使容器環的表面的平坦度可視化的方法、設備和檢查線與流程

2023-09-18 15:26:55 6

本發明涉及檢查容器的領域，特別是檢查玻璃容器的領域，且更具體地涉及檢查這些容器的環表面的平坦度。

背景技術：

環表面是容器的環的頂表面或頂邊緣。環表面圍繞環的理論中心軸線呈環形，且其厚度在沿著相對於理論軸線的徑向或多或少的範圍內。在理論上，該表面在與理論中心軸線垂直的平面中呈平面，其意義在於，該表面具有在連續360°與該平面接觸的至少一條線，且最好呈圓形。在作為上述意義的平面時，其在包含理論中心軸線的徑向平面上的截面輪廓可以呈多種形狀：該輪廓可以呈平坦、圓形、倒置v形等。

在眾多應用中，環表面是與蓋或帽的墊圈接觸的表面。當環表面不是平面時，可能在閉合之後存在洩漏。因此，重要的是意識到環表面中的平坦度缺陷。這些平坦度缺陷可以在環的表面上的給定點處被分析為高度差，這在本文中應被理解為沿著平行於容器環的理論中心軸線的方向、在容器的實際環表面的給定點與理論環表面的對應點之間的位置差。這兩個點的對應在於，在以理論中心軸線為中心的柱坐標系中，這兩個對應的點具有相同的角坐標，且其中一個對應點位於實際環表面上而另一個對應點位於理論環表面上。由此，理論環表面是與垂直於理論中心軸線的參考平面相關的平面。該參考平面可以與所討論的容器有關，例如，它可以對應於實際環表面的最高點的高度、對應於實際環表面的最低點的高度、對應於環表面在其角範圍的平均高度等。參考平面還可被獨立於容器地限定，例如參考顯示設備、檢查設備或測量設備。

環表面的平坦度缺陷通常被細分為至少兩種類型，「玻璃缺失」類型的缺陷與在製造期間用熔融玻璃填充環的模具的問題相關。其特徵在於在圍繞理論軸線的小角度幅度上延伸的高度差。「翹曲環(歪曲環，warpedring)」類型的缺陷是在圍繞理論軸線的大角度幅度上延伸的通常較小的高度誤差，然而是麻煩的缺陷，其通常是由於下沉、由於從模具中提取物體時的問題、或由於溫度問題所致。

目前，平坦度缺陷主要由探測氣體洩漏的「鍾狀物(bell)」系統來探測。當平面金屬表面被壓在環上時，測量殘餘洩漏。這些檢查的缺點在於其不提供評估缺陷的幅度的信息，而是僅僅給出表示表面是否為平面的二進位指示(洩漏/不洩漏)。這種系統需要用於容器與設備之間的相對運動的機械裝置，這意味著不僅昂貴而且減慢了檢查線的通過量：鍾狀物的上升和下降、物品暫時停在鍾狀物的下方等。而且，消除與物品的環接觸具有避免破損或汙染風險的實際優點。

觀察系統也是已知的，其中使用至少兩個高角度或低角度視圖來觀察這些環。漫射光被用於照射進行傳輸檢查的物體，該漫射光的位置相對於與物體相關的相機。該系統的缺點在於其需要至少兩個相機和兩個光源，以及可能需要兩個具有其支承部和調節部的遠心光學系統。其安裝昂貴且需要長的光路，這意味著它佔用了大量空間。

為了修正那些缺點，且如上所述，已提出使用已經存在的相機來執行容器的另一次檢查，例如如果容器是玻璃製成的瓶，則檢查肩部的外觀。然而，這需要選擇檢查裝置的位置，這只能在設定為檢查肩部區域中的缺陷和設定為檢查環表面的幾何缺陷之間折衷。對於原始意圖的測量和嘗試用這些相機測量平面度，這種折衷都不能令人滿意。

通過增加視角的數量，特別是通過組合具有不同低角度和高角度的相似視圖，也能夠採取環的部分的三維(3d)測量，然後聯合這些測量，以通過計算來重構環表面的整體形狀。這需要獲取多個光學圖像。然後，通過將點成對匹配的算法來成對地結合光學圖像，在此基礎上通過三角測量來計算3d坐標的實際點。該技術是具有複雜算法的立體視覺的技術。例如需要多個立體視覺視圖，因而需要四個或六個相機。這些系統可能是精確的，但它們非常昂貴且佔用大量空間。許多參數導致不能在長時間操作過程中保證精確度。

文獻us6172748描述了一種具有多個不同光源的設備，這些光源從下方照射環，即，從位於與環的軸線垂直且與環的表面相切的平面下方的點照射環。該設備具有多個不同的平面鏡，每個平面鏡提供僅僅環的一角度區域(angularsector)的圖像。而且，即使圖像重疊，圖像之間仍然存在方位角度的不連續性，因為在兩個圖像中的潛在重疊點處，在每個圖像中的重疊點存在視點的間斷。這需要通過計算機重構圖像，其需要複雜的算法。

技術實現要素：

因此，本發明的目的是提出一種觀察環表面的平坦度缺陷的顯示設備，其比現有系統簡單。

為此目的，本發明提供了使容器的實際環表面的平坦度可視化的可視化方法，該環表面具有呈平面且圍繞理論中心軸線呈環形或圓形的理論形狀，該方法是這樣的類型，其包括以下步驟：

用周邊(外圍)入射光束照射容器的實際環表面；以及

使用光學系統在二維光電傳感器上形成容器的環表面的平面圖像；

該方法的特徵在於：

該周邊入射光束包括徑向光線，徑向光線被包含在含有理論中心軸線的徑向平面中，徑向光線被導向理論中心軸線；

周邊入射光束從上方照射環表面，且入射光束的徑向射線被環表面上的鏡面反射(高光反射，specularreflection)所反射；

其特徵在於，由形成平面圖像組成的步驟包括將實際環表面轉換為環表面圖像的光學幾何變換，該變換將理論環表面理論地轉換為理論環表面圖像；

其特徵在於，光學幾何變換將實際環表面的測試點與理論環表面的對應點之間沿理論中心軸線方向的實際高度差，轉換為在容器的環表面圖像的圖像點相對於理論環表面圖像的對應圖像點的在圖像中的圖像徑向偏移；以及

