專利名稱：一種用于在自動化過程控制工件檢查應(yīng)用中提供熱紅外成像快照動作的裝置及方法
本申請案依據(jù)并主張優(yōu)先于2001年5月21日提出申請的美國臨時專利申請案第60/292,421號。
背景技術(shù)：
本申請案涉及一種用于在自動化過程控制工件檢查應(yīng)用中提供熱紅外成像快照動作的裝置及方法。更具體而言，本發(fā)明是關(guān)于在高速機(jī)器可視檢查系統(tǒng)中使用快照模式鉛鹽區(qū)域陣列成像傳感器作為成像前端。使用快照或間斷動作模式鉛鹽基圖像采集傳感器可實現(xiàn)各種各樣的自動化過程控制或工件檢查應(yīng)用。
盡管本發(fā)明特別針對高速自動化生產(chǎn)檢查技術(shù)領(lǐng)域，且本文因而將具體參照該技術(shù)領(lǐng)域說明本發(fā)明，然而應(yīng)了解，本發(fā)明也可應(yīng)用于其它領(lǐng)域及應(yīng)用中。舉例而言，本發(fā)明可用于其它在高速控制過程中需使用快照動作的應(yīng)用中。
作為發(fā)明背景，使用攝像機(jī)或基于視頻的自動化檢查技術(shù)來幫助制造商或生產(chǎn)商進(jìn)行質(zhì)量或過程控制作業(yè)已為此項技術(shù)領(lǐng)域所熟知。舉例而言，名稱為“機(jī)器可視檢查裝置及方法”的美國專利第4,760,444號曾介紹一種與基于照相機(jī)的機(jī)器對牙刷器的可視檢查相關(guān)的裝置及方法。該專利對使用熒光燈來照亮目標(biāo)進(jìn)行了論述。其還提及攝像機(jī)對檢查區(qū)域/牙刷的反射率數(shù)據(jù)的測量。作為另一現(xiàn)代技術(shù)的實例，美國專利第4,882,498號曾對使用脈沖式LED照明來檢查樣品進(jìn)行了論述。
在許多現(xiàn)有技術(shù)的自動化檢查實施方案中，通常使用基于電荷耦合器件(CCD)的攝像機(jī)。舉例而言，名稱為“用于CCD圖像傳感器的電子快門(Electronic shutter for a CCD Image Sensor)”的美國專利第4,875,100號曾介紹一種對現(xiàn)有技術(shù)CCD器件架構(gòu)的改造，該改造將其功能度擴(kuò)展至包括一電子快門功能。該附加功能使基于CCD的視頻成像儀可提供“間斷動作”功能(該動作發(fā)生于快速變化的圖像景物中)而無需同步、脈沖照明。許多后繼基于CCD的自動化機(jī)器可視系統(tǒng)實施方案也已為人們所熟知。
需要限制并在時間上同步被成像信號光子的采集是高速自動化檢查的一個基本要求。無論選擇用于一特定機(jī)器可視應(yīng)用中的圖像傳感器的工作波長如何，該論點(diǎn)均成立。人們知道，目前已存在可用于電磁波譜(介于2微米與12微米之間)熱IR區(qū)域并具備停止快速演變的空間景物動作能力的攝像機(jī)。舉例而言，由Raytheon公司制造的輻照率HSX高性能成像攝像機(jī)即意在支持快照模式采集。然而，在機(jī)器可視應(yīng)用中使用該種類型的攝像機(jī)存在若干缺點(diǎn)，因此難以在機(jī)器可視應(yīng)用中對熱IR攝像機(jī)進(jìn)行商業(yè)化推廣應(yīng)用。該些缺點(diǎn)包括價格較高且不具備此種類型的斯特林循環(huán)冷卻的銻化銦基攝像機(jī)所具有的堅固耐用性。
近來已出現(xiàn)一種較新類型的熱紅外攝像機(jī)/傳感器。從種屬上可將該類型的紅外成像儀描述為是基于微輻射熱計的設(shè)備?；谖⑤椛錈嵊嫷臒酙R成像儀的關(guān)鍵特性包括其無需低溫冷卻即可運(yùn)行之事實及其可使用標(biāo)準(zhǔn)硅CMOS IC制造設(shè)備及工藝來制作之事實。該些特性有助于消除成本較高及不具備歷史上原有紅外成像技術(shù)所具有的堅固耐用性的缺陷。名稱為“紅外檢測器(Infrared Detector)”的美國專利第5,021,663號及名稱為“用于IR靈敏度的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(MicrostructureDesign for High IR Sensitivity)”的美國專利第5,286,976號曾介紹適宜的輻射熱計像素點(diǎn)構(gòu)造及適用于檢測空間變化熱紅外信號的像素陣列配置。名稱為“微輻射熱計設(shè)備單元信號處理電路(Microbolometer Unitcell Signal Processing Circuit)”的美國專利第5,489,776號曾展示如何使用標(biāo)準(zhǔn)的及眾所周知的CMOS制造工藝在每一像素基礎(chǔ)上并入其它信號處理功能(除信號檢測功能外)。該專利介紹了全部制成于基于硅的微輻射熱計單元內(nèi)的電容器及晶體管元件以及電氣互連件的用途。該些像素點(diǎn)結(jié)構(gòu)用于將所接收的熱能變換為代表已被成像至微輻射熱計陣列表面上的景物的有序電信號。名稱為“用于產(chǎn)生視頻輸出信號的攝像機(jī)，用于此種攝像機(jī)的紅外焦平面陣列包，及用于根據(jù)一半導(dǎo)體基材上的無源焦平面元件陣列產(chǎn)生視頻信號的方法及裝置(Camera for Producing Video Output Signal，Infrared Focal Plane ArrayPackage for Such Camera，and Method and Apparatus for GeneratingVideo Signals from Passive Focal Plane Array of Elements on aSemiconductor Substrate)”的美國專利第5,420,419號曾介紹一種可在一運(yùn)轉(zhuǎn)的紅外攝像機(jī)內(nèi)配置現(xiàn)有微輻射熱計成像陣列的方式。
