JP2009109511A - 自動化されたプロセス制御物品検査アプリケーションの中でスナップショット動作熱赤外線イメージングを提供するための装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】自動化されたプロセス制御物品検査アプリケーションの中でスナップショット動作熱赤外線イメージング装置および方法を提供する。
【解決手段】熱電気冷却手段と矛盾のない温度における相対的に低コストで良好な測定感度を有し、スナップショットモードで動作される鉛塩ベースの画像取得センサー２０が種々の自動化されたプロセス制御および物品検査アプリケーションに使用されることにより、高速機械視覚検査システム１２が可能となる。
【選択図】図１

Description

本出願は、２００１年５月２１日付で提出された米国仮特許出願第６０／２９２，４２１号に基づき且つそれに対する優先権を主張している。

本出願は、自動化されたプロセス制御物品検査アプリケーションの中でスナップショット動作熱赤外線イメージングを提供するための装置および方法に関する。より詳細には、高速機械視覚検査システムにおけるイメージングフロントエンドとしてのスナップショットモード鉛塩エリアアレイイメージングセンサーの使用に関係する。スナップショットすなわちストップアクションモードにおける鉛塩ベースの画像取得センサーは、広範囲の種々の自動化されたプロセス制御または物品検査アプリケーションに使用されている。

本発明は、特に高速の自動化された製品検査の技術に向けられており、そしてそれゆえに、それに対する特定の言及について記述されるであろうが、同時に本発明は他の分野およびアプリケーションにおける有用性を持ち得ることが認識されるであろう。例えば、本発明は、スナップショット動作が高速制御プロセスにおいて所望されている他のアプリケーションに使用されても良い。

背景として、製造者または制作者の品質またはプロセス制御操作を助けるためのカメラまたはビデオベースの自動化された検査技法の使用は、当該技術において良く知られている。例えば、「機械視覚検査装置および方法（Ｍａｃｈｉｎｅ Ｖｉｓｕａｌ Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ）」と題された米国特許第４，７６０，４４４号は、歯ブラシのカメラベースの機械視覚検査に関する装置および方法を記述している。この特許は、目標物を照明するための蛍光灯の使用を論じている。それは、また、検査視野／歯ブラシの反射率データを計測するカメラをも参照している。最先端技術を用いたさらなる例として、米国特許第４，８８２，４９８号は、検査標本に対するパルス化されたＬＥＤ照明の使用を論じている。

典型的な、自動化された検査の多くの先行技術の実施において、電荷結合素子（ＣＣＤ）ベースのカメラが使用されている。例えば、「ＣＣＤイメージセンサーのための電子的シャッター（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｈｕｔｔｅｒ ｆｏｒ ａ ＣＣＤ Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎｓｏｒ）」と題された米国特許第４，８７５，１００号は、電子的シャッター能力を含めるべくその機能性を拡張するＣＣＤデバイスの先行技術構造に対する革新を記述している。この付加的な機能は、速やかに変化する画像シーンにおいて、同期されたパルス化照明の必要性なしに当該アクションが生ずる、「ストップアクション」機能を、ＣＣＤベースのビデオイメージャーに、提供することを可能とする。自動化された機械視覚システムの多くの後続の実現が知られており、それらはＣＣＤベースである。

画像化された信号フォトンの取得を時間に制限し且つ同期させることの必要性は、高速自動化検査の基本的な要求である。この記述は、特定の機械視覚アプリケーションにおいて使用される選択されたイメージセンサーの動作の波長とは無関係に真実である。電磁スペクトルの熱赤外線領域（２と１２μｍとの間）において動作可能で且つ速やかに展開する空間シーンのアクションをストップさせる能力を持つカメラは、現在では存在を知られている。例えば、レイセオンコーポレーション（Ｒａｙｔｈｅｏｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）によって製造されるラディアンスＨＳＸ高パフォーマンスイメージングカメラ（Ｒａｄｉａｎｃｅ ＨＳＸ Ｈｉｇｈ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｃａｍｅｒａ）は、スナップショットモード取得をサポートすると主張されている。しかしながら、機械視覚アプリケーションにこのタイプのカメラを使用することには、いくつかの不利益があり、そしてそれゆえ機械視覚アプリケーションにおける熱ＩＲカメラの商業的な展開は、困難であった。これらの不利益は、このタイプのスターリングサイクル冷却された、アンチモン化インジウムベースのカメラの高価格さと堅牢性の欠如とを含んでいる。

