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Verfahren zur quantitativen Messung von Inhomogenitäten der
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Dichte in Gläsern, insbesondere optischen Gläsern Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zur quantitativen Messung von Inhomogenitäten der Dichte in Gläsern,
insbesondere optischen Gläsern.
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Die Prüfung optischer Gläser auf Inhomogenitäten der-DicAte erfolgt
üblicherweise durch die Beurteilung des Schattens oder Schlierenbildes einer Probe
durch das menschliche Auge. Die Prüfung ist damit von der subjektiven Erfahren des
Prüfers abhängig und eine klare Trennung von Gläsern in verschiedene Güteklassen
ist relativ schwierig.
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Bekannt ist ein Verfahren zur quantitativen Messung von Inhomogenitäten
des Brechungsindex bei optisch durchlässigen, planparallelen Körpern (DE 30 03 333
Al). Bei diesem Verfahren wird ein paralleles Strahlenbündel geringen Durchmessers
durch mehrere Bereiche der Probe geleitet und die den einzelnen Bereichen zugeordneten
Ablenkungen des Strahlenbündels werden gemessen.
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Inhomogenitäten des Brechungsindex bei optisch durchlässigen Körpern
sind optisch korrigierbar.
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Inhomogenitäten der Dichte in Gläsern, insbesondere optischen Gläsern,
sind demgegenüber optisch nicht korrigierbar.
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Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, mit dem eine
automatische Prüfung von Inhomogenitäten der Dichte von Gläsern, insbesondere optischen
Gläsern, möglich und eine reproduzierbare quantitative Qualitätsbestimmung erreichbar
ist, die es ermöglicht, die Gläser bestimmten Qualitätskategorien zuzuordnen und
dabei auch optisch ungeeignete Gläser von der weiteren Bearbeitung auszuschließen.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Probe
jeweils mit divergentem Wechsellicht durchstrahlt, das austretende Wechsellicht
in einer Abbildungsebene mit einem opto-elektrischen Wandler punktförmig abgetastet
und aus dem Ausgangssignal des opto-elektrischen Wandlers durch ein Schmalbandfilter
die Wechsellichtfrequenz ausgefiltert und die Signalamplitude aufgezeichnet und/oder
zur Anzeige gebracht wird.
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Um den opto-elektrischen Wandler möglichst optimal in einem steilen
Kennlinienfeld betreiben zu können, iss der optoelektrische Wandler vorzugsweise
durch eine Gleichlichtquelle auf einen vorbestimmten Arbeitspunkt einstellbar.
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Inhomogenitäten der Dichte des Glases, das sind Änderungen des Dichtegradienten,
manifestieren sich als Helligkeitsänderungen und damit als Änderungen der Signalamplitude
des Ausgangssignals des opto-elektrischen Wandlers. Die Signalamplitude kann bei
der Prüfung fortlaufend aufgezeichnet werden. Als Entscheidungskriterien bei der
Prüfung kann dabei beispielsweise das ein- oder mehrfache überschreiten vorgegebener
Signalamplituden im positiven und/oder negativen Sinne herangezogen werden. Es ist
weiter
möglich, die mittlere Dichte aus den gemessenen Signalamplituden
zu bestimmen und diese der Qualitätsbestimmung zugrunde zu legen.
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Zusätzlich zu dieser mittleren Dichte kann gegebenenfalls ein eventuelles
Überschreiten vorgegebener Signalamplituden für die Qualitatsbestimmung herangezogen
werden.
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Da insbesondere bei optischen Gläsern Messungen von Inhomogenitäten
der Dichte eine Standardmessung sind, müssen große Stückzahlen bearbeitet werden.
Dies erfordert Vorrichtungen, die die Prüfung in kurzer Zeit durchführen.
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Zweckmäßig sind solche Vorrichtungen derart aufgebaut, daß einer Bewegung
der Probe in einer Richtung eine Hubbewegung überlagert wird. Dabei werden die Lichtquelle
und der opto-elektrische Wandler vorzugsweise stationär angeordnet.
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Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Wechsellichtmeßanordnung
für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform einer Abtastvorrichtung für eine
Meßanordnung.