盡管已具備知識體系，然而現(xiàn)代技術(shù)水平的微輻射熱計裝置的構(gòu)建方式卻均未滿足快照模式圖像采集所需的特定像素級功能度。此外，目前微輻射熱計技術(shù)所具有的測量靈敏度及固有像素點(diǎn)響應(yīng)時間尚無法滿足與極短信號集成、快照模式采集相關(guān)的要求。
幾十年來，在各種涉及紅外能量檢測的應(yīng)用中，一直使用單一元素鉛鹽檢測器，尤其是硫化鉛(PbS)及銫化鉛(PbSe)。當(dāng)在室溫下使用鉛鹽檢測器時，可獲得有用的檢測靈敏度，而當(dāng)裝置運(yùn)行溫度降低時，可獲得提高的靈敏度，而且在許多涉及鉛鹽檢測器的應(yīng)用中，使用1級或2級溫差電冷卻器。
然而，當(dāng)使用該類型的熱IR檢測器時，不需要使用昂貴且非人們所希望的低溫冷卻。況且，近年來，可將有源式兩維鉛鹽感光單元陣列與硅基控制電子裝置緊密融合或整合的能力已使得可以開始使用PbS及PbSe來制造大面積兩維IR成像陣列。
因缺乏一種具備可滿足要求的溫度分辨性能且無需使用低溫冷卻的成本有效的快照模式熱IR攝像機(jī)，熱IR成像前端在現(xiàn)代技術(shù)機(jī)器可視系統(tǒng)中的應(yīng)用已受到限制。本文所揭示的發(fā)明涵蓋一種用于克服已知限制的系統(tǒng)及方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種檢查工件的系統(tǒng)及方法，其特別適合于通過一輸送裝置以較高動態(tài)速度制造及/或提供工件的應(yīng)用中。該系統(tǒng)包括一圖像處理子系統(tǒng)，該圖像處理子系統(tǒng)構(gòu)造用于自一攝像機(jī)或成像儀子系統(tǒng)接收圖像并產(chǎn)生一與所接收圖像相關(guān)的工件質(zhì)量或合格水平的總結(jié)性狀態(tài)報告。
在本發(fā)明的一個方面中，與本發(fā)明配套的攝像機(jī)或成像儀子系統(tǒng)基于一專門構(gòu)造用于支持快照模式圖像采集的鉛鹽區(qū)域陣列的操縱。
本發(fā)明的一個優(yōu)點(diǎn)是能夠在電磁波譜熱IR部分的一部分(2-5微米)內(nèi)提供對工件的低成本、聯(lián)機(jī)表面及次表面檢查。
本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)是能夠提供對在電磁波譜的可見及近IR部分內(nèi)大體透明的工件及物件進(jìn)行非常穩(wěn)健的結(jié)構(gòu)整體性檢查的能力。
本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)是能夠提供高靈敏度、高速度及紅外成像而無需采用昂貴或不穩(wěn)健的冷卻技術(shù)。
本發(fā)明的再一優(yōu)點(diǎn)是能夠提供對工件的自動化、低成本溫度曲線繪制。
根據(jù)下文所提供的詳細(xì)說明將易知本發(fā)明的其它適用范圍。然而應(yīng)了解，盡管該些詳細(xì)說明及具體實例表示本發(fā)明的較佳實施例，但卻僅以舉例說明方式給出，因為相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員將易于得出各種歸屬于本發(fā)明主旨及范疇內(nèi)的變化及修改。


本發(fā)明存在于本裝置各個部件的構(gòu)造、布置及組合以及本方法的各步驟中，由此可實現(xiàn)如下文所更完整論述及附圖所展示的本發(fā)明所涵蓋的目的，附圖中圖1為一展示一本發(fā)明系統(tǒng)的方框圖；圖2為一展示一本發(fā)明成像儀的方框圖；圖3(a)及(b)為一本發(fā)明熱成像儀備選方案的一陣列及一單個像素點(diǎn)的方框圖；及圖4為一展示一本發(fā)明方法的流程圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在參照附圖，其中附圖所展示內(nèi)容僅用于展示本發(fā)明的較佳實施例，而非用于限定本發(fā)明。圖1提供一本發(fā)明較佳的整體系統(tǒng)12的視圖。如圖所示，對一成像儀(較佳為一快照模式鉛鹽成像儀)20進(jìn)行定位，以便當(dāng)受檢查物體或工件50在一輸送裝置90的作用下移動通過一指定的圖像采集區(qū)30時獲得該些物體的紅外圖像數(shù)據(jù)。一控制用電子設(shè)備模塊80用于協(xié)調(diào)包含于該系統(tǒng)內(nèi)的各功能部件(例如一成像儀處理器10，一狀態(tài)顯示器60，一熱能激勵源70，成像儀20，及一部件檢測裝置40)的運(yùn)行。部件檢測裝置40可在一物體或工件50朝圖像采集區(qū)30運(yùn)動時檢測出其存在。
