CN101268356B - 用来测量玻璃片的设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种用来测量玻璃板的设备。该设备包括稳定的基底，在所述基底上排列着多个可重新定位的支承部件。将玻璃片置于所述支承部件的顶上，将常规的距离测量装置悬挂在所述玻璃片上方，所述装置是例如激光测距装置，其连接于用来使得所述测距装置沿x-y轴和z轴移动的系统。进行大量的距离测量，然后确定玻璃片的面外偏差。各个支承部件和待测玻璃片之间的接触优选为点接触。

Description

用来测量玻璃片的设备和方法

                         发明背景

                         发明领域

本发明涉及一种测量基本平坦的片材的方法。本发明可以特别有效地用来测量玻璃薄片(例如用于平板显示器装置中的玻璃基材的玻璃薄片)中的翘曲。

                         技术背景

液晶显示器(LCD)是包括具有原始的无缺陷表面的平坦玻璃薄板的平板显示器装置。在显示器器件中将至少几块玻璃薄板密封起来，形成包封。人们非常希望包括这些显示器的玻璃片不具有表面形状(平面外变形)，使得在组装器件的时候，玻璃层之间保持适当的对齐。更简单来说，非常希望所述玻璃片是平坦的。通常将平面外变形(平坦度)称为翘曲。

消除用于平板显示器应用中的玻璃片中的翘曲一直是一个挑战。在此努力过程中一个必需的工具是要能够精确测量翘曲。现有技术中存在许多测量翘曲的方法，这些方法的完善程度各不相同。但是，极少有技术涉及对极大极薄的脆性、弹性材料的测量。改进有效的翘曲测量方法所要考虑的一个问题是测量时放置玻璃片的方式。也即是说，在测量过程中如何对玻璃片进行支承(放置)。由于用于显示器件的玻璃片非常薄，约为小于1毫米的尺度，与玻璃片的接触会带来独立的翘曲来源，这会影响测量。而对极大的显示器玻璃片的需求的提高使得这个问题进一步恶化。目前，人们在制造尺寸超过数平方米的玻璃片，对这种大尺寸的薄片必须测量翘曲。

理想情况下，大的玻璃片应当处于无接触无重力的环境。由于这很难实现，特别是在地球上的生产环境中，因此非常希望放置玻璃片的方法能够将玻璃片的额外翘曲减至最小。

现有技术的离线玻璃片翘曲测量法包括将玻璃片置于平坦基底顶上，例如已经抛光得光滑平坦的大理石台面。但是所述平坦的基面难以保持无颗粒。灰尘或其它颗粒的存在会造成玻璃片的测量结果错误，而期望的玻璃片翘曲测量结果的精度在数微米之内。

如果能够发现一种用来放置(支承)玻璃片的设备，其能够将与玻璃片接触的表面减至最小，消除污染的可能性，或者将此可能性减至最小，提供足够的灵活性以适应变化的测量需求，这将是有益的。

发明内容

本发明的实施方式提供了一种使用置于基底上的支承部件测量基本平坦的片材的形状(翘曲)的方法。待测量的玻璃片用支承部件支承，与所述玻璃片接触的各个支承部件基本与玻璃片是点接触的。

在本发明设备的一个实施方式中，所述设备包括基底和设置在所述基底上的多个支承部件，每个支承部件设置成使得基本平坦的玻璃片与所述多个支承部件中的任意一者的接触仅为点接触。常规的无接触测量装置可以用来测量所述玻璃片的特性，例如使用激光测距仪来测量从测量装置到玻璃片表面的距离。

根据本发明，接触点之间的节距，即一个可重新定位的支承部件与待测玻璃片的点接触位置跟相邻的点接触位置之间的距离，优选是均匀的，优选约小于10厘米；更优选约小于5厘米。

在一些实施方式中，为了保持均匀的节距，为了确保在测量过程中支承部件不会彼此发生相对移动，需要使用支承部件限制装置。所述支承部件限制装置优选具有至少一个开口，用来接纳所述支承部件，并保持支承部件之间的位置关系。所述多个支承部件优选以重复的单元的形式设置，限制装置优选包括多个用来接纳所述支承部件的开口。需要(但是非必须)对限制装置进行电学接地。

所述限制装置还可以为根据特定设置与支承部件相适应的环绕带等形式，所述支承部件可设置在所述环绕限制装置的周边以内。因此，支承部件中仅有一部分(支承部件阵列周边的那些)与限制装置接触。

