УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ЗАГРЯЗНЕНИЙ НА ПРОЗРАЧНОЙ ПОДЛОЖКЕ
APPARATUS AND METHOD OF DETECTING CONTAMINATION ON TRANSPARENT SUBSTRATE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству для регистрации загрязнений на по меньшей мере частично прозрачной подложке, а также к соответствующему способу.
Уровень техники
Современные средства для мытья посуды - это многофункциональные продукты, которые наряду с собственно мытьем загрязненной посуды в посудомоечной машине одновременно обеспечивают ее ополаскивание и умягчение воды путем добавления специально предназначенных для этого поверхностно-активных веществ и полимеров.
Для оценки эффективности такого многофункционального средства для мытья посуды в машине особенно важно, в числе прочих факторов, качество споласкивания посуды, например стаканов. Качество ополаскивания стаканов зависит в первую очередь от поверхностно-активных веществ, содержащихся в средстве для мытья посуды. Несмотря на их добавление к средству уже при основном мытье, они проявляют полную эффективность лишь в процессе ополаскивания посуды. Если в процессе машинного мытья посуды возникают сбои или если используемое средство для мытья посуды не отвечает предъявляемым к нему требованиям, то на посуде после ополаскивания остаются небольшие визуально различимые пятна (англ. spotting) и налет в виде пленки (англ. filming).
Для оценки моющего действия соответствующих средств для мытья посуды в настоящее время используются в первую очередь визуальные методы. Для этого в зависимости от предъявляемого требования при выбранных условиях (например, жесткости воды, балластном загрязнении, дозировке и т.д.) в бытовой посудомоечной машине проводят полоскание посуды в количестве, характерном для пользователя, за одну загрузку, после чего визуально оценивают промытую таким путем посуду. Несмотря на стандартные методы анализа, основанные, в частности, на схематических аналитических анкетах, оценки эффективности средства для мытья посуды могут, в зависимости от навыков и опыта контролера, весьма сильно различаться.
Из публикации ЕР 1635167 А1 известен способ количественного измерения отложений на твердых поверхностях, причем контролируемую поверхность выполняют как ровный образец, например в форме прямоугольной или круглой пластины, и облучают видимым светом от источника, причем отраженный от образца и/или рассеянный свет регистрируется камерой и полученное таким путем изображение подвергается компьютерному количественному анализу. При этом указанный документ, относящийся к уровню техники, раскрывает результаты измерений как в отраженных, так и в проходящих лучах. Для освещения подложки и регистрации отраженного подложкой или рассеянного излучения используются плоские элементы.
Известные из уровня техники автоматизированные методы оценки основываются на оптической регистрации процессов отражения и рассеяния на пятнах и пленках контрольной подложки после полоскания в посудомоечной машине. При этом в качестве моделей используются исключительно ровные подложки для посуды из металла, фарфора и стекла. Однако эти плоские модели лишь неудовлетворительно отражают фактическую эффективность средства для мытья посуды, в частности стаканов. Но именно ополаскивание стаканов представляет серьезную проблему при машинном мытье посуды из-за кривизны омываемых поверхностей, обусловленной базовой формой стаканов как полых цилиндров. Измерения на используемых ровных подложках производить сравнительно просто, однако применительно к стаканам это будет слишком упрощенной моделью.
Ближайшим к изобретению по технической сущности является решение по публикации GB 1041798, в которой раскрыто устройство для регистрации загрязнений на прозрачных бутылках, в частности бутылках для молока. При этом решается задача проверки качества промывки бутылок перед их повторным заполнением. Для исследования бутылок согласно GB 1041798 используется устройство, включающее источник электромагнитного излучения, состоящий из кольца софитов, расположенных вокруг бутылки для освещения ее поверхности снаружи. Внутри бутылки расположена головка с распределенными по окружности фототранзисторами в качестве приемников излучения. Все приемники одновременно облучаются снаружи в радиальном направлении. Ввиду осесимметричной компоновки устройства загрязнение на поверхности исследуемой бутылки регистрируется как затенение. В связи с концентрическим взаимным расположением источника, подложки и приемника приемник не способен различать падающие на него прямые проходящие лучи от расположенного напротив источника и рассеянные лучи от одного из соседних источников. Поэтому известное из GB 1041798 устройство подходит для регистрации крупных и заметных загрязнений, таких как посторонние тела или сколы на стекле.
