NO131850B

NO131850B -

Info

Publication number: NO131850B
Application number: NO376672A
Authority: NO
Inventors: G M Clarke
Original assignee: Ferranti Ltd
Priority date: 1971-10-27
Filing date: 1972-10-19
Publication date: 1975-05-05
Also published as: GB1407409A; JPS4852284A; DE2251915A1; NL7214522A; NO131850C; FR2159021A6

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en detektor til påvisning av feil i en overflate. Detektorer for dette formål er tidligere kjent, og de har en avsøkningsstasjon som er bevegelig i forhold til overflaten. Avsøkningsstasjonen omfatt.er en laser som kan sende ut en kontinuerlig stråle, og en sveipeanordning med en dreibar reflektor i strålegangen for å sveipe strålen over overflaten på tvers av retningen for den relative bevegelse mellom overflaten og avsøknings-stasjonen. The present invention relates to a detector for detecting defects in a surface. Detectors for this purpose are previously known, and they have a scanning station which is movable in relation to the surface. The scanning station comprises a laser capable of emitting a continuous beam, and a sweeping device with a rotatable reflector in the beam path to sweep the beam across the surface across the direction of relative movement between the surface and the scanning station.

Intensiteten av den strålingskilde som benyttes er gjerne slik at kraftforbruket måles i kilowatt, mens man allikevel ikke får den strålingsintensitet som kreves for å påvise små over-flatefeil. Det er kjent å skarpstille strålen fra en strålingskilde mot en bevegelig overflate og å benytte sveipeanordninger,for eksempel i form av dreibare reflektorer, for å bringe strålen til å sveipe over den bevegelige overflate på tvers av dennes bevegelsesretning. Reflektert lys fra overflaten samles i optiske systemer og detekteres i et fotomultiplikatorrør idet en variasjon i det registrerte lys-nivå indikerer en forandring i intensiteten av det målte lys som følge av en feil i den undersøkte overflate. Eksempler på tidligere kjente detektorer til påvisning av feil i løpende baner finnes i U.S. patent nr. 3.005.916, 3.148.951 og 3.206.606. I de tidligere kjente anordninger finnes det optiske systemer som skal rette strålen mot det materiale som skal undersøkes, og det reflekterte lys ledes tilbake gjennom det samme optiske system eller gjennom et eget optisk system til lysfølsomme komponenter. The intensity of the radiation source that is used is often such that the power consumption is measured in kilowatts, while you still do not get the radiation intensity required to detect small surface defects. It is known to focus the beam from a radiation source towards a moving surface and to use sweeping devices, for example in the form of rotatable reflectors, to cause the beam to sweep over the moving surface across its direction of movement. Reflected light from the surface is collected in optical systems and detected in a photomultiplier tube, as a variation in the recorded light level indicates a change in the intensity of the measured light as a result of an error in the examined surface. Examples of prior art detectors for detecting faults in running webs are found in U.S. Pat. Patent Nos. 3,005,916, 3,148,951 and 3,206,606. In the previously known devices, there are optical systems which must direct the beam towards the material to be examined, and the reflected light is led back through the same optical system or through a separate optical system to light-sensitive components.

Anvendelse av det samme optiske system til både utsendt og reflektert stråling gjør systemet komplisert og krever tildels kostbare komponenter,og anvendelse av to egne optiske systemer vil naturligvis også resultere i en kostbar detektor. Application of the same optical system to both emitted and reflected radiation makes the system complicated and requires partly expensive components, and the use of two separate optical systems will naturally also result in an expensive detector.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er å komme frem til en detektor til påvisning av feil i en overflate, som er av en enkel konstruksjon og allikevel arbeider tilfredsstillende. The purpose of the present invention is to arrive at a detector for detecting faults in a surface, which is of a simple construction and still works satisfactorily.

I henhold til oppfinnelsen er dette oppnådd ved at det According to the invention, this has been achieved by

i det optiske system for strålegangen sitter en sylinderlinse som gir strålen et langstrakt, smalt tverrsnitt med høy strålingsintensitet, og detektoren omfatter også midler for mottagning av diffust reflektert eller gjennomfalt stråling slik at det for denne del av strålingen ikke er behov for noe optisk system. in the optical system for the beam path is a cylindrical lens which gives the beam an elongated, narrow cross-section with high radiation intensity, and the detector also includes means for receiving diffusely reflected or transmitted radiation so that there is no need for an optical system for this part of the radiation.

