TWI836145B - 用於檢測沿著材料加工用的機器的雷射光束的傳播路徑佈置的光學元件的操作狀態的方法、以及具有用於執行此方法的系統的雷射加工機器 - Google Patents

Abstract

說明一種用於檢測沿著一材料雷射加工用的一機器的一加工頭(14)中的一雷射光束(B)的一光學路徑佈置的至少一光學元件(16)的操作狀態的方法及系統，基於以下步驟：a)在光學元件(16)之上游擷取一指示一光學輻射之訊號，上述光學輻射係與光學路徑同軸地以雷射光束(B)之波長背向傳播；b)在光學元件(16)之上游擷取一指示一光學輻射之訊號，上述光學輻射係與光學路徑同軸地背向傳播，具有一近紅外線中之波長；c)擷取一指示一光學輻射之訊號，上述光學輻射係藉光學元件(16)，以一紅外線放射在光學元件(16)表面附近的體積空間的一區位(R2)中；d)擷取一為發射貫穿光學元件(16)之體積空間的一聲波的飛行時間的函數之訊號或數據； e)計算一紅外線中光學輻射的正規化訊號，為指示光學元件(16)所放射紅外線中光學輻射之訊號、指示以一近紅外線中波長背向傳播之光學輻射的訊號、及指示以雷射光束(B)波長背向傳播之光學輻射的訊號之一函數；f)計算一實際紅外線光學輻射訊號，為正規化光學輻射訊號、及為貫穿光學元件(16)之體積空間的聲波飛行時間的函數之訊號的一函數；及g)計算指示光學元件(16)之操作狀態的一訊號，為紅外線中光學輻射之實際訊號、指示以一近紅外線中波長背向傳播之光學輻射的訊號、及指示以雷射光束(B)波長背向傳播之光學輻射的訊號之一函數。

Description

用於檢測沿著材料加工用的機器的雷射光束的傳播路徑佈置 的光學元件的操作狀態的方法、以及具有用於執行此方法的系統的雷射加工機器

本發明關於一種材料、較佳地金屬材料之雷射加工，且明確地為一種用於一材料的雷射加工、特別地用於雷射切割、鑽孔或焊接材料的機器之改良。

更明確地，本發明關於一種分別如請求項1及請求項17之前言(preamble)中所指明之用於檢測沿著一材料加工用、特別地用於雷射切割、鑽孔或焊接材料的機器中的雷射光束的傳播路徑佈置的光學元件的操作狀態的方法及系統。

依據又一構想，本發明關於一種材料雷射加工用的機器，包括一用於檢測雷射光束形塑用的光學路徑的至少一光學元件的操作狀態的系統。

在以下說明及請求項中，術語「材料」及較佳具體實施例中之「金屬材料」係用於識別任何製品，譬如一薄板或一細長形輪廓，具有諸如空心圓形、矩形或正方形之一封閉剖面、或者諸如一平坦剖面或一L、C、U型剖面等之一開放剖面而不致有區別。

在材料、及金屬薄板且特別地輪廓之工業加工中，雷射係作為一熱工具，用於各式各樣應用，取決於雷射光束與待加工材料的交互作用參數、明確地取決於雷射光束入射在材料上之每單位體積能量密度、及取決於交互作用時距。

例如，藉導引一低能量密度(每平方公釐表面數十瓦等級)於一金屬表面上持續一長時間(數秒等級)，則執行一硬化程序，而導引一高能量密度(每平方公釐表面數百萬瓦等級)於同一金屬表面上持續一數飛秒或數皮秒等級之時間，則執行一光剝蝕(photo-ablation)程序。在不斷增加能量密度及不斷減少加工時間之中間範圍中，此等參數的控制容許執行焊接、切割、穿孔、雕刻、標記(marking)程序。

在包含鑽孔及切割程序的許多程序中，必須在雷射光束與材料之間交互作用發生所在的加工區域處提供一輔助氣體流，具有推進熔體之機械功能、或輔助燃燒之化學功能、或防護加工區域遮蔽周圍環境之技術功能。

在材料雷射加工之領域中，雷射切割、鑽孔及焊接係可藉同一機器執行之程序，上述機器調整成適應於生成一高功率聚焦雷射光束，具有在材料之至少一工作平面處的一既定橫向功率分佈，典型地為一具有功率密度介於1與10000千瓦/平方公釐之間的雷射光束，且同一機器調整成適應於控制光束沿著 材料之入射方向及位置。可在一材料上執行之不同類型加工之間的差異大致可歸因於所使用之雷射光束的功率，及雷射光束與待加工材料之間的交互作用時間。

依據先前技術之雷射加工機器顯示於第1圖及第2圖中，且譬如由同一申請人在歐洲專利案第EP 3 272 453號中說明。

第1圖概略地顯示一工業加工用機器，以二氧化碳雷射為基礎，具有在空氣中之雷射光束光學路徑，機器包含一放射源10及複數個反射鏡12a、12b及12c。放射源10譬如為二氧化碳雷射生成器裝置，調整成適應於放射一單模(single-mode)或多模(multimode)雷射光束B，反射鏡12a、12b及12c調整成適應於沿著一光學路徑傳遞藉放射源所放射之雷射光束，以朝向一加工頭輸送光束，上述加工頭係以元件符號14指示整體且佈置於一材料WP附近。加工頭14包括一用於雷射光束之光學聚焦系統16，光學聚焦系統16大體上由一聚焦透鏡組成，調整成適應於聚焦雷射光束沿著一光學傳播軸入射於金屬材料上。一噴嘴18佈置於聚焦透鏡下游，且被朝材料之一工作平面的一區域導引之雷射光束橫穿。噴嘴調整成適應於，將一藉一未顯示之對應設施噴射的輔助氣體束，導向材料上之加工區域。輔助氣體係用於控制一處理(鑽孔或切割)之施行，以及可達成的加工品質。例如，輔助氣體可包含氧或一鈍氣。氧促進一與金屬之放熱反應，譬如鐵的氧化(透過一放能反應生成各類型之氧化鐵，釋放能量至材料中，與雷射光束釋放之能量一同貢獻於保持程序之動態平衡)，而容許切割速度增加。鈍氣，諸如氮，並未貢獻於材料之熔融，但執行熔融材料本身之推進功能、 保護(金屬)材料防禦加工輪廓邊緣處之非需求氧化、保護加工頭防禦熔體之任何飛濺、且亦可用於冷卻在材料上產生之溝槽的側邊而局限熱變換區之廣度。

第2圖概略地顯示一工業加工機器，以光纖發射一雷射光束。上述機器包括一放射源10及一光纖電纜12d。放射源10譬如為一雷射生成器裝置，能夠發射一雷射光束至一輸送光纖中，諸如一摻鐿光纖雷射或一直接二極體雷射，調整成適應於放射一單模或多模雷射光束。光纖電纜12d調整成適應於將放射源所放射之雷射光束傳遞向佈置於材料WP附近之加工頭14。在加工頭處，從光纖顯露而具有其自身受控散度(divergence)之雷射光束，在透過一光學聚焦系統16聚焦而沿著一光學傳播軸貫穿放射噴嘴18入射於材料WP上前，藉一準直折光系統20準直，且藉一反射系統22反射，光學聚焦系統16大體上由一聚焦透鏡組成。

第3圖舉例說明依據先前技術之一具體實施例的一加工頭14。元件符號30指示一具有圓柱形或圓錐形剖面之管狀通道，使以B指示之雷射光束在管狀通道內傳輸。藉放射源10生成之雷射光束B係經由空氣中具有多重反射之一光學路徑、或在光纖中輸送至加工頭，在一反射偏轉器元件32上準直，反射偏轉器元件32將雷射光束之光學傳播軸偏轉朝向一入射待加工材料之方向。光學聚焦系統16係在反射偏轉器元件32與佈置於下游之一保護玻璃34之間的中間，且包括一透鏡托座單元36。保護玻璃34調整成適應於保護聚焦系統免於熔體之任何飛濺。複數個機械調整機構38連結至透鏡托座單元36，以與光束傳播方向橫切地(軸X-Y)、且在光束傳播方向上(軸Z)校準透鏡之定位。

