JPH08509298A - 透明材料の厚さ測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 変調された光学的振動数の光ビーム（４）が放射され、材料の壁（１）の表面（２，３）のそれぞれから反射される２つの光ビームあるいは光線（ｉ，ｊ）か受光され、それら（ｉ，ｊ）の間の干渉が生成され、干渉信号の光路差δが決定されることを特徴とする方法である。レーザーダイオードが光源として使用され、ビームの光学的振動数の変調によって変調される。２つの表面によって反射される光線の間から、２本の光線が選択される。本発明に係る装置は、各ピックアップによって０．３ミリ秒の計測を可能とする。これは、各ミリメータ毎に回転するビンの周囲を探索することを可能とする。色なしあるいは色付きのガラスあるいはプラスチック材料のビンおよび平面ガラスへ応用ができる。

Description

【発明の詳細な説明】 透明材料の厚さ測定方法 本発明は、透明材料の厚さ測定方法および装置に関する。より特定すれば、限 定的ではないが、本発明はガラス材料の厚さ測定、より特定すればビンあるいは フラスコのようなガラス容器の厚さ測定を目的とする。 顧客によって要求される一般的な品質要求およびビンの重さの低減は、これら のビンの厚さの厳格な制御を要求する。 ガラス製造業において、厚さ測定を達成するために基本的に静電容量の測定を 使用することが一般的である。実際には、ガラスは絶縁体であるので、電極によ るガラスの静電容量の測定は局所的に限定されたガラスの厚さを可能とする。 このような技術は、特に EP 特許 300 616および EP 特許 363 114に明白に記 載されている。これはビンがその軸の回りで回転している間にビン上に、引き延 ばされた電極形状のピックアップを押し当てることを含んでいる。 このような技術は、ビンの壁面に対して保持されるピックアップを使用すると いう短所を有する。これは必然的にビンの回転によって増大されるピックアップ の急激な磨耗をもたらす。またビンがピックアップに衝撃を与える大きな傷を有 している場合には、ピックアップは完全に破壊されるであろう。 他の技術が、番号2 129 416で発行されたフランス特許に記載されている。こ の技術は、高周波の電磁場を発生し、絶縁材の挿入により発生するこの電磁場の 強度の変化を測定することを含む。プローブに発生する電圧は、電磁場の強度の 変化の表示を与え、絶縁材 の厚さに比例する。 しかしながら、この技術は厚さの測定において高精度をもたらさない。これは 、正確な測定をせずに、しきい値以下の厚さであることを決定するためにより特 定して使用される。 さらにこれは、前述の技術で述べたように、測定ヘッドの早期の磨耗をもたら すビンへの接触を必要とする。 従って、この早期の磨耗あるいは事故による破損は検出器あるいは測定ヘッド の頻繁な交換を要求し、制御システムの補修の高価格をもたらす。 さらに検出器あるいは測定ヘッドの劣化あるいは交換は、適切に検査されてい ない一連の部品の再検査および制御の休止している間の製造の中断を必要とする かもしず、低減された生産量をもたらす。 本発明の第１の目的は、測定の高精度を与える透明な材料、特にガラス製品の 厚さの測定方法を提供することである。 第２の目的は、測定具の早期の、特にこれら測定具と測定されるべき部品とが 接触している間の、磨耗あるいは破損のおそれを回避することである。 本発明の他の目的は、連続的に移動する全部の部品の厚さの測定に対してこの 測定方法を適用することにある。 本出願人は、材料に垂直に入射する光が材料の両面によって反射される点で透 明材料は干渉計と同一であると考えた。２つの反射光はδで表される光路差（a difference of step）により、次式で表されるように干渉する。 δ＝２ｎ・ｅ （１） ここでｎとｅとはそれぞれ屈折率および透明材料の厚さを表す。 