JP2979431B2 - レーザビームを偏向させるための制御装置を較正するための方法および装置 - Google Patents

レーザビームを偏向させるための制御装置を較正するための方法および装置

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、請求項15の前提部分に記載された、高速プ
ロトタイピングシステムに用いられるレーザビーム偏向
制御装置を較正するための方法および装置に関する。
“高速プロトタイピング”あるいは“レーザ技術を用
いた製造方法”として知られるプロセスにおいて、最初
は液状あるいは粉末状の材料の連続した層を順次塗工し
ては固化させることにより、３次元物体が層状に製造さ
れる。固化は、レーザビームとしての集束光ビームによ
り引き起こされる。このレーザビームは、物体に対応す
る位置に導かれ、偏向されて、そこにある材料を固化さ
せる。レーザビームは、制御装置により操作されるスキ
ャナにより、偏向される。すなわち、レーザビームは、
物体の固化されるべき最上層により定められる作業面内
の所望のいかなる位置にも偏向させることができるよう
になっている。この方法を実施するための高速プロトタ
イピング方法および装置は、例えば、ドイツ特許第4134
265号に開示されている。
スキャナ制御装置には、実座標値としての、すなわ
ち、レーザビームが作業面に当たる点の位置座標として
の座標をスキャナに与えるための補正テーブルが必要で
ある。補正テーブルは、実座標値とスキャナ座標、すな
わち、スキャナに備えた偏向ミラーの座標の対応関係を
含んでいる。この補正テーブルは解析的に作成すること
ができる。これにより、スキャナ光学系の三角法的領域
ひずみとその影響が補償される。しかしながら、このス
キャナとプロセスの特有の誤差は、解析的方法では修正
することはできない。そこで、スキャナ制御を修正する
ために較正が行なわれる。すなわち、較正とは、作業面
内でのレーザビームの所望の位置と実際の位置との誤差
を測定することによって、補正テーブルを調整するもの
である。
公知の較正方法では、レーザビームの実際の位置は、
位置感知検出器を用いて、スキャナの作業面における様
々な位置において測定される。補正テーブルは、測定さ
れた実際の位置と所望の位置を比較し、測定点を補間す
ることにより作成される。検出器の位置精度は、較正の
精度にとって決定的なものである。この位置精度は、関
与するすべてのシステムのために要求されるものであ
る。このプロセスは、作業領域が大きいとかなり長時間
続けられ、600mmx600mmの作業領域についてスキャナを
較正するためには約６〜８時間を要するため、レーザお
よびスキャナのドリフトが較正のシステムエラーとして
生じるおそれがある。較正を実行するための機械系、す
なわち、検出器および検出器の位置決め装置は、高速プ
ロトタイピングシステム自体に内蔵する必要がある。長
い較正時間が必要なため、反復してこの方法を実施する
ことは有意義でも有益でもない。さらに、検出器は、あ
る波長のレーザ光と、ある出力値のレーザに対してのみ
用い得るものであり、この方法の適用は制限されてしま
う。
さらに、較正方法の別の公知例として、ミラーを介し
てレーザビームを偏向させ直接ビデオカメラに導くこと
が知られている。作業領域全体の画像ではなく、レーザ
ビームの個々の目標点がカメラ内でデジタル化される。
レーザビームの様々な実位置を補間することにより、補
正テーブルを生成する。この方法は高速であるため、反
復して用いることができる。しかしながら、カメラの解
像度が精度に直接影響を及ぼす。作業領域が大きければ
大きいほど、解像度は低下する。
請求項15の前提部分に記載された装置は、国際公開公
報WO94/15265号に開示されている。国際公開公報WO94/1
5265号に開示された方法では、レーザビームの所望の位
置を表示するプレプリントフレームの印をつけるため
に、可燃性基板上の様々な位置にレーザビームを導く。
その後、画素スキャナにより、基板上のレーザビームの
所望位置と実位置との偏差を測定し、補正テーブルを作
成する。この方法の精度は、基板を評価するために用い
られるスキャナの解像度と、プレプリントフレームの精
度と、高速プロトタイピングシステムにおけるプレプリ
ントフレームを付した基板の調整に依存する。この方法
では、基板をデジタル化し、中心点と、レーザビームの
所望の位置と、レーザビームの実際の位置を各フレーム
ごとに決定しなければならないため、非常に時間がかか
る。
ロボットアームを較正する方法がフランス特許公開公
報第2696969号により知られているが、これによると、
基板にレーザビームを導くためのレーザが、ロボットア
ームに搭載されている。基板と、基板上のレーザビーム
の目標点が、固定搭載されたカメラにより記録される。
画像はデジタル化され、ロボットアームを較正するため