在一第一近似中，一理想雷射光束、即在光學聚焦系統下游理想地準直成平行光束的一雷射光束，在其束腰處集中成一有限大小之聚焦光點。通常，在工業加工使用中，藉精確界定橫切平面對應於光束束腰之位置，甚至關於光束之入射材料的壁、及關於光束之輸出材料的壁達十分之一公釐，而達到最佳程序狀態。

常態準直之雷射光束的功率密度分佈在單模光束的情況下典型地係具有旋轉對稱之高斯(Gaussian)型，即功率環繞光束之縱軸(Z軸)集中，且沿著一周邊裙部逐漸減小，或可在多模光束的情況下描述為具有旋轉對稱之高斯剖面輪廓的包跡(envelope)。

可在一第一近似中描述為高斯之單模或多模雷射輻射光束，在高功率雷射應用領域中的使用係反應技術上的控制需求。事實上，一高斯光束可藉少數參數輕易地描述，且由於其具有傳播不更改功率分佈之特徵，因此可輕易地控制其從一放射源沿著一光學輸送路徑到一加工機器頭之傳播，如此可在遠場傳播狀態(在此情況下可使用一幾何光學器件近似)中，藉一半徑值及一散度值描述。在聚焦光束之近場傳播狀態下，沿著幾何光學器件近似不再有效之一加工軌跡，光束在其每一個剖面皆仍保持功率分佈呈高斯型。

相對地，一包括較高階橫向模態之雷射光束具有一非高斯功率分佈。典型地，此等狀態係透過折光系統(透視式光學系統，即透鏡)或反射系統(反射式光學系統，即反射鏡)的使用，更改始於一高斯分佈之光束的形狀而獲得。

光束之橫向功率分佈可受控制(甚至即時)譬如依據一關於高斯分佈之較寬功率分佈用於材料之大厚度的切割操作(其中「大厚度」意指，針對近 紅外線波長之雷射，一介於大約4公釐與大約25公釐之間的厚度)，依據一相較於高斯分佈之較狹窄功率分佈用於薄厚度的快速切割操作(其中「薄厚度」意指一等於或小於4公釐之厚度)，或依據其他具有非旋轉對稱之可選功率分佈形狀。

傳播方向、或雷射光束在材料加工區域上之橫向功率分佈形式譬如關於一輔助氣體之受控分佈、或取決於待依循之加工路徑及待執行之程序類型而呈除高斯分佈以外且可能地具有除旋轉對稱以外之對稱的控制，將對程序帶來優點。例如，雷射光束之光軸關於輔助氣體流之對稱軸在一切割程序前進方向上的位置不平衡，容許在程序速度方面之較佳性能，確保較低的氣體消耗。雷射光束之功率分佈的控制、可能地打破光束之旋轉對稱，可容許功率分佈當需要時關於加工軌跡局部化或伸展，及利用一部分可取得之雷射功率用於主程序之附屬操作。

顯然雷射光束之傳播方向及雷射光束之橫向功率分佈形式的控制應儘可能精確且可重複，以獲得所指出之優點。為此，沿著雷射光束之傳播路徑佈置的光學元件、特別地但非專指佈置於機器之加工頭中用於形塑雷射光束之光學元件，必須具有結構完整性，且無表面雜質。此等元件事實上因曝露於不利物理操作及環境狀態，特別地在高功率材料雷射加工之施加區域中、即雷射光束功率等於或大於700瓦時，承受損害或單純損耗。例如，進入加工頭中之光束準直透鏡、任何光束偏轉反射鏡及聚焦透鏡，可曝露於藉加工雷射光束之入射而決定的高操作溫度下，高操作溫度可造成光學元件體積空間內之裂痕或結構變形。另一方面，來自光學路徑且面向一供應輔助氣體用噴嘴之雷射光束輸出處設有光學器件(optics)之光學保護元件，除了曝露在加工雷射光束入射 所決定之高操作溫度以外，還曝露至噴嘴室中存在之高環境壓力，其中噴嘴室係光學元件所面向之體積空間區位。或者，光學保護元件較佳地仍曝露至光學元件浸沒所在之頭體積空間中的光學元件上游區位與光學元件下游區位之間的高壓力差，其中光學元件上游區位理想地在環境壓力下，且光學元件下游區位係在輔助氣體之壓力下(典型地，從1至25巴)。面向待加工材料之光學保護元件的表面在加工期間亦曝露至熔融材料之噴流，這造成表面變髒及結果使其不透明化(opacification)。

沿著雷射光束之傳播路徑佈置的一光學元件之一變換狀況或操作狀態、一結構及/或外表性質，即元件之結構缺陷(不完整性)及表面雜質的狀況，將連累元件之光學功能性、及因此貫穿元件之加工雷射光束的幾何及光學特徵，以及通常機器之操作。例如，這將直接影響聚焦之程度及位置，使得機器之光學系統不再依一已知且隨著時間推移仍保持一致之方式聚焦雷射光束。

基於這些原因，在雷射加工領域中，期望當加工結果仍未超過允許容限時，能夠儘快判斷一光學元件之狀況或操作狀態，而非藉簡單目視檢查(當可能時)元件本身或一程序之(妥協)結果來察覺到一不可接受之操作狀態及替換元件之需求，而能夠使操作狀態回復成較接近完好無缺的理想狀態，及清潔光學元件以精確控制加工光束而使其功率分佈或待加工材料上之入射光點不致有虛假(spurious)變換。

美國專利案第US 2016/377548號描述一種透過光學分析來檢測及分類半導體材料樣本中缺陷之系統及方法。

日本專利案第JP S 59220294號係描述，檢測一承受雷射加工之工件所生成的聲波來控制加工操作。

本發明旨在提供一種用於檢測沿著材料雷射加工用的機器中的雷射光束的光學路徑佈置的至少一光學元件的操作狀態、且特別地用於以一快速且客觀方式檢測至少一光學元件的操作狀態以在所有操作狀態下獲得精確加工結果的方法。

本發明之又一目的係提供一種用於在雷射加工材料期間即時且連續地檢測沿著雷射光束的光學路徑佈置的至少一光學元件的操作狀態而無需機器停止、及目視或實驗室檢查加工頭光學器件的方法。

依據本發明，此等目的係藉一種具有請求項1中所指特點之用於檢測至少一光學元件的操作狀態的方法達成。

特殊具體實施例形成申請專利範圍附屬項之標的，其內容應被了解為本說明不可分割的部分。

本發明之又一目的係一種如請求項之用於檢測至少一光學元件的操作狀態的系統及一種用於材料雷射加工的機器。

總而言之，本發明係基於考慮無論透射或反射類型光學元件之體積空間狀態及表面狀況，可從加工雷射光束藉元件之背向反射或漫射、藉元件在包圍元件之一空間區位中的熱放射、及一聲波在元件之體積空間中的傳播等現象而推斷出，其中上述體積空間狀態及表面狀況包含例如元件之體積空間承受的機械應力(與加工雷射光束之傳播軸橫切的變形)、元件之曝露表面處的機械 表面張力(加工雷射光束之傳播軸方向的軸向方向上之變形)、元件之操作溫度狀態、及元件之不透明度。

依據本發明，以上考慮在一材料雷射加工用、特別地雷射切割、鑽孔或焊接用機器上、且特別地在沿著機器的加工頭中光束傳播方向佈置的形塑加工雷射光束用光學元件上之應用，係透過佈置感測器裝置於貫穿加工頭之雷射光束傳播區段的上游、及佈置感測器裝置於待監測之至少一光學元件處、以及較佳地佈置所有光學元件在加工頭中雷射光束傳播路徑中而達成。光學元件包含(從上游到下游)一光學準直系統、一可能的反射且形塑光束用光學系統、一光學聚焦系統、一用於在雷射光束從光學路徑輸出處防禦外部環境之光學系統，上述光學系統譬如為一用於保護光學路徑環境之光學元件，其在結構及表面狀態處於一初始最佳狀態下，並不意欲更改入射光束之橫向功率分佈。

