CN1008003B - 透明物体中折光缺陷的检测*** - Google Patents

Abstract

一个用于照明透明玻璃物体如电视玻璃面板的照明***，用它来检测光学缺陷。光源可被特定设计以成为空间不变的，并可产生沿不同方向的连续区域传播的多个准直光束。一个带有掩蔽物的被均匀地照明的散射板具有将折射缺陷增强到给定的程度，同时并不检查出那些渐变的折光的性质。通过具有给定接收角的、带有线形二极管阵列的摄影机来观察该物体。

Description

检测玻璃物体中的光学缺陷，诸如玻璃瓶、玻璃罐中的缺陷，一直采用光束照亮这些玻璃罐，通常用散射逆光，并且用光学的或光敏的探测器来观察这些容器。1983年3月29日公开的美国专利4378493所叙述的就是一种这样的装置。在这份专利中叙述了一个***，它将一个放在检测位置的容器在整个高度上照亮。所述的光源由许多放在一块毛玻璃后的白炽灯所组成，以此产生一个相当大的散射光源来逆光照亮放在检测位置上的容器。采用这种散射光逆光照亮的装置，由于在邻近光线的、可能存在折射缺陷的容器的侧边将在任何显著的程度上不会进入或影响从容器的正面或对置壁发射的光。一个聚焦在容器前壁上的、在垂直方向为线性阵列的摄影机将在其象素的垂直阵列上提供容器壁的图象。这象素被连续地检验，比较相邻象素的输出信号，输出信号是在其上所接收的光强的函数。采用这种方法，由容器壁上的缺陷反射到摄影机视野中的光线将在线形阵列的输出信号中变得很明显。当然这种特殊的装置还要求使容器绕它的垂直轴转动，以提供对整个容器壁的周界扫描和观察的区域，这个区域可能也包括了容器的颈部和肩部。在这种***中，当容器壁中存在一个反光的缺陷如一个裂痕或一个吸光缺陷如结石等时，若容器壁的这些部分通过摄影机的观察区域，则聚焦在摄影机象素上的器壁将对照明光的反射离开了探测器的视野线而显示暗影区域。由前所述，采用这种方法，通过比较相邻象素的输出信号，就可以确定缺陷在垂直平面的什么地方，并且在很大程度上也可确定缺陷的大小。象素以一个合适的速度被扫描，使得基本上瓶子的每一区域都被观察到，实际 上许多缺陷将扩展大于一次单扫描的范围，且将在多次相继的扫描中显示出来。

然而应该记住，到达容器前壁的光线是来自散射光源，因此物体中产生的大多数折射效应的光就不对该光线产生影响。当考虑一下大多数采用一个放置在直立的容器下面的散射光源来检查容器中的污物的光学检测***，使得工厂名字和模子的数号一类字迹不会被配置在容器上方的光学传输分析仪所看到的那样，这个情况就非常清楚了。

另外，还有一种对玻璃物品上不同部位的裂痕这样的缺陷进行光学检测的方法，它是采用以特定角度将一束光线聚焦到物体的一个区域，然后将探测器，如光电池放在一个与聚焦光线约成90°的位置。如美国专利3245533所述的这种装置，光线将从缺陷反射到光电池中，这样就指示出反射缺陷的存在。过去这一直是检查玻璃容器的瓶口和瓶底部分的典型方法，当容器在配置有检测装置的检测站处绕其垂直轴转动时，被聚焦的光线时可被裂痕反射到光电池中，容器绕它的垂直轴转动所到达的位置就使缺陷得到检测。应当理解，被检测的这些缺陷是那些典型的被称为裂痕的缺陷，它们通常是在容器制作过程中一般是成形后的热的玻璃触到了加工设备的冷的部位由于温度骤降所造成的，一般来说，如果裂痕的相对表面间相距为半波长以上的话，裂痕就是反光性的。如果相距小于半个波长，光线就会通过，缺陷就不反射光线，于是就不能检测到缺陷。可使用定向反射的聚焦光检测出来的另一种缺陷是那些在玻璃容器中产生的表面缺陷，它将使聚焦光线产生折射以偏离原来射向容器中的方向，如美国专利3302787所图示的那样，将探测器放置在例如可对来自成品缺陷上的一直线的折射加以检测的地方。