に用いられる。
米国特許第4,453,085号には、ロボットアームの位置
を電気光学的に測定して、外部基準点と比較し、ロボッ
トアームの位置決め精度を改善することを試みた方法が
開示されている。
日本国特開平第06−034349号には、表面の平坦度を制
御する方法が開示されている。これによると、生成され
た明暗画像は積分処理される。物体における穴の影響を
低減するために、明暗画像におけるハーフトーンの限界
値を規定することにより、穴について考慮する必要はな
くなる。
本発明の目的は、解像度のために作業領域の大きさを
限定することなく、高速かつ高精度の較正と、過去の較
正の評価を実施することができる較正方法および装置を
提供することである。
この目的は、請求項１に記載の方法および請求項15に
記載の装置により達成される。本方法のさらなる改良は
従属請求項に記載されている。
本発明の利点は、非常に短い時間、例えば、30秒で、
テストパターンを作成することができることである。こ
の時間内に生ずるレーザやスキャナのドリフトの影響
は、較正にとって重要ではない、すなわち、定常状態が
較正される。１回の較正と次回の較正の間にドリフトが
生じた場合、これらのドリフトが、較正をひずませるこ
とはないが、あるオフセット値の分だけテストパターン
全体を変化すなわちシフトさせる。位置感知検出器を用
いる方法に比べ、かなり高速で完全な較正を実施するこ
とができる。したがって、この方法は、反復して実施す
ることができ、これにより、高精度を達成することがで
きるという利点がある。
テストパターンは、テストパターンを生成する装置と
は別の装置において評価することができる。これは、テ
ストパターンを評価する装置を、種々の高速プロトタイ
ピングシステムのレーザ制御較正用に用いることがで
き、較正を、中心位置において実施することができるか
らである。したがって、高速プロトタイピングシステム
のユーザーにとって、時間と作業の経費がかなり削減さ
れることになる。
デジタル化のために、テストパターンは個々の画像に
分解され、評価のためにテストパターンをデジタル化し
た後で個々の画像の特徴点の座標を組み立てる。デジタ
ル化は、例えば、対応する解像度とグレースケール比検
出を備えたビデオカメラあるいは画素スキャナを用いて
行なうことができる。画素スキャナを用いることは、画
像記録のための特に経済的な解決法である。
個々の画像の大きさは、カメラのレンズの選択により
変更することができ、これにより、精度を高めることが
できる。このことにより、本方法は、ビデオカメラの電
子回路の解像度に依存しないものとなる。個々の画像を
組み立てることにより、カメラの位置決めの制約によっ
てしか制限を受けない大きさの作業領域を用いることが
できる。
テストパターンを形成するために、レーザ光の実際の
波長と実際のレーザ出力に適合したフィルムを用いれ
ば、多様なレーザを備えた高速プロトタイピングシステ
ムに、本方法を適用することができる。
以下、本発明の実施例について、図面を参照して説明
する。
図面において、図1aは、本発明方法を実行するための
テストパターンを作成する装置の概略図である。
図1bは、本発明方法を実行するためのテストパターン
を作成する装置の概略図である。
図２は、較正方法の概略フローチャートである。
本発明方法を実行するための装置は、テストパターン
を生成するための装置と、テストパターンを評価するた
めの装置を備えている。両方の装置は、互いに空間的に
分離されている。テストパターンを生成するための装置
は、高速プロトタイピングシステムの一部を構成してい
る。
図1aに示すように、テストパターンを生成するための
装置は、集束レーザビーム２を出力するレーザ１と、レ
ーザビーム２を偏向するためのガルバノメータ式スキャ
ナとして構成されたXYスキャナ３を有している。また
は、圧電制御スキャナを用いることもできる。制御部４
が、スキャナ３を制御するために設けられ、スキャナを
駆動するために必要なデータ、例えば、電圧曲線を生成
する。テストパターンを生成するためのレーザ光の波長
および／または特定のレーザ出力を感知するフィルム５
が、スキャナ３により偏向されたレーザビーム２の進路
に配置され、偏向されたレーザビーム２がフィルム５に
当たる。好適な感光フィルム５としては、例えば、感熱
紙あるいはUV感応印画紙などがあげられる。このフィル
ム５は、スキャナ３の作業面を規定する。
例えば、プレキシガラス製の平板などの平面状支持部
６が、支持部のレーザビームに面した側6aに配置された
感光フィルムを支持するために設けられている。支持部
６は、フィルム５すなわちレーザビーム２とは反対側
に、例えば、調節ねじなどの高さ調節可能な支柱７を有
している。この支柱は、高速プロトタイピングシステム
内の物体キャリヤ９の支持台８の上面側8aに支持部６を