比較的新しい部類の熱赤外線カメラ／センサーが、近年、利用可能となっている。この部類の赤外線イメージャーは、総称的にマイクロボロメーターベースの装置として説明される。マイクロボロメーターベースの熱ＩＲイメージャーのキーとなる属性は、それらは動作させるために極低温の冷却を必要としないという事実、ならびに標準的なシリコンＣＭＯＳ ＩＣ製造用の設備およびプロセスを使用して製造され得るという事実を含んでいる。これらの属性は、歴史的な赤外線イメージング技法に関連した高価格さと堅牢性の欠如を排除するのを助ける。「赤外線検出器（Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）」と題された米国特許第５，０２１，６６３号および「高ＩＲ感度のための微細構造設計（Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ ＩＲ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）」と題された米国特許第５，２８６，９７６号は、空間的に変動する熱赤外線信号の検出のために適する適切なボロメーターピクセル部位およびピクセルアレイ展開の構造を記述している。「マイクロボロメーター単位セル信号処理回路（Ｍｉｃｒｏｂｏｌｏｍｅｔｅｒ Ｕｎｉｔ Ｃｅｌｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｃｉｒｃｕｉｔ）」と題された米国特許第５，４８９，７７６号は、（信号検出機能に加えて）他の信号処理機能が、標準的なそして良く知られたＣＭＯＳ製造プロセスを使用して、毎ピクセルベースでどのように組み込まれ得るかを示している。この特許は、全てシリコンベースのマイクロボロメーターセル内で製造されるコンデンサーおよびトランジスター構成要素ならびに電気的相互接続の使用法を記述している。これらのピクセル部位構造は、受信された熱エネルギーを、マイクロボロメーターアレイの表面上に画像形成されたシーンをあらわす順序付けられた電気信号に変換するために使用される。「ビデオ出力信号を生成するためのカメラ、そのようなカメラのための赤外線焦点面アレイパッケージ、ならびに半導体基板上のエレメントの受動的焦点面アレイからビデオ信号を生成するための方法および装置（Ｃａｍｅｒａ ｆｏｒ Ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ Ｖｉｄｅｏ Ｏｕｔｐｕｔ Ｓｉｇｎａｌ， Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｆｏｃａｌ Ｐｌａｎｅ Ａｒｒａｙ Ｐａｃｋａｇｅ ｆｏｒ Ｓｕｃｈ Ｃａｍｅｒａ， ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ Ｖｉｄｅｏ Ｓｉｇｎａｌｓ ｆｒｏｍ Ｐａｓｓｉｖｅ Ｆｏｃａｌ Ｐｌａｎｅ Ａｒｒａｙ ｏｆ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｏｎ ａ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）」と題された米国特許第５，４２０，４１９号は、既存のマイクロボロメーターイメージングアレイが、動作中の赤外線カメラ内で展開されうる一つのやり方を記述している。

それが可能であるという大多数の知識にもかかわらず、最先端技術を用いたマイクロボロメーター装置が、スナップショットモード画像取得に必要とされる特定のピクセルレベルの機能性に向けるやり方で実現されることはなかった。加えて、マイクロボロメーター技術に関連した固有のピクセル部位応答時間および測定感度は、非常に短い信号集積であるスナップショットモード取得に関連した要求を現在満たしてはいない。

単一エレメントの鉛塩検出器、特に硫化鉛（ＰｂＳ）およびセレン化鉛（ＰｂＳｅ）、は、赤外線エネルギーの検出を含む種々のアプリケーションに何十年間も用いられている。室温において鉛塩検出器を動作させるときは、有用な検出感度は、可能である。装置動作温度が低下され、且つ、鉛塩検出器を含む多くのアプリケーションにおいて、１または２段階の熱電気クーラーが使用されるときに、改善された感度が、達成される。

しかしながら、この部類の熱ＩＲ検出器を使用するとき、高価なそして望ましくない極低温の冷却は必要とされない。さらに、近年においては、シリコンベースの制御エレクトロニクスを伴う鉛塩フォトサイトの２次元アレイを密に併合させまたは集積する能力は、ＰｂＳおよびＰｂＳｅから大面積２次元ＩＲイメージングアレイの製造を始めることを可能としている。

極低温冷却の必要なしに充分な温度分解性能を有する費用に対して効果の高いスナップショットモード熱ＩＲカメラの欠如は、先端技術を用いた機械視覚システム内の熱ＩＲイメージングフロントエンドのアプリケーションを制限している。開示された本発明は、既知の制限を克服するためのシステムおよび方法を企図している。
米国特許第４，７６０，４４４号 米国特許第４，８８２，４９８号 米国特許第４，８７５，１００号 米国特許第５，０２１，６６３号 米国特許第５，２８６，９７６号 米国特許第５，４８９，７７６号 米国特許第５，４２０，４１９号

本発明は、搬送装置によって高速の動的スピードにて物品が製造されおよび／または提供される特定のアプリケーションに関する、物品を検査するシステムおよび方法に向けられている。当該システムは、カメラまたはイメージャーサブシステムから画像を受け取り、且つ受け取った画像に関連して物品の品質または受容レベルの概要状態報告を生成するように構成されている画像処理サブシステムを含む。

本発明の一つの態様においては、本発明に関連するカメラまたはイメージャーサブシステムは、スナップショットモード画像取得をサポートすべく特別に構成された鉛塩エリアアレイの動作に基づいている。

本発明の優位性は、電磁スペクトルの熱ＩＲ部分（２から５μｍ）の部分内で物品の低コスト、オンライン表面およびサブ表面検査を提供することができることにある。

本発明の他の優位性は、電磁スペクトルの可視および近ＩＲ部分内において概して透明である物品および品目のための非常に確固とした構造的完全性の検査能力を提供することができることにある。

