СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ТОЧКИ ПАДЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПУЧКА НА ОГРАНИЧЕННОЙ ПОВЕРХНОСТИ Российский патент 2019 года по МПК H01J37/305 

Настоящее изобретение относится к способу определения изменения положения точки падения непрерывного или импульсного энергетического пучка на ограниченной поверхности, которая периодически перемещается по поверхности с помощью отклоняющего устройства, при этом поверхность просматривается камерой, имеющей множество отдельно вычисляемых пикселей в плоскости изображения, в котором каждая точка поверхности ассоциируется с пикселем, а характеристики изображения, определяемые камерой, оцениваются с помощью устройства анализа изображений.

В патентной заявке США US 2005/205778 описывается система калибровки отклонения лазерного луча для удаления материала с электронных компонентов для модификации их свойств. Контрольная карта с определенным изображением используется для определения ошибок изображения, что позволяет выявлять ошибки изображения для их компенсации.

Энергетический пучок может быть, например, электронным лучом, генерируемым электроннолучевой пушкой, который направляется на поверхность расплава для испарения с нее материала, который служит для нанесения покрытий на компоненты. Ниже обсуждаются другие области применения энергетических пучков. Для обеспечения равномерного поступления энергии на поверхность используется отклоняющее устройство, которое периодически перемещает энергетический пучок по поверхности по заданной схеме. Пучком можно управлять непрерывно или в импульсном режиме, когда для каждого импульса определяется новая точка падения, что в результате приводит к формированию периодически повторяющихся схем точек падения.

Так как положение определяемой поверхности относительно электроннолучевой пушки известно, отклоняющее устройство можно настроить таким образом, чтобы схема покрывала всю ограниченную поверхность.

Однако стало очевидным, что отклонения от заданной схемы зависят от влияния внешних факторов. Поскольку воздействия внешних факторов на луч не обязательно являются воспроизводимыми, их нельзя учитывать заблаговременно в соответствующей функции управления отклонением. Поэтому необходимо предоставлять оператору соответствующее устройство с изображением на его поверхности, на котором можно наблюдать перемещение точки падения или формируемую схему. Если оператор видит, что траектория точки падения отклоняется от заданной траектории или формируемая схема не соответствует заданной схеме, он может соответственно корректировать настройку отклоняющего устройства.

В патентной заявке Германии DE 102008009410 В4 раскрывается автоматизация этого процесса. С этой целью анализируется изображение поверхности, сканируемой лучом, и на основе анализа изображения траектория точки падения сравнивается с заданной траекторией. Если имеются отклонения, происходит автоматическая коррекция настройки отклоняющего устройства.

Однако такой автоматический анализ изображения трудно осуществлять, так как поверхность расплава является очень яркой, и точку падения, которая должна быть ярче окружающей поверхности, трудно наблюдать, поскольку ее яркость незначительно отличается от яркости фона.

Известный уровень техники включает также патентную заявку Германии DE 102013107454 А1, в которой раскрывается ограничение перемещения электронного луча по определенной площади поверхности, например, поверхности расплава. С этой целью используется датчик, который регистрирует реакции падения электронного луча на сканируемую поверхность. Эти реакции могут быть электромагнитным излучением или вторичными электронами. Однако, датчик не является камерой со множеством пикселей, каждый из которых ассоциируется с точкой поверхности. Датчик не регистрирует электромагнитное излучение или вторичные электроны, выводимые в пиксели в виде растра, но определяет их как одиночное значение, которое усредняет реакцию по всей сканируемой поверхности.

Следует также принимать во внимание, что процессы сканирования поверхности энергетическими, в частности, высокоэнергетическими пучками, происходят в инкапсулированном устройстве. Однако, камера анализа изображения размещается за пределами устройства и получает изображение поверхности через прозрачный диск, который снижает яркость изображения случайным образом вследствие конденсации паров, выделяемых при сканировании поверхности, поэтому различия яркости изображения нельзя с определенностью относить к точке падения.

При таких обстоятельствах, если говорить о камере, это может быть, в принципе, такая камера, которая регистрирует световое излучение в видимом диапазоне длин волн, в инфракрасном или ином диапазоне частот. Имеется также в виду, что есть системы получения изображений, которые основаны на других физических принципах, как ниже будет объяснено более подробно. Однако, важнейшее значение имеет то, что поверхность отображается в плоскости изображений в системе получения изображений, и что пиксели плоскости изображений определяются отдельно, чтобы их можно было оценивать отдельно.

