CN109313141A - 表面检查系统和检查方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种表面检查系统（10），该表面检查系统（10）用于检查出现在检查区域（5）的板材元件（2）的表面，该表面检查系统（10）包括影像评估单元（18）、两个光源（12,14）和相机（16），其中两个光源（12,14）在照明平面（O₁₁）的相对两侧，并且定向为照射该检查区域（5），该相机（16）适于沿观看平面（O₁₆）获取检查区域（5）的线图像（l₁₂,l₁₄），该照明平面（O₁₁）和观看平面（O₁₆）分別设置在中间平面（M）的相对两侧，该中间平面（M）垂直于检查平面，该照明平面（O₁₁）和中间平面（M）之间的角度（α）及观看平面（O₁₆）和中间平面（M）之间的角度（α）相等。本发明还涉及使用上述的表面检查系统（10）检查板材元件（4）表面的方法，其中两个光源（12,14）的第一光源把光导向待检查的板材元件（4）的表面，该相机（16）获取检查区域（5）的线图像（l₁₂;l₁₄），然后两个光源(14,12)的第二光源把光导向待检查的板材元件（4）的表面，所述相机（16）获取检查区域（5）的线图像（l₁₄;l₁₂），其中影像评估单元（18）比较两张获取的线图像（l₁₂;l₁₄），具体地将两张线图像彼此相减。

Description

表面检查系统和检查方法

技术领域

本发明涉及一种表面检查系统和一种用于检查板材元件的表面的方法。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

众所周知板材元件的质量可以通过相机控制。一般而言，相机获取通过质量控制站的板材元件的影像，再针对许多不同的参数分析影像，以判断板材元件是否符合特定的标准。

板材元件上有一定种类的缺陷是难以检测的。特别是当检查具有高反射(“光泽”)表面的板材元件上是否存在缺陷，例如刮痕等，而板材元件正以每秒几米的速度通过质量检查系统。

发明内容

本发明的一个目的是可靠地检测含有高反射表面的板材元件上存在的缺陷，例如刮痕等。

为了实现此目的，本发明提供一种表面检查系统，该表面检查系统检查出现在检查区域的板材元件的表面，该检查系统包括影像评估单元、两个光源和相机，其中两个光源相邻配置在照明平的相对两侧，并且定向为照射检查区域，该相机适于沿观看平面获取检查区域的线图像，该照明平面和观看平面分別设置在中间平面的相对两侧，该中间平面垂直于检查平面，照明平面和中间平面之间的角度及观看平面和中间平面之间的角度相等。此外，本发明提供一种使用上述的表面检查系统检查板材元件的表面的方法，其中两个光源的第一光源把光导向待检查的板材元件的表面，以及相机拍摄检查区域的线图像，然后两个光源的第二光源把光导向待检查的板材元件的表面，相机获取检查区域的线图像，其中影像评估单元比较两张获取所得的线图像，具体地将两张线图像彼此相减。

本发明的基本概念是比较待检查的板材元件同一表面区域的两张线图像，其中两张线图像的差异在于光源导向表面区域的表面的角度。在第一张线图像，光线来自布置在照明平面一边的第一光源；在第二张线图像，光线来自第二光源。为了更容易理解，光源在下文中称为“上”光源和“下”光源。

假设待检查的板材元件表面有光泽，两个光源的光线反射理论上为镜面(假设表面为镜子)及实际上接近镜面。因此，源自上光源的反射光在相机上侧通过相机，源自下光源的反射光在相机下侧通过相机。

如果待检查的板材元件表面是平面镜，相机会“拍摄”两个光源之间的空间，因此并不会检测任何光线。当待检查的板材元件表面接近镜面反射，实际上相机会获取到某些光线，即散射光。此外，因为相机的光圈不是零，相机不会聚焦在光源上而是聚焦在板材元件的表面上，所以相机将会在每个像素上拍摄到光平面上的圆形表面。事实上，相机会获取包括上光源反射影像的下边缘的线图像，和包括下光源反射影像的上边缘的线图像。基本上，该相机获取的线图像和平面表面是(近乎)相同的。如果比较这些线图像(例如把线图像相减)，并不会有差异存在(及相减的结果为零)。