Исходя из рассмотренного выше уровня техники в основу изобретения положена задача устройство и способ, позволяющие количественно регистрировать загрязнения на искривленных прозрачных поверхностях, прежде всего на стаканах или прочих емкостях для питья, причем не регистрировать не только крупные и заметные, но и слаборазличимые загрязнения.
Согласно изобретению эта задача решается в устройстве для регистрации загрязнений на по меньшей мере частично прозрачной подложке, включающем в себя источник и приемник (детектор) электромагнитного излучения, а также держатель для искривленной подложки, расположенный таким образом, чтобы установленная в нем искривленная подложка по меньшей мере на отдельных участках проходила между источником и приемником излучения, причем держатель подложки выполнен с возможностью крепления подложки, имеющей по существу форму полого цилиндра, и расположен таким образом, чтобы источник или приемник излучения во время работы устройства находился внутри подложки, имеющей форму полого цилиндра. В предлагаемом в изобретении устройстве приемник излучения является строчным, а источник является источником электромагнитного излучения в диапазоне длин волн от 350 до 500 нм, предпочтительно около 435 нм.
Под строчным, или линейным, в контексте настоящего изобретения понимается плоскостная протяженность источника и приемника, которая в первом направлении значительно больше, чем во втором направлении, перпендикулярном первому.
Примером строчного, или линейного, источника согласно изобретению является устройство из множества расположенных рядом друг с другом, предпочтительно в один ряд, источников излучения, предпочтительно светодиодов.
Примером строчного приемника согласно настоящему изобретению является строчная камера на приборах с зарядовой связью (ПЗС) или комплементарных структурах "металл - оксид - полупроводник" (КМОП).
Строчное исполнение приемника, а при необходимости, и источника излучения позволяет регистрировать загрязнения на искривленной подложке без отдельного цифрового учета артефактов, обусловленных искривлением подложки. Это позволяет с помощью строчного приемника регистрировать в проходящих лучах только очень небольшой сектор полого цилиндра.
Используемый диапазон длин волн позволяет максимально однородно высвечивать охватываемый строчным приемником сектор подложки, т.е. обеспечивает равномерное пространственное распределение интенсивностей в контролируемой зоне. Помимо этого он дает наилучшую контрастность отображения загрязнений на стеклянных поверхностях, так как в указанном диапазоне длин волн загрязнения на подложке, в частности остатки средства для мытья посуды, обнаруживают наиболее сильную рассеивающую способность.
Если строчный приемник располагается по существу параллельно оси подложки, имеющей по существу форму полого цилиндра, то излучением всегда охватывается только один, в идеальном случае очень небольшой, угловой сектор поверхности искривленной подложки, кривизна которого для рассматриваемой зоны пренебрежимо мала, поэтому в такой зоне можно исходить из того, что излучением охватывается практически плоская подложка.
При этом подложка в форме полого цилиндра в смысле настоящей заявки представляет собой подложку с осью симметрии, и поверхность подложки искривлена по меньшей мере вокруг оси симметрии, как, например, у стакана. Кроме того, такая подложка в форме полого цилиндра может иметь кривизну во втором направлении, как, например, у пивного бокала.
В одном из вариантов осуществления изобретения устройство имеет держатель подложки, расположенный таким образом, чтобы установленная в нем подложка проходила между источником и приемником излучения, т.е. измерение производится в проходящих через подложку лучах.
Один из вариантов исполнения предлагаемого в изобретении устройства предназначен, в частности, для регистрации загрязнений на стаканах.
Вместе с тем, чтобы обеспечить возможность охвата всей поверхности установленной в держателе подложки, целесообразно использовать вариант осуществления изобретения, в котором держатель подложки имеет ось вращения и установлен с возможностью вращения таким образом, чтобы закрепленная в нем подложка, имеющая по существу форму полого цилиндра, могла по существу концентрически поворачиваться вокруг строчного источника или строчного приемника.
Особенно целесообразен вариант осуществления изобретения, в котором строка источника и/или приемника проходит параллельно оси вращения держателя подложки.
В одном из вариантов осуществления изобретения охватываемый строчным приемником сектор подложки освещается непрямым излучением.
Соответственно в таком варианте источник имеет пространственную характеристику излучения с пространственным максимумом интенсивности, причем пространственный максимум интенсивности источника отвернут от соединительной линии между источником и приемником, т.е. линии прямой видимости. Как правило, такое угловое смещение находится в диапазоне от 1° до 90°, предпочтительно от 30° до 40°, особенно предпочтительно около 35°. Это, в частности, целесообразно в вариантах осуществления изобретения, в которых источник света расположен внутри установленной в держателе подложки, имеющей форму полого цилиндра.
