專利名稱：高速缺陷檢測裝置和用于反射材料的檢測方法
背景技術：
和發(fā)明概述本發(fā)明涉及一種用于檢查材料表面缺陷的光學檢測裝置。更具體地說，本發(fā)明設想一種大規(guī)模的、高速的至少部分地反射的表面的缺陷檢查；報告這種缺陷，以及排除有缺陷的材料。
為確保質量而進行的生產出的大量材料的高速非破壞性的分析，是多年來工業(yè)界所關心的。沒有合適的控制和質量檢查，一種產品可能在最后使用時被發(fā)現有缺陷，因而要求返回與/或更換。
從制造者的觀點看來，這晚期發(fā)現的缺陷的代價是十分高的，其中涉及運輸費用，管理費用，以及或許對于努力得到質量可靠的名聲的公司是最重要的，即導致喪失顧客的信譽。
已經提出過許多用于這種非破壞性分析的不同方法。例如，Peyret等人的美國專利5,164,971披露了使用由X射線或伽馬射線源檢測器裝置獲得的X光照相數據和層析成像數據。物體的轉動角度產生被分析用于重構物體的截面的數據。
Messinger的美國專利5,265,475提供了一種光纖應變檢測器，用于確定在航天應用(包括層壓制品)中的關鍵連接點的整體性，其中在所述關鍵連接點或者層壓制品內嵌入對應變敏感的纖維光纜。
Del Grade等人的美國專利5,444,241披露了一種檢測結構中的缺陷的方法，其中對這些結構加熱，然后對所述結構利用兩種不同的波長進行掃描，獲得作為圖像的數據，并分析所述圖像以便發(fā)現缺陷。
Newman的美國專利5,146,289披露了一種用于檢測例如層壓制品中的缺陷的方法，其中借助于物體的空氣耦合的聲學激發(fā)，并使用干涉儀檢測由物體反射的光形成的物體的圖像。所述圖像被比較，所得的差值提供關于物體的狀態(tài)的信息。
Kim等人的美國專利5,094,108披露了一種接觸超聲傳感器，其把超聲波聚焦在一點，以便檢測在底板表面上的或表面下的缺陷。美國專利5,046,363還披露了使用聲波檢測集成電路封裝的未連附層中的空隙。美國專利5,001,932披露了一種噴嘴裝置，用于在一種結構上噴水，從而制備用于超聲測試的裝置。
這些方法或裝置都提供了復雜的用于檢查制造的產品或層壓制品的缺陷的方案，其中都通過分析采集的數據，或者利用復雜的成像技術或者利用數據的算法處理。這種技術不能很好地適用于大量材料的高速分析。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種用于分析大量材料從而檢測缺陷的方法。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種能夠分析大量材料，從而以高速度檢查缺陷的裝置。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種簡單的光學裝置，其利用光的散射或透過待分析表面的質量實現上述目的。
本發(fā)明提供一種用于以高速度掃描大的表面面積的方法和裝置。板材，最好是具有大的表面面積的材料，以預定的速度沿著一個平面區(qū)域通過。所述材料被一光源例如纖維光學光源照射。一檢測器，例如CCD直線陣列被頗策略地如此設置，使得當所述表面沒有缺陷時，所述檢測器接收不到光。對于沒有缺陷的材料，被反射的光被均勻地反射，因而基本上不產生可被檢測器檢測到的光的散射。在有缺陷時，具有可被檢測器檢測到的足夠的光的散射。
按照本發(fā)明的一個方面，提供一種用于檢測具有部分反射的表面的材料中的表面缺陷的裝置。所述裝置包括至少一個光源，該光源被設置以將入射光射到至少部分反射材料的表面上；以及被設置在該材料的表面上方的光檢測器。所述光檢測器和所述至少一個光源被彼此相關地這樣設置，使得在材料中沒有表面缺陷時，該光檢測器基本上檢測不到來自所述至少一個光源的光，并且在材料中具有表面缺陷時，來自所述至少一個光源的光被反射離開該缺陷而進入該檢測器。