本発明の他の優位性は、高価なまたは確固としない冷却技術を実施することなく高感度、高スピード、赤外線イメージングを提供することができることにある。

本発明のさらに他の優位性は、物品の自動化された低コスト温度プロファイリングを提供することができることにある。

本発明の適用可能性のさらなる範囲は、以下に提供される詳細な説明によって明らかとなるであろう。しかしながら、詳細な説明および特定の例は、本発明の望ましい実施の形態を示しているとはいえ、本発明の精神および範囲の中での種々の変更および修正が、当業者には明らかになるであろうから、実例のみとして、与えられる。

本発明は、構造、配置および装置の種々の部品の組み合わせ、ならびに方法のステップ群の中に存在し、それによって企図された目的が、以下により充分に述べられ且つ添付図面に図解されるようにして、達成される。

さて、図示が本発明の望ましい実施の形態を説明するだけの目的のためであり、それを制限する目的のためでない図面を参照すると、図１は、本発明に従った望ましい全体のシステム１２の図を提供している。図示されている通り、望ましくはスナップショットモード鉛塩イメージャーである、イメージャー２０は、そのような対象物が、搬送装置９０の作用のもとで、指定された画像取得ゾーン３０を通って移動するにつれて、検査中の対象物または物品５０の赤外線画像データを得るように配置されている。制御エレクトロニクスモジュール８０は、画像プロセッサー１０、状態明言器６０、熱エネルギー刺激部７０、イメージャー２０、および部品検出装置４０のような、当該システム内に含まれる機能構成要素の動作を互いに整合的に作用させるように動作する。部品検出装置４０は、それが画像取得ゾーン３０に向かって移動するにつれて、対象物または物品、５０の存在を検出する。

一つの望ましい実施の形態において、熱エネルギー刺激部７０は、検査される対象物または物品に適切な熱エネルギーを分与するように設けられる。もちろん、物品が、例えば、製造プロセスまたはそれと同様のもの、によって、検査のために充分なそして受容し得る熱エネルギーを格納し且つそれに続いて放出する特性からなっている場合には、刺激は、必要でない。しかしながら、望ましくは、搬送装置９０に関して互いに向い合って配置される２つの構成要素を有するものとして図解されている、熱エネルギー刺激部７０は、在来の機械視覚システムに含まれる照明システムによって行なわれるものに類似する機能を実行する。すなわち、熱エネルギー刺激部７０は、欠陥のある物品と受容し得るものとを区別する刺激を提供する。検査される対象物に対する制御された照明刺激部の好結果のアプリケーションは、典型的には少なくともいくつかの在来の検査アプリケーションの成功に関連する属性である。一つの熱エネルギー刺激部は、制御された、矛盾のない熱エネルギーを、本発明に関連して説明されたように、機械視覚アプリケーションおよびシステム内の熱赤外線イメージングの特徴を拡張するために検査中の対象物５０にそのようにして印加する。

望ましい形態において、イメージャー２０は、その表面上に画像形成されるほぼ２から５μｍの範囲の熱赤外線エネルギーに対して敏感となるように設計された鉛塩フォト部位の１または２次元アレイである。望ましくは、鉛塩は、硫化鉛（ＰｂＳ）またはセレン化鉛（ＰｂＳｅ）である。このスナップショットモード鉛塩イメージャー２０は、望ましくは、その全てのピクセルまたはセルに、同時に、熱赤外線フォトンを集積または取得し、それゆえストップ動作イメージングをサポートする。当該アレイは、望ましくは、例えば、低コスト、堅牢、高速応答時間、スナップショットモード信号集積をサポートするための良好な感度、ならびに極低温冷却の不在の、産業上の機械視覚アプリケーションに関連する典型的な要求を満たす。

１次元または２次元イメージングアレイを用いて取得された画像データをアクセスする種々の方法がある。一つの技術は、当該アレイ内の各ピクセルおよびあらゆるピクセルに対する画像形成をサポートするために必要とされる適切な信号処理資源を供することである。この場合、当該アレイ内のあらゆるピクセル部位は、電流または蓄積電荷―電圧変換またはアナログ−ディジタル変換のような機能を実行するために必要な資源を含む。また、当該アレイ内の各ピクセルについての出力ピンまたはポートも提供される。

そのような構成は、非常に小さい数の全ピクセル数を有するアレイについて受容し得る。しかしながら、より大きなアレイについてはより実用的でない。これらの場合において、出力資源（ときには、２、４、または８出力ポートが使用される）の単一のセットを利用し、そしてそれから、シーケンシャルな形で、それらの資源への個々のピクセルを多重化またはスイッチすることが望ましい。スナップショットモード信号集積のためのマルチプレクサー出力を使用する一つの実施の形態は、それにもかかわらずいくつかのタイプのピクセル毎の信号格納手段が、センサー設計に含まれる必要がある。このことについては、適切に集積された回路構成が、当該技術において良く知られているように、所要のピクセル毎の電荷格納および多重化機能を実施するために、独立のシリコンチップ内に製造され得る。同様な技術が、在来の機械視覚システムに使用されるシリコンベースのイメージセンサを作成するのに使用される。