其特徵在於，在平面圖像中，在實際環表面的測試點與理論環表面的對應點之間，對應於單位實際高度差的圖像徑向偏移大於對應於相同尺寸的實際徑向偏移的圖像徑向偏移，且

其特徵在於，在平面圖像中，對應單位實際高度差的圖像徑向偏移大於對應實際環表面的所述測試點與理論環表面的對應點之間的相同尺寸的實際徑向偏移的圖像徑向偏移。

根據該方法的其它可選特徵：

在實際環表面的測試點與理論環表面的對應點之間，對應於單位實際高度差的圖像徑向偏移至少是對應於相同尺寸的實際徑向偏移的圖像徑向偏移的三倍；

該方法包括通過光學系統以相對於與理論中心軸線垂直的平面小於25°的觀察仰角來觀察實際環表面的步驟；

該方法包括通過光學系統以相對於與理論中心軸線垂直的平面小於18.43°的觀察仰角來觀察實際環表面的步驟；

該光學系統限定通過徑向觀察射線觀察環表面的周邊觀察場，徑向觀察射線被包含在含有理論中心軸線的徑向平面中，且相對於與理論中心軸線垂直的平面形成小於25°的理論中心角；

觀察仰角相對於與理論中心軸線垂直的平面小於18.43°；

光學系統包括主反射表面，該主反射表面是以理論中心軸線作為其軸線的迴轉表面，且設置為將來自實際環表面的呈觀察仰角的光線直接或間接反射向傳感器；

由形成平面圖像組成的步驟包括光學地形成實際環表面的完整且連續的二維圖像；

周邊入射光束包括在共同徑向平面中的非平行徑向射線；以及

入射束以一入射角照射環表面，使得在引起由實際環表面反射的射線被傳感器看到的入射射線的反射點處，環表面的法線相對於理論中心軸線的方向形成小於30°的角度。

本發明還提供一種確定容器的實際環表面的平坦度的方法，該環表面具有呈平面且圍繞理論中心軸線呈環形的理論形狀，該方法的特徵在於，其包括根據前述特徵的可視化方法，且其特徵在於，該方法包括確定步驟，該確定步驟包括確定表示環表面的圖像的線與表示環表面的理論圖像的理論線之間的圖像徑向偏移。

在該方法中，表示環表面圖像的線是由光學系統形成在傳感器上的入射光束在環表面上的反射的圖像。

本發明還提供了一種用於觀察容器的實際環表面的平坦度的顯示設備，該環表面具有呈平面且圍繞理論中心軸線呈環形或圓形的理論形狀，該設備是這樣的類型：其中具有用於安裝容器的具有安裝軸線(設施軸線，installationaxis)的安裝區，且是這樣的類型：其包括：

照射系統，其適於供應具有徑向射線的周邊入射光束，該徑向射線被包含在含有安裝軸線的徑向平面中，該徑向射線被導向安裝軸線；

二維光電傳感器；以及

光學系統，其插置在容器安裝區與傳感器之間，且適於在傳感器上形成被置於安裝區中的容器的環表面的圖像；

且是這樣的類型：其中，照射系統、傳感器和光學系統設置在安裝區上方；

該設備的特徵在於，光學系統限定以徑向觀察射線觀察環表面的周邊觀察場，該徑向觀察射線被包含在含有安裝軸線的徑向平面中且相對於與安裝軸線垂直的平面形成小於25度的觀察仰角；以及

其特徵在於，照射系統包括以安裝軸線作為其軸線且直徑大於環表面的直徑的光源。

根據該設備的其它可選特徵：

該設備包括單個二維光電傳感器，實際環表面的完整且連續的圖像被形成在二維光電傳感器上；

該設備包括主反射表面，主反射表面是以安裝軸線作為其軸線的迴轉表面且設置為將來自實際環表面的呈觀察仰角的光線直接或間接反射向傳感器；

主反射表面將光線間接反射向傳感器，且該設備包括在主反射表面與傳感器之間的至少一個第二反射表面；

主反射表面包括背向安裝軸線且具有小直徑和大直徑的迴轉表面，該小直徑和該大直徑均小於理論環表面的最小直徑；

主反射表面是凸形截頭錐表面，該凸形截頭錐表面在頂點的半角等於45°減去觀察仰角的一半；

主反射表面包括面向安裝軸線且具有小直徑和大直徑的迴轉表面，該小直徑和該大直徑均大於理論環表面的最大直徑，從而將來自實際環表面的呈觀察仰角的光線反射向安裝軸線，該射線被一偏轉反射表面攔截，該偏轉反射表面包括背向安裝軸線的迴轉表面以便將射線反射向傳感器；

在主反射表面與偏轉反射表面之間的射線行經的路徑垂直於安裝軸線；

偏轉反射表面包括凸形截頭錐形迴轉表面，該凸形截頭錐形迴轉表面以安裝軸線作為其軸線且在頂點處的半角為45°；

該設備包括在傳感器與主反射表面之間的遠心光學系統；

該周邊入射束包括在共同徑向平面中的非平行徑向射線；

該光源是環形光源，該環形光源形成以安裝軸線作為其軸線的迴轉體；

該設備具有殼體，殼體包含傳感器、目標系統、主反射表面，以及可選地包含偏轉反射表面。

本發明還提供了一種用於檢查容器的檢查線，其中每個容器均具有環表面，該檢查線是這樣的類型：其通過沿著與每個容器的理論中心軸線垂直的水平行進方向運輸容器的傳送器來使容器在輸送線上移動，使得容器的環表面因而處於面向上方的水平面中，該檢查線的特徵在於，該設施包括具有前述任一特徵的設備，該設備以其安裝軸線處於豎直位置的狀態被設置在該設施中，使得觀察場和入射光束向下定向而朝向位於設備與傳送器的運輸構件之間的安裝區。

在這樣的檢查線中，傳送器以容器的理論中心軸線與安裝軸線重合的方式來運載容器，且當它們重合時，在設備不接觸容器的情況下使用設備來獲得圖像。

附圖說明

以下描述結合附圖顯現多個其它特徵，附圖作為非限制性示例示出本發明的多個實施例。

圖1a和圖1b是展示用於執行本發明的方法的本發明的設備的軸向剖視圖，其中圖1a展示了示出光電傳感器的視圖的觀察射線，圖1b展示了來自光源且由容器的環表面反射且通過光學系統通向傳感器的入射射線的路徑。

