專利名稱：使物體特征成像的系統(tǒng)和方法
技術領域：
本專利申請涉及使物體特征成像領域，具體說，是涉及一種測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過使至少有第一和第二層的物體的特征成像，實現(xiàn)物體缺陷的檢測，還涉及實現(xiàn)這種檢測的方法。
背景技術：
質(zhì)量控制例如在包裝工業(yè)是非常重要的。大多數(shù)制造商對產(chǎn)品進行人工視覺檢查，即用人眼觀察產(chǎn)品。這是費時、昂貴、不十分有效的，且可以認為是一種主觀評價。一種替代人工質(zhì)量檢查的方法，是用自動檢查系統(tǒng)。但是，透明或半透明材料的檢查是困難的，因為這些材料上的缺陷，對普通的檢查系統(tǒng)是不可見的。
透明物體，諸如玻璃或塑料的一種檢查方法，是用亮場/暗場系統(tǒng)。亮場是指物體的鏡反射光在傳感器上成像的區(qū)域。暗場是指物體的漫反射光在傳感器上成像的區(qū)域。從亮場和暗場傳感器來的信號，可以用來檢測透明物體表面上的缺陷。當沒有缺陷時，亮場像是亮的，而暗場像是暗的。但是，當物體有缺陷時，暗場像給出增加的亮度。然而，該檢查透明物體的方法，只能檢測表面層上的缺陷。
EP 902 275中公開的現(xiàn)有技術，提出一種成像設備和處理過程，用于檢查包裝在透明或半透明材料中的物體，例如包裝在聚合物薄膜中的香煙包裹。被引導到物體上的入射光，要使光進入包裝層并使包裝層起波導的作用。光到達聚合物膜包裝的邊緣和折疊處的反射邊界，便從這些地方逸出。逸出的光用攝像機拍攝，隨后送至成像處理器。因此可以檢測諸如錯位、錯疊、撕裂、弄皺、或其他缺陷等透明外包裝紙的缺陷。
但是，該現(xiàn)有技術只能檢測包裝層中的缺陷。在包裹自身上的缺陷，必須在分開的階段，用人工或自動地進行分開的檢查，因此要求多于一個的檢查系統(tǒng)。
因此，需要一種系統(tǒng)和方法，用于檢測包括至少兩層的物體上的缺陷，該兩層中至少第一層由透明或半透明材料構成。

發(fā)明內(nèi)容
據(jù)此，本發(fā)明的一個目的，是提供一種改進的測量系統(tǒng)，能使至少有第一和第二層的物體的特征成像。
該目的是通過提供一種測量系統(tǒng)達到的，該測量系統(tǒng)包括至少一個以入射光照射物體的光源、檢測物體的反射光并把檢測的光轉(zhuǎn)換為電荷的成像傳感器、和根據(jù)該電荷建立物體的表像的裝置，其中的建立物體表像裝置，又包括從該表像獲得關于物體第一層和第二層中散射光的信息的裝置，和把該信息與存儲的信息比較，以檢測物體上缺陷的裝置。
本發(fā)明的另一個目的，是提供一種改進的方法，用于使至少有第一和第二層的物體的特征成像。
該目的是通過提供一種測量系統(tǒng)的方法達到的，在該測量系統(tǒng)中，物體通過入射光的照射，然后通過成像傳感器檢測物體反射的光，在該成像傳感器中，檢測的光被轉(zhuǎn)換為電荷，根據(jù)該電荷建立物體的表像，由此，從該表像獲得關于物體至少第一層和第二層中散射光的信息，而且把該信息與存儲的信息比較，以檢測物體上的缺陷。
本發(fā)明再有的其他目的和特點，將根據(jù)下面詳細的說明變得更明顯，該說明是結(jié)合附圖進行的。但是，應當指出，這些圖僅僅用于說明的目的，而不是限制本發(fā)明的限定，關于本發(fā)明的限定，應當參考附于后面的權利要求書。還應當指出，這些圖不一定按比例畫出，除非另有說明，所以，它們僅企圖在概念上闡明本文說明的結(jié)構和過程。


