DE3705143A1 - Verfahren und vorrichtung zur integralen optischen pruefung schaedlicher mechanischer spannungen im bodenteil von flaschen und hohlglaesern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Prüfverfahren und eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung, mit denen die schädlichen mechanischen Spannungen im Bodenteil von Flaschen und Hohlgläsern festgestellt werden können, wodurch eine schnelle objektive Sortierung nach Qualitätsgesichtspunkten 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, um die Explosionsgefahr zu verringern. Infolge der Fertigungstechnologie der Gläser (Pressen, Blasen) ist immer mit dem Auftreten schädlicher mechanischer Spannungen in den Gläsern zu rechnen.

Eine wichtige Aufgabe besteht in der Festellung und Kontrolle der im Bodenteil der Gläser auftretenden schädlichen mechanischen Spannungen, um dadurch sowohl den Ausschuß zu verringern, als auch die Betriebssicherheit zu erhöhen. Es muß daher eine Qualitätsprüfungsmethode entwickelt werden, die sich für die endgültige Qualitätskontrolle, d. h. zur Schnellmessung und qualitativen Selektion der erzeugten Gläser besonders gut eignet.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Qualitätsprüfung von Verpackungsgläsern bezüglich ihres Spannungszustandes zu entwickeln, die objektiv und mit höchster Genauigkeit Doppelbrechnungsindexmessungen am Bodenteil der Gläser ermöglichen.

In der Glasindustrie wird zur Erfüllung der erwähnten Aufgabe ein Polariskop als ein Spannungsprüfapparat verwendet. Der spannungsoptische Doppelbrechnungsindex dient als Basis für die Funktion des Apparates, was bedeutet, daß unter Wirkung der mechanischen Spannung das ursprünglich optisch isotrope Glasmaterial doppelbrechend wird. Unter dieser Erscheinung wird verstanden, daß die Verteilung des Brechnungsindex bereits nicht isotrop, sondern richtungsabhängig wird. Auf diese Weise ist die sogenannte Brechindexfläche nicht kugelförmig, sondern ellipsoid. Gegenüber dem Polarisationszustand des einfallenden Lichts ändert sich der Polarisationszustand des das doppelbrechend gewordene Glas durchquerenden Lichtes, was bedeutet, daß das lineare polarisierte Licht im allgemeinen in elliptisches polarisiertes Licht umgewandelt wird. Nun wird in dem erwähnten Apparat das zu prüfende Glas von dem Bodenteil her mit linear polarisiertem weißen Licht beleuchtet, und zwar so, daß zur Homogenisierung der Verteilung der Querschnittsintensität des beleuchtenden Lichtbündels teilweise ein lichtdurchlässiger Lichtdifussorschirm verwendet wird, dem ein Polarisationsfilter mit großem Durchmesser (30 bis 40 cm) folgt. Das Glas wird in den Strahlengang des so erzeugten beleuchtenden Lichts eingesetzt, wobei die Drehachse des Glases parallel zu dem beleuchtenden Lichtbündel verläuft. Das den Bodenteil durchquerende Licht wird über ein Polarisationsfilter (Analysator) visuell festgestellt, und zwar so, daß durch Verdrehen der Glasachse je ein sichtbarer Teil des Bodenteils durch die Flaschenöffnung geprüft werden kann. Hinter dem Analysator werden farbige Streifen (Isochromaten) sichtbar, die die Spannungsverteilung in dem Bodenteil charakterisieren.

Aus der Fachliteratur (Vermes, Miklós: Polares Licht, Technischer Verlag, 1967; Handbuch für die Glasindustrie, Technischer Verlag, 1964) sind auch andere Methoden zur Prüfung der mechanischen Spannung in optischen Materien bekannt. Bei einer der bekannten Lösungen wird anstatt des Weißlichts monochromatische, in der Ebene polares, einfallendes Licht verwendet, wobei das System der hinter dem Analysator auftretenden Streifen zur Charakterisierung der planaren Verteilung der Spannungen dient, was nur auf eine äußerst komplizierte Weise mittels qualifizierter visueller Beobachtung und Analyse durchgeführt werden kann.

Die bekannten Methoden zusammenfassend kann festgestellt werden, daß

• 1) die Wahrnehmung subjektiv ist und insbesondere bei niedrigen Spannungen aufgrund der geringen "Farbenverschiebung" hochgradige Ungewissenheit bei der Messung verursacht;
• 2) die Auswertung langsam ist, da Anzeigegeräte für die Spannungsverteilung bisher nicht entwickelt wurden;
• 3) die erwähnten Lösungen zur Erzeugung einer die ganze Fläche des Bodenteils integral charakterisierenden, qualifizierenden "Meßzahl" ungeeignet sind;
• 4) bei Flaschen mit kleinen Halsdurchmesser die üblichen eine parallele oder diffuse Beleuchtung verwendeten Methoden keinesfalls die gleichzeitige Prüfung der vollen Fläche des Bodenteils gewährleisten können;
• und
  
• 5) bei kleinen Spannungen die Lichtintensität äußerst gering ist, wobei die niedrigste feststellbare Spannung durch den Polarisationsgrad, die Monochromatizität der Lichtquelle und die umgebende Beleuchtung stark beeinflußt wird.

