ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ В СТЕКЛЯННОМ КОНТЕЙНЕРЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ
MEASUREMENT OF STRESSES IN GLASS CONTAINER USING FLUORESCENCE

Сопутствующие заявки на патент
Настоящая заявка связана с тремя другими одновременно поданными заявками на патент, а именно, с заявкой на патент США, под названием "Измерение толщины стенки стеклянного контейнера с использованием флуоресценции", с заявкой на патент США, под названием "Измерение напряжений в стекле с использованием флуоресценции", и с заявкой на патент США, под названием "Измерение толщины стекла с использованием флуоресценции", все из которых переданы правопреемнику по настоящей заявке и все три заявки включены в настоящее описание путем отсылки.
Предпосылки к созданию изобретения
Область изобретения
Настоящее изобретение по существу относится к устройству и способу для измерения напряжений по толщине стекла, например, в стенках стеклянных контейнеров, или в сегментах листового стекла и, более конкретно, к таким устройствам и способам, в которых используется флуоресценция для быстрого и точного определения толщины напряженных слоев и толщины стенок, а также кривой напряжений в стеклянных контейнерах или в сегментах листового стекла.
Существуют две широкие категории стекла, которое применяется в стеклянных контейнерах, таких как бутылки, а именно, "твердое" стекло и "мягкое" стекло. "Твердое" стекло, также именуемое боросиликатным стеклом, изготовлено из двуокиси кремния и оксида бора, требует для производства значительно более высоких температур, труднее поддается формованию и стоит дороже, чем мягкое стекло, хотя обладает прекрасными характеристиками термических напряжений. "Мягкое" стекло или натриево-кальциевое или натриево-кальциево-силикатное стекло производят из углекислого натрия, извести, двуокиси кремния, глинозема с добавлением небольших количеств осветлителя, и такое стекло может производиться при более низких температурах, является более легким для формования и более дешевым в производстве, хотя его характеристики термических напряжений не столь высоки как у твердого стекла. "Мягкое" стекло более распространено и широко используется для изготовления стеклянных контейнеров.
Исходя из соображений себестоимости в настоящее время стеклянные контейнеры изготавливают в первую очередь из натриево-кальциевого стекла, отливая расплавленное стекло в стеклянные контейнеры в формах для выдувания. После того как контейнер извлечен из формы и стекло остынет, в стекле возникают напряжения, поскольку внешняя поверхность стеклянных контейнеров охлаждается быстрее и твердеет, в то время как внутренняя поверхность и внутренние стенки остаются более горячими и сохраняют текучесть. После этого бутылки подвергают процессу отжига для снятия таких напряжений.
Правопреемник по настоящей заявке на патент разработал процесс термического упрочнения таких стеклянных контейнеров. Вместо отжига стеклянных контейнеров для снятия напряжений и внешние и внутренние стенки стеклянных контейнеров быстро охлаждают для получения термически упрочненных контейнеров из натриево-кальциевого стекла, в которые преднамеренно введены профили напряжений по толщине стенки стеклянного контейнера. Эти напряжения являются сжимающими напряжениями и на внутренних, и на внешних стенках стеклянного контейнера и растягивающими напряжениями внутри стенок стеклянного контейнера.
Термически упрочненные контейнеры из натриево-кальциевого стекла, имеющие упомянутые выше характеристики напряжений, являются существенно более прочными и долговечными и значительно меньше подвержены разрушению при воздействии на них механических нагрузок, при погрузочно-разгрузочных работах или при внезапном изменении температуры. Таким образом, улучшенные характеристики напряжений, достигаемые с помощью применения усовершенствованной технологии охлаждения, упомянутой выше, позволяют получить термически упрочненные стеклянные контейнеры, изготавливаемые из натриево-кальциевого стекла.
Хотя по такой усовершенствованной технологии производства стеклянных контейнеров, описанной выше, изготавливают термически упрочненные контейнеры из натриево-кальциевого стекла с прекрасными характеристиками напряжений, специалистам понятно, что необходимо проверять и верифицировать характеристики стеклянных контейнеров, изготовленных по такой технологии, включая характеристики напряжений стеклянных контейнеров. Для проверки характеристик напряжений в стенке термически упрочненного контейнера, изготовленного из натриево-кальциевого силикатного стекла, требуется способность высокоточного определения напряжения в толщине стенки каждого стеклянного контейнера. Несмотря на то, что хорошо известны различные оптические и механические способы обнаружения физических дефектов в стеклянных контейнерах, таких как небольшие трещины в стекле, посторонние включения, известные как "камень", пузыри в стекле, и чрезмерно толстые стенки, контролировать характеристики напряжений в стенках стеклянных контейнеров значительно труднее.
Измерение характеристик напряжений стеклянных контейнеров изобретателями выполнялось с использованием погружного полярископа, который требует погружения стеклянного контейнера, подвергающегося проверке, в большой контейнер со средой с согласованным оптическим показателем преломления. Такое устройство выпускается компанией GlassStress Ltd. и называется "Автоматический трансмиссионный полярископ АР-07". Источник света излучает параллельный поляризованный луч, проходящий сквозь большой контейнер так, что луч проходит по касательной сквозь боковую стенку стеклянного контейнера (проходя сквозь боковую стенку стеклянного контейнера), где луч пересекает поле осевого напряжения внутри боковой стенки стеклянного контейнера и меняет свои характеристики поляризации, проходя через разные слои напряжений в боковой стенке.
Для наблюдения интенсивности поляризованного компонента луча, проходящего сквозь боковую стенку стеклянного контейнера, используют камеру. Наблюдая интенсивность луча по мере вращения поляризации входящего луча и снимая множество изображений для каждой ориентации плоскости поляризации, можно определить наличие напряжения в боковой стенке стеклянного контейнера. К сожалению, такой способ с применением погружного полярископа требует погружения стеклянного контейнера в среду с согласованным оптическим показателем преломления, что не позволяет применять этот способ при крупномасштабном производстве. Дополнительно, измерения требуют относительно существенных затрат времени, что также делает этот способ не пригодным для крупномасштабного производства.
Другое устройство, выпускаемое компанией GlassStress Ltd., полярископ с рассеянным светом Scattered Light Polariscope SCALP-03, выполняет измерения напряжений по толщине стекла архитектурных стеклянных панелей и стекол для автомобилей. Этому устройству требуется пять секунд на одно измерение, оно работает только на ограниченной поверхности стекла и по своей природе не пригодно для применения в условиях массового производства. Теория, на которой основана работа этого устройства, изложена в брошюре Johan Anton и Hillar Aben "A Compact Scattering Light Polariscope for Residual Stress Measurement in Glass Plates", представленной на выставке Glass Processing Days в Тампере, Финляндия, 15-18 июня 2003. В кратком изложении, в этом устройстве используется рассеяние поляризованного луча света от лазера, когда он проходит сквозь стекло и луч вращается для вращения направления его поляризации для получения усиленного сигнала.
Таким образом, имеется потребность в устройстве, способном изменять напряжения в боковых стенках стеклянных контейнеров, а также в соответствующем способе измерения напряжений в боковых стенках стеклянных контейнеров. Желательно также, чтобы такое устройство было адаптировано к крупномасштабному производству стеклянных контейнеров так, чтобы оно могло с высокой скоростью выполнять измерения напряжений в боковых стенках стеклянных контейнеров. Поэтому желательно, чтобы такое устройство не требовало погружения стеклянных контейнеров в процессе проверки и, следовательно, не усложняло манипулирование проверяемыми стеклянными контейнерами.
Кроме того, желательно, чтобы такое устройство могло с высокой точностью определять напряжение в боковых стенках стеклянных контейнеров. Было бы полезно, чтобы такое устройство также могло измерять толщину каждого из слоев напряжений в боковых стенках стеклянных контейнеров. При этом было бы желательно, чтобы такое устройство могло измерять толщину боковых стенок стеклянных контейнеров. Такое устройство, предпочтительно, далее должно иметь возможность быстро и точно измерять и напряжение в боковых стенках, и толщину боковых стенок стеклянных контейнеров по всей окружной поверхности стеклянных контейнеров.
Такое усовершенствованное устройство для измерения напряжений в стеклянных контейнерах должно иметь конструкцию, которая является одновременно и надежной, и долговечной, и оно должно не требовать или почти не требовать обслуживания пользователем на протяжении всего срока службы. Для повышения рыночной привлекательности такой системы измерения напряжений в стеклянных контейнерах она должна быть относительно недорогой, чтобы занять максимально большую долю рынка. Наконец, было бы полезно, чтобы все перечисленные преимущества и достоинства таких устройства и способа измерения напряжения и толщины стекла были бы достигнуты без проявления каких-либо существенных относительных недостатков.
