一种用于在自动化过程控制工件检查应用中提供热红外成像快照动作的装置及方法

摘要

本申请案涉及一种用于在自动化过程控制工件检查应用中提供热红外成像快照动作的装置及方法。更具体而言，本发明是关于在高速机器可视检查系统(12)中使用快照模式铅盐区域阵列成像传感器(20)作为成像前端。较低的成本、在相同于温差电冷却装置的温度下具有的良好测量灵敏度及以快照模式运行的能力使铅盐基图像采集传感器(20)可用于众多自动化过程控制及工件检查应用中。

说明书

本申请案依据并主张优先于2001年5月21日提出申请的美国临时专利申请案第60/292,421号。

发明背景

本申请案涉及一种用于在自动化过程控制工件检查应用中提供热红外成像快照动作的装置及方法。更具体而言，本发明是关于在高速机器可视检查系统中使用快照模式铅盐区域阵列成像传感器作为成像前端。使用快照或间断动作模式铅盐基图像采集传感器可实现各种各样的自动化过程控制或工件检查应用。

尽管本发明特别针对高速自动化生产检查技术领域，且本文因而将具体参照该技术领域说明本发明，然而应了解，本发明也可应用于其它领域及应用中。举例而言，本发明可用于其它在高速控制过程中需使用快照动作的应用中。

作为发明背景，使用摄像机或基于视频的自动化检查技术来帮助制造商或生产商进行质量或过程控制作业已为此项技术领域所熟知。举例而言，名称为“机器可视检查装置及方法”的美国专利第4,760,444号曾介绍一种与基于照相机的机器对牙刷器的可视检查相关的装置及方法。该专利对使用荧光灯来照亮目标进行了论述。其还提及摄像机对检查区域/牙刷的反射率数据的测量。作为另一现代技术的实例，美国专利第4,882,498号曾对使用脉冲式LED照明来检查样品进行了论述。

在许多现有技术的自动化检查实施方案中，通常使用基于电荷耦合器件(CCD)的摄像机。举例而言，名称为“用于CCD图像传感器的电子快门(Electronic shutter for a CCD Image Sensor)”的美国专利第4,875,100号曾介绍一种对现有技术CCD器件架构的改造，该改造将其功能度扩展至包括一电子快门功能。该附加功能使基于CCD的视频成像仪可提供“间断动作”功能(该动作发生于快速变化的图像景物中)而无需同步、脉冲照明。许多后继基于CCD的自动化机器可视系统实施方案也已为人们所熟知。

需要限制并在时间上同步被成像信号光子的采集是高速自动化检查的一个基本要求。无论选择用于一特定机器可视应用中的图像传感器的工作波长如何，该论点均成立。人们知道，目前已存在可用于电磁波谱(介于2微米与12微米之间)热IR区域并具备停止快速演变的空间景物动作能力的摄像机。举例而言，由Raytheon公司制造的辐照率HSX高性能成像摄像机即意在支持快照模式采集。然而，在机器可视应用中使用该种类型的摄像机存在若干缺点，因此难以在机器可视应用中对热IR摄像机进行商业化推广应用。该些缺点包括价格较高且不具备此种类型的斯特林循环冷却的锑化铟基摄像机所具有的坚固耐用性。

