EP0797766A1 - Vorrichtung zur prüfung transparenter und/oder einseitig optisch undurchsichtig beschichteter objekte auf materialfehler - Google Patents

Vorrichtung zur prüfung transparenter und/oder einseitig optisch undurchsichtig beschichteter objekte auf materialfehler

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EP0797766A1
EP0797766A1 EP95940128A EP95940128A EP0797766A1 EP 0797766 A1 EP0797766 A1 EP 0797766A1 EP 95940128 A EP95940128 A EP 95940128A EP 95940128 A EP95940128 A EP 95940128A EP 0797766 A1 EP0797766 A1 EP 0797766A1
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EP
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light source
light
material defects
optics
objects
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EP95940128A
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Inventor
Jörg KIECKHÄFER
Ping Zhou
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WISSENSCHAFTLICH-TECHNISCHES OPTIKZENTRUM NRW
Original Assignee
WISSENSCHAFTLICH-TECHNISCHES OPTIKZENTRUM NRW
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/95—Investigating the presence of flaws or contamination characterised by the material or shape of the object to be examined
    • G01N21/958—Inspecting transparent materials or objects, e.g. windscreens
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    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/8803—Visual inspection

Definitions

  • the invention relates to a device for checking transparent / semitransparent objects, such as flat glass and / or plastic products for scratches, foreign inclusions or similar material defects, which cause a change in the refractive index in the material.
  • the use of scanners using laser light has been proposed for specifying automatic test methods.
  • the moving glass strip can be scanned using a suitable scanner, the resolution of this measuring method being approximately 0.2 mm.
  • the change in the intensity of the laser light in transmission is measured, for which the scanner moving the laser light source alternately moves back and forth across the width of the moving glass ribbon.
  • Plastic material is irradiated with polarized light and the detection of a material defect via the depolarizing effect of the inclusions, scratches or the like which may be present. is provided. Because there are on the surface of the measurement objects
  • the resolution for error detection can be considerably improved, the expanding optics, in particular in the case of slightly divergent light directed at the object to be checked, advantageously making it possible to image contrast images.
  • the diameter of the point light source should preferably be less than 1 mm. Better results can be achieved by further reducing the diameter of the point light source in a range between 10 to 50 ⁇ m in order to achieve a high-contrast display of the material defects in any case.
  • test device Since such contrast images occur exclusively through the change in the refractive index in the object, that is to say through stress generated in the material arise, caused by inclusions, bubbles, scratches and the like, and not in the case of mere surface contamination, such as low dust deposits or the like. , the test device only shows the actual defects in the material and non-removable surface contaminations, of whatever kind, which are irrelevant for the product quality itself.
  • Inclusions and bubbles with diameters even in the range of 50 ⁇ m are imaged in high contrast, for example on a ground glass screen, and are either sufficiently enlarged by an operator to be visually recognized or are automatically evaluated by a camera system.
  • the punctiform light source can be a white light source or a laser light source, it being particularly advantageous to irradiate the object to be checked with monochromatic light in the event that polychromatic light is input by coupling in suitable filters.
  • Light from a white light source can, for example, advantageously be introduced into an optical fiber which tapers conically to the light exit and which, for example, can be pulled in, in order to achieve the preferred small diameters with favorable total reflection on the outer surface of the fiber.
  • the point light is expanded to a homogeneous radiation profile via spatial filters or suitable lens systems as well as mirror systems or combinations thereof.
  • the object to be checked can be illuminated with a slightly to diverging light beam, only material defects which cause a change in the refractive index in the object to produce defect images which are characteristic of the material defects in the respective glass or plastic product.
  • the contrast-rich errors displayed on a focusing screen or similar projection surface can be enlarged by suitable specification of the distance between the object and the projection surface. With increasing distance, especially in the case of a slightly divergent light beam, the error images flower so that a desired magnification scale can be specified without additional equipment.
  • Essential for the lighting unit according to the invention is the use of a point-shaped light source, the diameter of which is smaller than 2 mm, and the expansion of the light beam to a homogeneous beam profile, which is a prerequisite for the high resolution of the automatic test device.
  • the point light source 1 can optionally be a white light source or a laser, the diameter ⁇ 2 mm of which is widened by a widening optics 3 to form a homogeneous beam profile.
