JP5344792B2 - 対象物の欠陥を検出する測定システム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、対象物の特徴を映すフィールド、特に、少なくとも第１及び第２層を有する対象物の特徴を映すことで対象物の欠陥を検出することができる測定システムと、この検出のための方法に関する。

例えば包装産業において品質制御は非常に重要である。たいていの製造業者は製品のマニュアルの視覚による検査、すなわち、人間の目による製品の調査を行う。これは、時間がかかり、効果で、あまり効率的でなく、主観的な評価だとも考えられる。マニュアル品質検査に代わるものは自動化検査システムを使用することである。しかしながら、透明材料又は半透明材料の検査は、これら材料上の欠陥が通常の検査システムでは見えないので難しい。

ガラスやプラスチックなどの透明な対象物を検査するための１つの方法は、明視野／暗視野システムを使用することである。明視野は、対象物からの正反射光がセンサーに映される領域である。暗視野は、対象物からの拡散反射光がセンサーに映される領域である。暗視野センサー及び明視野センサーからの信号は透明な対象物の表面上の欠陥を検出するために使用される。欠陥があるときは、明視野画像が明るく、暗視野画像が暗い。しかし、対象物が欠陥を有するとき、暗視野画像は増加した明るさを示す。しかしながら、透明対象物を検査する方法は表面層の欠陥を検出するだけである。

ポリマーフィルムで包まれたタバコ包装などの、透明又は半透明材料で包装された対象物を検査するための画像装置及びプロセスを提案する１つの従来技術のアプローチが特許文献１に開示されている。光が包装機に入り包装機が導波管として働くように、入射光が対象物に向けられる。光は縁ではポリフィルムラップから漏れ、反射境界に達するところで曲がる。漏れた光はカメラで記録され、その後画像プロセッサに送られる。誤配置、誤折れ、裂け、皺又は他の欠陥などのオーバーラップ欠陥が検出される。

しかしながら、この従来技術のアプローチは包装層の欠陥を検出するだけである。マニュアル又は自動の複数の検査システムを必要とする別個の段階で、パッケージ自体の欠陥が別個に検出されなければならない。

ゆえに、少なくとも第１層は透明又は半透明材料からなる少なくとも２つの層を有する対象物の欠陥検査のシステム及び方法の必要がある。

EP 902275

従って、本発明の目的は、少なくとも第１層及び第２層を有する対象物の欠陥を検出することができる改良された測定システムを提供することである。

この目的は、入射光で対象物を照射するために配置された少なくとも１つの光源、対象物からの反射光及び散乱光を検出し、検出光を電荷に変換するために配置された画像センサー、及び電荷に従って対象物の映像（イメージ）を創出する手段を有する測定システムを提供することで達成される。この装置は、その映像から散乱光の情報を得る手段と、対象物上又は対象物内の欠陥を検出するためにその情報と記憶された情報を比較する手段を有する。散乱光は、第１層に入射し、対象物の第１層及び／又は第２層で散乱し、入射位置と異なる位置で第１層から出る光である。

本発明の別な目的は、少なくとも第１層及び第２層を有する対象物の欠陥を検出する改良された方法を提供することである。

この目的は測定システムを提供する方法により達成される。対象物が入射光により照射され、対象物からの反射光及び散乱光は検出光が電荷に変換される画像センサーにより検出され、それにより対象物の映像が作られる。ここで、散乱光に関する情報が映像から得られ、情報は対象物上又は対象物内の欠陥を検出するために記憶された情報と比較される。散乱光は、第１層に入射し、対象物の第１層及び／又は第２層で散乱し、入射位置と異なる位置で第１層から出る光である。

本発明の他の対象物及び特徴は、付属の図面に則した以下の詳細な記述から明らかになろう。しかしながら、図面は説明のためにだけに設計され、本発明の制限を定めるものでないことが理解されよう。このために付属の請求項を参照されたい。さらに、図面は必ずしも一定比率で描かれておらず、他に示唆がなければ、それらは単にここで述べる構造及び手順を概念的に説明する意図であることが理解されよう。

