DE3418283A1 - Verfahren zum nachweis von fehlstellen in transparenten materialien - Google Patents

Description

Beschreibung:

Die Erfindung betriftt ein Verfahren zum Nachweis von Fehlstellen in transparenten Materialien, die sich auf der Oberfläche und/oder im Innern des Materials befinden, insbesondere zum Nachweis von in Glas eingeschlossenen Fremdkörpern oder Blasen, bei dem das zu prüfende Material mittels elektromagnetischer Strahlung abgetastet und die von den Fehlstellen zurückgeworfene Intensität aufgefangen, in ein elektrisches Signal umgewandelt und ausgewertet wird.

Es ist bekannt, daß mit Hilfe eines abtastenden Lichtstrahles, vorzugsweise eines Laserstrahles, zum Beispiel Glasteile oder Flachglasbahnen automatisch auf innere Fehlstellen an ihren Oberflächen hin geprüft werden können. Der Lichtstrahl wird dabei über das zu prüfende Objekt geführt und zum Teil an dessen Oberfläche reflektiert, zum Teil von ihm durchgelassen. Durch Fehler im Innern oder an der Oberfläche des Objektes wird der reflektierte bzw. der durchgehende Strahl gestört. Diese Störungen werden elektrooptisch erfaßt und als Fehlersignal ausgewertet. Mit dieser Methode ist die Lage eines Fehlers bezüglich Länge und Breite des Objektes leicht zu bestimmen, nicht aber in welcher Tiefe sich der Fehler im Inneren des Objektes befindet.

In verschiedenen Anwendungen, gerade auch bei zu prüfenden Objekten mit großer Materialdicke, ist es aber nicht nur notwendig, eine Information über das Vorhandensein eines Fehlers zu erhalten, sondern auch darüber, wie tief er in dem Material liegt, d.h., welchen Abstand er von der Oberfläche des Objektes hat. Oder es kann auch die Aufgabe gestellt sein, Fehler nur bis zu einer bestimmten Tiefe zu suchen oder Fehler in unterschiedlichen Tiefen unterschiedlich zu bewerten.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren und eine Anordnung,mit dem der Abstand der Fehlstellen von der ober fläche des zu prüfenden Materials bestimmt werden kann.

Dieses Ziel wird mit einem Verfahren und einer Anordnung gemäß den Ansprüchen erreicht.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ausgenut zt , daß die Eindringtiefe elektromagnetischer Strahlung in das zu prüfende Material von der Wellenlänge abhängt.

Die Eindringtiefe E ist als der reziproke Wert, des Absorptionskoeffizienten K definiert:

E = l/K (cm) (1)

K = (2,3/d) · Ig (1/Ti) (cm"¹) (2)

d = Materialdicke (cm)

Ti = Reintransmission

Ti = (T/P)

T ist die Transmission, P der Reflexionsf.-ikt.ot . L-P gibt an, wieviel Intensität an den Oberflächen reflektiert wird.

Die Eindringtiefe ist nicht scharf begrenzt. Wenn homogenes Material vorausgesetzt werden kann, ist die Intensität in der einfachen Eindringtiefe auf 37 % der Ausgangs intensität abgefallen, in der doppelten auf 13,5 V,, in clei dreifachen auf 5 % der eingestrahlten Intensität.

Diese Eindringtiefe wird im folgenden Prüftiefe genannt .

Die Einstellung bzw. Variation der Prüftiefe, so wie sie der vorliegenden Erfindung entspricht, geschieht folgendermaßen:

Dem menschlichen Auge transparent erscheinende Objekte sind durchlässig für elektromagnetische Strahlen mit Wellenlängen zwischen 380 und 780 nm. Das ist der Bereich des sichtbaren Lichtes. Solche Objekte haben auch immer Bereiche im Spektrum der elektromagnetischen Strahlung, in denen sie nicht oder abgeschwächt durchlässig für elektromagnetische Strahlung sind, d.h. die Transmission der betreffenden Strahlung ist dort mehr oder weniger stark herabgesetzt.

Zwischen den Bereichen mit guter und schlechter Transmission existiert ein Übergangsbereich, in dem die Transmission stetig abnimmt. Die Änderung der Transmission als Funktion der Wellenlänge in diesem Übergangsbereich läßt sich meßtechnisch genau erfassen. Es kann daher also immer eine Wellenlänge für das abtastende Licht der erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung, das dann in der Regel aus dem nicht sichtbaren ultravioletten oder infraroten Bereich des Spektrums stammt, gefunden werden, zu der eine ganz bestimmte gewünschte Transmission gehört. Einer bestimmten Transmission entspricht aber auch eine bestimmte Eindringtiefe des Lichtes in dem betreffenden Objekt. Auf diese Weise kann über die Wellenlänge des abtastenden Lichtes die Eindrmgtief e, die die Prüftiefe bestimmt, gewählt werden. Erfindungsgemäß können so nicht nur Objekte auf Fehler hin geprüft werden, die für sichtbares Licht durchlässig und in anderen Bereichen undurchlässig sind, sondern auch solche, die im Sichtbarem undurchlässig si.nd, aber in einem anderen Wellenlängenbereich eine gute Transmission haben.

