CN104870932A

CN104870932A - 用于测量容器壁厚度的设备

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Publication number: CN104870932A
Application number: CN201380054380.0A
Authority: CN
Inventors: M·勒孔特
Original assignee: MSC&SGCC SAS
Current assignee: MSC&SGCC SAS
Priority date: 2012-10-18
Filing date: 2013-10-18
Publication date: 2015-08-26
Anticipated expiration: 2033-10-18
Also published as: US9658057B2; CN104870932B; MX2015004934A; EP2909574B1; RU2015118360A; EP2909574A1; RU2642165C2; ES2675782T3; FR2997181A1; BR112015008404A2; MX367095B; JP6290225B2; BR112015008404B1; WO2014060707A1; FR2997181B1; PL2909574T3; US20150276380A1; JP2016500817A

Abstract

本发明涉及一种设备，用于测量容器壁的厚度，包括：-光学系统(15)，用于在光传感器(14)的检测平面上收集和聚焦由壁的外和内表面反射的光束。根据本发明，光学收集和聚焦系统(15)包括：-第一物镜(21)具有位于入射光束(9)与所述壁(3)的撞击点的附近的其物平面，-至少半透明的扩散屏(23)，位于所述第一物镜(21)的像平面中，以便将由所述第一物镜收集的所述光束物理地表示为热点(Ti)，-第二物镜(25)，包括作为物平面的所述扩散屏(23)和作为像平面的所述光传感器(14)。

Description

用于测量容器壁厚度的设备

技术领域

本发明涉及透明或半透明特性的容器(诸如瓶子、罐、或细颈瓶(flask))的光电子检查的技术领域，以检测材料分布缺陷并且尤其检测通常称为薄型缺陷的厚度缺陷。

背景技术

在制作玻璃容器的技术领域中，众所周知地，存在容器带有影响美观或者更严重地影响容器的机械强度的材料不良分布的一个或几个局部区域的风险。已知小厚度或“薄”缺陷主要形成在具有不同曲率半径的容器的特定区域中(诸如容器的肩台或凹边)。

为了测量瓶壁的厚度，已知一种所谓的三角形方法，包括以非零入射角将光束投射至物品的壁上，以及收集由壁的外表面和内表面反射的光束。根据入射光束的镜面反射定律(即，相对于入射光束的撞击点处表面的法线与入射光束对称)，在这两种表面上都发生光反射。

例如从专利EP0320139中可知容器2的厚度的测量，并且如图1所示，通过将光束B以一个角度发送至容器的壁上，使得由壁的外表面反射光束的C部分并且部分光束在壁中被折射，然后由壁的内表面反射D部分。由透镜E来收集由壁的内和外表面反射的光线C、D，以便发送到线性光传感器F上。包含光轴、线性传感器和入射光束的中间半径(median radius)的平面当前被称为三角平面。取决于在光传感器处由壁的内和外表面反射的光束之间的间隔来测量容器的壁的厚度。驱使容器至旋转状态来执行一次回转，以便沿着横剖面之一来测量其厚度。有利地，检查横截面位于具有形成薄区域的很大风险的容器的区域中，诸如凹边或肩台。

先前技术的可替代选择包括使用阵列传感器代替线性传感器，以便测量玻璃厚度以及因此测量在由设置有物镜(objective)的阵列传感器所覆盖的最终场的整个高度周围的分布。在这个配置中，由光源产生的光束垂直于三角平面延伸，以便竖直地覆盖阵列传感器的场。

由于要监视的容器的几何形状和/或由于要测量的壁的内和外表面之间缺乏平行度，两个镜面反射的方向差异可能有几度的变化。因此，如图1所示，物品的几何形状可能引起入射光束撞击点位置的明显变化，使得反射光线C’、D’相对于光轴可能具有大的差异并且它们起始的点可能具有大的位置差异。另外，如图1A所示，要测量的壁的内和外表面之间平行度的缺失可能导致反射光线C”、D”相对于光轴具有大的差异。

从专利FR2069220中还可以知道测量物体厚度的方法，包括将窄的光束投射到物体上使得光束在物体的外面和内面上连续地产生少量的光。相对于物体来定位透镜以便形成由内和外表面直接反射或扩散地反射的光的真实图像，如同在屏上间隔开的两个集中的光点一样。使用诸如例如摄像机或图像分析仪的任何器件来测量这些点中两点之间的距离。

根据优选替代实施例，根据角度等于这些表面上的入射角来定位透镜使得不接收由内和外表面直接反射的光线。因为光没有以扩散的方式反射在壁上，所以这个意图形成扩散地反射光的真实图像的技术显然不能被用于监视瓶壁的厚度。