幾つかの図面のうち同じ参照番号は同様な要素を示す。

図１は、本発明の第１実施形態に従う少なくとも第１層２ａ及び第２層２ｂを有する対象物２の特徴を映すための測定システム１の基本構造を示す概念図である。システム１は、入射光４で対象物２を照射するために配置された少なくとも１つの光源３を有する。画像センサー６は、対象物２からの反射光５ａ及び５ｂを検出し、検出光を電荷に変換するために配置される。画像センサー６で検出される反射光は５ｂで示され、画像センサー６で検出される対象物での散乱光は５ａで示される。さらに、システムは画像／信号処理ユニット（図示せず）などの、電荷に従って対象物２のアナログ又はデジタル映像を創出する手段を有する。対象物２のアナログ又はデジタル映像を創出する前記手段は、別個のユニットであるか、画像センサー６に一体化している。本発明の好ましい実施形態では、対象物２のデジタル映像が作られる。

対象物２と測定システム１は平行な平面上の所定の運動方向に、好ましくは実質的に水平方向に相互に移動する。本発明の好ましい実施形態では、対象物２は測定システム１に対して移動する。例えば、前記対象物が製紙機械の連続ウェブにおける紙であれば、対象物２は、例えば移動するコンベヤベルトに配置されるか、それに代えてベルトはなく対象物自体が移動する。測定システム１に対して移動する対象物２に代えて、その関係は自然に逆転してもよく、すなわち対象物２が固定され、測定時に測定システム１が対象物２の上を移動してもよい。さらに別な実施形態では、対象物２と測定システム１の両方が互いに移動する。

入射光は少なくとも１方向に制限された分散を有する。従って光源３は、例えば点光、線光、複合光、実質的に点又は線セグメントを生成し、例えばレーザー、発光ダイオード（ＬＥＤ）、通常の光（白熱電球）などの用途に適切なタイプである。これらはいわゆる当業者に知られており、ここではこれ以上述べない。

本発明の１つの実施形態では、光源３は入射光４を偏光させる偏光子（図示せず）を有する。反射光は偏光されるが、散乱光は少ししか偏光されないので、これは反射光と散乱光の識別を容易にする。光源３が偏光子を有するとき、様々な方向に偏光された光を識別するセンサーを使用する必要がある。

画像センサー６はＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラ、又は対象物の特徴を映すのに適切な他のセンサーである。

システムはさらに、デジタル映像から対象物２の第１層２ａ及び／又は第２層２ｂで散乱した光の情報を得るための手段を有する。対象物２上又は内の欠陥を検出するために、この読み取られた情報は閾値などの記憶された情報と比較される。例えば、デジタル映像の各ポイントにおける光強度が所定の値と比べられる。欠陥のタイプはこのようにして分類される。デジタル映像の２つの隣接するポイントの相対的な光強度を所定値と比較するなどの、他のよく知られた分類方法ももちろん使用することができる。

対象物２は、例えば２つ以上の異なる材料、又は材料の粒子の異なる方向で組み立てられた同じ材料の２つ以上の層を有する積層製品である。また、積層した又は積層していない箔などの透明又は半透明材料で包装されたパッケージでもよい。別な例は、プラスチックなどの透明若しくは半透明材料で包装された若しくは覆われた食物、又は保護層で覆われたプリント回路基板などの電子部品である。層の厚さは同じでも異なってもよい。第１層はラッカーの層だけである。本発明は特定の対象物の例に限定されない。本発明は、ある材料が光をとてもよく散乱させ、散乱光が下にある又は上にある材料（層）に影響されることに基づく。

検出・分類された欠陥のいくつかの例を以下に挙げ、図２ａ〜４ｂに示す。図示された例の全ては２つの層を有するが、本発明は２以上の層を有する対象物にも及ぶ。検査すべき対象物の情報、すなわち、センサー上の「通常の」画像がどう見えるか（光が通常どのように反射され、散乱されるか）が記憶される。記録画像が有する「通常の」画像からの発散に依存して、欠陥のタイプが分類される。

図２ａ及び２ｂは、本発明のシステムで検出され分類された欠陥の第１の例を示す。第１層２ａは光を通し、第２層２ｂは光を散乱する。図２ａは第１層２ａに当たる入射光４を示す。入射光４の幾つかは反射し、幾つかは第１層２ａに入る。入った光は第１層２ａを通過し、光が散乱される第２層２ｂに入る。散乱光は第１層２ａに再び入り、そこを通過して、第１層２ａを出て、センサー６（図１に示す）で検出される。

しかしながら、第２層２ｂが欠陥を有する場合、画像センサーで検出される散乱光の減少がある。図２ｂに示されるこの単純化した例では、センサーは反射光を検出するだけである。

図３ａ及び３ｂは、本発明のシステムで検出され分類された欠陥の第２の例を示す。第１層２ａと第２層２ｂの両方とも光を通す。入射光４は第１層２ａに当たり、その幾つかは反射し、幾つかは第１層２ａに入る。入った光は第１層２ａを通過し、光が通過する第２層２ｂに入る。