在一個較佳實施例中，提供熱能激勵源70以將適當(dāng)?shù)臒崮軅鬟f給正接受檢查的物體或工件。當(dāng)然，倘若工件的特性使其可借助例如生產(chǎn)工藝或類似工藝儲存并隨后釋放可用于檢查的足夠且可接受的熱能，則無需使用激勵源。然而，較佳地，熱能激勵源70(其被展示為具有兩個相對于輸送裝置90相互對置的元件)執(zhí)行一種與包含于傳統(tǒng)機(jī)器可視系統(tǒng)中的照明系統(tǒng)類似的功能。亦即，由熱能激勵源70提供可區(qū)分缺陷工件與可接受工件的激勵源。受控照明激勵源成功應(yīng)用于被檢查物體是一通常與至少某些傳統(tǒng)檢查應(yīng)用的成功相關(guān)的特征。因此，一種較佳的熱能激勵源應(yīng)向受檢查物體50提供受控的恒定熱能，以增強(qiáng)各種諸如結(jié)合本發(fā)明所述的機(jī)器可視應(yīng)用及系統(tǒng)內(nèi)的熱紅外成像特性。
在一較佳形式中，成像儀20為1維或2維的鉛鹽感光單元陣列，其被設(shè)計為對影像至其表面上的介于約2至5微米范圍的熱紅外能量敏感。較佳地，鉛鹽為硫化鉛(PbS)或銫化鉛(PbSe)。該快照模式鉛鹽成像儀20較佳地同時整合或獲取所有像素或單元中的熱紅外光子，由此支持間斷動作成像。該陣列較佳地滿足了與工業(yè)機(jī)器可視應(yīng)用相關(guān)的典型要求，例如成本低、堅固耐用、響應(yīng)時間短、具有可支持快照模式信號集成的較佳靈敏度及不使用低溫冷卻等。
存在多種對使用一1維或2維成像陣列獲得的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行存取的方法。一種技術(shù)是將支持圖像信息所需的適當(dāng)信號處理資源用于陣列中的每一像素。在這種情況下，陣列中的每一像素點(diǎn)均包括執(zhí)行諸如電流或電荷/電壓轉(zhuǎn)換或模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換等功能所需的資源。同時還為陣列中的每一像素提供一輸出插針或端口。
對于像素總數(shù)非常少的陣列，此一構(gòu)造是可接受的。然而，對于較大的陣列，該構(gòu)造卻不太可行。在這些情況下，最好利用一單組輸出資源(有時使用2個、4個或8個輸出端口)，然后以順序性方式將各像素點(diǎn)多路復(fù)用或切換至該些資源。將一多路復(fù)用器輸出架構(gòu)用于快照模式信號積分意味著仍需在傳感器設(shè)計中包含某些類型的按像素信號存儲裝置。就此而言，如此項技術(shù)領(lǐng)域所熟知，可在獨(dú)立的硅芯片內(nèi)制造合適的集成電路來執(zhí)行所需的按像素電荷存儲及多路復(fù)用功能?？墒褂妙愃萍夹g(shù)制成用于傳統(tǒng)機(jī)器可視系統(tǒng)中的硅基圖像傳感器。
通過將產(chǎn)生于鉛鹽紅外光電池內(nèi)的光子感應(yīng)電流或電荷與一合適的硅基信號處理/讀出電路(如上所述)緊密聯(lián)接，可實現(xiàn)一種適用的快照模式熱紅外成像儀。用于將形成于鉛鹽光電池內(nèi)的由光子所產(chǎn)生的信號與硅讀出電路聯(lián)接的備選方法包括將鉛鹽化合物直接沉積于硅讀出電路上，或者使用銦凸塊粘合技術(shù)將鉛鹽焦平面結(jié)合至一硅讀出電路。根據(jù)本發(fā)明，攝像機(jī)及采集技術(shù)的此種總體進(jìn)步可實現(xiàn)熱IR攝像機(jī)前端在聯(lián)機(jī)機(jī)器可視系統(tǒng)內(nèi)的新穎應(yīng)用。
現(xiàn)在參見圖2，一較佳成像儀20包括一外殼25，在該外殼25中設(shè)置有一透鏡21、一鉛鹽焦平面陣列22及合適的讀出電路23。外殼25內(nèi)還包含有一攝像機(jī)控制及輸出調(diào)節(jié)電路24。該圖還展示了與圖像處理器10及控制用電子設(shè)備模塊80的連接。
外殼25可采用多種形式，但較佳具有可支持圖2所示部件的構(gòu)造。此外，外殼25還較佳具有此種特性其可為焦平面陣列22提供足夠的熱穩(wěn)定性以適應(yīng)充分成像的需要。
同樣，透鏡21也可具有多種構(gòu)造?？蓪t外信號進(jìn)行充分聚焦的透鏡已為人們熟知。然而，應(yīng)了解，所用的特定透鏡可視焦平面陣列的構(gòu)造及該應(yīng)用的視場要求而定。
陣列22及讀出電路23較佳按照上述方式構(gòu)造。攝像機(jī)控制及輸出調(diào)節(jié)電路24則構(gòu)造用于處理來自讀出電路的數(shù)據(jù)(例如電信號)并與控制用電子設(shè)備模塊80及圖像處理器10進(jìn)行通信。
