Verfahren zur Bestimmung der sich verändernden Lage des Auftreffpunktes eines energetischen Strahles auf einer begrenzten Fläche

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestim ^¬ mung der sich verändernden Lage des Auftreffpunktes eines kontinuierlichen oder gepulsten energetischen Strahles auf einer begrenzten Fläche, der von einer Ablenkeinrich ^¬ tung periodisch über die Fläche bewegt wird, wobei die Fläche mit einer Kamera erfasst wird, die eine Vielzahl von einzeln auswertbaren Bildpunkten in einer Bildebene aufweist, wobei jedem Punkt der Fläche ein Bildpunkt zu ^¬ geordnet ist und wobei die von der Kamera erfassten Bild ^¬ werte mittels einer Bildanalyseeinrichtung ausgewertet werden .

Bei dem energetischen Strahl kann es sich z. B. um einen von einer Elektronenstrahlkanone erzeugten Elektronen ^¬ strahl handeln, der auf die Oberfläche einer Schmelze ge ^¬ richtet ist, um dort Material zu verdampfen, das der Be- schichtung von Bauteilen dient. Andere Verwendungen von energetischen Strahlen werden weiter unten erläutert. Um einen in der Fläche gleichmäßigen Energieeintrag zu er ^¬ halten, ist eine Ablenkeinrichtung vorgesehen, die den energetischen Strahl periodisch in einem vorgegebenen Muster über die Fläche bewegt. Der Strahl kann kontinu ^¬ ierlich oder gepulst betrieben werden, wobei für jeden Puls ein neuer Auftreffpunkt definiert ist, so dass sich ein periodisch wiederkehrendes Muster von Auftreffpunkten ergibt .

Da die Lage der zu erfassenden Fläche in Bezug auf die Elektronenstrahlkanone bekannt ist, kann die Ablenkein- richtung so eingestellt werden, dass das Muster die ge ^¬ samte begrenzte Fläche erfasst.

Allerdings hat sich gezeigt, dass sich aufgrund von äuße ^¬ ren Einflüssen Abweichungen vom eingestellten Soll-Muster ergeben. Da die Wirkungen der Einflüsse auf den Strahl nicht unbedingt reproduzierbar sind, können sie so nicht von vornherein in einer entsprechenden Steuerfunktion für die Ablenkeinrichtung berücksichtigt werden. Daher ist es notwendig, dem Bediener einer entsprechenden Apparatur ein Bild der Fläche zur Verfügung zu stellen, auf dem der wandernde Auftreffpunkt zu erkennen ist, bzw. das sich einstellende Muster. Erkennt der Bediener, dass der Weg des Auftreffpunktes von dem gewünschten Weg abweicht bzw. das Muster vom eingestellten Soll-Muster abweicht, kann er die Ablenkeinrichtung entsprechend nachjustieren .

In der DE 10 2008 009 410 B4 wird schon offenbart, diesen Vorgang zu automatisieren. Dazu wird eine Analyse vom Bild der vom Strahl überstrichenen Fläche vorgenommen und mit Hilfe der Bildanalyse der Weg des Auftreffpunktes mit dem Sollweg verglichen. Treten Abweichungen auf, erfolgt eine entsprechende automatische Nachjustierung der Ab ^¬ lenkeinrichtung .

Eine solche automatische Bildanalyse gestaltet sich aber schwierig, da z. B. die Oberfläche einer Schmelze sehr hell ist, so dass der Auftreffpunkt , obwohl er durch ei ^¬ nen entsprechenden Energieeintrag eine höhere Helligkeit haben sollte als seine Umgebung, nur schwer zu erkennen ist, da sich seine Helligkeit nur wenig von der Hellig ^¬ keit des Hintergrundes unterscheidet.