Oppfinnelsen er kjennetegnet ved de i kravene gjengitte trekk, og den vil i det følgende bli beskrevet nærmere under hen-visning til tegningene der: Fig. 1 er et snitt gjennom en utførelsesform av en feil-detektor i henhold til oppfinnelsen, The invention is characterized by the features reproduced in the claims, and it will be described in more detail in the following with reference to the drawings where: Fig. 1 is a section through an embodiment of a fault detector according to the invention,

fig. 2 er et vertikalsnitt av detektoren tatt langs linje II-II på fig. 1, fig. 2 is a vertical section of the detector taken along line II-II in fig. 1,

fig. 3(a), 3(b) og 3(c) viser grunnriss av den under-søkte overflate og de områder som dekkes av strålen, fig. 3(a), 3(b) and 3(c) show a plan view of the examined surface and the areas covered by the beam,

fig. 4 (a), 4(b) og 4(c) viser i oppriss og grunnriss fig. 4 (a), 4(b) and 4(c) show in elevation and ground plan

det optiske system, the optical system,

fig. 5 viser bølgeformer for signaler mottatt av detekteringsanordningen ved forskjellige stadier av målingen av antall feil. fig. 5 shows waveforms of signals received by the detection device at different stages of the measurement of the number of errors.

Feildetektoren vist i snitt på fig. 1 omfatter en The fault detector shown in section in fig. 1 includes a

laser 1 og en fotomultiplikator-detekteringsanordning 2 montert nær hverandre i en ende av en avsøkningsstasjon 3. I sentrum av avsøkningsstasjonen 3, nær en åpning, er anbrakt et dreibart speil 4 med tolv fasetter. Speilet er montert på en spindel 5 som ligger i bevegelsesretningen for en bevegelig overflate 6 og drives av en motor 7 (vist på fig. 2), med konstant hastighet. Under drift sendes lys ut fra laseren 1 og det passerer gjennom et optisk system 8 laser 1 and a photomultiplier detection device 2 mounted close to each other at one end of a scanning station 3. In the center of the scanning station 3, near an opening, is placed a rotatable mirror 4 with twelve facets. The mirror is mounted on a spindle 5 which lies in the direction of movement of a movable surface 6 and is driven by a motor 7 (shown in Fig. 2), at constant speed. During operation, light is emitted from the laser 1 and it passes through an optical system 8

før det treffer en av fasettene på det roterende speil, hvorfra lyset reflekteres mot overflaten 6 som er i bevegelse. Bevegelsesretningen av denne flate 6 er loddrett på tegningens plan. Det optiske system 8 omformer den overveiende parallelle stråle som sendes ut av laseren til en stråle som konvergerer mot overflaten 6. Idet fasetten av speilet 4 som reflekterer den konvergerende stråle dreier seg, vil den reflekterte stråle søke over overflaten loddrett på dennes bevegelsesretning og mellom de grenser som er before it hits one of the facets on the rotating mirror, from which the light is reflected onto the surface 6 which is in motion. The direction of movement of this surface 6 is perpendicular to the plane of the drawing. The optical system 8 transforms the predominantly parallel beam emitted by the laser into a beam that converges towards the surface 6. As the facet of the mirror 4 that reflects the converging beam rotates, the reflected beam will search over the surface perpendicular to its direction of movement and between the limits that are

vist av de strekede linjer 9 som omslutter en vinkel på 60°. Strålens banelengde varierer gjennom søkeoperasjonen slik at strålen må ha stor fokusdybde for å gi et skarpt bilde ved overflaten. shown by the dashed lines 9 subtending an angle of 60°. The path length of the beam varies throughout the search operation so that the beam must have a large depth of focus to produce a sharp image at the surface.

Reflektert lys fra overflaten 6 samles opp av fotomul-tiplikatoranordningen 2, enten direkte eller ved hjelp av et reflekterende system 2'. Reflected light from the surface 6 is collected by the photomultiplier device 2, either directly or by means of a reflective system 2'.

