WO1993006467A2 - Procede et dispositif d'inspection du verre - Google Patents

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WO1993006467A2
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Christophe Venaille
Denis Mischler
Philippe Le Roy
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/95—Investigating the presence of flaws or contamination characterised by the material or shape of the object to be examined
    • G01N21/958—Inspecting transparent materials or objects, e.g. windscreens

Definitions

  • the invention relates to the field of automatic industrial inspection and more particularly relates to a process, and the corresponding device, for the inspection of glass.
  • the purpose of glass inspection is to detect and locate faults, called “inclusions", generated during the manufacturing phase in pieces of glass.
  • inclusions generated during the manufacturing phase in pieces of glass.
  • the impact of these defects on the quality of the glass produced depends on their number, their shape, and the standards imposed on glassmakers according to the intended application. These defects are of two types:
  • - "broth” type the defects are gas bubbles which remain in the molten material
  • - "stone” type the defects are defects in the homogeneity of the basic constituents, leading to the formation of a visible particle in the glass.
  • the size of these inclusions is generally less than a millimeter and their measurement must be carried out with great precision, at least for certain applications, the required precision possibly ranging from 1 / 10th to 1 / 100th of a millimeter.
  • the subject of the invention is a method of inspecting glass, and the corresponding device, which makes it possible to avoid the drawbacks of conventional methods by making it possible both to locate the defects on the surface as in the thickness of the glass and to know approximately their positions in the thickness of the glass, which allows very good discrimination between surface defects and inclusions.
  • the inspection method uses a three-dimensional treatment and for this performs localized lighting of the glass by a laser beam, and suitable detection which makes it possible to view the upper face of the glass and its lower face separately. and, between the two, its thickness.
  • a method of inspecting a glass by illumination by means of a light source external to its illuminating surface characterized in that it consists in illuminating the illuminating surface by an applied laser beam in a direction approximately perpendicular to the illumination face to form a light curtain in the form of a plane passing through the glass in its thickness, for detecting by a camera the reflected radiation emerging from the piece of glass in a direction of oblique observation with respect to the direction of the plane formed by the light curtain when inclusions are presented in the glass at the location of the light curtain, and visualize by the camera the image of the inclusions thus obtained, between two lines representing respectively the rays light weakly reflected by the entry and exit surfaces of the light beam during its passage through the thickness of the glass.
  • the invention also relates to the inspection device intended for the implementation of the method as described above.
  • the invention will be better understood and other features will appear with the aid of the description which follows with reference to the appended figures.
  • FIG. 1 is a diagram of the inspection device according to the invention
  • FIG. 2 is a detailed diagram of the device
  • the glass inspection device comprises, in one embodiment illustrated schematically in plan view in FIG. 1, two stations, a station 1 for detecting and locating faults in three dimensions, X, Y, Z and a station 2 for classification and measurement of these faults.
  • the piece of glass 3 is placed on a conveyor 4 and analyzed as it passes vertically from station 1 for the detection and location of faults, the movement of the conveyor taking place along the X axis.
  • Station 1 provides an image of successive sections of the piece of glass (in the YZ plane), such as that shown in Figure 1 where an inclusion has been represented between two lines corresponding respectively to the upper surface and the lower surface of the glass .
  • the first station is constituted as follows. It comprises a lighting source 10 of the neon helium laser type, HeNe illustrated in FIG. 2.
  • the beam emitted by the laser source is widened by an optical bar disposed at the output of this source so as to constitute a kind of light curtain , of suitable thickness, as illustrated in FIG. 2, which corresponds at all times to a YZ section of the piece of glass.
  • This light curtain therefore illuminates the glass perpendicular to the plane of the conveyor and therefore encountered successively:
  • a camera 20 placed above the glass and obliquely to the light curtain, as shown in section in FIG. 3, is intended to capture the radiation emerging from the piece of glass in its direction, called the direction of observation, and therefore sees these interruptions respectively as:
  • the corresponding lines can be lines if the intersection of the light curtain and the upper face of the glass is a straight line, or curved lines for a spherical or cylindrical face if the curvature extends in the direction of the light curtain.
