專利名稱：用于照明材料以進(jìn)行自動(dòng)化檢測的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)器視覺，更具體地講涉及對(duì)透明或半透明材料的照 明以盡可能檢測和識(shí)別缺陷。
背景技術(shù)：
近年來，借助強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)技術(shù)，使用自動(dòng)化設(shè)備執(zhí)行一些此前 需要人眼來完成的檢測任務(wù)已成為可能。此類"機(jī)器視覺"技術(shù)已日 趨成熟，并且除了其它用途之外，還用于檢測片材和巻材。正確調(diào)配 機(jī)器視覺要求對(duì)被檢測的制品進(jìn)行良好的照明，特別是當(dāng)檢測透明或 半透明巻材的表面缺陷時(shí)。
已經(jīng)采用的一種技術(shù)是所謂的"遠(yuǎn)暗場"技術(shù)，其用于檢測會(huì)使 光強(qiáng)烈散射的缺陷。使用遠(yuǎn)暗場技術(shù)時(shí)，將一個(gè)或兩個(gè)光源布置為使 其光線與照相機(jī)視線成一定角度入射到待檢測制品(例如膜或類似材 料)上。在沒有異常狀況(如缺陷)時(shí)，照相機(jī)通常接收不到來自這 些光源的光線。只有當(dāng)光束經(jīng)過表面缺陷時(shí)，光線才會(huì)被反射向照相 機(jī)，從而使缺陷表現(xiàn)為正常暗圖像上的亮區(qū)域。
另一種技術(shù)是所謂的"暗帶"技術(shù)，其用于檢測使光輕微散射或 偏轉(zhuǎn)的缺陷。使用暗帶技術(shù)時(shí)，來自光源的照明穿過巻材并直接射向 照相機(jī)。使用暗帶掩模將該照明漫射并衰減。此掩模旨在阻止大部分 漫射光進(jìn)入照相機(jī)的視野。只有當(dāng)表面缺陷使光線以其間接路徑反射或折射時(shí)，光才會(huì)轉(zhuǎn)向至照相機(jī)，從而使缺陷表現(xiàn)為正常暗圖像上的 亮區(qū)域。
這兩種技術(shù)各在突出顯示透光巻材的缺陷方面具有一些優(yōu)勢，但 如果單獨(dú)采用這兩種方法的其中一種，仍會(huì)有一些缺陷無法檢測到。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)示例性方面，本發(fā)明涉及用于照射透明、或半透明或其組 合形式的材料以通過光學(xué)接收設(shè)備(如照相機(jī))進(jìn)行檢測的照明系統(tǒng)。 該系統(tǒng)包括在照相機(jī)方向上照射材料的直接光源，以及位于直接光源 和照相機(jī)之間的暗帶。另外還包括至少第一暗場光源(在一些實(shí)施例 中還包括第二暗場光源)，其使光與照相機(jī)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(shí)與照相機(jī)所成角度不同 于第一暗場光源的光照射材料時(shí)與照相機(jī)所成角度。構(gòu)造系統(tǒng)時(shí)使得 暗帶光源的照明方向垂直于透明片材所在平面尤為合宜。在一些實(shí)施 例情況中，結(jié)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(shí)現(xiàn)的，但這并非必需。如果存在第二 暗場光源，優(yōu)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，這也并
非必需。
在一些實(shí)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(shí)施例中，使用纖維導(dǎo)光管作為第一和第二暗場光源，并使用 柱透鏡作為透鏡尤為合宜。如下將更具體所述，本發(fā)明的教導(dǎo)是，與 直接光源相關(guān)的暗帶可比本領(lǐng)域中目前常采用的那些窄得多。當(dāng)暗帶
寬度為約1.0至2.5mm時(shí)，結(jié)合本發(fā)明所公開的組合可獲得滿意的結(jié) 果，但此范圍并非必需。


圖1示出了帶涂層的光學(xué)薄膜中代表性小缺陷的顯微照片。圖2示出了帶涂層的光學(xué)薄膜中代表性大缺陷的顯微照片。 圖3示出了配有根據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng)的機(jī)器視覺工位的示意性 側(cè)視圖。
圖4a示出了混合型缺陷的計(jì)算機(jī)采集照片的截圖，其中僅使用遠(yuǎn)