På fig. 3(a) er vist et grunnriss av overflaten 6 som beveger seg i den retning som er vist ved pilen 10. En fullt fokusert stråle faller på overflaten som et sirkulært punkt 11 som beveger seg over overflaten på tvers av dennes bevegelsesretning. De soner av overflaten som avsøkes ved det viste bilde er vist ved de smale strimler 12, idet mellomrommene mellom strimlene overhodet ikke avsøkes. Bredden av slike ikke avsøkte partier avhenger av overflatens hastighet. Hvor det er nødvendig å påvise feil mellom til-liggende søkebaner mens overflatens hastighet på samme tid opprett-holdes, er det nødvendig å øke "bredden" på bildet inntil suksessive avsøkte soner er sammenhengende. En enkel løsning er vist på fig. 3(b) hvor punktet ganske enkelt er defokusert for å dekke det ønskede areal i hver avsøkning. Imidlertid vil intensiteten av det lys som når overflaten reduseres til et nivå hvor feildetektorens følsomhet er sammenliknbar med en detektor som benytter en vanlig lyskilde, og de udefinerte kanter av det illuminerte punkt kan med-føre feil. In fig. 3(a) is shown a plan view of the surface 6 moving in the direction shown by arrow 10. A fully focused beam falls on the surface as a circular spot 11 which moves across the surface transverse to its direction of travel. The zones of the surface which are scanned in the image shown are shown by the narrow strips 12, the spaces between the strips not being scanned at all. The width of such unscanned parts depends on the speed of the surface. Where it is necessary to detect errors between adjacent search paths while maintaining the speed of the surface at the same time, it is necessary to increase the "width" of the image until successive searched zones are contiguous. A simple solution is shown in fig. 3(b) where the point is simply defocused to cover the desired area in each scan. However, the intensity of the light that reaches the surface will be reduced to a level where the fault detector's sensitivity is comparable to a detector that uses a normal light source, and the undefined edges of the illuminated point can lead to errors.

Det optiske system 8 på fig. 1 skal fokusere laserstrålen slik at den, der den treffer flaten 6, gir et smalt, langstrakt bilde. Fig. 3(c) viser utstrekningen av den opplyste del av overflaten ved 11. Den opplyste sone har form av en linje som går i overflatens bevegelsesretning over en lengde som muliggjør at suksessive avsøkninger dekker hele overflaten, men er fullt fokusert i avsøkningsretningen, det vil si loddrett på overflatens bevegelsesretning. Ettersom flateinnholdet av det opplyste område er langt mindre enn flateinnholdet av det defokuserte punkt på fig. 3(b), skjønt noe større enn det fullt fokuserte punkt på fig. 3(a), holdes lysintensiteten på et relativt høyt nivå som opprettholder skarpt definerte kanter* The optical system 8 in fig. 1 must focus the laser beam so that, where it hits surface 6, it produces a narrow, elongated image. Fig. 3(c) shows the extent of the illuminated part of the surface at 11. The illuminated zone has the form of a line running in the direction of movement of the surface over a length which enables successive scans to cover the entire surface, but is fully focused in the scanning direction, the i.e. perpendicular to the direction of movement of the surface. As the area content of the illuminated area is far smaller than the area content of the defocused point in fig. 3(b), although somewhat larger than the fully focused point in fig. 3(a), the light intensity is kept at a relatively high level which maintains sharply defined edges*

I tilfeller hvor et 10:1 avsøkningsforhold er tilstrek-kelig til å muliggjøre at antallet feil kan beregnes, kan hastig-heten på overflaten forbi søkestasjonen økes med en faktor på 10. Det optiske system 8 på fig. 1 er vist i større detalj på fig. 4(a) og 4(b) som er henholdsvis oppriss og grunnriss. For å forenkle tegningen, er avbøyningen av strålen ved speilet 4 ute-latt fra disse tegninger, skjønt speilet er antydet. In cases where a 10:1 scanning ratio is sufficient to enable the number of errors to be calculated, the velocity on the surface past the search station can be increased by a factor of 10. The optical system 8 of FIG. 1 is shown in greater detail in fig. 4(a) and 4(b) which are elevation and ground plan respectively. To simplify the drawing, the deflection of the beam at the mirror 4 is omitted from these drawings, although the mirror is indicated.

