CN111295278B - 扫描系统的校准 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及使用数字图像(502)作为校准的参考来对诸如激光扫描系统等扫描系统进行校准。当扫描系统(444)正在完成诸如在增材制造装置(400)中构建对象等任务时，可以执行校准。

Description

扫描系统的校准
发明背景
相关申请的交叉应用
本申请要求于2017年10月30日提交的美国临时专利申请第62/578,952号的权益。该临时申请的内容在此通过引用全部并入。
发明领域
本申请涉及诸如激光扫描系统等扫描系统的校准。本申请涉及使用图像作为校准的参考来对扫描系统进行校准的系统和方法。当扫描系统正在完成诸如在增材制造装置中构建对象等任务时，可以执行校准。
相关技术的描述
诸如扫描系统等扫描系统被用于许多不同的应用。这些应用之一是增材制造领域，其中三维实体对象是由数字模型形成的。因为所制造的对象是三维的，所以增材制造通常被称为三维(“3D”)打印。激光扫描系统在增材制造中的使用在立体光刻和选择性激光烧结(“SLS”)制造技术中尤为普遍。这些技术使用扫描系统来将扫描束引导至指定位置，以便聚合或固化用于创建所需的三维(“3D”)对象的构建材料层。
与增材制造结合使用的扫描系统应提供非常高的精度。这种高精度有助于确保所制造的对象与数字模型一致。然而，为了在一段时间内保持这种精度，由于各种原因，扫描系统可能需要校准。在某些情况下，由于扫描束会随着设备的使用而发生变化，校准是必要的。在其他情况下，温度波动可能影响扫描系统的精确度。另外，扫描系统(诸如包括电流计的扫描系统)中的镜子的几何形状可能是另一个误差来源。
存在各种各样用于校准扫描系统的现有技术，但是有些现有技术昂贵且复杂，而且大多数现有技术需要设备和调整，该设备和调整使技术无法频繁地执行。结果，用户通常只在选择时间校准扫描系统，该选择时间是方便的，但是可能不够频繁以确保增材制造装置上的每次单独构建的精确度。例如，扫描系统只能在光学元件已经对齐之后校准一次，但是不能在构建之间校准。使用当前的方法，当校准板被定位在增材制造设备中时无法启动构建，因此无法在构建期间执行校准。
因为扫描的精确度对增材制造装置中的构建的成功至关重要，所以如果扫描系统能够更频繁地被校准，则将是有利的。现有技术中仍然需要使扫描系统能够在任何时间(甚至在构建期间)方便且频繁地校准的方法和系统。
发明内容
本公开涉及一种用于对增材制造设备中的扫描系统进行校准的计算机实现的方法，该方法包括：使用在参考位置的图像获取组件，获取校准板的第一表面上的多个参考标记的参考图像，该校准板被定位为与扫描系统的扫描区域平行并且在增材制造设备中；确定误差函数，其中误差函数表示参考图像中的参考标记与校准板上的参考标记之间的差异；当校准板不在扫描区域中时，引导来自扫描系统的扫描仪束，以将扫描标记应用于扫描区域中的多个预定义位置；使用在参考位置的图像获取组件，获取扫描标记的扫描图像；基于扫描图像中的扫描标记的位置、误差函数以及扫描区域中的预定义位置来确定扫描仪校正；以及使用扫描仪校正来校准扫描系统。
在某些实施例中，每个参考标记都位于预定义坐标位置。例如，参考标记可以包括圆形斑点的有序图案。有序图案可以是网格图案。
在一些实施例中，当获取参考图像时，校准板的第一表面被定位在与扫描区域中的构建表面相同的xy平面上。
图像获取组件可以被固定在增材制造设备中的位置中或增材制造设备周围的位置中。图像获取组件可以包括光学相机。
在某些实施例中，确定误差函数进一步包括：在参考图像中选择感兴趣区域；检测感兴趣区域中的特征，其中特征包括参考图像中的参考标记的选择；确定特征的坐标位置；将参考图像中的特征的坐标位置与校准板上的参考标记的坐标位置进行比较。
在某些实施例中，在引导扫描仪束之前，校准板可以从图像获取组件的路径被移动。扫描标记可以包括斑点、线或十字的图案。扫描图像可以包括单个图像或图像堆叠，并且可以在应用所有扫描标记之前被获取。扫描系统可以利用先导激光来应用扫描标记。
确定扫描仪校正可以进一步包括：在扫描图像中选择感兴趣区域；检测感兴趣区域中的特征，其中特征包括扫描图像中的扫描标记的选择；确定针对特征的观测到的坐标位置；以及应用误差函数来获得特征的真实坐标位置；获得真实坐标位置与扫描区域中的预定义位置之间的偏差值；以及基于偏差值来确定扫描仪校正。
获得偏差值可以进一步包括表面拟合。校准扫描系统可以包括：通过与扫描仪校正相对应的距离或因素来调整扫描系统中的扫描仪的坐标位置。本公开的另一方面涉及一种用于对增材制造设备中的扫描系统进行校准系统，该系统包括：校准板，包括具有多个参考标记的第一表面，校准板被配置为被可移除地定位为与扫描系统的扫描区域平行；扫描仪，被配置为将扫描仪束引导至扫描区域；图像获取组件，包括图像获取设备，该图像获取设备被定位在参考位置，并且被配置为在至少两个时间点期间取得扫描区域的至少一部分的图像，该至少两个时间点包括：当校准板被定位在增材制造设备的扫描区域时的第一时间点；当扫描系统已经将扫描仪束发送到扫描区域时的第二时间点；计算机控制系统，包括一个或多个计算机，该一个或多个计算机具有存储器和处理器，计算机控制系统被配置为：接收校准板的第一表面上的参考标记的图像；基于参考图像中的参考标记与校准板上的参考标记之间的差异来确定误差函数；使扫描系统将扫描仪束引导至扫描区域上的多个预定义位置，从而创建一个或多个扫描标记；接收扫描标记的图像；以及基于扫描图像中的扫描标记的位置、误差函数以及扫描区域中的预定义位置来确定扫描仪校正。
附图说明
图1图示了适合实施3D对象设计和制造的计算机环境的示例。
图2图示了计算机的一个示例的功能框图。
图3示出了用于使用本文所公开的方法和系统来制造3D对象的高级过程。
图4是可以使用本文所公开的方法和系统进行校准的扫描系统的示例。
图5A图示了用于获取参考图像的示例性过程。图5B图示了用于参考图像中的检测到的特征的表面拟合。图5C图示了参考图像中的检测到的坐标位置到真实坐标位置的转换。
图6图示了用于校准扫描系统的示例性方法。
图7图示了在扫描和校准的重复循环上的示例性偏差图。
图8图示了用于处理数字图像中的检测到的特征的示例性方法。
具体实施方式
本申请的实施例涉及校准与3D打印应用结合使用的扫描系统，诸如激光扫描系统。本文所公开的系统和方法可以提供一种校准与3D打印应用结合使用的扫描系统的简单廉价的方式。
校准良好的扫描系统对于使用增材制造(additive manufacturing，AM)技术来构建精密零件至关重要，因为扫描系统的位置误差可能导致零件中的几何形状未对齐或表面质量差。为了提高精确度，可以经常进行校准，诸如，在光学元件已经进行了调整或对齐之后、并且还在每次构建之前或甚至在构建期间。遗憾的是，用于校准扫描系统的现有方法不允许方便且灵活地进行频繁校准。
在大多数的现有方法中，扫描系统是相对于位于机器中的已知位置的参考板进行校准的。参考板在已知(也称为“预定义”或“预期”)位置有参考标记。虽然可以将扫描仪束引导至参考板上的那些预定义位置，但是由于扫描系统中的小误差或不精确性，扫描仪束到达的实际(或“真实”)位置通常会偏移。如关于参考板上的参考标记所确定的预定义位置与实际位置之间的比较可以被用来确定扫描仪校正，该扫描仪校正然后应用于扫描系统，以便校正或补偿误差。
这种方法的第一个缺点在于，一旦校准板被移除或扫描系统中的部件被调整，任何参考点都会丢失。如果在构建期间将校准板从增材制造设备中移除，则可能很难在相同的位置再次替换它。此外，一旦扫描系统部件已经被调整，例如在清洗或重新排列期间，它们相对于板的位置将改变，而先前的参考位置将丢失。在这些情况下，必须通过再次将校准板放入机器中来获得新的参考位置，并且扫描系统必须根据其相对于校准板的新的位置进行校准。这是耗费时间的，特别是因为扫描系统的部件在增材制造设备中被频繁地进行调整。另一个缺点在于，在校准期间，必须对增材制造设备中的照明进行调制，以确保同时检测参考网格和由束扫描的图案两者。最后，如果在每次校准中都有小的误差(这些小的误差会随时间的推移而增加)，则重复的校准可能会放大误差。
