透明基质的光学质量分析方法和装置的制作方法

专利名称：透明基质的光学质量分析方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及透明基质的光学质量分析装置，使得尤其是可能检测或者在该基质的表面上或者在其主体内存在的变形的光学缺陷。
背景技术：
透明基质的光学缺陷是由当这些基质在使用状况中、例如在汽车玻璃、建筑玻璃、等离子体或LCD显示屏……中时产生的光学变形来表征的。在生产线末尾处这些基质中的光学缺陷检测，虽然从质量控制的观点这能被证实是有效的，该检测通常是很昂贵的，因为检测实施在准备发货的最终产品上。显然优选尽可能快地，也就是说将用于实现最终产品的基质形成时，检测这些缺陷。由于通常利用拉或挤工艺生产这些基质以便将其生产成连续带状，这需要在生产线上在连续带上布置与该工具适配的检验工具，用于彻底的检验并且不需要修改生产线。在通过拉形成的浮法玻璃的情况下，产生光学变形的缺陷出现在一单个方向中，平行于片材的边缘，并对应于成型工艺的特征(signature)。这些缺陷的强度根据成形工艺的质量或多或少是重要的。一般用来检测和评价缺陷的技术通常在于:
一或者，通过使用在线阴影照相(omtooscopie)技术可视地观察缺陷，借助大功率点光源照亮片材，并且在穿过基质透射后将光通量聚集到屏幕上。该图像的可视分析大多数时间可以检测具有大梯度的缺陷，也就是说，狭小而强烈的缺陷，它们提供可观察的足够对比度的图像，而不提供这些缺陷强度的详细信息。因此抽样是必需的；
一或者，规律地提取大尺寸玻璃样品并离线地可视分析；
一或者，提取可以借助适当测量设备进行测量的小样品。这些检验技术不是非常有效，不彻底，不精确，涉及许多操作者且尤其是不利地影响生产成本。在缺陷强度一般或小的情况下，这些技术不是非常有效。所测量的强度很少地可检查。另外，在商业上存在透明基质检验技术，其可以通过基于在遍及基质地观察规律标尺在透射方面的测量来检测光学缺陷。文件US 6 509 967描述了一种用于基于对在透射方面观察的二维标尺的变形进行分析来检测光学缺陷的方法。有缺陷时，标尺图像变形，图像的许多点的变形被测量，用来从中推断，在在前的校准以后，沿两个方向的光学功率，其值代表所述缺陷存在或不存在以及大小。该文件强调标尺相对于负责获取透射图像的照相机的精心耦合。每个标尺的线必须与照相机的像素的线的整数精确对应。但是，该美国专利的方法要求知道或适配标尺(其尺寸、其形状和其位置)和照相机(像素数目、距标尺的距离……)的特征，用以保证标尺图案与照相机像素适当地对齐。这样的对齐是限制的，并且在 工业环境中很少是可能的(标尺的差的规则性、标尺一天内随温度变化膨胀、地面振动……)。
文件US 6 208 412提供另一测量方法，其中在透射方面观察一维标尺。上述文件的测量装置使用用来在总是基本大于待测量玻璃板的尺寸(通常2 X 3m)的大屏幕上产生形成的标尺的聚光灯、随时间可变化的一维周期性图案、以及还有穿过待分析的玻璃板显示标尺的矩阵照相机。标尺必须具有累进的灰色色度，即标尺不必具有敏锐的局部对比度。后面的文件中描述的装置，虽然在试验室中或者在用于通过提取样本质量控制的生产线的边缘上可能令人满意，但是在应当在没有短暂停止玻璃的可能性下彻底的检验的框架下，不能被用于在连续运行的带子上的在线检验。聚光灯和大屏幕在工业线上的合并还是很少地是可能的或希望的，因为没有空间。另外，由聚光灯产生的图像通常是不太明亮的。因此通过大的盖罩和通过甚至将地面涂黑保护屏幕防干扰环境光。最后，所述的测量方法是公知的“相移(phase-shifting)”方法，其在停止玻璃板的情况下在于，连续投射多个(通常是4个)在空间上偏移的标尺，以及在于为每个标尺位置获取图像。该系列的获取因此非常消耗时间并此外延长在其期间玻璃板停止的时间。该运行方式与在持续移动的基质上的测量是不兼容的。因此，在US 6 208 412中描述的装置和其测量过程与在工业线上对由彻底检验限制的持续移动的连续基质的测量不兼容。因此给予申请人设计透明基质光学质量分析装置的任务，该装置没有上述技术缺点，并且可以以容易、精确和可重复的方式在透射方面检测和量化该基质的缺陷，同时仍满足用于在固定或移动的基质上在玻璃的全部长度上检验玻璃而在工业线上的实施的所有约束，并尤其是减少在生产线上玻璃一致性检验的成本。创新的该装置还必须可以使用导致优化分析时间的测量方法。

