СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПРОЗРАЧНЫХ СТЕКЛЯННЫХ КОНТЕЙНЕРОВ НА НАЛИЧИЕ ОТКЛОНЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЙ И СТЕПЕНИ ПРОЗРАЧНОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК G01N21/90 

Изобретение относится к контролю прозрачных контейнеров для определения отклонения их параметров при промышленном производстве, влияющих на оптические свойства контейнеров, и, в частности, к способу и устройству, предназначенным для контроля контейнеров для определения напряженных и ненапряженных зон в боковой стенке и донной части контейнера.

При производстве прозрачных контейнеров, таких как стеклянные бутылки и кувшины, могут появляться аномалии различного рода в боковых стенках, опорных местах, в донных частях, в местах верхнего сужения и/или в горловине контейнеров. Эти аномалии, называемые "производственными отклонениями", могут привести к тому, что контейнеры окажутся неприемлемыми. Поэтому были предложены технологии оптико-электрического контроля для определения производственных отклонений, которые влияют на оптические свойства контейнеров. Основной принцип контроля состоит в том, что размещают световой источник таким образом, чтобы световая энергия была направлена на контейнер, а приемную камеру располагают с возможностью приема изображения части контейнера, освещаемой световым источником. Источник света может быть равномерной интенсивности, или он может быть конфигурирован таким образом, чтобы интенсивность освещения менялась по одной оси поперек направления излучения светового источника. Непрозрачные или рефракционные места контейнеров из-за производственных отклонений, освещенные источником света, определяются как функция интенсивности освещения на изображении просвечиваемого контейнера, которое зафиксировано приемной камерой.

Проблема, с которой сталкиваются при производстве стеклянных контейнеров из вторичного сырья, состоит в том, что контейнер изготавливается из смеси материалов, имеющих различные характеристики по термическому расширению. Например, было обнаружено, что прозрачная посуда для приготовления пищи, материал которой имеет очень маленький коэффициент термического расширения, может входить в состав стеклянной смеси для повторной переработки. Некоторые нерасплавленные частицы стеклянной посуды, находящиеся в материале контейнера, создают центры напряжения, в результате чего при охлаждении могут появиться местные трещины и разрушения. Другие неоднородности, которые могут проявиться в стекле и вызвать изменения напряжений, представляют собой камни или частицы огнеупорного материала канала питателя или переливного бруса стекловаренной печи. Поэтому необходимо создать способ и систему для детектирования напряженных и непрозрачных ненапряженных мест в контейнерах.

По этой причине было предложено использовать поперечные поляризаторы для детектирования изменений напряжения в боковых стенках контейнеров. Световая энергия, направленная через поперечные поляризаторы, а также сквозь контейнер, размещенный между поперечными поляризаторами, обычно представлена в виде темного поля на изображении в камере при отсутствии изменений напряжений в боковых стенках контейнера. Однако изменение напряжения меняет поляризацию световой энергии, проходящей сквозь контейнер, в степени, достаточной для создания яркого пятна на изображении в камере на темном фоне, указывая на изменение напряжения. Патент США 4026656, в котором рассмотрена такая технология и в котором используются инфракрасное излучение и инфракрасные поляризационные фильтры для снижения воздействия окружающего освещения на фоновые эффекты, можно рассматривать в качестве аналога.

Основной целью настоящего изобретения является создание способа и устройства для контроля прозрачных стеклянных изделий, в частности, стеклянных контейнеров для определения производственных отклонений, которые влияют на оптические характеристики контейнеров. Более конкретной целью настоящего изобретения является создание способа и устройства описанного типа, которые можно использовать для детектирования изменений напряжения и изменений степени непрозрачности (есть напряжения или нет напряжений) в контейнере. Другая цель настоящего изобретения состоит в создании способа и устройства описанного типа, предназначенных для детектирования изменения напряжений и непрозрачных ненапряженных зон в контейнерах, причем эта контрольная операция проводится в одну стадию с использованием единственного источника света и единственного светочувствительного элемента. Еще одной целью настоящего изобретения является создание способа и устройства описанного типа, отличающегося экономичностью, удобством, надежностью, большим сроком службы.