圖1c是圖1a和圖1b的實施例的立體圖。

圖2a是類似於圖1a的視圖，展示了用於執行本發明的第二方法的本發明的第二設備。

圖2b是類似於圖1b的視圖，展示了本發明的第二設備的改型。

圖3是關於圖2a的設備和方法的示意圖，展示了光學幾何變換如何將實際環表面的點與理論環表面上的對應點之間沿理論中心軸線的方向的實際高度差，轉換為容器的環表面的圖像的相關點相對於環表面的理論圖像的相關點的圖像中的徑向偏移。

圖4是展示圖2a設備和方法的改型的視圖，其中光學系統是遠心的。

圖5a和圖5b是展示由本發明的方法和設備得到的兩個示例的視圖。

圖6是用於檢查容器且包括本發明的設備的設施的示意圖。

具體實施方式

圖1a至圖1c展示用於觀察容器的實際環表面的平坦度的顯示設備，該設備執行本發明的方法。圖1a至圖1c僅示出容器14的環12的頂部。容器14被限定為限定內側容積的中空容器，除了在一端處開放的頂環12以外，該容器在其整個周邊上閉合。

為了便捷起見，且僅僅作為任意限定，假定容器具有限定為其環12的理論中心軸線的理論中心軸線a1。而且任意假定環被設置在容器的頂端。因此，在本文中，高、低、頂和底的概念是對應於設備10和容器14的定向的相對值(如圖所示)。然而，應該理解，本發明可以以三維空間中的任何絕對定向來實施，只要各個部件被持續設置為相同的相關設置。

容器的環12是圍繞軸線a1的圓柱體。容器的本體(未示出)也可以選擇性地是迴轉體。環12經由其底端(未示出)被連接到容器的本體的其餘部分，而其另一自由端(被稱為「頂」端，作為本說明書上下文中的任意假定)被環表面16終止。理論上，環表面16是平面且平行於與軸線a1垂直的平面，其意義在於，其具有至少一條線與在連續360°上圍繞理論中心軸線的平面接觸，且其理論上為平面上的圈或環形。在本文中，在容器的實際環表面與理論環表面之間存在區別。因而，理論環表面是在與理論中心軸線a1垂直的參考平面中的平面。該參考平面可以被限定為與所討論的容器有關，例如圖1a中的參考平面pref，其與實際環表面16的一點(例如其沿理論中心軸線a1的方向的最高點)相切。替代性地，該參考平面可以例如位於實際環表面的最低高度、或者位於環表面在其角度範圍上的平均高度等。參考平面還可以獨立於容器來限定，例如參考顯示設備10的其中一個元件來限定，例如參考設備10的殼體的底表面來限定。

因此，觀察平坦度主要包括，觀察且儘可能量化實際環表面的給定點與理論環表面的對應點之間沿理論中心軸線a1的方向的位置偏移。這兩個點對應於以理論中心軸線為中心的柱坐標系，對應點具有相同的角坐標，其中一個點屬於實際環表面且另一點屬於理論環表面。換言之，忽略徑向位置的差，它們沿著理論中心軸線a1的軸向方向一個在另一個上方地豎直設置。

為了能夠正確檢查容器，需適當注意，容器被適當地呈現在顯示設備10的前面。為此，本發明的設備10具有安裝容器的安裝區。該安裝區可以由安裝軸線a'1限定且由安裝平面(未示出)限定，安裝平面被限定為垂直於安裝軸線a'1的平面且位於設備的最下點的水平高度。因此，為了被正確地檢查，容器需要以這樣的方式設置(present)：其理論中心軸線a1與安裝軸線a'1儘可能緊密重合，且其環設置為其開放的頂端面向設備10並且在安裝平面下方。理想情況下，兩個軸線a1和a'1重合。可以理解，本發明的整個顯示設備10可以被安置在安裝平面上方，容器被引進安裝平面下方而沒有與設備發生接觸的任何風險。容器14可以沿著垂直於安裝軸線a'1的方向的任何平移運動而被引入，而沒有與設備10發生幹涉的風險。

本發明的設備和方法利用二維光電傳感器18來獲得容器的實際環表面的二維圖像。該傳感器(也稱為矩陣傳感器)可以合併在相機19中，且可以是電荷耦合設備(ccd)或者互補金屬氧化物半導體(cmos)型。作為示例，傳感器18由光電元件的二維矩陣構成。傳感器通常與處理由光電元件供應的信號的電子線路相關，以便傳遞代表傳感器所接收圖像的模擬信號、數位訊號或計算機信號。接著，代表傳感器所接收圖像的該信號被傳遞到圖像處理設備和/或顯示設備和/或圖像儲存設備(未示出)。傳感器18通常與光學目標系統20相關，光學目標系統20可以包括一個或多個光學元件(特別是一個或多個薄透鏡)和可能的光圈，其互相關聯以便能夠在傳感器上形成圖像。

在圖1a至圖1c的示例中，與傳感器18相關的光學目標系統20是遠心目標系統。這種遠心目標系統對於工業顯示設備領域的技術人員來說是公知的，因為其在傳感器上用於形成沒有或幾乎沒有視差效應的圖像。在光學理論中，遠心目標系統是入射光瞳(inletpupil)位於無限遠處的目標系統。因此，這樣的目標系統使用觀察射線(平行或幾乎平行)觀察其圖像區域，由此沒有任何視差效應。優選地，目標系統20的光軸與安裝軸線a'1重合。然而可以想像，光軸不是直線的而是分段的，但例如通過將偏轉鏡合併入目標系統來分段。因此，可以提供相對於安裝軸線呈45°的偏轉鏡，以便具有：第一光軸段，其在傳感器旁邊，設置為相對於安裝軸線呈90°；以及第二段，其在偏轉鏡的另一側，設置為與安裝軸線a'1匹配。

在圖1a至圖1c中，光學系統沿著軸線a'1豎直設置，且面向下方以觀察設備下方的安裝區，從而觀察設置在安裝區中的任何容器14。因此，光電傳感器18在顯示設備的頂部處且面向下方朝向安裝區。通過這種構造，可以理解，放置在安裝區中的容器14的理論環表面因此被包含在與傳感器的平面平行的平面中。因此，通過單個遠心目標系統，而沒有任何其它光學系統，在傳感器上形成的環表面的圖像不能「看到」平坦度的缺陷。相反，沒有環表面的高度的變化會被看到。