在工作過程中，透鏡21接收來自一正在輻射熱能的工件或物體50的紅外信號光子并將這些光子聚焦于陣列22上。焦平面陣列22的像素可對信號光子進(jìn)行積分并將其轉(zhuǎn)換為電信號。讀出電路23以順序性方式訪問該些電信號并將其作為輸入傳遞至攝像機(jī)控制及輸出調(diào)節(jié)電路24。然后，電路24根據(jù)該些電信號向圖像處理器10提供一輸出信號(例如一兩維紅外空間圖像或數(shù)據(jù)集等圖像數(shù)據(jù))。應(yīng)了解，控制及輸出調(diào)節(jié)電路24還從控制用電子設(shè)備模塊80接收一采集控制信號及一積分時間控制信號。
如圖2所示，較佳成像儀20內(nèi)配置一溫差電冷卻裝置26，該溫差電冷卻裝置26可采用多種形式。裝置26的主要功能是將焦平面陣列22保持在一穩(wěn)定的運(yùn)行溫度。此一功能具有可改善成像儀20的圖像采集性能的有利效果。應(yīng)了解，當(dāng)在室溫下使用鉛鹽檢測器時可獲得有效的檢測靈敏度。此外，當(dāng)降低檢測器的運(yùn)行溫度時，可獲得提高的測量靈敏度。因此，有可能構(gòu)造一有效的成像儀20，其中可將焦平面陣列22設(shè)定至自室溫至冷卻溫度范圍內(nèi)的任一運(yùn)行溫度。與本發(fā)明的總體范疇相一致，當(dāng)焦平面陣列22以相同于2級或3級固態(tài)溫差電冷卻部件的溫度運(yùn)行時，即可在成像儀成本、壽命及測量靈敏度之間獲得一較佳的折衷。溫差電冷卻器的應(yīng)用在此項技術(shù)中已眾所熟知。
圖3(a)及(b)對流至焦平面陣列22上的功能性及物理性信號光子流及由此產(chǎn)生的流出讀出電路23的圖像信號流進(jìn)行了更詳細(xì)說明。在圖3(a)中，一實例性陣列22被展示為具有若干位于讀出電路23上的光敏元件22′。當(dāng)然，元件22′的數(shù)量因系統(tǒng)而異。所示陣列僅為一用于舉例說明目的的實例——元件22′的典型數(shù)量通常遠(yuǎn)大于此值。參見圖3(b)，該圖展示陣列中的單個像素感光單元，一像素感光單元內(nèi)出現(xiàn)的由信號誘發(fā)的變化被從由鉛鹽制成的光敏元件22′導(dǎo)入至包含于該像素點(diǎn)內(nèi)的硅基信號處理區(qū)27內(nèi)。該信號用于將光敏陣列22內(nèi)出現(xiàn)的由信號誘發(fā)的電子變化轉(zhuǎn)換為一種形式，該形式可首先被存儲于像素的信號存儲28部分中，然后可使用信號多路復(fù)用電路29移出像素陣列。應(yīng)了解，如上所述，盡管提供了多路復(fù)用電路旨在以一種可簡化電路的形式對來自所有感光單元的信號進(jìn)行多路復(fù)用，然而需要為每一感光單元專門提供電路27及28。此處提供該功能說明旨在為舉例說明目的展示一備選熱成像儀的一般功能度。絕不應(yīng)將其解釋為本文所揭示發(fā)明的范疇僅限于符合該具體說明的焦平面陣列及讀出電路實施方案。
現(xiàn)在重新參見圖1，圖像采集區(qū)30可采用多種形式來支持較佳的快照模式圖像采集。舉例而言，其可僅為一沿輸送裝置90的特別有利于成像儀20實施檢測的區(qū)域。或者，區(qū)域30可包含一檢查件被輸送通過的外殼或隧道。假若具有一較佳系統(tǒng)的特性，該檢查區(qū)較佳包含一輻射隔板結(jié)構(gòu)35，該輻射隔板結(jié)構(gòu)35用于阻擋或屏蔽諸如不期望的、雜散的或特定的熱輻射(例如由非受控或非較佳的源輻射出的熱輻射)等有害能量不從被檢查件反射出來并進(jìn)入成像儀20的視場。當(dāng)然，所需熱輻射既不會受到如圖所示結(jié)構(gòu)35的阻擋，也不會在所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員易于得出的各種其它構(gòu)造中受到阻擋。此外，隔板結(jié)構(gòu)35可改善信噪比。在某些情況下，隔板結(jié)構(gòu)35可改善信噪比，以便將具備可接受性能的系統(tǒng)與不具備可接受性能的系統(tǒng)區(qū)分開來。此外，包含于檢查區(qū)30中的隔板結(jié)構(gòu)35應(yīng)具有較高的熱吸收特性及較低的自發(fā)射。通過如下方式可較佳地獲得該些性質(zhì)使用一具有高表面比輻射率的輻射隔板35，然后以某種方式(例如使用溫差電冷卻器)將其冷卻至一明顯低于被檢查件50或被監(jiān)測工藝溫度的溫度。應(yīng)了解，為實現(xiàn)本發(fā)明目的，隔板結(jié)構(gòu)35可采用多種形式。
圖像處理器10也可采用多種形式。能夠處理電格式或數(shù)字格式圖像數(shù)據(jù)的圖像處理器在所屬技術(shù)領(lǐng)域中已眾所熟知。此外，根據(jù)預(yù)定準(zhǔn)則來分析圖像數(shù)據(jù)并確定圖像特征的圖像處理器也同樣眾所熟知。一用于實施本發(fā)明的合適圖像處理器應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)本文所述的本發(fā)明目的，但其可為任一種已知類型。
在一較佳實施例中，部件檢測裝置40為一在該行業(yè)中眾所熟知的光電型開關(guān)。然而，其同樣可為能夠檢測到受檢查工件50的存在并以電子方式將該狀態(tài)傳輸至控制用電子設(shè)備模塊80的任一種類型的傳感器部件。
