專利名稱:利用光譜照相機檢測材料中的偏差的制作方法
技術領域:
本發明涉及利用觀察法分析不同的材料,具體地說,本發明涉及根據波長指出可被分析材料中偏差的方法,系統和測量條。
背景技術:
質量控制和實時監測是工業生產中非常重要的部分。例如,特別復雜的情況是生產紙張和一些其他的材料,其中制成的材料輥在某些點以極高的速度轉動以形成筒狀產品。質量控制和實時監測的目的是實現盡可能高的生產水平,與此同時,試圖制造的產品或材料有盡可能高的質量和一致。
例如,多年以來,人們開發了許多不同類型的方法,用于指出快速運動的卷筒紙中的缺陷。第一種缺陷指示器是機電類型裝置,例如,它是基于輕擦紙張表面和金屬輥的金屬刷,在卷筒紙的開孔點給出缺陷報警信號。在此之后,改變成利用基于光電現象和激光器的裝置。
人們發現光學方法是非常有效的,特別是對于快速運動的材料,例如,在分析卷筒紙時。光學方法有多個優點。分析可以在不接觸可被分析材料的情況下進行。此外,測量過程中出現的時滯非常小。在現有技術的方案中,我們知道大量光學分析的方法。
最新的缺陷指示器利用觀察法,例如,數字CCD照相機(CCD,電荷耦合器件),它對卷筒紙拍攝照片。在拍攝時,通常是并行地使用幾個照相機以得到合適的分辨率。觀察法能夠對各種類型的缺陷進行分類。在卷筒紙中不再需要一個開孔,這是金屬刷通過這個開孔可以接觸它的相對面,例如,缺陷可以是被分析紙張或其他材料表面上的不同顏色(暗度差),條紋或垃圾。
上述的觀察法可以在可見光波段中實施,而可見光通常是380nm至780nm的波長。在觀察法中,可以監測部分的可被分析材料(例如,部分的運動卷筒紙)或整個材料(例如,整個長度的運動卷筒紙)。不同的觀察法有一個共同點,這些方法試圖直觀地識別可觀察的偏差以及造成這些偏差的原因。
根據現有技術的方案,我們知道一組光學方法是基于利用來自可被分析材料的光譜數據。例如,在這些方法中,測量從可被分析材料上反射光中所含的波長以確定不同的質量參數。
現有技術的方案有許多缺點。若可被分析材料的尺寸非常大,例如,寬度可達10米的運動卷筒紙,則實際上需要使用多個照相機以得到理想的分辨率。另一個問題是,現有方案的速度不適合于準確地分析高速運動的卷筒紙。
使用幾個照相機還可能導致其他的問題。若一個照相機停止工作,則在修理好或替換該照相機之前,整個系統就不能運行。此外,使用幾個照相機可以增加結構的復雜性并利用昂貴的監測系統。
在現有技術的方案中拍攝照片要求有很大的信息處理容量和大量的照相機。此外,照相機產生用于分析的圖像資料也是龐大的。
此外,在已知的方法和系統中,增加清晰度和計算容量是費力的并需要較大的資金投入。
而且,現有方法和系統的弱點是它們的可靠性和技術維護,其中的原因是存在靈敏的電子元件和計算機。
發明內容
本發明的目的是消除上述的缺點或至少大大減少這些缺點。具體地說,本發明的目的是公開一種新型的方法和系統,其中僅僅使用一個照相機,可以準確地分析靜止或運動的材料。
本發明的特征請參照權利要求書。
本發明涉及一種基于波長編碼的缺陷指示。缺陷是指形成的光譜偏離預定設置值的任何偏差。
本發明涉及一種用于根據波長指出可被分析材料中偏差的方法。在該方法中,光源產生的光被色散成可被分析運動平面材料表面上的幾個光譜,收集從可被分析運動平面材料表面上反射的光譜,收集的光譜被引導進入光譜照相機,比較被引導進入光譜照相機的光譜與預定的參考光譜,和在比較的基礎上,確定可被分析材料中一個或多個偏差的位置。光譜照相機可以是模擬光譜照相機或數字光譜照相機。
在本發明的一個實施例中,光源產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疊光譜,其中第一方向和第二方向是基本上互相垂直的,利用透鏡收集從可被分析材料表面上反射到該透鏡焦點上的光譜,和在該焦點上收集的光譜被至少一條光纖引導進入光譜照相機。在本發明的一個實施例中,光源產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疊光譜,其中沿第一方向和第二方向色散的光譜是由不同的波長區構成。
在本發明的一個實施例中,光源產生的光被第一透鏡色散成可被分析材料表面上的光譜。最好是,光源產生的光被一條光纖引導到第一透鏡。利用第二透鏡收集從可被分析材料上反射的光譜形成一條直線,該條直線包含反射到可被分析材料表面上的各種波長。收集的直線被引導到一束光纖,其中每條光纖收集部分的反射光。每條光纖被引導成光譜照相機中的空間像素,而每個空間像素被色散成一組光譜分量。分析光譜照相機收集的數據,并在光譜照相機中像素的空間分量和光譜分量的基礎上,確定可被分析材料中偏差的位置。
在該方法中,最好使用一組測量模塊,其中每個測量模塊包括包含一束光纖的第二連接,第一透鏡和第二透鏡。最好是,該組測量模塊安排成單獨的測量條。光源產生的光被第一連接引導進入每個測量模塊。在此之后,光源產生的光被第一透鏡色散成可被分析材料表面上的光譜,其中利用色散通過每個測量模塊中第一透鏡的光,可以覆蓋被分析的特定部分區域。相應地,利用每個測量模塊中的第二透鏡收集從可被分析材料表面上反射的光譜形成一條直線,該條直線包含反射到每個測量模塊覆蓋的可被分析材料表面上的各種波長。每條直線被引導到每個測量模塊中第二連接的一束光纖。
在本發明的一個實施例中,該方法使用一組測量模塊,其中每個測量模塊包含所需的光學元件。在這種情況下,在該方法中,光源產生的光被第一連接引導進入每個測量模塊,光源產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疊光譜,其中利用色散通過每個測量模塊的光,可以覆蓋被分析的特定部分區域。利用每個測量模塊中的透鏡收集從可被分析材料表面上反射到該透鏡焦點上的光譜,并利用至少一條光纖,使該焦點上收集的光譜被引導進入光譜照相機。