因此，在现有技术中需要校准扫描系统的新方法。本公开的一个方面涉及校准方法和系统，该校准方法和系统使用相对于图像获取组件(诸如，相机或光学成像设备)的校准板的单个参考视图。可以校准图像获取组件，使得可以针对由组件获得的任何图像来确定误差函数。扫描图像连同误差函数可以被用来确定扫描仪校正，以便校准扫描系统。在一些实施例中，图像获取组件的校准可以与扫描系统的校准分开进行。与扫描系统相比，图像获取组件所做的调整可以更少并且具有更少的移动件或没有移动件，这意味着图像获取组件可以需要更少的校准。
在某些实施例中，扫描系统包括适合于将扫描束定位在构建表面上的部件。该部件可以包括一个或多个部件，诸如，束源和扫描头(该扫描头包括扫描仪(例如，使束偏转的一个或多个镜子))、光学元件(诸如，透镜)、电流计控件和电子器件。示例性扫描系统可以包括这些部件和/或附加部件(诸如，成像设备或传感器)的其他配置。用于在电子束熔炼过程中引导电子束的扫描系统以及使用电机驱动的机构来投射、喷射或引导光、热、化学品或能量的任何系统也可以根据本公开进行校准。在一些实施例中，扫描系统可以是电磁系统、而不是电机驱动的系统，或者可以包括不同机构的组合。扫描系统可以与减材制造系统(诸如，CNC加工刀具)相对应，或者与增材制造系统相对应。在增材制造系统中，可以被校准的部件包括但不限于：激光烧结设备中的激光扫描仪；电子束系统(例如，在该电子束系统中，使用电磁控件使电子束偏转)；用于使呈激光或电子束形式的能量偏转的系统；被配置用于进行非线性扫描的旋转扫描系统；熔融沉积成型(FDM)设备中的挤出机；数字光投影仪(DLP)设备中的光源、控制器、成像光学元件和/或投影仪；等等。
本公开的第一方面涉及一种用于对增材制造设备中的扫描系统进行校准的方法，该方法包括：使用在参考位置的图像获取组件，获取校准板的第一表面上的多个参考标记的参考图像，该校准板被定位为与扫描系统的扫描区域平行并且在增材制造设备中；确定误差函数；当校准板不在扫描区域中时，引导扫描仪束，以将扫描标记应用于扫描区域中的多个预定义位置；使用在参考位置的图像获取组件，获取扫描标记的扫描图像；基于扫描图像中的扫描标记的位置、误差函数以及扫描区域中的预定义位置来确定扫描仪校正；以及使用扫描仪校正来校准扫描系统。
本公开的另一方面涉及一种用于对增材制造设备中的扫描系统进行校准的系统，该系统包括：校准板，包括具有多个参考标记的第一表面，校准板被配置为被可移除地定位为与扫描系统的扫描区域平行；扫描仪，被配置为将扫描束发送到扫描区域；图像获取组件，包括图像获取设备，该图像获取设备被定位在参考位置中，并且被配置为在至少两个时间点期间取得扫描区域的至少一部分的图像，该两个时间点包括：当校准板被定位在增材制造设备的扫描区域中时的第一时间点；当扫描系统已经将扫描束发送到扫描区域时的第二时间点；计算机控制系统，包括一个或多个计算机，该一个或多个计算机具有存储器和处理器，计算机控制系统被配置为：接收校准板的第一表面上的参考标记的图像；基于参考图像中的参考标记与校准板上的参考标记之间的差异来确定误差函数；使扫描系统将扫描仪束引导至扫描区域上的多个预定义位置，从而创建一个或多个扫描标记；接收扫描标记的图像；以及基于扫描图像中的扫描标记的位置、误差函数以及扫描区域中的预定义位置来确定扫描仪校正。
本文所公开的方法和系统也可以使用已经从图像获取组件获取并且被存储的现有参考图像、和/或在扫描系统的校准之前已经被确定的现有误差函数。因此，本公开的一个方面涉及一种用于对增材制造设备中的扫描系统进行校准的方法，该方法包括：获得误差函数，其中误差函数反映在参考位置从图像获取组件获取的图像中的参考标记的观测到的坐标位置与参考标记的真实坐标位置之间的偏差；当校准板不在扫描区域中时，引导扫描仪束，以将扫描标记应用于扫描区域上的多个预定义位置；使用在参考位置的图像获取组件，获取扫描标记的扫描图像；基于扫描图像中的扫描标记的位置、误差函数以及扫描区域中的预定义位置来确定扫描仪校正；以及使用扫描仪校正来校准扫描系统。
增材制造系统
本文所描述的实施例可以在用于设计和制造3D对象的系统内进行实践。转到图1，示出了适合实施3D对象设计和制造的计算机环境的示例。该环境包括系统100。系统100包括一个或多个计算机102a-102d，例如，它们可以是任何工作站、服务器或者能够处理信息的其他计算设备。在一些方面中，每个计算机102a-102d都可以通过任何合适的通信技术(例如，互联网协议)被连接到网络105(例如，互联网)。因此，计算机102a-102d可以经由网络105而在彼此之间发射和接收信息(例如，软件、3D对象的数字表示、用以操作增材制造设备的命令或指令等)。
系统100还包括一个或多个增材制造设备或装置(例如，3D打印机)106a-106b。如图所示，增材制造设备106a被直接连接到计算机102d(并且通过经由网络105连接到计算机102a至102c的计算机102d)，并且增材制造设备106b经由网络105而被连接到计算机102a-102d。因此，本领域的技术人员将理解，增材制造设备106可以被直接连接到计算机102、经由网络105而被连接到计算机102和/或经由另一计算机102和网络105而被连接到计算机102。
应当注意，虽然系统100是关于网络和一个或多个计算机来描述的，但是本文所描述的技术也适用于单个计算机102，其可以被直接连接到增材制造设备106。
图2图示了图1的计算机的一个示例的功能框图。计算机102a包括与存储器220、输入设备230和输出设备240进行数据通信的处理器210。在一些实施例中，处理器进一步与可选的网络接口卡260进行数据通信。虽然被单独描述，但是应当认识到，关于计算机102a描述的功能块不必是单独的结构元件。例如，处理器210和存储器220可以体现在单个芯片中。
处理器210可以是被设计以执行本文所描述的功能的通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他可编程逻辑设备、离散门或晶体管逻辑、离散硬件部件、或者它们的任何合适的组合。处理器还可以实施为计算设备的组合，例如，DSP和微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心结合的一个或多个微处理器、或者任何其他此类配置。
处理器210可以经由一个或多个总线而被耦合，以从存储器220读取信息或将信息写入存储器220。附加地或备选地，处理器可以包含存储器，诸如处理器寄存器。存储器220可以包括处理器缓存，其包括多级分层缓存，其中，不同的级别具有不同的容量和访问速度。存储器220还可以包括随机存取存储器(RAM)、其他易失性存储设备、或者非易失性存储设备。存储装置可以包括硬盘驱动器、光盘(诸如，光碟(CD)或数字视频光盘(DVD))、闪速存储器、软盘、磁带和Zip驱动器。
处理器210也可以被耦合到输入设备230和输出设备240，以用于分别接收来自计算机102a的用户的输入以及将输出提供给计算机102a的用户。
合适的输入设备包括但不限于键盘、按钮、按键、开关、指向设备、鼠标、操纵杆、遥控器、红外检测器、条形码读取器、扫描仪、摄像机(可能与视频处理软件耦合，例如，以检测手势或面部表情)、运动检测器、或者麦克风(可能耦合到音频处理软件，例如，以检测语音命令)。合适的输出设备包括但不限于视觉输出设备(包括显示器和打印机)、音频输出设备(包括扬声器、头戴式耳机、耳机和闹钟)、增材制造设备、以及触觉输出设备。