根据本发明，基底上方的每个支承部件的最大高度与预定数值的偏差约小于10微米。

本发明还描述了一种测量玻璃片中的翘曲的方法，该方法包括以下步骤：将所述基本平坦的玻璃片置于多个支承部件上，每个支承部件被设置成使得所述基本平坦的玻璃片和所述多个支承部件中任一个的接触仅为点接触，在所述玻璃片上的多个位置测量从传感器到基本平坦的玻璃表面的距离，使用所述距离测量结果来确定玻璃片的翘曲。在本方法的一些实施方式中，需要对传感器的移动进行校准。校准包括以下步骤：a)安置校准平面，使其与支承部件的第一单元接触；b)测量从传感器到所述校准平面的距离；c)在第二单元上安置校准平面；d)重复步骤a)-c)。较佳的是，所述校准平面每次仅与单个单元接触。

通过以下非限制性的示例性描述和附图，可以更容易地理解本发明，本发明的其它目标、特征、细节和优点也将更为清晰。所有这些另外的体系、方法、特征和优点都应包括在本文中，包括在本发明范围内，受到所附权利要求书的保护。

                         附图简述

图1是用来放置玻璃片以测量翘曲的设备的侧视截面图。

图2是用来限制支承件的运动的托架板的俯视图。

图3是图2的托架板的横截图。

图4是用来限制所述支承件的网格限制器。

图5是图4所示的网格限制器的一部分从边缘观察的截面详图，图中显示了支承件，套环和一些撑杆。

图6是用来限制支承件移动的另一种装置的俯视图，其中所述支承件密堆积并限制在框架中。

图7是用来放置玻璃片以测量翘曲的设备的一部分，图中显示了设置在通过在基底上安装垫圈而形成的井之内的支承件的透视图。

图8是图1的设备的俯视图，其中包括安装在移动的x-y台架上的测量装置。

图9是根据本发明的一个实施方式的侧视图，图中显示用来使得传感器在待测玻璃片上方、平行于玻璃片的平面内、以及沿垂直于玻璃片的方向移动的移动导轨和Z-轴台架。

图10是图2的托架板的俯视图，图中显示了校准平面为了确定APS而在支承件的单元中移动。

图11a和11b显示了一些单元的俯视图，第一单元是由四个支承部件组成的正方形，第二个单元是斜方形，其也是由四个支承部件组成的。

图12a显示了锥形支承部件的透视图。

图12b显示了图12a的锥形支承部件的底面，显示了垂直向下投射到底面上的锥形支承部件的顶点，所述顶点表示支承部件和待测玻璃片之间接触点的位置。

图13是基底的一部分的透视图，显示了多个图12a和12b中显示的那种锥形支承部件的设置方式，黑点表示图12b中顶点的投影位置。

                         详述

在以下详细描述中，出于说明而非限制性的目的，列出了揭示具体细节的示例性实施方式，以便人们完全理解本发明。但是，本领域普通技术人员可以通过本说明书而很容易地看出，可通过不同于本文所述具体细节的其它实施方式中实施本发明。另外，可以省略对众所周知的设备方法和材料的描述，以免混淆对本发明的描述。最后，在可能的时候，相同的编号表示相同的元件。

图1显示了用来测量基本平坦的材料(例如玻璃或玻璃陶瓷之类的脆性材料)的设备的一个实施方式。通常这些测量涉及确定玻璃片的面外偏差(即平坦度或翘曲)。以下描述的是测量基本平坦的玻璃片的翘曲，但是，本领域技术人员将会认识到本发明描述的支承设备可用于其它的应用，并不仅限于测量玻璃片的翘曲。

图1所示设备包括基底10，以及多个球形部件12(下文称为支承件12)。基底10通常由花岗岩制成，但是可以由其它尺寸稳定的材料形成，或者可以尺寸稳定的形式构建。例如，可使用用来安装试验光学部件的光学台面、试验板等。这些台面可以很容易地从市场上购得。适合用来测量大块玻璃片(例如数平方米或更大)的基底可能需要订做。尺寸稳定表示在进行测量的时间内，基底不会发生可察觉的扭曲。基底10需要以一定的方式牢固地安装，使得基底的顶面上不会产生扭曲或振动。例如，基底10可以安装在金属框架中，支承在气动的支柱上，以削弱或消除由周围环境(例如底面或地板)传递给被测的玻璃片的振动。较佳的是，基底10的上表面14的平坦度在15微米之内。也即是说，在上表面14上的任意位置，表面14偏离理想平面的距离不大于约15微米。还希望基底具有足够的刚性，使得基底几乎不会给被测的玻璃片造成机械共振，而且不会在基底自身重力或被测玻璃的重力作用下发生下陷。应当基本上没有可测得的下陷。例如发现厚约15厘米的花岗岩基底足以消除下陷。