Краткое описание изобретения
о
о
о
Недостатки и ограничения предшествующего уровня техники, описанные выше, настоящим изобретением преодолены. В настоящем изобретении линейно поляризованный свет от лазера направляется в боковую стенку стеклянного контейнера под оптимальным углом относительно боковой стенки стеклянного контейнера для получения оптимального (максимальной интенсивности) сигнала флуоресценции внутри боковой стенки стеклянного контейнера. Это может быть достигнуто с помощью применения прямоугольной равнобедренной сопрягающей призмы (также именуемой призмой 45-45-90) из оптического стекла, расположенной так, чтобы продольная ось ее гипотенузы (самой длинной стороны) была расположена тангенциально к боковой стенке стеклянного контейнера, используя жидкостное сопряжение между сопрягающей призмой и внешней стенкой стеклянного контейнера. Линейно поляризованный лазерный луч направляют в сопрягающую призму через одну из ее коротких граней.
Таким образом, линейно поляризованный лазерный луч входит в боковую стенку стеклянного контейнера извне и, когда он входит в боковую стенку стеклянного контейнера и проходит сквозь нее, этот линейно поляризованный лазерный луч возбуждает электронные состояния некоторых из элементов и создает на своем пути флуоресцентное свечение. Это флуоресцентное свечение на пути лазерного луча в боковой стенке стеклянного контейнера позволяет обнаружить напряжения внутри боковой стенки стеклянного контейнера. Часть этого флуоресцентного света является линейно поляризованной в плоскости, перпендикулярной плоскости поляризации лазерного луча и пути распространения.
Когда такой линейно поляризованный свет движется сквозь поле напряжений в боковой стенке стеклянного контейнера, его характеристика поляризации изменяется с линейной на эллиптическую, на круговую, на эллиптическую, на линейную, и эта последовательность повторяется. (Следует отметить, что для типичных толщин стенок стеклянных контейнеров величина изменения поляризации никогда не пройдет весь путь до круговой поляризации. Поэтому в устройстве по настоящему изобретению нет необходимости обрабатывать закольцованное изменение уровня сигнала, которое происходило бы, если бы изменение действительно проходило через круговую поляризацию.) Флуоресцентный свет с линейной, круговой или эллиптической поляризацией выходит из внешней стенки стеклянного контейнера и распространяется через соединительную среду в сопрягающую призму, и выходит через другую из коротких граней этой призмы.
Выходящий флуоресцентный свет с линейной, круговой или эллиптической поляризацией, прошедший сквозь поле напряжений в стеклянной стенке, затем преобразуется в линейно поляризованные компоненты четвертьволновой пластиной. Четвертьволновую пластину вращают так, чтобы ось наибольшей скорости распространения света в четвертьволновой пластине была совмещена с плоскостью начальной поляризации (в результате флуоресценции) падающего света. Линейно поляризованные компоненты света затем пропускают через сегнетоэлектрический жидкий кристалл ("СЭЖК"), повернутый на 45° относительно четвертьволновой пластины, который поочередно возбуждается двумя разными напряжениями, что заставляет СЭЖК поочередно пропускать каждый компонент флуоресцентного света.
Камера, снабженная полосовым фильтром, который блокирует лазерный свет и пропускает флуоресцентный диапазон частот, поочередно создает изображения линейно поляризованного света, прошедшего через СЭЖК под углом плюс и минус 45° к оси четвертьволновой пластины для создания чередующихся изображений для поляризации плюс и минус 45°, которые имеют два оборота поляризации и разнесены на 90°. Разница между чередующимися изображениями делится на сумму двух изображений для получения нормализованного разностного изображения, на котором имеется линия, изменение интенсивности которой представляет изменение поляризации под влиянием напряжений на флуоресцентный свет, излучаемый из каждой точки вдоль лазерного луча в боковой стенке стеклянного контейнера. (Следует отметить, что если напряжение отсутствует, изменений интенсивности в нормализованном изображении, отражающем разность против суммы, не будет.)
Построив график такой интенсивности вдоль этой линии, можно получить номинально повернутую S-образную кривую запаздывания, подбирая полином, который при дифференцировании даст параболу, которая представляет напряжение по толщине боковой стенки правильно термоупрочненного стеклянного контейнера в проверяемом положении. В системе измерения напряжений в стеклянном контейнере по настоящему изобретению после надлежащей калибровки длина линии света пропорциональна толщине боковой стенки стеклянного контейнера. Парабола напряжений показывает и тип, и величину напряжения в боковой стенке стеклянного контейнера, при этом на сжатие указывает отрицательная величина, а на растяжение указывает положительная величина параболы напряжений. Соответственно, используя систему и способ измерения напряжений в стеклянном контейнере по настоящему изобретению, можно определить и напряжение в боковой стенке стеклянного контейнера, и толщину стенки стеклянного контейнера.
После калибровки система и способ измерения напряжений в стеклянном контейнере по настоящему изобретению могут быстро определить наличие напряжений и толщину боковой стенки стеклянного контейнера. В иллюстративном варианте контейнер между измерениями можно поворачивать приблизительно на двадцать градусов. Для данного варианта стеклянный контейнер поворачивается для проведения восемнадцати измерений в положениях, разнесенных на двадцать градусов, и, тем самым, проходит полную проверку толщины стенки и напряжений по окружной поверхности стеклянного контейнера. Стеклянные контейнеры, выходящие за допустимый диапазон толщины стенки и напряжений, могут отбраковываться и направляться на переработку.
Система и способ измерения напряжений в стеклянном контейнере по настоящему изобретению относительно просты для внедрения в процесс контроля на холодном конце. Можно подавать поток жидкой сопрягающей среды небольшого объема для заполнения интерфейса между сопрягающей призмой и боковой стенкой стеклянного контейнера, при этом жидкая сопрягающая среда собирается в поддоне, расположенном под устройством для измерения напряжения в стеклянном контейнере. Применяемая жидкая сопрягающая среда должна иметь коэффициент преломления, близкий к коэффициенту преломления стекла, одной приемлемой сопрягающей средой может быть, например, вода. Поскольку требуемые измерения и повороты могут осуществляться очень быстро, вполне возможно применение системы и способа измерения напряжений в стеклянном контейнере по настоящему изобретению в условиях высокопроизводительной линии по производству и контролю стеклянных контейнеров.
Альтернативно, свет можно подавать в стеклянный контейнер и выводить из него, используя в качестве сопрягающей среды воздух, заполняющий интерфейс между сопрягающей призмой и боковой стенкой стеклянного контейнера. Хотя воздух может обладать меньшей эффективностью сопряжения, чем оптимальная сопрягающая среда, специалистам понятно, что применение воздуха, а не жидкой сопрягающей среды, дает важные преимущества в области логистики высокоскоростного процесса контроля, поскольку нет необходимости в устройствах для подачи, улавливании и восстановлении сопрягающей жидкости, если в качестве сопрягающей среды применяется воздух. Это способствует ускорению измерений и поворота, поскольку нет необходимости смачивать контролируемые стеклянные контейнеры, что еще более облегчает встраивание системы и способа измерения напряжений в стеклянных контейнерах по настоящему изобретению в высокоскоростную линию по производству и контролю стеклянных контейнеров.
Система и способ измерения напряжений в стеклянных контейнерах по настоящему изобретению также применимы для измерения распределения напряжений в подвергшемся термическому упрочнению листовом стекле или в изогнутых сегментах стекла и способны быстро и точно измерять и напряжения, и толщину стенок плоского стекла или изогнутых сегментов стекла. Сопрягающая среда, используемая для подачи света в плоское или изогнутое стекло и для вывода света из него, может быть жидкостью или воздухом. Если используется жидкость, она может наноситься тонким слоем на проверяемый лист из стекла или, альтернативно, распыляться в легкий туман на поверхность плоского стекла или изогнутых сегментов стекла.
