(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
偏向装置によって周期的に、区切られた面上を移動する連続的またはパルス状のエネルギービームの入射点の、前記面上における可変の位置を特定するための方法であって、
前記面の各点にそれぞれ対応付けられた複数の個別に解析可能な画素を像面に有するカメラを用いて、前記面を取得するステップと、
前記カメラによって取得された画像値を、画像解析装置によって解析するステップと、
を有する方法において、
前記画像解析装置は、
前記画素のうち少なくとも一部の画素について画像値の時系列を求め、
前記画素の画像値の時系列の信号解析を行い、
前記信号解析の結果と、前記偏向装置によって引き起こされた周期性および／またはビームパルスの周期性と、の相関を求め、
前記相関の良否に基づき、各画素に対応付けられた面の各点に、特定の時点で前記エネルギービームが当たったか否かを判定する、
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記ビームを偏向装置によって、基本周波数で周期的に繰り返すパターンで前記面上において移動させ、
前記信号解析の結果と、前記基本周波数によって引き起こされた周期性と、の相関を求める、
請求項１記載の方法。
【請求項３】
２つの各面方向について、それぞれ固有の周波数スペクトルで前記ビームを偏向装置によって偏向し、
前記信号解析の結果と、前記固有の周波数スペクトルと、の相関を求める、
請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記エネルギービームは、電子ビームである、
請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記面は、溶融物の表面または溶融すべき材料の表面である、
請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記画像値は、前記入射点に由来する電磁波の強度、または、前記入射点に由来する粒子線の強度である、
請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
前記比較によって得られた、前記面上における前記エネルギービームの経路についての情報を、制御量として前記偏向装置の制御に使用する、
請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
請求項１から７までのいずれか１項記載の方法を実施するための装置であって、
溶融物を収容するためのるつぼと、
前記るつぼに向けられる電子銃と、
電子の電子ビームを周期的に、前記るつぼ内にある溶融物の表面上において移動させる、制御装置によって制御され得る偏向装置と、
前記表面の各点にそれぞれ対応付けられた複数の個別に解析可能な画素を像面に有する、前記るつぼ内に向けられるカメラと、
画像解析装置と、
を備えており、
前記画像解析装置は、画像内の前記表面における前記ビームの入射点を同定するため、画像解析のためにビーム偏向および／またはビームパルスの周期性を使用するように構成されている、
装置。
【請求項９】
前記画像解析装置は、補正値を前記偏向装置の制御部に出力するように構成されている、
請求項８記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、区切られた面上における連続的またはパルス状のエネルギービームの入射点の可変の位置を特定するための方法に関し、エネルギービームを偏向装置によって周期的に当該面上において移動させ、個別に解析可能である複数の画素を像面内に有するカメラを用いて当該面を取得し、当該面の各点にそれぞれ１画素が対応付けられ、カメラを用いて取得された画像値を解析する。
米国特許出願公開第２００５／２０５７７８号明細書（US 2005/205778）に、電子部品の特性を変化させるために当該電子部品の材料を除去するためのレーザビームの変位を較正するシステムが記載されている。結像誤差を識別するため、所定のパターンを有するチェックカードを使用し、これによって、識別された結像誤差を補償することができる。
【背景技術】
【０００２】
エネルギービームはたとえば、電子銃によって生成された電子ビームとすることができ、この電子ビームは溶融物の表面へ送られることによって、ここで材料を蒸発させ、これは部品のコーティングに用いられる。エネルギービームの他の用途については、以下で説明する。面において均等なエネルギー入射を達成するため、偏向装置が設けられており、これは、エネルギービームを周期的に、予め決まったパターンで面上にて移動させる。ビームを連続的またはパルス状に動作させることができ、その際には、入射点の周期的に繰り返されるパターンが得られるように、パルスごとに新規の入射点を規定する。
