CN1033479A - 透明物件厚度的光学测量方法 - Google Patents

Abstract

利用诸如激光束的平行光束对透明容器的壁厚 进行快速而准确的测量的方法和装置。激光二极管 和相关的光学装置，沿着与容器外壁相交的路线，把 平行光射到测量点上。把诸如菲涅耳透镜的透镜系 统放在外测量点和光敏元件阵列之间的反射光线路 径中，直线型光敏元件阵列的长轴是水平测量面与象 平面的交线。由该直线型光敏元件阵列测得的反射 光线与折射光线的间距基本上正比于容器的壁厚。

Description

本发明涉及例如玻璃和透明的塑料容器等物件壁厚的测量方法，并且，更具体地涉及为此目的光学（非接触）设备的运用。

近年来，玻璃器皿容器工业一直在努力争取以更高的速度生产更轻的玻璃瓶。这就提出了对监控容器壁厚的日益增长的需要，以免出现在装料、处理或加压等过程中可能使瓶子破碎或断裂的薄区域。壁厚也是生产过程控制的重要的特性。

目前的商用厚薄规一般利用玻璃的高介质常数，通过测量靠近玻璃表面的两个电极间的电容量而测量其厚度。但是，由于需要使两个测量电极实际接触或靠近玻壁而限制了操作速度和使用寿命。

若干专利公开了使用非接触方法的光学量规来测量玻璃壁厚的方法。这类先有技术的专利包括有：第3，994，599号美国专利（同玻管的轴线垂直地射入激光，测量来自内壁与外壁的反射光）;第3，307，446号美国专利（利用限定测量窗口界限的转轮测量非垂直射入的光线从玻管内、外侧壁所反射出的光线）;第3，807，870号以及3，989，380号美国专利。第4，120，590号美国专利公开了一种方法，该方法利用射向透明容器的侧壁的若干光束分量，测量所有光束分量从其前、后壁的反射。将反射光束导引到与该容器处的映象平面共轭的检测器平面上，以形成一对同平面映象。一般认为，测量这两个映象间的平均距离就可求出一个与该系统的光轴上某一点处的容器厚度成正比的值。

本发明的主要目的是要提供用于测量玻璃器皿物件壁厚的非接触型厚薄规，以避免电容厚薄规所包括的不希望有的速度局限性和使用寿命短等方面的缺点。

另一个目的是要提供可相当准确地测量具有偏离理想圆筒形表面的内壁角偏量的容器的测量方法。最好是，该系统应能容许该系统的各光学部件相对于容器的方位的变化。

为了达到上述和另外的目的，本发明提供用于借助位于远处的光学传感器来检测旋转的透明容器壁厚的设备。本发明提供了用于射出与容器的半径构成一锐角的平行的（λ射）光束的装置。使在外侧壁上反射的一部分光束（反射光线）通过透镜系统到达直线型光敏元件阵列，同时，折射部分继续行进，到达内侧壁的“内测量点”上。在内侧壁上反射并反向射向外侧壁的光线与外侧壁相交于“二次外测量点”上，在该点上、光束再次分裂，并且，其中的较大部分向外折射，构成“折射光线”。这部分折射光线也由所述透镜系统偏转到该直线型光敏元件阵列。对于理想（柱形）容器来说，反射光线和折射光线与直线型光敏元件阵列的交点间的间距的测量值正比于壁厚。最好是，入射光线、反射光线和折射光线都基本上位于水平基准平面上，该基准平面内也含有该直线型光敏元件阵列。可以提供用于使瓶子旋转的装置，以便在对应于基准平面的高度上用圆周扫描的方法测量壁厚。

本发明的主要方面是透镜系统和该系统的其他光学部件的设计和布局，以便减小因容器内壁上的局部角偏移而造成的厚度测量误差。理论上，应当把透镜系统设计成使外测量点和内测量点的虚象都在透镜的物平面中，而在该光敏元件阵列处的各映象点都在透镜的映象平面中，从而，使映象点的位置在理论上与内壁偏移无关。在这方面，申请人已经证明：如果使入射光线与容器的半径构成大约37.5°角，则可获得最佳测量结果。利用容许反射光线和折射光线在更大范围内取向和定位的透镜（例如，菲