さらに光源が単色であるときの光学干渉の原理は、次式で表すことのできる受 光素子によって受光される干渉信号をもたらす。 Ｓ_int＝Ｉ₀（１＋Ｋ・cos（２πδ／λ）） （２） ここで、Ｉ₀とλはそれぞれ光強度および単色光の波長を表し、Ｋは干渉定数 を表す。 従って、光路差を決定することにより、透明材料の厚さを決定することは容易 である。しかしながら、光路差の関数である干渉信号の周期性に関連するこの方 法の応用に対して制限が表れる。実際、光路差は位相計測から決定されるので、 あいまいさの問題がある。光路差を決定するためにπより小さい位相が必要であ り、従って光路差は波長の１／２より小さい。これは、しかしながら１ミクロン 以下の厚さを有する材料に制限される厚さの非常に精密な測定をもたらす。 このような測定技術の限界に関連するこの欠点は、変調された光学的振動数を 有する光ビームを放射し、材料の壁面のそれぞれの表面から反射されそれらの間 で干渉が発生し干渉信号の光路差を決定する平行であることが有利である２つの ビームあるいは光線を受光する段階からなる透明あるいは半透明材料の測定方法 を提供する本発明によって解決される。 光路差は、変調周期当たりの干渉信号のビート数から導き出すことが有利であ る。 光ビームあるいは光束はレーザーダイオードによって放射されることが有利で ある。平行は表面を有する材料の場合には平行ビームが使用され、平行でない表 面を有する材料の場合には材料の表面で焦点を合わされることが有利である。 従って、この測定方法は０．１ミリメートル以上であることが望ましい厚さの 透明な基板に対して適当である。 実際この方法は、ビンの表面に塗布される潤滑油の厚さと同じくフィルムある いは表面コーティングを無視することにより基板の厚さの測定を可能とする。こ の方法により、いかなる擾乱のおそれも除去される。 放射されるビームの光学的振動数は、レーザーダイオードへの供給電流の変調 によって変調されることが望ましい。 光ビームの光学的振動数の線形変調かなされることが望ましい。 本発明の望ましい態様によれば、波長の逆数１／λは、線形的に変調される。 これは、ｃを光速としたときω₀＝ｃ／λで表される光学的振動数の変調をもた らす。相似則によって、１／λは光学的振動数と考えることができる。線形変調 中の振動数は次式で表される。 １／λ＝１／λ₀＋Δλ／λ₀ ²・ｔ／Ｔ （３） ここでΔλとＴはそれぞれモードジャンプのない波長の変動値と変調周期を表 す。ｔは時間を表す。 検出の瞬間ｔにおいて、検出器は同時にガラスの２つの表面から伝達される２ つの光線を受光する。 これらの２つの光線はそれらの間に存在する光路差によって相対的に時間遅れ を有しているので、それらは異なる光学的振動数を有する。 従って、干渉信号は以下のように表すことが可能である。 Ｖ_int＝Ｉ₀（１＋Ｋ・cos（φ₀＋ωｔ）） （４） φ₀＝２πδ／λ₀ （５） ω ＝２π（Δλ／λ₀ ²）・δ／Ｔ （６） ここで、Ｉ₀とλ₀はそれぞれ変調のない場合の単色光源の光強度と波長を表し 、δは光路差である。Ｋは干渉定数である。 式（４）は、光源の光学的振動数の線形変調は脈動ωを有する余弦波状の（co sinusoidal）干渉信号をもたらすことを示している。ω／２πは、干渉する２つ の光線の間の光学的振動数の差である。この場合検出はコヒーレントでありかつ ヘテロダインであるが、有効な信号は２つの光線の干渉項であるためコヒーレン トであり、検出されるものはこれら２つの光線の光学的振動数の差であるために ヘテロダインでもある。 変形例において、本発明は、光ビームの光学的振動数の正弦波状の変調を提案 する。 変調周期Ｔ中のビート数Ｎは、変調脈動に対する脈動ωの比に対応し、これは 以下のように表わされる。 Ｎ＝Δλδ／λ₀ ² （７） この比とビート数Ｎの決定は、式（７）により光路差を、式（１）により材料 の厚さ“ｅ”を導き出す。 従って、この方法はこのような材料が干渉計と同一であることが確実である透 明材料の厚さ“ｅ”の決定を可能とし、測定の高精度をもたらす。