平板玻璃制品的检测，比如电视机的玻璃面板或者建筑用的玻璃板，习惯上一直采用一束聚焦光束照射在物体上并使该光束在物体上横向扫描，同时将物体在与扫描光线适当的角度下移动，这种方法几乎可以用 于所有玻璃表面。通过物体的光线由一个互补扫描光电池所接收。匹兹堡平板玻璃公司的美国专利3199401中就叙述了一个这样的***。应当注意到这种***要求采用一个适当角度的照明以避免由于反射所造成的误读。出现在光线和探测器视野中的玻璃表面的轻微摇动将引起聚焦光线的折射并在此期间产生在探测器上没有光照的结果。所有这些问题在商业上是否不可接受，成为人们关心的问题，因此开发一种检测***，即，使产品就其预定用途而言是不合格的那类缺陷被强化，并将其同那些折射效应不严重的产品相鉴别，这还是很有好处的。

如前所述，本发明的一个目的是提供一种检测和分选透明物体如电视机玻璃面板的方法和装置，由于采用特殊的照明技术而可能较经济地加以实施，该装置和方法能鉴别并有效地把有缺陷的不合格产品与合格产品分类。

按照本发明，提供了一个以检测物体的光学缺陷为目的用光照亮透明玻璃物体的***，这个照明***的目的在于对移过检测器视场的物体提供空间不变的照明。

于是，本发明的一个目的是使用一个放置在一透镜的焦平面上的遮掩的散射光源来产生在不同方向的连续区域内传播的多个“准直光束”，其结果是用光线方向或角频谱为特定分布的“准直光束”照明待测物体以便检测该物体中的折光缺陷。

本发明的另一目的是逆光照射物体，并用一个线性阵列摄影机来观察物体，分析摄影机所接收的信号用以检测那些具有折光性质并具有一定倾斜度的缺陷，而不检测具有渐变性质的折光形变的缺陷。

本发明还有一个目的，是提供一个通过逆光照射物体用一个空间不变的***使物体相对于光源移动，并用线扫描摄影机观察穿过物体的发射光的强度变化以检测玻璃物体中的结石和埋藏的气泡一类光学缺陷的***。

图1是本发明装置的一个实施例的透射图。

图2是沿图1中2-2线的照明***的垂直剖面图。

图3（a）是沿图2中3-3线看去的部分放大截面图。

图3（b）是沿图2中的3-3线观察到的放大的部分示意图，用来解释图1的光学观测***。

图3（c）是由图3（b）所示的观测得到的透射率读数的图示。

图4（a）是沿图2中4-4线看到的物体的部分放大剖面图。

图4（b）是沿图2中4-4线观察到的，与图3b所述相似的放大图象。

图4（c）是由图4（b）的观测中获得的光的透射读数的图示。

图5是用来解释本发明的光学原理的示意图。

图6是与图1相似的检测***的透射图，它所检测的是一个玻璃容器。

图7（a）是沿图6中的7-7线的放大的剖面图，其中显示了一个内含的气泡。

图7（b）是对图7（a）的瓶子部分进行摄影观察的图象。

图7（c）是对应于图7（b）的摄影机信号强度的图示。

图8（a）是沿图2中的8-8线的物体的放大剖面图，在所示的区域内有一个结石。

图8（b）是对图8（a）的区域进行观察的放大图象。

图8（c）是对应于图8（b）的摄影信号强度的图示。

用典型的玻璃生产机械生产玻璃制品时，一些不吸收光的缺陷可能存在于物品中。当提到呈现出表面形变的缺陷时，这些结构缺陷一般可归为三类。其一是上述成品缺陷上的线条。其二是空隙，有时称它们为气泡或灰泡，这要视它们的相对尺寸而定，其三是材料的不均匀性。一般地，所有这些缺陷都会引起光线产生折射或反射。