处理器210可以进一步被耦合到网络接口卡260。网络接口卡260准备由处理器210生成的数据，以用于根据一个或多个数据传输协议经由网络进行传输。网络接口卡260还解码根据一个或多个数据传输协议经由网络接收到的数据。网络接口卡260可以包括发射器、接收器或两者。在其他实施例中，发射器和接收器可以是两个独立的部件。网络接口卡260可以体现为被设计以执行本文所描述的功能的通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他可编程逻辑设备、离散门或晶体管逻辑、离散硬件部件、或者它们的任何合适的组合。
图3图示了用于制造3D对象或设备的过程300。如图所示，在步骤305中，使用计算机(诸如，计算机102a)来设计对象的数字表示。例如，可以将2D或3D数据输入到计算机102a，以用于帮助设计3D对象的数字表示。继续步骤310，将信息从计算机102a发送到增材制造设备，诸如增材制造设备106，并且设备106根据接收到的信息开始制造过程。在步骤315中，增材制造设备106继续使用合适的材料(诸如液态树脂)来制造3D对象。
这些合适的材料可以包括但不限于光聚合物树脂、聚氨酯、甲基丙烯酸甲酯-丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、可吸收材料(诸如，聚合物-陶瓷复合物)等。可商用材料的示例是：来自DSM Somos的DSM
Figure BDA0002473961640000101
系列的材料7100、8100、9100、9420、10100、11100、12110、14120和15100；来自Stratasys的ABSplus-P430、ABSi、ABS-ESD7、ABS-M30、ABS-M30i、PC-ABS、PC ISO、PC、ULTEM9085、PPSF和PPSU材料；来自3-Systems的Accura Plastic、DuraForm、CastForm、Laserform和VisiJet系列的材料；来自EOS GmbH的PA系列材料、PrimeCast和PrimePart材料以及Alumide和CarbonMide。来自3-Systems的VisiJet系列的材料可以包括Visijet Flex、Visijet Tough、Visijet Clear、Visijet HiTemp、Visijete-stone、Visijet Black、Visijet Jewel、Visijet FTI等。其他材料的示例可以包括Objet材料，诸如Objet Fullcure、Objet Veroclear、Objet Digital Materials、ObjetDuruswhite、Objet Tangoblack、Objet Tangoplus、Objet Tangoblackplus等。材料的另一示例可以包括来自Renshape5000和7800系列的材料。进一步地，在步骤320中，生成3D对象。
图4图示了用于生成三维(3-D)对象的示例性增材制造装置400。在该示例中，增材制造装置400是激光烧结设备。激光烧结设备400可以用于逐层生成一个或多个3D对象。例如，作为构建过程的一部分，激光烧结设备400可以利用粉末(例如，金属、聚合物等)一次一层地构建对象。
连续的粉末层使用例如重涂机构(例如，重涂机刀片、鼓或辊)而被涂抹在彼此的顶部。重涂机构在移动跨越构建区域时使层的粉末沉积，例如，在所示的方向上，或者在重涂机构从构建区域的另一侧开始(诸如针对构建的另一层)的情况下，则在相反的方向使粉末沉积。沉积之后，计算机控制的CO2激光束扫描表面，并且选择性地将产品的对应横截面的粉末颗粒结合在一起。在一些实施例中，激光扫描设备是X-Y可移动红外激光源。因此，激光源可以沿X轴和沿Y轴移动，以便将其束引导至最上层粉末的特定位置。备选地，在一些实施例中，激光扫描设备可以包括激光扫描仪，该激光扫描仪接收来自固定激光源的激光束、并且使其在可移动镜子上偏转，以将束引导至设备的工作区域中的指定位置。在激光曝光期间，粉末温度高于材料(例如，玻璃、聚合物、金属)过渡点，在这之后，相邻的颗粒一起流动以创建3D对象。设备400还可以可选地包括辐射加热器(例如，红外灯)和/或气氛控制设备。辐射加热器可以用于在重涂新的粉末层与扫描此层之间对粉末进行预热。在一些实施例中，可以省略辐射加热器。气氛控制设备在整个过程中可以用于避免不期望的情景，诸如粉末氧化。
控制计算机434可以被配置为控制增材制造装置400的操作。在一些实施例中，控制计算机可以是图2中的一个或多个计算机102或者图3中的计算机305。在一些实施例中，控制计算机434可以是内置于增材制造装置400中或者被配置为与增材制造装置400对接的控制器。
本文所公开的各个实施例都规定计算机控制系统的使用。技术人员很容易认识到，这些实施例可以使用许多不同类型的计算设备(包括通用和/或专用计算系统环境或配置)来实施。
能够适合与上述实施例结合使用的已知的计算系统、环境和/或配置的示例可以包括但不限于个人计算机、服务器计算机、手持式或膝上型设备、多处理器系统、基于微处理器的系统、可编程消费电子产品、网络PC、微型计算机、大型计算机、包括任何上述系统或设备的分布式计算环境等。这些设备可以包括存储的指令，该指令当被计算设备中的微处理器执行时使计算机设备执行指定动作以执行指令。如本文所使用的，指令是指用于处理系统中的信息的计算机实现的步骤。指令可以被实施在软件、固件或硬件中，并且包括由系统的组件进行的任何类型的编程步骤。
微处理器可以是任何常规的通用单片或多片微处理器，诸如，
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处理器、
Figure BDA0002473961640000122
Pro处理器、8051处理器、
Figure BDA0002473961640000123
处理器、Power
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处理器或
Figure BDA0002473961640000125
处理器。另外，微处理器可以是任何常规的专用微处理器，诸如数字信号处理器或图形处理器。微处理器通常具有常规的地址线、常规的数据线以及一个或多个常规的控制线。
本文所公开的方面和实施例可以被实施为使用标准的编程或工程技术来生产软件、固件、硬件或它们的组合的方法、装置或制品。本文所使用的术语“制品”指的是代码或逻辑，其实施在硬件或非暂时性计算机可读介质(诸如，光学存储设备)和易失性或非易失性存储器设备或暂时性计算机可读介质(诸如，信号、载波等)中。这种硬件可以包括但不限于现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)、可编程逻辑阵列(PLA)、微处理器或者其他类似的处理设备。
控制计算机434可以被连接到激光扫描设备444。激光扫描设备可以包括可移动镜子，该可移动镜子可以将从激光源接收到的激光束引导至构建区域中。激光源也可以是可移动激光源，或者它也可以是设置在立体光刻设备400中的激光扫描仪。控制计算机434可以进一步包括软件，该软件控制激光扫描系统444的移动和功能。因此，控制计算机434可以被配置为控制激光扫描设备的力矩和激活。
控制计算机434可以进一步被配置为与图像获取组件436对接，诸如以接收来自图像获取组件436的数据/图像。控制计算机434可以进一步被配置为处理数据/图像，以确定误差是否已经发生或将要发生在本文所描述的构建过程中。控制计算机434可以进一步被配置为控制图像获取组件436何时和如何捕获图像。