  • the method of inspecting a piece of glass consists of scrolling this piece of glass over the conveyor belt 4 under the station 1 comprising the laser source and the camera system, the carpet being animated by a uniform translational movement.
  • the laser beam is chosen to be sufficiently spread; if the width of the room exceeds the possible width of expansion of the beam, the optical laser lighting device will be reproduced as many times as necessary.
  • station 1 is equipped with additional cameras to cover the useful field.
  • the images are acquired by the camera system at video frequency; the sequence of images thus obtained is processed in a computer processing device which makes it possible to detect and follow the two lines associated with the surfaces as well as one or more inclusions between these two lines.
  • the information provided by the station 1 is therefore a location by imaging of the defects in three dimensions X, Y and Z.
  • the luminance information of the defect also makes it possible to approximately quantify the size of the defects, and this information can be used by item 2 for classification and measurement.
  • the characteristics of the lighting system are such that the source is a neon helium laser source as indicated above, the means for expanding the beam from the source laser consist of an optical bar or a divergent lens, half cylinder plan / concave, so as to spread the laser beam in one direction; the thickness of the laser curtain must be greater than the size of the defects so as to guarantee detection of the defect in all cases.
  • the sensors used are of the CCD type; the number of sensors depends on the width of the piece of glass to be inspected and on the desired resolution.
  • the number of cameras is doubled so as to overcome parasitic phenomena due to multiple reflections of the laser beam in the glass , capable of generating on the image light lines of lesser energy inside the two lines described above.
  • the duplication of information processing makes the device more robust, especially in the case of a dusty atmosphere.
  • two cameras are placed symmetrically with respect to the laser whose axis is vertical.
  • the angle of incidence (i) between the laser and the optical axis of the camera is chosen so that one of the axes of the two cameras is always located on the side opposite the laser beam relative to the normal to the surface glass.
  • the camera 21 will be used while for the right part of the room the camera 22 will be used.
  • the camera's optical system at station 1 the problem is not precision but simply the detection and location of faults whose coordinates along the X, Y and Z axes are then communicated to station 2 for precise measurement.
  • the camera optics are therefore chosen as follows.
  • the camera's optical system includes an anamorphic element: in practice it is not necessary to have the same resolution along the two axes of the image. Good precision is required along the vertical axis so as to correctly separate the inclusions from the two surface lines (which are the two horizontal lines in the images in FIGS. 4a to 4d; on the other hand, it is desired to be able to cover the widest band possible glass along the horizontal axis (Y) in order to limit the number of cameras required and the power of computer processing. This is why an anamorphic optical system is used to ensure an anisotropic magnification in the image in both directions orthogonal X and Z.
  • the invention is not limited to the method and device for inspecting glass as described in detail above.
  • it was describes a conveyor on which is driven a piece of glass which scrolls vertically from an observation post.
  • a mobile observation post the material to be inspected remaining fixed. This arrangement is particularly interesting for large pieces of glass to be inspected.
  • the camera was provided in the example to form an image from the radiation emerging in the direction of observation.
  • an optic which would facilitate the formation of the useful image, in particular an optical filter transmitting to the detector the radiation emerging at the length d wave of the laser source used.

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Abstract

Le procédé consiste: à illuminer par un rayonnement laser des plans de coupe (YZ) successifs du morceau de verre à inspecter, par déplacement relatif d'un rideau lumineux formé à partir d'une source d'éclairage de type laser et du morceau de verre à inspecter; à détecter, par une caméra, le rayonnement réfléchi émergeant du morceau de verre dans une direction d'observation oblique par rapport au plan (YZ) du rideau lumineux, de sorte que l'image formée par la caméra comporte deux lignes correspondant aux faces supérieure et inférieure du morceau de verre et éventuellement des points lumineux situés entre ces deux lignes correspondant à des inclusions dans l'épaisseur du verre. L'invention s'applique, notamment, au contrôle de qualité du verre en sortie de fabrication.