按照本發(fā)明的另一個方面，提供一種用于檢測反射材料中的表面缺陷的裝置。所述裝置包括相對于反射材料設置的用于照射該材料表面的多個纖維光學光源；面向該材料表面的線性掃描攝像機；以及用于隔離所述光源和所述攝像機的遮光板。當所述材料相對于所述攝像機運動并且在所述材料中沒有缺陷時，來自光源的光被反射離開所述材料，并被該遮光板遮擋，從而該檢測器檢測不到來自光源的光。當材料中有缺陷時，來自光源的光被反射離開該缺陷，使得所述遮光板擋不住被反射的光，而且被反射的光能夠被所述檢測器檢測到。
按照本發(fā)明的另一個方面，提供一種用于檢測材料中的缺陷的方法。按照該方法，使具有反射表面的材料沿著平行于所述反射表面的方向運動。彼此相關地設置至少一個光源和光檢測器，使光從所述至少一個光源發(fā)出，并且在所述反射表面運動時照射到所述反射表面上，使得當反射表面中沒有缺陷時所述光檢測器檢測不到光。利用光檢測器檢測由反射表面上的一個或多個缺陷反射的光。
附圖簡述本發(fā)明的特點和優(yōu)點通過結合附圖閱讀下面的詳細說明將會看得更加清楚，附圖中相同的標號表示相同的元件，其中

圖1是按照本發(fā)明的裝置的示意的局部截面?zhèn)纫晥D，表示在材料沒有缺陷時的正常操作；圖2是按照本發(fā)明的裝置的示意的局部截面?zhèn)纫晥D，表示在材料具有呈表面凸起形狀的缺陷時的正常操作；圖3是按照本發(fā)明的裝置的示意的局部截面?zhèn)纫晥D，表示在材料具有呈表面凹陷形狀的缺陷時的正常操作；以及圖4是按照本發(fā)明的另一個實施例的裝置的示意的局部截面?zhèn)纫晥D，表示在材料沒有缺陷時的正常操作。
詳細說明按照本發(fā)明的用于檢測具有部分反射的表面的材料中的表面缺陷的裝置21的一個實施例，如圖1所示。裝置21包括至少一個光源23，其被設置以將入射光B射到至少部分反射的材料27的表面上，所述材料最好是相對于光源運動的板材或織物。光檢測器29被設置在材料27的表面25的上方。光檢測器29和光源23被彼此相關地設置，使得在材料中沒有表面缺陷時，即在材料基本上是平的時，光檢測器基本上檢測不到來自光源的光B。然而，如圖2和圖3所示，當在材料27中具有表面缺陷F時，來自光源23的光B則由所述缺陷反射而進入檢測器29。缺陷F的性質例如可以是凸起、孔或凹槽，或者是一些破壞材料27的基本上平的表面25的分層類型的缺陷。
合適的光源23包括一個光源，或者如圖1所示，也可以包括兩個光源，或者包括多個光源。多個光源23可以被設置在檢測器29的相對側。如果需要，光源23可以包括多個光源，例如在光源包括多個纖維光學光源的場合，它們相對于材料27被設置，以照射材料的表面25。在一些只需檢測最大的缺陷的粗糙的應用中，可能總共就需要一個照明光源23。不過，通過增加每個檢測器的光源23的數量，可以改變被提供的改善的質量的可靠性。一般地說，一對、兩對或者三對光源23便足以獲得好的結果。
合適的光檢測器29包括線性掃描攝像機形式的檢測器，最好是在材料27相當寬時采用，例如電荷耦合器件，或者光源可以是光檢測器形式的光源。當不需要形成圖像時光檢測器是方便的，特別是因為用于操作光檢測器所需的電路裝置一般比用于操作攝像機型的系統(tǒng)的電路裝置簡單。光檢測器29可以包括透鏡30。透鏡30特別是可以幫助檢測從微小缺陷F反射的微弱的光。
從光源發(fā)出的光的性質根據裝置21應用的性質而不同。例如從光源23發(fā)出的光可以是白熾光的聚焦光束的形式；所述光源可以發(fā)出偏振光；該光源可以發(fā)出紅外光；并且/或者所述光源可以發(fā)出紫外光。根據需要，可以同時發(fā)出不同波長或不同形式的光。