支承件12可以是例如由合适的金属(例如不锈钢、铬或其它硬金属)形成的精密的球形支承件。所述支承件的最大直径公差应等于或小于10微米。也即是说，各支承件应具有最大直径d±5μm，其中d是预先确定的标称直径。各支承件的标称直径独立地取决于所需的支承件节距等，这将在下文中更详细地解释。

为了确保温度变化不会显著影响玻璃片的测量，需要在进行测量的过程中，将本发明设备周围的环境温度波动保持在±1。但是，可以允许的温度变化也可由测量中所需的精确度和精密度来确定。通常的测量温度为68

±1

。

再来看图1，支承件12置于基底表面14上。较佳的是，各个支承件12以单点(基底支承件接触点)与表面14直接接触。各基底-支承件接触点与其最接近的相邻的基底-支承件接触点之间有预定的距离Λ。距离Λ被称为节距。优选支承件12以具有均匀节距的几何图案设置在基底表面14上。例如，支承件12可以以正方形网格图案设置在基底表面14上(即支承件位于正方形的四个角上)。或者可使用其它的几何图案，例如同心圆、六边形等。通常的节距Λ约小于3厘米，但是节距可根据使用者的需求和玻璃片的厚度变化。通常玻璃片越厚，所需的节距越小，以确保对玻璃片提供适当的支承。

为了避免支承件在测量玻璃片的过程中发生移动，可以使用限制装置。如图2所示，托架板16最好是由合适的材料制成的板，其具有多个延伸穿透托架板厚度的开孔18，支承件12可以插入其中，使得每个支承件的至少一部分从托架板中延伸到托架板以上。在图1和2所示的实施方式中，托架板16的一个面置于基底10之上。适用于托架板16的材料包括任何能够在支承件支承玻璃片的时候，保持支撑件阵列中各个支承件与其它支承件的预定关系的任何材料。例如，托架板16可以由各种不同聚合物中的任一种制成(例如杜邦(DuPont)生产的Delrin)。聚合物的优点在于重量轻、易于机械加工而且较为廉价。另一方面，托架板16可以由铝之类的金属形成。较佳的是，导电的限制装置、例如由铝或其它金属制成的装置可以进行电学接地，从而将静电累积减至最少，所述静电累积可能会将灰尘吸引到支承件表面上，产生错误的测量结果。

在图1和3所示的实施方式中，托架板16中的开孔18在壁20内具有斜面，以利于在支承件12上方安置托架板16。较佳的是，所述斜面壁20有助于防止灰尘进入所述开孔，从而防止支承件表面被污染。也即是说，各个开孔在托架板顶侧的狭窄部分(如图1所示)紧密地适配于各个支承件周围。但是，这种特征并非必需的，开口18的内壁20可以是圆柱形的而非斜面形的。也即是说，托架板16各个面上的开孔可具有相等的尺寸，开孔的壁垂直于托架板的各个侧表面(面)。

可以使用其它的机构来限制支承件12相互间的移动。例如，可形成图4所示的网格结构，所述网格结构包括连接部件或撑杆22和套环24。撑杆22连接多个套环24，使套环之间保持预定的距离。支承件12插入套环24中(例如通过将套环咬合在支承件之上)。(为了说明的目的，即为了更好地显示支承件和套环之间的关系，在图4中显示支承件和套环支件存在显著的间距)。套环24优选具有弧形的内表面26，所述套环的最大内径近似位于各个支承件圆周周围，略大于该圆周。这样，套环网格结构通过支承件悬在基底表面之上，各个支承件12保持在其相应的套环24之内，但是优选能够在套环内自由旋转。图5中显示了置于支承件之上的套环的截面详图，支承件位于基底10的表面14上。

较佳的是，因为所述支承部件不是永久性地固定于基底，它们可以使用不同的限制装置而简单地以不同的构型(例如不同形状的单元)重新定位。例如，托架板16可具有更多或更少的开孔，开孔间具有不同的间距。

在图6所示的另一个实施方式中，多个支承件12可以为密堆积构型，其中支承件按照类似于用架子排好的台球的形式互相接触。在图6所示的构型中，支承件12被框架26环绕。框架26保持以预定的阵列形成支承件12，所述阵列的节距等于支承件的圆周直径(假定各个支承件12具有相等的赤道直径)。