光源也可以重叠。换而言之，光源之间并不一定要有相机可以“拍摄”的空间。

然而，当要检查的板材元件表面存在缺陷时，例如刮痕等，关于获取到的线图像的情况就会大幅改变。表面缺陷局部改变“镜子”的方向，因此源自上下光源的光不再对称地反射向相机，而是相对于相机不对称地反射(即只有有表面缺陷的部分)。举例来说，如果表面缺陷导致表面局部地倾斜，因此源自上光源的光直接反射向相机。这必然导致相比起没有表面缺陷的情况，源自下相机的光进一步反射远离相机。

因此，相机获取到的两张线图像具有差异。如果该反射是镜面反射，相机(在表面缺陷处)“拍摄”上光源时，不会拍摄到下光源。如果比较这些线图像，则(在表面缺陷处)存在明显差异。

可以用具有观察区域的相机覆盖检查区域。检查较宽的板材元件时，可以使用多个布置成彼此相邻的相机，其中该多个相机的观看区域合并在一起覆盖检查区域。

照明平面和中间平面之间合适的角度为15°至30°的范围，优选为约20°。

两个光源(“上”光源和“下”光源)可以相对于照明平面倾斜角度在5°至10°的范围，优选为约7.5°。

相机特别可以是线阵相机。这可以减少影像评估单元需要处理的数据数量，从而允许更高的处理速度。作为线阵相机的替代方案，相机可以是二维(2D)相机。

当相机优选为线阵相机，术语“线图像”在下文中用于表示由相机获取所得的图像。当相机为区域相机时，由相机获取所得的线图像包含多条线而不止单一条线。

根据要进行的评估，如果需要含有颜色的信息，相机为彩色相机。然而考虑到要处理的数据数量，使用灰阶(单色)相机可能较有利。

为了可靠地检测表面缺陷，例如刮痕，相机在待检查的板材元件的表面的分辨率有利地在0.05至0.6mm的范围，优选为约0.1mm。

在板材加工机使用表面检查系统和方法时，相机适于每秒获取多于10,000张线图像，优选地每秒获取多于40,000张线图像。这样的速率是有利的，因为可以允许待检查的相同表面区域获取两张线图像，即第一张为用第一光源照明表面获取的线图像，第二张为用第二光源照明表面获取的线图像，而在两张线图像之间的板材元件没有显著移动。因此，两张线图像能被视为显示板材元件的相同的表面区域。

当使用每秒能获取40,000或更多的线图像的高性能相机时，板材元件可以以约1至5m/s的范围的速度，甚至高达15m/s的速度在表面检查系统移动。

一种合适的运输系统，用于移动板材元件以通过相机的观察区域，可以是表面检查系统的一部分，或者表面检查系统与该运输系统相关联。

本发明可以用于漫反射的表面，此外，已证明本发明还有利于检查至少有一部分具有反射表面的板材元件，例如具有漫反射表面的厚纸板(纸箱)上含有透明光泽的油漆。

影像处理单元可以把获取到的不同线图像组合成完整的影像。例如，影像处理单元可以从交织的线图像重新形成整个明场照明影像和整个暗场照明影像。这些重新形成的影像能用于执行各种后续质量检查过程。例如，可以在差分图像上判断刮痕的程度。这些信息能用于决定是否屏弃该板材。

附图说明

本发明现将参考一个优选实施例以进行说明，该优选实施例如附图中所示。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示意性地示出了当检查没有表面缺陷的表面时的照明情况；

-图5示意性地示出了在图4的情况下，由表面检查系统的相机获取的线图像，及比较两张线图像的结果；

-图6示意性地示出了当检查有表面缺陷的表面时的照明情况；

-图7示意性地示出了在图6的情况下，由表面检查系统的相机获取的线图像，及比较两张线图像的结果；

-图8示意性地示出了由相机获取的不同线图像；及

-图9示意地示出了如何基于不同照明的情况下获取线图像而创建重构图像。

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，其中用于输送台3。板材元件4沿箭头A的方向输送时，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。

质量控制站2用于控制板材元件4的质量。一般而言，该质量控制站2包括表面检查系统10。该表面检查系统10包括照明系统11、相机16和影像评估单元18，其中该照明系统11具有两个光源12,14，并且把光定向为照射检查区域5，该检查区域5检查板材元件4的表面，其中该相机16用于获取线图像。

