CN108474732A - 测量高速移动的弯曲物体上沉积涂层厚度的不依赖于物体位置的方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了测量移动物体上涂层厚度的方法和装置。在物体上预定位置处将光引导到物体，使得一部分光与物体相互作用。拍摄至少一个波长通道的ID和/或2D最大强度，其由与物体相互作用的那部分光产生。将测得的该波长通道的平均强度和/或多个波长通道几何特征的强度及其算术衍生结果转化为ID(平均)和/或2D厚度值。基于这些值评估涂层的可接受度并计算厚度。

Description

测量高速移动的弯曲物体上沉积涂层厚度的不依赖于物体位 置的方法
相关申请的交叉参考
本申请涉及2016年1月7日提交的题为“测量高速移动的弯曲物体上沉积涂层厚度的不依赖于物体位置的方法”的第62/275,912号美国临时申请并要求其权益，其内容通过参考完整地纳入本文以用于所有目的。
发明领域
本发明涉及在线生产中移动的容器上沉积的涂层的厚度的光学测量方法和装置。
发明背景
在形成玻璃容器的过程中，玻璃容器外部通常施涂金属氧化物涂料。这种涂料可包含锡、钛或者其他反应性金属化合物或有机金属化合物，可用来保护玻璃容器免受表面损伤，如磨伤和擦伤，所述损伤导致玻璃容器损失抗张强度。玻璃容器的高抗张强度是有利的，特别是在以下情况下：大批量生产容器，容器极为贴近地沿着高速传送线快速移动，装有在容器内会产生气压的碳酸饮料、食物等，并装运。
金属氧化物涂料通常在玻璃容器以受热并完全成型的状态从玻璃器皿成型机中出来的时候施涂，也就是在系统“热端”施涂。传送机将容器从成型机送走。玻璃容器表面存在超过400摄氏度的温度，所以，当向其施涂可热分解的无机金属或有机金属化合物时，该化合物会立即反应并转化为金属氧化物涂层。
在形成玻璃的过程中，宜定期检查涂层。目前的质检程序通常涉及离线过程。在容器冷却到低于约100摄氏度之后(在系统“冷端”)，定期将一个或多个容器从生产线拉出来。然后测量金属氧化物涂层厚度，以确定厚度是否处在厚度容差范围内。若厚度超出容差范围，则必须检测最后一次成功检测以来所生产的其他容器，以确定工艺何时偏离规范，不合格容器可以销毁。例如，样品容器可每4-8小时检测一次。若每分钟形成约400-500个瓶子(或者每小时约25000至约55000个瓶子)，生产4小时后才发现涂层缺陷可能导致存货损失严重。同样重要的是要注意到，合格厚度与不合格厚度之间的差异可能小到5CTU，具体取决于制造商的规范(CTU＝涂层厚度单位，1nm约等于3.45CTU)。因此，瓶子生产工艺需要高度可复制的超灵敏技术。
有多种方法探测待检物体中的缺陷。
第4,651,568号美国专利涉及玻璃瓶检查方法和装置，其采用声波脉冲探测缺陷。声波距离和缺陷测量设备首先受限于声波的有效耦合，其次受限于物体尺寸。最后的限制直接与形成解析良好的脉冲有关。该缺陷将声波对固态物体上涂层厚度的探测限制到大于0.1mm,但无论如何可能需要低于5nm的厚度精度。
WO 2004/065902涉及基材如瓶子上涂层的无接触测量方法和装置，其基于对反射自容器表面的紫外辐射的捕集。该系统受限于光谱的UV区，因为它依赖于低于约350nm的玻璃吸收性质，图1中透明火石玻璃的透射光谱说明了这一点。对于低于320nm的波长，玻璃一般透射不超过约10％的入射光。参见图2，对于圆柱形玻璃容器，可能发生多种反射：(1)在可能被涂覆的第一玻璃“壁”的外表面处；(2)在第一“壁”的内表面处；(3)在容器相对“壁”的内表面处；(4)在玻璃容器相对“壁”的外表面处。由于低于320nm下的低透射率，反射2-4将会非常弱，可忽略不计，因而只须考虑来自第一界面的反射。但是，对于大于320nm的波长，所有四种主要散射光线将会合并在反射光学元件中。仅机理1与第一界面处的涂层厚度直接相关。其余的机理增加测量系统的噪声。因为玻璃容器不是完美的圆筒，所以噪声水平将会增大；事实上，多数玻璃容器可用横截面的n边形描述，如图3A-B所示。该事实使分析反射光变得复杂。因此，申请WO 2004/065902中描述的方法受限于UV，其中来自次表面的多数信号因强吸收而可忽略不计；该方法仅对320nm附近或以下的波长真正有效。320nm光学机构的搭建成本很高，需要一些特殊的光学元件、探测器和光源。该方法的另一限制是作者所展示的测量依赖于距离。在正常生产条件下，容器很少在传送带中央完美对齐。恰恰相反，瓶子在垂直于中心线的任一方向上可能变化数英寸，图4。该不一致性会导致容器与位于传送带附近的任何测量设备之间的距离存在相当的变化。距离变化会造成噪声水平进一步增大，这必须通过额外的定位系统或者厚度测量中复杂的校正来解决。此外，在该发明的权利要求书中，作者严重依赖于激发光束与进入光纤的反射光束的外耦合和耦合。我们在厚度测量点测出超过70℃的温度，使多数光纤耦合因光纤中的环氧失效而变得不可用。
