CN102470623A - 基片表面的构形分析装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基片(1)表面(2)的构形分析装置，所述基片以X轴的大致上平面轨迹运行，其中X轴限定与Y轴和Z轴的标准正交参照空间，在所述空间中，表面(2)大致上与XY平面平行，所述装置包括所述表面(2)的结构光照装置(10)，所述结构光照装置(10)适于与测量由所述表面(2)反向散射光的装置(20)结合，以便在所述基片(1)运行的过程中分析所述表面(2)的构形，所述结构光照装置(10)能够以入射角‘a’将光束(F)射到表面(2)上，以致在表面上形成“n”条发光条纹(S1、S2…Sn)，每一发光条纹与X轴形成角‘b’，其中测量装置(20)包括位于与XY平面和SZ平面正割的平面P中的线性摄像机，所述平面P与XY平面的交叉点与Y轴形成角‘c’，所述平面P与XZ平面的交叉点与Z轴形成角‘e’，其中角‘a’在30°和70°之间，角‘b’在-45°和+45°之间，角‘c’在-30°和+30°之间，角‘e’在-45°和+45°之间。

Description

基片表面的构形分析装置

技术领域

本发明涉及一种用于包装制造的基片表面的构形分析装置。

本发明还涉及一种执行本发明的构形分析装置的方法。

本发明最后涉及一种包括本发明的构形分析装置的折叠-粘合机。

背景技术

在例如药用包装箱的制造中，通过将其传送经过各种机器来转换低密度的板件是已知的。卡板纸是一种低密度板件的例子。

第一种已知的转换是卡板纸的印刷。这种操作在于使墨滴附着或投到纸板的表面。

第二种已知的转换是卡板纸的切割。这种操作在于将所述纸板切割成形。切割成形后称作切块或坯料。将坯料进行折痕以便限定面板和便于它们随后的折叠。这些操作一般由冲切机中进行。

第三种已知的转换是坯料的压纹。这种操作在于对坯料压纹以在所述坯料的表面产生***(或突起)，例如形成盲文字符。本申请人在欧洲专利申请EP-A-1932657中揭示了一种压纹的例子，其内容已加入到本说明书中以供参考。

第四种已知的转换是坯料的粘合。这种操作在于使胶水滴剂附着或投到坯料的表面。本申请人在欧洲专利申请EP-A-1070548中揭示了一种粘合的例子，其内容已加入到本说明书中以供参考。

在批量生产的构架中，必需能够在线检查这些不同的转换，以确保应遵守的有效质量标准。具体地说，当处理产生凸纹的转换时，诸如是否存在盲文字符或胶水滴剂，存在的解决方法是有可能在高速运行的坯料上检测这些凸纹是否存在以及它们的位置。另一方面，这些解决方法不会检测凸纹是否正确形成。

为了检测到凸纹的正确形成，也就必需能够测量凸纹的三维特征。虽然存在使用矩阵阵列摄像机的解决方法，但这些解决方法不适合在线使用，因为它们不能在足够高速的条件下测量凸纹的三维特征。

发明内容

本发明的首要目的在于通过提出一种在高速运行的基片表面上以可靠的方式检测凸纹的正确形成的装置来弥补上述缺陷，所述装置与在工业条件下凸纹的检测、记录和尺度特征的要求相一致。

因此，本发明的主题是根据权利要求1所述的用于基片表面的构形分析装置。

本发明的第二目的在于提出一种用于执行根据本发明的构形分析装置的方法。

因此，本发明的主题是根据权利要求7所述的方法。

本发明的第三目的在于提出一种配备根据本发明构形分析装置的折叠-粘合机。

因此，本发明的主题是根据权利要求8所述的折叠-粘合机。

依据权利要求1限定的构形分析装置，有可能测定基片表面的构形，从而有可能检测、记录以及检定基片表面上凸纹的表征。

此外，依据权利要求7限定的方法，有可能以可靠、快捷的方法测量所有呈现在基片表面上凸纹的尺度特征。

最后，依据权利要求8限定的折叠-粘合机，有可能在线检查凸纹形成的质量，也就是说，在包装箱的生产过程中，无论坯料的运行速度快慢，对每一坯料都做检测。

参照附图，本发明其他目的和优点在说明书所描述的具体实施过程中更加清楚地显示。

附图说明

图1所示为本发明的构形分析装置的立体图；

图2a-2c为角‘b’、‘c’、‘e’和‘f’的示意图；

图3所示为包括凸纹的板状件的放大截面图；

图4所示为从装置的线性摄像机看到的图像的示意图；以及

图5所示为电子信号的示意图，该电子信号相应于图3的图像，由线阵摄像机的光敏元件传送。

具体实施方式

图1示意地表示构形分析装置，所述构形分析装置执行测量呈现在纸板基片1的表面2上的凸纹的三维特征，所示纸板基片沿X轴的大致上平面轨迹运行。上述平面包含基片1的表面2的平面部分，也就是说，没有任何凸纹的部分，称为参照平面。轴Y和Z与X轴限定一标准正交的参照空间，在该空间中，所述参照平面与XY平面平行。