搭載するためのものである。支持部６が規定された距離
ｈをおいて支持台８の上面側8aに平行に、したがって、
高速プロトタイピングシステム内の固化可能な材料の液
面に平行に延在し、液面が、物体キャリヤの上方にあっ
てレーザビームの画像面を規定するように、支持部６の
高さを調節することができる。支持部６は、その上のフ
ィルム５とともに物体キャリヤ９から取り外すことがで
きるため、取り外した後にテストパターンを評価するた
めの装置に移すことができる。
図1bに示すように、テストパターンを評価するための
装置は、ビデオカメラ10を備えており、このビデオカメ
ラは、コンピュータ制御部およびビデオカメラ10に接続
されたコンピュータ11を用いて位置決めすることができ
る。さらに、この装置は、図示されてはいないが、支持
部６をその上のフィルム５とともに保持するための高さ
調節可能なホルダを備え、これにより、フィルム５は、
ビデオカメラのレンズから、距離ｄだけ間隔をおいて配
置される。装置内に配置されたフィルム５の上方のビデ
オカメラの位置は、フィルム５上に作成されたテストパ
ターンの部分画像を生成するために作業領域全体を通過
することができるように選択される。
さらなる実施例によれば、位置決め可能なビデオカメ
ラ10の代わりに、画素スキャナが用いられる。
スキャナ制御部４を較正する方法において、最初に、
水準器により、高さ調節可能な支柱７を利用して、支持
部６を水平に調整し、支持部６を支持台８と液面にそれ
ぞれ平行に延在させる。
その後、感光フィルム５を支持部６のレーザビーム２
に対向する面上に配置すなわち搭載する。つぎに、図２
に示すように、テストパターン20を生成するためのフィ
ルム５上の所定位置に、スキャナ３を用いて、レーザビ
ーム２を偏向させることにより、感光フィルム５を放射
線に露光させる。これにより、スキャナ３は、実座標、
すなわち、作業領域上のレーザビームの目標点と、スキ
ャナ内に配置された偏向ミラーの座標との対応関係を規
定するものである、解析的に作成された補正テーブルに
基づいて、反復の開始時に、レーザビーム２を偏向す
る。好ましくは、感光フィルムの露光は、実座標の座標
格子を表わすテスト用格子の形である。感光フィルム５
の中心、したがって、作業領域の中心は、センターコー
ドを作成するために、別にマークされる。
画素スキャナを用いて、画像を記録する際、部分画像
検出のためのマーキングが画素スキャナの大きさに対応
して与えられる。
テストパターンは、約30秒以下といった非常に短い時
間で生成される。この時間内にレーザやスキャナの大き
なドリフトが起こる可能性はたいへん低い。そこで、レ
ーザおよびスキャナの定常状態が、テストパターン20に
固定される。
その後、生成されたテストパターン20を、セクション
ごとに検査すなわち走査する。この目的のため、作成さ
れたテストパターン20を横切って徐々にビデオカメラを
移動させ、カメラを用いてテストパターン20に対応する
パターン部21を作成する。パターン部21の大きさは、ビ
デオカメラ10のレンズを選択することによって決定する
ことができる。
ビデオカメラを用いることが有利であるのは、適切な
レンズを選択することによって位置が強力に改善され、
ひいてはデジタル化のプロセスにおける解像度をかなり
高めることができるからである。経済的な携帯型画素ス
キャナを用いる場合には、各パターン部21は個々に走査
される。
各パターン部21は、対応する画像処理プログラムを用
いてコンピュータ11において解析される。パターン部21
内に配置されたテスト格子の格子交差点は、ハーフトー
ン解析に基づいてデジタル化され、画像座標として格納
される。ハーフトーン解析は、単なる白黒解析に比べ
て、解像度を著しく高める。解析により、様々なコント
ラストと、照度レベルと、フォーマットを有するテスト
パターンの評価が可能となる。ビデオカメラ10の画像特
性により、画像座標は、作業領域上のレーザビームの目
標点によって定められる実座標からずれることがある。
画素スキャナを用いる場合には、画素スキャナの大き
さに対応する部分画像は、重なり合うようにしてデジタ
ル化される。
その後、画像処理プログラムを用いて作成された、デ
ジタル化パターン部の格子点の画像座標と、それらのセ
ンターコードが評価プログラムに移される。この評価プ
ログラムは、デジタル化パターン部を全体パターンに組
み立てるために用いられ、これにより、評価プログラム
はテストパターンのセンターコードを検出する。画素ス
キャナを用いる場合には、追加作成された位置マーク
が、パターン部を評価し組み立てるために用いられる。
カメラを較正するために、作成された全体パターンの
画像座標は、写真製版で作成された基準格子のデジタル
化座標と比較される。これにより、カメラの画像処理に
より作成された、作業面における画像座標と実座標の偏
差が検出され、全体パターン内のレーザビームの実際の