Systemet 8 omfatter to positive (konvekse) sfæriske linser, 13 og 14, samt en negativ (konkav) sylindrisk linse 15. The system 8 comprises two positive (convex) spherical lenses, 13 and 14, as well as a negative (concave) cylindrical lens 15.

Lys som sendes ut av laseren 1 i en parallellsidet stråle, fokuseres i et punkt 16 ved hjelp av linsen 13,.hvorfra det fortsetter å divergere mot linsen 14. Linsen 14 har relativt lang brennvidde og en åpning som er egnet for å oppnå minimumstørrelse for det endelige punkt ved overflaten 6. Den sylindriske linse 15 er anbrakt i strålens bane mellom linsene 13 og 14 med aksen parallell med spindelen 5 som speilet 4 roterer omkring. Light emitted by the laser 1 in a parallel-sided beam is focused at a point 16 by means of the lens 13, from where it continues to diverge towards the lens 14. The lens 14 has a relatively long focal length and an aperture suitable for achieving the minimum size for the final point at the surface 6. The cylindrical lens 15 is placed in the path of the beam between the lenses 13 and 14 with the axis parallel to the spindle 5 around which the mirror 4 rotates.

Dersom den sylindriske linse 15 anbringes ved brenn-punktet 16, vil det dannes et sirkulært lyspunkt ved flaten. Dersom linsen 15 forskyves langs strålens bane mot en av posisjonene 17 eller 18 (som vist), vil strålen i planet på fig. 4 bevirkes å divergere noe, idet den passerer gjennom linsen 15, mens strålen i planet på fig. 4(a) er uforandret, bortsett fra en liten forskyvning av dens tilsynelatende opprinnelsespunkt som er forårsaket av refleksjon, men denne forskyvning er av mindre betydning idet den er konstant for enhver posisjon av linsen. Det refereres spesielt til fig. 4(b) hvor strålen, etter å ha passert gjennom linsen 14, fremdeles konvergerer til et brennpunkt, men ved 19 bortenfor overflaten 6. Ved overflaten 6 er det opplyste område en linje 20 som går parallelt med det plan av linsen 15 som inneholder de krumme flater og loddrett på strålens søkeretning. Lengden av linjen 20 avhenger kun av forskyvningen av linsen 15 fra punktet 16 og linjens retning på overflaten er avhengig av orienteringen av linsen 15 omkring strålens akse. If the cylindrical lens 15 is placed at the focal point 16, a circular spot of light will be formed at the surface. If the lens 15 is displaced along the path of the beam towards one of the positions 17 or 18 (as shown), the beam in the plane of fig. 4 is caused to diverge somewhat, as it passes through the lens 15, while the beam in the plane of fig. 4(a) is unchanged except for a slight shift of its apparent point of origin caused by reflection, but this shift is of minor importance as it is constant for any position of the lens. Reference is made in particular to fig. 4(b) where the beam, after passing through the lens 14, still converges to a focal point but at 19 beyond the surface 6. At the surface 6 the illuminated area is a line 20 running parallel to the plane of the lens 15 containing the curved surfaces and perpendicular to the beam's search direction. The length of the line 20 depends only on the displacement of the lens 15 from the point 16 and the direction of the line on the surface depends on the orientation of the lens 15 around the axis of the beam.

På fig. 4(c) er vist at en positiv (konveks) sylindrisk linse 15' kan benyttes i stedet for den negative linse 15. Effekten av denne linse er å bringe strålen til punktfokus i planet ved 19" før den når overflaten, hvoretter den fortsetter å divergere inntil den treffer overflaten 6 som en linje 20'. Dette arrangement er mindre effektivt enn det som er vist på fig. 4(b) for jo nærmere parallell strålen er, jo større fokusdybde har den. In fig. 4(c) it is shown that a positive (convex) cylindrical lens 15' can be used in place of the negative lens 15. The effect of this lens is to bring the beam to a point focus in the plane at 19" before it reaches the surface, after which it continues to diverge until it strikes the surface 6 as a line 20' This arrangement is less efficient than that shown in Fig. 4(b) because the closer to parallel the beam is, the greater its depth of focus.

