用於照明材料以進行自動化檢測的方法和設備的製作方法

2023-05-21 13:34:56

專利名稱：用於照明材料以進行自動化檢測的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及機器視覺，更具體地講涉及對透明或半透明材料的照 明以儘可能檢測和識別缺陷。
背景技術：
近年來，藉助強大的計算機技術，使用自動化設備執行一些此前 需要人眼來完成的檢測任務已成為可能。此類"機器視覺"技術已日 趨成熟，並且除了其它用途之外，還用於檢測片材和巻材。正確調配 機器視覺要求對被檢測的製品進行良好的照明，特別是當檢測透明或 半透明巻材的表面缺陷時。
已經採用的一種技術是所謂的"遠暗場"技術，其用於檢測會使 光強烈散射的缺陷。使用遠暗場技術時，將一個或兩個光源布置為使 其光線與照相機視線成一定角度入射到待檢測製品(例如膜或類似材 料)上。在沒有異常狀況(如缺陷)時，照相機通常接收不到來自這 些光源的光線。只有當光束經過表面缺陷時，光線才會被反射向照相 機，從而使缺陷表現為正常暗圖像上的亮區域。
另一種技術是所謂的"暗帶"技術，其用於檢測使光輕微散射或 偏轉的缺陷。使用暗帶技術時，來自光源的照明穿過巻材並直接射向 照相機。使用暗帶掩模將該照明漫射並衰減。此掩模旨在阻止大部分 漫射光進入照相機的視野。只有當表面缺陷使光線以其間接路徑反射或折射時，光才會轉向至照相機，從而使缺陷表現為正常暗圖像上的 亮區域。
這兩種技術各在突出顯示透光巻材的缺陷方面具有一些優勢，但 如果單獨採用這兩種方法的其中一種，仍會有一些缺陷無法檢測到。

發明內容
在一個示例性方面，本發明涉及用於照射透明、或半透明或其組 合形式的材料以通過光學接收設備(如照相機)進行檢測的照明系統。 該系統包括在照相機方向上照射材料的直接光源，以及位於直接光源 和照相機之間的暗帶。另外還包括至少第一暗場光源(在一些實施例 中還包括第二暗場光源)，其使光與照相機成一定角度照射透明材料。 如果存在第二暗場光源，則它的光照射材料時與照相機所成角度不同 於第一暗場光源的光照射材料時與照相機所成角度。構造系統時使得 暗帶光源的照明方向垂直於透明片材所在平面尤為合宜。在一些實施 例情況中，結果是通過第一暗場光源的照明方向與被檢測材料所在平 面的法線成約10至50度角來實現的，但這並非必需。如果存在第二 暗場光源，優選的是，第二暗場光源的照明方向也與透明片材所在平
面的法線成約10至50度角，但與第一暗場光源的方式不同，這也並
非必需。
在一些實施例中，將透鏡布置在第一和第二暗場光源與材料之間。 在一些實施例中，使用纖維導光管作為第一和第二暗場光源，並使用 柱透鏡作為透鏡尤為合宜。如下將更具體所述，本發明的教導是，與 直接光源相關的暗帶可比本領域中目前常採用的那些窄得多。當暗帶
寬度為約1.0至2.5mm時，結合本發明所公開的組合可獲得滿意的結 果，但此範圍並非必需。


圖1示出了帶塗層的光學薄膜中代表性小缺陷的顯微照片。圖2示出了帶塗層的光學薄膜中代表性大缺陷的顯微照片。 圖3示出了配有根據本發明的照明系統的機器視覺工位的示意性 側視圖。
圖4a示出了混合型缺陷的計算機採集照片的截圖，其中僅使用遠
暗場照明進行照射。
圖4b示出了對圖4a中圖像的水平切面的光強度用計算機生成的 曲線圖的截圖。
圖4c示出了圖4a中缺陷的計算機採集照片的截圖，其中僅使用 暗帶照明進行照射。
圖4d示出了對圖像4c沿著圖4b中圖像使用的同 一水平切面的光
強度用計算機生成的曲線圖的截圖。
圖4e示出了圖4a中缺陷的計算機採集照片的截圖，這次使用如 圖3所示的本發明的照明系統進行照射。
圖4f示出了對圖像4e沿著圖4b中圖像使用的同一水平切面的光 強度用計算機生成的曲線圖的截圖。
圖5示出了計算機屏幕的截圖，其顯示光四次通過測試巻材的同 一部分，其中光來自圖3中所示類型的照明系統。
