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Hintergrund
der Erfindung
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A) Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich auf ein Gerät und ein Verfahren zum Bestimmen
der optischen Verzerrung eines transparenten Substrates, wie beispielsweise
eines Floatglasbandes als eine Funktion der Veränderungen bei der Trennung
von zwei kohärenten
Lichtstrahlen, die von der Oberfläche des Glasbandes reflektiert
werden, mittels einer Methodik der Echtzeit-Digitalbildanalyse.
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B) Beschreibung des Standes
der Technik
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Bei
der Herstellung von transparenten Bändern oder Platten, wie beispielsweise
bei der Herstellung von Glasbändern
durch das Floatverfahren, das Ziehverfahren oder andere Verfahren
können
Fehler in den resultierenden Glasbändern auftreten.
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Die
optische Verzerrung des Glasbandes gehört zu den vorstehend erwähnten Fehlern.
Eine Art der optischen Verzerrung ist die Verzerrung der Glasoberflächen, welche
eine verzerrte Reflektion eines Bildes erzeugt, wie beispielsweise
konvexe Bereiche der Glasoberfläche,
die eine Schrumpfung des reflektierten Bildes erzeugen, während konkave
Bereiche eine Vergrößerung des
Bildes erzeugen.
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Eine
andere Art von Verzerrung ist die übertragene Verzerrung, welche
eine Verzerrung des Bildes erzeugt, wenn es durch das Glas betrachtet
wird.
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Im
US-Patent 3,788,750 von Maltby et. al., veröffentlicht am 29. Januar 1974,
wird die optische Verzerrung, oder auch die optische Qualität des Glases,
gemessen hinsichtlich der Stärke
und Brennweite einer Linse gemessen in Dioptrien welche definiert sind
als die Einheit über
die Brennweite, ausgedrückt in
Metern.
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Das
Französische
Patent
FR 2 591 341 von Henry
et. al., herausgegeben am 12. Juli 1987 und das US Patent 3,799,679
von Simko, veröffentlicht am
26. März
1974, offenbaren allgemein ein Glasverzerrungsabtastsystem, wobei
ein Glasband mit einem Lichtstrahl abgetastet wird, der auf das
Glas gerichtet ist und die Veränderungsrate
des Abstandes von Mittelpunkt zu Mittelpunkt der Breite nach, zwischen
einem reflektierten Bild des Strahls von einer Oberfläche des
Glases und einem reflektierten Bild von der gegenüber liegenden
Oberfläche
des Glases misst.
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Während das
US-Patent 3,799,679 offenbart, dass der Lichtstrahl ein Laserstrahl
sein kann und das verstellbare Irisblendenmittel 38 und eine Bildzergliederungsröhre 42 (1,
Spalte 2, Zeilen 54 bis 64) bereitgestellt werden zum Verstellen
oder Steuern der Intensität
des Lichtstrahls, offenbart es weder, noch schlägt es entfernt irgendein Element vor,
wie beispielsweise den Integrator (drehbarer Bildschirm aus einem
diffusen Material) der vorliegenden Erfindung, um zwei perfekt definierte
Orte (Punkte) von den Lichtstrahlen zu erhalten, wodurch es möglich wird,
die Qualität
des Bildes der reflektierten Strahlen zu verbessern, was unbedingt
notwendig ist, wenn ein Laserstrahl mit dem Ziel verwendet werden
soll, eine genaue Messung zu erhalten.
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Des
Weiteren impliziert eine höchste
Genauigkeit, welche in der Messskala (bis zu μm) der Variationen der Breite
oder der Wellenform des Glases benötigt wird, den Wechsel von
einem analogen Vorgang, der durch die Bildzergliederungsröhre ermöglicht wurde,
zu einem digitalen Vorgang, der durch eine Videokamera in dem Gerät gemäß der vorliegenden
Erfindung ermöglicht
wird, mit dem die De tektion umgewandelt wird in eine digitale Bearbeitung von
Bildern mit all den damit verbundenen Bearbeitungsalgorithmen.
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In
dem US-Patent 5,210,592 von Bretschneider, herausgegeben am 11.
