CH673535A5

CH673535A5 -

Info

Publication number: CH673535A5
Application number: CH590/87A
Authority: CH
Inventors: Imre Dipl-Ing Dobi; Peter Dipl-Chem Karabelyos; Janos Dipl-Ing Kugyela; Bela Toth
Original assignee: Uevegipari Muevek
Priority date: 1986-03-10
Filing date: 1987-02-19
Publication date: 1990-03-15
Also published as: DE3705143A1; HU203598B; US4908507A

Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Prüfverfahren und einen zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Apparat, unter Zuhilfenahme deren die schadhaften mechanischen Spannungen im Bodenteil von Flaschen und Hohlgläsern detek-tiert werden können, wodurch eine schnelle objektive Sortierung nach Qualität ermöglicht wird.

Flüssigkeiten, Produkte der Konservenindustrie usw. werden am häufigsten durch Abfüllen in Flaschen gelagert. Die Lebensdauer der Gläser hängt weitgehend von den in dem Glas vorhandenen mechanischen Spannungen ab. Von äusserster Wichtigkeit ist die Entspannung der unter Druck aufgefüllten Gläser, damit die Explosionsgefahr verringert wird. Infolge der Fertigungstechnologie der Gläser (Pressen, Blasen) muss man immer 5 mit dem Auftreten schadhafter mechanischer Spannungen der Gläser rechnen. Eine äusserst wichtige Aufgabe besteht in der Detektierung und Kontrolle der in dem Bodenteil der Gläser auftretenden schadhaften mechanischen Spannungen, sowohl aus dem Grunde der Ausschussverminderung, als der Betriebs-lo Sicherheit. Daher besteht die Notwendigkeit eine qualifizierende Prüfmethode zu entwickeln, die zur endgültigen Qualitätskontrolle, d.h. zur Schnellmessung und qualitativen Selektion der erzeugten Gläser geeignet ist.

Der Erfindung wurde das Ziel gesetzt die Qualitätsprüfung 15 in der Hinsicht des Spannungszustandes bei Verpackungsgläsern auf eine objektive Weise, mit höchster Empfindlichkeit durch Ausnützung des Doppelbrechung am Bodenteil durchzuführen.

In der Glasindustrie wird zur Erfüllung der erwähnten Auf-20 gäbe ein Polariskop (Spannungsprüfapparat) verwendet. Der spannungsoptische Doppelbrechungsindex dient als Basis zur Funktion des Apparats, das bedeutet, dass unter Wirkung der mechanischen Spannung das ursprünglich optisch isotrope Glasmaterial doppelbrechend wird; unter dieser Erscheinung 25 wird verstanden, dass der Brechungsindex nicht isotrop, sondern richtungsabhängig wird. Auf diese Weise ist die sogenannte Brechindexfläche nicht kugelförmig, sondern ein Ellipsoid. Gegenüber dem Polarisationszustand des einfallenden Lichts ändert sich der Polarisationszustand des das doppelbrechend 30 gewordene Glas durchquerenden Lichts, was bedeutet, dass linear polarisiertes Licht im allgemeinen in elliptisch polarisiertes Licht umgewandelt wird. Nun wird in dem erwähnten Apparat das zu prüfende Glas von dem Bodenteil her mit linear polarisiertem Weisslicht beleuchtet, und zwar in der Weise, dass zur 35 Homogenisierung der Querschnittsintensität des beleuchtenden Lichtbündels ein teilweise lichtdurchlässiger Lichtdiffusor-schirm verwendet wird, dem ein Polarisationsfilter mit grossem Durchmesser (30 bis 40 cm) folgt. Das Glas wird in die Bahn des in der Weise erzeugten beleuchtenden Lichts eingesetzt, die 40 Drehachse des Glases verläuft parallel mit dem beleuchtenden Lichtbündel. Das den Bodenteil durchquerende Licht wird über ein Polarisationsfilter (Analysator) visuell detektiert, und zwar in der Weise, dass durch Verdrehen der Glasachse je ein sichtbarer Teil des Bodenteils über die Flaschenöffnung geprüft wer-45 den kann. Nach dem Analysator werden farbige Streifen (Isochromaten) sichtbar, die die Spannungsverteilung im Bodenteil charakterisieren.

