Устройство для проверки прозрачных стеклянных изделий Советский патент 1988 года по МПК G01N21/90 

фь

СО Од 4

Ю

OS

Изобретение относится к контролю изделий из стекла, например бутылок или банок, на наличие оптических дефектов.

Цель изобретения - повышение чувствительности определения преломляющих дефектов.

На фиг. 1 приведено схематически предлагаемое устройство; на фиг. 2 - схема работы устройства; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 4 -- система контроля стеклянных сосудов, общий вид; на фиг, 5 - разрез Б-Б на фиг. 3; на фиг. 6 - часть оптической следящей системы предлагаемого устройства так, как эта часть видна по разрезу Б-Б; на фиг. 7 - график измерений интенсивности проходящего через изделие света, полученный с использованием части следящей оптической системы, показанной на фиг, 6; на фиг. 8 - разрез В-В на фиг, 3 на фиг. 9 - часть оптической следящей системы предпагаемого устройства так как эта часть видна по разрезу B-Bj на фиг, 10 - график изме зений интенсивности света, проходящего через часть изделия, показанную на фиг„ 6,, и регистрируемого частью следящей оп-. тической системы, показанной на фиг. 9; на фиг, 11 - разрез Г-Г на фиг, 4(стенка сосуда, на котором ви- ден скрытый в стенке пузырек); на фиг. 12 - поле зрения камеры, направленной на часть стенки проверяемой стеклянной бытылки, изображенной на фиг. 11; на фиг, 13 - график выходного сигнала камеры, в поле зрения которой находится часть стенки про- веряемой бутылки, показанной на фиг. 12; на фиг, 14 - разрез Д-Д на фиг. 3, (часть изделия на котором видно вкрапление в стенке постороннего материала); на фиг, 15 - поле зрения камеры, направленной на часть изделия, показанную на фиг. 14| на фиг. 16 - график выходного сигнала камеры, в поле зрения которой нахо-

дится часть изделия, показанная фиг, 15,

Осветительная система (фиг. 1) предназначена для подсветки зкрана телевизионной трубки в целях селективного обнаружения преломляющих дефектов, а также вкраплений посто ронних материалов, скрытых пузырько раковин и других функциональных дефектов в стекле.

д „

5

0

5

Поскольку телевизионные экраны имеют значительные размеры и искривлены в двух взаимно перпендикулярных направлениях, для контроля их качества более подходит трехканальная система. Под экраном 1 смежно один другому в одну линию, поперечную ширине экрана, располагаются три источника света (фиг, 3). Каждый источник света располагается так, что его центральная ось ориентируется перпендикулярно части поверхности экрана 1, напротив которой данный источник уста новлен. Каждый из источников 2 света действует в паре с соответствующей камерой 3, ось зрения которой совпадает с центральной осью соответствующего источника так, что в камеру,попадает свет, проходящий через практически плоский участок экрана, освещаемый снизу соответствующим источником света. Поле зрения линейной решетки светочувствительных элементов каждой из камер представляет собой часть узкой полоски поверхности экрана 1, перпендикулярной ширине экрана, включая и загнутые вверх края экрана. На практике экрана 1 во время его проверки фиксируется на подвижной рамке (не показана) и движется по дугообразной траектории. Геометрический центр дуги, на которой движется опорная рамка с установленным на ней экраном 1, совпадает с осью кривизны экрана 1 в направлении его длины. При движении экрана 1 по дугообразной траектории его поверхность полностью проходит между источниками 2 света и камерами 3, благодаря чему обеспечивается контроль всей видимой части экрана. Использование в осветительной системе (фиг, 1) трех отдельных источников света позволяет применять в системе линзы Френеля меньших размеров и ориентировать центральные оси источников так, что результирующая поверхность осветительной системы более полно соответствует искривленной поверхности экрана 1. Однако в конструкции источника рассеянного света, рассчитанном на освещение экрана по всей его ширине, может быть использована одна линза Френеля, но в этом случае линза должна иметь достаточные размеры.

При изготовлении стеклянной посуды на обычных формовочных машинах всегда существует вероятность появлекия в изделиях различных дефектов, которые не поглощают падающий на них свет. Такие, образующиеся в процессе формирования изделий, поверхностные дефекты подразделяются на три категории.