März 1990
wird die optische Qualität
bestimmt als die optische Stärke,
welche definiert ist als die Abzweigung des beobachteten Winkels,
beispielsweise des Reflektionswinkels oder des Transmissionswinkels
nach einem Ort. Je größer die örtliche
Krümmung
der Oberfläche
des Glases ist, desto größer wird
die optische Stärke sein.
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Ein
Verfahren zur Beschreibung der Verzerrung einer Oberfläche eines
Glasstückes
wird in dem US-Patent 3,857,637 von Obenreder, herausgegeben am
31. Dezember 1974, offenbart. Dieses Patent offenbart ebenfalls
ein Gerät
zur Bestimmung der optischen Stärke,
die auf eine obere Fläche
des Glasstückes
reflektiert wird, was in manchen Fällen ein lichtabsorbierendes
Material notwendig macht, z. B. eine schwarze Lackierung in optischen
Kontakt mit der unteren Oberfläche
des Glasstückes,
um jegliche Reflektion des Lichtstrahles von dieser Oberfläche zu vermeiden.
Dies gilt für
Glasbänder
mit einer Dicke kleiner als 2,39 nun (3/32 inch) und einem Einfallswinkel
von 30°.
Bei einer Dicke größer als
2,39 mm (3/32 inch) kann geeigneterweise eine "Schale" verwendet werden, die von dem Gerät bereitgestellt wird.
Es ist allgemein wohl bekannt, dass diese optische Stärke gemessen
werden kann für
beide Oberflächen,
wenn das Glasstück
umgedreht und nochmals vor der hinteren Oberfläche gemessen wird, aber die
Verzerrung beider Oberflächen
des Glasbandes kann nicht in einem einzigen Vorgang bestimmt werden.
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Das
US-Patent 4,585,343 von Schaue et. al., herausgegeben am 26. April
1986 offenbart ein Gerät zum
Detektieren der Verzerrung einer Oberfläche, wobei das Gerät eine Lichtquelle
umfasst, die montiert wurde, um einen Lichtstrahl in Richtung einer Oberfläche des
Glasbandes mit einem schiefen Einfallswinkel zu richten um einen
zweiten Lichtstrahl zu erzeugen, wenn er durch die Oberfläche re flektiert wird;
ein Lichtdetektor-Mechanismus wird montiert, um den reflektierten
Lichtstrahl zu empfangen, wobei der Lichtdetektor-Mechanismus empfindlich
ist gegenüber
einem Lichtmuster auf dem Detektor-Mechanismus, das von dem reflektierten
Lichtstrahl erzeugt wird, wodurch ein Output-Signal erzeugt wird, welches
die Breite des Lichtes dieses Musters darstellt. In diesem Fall
ist die Breite des Lichtes des Musters eine Funktion der Oberflächenverzerrung des
Bereiches der Oberfläche,
von der der Lichtstrahl reflektiert wird. Während das Gerät in der
Lage ist, die Verzerrung der Oberfläche zu bestimmen, stellt dies
nicht die Verzerrung im Sinne von optischer Stärke dar.
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Das
US-Patent 5,210,592 von Bretschneider offenbart ein Gerät, indem
zwei parallele Lichtstrahlen mit einem reziproken Abstand in Richtung
einer Platte gelenkt werden, in einem spitzen Winkel hinsichtlich
der Normalen der Platte, wobei die Lichtstrahlen, die von der Platte
reflektiert werden, getrennt empfangen werden von einem Detektor-Mechanismus
mit einer fotosensorischen Vorrichtung und wobei die Richtung der
reflektierten Lichtstrahlen ausgewertet wird, wobei die vier Lichtstrahlen,
die von den zwei Oberflächen
der Platte über
dem Detektor, der empfindlich ist hinsichtlich der Position, notwendig
sind, um die Parameter für
die quantitative Bestimmung der optischen Qualität der Platte auszuwerten. Das
Gerät wird
im Hinblick auf die Bestimmung der optischen Stärke gut angenommen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es
ist deshalb die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gerät zur Messung
der optischen Verzerrung eines transparenten Substrates bereitzustellen,
wie beispielsweise ein Glasband, zum Bestimmen von sowohl der Oberflächenverzerrung
als auch der Transmissionsverzerrung des Substrates.
