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CN102362169A - 采用短波红外感测的光学检查系统 - Google Patents

采用短波红外感测的光学检查系统 Download PDF

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CN102362169A
CN102362169A CN2010800132405A CN201080013240A CN102362169A CN 102362169 A CN102362169 A CN 102362169A CN 2010800132405 A CN2010800132405 A CN 2010800132405A CN 201080013240 A CN201080013240 A CN 201080013240A CN 102362169 A CN102362169 A CN 102362169A
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video camera
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史宇华
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Philip Morris Products SA
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Abstract

一种检查含条带区域和非条带区域烟卷纸的系统。所述系统包括短波红外摄影机(224)，所述短波红外摄影机形成表示所述烟卷纸的若干性质的电信号，以及处理器，用于分析所述电信号以提供分析结果，所述处理器包括依次检查若干像素以判断每个连续像素对应于非条带区域还是条带区域的逻辑；根据所述依次检查的逻辑提供的结果计算所述烟卷纸上相邻条带区域之间间距的逻辑；以及根据所述依次检查的逻辑提供的结果计算所述烟卷纸上条带区域的宽度的逻辑。也提供了检查含条带区域和非条带区域烟卷纸的在线方法。

Description

采用短波红外感测的光学检查系统
技术领域
一般来说，本文档涉及检查含条带纸的系统和方法。
背景技术
在造纸业中往往需要改变或增强纸的若干特征。例如，烟卷制造商长期以来已经认识到向纸张增加香料或燃烧控制添加剂的有用性。另一项更新近的应用包括改变烟卷纸，使得在吸烟者不吸入包含这样的纸的烟草制品时，烟草制品具有降低的燃烧速率。
为了改变或增强纸的若干特征已经开发了许多技术。这样的技术包括通过凹板印刷(gravure press)、刮板涂布(blade coating)、墨辊涂布(roller coating)、丝网印刷(silk screen)和模版印刷(stenciling)方法在纸幅(web)上产生印记或涂层。例如，US-A-4 968534介绍了模版印刷装置，其中在应用过程期间，连续的模版与纸幅对面接合。通过改变所用的模版，可以改变该设备涂布的图案。
US-A-4 968 534介绍了造纸机上安装的移动喷嘴涂布器。该涂布器包括在电机驱动的若干滑轮上安装的连续钢传送带。传送带的行程的下横断面形成了封闭空腔的底部。传送带中心线上的喷嘴与该空腔有联系。在运行期间，浆体被连续地泵入该封闭空腔，并且在浆体通过喷嘴从空腔通过并到达纸幅时，传送带跨越纸幅的移动使浆体的平行条带涂布到纸幅上。通过改变传送带与纸幅的相对角度和速度，能够容易地改变涂布到纸幅的条带关于纸幅的相对角度以及它们的间距。
为了确保这些强化纸张的品质和一致性，已经开发了若干系统检查这样的纸张的表面，包括烟卷纸。此检查可能引起在移动的材料纸幅投射电磁辐射。在这样的系统中，光线冲击在移动纸幅的表面上，在此反射并在检测器设备接收。通过勘测反射的电磁辐射的性质，移动纸幅上任何异常都能够被检测出。例如，纸幅上的裂缝、针孔或污点将在来自检测器的信号电平在以尖峰表明它自己，这归因于反射的辐射中的增强或减弱。通过将检测器输出连接到示波器或其他输出设备，可以观察这个尖峰。
烟卷纸的检查带来了严重挑战。参考图1，烟卷10显示为包括烟卷纸12，烟卷纸12包含通过在基础烟卷纸12上沉积一层纤维素纸浆或其他材料而形成的多个条带14。图2显示了包含这些条带的一段烟卷纸。烟卷纸上形成的条带往往具有与烟卷纸本身类似的反射性质。例如，这些条带往往以白色材料形成，难以与白色烟卷纸区分。不仅如此，由于在造纸期间难以保持不变的纸浆涂布速率，烟卷纸的基本重量可能沿着纸张的长度变化。纸张基本重量的变化影响了其反射性质，从而模糊了条带与非条带区域之间的差异。某些公知的设备没有能力说明来自这种性质纸幅的反射。
同样，参考图2，操作员可能关注于判断条带的宽度16、条带的对比以及条带之间的距离18是否在恰当的容差之内。条带宽度是否太大、太小或者以大于或小于期望距离与其相邻条带分开无法由仅仅观察移动纸幅上单点的性质而判断。相反，必须确定纸幅上不同要素之间的空间关系。
图案识别技术是确定材料的印刷纸幅上不同特征之间的空间关系的一种方式。以某常用技术，摄影机形成一部分材料纸幅及其上印刷信息的数字图像。然后数字图像与表示无误差纸幅部分的预存储模板比较。模板与图像之间的不符表示不规则的纸幅。这些技术提供了准确度，但是遗憾的是伴随着大量的数据处理。所以这些技术不适于检测高速移动纸幅上条带性质的任务。
烟卷纸造纸机造纸的速度使得纸对有条带烟卷纸的检查系统构成了特定的挑战。典型情况下，检查系统可能不得不跨越1.9m宽度每分钟检查多达15000条带或更多。这在短时间内产生了大量要处理的数据。