適切なシリコンベースの信号処理／読出し回路（上述された）によって、鉛塩赤外線フォトセル内に生成されるフォトン誘導された電流または電荷を密にリンクすることによって、実現可能性のあるスナップショットモード熱赤外線イメージャーが実現される。シリコン読み出し回路構成による鉛塩フォトセル内で作成されるフォトン発生信号をリンクする候補の方法は、シリコン読み出し回路構成への鉛塩コンパウンドの直接配置ま、たは、代わりに、鉛塩焦点面をシリコン読出し回路に結び付けるインジウムバンプのボンディング技術の使用を含む。カメラおよび取得技術におけるこの一般的な向上は、本発明に従った、オンライン機械視覚システム内の熱ＩＲカメラの新規なアプリケーションを可能とする。

さて、図２を参照すると、一つの望ましいイメージャー２０は、その中にレンズ２１を配置したハウジング２５と、鉛塩焦点面アレイ２２、および適切な読み出し回路構成２３を含んでいる。また、ハウジング２５の中には、カメラ制御および出力調整回路２４も含まれている。画像プロセッサー１０および制御エレクトロニクスモジュール８０への接続も図解されている。

ハウジング２５は、種々の形態を取っても良いが、望ましくは、図２に示された構成要素をサポートするそのような構成からなる。加えて、ハウジング２５は、充分なイメージングに適応させるために、焦点面アレイ２２について充分な熱安定性を提供するような特性からなることがやはり望ましい。

同様に、レンズ２１は、種々の構成からなっていて良い。赤外線信号の充分なフォーカシングを与えるレンズは、良く知られている。しかしながら、使用される特定のレンズは焦点面アレイの構成ならびにアプリケーションの要求に依存するであろうことは理解されるべきである。

アレイ２２および読出し回路構成２３は、望ましくは上述された通り形成される。カメラ制御および出力調整回路構成２４は、前記読出し回路構成からのデータ（例えば、電気信号）を処理するように構成され、そして制御エレクトロニクスモジュール８０および画像プロセッサー１０と通信もする。

動作において、レンズ２１は、熱エネルギーを発出する物品または対象物５０から赤外線信号フォトンを受け、そしてこれらのフォトンをアレイ２２上にフォーカスする。焦点面アレイ２２の各ピクセルは、信号フォトンを集積し且つ該信号フォトンを電気信号に変換する。これらの電気信号は、読出し回路構成２３によって順序に従ったやり方でアクセスされ、そしてカメラ制御および出力調整回路構成２４に対して入力として渡される。回路構成２４は、それから電気信号に基づいて画像プロセッサー１０に出力信号（例えば２次元赤外線空間画像またはデータセットのような画像データ）を供給する。制御および出力調整回路要素２４は、制御エレクトロニクスモジュール８０からの取得制御信号および集積時間制御信号も受けることが認められる。

種々の形態をとり得る、熱電気冷却装置２６は、望ましくは、図２において示唆されているように、イメージャー２０内に展開される。装置２６の第一次的な機能は、焦点面アレイ２２を安定な動作温度に保持させることである。このことは、イメージャー２０の画像取得能力を改善するという有利な効果を有している。有用な検出感度が、鉛塩検出器を室温で使用したときに達成され得ることは理解されるべきである。さらに、改善された測定感度は、検出器の動作温度が低下されたと同時に達成される。それ自体、有用なイメージャー２０は、室温から極低温までの範囲内のいずれかの動作温度に焦点面アレイ２２がセットされて潜在的に構成され得る。焦点面アレイ２２が２または３段階のソリッドステート熱電気冷却構成要素に矛盾しない温度で動作されるときに、本発明の一般的な範囲と調和して、イメージャーのコスト、寿命、および測定感度の間で望ましいトレードオフが達成される。熱電気クーラーのアプリケーションは、当該技術において良く知られている。

焦点面アレイ２２への信号フォトンの機能的および物理的流れおよび読出し回路構成２３から結果として得られる画像信号の流れの一層詳細な説明は、図３（ａ）および（ｂ）に提供されている。図３（ａ）において、例示的なアレイ２２が、読出し回路構成２３上に配置された、複数の感光性エレメント２２’を有するものとして、示されている。エレメント２２’の数は、もちろん、システムからシステムへ変化する。図示されたアレイは、図解目的のみのための例であり、エレメント２２’の典型的な数はさらに大きな値からなる。アレイの単一ピクセルフォトサイトを示す、図３（ｂ）を参照すると、ピクセルフォトサイト内に生ずる変化が誘導された信号は、鉛塩から形成される感光性エレメント２２’から、ピクセルサイト内に含まれるシリコンベースの信号処理領域２７内に向けられている。この信号は、感光性アレイ２２内に生じた信号誘導電子変化を、最初に、ピクセルの信号記憶２８部分内に格納されそしてそれから、後に、信号多重化回路構成２９を用いてピクセルアレイからシフトされ得る形態に変換するために使用される。多重化回路構成が、回路構成を縮小する形態で、全てのフォトサイトからの信号を多重化するために、設けられるので、回路構成２７および２８が、各フォトサイトのために固有的に提供されることが要求されることは、上述された通り認識される。この機能的な説明は、候補の熱イメージャーの一般的な機能を、図解目的で、ここに示すために設けられている。焦点面アレイおよび読出し回路の実現はこの詳細な説明で達成され、開示された発明の範囲を制限するように決して解釈されるべきではない。

