透明物體中折光缺陷的檢測系統的製作方法

2023-09-11 22:30:45 2

專利名稱:透明物體中折光缺陷的檢測系統的製作方法
檢測玻璃物體中的光學缺陷，諸如玻璃瓶、玻璃罐中的缺陷，一直採用光束照亮這些玻璃罐，通常用散射逆光，並且用光學的或光敏的探測器來觀察這些容器。1983年3月29日公布的美國專利4378493所敘述的就是一種這樣的裝置。在這份專利中敘述了一個系統，它將一個放在檢測位置的容器在整個高度上照亮。所述的光源由許多放在一塊毛玻璃後的白熾燈所組成，以此產生一個相當大的散射光源來逆光照亮放在檢測位置上的容器。採用這種散射光逆光照亮的裝置，由於在鄰近光線的容器壁上面可能存在折射缺陷，則在一定程度上它將會干擾從前面或容器對面的壁上發出的光線或使光不能進入。一個聚焦在容器前壁上的、在垂直方向為線狀排列的照相機將在其象點的垂直陣列上提供容器壁的圖象。這樣象點被連續地檢驗，比較相鄰象點的輸出信號，輸出信號是在其上所接收的光強的函數。採用這種方法，由容器壁上的缺陷反射到照相機視野中的光線將在線狀陣列的輸出信號中變得很明顯。當然這種特殊的裝置還要求使容器繞它的垂直軸轉動，以提供對整個容器壁的四周進行掃描和觀察的區域，這個區域可能也包括了容器的頸部和肩部。在這種系統中，當容器壁中存在一個反光的缺陷時，如一個裂痕，一個吸光缺陷象結石等，若容器壁的這些部分通過照相機的觀察區域，則聚焦在器壁上的照相機象點將顯示暗影區域，這是因為對照明光的反射使光射出了探測器的視野。由前所述，採用這種方法，通過比較相鄰象點的輸出信號，就可以確定缺陷在垂直平面的什麼地方，並且在很大程度上也可確定缺陷的大小。象點以一個合適的速度被掃描，使得基本上瓶子的每一區域都被觀察到，實際上許多缺陷可以在一些連續的掃描中顯示出來比單次掃描更易被測到。
然而應該記住，到達容器前壁的光線是來自散射光源，這樣的物體中產生的大多數折射效應就不對光線產生影響。考慮一下大多數光學檢測系統這就很清楚了，這些系統是採用一個放置在直立的容器下面的散射光源來檢查容器中的汙物，那麼象工廠名字和模子的數字一類字跡在容器上方裝有光學信號分析儀的地方就看不到。
另外，還有一種對玻璃物品上不同部位的裂痕這樣的缺陷進行光學檢測的方法，它是採用以特定角度將一束光線聚焦到物體的一個區域，然後將探測器，如光電池放在一個與聚焦光線約成90°的位置。如美國專利3245533所述的這種裝置，光線將從缺陷反射到光電池中，這樣就指示出反射缺陷的存在。過去這一直是檢查玻璃容器的平的和不平的部分的典型方法，聚焦的光線被裂痕反射到光電池中時，容器繞它的垂直軸轉動所到達的位置就使缺陷得到檢測。應當理解，被檢測的這些缺陷是那些典型的被稱為裂痕的缺陷，它們一般是在容器製作過程中的溫度驟降所引起的，一般是成形後的熱的玻璃觸到了加工設備的冷的部位。一般來說，如果裂痕與表面相距為半波長以上的話，裂痕就是反光的。如果相距小於半個波長，光線就會通過，缺陷就不反射光線，於是就不能檢測到缺陷。可使用反射的聚焦光檢測出來的另一種缺陷是那些在玻璃容器中產生的表面缺陷，它將使聚焦光線產生折射以偏離原來時到容器中的方向，如美國專利3302787所圖示的那樣，在折射方向上放置探測器，例如在通過加工缺陷的直線上，就可以檢測缺陷。