对于简单几何形状的物体中比如对于平板玻璃中的折光缺陷的检测， 看起来是比较直接的。采用聚焦光束逆光照射这种玻璃板，并对发射的光用一个具有有限接收角度的光学***描绘平板的象，那些对光折射而使光射到光学***之外的区域将成为暗影。这种***对缺陷的探测灵敏度依赖于成象光学***的接收角和照明的角度。然而，对于具有较复杂形状的物体中如玻璃容器中的折光缺陷的检测，存在另一个重要问题。容器将对那些由于容器的几何形状引起的定向反射光束产生折射而并不需要有任何特定的缺陷。此外，玻璃容器的内表面是无约束形成的，因此合格的商品的内表面易发生相当大的表面形变。这些表面形变的存在一般不能用上面所说的应用于平板玻璃的技术。

在检测电视机的反映出不合格的玻璃面板的光学缺陷时，这种检测应在精抛光之前进行并须去掉外表面的表面缺陷，当用一束有限角频谱的光束照在表面缺陷上时，由于折射作用而会使传送图象中的光线发生偏离。

为了提供可供光学检测的照明，很明显采用一个角频谱更大的光源如散射光源是很必要的。如前所述，已知在检测吸收光线的缺陷时，由折射引起的不需要的效应可以通过一个各向同性的逆光照明来最后达到平衡，并用透射光使物体成象。例如，要想检测近似为圆柱形边壁的透明容器，一个光源放置在瓶子输送机构的一边，摄影机放在相对的一边，对容器的照明须经容器两壁始能被观测到。然而，当使用一个一般的散射光源时，与观察***靠近的容器壁与离观察***远的容器壁不存在时的结果并无显著的区别。于是，为了清楚起见，可以心理地消除远端的器壁并从本质上考虑关于一个只检测一个器壁的***的检测概念。大多数制造玻璃容器的机器存在一个所谓“波纹”，它一般在容器中部以下和底部以上区域出现。这个“波纹”是在把玻璃从坯料形状吹成所需的瓶子形状时所产生的，产生的条件是靠近挡板的坯料的一个环形区域中的玻璃通常较冷，这部分玻璃不如坯料中其它区域的玻璃那样均匀地扩 展。这在容器的边壁玻璃上产生了一个较厚的环形区域。一般地波纹是一个明显的问题，如果它并不严重，通常并不影响容器的商品性能。“波纹”可以称作在容器边壁上的一个渐变的、折射性的、光学扰动。

如图5所示，它在二维平面上表示了通过玻璃物体截面的透射光被摄影机10接收，它有一个接收角Ω，映出物体C点附近的象。如果物体内表面是平整的，即如虚线12所示，看来似乎来自C点的光线实质上是起始于光源区域A。但是，如果内表面不平，如实线14所示，则观测的轴实际上被折射了一个角度θ，看来似乎来自C点的光线实质上是起始于光源区域A′。如果光源16亮度恒定并且是各向同性的，由于没有吸收，则C点的表面亮度基上不受所述折射的影响。另一方面，这个折射可用遮挡区域A′的方法来检验。如在线18的右侧遮光，于是使这个区域不发射光线，在这种情况下C点的象与亮的视场相比将呈现暗影。折光缺陷就可以用通过点（如C点）的表观透射率的减少来检验，就如同它们是吸收光的缺陷一样。

但是，采用遮光在缺陷检测中仅得到很有限的应用，因为遮光的应用不是在空间不变的。一个给定的缺陷的出现依赖于C点的相对位置及遮光的边缘18，这样使缺陷的出现依赖于它在视场的横向位置和从遮光点起算的物体的纵向距离。这样，即使一个较小的折光缺陷存在于视场的某一部分，它也能象其它部分的较大折光缺陷一样能引起透射光的减少。这样，***是在空间可变的。但是，如果保证过C点的表观透射光仅依赖于由于观测轴被折射所构成的角度θ，可设法克服这些限制。