工件或物體50可采取任一可被適當(dāng)輸送及檢查且較佳在自動化過程控制環(huán)境中高速輸送及檢查的工件形式。舉例而言，該些物體可為不同構(gòu)造的容器。然而，無論工件或物體50為何種形式，其較佳均應(yīng)具有此種性質(zhì)可儲存及輻射在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的或通過采用一熱能激勵源(例如由70所表示的熱能激勵源)產(chǎn)生的熱能。
在一較佳實施例中，狀態(tài)顯示器60是一種機(jī)械式廢品剔出裝置，例如一空氣閥或電磁閥，其用于每當(dāng)圖像處理器10判定出工件低于一預(yù)定質(zhì)量等級時將該些工件從其正常的動態(tài)流程中剔除?；蛘?，可將狀態(tài)顯示器60構(gòu)建為一用于提供一逐一部件質(zhì)量報告及/或工件質(zhì)量累積檔案的打印或顯示報表寫入裝置。作為另一選擇方案，狀態(tài)顯示器可被構(gòu)建為一標(biāo)記裝置，其用于每當(dāng)判定出工件低于或者高于一預(yù)定質(zhì)量等級時以某種規(guī)定方式對工件進(jìn)行標(biāo)記。
現(xiàn)在，我們已知各種用于向受檢查物體施加能量的方式及裝置。因此，熱能激勵源70可采取多種形式。已知技術(shù)包括使用感應(yīng)原理(例如感應(yīng)式加熱器)、超聲波(例如超聲波加熱器)及微波。通過自然對流及/或強(qiáng)制空氣流動進(jìn)行能量交換的黑體輻射源，例如燈具(例如石英鹵素?zé)?及灼熱棒。其它合適的裝置包括石英燈、紅外輻射源、爐、高功率激光器(例如空間制導(dǎo)高功率激光器)及可制導(dǎo)的超聲波裝置。也可通過激勵任一與該部件相關(guān)的有源電氣部件的方式向受檢查物體50施加熱能。通過自身電加熱而有利激勵部件的實例包括電動機(jī)、變壓器及電子電路板。
盡管一較佳實施例包括用于向受檢查物體50施加受控?zé)崮艿难b置，然而應(yīng)了解，本發(fā)明主旨還包含那些應(yīng)用領(lǐng)域，其中在一或多個正常制造工藝步驟中所正常產(chǎn)生的包含于部件內(nèi)的熱能自身足以滿足缺陷屬性檢測要求。同樣，本發(fā)明還包括構(gòu)建主要用于保證被檢查物體內(nèi)的熱能正確分布于該物體內(nèi)以改善其成像的裝置。
同樣，盡管一較佳實施例論述了使用一快照模式鉛鹽成像儀20來從運(yùn)動中的物體采集圖像，然而應(yīng)了解，正確配置于一機(jī)器可視系統(tǒng)內(nèi)的此一成像儀也適用于采集靜止物體的圖像。具體而言，此一紅外攝像機(jī)可根據(jù)需要的采集及積分持續(xù)時間信號調(diào)整其圖像采集作業(yè)的能力使其能夠采集發(fā)生于所關(guān)心物體中的動態(tài)熱事件的有用信息。在熱紅外范圍內(nèi)進(jìn)行時間緊要成像作業(yè)可用于確定所制造產(chǎn)品合格程度的一實例包括在動態(tài)加電狀態(tài)下檢查運(yùn)行的電子組件。指示攝像機(jī)在該組件加電后以預(yù)定的、嚴(yán)格受控的時間周期采集電子電路圖像的能力使得能夠觀測到某些類型的故障運(yùn)行。
控制用電子設(shè)備模塊80可具有多種構(gòu)造(既包括硬件構(gòu)造也包括軟件構(gòu)造)，但較佳應(yīng)根據(jù)來自部件檢測裝置40的信令并依據(jù)輸送裝置90的瞬時運(yùn)動或裝置90所輸送部件的瞬時運(yùn)動來執(zhí)行精確的定時功能，并將圖像采集控制信號(例如一采集信號及一積分時間信號)應(yīng)用于快照模式鉛鹽成像儀20。
輸送裝置90較佳為一具有可使物體移動的移動帶或皮帶的常規(guī)輸送機(jī)系統(tǒng)。舉例而言，該輸送裝置可包含一用于快速、連續(xù)地為檢查/過程控制系統(tǒng)動態(tài)提供一連串部件的自動化輸送裝置。然而，所用系統(tǒng)較佳構(gòu)造為可容納熱能激勵源。還應(yīng)了解，盡管較佳將物體輸送入一檢查區(qū)內(nèi)，然而也可使用一可相對于物體輸送成像設(shè)備的系統(tǒng)來取代輸送裝置90。
在一較佳作業(yè)中，沿輸送裝置90并通過一熱能激勵源70輸送物體或工件50。然后，部件檢測裝置40檢測該工件。一旦工件50處于圖像采集區(qū)30內(nèi)，成像儀20即會因電子控制設(shè)備模塊80響應(yīng)一來自部件檢測裝置40的信號而產(chǎn)生的圖像采集信號采集到一該物體的圖像。該采集信號通知成像儀20一部件正處于圖像采集區(qū)30內(nèi)的正確位置上并且應(yīng)開始對紅外信號光子進(jìn)行積分或收集。然后，快照模式鉛鹽成像儀20較佳開始根據(jù)積分時間控制信號在一特定時間周期內(nèi)同時對包含于其焦平面陣列(如圖2所示)內(nèi)的所有像素中的信號光子進(jìn)行積分。