図１の参照に戻り、画像取得ゾーン３０は、望ましいスナップショットモードの画像取得をサポートするため種々の形態をとっても良い。例えば、それは単に搬送装置９０に沿うエリアであっても良く、特にイメージャー２０による検出に対する助けとなる。その代わりに、ゾーン３０は、ハウジングまたはトンネルを備えていても良く、その中に検査される部品が搬送される。望ましいシステムの特性が与えられ、検査ゾーンは、望ましくは、制御されていないまたは望ましくない発生源から発出するような、所望されていない、迷走するまたは特定の熱放射のような、有害なエネルギーを、検査部品５０からイメージャー２０の視野内への反射から、阻止し、またはシールドするように動作する放射バッフル構造３５を備えている。もちろん、所望される熱放射は、図示される構造３５によって阻止されることはなく、あるいは当該技術における当業者には明らかであろう、種々の他の構成においても所望の放射は阻止されない。さらに、バッフル構造３５は、改善された信号対ノイズ比を提供する。いくつかの場合において、バッフル構造３５は、受容可能なパフォーマンスを有するシステムと受容不可能なパフォーマンスを有するシステムとを区別するようにして信号対ノイズ比を改善するかもしれない。加うるに、検査ゾーン３０に収容されるバッフル構造３５は、相対的に低い自己放出ばかりか高い熱吸収の特性を有するべきである。これらの特性は、好ましくは高表面放射率を有する放射バッフル３５を使用し、それから何らかの方法で（例えば、熱電気クーラーの使用を通して）、検査される部品５０または監視されるプロセスよりも有意的に低い温度に冷却されることによって達成される。バッフル構造３５は、本発明の目的を達成するための種々の形態をとって良いことが認められる。

画像プロセッサー１０は、種々の形態をとっても良い。電気的またはディジタルフォーマットで画像データを処理することができる画像プロセッサーは、当該技術において広く知られている。さらに、画像データを分析し且つ所定の基準に基づいて画像の特性を決定する画像プロセッサーは、同様に良く知られている。本発明を実施するための適切な画像プロセッサーは、ここに説明されたように、しかし他の点ではいかなる既知のタイプからなっていても良く、本発明の目的を達成することができなければならない。

一つの望ましい実施の形態においては、部品検出装置４０は、当該産業において良く知られている光電子タイプスイッチである。しかしながら、それは検査中の物品５０の存在を検出し、且つ制御エレクトロニクスモジュール８０に対してこの状態を電子的に通信することができるどのようなタイプのセンサー構成要素であっても同等とすることができる。

物品または対象物５０は、望ましくは自動化されたプロセス制御環境において高スピードで、適切に搬送され且つ検査されることができるどのような物品の形態をとってもよい。例えば、対象物は形状の変動する容器であっても良い。しかしながら、どのような形態であったとしても物品または対象物５０は、望ましくは製造プロセスにおいてまたは参照符号７０によって指示されるような、熱エネルギー刺激の実施を通して生成される熱エネルギーを格納し且つ放射するような種類のものである。

一つの望ましい実施の形態において、状態明言器６０は、画像プロセッサー１０がそれらを予め定義された品質レベルよりも低いと決定したときはいつでも、それらの正常な動的な流れから物品を除去するように動作する空気弁またはソレノイドのようなあるタイプの機械的排出手段である。代わりに、状態明言器６０は、部品毎の品質報告および／または物品品質の累積的アーカイブを提供するように動作するプリントまたは表示報告ライターとして実施され得る。さらなる代案として、状態明言器は、予め定義された品質レベルより、それらが、低い、または代わりに、高いと、決定されたときはいつでもいくつかの予め述べたやり方で、マークを付けるように動作するマーキング装置として実施される。

熱エネルギーを検査中の対象物に加える種々のやり方および装置が、現在において知られている。それなりに、熱エネルギー刺激部７０は、種々の形態をとっても良い。既知の技術は、誘導原理（例えば、誘導タイプヒーター）、超音波（例えば超音波ヒーター）、およびマイクロ波の使用を含んでいる。自然対流および／または強制気流によってエネルギーが交換されるランプ（例えば、石英ハロゲンランプ）のような黒体エミッターおよびグローバー。石英光源、赤外線エミッター、オーブン、高出力レーザー（例えば、空間的に方向付けされた高出力レーザー）および方向付け可能な超音波素子を適切に含む他の装置。熱エネルギーが、部品に関連するいかなる能動的な電気的構成要素を付勢することによって検査中の対象物５０に加えられても良い。電気的な自己加熱によって有利に刺激され得る部品の例は、モーター、トランス、および電子回路基板を含んでいる。

一つの望ましい実施の形態は、検査中の対象物５０への制御された熱エネルギーの印加のための設備を含んでいるけれども、本発明の精神は、正常な製造プロセスの１つまたはそれより多くのステップの結果として部品内に含まれて正常に生じる熱エネルギーが欠陥のある属性の検出に単独で充分である、それらの印加エリアを含んでいると理解されるべきである。同様に、本発明は、主として、検査される対象物内の熱エネルギーが、そのイメージングを改善するために対象物内で適切に分布されることを確実にするように仕向けられた装置の実施をも含んでいる。

