Способ определения оптического качества прозрачной пластины

 

Изобретение относится к области оптических измерений. Сущность изобретения: на прозрачную пластину направляют два параллельных световых луча под острым углом к пластине и по месту падения отраженных от обеих поверхностей пластины лучей на локально разрешающий детектор судят об оптическом качестве пластины. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение касается способа для определения оптического качества прозрачной пластины, в частности пластины типа Floatglas, при котором два параллельных, находящихся на взаимном удаленном расстоянии друг от друга световых луча направляют под острым углом относительно нормали пластины на пластину, отраженные от пластины световые лучи отдельно принимаются с помощью содержащего светочувствительный детектор детекторного устройства, и осуществляют оценку направления отраженных световых лучей, а также устройства для определения оптического качества прозрачной пластины, с источником лазерного излучения и устройством для деления луча для выработки двух расположенных на взаимном удаленном расстоянии друг от друга параллельных световых лучей, которые направлены на пластину под острым углом относительно нормали пластины, с содержащим светочувствительный детектор детекторным устройством для отдельного приема отраженных световых лучей и с устройством оценки для определения оптического качества пластины на основании сигналов детекторного устройства.

При изготовлении прозрачных пластин, но, в частности, при изготовлении плоского стекла, возникает необходимость в регулярной проверке оптического качества изготовленного материала, которая должна осуществляться по возможности сразу же после его изготовления, с тем, чтобы в случае необходимости своевременно внести изменения в производственные параметры или выделить дефектные пластины.

Изобретение может использоваться также для проверки оптического качества других прозрачных, имеющих форму пластины изделий; например, из пластмассы.

Наряду с определением дефектов стекла, например, колебаний однородности (гомогенности) газовых пузырьков или включений, наибольший практический интерес вызывает гладкость поверхности стекла. Нарушения гладкости наблюдаются прежде всего перпендикулярно направлению протяжки стеклянной полосы в форме так называемых протяжных полос. Такие отклонения от гладкости обуславливают возникновение оптических искажений, которые выражаются в отклонении световых лучей, в отражении и пропускании.

В качестве качественной измерительной величины для оптического качества стеклянных пластин служит, например, их сила преломления, а именно в качестве отражающей силы преломления отдельных поверхностей пластин, а также в качестве силы преломления в пропускании пластины. Сила преломления определена при этом в качестве вывода наблюдаемого угла, то есть угла отражения или угла пропускания по месту. Она тем больше, чем в большей мере локально искривлена поверхность стекла.

На практике осуществляется субъективная оценка оптического качества стеклянных пластин в форме оценки особо хорошо обученным персоналом. При этом свет излучается через подлежащую исследованию стеклянную пластину на проекционный экран. Отклонения от гладкости ведут к возникновению локальных колебаний яркости (линзовый эффект) и таким образом могут быть качественно оценены. С другой стороны, уже существуют способы и устройства для качественной оценки оптического качества стеклянных пластин.

Описание изобретения к патенту ФРГ N 2361209, кл. G 01 N 21/88 1984, из которого исходит изобретение, описывает способ определения оптического качества пластин, при котором лазерный луч разделяют с помощью делителя луча на два параллельных световых луча. Оба световых луча падают под заданным острым углом относительно нормали пластины на стеклянную пластину и отражаются либо на ее передней поверхности и затем на полом зеркале, либо на расположенном позади стеклянной пластины полом зеркале в направлении светочувствительного детектора, который расположен внутри вращающейся, имеющей форму барабана щелевой диафрагмы. Оценивают временный интервал обоих зарегистрированных светочувствительным детектором световых импульсов, причем этот временной интервал коррелирует с углами отражения обоих отраженных лучей. Щелевая диафрагма обеспечивает в качестве составной части детекторного устройства то, что оба отраженных луча раздельно, а именно поочередно во времени регистрируются не имеющем локального разрешения светочувствительным детектором детекторного устройства.

Известный способ содержит некоторые недостатки. Так, например, с его помощью в процессе измерения можно оценивать (проверять) исключительно одну из интересующих величин, то есть либо лишь оптическое качество одной из двух поверхностей стекла, либо лишь искажение по пропусканию.

