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Dokumentenidentifikation DE69929901T2 14.12.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001151283
Titel INSPEKTIONSSYSTEM FÜR DIE OBERFLÄCHE VON ZYLINDRISCHEN OBJEKTEN
Anmelder Siemens Energy & Automation, Inc. (n.d.Ges.d. Staates Delaware), Alpharetta, Ga., US
Erfinder LUDLOW, Jonathan, Lexington, MA 02172, US
Vertreter Maikowski & Ninnemann, Pat.-Anw., 10707 Berlin
DE-Aktenzeichen 69929901
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 16.11.1999
EP-Aktenzeichen 999590110
WO-Anmeldetag 16.11.1999
PCT-Aktenzeichen PCT/US99/27164
WO-Veröffentlichungsnummer 2000031520
WO-Veröffentlichungsdatum 02.06.2000
EP-Offenlegungsdatum 07.11.2001
EP date of grant 15.02.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 14.12.2006
IPC-Hauptklasse G01N 21/88(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse G01N 21/952(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   A24C 5/34(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   B07C 5/342(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   B65B 19/28(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum optischen Inspizieren zylindrischer Flächen, und insbesondere ein System und ein Verfahren zum Inspizieren von Zigaretten mit hoher Geschwindigkeit während ihrer Herstellung.

Allgemeiner Stand der Technik

Es ist äußerst wünschenswert, in der Lage zu sein, die gesamte zylindrische Fläche von zylindrischen Objekten wie z. B. Zigaretten während des Herstellungsprozesses zu inspizieren. Jeder einer breiten Spanne von Defekten kann bei solchen Objekten auftreten, und es ist wünschenswert, über ein automatisiertes System zum Ermitteln dieser Defekte zu verfügen, so dass defekte Objekte zurückgewiesen werden können oder jede Fehlfunktion der Maschinen, die diese Objekte produzieren, schnell identifiziert und behoben werden kann. Im Fall von Zigaretten kann beispielsweise die zylindrische Fläche defekt sein aufgrund eines Stücks eines Tabakstiels, der das Papier durchbohrt, eines Mangels in der Art und Weise, wie der Filter mit dem Rest des Zigarettenstängels verbunden wurde, einer mangelhaft ausgebildeten Seitenabdichtung, aufgrund derer ein Teil des Tabaks sichtbar bleibt, einer Verfärbung des Zigarettenpapiers wegen Verschmutzung oder mangelhafter Tintenauftragung usw.

Obwohl eine Inspektion dieser Art während jeder Stufe der Zigarettenherstellung stattfinden kann, ist es am vorteilhaftesten, solche Inspektionen durchzuführen, nachdem die Verarbeitung der einzelnen Zigaretten im Wesentlichen abgeschlossen ist. Zu diesem Zeitpunkt ihrer Herstellung können die einzelnen Zigaretten am leichtesten quer zu ihrer Längsersteckung (Seite an Seite) durch die Zigarettenherstellungsmaschinen bewegt werden.

Allerdings ist es bei Zigaretten, die sich quer zu ihrer Längserstreckung bewegen, wesentlich schwieriger, die gesamte Fläche der Zigarette abzubilden. Beispielsweise macht die zylindrische Natur der Fläche eine gleichmäßige Beleuchtung der Fläche und eine Eliminierung von Schatten schwierig. So kann es nötig sein, die Fläche stückweise zu inspizieren. Allerdings ist es äußerst wünschenswert, die Anzahl der Inspektionen auf einem Minimum zu halten, um angesichts der äußerst hohen Geschwindigkeit, mit der die Zigaretten während des Herstellungsprozesses bewegt werden, die Notwendigkeit einer unangemessenen Vermehrung von komplexen und teuren Inspektionssystemkomponenten zu minimieren.

Zusätzlich muss jedes erfolgreiche Inspektionssystem für Produkte wie Zigaretten extrem schnell sein, um mit den hohen Geschwindigkeiten Schritt zu halten, mit denen solche Produkte üblicherweise hergestellt werden. Beispielsweise ist es heute üblich, dass eine einzelne Zigarettenherstellungsmaschine mit einer Rate von nahezu 20.000 Stück pro Minute Zigaretten herstellt. Ferner muss ein Zigaretteninspektionssystem auch dazu in der Lage sein, Zigaretten auf relativ kleine oder schwer zu entdeckende Defekte zu untersuchen (beispielsweise ein Loch von nur 0,5 Millimeter Durchmesser oder eine geringfügige Verfärbung des Zigarettenwickelpapiers).

Ein Zigaretteninspektionssystem des Stands der Technik ist in der US-Patentschrift Nr. 5,432,600 offenbart, wobei ein optisches Inspektionssystem benutzt wird, um wenigstens 180 ° des Umfangs einer ersten Seite einer Zigarette und sodann wenigstens 180 ° einer gegenüberliegenden Seite der Zigarette zu inspizieren. Eine Bilderfassungsvorrichtung erfasst ein Bild der Zigarette im rechten Winkel zu der Zigarettenachse.

Die dem Stand der Technik entsprechende US-Patentschrift Nr. 4,767,924 offenbart ein Zigaretteninspektionssystem, das eine Beleuchtung der Zigarette mit einem kleinen Winkel benutzt und das ein Bild der Zigarette im rechten Winkel zu der Zigarettenachse erfasst.

Die dem Stand der Technik entsprechende US-Patentschrift Nr. 4,678,901 offenbart ein System und Verfahren zum Inspizieren von Zigaretten, das eine Beleuchtungsquelle mit kleinem Winkel und eine Erfassung mit kleinem Winkel durch einen Fotodetektor benutzt, um die Anwesenheit oder Abwesenheit einer Zigarette zu ermitteln.

Demgemäß ist es eine Hauptaufgabe der offenbarten Erfindung, ein System und Verfahren zum Inspizieren von Zigaretten bereitzustellen, das wenigstens ein Beleuchtungssystem aufweist, das Defekte an der inspizierten Zigarette betont. Es ist außerdem Aufgabe der offenbarten Erfindung, ein Zigaretteninspektionssystem bereitzustellen, das dazu in der Lage ist, zylindrische Flächen, wie z. B. den gesamten Umfang einer Zigarette, mit hoher Geschwindigkeit und einem hohen Maß an Genauigkeit zu inspizieren. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Zigaretteninspektionssystem bereitzustellen, das die Möglichkeit einer falschen Defektidentifizierung aufgrund fliegender Verschmutzungsteilchen wie z. B. Tabakstaub usw. im Wesentlichen eliminiert.

Kurzfassung der Erfindung

Gemäß der Erfindung ist eine Inspektionsvorrichtung zum optischen Inspizieren im Wesentlichen eines gesamten Umfangs einer zylindrischen Fläche eines zylindrischen Objekts bereitgestellt, wobei die Vorrichtung Folgendes aufweist:

Eine erste visuelle Inspektionsvorrichtung, die eine erste Bilderfassungsvorrichtung aufweist, um ein erstes Bild des Objekts zu erfassen, wobei das erste Bild einer ersten Seite der zylindrischen Fläche entspricht;

eine erste bewegliche Stütze, die so konfiguriert ist, dass sie wenigstens eines der Objekte entlang seiner Zylinderachse stützt und das Objekt so transportiert, dass die erste Seite des Objekts der ersten visuellen Inspektionsvorrichtung zugewandt ist;

eine zweite visuelle Inspektionsvorrichtung, die eine zweite Bilderfassungsvorrichtung aufweist, um ein zweites Bild des Objekts zu erfassen, wobei das zweite Bild einer zweiten Seite der zylindrischen Fläche entspricht, wobei die zweite Seite der zylindrischen Fläche wenigstens alle Abschnitte der zylindrischen Fläche beinhaltet, die nicht in der ersten Seite enthalten sind;

eine zweite bewegliche Stütze, die so konfiguriert ist, dass sie wenigstens eines der Objekte entlang seiner Zylinderachse stützt und dass sie von der ersten beweglichen Stütze das wenigstens eine Objekt erhält, nachdem das erste Bild durch die erste Bilderfassungsvorrichtung erfasst wurde, und so konfiguriert ist, dass sie das erhaltene Objekt so transportiert, dass die zweite Seite des Objekts der zweiten visuellen Inspektionsvorrichtung zugewandt ist;

dadurch gekennzeichnet, dass die erste visuelle Inspektionsvorrichtung oder die zweite visuelle Inspektionsvorrichtung oder beide des Weiteren wenigstens einen Umlenkspiegel aufweisen, der in das Sichtfeld der ersten/zweiten Bilderfassungsvorrichtung ausgerichtet ist, um das erste/zweite Bild entlang einer Längsrichtung relativ zu der Zylinderachse des zylindrischen Objekts umzulenken.