さらに、本発 明の方法は光信号の放射と材料によって反射される信号の受信とに基づいている ため、材料から零でない距離に設置される放射および受光具に使用によって実行 され得る。従って記載された方法は、透明材料と計測具との間で接触なしに、従 ってこれらの計測具が例えば対象物との接触による早期の磨耗のおそれなく厚さ “ｅ”を決定することを可能とする。 この方法は２つの平行な表面を有する板ガラスの計測に使用してもよい。逆に 他の応用において、特にフラスコのようなガラスパッケージあるいは容器の厚さ の測定に対しては得られる結果は常に満足すべきものではない。 フラスコあるいはビンの内表面の反射の質は製造技術上の理由か ら劣悪であり、さらに一般的には外表面と平行ではない。従ってこの面から得ら れる反射はランダムである。 この形式の材料、特にガラス容器に対して本計測方法を適用するために、本発 明はピックアップの実施例の有利な形式の１つによって壁のそれぞれの表面から 放射される拡散光の中から相互に平行な２つの光線間で干渉を起こすことを提案 する。拡散光とそれらの干渉をピックアップするために、容器の壁面上で入射光 の焦点を合わせることが望ましい。 ガラスは、ほとんどあるいは実際的にはまったく拡散性の材料ではないことが 普通であるけれども、本発明のこの変更例が高精度の正しい測定をもたらすこと は明確である。 ピックアップされた拡散光は、透明な材料の壁面で反射されたビームの方向以 外の方向から選択されることが望ましい。 従って、厚さを有する光路差に関する式（１）は異なったものとなり、以下で 表される。 δ＝ｅ［ｎ（１／cosα＋１／sinβ） −（tanα＋tanβ）sin（Ψ−Ｉ）］ （１’） ここで、 α＝sin^-1（１／ｎ sinＩ） β＝sin^-1（１／ｎ sin（Ψ−Ｉ）） であり、Ｉ＝入射角 Ψ＝システム角、即ち入射ビームと測定される拡散光に よって形成される角度 透明な材料の厚さ“ｅ”は、変調当たりのビート数Ｎの決定の後にこの式（１ ’）および（７）から決定される。厚さはビート数に比例する値のままであるこ とを理解することは重要である。 ビンの厚さの計測において、ビンはその軸を中心として回転する 。この回転は壁面で反射される光線の光度の変動を引き起こすであろうことが発 見される。この光度の変動は、特にゴミの存在あるいは材料の外面あるいは内面 のよごれあるいは不均一性に起因する。 従ってこの変動は、時間の関数である。 従ってこの変動は、干渉信号（Ｖ_int）を擾乱し、その結果ビート数Ｎおよび 光路差δの決定が困難になる。 この課題を克服するために、本発明は１つの変形において、透明な材料の壁面 から放射される光線の光強度を（Ｖ_mod）としたとき商（Ｖ_int／Ｖ_mod）を得る ことを提案している。これにより、干渉信号（Ｖ_int）の光路差δを特に変調周 期当たりのビート数Ｎから決定することを可能とする。 本発明はまた上記の方法を実行する装置をも提案する。 この装置は、一方の面で焦点レンズ付のレーザーダイオードであることが望ま しい変調された光学的振動数の単色光源を有し、他の面で干渉信号を受光する手 段と変調周期当たりのビート数を決定するためのコンピュータを有する。 レーザーダイオードは、線形変調された電流を供給する発振器から電力をうけ ることが望ましい。 特に、拡散光を取り扱うことを要求するガラス容器の厚さの計測においては、 受光手段はレンズとレンズの焦点に設置されるアバランシェフォトダイオードで ある。 さらに光源と受光手段は、１つの筐体あるいはピックアップに格納され、計測 中は放射される光が容器の外表面と９０°以外の角度をなすように位置決めされ ることが望ましい。この方法によれば、壁面から反射されたビームは一層弱い強 度を有する２つの拡散光の干渉に害を及ぼさない。 また干渉信号を改善するために、レンズの焦点距離に対して小さい受光面積比 を有するアバランシェフォトダイオードを使用することが望ましい。