KR101442871B1 - 시트 재료 조명 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

원암시야 조명 및 변형 다크 스트라이프 조명의 조합인 조명 구성이 개시된다. 신규한 조합은 단독으로 또는 개개의 부분의 합을 통해 제공되는 것보다 더 확실한, 예를 들어 투명 필름의 이동 웨브 상의 결함의 검출을 제공한다.

암시야, 조명, 결함, 콘트라스트, 웨브, 스트라이프, 투명 필름

Description

시트 재료 조명 시스템 및 방법{A SYSTEM FOR ILLUMINATING A SHEET MATERIAL AND METHOD THEREOF}

관련 출원과의 상호 참조

본 출원은 그 개시 내용이 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된, 2007년 2월 16일자로 출원된 미국 가특허 출원 제60/890284호의 이익을 주장한다.

본 발명은 머신 비전(machine vision)에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 결함의 검출 및 인식을 최대화하기 위해 투명 또는 반투명 재료를 조명하는 것에 관한 것이다.

근래에, 적격인 계산의 도움으로, 이전에는 인간의 눈을 필요로 하였던 검사 작업의 일부를 수행하기 위해 자동화 설비를 사용하는 것이 가능하다. 그러한 "머신 비전" 기술은 보다 정교해지고 있으며, 다른 것들 중에서도 재료의 시트 및 웨브의 검사를 위해 사용되고 있다. 특히 투명 또는 반투명 웨브의 표면 결함을 검사할 때, 검사되는 물품에 대한 양호한 조명이 머신 비전의 적절한 배치를 위해 필요하다.

사용되는 하나의 기술은 광을 강하게 산란시키는 결함들을 검출하기 위해 사용되는 이른바 "원암시야(far dark field)" 기술이다. 원암시야 기술을 사용할 때, 카메라의 시선에 대해 소정 각도로 검사될 물품(예를 들어, 필름 또는 유사한 재료)에 광이 향하도록 한 개 또는 두 개의 광원이 배치된다. 결함과 같은 불량인 상태가 없는 경우, 카메라는 정상적으로는 이들 광원으로부터의 광을 보지 못할 것이다. 표면 결함이 광선을 통과할 때에만 광이 카메라를 향해 반사되어 결함이 통상의 어두운 이미지 상에 조명 영역(lighted area)으로서 보일 것이다.

다른 기술은 광을 약하게 산란 또는 편향시키는 결함을 검출하기 위해 사용되는 이른바 "다크 스트라이프(dark stripe)" 기술이다. 다크 스트라이프 기술을 사용할 때, 광원으로부터의 조명은 웨브를 통하여 그리고 직접 카메라에 조준된다. 이 조명은 다크 스트라이프 마스크에 의해 확산 및 감쇠된다. 이 마스크는 카메라의 시야로부터 대부분의 확산 광을 차단하고자 하는 것이다. 표면 결함이 광선을 간접 경로로부터 반사 또는 굴절시킬 때에만 광이 카메라를 향해 전환되어 결함이 통상의 어두운 이미지 상에 조명 영역으로 보일 것이다.

각각의 기술은 투명 웨브 상의 결함을 밝게 하는 몇몇 이점을 갖고 있지만, 이들 방법 중 어느 하나에 의한 검출을 방해하는 몇몇 결점이 존재한다.

발명의 개요

하나의 예시적인 점에서, 본 발명은 카메라와 같은 광학 수용 장치에 의한 검출을 위해 투명, 반투명 또는 이들 조합의 재료를 조명하는 조명 시스템에 관한 것이다. 시스템은 카메라의 방향으로 재료에 광을 제공하는 직접 광원과, 직접 광원과 카메라 사이에 위치된 다크 스트라이프를 포함한다. 카메라에 대해 소정 각도로 투명 재료에 광을 제공하는 적어도 제1 암시야 광원(dark field source), 그 리고 일부 실시 형태에서는 제2 암시야 광원이 또한 존재할 것이다. 제2 암시야 광원이 존재할 때, 이는 제1 암시야 광원에 의해 제공되는 것과는 상이한, 카메라로부터의 각도로 재료에 광을 제공한다. 다크 스트라이프 광원의 조명 방향이 투명 시트 재료의 평면에 대해 직각이도록 시스템을 구성하는 것이 특히 적절하다. 일부 실시 형태의 경우, 본질적인 것은 아니지만, 제1 암시야 광원의 조명 방향 사이의 각도가 검사 재료의 평면에 대한 법선으로부터 약 10 내지 50 도 사이의 각도일 때 결과가 달성된다. 만약 제2 암시야 광원이 존재하면, 비록 본질적인 것은 아니지만, 제1 암시야 광원과 상이한 방식이더라도, 제2 암시야 광원의 조명 방향 사이의 각도도 또한 투명 시트 재료의 평면에 대한 법선으로부터 약 10 내지 50 도 사이의 각도인 것이 바람직하다.