  • This is either a lens and / or mirror arrangement, for example in combination with a spatial filter, represented schematically by image block 2, or a lens / mirror arrangement in combination with an optical fiber according to block diagram 4
  • Lens 5 produces a diverging bundle of rays, which in the illustrated embodiment passes through a specimen in the form of a transparent object 6, here a disk-shaped flat glass arrangement, onto a matt disk 7 arranged behind it in the beam path.
  • Errors in object 6 are shown in the form of high-contrast image 8 on the matt pane.
  • optimal inspection conditions can thus be specified, even for the smallest foreign inclusions in the test object.
  • the light output per unit area required for this can easily be matched to the degree of transmission of the product to be checked while compensating for the given, that is to say disturbing, environmental conditions.
  • the light output required for the check is minimal, but at least many times less than with the influence of extraneous light under normal conditions.
  • the transparent object 6 to be checked is coated opaque on the back, said the same for the reflected light component to then be imaged on a projection surface.
  • the evaluation of the reflected light component is not only advantageous in the case of objects coated on one side, but also scratches can often be better represented in reflection and suitably evaluated.
  • FIG. 2 schematically shows a suitable optical arrangement for this.
  • the reference symbols introduced in FIG. 1 correspond to the same assignments.

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Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zur Überprüfung von transparenten und/oder halbtransparenten Objekten (6), wie flächigen Glas- und/oder Kunststoffprodukten, auf Kratzer, Fremdeinschlüsse oder dergleichen Materialfehler. Der Grundaufbau der Vorrichtung besteht aus einer Punktlichtquelle (1), einer das Licht zu einem homogenen Strahlenprofil aufweitenden Optik (3) und aus einer die Abbildung von gegebenenfalls im Objekt (6) vorhandenen Materialfehlern ermöglichenden Mattscheibe (7). Die Optik (3) ist so ausgelegt, dass kollineares bis leicht divergierendes Licht auf das Objekt (6) fällt, so dass sie ausschliesslich durch Brechungsindexänderung im Material bedingte Kontrastbilder abbildet. Die Punktlichtquelle (1) kann eine Weisslichtquelle oder eine Laserlichtquelle sein, und es kann für die Messanordnung wünschenswert sein, dass auf das Objekt monochromatisches Licht auftrifft.

Description

Vorrichtung zur Prüfung transparenter und/oder einseitig optisch undurchsichtig beschichteter Objekte auf Materialfehler
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Überprüfung von transparenten/halbtransparenten Ob¬ jekten, wie flächigen Glas- und/oder KunststoffPro¬ dukten auf Kratzer, Fremdeinschlüsse oder dergleichen Materialfehler, die eine Änderung des Brechungsindex im Material bewirken.
Die von Abnehmern hochwertiger Industrieprodukte ge¬ forderten und stets steigenden Anforderungen an deren Qualität, insbesondere auch die vom Gesetzgeber vor¬ geschriebene Produkthaftung, zwingen zu verbesserten Kontroll-, Prüf- und Meßmethoden, insbesondere auch bei Produkten der Glasindustrie, wie auch Erzeugnis¬ sen aus transparenten Kunststoffen. Nicht nur die optische Industrie fordert beispielsweise hochblasen- freie Gläser, auch die Anforderungen - etwa der Auto- hersteiler - an die Qualität der Verbundglasscheiben kennzeichnen sich durch erhöhten Standard. Fremdein¬ schlüsse, Luftblasen, aber auch die bei der Herstel¬ lung in die Oberfläche von Glasscheiben und dergl. durch Unachtsamkeit eingebrachten Kratzer führen in manchen Branchen schon dann zur Ausschußware, wenn deren Durchmesser in der Größenordnung von 50 μm liegt.
Bei der Flachglasherstellung besteht bisher ein we¬ sentlicher Teil der Qualitätskontrolle auf der opti¬ schen Inaugenscheinnahme von Materialfehlern, wobei für das menschliche Auge Fehler, deren Ausdehnung im Bereich von 100 μm liegen, kaum noch wahrgenommen werden. Auch das Ersetzen der Kontrollperson - also die Inaugenscheinnahme durch eine entsprechende Kame¬ raanordnung - bringt hier kaum Abhilfe und führt ins¬ besondere nicht zur sicheren Kennung von Fehlern, die unterhalb der vorstehend genannten Größenordnung lie- gen. Die Qualitätskontrollen werden im allgemeinen bei Beleuchtung der PrüfObjekte mit normalem Tages¬ licht oder Raumbeleuchtung durchgeführt, also unter Bedingungen von diffusem Auflicht, wobei der Materi¬ alfehler ausschließlich über den reflektierten Anteil des Lichtes, d.h. infolge der Streuung an dem Krat¬ zer, der Luftblase od.dgl. erkannt werden muß.