近来已出现一种较新类型的热红外摄像机/传感器。从种属上可将该类型的红外成像仪描述为是基于微辐射热计的设备。基于微辐射热计的热IR成像仪的关键特性包括其无需低温冷却即可运行之事实及其可使用标准硅CMOS IC制造设备及工艺来制作之事实。该些特性有助于消除成本较高及不具备历史上原有红外成像技术所具有的坚固耐用性的缺陷。名称为“红外检测器(Infrared Detector)”的美国专利第5,021,663号及名称为“用于IR灵敏度的微结构设计(MicrostructureDesign for High IR Sensitivity)”的美国专利第5,286,976号曾介绍适宜的辐射热计像素点构造及适用于检测空间变化热红外信号的像素阵列配置。名称为“微辐射热计设备单元信号处理电路(Microbolometer Unitcell Signal Processing Circuit)”的美国专利第5,489,776号曾展示如何使用标准的及众所周知的CMOS制造工艺在每一像素基础上并入其它信号处理功能(除信号检测功能外)。该专利介绍了全部制成于基于硅的微辐射热计单元内的电容器及晶体管元件以及电气互连件的用途。该些像素点结构用于将所接收的热能变换为代表已被成像至微辐射热计阵列表面上的景物的有序电信号。名称为“用于产生视频输出信号的摄像机，用于此种摄像机的红外焦平面阵列包，及用于根据一半导体基材上的无源焦平面元件阵列产生视频信号的方法及装置(Camera for Producing Video Output Signal，Infrared Focal Plane ArrayPackage for Such Camera，and Method and Apparatus for GeneratingVideo Signals from Passive Focal Plane Array of Elements on aSemiconductor Substrate)”的美国专利第5,420,419号曾介绍一种可在一运转的红外摄像机内配置现有微辐射热计成像阵列的方式。

尽管已具备知识体系，然而现代技术水平的微辐射热计装置的构建方式却均未满足快照模式图像采集所需的特定像素级功能度。此外，目前微辐射热计技术所具有的测量灵敏度及固有像素点响应时间尚无法满足与极短信号集成、快照模式采集相关的要求。

几十年来，在各种涉及红外能量检测的应用中，一直使用单一元素铅盐检测器，尤其是硫化铅(PbS)及铯化铅(PbSe)。当在室温下使用铅盐检测器时，可获得有用的检测灵敏度，而当装置运行温度降低时，可获得提高的灵敏度，而且在许多涉及铅盐检测器的应用中，使用1级或2级温差电冷却器。

然而，当使用该类型的热IR检测器时，不需要使用昂贵且非人们所希望的低温冷却。况且，近年来，可将有源式两维铅盐感光单元阵列与硅基控制电子装置紧密融合或整合的能力已使得可以开始使用PbS及PbSe来制造大面积两维IR成像阵列。

因缺乏一种具备可满足要求的温度分辨性能且无需使用低温冷却的成本有效的快照模式热IR摄像机，热IR成像前端在现代技术机器可视系统中的应用已受到限制。本文所揭示的发明涵盖一种用于克服已知限制的系统及方法。

发明内容

本发明旨在提供一种检查工件的系统及方法，其特别适合于通过一输送装置以较高动态速度制造及/或提供工件的应用中。该系统包括一图像处理子系统，该图像处理子系统构造用于自一摄像机或成像仪子系统接收图像并产生一与所接收图像相关的工件质量或合格水平的总结性状态报告。

在本发明的一个方面中，与本发明配套的摄像机或成像仪子系统基于一专门构造用于支持快照模式图像采集的铅盐区域阵列的操纵。

本发明的一个优点是能够在电磁波谱热IR部分的一部分(2-5微米)内提供对工件的低成本、联机表面及次表面检查。

本发明的另一优点是能够提供对在电磁波谱的可见及近IR部分内大体透明的工件及物件进行非常稳健的结构整体性检查的能力。

本发明的另一优点是能够提供高灵敏度、高速度及红外成像而无需采用昂贵或不稳健的冷却技术。

本发明的再一优点是能够提供对工件的自动化、低成本温度曲线绘制。

根据下文所提供的详细说明将易知本发明的其它适用范围。然而应了解，尽管该些详细说明及具体实例表示本发明的较佳实施例，但却仅以举例说明方式给出，因为相关技术领域的技术人员将易于得出各种归属于本发明主旨及范畴内的变化及修改。

附图说明

本发明存在于本装置各个部件的构造、布置及组合以及本方法的各步骤中，由此可实现如下文所更完整论述及附图所展示的本发明所涵盖的目的，附图中：

图1为一展示一本发明系统的方框图；

图2为一展示一本发明成像仪的方框图；

图3(a)及(b)为一本发明热成像仪备选方案的一阵列及一单个像素点的方框图；及

图4为一展示一本发明方法的流程图。

具体实施方式

现在参照附图，其中附图所展示内容仅用于展示本发明的较佳实施例，而非用于限定本发明。图1提供一本发明较佳的整体系统12的视图。如图所示，对一成像仪(较佳为一快照模式铅盐成像仪)20进行定位，以便当受检查物体或工件50在一输送装置90的作用下移动通过一指定的图像采集区30时获得该些物体的红外图像数据。一控制用电子设备模块80用于协调包含于该系统内的各功能部件(例如一成像仪处理器10，一状态显示器60，一热能激励源70，成像仪20，及一部件检测装置40)的运行。部件检测装置40可在一物体或工件50朝图像采集区30运动时检测出其存在。