发明内容
为此，本发明的一个目标是基质的透明表面的分析装置，其包括面对待测量基质的表面形成在支撑件上的标尺，用于获得由所测量的基质变形的标尺的至少一个图像的照相机，标尺照明系统，以及连接到照相机的图像处理/数字分析部件，其特征在于，支撑件具有小的和大的伸展的长方形形状，标尺是单方向的并由沿支撑件的较小伸展延伸的图案构成，第一图案横向于小的伸展是周期性的；以及，照相机是线性的并被定位用于沿支撑件的大的伸展获得标尺通过基质的透射的线性图像。根据特别实施方式，装置包括一个或多个下面的特点，单独地或按照任何可能的技术组合选取:
一支撑件的大的伸展和支撑件的小的伸展之比例如等于或大于10，优选等于或大于
20 ；
一图案包括至少一个沿支撑件的小的伸展具有在0.1mm和5cm之间、优选在Imm和2_之间的宽度的线；
一图案由浅淡和深重的线的交替连续构成；
一标尺的支撑件由通过照明系统背光的板构成；
一支撑件在其面对待测量玻璃板的面上是半透明的和漫射的，例如白色塑料片材； 一照明系统由大量光电二极管形成；一基质布置在标尺和照相机之间，用于测量透射；
一标尺的支撑件被安装以便相对于基质垂直于基质在其中运行的平面移动；
一装置包括升高/降低机械系统，用于相对基质更远离或更靠近地移动标尺的支撑件，而仍保持由照相机捕获的标尺图像的足够的清晰度；
一装置包括存储器，在存储器中记录合适的程序，用于:
借助线性照相机获得被照亮的标尺的线性透射图像，基质或标尺沿与缺陷方向和标尺线平行的单一运行方向相对彼此移动，
(I)获取线性图像的像素行，其沿着标尺的大的伸展而得到，而不相对标尺移动照相
机，
(2)对获取的像素行做数字处理，以便对每个像素行计算表示基质对由基质透射的光的效果的量，例如每个像素的光学功率；
(3)在存储器中 存储对于行的每个像素的该量的值并显示像素行的图像，其中每个像素的颜色表示其量；
周期性重复获取/处理/显示(I) (2) (3)循环多次并堆叠像素行图像，以便重构基质的一部分的图像；和
通过数字处理分析重构图像，以从中推断缺陷的位置并量化它们的严重性。
一行获取周期大于每个行的获取时间，例如0.1秒或更长；
一在每个步骤(2)后显示每个行，以使基质的一部分的重构图像模拟将与缺陷二维图形的实时显示对应的连续运行效果；
一基质是连续的玻璃带。线形照相机包括单一视频传感器，其作为输出信号输送单一像素行。传感器包括由多个与输出信号的相应像素对应的并列敏感元件组成的单一接收器，敏感元件在单一行上对齐。线形照相机体积小并实现快速获取。与线形照相机的使用相配的标尺的支撑件的长方形形状可以非常有利地减小标尺占据的区域并因此限制装置在生产线上所需的空间。标尺的图案的大小和标尺、玻璃以及照相机的位置显然是适应于每种测量的，该装置可以适于检验几厘米宽的样品，诸如检验持续运行的几米宽的玻璃带。在该后一情况中，组合多个照相机/标尺系统，用以覆盖待分析带的整个宽度。对于更小的基质，支撑件的大的伸展可以对应于待测量基质的宽度。支撑件的大的伸展和支撑件的小的伸展之比例如等于或大于10，优选等于或大于20。也已知的是，用术语光学放大表示的由布置在透射观察基质一侧的固定观察者感受到的变形随基质与从光学上讲充当对象的标尺之间的距离而变化。