Das zylindrische Objekt kann eine Zigarette sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Inspektionssystem ferner eine erste Beleuchtungsquelle zum Beleuchten der ersten Seite der zylindrischen Fläche auf, wenn die erste Seite der zylindrischen Fläche der ersten visuellen Inspektionsvorrichtung zugewandt ist. Die erste Beleuchtungsquelle ist dafür konfiguriert, Licht im Wesentlichen entlang einer Längsrichtung der zylindrischen Fläche in einem kleinen, spitzen Winkel relativ zu der Zylinderachse des inspizierten zylindrischen Objekts auf die zylindrische Fläche zu richten.

Das Inspektionssystem weist außerdem eine zweite bewegliche Stütze auf, die dafür konfiguriert ist, das inspizierte zylindrische Objekt von der ersten beweglichen Stütze zu erhalten und das zylindrische Objekt derart zu stützen und zu transportieren, dass die zweite Seite des zylindrischen Objekts der zweiten visuellen Inspektionsvorrichtung zugewandt ist. Die zweite Seite des zylindrischen Objekts enthält wenigstens alle Abschnitte der zylindrischen Fläche des Objekts, die nicht in der ersten Seite inspiziert werden.

Außerdem ist in dem System eine zweite Beleuchtungsquelle zum Beleuchten der zweiten Seite der zylindrischen Fläche enthalten, wenn die zweite Seite der Fläche der zweiten visuellen Inspektionsvorrichtung zugewandt ist. Die zweite Beleuchtungsquelle ist, wie die erste Beleuchtungsquelle, dafür konfiguriert, Licht im Wesentlichen entlang einer Zylinderachse des zylindrischen Objekts in einem kleinen spitzen Winkel relativ zu der Längsachse auf die zylindrische Fläche zu richten.

Die erste und die zweite visuelle Inspektionsvorrichtung, die in dem Zigaretteninspektionssystem enthalten sind, weisen jeweils eine erste und eine zweite Bilderfassungsvorrichtung auf. Die erste und die zweite Bilderfassungsvorrichtung erfassen ein erstes und ein zweites Bild des zylindrischen Objekts. Das erste Bild entspricht im Allgemeinen der ersten Seite des zylindrischen Objekts. Das zweite Bild entspricht im Allgemeinen der zweiten Seite der zylindrischen Fläche.

Außerdem ist gemäß der Erfindung ein Verfahren zum Benutzen einer Inspektionsvorrichtung zum Inspizieren eines im Wesentlichen gesamten Umfangs einer zylindrischen Fläche eines zylindrischen Objekts bereitgestellt, wobei die Inspektionsvorrichtung eine erste visuelle Inspektionsvorrichtung, die eine erste Bilderfassungsvorrichtung aufweist, eine zweite Inspektionsvorrichtung, die eine zweite Bilderfassungsvorrichtung aufweist, eine erste bewegliche Stütze, eine zweite bewegliche Stütze, und wenigstens einen Umlenkspiegel aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

  • i) Verwenden der ersten beweglichen Stütze zum Stützen wenigstens eines der zylindrischen Objekte entlang seiner Zylinderachse und zum Transportieren des Objekts so, dass eine erste Seite der zylindrischen Fläche der ersten visuellen Inspektionsvorrichtung zugewandt ist;
  • ii) Verwenden der ersten Bilderfassungsvorrichtung zum Erfassen eines ersten Bildes, das der ersten Seite der zylindrischen Fläche entspricht;
  • iii) nach dem Erfassen des ersten Bildes durch die erste Bilderfassungsvorrichtung Transferieren des zylindrischen Objekts zu der zweiten beweglichen Stütze;
  • iv) Verwenden der zweiten beweglichen Stütze zum Stützen des transferierten Objekts entlang seiner Zylinderachse und zum Transferieren des Objekts so, dass eine zweite Seite des Objekts der zweiten visuellen Inspektionsvorrichtung zugewandt ist, wobei die zweite Seite der zylindrischen Fläche wenigstens alle Abschnitte der zylindrischen Fläche beinhaltet, die nicht in der ersten Seite enthalten sind; und
  • v) Verwenden der zweiten Bilderfassungsvorrichtung zum Erfassen eines zweiten Bildes, das der zweiten Seite der zylindrischen Fläche entspricht;
dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgenden Schritt umfasst: Verwenden des wenigstens einen Umlenkspiegels zum Umlenken des ersten/zweiten Bildes entlang einer Längsrichtung relativ zu der Zylinderachse des zylindrischen Objekts.

Die erste Seite der zylindrischen Fläche wird dann mit einer Beleuchtungsquelle beleuchtet, die dafür konfiguriert ist, Licht in einer Längsrichtung entlang einer Beleuchtungsachse, die in einem kleinen, spitzen Winkel relativ zu der Längsachse ausgerichtet ist, auf die erste Seite der zylindrischen Fläche zu richten. Sobald das zylindrische Objekt beleuchtet ist, wird das erste Bild des zylindrischen Objekts, das der ersten Seite der zylindrischen Fläche entspricht, von der ersten Bilderfassungsvorrichtung erfasst. Das erste Bild wird dann unter Benutzung eines Bildprozessors analysiert, um Defekte an der ersten Seite der zylindrischen Fläche zu identifizieren.

Das zylindrische Objekt wird dann derart transportiert, dass eine zweite Seite der zylindrischen Fläche des zylindrischen Objekts einem zweiten visuellen Inspektionssystem zugewandt ist. Die zweite Seite der zylindrischen Fläche enthält wenigstens alle Abschnitte der zylindrischen Fläche, die nicht in der ersten Seite enthalten oder in dieser abgebildet sind.

Die zweite Seite der zylindrischen Fläche wird dann mit einer Beleuchtungsquelle beleuchtet, die, wie die erste Beleuchtungsquelle, dafür konfiguriert ist, Licht entlang der Beleuchtungsachse auf die zweite Seite der zylindrischen Fläche zu richten. Das zweite Bild des zylindrischen Objekts wird dann von der zweiten Bilderfassungsvorrichtung erfasst. Das zweite Bild entspricht der zweiten Seite der zylindrischen Fläche.

Zuletzt wird das zweite Bild unter Benutzung des Bildprozessors analysiert, um Defekte an der zweiten Seite der zylindrischen Fläche zu identifizieren.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der begleitenden Zeichnungen und der folgenden genauen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen deutlicher.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Diese und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind besser verständlich durch das Lesen der folgenden genauen Beschreibung zusammen mit den Figuren, wobei:

1 eine schematische Darstellung ist, die zeigt, wie zwei Kameras benutzt werden, um beide Seiten einer Zigarette abzubilden, die sich zwischen zwei benachbarten Trommeln einer Zigarettenherstellungsvorrichtung hindurchbewegt, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

2A eine schematisches Darstellung ist, die einen üblichen Kamera- und Linsenaufbau zeigt, der nur das Erfassen eines begrenzten Bildes einer Zigarette zulässt;

2B eine schematische Darstellung ist, die eine Kamera mit einer zylindrischen Zusatzlinse zeigt, die benutzt wird, um einen breiten Flächenbereich einer Zigarette zu sehen, der größer ist als 180 ° der zylindrischen Fläche der Zigarette;

3A ein Bild einer Zigarette ist, das unter Benutzung des üblichen Kamera- und Linsenaufbaus aus 2A erfasst wurde;

3B ein verbreitertes Bild derselben Zigarette aus 3A ist, das unter Benutzung der Kamera mit zylindrischer Zusatzlinse aus 2B erfasst wurde;

4 eine schematische Darstellung ist, die die Benutzung einer Kombination von konvexen und konkaven zylindrischen Linsen zeigt, um eine vollständige Abdeckung einer Seite einer inspizierten Zigarette bereitzustellen;

5 eine schematische Darstellung ist, die die Benutzung einer Kombination von Prismen zeigt, um eine vollständige Abdeckung einer Seite einer Zigarette bereitzustellen;

6 eine schematische Darstellung ist, die die Benutzung einer Kombination von Prismen und Spiegeln zeigt, um eine vollständige Abdeckung einer Seite einer Zigarette bereitzustellen;

7 eine schematische Darstellung ist, die die Benutzung reflektierender Optik zeigt, um eine vollständige Abdeckung einer Seite einer Zigarette bereitzustellen;

8 eine schematische Darstellung eines Aufbaus einer visuellen Inspektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;

9 eine schematische Darstellung ist, die einen alternativen Spiegelaufbau für eine visuelle Inspektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

10 eine aufgeschnittene Endansicht der visuellen Inspektionsvorrichtung entlang der Linie 10-10 aus 8 ist, die den Luftstrom zeigt, der von einem Luftvorhang erzeugt wird;

11 eine schematische Darstellung von Bilddaten ist, die von einer Zeitbereichs- und Integrationskamera (Time Domain Integration – TDI) erfasst wurden, und die das Arbeitsprinzip derselben zeigt;

12A eine Seitenansicht einer Zigarette ist, die die Beleuchtungsrichtung und eine Falte in der Zigarettenfläche zeigt;

12B eine Draufsicht auf die faltige Zigarette aus 12A ist, die die Erhellungen und Schatten zeigt, die durch das Beleuchten der Falte erzeugt werden;

13 eine übliche Gestaltungsansicht eines Inspektionssystems ist, die spezifische Komponenten des Inspektionssystems der vorliegenden Erfindung zeigt, die in einer Zigarettenherstellungsmaschine angeordnet sind;

14 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Inspektionssystems für eine zylindrische Fläche ist, das gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;

15 ein Flussdiagramm eines Inspektionsverfahrens gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung ist; und

16 ein Gradientenbild einer Zigarette zeigt, das in mehrere relevante Bildbereiche (Regions of Interest – ROI) eingeteilt ist.

Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Obwohl die Prinzipien der vorliegenden Erfindung ebenso auf das Inspizieren der zylindrischen Flächen anderer Arten von zylindrischen Objekten anwendbar sind, kann die Erfindung anhand der folgenden Erläuterung ihrer Anwendung auf das Inspizieren der zylindrischen Flächen von im Wesentlichen fertig gestellten Zigaretten verdeutlicht werden, ohne die vorliegende Erfindung auf diese Weise einzugrenzen. Ebenso versteht sich, dass die im Folgenden beschriebene bestimmte Implementierung in einer Zigarettenherstellungsmaschine lediglich zur Illustration einer bevorzugten Ausführungsform dieser Art dient und die Erfindung ebenso auf andere Anordnungen von Zigarettenherstellungsmaschinen anwendbar ist.

Wenn eine Zigarette unter Benutzung eines Inspektionssystems auf Flächendefekte inspiziert werden soll, muss der gesamte Flächenbereich der Zigarette für das Inspektionssystem sichtbar sein. Zigaretten werden mit Hilfe einer Serie von Vakuumrollen durch eine Zigarettenherstellungsvorrichtung transportiert, die abwechselnd eine Seite und dann die andere Seite einer Zigarette möglichen Inspektionsstellen zuwenden. Die Inspektion kann erreicht werden, indem Bilder der Zigarette auf benachbarten Rollen an Positionen gewonnen werden, an denen die Zigarette im Prinzip in zwei verschiedenen Ausrichtungen präsentiert wird, die im Wesentlichen 180 ° auseinander liegen. 1 zeigt eine vereinfachte Darstellung, die zeigt, wie zwei Bilderfassungsvorrichtungen zusammen mit zwei benachbarten Trommeln in einer Zigarettenherstellungsvorrichtung benutzt werden können, um Bilder von gegenüberliegenden Seiten einer Zigarette zu erfassen, die zwischen den benachbarten Trommeln hindurch bewegt wird. In dieser Anordnung wird eine Zigarette 12 zunächst durch Vakuum auf einer Drehtrommel 10 festgehalten, die, in der in 1 gezeigten Ausführungsform, im Uhrzeigersinn rotiert. Wenn die Zigarette 12 der Bilderfassungsvorrichtung 14 zugewandt ist, ist für die Bilderfassungsvorrichtung 14 eine erste Seite B der Zigarette 12 sichtbar. Die Bilderfassungsvorrichtung 14 ist deshalb dazu in der Lage, ein Bild der ersten Seite B der zylindrischen Fläche der Zigarette zu erfassen.

Während die erste Stütztrommel 10 in ihrer Uhrzeigerrichtung rotiert, wird Zigarette 12 in eine Position II bewegt, wobei sie zwischen der Drehtrommel 10 und der Drehtrommel 20 transferiert wird. Wie auf dem technischen Gebiet allgemein bekannt ist, werden Vakuumtrommeln mit geeigneten Vakuumsteuersystemen benutzt, um Zigaretten zwischen Drehstütztrommeln wie den Trommeln 10 und 20 zu transportieren und überzuwechseln.

In der Ausführungsform aus 1 dreht sich Trommel 20 entgegen dem Uhrzeigersinn. Während Trommel 20 rotiert, ist Zigarette 12 einer zweiten Bilderfassungsvorrichtung 24 zugewandt. Da jedoch die Zigarette 12 von Trommel 10 zu Trommel 20 übergewechselt wurde, ist nun eine zweite Seite T der Zigarette 12 sichtbar, um von der zweiten Bilderfassungsvorrichtung 24 erfasst zu werden.

Ein potenzieller Nachteil dieses ansonsten effizienten Ansatzes ist der, dass ein Defekt, der auf der Zigarette entweder an der „Drei Uhr"-X- oder „Neun-Uhr"-Y-Position vorhanden ist, normalerweise nicht in den Bildern erscheinen würde, die von der ersten und zweiten Bilderfassungsvorrichtung erfasst wurden. Dies liegt daran, dass eine übliche Kamera- und Linsenanordnung normalerweise nur dazu in der Lage ist, etwa die oberen 160 Grad der Zigarette zu betrachten (2A).

Eine Anzahl von Ansätzen kann zur Zigaretteninspektion benutzt werden, die darauf abzielen, diese Sichtsystembeschränkung anzugehen. Diese Ansätze umfassen das Implementieren optischer Systeme zwischen den Bilderfassungsvorrichtungen und der inspizierten Zigarette, die es der Bilderfassungsvorrichtung erlauben, wenigstens 180 ° der Zigarette zu „sehen".

2B bis 7 offenbaren optische Systeme, die als Bildverbreiterung dienen, um das erfasste Bild effektiv zu „strecken". Beispielsweise zeigt und demonstriert 2B eine einfache Implementierung, die eine zylindrische Linse einsetzt, die in der Nähe der Zigarette angeordnet ist, wobei die Zylinderachse der Linse parallel zu der Längsachse der Zigarette ausgerichtet ist. Der Effekt der zylindrischen Linse 30 ist der, das Bild der Zigarette in die Richtung zu strecken, die normal für die Linsenachse ist. Daher enthält das resultierende Bild einen größeren Abschnitt des Umfangs der Zigarettenfläche. Wie in 3A zu erkennen ist, führt ein übliches Bild einer LUCKY-STRIKE®-Zigarette unter Benutzung einer üblichen Kamera- und Linsenanordnung, wie der in 2A gezeigten, zu einer teilweisen Verdeckung der Buchstaben „Y" und „E", da diese Buchstaben nah am Ende der Zigarette erscheinen, was im Wesentlichen einer 180 °-Position der zylindrischen Fläche der Zigarette entspricht. Wenn allerdings die zylindrische Linse 30 gemäß 2B implementiert ist, ist es klar, dass die letzten zwei Buchstaben des Markennamens (Y und E) in dem gestreckten Bild sichtbar sind (3B).

Dieser Ansatz ist nicht auf die Benutzung einer einfachen konvexen zylindrischen Linse beschränkt. Andere potenziell vorteilhafte optische Anordnungen sind in 4 bis 7 gezeigt. Beispielsweise zeigt 4 die Benutzung einer konkaven zylindrischen Linse 32, die in Kombination mit einer konvexen zylindrischen Linse 34 benutzt wird, um ein verbreitertes oder gestrecktes Bild der Zigarette 12 bereitzustellen. Die konvexe zylindrische Linse 34 streckt das Bild der Zigarette, damit im Wesentlichen alle Seiten der Zigarette 12 darin enthalten sind. Die konkave zylindrische Linse 32 drückt dann das Bild zusammen, das die Seiten der Zigarette 12 enthält. Das zusammengedrückte Bild wird dann von der Bilderfassungsvorrichtung 14 erfasst.

5 zeigt eine alternative Ausführungsform, die mehrere Prismen 40a bis 40d benutzt, um die gewünschte Bildverbreiterung zu erzielen.

6 zeigt eine Ausführungsform einer Bildverbreitungsvorrichtung, die Prismen 40a bis 40b aufweist, die in Kombination mit Spiegeln 42a und 42b benutzt werden, um ein Bild der Vorder- und der Hinterkante der Zigarette an die Bilderfassungsvorrichtung 14 zu übertragen.

7 zeigt eine noch komplexere Bildverbreiterungsvorrichtung, die eine reflektierende optische Linse 50 aufweist, die ein Bild der Vorder- und der Hinterkante der Zigarette an die Bilderfassungsvorrichtung 14 überträgt.

