CN109313133A - 表面检查系统和表面检查方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种表面检查系统（10），用于检查出现在检查区域（20）的板材元件（4）的表面，该表面检查系统（10）包括影像评估单元（18）、相机（12）、暗场照明器（14）和明场照明器（16），该影像评估单元（18）适于把在暗场照明条件下获取的线图减去在明场照明条件下获取的线图。本发明还涉及一种识别正在移动通过板材元件加工机的板材元件（4）的高反射表面区域的方法，其中首先在明场照明条件下获取在观看区域（20）里的板材元件（4）的表面的线图（l₁₆），以及在暗场照明条件下获取在观看区域（20）里的板材元件（4）的相同表面的线图（l₁₄），然后比较两张线图（l₁₄,l₁₆），例如彼此相减，如果两张线图（l₁₄,l₁₆）之间的差异（S_n）高于预定阈值，则该板材元件（4）的表面被识别为反射表面。

Description

表面检查系统和表面检查方法

技术领域

本发明涉及一种表面检查系统，该表面检查系统用于检查出现在检查区域的板材元件的表面。本发明还涉及一种识别正在移动通过板材元件加工机的板材元件的高反射表面区域的方法。本发明尤其适合在板材元件加工机的质量控制站中实施。

术语“板材元件加工机”在此旨在包括用于加工板材元件如纸张、厚纸板、塑料箔或其他类似的材料的任何机器，尤其是印刷机、涂层机、层压机和转换机(例如切割、冲压、折叠和/或粘贴机)。

背景技术

在板材元件上，由于存在箔、全息图、清漆或其他类似的结构，因此可以存在高反射(“光泽”)表面。基于多个原因，有需要判断板材元件上的光泽表面的位置，因为许多质量检查都是基于检查一个元件的位置相对应另一个元件的位置。然而，要侦测到以高达15m/s的速度正在移动通过板材元件加工机的板材元件的光泽表面的区域并不容易。

发明内容

因此本发明的一个目的是提供一种系统和方法，能可靠地侦测到正在移动通过板材元件加工机的板材元件的光泽表面的区域。

为了实现此目的，本发明提供了一种表面检查系统，用于检查出现在检查区域的板材元件的表面，该表面检查系统包括影像评估单元、相机、暗场照明器和明场照明器，该判断影像评估单元适于比较在明场照明条件下获取的线图和在暗场照明条件下获取的线图。此目的还可以通过识别正在移动通过板材元件加工机的板材元件的高反射表面区域的方法实现，尤其是通过利用上述系统，其中首先在明场照明条件下获取观看区域的板材元件表面的线图，及在暗场照明条件下获取观看区域的板材元件的相同表面的线图，然后比较两者，例如将两者彼此相减，如果两者之间的差异高于预定阈值，则判断为反射表面。

本发明是基于利用反射差异的一般概念，此概念能在照射漫反射表面如朗伯扩散片(例如白纸)和光泽表面(例如箔、全息图或清漆)时的差别观察可得。当照明器照射漫反射表面时，相机获取所得的线图强度是(几乎)相同的。当照明器照射高反射表面时，从相机可见，源自明场照明器的光的强度远高于源自暗场照明器的光的强度。此差异即使在板材元件高速移动时仍能相对容易地探测得到。

该相机可以是二维(2D)相机(区域相机)。但考虑到要处理的数据数量，优选为使用线阵相机。

由于相机优选为线阵相机，术语“线图”在下文中用于表示由相机获取所得的影像。但若相机为区域相机时，由相机获取所得的线图包含多条线而不止单一条线。

根据一个优选的实施例，该暗场照明器包括单列LED，沿着该列LED设有两个相对布置的反射器。因此该暗场照明器提供的光远离镜面，以防止任何陡峭反射区域在被暗场照明器照射时显得明亮。

该明场照明器优选地包括多列平行布置的LED。布置不同列的LED成不同的光学平面，以使其即使在观看区域的板材元件表面并不是完全的平面，在接近镜面反射情况下，仍能永远有一些光直接反射向相机。因此，即使在板材元件的陡峭区域仍能维持明场照明条件。

当待检查的板材元件具有漫反射表面时，从明场照明条件下获取的线图像可以非常容易地与从暗场照明条件下获取的线图像进行比较，从暗场照明器反射在相机的光强度和从明场照明器反射在相机的光强度相同。如果通过线图彼此相减进行比较，不具有反射表面部分的比较结果会是零。

