专利名称：利用光谱照相机检测材料中的偏差的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用观察法分析不同的材料，具体地说，本发明涉及根据波长指出可被分析材料中偏差的方法，系统和测量条。
背景技术：
质量控制和实时监测是工业生产中非常重要的部分。例如，特别复杂的情况是生产纸张和一些其他的材料，其中制成的材料辊在某些点以极高的速度转动以形成筒状产品。质量控制和实时监测的目的是实现尽可能高的生产水平，与此同时，试图制造的产品或材料有尽可能高的质量和一致。
例如，多年以来，人们开发了许多不同类型的方法，用于指出快速运动的卷筒纸中的缺陷。第一种缺陷指示器是机电类型装置，例如，它是基于轻擦纸张表面和金属辊的金属刷，在卷筒纸的开孔点给出缺陷报警信号。在此之后，改变成利用基于光电现象和激光器的装置。
人们发现光学方法是非常有效的，特别是对于快速运动的材料，例如，在分析卷筒纸时。光学方法有多个优点。分析可以在不接触可被分析材料的情况下进行。此外，测量过程中出现的时滞非常小。在现有技术的方案中，我们知道大量光学分析的方法。
最新的缺陷指示器利用观察法，例如，数字CCD照相机(CCD，电荷耦合器件)，它对卷筒纸拍摄照片。在拍摄时，通常是并行地使用几个照相机以得到合适的分辨率。观察法能够对各种类型的缺陷进行分类。在卷筒纸中不再需要一个开孔，这是金属刷通过这个开孔可以接触它的相对面，例如，缺陷可以是被分析纸张或其他材料表面上的不同颜色(暗度差)，条纹或垃圾。
上述的观察法可以在可见光波段中实施，而可见光通常是380nm至780nm的波长。在观察法中，可以监测部分的可被分析材料(例如，部分的运动卷筒纸)或整个材料(例如，整个长度的运动卷筒纸)。不同的观察法有一个共同点，这些方法试图直观地识别可观察的偏差以及造成这些偏差的原因。
根据现有技术的方案，我们知道一组光学方法是基于利用来自可被分析材料的光谱数据。例如，在这些方法中，测量从可被分析材料上反射光中所含的波长以确定不同的质量参数。
现有技术的方案有许多缺点。若可被分析材料的尺寸非常大，例如，宽度可达10米的运动卷筒纸，则实际上需要使用多个照相机以得到理想的分辨率。另一个问题是，现有方案的速度不适合于准确地分析高速运动的卷筒纸。
使用几个照相机还可能导致其他的问题。若一个照相机停止工作，则在修理好或替换该照相机之前，整个系统就不能运行。此外，使用几个照相机可以增加结构的复杂性并利用昂贵的监测系统。
在现有技术的方案中拍摄照片要求有很大的信息处理容量和大量的照相机。此外，照相机产生用于分析的图像资料也是庞大的。
此外，在已知的方法和系统中，增加清晰度和计算容量是费力的并需要较大的资金投入。
而且，现有方法和系统的弱点是它们的可靠性和技术维护，其中的原因是存在灵敏的电子元件和计算机。
发明内容
本发明的目的是消除上述的缺点或至少大大减少这些缺点。具体地说，本发明的目的是公开一种新型的方法和系统，其中仅仅使用一个照相机，可以准确地分析静止或运动的材料。
本发明的特征请参照权利要求书。
本发明涉及一种基于波长编码的缺陷指示。缺陷是指形成的光谱偏离预定设置值的任何偏差。
本发明涉及一种用于根据波长指出可被分析材料中偏差的方法。在该方法中，光源产生的光被色散成可被分析运动平面材料表面上的几个光谱，收集从可被分析运动平面材料表面上反射的光谱，收集的光谱被引导进入光谱照相机，比较被引导进入光谱照相机的光谱与预定的参考光谱，和在比较的基础上，确定可被分析材料中一个或多个偏差的位置。光谱照相机可以是模拟光谱照相机或数字光谱照相机。
在本发明的一个实施例中，光源产生的光被色散成可被分析材料表面上沿第一方向和第二方向的重叠光谱，其中第一方向和第二方向是基本上互相垂直的，利用透镜收集从可被分析材料表面上反射到该透镜焦点上的光谱，和在该焦点上收集的光谱被至少一条光纤引导进入光谱照相机。在本发明的一个实施例中，光源产生的光被色散成可被分析材料表面上沿第一方向和第二方向的重叠光谱，其中沿第一方向和第二方向色散的光谱是由不同的波长区构成。
在本发明的一个实施例中，光源产生的光被第一透镜色散成可被分析材料表面上的光谱。最好是，光源产生的光被一条光纤引导到第一透镜。利用第二透镜收集从可被分析材料上反射的光谱形成一条直线，该条直线包含反射到可被分析材料表面上的各种波长。收集的直线被引导到一束光纤，其中每条光纤收集部分的反射光。每条光纤被引导成光谱照相机中的空间像素，而每个空间像素被色散成一组光谱分量。分析光谱照相机收集的数据，并在光谱照相机中像素的空间分量和光谱分量的基础上，确定可被分析材料中偏差的位置。
在该方法中，最好使用一组测量模块，其中每个测量模块包括包含一束光纤的第二连接，第一透镜和第二透镜。最好是，该组测量模块安排成单独的测量条。光源产生的光被第一连接引导进入每个测量模块。在此之后，光源产生的光被第一透镜色散成可被分析材料表面上的光谱，其中利用色散通过每个测量模块中第一透镜的光，可以覆盖被分析的特定部分区域。相应地，利用每个测量模块中的第二透镜收集从可被分析材料表面上反射的光谱形成一条直线，该条直线包含反射到每个测量模块覆盖的可被分析材料表面上的各种波长。每条直线被引导到每个测量模块中第二连接的一束光纤。
在本发明的一个实施例中，该方法使用一组测量模块，其中每个测量模块包含所需的光学元件。在这种情况下，在该方法中，光源产生的光被第一连接引导进入每个测量模块，光源产生的光被色散成可被分析材料表面上沿第一方向和第二方向的重叠光谱，其中利用色散通过每个测量模块的光，可以覆盖被分析的特定部分区域。利用每个测量模块中的透镜收集从可被分析材料表面上反射到该透镜焦点上的光谱，并利用至少一条光纤，使该焦点上收集的光谱被引导进入光谱照相机。
