专利名称：高速缺陷检测装置和用于反射材料的检测方法
背景技术：
和发明概述本发明涉及一种用于检查材料表面缺陷的光学检测装置。更具体地说，本发明设想一种大规模的、高速的至少部分地反射的表面的缺陷检查；报告这种缺陷，以及排除有缺陷的材料。
为确保质量而进行的生产出的大量材料的高速非破坏性的分析，是多年来工业界所关心的。没有合适的控制和质量检查，一种产品可能在最后使用时被发现有缺陷，因而要求返回与/或更换。
从制造者的观点看来，这晚期发现的缺陷的代价是十分高的，其中涉及运输费用，管理费用，以及或许对于努力得到质量可靠的名声的公司是最重要的，即导致丧失顾客的信誉。
已经提出过许多用于这种非破坏性分析的不同方法。例如，Peyret等人的美国专利5,164,971披露了使用由X射线或伽马射线源检测器装置获得的X光照相数据和层析成像数据。物体的转动角度产生被分析用于重构物体的截面的数据。
Messinger的美国专利5,265,475提供了一种光纤应变检测器，用于确定在航天应用(包括层压制品)中的关键连接点的整体性，其中在所述关键连接点或者层压制品内嵌入对应变敏感的纤维光缆。
Del Grade等人的美国专利5,444,241披露了一种检测结构中的缺陷的方法，其中对这些结构加热，然后对所述结构利用两种不同的波长进行扫描，获得作为图像的数据，并分析所述图像以便发现缺陷。
Newman的美国专利5,146,289披露了一种用于检测例如层压制品中的缺陷的方法，其中借助于物体的空气耦合的声学激发，并使用干涉仪检测由物体反射的光形成的物体的图像。所述图像被比较，所得的差值提供关于物体的状态的信息。
Kim等人的美国专利5,094,108披露了一种接触超声传感器，其把超声波聚焦在一点，以便检测在底板表面上的或表面下的缺陷。美国专利5,046,363还披露了使用声波检测集成电路封装的未连附层中的空隙。美国专利5,001,932披露了一种喷嘴装置，用于在一种结构上喷水，从而制备用于超声测试的装置。
这些方法或装置都提供了复杂的用于检查制造的产品或层压制品的缺陷的方案，其中都通过分析采集的数据，或者利用复杂的成像技术或者利用数据的算法处理。这种技术不能很好地适用于大量材料的高速分析。
因此，本发明的目的在于提供一种用于分析大量材料从而检测缺陷的方法。
本发明的另一个目的在于提供一种能够分析大量材料，从而以高速度检查缺陷的装置。
本发明的另一个目的在于提供一种简单的光学装置，其利用光的散射或透过待分析表面的质量实现上述目的。
本发明提供一种用于以高速度扫描大的表面面积的方法和装置。板材，最好是具有大的表面面积的材料，以预定的速度沿着一个平面区域通过。所述材料被一光源例如纤维光学光源照射。一检测器，例如CCD直线阵列被颇策略地如此设置，使得当所述表面没有缺陷时，所述检测器接收不到光。对于没有缺陷的材料，被反射的光被均匀地反射，因而基本上不产生可被检测器检测到的光的散射。在有缺陷时，具有可被检测器检测到的足够的光的散射。
按照本发明的一个方面，提供一种用于检测具有部分反射的表面的材料中的表面缺陷的装置。所述装置包括至少一个光源，该光源被设置以将入射光射到至少部分反射材料的表面上；以及被设置在该材料的表面上方的光检测器。所述光检测器和所述至少一个光源被彼此相关地这样设置，使得在材料中没有表面缺陷时，该光检测器基本上检测不到来自所述至少一个光源的光，并且在材料中具有表面缺陷时，来自所述至少一个光源的光被反射离开该缺陷而进入该检测器。
按照本发明的另一个方面，提供一种用于检测反射材料中的表面缺陷的装置。所述装置包括相对于反射材料设置的用于照射该材料表面的多个纤维光学光源；面向该材料表面的线性扫描摄像机；以及用于隔离所述光源和所述摄像机的遮光板。当所述材料相对于所述摄像机运动并且在所述材料中没有缺陷时，来自光源的光被反射离开所述材料，并被该遮光板遮挡，从而该检测器检测不到来自光源的光。当材料中有缺陷时，来自光源的光被反射离开该缺陷，使得所述遮光板挡不住被反射的光，而且被反射的光能够被所述检测器检测到。
按照本发明的另一个方面，提供一种用于检测材料中的缺陷的方法。按照该方法，使具有反射表面的材料沿着平行于所述反射表面的方向运动。彼此相关地设置至少一个光源和光检测器，使光从所述至少一个光源发出，并且在所述反射表面运动时照射到所述反射表面上，使得当反射表面中没有缺陷时所述光检测器检测不到光。利用光检测器检测由反射表面上的一个或多个缺陷反射的光。
附图简述本发明的特点和优点通过结合附图阅读下面的详细说明将会看得更加清楚，附图中相同的标号表示相同的元件，其中