В настоящем изобретении предлагается направить энергию в инфракрасном спектре и в видимом диапазоне спектра сквозь контейнер в камеру, т.е. использовать оба: видимый и инфракрасный энергетические диапазоны. Поперечные поляризаторы размещаются с противоположных сторон контейнера, они функционируют на световой энергии видимой части спектра таким образом, чтобы блокировать проход видимого света в камеру при отсутствии изменений напряжений в контейнере, при этом меняется поляризация видимого света, проходящего сквозь контейнер. С другой стороны, поляризаторы оказывают слабое влияние или вообще не влияют на энергию в инфракрасном диапазоне, что обеспечивает нормальную нейтральную или серую интенсивность освещения фона в камере. Таким образом, попадание видимого света в камеру при изменениях напряжений в контейнере проявляется в виде ярких пятен относительно обычного серого фона, одновременно блокируя прохождение инфракрасного света при изменениях непрозрачности контейнера, что проявляется в виде темных пятен на обычном сером фоне.

В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения предлагается способ контроля контейнера на наличие производственных отклонений, которые влияют на оптические характеристики контейнеров, причем в данном способе световую энергию направляют на контейнер таким образом, что первая длина волны светового потока (например, энергия поляризованного света в видимой части спектра) соответствует первому типу производственных отклонений в контейнере (например, отклонения напряжений), а вторая длина волны световой энергии, отличающаяся от первой длины волны (например, световая энергия в инфракрасном диапазоне), соответствует второму типу производственных отклонений, отличающихся от первого типа (например, изменения непрозрачности). Световая энергия от контейнера направляется на светочувствительное средство, а производственные отклонения детектируются как функция величины световой энергии на первой и второй длинах волн, попадающей на светочувствительное средство. Светочувствительное средство преимущественно представляет собой единый световой датчик, который определяет величину световой энергии как на первой, так и на второй длинах волн, которая попадает на контейнер и от него на датчик. Световая энергия, полученная датчиком на первой длине волны, сравнивается со световой энергией, полученной на второй длине волны преимущественно путем формирования световой энергии на датчике на первой длине волны по сравнению с фоновой энергией на датчике на второй длине волны. Световой датчик, используемый в предпочтительных вариантах реализации настоящего изобретения, содержит дисплейную матрицу с управлением от вычислительной машины (CCD матричный датчик), т.е. производится развертка или сканирование изображения при вращении контейнера, получая при этом двумерное изображение просматриваемой его части в виде световой энергии, получаемой на первой длине волны, по отношению к фону или световой энергии, получаемой на второй длине волны.

В предпочтительных вариантах реализации данного изобретения световая энергия на первой длине волны содержит поляризованную световую энергию в видимом диапазоне, которая характеризует изменения напряжений в контейнере, в то время как энергия на второй длине волны содержит световую энергию в инфракрасном диапазоне, которая характеризует изменение прозрачности контейнера. Термины "видимый" и "инфракрасный" энергетические световые диапазоны используются здесь в общепринятом смысле. Световая энергия в видимом диапазоне соответствует энергии в диапазоне длин волн приблизительно 0,4-0,7 или 0,8 мкм. Инфракрасная световая энергия, включающая световую энергию вблизи инфракрасного диапазона, в соответствии с настоящим изобретением имеет длину волны в диапазоне приблизительно 0,7-300 мкм. Однако стекло становится непрозрачным при длине волны приблизительно 5 мкм, поэтому данное значение определяет эффективный верхний предел для данного случая. Предпочтительная в настоящая время кремниевая камера обладает чувствительностью до приблизительно 1,1 мкм. Световая энергия в обоих диапазонах длин волн генерируется в предпочтительных вариантах реализации данного изобретения широкоформатным диффузным световым источником, причем она попадает на CCD матричный датчик, который воспринимает видимую и инфракрасную световую энергию.