材料27最好是柔性的，并且最好具有反射率高的表面，盡管可以理解，本發(fā)明可以應用于任何反射光的表面。材料27最好是柔性的板或織物，其沿著箭頭31的方向相對于裝置21運動，例如通過一些合適的拉拔設備的拉拔，例如一對滾子，來自一卷織物材料的織物在其間通過，或者借助于使板材在皮帶上運動。材料27最好以從大約0.001m/sec到2000m/min的速度運動，最好是以100和800m/min之間的速度運動。
呈金屬化的紙(例如鋁金屬化的紙)形式的材料27，或者鋁箔，或者最好具有金屬化的紙或鋁箔的層壓制品材料特別適于利用本發(fā)明的方法和裝置。板材27可以是各種不同的寬度的，例如從幾毫米到幾米的寬度，并且可以具有各種不同的厚度。例如，材料27的厚度為0.5-10mm，更好為1-5mm。本發(fā)明尤其適用于通常被用于煙盒中包裹或封裝香煙的紙箔層壓制品。當或者通過噴灑液體或者通過使液體滴落在這種層壓制品的表面上使這種層壓制品和液體接觸時，可能發(fā)生分層，此時需要去除分層的材料，以便保證產品具有完好的封裝。
裝置21最好包括外部遮光板33，其被相對于光源23和光檢測器29設置，用于使環(huán)境光和光檢測器隔離。如圖1所示，外部遮光板33最好被設置成基本上封住光源23和光檢測器29，并且和在外部遮光板下方通過的材料27一起，最好基本上使所有的環(huán)境光和光檢測器隔離。
裝置21最好還包括內部遮光板35，其被相對于光源23和光檢測器29設置，用于在材料中沒有缺陷時使光源的光不能到達光檢測器。如圖1所示，內部遮光板35最好被設置在光源23和光檢測器29之間。外部遮光板33和內部遮光板35最好這樣設置，使得基本上包圍住光源23，使得只有從在材料27的表面25上的一個小的掃描區(qū)域37內的缺陷F反射的光能夠被檢測器29檢測到。在本優(yōu)選實施例中，提供外部和內部遮光板33和35，不過，如果需要，可以使用外部遮光板而不使用內部遮光板，可以使用內部遮光板而不使用外部遮光板，或者根本不使用遮光板。
在圖1所示的按照本發(fā)明的用于檢測材料27中的缺陷F的方法中，具有反射表面25的材料27沿著平行于反射表面的方向31運動。光源23和光檢測器29被彼此相關地設置，而且光B從光源發(fā)出，并在反射表面運動時照射到反射表面25上，使得當反射表面沒有缺陷時，沒有光被光檢測器檢測到。從反射表面25上的缺陷F反射的光B利用檢測器29檢測。
當檢測器29檢測到光B時，這表示在材料27的表面25內存在缺陷F，此時來自檢測器的信號被送到控制器39，從而表示在表面上存在缺陷?？刂破?9最好控制其它已知的設備41，用于采取校正措施，例如通過對設備41提供一個信號，在材料27上作標記以便修補或切割所述材料，使得其可以從隨后的處理操作中被除去。
在“無缺陷”操作中，光源23發(fā)出第一個最好是相干光束B。第一光束B在點43照射到表面25上。如果具有第二光源23’，則其發(fā)出第二個最好是相干光束B’，其也照射到材料27的表面25上的點43上。當沒有缺陷時，光源23，23’最好被設置成一定角度，使得入射到表面25上的光束B，B’被反射到內部遮光板35的外部，且最好被反射到外部遮光板33的內部，使得基本上沒有光進入檢測器29。
