CN1699978A - 用于高速rgb彩色鉴别的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于检查在移动工件上的多色区域、比如多色图形的设备和方法。该方法包括含有固态光源，优选的发光二极管的设备，该固态光源适于发射在波长范围中的光线用于照射多色区域。光电检测器被相对于工件定位以截取来自光源的由多色区域反射的光线。每个光电传感器适于检测在波长范围中定义的多个带的相应的一个中的反射的光线。该方法包括检测在波长范围的不同波长带中的多色区域反射的光线的强度，以及估计强度比率用于与标准比率比较以查明估计的比率的变化。

Description

用于高速RGB彩色鉴别的设备和方法
交叉申请的相关引用
本申请要求于2004年5月11日提交的U.S专利临时申请No.60/569,812的权益，该公开在此完全包括并引入作为参考。
技术领域
本发明总的来说涉及材料处理，并且更为具体的说，涉及用于通过彩色鉴别来准确地估计在从移动的工件反射的光线中包括的彩色信息的设备和方法。
背景技术
彩色检测系统用于感应在工件上压印的多色图形，其以编码的形式携带数据。例如，多色图形可以是具有不同颜色的单个条的彩色条形码。彩色检测系统通过以宽带光谱或“白”光来照射图形并且测量在整个可见光谱上反射的光线相比入射的白光线光谱的光谱特性来量化在这种多色图形中包括的颜色。
总的来说，这种彩色检测系统包括用作照射多色图形的白光恒定光源的卤素灯，以及检测从多色图形和工件反射的光线的一个或多个单独的光检测器。通过测量和量化不同颜色的反射的光线的强度来进行彩色确定。光检测器使用发送不同波长范围的窄带过滤器来光谱地过滤，以相对于在从多色图形反射的光线中单独的颜色强度来定义色度值。将色度值提供给计算机以估计在多色图形中的颜色。
彩色检测系统可以是用于验证在封装或纸盒坯体上的多色印刷的特性的检查系统。但是，用于从这种彩色检测系统估计彩色强度的现有技术因为在很多生产流水线中存在的高的线速率而不合适。因为必须验证的连续工件的绝对数目，这些高的线速率使得在多色印刷中存在的特定产品颜色的阴暗或色调的绝对确定存在问题。
通常，多色印刷的颜色确定其中光线从多色印刷反射的方式。当光线入射在工件上时，反射的光线的强度和波长根据在多色印刷上的单个颜色而改变。多色印刷的光特性还受其中光线从具有多色印刷的工件表面反射的方式影响。具体地说，镜面或光滑的表面抛光与散射物体或那些在所有方向反射光线的物体不同地反射光线。现有的彩色检测系统尤其限于它们估计从在具有特定表面抛光的工件上的多色印刷反射的光线的彩色强度的能力。
因此，需要提供一种用于准确地估计在以相对高的线速度移动通过检查设备的一系列工件的每一个上的多色印刷中包括的彩色信息的改进的检查设备和方法。
发明内容
在本发明的一个实施例中，设备包括：固态光源，优选地为发光二极管，其适于在波长范围中发射光线，且还包括多个光检测器。定位光源用于在移动工件上照射多色区域，比如多色图形。光检测器的每一个相对工件定位以截取由多色区域反射来自光源的光线。每个光检测器适于检测在波长范围中限定的多个波长带的相应的一个中的反射的光线。
根据本发明的另一方面，检查方法包括以包括波长范围的光线照射移动工件，并且从在工件上的多色区域反射一部分光线。该方法进一步包括：检测在第一波长范围的第一强度的反射光线，检测在第二波长范围的第二强度的反射光线，以及确定第一强度和第二强度的比率。将确定的比率和基准(比如标准比率)比较，以检测确定的比率相对于基准的变化。
根据本发明的再一方面，检查方法包括以包括波长范围的光线照射多个移动工件的每一个。确定在波长范围中在第一波长带中从每一工件上的多色区域反射的光强度和在波长范围中在第二波长带中从多色区域反射的光强度的比率。该方法进一步包括比较在多个工件中用于第一和第二工件的确定的比率，以检查在第一和第二工件之间在多色区域中颜色的变化。