也已经开发了检查烟卷纸表面的回绕/检查机。这些机器中的几种受害于许多缺点。例如，在材料纸幅从展开盘向回绕盘通过时，这些机器中的某些可能对它施加相当的张力，所以不适于尤为脆弱的薄片形材料。由于烟卷纸相对软弱，可能难以高速回绕到大盘而不破损。同样，烟卷纸相对薄，难以平稳整齐地将纸张回绕到回绕盘上。
US-A-5 966 218介绍的回绕机光学地检查有条带的纸张，方式为引导延长的光束横向地跨越纸张。延长的光束冲击纸面并形成反射。包含线性CCD阵列的线扫描摄影机接收反射并产生输出信号。线扫描处理器处理这些输出信号以产生表明条带之间的间距、条带的宽度和条带的对比的数据。纸张被摄影机检查后，回绕到回绕盘上。据说此回绕机的多种机械特征允许快速安装和卸下纸盘，并且提供高速运行。
尽管已经提出了若干系统用于检查已经制造并取下生产线的材料纸幅，比如烟卷纸，但是可能期望提供在线检查有印记或涂层纸幅的系统，其中印记或涂层尚未达到完全干燥的状态。
在US-A-2008295854中最近已经发现和公开了如果一层或多层包括白垩(碳酸钙)和淀粉的含水添加材料被涂布到基础纸幅并允许其干燥，那么使用US-A-5 966 218的技术在干燥层与基础纸幅之间的对比可能不足。已经解决这个问题的方式为增加具有不多或没有白垩含量的添加材料表层，以便为检查目的产生足够的对比。不过，这种解决方案需要额外的材料和/或额外的涂布或操作。
发明内容
本文公开的是分析纸张性质的系统。在烟卷纸的背景中，所述系统能够检测若干条带的间距、所述条带的宽度和所述条带的对比。
更确切地说，在根据示范方面的检查系统中，所述纸张在检查滚筒上通过，在此其被光分配组件照射。确切地说，所述光分配组件引导光带跨越所述纸幅。以一种形式，所述光带在所述纸面反射然后在包含线性电荷耦合器件(CCD)阵列的短波红外线扫描摄影机接收。以另一种形式，所述光带通过所述纸面透射然后由包含线性CCD阵列的所述短波红外线(line)扫描摄影机在另一侧接收。
本发明的所述检查系统中所用的线扫描摄影机包括像素(即传感器)阵列，每个像素都接收从所述纸幅反射的光。所述摄影机中的所述CCD根据所述摄影机中相应像素收到的光产生数据。
来自所述CCD阵列的数据馈入线扫描处理器。所述线扫描处理器将所述数据划分为多条道(lane)；每条道都对应于所述纸幅的宽度的一部分；可见所述线扫描摄影机的每个像素都与所述道之一相关联。在每条道内，由与这些直道相关联的一个或多个但是非全部的像素产生的数据然后与可变阈值比较，以判断所述道对应于条带区域还是非条带区域。每条道内比较的所述像素随扫描线而变化以界定锯齿形图案。通过监视和记录来自每条道内连续像素的数据，所述线扫描处理器能够独立地对每条道计算所述纸幅上条带的宽度、条带之间的间距和所述条带的平均对比。通过比较来自每条道内少于全部所述像素的数据，减少了判断条带存在和特征所需的数据处理量。
根据非条带区域及其紧邻的前方条带区域的移动平均值，动态地设置区别条带区域和非条带区域所用的所述阈值。以一种形式，所述阈值表示非条带背景加上以下二者中较大者的移动平均值：(1)设定的常数值(比如10灰度级别)或(2)条带区域峰值高度的移动平均值的50％(其中所述“峰值高度”对应于所述条带区域的灰度级别减去相邻非条带区域的灰度级别)。以这种方式动态地设置所述阈值容纳了范围广泛的不同类型的烟卷纸和条带材料，并且也能够说明所述纸张的基本重力沿着所述纸张长度的变化。
以周期的间隔，由所述线扫描处理器算出的信息被组装为以太网数据包并在以太网上传递到计算机工作站。所述计算机工作站然后汇聚所述数据包与先前收到的数据包，并为操作员显示多种汇总统计显示。例如，所述显示提供的图形对报告间隔展示了随道序号而变的所述条带宽度、条带间距、条带对比和条带异常。不仅如此，所述显示还通过呈现随时间而变的所述条带宽度、条带间距和条带对比，呈现了若干累积统计。
因此，在一方面，提供了检查包含条带区域和非条带区域的烟卷纸的系统。所述系统包括短波红外摄影机，所述短波红外摄影机形成的电信号表示所述烟卷纸的若干性质，以及处理器，用于分析所述电信号以提供分析结果，所述处理器包括依次检查来自若干像素的数据以判断来自每个连续像素的数据是对应于非条带区域还是条带区域的逻辑；根据所述依次检查的逻辑提供的结果计算所述烟卷纸上相邻条带区域之间间距的逻辑；以及根据所述依次检查的逻辑提供的结果计算所述烟卷纸上条带区域的宽度的逻辑。
以一种形式，所述短波红外摄影机包括砷化铟镓传感器。
以另一种形式，所述系统包括编码器，用于感测纸幅速度。
在另一方面，提供了检查包含条带区域和非条带区域的烟卷纸的系统。所述系统包括短波红外摄影机，所述短波红外摄影机形成表示所述烟卷纸的若干性质的电信号，以及处理器，用于分析所述电信号以提供分析结果，所述处理器包括用于把所述摄影机的电信号划分为多条道的逻辑，每条道都对应于所述正被检查纸幅的宽度的一部分，以及检查每条输出道内的电信号，以判断所述电信号是高于还是低于某阈值，其中电信号高于所述阈值表明所述条带区域，而电信号低于所述阈值表明所述烟卷纸的所述非条带区域。
在又一方面，提供了检查包含条带区域和非条带区域的纸张的方法，包括以下步骤：将来自光源的光引导到所述纸张的表面，所述光从所述纸张形成反射或通过所述纸张透射；由短波红外摄影机接收所述反射或透射以产生输出信号；以及在处理模块中处理所述输出信号以产生表示一个或多个以下性质的输出信息：一个或多个条带区域的宽度、条带区域的一个或多个相邻组之间的间距以及一个或多个条带区域的对比。
