(57)【要約】  本発明は、検査領域（２０）内に存在するシート要素（４）の表面を検査する表面検査システム（１０）に関し、表面検査システム１０）は、画像評価ユニット（１８）と、カメラ（１２）と、暗視野照明（１４）と、明視野照明（１６）とを備え、画像評価ユニット（１８）は、視野照明条件の下で取り込まれた線画像を暗視野照明条件の下で取り込まれた線画像から差し引くように構成される。さらに、本発明は、シート要素加工機を通過するシート要素（４）上の高反射表面の領域を識別する方法に関し、第１の視域（２０）内のシート要素（４）の表面の線画像（Ｉ16）を、明視野照明条件の下で取り込み、視域（２０）内のシート要素（４）の同じ表面の線画像（Ｉ14）を、暗視野照明条件の下で取り込み、次に、２つの線画像（Ｉ14、Ｉ16）を、比較し、詳細には互いから差し引き、表面は、２つの線画像（Ｉ14、Ｉ16）間の差（Ｓn）が予め定義された閾値を上回る場合には反射性と識別される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検査領域内に存在するシート要素の表面を検査する表面検査システム（１０）であって、
画像評価ユニット（１８）と、
カメラ（１２）と、
暗視野照明（１４）と、
明視野照明（１６）と、を備え、
前記画像評価ユニット（１８）は、明視野照明条件の下で取り込まれた線画像を暗視野照明条件の下で取り込まれた線画像から差し引くように構成される、
ことを特徴とする表面検査システム。
【請求項２】
前記カメラ（１２）は、ラインカメラである、
請求項１に記載の表面検査システム。
【請求項３】
前記暗視野照明（１４）は、対向して配置された２つの反射体を有する単一のＬＥＤ列を備える、
請求項１又は２に記載の表面検査システム。
【請求項４】
前記明視野照明（１６）は、平行に配置される複数のＬＥＤ列を備える、
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の表面検査システム。
【請求項５】
前記カメラ（１２）において、前記暗視野照明（１４）から生じる前記光の強度は、拡散反射面を有するシート要素（４）が検査される場合、前記明視野照明（１６）から生じる前記光の強度と同じである、
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の表面検査システム。
【請求項６】
前記暗視野照明（１４）の光軸面は、前記視域（２０）の配向に垂直である正中面に対してほぼ４５°の角度で配置される、
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の表面検査システム。
【請求項７】
前記暗視野照明（１６）の光軸面は、前記視域（２０）の配向に垂直な正中面（Ｍ）に対してほぼ３０°の角度で配置される、
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の表面検査システム。
【請求項８】
前記カメラ（１２）の観察面は、前記視域（２０）の配向に垂直な正中面（Ｍ）に対してほぼ２０°の角度で配置される、
請求項１ないし７のいずれか１項に記載の表面検査システム。
【請求項９】
前記カメラ（１２）は、検査される前記シート要素（４）の前記表面で、０．１〜０．６ｍｍ、好ましくは０．３ｍｍ程度の範囲の解像度を有する、
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の表面検査システム。
【請求項１０】
詳細には請求項１ないし９のいずれか１項に記載のシステムを使用してシート要素加工機を通過するシート要素上の高反射表面の領域を識別する方法であって、最初に、前記視域（２０）内の前記シート要素（４）の前記表面の線画像（Ｉ16）を、明視野照明条件の下で取り込み、前記視域（２０）内の前記シート要素（４）の同じ表面の線画像（Ｉ14）を、暗視野照明条件の下で取り込み、次に、前記２つの線画像（Ｉ14、Ｉ16）を比較し、例えば、互いから差し引くことを含み、
前記表面は、前記２つの線画像（Ｉ14、Ｉ16）間の差（Ｓn）が予め定義された閾値を上回る場合に反射性と識別される、
ことを特徴とする方法。
【請求項１１】
前記２つの線画像（Ｉ14、Ｉ16）を強度に関して比較する、
請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記線画像（Ｉ14、Ｉ16）を画素単位で比較する、
請求項１０又は１１に記載の方法。
【請求項１３】
再構成画像を、暗視野照明の下で取り込まれた前記線画像に基づいて生成し、再構成画像を、明視野照明条件の下で取り込まれた前記線画像に基づいて生成し、反射面を、前記再構成画像を比較することによって識別する、
請求項１０ないし１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
前記カメラ（１２）は、毎秒１０，０００を超える線画像、好ましくは毎秒２０，０００を超える線画像を取り込むようになっている、
請求項１０ないし１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
前記シート要素（４）は、５〜１５ｍ／ｓ程度の速度で前記表面検査システム（１０）に対して移動される、
請求項１０ないし１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
前記検査されたシート要素（４）は、反射面を少なくとも部分的に有する、
請求項１０ないし１５のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検査領域内に存在するシート要素の表面を検査する表面検査システムに関する。本発明は、シート要素加工機を通過するシート要素上の高反射表面の領域を識別する方法にさらに関する。本発明は、シート要素加工機における特に品質管理ステーションで実行することができる。
【背景技術】
【０００２】
本明細書において「シート要素加工機」という用語は、紙、段ボール、又は類似の材料などのシート要素を加工するために使用される何らかの機械、特に、印刷機、コーティング機、ラミネート機、及び、加工機（例えば、裁断機、スタンピング機、折り畳み機、及び／又は糊付け機）を含むことが意図されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
シート要素上では、高反射（光沢）表面は、存在する箔、ホログラム、ニス、又は同様の構造からの結果として存在することができる。多くの品質検査は、１つの要素の別の要素に対する位置の検査に基づくので、シート要素上の光沢面の位置を決定できることがいろいろな理由から望ましい。しかしながら、シート要素加工機を最大１５ｍ／ｓまでの速度で通過しているシート要素上の光沢面の位置を検出することは容易ではない。
【０００４】
従って、本出願の目的は、シート要素加工機を通過するシート要素上の光沢面の位置を確実に検出することを可能にするシステム及び方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この目的を達成するために、本発明は、検査領域内に存在するシート要素の表面を検査する表面検査システムを提供し、表面検査システムは、画像評価ユニットと、カメラと、暗視野照明と、明視野照明とを備え、画像評価ユニットは、明視野照明条件の下で取り込まれた線画像を暗視野照明条件の下で取り込まれた線画像と比較するように構成される。この目的は、詳細には前記のシステムを使用してシート要素加工機を通過するシート要素上の高反射表面の領域を識別する方法でも達成され、第１の視域内のシート要素の表面の線画像を、明視野照明条件の下で取り込み、視域内のシート要素の同じ表面の線画像を、暗視野照明条件の下で取り込み、次に、２つの線画像を比較し、例えば互いから差し引き、表面は、２つの線画像の間の差が予め定義された閾値を上回る場合には反射性と識別される。
【０００６】
本発明は、一方でランバート拡散体（例えば、白紙）のような拡散反射面、他方で光沢面（例えば、箔、ホログラム又はニス）を照明したときに観察することができる反射の差を利用するという一般概念に基づく。照明が拡散反射面を照明した場合、カメラによって取り込まれる線画像の強度は、（ほとんど）同じである。照明が高反射表面を照明した場合、カメラによって見られる明視野照明から生じる光の強度は、暗視野照明から生じる光の強度よりもはるかに高い。この差は、高速で移動しているシート要素にてさえ比較的簡単に検出することができる。
【０００７】
カメラは、２Ｄカメラ（領域カメラ）とすることができる。しかしながら、処理されるデータ量に鑑みて、ラインカメラを使用することが好ましい。
【０００８】
カメラは好ましくはラインカメラであることに鑑みて、用語「線画像」は、以下では、カメラによって取り込まれた画像を参照するときに使用される。しかしながら、カメラがエリアカメラである場合、カメラによって取り込まれた線画像は、単一ラインのみではなく複数ラインから構成される。
【０００９】
好ましい実施形態によれば、暗視野照明は、対向して配置された２つの反射体を有する単一のＬＥＤ列を含む。従って、暗視野照明は、暗視野照明によって照明される場合に何らか急な反射領域が明るく見えることを防止するために鏡面反射性でない光を提供する。
【００１０】
明視野照明は、平行に配置される複数のＬＥＤ列を備える。様々なＬＥＤ列が異なる光軸面に配置されるので、たとえ視域内のシート要素の表面が完全に平面でないとしても、鏡面に近い反射状態下で、カメラに向かって直接反射する光が常にある程度存在することになる。従って、明視野状態は、シート要素上の急勾配の領域に関しても維持される。
【００１１】
明視野照明の下で取り込まれた線画像は、カメラにおいて、暗視野照明から生じる光の強度が、拡散反射面を有するシート要素が検査される際に明視野照明から生じる光の強度と同じである場合、暗視野照明の下で取り込まれた線画像と簡単に比較することができる。線画像を互いから差し引くことで比較を行う場合、結果は、反射性ではない表面の部分ではゼロである。
【００１２】
好ましい実施形態において、暗視野照明の光軸面は、視域の配向に垂直である正中面に対してほぼ４５°の角度で配置され、暗視野照明の光軸面は、視域の配向に垂直である正中面に対してほぼ３０°の角度で配置され、カメラの観察面は、視域の配向に垂直である正中面に対してほぼ２０°の角度で配置される。この構成は有効な結果をもたらすことが分かっている。
【００１３】
所望の精度を達成する目的で、シート要素上の光沢面の位置を決定する場合、カメラは、検査されるシート要素の表面で、０．０５〜０．６ｍｍ、好ましくは０．３ｍｍ程度の範囲の解像度を有する。より高い解像度は一般的に可能であるが、解像度が高くなるほど結果的に分析すべきデータが増える。
【００１４】
シート要素上の光沢面の位置を決定するには、強度に関して２つの線画像を比較すれば十分である。
【００１５】
画像は、光沢面の位置上の正確な情報をｘ方向及びｙ方向の両方で取得するように線単位及び画素単位で比較することができる。
【００１６】
代替案として、再構成画像は、暗視野照明の下で取り込まれた線画像に基づいて作成され、再構成画像は、明視野照明条件の下で取り込まれた線画像に基づいて作成され、反射面は、これらの再構成画像を比較することによって識別される。この比較は、再構成画像全体に関して又は選択した部分だけに関して行うことができる。
【００１７】
シート要素は、１５ｍ／ｓ程度の速度で表面検査システムに対して移動する。所望の精度でｘ方向の位置の決定を可能にするために、カメラは、毎秒１０，０００を超える線画像、好ましくは毎秒４０，０００を超える線画像を取り込むように構成されることが好ましい。
【００１８】
本発明は、添付図面に示されている好ましい実施形態を参照して以下に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】シート要素加工機の品質管理ステーションに用いられる本発明による表面検査システムの概略的な側面図である。
【図２】図１の表面検査システムの概略的な上面図である。
【図３】図１の表面検査システムをより詳細に概略的に示す。
【図４】表面検査システムのカメラによって取り込まれた異なる線画像、及び線画像の比較結果を概略的に示す。
【図５】カメラによって取り込まれた異なる線画像を概略的に示す。
【図６】異なる照明条件下で取り込みされた線画像に基づいて再構築画像がどのように生成されるかを概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１では、コンベヤテーブル３が示されているシート要素加工機に用いられる品質管理ステーション２が概略的に示されている。シート要素加工機は、矢印Ａの方向に移送されているシート要素４を加工することができる。シート要素４は、紙、段ボール、プラスチック箔、又は類似の材料のシートとすること、又は長いウェブとすることができる。シート要素加工機は、印刷機、押印機、スタンピング、ラミネート機、折り畳機、糊付け機などを含むことができる。
【００２１】
品質管理ステーション２は、シート要素４の品質を管理するために使用される。特に、品質管理ステーション２は、シート要素４の表面上の「光沢部分」の位置を決定するために使用される。「光沢部分」は、高反射表面を有する部分である。このような光沢部分の例は、シート要素４上に存在するホログラム、箔、及び／又はニスである。
【００２２】
品質管理ステーションは、表面検査システム１０を備える。表面検査システム１０は、カメラ１２、暗視野照明１４、明視野照明１６、及び画像評価ユニット１８を備える。
【００２３】
カメラ１２は、視域（対象ライン）２０の線画像を取り込むようになっており、これは、シート要素加工機の幅全体にわたって方向Ａに対して垂直に延びる。カメラは、視域内でシート要素４の表面に対して垂直な正中面Ｍに対して、約２０°の角度で配置されている。
【００２４】
暗視野照明１４は、視域２０を照明するように構成される。暗視野照明１４の光軸面は、正中面に対して約４５°の角度で配置されている。
【００２５】
暗視野照明１４は、一般に任意のタイプとすることができる。特定の実施形態では、暗視野照明１４は、互いに隣接して配置されたＬＥＤ列、及びＬＥＤ列に沿って向かい合って配置された２つの反射体を備える。このタイプの照明は、高さ変動にもかかわらず一定の強度で視域２０内のシート要素４の表面を照明するために使用することができる。
【００２６】
また、明視野照明１６は、視域２０を照明するように構成される。明視野照明１６の光軸面は、正中面に対してほぼ３０°の角度で配置されている。
【００２７】
明視野照明１６は、一般に任意のタイプとすることができる。特定の実施形態では、明視野照明１６は、互いに隣接して配置された複数の平行なＬＥＤ列を備え、各ＬＥＤ列は、視域２０を照明するように構成される。このタイプの照明は、視域２０に対して光を異なる方向に向かわせる様々な用途で使用することができる。
【００２８】
さらに、拡散器は、均一な明視野照明にするために、視域２０から見た場合に均一な放射輝度を保証するよう使用することができる。
【００２９】
照明１４が暗視野照明として使用される点に鑑みて、照明１４は、正中面Ｍのカメラ１２と同じ側に配置されている。しかしながら、照明１６は、明視野照明として使用されているので正中面Ｍの反対側に配置されている。特定の状況によっては、様々なＬＥＤ列のうちの１つだけを、すなわち正中面Ｍに対してほぼ２０°の角度で傾斜した光軸面を有する照明を使用することができ、換言すると、カメラ１２がシート要素４の表面上の鏡面反射状態の下で見ることができるのはＬＥＤ列である。代替案として、明視野照明１６の複数のＬＥＤ列が使用され、ＬＥＤ列の一部の光軸面は、カメラ１２が正中面Ｍに対して配置される角度とは異なる角度で傾斜する。
【００３０】
重要な点は、本明細書では、暗視野照明１４及び明視野照明１６の出力は、シート要素４の拡散反射面からカメラ１２に反射される光の強度が両方の照明に関して同じであるように設定又は制御される点である。換言すると、明視野照明１６から生じて、視域２０内のシート要素４の拡散反射面上で反射し、その後、カメラ１２によって受光される光の強度は、暗視野照明１４から生じて、視域２０内でシート要素４の拡散反射面上で反射し、その後、カメラ１２によって受光される光の強度と同じである。
【００３１】
拡散反射面は、紙又は段ボールとすることができる。
【００３２】
品質検査ステーション２を通過したシート要素の表面を検査するために、照明１４、１６は、交互に作動され、カメラ１２は、各照射状況に関する線画像を取り込む。これらの線画像は、画像評価ユニット１８によって評価される。詳細には、線画像は、互いから差し引くことができる。
【００３３】
図４を参照してシート要素４上の光沢面部の位置を決定する方法を説明するが、これは本発明の画像評価の根本的な基本原理を理解するのを助ける。
【００３４】
図４の上半分には、カメラ１２によって取り込まれる線画像が概略的に示されている。この例において、各線画像は、１２ピクセルの幅で示されている。実際には、視域２０の幅全体をカバーする線画像は、通常、カメラ１２がシート要素の表面の高さの視域において０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍ、好ましくは０．１ｍｍ程度の解像度を有するので、数千〜数万画素から構成されることになる。
【００３５】
本明細書において、線画像はペアで取り込まれ、第１の線画像Ｉ14は、暗視野照明１４によって暗視野照明の下で取り込まれ、線画像Ｉ16は、明視野照明１６によって明視野照明の下で取り込まれる。明らかに逆も可能である。
【００３６】
線画像が取り込まれる最大速度は、照明１４、１６をオンオフすることができる速度に左右される。最大８０ｋＨｚの速度が可能である。従って、カメラ１２は、毎秒８０，０００の線画像を取り込む。
【００３７】
線画像Ｉ14、Ｉ16の第１のペアは、拡散反射の視域２０内の表面から取り込まれる。両方の照明の出力は、結果的にカメラ１２において同じ強度となるように調節したので、両方の線画像は同じである。本明細書では、このことは、取り込まれた光の低輝度を意味する、線画像の「空」の画素によって示される。
【００３８】
図４の下半分には、画像評価ユニット１８によって実行される画像評価の結果が示されている。本明細書では、線画像は、互いから差し引かれる。線画像が全く同じので、差し引きした結果は、各画素に関してゼロである。本明細書では、このことは差し引かれた画像Ｓ1内の「空」の画素によって示される。
【００３９】
線画像Ｉ14、Ｉ16の第２のペアは、視域２０内の表面から取り込まれ、視域２０内の表面は、幅の大部分では拡散反射するが、本明細書では高反射部分、例えば４ピクセル幅の型打ちされた金属箔を有する。その結果、カメラ１２は、暗視野照明１４で照明される場合、光がカメラから遠くに反射されるので、以前よりもさらに低い強度を取り込む。従って、線画像Ｉ14の画素は「空」である。しかしながら、カメラ１２は、明視野照明１６で照明される場合、光の少なくとも一部が直接カメラに向かって反射するので、高い強度を取り込む。従って、型打ちされた金属箔が光を反射する４つの画素は、高い強度を表すために「黒」で示されている。
【００４０】
２つの線画像を互いから差し引いた場合、拡散反射の下で照明された画素は同様にゼロである。しかしながら、ホログラム領域内の画素については、差し引くと、高い値となる（２つの線画像が互いから差し引かれる順番よってプラス又はマイナス）。この高い値は、差し引かれた画像Ｓ2では「黒」画素によって示されている。
【００４１】
線画像Ｉ14、Ｉ16の第３のペアに関して、状況は、以前と同じであり、本明細書では型打ちされた金属箔が視域を完全に通過していないと想定される。
【００４２】
線画像Ｉ14、Ｉ16の第４のペアは、ホログラムが完全に視域２０を通過した状況に対応し、シート要素４は、視域２０内で拡散反射面を有する。従って、両方の取り込まれた線画像の強度は全く同じであり、差し引いた結果は、全ての画素についてゼロである。
【００４３】
従って、視域２０を通過するシート要素上のどこに光沢面部が存在するかを決定することが可能である（ｘ方向及びｙ方向の両方で）。
【００４４】
用語「拡散反射の下で同じ強度」は、数学的な意味で理解ができないことを理解することができる。許容差に起因して強度は変動することになり、また、強度は、照明される特定の拡散反射面に伴って変化することになる。従って、「同じ強度」は、照明１４、１６から生じて拡散反射面上で反射した光の強度が特定の閾値を下回ることを意味し、この特定の閾値は、明視野照明１６から生じて光沢面から反射した光の強度がこの閾値を上回るように選択される。閾値は、検査表面に応じて選択することができる。一例として、＜１％の強度差は、ニス＋箔に関して選択することができるが、＜１０％の強度差は、箔のみに関して選択することができる。
【００４５】
異なる閾値は、ＬＥＤの出力を調整することによって又は取り込んだ線画像に適用される係数を調整することによって実装することができる。
【００４６】
取り込んだ線画像をグレイスケール強度に関して分析すること、及び画像評価ユニットを用いて差し引かれた画像で構成された画像をグレイスケール強度の急変に関して分析することも可能である。
【００４７】
図４に基づいて、明視野照明の下で取得した線画像及び暗視野照明の下で取得した線画像を線単位で比較することを説明した。実際には、異なる照射条件の下で取り込んだインターレース線画像から、再構成されたＢＦＩ画像（明視野照明の下で取り込まれた線画像で構成される再構成画像）、及び再構成されたＤＦＩ画像（暗視野照明の下で取り込まれた線画像で構成される再構成画像）を生成することができ、これらの画像は、画像評価ユニットによって分析されることになる。
【００４８】
図５は、カメラによって取り込まれたインターレース線画像Ｉ14（実線で示す）及びＩ16（点線で示す）を概略的に示す。本明細書では、各照射条件の線画像の１０個のみが示されている。実際には、各シート要素４に関して数千個の線画像Ｉ14、Ｉ16が取り込まれる。１つのシート要素４に関して、４，０００の線画像Ｉ14及び４，０００の線画像Ｉ16が取り込まれ、カメラ１２は、毎秒８０，０００の線画像を取り込むことができると想定すると、毎秒１０枚のシート要素４を処理することができる。
【００４９】
図６は、再構成ＤＦＩ画像４０がどのように線画像Ｉ14から再構成されるか、及び再構成ＢＦＩ画像５０がどのように線画像Ｉ16から再構成されるかを概略的に示す。
【００５０】
本明細書で説明されかつ図５に示す３以上の照明条件下（ＢＦＩ及びＤＦＩ）でカメラ１２が線画像を取り込む場合、カメラ１２によって取り込まれたデータは、３又は４以上のタイプのインターレース線画像で構成されることになり、３又は４以上の再構成画像（各照明条件について１つ）が再構成されることになる。
【００５１】
画像評価ユニット１８は、対象要素を検出するために再構成画像４０、５０を（完全に、又は対象の部分において）処理する。本明細書では、再構成画像４０、５０は、反射面部分を識別するために比較される。
【００５２】
正中面Ｍに垂直ではないシート要素４の表面の部分は、閾値を超えるような強度でカメラに向かって反射される光をもたらす。これによって、ｘ方向の寸法に起因して画像評価ユニット１８によって識別することができる、正しくない読取り値（アーチファクト）がもたらされ、アーチファクトは、高反射表面を有する表面の部分の通常の長さを下回る長さである。
【００５３】
表面検査システム１０は較正することができる。これは、幅広標的を視域２０内に配置するか、又はより小さい標的を視域２０の幅全体に沿って移動させることで行うことができる。
【００５４】
加えて、視域２０の幅に沿って標的上に同じ信号を提供するために、各照明に沿って調整されたレベルで各ＬＥＤ又は各ＬＥＤグループを作動させる。
【００５５】
較正は、ＬＥＤの動作出力を調整するために、又は取り込まれた線画像に適用される係数を適切に設定するために使用される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
2019517003.tif 000005
【図４】
2019517003.tif 000006
【図５−６】
2019517003.tif 000007
【国際調査報告】
2019517003.tif 000008
2019517003.tif 000009