根据一个优选的实施例，该暗场照明器的光学平面相对于与垂直于观看区域的方向的中间平面成角度约45°设置，及该明场照明器的光学平面相对于垂直于观看区域的方向的中间平面成角度约30°设置，及该相机的观看平面相对于垂直于观看区域的方向的中间平面成角度约20°设置。这种设置证实能取得良好的效果。

为了在判断板材元件的光泽表面的位置时能达到理想的精确度，相机在待检查的板材元件表面的分辨率在0.05至0.6mm的范围，优选约为0.1mm。更高的分辨率普遍而言是可能的，但会导致需要分析更多的数据。

要判断板材元件光泽表面的位置，比较两个线图的强度已经足够。

图像能逐行和逐个像素进行比较，以得到光泽表面在X方向和Y方向的位置的精确资料。

作为替代方案，可以基于在暗场照明条件下获取的线图而创建一个重构图像，以及基于在明场照明条件下获取的线图而创建一个重构图像，其中通过比较两个重构图像来识别反射表面。此比较可以用整个重构图像或部分重构的图像进行。

该板材元件相对于表面检查系统以大约1至15m/s的速度范围移动。为了使在X方向的位置的判断达到理想的精确度，相机优选地适于获取每秒多于10,000张线图，及优选地每秒多于40,000张线图。

附图说明

本发明现将参考一个优选实施例以进行说明，该优选例于附图中所示。附图中：

-图1示意地示出了本发明的表面检查系统的侧视图，该系统用于板材元件加工机的质量控制系统中；

-图2示意地示出了图1的表面检查系统的俯视图；

-图3示意地示出了图1的表面检查系统的详细内容；

-图4示意地示出了由表面检查系统的相机获取的不同线图，及线图的比较结果；

-图5示意地示出了由相机获取的不同线图；及

-图6示意地示出了如何基于不同照明的情况下获取线图而创建重构图像。

具体实施方式

图1中示意地示出了质量控制站2，该质量控制站2用于板材元件加工机中，其中可见用于输送台3。板材元件4向箭头所示的方向A输送时，该板材元件加工机可以处理板材元件4。该板材元件4可以是纸张、厚纸板、塑胶箔或类似材料的板材，又或者能是较长的网状物。该板材元件加工机可以是印刷机、冲压机、层压机、折叠机、粘贴机等。

该质量控制站2用于控制该板材元件4的质量。尤其是用于判断该板材元件4的表面“光泽部分”的位置。该“光泽部分”指有高反射表面的部分。该该板材元件4上的光泽部分的例子包括全息图、箔和/或清漆。

该质量控制站包括表面检查系统10。该表面检查系统10包括相机12、暗场照明器14、明场照明器16和影像评估单元18。

该相机12适于获取观看区域20的线图(需要注意的线)，该观看区域20在该板材元件加工机的整个宽度上向方向A垂直延伸。该相机相对于中间平面M成角度约20°设置，该中间平面M垂直于该板材元件4在观看区域内的表面。

设置该暗场照明器14照射该观看区域20。该暗场照明器的光学平面相对于中间平面成角度约45°设置。

该暗场照明器14基本上可以是任何类型。在特定实施例中，该暗场照明器14包括设置一列布置成彼此相邻的LED，和沿该列LED设有两个相对布置的反射器。这类照明器能用于照射在该观看区域20的板材元件4的表面，即使高度改变，其强度仍然维持不变。

该明场照明器16同样照射该观看区域20。该明场照明器16的光学平面相对于该中间平面成角度约30°设置。

该明场照明器16基本上可以是任何类型。在特定实施例中，其包括多列平行排列及彼此相邻的LED，每一列均设置成照射观看区域20。这类型的照明器能用于不同的应用中，将不同方向的光引导到该观看区域20。

此外，当从观看区域20观看时，漫反射器能用于确保光线均匀，从而有均匀的明场照明器。

当暗场照明器为照明器14时，设置该暗场照明器和相机12在中间平面M的同一面。因此，明场照明器为明场照明器16，设置该明场照明器在该中间平面的对侧。根据特定情况，可以仅使用不同列的LED中的一个，即该列LED的光学平面相对于中间平面M的倾斜角度接近20°。换而言之，即相机12能在镜面反射情况下在板材元件表面上看到的该列LED。作为替代方案，明场照明器16为多列LED时，其中多列LED中的至少一列的光学平面倾斜的角度有别于相机12对应于中间平面M设置的角度。

设定或控制该暗场照明器14和明场照明器16的功率是重要的，使从板材元件4的漫反射表面反射在相机12的光强度与两个照明器反射在相机的光强度相同。换而言之，从明场照明器16的光向观看区域20里的板材元件4的漫反射表面反射，再由相机20接收的光强度相等于从暗场照明器14的光向观看区域20里的板材元件4的同一漫反射表面反射，再由相机20接收的光强度。