在再一方面，提供了在线检查包含条带区域和非条带区域的纸张的方法。所述方法包括以下步骤：将来自光源的光引导到所述纸张的表面，所述光从所述纸张形成反射或通过所述纸张透射，由短波红外摄影机接收所述反射或透射以产生输出信号，以及在处理模块中处理所述输出信号以产生表示一个或多个以下性质的输出信息：一个或多个条带区域的宽度、条带区域的一个或多个相邻组之间的间距以及一个或多个条带区域的对比，其中所述处理步骤进一步包括以下步骤：把所述摄影机的输出信号划分为多条道；以及检查每条道内的输出信号，以判断所述输出信号是高于还是低于某阈值，其中输出信号高于所述阈值表明所述条带区域，而输出信号低于所述阈值表明所述烟卷纸的所述非条带区域。
在正被检查的所述纸幅通过所述检查站时，红外辐射被引导至跨所述纸幅宽度的带中。所述红外辐射从所述纸幅反射到线扫描摄影机。本发明的所述检查系统中所用的线扫描摄影机包括像素阵列，每个像素都接收从所述纸幅反射的光。每个像素都产生输出信号，其电平表明了冲击到所述像素的辐射(在所述像素运行的波长带内)的强度。由所述摄影机的CCD产生的数据包括这些输出信号。在每次曝光时，由跨所述纸幅宽度的像素产生的数据被发送到处理单元。在处理单元中，来自所述或每个线扫描摄影机的数据被分配到若干道，每条道都对应于所述纸幅的宽度的一部分。因此，所述检查站的所述线扫描摄影机中的每个像素都对某条道贡献数据(其输出信号)。检查某条道中的数据就给出了在跨正被检查的纸幅的带上该道中条带存在或不存在以及若干性质的有关信息。条带的存在或不存在以及任何条带的所述性质，包括它与相邻条带的间距，由比较像素的输出信号与动态阈值信号确定。不是检查来自每一个像素的输出信号，而是仅仅检查来自某些像素的数据。检查来自每条道中至少一个像素的输出信号。在后续曝光时，检查不同像素的输出信号，尽管可能是同一像素被检查了许多次曝光后再检查下一个像素。在优选实施例中，从一次曝光到下一次时，检查移动到相邻像素，并且当已经检查了对某条道贡献的最后一个像素时，颠倒检查顺序。以这种方式，无需在每一次曝光时处理来自每一个像素的数据就能够确定跨所述纸幅条带存在或不存在以及若干性质。
下面将进一步参考附图举例介绍本发明。
附图说明
参考以下说明和作为非限制实例展示多种形式的附图，可以达到进一步的解释，其中：
图1显示了包含条带区域的示范烟卷；
图2显示了包括条带的烟卷材料的示范纸幅；
图3描绘了具有根据本文的光学检查系统的一部分造纸生产线的简化示意图；
图4显示了示范线扫描摄影机和相关联的光分配组件；
图5显示了图3中造纸生产线的光学检查系统中使用的检查滚筒；
图6显示了图5中检查滚筒的分解图；
图7显示了图3中造纸生产线的光学检查系统中使用的示范电气/计算机配置；
图8显示了根据本文的处理来自线扫描摄影机的数据的示范技术；
图9展示了本文公开的系统如何改变条带检测阈值(T)以补偿图像基线的变化；
图10显示了确定由线扫描摄影机成像的条带的多种性质的示范算法；
图11显示了由线扫描摄影机成像的条带的多种性质的示范统计显示；
图12A描述了具有根据本文的光学检查系统的一部分轮转凹板印刷线的简化示意图；
图12B描述了具有根据本文的另一个光学检查系统的一部分轮转凹板印刷线的另一幅简化示意图。
具体实施方式
现在将参考为展示目的而选择的特定形式介绍多个方面。应当认识到，本文公开的系统和方法的实质和范围不限于所选择的形式。不仅如此，还应当指出，本文提供的图没有按任何具体比例或刻度绘制，并且对所展示的形式能够进行多种改变。现在参考图1至图11，其中相同的号码始终用于指明相同的要素。
现在参考图3，显示了具有光学检查系统200的一部分造纸生产线100。确切地说，图3描绘了常规的长网造纸机(涂抹喷洒机)100的纸浆纸幅(pulp web)成形区域，适于生产连续的纸浆纸幅116。前箱112适于包含一些纤维素纸浆，由与纸浆源(未显示)，比如纸浆存储罐相通的多条导管113供应给前箱112。
紧靠前箱112下面放置的是环状成形丝网114。在前箱112邻近丝网114的下部中界定的切片115允许纸浆从前箱通过切片115流到丝网114的顶面上以形成纸浆纸幅116。切片115的垂直宽度通常狭窄以便调整从前箱112流过的纸浆量。典型情况下，切片115的长度基本上可以扩展到纸浆纸幅116的整个宽度。
丝网114的顶部分适于向前移动，朝向伏辊117而离开切片115。从前箱112朝向伏辊117的方向是下游方向。纸浆纸幅116一旦已经成形，它便通过在纸浆纸幅116上沉积其他材料的涂布器120。当丝网114开始围绕伏辊117向下移动并朝向前箱112返回时，纸浆纸幅116从丝网114被传递到多条压榨辊118，然后到造纸机100的干燥器部分。当纸浆纸幅116在下游方向上前进时，允许额外的水分穿过丝网114。典型情况下可以对丝网114下侧的至少一部分施加真空以帮助从纸浆纸幅116除去水分。伏辊117可以适于通过丝网114对纸浆纸幅116的下侧提供真空以除去额外的水分。
如上所述，示范装置100的涂布器120在纸浆纸幅116上沉积其他材料。在一种示范形式中，涂布器120包括一个空心的旋转鼓121。典型情况下旋转鼓121包括多条纵向的狭缝122。在另一种形式中，转鼓121拥有多条凹槽(未显示)而不是纵向狭缝122。如图所示，狭缝122或凹槽的朝向可以平行于鼓121的纵轴。定位于鼓周围的狭缝122或凹槽的数量，当然将取决于鼓的半径和所期望的间距。
在一种形式中，在纸幅116在丝网114上成形之后，鼓121被置于与纸浆纸幅116接触。作为替代，鼓121不与纸浆纸幅116物理接触，而是位于邻近以便该纸浆能够从鼓121直接流注到纸浆纸幅116上。鼓121和纸浆纸幅116两者的速度可以本质上同步，使得鼓121的角速度大约与纸浆纸幅116的线性速度相同。如果鼓121不与纸浆纸幅116物理接触，那么鼓121和纸浆纸幅116的速度就不必一致。涂布材料的点可以在基础纸幅已经强化的点处或在其后。
