CN101611309A - 用于照明材料以进行自动化检测的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了将远暗场照明和改进的暗带照明相结合的照明构造。该新型组合可对例如透明膜的移动卷材提供更稳固的缺陷检测，优于比单独使用其中任何一种或将其各个部分简单地组合在一起的情况。

Description

用于照明材料以进行自动化检测的方法和设备
相关专利申请的交叉引用
本申请要求2007年2月16日提交的美国临时专利申请No.60/890284的优先权，该专利的公开内容全文以引用方式并入本文。
技术领域
本发明涉及机器视觉，更具体地讲涉及对透明或半透明材料的照明以尽可能检测和识别缺陷。
背景技术
近年来，借助强大的计算机技术，使用自动化设备执行一些此前需要人眼来完成的检测任务已成为可能。此类“机器视觉”技术已日趋成熟，并且除了其它用途之外，还用于检测片材和卷材。正确调配机器视觉要求对被检测的制品进行良好的照明，特别是当检测透明或半透明卷材的表面缺陷时。
已经采用的一种技术是所谓的“远暗场”技术，其用于检测会使光强烈散射的缺陷。使用远暗场技术时，将一个或两个光源布置为使其光线与照相机视线成一定角度入射到待检测制品(例如膜或类似材料)上。在没有异常状况(如缺陷)时，照相机通常接收不到来自这些光源的光线。只有当光束经过表面缺陷时，光线才会被反射向照相机，从而使缺陷表现为正常暗图像上的亮区域。
另一种技术是所谓的“暗带”技术，其用于检测使光轻微散射或偏转的缺陷。使用暗带技术时，来自光源的照明穿过卷材并直接射向照相机。使用暗带掩模将该照明漫射并衰减。此掩模旨在阻止大部分漫射光进入照相机的视野。只有当表面缺陷使光线以其间接路径反射或折射时，光才会转向至照相机，从而使缺陷表现为正常暗图像上的亮区域。
这两种技术各在突出显示透光卷材的缺陷方面具有一些优势，但如果单独采用这两种方法的其中一种，仍会有一些缺陷无法检测到。
发明内容
在一个示例性方面，本发明涉及用于照射透明、或半透明或其组合形式的材料以通过光学接收设备(如照相机)进行检测的照明系统。该系统包括在照相机方向上照射材料的直接光源，以及位于直接光源和照相机之间的暗带。另外还包括至少第一暗场光源(在一些实施例中还包括第二暗场光源)，其使光与照相机成一定角度照射透明材料。如果存在第二暗场光源，则它的光照射材料时与照相机所成角度不同于第一暗场光源的光照射材料时与照相机所成角度。构造系统时使得暗带光源的照明方向垂直于透明片材所在平面尤为合宜。在一些实施例情况中，结果是通过第一暗场光源的照明方向与被检测材料所在平面的法线成约10至50度角来实现的，但这并非必需。如果存在第二暗场光源，优选的是，第二暗场光源的照明方向也与透明片材所在平面的法线成约10至50度角，但与第一暗场光源的方式不同，这也并非必需。
在一些实施例中，将透镜布置在第一和第二暗场光源与材料之间。在一些实施例中，使用纤维导光管作为第一和第二暗场光源，并使用柱透镜作为透镜尤为合宜。如下将更具体所述，本发明的教导是，与直接光源相关的暗带可比本领域中目前常采用的那些窄得多。当暗带宽度为约1.0至2.5mm时，结合本发明所公开的组合可获得满意的结果，但此范围并非必需。
附图说明
图1示出了带涂层的光学薄膜中代表性小缺陷的显微照片。
图2示出了带涂层的光学薄膜中代表性大缺陷的显微照片。
图3示出了配有根据本发明的照明系统的机器视觉工位的示意性侧视图。
图4a示出了混合型缺陷的计算机采集照片的截图，其中仅使用远暗场照明进行照射。
图4b示出了对图4a中图像的水平切面的光强度用计算机生成的曲线图的截图。
图4c示出了图4a中缺陷的计算机采集照片的截图，其中仅使用暗带照明进行照射。
