CN85101640A - 透明物体中折光缺陷的检测系统 - Google Patents

Abstract

一个对透明玻璃物体，如电视玻璃面板的照明系统，它用来检测光学缺陷。光源可被改变以成为空间不变的，并可产生沿各个方向传播的许多准直光束，一个带有挡板的被均匀地照亮的散射元件具有将折射缺陷增强到给定的程度，同时并不检测出那些较缓的折光形变的性质。通过具有给定接收角的、带有线形二极管阵列的照相机来观察物体。

Description

检测玻璃物体中的光学缺陷，诸如玻璃瓶、玻璃罐中的缺陷，一直采用光束照亮这些玻璃罐，通常用散射逆光，并且用光学的或光敏的探测器来观察这些容器。1983年3月29日公布的美国专利4378493所叙述的就是一种这样的装置。在这份专利中叙述了一个系统，它将一个放在检测位置的容器在整个高度上照亮。所述的光源由许多放在一块毛玻璃后的白炽灯所组成，以此产生一个相当大的散射光源来逆光照亮放在检测位置上的容器。采用这种散射光逆光照亮的装置，由于在邻近光线的容器壁上面可能存在折射缺陷，则在一定程度上它将会干扰从前面或容器对面的壁上发出的光线或使光不能进入。一个聚焦在容器前壁上的、在垂直方向为线状排列的照相机将在其象点的垂直阵列上提供容器壁的图象。这样象点被连续地检验，比较相邻象点的输出信号，输出信号是在其上所接收的光强的函数。采用这种方法，由容器壁上的缺陷反射到照相机视野中的光线将在线状阵列的输出信号中变得很明显。当然这种特殊的装置还要求使容器绕它的垂直轴转动，以提供对整个容器壁的四周进行扫描和观察的区域，这个区域可能也包括了容器的颈部和肩部。在这种系统中，当容器壁中存在一个反光的缺陷时，如一个裂痕，一个吸光缺陷象结石等，若容器壁的这些部分通过照相机的观察区域，则聚焦在器壁上的照相机象点将显示暗影区域，这是因为对照明光的反射使光射出了探测器的视野。由前所述，采用这种方法，通过比较相邻象点的输出信号，就可以确定缺陷在垂直平面的什么地方，并且在很大程度上也可确定缺陷的大小。象点以一个合适的速度被扫描，使得基本上瓶子的每一区域都被观察到，实际上许多缺陷可以在一些连续的扫描中显示出来比单次扫描更易被测到。

然而应该记住，到达容器前壁的光线是来自散射光源，这样的物体中产生的大多数折射效应就不对光线产生影响。考虑一下大多数光学检测系统这就很清楚了，这些系统是采用一个放置在直立的容器下面的散射光源来检查容器中的污物，那么象工厂名字和模子的数字一类字迹在容器上方装有光学信号分析仪的地方就看不到。

另外，还有一种对玻璃物品上不同部位的裂痕这样的缺陷进行光学检测的方法，它是采用以特定角度将一束光线聚焦到物体的一个区域，然后将探测器，如光电池放在一个与聚焦光线约成90°的位置。如美国专利3245533所述的这种装置，光线将从缺陷反射到光电池中，这样就指示出反射缺陷的存在。过去这一直是检查玻璃容器的平的和不平的部分的典型方法，聚焦的光线被裂痕反射到光电池中时，容器绕它的垂直轴转动所到达的位置就使缺陷得到检测。应当理解，被检测的这些缺陷是那些典型的被称为裂痕的缺陷，它们一般是在容器制作过程中的温度骤降所引起的，一般是成形后的热的玻璃触到了加工设备的冷的部位。一般来说，如果裂痕与表面相距为半波长以上的话，裂痕就是反光的。如果相距小于半个波长，光线就会通过，缺陷就不反射光线，于是就不能检测到缺陷。可使用反射的聚焦光检测出来的另一种缺陷是那些在玻璃容器中产生的表面缺陷，它将使聚焦光线产生折射以偏离原来时到容器中的方向，如美国专利3302787所图示的那样，在折射方向上放置探测器，例如在通过加工缺陷的直线上，就可以检测缺陷。