因此，在本發明中，在容器的安裝區與傳感器之間插置光學系統24，以此在傳感器上形成被置於安裝區中的這樣的容器的環表面的圖像。除了光學目標系統20之外，光學系統包括至少一個光學元件22，在該示例中，光學元件22設置在目標系統20與安裝區之間。因此，傳感器18與安裝區之間的整個光學系統24包括目標系統20和光學元件22。

為了實際目的，安裝軸線a'1被限定為在安裝區內延伸光學系統24的光軸。

在所示示例中，傳感器18、其目標系統20、光學元件22和安裝區沿著相同的安裝軸線a'1以該順序對齊。

在本發明的一個方案中，該方法包括以下步驟：通過將實際環表面轉換為環表面圖像的光學幾何變換(在該示例中，通過光學系統24)，在傳感器上形成環表面的平面圖像。理論上，相同的變換將理論環表面轉換為理論環表面圖像，其意義在於，理論環表面圖像是通過將變換應用到與理論環表面重合的實際環表面而形成的圖像。該光學幾何變換(圖3中示出其一個示例)將實際環表面的測試點(pointunderconsideration)t'與理論環表面的對應點t之間沿理論中心軸線方向的實際高度差dz，轉換為容器的環表面圖像的圖像點it'相對於理論環表面圖像的對應圖像點it的圖像中的圖像徑向偏移dr。理論環表面的對應點t是在以理論中心軸線為中心的柱面坐標系中與參考點t'具有相同角坐標的理論表面的點。容器的環表面的圖像的圖像點it'是通過光學系統看到的實際環表面的測試點t'的圖像，並且是光學幾何變換的結果。理論環表面圖像的對應圖像點it是通過光學系統觀察的理論環表面的對應點t的圖像，並且是光學幾何變換的結果。

優選地，光學幾何變換不影響圍繞軸線的環的表面的兩個點的相對角度定位，其意義在於，實際環表面的由圍繞理論中心軸線的角度差分開的兩個點，在由光學幾何變換得到的圖像中的各自的圖像同樣由圍繞理論中心軸線的圖像的相同角度差分開。

在圖1a至圖1c所示示例中，光學元件22(執行該光學變換的主要部件)包括主反射表面26，該主反射表面26是圍繞安裝軸線a'1的迴轉表面且設置為將來自實際環表面的光線反射向傳感器。因此，主反射表面26具有鏡面反射性能。有利地，其可以由平面鏡形成，但也可被製作為稜鏡的形式，即光學界面的形式。

安裝軸線a'1可以被限定為主反射表面26的迴轉對稱的軸線。

在第一示例中，來自實際環的表面的光射線通過直接的反射(即，沒有任何其它反射表面)被反射向傳感器。

在圖1a至圖1c所示的示例中，主反射表面26是背向安裝軸線a'1且朝向安裝區擴張(flare)的迴轉表面。更具體地，主反射表面26包括具有小直徑和大直徑的凸形截頭錐形表面，小直徑和大直徑均小於理論環表面的直徑。小直徑設置為沿安裝軸線較靠近傳感器，而大直徑設置為較靠近安裝區。

在本發明的一個方案中，因為該光學幾何變換，所以在圖像平面中由傳感器採集且由單位實際高度差引起的圖像徑向偏移，大於由於實際環表面的測試點與理論環表面的對應點之間的相同尺寸的實際徑向偏移引起的圖像徑向偏移。換言之，實際高度差的影響大於在光學幾何變換之後得到的圖像的徑向偏移中的實際徑向差的影響。因此，實際環表面相對於理論環表面的1毫米(mm)的高度偏移產生第一圖像徑向偏移，而實際環表面相對於理論環表面的1mm的徑向偏移產生第二圖像徑向偏移，且在本發明中，第一圖像徑向偏移大於第二圖像徑向偏移。

在本發明的設備中，該優點由以下實施提供：光學系統限定了一個周邊觀察場，該周邊觀察場使用被徑向觀察射線從上方觀察環表面，該徑向觀察射線被包含在含有安裝軸線的徑向平面中且相對於與安裝軸線a'1垂直的平面pref形成一觀察仰角，該觀察仰角在任何情況下均小於45°並優選地小於25°。

優選地，周邊觀察場圍繞安裝軸線a'1而沒有任何方位的中斷。特別地，在圍繞安裝軸線成角度地無限接近的兩個觀察徑向射線之間沒有方位角不連續。其結果是，圖像中沒有使圖像難以解析的視點中斷。

優選地，周邊觀察場還是方位角連續的，其意義在於，圍繞安裝軸線沒有方位觀察角度被遮蔽。然而，在某些情況下，特別是由於硬體安裝局限性，可能發生一個或多個圍繞安裝軸線的角度區域被遮蔽，同時避免任何方位中斷。優選地，這樣被遮蔽的方位角度區域具有圍繞安裝軸線的小範圍或很小範圍，優選地小於10度，更優選地小於5度。

圖1a中示出該周邊觀察場的實施例。該觀察場圍繞安裝軸線a'1延伸360℃。該場「從上方」觀察，其意義在於，從平面pref上方觀察環表面，該平面pref垂直於環表面的理論中心軸線a1、且在至少一個點與環表面相切，優選在環表面的沿理論中心軸線a1的方向的最高點相切。觀察仰角對應相對於與觀察射線的安裝軸線a'1垂直的平面的角度γ，該觀察射線來自環表面且適於通過光學系統24被傳感器看到。在具有遠心光學系統的設備的內容中，傳感器看到的觀察射線都平行地進入目標系統。而且，如果主反射表面26是由直線產生的截頭圓錐表面，如圖1所示的系統，則觀察仰角γ對於所有觀察射線是相同的角度，且可以由主反射表面26相對於安裝軸線a'1的傾斜角直接推導出。

然而，如以下說明的，對於沒有遠心目標系統的設備，或者其中光學元件22不是嚴格地由直線生成的錐體，傳感器看到的觀察射線可能具有彼此不同的觀察仰角。在所有情況下，可以使用這樣的慣例：觀察仰角是相對於垂直於觀察射線的安裝軸線a'1垂直的平面的最大角度，其中該觀察射線來自環表面16且適於通過光學系統24被傳感器18看到。