平板玻璃製品的檢測，比如電視機的玻璃面板或者建築用的玻璃板，習慣上一直採用一束聚焦光照射在物體上並使光在物體上橫向掃動，同時將物體在與掃描光線適當的角度下移動，這種方法幾乎可以用於所有玻璃表面。通過物體的光線由一個互補掃描光電池所接收。匹茲堡平板玻璃公司的美國專利3199401中就敘述了一個這樣的系統。應當注意到這種系統要求採用一個適當的照射角度以避免由於反射所造成的誤讀。出現在光線和探測器視野中的玻璃表面上的輕微波動將引起聚焦光線的折射，這時在探測器上沒有光照。所有這些在商業應用上都沒有被重視，則發展一種檢測系統，在其中使產品不盡人意的那些缺陷可以增強，並從不嚴重的折射效應中檢識出來，這還是很有好處的。
發明的目的及概述如前所述，本發明的一個目的是提供一種檢識和分選透明物體如電視機玻璃面板的方法和裝置，它採用特殊的照明技術來實現，是較經濟的，易於識別並有效地把有缺陷的不合格產品與合格產品分開。
按照本發明，提供了一個用光照亮透明玻璃物體的系統，目的在於檢測器視場的物體進行空間不變的照明。
於是，本發明的一個目的是使用一個放置在透鏡的焦平面上的遮擋的散射光源來產生許多在不同方向上傳播的「準直光束」，用它來照明待檢物體以獲得光線方向的可變分布或角分布，由此檢測物體中的折光缺陷。
本發明的另一目的是逆光照射物體，並用一個線列照相機來觀察物體，分析照相機所接收的影陣信號以檢測那些具有折光性質的缺陷，它們有一定傾斜度，而不檢測具有漸變性質的折光形變的缺陷。
本發明還有一個目的，是提供一個檢測玻璃物體中的結石和埋藏的氣泡一類光學缺陷的系統，它是用一個空間不變的系統逆光照射物體，將物體相對於光源移動，並用線掃描照相機觀察穿過物體的發射光的強度變化。
附圖簡釋圖1是本發明的裝置的一個實施例的立體圖。
圖2是沿圖1中2-2線的照明系統的垂直剖面圖。
圖3(a)是沿圖2的3-3線看去的放大部分截面圖。
圖3(b)是沿著圖2中的3-3線觀察到的放大圖象，用來解釋圖1的光學觀測系統。圖3(c)是由圖3(b)所示的觀測得到的透射率讀數的圖示。
圖4(a)是沿圖2中4-4線看到的物體部分的放大剖面圖。
圖4(b)是沿圖2中4-4線觀察到的、與圖3(a)所述的相似的放大圖象。
圖4(c)是由圖3(b)的觀測中獲得的光的透射讀數的圖示。
圖5是用來解釋本發明的光學原理的示意圖。
圖6是與圖1相似的檢測系統的立體圖，它所檢測的是一個玻璃容器。
圖7(a)是沿圖6中的7-7線的放大的剖面圖，其中顯示了一個內含的氣泡。
圖7(b)是對圖7(a)的瓶子部分進行照相觀察的圖象。
圖7(c)是對應於圖7(b)的照相機信號強度的圖示。
圖8(a)是沿圖2中的8-8線的物體的放大剖面圖，在所示的區域內有一個結石。
圖8(b)是對圖8(a)的區域進行觀察的放大圖象。
圖8(c)是對應於圖8(b)的照相信號強度的圖示。
附圖的詳細說明用典型的玻璃生產機械生產玻璃製品時，一些不吸收光的缺陷可能存在於物品中。當提到呈現出表面形變的缺陷時，這些結構缺陷一般可歸為三類。其一是上述加工缺陷中的線狀缺陷。其二是空洞，有時稱它們為氣泡或內核，這要視它們的相對尺寸而定，其三是材料的不均勻性。一般地，所有這些缺陷都會引起光線產生折射或反射。