测量是根据光源进行定标，其中在没有光源产生的光被色散成至少一个光谱的条件下，直接照明可被分析材料的参考点，收集从可被分析材料的参考点表面上反射的光作为参考光谱，并根据参考光谱确定该光源的光谱分布。
在本发明的一个实施例中，测量是根据光源进行定标，其中光源产生的光被色散成可被分析材料的参考点表面上至少一个光谱，收集从可被分析材料的参考点表面上反射的光作为参考光谱，并根据参考光谱确定该光源的光谱分布。
在本发明的一个实施例中，在新光谱测量的基础上，平均和/或中值滤波该参考光谱。
本发明还涉及一种用于根据波长编码可被分析材料中位置的系统。该系统包括可被分析运动平面材料；至少一个光源；至少一个光谱照相机；色散装置，用于色散该光源产生的光到可被分析运动平面材料表面上的几个光谱；收集装置，用于收集从可被分析运动平面材料表面上反射的光谱；引导装置，用于引导被收集的光谱进入光谱照相机；比较装置，用于比较被引导进入光谱照相机的光谱与预定的参考光谱；和确定装置，在比较的基础上，确定可被分析材料中一个或多个偏差的位置。
在本发明的一个实施例中，该系统包括色散装置，用于色散该光源产生的光到可被分析材料的表面上沿第一方向和第二方向的重叠光谱，其中第一方向和第二方向是基本上互相垂直的；收集装置，用于收集从可被分析材料表面上反射到焦点上的光谱；和至少一条光纤，用于引导被收集的光谱进入光谱照相机。在本发明的一个实施例中，该系统安排成色散该光源产生的光到可被分析材料的表面上沿第一方向和第二方向的重叠光谱，其中沿第一方向和第二方向色散的光谱是由不同的波长区构成。
在本发明的一个实施例中，该系统包括至少一个第一透镜，利用第一透镜，光源产生的光被色散成可被分析材料表面上的光谱；至少一个第二透镜，利用第二透镜，收集从可被分析材料反射的光谱形成一条直线，该条直线包含反射到可被分析材料表面上的各种波长；至少一束光纤，其中每条光纤收集部分的反射光；和至少一个光谱照相机，该光谱照相机安排成接收每条光纤作为空间像素，并安排成色散每个空间像素作为一组光谱分量。
此外，该系统包括至少一个数据处理装置，该装置安排成分析光谱照相机收集的数据，并在光谱照相机中像素的空间分量和光谱分量的基础上，确定可被分析材料中被检测偏差的位置。
在本发明的一个实施例中，该系统包括一组测量模块。每个测量模块包括第一连接，第一连接安排成接收该光源产生的光，它通过光纤被中继。每个测量模块还包括第一透镜，利用第一透镜，光源产生的光被色散成可被分析材料表面上的光谱，其中利用色散通过每个测量模块中第一透镜的光，可以覆盖被分析的特定部分区域。相应地，每个测量模块还包括第二透镜，利用第二透镜，收集从可被分析材料表面上反射的光谱形成一条直线，该条直线包含反射到每个测量模块覆盖的可被分析材料的区域表面上的各种波长。此外，每个测量模块包括包含一束光纤的第二连接，其中每条光纤安排成收集部分的反射光。最好是，该测量模块是由光纤连接到光谱照相机。
在本发明的一个实施例中，该系统包括一组测量模块。每个测量模块包括第一连接，利用第一连接，光源产生的光被引导到每个测量模块；色散装置，用于色散该光源产生的光到可被分析材料的表面上沿第一方向和第二方向的重叠光谱，其中利用色散通过每个测量模块的光，可以覆盖被分析的特定部分区域；收集装置，用于收集从可被分析材料表面上反射到每个测量模块中包含的透镜焦点上的光谱；和第二连接，至少一条光纤连接到第二连接，它安排成连接测量模块到光谱照相机，用于引导该焦点上收集的光谱进入光谱照相机。
在本发明的一个实施例中，该系统包括测量条，测量模块粘贴到该测量条。在本发明的一个实施例中，该系统还包括用于移动测量条的装置。
本发明还涉及一种用于分析可被分析材料的测量条。该测量条包括至少一个测量模块。每个测量模块包括色散装置，用于色散该光源产生的光到可被分析运动平面材料表面上的几个光谱；收集装置，用于收集从可被分析运动平面材料表面上反射的光谱；和引导装置，用于引导被收集的光谱进入光谱照相机。
在本发明的一个实施例中，每个测量模块包括第一连接，利用第一连接，光源产生的光被引导进入每个测量模块；色散装置，用于色散该光源产生的光到可被分析材料的表面上沿第一方向和第二方向的重叠光谱，其中利用色散通过每个测量模块的光，可以覆盖被分析的特定部分区域；收集装置，用于收集从可被分析材料表面上反射到每个测量模块中包含的透镜焦点上的光谱；和第二连接，至少一条光纤连接到第二连接，它安排成连接测量模块到光谱照相机，用于引导该焦点上的光谱进入光谱照相机。
在本发明的一个实施例中，每个测量模块包括至少一个第一透镜，利用第一透镜，光源产生的光被色散成可被分析材料表面上的光谱，其中利用色散通过每个测量模块中第一透镜的光，可以覆盖被分析的特定部分区域。此外，每个测量模块包括至少一个第二透镜，利用第二透镜，收集从可被分析材料表面上反射的光谱形成一条直线，该条直线包含反射到每个测量模块覆盖的可被分析材料区域表面上的各种波长。每个测量模块还包括一束光纤，该束光纤安排成收集部分的反射光。测量条还包括一条光纤，该条光纤安排成连接一束光纤到光谱照相机。
在本发明的一个实施例中，每个测量模块包括第一连接，第一连接安排成接收该光源产生的光，它通过光纤被中继；第一透镜，利用第一透镜，光源产生的光被色散成可被分析材料表面上的光谱，其中利用色散通过每个测量模块中第一透镜的光，可以覆盖被分析的特定部分区域；第二透镜，利用第二透镜，收集从可被分析材料表面上反射的光谱形成一条直线，该条直线包含反射到每个测量模块覆盖的可被分析材料区域表面上的各种波长；和包含一束光纤的第二连接，其中每条光纤安排成收集部分的反射光。一条光纤连接到第二连接，该条光纤安排成连接该束光纤到光谱照相机。
在本发明的一个实施例中，测量条安排成可移动的。