美国公开第2009039240号是使用UV激发源和用积分球收集的反射光测量厚度的改进技术。该途径成本高，因积分球尺寸而难以实施。积分球中用来制备反射表面的多数粘合剂(PTFE,等)在高于70℃时开始失效，使其不能用于瓶玻璃厂的环境。此外，由于长期持久的瞬时响应和测得的由多处漫反射引起的信号“脉冲展宽”，积分球用作稳态设备。同时，典型的600个瓶子/分钟的玻璃生产厂可能要求探测时间短于5毫秒。该途径预计也受容器与测量系统探测器之间可变距离的影响。
美国专利申请公开第2013/0222575号涉及玻璃瓶检查装置和方法，其借助于一个或多个照明单元和至少一个照相机，通过成像过程探测玻璃瓶上的缺陷。
美国专利申请公开第2009/0148031号涉及表面检查装置，其利用检查光扫描在检物体表面，从表面接收反射光，基于反射光生成物体表面的二维图像。该装置将二维图像的像素分为其色调对应于物体表面上的缺陷的像素和其色调不对应于物体表面上的缺陷的像素。
美国专利申请公开第2004/0065841号涉及检验塑料容器上涂层厚度的方法和装置，其用紫外光照射容器，使之穿过容器到达一个或多个紫外光传感器，基于通过容器的紫外光的量确定厚度。
第6,252,237号美国专利涉及经涂覆表面上涂层厚度的测量方法，其利用光敏元件的固态阵列测量荧光涂料组合物发射的光，测量涂料组合物的强度。
第6,646,752号美国专利涉及超薄栅氧化物层厚度的测量方法和装置，其利用热处理和椭偏仪技术。椭偏仪技术是非常灵敏的技术，要求高质量的层构造，信号中只能有非常少的漫射光散射成分。它还需要相当长的时间获取反射信号。由于图3中瓶子表面上存在具体缺陷和不规则性，漫射光成分变得相当多。因此，它不可能用于在线涂层表征。
第5,208,645号美国专利涉及圆柱形物体周围涂层厚度的测量方法和装置，其利用平行光线在垂直于样本长度的方向上辐射物体，并测量由样本衍射并通过图像探测设备接收的光的光强度峰值水平。
第5,991,018号美国专利涉及检查涂层的厚度或退化情况的装置，其利用图像拾取单元接收反射光或透射光。图像拾取信号与参考公式比较，以确定涂层厚度。该检查装置可在生产线上测量涂层厚度。此技术受限于30-60度的反射几何特性。为获得完美的照明性质，它还要求以某种方式对入射光进行调适。它还依赖于参比光束的存在。它还限于厚度大于40nm的涂层。例如，对于厚度为零和45nm的容器，双色值X和Y的变化分别为小于7.3％和9％的变化。由于图3所示瓶子的复杂光散射，这些小变化在测量误差范围内。
目前付诸实践的光学厚度测量方法最常使用美国玻璃研究公司(AGR)供应的计量器具，该方法采用折射率匹配流体，利用直接接触测量途径，为环境温度附近(例如＜100℃)的静态瓶子提供了薄涂层厚度(例如小于约20nm)的准确测量，并且准确识别出涂层厚度的小变化。同时，在线生产过程中，在系统“热端”准确测定涂层厚度也是非常需要的，例如用来将涂层保持在规定的容差范围内并减少存货损失。
发明概述
发明人已开发出测量移动物体上涂层厚度的非接触技术。该技术的多个方面能够在例如瓶子表面至光学探测器机构的较大距离(例如＞5cm)上准确测量弯曲表面上涂层的厚度。该技术依赖于对反射光和透射光的同时快速探测，所述反射光和透射光从移动物体表面记录(例如以<1m/s的速度移动)。软件在小于5毫秒的光束时间范围识别瓶子位置。该技术对通常存在于制造设施如玻璃容器厂内部的环境光基本上不敏感。在一些情况下，该技术能够表面温度为400-600℃的热物体的厚度。
本发明的一个方面可体现于测量物体上涂层厚度的装置。该装置包含至少一个光源(101)和多个探测器。一个探测器测量反射光(103)，一个探测器测量透射光(104)。对于本发明的一些方面，透射探测器(104)可省略。入射光和探测器的位置可在瓶子高度上变化，如图5A所示。至少一个光源构造成在物体上预定位置处将光(偏振和/或非偏振)引导到物体，使得一部分光与物体相互作用。收集反射信号的探测器构造成拍摄图像，该图像由与物体相互作用的那部分光产生，并具有至少一个一维(1D)或二维(2D)颜色通道。构造成拍摄透射光的探测器是1D探测器。测量设备包含至少一个波长通道。波长通道可以是设计用来测量窄波长范围内强度变化的探测器。例如，装配有窄通带滤波器(405±10nm)的Si快速响应探测器仅允许拍摄来自405±10nm激光源的强度。每个波长通道的波长宽度可根据本发明的具体实施方式变化。在一个实施方式中，利用数据平均化策略，1D信号或2D信号被直接转化为适用于瓶子涂层的厚度测量，本领域技术人员根据本文的描述将会理解所述数据平均化策略。