指示加工雷射光束背向反射或漫射、指示藉元件在包圍元件之一空間區位中的熱放射、及指示與一個或每一光學元件關聯之體(bulk)聲波的傳遞之物理量的量測值，經過適當加工，容許擷取貫穿考慮中之光學元件、且取決於感測器裝置沿著傳播路徑之所在位置而可能地在光學元件上游的加工雷射光束之光學路徑的狀態之特性。

本發明因此據以為基礎的原理係檢測光學路徑之不同位置中指示沿著光學路徑***之一個或更多光學元件的操作狀態之不同性質的檢查訊號，且連續、或以既定週期、及即時擷取程序資訊、及與關於光學元件之資訊疊加的關於待加工材料性質之資訊，以及藉即時結合資訊且將源自程序之資訊 與關於光學元件之資訊分離來處理資訊，以生成一不同位準(levels)之合成數據，告知有關一組形成被監測路徑之部分的光學元件之損耗及清潔狀況。

前述位準可與機器或操作者必須反應之訊號直接關聯，訊號指示例如操作狀態，諸如：「元件未正確地在適當位置」、「元件在適當位置且在完美狀態」、「元件在可補救之損耗或髒污狀態」、「元件在無法補救之損耗或髒污狀態」、「需要直接且立即介入之臨界毀壞前狀態」。

較佳地，檢查訊號之擷取、及隨後對指示操作狀態之合成數據的處理係以與生產速率相容的週期發生，譬如在每次裝載新輪廓或新薄板時、或者在加工一工件或一工件中之幾何結束時。

較優地，藉本發明之方法實現的自動控制可在範圍從10赫茲到10千赫茲之操作頻率下即時實現，其中10赫茲係在慢速訊號之情況下、即與光學元件內之熱程序直接相關，10千赫茲係在快速訊號之情況下、即與光學放射相關，此等光學放射譬如為當雷射光束貫穿光學元件時之漫射、諸如藉每25微秒取樣訊號及訊號每500微秒累積(cumulative)處理。

一調整成適應於執行本發明之方法的控制系統可整合入一加工頭中，因此較優地不同於先前技術之系統。

10:放射源

12a:反射鏡

12b:反射鏡

12c:反射鏡

12d:光纖電纜(光纖)

14:加工頭

16:光學聚焦系統(聚焦透鏡)

18:噴嘴

20:準直折光系統(準直透鏡)

22:反射系統(反射鏡)

30:管狀通道

32:反射偏轉器元件

34:保護玻璃(光學保護元件)

36:透鏡托座單元

38:機械調整機構

50:第一同軸雷射背向反射感測器(第一感測器裝置)

52:第二同軸熱背向放射感測器(第二感測器裝置)

53₁:感測器

53₂:感測器

53₃:感測器

53₄:感測器

53₅:感測器

53₆:感測器

53_n:感測器

54:紅外線輻射感測器(體積空間輻射感測器)(第三感測器裝置)

56:壓電感測器(第四感測器裝置)

58:壓力感測器(第五感測器裝置)

60:訊號定址單元

62:現場匯流排

64:工作處理及控制裝置(加工裝置)

66:處理裝置(電子處理及控制裝置)

100:步驟

110:步驟

120:步驟

130:步驟

140:步驟

200:步驟

210:步驟

220:步驟

230:步驟

B:雷射光束

DB:數據記錄記憶體(記憶體)

IR_V:近接光學輻射訊號或數據(第三訊號或數據)

IR_{V_norm}(P):近接光學輻射之正規化訊號或數據

IR_{V_real}(P):實際近接光學輻射之訊號或數據

LS_C:第一光學輻射訊號或數據(第一訊號或數據)

R1:區位

R2:區位

PS_rif(p):參考飛行時間訊號或數據

PS_m(p,P):可量測飛行時間訊號或數據

PS(P):指示雷射光束功率對聲波飛行時間之貢獻的訊號或數據

p:指示氣體壓力之訊號或數據

SS(P):指示光學元件之操作狀態的訊號或數據

TS_C:第二光學輻射訊號或數據(第二訊號或數據)

WP:材料

以參考隨附圖式之非限制性範例提出的以下本發明具體實施例詳細說明中，將更詳細地解說本發明之進一步特點及優點，其中：第1圖及第2圖係依據先前技術之雷射加工機器的範例；第3圖顯示依據先前技術之一雷射機器的加工頭之一結構範例； 第4圖概略地顯示在本發明之一較佳具體實施例中，用於檢測雷射機器的加工頭的複數個光學元件的操作狀態的系統；第5圖概略地顯示一感測器佈置，與一光學元件關聯，用於執行本發明之方法；第6圖及第7圖係執行本發明之方法時量測或計算出的量值之間的關係之概略表現；及第8圖係依據本發明之方法執行的操作之流程圖，用於建立一雷射機器的加工頭的光學系統的操作狀態的參考資料庫。

在此之前，第1圖至第3圖已參考先前技術作說明，且其內容與用於執行依據本發明之教示的方法之一受控加工機器的實現相同，因此在本文中參考。

一用於檢測一雷射機器的一加工頭中的複數個光學元件的操作狀態的系統係以依據本發明之一較佳具體實施例且在第4圖中圖式化的範例顯示。在圖式中，與第1圖至第3圖中圖示者完全相同或功能上等效之元件或組件，已依已經在先前圖式之說明中使用的相同元件符號指示。

第4圖之系統顯示一雷射放射源10，調整成適應於以譬如一光纖12d之一輸送裝置放射一雷射光束，上述輸送裝置調整成適應於，將藉上述源放射之雷射光束朝向佈置於材料WP附近之加工頭14傳遞。

耦接至源10者係在圖式中以元件符號50指示之一第一同軸雷射背向反射感測器、及在圖式中以元件符號52指示之一第二同軸熱背向放射感測 器，譬如與源之一光學結合器裝置關聯，設計以在輸送光纖12d上且沿著貫穿加工頭之相同傳播方向，結合且發射複數個雷射光束，感測器佈置於，在輸送光纖12d上收斂之一各自光學路徑的末端處。作為與一光學結合器裝置耦接之另一選擇，此等感測器可佈置於藉加工雷射光束橫穿之二向分光鏡的背側、或透過任何使用一定位於源內側輸送光纖末端處之此類訊號收集裝置來收集從光學路徑背向放射之訊號的方法、或在數個光纖串聯之情況下佈置於一連接元件中。

加工頭14係與待監測之至少一光學元件或系統關聯，至少一光學元件或系統屬於光學元件組，光學元件組包括準直透鏡20、光束反射及形塑反射鏡22、聚焦透鏡16、及光學保護元件34。在加工頭14處，佈置各別的感測器佈置，概略地以元件符號53₁、...、53_n指示，其包含一紅外線輻射感測器54、一壓電感測器56、及至少一壓力感測器58。較佳地，前述感測器係與加工頭14之所有光學元件關聯地佈置，以容許完整監測。

第5圖更詳細地顯示感測器54、56、58之佈置，此等感測器係與一用於聚焦雷射光束之光學元件關聯，譬如與聚焦透鏡16關聯。紅外線輻射感測器54佈置於體積空間的一區位R2中，在依據雷射光束之傳播方向的光學元件16上游表面附近，依據相關於元件所在平面(即，關於其表面，倘呈平坦時)之一傾斜方位，不與表面接觸且具有一取決於收容感測器之體積而定的充分距離以能夠攔截一漫射輻射，漫射輻射係在光學元件所面向之體積空間區位中、且較佳地但並非必要地亦來自收容光學路徑之通道的內壁。在一等效具體實施例中，複數個紅外線輻射感測器54可位於區位中，以依一結合方式檢測藉區位總體表面及體積空間放射之紅外線輻射。壓電感測器56佈置成接觸光學元件本身 之一邊緣，以能夠檢測在光學元件之體積空間內傳遞的一聲波、特別地超音的脈衝，譬如藉整合一體之一傳感器裝置而放射、藉邊緣及藉元件之基面依據一對徑或周圍飛行路徑(flight path)而背向反射。壓力感測器58佈置在光學元件所面向之體積空間的一區位R1中，在本實施例中、但非僅能在光學元件下游。可能地，倘已知壓力感測器58將佈置所在之區位中的壓力係大氣壓力或一預設且受控壓力，則可能省略壓力感測器。另一選擇為，一對壓力感測器可佈置於光學元件浸沒所在之一體積空間中，分別在光學元件上游之區位R2中及光學元件下游之區位R1中。