Примером таких дефектов является нитевидная складка на поверхности из- ;делия, кроме того, пустоты, которые IB зависимости от размеров иногда называются пузырьками или зернами. К другим дефектам относятся такие, которые связаны с неоднородностью материала. В общем случае все указан- ные дефекты вызьшают преломление или отражение попадающего на них света.

Обнаружение преломляющих дефектов в объектах, имеющих простую геометрию, например в листовом стекле, .осуществляется сравнительно простыми средствами. При обратной подсветке плоского стекла сфокусированным пучком света установленная с противоположной стороны стекла оптическая система с ограниченным полем зрения воспринимает участки стеклянного листа, где проходящий свет преломляется, в виде з атемненных участков поверхности. Чувствительность такой системы в отношении дефектов проверяемого объекта зависит от величины угла зрения объектива и угловых размеров пучка света обратной подсветки. Кроме того5.обнаружение преломляющих дефектов в объектах бсшее слояшых форм, например, дефектов в стеклянных сосудах, является достаточно сложной проб лемой. Преломление света при его прохождении через стеклянный сосуд обусловлено не только наличием отражающих дефектов, но главным образом самой формой сосуда. Кроме того, внутренняя поверхность стеклянных сосудов формируется свободно, т. е. без воздействия формовочной поверхности, поэтому внутренние поверхности годных для использования сосудов могут иметь значительные искривления. Искривления внутренней поверхности стеклянных сосудов можно обнаружить обычными способами, например, как плоского стекла.

.Контроль экранов телевизионных трУ бок в целях выявления оптических дефектов, которые делают экраны непригодными для их использования по назначению, начинается до операции окончательной полировки, когда необходи

0

0

5

0

5

0

МО определить имеются ли на наружной стороне экрана мелкие поверхностные трещины. Такие мелкие поверхностные трещины, когда они освещаются пучком света с ограниченным угловым спект- ром, вызывают преломление проходящего через экран света.

Для эффективности подсветки, обеспечивающей возможность оптического обнаружения дефектов, необходимо применение источника света с более широким угловым распределением, например источника рассеянного света, В сие-- темах выявления дефектов, которые поглощают падающий на них свет, нежелательные эффекты, вызываемые пре (Ломлением света, в значительной степени могут быть определены путем использования изотропного освещения объекта и наблюдением проходящего через объект света. Если производится проверка прозрачного сосуда, имеющего приблизительно цилиндрическую боковзто стенку, когда источник света располагается по одну сторону конвейера, на котором движутся проверяемые сосуды, а камера располагается с - противоположной стороны конвейера, .- камера регистрирует свет от источника после прохождения его через две стенки сосуда. При использовании в системе источника рассеянного света изображение ближайшей к камере стенки сосуда существенно не отличается от ее изображения в случае отсутствия второй, более удаленной стенки сосуда. Такйй образом, для простоты можно исключить удаленную от камеры и ближайшую к источнику света стенку проверяемого сосуда и рассматривать принцип выявления дефектов на системе, в которой проверяемый сосуд имеет только одну стенку, изображение которой воспринимается камерой. В большинстве случаев изготавливаемые на стеклоформовочных машинах сосуды имеют осадочную волну, которая обычно образуется ниже средней плоскости сосуда, но несколько выше дна сосуда. Дефект в виде осадочной волны образуется во время выдувания бутылки из грушевидной заготовки в форме вследствие того, что стекло в кольцевой части заготовки, смежной дьу форме, обычно холоднее, чем в других частях заготовки, и поэтому распределяется не так равномерно, как в других частях. Таким образом.

осадочная волна представляет собой несколько утолп енную нижнюю кольцевую часть Поковой стенки стеклянного сосуда и лишь несколько изменяет внешний вид стеклянного сосуда. Если внешний вид сосуда не является определяющим фактором пригодности сосуда для его использования по назначению, то осадочную волну можно как дефект не рассматривать, а как плавный, преломляющий оптический дефект боковой стенки сосуда.