本发明的另一个方面可体现于测量物体上涂层的2D厚度图的方法。在此实施方式中，2D绘图是指在预定表面区域内测量厚度变化。在物体上预定位置处将光引导到物体，使得一部分光与物体相互作用。拍摄2D强度图像，如照相机所生成，其具有至少一个颜色通道。该强度图像随后转化为预定表面区域内涂层的厚度图。此途径允许明确获得弯曲表面上涂层的2D厚度图。此途径还可包括使用两个、三个或n个波长通道探测器，以探测来自物体的光，如常规颜色照相机(3通道机构)和n通道电荷耦合器件(CCD)光谱仪。
附图说明
当结合附图阅读以下详细描述时，由该详细描述可理解本发明。需要强调，按照一般做法，附图中各个特征可能不是按比例绘制。相反，为清楚起见，各个特征的尺寸可能任意放大或缩小。此外，附图中相同的数字标记用来表示相同的特征。附图包括以下各图：
图1是火石(透明)未着色玻璃瓶的透射谱。
图2是说明入射光在不同容器表面上的散射机理的示意图。
图3A是完美容器的横截面区域。
图3B是现实生活中的容器横截面区域，说明一般性玻璃瓶的类似于具有多个面的多边形的表面。
图4是玻璃传送机上的俯视图，显示了瓶子沿着传送机的可变位置的示例。
图5A是沿平行于圆柱形表面法线方向绘制的测量机构的部分示意图的示例。
图5B是测量瓶子厚度的部分光学机构的示例，其采用相对于圆柱体表面上绘制的法线以小角度入射的光。
图6是用于测量瓶子表面上涂层厚度的光学机构的总体示意图。
图7A是全部四种反射(图2)的强度随火石玻璃瓶涂层厚度的变化。
图7B是反射1和2(图2)的强度随火石玻璃瓶涂层厚度的变化。
图7C是反射1(图2)的强度随火石玻璃瓶涂层厚度的变化。
图8A是测得的SnO2涂层厚度[CTU]随瓶子与探测器之间距离的变化。
图8B是厚度的百分比变化[％]随瓶子与探测器之间距离的变化。
图9A是蓝色(456nm)与绿色(556nm)的波长通道比随涂层厚度变化的示例，所述涂层厚度通过AGR测量在琥珀玻璃瓶上测定。
图9B是绿色(556nm)与红色(663nm)的波长通道比随涂层厚度变化的示例，所述涂层厚度通过AGR测量在琥珀玻璃瓶上测定。
图10A是到瓶子的距离随(绿色加红色)/2光束尺寸的变化。
图10B是涂层的预计厚度随AGR测得的涂层厚度的变化。实线显示相对于数据拟合的直线±50,±10和±5％的误差。
图11A是光学机构的示意图。
图11B是光学机构图(图11A)的放大部分，聚焦于抛物柱面镜以及激光与瓶子相互作用的区域。
图12是被圆柱形物体反射前(左)和反射后(右)应用垂直狭缝改变激光光斑形状的示意图。图中示出了入射光束和反射光束。
图13是光学机构中反射3和4发生阻挡的区域。
图14是光学系统的放大示意图，该光学系统设计成在可变光圈后面将反射光束1和2彼此分离。
图15呈现了阻挡光束3,4的另一种方式。
图16A是分别为中心位于325,454(红色),545(绿色)和633(蓝色)nm波长的4个波长通道计算的反射率随SnO2涂层厚度变化的图示，采用圆形偏振入射光。
图16B显示了不同入射角下计算的蓝色(454nm)波长通道强度随涂层厚度(单位为CTU)变化，采用s偏振光。
图17是说明通过实验确定的用于单色(蓝色)波长通道强度的厚度校正曲线的图示，利用用于琥珀玻璃瓶的反射机构(图6)。
图18是说明琥珀玻璃瓶的蓝色与红色平均反射光强度之比随SnO2涂层厚度变化的图示。
图19A-B是以0.75-1m/s的速度移动的瓶子的时间响应。用“黑色”和“灰色”方案记录了反射和透射信号。
图20是激光功率百分比变化随激光温度的变化。
图21是瓶厂的试验样品，显示了约6000个瓶子的计算涂层厚度。
详细描述
下面将结合各图描述示例性装置。图5A是功能框图，显示了用于测量物体120上涂层的膜厚的装置100。装置100可包含至少一个光源101。如此图所示，可沿容器物体的光在任何位点引导光源。系统可配备1D探测器。1D探测器是一种平坦表面元件，该平坦表面元件对其表面上的所有入射光强度求积分，而不对探测器表面上的具体光位置求微分。对于透射通过容器的光斑，所产生的积分强度信号在物体后面测量。对于反射光，可采用探测器(103)，利用几种形式的光学几何方案。在本发明的一些实施方式中，需要空间分辨厚度图，选择2D探测器(103)。2D探测器是像素化表面探测器，它根据光斑在探测器表面上的空间位置对光斑强度求微分。该探测器能同时在两个维度上收集多达三个不同的波长通道。在本发明的另一个实施方式中，用一个或两个1D探测器收集积分光强度。每个1D探测器在窄波段具有显著灵敏度。物体120可置于传送带122上，可以预定速度移动经过光源101。物体120可包括透明玻璃和/或有色玻璃。物体120可包含设置于其上的涂层，涂层的膜厚可通过装置100测量。