暗場照明進(jìn)行照射。
圖4b示出了對(duì)圖4a中圖像的水平切面的光強(qiáng)度用計(jì)算機(jī)生成的 曲線圖的截圖。
圖4c示出了圖4a中缺陷的計(jì)算機(jī)采集照片的截圖，其中僅使用 暗帶照明進(jìn)行照射。
圖4d示出了對(duì)圖像4c沿著圖4b中圖像使用的同 一水平切面的光
強(qiáng)度用計(jì)算機(jī)生成的曲線圖的截圖。
圖4e示出了圖4a中缺陷的計(jì)算機(jī)采集照片的截圖，這次使用如 圖3所示的本發(fā)明的照明系統(tǒng)進(jìn)行照射。
圖4f示出了對(duì)圖像4e沿著圖4b中圖像使用的同一水平切面的光 強(qiáng)度用計(jì)算機(jī)生成的曲線圖的截圖。
圖5示出了計(jì)算機(jī)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(tǒng)。
具體實(shí)施例方式
申請(qǐng)人已發(fā)現(xiàn)，可以制備受單個(gè)成像照相機(jī)監(jiān)控的單個(gè)工位形式 的照明構(gòu)造，其兼具遠(yuǎn)暗場和暗帶技術(shù)的優(yōu)勢。更具體地講，可提供 結(jié)合了遠(yuǎn)暗場照明和改進(jìn)的暗帶照明的照明構(gòu)造，該新型組合可比單 獨(dú)使用其中任何一種提供穩(wěn)固得多的缺陷檢測。這兩種方法分別著重
于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(hào)對(duì) 比度。然而，從光學(xué)上進(jìn)行組合時(shí)，它們可以為小型表面缺陷提供出 色的對(duì)比度，此對(duì)比度超過在后處理方法中將其各自圖像匯總可以實(shí) 現(xiàn)的對(duì)比度。使用任何單一方法或許只能勉強(qiáng)檢測到的缺陷部分得以 增強(qiáng)，達(dá)到可見并易于檢測的程度。
現(xiàn)在參見圖1，其提供了帶涂層的光學(xué)薄膜中典型小缺陷的顯微照片?；字械募?xì)小劃痕可能會(huì)導(dǎo)致此類缺陷。相比之下，圖2示出 了一類可由(例如)涂層異常導(dǎo)致的大得多的缺陷?？梢赃x擇對(duì)此前 已知的照明系統(tǒng)，以識(shí)別或者這種缺陷或者那種缺陷，但當(dāng)兩種缺陷 同時(shí)存在時(shí)識(shí)別效果較差。
現(xiàn)在參見圖3,其示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性照明系統(tǒng)10的示意
圖。照明系統(tǒng)10以相對(duì)于移動(dòng)巻材12的運(yùn)動(dòng)方向(箭頭所示)的側(cè)
視圖示出，該巻材通常具有不確定長度。應(yīng)該指出的是，該照明系統(tǒng) 也適用于檢測其他產(chǎn)品形式，例如透明(或半透明)的離散片材。
照明系統(tǒng)IO包括至少兩個(gè)光源，或在一些實(shí)施例中，包括三個(gè)光 源。直接光源14向著照相機(jī)16的方向發(fā)射光線。遠(yuǎn)暗場光源18和20 與照相機(jī)16成一定角度(分別為a和e)發(fā)射光線。最合宜地，將直 接光源14布置在垂直于巻材12所在平面的方向上進(jìn)行照射。在一些 實(shí)施例中，合宜的是使用纖維導(dǎo)光管或熒光燈作為光源在巻材12的整 個(gè)寬度上照射出一條光帶。雖然光帶的取向平行于巻材橫向方向較為 合宜，但不認(rèn)為這是必需的。
合宜地，可釆用纖維導(dǎo)光管作為暗場光源18和20，但也可采用 激光光源或其他光源。暗場光源18和20最好在巻材12的整個(gè)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(shí)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(jù)信，與該 法向方向成約25度角是最有利的，但這并非必需。
在一些實(shí)施例中，使用透鏡來聚焦從直接光源和兩個(gè)暗場光源發(fā) 出的光線。例如，當(dāng)使用纖維導(dǎo)光管作為光源時(shí)，可以使用與纖維導(dǎo) 光管平行取向的柱透鏡。柱透鏡22和24優(yōu)選地將來自遠(yuǎn)暗場光源18 和20的光線聚焦到巻材12的下側(cè)，在照相機(jī)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(huì)被導(dǎo)向到擴(kuò)散片28上。在擴(kuò)散片28的正上方(或上面)安裝一個(gè)固體(例如拉索或窄金屬片)形成暗帶 30。在一些實(shí)施例中，優(yōu)選的是暗帶30非常暗，合宜地可采用(例如) 具有炭黑色絕緣物質(zhì)的線纜。對(duì)于為給定的應(yīng)用選擇形成暗帶的合適 物體而言，本領(lǐng)域的技術(shù)人員是熟知的。