再次參考第4圖，加工頭14亦與用於收集感測器佈置53₁、...、53_n所放射訊號之裝置關聯，上述裝置係呈一訊號定址單元之形式，以元件符號60指示整體。

第一及第二同軸感測器50及52、以及訊號定址單元60面向一現場匯流排(fieldbus)62，現場匯流排62亦面向複數個工作處理及控制裝置64，此等裝置64設計成控制雷射光束加工沿著一預設加工軌跡施加。控制加工雷射光束沿著既定加工路徑施加係包含藉參考一既定工作模型或計畫、即依據呈加工頭及/或待加工材料運動指令形式擷取之加工軌跡資訊及加工參數、及指示雷射光束之光束功率分佈、光束功率強度及活化時間而隨著加工軌跡變化的物理加工參數，以控制一輔助氣體流之運送(在切割應用中)及控制雷射光束之一既定功率分佈朝向一既定工作區域照射。加工裝置64可整合於在機器上之單一加工單元中或者以分佈形式實現，因此加工裝置64包括位於機器之不同部分中的複數個加工模組，包含譬如加工頭。

現場匯流排62在讀取時面向處理裝置66，處理裝置66譬如為一工業電腦，連結至一數據記錄記憶體DB，設計成處理藉感測器、以及藉工作處理及控制裝置64放射之訊號，且計算出指示被監測光學元件的操作狀態的訊號或數據。

更明確地、且為了更詳細討論用於測定至少一光學元件的操作狀態的方法，以下將說明藉感測器放射之訊號、及上述訊號提供之資訊的性質。

同軸雷射背向反射感測器50調整成適應於，在雷射光束之光學路徑的上游、及因此一或多個被監測光學元件之上游擷取一訊號或數據LS_C，指示一光學輻射，上述光學輻射係與光學路徑同軸地在對立於雷射光束傳播方向之一方向上傳播，具有一與雷射光束之波長對應的波長。此為在一製造程序期間藉沿著雷射光束傳播軸***之光學元件背向反射的一輻射，譬如在一光學元件之內部體積空間中藉漫射、或諸如裂痕等微吸收中心(micro-absorption centers)產生的輻射，其中光學元件僅在理想上完全地透明。

同軸熱背向放射感測器52調整成適應於，在雷射光束之光學路徑的上游、及因此一或多個待檢測光學元件之上游擷取一訊號或數據TS_C，指示一光學輻射，上述光學輻射係與光學路徑同軸地在對立於雷射光束傳播方向之一方向上傳播，具有一在近紅外線範圍中、且較佳地大於1.2微米之波長。這係在一製造程序期間藉沿著雷射光束傳播軸***之光學元件的表面放射之輻射，上述輻射係在所謂「熱頻帶」或熱紅外線頻帶中，起因於橫穿上述表面之加工雷射光束的能量。

紅外線輻射感測器54調整成適應於擷取一體積空間訊號或數據IR_V，指示一近接(proximity)光學輻射，上述近接光學輻射係藉與其關聯之光學元件，以一包括在紅外光譜範圍中之波長，在雷射光束傳播軸外側，放射於面向關於加工雷射光束光學路徑之上游的光學元件表面附近之體積空間的區位R2中。此類光學輻射係譬如起因於熱效應之輻射，藉光學元件放射且藉體積空間壁在體積空間的區位R2中漫射。不僅上述輻射係因雷射光束之施加而放射來傳遞關於光學元件之清潔程度的資訊，且亦當雷射光束關閉時實質上傳遞光學元件之「環境溫度指示」。

壓電感測器56調整成適應於擷取一訊號或數據PS，其為發射貫穿光學元件之體積空間的一聲波、特別地超音波的飛行時間之函數，上述飛行時間取決於光學元件之體積空間的完整性及元件之溫度，這又取決於入射貫穿光學元件之加工雷射光束的功率分佈及元件之雜質(髒污、表面發黑)。明確地，壓力感測器56調整成適應於檢測超音波之速度。

壓力感測器58調整成適應於擷取一指示氣體壓力之訊號或數據p，上述氣體滲透光學元件之至少一表面所面向的區位之體積空間，譬如為一光學保護元件之下游區位中的一氣體壓力，光學保護元件作用如在一切割程序中一輔助氣體噴嘴之一腔室的一密封件。指示壓力之訊號或數據在鄰接無感測器之區位中的壓力已知或既定時，亦可為一差動(differential)訊號或數據，指示元件之上游區位與下游區位之間的壓力差。在另一替代具體實施例中，一對壓力感測器設置於光學元件浸沒所在之加工頭的一體積空間中之分別光學元件上游 的區位R2與光學元件下游的區位R1之間，訊號定址單元60或處理裝置66調整成適應於計算元件之上游區位與下游區位之間的壓力差。

工作處理及控制裝置64佈置成即時供應訊號或數據，指示進行中工作程序的參數，參考單一光學元件，至少且必須地包含：光學功率P，藉加工雷射光束控制；在光學元件所面向之一區位中、或光學元件浸沒所在之區位中供應的譬如輔助氣體等氣體之標稱(nominal)壓力，藉一比例閥控制來調節前述壓力，以下以p_nom指示(在光學元件浸沒於大氣壓力中之情況下，標稱壓力可給定為已知且不量測)；一代碼ID_tool，調整成適應於唯一地識別所使用之加工工具，及因此在程序中控制之工作參數組，譬如屬重要的切割噴嘴相距待加工材料之隔開距離、雷射光束之聚焦光點的軸向位置、關於當前加工區域中材料表面垂線之雷射光束入射角度；及工作操作狀態下，加工頭與材料之間相互位置的相對運動速度，以v_feed指示。

工作處理及控制裝置64更佈置成即時供應訊號或數據，指示進行中之生產及待加工之材料件，參考單一光學元件，至少且必須地包含：一代碼ID_mat，識別待加工之材料及其表面狀況，特別地表面粗糙度；待加工之材料的厚度，以Th指示；及加工步驟，以Ph(n)指示，其代表以ID_tool識別之工具的時間相位之詳細說明，例如，在與穿透鑽孔區別之切割情況下，切割趨近段、直線軌跡及局部平坦表面上切割、非平坦表面上切割、非與表面正交切割，在同一鑽孔可劃分成 複數個子步驟其中一者的穿透鑽孔情況下，更改譬如隔開(standoff)高度、或焦點位置、或功率，或者在筆直軌跡及局部平坦表面上切割之情況下，加速開始及定速巡航(cruise)之子步驟。

請參考第6圖、第7圖及第8圖，描述依據本發明之一當前較佳具體實施例的處理裝置66所實現之用於檢測至少一光學元件的操作狀態的方法。第6圖及第7圖概略表現出，執行本發明之方法時量測或計算量值之間分別就訊號相依與訊號處理流而言的關係，其中在扁圓形框中指示之量值係量測量值、在矩形框中指示之量值係表格量值、及在平行四邊形框中指示之量值係計算量值。第6圖顯示相對於一通用型光學元件之量測或計算量值之間的關係，而第7圖清楚地表達，前述關係將對複數個光學元件重複，這藉邏輯/數學關係在其上發展之複數個平行平面作表現。第8圖之流程圖係依用於建立加工頭的光學系統的操作狀態的參考資料庫所執行的操作的合成高階表示，用作為光學系統的當前操作狀態的比較條件。較佳地，參考資料庫係藉施加上述方法於一組特意設計之已知材料樣本上而獲得。