本发明的装置包括光源10，该光源能够通过射光瞳11非垂直地将光束F投射到基片1的表面2上，光束F适于依据确定的照明分布形成结构光照。较佳地，光源10包括相干光源，一般为激光。有利地，通过产生两个空间相干和时间相干的平面波，它们由光源10发出、在基片1的表面2上产生干涉，结构光照由激光干涉测量法获得。在这种情况下，照射在基片上的入射角‘a’是由两个平面波与所述基片的法线之间所形成的平均角度。通过这样的配置，上述结构光照由干涉条纹阵列组成，也就是说在基片1的表面2上形成周期性的光强度调制。更有利地，干涉条纹在参照平面中是直线平行和等距的，光线明暗交替。

作为一种选择，所述结构光照可通过投射掩模的图像获得，所述掩模通过LED或本领域的技术人员已知的任何其它装置从背后照明。

在所示的实施例中，‘n’条多个平行和等距的直线发光条纹S1、S2…Sn形成结构的照明分布。由激光干涉测量获得的结构光照的使用使得有可能以大景深投射所述光束F，并且尽管是非垂直的照射，也可能贯贯基片照明区获得具有稳定锐度和恒定间距的发光条纹。形成在参照平面中的两条连续的条纹之间的最短距离称为‘p1’。较佳地，距离‘p1’在0.01毫米和0.3毫米之间，在所示的实施例中，距离‘p1’等于0.2毫米。每一条纹S在基片1的表面2上的宽度L上延伸。宽度L最好在0.1毫米和3毫米之间，在所示的实施例中，宽度L等于3毫米。

光束F以入射角“a”沿平均方向12相对于基片2非直角地射出。在参照平面中，每一发光条纹S是与X轴形成角“b”的线性段。有利地，角“b”在-45°和+45°之间，角“b”最好等于0°。此外，可以得知，形成在基片1表面2上的发光条纹S1、S2…Sn阵列大致上由长度L1和宽度L的长方形定界，其中L1等于p1 x n。该长方形限定发光区3作为观测区23。较佳地，长度L1在10毫米和100毫米之间，在所示的实施例中，长度L1等于42毫米。

回顾一下，通过公知的、对由光源10发出的光束F在表面2上照射的散射现象的影响，也称作反向散射或漫反射，可以看到发光条纹S1、S2…Sn。

本发明的装置还包括通过所述条纹S测量表面2的光照的装置、由包括线性传感器和镜头(两者均未示出)的线性摄像机20构成的装置。线性传感器为CCD或CMOS型。有利地，线性摄像机20是高动态范围的摄像机，以致能够测量任何表面的光照，无论其在观测区的反射率是怎样。

由于摄像机20是线性的，可将摄像机的观测区23减小至长度L2和宽度L3(未示出)的狭窄观测带，也可称为测量线。该测量线借助于摄像机的镜头在摄像机20的线性传感器上成像。宽度L3在0.01毫米和0.1毫米之间。摄像机20观测的平均方向以与Z轴形成角‘f’的虚线21表示(见图2c)，线21属于XZ平面並接且通过位于测量线中间的点A。在较佳的实施例中，角‘f’为零。通过这样的配置，摄像机20成像的测量线在长度L2的整个长度上是清晰的，而且放大率在该整个长度上是稳定的。

在表面2基本上是反射性的具体情况下，例如，当基片涂有铝层时，使用等于角‘-a’的角‘f’较为有利，这样做是为了收集镜面反射的反射光。在这种情况下，本领域的技术人员可使用已知的技术在整个测量线上得到清晰的图象。

选择摄像机20的镜头类型和从摄像机20到表面2的距离(称作观测距离)，使得以‘d’表示的最大视角相对于观测带的长度L2是小的，这样做是为了使观测方向在整个长度L2上几乎可以与Y轴垂直。有利地，焦阑型的镜头可用于观测在观测方向中的测量线是否在整个长度L2上与Y轴垂直，同时保持摄像机20到表面2的最小距离，在这种情况下，角‘d’几乎为零。对于130毫米的照明距离，观测距离例如等于100毫米。

在非焦阑型镜头的情况下，观测方向不是在整个长度L2上与Y轴垂直。在这种情况下，为了测量精确，本领域的技术人员可将考虑到角‘d’沿L2的变化，并且将施加适当的修正方法，例如通过利用在参照平面上校准。