Таким образом, можно видеть, что согласно настоящему изобретению предлагается система измерения напряжений в стеклянном контейнере и связанный с ней способ измерения напряжений в боковых стенках стеклянного контейнера или в листовом стекле, или в изогнутых сегментах стекла. Система и способ измерения напряжений в стеклянном контейнере по настоящему изобретению применимы в крупномасштабном производстве стеклянных контейнеров или листового стекла, или изогнутых сегментов стекла, и, таким образом, способны выполнять высокоскоростные измерения напряжений в боковых стенках стеклянных контейнеров, или в листовом стекле, или в изогнутых сегментах стекла. Система и способ измерения напряжений в стеклянном контейнере по настоящему изобретению не требуют погружения стеклянных контейнеров или листового стекла, или изогнутых сегментов стекла в жидкость в процессе контроля, тем самым не увеличивая затраты на манипулирование стеклянными контейнерами, листовым стеклом или изогнутыми сегментами стекла.
Система и способ измерения напряжений в стеклянном контейнере по настоящему изобретению позволяют с высокой точностью определить наличие напряжений в боковых стенках стеклянного контейнера или в плоском стекле, или в изогнутых сегментах стекла. Система и способ измерения напряжений в стеклянном контейнере по настоящему изобретению также могут измерять толщину каждого из слоев напряжений в боковых стенках стеклянных контейнеров или в листовом стекле, или в изогнутых сегментах стекла. Система и способ измерения напряжений в стеклянном контейнере по настоящему изобретению способны быстро и точно измерять и напряжения, и толщину в боковых стенках стеклянных контейнеров, по всей окружной поверхности стеклянных контейнеров, или во множестве положений в листовом стекле или в изогнутых сегментах стекла.
Система измерения напряжений в стеклянном контейнере по настоящему изобретению имеет конструкцию, являющуюся и надежной, и долговечной, и не требует, или почти не требует, ремонта пользователем на протяжении всего срока службы. Система измерения напряжений в стеклянном контейнере по настоящему изобретению имеет относительно недорогую конструкцию для повышения ее рыночной привлекательности, что позволяет ей занять более широкий сегмент рынка. Наконец, система и способ измерения напряжений в стеклянном контейнере по настоящему изобретению обладают всеми вышеупомянутыми преимуществами и достигают все вышеупомянутые цели, и не имеют существенных относительных недостатков.
Краткое описание чертежей
Эти и другие преимущества настоящего изобретения будут более понятны из нижеследующего подробного описания со ссылками на приложенные чертежи, где:
Фиг.1 - изометрический вид нижней половины стеклянного контейнера, схематически иллюстрирующий трехмерную систему координат в стеклянном контейнере для описания поля напряжений.
Фиг.2 - результат анализа кривой интенсивности света, соотнесенной с запаздыванием на пути поляризованного света, при этом кривая интенсивности света расположена над параболой напряжений, при этом обе кривые построены по толщине боковой стенки стеклянного контейнера, имеющего оптимальную параболу напряжений.
Фиг.3 - диаграмма, иллюстрирующая в чрезвычайно схематической форме систему измерения напряжений в стеклянном контейнере по настоящему изобретению.
Фиг.4 - вид в изометрии существенных компонентов системы измерения напряжений в стеклянном контейнере по настоящему изобретению, показанной на фиг.3, используемой для оценки стенки стеклянного контейнера с опциональной призмой, используемой для того, чтобы сделать устройство более компактным.
Фиг.5 - вид сверху устройства и стеклянного контейнера по фиг.4 и схематическое изображение устройства, используемого для вращения стеклянного контейнера.
Фиг.6 - боковая проекция устройства и стеклянного контейнера по фиг.4 и 5, иллюстрирующая вход светового луча в боковую стенку стеклянного контейнера.
Фиг.7 - вид в изометрии устройства и стеклянного контейнера по фиг.4-6, установленных на установочном устройстве, используемом для поддержки различных компонентов, примыкающих к роторному устройству для перемещения стеклянных контейнеров, также иллюстрирующий систему распределения сопрягающей среды, через которую свет вводится в стеклянный контейнер и выводится из него.
Фиг.8 - вид в изометрии устройства по фиг.7, иллюстрирующий механизм регулируемой опоры для этого устройства.
Фиг.9 - вид в изометрии устройства по фиг.8 с удаленными для ясности элементами кожуха, вместе с проверяемым контейнером.
Фиг.10 - первое из чередующихся изображений, снятое камерой при первом угле поворота поляризации.
Фиг.11 - второе из чередующихся изображений, снятое камерой при втором угле поворота поляризации, ортогональном к первому углу поворота поляризации.
Фиг.12 - нормализованное разностное изображение, полученное вычитанием второго изображения, показанного на фиг.11, из первого изображения, показанного на фиг.10.
Фиг.13 - изображение на дисплее, иллюстрирующее линию интенсивности части нормализованного разностного изображения, показанного на фиг.12, построенной по длине стенки стеклянного контейнера, вместе с другой информацией, также отображаемой на дисплее.
Фиг.14 - диаграмма последовательности, иллюстрирующая способ, применяемый в иллюстративном варианте для измерения напряжения в стекле и толщины стенки; и
Фиг.15 - вид в изометрии существенных компонентов системы измерения напряжений в стеклянном контейнере по настоящему изобретению по фиг.3, используемой для оценки толщины сегмента листового стекла с сопрягающей призмой, используемой для того, чтобы сделать устройство более компактным, и с сопрягающей средой, наносимой на поверхность сегмента листового стекла для подачи света в сегмент плоского стекла и вывода света из него.
Подробное описание иллюстративных вариантов
Прежде чем переходить к описанию иллюстративных вариантов системы и способа измерения напряжений в стеклянном контейнере по настоящему изобретению, следует кратко описать некоторые принципы, лежащие в основе настоящего изобретения. Как показано на фиг.1, имеется система координат для трехмерного напряжения в стеклянном контейнере 30 (нижняя часть которого показана на фиг.1). Радиальное напряжение определено поперек стенки стеклянного контейнера 30 в первом из трех относительно ортогональных друг к другу направлений. Кольцевое напряжение определено по окружной поверхности стеклянного контейнера 30 во втором из трех относительно ортогональных друг к другу направлений. Осевое напряжение определено вдоль высоты стеклянного контейнера 30 в третьем из трех относительно ортогональных друг к другу направлений.
Термическое упрочнение стеклянного контейнера 30 заключается в быстром охлаждении внутренней и внешней поверхностей стеклянного контейнера 30, пока температура внутренней и внешней поверхностей стеклянного контейнера не опустится ниже температуры фазового перехода, "замораживая" тем самым структуру поверхности стеклянного контейнера 30, в то же время оставляя стекло, расположенное между поверхностями, в текучем состоянии, пока его температура не достигнет температуры фазового перехода, после чего стеклянному контейнеру 30 дают остыть до комнатной температуры. Этот процесс улучшает характеристики напряжений стеклянного контейнера 30, делая его существенно более прочным и надежным. Когда температура контейнера достигает комнатной, внутренняя и внешняя поверхности стеклянного контейнера 30 будут подвергаться сжатию, а внутренняя структура стенок стеклянного контейнера 30 будет подвергаться растяжению. При правильно проводимом процессе охлаждения величина кольцевого напряжения и осевого напряжения на поверхности стеклянного контейнера 30 (и, разумеется, в каждой точке по толщине стенок стеклянного контейнера 30) должны быть почти равны. Таким образом, напряжения вдоль толщины стенок стеклянного контейнера 30 должны меняться от сжатия на внешних стенках до растяжения внутри стенок и до сжатия на внутренних стенках, при практически отсутствующем результирующем радиальном напряжении.
Система и способ измерения напряжений в стеклянном контейнере по настоящему изобретению используют флуоресцентный свет, создаваемый лазерным лучом, проходящим сквозь стенку стеклянного контейнера от источника линейно поляризованного света для определения напряжений в стенке стеклянного контейнера. Когда поляризованный свет проходит сквозь напряженное стекло, фаза света изменяется по мере того, как он проходит сквозь поле напряжений. Линейно поляризованный флуоресцентный свет, излучаемый вдоль всего пути лазерного луча внутри стенки стеклянного контейнера, приобретает эллиптическую поляризацию или круговую поляризацию при прохождении сквозь напряженную стенку стеклянного контейнера.
Система и способ измерения напряжений в стеклянном контейнере по настоящему изобретению используют принцип оптики, согласно которому нормально прозрачные изотропные вещества становятся оптически анизотропными при возникновении в них внутренних напряжений. Это явление, известное как двойное лучепреломление при напряжении, существует как разность между коэффициентами преломления между двумя ортогонально поляризованными модами и меняется от точки к точке внутри стенки стеклянного контейнера с изменением напряжения в стенке стеклянного контейнера. Запаздывание - это разница в длине оптического пути между двумя ортогонально поляризованными модами, и настоящее изобретение определяет запаздывание по световому пути в стенке стеклянного контейнера по интенсивности излученного флуоресцентного света от всего пути лазерного луча внутри стенки стеклянного контейнера в двух ортогонально поляризованных модах.