Alternativt kan i et arrangement som ikke er vist, den ene eller begge av linsene 13 og 14 ha forskjellig brytning i forskjellige plan, idet disse brytninger utjevnes i et plan for å fokusere strålen fullstendig ved overflaten og slik at den er ute av fokus i et annet plan og derved danner en linje. Alternatively, in an arrangement not shown, one or both of the lenses 13 and 14 may have different refractions in different planes, these refractions being equalized in a plane to focus the beam completely at the surface and so that it is out of focus in a another plane and thereby forms a line.

Den lysmengde som samles kan økes betydelig ved at man gjør sideveggene 21 og 22 sterkt speilreflekterende som vist på The amount of light that is collected can be increased significantly by making the side walls 21 and 22 highly reflective as shown in

fig. 2. Sideveggene kan imidlertid også gjøres diffust reflekterende slik at det lys som når frem til detektoren er fritt for retnings-virkninger. På samme måte kan endeveggene 24, 25 (fig. 1) behandles for å gi samme virkning. fig. 2. However, the side walls can also be made diffusely reflective so that the light that reaches the detector is free from directional effects. In the same way, the end walls 24, 25 (fig. 1) can be treated to give the same effect.

Disse bidrar til å skille mellom reflektert laserlys og tilfeldig lys ved å innsnevre detekteringsanordningens synsfelt i retning av flatens bevegelse, indikert ved pilen 23. En alternativt innretning er en sort flate som ligger over den avsøkte flate tatt i nærheten av den søkende stråle. Disse er alternativer til eller kan komme i tillegg til å ha et filter over fotomultiplikatoren. These help to distinguish between reflected laser light and random light by narrowing the detection device's field of view in the direction of the surface's movement, indicated by arrow 23. An alternative device is a black surface that lies above the scanned surface taken in the vicinity of the searching beam. These are alternatives to or can be added to having a filter over the photomultiplier.

Bølgeformen for et typisk utgangssignal fra detekteringsanordningen 2 for en enkelt avsøkning over en flate er vist på fig. 5(a), hvor detaljene er forenklet. Det bemerkes at signalnivået synker noe mot avsøkningsintervallets endepunkter, til omtrent halve sentrumamplituden. Dette fall skyldes effekten av lysstrålen mot enden av hver avsøkning, og på grunn av vinkelen med normalen til overflaten hvormed det reflekterte lys samles og fokuseres på detekteringsanordningen, idet mengden av lys som mottas i detekteringsanordningen er proporsjonal med cosinus til vinkelen. En lavfrekvens-komponent av utgangssignalet mates tilbake til tilførselen til detektoren for å heve nivået på signalet ved endepunktene av avsøk-ningsintervallet og for å gi et bakgrunnsutgangssignal med konstant nivå over hele avsøkningen. The waveform for a typical output signal from the detection device 2 for a single scan over a surface is shown in fig. 5(a), where the details are simplified. It is noted that the signal level drops somewhat towards the end points of the scan interval, to approximately half the center amplitude. This drop is due to the effect of the light beam towards the end of each scan, and due to the angle with the normal to the surface at which the reflected light is collected and focused on the detection device, the amount of light received in the detection device being proportional to the cosine of the angle. A low frequency component of the output signal is fed back to the supply to the detector to raise the level of the signal at the endpoints of the scan interval and to provide a background output signal of constant level over the entire scan.

Utgangssignalets reduksjon kan kompenseres ved andre metoder, såsom å variere følsomheten av detekteringsanordningen synkront med avsøkningen, f.eks. ved å generere et gjentatt signal med passende karakteristikk som tilføres detekteringsanordningen, eller passende utformede opake gjenstander kan anbringes i lys-banen mellom de optiske system 8 og detekteringsanordningen 2 for å avskjære mere lys fra midten av avsøkningen enn fra endepartiene, eller det nivå hvorved feil detekteres over avsøkningen kan vari-eres ved å anbringe et gradert tetthetsfilter i banen av det lys som reflekteres fra flaten. The reduction of the output signal can be compensated by other methods, such as varying the sensitivity of the detection device synchronously with the scan, e.g. by generating a repeated signal with suitable characteristics which is supplied to the detection device, or suitably designed opaque objects can be placed in the light path between the optical system 8 and the detection device 2 to intercept more light from the center of the scan than from the end parts, or the level at which errors detected over the scan can be varied by placing a graded density filter in the path of the light reflected from the surface.

