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Verfahren und Vorrichtung zur optischen Fehlerauffindung an Werkstücken
od.dgl. Objekten Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Fehlerauffindung
an Werkstücken, insbesondere Flaschen, od.dgl.
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Objekten oder Teilbereichen davon, durch Beleuchten des Objekts und
Beobachtung bzw. Analyse des am Objekt reflektierten bzw. gestreuten Lichts.
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Ein typisches Beispiel für eine derartige Fehlererkennung ist die
Prüfung von Flaschen auf Fehler, Verunreiniguhgen, Waschrückstände usw. Es ist eine
Reihe von automatischen Verfahren zur Flaschenkontrolle vorgeschlagen worden, bei
denen verschiedene Methoden der Hellfeld- oder Dunkelfeldbeleuchtung
zur
Anwendung kommen; es hat sich jedoch gezeigt, daß mit solchen automatischen Prufanordnangen
insbesondere.
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kleine Fremdkörper oder feinverteilte Verschmutzungen nur ungenügend
erfaßt werden können. In der Praxis, z.B. bei der Prüfung gewaschener Bierflaschen
in Brauereien, kann deshalb auf die. mindestens unterstützende Kontrolle durch das
menschliche Auge nicht verzichtet werden. Hauptursache hierfür ist der zu geringe
Kontrast der bekannten Verfahren, d.h. die Unterschiede der von der sauberen und
unbeschädigten Flaschenwand und von einer Verunreinigung bzw. Fehlerstelle zum Lichtempfänger
gelangenden Lichtes ist für die zuverlässige automatische Auswertung zu gering.
Dies gilt insbesondere dann, wenn es sich um nicht opake Fremdkörper bzw. Fehlstellen
handelt, also z.B. Glassplitter in einer Flasche oder Sprünge und Absplitterungen
an der Flaschenwand oder -mündung.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Prüfverfahren anzugeben, bei dem
der Kontrast der durch Fehler des Werkstücks verursachten Lichterscheinung wesentlich
vergrößert wird, so daß eine vollautomatische Fehlererfassung möglich ist, aber
auch bei visueller Beobachtung die Fehlererkennung wesentlich erleichtert wird.
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Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß man das Objekt
mit kohärentem Licht (Laserlicht) beleuchtet, das.
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vom Objekt kommende Licht durch ein holographisches Filter treten
läßt und hinter dem Filter die durch die Wechselwirkung
des kohärenten
Lichts mit dem Filter entstehende Lichtverteilung beobachtet bzw. analysiert.
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Es wird also mit den Methoden der Holographie eine Diskriminierung
hinsichtlich des von Fehlstellen des Werkstücks gestreuten kohärenten Lichts bewirkt.
Man kann hierdurch hinter dem holographischen Filter eine Lichtverteilung bekommen,
die das Vorhandensein und gegebenenfalls auch die Lage von Fehlern des Werkstücks
wiedergibt, sei es in einer für das Auge besonders gut erkennbaren kontrastreichen
Form oder in einer sich für automatische Auswertung eignenden Form.
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Als holographisches Filter kann insbesondere ein Hologramm verwendet
werden, d.h. eine photographische Platte, auf der durch Überlagerung und Interferenz
von zwei kohärenten Strahlen, von denen der eine am Objekt gestreut bzw. reflektiert
wurde, ein Schwärzungsmuster erzeugt wurde, welches in verschlüsselter Form eine
vollständige Information über das Aussehen des Objektes enthält. In der gewöhnlichen
Holographie dient ein solches Hologramm üblicherweise dazu, um eine das Objekt dreidimensional
reproduzierende Abbildung zu erzeugen, und es wird zu diesem Zweck mit Laserlicht
durchstrahlt. Erfindungsgemäß erfolgt die Verwindung eines solchen Hologramms jedoch
anders. Das Hologramm wird unter Verwendung eines ersten Objektes, insbesondere
eines fehlerfreien Musterobjektes, hergestellt und dann als Filter im Weg des von
einem zweiten Objekt, insbesondere dem jeweiligen
Prüfobjekt, kommenden
kohärenten Lichtes angeordnet. Es wirkt dann als Filter, indem es einerseits diejenigen
Anteile des kohärenten Lichtes, die die Information über gemeinsame Merkmale der
beiden Objekte enthalten, und andererseits die Anteile, die Abweichungen des Prüfobjekts
vom Standard-Objekt entsprechen, in verschiedene räumliche Richtungen lenkt. Man
erhält dann eine Lichtverteilung, bei der bestimmte Bereiche normalerweise, d.h.