圖2和圖3分別說明當缺陷F呈凸起和凹槽形式時對工件的缺陷檢測。第一光源23發(fā)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，例如其中的一部分進入內部遮光板35之間，因而由檢測器29檢測到。同樣，第二光源23’發(fā)出第二光束B’，其通常也以散射的方式被從缺陷F反射，并且其中的一部分進入內部遮光板之間。第一和/或第二光束B與/或B’當處于內部遮光板內部時，在被檢測器29檢測到之前，還被一或兩個內部遮光板反射。當然，如果可能，對于給定的缺陷F，只有入射到缺陷上的幾個光束的一個或一部分真正進入內部遮光板35。隨著缺陷F相對于所述裝置不斷地運動，所述光束由所述缺陷的反射和散射將不斷地變化，不過至少某些部分被檢測器29檢測到。檢測器29最好向控制其它設備的控制器39發(fā)出信號。例如，檢測器29可被配置用于向控制器39的存儲器發(fā)出信號，控制器識別出存在缺陷，并通過標記處理拒絕表面25或材料的一部分。
檢測器29最好被這樣安裝，使得其靠近材料27，最好離開材料大約0.5cm，離開材料大約在0.5-3mm的范圍內更好。光源23最好被可調整地安裝，例如可以圍繞軸線47轉動，從而使得能夠調整光B入射到材料27上的角度。類似地，外部和內部遮光板33和35的角度最好可以調整，并且/或者可以根據離開光源23與/或檢測器29與/或材料25的距離調整，例如通過可以分別圍繞軸線49和51轉動。通過合適地調整光源23與/或遮光板33和35的位置與/或角度，有助于裝置21用于不同厚度的材料，或者離開光源的距離不同的材料。如果需要，檢測器29的位置與/或角度可以被調整，例如通過提供伸縮裝置53。對裝置21的元件進行合適的調整是為了確保正常反射(無缺陷)的光束B不會照射到檢測器29上，而可以檢測到由缺陷F反射的光束。
如圖4所示裝置21’的實施例可見，從不同光源23和23’入射的光B和B’不需要聚焦在如圖1-3所示的同一點上。光源23和23’例如可以分別聚焦在不同的點43和43’上，所述兩點都在檢測器29的掃描區(qū)域內。
雖然本發(fā)明已經按照優(yōu)選實施例進行了說明，應當理解，在權利要求限定的本發(fā)明的構思內，可以作出各種改變和改型。
權利要求
1.一種用于檢測具有部分反射的表面的材料中的表面缺陷的裝置，所述裝置包括至少一個光源，該光源被設置以將把入射光射到至少部分反射材料的表面上；以及被設置在該材料的表面上方的光檢測器；其中所述光檢測器和所述至少一個光源被彼此相關地這樣設置，使得在材料中沒有表面缺陷時，該光檢測器基本上檢測不到來自所述至少一個光源的光，并且在材料中具有表面缺陷時，來自所述至少一個光源的光被反射離開該缺陷而進入該檢測器。
2.如權利要求1所述的裝置，其中所述至少一個光源包括兩個光源。
3.如權利要求1所述的裝置，其中所述至少一個光源包括多個光源。
4.如權利要求1所述的裝置，其中所述至少一個光源發(fā)射聚焦的白熾光束。
5.如權利要求1所述的裝置，其中所述至少一個光源發(fā)射偏振光。
6.如權利要求1所述的裝置，其中所述至少一個光源發(fā)射紅外光。
7.如權利要求1所述的裝置，其中所述至少一個光源發(fā)射紫外光。
8.如權利要求1所述的裝置，還包括外部遮光板，其被相對于至少一個光源和光檢測器設置，用于阻止環(huán)境光進入光檢測器。
9.如權利要求8所述的裝置，還包括內部遮光板，其被相對于至少一個光源和光檢測器設置，用于阻止所述至少一個光源的光進入光檢測器，在材料中有缺陷時除外。
10.如權利要求9所述的裝置，其中所述至少一個外部和內部遮光板被可調整地相對于該至少一個光源和光檢測器安裝。
11.如權利要求1所述的裝置，還包括被相對于該至少一個光源和光檢測器設置的遮光板，用于阻止來自至少一個光源的光進入光檢測器，在材料中有缺陷時除外。
12.如權利要求10所述的裝置，其中所述外部和內部遮光板被可調整地相對于該至少一個光源和光檢測器安裝。
13.如權利要求1所述的裝置，其中所述光檢測器包括一線性掃描攝像機。
14.如權利要求1所述的裝置，其中所述光檢測器是電荷耦合器件。