Zum Stand der Technik ist auch die DE 10 2013 107 454 AI zu nennen, die sich ebenfalls damit beschäftigt, die Wan ^¬ derung eines Elektronenstrahls über eine Fläche auf einem bestimmten Bereich, z. B. einer Schmelzenoberfläche, zu begrenzen. Dazu wird ein Sensor eingesetzt, der die Rück ^¬ wirkungen des Auftreffens des Elektronenstrahls auf die abgetastete Fläche registriert. Bei diesen Rückwirkungen kann es sich um elektromagnetische Strahlung oder Sekun ^¬ därelektronen handeln. Bei dem Sensor handelt es sich aber nicht um eine Kamera mit einer Vielzahl von Bild ^¬ punkten, die jeweils Flächenpunkten zugeordnet sind. Der Sensor nimmt die elektromagnetische Strahlung oder die Sekundärelektronen nicht in Bildpunkten gerastert auf, sondern als Einzelwert, der die Rückwirkung über die ge ^¬ samte abgetastete Fläche mittelt.

Weiterhin zu berücksichtigen ist, dass Prozesse, bei de ^¬ nen energetische, insbesondere hochenergetische Strahlen eine Oberfläche abtasten, in einer gekapselten Vorrich ^¬ tung erfolgen. Eine Kamera zur Bildanalyse wird aber au ^¬ ßerhalb der Vorrichtung angeordnet und erhält das Bild der Fläche durch eine transparente Scheibe, die durch Ab ^¬ lagerungen von Dämpfen, die beim Abtasten der Fläche ent ^¬ stehen, die Bildintensität in einer nicht vorhersehbaren Weise verringert, so dass Helligkeitsunterschiede im Bild nicht mehr sicher einem Auftreffpunkt zuzuordnen sind.

Wenn in diesem Zusammenhang von einer Kamera gesprochen wird, kann es sich im Prinzip um eine Kamera handeln, die Licht im sichtbaren Wellenbereich, Infrarot oder einen noch anderen Frequenzbereich aufnimmt. Gemeint sind aber auch Bildaufnahmesysteme, die auf anderen physikalischen Prinzipien beruhen, wie sie weiter unten näher erläutert werden. Entscheidend ist aber, dass eine Abbildung der Fläche auf eine Bildebene in dem Bildaufnahmesystem er ^¬ folgt und dass die Bildpunkte der Bildebene einzeln er- fasst werden, so dass sie einzeln ausgewertet werden kön ^¬ nen . Vorzugsweise handelt es sich bei der Kamera aber um eine CCD-Kamera mit zweidimensionalen CCD-Array-Sensoren, wo ^¬ bei jeder einzelne CCD-Sensor der Arrays einen Bildpunkt repräsentiert .

Während ein geschulter Bediener einer entsprechenden Ap ^¬ paratur noch in der Lage sein wird, auch in einem

schlechten Bild den Weg des Auftreffpunktes zu bestimmen und manuell entsprechende Konturen an der Ablenkeinrich ^¬ tung vorzunehmen, ist es gerade für eine automatische Re ^¬ gelung notwendig, eine besonders verlässliche Bilderken ^¬ nung durchzuführen, bei der der Weg des Auftreffpunktes und das so erzeugte Muster verlässlich identifiziert wer ^¬ den kann.

Die Erfindung beruht daher auf der Aufgabe, eine Bildana ^¬ lyse zu schaffen, bei der verlässlich der Weg des Auf ^¬ treffpunktes eines energetischen Strahls auf einer be ^¬ grenzten Fläche identifiziert werden kann.

Dazu sieht die Erfindung vor, dass die Bildanalyseeinrichtung für zumindest einige der Bildpunkte eine zeitliche Folge von Bildwerten er ^¬ mittelt , eine Signalanalyse der zeitlichen Folge der Bild ^¬ werte dieser Bildpunkte vorgenommen wird, das Ergebnisse der Signalanalyse korreliert wird mit der von der Ablenkeinrichtung induzierten Periodizi ^¬ tät und/oder der Periodizität des Strahlpulses, und auf Grund der Güte der Korrelation bestimmt wird, ob der dem jeweiligen Bildpunkt zugeordnete Punkt der Fläche zu einen bestimmten Zeitpunkt vom dem energetischen Strahl getroffen worden ist.