通过附图所示的实施例及其说明能够更加清楚地了解本发明的多种益处和优点。
附图说明
附图是为了能进一步了解本发明而包含的，并且被纳入本说明书中构成本说明书的一部分，这些附图示出了本发明的实施例，并用于与本说明书一起对本发明的原理进行说明。
图1是根据本发明的实施例的检查系统的图解视图；以及
图2A和2B是每个都包括多色区域的工件的图解视图。
具体实施方式
参考图1，通常由附图标记10指示的生产流水线(process line)包括在上游到下游方向(通常由单向箭头14指示)移动的传送器12。传送器12以下游方向顺序传送或传输一系列工件16(比如纸箱或纸盒坯体)作为(例如)封装操作或封装组装操作的一部分。生产流水线10可以包括(例如)折叠器、粘合剂敷帖器(adhesive applicator)、印刷机、印模切割器或处理连续工件流16的其它现有设备。
检查系统，通常由附图标记17指示，位于传送器12的部分附近。检查系统17适于感应在由传送器12传输经过检查系统17的每个工件16上的多色区域(在下文中将以多色区域19的形式开始来描述)(图2A，2B)。多色区域19可以是在每个工件16的表面上的单色区域，并且可选地可以覆盖在检查系统17的视场中的工件16的整个表面或者表面的主要部分。作为选择地，多色区域19可以包括不同颜色的图形，或者多色区域19可以包括表示编码的标记(indicia)，比如彩色条形码的图形，能够翻译但是最终不被检查系统17翻译。
检查系统17包括光源18，其具有由可调整的功率控制单元20控制的光输出，并且是固定的，该光源通常位于传送器12之上。光源18以优选地组合以产生白光的恒定的波长分布发射光束(通常由附图标记22指示)。来自光源18的入射光由照明光透镜24聚焦以在到达传送器12的工件16的平面中的垂直位置处定义光焦点26。虽然本发明并不这样限定，但来自光源18的光束一般地以大约90度入射到包括工件16的表面的水平面。光点26照亮每个连续工件16面对光源18的表面。
检查系统17的光源18可以是白光发光二极管(LED)、具有组合的输出以提供白光的一组彩色LED，或者另一合适的固态光发射器。如在这里使用的，白光被认为是在对人眼可见的电磁光谱，并且优选地，构成整个可见光谱中的波长范围。但是，本发明并不限于此光源18可以发射在可见白光谱中多个离散波长子范围中的白光。具体地说，可用的光源18包括NSPW500BS灯类型LED，其可从Japan的NichiaCorporation购买获得，其特征在于(0.310，0.320)的色度坐标，还包括LXHL-LW3C LUXEON灯类型LED，其可从Lumileds Lighing，LLC(San Jose，California)购买获得，其特征在于lambertian光束图形和在700毫安(mA)输出65流明。光透镜24可以是(例如)具有两个向内弯曲的表面和负的焦距的双凹透镜。可以调制由光源18输出的光强度，以及在光输出的调制频率处执行的反射的光线的感应以抑制环境噪声。可用作光源18的另一类型的光源通过使用荧光物质转换从蓝或紫外LED发射的一部分光线，从而产生白光。
继续参考图1，检查系统17进一步包括固定的位置检测器28，其通常悬挂在传输器12之上。位置检测器28可以是光传感器或光检测器、电感传感器、电容传感器或其它类型的已知传感器，其具有包括在每个工件16上的光点26的可视的区域，并且优选地，位于光点26的下游。位置检测器28感应靠近光点26的每个工件17的参考部分或特征(例如，引导缘)的存在与否。当每个工件16进入它的可视的区域时，位置检测器28产生表示每个到达的工件16的存在的输出信号，并且将该信号经通信链路或线路29发送到计算机30。光源18和位置检测器28可以(例如)位于生产流水线10的印刷机的下游、生产流水线10的折叠器和粘合剂敷帖器的上游、或生产流水线10的印模切割器的下游。