附圖中，其中這幾個圖自始至終以相同的參考數(shù)字表示相同的單元 圖1按照本發(fā)明第一實施例，畫出一種測量系統(tǒng)的示意圖； 圖2a畫出待觀察物體的視圖，表明在本發(fā)明系統(tǒng)如何對缺陷進行檢測及分類的第一例子中，不同層中的光通常如何散射； 圖2b按照與圖2a對應的第一例子，畫出當待觀察物體第二層有缺陷時，光是如何散射的； 圖3a畫出待觀察物體的視圖，表明在本發(fā)明系統(tǒng)如何對缺陷進行檢測及分類的第二例子中，不同層中的光通常如何散射； 圖3b按照與圖3a對應的第二例子，畫出當待觀察物體第二層有缺陷時，光是如何散射的； 圖4a畫出待觀察物體的視圖，表明在本發(fā)明系統(tǒng)如何對缺陷進行檢測及分類的第三例子中，不同層中的光通常如何散射； 圖4b按照與圖4a對應的第三例子，畫出當待觀察物體第一層有缺陷時，光是如何散射的； 圖5a按照本發(fā)明第一實施例，畫出一種測量系統(tǒng)的示意圖，其中的待觀察物體包括缺陷； 圖5b畫出用兩維傳感器，在圖5a所示待觀察物體上拍攝的像； 圖5c畫出對圖5b所示拍攝的像測量的強度； 圖6按照本發(fā)明第二實施例，畫出一種測量系統(tǒng)的示意圖，從該測量系統(tǒng)獲得三維的像； 圖7a按照本發(fā)明第二實施例，畫出一種測量系統(tǒng)的示意圖，其中的待觀察物體包括缺陷； 圖7b畫出用兩維傳感器，在圖7a所示待觀察物體上拍攝的像； 圖7c畫出對圖7b所示拍攝的像測量的強度/距離曲線；
具體實施例方式圖1是概念性簡圖，表明按照本發(fā)明第一實施例的測量系統(tǒng)1的基本構造，該測量系統(tǒng)能使至少有第一層2a和第二層2b的物體2的特征成像。系統(tǒng)1包括至少一個用入射光4照射物體2的光源3。成像傳感器6用于檢測物體2反射的光5a和5b，并把檢測的光轉(zhuǎn)換為電荷。成像傳感器6檢測的反射光以5b標記，而成像傳感器6檢測的在物體中散射的光，以5a標記。該系統(tǒng)還包括根據(jù)該電荷建立物體2的模擬或數(shù)字表像的裝置，例如圖像/信號處理單元(未畫出)。所述建立物體2模擬或數(shù)字表像的裝置，可以是分開的單元，也可以集成在成像傳感器6內(nèi)。在本發(fā)明的本優(yōu)選實施例中，建立的是物體2的數(shù)字表像。
物體2和測量系統(tǒng)1在平行的平面上，沿預定運動方向，最好是沿基本上水平方向，彼此相對運動。在本發(fā)明的本優(yōu)選實施例中，物體2相對于測量系統(tǒng)1運動。物體2例如可以放在運動的傳送帶上，或者沒有傳送帶而物體自身運動，例如如果該物體是制紙機連續(xù)卷筒中的紙。代替物體2相對測量系統(tǒng)1運動，這一關系自然可以倒過來，就是說，在測量時，物體2靜止而測量系統(tǒng)1在物體2上運動。在再另一個實施例中，物體2和測量系統(tǒng)1兩者彼此相對運動。
入射光至少在一個方向中有有限的彌散。因此，光源3例如產(chǎn)生點狀的光、直線狀的光、或許多基本上是點或直線段組成的光，所以光源3可以是任何合適應用的類型。例如激光器、發(fā)光二極管(LED)、普通的光(燈泡)，這些都是本領域熟練人員熟悉的，本文此后將不再說明。
在本發(fā)明一個實施例中，光源3包括偏振片(未畫出)，它使入射光4偏振。這樣做，有利于區(qū)分反射光和散射光，因為反射光也是偏振的，但散射光將是有更低偏振度的偏振。當光源3包括偏振片時，必須使用能區(qū)分沿不同方向偏振的光的傳感器。
成像傳感器6可以是CCD攝像機、CMOS攝像機、或任何其他適合使物體特征成像的傳感器。
本系統(tǒng)還包括從該數(shù)字表像，獲得關于物體2第一層2a和/或第二層2b中散射光信息的裝置。把讀出的信息與存儲單元信息比較，例如與某一閾值比較，以便檢測物體2上或物體2內(nèi)的缺陷，舉例說，數(shù)字表像中每一點的光強，可與預定值比較。缺陷的類型可以照此分類。其他公知的分類方法當然也可以使用，例如把數(shù)字表像兩個相鄰點之間的相對光強，與預定值比較，等等。
物體2可以是例如分層的產(chǎn)品，包括兩層或更多層不同材料，或者包括兩層或更多層以材料顆粒不同方向聚合的相同材料?；蛘呖梢允前b在透明或半透明材料例如箔中的包裹，該箔可以是分層或不分層的。更多的例子，是以透明或半透明材料如塑料包裝或覆蓋的食品，或以保護層覆蓋的電子組件，如印刷電路板。各層的厚度可以相等或不相等。第一層可以僅僅是一層清漆。本發(fā)明不受物體任何特定例子的限制。本發(fā)明根據(jù)的是，某些材料非常良好地散射光，且散射的光受下面或上面材料(層)的影響。