在圖1a所示的本發明的設備的實施例中，其具有在與安裝軸線垂直的平面中呈凸形的截頭錐形的主反射表面26，由於該性質，特別地通過主反射表面26相對於安裝軸線a1的角度保證：在通過光學幾何變換得到的圖像徑向偏移中，實際高度差的影響大於實際徑向差的影響。更準確地說，凸形主反射表面26的頂點α特性處的半角確定了實際表面相對於理論環表面的高度差與徑向差之間的對於圖像徑向偏移的影響的比例。頂點α處的半角越接近45°，高度差對圖像徑向偏移的影響越大。自然地，儘管如此應該注意保證頂點處的該半角保持小於45°，從而使承載主反射表面26的光學元件22可以設置在環表面16上方，使得傳感器18因而通過光學系統24從上方看到環表面16。在所有情況下，在頂點α處的該半角大於22.5°，以此保證在圖像徑向偏移中實際高度差的影響大於實際徑向偏移的影響。

主反射表面不必呈截頭錐形，而可以是具有雙曲率的擴張迴轉表面，通過將一段非直線曲線(例如，一段拋物線、雙曲線或橢圓)圍繞安裝軸線a'1掃過而生成該擴張迴轉表面。作為示例，在徑向平面中，該表面可以呈現凹形或凸形的輪廓，而在與安裝軸線a'1垂直的平面中保持其凸形輪廓。這種具有雙曲率的表面可以特別地用於使系統24相對於傳感器呈整體遠心，即使目標系統20自身是非遠心的。

優選地，在本發明的方法中，在實際環表面的所述點與理論環表面的對應點之間，對應於單位實際高度差的圖像徑向偏移至少是對應於相同尺寸的實際徑向偏移的圖像徑向偏移的2.14倍，優選為至少3倍。其結果是，確保在得到圖像中，很大一部分徑向偏移是由於實際環表面相對於理論環表面的高度的偏移，而非這兩個表面之間的徑向偏移。

在圖1a的設備中，光學幾何變換中的該比例3對應於主反射表面的頂點處的半角大於35.785°。該值使得可能得到小於18.43°的觀察仰角。在圖1a所示的實施例中，觀察仰角是15°，且主反射表面26的頂點α處的半角是37.5°。更一般地，凸形主反射表面26可以是圍繞安裝軸線a'1在360°上連續的截頭錐形迴轉表面，且其在頂點α處的半角等於45°減去觀察仰角的一半。

優選地，反射表面26圍繞安裝軸線a'1沒有曲率不連續，其中在與安裝軸線a'1垂直的平面中分析該曲率，以便確保觀察場沒有方位中斷。

優選地，反射表面26在方位上也是連續的，其意義在於，其可以圍繞安裝軸線a'1連續反射而沒有任何遮蔽區域，以此保證觀察場的方位連續性。

在本發明的另一方案中，觀察方法提供了使得容器的實際環表面16被周邊的(即圍繞安裝軸線a'1延伸360°)入射光束照射。環表面被從上方照射，其意義在於，入射光線到達環表面16且來自位於平面pref上方的點，其中平面pref與理論中心軸線a1垂直且與環表面的點相切，優選在其沿著理論中心軸線a1方向的最高點處相切。該周邊入射光束包括入射徑向光線，該入射徑向光線被包含在含有安裝軸線的徑向平面中，所述入射徑向射線被導向該軸線，如圖1b所示。入射徑向射線可以是平行射線，但這並非必要的，且在圖1b所示的方法中，周邊入射光束包括處於給定徑向半平面pr(如圖1c所示)中的非平行徑向射線，該給定徑向半平面pr包含安裝軸線且由安裝軸線限定。一些徑向射線被導向安裝軸線而非必須垂直於安裝軸線。相比之下，圖1b示出周邊入射光束可以包含徑向射線，該徑向射線相對於與安裝軸線垂直的平面形成優選處於0至45度的範圍內的仰角。優選地，光束包含在連續或大致連續的角度散布(angularspread)上的徑向射線。該散布可以具有至少30度或甚至更多的角度範圍。該散布中包含的射線可以相對於與理論中心軸線垂直的平面形成處於5至40度範圍內的仰角。

在本發明的設備中，該設備因而包括照射系統，該照射系統適於供應這樣的包括徑向射線的周邊入射光束，其中徑向射線被包含在含有安裝軸線a'1的徑向平面中。優選地，該照射系統包括以安裝軸線a'1作為其軸線的環形光源28。優選地，該光源的直徑大於將要使用該設備檢查的容器的實際環表面的直徑。該環形光源28設置在安裝區上方，因而在實際環表面上方。在包含安裝軸線a'1且由安裝軸線限定的徑向半平面pr中，環形光源28對應於可以為點光源的光源，或者相反地，如圖所示，其可以在該半平面pr中具有一定範圍。該光源照射向安裝區，因而照射向安裝軸線，但相對於安裝區形成一角度，以便向下照射。如果該光源不是發出平行射線的光源，則其優選在該徑向半平面中發出光錐，該光錐包含連續或大致連續散布的徑向射線，如圖1b所示。作為示例，該散布可以相對於與理論中心軸線垂直的平面形成呈5至40度的角度區域。該散布的角度範圍可以被一個或多個遮蔽部限制。然而，光源可以在大得多的散布上發光。

只要光源28是周邊的，其可以被認為是多個光源，該多個光源可以是點光源或準點光源(quasi-pointsource)，設置為圍繞安裝軸線a'1且各自發出如上限定的光的散布。光源優選在圍繞安裝軸線的整個360°周邊上連續，其意義在於，在每個徑向半平面中，光源發出相同的光散布。然而，實際上，光源不是完全連續的。因此，可能發生的是，其在圍繞軸線a'1的優選有限的角度區域上被中斷。還可能發生的是，光源是不連續的，其意義在於，光源由一系列並列且離散的單獨光源組成，例如由一系列發光二極體形成。