Das Erfassen von Bildern von Zigaretten, die von Vakuumrollen in einer Zigarettenherstellungsvorrichtung transportiert werden, macht es nötig, dass eine Anzahl von Beschränkungen im Zusammenhang mit begrenztem Zugriff und möglicher Verschmutzung überwunden werden. Die Zugriffsbeschränkungen beziehen sich auf die relative Nähe der verschiedenen Vakuumrollen, die in einer üblichen Zigarettenherstellungsvorrichtung enthalten sind. Beispielsweise gibt es eine Anzahl kleinerer Bereiche, welche das Anordnen einer Bilderfassungsvorrichtung nicht unterstützen würden.

Es ist deshalb nötig, einen oder mehrere Umlenkspiegel in einer oder mehreren visuellen Inspektionsvorrichtungen vorzusehen, um es deren Bilderfassungsvorrichtungen, die im Vergleich zu dem begrenzt verfügbaren Raum sperrig sind, zu erlauben, in einem Bereich angeordnet zu sein, der groß genug ist, um die Bilderfassungsvorrichtungen aufzunehmen. Eine Anordnung ist in 8 gezeigt. In dieser Anordnung ist ein Optikgehäuse 60 an einem Stützelement 15 der Zigarettenherstellungsvorrichtung angeordnet, wie z. B. der Rückwand der Herstellungsvorrichtung. Das Optikgehäuse 60 weist einen Umlenkspiegel 62 auf, der das Bild 12' (siehe 10) von Zigarette 12 entlang der Längsachse L umlenkt. An dem Ende des Optikgehäuses 60 gegenüber dem Ende, das an der Stütze der Zigarettenherstellungsvorrichtung angeordnet ist, ist eine Bilderfassungsvorrichtung 14 angeordnet, die eine Linse 16 und eine Kamera 18 aufweist. Außerdem kann in dem Optikgehäuse 60 eine konvexe zylindrische Linse 30 vorgesehen sein, die als eine Bildverbreiterungsvorrichtung dient.

Eine alternative Ausführungsform ist in 9 gezeigt. In dieser Ausführungsform ist ein zweiter Umlenkspiegel 62' vorgesehen, um das Bild 12' der Zigarette 12 von der Längsachse L weg zu lenken, beispielsweise in eine Aufwärtsrichtung, wo eine vertikal angeordnete Kamera 18 und Linse 16 das Bild von Zigarette 12 erfassen können.

Zusätzlich zum Bereitstellen eines Mittels zum Anordnen von Optik- und Abbildungskomponenten ist das Optikgehäuse 60 (8 und 9) dazu vorgesehen, ein Mittel zum Schützen der Optik- und Abbildungskomponenten vor Verschmutzung durch die Umgebung bereitzustellen, die in einer üblichen Zigarettenherstellungsvorrichtung vorherrscht. Diese potenzielle Verschmutzung besteht vor allem aus fliegendem Tabakstaub, der, wenn es ihm erlaubt wird, sich auf den Optikkomponenten abzusetzen oder in den optischen Weg zu schweben, die Fähigkeit des Inspektionssystems, zuverlässig Defekte zu ermitteln, stark beeinträchtigen würde. Aus diesem Grund ist die Umgebung innerhalb des Optikgehäuses 60 notwendigerweise entweder durch positive Belüftung mit gefilterter Luft oder durch effektive Abdichtung vor Staub geschützt.

Ein abgedichtetes Optikgehäuse weist ein Optikgehäusefenster 64 auf, durch das das Zigarettenbild 12' erfasst wird. Der Bereich um das Fenster 64 muss ebenfalls vor Verschmutzung durch fliegenden Tabakstaub geschützt werden. Ein Mittel, wodurch dieser Bereich effektiv geschützt werden kann, ist durch die Benutzung eines Luftvorhangs, wie in 10 dargestellt. Ein Luftvorhang 70 ist dazu konfiguriert, einen konstanten Luftstrom mit geringer Strömungsgeschwindigkeit F bereitzustellen, der mit einer Rate von etwa 10 Kubikfuß (0,28 m3) pro Sekunde in die Region zwischen dem Optikgehäusefenster 64 und der inspizierten Zigarette 12 zugeführt wird. Der Luftvorhang 70 weist einen Luftsammler 72 auf, für den eine Quelle gefilterter Luft (nicht dargestellt) vorgesehen ist. Die gefilterte Luft, die dem Luftsammler 72 zugeführt wird, wird über einen porösen Diffusor 74 in die Region zwischen dem Optikfenster 64 und der Zigarette 12 eingebracht. In der bevorzugten Ausführungsform ist der poröse Diffusor aus gesintertem Metall hergestellt. Allerdings wird jedes geeignete Material als gleichwertig betrachtet.

So hilft die gefilterte Luft, die bei geringer Strömungsgeschwindigkeit der Region zwischen dem Optikgehäusefenster 64 und der Zigarette 12 zugeführt wird, zu verhindern, dass fliegender Staub in die Region eindringt, und hilft dabei, fliegenden Tabakstaub und andere Verschmutzungsteilchen aus dieser kritischen Region zu bewegen.

Der Luftstrom mit geringer Strömungsgeschwindigkeit in der Region zwischen dem Optikgehäusefenster und der inspizierten Zigarette stellt, wenn er mit einer Zeitbereichs- und Integrationskamera (Time Domain and Integration – TDI) als Bilderfassungsvorrichtung kombiniert ist, eine Anzahl signifikanter Vorteile gegenüber dem Stand der Technik bereit. Eine TDI-Kamera ist eine Abbildungssensor-Implementierung mit einem ladungsgekoppelten Bauelement (Charge Coupled Device – CCD), wobei das Bild in der in 11 gezeigten Art und Weise elektronisch über den Sensor S „geschwenkt" wird. Vorausgesetzt, dass das abgebildete Objekt, wie z. B. Zigarette 12, bewegt wird, so dass es in genauer Übereinstimmung mit dem sich verschiebenden Bild bleibt, bleibt das Bild des Objekts scharf. Wenn andererseits ein anderes Objekt, wie z. B. ein fliegendes Tabakstaubteilchen sich auf der Bildebene bewegt, so dass seine Bewegung nicht in Übereinstimmung mit der Bewegung des Bildes über den Sensor ist, ist das resultierende Bild des zweiten Objekts (d. h. des Staubteilchens) unscharf.

Dieses Verhalten kann ausgenutzt werden, um die Auswirkungen von Staub oder Abfall auf die Leistung eines Inspektionssystems stark zu reduzieren, da Staub oder Abfall, der sich nicht genau mit der inspizierten Zigarette bewegt, in dem resultierenden Bild unscharf ist, während Defekte ähnlicher Größe, wie z. B. Nadellöcher oder Stiellöcher scharf sind und deshalb scharfe und deutliche Kanten aufweisen.

Zusätzlich erlaubt die Benutzung einer TDI-Kamera das Erfassen eines Bildes eines zylindrischen Objekts, das sich auf einer Trommel an der Kamera vorbei bewegt, etwas mehr als 180 ° der abgebildeten zylindrischen Fläche zu enthalten. Wie in 11 erkennbar, ist, wenn die Zigarette 12 zuerst in das Sichtfeld der TDI-Kamera 14 eintritt, was in Position 1 geschieht, der Abschnitt der zylindrischen Fläche der Zigarette, der zuerst von einem ersten Sensorelement, El, der TDI-Kamera abgebildet wird, annähernd in der 11:30-Position 76 (in Bezug auf ein Uhrzifferblatt). Während die Zigarette 12 über das Sichtfeld der TDI-Kamera 14 in die Richtung von Pfeil M schwenkt, bilden zusätzliche Sensorelemente zusätzliche Abschnitte der zylindrischen Fläche der Zigarette 12 ab, bis ein finales Sensorelement En einen letzten Abschnitt der zylindrischen Fläche der Zigarette in Position 2 abbildet. Wie erkennbar ist, bildet Sensor En in Position 2 einen Abschnitt der zylindrischen Fläche der Zigarette, der im Wesentlichen einer 6:30-Position entspricht (wieder in Bezug auf ein Uhrzifferblatt). Entsprechend deckt das vollständige Bild, das von der TDI-Kamera erfasst wurde, im Wesentlichen Positionen zwischen 11:30 und 6:30 ab, was wesentlich mehr ist als 180 Grad. So stellt eine TDI-Kamera Bildverbreiterungs- oder Streckungsmerkmale bereit, die zuvor unter Benutzung optischer Hardware wie z. B. der Linsen- und Prismenanordnungen zur Verfügung standen, die zuvor unter Bezugnahme auf 3 bis 7 beschrieben wurden.