在本发明的一个实施例中，测量条安排在可被分析材料之上。
在本发明的一个实施例中，测量模块包括第一取向装置，利用第一取向装置，第一透镜取向成色散该光源产生的光到可被分析材料表面的要求的区域上的光谱。
在本发明的一个实施例中，测量模块包括第二取向装置，利用第二取向装置，第二透镜取向成收集从可被分析材料表面的要求的区域上反射的光谱。
在本发明的一个实施例中，测量模块还包括用于定位色散装置到侧边的装置，其中可以直接照明可被分析材料，用于测量来自可被分析材料的参考区的参考光谱。
本发明还涉及一种用于分析可被分析材料的测量模块。测量模块包括色散装置，用于色散该光源产生的光到可被分析运动平面材料表面上的几个光谱；收集装置，用于收集从可被分析运动平面材料表面上反射的光谱；和引导装置，用于引导被收集的光谱进入光谱照相机。
例如，可被分析材料是木材，纸张，织物，金属或塑料。
在本发明的一个实施例中，测量模块包括第一连接，利用第一连接，光源产生的光被引导进入每个测量模块；色散装置，用于色散该光源产生的光到可被分析材料的表面上沿第一方向和第二方向的重叠光谱，其中利用色散通过每个测量模块的光，可以覆盖被分析的特定部分区域；收集装置，用于收集从可被分析材料表面反射到每个测量模块中包含的透镜焦点上的光谱；和第二连接，至少一条光纤连接到第二连接，它安排成连接测量模块到光谱照相机，用于引导该焦点上收集的光谱进入光谱照相机。
在本发明的一个实施例中，第一透镜包括至少一个棱镜和/或光栅。例如，第一透镜是所谓的PGP透镜，它是由两个棱镜和夹在中间的光栅构成。例如，第二透镜是普通的柱面透镜，利用第二透镜，反射的光谱被收集到该透镜的焦点上形成一条直线。
本发明与现有技术比较有许多优点。在光谱照相机存储数据的基础上，可以得到非常准确的位置信息，这些信息涉及可被分析材料中沿X方向和Y方向找到的缺陷，因为在本发明给出的波长编码原理基础上，可以确定该位置。
本发明与现有方案比较的具体优点是，利用一个光谱照相机，可以完整地拍摄一个较大的系统，例如，9.6米宽的卷筒纸。
此外，本发明的优点是，它与速度无关。本发明本身的功能在原则上是光的速度，而实际的最大速度取决于光谱照相机的速度。本发明的速度还基于这样一个事实，仅仅处理一个照相机提供的图像。
此外，本发明产生的可被分析材料的分辨率是极高的，还可以内插清晰度以使它更加清晰。
因为本发明提供的系统有简单的结构，与现有技术的系统比较，它在功能上更加可靠和较廉价。
此外，本发明中给出的方案可以容易地适应于可被分析材料的要求，例如，扩展可被分析材料，以及具有可能的移动性。
以下，借助于实施例详细地描述本发明，其中图1表示按照本发明的一种方法，图2表示按照本发明的一种系统，图3表示按照本发明的一种测量模块，图4表示按照本发明引导数据进入光谱照相机的一个例子，图5表示优选的卷筒纸照明系统，
图6表示按照本发明用于指出偏差的一个例子，图7表示按照本发明引导数据进入光谱照相机的另一个例子，图8表示按照本发明一个实施例把给定的波长区扩展成可被分析材料表面上的光谱，和图9表示按照本发明一个实施例把给定的波长区扩展成可被分析材料表面上的光谱。
具体实施例方式
图1表示按照本发明的一种方法。按照步骤120，光源产生的光被色散成可被分析材料表面上的几个光谱。例如，利用第一透镜完成色散。例如，第一透镜是由两个棱镜和夹在中间的光栅构成的所谓PGP透镜。按照步骤122，收集从可被分析材料表面上反射的光谱。例如，收集是利用第二透镜完成色散。例如，第二透镜是柱面透镜。按照步骤124，收集的光谱被引导进入光谱照相机。光谱照相机最好是数字光谱照相机。在步骤126，比较被引导进入光谱照相机的光谱与预定的参考光谱。在步骤128，在比较的基础上，确定可被分析材料中一个或多个偏差的位置。
图2表示按照本发明用于根据波长编码可被分析材料中位置的系统。该系统包括可被分析材料102。在图2中，可被分析材料是卷筒纸，它以每秒20米的速度向前滚动。当然，可被分析材料也可以是指其他的材料。
在滚动卷筒纸的给定点安排一个测量条100，在图2中，测量条100是在沿整个长度卷筒纸的卷筒纸之上。在测量条100上粘贴一组测量模块18，在以下要更详细地描述测量模块18。在图2和图3中，我们假设测量条100包含16个测量模块18。
该系统包括产生白光的光源10。利用光纤12使光源10产生的白光提供给测量模块18。图2所示的系统使用一个光源。按照这种方法，可以避免有各不相同光源产生白光的问题，这些光源之间略有不同。换句话说，因为仅仅使用一个光源，测量系统的定标是十分简单。在本发明的其他实施例中，还可以同时使用几个光源。
测量模块18通过光纤14连接到光谱照相机16。光谱照相机16的部件连接到一个或多个数据处理装置106，数据处理装置106安排成分析光谱照相机16的图像。最好是，光谱照相机16是数字光谱照相机。光谱照相机16也可以是模拟光谱照相机，其中利用数字化卡，可以从光谱照相机16捕获数字输出进入数据处理装置106。
以下参照图3和图4，我们更详细地解释按照本发明方法和系统的功能。图3表示按照本发明测量模块18的优选实施例。图4表示引导数据进入光谱照相机的例子。
如以上说明的，利用光纤12使光源10产生的白光被引导到每个测量模块18中的第一连接104。各个测量模块18在结构和功能上是完全相同的。在图3的例子中，测量模块18的结构是简单的。它们包括第一连接104，第一透镜110，第二透镜108和第二连接112。例如，第一连接104是指一条光纤或一束光纤，它产生的光被扩展成裂缝(chink)。例如，第一透镜110是指图3所示的棱镜-光栅-棱镜结构(PGP结构)。第二透镜108通常是普通的柱面透镜。例如，第二连接是指包含一束光纤的连接。