被檢測和分類的缺陷的一些例子，將在下面舉出并在圖2a-4b中說明。所有說明的例子都包括兩層，但本發(fā)明對有多于兩層的物體，也能很好工作。存儲要檢查的物體的信息，即傳感器上“正常”的像應該是什么樣子(光是如何正常地被反射和散射的)的信息。根據(jù)拍攝的像與“正?！钡南裼卸啻笃x，能夠?qū)θ毕莸念愋头诸悺?br> 圖2a和2b畫出用本發(fā)明的系統(tǒng)對缺陷進行檢測和分類的第一例，本例中，第一層2a透射光而第二層2b散射光。圖2a畫出落在第一層2a的入射光4，一些入射光4被反射，一些入射光4進入第一層2a。進入的光透過第一層2a并進入第二層2b，在第二層被散射。散射的光再進入第一層2a，透過并離開第一層2a，由此被傳感器6(示于圖1)檢測。
但是，如果第二層2b有缺陷，則成像傳感器檢測的散射光將減少。在該簡化的示于圖2b的例子中，傳感器只檢測到反射光。
圖3a和3b畫出用本發(fā)明的系統(tǒng)對缺陷進行檢測和分類的第二例，本例中，第一層2a和第二層2b兩者都透射光。落在第一層2a的入射光4，一些被反射和一些進入第一層2a。進入的光透過第一層2a并進入第二層2b，再透過第二層2b。
但是，如果物體2有層剝離，即第一層2a與第二層2b之間有間隙，則成像傳感器檢測的散射光將增加，如圖3b所示。這是由于第二層2b上光的反射，導致散射光的增加。
圖4a和4b畫出用本發(fā)明的系統(tǒng)對缺陷進行檢測和分類的第三例，本例中，第一層2a散射光而第二層2b透射光。落在第一層2a的入射光4，一些被反射和一些進入第一層2a。進入的光部分透過第一層2a并部分在其中散射。散射光離開第一層2a并被成像傳感器檢測。透射光進入第二層2b并透過第二層2b。
但是，如果第一層2a上有缺陷，諸如缺了一小片，則成像傳感器檢測的散射光將減少。在圖4b所示例子中，只有第二層2b上的反射光被成像傳感器檢測。
用本發(fā)明的系統(tǒng)對缺陷進行檢測和分類的另一個例子，是第一層散射光而第二層反射光。如果在第二層上有缺陷，諸如缺了一小片，則成像傳感器檢測的散射光將減少。
圖5a按照本發(fā)明與圖1對應的第一實施例，畫出一種測量系統(tǒng)。系統(tǒng)1包括至少一個用入射光4照射物體2的光源3。成像傳感器6用于檢測物體2反射的光。在本實施例中，光源已經(jīng)產(chǎn)生跨越物體2的光的直線7。物體2包括缺陷8，在圖5a中，缺陷8位于成像傳感器6的視場(FoV)內(nèi)。
圖5a中物體在兩維傳感器6上拍攝的像，示于圖5b。傳感器檢測物體2的區(qū)B1及B2中散射的光，和在物體2上反射的光。圖5b把光的直線7(示于圖5a)以A表示。在圖5b中可見，反射光A的兩側(cè)出現(xiàn)散射光區(qū)域。
如果光源3包括偏振片，則區(qū)B1及B2可以在反射測量和散射測量之間不產(chǎn)生串擾的情形下，移至更接近物體2上的光A。這樣能檢測小的缺陷。
在圖5b拍攝的像中，反射光A和散射光B的強度(信號強度)，示于圖5c。在圖5c中清晰可見，指出的缺陷8產(chǎn)生增加的散射體。
如果從傳感器提取完整的像，可以用外部的信號處理單元，進行查找散射光和反射光強度的處理。但是，未處理的傳感器信息的輸出，限制可能的抽樣速度。如果傳感器有隨機存取能力，則能只從傳感器感興趣的區(qū)提取，據(jù)此，可從傳感器檢索更少量的數(shù)據(jù)而能夠獲得更高的抽樣速度。對某些傳感器，還可能對兩個區(qū)使用不同的曝光時間和/或讀出放大，而且還可能對許多行的散射光求和，進一步增強信號的強度。
可以在反射光的一側(cè)，即B1或B2收集散射光，或者對兩側(cè)，即B1和B2求和，進一步增強信號強度。如果使用點光源，則許多位置可以一起或彼此獨立地用于確定散射光的量。據(jù)此可以在主要方向上獲得散射光的信息。