在成像儀20已采集信號光子達(dá)一預(yù)定曝光時間后，信號積分將以電子方式終止且已收集的圖像數(shù)據(jù)較佳以某種方式傳遞至圖像處理器10。圖像處理器10對成像儀20提供的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以產(chǎn)生一與所接收圖像相關(guān)的工件的總結(jié)性狀態(tài)報告。該總結(jié)性狀態(tài)報告既可直接也可間接(通過電子控制設(shè)備模塊80)被傳輸至狀態(tài)顯示器60以便采取措施。亦即，圖像處理器以一種可減小由成像儀所產(chǎn)生的兩維紅外空間圖像或數(shù)據(jù)集的方式接收熱紅外成像儀的輸出并將其處理成具體的一組與被檢查部件或過程相關(guān)的有關(guān)質(zhì)量或過程的特性。
更具體而言，現(xiàn)在參見圖4，該圖展示一反映上述作業(yè)的基本步驟的較佳方法。首先，在被檢查物體50進(jìn)入檢查區(qū)30之前對物體50施加熱能(步驟302)。應(yīng)了解，熱能既可由熱能激勵源70提供，也可能是物體因一制造或控制過程而固有的。此外，提供激勵源可能僅用于確保紅外能量適當(dāng)?shù)胤植加谖矬w內(nèi)。然后，輸送該物體并在其進(jìn)入一檢查區(qū)或圖像采集區(qū)30時檢測該物體(步驟304及306)。部件檢測裝置40實施對物體的檢測，并同時向模塊80發(fā)送一檢測信號。
然后，模塊80根據(jù)該檢測信號向快照模式鉛鹽成像儀20傳送適當(dāng)?shù)男帕?即一圖像采集信號及一積分時間控制信號)，以便成像儀20的焦平面陣列像素收集該物體所輻射的紅外能量并對紅外信號光子進(jìn)行一預(yù)定時間周期的積分，以獲得合適的圖像數(shù)據(jù)(步驟308)。然后，成像儀20的控制電路24將該圖像數(shù)據(jù)提供至圖像處理器10(步驟310)。接著，圖像處理器使用此項技術(shù)中眾所熟知的技術(shù)來處理該圖像數(shù)據(jù)(步驟312)。處理的目的既可能是檢測物體中的缺陷，也可能是僅確定該物體的整體狀態(tài)。然后，根據(jù)對圖像數(shù)據(jù)的處理產(chǎn)生一狀態(tài)報告(步驟314)。
該狀態(tài)報告被直接或間接(例如通過模塊80)提供至狀態(tài)顯示器60(步驟316)。應(yīng)了解，一旦狀態(tài)顯示器收集到該狀態(tài)報告，即可隨之采取多種步驟。舉例而言，如果圖像采集的目的是檢測被檢查物體中的缺陷，則狀態(tài)顯示器可采用一部件剔出或接受裝置的形式，并接著借助例如一機(jī)械式廢品剔出裝置(例如一用于自輸送路徑剔除工件的空氣閥或電磁閥)剔除該物體?；蛘?，可僅將狀態(tài)顯示器簡單地構(gòu)建為一用于提供逐一部件質(zhì)量報告及/或工件質(zhì)量累積報告的打印或顯示機(jī)構(gòu)。此外，亦可將狀態(tài)顯示器構(gòu)建為其它形式，例如標(biāo)記裝置(如上所述)或一可采用一種有利于對制造過程實施閉環(huán)控制的方式以電子方式傳輸部件或過程狀態(tài)的模塊。
盡管通過一較佳實施例論述了一寬帶熱IR檢查系統(tǒng)所具有的一般優(yōu)點(diǎn)及詳細(xì)實施方式，然而應(yīng)認(rèn)識到，在某些情況下，也可使用一種成像儀20的前端額外配置有選擇性光譜濾光器的基本相同的系統(tǒng)?？蓪⑾到y(tǒng)靈敏度限定至熱IR區(qū)內(nèi)特定波長(已知與被檢查部件或過程相關(guān)的重要信息存在于該特定波長范圍內(nèi))的能力往往會提高系統(tǒng)的總體信噪比。這具有使系統(tǒng)所作決定更準(zhǔn)確可靠的有利效果。
本文中的說明集中于與工件或物體50相關(guān)的檢查及/或控制過程。然而應(yīng)了解，一本發(fā)明系統(tǒng)也可用于監(jiān)測一具有多個所關(guān)心熱區(qū)域的復(fù)雜過程或系統(tǒng)。
此外，如在一較佳實施例中所述，系統(tǒng)所收集的數(shù)據(jù)足以對一部件或過程的合格程度作出判定。然而應(yīng)了解，一本發(fā)明系統(tǒng)所收集的數(shù)據(jù)可能僅包含一用于作出判定的數(shù)據(jù)集的一部分。
上述說明僅提供對本發(fā)明特定實施例的揭示內(nèi)容，并非意欲將本發(fā)明限定于此。因此，本發(fā)明并非僅限于上述實施例。而是，應(yīng)認(rèn)識到，所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可構(gòu)想出歸屬于本發(fā)明范疇內(nèi)的替代實施例。
權(quán)利要求