图像获取组件436可以被配置为与增材制造装置400附接、结合和/或分开放置，并且被放置在用以监测构建区域450和/或构建表面的位置。进一步地，图像获取组件436可以被配置为固定的，或者可移动的(诸如，基于从控制计算机434接收到的控制信号)以从不同的角度监测构建区域450。
图像获取组件436可以被配置为获取校准板448或构建表面的图像。更具体地，图像获取组件436可以被配置为通过扫描系统444获取在校准板448或构建表面上制作的激光斑点和/或其他标记的图像。
图像获取组件436可以包括相机，例如，光学相机。相机可以是商用现货(“COTS”)数字相机，其具有足够的分辨率来足够详细地捕获校准板448或构建表面上的斑点和其他标记，以校准扫描设备。在一些实施例中，图像获取组件436是从光学相机、热成像设备、IR相机、紫外(UV)相机或者将其他信号转换为视觉信号的传感器中选择的。
图像获取组件436可以采取专用相机或成像设备的形式，该专用相机或成像设备被配置为捕获从校准板的表面反射的斑点。为了捕获校准板上的斑点，可能有必要对图像获取组件436进行定位，使得其指向由扫描系统444中的扫描仪创建的斑点附近的区域。因此，图像获取组件436也可以包括底座。在一些实施例中，底座可以是倾斜-平移底座，该倾斜-平移底座提供了足够的运动范围来捕获校准板448上的各个位置的图像。底座可以由电机驱动。电机可以被配置为接收来自控制计算机434的控制信号，该控制信号为图像获取组件436的移动提供指令。在一些实施例中，除了具有倾斜-平移运动范围之外，图像获取组件436还可以进一步被安装在起重机的凸出臂(通常被称为悬臂)上。通过不仅允许图像获取组件436倾斜和平移、而且还允许物理地移动其位置，悬臂可以提供进一步的运动范围，以更好地获取校准板448或构建表面上的斑点和/或标记的图像。
图像获取系统的校准
由于使线条的形状发生变形的透镜误差所造成的光学失真和/或由于图像获取组件相对于校准板或构建表面的位置所造成的透视失真，所有图像获取组件都具有固有失真。例如，增材制造设备中的相机可能不被定位在所有参考标记上方的竖直直线上。相反，一些参考标记可能出现失真，诸如在图像中看起来是椭圆形的圆形斑点。进一步地，一些参考标记可能比其他参考标记看起来更接近相机。因此，图像中的一个或多个对象在图像中可能具有明显的(也被称为“观测到的”或“检测到的”)特性，这些特性与现实生活中对象的真实大小、形状或位置不相对应。设计本文所公开的方法和系统就是为了解决这种失真。
在一些实施例中，计算机控制系统(诸如控制计算机434)被配置为在参考标记出现在数字图像中时获得它们的位置信息、诸如x坐标和y坐标(也被称为“位置坐标”)，并且将这些观测到的坐标位置与参考标记的真实坐标进行比较。基于观测到的坐标与真实坐标之间的差异，计算机控制系统可以计算由图像获取组件(诸如，图像获取组件436)造成的失真的误差函数。误差函数可以被存储在计算机控制系统中或被存储在网络上，并且可以被用来校正失真和确定任何其他图像中由相同的图像获取组件获取的特征的真实坐标位置。
控制计算机434可以从自图像获取组件436获取的参考图像开始过程。在一些实施例中，参考图像是参考标记(例如，可以在校准板(诸如校准板448)的第一表面上的参考标记)的数字图像。参考图像可以使用位于参考位置的图像获取组件436来获取。参考位置可以是在增材制造设备(诸如，增材制造装置400)中或增材制造设备周围的固定位置。从相对于构建表面固定的这个参考位置开始，图像获取组件436可以不被移动。如果图像获取组件436相对于构建表面被重新定位，则应当获取新的参考图像。然而，与扫描系统(诸如，扫描系统444)的部件相比，图像获取组件436很少被重新定位，特别是在该组件内置于增材制造设备400中的情况下。因此，位于参考位置的图像获取组件436可以提供单个参考视图，所有后续的图像都可以从该单个参考视图中获得。
在校准板448上，每个参考标记都可以在已知的、预定义的x和y位置坐标集上具有已知的位置。示例性参考标记可以包括诸如斑点等对象的有序图案。在一些实施例中，有序图案是网格图案。例如，参考标记可以是网格图案中的十字、x、线或斑点的图案。斑点可以被配置在非均匀的阵列中。例如，斑点可以具有任何几何形状，诸如圆、正方形、椭圆等，并且参考位置可以从该形状中获得。通常，几何函数已知或可以计算的任何形状都可以被用作参考标记。例如，参考标记可以是一种形状，其在圆周内的重力中心已知或可以计算。参考标记可以包括形状的轮廓，诸如空心圆或其他闭环形状。参考标记可以包括凸表面和/或闭合轮廓。参考标记可以包括足够数量的点来创建位置的近似。
在某些实施例中，每个斑点都可以是圆，即圆形平面图形，该圆形平面图形的边界(即，圆周)由到固定点的距离是相等的点组成。圆可以比其他几何形状具有更高的分辨率，因为与其他形状的图像相比，在成像的圆中可以更容易地确定真实的位置坐标。即使成像的圆因为失真而看起来是椭圆形的，也仍然可以将成像的圆的边缘与参考圆的边缘进行匹配，并且仍然可以相对于这些边缘来定义成像的圆的中心点。
在一些实施例中，校准板448上的图案中的斑点的大小和形状全部是均匀的。在某些实施例中，斑点的大小和/或形状不均匀。网格图案可以包括第一方向上的至少n1个斑点和第二方向上的n2个斑点(以形成n1×n2网格)，其中，n1和n2可以是相同的数字或可以是不同的数字。在一些实施例中，网格图案包括至少3×3个斑点。网格图案的大小可以取决于增材制造设备400中的校准板448或构建表面的大小。通常，网格图案可以包括足够数目的斑点来提供足够的数据点进行测量，而每个斑点都可以包括具有足够数量的像素来进行检测的表面积。例如，网格图案可以具有至少3×3个斑点，并且每个斑点的表面积都可以包括至少20个像素。
在一些实施例中，参考标记在大小、形状和分布中的至少一个上是不均匀的。例如，参考标记可以被随机放置在校准板上，或者可以形成可识别图案。图案可以是非对称的，或者可以包括不在校准板上均匀分布的单独标记。通常，每个参考标记的精确的已知位置都可以是已知的，但是参考标记的配置彼此之间可以是均匀或不均匀的、有图案或没有图案的。
参考标记可以被精确地打印或蚀刻在校准板448的第一表面上。在一些实施例中，校准板448是刚性板、薄膜或纸。在某些实施例中，校准板448可以是校准表面，诸如，将被用来构建零件的原材料的表面。参考标记(如光栅扫描)可以被投射到构建表面上并且成像。参考标记与校准板448之间的对比可以由图像获取设备436检测到，或者在由图像获取设备436获得的图像中可以是可检测的。可以使用研磨板或油墨印制板。在某些方面中，参考标记的精确放置是重要的，使得参考标记的预期位置和实际位置很接近。在某些方面中，公差应在最多±500μm的范围内，并且也可以使用在±100μm或更少的范围内的公差，如±50μm、±10μm、±5μm或±1μm。
校准板448可以包括改变落在其上的光的波长的材料。例如，该材料可以在一个波长处吸收一个或多个光子，并且在不同的波长处发射一个或多个光子。以这种方式，可以将UV或红外线(IR)辐射转换成不同光谱的光，或者可以使用到更高或更低波长的许多其他转换。可见光可以由对可见光谱敏感的相机检测，或者IR辐射可以由IR相机检测。在校准板中使用的示例性材料可以是陶瓷、油墨、荧光粉、荧光材料，并且可以是有机的或无机的。在一些实施例中，转换光的波长的材料可以存在于校准板、纸、薄膜或其他基板上。在一些实施例中，在使用了电子束的情况下，可以检测电子对校准板中的材料的影响，例如，在电子束接触校准板、纸、薄膜等的材料的情况下，可以发射光或热。
在一些实施例中，校准板448可以具有平坦表面。在某些实施例中，校准板448可以具有形状与要被构建的对象相同的表面。例如，当扫描系统444将扫描仪束引导至弯曲表面上来构建弯曲对象时，校准板448可以具有弯曲表面。