通常，上述方法包含二步驟。在第一步驟中，感測器之反應係在一操作「空載(unladen)」狀態下被擷取及處理，其中雷射源有效(active)、且功率雷射光束傳播貫穿機器的加工頭的光學路徑而無待加工材料。在第二步驟中，感測器之反應係在一工作操作狀態下被擷取及處理，其中功率雷射光束衝擊於一材料加工區域上。為確保在製作工件期間、即工作操作狀態期間即時控制，上述二步驟必須依指示之次序執行，即首先在一空載操作狀態且接著在一工作操作狀態，在空載操作狀態下擷取之數據可依表格形式取得。

在一切割工作程序中，在工作操作狀態下導向材料加工區域之一輔助氣體流的放射係在空載操作狀態及工作操作狀態二者中啟用。

指示至少一光學元件之操作狀態的訊號或數據在一製造程序期間構成一指示光學元件之品質的合成參數，其從材料加工期間之感測器反應的處理數值及空載操作狀態下之感測器反應的處理數值而獲得。

感測器反應可被記錄及儲存，以在稍後處理或被即時處理。

較佳地，一初始校準步驟係在裝設一光學路徑時(譬如，裝設機器的一新加工頭時、或更換其中的一光學元件時)執行，其中指示一光學元件之操作狀態的訊號或數據係表現光學元件的一理想狀態，且一定期驗證循環係在譬如具有當機器生產停止時之定期規律性的一空載操作狀態下、及一工作作狀態下執行，其中指示光學元件的操作狀態的訊號或數據係表現材料加工期間的光學元件的一當前狀態。

便利地，上述驗證循環係按照生產率調節，且提供作為操作者之自由選擇，譬如為在每次幾何改變時、或某一待生產工件與另一個之間、或原材料(不論其為管或薄板金屬或其他材料)改變時、或一生產批次改變時。亦可提供一時距，在此情況下，機器將在不同驗證期限中選擇第一個。

在進一步更明確之條件中，在空載操作狀態下，依所述序列或依其他可能序列，關於同軸感測器50、52之訊號或數據且關於體積空間輻射感測器54、壓電感測器56及壓力感測器58之訊號或數據，執行以下操作，其中同軸感測器之訊號或數據係表現完整光學路徑，體積空間輻射、壓電及壓力感測器 之訊號或數據係表現各別獨立之光學組件。在以下公式中，下標記號「0」指示空載操作狀態。

一相關對比(correlation)曲線係在工作處理及控制裝置從雷射放射源需求之雷射光束功率P與藉雷射背向反射感測器50檢測之訊號LS_C之間校準。相關對比曲線係藉依據一功率斜坡(ramp)控制雷射光束之功率P在一既定最小值與最大值之間而獲得。上述相關對比曲線定義為LS_C(P)₀=f(P) (1)且儲存於處理裝置66之記憶體DB中。

藉由比較，倘空載操作狀態下或工作狀態下之隨後量測提供一不同、典型地較高之讀值，則此等量測指示出，有藉光學路徑所致之較大背向反射或漫射，以訊號通知光學路徑本身一般損耗之狀況。一閾值比較容許檢測訊號與光學鏈之狀況的一般指示器關聯。然而，倘一損耗問題被報告，則重要的是，辨別哪一光學元件或光學元件群受影響。

同樣地，一相關對比曲線係在工作處理及控制裝置從雷射放射源需求之雷射光束功率P與藉熱背向放射感測器52檢測之訊號TS_C之間校準。相關對比曲線係藉依據一功率斜坡控制雷射光束之功率P在一既定最小值與最大值之間而獲得。上述相關對比曲線定義為TS_C(P)₀=f(P) (2)且儲存於處理裝置66之記憶體DB中。

當在一操作「空載」狀態時，假設所有收集到之熱輻射皆因光學元件之加熱而藉光學系統本身產生。由於光學元件所放射之熱輻射係沿著感測器下游之整個光學路徑整合一體，因此甚至TS_C訊號藉其本質而僅提供總體資 訊。當熱輻射係在定位於源內側之輸送光纖的末端處、佈置於雷射光束之光學路徑上游的一光學結合器裝置中、或一數個串聯光纖之等效連接元件中、或一收集裝置中整合一體的情況下，感測器下游之整個光學路徑係加工頭中之整個光學路徑。

雷射背向反射及熱背向放射訊號被儲存而作為比較後續空載量測之基礎。

又一被分析的訊號係體積空間訊號或數據IR_V，指示一近接光學輻射，上述近接光學輻射係藉與其關聯之光學元件，以一在紅外光譜範圍內之波長，放射於面向關於加工雷射光束光學路徑之上游的光學元件表面附近之體積空間中。

此類近接輻射透過收集經由多重反射抵達感測器之訊號來告知有關感測器指向之光學元件、且特別地為光學元件表面，及告知有關緊鄰之光學元件的資訊。亦在此情況下，一相關對比曲線係在工作處理及控制裝置從雷射放射源需求之雷射光束功率P與藉紅外線輻射感測器54檢測之訊號IR_V之間校準。相關對比曲線係藉依據一功率斜坡控制雷射光束之功率P在一既定最小值與最大值之間而獲得。上述相關對比曲線定義為IR_V(P)₀=f(P) (3)且儲存於處理裝置66之記憶體DB中。

此曲線承受因感測器「看到」過多資訊覆加(overlaid)而起之不準確。為了克服資訊疊加之限制，且獲得藉感測器54直接觀察到之僅參考光學元件的專用資訊，訊號IR_V係藉減去TS_C之重調(rescaled)尺度值且將結果除以LS_C之重調尺度值而正規化(normalized)，這係依據關係 IR_{V_norm}(P)₀=(IR_V(P)₀-k*TS_C(P)₀)/(h*LS_C(P)₀) (4)和適當之k及h。

TS_C及LS_C之值係為正規化目的而重調尺度，以考慮訊號TS_C及LS_C及IR_V之可能的不同檢測尺度、背向反射輻射或來自其他光纖之虛假訊號成分的光耦合中之變異。較優地，選擇k及h之值，使得在一光學路徑之初始「工廠(factory)」特徵化步驟期間，前述相關對比曲線係唯一的，且通用於相同的「頭部模型」配置而不論單一試樣之訊號變異，這始於被視為無塵室(clean room)中最大可標準化的光學元件清潔狀態。

如此，由於與光學路徑之其餘部分相關的資訊已獨立地量測且最小化，因此將獲得一與最靠近之光學元件的損耗及清潔狀況更加有關聯的訊號。

然而，如此獲得之訊號主要係藉受分析之光學元件的表面之放射生成，因此並未完整提供資訊。

期望有直接告知關於光學元件之應力及表面張力狀況的又一獨立量測。上述量測可透過壓電感測器56之訊號獲得。

對為貫穿光學元件之體積空間的一聲波之飛行時間之函數的訊號PS加以分析，可能獲得源自元件之體積空間中溫度及機械應力效應、以及元件本身表面張力效應總和的資訊。

較優地，藉光學元件之表面上的氣體壓力生成之張力的影響，將在空載步驟中，藉收集使壓電感測器之訊號PS的飛行時間與壓力相關之曲線、且在一雷射源關閉下變更曲線而消除。壓力值係藉浸沒於有興趣量測之同一體積空間中的壓力感測器58所讀取，因此與比例閥實際調節之壓力相較，此為一 直接量測。接著，再次在上述空載步驟中，收集飛行時間訊號PS對入射雷射功率P、及對壓力p之一相依值矩陣。

在公式中p(p_nom)₀=f(p_nom)

PS_rif(p)₀=f(p) (5)

PS_m(p,P)₀=PS_rif(p)₀+f(P)₀ (6)