Description

Procédé et dispositif d'inspection du verre
L'invention se rapporte au domaine de l'inspection industrielle automatique et a plus particulièrement pour objet un procédé, et le dis¬ positif correspondant, pour l'inspection du verre.
D'une manière générale, l'inspection du verre a pour objet la détection et la localisation de défauts, appelés "inclusions", générés lors de la phase de fabrication dans des morceaux de verre. La répercussion de ces défauts sur la qualité du verre produit dépend de leur nombre, de leur forme, et des normes imposées aux verriers selon l'application visée. Ces défauts sont de deux types :
- type "bouillon" : les défauts sont des bulles gazeuses restées pri¬ sonnières dans le matériau en fusion ; - type "pierre" : les défauts sont des défauts d'homogénéité des constituants de base, entraînant la formation d'une particule visible dans le verre.
La taille de ces inclusions est en général inférieure au millimètre et leur mesure doit être effectuée avec une grande précision, au moins pour certaines applications, la précision requise pouvant aller de 1 /10ème à un 1/100ème de millimètre.
La détection automatique de ces défauts est d'une grande impor¬ tance pour les verriers : une solution à ce problème permet à la fois d'accroître la qualité du verre fabriqué (meilleur respect des normes de qualité) et de disposer de statistiques fiables sur le nombre et la taille des défauts afin de modifier en conséquence les différents paramètres de production du verre.
Les procédés d'inspection du verre actuellement connus se limitent à l'examen visuel du verre par un observateur humain. En effet, les ten- tatives d'utilisation de la vision artificielle pour l'inspection du verre n'ont, jusqu'à présent, pas donné de résultats car ces solutions effec¬ tuent un traitement de l'information bidimensionnel. Les procédés cor¬ respondants ne permettent donc pas de discriminer efficacement les défauts de surface, poussière et rayures etc., supprimés par un simple polissage du verre, des inclusions qui sont noyées dans la masse du verre.
L'invention a pour objet un procédé d'inspection du verre, et le dispositif correspondant, qui permet d'éviter les inconvénients des méthodes classiques en permettant à la fois de localiser les défauts à la surface comme dans l'épaisseur du verre et de connaître approximative¬ ment leurs positions dans l'épaisseur du verre, ce qui permet une très bonne discrimination entre défauts de surface et inclusions.
Selon l'invention le procédé d'inspection utilise un traitement tridî- mensionnel et pour cela effectue un éclairage localisé du verre par un faisceau laser, et une détection adaptée qui permet de visualiser séparé¬ ment la face supérieure du verre et sa face inférieure, et, entre les deux, son épaisseur.
Selon l'invention, un procédé d'inspection d'un verre par illumination au moyen d'une source lumineuse extérieure à sa surface d'éclairement, caractérisé en ce qu'il consiste à illuminer la surface d'éclairement par un faisceau laser appliqué dans une direction à peu près perpendiculaire à la face d'éclairement pour former un rideau lumineux sous ia forme d'un plan traversant le verre dans son épaisseur, pour détecter par une caméra le rayonnement réfléchi émergeant du morceau de verre dans une direction d'observation oblique par rapport à la direction du plan formé par le rideau lumineux lorsque des inclusions sont présentés dans le verre à l'endroit du rideau lumineux, et visualiser par la caméra l'image des inclusions ainsi obtenue, entre deux lignes représentant respectivement les rayons lumineux faiblement réfléchis par la surface d'entrée et celle de sortie du faisceau lumineux au cours de sa traversée dans l'épaisseur du verre.
L'invention a également pour objet le dispositif d'inspection des¬ tiné à la mise en oeuvre du procédé tel que décrit ci-dessus. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques appa¬ raîtront à l'aide de la description qui suit en référence aux figures anne¬ xées.