诸如编码器32的设备通知计算机30传送器12的线速度，并且因此，通知每个工件16的线性速度。编码器32以表示传送器12的线速度的频率将一串脉冲经通信链路或线路33发送到计算机30。编码器32可以是轴编码器(shaft encoder)或任意其它类型的现有编码器。例如，编码器32可以是与传送器滚轮的轴耦合或者与向传送器12供电的马达的输出轴耦合的转动位置转换器。
从照射的工件16的多色区域反射的光线部分由检查系统17的收集光组件38收集并且聚焦在检查系统17的彩色传感器40上。收集光组件38可以是(例如)具有两个向外弯曲的表面和正的焦距的双凸透镜，并且可以包括校准反射的光线以限制收集区域的狭缝孔。收集光组件38收集相对于来自光源18的光束以45度±5度的角度镜面地反射的光线。
继续参考图1，将多个，例如，三个光电检测器42、44和46装在彩色传感器40，其每一个都适于检测在电磁光谱的可见光区域的定义明确的频率或波长带中的入射光，并且产生与检测到的光线的强度成正比的模拟输出信号。例如，光电检测器42可以包括位于光路径中通常透射红色波长范围中的光线的滤光器，光电检测器44可以包括位于光路径中通常透射在绿色波长范围中的光线的滤光器，而光电检测器46可以包括位于光路径中通常透射蓝色波长范围中的光线的滤光器。光电检测器42、44和46将产生一组三个输出信号用于多色区域19中的每个不同颜色。
来自每个光电检测器42、44和46的输出信号将依赖于在每个不同颜色的相应颜色波长带中反射的光线的光强度。由光电检测器42、44和46感应的波长带可以共同地跨越由光源18发射的光线的整个波长范围，或者作为选择地，可以采样波长的离散带，其中通过插入未检测的波长带分开相邻的感应的波长带。
在本发明的一个实施例中，光电检测器42、44和46可以被集成进可相对于到达的工件16定位的单一封装或平台。适于用作彩色传感器40的彩色传感器是型号MCSAT彩色传感器组件，其可从Hudson，NewHampshire的Laser Components Instrument Group Inc.购买获得，其包括在单一芯片上集成的三个硅正-本-负(positive-intrinsic-negative)(Si-PIN)光电二极管，覆盖Si-PIN光电二极管的相应的一个的合适的电介质光谱过滤器(检测的波长带：λRed＝590-750nm，λGreen＝490-610nm，λBlue＝400-510nm)，移去超过大约725nm的波长的可选的红外过滤器，以及保护Si-PIN光电二极管不受尘土和污染影响且允许反射的光线进入传感器组件的光窗口。适于用作彩色传感器40的另一彩色传感器是型号MCSiAT彩色传感器组件，其也可从Laser ComponentsInstrument Group Inc.购买获得，其包括在单一芯片的镶嵌图形中集成的十九(19)个Si-PIN光电二极管的三个(3)六边形阵列，覆盖19个光电二极管的相应的组的合适的电介质光谱过滤器(检测的波长带：λRed＝590-750nm，λGreen＝490-610nm，λBlue＝400-510nm)，移去超过大约725nm的波长的可选红外过滤器，以及保护Si-PIN光电二极管不受尘土和污染影响且允许反射的光线进入传感器组件的光窗口。在本发明的后一个特定实施例中，19个Si-PIN光电二极管的每一组构成光电检测器42、44和46中的一个，并且多个Si-PIN光电二极管在两(2)mm检测表面上的支出定向(disbursed orientation)提供相对平均的彩色识别，其基本上独立于目标的位置。
