CN100504364C - 识别透明材料中的缺陷的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及识别透明材料中的缺陷的方法，其中用第一发光装置照射透明材料的一定的部分体积，用第二发光装置如此将光线耦合输入透明材料中，即光路在上述部分体积里只在该材料中延伸，这样识别在该部分体积里的缺陷，即探测由该缺陷散射的光，或探测由该缺陷引起的在明场内的光吸收，和/或探测由该缺陷引起的、所述第一发光装置的光线的偏转。本发明还涉及识别材料中的缺陷的装置，它包括用于照射透明材料的一定部分体积的第一发光装置、用于探测来自该部分体积的光的探测器和第二发光装置，第二发光装置如此相对透明材料布置，即对应的光路在所述部分体积内只在该透明材料内延伸。

Description

识别透明材料中的缺陷的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种识别透明材料中的缺陷的方法和装置。本发明用于确定透明材料的光学质量并且识别透明材料中的缺陷，确切地说，透明材料固体材料且尤其是玻璃或塑料如聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)或其它透明的热固材料、弹性体或热塑材料。本发明尤其最好被用来检查平板玻璃和浮法玻璃的质量。
背景技术
WO 99/49303描述了一种用于检测平板玻璃中的缺陷的方法和装置。在这里，照相机观察在一个被分成两部分的照明装置的边界上的斑点。该照明装置是这样实现的，即在照明装置的一半中设置红色LED，在另一半中设置绿色LED。在照相机与照明装置之间是相对运动的平板玻璃。如果平板玻璃中有使光线偏转的缺陷如足够大的气泡，则该缺陷使来自照明装置的光线偏向照相机。这样，数量变化的红光和绿光到达对波长敏感的照相机中，从而产生偏转信号。这样一来，该装置可探测到使光束偏转的缺陷。另外，也可以使用明场信号来测定使光束偏转的相应缺陷的大小。
日本专利公开号H 10-339795教导这样检测平板玻璃中的缺陷，即把平行光束倾斜地耦合输入平板玻璃侧边缘中。通过之中耦合输入，在带状玻璃材料内出现了全发射，结果，来自平板玻璃一侧的光传播至另一侧。如果在平板玻璃内有玻璃缺陷如夹杂、结疤或气泡，则耦合输入玻璃体中的光被散射。一个探测器测量散射光。
在2002年3月15日的DE 10221945.1中公开了一种类似方法，其中，从侧面把激光束耦合输入平板玻璃内，激光在内部因全反射而从平板玻璃一侧传至另一侧。在这种情况下，激光束在平板玻璃侧边上通过水被耦合输入玻璃内。由此一来，克服了在浮法玻璃中不存在一定的边缘形状的缺点，并且与上述日本专利申请不同，只能困难地通过一定方式方法将光束侧向耦合输入侧边缘中。
发明内容
本发明的技术问题在于改进识别透明材料中的缺陷的方法，即只有来自该体积的信号被考虑用于识别缺陷和确定大小。
通过一种识别透明材料中的缺陷的方法以及一种识别透明材料中的缺陷的装置实现了该技术问题的解决。其中，用第一发光装置照射完全在该透明材料内的一定的部分体积，用第二发光装置如此将光线耦合输入该透明材料中，即光线通过所述部分体积只在该透明材料内延伸，这样识别在该部分体积里的缺陷，其中，
a)探测由该缺陷散射的光，和
b)探测由该缺陷引起的在明场内的光吸收，以及
c)探测由该缺陷在所述部分体积内引起的、所述第一发光装置的光线的偏转，
明场信号或偏转信号与散射光信号之比被考虑用于确定缺陷类型。
所述识别透明材料中的缺陷的装置包括用于照射该透明材料的一定部分体积的第一发光装置、用于探测来自所述部分体积的光的探测器和第二发光装置，该第二发光装置相对该透明材料如此布置，即所属光路在所述部分体积内只在该透明材料内延伸，所述第一发光装置包括两个部分，这两个部分能够以不同的强度或波长发光。
本发明还给出了有利的改进方案。