簡單幾何形狀的物體中的折光缺陷的檢測，比如對於平板玻璃，看起來相對是比較直接的，採用聚焦光束逆光照射這種玻璃板，並對發射的光用一個具有有限接收角度的光學系統描繪平板的象，那些對光學折射而使光射到光學系統之外的區域將成為暗影。這種系統對缺陷的探測靈敏度依賴於影象光的接收角和照相光的角度。然而，對於具有較複雜形狀的物體中的折光缺陷的檢測，如玻璃容器，存在另一個重要問題。容器將對那些由於容器的幾何形狀引起的反射光產生折射而並不需要有任何缺陷。此外，玻璃容器的內表面是自然形成的，於是被認為合格的商品的內表面可有相當大的表面形變。這些表面形變的形狀一般不能用上面所說的用於平板玻璃的技術。
在檢測電視機的不合格的表面玻璃板的光學缺陷時，這種檢測應首先進行精拋光並去掉外表面的表面缺陷，當一束有限角分布的光線照在表面缺陷上時，由於折射它會使傳送圖象的光線發生偏離。
為了提供一個可供檢測的照明，很明顯採用一個角分布更大的光源，如散射光源，是很必要的。如前所述，已知在檢測吸收光線的缺陷時，由折射引起的不需要效應可以通過一個各向同性的逆光照明來平衡，並用透射光描繪物體的象。例如，要想檢測近似為圓柱形邊壁的透明容器，一個光源放置在瓶子輸送機構的一邊，照相機放在一邊，對容器的照明經容器兩壁能被觀測到。然而，當使用一個一般的散射光源時，與接收系統靠近的容器壁與離接收系統較遠的容器壁不出現時的結果並無區別。於是，由於透明度的要求，你可以想到消除遠端的器壁並從本質上考慮一個只有一個器壁被測的系統的檢測概念。大多數製造玻璃容器的機器存在一個所謂「駐波」，它一般在容器中部以下和底部以上區域出現。這個「駐波」是在把玻璃從坯料形狀吹成所需的瓶子形狀時所產生的，產生的條件是靠近擋板的坯料的一個環形區域中的玻璃通常較冷，這部分玻璃不如坯料中其它區域的玻璃擴展得多。這在容器的邊壁玻璃上產生了一個較薄的環形區域。一般地駐波是一個明顯的問題，如果它並不嚴重，通常並不影響容器的商品質量。「駐波」可以稱作一個在容器邊壁上的漸變的、折射光線的擾光物。
如圖5所示，它在二維平面表示了通過玻璃物體截面的透射光被照相機10接收，它有一個接收角Ω，映出物體C點附近的象。如果物體內表面是平整的，即如虛線12所示，經過C點接收的光線來自光源區域A。但是，如果內表面不平，如實線14所示，則觀測的軸實際上被折射了一個角度θ，通過C點被接收的光線來自光源區域A′。如果光源16亮度恆定並且是各向同性的，由於沒有吸收，則C點的表面亮度基本上不受所述折射的影響。另一方面，這個折射可用遮擋區域A′的方法來檢驗。如在線18的右側遮光，於是使這個區域不發生光線，在這種情況下C點的象與亮的視場相比將呈現暗影。折光缺陷就可以用通過點如C點的表面透射光的減少來檢驗，就如同它們是吸收光的缺陷一樣。
但是，採用遮光在缺陷檢測中僅得到很有限的應用，因為遮光的應用不是在空間不變的。一個給定的缺陷的顯現依賴於C點的相對位置及遮光的邊緣18，這樣使缺陷的出現依賴於它在視場的橫向位置和從遮光點起算的物體的縱向長度。這樣，即使一個較小的折光缺陷存在於視場的某一部分，它也能象其它部分的較大折光缺陷一樣能引起入射光的減少。這樣，系統是在空間可變的。但是，如果保持過C點的透射光的出現僅依賴於觀測軸向由折射所改變的角度θ，可設法克服這些限制。