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Fig. 3 und 4 zeigen zwei Ausführungsformen von Vorrichtungen zur zur
Durchführung des Verfahrens.
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Die in Fig. 1 dargestellte Meßanordnung weist eine Wechsellichtquelle
2 sowie einen Meßaufnehmer 4 auf. Zwischen der Wechsellichtquelle 2 und dem Meßaufnehmer
4 ist die Probe 6 angeordnet.
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Die Wechsellichtquelle 2 kann als Lichtquelle 8 eine Glühbirne aufweisen,
die grundsätzlich mit Netzfrequenz betrieben werden könnte. Aus weiter unten dargelegten
Gründen wird jedoch eine Wechselfrequenz bevorzugt, die von der Netzfrequenz oder
deren Vielfachem abweicht. In der Zeichnung ist eine Glühbirne 8 dargestellt, die
aus einem Leistungsverstärker 12 gespeist wird, der von einem Frequenzgenerator
10 angesteuert ist.
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Statt einer Glühbirne kann auch eine Laserlichtquelle mit heller Wechsellichtfrequenz
(f > 1000 Hz) verwendet werden. Auch eine Laserlichtquelle im Impulsbereich kann
angewendet werden.
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Mit dem Licht der Lichtquelle wird eine Abbildungslinse 14 beaufschlagt,
hinter der im Strahlengang eine Lochblende 16 angeordnet ist. Im divergenten Strahlengang
hinter der Lochblende 16 ist die Probe 6 angeordnet, beispielsweise in einer hierfür
vorgesehenen Halterung, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Im Strahlengang
hinter der Probe ist ein Meßaufnehmer 4 angeordnet.
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Der Meßaufnehmer 4 weist einen in einer die Meßebene 30 bildenden
Abbildungsebene im Strahlengang liegenden opto-elektrischen Wandler 18 (Fotodiode)
auf, dessen elektrischer Ausgang über einen Verstärker 20 auf ein Schmalbandfilter
22 gegeben wird, durch den die Wechsellichtfrequenz ausgefiltert wird, so daß an
seinem Ausgang ein Gleichstromsignal ansteht, dessen Amplitude der Helligkeit des
durch die Probe gelangenden Lichtes proportional ist, mit dem der opto-elektrische
Wandler beaufschlagt wird. Der Ausgang des Schmalbandfilters 22 ist mit einer Meßwertanzeige
und/oder einem Meßwertspeicher 24 verbunden.
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Der opto-elektrische Wandler 18 wird zweckmäßig zusätzlich mit Gleichlicht
aus einer Gleichlichtquelle 26 beaufschlagt. Durch diese zusätzliche Gleichlichtbeaufschlagung
kann der Arbeitsbereich des Wandlers in einem steilen Kenninienfeld eingestellt
werden, in dem der opto-elektrische Wandler optimal für das von der Lichtquelle
8 ausgehenden Wechsellicht arbeitet.
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Durch die Wahl der Frequenz des Wechsellichtes außerhalb der Netzfrequenz
oder ganzzahligen Vielfachen der Netzfrequenz ist das Verfahren störunempfindlich
gegen Fremdlicht aus netzbetriebenen Leuchten.
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Der opto-elektrische Wandler 18 und die Meßebene 30 sind relativ zueinander
verschiebbar, so daß das gesamte in der Meßebene abgebildete Bild der Probe 6 abgetastet
werden kann. Hierbei kann der Wandler in der Meßebene verstellbar sein. Andererseits
kann bei feststehendem Wandler die Probe zweidimensional verschoben werden oder
das Bild relativ zum Wandler.
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Durch punktförmige Abtastung der Abbildung der Probe in der Meßebene
wird für jeden Meßpunkt ein Signal abgegeben. Durch die Verwendung des Schmalbandfilters
wird aus dem gemessenen Signal die Wechsellichtfrequenz ausgefiltert und lediglich
die Signalamplitude der Weiterverarbeitung zugeführt. Die weitere Signalverarbeitung
kann in der Weise erfolgen, daß einmal Signalschwankungen aufgezeichnet werden.
