ES2239404T3 - Aparato y procedimiento para la determinacion de la distorsion optica de un sustrato transparente. - Google Patents
Aparato y procedimiento para la determinacion de la distorsion optica de un sustrato transparente.Info
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Abstract
Un aparato y método para determinar la distorsión óptica superficial y de transmisión de un substrato transparente. El aparato incluye una fuente de luz montada para dirigir un haz hacia una placa de vidrio, en un ángulo de incidencia agudo respecto a la normal de la placa, ocasionando en esta forma un segundo haz de luz reflejado por la primera superficie y un tercer haz de luz reflejado por la segunda superficie del vidrio. Estos haces reflejados son dirigidos hacia un espejo de primera superficie el cual dirige los haces reflejados hacia una pantalla integradora de luz y hacia una lente zoom, para después ser dirigidos hacia una cámara de vídeo. La distorsión óptica de la placa de vidrio es determinada mediante la medición de los cambios de separación de los haces reflejados utilizando la técnica de análisis digital de imágenes en tiempo real y midiendo esta en términos de potencia óptica.
Description
Aparato y procedimiento para la determinación de
la distorsión óptica de un sustrato transparente.
La presente invención se refiere a un aparato y
un procedimiento para determinar la distorsión óptica de un sustrato
transparente, como una lámina de vidrio flotado, en función de las
variaciones detectadas en la distancia entre dos haces de luz
coherentes reflejados por las superficies de dicha lámina de vidrio,
utilizándose para dicha detección un procedimiento de análisis
digital de imágenes en tiempo real.
En la fabricación de láminas o placas
transparentes mediante, por ejemplo, el procedimiento de flotación,
de estirado, o algún otro procedimiento de transformación, pueden
aparecer defectos en las láminas de vidrio obtenidas.
La distorsión óptica de la lámina de vidrio es
uno de dichos defectos. Un tipo de distorsión óptica consiste en la
distorsión de las superficies de vidrio, siendo ésta la causa de una
reflexión distorsionada de una imagen. Por ejemplo, las partes
convexas de la superficie del vidrio dan lugar a una disminución del
tamaño de la imagen reflejada, mientras que las partes cóncavas de
dicha superficie producen un aumento de la imagen.
Otro tipo de distorsión es la distorsión por
transmisión que es la causa de una distorsión de la imagen cuando se
observa la imagen a través del vidrio.
En la patente U.S. nº 3.788.750 de Maltby et
al., publicada el 29 de enero de 1974, la distorsión óptica o
sino la calidad óptica del vidrio se miden en relación con la
potencia medida en dioptrías de la distancia focal de una lente,
definiéndose la dioptría como la unidad inversa de la distancia
focal expresada en metros.
La patente francesa nº FR2591341 de Henri et
al., publicada el 12 de junio de 1987, y la patente U.S. nº
3.799.679 de Simko, publicada el 26 de marzo de 1974, dan a conocer
en general un sistema de exploración de distorsiones en vidrios, en
el que la exploración de una lámina de vidrio se realiza dirigiendo
un haz de luz hacia el vidrio para medir la velocidad de variación
de la distancia existente entre el centro de la imagen de dicho haz
reflejada por una superficie de la lámina de vidrio y el centro de
la imagen reflejada por la otra superficie de la lámina de vidrio,
estando dicha distancia relacionada con el espesor.
Si bien la patente U.S. nº 3.799.679 da a conocer
que el haz de luz puede consistir en un haz láser y que se prevén un
elemento de diafragma de iris 38 y un tubo disector de imagen 42
(Figura 1, columna 2, líneas 54 a 64) para ajustar o controlar la
intensidad del haz de luz, dicha patente no da a conocer ni sugiere
remotamente ningún elemento, como un integrador (pantalla rotatoria
de un material difusor), que incluye la presente invención para
obtener a partir del haz de luz dos marcas luminosas bien definidas
y con el que se puede mejorar la calidad de la imagen de los
haces reflejados, siendo esto indispensable para obtener una medida
exacta siempre que se utilice un haz láser.