偏振和/或非偏振光源101可构造成产生可见光谱和/或IR光谱内的至少一个光束。来自光源101的光束可通过任何合适的光学组件(未示出)如透镜、分束器、平面镜等聚集和/或导向，以与物体120相互作用。在一些实例中，来自光源101的光束可被引导通过物体120，如图5A所示使用透射探测器104的测量光束。入射角可从垂直于瓶表面(零度)变化到例如±20度，如自圆柱形表面的法线所测，图5B。在一些实例中，来自光源101的光束可设置成从物体120反射，如反射光束被引导到探测器103，图5A-B。测量光束101可设置成通过扫描物体120的表面在预定测量位置与物体120相互作用。
波长强度通道探测器103可构造成拍摄具有至少一个颜色通道的图像。在此情况下，作为2D探测器的一个例子，单波长通道设备可以是但不限于装配有过滤器的探测器，其限定所测光或单色照相机的波长灵敏度范围。在一些情况下，它可由至少两个波长敏感探测器组成。在此情况下，利用动态过滤器或一系列分束器和/或二向色镜，反射光将被分成不同的波长通道。在一些情况下，这种多波长通道探测器可包含多个通道，如1D或2DCCD照相机。在一些情况下，这些多波长通道探测器可位于单一设备内，如彩色照相机，具有R、G和B波长颜色通道。在一些情况下，多波长通道中的每个波长通道可位于分开的罩蔽组件内，如独立的装配有滤光器的1D或2D照片探测器。反射光图像可由测量光束与物体120在预定测量位置相互作用产生。颜色通道可包括近UV(315-400nm)、可见光(400-700nm)和/或IR光(>700nm)光谱内的波长。在一个实例中，颜色通道可包括三色通道，包括红色、绿色和蓝色通道。探测器103可包括但不限于电荷耦合器件(CCD)探测器或互补金属氧化物半导体(CMOS)探测器。在一些实例中，探测器103可包括其上设置有至少两个不同滤色器的单色探测器，以在反射图像中获得该至少两个颜色通道。在一些实例中，探测器103可构造成同时拍摄对应于多个测量位置的多个图像，图5A-B。在一些实例中，可用两个或更多个探测器103同时拍摄多个图像，图5A。
本发明的各个方面涉及物体上所设置的膜涂层的厚度的测量装置和方法。该装置可包括至少一个偏振和非偏振光源、探测器和连接到至少一个探测器的测量设备。所述光源可构造成在物体上预定位置处将偏振和/或非偏振光引导到物体，使得一部分光与物体相互作用。与物体相互作用的该部分光在本文中称作相互作用光。如本文所用，术语“光的部分/部分光”包括光的全部或少于光的全部(例如一定百分比)。探测器可构造成获取至少一个波长颜色通道的强度。每个波长通道对于在窄波长范围内探测反射/透射光是灵敏的。这些波长通道的典型例子是R、G和B颜色通道，透射强度最大值分别在454,545和633nm。在本发明的一些实施方式中，波长通道装配有偏光器，所述偏光器可探测s-和p-偏振光信号。在一些实例中，至少一个波长通道包括1D(探测器)或2D(单色)照相机。探测器装配有非偏振或偏振光学过滤器，所述光学过滤器用于在窄波长范围内收集来自经涂覆的物体的反射/透射光，所述窄波长范围由光学过滤器的性质限定。在一些实例中，多波长通道探测器可由两个1D探测器或一个两波长通道照相机组成，该两波长通道照相机具有两个选定的波长范围，作为例子，如R和B。在一些情况下，测量设备包括三波长通道探测器。1D探测器和常规彩色照相机红色、绿色和蓝色通道。测量设备可确定每个通道的平均光强度，以及至少一个颜色通道的直方图表达中的光强度分布。测量设备在1D探测器的情况中可确定厚度，或者在2D照相机的情况中可确定2D厚度图。这些测量将根据所确定的测量结果确定物体上涂层的可接受度。
装置100可构造成涂料施涂系统的一部分，该系统具有至少一个喷射器，以及附连于涂覆系统组件的系统附加设备。例如，光源101和探测器103,104可设置在涂覆系统中的喷射器下游，或者紧随涂覆系统出口之后。涂覆系统可用来通过喷射器将保护膜涂层施加到热玻璃容器上。涂覆系统126可将玻璃容器与环境条件隔离开来，可提供受控的涂覆操作气氛。涂覆系统可包括排放系统(未示出)，该排放系统捕集大部分被空气夹带的未附着到容器上的涂料配混物。排放系统可最大程度减少涂料配混物侵蚀建筑构件的机会。涂覆系统可包括诸如鼓风机、鼓风槽和/或吸气槽这样的组件，以产生一圈或多圈高速空气，使得涂料配混物被喷射器分配，夹带在空气流中，并被恰当地引导到要涂覆的物体120。专利申请第PCT/US2013/037520号公开了用于容器的合适涂覆系统，其内容通过参考完整地纳入本文。