Aus der Fachliteratur (Vermes, Miklós: Polarisiertes Licht, Technischer Verlag, 1967; Handbuch für die Glasindustrie, 50 Technischer Verlag, 1964) sind auch andere Methoden zur Prüfung der mechanischen Spannungen in optischen Materialien bekannt. Bei einer der bekannten Lösungen wird anstatt des Weisslichts monochromatisches, in der Ebene polarisiertes, einfallendes Licht verwendet, wobei das System der sich nach dem 55 Analysator gestaltenden Streifen zur Charakterisierung der pla-naren Verteilung der Spannungen dient, was nur auf eine äusserst komplizierte Weise, durch Dazwischenfügen einer qualifizierten visuellen Beobachtung und Analyse durchgeführt werden kann.

60 Die bekannten Methoden zusammenfassend, kann festgestellt werden, dass

1) die Wahrnehmung subjektiv ist, dies insbesondere bei niedrigen Spannungen, wo die «Farbenverschiebung» gering ist

65 und hochgradige Ungewissheit bei der Messung verursacht.

2) Die Auswertung ist langsam; ein Anzeigegerät für die Spannungsverteilung wurde bisher nicht entwickelt.

3) Die erwähnten Lösungen sind zur Erzeugung einer, die

3

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ganze Fläche des Bodenteils integral charakterisierenden qualifizierenden «Messzahl» ungeeignet.

4) Bei Flaschen mit kleinen Halsdurchmessern können die üblichen, eine parallel oder diffuse Beleuchtung verwendenden Methoden keinesfalls die gleichzeitige Prüfung der vollen Fläche des Bodenteils gewährleisten.

5) Bei kleinen Spannungen ist die Lichtintensität äusserst gering; die niedrigste detektierbare Spannung wird durch den Polarisationsgrad, die Monochromazität der Lichtquelle und die umgebende Beleuchtung weitgehend beeinflusst.

Demnach sind die bekannten Methoden zum Erreichen des gesetzten Ziels ungeeignet.

Die Erfindung beruht auf den folgenden Erkenntnissen:

— der Bodenteil der Flaschen ist von der Mündung der Flasche her mit einem «kegelförmigen» Lichtbündel mit bestimmtem Öffnungswinkel zwecks gleichzeitiger Beleuchtung des ganzen Bodenteils und Vermeidung der Beleuchtung der Seitenwand der Flasche zu beleuchten.

— Als Lichtquelle wird ein Laser verwendet, dessen Lichtbündel zur Erzeugung der sich den Flaschen verschiedener Höhe anpassenden Lichtkegel kollimiert wird.

— Es wird ein linear polarisierter Laser und unmittelbar danach ein Polarisationsfilter — mit einer mit der Polarisationsebene des Laserbündels parallelen Durchlassrichtung — zur Verringerung des aus dem Laser (oder aus dessen Entladungsrohr) und aus der Umgebung kommenden nicht polarisierten oder teilweise polarisierten Lichtrauschens und so zur Erhöhung der Empfindlichkeit verwendet.

— Die Gauss'sche Querschnitts-Intensitätsverteilung des Lichtbündels wird mit dem integralen optischen System so beeinflusst, dass der Lichtkegel die gesamte Fläche des Bodenteils mit homogener Intensität beleuchtet und dadurch die genaue integrale Messung gewährleistet.

— Das den gesamten Bodenteil durchquerende Licht wird nach dem Analysator mit einem einzigen Photodetektor zur Realisierung der integralen Messung wahrgenommen.

— Die Intensität des Laserbündels wird zeitmoduliert und das Signal des Photodetektors wird über ein auf die Modulationsfrequenz abgestimmtes Bandfilter zur Erhöhung der Empfindlichkeit und Verringerung der Einwirkung des Lichtrauschens der Umgebung analysiert.

Die Erfindung wird anhand einer vorteilhaften Ausführung näher erläutert.

Wie aus der beiliegenden Zeichnung ersichtlich ist, durchquert das austretende, linear polarisierte Laserbündel 2 des Lasers 1 den Polarisationsfilter 3. Der Laser selbst kann ein eine beliebige Wellenlänge austrahlender Gas-, Halbleiter- oder Festkörperlaser sein. Wenn der Laser ein gleichzeitig auf mehreren diskreten Wellenlängen emittierender Typ ist, kann es mit einem Gitter, Prisma oder sonstigem dispersen optischen Element auf an sich bekannte Weise erreicht werden, dass das Laserbündel auch monochromatisch ist. Die Durchlassrichtung des Polarisationsfilters 3 ist so eingestellt, dass diese mit der Polarisationsebene des Laserbündels 2 parallel sei. In diesem Fall nimmt einerseits der Polarisationsgrad des Laserbündels 2 zu, anderseits wird die Intensität des aus dem Entladungsrohr des Lasers kommenden nicht-monochromatischen, nicht polarisierten Lichts weitgehend herabgesetzt.