Además, para poder trabajar con una buena
precisión en la escala de medida (de micras) de las variaciones de
espesor de la lámina o de las ondulaciones de la lámina de vidrio,
resulta necesario sustituir el procedimiento analógico basado en la
utilización de un tubo disector de imagen por un procedimiento
digital basado en la utilización de una videocámara, como en el caso
del aparato según la presente invención, en el que la detección se
convierte en un tratamiento digital de imágenes con todos los
algoritmos de procesamiento asociados.
En la patente U.S. nº 5.210.592 de Bretschneider,
publicada el 11 de mayo de 1993, se determina la calidad óptica a
partir de la potencia óptica definida como la derivación del ángulo
observado, por ejemplo, el ángulo de reflexión o el ángulo de
transmisión tras el emplazamiento. Cuanto mayor es la curvatura de
la superficie del vidrio, tanto mayor es la potencia óptica.
En la patente U.S. nº 3.857.637 de Obenreder,
publicada el 31 de diciembre de 1974, se expone un procedimiento
para describir la distorsión de una superficie de un elemento de
vidrio. Esta patente expone también un aparato para determinar la
potencia óptica reflejada en la superficie superior de un elemento
de vidrio, siendo para ello en algunas ocasiones necesario poner un
material absorbente para la luz, como una pintura negra, en contacto
óptico con la superficie inferior del elemento de vidrio a fin de
impedir la reflexión de luz en dicha superficie. Esto es válido para
láminas de vidrio con un espesor inferior a 2,39 mm (3/32 de una
pulgada) y un ángulo de incidencia de 30º. En el caso de espesores
superiores a 2,39 mm (3/32 de una pulgada), puede utilizarse
convenientemente un "revestimiento" que proporciona el aparato.
Es un hecho bien conocido que dicha potencia óptica puede medirse
para las dos superficies si se da la vuelta al elemento de vidrio y
se realiza de nuevo una medida con la superficie posterior. Pero la
distorsión de las dos superficies de la lámina de vidrio no puede
determinarse mediante una sola operación.
La patente U.S. nº 4.585.343 de Schave et
al., publicada el 26 de abril de 1986, da a conocer un aparato
para detectar las distorsiones de una superficie. Dicho aparato
incluye una fuente de luz montada de tal forma que permite dirigir
un primer haz de luz hacia una superficie de la lámina de vidrio
para que incida sobre ella con un ángulo de incidencia oblicuo,
obteniéndose de este modo por reflexión en dicha superficie un
segundo haz de luz, e incluye un mecanismo detector de luz montado
de tal forma que capta el haz de luz reflejado, siendo dicho
mecanismo sensible a un diagrama de luz producido por el haz de luz
reflejado sobre el mecanismo detector, por lo que genera una señal
de salida que representa la anchura de dicho diagrama de luz. En
este caso, la anchura del diagrama de luz es una función de la
distorsión superficial de la parte de la superficie en la que se ha
reflejado el haz de luz. Si bien el aparato permite determinar la
distorsión de la superficie, no la describe en términos de la
potencia óptica.
La patente U.S. nº 5.210.592 de Bretschneider da
a conocer un aparato en el que dos haces de luz paralelos, que
presentan un espacio recíproco, se dirigen hacia una placa formando
un ángulo agudo con respecto a la normal de la placa, y en el que
los haces de luz reflejados por dicha placa se recogen por separado
mediante un mecanismo detector dotado de un dispositivo fotosensor a
fin de determinar la dirección de los haces de luz reflejados,
siendo los cuatro haces de luz reflejados por las dos superficies de
la placa dispuesta sobre el detector sensible a la posición
necesarios para evaluar los parámetros requeridos para determinar
cuantitativamente la calidad óptica de la placa. El aparato presenta
un buena aceptación por lo que respecta a la determinación de la
potencia óptica.
El objetivo principal de la presente invención
consiste por consiguiente en proporcionar un aparato para medir la
distorsión óptica de un sustrato transparente, como una lámina de
vidrio, determinando tanto la distorsión de las dos superficies como
la distorsión de transmisión de dicho sustrato.