Предпочтительно, однако, чтобы камера была камерой на базе приборов с зарядовой связью с двухразмерной матрицей сенсоров с зарядовой связью, в которой каждый отдельный сенсор с зарядовой связью представляет один пиксель.

Хотя опытный оператор соответствующего устройства способен определять траекторию точки падения даже при слабом изображении и выполнять вручную необходимые коррекции отклоняющего устройства, необходимо, в особенности для автоматического контроля, осуществлять особо надежное распознавание изображений, при котором траекторию точки падения и генерируемое изображение можно было бы надежно определять.

Поэтому целью изобретения является создание системы анализа изображений, которая может надежно определять траекторию точки падения энергетического пучка на ограниченную поверхность.

Изобретение предлагает определять с помощью устройства анализа изображений временную последовательность характеристик изображения по крайней мере для части пикселей, анализировать сигналы временной последовательности характеристик изображения этих пикселей, коррелировать результаты анализа сигналов с периодичностью, обеспечиваемой отклоняющим устройством, и/или с периодичностью импульсов от пучка, и на основе значения корреляции определять, падает ли энергетический луч в точку поверхности, ассоциируемую с соответствующим пикселем, в данный момент времени.

Так как непрерывный или импульсный пучок периодически перемещается устройством управления по ограниченной поверхности, это также периодически отражается во временной последовательности характеристик изображения для пикселя. Это означает, что для каждого пикселя происходит удельное изменение характеристик изображения, которое определяется периодически повторяющимся падением луча на точку поверхности. Если оценить временную последовательность характеристик изображения для пикселя, можно определить его спектр частот и выделить период колебаний. Таким образом, отдельные характеристики яркого изображения, которые вызываются иными причинами, но не падением пучка, в процессе анализа подавляются.

Поэтому соответствующими математическими методами можно определить, является ли последовательность характеристик изображения свойственной для падения пучка, чтобы при выполнении анализа соответствующих следующих пикселей можно было определить временную динамику перемещения точки падения по поверхности. Это можно делать как для непрерывных, так и для импульсных пучков, при этом в последнем случае частота следования импульсов будет включаться в анализ частоты временной последовательности характеристик изображения.

Предпочтительно, чтобы непрерывный или импульсный пучок перемещался по поверхности отклоняющим устройством по схеме, которая периодически повторяет основную частоту. В этом случае основная частота может использоваться для анализа последовательности характеристик изображения.

С этой целью, например, может определяться спектр временной последовательности, а затем частота повторения выделяется и трансформируется обратно во временную последовательность.

Дополнительно к основной частоте, которая отражает повторяемость изображения, имеются другие частоты в изображении, а именно, частоты колебаний, являющиеся результатом спектра частоты, с которой пучок отклоняется в двух пленарных направлениях, являющихся обычно перпендикулярными друг другу. Эти спектры частот можно использовать для анализа последовательности характеристик изображения.

Поэтому данное изобретение предлагает отклонение пучка с помощью отклоняющего устройства для каждого из двух пленарных направлений с соответствующим удельным спектром частоты, в результате анализ сигналов коррелируется с удельными спектрами частот.

Другая частота, которая используется для анализа последовательности характеристик изображения при импульсном пучке, является частотой повторения импульсов.

Как отмечалось выше, пучок обычно является электронным лучом, который используется для переплавки или испарения материала. При этом ограниченная поверхность является поверхностью расплава.

Вместе с тем, могут потребоваться данные исследований рентгеновских и лазерных лучей и пучков заряженных частиц. Например, лазерные лучи также используются в 3D-принтерах. К тому же, имеются, по крайней мере, частично повторяющиеся периодически изображения на плоских или кривых поверхностях, поэтому изобретение подходит также для управления печатью 3D.

Как упоминалось выше, падение пучка вызывает определенные физические процессы на материале поверхности. Таким образом, дополнительно к видимому излучению в точке падения в расплаве генерируются рентгеновские лучи и пучки заряженных частиц. Они также могут использоваться для воспроизведения изображения с помощью соответствующей системы получения изображений.

Способ служит не только для воспроизведения изображения, в котором видна траектория точки падения на поверхность, позволяя оператору выполнять соответствующие регулировки отклоняющего устройства. Скорее, способ может служить дополнительным средством обеспечения потока информации, получаемой от траектории падения энергетического пучка на поверхность и передаваемой в систему управления отклоняющего устройства в качестве переменного параметра управления.

Поскольку, как объяснялось выше, предлагаемый способ распознавания изображений обеспечивает надежную идентификацию траектории отклонения пучка, может быть также установлен соответствующий алгоритм управления отклоняющего устройства, который не вызывает разрегулированности.