图1是按照本发明的装置的示意的局部截面侧视图，表示在材料没有缺陷时的正常操作；图2是按照本发明的装置的示意的局部截面侧视图，表示在材料具有呈表面凸起形状的缺陷时的正常操作；图3是按照本发明的装置的示意的局部截面侧视图，表示在材料具有呈表面凹陷形状的缺陷时的正常操作；以及图4是按照本发明的另一个实施例的装置的示意的局部截面侧视图，表示在材料没有缺陷时的正常操作。
详细说明按照本发明的用于检测具有部分反射的表面的材料中的表面缺陷的装置21的一个实施例，如图1所示。装置21包括至少一个光源23，其被设置以将入射光B射到至少部分反射的材料27的表面上，所述材料最好是相对于光源运动的板材或织物。光检测器29被设置在材料27的表面25的上方。光检测器29和光源23被彼此相关地设置，使得在材料中没有表面缺陷时，即在材料基本上是平的时，光检测器基本上检测不到来自光源的光B。然而，如图2和图3所示，当在材料27中具有表面缺陷F时，来自光源23的光B则由所述缺陷反射而进入检测器29。缺陷F的性质例如可以是凸起、孔或凹槽，或者是一些破坏材料27的基本上平的表面25的分层类型的缺陷。
合适的光源23包括一个光源，或者如图1所示，也可以包括两个光源，或者包括多个光源。多个光源23可以被设置在检测器29的相对侧。如果需要，光源23可以包括多个光源，例如在光源包括多个纤维光学光源的场合，它们相对于材料27被设置，以照射材料的表面25。在一些只需检测最大的缺陷的粗糙的应用中，可能总共就需要一个照明光源23。不过，通过增加每个检测器的光源23的数量，可以改变被提供的改善的质量的可靠性。一般地说，一对、两对或者三对光源23便足以获得好的结果。
合适的光检测器29包括线性扫描摄像机形式的检测器，最好是在材料27相当宽时采用，例如电荷耦合器件，或者光源可以是光检测器形式的光源。当不需要形成图像时光检测器是方便的，特别是因为用于操作光检测器所需的电路装置一般比用于操作摄像机型的系统的电路装置简单。光检测器29可以包括透镜30。透镜30特别是可以帮助检测从微小缺陷F反射的微弱的光。
从光源发出的光的性质根据装置21应用的性质而不同。例如从光源23发出的光可以是白炽光的聚焦光束的形式；所述光源可以发出偏振光；该光源可以发出红外光；并且/或者所述光源可以发出紫外光。根据需要，可以同时发出不同波长或不同形式的光。
材料27最好是柔性的，并且最好具有反射率高的表面，尽管可以理解，本发明可以应用于任何反射光的表面。材料27最好是柔性的板或织物，其沿着箭头31的方向相对于装置21运动，例如通过一些合适的拉拔设备的拉拔，例如一对滚子，来自一卷织物材料的织物在其间通过，或者借助于使板材在皮带上运动。材料27最好以从大约0.001m/sec到2000m/min的速度运动，最好是以100和800m/min之间的速度运动。
呈金属化的纸(例如铝金属化的纸)形式的材料27，或者铝箔，或者最好具有金属化的纸或铝箔的层压制品材料特别适于利用本发明的方法和装置。板材27可以是各种不同的宽度的，例如从几毫米到几米的宽度，并且可以具有各种不同的厚度。例如，材料27的厚度为0.5-10mm，更好为1-5mm。本发明尤其适用于通常被用于烟盒中包裹或封装香烟的纸箔层压制品。当或者通过喷洒液体或者通过使液体滴落在这种层压制品的表面上使这种层压制品和液体接触时，可能发生分层，此时需要去除分层的材料，以便保证产品具有完好的封装。
装置21最好包括外部遮光板33，其被相对于光源23和光检测器29设置，用于使环境光和光检测器隔离。如图1所示，外部遮光板33最好被设置成基本上封住光源23和光检测器29，并且和在外部遮光板下方通过的材料27一起，最好基本上使所有的环境光和光检测器隔离。
装置21最好还包括内部遮光板35，其被相对于光源23和光检测器29设置，用于在材料中没有缺陷时使光源的光不能到达光检测器。如图1所示，内部遮光板35最好被设置在光源23和光检测器29之间。外部遮光板33和内部遮光板35最好这样设置，使得基本上包围住光源23，使得只有从在材料27的表面25上的一个小的扫描区域37内的缺陷F反射的光能够被检测器29检测到。在本优选实施例中，提供外部和内部遮光板33和35，不过，如果需要，可以使用外部遮光板而不使用内部遮光板，可以使用内部遮光板而不使用外部遮光板，或者根本不使用遮光板。