具體實施例方式
申請人已發現，可以製備受單個成像照相機監控的單個工位形式 的照明構造，其兼具遠暗場和暗帶技術的優勢。更具體地講，可提供 結合了遠暗場照明和改進的暗帶照明的照明構造，該新型組合可比單 獨使用其中任何一種提供穩固得多的缺陷檢測。這兩種方法分別著重
於每種缺陷的不同方面。而其本身無法為某些缺陷生成可靠的信號對 比度。然而，從光學上進行組合時，它們可以為小型表面缺陷提供出 色的對比度，此對比度超過在後處理方法中將其各自圖像匯總可以實 現的對比度。使用任何單一方法或許只能勉強檢測到的缺陷部分得以 增強，達到可見並易於檢測的程度。
現在參見圖1，其提供了帶塗層的光學薄膜中典型小缺陷的顯微照片。基底中的細小劃痕可能會導致此類缺陷。相比之下，圖2示出 了一類可由(例如)塗層異常導致的大得多的缺陷。可以選擇對此前 已知的照明系統，以識別或者這種缺陷或者那種缺陷，但當兩種缺陷 同時存在時識別效果較差。
現在參見圖3,其示出了根據本發明的示例性照明系統10的示意
圖。照明系統10以相對於移動巻材12的運動方向(箭頭所示)的側
視圖示出，該巻材通常具有不確定長度。應該指出的是，該照明系統 也適用於檢測其他產品形式，例如透明(或半透明)的離散片材。
照明系統IO包括至少兩個光源，或在一些實施例中，包括三個光 源。直接光源14向著照相機16的方向發射光線。遠暗場光源18和20 與照相機16成一定角度(分別為a和e)發射光線。最合宜地，將直 接光源14布置在垂直於巻材12所在平面的方向上進行照射。在一些 實施例中，合宜的是使用纖維導光管或螢光燈作為光源在巻材12的整 個寬度上照射出一條光帶。雖然光帶的取向平行於巻材橫向方向較為 合宜，但不認為這是必需的。
合宜地，可釆用纖維導光管作為暗場光源18和20，但也可採用 雷射光源或其他光源。暗場光源18和20最好在巻材12的整個寬度上 照射出一條光帶，該光帶沿巻材橫向方向取向。然而，在一些實施例 中，這些光源與巻材12所在平面的法向成一定角度安裝。據信，與該 法向方向成約25度角是最有利的，但這並非必需。
在一些實施例中，使用透鏡來聚焦從直接光源和兩個暗場光源發 出的光線。例如，當使用纖維導光管作為光源時，可以使用與纖維導 光管平行取向的柱透鏡。柱透鏡22和24優選地將來自遠暗場光源18 和20的光線聚焦到巻材12的下側，在照相機16的正下方形成一條直 線。聚焦直接光源14光線的柱透鏡26可具有與柱透鏡22和24相同 的焦距，但來自直接光源的光線會被導向到擴散片28上。在擴散片28的正上方(或上面)安裝一個固體(例如拉索或窄金屬片)形成暗帶 30。在一些實施例中，優選的是暗帶30非常暗，合宜地可採用(例如) 具有炭黑色絕緣物質的線纜。對於為給定的應用選擇形成暗帶的合適 物體而言，本領域的技術人員是熟知的。
如下更具體所述，據發現，在本發明提供的元件的組合中，當遇 到需要當前被本領域稱為"暗帶照明"的情況(通常需要比照相機陣 列大得多的暗帶)時，最合適的暗帶比熟悉光學檢測的技術人員常使
用的要窄得多。已經發現的是，寬度為約0.04至0.10英寸(1.0到2.5mm)
的暗帶結合本發明可以實現非常好的結果。雖然不希望受到任何理論 限制，但是據信較窄的寬度(接近照相機陣列的寬度)可以形成衍射 現象，以利於缺陷的穩固檢測。無論如何，暗帶比所列範圍寬得多的 系統檢測細小劃痕的能力可能會明顯降低。而暗帶比所列範圍窄得多 的系統可能會導致照相機在直接光源的所有可用光輸出水平上飽和。
現在參見圖4a，其示出了帶塗層的透明薄膜上混合型缺陷的計算 機採集照片的截圖，其中僅通過遠暗場照明進行照射。計算機為從左 到右的三個檢測到的異常分配了任意的附圖標號"3" 、 "4"和"5"。 圖4b提供了對沿圖4a中圖像的水平切面(與標記缺陷相交)的光強度 用計算機生成的曲線圖的截圖。從此曲線圖中可以觀察到，曲線圖右 側的雙峰(與異常"5"相對應)較基線來說非常淺。對許多用途來說， 對此異常的檢測遠遠不夠穩固。