Устройство для осуществления способа предпочтительно включает тигель для размещения в нем расплава, электроннолучевую пушку, направленную на тигель, отклоняющее устройство, управляемое с помощью устройства управления, которое периодически перемещает электронный луч по поверхности расплава, камеру, которая направлена на тигель и имеет множество отдельно вычисляемых пикселей в плоскости изображения, при этом для каждой точки поверхности предназначен пиксель, и устройство анализа изображений, отличающееся тем, что устройство анализа изображений установлено таким образом, чтобы периодичность отклонения пучка использовалась для анализа изображения, чтобы определять в изображении точки падения.

Дополнительно устройство анализа изображений может адаптироваться для выдачи корректирующих значений в систему управления отклоняющего устройства.

Далее по тексту изобретение будет объяснено более подробно со ссылками на примеры осуществления. Сказанное выше иллюстрируется следующим образом.

На Фиг. 1 схематически изображено устройство с электроннолучевой пушкой.

На Фиг. 2 показана временная последовательность характеристик изображения в пикселе, когда происходит сканирование поверхности по периодически повторяющейся схеме.

Как показано на фиг. 1, расплав 2 размещается в тигле 1, на его поверхность направлен электронный луч 3 электроннолучевой пушки 4. Луч 3 плавит или испаряет расплав 2 в зоне точки его падения 5. Испаряемый материал падает, например, на изделие для нанесения на него покрытия (не показано), которое может быть, например, лопаткой турбины.

Чтобы фокусировать подвод энергии на конкретное положение поверхности расплава, луч 3 перемещают по повторяющейся схеме по всей поверхности расплава 2, которая ограничивается стенками тигля. С этой целью луч 3 периодически перемещают по поверхности с помощью отклоняющего устройства 6, состоящего из расположенных перпендикулярно друг другу электромагнитов, в полях которых происходит отклонение электронов.

Отклоняющее устройство 6 обеспечивает отдельные отклоняющие приспособления для каждого из двух направлений, при этом питание на их электромагниты подается блоком управления 7. Сила соответствующего электрического тока определяет отклонение электронного луча 3 в направлении X и Y. Токи для направлений X и Y зависят от конкретной периодичности и положения по фазе, чтобы можно было генерировать различные схемы на поверхности.

Можно генерировать концентрические схемы, например, узоры с пропуском значений. В любом случае схемы будут через некоторое время повторяться. Это повторение отражается основной частотой. Параметры временной последовательности токов направлений X и Y изначально устанавливаются вручную.

Далее, имеется камера 8, которая показывает изображения поверхности расплава 2. При наличии некоторого опыта можно распознать на изображении камеры соответствующую точку падения 5 электронного луча 3 и траекторию ее перемещения по поверхности расплава.

Таким образом опытный оператор может распознать, покрывает ли образуемая траекторией схема поверхность расплава равномерно и соответствует ли она заданному изображению.

Так как поверхность расплава в целом имеет высокую яркость, идентификация точки падения и траектории ее перемещения по поверхности расплава является не простой задачей. Поэтому изобретение предлагает способ анализа изображений, который обеспечивает рассмотрение и анализ следующих друг за другом изображений относительно периодичности, определяемой настройкой отклоняющего устройства. С этой целью выдаваемое камерой изображение передается на узел анализа изображений 9, в котором реализуется предлагаемый способ.

Выдаваемое камерой изображение может также выводиться на дисплей 10.

Если посмотреть, например, на изображение, соответствующее определенной точке поверхности, и, как показано на диаграмме фиг. 2, если показана соответствующая характеристика изображения (11 по оси Y), т.е. его интенсивность освещенности в течение некоторого времени (12 по оси X), удельная характеристика изображения 13 или вариация характеристики изображения и соответствующие смежные во времени значения в основной частоте таким образом повторяются. Так как основная частота известна, интенсивность освещенности может быть однозначно отнесена к падению электронного луча в некоторую точку в определенное время соответствующими математическими методами, и таким образом можно определить удельную характеристику изображения 13 или вариацию характеристики изображения.

Соответствующие анализы можно также осуществлять на основе частоты колебаний или частоты следования импульсов.

Далее, можно исследовать временной ряд изображений.

Перемещение точки падения по поверхности расплава может следовать периодичности отклонения в различных направлениях поверхности или содержать спектр импульсов, поэтому анализ временного ряда изображений с учетом спектра частот отклонений для двух пленарных направлений позволяет делать выводы о том, какие интенсивности освещенности действительно связаны с падением светового луча.

Анализ может быть обобщен в схеме, отражающей изображение, полученное в целом на основе траектории точки падения, в котором общая яркость поверхности подавляется. Такая схема представляется также оператору на мониторе 10.