Угол обзора и угол поляризации света, излучаемого при флуоресценции, выбирают так, чтобы максимизировать разность между двумя ортогональными поляризованными модами, оцениваемыми в рамках ограничений описываемого изобретения. Возвращаясь к фиг.1, при наблюдении под углом 45° к касательной к кольцу (окружной поверхности стеклянного контейнера 30) осевое напряжение действует полностью в вертикальном направлении, но этот угол означает, что горизонтальное направление будет частичной комбинацией окружного и радиального направлений. Из-за описанных выше эффектов преломления это угол нельзя уменьшить, чтобы наблюдать по касательной, как в иммерсионном полярископе.
На фиг.2 показаны две кривые, из которых верхняя кривая является кривой запаздывания на пути от внешней стенки 32 до средней точки 34 стенки и до внутренней стенки 36 стеклянного контейнера с идеальным распределением напряжений внутри его стенки. Под кривой запаздывания показана парабола, величины которой являются производными от величин кривой запаздывания. Эта параболическая кривая является параболой напряжений и представляет собой расчетную кривую напряжений от внешней стенки 32 до внутренней стенки 36 контейнера и имеет идеальное распределение напряжений по стенке, изменяющихся от сжатия на внешней стенке 32 до растяжения внутри стенки (включая среднюю точку 34) до сжатия на внутренней стенке 36. Стеклянные контейнеры, имеющие несоответствующие характеристики, отбраковываются, и система и способ измерения напряжений в стеклянном контейнере по настоящему изобретению предназначены для оценки стеклянных контейнеров и определения параболы напряжений для выявления стеклянных контейнеров, имеющих несоответствующие характеристики напряжений, чтобы их можно было отбраковать.
На фиг.3 в чрезвычайно схематической форме относительно стеклянного контейнера 30 показан иллюстративный вариант системы измерения напряжений в стеклянном контейнере по настоящему изобретению. (Специалистам понятно, что принципы работы, демонстрируемые в отношении работы этого примера, где используется стеклянный контейнер 30, показанный на фиг.3, в равной степени применимы и к листовому стеклу или изогнутому стеклу.) Источник 40 лазерного излучения создает пучок 42 линейно поляризованного света, который подается во внешнюю стенку 32 стеклянного контейнера 30 под оптимальным углом (будет описан ниже). Источник 40 лазерного излучения любо установлен способом, допускающим его вращение для вращения плоскости поляризации линейно поляризованного светового пучка, либо, альтернативно, между источником 40 лазерного излучения и внешней стенкой 32 стеклянного контейнера 30 можно установить полуволновую пластину 44 для поворота плоскости поляризации линейно поляризованного светового пучка 42 в требуемую ориентацию. Это направление поляризации будет лежать в плоскости, параллельной плоскости, ортогональной к оси флуоресцентного света, выходящего из боковой стенки стеклянного контейнера в направлении камеры 60 на основе ПЗС-матрицы.
Линейно поляризованный световой пучок 42 преломляется и входит в боковую стенку контейнера 30, где он показан как преломленный световой пучок 46, который многократно меняет свои характеристики поляризации от линейно поляризованного до эллиптически поляризованного до поляризованного по кругу, до эллиптически поляризованного и, обратно, до линейно поляризованного, по мере того, как он проходит через поле напряжений, и генерирует флуоресцентный свет 48, который будет иметь зависящий от поляризации компонент в каждой точке вдоль светового пучка 42 в боковой стенке стеклянного контейнера 30. Поляризация флуоресцентного света 48, ортогонального лазерному пучку 46, будет в первую очередь линейной, но с фиксированным изменением интенсивности в зависимости от имеющегося напряжения при входе в стекло, плюс от некоторых других факторов, включая цвет стекла.
На излученный линейно поляризованный флуоресцентный свет 48 от лазерного пучка 46 воздействуют напряжения, создавая запаздывание на пути выхода так, что флуоресцентный свет 48 представляет лишь один конкретный луч, исходящий из области, расположенной рядом с центром толщины стенки контейнера. Важно отметить, что световой пучок 46 будет генерировать флуоресцентный свет на всей своей длине, и линия флуоресцентного света, из которой флуоресцентный свет 48 представляет лишь один конкретный луч, выходит из стеклянного контейнера 30 через внешнюю стенку 32, где он образует линию света, которая должна быть преобразована в изображение, из которого световой пучок 50 представляет один луч.
о
Четвертьволновая пластина 52, установленная под соответствующим углом, используется для преобразования эллиптически поляризованных компонентов светового пучка 50, что позволяет оценить, в какой степени линейно поляризованный флуоресцентный свет 48 стал поляризованным по кругу или эллиптически поляризованным. Ось четвертьволновой пластины 52 расположена под углом так, чтобы находиться на одной линии с линейно поляризованным светом, излучаемым флуоресценцией вдоль светового пучка 46. Устройство 54 поворота плоскости поляризации используется для модуляции состояния поляризации теперь линейно поляризованного светового пучка 50 на плюс/минус 45° относительно оси четвертьволновой пластины 52, которая сама находится под углом 45 относительно линейно поляризованного света, излучаемого флуоресценцией вдоль светового пучка 46. Устройство 54 поворота плоскости поляризации является элементом на сегнетоэлектрическом жидком кристалле ("СЭЖК"), возбуждаемым переменным положительным и отрицательным напряжением, поступающим от привода 56 устройства поворота плоскости поляризации.
Модулированный таким образом линейно поляризованный световой пучок 50 затем проходит через фильтр 58 длинных волн, который пропускает флуоресцентный свет (и, предпочтительно, не пропускает свет с частотой линейно поляризованного светового пучка 42), и флуоресцентная часть линейно поляризованного светового пучка 50 наблюдается камерой 60 на ПЗС-матрице. Альтернативно, вместо фильтра 58 длинных волн можно использовать полосовой фильтр или узкополосный режекторный фильтр. При чередующемся положительном и отрицательном напряжении, создаваемом приводом 56 устройства 54 поворота плоскости поляризации, камера 60 на ПЗС-матрице создает чередующиеся изображения. Эти чередующиеся изображения снимаются с камеры модулем 62 приема изображений и схематически обозначены как первое изображение 64, созданное, когда привод 56 устройства поворота плоскости поляризации подает на устройство 54 поворота плоскости поляризации положительное напряжение, и второе изображение 66, созданное, когда привод 56 устройства поворота плоскости поляризации подает на устройство 54 поворота плоскости поляризации отрицательное напряжение. (Специалистам понятно, что созданные чередующиеся изображения имеют разные состояния для анализа поляризации, и чередование может создаваться и другим устройством, например, используя два сенсора с поляризующим светоделителем.)
Эти два изображения 64 и 66 подвергаются обработке, при которой второе изображение 66 вычитают из первого изображения 64 и результат делят на сумму двух изображений 64 и 66, получая нормализованное разностное изображение 68. Подвергая нормализованное разностное изображение 68 в модуле 70 анализу изображений можно получить кривую запаздывания и параболу напряжений, сходные с показанными на фиг.2, а обрабатывая эти данные можно получить толщину каждого слоя напряжений в стенке стеклянного контейнера и толщину самой стенки. Этот анализ более подробно будет описан со ссылками на фиг.13.
Следует отметить, что для определения толщины самой стенки и/или толщины каждого из слоев напряжений в стенке стеклянного контейнера нет необходимости использовать нормализованное разностное изображение 68. Вместо этого, обрабатывая данные любого из изображений 64 и 66, можно определить толщину самой стенки и толщину каждого из слоев напряжений в стенке стеклянного контейнера, не используя нормализованное разностное изображение 68. Далее, если измеряют только толщину стенки и толщину каждого из слоев напряжений, устройство, показанное на фиг.3, не потребует четвертьволновой пластины 52 или устройства 54 поворота плоскости поляризации. При этом камера 60 с ПЗС-матрицей через фильтр 58 длинных волн снимает единственное изображение поляризованных компонентов светового пучка 50, излучаемого из стеклянного контейнера 30.
На фиг.4-6 показан иллюстративный вариант системы, схема которой приведена на фиг.3, предназначенный для стеклянного контейнера 30, где для упрощения опущен элемент корпуса, который используется для сохранения относительного местоположения различных компонентов и их оптических осей, соответственно зафиксированных в предпочтительных положениях (этот элемент корпуса, не показанный на фиг.4-6, показан на фиг.7 как компонент, обозначенный позицией 100). Где возможно на фиг.4-6 использованы позиции, соответствующие позициям на фиг.3.