Dies kann für jeden Einzelpunkt erfolgen.- Es kann aber in vielen Fällen genügen,
über schreitungen von Toleranzgrenzen zur Anzeige zu bringen oder aufzuzeichnen.
Weitere Signalauswertungen sind möglich. So kann beispielsweise die mittlere Signalamplitude,
d.h. die mittlere optische Dichte der Probe ermittelt und ausgewertet werden.
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Für die Anzeige kommt beispielsweise unter anderem eine Bildschirmdarstellung
in Frage. Unter Verwendung eines Kleinreehners ist auch eine Klassifizierung möglich,
die die Grundlage für eine automatische Sortierung bilden kann.
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Fig. 2 zeigt eine Möglichkeit, mit einem feststehenden optoelektrischen
Wandler eine Probe vollflächig abzutasten. Die Wechsellichtquelle 2 ist hier lediglich
schematisch dargestellt.
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Das durch die Probe durchtretende Licht trifft auf einen Dreh-Kippspiegel
28 auf. Es wird dabei umgelenkt in die Meßebene 30, in der feststehend der opto-elektrische
Wandler 18 angeordnet ist. Durch Kippen des Spiegels um die senkrecht zur Zeichnungsebene
liegende Achse 32 läßt sich die Abbildung in der Zeichnungsebene am Wandler 18 vorbeibewegen.
Durch Drehen um die in der Zeichnungsebene liegende Achse 34 läßt sich das Bild
in der Meßebene 30 senkrecht zur Zeichnungsebene bewegen. Auf diese Weise ist es
möglich, eine zeilen- und/oder spaltenweise Abtastung der Probe vorzunehmen. Der
Umlenkspiegel kann dabei um seine Dreh- und seine Kippachse über Schrittmotoren
bewegt werden. Es wäre aber auch möglich, eine kontinuierliche Bewegung in der einen
Richtung durchzuführen, wobei dann beispielsweise am Ausgang des Verstärkers 20
Schaltmittel vorgesehen werden könnten, um für einzelne Punkte individuelle Meßwerte
zu erzielen.
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Fig. 3 zeit eine Anordnung, wie sie für schnelle Messungen von größeren
Mengen optischer Gläser verwendbar ist. Auf einer Grundplatte 36 ist hier ein Gehäuse
38 befestigt, in dem über eine Lagerung 40 ein Innengehäuse 42 drehbar ist. Das
Innengehäuse wird dabei über einen Motor 44 angetrieben, wobei der Antrieb beispielsweise
ein Reibrad 46 aufweisen kann, das mit dem drehbaren Innengehäuse in Eingriff steht.
Auch ein Riemenantrieb ist möglich. Das Innengehäuse 42 ist mittig mit einem Fenster
versehen, um das herum eine Halterung 48 angeordnet ist, mit der eine Probe 50 über
dem Fenster definiert befestigbar ist.
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Die Grundplatte 36 ist mit einem senkrecht zur Drehachse des Innengehäuses
wirkenden Linearantrieb versehen. Bei dem schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die Grundplatte 36 auf einer senkrecht verstellbaren Säule 52 befestigt, für
die ein Hubantrieb vorgesehen ist, der beispielsweise aus einem Elektromotor 54
und einer Kurvenscheibe 56 bestehen kann, an der die Säule 52 in Anlage liegt. Die
Bewegung des Linearantriebes ist durch den Doppelpfeil angedeutet.
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Stationär ist die Meßanordnung mit der Wechsellichtquelle und dem
opto-elektrischen Wandler angeordnet, und zwar derart, daß deren optische Achse
durch die Drehachse des Innengehäuses 2 verläuft.
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Zur Durchführung einer Prüfung wird die Probe über den Motor 44 in
Drehung versetzt, während gleichzeitig über den Motor 54 eine Hubbewegung eingeleitet
wird. Auf diese Weise erfolgt eine spiralförmige Abtastung der Probe, die mit hoher
Geschwindigkeit durchführbar ist.