しかしながら、対象物２が離層すると、すなわち第１層２ａと第２層２ｂの間にスペースがあると、図３ｂに示される画像センサーで検出される散乱光の増加がある。これは、増加した散乱光を生じさせる第２層２ｂでの光の反射のためである。

図４ａ及び４ｂは、本発明のシステムで検出され分類された欠陥の第３の例を示す。第１層２ａは光を散乱し、第２層２ｂは光を通す。入射光４は第１層２ａに当たり、その幾つかは反射し、幾つかは第１層２ａに入る。入った光は第１層２ａを部分的に通過し、そこで部分的に散乱される。散乱光は第１層２ａを出て、画像センサーで検出される。通過した光は第２層２ｂに入り、そこを通過する。

しかしながら、欠損片などの第１層２ａの欠陥があると、画像センサーで検出される散乱光の減少がある。図４ｂに示される例では、第２層２ｂでの反射光のみが画像センサーで検出される。

本発明のシステムで検出され分類された欠陥の別な例（図示せず）は、第１層２ａは光を散乱し、第２層２ｂは光を反射する。第２層に欠損片などの欠陥があると、散乱光の減少が画像センサーで検出される。

図５ａは、図１に対応する本発明の第１実施形態の測定システムを示す。システム１は、入射光４で対象物２を照射するために配置された少なくとも１つの光源３を有する。画像センサー６は対象物２からの反射光を検出するために配置される。この実施形態では、光源３は対象物２にわたって光の線７を生成する。対象物２は、図５ａにおいて画像センサー６の視野（ＦｏＶ）内に位置した欠陥８を有する。

２次元センサー６に記録された図５ａの画像は図５ｂに示される。センサーは、対象物２内の領域Ｂ１、Ｂ２及び対象物２上の反射光Ａを検出する。図５ｂは光の線７（図５ａに示される）をＡとして示す。反射光Ａの両側に、図５ｂに見られる散乱光の領域が現れる。

光源３が偏光子を有する場合、反射測定と散乱測定のクロストークなしで領域Ｂ１及びＢ２は対象物２上の光の線Ａの近くに移動する。これは小さい欠陥の検出を可能にする。

図５ｂの記録画像内の反射光Ａと散乱光Ｂの強度（信号強度）は図５ｃに示される。増加散乱を生じさせる示された欠陥８がはっきりと図５ｃに見える。

完全な画像がセンサーから得られると、散乱光と反射光の強度を見つける処理が外部信号処理ユニットでなされる。しかしながら、生のセンサー情報の出力は可能なサンプリング速度を制限する。センサーがランダムなアクセス能力を有する場合、センサーから興味のある領域だけを取り出すことができ、従ってセンサーから少なめの量のデータと大きめのサンプリング速度に達する可能性が得られる。幾つかのセンサーを用いて、２つの領域のために異なる露光時間及び／又は読み取り振幅を有することが可能であり、さらに信号強度を増加させるために多数の列から散乱光を合計することも可能である。

さらに信号強度を増加させるために、散乱光は反射光のＢ１とＢ２の一方の側に集められるか、Ｂ１とＢ２の両側から足しあわされる。点光源が用いられる場合、散乱光の量を決定するために、多数の位置が共に又は互いに無関係に用いられる。従って、散乱光の主な方向の情報が得られる。

図６は、本発明の第２実施形態に従う本発明の測定システムのセットアップを示す。この実施形態では、システム１は、入射光４で対象物２を照射するために配置された１つの光源３を有する。対象物２からの反射光５ａ及び５ｂを検出し、検出光を電荷に変換するために画像センサー６が配置される。画像センサー６で検出される反射光は５ｂで示され、画像センサー６で検出される対象物で散乱された光は５ａで示される。システムはさらに、画像／信号処理ユニット（図示せず）などの電荷に従って対象物２のアナログ又はデジタル映像を創出する手段を有する。好ましい実施形態では、デジタル映像が創出される。対象物２のデジタル映像を創出する前記手段は、別個のユニットであるか画像センサー６に一体化している。測定システム１のこのセットアップでは、散乱光に関する情報を得るのに加えて、デジタル映像から対象物２の層２ａ又は２ｂの少なくとも１つの幾何学的外形に関する情報を得るために、光源３は画像センサー６から離れた距離に配置される。