- La figure 1 est un schéma du dispositif d'inspection selon l'inven¬ tion ; - La figure 2 est un schéma de détail du dispositif ;
- La figure 3 illustre le principe de l'éclairage du verre selon l'invention ;
- Les figures 4A, 4B, 4C et 4D sont des schémas explicatifs ; - La figure 5 est un schéma optique.
Le dispositif d'inspection du verre selon l'invention comporte, dans un mode de réalisation illustré schématiquement en vue de dessus sur la figure 1 , deux postes, un poste 1 de détection et de localisation des défauts en trois dimensions, X, Y, Z et un poste 2 de classification et de mesure de ces défauts. Le morceau de verre 3 est posé sur un convoyeur 4 et analysé au fur et à mesure qu'il passe à la verticale du poste 1 pour la détection et la localisation des défauts, le déplacement du convoyeur s'effectuant suivant l'axe X. Le poste 1 fournit une image des coupes successives du morceau de verre (dans le plan YZ), telle que celle montrée sur la figure 1 où une inclusion a été représentée entre deux lignes correspondant respectivement à la surface supérieure et à la surface inférieure du verre.
Pour cela le premier poste est constitué de la manière suivante. Il comporte une source d'éclairage 10 de type laser hélium néon, HeNe illustrée par la figure 2. Le faisceau émis par la source laser est élargi par un barreau optique disposé à la sortie de cette source de façon à constituer une sorte de rideau lumineux, d'épaisseur adaptée, comme illustré sur la figure 2, qui correspond à chaque instant à une coupe YZ du morceau de verre. Ce rideau lumineux éclaire donc le verre perpendi- culairement au plan du convoyeur et rencontrée donc successivement :
- la face supérieure du morceau de verre,
- éventuellement les inclusions à détecter,
- la face inférieure du morceau de verre.
Une caméra 20 placée au-dessus du verre et obliquement par rapport au rideau lumineux, comme illustré en coupe par la figure 3, est destinée à capter le rayonnement émergeant du morceau de verre dans sa direction, dite direction d'observation, et voit donc ces interruptions respectivement comme :
- une ligne Lsup correspondant à la face supérieure - éventuellement un point fortement lumineux Pinci en cas d'inclu¬ sion ;
- une ligne Linf correspondant à la face inférieure.
Les lignes correspondantes peuvent être des traits si l'intersection du rideau lumineux et de la face supérieure du verre est une droite, ou des lignes courbes pour une face sphérique ou cylindrique si la courbure s'étend dans le sens du rideau lumineux.
Dans cette configuration les défauts apparaissent de la manière suivante : - une inclusion produit un point lumineux situé dans l'image entre les deux lignes dues aux faces supérieure et inférieure, comme illustré sur la figure 4a r
- un défaut de surface produit un point lumineux qui se confond partiellement avec la ligne de la face supérieure, comme illustré par la figure *4b ;
- un défaut sur la surface du fond produit un point lumineux qui se confond partiellement avec la ligne de la face inférieure, comme illustré par la figure 4c ;
- enfin s'il n'y a pas de défaut seuls les deux traits correspondant aux faces supérieure et inférieure apparaissent sur l'image, comme illus¬ tré par la figure 4d.
Selon ce principe, le procédé d'inspection d'un morceau de verre, consiste à faire défiler ce morceau de verre sur le tapis du convoyeur 4 sous le poste 1 comportant la source laser et le système de caméra, le tapis étant animé d'un mouvement de translation uniforme. Pour couvrir la largeur de la pièce inspectée, le faisceau laser est choisi suffisamment épandu ; si la largeur de la pièce dépasse la largeur d'expansion possible du faisceau, le dispositif optique d'éclairement à laser sera reproduit autant de fois que nécessaire. De même si le champ de la caméra n'est pas assez large, le poste 1 est muni de caméras supplémentaires pour couvrir le champ utile.