位置が実座標において得られるように修正される。テス
トパターンのセンターコードを変換のために用いてもよ
い。全体パターンの評価は、プロトコル内に格納され
る。
補正テーブルは、テストパターン20上のレーザビーム
２の測定された実際の位置と、予め定められた所望の位
置との比較に基づいて修正される。
評価プログラムは、グラフィックユーザインターフェ
ースを備えており、したがって、簡単に操作することが
できる。このプログラムにより、平面領域補正を有して
も有していなくても未修正の補正テーブルを解析的に作
成することができる。さらに、このプログラムは、測定
点を視覚化し、格子定数に関係なく全体テストパターン
の点座標を組み立てて視覚化し、評価プロトコルを作成
し、測定データを用いて補正テーブルを修正し、補正テ
ーブルを表示し、さらに、スキャナ制御部４が使用可能
な形で補正テーブルを格納することができる。さらに、
この評価プログラムは、支持部６と支持台８の上面側の
間の距離である測定高さｈを処理して補正テーブル用の
高度補正を作成することができる。高速プロトタイピン
グシステムにおいて較正を行う場合に、この高度の補正
は、スキャナを制御するために役立つ。すなわち、その
場合、フィルム５の支持部６を、固化可能な材料の液面
の平面内に正確に位置決めしてはならない。これは、例
えば、プロセス媒体すなわち固化可能な材料を、そこか
ら取り出すことができないからである。
評価プログラムによって修正された補正テーブルは、
その後、スキャナ制御部４に移される。これは、新しい
テストパターンを生成し、測定し、評価するために用い
ることができる。この評価は、再び、補正テーブルを修
正するために利用することができる。このプロセスを１
〜２回繰り返した後、実座標を備えたスキャナシステム
が得られる。
種々の高速プロトタイピングシステムから得られたテ
ストパターンの評価を次々に行なうことができ、このよ
うにして得られた補正テーブルを適切なデータ送信を用
いてシステムに転送することができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ランゲル，ハンス ジェイ. ドイツ連邦共和国，82166 グレーフェ ルフィンク，アム バーセルボーゲン 46 (72)発明者 ホルニック，グイド ドイツ連邦共和国，80339 ミュンヘン, アスタラーシュトラーセ 16 (72)発明者 レナー，アンドレアス ドイツ連邦共和国，81371 ミュンヘン, タルキルヒナーシュトラーセ 286 (56)参考文献 特開 平２−102519（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−277973（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−44201（ＪＰ，Ａ) 国際公開94／15265（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G05B 19/18 - 19/416

Claims (20)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ａ）位置座標の関数としての予め定められ
    た所望の位置において、感光性媒体（５）をレーザビー
    ム（２）に露光することによりテストパターン（20）を
    生成するステップと、 ｂ）上記テストパターン（20）の部分（21）のデジタル
    化部分画像を作成するステップと、 ｃ）上記デジタル化部分画像を上記テストパターン（2
    0）の全体画像に組み立てるステップと、 ｄ）上記全体画像上の上記レーザビーム（２）の実際の
    位置を上記位置座標と比較するステップと、 ｅ）上記比較に基づいて、上記レーザビーム（２）の上
    記偏向制御部（４）のための補正データを算出し提供す
    るためのステップとを備えた、高速プロトタイピングシ
    ステムのためのレーザビームの偏向制御を較正する方
    法。
  2. 【請求項２】上記デジタル化部分画像は各々、画像記録
    装置（10）を用いて上記テストパターン（20）の部分
    （21）を作成し、次にコンピュータ（11）において上記
    部分（21）をデジタル化することによって生成されるこ
    とを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】位置決め可能なビデオカメラ（10）が画像
    記録装置として用いられ、上記ビデオカメラ（10）の位
    置決めをコンピュータにより制御して上記テストパター
    ン（20）の上記部分（21）を生成するようにしたことを
    特徴とする請求項２に記載の方法。
  4. 【請求項４】位置決め可能な画素スキャナが画像記録装