鼓121可以由从鼓121的末端突出的滚轴支持。支持滚轴又可以由框架(未显示)支持。该框架能够被降低使得所述鼓大约定位于纸浆纸幅116或者能够接触纸浆纸幅116。
鼓121可以由任何期望的装置转动。在一种形式中，鼓121摩擦地接合纸浆纸幅116，从而实现鼓121和纸浆纸幅116的同步速度。作为替代，鼓121由外部驱动机械转动。适宜的驱动机械是传送带、齿轮系等。本领域的普通技术人员可以在转动圆柱体的若干装置当中进行选择，而不脱离本发明的范围。
如上所述，旋转鼓121可以拥有多条狭缝122或凹槽。狭缝122可以在鼓121的周围彼此等距地布置，尽管也可以采用狭缝之间非均匀的间距。在一种形式中，安置的狭缝122大约相隔5mm至40mm，从一条狭缝的中心到紧邻其的狭缝的中心(中心到中心)测量，或者相隔大约15mm到30mm或大约相隔21mm。
本领域的技术人员将理解，基础重量增加的横向区域的大小和形状将由狭缝122的形状和尺寸确定。虽然狭缝122的形状可以为矩形，但是可以在多种规则的和不规则的几何形状和形式当中进行选择。另外，横向区域本身在横向上可以为连续或非连续的。每条狭缝122都可以具有基本上相同的尺寸，或者每条狭缝122在宽度上都可以具有大约1mm到10mm或者大约1.5mm到5mm的尺寸。在一种形成中，狭缝122大约2.5mm宽。
狭缝的长度可以为至少基本上与烟草制品，比如烟卷的圆周相同。不过，可以采用多种狭缝长度。
每条狭缝122都担当导管，材料通过它被沉积在纸浆纸幅116上，从而产生了额外材料的将变为区域的延长区域。可以调节材料的流动以使得材料在给定时间不会从多于单条狭缝122处流出。
材料从狭缝122到纸浆纸幅116的传送可以由真空箱126通过丝网114施加的真空帮助，也可以由通过狭缝122施加的增压气体帮助。
可以采用其他装置设计和技术。例如，可以采用轮转凹板印刷式的工艺在基底纸幅上以横向沉积额外量的材料。在这种形式中，旋转鼓121包含多条凹槽。凹槽的方向平行于鼓121的纵轴。利用分配头将基本上相同于凹槽体积的材料量放置在每条凹槽中，并利用刮墨刀计量。
一旦一条或多条凹槽已经填满了材料，鼓121便转动，如同先前介绍。当装满材料的凹槽与基础纸幅116接触后，材料从凹槽被传送到纸浆纸幅116。材料从凹槽到纸浆纸幅116的传送可以由真空箱126通过丝网114施加的真空帮助，也可以由通过凹槽施加的增压气体帮助。
沉积的其他材料的体积当然将由凹槽的体积确定。在一种形式中，凹槽尺寸为大约在1mm到10mm之间的宽度乘以大约小于3mm的深度。凹槽的长度应当至少基本上与烟草制品，比如烟卷的圆周相同。
一旦其他材料已经被涂抹喷洒机或轮转凹板印刷方法沉积，具有区域111的纸浆纸幅116就可以由位于转动鼓下游的滚轴装置压榨。纸浆纸幅116在压榨辊(未显示)上受压榨。在压榨辊上采用的压力比得上通常用于压榨纤维素纸浆纸幅的压力，压榨辊的大约50N/mm(250磅/线性英寸)。除了纸张的强化，压榨辊也从纸张中除去了水。
在另一种形式中，可以使用第二前箱在纸浆纸幅116上或接触纸浆纸幅116顶部的顶丝网上直接沉积其他材料而不是使用图3描绘的涂布器120。当前箱的切片打开时，便在纸浆纸幅116上或顶丝网上沉积其他材料。当第二前箱的切片关闭时，其他材料便无法从第二前箱流出。
尽管以上已经讨论了涂抹喷洒机或轮转凹板印刷型的方法，但是也可以使用其他方法，包括传递辊、四辊施胶压榨或绉纸设备。传递辊方法设想在压榨辊处涂布条带，四辊施胶压榨设想在施胶压榨处涂布条带，而绉纸技术设想在正常烟卷纸中施加微绉纹。
另外，可能期望生产基础重量增加的具有多个横向区域111的纸浆纸幅。在US-A-5 474 095中公开了实现这种技术的装置，其全部内容在此引用作为参考。
参考图3和图4，在运行中，纸张在检查滚筒129上供给，在此它受到线扫描摄影机216连同光源组件218的检查。更确切地说，当纸张在检查滚筒129上通过时，光源组件218将光引导到纸张上。光线从该纸张反射或穿过其透射(见图12B)，并且被摄影机216接收，摄影机216含有线性CCD阵列。来自CCD阵列的信息被用于刻画在检查滚筒129上通过纸张的性质。
正如可以认识到，使用白光时要求光谱反射，并且已经发现在基于白光的系统中出现的角度以及在移动纸幅中固有的运动呈现了操作中的困难。已经发现这些问题在本文介绍的基于红外的系统中不存在。不仅如此，已经发现基于红外的系统在基于含水和基于溶剂的添加材料涂布系统中都具有效用(倘若后者在其成分中包括有效量的水分)。
在本文介绍的检查系统中，发射的光线被新涂布的添加材料中的潮气部分地吸收。当发射的光线被引导穿过仍然未干的添加材料区域时，摄影机对反射(或透射)光线强度的变化作出响应。
参考图4，摄影机216可以是砷化铟镓短波红外焦平面阵列摄影机(InGaAs  SWIR FPA)，比如由Sensors Unlimited，Inc.ofPrinceton，New Jersey出品的，它运行在700nm到1700nm的光谱范围，或者锑化铟焦平面阵列(InSb FPA)摄影机，比如由Santa BarbaraFocalplane of Goleta，CA出品的，它能够覆盖整个近红外范围以及更多。图像的空间分辨率由阵列中每个像素的视场界定。这些摄影机在阵列中具有多于640×512像素可用。摄影机的电子设备控制着图像的录制并能够提供时间选通。在一种形式中，数据采集可以与激光的激发同步，以使得帧的速率将等于激光的脉冲重复速率。能够调节摄影机的时间选通以捕获来自目标的每个反射的或透射的信号，正如以下更详细的介绍。
