CN101049022A - 用于识别玻璃板表面缺陷和体缺陷的检查系统和方法 - Google Patents

用于识别玻璃板表面缺陷和体缺陷的检查系统和方法 Download PDF

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Abstract

本文描述了使用照明系统(例如光源(闪光)和光锐化部件)和成像系统(例如数码相机和计算机/软件)来检查和识别玻璃板(例如液晶显示器(LCD)玻璃基板)中表面缺陷和体缺陷的检查系统和方法。

Description

用于识别玻璃板表面缺陷和体缺陷的检查系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2004年10月28日提交的题为“Inspection System And Method ForIdentifying Surface And Body Defects In A Glass Sheet”的序列号为No.10/977,514的美国专利申请的优先权，该申请通过引用结合于此。
背景技术
技术领域
本发明一般涉及用于识别玻璃板(例如液晶显示器(LCD)玻璃基板)的表面上的或体内的缺陷(例如划痕、颗粒、气泡)的检查系统和方法。
相关领域描述
现在行业内所使用的常规检查系统包括一起工作以帮助识别玻璃板表面上或体内缺陷(例如划痕、颗粒、气泡)的模拟相机和闪光灯。通常，闪光灯发射照亮玻璃板的一部分的光，同时置于玻璃板另一侧的模拟相机对玻璃板的被照亮部分进行照相。然后，分析该相片以确定玻璃板的该部分上是否存在任何缺陷。为了检查整个玻璃板，玻璃板和/或闪光灯/模拟相机需要以一种或另一种方式移动，使得模拟相机能拍摄足够的相片来建立整个玻璃板的宏观图像映射。使用常规检查系统存在若干缺点。首先，模拟相机具有相对较小的视场(例如12mm×16mm)，这表示需要拍摄多个相片以建立玻璃板的宏观图像映射，而这又表示需要更长的时间以检查整个玻璃板。第二，闪光灯照明是受到限制的，这使其难于获得玻璃板上所需的使模拟相机能拍摄指示玻璃板缺陷的照片的强度适当且均匀的光。因此，需要能克服上述缺点以及常规检查系统的其它缺点的新检查系统。该需要或其它需要可通过本发明的检查系统和方法得到满足。
发明内容
本发明包括使用照明系统(例如光源(闪光)和光锐化部件)以及成像系统(例如数码相机和计算机/软件)来检查和识别玻璃板(例如液晶显示器(LCD)玻璃基板)的表面缺陷和体缺陷的方法和检查系统。在较佳实施方式中，照明系统包括用于发射光的闪光灯以及用于反射发射光的一部分的球面反射器和主反射器。该照明系统也包括用于阻止发射光和反射光的一部分的暗场片(darkfield patch)以及漫射未被暗场片阻止的发射光和反射光的漫射器。该照明系统还包括用于通过阻止光的一部分在未在玻璃缺陷上散射的情况下到达相机透镜来消除相机物镜上的眩光的锥形聚光罩。然后，置于玻璃板另一侧的成像系统，尤其是数码相机获取图像，该图像由计算机分析以确定在玻璃板被照明的部分中是否存在缺陷。
附图说明
结合附图参考以下详细描述可获得对本发明更完全的理解，其中：
图1是示出根据本发明的检查系统的基本部件的示图；
图2是作为图1所示的检查系统的一部分的照明系统的立体图；
图3是用于固定图2所示照明系统的闪光灯的安装组件的立体图；
图4是用于图2所示照明系统的球面反射器的立体图；
图5是用于图2所示照明系统的主反射器的立体图；以及
图6是示出根据本发明的用于识别玻璃板中的表面缺陷和体缺陷的较佳方法的基本步骤的流程图。
具体实施方式
参照图1，它是示出根据本发明的检查系统100的一较佳实施方式的基本部件的示图。检查系统100包括一起工作以识别玻璃板105的表面上和体内的缺陷(例如划痕、颗粒、气泡)的成像系统102(例如相机110(例如数码相机110)和计算机115)和照明系统120。工作时，计算机115发送触发信号(触发脉冲)到照明系统120和数码相机110，这使照明系统120发射光102，该光102照亮玻璃板105的一部分104同时置于玻璃板105另一侧的数码相机110获取玻璃板105的被照明部分104的图像。然后，计算机115分析由数码相机110获取的图像以确定玻璃板105的该部分104上是否有任何缺陷。为了检查整个玻璃板105，玻璃板105和/或数码相机110/照明系统120需要以一种或另一种方式移动，使得数码相机110可获取足够的图像以建立整个玻璃板105的宏观图像映射。在一实施方式中，玻璃板105可置于气动工作台130上、并调节成垂直地对准数码相机110和照明系统120的位置。然后，数码相机110和照明系统120两者通过滑动机构140从玻璃板105的一侧水平地移动到另一侧，同时数码相机110获取图像。然后，玻璃板105由气动工作台130在垂直方向上调节，且重复该过程直到检查了整个玻璃板105。