Ein anderes Merkmal der offenbarten Erfindung umfasst die Beleuchtung der zylindrischen Fläche einer Zigarette, um die Auswirkung von Falten und anderen Flächendefekten zu betonen. Wie in 12A und 12B gezeigt, werden Falten 80 oder andere Flächendefekte betont, wenn eine Zigarette mit einer Beleuchtungsquelle 132 beleuchtet wird, die Licht entlang einer Beleuchtungsachse I, die im Wesentlichen entlang der Längsachse der Zigarette in einem kleinen spitzen Winkel &agr; relativ zu der Längsachse Lc der Zigarette ausgerichtet ist, auf die Fläche der Zigarette richtet. Dieser Effekt wird durch die signifikanten Erhellungen 82 und Schatten 84 in dem Bereich der Falten 80 verursacht, die von der Beleuchtung mit einem kleinen spitzen Winkel erzeugt werden. Diese Beleuchtungsanordnung verbessert außerdem die Ermittelbarkeit von Löchern und anderen topographischen Defekten. Der Winkel &agr; liegt vorzugsweise im Bereich von 10 bis 30 Grad.

13 zeigt eine Probeanordnung eines Zigaretteninspektionssystems, das die Hauptkomponenten eines Zigaretteninspektionssystems aufweist. Ein Zigaretteninspektionssystem 100 weist eine erste und eine zweite visuelle Inspektionsstation 110 bzw. 120 auf.

Die erste visuelle Inspektionsstation 110 weist eine erste bewegliche Stütze 10 zum Stützen und Transportieren eines zylindrischen Objekts, wie z. B. einer Zigarette 12, auf, so dass eine erste Seite der zylindrischen Fläche einer Zigarette einer ersten visuellen Inspektionsvorrichtung 130 zugewandt ist. Wenn die Zigarette 12 der ersten visuellen Inspektionsvorrichtung 130 zugewandt ist, wird sie von einer ersten Beleuchtungsquelle mit kleinem spitzem Winkel 132 beleuchtet. Die Beleuchtungsquelle 132 kann entweder die Enden von Glasfaser-Lichtführungen oder Arrays von hoch leistungsfähigen Leuchtdioden (LEDs) aufweisen. In der bevorzugten Ausführungsform weist die Beleuchtungsquelle 132 eine Vielzahl von Beleuchtungsquellen auf, die auf jeder Seite des Kamera/Optikgehäuses 60 angeordnet sind und derart angeordnet sind, dass sie die Zigarette 12 entlang der Beleuchtungsachse I beleuchten, die schräg im Wesentlichen entlang der Längsachse Lc der Zigarette 12 ausgerichtet ist. Die Beleuchtungsquelle 132 ist relativ zu der Längsachse Lc der Zigarette in einem kleinen spitzen Winkel &agr; ausgerichtet, um die Sichtbarkeit von Defekten wie oben beschrieben zu betonen. Das Optikgehäuse 60 stellt eine Anordnungsstütze und eine staubfreie Umgebung bereit, in der eine Bilderfassungsvorrichtung 14, wie z. B. eine TDI-Kamera, und eine Umlenkungslinse 62 angeordnet sind. Obwohl die Optikkomponenten dicht abgeschlossen in dem Gehäuse 60 angeordnet sind, sehen sie Zigarette 12, während sich diese an dem visuellen Inspektionsfenster 64 vorbei bewegt.

Die zweite Inspektionsstation 120 weist eine zweite bewegliche Stütze 20 zum Erhalten des zylindrischen Objekts, wie z. B. Zigarette 12, von der ersten beweglichen Stütze 10 auf, und zum Stützen und Transportieren der Zigarette 12 derart, dass eine zweite Seite der zylindrischen Fläche der Zigarette einer zweiten visuellen Inspektionsvorrichtung 140 zugewandt ist.

Die zweite Seite der zylindrischen Fläche der Zigarette wird von einer zweiten Beleuchtungsquelle 142 beleuchtet, die im Wesentlichen mit der ersten Beleuchtungsquelle 132 identisch ist, die oben in Bezug auf die erste Inspektionsvorrichtung 130 beschrieben wurde. Die zweite Beleuchtungsquelle 142 beleuchtet die zweite Seite der zylindrischen Fläche der Zigarette 12, wenn die zweite Seite der zylindrischen Fläche der zweiten visuellen Inspektionsvorrichtung 140 zugewandt ist. Wie die erste Beleuchtungsquelle 132 ist die zweite Beleuchtungsquelle 142 dazu konfiguriert, Licht entlang einer Beleuchtungsachse I, die relativ zu der Längsachse Lc in einem kleinen spitzen Winkel &agr; ausgerichtet ist, auf die zylindrische Fläche der Zigarette zu richten. Die zweite visuelle Inspektionsvorrichtung 140 weist eine zweite Bilderfassungsvorrichtung 24 auf, die im Wesentlichen identisch mit der ersten Bilderfassungsvorrichtung 14 sein kann, wenngleich auch die Benutzung unterschiedlicher Bilderfassungsvorrichtungen von der Erfindung vorgesehen ist. Andere Komponenten der zweiten visuellen Inspektionsvorrichtung 140 sind im Wesentlichen mit den Komponenten identisch, die in der ersten Inspektionsvorrichtung 130 vorhanden sind und die in 13 unter Benutzung derselben Bezugszeichen angezeigt sind.

Die Bilder, die von den Bilderfassungsvorrichtungen 14 und 24 erfasst werden, werden einem Bildprozessor 150 zugeführt, der die Beleuchtungs- und Bilderfassungsprozesse sowie diejenigen Prozesse steuert, die mit der Analyse der erfassten Bilder zum Ermitteln von Defekten in der zylindrischen Fläche von Zigaretten in Zusammenhang stehen.

Ein genaueres Blockdiagramm der Komponenten, die in jeder visuellen Inspektionsvorrichtung und ihrem zugehörigen Bildprozessor enthalten sind, ist in 14 dargestellt. 14 soll unter Bezugnahme auf die erste visuelle Inspektionsvorrichtung 130 erläutert werden. Allerdings versteht sich, dass die Komponenten, die die zweite visuelle Inspektionsvorrichtung 140 ausbilden, im Wesentlichen mit den beschriebenen identisch sind. Gemeinsame Komponenten, die beiden visuellen Inspektionsvorrichtungen gemein sind, werden in der folgenden Beschreibung angezeigt.

Ein Bild der zylindrischen Fläche eines inspizierten Objekts wird von der Bilderfassungsvorrichtung 14 erfasst. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Bilderfassungsvorrichtung 14 eine TDI-Kamera, wie oben erwähnt. Die Benutzung einer TDI-Kamera stellt die Fähigkeit bereit, sich bewegende Teile abzubilden, ohne dass Blitzlicht-Beleuchtungsquellen benötigt werden. Sie erzeugt außerdem ein Bild, bei dem der effektive Staub und Abfall in vernünftiger Weise eliminiert ist und ein größerer Abschnitt des Umfangs der Zigarette sichtbar ist (im Vergleich zu einer üblichen Area-Array- oder Linienanalyse-Kamera). Eine TDI-Kamera unterstützt eine Lösung mit mehreren Plattformen, wobei hohe Stückraten (bis zu 20.000 Zigaretten pro Minute) unterstützt werden können, indem zwei Bildprozessoren von einer einzigen Kamera versorgt werden. TDI-Kameras sind auch anpassbar, um einen Teil der Bildverarbeitung während der Bildgewinnung durchzuführen. Beispielsweise ermöglicht die Benutzung einer TDI-Kamera mit einem integrierten Digitalsystemprozessor (DSP) erfolgreiche Bilderfassungen bei Zigarettenherstellungsraten von 10 bis 12.000 Stück pro Minute. Eine TDI-Kamera, die sich bei der Ausführung der offenbarten Erfindung als besonders nützlich erwiesen hat, ist die Kamera Dalsa C1-E2.

In einer Ausführungsform empfängt ein Kamera Multiplexer (MUX) 160 die Ausgabe der TDI-Kamera 14. Die Kamera MUX 160 wird benutzt, um die digitalen Signale zu duplizieren, die das von der Kamera übertragene Bild darstellen. Die Kamera MUX 160 überträgt dann das erfasste Bild an eine erste und eine zweite Bildfangschaltung 172 und 182, die zu dem ersten und zweiten Bildprozessor 170 und 180 gehören. Die erste und zweite Bildfangschaltung 172 und 182 sind vorzugsweise Bit-Fluss-Bildfangschaltungen, die die digitalen Bilddaten, die von der TDI-Kamera 14 erfasst werden, empfangen, und die außerdem die TDI-Kamera 14 mit Taktungs- und Auslöserinformation versorgen.