На фиг. 2 показана двухмерная схема прохождения света через изделие из стекла и приема проходящего через изделие света камерой 3, имеющей угол зрения S7. и формирующей изображение окрестности точки С на поверхности изделия. Если с обращенной к источнику 2 света стороны изделие имеет плоскую поверхность, обозначенную пунктирной линией 4, то свет, воспринимаемый камерой 3 от точки С, излучается участком А источника 2 света, Если обращенная к источнику 2 света сторона изделия имеет искривленную поверхность, обозначенную сплошной линией 5 (фиг, 2), ось зрения камеры 3 в результате преломления света отклоняется на угол Q и камера 3 воспринимает от точки С свет, излучав-- мый в данном случае участком А источника 2 света. Если последний является изотропным и имеет одинаковую яркость по всей площади, то яркость изображения точки С в отсутствии поглощения света в случае преломления проходящего через изделие света остается неизменной. Факт преломления света можно установить путем маскирования участка А источника 2 света. Такое маскирование последнего обеспечивает затенение участка А и вследствие этого изображение точки С, формируемое камерой 3, представляется темным пятном на ярко освещенном фоне. Таким образом в системе преломляющие дефекты изделия вызывают уменьшение кажущегося пропускания света подобно тому, как это показано для точки С, т. е, действуют подобно светопоглощающим дефектам. Применение масок в дефектЪскопии ограничивается тем, что они лишают системы .: пространственной инвариантности. При использовании маски четкость и яркость изображения данного дефекта зависит от относительного расположения

точки С и края маски 6 так, что четкость и яркость изображения дефекта оказываются в зависимости от поперечного положения дефекта в поле зрения камеры и от расстояния объекта от маски. Таким образом, даже умеренный преломляющий дефект, находящийся в данной части поля зрения, может вызвать ослабление проходящего через него света, одинаковое с ослаблением света, проходящего через бол ее круп- ньш преломляющий дефект, но расположенный в другой части поля зрения, а

это означает, что система представляет собой пространственно-вариантную систе:му.

Указанные ограничения можно обойти, если кажущееся пропускание света

в точке С зависит только от углами, на который в результате преломления света отклоняется ось зрения.

Использование для подсветки объекта источника света, имеющего равног

мерную яркость по всей площади и неизотропное распределение интенсивности интенсивность проходящего через объект света независима от местоположения точки А на источнике и, следовательно, от относительного расположения точек С и А , что дает требуемую пространственную инвариантность, ся,

Можно добить, чтобы источник рассеянного света имел пространственное распределение

интенсивности, трансформируемое на стороне линзы, обращенной к объекту, в угловое распределение. В этом случае задача селективного подавления В1-ЗДИМОСТИ плавных поверхностных дефектов может быть решена оптическими средствами. Поскольку плавные поверхностные дефекты характеризуются малыми углами преломления света, они становятся невидимыми, если при таких

мальпс углах источника света имеется равномерное распределение интенсивности или равномерный угловой спектр.

Специальный источник света (фиг. 3) имеет требуемый угловой спектр и оборудован оптической насадкой. В данном случае источник 2 рассеянного света включает матовое стекло 7, за которым располагается-.множество ламп 8 накаливания. Матовое стекло 7 располагается на расстоянии от линзы 9, фокусное расстояние которой равно F. Каждая точка источника 2, например точки X и Y, за линзой 9 формирует

коллимированнын пучок света. Точка X дает коллими1 ованный пучок 10 света, а точка Y - коллимированный пучок 11 света. Коллнмированный пучок 10 света, ориентирован параллельно линии, проходящей от точки X через оптический центр линзы 9. Также коллимированный пучок 11 света ориентирован параллельно линии, проходящей от точ- ки Y через оптический центр линзы 9. Если источник 2 света является изотропным и liMeeT равномерное распре- де гение яркости по всей площади, то плотность потока света в двух колли- мированных пучках одинаковая. Если на источник рассеянного света установить маску 6 шириной а 2F tgQj, то угловой спектр света между линзой и объектом ограничивается углами рав- ными или меньшими, чем ±0. Таким образом, изменением ширины маски 6 можно изменить величину угла Q, однако нет необходимости в том, чтобы двухмерньй угловой спектр в плоское- ти перед линзой был изотропным, т.е. этот спектр может иметь произвольную конфигурацию, которую можно вь1бирать изменением формы маски 6.