Dem Polarisationsfilter 3 folgt ein Lichtchopper 4, der die Intensität des Laserbündels zeitlich moduliert. Als Lichtchopper 4 kann eine rotierende Lochscheibe, eine elektromagnetisch bewegte Messerkante dienen oder es kann zu diesem Zwecke ein akustooptischer Intensitätsmodulator oder jedwelcher sonstiger Modulator verwendet werden, der den Polarisationszustand des Laserbündels nicht beeinflusst.

Nach dem Lichtchopper wird das Laserbündel in einem Bündelstrecker — der bei unserem Beispiel aus den Sammellinsen 5, 6 besteht — geleitet. Dem Bündelstrecker wird eine Doppelaufgabe zuteil; einerseits erweitert er den Durchmesser des einfallenden Laserbündels mit dem kleinen Durchmesser (~ 1 mm) etwa auf das 15- bis 20fache, anderseits verringert er die Winkeldivergenz des Laserbündels in demselben Verhältnis. 5 Das in der Weise austretende Laserbündel 7 bleibt — vorausgesetzt, dass der Abstand der Linsen 5, 6 in geeigneter Weise eingestellt ist — auch innerhalb einer grossen Entfernung (~ 1 m) parallel.

In diesem Fall ist im Wege des Laserbündels die Lochblende 8 angeordnet, deren Durchmesser kontinuierlich oder stufenweise eingestellt werden kann. Der Mittelpunkt der Lochblende koinzidiert mit dem die Bündelachse des Laserbündels 7 ergebenden zentralen Strahl. Die Lochblende lässt aus den eine Intensitätsverteilung nach der Gauss'schen Kurve aufweisenden 15 Laserbündeln nur die in der Nähe der Bündelachse befindlichen Strahlen durch, wodurch die Querschnitts-Intensitätsverteilung des von der Lochblende durchgelassenen Lichtbündels 9 schon annähernd gleichmässig ist, wobei der Durchmesser verändert werden kann.

20

Nach der Lochblende ist eine durch die Sammellinse 10 repräsentierte Optik in der Bahn des Lichtbündels 9 angeordnet. Die Sammellinse 10 fokussiert das ebenfalls parallele Lichtbündel 9 und erzeugt den beleuchtenden Lichtkegel 11, der zur Be-25 leuchtung des ganzen Bodenteils der Flasche 12 vom Flaschenhals her geeignet ist, und zwar in der Weise, dass der Lichtkegel die Seitenwand der Flasche nicht berührt. Bei der von der Seitenwand her kommenden Beleuchtung gelangen infolge der auftretenden Lichtreflexionen auch solche Lichtstrahlen zum Bo-30 denteil, deren Polarisationsgrad niedrig ist, was die Empfindlichkeit des Apparats beeinträchtigt. Der Fokalabstand der Sammellinse 10 ist gering (10 mm) und der Abstand zu der Lochblende 8 ist so gewählt, dass die Stelle des geometrischen optischen Bilds der Lochblende 8 mit der Ebene des Bodenteils 35 koinzidiert. Die Lochblende 8 und die Sammellinse 10 sind in einem gemeinsamen Gehäuse montiert und können gemeinsam parallel in der Achse des Laserbündels 7 verschoben werden. Durch die Verschiebung besteht die Möglichkeit, beleuchtende Lichtkegel mit veränderlicher Höhe erzeugen zu können, durch 40 die Veränderung des Durchmessers der Lochblende wird der Öffnungswinkel variiert, wodurch eine Anpassung an verschiedene Flaschen- bzw. Glasformen ermöglicht wird.

Das den Bodenteil durchquerende Licht wird von der Sammellinse 13 gesammelt und über den Polarisationsfilter 14 zu 4S dem Photodetektor 15 geleitet. Der Fokalabstand der Sammellinse 13 und der von dem Bodenteil gemessene Abstand wurde so gewählt, dass die geometrische optische Abbildung der Apertur der Sammellinse 10 mit der Ebene des Photodetektors 15 annähernd koinzidiert.