图4d示出了对图像4c沿着图4b中图像使用的同一水平切面的光强度用计算机生成的曲线图的截图。
图4e示出了图4a中缺陷的计算机采集照片的截图，这次使用如图3所示的本发明的照明系统进行照射。
图4f示出了对图像4e沿着图4b中图像使用的同一水平切面的光强度用计算机生成的曲线图的截图。
图5示出了计算机屏幕的截图，其显示光四次通过测试卷材的同一部分，其中光来自图3中所示类型的照明系统。
具体实施方式
申请人已发现，可以制备受单个成像照相机监控的单个工位形式的照明构造，其兼具远暗场和暗带技术的优势。更具体地讲，可提供结合了远暗场照明和改进的暗带照明的照明构造，该新型组合可比单独使用其中任何一种提供稳固得多的缺陷检测。这两种方法分别着重于每种缺陷的不同方面。而其本身无法为某些缺陷生成可靠的信号对比度。然而，从光学上进行组合时，它们可以为小型表面缺陷提供出色的对比度，此对比度超过在后处理方法中将其各自图像汇总可以实现的对比度。使用任何单一方法或许只能勉强检测到的缺陷部分得以增强，达到可见并易于检测的程度。
现在参见图1，其提供了带涂层的光学薄膜中典型小缺陷的显微照片。基底中的细小划痕可能会导致此类缺陷。相比之下，图2示出了一类可由(例如)涂层异常导致的大得多的缺陷。可以选择对此前已知的照明系统，以识别或者这种缺陷或者那种缺陷，但当两种缺陷同时存在时识别效果较差。
现在参见图3，其示出了根据本发明的示例性照明系统10的示意图。照明系统10以相对于移动卷材12的运动方向(箭头所示)的侧视图示出，该卷材通常具有不确定长度。应该指出的是，该照明系统也适用于检测其他产品形式，例如透明(或半透明)的离散片材。
照明系统10包括至少两个光源，或在一些实施例中，包括三个光源。直接光源14向着照相机16的方向发射光线。远暗场光源18和20与照相机16成一定角度(分别为α和β)发射光线。最合宜地，将直接光源14布置在垂直于卷材12所在平面的方向上进行照射。在一些实施例中，合宜的是使用纤维导光管或荧光灯作为光源在卷材12的整个宽度上照射出一条光带。虽然光带的取向平行于卷材横向方向较为合宜，但不认为这是必需的。
合宜地，可采用纤维导光管作为暗场光源18和20，但也可采用激光光源或其他光源。暗场光源18和20最好在卷材12的整个宽度上照射出一条光带，该光带沿卷材横向方向取向。然而，在一些实施例中，这些光源与卷材12所在平面的法向成一定角度安装。据信，与该法向方向成约25度角是最有利的，但这并非必需。
在一些实施例中，使用透镜来聚焦从直接光源和两个暗场光源发出的光线。例如，当使用纤维导光管作为光源时，可以使用与纤维导光管平行取向的柱透镜。柱透镜22和24优选地将来自远暗场光源18和20的光线聚焦到卷材12的下侧，在照相机16的正下方形成一条直线。聚焦直接光源14光线的柱透镜26可具有与柱透镜22和24相同的焦距，但来自直接光源的光线会被导向到扩散片28上。在扩散片28的正上方(或上面)安装一个固体(例如拉索或窄金属片)形成暗带30。在一些实施例中，优选的是暗带30非常暗，合宜地可采用(例如)具有炭黑色绝缘物质的线缆。对于为给定的应用选择形成暗带的合适物体而言，本领域的技术人员是熟知的。
如下更具体所述，据发现，在本发明提供的元件的组合中，当遇到需要当前被本领域称为“暗带照明”的情况(通常需要比照相机阵列大得多的暗带)时，最合适的暗带比熟悉光学检测的技术人员常使用的要窄得多。已经发现的是，宽度为约0.04至0.10英寸(1.0到2.5mm)的暗带结合本发明可以实现非常好的结果。虽然不希望受到任何理论限制，但是据信较窄的宽度(接近照相机阵列的宽度)可以形成衍射现象，以利于缺陷的稳固检测。无论如何，暗带比所列范围宽得多的系统检测细小划痕的能力可能会明显降低。而暗带比所列范围窄得多的系统可能会导致照相机在直接光源的所有可用光输出水平上饱和。