通常，校准板448可以被放置在增材制造设备400中，精确地位于相同的空间位置或者构建对象时将引导扫描仪束的位置。在一些实施例中，校准板448可以被定位为与扫描系统444的扫描区域平行。在一些实施例中，参考标记可以与构建表面(也称为“构建平面”)位于相同的xy平面上，构建表面即为已经暴露或将要暴露在扫描仪束下的粉末或树脂或其他构建材料的表面。因此，校准板448可以与构建表面位于相同的xy平面上，以便确保校准板的第一表面上的参考标记也位于这个平面上。在某些实施例中，参考标记可以与构建表面平行，但是不位于与构建表面相同的xy平面上。
控制计算机434可以被配置为获取和/或存储参考图像以及与参考图像中的失真的校正相关的参数和/或函数。与校正相关的数据或函数可以作为元数据被存储。获取参考图像可以包括：获取校准板448上的参考标记的数字图像。控制计算机434可以被配置为使用图像处理步骤来处理参考图像，诸如，在参考图像中选择感兴趣区域；标识感兴趣区域中的特征，其中该特征包括参考图像中的参考标记的选择；以及获得针对区域中的特征的位置的误差函数。
控制计算机434可以指示图像获取组件436获取参考图像。控制计算机434可以将参考图像离散化成多个像素。在一些实施例中，图像获取组件436被指示获取一系列的参考图像，并且控制计算机434从该系列中生成特征的平均表示。平均化来自一系列的图像的特征可以减少发生在单个图像中的随机噪声。
在一些实施例中，控制计算机434被配置用于使用图像处理步骤来处理参考图像。图像处理可以包括：检测特征，计算特征的中心坐标，以及确定特征的位置。在一些实施例中，可以在参考图像中选择感兴趣区域(ROI)，例如，由用户或由配置为识别ROI的控制计算机434。ROI可以包括整个参考图像，或者可以包括参考图像的子集。例如，参考图像可以包括整个校准板448加上校准板448外部的附加表面积。在这种情况下，ROI可以只包括校准板448。在一些实施例中，图像可以具有所添加的附加标记，以便帮助定向参考标记。控制计算机434可以被配置为区分这些附加标记与原始参考标记，例如，通过只检测包括参考标记的特征。控制计算机434可以被配置为检测ROI内的特征。特征可以是参考标记，诸如圆形斑点或其部分。控制计算机434可以被配置为将特征与出现在数字图像中的噪声或非特定像素进行区分。
在示例性方法中，控制计算机434可以通过为ROI中的像素创建二进制掩码来检测特征。二进制掩模可以基于像素强度的阈值，使得低于给定阈值的所有像素都用0表示，而等于或高于给定阈值的所有像素都用1表示。控制计算机434可以使用滤波方法来隔离由1指定的像素的区域，例如，最小数目的由1指定的像素所在的区域。滤波方法可以被配置为解决参考标记的像素分布中的不均匀照明或其他不规则性。另外，在检测到二进制集群之后，可以使用其他滤波方法，例如，以根据面积、圆度、周长、几何形状等来选择像素的二进制集群。
在获得检测到的特征的经滤波的二进制表示之后，控制计算机434可以被配置为确定特征的中心的坐标位置(也称为“中心坐标”)。图8图示了检测圆形斑点的中心坐标的示例性方法的步骤。在ROI(800)中，可以检测具有空心球体(801)的形状的特征。计算机控制系统可以从球体的原始灰度图像(802)开始，并且使用二进制掩码来创建球体的二进制图像(803)。计算机控制系统可以设置粗略中心估计(由十字标志表示，804)。在灰度图像中，计算机控制系统生成辐条(805)或者从粗略中心估计(804)向外辐射的线。沿这些线的像素强度可以被投射到图表(即，单个辐条强度分布(805))上，并且曲线可以被拟合到图表(807)上的点上。计算机控制系统可以在图表807中的某一位置(单个辐条强度分布805中的子像素精确位置(808))处检测强度峰值。计算机控制系统可以在极坐标图中绘制每个峰值，从而表示观测到峰值强度的辐条的角度和子像素精确位置(808)。圆可以被拟合到极坐标图上(圆拟合(809))。控制计算机434可以在圆拟合(809)中检测新的中心，即，圆的中心的子像素精确估计(810)。在某些实施例中，参考标记是实心球体，并且中心坐标可以使用类似的方法来检测，其中个辐条强度剖面可以显示像素强度在与圆的边缘相对应的某一位置处的突然变化，例如，由于黑色的圆与白色的背景之间的对比的急剧变化，反之亦然。
控制计算机434可以使用表面拟合方法，以便将检测到的特征的位置坐标映射到参考网格上，并且得出误差函数。参考网格可以包括参考标记的真实坐标位置，例如，用于创建数字图像的在校准板上的参考标记的真实坐标位置。用户可以将参考网格输入控制计算机434，或者控制计算机434可以访问被存储在存储器中或者经由网络访问参考网格。在一些实施例中，控制计算机434被配置为将检测到的特征的中心坐标映射到参考网格上，以便可以将检测到的特征的中心坐标与参考网格上的真实坐标进行比较。控制计算机434可以计算偏差图，该偏差图包括针对整个ROI中的所有点的x和y位置的偏差的表面拟合。
图5B图示了示例性表面拟合(505)，其中，绘制了感兴趣区域中的每个坐标位置的偏差。第一表面图(506)显示了在每个坐标位置的x方向上的偏差。第二表面图(507)显示了在每个坐标位置的y方向上的偏差。显而易见地，该图可以覆盖整个感兴趣区域，因为控制计算机434计算针对特征的偏差值，并且执行插值方法来得出针对特征之间的位置的偏差值。
在一些实施例中，控制计算机434可以计算误差函数，该误差函数指示参考图像中的任何给定坐标位置处的偏差。在一些实施例中，误差函数可以对图像中的观测到的位置坐标与真实位置坐标之间的偏差进行建模。误差函数可以是位置坐标处的偏差的表示。误差函数可以是接近位置坐标处的偏差的数学模型。控制计算机434可以将偏差数据和/或误差函数与参考图像一起存储，例如，参考图像可以与偏差数据的元数据表示一起存储。数据可以被存储在坐标表中。坐标表可以指示参考图像中任何位置坐标处的期望或可能的偏差。在一些实施例中，坐标表可以包括所测量的偏差值以及通过插值计算的估计偏差。因此，对于随后利用图像获取组件436获取的任何数字图像，控制计算机434可以确定数字图像中的特征的坐标位置的偏差。
在一些实施例中，控制计算机434可以通过计算表面拟合来确定误差函数，其中对于ROI中的特征的每个像素，可以确定与真实位置坐标的偏差。控制计算机434从表面拟合中计算误差函数，以便对ROI中的坐标与已知的预定义坐标之间的差异进行建模。在一些实施例中，误差函数可以从实际位置与观测到的位置的比较和/或相关性得出。通常，误差函数解释实际场与观测场中的数据之间的数据关系。值可以被存储在查找表中。值可以与插值技术一起被用来确定介于测量值与观测值之间的中间值。示例性插值技术包括线性或双线性插值以及双三次插值。
图5A图示了示例性过程500，通过该示例性过程500，计算机控制系统(诸如控制计算机434)可以获取数字图像，并且计算误差函数。首先，可以获得校准板(501)，该校准板在其第一表面上具有多个参考标记。在该示例中，参考标记是圆形斑点。校准板可以被放置在增材制造设备中，增材制造设备位于与构建表面相同的xy空间(即，相同的xy平面)中(510)。使用可以被固定地定位于参考位置的图像获取组件(503)，可以获取校准板上的参考标记的数字图像(502)(520)。在数字图像(502)中，失真是可见的。在步骤530中，可以在数字图像中选择感兴趣区域。在步骤540中，计算机控制系统可以标识感兴趣区域中的特征，并且这些特征的坐标和位置可以被计算。在步骤550中，计算机控制系统基于数字图像中的坐标位置与参考网格中的预定义位置之间的差异来获得误差函数。图5C图示了参考图像(502)中的坐标位置的示例性转换，其中误差函数可以被用来校正在数字图像中观测到的偏差、并且计算针对参考标记的真实坐标位置。
一旦与来自特定图像获取组件的图像相对应的误差函数已经被确定，误差函数便可以应用于随后由相同的图像获取组件获取到的任何数字图像。误差函数可以用于将图像中检测到的坐标位置转换为真实位置坐标。