優選地，入射束以一入射角從上方照射環表面16，該入射角使得在入射射線的反射點t'處(對於該反射點，被實際環表面反射的射線被傳感器看到)，環表面的法線「n」相對於軸線a'1形成小於30°、優選小於10°的角度。在最佳形狀的構型中，在實際環表面對應於理論環表面的情況下，這將保證由環表面反射且由傳感器18看到的光是被環表面的局部最高點或靠近局部最高點的點反射的光。這裡僅考慮待檢查的環表面和設備的徑向半平面pr中發生的情況。因此，環表面的局部最高點是環表面在該徑向半平面pr中的輪廓中沿安裝軸線的方向的最高的點。而且，局部最高點被限定為這樣的點：對於該點，環表面的法線平行於安裝軸線。圖1b示出由光源發出且由環表面的點t'反射的入射射線作為由主反射表面26攔截且被光學系統送向傳感器的反射射線。作為示意，點t'處的環表面16的法線「n」大致平行於安裝軸線的方向，且點t'是環表面在對應的徑向半平面中的輪廓的局部最高點。

在本設備的情況中，通過為光源28選定適當的位置來滿足這樣的條件。作為示例，該位置可以由光源28的直徑來限定並由其沿安裝軸線a'1的方向的高度位置來限定，從而限定可照射環表面的射線的入射角度。自然，實際環表面16的直徑和高度位置，結合環表面上反射點處的法線的定向，確定了由光源28發出的哪些射線將會被反射向傳感器。因此可以理解，對於每個環表面直徑，有必要或者適應光源的直徑，或者適應其相對於環表面16的高度位置。然而，並非必須檢查環表面的局部最高點。特別地，在環表面為平面且為環形的情況中，環表面的內徑向邊緣和外徑向邊緣必然略呈圓形，這意味著即使入射光的反射點位於這樣的圓形部上，反射點與局部最高點之間的高度差通常被認為是可忽略的。在環表面的輪廓在徑向半平面中呈圓形的情況下，還認為在非局部最高點的點上發生反射的事實可以被這樣的事實極大地補償：這樣的情況在整個360°的周邊上重複，使得從分析平面的觀點看，此種方式產生的誤差通常可以認為是可忽略的。因此，雖然能夠設置這樣的設備，其中可通過調節光源的徑向位置或調節其沿安裝軸線方向的位置來調節光源，以便調節環表面上光束的入射角度，但是不必這樣設置。因此可以設置一種設備，其中存在具有限定的直徑和沿安裝軸線方向固定的位置的單一環形光源。在這樣的情況下，有利地選擇環形光源28的直徑及其沿軸線的方向的位置，以便滿足上述條件，或者對應於被檢查的容器的平均環表面直徑，或者對應於優選的環表面直徑，該優選的環表面直徑對應於最頻繁地被設備檢查的容器。在一個改型中，為了覆蓋環表面直徑的儘可能大的範圍，設備可能設有多個環形光源，例如沿著安裝軸線的方向和/或不同直徑的偏移的多個環形，這些不同光源能夠被同時使用或者作為被檢查的容器的環表面直徑的函數而交替使用。

圖2a和圖2b示出具有主反射表面126和偏轉反射表面132的本發明的設備的第二實施例，其適於執行本發明的第二方法。

一圖像採集系統包括傳感器18、其目標系統20和可選圖像處理器、顯示器和/或儲存設備，該圖像採集系統與參考圖1的實施例描述的圖像採集系統相同，因此在第二實施例的說明中不再描述。同樣地，這兩個實施例中可以使用相同的照射系統，因此不具體描述照射系統(除了圖2b所示的改型之外)。

在第二實施例中，設置在傳感器18與安裝區之間的光學系統124具有呈面向安裝軸線的迴轉表面形式的主反射表面126。該迴轉表面沿安裝軸線的方向擴張且具有小直徑和大直徑，小直徑和大直徑均大於理論環表面的直徑。以此方式，主反射表面126可以將來自實際環表面的呈觀察仰角γ的光線反射向安裝軸線a'1。

在該第二實施例中，該設備包括在主反射表面126與傳感器18之間的至少一個第二反射表面。如圖2a所示，被主反射表面126反射的射線被偏轉反射表面132攔截。偏轉反射表面132設置在傳感器的觀察場中，該觀察場由光學目標系統20限定。在該示例中，該偏轉反射表面132包括背向安裝軸線a'1的迴轉表面，以便將射線朝偏轉向傳感器。

在該實施例中，與第一實施例不同，即使主反射表面126是以安裝軸線a'1作為其軸線的迴轉表面，其仍然設置為將來自實際環表面的呈觀察仰角γ的光線間接反射向傳感器18。特別地，主反射表面126上的反射是間接的，因為在到達傳感器18之前還有後續的至少一次反射，在本示例中是偏轉反射表面132上的反射。

在所示實施例中，主反射表面126是在垂直於安裝軸線a'1的平面中凹陷的截頭錐形表面的一部分。作為示例，其形成在環形件122的內表面上。

對於第一實施例，主反射表面126無需呈截頭錐形，而是可以是具有雙曲率的擴張迴轉表面，同時在與安裝軸線a'1垂直的平面中仍然保留凹陷。

在所示實施例中，偏轉反射表面132是以安裝軸線a'1作為其軸線的凸形截頭錐形表面。偏轉反射表面132形成在截頭錐134的外表面上。在所示實施例中，其具有小直徑和大直徑，小直徑和大直徑均小於被檢查的容器的環表面的直徑，但該特性並非必要。大直徑位於小直徑下方。偏轉反射表面132位於目標系統20所限定的傳感器18的觀察場內。

在有利實施例中，主反射表面126與偏轉反射表面132之間的射線行經(跟隨，follow)的路徑垂直於或大致垂直於安裝軸線。這樣的設置用於顯著降低設備對於任何主反射表面126或偏轉反射表面132的定心缺陷的敏感度。為此目的，截頭錐形偏轉反射表面132在頂點處的半角為45°，且設置在沿安裝軸線a'1的方向與主反射表面126相同的高度處。主反射表面126在頂點處的半角α'則等於期望觀察仰角的一半的。因此，對於15°的期望觀察仰角γ，主反射表面126呈在其頂點處的半角α'等於7.5°的錐形，該截頭錐形的主反射表面126向下擴張，從而使其大直徑沿安裝軸線方向處於其小直徑下方。

然而，還可以提供該第二實施例的改型，其中偏轉反射表面132是在頂點處具有小於45°(例如等於45°減去角度δ(δ))的半角β的截頭錐形表面。在這樣的情況下，偏轉反射表面132設置在主反射表面126的水平面下方，且主反射表面126在頂點處的半角β'等於期望觀察仰角的一半減去角度δ(δ)的值。如果通過這種方式得到的值是負的，則這意味著與優選實施例不同，主反射表面126向上擴張，其大直徑設置在其小直徑上方。