然而，这个专利提供了当设置透镜来收集直接地反射光线的情形。然而这个专利详细说明了在这种情形下，物体表面角度小的变化改变反射线的角度，需要透镜明显的运动来收集这个反射线。

因为移动透镜以收集反射线是难以想象的，所以这个专利中描述的技术在工业上不适用。

因此，出现了对大范围的容器操作和/或在由壁反射的光线明显偏差的条件下和/或在两个反射点的明显位置偏差的条件下，能够具有测量透明或半透明容器壁厚度的设备的需求。

然而，在设计诸如物镜的聚焦光学器件的领域中，极端的条件(尤其收集与光轴形成大角度的光线和/或起源于远离光轴的物平面的点，或者其他在图像传感器上较大的入射)导致光学像差和光损失，其对操作传感器或物镜是有害的或者其校正是昂贵和复杂的。

发明内容

本发明旨在对大范围的容器操作和/或在由壁反射的光线明显偏差和/或在两个反射点的明显位置偏差的条件下，通过提出测量透明或半透明容器壁厚的可执行的和经济的设备来找到对先前技术缺点的改进。

为了实现这个目标，一种用于测量透明或半透明容器壁厚的设备，所述壁被限定在外表面与内表面之间，包括：

-光源，产生被发送以根据入射角撞击所述壁的所述外表面的光束，使得所述光束的一部分被所述壁的所述外表面反射并且所述光束的一部分在所述壁中被折射然后被所述壁的所述内表面反射，

-具有一尺寸的光传感器，放置在检测平面上，并且收集光以将所述光转换为电信号，

-光学系统，用于在所述光传感器的所述检测平面上收集并且聚焦由所述壁的所述外表面和内表面反射的光束，

-处理单元，连接至所述光传感器并且适合于根据由所述光传感器传送的电信号来确定所述壁的厚度。

根据本发明，所述光学收集和聚焦系统依次包括被放置在由两个表面反射的光线的传播方向上的光轴上的以下部件：

-第一物镜，具有位于入射光束与所述壁的撞击点附近的物平面并且适合于收集由所述壁的所述外表面和内表面镜面反射的光束，

-至少半透明的扩散屏，位于所述第一物镜的像平面中，以便将由所述第一物镜收集的所述光束物理地表示为热点，

-第二物镜，在其物平面中具有所述扩散屏并且在其像平面中具有所述光传感器，以便在所述光传感器上产生所述扩散屏的图像，在所述扩散屏上区分所述热点。

另外，根据本发明的设备还可以包括以下额外特征的至少一个或/和两个作为结合：

-所述光学收集和聚焦系统将具有一尺寸的物场与具有一尺寸的所述光传感器结合起来使得Ci<0.5Co，并且将具有相对于所述光轴小于40°角度的入射光线传输至光传感器，

-所述第一物镜将所述壁和所述扩散屏与大于1并且优选地1.5左右的放大率相结合，并且能够在所述扩散屏上收集和聚焦以相对于光轴可以达到至少20°并且范围可达40°的角度进入其瞳孔的光线，

-所述屏是在本体内(in its bulk)扩散的或在其表面处是扩散的，所述散射被适配为使得由所述第二物镜来收集散射光线，

-所述光源产生垂直于所述三角平面的细长光束并且在正交方向上较窄，

-所述光传感器是优选地垂直于所述光收集和聚焦系统并且位于所述三角平面中的线性图像传感器，或者优选地垂直于所述光轴的图像阵列传感器。

-所述处理单元能够确定在由所述光传感器产生的所述图像中，由照亮所述扩散屏的两个光束产生的点的位置，并且能够从它们的间隔推断出在所述容器的至少一个部分中所述壁的厚度。

附图说明

通过以下参照被示为本发明目的的非限制示例、实施例的附图所做的描述，各种其他特征将变得显而易见。

图1是示出根据先前技术的设备缺点的示意图。

图1A是示出根据先前技术用于测量壁不平行的物体厚度的设备的缺点的示意图。

图2是示意性示出根据本发明用于测量被示为一部分的容器壁的设备的视图。

图3示出适用于如图2所示设备的用于收集和聚焦光束的光学系统的光学原理。

图4示出如图3所示的用于收集和聚焦光束的光学系统中光束行进的示例。

图5是根据本发明由测量设备得到的图像的示例。

具体实施方式

图2示意性地示出设备1，其可以检测在具有中心轴A的透明或半透明容器2上材料分布的缺陷。尤其从图2可以看出，每个容器2具有被限定的竖直壁3并且在外表面5与内表面6之间。

