DD240777A1 - Verfahren und einrichtung zur messung des brechzahlprofils zylindrischer objekte - Google Patents

Abstract

Verfahren und Einrichtung zur Messung des Brechzahlprofils zylindrischer Objekte, insbesondere von Preforms. Ziel der Erfindung ist die Verringerung der Messzeit und die Erhoehung der Messgenauigkeit. Als Aufgabe steht die Angabe eines Verfahrens und die Schaffung einer Einrichtung, bei denen der zur Auswertung dienende Fotoempfaenger oertlich feststeht und das Messergebnis nicht von der Einstellung der Triggerschwelle beeinflusst wird. Die Erfindung besteht darin, dass das durch den Pruefling hindurchtretende Licht mit einer rotierenden Blende abgetastet wird und der Ort der Beugungsfiguren aus zweimaligen Triggern aus entgegengesetzten Abtastrichtungen bestimmt wird. Die Abtastung aus zwei entgegengesetzten Richtungen erfolgt mittels einer rotierenden Scheibe, die zwei mit archimedischen Spiralen begrenzte Durchbrueche aufweist. Fig. 1

Description

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben und eine Einrichtung zu schaffen, die es ermöglichen durch Abtastung die örtliche Lage von symmetrischen Beugungsfiguren in Abhängigkeit von der Strahleinfallshöhe zu ermitteln, wobei der zur Auswertung dienende Fotoempfänger örtlich feststeht, und das Meßergebnis nicht von der Einstellung der Triggerschwelle beeinflußt wird.

Erfindungsgemäß ergibt sich die Lösung dieser Aufgabe bei Anwendung des in Anspruch 1 formulierten Verfahrens unter Benutzung einer den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 2 entsprechend ausgebildeten Einrichtung zur Messung des Brechzahlprofils zylindrischer Objekte.

Hieraus ergibt sich der Vorteil, daß die Meßgenauigkeit bei der Bestimmung des Brechzahlprofils erhöht werden kann, da durch die zweimalige Triggerung der unsymmetrischen verwaschenen Beugungsfiguren das Meßergebnis nicht von der Höhe der Triggerschwelle beeinflußt wird. Die Aufnahme mehrerer Meßreihen zur Erhöhung der Zuverlässigkeit der Messung, sowie ein zeitaufwendiges Einstellen der Triggerschwelle mit speziellen zylindrischen Referenzobjekten können entfallen. Die Einrichtung ist erfindungsgemäß so aufgebaut, daß die Abtastung des durch das Meßobjekt hindurchtretenden Strahlenbündels bei gleichförmiger Drehung der Scheibe um ihre Achse erfolgt. Das Strahlenbündel wird damit über seinen gesamten Durchmesser linear mit den Drehwinkel der Scheibe in zwei entgegengesetzten Richtungen senkrecht zur optischen Achse abgetastet. Die Triggerung und elektronische Auswertung des modulierten Lichtes kann durch die gleichförmige Bewegung der Scheibe vorteilhaft mit der Drehzahl der Scheibe synchronisiert werden. Mechanische Störschwingungen, wie sie bei translatorisch bewegten Blenden vorhanden wären, treten bei der erfindungsgemäßen Einrichtung nicht in Erscheinung.

Ausführungsbeispiel

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt und zwar zeigen:

Fig. 1: ein Schema der erfindungsgemäßen Einrichtung Fig. 2: eine Darstellung der Scheibe zur Abtastung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht nach Fig. 1 aus einer Lichtquelle 1, aus einer spaltförmigen Blende 2, der ebenfalls in der optischen Achse 3 liegend ein Kollimator 4 nachgeordnet ist. Das auszumessende zylindrische Objekt, im Ausführungsbeispiel ein Preform 5, befindet sich von einer Immersionsflüssigkeit 6 umgeben in einer Küvette 7, die mit einer Translationseinrichtung 8 gekoppelt ist. Das Preform 5 ist im dingseitigen Strahlengang 9 senkrecht zur optischen Achse 3 und senkrecht zur Translationsrichtung 10 angeordnet. Entlang der Achse 3 sind der Küvette 7 ein Objektiv 11 nachgeordnet, in dessen bildseitiger Brennebene 12 im bildseitigen Strahlengang 13 eine lichtundurchlässige Scheibe 14 angeordnet ist. Die Scheibe 14 ist um eine Achse 15 drehbar gelagert, wobei die Achse 15 einen festen Abstand zur Achse 3 hat und parallel zu dieser liegt. Die Scheibe 14 ist mit einem rotatorischen Antrieb 16 gekoppelt. Dem Objektiv 11 nachfolgend sind in der Achse 3 eine spaltförmige Blende 17 angeordnet, hinter der ein fotoelektrischer Empfänger 18 sitzt. Der Empfänger 18 ist mit einer Auswerteelektronik 19 gekoppelt, die ebenfalls mit dem Antrieb 16 verbunden ist.