第一变型解决方案基于以下认识，迄今为止的、识别透明材料中的缺陷的明场测量法的适用性的波动是由以下原因造成的，即该测量法不能对付缺陷的空间分隔。因此目前无法区分，能够在本申请范围中被定义为信号的且其强度因光吸收而与明场中的强度递减(局部)成比例的各明场信号是否源于一个位于体内或表面上的缺陷。就此而言，明场中的光吸收可能由玻璃内的缺陷引起，但也可能是由在玻璃表面上的缺陷如脏东西引起。到目前为止，都无法区分这两种情况。
基于这样的认识，本发明的构想在于，明场测量法与由其原理决定地只对体内缺陷敏感的第二种方法结合。在这种情况下要考虑，这两种方法只探测透明材料的同一部分体积，因此确保了这两种方法能够识别出同一缺陷。通过两种方法的结合，可以检查明场信号与第二种方法的信号是否一致并且在一致的情况下就说明明场信号的起因就在透明材料内。如果不一致，则缺陷不在体内，而在表面上。因此，在大多数情况下，这可能是由脏东西造成的。
基于以上考虑，从方法方面解决上述技术问题的方案在于这样一种识别透明材料中的缺陷的方法，其中用第一发光装置使透明材料的一定部分体积受到一个明场照明，该方法的特点是，用第二发光装置如此将光线耦合输入透明材料内，即光路在该部分体积内只在该透明材料内延伸，其中如此识别在该部分体积里的缺陷，即探测由该缺陷造成的明场内的光吸收并且探测第二发光装置的由该缺陷散射的光。在这里，由散射光引起的信号以下被称为散射光信号。
第二变型解决方案基于以下认识，即识别透明材料中的缺陷的光偏转法，即从外侧照射透明材料并且缺陷使照射光偏转的方法也不能区分出光偏转的起因是在材料表面上，还是在材料内。
基于前一段落中的描述，另一发明构想就是使光偏转法与一种只对在材料内或者说在体内的缺陷做出反应的第二种方法结合。
基于所述的另一发明构想，在方法方面的解决方案在于一种识别透明材料中的缺陷的方法，其中用第一发光装置照射该材料的一定的部分体积，用第二发光装置如此将光线耦合输入该材料内，即光路在所述部分体积只在该材料内部经过，其中这样识别在该部分体积里的缺陷，即不仅探测由该缺陷散射的光，而且探测第一发光装置的光的由该缺陷引起的偏转。
由偏转光引起的在光线探测器中的信号以下被称为偏转信号。
上述两种方法可以交替或累加地运行。还有第三变型解决方案，它能够测量由缺陷散射的光和第一发光装置的光的由在部分体积内的缺陷引起的偏转，借此检查在材料内的光偏转型缺陷。
总之，上述技术问题的解决方案导致了一种识别透明材料中的缺陷的方法，其中，用第一发光装置照射该材料的一定的部分体积，用第二发光装置如此将光线耦合输入该材料内，即光路在所述部分体积内只在该材料内部延伸，并且如此识别在部分体积里的缺陷，即
a)不仅探测由该缺陷散射的光，
b)而且探测由该缺陷引起的明场内的光吸收，和/或
c)探测由该缺陷引起的第一发光装置的光的偏转。
解决该技术问题的装置是一种识别透明材料中的缺陷的装置，它具有用于照射该透明材料的一定和/或预定的部分体积的第一发光装置、用于探测源于上述部分体积的光的探测器和第二发光装置，该第二发光装置相对该材料如此布置，即在所述部分体积里，对应的光路只在该材料内部经过。
参照关于方法的解决方案的描述，源于预定的部分体积的光线是
a)由该缺陷散射的第二发光装置的光，和/或
b)由该缺陷引起的在明场内的光吸收，其中，所吸收的光是来自第一发光装置的光；和/或
c)由该缺陷偏转的第一发光装置的光。
给在材料内缺陷处散射的第二发光装置的光分配一个探测器。该探测器与检测第一发光装置的光的探测器相同，或者可以与之不同。
本发明规定了，分辨局部地测量明场。在这种情况下，可以确定位于体内缺陷的大小。这对玻璃制造中的质量控制非常重要，因为人们越来越希望高质量产品只有小的缺陷。因此，在用于平面显示屏的TFT玻璃制造中，越来越需要防止如直径大于50μm的缺陷。与此相关地，在制造中规定了直径大于50μm的缺陷数量必须是有限的。根据一致信号数量可以断定所制造出的产品是否符合这些要求。