扫描系统的校准
本文所描述的方法和系统适合校准任何扫描系统或扫描能量源，诸如扫描系统444，包括但不限于激光扫描系统。用于在电子束熔炼中引导电子束的系统以及使用电机驱动的机构来投射、喷射或引导光、热、化学品或能量的任何系统也都可以根据本公开进行校准。这些系统中的任何系统都会遭受误差，该误差会导致扫描的预期或预定义位置与实际位置之间的差异。这种误差可能是由于扫描系统中的部件的错位、诸如步进电机或电流计电机等移动电机中的延迟、来自光学元件的失真、机械效率低下、温度引起的变化等造成的。通常，误差对于单独扫描系统是唯一的，而且在任何给定时间点也都特定于扫描系统的部件的配置或对齐。
本公开涉及用于校准扫描系统的方法和系统，该方法包括以下步骤：测量实际扫描位置与预期扫描位置之间的误差，确定扫描仪校正，以及当设置用于扫描的方向时考虑扫描仪校正。方法和系统可以只使用扫描图像和误差函数来获得扫描仪校正，这能够实现可以在获得扫描图像的任何时间(例如，在构建之前、期间或之后)执行的快速且高效的校准。
图6图示了由计算机控制系统(诸如控制计算机434)执行的示例性校准方法。在本公开的一些实施例中，计算机控制系统使用方法来校准扫描系统(诸如扫描系统444)，该方法包括：将来自扫描系统的扫描仪束引导至在扫描区域(诸如构建表面)上的多个预定义位置处的扫描标记(600)；使用在参考位置的图像获取组件(诸如图像获取组件436)，获取扫描标记的扫描图像(610)；确定扫描图像中的扫描标记的观测到的位置坐标，并且应用针对由图像获取组件获取的任何图像所计算的误差函数(630)；通过将扫描标记的真实坐标位置与预定义坐标位置进行比较来获得扫描仪校正(640)；以及使用扫描仪校正来校正扫描系统(650)。在一些实施例中，该方法进一步包括使用扫描仪校正进行扫描的重复循环(660)。
扫描图像可以是扫描标记的数字图像，由位于与用来确定误差函数相同的参考位置的相同图像获取组件获得。另外，用于校准扫描系统的误差函数可以是从校准板上的参考标记的数字图像计算出的相同误差函数，因为该误差函数可以用于确定随后从相同的图像获取组件获取的任何数字图像中的特征的偏差和真实位置。误差函数可以被存储在计算机控制系统中或者可以在网络上是可用的。
在一些实施例中，在引导扫描仪束之前，可以将校准板从图像获取组件的路径移动，使得在制作扫描标记时校准板不再位于扫描区域中。扫描区域可以包括构建表面，例如，层将在其上被构建的整个构建表面。扫描标记可以制作在构建表面上。备选地，可以在模仿构建表面(例如，与构建表面位于相同的xy平面上的平坦表面)的板、薄膜或纸上制作扫描标记。扫描标记与构建表面或其他平坦表面之间的对比可能足以在扫描图像中被检测到。扫描标记可以制作在多个预定义位置，并且可以是有序或无序的图案，诸如斑点、线或十字的网格或图案。
目前的方法和系统提供了在何时可以获取扫描图像以及何时可以校准扫描系统方面的灵活性。在一些实施例中，计算机控制系统可以被配置为在扫描构建中的单个层之前、在扫描构建的任何层之前或者在扫描层期间获取扫描图像。在一些实施例中，计算机控制系统可以被配置为在正在构建对象的相同的层中、并且当已经构建了对象的层中的一些层(但不是全部层)时获取扫描图像。或者，扫描图像可以在对象的所有层都已经被构建之后被获取。可以在构建表面上制作扫描标记。扫描标记可以与被扫描的部分的实际位置相对应。扫描标记可以制作在被扫描的部分所在的位置外部的构建表面的区域上。在一些实施例中，扫描标记可以制作在该部分未被构建的粉末上。扫描标记可以制作在粉末区域外部，而不是在与粉末表面相同的平面中的表面上。这种区域可以是边界区域，在该边界区域中，扫描系统具有视场，但是该边界区域并不是粉末表面的部分。区域可以包括辐射敏感材料，该辐射敏感材料将来自系统中的激光或其他能量源的能量转换为可检测的波长，并且制作可检测的扫描标记。备选地，不同波长的激光或能量源(诸如先导激光(pilot laser))可以用于将扫描标记投射到区域上，其中它可以被成像并且在后续计算中用作实际扫描标记。
扫描图像可以包括单个图像，或者扫描图像可以包括图像堆叠。图像堆叠可以共同包括用于增材制造构建的单个层的扫描标记，例如，如果每个单独的图像都与单个层中的所有扫描标记的一部分或子集相对应。备选地，图像堆叠可以共同包括用于增材制造构建中的多个层的扫描标记。例如，图像堆叠可以包括用于增材制造构建中的所有层的扫描标记。
在一些实施例中，计算机控制系统被配置为使激光扫描系统利用先导激光来应用扫描标记。示例性先导激光是额外的激光(通常发射可见光谱中的光)，它可以被定位主激光旁边并且直接在主激光出口之后。例如，在CO2层可以是用于激光烧结设备的主激光或能量源的情况下，先导激光可以沿与CO2层相同的轴线对齐，同时使用不同的光学元件。先导激光可以用于显示主激光束所在的位置，这在主激光发射可见光谱以外波长的光的情况下是有用的。因此，扫描图像可以包括由先导激光制作的扫描标记的数字图像。
在下一步骤中，计算机控制系统确定扫描标记的真实位置坐标。虽然扫描束在构建期间被引导至预定义坐标，但是扫描标记的真实位置可以反映扫描系统中的误差，并且可以被定位为距离预定坐标一定距离。从扫描标记的扫描图像开始，计算机控制系统标识和/或计算特征、特征的中心坐标以及扫描图像中的特征的位置。
计算机控制系统可以使用用于扫描图像的图像处理步骤，该图像处理步骤与对参考图像执行的图像处理步骤相似或相同。例如，可以将扫描图像离散化成多个像素，以及计算机控制系统可以检测特征、计算特征的中心坐标、并且确定特征的位置。可以在扫描图像中选择感兴趣区域(ROI)，并且计算机控制系统可以被配置为标识ROI中的特征。特征可以是在图案中被选择来进行校准的扫描标记(诸如圆形斑点)，或者可以与正在被构建的对象中的特征相对应。计算机控制系统可以将特征与出现在扫描图像中的噪声或非特定像素进行区分。ROI可以包括整个扫描图像，或者可以包括扫描图像中的像素的子集。
在示例性方法中，计算机控制系统通过为ROI中的像素创建二进制掩码来标识检测到的特征。在获得检测到的特征的滤波二进制表示之后，计算机控制系统可以被配置为确定特征的中心的坐标位置(即，中心坐标)。
检测到的特征的这些中心坐标和任何其他坐标位置都包括在扫描图像中检测到的或观测到的位置坐标。因为扫描图像可能会出现失真(如从图像获取组件获取的任何图像)，所以计算机控制系统然后可以应用合适的误差函数来将扫描图像中的特征的观测到的位置坐标转换为真实或实际的位置坐标。根据本文所描述的方法，合适的误差函数可以是使用由与扫描图像相同的图像获取组件获取的参考图像而被获得的误差函数。计算机控制系统然后可以计算扫描图像中的特征的真实位置坐标。
在下一步骤中，计算机控制系统将扫描图像中的特征的真实位置坐标与预定义的、预期的位置坐标进行比较，扫描仪束被引导至该预定义的、预期的位置坐标。计算机控制系统可以使用与用于确定参考图像的误差函数的表面拟合方法相似或相同的表面拟合方法来创建偏差图。例如，可以将扫描图像中的特征的真实坐标位置映射到预定义坐标位置的网格上。在一些实施例中，误差函数可以从实际位置与观测到的位置的比较和/或相关性获得。通常，误差函数解释实际场和观测场中的数据之间的数据关系。值可以被存储在查找表中。可以计算误差函数，例如，使用插值，诸如双线性插值或双三次插值、或者用以在2个点之间进行插值的NURBS表面。可以使用双线性插值。