Un objetivo principal de la presente invención
consiste también en proporcionar un aparato para medir la distorsión
óptica de un sustrato transparente del tipo mencionado anteriormente
y que mida automáticamente la distorsión óptica en términos de la
potencia óptica de dicho sustrato transparente, pudiéndose medir en
particular con dicho aparato la distorsión óptica de una placa de
vidrio fabricada mediante el procedimiento de flotación, siendo el
procedimiento de medida utilizado por el aparato lo suficientemente
consistente como para poder considerar dicho aparato como un sistema
estándar de medición.
Otro objetivo principal de la presente invención
consiste en proporcionar un procedimiento para medir la distorsión
de un sustrato transparente mediante una sola operación de
medida.
Éstos y otros objetivos pueden alcanzarse según
la presente invención mediante un aparato como el definido en la
reivindicación independiente 1 y mediante un procedimiento como el
definido en la reivindicación independiente 12. En las
reivindicaciones dependientes se describen formas de realización
ventajosas. Las ventajas que ofrece la presente invención resultarán
evidentes para cualquier experto en la materia.
La Figura 1 consiste en un diagrama en bloques de
los componentes básicos e interrelacionados del aparato para medir
distorsiones ópticas de un sustrato transparente según la presente
invención;
la Figura 2 consiste en una vista esquemática de
los componentes del aparato ilustrados en la Figura 1,
representándose en el dibujo esquemático la realización de una
medida con una placa de vidrio;
la Figura 3 consiste en una representación
esquemática del principio óptico utilizado en el cálculo de la
potencia óptica de una muestra que se desplaza con una velocidad
lineal constante;
la Figura 4 consiste en un esquema que ilustra un
caso posible de distorsión de la superficie superior de una placa de
material transparente que consiste, por ejemplo, en una lámina de
vidrio;
la Figura 5 consiste en un esquema que ilustra un
caso posible de distorsión de la superficie inferior de una placa de
material transparente que consiste, por ejemplo, en una lámina de
vidrio;
la Figura 6 consiste en una vista esquemática del
principio de medida aplicado a una placa de material transparente,
incluyéndose la medida de los ángulos de refracción y reflexión del
material; y
las Figuras 7A y 7B consisten en unos gráficos
que representan el comportamiento de la distorsión de las dos
superficies de un extremo de una lámina de vidrio fabricada mediante
el procedimiento de flotación y el comportamiento de la distorsión
por transmisión de la misma lámina de vidrio.
Las formas de realización concretas del aparato
así como el procedimiento utilizado según la presente invención para
determinar la distorsión óptica de un sustrato transparente se
describen seguidamente junto con los dibujos adjuntos, en los que se
han incluido siempre las mismas referencias numéricas para referirse
a componentes idénticos.
Haciendo en primer lugar referencia a las Figuras
1 y 2, el aparato para determinar la distorsión óptica de un
sustrato transparente, como, por ejemplo, una lámina de vidrio
fabricada mediante el denominado "procedimiento de flotación",
comprende:
una fuente de luz 1, como un aparato que
proporciona un haz láser, montada por encima de la lámina de vidrio
y que proporciona un primer haz de luz LB1,
un espejo 5 de primera cara, que recibe el haz LB
y que proyecta dicho haz con un ángulo de incidencia comprendido
entre 44º y 54º con respecto a la normal, y que es preferentemente
de 49º, dirigiéndose de este modo el haz hacia una placa de material
transparente, por ejemplo, una lámina de vidrio 2 fabricada mediante
el procedimiento de flotación, obteniéndose de este modo un segundo
haz de luz 3 por reflexión especular en la superficie superior 15 de
la lámina de vidrio 2 y un tercer haz de luz 4 por reflexión en la
superficie inferior 16 de dicha lámina de vidrio
2;
2;
un espejo 5' sobre el que inciden los haces de
luz reflejados, 3 y 4, y que proyecta dichos haces como dos haces de
luz horizontales, 18 y 19, a tratar ulteriormente;
un dispositivo integrador de luz 6, como una
pantalla rotatoria blanca 6', sobre el que inciden los haces de luz,
18 y 19, y que al integrarlos proporciona dos marcas luminosas
perfectamente definidas, 20 y 21;
una videocámara CCD 8 dotada de unas lentes de
zoom 7 que se han dispuesto a una determinada distancia focal de la
pantalla 6' y que capta las marcas luminosas, 20 y 21, para
registrarlas como una imagen de los haces de luz con tamaño y
posición bien definidos; y
un analizador digital de imágenes 12 que
comprende una tarjeta de vídeo 9 para recibir la imagen de las
marcas luminosas y convertirla en una imagen digital, y una unidad
de procesamiento de datos, como un ordenador personal 10, que recibe
la imagen digital de las marcas luminosas, 20 y 21, y la procesa
seguidamente para medir la separación entre ellas y la posición
relativa de los haces de luz reflejados y determinar la distorsión
en términos de la potencia óptica.