1.一種用于在自動化過程控制工件檢查應(yīng)用中提供熱成像快照動作的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含一構(gòu)造用于支持快照模式圖像采集的鉛鹽基熱紅外成像儀；一構(gòu)造用于支持對一部件或過程進(jìn)行快照模式圖像采集的圖像采集區(qū)；一圖像處理器，其構(gòu)造為以一種可減小所述成像儀所產(chǎn)生的兩維紅外空間圖像或數(shù)據(jù)集的方式接收所述成像儀的輸出并將其處理成具體的一組與所述圖像采集區(qū)內(nèi)所述部件或過程相關(guān)的有關(guān)質(zhì)量或過程的特性；及一構(gòu)造用于在所述系統(tǒng)內(nèi)提供圖像采集控制信號的控制用電子設(shè)備模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包含一用于快速、連續(xù)地向所述系統(tǒng)動態(tài)提供一連串部件的自動化輸送裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包含一部件檢測或存在感測裝置，該部件檢測或存在感測裝置與所述控制用電子設(shè)備模塊接口并為所述系統(tǒng)提供存在需要檢查的部件的指示。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包含一熱隔板，所述熱隔板位于所述檢查區(qū)內(nèi)以保護(hù)所述成像儀不受非受控或非較佳源輻射出的有害熱紅外能量的影響。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述熱隔板包含高輻射率表面，以利于吸收所述有害熱紅外能量。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述熱隔板被有效冷卻以降低熱紅外能量的自發(fā)射。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中使用溫差電冷卻器來冷卻所述熱隔板。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包含一熱能激勵源，所述熱能激勵源用于向所述部件或過程施加熱能以將缺陷部件與合格部件區(qū)分開來。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述熱能激勵源被構(gòu)建為一感應(yīng)式加熱器。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述熱能激勵源被構(gòu)建為一超聲波加熱器。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述熱能激勵源被構(gòu)建為一微波源。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述熱能激勵源被構(gòu)建為一空間制導(dǎo)高功率激光器。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述熱能激勵源被構(gòu)建為一黑體輻射源。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述黑體輻射源被構(gòu)建為一燈具。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述燈具被構(gòu)建為一石英鹵素?zé)簟?br> 16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述由所述燈具輻射出的熱能通過自然對流方式進(jìn)行熱交換。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中由所述燈具輻射出的熱能通過強(qiáng)制空氣流動方式進(jìn)行熱交換。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述黑體輻射源被構(gòu)建為一灼熱棒。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中由所述灼熱棒輻射出的能量通過自然對流方式進(jìn)行熱交換。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中由所述灼熱棒輻射出的熱能通過強(qiáng)制空氣進(jìn)行熱交換。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中通過電激勵與所述部件相關(guān)的元件來向所述部件施加熱紅外能量。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括一用于指示所述被檢查部件或過程的狀態(tài)的狀態(tài)顯示器。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中所述狀態(tài)顯示器被構(gòu)建為一機(jī)械式廢品剔出機(jī)構(gòu)，所述機(jī)械式廢品剔出機(jī)構(gòu)用于在特定部件被判定為低于或者高于一預(yù)定質(zhì)量等級時將該些部件從一制造過程中剔除。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其中所述廢品剔出機(jī)構(gòu)為一空氣閥。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其中所述廢品剔出機(jī)構(gòu)為一電磁致動器。
