DE3418283C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nachweis von
Fehlstellen in transparenten Materialien, die sich
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, und
eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.
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 Oberfläche 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 ausgenutzt,
daß die Eindringtiefe elektromagnetischer Strahlung
in zu prüfende Material von der Wellenlänge abhängt.
Die Eindringtiefe E ist als der reziproke Wert des Absorptionskoeffizienten
K definiert:
E = 1/K(cm) (1)
K = (2,3/d) · lg (1/Ti) (cm-1) (2)
d = Materialdicke (cm)
Ti = Reintransmission
Ti = (T/P)
K = (2,3/d) · lg (1/Ti) (cm-1) (2)
d = Materialdicke (cm)
Ti = Reintransmission
Ti = (T/P)
T ist die Transmission, P der Reflexionsfaktor. 1-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 Ausgangsintensität
abgefallen, in der doppelten auf 13,5%, in der
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 sichbaren 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.
Dem menschlichen Auge transparent erscheinende Objekte sind durchlässig für elektromagnetische Strahlen mit Wellenlängen zwischen 380 und 780 nm. Das ist der Bereich des sichbaren 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 sichbaren 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 Eindringtiefe, 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 Sichtbaren undurchlässig
sind, aber in einem anderen Wellenlängenbereich eine
gute Transmission haben.
Es ist zwar schon bei der photoakustischen Mikroskopie
(PAM) angegeben worden, daß man die Eindringtiefe der
erregenden Lichtstrahlung durch Ändern der Wellenlänge
verändern kann (Rosencwaig "Photoacoustics and Photoacoustic
Spectroscopy", G. Wiley and Sons 1980, Seite 296), doch
betraf dies nur Veränderungen der Tiefenlage innerhalb
eines mikroskopisch dünnen Oberflächenbereiches von Materialien,
die für die erregende Strahlung im wesentlichen
undurchlässig sind. Überhaupt sind photoakustische Verfahren
ihrer Natur nach für transparente Materialien und
Fehlstellen, an denen das Licht überwiegend reflektiert
wird, nicht geeignet, denn Schallenergie wird nur dort
erzeugt, wo Absorption des erregenden Lichts auf engstem
Raum, zum Beispiel in einer dünnen Schicht, stattfindet.
Bei einem Fehlernachweis mittels der erfindungsgemäßen
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 wird 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 registriert.
Die Prüftiefe 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 Prüftiefe
von der Oberfläche haben, erzeugen kein optisches Signal und
werden nicht nachgewiesen. Indem das Objekt die erfindungsgemäße
Prüfeinrichtung mehrmals hintereinander oder mehrere
erfindungsgemäße Prüfeinrichtungen hintereinander durchläuft
und zwischen den einzelnen Prüfschritten die Prüftiefe in
geeigneter Weise variiert wird, können die gefundenen Fehler
gewissen Tiefenschichten im Objekt zugeordnet werden.
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden im
folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt
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 Abhängigheit 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 der
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 registiert.
Claims (7)
1. Verfahren zum Nachweis von Fehlstellen in transparenten
Materialien, die sich 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,
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, und
daß das zu prüfende Material nacheinander mit elektromagnetischer
Strahlung mit jeweils unterschiedlicher Wellenlänge
abgetastet wird.
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 Wellenlänge verwendet wird, für die
die Transmission des zu prüfenden Materials vermindert ist.
7. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen
1 bis 6 mit einem Laser, einem zwischen dem Laser
und dem zu prüfenden, auf einem Förderband befindlichen Material
angeordneten, schnell drehenden Spiegelrad, das den
Lichtstrahl mit hoher Geschwindigkeit über das zu prüfende
Material lenkt, und einem an einer Auswerteeinheit angeschlossenen
optischen Sensor, der im Abstand oberhalb des Materials
zur Erfassung des reflektierten Lichtes angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß dieser Laser (2) durchstimmbar ist.
Priority Applications (6)
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ID=6236082
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KR (1) | KR850008217A (de) |
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