Следует отметить, что система и способ измерения напряжений в стеклянном контейнере по настоящему изобретению, показана на фиг.4-6, геометрически спроектирована для использования воды (которая имеет коэффициент преломления, близкий к коэффициенту преломления стекла) в качестве сопрягающей среды для подачи света в стеклянный контейнер и вывода света из него, в то время как альтернативное использование воздуха в качестве сопрягающей среды потребует другой геометрии для оптимизации подачи света в стеклянный контейнер 30 и вывода света из него. Поэтому специалистам понятно, что оптимальные углы входа в стеклянный контейнер 30 и выхода из него будут разными для разных сопрягающих сред.
Световой пучок, используемый для анализа, генерирует лазерный источник 40 света. В иллюстративном варианте лазерным источником 40 света может быть лазерный диод любого из разнообразных цветов, включая, например, зеленый, синий и красный. Конкретный цвет используемого лазерного света можно выбирать на основе характеристик проверяемого стеклянного контейнера. Например, считается, что красный лазер является наилучшим для желтых стеклянных контейнеров, поскольку желтое стекло поглощает зеленый и синий свет. Зеленый лазер считается наилучшим для контейнеров из бесцветного стекла, а синий лазер считается наилучшим для стеклянных контейнеров из синеватых стеклянных контейнеров. Иллюстративная наладка для использования при анализе прозрачных бесцветных стеклянных контейнеров может использовать зеленый лазер.
Критерии выбора цвета лазера должны включать тот факт, что флуоресцентный свет имеет большую длину волны, чем свет, используемый для его создания. Соответственно, источник 40 лазерного света должен выбираться так, чтобы легко можно было наблюдать флуоресцентный свет, генерируемый в стенке стеклянного контейнера 30. Так, пучок красного лазера создает глубокий красный свет, пучок синего лазера создает цвет от зеленого до красного, а пучок зеленого лазера создает цвет от желтого до глубокого красного. Длину волны возбуждения можно также выбирать по величине почти линейной поляризации в излучаемом флуоресцентном свете.
Лазерный источник 40 света генерирует пучок 42 линейно поляризованного света с соответственно выбранной длиной волны, который подается в боковую стенку стеклянного контейнера 30. Направление поляризации пучка 42 линейно поляризованного света ориентировано так, чтобы создавать оптимальную (наибольшей возможной величины) интенсивность флуоресцентного сигнала светового пучка 50, выходящего из боковой стенки стеклянного контейнера. Направление поляризации будет лежать в плоскости, параллельной плоскости, ортогональной к оси флуоресцентного света, выходящего из боковой стенки стеклянного контейнера 30. Хотя в иллюстративном варианте линиями воображаемого контура показана полуволновая пластина 44, используемая для вращения поляризации линейно поляризованного светового пучка 42 в нужную ориентацию, можно установить лазерный источник 40 света так, чтобы его можно было вращать для вращения поляризации пучка 42 линейно поляризованного света в нужную ориентацию.
В иллюстративном варианте, показанном на фиг.4-6, пучок 42 линейно поляризованного света направляется в стеклянный контейнер 30 с помощью прямоугольной равнобедренной сопрягающей призмы 80, которая ориентирована так, что ее гипотенуза расположена тангенциально (при этом ее треугольные поверхности лежат в горизонтальных плоскостях) к боковой стенке стеклянного контейнера. Как упоминалось выше, вариант, показанный на фиг.4-6, геометрически спроектирован для использования воды в качестве сопрягающей среды (флюида) между сопрягающей призмой 80 и внешней стенкой стеклянного контейнера 30. Лазерный источник 40 света установлен так, что пучок 42 линейно поляризованного света входит в одну из коротких граней сопрягающей призмы 80 под направленным вниз углом около 45° от горизонтальной плоскости (которая ортогональна к оси стеклянного контейнера 30).
о
Для описываемого варианта с водяным сопряжением это приведет к такой ориентации пучка 42 линейно поляризованного света, что он войдет в боковую стенку контейнера 30 под углом около 45° от нормали к поверхности стеклянного контейнера 30 в точке входа, если смотреть непосредственно сверху (этот угол лежит в горизонтальной плоскости, ортогональной к оси стеклянного контейнера 30), и под углом 45 к горизонтальной плоскости, ортогональной к оси стеклянного контейнера 30. Этот приблизительный угол входа выбран для максимизации линейной поляризации и сигнала.
Это приводит к образованию угла установки в нескольких плоскостях (или далее угла в нескольких плоскостях) на поверхности стеклянного контейнера, величиной 30° и 60° от нормали к поверхности. Поскольку коэффициент преломления воды равен 1,333, а соответствующий коэффициент материала стеклянного контейнера 30 равен 1,51, результирующий угол в стенке стеклянного контейнера 30 будет равен около 40,51° от нормали. Из-за кривизны стеклянного контейнера 30, относительного позиционирования стеклянного контейнера 30 и неоднородности стеклянных контейнеров из-за производственных допусков этот угол будет немного меняться.
Таким образом, световой пучок 46 ориентирован внутрь боковой стенки стеклянного контейнера 30 для создания оптимальных уровней сигнала. В этой конфигурации осевое напряжение полностью влияет на вертикальный компонент 45-градусной поляризации, и лишь часть кольцевого напряжения в комбинации с почти нулевым радиальным напряжением влияют на горизонтальный компонент 45-градусной поляризации. Под другими углами ориентации флуоресцентного света 48, возникающего в результате флуоресценции, создаваемой световым пучком 46, влияние осевого и кольцевого напряжений будет меняться в соответствии с компонентом поля напряжения, которое пересекает пучок 42 поляризованного света.
Такое геометрическое соотношение выбрано для варианта с водяным сопряжением для того, чтобы собрать флуоресцентный свет пучка 46 в фокальной плоскости ПЗС-камеры 60 и прямоугольное (ортогональное) соотношение между выходящим пучком 42 линейно поляризованного света и углом наблюдения максимизирует линейную поляризацию и сигнал, а также поскольку применение меньших углов уменьшает сигнал.
Положение, в котором наблюдают флуоресцентный свет, генерируемый световым пучком 42 внутри боковой стенки стеклянного контейнера 30, является ортогональным к другой из коротких сторон сопрягающей призмы 80, и световой пучок 50 в горизонтальной плоскости ориентирован под углом около 45° от нормали к поверхности стеклянного контейнера 30. Световой пучок 50, таким образом, является результатом флуоресценции, компонент линейной поляризации которой ориентирован под углом 45° к горизонтали и подвергается воздействию поля напряжений на пути от источника флуоресценции вдоль светового пучка 46 до его выхода из стеклянного контейнера 30.
Световой пучок 50 затем проходит сквозь четвертьволновую пластину 52 и устройство 54 поворота плоскости поляризации. Для удобства монтажа различных компонентов устройства измерения напряжений в стеклянном контейнере по настоящему изобретению в компактной конфигурации используется отклоняющая призма 82 для отклонения светового пучка 50 на 90°. Отклоняющая призма 82 также является прямоугольной равнобедренной призмой.
Пройдя через четвертьволновую пластину 52 и устройство 54 поворота плоскости поляризации, световой пучок 50 отклоняется в отклоняющей призме 82 и проходит через длинноволновой фильтр 58, установленный на объективе 84 ПЗС-камеры 60. Ось четвертьволновой пластины 52 будет ориентирована под углом, совпадающим с линейно поляризованным светом от флуоресценции внутри стеклянного контейнера 30, игнорируя наличие отклоняющей призмы 82 и предполагая, что четвертьволновая пластина 52 установлена параллельно второй из коротких сторон сопрягающей призмы 80.
Четвертьволновая пластина 52 может выбираться путем построения флуориметрического графика интенсивности, изменяющейся с длиной волны, и используя длину волны точки наивысшей интенсивности на графике для выбора подходящей четвертьволновой пластины 52. Например, если точкой наивысшей интенсивности является 700 нм, то выбирается 175 нм четвертьволновая пластина 52. Подобным способом может подбираться и подходящее устройство 54 поворота плоскости поляризации.