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Es
ist ebenfalls eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ein Gerät zur Messung
der optischen Verzerrung eines transparenten Substrates bereitzustellen,
von der oben offenbarten Natur, welches automatisch die optische
Verzerrung des transparenten Substrates hinsichtlich der optischen
Stärke
misst, und insbesondere eine Glasplatte, die durch das Floatverfahren
hergestellt wird, mittels eines Verfahrens, das konsistent genug
ist, das Gerät als
Standard-Messsystem zu nutzen.
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Es
ist eine weitere Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zum Messen der optischen Verzerrung eines transparenten Substrates
in einem Verfahrensschrttt bereitzustellen.
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Diese
und andere Aufgaben werden in Übereinstimmung
mit der Erfindung durch ein Gerät
gelöst,
wie es im unabhängigen
Patentanspruch 1 definiert ist, und durch ein Verfahren, wie es
in dem unabhängigen
Anspruch 12 definiert ist. Vorteilhafte Ausführungsformen werden in den
abhängigen
Ansprüchen
aufgezeigt. Die Vorteilhaftigkeit der vorliegenden Erfindung ist
für Fachleute
offensichtlich.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Blockdiagramm der grundlegenden Komponenten und deren Wechselbeziehungen
von dem Gerät
zum Messen der optischen Verzerrung eines transparenten Substrates
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 ist
eine schematische Ansicht der Komponenten des in 1 illustrierten
Gerätes,
wobei ein Messvorgang über
einer Glasplatte ausgeführt
wird;
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3 ist
ein Diagramm des optischen Prinzips der Berechnung der optischen
Stärke
für ein
sich bewegendes Muster bei einer konstanten linearen Geschwindigkeit;
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4 ist
ein Diagramm eines Falles von möglicher
Verzerrung der oberen Oberfläche
einer Platte aus transparentem Material, wie beispielsweise einem
Glasband;
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5 ist
ein Diagramm eines Falles von möglicher
Verzerrung der unteren Oberfläche
einer Platte aus transparentem Material, wie beispielsweise einem
Glasband;
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6 ist
eine schematische Ansicht des Messprinzips, welches auf die Platte
aus transparentem Material angewendet wird, als eine Messung der Brechungs-
und Reflektionswinkel des Materials; und
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die 7A und 7B sind
Graphen, die das Verhalten der Verzerrung von beiden Oberflächen eines
Endes des Glasbandes darstellen, welche erhalten wurden, durch das
Floatpolierverfahren und von dem Verhalten der Verzerrung bei der
Transmission des gleichen Glasbandes.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Die
speziellen Ausführungsformen
des Gerätes
und des Verfahrens zur Bestimmung der optischen Verzerrung eines
transparenten Substrates in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung werden nun in Kombination mit den
beigefügten Zeichnungen
beschrieben, wobei in den gezeigten Zeichnungen gleiche Ziffern
bezogen sind auf die gleichen Komponenten.