일부 실시 형태에서, 렌즈가 제1 및 제2 암시야 광원과 재료 사이에 위치된다. 일부 실시 형태에서, 제1 및 제2 암시야 광원을 광섬유 라인으로서 제공하는 것이 특히 적절하고 렌즈는 적절하게는 원통형 렌즈로서 제공된다. 아래에서 보다 구체적으로 논의되는 바와 같이, 본 발명의 교시는 직접 광원과 관련된 다크 스트라이프가 당업계에서 현재 사용되는 것보다 상당히 좁을 수 있다는 것이다. 다크 스트라이프의 폭이 약 1.0 내지 2.5 ㎜ 사이일 때, 비록 이 범위가 본질적인 것은 아니지만, 개시된 조합과 관련하여 양호한 결과가 달성된다.

도 1은 코팅 광학 필름의 대표적인 작은 결함의 현미경 사진을 도시하는 도면.

도 2는 코팅 광학 필름의 대표적인 큰 결함의 현미경 사진을 도시하는 도면.

도 3은 본 발명에 따른 조명 시스템이 설치된 머신 비전 스테이션의 개략 측면도.

도 4a는 원암시야 조명만으로 조명된 혼합 유형 결함의 카메라 이미지의 컴퓨터 캡처의 화면 인쇄를 도시하는 도면.

도 4b는 도 4a의 이미지의 수평 구역의 광 강도의 컴퓨터 생성 그래프의 화면 인쇄를 도시하는 도면.

도 4c는 도 4a의 결함의 카메라 이미지의 컴퓨터 캡처의 화면 인쇄를 도시하는 도면으로서, 이때 다크 스트라이프 조명만으로 조명됨.

도 4d는 4b의 이미지에서 사용된 동일한 수평 구역을 따르는 이미지 4c의 광 강도의 컴퓨터 생성 그래프의 화면 인쇄를 도시하는 도면.

도 4e는 도 4a의 결함의 카메라 이미지의 컴퓨터 캡처의 화면 인쇄를 도시하는 도면으로서, 이때 도 3에 도시된 바와 같은 본 발명의 조명 시스템으로 조명됨.

도 4f는 4b의 이미지에서 사용된 동일한 수평 구역을 따르는 이미지 4e의 광 강도의 컴퓨터 생성 그래프의 화면 인쇄를 도시하는 도면.

도 5는 도 3에 도시된 유형의 조명 시스템에 의해 시험 웨브의 동일한 부분의 네 번의 패스(pass)를 나타내는 컴퓨터 화면의 화면 인쇄를 도시하는 도면.

출원인은 단일 이미지 카메라에 의해 모니터링되는 단일 스테이션으로서 원암시야 및 다크 스트라이프 기술의 이점들을 제공하는 조명 구성이 마련될 수 있음을 발견하였다. 보다 구체적으로, 원암시야 조명 및 변형 다크 스트라이프 조명의 조합인 조명 구성이 제공되며, 이 신규한 조합은 어느 하나가 단독으로 제공하는 것보다 결함의 예상외로 더 확실한 검출을 제공한다. 이들 두 가지 접근법의 각각은 각 결함의 상이한 형상을 밝게 한다. 독립적으로 이들은 소정 결함에 대해 확실한 신호 콘트라스트(signal contrast)를 생성할 수 없다. 그러나, 광학적으로 조합될 때, 이들은 후처리 방법에서 그들 각각의 이미지를 함께 합함으로써 달성될 수 있는 것을 넘어서 작은 표면 결함의 우수한 콘트라스트를 생성한다. 어느 하나의 접근법으로 단지 약간만 검출 가능할 수 있는 결함의 부분들은 그들이 눈에 보이고 용이하게 검출 가능한 정도까지 향상된다.