bei fehlerfreiem Prüfobjekt, dunkel-bleiben würden und nur beim Vorhandensein von
Fehlern Licht empfangen. Ahnliches läßt sich erreichen, wenn man das Hologramm nicht
von einem fehlerfreien Standardobjekt, sondern von einer typischen Fehlerstruktur
erstellt.
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Besonders vorteilhafte Verhältnisse kann man erhalten, wenn man das
holographische Filter in der Fourier-Ebene einer das vom Objekt kommende Licht parallelrichtenden
Optik anordnet. Bei Verwendung eines z.B. von einer typischen Fehlerstruktur erstellten
Hologramms kann man dann eine charakteristische Lichtverteilung erreichen, in der
die Lage von Fehlern durch helle Lichtpunkte gekennzeichnet ist. Es ist aber speziell
in diesem Fall nicht erforderlich, als holographisches Filter ein echtes Hologramm,
d.h. eine photographische Platte mit einem holographischen Schwärzungsmuster, zu
verwenden. Es kann für bestimmte Zwecke genügen, in der Fourier-Ebene eine einfache
Zonenblende anzuordnen, z.B. eine Blende, die nur den mittleren Bereich abdeckt
und Randbereich frei läßt. Eine solche Anordnung eignet sich insbesonders
dann,
wenn die aufzufindenden Fehler sich von der fehlerfreien Werkstücksoberfläche und
-form durch ihre Scharfkantigkeit und/oder Kleinheit unterscheiden.
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Zur Analyse des durch das Filter durchgetretenen Lichtes gibt es
verschiedene Möglichkeiten. Insbesondere, kann man das Licht mittels einer Optik
in eine Bildebene fokussieren, wobei man im allgemeinen einen zentralen Lichtpunkt
erhält, in welchem alles Licht, das von fehlerfreien Bereichen des Werkstücks kommt,
vereinigt ist. Eine Auswertung, z.B. integrale Messung, der außerhalb dieses zentralen
Lichtpunktes aufscheinenden Lichtverteilung gibt dann Aufschluß über das Vorhandensein
von Fehlern.
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Das Verfahren eignet sich bevorzugt für die Fehlererkennung an im
wesentlichen Oberflächen, d.h. an opaken Objekten ohne Strahlung aus größerer, räumlicher
Tiefe. Ein bevorzugter Anwendungsbereich ist die Erkennung von Ab8plitterungen od.dgl.
an Flaschensündungen. Bei durchsichtigen Objekten mit Strahlung aus größerer räumlicher
Tiefe können die Phasenunterschiede des in verschiedener räumlicher Tiefe gestreuten
Lichtes Schwierigkeiten bereiten. Es ist jedoch möglich, diese dadurch zu umgehen,
daß man mittels eines elektrooptischen Wandlers ein ebenes Bild des räumlichen Objektes
erzeugt und dieses in der beschriebenen Weise prüft.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens
ist gekennzeichnet durch einen Träger für ein Prüfobjekt, einen Laser, dessen Strahl
auf ein auf dem Trä ger befindliches Prüfobjekt oder einen Teilbereich davon gerichtet
ist, einen das von dem Objekt gestreute bzw. reflektierte Laserlicht in eine Bildebene
fokussierende Optik, und ein zwischen Prüiobjekt und Optik angeordnetes holographisches
Filter. Eine weitere Optik kann zwischen Prüfobjekt und Filter angeordnet sein,
und insbesondere kann das Filter in der Fourier-Ebene dieser weiteren Optik angeordnet
sein. Das holographische Filter kana insbesondere ein Hologramm, d.h.