測量是根據光源進行定標,其中在沒有光源產生的光被色散成至少一個光譜的條件下,直接照明可被分析材料的參考點,收集從可被分析材料的參考點表面上反射的光作為參考光譜,并根據參考光譜確定該光源的光譜分布。
在本發明的一個實施例中,測量是根據光源進行定標,其中光源產生的光被色散成可被分析材料的參考點表面上至少一個光譜,收集從可被分析材料的參考點表面上反射的光作為參考光譜,并根據參考光譜確定該光源的光譜分布。
在本發明的一個實施例中,在新光譜測量的基礎上,平均和/或中值濾波該參考光譜。
本發明還涉及一種用于根據波長編碼可被分析材料中位置的系統。該系統包括可被分析運動平面材料;至少一個光源;至少一個光譜照相機;色散裝置,用于色散該光源產生的光到可被分析運動平面材料表面上的幾個光譜;收集裝置,用于收集從可被分析運動平面材料表面上反射的光譜;引導裝置,用于引導被收集的光譜進入光譜照相機;比較裝置,用于比較被引導進入光譜照相機的光譜與預定的參考光譜;和確定裝置,在比較的基礎上,確定可被分析材料中一個或多個偏差的位置。
在本發明的一個實施例中,該系統包括色散裝置,用于色散該光源產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疊光譜,其中第一方向和第二方向是基本上互相垂直的;收集裝置,用于收集從可被分析材料表面上反射到焦點上的光譜;和至少一條光纖,用于引導被收集的光譜進入光譜照相機。在本發明的一個實施例中,該系統安排成色散該光源產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疊光譜,其中沿第一方向和第二方向色散的光譜是由不同的波長區構成。
在本發明的一個實施例中,該系統包括至少一個第一透鏡,利用第一透鏡,光源產生的光被色散成可被分析材料表面上的光譜;至少一個第二透鏡,利用第二透鏡,收集從可被分析材料反射的光譜形成一條直線,該條直線包含反射到可被分析材料表面上的各種波長;至少一束光纖,其中每條光纖收集部分的反射光;和至少一個光譜照相機,該光譜照相機安排成接收每條光纖作為空間像素,并安排成色散每個空間像素作為一組光譜分量。
此外,該系統包括至少一個數據處理裝置,該裝置安排成分析光譜照相機收集的數據,并在光譜照相機中像素的空間分量和光譜分量的基礎上,確定可被分析材料中被檢測偏差的位置。
在本發明的一個實施例中,該系統包括一組測量模塊。每個測量模塊包括第一連接,第一連接安排成接收該光源產生的光,它通過光纖被中繼。每個測量模塊還包括第一透鏡,利用第一透鏡,光源產生的光被色散成可被分析材料表面上的光譜,其中利用色散通過每個測量模塊中第一透鏡的光,可以覆蓋被分析的特定部分區域。相應地,每個測量模塊還包括第二透鏡,利用第二透鏡,收集從可被分析材料表面上反射的光譜形成一條直線,該條直線包含反射到每個測量模塊覆蓋的可被分析材料的區域表面上的各種波長。此外,每個測量模塊包括包含一束光纖的第二連接,其中每條光纖安排成收集部分的反射光。最好是,該測量模塊是由光纖連接到光譜照相機。
在本發明的一個實施例中,該系統包括一組測量模塊。每個測量模塊包括第一連接,利用第一連接,光源產生的光被引導到每個測量模塊;色散裝置,用于色散該光源產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疊光譜,其中利用色散通過每個測量模塊的光,可以覆蓋被分析的特定部分區域;收集裝置,用于收集從可被分析材料表面上反射到每個測量模塊中包含的透鏡焦點上的光譜;和第二連接,至少一條光纖連接到第二連接,它安排成連接測量模塊到光譜照相機,用于引導該焦點上收集的光譜進入光譜照相機。
在本發明的一個實施例中,該系統包括測量條,測量模塊粘貼到該測量條。在本發明的一個實施例中,該系統還包括用于移動測量條的裝置。
本發明還涉及一種用于分析可被分析材料的測量條。該測量條包括至少一個測量模塊。每個測量模塊包括色散裝置,用于色散該光源產生的光到可被分析運動平面材料表面上的幾個光譜;收集裝置,用于收集從可被分析運動平面材料表面上反射的光譜;和引導裝置,用于引導被收集的光譜進入光譜照相機。
在本發明的一個實施例中,每個測量模塊包括第一連接,利用第一連接,光源產生的光被引導進入每個測量模塊;色散裝置,用于色散該光源產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疊光譜,其中利用色散通過每個測量模塊的光,可以覆蓋被分析的特定部分區域;收集裝置,用于收集從可被分析材料表面上反射到每個測量模塊中包含的透鏡焦點上的光譜;和第二連接,至少一條光纖連接到第二連接,它安排成連接測量模塊到光譜照相機,用于引導該焦點上的光譜進入光譜照相機。
在本發明的一個實施例中,每個測量模塊包括至少一個第一透鏡,利用第一透鏡,光源產生的光被色散成可被分析材料表面上的光譜,其中利用色散通過每個測量模塊中第一透鏡的光,可以覆蓋被分析的特定部分區域。此外,每個測量模塊包括至少一個第二透鏡,利用第二透鏡,收集從可被分析材料表面上反射的光譜形成一條直線,該條直線包含反射到每個測量模塊覆蓋的可被分析材料區域表面上的各種波長。每個測量模塊還包括一束光纖,該束光纖安排成收集部分的反射光。測量條還包括一條光纖,該條光纖安排成連接一束光纖到光譜照相機。
在本發明的一個實施例中,每個測量模塊包括第一連接,第一連接安排成接收該光源產生的光,它通過光纖被中繼;第一透鏡,利用第一透鏡,光源產生的光被色散成可被分析材料表面上的光譜,其中利用色散通過每個測量模塊中第一透鏡的光,可以覆蓋被分析的特定部分區域;第二透鏡,利用第二透鏡,收集從可被分析材料表面上反射的光譜形成一條直線,該條直線包含反射到每個測量模塊覆蓋的可被分析材料區域表面上的各種波長;和包含一束光纖的第二連接,其中每條光纖安排成收集部分的反射光。一條光纖連接到第二連接,該條光纖安排成連接該束光纖到光譜照相機。
在本發明的一個實施例中,測量條安排成可移動的。
在本發明的一個實施例中,測量條安排在可被分析材料之上。
在本發明的一個實施例中,測量模塊包括第一取向裝置,利用第一取向裝置,第一透鏡取向成色散該光源產生的光到可被分析材料表面的要求的區域上的光譜。
在本發明的一個實施例中,測量模塊包括第二取向裝置,利用第二取向裝置,第二透鏡取向成收集從可被分析材料表面的要求的區域上反射的光譜。
在本發明的一個實施例中,測量模塊還包括用于定位色散裝置到側邊的裝置,其中可以直接照明可被分析材料,用于測量來自可被分析材料的參考區的參考光譜。
本發明還涉及一種用于分析可被分析材料的測量模塊。測量模塊包括色散裝置,用于色散該光源產生的光到可被分析運動平面材料表面上的幾個光譜;收集裝置,用于收集從可被分析運動平面材料表面上反射的光譜;和引導裝置,用于引導被收集的光譜進入光譜照相機。
例如,可被分析材料是木材,紙張,織物,金屬或塑料。
在本發明的一個實施例中,測量模塊包括第一連接,利用第一連接,光源產生的光被引導進入每個測量模塊;色散裝置,用于色散該光源產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疊光譜,其中利用色散通過每個測量模塊的光,可以覆蓋被分析的特定部分區域;收集裝置,用于收集從可被分析材料表面反射到每個測量模塊中包含的透鏡焦點上的光譜;和第二連接,至少一條光纖連接到第二連接,它安排成連接測量模塊到光譜照相機,用于引導該焦點上收集的光譜進入光譜照相機。
在本發明的一個實施例中,第一透鏡包括至少一個棱鏡和/或光柵。例如,第一透鏡是所謂的PGP透鏡,它是由兩個棱鏡和夾在中間的光柵構成。例如,第二透鏡是普通的柱面透鏡,利用第二透鏡,反射的光譜被收集到該透鏡的焦點上形成一條直線。
本發明與現有技術比較有許多優點。在光譜照相機存儲數據的基礎上,可以得到非常準確的位置信息,這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,因為在本發明給出的波長編碼原理基礎上,可以確定該位置。
本發明與現有方案比較的具體優點是,利用一個光譜照相機,可以完整地拍攝一個較大的系統,例如,9.6米寬的卷筒紙。
此外,本發明的優點是,它與速度無關。本發明本身的功能在原則上是光的速度,而實際的最大速度取決于光譜照相機的速度。本發明的速度還基于這樣一個事實,僅僅處理一個照相機提供的圖像。
此外,本發明產生的可被分析材料的分辨率是極高的,還可以內插清晰度以使它更加清晰。
因為本發明提供的系統有簡單的結構,與現有技術的系統比較,它在功能上更加可靠和較廉價。
此外,本發明中給出的方案可以容易地適應于可被分析材料的要求,例如,擴展可被分析材料,以及具有可能的移動性。
以下,借助于實施例詳細地描述本發明,其中圖1表示按照本發明的一種方法,圖2表示按照本發明的一種系統,圖3表示按照本發明的一種測量模塊,圖4表示按照本發明引導數據進入光譜照相機的一個例子,圖5表示優選的卷筒紙照明系統,
圖6表示按照本發明用于指出偏差的一個例子,圖7表示按照本發明引導數據進入光譜照相機的另一個例子,圖8表示按照本發明一個實施例把給定的波長區擴展成可被分析材料表面上的光譜,和圖9表示按照本發明一個實施例把給定的波長區擴展成可被分析材料表面上的光譜。
具體實施例方式
圖1表示按照本發明的一種方法。按照步驟120,光源產生的光被色散成可被分析材料表面上的幾個光譜。例如,利用第一透鏡完成色散。例如,第一透鏡是由兩個棱鏡和夾在中間的光柵構成的所謂PGP透鏡。按照步驟122,收集從可被分析材料表面上反射的光譜。例如,收集是利用第二透鏡完成色散。例如,第二透鏡是柱面透鏡。按照步驟124,收集的光譜被引導進入光譜照相機。光譜照相機最好是數字光譜照相機。在步驟126,比較被引導進入光譜照相機的光譜與預定的參考光譜。在步驟128,在比較的基礎上,確定可被分析材料中一個或多個偏差的位置。
圖2表示按照本發明用于根據波長編碼可被分析材料中位置的系統。該系統包括可被分析材料102。在圖2中,可被分析材料是卷筒紙,它以每秒20米的速度向前滾動。當然,可被分析材料也可以是指其他的材料。
在滾動卷筒紙的給定點安排一個測量條100,在圖2中,測量條100是在沿整個長度卷筒紙的卷筒紙之上。在測量條100上粘貼一組測量模塊18,在以下要更詳細地描述測量模塊18。在圖2和圖3中,我們假設測量條100包含16個測量模塊18。
該系統包括產生白光的光源10。利用光纖12使光源10產生的白光提供給測量模塊18。圖2所示的系統使用一個光源。按照這種方法,可以避免有各不相同光源產生白光的問題,這些光源之間略有不同。換句話說,因為僅僅使用一個光源,測量系統的定標是十分簡單。在本發明的其他實施例中,還可以同時使用幾個光源。
測量模塊18通過光纖14連接到光譜照相機16。光譜照相機16的部件連接到一個或多個數據處理裝置106,數據處理裝置106安排成分析光譜照相機16的圖像。最好是,光譜照相機16是數字光譜照相機。光譜照相機16也可以是模擬光譜照相機,其中利用數字化卡,可以從光譜照相機16捕獲數字輸出進入數據處理裝置106。
以下參照圖3和圖4,我們更詳細地解釋按照本發明方法和系統的功能。圖3表示按照本發明測量模塊18的優選實施例。圖4表示引導數據進入光譜照相機的例子。
如以上說明的,利用光纖12使光源10產生的白光被引導到每個測量模塊18中的第一連接104。各個測量模塊18在結構和功能上是完全相同的。在圖3的例子中,測量模塊18的結構是簡單的。它們包括第一連接104,第一透鏡110,第二透鏡108和第二連接112。例如,第一連接104是指一條光纖或一束光纖,它產生的光被擴展成裂縫(chink)。例如,第一透鏡110是指圖3所示的棱鏡-光柵-棱鏡結構(PGP結構)。第二透鏡108通常是普通的柱面透鏡。例如,第二連接是指包含一束光纖的連接。
被引導進入測量模塊18的白光傳輸通過第一透鏡110。第一透鏡110把該白光色散成可被分析材料表面上的光譜。最好是,該光譜包含彩虹中的所有顏色,例如,其波長范圍λ1...λ2是在380nm...780nm。
我們假設,圖2中使用的數字光譜照相機16可以每秒拍攝200個圖像。我們還假設,數字光譜照相機16中使用的圖像有640個空間像素(水平像素)和480個光譜像素(垂直像素)。當考慮到卷筒紙的速度為20m/s時,我們清楚地知道在卷筒紙的運動方向上,照明的卷筒是每個拍攝圖像的100mm部分。利用第一透鏡110,反射到卷筒紙表面上的光譜被反射返回到測量模塊18。第二透鏡108是安排在測量模塊中,它收集反射到透鏡焦點上的光譜形成一條直線,該條直線包含反射到卷筒紙表面上的所有波長。該條直線被引導到一束光纖112。
在圖2,3和4所示的實施例中,每束光纖112包含40條光纖。因此,一條光纖在沿卷筒紙的運動方向上收集來自2.5mm的光(100mm除以光纖的數目)。每個測量模塊18安排在測量條100中,它可以照明600mm區域(圖4中的區域60)的卷筒紙。因此,照明的卷筒紙是600mm×100mm尺寸的區域。這些光纖中的每條光纖被引導成光譜照相機16中的空間像素。此外,每個空間像素被色散成480個光譜分量(像素)。按照這種方式,在卷筒紙的橫向上可以獲得1.25mm的分辨率,和在卷筒紙的運動方向上有2.5mm的分辨率。因為測量條100包含16個測量模塊18,這些測量模塊18包含18束光纖112,它們總共產生16×40=640個空間像素。按照這種方式,一個數字光譜照相機16可以綜合地拍攝整個卷筒紙(寬度9600mm)。在圖5中,更詳細地畫出卷筒紙的照明系統。在600mm×100mm方框內畫出的垂直線代表每個方框內展示的光譜。
數字光譜照相機16連接到數據處理裝置106,在這個例子中,數據處理裝置106是計算機。數據處理裝置106還可以是指其他的裝置或計算機的特定部分,例如,信號處理器。利用計算機,我們可以根據光譜圖像研究一些波長區是否有偏離標準的數值。圖4中畫出在卷筒紙的位置62上發生偏差。被光纖64引導的偏差轉移到光譜照相機。例如,一些波長區反射因子的明顯衰減意味著在卷筒紙的某個位置上有空洞或其他的偏差,該位置被相關的波長照明。在圖4中利用XY描繪儀可以看到在從卷筒紙表面上反射的光譜中有明顯的衰減。
在相對簡單的處理時,卷筒紙中簡單的缺陷指示用于搜索空洞是合適的。例如,在知道被檢查的紙應當有什么類型的反射光譜時,利用相減方法容易檢測到丟失的波長。按照這種方式,處理是非常簡單和快速的,其中所需設備(例如,計算機或信號處理器)的要求也是合理的。
如上所述,本發明最好是在可見光波長中實施。可見光區域是在380nm...780nm的波長范圍內。在這個波長區,反射因子主要是受紙張顏色和增白劑的影響,它與使用的照明光有關。增白劑吸收的能量是在較低(UV)的波長,例如,在300nm...400nm的波長范圍內,而發射的能量是在較長的(藍)波長,例如,在450nm...500nm的波長范圍內。實際的結果是較明亮(淺藍色)的紙張。
在可見光區中也可以利用幾條光纖,因為不需要考慮在較長波長下發生的傳輸衰減。
在圖2和3中,本發明的描述是利用運動卷筒紙作為一個例子。在本發明的其他實施例中,可被分析材料可以是任何其他的材料,例如,木材,織物,金屬或塑料。此外,應當注意,被分析的紙張不必在分析期間是運動的。在本發明的一個實施例中,可被分析材料和測量系統都是靜止的。在本發明的一個實施例中,可被分析材料是靜止的,而測量系統是運動的。雖然在圖2中僅僅畫出一個數據處理裝置,但在本發明的另一個實施例中,如果需要,可以利用幾個數據處理裝置106進行處理。此外,雖然在圖2中僅僅畫出一個數字光譜照相機,但在本發明的另一個實施例中,可以利用兩個或多個照相機。按照這種方式,可以根據需要提高分辨率。
在圖3所示的一個實施例中,測量模塊18包括第一取向裝置,利用第一取向裝置,第一透鏡110取向成色散該光源產生的光到可被分析材料表面的要求的區域上光譜。按照這種方式,可以精細調節照明區的分配。例如,通過放置第一透鏡到指定的位置,或利用專業人員熟知的一些其他裝置,可以實現以上描述的裝置。
在圖3所示的一個實施例中,測量模塊18包括第二取向裝置,利用第二取向裝置,第二透鏡108取向成收集從該材料指定區域上反射的光譜。按照這種方式,可以精細調節收集信息的區域。例如,通過放置第二透鏡到指定的位置,或利用專業人員熟知的一些其他裝置,可以實現以上描述的裝置。
在圖3所示的一個實施例中,測量模塊18還包括用于定位色散裝置到側邊的裝置,其中可以直接照明可被分析材料,用于測量來自可被分析材料參考點的參考光譜。例如,通過機械方式轉向第一透鏡到側邊,或利用專業人員熟知的一些其他裝置,可以實現以上描述的裝置。
測量可以根據光源進行定標,例如,在沒有色散該光源產生的光成至少一個光譜的情況下,可以直接照明可被分析材料的參考點,收集從可被分析材料參考點的表面上反射光中的參考光譜,并根據該參考光譜確定光譜分布。還可以根據光源進行測量定標,其中光源產生的光被色散成可被分析材料參考點的表面上至少一個光譜,收集從可被分析材料參考點的表面上反射光中的參考光譜,并根據該參考光譜確定參考光譜。在新光譜測量的基礎上,可以平均和/或中值濾波確定的參考光譜。在新的實際參考測量基礎上,不必修改參考光譜,而在不同于缺陷情況光譜的基礎上,連續地定時進行修改。
在圖4中畫出用于照明部分卷筒紙的一個方案。圖1所示的一個測量模塊18照明卷筒紙的600mm×100mm部分的。當測量模塊18安排成并排的16個單元時,可以照明整個卷筒紙。在本發明的一個實施例中,測量模塊18可以排成一個測量條,因此,可以同時照明100mm高的幾個行。在這種情況下,兩個重疊的光譜行在沿垂直方向上不必是準確地處在光譜的相同位置。
本發明中給出的測量系統很容易驗證出現缺陷的情況。例如,同時利用兩個數字光譜照相機,光纖14提供的相同光被引導進入這兩個照相機,就可以完成驗證。在一個實施例中,總是使用兩個照相機。在另一個實施例中,第二個照相機僅僅在第一個照相機的工作受到干擾時才開始拍攝圖像。
此處提到的可被分析材料是滾動的卷筒紙,本發明還可用于查找造紙機器中其他部分的缺陷。因為在卷筒紙的情況下,查找卷筒紙中的缺陷是按照以上給出的方法。例如,在卷筒紙橫向上有1.25mm精確度,查找運動卷筒紙中的可能缺陷也是容易實現的。還可以內插精確度,換句話說,確定該缺陷是在兩條直線之間。
利用本發明,可以同時確定造紙機器中導線的邊緣位置。例如,導線是平面的塑料或金屬織物,在其頂部排出卷筒紙的水分,或在干燥紙張時支持卷筒紙。測量條中最外側的測量模塊可以轉向成照明該導線,因此,被測量模塊照明的區域是在導線邊緣上略微延伸。在這種情況下,入射到導線上的光反射到檢測器(第二透鏡),但傳輸經過導線的光造成反射光譜中丟失的波長。換句話說,按照在卷筒紙中查找空洞的相同方法,可以發現導線邊緣的位置。
還應當注意,以上給出的可被分析材料和實際測量可被分析材料的例子僅僅是典型的材料和測量方法。因此,本發明也適用于與以上給出不同的其他材料和尺寸。
在本發明中,使用一個數字光譜照相機可以拍攝整個寬度的滾動卷筒紙。當然,利用多個照相機可以提高分辨率。在數字光譜照相機圖像的基礎上,可以準確地得到沿X方向和Y方向的缺陷位置信息。換句話說,在本發明中,可以根據波長編碼該位置。
本發明可以產生有關可被分析材料質量的重要信息。根據數字光譜照相機的圖像,在分析可被分析材料中的缺陷和缺點時,可以準確地確定可被分析材料的質量,例如,在銷售部門。
圖6表示按照本發明測量模塊218的一個例子。可被分析材料,例如,卷筒紙,是沿兩個方向220和222被照明。從光纖223和228中通過連接240和244得到所需的光。例如,在方向220上,寬度是400mm(橫向),和在方向222上,高度是100mm(機器方向)。可以并排地照明圖6所示的幾個區域,因此,區域的數目取決于卷筒紙的寬度。在這個例子中,照明光的波長在方向220上是變化的,其波長區是λm...λn,而在方向222上的波長區是λn+1...λk。最好是按照這樣的方法選取波長,波長區是各不相同的,例如,λm<λn<λn+1<λk是在450nm至1000nm的波長范圍內。由于照明的矩陣形成在可被分析材料的表面上,其中兩個不同的波長進入該矩陣中的每個單元,因此,相同的組合絕不會發生兩次。
在第一方向220上,光譜是由透鏡204,光柵206和透鏡208產生(在測量模塊218中的部分234)。孔徑202最好是可調節的圓形孔徑,利用該孔徑可以形成點狀光源。相應地,在另一個方向222上,光譜是由透鏡212,光柵214和透鏡216產生(在測量模塊218中的部分236)。孔徑210最好是可調節的圓形孔徑,利用該孔徑可以形成點狀光源。
為了便于分析,利用會聚到焦點的會聚光學元件(230和232)拍攝該區域(測量模塊218中的部分238)。在這個焦點上包含從紙張表面反射的所有波長。該光點被引導通過連接242進入光纖226,利用該光纖,收集從紙張表面反射的光進入光譜照相機的輸入端。利用該照相機,光被色散成幾個光譜分量。通過比較該光譜與整個光譜,在兩個光譜差別的基礎上,可以發現清晰的紙張缺陷。
圖7表示引導數據進入光譜照相機的另一個例子。在圖7所示的例子中,分區照明可被分析材料,因此,在每個區域形成一個矩陣,其中兩個不同的波長進入矩陣中的每個單元,因此,相同的組合絕不會發生兩次。最好是按照這樣的方法選取波長,這兩個波長區是各不相同的,例如,λm<λn<λn+1<λk是在450nm至1000nm的波長范圍內。在圖7所示的例子中,可被分析材料中的位置72上有偏差,它照明的波長是λ1,λ2。如在以上圖中所說明的,利用會聚到焦點的會聚光學元件拍攝區域70,并利用光纖74引導的光點作為光譜照相機的像素。在利用計算機分析光譜照相機的圖像時,任何波長區中任何反射因子的清晰衰減實際上意味著,在卷筒紙的某個位置上有空洞或其他的偏差,相關波長的光照明到該位置上。在圖7中畫出利用XY描繪儀看到從卷筒紙表面上反射的光譜中波長λ1,λ2有明顯的衰減。在衰減波長的基礎上,可以準確地確定可被分析材料中偏差的位置(位置72)。
圖8表示按照本發明一個實施例某個波長區被擴展成可被分析材料的表面上沿第一方向的光譜和可被分析材料的表面上沿第二方向的光譜。在這個例子中,所用的波長變化在x方向上是在700nm...1000nm的范圍內,和在y方向上是在400nm...700nm的范圍內。在這個例子中,照明區的尺寸是0.2m×0.2m。
在圖8中,所示光柵的周期d=955nm,高度=1140nm和光在空氣中的入射角是θair=-16.4℃。它分別產生400nm...700nm和700nm...1000nm的波段,并互相重疊地指向可被分析材料的表面上。在這個例子中,透鏡的焦距f1和f2分別是f1=0.03m和f2=-0.01m。圓形透鏡f1聚焦光譜線到可被分析材料上。柱面透鏡f2擴展各個衍射級次到指定的長度。
孔徑a1是可調節的圓形孔徑,利用該孔徑可以形成點狀光源。例如,通過檢查光譜分布,可以確定該孔徑的最佳尺寸。直線孔徑a2確定照明波長段,而它的準確尺寸取決于光源的特征。通過改變沿z方向的孔徑位置以及通過調節該孔徑的開孔,可以選取合適的照明波段。在這個例子中,直線孔徑a2的寬度是在0.01-0.05m的范圍內。
圖9所示的裝置是與圖8所示的裝置完全相同,它們不同的是,圖9中的波長區是400nm...700nm。在圖8和9中,例如,所用的光源是熱光源時,它產生400nm...1000nm的波段。最好是,光被聚焦到盡可能小的孔徑a1上。在圖8中,φ=51.7°和ψ=23.1°。在圖8中,可以改變直線孔徑a2沿z方向的位置,并可以改變柱面透鏡f2沿z方向的位置。在圖9中,φ=72.9°和ψ=19.3°。
本發明不僅僅局限于上述的實施例,在不偏離權利要求書所限定的本發明范圍內,許多變化都是可能的。
權利要求
1.一種用于根據波長指出可被分析材料中偏差的方法,其特征是,在該方法中光源產生的光被色散成可被分析運動平面材料表面上的幾個光譜;收集從可被分析運動平面材料表面上反射的光譜;收集的光譜被引導進入光譜照相機;比較被引導進入光譜照相機的光譜與預定的參考光譜;和在比較的基礎上,確定可被分析材料中一個或多個偏差的位置。
2.按照權利要求1的方法,其特征是,在該方法中光源產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疊光譜,其中第一方向和第二方向是基本上互相垂直的;利用透鏡收集從可被分析材料表面上反射到該透鏡焦點上的光譜;和至少利用一條光纖引導該焦點上收集的光譜進入光譜照相機。
3.按照權利要求2的方法,其特征是,在該方法中光源產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疊光譜,其中沿第一方向和第二方向色散的光譜是由不同的波長區構成。
4.按照權利要求1的方法,其特征是,在該方法中光源產生的光被第一透鏡色散成可被分析材料表面上的光譜;利用第二透鏡收集從可被分析材料表面上反射的光譜形成一條直線,該條直線包含反射到可被分析材料表面上的各種波長;收集的直線被引導到一束光纖,其中每條光纖收集部分的反射光;每條光纖被引導成光譜照相機的空間像素;和每個空間像素被色散成一組光譜分量。
5.按照權利要求2的方法,其特征是,該方法使用一組測量模塊,每個測量模塊包含所需的光學元件,其中在該方法中光源產生的光被第一連接引導進入每個測量模塊;光源產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疊光譜,其中利用色散通過每個測量模塊的光,可以覆蓋被分析的特定部分區域;利用每個測量模塊中的透鏡收集從可被分析材料表面上反射的光譜到該透鏡的焦點上;和利用至少一條光纖使該焦點上收集的光譜被引導進入光譜照相機。
6.按照權利要求4的方法,其特征是,該方法使用一組測量模塊,每個測量模塊包括包含一束光纖的第二連接,第一透鏡和第二透鏡,其中在該方法中光源產生的光被第一連接引導進入每個測量模塊;光源產生的光被第一透鏡色散成可被分析材料表面上的光譜,其中利用色散通過每個測量模塊中第一透鏡的光,可以覆蓋被分析的特定部分區域;利用第二透鏡收集從可被分析材料表面上反射的光譜形成一條直線,該條直線包含反射到每個測量模塊覆蓋的可被分析材料區域表面上的各種波長;收集的直線被引導到每個測量模塊中第二連接的一束光纖,其中每條光纖收集部分的反射光;每個測量模塊中的每條光纖被引導成光譜照相機的空間像素;和每個空間像素被色散成一組光譜分量。
7.按照權利要求5或6的方法,其特征是,該方法還包括步驟移動測量條,其中一組測量模塊粘貼到該測量條上。
8.按照以上權利要求中任何一個的方法,其特征是,可被分析材料是木材,紙張,織物,金屬,或塑料。
9.按照以上權利要求中任何一個的方法,其特征是,該方法還包括步驟分析光譜照相機收集的數據;和在光譜照相機中像素的空間分量和光譜分量的基礎上,確定可被分析材料中偏差的位置。
10.按照以上權利要求中任何一個的方法,其特征是,測量是根據光源進行定標,其中在沒有色散該光源產生光的條件下,直接照明可被分析材料的參考點作為至少一個光譜;從可被分析材料的參考點表面上反射的光中收集參考光譜;和根據參考光譜確定該光源的光譜分布。
11.按照以上權利要求中任何一個的方法,其特征是,測量是根據光源進行定標,其中光源產生的光被色散成可被分析材料的參考點表面上幾個光譜;從可被分析材料的參考點表面上反射的光中收集參考光譜;和根據參考光譜確定該光源的光譜分布。
12.按照權利要求7或8的方法,其特征是,在新光譜測量的基礎上,平均和/或中值濾波該參考光譜。
13.按照以上權利要求中任何一個的方法,其特征是,第一透鏡包括至少一個棱鏡和/或光柵。
14.按照以上權利要求中任何一個的方法,其特征是,第二透鏡包括柱面透鏡。
15.一種用于根據波長指出可被分析材料中偏差的系統,其特征是,該系統包括可被分析運動平面材料(102);至少一個光源(10)至少一個光譜照相機(16);色散裝置(110),用于色散該光源(10)產生的光到可被分析運動平面材料(102)表面上的幾個光譜;收集裝置(108),用于收集從可被分析運動平面材料表面上反射的光譜;引導裝置(112,14),用于引導被收集的光譜進入光譜照相機(16);比較裝置(106),用于比較被引導進入光譜照相機的光譜與預定餓參考光譜;和確定裝置(106),在比較的基礎上用于確定可被分析材料中一個或多個偏差的位置。
16.按照權利要求14的系統,其特征是,該系統包括色散裝置(234,236),用于色散該光源(10)產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疊光譜,其中第一方向和第二方向是基本上互相垂直的;收集裝置(238),用于收集從可被分析材料(102)表面上反射到該焦點上的光譜;和至少一條光纖(226),用于引導在該焦點上收集的光譜進入光譜照相機(16)。
17.按照權利要求16的系統,其特征是,色散裝置(234,236)安排成色散該光源(10)產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疊光譜,其中沿第一方向和第二方向色散的光譜是由不同的波長區構成。
18.按照權利要求15的系統,其特征是,該系統包括至少一個第一透鏡(110),利用第一透鏡(110),光源(10)產生的光被色散成可被分析材料(102)表面上的光譜;至少一個第二透鏡(108),利用第二透鏡(108),從可被分析材料(102)表面上反射的光譜被收集成一條直線,該條直線包含反射到可被分析材料(102)表面上的各種波長;至少一束光纖(112),其中每條光纖收集部分的反射光;和至少一個光譜照相機(16),光譜照相機(16)安排成接收每條光纖作為空間像素,并安排成色散每個空間像素成一組光譜分量。
19.按照權利要求16的系統,其特征是,該系統包括一組測量模塊,其中每個測量模塊包括第一連接(240,244),利用第一連接,光源(10)產生的光被引導進入每個測量模塊;每個測量模塊包括色散裝置(234,236),用于色散該光源產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疊光譜,其中利用色散通過每個測量模塊的光,可以覆蓋被分析的特定部分區域;每個測量模塊包括收集裝置(238),用于收集從可被分析材料表面反射到每個測量模塊中包含的透鏡焦點上的光譜;和每個測量模塊包括第二連接(242),至少一條光纖(26)連接到第二連接(242),該光纖安排成連接測量模塊到光譜照相機(16),用于引導該焦點上收集的光譜進入光譜照相機(16)。
20.按照權利要求15的系統,其特征是,該系統包括一組測量模塊(18),其中每個測量模塊包括第一連接(114),第一連接(114)安排成接收和/或中繼光源(10)產生的光,它是通過光纖(12)被中繼的;每個測量模塊(18)包括第一透鏡(110),利用第一透鏡(110),光源(10)產生的光被色散成可被分析材料(102)表面上的光譜,其中利用色散通過每個測量模塊(18)中第一透鏡(110)的光,可以覆蓋被分析的特定部分區域;每個測量模塊(18)包括第二透鏡(108),利用第二透鏡(108),從可被分析材料(102)反射的光譜被收集成一條直線,該條直線包含反射到每個測量模塊(18)覆蓋的可被分析材料區域表面上的各種波長;每個測量模塊(18)包括包含一束光纖的第二連接(112),其中每條光纖安排成收集部分的反射光;與第二連接(112)連接的光纖(14),光纖(14)安排成連接該束光纖到光譜照相機(16);光譜照相機(16)安排成設定每個測量模塊(18)的每條光纖成空間像素;和光譜照相機(16)安排色散每個空間像素成一組光譜分量。
21.按照以上權利要求中任何一個的系統,其特征是,測量模塊(18)包括第一取向裝置,利用第一取向裝置,第一透鏡(110)取向成色散該光源(10)產生的光到可被分析材料(102)的指定區域表面上的光譜。
22.按照以上權利要求中任何一個的系統,其特征是,測量模塊(18)包括第二取向裝置,利用第二取向裝置,第二透鏡(110)取向成收集從可被分析材料(102)的指定區域反射的光譜。
23.按照以上權利要求中任何一個的系統,其特征是,該系統還包括測量條(100),其中測量模塊(18)粘貼到測量條(100)。
24.按照以上權利要求中任何一個的系統,其特征是,該系統還包括用于移動測量條(100)的裝置。
25.按照以上權利要求中任何一個的系統,其特征是,可被分析材料(102)是木材,紙張,織物,金屬或塑料。
26.按照以上權利要求中任何一個的系統,其特征是,數據處理裝置(106)安排成分析光譜照相機(16)收集的數據,并在光譜照相機(16)中像素的空間分量和光譜分量的基礎上,確定可被分析材料(102)中偏差的位置。
27.按照以上權利要求中任何一個的系統,其特征是,該系統還包括用于定位色散裝置(110)到側邊的裝置,其中可以直接照明可被分析材料,用于測量來自可被分析材料參考點的參考光譜。
28.按照以上權利要求中任何一個的系統,其特征是,第一透鏡(110)包括至少一個棱鏡和/或光柵。
29.按照以上權利要求中任何一個的系統,其特征是,第二透鏡(108)包括柱面透鏡。
30.一種用于分析可被分析材料的測量條,其特征是,測量條(100)包括至少一個測量模塊(18);每個測量模塊(18)包括色散裝置(110,234,236),用于色散該光源(10)產生的光到可被分析運動平面材料(102)的表面上的幾個光譜;每個測量模塊(18)包括收集裝置(108,238),用于收集從可被分析運動平面材料(102)表面上反射的光譜;和每個測量模塊(18)包括引導裝置(112,14,226,142),用于引導被收集的光譜進入光譜照相機(16)。
31.按照權利要求30的測量條,其特征是,每個測量模塊(18)包括第一連接(240,244),利用第一連接(240,244),光源(10)產生的光被引導進入每個測量模塊;色散裝置(234,236),用于色散該光源產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疊光譜,其中利用色散通過每個測量模塊的光,可以覆蓋被分析的特定部分區域;收集裝置(238),用于收集從可被分析材料表面上反射到每個測量模塊中包含的透鏡焦點上的光譜;和第二連接(242),至少一條光纖(26)連接到第二連接(242),它安排成連接測量模塊到光譜照相機(16),用于引導該焦點上收集的光譜進入光譜照相機(16)。
32.按照權利要求30的測量條,其特征是,每個測量模塊(18)包括至少一個第一透鏡(110),利用第一透鏡(110),光源(10)產生的光被色散成可被分析材料(102)表面上的光譜;至少一個第二透鏡(108),利用第二透鏡(108),從可被分析材料表面上反射的光譜被收集成一條直線,該條直線包含反射到可被分析材料(102)表面上的各種波長;和至少一束光纖(112),其中每條光纖安排成收集部分的反射光。