该检查区域5是细长狭窄的区域，在输送板材元件4的通道的整个宽度上延伸，检查区域5的纵向轴优选地垂直于方向A(请参见图2)。

该表面检查系统10的细节如图3所示。

该输送台的上表面以附图标记20表示。该上表面能视为均匀的或平坦的(至少在检查区域5中)。因此，在检查区域5中待检查的板材元件4的上表面亦能视为均匀的或平坦的。附图标记M表示相对于表面20垂直延伸的中间平面(并且因此垂直于检查区域5中的板材元件4的上表面)，及在此实施例中垂直于方向A。中间平面也能有其他方向，容后讨论。任何情况下，中间平面M皆不会与方向A平行。

相机16的光学平面O₁₆相对于中间平面M倾斜角度α。在一个优选的实施例中，该角度α为约20°。根据结构限制和需要进行的检查的特定性质，也可以选择其他角度。

当相机16优选为线阵相机，该线阵相机在表面20有约0.05至0.3mm的分辨率，以分辨在板材元件4表面上0.05至0.3mm的细节。相机16的传感器线的定向平行于检查区域5的纵向轴。

照明单元11具有光学平面O₁₁，该光学平面O₁₁相对于中间平面M倾斜相同角度α，但布置于中间平面M相对侧。因此，当照明单元11在检查区域5和中间平面M的上游，则相机16在检查区域5和中间平面M的下游。但相反亦可行。

光源12,14的纵向轴与检查区域5的纵向轴平行。

两个光源对称的布置在光学平面O₁₁的相对两侧。角度β代表两个光源12,14的光源光学平面相对于照明单元11的光学平面O₁₁倾斜的角度，该角度β在此的角度为约7.5°。使用单个照明单元11时，光源12,14的光源光学平面的定向为源自光源12,14的光射向检查区域5中的板材元件4的表面及覆盖其整个宽度。

作为布置光源12,14的替代方案，可安排两个光源彼此紧贴相邻，两者之间没有任何空间。

光源12,14可以由多列紧密布置的LED组成。当使用镜片和其他光学元件，例如漫反射器，用于生成窄带状的光束，该窄带状的光束定向为照射检查区域5中的板材元件4的表面。此外，光线在观看区域5的x方向上大致均匀，从而使z方向和y方向上有均匀的光。

光源12,14可以共用相同的漫反射器。

亦可以使用两个或以上横向地彼此相邻布置的照明单元。以类似的方式，还可以使用两个或以上横向地彼此相邻布置的相机。每个照明单元或相机因此“覆盖”检查区域5的一部分宽度。

由于光学平面O₁₁和光学平面O₁₆相对于中间平面M以镜像对称形式定向，而两个光源12,14被布置成相对于光学平面O₁₁有角度地偏移，因此相机会“拍摄”两个光源之间的空间(即假设板材元件表面为高反射“光泽”平面时，沿光学平面O₁₁的空间)。在本发明涉及的表面检查方法和表面检查系统的优选实施例中，这个假设是可行的。

假设光源产生的光落在检查区域5中的板材元件4的光泽表面上，可以理解为两个光源的光都没有被相机16检测到。源自光源12的光沿平面R12反射，源自光源14的光沿平面R14反射。

表面检查系统的一般运作模式如图4和图5所示。

光源12,14间歇地被激活，相机16获取检查区域5中两种照明情况之一的线图像。因此，相机16获取由光源12照射检查区域5的线图像l₁₂，再获取由光源14照射检查区域5的线图像l₁₄。如图5上半部分示意性地展示。为了更清晰描述，由相机16获取的每张线图像在此显示为10个像素。实际上，视乎分辨率和检查区域5的宽度，每张线图像可以包含数千乃至数万个像素。

在图4所示的实施例中，板材元件表面为光泽平面，并且没有表面缺陷，因此光的反射为镜面反射，及由于相机16“拍摄”两个光源12,14之间的空间(请参见图4)，因此每个像素获取的强度(至少理论上)为零。此结果通过图5中的空白格表示的像素来说明。

表面检查系统10的影像评估单元可以比较获取所得的线图像。在一个优选的实施例中，线图像彼此相减。在图5的下半部分，相减的结果以图像S显示。第一栏是将第一线图像l₁₂减去第一线图像l₁₄的结果，得出相减后获得的图像S₁。第二栏是将第二线图像l₁₂及第二线图像l₁₄彼此相减的结果，得出相减后获得的图像S₂。

当获取的线图像相同时，每个像素的值相减的结果为零。

如果以相反形式相减(即将后获取的线图像减去先获取的线图像)，亦会得出相同结果。

由于检查原则是基于获取板材元件4相同的表面的两张线图像，所以需要非常快速地接续获取线图像l₁₂，l₁₄。由于相机16获取线图像的速率为每秒约10,000或以上，所以在连续获取线图像的时间间隔之间板材元件表面特定部分没有明显的移动。

