專利名稱：透明物件厚度的光學測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及例如玻璃和透明的塑料容器等物件壁厚的測量方法，并且，更具體地涉及為此目的光學(非接觸)設(shè)備的運用。
近年來，玻璃器皿容器工業(yè)一直在努力爭取以更高的速度生產(chǎn)更輕的玻璃瓶。這就提出了對監(jiān)控容器壁厚的日益增長的需要，以免出現(xiàn)在裝料、處理或加壓等過程中可能使瓶子破碎或斷裂的薄區(qū)域。壁厚也是生產(chǎn)過程控制的重要的特性。
目前的商用厚薄規(guī)一般利用玻璃的高介質(zhì)常數(shù)，通過測量靠近玻璃表面的兩個電極間的電容量而測量其厚度。但是，由于需要使兩個測量電極實際接觸或靠近玻壁而限制了操作速度和使用壽命。
若干專利公開了使用非接觸方法的光學量規(guī)來測量玻璃壁厚的方法。這類先有技術(shù)的專利包括有第3，994，599號美國專利(同玻管的軸線垂直地射入激光，測量來自內(nèi)壁與外壁的反射光);第3，307，446號美國專利(利用限定測量窗口界限的轉(zhuǎn)輪測量非垂直射入的光線從玻管內(nèi)、外側(cè)壁所反射出的光線);第3，807，870號以及3，989，380號美國專利。第4，120，590號美國專利公開了一種方法，該方法利用射向透明容器的側(cè)壁的若干光束分量，測量所有光束分量從其前、后壁的反射。將反射光束導引到與該容器處的映象平面共軛的檢測器平面上，以形成一對同平面映象。一般認為，測量這兩個映象間的平均距離就可求出一個與該系統(tǒng)的光軸上某一點處的容器厚度成正比的值。
本發(fā)明的主要目的是要提供用于測量玻璃器皿物件壁厚的非接觸型厚薄規(guī)，以避免電容厚薄規(guī)所包括的不希望有的速度局限性和使用壽命短等方面的缺點。
另一個目的是要提供可相當準確地測量具有偏離理想圓筒形表面的內(nèi)壁角偏量的容器的測量方法。最好是，該系統(tǒng)應(yīng)能容許該系統(tǒng)的各光學部件相對于容器的方位的變化。
為了達到上述和另外的目的，本發(fā)明提供用于借助位于遠處的光學傳感器來檢測旋轉(zhuǎn)的透明容器壁厚的設(shè)備。本發(fā)明提供了用于射出與容器的半徑構(gòu)成一銳角的平行的(λ射)光束的裝置。使在外側(cè)壁上反射的一部分光束(反射光線)通過透鏡系統(tǒng)到達直線型光敏元件陣列，同時，折射部分繼續(xù)行進，到達內(nèi)側(cè)壁的“內(nèi)測量點”上。在內(nèi)側(cè)壁上反射并反向射向外側(cè)壁的光線與外側(cè)壁相交于“二次外測量點”上，在該點上、光束再次分裂，并且，其中的較大部分向外折射，構(gòu)成“折射光線”。這部分折射光線也由所述透鏡系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)到該直線型光敏元件陣列。對于理想(柱形)容器來說，反射光線和折射光線與直線型光敏元件陣列的交點間的間距的測量值正比于壁厚。最好是，入射光線、反射光線和折射光線都基本上位于水平基準平面上，該基準平面內(nèi)也含有該直線型光敏元件陣列?？梢蕴峁┯糜谑蛊孔有D(zhuǎn)的裝置，以便在對應(yīng)于基準平面的高度上用圓周掃描的方法測量壁厚。
本發(fā)明的主要方面是透鏡系統(tǒng)和該系統(tǒng)的其他光學部件的設(shè)計和布局，以便減小因容器內(nèi)壁上的局部角偏移而造成的厚度測量誤差。理論上，應(yīng)當把透鏡系統(tǒng)設(shè)計成使外測量點和內(nèi)測量點的虛象都在透鏡的物平面中，而在該光敏元件陣列處的各映象點都在透鏡的映象平面中，從而，使映象點的位置在理論上與內(nèi)壁偏移無關(guān)。在這方面，申請人已經(jīng)證明如果使入射光線與容器的半徑構(gòu)成大約37.5°角，則可獲得最佳測量結(jié)果。利用容許反射光線和折射光線在更大范圍內(nèi)取向和定位的透鏡(例如，菲
耳和全息透鏡)可獲得最好的測量結(jié)果?！叭肷涔饩€”的最佳形式是具有窄的水平尺寸和拉長的垂直尺寸的高亮度光束。
下面以結(jié)合附圖詳細說明最佳實施例的形式，對本發(fā)明的上述和其他方面進行說明，其中

圖1是理想的圓筒形透明容器的四分之一水平剖面的光線軌跡簡圖;
圖2是對應(yīng)于圖1的光線軌跡簡圖，描繪虛象的形成和內(nèi)壁角偏量范圍內(nèi)的光束;