在操作期间由电阻网络41电压偏置光电检测器42、44和46。来自每个光电检测器42、44和46的模拟输出信号(也就是，电流)被引向多个运算放大器48、50和52之一的负输入。电阻54、56和58在运算放大器48、50和52的相应的一个的输出和负的输入之间提供负反馈路径。每个电阻54、56和58的阻抗确定运算放大器48、50和52的相应的一个的增益。每个放大器48、50和52将来自光电检测器42、44和46的相应的一个的输入电流转换为输出电压。运算放大器48、50和52的输出电压表示彩色传感器40的模拟输出，并且将保持和检测的光强度成正比。适于用作运算放大器48、50和52的运算放大器包括MTI04四通道跨导倒数放大器，其可从Hudson，New Hampshire的Laser ComponentsInstrument Group Inc.购买获得，还包括OPA267运算放大器，其可从Tucson Arizona的Burr Brown Corporation购买获得。
继续参考图1，来自运算放大器48、50和52的每一个的输出信号61、63、65(例如，Vred，Vgreen，Vblue)分别由多个运算放大器电路60、62和64的相应的一个对每个各自的颜色(也就是，红色、绿色、蓝色)放大和过滤。然后将放大和过滤的输出信号61、63、65由多个模拟-数字转换器66、68和70中的一个从模拟形式转换为数字形式。在本发明的确定的实施例中，模拟-数字转换器66、68和70可以由模拟电路代替。
计算机30包括接收来自模拟-数字转换器66、68和70的放大的、过滤的和数字化的输出信号，并且作为一组比率估计这些输出信号61、63、65。例如，计算机30可以估计红光强度与蓝光强度的比率、绿光强度与红光强度的比率、以及蓝光强度与绿光强度的比率。彩色强度比率独立于由在彩色传感器40上的收集光组件38聚焦的反射的光的强度。这表示本发明在估计绝对彩色强度上相对现有的彩色检测系统具有优点。
彩色强度比率可以与基准(比如目标标准比率)比较，与来自过去的彩色强度比率测量的历史彩色强度比率信息比较，或者与用于在先前工件16的多色区域19的彩色强度比率比较。可以从示例性工件16提供目标标准比率，其向计算机30教导一组彩色强度比率用于与从下一个工件16获得彩色强度比率比较。如果由光点26照射的多色区域19的颜色改变，则彩色强度比率也将改变。
计算机30可以通过检测彩色强度比率的变化来确定在连续工件16的多色区域19上的一个或多个色调或一个或多个彩色阴暗是否在单独工件16中改变。但是，计算机30不确定彩色的绝对色调或阴暗。在本发明的替换的实施例中，计算机30可以确定表征多色区域19的不同颜色的彩色强度比率是否在连续工件16中改变用于质量控制。这相比于提供彩色的绝对阴暗或色调的指示的现有系统有效地改进了测量速度。但是，计算机30不读取或翻译任何在多色区域19中编码或不编码的信息。相比解码在多个区域19中编码的信息的现有系统，这有效地改进了测量速度。
在再一个替换的实施例中，计算机30还可以使用彩色强度比率确定多色区域19是否准确地位于相对于工件16的边缘的二维区域中。这对于质量控制的印模切割操作特别有用。如果检测到变化，则计算机30可以提供警报给生产流水线10的母机，可以用作调整生产的反馈信息，或者可以用于拒绝有缺陷的工件16。这个对于感应在多色区域19和在工件16上多色区域19附件的不同区域之间的彩色强度比率中的对比度是有用的，因为光点26移动穿过工件16的表面。
计算机30同步彩色强度比率和来自位置检测器28和编码器32的输出信号61、63、65。来自位置检测器28的触发信号通知计算机30工件16中的一个到达可以用于读取，并且由此触发反射的光线强度的记录。来自编码器32的输出信号61、63、65允许计算机30将确定的彩色强度比率和在工件16上的绝对位置(absolution location)相关。采样长度可以等于从编码器32接收的一个或多个脉冲。对于每个工件16，作为在工件16上的位置的函数测量的彩色强度比率可以由计算机30存储用于将来的使用。例如，这对于沿着由光点26从光源18跟踪的路径映射彩色强度比率作为在工件16上的位置的函数是有用的。当检测工件16的另一特征(例如，拖后边缘)时，位置检测器28还提供触发信号到计算机30，且计算机30通过中断反射的光强度的检测或记录来响应触发信号。