根据本发明，设备1适合于测量诸如玻璃容器(例如瓶子、罐或细颈瓶)的容器2的壁3的厚度。

有利地，设备1被适配为以便观察在容器的整个圆周上延伸并且具有沿着包围可能出现材料分布缺陷的区域的中心轴A截取的高度的检查区域。例如，检查区域对应于容器的凹边或肩台。

设备1包括适合于将光束9发送至容器的壁3上的光源8，光线L具有根据沿中心轴A截取的容器高度的一确定长度。例如，光源8是激光。在当检查区域是二维表面的情况下，沿着中心轴A截取的光线L的长度对应于检查区域的高度。

根据一角度来发送光束9使得光束9的一部分11由外表面5反射以及光束9的一部分12在壁3中被折射并且然后被壁的内表面6反射。这尤其从图2可以看出，发送光束9致使得到由外表面5反射的光束11和由内表面6反射的光束12。

设备还包括光传感器14，其借助于光学收集和聚集系统15能够收集分别由外表面5和内表面6镜面反射的光束11、12。当根据折射定律(Snell’slaws)由表面反射的放射物11、12沿着单一相同方向反射时，称该反射为镜面反射，即反射光束相对于法线与入射光束对称。换言之，在入射光束与表面的法线之间的入射角等于在反射光束与表面的法线之间限定的反射角。在后续说明书中将更详细说明的光学收集和聚焦系统15包括包含在三角平面中的光轴O，该三角平面还包含入射光束9的中间半径。光传感器14是优选地但不是排他地垂直于光学收集和聚焦系统15的光轴O同时位于三角平面中的线性图像传感器，或者是优选地但不是排他地垂直于光轴O的图像阵列传感器。作为线性或阵列照相机16的一部分的光传感器14将光转换为电信号。

照相机16被连接至获取和处理单元17，允许获取和处理由图像传感器14拍摄的图像。因为照相机16以及获取和处理单元17对本领域技术人员而言是已知的，所以这里不再进行更详细的描述。

检查设备1还包括系统18，用于设置容器2围绕中心轴A旋转一个回转，以便通过在容器旋转期间拍摄连续图像以允许沿着其整个圆周来检查容器。

图3示出光学收集和聚焦系统15的示例性实施例。光学收集和聚焦系统15将尺寸2.y的物场Co与光源14结合起来使得光传感器具有小于0.5倍的物场尺寸的尺寸Ci，即C_i<0.5.Co。光学收集和聚焦系统15包括：

-第一物镜21，使得其物平面位于入射光束9与壁3撞击点的周围的物平面并且适合于收集由壁的外表面5和内表面6反射的光束，

-至少半透明的扩散屏23，位于第一物镜21的像平面中，以便将第一物镜21收集的光束物理地表示为热点(hot spot)Ti，

-以及第二物镜25，包括作为物平面的扩散屏23以及作为像平面的光传感器14，以便在光传感器上产生扩散屏23的图像，在扩散屏23中区分热点。

在两个表面5、6反射的光束的传播方向上，第一物镜21、扩散屏23和第二物镜25被依次地定位在光轴O上。

第一物镜21将容器2的壁3和扩散屏23与大于1并且优选地1.5左右的放大率结合起来。

第一物镜21收集并且聚焦在扩散屏23上带有相对于光轴O的角度α进入其输入瞳孔的光线，角度α可以达到至少20°并且范围可达40°。由此第一物镜21收集由外表面5和内表面6反射的光线11、12。

扩散屏23物理地表示到达第一物镜21的像平面中的光束。换言之，由扩散屏23拦截的光束被在本体内散射或者在其表面中的一个表面处散射。因此由扩散屏23收集的光束被物理地表示为热点Ti。根据取决于屏23的扩散能力的发射片(emission lobe)，光在穿过扩散屏23之后传播。屏23的散射特性被选择为使得光特别地沿着光传感器14的方向散射。由此，通过从与光束的入射相反侧来观察扩散屏23，有可能在与发射片有关的角度下观察由此形成的热点。

第二物镜25有可能再次获得在屏上形成的热点并且在光传感器14上形成热点的图像。在这方面，第二物镜25的物平面是扩散屏23同时其像平面对应于图像传感器14的检测平面。

根据前述说明显而易见地，因为有光学收集和聚焦系统15，所以有可能得到大的观测场和大的孔径角。由此，光学收集和聚焦系统15传输远至光传感器14相对于光轴O范围可达40°角度的入射光线，同时结合侧尺寸为光传感器14侧尺寸至少两倍的物场。