【０００３】
電子銃を基準とした取得対象の面の位置は既知であるから、パターンが、区切られた面全部を捉えるように偏向装置を調整することができる。
【０００４】
しかし、外部影響に起因して、設定された目標パターンから偏差が生じることが判明している。この影響がビームに及ぼす作用は必ずしも再現可能であるとは限らないので、最初からかかる外部影響を、偏向装置に対応した制御関数において考慮することはできない。よって、対応する装置のオペレータに対して、移動する入射点を識別できる面の画像、ないしは、生じるパターンを提供する必要がある。入射点の経路が所望の経路から偏差していること、ないしは、設定された目標パターンからパターンが偏差していることを、オペレータが判断した場合、オペレータは偏向装置を適切に位置再調整することができる。
【０００５】
独国特許発明第１０２００８００９４１０号明細書（DE 10 2008 009 410 B4）に既に、上述の過程を自動化することが開示されている。こうするためには、ビームによって走査される面の画像の解析を行い、画像解析を用いて入射点の経路と目標経路とを比較する。偏差が生じている場合には、偏向装置の適切な自動位置再調整が行われる。
【０００６】
しかし、たとえば溶融物の表面は非常に明るいので、適切なエネルギー入射が行われることによって入射点は周囲より高い明るさを有するはずであるにもかかわらず、その明るさと背景の明るさとの差は僅かのみであるため、入射点を識別することが困難になるから、上述のような自動画像解析は困難なものとなる。
【０００７】
従来技術としては独国特許出願公開第１０２０１３１０７４５４号明細書（DE 10 2013 107 454 A1）も挙げられる。同文献も、面上における電子ビームの移動を特定の範囲に、たとえば溶融物表面に区切ることに取り組むものである。こうするためには、走査される面上における電子ビームの入射の応答作用を記録するセンサが使用される。この応答作用は、電磁波または２次電子であり得る。しかしセンサは、それぞれ面点に対応付けられた多数の画素を有するカメラではない。センサは電磁波または２次電子を複数の画素にラスタ状には取得せず、走査される面全体における応答作用を平均化した単一値として取得する。
【０００８】
さらに、エネルギービーム、特に高エネルギービームが表面を走査するプロセスは、封止されたデバイスにおいて行われることも考慮しなければならない。しかし、画像解析用のカメラはデバイスの外部に配置されて、透明なガラスを通じて面の画像を取得し、このガラスは、面の走査時に生じる蒸気の付着によって画像強度を予測不能な状態にまで低下させてしまうので、画像における明るさの差を入射点に確実に対応付けることがもはやできなくなる。
【０００９】
ここで「カメラ」といった場合、原則的には、可視領域、赤外領域または他の周波数領域の光を取得するカメラでもあり得る。また、たとえば以下詳細に説明するような他の物理的原理に基づく画像取得システムも指す。しかし、ここで決定的に重要なのは、面の結像が画像取得システムにおける像面で行われ、像面の各画素が個別に取得されることにより、各画素を個別に解析できることである。
【００１０】
また有利には、カメラは、２次元のＣＣＤアレイセンサを備えたＣＣＤカメラであって、当該アレイの各ＣＣＤセンサがそれぞれ１画素となるＣＣＤカメラである。
【００１１】
当該装置の知識を有するオペレータは、悪い画像でも入射点の経路を特定して、手動で偏向装置に適切な輪郭を設定することができるが、まさに自動制御を行うためには、入射点の経路を確実に同定して、これによって得られたパターンを確実に同定できる、特に確実な画像認識を行う必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
よって、本発明の基礎となる課題は、区切られた面上におけるエネルギービームの入射点の経路を確実に同定できる画像解析を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、
画像解析装置が、画素のうち少なくとも一部の画素について画像値の時系列を求め、
当該画素の画像値の時系列の信号解析を行い、
信号解析の結果と、偏向装置によって引き起こされた周期性および／またはビームパルスの周期性と、の相関を求め、
相関の良否に基づき、各画素に対応付けられた面の各点に、特定の時点でエネルギービームが当たったか否かを判定する。
【００１４】