이제 도 1을 참조하면, 코팅 광학 필름의 전형적인 작은 결함(15)의 현미경 사진이 제공된다. 이러한 종류의 결함은 기판의 미세한 스크래치로 인해 발생할 수 있다. 대조적으로, 도 2는 예를 들어 코팅 불량(coating upset)에 의해 유발될 수 있는 유형의 다소 큰 결함을 보여준다. 이전에 알려진 조명 시스템이 어느 하나를 식별하기 위해 선택될 수 있지만, 둘 모두의 유형의 결함이 존재할 때는 효과적이지 않다.

이제 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 예시적인 조명 시스템(10)의 개략도가 도시된다. 조명 시스템(10)은 전형적으로 일정하지 않은 길이를 갖는 재료의 이동 웨브(12)의 진행 방향(화살표)에 관하여 측면도로 도시된다. 조명 시스템은 투명 (또는 반투명) 재료의 분리된 시트들과 같은 다른 제품 형태를 검사하기에 적합하다는 것에 특히 주의하여야 한다.

조명 시스템(10)은 적어도 2개의 광원, 또는 일부 실시 형태에서 3개의 광원을 포함한다. 직접 광원(14)은 광을 카메라(16)의 방향으로 비춘다. 원암시야 광원(18, 20)은 그들의 광으로 카메라(16)에 대해 일정 각도(각각 α + β)로 비춘다. 가장 적절하게는, 직접 광원(14)은 웨브(12)의 평면에 대해 직각인 방향으로 조명하도록 위치된다. 일부 실시 형태에서, 광원은 적절하게는 웨브(12)의 전체 폭을 가로질러 스트립을 조명하는 광섬유 라인으로서 또는 형광 램프로서 제공된다. 이러한 스트립을 웨브 횡단 방향에 평행하게 배향시키는 것이 적절하지만, 이는 본질적인 것으로 여겨지지 않는다.

비록 레이저 광원 또는 다른 광원이 사용될 수 있지만, 암시야 광원(18, 20)은 또한 적절하게는 광섬유 라인으로서 제공될 수 있다. 암시야 광원(18, 20)은 적절하게는 웨브 횡단 방향을 따라서 배향된, 웨브(12)의 전체 폭을 가로지르는 스트립을 조명한다. 그러나, 일부 실시 형태에서, 그들은 웨브(12)의 평면에 대해 직각인 방향에 대해 소정 각도로 장착된다. 비록 본질적인 것은 아니지만, 법선 방향으로부터 약 25도의 각도가 가장 유리한 것으로 여겨진다.

일부 실시 형태에서, 렌즈는 직접 광원 및 두 개의 암시야 광원으로부터 방출되는 광을 집광시키기 위해 사용된다. 예를 들어, 광섬유 라인이 광원으로서 사용될 때, 광섬유 라인에 평행하게 배향된 원통형 렌즈가 사용될 수 있다. 원통형 렌즈(22, 24)는 바람직하게는 원암시야 광원(18, 20)으로부터의 광을 카메라(16) 바로 아래의 라인 상의 웨브(12)의 하면 상에 집광시킨다. 직접 광원(14)으로부터의 광을 집광시키는 원통형 렌즈(26)는 원통형 렌즈(22, 24)와 동일한 초점 거리를 가질 수 있지만, 직접 광원으로부터의 광은 확산기(28) 상으로 지향된다. 예를 들어 팽팽한 케이블 또는 가는 금속 조각과 같은 중실형 물체가 확산기(28) 바로 위쪽에 (또는 위에) 장착되어 다크 스트라이프(30)를 제공한다. 일부 실시 형태에서, 다크 스트라이프(30)는 바람직하게는 매우 어둡고, 이는 예를 들어 카본 블랙색의 차광재를 갖는 케이블을 사용함으로써 적절하게 사용될 수 있다. 주어진 적용을 위해 다크 스트라이프를 생성하는 적합한 물체를 선택하는 것은 당업자의 지식 범위 내에 있다.