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

Die vorliegende Erfindung beruht auf den folgenden Erkenntnissen:

• a) der Bodenteil der Flaschen ist von der Mündung der Flasche her mit einem "kegelförmigen" Lichtbündel mit bestimmten Öffnungswinkel zwecks gleichzeitiger Beleuchtung des vollständigen Bodenteils und Vermeidung der Beleuchtung der Seitenwand der Flasche zu beleuchten;
• b) als Lichtquelle wird ein Laser verwendet, dessen Lichtbündel zur Erzeugung der sich den Flaschen verschiedener Höhe anpassenden Lichtkegel kollimiert wird;
• c) es wird ein linear-polarer Laser und unmittelbar danach ein Polarfilter mit einer mit der Polarisationsebene des Laserbündels parallelen Durchlassrichtung zur Verringerung des aus dem Laser (oder aus dessen Entladungsrohr) und aus der Umgebung kommenden apolaren oder teilweise polaren Rauschlichts und so zur Erhöhung der Empfindlichkeit verwendet;
• d) die Querschnitts-Intensitätsverteilung der Gauss- Verteilung des Lichtbündels wird mit dem integralen optischen System so beeinflußt, daß der Lichtkegel die gesamte Fläche mit homogener Intensität beleuchtet und dadurch die genaue integrale Messung gewährleistet;
• e) das den gesamten Bodenteil durchquerende Licht wird nach dem Analysator mit einem einzigen Photodetektor zur Realisierung der integralen Messung wahrgenommen;
• f) die Intensität des Laserbündels wird zeitmoduliert und das Signal des Photodektektors wird über den auf die Modulationsfrequenz abgestimmten Bandfilter zur Erhöhung der Empfindlichkeit und Verringerung der Einwirkung des Rauschlichts der Umgebung analysiert.

Die Erfindung wird anhand einer vorteilhaften Ausführung beispielsweise näher erläutert.

Wie es aus der beiliegenden Zeichnung ersichtlich ist, durchquert das austretende, linear-polare Laserstrahlbündel 2 des Lasers 1 den Polarisationsfilter 3. Der Laser selbst kann ein eine beliebige Wellenlänge ausstrahlender Gas-, Halbleiter- oder Festkörperlaser sein. Wenn der Laser ein gleichzeitig auf mehreren diskreten Wellenlängen emittierender Typ ist, kann mit einem Gitter, Prisma oder sonstigem dispersen optischen Element auf an sich bekannte Weise sichergestellt werden, daß das Laserbündel auch monochromatisch ist. Die Durchlassrichtung des Polarisationsfilters 3 ist so eingestellt, daß diese zur Polarisationsebene des Laserbündels 2 parallel ist. In diesem Fall nimmt einerseits der Polarisationsgrad des Laserbündels 2 zu, andererseits wird die Intensität des aus dem Entladungsrohr des Lasers kommenden nicht-monochromatischen, apolaren 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 oder ein akustooptischer Intensitätsmodulator oder irgendein sonstiger Modulator verwendet werden, der den Polarisationszustand des Laserbündels nicht beeinflußt.

Nach dem Lichtchopper wird das Laserstrahlbündel in den Bündelstrecker, der bei diesem Beispiel aus den Sammellinsen 5, 6 besteht, gelenkt. Der Bündelstrecker hat eine zweifache Aufgabe, einersetzs erweitert er den Durchmesser des einfallenden Laserstrahlbündels mit dem kleinen Durchmesser (∼1 mm) etwa auf das 15-20-fache, andererseits verringert er die Winkeldivergenz des Laserstrahlbündels in demselben Verhältnis. Das auf diese Weise austretende Laserstrahlbündel 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 Laserstrahlbündels die Lochblende 8 angeordnet, deren Durchmesser kontinuierlich oder stufenweise eingestellt werden kann. Der Mittelpunkt der Lochblende fällt mit dem die Bündelachse des Laserstrahlbündels 7 bildenden zentralen Strahl zusammen. Die Lochblende läßt aus den eine Intensitätsverteilung nach der Gausschen Kurve aufweisenden Laserstrahlbündels nur die sich in der Nähe der Bündelachse bewegenden Strahlen durch, wodurch die Querschnitts- Intensitätsverteilung des durch die Lochblende durchgelassenen Lichtbündels 9 schon annähernd gleichmäßig ist, wobei der Durchmesser verändert werden kann.