通过比较在连续工件16之间的彩色强度比率，计算机30在多个颜色的差异之间来鉴别。虽然改变了条件，比如工件的振动，可能在反射的光线强度方面不同，但彩色强度的比率保持恒定并且不依赖于实际接收到的光线强度。分析的彩色强度比率还拒绝在生产流水线10的环境中周围光线条件的改变，因为周围光线也从工件16和多色区域19反射，而且也直接进入彩色传感器40。计算机30能够以相对高的速度精确测量连续的工件16的彩色，并且由此，能够有效验证每个工件16。
参考图2A，在工件16上的多色区域19通常包括并行设置的多个彩色条80，其中不同颜色的插入间隔81分开相邻的条80。条/间隔图形根据预定标准定义一个或多个字母数字值。当印刷多个区域19或者以其它方式在工件16上形成时，每个条80具有指定的相关颜色。每个条80可以具有相同颜色或不同颜色，并且典型地，每个条80具有相同颜色。当工件16以行进方向14移动时，光点26(图1)沿着基本上平行于边缘90、91的纵向轴82移动。彩色传感器40测量的着色(coloration)(也就是，彩色强度)因为条80的颜色和间隔81的存在而改变。
检测系统17确定在连续工件16上多色区域19中条80的均匀性和重复性。变化可以发生在其中检查系统17能够检测和进行正确测量的印刷处理期间。检查系统17能够感应潜在地可用于印刷或形成条80的彩色的基本上整个可见光谱，或者表征在条80中的颜色的可见光谱的至少一部分。但是，检查系统17不读取或翻译在多色区域19的条80中编码的任何信息，这相比解码这个信息的现有系统有效地改进了测量速度。将以不同于条80的多色码元串编码的信息应用于多色区域19。
参考图2B，其中相似的附图标记表示图2A中相似的特征，多色区域19可以包括具有几何形状(这个情况中是三角形)的一个或多个条88。通过估计几何形状的条88的彩色强度比率，检查系统17能够感应多色区域19在垂直于移动14的方向的方向上(也就是，相对于工件16上的特征，比如边缘90和91的横向位置)位置的变化。通过确定工件16在行进方向14上的行进距离或位移来感应横向位置的变化，横跨该行进方向14由彩色传感器40来感应条88的彩色强度比率特性。与从基准标准、历史位移或者先前工件16的位置的标准位移相比，这个位移的变化表示在特定工件16上条88的横向位置是不规则的。如果不规则继续并且对于一个或者甚至几个工件16不是单独的现象，则连续工件16上多色区域的处理需要矫正的测量。
相比现有彩色检测系统的性能，本发明的各个实施例的彩色鉴别设备和方法提供色度值的高速估计，并且具有需要最小维护的相对廉价的设备。彩色鉴别设备能够验证移动通过流水线的每个连续工件的光谱均匀性。从色度值的并行获得和处理获得测量速度的增加，典型地为25微秒。本发明的设备和方法提供容易的操作并允许测量小的目标(例如，1mm)。
相比现在用于现有彩色检测系统中的现有卤素光源，本发明中使用固态光源。即使当安装在振动机器上时，固态光源减少了热量和漂移并且寿命长。因为从彩色传感器的输出确定的光强度的比率的(ratiometric)转换，系统元件老化时不需要进行现场校准。本发明还允许精确确定工件上的多色区域，比如固态区域、彩色标记或彩色图形中的彩色比率，该工件的特征在于镜面表面引起反射的光强度的变化。
虽然通过多个实施例的描述示出了本发明并且相对详细地描述了这些实施例，本发明不意在限定或以任意方式限制所附权利要求的范围到这种细节。本领域普通技术人员很容易理解附加的优点和修改。因此本发明在其较宽的方面中不限于特定细节，表示的方法以及所示和所述的实例。因此，可以不脱离本申请的发明概念的精神或范围对细节做出修改。

Claims (19)

1.一种用于检查具有多色区域的移动工件的设备，其包括：