連続的またはパルス状のビームは制御ユニットによって周期的に、区切られた面上を移動するので、その周期性は、各画素の画像値の時間的推移にも現れる。このことは、画素ごとに固有の画像値変動が得られ、これは、当該面点にビームが周期的に繰り返し入射することによって特定される、ということである。ここで、１つの画素の画像値の時間的推移を観測すると、その周波数スペクトルを求めることができ、周期周波数をフィルタリングにより取り出すことができる。このようにして、明るいがビームの入射とは異なるプロセスで引き起こされた各画素を解析の際に抑圧することができる。
【００１５】
したがって適切な数学的手法によって、画像値列がビームの入射に特徴的なものであるか否かを判定することができ、これにより、該当する他の画素について解析を行う場合には、面上における入射点の移動の時間的推移を求めることができる。これは、連続的なビームおよびパルス状のビームのいずれについても行うことができ、後者の場合には、画像値時間的推移の周波数解析の際にパルス周波数も共に使用することができる。
【００１６】
有利には、連続的またはパルス状のビームは偏向装置によって、基本周波数で周期的に繰り返すパターンで、面上を移動する。かかる場合には、この基本周波数を画像値列の解析に使用することができる。
【００１７】
こうするためにはたとえば、時間的推移のスペクトルを求め、その後にパターンの繰返し周波数をフィルタリングによって取り出して、時間的推移に逆変換することができる。
【００１８】
パターンの繰り返しを行う基本周波数の他に、画像中には他の周波数、すなわち、通常は互いに直交する２つの面方向においてビームを偏向するときの周波数スペクトルから得られる振動周波数も含まれる。この周波数スペクトルも、画像値列の解析に使用することができる。
【００１９】
よって本発明は、２つの各面方向について、それぞれ固有の周波数スペクトルでビームを偏向装置によって偏向し、信号解析の結果とこの固有の周波数スペクトルとの相関を求めるものである。
【００２０】
画像値列の解析に使用できる他の周波数は、パルス状のビームを使用する場合には、ビームのパルス周波数である。
【００２１】
上記にて述べたように、ビームは典型的には、材料を再溶融または蒸発させるために使用される電子ビームである。かかる場合、区切られた面は溶融物の表面である。
【００２２】
また、Ｘ線、レーザビームまたは粒子の観測も可能である。レーザビームは、たとえば３Ｄプリンタにも使用される。その際にも、少なくとも部分的に周期的に繰り返されるパターンは、平坦な面上または曲面上に位置することとなるので、本発明は３次元プリントの監視にも適している。
【００２３】
上記にて既に述べたように、ビームの入射によって、面を構成する材料上において特定の物理的プロセスが引き起こされる。よって、溶融物の場合には可視光の他、入射点に由来するＸ線および粒子線も生成される。これらも、適切な画像解析システムを使用して画像を表示するために使用することができる。
【００２４】
上記にて述べたように、本方法は、オペレータが偏向装置において適切な再設定を行えるようにするため、面上における入射点の経路を可視化する画像を表示するためだけに用いられるのではない。むしろ本方法は、面上におけるエネルギービームの経路についての情報を制御量として、偏向装置の制御に使用することも、追加的に行うことができる。
【００２５】
‐既に述べたように‐上記の画像認識方法によって偏向ビームの経路の確実な同定を行うことができるので、誤調整を引き起こさない、偏向装置の制御用の適切な制御アルゴリズムを構成することも可能になる。
【００２６】
本方法を実施するための装置は有利には、溶融物を収容するためのるつぼと、るつぼに向けられる電子銃と、電子の電子ビームを周期的に溶融物の表面上において移動させる、制御装置によって制御され得る偏向装置と、前記表面の各点にそれぞれ対応付けられた複数の個別に解析可能な画素を像面に有する、るつぼ内に向けられるカメラと、画像解析装置とから構成されており、画像解析装置は、画像における入射点を同定するため、画像解析のためにビーム偏向の周期性を使用するように構成されていることを特徴とする。
【００２７】
本装置は追加的に、画像解析装置が補正値を偏向装置の制御部に出力できる構成も具備することができる。
【００２８】
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】電子銃を備えた装置の概略図である。
【図２】周期的に繰り返すパターンで表面の走査を行った場合の、１画素における画像値の時間的推移を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