同様の様式で、一つの望ましい実施の形態は、動いている対象物から画像を取得するためにスナップショットモード鉛塩イメージャー２０の使用を論じているけれども、機械視覚システム内で適切に展開されるそのようなイメージャーは、また静止した対象物のイメージを取得するのにも有用であることを理解されるべきである。特に、取得および集積持続期間信号を要求するためにその画像取得動作を調整するそのような赤外線カメラの能力は、関心のある対象物に生じる動的な熱的事象の有用な情報を収集することを可能とする。熱赤外線内に生じる時間にきわどいイメージング動作が製造された製品の受容性を決定するのに使用されるであろう例は、動的電力上昇状態のもとでの運転中の電子的組立ての検査を含んでいる。組立てに対する電力の印加の後、所定の厳密に制御された時間期間における電子回路のイメージを取得するためにカメラに指示する能力は、観察される欠陥動作のいくつかの部類を許容する。

制御エレクトロニクスモジュール８０は、（ハードウェアおよびソフトウェアの両方について）種々の構成を採用しても良いが、搬送装置９０の瞬時的な動作、または装置９０によって搬送されている部品の瞬時的な動作に基づいて正確なタイミング機能を行なって、部品検出装置４０からの信号に基づいて、スナップショットモードの鉛塩イメージャー２０に取得信号および集積時間信号のような画像取得信号を印加することが望ましい。

搬送装置９０は、望ましくは、対象物に移動を生じさせる移動するバンドまたはベルトを有する在来のコンベヤーシステムである。例えば、搬送装置は、検査／プロセス制御システムに高速連続に部品のストリームを動的に存在させるのに使用される自動化された搬送装置を備えていても良い。しかしながら、好ましく使用されるシステムは、熱エネルギー刺激を適応させるように構成されている。対象物を検査ゾーンに望ましく搬送している間に、搬送装置９０が、それによってイメージング設備が対象物に対して相対的に搬送されるシステムに置き換えられても良いことも理解されるべきである。

一つの望ましい動作において、対象物または物品５０は、コンベヤー装置９０に沿って搬送され、且つ熱エネルギー刺激部７０を通って搬送される。物品は、それから、部品検出装置４０によって検出される。一旦、対象物５０が画像取得ゾーン３０内に入ると、部品検出装置４０からの信号に応答して、制御エレクトロニクスモジュール８０によって生成される画像取得信号の結果としてイメージャー２０は、対象物の画像を取得する。この取得信号は、イメージャー２０に部品が画像取得ゾーン３０内の適正な位置にあり、そして赤外線信号フォトンの集積または収集を始めるべきであることを告知する。スナップショットモード鉛塩イメージャー２０は、望ましくは、それから、集積時間制御信号に基づいて特定の時間期間について、その（図２に示されている）焦点面アレイ内に含まれる全てのピクセルに同時に信号フォトンの集積を始める。

一旦、イメージャー２０が、所定の露出時間について信号フォトンを取得すると、信号集積は電子的に終結され、そして収集された画像データは、望ましくは何らかのやり方で画像プロセッサー１０にわたされる。画像プロセッサー１０は、イメージャー２０によって提供された画像データに受信画像に関連付けられた物品の概要状態報告を生成するように作用する。この概要状態報告は、直接的にまたは（制御エレクトロニクスモジュール８０を経由して）間接的に、状態明言器６０に動作のために通信される。すなわち、画像プロセッサーは、熱赤外線イメージャーの出力を受信し且つ該イメージャーによって生成される２次元赤外線空間画像またはデータセットを検査中の部品またはプロセスに関連付けられた品質またはプロセス関連属性の特定のセットに圧縮するようなやり方で処理する。

さらに詳細には、図４を参照すると、上述の動作の基本的なステップを反映する一つの望ましい方法３００が示されている。最初は、検査ゾーン３０に入るのに先立って、検査中の対象物５０に熱エネルギーが印加される（ステップ３０２）。熱エネルギーが、熱エネルギー刺激部７０によって与えられ、あるいは製造または制御プロセスの結果として対象物に固有であることが認められる。さらに、赤外線エネルギーが対象物内に適切に分布されていることを確認するために、前記刺激が、単純に与えられる。前記対象物は、それから搬送され且つそれが検査、または画像取得、ゾーン３０が検出される（ステップ３０４および３０６）。前記部品検出装置４０によって、検出が果たされ、該検出装置は、同時に検出信号をモジュール８０に送る。

それから、適切な信号送信（すなわち、画像取得信号および集積時間制御信号）が、検出信号に基づいてモジュール８０によって、スナップショットモード鉛塩イメージャー２０に伝達され、それによって、対象物によって放射された赤外線エネルギーが収集され得るとともに、適切な画像データを得るために所定の時間期間についてイメージャー２０の焦点面アレイのピクセルによって、赤外線信号フォトンが、集積され得る（ステップ３０８）。この画像データは、それから、イメージャー２０の制御回路構成２４によって画像プロセッサー１０に供給される（ステップ３１０）。画像データは、それから、画像プロセッサーによって、当該技術において良く知られた技術を用いて、処理される（ステップ３１２）。処理の目的は、対象物における欠陥を検出することであり、または対象物の全体の状態を単純に決定することである。状態報告が、それから画像データの処理に基づいて生成される（ステップ３１４）。