被引导进入测量模块18的白光传输通过第一透镜110。第一透镜110把该白光色散成可被分析材料表面上的光谱。最好是，该光谱包含彩虹中的所有颜色，例如，其波长范围λ1...λ2是在380nm...780nm。
我们假设，图2中使用的数字光谱照相机16可以每秒拍摄200个图像。我们还假设，数字光谱照相机16中使用的图像有640个空间像素(水平像素)和480个光谱像素(垂直像素)。当考虑到卷筒纸的速度为20m/s时，我们清楚地知道在卷筒纸的运动方向上，照明的卷筒是每个拍摄图像的100mm部分。利用第一透镜110，反射到卷筒纸表面上的光谱被反射返回到测量模块18。第二透镜108是安排在测量模块中，它收集反射到透镜焦点上的光谱形成一条直线，该条直线包含反射到卷筒纸表面上的所有波长。该条直线被引导到一束光纤112。
在图2，3和4所示的实施例中，每束光纤112包含40条光纤。因此，一条光纤在沿卷筒纸的运动方向上收集来自2.5mm的光(100mm除以光纤的数目)。每个测量模块18安排在测量条100中，它可以照明600mm区域(图4中的区域60)的卷筒纸。因此，照明的卷筒纸是600mm×100mm尺寸的区域。这些光纤中的每条光纤被引导成光谱照相机16中的空间像素。此外，每个空间像素被色散成480个光谱分量(像素)。按照这种方式，在卷筒纸的横向上可以获得1.25mm的分辨率，和在卷筒纸的运动方向上有2.5mm的分辨率。因为测量条100包含16个测量模块18，这些测量模块18包含18束光纤112，它们总共产生16×40＝640个空间像素。按照这种方式，一个数字光谱照相机16可以综合地拍摄整个卷筒纸(宽度9600mm)。在图5中，更详细地画出卷筒纸的照明系统。在600mm×100mm方框内画出的垂直线代表每个方框内展示的光谱。
数字光谱照相机16连接到数据处理装置106，在这个例子中，数据处理装置106是计算机。数据处理装置106还可以是指其他的装置或计算机的特定部分，例如，信号处理器。利用计算机，我们可以根据光谱图像研究一些波长区是否有偏离标准的数值。图4中画出在卷筒纸的位置62上发生偏差。被光纤64引导的偏差转移到光谱照相机。例如，一些波长区反射因子的明显衰减意味着在卷筒纸的某个位置上有空洞或其他的偏差，该位置被相关的波长照明。在图4中利用XY描绘仪可以看到在从卷筒纸表面上反射的光谱中有明显的衰减。
在相对简单的处理时，卷筒纸中简单的缺陷指示用于搜索空洞是合适的。例如，在知道被检查的纸应当有什么类型的反射光谱时，利用相减方法容易检测到丢失的波长。按照这种方式，处理是非常简单和快速的，其中所需设备(例如，计算机或信号处理器)的要求也是合理的。
如上所述，本发明最好是在可见光波长中实施。可见光区域是在380nm...780nm的波长范围内。在这个波长区，反射因子主要是受纸张颜色和增白剂的影响，它与使用的照明光有关。增白剂吸收的能量是在较低(UV)的波长，例如，在300nm...400nm的波长范围内，而发射的能量是在较长的(蓝)波长，例如，在450nm...500nm的波长范围内。实际的结果是较明亮(浅蓝色)的纸张。
在可见光区中也可以利用几条光纤，因为不需要考虑在较长波长下发生的传输衰减。
在图2和3中，本发明的描述是利用运动卷筒纸作为一个例子。在本发明的其他实施例中，可被分析材料可以是任何其他的材料，例如，木材，织物，金属或塑料。此外，应当注意，被分析的纸张不必在分析期间是运动的。在本发明的一个实施例中，可被分析材料和测量系统都是静止的。在本发明的一个实施例中，可被分析材料是静止的，而测量系统是运动的。虽然在图2中仅仅画出一个数据处理装置，但在本发明的另一个实施例中，如果需要，可以利用几个数据处理装置106进行处理。此外，虽然在图2中仅仅画出一个数字光谱照相机，但在本发明的另一个实施例中，可以利用两个或多个照相机。按照这种方式，可以根据需要提高分辨率。
在图3所示的一个实施例中，测量模块18包括第一取向装置，利用第一取向装置，第一透镜110取向成色散该光源产生的光到可被分析材料表面的要求的区域上光谱。按照这种方式，可以精细调节照明区的分配。例如，通过放置第一透镜到指定的位置，或利用专业人员熟知的一些其他装置，可以实现以上描述的装置。
在图3所示的一个实施例中，测量模块18包括第二取向装置，利用第二取向装置，第二透镜108取向成收集从该材料指定区域上反射的光谱。按照这种方式，可以精细调节收集信息的区域。例如，通过放置第二透镜到指定的位置，或利用专业人员熟知的一些其他装置，可以实现以上描述的装置。
在图3所示的一个实施例中，测量模块18还包括用于定位色散装置到侧边的装置，其中可以直接照明可被分析材料，用于测量来自可被分析材料参考点的参考光谱。例如，通过机械方式转向第一透镜到侧边，或利用专业人员熟知的一些其他装置，可以实现以上描述的装置。
测量可以根据光源进行定标，例如，在没有色散该光源产生的光成至少一个光谱的情况下，可以直接照明可被分析材料的参考点，收集从可被分析材料参考点的表面上反射光中的参考光谱，并根据该参考光谱确定光谱分布。还可以根据光源进行测量定标，其中光源产生的光被色散成可被分析材料参考点的表面上至少一个光谱，收集从可被分析材料参考点的表面上反射光中的参考光谱，并根据该参考光谱确定参考光谱。在新光谱测量的基础上，可以平均和/或中值滤波确定的参考光谱。在新的实际参考测量基础上，不必修改参考光谱，而在不同于缺陷情况光谱的基础上，连续地定时进行修改。
在图4中画出用于照明部分卷筒纸的一个方案。图1所示的一个测量模块18照明卷筒纸的600mm×100mm部分的。当测量模块18安排成并排的16个单元时，可以照明整个卷筒纸。在本发明的一个实施例中，测量模块18可以排成一个测量条，因此，可以同时照明100mm高的几个行。在这种情况下，两个重叠的光谱行在沿垂直方向上不必是准确地处在光谱的相同位置。