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eine Photoplatte mit einem holographischen Schwärzungsmuster sein,
kann aber auch aus einer einfachen Zonenblende bestehen. Zum selbsttätigen Messen
der Lichtverteilung hinter der dem Filter nachgeschalteten Optik können ein oder
mehrere Lichtempfänger oder z.B. eine Bildabtastvorrichtung vorgesehen sein. Ferner
können ortsfeste oder bewegliche Blenden vorgesehen sein, um diejenigen Bereiche
der Lichtverteilung, in denen sich bei fehlerfreiem Objektsdas Licht konzentriert,
abzudecken und nur das außerhalb dieser Bereiche liegende, d.h. von Fehlerstrukturen
verursachte Licht zu messen.
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Die Erfindung und Ausführungsbeispiele zu ihrer Durchführung werden
im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Fig. 1 zeigen typische Strahlengänge bei der üblichen und 2 holographischen
Aufnahme und Wiedergabe.
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Fig. 3 zeigt einen weiteren, bei der üblichen Holo-- graphie möglichen
Strahlengang mit Anwendungsmöglichkeit bei der vorliegenden Erfindung.
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Fig. 4 zeigt schematisch das Grundprinzip einer Anordnung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Fig. 5 zeigt eine abgeänderte Anordnung.
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Fig. 6 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer Anordnung zur
Prüfung von Flaschenmündungen.
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Fig. 7 zeigt schematisch eine weitere Anordnung zur Durchführung
des Verfahrens.
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Fig. 1 erläutert den Strahlengang bei der üblichen Herstellung eines
Hologramms. Von einem (nicht dargestellten) Laser kommendes, parallelgerichtetes
homogenes Licht 1 wird in einem Strahlungsteilerprisma 2 mit teildurchlässiger Trennfläche
in zwei Teilstrahlen aufgeteilt. Ein Teilstrahl 3 fällt auf eine photographische
Platte 4, der andere Teilstrahl 5 beleuchtet ein Objekt 6. Das vom Objekt 6 reflektierte
bzw. gestreute Licht 7 trifft ebenfalls auf die photographische Platte 4 und interferiert
dort mit dem anderen
Teilstrahl 3. Wegen der Kohärenz des Laserlichtes
1 haben die Teilstrahlen 3 und 5 zueinander eine zeitlich konstante Phasenbeziehung,
die aber örtlich, d.h. auf verschiedenen Stellen der photographischen Platte 4 verschieden
ist.
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Dadurch ergibt sich auf den verschiedenen Bereichen der Platte 4 teils
gegenseitige Verstärkung,-teils gegenseitige Auslöschung des Lichtes, und es entsteht
ein Interferenzmuster, welches durch Entwickeln und Fixieren der photographischen
Platte 4 als Schwärzungsmuster festgehalten werden kann. Das Hologramm, d.h. das
Schwärzungsmuster auf der'photographischen Platte 4, enthält in verschlüsselter
Form eine vollständige Information über das Objekt 6. Wie in der üblichen Holographie
bekannt, kann man ein solches Hologramm 4 dazu benutzen, um ein räumliches Abbild
des Objektes 6 zu gewinnen. Hierzu muß man lediglich (Fig. 2) das Hologramm 4 mit
kohärentem und parallelem Licht (Laserlicht) 8 beleuchten, welches unter gleichem
Winkel einfällt wie der Teilstrahl 5 in Fig. 1. Es erfolgt dann eine solche Wechselwirkung
des kohärenten Lichtes 8 mit dem Hologramm 4, als ob ein von einem (nicht vorhandenen)
Objekt 6t kommendes Lichtbündel 7' ebenfalls vorhanden wäre, so daß ein hinter dem
Hologramm 4 befindliches Auge 9 eines Beobachters ein virtuelles, dreidimensional
erscheinendes Bild des Objektes 6' sieht. Dies ist übliche Holographie und wird
hier nur zur Erläuterung beschrieben.
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Ebenso wie man gemäß Fig. 2 mit dem Hologramm 4' und
dem
von einem Laser kommenden Lichtbündel 8 ein von einem nichtexistenten Objekt 6'
kommendes Lichtbündel 7' simulieren kann, kann man umgekehrt gemäß Fig. 3 mit dem
Hologramm 4' und einem vom Objekt 6 kommenden Lichtbündel 7 ein von einem Laser
einfallendes Lichtbündel 8' simulieren,.d.h. das vom Objekt 6 kommende Licht 7 wirkt
mit dem holographischen -Schwärzungsmuster auf dem Hologramm 4' so zusammen, daß
dahinter ein paralleles Lichtbündel 10 entsteht, das so verläuft, als ob es die
Verlängerung des bei der Aufnahme (Fig. 1) benutzten Lichtbündels 3 wäre. Dieses
Lichtbündel 10 kann mit einer Optik 11 fokussiert werden und gibt dann einen scharfen
Brennpunkt 12.