Die Benutzung der zwei Bildprozessoren 170 und 180 verdoppelt effektiv die Verarbeitungsgeschwindigkeit des Systems. Entsprechend stellt die Kamera MUX 160 sicher, dass die geeigneten Bilder dem geeigneten Bildprozessor zugeführt werden. Die Bildprozessoren 170 und 180 weisen einen Computer von geeigneter Leistungsfähigkeit auf, wie z. B. aus der Familie der Personal-Computer Power PC6XX. Diese Computerfamilie stellt die Verstärkung der Rechenleistung bereit, die benötigt wird, um die hohen Stückraten zu unterstützen, die von einem Zigaretteninspektionssystem benötigt werden. Der Ansatz der vorliegenden Erfindung ist der, mehrere Standardplattform-Computersysteme für jede Inspektionsstation zu benutzen, um die Vorteile der Modularität bereitzustellen und um Modifikationen zu ermöglichen, um eine bestimmte Inspektionsstation an Durchlaufanforderungen anzupassen.

In der bevorzugten Ausführungsform weist jeder Bildprozessor außerdem ein Maschinensichtsystem auf, das die Basis des Zigaretteninspektionssystems bildet. Die Bildprozessoren 170 und 180 können außerdem mit digitalen Eingabe/Ausgabe-(E/A)-Modulen 174 und 184 ausgerüstet sein, die zur Signalübermittlung zwischen Maschinen und zum Erzeugen von Beleuchtungssteuerungs- und Signalzurückweisungsausgaben benutzt werden können.

Jede visuelle Inspektionsvorrichtung weist außerdem eine Beleuchtungssteuerung 176 auf, die benutzt wird, um die Beleuchtungsstufe als eine Funktion der Arbeitsgeschwindigkeit für die Zigarettenmarke und den Zigarettenhersteller einzustellen. Diese Einstellung kann auch erforderlich sein, um eine Alterung der Beleuchtungsquellen auszugleichen, wenn ein Glasfaser-Beleuchtungsaufbau eingesetzt wird. Die Beleuchtungssteuerung 176 wird von dem E/A-Modul betätigt, das in einem der Bildprozessoren enthalten ist.

Jede visuelle Inspektionsvorrichtung weist außerdem einen Auslöser/Signalzurückweisungstreiber 200 auf. Die erste Funktion des Auslöser/Signalzurückweisungstreibers 200 ist es, die Bildfangschaltung und einen Stückpräsenzauslöser 210 anzutreiben. Der Treiber 200 erzeugt außerdem ein Signal, das die horizontale und vertikale Auflösung der gewonnenen Bilder bestimmt. Das Signal wird nach der Anzahl von Geberzählwerten spezifiziert.

Die Anforderung an den Stückpräsenzauslöser 210 kann durch jeden Sensor erfüllt werden, der in den Trommelantrieb der Zigarettenherstellungsvorrichtung aufgenommen ist, und der einmal pro Zigarette ein Signal erzeugt. Das Signal wird benutzt, um für jede Zigarette die Bildgewinnung auszulösen, und muss für jede Zigarette genau getaktet sein, damit das Bild korrekt positioniert werden kann. So erzeugt der Auslöser Signale, die zu der Maschinengeschwindigkeit proportional sind. Diese Signale können auch benutzt werden, um zu ermitteln, wann eine Zigarettenherstellungsvorrichtung die Zielgeschwindigkeit erreicht, und um die Intensitätsstufen der Beleuchtungsquelle zu steuern.

Jede Inspektionsvorrichtung weist außerdem einen Signalzurückweisungstreiber 220 auf, der ein geeignetes Zurückweisungssignal für die Zigarettenzurückweisungshardware bereitstellt, die im Allgemeinen in einer Zigarettenherstellungsmaschine enthalten ist.

Zusätzlich zu der Verarbeitungs- und Steuerungshardware weist das Zigaretteninspektionssystem außerdem eine Anzahl von Nutzerschnittstellenelementen auf. Obwohl jedes Zigaretteninspektionssystem zwei Zigaretteninspektionsstationen mit doppelten Bildprozessoren aufweist, teilen sich die Inspektionsstationen gemeinsame Nutzerschnittstellen. Die geteilten Komponenten sind über einen Auswahlschalter 192 selektiv an die zwei Stationen angeschlossen. Die Nutzerschnittstellenelemente weisen einen Systemanzeigebildschirm 194, eine Tastatur 196 und eine Zeigevorrichtung 198 auf.

Zusätzlich zu der Bereitstellung geeigneter Hardware zum Implementieren des offenbarten Zigaretteninspektionssystems wird von den Bildprozessoren, die in dem System enthalten sind, ein neuartiges Inspektionsverfahren 300, 15, erreicht. Das Bildinspektionsverfahren 300 soll unter Bezugnahme auf eine Inspektionsstation und einen Bildprozessor beschrieben werden. Allerdings versteht sich, dass die zwei Inspektionsstationen und doppelten Bildprozessoren, die von der bevorzugten Ausführungsform des offenbarten Zigaretteninspektionssystems benutzt werden, es ermöglichen, dass die gesamte zylindrische Fläche einer Zigarette in geeigneter Weise bei üblichen Zigarettenherstellungsgeschwindigkeiten inspiziert werden kann.

Das Inspektionsverfahren 300 beginnt mit einem Bildgewinnungsschritt, Schritt 310. Die Bildgewinnung umfasst das Erfassen eines Bilds durch die Bilderfassungsvorrichtung, wie z. B. die oben beschriebene TDI-Kamera. Die TDI-Kamera gibt dann das erfasste Bild an die Bildfangschaltung weiter, Schritt 315, die ein normales Grauskalenbild der Zigarette in einem Inspektionssystemspeicher ablegt, Schritt 320. Das Bild weist vorzugsweise eine Größe von 512 × 64 Pixeln auf und kann skaliert werden, Schritt 325, um eine Anpassung an große Produkte mit der Möglichkeit zur Variation der Position von Zigarette zu Zigarette zu erlauben.

Sobald das Bild im Speicher abgelegt und, bei Bedarf, in geeigneter Weise skaliert ist, beginnt die Verarbeitung und Analyse des Bildes. Zunächst wird wenigstens ein Abschnitt des Bilds unter Benutzung eines Gradientenfilters in ein Gradientenbild transformiert, Schritt 330. In der bevorzugten Ausführungsform wäre jeder geeignete Gradientenfilter gleichwertig. Der Vertikalkantenfilter kann als Hochpassfilter betrachtet werden, der auf Gradientenkomponenten (d. h. Unterschiede in den Grauskalenwerten) entlang der Längsachse der Zigarette anspricht. Dann werden ein oder mehrere der Gradientenbildabschnitte von dem Bildprozessor analysiert, Schritt 340, unter Benutzung allgemein bekannter Inspektionsverfahren. Ein signifikanter Vorteil der Benutzung von Gradientenbildabschnitten zusammen mit zusätzlichen Inspektionsverfahren ist der, dass Flächen auch dann genau inspiziert werden können, wenn sie ungleichmäßig beleuchtet werden. So kann eine Inspektion mit weniger ausgefeilten, weniger kostenintensiven Beleuchtungssystemen erreicht werden.

In der bevorzugten Ausführungsform sind der Abschnitt oder die Abschnitte der Zigarette, die einer Gradientenkantenfilterung ausgesetzt werden, anhand eines „Stückprogramms" definiert, das für das inspizierte Produkt spezifisch ist. 16 zeigt ein Zigarettengradientenbild 400, das durch eine Ausführungsform eines geeigneten Stückprogramms in mehrere relevante Bereiche (Regions of Interest – ROI) eingeteilt ist. In dieser Ausführungsform teilt das Stückprogramm beispielsweise das Gradientenbild einer inspizierten Zigarette in fünf (5) relevante Bereiche (ROI). Die definierten relevanten Bereiche umfassen: einen Linksendposition-ROI 410, einen Rechtsendposition-ROI 412, einen Spitzeninspektions-ROI 414, einen Druckbereichinspektions-ROI 416, und einen Stängelinspektions-ROI 418. Verschiedene Inspektionsprozesse können unabhängig voneinander auf jeden ROI angewandt werden, basierend auf dem Inspektionsschritt, der für jeden ROI durchgeführt wird, einschließlich der Arten von in Frage kommenden Defekten. Zusätzlich können Inspektionsparameter wie der Schwellenwert und die minimale Blob-Größe, die auf dem technischen Gebiet gut bekannt sind, unabhängig für jeden definierten ROI eingestellt werden.