现在参见图4a，其示出了带涂层的透明薄膜上混合型缺陷的计算机采集照片的截图，其中仅通过远暗场照明进行照射。计算机为从左到右的三个检测到的异常分配了任意的附图标号“3”、“4”和“5”。图4b提供了对沿图4a中图像的水平切面(与标记缺陷相交)的光强度用计算机生成的曲线图的截图。从此曲线图中可以观察到，曲线图右侧的双峰(与异常“5”相对应)较基线来说非常浅。对许多用途来说，对此异常的检测远远不够稳固。
现在参见图4c，其示出了图4a中所示的同一组异常的计算机采集照片的截图，不同的是对于该图像的生成，仅使用了暗带照明。这次计算机再次为从左到右的三个检测到的异常分配了任意的附图标号“5”、“3”和“4”。图4d提供了对沿图4c中图像的水平切面的光强度用计算机生成的曲线图的截图。该水平切面与图4b中分析的相同。从此曲线图中可以观察到，曲线图右侧的双峰(在该附图中与异常“4”相对应)较基线来说非常浅。对许多用途来说，对此异常的检测仍然远远不够稳固。
现在参见图4e，其示出了图4a中所示的同一组异常的计算机采集照片的截图，不同的是针对该图使用了通常根据图3来配置的根据本发明的照明系统。这次计算机再次为从左到右的三个检测到的异常分配了任意的附图标号“5”、“6”和“3”。图4f提供了对沿图4e中图像的水平切面的光强度用计算机生成的曲线图的截图。该水平切面与图4b中分析的相同。在此曲线图中，可以容易地发现，通过本发明的照明系统获得了多么稳固的异常检测。对于所有检测到的异常来说，强度峰与基线之间的对比度非常尖锐和明显。显然，该新型照明系统的作用远非附加功能的范畴，其提供了实质性的协同增效。
实例
总体上如图3所示构造卷材检测工位。照明系统安装在传统卷材处理系统的卷材路径下方，位于惰辊之间的自由跨度上。将配有常规150mm透镜的AVIIVATMCCD单色线扫描相机(可从CA，San Jose的Atmel商购获得)安装在照明系统上方，并在卷材路径上方83cm处。该照明系统包括三个光源，每个都包括纤维导光管(可从San Diego，CA的Fostec Imaging商购获得)，并由4900型自动校准光源(Model 4900Auto-Calibrating Light Source)(可从East Syracuse，NY的IlluminationTechnologies商购获得)驱动。将直接光源朝正上方对准照相机，而两个远暗场光源则与垂直方向成40度角。此外，三个光源都以其长轴平行于卷材横向方向取向。
三个光源的每一个都配有柱透镜，每个透镜都由光学透明的丙烯酸类聚合物制成，并且直径为1.25英寸(31.75mm)。在直接光源和卷材下侧之间安装一个具有0.5英寸(12.5mm)宽狭槽的铝框，使得直接光源发出的光通过柱透镜中的一个，然后穿过狭槽到达卷材下侧。在狭槽顶部安装一个糙面精整的半透明膜式扩散片。在其正上方，将一条钢索安装到铝框上，以便提供沿狭槽长轴的暗带。钢索直径为0.094英寸(2.38mm)，并涂有深黑色绝缘物质。
将照相机的输出连接到个人计算机进行分析。该计算机运行Matrox Inspector 2.2软件包，其可从Matrox Imaging(Dorval，Quebec，Canada)商购获得。有关分析来自照相机的信息流以进行缺陷识别的其他背景技术信息可见于授予Skeps等人的共同转让的美国专利申请公开No.20050075801“Apparatus And Method For Automated WebInspection”(用于自动化卷材检测的设备和方法)。其他背景技术信息在Floeder等人的共同转让的美国专利申请公开No.20050141760“Maximumization of Yield for Web-based Articles”(最大程度地产出卷材制品)中有所公开。二者均全文以引用方式并入本文。