根据表面检查需要获得的特定资讯，相机可以是彩色相机或灰阶相机。

如实施例中所示，待检查的板材元件4表面的反射特性假设为相当于镜子的表面。实际上，非常光泽的表面(以箔或清漆覆盖的表面，有全息图的表面)的性质会接近镜面反射，但不是完全镜面反射。然而，比较由光源12照射检查区域5获取的线图像l₁₂和由光源14照射检查区域5获取的线图像l₁₄的结果会是相同的。

假设在接近镜面反射的情况下，实际上相机会获取到一些散射光。如图3所示，相机16会获取到一些源自光源12的散射光和一些源自光源14的散射光，即在线R₁₂之上的一部分光(即更接近光学平面O₁₆)及在线R₁₆之下的一部分光(即更接近光学平面O₁₆)。

假设板材元件4表面为平面的情况下，由于相机获取的每个像素光的强度相同，所以两张线图像会是相同的。因此，线图像相减的结果会与图5的下半部分所示的相同，即为零。

检测有缺陷的表面如图6和图7所示。

一般而言，表面缺陷可被视为“镜子”(反射表面)错误定向的表面区域。镜子错误定向会导致相机16不能“拍摄”两个相邻的光源12,14之间的空间。相反，反射向相机的光的对称性受到干扰，相机有可能会直接拍摄光源之一(因此获取到最大亮度的线图像)，同时不能拍摄到另一个光源(因此获取到没有亮度的线图像)。

图6示出了检查区域5中具有表面缺陷，导致来自光源14的光反射进相机16(明场照明)，而来自光源12的反射光远离相机(暗场照明)。

因此如图7所示，获取到的线图像l₁₂的像素的强度为零，而获取到的线图像l₁₄有些像素的强度为最高(在此假设表面缺陷为四个像素宽)。

由于获取到的线图像并不相同，线图像的比较结果显示某些像素(在表面缺陷的位置)的差异值不等于零(只根据两张线图像彼此相减的顺序获得的比较结果，与正负值无关)。当彼此相减的结果S的像素值不等于零，则清楚表示该表面存在缺陷。

这里使用简化的实施例解释本发明的系统和方法。“没有表面缺陷”和“存在表面缺陷”之间的分别，需要以特定的阀值明确定义比较结果的像素的强度，因为实际上，由于容差值(例如两个光源的光强度)，和每两张连续获取的线图像l₁₂，l₁₄是从板材元件表面略微不同的表面获取(因为板材元件在检查表面时持续移动)，两张线图像可能不会100％完全相同。任何在合适的阀值以下的强度会被视为“没有表面缺陷”，而超过此阀值的强度则被视为“存在表面缺陷”。

实际上，检测例如刮痕的表面缺陷并不只是基于简单的阀值，而是基于从个别的相减后获得的图像S_n创建的差异图像检测局部的变化。重构图像可以是800mm x 800mm，以及在板材元件4沿方向A移动时创建。

得出重构图像的方法如图8和图9所示。

一般而言，从在不同照明情况下获取的交织线图像，第一重构图像(在第一光源12的照明下获取的线图像而创建的重构图像)和第二重构图像(在第二光源14的照明下获取的线图像而创建的重构图像)会被创建，然后由影像评估单元分析这些重构图像。

在所有实施例中，获取板材元件的线图像的照明与相机和板材元件的位移(板材的移动速度)同步。举例来说，在照明观看区域时获取一张线图像，一段短时间后(例如当板材元件移动0.05mm)，再次照明观看区域获取下一张线图像，如此类推。

图8示意地示出了由相机获取的交织线图像l₁₂(以正常线显示)和l₁₄(以虚线显示)。在此，每个照明情况只示出10张线图像。实际上，每个板材元件4可以获取数千张线图像l₁₂,l₁₄。假设一个板材元件4获取4,000张线图像l₁₂,和4,000张线图像l₁₄，而相机16每秒可以获取80,000张线图像，则每秒可以处理十个板材元件4。

图9示意地示出了第一重构图像40由线图像l₁₂创建，和第二重构图像50由线图像l₁₄创建。

如果相机16在超过这里描述的两个照明情况(两个不同的光源12,14)下如图8所示获取线图像，则由相机16获取的数据会包含三个或以上的类型的交织线图像，及三张或以上的重构图像会被创建(每个照明情况一张重构图像)。