Устройство для детектирования изменений напряжений и степени прозрачности стеклянных изделий, таких как контейнеры, в соответствии с другим аспектом настоящего изобретения содержит световой датчик, предназначенный для вырабатывания электрических сигналов, соответствующих падающей на него световой энергии как в видимом, так и в инфракрасном диапазонах спектра. Энергия в инфракрасной области спектра направляется сквозь контейнер к световому датчику таким образом, чтобы создать у датчика в нормальном режиме серый фон и чтобы изменения степени прозрачности контейнера проявлялись в виде темных мест на сером фоне. Световая энергия в видимом диапазоне спектра направляется через поперечные поляризаторы, расположенные с противоположных сторон контейнера, к световому датчику таким образом, что изменения напряжений в контейнере проявляются в виде ярких мест на сером фоне у датчика. Найденные таким образом изменения напряжений и степени прозрачности детектируются как функция ярких и темных сигналов или мест на сером фоне у датчика.

Существо настоящего изобретения вместе с дополнительными целями, отличительными признаками и преимуществами будет выявлено из нижеследующего описания, формулы изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 представляет оптико-электрическую схему, иллюстрирующую устройство для детектирования изменений напряжений и степени прозрачности боковых стенок контейнера в соответствии с одним предпочтительным вариантом реализации настоящего изобретения;
фиг. 2 представляет оптико-электрическую схему устройства для детектирования изменений степени прозрачности и напряжений в донной части контейнера в соответствии с другим вариантом реализации данного изобретения;
фиг. 3 представляет фрагментарно вид сбоку устройства, показанного на фиг.2.

На фиг. 1 показано устройство 10, предназначенное для контроля боковой стенки контейнера 14 в соответствии с одним предпочтительным вариантом реализации изобретения. Световой источник 16 содержит одну лампу 18 (или несколько таких ламп), которая вместе с рассеивателем 20 образует широкоформатный диффузный источник света. От рассеивателя 20 световая энергия направляется через первую линзу поляризатора 22, через боковую стенку контейнера 14 и далее через вторую линзу поляризатора 24 на датчик 26, расположенный в приемной камере 28. Датчик 26 преимущественно содержит CCD линейный матричный чувствительный элемент, вырабатывающий электрические сигналы, поступающие в информационный процессор 30, в виде функции одномерного изображения контейнера 14, сфокусированного на матрице 26. Блокирующий фильтр 32 расположен с возможностью частичного уменьшения световой энергии, направляемой на датчик 28.

Транспортер 34, обычно включающий колесо-звездочку (которая не показана) и сдвижной столик 36, связан с источником сформованных контейнеров, причем он подает контейнеры 14 последовательно в заданное положение в устройстве 10. Транспортер 34 может быть любого подходящего типа, например, как показано в патентах США 4230219 и 4378493. Последовательно подаваемые контейнеры удерживаются в фиксированном положении и поворачиваются с помощью устройства 38, например, ведущего ролика, вокруг собственной главной оси. Кодирующее устройство 40 связано с механизмом вращения контейнера, вырабатывая сигналы, показывающие шаг приращения поворота контейнера. Такие шаги могут быть либо фиксированными по приращению угла при вращении или могут быть фиксированными угловыми приращениями с постоянной скоростью. Информационный процессор 30 связан с кодирующим устройством 40 и датчиком 26 камеры 28 для сканирования датчика при заданных шагах поворота контейнера, создавая двумерное электронное изображение боковой стенки контейнера из различных угловых положений относительно оси контейнера. При другом варианте использования кодирующего устройства 40 информационный процессор 30 может управляться с возможностью применения датчика сканирования 26 при по существу равных промежутках приращения времени, когда контейнер 14 вращается по существу с постоянной угловой скоростью. Датчик 26 может содержать матричный чувствительный элемент, который можно сканировать при приращениях угла поворота контейнера для создания множества двумерных изображений боковой стенки контейнера. Каждое из таких изображений может содержать яркие и/или темные сигналы или места на сером фоне.