在一个较佳实施例中，提供热能激励源70以将适当的热能传递给正接受检查的物体或工件。当然，倘若工件的特性使其可借助例如生产工艺或类似工艺储存并随后释放可用于检查的足够且可接受的热能，则无需使用激励源。然而，较佳地，热能激励源70(其被展示为具有两个相对于输送装置90相互对置的元件)执行一种与包含于传统机器可视系统中的照明系统类似的功能。亦即，由热能激励源70提供可区分缺陷工件与可接受工件的激励源。受控照明激励源成功应用于被检查物体是一通常与至少某些传统检查应用的成功相关的特征。因此，一种较佳的热能激励源应向受检查物体50提供受控的恒定热能，以增强各种诸如结合本发明所述的机器可视应用及系统内的热红外成像特性。

在一较佳形式中，成像仪20为1维或2维的铅盐感光单元阵列，其被设计为对影像至其表面上的介于约2至5微米范围的热红外能量敏感。较佳地，铅盐为硫化铅(PbS)或铯化铅(PbSe)。该快照模式铅盐成像仪20较佳地同时整合或获取所有像素或单元中的热红外光子，由此支持间断动作成像。该阵列较佳地满足了与工业机器可视应用相关的典型要求，例如成本低、坚固耐用、响应时间短、具有可支持快照模式信号集成的较佳灵敏度及不使用低温冷却等。

存在多种对使用一1维或2维成像阵列获得的图像数据进行存取的方法。一种技术是将支持图像信息所需的适当信号处理资源用于阵列中的每一像素。在这种情况下，阵列中的每一像素点均包括执行诸如电流或电荷/电压转换或模拟/数字转换等功能所需的资源。同时还为阵列中的每一像素提供一输出插针或端口。

对于像素总数非常少的阵列，此一构造是可接受的。然而，对于较大的阵列，该构造却不太可行。在这些情况下，最好利用一单组输出资源(有时使用2个、4个或8个输出端口)，然后以顺序性方式将各像素点多路复用或切换至该些资源。将一多路复用器输出架构用于快照模式信号积分意味着仍需在传感器设计中包含某些类型的按像素信号存储装置。就此而言，如此项技术领域所熟知，可在独立的硅芯片内制造合适的集成电路来执行所需的按像素电荷存储及多路复用功能。可使用类似技术制成用于传统机器可视系统中的硅基图像传感器。

通过将产生于铅盐红外光电池内的光子感应电流或电荷与一合适的硅基信号处理/读出电路(如上所述)紧密联接，可实现一种适用的快照模式热红外成像仪。用于将形成于铅盐光电池内的由光子所产生的信号与硅读出电路联接的备选方法包括将铅盐化合物直接沉积于硅读出电路上，或者使用铟凸块粘合技术将铅盐焦平面结合至一硅读出电路。根据本发明，摄像机及采集技术的此种总体进步可实现热IR摄像机前端在联机机器可视系统内的新颖应用。

现在参见图2，一较佳成像仪20包括一外壳25，在该外壳25中设置有一透镜21、一铅盐焦平面阵列22及合适的读出电路23。外壳25内还包含有一摄像机控制及输出调节电路24。该图还展示了与图像处理器10及控制用电子设备模块80的连接。

外壳25可采用多种形式，但较佳具有可支持图2所示部件的构造。此外，外壳25还较佳具有此种特性：其可为焦平面阵列22提供足够的热稳定性以适应充分成像的需要。

同样，透镜21也可具有多种构造。可对红外信号进行充分聚焦的透镜已为人们熟知。然而，应了解，所用的特定透镜可视焦平面阵列的构造及该应用的视场要求而定。

阵列22及读出电路23较佳按照上述方式构造。摄像机控制及输出调节电路24则构造用于处理来自读出电路的数据(例如电信号)并与控制用电子设备模块80及图像处理器10进行通信。