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Bei viereckigen Proben, wie sie in der Zeichnung dargestellt sind,
können im Aufzeichnungs- bzw. Anzeigegerät Mittel vorgesehen sein, die Signalamplituden,
die unter einem bestimmten unteren Grenzwert liegen, wie sie bei Ausblendung des
Strahls durch Teile der Halterung 48, auftreten, von der Anzeige bzw.
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Aufzeichnung ausgeschaltet werden.
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Die Anordnung nach Fig. 3 kann auch so ausgebildet werden, daß das
innere Gehäuse 42 in einem koaxial zur Achse liegenden ringförmigen Bereich mit
Fenstern versehen wird, über denen jeweils Probenhalterungen angeordnet sind. Auf
diese Weise läßt sich eine Vielzahl von Proben in einem Prüfgang prüfen. Hierbei
sind dann zusätzlich Schaltungen vorzusehen, die die Signale der einzelnen Proben
gesondert oder identifiziert messen bzw. aufzeichnen. In
diesem
Fall würde dann die Ausgangsstellung eine solche sein, bei der die optische Achse
der Meßanordnung in der Ausgangsstellung mit einem der Ränder der Ringfläche fluchtet,
in der die Fenster für die Proben angeordnet sind.
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Eine weitere Ausführungsform zeigt Fig. 4. Hier ist an einem Träger
60 in einem Gelenk 62 ein Pendel 64 schwenkbar aufgehängt, das an seinem unteren
Ende eine Halterung 66 mit einem Fenster für eine Probe 68 trägt und zweckmäßig
mit einem Antrieb versehen ist. Der Rahmen 60 ist hier auf einer Hubsäule 70 befestigt,
die, wie bei der Ausführungsform nach Fig. 3, über einen Antrieb 72 kontinuierlich
oder stufenweise in der Höhe verstellbar ist. Die Hubsäule 70 und der Antrieb 72
bilden hier den Linearantrieb, der senkrecht zur Pendelachse in Richtung des Pendels
in seiner Ruhelage wirkt. Die Bewegung des Linearantriebes ist durch den Doppelpfeil
angedeutet. Die optische Achse der Meßanordnung liegt in diesem Fall auf der Senkrechten
durch das Pendelgelenk 62 im Bereich der Aufnahme 66, wobei die Ausgangsposition
die untere oder die obere Kante dieser Aufnahme sein kann. Abhängig von der Geschwindigkeit
der Hubbewegung kann bei dieser Anordnung eine zeilen- oder spaltenweise Abtastung
durchgeführt werden. Eine zeilenweise, d.h. in Richtung der Pendelbewegung liegende
Abtastung wird erzielt, wenn die Hubzeit lang ist gegenüber der Pendelzeit. Eine
spaltenweise Abtastung, d.h. in Richtung der Pendelachse wird erzielt, wenn die
Hubzeit kurz ist gegenüber der Pendelzeit.
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Bei den Ausführungsformen nach den Fig. 3 unc 4 kann am drehbaren
Gehäuse bzw. am Pendel auch eine lösbare Platte oder sonstige Struktur vorgesehen
werden, auf der die Proben montierbar sind.
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An der Platte sind hierbei die Fenster ünd die Halterungen für die
Proben angeordnet. Es wird dann jeweils die Platte mit den
darauf
montierten Proben in das Gehäuse bzw. das Pendel eingesetzt. Hierdurch wird eine
verbesserte Ausnutzung der Vorrichtungen erreichbar.
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Obwohl eine Hubbewegung der Probe bei der Messung mit den Vorrichtungen
nach den Fig. 3 und 4 bevorzugt ist, kann selbstverständlich auch eine Hubbewegung
der Meßanordnung vorgesehen werden. Die Entscheidung, welche Anordnung gewählt wird,
kann beispielsweise von der bei der Hubbewegung zu bewegenden Masse abhängen.
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Im vorstehenden ist das Wechsellichtmeßverfahren gemäß der Erfindung
mit einer Darstellung des Schattenbildes beschrieben. Das Wechsellichtmeßverfahren
ist auch beim Schlieren- oder Interferenzverfahren einsetzbar.