本发明中给出的测量系统很容易验证出现缺陷的情况。例如，同时利用两个数字光谱照相机，光纤14提供的相同光被引导进入这两个照相机，就可以完成验证。在一个实施例中，总是使用两个照相机。在另一个实施例中，第二个照相机仅仅在第一个照相机的工作受到干扰时才开始拍摄图像。
此处提到的可被分析材料是滚动的卷筒纸，本发明还可用于查找造纸机器中其他部分的缺陷。因为在卷筒纸的情况下，查找卷筒纸中的缺陷是按照以上给出的方法。例如，在卷筒纸横向上有1.25mm精确度，查找运动卷筒纸中的可能缺陷也是容易实现的。还可以内插精确度，换句话说，确定该缺陷是在两条直线之间。
利用本发明，可以同时确定造纸机器中导线的边缘位置。例如，导线是平面的塑料或金属织物，在其顶部排出卷筒纸的水分，或在干燥纸张时支持卷筒纸。测量条中最外侧的测量模块可以转向成照明该导线，因此，被测量模块照明的区域是在导线边缘上略微延伸。在这种情况下，入射到导线上的光反射到检测器(第二透镜)，但传输经过导线的光造成反射光谱中丢失的波长。换句话说，按照在卷筒纸中查找空洞的相同方法，可以发现导线边缘的位置。
还应当注意，以上给出的可被分析材料和实际测量可被分析材料的例子仅仅是典型的材料和测量方法。因此，本发明也适用于与以上给出不同的其他材料和尺寸。
在本发明中，使用一个数字光谱照相机可以拍摄整个宽度的滚动卷筒纸。当然，利用多个照相机可以提高分辨率。在数字光谱照相机图像的基础上，可以准确地得到沿X方向和Y方向的缺陷位置信息。换句话说，在本发明中，可以根据波长编码该位置。
本发明可以产生有关可被分析材料质量的重要信息。根据数字光谱照相机的图像，在分析可被分析材料中的缺陷和缺点时，可以准确地确定可被分析材料的质量，例如，在销售部门。
图6表示按照本发明测量模块218的一个例子。可被分析材料，例如，卷筒纸，是沿两个方向220和222被照明。从光纤223和228中通过连接240和244得到所需的光。例如，在方向220上，宽度是400mm(横向)，和在方向222上，高度是100mm(机器方向)。可以并排地照明图6所示的几个区域，因此，区域的数目取决于卷筒纸的宽度。在这个例子中，照明光的波长在方向220上是变化的，其波长区是λm...λn，而在方向222上的波长区是λn+1...λk。最好是按照这样的方法选取波长，波长区是各不相同的，例如，λm＜λn＜λn+1＜λk是在450nm至1000nm的波长范围内。由于照明的矩阵形成在可被分析材料的表面上，其中两个不同的波长进入该矩阵中的每个单元，因此，相同的组合绝不会发生两次。
在第一方向220上，光谱是由透镜204，光栅206和透镜208产生(在测量模块218中的部分234)。孔径202最好是可调节的圆形孔径，利用该孔径可以形成点状光源。相应地，在另一个方向222上，光谱是由透镜212，光栅214和透镜216产生(在测量模块218中的部分236)。孔径210最好是可调节的圆形孔径，利用该孔径可以形成点状光源。
为了便于分析，利用会聚到焦点的会聚光学元件(230和232)拍摄该区域(测量模块218中的部分238)。在这个焦点上包含从纸张表面反射的所有波长。该光点被引导通过连接242进入光纤226，利用该光纤，收集从纸张表面反射的光进入光谱照相机的输入端。利用该照相机，光被色散成几个光谱分量。通过比较该光谱与整个光谱，在两个光谱差别的基础上，可以发现清晰的纸张缺陷。
图7表示引导数据进入光谱照相机的另一个例子。在图7所示的例子中，分区照明可被分析材料，因此，在每个区域形成一个矩阵，其中两个不同的波长进入矩阵中的每个单元，因此，相同的组合绝不会发生两次。最好是按照这样的方法选取波长，这两个波长区是各不相同的，例如，λm＜λn＜λn+1＜λk是在450nm至1000nm的波长范围内。在图7所示的例子中，可被分析材料中的位置72上有偏差，它照明的波长是λ1，λ2。如在以上图中所说明的，利用会聚到焦点的会聚光学元件拍摄区域70，并利用光纤74引导的光点作为光谱照相机的像素。在利用计算机分析光谱照相机的图像时，任何波长区中任何反射因子的清晰衰减实际上意味着，在卷筒纸的某个位置上有空洞或其他的偏差，相关波长的光照明到该位置上。在图7中画出利用XY描绘仪看到从卷筒纸表面上反射的光谱中波长λ1，λ2有明显的衰减。在衰减波长的基础上，可以准确地确定可被分析材料中偏差的位置(位置72)。
图8表示按照本发明一个实施例某个波长区被扩展成可被分析材料的表面上沿第一方向的光谱和可被分析材料的表面上沿第二方向的光谱。在这个例子中，所用的波长变化在x方向上是在700nm...1000nm的范围内，和在y方向上是在400nm...700nm的范围内。在这个例子中，照明区的尺寸是0.2m×0.2m。
在图8中，所示光栅的周期d＝955nm，高度＝1140nm和光在空气中的入射角是θair＝-16.4℃。它分别产生400nm...700nm和700nm...1000nm的波段，并互相重叠地指向可被分析材料的表面上。在这个例子中，透镜的焦距f1和f2分别是f1＝0.03m和f2＝-0.01m。圆形透镜f1聚焦光谱线到可被分析材料上。柱面透镜f2扩展各个衍射级次到指定的长度。
孔径a1是可调节的圆形孔径，利用该孔径可以形成点状光源。例如，通过检查光谱分布，可以确定该孔径的最佳尺寸。直线孔径a2确定照明波长段，而它的准确尺寸取决于光源的特征。通过改变沿z方向的孔径位置以及通过调节该孔径的开孔，可以选取合适的照明波段。在这个例子中，直线孔径a2的宽度是在0.01-0.05m的范围内。