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Es
wird zunächst
Bezug genommen auf das Gerät
zum Bestimmen der optischen Verzerrung eines transparenten Substrates
wie beispielsweise eines Glasbandes, welches durch das sogenannte "Floatverfahren" hergestellt wird,
wie in den 1 und 2 gezeigt,
welches aufweist:
eine Lichtquelle 1, wie beispielsweise
ein Gerät,
welches einen Laserstrahl bereitstellt, welches über der Glasplatte montiert
ist, um einen ersten Lichtstrahl LB1 bereitzustellen,
einen
Spiegel 5 der ersten Oberfläche, der den Strahl LB empfängt und
ihn bei einem Einfallswinkel zwischen 44° und 54°, vorzugsweise 49°, bezogen
auf die Normale projiziert, Lenken des Strahles in Richtung einer
Platte aus transparentem Material, z. B. einem Glasband 2,
welches durch das Floatverfahren hergestellt wurde, Verursachen
eines zweiten Lichtstrahles 3, der spiegelnd reflektiert
wird von der oberen Oberfläche 15 des
Glasbandes 2 und eines dritten Lichtstrahles 4,
welcher von der unteren Oberfläche 16 des
Glasbandes 2 reflektiert wird;
ein Spiegel 5' empfängt die
reflektierten Lichtstrahlen 3 und 4 und projiziert
sie als zwei horizontale Lichtstrahlen 18 und 19,
die verarbeitet werden sollen:
eine Lichtintegrationseinrichtung 6,
wie beispielsweise ein drehender weißer Bildschirm 6', welcher die Lichtstrahlen 18, 19 empfängt und
integriert, um zwei perfekt definierte Lichtpunkte 20, 21 zu
erhalten;
eine Videokamera CCD 8 aufweisend eine Zoomlinse 7,
die an einer vorbestimmten Brennweite von dem Bildschirm 6' platziert ist,
die die Lichtpunkte 20, 21 empfängt, welche
erfasst und aufgenommen werden sollen als ein Bild der Lichtstrahlen
in Größe und Position;
und
einen digitalen Bildanalysierer 12, der eine Videokarte 9 aufweist,
um das Bild der Lichtpunkte als ein digitales Bild zu empfangen
und zu übersetzen,
und eine Datenverarbeitungseinheit, wie beispielsweise ein Personalcomputer 10,
der das digitale Bild der Lichtpunkte 20, 21 empfängt und
verarbeitet, um die Trennung zwischen ihnen und der relativen Position der
reflektierten Lichtstrahlen zu messen und die Verzerrung bzgl. der
optischen Stärke
zu bestimmen.
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Das
digitale Bildanalysiersystem 12 weist auch einen Monitor 11 auf,
um die genaue Position der reflektierten und integrierten Strahlenpunkte 20, 21 zu
zeigen, die von der Videokamera detektiert wurden.
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Ebenfalls
bezugnehmend auf die 1 und 2 hält ein Taststeuerungsmechanismus 13,
der durch eine Steuerungskarte ausgeführt wird, automatisch die einheitliche
Abtastverschiebung über
die Platte, wobei die Verschiebung physisch ausgeführt wird
durch einen Asynchronmotor 14, der die Platte 2 mittels
geeigneter Bewegungsübertragungsmittel
bewegt.
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Im
Hinblick auf das Verfahren zur Bestimmung der optischen Verzerrung
eines transparenten Substrates kann dies so beschrieben werden,
dass es umfasst:
Richten eines kohärenten Lichtstrahls LB in Richtung einer
Platte aus transparentem Material wie beispielsweise einem Glasband 2,
um einen zweiten Lichtstrahl 3 zu reflektieren, welcher
spiegelreflektiert wird von der oberen Oberfläche 15 des Glasbandes 2 und
einen dritten Lichtstrahl 4, der von der unteren Oberfläche 16 des
Glasbandes 2 reflektiert wird;
Richten der reflektierten
Lichtstrahlen 2 und 3 in Richtung einer Lichtintegrationseinrichtung 6,
welche einen drehbaren weißen
Bildschirm 6' aufweist,
der das Licht der beiden Strahlen 2 und 3 integriert,
um sie in zwei perfekt definierte Lichtpunkte 18, 19 zu transformieren;
Erfassen
der zwei Lichtpunkte 18 und 19 mittels einer Videokamera
CCD 8, mit einer Zoomlinse 7, die an einer vorbestimmten
Brennweite von dem Bildschirm 6' platziert ist, welche die zu erfassenden
und aufzunehmenden Lichtpunkte 20, 21 in Größe und Position aufnimmt
als ein Bild der Lichtstrahlen;
Aufnehmen und Übersetzen
des Bildes der Lichtpunkte 18 und 19, als ein
digitales Bild, mittels eines Digitalbildanalysierers 12,
welcher eine Videokarte 9 aufweist und;
Aufnehmen
und Bearbeiten des digitalen Bildes der Lichtpunkte 20, 21 mittels
einer Datenverarbeitungseinheit, wie beispielsweise einem Personalcomputer 10, um
die Trennung zwischen Ihnen zu messen und die relative Position
der reflektierten Lichtstrahlen und die Verzerrung hinsichtlich
der optischen Stärke zu
bestimmen.