Hinter 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 Beleuchtung des ganzen Bodenteils der Flasche 12 vom Flaschenhals her geeignet ist, und zwar so, daß der Lichtkegel die Seitenwand der Flasche nicht berührt. Bei der von der Seitenwand her kommenden Beleuchtung gelangen infolge auftretender Lichtreflexionen auch solche Lichtstrahlen zu dem Bodenteil, deren Polarisationsgrad niedrig ist, was die Empfindlichkeit des Apparats beeinträchtigt. Der Fokalabstand der Sammellinse 10 ist gering (10 mm), und der Abstand zur Lochblende 8 ist so gewählt, daß die Stelle des geometrischen optischen Bilds der Lochblende 8 mit der Ebene des Bodenteils zusammenfällt. Die Lochblende 8 und die Sammellinse 10 sind in einem gemeinsamen Gehäuse montiert und können gemeinsam parallel mit der Achse des Laserstrahlbündels 7 verschoben werden. Durch die Verschiebung besteht die Möglichkeit, beleuchtende Lichtkegel veränderlicher Höhe zu erzeugen. Durch die Veränderung des Durchmessers der Lochblende wird der Öffnungswinkel variiert, wodurch eine Anpassung an die verschiedenen Flaschen- bzw. Glasformen ermöglicht wird.

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

Die Durchlaßrichtung des Polarisationsfilters 14 ist so eingestellt, daß diese auf der Duchlaßrichtung des Polarisationsfilters 3 senkrecht steht. Bei einem spannungsfreien Gas gelangt kein Licht zu dem Photodetektor 15, bei einem gespannten Glas dagegen wird das auf das Polarisationsfilter 14 fallende Licht elliptisch-polar sein und vom Photodetektor 15 festgestellt. Es kann durch Berechnung ermittelt, aber auch experimentiell demonstriert werden, daß die Amplitude der auf den Photodetektor einfallenden Lichtimpulse der Menge

proportional ist, wobei

T = die Transmission des optischen Systems
λ _o = die Wellenlänge des Lasers
c = die spannungsoptische Konstante
σ = die einwegige mechanische Spannung und
d = die Dicke des Bodenteils

bezeichnen.

Dieser Ausdruck stellt eine einwertige, linear ansteigende Funktion dar, so daß die Größe des Signals des Photodetektors als Basis für die Qualifizierung dienen kann. Der Ausgang des Photodetektors 15 ist an eine EDV-Einheit angeschlossen, in der ein auf die Modulationsfrequenz der Lichtintensität abgestimmter Bandfilter angeordnet ist. Die Impulse des Photodetektors werden zum Bandfilter geleitet, worauf nach erfolgter Integrierung die Größe des Ausgangssignals des Bandfilters unter Anwendung einer beliebigen Spannungsmeßmethode gemessen wird. Die Qualifizierung der Gläser findet aufgrund der Höhe der gemessenen Spannung statt.

Claims (8)

1. Verfahren zur integralen optischen Prüfung schädlicher Spannungen im Bodenteil von Glaswaren, insbesondere Flaschen und Hohlgläsern, bei dem der Bodenteil der Gläser mit einem Lichtbündel beleuchtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Bodenteil des zu prüfenden Glases von der Öffnungsseite her mit einem Lichtbündel mit bestimmten Öffnungswinkel beleuchtet wird, mit einem integralen optischen System die Querschnitts- Intensitätsverteilung des Lichtbündels als eine Bodenteilbeleuchtung mit quasi-homogener Intensität erzeugt wird, daraufhin das durchquerende Licht bezüglich seiner Intensität moduliert und auf einen Photodetektor geleitet wird, wonach das Signal des Photodetektors auf einem Bandfilter analysiert wird, wobei die Amplitude der an den Photodetektor eintreffenden Lichtimpulse so gewählt wird, daß diese der Menge proportional ist, wobei T die Transmission des optischen Systems, λ _o die Wellenlänge des Lasers, c eine spannungsoptische Konstante, σ die einwegige mechanische Spannung und d die Dicke des Bodenteils bezeichnen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle ein Laser verwendet wird, dessen Bündel zweckmäßig "auf eine Kegelform" kollimiert wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein linear-polarer Laser verwendet und unmittelbar hinter ihm ein Polarisationsfilter verwendet wird, dessen Durchlassrichtung zur Polarisationsebene des Laserstrahlbündels parallel ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitts- Intensitätsverteilung des Laserbündels nach der Gauss-Kurve mit dem integralen optischen System so geregelt ist, daß der Lichtkegel die vollständige Fläche des Bodenteils mit quasi-homogener Intensität beleuchtet.

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

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal des Photodetektors durch das auf die Modulationsfrquenz abgestimmte Bandfilter analysiert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das von dem Laser, aus dessen Entladungsrohr kommende apolare oder teilweise polare Rauschlicht verringert und gleichzeitig die Empfindlichkeit erhöht wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Laser (1), ein daraus austretendes Laserbündel (2) und einen Polarisationsfilter (3) aufweist, dem ein Lichtchopper (4), ein aus Sammellinsen (5, 6) zusammengesetzter Bündelstrecker und eine Lochblende (8) folgen, hinter der wiederum eine Sammellinse (10, 13) ein Polarisationsfilter (14) und Photodetektor (15) angeordnet sind.