可以预见，装置100可构造成连接至全球信息网络，例如因特网(未示出)，使获得的强度、图像和/或厚度分析结果也可传输至远程位置，用于处理和/或存储。
现有的发明在厚度测量中具有高噪声。本发明利用多种新途径减少噪声，将反射信号提供给能够在可见光谱范围内工作的不依赖于距离的技术。
在一种途径中，通过从信号中消除散乱反射来减少噪声。如图2所示，光束与透明的“火石”玻璃容器相互作用产生四种主要反射。在四种反射中，只有第一种反射与在瓶子前面测定的透明涂层厚度有关。反射2和3代表噪声，反射4与瓶子相反侧的涂层厚度有关。对于完美的圆柱形物体，这些与反射相关的噪声可以被平均掉。然而，由于玻璃容器通常具有非完美的圆柱形结构，如图3B的物体横截面所示，这些噪声反射不能被平均掉，在给瓶子上涂层厚度的测定制造困难方面起了相当大的作用。具体而言，由于瓶子内侧和外侧的不规则和缺陷，反射1-4仅部分传递到探测器。例如，图6所示的机构用于收集来自圆柱形火石玻璃瓶表面反射的光。图7A绘出了所收集的反射强度随涂层厚度变化的情况，所收集的反射强度与涂层厚度有关，包含全部四种反射成分。反射光的强度随涂层厚度增加而增大。然而，由于全部四种反射的存在，在测量中观察到相当高的噪声水平。将反射强度对涂层厚度的依赖关系拟合成直线，R2值为83.6％。
其次，引入本发明所述的反射光束阻挡技术。对此这种机构，利用光学机构去除反射3和4，测量反射1和2之和，图6。图7B显示了所得到的随涂层厚度变化的反射强度校正曲线。测量噪声大幅度减小。将反射强度依赖性拟合成二次多项式，R2值为97.78％。在厚度相对接近(+10CTU)的涂层的探测中，噪声的去除带来相当大的改善。
第三，对图6所示的光学组件机构作出改进，进一步全部消除与反射相关的三种噪声2-4。将反射强度1相对于涂层厚度绘图(图7C)。用二次多项式拟合反射强度。该拟合具有R2＝98.3％的拟合品质。噪声水平的大幅度减小使0CTU与10CTU，10CTU与20CTU，20CTU与30CTU等涂层厚度之间的区分变得容易。这种高品质拟合允许在整个研究范围内，在±2-5％内确定涂层厚度。
本发明聚焦于减小非接触厚度测量的误差。这通过提供新颖光学设计系统去除与噪声相关的反射来完成。在四种潜在反射中，只有反射1与透明氧化物厚度直接相关，而反射2,3和4代表系统噪声。减少噪声的方法可在不必将激发波长切换到UV光谱区的情况下完成。大多数现有发明通过最大程度减少透射通过瓶子的入射光来实现噪声反射的减少(图1)。图1表明，这可通过换用UV光来实现，因为此波长的光在瓶子内有高吸收。例如，参见WO2004/065902和US No.2009039240。除了使用波长等于或小于320nm的UV所带来的明显复杂性和安全问题外，激发源和光学透镜的选择有限且昂贵。此外，多数商业探测器在320nm这样低的波长下的灵敏度一般较低，这在这些系统中造成额外的噪声。
我们的发明利用可见光波长范围激发光源。这种光源不贵，且容易从多数商业光学元件供应商获得，例如索雷博公司(Thorlabs)。另外，多数光学元件具有减反射涂层，其功能已优化至可见光(400-700nm)范围，设计成将散乱反射减至低于0.5％。在没有减反射的情况下，或者在涂层设计不佳的情况下，如将400-700nm的减反射组件用于350±50nm的UV中，散乱反射增大至超过4％，这与待测量容器的反射相当。本发明设计成将多种可能的反射分离，图7A-C。所呈现的每种技术都是为了完整发明的一个方面的非限制性例子而显示的。此外，过去的教导一般都具有依赖于距离的信号性质，因而在测量时，反射强度随距离减小。这种性质迫使过去的方法要在贴近(约5cm)瓶子的地方进行，这在实际瓶玻璃厂传送带上是禁止的。本发明允许在距离瓶子0-30cm的宽距离范围内获得不依赖于距离的反射信号表现。在本发明的一个具体实施方式中，测量405nm激光的反射强度随探测器与瓶子之间距离的变化关系。将瓶子置于图6所示机构中的平移台上，该平移台允许调节距离。将激光送入并穿过离轴抛物柱面镜中的孔(焦距4-6英寸)。此光学设置允许消除过去的发明中观察到的“幻影”信号，过去的发明采用分束器机构，造成相当大的噪声。抛物柱面镜是不分光的，因而不受光色散效应的影响。抛物面透镜的离轴角是90度，允许快速、可靠的光学对准。这可与分束器机构(图5)作比较，在那里反射信号在分束器后面继续分叉。本设计和方法采用离轴抛物柱面镜，允许半点光源准直和会聚。来自抛物柱面镜的反射光被聚光透镜(图6)或第二抛物柱面镜(图11A)收集。将测得的强度转化为SnO2涂层的厚度(CTU)，图8A。然后，将厚度转化为图8B中的百分比厚度变化。从这些图可以看出，在本发明的此实施方式中，不依赖于距离的测量操作范围是0-15cm，其中厚度波动低于1％。该范围可进一步延伸到20cm，其中在15-20cm之间厚度减小5％。与“分束器设计”(图5)相比，这是显著的进步。