Система подсветки с неизотропным угловым спектром наиболее подходит в случае контроля прозрачных бутылок, поскольку в профиль они не имеют круговой симметрии. Таким образом, использование подсветки (фиг. 3) обеспечивает возможность контроля пространственно-инвариантной системы подсветки с использованием маскированного источника, являющейся вариантом указанной пространственно-вариантной системы подсветки, в которой также используется маскированный источник света. Основной эффект этой системы подсветки состоит в том, что она обладает повышенной чувствительностью в отношении преломляющих дефектов, характеризующихся большими углами преломления света, и обеспечивает . более точное выявление преломляющих дефектов. Камера 3, поскольку в ней используется вертикальная линейно сканирующая, решетка светочувствительных элементов, фокусируется на линии, находящейся в пространстве, через которое движутся подлежащие проверки объекты. Источник 2 света имеет наибольший размер в направлении d, т.е. в направлении движения проверяемого объекта или перпендикулярно оси стекo5 0 5

О

5

о с Q е

лянного сосуда (фнг. ft}. В другом направлении источник 2 света может. иметь значительно меньший размер. В рассматриваемой системе свет , попадающий на o6paTH To сторону объекта, представляет собой ориентированный пучок света со сравнит ельно небольшим спектром углов рассеяния, тогда как при использовании рассеивающего элемента лучи света оказываются ориентированными во всех направлениях. Угловая направленность подсветки определяется в соответствии с физическими и оптическими характеристиками исследуемого объекта и достигается выбором соответствующего угла зрения камеры и фокусного расстояния линзы в функции размеров маски. Используемая в конструкции источника света линзы обеспечивает направленность излучения источника.

Каждая точка источника 2 рассеянного света является источником множества элементарных лучей, которые испускаются всей поверхностью линзы в виде параллельного пучка, ориентированного в направлении линии, проходящей от данной точки источника через оптический центр линзы. Каждая точка источника света генерирует семейство элементарных лучей, направления которых определяются различием положения точки относительно оптического центра линзы, благодаря чему для всех точек перед линзой угловой спектр . света получается одинаковым, т.е. подсветка получается пространственно- инвариантной. Система подсветки позволяет производить выбор требуемого углового спектра света. Угловой . спектр света должен выбираться таким образом, чтобы это обеспечивало максимальную чувствительность системы в отношении преломляющих дефектов, которые требуется обнаруживать, однако для допустимых плавных преломляющих дефектов свет с таким угловым спектром должен оставаться достаточно рассеянным. Если свет источника подсветки слииком рассеян, все преломляющие дефекты размываются, и обнаружить их не удается. В поле зрения камеры, используемой в рассматриваемой системе, в каждый данный момент находится только узкая вертикальная полоска поверхности движущегося относительно камеры исследуемого объекта.

9U33426

Получаемый в осветительной системе угловой спектр света обеспечивает высокую чувствительность системы в отношении резко выраженных преломляющих дефектов и подавление чувствительности системы в отношении плавных поверхностных дефектов,, например дефектов стеклянных сосудов и других

И)

щий через верхнюю стенку канавки све на соответствующие светочувствительные элементы не попадает (фиг. 5). Кроме того, угол наклона нижней стен ки канавки Q меньше угла Q , поэтому преломление проходящего через эту стенку света получается сравнительно

небольшим, т.е. на соответствующие изделий из прозрачного стекла, движу- д светочувствительные элементы камеры

6

И)

щий через верхнюю стенку канавки свет на соответствующие светочувствительные элементы не попадает (фиг. 5). Кроме того, угол наклона нижней стенки канавки Q меньше угла Q , поэто- му преломление проходящего через эту стенку света получается сравнительно

Изобретение предназначено для контроля прозрачных изделий из стекла, например экранов телевизионных трубок, в целях выявления имеющихся в изделиях оптических дефектов. Цель изобретения - повьшение чувствительности контроля. Конструкция источника освещения обеспечивает его пространственную инвариантность и формирование множества коллимированных пучков света, ориентированных в различных направлениях. Равномерна освещенная рассеивающая свет пластина с наложенной на неЙ1 маской обеспечивает выявление преломляющих дефектов определенной степени и при этом делает систему нечувствительной в отношении дефек1 ов с более низкими преломляющими .эффектами. Выявление дефектов объекта осуществляется камерой, в которой используется линейная решетка светочувствительных диодов и которая имеет определенный угол зрения. 1 з.п. ф-лы, 16 ил.