Avmaskingssignaler som tilpasses forskjellige avsøk-nings lengder , utsendes ved starten av avsøkningen for å forhindre at flatens kanter registreres som feil, eller at det registreres signaler fra utenfor kantene. Demasking signals that are adapted to different scan lengths are sent out at the start of the scan to prevent the surface's edges from being registered as errors, or signals from outside the edges being registered.

Et eksempel på bruk av systemet er telling av det totale antall feil i forskjellige størrelsesintervaller over et visst tidsrom. Telling skjer ved hjelp av velkjent digitalteknikk, som her ikke skal behandles i detalj, men det henvises til fig. 5(b) til 5(d) som viser bølgeformene av utgangssignalene mottatt av detekteringsanordningen ved forskjellige stadier i tellingen. Lav-frekvensvariasjoner filtreres fra signalet (fig. 5(a)), og etter-later feilpulser og bakgrunnspulser (fig. 5(b)). Alle svingninger under et nivå som er fastsatt for å eksklusere bakgrunnspulser fjernes i en komparator som genererer pulser med konstant høyde, men forskjellige bredder for forskjellige feilstørrelser. Disse utgangspulser benyttes så for å gi avlesninger for "total" telling og "store feil" telling. "Total" telling får man ved å tilføre utgangssignalet fra komparatoren til digitale fremvisere som viser det totale antall feil f.eks. over en 10 sekunders periode. "Store" feil, f.eks. av 0,3 diameter kan telles ved å sperre komparatorens utgangssignal for et passende tidsrom før det tilføres tellerfrem-viserne. Det passende tidsrom for slik sperring er den tid det tar for den fokuserte stråle ved overflaten å bevege seg over en 0,3 mm feil. Ved å sperre dette utgangssignal vil kun de pulser sendes til telleren og registreres som feil, som skyldes feil med større diameter enn 0,3 mm, hvilke feil fremvises på telleren (fig. 5(d)). Et analogsignal kan tas ut av tellerne, passende for å nedtegnes av et skriveapparat. An example of using the system is counting the total number of errors in different size intervals over a certain period of time. Counting takes place using well-known digital technology, which will not be dealt with in detail here, but reference is made to fig. 5(b) to 5(d) showing the waveforms of the output signals received by the detection device at various stages of the count. Low-frequency variations are filtered from the signal (Fig. 5(a)), leaving error pulses and background pulses (Fig. 5(b)). All oscillations below a level set to exclude background pulses are removed in a comparator that generates pulses of constant height but different widths for different error sizes. These output pulses are then used to provide readings for "total" count and "major error" count. "Total" count is obtained by supplying the output signal from the comparator to digital displays that show the total number of errors, e.g. over a 10 second period. "Major" errors, e.g. of 0.3 diameter can be counted by blocking the comparator's output signal for a suitable period of time before applying it to the counter displays. The appropriate time span for such blocking is the time it takes for the focused beam at the surface to travel over a 0.3 mm error. By blocking this output signal, only those pulses will be sent to the counter and registered as errors, which are due to errors with a larger diameter than 0.3 mm, which errors are displayed on the counter (fig. 5(d)). An analogue signal can be extracted from the counters, suitable for recording by a recording device.

Claims

1. Detector for detecting defects in a surface, comprising a scanning station movable relative to the surface and having a laser for emitting a continuous beam, and a sweeping device comprising a rotatable reflector in the beam path for sweeping the laser beam across the surface of the direction of the relative movement between the surface and the scanning station, characterized in that in the optical system for the beam path there is a cylinder lens which is designed to give the beam a narrow elongated cross-sectional shape with a width corresponding to the smallest defect to be detected, and that a detector is adapted to receive diffusely reflected or transmitted radiation and to emit an output signal indicating a reduced level of the diffuse radiation when the beam hits an error.

2. Detector as specified in claim 1, characterized in that the scanning station comprises a radiation-collecting device with radiation-reflecting surfaces on each side of and at each end of the scanning path, which reflective surfaces run between the scanned surface and the detector.

3. Detector as specified in claim 1, characterized in that the scanning station comprises a radiation collecting device with diffusing surfaces on each side of and at each end of the scanning path, which diffusing surfaces go between the scanned surface and the detector.