これは実際 良好な干渉明度差を確実なものとする。実験においてはこの比は１／１００であ った。 他の詳細および本発明の利点は、図面および本発明に関して実施された試験の 記載の後に明らかとなる。 図は以下を示す。 −図１は、ガラス製品の厚さを計測するための本発明に係る装置の構成図を示す 。 −図２は、時間関数としての光強度（Ｖ_mod）の線形変調の測定図である。 −図３は、厚さｅ＝１．６７ｍｍに対する干渉信号（Ｖ_int）の測定図である。 −図４は、厚さｅ＝１．６７ｍｍに対する変調周期当たりのビート数の説明図で ある。 −図５は、厚さｅ＝３．８５ｍｍに対する変調周期当たりのビート数の説明図で ある。 −図６は、変調周期当たりのビート数を材料の厚さの関数として表したグラフで ある。 図２、３、４および５の縦軸は任意の単位で示されている。 図１は、静止したガラスビンの壁（１）の厚さ“ｅ”の測定のために使用され る本発明に係る装置を図式的に示している。ビンの壁（１）はこの図の一部に図 式的に示されている。これは成形中に型と接し、完全に満足すべき反射特性を有 する外表面（２）を有している。壁の内表面（３）は、成形中に吹き出し空気に 接し、劣悪な反射特性を有する。この面の欠点は、この面によって反射されるビ ームの方向が完全にランダムであり、この面への入射点に従って変 化することをより明確に示すために、この図において意図的に拡大されている。 壁に到達する入射ビーム（４）はレーザーダイオード（５）から放射され、壁 （１）上で焦点を結ぶレンズ（１２）を通過する。 以下に記述される試験に使用されたレーザーダイオード（５）は縦および横の 単一モード形式である。その最大出力は１０ｍＷであり波長λ₀＝７８０ｎｍで ある。 レーザーダイオード（５）は、その電流が線形状に周期的に変調される発振器 （６）から電力供給される。この供給電流の変調は、レーザーダイオードの波長 が変調されることを可能とし、その強度を変調する。 他の手段は強度を一定に維持しつつ波長だけを変調することを可能とするが、 しかしより高価となる。 レーザーダイオード（５）によって放射される入射ビーム（４）は壁（１）上 で焦点が合わされ、外表面（２）上の第１の衝撃点（７）に達し、内表面（３） 上の第２の点（８）に達する。矢印（ｉ、ｉ’、ｉ”・・）および（ｊ、ｊ’、 ｊ”・・）は、全方向へのガラスの拡散を模式的に示している。 レンズ（９）およびアバランシェフォトダイオード（１０）からなる受信素子 は、壁（１）の各表面（２、３）によって拡散された２つの光線（ｉ、ｊ）から の干渉信号を受信するように位置決めされる。拡散は全ての方向に発生するので 、点（７）および（８）からの２本の平行な拡散光線（ｉ、ｊ）を受信すること は常に可能である。アバランシェフォトダイオード（１０）は干渉信号（Ｖ_int ）を受信するためにレンズ（９）の焦点距離に設置される。このアバランシェフ ォトダイオード（１０）はより容易に分析された信号を与えるために増幅器（１ １）に接続される。 実際上、ガラスは弱い拡散表面を有することが知られている。しかしなから、 本発明に係る拡散光線の処理は良好な結果を与えることが理解される。それにも かかわらず、受光素子は壁の両面によって反射されるビームの方向以外の方向に 配置されることが望ましい。もしそうでなければ、拡散光線よりも非常に強いこ のビームがアバランシェフォトダイオード（１０）によって受光され、干渉信号 （Ｖ_int）に擾乱を与える。 実際は、レーザーダイオードおよびアバランシェフォトダイオードは単一の筐 体あるいはピックアップ中に設置される。フォトダイオードが表面によって反射 されるビームの経路上に存在することがないように、システム角度Ψは非常に小 さく（約５°）かつ入射束は垂直でないように選択される。 干渉信号（Ｖ_int）は、解析を実行するために、接続線（１４）を介してコン ピュータ（１３）に伝達される。 