Als Beispiel sollen die fünf ROIs aus 16 hinsichtlich der Arten von Inspektionsschritten erläutert werden, die für jeden durchgeführt werden. Zunächst kann die Zigarettenposition anhand des Linksendposition-ROIs 410 und des Rechtsendposition-ROIs 412 bestimmt werden. Die Positionsbestimmung wird unter Benutzung der Blob-Konnektivitätsanalyse durchgeführt. Bei den zwei Positions-ROIs erzeugen die vertikalen Kanten an dem Spitzen- und dem Stängelende der Zigarette normalerweise deutlich umrissene, relativ schmale, vertikale Blobs, die die Position, Länge und Winkelausrichtung der Zigarette genau definieren. Sobald die Zigarette lokalisiert ist, können die Positionen der Inspektions-ROIs unter Benutzung der Information von den zwei Positions-ROIs angepasst werden.

Die Blobs können auch für einen Inspektionsschritt benutzt werden, wobei die Winkelform (Verhältnisbreite) der Endblobs mit Kriterien abgeglichen wird, die in dem Stückprogramm spezifiziert sind. Dieser Inspektionsschritt ist dazu in der Lage, eine Anzahl von Defekten in der Ausbildung des Spitzen- und des Stängelendes zu ermitteln.

Das Zigaretteninspektionsverfahren fährt fort, indem für die Gradientenkantenbilder an jedem der drei Inspektions-ROIs Konnektivitätsanalysen durchgeführt werden. Jeder von diesen kann mit einzigartigen Parametern versorgt werden, um Schwellenwert, minimale Blob-Größe und andere Kriterien zu spezifizieren, wie z. B., ob der Blob die Kante des ROI berühren darf.

Entsprechend stellt die vorliegende Erfindung ein neuartiges System und Verfahren zum optischen Inspizieren von im Wesentlichen dem gesamten Umfang einer zylindrischen Fläche bereit, das eine erste und zweite visuelle Inspektionsstation aufweist, die dazu konfiguriert ist, Bilder von gegenüberliegenden Seiten der zylindrischen Fläche zu erfassen. Jede Inspektionsstation weist eine bewegliche Stütze zum Stützen und Transportieren eines zylindrischen Objekts, wie z. B. einer Zigarette, auf, so dass eine Seite einer zylindrischen Fläche des zylindrischen Objekts einer visuellen Inspektionsvorrichtung zugewandt ist. Jede Station weist außerdem eine Beleuchtungsquelle zum Beleuchten der Seite auf, die der visuellen Inspektionsvorrichtung zugewandt ist. Jede Beleuchtungsquelle ist dazu konfiguriert, Licht entlang einer Längsachse der zylindrischen Fläche in einem kleinen spitzen Winkel relativ zu der Längsachse auf die zylindrische Fläche zu richten.

Jede visuelle Inspektionsvorrichtung weist eine Bilderfassungsvorrichtung zum Erfassen von Bildern der gegenüberliegenden Seiten des zylindrischen Objekts auf. Die erfassten Bilder werden dann analysiert, um Flächendefekte zu ermitteln.

Modifikationen und Ersetzungen durch einen Durchschnittsfachmann sind als im Umfang der vorliegenden Erfindung liegend zu betrachten, welche nicht eingegrenzt ist, außer durch die folgenden Ansprüche.


Anspruch[de]
Inspektionsvorrichtung (100) zum optischen Inspizieren im Wesentlichen eines gesamten Umfangs einer zylindrischen Fläche eines zylindrischen Objekts (12), wobei die Vorrichtung (100) Folgendes aufweist:

eine erste visuelle Inspektionsvorrichtung (130), die eine erste Bilderfassungsvorrichtung (14) aufweist, um ein erstes Bild (12') des Objekts (12) zu erfassen, wobei das erste Bild einer ersten Seite (B) der zylindrischen Fläche entspricht;

eine erste bewegliche Stütze (10), die so konfiguriert ist, dass sie wenigstens eines der Objekte (12) entlang seiner Zylinderachse (Lc) stützt und dass sie das Objekt (12) so transportiert, dass die erste Seite (B) des Objekts (12) der ersten visuellen Inspektionsvorrichtung (130) zugewandt ist;

eine zweite visuelle Inspektionsvorrichtung (140), die eine zweite Bilderfassungsvorrichtung (24) aufweist, um ein zweites Bild (12') des Objekts (12) zu erfassen, wobei das zweite Bild einer zweiten Seite (T) der zylindrischen Fläche entspricht, wobei die zweite Seite (T) der zylindrischen Fläche wenigstens alle Abschnitte der zylindrischen Fläche beinhaltet, die nicht in der ersten Seite (B) enthalten sind;

eine zweite bewegliche Stütze (20), die so konfiguriert ist, dass sie wenigstens eines der Objekte (12) entlang seiner Zylinderachse (Lc) stützt und dass sie von der ersten beweglichen Stütze (10) das wenigstens eine Objekt (12) erhält, nachdem das erste Bild (12') durch die erste Bilderfassungsvorrichtung (14) erfasst wurde, und so konfiguriert ist, dass sie das erhaltene Objekt (12) so transportiert, dass die zweite Seite (T) des Objekts (12) der zweiten visuellen Inspektionsvorrichtung (140) zugewandt ist;

dadurch gekennzeichnet, dass die erste visuelle Inspektionsvorrichtung (130) oder die zweite visuelle Inspektionsvorrichtung (140) oder beide des Weiteren wenigstens einen Umlenkspiegel (62) aufweisen, der in das Sichtfeld der ersten/zweiten Bilderfassungsvorrichtung (14, 24) ausgerichtet ist, um das erste/zweite Bild (12') entlang einer Längsrichtung (L) relativ zu der Zylinderachse (Lc) des zylindrischen Objekts (12) umzulenken.
Inspektionsvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei die erste bewegliche Stütze (10) und die zweite bewegliche Stütze (20) zwei benachbarte Drehtrommeln (10, 20) sind, wobei das wenigstens eine zylindrische Objekt (12) an einem Umfang der Trommeln (10, 20) gestützt wird, wobei die Zylinderachse (Lc) des gestützten Objekts (12) parallel zu den Drehachsen der Trommeln (10, 20) verläuft. Inspektionsvorrichtung (100) nach Anspruch 2, wobei der wenigstens eine Umlenkspiegel (62) das erste/zweite Bild (12') in Längsrichtung von den Trommeln fort und zu der ersten/zweiten Bilderfassungsvorrichtung (14, 24) hin umlenkt. Inspektionsvorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (100) Folgendes aufweist:

eine erste Beleuchtungsquelle (132) zum Beleuchten der ersten Seite (B) der zylindrischen Fläche, wenn die erste Seite (B) der zylindrischen Fläche der ersten visuellen Inspektionsvorrichtung (130) zugewandt ist, wobei die erste Beleuchtungsquelle (132) dafür konfiguriert ist, Licht auf die zylindrische Fläche zu richten;

eine zweite Beleuchtungsquelle (142) zum Beleuchten der zweiten Seite (T) der zylindrischen Fläche, wenn die zweite Seite (T) der zylindrischen Fläche der zweiten visuellen Inspektionsvorrichtung (140) zugewandt ist, wobei die zweite Beleuchtungsquelle (142) dafür konfiguriert ist, Licht auf die zylindrische Fläche zu richten; und