щихся через поле зрения камеры 3. I Линза 9 может иметь достаточно . 1 большой диаметр, обеспечиваюшдй возможность освещения проверяемого сосуда по всей его высоте (фиг, 4), Для проверки сосуда по всей окружности его боковой стенки (фиг. 4) его после первого прохода в поле зрения камеры 3 следует повернуть вокруг вертикальной оси на 90 и затем повторить про- |верку. В системе должны быть предусмотрены электронные средства, обеспечивающие исключение выходных сигналов, смонтированных в камере светочувствительных элементовр которые генерируются при попадании в камеру света, проходящего через.закраины проверяемого сосудао.Маска 6 устанавливаемая на рассеивателе источника света, может быть приведена в соответст- зо проходя через пузырьковый дефект,

вие с конфигурацией проверяемого со- суда так, чтобы, кроме боковой стенки сосуда, обеспечивался контроль суживающейся части и горловины сосуда. В данном случае маска б может ;быть выполнена в вйде бабочки с рас- ;крытыми крыльями так, чтобы широкая 1часть маски соответствовала скошен- |Ной суживающейся части проверяемого сосуда.

I На фиго 5 и 8 показаны разрезы р1астей экрана телевизионной трубки с двумя различными поверхностными дефектами, которые могут возникнуть в поцессе изготовления экранов. На поверхности стекла имеется тонкая канавка, края которой имеют различный угол наклона относительно плоскости экрана (фиг, 5). Верхняя.стенка канавки имеет большой угол наклона , f а нижняя стенка - сравнительно не- большой угол наклона Q,, Верхняя стенка канавкиj имеющая угол наклона Q,, вызывает преломление проходящего через нее света, в результате чего вертикальшлй ряд светочувствительных элементов 12 (фиг 6) вырабатьгаает выходной сигнал (фиг. 7) Угол Q, намного больше угла бя и поэтому проходясвет попадает почти без ослабления.

На фиг. 8 показан разрез части экрана телевизионной трубки с поверхностным дефектом в виде небольшого

выступа, скаты которого имеют угол наклона Pj , величина которого меньше углабд, В данном случае, как и в случае нижней с тенки канавки на поверхности экрана (фиг. 5), попадаюnp Oi на соответствующие светочувствительные элементы 12 свет не ослабляг ется, что представлено диаграммой выходных сигналов, на которой все сигналы имеют одинаковый уровень

(фиг. 10),

На фиг. 11 показан разрез части экрана телевизионной трубки с дефектом в виде скрытого в стекле пузырька В. Свет от источника подсветки.

5

0

преломляется, в результате отклоняется от нормального направления осей зрения нескольких светочувствительных элементов в линейной решетке камеры, что и позволяет обнаруживать дефект. Однако свет, проходящий через центр пузырькового дефекта, не преломляется (фиг, 13).

На фиг. 12 показано, что пузырько- вьй дефект В ослабляет попадающий в камеру свет источника подсветки, а на фиг. 13 - формй выходного сигнала камеры, показывающая уровни выходных сигналов светочувствительных элементов. Уровень интенсивности проходящего через исследуемый обьект света в отсутствии преломляющих или поглощающих свет дефектов составляет 100%, однако в случае полного преломления (фиг« 5 и 11)э уровень интенсивности проходящего через объект света падает почти до нуля. Нижняя стенка канавки на поверхности экрана (фиг. 5) имеет малый угол наклона, при выбранном g освещении преломление света на нижней стенке канавки получается недостаточным для его обнаружения.

На фиг, 14 показан дефект экрана телевизионной трубки в виде вкрапле5

0

Фиг.1

(Pus.Z

А -А

В Б

А в в f

Фиг.З

5-6

Фаг. 8

ФигЛ

il

too so О

Фиг. 6

12

Фиг. 9

Фиг. 10

Г Г

Фиг. //

А-А .

Фиг. /4

12

о 50 т

I I

Фиг. 12

I I I Фиг. 13

/2

Q iSOIOQ

I I I

I Фиг. 15

Фиг. 16