PS(P)₀=PS_m(p,P)₀-PS_rif(p)₀ (7)其中，為貫穿光學元件之體積空間的一聲波飛行時間的函數之訊號或數據PS(P)係一指示雷射光束功率對上述聲波飛行時間之貢獻的訊號或數據，且係藉(i)一可量測飛行時間訊號或數據PS_m(p,P)與(ii)一參考飛行時間訊號或數據PS_rif(p)之間的差值來計算。可量測飛行時間訊號或數據PS_m(p,P)係指示藉雷射光束之功率、及存在於光學元件所面向之一既設體積空間區位中之一氣體的壓力或光學元件浸沒所在之一體積空間中的光學元件上游區位與光學元件下游區位之間壓力差對上述聲波飛行時間之聯合貢獻。參考飛行時間訊號或數據PS_rif(p)指示，藉存在於光學元件所面向之體積空間區位中之氣體的壓力或光學元件浸沒所在之一體積空間中的光學元件上游區位與光學元件下游區位之間壓力差對聲波飛行時間之貢獻。參考飛行時間訊號或數據PS_rif(p)之預先決定係從擷取一指示存在於光學元件所面向之體積空間區位中的氣體之當前壓力p或光學元件浸沒所在之一體積空間中的光學元件上游區位與光學元件下游區位之間壓力差的訊號或數據起，基於氣體壓力與貫穿光學元件之體積空間的聲波飛行時間之間的一關係模型，在一初步校準步驟中無雷射光束下進行。

指示存在於光學元件所面向之體積空間區位中的氣體之當前壓力p的訊號或數據之擷取係透過壓力感測器58、或受藉從工作處理及控制裝置64通訊到處理裝置66之一預設且受控壓力值的影響而發生。指示光學元件浸沒所在之一體積空間中的光學元件上游區位與光學元件下游區位之間壓力差的訊號或數據之擷取相似地透過一對壓力感測器58、受藉從工作處理及控制裝置64通訊到處理裝置66之預設且受控壓力值的影響、或倘僅在一區位中設置一感測器且另一區位中之壓力因預設且受控而已知時透過上述二方法之結合而出現。

相關對比曲線定義為PS(P)₀=PS_m(p,P)₀-PS_rif(p)₀ (8)儲存於處理裝置66之記憶體DB中。

壓電感測器之角色因此並非間接地擷取溫度資訊，而係擷取藉施加至受控制光學元件之僅一面上的壓力所引發之一溫度及表面應力的卷積(convoluted)訊號，且訊號PS不具有提供加工資訊之目的，但有修正之目的、特別地藉訊號IR_{V_norm}傳遞之資訊的修正目的。藉由在空載狀態下透過壓力感測器之直接壓力量測，將壓力之效應參數化，且藉壓電感測器獲得之溫度及壓力間接量測係用作為，與受控制光學元件關聯之紅外線輻射感測器所檢測到的訊號之一修正參數。

考慮先前公式，可能具有關於特定光學元件之損耗及內應力的局部資訊，其與起因於氣體壓力之效應隔離，且上述資訊容許從一般資訊以串接(cascade)而獲得關於其他光學元件之收集資訊，依據方程式IR_{V_real}(P)₀=m*IR_{V_norm}(P)₀-n*PS(P)₀ (9) 和適當之m及n，以及SS(P)₀=t*(TSC(P)₀/LSC(P)₀)+s*IRV_real(P)₀ (10)和適當之t及s，其中SS₀表示光學元件在一空載操作狀態下之操作狀態。

選擇m、n、t及s之數值，使得在光學路徑之初始「工廠」特徵化步驟期間，前述相關對比曲線係唯一的，且通用於相同的「頭部模型」配置而不論單一試樣之訊號變異，這始於被視為無塵室中最大可標準化的光學元件清潔狀態。

前述方法容許擷取及儲存九個訊號曲線或參考數據，其與光學路徑的特定偶發狀況有關、及與承受單一量測之元件的特定偶發狀況有關，即指一特定加工頭，承受以清潔光學元件作工廠校準。較優地，構成一參考訊號或數據之資料庫，係在存有雷射光束及輔助氣體、但未與材料交互作用下而獲得。

第8圖之流程圖係依據以上說明來執行之操作的一合成高階表示，以建立一加工頭的光學系統的操作狀態的一參考資料庫，儲存於處理裝置66之記憶體DB中，較優地針對一空載操作狀態下及一在材料樣本上工作加工狀態下之複數個不同特定處理內容執行，此處理內容係基於製造程序之參數、且基於指示生產及指示待加工材料之工件的參數來作識別。

明確地，步驟100係指示一設定加工雷射光束之功率為零的步驟，步驟110係指示一設定光學元件所面向之區位中、或光學元件浸沒所在之區位中之壓力的步驟，及步驟120係指示一為設定壓力的函數之壓電感測器訊號PS的擷取步驟。上述設定壓力係在一既定壓力範圍中依離散階級(discrete steps)而從數值1巴變更達數值25標稱巴，在步驟130處檢核是否已達既定壓力範圍之最 終壓力設定，在此情況下將程序移至次一步驟140，設定光學元件所面向之區位中、或光學元件浸沒所在之區位中的壓力於一在可能壓力範圍中間之既定恆常標稱值，譬如一數值5巴。隨後，在步驟200中，設定加工雷射光束之功率，及步驟210係指示一為設定光學功率的函數之訊號LS_C、TS_C、PS、IR_V的擷取步驟。設定光學功率係在一既定光學功率範圍中依離散階級而從零變更達雷射源之標稱功率、典型地從1到20千瓦，在步驟220中檢核是否已達既定功率範圍之最終光學功率設定，在此情況下將程序移至後續之步驟230，以儲存LS_C、TS_C、PS、IR_V之量測值於資料庫中，上述資料庫儲存於處理裝置66之記憶體DB中。

在工作狀態下，依所述序列或依其他可能序列，關於同軸感測器50、52之訊號或數據且關於體積空間輻射感測器54、壓電感測器56及壓力感測器58之訊號或數據，執行以下操作，其中同軸感測器50、52之訊號或數據係表現完整光學路徑，體積空間輻射感測器54、壓電感測器56及壓力感測器58之訊號或數據係表現各別獨立之光學組件。

特別地，檢測到與空載步驟中檢測到者相同的訊號，但在此情況下，上述訊號為進行中之生產的函數、且為待加工材料之工件的函數、以及為列舉於上之進行中工作程序的參數的函數，上述參數即所使用之加工工具、藉一比例控制閥控制之輔助氣體的標稱壓力、加工頭與材料之間相互位置的相對運動速度、待加工之材料及其厚度、加工步驟。

至少一光學元件之操作狀態、即一特定元件上之損耗及應力的「量值」，因此藉公式表示IR_{V_real}(P,v_feed,ID_mat)=a*IR_{V_norm}(P,v_feed,ID_mat)-b*PS(P) (11) 和適當之a及b，參照初步執行之程序的一對應測試狀態以收集參考數據，表示在工作操作狀態下之公式(9)的變量，其中IR_{V_norm}(P,v_feed,ID_mat)=IR_V(P)+(k(v_feed,ID_mat,Th)*TS_C(P)/(h(v_feed,ID_mat,Th)*LS_C(P)) (11a)以k及h表示加工頭與材料之間相互位置的相對運動速度之線性函數，及材料厚度之線性函數，這係依據一反射率尺度而取決於材料，及PS(P)=PS_m(p,P)-PS_rif(p) (11b)僅考慮藉熱成分引發之體積空間應力貢獻(非線性熱膨脹)，且不考慮藉氣體壓力引發之表面張力貢獻。

相似於在空載操作狀態下的計算，處理裝置66計算在程序期間之光學元件的操作狀態SS，依據公式SS(P)=t*(TS_C(P)/LS_C(P))+s*IR_{V_real}(P) (12)

處理裝置66比較在工作操作狀態下檢測或計算的訊號或數據、或者在空載操作狀態下擷取或計算的訊號或數據(通常稱作指示光學元件在一當前狀態下之操作狀態的訊號或數據)與針對一相似處理內容之擷取或計算的參考訊號或數據，及當指示光學元件之當前操作狀態的訊號或數據SS不同於指示光學元件在一參考(或理想)狀態下之操作狀態的訊號或數據達高於一既定閾值之一數值時放射一異常訊號。