如图4所示，光学检查系统200包括灯模块220，比如150瓦特的卤素灯泡。优选情况下，灯模块220位于罩118之内(也参见图3)。由灯模块220产生的光线经由光纤电缆222被引导到光分配组件218。光分配组件218包括光分配头端232，用于跨纸张的宽度分配光线。棒状透镜(rod lens)230使来自头端232的光线聚焦到窄光带中，它冲击在检查滚筒129上通过的纸张的表面。支架机构228允许操作员调整光分配组件218的方向，从而改变由此产生的光束的角度。
冲击在滚筒129上通过的纸张表面的光线从该纸张的表面反射，或者穿过它透射(见图12B)。反射或透射被线扫描摄影机组件216接收。组件216包括由定位支架226所支持的线扫描摄影机224。线扫描摄影机224包括感光元件的线性阵列(如包括256×1阵列或1028×1阵列)。
图5和图6更详细地展示了检查滚筒129。正如在此所示，检查滚筒129包括连接到固定构件160的转动圆柱162(如含有未显示的滚珠轴承)。固定构件160又利用螺栓158被连接到背板142。检查滚筒129的末端包括围绕其外围以规则间隔排列的凹槽152。线扫描摄影机224感测这些凹槽以及它们移动的速率。该速率提供了系统计算若干参数时的时间基础，比如条带宽度和条带之间的间距；在这种背景中，检查滚筒129和摄影机224用作编码器。
本领域技术人员将认识到，可以使用其他类型的编码器提供公共的参考框架。例如，可以使用邻近传感器检测脉冲轮转动的速率，其中脉冲轮被安装到转动构件。还能够使用转速计作为编码器。
也可以使用编码器的输出作为公共的参考框架使系统中的多种动作同步。例如，可以使用编码器计算纸张的速度，这又允许例如印刷机20(见图7)标注由摄影机组件216“下游”所检测的不规则条带的位置。在一种形式中，当摄影机组件216检测到不规则条带时，可以启动计时器，计时器具有的初始时间值等于将一部分纸张从摄影机组件216移动到印刷机20所用的时间。当计时器倒数时，印刷机20便在纸上不规则条带位置处印刷标记。这个特征可能特别有益，因为它允许操作员再次查看由摄影机所感测出的异常位置并进一步地分析这些异常。作为替代，如果操作员不想检查纸张的不规则部分则可以停用印刷机20。
主要的电气基本设施可以位于罩18中。电气组件的更详细展示可见图7。
如图所示，罩118包括计算机处理模块306，它包括I/O卡316、闪存盘314和以太网接口312以及一块或多块线扫描处理器板310，它们全部都在内部总线308上连接在一起。另外，罩118包括灯模块304，用于经由光纤电缆222向光分配元件218提供光线。为了冷却这些组件，罩118可以包括一个或多个风扇302。最后，罩118可以包括一个或多个电源300以向多个组件供应适合的电力。
光学检查系统的处理模块306与多个组件互动，包括线扫描摄影机216、编码器129，以及印刷机或标记器20。这些组件都能够经由其自身专用线路(未显示)或公共控制总线309连接到处理模块306。也可以采用其他组件，它们对于本领域技术人员将是显而易见的。
处理模块306的以太网接口312提供了到工作站330以太网接口332的连接。工作站330包括调制解调器334和控制CPU 336，前者通过电话线向远程计算机(未显示)传递信息。工作站具有与其相关联的以下外围设备：印刷机338、磁盘340、显示器342和键盘344。
以上讨论的采用短波红外感测的光学检查系统具有许多应用。正如陈述，所述光学检查系统尤其很好地适于检测具有条带的烟卷纸中的异常，正如以下详细的讨论。
US-A-5 417 228和US-A-5 474 095公开了包括基础纸幅和添加材料条带区域的烟卷纸。例如，返回图1，示范烟卷10包含在基础烟卷纸12上沉积一层纸浆而形成的两个条带14。纤维制品、微晶纤维素、亚麻或木质纸浆或者支链淀粉是已经被用于形成这些条带的多种物质中的某一些。US-A-5 534 114公开了通过将常规的长网造纸机改造为在生产烟卷基础纸12的某个阶段沉积其他纤维素层，能够形成以上介绍的条带。为了使该工艺流水线化，优选情况下，在纸张以高速移动，比如2.5m/s(500英尺/分钟)的同时涂布这些条带。在如此高速时，故障和其他因素(比如塞满的条带涂布器)可能导致产生不规则的条带。
例如，如图2展示，当条带16的宽度偏离期望的宽度，或者条带变得歪斜以至于相对于纸张边缘不再正交时就会出现常见的不规则。当两个条带18之间的分离偏离期望的分离宽度时就会出现其他的不规则。不仅如此，给定条带涂布器能够生产具有间隙的条带，或者具有不是太高就是太低对比的条带。采用短波红外感测的光学检查系统能够用于监视条带宽度、条带间距和条带对比。
更确切地说，摄影机216能够采用256×1的CCD阵列(像素374，参考图8)，它接收的反射或透射(见图12B)跨越检查滚筒129上通过的纸幅的横向尺度。在跨滚筒129的横向上阵列的示范分辨率是0.2mm。不仅如此，CCD阵列被曝光的速率允许计算机在纵向上以0.2mm的分辨率对信息进行采样。因此，该阵列有效地采样的像素在纸上具有在0.2mm×0.2mm的空间尺寸。所以，CCD阵列每个单元包括表明了在移动纸幅的0.2mm×0.2mm部分所感测的反射或透射的幅度的值。
来自线性阵列的数据随后在A/D转换器376中从模拟形式被转换为数字形式，并且被存储在扫描处理器板310之一的存储器378中。处理器306然后将来自每个阵列的数据划分为一系列的连续道(如在一种形式中总共32条道)，每条道都对应于正被检查纸幅的宽度的一部分。在线扫描摄影机中的每个像素都与这些道之一相关联。为了便于讨论，图8所示的每条道都对应6个连续的像素单元，尽管典型情况下每个道将对应多得多的像素。每个像素输出的幅度都被量化到255个不同等级之一。