Bei einem Fehlernachweis mittels der erfindungsgeniäßen Prüfeinrichtung muß das Licht des abtastenden Strahles einmal in das zu prüfende Material eindringen, dann den gleichen Weg wieder zurücknehmen, nachdem es an dem Fehler gestreut oder reflektiert wurde. Je nach Empfindlichkeit der opto-elektronischen Anordnung und Größe des Fehlers wi rd man demnach Fehler finden können, die bis zu der ein- bis zweifachen Eindringtiefe im Inneren des Materials liegen. Das ist dann die oben beschriebene Prüftiefe. Tiefer liegende Fehler geben kein optisches Signal mehr und werden nicht registiert.

Die Prüf tiefe läßt sich noch schärfer begrenzen, wenn man schwache Signale, die von Fehlern verursacht werden, die in tieferen Schichten des zu prüfenden Materials liegen, mittels einer elektronischen Schwelle abschneidet und so bei der Auswertung nicht berücksichtigt.

Fehlerstellen die einen größeren Abstand als die Prüft iele von der Oberfläche haben, erzeugen kein optisches Signa] ut.d werden nicht nachgewiesen. Indem das Objekt die er! i ndung··.-gemäße Prüfeinrichtung mehrmals hintereinander oder mehrere erfindungsgemäße Prüfeinrichtungen hintereinander durch]äulι und zwischen den einzelnen Prüfschritten die Prüftiefe m geeigneter Weise variiert wird, können die gefundenen Fehler gewissen Tiefenschichten im Objekt zugeordnet werden.

Ein Spezialfall der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Prüfeinrichtung mit abtastendem Licht einer ausgesuchten Wellenlänge zu betreiben, das überhaupt nicht in das zu prüfende transparente Objekt eindringen kann. Auf diese Weise werden Fehler mittels des reflektierten Lichtes auf der Oberfläche des Objektes völlig unbeeinflußt von Fehlern, die sich im Inneren des Objektes befinden, nachgewiesen.

Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Diagramm des Strahlungstransmissionsgrades von Fernsehschirmglas 8209 der Dicke 11 mm in Abhängigkeit von der Wellenlänge,

Fig. 2 Diagramm des Strahlungstransmissionsgrades von Fernsehschirmglas 8209 der Dicke 0,17 mm in Abhängigkeit von der Wellenlänge,

Fig. 3 Diagramm der Eindringtiefe von Strahlung in Fernsehschirmglas 8209 in Abhängigkeit von der Wellenlänge,

Fig. 4 Signal des optischen Sensors beim Abtasten einer Blase, die 0,1 mm unter der Oberfläche eines Fernsehschirmes liegt, mit Licht der Wellenlänge 314 nm,

Fig. 5 Signal des optischen Sensors beim Abtasten einer Blase, die 3 mm unter der Oberfläche eines Fernsehschirmes liegt, mit Licht der Wellenlänge 314 nm,

Fig. 6 Erfindungsgemäße Prüfeinrichtung.

In Fernsehschirmen sind Blasen, die sich auf der Oberfläche der Innenkontur des Schirmes und dicht unter ihr befinden, ein besonderes Fehlermerkmal, das gegenüber den übrigen getrennt erfaßt werden soll. Das Fernsehglas 8209 ist gut transparent zwischen 370 und 3700 nm. In einer Dicke von 11 mm ist es <^350 nm undurchlässig (Fig. 1). Fig. 2 zeigt, daß es in einer Dicke von 0,17 mm dagegen bis hinunter zu 270 nm noch eine meßbare Transmission hat.