摄像机20及其光敏元件的线性阵列位于与XY平面和XZ平面正割的平面P中。平面P与XY平面的交叉点与Y轴形成角‘c’(见图2a)。同样，平面P与XZ平面的交叉点与Z轴形成角‘e’(见图2b)。有利地，角‘c’在-30°和+30°之间，最好角‘c’等于0°。同样有利地，角‘e’在-45°和+45°之间，最好角‘e’等于0°。因此，在一具体实施例中，即当角‘ b’等于0°、角‘c’等于0°以及角‘e’等于0°时，直线的发光条纹S1、S2…Sn与平面P互相正交。在较佳的实施例中，光源10和线性摄像机20以长度L1至少与长度L2相等的方式设置。

光源10最好以位于400纳米和1100纳米之间的波长发光，这样的光源强度可达到1至100毫瓦(mW)。

例如，摄像机20是带有2048像素单线的线性摄像机。由摄像机20获得的一维成像可储存在存储器26中。存储器26的数据通过稍后再描述的三角剖分算法使用。因此，为了达到每秒四万条线的获取速度和每秒8米的基片移动速度，相应于两条连续测量线之间的基片位移距离，沿X轴可获得0.2毫米的分辨率，这样足以以可靠的方式推导出通过观测区的基片表面的构形，诸如在基片表面上、特别是用于包装制造的基片表面上的显示盲文字符或胶斑或任何其它凸纹的表面构形。

入射角‘a’最好在30°和70°之间，更佳地在45°和60°之间。参照图3可以更好地理解，该角作为想要执行构形分析的凸纹的尺度特征的函数而被选择。

在图3中，以放大的比例表示平面P的截面，该平面P穿过坯料1的表面2上的凸纹。在该实施例中，凸纹是一个***4(典型的盲文字符点)，特征在于所述***的高度‘h’为约0.2毫米和其底部直径‘D’约1.6毫米。随着入射角‘a’等于45°以及分辨率达到0.2毫米，当坯料1以8米/秒的速度跨越平面P时，可连续地执行对***4的七或八个构形记录，这样足以从中推导出所述***的三维特征。

图3示出***4在其顶部跨过平面P的那一刻。沿平均方向12投射在表面2上的条纹S1、S2…Sn以几个方向并且特别是朝向线性摄像机20的方向反向散射。在线性摄像机20的镜头为焦阑型以及角‘e’等于0°的具体情况下，由摄像机20观测到的反向散射射线与坯料的表面2正交。在光束F碰到表面2后、在平面P中由‘n’条纹S1、S2…Sn反向散射的正交光线分别称为R1、R2…Rn。同样，在平面P中反向散射的两条连续的正交光线之间的最短距离称为‘p2’。每一正交光线以箭头R表示。

线性摄像机20的观测区21的平均方向与表面2垂直，摄像机20看到在平面P中反向散射的正交光射线R1、R2…Rn。由于***4，这些正交光线在整个长度L1上不是等距的，换句话说，距离‘p2’是变化的。的确，只要没有凸纹位于观测区中，摄像机20可由反向散射以符合结构照明分布的光激发。另一方面，一旦凸纹位于观测区内，就会引起发光条纹S1、S2…Sn的空间位移，并且因此引起相应的摄像机20光敏元件的激发的空间位移。这是由于本发明的构形分析装置是以公知的三角测量原理操作的事实，根据所述原理，入射角‘a’是非零的，因此在摄像机20和表面2之间的距离变化导致由摄像机20接收的光线的横向位移。这种位移的测量有可能测定表面2的三维特征，并且因此识别***4的正确形成。因此，处理器25对每一个由摄像机20获得的图像施加三角剖分算法。通过以下的方程式给出三角剖分算法的一个已知范例：“横向位移”＝切线(‘a’)x“垂直位移”；其中切线(‘a’)为入射角‘a’的切线；“垂直位移”为由摄像机20接收的光线在Z轴上的位移，而“横向位移”为由摄像机20接收的光线在Y轴上的位移。在所示的实施例中，逐行相互独立地施加三角剖分算法。在一变型的实施例中，三角剖分算法使用几条相邻线的储存数据。

在实践中，如果入射角‘a’超出70°，凸纹的检测会变得非常敏感，但构形记录因为凸纹可能出现阴影的事实而变得不很可靠。另一方面，如果入射角‘a’低于30°，敏感度将因为发光条纹S1、S2…Sn的位移变得较不可见的事实而迅速减低。

当***4位于图3的位置中，图4示出从摄像机20看到的发光条纹S1、S2…Sn的图像30。摄像机20是线性的，只可看到每一条纹的单一发光点。深色区域W表示接收光的摄像机20的光敏元件。相应的电子信号40在图5中表示。