Для оценки оптического качества обеих поверхностей одной стеклянной пластины, а также отклонения по пропусканию необходимы три поочередно проводимых различных измерения, в промежутке между которыми стеклянная пластина должна поворачиваться и очищаться. Это ведет к высоким расходам времени на комплексное измерение одной пластины. Кроме того, как и прежне возможна лишь качественная или полукачественная оценка диаграммы измерения, которая должна производиться опытным пользователем. Известное устройство не позволяет определять стандартизированные величины измерения, например, преломляющую силу.

Известное устройство имеет по этой причине значительные конструктивные размеры со всеми вытекающими из этого недостатками. Оно требует к тому же расположения частей измерительного устройства на обеих сторонах стекла. Поскольку точность измерения в существенной мере зависит от постоянства скорости вращения щелевой диафрагмы, известное устройство является относительно подверженным отказам.

Задача изобретения улучшение известного способа и известного устройства, при котором в течение непродолжительного времени измерения все существенные оптические данные одной прозрачной пластины могут определяться в качественном отношении в течение одного единственного процесса измерения. Соответствующее изобретению устройство должно отличаться возможностью изготовления со сравнительно компактной конструкцией. В частности, все необходимые для устройства элементы должны быть расположены исключительно на одной стороне пластины.

Для решения этой задачи изобретением предлагается способ, при котором все четыре отраженных от обеих поверхностей пластины световых луча А1, А2, В1, В2 принимают одним локально разрешающим детектором, взаимное расстояние и угол ε_o падения падающих световых лучей А, В устанавливают в зависимости от толщины пластины таким образом, что отраженные световые лучи А1, А2, В1, В2 распознаются детекторным устройством пространственно разделенными, и из мест попадания всех четырех отраженных световых лучей А1, А2, В1, В2 на локально разрешающий детектор рассчитывают параметры для качественной оценки оптического качества пластины.

Параллельные световые лучи направляются на пластину по возможности под углом ε_o падения порядка 49^o (46 52^o) относительно нормали пластины, так как при этом угле достигается максимум расстояния отраженных световых лучей.

При предпочтительной форме выполнения отраженные световые лучи А1, А2, В1, В2 раздельно во времени принимаются локально разрешающим детектором. При этом они фокусируются предпочтительно на детекторе, так как при этом особо упрощается вывод качественных величин измерения из мест попадания лучей. Альтернативно предлагается, что отраженные световые лучи А1, А2, В1, В2 принимаются без фокусировки в основном одновременно, однако пространственно раздельно локально разрешающим детектором.

Особенно эффективная качественная оценка оптического качества исследованных пластин обеспечивается за счет того, что на основании мест попадания отраженных световых лучей А1, А2, В1, В2 на локально разрешающем детекторе определяются их углы ε₁, ε₂, ε₃, ε₄ отражения, причем из углов отражения отраженных световых лучей А1, А2, В1, В2 и взаимно удаленного расстояния а_L падающих лучей А, В рассчитываются отражательные силы преломления обеих поверхностей пластин, а также угол отклонения и силы преломления по пропусканию в соответствии с указанными в п.7 формулами.

Соответствующее изобретению устройство содержит, в частности, для осуществления предлагаемого способа, детекторное устройство с локально разрешающим детектором, а устройство оценки предназначено для определения характеризующих оптическое качество пластины качественных параметров из мест попадания четырех отраженных от обеих поверхностей пластины световых лучей А1, А2, В1, В2 на локально разрешающий детектор.

С целью обеспечения возможности исследования пластин с различной толщиной с помощью соответствующего изобретению устройства для деления лучей для выработки различных интервалов падающих световых лучей А, В состоит из по меньшей мере двух делителей лучей, которые в зависимости от толщины исследуемой пластины могут перемещаться по ходу прохождения лучей, излучаемых лазерным источником света. Альтернативно или дополнительно предусмотрено, что устройство для деления лучей содержит делитель лучей с интервалом лучей, который может регулироваться с помощью электродвигателя в зависимости от толщины пластины.

Особо компактное устройство достигается в том случае, если на пути прохождения обоих падающих световых лучей предусмотрено первое плоское отклоняющее зеркало, которое направляет световые лучи под углом ε_o падения около 49^o на пластину, а также если на пути прохождения четырех отраженных световых лучей перед расщепляющим устройством предусмотрено второе отклоняющее зеркало. При этом элементы устройства расположены предпочтительно таким образом, что источник лазерного излучения и отклоняющие зеркала сцентрированы таким образом, что попадающие на первое отклоняющее зеркало световые лучи и отраженные от второго отклоняющего зеркала световые лучи А1, А2, В1, В2 проходят приблизительно параллельно, а именно в основном параллельно нормалям пластины.