图9所示的装置是与图8所示的装置完全相同，它们不同的是，图9中的波长区是400nm...700nm。在图8和9中，例如，所用的光源是热光源时，它产生400nm...1000nm的波段。最好是，光被聚焦到尽可能小的孔径a1上。在图8中，φ＝51.7°和ψ＝23.1°。在图8中，可以改变直线孔径a2沿z方向的位置，并可以改变柱面透镜f2沿z方向的位置。在图9中，φ＝72.9°和ψ＝19.3°。
本发明不仅仅局限于上述的实施例，在不偏离权利要求书所限定的本发明范围内，许多变化都是可能的。
权利要求
1.一种用于根据波长指出可被分析材料中偏差的方法，其特征是，在该方法中光源产生的光被色散成可被分析运动平面材料表面上的几个光谱；收集从可被分析运动平面材料表面上反射的光谱；收集的光谱被引导进入光谱照相机；比较被引导进入光谱照相机的光谱与预定的参考光谱；和在比较的基础上，确定可被分析材料中一个或多个偏差的位置。
2.按照权利要求1的方法，其特征是，在该方法中光源产生的光被色散成可被分析材料表面上沿第一方向和第二方向的重叠光谱，其中第一方向和第二方向是基本上互相垂直的；利用透镜收集从可被分析材料表面上反射到该透镜焦点上的光谱；和至少利用一条光纤引导该焦点上收集的光谱进入光谱照相机。
3.按照权利要求2的方法，其特征是，在该方法中光源产生的光被色散成可被分析材料表面上沿第一方向和第二方向的重叠光谱，其中沿第一方向和第二方向色散的光谱是由不同的波长区构成。
4.按照权利要求1的方法，其特征是，在该方法中光源产生的光被第一透镜色散成可被分析材料表面上的光谱；利用第二透镜收集从可被分析材料表面上反射的光谱形成一条直线，该条直线包含反射到可被分析材料表面上的各种波长；收集的直线被引导到一束光纤，其中每条光纤收集部分的反射光；每条光纤被引导成光谱照相机的空间像素；和每个空间像素被色散成一组光谱分量。
5.按照权利要求2的方法，其特征是，该方法使用一组测量模块，每个测量模块包含所需的光学元件，其中在该方法中光源产生的光被第一连接引导进入每个测量模块；光源产生的光被色散成可被分析材料表面上沿第一方向和第二方向的重叠光谱，其中利用色散通过每个测量模块的光，可以覆盖被分析的特定部分区域；利用每个测量模块中的透镜收集从可被分析材料表面上反射的光谱到该透镜的焦点上；和利用至少一条光纤使该焦点上收集的光谱被引导进入光谱照相机。
6.按照权利要求4的方法，其特征是，该方法使用一组测量模块，每个测量模块包括包含一束光纤的第二连接，第一透镜和第二透镜，其中在该方法中光源产生的光被第一连接引导进入每个测量模块；光源产生的光被第一透镜色散成可被分析材料表面上的光谱，其中利用色散通过每个测量模块中第一透镜的光，可以覆盖被分析的特定部分区域；利用第二透镜收集从可被分析材料表面上反射的光谱形成一条直线，该条直线包含反射到每个测量模块覆盖的可被分析材料区域表面上的各种波长；收集的直线被引导到每个测量模块中第二连接的一束光纤，其中每条光纤收集部分的反射光；每个测量模块中的每条光纤被引导成光谱照相机的空间像素；和每个空间像素被色散成一组光谱分量。
7.按照权利要求5或6的方法，其特征是，该方法还包括步骤移动测量条，其中一组测量模块粘贴到该测量条上。
8.按照以上权利要求中任何一个的方法，其特征是，可被分析材料是木材，纸张，织物，金属，或塑料。
9.按照以上权利要求中任何一个的方法，其特征是，该方法还包括步骤分析光谱照相机收集的数据；和在光谱照相机中像素的空间分量和光谱分量的基础上，确定可被分析材料中偏差的位置。
10.按照以上权利要求中任何一个的方法，其特征是，测量是根据光源进行定标，其中在没有色散该光源产生光的条件下，直接照明可被分析材料的参考点作为至少一个光谱；从可被分析材料的参考点表面上反射的光中收集参考光谱；和根据参考光谱确定该光源的光谱分布。
11.按照以上权利要求中任何一个的方法，其特征是，测量是根据光源进行定标，其中光源产生的光被色散成可被分析材料的参考点表面上几个光谱；从可被分析材料的参考点表面上反射的光中收集参考光谱；和根据参考光谱确定该光源的光谱分布。
12.按照权利要求7或8的方法，其特征是，在新光谱测量的基础上，平均和/或中值滤波该参考光谱。
13.按照以上权利要求中任何一个的方法，其特征是，第一透镜包括至少一个棱镜和/或光栅。
14.按照以上权利要求中任何一个的方法，其特征是，第二透镜包括柱面透镜。
15.一种用于根据波长指出可被分析材料中偏差的系统，其特征是，该系统包括可被分析运动平面材料(102)；至少一个光源(10)至少一个光谱照相机(16)；色散装置(110)，用于色散该光源(10)产生的光到可被分析运动平面材料(102)表面上的几个光谱；收集装置(108)，用于收集从可被分析运动平面材料表面上反射的光谱；引导装置(112，14)，用于引导被收集的光谱进入光谱照相机(16)；比较装置(106)，用于比较被引导进入光谱照相机的光谱与预定饿参考光谱；和确定装置(106)，在比较的基础上用于确定可被分析材料中一个或多个偏差的位置。
16.按照权利要求14的系统，其特征是，该系统包括色散装置(234，236)，用于色散该光源(10)产生的光到可被分析材料(102)表面上沿第一方向和第二方向的重叠光谱，其中第一方向和第二方向是基本上互相垂直的；收集装置(238)，用于收集从可被分析材料(102)表面上反射到该焦点上的光谱；和至少一条光纤(226)，用于引导在该焦点上收集的光谱进入光谱照相机(16)。
17.按照权利要求16的系统，其特征是，色散装置(234，236)安排成色散该光源(10)产生的光到可被分析材料(102)的表面上沿第一方向和第二方向的重叠光谱，其中沿第一方向和第二方向色散的光谱是由不同的波长区构成。