图5示出由光敏元件阵列传送的周期性电子信号。在观测区中的坯料表面上存在的凸纹产生如前所述的空间位移。这种位移通过在信号40的周期T的减小或增大而指出。在所示的实施例中，当周期T减小时，这意味着光源10照射在表面2水平中的正差区域，相反地，当周期T增大时，这意味着光源10照射在表面2水平中的负差区域。

可以理解到，当在观测区中的坯料表面上不存在凸纹时，周期T大致上在光敏元件阵列的整个长度上是稳定的。

本发明的装置可以根据以下的方式执行：光束F非直角地射到表面2上，以致在表面上形成“n”条发光条纹S1、S2…Sn，然后为每一个获得的图像测量发光条纹S1、S2…Sn的空间位移，并且最后对每一个测量的位移施加三角剖分算法。

本发明的装置可有利地安装在折叠-粘合机中，所述折叠-粘合机包括用于沿X轴的大致上平面轨迹运送板状件1的运送带。

虽然构形分析的表面是指板状件的的表面，但不言而知，本发明还可施用于卷筒型材料形式的基片。

Claims (10)

1.用于基片(1)表面(2)的构形分析装置，所述基片沿X轴的大致上平面轨迹运行，其中X轴与Y轴和Z轴限定了标准正交参照空间，在所述空间中，所述表面(2)大致上与XY平面平行，所述构形分析装置包括所述表面(2)的结构光照装置(10)，所述结构光照装置(10)能够与用于测量由所述表面(2)反向散射光的装置(20)一起操作，以便在所述基片(1)运行的过程中分析所述表面(2)的构形，所述结构光照装置(10)能够以入射角‘a’将光束(F)投射到表面(2)上，以致在所述表面上形成“n”条发光条纹(S1、S2…Sn)，每一发光条纹与X轴形成角‘b’，其中测量装置(20)由位于与XY平面和SZ平面正割的平面P中的线性摄像机构成，所述平面P与XY平面的交叉点与Y轴形成角‘c’，所述平面P与XZ平面的交叉点与Z轴形成角‘e’，其中入射角‘a’在30°和70°之间，角‘b’在-45°和+45°之间，角‘c’在-30°和+30°之间，角‘e’在-45°和+45°之间。

2.如权利要求1所述的构形分析装置，其特征在于，所述入射角‘a’在45°和60°之间。

3.如权利要求1所述的构形分析装置，其特征在于，所述角‘b’等于0°。

4.如权利要求1所述的构形分析装置，其特征在于，所述角‘c’等于0°。

5.如权利要求1所述的构形分析装置，其特征在于，所述角‘e’等于0°。

6.如权利要求1所述的构形分析装置，其特征在于，所述结构光照装置(10)由激光干涉仪构成，并且干涉条纹阵列构成所述结构光照。

7.用于基片(1)表面(2)的构形分析的方法，所述基片沿X轴的大致上平面轨迹运行，其中X轴与Y轴和Z轴限定了标准正交参照空间，在所述空间中，所述表面(2)与XY平面大致平行，所述的方法包括以下步骤：

-将光束(F)投射到在表面(2)上，以致在表面上形成“n”条发光条纹(S1、S2…Sn)；

-用位于与XY平面和SZ平面正割的平面P中的线性摄像机(20)在所述表面(2)上获取连续的图像；

-为每一获取的图像测量发光条纹(S1、S2…Sn)的空间位移；

-对每一测量的位移施加三角剖分算法。

8.折叠-粘合机，包括用于沿X轴的大致平面轨迹运送板状件(1)的运送带，其特征在于包括如权利要求1限定的构形分析装置。

9.用于在折叠-粘合机中运行的板状件(1)的表面(2)的构形分析装置。

10.用于板状件(1)的表面(2)的构形分析装置，所述板状件在折叠-粘合机中沿X轴的大致上平面轨迹运行，其中X轴与Y轴和Z轴限定了标准正交参照空间，在所述空间中，所述表面(2)大致上与XY平面平行，所述构形分析装置包括所述表面(2)的结构光照装置(10)，所述结构光照装置(10)能够与用于测量由所述表面(2)反向散射光的装置(20)一起操作，以便在所述折叠-粘合机中的所述板状件(1)运行的过程中分析所述表面(2)的构形，所述结构光照装置(10)能够以入射角‘a’将光束(F)投射到表面(2)上，以致在表面上形成“n”条发光条纹(S1、S2…Sn)，每一发光条纹与X轴形成角‘b’，其中测量装置(20)由位于与XY平面和SZ平面正割的平面P中的线性摄像机构成，所述平面P与XY平面的交叉点与Y轴形成角‘c’，所述平面P与XZ平面的交叉点与Z轴形成角‘e’，其中角‘a’在30°和70°之间，角‘b’在-45°和+45°之间，角‘c’在-30°和+30°之间，角‘e’在-45°和+45°之间。

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