15.如權利要求1所述的裝置，其中所述光檢測器是光電檢測器。
16.如權利要求1所述的裝置，其中所述光檢測器被可調整地相對于至少一個光源安裝。
17.如權利要求16所述的裝置，其中所述至少一個光源被可調整地相對于光檢測器安裝。
18.如權利要求1所述的裝置，其中所述至少一個光源被可調整地相對于光檢測器安裝。
19.一種用于檢測反射材料中的表面缺陷的裝置，所述裝置包括相對于反射材料設置的用于照射該材料表面的多個纖維光學光源；面向該材料表面的線性掃描攝像機；用于隔離所述光源和所述攝像機的遮光板；其中當所述材料相對于所述攝像機運動并且在所述材料中沒有缺陷時，來自光源的光被反射離開所述材料，并被該遮光板遮擋，從而該檢測器檢測不到來自光源的光，且當材料中有缺陷時，來自光源的光被反射離開該缺陷，使得所述遮光板擋不住被反射的光，而且被反射的光能夠被所述檢測器檢測到。
20.一種用于檢測材料中的缺陷的方法，包括以下步驟使具有反射表面的材料沿著平行于所述反射表面的方向運動；彼此相關地設置至少一個光源和光檢測器，使光從所述至少一個光源發(fā)出，并且在所述反射表面運動時照射到所述反射表面上，使得當反射表面中沒有缺陷時所述光檢測器檢測不到光；并且利用所述檢測器檢測由反射表面上的一個或多個缺陷反射的光。
21.如權利要求20所述的方法，還包括從所述檢測器向控制器發(fā)送一個表示反射表面上存在缺陷的信號的步驟。
22.如權利要求20所述的方法，其中所述至少一個光源發(fā)射聚焦的白熾光束。
23.如權利要求20所述的方法，其中所述至少一個光源發(fā)射偏振光。
24.如權利要求20所述的方法，其中所述至少一個光源發(fā)射紅外光。
25.如權利要求20所述的方法，其中所述至少一個光源發(fā)射紫外光。
26.如權利要求20所述的方法，還包括阻止環(huán)境光進入光檢測器的步驟。
27.如權利要求26所述的方法，其中通過相對于至少一個光源和光檢測器設置的遮光板阻止來自至少一個光源的光進入光檢測器，在材料中存在缺陷時除外。
28.如權利要求20所述的方法，其中通過相對于至少一個光源和光檢測器設置的遮光板阻止來自至少一個光源的光進入光檢測器，在材料中存在缺陷時除外。
29.如權利要求28所述的方法，還包括相對于至少一個光源和光檢測器調整遮光板位置的步驟。
30.如權利要求28所述的方法，還包括相對于遮光板和光檢測器調整至少一個光源位置的步驟。
31.如權利要求28所述的方法，還包括相對于至少一個光源和遮光板調整光檢測器位置的步驟。
32.如權利要求20所述的方法，還包括相對于光檢測器調整至少一個光源位置的步驟。
33.如權利要求20所述的方法，還包括相對于至少一個光源調整光檢測器位置的步驟。
全文摘要
一種用于檢測具有部分反射的表面(25)的材料(27)中的表面缺陷(F)的裝置，所述裝置包括至少一個光源(23，23’)，該光源被設置以將入射光射到至少部分反射材料(27)的表面上；以及被設置在該材料(27)的表面上方的光檢測器(29)。所述光檢測器(29)和所述至少一個光源(23，23′)被彼此相關地這樣設置，使得在材料(27)中沒有表面缺陷(F)時，該光檢測器(29)基本上檢測不到來自所述至少一個光源(23，23′)的光，并且在材料(27)中具有表面缺陷(F)時，來自所述至少一個光源(23，23’)的光被反射離開該缺陷(F)而進入該檢測器(29)。
文檔編號G01N21/00GK1434917SQ00814844
公開日2003年8月6日 申請日期2000年6月7日 優(yōu)先權日1999年6月8日
發(fā)明者巴里·S·史密斯, 邁克爾·J·穆林斯, 羅伊·萬德林登, 唐納德·歐文 申請人:菲利普莫里斯生產公司