如图1-5所示，照明系统120的较佳实施方式包括照明器外壳121、安装组件122(参见图3)、闪光灯123、球面反射器124(参见图4)、主反射器125(参见图5)、暗场片126、漫射器127和照明器聚光罩128。如下文所详述地，这些部件121、122、123、124、125、126、127和128彼此连接并工作，从而闪光灯123辐射光102，光102被反射并传导到玻璃板105上与大面积扫描数码相机110的视场尺寸相同或基本上相同的斑点104。数码相机110可以是各种商用相机的任一种，例如由Basler Vision Technologies制造的每秒能获取48帧的Basler A200系列相机。数码相机110甚至可以是每秒能获取500-1000帧的CMOS数码相机110。
照明器外壳121容纳安装组件122。安装组件122包括连接于支撑闪光灯123的闪光灯镇流座(strobe ballast mount)130的灯泡接线柱(bulb stud)129(参见图2和3)。闪光灯123具有置于球面反射器124的腔131内的一部分和从球面反射器124的腔131延伸出来的一部分(参见图1和4)。球面反射器124具有连接于主反射器125中腔134(例如45°腔134)的内壁133的外缘132(参见图5)。主反射器125也具有连接于照明器聚光罩128的大开口136的外缘135(参看图1)。具有置于其上的暗场片126的漫射器127被固定在主反射器125和锥形反射器128之间(参见图1)。照明器聚光罩128在与较大开口136相对的一端具有较小开口137。
如图1和2所示，闪光灯光源123的中心与球面反射器124的中心重合，使得从球面反射器124反射的光102穿过闪光灯泡外壳(strobe bulb envelope)123、并进一步与闪光灯123在主反射器125的方向上辐射的光102一起从主反射器125反射。然后，辐射光和反射光102被暗场片126阻止、或以漫射光102均匀地照亮玻璃板105上期望部分或视场104的方式穿过漫射器127进入照明器聚光罩128。照明器聚光罩128阻止光的直接到达相机透镜而未在玻璃缺陷上散射的部分，并且只允许穿过小开口136的漫射光102到达玻璃。
漫射器127均匀地将光102分布在照明器聚光罩128一端的小块口137的整个面积上。漫射器127也有助于补偿闪光灯123的外壳中以及球面反射器124和主反射器125的内表面中的瑕疵。在较佳实施方式中，漫射器127由具有最小光吸收的材料制成，且漫射角必须约为最大光入射角。可使用具有适当数值孔径的微透镜阵列。
暗场片126阻止发射光102的一部分照射在玻璃板105上，这使暗场图像能由数码相机110捕捉。特别地，暗场片126阻止光102直接从闪光灯123到达数码相机110。结果在暗场图像中，完美的玻璃板105看起来是暗场。并且，表面上或玻璃体内具有颗粒、划痕、玻璃表面不连续、玻璃内的气泡以及其它缺陷的非完美玻璃板105看起来是暗场图像中的明亮斑点。
反射器124和125的形状可考虑闪光灯123的特性来设计。特别地，方程组可数值求解以优化特定闪光灯123的输出，从该输出可得到随后用于设计反射器124、125形状的曲线。在较佳实施方式中，闪光灯123是被更改成包括例如使用两个红光发射二极管(LED)以一致地触发选通脉冲的Perkin Elmer X-400闪光灯。照明器聚光罩128也可具有光吸收内表面，用来通过吸收由照明器聚光罩128的内表面在相机透镜前元件方向上散射的光102来减少数码相机110的透镜上的眩光(参见图1)。照明器聚光罩可具有不同于锥形的其它形状，但是它应该具有开口137。