    置として用いられ、上記画素スキャナの位置決めをコン
    ピュータにより制御して上記テストパターン（20）の上
    記部分（21）を生成するようにしたことを特徴とする請
    求項２に記載の方法。
  5. 【請求項５】上記レーザビーム（２）の波長に感応する
    フィルム（５）が上記感光性媒体として用いられること
    を特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
  6. 【請求項６】座標スクリーンとして構成されたテスト格
    子が、上記テストパターン（20）として用いられること
    を特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
  7. 【請求項７】センターコードが上記テストパターン（2
    0）上に作成されることを特徴とする請求項１乃至６の
    いずれかに記載の方法。
  8. 【請求項８】画素スキャナを用いて、位置決めマークを
    上記テストパターン（20）上に作成し、上記デジタル化
    された部分画像を生成することを特徴とする請求項４に
    記載の方法。
  9. 【請求項９】上記画像記録装置を用いて作成された上記
    テストパターン（20）の上記部分（21）のハーフトーン
    解析に基づいて、上記デジタル化部分画像が上記コンピ
    ュータ（11）において生成されることを特徴とする請求
    項２乃至８のいずれかに記載の方法。
  10. 【請求項１０】上記テストパターン（20）の座標は、基
    準格子を用いてデジタル化されることを特徴とする請求
    項１乃至９のいずれかに記載の方法。
  11. 【請求項１１】写真製版で作成された精細基準格子を基
    準格子として用いることを特徴とする請求項10に記載の
    方法。
  12. 【請求項１２】上記デジタル化は、全体画像の画像座標
    と基準格子の座標を比較することと、この比較に基づい
    て、実座標における全体画像内の上記レーザビームの実
    際の位置を得るために、画像座標を実座標に変換するこ
    とを含むことを特徴とする請求項10あるいは11に記載の
    方法。
  13. 【請求項１３】上記フィルム（５）は、高速プロトタイ
    ピングシステムの物体キャリヤ（8,9）に搭載され、上
    記物体キャリヤに対して高さ調節可能な支持部（６）に
    塗布されることを特徴とする請求項５乃至12のいずれか
    に記載の方法。
  14. 【請求項１４】上記テストパターン（20）の生成は、上
    記テストパターン（20）の評価とは空間的に分離して行
    なわれることを特徴とする請求項１乃至13のいずれかに
    記載の方法。
  15. 【請求項１５】集束レーザビーム（２）を発生するため
    のレーザ（１）と、 上記レーザビーム（２）を偏向するための制御部（3,
    4）と、 上記レーザビーム（２）に露光させてテストパターン
    （20）を生成するための感光性媒体（５）とを有し、 位置決め可能な画像記録装置（10）と、 上記テストパターン（20）の部分（21）のデジタル化部
    分画像を生成し、 上記デジタル化部分画像を上記テストパターン（20）の
    全体画像に組み立て、 上記全体画像上の上記レーザビーム（２）の実際の位置
    と、上記位置座標とを比較し、 上記比較に基づいて、上記レーザビーム（２）の上記偏
    向制御部（４）のための補正データを算出し提供するコ
    ンピュータ（11）とを備えたことを特徴とする、請求項
    １に記載の方法を実行するための装置。
  16. 【請求項１６】上記レーザビーム（２）を偏向するため
    の制御部は、ガルバノメータ式スキャナ（３）とガルバ
    ノメータ制御部からなることを特徴とする請求項15に記
    載の装置。
  17. 【請求項１７】上記感光性媒体（５）を支持するための
    支持部（６）を備えたことを特徴とする請求項15あるい
    は16に記載の装置。
  18. 【請求項１８】上記支持部（６）は、高速プロトタイピ
    ングシステムの物体キャリヤ（8,9）上に搭載すること
    ができ、上記レーザビームの方向において上記物体キャ
    リヤに対して高さ調節可能であることを特徴とする請求
    項17に記載の装置。
  19. 【請求項１９】上記画像記録装置は、ビデオカメラ（1
    0）として構成されることを特徴とする請求項15乃至18
    のいずれかに記載の装置。
  20. 【請求項２０】上記画像記録装置は、画素スキャナとし
    て構成されることを特徴とする請求項15乃至18のいずれ
    かに記載の装置。
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