In diesem Übergangsbereich zwischen 270 nm und 370 nm, der sogenannten UV-Kante, variiert die Transmission und damit die Eindringtiefe sehr stark mit der Wellenlänge (Fig. 3). Hier läßt sich durch Wahl einer bestimmten Wellenlänge und unter Anwendung der Gleichungen (1) und (2) jede gewünschte Eindringtiefe finden. In unserem Ausführungsbeispiel· wurde die Wellenlänge von 314 nm ausgesucht, die bei einer Schichtdicke von 0,17 mm eine Transmission von 31 % und eine Reintransmission von 33,7 % hat. Das entspricht einer Eindringtiefe von 0,156 mm. Mit monochromatischer Strahlung der genannten Wellenlänge wurde die Aufgabe gelöst, nur Blasen auf und dicht unter der Oberfläche eines Fernsehschirmes zu erfassen. Dazu wurde aus dem Spektrum einer Hg-Hochdrucklampe die Emissionslinie bei 314 nm herausgefiltert, mit diesem Licht der Fernsehschirm abgetastet und das von dem Schirm zurückgeworfene Licht analysiert. Die Fig. 4 und 5 zeigen zwei Beispiele vom Verlauf der Spannung des optischen Sensors beim Abtasten von zwei Blasen in dem Schirm. In Fig. 4 ist eine deutliche Spannungsspitze (Signal) erkennbar, die von einer Blase verursacht wurde, die 0,1 mm unter der Oberfläche des Schirmes lag. In Fig. 5 wurde eine Blase abgetastet, die 3 mm unter der Oberfläche lag. Hier wurde kein Signal registriert, so wie es der Erfindung entspricht. In einem Vergleich dazu wurde der Schirm in herkömmlicher Weise mit sichtbarem Licht abgetastet. Dabei erzeugten die tiefer liegenden Blasen in gleichem Maße ein Signal wie die, die dicht unter dor Oberfläche lagen.

Fig. 6 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Nachweis von Fehlstellen. In der Prüfeinrichtung 1 wird als Lichtquelle 2 ein Laser benutzt, der Licht mit einer Wellenlänge

emittiert, das die gewünschte Eindringtiefe in dem zu prüfenden transparenten Material hat. Zweckmäßigerweise wird hier ein Laser eingesetzt, bei dem die Wellenlänge des emittierten Lichtes in gewissen Grenzen frei wählbar ist (sogenannter durchstimmbarer Laser). Der Laser 2 wirft sein Licht auf ein sich schnell drehendes Spiegelrad 3. Dadurch wird der Strahl 4 des Lasers mit hoher Geschwindigkeit über das zu prüfende transparente Objekt 5 geführt. Das Objekt wird auf einem Förderband 6 unter der Prüfeinrichtung hindurchgeführt. Ein optischer Sensor 7, der oberhalb des zu prüfenden Materials im Abstand angeordnet ist, erfaßt das von Fehlern auf und in dem Objekt zurückgeworfene Licht. Die Signale des optischen Sensors werden in einer Auswerteeinheit 8 registriert.

Claims (9)

SCHOTT GLASWERKE Hattenbergstrasse 10 6500 Mainz 678 Verfahren zum Nachweis von Fehlstellen in transpar o_nt_en Materialien Patentansprüche:

1. Verfahren zum Nachweis von Fehlstellen in transparenten Materialien, die sich auf der Oberfläche und/ oder im Innern des Materials befinden, insbesondere zum Nachweis von in Glas eingeschlossenen Fremdkörpern oder Blasen, bei dem das zu prüfende Material mittels elektromagnetischer Strahlung abgetastet und die von den Fehlstellen zurückgeworfene Intensität aufgefangen, in ein elektrisches Siqnal umgewandelt und ausgewertet wird,
dadurch gekennzeichnet,

daß elektromagnetische Strahlung mit einer einzigen auf die Eindringtiefe in dem zu prüfenden Material eingestellten Wellenlänge verwendet wird, so daß nur Fehlstellen bis zu einer bestimmten Tiefe im Material nachgewiesen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wellenlänge im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wellenlänge im nicht sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wellenlänge im UV-Bereich verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Wellenlänge im IR-Bereich verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine derartige Wellenlänge verwendet wird, daß die elektromagnetische Strahlung lediglich an der Oberfläche des zu prüfenden Materials reflektiert wird, so daß nur Fehlstellen auf der Oberfläche des Materials nachgewiesen werden.

7. Verfahren nach einen der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wellenlänge verwendet wird, für die die Transmission des zu prüfenden Materials vermindert ist.

8. Verfahren nach einen der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zu prüfende Material nacheinander mit elektromagnetischer Strahlung mit jeweils unterschiedlicher Wellenlänge abgetastet wird.

9. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem durchstimmbaren Laser (2) und dem zu prüfenden sich auf einem Förderband (6) befindlichen Material (5) ein sich schnell drehendes Spiegelrad (3) angeordnet ist, das den Lichtstrahl (4) mit hoher Geschwindigkeit über das /.u prüfende Material (5) lenkt, und daß ein an einer Auswerteeinheit (8) angeschlossener optischer Sensor (7) im Abstand oberhalb des Materials (5) zur Erfassung des reflektierten Lichts angeordnet ist.