状態報告は、直接的にまたは（例えばモジュール８０を通して）間接的に状態明言器６０に供給される（ステップ３１６）。状態明言部が一旦状態報告を収集すると、それから種々のステップに着手されることが理解されるべきである。例えば、もしも画像取得の目的が、検査される対象物における欠陥を検出することであったとすると、そのときは状態明言器は、部品の排除または受容装置の形態をとり、且つ例えば、機械的排除装置（搬送路から物品を除去するように動作する空気弁またはソレノイド）によって対象物を排除することに進む。その代わりには、状態明言器は、単純に、部品毎の品質報告および／または部ピン品質の累積報告を提供するように動作するプリントまたは表示機構として実施されても良い。さらに、状態明言器は、マーキング装置（先に記された）、または製造プロセスにまたがる閉ループ制御を促進するようなやり方で部品またはプロセス状態を電子的に通信するモジュールとして他の形態で実施されても良い。

一つの望ましい実施の形態は、広帯域熱ＩＲ検査システムに関連付けられた一般的な優位性および実施の詳細を論じているけれども、イメージャー２０のフロントエンドに選択的な空間フィルターを付加的に展開する本質的に類似したシステムは、いくつかの場合においても有用であることが、認識されるべきである。システム感度を、検査される部品またはプロセスに関する重要な情報が存在すると知られている熱ＩＲ領域内の特定の波長に制限する能力は、システムの全体の信号対ノイズ比を増大させる傾向にある。このことは、システムによって与えられるより正確で且つ信頼性の高い決断をすることの有利な効果を有している。

ここにおける説明は、物品または対象物５０に関する検査および／または制御プロセスに詳伝を当てている。しかしながら、本発明に従ったシステムは、多数の関心のある熱エリアを有する複雑なプロセスまたはシステムを監視するのに使用されることもできることは、認識されるべきである。

加えて、一つの望ましい実施の形態において説明されたように、システムによって収集されるデータは、部品またはプロセスの受容性についての決断を与えるのに充分である。しかしながら、本発明に従ってシステムによって収集されるデータは、決断を与えるために使用されたデータセットの一部分のみを構成すればよいことを、認識されるべきである。

上記説明は、本発明の単に特別な実施の形態の開示を提供するに過ぎず、そしてそれをそこに制限するための目的で意図されてはいない。それ自体、本発明は、上述された実施の形態のみに限定されることはない。むしろ、当業者は、本発明の範囲内に入る代替的な実施の形態を想像できることが認識される。

図１は、本発明に従ったシステムを図解するブロック図である。 図２は、本発明に従ったイメージャーを図解するブロック図である。 図３（ａ）および（ｂ）は、本発明に従った熱イメージャーの候補のアレイおよび単一のピクセル部位のブロック図である。 図４は、本発明に従った方法を図解するフローチャートである。

Claims (32)