平板玻璃制品的检测，比如电视机的玻璃面板或者建筑用的玻璃板，习惯上一直采用一束聚焦光照射在物体上并使光在物体上横向扫动，同时将物体在与扫描光线适当的角度下移动，这种方法几乎可以用于所有玻璃表面。通过物体的光线由一个互补扫描光电池所接收。匹兹堡平板玻璃公司的美国专利3199401中就叙述了一个这样的系统。应当注意到这种系统要求采用一个适当的照射角度以避免由于反射所造成的误读。出现在光线和探测器视野中的玻璃表面上的轻微波动将引起聚焦光线的折射，这时在探测器上没有光照。所有这些在商业应用上都没有被重视，则发展一种检测系统，在其中使产品不尽人意的那些缺陷可以增强，并从不严重的折射效应中检识出来，这还是很有好处的。

发明的目的及概述

如前所述，本发明的一个目的是提供一种检识和分选透明物体如电视机玻璃面板的方法和装置，它采用特殊的照明技术来实现，是较经济的，易于识别并有效地把有缺陷的不合格产品与合格产品分开。

按照本发明，提供了一个用光照亮透明玻璃物体的系统，目的在于检测器视场的物体进行空间不变的照明。

于是，本发明的一个目的是使用一个放置在透镜的焦平面上的遮挡的散射光源来产生许多在不同方向上传播的“准直光束”，用它来照明待检物体以获得光线方向的可变分布或角分布，由此检测物体中的折光缺陷。

本发明的另一目的是逆光照射物体，并用一个线列照相机来观察物体，分析照相机所接收的影阵信号以检测那些具有折光性质的缺陷，它们有一定倾斜度，而不检测具有渐变性质的折光形变的缺陷。

本发明还有一个目的，是提供一个检测玻璃物体中的结石和埋藏的气泡一类光学缺陷的系统，它是用一个空间不变的系统逆光照射物体，将物体相对于光源移动，并用线扫描照相机观察穿过物体的发射光的强度变化。

附图简释

图1是本发明的装置的一个实施例的立体图。

图2是沿图1中2-2线的照明系统的垂直剖面图。

图3（a）是沿图2的3-3线看去的放大部分截面图。

图3（b）是沿着图2中的3-3线观察到的放大图象，用来解释图1的光学观测系统。图3（c）是由图3（b）所示的观测得到的透射率读数的图示。

图4（a）是沿图2中4-4线看到的物体部分的放大剖面图。

图4（b）是沿图2中4-4线观察到的、与图3（a）所述的相似的放大图象。

图4（c）是由图3（b）的观测中获得的光的透射读数的图示。

图5是用来解释本发明的光学原理的示意图。

图6是与图1相似的检测系统的立体图，它所检测的是一个玻璃容器。

图7（a）是沿图6中的7-7线的放大的剖面图，其中显示了一个内含的气泡。

图7（b）是对图7（a）的瓶子部分进行照相观察的图象。

图7（c）是对应于图7（b）的照相机信号强度的图示。

图8（a）是沿图2中的8-8线的物体的放大剖面图，在所示的区域内有一个结石。

图8（b）是对图8（a）的区域进行观察的放大图象。

图8（c）是对应于图8（b）的照相信号强度的图示。

附图的详细说明

用典型的玻璃生产机械生产玻璃制品时，一些不吸收光的缺陷可能存在于物品中。当提到呈现出表面形变的缺陷时，这些结构缺陷一般可归为三类。其一是上述加工缺陷中的线状缺陷。其二是空洞，有时称它们为气泡或内核，这要视它们的相对尺寸而定，其三是材料的不均匀性。一般地，所有这些缺陷都会引起光线产生折射或反射。

简单几何形状的物体中的折光缺陷的检测，比如对于平板玻璃，看起来相对是比较直接的，采用聚焦光束逆光照射这种玻璃板，并对发射的光用一个具有有限接收角度的光学系统描绘平板的象，那些对光学折射而使光射到光学系统之外的区域将成为暗影。这种系统对缺陷的探测灵敏度依赖于影象光的接收角和照相光的角度。然而，对于具有较复杂形状的物体中的折光缺陷的检测，如玻璃容器，存在另一个重要问题。容器将对那些由于容器的几何形状引起的反射光产生折射而并不需要有任何缺陷。此外，玻璃容器的内表面是自然形成的，于是被认为合格的商品的内表面可有相当大的表面形变。这些表面形变的形状一般不能用上面所说的用于平板玻璃的技术。

在检测电视机的不合格的表面玻璃板的光学缺陷时，这种检测应首先进行精抛光并去掉外表面的表面缺陷，当一束有限角分布的光线照在表面缺陷上时，由于折射它会使传送图象的光线发生偏离。