参照图6，它是示出根据本发明的用于识别玻璃板的表面缺陷和体缺陷的一较佳方法600的基本步骤的流程图。从步骤602和604开始，数码相机110和照明系统120两者被设置并放置于玻璃板105的相对两侧。在步骤606，数码相机110和成像系统120两者都由计算机115控制，从而照明系统120运行以将漫射光102发射到玻璃板105的一部分104上，且数码相机110运行以产生玻璃板105的该部分104的暗场图像，该图像由计算机115分析以确定玻璃板105是否存在任何表面缺陷或体缺陷。为了检查整个玻璃板105，玻璃板105和/或数码相机110/照明系统120需要以一种或另一种方式移动，使得数码相机110可获得足够的图像以建立整个玻璃板105的宏观图像映射。在一实施方式中，玻璃板105可置于气动工作台130上并调节成垂直地对准数码相机110和照明系统120的位置。然后数码相机110和照明系统120两者都由滑动机构140从玻璃板105的一侧水平地移动到另一侧，同时数码相机110获取图像。然后玻璃板105由气动工作台130在垂直方向上调节，且重复该过程直到计算机115检查玻璃板105的整个面积。可由计算机115识别的缺陷类型包括例如：(1)玻璃板105表面上的颗粒；(2)玻璃板105内的颗粒(例如二氧化硅颗粒)；(3)玻璃板105表面上的划痕；(4)玻璃板105表面上的不连续；或(5)玻璃板105内的气泡。
如上所述，本领域技术人员容易理解：包括成像系统102(例如数码相机110和计算机115)和照明系统115(参见图2-5)的检查系统100可用于检查和识别玻璃板105(例如LCD玻璃基板105)中的表面缺陷和体缺陷。在较佳实施方式中，照明系统120包括用于发射光102的闪光灯123以及反射了发射光102的一部分的球面反射器124和主反射器125。照明系统120也包括用于阻止发射光和发射光102一部分的暗场片126、以及用于漫射未被暗场片126阻止的发射光和反射光102的漫射器127。照明系统120还包括锥形反射器128，用于容纳由漫射器127漫射的光102、并引导漫射光102通过开口137以照亮玻璃板105的一部分104。然后，置于玻璃板105另一侧的成像系统102，尤其是数码相机110获取图像，该图像由计算机115分析以确定玻璃板105的该部分104是否存在缺陷。
在较佳实施方式中，球面反射器124和主反射器125具有镜面内表面，诸如(例如)通过电成型或金刚石车削然后涂敷以增强特定频带的反射率的增强铝涂层。该涂层可对于具体入射角优化，其中例如球面反射器124可对直角优化而主反射器125可对45°优化。应该注意，球面反射器124不必通过聚集更多由闪光灯发射的光而增大FOV(视场)中的光强，但这是有帮助的。经增强的效率允许减小照明系统120的长度和直径。
在再一实施方式中，照明系统120可以明场模式运行，其中去除了暗场片126、并且从闪光灯123发射的光102可直接传输到并穿过玻璃板105，这使得数码相机110可拍摄明场图像。在明场模式中，诸如杂质或划痕的缺陷显示为暗斑点，因为该缺陷阻止了部分光102。导致玻璃折射系数局部变化的缺陷显示为亮点或亮点和暗点的组合。然而，应该理解，以暗场模式运行的照明系统120使捕获的图像具有比明场图像高得多的对比度和高得多的小缺陷敏感度。
本发明的检查系统100使用大面积扫描数码相机110(例如Basler A200系列数码相机110)和照明系统120来替代常规模拟相机/照明系统。数码相机110可具有约30×30mm2的视场，与常规的模拟相机/照明系统相比这有效地将缺陷扫描面积增至三倍并减少一半的宏观扫描成像时间。照明系统120由特别设计的反射器124和125、照明器聚光罩128、漫射器127和暗场片126组成。反射器124、125、照明器聚光罩128的独特之处在于它们被设计成围绕特定闪光灯123的光源，以提供对期望视场的均匀照明并最小化闪光灯123的损耗。以下列出本发明的一些示例性优点：
1)提供获得玻璃板105中缺陷的准确暗场图像所必需的足够光强和均匀性。
2)有效地使视场增至常规检查系统的三倍，因此减少检查玻璃板105的时间。
3)降低运行闪光灯123所需的功率，这延长了闪光灯123的寿命。
4)消除对使用昂贵、寿命短的光纤束的需要。
5)当与具有相同视场的常规精简光学器件相比时，允许紧凑型的照明器设计。
虽然本发明的一个实施方式在附图中示出并在上述详细描述中描述，但是应该理解本发明并不限于公开的实施方式，但能够进行许多重新安排、更改和替换而不背离由以下权利要求书描述和限定的本发明的精神。