図１を参照すると、るつぼ１内に溶融物２が入っており、この溶融物２の表面に電子銃４の電子ビーム３が向けられているのが分かる。ビーム３は材料を溶融し、または、当該ビーム３の入射点５の領域における溶融物２を蒸発させる。蒸発した材料は、たとえば（ここでは図示されていない）コーティングすべき物体に当たる。このコーティングすべき物体は、たとえばタービンの羽根である。
【００３１】
エネルギー入射を溶融物表面の特定の位置に集中させないようにするため、繰り返すパターンでビーム３を、るつぼ壁によって区切られた、溶融物２の表面全体において移動させる。こうするためには、互いに直交して交差する複数の電磁石から成る偏向装置６によって、ビーム３を周期的に面上において移動させ、これらの電磁石の磁界内で電子が偏向する。
【００３２】
偏向装置６は２つの各面方向に対してそれぞれ別個の偏向ユニットを備えており、これらの偏向ユニットの電磁石には、制御ユニット７によって電流が供給される。各電流の強度が、Ｘ方向およびＹ方向における電子ビーム３の偏向を決定する。Ｘ方向およびＹ方向の各電流には、それぞれ特定の周期性および位相が生じるので、表面上に複数の異なるパターンを生じさせることができる。
【００３３】
螺旋形のパターンや、飛び行状のパターンも可能である。いずれの場合においても、パターンはある程度の時間の経過後に繰り返される。この繰り返しは、基本周波数を用いて表される。Ｘ方向およびＹ方向における偏向電流の時間的推移に係るパラメータは、最初は手動で設定される。
【００３４】
さらに、溶融物２の表面を撮像するカメラ８も設けられている。ある程度の経験があれば、カメラ画像上において電子ビーム３の各入射点５と、溶融する表面上における入射点５の経路と、を識別することができるので、経験豊富なオペレータは、この経路によって描かれたパターンが面を均等にカバーするか否か、設定された目標パターンと一致するか否かを判断することができる。
【００３５】
溶融物表面は全体的に高い明るさを示すので、溶融物表面における入射点の同定およびその経路の同定は、容易ではない。よって本発明は、時間的に連続する複数の画像に、偏向装置の設定によって決定される周期性の有無を検査して解析する、画像解析方法を行うものである。こうするためには、カメラ画像を画像解析装置９へ供給して、当該画像解析装置９において特許請求対象の方法を実施する。カメラによって取得された画像を、さらにモニタ１０上に表示することも可能である。
【００３６】
たとえば、特定の表面点に対応する画像を検討し、図２のグラフに示されているように、対応する画像値（Ｙ軸１１）すなわちその光強度を一定の時間にわたって（Ｘ軸１２）切り取ると、固有の画像値１３または画像値変動と、それぞれ時間的に隣り合った値と、が基本周波数で繰り返される。基本周波数は既知であるから、適切な数学的手法によって、特定の時点における光強度が電子ビームの入射によるものであると一義的に判断することができ、これにより、固有の画像値１３ないしは画像値変動を同定することができる。
【００３７】
同様の解析を、振動周波数ないしはインパルス周波数に基づいて行うこともできる。
【００３８】
さらに、画像時系列を調べることもできる。溶融物表面上における入射点の移動は、複数の異なる面方向における偏向の周期性に従っているはずであり、またはインパルススペクトルを含むはずであるから、双方の面方向における偏向の周波数スペクトルを考慮して画像時系列を調べることによっても、どの検出された光強度が実際に光ビームの入射に起因するものであるかを判断することができる。
【００３９】
解析結果は、表面全体の明るさを抑えて、入射点の経路によって描かれたパターンの全部を表した１つの表示にまとめることができる。かかる表示は、オペレータに対してモニタ１０上にも提示される。かかる概要的な表示によって、偏向装置６の手動の位置再調整をより良好に行うことができる。
【００４０】
また、解析結果を適切なパラメータに変換し、これを制御ユニット７へ供給することにより、実際のパターンが目標パターンと一致するように、たとえば偏向ユニットの電流の振幅、周波数および位相等の制御量が自動的に設定されるようにすることも可能である。このようにして、閉ループ制御回路が達成される。
【符号の説明】
【００４１】
１    るつぼ
２    溶融物
３    電子ビーム
４    電子銃
５    入射点
６    偏向装置
７    制御ユニット
８    カメラ
９    画像解析装置
１０  モニタ
１１  Ｙ軸
１２  Ｘ軸
１３  固有の画像値
【図１】
0006501974.tif 000002
【図２】
0006501974.tif 000003