現在參見圖4c，其示出了圖4a中所示的同一組異常的計算機採集 照片的截圖，不同的是對於該圖像的生成，僅使用了暗帶照明。這次 計算機再次為從左到右的三個檢測到的異常分配了任意的附圖標號 "5" 、 "3"和"4"。圖4d提供了對沿圖4c中圖像的水平切面的光 強度用計算機生成的曲線圖的截圖。該水平切面與圖4b中分析的相同。 從此曲線圖中可以觀察到，曲線圖右側的雙峰(在該附圖中與異常"4" 相對應)較基線來說非常淺。對許多用途來說，對此異常的檢測仍然遠遠不夠穩固。
現在參見圖4e，其示出了圖4a中所示的同一組異常的計算機採集 照片的截圖，不同的是針對該圖使用了通常根據圖3來配置的根據本 發明的照明系統。這次計算機再次為從左到右的三個檢測到的異常分 配了任意的附圖標號"5" 、 "6"和"3"。圖4f提供了對沿圖4e中 圖像的水平切面的光強度用計算機生成的曲線圖的截圖。該水平切面 與圖4b中分析的相同。在此曲線圖中，可以容易地發現，通過本發明 的照明系統獲得了多麼穩固的異常檢測。對於所有檢測到的異常來說， 強度峰與基線之間的對比度非常尖銳和明顯。顯然，該新型照明系統 的作用遠非附加功能的範疇，其提供了實質性的協同增效。
實例
總體上如圖3所示構造巻材檢測工位。照明系統安裝在傳統巻材 處理系統的巻材路徑下方，位於惰輥之間的自由跨度上。將配有常規 150mm透鏡的AVIIVA CCD單色線掃描相機(可從CA， San Jose 的Atmel商購獲得)安裝在照明系統上方，並在巻材路徑上方83cm處。 該照明系統包括三個光源，每個都包括纖維導光管(可從SanDiego， CA的Fostec Imaging商購獲得)，並由4卯0型自動校準光源(Model 4卯0 Auto-Calibrating Light Source)(可從East Syracuse, NY的Illumination Technologies商購獲得)驅動。將直接光源朝正上方對準照相機，而兩 個遠暗場光源則與垂直方向成40度角。此外，三個光源都以其長軸平 行於巻材橫向方向取向。
三個光源的每一個都配有柱透鏡，每個透鏡都由光學透明的丙烯 酸類聚合物製成，並且直徑為1.25英寸(31.75mm)。在直接光源和巻材 下側之間安裝一個具有0.5英寸(12.5mm)寬狹槽的鋁框，使得直接光源 發出的光通過柱透鏡中的一個，然後穿過狹槽到達巻材下側。在狹槽 頂部安裝一個糙面精整的半透明膜式擴散片。在其正上方，將一條鋼 索安裝到鋁框上，以便提供沿狹槽長軸的暗帶。鋼索直徑為0.094英寸(2.38mm)，並塗有深黑色絕緣物質。
將照相機的輸出連接到個人計算機進行分析。該計算機運行 Matrox Inspector 2.2軟^牛包，其可從Matrox Imaging (Dorval, Quebec, Canada)商購獲得。有關分析來自照相機的信息流以進行缺陷識別的其 他背景技術信息可見於授予Skeps等人的共同轉讓的美國專利申請公 開No. 20050075801 "Apparatus And Method For Automated Web Inspection"(用於自動化巻材檢測的設備和方法)。其他背景技術信 息在Floeder等人的共同轉讓的美國專利申請公開No. 20050141760 "Maximumization of Yield for Web-based Articles"(最大程度地產出 巻材製品)中有所公開。二者均全文以引用方式併入本文。
巻材檢測工位用於檢測7mm厚的光學性能透明的聚酯膜，該類薄 膜可用於製造多種產品。對適用於該實驗的特定材料巻進行選擇，因 為它需要顯示多種可能的缺陷，從如溝槽和表面汙染的嚴重缺陷(尺 寸從一到幾百微米)到極其細小的劃痕(寬度約15到20微米) 一應 倶全。