在图1所示的按照本发明的用于检测材料27中的缺陷F的方法中，具有反射表面25的材料27沿着平行于反射表面的方向31运动。光源23和光检测器29被彼此相关地设置，而且光B从光源发出，并在反射表面运动时照射到反射表面25上，使得当反射表面没有缺陷时，没有光被光检测器检测到。从反射表面25上的缺陷F反射的光B利用检测器29检测。
当检测器29检测到光B时，这表示在材料27的表面25内存在缺陷F，此时来自检测器的信号被送到控制器39，从而表示在表面上存在缺陷。控制器39最好控制其它已知的设备41，用于采取校正措施，例如通过对设备41提供一个信号，在材料27上作标记以便修补或切割所述材料，使得其可以从随后的处理操作中被除去。
在“无缺陷”操作中，光源23发出第一个最好是相干光束B。第一光束B在点43照射到表面25上。如果具有第二光源23’，则其发出第二个最好是相干光束B’，其也照射到材料27的表面25上的点43上。当没有缺陷时，光源23，23’最好被设置成一定角度，使得入射到表面25上的光束B，B’被反射到内部遮光板35的外部，且最好被反射到外部遮光板33的内部，使得基本上没有光进入检测器29。
图2和图3分别说明当缺陷F呈凸起和凹槽形式时对工件的缺陷检测。第一光源23发出第一光束B，其照射到缺陷F上并且通常以散射的形式被反射，例如其中的一部分进入内部遮光板35之间，因而由检测器29检测到。同样，第二光源23’发出第二光束B’，其通常也以散射的方式被从缺陷F反射，并且其中的一部分进入内部遮光板之间。第一和/或第二光束B与/或B’当处于内部遮光板内部时，在被检测器29检测到之前，还被一或两个内部遮光板反射。当然，如果可能，对于给定的缺陷F，只有入射到缺陷上的几个光束的一个或一部分真正进入内部遮光板35。随着缺陷F相对于所述装置不断地运动，所述光束由所述缺陷的反射和散射将不断地变化，不过至少某些部分被检测器29检测到。检测器29最好向控制其它设备的控制器39发出信号。例如，检测器29可被配置用于向控制器39的存储器发出信号，控制器识别出存在缺陷，并通过标记处理拒绝表面25或材料的一部分。
检测器29最好被这样安装，使得其靠近材料27，最好离开材料大约0.5cm，离开材料大约在0.5-3mm的范围内更好。光源23最好被可调整地安装，例如可以围绕轴线47转动，从而使得能够调整光B入射到材料27上的角度。类似地，外部和内部遮光板33和35的角度最好可以调整，并且/或者可以根据离开光源23与/或检测器29与/或材料25的距离调整，例如通过可以分别围绕轴线49和51转动。通过合适地调整光源23与/或遮光板33和35的位置与/或角度，有助于装置21用于不同厚度的材料，或者离开光源的距离不同的材料。如果需要，检测器29的位置与/或角度可以被调整，例如通过提供伸缩装置53。对装置21的元件进行合适的调整是为了确保正常反射(无缺陷)的光束B不会照射到检测器29上，而可以检测到由缺陷F反射的光束。
如图4所示装置21’的实施例可见，从不同光源23和23’入射的光B和B’不需要聚焦在如图1-3所示的同一点上。光源23和23’例如可以分别聚焦在不同的点43和43’上，所述两点都在检测器29的扫描区域内。
虽然本发明已经按照优选实施例进行了说明，应当理解，在权利要求限定的本发明的构思内，可以作出各种改变和改型。
权利要求
1.一种用于检测具有部分反射的表面的材料中的表面缺陷的装置，所述装置包括至少一个光源，该光源被设置以将把入射光射到至少部分反射材料的表面上；以及被设置在该材料的表面上方的光检测器；其中所述光检测器和所述至少一个光源被彼此相关地这样设置，使得在材料中没有表面缺陷时，该光检测器基本上检测不到来自所述至少一个光源的光，并且在材料中具有表面缺陷时，来自所述至少一个光源的光被反射离开该缺陷而进入该检测器。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述至少一个光源包括两个光源。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述至少一个光源包括多个光源。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述至少一个光源发射聚焦的白炽光束。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述至少一个光源发射偏振光。
6.如权利要求1所述的装置，其中所述至少一个光源发射红外光。
7.如权利要求1所述的装置，其中所述至少一个光源发射紫外光。