影像评估单元18处理重构图像40,50(整个或特定的部分)以侦测特定的项目。在此，可以通过比较重构图像40和50，以识别板材元件4表面的刮痕。

假设相减后获得的图像的灰阶强度单元的“正常”值为20。如果灰阶值突然改变至0或40，及灰阶强度的变化对应刮痕具有几何形状，则影像评估单元18可以识别板材元件的此区域包含刮痕。当传感器线相对于方向A垂直定位，有一种表面缺陷用该方法和系统无法检测：当刮痕与方向A完全平行延伸，其中板材元件4沿方向A移动以经过质量检查站2。这样的表面缺陷会导致获取到的线图像的像素线中某些像素值和其他像素值不同，但持续获取的线图像l₁₂,l₁₄的强度不会产生变化。

为了检测不同方向的表面缺陷，可以附加使用上述的表面检查系统，而该附加的表面检查区域的方向与第一个表面检查系统的检查区域5的方向不同。

同样地，可以把第一个表面检查系统的检查区域5相对于运送方向A布置成+45°，及第二个表面检查系统的检查区域5相对于方向A布置成-45°。

表面检查系统10可以具有其他照明单元以组成更复杂的检查系统。尤其是光源12,14可以组成更复杂的照明单元用于检测板材单元上的折痕和压印结构。

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（5）的板材元件（2）的表面，所述表面检查系统（10）包括影像评估单元（18）、两个光源（12,14）和相机（16），其中所述两个光源（12,14）相邻配置在照明平面（O₁₁）的相对两侧，并且定向为照射所述检查区域（5），所述相机（16）适于沿观看平面（O₁₆）获取所述检查区域（5）的线图像（l₁₂, l₁₄），所述照明平面（O₁₁）和所述观看平面（O₁₆）分別设置在中间平面（M）的相对两侧，所述中间平面（M）垂直于检查平面，所述照明平面（O₁₁）和所述中间平面（M）之间的角度（α）及所述观看平面（O₁₆）和所述中间平面（M）之间的角度（α）相等。

2.根据权利要求1所述的表面检查系统（10），其中所述相机（16）的观看区域覆盖所述检查区域（5）。

3.根据权利要求1所述的表面检查系统（10），其中多个所述相机（16）彼此相邻布置，多个所述相机（16）的观看区域合并在一起覆盖所述检查区域（5）。

4.根据前述任一项权利要求所述的表面检查系统（10），其中所述照明平面（O₁₁）和所述中间平面（M）之间的角度（α）为15°至30°的范围，优选为约20°。

5.根据前述任一项权利要求所述的表面检查系统（10），其中所述两个光源（12,14）相对于所述照明平面（O₁₁）倾斜角度（β），所述角度（β）在5°至10°的范围，优选为约7.5°。

6.根据前述任一项权利要求所述的表面检查系统（10），其中所述相机（16）是线阵相机。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的表面检查系统（10），其中所述相机（16）是2D相机。

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（16）是彩色相机。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的表面检查系统（10），其中所述相机（16）是单色相机。

10.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（16）在待检查的板材元件（4）的表面的分辨率在0.05至0.6mm的范围，优选为约0.1mm。

11.一种使用前述任一项权利要求所述的表面检查系统（10）检查板材元件（4）的表面的方法，其中所述两个光源（12,14）中的第一光源把光导向所述待检查的板材元件（4）的表面，所述相机（16）获取所述检查区域（5）的线图像（l₁₂;l₁₄），然后所述两个光源(14,12)中的第二光源把光导向所述待检查的所述板材元件（4）的表面，所述相机（16）获取所述检查区域（5）的线图像（l₁₄;l₁₂），其中所述影像评估单元（18）比较两张获取的所述线图像（l₁₂;l₁₄），具体地将两张所述线图像彼此相减。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述相机（16）适于每秒获取多于10,000张线图像，优选地每秒获取多于40,000张线图像。

13. 根据权利要求11或权利要求12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1至15 m/s的速度移动。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其中所述被检查的板材元件（4）至少有一部分具有反射表面。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其中将相减后获得的图像（S_n）合并，形成重构图像，由所述影像评估单元（18）分析所述重构图像。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述影像评估单元（18）分析所述重构图像以识别灰阶强度的变化。