在工作过程中，透镜21接收来自一正在辐射热能的工件或物体50的红外信号光子并将这些光子聚焦于阵列22上。焦平面阵列22的像素可对信号光子进行积分并将其转换为电信号。读出电路23以顺序性方式访问该些电信号并将其作为输入传递至摄像机控制及输出调节电路24。然后，电路24根据该些电信号向图像处理器10提供一输出信号(例如一两维红外空间图像或数据集等图像数据)。应了解，控制及输出调节电路24还从控制用电子设备模块80接收一采集控制信号及一积分时间控制信号。

如图2所示，较佳成像仪20内配置一温差电冷却装置26，该温差电冷却装置26可采用多种形式。装置26的主要功能是将焦平面阵列22保持在一稳定的运行温度。此一功能具有可改善成像仪20的图像采集性能的有利效果。应了解，当在室温下使用铅盐检测器时可获得有效的检测灵敏度。此外，当降低检测器的运行温度时，可获得提高的测量灵敏度。因此，有可能构造一有效的成像仪20，其中可将焦平面阵列22设定至自室温至冷却温度范围内的任一运行温度。与本发明的总体范畴相一致，当焦平面阵列22以相同于2级或3级固态温差电冷却部件的温度运行时，即可在成像仪成本、寿命及测量灵敏度之间获得一较佳的折衷。温差电冷却器的应用在此项技术中已众所熟知。

图3(a)及(b)对流至焦平面阵列22上的功能性及物理性信号光子流及由此产生的流出读出电路23的图像信号流进行了更详细说明。在图3(a)中，一实例性阵列22被展示为具有若干位于读出电路23上的光敏元件22′。当然，元件22′的数量因系统而异。所示阵列仅为一用于举例说明目的的实例——元件22′的典型数量通常远大于此值。参见图3(b)，该图展示阵列中的单个像素感光单元，一像素感光单元内出现的由信号诱发的变化被从由铅盐制成的光敏元件22′导入至包含于该像素点内的硅基信号处理区27内。该信号用于将光敏阵列22内出现的由信号诱发的电子变化转换为一种形式，该形式可首先被存储于像素的信号存储28部分中，然后可使用信号多路复用电路29移出像素阵列。应了解，如上所述，尽管提供了多路复用电路旨在以一种可简化电路的形式对来自所有感光单元的信号进行多路复用，然而需要为每一感光单元专门提供电路27及28。此处提供该功能说明旨在为举例说明目的展示一备选热成像仪的一般功能度。绝不应将其解释为本文所揭示发明的范畴仅限于符合该具体说明的焦平面阵列及读出电路实施方案。

现在重新参见图1，图像采集区30可采用多种形式来支持较佳的快照模式图像采集。举例而言，其可仅为一沿输送装置90的特别有利于成像仪20实施检测的区域。或者，区域30可包含一检查件被输送通过的外壳或隧道。假若具有一较佳系统的特性，该检查区较佳包含一辐射隔板结构35，该辐射隔板结构35用于阻挡或屏蔽诸如不期望的、杂散的或特定的热辐射(例如由非受控或非较佳的源辐射出的热辐射)等有害能量不从被检查件反射出来并进入成像仪20的视场。当然，所需热辐射既不会受到如图所示结构35的阻挡，也不会在所属技术领域的技术人员易于得出的各种其它构造中受到阻挡。此外，隔板结构35可改善信噪比。在某些情况下，隔板结构35可改善信噪比，以便将具备可接受性能的系统与不具备可接受性能的系统区分开来。此外，包含于检查区30中的隔板结构35应具有较高的热吸收特性及较低的自发射。通过如下方式可较佳地获得该些性质：使用一具有高表面比辐射率的辐射隔板35，然后以某种方式(例如使用温差电冷却器)将其冷却至一明显低于被检查件50或被监测工艺温度的温度。应了解，为实现本发明目的，隔板结构35可采用多种形式。