应指出的是，光学功率以已知的方式定义为如果被定位在缺陷位置则给出与观察者感受到的相同的放大率的等效光学透镜的焦距的倒数。因此，为了适应装置的敏感度，即为了提高或减小给出的光学缺陷的变形效果，可以修改在标尺与该缺陷、和从而基质之间的距离。该效果可以借助升高和降低机械系统实现，其更远离或更靠近基质地移动标尺，而仍然保持照相机捕获的标尺的图像的足够的清晰度。由于装置不要求照相机在标尺上精确的深度聚焦，所以可以通过将标尺基质距离提高到大约2倍而容易地使该装置的敏感度加倍。因此可以不实施另外的光学调节地而快速地重新配置装置，以便适于由不同光学功率表征的新的缺陷范围。根据一特征，标尺的图案由浅淡和深重的、优选强烈对比(例如白色和黑色线)和分别等长的线的交替连续构成。形成各个图案的线的宽度实际上适应于测量和缺陷宽度条件。因此线的宽度可以在0.1mm和IOmm之间，优选在Imm和2mm之间。另外，如果照明系统例如通过背光直接与标尺相关联，则标尺的支撑板不能超过5cm宽，因此相比于现有的一个明显减小用于安装本发明装置的尺寸。对于背光板，在其面对待测量基质的面上，板是半透明的和漫射的。这例如是白色塑料片材。这也可以是其上印刷标尺的透明基质。在此情况下，与照明相关联的第二半透明板提供标尺的近似均匀的背光需要的光底，尽管该均匀性不是紧要的。有利地，且在背光的情况下特别地，照明系统由多个发光二极管形成。该照明可以在时间上合理地被调制强度，用以例如提高其寿命或者用于适应相对吸收的基质的透射。为了进行透射的测量，基质定位在标尺和照相机之间。本发明还涉及用于借助于装置分析基质的透明的或反射的表面的方法，所述装置包括形成在有小的和大的伸展的长方形形状的支撑件上的标尺，用于获得由被测量的基质变形的标尺的至少一个图像的照相机，标尺照明系统，以及连接到照相机的图像处理/数字分析部件，该方法包括的步骤:
一借助线性照相机获得被照亮的标尺的透射的线性图像，基质或标尺沿与缺陷方向和标尺的线平行的单一运行方向相对彼此移动；
-(O获取沿标尺的大的伸展得到的线性图像的像素行，而不相对标尺移动照相机；-(2)对获取的像素行做数字处理，以便对每个像素行计算表示基质对由基质透射的光的效果的量，例如每个像素的光学功率；
-(3)在存储器中存储对于行的每个像素的该量的值并显示像素行的图像，其中每个像素的颜色表示该量；
一周期性多次重复获取/处理/显示(I) (2) (3)的循环，并堆叠像素行的图像，以便重构基质的一部分的图像；
一通过数字处理分析重构图像，以从中推断缺陷的位置并量化它们的严重性。根据特定实施方式，本方法还具有一个或多个下面的特点，单独地或在技术地任何可能组合地:
-在每个步骤(2)后显示每个线，以使基质的一部分的重构图像模拟与缺陷二维图形的实时显示对应的连续运行效果；
一基质是连续的玻璃带；
一线获取周期大于每个行的获取时间，例如0.1秒或更多。每个线的成像速率随从于基质相对于标尺的相对位移的速率，以防止在运行方向中一个像素行到下一像素行的图像的任何重叠。为了节约时间，可以接受线的获取时间比其处理时间短，这具有的效果是不记录已知的基质断裂。分析仅涉及秒数量级的时间的在照相机下通过的缺陷，而通常秒的十分之一的时间在照相机下通过的点缺陷仅以随机方式被检测。以此方式，借助于根据本发明的装置和方法，可以对基质上规律间隔的线的表示样品进行快速和可靠的检验。整个基质因此能被快速检验，即使线之间的空间不被检验。如果分析的线之间的空间也应该需要检验的，将会有利的是，通过在下游放置一个或多个同样的装置来增加装置，完全同步用于分析基质的不同部分，即由其它装置分析的线之间的空间，所有装置优选在获取图像的相同周期上是同步的。每个线的数字处理以已知的方式进行。这涉及例如提取通过借助线性照相机获取的像素行的局部相位，以及从中推断相位变化，用以推断缺陷位置以及通过测量标尺线的变形量化缺陷，其中由于光学计算模型，从标尺线的变形可以得出变形的大小或者代表缺陷的光学功率。