Da der kontinuierliche oder gepulste Strahl von der Steu ^¬ ereinheit periodisch über die begrenzte Fläche bewegt wird, findet sich diese Periodizität auch in dem zeitli ^¬ chen Verlauf der Bildwerte für einen Bildpunkt wieder. Dies bedeutet, dass sich für jeden Bildpunkt eine spezi ^¬ fische Bildwertvariation ergibt, die durch das periodisch wiederkehrende Auftreffen des Strahles auf den Flächen ^¬ punkt bestimmt wird. Betrachtet man nun den zeitlichen Verlauf der Bildwerte für einen Bildpunkt, kann man des ^¬ sen Frequenz spektrum bestimmen und die Periodenfrequenz herausfiltern. Auf dies Weise werden einzelne helle Bild ^¬ werte, die aber auf andere Weise als durch das Auftreffen des Strahls hervorgerufen wurden, bei der Analyse unter ^¬ drückt .

Durch geeignete mathematische Methoden lässt sich daher bestimmen, ob die Bildwertfolge für das Auftreffen des Strahls charakteristisch ist, so dass, wenn eine Analyse für entsprechende weitere Bildpunkte vorgenommen wird, ein zeitlicher Verlauf der Wanderung des Auftreffpunktes auf der Fläche ermittelt werden kann. Dies kann sowohl für kontinuierliche Strahlen als auch für gepulste Strah ^¬ len erfolgen, wobei im letzteren Fall die Pulsfrequenz bei der Frequenzanalyse des zeitlichen Bildwerteverlaufs mit einfließen kann.

Vorzugsweise wird der kontinuierliche oder gepulste

Strahl von einer Ablenkeinrichtung in einem sich mit ei ^¬ ner Basisfrequenz periodisch wiederholenden Muster über die Fläche bewegt. In einem solchen Fall kann diese Ba ^¬ sisfrequenz für die Analyse der Bildwertefolge herangezo ^¬ gen werden. Dazu kann z. B. ein Spektrum des zeitlichen Verlaufs er ^¬ mittelt werden, anschließend die Wiederholungsfrequenz des Musters herausgefiltert und in einen zeitlichen Ver ^¬ lauf zurück transformiert werden.

Neben der Basisfrequenz, mit der die Wiederholung des Musters beschrieben wird, befinden sich in dem Bild wei ^¬ tere Frequenzen, nämlich die Oszillationsfrequenzen, die sich aus den Frequenzspektren ergeben, mit denen der Strahl in den beiden Flächenrichtungen, die in der Regel senkrecht aufeinander stehen, abgelenkt wird. Auch diese Frequenz spektren können zur Analyse der Bildwertfolge he ^¬ rangezogen werden.

Die Erfindung sieht daher vor, dass der Strahl von einer Ablenkeinrichtung für jede der beiden Flächenrichtungen mit einem jeweils spezifischen Frequenzspektrum abgelenkt wird, wobei die Ergebnisse der Signalanalyse mit den spe ^¬ zifischen Frequenz spektren korreliert werden.

Eine weitere Frequenz, die zur Analyse der Bildwertfolge herangezogen werden kann, ist bei der Verwendung eines gepulsten Strahls dessen Pulsfrequenz.

Wie oben erwähnt, handelt es sich bei dem Strahl typi ^¬ scher Weise um einen Elektronenstrahl, der dazu dient, Material umzuschmelzen oder zu verdampfen. Insofern ist die begrenzte Fläche die Oberfläche einer Schmelze.

Denkbar wären aber auch die Beobachtungen von Röntgen-, Laser- oder Teilchenstrahlen. Laserstrahlen werden z. B. auch eingesetzt bei 3D-Druckern. Auch hier liegen zumin ^¬ dest abschnittsweise periodisch wiederkehrende Muster auf geraden oder gekrümmten Flächen vor, so dass die Erfin ^¬ dung auch geeignet ist zur Kontrolle eines dreidimensio ^¬ nalen Druckes. Wie oben schon erwähnt, werden mit dem Auftreffen des Strahles bestimmte physikalische Prozesse auf dem Mate ^¬ rial, das die Fläche bildet, hervorgerufen. So werden bei einer Schmelze neben sichtbarem Licht auch Röntgenstrah ^¬ len und Teilchenstrahlen erzeugt, die vom Auftreffpunkt ausgehen. Diese können ebenfalls zur Darstellung eines Bildes unter Verwendung eines entsprechenden Bildaufnah ^¬ mesystems herangezogen werden.