El sistema analizador digital de imágenes 12
incluye también un monitor 11 para visualizar la posición exacta de
las marcas luminosas, 20 y 21, de los haces integrados y reflejados
que se han detectado mediante la videocámara.
Haciendo asimismo referencia a las Figuras 1 y 2,
un mecanismo de control de barrido 13, realizado mediante una
tarjeta de control, mantiene de forma automática el movimiento de
barrido uniforme sobre la placa, realizándose físicamente dicho
movimiento mediante un motor síncrono de continua 14 que desplaza la
placa 2 mediante medios de transmisión de movimiento apropiados.
Por lo que respecta al procedimiento para
determinar la distorsión óptica de un sustrato transparente, éste
puede describirse como un procedimiento que comprende:
el envío de un haz coherente de luz LB hacia una
placa de material transparente, como una lámina de vidrio 2, a fin
de obtener un segundo haz de luz 3 por reflexión especular en la
superficie superior 15 de la lámina de vidrio 2 y un tercer haz de
luz 4 por reflexión en la superficie inferior 16 de la lámina de
vidrio 2;
el envío de los haces de luz reflejados, 2 y 3,
hacia un dispositivo integrador de luz 6, que comprende una pantalla
rotatoria blanca 6' y que integra la luz de los dos haces, 2 y 3,
transformándolos en dos marcas luminosas perfectamente definidas, 18
y 19;
la captura de dichas marcas luminosas, 18 y 19,
mediante una videocámara CCD 8 que comprende unas lentes de zoom 7
dispuestas a una determinada distancia focal de la pantalla 6' y que
tras recibir las marcas luminosas, 20 y 21, a capturar las registra
como una imagen de los haces de luz con tamaño y posición bien
definidos;
la recepción de la imagen de las marcas
luminosas, 18 y 19, y la conversión de dicha imagen en una imagen
digital realizadas mediante un analizador digital de imágenes 12 que
comprende una tarjeta de vídeo 9; y
la recepción y el tratamiento de la imagen
digital de las marcas luminosas, 20 y 21, mediante una unidad de
procesamiento de datos, como un ordenador personal 10, para medir la
separación entre dichas marcas y la posición relativa de los haces
de luz reflejados y determinar la distorsión en términos de la
potencia óptica.
La metodología de cálculo se basa en el análisis
digital de las imágenes utilizando un dispositivo como el mecanismo
integrador de luz 6, como, por ejemplo, una pantalla rotatoria
blanca 6', que integra los haces 3 y 4 obtenidos por reflexión
especular en la placa de material transparente 2 transformándolos
sin componentes dispersores de luz en haces, 20 y 21, de dimensiones
perfectamente definidas; formando unas lentes de zoom, como, por
ejemplo, el objetivo de vídeo 7 de distancia focal regulable entre
18 y 108 mm, el foco para el sensor de los haces de luz coherente
integrados previamente mediante la pantalla rotatoria; determinando
la distancia focal la gama de sensibilidades del instrumento.