18.按照权利要求15的系统，其特征是，该系统包括至少一个第一透镜(110)，利用第一透镜(110)，光源(10)产生的光被色散成可被分析材料(102)表面上的光谱；至少一个第二透镜(108)，利用第二透镜(108)，从可被分析材料(102)表面上反射的光谱被收集成一条直线，该条直线包含反射到可被分析材料(102)表面上的各种波长；至少一束光纤(112)，其中每条光纤收集部分的反射光；和至少一个光谱照相机(16)，光谱照相机(16)安排成接收每条光纤作为空间像素，并安排成色散每个空间像素成一组光谱分量。
19.按照权利要求16的系统，其特征是，该系统包括一组测量模块，其中每个测量模块包括第一连接(240，244)，利用第一连接，光源(10)产生的光被引导进入每个测量模块；每个测量模块包括色散装置(234，236)，用于色散该光源产生的光到可被分析材料(102)的表面上沿第一方向和第二方向的重叠光谱，其中利用色散通过每个测量模块的光，可以覆盖被分析的特定部分区域；每个测量模块包括收集装置(238)，用于收集从可被分析材料表面反射到每个测量模块中包含的透镜焦点上的光谱；和每个测量模块包括第二连接(242)，至少一条光纤(26)连接到第二连接(242)，该光纤安排成连接测量模块到光谱照相机(16)，用于引导该焦点上收集的光谱进入光谱照相机(16)。
20.按照权利要求15的系统，其特征是，该系统包括一组测量模块(18)，其中每个测量模块包括第一连接(114)，第一连接(114)安排成接收和/或中继光源(10)产生的光，它是通过光纤(12)被中继的；每个测量模块(18)包括第一透镜(110)，利用第一透镜(110)，光源(10)产生的光被色散成可被分析材料(102)表面上的光谱，其中利用色散通过每个测量模块(18)中第一透镜(110)的光，可以覆盖被分析的特定部分区域；每个测量模块(18)包括第二透镜(108)，利用第二透镜(108)，从可被分析材料(102)反射的光谱被收集成一条直线，该条直线包含反射到每个测量模块(18)覆盖的可被分析材料区域表面上的各种波长；每个测量模块(18)包括包含一束光纤的第二连接(112)，其中每条光纤安排成收集部分的反射光；与第二连接(112)连接的光纤(14)，光纤(14)安排成连接该束光纤到光谱照相机(16)；光谱照相机(16)安排成设定每个测量模块(18)的每条光纤成空间像素；和光谱照相机(16)安排色散每个空间像素成一组光谱分量。
21.按照以上权利要求中任何一个的系统，其特征是，测量模块(18)包括第一取向装置，利用第一取向装置，第一透镜(110)取向成色散该光源(10)产生的光到可被分析材料(102)的指定区域表面上的光谱。
22.按照以上权利要求中任何一个的系统，其特征是，测量模块(18)包括第二取向装置，利用第二取向装置，第二透镜(110)取向成收集从可被分析材料(102)的指定区域反射的光谱。
23.按照以上权利要求中任何一个的系统，其特征是，该系统还包括测量条(100)，其中测量模块(18)粘贴到测量条(100)。
24.按照以上权利要求中任何一个的系统，其特征是，该系统还包括用于移动测量条(100)的装置。
25.按照以上权利要求中任何一个的系统，其特征是，可被分析材料(102)是木材，纸张，织物，金属或塑料。
26.按照以上权利要求中任何一个的系统，其特征是，数据处理装置(106)安排成分析光谱照相机(16)收集的数据，并在光谱照相机(16)中像素的空间分量和光谱分量的基础上，确定可被分析材料(102)中偏差的位置。
27.按照以上权利要求中任何一个的系统，其特征是，该系统还包括用于定位色散装置(110)到侧边的装置，其中可以直接照明可被分析材料，用于测量来自可被分析材料参考点的参考光谱。
28.按照以上权利要求中任何一个的系统，其特征是，第一透镜(110)包括至少一个棱镜和/或光栅。
29.按照以上权利要求中任何一个的系统，其特征是，第二透镜(108)包括柱面透镜。
30.一种用于分析可被分析材料的测量条，其特征是，测量条(100)包括至少一个测量模块(18)；每个测量模块(18)包括色散装置(110，234，236)，用于色散该光源(10)产生的光到可被分析运动平面材料(102)的表面上的几个光谱；每个测量模块(18)包括收集装置(108，238)，用于收集从可被分析运动平面材料(102)表面上反射的光谱；和每个测量模块(18)包括引导装置(112，14，226，142)，用于引导被收集的光谱进入光谱照相机(16)。
31.按照权利要求30的测量条，其特征是，每个测量模块(18)包括第一连接(240，244)，利用第一连接(240，244)，光源(10)产生的光被引导进入每个测量模块；色散装置(234，236)，用于色散该光源产生的光到可被分析材料(102)的表面上沿第一方向和第二方向的重叠光谱，其中利用色散通过每个测量模块的光，可以覆盖被分析的特定部分区域；收集装置(238)，用于收集从可被分析材料表面上反射到每个测量模块中包含的透镜焦点上的光谱；和第二连接(242)，至少一条光纤(26)连接到第二连接(242)，它安排成连接测量模块到光谱照相机(16)，用于引导该焦点上收集的光谱进入光谱照相机(16)。
32.按照权利要求30的测量条，其特征是，每个测量模块(18)包括至少一个第一透镜(110)，利用第一透镜(110)，光源(10)产生的光被色散成可被分析材料(102)表面上的光谱；至少一个第二透镜(108)，利用第二透镜(108)，从可被分析材料表面上反射的光谱被收集成一条直线，该条直线包含反射到可被分析材料(102)表面上的各种波长；和至少一束光纤(112)，其中每条光纤安排成收集部分的反射光。