Wie oben erwähnt, dient das Verfahren nicht nur dazu, ein Bild darzustellen, auf dem der Weg des Auftreffpunktes über die Fläche sichtbar wird, um es so einen Bediener zu ermöglichen, entsprechende Nachstellungen an einer Ab ^¬ lenkeinrichtung vorzunehmen. Vielmehr kann das Verfahren auch so ergänzt werden, dass die gewonnene Information über den Weg des energetischen Strahles über die Fläche als Regelgröße in die Steuerung der Ablenkeinrichtung einfließt .

Da - wie erläutert - das vorgeschriebene Verfahren zur Bilderkennung eine sichere Identifizierung des Weges des Ablenkstrahles erlaubt, kann auch ein entsprechender Re ^¬ gelalgorithmus zur Steuerung der Ablenkeinrichtung einge ^¬ richtet werden, der nicht zu einer Fehleinstellung führt.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht vorzugsweise aus einem Tiegel zur Aufnahme einer

Schmelze, einer Elektronenstrahlkanone, die auf den Tie ^¬ gel gerichtet ist, einer mittels einer Steuereinrichtung steuerbaren Ablenkeinrichtung, die den Elektronenstrahl der Elektronen periodisch über die Oberfläche der

Schmelze bewegt, einer Kamera, die in den Tiegel gerich ^¬ tet ist, und mit einer Bildanalyseeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildanalyseeinrichtung so einge ^¬ richtet ist, dass die Periodizität der Strahlablenkung zur Bildanalyse herangezogen wird, um die Auftreffpunkte im Bild zu identifizieren.

Die Vorrichtung kann ergänzt werden in dem Sinn, dass die Bildanalyseeinrichtung so eingerichtet ist, dass sie ei ^¬ nen Korrekturwert an die Steuerung der Ablenkeinrichtung auszugeben vermag.

Im Folgenden soll anhand eines Ausführungsbeispiels die Erfindung näher erläutert werden. Dazu zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer

Vorrichtung mit einer Elektronenstrahlka- none und

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der Bildwerte in einem Bildpunkt, wenn die Abtastung der Oberfläche in einem sich periodisch wie ^¬ derholenden Muster erfolgt.

Bezug nehmend auf die Fig. 1 erkennt man, dass sich in einem Tiegel 1 eine Schmelze 2 befindet, auf deren Ober ^¬ fläche der Elektronenstrahl 3 einer Elektronenkanone 4 gerichtet ist. Der Strahl 3 schmilzt das Material auf oder verdampft die Schmelze 2 im Bereich seines Auftreff ^¬ punktes 5. Das verdampfte Material trifft z. B. auf einen - hier nicht dargestellten - zu beschichtenden Körper, dabei handelt es sich z. B. um die Schaufel einer Tur ^¬ bine .

Um den Energieeintrag nicht auf eine bestimmte Position der Schmelzenoberfläche zu fokussieren, wird der Strahl 3 in einem sich wiederholenden Muster über die gesamte Oberfläche der Schmelze 2, die von der Tiegelwand be ^¬ grenzt ist, bewegt. Dazu wird der Strahl 3 durch eine Ab ^¬ lenkeinrichtung 6, die aus sich senkrecht kreuzenden Elektromagneten besteht, in deren Felder die Elektronen abgelenkt werden, periodisch über die Fläche bewegt.

Die Ablenkeinrichtung 6 sieht für beide Flächenrichtungen jeweils eine gesonderte Ablenkeinheit vor, deren Elektro ^¬ magneten von einer Steuereinheit 7 mit Strom beauftragt werden. Die Stärke des jeweiligen elektrischen Stromes bestimmt die Ablenkung des Elektronenstrahls 3 in X- und Y-Richtung. Die Ströme für die X- und Y-Richtung unter ^¬ liegen jeweils einer bestimmten Periodizität und Phasen ^¬ lage, so dass verschiedene Muster auf der Oberfläche er ^¬ zeugt werden können.

Denkbar sind spiralförmige Muster, aber auch sprungzei- lenförmige Muster. Jedenfalls wird sich das Muster nach einiger Zeit wiederholen. Diese Wiederholung wird mit ei ^¬ ner Basisfrequenz beschrieben. Die Parameter für den zeitlichen Verlauf der Ablenkströme in X- und Y-Richtung werden zunächst manuell eingestellt.