wobei sowohl die erste Beleuchtungsquelle (132) als auch die zweite Beleuchtungsquelle (142) dafür konfiguriert sind, Licht im Wesentlichen entlang einer Längsrichtung (I) der zylindrischen Fläche in einem kleinen, spitzen Winkel (&agr;) relativ zu der Zylinderachse (Lc) des inspizierten zylindrischen Objekts (12) auf die zylindrische Fläche zu richten.
Inspektionsvorrichtung (100) nach Anspruch 4, wobei der kleine, spitze Winkel im Wesentlichen im Bereich von 10 bis 30 Grad liegt. Inspektionsvorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste visuelle Inspektionsvorrichtung (130) oder die zweite visuelle Inspektionsvorrichtung (140) oder beide zwei Umlenkspiegel (62, 62') aufweisen, wobei einer der Spiegel (62) dafür konfiguriert ist, das erste/zweite Bild (12') entlang der Längsrichtung (L) relativ zu der Zylinderachse (Lc) des zylindrischen Objekts (12) umzulenken, und der andere der Spiegel (62') dafür konfiguriert ist, das umgelenkte erste/zweite Bild (12') von der Längsrichtung (L) fort und zu der ersten/zweiten Bilderfassungsvorrichtung (14, 24) hin umzulenken. Inspektionsvorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste visuelle Inspektionsvorrichtung (130) und die zweite visuelle Inspektionsvorrichtung (140) des Weiteren ein Mittel (64, 70, 72) aufweisen, das verhindert, dass durch die Luft getragene Verschmutzungsteilchen sich auf Komponenten der Inspektionsvorrichtungen absetzen. Inspektionsvorrichtung (100) nach Anspruch 7, wobei das Mittel zum Verhindern des Absetzens von durch die Luft getragenen Verschmutzungsteilchen auf Komponenten der Inspektionsvorrichtungen ein abgedichtetes Gehäuse (60) umfasst, in dem diese Komponenten untergebracht sind, wobei das Gehäuse ein Fenster (64) enthält, durch das hindurch Bilder (12') erfasst werden. Inspektionsvorrichtung (100) nach Anspruch 8, die des Weiteren einen Luftvorhang (70) nahe dem Fenster (64) aufweist, um einen Luftstrom von geringer Strömungsgeschwindigkeit in dem Bereich zwischen dem Fenster (64) und dem inspizierten zylindrischen Objekt (12) zu erzeugen. Inspektionsvorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine der Bilderfassungsvorrichtungen (14, 24) eine Zeitbereichs- und Integrationskamera (Time Domain and Integration – TDI) (18) aufweist. Inspektionsvorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, die des Weiteren eine Bildverarbeitungsvorrichtung (170, 180) zum Verarbeiten der ersten und zweiten Bilder (12') aufweist, um visuell erkennbare Defekte in der ersten und der zweiten Seite (B, T) der zylindrischen Fläche festzustellen. Inspektionsvorrichtung (100) nach Anspruch 11, wobei die Bildverarbeitungsvorrichtung (170, 180) einen Gradientenfilter aufweist, um die ersten und zweiten erfassten Bilder (12') in erste und zweite Gradientenbilder (400) umzuwandeln. Inspektionsvorrichtung (100) nach Anspruch 12, wobei der Gradientenfilter einen Vertikalkantenfilter umfasst. Inspektionsvorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das inspizierte zylindrische Objekt eine Zigarette (12) umfasst. Inspektionsvorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste visuelle Inspektionsvorrichtung (130) oder die zweite visuelle Inspektionsvorrichtung (140) oder beide des Weiteren eine Bildverbreiterungsvorrichtung (32, 34, 40a–d, 42a, 42b, 50) aufweisen, damit die erste Bilderfassungsvorrichtung (14) oder die zweite Bilderfassungsvorrichtung (24) oder beide ein Bild (12') der zylindrischen Fläche erfassen können, das mehr als die Hälfte der zylindrischen Fläche enthält. Inspektionsvorrichtung (100) nach Anspruch 15, wobei die Bildverbreiterungsvorrichtung eine konvexe Zylinderlinse (34) aufweist. Inspektionsvorrichtung (100) nach Anspruch 16, wobei die Bildverbreiterungsvorrichtung des Weiteren eine konkave Zylinderlinse (32) in Kombination mit der konvexen Zylinderlinse (34) aufweist. Inspektionsvorrichtung (100) nach Anspruch 15, wobei die Bildverbreiterungsvorrichtung wenigstens ein Prisma (40a–d) aufweist. Inspektionsvorrichtung (100) nach Anspruch 18, wobei die Bildverbreiterungsvorrichtung des Weiteren wenigstens einen Spiegel (42a, 42b) in Kombination mit dem wenigstens einen Prisma (40a, 40b) aufweist. Inspektionsvorrichtung (100) nach Anspruch 11, wobei die Bildverbreiterungsvorrichtung eine reflektierende optische Linse (50) aufweist. Verfahren zum Verwenden einer Inspektionsvorrichtung (100) zum Inspizieren im Wesentlichen eines gesamten Umfangs einer zylindrischen Fläche eines zylindrischen Objekts (12), wobei die Inspektionsvorrichtung (100) Folgendes aufweist: eine erste visuelle Inspektionsvorrichtung (130), die eine erste Bilderfassungsvorrichtung (14) aufweist; eine zweite visuelle Inspektionsvorrichtung (140), die eine zweite Bilderfassungsvorrichtung (24) aufweist; eine erste bewegliche Stütze (10); eine zweite bewegliche Stütze (20); und wenigstens einen Umlenkspiegel (62); wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

i) Verwenden der ersten beweglichen Stütze (10) zum Stützen wenigstens eines der zylindrischen Objekte (12) entlang seiner Zylinderachse (Lc) und zum Transportieren des Objekts (12) so, dass eine erste Seite (B) der zylindrischen Fläche der ersten visuellen Inspektionsvorrichtung (130) zugewandt ist;

ii) Verwenden der ersten Bilderfassungsvorrichtung (14) zum Erfassen eines ersten Bildes (12'), das der ersten Seite (B) der zylindrischen Fläche entspricht;

iii) nach dem Erfassen des ersten Bildes (12') durch die erste Bilderfassungsvorrichtung (14) Transferieren des zylindrischen Objekts (12) zu der zweiten beweglichen Stütze (20);

iv) Verwenden der zweiten beweglichen Stütze (20). zum Stützen des transferierten Objekts (12) entlang seiner Zylinderachse (Lc) und zum Transportieren des Objekts (12) so, dass eine zweite Seite (T) des Objekts (12) der zweiten visuellen Inspektionsvorrichtung (140) zugewandt ist, wobei die zweite Seite (T) der zylindrischen Fläche wenigstens alle Abschnitte der zylindrischen Fläche beinhaltet, die nicht in der ersten Seite (B) enthalten sind; und

v) Verwenden der zweiten Bilderfassungsvorrichtung (24) zum Erfassen eines zweiten Bildes (12'), das der zweiten Seite (T) der zylindrischen Fläche entspricht;

dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgenden Schritt umfasst: Verwenden des wenigstens einen Umlenkspiegels (62) zum Umlenken des ersten/zweiten Bildes (12') entlang einer Längsrichtung (L) relativ zu der Zylinderachse (Lc) des zylindrischen Objekts (12).
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die erste bewegliche Stütze und die zweite bewegliche Stütze zwei benachbarte Drehtrommeln (10, 20) sind, wobei das wenigstens eine zylindrische Objekt (12) an einem Umfang der Trommeln (10, 20) gestützt wird, wobei die Zylinderachse (Lc) des gestützten Objekts (12) parallel zu den Drehachsen der Trommeln verläuft, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

Drehen der Trommeln (10, 20), wodurch das wenigstens eine zylindrische Objekt (12) transportiert wird, wobei dessen Zylinderachse (Lc) parallel zur Drehachse jeder der Trommeln (10, 20) verläuft; und

Verwenden des wenigstens einen Umlenkspiegels (62) zum Umlenken des ersten/zweiten Bildes (12') in Längsrichtung von den Trommeln (10, 20) fort und zu der ersten/zweiten Bilderfassungsvorrichtung (14, 24) hin.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die erste visuelle Inspektionsvorrichtung (130) oder die zweite visuelle Inspektionsvorrichtung (140) oder beide zwei der Umlenkspiegel (62, 62') aufweisen, wobei das Verfahren folgenden Schritt umfasst: Verwenden eines der Umlenkspiegel (62') zum Umlenken des umgelenkten ersten/zweiten Bildes (12') von der Längsrichtung fort und radial von den Trommeln (10, 20) fort und zu der ersten/zweiten Bilderfassungsvorrichtung (14, 24) hin. Verfahren nach Anspruch 21 oder Anspruch 22, wobei die Inspektionsvorrichtung (100) eine erste Beleuchtungsquelle (132) und eine zweite Beleuchtungsquelle (142) aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

Verwenden der ersten Beleuchtungsquelle (132) zum Beleuchten der ersten Seite (B) der zylindrischen Fläche, wenn die erste Seite (B) der zylindrischen Fläche der ersten visuellen Inspektionsvorrichtung (130) zugewandt ist, wobei die erste Beleuchtungsquelle (132) dafür konfiguriert ist, Licht auf die zylindrische Fläche zu richten;

Verwenden der zweiten Beleuchtungsquelle (142) zum Beleuchten der zweiten Seite (T) der zylindrischen Fläche, wenn die zweite Seite (T) der zylindrischen Fläche der zweiten visuellen Inspektionsvorrichtung (140) zugewandt ist, wobei die zweite Beleuchtungsquelle (142) dafür konfiguriert ist, Licht auf die zylindrische Fläche zu richten; und

wobei sowohl die erste Beleuchtungsquelle (132) als auch die zweite Beleuchtungsquelle (142) dafür konfiguriert sind, Licht im Wesentlichen entlang einer Längsrichtung (I) der zylindrischen Fläche in einem kleinen, spitzen Winkel (&agr;) relativ zu der Zylinderachse (Lc) des inspizierten zylindrischen Objekts (12) auf die zylindrische Fläche zu richten.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei wenigstens einer der Beleuchtungsschritte ein ungleichmäßiges Beleuchten der zylindrischen Fläche des zylindrischen Objekts (12) umfasst.






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