Bei dieser Fehlerbeobachtung kann nicht zwischen ent¬ fernbaren Oberflächenverunreinigungen, wie lose auf- liegenden Staubpartikeln oder Fingerabdrücken, einer¬ seits und nicht entfernbaren, dem Material innewoh¬ nenden Fremdeinschlüssen andererseits unterschieden werden, was diese Art der Qualitätskontrolle bezüg- lieh der hierdurch gegebenen Aussagefähigkeit min¬ dert.
Zur Vorgabe automatischer Prüfverfahren ist der Ein- satz von Scannern unter Verwendung von Laserlicht vorgeschlagen worden. So kann beispielsweise bei der kontinuierlichen Fertigung von Floatglas bei einer Ziehgeschwindigkeit von ca. 0,5 m/s mittels eines geeigneten Scanners das bewegte Glasband abgefahren werden, wobei das Auflösungsvermögen dieser Meßmetho¬ de bei ca. 0,2 mm liegt. Gemessen wird die Änderung der Intensität des Laserlichtes in Transmission, wo¬ für der die Laserlichtquelle bewegende Scanner über die Breite des bewegten Glasbandes sich alternierend hin und her bewegt.
Grundsätzlich anwendbar ist eine derartige automati¬ sche Inspektion auch für transparente Kunststoffmate¬ rialien, wobei hierfür noch ein anderes spezielles Fehlerdetektionsverfahren bekannt ist, bei dem das
Kunststoffmaterial mit polarisiertem Licht bestrahlt wird und der Nachweis eines Materialfehlers über die depolarisierende Wirkung der gegebenenfalls vorhande¬ nen Einschlüsse, Kratzer od.dgl. erbracht wird. Da sich auf der Oberfläche der Meßobjekte befindende
Staubpartikel od.dgl. hinsichtlich ihrer depolarisie¬ renden Wirkung so verhalten wie Fremdeinschlüsse im Objekt, ist auch diese Meßmethode nicht frei von Fehlanzeigen bzw. Unsicherheiten in ihrer Aussage.
Hier setzt die vorliegende Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde liegt, eine Vorrichtung der gat¬ tungsgemäßen Art dahingehend auszubilden, daß die Messungen für beliebige transparente, aber auch halb- transparente und einseitig beschichtete Materialien automatisch und mit einem erheblich größeren Auflö¬ sungsvermögen bei sicherer Aussage für den Objekten innewohnende Fehler möglich ist.
Die Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 erreicht.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen die- ser Aufgabenlösung ergeben sich aus den Unteransprü¬ chen.
Dadurch, daß von einer praktisch punktförmigen Licht¬ quelle ausgegangen wird, etwa einer in eine Lichtfa- ser eingekoppelten Strahlung mit einem Durchmesser
< 2 mm, läßt sich das Auflösungsvermögen für die Feh¬ lererkennung erheblich verbessern, wobei die aufwei¬ tende Optik, insbesondere bei leicht divergierendem, auf das zu überprüfende Objekt gerichtetem Licht, die Abbildung von Kontrastbildern in vorteilhafter Weise ermöglicht. Der Durchmesser der Punktlichtquelle sollte bevorzugt kleiner 1 mm gewählt werden. Bessere Ergebnisse lassen sich bei weiterer Verkleinerung des Durchmessers der Punktlichtquelle in einen Bereich zwischen 10 bis 50 μm erreichen, um in jeden Fall eine kontrastreiche Darstellung der Materialfehler zu erreichen. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, solche Kontrastbilder sowohl durch den Transmissionsanteil des Lichtes als auch durch den Reflexionsanteil des Lichtes sowohl vor dem zu über¬ prüfenden Objekt als auch hinter diesem zu detektie- ren und auszuwerten. Da derartige Kontrastbilder aus¬ schließlich durch die Änderung des Brechungsindexes im Objekt, also durch im Material erzeugten Streß entstehen, hervorgerufen durch Einschlüsse, Blasen, Kratzer und dergleichen Fehler, und nicht bei bloßen Oberflächenverschmutzungen, wie geringen Staubablage¬ rungen od.dgl. , zeigt die Prüfvorrichtung nur die tatsächlichen Fehler im Material an und nicht ent¬ fernbare Oberflächenverschmutzungen, welcher Art auch immer, die für die Produktqualität selbst ohne Belang sind.