При необходимости проведения обширной качественной оценки оптического качества пластины, устройство оценки в соответствии с изобретением выполнено для определения отражательных преломляющих сил обеих поверхностей пластины, а также угла отклонения и силы преломления по пропусканию на основании мест попадания четырех отраженных световых лучей А1, А2, В1, В2 на локально разрешающий детектор и на основании интервала a_L падающих лучей А, В.

В качестве детектора может использоваться, в частности, аналоговый фотодетектор с одномерным локальным разрешением в плоскости падения световых лучей.

В случае особо предпочтительной формы выполнения детекторное устройство содержит расщепляющее устройство, расположенное на пути прохождения отраженных лучей А1, А2, В1, В2, причем расщепляющее устройство и устройство для деления лучей могут выполняться таким образом, что четыре отраженных световых луча А1, А2, В1, В2 попадают с разделением во времени на локально разрешающий детектор.

При этом в случае соответствующего изобретению устройства исключительно на пути прохождения отраженных световых лучей А1, А2, В1, В2, а именно предпочтительно между расщепляющим устройством и локально разрешающим детектором расположено фокусирующее устройство, в обращенной от пластины фокальной плоскости которой расположен локально разрешающий детектор.

Задача расщепляющего устройства обеспечить попадания четырех отраженных световых лучей поочередно на локально разрешающий детектор. Особо компактное расщепляющее устройство, при котором обусловленные имеющимися вдоль плоскости падения искажениями отклонения отраженных световых лучей из плоскости падения не ведут к возникновению ошибок, достигается при использовании барабана с, по меньшей мере, одной ориентированной в направлении оси барабана щелевой диафрагмой в стенке барабана, причем барабан расположен наклонно таким образом, что путь прохождения отраженных световых лучей А1, А2, В1, В2 прерывается лишь стенкой барабана, обращенной от пластины. Для достижения высокой частоты измерений при различных скоростях вращения барабана предусмотрено, что имеются, по меньшей мере, четыре щелевых диафрагмы, равномерно распределенных по стенке барабана.

В случае другой формы выполнения устройство для деления лучей может регулироваться таким образом, что четыре отраженных световых луча А1, А2, В1, В2 падают с пространственным разделением на локально разрешающий детектор, а детектор выполнен для одновременного локально разрешающего приема четырех отраженных световых лучей А1, А2, В1, В2. В этом случае детектор состоит из большого количества отдельных, расположенных рядом друг с другом в плоскости падения света, отдельно опрашиваемых, светочувствительных элементов.

Соответствующий изобретению способ и соответствующее изобретению устройство используются с особым преимуществом для проверки качества плоских стеклянных пластин, в частности, пластин из стекла, типа Floatglas.

Изобретением используется возможность одновременной оценки отражательной оптики обеих поверхностей пластины, а также пропускающей оптики пластины, хотя световые лучи направляют исключительно на одну поверхность пластины и наблюдаются исключительно отраженные световые лучи. Особое преимущество - отсутствие необходимости в расположении деталей устройства на обращенной от источника света стороне пластины и нет необходимости в повороте пластины. Кроме того, результат измерения в широких границах является независимым от расстояния пластиной до измерительного устройства. При этом изобретение позволяет добиться решения задачи с использованием очень несложных средств.

Соответствующее изобретению устройство может быть расположено в любой позиции в составе производственной линии, так как оно нуждается в чрезвычайно малом пространстве для монтажа. Для осуществления измерений прозрачные пластины равномерно транспортируются мимо измерительного устройства. Альтернативно измерительная головка может сама перемещаться относительно пластины. Предпочтительные формы выполнения способа и устройства в соответствии с изобретением являются предметом дополнительных пунктов формулы изобретения.

На фиг. 1 дана схема предлагаемого устройства; на фиг.2 схематическое изображение падающих лазерных лучей А и В и отраженных лазерных лучей А1, А2, В1, В2 для стеклянной пластины с идеально равными и плоскопараллельными поверхностями; на фиг.3 схематическое изображение падающих лазерных лучей А и В и отраженных лазерных лучей А1, А2, В1, В2 для стеклянной пластины с волнистыми поверхностями.