为了确定缺陷类型，可以考虑使用明场信号与散射光信号之比。如果通过本发明方法如照射物体内的气泡，则气泡的光线输出侧部分里出现光散射。而在有夹杂时，只出现在夹杂一侧的散射，在缺陷尺寸相同的情况下，总体也就产生较少的散射光。在这一点上，根据上述信号比就能区分缺陷是气泡还是夹杂。在这个意义上，偏转信号与散射光信号之比也可被用于确定缺陷类型。在考虑透明材料中的其它缺陷的情况下，这是很普遍的。本发明的进一步研究表明，每种缺陷带有自身特有的三维辐射特征，因此，可以继续根据这些辐射特征来归类所测得的缺陷。
第二发光装置发出单色光，即它是激光器，这是有利的。在这种情况下，非常简单地通过侧边缘将光线耦合输入平板玻璃内。这样做的另一优点是能使用高光强。因此，对例如要用卤素灯照射的平板玻璃而言，估计耦合输入的光的强度因光吸收而向着玻璃板中心大大减弱，如果是1.2m的宽带，则例如减弱到在边缘耦合输入的值的5％。因此，在分析时需要复杂的计算补偿，以便根据散射光来正确判断在玻璃板整个宽度上的缺陷点大小。然而，激光器具有以下潜能，即在本发明方法中，在光线相应经过一段行程后尚有足够的强度。
本发明方法的一个有利应用在于，把各自光线耦合输入带状平板玻璃内，并且相应地检查它是否有缺陷。平板玻璃由制造决定地相对发光装置移动，确切地说以进给速度10m/min，因而根据板宽而每分钟检查约26m2。这类玻璃的厚度通常为0.4mm-1.1mm。
当第二发光装置发绿光或在绿色波长范围内的光时，吸收在工程玻璃中非常小。这种玻璃含有含铁杂质，它在上述绿色波长范围内有最小吸收性能。因此，激光器的发射频率被选为532nm是有利的。
当第二发光装置发红光时，吸收在光学玻璃中非常小。对这种情况来说，以氦氖激光器或在红色波长范围内发光的LED或二极管为发光装置。光波长被选定为光尽量少地被材料吸收通常是有利的。
通过试验证明是有利的是，由第二发光装置耦合输入材料内的光的强度在材料边缘上是在中心的10倍。在试验中，通过耦合输入平板玻璃内的光确定了，当在玻璃内必然出现光吸收时，通过提高耦合输入的光强度来简单补偿光减弱不是办法。反而可能出现或许由玻璃表面上的脏物引起的故障信号。就此而言，表面上的脏物“发亮”并导致信号处理困难。在这一点上，上述强度比是足够高的强度与足够小的故障信号之间的良好平衡点。为调整该强度比，可以根据各材料调整波长，因为对不同波长的吸收取决于材料地发生变化。作为替换方式或除此之外，也能通过耦合输入激光的变焦的变化来处理强度比。
为保证在待侧部分体积内的第二发光装置的光只在材料内传播，可如此耦合输入第二发光装置的光，即它在内部被全反射。这可以通过相对材料上表面或底面倾斜地耦合输入光线来做到，确切地说，在光线随后从透明材料转入空气时，相对表面法线的入射角大于全反射极限角。或者，也可以相对材料侧边缘倾斜地耦合输入第二发光装置的光。这一做法特别适用于检查平板玻璃或浮法玻璃，其中，光可以说被截留在玻璃内，就象在光纤内。同时，不仅可以检查小的部分体积，而且可以在平板玻璃的整个长度上检查缺陷。相应地，所属装置必须设计成不仅能扫描小的部分体积，而且能相对平板玻璃进给方向倾斜地扫描许多部分体积。
如果要用本发明方法检查浮法玻璃是否有缺陷，浮法玻璃在其边缘上没有一定的、人们可用来将第二发光装置的光相对侧边缘倾斜地耦合输入的边缘形状。关于这一点，在第二发光装置与浮法玻璃之间设置透明液体是有利的，从而第二发光装置的光通过透明液体如水被耦合输入浮法玻璃板。通过与不规则边缘接触的透明液体，补偿了形状差异并且可靠地实现了激光耦合输入。
当两个发光装置发出脉冲光时，其中一个发光装置只在另一发光装置的脉冲间隔内发光，唯一的探测器可被用于探测透明材料中的缺陷。因此，通过所述第一发光装置的光来掌握明场信号并且在时间上错开地检测相应的散射光信号，并且交替进行。另一方面，因为检查这两种信号是否一致，当然就必须使材料进给速度匹配于发光装置的相应脉冲周期，以便保证两个发光装置照射同一部分体积。相应地，设有一个控制这两个发光装置的电子装置，该电子装置通常是多路传送单元并这样设计，即这两个发光装置只能时间错开地发光。