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Von dieser Anordnung gemäß Fig. 3, die ebenfalls noch übliche Holographie
darstellt, führt ein direkter Weg zum -erfindungsgemäßen Verfahren. Das parallele
Lichtbündel 10 und demgemäß der scharfe Brennfleck 12 entstehen nämlich nur dann
in voller Schärfe, wenn das ObJekt 6 genau dasselbe Objekt ist, wie das bei der
Aufnahme (Fig. 1) benutzte Ob-Objekt 6. Jede Abweichung zwischen dem tatsächlichen
Aussehen des Objektes 6 und der auf dem Hologramm 4 holographisch gespeicherten
Information über das Aussehen des Objektes führt jedoch dazu, daß Lichtanteile auch
außerhalb des Strahls 10 verlaufen und nach der Fokussierung an Stellen außerhalb
des Fokalpunktes 12 gelangen, z.B. zu einem benachbarten Punkt 13, sei es in Form
einer scharf begrenzten Lichtfigur, sei es als diffuse Lichtverteilung. Diese Tatsache
kann man gemäß der
Erfindung in der Weise zur Fehlerauffindung
benutzen, daß man das Hologramm 4f nach dem Verfahren gemäß Fig 1 von einem fehlerfreien
Standardobjekt erstellt und es dann in der Anordnung gemäß Fig. 3 zur Prüfung eines
eventuell mit Fehlern behafteten Prüfobjekts6 verwendet und daß man das außerhalb
des Fokalpunktes 12 gelangende Licht entweder visuell oder vorzugsweise mit geeigneten
Lichtempfängern auffängt und als Anzeige für das Vorhandensein von Fehlern am Objekt
6-benutzt.
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Eine andere mögliche Prinzipariordnung zeigt Fig. 4.
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Hier wird ein ebenes Prüfobjekt 14 welches optisch wahrnehmbare Fehler
14a von bestimmter, charakteristischer Form oder Struktur aufweist, mit ohärentem,
parallelem Licht (von einem nicht dargestellten Laser) entweder-in Auflicht gemäß
15 oder im Durchlicht gemäß 15a beleuchtet. Das Objekt vorzugsweise 14 befindet
sich/In der Fokalebene einer Optik, die nur beispielsweise als einfache Linse 16
angedeutet ist. Von den einzelnen Punkten des Objekts 14 in verschiedene Richtungen
gestreutes Licht wird von der Optik 16 parallelgerichtet, und umgekehrt wird von
verschiedenen PuStten des Objekts 14 parallel ausgehendes Licht auf der anderen
Seite der Optik 16 in der anderen Fokalebene fokussiert. In dieser Ebene, die als
Fourier-Ebene bezeichnet wird, ist das Hologramm 4' vorzugsweise angeordnet. Das
Hologramm 4' befindet sich auch7in der Fokalebene einer weiteren Optik 17, die das
durch das Hologramm durchtretende Licht in eine Bildebene 18 fokussiert. VerwenW
det
wird ein Hologramm 4', welches in der gleichen Anordnung (Fig. 4) unter Benutzung
eines Standardotjektes und des Referenzrahles hergestellt wurde, wobei eine typische
Fehlerstruktur als Objekt dient. Beispielsweise bei der Prüfung-von Glasgegenständen
kann eine typische Fehlerstruktur aus einem scharfkantigen Sprung oder einer muschelförmigen
Absplitterung bestehen. Das Hologramm 4', das durch sein holographisches Schwärzungsmuster
in verschlüsselter Formdie Information über das typische Aussehen der Fehlerstruktur
trägt, beeinflußt das vom Prüfobjekt 14 ausgehende kohärente Licht in folgender
Weise: Falls das Objekt fehlerfrei ist, wird sämtliches Licht in der Bildebene 18
in einem Bild des Objektes 19 vereinigt. Falls jedoch das Objekt 14 örtliche Fehler
14a aufweist, die in ihrer Struktur ganz oder näherungsweise der als Vorlage für
das Hologramm 4t verwendeten Struktur entsprechen, dann wird in der Bildebene 18
das Vorhandensein und auch die Lage der Fehler 14a durch Helligkeitspunkte auf "Nebenbildern"
19a angezeigt.