如前所述，建議使用一個光的亮度均勻、光強分布各向異性的光源來逆光照射物體，透射光強度將與光源上的A′點及C點和A′點的相對位置無關，以獲得所希望的空間不變性。採用新設計的技術，在散射光源上產生一個空間強度分布，並在透鏡的樣品一側轉換成角度分布，有選擇地使漸變的表面可被觀察到的任務就可以在光學上實現了。由於這些形變一般使觀測軸折過很小的角度，如果光強分布或角分布在這些小角度上是均勻的，則那些形變就觀察不到。
特別是參照圖2，其中表示了一個具有所希望的角分布的可變光源的光學互補性。散射光源S是這樣構成，毛玻璃16放置在許多燈泡17的前面，毛玻璃置於焦距為F的透鏡20前，與其相距為F。光源S上所有在透鏡前的板上未遮掩的點如X和Y就成為準直光束，3對應於X，2對應於Y，它們與通過發光點和透鏡中心的線平行地射出。若光源是各向同性的並具有均勻亮度，每束光應具有同樣的光流密度。若一個擋板22寬度為a＝2Ftgθ0，放置在散射光源上，則在透鏡前的照明光的角分布被限制在小於或等於±θ0的角度上。於是，可以看到，通過改變擋板寬度可以很容易改變角度θ0。此外，在透鏡前的平板上的二維角分布不需要各向同性，而可以通過選擇擋板的形狀任意地決定它的形狀。
應用各向不同性的角分布特別適用於檢測透明的瓶子，因為它們的剖面不是圖的對稱形狀。可以看出，採用圖2中所描述的技術，提供了一個與前面提到的空間可變的情形相似的經過改進的、空間不變的遮擋光源。照明系統的基本效果就是提供了一個增強並以較大的檢測可靠性觀察到。由於照相機10是垂直的，線掃描線狀排列的，它聚焦在空間的一條線上，物體移過這條線。光源在物體移動的方向d或在垂直於容器軸的方向做得較寬，如圖6所示，但在另一個方向可做得較窄。射到物體背面的光線在它們的照明方向上具有一定的角度和方向性，只要採用了一個散射光源，就可在所有方向上都給予照明。於是有一定角度的光照方向就可以把所觀察到的物體的物理性質和光學性質分開，並且根據擋板選擇接收角和透鏡焦距，就使得光源在方向上具有很強的角度性。
光源16上的每一點都可產生一組從透鏡20發出的光線，並且它們平行於從那一點到透鏡中心的連成的直線。光源上每一點所產生的一組光線的方向取決於那一點到透鏡中心的相對位置的變化。這樣就產生了一個光的角分布，它對透鏡前的所有點都是一樣的，即產生空間不變的照明。根據本發明的照明系統可選擇光線分布的角度。你可選擇這樣的分布給予要檢測的那類折光缺陷以最大的增強，同時照亮那些一般會使反射光產生折射的不規則的漸變傾斜。若光源很發散，所有折光缺陷都變得很淡，將會什麼都看不到。應該指出本發明所述的照相機對於移過視場的物體上的垂直窄條進行觀察。在二次成象情況下也可應用光源的「改變」技術。
這樣，由前述的系統可以看出，本發明的照明系統所產生的光線角分布導致了一種高靈敏的光照系統，用它來檢測比較尖突的折射形變同時又抑制那些可能存在的表面漸變的顯示，例如使一個玻璃器或其它的透明的玻璃物品移過照相機10的視場。
現在來看圖1，其中表示了本發明的照明系統用來照亮電視機表面玻璃板P，以檢測那些可選擇的折光缺陷諸如結石、氣泡、小坑以及其它在玻璃中的類似缺陷。