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Die
Rechenmethodik ist gestützt
auf die digitale Bildanalyse unter Verwendung von Einrichtungen
wie einem lichtintegrierenden Mechanismus 6, z. B. einem
drehbaren weißen
Bildschirm 6',
der die Strahlen 3 und 4 integriert, welche spiegelreflektiert werden
von der Platte aus transparentem Material 2, zu Strahlen 20, 21 mit
perfekt definierten Dimensionen ohne Komponenten von gestreutem
Licht; eine Zoomlinse, z. B. eine Videozoom 7 mit einer
Brennweite zwischen 18 und 108 mm stellt den Brennpunkt dar
für den
Sensor der kohärenten
Lichtstrahlen, die vorher mittels des drehbaren Bildschirmes integriert wurden;
die Brennweite bestimmt den Empfindlichkeitsbereich des Instrumentes.
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Eine
minimale Brennweite entspricht einer niedrigeren Empfindlichkeit,
wohingegen eine maximale Brennweite einer größeren Empfindlichkeit des Instrumentes
entspricht, welche die maximale Kapazität ist, um eine niedrigere Abweichung
in Milidopter (Millidioptrien) zu erkennen.
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Eine
Videokamera CCD 8, wie beispielsweise eine Sony XC-75 monochromatische
Kamera ist der Sensormechanismus, der die Punkte der integrierten
Strahlen platziert, in Größe und Form,
in die Bildelemente von 768 horizontalen Punkten und 494 vertikalen
Punkten; eine Digitalkarte, wie beispielsweise die "Datenübersetzung
(data translation) DT2851" digitalisiert
die Information, die von der Videokamera aufgenommen wurde in eine
Datenmatrix von 512 × 512
Pixel entsprechend einem Winkel von 0,003°, um die Berechnung basierend
auf der Echtzeit der Digitaldatenanalyse auszuführen und sendet sie wiederum
an den Bildschirm, der als optische Unterstützung fungiert für die Position
von Strahlen, die durch die Kamera in einer Position mittig zu dem
Pfad registriert wurden.
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Das
Rechenverfahren, welches die Echtzeit-Digitalbildanalyse verwendet,
basiert auf dem Berechnen der mittleren Position der integrierten Strahlen
und anschließenden
Berechnen von deren Trennung in Echtzeit, wobei all dies eine Berechnung in Übereinstimmung
mit der Definition der optischen Stärke gestattet, entsprechend
der folgenden Gleichung in Kombination mit
3:
wobei dx in Metern und dθ im Bogenmaß angegeben sind.
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4 stellt
einen möglichen
Fall des Effektes von Verzerrung dar, die durch die Oberfläche einer
Platte aus transparentem Material verursacht wurde, wohingegen 5 einen
möglichen
Fall von Verzerrung darstellt, der durch die untere Oberfläche der
Platte verursacht wurde.
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In
beiden Fällen
zeigen ein einzelner einfallender Strahl und zwei reflektierende
Strahlen, die auf den Bildschirm projiziert werden, den Effekt der Trennung
der Strahlen, wobei der Strahl der spiegelreflektiert wurde durch
die obere Oberfläche
eine viel größere Intensität aufweist,
als derjenige von der unteren Oberfläche, in beiden Fällen.
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Die
Berechnung der optischen Stärke
als einer Funktion der Digitalisierung der Bilder in Echtzeit wird
durch die folgenden Gleichungen, die auf 6 basieren,
angegeben.
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Optische
Stärke
bei der Reflektion der oberen Oberfläche: θ1 = γ2·f1
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Optische
Stärke
bei der Reflektion der unteren Oberfläche:
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Optische
S bei der Transmission
wobei γ
1, γ
2 in
Pixeln ausgedrückt
werden
f
1, f
2 und
f
3: Kalibrierfaktoren sind, die in Bogenmaß/Pixeln
ausgedrückt
werden.