如下更具體所述，據(jù)發(fā)現(xiàn)，在本發(fā)明提供的元件的組合中，當(dāng)遇 到需要當(dāng)前被本領(lǐng)域稱為"暗帶照明"的情況(通常需要比照相機(jī)陣 列大得多的暗帶)時(shí)，最合適的暗帶比熟悉光學(xué)檢測的技術(shù)人員常使
用的要窄得多。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的是，寬度為約0.04至0.10英寸(1.0到2.5mm)
的暗帶結(jié)合本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)非常好的結(jié)果。雖然不希望受到任何理論 限制，但是據(jù)信較窄的寬度(接近照相機(jī)陣列的寬度)可以形成衍射 現(xiàn)象，以利于缺陷的穩(wěn)固檢測。無論如何，暗帶比所列范圍寬得多的 系統(tǒng)檢測細(xì)小劃痕的能力可能會(huì)明顯降低。而暗帶比所列范圍窄得多 的系統(tǒng)可能會(huì)導(dǎo)致照相機(jī)在直接光源的所有可用光輸出水平上飽和。
現(xiàn)在參見圖4a，其示出了帶涂層的透明薄膜上混合型缺陷的計(jì)算 機(jī)采集照片的截圖，其中僅通過遠(yuǎn)暗場照明進(jìn)行照射。計(jì)算機(jī)為從左 到右的三個(gè)檢測到的異常分配了任意的附圖標(biāo)號(hào)"3" 、 "4"和"5"。 圖4b提供了對(duì)沿圖4a中圖像的水平切面(與標(biāo)記缺陷相交)的光強(qiáng)度 用計(jì)算機(jī)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(cè)的雙峰(與異常"5"相對(duì)應(yīng))較基線來說非常淺。對(duì)許多用途來說， 對(duì)此異常的檢測遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠穩(wěn)固。
現(xiàn)在參見圖4c，其示出了圖4a中所示的同一組異常的計(jì)算機(jī)采集 照片的截圖，不同的是對(duì)于該圖像的生成，僅使用了暗帶照明。這次 計(jì)算機(jī)再次為從左到右的三個(gè)檢測到的異常分配了任意的附圖標(biāo)號(hào) "5" 、 "3"和"4"。圖4d提供了對(duì)沿圖4c中圖像的水平切面的光 強(qiáng)度用計(jì)算機(jī)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(cè)的雙峰(在該附圖中與異常"4" 相對(duì)應(yīng))較基線來說非常淺。對(duì)許多用途來說，對(duì)此異常的檢測仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠穩(wěn)固。
現(xiàn)在參見圖4e，其示出了圖4a中所示的同一組異常的計(jì)算機(jī)采集 照片的截圖，不同的是針對(duì)該圖使用了通常根據(jù)圖3來配置的根據(jù)本 發(fā)明的照明系統(tǒng)。這次計(jì)算機(jī)再次為從左到右的三個(gè)檢測到的異常分 配了任意的附圖標(biāo)號(hào)"5" 、 "6"和"3"。圖4f提供了對(duì)沿圖4e中 圖像的水平切面的光強(qiáng)度用計(jì)算機(jī)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(fā)現(xiàn)，通過本發(fā)明 的照明系統(tǒng)獲得了多么穩(wěn)固的異常檢測。對(duì)于所有檢測到的異常來說， 強(qiáng)度峰與基線之間的對(duì)比度非常尖銳和明顯。顯然，該新型照明系統(tǒng) 的作用遠(yuǎn)非附加功能的范疇，其提供了實(shí)質(zhì)性的協(xié)同增效。
實(shí)例