1. スナップショットモードの画像取得をサポートすべく構成され、電磁スペクトルの熱赤外部分（２〜５μｍ）、可視または近赤外部分の熱赤外線エネルギーに対して感応するように設計された鉛塩のフォト部位を有する１または２次元アレイを有する熱赤外線イメージャーと、
   部品またはプロセスのスナップショットモードの画像取得をサポートすべく構成された画像取得ゾーンと、
   前記イメージャーによって生成される２次元赤外線空間画像または２次元赤外線空間データセットを、画像取得ゾーン内の部品またはプロセスに関連付けられた品質に関する、またはプロセスに関する属性の特定のセットとして状態報告するような方法で、前記イメージャーの出力を受信し且つ処理すべく構成されたイメージプロセッサーと、
   当該システム内に画像取得制御信号を供給すべく構成された制御エレクトロニクスモジュールと
   を具備する、自動化されたプロセス制御物品検査アプリケーションの中でスナップショット動作熱イメージングを提供するためのシステム。
2. 当該システムに対して、高速で連続した部品の流れを動的に与えるのに使用される、自動化された搬送装置をさらに具備する請求項１に記載のシステム。
3. 前記制御エレクトロニクスモジュールに対するインターフェースを行ない且つ検査を必要とする部品の存在の指標を当該システムに与える、部品検出または存在検知装置をさらに具備する請求項２に記載のシステム。
4. 制御されていない、または好ましくない発生源から発出する有害な熱赤外線エネルギーから前記イメージャーをシールドするために、検査ゾーン内に配置された熱バッフルをさらに具備する請求項１に記載のシステム。
5. 前記熱バッフルは、前記有害な熱赤外線エネルギーの吸収を促進するための高放射率面を備える請求項４に記載のシステム。
6. 前記熱バッフルは、熱赤外線エネルギーの自己放出を低減するために能動的に冷却される請求項５に記載のシステム。
7. 欠陥のある部品と良好な部品を区別するための部品またはプロセスに熱エネルギーを分与するために使用される熱エネルギー刺激部をさらに備える請求項１に記載のシステム。
8. 前記熱エネルギー刺激部は、誘導タイプのヒーターとして実現される請求項７に記載のシステム。
9. 前記熱エネルギー刺激部は、超音波ヒーターとして実現される請求項７に記載のシステム。
10. 前記熱エネルギー刺激部は、マイクロ波発生源として実現される請求項７に記載のシステム。
11. 前記熱エネルギー刺激部は、空間的に方向付けされた高出力レーザーとして実現される請求項７に記載のシステム。
12. 前記熱エネルギー刺激部は、黒体エミッターとして実現される請求項７に記載のシステム。
13. 前記黒体エミッターは、ランプとして実現される請求項１２に記載のシステム。
14. 前記黒体エミッターは、グローバーとして実現される請求項１２に記載のシステム。
15. 熱赤外線エネルギーが、前記部品に関連する電気的に付勢する構成要素によって、前記部品に加えられる請求項１に記載のシステム。
16. 検査中の前記部品またはプロセスの状態を指示する状態明言器をさらに具備する請求項１に記載のシステム。
17. 前記状態明言器は、そのような部品が予め定義された品質レベルより下、または、逆に、上であると決定されたときに、製造プロセスから特定の部品を取り除くべく動作する機械的排除機構として実現される請求項１６に記載のシステム。
18. 前記排除機構は、空気弁である請求項１７に記載のシステム。
19. 前記排除機構は、ソレノイドアクチュエーターである請求項１７に記載のシステム。
20. 前記状態明言器は、予め定義された品質レベルより下、または、逆に、上であると決定された部品にマークを付けるべく動作するマーキング装置として実現される請求項１６に記載のシステム。
21. 前記状態明言器は、部品毎の品質報告を提供すべく動作するプリントまたは表示報告記述器として実現される請求項１６に記載のシステム。
22. 前記状態明言器は、物品品質の累積アーカイブを提供すべく動作するプリントまたは表示報告記述器として実現される請求項１６に記載のシステム。
23. 前記状態明言器は、製造プロセスの閉ループ制御を促進するような方法で部品またはプロセスの状態を電気的に通信するモジュールとして実現される請求項１６に記載のシステム。
24. 自動化されたプロセス制御物品検査アプリケーションの中でスナップショット動作熱赤外線イメージングを提供するための方法であって、
    電磁スペクトルの熱赤外部分（２〜５μｍ）、可視または近赤外部分の熱赤外線エネルギーに対して感応するように設計された鉛塩のフォト部位を有する１または２次元アレイを有するイメージャーを用い、
    エレクトロニクス制御モジュールによって提供される画像取得制御信号に基づく、前記鉛塩ベースのイメージャーの全ピクセル部位内に熱赤外線信号を同時に集積するステップと、
    前記ピクセル部位集積に基づく２次元赤外線空間画像またはデータセットをプロセッサーに供給するステップと、
    前記２次元赤外線空間画像またはデータセットを検査中の部品またはプロセスに関連付けられた一組の品質に関するまたはプロセスに関する属性の状態報告として処理するステップと
    からなる各ステップを有する方法。
25. 検査されるべき対象物を検査ゾーンまで自動的に搬送するステップをさらに有する請求項２４に記載の方法。
26. 欠陥のある部品と良好な部品とを区別する目的のために検査中の部品に熱エネルギーを印加するステップをさらに有する請求項２４に記載の方法。
27. 自動化されたプロセス制御物品検査アプリケーションの中でスナップショット動作熱赤外線イメージングを提供するための方法であって、
    検査される部品またはプロセスの中の構成要素に制御された電圧または電流を印加することによって、該構成要素を付勢するステップと、
    電磁スペクトルの熱赤外部分（２〜５μｍ）、可視または近赤外部分の熱赤外線エネルギーに対して感応するように設計された鉛塩のフォト部位を有する１または２次元アレイを有するイメージャーを用い、
    エレクトロニクス制御モジュールによって提供される画像取得制御信号に基づく、前記鉛塩ベースのイメージャーの全ピクセル部位内に熱赤外線信号を同時に集積するステップと、
    前記ピクセル部位集積に基づく２次元赤外線空間画像またはデータセットをプロセッサーに供給するステップと、
    前記２次元赤外線空間画像またはデータセットを検査中の部品またはプロセスに関連付けられた一組の品質に関するまたはプロセスに関する属性の状態報告として処理するステップと
    からなる各ステップを有する方法。
28. 前記処理に基づき状態報告を生成するステップをさらに有する請求項２４または２７に記載の方法。
29. 状態明言器に状態報告を提供するステップをさらに有する請求項２８に記載の方法。
30. 製造プロセスのパラメーターを自動的に変更するために前記状態報告を使用するステップをさらに有する請求項２９に記載の方法。
31. 前記鉛塩が硫化鉛またはセレン化鉛である請求項１に記載のシステム。
32. 前記鉛塩が硫化鉛またはセレン化鉛である請求項２４または２７に記載の方法。

Images