为了提供一个可供检测的照明，很明显采用一个角分布更大的光源，如散射光源，是很必要的。如前所述，已知在检测吸收光线的缺陷时，由折射引起的不需要效应可以通过一个各向同性的逆光照明来平衡，并用透射光描绘物体的象。例如，要想检测近似为圆柱形边壁的透明容器，一个光源放置在瓶子输送机构的一边，照相机放在一边，对容器的照明经容器两壁能被观测到。然而，当使用一个一般的散射光源时，与接收系统靠近的容器壁与离接收系统较远的容器壁不出现时的结果并无区别。于是，由于透明度的要求，你可以想到消除远端的器壁并从本质上考虑一个只有一个器壁被测的系统的检测概念。大多数制造玻璃容器的机器存在一个所谓“驻波”，它一般在容器中部以下和底部以上区域出现。这个“驻波”是在把玻璃从坯料形状吹成所需的瓶子形状时所产生的，产生的条件是靠近挡板的坯料的一个环形区域中的玻璃通常较冷，这部分玻璃不如坯料中其它区域的玻璃扩展得多。这在容器的边壁玻璃上产生了一个较薄的环形区域。一般地驻波是一个明显的问题，如果它并不严重，通常并不影响容器的商品质量。“驻波”可以称作一个在容器边壁上的渐变的、折射光线的扰光物。

如图5所示，它在二维平面表示了通过玻璃物体截面的透射光被照相机10接收，它有一个接收角Ω，映出物体C点附近的象。如果物体内表面是平整的，即如虚线12所示，经过C点接收的光线来自光源区域A。但是，如果内表面不平，如实线14所示，则观测的轴实际上被折射了一个角度θ，通过C点被接收的光线来自光源区域A′。如果光源16亮度恒定并且是各向同性的，由于没有吸收，则C点的表面亮度基本上不受所述折射的影响。另一方面，这个折射可用遮挡区域A′的方法来检验。如在线18的右侧遮光，于是使这个区域不发生光线，在这种情况下C点的象与亮的视场相比将呈现暗影。折光缺陷就可以用通过点如C点的表面透射光的减少来检验，就如同它们是吸收光的缺陷一样。

但是，采用遮光在缺陷检测中仅得到很有限的应用，因为遮光的应用不是在空间不变的。一个给定的缺陷的显现依赖于C点的相对位置及遮光的边缘18，这样使缺陷的出现依赖于它在视场的横向位置和从遮光点起算的物体的纵向长度。这样，即使一个较小的折光缺陷存在于视场的某一部分，它也能象其它部分的较大折光缺陷一样能引起入射光的减少。这样，系统是在空间可变的。但是，如果保持过C点的透射光的出现仅依赖于观测轴向由折射所改变的角度θ，可设法克服这些限制。

如前所述，建议使用一个光的亮度均匀、光强分布各向异性的光源来逆光照射物体，透射光强度将与光源上的A′点及C点和A′点的相对位置无关，以获得所希望的空间不变性。采用新设计的技术，在散射光源上产生一个空间强度分布，并在透镜的样品一侧转换成角度分布，有选择地使渐变的表面可被观察到的任务就可以在光学上实现了。由于这些形变一般使观测轴折过很小的角度，如果光强分布或角分布在这些小角度上是均匀的，则那些形变就观察不到。

特别是参照图2，其中表示了一个具有所希望的角分布的可变光源的光学互补性。散射光源S是这样构成，毛玻璃16放置在许多灯泡17的前面，毛玻璃置于焦距为F的透镜20前，与其相距为F。光源S上所有在透镜前的板上未遮掩的点如X和Y就成为准直光束，3对应于X，2对应于Y，它们与通过发光点和透镜中心的线平行地射出。若光源是各向同性的并具有均匀亮度，每束光应具有同样的光流密度。若一个挡板22宽度为a＝2Ftgθ₀，放置在散射光源上，则在透镜前的照明光的角分布被限制在小于或等于±θ₀的角度上。于是，可以看到，通过改变挡板宽度可以很容易改变角度θ₀。此外，在透镜前的平板上的二维角分布不需要各向同性，而可以通过选择挡板的形状任意地决定它的形状。