圖6按照本發(fā)明第二實施例，畫出本發(fā)明測量系統(tǒng)的安排。在本實施例中，系統(tǒng)1包括用入射光4照射物體2的光源3。成像傳感器6用于檢測物體4反射的光5a和5b，并把檢測的光轉(zhuǎn)換為電荷。成像傳感器6檢測的反射光以5b標記，而成像傳感器6檢測的物體中散射的光，以5a標記。該系統(tǒng)還包括根據(jù)該電荷建立物體2的模擬或數(shù)字表像的裝置，例如圖像/信號處理單元(未畫出)。在本優(yōu)選實施例中，建立的是數(shù)字表像。所述建立物體2數(shù)字表像的裝置，可以是獨立的單元，也可以集成在成像傳感器6內(nèi)。在測量系統(tǒng)1的本安排中，光源3放在離成像傳感器一定的距離上，以便除獲得散射光信息外，還從該數(shù)字表像獲得物體2的至少層2a或?qū)?b之一的幾何輪廓。
物體2幾何輪廓的信息，即物體形狀信息，是用三角測量獲得的，即用反射光的位置指示從傳感器6到物體2的距離。
圖1和6的安排包括單一的光源3。但是，本領域熟練人員顯然清楚，可以使用多于一個的光源。例如，在圖6所示本發(fā)明的第二實施例中，可以把不同的光源用于三維的(幾何)和兩維的(散射光)像。在某些情況下，這甚至能夠增加成像速度。
圖7a畫出按照本發(fā)明第二實施例與圖6對應的測量系統(tǒng)。系統(tǒng)1包括至少一個用入射光4照射物體2的光源3。成像傳感器6用于檢測物體2反射的光5。在本實施例中，光源已經(jīng)產(chǎn)生跨越物體2的光的直線7。物體2包括缺陷8，在圖7a中，缺陷8位于成像傳感器6的視場(FoV)內(nèi)。
圖7a中物體在兩維傳感器6上拍攝的像，示于圖7b。圖7b把光的直線7(示于圖7a)以A表示。在圖7b中可見，反射光A的兩側(cè)出現(xiàn)散射光區(qū)。該傳感器檢測物體2區(qū)B1及B2中散射的光，和在物體2上A的反射光。物體2的(幾何)形狀，在圖7b中以粗線A畫出。物體的幾何形狀(圖7c以C表示)遵循線A，即反射光。區(qū)B1和B2與線A平行。
圖7b拍攝的像中反射光A和散射光B的強度(信號強度)，在圖7c中畫出。在圖7c中清晰可見，指出的缺陷8產(chǎn)生增加的散射。圖7c還畫出從7b所示A提取的距離曲線C。
下面將說明一種通過測量系統(tǒng)，使至少有第一層和第二層的物體特征成像的方法，在本方法中，物體被入射光照射，物體反射的光用成像傳感器檢測，在該傳感器中，檢測的光被轉(zhuǎn)換為電荷，根據(jù)該電荷建立物體的表像，其中，從該表像獲得關于物體第一層和第二層中散射光的信息，而且把該信息與存儲的信息比較，以便檢測物體上的缺陷。
在本方法的又一個實施例中，測量系統(tǒng)和/或物體沿預定運動方向彼此相對運動。
在本方法另一個實施例中，還包括獲得物體幾何輪廓信息的步驟，該步驟要么從物體第一層的表像，要么從物體第二層的表像，獲得物體幾何輪廓的信息。
在再一個實施例中，本方法還包括使用偏振入射光的步驟，為了有利于物體上的反射光與物體中的散射光之間的區(qū)分，本方法使用偏振的入射光。
如上所述，已經(jīng)說明一種測量系統(tǒng)和方法，通過該測量系統(tǒng)，使至少有第一和第二層的物體的特征成像，可以檢測第一和第二層兩層中的缺陷。按照本發(fā)明指出的途徑，比前面討論的現(xiàn)有技術的途徑有利，后者檢測的只是在物體包裝層中的缺陷。本發(fā)明通過實現(xiàn)物體第一和第二層二者之一中或二者中缺陷的檢測，消除了該現(xiàn)有技術途徑的這些限制。