В соответствии с настоящим изобретением, световая энергия, излучаемая лампой 18 через рассеиватель 20, включает энергию в видимой и инфракрасной областях спектра. (Нет необходимости, чтобы значения световой энергии в видимой и инфракрасной областях спектра охватывали все диапазоны длин волн, упомянутые выше.) Поляризаторы 22, 24 расположены под углом 90^o относительно друг друга, т. е. они являются поперечными, причем они управляют световой энергией в видимой части спектра длин волн, при этом они по существу прозрачны для световой энергии в инфракрасном диапазоне спектра. Таким образом, падение световой энергии в видимом диапазоне на датчик 26 в нормальном положении блокируется за счет поперечной ориентации поляризаторов 22, 24. Однако двойное лучепреломление в боковой стенке контейнера 14, вызванное изменениями напряжений из-за наличия песчинок или узловых свилей, меняет угол поляризации света, проходящего через напряженную зону, при этом вырабатывается яркий сигнал на датчике 26 по сравнению с нормальным темным фоном, характеризующим световую энергию в видимой части спектра. Между тем, инфракрасная световая энергия проходит прямо через боковые стенки контейнера 14, если на нее не действуют изменения степени прозрачности от напряженных или ненапряженных камешков. Фильтр 28 воздействует на световую энергию в инфракрасном диапазоне, частично поглощая эту световую энергию, тем самым создавая у датчика 26 в нормальном положении серый фон, на котором видимый свет, вызванный изменениями напряжений в боковой стенке контейнера, проявляется в виде ярких сигналов, а инфракрасное излучение, блокируемое изменениями степени прозрачности боковой стенки контейнера, проявляется в виде темных сигналов.

Таким образом, датчик 26, который реагирует как на видимый свет, так и на инфракрасное излучение, эффективно сочетает величины световой энергии от источника 16, образуя в нормальном состоянии серый фон, на котором изменения степени прозрачности проявляются в виде темных пятен, а изменения напряжений проявляются в виде ярких пятен. Такие изменения можно легко проанализировать, определяя их размер и тип, используя при этом известные технологии анализа изображений с помощью информационного процессора 30 (см. патент США 4601395). Такую информацию можно использовать для подачи сигнала на удаление 42, т.е. для съема неудовлетворительных контейнеров с технологической линии и/или для вывода на дисплей видеоданных 44 для информирования оператора. Пример такой технологии сканирования поля матричного чувствительного элемента и создания двумерных электронных изображений контейнера описан в патенте США 4958223. Технология, которая используется в настоящем изобретении, обеспечивает улучшенное детектирование небольших непрозрачных напряженных камешков, которые видимы в увеличенном масштабе (картина напряжений вокруг камня и сам камешек) в камере 28. На самом деле, напряженный непрозрачный камень будет проявляться в виде затемненного изображения собственно камня, окруженного ярким изображением напряженной зоны стекла на нормальном сером фоне.