在一些实施例中，计算机控制系统可以将真实坐标位置映射到网格上，该网格包括相同扫描标记的预定义坐标位置。在一些实施例中，计算机控制系统可以计算预定义坐标的不同网格，例如，主网格。主网格可以包括扫描标记的区域外部的外推坐标，例如，扫描标记可能不存在、但是计算机控制系统可以计算可能的位置坐标的区域。在一些实施例中，主网格中的外推坐标点可以包括比扫描标记所覆盖的区域更大的区域中的点。在一些实施例中，主网格可以包括预定义坐标的表示，预定义坐标可以充当针对任何新网格的参考，使得新网格的坐标位置可以用于旧的扫描图像。计算机控制系统可以基于扫描场限制和设定数目的单元来创建主网格。单元的边界可以包括主网格中的预定义位置坐标。
图7A至图7E图示了示例性偏差图，其中实际坐标位置与预期坐标位置的偏差被绘制在感兴趣区域中的每个点的z轴上。在图7A中，偏差图具有显示在每个坐标位置的x方向上的偏差的第一表面图(701)和显示在每个坐标位置的y方向上的偏差的第二表面图(702)。在该示例中，还存在孔(703)，其中计算机控制系统可能已经滤除了数字图像中的特征，或者其中计算机控制系统可能还无法可靠地确定特征的中心坐标。没有偏差可以针对这些坐标位置绘制。然而，计算机控制系统可以从相邻的偏差数据进行插值，以便确定在孔内部的坐标位置处的最可能的偏差。
图7A示出了扫描系统还未被校准时(即，在计算机控制系统已经获得扫描仪校正并且使用它们将扫描仪束引导至新的校正坐标之前)的偏差图。在一些实施例中，计算机控制系统可以计算扫描仪校正和新的校准坐标位置，它们可以被发送到扫描系统。对于线性误差，示例性扫描仪校正可以与坐标位置处的偏差值相等或相反。校准坐标位置可以是扫描仪束的新的坐标集，该新的坐标集可以考虑偏差并且可以用于引导扫描仪束，使得扫描仪束落在预期位置上。
对于扫描区域中的所有坐标位置，计算机控制系统可以将扫描仪束到达的真实坐标位置、偏差值、扫描仪校正和/或扫描仪将被引导的被调整(或被校准)的坐标位置存储在坐标表中，以便考虑偏差。表1是来自示例性坐标表的样本线。在一些实施例中，偏差是非线性的，并且计算机控制系统可以计算其他扫描仪校正。
表1-来自坐标表的样本线
Figure BDA0002473961640000261
在一些实施例中，计算机控制系统存储偏差值，并且自动计算用于扫描系统的指令，以将扫描仪束引导至补偿偏差值的新的坐标位置。这些新的坐标位置在扫描之前可能不会被显示或存储，尽管在一些实施例中，当增材制造系统在构建期间报告扫描系统的位置数据时，可以在系统日志中报告新的坐标位置。
计算机控制系统可以将坐标表存储在存储器中或者可以经由网络而访问坐标表。
在一些实施例中，计算机控制设备可以校准扫描仪以校正误差，并且然后可以重复扫描和生成新的偏差图的步骤。在一些实施例中，为了充分减少偏差，可能需要校准的多于1个循环，因此计算机控制系统可以重复校准循环，直到偏差在偏差图上不再是可检测的。来自每个校准周期的结果可以被汇编在坐标表中，例如，以生成足以将偏差降低到不可检测的水平的单个最终扫描仪校正和/或校准坐标集。
图7B图示了在第一次校准之后创建的偏差图。虽然偏差值第一次校准之后较低，但是偏差仍然是可检测的。图7C、图7D和图7E图示了在第二轮、第三轮和第四轮校准之后生成的偏差图。在该示例中，在第四轮校准之后，计算机控制系统不再检测到高于本底噪声(noise floor)的偏差，并且将不会继续进行校准和偏差图分析的另一循环。
扫描系统的校准的最终结果可以是针对物理构建区域内的每个位置坐标的偏差值、扫描仪校正和/或校准坐标的最终集合。因此，对于构建区域(在该构建区域中，来自扫描系统的扫描仪束可以被引导)中的任何位置，计算机控制系统可以存储用于将扫描仪束引导至补偿扫描系统中的误差的校准坐标的指令集。在一些实施例中，计算机控制系统存储与每轮校准相对应的偏差值、扫描仪校正和/或校准坐标以及基于所有轮的校准的最终数据集合。
在一些实施例中，由计算机控制系统执行的方法可以用于校准相同的增材制造设备内的多个扫描系统。通常，当在增材制造设备中存在两个或两个以上的扫描系统时，每个扫描系统都具有自己的单独的扫描区域(或“扫描场”)，并且这些两个或两个以上的扫描场的组合创建单个的大型扫描场。扫描系统可以包括复合扫描系统，该复合扫描系统包括一个或多个扫描系统。复合扫描系统可以具有单个扫描场(也称为“全局扫描场”或“单个的大型扫描场”)，该单个扫描场包括较小的扫描场(也称为“局部扫描场”或“单独的扫描场”)的组合。这使得多个对象或大型单个对象能够高效地构建。然而，每个扫描系统可能都需要被单独地校准以便考虑误差，并且还相对于(多个)其他扫描系统对齐以便创建单个扫描场。
例如，在具有四个扫描系统的增材制造设备中，单个扫描场可以包括四个单独的扫描场，每个扫描场都覆盖单个扫描场的不同象限。由于扫描系统中的误差，单独的扫描场可能相对于其他扫描场未对齐，例如，在任何方向上偏移或旋转。在一些实施例中，单个全局扫描场可以是平面的，并且包括全部位于同一平面上的多个单独的局部扫描场。在一些实施例中，单个全局扫描场可以是非平面的，使得单独的局部扫描场沿多于一个的平面彼此不对齐。
在一些实施例中，每个单独的扫描场都可以被分开校准，然后相对于彼此对齐。计算机控制系统可以获得每个单独的扫描场的扫描图像，并且应用误差函数来校正每个扫描图像中的失真。根据每个单独的扫描场的校准步骤，可以确定每个扫描图像中的扫描标记的真实位置。在一些实施例中，可以标识每个扫描场中的局部参考位置、诸如中心坐标(0,0)，使得单独的扫描场可以被定向。
为了校正单独的扫描场之间的相对偏移和/或相对旋转的差异，可以使用全局定位。例如，为了确定局部扫描场相对于其他扫描场的偏移和/或旋转程度，可以使所有单独的局部扫描场的单个全局视图被成像。在一些实施例中，单个全局视图可以从单个相机获得，该单个相机使用本文所描述的单个校准板上的参考标记进行校准。单独的扫描场可以使用例如单个全局视图的图像的一部分来进行校准。
在一些实施例中，计算机控制系统可以使用为单个扫描场获得的误差函数，以便针对每个单独的扫描场确定位置数据和校正数据。这可以使计算机控制系统能够同时校准和对齐单独的扫描场，因为每个单独的扫描场的任何扫描仪校正都已经相对于相同的单个扫描场被对齐。由计算机控制系统执行的方法可以类似于针对单个扫描场执行的方法：首先，计算机控制系统可以获取覆盖单个扫描场的单个参考图像，并且该单个参考图像可以被处理，并且被用来确定针对单个参考图像中的所有坐标位置的误差函数。然后，计算机控制系统可以获取与每个扫描系统的单独的扫描场相对应的扫描图像，处理扫描图像，并且使用误差函数来确定扫描图像中的特征的真实位置坐标。计算机控制系统基于真实位置坐标与预期坐标之间的差异来确定针对每个单独的扫描系统的扫描仪校正。因为每个单独的扫描场中的特征的真实位置坐标都使用单个扫描场的误差函数来确定，所以扫描仪校正已经包含了针对单个扫描场的位置数据。结果，扫描仪校正已经包含了偏差，该偏差当单独的扫描场没有相对于彼此对齐时而可以产生。通过使用这种方法，计算机控制系统可以避免进一步的计算步骤，诸如使已经被单独校准的单独的扫描场对齐。
工作流程
使用所公开的方法和系统，可以在增材制造构建之前、期间或之后的任何时间校准诸如激光扫描系统等扫描系统。原则上，只要扫描系统不从其相对于构建表面的位置移动，并且只要所有条件和部件在校准之后都是相同的，便只可以校准扫描系统一次。然而，更频繁地校准是有利的，特别是在构建期间或在构建对象的单层时。在一些实施例中，计算机控制系统存储误差函数，该误差函数可以在构建期间获取的任何扫描图像上使用，并且计算机控制系统可以在构建期间确定新的扫描仪校正、或者确认扫描仪校正集仍然是合适的。
例如，在构建对象的层的过程中，计算机控制系统可以引导扫描仪束，以扫描旨在用于校准的扫描标记集。计算机控制系统可以获取这些扫描标记的扫描图像，并且执行本文所描述的方法以获得扫描仪校正。在一些实施例中，计算机控制系统可以使用与正被构建的对象的片或层相对应的一个或多个阴影线或向量作为扫描标记。