由於電視機玻璃面板不僅面積較大而且在它的長寬方向上都彎曲，所以確定採用三個檢測路徑是較適宜的。在圖2中詳細描述的光源28、29和30沿玻璃面板寬度方向並排排列在板的下面。每個光源的中軸垂直於所對的玻璃面板的表面。每個光源28、29、30各有一個照相機31，32，33，它們排列起來以觀察被光源照亮的玻璃面板的一個長條形區域。每一照相機中的線形陣列都觀察到玻璃面板上短軸方向的一個線狀區域，也包括彎起來的邊緣。實際上玻璃面板是用一個未畫出的夾子夾持住，並按在玻璃面板兩端畫出的箭頭35所示方向沿弧形軌道移動。夾子所移動的弧線中心基本上對應於待檢玻璃面板在長軸方向的弧線的中心軸。由於玻璃板面在弧線上擺動，所以它的所有表面區域都將經過光源28-30和照相機31-33之間，玻璃面板上所有可觀察到的區域都會被檢測到。很明顯，將光源分為所述的三個部分，就可使用尺寸較小的菲涅耳透鏡，而且光源的軸可移到更適應玻璃面板曲率的位置上。然而若用一個光源的散射光要照亮玻璃面板的整個寬度時就必須使用一個相當大的單一的菲涅耳透鏡。
在圖6中可以看到透鏡20具有足夠大的尺寸以照亮整個待檢容器。但是為了對容器的四周進行觀察，特別是圖6中的邊緣，有必要使容器繞垂直軸轉動90°後再一次通過觀察區域。用這種方針，容器的所有區域都在檢測系統中被仔細檢驗。顯然，當容器的邊緣部分被觀測時，從照相機的象點發出任何信號都應該用電子學方法排除掉。另外，放置在散射元件上面的擋板22可根據容器的形狀來安置以使容器的肩部和底部也可被檢測。這種情況下，擋板象展開的蝴蝶翅膀，寬的部分對應於容器傾斜的肩部。
參照圖3a和圖4a，其中表示了兩種類型的表面形狀的截面，它們可能存在於壓成的玻璃面板中。在圖3a中，玻璃上有一條線，在它的頂邊有一很陡的角度θ1和一個回到玻璃面板的正常平面上的較緩的斜坡，它具有角度θ2。對於角度θ1，光線將被折射，從圖3b所示的垂直象點列中可得到輸出信號的強度。正如所看到的那樣，由於θ1角遠大於θ0角，則光線被折射，並且觀察傾斜表面的象點將不會收到任何光線，另一方面，若斜坡的角度θ2小於θ0，則它不會折射光源發出的光線，象點幾乎完全被照明。
圖4a所示的表面情況就是一個略微突起的區域，表示斜坡部分的角度θ3小於θ0。如同圖3a下半部的情況一樣，象點35將接收到很強的照明光，圖4c通過與圖4b一樣的象點所接收的信號強度的圖示反映了這一點。
現在來看圖7(a)-(c)及圖8(a)-(c)，其中表示了兩個放大的缺陷，它們是可用本檢測系統檢測出的所有類型的缺陷之中的兩種。圖7(a)中，缺陷是氣泡B，它是那類其傾斜和角度可使入射光線折射到一個比照明光分布更大的角度上的缺陷。於是，由照明光產生的折射光射到幾個照相機象點的觀測線之外，則缺陷可被檢測出來。然而從圖7(c)可以看出氣泡的中心並不反射光線。
圖7(b)表示了被照相機接收的較低光強，而圖7(c)表示了照相機中每一象點35所示的信號強度。應該記住當被觀察的物體中沒有折射或吸收時光強為。100%，而在遇到完全折射時基本上為零，如圖3(a)和圖7(a)所示的情形。圖3.(a)的缺陷的下部具有較緩的斜坡可選擇入射光到可檢測出的程度。
圖8(a)中，表示的缺陷比如結石S完全擋住了光線，這是由於結石是在一些玻璃中發現的不透明的不同物體，它是一些組分沒有完全熔解。結石有構成應力集中點的性質，所以在物體的接觸或溫度驟冷時會變成一個破碎的根源。這樣，每當檢測出含有結石的玻璃容器應把它們去掉以避免費用的浪費，不論在商品供應線或者零售都一樣。顯然，當電視機面板中有結石時，這是一個不能容忍的缺陷。圖7(a)中的氣泡和圖8(a)中的結石都是有礙的，因為當人們觀看面板含有這種缺陷的電視時它們會變得很顯然。