该漫反射表面可以是纸张或厚纸板。

为检查在质量检查站2中正在移动通过的板材元件的表面，照明器14和16一个接一个的被激活，相机12获取每一照明条件下的线图。这些线图由影像评估单元18评估。此外，这些线图可以彼此相减。

判断板材元件4上的光泽表面部分的位置的方法如图4所示，以帮助理解影像评估的基础原理。

图4示意地示出了由相机12获取的线图的上半部分。在此实施例中，每个线图展示为12像素宽。实际上，覆盖该观看区域20的整个宽度的线图可以包含数千乃至数万像素，因在板材元件的表面层的观看区域，相机12的分辨率在0.05mm至0.3mm的范围，优选为0.1mm。

在此，线图是成对获取的，首先在由暗场照明器14造成的暗场照明条件下获取线图l₁₄，及在由明场照明器16造成的明场照明条件下获取线图(l₁₆)。显而易见地，倒过来获取亦可以。

获取线图的最大速率根据暗场照明器14及明场照明器16开关的速率而定。速率最高可达80kHz。因此，相机12每秒可以获取80,000张线图。

从观看区域20里的漫反射表面获取第一对线图l₁₄和l₁₆。由于两个照明器的功率调教成与相机12的强度相同，因此两张线图一致。这结果由空白格表示线图的像素，代表获取到的光强度为低。

图4的下半部分展示了由影像评估单元18生成的影像评估结果。在此线图彼此相减。由于两张线图一致，因此每个像素的相减结果为零。此结果由空白格表示减图像S1中的像素。

从观看区域里的表面获取第二对线图l₁₄和l₁₆，该表面大部分宽度为漫反射，但拥有高反射部分，例如在此为四个像素宽的压印金属箔。结果为当被暗场照明器14照射时，相机12获取到的强度比之前更低，因为光被反射而远离相机12。线图l₁₄的像素以空白格表示。但当被明场照明器16照射时，由于至少某些光直接反射向相机，相机12获取到的光强度为高。因此，反射光线的压印金属箔的四个像素以黑色格展示，以代表高强度的光。

当两张线图彼此相减，在漫反射下被照射的像素的结果同样为零。但全息图的像素互减结果为高数值(正值或负值，取决于两张线图互减的次序)。因此，以黑色格表示减图像S2中像素的高数值。

获取第三对线图l₁₄和l₁₆的情况如上；在此假设压印金属箔尚未完全通过该观看区域。

获取第四对线图l₁₄和l₁₆对应的情况为全息图已经完全通过该观看区域20，因此板材元件4在观看区域20有漫反射表面。此时，两张获取所得的线图强度相同，所有像素互减结果的都是零。

因此可判断通过观看区域20的板材元件上的光泽表面部分(在方向x和方向y)的位置。

术语“漫反射下的相同强度”不应以数学意义理解。根据容差值，强度会产生变化，而且强度也将随着照射不同漫反射表面而变化。因此，“相同强度”代表源自照明器14，16，自漫反射表面反射的光的强度会低于一定阈值，此阈值是可以选择的，以让源自明场照明器16，由光泽表面反射的光的强度高于此阈值。此阈值可以根据被检查的表面而选择。举例而言，检查含有清漆和箔的表面时，可选择＜1％的强度差，而检查只有箔的表面时，可选择＜10％的强度差。

不同的阈值能透过调整LED的功率或调整应用于获取线图的系数来实施。

另外，可以根据灰阶强度分析获取到的线图，及根据灰阶强度的突变用影像评估单元分析由减图像组成的影像。

如图4所示，描述了逐行比较在明场照明条件下获得的线图与在暗场照明条件下获得的线图。实际上，从在不同照明条件下获取的交织线图，可以创建重构明场照明图像(包括在明场照明(bright-field illumination；BFI)下获取的线图创建重构图像)和创建暗场照明图像(包括在暗场照明(dark-field illumination；DFI)下获取的线图创建重构图像)，而这些重构图像可以用影像评估单元分析。

图5示意地示出了由相机获取的交织线图l₁₄(以一般线条展示)和线图l₁₆(以虚线展示)。在此，每个照明条件只有十张线图被展示。实际上，每个板材元件4可以获取数千张线图l₁₄和l₁₆。假设在一个板材元件4获取4,000张线图l₁₄和4,000张线图l₁₆，而相机12每秒可获取80,000张线图，则每秒可以处理十个板材元件4。