要指出的是，利用已知的方法以及傅立叶变换，相位提取的数字处理可以实现。可见根据本发明的方法在不修改工业线的情况下在工业线上给出满意的结果，使得成本降低以及允许比现有技术更快的检验。本发明的装置和实施方法可应用于透明基质，如单片或层状、平的或弯的、任何尺寸不同用途(建筑物、汽车、航空、铁路)的玻璃板。特别地，装置和方法可以有利的方式应用于浮动线上的平玻璃的条。它们也可以应用于用于建筑物应用的平玻璃板或应用于用于电子应用(等离子体或LCD屏幕，……)的特定玻璃板以及应用于任何其它透明基质。


现在将借助本发明范围的非限制性纯粹说明性示例并基于附图描述本发明，其中: 一图1示出用于透射测量的根据本发明的分析装置的示意性剖视 一图2示出根据本发明的标尺的示例；以及 一图3示出基质重构图像，使其中央显出缺陷。图1和2不比按比例绘出，以便使得更容易地对其进行观察。
具体实施例方式当支撑板11是半透明的时，如白色塑料片材，照明系统4可以是背光系统。优选地，照明系统4于是由许多定位在半透明支撑板后面的发光二极管构成。作为变型，当支撑板11不透明时，照明系统4由布置在标尺前部上的光源形成，例如用于照亮标尺的支撑板的前面的定向斑点。照相机3是线性照相机；其产生图像帧，所述图像帧通过数字处理用前面的帧堆叠，用于形成移动的基质的总二维图像。如将看出的，由于标尺比基质小，基质2或标尺能够相对彼此移动，以保证在整个基质上的图像获得的所需的数量。照相机对于每个图像获取被触发所利用的频率随动于位移速度。照相机被定位在适合的距离d处，以便于显示基质的整个伸展或部分，其横向于基质或标尺的位移方向。因此，如果位移在水平面中，则照相机竖直地放置。照相机3可以相对于竖直具有适合工业线上的植入条件的角度。标尺10，如图2中所示，形成在长方形形状的支撑件11上。标尺是单方向的并由图案IOa组成。根据本发明的标尺具有相比于待测量的基质小的小伸展。例如对于测量0.80m宽的连续基质，标尺在5cmxl.m上延伸。标尺的图案IOa沿支撑件的较小的伸展，横向于小的伸展是周期性的，即沿支撑件的长的伸展是周期性的。图案IOa由明显形成对比的浅淡和深重的线的交替连续组成。处理/计算部件5连接至照相机，用以在连续图像获取后进行数学处理和分析。图3示出照相机记录的图像，标尺的图像在一个方向上由于缺陷的存在而变形。装置的实施在于:
一借助照相机获得被照亮的标尺的透射的线性图像，基质或标尺沿与缺陷的方向和标尺线平行的单一运行方向相对彼此移动，
-(I)获取沿标尺的大的伸展而得到的线性图像的像素行，而不相对标尺移动照相机，-(2)对获取的像素行做数字处理，以便对每个像素行计算表示基质对由基质透射的光的效果的量，例如每个像素的光学功率；
-(3)显示像素行的图像，其中每个像素行的颜色表示像素的光学功率；
一周期性重复获取/处理/显示(I) (2) (3)循环多次并堆叠像素行的图像，以便通过模拟与缺陷二维图形的实时显示对应的连续运行效果，重构基质的一部分的图像；和一通过数字处理分析重构图像，以从中推断缺陷的位置并量化它们的严重性。当基质运行通过标尺时一系列η个像素行的获取可以通过行的简单的堆叠重构二维的单一图像。申请人表明的是，该类型标尺尤其由于其有限的尺度和其在检测用装置获得的连续带上的缺陷方面的性能而是有利的。可对每根获得的线计算光学缺陷强度。用该方法，不必知道在前的线的状态，也不必知道接着的线的状态。然而，为了分析缺陷的严重性，必需看其整体以及因此使用由多个线构成的图像(缺陷可能持续几分钟，或者甚至几小时)。每个线因此被“转换”成光学功率以及该光学功率的二维图形经历图像处理用以分析缺陷的严重性。总之，线经历信号处理，图形经历图像处理，这尤其是有利的。最简单的图像处理是简单阈值处理操作。标尺是空间上周期性的信号。数学分析在于，在照相机的像素处，以已知的方式通过其以2 π为模的局部相位描述该信号的特征，并且因此定义在透射方面看二维图像的(与所有像素对应的)相位的二维图形，称作相图。以2 π为模的相图的该提取可以通过随后的公知的傅立叶变换分析技术得到。该文献中广泛描述该方法。它因此可以划分成:
一获取被样品变形的标尺的线性图像；
一计算像素行的傅立叶变换(一维变换);
-自动搜索标尺的基础频率fo的特征峰值；
一借助该基础频率fo的高斯带通滤波器或其它这样的滤波器进行带通滤波。该滤波的效果是消除标尺图像的连续背景和标尺的信号谐波；
一偏移经fo滤波的频谱，用以将图像标尺的特征峰值置于O频率。该偏移隐藏了标尺的栅格线，使得只有标尺的变形继续存在；
一逐像素列地计算图像的反傅立叶变化。得到的图像仅显示变形。该图像是包括实部R和虚部I的复合图像； 一计算图像的以2 π为模的在像素处的局部相位。该相位通过逐像素地计算arctgd/R)的值得到。一旦对每个像素进行了图像的以2 π为模的相位的计算步骤，由此轻易地推断出相位的衍生图形，也叫梯度图。图像的相位梯度的该计算通过相位的简单差分逐像素地得至|J，容易地消除2π相位跳跃。该机算可以在获取每个线之后或否则在一组线上进行。在从由照相机捕获的线性图像系列推断出完整重构图像的相图之后，于是可以借助光学计算模型将图像的每个点处的相位的衍生与引起这些局部相位变化的玻璃板缺陷的光学功率Pi连接，所述光学计算模型可以从该相位的衍生计算光学功率Pi。通过确定光学功率以及将其与阈值比较可以量化缺陷。作为变型，相位衍生更确切地将能够与局部校准宽度比较，这将提供也代表缺陷的大小的变形宽度。通过缺陷的量化因此可以直接在生产线上确定基质的光学质量。因此，根据本发明的基质分析方法在于:
一借助线性照相机捕获在所述基质上的窄小单一标尺图案的透射的一系列线性图像，而不需要如现有技术中那样标尺相对于照相机的精心耦合或者聚光灯和大屏幕的的使用；
一通过数字处理提取局部相位、计算这些相位的衍生以及通过数学计算推断缺陷强度分布图(优选使用光学功率计算和其与阈值的比较);
一在屏幕上竖直堆叠这些分布图，用以逐行地重构基质缺陷图形的图像；
一进行该图形的分析，以便通过使用通常的图像处理技术，如边缘检测或动态阈值处理，其中自动检测位于容许界限以外的缺陷的存在。最后，所提出的测量装置许可在存在于工业线上的基质的整个长度上的检验，而不对基质取样，不停止或减速基质，不修改其在运输系统上的位置，并且不使用连续标尺投射系统，没有任何光学或机械控制约束。相比于明显小于现有的一个的标尺的尺寸，该装置使用小的区域；典型地，本发明的标尺的支撑板是I米长乘5cm宽。
权利要求
1.质(2)的透明表面的分析装置(1)，包括:标尺(10)，其面对待测量的基质的表面形成在支撑件(11)上；照相机(3)，用于捕获由被测量的基质变形的标尺的至少一个图像；标尺照明系统(4);以及连接到照相机(3)的图像处理/数字分析部件(5)，其特征在于，支撑件(11)具有小的和大的伸展的长方形形状，标尺是单方向的并由沿支撑件的小伸展延伸的图案(10)构成，图案(10)横向于小的伸展是周期性的；以及，照相机是线性的并被定位用于沿支撑件(11)的大的伸展获得标尺通过基质的透射的线性图像。
2.根据权利要求1所述的装置(1)，其中，支撑件(11)的大的伸展和支撑件(11)的小的伸展之比例如等于或大于10，优选等于或大于20。
3.根据权利要求1或2所述的装置(1)，其中，图案(10)包括至少一个沿支撑件(11)的小的伸展具有在0.1mm和5cm之间、优选在Imm和2mm之间的宽度的线。
4.根据上述权利要求中任一项所述的装置(1)，其中，图案由浅淡和深重的线的交替连续构成。
5.根据上述权利要求中任一项所述的装置(1)，其中，标尺的支撑件(11)由通过照明系统(4)背光的板构成。