總體上如圖3所示構(gòu)造巻材檢測工位。照明系統(tǒng)安裝在傳統(tǒng)巻材 處理系統(tǒng)的巻材路徑下方，位于惰輥之間的自由跨度上。將配有常規(guī) 150mm透鏡的AVIIVA CCD單色線掃描相機(jī)(可從CA， San Jose 的Atmel商購獲得)安裝在照明系統(tǒng)上方，并在巻材路徑上方83cm處。 該照明系統(tǒng)包括三個(gè)光源，每個(gè)都包括纖維導(dǎo)光管(可從SanDiego， CA的Fostec Imaging商購獲得)，并由4卯0型自動(dòng)校準(zhǔn)光源(Model 4卯0 Auto-Calibrating Light Source)(可從East Syracuse, NY的Illumination Technologies商購獲得)驅(qū)動(dòng)。將直接光源朝正上方對(duì)準(zhǔn)照相機(jī)，而兩 個(gè)遠(yuǎn)暗場光源則與垂直方向成40度角。此外，三個(gè)光源都以其長軸平 行于巻材橫向方向取向。
三個(gè)光源的每一個(gè)都配有柱透鏡，每個(gè)透鏡都由光學(xué)透明的丙烯 酸類聚合物制成，并且直徑為1.25英寸(31.75mm)。在直接光源和巻材 下側(cè)之間安裝一個(gè)具有0.5英寸(12.5mm)寬狹槽的鋁框，使得直接光源 發(fā)出的光通過柱透鏡中的一個(gè)，然后穿過狹槽到達(dá)巻材下側(cè)。在狹槽 頂部安裝一個(gè)糙面精整的半透明膜式擴(kuò)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)，并涂有深黑色絕緣物質(zhì)。
將照相機(jī)的輸出連接到個(gè)人計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。該計(jì)算機(jī)運(yùn)行 Matrox Inspector 2.2軟^牛包，其可從Matrox Imaging (Dorval, Quebec, Canada)商購獲得。有關(guān)分析來自照相機(jī)的信息流以進(jìn)行缺陷識(shí)別的其 他背景技術(shù)信息可見于授予Skeps等人的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利申請(qǐng)公 開No. 20050075801 "Apparatus And Method For Automated Web Inspection"(用于自動(dòng)化巻材檢測的設(shè)備和方法)。其他背景技術(shù)信 息在Floeder等人的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利申請(qǐng)公開No. 20050141760 "Maximumization of Yield for Web-based Articles"(最大程度地產(chǎn)出 巻材制品)中有所公開。二者均全文以引用方式并入本文。
巻材檢測工位用于檢測7mm厚的光學(xué)性能透明的聚酯膜，該類薄 膜可用于制造多種產(chǎn)品。對(duì)適用于該實(shí)驗(yàn)的特定材料巻進(jìn)行選擇，因 為它需要顯示多種可能的缺陷，從如溝槽和表面污染的嚴(yán)重缺陷(尺 寸從一到幾百微米)到極其細(xì)小的劃痕(寬度約15到20微米) 一應(yīng) 倶全。
在圖5示中出了計(jì)算機(jī)屏幕的截圖，其并排示出光四次通過巻材 的同一部分時(shí)的情況。第三列表示一次僅開啟直接光源以使得僅采/fl 改進(jìn)的暗帶照明照射薄膜的實(shí)驗(yàn)。計(jì)算機(jī)程序?qū)z測到的缺陷任意編 號(hào)。第四列表示一次僅開啟兩個(gè)暗場光源以使得僅采用改進(jìn)的暗場照 明照射薄膜的實(shí)驗(yàn)。同樣也將檢測到的缺陷任意編號(hào)。第一列和第二 列為同一次實(shí)驗(yàn)的不同顯示，其中根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)將三個(gè)光源全部 開啟。在第一列中，未對(duì)缺陷編號(hào)，從而可更好地觀察原始圖像。通 過前述內(nèi)容應(yīng)當(dāng)了解，結(jié)合本發(fā)明的照明系統(tǒng)可產(chǎn)生明顯的協(xié)同增強(qiáng) 效應(yīng)該系統(tǒng)不僅可以識(shí)別單獨(dú)使用更傳統(tǒng)的照明方法時(shí)可檢測的所 有缺陷，而且還能識(shí)別不易分辨的缺陷。此外，該系統(tǒng)在沒有增加傳 感器或處理設(shè)備的情況下便完成了檢測中照射缺陷的任務(wù)，從而獲得 了具有更高性能卻更簡單的檢測系統(tǒng)。盡管已結(jié)合本發(fā)明的多種實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了特別展示和說 明，但是本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在不脫離本發(fā)明的精神 和范圍的前提下，對(duì)形式和細(xì)節(jié)進(jìn)行多種其他更改。
