学基准通常是瞬态生成的，使得激光处理目标的表面不被光学基准永久标记，或者使得激光处理目标不需要被永久标记，以基于光学基准的校准和/或检测。在804处，用激光控制器来命令激光扫描仪，以在处理功率、低功率或无功率下将激光处理光束引导至激光扫描仪的能视场中的与多个光学基准中所选一个的预期位置相对应的位置。在806处，基于通过激光扫描仪与光学检测器的激光处理目标的光学耦合，用光学检测器(例如，相机)在激光扫描仪的能视场的子场中检测所选择的一个光学基准。在808处，激光控制器将检测到的光学基准位置与预期位置进行比较，并确定位置误差，例如一个或多个X、Y和Z位置误差。

[0053] 在810处，激光控制器检查所确定的位置误差是否在公差条件外部，例如小于50μm、20μm、10μm、5μm、3μm、1μm等。如果位置误差超出公差，则在812处，控制器确定减少误差的用于激光扫描仪的扫描致动校正。在814处，用产生激光扫描仪和激光处理光束的命令位置的误差减少的校正来更新激光控制器中的误差校正表。在816处，执行关于是否已经检测和比较多个光学基准中的最后一个光学基准的检查，并且如果对所选择的光学基准的误差的检查产生容差内条件，则也可以执行该检查。如果有额外的光学基准要被检查，则在818处，可以选择多个光学基准中的另一个，并且可以执行向前的处理步骤804，直到检测和分析了所有的光学基准。在检测了所有的光学基准并且用基于与光学基准相关联的位置误差的校正来更新误差校正表之后，额外的校正可以应用于激光扫描仪的能视场中的其他范围或区域，其中，没有引导光学基准，并且误差表可以用新的校正值或者与校正值相关联的新值来更新。在代表性示例中，可以基于与光学基准相关联的校正，用线性或曲线拟合算法来确定对能视场中其他位置的额外校正。校正扫描致动值的合适方法包括在题为“Method of processing calibration data in 3D laser scanner systems”的美国专利申请第15/410,612号中公开的那些方法，该美国专利申请的全部内容通过引用并入本文。基于适合于这些函数的校正或导数的高阶多项式，可以在不同节点(例如，形成x、y和/或z坐标的一个或多个网格)处在激光扫描仪的能视场上应用校正。可以基于表征与将激光处理光束引导至目标相关联的光学器件和激光扫描仪的计算模型来提供初始校正集。可以从相邻校正节点之间的内插来确定对非节点位置的校正。

[0054] 由于已经参考所示的实施例描述和示出了所公开技术的原理，所以将认识到，在不脱离这样的原理的情况下，可以在布置和细节上修改所示的实施例。例如，以软件示出的所示实施例的元素可以以硬件实现，反之亦然。此外，来自任何示例的技术可以与在任何一个或多个其他示例中描述的技术相组合。应当理解，过程和功能(例如，参考所示的示例描述的过程和功能)可以在单个硬件或软件模块中实现，或者可以提供单独的模块。为了便于说明，提供了上面的特定布置，并且可以使用其他布置。

[0055] 鉴于所公开的技术的原理可以应用于的许多可能的实施例，应该认识到，所示的实施例仅仅是代表性的示例，并且不应该被视为限制本公开的范围。在这些部分中具体提到的替代方案仅仅是示例性的，并不构成本文描述的实施例的所有可能的替代方案。例如，本文描述的系统的各种组件可以在功能和使用上组合。因此，我们要求所有在所附权利要求的范围和精神内的权利。

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