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Die Durchlassrichtung des Polarisationsfilters 14 ist so eingestellt, dass diese zur Durchlassrichtung des Polarisationsfilters 3 senkrecht verläuft. Bei einem spannungsfreien Glas gelangt kein Licht zu dem Photodetektor 15, bei einem gespann-55 ten Glas wird das auf den Polarisationsfilter 14 einfallende Licht elliptisch polarisiert sein, als Resultat detektiert der Photodetektor 15 das Licht. Es kann durch Berechnung demonstriert, aber auch experimentell kontrolliert werden, dass die Amplitude der auf dem Photodetektor einfallenden Lichtimpul-60 se mit der Menge

1

2jt

I — cos (— c6d)

K

proportional ist, wobei

T = die Transmission des optischen Systems, %o = die Wellenlänge des Lasers,

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4

c = die spannungsoptische Konstante,

S = die mechanische Normalspannung und d = die Dicke des Bodenteils bezeichnen.

Dieser Ausdruck stellt eine einwertige monoton zunehmende Funktion von 5 dar, so kann die Grösse des Signals des Photodetektors als Basis für die Qualifizierung dienen.

Der Ausgang des Photodetektors 15 schliesst sich einer

EDV-Einheit an, in der ein auf die Modulationsfrequenz der Lichtintensität abgestimmtes Bandfilter angeordnet ist.

Die Impulse des Photodetektors werden zum Bandfilter geleitet, wonach nach erfolgter Integrierung die Grösse des Aus-5 gangssignals des Bandfilters unter Anwendung einer beliebigen Spannungsmessmethode gemessen wird.

Qualifizierung findet aufgrund der Höhe der gemessenen Spannung statt.

v

1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1 — cos ( c 5 d)

X0

ist, wobei T die Transmission des optischen Systems, X0 die Wellenlänge des Lasers, c eine spannungsoptische Konstante, 5 die mechanische Normalspannung und d die Dicke des Bodenteils bezeichnen.

1

T

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein linear polarisierter Laser (1) und unmittelbar hinter dem Laser ein Polarisationsfilter (3) verwendet wird, dessen Durchlassrichtung mit der Polarisationsebene des Laserbündels parallel ist.

2

2jt

2

PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur integralen optischen Prüfung schadhafter Spannungen im Bodenteil eines Glasgegenstands, insbesondere von Flaschen und Hohlgläsern, in dem der Bodenteil des Glasgegenstands mit einem Lichtbündel aus einem Laser (1) beleuchtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Bodenteil des zu prüfenden Glasgegenstands (12) von der Mündungsseite her mit einem Lichtbündel (11) mit vogegebenem Öffnungswinkel beleuchtet wird, mit einem integralen optischen System eine quasi-homogene Intensitätsverteilung des Lichtbündels als Bodenteilbeleuchtung erzeugt wird, das durchquerende Licht in der Intensität moduliert und auf einen Photodetektor (15) geleitet wird, wonach das Signal des Photodetektors über ein Bandfilter analysiert wird, wobei die Amplitude der am Photodetektor eintreffenden Lichtimpulse proportional zu

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gauss'sche Querschnitts-Intensitäts-verteilung des Laserbündels mit dem integralen optischen System (5, 6) so geregelt ist, dass der resultierende Lichtkegel (11) die ganze Fläche des Bodenteils mit quasi-homogener Intensität beleuchtet.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität des Laserbündels zeitlich moduliert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal des Photodetektors (15) über das auf die Modulationsfrequenz des Laserbündels abgestimmte Bandfilter analysiert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das von dem Laser (1), aus dessen Entladungsrohr kommende nicht polarisierte oder teilweise polarisierte Lichtrauschen verringert und gleichzeitig die Empfindlichkeit erhöht wird.

7. Apparat zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Laser (1), ein daraus austretendes Laserbündel (2) und ein Polarisationsfilter (3) aufweist, dem ein Lichtchopper (4), Sammellinsen (5, 6), eine Lochblende (8), danach eine Sammellinse (10,13), ein Polarisationsfilter (14) und ein Photodetektor (15) angeschlossen sind.