Из лазера 10, например гелий-неонового, выходит приблизительно параллельный нормалям пластины световой луч, который в делителе 14 лучей расщепляется на два взаимно параллельных световых луча, которые имеют фиксированный друг от друга интервал.

В этом месте альтернативно может использоваться делитель 12 лучей или делитель 14 лучей, которые в зависимости от толщины, подлежащей измерению пластины, вырабатывают интервал луча, который составляет, например, около 2,0 и 4,5 мм.

Оба световых луча попадают на отклоняющее зеркало 16, которое отражает лучи таким образом, что они попадают на пластину 26 под углом падения предпочтительно около 49^o, что позволяет добиться максимума для интервала взаимного удаления отраженных световых лучей.

В результате отражения обеих падающих световых лучей на обеих поверхностях пластины 30, 32 возникают четыре отраженных световых луча А1, А2, В1, В2, которые падают на отклоняющее зеркало 18 и от последнего отклоняются на детекторное устройство. Последнее состоит из вращающегося с постоянной скоростью расщепляющего устройства 20, фокусирующего устройства (линзы) 22, а также из локально разрешающего светочувствительного детектора 24.

Линза 22 служит для фокусировки в пучок четырех отраженных световых лучей на детектор 24, в результате чего все световые лучи, пусть даже в различные моменты времени, попадают на одну и ту же точку, поскольку их углы отражения являются одинаковыми. Линза 22 расположена предпочтительно между расщепляющим устройством 20 и детектором 24.

Расщепляющее устройство 20 представляет собой наклонно установленный по ходу прохождения лучей барабан со шлицами 28 в стенке барабана, через передний край которого отраженные световые лучи свободно проходят, в то время как задней стенки барабана они могут достичь лишь через шлицы 28.

Устройство дополняется лишь условно изображенным в данном случае устройством 34 оценки, а также управляющим устройством 36 для изменения интервала лучей в зависимости от толщины исследуемой пластины 26. Такое изменение интервала необходимо в том случае, если при определенной толщине пластины отраженные световые лучи не являются более в достаточной мере пространственно отделенными друг от друга после падения на расщепляющее устройство 20. В этом случае за счет увеличения или уменьшения интервала лучей необходимо произвести достаточное разделение световых сигналов. Толщина исследуемой пластины 15 определяется либо с помощью не изображенного в данном случае устройства для измерения толщины, на основании данных из банка производственных данных или вводится пользователем.

Устройство 13 оценки состоит обычно из каскада обработки сигналов для определения мест падения четырех отраженных световых лучей на локально разрешающий детектор 11, а также каскада обработки данных, который на основании мест падения рассчитывает искомые оптические величины.

Определение величин, которые определяют оптическое качество исследуемой пластины 15, в рамках соответствующего изобретению способа поясняется ниже на основании фиг. 2 и 3. При этом фиг.2 показывает идеализированную стеклянную пластину с плоскопараллельными и не нарушенными поверхностями, в то время как на фиг.3 изображены условия при стеклянной пластине с волнистой поверхностью (в существенно упрощенной форме).

Изображены падающие под углом ε_o около 49^o относительно нормали ОА пластины (фиг. 3) на стеклянную пластину световые лучи А, В. Они имеют интервал a_L. За счет отражения на передней поверхности 30 пластины возникают отраженные световые лучи А1, В1, которые имеют угол ε₁ и ε₃ относительно нормали ОА пластины. Соответствующим образом в результате отражения на задней поверхности 7 пластины возникают отраженные лучи А2, В2, которые покидают стеклянную пластину под углом ε₂ и ε₄. Сравнение фиг. 2 и 3 показывает, что в случае содержащей искажения стеклянной пластины (фиг.3) отраженные световые лучи А1, А2, В1, В2 проходят не параллельно, как это имеет место в случае идеальной стеклянной пластины (фиг. 2). Из измененных по отношению к углу ε_o падения углов ε₁, ε₂, ε₃, ε₄ отражения при использовании соответствующих изобретению способа и устройства и при предположении незначительных отклонений от гладкости могут быть рассчитаны следующие величины, которые определяют оптическое качество: Угол отклонения по пропусканию: ε₂-ε₁ Преломляющая сила по пропусканию: const^*((ε₄-ε₃)-(ε₂-ε₁))/a_L Отражательная преломляющая сила передней поверхности 30: const^*(ε₃-ε₁)/a_L Отражательная преломляющая сила задней поверхности 32: const^*(ε₄-ε₂+ε₃-ε₁)/a
Полученные таким образом измерительные величины могут быть использованы теперь для дальнейшей оценки. Так, например, можно осуществить пересчет относящихся к углу падения около 49^o измерительных величин применительно к углу падения 0^o (вертикальная инцидентность). Из этого следует возможность выделения сил преломления и углов отклонения в качестве функции места применительно к длинноволновой или коротковолновой доле с помощью математических методов или посредством электронной фильтрации.