Einschlüsse und Blasen mit Durchmessern auch im Be¬ reich von 50 μm werden kontrastreich beispielsweise auf einer Mattscheibe abgebildet und entweder ausrei¬ chend vergrößert durch Augenschein von einer Bedie¬ nungsperson erkannt oder automatisch über ein Kamera- system ausgewertet.
Die punktförmige Lichtquelle kann eine Weißlichtquel¬ le oder eine Laserlichtquelle sein, wobei es beson¬ ders vorteilhaft ist, für den Fall der Vorgabe von polychromatischem Licht durch Einkoppeln geeigneter Filter das zu überprüfende Objekt mit monochromati¬ schem Licht zu bestrahlen.
Licht einer Weißlichtquelle kann beispielsweise vor- teilhaft in eine sich konisch zum Lichtaustritt ver¬ jüngende Lichtleitfaser, die z.B. so gezogen werden kann, eingekoppelt werden, um bei günstigerweise To¬ talreflexion an der Mantelfläche der Faser die bevor¬ zugten kleinen Durchmesser zu erreichen.
Erfindungsgemäß wird das Punktlicht über Raumfilter oder geeignete Linsensysteme wie auch Spiegelsysteme bzw. Kombinationen hiervon aufgeweitet zu einem homo¬ genen Strahlenprofil. Mit dem aufgeweiteten kollinea- ren bis leicht divergierenden Lichtstrahl kann das zu überprüfende Objekt beleuchtet werden, wobei nur Ma¬ terialfehler, die eine Änderung des Brechungsindexes im Objekt bewirken, Fehlerabbildungen erzeugen, die kennzeichnend für die Materialfehler im jeweiligen Glas- bzw. Kunststoffprodukt sind. Die kontrastrei¬ chen auf einer Mattscheibe oder dergleichen Projek¬ tionsfläche abgebildeten Fehler lassen sich durch geeignete Vorgabe des Abstandes zwischen Objekt und Projektionsfläche vergrößert darstellen. Mit zuneh¬ mendem Abstand, insbesondere bei leicht divergieren¬ dem Lichtstrahl, blumen die Fehlerabbildungen auf, so daß sich ein jeweils gewünschter Vergrößerungsmaßstab ohne zusätzlichen apparativen Aufwand vorgeben läßt. Wesentlich für die erfindungsgemäße Beleuchtungsein¬ heit ist die Verwendung einer punktförmigen Licht¬ quelle, deren Durchmesser kleiner als 2 mm ist, und die Aufweitung des Lichtstrahles zu einem homogenen Strahlenprofil, was Voraussetzung für das hohe Auflö- sungsvermögen der automatischen PrüfVorrichtung ist.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich transparente Objekte von ca. nur 1 mm Durchmesser bis hin zu 1300 mm Durchmesser und größer auf Fre dein- Schlüsse und andere Materialfehler untersuchen. Auch solche flächigen Gegenstände, deren eine Oberfläche undurchsichtig beschichtet ist, können mit dem Refle¬ xionsanteil des Beugungslichtes geprüft werden. Die Verwendung von monochromatischem Licht bewirkt, daß der ansonsten störende Einfluß von diffusem Umge¬ bungslicht weitgehend ausgeschaltet werden kann.