対象物２の幾何学的外形の情報、すなわち対象物の形状の情報は三角測量を用いることで得られる。すなわち、反射光の位置がセンサー６から対象物２までの距離を示す。

図１及び６におけるセットアップは単一の光源３を有する。しかしながら、当業者が複数の光源を用いることができることは明らかである。例えば、図６に示される本発明の第２実施形態では、３次元（幾何学的構造）及び２次元（散乱光）画像のために、異なる光源が用いられる。これは、ある場合に映写速度を増加させることもできる。

図７ａは、図６に対応する本発明の第２実施形態に従う測定システムを示す。測定システム１は、入射光４で対象物２を照射するために配置された少なくとも１つの光源３を有する。画像センサー６は対象物２からの反射光５を検出するために配置される。この実施形態では、光源３は対象物２にわたって光の線７を生成する。対象物２は、図７ａでは画像センサー６の視野（ＦｏＶ）内に位置した欠陥８を有する。

２次元センサー６に記録された図７ａにおける対象物の画像は図７ｂに示される。図７ｂは光の線７（図７ａに示される）をＡとして示す。反射光Ａの両側に、図７ｂに見られる散乱光の領域が現れる。センサーは、対象物２内の領域Ｂ１、Ｂ２で散乱した光及び対象物２上のＡにおける反射光の両方を検出する。対象物２の形状（幾何学的構造）は図７ｂに太線Ａで示される。対象物の幾何学的構造（図７ｃにおいてＣで示される）は線Ａ、すなわち反射光になる。領域Ｂ１及びＢ２は線Ａと平行である。

図７ｂの記録画像内の反射光Ａと散乱光Ｂの強度（信号強度）は図７ｃに示される。増加散乱を生じさせる示された欠陥８がはっきりと図７ｃに見える。図７ｃはさらに、７ｂに示されたＡの形状から求められた範囲グラフＣを示す。

以下では、測定システムにより、少なくとも第１層及び第２層を有する対象物の特徴を映す方法を記述する。この方法では、対象物は入射光で照射され、対象物からの反射光は検出光が電荷に変換される画像センサーにより検出される。それにより対象物の映像が作られ、対象物の第１層及び第２層で散乱した光に関する情報が映像から得られ、情報は対象物上の欠陥を検出するために記憶された情報と比較される。

本方法の別な実施形態では、測定システム及び／又は対象物は所定の運動方向に互いに移動する。

別な実施形態では、本方法はさらに、対象物の第１層又は対象物の第２層の映像から対象物の幾何学的外形に関する情報を得るステップを有する。

さらに別な実施形態では、本方法は、対象物の反射光と対象物での散乱光の識別を容易にするために偏光入射光を使用するステップを有する。

上で示したように、測定システムと、当該測定システムにより少なくとも第１層及び第２層を有する対象物の特徴を映すための方法を述べてきた。欠陥が第１層及び第２層の両方で検出される。本発明に従うアプローチは、対象物の包装層だけの欠陥を検出する先に議論された従来技術のアプローチと比べて有利である。本発明は、第１層と第２層のいずれか一方又は両方の欠陥の検出を可能にすることでこのような従来技術のアプローチのこれら制限を排除する。

従って、好ましい実施形態に適用される本発明の基本的な新規な特徴を示し、記述し、指摘してきたが、示した装置の形状及び細部及び操作の様々な省略、代用及び変更が当業者により本発明の精神を逸脱することなくなされることが理解されよう。例えば、特に、同じ結果を実現するために実質的に同じように実質的に同じ機能を実行するこれら要素及び／又は方法ステップの全ての組み合わせは本発明の範囲内である。さらには、構造及び／又は示された方法ステップ及び／又は記述された本発明の開示された形式又は実施形態が、設計変更の一般事項として他の開示又は記述又は提案された形式に組み込まれることが認識されよう。ゆえに、これらは請求項の範囲を限定するものではない。