La distancia focal más pequeña corresponde a una
sensibilidad menor, mientras que la distancia focal máxima
corresponde a la sensibilidad máxima del instrumento, consistiendo
ésta en la capacidad máxima para detectar la más pequeña variación
en milidioptrías.
Una videocámara CCD 8, como, por ejemplo, una
cámara monocromática SONY XC-75, constituye el
mecanismo sensor que ubica las marcas luminosas de los haces
integrados, que presentan tamaño y forma bien definidos, en
elementos de imagen de 768 puntos horizontales y 494 puntos
verticales; una tarjeta digital, como, por ejemplo, la tarjeta
"Data Translation" DT2851, digitaliza la información tomada por
la videocámara en una matriz de datos de 512 x 512 píxels
equivalente a un ángulo de 0,003º para efectuar el cálculo basado en
el análisis en tiempo real de los datos numéricos y la envía al
monitor que actúa como un soporte óptico para la posición de los
haces registrada mediante la cámara en una posición central con
respecto a la trayectoria.
El procedimiento de cálculo que utiliza el
análisis digital y en tiempo real de la imagen se basa en el cálculo
de la posición central de los haces integrados y en el siguiente
cálculo en tiempo real de la separación que existe entre ellos,
realizándose dichos cálculos teniendo en cuenta la definición de la
potencia óptica expresada, considerando la Figura 3, mediante la
siguiente ecuación:
P =
\frac{1}{R} = \frac{\varphi}{V} = \frac{d\theta}{dt} \frac{dt}{dx} =
\frac{d\theta}{dx}
donde dx se expresa en metros y
d\theta en
radianes.
La Figura 4 ilustra un caso posible del efecto de
una distorsión causada por la superficie superior de una placa de
material transparente, mientras que la Figura 5 ilustra un caso
posible de una distorsión causada por la superficie inferior de
dicha placa.
En ambos casos, un único haz incidente y dos
haces reflejados, que se proyectan sobre la pantalla, evidencian el
efecto de la separación de los haces, presentando en ambos casos el
haz reflejado especularmente en la superficie superior una
intensidad mucho mayor que el reflejado en la superficie
inferior.
El cálculo de la potencia óptica en función de la
digitalización en tiempo real de las imágenes se realiza utilizando
las siguientes ecuaciones basadas en la Figura 6:
Potencia óptica asociada a la reflexión en la
superficie superior:
\theta_{1} =
\gamma_{2} \text{*} \
f_{1}
Potencia óptica asociada a la reflexión en la
superficie inferior
\theta_{2} =
\frac{-(\gamma_{2} + \gamma_{1})}{2} \text{*} \
f_{2}
Potencia óptica en la transmisión
\theta_{3} =
\frac{(\gamma_{2} - \gamma_{1})}{2} \text{*} \
f_{3}
en el
que
\gamma_{1}, \gamma_{2} se expresan en
píxels
f_{1}, f_{2} y f_{3} son factores de
calibración expresados en radianes/píxels.
Claims (12)
1. Aparato para la determinación de la distorsión
óptica de un sustrato transparente, que comprende:
medios emisores de luz (1) montados sobre medios
de soporte dispuestos separados entre sí a lo largo del sustrato a
fin de dirigir un primer haz de luz (LB1) hacia una superficie del
sustrato (2) para provocar un segundo haz de luz (3) reflejado en la
superficie superior (15) del sustrato (2) y un tercer haz de luz (4)
reflejado en la superficie inferior (16) del sustrato;
medios integradores (6) para captar e integrar el
segundo haz (3) y el tercer haz de luz (4) a fin de obtener dos
puntos (20, 21) perfectamente definidos de los haces de luz
reflejados (3, 4);
medios sensores (8) asociados a los medios
integradores (6) para detectar los ángulos de los haces de luz (3,
4) reflejados en las superficies del sustrato y para registrar una
imagen de las marcas luminosas (20, 21); y
medios de procesamiento de datos (10) para
recibir y procesar la imagen de marcas luminosas (20, 21) a fin de
medir la posición de los haces de luz reflejados y determinar la
distorsión en términos de potencia óptica.