33.按照权利要求30的测量条，其特征是，每个测量模块(18)包括第一连接(114)，第一连接(114)安排成接收和/或中继光源(10)产生的光，该光是通过光纤(12)被中继的；每个测量模块(18)包括第一透镜(110)，利用第一透镜(110)，光源(10)产生的光被色散成可被分析材料(102)表面上的光谱，其中利用色散通过每个测量模块(18)的第一透镜(110)中的光，可以覆盖被分析的特定部分区域；每个测量模块(18)包括第二透镜(108)，利用第二透镜(108)，从可被分析材料(102)上反射的光谱被收集成一条直线，该条直线包含反射到每个测量模块(18)覆盖的可被分析材料(102)区域表面上的各种波长；每个测量模块(18)包括包含一束光纤的第二连接(112)，其中每条光纤安排成收集部分的反射光；和光纤(14)连接到第二连接(112)，它安排成连接该束光纤到光谱照相机(16)。
34.按照以上权利要求中任何一个的测量条，其特征是，测量条(100)安排成可移动的。
35.按照以上权利要求中任何一个的测量条，其特征是，测量条(100)安排在可被分析材料之上。
36.按照以上权利要求中任何一个的测量条，其特征是，测量模块(18)包括用于定位色散装置(110)到侧边的装置，其中可以直接照明可被分析材料，用于测量来自可被分析材料参考点的参考光谱。
37.按照以上权利要求中任何一个的测量条，其特征是，测量模块(18)包括第一取向装置，利用第一取向装置，第一透镜(110)被取向成色散该光源(10)产生的光到可被分析材料(102)指定区域上的光谱。
38.按照以上权利要求中任何一个的测量条，其特征是，测量模块(18)包括第二取向装置，利用第二取向装置，第二透镜(110)被取向成收集从可被分析材料(102)指定区域上反射的光谱。
39.按照以上权利要求中任何一个的测量条，其特征是，第一透镜(110)包括至少一个棱镜和/或光栅。
40.按照以上权利要求中任何一个的测量条，其特征是，第二透镜(108)包括柱面透镜。
41.一种用于分析可被分析材料的测量模块，其特征是，测量模块(18)包括色散装置(110，234，236)，用于色散该光源(10)产生的光到可被分析运动平面材料(102)上的几个光谱；收集装置(108，238)，用于收集从可被分析运动平面材料(102)表面上反射的光谱；和引导装置(112，14，226，142)，用于引导被收集的光谱进入光谱照相机(16)。
42.按照权利要求41的测量模块，其特征是，测量模块(18)包括第一连接(240，244)，利用第一连接(240，244)，光源(10)产生的光被引导进入每个测量模块；色散装置(234，236)，用于色散该光源产生的光到可被分析材料(102)的表面上沿第一方向和第二方向的重叠光谱，其中利用色散通过每个测量模块的光，可以覆盖被分析的特定部分区域；收集装置(238)，用于收集从可被分析材料表面上反射到每个测量模块中包含的透镜焦点上的光谱；和第二连接(242)，至少一条光纤(26)连接到第二连接(242)，它安排成连接测量模块到光谱照相机(16)，用于引导该焦点上收集的光谱进入光谱照相机(16)。
43.按照权利要求41的测量模块，其特征是，测量模块(18)包括第一透镜(110)，利用第一透镜(110)，光源(10)产生的光被色散成可被分析材料(102)表面上的光谱；第二透镜(108)，利用第二透镜(108)，从可被分析材料表面上反射的光谱被收集成一条直线，该条直线包含反射到可被分析材料(102)表面上的各种波长；和一束光纤(112)，其中每条光纤安排成收集部分的反射光。
44.按照权利要求41的测量模块，其特征是，测量模块(18)包括第一连接(114)，第一连接(114)安排成接收和/或中继该光源(10)产生的光，该光是通过光纤(12)被中继的；第一透镜(110)，利用第一透镜(110)，光源(10)产生的光被色散成可被分析材料(102)表面上的光谱，其中利用色散通过第一透镜(110)中的光，可以覆盖被分析的特定部分区域；第二透镜(108)，利用第二透镜(108)，从可被分析材料(102)反射的光谱被收集成一条直线，该条直线包含反射到测量模块(18)覆盖的可被分析材料(102)区域表面上的各种波长；包含一束光纤的第二连接(112)，其中每条光纤安排成收集部分的反射光；和光纤(14)连接到第二连接(112)，它安排成连接该束光纤到光谱照相机(16)。
45.按照以上权利要求中任何一个的测量模块，其特征是，测量模块(18)包括用于定位色散装置(110)到侧边的装置，其中可以直接照明可被分析材料，用于测量来自可被分析材料参考点的参考光谱。
46.按照以上权利要求中任何一个的测量模块，其特征是，测量模块(18)包括第一取向装置，利用第一取向装置，第一透镜(110)被取向成色散该光源(10)产生的光到可被分析材料(102)指定区域上的光谱。
47.按照以上权利要求中任何一个的测量模块，其特征是，测量模块(18)包括第二取向装置，利用第二取向装置，第二透镜(110)被取向成收集从可被分析材料(102)指定区域反射的光谱。
48.按照以上权利要求中任何一个的测量模块，其特征是，第一透镜(110)包括至少一个棱镜和/或光栅。
49.按照以上权利要求中任何一个的测量模块，其特征是，第二透镜(108)包括柱面透镜。
全文摘要
一种用于根据波长编码可被分析材料中位置的方法。在按照本发明的方法中，光源产生的光被色散成可被分析运动平面材料表面上的几个光谱，收集从可被分析运动平面材料表面上反射的光谱，收集的光谱被引导进入光谱照相机，比较被引导进入光谱照相机的光谱与预定的参考光谱，在比较的基础上，确定可被分析材料中一个或多个偏差的位置。
文档编号G01N33/00GK1942756SQ200580011639
公开日2007年4月4日 申请日期2005年2月28日 优先权日2004年2月27日
发明者卡加·苏德霍姆, 瑞斯托·瑞塔拉, 塔皮欧·卡斯基 申请人:塔米耶有限公司