In Fig. 2 ist die Geometrie der als Blendenanordnung dienenden Scheibe 14 mit Sicht in Richtung Achse 3 dargestellt. Demnach besitzt die Scheibe 14 zwei Ausbrüche 20 und 21, die bezüglich der in Figur 2 senkrecht zur Darstellungsebene stehenden Achse 15 in zwei sich nicht überschneidenden Sektoren 22, 23 gegenüberliegen und eine radiale Breite 24 und 25 haben, die größer als der Durchmesser des Strahlenganges 13 ist. Die der Achse 15 zugewandte radiale Begrenzung 26 des Ausbruches 20 und die der Achse 15 abgewandte radiale Begrenzung 27 des Ausbruches 20 sind jeweils Teilstücke einer archimedischen Spirale mit ihrem Ursprung im Durchstoßpunkt der Achse 15 durch die Scheibe 14. Auf der Winkelhalbierenden 31 zwischen den beiden Sektoren 22 und 23 ist in radial größerer Entfernung als die Ausbrüche 20 und 21 eine schlitzförmige Öffnung 32 eingebracht.

Mit der gemäß Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Einrichtung kann das erfindungsgemäße Verfahren wie folgt durchgeführt werden: In der Brennebene des Kollimators 4 steht durch die Blende 2 ein beleuchteter Spalt, der ein schmales Parallelbüschel kleiner Apertur erzeugt. Dieses Büschel wird durch die Küvette 7 und die Immersionsflüssigkeit 6 hindurch vom Preform 5 winkelmäßig abgelenkt. In den Außenzonen wirkt die Küvette 7 mit der an die Mantelbrechzahl des Preforms 5 angepaßten Immersionsflüssigkeit 6 wie eine planparallele Platte ohne Winkelablenkung des schmalen Parallelbüschels. In der Mittelebene des Preforms tritt ebenfalls keine Winkelablenkung auf. Bei Verschiebung in Translationsrichtung 10 erzeugt das Preform in Abhängigkeit von der Durchtrittshöhe des Parallelbüschels seine sich selbst charakterisierende Winkelverteilung. Das nachfolgende Objektiv 11 hat eine Doppelfunktion. Einerseits formt es in seiner bildseitigen Brennebene 12 ein durch die Beugung an der inhomogenen Schichtung des Preforms 5 verwaschenes geometrisch-optisches Bild des Beleuchtungsspaltes, andererseits projeziert das Objektiv 11 rückwärts ein virtuelles Bild 28 der Blende 17 in die neutrale Ebene des Preforms 5, so daß zur Erzeugung von getriggerten Signalen nur Licht auf den Empfänger 18 fällt, welches aus der zugehörigen Preformschicht herangezogen wird. In der hinteren Brennebene des Objektives 19 rotiert zur Abtastung die als Blendenanordnung wirkende Scheibe 14, die aus zwei Richtungen kommend senkrecht zur Achse 3 das vom Preform zur Blende 17 laufende Licht unterbricht. Das wechselseitige Abtasten der Beugungsfiguren wird durch die Ausführung der Begrenzungen 26 und 27 der an- und absteigenden Ausbrüche 20 und 21 als archimedische Spiralen bewirkt. Während der Rotation der Scheibe 14 um die Achse 15 werden durch zweimaliges Triggern der Signale am Empfänger 18 Zählimpulse in der Auswerteelektronik abgeleitet.