耳和全息透镜）可获得最好的测量结果。“入射光线”的最佳形式是具有窄的水平尺寸和拉长的垂直尺寸的高亮度光束。

下面以结合附图详细说明最佳实施例的形式，对本发明的上述和其他方面进行说明，其中：

图1是理想的圆筒形透明容器的四分之一水平剖面的光线轨迹简图;

图2是对应于图1的光线轨迹简图，描绘虚象的形成和内壁角偏量范围内的光束;

图3是对应于图1的扩展的光线轨迹的简图，示出发光源和检测光线的光学装置;

图4是在观测现场的实施本发明的测量壁厚的厚薄规与相关的容器操纵设备的示意透视图。

现参考图1的光线轨迹简图，以便详述当应用于理想的圆筒形透明容器时，作为本发明的壁厚测量系统的基础的几何学原理。该系统利用一种基本上在水平基准平面内的平行光束，该光束照射旋转的容器，被该容器的侧壁反射和折射，然后被测量。由于该光束在基准平面中的宽度较窄而可以用一条光线来模拟，因而，下面的讨论假设了这一点。

参考图1，入射光线15射到透明容器10的外壁12的外测量点A上，在那里，光线的一部分19进入器壁，经折射而行进到内壁11的内测量点B上。入射光线15的稍少部分在A点被反射（“反射光线18”）。在内测量点B上，光线的一部分25向外壁12反射回来。在c点，光线25的大部分被折射，构成“折射光线37”。“测量轴线”22同外测量点A和容器10的对称轴相交（交于O点）。对图1的理想容器10来说，折射光线18和入射光线15各自在测量轴线22的相对两侧成一个α角，并且，这两条光线和光线19、25和37一样，位于图中所示的容器剖面的平面（水平基准平面）中。

图2说明光线19的反射点B形成虚象的过程。本发明利用了高斯光学法则，即：任何起源于理想透镜的物平面中的一点的光线必定通过其映象平面的对应点，而与原始光线的方向无关。可以把理想瓶子的外表面用带有包含所述内壁反射点（物点）的物平面的发散透镜表面来模拟。因此，按照上述原理，必将存在对应的虚象点Q，而与从物点B发出的光线的方向无关（因而与该内壁角度无关）。由于B点处内壁的局部角偏移，反射光线25的方向可以在某一角度范围内变化，如极限点D、E之间所示。因此，光线37在壁内的投影34在随光线25的方向而定的范围内改变它们的方向，但是，可以把这些投影34看成会聚于点Q。于是，点Q就是内壁反射点B的虚象。

考虑点C（二次外表面测量点）和虚象点Q之间的透镜表面的虚象距离S′，这个距离的旁轴公式是：

1/S′＝〔（1-N）/r〕+（N/S）

式中S＝B点和二次外测量点C之间的物距，

N＝容器材料的折射系数

r＝瓶子的外半径

举个例子，对于N＝1.5英寸、r＝1.25英寸以及S＝0.1英寸来说，此公式给出S′＝0.068英寸。但是，该旁轴公式仅对靠近线段BC的发射光线25才是正确的。

在本发明的技术中，根据虚象Q和外测量点A之间的间隔X导出壁厚t，而透镜系统60是这样设计的，以致这两点位于其物平面中。按如下方式，可以根据这个间距导出壁厚，其中，r′代表瓶子的内半径;α＝入射角;β＝折射光线19和测量轴线22之间的夹角;以及δ＝测量轴线22和半径OB间的夹角。根据斯

耳定律（Snell′s law），Sin（β）＝（1/N）Sin（α）。把正弦定律应用于三角形OBA，则：

Sin（δ+β）＝（r/r′）Sin（β）

把正弦定律应用于三角形AOQ：

X＝AQ＝（r）Sin（δ）/Sin（α+δ）

通过将间距X对r′微分，就可以把壁厚t与X相联系：

dx/dr′＝（r/r′）²〔Sin（α）Sin（β）〕/

〔Sin²（α+δ）/Sin（β+δ）〕

在限于小壁厚t的情况下，r、r′和δ接近于零，因而，上式变为：

dx/dr′＝tan（β）/Sin（α）

本申请人已示出了对应于大约37.5°的入射角的最佳结果（误差最小）。对这个角α值和N＝1.5来说，上面的微分值等于大约0.7314。这个数值代表间距x和壁厚t之间的比例因数。