图4给出由壁3反射的光束行进到远至光传感器14的图解。第一物镜21使得可以收集并传输分别由外表面5和内表面6反射的光线11、12，使得出射光线11’、12’分别形成在扩散屏热点T₁₁、T₁₂上。

再次拍摄在扩散屏23上形成的并且包括热点T₁₁、T₁₂的图像，以便借助于第二物镜25在光传感器14上形成图像。

图5示出由照相机16拍摄的图像I₁的示例，其中容器2相对于在所示示例中为阵列型的光传感器14具有确定的角位置。图像I₁一方面示出在外表面5上反射光线11的物理表示导致的热点T₁₁的图像I₁₁，另一方面示出在内表面6上反射光线12的物理表示导致的热点T₁₂的图像I₁₂。热点T₁₁、T₁₂的图像I₁₁、I₁₂沿着具有对应于容器的检查区域高度的中心轴A长度的两条光线出现在图像I₁上，并且发现图像I₁₁、I₁₂沿着垂直于轴A的方向彼此间隔开与壁3厚度一致的距离。应该注意到在线性光传感器的情形下，热点的图像I₁₁、I₁₂作为由与壁3厚度一致的值隔开的两个光点出现。

获取和处理单元17被适配为以便当旋转容器2一个回转时拍摄容器2的壁3的连续图像。换言之，获取和处理单元17每隔确定的旋转步(例如，根据容器2的圆周，大约1mm的级别)来拍摄两个连续图像。常规地，获取和处理单元17通过查看厚度测量值之一是否小于临界最小厚度值来处理厚度测量。在至少一个厚度测量值小于临界最小厚度值的情形下，获取和处理单元17传送缺陷信号允许将容器报告为有缺陷的。

因为在不偏离本发明范围内可以对本发明进行各种修改，所以本发明不限于所述和所示示例。

Claims

1.一种用于测量透明或半透明容器(2)的壁(3)的厚度的设备，所述壁(3)被限定在外表面(5)与内表面(6)之间，包括：

-光源(8)，产生被发送以根据入射角撞击所述壁(3)的所述外表面(5)的光束(9)，使得所述光束的一部分被所述壁的所述外表面(5)反射并且所述光束的一部分在所述壁中被折射然后被所述壁的所述内表面(6)反射，

-尺寸为Ci的光传感器(14)，放置在检测平面上，并且收集光以将所述光转换为电信号，

-光学系统(15)，在所述光传感器(14)的所述检测平面上，用于收集并且聚焦在所述壁的所述外表面和内表面上反射的光束，

-处理单元(17)，连接至所述光传感器(16)并且适合于根据由所述光传感器传送的电信号来确定所述壁(3)的厚度，

其特征在于，所述光学收集和聚焦系统(15)依次包括被放置在由两个表面(5、6)反射的光线的传播方向上的光轴(O)上的以下部件：

-第一物镜(21)具有位于入射光束(9)与所述壁(3)的撞击点的附近的其物平面，并且适合于收集由所述壁的所述外表面(5)和内表面(6)镜面反射的光束，

-至少半透明的扩散屏(23)，位于所述第一物镜(21)的像平面中，以便将由所述第一物镜收集的所述光束物理地表示为热点(Ti)，

-第二物镜(25)，在其物平面中具有所述扩散屏(23)并在其像平面中具有所述光传感器(14)，以便在所述光传感器(14)上产生所述扩散屏(23)的图像，在所述扩散屏(23)上区分所述热点。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述光学收集和聚焦系统(15)：

-将一尺寸(2.y)的物场Co与尺寸为Ci的所述光传感器(14)结合起来使得Ci<0.5Co，

-将具有相对于所述光轴(O)小于40°角度的入射光线传输到远至所述光传感器(14)。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述第一物镜(21)将所述壁和所述扩散屏(23)与大于1并且优选地1.5左右的放大率相结合，并且能够在所述扩散屏(23)上收集和聚焦以相对于光轴(O)可以达到至少20°并且范围可达40°的角度进入扩散屏(23)的瞳孔的光线。

4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述屏(23)在本体内扩散或在表面处扩散，散射被适配为使得由所述第二物镜(25)来收集散射光线。

5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述光源(8)产生垂直于三角平面的细长的并且在正交方向上较窄的光束(9)。

6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述光传感器(8)是优选地垂直于所述光收集和聚焦系统(15)并且位于所述三角平面中的线性图像传感器，或者优选地垂直于所述光轴(O)的图像阵列传感器。

7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述处理单元(17)能够在由所述光传感器(14)产生的所述图像中，确定由照亮所述扩散屏(23)的两个光束产生的点的位置，并且能够从它们的间隔推断出在所述容器的至少一个部分中壁(3)的厚度。