6.根据权利要求5所述的装置(I)，其中，支撑件(11)在其面对待测量的玻璃板的面上是半透明的和漫射的，例如是白色塑料片材。
7.根据上述权利要求中任一项所述的装置(I)，其中，基质(2)放置在标尺(10)和照相机(3)之间，用于测量透射。
8.根据上述权利要求中任一项所述的装置(1)，其中，标尺(10)的支撑件(11)被安装以相对于基质(2 )垂直于基质(2 )在其中运行的平面移动。
9.根据权利要求8所述的装置(I)，包括升高/降低机械系统，用于更远离或靠近于基质地移动标尺的支撑件，而仍保持由照相机捕获的标尺的图像的足够的清晰度。
10.根据上述权利要求中任一项所述的装置(I)，包括存储器，在存储器中记录合适的程序，用于: 一借助线性照相机获得被照亮的标尺的透射的线性图像，基质或标尺沿与缺陷方向和标尺的线平行的单一运行方向相对彼此移动， -(I)获取沿标尺的大的伸展得到的线性图像的像素行，而不相对标尺移动照相机， —(2)对获取的像素行做数字处理，以便对于每个像素行计算表示基质对由基质透射的光的效果的量，例如每个像素的光学功率； -(3)在存储器中存储对于行的每个像素的该量的值并显示像素行的图像，其中每个像素的颜色表示该量； 一周期性多次重复获取/处理/显示(I) (2) (3)的循环，并堆叠像素行的图像，以便重构基质的一部分的图像；和 一通过数字处理分析重构图像，以从总推断缺陷的位置并量化它们的严重性。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，行获取周期大于每个行的获取时间，例如0.1秒或更长。
12.助于装置分析基质(2)的透明的或反射的表面的方法，所述装置包括形成在有小的和大的伸展的长方形形状的支撑件(11)上的标尺(10)，用于获得由被测量的基质变形的标尺的至少一个图像的线性照相机(3)，标尺照明系统(4)，以及连接到照相机(3)的图像处理/数字分析部件(5)，所述方法包括步骤: 一借助线性照相机获得被照亮的标尺的透射的线性图像，基质或标尺沿与缺陷的方向和标尺的线平行的单一运行方向相对彼此移动； -(O获取沿标尺的大的伸展得到的线性图像的像素行，而不相对标尺移动照相机；-(2)对获取的像素行做数字处理，以便对于每个像素行计算表示基质对由基质透射的光的效果的量，例如每个像素的光学功率； -(3)在存储器中存储对于行的每个像素的该量的值并显示像素行的图像，其中每个像素的颜色表示该量； 一周期性多次重复获取/处理/显示(I) (2) (3)的循环，并堆叠像素行的图像，以便重构基质的一部分的图像；和 一通过数字处理分析重构图像，以从中推断缺陷的位置并量化它们的严重性。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，在每个步骤(2)之后每个行被显示，以便基质的一部分的重构图像模拟与缺陷二维图形的实时显示对应的连续运行效果。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，基质是连续玻璃带。
全文摘要
用于分析基质(2)的透明表面的该装置(1)，包括面对待测量的基质表面布置的标尺(10)，标尺形成在有小的和大的伸展的支撑件(11)上。照相机(3)被设置用于得到由被测量的基质变形的标尺的至少一个图像。标尺照明系统(4)和用于处理图像以及数字分析的部件(5)连接到照相机(3)。支撑件(11)是长方形的，标尺是单方向的并由沿支撑件的最小伸展延伸的图案(10)构成。图案(10)横向于小的伸展是周期性的，以及照相机是线性的。
文档编号G01N21/958GK103097879SQ201180017405
公开日2013年5月8日 申请日期2011年3月28日 优先权日2010年4月1日
发明者M.皮雄, F.达韦纳 申请人:法国圣戈班玻璃厂