为了检验在较大壁厚情况下厚度因数的正确性，本申请人已在各种壁厚范围内进行光迹计算。以便把按上述方法算得的外推线性关系同精确的壁厚比较。这些计算表明：如果采用线性关系，那么，厚的区段将被夸大。因此，借助于微处理机110（见图4）进行适当补偿。

参考简图3，为了把点Q和A之间的虚象变换成容器10外面的实象，设置了透镜系统60。透镜60是这样取向的，以致外测量点A和虚点Q二者都处于它的物平面上，因此，该透镜的映象平面包含两个相应的映象点A′、Q′。实际上，由于容器外壁12的圆筒形透镜表面中的畸变和其它误差，虚象点Q的位置可能变动;从而，Q点可能处于透镜的物平面的稍外面。

图3和4简略地说明实施本发明的测量壁厚的完整的系统。如在图4中可看到的，可以把该系统的光学部件装在一个可移动的底板90上，该底板可连同滚子22一起移向容器10，以使各部件进入适当的观察位置上。观察期间，容器10在皮带95和滚子22间转动，以便在给定高度处进行圆周壁厚的扫描测量。光源80可包括激光二极管81以及平一柱面透镜83和85，这两个透镜是垂直取向的。在特定有效的实施例中，激光二极管81是由三菱ML4102或ML4402激光二极管构成的，该激光二极管工作在基横模，其限定的象散是大约4μm（ML4102和ML4402是三菱电气株式会社的商品型号）。最好使透镜83与激光二极管81隔开一个焦距。透镜83和85分别限制入射光束15在水平和垂直平面上从其中心轴线发散。因此，该透镜系统使激光聚焦成为一束具有高亮度和有限截面的（例如，可量得高为10mm，宽0.2mm的光柱）、与轴线平行的光束15。入射光束15具有入射角α（见图1）。实际上，该光束起水平基准平面中单光束的作用，而光束的拉长的纵向尺寸起提供厚度的纵向偏差的作用。

如图3中清楚地看到的，透镜组60使反射光线18和折射光线37再射向线性光敏元件阵列70。透镜60最好包括菲涅耳（Fresnel）透镜或全息透镜，这些透镜容纳光线18、37的宽的方位范围。正如所说明的，透镜60是放在近于与预期的虚象36和光敏元件阵列70等距离的位置上，并且，其取向平行于预期的（有名无实的）虚象36的取向。光敏元件阵列70可以由产自EG    AND    G    Reficon公司（Sunnyvale，California）的直线型阵列构成。图象处理器100随着光敏元件阵列70跟踪测量点A′、Q′之间的间距，同时，微处理器110利用此信息和该系统的光学参数导出容器10的壁厚。

Claims (6)

1、一种用于测量透明容器壁厚的方法，其特征在于包含以下步骤：

利用与所述容器的半径构成锐角的入射光线照射该容器的侧壁，从而，产生分离的“反射”和“折射”光线，前者代表入射光线从侧壁后表面的反射光线，

利用透镜装置使所述反射光线和折射光线再射向直线型检测组件，所述直线型检测组件位于所述透镜装置的象平面，该象平面与名义上包含所述反射光线的前表面反射点和所述折射光线的后表面反射点的物平面共轭，以及

测量所述反射光线和折射光线在所述直线型检测组件处的间距，作为所述物件的厚度系数。

2、如权利要求1中所限定的方法，其特征在于：所述入射光线的入射锐角约等于37.5°。

3、如权利要求1中所限定的方法，其特征在于：所述照射步骤包含用具有窄宽度和细长高度的、与中心轴线平行的激光束照射所述容器。

4、如权利要求1中所限定的方法，其特征在于还包括以下步骤：在连续进行所述测量步骤的同时，使所述容器旋转。

5、如权利要求4中所限定的方法，其特征在于：所述入射、折射以及反射光线都基本上位于水平基准平面中。

6、如权利要求1中所限定的方法，其特征在于还包括利用测得的间距来计算所述容器壁厚的步骤。

Images