如果在明场中确定光吸收，则所提出的方法由原理决定了能够表现出一致性。如果这种吸收太小或根本没有出现，则没有发现相应缺陷。但在这样的情况下，或许可以如此探测缺陷，即照射缺陷，以检查在照射中是否有由缺陷引起的光偏转效果。如果明场照射是透明完成的，即透明物在照相机与发光装置之间，则在有光偏转型缺陷的情况下，照射缺陷的光被偏转并在一个与没有经历这种光偏转影响的不同的位置上到达一个探测器。
为探测这种光偏转，第一发光装置可以是由两个部分构成的发光装置。该发光装置的各部分可发出两种不同强度或颜色的光。例如，如果发出两种颜色如红色和绿色，则缺陷的由光线决定的作用导致数量变化的红光或绿光到达探测器。如果每种颜色的光对应于探测器上的一个电压信号U1和U2，则在光偏转时相应地出现这些电压信号U1和U2的改变。两个电压的差值被考虑用做偏转尺度。
或者，人们可以考虑这样的比率，即UPOS＝{U1-U2}/{U1+U2}。因此，幅度UPOS就是由缺陷引起的偏转尺度。
因此，通过附加探测光偏转型缺陷，可借助测量技术总体掌握到几种缺陷，并且当测量到制造过程尚可接受的最大尺寸的缺陷时，安全性提高了。
可同时处理散射光信号、光偏转信号和明场信号。这样一来，可以识别出表面上的光偏转型缺陷并且不将其用语材料质量检查。出现三个一致的信号，这意味着发现了由源于体内的、光偏转型缺陷和光吸收型缺陷并可以掌握其大小。缺陷也是光偏转型的情况允许大规模地细分缺陷，如上所述。
可以这样为第一发光装置的两个部分提供不同的颜色，从而在这两个部分中配备颜色不同的LED。CCD照相机可以检测其光线。
可以用不同的探测器探测散射光和偏转光和/或明场信号。
为保持低廉的设备成本，有利地使两个发光装置脉动发光，所述第一发光装置最好为脉动发光装置。与第二脉动发光装置如脉冲激光器结合地，可以保证一个发光装置只在另一个发光装置脉冲间隔内发光。为此，该装置有一个控制两个发光装置的电子装置，该电子装置被设计成使两个发光装置只能时间错开地发光。
如上所述，如果选择由两部分构成的第一发光装置，则这对应于三个发光装置的情况。就此而言，其中一个发光装置只在另两个发光装置的脉冲间隔内发光。
还设有一个用于确定明场信号、散射光信号和/或偏转信号的分析处理单元，以便处理探测到的信号。
附图说明
现在，借助优选实施例的描述并参考附图来详细图解说明本发明的目的、特征和优势，其中：
图1以透视图表示一个用于实现用于识别透明材料中的缺陷的本发明方法的装置的第一实施例；
图2以透视图表示一个用于实现用于识别透明材料中的缺陷的本发明方法的装置的第二实施例；
图3以透视图表示用于实现用于识别透明材料中的缺陷的本发明方法的装置的另一实施例，该装置类似于图2所示的装置；
图4示意表示在透明材料中的成气泡状的缺陷；及
图5以脉冲时间图表示本发明方法所用的激光器与LED脉冲之间的瞬时关系。
具体实施方式
图1示意表示本发明的方法，其中，具有波长λ1的第一发光装置1从板状玻璃3的下方照射。光在两次穿过后到达探测器4。在这里，发光装置1在玻璃板3内探测部分体积2。
此外，第二发光装置5经玻璃板3侧边缘将波长为λ2的光供给玻璃板3。在这里，第二发光装置5的光在预定的部分体积2内部分散射，这由图1的横向朝左的箭头表示。玻璃板3以速度v从左向右横移。
图2再次表示玻璃板3，这次使用杆状发光装置1，它垂直于板底面地发出波长为λ1的光。另外，波长为λ2的光线进入侧边缘区域。这种耦合输入这样进行，即波长为λ2的光在内部全反射，这由折线5表示。在这里，全反射光在上述部分体积2内被部分散射并到达探测器4。未被散射的部分光经过在玻璃板3其它端上的表面6射出玻璃。