圖3是對應(yīng)于圖1的擴展的光線軌跡的簡圖，示出發(fā)光源和檢測光線的光學裝置;
圖4是在觀測現(xiàn)場的實施本發(fā)明的測量壁厚的厚薄規(guī)與相關(guān)的容器操縱設(shè)備的示意透視圖。
現(xiàn)參考圖1的光線軌跡簡圖，以便詳述當應(yīng)用于理想的圓筒形透明容器時，作為本發(fā)明的壁厚測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)的幾何學原理。該系統(tǒng)利用一種基本上在水平基準平面內(nèi)的平行光束，該光束照射旋轉(zhuǎn)的容器，被該容器的側(cè)壁反射和折射，然后被測量。由于該光束在基準平面中的寬度較窄而可以用一條光線來模擬，因而，下面的討論假設(shè)了這一點。
參考圖1，入射光線15射到透明容器10的外壁12的外測量點A上，在那里，光線的一部分19進入器壁，經(jīng)折射而行進到內(nèi)壁11的內(nèi)測量點B上。入射光線15的稍少部分在A點被反射(“反射光線18”)。在內(nèi)測量點B上，光線的一部分25向外壁12反射回來。在c點，光線25的大部分被折射，構(gòu)成“折射光線37”?！皽y量軸線”22同外測量點A和容器10的對稱軸相交(交于O點)。對圖1的理想容器10來說，折射光線18和入射光線15各自在測量軸線22的相對兩側(cè)成一個α角，并且，這兩條光線和光線19、25和37一樣，位于圖中所示的容器剖面的平面(水平基準平面)中。
圖2說明光線19的反射點B形成虛象的過程。本發(fā)明利用了高斯光學法則，即任何起源于理想透鏡的物平面中的一點的光線必定通過其映象平面的對應(yīng)點，而與原始光線的方向無關(guān)?？梢园牙硐肫孔拥耐獗砻嬗脦в邪鰞?nèi)壁反射點(物點)的物平面的發(fā)散透鏡表面來模擬。因此，按照上述原理，必將存在對應(yīng)的虛象點Q，而與從物點B發(fā)出的光線的方向無關(guān)(因而與該內(nèi)壁角度無關(guān))。由于B點處內(nèi)壁的局部角偏移，反射光線25的方向可以在某一角度范圍內(nèi)變化，如極限點D、E之間所示。因此，光線37在壁內(nèi)的投影34在隨光線25的方向而定的范圍內(nèi)改變它們的方向，但是，可以把這些投影34看成會聚于點Q。于是，點Q就是內(nèi)壁反射點B的虛象。
考慮點C(二次外表面測量點)和虛象點Q之間的透鏡表面的虛象距離S′，這個距離的旁軸公式是1/S′＝〔(1-N)/r〕+(N/S)
式中S＝B點和二次外測量點C之間的物距，N＝容器材料的折射系數(shù)r＝瓶子的外半徑舉個例子，對于N＝1.5英寸、r＝1.25英寸以及S＝0.1英寸來說，此公式給出S′＝0.068英寸。但是，該旁軸公式僅對靠近線段BC的發(fā)射光線25才是正確的。
在本發(fā)明的技術(shù)中，根據(jù)虛象Q和外測量點A之間的間隔X導出壁厚t，而透鏡系統(tǒng)60是這樣設(shè)計的，以致這兩點位于其物平面中。按如下方式，可以根據(jù)這個間距導出壁厚，其中，r′代表瓶子的內(nèi)半徑;α＝入射角;β＝折射光線19和測量軸線22之間的夾角;以及δ＝測量軸線22和半徑OB間的夾角。根據(jù)斯 耳定律(Snell′s law)，Sin(β)＝(1/N)Sin(α)。把正弦定律應(yīng)用于三角形OBA，則Sin(δ+β)＝(r/r′)Sin(β)把正弦定律應(yīng)用于三角形AOQX＝AQ＝(r)Sin(δ)/Sin(α+δ)通過將間距X對r′微分，就可以把壁厚t與X相聯(lián)系dx/dr′＝(r/r′)2〔Sin(α)Sin(β)〕/〔Sin2(α+δ)/Sin(β+δ)〕在限于小壁厚t的情況下，r、r′和δ接近于零，因而，上式變?yōu)閐x/dr′＝tan(β)/Sin(α)本申請人已示出了對應(yīng)于大約37.5°的入射角的最佳結(jié)果(誤差最小)。對這個角α值和N＝1.5來說，上面的微分值等于大約0.7314。這個數(shù)值代表間距x和壁厚t之間的比例因數(shù)。
為了檢驗在較大壁厚情況下厚度因數(shù)的正確性，本申請人已在各種壁厚范圍內(nèi)進行光跡計算。以便把按上述方法算得的外推線性關(guān)系同精確的壁厚比較。這些計算表明如果采用線性關(guān)系，那么，厚的區(qū)段將被夸大。因此，借助于微處理機110(見圖4)進行適當補償。