在圖5示中出了計算機屏幕的截圖，其並排示出光四次通過巻材 的同一部分時的情況。第三列表示一次僅開啟直接光源以使得僅採/fl 改進的暗帶照明照射薄膜的實驗。電腦程式將檢測到的缺陷任意編 號。第四列表示一次僅開啟兩個暗場光源以使得僅採用改進的暗場照 明照射薄膜的實驗。同樣也將檢測到的缺陷任意編號。第一列和第二 列為同一次實驗的不同顯示，其中根據本發明的教導將三個光源全部 開啟。在第一列中，未對缺陷編號，從而可更好地觀察原始圖像。通 過前述內容應當了解，結合本發明的照明系統可產生明顯的協同增強 效應該系統不僅可以識別單獨使用更傳統的照明方法時可檢測的所 有缺陷，而且還能識別不易分辨的缺陷。此外，該系統在沒有增加傳 感器或處理設備的情況下便完成了檢測中照射缺陷的任務，從而獲得 了具有更高性能卻更簡單的檢測系統。儘管已結合本發明的多種實施例對本發明進行了特別展示和說 明，但是本領域內的技術人員應當理解，可以在不脫離本發明的精神 和範圍的前提下，對形式和細節進行多種其他更改。
權利要求
1.一種用於照射透明或半透明或其組合形式的片材以通過光接收設備進行檢測的系統，包括直接光源，所述直接光源在照相機方向上照射所述透明材料；暗帶，所述暗帶位於所述直接光源和所述照相機之間；至少第一暗場光源，與所述照相機成一定角度地照射所述透明材料。
2. 根據權利要求l所述的照明系統，還包括第二暗場光源，所述 第二暗場光源的光照射所述透明材料時與所述照相機所成角度不同於 所述第一暗場光源的光與所述照相機所成角度。
3. 根據權利要求2所述的照明系統，其中所述直接光源的照明方 向垂直於所述透明片材所在的平面。
4. 根據權利要求3所述的照明系統，其中所述第一暗場光源的照 明方向與所述透明片材所在平面的法線成約10至50度角。
5. 根據權利要求4所述的照明系統，其中所述第二暗場光源的照 明方向與所述透明片材所在平面的法線成約IO至50度角。
6. 根據權利要求5所述的照明系統，還包括布置在所述第一和第 二暗場光源與所述透明片材之間的透鏡。
7. 根據權利要求6所述的照明系統，其中所述第一和第二暗場光 源為纖維導光管，並且其中所述透鏡為柱透鏡。
8. 根據權利要求l所述的照明系統，其中所述暗帶的寬度與所述 照相機的成像寬度幾乎一樣寬。
9. 根據權利要求l所述的照明系統，其中所述直接光源為螢光光源、LED光源或與光纖設備耦合的光源。
10. —種製備照明系統的方法，所述照明系統用於照射透明片材以通過照相機進行檢測，該方法包括提供在所述照相機方向上照射所述透明材料的直接光源；提供位於所述直接光源和所述照相機之間的暗帶；其中至少第一暗場光源與所述照相機成一定角度照射所述透明材料。
11. 一種照射片材以檢測其異常的方法，包括 將光源的光沿光接收設備的方向導向透明材料； 將暗帶置於所述光源和所述光接收設備之間； 將暗場光源的光與照相機成一定角度導向所述透明材料。
12. 根據權利要求1所述的照明系統，還包括第三或更多的暗場 光源，其提供的光照射所述透明材料時與所述照相機所成角度不同於 所述第一或第二暗場光源的光與所述照相機所成角度。
13. 根據權利要求8所述的系統，其中所述暗帶的寬度約為所述 照相機的成像寬度的1至25倍。
全文摘要
本發明公開了將遠暗場照明和改進的暗帶照明相結合的照明構造。該新型組合可對例如透明膜的移動卷材提供更穩固的缺陷檢測，優於比單獨使用其中任何一種或將其各個部分簡單地組合在一起的情況。
文檔編號G01N21/88GK101611309SQ200880005045
公開日2009年12月23日 申請日期2008年1月21日 優先權日2007年2月16日
發明者史蒂文·P·弗洛德爾, 肯尼斯·G·布裡頓 申請人:3M創新有限公司