아래에서 보다 구체적으로 논의되는 바와 같이, 본 발명에 의해 제공된 요소들의 조합에서, 가장 적합한 다크 스트라이프는, 통상적으로 카메라 어레이보다 상당히 큰 다크 스트라이프를 필요로 하는 "다크 스트라이프 조명"으로서 당업계가 현재 알고 있는 것을 요구하는 상황에 직면할 때 광학 검사에 익숙한 숙련공에 의해 사용될 것보다 더욱 더 좁다. 폭이 약 1.0 내지 2.5 ㎜(0.04 내지 0.10 인치)인 다크 스트라이프가 본 발명과 관련하여 매우 양호한 결과를 제공함을 발견하였다. 어떠한 이론에도 구속되는 것을 원하는 것은 아니지만, 카메라 어레이의 폭에 접근하는 더 좁은 폭이 결함의 확실한 검출을 돕는 데 회절 현상을 더하는 것이라고 믿어진다. 그럼에도 불구하고, 열거된 범위보다 더욱 더 넓은 스트라이프를 갖는 시스템은 미세한 스크래치의 검출 능력의 상당한 감소를 경험할 것이다. 열거된 범위보다 더욱 더 좁은 스트라이프를 갖는 시스템은 카메라가 직접 광원으로부터의 모든 사용 가능한 광 출력 레벨에서 채도를 높이게 할 수 있다.

이제 도 4a를 참조하면, 원암시야 조명만으로 조명된 투명 코팅 필름 상의 혼합 유형 결함의 카메라 이미지의 컴퓨터 캡처의 화면 인쇄가 도시된다. 컴퓨터는 3개의 검출된 이상 부위(anomaly)에 대해 좌측에서 우측으로 임의의 참조 번호 "5", "6" 및 "3"을 부여하였다. 태그가 달린 결함을 가로지르는 도 4a의 이미지의 수평 구역을 따르는 광 강도의 컴퓨터 생성 그래프의 화면 인쇄가 도 4b에 제공된다. 이상 부위 "5"에 대응하는 그래프의 우측의 한 쌍의 피크가 기준선과 비교할 때 매우 얕은 것이 이 그래프에서 관찰될 것이다. 이러한 이상 부위의 검출은 많은 목적에 대해 결코 확실하지 않다.

이제 도 4c를 참조하면, 이미지의 이러한 생성을 위해 다크 스트라이프 조명만이 사용된 것을 제외하고, 도 4a에 도시된 이상 부위의 동일한 군의 카메라 이미지의 컴퓨터 캡처의 화면 인쇄가 제공된다. 다시 한 번, 컴퓨터는 3개의 검출된 이상 부위에 대해 좌측에서 우측으로 이번에는 임의의 참조 번호 "5", "3" 및 "4"를 부여하였다. 도 4c의 이미지의 수평 구역을 따르는 광 강도의 컴퓨터 생성 그래프의 화면 인쇄가 도 4d에 제공된다. 이는 도 4b에서 분석되었던 동일한 수평 구역이다. 이 도면에서 이상 부위 "4"에 대응하는 그래프의 우측의 한 쌍의 피크가 기준선과 비교할 때 매우 얕은 것이 이 그래프에서 관찰되었다. 이러한 이상 부위의 검출은 많은 목적에 대해 여전히 결코 확실하지 않다.

이제 도 4e를 참조하면, 이 도면의 경우 도 3에 따라 대체로 구성된 본 발명에 따른 조명 시스템이 사용된 것을 제외하고, 도 4a에 도시된 이상 부위의 동일한 군의 카메라 이미지의 컴퓨터 캡처의 화면 인쇄가 제공된다. 다시 한 번, 컴퓨터는 3개의 검출된 이상 부위에 대해 좌측에서 우측으로 이번에는 임의의 참조 번호 "3", "4" 및 "5"를 부여하였다. 도 4e의 이미지의 수평 구역을 따르는 광 강도의 컴퓨터 생성 그래프의 화면 인쇄가 도 4f에 제공된다. 이는 도 4b에서 분석되었던 동일한 수평 구역이다. 이 그래프에서, 이상 부위의 검출이 본 발명의 조명 시스템에 의해 얼마나 확실해졌는지 용이하게 이해될 수 있다. 강도 피크와 기준선 사이의 콘트라스트가 검출된 모든 이상 부위에 대해 뚜렷하고 매우 날카롭다. 이러한 혁신적인 조명 시스템의 영향이 주합(additive)보다 더욱 더 크고, 상당한 시너지를 제공하는 것이 명백하다.