2. Aparato según la reivindicación 1, en el que
los medios emisores de luz (1) consisten en un aparato láser de
estado sólido que dirige el haz de luz (LB1) hacia un espejo (5) de
primera superficie, proyectando dicho espejo el haz hacia el
sustrato (2) en un ángulo definido y comprendido entre 44º y
54º.
3. Aparato según la reivindicación 1, en el que
el ángulo de incidencia con respecto a la normal del sustrato es de
aproximadamente 49º.
4. Aparato según la reivindicación 1, en el que
los medios integradores (6) comprenden una pantalla rotatoria (6')
de un material difuso y en el que los medios sensores incluyen una
videocámara (8) dotada de unas lentes de zoom (7) que reciben los
haces de luz reflejados como marcas luminosas (20, 21) para la
integración de los mismos.
5. Aparato según la reivindicación 4, en el que
los medios integradores (6) comprenden un espejo (5') dispuesto de
tal forma que recibe los haces de luz (3, 4) reflejados y los
proyecta hacia la pantalla rotatoria (6') de material difuso y desde
dicha pantalla hacia la videocámara (8) dotada de lentes de zoom (7)
que reciben las marcas luminosas (20, 21) de los haces reflejados
(18, 19) para su integración, comprendiendo además el aparato una
tarjeta de vídeo (9) para transformar las señales de la videocámara
(8) en señales digitales y un monitor (11) para visualizar la
información proporcionada por la unidad de procesamiento de datos
(10).
6. Aparato según la reivindicación 1, en el que
la unidad de procesamiento de datos (10) está preparada para
analizar digitalmente y en tiempo real las imágenes (20, 21) a fin
de medir la separación entre los haces (3, 4).
7. Aparato según la reivindicación 1, en el que
la unidad de procesamiento de datos (10) es un ordenador
personal.
8. Aparato según la reivindicación 4, en el que
la unidad de procesamiento de datos (10) comprende un monitor (11)
para visualizar la posición de las marcas luminosas (20, 21) de los
haces reflejados e integrados (18, 19) que ha detectado la
videocámara (8).
9. Aparato según la reivindicación 1 que
comprende medios móviles (14) para desplazar el sustrato (2) a una
velocidad conocida a lo largo de una trayectoria determinada.
10. Aparato según la reivindicación 9, en el que
los medios móviles (14) comprenden un motor para impartir un
movimiento de desplazamiento al sustrato y un controlador de barrido
(13) asociado a dicho motor y a la unidad de procesamiento de datos
(10).
11. Aparato según la reivindicación 1, pudiendo
el aparato proporcionar la potencia óptica en dioptrías.
12. Procedimiento para determinar la distorsión
óptica de un sustrato transparente (2), comprendiendo el
procedimiento:
dirigir un haz de luz (LB1) hacia un sustrato (2)
de material transparente que proporciona por reflexión un par de
haces de luz reflejados (3, 4) correspondientes a los componentes de
las superficies superior e inferior (15, 16) del sustrato (2);
dirigir los haces de luz reflejados (3, 4) hacia
un dispositivo integrador de luz (6) que integra la luz de dichos
haces para transformarlos en dos marcas luminosas definidas (20,
21);
la captura de las dos marcas luminosas (20, 21)
mediante unas lentes de zoom dispuestas a una determinada distancia
focal;
la recepción de las marcas luminosas (20, 21)
capturadas mediante las lentes de zoom y el registro de la imagen de
los haces con tamaño y posición bien definidos mediante una tarjeta
de vídeo para formar una imagen digital; y
la recepción y el procesamiento de la imagen
digital mediante una unidad de procesamiento de datos (10) a fin de
medir la posición de los haces reflejados y determinar la distorsión
en términos de la potencia óptica.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/922,660 US5880843A (en) | 1997-09-03 | 1997-09-03 | Apparatus and method for determining the optical distortion of a transparent substrate |
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2239404T3 true ES2239404T3 (es) | 2005-09-16 |
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ID=25447401
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| Country | Link |
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