Les images sont acquises par le système de caméras à la fréquence vidéo ; la séquence d'images ainsi obtenue fait l'objet d'un traitement dans un dispositif de traitement informatique qui permet de détecter et de suivre les deux lignes associées aux surfaces ainsi qu'une ou plusieurs inclusions entre ces deux lignes. L'information fournie par le poste 1 est donc une localisation par imagerie des défauts en trois dimensions X, Y et Z. L'information de luminance du défaut permet en outre de quantifier approximativement la taille des défauts, et cette information peut être exploitée par le poste 2 pour la classification et la mesure.
Dans un mode de réalisation du dispositif d'inspection, les carac¬ téristiques du système d'éclairage sont telles que la source est une source laser hélium néon comme indiqué ci-dessus, les moyens d'expan¬ sion du faisceau issu de la source laser sont constitués d'un barreau optique ou d'une lentille divergente, demi cylindre plan/concave, de façon à épandre le faisceau laser dans une seule direction ; l'épaisseur du rideau laser doit être supérieure à la taille des défauts de façon à garantir la détection du défaut dans tous les cas.
En ce qui concerne le système d'imagerie, les capteurs utilisés sont du type CCD ; le nombre de capteurs dépend de la largeur du mor¬ ceau de verre à inspecter et de la résolution désirée.
De plus, dans un mode de réalisation, dans le cas de surfaces courbes convexes, comme illustré par la figure 5, le nombre de caméras est doublé de façon à s'affranchir de phénomènes parasites dus à des réflexions multiples du faisceau laser dans le verre, susceptibles de générer sur l'image des lignes lumineuses d'énergie moindre à l'intérieur des deux lignes précédemment décrites. De manière plus générale, le dédoublement du traitement de l'information permet de rendre plus robuste le dispositif, notamment dans le cas d'une atmosphère poussiéreuse. Dans ce cas deux caméras sont placées symétriquement par rapport au laser dont l'axe est vertical. L'angle d'incidence (i) entre le laser et l'axe optique de la caméra est choisi de façon que l'un des axes des deux caméras soit toujours situé du côté opposé au faisceau laser par rapport à la normale à la surface du verre. Ainsi pour la partie gauche de la pièce la caméra 21 sera utilisée alors que pour la partie droite de la pièce la caméra 22 sera utilisée. En ce qui concerne le système optique de la caméra, au niveau du poste 1 le problème n'est pas la précision mais simplement la détection et la localisation des défauts dont les coordonnées suivant les axes X, Y et Z sont ensuite communiquées au poste 2 pour la mesure précise. L'optique de la caméra est donc choisie de la manière suivante.
Pour le grandissement, un compromis est réalisé entre une forte profondeur de champ qui permet d'observer nettement toute l'épaisseur du verre (faible grandissement) et un grandissement plus grand qui lui a l'intérêt de pouvoir séparer les inclusions des deux traits de surface. De plus, le système optique de la caméra comporte un anamorphoseur : en pratique il n'est pas nécessaire d'avoir la même résolution selon les deux axes de l'image. Une bonne précision est requise selon l'axe vertical de manière à séparer correctement les inclusions des deux lignes de surface (qui sont les deux lignes horizon- taies sur les images des figures 4a à 4d ; en revanche on souhaite pouvoir couvrir la plus large bande possible de verre selon l'axe horizontal (Y) de manière à limiter le nombre de caméras nécessaires et la puissance du traitement informatique. C'est pourquoi un système optique anamorphoseur est utilisé pour assurer un grandissement anîsotrope dans l'image selon les deux directions orthogonales X et Z.
L'analyse des images ainsi obtenues lors du défilement du mor¬ ceau de verre porté par le convoyeur à la verticale du poste d'observa¬ tion permet d'extraire les informations utiles et notamment :
- la luminance ; - la position des inclusions, c'est-à-dire les coordonnées (u,v) des points apparaissant en surbrillance dans l'image ;
- le mouvement de ces points sur une séquence de deux ou trois images consécutives ;
- la taille de ces points. Le traitement de ces informations et des informations connues a priori sur la forme et les dimensions de la pièce inspectée permettent un traitement automatique.