In Fig. 1 sind in der Brennebene 12 stilisiert die Lichtintensitäten 29 und 30 für zwei unsymmetrische Beugungsfiguren dargestellt. Die gestrichelte Darstellung in Fig. 1 gilt für eine weitere Relativlage des Preform 5 bezüglich der Achse 3. Aus den Zählraten der Zählimpulse, die sich aus dem Zeitraum zwischen dem mittels der schlitzförmigen Öffnung 32 und außerhalb des Abbildungsstrahlenganges 13 fotoelektrisch erzeugten Startimpuls und den jeweils von den zwei verschiedenen Seiten durch Triggern der Empfängersignale an den Triggerpunkten 33 und 34 erzeugten Stopimpulsen bilden, ergeben sich aus der Auswerteelektronik 19 zwei in Fig. 1 dargestellte Entfernungsmaße a und b. Aus diesen Entfernungsmaßen a und b läßt sich trotz der unsymmetrisch schwankenden Verwaschungsbrejten die Mittelpunktslage der Beugungsfigur bestimmen, indem wie in Fig. 1 dargestellt in der Auswerteelektronik 19 der Wert %(b - a) gebildet wird. Die Auswerteelektronik 19 ist dabei mit dem Antrieb 16, dem Empfänger 19 und einer in Fig. 1 nicht weiter dargestellten fotoelektrischen Initiatoranordnung zur Generierung des Startimpulses verbunden und kann einen Rechner beinhalten.

Claims (2)

Patentanspruch:

1. Verfahren zur Messung des Brechzahlprofils zylindrischer Objekte, bei dem das Objekt mit einem von einem Spalt ausgehenden in einem Kollimator erzeugten parallelen Lichtstrahl beleuchtet wird und das Objekt zur Erfassung des Brechzahlprofils über den gesamten Durchmesserbereich quer zur optischen Achse relativ zum Lichtstrahl bewegt wird, bei dem das durch das Objekt hindurchgelassene Licht von einem Objektiv auf den Empfängerspalt eines lichtelektrischen Bauelements abgebildet wird, wobei aus dem Abstand eines Ortes definierter Intensität des hindurchgelassenen Lichtes von der optischen Achse für jede definierte Relativlage des Objektes die Brechzahl bestimmt wird, indem das Licht in einer Ebene nach dem Objektiv von einer gleichförmig bewegten Abtastblende so moduliert wird, daß sich der zeitliche Abstand der Signalflanken, die durch Triggern des modulierten Lichtes beim Erreichen der definierten Intensität entstehen, von den Signalflanken eines Startimpulses, der beim Durchgang der Abtastblende durch einen festen Ort entsteht, in Abhängigkeit des Abstandes besagten Ortes definierter Intensität des hindurchgelassenen Lichtes ähndert, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalflanken, die durch Triggern des modulierten Lichtes beim Erreichen der definierten Intensität entstehen, aus zweimaliger Triggerung gebildet werden, indem das Triggern jeweils an Orten definierter Intensität beim Abtasten des Lichtes von zwei entgegengesetzten senkrecht zur optischen Achse stehenden Richtungen erfolgt, und diese Triggersignalflanken zur Ermittlung der Signalflanken, die mit dem Ort des Schwerpunktes des hindurchgelassenen Lichtes korrespondieren, in einer elektronischen Auswerteeinheit verarbeitet werden.