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Diese sind um so schärfer, je exakter die Form und Struktur der Fehler
14a mit der als Vorlage verwendeten Fehlerstruktur übereinstimmt. In diesem Fall
erhält man in der Bildebene deutlich diskrete Lichtpunkte, die in sehr kontrastreicher
Form das Vorhandensein und die Lage von Fehlern anzeigen, was sowohl bei visueller
Fehlerauffindung als auch vor allem bei automatischer Auswertung der Lichterscheinung
in der Bildebene 18 vorteilhaft ist. Man kann beispielsweise das zentrale Bild 19
mit einer Blende abdecken und nur die
Nebenbilder 19a mit Lichtempfängern
oder einer Bildabtastvorrichtung auswerten. Haben die Fehler 14a nicht exakt die
Form der als Vorlage verwendeten Fehlerstruktur, sondern nur strukturelle Rhnlichkeit
mit dieser, so werden sich statt der scharfen Punkte 19a mehr oder weniger diffuse
Lichterscheinungen ergeben, die sich-aber, insbesondere bei Ausblendung des zentralen
Bildes 19, immer noch gut zur automatischen Auswertung und Fehleranzeige eignen.
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Die Anordnung gemäß Fig. 5 entspricht derjenigen in Fig. 4 mit einigen
Unterschieden. In der Objektebene 14 sind als Prüfobjekt nur ebene Gegenstände zugelassen.
In der Fourier-Ebene ist anstelle des Hologramms 4' eine Zonenblende 20 angeordnet,
die achsennahe Strahlen ausblendet. Dabei wird von der Tatsache Gebrauch gemacht,
daß bei der Fehlerauffindung die typischen Fehlerstrukturen häufig scharfkantig
sind und damit helligkeitsbeeinflussende Strukturen von hoher räumlicher Frequenz
aufweisen, denen eine bevorzugte Streuung des Lichts unter großem Winkel entspricht.
Die Anordnung nach Fig. 5 hat damit die Eigenschaft, an hohen räumlichen Frequenzen
gestreute Strahlen durchzulassen,.die an niederen räumlichen Frequenzen gestreute
achsnahe Strahlung dagegen zu unterdrücken. Das in der Bildebene 18 dargestellte
Bild vom Prüfobjekt 14 unterscheidet sich von einer normalen Abbildung dadurch,
daß die Gebiete annahernd konstanter, auch hoher Helligkeit dunkel bleiben und nur
die Grenzen gegen Gebiete anderer Helligkeitswerte
als helle Linien
abgebildet werden, die das Vorhandensein von z.B. scharfkantigen Fehlern anzeigen.
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Die Anordnung nach Fig. 6 zeigt schematisch die Realisierung des
insbesondere in Fig. 4 angegebenen Meßprinzips bei einer Prüfvorrichtung zür Prüfung
von Flaschenmündungen.
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Von einem Laser 30 mit vorgeschalteter Optik gelangt paralleles, kohärentes
Licht über z.B. eine Strahlteilerplatte-DOa zu dem Prüfobjekt, d.h. der Mündung
31 einer Flasche 32, die auf einem Förderband 33 an der Meßstelle vorbeibewegt wird.