在上述兩個示例設備中，確保傳感器18通過光學系統24或124以低掠觀察仰角(grazingobservationelevationangle)γ觀察環表面，即，形成相對於與安裝軸線垂直的平面較小、且優選小於25°或更小的角度。而且，在兩個實施例可以看到，環表面16被「從內側」觀察，即，觀察射線在環表面與傳感器之間的路徑，在離開環表面16且通向主反射表面26、126時被導向安裝軸線。與之相反，兩個實施例不同，其意義在於，在第一實施例中，主反射表面26相對於環表面的直徑被徑向設置在內側，而在第二實施例中，主反射表面126相對於環表面16的直徑被徑向設置在外側。在第一實施例中，來自環表面16的觀察射線被在相同的徑向半平面pref中的主反射表面26攔截，行經短路徑。在第二實施例中，來自環表面16的觀察射線在與其環表面上的原點呈直徑相對的點處被主反射表面126攔截，行經與安裝軸線a'1相交的長路徑。對於給定觀察仰角γ，可以理解，在第二實施例中，在主反射表面26或126與環表面16之間沿安裝軸線方向所需的距離比在第一實施例中大。

在第二實施例中，光源28也是環形光源28，其直徑比環表面的直徑更大。在所示示例中，環形光源28的直徑大於承載主反射表面126的環形件122的直徑。在該實施例中，光源28設置在沿安裝軸線的方向與主反射表面126具有大致相同高度處。然而，該位置僅僅是示例的，且可以作為被檢查的容器的環表面的直徑和軸向位置的函數來調節。

該第二實施例具有可以使光學系統124沿安裝軸線的方向與環表面距離更大的優點。

可以觀察到，圖2b示出僅在以下事實不同於圖2a的實施例的改型：除環形光源28之外，照射系統還包括設置在環形光源28的緊下方的反射器140。在該示例中，反射器140包括面向安裝軸線的截頭錐形表面。反射器140的表面向上擴張，因而具有與光源28的直徑大致相同的直徑。其將光源28發出的大致豎直的射線以低掠入射角反射向安裝區。這樣的反射器用於將光源28發出的光以有利於本發明的低掠入射角集中在環表面上。

圖3是示出由光學系統執行的光學幾何變換的示意圖，這是在第二實施例的情況中的該示例中示出。因此，可以看到實際環表面16的點t'與理論環表面的對應點t之間的差。在該示例中，該差僅僅是豎直距離dz，因而是僅沿安裝軸線方向延伸的差。來自理論環表面的點t且通向光電傳感器的觀察射線的「理論」路徑由連續線表示，而來自實際環表面的點t'的觀察射線的路徑由虛線表示。在圖3的底部中，可以看到傳感器通過光學系統看到的圖像i的投影，該圖像具有表示理論環表面圖像的線i16。在該示例中以線i16'的形式示出實際環表面圖像，其為光學系統24或124形成在傳感器18上的在環表面16上反射的入射光束的圖像。沿圖像中徑向方向，該線的厚度特別地由環表面在徑向平面中的截面的輪廓形狀(例如，平面、圓形、倒置v形或多邊形)、光源在相同徑向平面中的的範圍、以及光源傳輸的光的散布角度來確定。線l1和l2示出由光學系統、特別是由主反射表面126沿安裝軸線方向的尺寸施加的觀察場的界限。由非連續線畫出的實際環表面圖像i16'與使用連續線畫出的理論環圖像i16在整個周邊上大致重合。但是可以看到，在對應於具有局部缺陷的環表面的點t'的角度區域中，實際環表面圖像i16'偏離理論環圖像i16，且在圖像中具有圖像徑向偏移dr。可以看到，通過由於光線系統124的光學幾何變換，沿安裝軸線方向的高度差dz被轉換為傳感器看到的圖像中的圖像徑向偏移dr。

在所示實施例中，該轉換可以由以下關係寫出：

dr＝dz*g*cos(γ)

其中g是目標系統20的放大率。

如果繪製等效視圖來示出實際環表面與理論環表面之間的徑向差的影響，則可以看到，該差對圖像偏移dr的影響非常小，其與觀察仰角γ的正弦成比例。因此，通過使用小於25°、或者實際上小於18.43°的觀察仰角，任何這種徑向差的影響均被顯著最小化。

可以看出，在本發明的方法中提出並由本發明的光學系統實現的光學幾何變換，在傳感器上形成實際環表面的完整且連續的光學圖像。該完整且連續的光學圖像僅通過作用於光的光學方法形成在傳感器上而無需任何數位化變換。在所示示例中，該完整且連續的光學圖像通過光學系統24形成在傳感器上而無需任何數位化變換。

應該觀察到，光學系統24、特別是目標系統20聚焦在環表面16上(忽略強散光像差)，以便使環表面16與傳感器表面共軛(conjugate)。來自光源18且在環表面16上反射的光射線用於形成環表面的圖像。其供應必要的光。

換言之，環表面的圖像i16'優選由入射光線的徑向射線構成，該入射光射線已經在環表面16上通過鏡面反射被反射，並被特別包括主反射表面26、126的光學系統24引導至傳感器18。在某些實施例中，認為實際環表面的圖像i16'僅由入射光束的徑向射線構成，其被環表面16上的鏡面反射所反射，且被特別包括主反射表面26、126的光學系統24引導至傳感器18。

通過本發明的設備或方法得到的圖像可以以被觀察的圖像的形式來使用。因此，操作者可以視覺檢查這些圖像，以便檢查任何環表面缺陷和確定缺陷的類型。特別地，依據實際環表面的圖像i16'的形狀，相比更廣泛散布的缺陷，操作者能夠區分高度局部化的缺陷。

在大多數情況下，環表面的圖像i16'可以被看作一條線，其中可以限定表示環表面的圖像的線i16'，例如通過選擇環表面的圖像的內邊緣線或外邊緣線或者中間線作為表示線。

表示理論環表面圖像的理論線i16可以是預限定的線，例如是以安裝軸線的圖像ia'1為中心的圈。可以從環表面圖像i16'推導出表示理論環表面圖像的理論線i16，例如通過在圖像處理設備內計算，通過對該圖像應用數位化變換來尋求估計作為環表面圖像i16'的函數的對應理論線。