图像处理器10也可采用多种形式。能够处理电格式或数字格式图像数据的图像处理器在所属技术领域中已众所熟知。此外，根据预定准则来分析图像数据并确定图像特征的图像处理器也同样众所熟知。一用于实施本发明的合适图像处理器应能够实现本文所述的本发明目的，但其可为任一种已知类型。

在一较佳实施例中，部件检测装置40为一在该行业中众所熟知的光电型开关。然而，其同样可为能够检测到受检查工件50的存在并以电子方式将该状态传输至控制用电子设备模块80的任一种类型的传感器部件。

工件或物体50可采取任一可被适当输送及检查且较佳在自动化过程控制环境中高速输送及检查的工件形式。举例而言，该些物体可为不同构造的容器。然而，无论工件或物体50为何种形式，其较佳均应具有此种性质：可储存及辐射在生产过程中产生的或通过采用一热能激励源(例如由70所表示的热能激励源)产生的热能。

在一较佳实施例中，状态显示器60是一种机械式废品剔出装置，例如一空气阀或电磁阀，其用于每当图像处理器10判定出工件低于一预定质量等级时将该些工件从其正常的动态流程中剔除。或者，可将状态显示器60构建为一用于提供一逐一部件质量报告及/或工件质量累积档案的打印或显示报表写入装置。作为另一选择方案，状态显示器可被构建为一标记装置，其用于每当判定出工件低于或者高于一预定质量等级时以某种规定方式对工件进行标记。

现在，我们已知各种用于向受检查物体施加能量的方式及装置。因此，热能激励源70可采取多种形式。已知技术包括使用感应原理(例如感应式加热器)、超声波(例如超声波加热器)及微波。通过自然对流及/或强制空气流动进行能量交换的黑体辐射源，例如灯具(例如石英卤素灯)及灼热棒。其它合适的装置包括石英灯、红外辐射源、炉、高功率激光器(例如空间制导高功率激光器)及可制导的超声波装置。也可通过激励任一与该部件相关的有源电气部件的方式向受检查物体50施加热能。通过自身电加热而有利激励部件的实例包括电动机、变压器及电子电路板。

尽管一较佳实施例包括用于向受检查物体50施加受控热能的装置，然而应了解，本发明主旨还包含那些应用领域，其中在一或多个正常制造工艺步骤中所正常产生的包含于部件内的热能自身足以满足缺陷属性检测要求。同样，本发明还包括：构建主要用于保证被检查物体内的热能正确分布于该物体内以改善其成像的装置。

同样，尽管一较佳实施例论述了使用一快照模式铅盐成像仪20来从运动中的物体采集图像，然而应了解，正确配置于一机器可视系统内的此一成像仪也适用于采集静止物体的图像。具体而言，此一红外摄像机可根据需要的采集及积分持续时间信号调整其图像采集作业的能力使其能够采集发生于所关心物体中的动态热事件的有用信息。在热红外范围内进行时间紧要成像作业可用于确定所制造产品合格程度的一实例包括：在动态加电状态下检查运行的电子组件。指示摄像机在该组件加电后以预定的、严格受控的时间周期采集电子电路图像的能力使得能够观测到某些类型的故障运行。

控制用电子设备模块80可具有多种构造(既包括硬件构造也包括软件构造)，但较佳应根据来自部件检测装置40的信令并依据输送装置90的瞬时运动或装置90所输送部件的瞬时运动来执行精确的定时功能，并将图像采集控制信号(例如一采集信号及一积分时间信号)应用于快照模式铅盐成像仪20。

输送装置90较佳为一具有可使物体移动的移动带或皮带的常规输送机系统。举例而言，该输送装置可包含一用于快速、连续地为检查/过程控制系统动态提供一连串部件的自动化输送装置。然而，所用系统较佳构造为可容纳热能激励源。还应了解，尽管较佳将物体输送入一检查区内，然而也可使用一可相对于物体输送成像设备的系统来取代输送装置90。