Объектив 84 может иметь достаточно большую апертуру, чтобы пропускать больше света на ПЗС-матрицу камеры 60, поскольку для наблюдения лазерного пучка 42, проходящего сквозь боковую стенку стеклянного контейнера 30 в плоскости, наклоненной вниз под углом примерно 45°, не требуется буквально никакой глубины фокуса. Флуоресцентный свет, который образует световой пучок 50, проходит ортогонально из этой фокальной плоскости и, следовательно, может быть снят камерой 60. Таким образом, линия наблюдения, снимаемая камерой 60, проходит под углом 45° от плоскости, тангенциальной к боковой стенке стеклянного контейнера 30 и в горизонтальной плоскости.
Кроме того, на фиг.5 и 6 линиями воображаемого контура показано устройство для вращения стеклянного контейнера 30 для того, чтобы устройство по настоящему изобретению могло измерять напряжения в боковой стенке стеклянного контейнера, а также ее толщину, во множестве угловых положений по мере вращения стеклянного контейнера 30. Одна сторона стеклянного контейнера 30 поддерживается для вращения у его дна парой роликов 86 и 88, а у его вершины - парой роликов 90 и 92. Для вращения стеклянного контейнера 30 применяется приводной ролик 94, установленный на фиксированном основании 96. В иллюстративном варианте напряжения и толщину боковой стенки стеклянного контейнера 30 оценивают с угловыми интервалами, равными около 20°, что, как было обнаружено, является достаточной дискретизацией для полной оценки напряжений и толщины боковой стенки стеклянного контейнера 30.
Прежде чем продолжать описание варианта с водяным сопряжением, сначала можно описать геометрию варианта с воздушным сопряжением. В настоящее время считается, что при оптимальной геометрии для варианта с воздушным сопряжением пучок 42 линейно поляризованного света должен быть ориентирован так, чтобы входить в боковую стенку стеклянного контейнера 30 под углом около 60° от нормали к поверхности стеклянного контейнера 30 в точке входа, если смотреть непосредственно сверху (этот угол лежит в горизонтальной плоскости, ортогональной к оси стеклянного контейнера 30), и под углом 45° от горизонтальной плоскости, ортогональной к оси стеклянного контейнера 30. Этот приблизительный угол выбран для варианта с воздушным сопряжением для максимизации линейной поляризации и сигнала.
Это приводит к образованию угла в нескольких плоскостях на поверхности стеклянного контейнера величиной 69,29° от нормали к поверхности. Поскольку коэффициент преломления воздуха равен 1,0, а соответствующий коэффициент материала стеклянного контейнера 30 равен 1,51, полученный угол в стенке стеклянного контейнера будет равен около 38,278° от нормали. Из-за кривизны стеклянного контейнера 30, относительного позиционирования стеклянного контейнера 30 и неоднородности стеклянных контейнеров из-за производственных допусков этот угол будет немного меняться.
В положении, в котором флуоресцентный свет, генерируемый световым пучком 42 внутри боковой стенки стеклянного контейнера 30, выходит через воздушную сопрягающую среду из стеклянного контейнера 30, световой пучок 50 имеет ориентацию в горизонтальной плоскости под углом около 60° от нормали к поверхности стеклянного контейнера 30. Эти приблизительные углы входа в стеклянный контейнер и выхода из него выбраны для максимизации принимаемого сигнала (светового пучка 50, излучаемого стеклянным контейнером 30).
По существу и для широкого ассортимента потенциальных сопрягаемых сред, предпочтительной ориентацией системы измерения напряжений в стеклянном контейнере будут углы между около 40° и около 70° от нормали к поверхности стеклянного контейнера в точке входа, если смотреть непосредственно сверху, и угол 45° от горизонтальной плоскости, ортогональной к оси стеклянного контейнера 30.
На фиг.7 приведена иллюстрация устройства по фиг.4-6, в производственной среде, с использованием воды в качестве сопрягающей среды. Лазерный источник 40 света и ПЗС-камера 60 показаны установленными на корпусе 100 головки машины. Сопрягающая призма 80, отклоняющая призма 82, четвертьволновая пластина 52 и устройство 54 поворота плоскости поляризации установлены внутри корпуса 100 головки машины в ориентации, показанной на фиг.4-6. Корпус 100 головки машины установлен на опорном рычаге, в целом обозначенном позицией 102, который в свою очередь установлен на опорной колонне 104.
Как было указано выше, сопряжение средой применяется для пропускания света между сопрягающей призмой и боковой стенкой стеклянного контейнера 30. В этом иллюстративном варианте в качестве сопрягающей среды используется вода, поскольку она имеет коэффициент преломления, близкий к коэффициенту преломления стекла. Вода подается в точку, расположенную чуть выше интерфейса между сопрягающей призмой 80 и боковой стенкой стеклянного контейнера 30, посредством сопла 106. Вода в сопло 106 поступает от источника 108 флюида (сопрягающая среда), например насоса, через клапан 110.
Воду собирают из-под корпуса 100 головки машины снизу от интерфейса между сопрягающей призмой 80 и боковой стенкой стеклянного контейнера 30 вакуумной трубкой 112. К вакуумной трубке 112 подсоединен источник 114 разрежения для сбора воды и возврата ее в источник 108 флюида для повторного использования. При необходимости между источником 114 разрежения и источником 108 флюида можно установить фильтр для очистки воды от загрязнений перед ее подачей в источник 108 флюида.
На фиг.8 и 9 устройство по настоящему изобретению показано установленным снизу опорного рычага 1-2. Как конкретно показано на фиг.9, опорный рычаг 102 может иметь конструкцию, состоящую из двух деталей, что дает еще одну степень свободы. Дистальная часть 116 опорного рычага 102 шарнирно установлена на проксимальной части 118 опорного рычага 102. Эта возможность регулировки вместе с возможностью регулировки высоты опорного рычага 102 на опорной колонне 104 позволяет настраивать устройство по настоящему изобретению для использования в производственной линии буквально любой конфигурации.
Как указано выше, со ссылками на фиг.3, ПЗС-камера 60 снимает два чередующихся изображения 64 и 66. Примеры таких изображений 64 и 66 показаны соответственно на фиг.10 и 11. Первое изображение 64, приведенное на фиг.10, получено, когда привод 56 устройства поворота подает положительное напряжение на устройство 54 поворота плоскости поляризации, а второе изображение 66, показанное на фиг.11, получено, когда привод 56 устройства поворота подает отрицательное напряжение на устройство 54 поворота плоскости поляризации.
На первом изображении 64 можно видеть изображение, которое напоминает лежащий крест, при этом поперечина креста повернута против часовой стрелки от ортогонального положения. Нижняя часть 120 стойки креста проходит слева направо, а верхняя часть 122 стойки креста проходит дальше направо от нижней части стойки креста. Первая сторона 124 поперечины креста отходит от пересечения нижней части 120 стойки креста с верхней частью 122 вверх и налево, а вторая сторона 126 поперечины креста отходит от пересечения нижней части 120 стойки креста с верхней частью 122 вниз и направо. На пересечении стойки креста и поперечины креста находится точка 128 пересечения креста.
Горизонтальная нижняя часть 120 стойки креста является флуоресцентным участком модулированного линейно поляризованного светового пучка 50, который показывает флуоресценцию, от светового пучка 46 (показанного на фиг.3) внутри боковой стенки контейнера 30, которая заканчивается ярким пятном в точке 128 пересечения креста, представляющей внутреннюю стенку контейнера 30. Первая сторона 124 поперечины креста - это отражение светового пучка 42 от внутренней стенки стеклянного контейнера 30, а вторая сторона 126 поперечины креста от точки 128 пересечения креста - это световой пучок 42, падающий на внутреннюю стенку стеклянного контейнера 30 и отраженный вниз в стекло боковой стенки стеклянного контейнера 30, и создающий флуоресценцию на этому пути. Верхняя часть 122 стойки креста - это отражение отраженного вниз в стекле светового пучка 46, представленного второй стороной 126 поперечины.
На втором изображении 66 также имеется изображение лежащего креста с поперечиной, повернутой против часовой стрелки относительно ортогонального положения. Нижняя горизонтальная часть 130 стойки креста проходит слева направо, а верхняя часть 132 стойки креста отходит далее вправо от нижней части стойки креста. Первая сторона 134 поперечины креста отходит от пересечения нижней части 130 стойки креста с верхней частью 132 стойки креста вверх и налево, а вторая сторона 136 поперечины креста отходит от пересечения нижней части 130 стойки креста с верхней частью 132 стойки креста вниз и направо. На пересечении стойки и поперечины креста находится точка 138 пересечения креста.