测量系统在垂直方向上远离传送带的进一步物理位移可避免温度对该机构中敏感的光学和电学元件的冲击。当传送带上的瓶子偏离它们的位置时(图4)，这还有助于避免系统与瓶子直接接触。虽然我们的光学设计有许多益处并且它相对于以前的设计有改善，但由于来自圆柱形物体的反射光束的发散性，反射光的完全收集在超过40cm时受到限制。
在本发明的另一方面，新型设计和方法允许获得不依赖于距离的瓶子涂层厚度以及“无标准”测量技术。现有的静态AGR技术要求使用“0”和“27”涂层标准来将电压读数校正为涂层厚度。在此实施方式中，对波长通道强度采用算术运算，例如，选用比例减小噪声，改善信噪比，开发不依赖于距离的厚度测量技术。例如，蓝与红、绿与红、蓝与绿波长通道比可用于测量涂层厚度。本发明不依赖于瓶子类型，因而不要求校正，并且与涂层厚度相关。它依赖于上述光学机构，图5A-B和图6。为蓝色与绿色和绿色与红色激发通道测得的反射强度比示于图9A和9B。在此情况中，激发光是用于与暖白光源连接的光纤的激发光。然而，它也可以是前面描述的任何其他光源。波长通道通过R(峰在663nm)、G(456nm)和B(峰在445nm)信号限定，所述信号用彩色照相机三通道2D探测器系统获得。在图9A-B中，所示比例随厚度增加。利用所开发的相关关系和机构构造，如图5A和图6所示，用多项式算法计算涂层厚度，该多项式算法对多数样品而言具有良好的相关度(±10％)，图10B。注意，无论何时，每个通道的每个反射强度都随瓶子到探测器的距离减小。强度比随着距离的变化而为常数。在此机构中，利用2D探测器的固有属性来确定瓶子相对于镜面对齐系统的位置的距离(图10A)。该距离通过用2D探测器对反射聚光的2D图像求积分来确定，所述图像在测量过程中拍摄以获得图像尺寸。利用稍微发散的反射光束尺寸，探测器上的光束尺寸将会与离开瓶子的距离关联起来。这样确定的从分束器到瓶子的原初距离可用来进一步改善瓶子涂层的厚度计算，如图9B中所做的那样。
实施例1
光源(101)可以是利用特殊组件的LED激光光源(404.6nm)，将其引导到移动的容器物体的表面上。在一些情况下，如图5A所示，它可相对于瓶子表面以接近90度的角度经过分束器。在一些情况下，激光可相对于在容器表面画的法线以0-15度的小角度被引导到容器表面。在本发明的一些情况中，将测量该光透射率的探测器置于容器104后面。在一些情况下，利用再导向和/或收集光学元件将反射光从容器引导到快速探测器。在一些情况下，窄波长光和/或一系列窄波长光源被引导通过抛物柱面镜对齐/收集系统中的孔，图6。相对于位于光源前的容器表面的法线，以不同角度对这些光源进行导向。瓶子表面反射的光被镜面对齐/收集系统收集，并被再次引导到光束阻挡和/或光束再导向光学元件。
一种代表性示意图示于图11A。激光被设计成相对于在瓶子表面画的法线以小角度进入抛物柱面镜中的孔，图11B。为了使此动作能够发生，反射镜中的孔具有圆锥形截面。此实施方式不限于圆锥形横截面，也可以由矩形横截面限定，矩形横截面将允许形成竖直对齐的光源。激光在进入抛物柱面镜中的孔之前可以调节。使光束穿过竖直狭缝和/或竖直对齐的柱面镜，可将光束转化为矩形(图11A和图12显示了光束轮廓)。设计一组水平狭缝，将其置于抛物柱面镜前面，使得反射光射到镜面之前(图11B)，减少来自容器相对壁的反射3和4(图2)的贡献。水平狭缝将光束形状转化为延伸的矩形，可变光圈消除了激光与抛物柱面镜内部孔相互作用造成的光的散乱反射，图11。将90度离轴抛物柱面镜对齐，将来自瓶子表面的水平面的反射光再引导到图的顶部。瓶子发出全部反射1,2,3和4。水平狭缝后面，反射1和2大部分存在，仅有少量贡献来自反射3和4。抛物柱面镜将反射1和2再引导到光再导向组件(分束器)，图10A。这些组件允许对初始收集的反射光取样并将其与去除反射的光作比较。例如，在此分束器之后收集总信号(1+2+3+4)。阻挡反射之后，通过从总和中减去反射2+3+4，就有可能重构反射1。在图顶部有可变光圈，它能使反射光束1-2与3-4几乎完全分离，图13。图7所示火石玻璃瓶的实验反射通过图10A所示的机构收集，其中反射1+2+3+4在分束器后面收集(图7A)。反射1和2在可变光圈后面收集，图7B。此实施例中观察到信噪比的大幅度改善。