应用各向不同性的角分布特别适用于检测透明的瓶子，因为它们的剖面不是图的对称形状。可以看出，采用图2中所描述的技术，提供了一个与前面提到的空间可变的情形相似的经过改进的、空间不变的遮挡光源。照明系统的基本效果就是提供了一个增强并以较大的检测可靠性观察到。由于照相机10是垂直的，线扫描线状排列的，它聚焦在空间的一条线上，物体移过这条线。光源在物体移动的方向d或在垂直于容器轴的方向做得较宽，如图6所示，但在另一个方向可做得较窄。射到物体背面的光线在它们的照明方向上具有一定的角度和方向性，只要采用了一个散射光源，就可在所有方向上都给予照明。于是有一定角度的光照方向就可以把所观察到的物体的物理性质和光学性质分开，并且根据挡板选择接收角和透镜焦距，就使得光源在方向上具有很强的角度性。

光源16上的每一点都可产生一组从透镜20发出的光线，并且它们平行于从那一点到透镜中心的连成的直线。光源上每一点所产生的一组光线的方向取决于那一点到透镜中心的相对位置的变化。这样就产生了一个光的角分布，它对透镜前的所有点都是一样的，即产生空间不变的照明。根据本发明的照明系统可选择光线分布的角度。你可选择这样的分布给予要检测的那类折光缺陷以最大的增强，同时照亮那些一般会使反射光产生折射的不规则的渐变倾斜。若光源很发散，所有折光缺陷都变得很淡，将会什么都看不到。应该指出本发明所述的照相机对于移过视场的物体上的垂直窄条进行观察。在二次成象情况下也可应用光源的“改变”技术。

这样，由前述的系统可以看出，本发明的照明系统所产生的光线角分布导致了一种高灵敏的光照系统，用它来检测比较尖突的折射形变同时又抑制那些可能存在的表面渐变的显示，例如使一个玻璃器或其它的透明的玻璃物品移过照相机10的视场。

现在来看图1，其中表示了本发明的照明系统用来照亮电视机表面玻璃板P，以检测那些可选择的折光缺陷诸如结石、气泡、小坑以及其它在玻璃中的类似缺陷。

由于电视机玻璃面板不仅面积较大而且在它的长宽方向上都弯曲，所以确定采用三个检测路径是较适宜的。在图2中详细描述的光源28、29和30沿玻璃面板宽度方向并排排列在板的下面。每个光源的中轴垂直于所对的玻璃面板的表面。每个光源28、29、30各有一个照相机31，32，33，它们排列起来以观察被光源照亮的玻璃面板的一个长条形区域。每一照相机中的线形阵列都观察到玻璃面板上短轴方向的一个线状区域，也包括弯起来的边缘。实际上玻璃面板是用一个未画出的夹子夹持住，并按在玻璃面板两端画出的箭头35所示方向沿弧形轨道移动。夹子所移动的弧线中心基本上对应于待检玻璃面板在长轴方向的弧线的中心轴。由于玻璃板面在弧线上摆动，所以它的所有表面区域都将经过光源28-30和照相机31-33之间，玻璃面板上所有可观察到的区域都会被检测到。很明显，将光源分为所述的三个部分，就可使用尺寸较小的菲涅耳透镜，而且光源的轴可移到更适应玻璃面板曲率的位置上。然而若用一个光源的散射光要照亮玻璃面板的整个宽度时就必须使用一个相当大的单一的菲涅耳透镜。

在图6中可以看到透镜20具有足够大的尺寸以照亮整个待检容器。但是为了对容器的四周进行观察，特别是图6中的边缘，有必要使容器绕垂直轴转动90°后再一次通过观察区域。用这种方针，容器的所有区域都在检测系统中被仔细检验。显然，当容器的边缘部分被观测时，从照相机的象点发出任何信号都应该用电子学方法排除掉。另外，放置在散射元件上面的挡板22可根据容器的形状来安置以使容器的肩部和底部也可被检测。这种情况下，挡板象展开的蝴蝶翅膀，宽的部分对应于容器倾斜的肩部。

参照图3a和图4a，其中表示了两种类型的表面形状的截面，它们可能存在于压成的玻璃面板中。在图3a中，玻璃上有一条线，在它的顶边有一很陡的角度θ₁和一个回到玻璃面板的正常平面上的较缓的斜坡，它具有角度θ₂。对于角度θ₁，光线将被折射，从图3b所示的垂直象点列中可得到输出信号的强度。正如所看到的那样，由于θ₁角远大于θ₀角，则光线被折射，并且观察倾斜表面的象点将不会收到任何光线，另一方面，若斜坡的角度θ₂小于θ₀，则它不会折射光源发出的光线，象点几乎完全被照明。