8.如权利要求1所述的装置，还包括外部遮光板，其被相对于至少一个光源和光检测器设置，用于阻止环境光进入光检测器。
9.如权利要求8所述的装置，还包括内部遮光板，其被相对于至少一个光源和光检测器设置，用于阻止所述至少一个光源的光进入光检测器，在材料中有缺陷时除外。
10.如权利要求9所述的装置，其中所述至少一个外部和内部遮光板被可调整地相对于该至少一个光源和光检测器安装。
11.如权利要求1所述的装置，还包括被相对于该至少一个光源和光检测器设置的遮光板，用于阻止来自至少一个光源的光进入光检测器，在材料中有缺陷时除外。
12.如权利要求10所述的装置，其中所述外部和内部遮光板被可调整地相对于该至少一个光源和光检测器安装。
13.如权利要求1所述的装置，其中所述光检测器包括一线性扫描摄像机。
14.如权利要求1所述的装置，其中所述光检测器是电荷耦合器件。
15.如权利要求1所述的装置，其中所述光检测器是光电检测器。
16.如权利要求1所述的装置，其中所述光检测器被可调整地相对于至少一个光源安装。
17.如权利要求16所述的装置，其中所述至少一个光源被可调整地相对于光检测器安装。
18.如权利要求1所述的装置，其中所述至少一个光源被可调整地相对于光检测器安装。
19.一种用于检测反射材料中的表面缺陷的装置，所述装置包括相对于反射材料设置的用于照射该材料表面的多个纤维光学光源；面向该材料表面的线性扫描摄像机；用于隔离所述光源和所述摄像机的遮光板；其中当所述材料相对于所述摄像机运动并且在所述材料中没有缺陷时，来自光源的光被反射离开所述材料，并被该遮光板遮挡，从而该检测器检测不到来自光源的光，且当材料中有缺陷时，来自光源的光被反射离开该缺陷，使得所述遮光板挡不住被反射的光，而且被反射的光能够被所述检测器检测到。
20.一种用于检测材料中的缺陷的方法，包括以下步骤使具有反射表面的材料沿着平行于所述反射表面的方向运动；彼此相关地设置至少一个光源和光检测器，使光从所述至少一个光源发出，并且在所述反射表面运动时照射到所述反射表面上，使得当反射表面中没有缺陷时所述光检测器检测不到光；并且利用所述检测器检测由反射表面上的一个或多个缺陷反射的光。
21.如权利要求20所述的方法，还包括从所述检测器向控制器发送一个表示反射表面上存在缺陷的信号的步骤。
22.如权利要求20所述的方法，其中所述至少一个光源发射聚焦的白炽光束。
23.如权利要求20所述的方法，其中所述至少一个光源发射偏振光。
24.如权利要求20所述的方法，其中所述至少一个光源发射红外光。
25.如权利要求20所述的方法，其中所述至少一个光源发射紫外光。
26.如权利要求20所述的方法，还包括阻止环境光进入光检测器的步骤。
27.如权利要求26所述的方法，其中通过相对于至少一个光源和光检测器设置的遮光板阻止来自至少一个光源的光进入光检测器，在材料中存在缺陷时除外。
28.如权利要求20所述的方法，其中通过相对于至少一个光源和光检测器设置的遮光板阻止来自至少一个光源的光进入光检测器，在材料中存在缺陷时除外。
29.如权利要求28所述的方法，还包括相对于至少一个光源和光检测器调整遮光板位置的步骤。
30.如权利要求28所述的方法，还包括相对于遮光板和光检测器调整至少一个光源位置的步骤。
31.如权利要求28所述的方法，还包括相对于至少一个光源和遮光板调整光检测器位置的步骤。
32.如权利要求20所述的方法，还包括相对于光检测器调整至少一个光源位置的步骤。
33.如权利要求20所述的方法，还包括相对于至少一个光源调整光检测器位置的步骤。
全文摘要
一种用于检测具有部分反射的表面(25)的材料(27)中的表面缺陷(F)的装置，所述装置包括至少一个光源(23，23’)，该光源被设置以将入射光射到至少部分反射材料(27)的表面上；以及被设置在该材料(27)的表面上方的光检测器(29)。所述光检测器(29)和所述至少一个光源(23，23′)被彼此相关地这样设置，使得在材料(27)中没有表面缺陷(F)时，该光检测器(29)基本上检测不到来自所述至少一个光源(23，23′)的光，并且在材料(27)中具有表面缺陷(F)时，来自所述至少一个光源(23，23’)的光被反射离开该缺陷(F)而进入该检测器(29)。
文档编号G01N21/00GK1434917SQ00814844
公开日2003年8月6日 申请日期2000年6月7日 优先权日1999年6月8日
发明者巴里·S·史密斯, 迈克尔·J·穆林斯, 罗伊·万德林登, 唐纳德·欧文 申请人:菲利普莫里斯生产公司