2. Einrichtung zur Messung des Brechzahlprofils zylindrischer Objekte, bestehend aus einer Beleuchtungseinrichtung, die das von einer Lichtquelle durch eine spaltförmige Blende durchtretende Licht in Form paralleler Strahlen senkrecht auf das Objekt projeziert, wobei das Objekt mit seiner Achse senkrecht zur optischen Achse in einer Einrichtung zur Translation des Objektes quer zur optischen Achse und zur Objektachse angeordnet ist, weiterhin bestehend aus einem Objektiv, welches das durch das Objekt hindurchtretende Licht auf die Empfängerfläche eines hinter einem Spalt angeordneten fotoelektrischen Empfängers abbildet, weiterhin bestehend aus einer Blendenanordnung zwischen dem Objektiv und dem Empfänger, die senkrecht zur Objektachse und zur optischen Achse periodisch das durch das Objekt hindurchtretende Licht abtastet, und bestehend aus einer Auswerteelektronik, die mit dem Empfänger und der Abtasteinrichtung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Blendenanordnung aus einer lichtundurchlässigen Scheibe (14) besteht, die im Strahlengang senkrecht zur optischen Achse (3) in der Brennebene (12) des Objektives (11) angeordnet ist, die um eine Achse (15) drehbar gelagert ist, welche zur optischen Achse (3) einen festen Abstand hat und parallel zu dieser liegt, die mit einem Antrieb (16) zur Drehbewegung gekoppelt ist, die zwei Ausbrüche (20), (21) hat, welche bezüglich der Drehachse (15) in zwei sich nicht überschneidende Sektoren (22), (23) gegenüberliegen und eine radiale Breite (24), (25) haben, die größer als der Durchmesser des Strahlenganges (13) ist, wobei die der Drehachse (15) zugewandte radiale Begrenzung (26) des ersten Ausbruches (20) und die der Drehachse (15) abgewandte radiale Begrenzung (27) des zweiten Ausbruches (21) Teilstücke je eines Zweiges zweier gegenläufiger archimedischer Spiralen sind, deren Ursprung jeweils im Durchstoßpunkt der Drehachse (15) durch die Scheibe (14) liegt, und die auf der Winkelhalbierenden (31) in einem Sektor zwischen den zwei Ausbrüchen (20), (21) mindestens eine weitere schlitzförmige radial liegende Öffnung (32) zur Startimpulsgenerierung enthält, wobei die Öffnung (32) einen größeren radialen Abstand als die zwei Ausbrüche (20), (21) aufweist.

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Verfahren und Einrichtung zur Messung des Brechzahlprofils von zylindrischen Objekten, insbesondere von Preforms.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Zur Bestimmung des Brechzahlindexprofils transparenter Zylinderstäbe ist ein Verfahren und eine Anordnung bekanntgeworden, bei denen in einer optischen Anordnung über die Erfassung der Winkelablenkung eines Sondierungsstrahles in Abhängigkeit von seiner Durchtrittshöhe die Meßdaten ermittelt werden. Die Winkelablenkung wird aus einer anzumessenden Beugungsfigur erfaßt, indem die Beugungsfigur auf ein Differenzfotoelement abgebildet wird und dort örtlich in zwei Teilgebiete zerlegt wird. Ein Regler bewirkt eine Verschiebung des Differenzfotoelementes, bis daß die Trennkante des großflächen Differenzfotoelementes stets an einem Ort steht, wo die Teillichtströme beidseitig der Trennkante gleich sind. An dieser Stelle erfolgt auch die Bildung des Meßwertes zur Brechzahlbestimmung. Da der Regelvorgang mit der Verschiebung von trägen Massen verbunden ist, bedingt dies unakzeptabel lange Meßzeiten für die Bestimmung der Winkelablenkung in Abhängigkeit von der Strahleinfallshöhe. (DD 160 585) Bei einer weiteren bekannten Lösung wird das durch ein zylindrisches Objekt hindurchgelassene Licht mit einem Objektiv auf einen Empfängerspalt abgebildet. In der Brennebene eines Objektives befindet sich eine Einrichtung zur Lichtmodulation, so daß aus einer Zeitdauermessung die Winkelablenkung in Abhängigkeit von der Strahleinfallshöhe ermittelt werden kann. Die Zeitdauer ergibt sich aus dem Abstand von Signalflanken, die aus der Triggerung des durch das Objekt hindurchgelassenen Lichtes bei einer definierten Intensität entstehen, und die beim Durchgang der modulierten Abtastblenden durch einen definierten Ort abgeleitet werden. Das Verfahren arbeitet zwar mit erhöhter Geschwindigkeit, doch ist das Meßergebnis stark von der Wahl des Triggerpegels, wie zum Beispiel Halbspannung oder Nulldurchgang, abhängig. Die Ursache liegt in der Unsymmetrie der abzutastenden Beugungsfiguren bezüglich der Abtastvorrichtung. (WO 81/02 634)

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, den Zeitaufwand bei der Messung des Brechzahlprofils zylindrischer Objekte zu verringern und die Genauigkeit der Messung zu erhöhen.