Как и в случае первого изображения 64, горизонтальная нижняя часть 130 стойки креста является флуоресцентным участком модулированного линейно поляризованного светового пучка 50, который показывает флуоресценцию от светового пучка 46 внутри боковой стенки стеклянного контейнера 30, который заканчивается ярким пятном в точке 138 пересечения креста, которая представляет внутреннюю стенку стеклянного контейнера 30. Первая сторона 134 поперечины является отражением светового пучка 46 от внутренней стенки стеклянного контейнера 30, а вторая сторона 136 поперечины от точки 138 пересечения креста является световым пучком 42, падающим на внутреннюю стенку стеклянного контейнера 30 и отраженного вниз в стекло боковой стенки стеклянного контейнера 30, и создающего на своем пути флуоресценцию. Горизонтальная верхняя часть 132 стойки креста является отражением отраженного вниз светового пучка 46 в стекле, представленного второй стороной 136 поперечины. Положение боковой стенки стеклянного контейнера 30 показано линией 140, представляющей толщину боковой стенки стеклянного контейнера, и которая нанесена на второе изображение 66 системой для лучшей идентификации положения боковой стенки стеклянного контейнера 30. Следует отметить, что обрабатывая данные из второго изображения 66, можно получить толщину самой стенки (показанную линией 140) и толщину каждого из слоев напряжений в стенке стеклянного контейнера. Эту информацию также можно извлечь из первого изображения 64, представленного на фиг.10.
На фиг.12 представлено нормализованное разностное изображение 68, которое сгенерировано путем вычитания второго изображения 66, показанного на фиг.11, из первого изображения 64, показанного на фиг.10, и делением результата вычитания на сумму первого изображения 64 и второго изображения 66.
Нормализованное разностное изображение 68 показывает несколько иное изображение лежащего креста, у которого поперечина повернута против часовой стрелки от ортогонального положения. Нижняя часть 150 стойки креста проходит слева направо, а верхняя часть 152 стойки креста отходит далее вправо от нижней части стойки креста. Первая сторона 154 поперечины креста отходит от пересечения нижней части 150 стойки креста с верхней частью 152 стойки креста вверх и влево, а вторая сторона 156 поперечины креста отходит от пересечения нижней части 150 стойки креста с верхней частью 152 стойки креста вниз и вправо. На пересечении стойки креста и поперечины креста находится точка 158 пересечения.
И вновь, горизонтальная нижняя часть 150 стойки креста является флуоресцентным участком модулированного линейно поляризованного светового пучка 50, который показывает флуоресценцию от светового пучка 46 внутри боковой стенки стеклянного контейнера 30, который заканчивается ярким пятном в точке 158 пересечения креста, которая представляет внутреннюю стенку стеклянного контейнера 30. Первая сторона 154 поперечины является отражением светового пучка 46 от внутренней стенки стеклянного контейнера 30, а вторая сторона 156 поперечины от точки 158 пересечения креста является световым пучком 42, падающим на внутреннюю стенку стеклянного контейнера 30 и отраженного вниз в стекло боковой стенки стеклянного контейнера 30. Верхняя часть 152 стойки креста является отражением отраженного вниз в стекло светового пучка 42, представленного второй стороной 156 поперечины. Положение боковой стенки стеклянного контейнера 30 показано линией 160, представляющей толщину боковой стенки стеклянного контейнера 30, которая нанесена на второе изображение 66 системой для лучшей идентификации положения боковой стенки стеклянного контейнера 30.
Обрабатывая нормализованное разностное изображение 68 по фиг.12 в модуле 70 анализа изображений (показанном на фиг.3), можно сгенерировать кривую 170 запаздывания, отображающую напряжение в стекле, как показано на фиг.13. Отложив величины интенсивности горизонтальной нижней части стойки креста 150 нормализованного разностного изображения (приведенного на фиг.12) вдоль линии 160, представляющей толщину боковой стенки стеклянного контейнера 30 (также показанной на фиг.12), можно получить рваную, номинально S-образную кривую 172. По повернутой, рваной, номинально S-образной кривой 172 генерируют полиномиальную наиболее соответствующую кривую 174, которая представляет кривую запаздывания боковой стенки стеклянного контейнера 30.
Затем система дифференцирует полиномиальную максимально соответствующую S-образную кривую 174 для получения параболы 176, которая представляет напряжение в боковой стенке стеклянного контейнера 30 в контролируемом положении. Система также может автоматически определить максимальное и минимальное положения в полиномиальной максимально соответствующей кривой 174 и эти положения могут автоматически выводиться на дисплей как максимальный след 178, имеющий пик в найденном положении, определенном как максимум полиномиальной максимально соответствующей S-образной кривой 174, и как минимальный след 180, имеющий пик в положении, определенном как минимум полиномиальной максимально соответствующей S-образной кривой 174.
Путем дальнейшей обработки данных, используемых для создания дисплея 170 напряжений в стекле, можно получить толщину каждого из слоев напряжений в стенке стеклянного контейнера, а также толщину самой стенки. При необходимости эти расчеты также могут быть выведены на дисплей 170 напряжений в стекле, хотя на фиг.13 они не показаны. (Как упоминалось выше, и толщину стенки, и толщину каждого слоя напряжений в стенке можно вывести по первому изображению 64 или второму изображению 66.)
о
о
На фиг.14 проиллюстрирован способ, осуществляемый иллюстративным вариантом настоящего изобретения. Для последовательного подвода каждого из множества стеклянных контейнеров 30 в положение для контроля устройством по настоящему изобретению используется производственная линия. Стеклянный контейнер 30 в положении для контроля вращают вращающим механизмом 190 так, чтобы боковую стенку стеклянного контейнера можно было проконтролировать устройством по настоящему изобретению в множестве угловых положений. В описанном выше иллюстративном варианте контроль боковых стенок стеклянных контейнеров 30 осуществляется примерно через каждые 20, при этом стеклянный контейнер 30 вращают для проведения 18 последовательных измерений в положениях, разнесенных на 20, что позволяет полностью проконтролировать напряжение в боковой стенке стеклянного контейнера 30 и толщину стенки стеклянного контейнера 30.
Источник 192 сопрягающей среды (флюида), который может содержать источник 108, 111 среды (флюида) и сопло 106 (которые показаны на фиг.7), подает сопрягающую среду 194, которая, как указано выше, может быть водой, в положение между сопрягающей призмой 80 и боковой стенкой стеклянного контейнера 30. Сопрягающая среда собирается коллектором 196 сопрягающей среды, который может содержать вакуумную трубку 112 и источник 114 разрежения (которые также показаны на фиг.7). Сопрягающая среда может фильтроваться и возвращаться в источник 192 сопрягающей среды.
Пучок 42 линейно поляризованного света создается лазерным источником 40 света и подается в боковую стенку стеклянного контейнера 30 через сопрягающую призму 80. Лазерный источник 40 света может быть установлен так, чтобы иметь возможность вращения, как показано позицией 198, для вращения тем самым плоскости поляризации линейно поляризованного светового пучка 42 на небольшой угол для максимизации выходного сигнала системы. Альтернативно, между лазерным источником 40 света и сопрягающей призмой 80 можно установить полуволновую пластину 44, которая имеет возможность вращения, как показано позицией 198, для вращения плоскости поляризации линейно поляризованного светового пучка 42 на небольшой угол для максимизации выходного сигнала системы.
Линейно поляризованный световой пучок 42 проходит сквозь сопрягающую призму 80 и сопрягающую среду 194 и входит в боковую стенку стеклянного контейнера 30, где будет формироваться флуоресцентный свет, который имеет как линейно поляризованную, так и неполяризованную компоненты, которые будут зависеть от состояния напряжения стекла, для выхода из боковой стенки стеклянного контейнера 30, как световой пучок 50. Световой пучок 50 выходит из боковой стенки стеклянного контейнера 30 через сопрягающую призму 80. Он проходит сквозь четвертьволновую пластину 52, которую можно вращать, как показано позицией 202, для оптимизации преобразования линейно поляризованного и эллиптического компонентов светового пучка 50 в линейно поляризованный свет.