图4a所示的表面情况就是一个略微突起的区域，表示斜坡部分的角度θ₃小于θ₀。如同图3a下半部的情况一样，象点35将接收到很强的照明光，图4c通过与图4b一样的象点所接收的信号强度的图示反映了这一点。

现在来看图7（a）-（c）及图8（a）-（c），其中表示了两个放大的缺陷，它们是可用本检测系统检测出的所有类型的缺陷之中的两种。图7（a）中，缺陷是气泡B，它是那类其倾斜和角度可使入射光线折射到一个比照明光分布更大的角度上的缺陷。于是，由照明光产生的折射光射到几个照相机象点的观测线之外，则缺陷可被检测出来。然而从图7（c）可以看出气泡的中心并不反射光线。

图7（b）表示了被照相机接收的较低光强，而图7（c）表示了照相机中每一象点35所示的信号强度。应该记住当被观察的物体中没有折射或吸收时光强为。100%，而在遇到完全折射时基本上为零，如图3（a）和图7（a）所示的情形。图3.（a）的缺陷的下部具有较缓的斜坡可选择入射光到可检测出的程度。

图8（a）中，表示的缺陷比如结石S完全挡住了光线，这是由于结石是在一些玻璃中发现的不透明的不同物体，它是一些组分没有完全熔解。结石有构成应力集中点的性质，所以在物体的接触或温度骤冷时会变成一个破碎的根源。这样，每当检测出含有结石的玻璃容器应把它们去掉以避免费用的浪费，不论在商品供应线或者零售都一样。显然，当电视机面板中有结石时，这是一个不能容忍的缺陷。图7（a）中的气泡和图8（a）中的结石都是有碍的，因为当人们观看面板含有这种缺陷的电视时它们会变得很显然。

图8（b）和（c）表示了在照相机中的光照强度，其中不只一个象点34被完全遮住。

以上所述的为本发明系统的几个实施例，其中对待检物体的照明系统做成空间不变的，这样无论物体放在视场中何处，它都能得到同样的光照强度并可用照相机来观察，这样，照相机对于物体的位置或物体通过照相机视场的运动就不敏感了。

Claims (6)

1、检测透的物体中折射缺陷的方法，包括产生一个具有均匀亮度的一般散射光源，将一个具有大于0的焦距F的透镜置子光源的前面(距离为F)以此在透镜前面产生准直光束，它们以光源上的点发出并具有相同的光流密度，在光源上放置一个挡板的限制透镜前面的透明光的角分布，把它限制在光强均匀分布的角度上，并且小于或等于从挡板边缘到透镜中心的延伸线与透镜光轴所成的角度，将待检物体垂直于透镜光轴在透镜前移动，用光线增强折光缺陷并将缺陷从渐变的折光形变中区分出来，采用聚焦在物体表面的线形阵列照相机来观察物体，由照相机所接收的光线强度的变化来检测缺陷。

2、检测透明物体诸如玻璃容器中折光缺陷的方法，缺陷具有与物体中较缓的折射形变相区别的较陡的接收角度，当它们沿直线轨道直立地通过一个聚焦在物体的垂直壁上的，具有垂直线状象点排列的照相机前面时，它们被逆光照亮，对物体的逆光照明的改进步骤包括：在物体的背景形成一个宽的散射照的光源，所说的光源在其表面具有均匀亮度，在光源前的一段距离上放置一个凸的菲涅耳透镜，以产生一个从透镜照到物体移动的路径方向的准直光分布，限制从光源到透镜的照明角度。

3、一种检测玻璃物体中的折光缺陷的装置，当缺陷通过一个检测带时被逆光照亮，在检测带上它们被一个具有垂直线状光敏象点阵列的照相机所观察，对折光缺陷的照明系统进行改进的增强缺陷包括，一个具有均匀表面亮度的散射光源，一个放在光源前一定距离上的凸透镜的产生一个以透镜中射到检测带的准直光分布，用它来提供对含有缺陷的物体的照明，由于存在折射缺陷，在照相机视场中的照明光线将会被折射。

4、按照权项3，有一个在所说的光源表面部分上的挡板，所说的挡板限制所说的光线分布的照射角度，以便对折射渐变获得较为不灵敏的照明。

5、按照权项4，其中所说的玻璃物体是电视玻璃面板，有一组散射光源，每个光源照亮玻璃面板的一部分。

6、按照权项5，还有一组照相机，其中每个都能观察到玻璃面板上被照亮的一个部分区域。

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