На фиг. 2 поясняется каким образом интервал a_L должен согласовываться с различными величинами толщины пластины. Если толщина пластины 26 увеличивается относительно изображенного на фиг.2, то в этом случае отраженные лучи В1 и А2 с возрастанием приближаются друг к другу до тех пор, пока они в конечном итоге не сойдутся при определенной толщине пластины. Поскольку соответствующий изобретению способ может использоваться лишь в том случае, если действительно четыре отраженных световых луча А1, А2, В1, В2 в фиксированной последовательности падают на локально разрешающий детектор 24, в этом случае необходимо изменять интервал a_L в таких пределах, при которых достигается достаточный интервал всех четырех отраженных световых лучей, в частности, В1 и А2. Это может осуществляться путем замены делителей 12 и 14 лучей или также путем регулирования интервала a_L лучей с управлением от электродвигателя.

Раскрытые в приведенном выше описании, на чертежах, а также формуле изобретения признаки изобретения могут быть как по отдельности, так и в любой комбинации существенными для осуществления изобретения в его различных формах выполнения.

Формула изобретения

1. Способ определения оптического качества прозрачной пластины, в частности пластины из стекла типа Floatglas, при котором два параллельных, находящихся на расстоянии взаимного удаления друг от друга, световых луча направляют под острым углом относительно нормали пластины на пластину, отраженные от пластины световые лучи принимают с помощью содержащего светочувствительный детектор детекторного устройства и оценивают направление отраженных световых лучей для определения параметров оптического качества прозрачной пластины, отличающийся тем, что используют локально разрешающий детектор, расстояние и угол падения ε_o направляемых на пластину световых лучей регулируют в зависимости от толщины пластины таким образом, что отраженные световые лучи регистрируют детекторным устройством с пространственным разделением, а параметры, необходимые для качественной оценки оптического качества пластины, рассчитывают по месту падения всех четырех отраженных световых лучей на локально разрешающий детектор.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что падающие световые лучи направляют на пластину под углом падения 46-52^o.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что отраженные световые лучи фокусируют на локально разрешающем детекторе.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что отраженные световые лучи принимают локально разрешающим детектором одновременно.

5. Способ по любому из пп.1 4, отличающийся тем, что по месту падения отраженных световых лучей на локально разрешающий детектор определяют их углы отражения и по углам отражения Е₁, Е₂, Е₃, Е₄ отраженных световых лучей и интервалу a_L взаимного удаления падающих световых лучей осуществляют расчет отражательных сил преломления обеих поверхностей пластины, а также угла отклонения и силы преломления по пропусканию следующим образом:
угол отклонения по пропусканию Е₁ Е₂,
сила преломления по пропусканию const(Е₄ Е₃ + Е₂ Е₁)/a_L,
отражательная сила преломления поверхности const(Е₃ - Е₁)/a_L,
отражательная сила преломления поверхности const(Е₄ Е₂ + Е₃ Е₁)/a_L.

6. Способ по пп.1 5, отличающийся тем, что падающие световые лучи получают посредством источника лазерного излучения и устройства деления лучей, а различные интервалы лучей, направляемых на пластину, получают в зависимости от толщины пластины путем поочередной установки по крайней мере одного из двух делителей луча.

7. Способ по пп.1 5, отличающийся тем, что падающие световые лучи получают посредством источника лазерного излучения и устройства деления лучей, выполненного в виде прерывателя излучения с регулируемым в зависимости от толщины пластины периодом, установленного на валу двигателя.

8. Способ по пп.2 7, отличающийся тем, что лучи, направляемые на пластину и после отражения от нее на фотодетектор, дополнительно отражают так, чтобы они были ориентированы параллельно нормали к пластине.

9. Способ по пп.1 8, отличающийся тем, что локально разрешающий детектор выполнен аналоговым.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3