另一選擇、或除前述者以外，處理裝置66比較在工作操作狀態下檢測或計算的訊號或數據與在空載操作狀態(譬如，最新近之空載操作狀態)下針對一相似處理內容之擷取或計算的訊號或數據，及當指示光學元件在一工作操作狀態下之操作狀態的訊號或數據SS不同於指示光學元件在一空載操作狀態下之操作狀態的訊號或數據達高於一既定第二閾值之一數值時放射一異常訊號。

又另一選擇、或除前述者以外，處理裝置66比較關於一驗證循環n之工作操作狀態下檢測或計算的訊號或數據、或者空載操作狀態下擷取或計算的訊號或數據(通常指示為，指示光學元件在一當前驗證循環中之操作狀態的訊號或數據)與針對一相似處理內容關於一驗證循環n-1或任何之前情況中之工作加工狀態下檢測或計算的訊號或數據、或者空載操作狀態下擷取或計算的訊號或數據(一般指示為，指示光學元件在一先前驗證循環中之操作狀態的訊號或數據)，及當指示光學元件之當前操作狀態的訊號或數據SS不同於指示光學元件之先前操作狀態的訊號或數據達高於一既定第三閾值之一數值時放射一異常訊號。

類似處理內容係基於工作處理及控制裝置64所提供之進行中工作程序的參數、以及指示進行中之生產及待加工材料之工件的參數而決定。較優地，上述既定閾值係處理內容資訊之一函數，處理內容資訊包含進行中工作程序的參數、以及指示進行中之生產及待加工材料之工件的參數。

此類比較可對每一訊號或部分數據LS_C、TS_C、IR_V、IR_{V_norm}、IR_{V_real}分離地執行，儘管對某些訊號或資料、特別地背向反射訊號或數據LS_C及背向放射訊號或數據TS_C，最好藉與標準情況下之已校準數值作比較來施加一指示非預期或非最佳操作步驟之閾值控制。

特別地，合成參數IR_{V_real}及SS容許在一無材料之空載操作步驟中、以及在一材料雷射切割、鑽孔、焊接程序期間之工作操作步驟中，皆獲得關於整個光學路徑之狀況、及一旦以上所述之特定感測器佈置已與一特定組件關聯後的特定組件之狀況的資訊。

較優地，在程序期間，到達一合成參數之警告閾值將造成機器停止及後續空載檢核。如此，可能擷取關於加工期間異常之資訊及關於光學元件損耗趨勢之資訊二者。

較優地，本發明之方法容許擷取關於包裝在一狹窄體積空間中之複數個光學元件的狀況的資訊，狹窄體積空間譬如典型地為一使用高功率雷射光束(高於700瓦)來加工材料之機器的一可動加工頭，其光學輻射之背向放射及背向反射彼此干涉，且將沿著雷射光束的光學路徑另外疊加的不同光學元件的貢獻分離。這係藉相關於光學元件在一空載操作狀態下之操作狀態分離地識別光學元件在一工作操作狀態下之操作狀態而完成，這容許將雜質或損耗所決定對持續操作狀態的貢獻與高功率雷射光束之傳播所造成對暫時操作狀態的貢獻隔離。

甚至更佳地，本發明之方法的佈置容許將加工雷射光束之僅背向反射的貢獻與由光學元件之非需求表面雜質所造成的雷射光束漫射、或由源自譬如藉不可耐溫度狀態或操作壓力所致應力/應變之光學元件的裂痕衍生出之貢獻分離，及進一步分離一熱性質之貢獻與源自壓力應力者。

應注意到，在之前討論中為本發明提出之具體實施例僅僅作為本發明之非限制性範例。熟悉技藝者將能夠輕易地在不同具體實施例中實現本發明，然而上述具體實施例並未脫離本文中陳述之原理，且因此涵蓋在本專利中。

特別確實可能藉由一始於所述已知訊號或數據之訓練類神經網路(trained neural network)來實現本方法。

當然，在不侵害本發明之原理下，具體實施例及結構細部設計可關於已僅僅作為非限制性範例作說明及闡述者大幅地變更，而不致因此脫離隨附申請專利範圍所界定之發明保護範疇。

IR_V:近接光學輻射訊號或數據(第三訊號或數據)

IR_{V_norm}(P):近接光學輻射之正規化訊號或數據

IR_{V_real}(P):實際近接光學輻射之訊號或數據

LS_C:第一光學輻射訊號或數據(第一訊號或數據)

PS_rif(p):參考飛行時間訊號或數據

PS_m(p,P):可量測飛行時間訊號或數據

PS(P):指示雷射光束功率對聲波飛行時間之貢獻的訊號或數據

p:指示氣體壓力之訊號或數據

SS(P):指示光學元件之操作狀態的訊號或數據

TS_C:第二光學輻射訊號或數據(第二訊號或數據)

Claims (20)