本発明の第１の実施形態に従う測定システムの概略図である。 本発明によるシステムでどのようにして欠陥が検出され識別されるかの第１の例において異なる層で光が通常どのように散乱するかを示す、検査すべき対象物の図である。 図２ａに対応する第１の例に従う、検査すべき対象物の第２層が欠陥を有する際に光がどのように散乱するかを示す図である。 本発明によるシステムでどのようにして欠陥が検出され識別されるかの第２の例において異なる層で光が通常どのように散乱するかを示す、検査すべき対象物の図である。 図３ａに対応する第２の例に従う、検査すべき対象物の第２層が欠陥を有する際に光がどのように散乱するかを示す図である。 本発明によるシステムでどのようにして欠陥が検出され識別されるかの第３の例において異なる層で光が通常どのように散乱するかを示す、検査すべき対象物の図である。 図４ａに対応する第３の例に従う、検査すべき対象物の第１層が欠陥を有する際に光がどのように散乱するかを示す図である。 検査すべき対象物が欠陥を有する、本発明の第１の実施形態に従う測定システムの概略図である。 図５ａに示された検査すべき対象上の２次元センサーに記録された画像の図である。 図５ｂに示された記録画像の測定強度の図である。 ３次元画像が得られる、本発明の第２実施形態に従う測定システムの概略図である。 検査すべき対象物が欠陥を有する、本発明の第２実施形態に従う測定システムの概略図である。 図７ａに示された検査すべき対象物上の２次元センサーに記録された画像の図である。 図７ｂに示された記録画像の測定強度／範囲の分布の図である。

符号の説明

１ 測定システム
２ 対象物
３ 光源
４ 入射光
５ 反射光
６ 画像センサー
７ 光の線
８ 欠陥

Claims (16)

1. 入射光（４）で対象物（２）を照射するために配置された少なくとも１つの光源（３）、対象物（２）からの反射光（５ｂ）及び散乱光（５ａ）を検出して、検出光を電荷に変換するために配置された画像センサー（６）、及び電荷に従って対象物（２）の映像を創出するための手段を有する、少なくとも第１層（２ａ）及び第２層（２ｂ）を有する対象物（２）の欠陥を検出する測定システム（１）において、
   映像から散乱光（５ａ）に関する情報を得るための手段と、対象物（２）上又は対象物（２）内の欠陥を検出するためにその情報と記憶された情報を比較するための手段を有し、
   散乱光（５ａ）は、第１層（２ａ）に入射し、対象物（２）の第１層（２ａ）及び／又は第２層（２ｂ）で散乱し、入射位置と異なる位置で第１層（２ａ）から出る光である、ことを特徴とする測定システム（１）。
2. 測定システム（１）及び／又は対象物（２）が所定の運動方向に互いに移動するように配置されることを特徴とする請求項１に記載の測定システム。
3. 入射光（４）が所定の方向に制限された分散を有するように配置されることを特徴とする請求項１に記載の測定システム。
4. 入射光（４）が線光であることを特徴とする請求項３に記載の測定システム。
5. システムがさらに映像から対象物（２）の幾何学的外形に関する情報を得るための手段を有することを特徴とする請求項１に記載の測定システム。
6. システムが映像から対象物（２）の第１層（２ａ）の幾何学的外形に関する情報を得るための手段を有することを特徴とする請求項５に記載の測定システム。
7. システムが映像から対象物（２）の第２層（２ｂ）の幾何学的外形に関する情報を得るための手段を有することを特徴とする請求項５に記載の測定システム。
8. 光源（３）が、対象物（２）で反射した光と対象物（２）での散乱光の識別を容易にするために配置された偏光子を有することを特徴とする請求項１に記載の測定システム。
9. 第１層（２ａ）が透明又は半透明材料からなることを特徴とする請求項１に記載の測定システム。
10. 対象物（２）が保護材料で包装されたパッケージであることを特徴とする請求項１に記載の測定システム。
11. 測定システムにより少なくとも第１層（２ａ）及び第２層（２ｂ）を有する対象物（２）の欠陥を検出する方法であって、
    対象物（２）が入射光により照射され、対象物（２）からの反射光（５ｂ）及び散乱光（５ａ）が、検出光が電荷に変換される画像センサーにより検出され、それにより対象物（２）の映像が作られる方法において、
    散乱光（５ａ）に関する情報が映像から得られ、その情報は対象物（２）上又は対象物（２）内の欠陥を検出するために記憶された情報と比較され、
    散乱光（５ａ）は、第１層（２ａ）に入射し、対象物（２）の第１層（２ａ）及び／又は第２層（２ｂ）で散乱し、入射位置と異なる位置で第１層（２ａ）から出る光である、ことを特徴とする方法。
12. 測定システム及び／又は対象物が所定の運動方向に互いに移動することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 対象物の幾何学的外形に関する情報も映像から得られることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
14. 対象物の第１層の幾何学的外形に関する情報が映像から得られることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 対象物の第２層の幾何学的外形に関する情報が映像から得られることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
16. 入射光が偏光され、偏光された入射光が対象物で反射した光と対象物での散乱光を識別するために使用されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。

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