可变光圈之后，特殊的光学系统允许进一步将反射1和2彼此分离。图14-15示出了此过程的示意性框图。这些分离允许进一步改善信噪比，图7C。当第1抛物柱面镜到瓶子的距离大于聚焦距离时，反射光束在镜面后会聚，将其几何形状从具有长水平轴的椭球形变成具有长竖直轴的椭球形。这种光学几何取向允许用竖直狭缝和可变光圈滤除反射3和4，图14-15。
实施例2
利用实施例1中所述的类似机构，不分离多种反射，在光学收集/再导向系统与瓶子表面的可变距离上测量琥珀玻璃瓶，该琥珀玻璃瓶具有事先通过标准AGR计量器具测量的涂层厚度。在探测器至瓶子的两个不同的距离范围内，计算已知的AGR涂层厚度与通过本发明的非接触探测系统测量的厚度之间的相关性。对于近探测器距离范围(7-32mm)，相关性具有98.4％的R2值。对于远探测器距离范围(150-185mm)，两种测量结果之间的相关性具有97.9％的R2值。因此，与探测器几乎接触容器(<1cm)时一样，利用本发明，当探测器距离瓶子最多20cm时，也容易得到类似的涂层厚度测量结果。
实施例3
对于反射光，图15A呈现了基于波长通道平均强度进行光学计算得到的涂层厚度的若干实例。基于琼斯矩阵形式体系和平坦的钠钙玻璃基材上SnO2涂层的色散参数，利用定制程序生成数据。利用已知的转换关系(3.45CTU＝1nm)，将SnO2涂层的厚度从纳米转换为CTU。此图中呈现了四个非偏振波长通道，考虑了325,454,545和663nm处的峰强度。每个通道的宽度选择为1nm。显然，基于二氧化锡涂层的色散参数，反射光的强度随着涂层厚度在0与50CTU之间增加而增加。用325nm波长通道展示出最大增幅。例如，对于325的最大值与最小值之比，B,G和R波长通道分别为3.7,1.73,1.38和1.24。在一些情况下，这些数值可以代表品质因数，显示出0-50CTU的厚度展宽上最大可能的信号比。此值越高，噪声对仪器机构的影响越小。
实施例4
在这下一个实施例中使用偏振光。偏振光有助于进一步改善品质因数。在此实施例中，使用图11A所示机构，其中p-偏振光的入射角从零变化到70度。利用类似于实施例1所述的技术，将反射光强度与涂层厚度相关联。对于具有0-80CTU厚度范围的SnO2涂层，p偏振光显示出的品质因数为9。对于入射角高于60度的涂层反射，p-偏振光提供了最高的品质因数(图16B)。
实施例5
在这下一个实施例中，利用图5A所示的反射机构测量蓝色(454nm)通道的强度，反射光束不分离。在此实施例中，相对于直径为62mm的琥珀玻璃瓶的表面，以零度角将非偏振(圆偏振)光引导通过分束器。利用分束器将来自瓶子的反射信号以90度角引导到彩色2D照相机。对不同厚度的瓶子进行表征，形成厚度校正曲线。理论数据与实验数据吻合得很好，图17。除了一个通道的平均强度测量外，还使用了两个波长通道。在一系列具有不同涂层厚度的瓶子上测量了蓝色和红色(663nm)波长通道。计算蓝色与红色的算术比，绘于图18。该比例随涂层厚度的线性增加与理论预计相关良好，图16A，也与实施例1所述的结果相关良好。基于强度比的本实验不依赖于瓶子距离。
实施例6
制造图6(单抛物柱面镜)和图11A(双抛物柱面镜)详细描绘的光学原型，并在单个瓶子上测试，瓶子在探测器前以0.75-1m/s的速度从左到右扫移。这些速度预计相当于以约600个瓶子/分钟行进的瓶子传送带。405nm激光的反射和透射光强度随时间记录于图19。当瓶子不在探测器前面时，透射激光强度用作入射激光功率的监控机制。计算机程序测量激光功率的改变，并调节计算的涂层厚度。此步是重要的，因为瓶厂生产线测定的激光温度变化相当大(图20)。当系统温度从25℃增加到76℃时，我们观察到激光功率下降高达35％。针对入射激光功率修正过的反射峰强度的最大值(图19)用来对具体瓶子的涂层厚度(单位为CTU)进行重新计算。在实际瓶玻璃厂，针对传递630个瓶子/分钟的传送带，利用此途径在线记录琥珀玻璃瓶的SnO2涂层厚度。在测试中，记录了100000个瓶子的厚度。图21显示了此研究的6000个瓶子样品。观察到瓶子厚度的一些波动。通过观察信号峰宽，去除了一些噪声数据(图19)。利用计算机算法去除特定宽度之外的峰，得到平均值约为35.5±0.5CTU的紧密(tight)数据点(图21)。除了时间-宽度峰修正外，将最大峰强度阈值设定为高于无涂层瓶子的最大值，由此去除一些散乱反射。这些途径有助于改善光学系统的信噪比。

Claims (20)

1.一种不依赖于到物体的距离的测量物体上涂层厚度的装置，所述装置包含：
至少一个光源，其构造成在物体上预定位置处将光引导到物体，使得一部分光与物体相互作用；
波长探测器，其构造成拍摄强度信号，所述强度信号由与物体相互作用的那部分光产生并包含至少一个通道；