Anhand der beiliegenden Zeichnungen soll die Erfin¬ dung beispielsweise näher erläutert werden. Wie in Fig. 1 dargestellt, kann die Punktlichtquelle 1 wahlweise eine Weißlichtquelle oder ein Laser sein, deren Durchmesser < 2 mm durch eine aufweitende Optik 3 zu einem homogenen Strahlenprofil aufgeweitet wird. Hierfür steht entweder eine Linsen- und/oder Spiegel¬ anordnung, etwa in Kombination mit einem Raumfilter, schematisch dargestellt durch Bildblock 2, oder eine Linsen-/Spiegelanordnung in Kombination mit einer Lichtleiterfaser gemäß Blockbild 4. Eine der aufwei- tenden Optik 3 wahlweise nachgeschaltete Linse 5 er¬ zeugt ein divergierendes Strahlenbündel, welches im dargestellten Ausführungsbeispiel durch einen Prüf¬ ling in Form eines transparenten Objektes 6, hier einer scheibenförmigen Flachglasanordnung, hindurch auf eine im Strahlengang dahinter angeordnete Matt¬ scheibe 7 fällt. Im Objekt 6 vorhandene Fehler werden in Form kontrastreicher Abbildung 8 auf der Matt¬ scheibe abgebildet. Für eine Inspektionsperson oder eine geeignete Anordnung einer oder mehrerer Kameras lassen sich so optimale Überprüfungsverhältnisse vor¬ geben, auch für kleinste Fremdeinschlüsse im Prüf¬ ling. Die hierfür erforderliche Lichtleistung pro Flächeneinheit kann problemlos auf den Transmissions¬ grad des zu überprüfenden Produktes unter Kompensa- tion der gegebenen, also störenden Umgebungsbedingun¬ gen abgestimmt werden. Bei einer entsprechenden Re¬ duktion von diffusem Fremdlicht und bei Einsatz einer lichtempfindlichen Kamera oder einer entsprechenden Kameraanordnung ist die für die Überprüfung erforder- liehe Lichtleistung minimal, zumindest jedoch um ein Vielfaches geringer als bei unter normalen Bedingun¬ gen gegebenem Fremdlichteinfluß. Für den Fall, daß das zu überprüfende transparente Objekt 6 rückseitig undurchsichtig beschichtet ist, gilt vorstehend Ge- sagtes gleichermaßen für den dann auf einer Projek¬ tionsfläche abzubildenden reflektierten Lichtanteil. Die Auswertung des reflektierten Lichtanteiles ist aber nicht nur bei einseitig beschichteten Objekten vorteilhaft, sondern auch Kratzer lassen sich oftmals besser in Reflexion darstellen und geeignet auswer¬ ten.
Fig. 2 zeigt schematisch hierfür eine geeignete opti- sehe Anordnung. Hierbei entsprechen die in Fig. 1 eingeführten Bezugszeichen gleichen Zuordnungen.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Überprüfung von transparenten und/oder halbtransparenten Objekten (6) , wie flächigen Glas- und/oder KunststoffProdukten, auf Kratzer, Fremdeinschlüsse oder dergleichen Materialfehler, bestehend aus einer Punkt1ichtquelle (1) , einer das Licht zu einem homogenen Strahlenpro¬ fil aufweitenden Optik (3), so daß kollineares bis leicht divergierendes Licht auf das Ob- jekt (6) auftrifft, und aus einer die Abbildung von gegebenenfalls im Objekt vorhandenen Materialfehlern ermöglichenden Matt¬ scheibe (7) oder dergleichen Projektionsflache, wobei die aufweitende Optik ausschließlich durch Brechungsindexänderung im Material bedingte Kon¬ trastbilder (8) abbildet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Punktlichtquelle (1) eine Weißlichtquelle ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Punktlichtquelle (1) eine Laserlichtquelle ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Punktlichtquelle (1) einen Durchmesser < 1 mm aufweist. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Punktlichtquelle (1) einen Durchmesser im Bereich zwischen 10 und 50 μm aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Objekt mono¬ chromatisches Licht auftrifft.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die aufweitende Op¬ tik (3) aus einem Linsensystem besteht.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die aufweitende Op¬ tik (3) eine Spiegelanordnung ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die aufweitende Op¬ tik (3) eine Kombination aus einer Linsenanord¬ nung und einer Spiegeloptik ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Objektfehler von einem Durchmesser > 50 μm bzw. eine Ausdehnung > 50 μro detektierbar sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Objektbreiten bzw.
-dicken > 1 mm überprüfbar sind. 12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Ka¬ mera der Projektionsfläche bzw. der Mattscheibe
(7) zugeordnet ist.
13. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die punktförmige Lichtquelle (1) in eine Lichtleitfaser (4) bzw. ein Lichtleitfaserbündel eingekoppelt ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrastbilder
(8) durch das transmittierende Licht im Strah¬ lengang hinter dem Objekt (6) abgebildet sind.
15. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrastbilder (8) des vom Objekt reflektierten Strahlungsan- teiles Gegenstand der Meßauswertung sind.
17. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die aufweitende Op- tik (3) eine Kombination aus einer Linsenanord¬ nung und einem Raumfilter ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Licht einer Weiß- lichtquelle in eine sich konisch zum Lichtaus¬ tritt verjüngende Lichtleitfaser mit reflektie¬ render Mantelfläche einkoppelbar ist.
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DE4444165 1994-12-12
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