На фиг. 2 и 3 показан второй вариант реализации настоящего изобретения, предназначенный, в частности, для контроля донной части и опорных участков контейнера 14. Элементы, идентичные или аналогичные показанным на фиг.1, имеют одинаковые номера ссылок. Видимая и инфракрасная световая энергия направляется через рассеиватель 20 и линзу поляризатора 22, через отверстие 46 в сдвижном столике 36, а затем, в основном, вдоль оси контейнера через донную и опорную части. Приемная камера 28, в которой имеется матричный чувствительный элемент 26, принимает световую энергию, выходящую через горло контейнера 14 и прошедшую через частичный инфракрасный фильтр 32 и линзу поляризатора 24. Таким образом, чувствительный элемент 26 взаимодействует с информационным процессором 30 (фиг.1), создавая множество изображений донной части контейнера, каждое из которых имеет нормальный серый фон, на котором изменения напряжений проявляются в виде ярких сигналов, а изменения степени прозрачности проявляются в виде темных сигналов. Источник света, включая рассеиватель 20 и линзу поляризатора 22, можно сконфигурировать, как изложено в патенте США 5466927, благодаря чему камеру 28 можно использовать при ступенчатых поворотах контейнера для определения изменений рефракции в дне и опорных участках контейнера. Помимо этого, хотя на фиг.2 и 3 показана камера, принимающая изображение по всему диаметру донной части и опорных участков контейнера, ее можно ориентировать и сфокусировать таким образом, чтобы она принимала изображение только по радиусу донной части контейнера. При этом вся донная часть контролируется, когда бутылка поворачивается на один оборот.

Также понятно, что технологию по настоящему изобретению, предназначенную для определения изменений степени прозрачности и напряжений, можно использовать совместно с другими технологиями, предназначенными для детектирования изменений рефракции, например, как это изложено в упомянутом выше патенте США 5466927, где определяются рефракционные параметры дна и опорных участков контейнера, а также, как изложено в патенте США 4601395, где определяются рефракционные параметры боковых стенок контейнера.

Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением предлагается способ и устройство, предназначенные для контроля стеклянных изделий, таких как контейнеры, на наличие производственных отклонений, которые воздействуют на оптические характеристики контейнеров, в частности, на изменения напряжений, а также на изменения степени прозрачности контейнеров. Способ и устройство по настоящему изобретению можно реализовать, используя относительно недорогой материал поляризатора, реагирующий на световую энергию в видимой части спектра, в отличие от более дорогого поляризационного материала, который реагирует на световую энергию в инфракрасном диапазоне спектра. Технологию по настоящему изобретению можно легко использовать для контроля прозрачного (бесцветного), а также цветного (например, янтарного цвета) стекла. Способ и устройство по настоящему изобретению можно реализовать в виде единственной контрольной позиции, используя единый источник света и единый световой датчик, как это было описано выше.

Энергию в инфракрасной и видимой областях спектра направляют сквозь контейнер в приемную камеру, оснащенную матричным чувствительным элементом с управлением от вычислительной машины (CCD датчик), которая воспринимает световую энергию в видимом и инфракрасном диапазонах. Поперечные поляризаторы размещены с противоположных сторон контейнера, они функционируют с использованием световой энергии в видимой части спектра, блокируя прохождение видимого света в камеру при отсутствии изменений напряжений в контейнере, которые меняют поляризацию видимой световой энергии, проходящей сквозь контейнер. С другой стороны, поляризаторы слабо воздействуют или вообще не воздействуют на свет в инфракрасной области, который создает фон в приемной камере серого цвета нормальной интенсивности. Таким образом, падение видимого света на приемную камеру из-за изменений напряжений в контейнере проявляется в виде яркого сигнала на нормальном сером фоне, в то время как блокирование света в инфракрасной области вследствие изменений степени прозрачности контейнера проявляется в виде темного сигнала или места на нормальном сером фоне. Техническим результатом является повышение экономичности, удобства и надежности. 2 с. и 13 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ контроля прозрачных стеклянных контейнеров (14) на наличие отклонений напряжений и степени прозрачности, который включает следующие этапы:

(a) одновременно направляют световые энергии с длинами волн видимой части спектра и инфракрасной части спектра через контейнер на единый световой датчик (26),

(b) частично ослабляют световую энергию инфракрасной части спектра для создания на упомянутом датчике серого фона, на котором отклонения степени прозрачности в контейнере проявляются в виде темного изображения,

(c) поляризуют световую энергию видимой части спектра с тем, чтобы отклонения напряжений в контейнере проявлялись в виде светлого изображения на сером фоне,

(d) детектируют отклонения напряжений и степени прозрачности в контейнере как функцию упомянутых светлого и темного изображений.