与波长探测器连接的测量设备，其构造成：
基于所述至少一个通道中每个通道拍摄的平均最大峰值强度，确定所述至少一个通道的光的强度；以及
基于所确定的强度，确定物体上涂层的厚度和/或涂层的可接受度。
2.一种测量物体上涂层厚度的装置，所述装置包含：
至少一个指向物体的光源；
包含至少两个波长通道的多波长探测器，其构造成接收被物体表面反射或透射通过物体表面的一部分光；以及
连接至波长探测器的测量设备，所述测量设备构造成基于所述至少两个波长通道的最大强度的算术运算确定涂层厚度。
3.根据权利要求1的装置，还包含显示器，其构造成显示所确定的厚度、厚度图、所确定的厚度可接受的指征和所确定的厚度不可接受的指征中的至少一个。
4.根据权利要求1的装置，其中与物体相互作用的那部分光包括穿过物体的那部分光和被物体反射的那部分光中的至少一个。
5.根据权利要求1的装置，还包含：
与所述光源、所述波长探测器和所述测量设备连接的控制器，所述控制器构造成控制所述光源、所述波长探测器和所述测量设备，使得测量设备从对应于物体上多个位置的相应多个一维(1D)或二维(2D)图确定多个相对波长强度，
其中测量设备基于来自多个相对波长通道强度的平均最大波长强度确定物体上的涂层厚度，所述对应于多个位置的多个1D或2D强度图依序和/或同时拍摄。
6.根据权利要求1的装置，其中物体上的涂层厚度是基于所确定的相对最大波长通道强度与涂层厚度之间的预定关系确定的。
7.根据权利要求1的装置，其中光源构造成在包括可见光和红外光中的至少一种的预定波长范围内发射光。
8.根据权利要求1的装置，还包含位置探测器，其构造成通过测量2D探测器表面上反射光斑尺寸来探测物体处于预定位置。
9.根据权利要求1的装置，其中所述装置还包含穿过抛物柱面镜中的开口指向圆柱形物体的单激发波长源或多激发波长源；一组光学仪器，优选竖直狭缝和柱面透镜，其设置为改变光源的光斑，得到在穿过抛物柱面镜中的孔之前具有竖直对齐的长轴的半矩形形状；一组竖直狭缝，用来阻挡与反射2-4相关的反射噪声，并将与厚度相关的反射1传向收集光学元件；离轴90度抛物柱面镜，其构造成收集来自移动瓶子的反射光，并将其以基本上90度引导到探测光学元件，所述探测光学元件由聚光透镜形成，或者由第二抛物柱面镜与聚光透镜组合形成。
10.根据权利要求1的装置，其中所述装置还包含涂覆室。
11.一种测量物体上涂层厚度的方法，所述方法包括：
在物体上预定位置处将光引导到物体，使得一部分光与物体相互作用；
拍摄由与物体相互作用的那部分光产生并包含至少一个颜色通道的一维(1D)或二维(2D)强度图；
确定相对波长通道强度；
基于所确定的相对波长通道强度，确定物体上涂层的厚度和/或涂层的可接受度。
12.根据权利要求11的方法，所述方法还包括：
重复以下步骤：引导光、拍摄1D或2D强度图和确定物体上多个位置的相对最大强度；
确定物体上所述多个位置的平均最大相对强度；以及
基于所述平均相对强度确定物体上的涂层厚度。
13.根据权利要求11的方法，其中对应于所述多个位置的多个1D或二维2D强度图是依序和/或同时拍摄的。
14.根据权利要求11的方法，其中确定波长通道的相对强度包括：
产生至少两个颜色通道中每个颜色通道的1D和2D强度图中的至少一种强度图；
针对每个颜色通道确定相应波长通道强度的平均值；
基于所述波长通道的平均最大强度的算术运算确定涂层厚度。
15.根据权利要求13的方法，其中所述至少两个颜色通道包括至少三个颜色通道。
16.根据权利要求11的方法，其中与物体相互作用的那部分光包括穿过物体的那部分光和被物体反射的那部分光中的至少一个。
17.根据权利要求11的方法，所述方法还包括：
将每个强度图的特征与预定的缺陷阈值作比较，以及
当每个强度图的特征小于预定的缺陷阈值时，确定涂层厚度，
其中所述缺陷阈值通过测量强度颜色通道的宽度随时间的变化来确定；
其中所述缺陷阈值通过限制颜色通道的最大强度来确定，使得低于预定最大光强度的结果被舍弃。
18.根据权利要求11的方法，其中确定相对色偏还包括：
基于入射光强度的测量结果应用入射光强度修正值，其中物体上的涂层厚度基于入射强度修正过的反射波长通道强度来确定；以及
通过测量反射强度的时间-宽度来识别处在预定范围之外的色偏，由此应用测得的最大强度值修正。
19.根据权利要求11的方法，所述方法还包括：
呈现所确定的厚度、所确定的厚度可接受的指征和所确定的厚度不可接受的指征中的至少一个。
20.根据权利要求11的方法，其中确定厚度包括基于所述波长通道强度与涂层厚度之间的预定关系确定物体上的涂层厚度。
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