卷材检测工位用于检测7mm厚的光学性能透明的聚酯膜，该类薄膜可用于制造多种产品。对适用于该实验的特定材料卷进行选择，因为它需要显示多种可能的缺陷，从如沟槽和表面污染的严重缺陷(尺寸从一到几百微米)到极其细小的划痕(宽度约15到20微米)一应俱全。
在图5示中出了计算机屏幕的截图，其并排示出光四次通过卷材的同一部分时的情况。第三列表示一次仅开启直接光源以使得仅采用改进的暗带照明照射薄膜的实验。计算机程序将检测到的缺陷任意编号。第四列表示一次仅开启两个暗场光源以使得仅采用改进的暗场照明照射薄膜的实验。同样也将检测到的缺陷任意编号。第一列和第二列为同一次实验的不同显示，其中根据本发明的教导将三个光源全部开启。在第一列中，未对缺陷编号，从而可更好地观察原始图像。通过前述内容应当了解，结合本发明的照明系统可产生明显的协同增强效应：该系统不仅可以识别单独使用更传统的照明方法时可检测的所有缺陷，而且还能识别不易分辨的缺陷。此外，该系统在没有增加传感器或处理设备的情况下便完成了检测中照射缺陷的任务，从而获得了具有更高性能却更简单的检测系统。
尽管已结合本发明的多种实施例对本发明进行了特别展示和说明，但是本领域内的技术人员应当理解，可以在不脱离本发明的精神和范围的前提下，对形式和细节进行多种其他更改。

Claims (13)

1.一种用于照射透明或半透明或其组合形式的片材以通过光接收设备进行检测的系统，包括：
直接光源，所述直接光源在照相机方向上照射所述透明材料；
暗带，所述暗带位于所述直接光源和所述照相机之间；
至少第一暗场光源，与所述照相机成一定角度地照射所述透明材料。
2.根据权利要求1所述的照明系统，还包括第二暗场光源，所述第二暗场光源的光照射所述透明材料时与所述照相机所成角度不同于所述第一暗场光源的光与所述照相机所成角度。
3.根据权利要求2所述的照明系统，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.根据权利要求3所述的照明系统，其中所述第一暗场光源的照明方向与所述透明片材所在平面的法线成约10至50度角。
5.根据权利要求4所述的照明系统，其中所述第二暗场光源的照明方向与所述透明片材所在平面的法线成约10至50度角。
6.根据权利要求5所述的照明系统，还包括布置在所述第一和第二暗场光源与所述透明片材之间的透镜。
7.根据权利要求6所述的照明系统，其中所述第一和第二暗场光源为纤维导光管，并且其中所述透镜为柱透镜。
8.根据权利要求1所述的照明系统，其中所述暗带的宽度与所述照相机的成像宽度几乎一样宽。
9.根据权利要求1所述的照明系统，其中所述直接光源为荧光光源、LED光源或与光纤设备耦合的光源。
10.一种制备照明系统的方法，所述照明系统用于照射透明片材以通过照相机进行检测，该方法包括：
提供在所述照相机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机之间的暗带；
其中至少第一暗场光源与所述照相机成一定角度照射所述透明材料。
11.一种照射片材以检测其异常的方法，包括：
将光源的光沿光接收设备的方向导向透明材料；
将暗带置于所述光源和所述光接收设备之间；
将暗场光源的光与照相机成一定角度导向所述透明材料。
12.根据权利要求1所述的照明系统，还包括第三或更多的暗场光源，其提供的光照射所述透明材料时与所述照相机所成角度不同于所述第一或第二暗场光源的光与所述照相机所成角度。
13.根据权利要求8所述的系统，其中所述暗带的宽度约为所述照相机的成像宽度的1至25倍。
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