1. 一種用於檢測沿著一材料雷射加工用、特別地用於雷射切割、鑽孔或焊接該材料的一機器的一加工頭中的一雷射光束的一光學路徑佈置的至少一光學元件的操作狀態的方法，其中該雷射光束具有在一既定操作波長下之一既定橫向功率分佈，及其中該加工頭內之該雷射光束的該光學路徑包含複數個串接光學元件，其中該方法包括以下步驟：a)在該光學元件之上游擷取一第一訊號或數據(LS_C)，該第一訊號或數據指示一第一光學輻射，該第一光學輻射係與該光學路徑同軸地在對立於該雷射光束傳播方向之一方向上傳播，具有一與該雷射光束之波長對應的波長；b)在該光學元件之上游擷取一第二訊號或數據(TS_C)，該第二訊號或數據指示一第二光學輻射，該第二光學輻射係與該光學路徑同軸地在對立於該雷射光束傳播方向之一方向上傳播，具有一在近紅外線範圍中之波長；c)擷取一第三訊號或數據(IR_V)，該第三訊號或數據指示一近接光學輻射，該近接光學輻射係藉該光學元件，以一紅外線範圍中之波長，放射在關於該光學路徑之該光學元件上游表面附近的既設體積空間的一區位中；d)擷取一第四訊號或數據(PS)，該第四訊號或數據為發射貫穿該光學元件之體積空間的一聲波的飛行時間之函數；e)針對該光學元件計算一近接光學輻射之正規化訊號或數據(IR_{V_norm})，該近接光學輻射之正規化訊號或數據為該指示光學元件所放射近接光學輻射之該第三訊號或數據(IR_V)、指示該第二光學輻射之該第二訊號或數據(TS_C)、及指示該第一光學輻射之該第一訊號或數據(LS_C)的一函數； f)針對該光學元件計算一實際近接光學輻射之訊號或數據(IR_{V_real})，該實際近接光學輻射之訊號或數據為該近接光學輻射之正規化訊號或數據(IR_{V_norm})、及為貫穿該光學元件之體積空間的聲波飛行時間的函數之該第四訊號或數據(PS)的一函數；及g)計算指示該光學元件之一操作狀態的訊號或數據(SS)，該操作狀態的訊號或數據為該實際近接光學輻射之訊號或數據(IR_{V_real})、指示第二光學輻射之該第二訊號或數據(TS_C)、及指示第一光學輻射之該第一訊號或數據(LS_C)的一函數。
2. 如請求項1之方法，其中針對該光學元件計算一近接光學輻射之正規化訊號或數據(IR_{V_norm})係包括計算指示該光學元件所放射近接光學輻射之該第三訊號或數據(IR_V)與指示該第二光學輻射之該第二訊號或數據(TS_C)乘以比例(k)後的一訊號或數據的一差值，與指示該第一光學輻射之該第一訊號或數據(LS_C)乘以比例(h)後的一訊號或數據之間的一比值，依據以下表達式IR_{V_norm}=(IR_V-k*TS_C)/(h*LS_C)。
3. 如請求項1之方法，其中針對該光學元件計算一實際近接光學輻射之訊號或數據(IR_{V_real})係包括計算該近接光學輻射之正規化訊號或數據(IR_{V_norm})乘以比例(m)後的一訊號或數據，與為貫穿該光學元件之體積空間的聲波飛行時間的函數之該第四訊號或數據(PS)乘以比例(n)後的一訊號或數據之間的差值，依據以下表達式IR_{V_real}=m*IR_{V_norm}-n*PS。
4. 如請求項1之方法，其中計算指示該光學元件之一操作狀態的訊號或數據(SS)係包括計算該實際近接光學輻射之訊號或數據(IR_{V_real})乘以比例 (s)後的一訊號或數據，及指示該第二光學輻射之該第二訊號或數據(TS_C)與指示該第一光學輻射之該第一訊號或數據(LS_C)的比值乘以比例(t)後的一訊號或數據之總和，依據以下表達式SS=t*(TS_C/LS_C)+s*IR_{V_real}。
5. 如請求項1之方法，其中為貫穿該光學元件之體積空間的一聲波飛行時間的函數之該訊號或數據係一指示該雷射光束功率對該聲波飛行時間之貢獻的訊號或數據，且係藉以下二者之差值計算，該二者係一可量測飛行時間訊號或數據，指示由該雷射光束之功率、及存在於該光學元件所面向之既定體積空間的一區位中之一氣體的壓力或該光學元件浸沒所在之一體積空間中的該光學元件之上游的該區位與該光學元件之下游的該區位之間壓力差對該聲波飛行時間之聯合貢獻，及一參考飛行時間訊號或數據，指示由存在於該光學元件所面向之體積空間的該區位中之該氣體的壓力或該光學元件浸沒所在之一體積空間中的該光學元件之上游的該區位與該光學元件之下游的該區位之間壓力差對聲波飛行時間之貢獻，該參考飛行時間訊號或數據之預先決定係從擷取一指示存在於該光學元件所面向之該體積空間區位中的氣體之當前壓力或該光學元件浸沒所在之一體積空間中的該光學元件之上游的該區位與該光學元件之下游的該區位之間壓力差的訊號或數據，基於氣體壓力與貫穿該光學元件之體積空間的聲波飛行時間之間的一關係模型，在一初步校準階段中無該雷射光束下執行。
6. 如請求項1之方法，包括在該雷射光束於無待加工材料下放射之一空載操作狀態下、及該雷射光束衝擊於該材料之一加工區域上且存在一朝 該材料之該工作區域運送的輔助氣體流之一工作操作狀態下，執行該等步驟a)至g)。
7. 如請求項6之方法，其中該空載操作狀態包括一輔助氣體流之運送。
8. 如請求項1之方法，其中該等第一、第二、第三及第四訊號或數據在一空載操作狀態下取決於該雷射光束之功率，以及在一工作操作狀態下更取決於該材料、及該加工頭與該材料之間相互位置的相對運動速度。
9. 如請求項1之方法，包括在裝設該光學路徑時執行一初始校準步驟，藉此指示光學元件之操作狀態的該訊號或數據表示該光學元件之一理想狀態，以及在一空載操作狀態下及一工作操作狀態下執行一程式化測試循環，藉此指示光學元件之操作狀態的該訊號或數據表示該光學元件之一當前狀態。
10. 如請求項9之方法，包括當指示該光學元件在該當前狀態下之操作狀態的該訊號或數據不同於指示該光學元件在一參考狀態下之操作狀態的該訊號或數據達到高於一既定閾值之一數值時發出一異常訊號。
11. 如請求項9之方法，包括當指示該光學元件在一工作操作狀態下之操作狀態的該訊號或數據不同於指示該光學元件在一空載操作狀態下之操作狀態的該訊號或數據達到高於一既定第二閾值之一數值時發出一異常訊號。
12. 如請求項9之方法，包括當指示該光學元件在一當前的程式化測試循環下之操作狀態的訊號或數據不同於指示該光學元件在一之前的程式化測試循環下之操作狀態的訊號或數據達到高於一既定第三閾值之一數值時發出一異常訊號。
13. 如前述請求項1至請求項12中任一項之方法，其中該至少一光學元件包括一折射光學元件，用於準直或聚焦該雷射光束，調整成適應於更改該入射雷射光束之一既定橫向功率分佈。
14. 如前述請求項1至請求項12中任一項之方法，其中該至少一光學元件包括一反射光學元件，用於偏轉該雷射光束。
15. 如請求項14之方法，其中該反射光學元件調整成適應於更改該入射雷射光束之一既定橫向功率分佈。
16. 如前述請求項1至請求項12中任一項之方法，其中該至少一光學元件包括該光學路徑之一空間的一光學保護元件，意欲不更改該入射雷射光束之橫向功率分佈。
17. 一種藉由一雷射光束用於一材料的雷射加工、特別地用於雷射切割、鑽孔或焊接該材料的機器，該雷射光束在該材料的至少一工作平面處具有一既定橫向功率分佈，該機器包括：一源，用於放射該雷射光束；複數個裝置，沿著一光學路徑傳遞藉該放射源放射之該雷射光束，以輸送該光束到佈置於該材料附近的一加工頭；一光學路徑，用於形塑該雷射光束，沿著該加工頭內之一傳播方向朝向一光束輸出，其中該光學路徑包括複數個串接光學元件；及複數個工作處理及控制裝置，用於該加工頭與該材料之間的相互位置，調整成適應於沿著一加工路徑傳遞該聚焦雷射光束於該材料上，其中該等複數個串接光學元件包括： 至少一折射光學元件，用於沿著一光學傳播軸將該雷射光束準直入射於該材料上；可能地至少一反射光學元件，用於偏轉該雷射光束，調整成適應於反射該準直雷射光束朝向入射於該材料上之一方向，且可能地調整成適應於更改該入射雷射光束之一既定橫向功率分佈；至少一折射光學元件，用於將該準直雷射光束聚焦於該材料之一工作平面的一區域中；及該光學路徑之一空間的至少一保護元件，意欲不更改該入射雷射光束之橫向功率分佈，其中該機器包括一種用於檢測形塑該雷射光束用光學路徑的至少一光學元件的操作狀態的系統，該系統沿著該機器的該加工頭中的該雷射光束的該光學路徑佈置，其中該雷射光束具有一既定操作波長，且其中該系統包括：複數個第一感測器裝置，調整成適應於佈置在該光學元件上游，且檢測一第一光學輻射，該第一光學輻射係與該光學路徑同軸地在對立於該雷射光束傳播方向之一方向上傳播，具有一與該雷射光束之波長對應的波長；複數個第二感測器裝置，調整成適應於佈置在該光學元件上游，且檢測一第二光學輻射，該第二光學輻射係與該光學路徑同軸地在該雷射光束傳播方向之一對立方向上傳播，具有一在近紅外線範圍中之波長；複數個第三感測器裝置，調整成適應於與該光學元件關聯，且檢測一近接光學輻射，該近接光學輻射係藉該光學元件，以一包括在紅外線範圍中之波長，放射在關於該光學路徑之該光學元件上游表面附近的既設體積空間的一區位中； 複數個放射一聲波之裝置，調整成適應於在該光學元件之體積空間內放射該聲波；複數個第四感測器裝置，調整成適應於與該光學元件關聯，且檢測貫穿該光學元件之體積空間的該聲波的飛行時間；及複數個電子處理及控制裝置，佈置成執行一種如請求項1至請求項16中任一項之用於檢測該至少一光學元件的操作狀態的方法。
18. 如請求項17之機器，其中該等電子處理及控制裝置佈置成擷取一壓力訊號或數據，該壓力訊號或數據指示該光學元件所面向之體積空間的一區位中存有之氣體的當前壓力、或者該光學元件浸沒所在之一體積空間中的該光學元件之上游的一區位與該光學元件之下游的該區位之間的一壓力差。
19. 如請求項18之機器，包括複數個第五感測器裝置，與該光學元件關聯且調整成適應於提供該壓力訊號或數據。
20. 如請求項17之機器，其中該等電子處理及控制裝置佈置成，從該機器之該複數個工作處理及控制裝置擷取指示當前工作程序之參數的訊號或數據、及指示進行中之生產及待加工之工件的訊號及數據。