Отклонение максимума излучения от линии прямой видимости между источником света и приемником предотвращает переоблучение приемника, т.е. его насыщение.
Кроме того, механизм формирования изображений при измерении с помощью непрямого освещения существенно отличается от чистого измерения в проходящих лучах. При измерении непосредственно в проходящих лучах подложка по меньшей мере посекторно освещается прямым светом, вследствие чего пространственный максимум интенсивности источника испускается по существу в направлении соединительной линии (линии видимости) между источником и приемником. Поэтому загрязнения на прозрачной подложке, в частности пятна и пленки на стакане, расположенные на участке подложки, пересекаемом соединительной линией между источником и приемником, становятся причиной ослабления проходящего через прозрачную подложку света вследствие поглощения, рассеяния и отражения на загрязнениях. Это ослабление проходящего света регистрируется приемником как потемнение определенных участков. Эти изменения интенсивности проходящего света незначительны по сравнению со световой мощностью проходящего через подложку света.
В отличие от этого непрямое освещение, достигаемое в одном из вариантов осуществления изобретения, например, отклонением пространственного максимума интенсивности источника от соединительной линии между источником и приемником, ведет к тому, что в случае чистой подложки излучение по существу не проходит через подложку напрямую, т.е. вдоль соединительной линии между источником и приемником. И только загрязнения на подложке, расположенные в зоне поля зрения приемника, вызывают рассеяние излучения, идущего от источника и отражаемого или рассеиваемого на участке подложки за пределами поля зрения приемника, и попадание этого излучения в поле зрения строчного приемника. Поэтому при такой схеме с непрямым освещением загрязнения на подложке проявляются на изображении, снятом приемником, в виде светлых зон. Поскольку в случае чистой подложки излучение не падает на приемник, даже незначительные загрязнения проявляются за счет заметного контраста между загрязнениями и относительно чистыми участками подложки.
Кроме того, пространственный максимум интенсивности, отклоненный от соединительной линии между источником и приемником, диффузно рассеивается или отражается на поверхности установленной в держателе подложки, имеющей по существу форму полого цилиндра, поэтому расположенный за пределами подложки приемник воспринимает строчный источник как рассеянное и однородное освещение подложки.
В одном из вариантов осуществления изобретения источник состоит из множества расположенных рядом друг с другом, предпочтительно в один ряд, источников, например светодиодов.
Поставленная задача решается также в способе регистрации загрязнений на по меньшей мере частично прозрачной подложке, характеризующемся тем, что загрязнения на по меньшей мере частично искривленной подложке регистрируют с помощью источника электромагнитного излучения и приемника излучения, причем загрязнения регистрируют на подложке, имеющей по существу форму полого цилиндра и расположенной по существу концентрически вокруг источника или приемника излучения. При осуществлении предлагаемого в изобретении способа в качестве приемника излучения используют строчный приемник, а в качестве источника используют источник электромагнитного излучения в диапазоне длин волн от 350 до 500 нм.
При этом целесообразен вариант осуществления изобретения, в котором подложку, имеющую по существу форму полого цилиндра, во время регистрации загрязнений поворачивают вокруг оси цилиндра, чтобы охватить как развертку, или отсканировать, всю поверхность подложки, например стакана.
Другие преимущества, особенности и возможности применения настоящего изобретения поясняются приведенным ниже описанием предпочтительного варианта осуществления изобретения со ссылкой на соответствующие чертежи, где показаны:
на фиг.1 - схематический вид сбоку варианта предлагаемого в изобретении устройства,
на фиг.2 - схематический разрез устройства, показанного на фиг.1, в плоскости, перпендикулярной плоскости чертежа на фиг.1.
На фиг.1 схематически показан вариант выполнения предлагаемого в изобретении устройства. Основными элементами устройства являются строчная (линейная) камера 1 и строчный (линейный) источник 2 освещения. В то время как строчная камера 1 расположена за пределами контролируемой подложки, в данном случае стакана 3, строчный источник 2 освещения установлен таким образом, чтобы располагаться концентрически внутри стакана 3. При этом строка проходит по существу параллельно оси симметрии стакана 3.