Линейно поляризованный световой пучок 50 затем проходит сквозь устройство 54 вращения плоскости поляризации, которое работает, как показано позицией 204, для создания чередующихся изображений, плоскость поляризации которых повернута на 45° относительно оси четвертьволновой пластины 52. Чередующиеся изображения, созданные линейно поляризованным световым пучком 50, опционально можно переориентировать отклоняющей призмой 82, после чего они могут пропускаться через длинноволновой фильтр 58 для блокирования частот, созданных не флуоресценцией. ПЗС-камера 60 создает чередующиеся изображения, соответствующие чередованию в работе устройства 54 вращения плоскости поляризации, и эти чередующиеся изображения подвергают обработке в дифференциаторе 206 изображений для получения нормализованного разностного изображения 68. Нормализованное разностное изображение 68 подают в процессор 208 изображений, который обрабатывает информацию, содержащуюся в нормализованном разностном изображении 68, и пересылает обработанную информацию в логическое устройство 210 системы. Логическое устройство 210 системы на выходе выдает характеристики 212 боковой стенки прошедшего контроль стеклянного контейнера 30, который включает нормализованное разностное изображение 68, которое, вместе с другой информацией, может выводиться на дисплей на этапе 214 отображения информации о стеклянном контейнере. После определения характеристик 212 боковой стенки стеклянного контейнера 30, который прошел контроль в каждом из своих угловых положений, можно принимать решение 216 о пропуске или отбраковке стеклянного контейнера 30. Стеклянные контейнеры 30, не соответствующие допустимому диапазону толщины стенки и напряжения, могут отбраковываться и возвращаться на переработку.
Наконец, на фиг.15 показан вариант применения системы измерения напряжений в стеклянном контейнере по настоящему изобретению для измерения напряжений в сегменте 220 листового стекла. На сегмент 220 листового стекла наносится сопрягающая среда 222, которая в иллюстративном варианте, показанном на фиг.15, может быть водой, поскольку вода, в отличие от воздуха, имеет коэффициент преломления, близкий к коэффициенту преломления стекла. Сегмент 220 листового стекла может быть уложен в контейнер 224 для ограничения тонкой пленки сопрягающей среды 222 на поверхности сегмента 220 листового стекла.
Альтернативно, для подачи сопрягающей среды 222 только в ту область сегмента 220 листового стекла, которая подвергается контролю, можно использовать систему подачи и сбора сопрягающей среды, подобную показанной и описанной со ссылками на фиг.7. Еще одним способом использования жидкого сопрягающего агента является напыление тонкой пленки жидкого сопрягающего агента на плоское стекло 220 непосредственно перед его перемещением в устройство, показанное на фиг.15. Далее, если проводится контроль изогнутого сегмента стекла, способ напыления может казаться особенно полезным, нанесение тонкой пленки сопрягающей жидкости на изогнутый сегмент стекла было бы непрактичным.
Однако специалистам понятно, что применение воздушного сопряжения было бы еще более выгодно.
На фиг.15 показана и использована оптическая система, показанная и описанная выше со ссылками на фиг.4-6, где гипотенуза сопрягающей призмы 80 расположена параллельно верхней стороне сегмента 220 листового стекла и в непосредственной близости от нее, а между сопрягающей призмой 80 и верхней стороной сегмента 220 листового стекла находится тонкая пленка сопрягающей среды 222. Лазерный источник 40 света установлен так, что линейно поляризованный световой пучок 42 входит в одну короткую грань сопрягающей призмы под углом около 45° от плоскости, параллельной треугольным граням сопрягающей призмы 80.
Это приводит к тому, что линейно поляризованный световой пучок 42 входит в верхнюю сторону сегмента 220 листового стекла под углом около 40,51° относительно нормали к сегменту 220 листового стекла в точке входа. Наблюдаемый флуоресцентный свет, генерируемый световым пучком 42 в стекле сегмента листового 220 стекла, выходит через вторую из коротких граней сопрягающей призмы 80. Световой пучок 50 подвержен воздействию поля напряжений в сегменте 220 листового стекла.
Световой пучок 50 проходит сквозь четвертьволновую пластину 52 и устройство 54 поворота плоскости поляризации. Для удобства монтажа различных компонентов устройства измерения напряжений в стеклянном контейнере в компактной конфигурации для отклонения светового пучка 50 на 90° используется отклоняющая призма 82. Пройдя через четвертьволновую пластину 52 и устройство 54 поворота плоскости поляризации, световой пучок 50 отклоняется в отклоняющей призме 82 и затем проходит сквозь длинноволновой фильтр 58, установленный на объективе 84 ПЗС-камеры 60.
Таким образом, специалистам понятно, что, как и в случае описанного выше стеклянного контейнера, если используется воздушное сопряжение, будет поддерживаться угол входа в нескольких плоскостях, равный 69,29° от нормали к поверхности сегмента 220 плоского стекла. Этот угол будет получен, используя углы 45° и 60°, соответственно, в ортогональных плоскостях, нормальных к поверхности плоского стекла 220, как и вышеописанном примере в отношении стеклянного контейнера 30. Угол выхода из плоского стекла 220 для воздушного сопряжения также будет равен 60°.
Изогнутое стекло будет контролироваться сходным способом с такими же углами относительно нормали для операции водяного или воздушного сопряжения.
Таким образом, специалистам понятно, что вариант, показанный на фиг.15, является иллюстрацией применения настоящего изобретения для определения напряжений в листовом стекле. В зависимости от размера сегмента 220 листового стекла для измерения напряжения в каждой из множества разнесенных друг от друга точек можно использовать двухкоординатное сканирование в линейной последовательности по первой оси (оси Х), после чего сканирующее устройство перемещается по второй оси (оси Y), которое ортогонально к первой оси, и в этой точке производится следующий цикл сканирования, при этом такой процесс повторяется, пока не будет произведен контроль всего сегмента 220 листового стекла.
Из вышеприведенного подробного описания иллюстративных вариантов системы и способа по настоящему изобретению понятно, что оно относится к системе измерения напряжений в стеклянном контейнере и к связанному с ним способу измерения напряжений в боковой стенке стеклянного контейнера. Система и способ измерения напряжений в стеклянном контейнере могут быть адаптированы для крупномасштабного производства стеклянных контейнеров и поэтому способны проводить измерения в боковых стенках стеклянных контейнеров с высокой скоростью. Система и способ измерения напряжений в стеклянном контейнере по настоящему изобретению не требуют погружения стеклянных контейнеров в жидкость во время процесса контроля, тем самым не увеличивают количество манипуляций с контролируемыми стеклянными контейнерами.
Система и способ измерения напряжений в стеклянном контейнере по настоящему изобретению позволяют с высокой точностью определить напряжения в боковой стенке стеклянных контейнеров. Система и способ измерения напряжений в стеклянном контейнере по настоящему изобретению также способны измерять толщину каждого из слоев напряжений в боковой стенке стеклянного контейнера. Система и способ измерения напряжений в стеклянном контейнере по настоящему изобретению способны измерять толщину боковых стенок стеклянных контейнеров. Система и способ измерения напряжений в стеклянном контейнере по настоящему изобретению способны быстро и точно измерять и напряжение в боковой стенке стеклянных контейнеров, и толщину боковых стенок стеклянных контейнеров по всей окружной поверхности стеклянных контейнеров.
Система измерения напряжений в стеклянном контейнере по настоящему изобретению имеет конструкцию, являющуюся одновременно надежной и долговечной и не требующей или почти не требующей обслуживания пользователем на протяжении всего срока службы. Система измерения напряжений в стеклянном контейнере по настоящему изобретению имеет относительно недорогую конструкцию, что повышает ее рыночную привлекательность и позволяет занять максимально широкий сегмент рынка. Наконец, система и способ измерения напряжений в стеклянном контейнере по настоящему изобретению обладают всеми упомянутыми преимуществами и достигают поставленных целей, не имея каких-либо относительных существенных недостатков.
Хотя вышеприведенное описание системы и способа измерения напряжений в стеклянном контейнере по настоящему изобретению было приведено со ссылками на конкретные варианты изготовления и применения, это описание было представлено только для иллюстрации и не является исключительным, и не ограничивает настоящее изобретение конкретными описанными вариантами изготовления или применения. Специалистам понятно, что в описанное изобретение можно внести многочисленные изменения, модификации, вариации или замены, которые не выходят за пределы изобретательской идеи системы и способа по настоящему изобретению. Конкретные варианты изготовления и применения были выбраны и описаны для того, чтобы позволить специалисту, обладающему обычным опытом в данной области, использовать настоящее изобретение в различных вариантах и с различными модификациями для конкретных вариантов применения. Все такие изменения, модификации, варианты и замены должны, таким образом, рассматриваться входящими в объем системы и способа измерения напряжений в стеклянном контейнере по настоящему изобретению, определенный прилагаемой формулой, которая должна толковаться в самом широком смысле, допустимом законодательством.