圖8(b)和(c)表示了在照相機中的光照強度，其中不只一個象點34被完全遮住。
以上所述的為本發明系統的幾個實施例，其中對待檢物體的照明系統做成空間不變的，這樣無論物體放在視場中何處，它都能得到同樣的光照強度並可用照相機來觀察，這樣，照相機對於物體的位置或物體通過照相機視場的運動就不敏感了。
權利要求
1.檢測透的物體中折射缺陷的方法，包括產生一個具有均勻亮度的一般散射光源，將一個具有大於0的焦距F的透鏡置子光源的前面(距離為F)以此在透鏡前面產生準直光束，它們以光源上的點發出並具有相同的光流密度，在光源上放置一個擋板的限制透鏡前面的透明光的角分布，把它限制在光強均勻分布的角度上，並且小於或等於從擋板邊緣到透鏡中心的延伸線與透鏡光軸所成的角度，將待檢物體垂直於透鏡光軸在透鏡前移動，用光線增強折光缺陷並將缺陷從漸變的折光形變中區分出來，採用聚焦在物體表面的線形陣列照相機來觀察物體，由照相機所接收的光線強度的變化來檢測缺陷。
2.檢測透明物體諸如玻璃容器中折光缺陷的方法，缺陷具有與物體中較緩的折射形變相區別的較陡的接收角度，當它們沿直線軌道直立地通過一個聚焦在物體的垂直壁上的，具有垂直線狀象點排列的照相機前面時，它們被逆光照亮，對物體的逆光照明的改進步驟包括在物體的背景形成一個寬的散射照的光源，所說的光源在其表面具有均勻亮度，在光源前的一段距離上放置一個凸的菲涅耳透鏡，以產生一個從透鏡照到物體移動的路徑方向的準直光分布，限制從光源到透鏡的照明角度。
3.一種檢測玻璃物體中的折光缺陷的裝置，當缺陷通過一個檢測帶時被逆光照亮，在檢測帶上它們被一個具有垂直線狀光敏象點陣列的照相機所觀察，對摺光缺陷的照明系統進行改進的增強缺陷包括，一個具有均勻表面亮度的散射光源，一個放在光源前一定距離上的凸透鏡的產生一個以透鏡中射到檢測帶的準直光分布，用它來提供對含有缺陷的物體的照明，由於存在折射缺陷，在照相機視場中的照明光線將會被折射。
4.按照權項3，有一個在所說的光源表面部分上的擋板，所說的擋板限制所說的光線分布的照射角度，以便對摺射漸變獲得較為不靈敏的照明。
5.按照權項4，其中所說的玻璃物體是電視玻璃面板，有一組散射光源，每個光源照亮玻璃面板的一部分。
6.按照權項5，還有一組照相機，其中每個都能觀察到玻璃面板上被照亮的一個部分區域。
專利摘要
一個對透明玻璃物體，如電視玻璃面板的照明系統，它用來檢測光學缺陷。光源可被改變以成為空間不變的，並可產生沿各個方向傳播的許多準直光束，一個帶有擋板的被均勻地照亮的散射元件具有將折射缺陷增強到給定的程度，同時並不檢測出那些較緩的折光形變的性質。通過具有給定接收角的、帶有線形二極體陣列的照相機來觀察物體。
文檔編號G01N21/41GK85101640SQ85101640
公開日1987年1月17日 申請日期1985年4月1日
發明者比爾林格 申請人:歐文斯-伊利諾衣公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan