(57)【要約】  本発明は、レーザビームにより照射される物品または製品を検出および／または評価するための装置であって、ラマンまたは蛍光放射線の生成が物品または製品の表面上で行われ、生成された放射線が、前記放射線の局所的に分解された検出のために設計された検出器アレイに向けられるようにする装置に関する。ラマンまたは蛍光放射に影響を及ぼさない単色電磁放射が物品または製品に向けられる。検出器は、局所的に分解された方法で物品又は製品によって反射又は散乱された放射線を検出する。光学フィルタまたはビームスプリッタが、物品または製品と検出器アレイとの間に配置される。照射および検出は、物品または製品、レーザビームの焦点範囲、電磁放射線を放射するダイオード、および検出器アレイの検出器の間の相対移動の間に行われる。検出器は、電子評価ユニットに接続され、電子評価ユニットは、ラマンまたは蛍光放射の検出された強度の局所的およびスペクトル分解された評価のため、および画像分析の性能のために設計される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源 (2) から出射されたレーザ光 (1) を物品又は物品 (3) に照射して、物品又は物品 (3) の表面にラマン又は蛍光を発生させ、
生成されたラマンまたは蛍光放射は、この放射の空間分解検出のために設計された検出器アレイ (4) に向けられ、
検出中にラマンまたは蛍光放射に影響を及ぼさないように中心波長が選択される少なくともほぼ単色の電磁放射が、物品または製品 (3) の表面または表面の領域にわたって物品または製品 (3) に向けられ、この電磁放射を放射する複数のダイオード (7) によって放射され、
検出器アレイ (4) の検出器は、物品又は製品 (3) によって反射又は散乱される電磁放射線の空間的に分解された検出のために設計され、
光学フィルタ (5) またはビームスプリッタは、物品または製品 (3) と検出器アレイ (4) との間に配置され、レーザビーム (1) の波長の電磁放射が検出器アレイ (4) の検出器に衝突しないように設計され、
前記照射および検出は、物品または製品(3)、前記レーザビーム (1) の焦点範囲、前記電磁放射(7)を放射するダイオード、および前記検出器アレイ (4) の前記検出器の間の相対的な移動の間に行われ、
少なくとも検出器アレイ(4)の検出器が電子評価ユニットに接続され、
電子評価ユニットは、検出器アレイの検出器によって検出されるラマンまたは蛍光放射の強度の空間的およびスペクトル的に分解された評価のために、および個々の物品または製品(3)の形状、色および／または表面認識を決定するための画像分析を行うために設計されている、 
物品又は物品の検出及び／または評価する装置。
【請求項２】
前記レーザビーム (1) は、少なくとも1つの軸を中心として回動可能または回転可能な反射素子 (6) によって、または、物品または製品 (3) が配置される幅を横切って線状光学レンズによって方向付けられることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
特に多変量データ分析によって、好ましくは主成分分析、判別分析、サポートベクター法、ニューラルネットワーク、クラスター分析、またはランダムフォレスト法によって、パラメーターを抽出するように設計されており、
前記電子評価ユニットが、検出器および／または検出器によって検出された少なくとも1つの波長の強度のスペクトル強度差を認識するように設計されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
少なくとも1つの軸の周りで旋回可能であるか、または回転軸の周りで回転可能である反射要素は、検出が行われる周波数よりも高い周波数でラマンまたは蛍光放射が発生する場合にビーム (1) の焦点が移動するように設計または制御可能であることを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
レーザ光源 (2) から放射されたレーザビーム (1) によって照射された物品又は製品 (3) を検出及び/又は評価する方法であって、ラマン又は蛍光放射の発生が物品又は製品 (3) のそれぞれの表面の表面又は領域で達成され、
生成されたラマンまたは蛍光放射は、この放射の空間的およびスペクトル的に分解された検出のために設計された検出器アレイ (4) に向けられ、
この電磁放射を放射する複数のダイオード (7) によって放射される少なくともほぼ単色の電磁放射は、物品または製品 (3) に向けられ、前記放射の中心波長は、検出中にラマンまたは蛍光放射に影響を及ぼさないように選択され、
物品又は製品 (3) と検出器アレイ (4) との間に配置された光学フィルタ (5) 又はビームスプリッタを用いて、レーザビーム (1) の波長の電磁放射が検出器アレイ (4) の検出器に衝突するのを防止し、前記照射及び検出は、前記物品又は製品 (3) と、前記レーザビーム (1) の焦点範囲と、前記電磁放射を放射するダイオード (7) と、前記検出器アレイ (4) の前記検出器との間の相対的な移動の間に行われ、
少なくとも、物品または製品 (3) の空間的およびスペクトル的に分解された検出のために設計された検出器アレイ (4) の検出器、ラマンまたは蛍光放射、および反射および散乱電磁放射が、電子評価ユニットに接続され、
検出器アレイの検出器によって検出された強度の空間的およびスペクトル的に分解された評価のために設計された電子評価ユニットは、空間的に分解された方法で検出されたラマンまたは蛍光放射を評価するために、および個々の物品または製品(3)の形状、色および/または位置認識を決定するための画像分析を行うために使用される、
物品又は製品 (3) を検出及び／又は評価する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物品又は製品を認識及び／又は評価するための装置及び方法に関する。
【０００２】
物品又は製品は異なっていてもよく、特に工業的に製造された物品又は製品であってもよい。評価を実施する際には、品質を検査することが好ましく、適切な場合には、種別、特徴ごとの分類、又は割り当てを実施することができる。
【背景技術】
【０００３】
これまで、工業製品の光学的検査は、以下のように様々な方法で行われてきた。
・スタッフによる手動目視検査
・モノクロまたは広帯域照明を備えた、グレースケールまたはカラーカメラの使用
・広帯域照明によるスペクトル撮像 (HSI)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これらは、認識又は評価の過程で誤りが生じる可能性がある。また、特定のプロパティが認識されない可能性もある。さらなる欠点は、通常必要とされる時間の長さである。これは、達成可能な自動化が限られているために発生する。
【０００５】
従って本発明の目的は、物品又は製品の認識性を向上させることで、評価品質及び信頼性を向上させ、物品又は製品の認識及び／又は評価を行うことの可能性を開示することであり、これは特に高い生産性と共に達成される。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、この目的は、請求項１に記載の特徴を有する装置によって達成される。クレーム５は方法を定義する。本発明の有利な実施形態および開発は、従属クレームに記載される特徴によって実現され得る。
【０００７】
本発明による装置では、１つ以上の物品又は製品に、レーザビーム源によって放射されるレーザビームが照射され、ラマン又は蛍光放射が物品又は製品の表面又は領域に発生する。
【０００８】
生成されたラマンまたは蛍光放射は、この放射の空間分解能検出のために設計された検出器アレイに向けられる。この場合、検出器アレイの検出器は、列の配列、例えば、物品又は製品のストリームの前方移動の方向に垂直に配向されて配置されてもよく、又は行及び列の配列に配置されてもよい。その手段により、好ましくは、ストリームの幅にわたって検出を実行することを可能とする。
【０００９】
中心波長が検出中にラマンまたは蛍光放射に影響を及ぼさないように選択される少なくともほぼ単色の電磁放射は、物品または製品に向けられ、好ましくは分離された物品または製品の幅にわたって向けられる。この電磁放射は、複数のダイオードによって放射される。
【００１０】
検出器アレイの個々の検出器は、物品又は製品によって反射又は散乱される電磁放射線の空間的分解能の検出のために設計される。
【００１１】
光学フィルタまたはビームスプリッタは、物品または製品と検出器アレイとの間に配置され、レーザビームの波長を有する電磁放射線が検出器アレイの検出器に衝突しないように設計される。この場合、光学フィルタは、帯域通過フィルタまたはエッジフィルタであってもよい。レーザビームのレーザ放射線の波長範囲からの電磁放射線は、レーザ放射線のこの波長範囲が検出器アレイの検出器に衝突することができないように、ビームスプリッタを使用して偏向することができる。
【００１２】
照射および検出は、物品または製品、レーザビームの焦点範囲、電磁放射を発するダイオード、および検出器アレイの検出器の間の相対的な移動中に実行される。一般に、物品又は製品は移動を行い、他の全ての言及された構成要素は強固に固定されることがある。レーザビームが回転可能または回転可能な反射素子によって偏向されるとき、物品または製品の表面または表面領域上のレーザビームの焦点範囲の移動のみとなる。
【００１３】
少なくとも検出器アレイの検出器は、電子評価ユニットに接続される。電子評価ユニットは、検出器アレイの検出器によって検出されるラマンまたは蛍光放射の強度の空間的およびスペクトル的な分解の評価のために、また、個々の物品または製品の形状および位置認識を決定するための画像分析を行うために設計される。
【００１４】
ラマンまたは蛍光放射を励起するためのレーザビームは、少なくとも１つの軸の周りで旋回可能または回転可能な反射要素によって、または物品または製品が配置される幅を横切る線形光学レンズによって方向付けられてもよい。回転可能な反射要素は、スキャナミラーまたはガルボミラーとして知られるものがある。回転可能な反射素子は、その周囲に分布して、複数の平面状反射面を有してもよく、この平面状反射面に向けてビームを回転中に連続的に向けることができる。前記素子は、ポリゴンミラーの形状を有し、前記素子の周面に回転方向に沿って複数の反射面が連続して配置されていてもよい。少なくとも1つの軸の周りを旋回可能であるか、または回転軸の周りを回転可能である反射素子は、検出が行われる周波数よりも高い周波数でラマンまたは蛍光放射が発生する場合に、レーザビームの焦点範囲が移動するように設計または制御可能であるべきである。
【００１５】
電子評価ユニットは、検出器によって検出された少なくとも1つの波長の強度のスペクトル強度差を認識するように、および／またはパラメータを抽出するように、特に、好ましくは主成分分析、判別分析、サポートベクター法、ニューラルネットワーク、クラスター分析、またはランダムフォレスト法による多変量またはケモメトリックデータ分析によって設計されるべきである。
【００１６】
検出には、従来のハイパースペクトル画像システム(HSIシステム)を使用することができる。この場合、経済的なシリコンベースの検出器を使用することができる。仕分けられる試料は、レーザビームの助けを借りて光学的に非接触で励起されてもよい。材料によって、ラマン散乱または蛍光が励起される。レーザ波長は、以下のように選択されるべきである。
a)ラマン散乱/蛍光の信号は、検出器の最適領域で検出され得る。これは最高の量子効率をもつ領域である。
b)検出器アレイの別の領域を、形状認識のために使用することができる。ダイオードが少なくともほぼ単色の電磁放射線を放射する行の中心波長 (CWL) は、検出器によって検出されるラマン／蛍光シグナルに影響がないように選択され得る。
【００１７】
例えば、400 nm〜1000nmの波長範囲で感度を有し、532 nmの波長を有するレーザ放射線を用いることができる。ラマン／蛍光は、約700 nmまで検出され得、850 nmのCWLを有するダイオードは、照射、次いで画像分析のために使用され得る。
【００１８】
個々の検出器で検出されたスペクトル分解データは、別々に処理することができる。
a)（ラマン／蛍光）スペクトルの評価
b)形状及び位置／位置認識又は画像解析のためのダイオード励起からのデータの分離
【００１９】
特定のタスクに必要なパラメータは、検出器によって空間的に分解された方法で検出されたスペクトルから抽出することができる。これらのパラメータは、スペクトル強度差(一つ以上の波長で)からも、多変量／ケモメトリックデータ解析(例えば、主成分分析、判別分析、サポートベクトル法、ニューラルネットワーク[深層学習法]、クラスター分析、ランダムフォレスト法など。)のユニークな基準としても得られる。
【００２０】
決定された形状、色、層、表面、材料および位置／位置パラメータ、または画像分析から得られたデータは、複数の物品または製品で形成された試料についてのさらなる試料分類／試料評価のために、スペクトル評価から得られた知見と一緒に使用されてもよい。
【００２１】
・ハイパースペクトル技術または画像分光法の使用は、以下に基づいて平面(横方向に分解される)特性化を可能にする。
・物品または製品で形成されたサンプルの異なる位置で同時に測定された(透過または（／及び）反射)スペクトルの評価(ここでは１列に並んでいる)
・相対移動試料／検出器アレイ
【００２２】
・前提条件
・レーザビーム(コヒーレント単色点光源)は、物品または製品によって形成されるストリームの幅にわたって、または個々の物品または製品の表面上で、スキャナミラー(ガルバノスキャナー)によってガイドされてもよく、これは、記録周波数よりもはるかに高速で行われるべきである。
・あるいは、光学ラインレンズを使用して、単位時間当たりの位置点当たりに選択的に導入される強度が減少するようにしてもよい。
・レーザビームは、二色性ビームスプリッターを介して斜めにまたは垂直に導入されてもよい。
・光学エッジまたはノッチ・フィルタをHSIシステムの前に配置することができ、それによって検出器の励起波長を遮断することができる。
・ダイオード、例えば、ダイオードの列は、観測線の１つの側または２つの側に導入されてもよく、角度は可変である(シャドーイングは必要に応じて保証されなければならない)。
【００２３】
評価のための機械ベースの画像(ダイオード列)及び画像分光法(HSIシステム)の固有の組み合わせにより、特に異なる物品又は製品の形状／均一性を含めて、評価特徴の複雑な決定を達成することができる。
【００２４】
従って、本発明の目的は、レーザ励起に基づいて、検出器の未使用のスペクトル領域において、ラマン信号及び／又は蛍光信号並びに形状認識／画像検出のためのデータを同時に検出することである。以前は、これを二つの別々の光学テストシステム(分光システム+マシンビジョンシステム)で行う必要があった。これにより、まったく新しい種類の表面およびコンポーネントの光学的検査(一般に工業用品)が可能になる。
【００２５】
本発明によれば、以下のような効果を得ることができる。
a.    
i.  光学検査システム(重複したソフトウェア、重複したプロセスの統合などが不要。)の重複した解釈の必要はなく；
ii.  機械ベースのイメージングおよびイメージング分光法の固有の組み合わせ；
iii.  複雑な品質評価および複雑な品質特性の決定、特にその領域の形状／位置／均一性を含めなければならない場合；
iv.  プロセス統合のための低い空間要求；
v.  表面は非接触で、汚染のない状態で検査される；
vi.  迅速で完全かつ自動化可能な品質管理；および
または生産中に直接インラインモニタリングを実施するものとする。
【００２６】
本発明は、次のような工業製品の品質及び工程管理に使用することができる。
・ガラス、フィルム、木材、セラミックおよび金属表面、コーティングおよび塗料;
・構造化されたサーフェスまたは構造化されたコンポーネント／プロダクト;
・清浄度検査;
・複雑な技術コンポーネント;
自動車エンジニアリング、航空機建設、機器・装置エンジニアリング、半導体産業、コーター、光学ガラスメーカー。
以下、本発明をより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明による装置の一例を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１では、装置の光学部品のみが示されており、電子評価ユニットの図示は省略されている。
【００２９】
波長532 nmのレーザビーム１は、レーザ放射源２により、レーザビーム１を反射する軸を中心に回動可能な素子６を介して、製品３を含むストリームの上に向けられる。ここで、レーザ光１の焦点は、製品３によって形成され、一方向に移動するストリームの全幅にわたって向けられる。フォーカスは、ストリームの移動方向に垂直に移動する。この照射の結果、ラマン散乱が発生し、および／または蛍光放射が励起される。
【００３０】
同時に、ストリームは、一列に並んだダイオード７の配列によって放射される電磁放射によって直線的に照射される。この電磁放射の中心波長は850 nmであり、この波長の周りの散乱は±10%である。この照射は、生成物３の表面のラマン散乱や蛍光が検出されなくなった領域で行うことが好ましい。
【００３１】
照射領域の上方には、検出器アレイ４が配置されており、検出器アレイ４は、複数の検出器が行または行および列に配置されて形成されている。検出器は、空間的およびスペクトル的に分解された強度の検出を可能にするように設計される。
【００３２】
このようにして、スペクトル、空間分解分析および空間分解画像分析が可能となる。個々の検出器の測定信号は、電子評価ユニット(表示せず)に供給され、これによって、例えば、特定の材料から作られた、または特定の形状または色／色の組み合わせを有する製品３の評価を行うことができる。
【００３３】
測定信号の実質的に乱されない検出を可能にするために、レーザビーム１が照射された領域と検出器アレイ４との間に光学フィルタ５が配置され、このフィルタによって、反射され散乱されたレーザ放射線が検出器アレイ４の検出器に衝突し、実際の測定信号に悪影響を及ぼす可能性を防止することができる。この例の光学フィルタ５は、532 nmより大きい波長の電磁放射に対してのみ実質的に完全に透明であるエッジフィルタである。
【００３４】
評価はPCで行ってもよいが、検出器で検出されたデータは、十分に高速なデータ接続を介して伝送されなければならない。ソフトウェアは、検出速度でデータを評価できなければならない。評価手法は、「式」として固定的に定義してもよいし、予め自由に定義してもよい。理想的には、評価の結果のみが保存され、元のデータは破棄される。認識結果の他に、位置情報及びタイムスタンプのような更なるデータも検出され、転送され得る。
【図１】
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【国際調査報告】
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