時間関数として光強度を表す信号（Ｖ_mod）もまた、接続線（１５）を介して コンピュータ（１３）に伝達される。 図１において、ガラスビンは固定されているため、信号（Ｖ_mod）は供給装置 を介してレーザーダイオードから伝達される。従って実際は、入射ビーム（４） の光強度の変動は拡散光線（ｉ、ｊ）のそれに比例する。ビンに回転運動が与え られた場合にはそうではないが、この理由は、理解できるように、この回転は時 間に依存する強度の変動をもたらすためである。 後者の場合、Ｖ_modを得るために、例えばレンズ（９）に到達する前に光線（ ｉ、ｊ）の経路上に半反射性分離立方体を挿入し、発生すべきそれらの光線（ｉ 、ｊ）の干渉なしにそれらを他のフォトダイオードに導くことによって、光線（ ｉ、ｊ）の光強度を測定することが可能となる。 このような素子で得られる干渉信号（Ｖ_int）の形式が図３に示されている。 変調周期の間で振幅が変動するために、このような信号は解析が困難であるよう に見える。 図２は、レーザーダイオードの線形変調強度（Ｖ_mod）の測定図である。干渉 信号（Ｖ_int）の解析を可能とするために、コンピュータ（１３）手段によって 図４に示す比（Ｖ_int／Ｖ_mod）を得ることが可能である。この信号（Ｖ_int／Ｖ_{m od} ）は、ビート数、従ってガラスビンの厚さ“ｅ”を計算により解析することを 可能とする。 われわれは、この信号（Ｖ_int／Ｖ_mod）の解析はビンの回転中の強度の変化に 起因する擾乱を除去することを承知している。 よって図１の場合、ビンは静止しているものとされた。 それにもかかわらず、選択された変調形式は（Ｖ_mod）に時間の関数としての 強度の変動をもたらし、また図３に示されるように信号（Ｖ_int）にも擾乱を与 えるので、この場合には信号（Ｖ_int／Ｖ_mod）が興味深い。 本発明に係る計測方法を確認するために、既知の厚さのガラスサンプルについ て異なった試験が行われた。 図３および４は、既知の厚さｅ＝１．６７ミリメートルの供試体に関連する。 図５は、厚さｅ＝３．８５ミリメートルの供試体によって得られた信号（Ｖ_{in t} ／Ｖ_mod）を示す。 これら２つの結果および図４および５の形式で示されていない他の結果は図６ に示されているが、これは既知の厚さの供試体について計測された変調周期当た りのビート数を示すグラフである。 図６は、このグラフが原点を通過する直線を形成することを示している。従っ てヘテロダイン干渉法の原理の応用はこのグラフによ って確かめられる。実際、変調周期当たりのビート数と計測すべき材料の厚さ“ ｅ”との間の比例関係は確認された。これは、また透明な材料、特にガラスと干 渉計との間の一致も確認される。 試験中に、非常に接近した厚さ、より正確には２０ミクロンで変化する厚さの 供試体について実行された。本発明に係る方法は、これら３つの値を得ることを 可能にした。これらは図６に示されいるが、これらは２．５８ｍｍ、２．６０ｍ ｍ、２．６２ｍｍである。 これらの計測値を取得する間の操作を簡単化し、特性値Δλ、λ₀およびｎの 決定を避けるために、既知の厚さの供試体に対し計測を実施し、測定装置を較正 することが可能となる。 ビンの制御において、ビンの異なった部分、より特定すれば首、肩およびビン 本体に沿う種々の高さの厚さの制御で実行することが有利である。さらに、ビン の全周にわたってこれらの試験を実行することが望ましい。これを実行するため に、異なるレベルに配置されるであろういくつかのピックアップの前をビンが通 過し、ビンはその軸の回りの回転運動が与えられる。 提案された装置は、最も望ましい場合には０．３ミリ秒毎に実行され、ビン製 造ラインに沿う移動および回転の通常の速度に対しビン周囲の回りに各ミリメー トル毎の計測を与えるピックアップによる計測を可能とする。 得られた結果は、平面ガラス、色付きあるいは色なしガラスビンおよびプラス チック材料の計測に対しても満足すべきものであった。