固态光源，其适于发射在波长范围中的光线，所述光源被相对于移动工件定位从而以光线照射多色区域；以及
多个光电检测器，其每一个相对于工件定位以截取来自所述光源由多色区域反射的光线，每个所述光电检测器适于检测在波长范围中定义的多个波长带的相应的一个中的光线。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述光源是发光二极管。
3.如权利要求1所述的设备，其中，该波长范围在电磁频谱的可见光部分中，且每个所述波长带在电磁频谱的可见光部分中。
4.如权利要求1所述的设备，进一步包括：
单一电子组件，其集成所述光电检测器。
5.一种用于检查在移动工件上的多色区域的方法，其包括：
以包括波长范围的光线照射移动工件；
检测在波长范围的第一波长带中从多色区域反射的第一强度的光线；
检测在波长范围的第二波长带中从多色区域反射的第二强度的光线；
确定第一强度和第二强度的比率；以及
比较确定的比率和基准以查明确定的比率相对于基准的变化。
6.如权利要求5所述的方法，其中，该波长范围处在电磁频谱的可见光部分中。
7.如权利要求5所述的方法，其中，该第一标准比率是通过平均先前对于多个工件估计的第一强度和第二强度的比率来建立的。
8.如权利要求5所述的方法，其中，该多色区域是包括每个具有颜色的多个条的彩色条形码，且该估计比率的步骤进一步包括：
确定对于至少一个条的第一强度与第二强度的比率。
9.如权利要求5所述的方法，其中，该工件具有边缘并且以行进方向移动，且多色区域是包括至少一个条的彩色条形码，该至少一个条形码在横跨垂直于行进方向并相对于工件的边缘的工件的方向上具有变化的尺寸，且该估计比率的步骤进一步包括：
确定在工件上至少一个条相对于边缘的位置变化。
10.如权利要求9所述的方法，其中，该确定位置变化的步骤进一步包括：
测量在横跨其检测比率的行进方向上工件的位移；以及
比较工件的位移和基准以查明条相对于边缘的位置变化。
11.如权利要求5所述的方法，进一步包括：
感应工件的第一特征；以及
在感应特征之后检测反射的光线的第一和第二强度。
12.如权利要求11所述的方法，进一步包括：
感应工件的第二特征；以及
在检测第二特征之后中断检测反射的光线的第一和第二强度。
13.一种用于检查在多个移动工件的相应的一个上携带的多个多色区域的每一个的方法，其包括：
以包括波长范围的光线照射每个移动工件；
确定从在波长范围的第一波长带中的从多色区域反射的光强度与从在波长范围的第二波长带中的多色区域反射的光强度的比率；以及
比较在多个工件中用于第一和第二工件的确定的比率以检测在第一和第二工件之间的多色区域中颜色的变化。
14.如权利要求13所述的方法，其中，该多色区域具有包括编码的信息的图形，并且该确定比率的步骤进一步包括：
确定比率而不解码图形中的任何信息。
15.如权利要求13所述的方法，其中，该比较不同工件的比率的步骤进一步包括：
确定多色区域相对于每个工件上的特征的位置。
16.如权利要求15所述的方法，其中，该确定位置的步骤进一步包括：
感应在每个工件上的特征；以及
确定多色区域相对于感应的特征的位置。
17.如权利要求16所述的方法，其中，该确定位置的步骤进一步包括：
测量当以光线照射时每个工件移动的线速度。
18.如权利要求13所述的方法，其中，该以光线照射每个移动工件的步骤进一步包括：
以发射在波长范围中的光线的光点照射每个移动工件；
以强度变化并在波长范围之中的环境光线照射每个移动工件；以及
当确定比率时抑制环境光线的强度变化。
19.如权利要求13所述的方法，进一步包括：
以感应在第一波长带中的光线的第一检测器检测从多色区域反射的光线的第一强度；
以感应在第二波长带中的光线的第二检测器检测从多色区域反射的光线的第二强度。
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