如前所述，建议使用一个亮度均匀、光强分布各向异性的光源来逆光照射物体，透射光强度将与在光源上的A′点并因而与C点和A′点的相对位置无关，以获得所希望的空间不变性。采用新设计的技术，在散射光源处产生一种空间强度分布，并在透镜的样品侧转换成角度分布，选择性地使该逐渐表面变化变成不可见的任务可用光学方法来实现。由于 这些变化一般使观测轴折过很小的角度，如果光强分布或角频谱在这些小角度上是均匀的，则就观察不到那些变化。

参照图2，图中表示了一个具有所需角频谱的可特定设计的光源的光学仪器。散射光源S是这样构成，毛玻璃16放置在许多灯泡17的前面，并与焦距为F的透镜20相距为F处。光源S上所有在透镜前的平面上未遮掩的点如X和Y就成为准直光束，3对应于X，2对应于Y，它们与通过发光点和透镜中心的线平行地射出。若光源是各向同性的并具有均匀亮度，每束光应具有同样的光流密度。若一个宽度为a＝2Ftg θ₀的掩蔽物22放置在散射光源上，则在透镜前的照明光的角频谱被限制在小于或等于±θ₀的角度上。于是，可以看到，通过改变掩蔽宽度可以很容易改变角度θ₀。此外，在透镜前的平面上的二维角范围不需要各向同性，而通过选择不同形状的掩蔽物可以基本上任意地决定它的形状。

应用各向异性的角频谱特别适用于检测透明的瓶子，因为它们在外形上不是圆的对称形状。可以看出，采用图2所描述的技术，提供了一个与前面提到的空间可变的情形相似的、空间不变的光源掩蔽的改型。照明***的基本效果就是提供了一个增强了的照明，使得一陡角的折射缺陷被放大并以较大的检测可靠性而观察到。由于摄影机10是垂直的、线扫描、线性阵列的，它将聚焦在空间的一条线上，而物体通过这条线移动。如图6所示，光源在物体移动的方向d或在垂直于容器轴的方向做得较宽，但在另一个方向可做得较窄。射到物体背面的光线在它们的照明方向上具有一精确确定的角度和方向性，只要采用了一个散射器，该光源就可对所有方向上都给予照明。于是光照明的角度方向就可特定设计以便适应所观察的物体的物理性质和光学性质，并且根据掩蔽物选择接收角和透镜焦距，该透镜就使得光源在方向上具有很精确的角度性。

在光源16上的每一点都可产生一族从透镜20整个表面发出的光线，并且它们平行于从那一点到透镜中心的连成的直线。光源上每一点所产 生的一族光线的方向取决于那一点到透镜中心的相对位置的差异。这样就产生了一个光的角频谱，它对透镜前的所有位置都是一样的，即产生空间不变的照明。这种光的角频谱是本发明的照明***所选择的要点。可选择这样的频谱以给予要检测的那类折光缺陷以最大的增强，同时照亮那些一般会被定向反射光所折射的渐变倾斜的不规则性。若光源很发散，所有折光缺陷都变得很淡，将会什么都看不到。应该指出本发明所述的摄影机对于移动通过视场的物体上的垂直窄条进行观察。在二次成象情况下也可应用光源的“特定设计”的技术。

这样，由前述的***可以看出，本发明的照明***所产生的光线角频谱导致了一种高灵敏的光照***，用以检测比较清晰的折射缺陷的存在同时又抑制那些可能存在于例如一个移过摄影机10的视场的玻璃容器或其它的透明的玻璃物品的更缓慢变化的表面不连续性的现象。