參考簡圖3，為了把點Q和A之間的虛象變換成容器10外面的實象，設(shè)置了透鏡系統(tǒng)60。透鏡60是這樣取向的，以致外測量點A和虛點Q二者都處于它的物平面上，因此，該透鏡的映象平面包含兩個相應(yīng)的映象點A′、Q′。實際上，由于容器外壁12的圓筒形透鏡表面中的畸變和其它誤差，虛象點Q的位置可能變動;從而，Q點可能處于透鏡的物平面的稍外面。
圖3和4簡略地說明實施本發(fā)明的測量壁厚的完整的系統(tǒng)。如在圖4中可看到的，可以把該系統(tǒng)的光學部件裝在一個可移動的底板90上，該底板可連同滾子22一起移向容器10，以使各部件進入適當?shù)挠^察位置上。觀察期間，容器10在皮帶95和滾子22間轉(zhuǎn)動，以便在給定高度處進行圓周壁厚的掃描測量。光源80可包括激光二極管81以及平一柱面透鏡83和85，這兩個透鏡是垂直取向的。在特定有效的實施例中，激光二極管81是由三菱ML4102或ML4402激光二極管構(gòu)成的，該激光二極管工作在基橫模，其限定的象散是大約4μm(ML4102和ML4402是三菱電氣株式會社的商品型號)。最好使透鏡83與激光二極管81隔開一個焦距。透鏡83和85分別限制入射光束15在水平和垂直平面上從其中心軸線發(fā)散。因此，該透鏡系統(tǒng)使激光聚焦成為一束具有高亮度和有限截面的(例如，可量得高為10mm，寬0.2mm的光柱)、與軸線平行的光束15。入射光束15具有入射角α(見圖1)。實際上，該光束起水平基準平面中單光束的作用，而光束的拉長的縱向尺寸起提供厚度的縱向偏差的作用。
如圖3中清楚地看到的，透鏡組60使反射光線18和折射光線37再射向線性光敏元件陣列70。透鏡60最好包括菲涅耳(Fresnel)透鏡或全息透鏡，這些透鏡容納光線18、37的寬的方位范圍。正如所說明的，透鏡60是放在近于與預期的虛象36和光敏元件陣列70等距離的位置上，并且，其取向平行于預期的(有名無實的)虛象36的取向。光敏元件陣列70可以由產(chǎn)自EGANDGReficon公司(Sunnyvale，California)的直線型陣列構(gòu)成。圖象處理器100隨著光敏元件陣列70跟蹤測量點A′、Q′之間的間距，同時，微處理器110利用此信息和該系統(tǒng)的光學參數(shù)導出容器10的壁厚。
權(quán)利要求
1.一種用于測量透明容器壁厚的方法，其特征在于包含以下步驟利用與所述容器的半徑構(gòu)成銳角的入射光線照射該容器的側(cè)壁，從而，產(chǎn)生分離的“反射”和“折射”光線，前者代表入射光線從側(cè)壁后表面的反射光線，利用透鏡裝置使所述反射光線和折射光線再射向直線型檢測組件，所述直線型檢測組件位于所述透鏡裝置的象平面，該象平面與名義上包含所述反射光線的前表面反射點和所述折射光線的后表面反射點的物平面共軛，以及測量所述反射光線和折射光線在所述直線型檢測組件處的間距，作為所述物件的厚度系數(shù)。
2.如權(quán)利要求1中所限定的方法，其特征在于所述入射光線的入射銳角約等于37.5°。
3.如權(quán)利要求1中所限定的方法，其特征在于所述照射步驟包含用具有窄寬度和細長高度的、與中心軸線平行的激光束照射所述容器。
4.如權(quán)利要求1中所限定的方法，其特征在于還包括以下步驟在連續(xù)進行所述測量步驟的同時，使所述容器旋轉(zhuǎn)。
5.如權(quán)利要求4中所限定的方法，其特征在于所述入射、折射以及反射光線都基本上位于水平基準平面中。
6.如權(quán)利要求1中所限定的方法，其特征在于還包括利用測得的間距來計算所述容器壁厚的步驟。
全文摘要
利用諸如激光束的平行光束對透明容器的壁厚進行快速而準確的測量的方法和裝置。激光二極管和相關(guān)的光學裝置，沿著與容器外壁相交的路線，把平行光射到測量點上。把諸如菲涅耳透鏡的透鏡系統(tǒng)放在外測量點和光敏元件陣列之間的反射光線路徑中，直線型光敏元件陣列的長軸是水平測量面與象平面的交線。由該直線型光敏元件陣列測得的反射光線與折射光線的間距基本上正比于容器的壁厚。
文檔編號G01B11/06GK1033479SQ8810856
公開日1989年6月21日 申請日期1988年12月8日 優(yōu)先權(quán)日1987年12月8日
發(fā)明者理德·威廉斯, 保羅·弗雷德里克·史各特 申請人:恩哈特工業(yè)公司