图3表示一个类似于图2的装置。图3所示的实施例与图2的区别在于，杆状发光装置1有两个部分，即第一部分1’和第二部分1”。一台CCD照相机4聚焦在玻璃板3内的部分体积上。因此，在该方向的延长段上，探测器4检测在部分1’、1”之间界面上的、发出脉冲光的发光装置1的表面的一部分。
图4示意表示在玻璃内的成气泡状的识别缺陷。通过在明场中分析光吸收情况而获知了尺寸和大致成蛋形的结构。CCD芯片先后交替探测光LED1和光LED2，即7’、8’、7”、8”、7”’、8”’、7””、8””。在这里，LED1代表发光装置1第一部分1’的光，而LED2代表第二部分1”的光。
同样通过边缘从右到左地横向耦合输入波长为λ2的光。边缘光从右到左穿过气泡并在光输出侧区域里导致散射。
在这里，使激光脉冲与所述部分1’和1”的周期匹配。图5示出了所采取的周期。第一部分1’和第二部分1”先后交替发光，随后，激光发出各自的光。其中一个发光装置总在另两个发光装置的共同的脉冲间歇中发光。唯一的探测器探测在散射区域内先后探测激光器的光9’、LED1的光7”、激光器的光9”、LED2的光8”’、激光器的9”和LED1的光7”’等。

Claims (12)

1、一种识别透明材料中的缺陷的方法，其中，用第一发光装置照射完全在该透明材料内的一定的部分体积(2)，用第二发光装置如此将光线耦合输入该透明材料中，即光线通过所述部分体积(2)只在该透明材料内延伸，这样识别在该部分体积里的缺陷，其特征在于，
a)探测由该缺陷散射的光，和
b)探测由该缺陷引起的在明场内的光吸收，以及
c)探测由该缺陷在所述部分体积(2)内引起的、所述第一发光装置(1)的光线的偏转，
明场信号或偏转信号与散射光信号之比被考虑用于确定缺陷类型。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，分辨局部地测量该材料。
3、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第二发光装置(5)发出单色光。
4、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，各自的光线被耦合输入带状平板玻璃内。
5、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第二发光装置(5)发出绿光。
6、如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第二发光装置(5)发出532nm波长的绿光。
7、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第二发光装置(5)发出红光。
8、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，由所述第二发光装置耦合输入的光的强度在材料边缘上大约是在中心处的10倍。
9、如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第二发光装置(5)的光被这样耦合输入该透明材料内，即所述光在该透明材料内被全反射。
10、如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第二发光装置的光通过透明液体被耦合输入该透明材料中。
11、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，这两个发光装置发出脉冲光，并且其中一个发光装置只在所述另一发光装置的脉冲间歇中发光。
12、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，由两部分构成的第一发光装置发出有两种不同颜色的光。
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