L'invention n'est pas limitée au procédé et au dispositif d'inspec¬ tion du verre tel que décrits en détails ci-dessus. En particulier, il a été décrit un convoyeur sur lequel est entraîné un morceau de verre qui défile à la verticale d'un poste d'observation. Mais il est possible d'utili¬ ser sans sortir du cadre de l'invention, un poste d'observation mobile, le matériau à inspecter restant fixe. Cette disposition est notamment inté- ressante pour les grosses pièces de verre à inspecter.
De plus, la caméra a été prévue dans l'exemple pour former une image à partir du rayonnement émergeant dans la direction d'observa¬ tion. Pour améliorer l'image obtenue sur le détecteur de la caméra il est possible d'introduire sur le trajet du rayonnement détecté une optique qui faciliterait la formation de l'image utile, notamment un filtre optique transmettant au détecteur le rayonnement émergeant à la longueur d'onde de la source laser utilisée.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé d'inspection d'un verre (3) par illumination au moyen d'une source lumineuse extérieure (10) à sa surface d'éclairement, caractérisé en ce qu'il consiste à illuminer la surface d'éclairement par un faisceau laser appliqué dans une direction à peu près perpendiculaire à la face d'éclairement pour former un rideau lumineux sous la forme d'un plan (YZ) traversant le verre (3) dans son épaisseur, pour détecter par une caméra (20) le rayonnement réfléchi émergeant du morceau de verre (3) dans une direction d'observation oblique par rapport à la direction du plan (YZ) formé par le rideau lumineux lorsque des inclusions sont présentes dans le verre (3) à l'endroit du rideau lumineux, et visualiser par la caméra (20) l'image des inclusions (Pincl) ainsi obtenue, entre deux lignes (Lsup et Liπf) représentant respectivement les rayons lumineux faiblement réfléchis par la surface d'entrée et celle de sortie du faisceau lumineux au cours de sa traversée dans l'épaisseur du verre.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mor¬ ceau de verre est posé sur un convoyeur qui défile dans un plan horizon¬ tal (XY), au droit du rideau lumineux laser vertical (YZ) créé par un poste d'observation fixe, l'image étant reprise par une caméra également fixe d'axe oblique par rapport au rideau lumineux.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le rayonnement émergeant du morceau de verre est détecté dans une direction oblique telle que l'axe de la source laser et l'axe d'observa- tion soient situés de part et d'autre de la normale à la surface du mor¬ ceau de verre, de façon à éviter les réflexions parasites avant détection.
4. Dispositif d'inspection du verre pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte un poste d'observation comportant une source d'éclai- rage, de type laser, couplée à des moyens d'expansion du faisceau dans une seule direction, Y, pour former un rideau lumineux dans un plan orthogonal (YZ) à un plan (XY) support pour le verre à inspecter, destiné à éclairer des plans de coupe successifs d'un morceau de verre. et au moins une caméra d'axe, oblique par rapport au plan du rideau lumineux pour capter le rayonnement réfléchi par le verre dans une direction d'observation.
5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que, pour permettre l'inspection de verres non pians, le dispositif comporte deux caméras situés de part et d'autre de la source d'éclairage, par rapport au plan du rideau lumineux.
6. Dispositif selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce qu'il comporte, pour des morceaux de verre de grande largeur, plu- sieurs sources d'éclairage formant chacune un rideau lumineux, l'en¬ semble des rideaux iumineux créés éclairant un plan de coupe complet du morceau de verre.
7. Dispositif selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce qu'un dispositif optique anamorphoseur est associé à la caméra pour permettre une observation d'un plan du verre sur une largeur aussi grande que possible, selon la direction Y, sans que l'observation de l'épaisseur selon la direction Z soit affectée.
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