웨브 검사 스테이션을 도 1에 도시된 바와 같이 일반적으로 구성하였다. 조명 시스템을 아이들러 롤러들 사이의 자유 간극 상의 종래의 웨브-취급 시스템의 웨브 경로 아래에 장착하였다. 종래의 150 ㎜ 렌즈가 설치된, 미국 캘리포니아주 산 호세 소재의 아트멜(Atmel)로부터 구매 가능한 "아비바(AVIIVA™)" CCD 단색 라인스캔 카메라를 웨브 경로 위 83 ㎝, 조명 시스템 위쪽에 장착하였다. 조명 시스템은 3개의 광원을 포함하고, 각각의 광원은 미국 뉴욕주 이스트 시라쿠스 소재의 일루미네이션 테크놀러지즈(Illumination Technologies)로부터 구매 가능한 모델 4900 자동-캘리브레이팅 라이트 소스(Model 4900 Auto-Calibrating Light Source)에 의해 구동된, 미국 캘리포니아주 샌디에고 소재의 포스텍 이미징(Fostec Imaging)으로부터 구매 가능한 광섬유 라인을 포함한다. 직접 광원을 카메라를 향하여 바로 위쪽으로 조준하였고, 두 개의 원암시야 광원을 수직으로부터 40도 각도로 조준하였다. 세 개의 모든 광원을 장축이 웨브 횡단 방향에 평행하게 다른 방 식으로 배향하였다.

세 개의 광원 각각에 원통형 렌즈를 제공하였고, 각각의 원통형 렌즈는 직경이 31.75 ㎜(1.25 인치)인 광학 투명 아크릴 중합체로 제조하였다. 12.5 ㎜(0.5 인치) 폭의 슬롯을 갖는 알루미늄 프레임을, 직접 광원으로부터의 광은 원통형 렌즈 중 하나를 통과한 다음 도중에 슬롯을 통하여 웨브의 하면에 도달하도록, 직접 광원과 웨브의 하면 사이에 장착하였다. 무광택으로 마무리된 확산기의 반투명 필름을 슬롯의 상부를 가로질러 배치하였다. 그 바로 위에, 슬롯의 장축을 따라서 다크 스트라이프를 제공하기 위해 강철 케이블을 프레임에 장착하였다. 케이블은 직경이 2.38 ㎜(0.094 인치)였고, 어두운 흑색 차광재로 코팅하였다.

분석을 위해 카메라의 출력을 개인용 컴퓨터로 보냈다. 이 컴퓨터는 캐나다 퀘백주 도발 소재의 메트록스 이미징(Matrox Imaging)으로부터 구매 가능한 메트록스 인스펙터(Matrox Inspector) 2.2 소프트웨어 패키지를 구동시키고 있었다. 결함을 식별하기 위해 카메라로부터의 정보 흐름을 분석하는 것에 관한 다른 배경 정보는 스켑스(Skeps) 등의 발명의 명칭이 "자동화 웨브 검사를 위한 장치 및 방법(Apparatus And Method For Automated Web Inspection)"인 공히 양도된 미국 특허 공개 제20050075801호에서 알 수 있다. 추가의 배경 정보는 플뢰더(Floeder) 등의 발명의 명칭이 "웨브-기반 물품의 산출 극대화(Maximumization of Yield for Web-based Articles)"인 공히 양도된 미국 특허 공개 제20050141760호에 개시된다. 이들 두 문헌은 재기재되는 것처럼 참고로 포함된다.