Weiterhin existiert eine Kamera 8, die die Oberfläche der Schmelze 2 abbildet. Auf dem Kamerabild lässt sich mit einiger Erfahrung der jeweilige Auftreffpunkt 5 des Elektronenstrahls 3 erkennen und sein Weg über die schmelzende Oberfläche, so dass ein erfahrener Bediener erkennen kann, ob das durch den Weg gezeichnete Muster die Fläche gleichmäßig abdeckt und dem eingestellten Sollmuster entspricht.

Da die Schmelzoberfläche insgesamt eine hohe Helligkeit aufweist, ist die Identifizierung des Auftreffpunktes und seines Weges auf der Schmelzenoberfläche nicht einfach. Deswegen sieht die Erfindung ein Bildanalyseverfahren vor, bei dem die zeitlich aufeinander folgenden Bilder auf Periodizität, die durch die Einstellung der Ablenk ^¬ einrichtung vorgegeben ist, untersucht und analysiert werden. Dazu wird das Kamerabild einer Bildanalyseein ^¬ richtung 9 zugeführt, in der das beanspruchte Verfahren implementiert ist. Das von der Kamera aufgenommene Bild kann außerdem auf einem Monitor 10 wiedergegeben werden.

Betrachtet man z. B. ein Bild, das zu einem bestimmten Oberflächenpunkt gehört, und trägt, wie im Diagramm der Fig. 2 gezeigt, den entsprechenden Bildwert (Y-Achse 11), also seine Lichtstärke über die Zeit (X-Achse 12) ab, so wird sich ein spezifischer Bildwert 13 oder eine Bild ^¬ wertvariation und die jeweils zeitlich benachbarten Werte in der Basisfrequenz wiederholen. Da die Basisfrequenz bekannt ist, kann durch geeignete mathematische Methoden die Lichtstärke zu einem bestimmten Zeitpunkt eindeutig als das Auftreffen des Elektronenstrahls zurückgeführt werden und somit der spezifische Bildwert 13 bzw. die Bildwertvariation identifiziert werden.

Entsprechende Analysen können auch auf Basis der Oszilla ^¬ tionsfrequenzen bzw. der Impulsfrequenz vorgenommen wer ^¬ den .

Des Weiteren können zeitliche Bildserien untersucht wer ^¬ den. Die Wanderung des Auftreffpunktes auf der Schmelzen ^¬ oberfläche muss der Periodizität der Ablenkung in den verschiedenen Flächenrichtungen folgen oder Impulsspekt ^¬ rum enthalten, so dass auch die Untersuchung von zeitli ^¬ chen Bildserien unter Berücksichtigung des Frequenzspekt ^¬ rums der Ablenkung für die beiden Flächenrichtungen Auf- schluss darüber bringt, welche festgestellten Lichtstär ^¬ ken tatsächlich auf das Auftreffen eines Lichtstrahles zurückzuführen sind.

Die Analyse kann in einer Darstellung zusammengefasst werden, die das Muster, das vom Weg des Aufreffpunktes gezeichnet wird, als Ganzes wiedergibt, wobei die Gesamt- helligkeit der Oberfläche unterdrückt wird. Eine solche Darstellung wird dem Bediener ebenfalls auf dem Monitor 10 präsentiert. Eine solche schematische Darstellung er ^¬ laubt eine bessere manuelle Nachjustierung der Ablenkein ^¬ richtung 6.

Die Analyse kann aber auch in geeignete Parameter trans ^¬ formiert werden, die der Steuereinheit 7 zugeführt wird, so dass diese selbsttätig die Steuergrößen wie Amplitude, Frequenz und Phase der Ströme für die Ablenkeinheiten einstellt, so dass das tatsächliche Muster mit dem Soll ^¬ muster in Übereinstimmung gebracht wird. Es wird somit ein Regelkreis geschaffen.

Bezugszeichenliste Tiegel

Schmelze

Elektronenstrahl

Elektronenkanone

Auftreffpunkt Ablenkeinrichtung

Steuereinheit

Kamera

Bildanalyseeinrichtung

Monitor Y-Achse

X-Achse

spezifischer Bildwert