Такой вид схематического изображения позволяет лучше выполнять коррекцию настройки отклоняющего устройства 6 вручную.

Вместе с тем, такой анализ может быть также трансформирован в параметры, подаваемые на блок управления 7, чтобы он автоматически корректировал переменные значения управления, такие как амплитуда, частота и фаза токов отклоняющих устройств, обеспечивая соответствие фактического изображения заданному. Так создается контур управления.

Список обозначений

1 Тигель

2 Расплав

3 Электронный луч

4 Электроннолучевая пушка

5 Точка падения

6 Отклоняющее устройство

7 Блок управления

8 Камера

9 Узел анализа изображений

10 Монитор

11 Ось Y

12 Ось Х

13 Удельная характеристика изображения

Способ определения изменения положения точки падения непрерывного или импульсного энергетического пучка на ограниченной поверхности, который периодически перемещается по поверхности с помощью отклоняющего устройства, включает операции определения поверхности с помощью камеры, имеющей множество отдельно вычисляемых пикселей в плоскости изображения, при этом каждая точка поверхности ассоциируется с пикселем, оценки определяемых камерой характеристик изображения с помощью узла анализа изображений. С помощью узла анализа изображений определяют временную последовательность характеристик изображения по крайней мере для части пикселей, анализируют сигналы временной последовательности характеристик изображения этих пикселей, результаты анализа сигналов коррелируют с периодичностью, обеспечиваемой отклоняющим устройством, и/или с периодичностью импульса от пучка и на основе значения корреляции определяют, падает ли энергетический луч в точку поверхности, ассоциируемую с соответствующим пикселем в данный момент времени. Технический результат - повышение точности определения траектории точки падения энергетического пучка. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ определения изменения положения точки падения непрерывного или импульсного энергетического пучка на ограниченной поверхности, который периодически перемещается по поверхности с помощью отклоняющего устройства, включающий операции определения поверхности с помощью камеры, имеющей множество отдельно вычисляемых пикселей в плоскости изображения, при этом каждая точка поверхности ассоциируется с пикселем, оценки определяемых камерой характеристик изображения с помощью узла анализа изображений, отличающийся тем, что с помощью узла анализа изображений определяют временную последовательность характеристик изображения по крайней мере для части пикселей, анализируют сигналы временной последовательности характеристик изображения этих пикселей, результаты анализа сигналов коррелируют с периодичностью, обеспечиваемой отклоняющим устройством, и/или с периодичностью импульса от пучка и на основе значения корреляции определяют, падает ли энергетический луч в точку поверхности, ассоциируемую с соответствующим пикселем в данный момент времени.

2. Способ по п. 1, в котором пучок перемещают по поверхности отклоняющим устройством по схеме, которая периодически повторяет основную частоту, при этом результаты анализа сигналов коррелируют с периодичностью, обусловленной основной частотой.

3. Способ по п. 2, в котором пучок отклоняют отклоняющим устройством для каждого из двух планарных направлений с соответствующим спектром удельной частоты, при этом результаты анализа сигналов коррелируют со спектром удельной частоты.

4. Способ по любому из пп. 1-3, в котором энергетический пучок является электронным лучом.

5. Способ по любому из пп. 1-4, в котором поверхность является поверхностью расплава или материала, подлежащего плавлению.

6. Способ по любому из пп. 1-5, в котором характеристики изображения представляют собой интенсивность электромагнитного излучения, исходящего из точки падения, или пучка заряженных частиц, исходящего из точки падения.

7. Способ по любому из пп. 1-6, в котором получаемую информацию о траектории перемещения энергетического пучка по поверхности направляют в систему управления отклоняющего устройства в качестве переменного параметра управления.

8. Устройство для осуществления способа по любому из пп. 1-7, содержащее тигель для размещения в нем расплава, электронно-лучевую пушку, направленную на тигель, отклоняющее устройство, управляемое с помощью устройства управления, периодически перемещающее электронный луч по поверхности расплава, размещенного в тигле, камеру, направленную на тигель и имеющую множество отдельно вычисляемых пикселей в плоскости изображения, при этом для каждой точки поверхности предназначен пиксель, и узел анализа изображений, отличающееся тем, что узел анализа изображений установлен с возможностью использования периодичности отклонения пучка и/или импульсов пучка для анализа изображений, чтобы определять точки падения пучка в изображении поверхности.

9. Устройство по п. 8, в котором узел анализа изображений выполнен с возможностью выдачи корректирующих значений в систему управления отклоняющего устройства.