權(quán)利要求
1.一種用于照射透明或半透明或其組合形式的片材以通過光接收設(shè)備進(jìn)行檢測的系統(tǒng)，包括直接光源，所述直接光源在照相機(jī)方向上照射所述透明材料；暗帶，所述暗帶位于所述直接光源和所述照相機(jī)之間；至少第一暗場光源，與所述照相機(jī)成一定角度地照射所述透明材料。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的照明系統(tǒng)，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(shí)與所述照相機(jī)所成角度不同于 所述第一暗場光源的光與所述照相機(jī)所成角度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的照明系統(tǒng)，其中所述直接光源的照明方 向垂直于所述透明片材所在的平面。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的照明系統(tǒng)，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(jù)權(quán)利要求4所述的照明系統(tǒng)，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(jù)權(quán)利要求5所述的照明系統(tǒng)，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(jù)權(quán)利要求6所述的照明系統(tǒng)，其中所述第一和第二暗場光 源為纖維導(dǎo)光管，并且其中所述透鏡為柱透鏡。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的照明系統(tǒng)，其中所述暗帶的寬度與所述 照相機(jī)的成像寬度幾乎一樣寬。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的照明系統(tǒng)，其中所述直接光源為熒光光源、LED光源或與光纖設(shè)備耦合的光源。
10. —種制備照明系統(tǒng)的方法，所述照明系統(tǒng)用于照射透明片材以通過照相機(jī)進(jìn)行檢測，該方法包括提供在所述照相機(jī)方向上照射所述透明材料的直接光源；提供位于所述直接光源和所述照相機(jī)之間的暗帶；其中至少第一暗場光源與所述照相機(jī)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(shè)備的方向?qū)蛲该鞑牧希?將暗帶置于所述光源和所述光接收設(shè)備之間； 將暗場光源的光與照相機(jī)成一定角度導(dǎo)向所述透明材料。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，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(shí)與所述照相機(jī)所成角度不同于 所述第一或第二暗場光源的光與所述照相機(jī)所成角度。
13. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述暗帶的寬度約為所述 照相機(jī)的成像寬度的1至25倍。
全文摘要
本發(fā)明公開了將遠(yuǎn)暗場照明和改進(jìn)的暗帶照明相結(jié)合的照明構(gòu)造。該新型組合可對(duì)例如透明膜的移動(dòng)卷材提供更穩(wěn)固的缺陷檢測，優(yōu)于比單獨(dú)使用其中任何一種或?qū)⑵涓鱾€(gè)部分簡單地組合在一起的情況。
文檔編號(hào)G01N21/88GK101611309SQ200880005045
公開日2009年12月23日 申請(qǐng)日期2008年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月16日
發(fā)明者史蒂文·P·弗洛德爾, 肯尼斯·G·布里頓 申請(qǐng)人:3M創(chuàng)新有限公司