现在来看图1，图中表示了用来照亮电视机玻璃面板P的本发明的照明***以检测那些可选择的折光缺陷以及结石、埋藏气泡、小坑以及其它在玻璃中的功能性缺陷。

由于电视机玻璃面板不仅面积较大而且在它的长宽方向上都弯曲，所以确定采用三个检测手段是较适宜的。在图2中详细描述的光源28、29和30沿玻璃面板P宽度方向并排排列在该面板的下面。每个光源的中心轴垂直于所面对的玻璃面板的表面。每个光源28、29、30各有一个摄影机31、32、33，对准排列以观察被光源照亮的玻璃面板的一个线形区域。在每一摄影机中的线形阵列都观察到玻璃面板上宽度方向的一个线状区域，不包括升起的边缘。实际上玻璃面板是用一个未画出的支架夹持住，并按玻璃面板两端画出的箭头34所示方向沿弧形轨道移动。支架所移动的弧线中心基本上对应于待检玻璃面板长度方向的弧线的中心轴。由于玻璃面板在弧线上摆动，所以它的所有表面区域都将经过光源28-30和摄影机31-33之间，玻璃面板上所有可观察到的区域都会被检测到。 很明显通过将光源分为所示的三部分，可使用尺寸较小的菲涅耳透镜，而且光源的轴可移到更适应玻璃面板曲率的位置上。然而若用一个光源的散射光要照亮玻璃面板的整个宽度时就必须使用一个相当大的单一的菲涅耳透镜。

在图6中可以看到透镜20具有足够大的尺寸以照亮整个待检容器。但是为了对容器的四周进行观察，特别是图6中的边缘，有必要使容器绕垂直轴转动90°后再一次通过观察区域。用这种方式，容器的所有区域都在检测***中被仔细检验。显然，当观测容器的边缘部分时，应该用电子学方法排除掉从摄影机的象素发出的任何信号。另外，放置在散射元件上面的掩蔽物22可根据容器的形状而特定设计以使容器的肩部和颈部也可被检测。这种情况下，该掩蔽物将象展开的蝴蝶翅膀，宽的部分对应于容器倾斜的肩部区域。

参照图3a和图4a，其中表示了两种类型的表面形状的截面它们可能在压成玻璃面板时产生。在图3a中，玻璃上有一条线，在它的顶边有一颇锐的角度θ₁和一个回到玻璃面板的正常平面上的较缓的斜坡，它具有角度θ₂。对于角度θ₁，光线将被折射，从图3b所示垂直象素列35中可得到输出信号的强度。正如所看到的那样，由于θ₁角远大于θ₀角，则光线被折射，并且观察倾斜表面的象素将不会收到任何显著的光线，另一方面，因斜坡的角度θ₂小于θ₀，则它不会折射光源发出的光线，象素将接收几乎完全的照明。

图4a所示的表面情况就是一个略微突出的区域，表示斜坡部分的角度θ₃小于θ₀。如同图3a下半部的情况一样，象素35将接收到均匀的照明，图4c通过显示图4b的象素所接收的信号强度为完全一样而反映了这一点。

现在来看图7（a）-（c）及图8（a）-（c），其中表示了两个放大的缺陷，它们是可用本检测***检测出的所有类型的缺陷之中的一个子集。

在图7（a）中，缺陷是埋藏气泡B，它是那类其倾斜或角度可使入射光线以一个比照明频谱更大的角度折射的缺陷。于是，由照明光产生的折射光将被折射到几个摄影机象素的正常观测线之外，则缺陷可被检测出来。然而从图7（c）可以看出气泡的中心并不折射光线。

图7（b）表示了摄影机的较低光强，而图7（c）表示了摄影机中每一象素35所示的信号强度。应该记住当被观察的物体中没有折射或吸收时光强为100%，而在遇到完全折射时基本上为零，如图3（a）和图7（a）所示的情形。图3（a）的缺陷的下部具有较缓和的斜坡，所选择的入射光频谱使得该入射光不被该种较缓和的斜坡折射到任何可检测出的程度。