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．透明材料の厚さ（ｅ）計測方法であって、 変調された光学的振動数の光ビーム（４）を放射し、 材料の壁（１）の表面（２，３）のそれぞれによって反射される２つのビーム あるいは光線（ｉ，ｊ）を受光し、 それら（ｉ，ｊ）の間の干渉を発生させ、 干渉信号の光路差δを決定することを特徴とする透明材料の厚さ計測方法。 ２．表面のそれぞれによって反射される２つのビームあるいは光線は平行であ ることを特徴とする請求項１に記載の透明材料の厚さ計測方法。 ３．光路差が変調周期当たりのビート数から導きされることを特徴とする請求 項１あるいは２のいずれかに記載の透明材料の厚さ計測方法。 ４．光ビーム（４）がレーザーダイオード（５）によって放射されることを特 徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の透明材料の厚さ計測方法。 ５．放射されるビームの光学的振動数は、レーザーダイオード（５）への供給 電流を変調することによって変調されることを特徴とする請求項４に記載の透明 材料の厚さ計測方法。 ６．光線ビーム（４）の光学的振動数の線形変調が生成されることを特徴とす る請求項１から５のいずれか１項に記載の透明材料の厚さ計測方法。 ７．光線ビーム（４）の光学的振動数の正弦波状変調が生成されることを特徴 とする請求項１から５のいずれか１項に記載の透明材料の厚さ計測方法。 ８．材料が透明で、色なしあるいは色付きの、もしくは皮膜で覆われあるいは 覆われていないガラスあるいはプラスチックであることを特徴とする請求項１か ら７のいずれか１項に記載の透明材料の厚さ計測方法。 ９．入射ビーム（４）が材料の壁で焦点合わせされることを特徴とする請求項 １から８のいずれか１項に記載の透明材料の厚さ計測方法。 １０．干渉する光線（ｉ，ｊ）は、材料の壁（１）の面（２，３）のそれぞれ によって拡散されたものであることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項 に記載の透明材料の厚さ計測方法。 １１．光強度信号（Ｖ_mod）に対する干渉信号（Ｖ_int）の比は光路差δを決定 するために取得されることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載 の透明材料の厚さ計測方法。 １２．透明材料の厚さ測定装置であって、 変調された光学的振動数（１／λ）を有する単色光源（５，６，１２）と、 干渉信号（Ｖ_int）のための受光手段（９，１０，１１）と、 変調周期（Ｔ）当たりの干渉信号（Ｖ_int）のビート数（Ｎ）を決定するため のコンピュータ（１３）と、を具備する透明材料の厚さ測定装置。 １３．前記光源が焦点合わせ用レンズ（１２）を具備するレーザーダイオード （５）であることを特徴とする請求項１２の透明材料の厚さ測定装置。 １４．前記レーザーダイオード（５）が、変調された電流を提供する発振器（ ６）によって電力供給されることを特徴とする請求項１３の透明材料の厚さ測定 装置。 １５．受光手段が、レンズ（９）と、前記レンズ（９）の焦点に 位置される増幅器（１１）を具備するアバランシェフォトダイオード（１０）と であることを特徴とする請求項１２から１４のいずれか１項に記載の透明材料の 厚さ測定装置。 １６．前記アバランシェフォトダイオード（１０）が、レンズ（９）の焦点距 離に対する感光部直径の比が小であることを特徴とする請求項１５に記載の透明 材料の厚さ測定装置。 １７．前記光源（５，６，１２）と前記受光手段（９，１０，１１）は単一の 筐体あるいはピックアップに収納され、放射されるビーム（４）が壁（１）の外 表面（２）と９０°以外の角度をなすように位置決めされることを特徴とする請 求項１２から１６のいずれか１項に記載の透明材料の厚さ測定装置。