因此，雖然已經(jīng)證明和說明，并在用于本發(fā)明優(yōu)選實施例中，指出本發(fā)明基本的創(chuàng)新特征，但應當指出，本領域熟練人員在不違背本發(fā)明的精神下，可以對已說明裝置的形式和細節(jié)，以及它們的操作，作出各種省略及替換和改變。例如，應當明確指出，為達到相同的結(jié)果，所有那些以基本相同方式實施基本相同功能的單元和/或方法步驟的組合，都在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。此外，應當認識到，與本發(fā)明任何已公開的形式或?qū)嵤├Y(jié)合的、已出示和/或說明的結(jié)構和/或單元和/或方法步驟，可以作為設計選擇的一般問題，納入任何其他已公開或說明或建議的形式或?qū)嵤├?。因此，本發(fā)明只受后面所附權利要求書指出的范圍的限制。
權利要求
1.一種測量系統(tǒng)(1)，用于使至少有第一(2a)和第二(2b)層的物體(2)的特征成像，本系統(tǒng)(1)包括至少一個用入射光(4)照射物體(2)的光源(3)、檢測從物體(2)反射的光并把檢測的光轉(zhuǎn)換為電荷的成像傳感器(6)、和根據(jù)該電荷建立物體(2)的表像的裝置，特征在于，本系統(tǒng)(1)包括從該表像獲得關于物體(2)第一層(2a)和第二層(2b)中散射光的信息的裝置，和把該信息與存儲的信息比較，以便檢測物體(2)上缺陷的裝置。
2.按照權利要求1的測量系統(tǒng)，特征在于，使測量系統(tǒng)(1)和/或物體(2)沿預定運動方向彼此相對運動。
3.按照權利要求1的測量系統(tǒng)，特征在于，入射光(4)沿預定方向有有限的彌散。
4.按照權利要求3的測量系統(tǒng)，特征在于，入射光(4)是直線狀的光。
5.按照權利要求1的測量系統(tǒng)，特征在于，本系統(tǒng)還包括從表像(C)獲得關于物體(2)的幾何輪廓的信息。
6.按照權利要求5的測量系統(tǒng)，特征在于，本系統(tǒng)還包括從表像(C)獲得關于物體(2)的第一層(2a)的幾何輪廓的信息。
7.按照權利要求5的測量系統(tǒng)，特征在于，本系統(tǒng)還包括從表像(C)獲得關于物體(2)的第二層(2b)的幾何輪廓的信息。
8.按照權利要求1的測量系統(tǒng)，特征在于，光源(3)包括偏振片，以利于物體(2)上的反射光與物體(2)中的散射光之間的區(qū)分。
9.按照權利要求1的測量系統(tǒng)，特征在于，第一層(2a)由透明的或半透明的材料構成。
10.按照權利要求1的測量系統(tǒng)，特征在于，物體(2)是包裝在保護材料中的包裹。
11.一種借助測量系統(tǒng)，使至少有第一和第二層的物體特征成像的方法，在本方法中，物體被入射光照明，而從物體反射的光被成像傳感器檢測，在該傳感器中，檢測的光被轉(zhuǎn)換為電荷，根據(jù)該電荷建立物體的表像，特征在于，從該表像獲得關于物體第一層和第二層中散射光的信息，而且把該信息與存儲的信息比較，以便檢測物體上的缺陷。
12.按照權利要求11的方法，特征在于，該測量系統(tǒng)和/或物體沿預定運動方向彼此相對運動。
13.按照權利要求11的方法，特征在于，還從該表像獲得關于物體幾何輪廓的信息。
14.按照權利要求13的方法，特征在于，從該表像獲得關于物體第一層幾何輪廓的信息。
15.按照權利要求13的方法，特征在于，從該表像獲得關于物體第二層幾何輪廓的信息。
16.按照權利要求11的方法，特征在于，入射光是偏振的，而且用該偏振的入射光來區(qū)分物體上的反射光和物體中的散射光。
全文摘要
使至少有第一(2a)和第二(2b)層的物體(2)特征成像的系統(tǒng)和方法。物體(2)用入射光(4)照明，然后用成像傳感器(6)檢測從物體(2)反射的光(5b)，在該傳感器中，檢測的光被轉(zhuǎn)換為電荷，根據(jù)該電荷建立物體(2)的表像。從該表像獲得關于物體(2)第一層(2a)和第二層(2b)中散射光的信息，并把該信息與存儲的信息比較，以便檢測物體(2)上的缺陷。
文檔編號G01B11/30GK1864061SQ200480028685
公開日2006年11月15日 申請日期2004年9月24日 優(yōu)先權日2003年10月1日
發(fā)明者瑪?shù)賮喫埂ぜs翰內(nèi)森, 瑪特斯·格卡斯托普 申請人:西克Ivp股份公司