在每次曝光期间，每条道中单个像素的输出与动态阈值进行比较。输出在给定阈值以上的像素指明了纸幅的条带区域，而输出在给定阈值以下的像素被标记为非条带区域。下一次曝光后，就曝光了道中下一个连续像素，并且重复比较。例如，在表示为t0的任意时间，在每条道中的第五个像素的输出与动态阈值进行比较(如参见表示为“线t0”的最低行的道)。在下一次曝光中，第六个像素的输出与该阈值进行比较(如参见表示为“线t1”的行的道)。在这之后，该系统将以反方向连续地后退，选择线t2中的第五个像素与阈值进行比较。因此，用于与阈值比较而选择的像素在迂回通道中变化，正如由图8一般地表示。根据另一种形式，所检查的像素不在每条线上前进。相反，在这种形式中，处理模块对规定数量的线(如对应于30mm)暂停在每个像素上，之后它将前进到下一个邻近像素。不是对全部像素的输出都进行比较，比如每条道仅仅比较一个像素，提高了处理速度而没有显著地降低性能。
图8中有交叉阴影线的像素表示了输出高于动态阈值的像素。因此，可见条带在线t3处开始。
检测条带区域和非条带区域所用的阈值是动态的，意味着它适应基础纸张、条带材料或测量环境中的改变而变化。例如，如图9所示，随扫描线而变的像素灰度级的示范波形显示了局部扰动，它表示从非条带区域背景(如在区域NB1、NB2、NB3、NB4和NB5中)到条带区域(如在区域B1、B2、B3、B4和B5中)的转变。该波形也显示了总体的变化，其中这些局部扰动的一般基线缓慢地波动。例如，总体波动在扫描线1000周围处于其最低点，而在扫描线2000周围处于其最高点。这种总体波动主要是由于造纸机涂布的纸浆不均匀所导致的纸张基本重量的改变。本文公开的系统通过调整阈值等级(T)考虑了这种现象，以便它通常跟踪变化的波形基线。
动态改变阈值等级的一项技术说明如下。一般来说，在任何给定时刻的阈值随前面紧邻的条带区域的灰度级以及前面紧邻的非条带区域的灰度级而变。在一种形式中，阈值表示先前非条带背景的移动平均值(比如NB1、NB2等的平均值)加上(1)某设定常数(如10灰度级)或(2)条带区域峰值高度的移动平均值(如B1、B2等高度的平均值)的50％中较大者。例如，考虑条带区域B3。确定用于区别这个条带区域的阈值的方式为首先计算非条带区域NB2、NB3的平均背景等级。随后，通过计算B1、B2条带区域的平均高度确定平均峰值高度值。条带区域的“高度”一般对应于该条带区域与后续非条带区域之间的像素灰度级的差异。在进行这项测量时，单一灰度级能够被用于表示该条带区域的灰度级(比如最大的灰度级)，也能够使用该条带区域内灰度级的平均值。同样，单一灰度级能够被用于表示后续非条带区域的灰度级，也能够使用后续非条带区域内的灰度级平均值。以这种方式计算了峰值高度后，平均峰值高度(如来自B1、B2)的一半与预置值进行比较。两者中较大者被加到(以上算出的)平均背景等级以便导出阈值。例如，B1、B2高度的平均值大约为30灰度级，其一半是15灰度级。如果预置值被设置为10灰度级值，那么该算法将选择15作为要加到平均背景的值。不过，如果遇到了一系列较低的峰值(比如B5)，那么该算法将依靠该预置值(如10灰度级)区别条带区域和非条带区域。该预置值可以被设置得至少足够高以使得非条带区域中的噪声将不会被误解释为条带区域的开始。
对本领域的技术人员将显而易见，为计算峰值高度和非条带区域等级的移动平均值所选择的窗口不必分别限于两个条带区域和两个非条带区域。通过展宽窗口能够获得更平滑的阈值。不仅如此，以上讨论的阈值等级取决于纸张类型和所用的条带材料，以及运行环境；以上引用的特定值完全是示范性的。
参考图10所示的流程图能够理解确定条带特征的实际任务。分析在步骤S2开始，随后确定是否为从处理板310经由以太网向工作站330报告数据的时间(步骤S4)。在一种形式中，由板310执行的处理每半秒钟报告一次(或者对更及时的报告每1/10秒一次)。刚刚开始分析时，这种查询的结果将回答为否定，且系统将前进到步骤S6。在步骤S6中，查明在道中像素的输出是否在动态阈值以上。为了便于讨论，步骤S6在单道的背景中制定。不过应当记住，每个阵列的输出都被划分为多条道，每条道都对应于正被检查的纸幅宽度的一部分。从而步骤S6所示的比较实际上对于不同的道重复了许多次。在一种形式中，处理板310对不同的道执行并行计算以提高处理速度。
如果在步骤S6确定像素输出的幅度在动态阈值以上，那么该算法前进到步骤S8，在此记录条带像素的存在及其对比。如果在先前线中的先前像素不是条带像素(如在步骤S10中所确定的)，那么当前线就表示条带的起始。这将对应于图8所示的线t3，因为在t2处先前线包含其输出在动态阈值之下的像素。所以有可能在这时判断当前条带与最后遇见的条带(如果适当)之间的间距是否在规定容差之内(步骤S12和S14)。如果条带间距不是太长就是太短，则在步骤S16记入这个事实，于是该算法在步骤S32前进到下一条线。
另一方面，如果在步骤S6中被检查像素的输出在动态阈值以下，那么在步骤S18记录这个事实。然后判断在先前线中先前检查的像素是不是条带像素(步骤S20)。如果是条带像素，这标志着条带的结尾，然后有可能确定条带的平均对比和条带的宽度(步骤S22)。判断这些值是否在规定的容差之外(步骤S24至步骤S30)。如果是，便记录这些异常，该算法在步骤S32前进到下一条线。