33.按照權利要求30的測量條,其特征是,每個測量模塊(18)包括第一連接(114),第一連接(114)安排成接收和/或中繼光源(10)產生的光,該光是通過光纖(12)被中繼的;每個測量模塊(18)包括第一透鏡(110),利用第一透鏡(110),光源(10)產生的光被色散成可被分析材料(102)表面上的光譜,其中利用色散通過每個測量模塊(18)的第一透鏡(110)中的光,可以覆蓋被分析的特定部分區域;每個測量模塊(18)包括第二透鏡(108),利用第二透鏡(108),從可被分析材料(102)上反射的光譜被收集成一條直線,該條直線包含反射到每個測量模塊(18)覆蓋的可被分析材料(102)區域表面上的各種波長;每個測量模塊(18)包括包含一束光纖的第二連接(112),其中每條光纖安排成收集部分的反射光;和光纖(14)連接到第二連接(112),它安排成連接該束光纖到光譜照相機(16)。
34.按照以上權利要求中任何一個的測量條,其特征是,測量條(100)安排成可移動的。
35.按照以上權利要求中任何一個的測量條,其特征是,測量條(100)安排在可被分析材料之上。
36.按照以上權利要求中任何一個的測量條,其特征是,測量模塊(18)包括用于定位色散裝置(110)到側邊的裝置,其中可以直接照明可被分析材料,用于測量來自可被分析材料參考點的參考光譜。
37.按照以上權利要求中任何一個的測量條,其特征是,測量模塊(18)包括第一取向裝置,利用第一取向裝置,第一透鏡(110)被取向成色散該光源(10)產生的光到可被分析材料(102)指定區域上的光譜。
38.按照以上權利要求中任何一個的測量條,其特征是,測量模塊(18)包括第二取向裝置,利用第二取向裝置,第二透鏡(110)被取向成收集從可被分析材料(102)指定區域上反射的光譜。
39.按照以上權利要求中任何一個的測量條,其特征是,第一透鏡(110)包括至少一個棱鏡和/或光柵。
40.按照以上權利要求中任何一個的測量條,其特征是,第二透鏡(108)包括柱面透鏡。
41.一種用于分析可被分析材料的測量模塊,其特征是,測量模塊(18)包括色散裝置(110,234,236),用于色散該光源(10)產生的光到可被分析運動平面材料(102)上的幾個光譜;收集裝置(108,238),用于收集從可被分析運動平面材料(102)表面上反射的光譜;和引導裝置(112,14,226,142),用于引導被收集的光譜進入光譜照相機(16)。
42.按照權利要求41的測量模塊,其特征是,測量模塊(18)包括第一連接(240,244),利用第一連接(240,244),光源(10)產生的光被引導進入每個測量模塊;色散裝置(234,236),用于色散該光源產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疊光譜,其中利用色散通過每個測量模塊的光,可以覆蓋被分析的特定部分區域;收集裝置(238),用于收集從可被分析材料表面上反射到每個測量模塊中包含的透鏡焦點上的光譜;和第二連接(242),至少一條光纖(26)連接到第二連接(242),它安排成連接測量模塊到光譜照相機(16),用于引導該焦點上收集的光譜進入光譜照相機(16)。
43.按照權利要求41的測量模塊,其特征是,測量模塊(18)包括第一透鏡(110),利用第一透鏡(110),光源(10)產生的光被色散成可被分析材料(102)表面上的光譜;第二透鏡(108),利用第二透鏡(108),從可被分析材料表面上反射的光譜被收集成一條直線,該條直線包含反射到可被分析材料(102)表面上的各種波長;和一束光纖(112),其中每條光纖安排成收集部分的反射光。
44.按照權利要求41的測量模塊,其特征是,測量模塊(18)包括第一連接(114),第一連接(114)安排成接收和/或中繼該光源(10)產生的光,該光是通過光纖(12)被中繼的;第一透鏡(110),利用第一透鏡(110),光源(10)產生的光被色散成可被分析材料(102)表面上的光譜,其中利用色散通過第一透鏡(110)中的光,可以覆蓋被分析的特定部分區域;第二透鏡(108),利用第二透鏡(108),從可被分析材料(102)反射的光譜被收集成一條直線,該條直線包含反射到測量模塊(18)覆蓋的可被分析材料(102)區域表面上的各種波長;包含一束光纖的第二連接(112),其中每條光纖安排成收集部分的反射光;和光纖(14)連接到第二連接(112),它安排成連接該束光纖到光譜照相機(16)。
45.按照以上權利要求中任何一個的測量模塊,其特征是,測量模塊(18)包括用于定位色散裝置(110)到側邊的裝置,其中可以直接照明可被分析材料,用于測量來自可被分析材料參考點的參考光譜。
46.按照以上權利要求中任何一個的測量模塊,其特征是,測量模塊(18)包括第一取向裝置,利用第一取向裝置,第一透鏡(110)被取向成色散該光源(10)產生的光到可被分析材料(102)指定區域上的光譜。
47.按照以上權利要求中任何一個的測量模塊,其特征是,測量模塊(18)包括第二取向裝置,利用第二取向裝置,第二透鏡(110)被取向成收集從可被分析材料(102)指定區域反射的光譜。
48.按照以上權利要求中任何一個的測量模塊,其特征是,第一透鏡(110)包括至少一個棱鏡和/或光柵。
49.按照以上權利要求中任何一個的測量模塊,其特征是,第二透鏡(108)包括柱面透鏡。
全文摘要
一種用于根據波長編碼可被分析材料中位置的方法。在按照本發明的方法中,光源產生的光被色散成可被分析運動平面材料表面上的幾個光譜,收集從可被分析運動平面材料表面上反射的光譜,收集的光譜被引導進入光譜照相機,比較被引導進入光譜照相機的光譜與預定的參考光譜,在比較的基礎上,確定可被分析材料中一個或多個偏差的位置。
文檔編號G01N33/00GK1942756SQ200580011639
公開日2007年4月4日 申請日期2005年2月28日 優先權日2004年2月27日
發明者卡加·蘇德霍姆, 瑞斯托·瑞塔拉, 塔皮歐·卡斯基 申請人:塔米耶有限公司