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Das von der Flaschenmündung nach oben gestreute bzw. reflektierte
Licht gelangt über eine als Linse angedeutete Optik 34, auf eine Filterplatte 35,
die als Schwärzungsmuster ein Hologramm aufweist. Insbesondere handelt es sich um
ein Hologramm, welches von einer fehlerfreien Flaschenmündung als Standardobjekt
hergestellt wurde. Eine weitere als Linse angedeutete Optik 36 fokussiert das durch
die Filterplatte 35 durchgetretene Licht auf dem Schirm 37 einer Bildabtastvorrichtung
98 (Video-Kamera). Das Zusammenwirken des von der Flaschenmündung gestreuten Lichts
mit dem Hologramm ist derart, daß das Licht in einem Fokuspunkt 39 vereinigt wird,
die Vorrichtung 38 also nur einen einzigen Lichtpunkt ab- -tastet, falls die Flaschenmündung
31 fehlerfrei ist. Enthalt die zu prüfende Flaschenmündung 31 aber z.B. -eine scharfkantige
Absplitterung 40, dann ist dies Ursache dafür, da:S Licht auch an andere Stellen
als den Fokuspunkt 39 gelangt und z.B. je nach Art des verwendeten Strahlungsgangs
und
Hologramms eine diskrete Lichtfigur 41 außerhalb des Punktes 39 oder auch einen
diffusen Lichthof erzeugt. Man.
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kann den Punkt 39 mit einer Blende abdecken oder durch elektronische
Steuerung der Abtastvorrichtung 38 ausfiltern und erhält dann ein. Abtastsignal
der Abtastvorrichtung-38, das nur auf Licht außerhalb-des Punktes 39 anspricht,
also auf Licht, welches von Fehlern des Prüf objektes herrührt. Bewegt sich die
Flasche 32 während der Messung mit dem Band 33 in Pfeilrichtung 42, so bewegt sich
auch der Punkt 39 auf einer Bahn, z.B. 43, über den Abtastschirm, so daß man bei
der.Auswertung das Licht ausserhalb dieser Bahn erfassen muß.
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ähnliche Verhältnisse erhält man, wenn man ein Hologramm 35 verwendet,
welches von einer typischen Fehlerstruktur, z.B. einer scharfkantigen Absplitterung,
erstellt wurde.
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Bei der Prüfung von Objekten mit größerer räumlicher Tiefe und/oder
bei der Durchleuchtung von durchsichtigen Objekten, wobei das Licht mehrfach Grenzflächen
zwischen Glas und Luft durchlaufen muß, können die Phasenunterschlede und die Phasensprünge
die vorstehend beschriebenen Verhältnisse verfälschen bzw. das Verfahren nach Fig.
5 unmöglich machen. In diesem Fall ist die in Fig. 7 dargestellte Ausführungsform
vorteilhaft, bei der man nicht das Objekt selbst, sondern ein von einem elektrooptischen
Wandler
erzeugtes ebenes Phasen- oder Intensitätsbild des Objektes herstellt, das in der
beschriebenen Weise mit kohärentem Licht geprüft werden kann. Eine auf einem Förderband
45 bewegte (von oben gesehene) Flasche 46 soll in Durchleuchtung auf Fehler, z.B.
Beschädigungen, geprüft werden. Sie wird mit einer Lichtquelle 47, die nicht ein
Laser zu sein brucht, durchleuchtet, und das Licht wird über eine Zwischenoptik
(hier nur als einfache Linse 49 angedeutet) in einem Bildwandler 50 gebündelt. Derartige
Bildwandler sind neueste, zum Teil bereits auf dem Markt erhältliche Konstruktionen,
deren Wirkung darauf beruht daß ein entsprechender Helligkeitsverteilung gesteuerter
Elektronenstrahl die Dicke eines ausgangsseitigen ebenen Ölfilms oder einen Kristall
so steuert, so daß von einem Laser 51 auftreffendes paralleles kohärentes Licht
mit örtlich unterschiedlicher Phase bzw. Intensität reflektiert wird. Da z.B. die
örtliche Phasenverteilung entsprechend der Dicke des Ölfilms der das Objekt 46 wiedergebenden
Helligkeitsverteilung entspricht, kann das am Wandler 50 reflektierte Licht wiederum
in beschriebener Weise über eine Optik 52, ein holographisches Filter 53 und eine
weitere Optik 54 gelenkt werden entsprechend den Anordnungen gemäß Fig. 4 und 5
und ergibt dann ebenfalls eine I3elligkeitsverteilung, in der Fehler des Objektes
durch die beschriebenen Lichterscheinungen angezeigt werden. Dies kann wiederum
z.B.
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mit einer elektronischen Bildabtastvorrichtung 55 abgetastet und an
den Ausgängen 56 einer entsprechenden Signalauswertung zugeführt werden.