假设在这时，确定已经过去了半秒钟(步骤S4)。这将引起线扫描处理器310进入其报告模式。如图10所示，处理器310将计算在最后半秒钟内道中条带的数量(步骤S34)，条带宽度、条带间距和条带对比的平均值和标准方差(步骤S36)，道的最小和最大平均背景(步骤S40)，以及异常(如超出容许条带宽度、间距和对比)的总数(步骤S40)。这种信息被聚集到转发给工作站330的数据包之中，然后(在步骤S44中)用于计算总数的多个计数器被复位。
工作站330然后将这种信息与先前发送的信息汇总以提供纸张品质的统计概要。这种信息可以被显示在图11展示的显示器面板400上。面板400包括第一子面板402，列出了最后报告区间随道号而变条带宽度。子面板404展示了最后报告区间随道号而变的条带间距。子面板406展示了最后报告区间随道号而变的条带对比。最后，子面板408展示了最后报告区间随道号而变的条带异常数量(条带间距、条带宽度和对比异常的汇总)。子面板402、404和406包含表明了在半秒报告区间上条带宽度、条带间距和条带对比的平均值的中间线。将中间曲线括在一起的另外两条曲线表示了正负3σ读数。中间曲线能够以绿色显示，而3σ曲线显示为红色使得它们能够更容易被区分。
除了当前道概要以外，工作站330还提供了总结该操作的多种特征的统计结果。值得注意的是，子面板410展示了随时间而变的复合条带宽度(如平均条带宽度)。子面板412展示了随时间而变的复合条带间距412。最后，子面板414显示了随时间而变的复合条带对比。因此，利用右边的子面板，就有可能观察到所有的降级趋势。利用左边的子面板，就有可能观察到纸幅横跨度中的特殊点，它们正在产生超出容差的条带、条带间距或条带对比，它们可能由阻塞的纸浆涂布器所导致。
除了这些图形，工作站330还可以呈现关于滚筒长度的信息、纸幅的速度(来自编码器或转速计)以及样本id(用户事先将其输入以标记所述运行)。全部以上数据都能够被存储用于进一步的非实时分析。所述运行可以由该id号索引出。
工作站330的接口软件另外包括监视系统参数的例程以判断系统状态。当检测到异常时，操作员界面将显示消息，标识该异常最可能的原因。在图11所示的面板417中，该消息指明，(图8的)灯120当前在工作。
现在参考图12A，在又一种形式中，利用涂布技术，比如凹板印刷等，烟卷纸卷510(基础纸幅516)被转换为有条带纸。在示意性描绘的凹板印刷系统中，纸张沿着经由一个或多个印刷站520和干燥段(未显示)延伸的通道(“纸幅通道”)从卷510中拖出。每个印刷站520都包括凹板印刷滚筒522和支持滚筒524，前者对基础纸幅516的一侧涂布添加材料。
红外光源620以及一个或多个红外摄影机616被安置在紧靠每个印刷站520的下游。光源620和摄影机616被互相安置在邻近相应印刷站520，以使得在纸张刚刚穿过了相应印刷站520后由源620所发射的红外光就冲击到它，并且朝向摄影机616反射。
现在参考图12B，在又一种形式中，再次利用涂布技术(比如凹板印刷等)，烟卷纸卷710(或基础纸幅716)被转换为有条带纸。纸张再次沿着经由一个或多个印刷站720和干燥段(未显示)延伸的通道(“纸幅通道”)从卷710中拖出。每个印刷站720都包括凹板印刷滚筒722和支持滚筒724，前者对基础纸幅716的一侧涂布添加材料。
在本文描绘的形式中，红外光源820以及一个或多个红外摄影机818被安置在紧靠每个印刷站720的下游。光源820和摄影机816被互相安置在邻近相应印刷站720，以使得在纸张刚刚穿过了相应印刷站720后由源820所发射的红外光就冲击到它，并且通过纸幅716朝向摄影机816透射。
正如可以认识到，使用的摄影机有益于检测仍然未干的新涂布添加材料的条带区域与无添加材料(并处于干燥、不湿状态)的基础纸幅516、716区域之间的反射(或者作为替代或作为协助的透射)差异。在本文以上介绍的摄影机拥有这些能力。在图12A和图12B所描绘的形式中，可以按照本文以上的介绍进行数据收集、分析和呈现。正如图12A和图12B所示，光源620、720及其相应摄影机616、716离每个印刷站520、720放置的距离d1、d2不是关键的，只要新涂布添加材料的条带区域仍然未干，并且能够在条带区域与无添加材料的基础纸幅区域之间产生反射或透射的差异。
例如，已经在检测烟卷纸上形成的条带的背景中介绍了本发明，但是本发明延伸至检测薄片式材料上形成的任何信息。
本文引用的全部专利、实验过程以及其他文档，包括优先权文档，被全部引用作为参考，以至于这样的公开与本公开并无不一致，并且用于允许这样的引用的全部管辖机构。
虽然已经以特殊性介绍了本文公开的若干展示性形式，但是应当理解，对于本领域的技术人员，多种其他修改将是显而易见的并且能够容易地做到而不脱离本公开的实质和范围。所以，不应当企图将附带的权利要求书的范围限于本文阐述的实例和说明，而是应当将权利要求书解释为包含了存于本文的可取得专利的新颖性的一切特征，包括会被本公开所属领域技术人员视为其等效内容的一切特征。

Claims (24)

1.一种检查含条带区域和非条带区域烟卷纸的系统，包括：
a)短波红外摄影机，所述短波红外摄影机形成表示所述烟卷纸的性质的电信号，以及
b)处理器，用于分析所述电信号以提供分析结果，所述处理器包括用于依次检查像素以判断每个连续像素对应于非条带区域还是条带区域的逻辑；用于根据所述用于依次检查的逻辑提供的结果计算所述烟卷纸上相邻条带区域之间间距的逻辑；以及用于根据所述用于依次检查的逻辑提供的结果计算所述烟卷纸上条带区域的宽度的逻辑。
2.根据权利要求1的系统，其中，所述短波红外摄影机包括砷化铟镓传感器。
3.根据权利要求1的系统，其中，所述处理器的分析结果另外包括所述烟卷纸上条带区域的对比的计算结果。