Claims (20)

1.一种用于识别玻璃板中缺陷的检查系统，包括：
相机；以及
照明系统，包括：
用于发射光的闪光灯；
用于反射所发射光的一部分的主反射器；
用于将所发射的光和所反射的光散布在所述玻璃板的一部分上的漫射器；以及
置于所述玻璃板一侧的所述相机产生一图像，所述图像指示所述玻璃板的由从置于所述玻璃板的相对一侧的所述照明系统发射的漫射光照亮的一部分中是否有缺陷。
2.如权利要求1所述的检查系统，还包括：
用于移动所述玻璃板的移动装置；以及
用于移动所述相机和所述照明系统使得所述相机能产生多个图像以建立所述玻璃板的宏观图像映射的滑动装置。
3.如权利要求1所述的检查系统，其特征在于，所述相机是数码相机。
4.如权利要求1所述的检查系统，其特征在于，所述照明系统包括用于通过阻止光的一部分在未在玻璃缺陷上散射的情况下到达相机透镜而消除相机物镜中的眩光的照明器聚光罩。
5.如权利要求1所述的检查系统，其特征在于，所述照明系统包括用于将从所述闪光灯发射的光的一部分导向所述主反射器和所述漫射器的球面反射器。
6.如权利要求1所述的检查系统，其特征在于，所述照明系统还包括用于阻止从所述闪光灯发射的光的一部分使得所述相机可产生所述玻璃板部分的暗场图像的暗场片。
7.如权利要求1所述的检查系统，其特征在于，所述缺陷包括：
所述玻璃板表面上的颗粒；
所述玻璃板内的颗粒；
所述玻璃板表面上的划痕；
所述玻璃板表面的不连续；或
所述玻璃板内的气泡；
称为微透镜或二氧化硅杂质的玻璃折射系数的局部偏差。
8.一种用于识别玻璃板中缺陷的方法，包括：
设置包括相机和计算机的成像系统；
设置照明系统，所述照明系统包括：
用于发射光的闪光灯；
用于反射所发射光的一部分的主反射器；
用于将所述所发射的光和所反射的光散布在所述玻璃板的一部分上的漫射器；以及
操作所述相机和所述照明系统使得置于所述玻璃板一侧的所述相机可产生图像，所述图像由所述计算机分析以确定所述玻璃板的由从置于与所述相机相对的玻璃板另一侧的所述照明系统发射的漫射光照亮的部分中是否有缺陷。
9.如权利要求8所述的方法，还包括移动所述玻璃板使得所述相机可产生多个图像以建立所述玻璃板的宏观图像映射的步骤。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述相机是数码相机。
11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述照明系统包括用于将从所述闪光灯发射的光的一部分导向所述主反射器和所述漫射器的球面反射器。
12.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述照明系统还包括用于阻止从所述闪光灯发射的光的一部分使得所述相机能产生所述玻璃板部分的暗场图像的暗场片。
13.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述缺陷包括：
所述玻璃板表面上的颗粒；
所述玻璃板内的颗粒；
所述玻璃板表面上的划痕；
所述玻璃板表面的不连续；或
所述玻璃板内的气泡；
称为微透镜或二氧化硅杂质的玻璃折射系数的局部偏差。
14.一种用于识别玻璃板中缺陷的照明系统，包括：
用于发射光的闪光灯；
用于反射所发射光的一部分的主反射器；以及
用于将所发射的光和所反射的光散布在所述玻璃板的一部分上的漫射器，其中置于所述玻璃板一侧的相机产生一图像，所述图像指示由穿过置于所述玻璃板的相对一侧的所述漫射器的漫射光照亮的所述玻璃板部分中是否有缺陷。
15.如权利要求14所述的照明系统，还包括用于通过阻止光的一部分在未在玻璃缺陷上散射的情况下到达相机透镜而消除相机物镜中的眩光的照明器聚光罩。
16.如权利要求14所述的照明系统，还包括用于将从所述闪光灯发射的光的一部分导向所述主反射器和所述漫射器的球面反射器。
17.如权利要求14所述的照明系统，还包括用于阻止从所述闪光灯发射的光的一部分使得所述相机产生所述玻璃板部分的暗场图像的暗场片。
18.如权利要求14所述的照明系统，其特征在于，所述缺陷包括：
所述玻璃板表面上的颗粒；
所述玻璃板内的颗粒；
所述玻璃板表面上的划痕；
所述玻璃板表面的不连续；或
所述玻璃板内的气泡；
称为微透镜或二氧化硅杂质的玻璃折射系数的局部偏差。
19.一种用于识别玻璃板中缺陷的检查系统，包括：
数码相机；以及
照明系统，包括：
用于发射光的闪光灯；
用于反射所发射光的一部分的主反射器；
用于反射所发射光的一部分的球面反射器；
用于阻止所发射的光和所发射的光的一部分的暗场片；
用于漫射未被所述暗场片阻止的所发射的光和所反射的光的漫射器；
用于通过阻止光的一部分在未在玻璃缺陷上散射的情况下到达相机透镜而消除相机物镜中的眩光的照明器聚光罩；以及
置于所述玻璃板一侧的所述数码相机产生一暗场图像，所述暗场图像指示所述玻璃板的由从置于所述玻璃板相对一侧的所述照明系统发射的漫射光照亮的部分中是否有缺陷。
20.如权利要求19所述的检查系统，还包括：
用于移动所述玻璃板的移动装置；以及
用于移动所述数码相机和所述照明系统使得所述数码相机能获取多个暗场图像以建立所述玻璃板的宏观图像映射的滑动装置。
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