图8（a）中，表示如结石“S”的缺陷，该缺陷完全挡住了光线，这是由于结石是在一些组分没有完全溶解的玻璃中发现的不透明的不同类质。结石有构成应力集中点的性质，所以在物体的碰触或温度骤冷时会成为破碎的根源。这样，不论在商品供应线或者零售点，每当检测出含有结石的玻璃容器应把它们剔除以避免费用上的浪费。显然，当电视机面板中有结石时，这是一个不能容忍的功能性缺陷。图7（a）中的气泡和图8（a）中的结石都是不可用的，因为当人们观看含有这种缺陷的电视面板时，它们会变得很显然。

图8（b）和（c）表示了在摄影机中的光照强度，其中不只一个象素35被完全遮住。

以上所述的为本发明***的几个实施例，其中对待检物体的照明***做成空间不变的，这样无论物体放在视场中何处，它都能得到同样的光照强度并且可用摄影机来观察，这样，摄影机对于物体的位置或物体通过摄影机视场的运动就不敏感了。

Claims (6)

1、检测透明物体中折光缺陷的方法，该方法包括以下步骤：

-产生具有均匀亮度的一般平面散射光源；

-将一个具有大于零的焦距下的透镜置于光源的前面(距离为所述焦距F)以此在透镜前面产生准直光束的角频谱，准直光束从具有相同通量密度的光源诸点发出；

-在所述光源上放置一个掩蔽物，以将透镜前面的照明角频谱限制到光强均匀分布的角度和等于或小于从掩蔽物边缘到透镜中心的延伸线与透镜光轴之间所成的角度θ₀；

-使待检物体在透镜前作垂直于透镜光轴的移动，从而

-用光学方式增强具有大于θ₀角的折光缺陷并将其从角度小于θ₀的渐变的折光变化中区分出来；

-用聚焦于物体表面的线形阵列摄影机观察物体，从而通过摄影机所接收的光线强度的变化来检测角度大于θ₀的那些折射缺陷。

2、检测透明物体诸如玻璃容器中折光缺陷的方法，该缺陷具有可与物体中渐变的折光变化相区别的较陡的接收角度，当透明物体沿着具有垂直线形象素阵列用以接收来自该物体垂直壁的聚焦光的摄影机前面线性直立轨道移动时，该透明物体被逆光照明，其特征在于对物体的逆光照明的步骤包括：在物体的背后形成一个宽的散射照明光源，所述光源在其表面具有均匀亮度，在光源前面的一段距离上放置一个凸的或菲涅耳透镜，以产生沿物体移动路径方向上来自透镜的准直光的角频谱;及将所述光源到透镜的照明角度限制到较待区分的渐变折光变化的角度更陡的角度。

3、一种检测玻璃物体中预定严重程度的折光缺陷的装置，该玻璃物体通过一个检测区域时被逆光照明，在检测区域上它们由一台具有线形垂直光敏象素阵列的摄影机作正面观察，其特征在于在所述玻璃物体的照明过程中为增强对折光缺陷的检测而包括：一个具有均匀表面亮度的散射光源，一个放在光源前一定距离上的凸透镜以产生一个从透镜通过该检测区域的准直光光谱，借此提供对所述物体的空间不变的照明，由于存在预定严重程度的折射缺陷，在摄影机视场中的照明光线将会被折射。

4、按照权利要求3的装置，其特征在于，进一步包括一个在所述光源的周界部分上的掩蔽物，所述掩蔽物限制所述光线分布的照射角度，以便使照明对渐变折光变化变得较为不灵敏。

5、按照权利要求4的装置，其特征在于，其中所述玻璃物体是电视机玻璃面板，并包括多个散射光源，每个光源照亮玻璃面板的一个不同部分。

6、按照权利要求5的装置，其特征在于，进一步包括多个摄影机，其中每个摄影机对玻璃面板上被照亮的一个不同部分进行观察。

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