從以此方式得到的圖像中，本發明的方法可以包括確定步驟，該確定步驟包括確定表示環表面的圖像的線i16'與表示理論環表面圖像的理論線i16之間的圖像徑向差。為此，作為表示環表面的圖像的線，可以使用由傳感器上的光學系統24或124形成的入射光束在環形表面上的反射的圖像。在本發明的設備中，該確定可以通過與傳感器18相關的圖像處理設備(特別是例如包括計算機)來執行。

圖4示出本發明的第三實施例，其與第一實施例的不同僅在於與傳感器18相關的光學目標系統20不是遠心目標系統而是常規目標系統，例如，是可以在相機中找到、且該目標系統的入射光瞳位於目標系統之中的目標系統。在這樣的情況下，可以看到，安裝區中的觀察射線在徑向半平面pr中不再彼此平行，而是相反地呈現了一定量的發散。因此，對於給定的實際高度變化dz，觀察到的偏移dr隨著環與軸線a'1的距離而變化。其結果是，環的軸線a1相對於安裝軸線a'1的徑向偏移引起實際環圖像的形狀(非圓形曲線)的複雜變化。

無論光學系統24、124是否是遠心，實際環表面相對於安裝軸線的徑向偏移會引起實際環的圖像的幾何形變。遠心系統減少且簡化了這些形變。

與理論環表面圖像相比，實際環表面的圖像可以因而結合多個形變，特別是：

a)與實際環表面相對於理論環表面的偏心相關的形變；

b)與實際環表面的橢圓化(ovalized)相關的形變；

c)與實際環表面的入射角相關的缺陷；以及

d)與平坦度的缺陷相關的形變。應該理解，由於觀察的低掠入射角(小的γ)，與平坦度缺陷有關的缺陷被最大化，而其它缺陷可以被忽略。然而，為了提高精度，處理系統可以對各種形變進行鑑定和/或定性和/或量化。

圖5a和圖5b示出可使用本發明的設備或方法得到的圖像。這些圖像可以在傳感器18上直接得到，僅由光學系統24通過光學幾何變換直接得到，且這些圖像包括實際環表面圖像i16，該實際環表面圖像在其圍繞理論中心軸線ia1的圖像的整個周邊上連續。

在圖5a中，虛線示出實際環表面圖像i16'，圖像i16'的理論中心軸線a1與安裝軸線a'1重合。在這樣的情況下，由連續線繪製的理論環圖像i16優選地為圓形圖像，因而容易通過觀察曲線i16'與i16之間的圖像徑向偏移來鑑定平坦度的缺陷。

圖5b示出實際環表面圖像i16'，其理論中心軸線a1的例如相對於安裝軸線a'1呈徑向偏移和/或傾斜。在這樣的情況下，理論環圖像i16不是完全的圓形圖像，而是相對於安裝軸線的圖像ia'1呈偏心的閉合曲線。作為示例，閉合曲線i16的形狀大致呈橢圓形。對於該閉合曲線i16，能夠確定重心ia1且從重心ia1確定實際環表面的圖像點i16'與在理論環圖像i16中具有相同角坐標的對應點之間的距離差。該距離可以被用於確定平坦度的缺陷。替代性地，可被用於確定將理論環圖像i16返回到定心圈(centeredcircle)的幾何變換，且可以將該變換應用到實際環圖像i16'，從而通過消除由於偏心和/或傾斜角的誤差而返回到圖5a的情況。

圖6示出採用本發明的設備10的用於檢查容器14的檢查線200。在所示示例中，容器14被傳送器210移動，傳送器210沿著行進方向、例如沿著與每個容器14的理論中心軸線a1垂直的水平平移來輸送容器14。在所示示例中，傳送器210包括傳送帶212，容器14通過其底表面(也被稱為支承平面)被放置在傳送帶212上，其理論中心軸線a1豎直設置。傳送器可替代性地包括輸送輪，輸送輪使容器14沿環形行進路徑移動，特別是在水平平面中移動。傳送器210還可以具有與容器14的側面相配合的引導裝置(未示出)。因此，容器14將其環表面16呈現在面向上的水平面中。傳送器210沿著本發明的裝置10下方的水平路徑運載容器，而沒有與設備10幹涉的任何風險。設備10可以包括殼體230，該殼體特別地包含傳感器18、目標系統20、主反射表面126和可能的偏轉反射表面132(如圖6所示)。殼體230設置在傳送器上方。在殼體230內部，本發明的設備10設有其位於豎直位置的安裝軸線a'1，由此使觀察場和入射光束向下定向，朝向位於殼體130的底表面與傳送帶212之間的安裝區z。因此可以理解，在該檢查站中，傳送器210帶動容器而使其理論中心軸線a1儘可能與安裝軸線a'1重合。當它們重合時，使用設備10獲得圖像，無需容器的任何處理或傳送器的任何停止。然後，設備10得到的圖像可以被送至處理系統240，例如，圖像處理設備和/或顯示設備和/或圖像儲存設備，例如，包括計算機的計算機系統。然後，可以分析以此方式所獲得的圖像，且能夠識別甚至量化該圖像中的容器14的環表面16的平坦度缺陷。

因此，該設備和方法不涉及與被檢查的容器的物理接觸。本發明的設備比現有技術的設備更便宜且更緊湊，因而特別可以被容易地安裝到用於檢查物品的檢查站或檢查線中，該檢查站或檢查線可以包括用於執行其它檢查的其它設備，且檢查站或檢查線可以特別地被安裝在容器一個接一個地行進的生產線上。因此，這樣的設備可以在線上檢查容器，無論是容器生產線還是容器處理線或容器填充線。

本發明的設備和方法可以由單個二維光電傳感器來執行，例如由單個相機執行，仍然給出關於整個環表面的平坦度的信息，並且這可以從由傳感器直接獲取的單個光學二維圖像完成，而不需要分別獲取多個光學圖像。

本文以優選實施例描述了本發明的觀察系統，其中反射表面是反射鏡。可以想到通過具有類似的錐形表面(例如引起全內反射)的稜鏡型光學元件來獲得相同的結果。本發明意義上的光學元件可以包括菲涅爾透鏡。這樣的手段也可以用相同值的角度γ進行觀察，並且通過這種手段可以為觀察而設置為遠心等。

本發明並不局限於所述和所示的示例，因為可以在不背離其範圍的情況下作出多種修改。