다양한 제품의 제조에 사용될 수 있는 종류의 7 ㎜ 두께의 광학 품질 투명 폴리에스테르 필름을 검사하기 위해 웨브 검사 스테이션을 사용하였다. 크기가 1 내지 수백 마이크로미터 범위인 홈 및 표면 오염과 같은 큰 결함으로부터 폭이 대략 15 내지 20 마이크로미터인 매우 미세한 스크래치까지 여러 가지로 다양한 가능한 결함을 보여주었기 때문에, 실험용 재료의 특정 롤을 선택하였다.

도 5에서, 컴퓨터 화면의 화면 인쇄가 제공되고, 웨브의 동일한 부분의 4번의 패스가 나란히 배열되었다. 제3 칼럼은 직접 광원만이 켜진 실험 패스로서 필름은 변형된 다크 스트라이프 조명만으로 조명된다. 검출된 결함은 컴퓨터 프로그램에 의해 임의로 열거된다. 제4 칼럼은 두 개의 암시야 광원만이 켜진 실험 패스로서 필름은 변형된 암시야 조명만으로 조명된다. 다시, 검출된 결함이 임의로 열거된다. 제1 칼럼 및 제2 칼럼은 본 발명의 교시에 따라 세 개의 모든 광원이 켜진 실험 패스를 상이하게 표현한 것이다. 제1 칼럼에서 결함의 열거는 원 이미지(raw image)가 더 잘 보이도록 감추어져 있다. 본 발명의 조명 시스템과 관련된 상당한 시너지 효과가 존재한다는 것을, 즉 시스템은 단독으로 사용되는 많은 종래의 조명 방법이 알아내는 모든 결함뿐만 아니라 구별이 힘든 다른 결함도 마찬가지로 잘 알아차린다는 것을 전술된 바로부터 이해할 것이다. 또한, 시스템은 센서 또는 처리 설비의 증가 없이 검출을 위해 결함을 조명하는 일을 달성하여, 더 간단한 검사 시스템이 더 높은 성능을 갖는 것을 가능하게 한다.

본 발명이 여러 실시 형태를 참조하여 상세하게 도시되고 설명되었지만, 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않고 형태 및 세부 내용에서 다양한 다른 변화가 이루어질 수 있음을 당업자는 이해할 것이다.

Claims (13)

1. 광학 수용 장치에 의한 검사를 위해 투명, 반투명 또는 이들 조합의 시트 재료를 조명하는 조명 시스템으로서,

   상기 시트 재료의 일 측에 위치하며, 상기 시트 재료의 반대 측에 위치한 카메라의 방향으로 시트 재료 및 확산기에 광을 제공하는 직접 광원으로서, 상기 확산기는 상기 직접 광원과 상기 시트 재료 사이에 위치하는 것인 직접 광원과,

   상기 확산기와 상기 시트 재료 사이에 위치된 다크 스트라이프와,

   상기 시트 재료에 대하여 상기 직접 광원과 동일한 측에 위치하며, 카메라에 대해 일정 각도로 시트 재료에 광을 제공하는 적어도 제1 암시야 광원을 포함하는 조명 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 시트 재료에 대하여 상기 직접 광원과 동일한 측에 위치하며, 제1 암시야 광원에 의해 제공된 것과 상이한 카메라로부터의 각도로 시트 재료에 광을 제공하는 제2 암시야 광원을 추가로 포함하는 조명 시스템.
3. 제2항에 있어서, 직접 광원의 조명 방향은 시트 재료의 평면에 대해 직각인 조명 시스템.
4. 이상 부위에 대해 시트 재료를 검사하기 위한 시트 재료 조명 방법으로서,

   광학 수용 장치의 방향으로 투명 재료에 광원을 지향시키는 단계와,

   광원과 광학 수용 장치 사이에 다크 스트라이프를 위치시키는 단계와,

   카메라에 대해 일정 각도로 시트 재료에 암시야 광원을 지향시키는 단계를 포함하는 시트 재료 조명 방법.
5. 제2항에 있어서, 제1 또는 제2 암시야 광원에 의해 제공된 것과 상이한 카메라로부터의 각도로 시트 재료에 광을 제공하는 제3 또는 그 이상의 암시야 광원을 추가로 포함하는 조명 시스템.
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