图6示意地示出了重构DFI图像40由线图l₁₄创建，及重构BFI图像50由线图l₁₆创建。

如果相机12在超过这里描述的两个照明条件(明场照明及暗场照明)，并如图5所示获取线图，由相机12获取的数据会包含三个或以上的类型的交织线图，及三张或以上的重构图像会被创建(每个照明条件一张重构图像)。

影像评估单元18可以处理影像40,50(整个或特定的部分)以侦测特定的项目。在此，可以比较重构图像40和50，以识别反射表面部分。

如果板材元件4的表面部分不垂直于中间平面M，有可能会把超过阈值的强度的光反射向相机，从而导致错误读取(“伪像”)。因为其在x方向的尺寸，这个错误读取可以被影像评估单元18识别；伪像的长度少于具有高反射表面的表面部分的一般长度。

可以通过在观看区域20放置宽阔的标准样品，或沿观看区域20的整个宽度移动较小的标准样品对表面检查系统10进行校准。

另外，每个LED或每组LED沿每个照明器以已调节的水平通电，以沿观看区域20的宽度在标准样品上提供相同的信号。

校准可以用于调整LED的操作功率或适当地设定应用于获取线图的系数。

Claims (16)

1.一种表面检查系统（10），所述表面检查系统（10）用于检查出现在检查区域（20）的板材元件（4）的表面，所述表面检查系统（10）包括影像评估单元（18）、相机（12）、暗场照明器（14）和明场照明器（16），所述影像评估单元（18）适于把在暗场照明条件下获取的线图减去在明场照明条件下获取的线图。

2.根据权利要求1所述的表面检查系统（10），其中所述相机（12）是线阵相机。

3.根据权利要求1或2所述的表面检查系统（10），其中所述暗场照明器（14）包括单列LED，沿着所述单列LED设有两个相对布置的反射器。

4.根据前述任一项权利要求所述的表面检查系统（10），其中所述明场照明器（16）包括多列平行布置的LED。

5.根据前述任一项权利要求所述的表面检查系统（10），其中当待检查的板材元件（4）具有漫反射表面时，从所述暗场照明器（14）反射在所述相机（12）的光强度与从所述明场照明器（16）反射在所述相机（12）的光强度相同。

6.根据前述任一项权利要求所述的表面检查系统（10），其中所述暗场照明器（14）的光学平面相对于中间平面（M）成角度约45°设置，其中所述中间平面（M）垂直于观看区域（20）的方向。

7.根据前述任一项权利要求所述的表面检查系统（10），其中所述明场照明器（16）的光学平面相对于中间平面（M）成角度约30°设置，其中所述中间平面（M）垂直于观看区域（20）的方向。

8.根据前述任一项权利要求所述的表面检查系统（10），其中所述相机（12）的观看平面相对于中间平面（M）成角度约20°设置，其中所述中间平面（M）垂直于所述观看区域（20）的方向。

9.根据前述任一项权利要求所述的表面检查系统（10），其中所述相机（12）在待检查的板材元件（4）的表面的分辨率在0.1至0.6mm的范围，优选为约0.3mm。

10. 一种识别正在移动通过板材元件加工机的板材元件（4）的反射表面区域的方法，特别是使用根据前述任一项权利要求所述的表面检查系统（10）进行所述识别，其中首先在明场照明条件下获取在观看区域（20）里的所述板材元件（4）的表面的线图（l₁₆），以及在暗场照明条件下获取在所述观看区域（20）里的所述板材元件（4）的相同表面的线图（l₁₄），然后比较两张所述线图（l₁₄, l₁₆），例如彼此相减，如果两张所述线图（l₁₄, l₁₆）之间的差异（S_n）高于预定阈值，则所述板材元件（4）的表面被识别为反射表面。

11. 根据权利要求10所述的方法，其中比较两张所述线图（l₁₄, l₁₆）的强度。

12. 根据权利要求10或11所述的方法，其中逐个像素比较两张所述线图（l₁₄, l₁₆）。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其中基于暗场照明获取的线图创建一个重构图像，以及基于明场照明获取的线图创建一个重构图像，通过比较所述两个重构图像来识别反射表面。

14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，其中所述相机（12）适于获取每秒多于10,000张线图，优选地每秒多于20,000张线图。

15.根据权利要求10至14中任一项所述的方法，其中所述板材元件（4）相对于所述表面检查系统（10）以5至15m/s的速度移动。

16.根据权利要求10至15中任一项所述的方法，其中待检查的板材元件（4）至少有一部分具有反射表面。