扫描标记可以是可见光的区域，例如，其中发射可见光谱中的光的先导激光被引导至构建表面处。扫描标记可以是扫描仪束已经导致构建材料发生物理变化的区域，使得可以将更改的构建材料与还未暴露于扫描仪束的构建材料区分开来。在激光熔炼(LM)中，熔融状态下的被扫描的材料可以与未被扫描的材料区分开来。在一些实施例中，图像获取设备可以是热成像设备或IR相机。
图像获取组件可以获取表示层的部分或表示多个层的图像堆叠。可以随着时间的推移获取图像堆叠。例如，可以将先导激光引导至构建表面上的位置以制作扫描标记，并且可以获取该扫描标记的扫描图像。每次将先导激光引导至构建表面上的另一位置时，都会获取扫描图像。最后，图像堆叠共同表示随着时间的推移而制作的所有扫描标记。对于立体光刻(SLA)，当构建表面暴露于可见光时，可以获取图像堆叠。
在一些实施例中，在对象的构建期间可以使用所公开的方法和系统来确定对象的被扫描过的表面是否被正确地定位。图像获取组件获取对象的特征的扫描图像，并且计算机控制系统将特征的真实坐标位置与预期坐标位置进行比较，以便确定真实坐标位置与预期坐标位置是否匹配。因此，计算机控制系统可以执行对象的质量检查。
本公开的另一方面涉及一种方法，其中可以在对象上检测缺陷，具体是由于扫描中的误差所造成的缺陷。当扫描系统(诸如激光扫描系统)不将预期等级的能量或功率施加到对象的区域时，该区域可能具有未被充分加热、熔化、烧结或固化的材料。在产生的对象中，这个区域可能在结构上很弱或可能有物理孔。在一些实施例中，在扫描过程中获取对象的图像或图像堆叠，包括扫描仪束已经被扫描的所有xy位置。可以在扫描图像中检测扫描仪束不能充分扫描的特定xy位置，例如，因为这些特定的xy位置显示未熔化的构建材料。因此，计算机控制系统可以对对象执行质量检查，并且可以向增材制造设备的用户指示误差已经产生，或者可以实施补救措施(诸如，重新扫描)以便校正误差。

Claims (19)

1.一种用于对增材制造设备中的扫描系统进行校准的计算机实现的方法，包括：
使用在参考位置的图像获取组件来获取参考图像，所述参考图像包括多个图像参考标记，所述多个图像参考标记与校准板的第一表面上的多个参考标记相对应，所述校准板被定位为与所述扫描系统的扫描区域平行并且在所述增材制造设备中；
确定误差函数，其中所述误差函数表示所述参考图像中的所述多个图像参考标记与所述校准板的所述第一表面上的所述多个参考标记之间的差异；
当所述校准板不在所述扫描区域中时，引导来自所述扫描系统的扫描仪束，以将扫描标记应用于所述扫描区域中的多个预定义位置；
使用在所述参考位置的所述图像获取组件来获取扫描图像，所述扫描图像包括与所述扫描标记相对应的图像扫描标记；
基于所述图像扫描标记的位置、所述误差函数以及所述扫描区域中的所述预定义位置来确定扫描仪校正；以及
使用所述扫描仪校正来校准所述扫描系统。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个参考标记中的每个参考标记位于预定义坐标位置。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个参考标记包括圆形斑点的有序图案。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述有序图案是网格图案。
5.根据权利要求1所述的方法，其中当获取所述参考图像时，所述校准板的所述第一表面被定位在与所述扫描区域中的构建表面相同的xy平面中。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述图像获取组件被固定在所述增材制造设备中的位置中或所述增材制造设备周围的位置中。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述图像获取组件包括光学相机。
8.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述误差函数进一步包括：
在所述参考图像中选择感兴趣区域；
检测所述感兴趣区域中的特征，其中所述特征包括所述参考图像中的所述多个图像参考标记的选择；
确定针对所述特征的观测到的坐标位置；
将所述参考图像中的特征的所述观测到的坐标位置与所述校准板上的所述多个参考标记的真实坐标位置进行比较。
9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：在引导所述扫描仪束之前，将所述校准板从所述图像获取组件的路径移动。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述扫描标记包括斑点、线或十字的图案。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述扫描图像包括单个图像或图像堆叠。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述扫描图像在所有的所述扫描标记被应用之前被获取。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述扫描系统利用先导激光来应用所述扫描标记。
14.根据权利要求1所述的方法，其中确定扫描仪校正进一步包括：
在所述扫描图像中选择感兴趣区域；
检测所述感兴趣区域中的特征，其中所述特征包括所述扫描图像中的所述多个图像扫描标记的选择；
确定针对所述特征的观测到的坐标位置；以及
应用所述误差函数来获得所述特征的真实坐标位置；
获得所述真实坐标位置与所述扫描区域中的所述预定义位置之间的偏差值；以及
基于所述偏差值来确定扫描仪校正。
15.根据权利要求14所述的方法，其中获得偏差值进一步包括表面拟合。
16.根据权利要求1所述的方法，其中校准所述扫描系统包括：通过与所述扫描仪校正相对应的距离或因素，来调整所述扫描系统中的扫描仪的坐标位置。
17.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：校准至少第二扫描系统；以及将与所述至少第二扫描系统和所述扫描系统相对应的多个扫描场对齐，以便获得单个扫描场。
18.根据权利要求1所述的方法，其中所述扫描系统是包括多个扫描系统的复合扫描系统，其中所述复合扫描系统与单个扫描场相对应，所述单个扫描场包括与所述多个扫描系统相对应的多个扫描场，以及其中所述误差函数被用来校准所述多个扫描场中的每个扫描场。
19.一种用于对增材制造设备中的扫描系统进行校准的系统，包括：
校准板，包括具有多个参考标记的第一表面，所述校准板被配置为被可移除地定位为与所述扫描系统的扫描区域平行；
扫描系统，被配置为将扫描仪束引导至所述扫描区域；
图像获取组件，包括图像获取设备，所述图像获取设备被定位在参考位置中，并且被配置为在至少两个时间点期间取得所述扫描区域的至少一部分的图像，所述至少两个时间点包括：
当所述校准板被定位在所述增材制造设备的所述扫描区域中时的第一时间点；以及
当所述扫描系统已经将扫描仪束发送到所述扫描区域时的第二时间点；
计算机控制系统，包括一个或多个计算机，所述一个或多个计算机具有存储器和处理器，所述计算机控制系统被配置为：
接收包括多个图像参考标记的参考图像，所述多个图像参考标记与所述校准板的所述第一表面上的所述参考标记相对应；
基于所述参考图像中的所述多个图像参考标记与所述校准板的所述第一表面上的所述多个参考标记之间的差异来确定误差函数；
使所述扫描系统将所述扫描仪束引导至所述扫描区域上的多个预定义位置，从而创建一个或多个扫描标记；
接收包括图像扫描标记的图像，所述图像扫描标记与所述扫描标记相对应；以及
基于所述图像扫描标记的位置、所述误差函数以及所述扫描区域中的所述预定义位置来确定扫描仪校正。
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