在一较佳作业中，沿输送装置90并通过一热能激励源70输送物体或工件50。然后，部件检测装置40检测该工件。一旦工件50处于图像采集区30内，成像仪20即会因电子控制设备模块80响应一来自部件检测装置40的信号而产生的图像采集信号采集到一该物体的图像。该采集信号通知成像仪20一部件正处于图像采集区30内的正确位置上并且应开始对红外信号光子进行积分或收集。然后，快照模式铅盐成像仪20较佳开始根据积分时间控制信号在一特定时间周期内同时对包含于其焦平面阵列(如图2所示)内的所有像素中的信号光子进行积分。

在成像仪20已采集信号光子达一预定曝光时间后，信号积分将以电子方式终止且已收集的图像数据较佳以某种方式传递至图像处理器10。图像处理器10对成像仪20提供的图像数据进行处理，以产生一与所接收图像相关的工件的总结性状态报告。该总结性状态报告既可直接也可间接(通过电子控制设备模块80)被传输至状态显示器60以便采取措施。亦即，图像处理器以一种可减小由成像仪所产生的两维红外空间图像或数据集的方式接收热红外成像仪的输出并将其处理成具体的一组与被检查部件或过程相关的有关质量或过程的特性。

更具体而言，现在参见图4，该图展示一反映上述作业的基本步骤的较佳方法。首先，在被检查物体50进入检查区30之前对物体50施加热能(步骤302)。应了解，热能既可由热能激励源70提供，也可能是物体因一制造或控制过程而固有的。此外，提供激励源可能仅用于确保红外能量适当地分布于物体内。然后，输送该物体并在其进入一检查区或图像采集区30时检测该物体(步骤304及306)。部件检测装置40实施对物体的检测，并同时向模块80发送一检测信号。

然后，模块80根据该检测信号向快照模式铅盐成像仪20传送适当的信令(即一图像采集信号及一积分时间控制信号)，以便成像仪20的焦平面阵列像素收集该物体所辐射的红外能量并对红外信号光子进行一预定时间周期的积分，以获得合适的图像数据(步骤308)。然后，成像仪20的控制电路24将该图像数据提供至图像处理器10(步骤310)。接着，图像处理器使用此项技术中众所熟知的技术来处理该图像数据(步骤312)。处理的目的既可能是检测物体中的缺陷，也可能是仅确定该物体的整体状态。然后，根据对图像数据的处理产生一状态报告(步骤314)。

该状态报告被直接或间接(例如通过模块80)提供至状态显示器60(步骤316)。应了解，一旦状态显示器收集到该状态报告，即可随之采取多种步骤。举例而言，如果图像采集的目的是检测被检查物体中的缺陷，则状态显示器可采用一部件剔出或接受装置的形式，并接着借助例如一机械式废品剔出装置(例如一用于自输送路径剔除工件的空气阀或电磁阀)剔除该物体。或者，可仅将状态显示器简单地构建为一用于提供逐一部件质量报告及/或工件质量累积报告的打印或显示机构。此外，亦可将状态显示器构建为其它形式，例如标记装置(如上所述)或一可采用一种有利于对制造过程实施闭环控制的方式以电子方式传输部件或过程状态的模块。

尽管通过一较佳实施例论述了一宽带热IR检查系统所具有的一般优点及详细实施方式，然而应认识到，在某些情况下，也可使用一种成像仪20的前端额外配置有选择性光谱滤光器的基本相同的系统。可将系统灵敏度限定至热IR区内特定波长(已知与被检查部件或过程相关的重要信息存在于该特定波长范围内)的能力往往会提高系统的总体信噪比。这具有使系统所作决定更准确可靠的有利效果。

本文中的说明集中于与工件或物体50相关的检查及/或控制过程。然而应了解，一本发明系统也可用于监测一具有多个所关心热区域的复杂过程或系统。

此外，如在一较佳实施例中所述，系统所收集的数据足以对一部件或过程的合格程度作出判定。然而应了解，一本发明系统所收集的数据可能仅包含一用于作出判定的数据集的一部分。

上述说明仅提供对本发明特定实施例的揭示内容，并非意欲将本发明限定于此。因此，本发明并非仅限于上述实施例。而是，应认识到，所属技术领域的技术人员可构想出归属于本发明范畴内的替代实施例。