26.根據(jù)權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中所述狀態(tài)顯示器被構(gòu)建為一標(biāo)記裝置，所述標(biāo)記裝置用于標(biāo)記被判定為低于或者高于一預(yù)定質(zhì)量等級的部件。
27.根據(jù)權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中所述狀態(tài)顯示器被構(gòu)建為用于提供逐一部件質(zhì)量報告的打印或顯示報表寫入裝置。
28.根據(jù)權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中所述狀態(tài)顯示器被構(gòu)建為一用于提供一工件質(zhì)量累積檔案的打印或顯示報表寫入裝置。
29.根據(jù)權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中所述狀態(tài)顯示器被構(gòu)建為一以一種有利于對一制造過程實施閉環(huán)控制的方式來以電子方式傳輸部件或過程狀態(tài)的模塊。
30.一種用于在一自動化過程控制工件檢查應(yīng)用中提供熱紅外成像快照動作的方法，所述方法包含下列步驟根據(jù)由一電子設(shè)備控制模塊提供的圖像采集控制信號對一鉛鹽基成像儀的所有像素點(diǎn)中的熱紅外信號同時進(jìn)行積分；根據(jù)所述像素點(diǎn)積分將一兩維紅外空間圖像或數(shù)據(jù)集提供至一處理器；及將所述兩維紅外空間圖像或數(shù)據(jù)集處理成一組與一被檢查部件或過程相關(guān)的有關(guān)質(zhì)量或過程的特性。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，其進(jìn)一步包括將擬檢查的物體自動輸送入一檢查區(qū)的步驟。
32.根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，其進(jìn)一步包括向被檢查部件施加熱能以便將缺陷部件與合格部件區(qū)分開的步驟。
33.根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，其進(jìn)一步包括根據(jù)所述處理產(chǎn)生一狀態(tài)報告的步驟。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其進(jìn)一步包括將所述狀態(tài)報告提供至一狀態(tài)顯示器的步驟。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其進(jìn)一步包括使用所述狀態(tài)報告來自動修改一制造過程參數(shù)的步驟。
36.一種用于在一自動化過程控制工件檢查應(yīng)用中提供熱紅外成像快照動作的方法，所述方法包含下列步驟通過向一被檢查部件或過程內(nèi)的元件施加一受控電壓或電流來激勵所述元件；根據(jù)由一電子設(shè)備控制模塊提供的圖像采集控制信號對一鉛鹽基成像儀的所有像素點(diǎn)中的熱紅外信號同時進(jìn)行積分；根據(jù)所述像素點(diǎn)積分將一兩維紅外空間圖像或數(shù)據(jù)集提供至一處理器；及將所述兩維紅外空間圖像或數(shù)據(jù)集處理成一組與一被檢查部件或過程相關(guān)的有關(guān)質(zhì)量或過程的特性。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的方法，其進(jìn)一步包括根據(jù)所述處理產(chǎn)生一狀態(tài)報告的步驟。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，其進(jìn)一步包括將所述狀態(tài)報告提供至一狀態(tài)顯示器的步驟。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的方法，其進(jìn)一步包括使用所述狀態(tài)報告來自動修改一制造過程參數(shù)的步驟。
全文摘要
本申請案涉及一種用于在自動化過程控制工件檢查應(yīng)用中提供熱紅外成像快照動作的裝置及方法。更具體而言，本發(fā)明是關(guān)于在高速機(jī)器可視檢查系統(tǒng)(12)中使用快照模式鉛鹽區(qū)域陣列成像傳感器(20)作為成像前端。較低的成本、在相同于溫差電冷卻裝置的溫度下具有的良好測量靈敏度及以快照模式運(yùn)行的能力使鉛鹽基圖像采集傳感器(20)可用于眾多自動化過程控制及工件檢查應(yīng)用中。
文檔編號G01N25/72GK1547666SQ02810270
公開日2004年11月17日 申請日期2002年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月21日
發(fā)明者D·W·科克倫, S·D·切赫, D W 科克倫, 切赫 申請人:派拉斯科技術(shù)公司