4.根据权利要求1的系统，其中，所述处理器定期地将所述分析结果传递到显示所述分析结果的计算机。
5.根据权利要求4的系统，其中，所述计算机汇聚多个报告的分析结果，并且呈现所述分析结果的统计概要。
6.根据权利要求1的系统，进一步包括编码器，用于感测纸幅速度。
7.根据权利要求6的系统，进一步包括印刷机，用于通过参考所述编码器的输出在所述纸上印刷信息。
8.一种检查含条带区域和非条带区域的烟卷纸的系统，包括：
a)短波红外摄影机，所述短波红外摄影机形成表示所述烟卷纸的性质的电信号，以及
b)处理器，用于分析所述电信号以提供分析结果，所述处理器包括用于把所述电信号的每一个分配到多条道之一中，以及检查每条输出道内的电信号，以判断所述电信号是高于还是低于阈值的逻辑，其中，电信号高于所述阈值表明所述条带区域，而电信号低于所述阈值表明所述烟卷纸的所述非条带区域。
9.根据权利要求8的系统，其中，根据一个或多个非条带区域内的灰度级值的移动平均值以及一个或多个条带区域内的相对灰度级值的移动平均值来计算所述阈值。
10.一种检查含条带区域和非条带区域的烟卷纸的系统，包括：
a)短波红外摄影机，所述短波红外摄影机形成表示所述烟卷纸的性质的输出信号，以及
b)处理器，用于分析所述输出信号以提供分析结果，所述处理器使用动态阈值区分非条带区域和条带区域。
11.根据权利要求10的系统，其中，根据一个或多个非条带区域内的灰度级值的移动平均值，以及一个或多个条带区域内的相对灰度级值的移动平均值来计算所述动态阈值。
12.一种检查含条带区域和非条带区域纸张的方法，包括以下步骤：
a)将来自光源的光引导到所述纸张的表面，所述光形成来自所述纸张的反射或通过所述纸张的透射；
b)由短波红外摄影机接收所述反射或透射以产生输出信号；以及
c)在处理模块中处理所述输出信号以产生输出信息，所述输出信息表示一个或多个以下性质：i)一个或多个条带区域的宽度；ii)条带区域的一个或多个相邻组之间的间距；以及iii)一个或多个条带区域的对比。
13.根据权利要求12的方法，其中，所述处理模块产生所述输出信息的方式为：依次地检查像素以判断每个连续像素对应于非条带区域还是条带区域；根据所述依次检查的步骤提供的结果计算所述烟卷纸上相邻条带区域之间的间距；以及根据所述依次检查的步骤提供的结果计算所述烟卷纸上条带区域的宽度。
14.根据权利要求13的方法，进一步包括定期地将所述输出信息传递到显示所述输出信息的计算机的步骤。
15.根据权利要求14的方法，其中，所述计算机汇聚多个报告的输出信息，并且呈现所述输出信息的统计概要。
16.根据权利要求15的方法，其中，所述短波红外摄影机包括砷化铟镓传感器。
17.根据权利要求12的方法，其中，所述短波红外摄影机包括砷化铟镓传感器。
18.一种检查含条带区域和非条带区域的纸张的在线方法，包括以下步骤：
a)将来自光源的光引导到所述纸张的表面，所述光形成来自所述纸张的反射或通过所述纸张的透射；
b)由短波红外摄影机接收所述反射或透射以产生输出信号；以及
c)在处理模块中处理所述输出信号以产生输出信息，所述输出信息表示一个或多个以下性质：(i)一个或多个条带区域的宽度；(ii)条带区域的一个或多个相邻组之间的间距；以及(iii)一个或多个条带区域的对比，
其中，所述处理步骤进一步包括以下步骤：
把所述输出信号的每一个分配到多条道之一中，以及
检查每条道内的输出信号，以判断所述输出信号是高于还是低于阈值，
其中，输出信号高于所述阈值表明所述条带区域，而输出信号低于所述阈值表明所述烟卷纸的所述非条带区域。
19.根据权利要求18的方法，其中，根据一个或多个非条带区域内的灰度级值的移动平均值以及一个或多个条带区域内的相对灰度级值的移动平均值来计算所述阈值。
20.根据权利要求18的方法，其中，所述短波红外摄影机包括砷化铟镓传感器。
21.一种检查含条带的纸幅的检查站，包括：
用于产生短波红外辐射的源；
用于引导来自所述源的短波红外辐射的导管；
分配组件，用于接收由所述导管从所述源引导的短波红外辐射并且将所述短波红外辐射引导到材料的纸幅上并且横跨所述纸幅，以引起来自所述纸幅表面的反射；
用于接收所述反射的线扫描摄影机；
处理单元，用于处理来自所述线扫描摄影机的数据，所述处理单元根据所述数据确定所述条带的特征，
其中所述处理单元确定所述纸幅的一种或多种性质的方式为：
将来自所述线扫描摄影机的所述数据划分为多条道；以及
检查来自每条道内至少一个像素的数据，以判断所述像素的输出是高于还是低于动态阈值，其中，其输出高于所述动态阈值的像素表明所述条带区域，而其输出低于所述动态阈值的像素表明所述非条带区域。
22.根据权利要求21的站，其中，检查来自每条道中非全部像素的数据。
23.一种检查含条带区域和非条带区域的纸张的方法，包括以下步骤：
引导红外辐射横跨所述纸张的纸幅，当所述红外辐射冲击在所述纸幅的表面上时它形成反射；
由摄影机接收所述反射；
在处理单元中将来自所述线扫描摄影机的数据分配到多条道中；
以及
在处理单元中处理所述数据，包括区分所述非条带区域和所述条带区域的初始步骤，方式为检查来自每条道内至少一个像素的数据，以判断所述像素的输出是高于还是低于动态阈值，以产生一种或多种以下性质：
一个或多个条带区域的宽度；
条带区域的一个或多个相邻组之间的间距；
一个或多个条带区域的对比；
定期地向计算机工作站传送所述一种或多种性质；以及
根据所述传送步骤中传送的所述一种或多种性质，在所述计算机工作站产生统计报告。
24.根据权利要求23的方法，其中，检查来自每条道中非全部像素的数据。
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