Для работы устройства в автоматическом режиме устройство, состоящее из источника 2 освещения и строчной камеры 1, можно регулировать по высоте с помощью линейного исполнительного механизма 5 таким образом, чтобы после установки стакана 3 на держатель 4 подложки строчный источник 2 освещения мог автоматически опускаться в стакан 3 и по окончании измерения снова извлекаться из него. При этом на нижнем конце 7 источника 2 освещения предусмотрен оптический измерительный датчик, который во взаимодействии с системой управления устройством предупреждает столкновение источника 2 освещения с дном стакана 3.
Измерительное устройство, состоящее из строчной камеры 1 и источника 2 освещения, помещено в кабину 11 рассеянного света, перемещающуюся по высоте вместе с устройством, которая при работе, т.е. во время измерения, препятствует падению рассеянного света снаружи и, кроме того, поглощает рассеянный свет источника 2.
Показанный держатель 4 подложки представляет собой поворотный диск, установленный концентрически относительно строчного источника 2 освещения, приводимый двигателем во вращение вокруг своей оси и приспособленный для размещения на нем стакана 3.
Чтобы обеспечить установку стаканов 3 различного диаметра у ножки с центрированием, держатель подложки снабжен концентрическими коническими углублениями вокруг оси вращения, глубина которых увеличивается в направлении от кромки держателя 4 к оси вращения. Этим обеспечивается самоцентрирование стаканов, установленных на держателе подложки. В представленном варианте исполнения это коническое углубление выполнено ступенчатым, т.е. коническая форма реализована лишь приближенно. Такое ступенчатое исполнение позволяет хорошо фиксировать стаканы различного диаметра.
На фиг.2 схематически показан вид сверху устройства, показанного на фиг.1, для более подробного пояснения ориентации строки камеры и источника освещения, а также конструкции источника освещения.
Хорошо видно расположение строчного источника 2 освещения внутри контролируемого стакана 3, причем ось источника 2 освещения примерно совпадает с осью симметрии стакана 3 в форме полого цилиндра и осью вращения держателя 4 подложки.
В представленном варианте исполнения строчный источник освещения состоит из ряда расположенных рядом друг с другом светодиодов 8, закрепленных на носителе 9. Используемые светодиоды 8 имеют пространственную характеристику испускаемого генерируемого электромагнитного излучения с обращенным вперед максимумом. При этом направление пространственного максимума интенсивности обозначено на фиг.2 линией I. Прямая соединительная линия между строчным источником 2 освещения и строчным приемником или камерой 1 имеет на фиг.2 обозначение V. Можно ясно видеть, что в представленном варианте исполнения излученный пространственный максимум интенсивности повернут относительно соединительной линии на 35°. Таким путем обеспечивается по существу непрямое освещение источником 2 сектора 10 стакана, расположенного в поле зрения приемника 1. Излучаемый в направлении I максимум интенсивности отражается от внутренней поверхности стакана 3, рассеивается и освещает не прямо, но однородно сектор 10 стакана, охватываемый камерой 1.
Для количественной регистрации пятен и пленок, т.е. остатков средства для мытья посуды, на стакане 3 сначала производят калибровочное измерение на идентичном стакане, на котором, однако, такие остатки отсутствуют. При каждом измерении контролируемый стакан 3 поворачивают вокруг своей оси, причем при каждом повороте камера 1 регистрирует находящийся на соединительной линии V фрагмент изображения стакана и таким образом фрагмент за фрагментом измеряет развертку стакана. Управление устройством, а также количественный анализ снятой развертки загрязненного стакана 3 осуществляются с помощью персонального компьютера 6.
В целях первоначального раскрытия изобретения следует указать на то, что все признаки, понятные специалисту из настоящего описания, чертежей и пунктов формулы изобретения, даже если они описаны конкретно в связи с определенными другими признаками, как в отдельности, так и в любых сочетаниях, могут комбинироваться с другими раскрытыми здесь признаками или группами признаков, если это прямо не было исключено или если технические условия не делают такие комбинации невозможными или бессмысленными. В интересах краткости и удобочитаемости описания исчерпывающее и явное представление всех возможных комбинаций признаков в нем не приводится.
Хотя приведенное описание содержит много деталей осуществления изобретения, их не следует понимать как ограничение объема охраны, а лишь как предпочтительный вариант осуществления изобретения. Возможны многие другие варианты. Соответственно объем охраны изобретения должен определяться не представленным вариантом осуществления изобретения, а изложенной в прилагаемой формуле изобретения совокупностью существенных признаков изобретения и их предусмотренных законодательством эквивалентов.