还可使用其它限制支承件移动(即平行于基底平面的移动)的方法，这些方法应包括在本发明的范围之内。例如，可以将圆筒形型材(下文称为“垫圈”28)通过例如粘合剂或者焊接(对于金属垫圈28)以所需的预定图案固定在基底10的顶面上。图7所示的透视详图显示了由基底和垫圈形成的各个预定位置的浅井30。支承件12置于各个井30中。各个井30的深度使得各个支承件如前文所述与基底表面发生点接触，由于垫圈的存在使得支承件的横向移动最小化，支承件的至少一部分伸到垫圈之上。或者所述井的直径可以小于支承件的直径，使得支承件位于垫圈的顶上，支承件没有与基底接触，或者井的直径可以使得支承件同时与垫圈和基底接触。

在另一个实施方式中，可以在基底的表面内形成凹座(未显示)，用来将支承件固定在原位，或者可以简单地通过用粘合剂将支承件胶合在基底表面14上而将其固定在原位。其它保持所述支承件位置的方法当然是本领域普通技术人员力所能及的，因此应包括在本发明的范围之内。

根据本发明，本发明的设备还包括位于所述基底和支承部件上方的测量装置。图8显示了传感器32，其安装在笛卡尔轨道系统上，使得所述测量装置可以在平行于基底表面的平面(即x-y平面)内移动(其中x-y平面表示平行于基底表面的平面内的正交距离，z方向(图9)表示垂直于基底表面的方向)。通常x-y方向对应于待测玻璃片的长和宽。在本文中，长和宽具有表示矩形玻璃片的垂直边的任意定义。传感器32可以通过例如线性步进电动机(未显示)在x方向沿轨道34移动，或者在y方向类似地沿台架36移动。但是，可使用本领域已知的任意合适的平移技术(即允许测量装置能够平移到玻璃片38上方预定坐标位置的平移技术)。例如，平移可基于不同的坐标系，例如极坐标系。传感器32可以是本领域已知的任意适于测量距离的非接触装置，可包括例如常规的激光测距装置，干涉测量装置或声学测距装置。还包括安装在台架36上的移动台40，其沿着z方向(图中朝向纸面内的方向)操作，使得安装在台架36上的传感器和待测玻璃片之间的距离可变。

为了测量玻璃片，首先取一个假想的参照面(虚拟平面-APS)作为各个支承部件的顶面所处的平面，例如APS位于各个支承件12的顶上。APS的平面度的公差由基底表面14的平面度和支承部件的高度公差、例如支承件12的直径公差限定。然后，可以沿着传感器的移动范围测定传感器的偏差。下面出于说明的目的，将对支承件形式的支承部件的正方形方格图案进行描述。

将具有已知平面度的一小片参照玻璃片(通常称为校准平面42)设置于表示最小正方形单元——单元A₁——的支承部件顶上，与所述支承部件顶部接触。本领域技术人员将会认识到，各支承部件和被测玻璃之间具有单点接触的正方形方格图案将会包括各种尺寸的许多不同的四支承件结构。本领域普通技术人员将会理解，“点接触”表示支承部件仅在极小的(无穷小的)表面区域(例如针尖、锥形结构的顶点等)与特定主体接触。对于与基本平坦表面接触的球形支承部件，表面和球形部件之间的接触是点接触。所述校准平面应当仅与构成所述单元的支承部件接触。本文中的单元表示由形成正方形的最少数量的支承件(图10所示为四个)的触点形成的正方形。也可能存在其它的单元形状。图11a显示了图10所示的具有正方形形状的四支承件单元，而图11b显示了具有斜方形状的四支承件单元。传感器32移动到校准平面上42第一位置(图10中用42a表示)正上方的位置，测定校准表面的上表面(优选校准表面的中心)与测量装置之间的距离。然后将校准平面移动到下一个单元A₂，重复进行测量(在此位置，校准平面用42b表示)。连续地将校准平面置于全部支承件格子的单元上，得到一些数据，通过这些数据可以确定在传感器32移动范围内，传感器32在垂直z轴上的偏差。也即实说，在传感器在水平的x-y平面内运动范围内的多个位置处，测定传感器与已知的参比表面(校准平面)之间的距离，以确定传感器的z轴偏差。

一旦已经在传感器的移动范围内测定了传感器的垂直偏差，将校准平面从支承部件床和玻璃片38上取下，将待测玻璃片置于支承件12的顶上。所述测量传感器又用来在玻璃片上的多个离散的位点(坐标)测量从传感器到玻璃片38的上表面之间的距离。在此情况下，当传感器移动到玻璃片上方各个测量位点的时候，玻璃片保持静态。测量位点的数量越大，所测玻璃片的形状的精确度(即偏离平坦表面的偏差)越高。例如，可以进行多达10,000次离散的测量。通过进行这些离散的测量来计算初步的玻璃片形状，扣除掉z轴内的传感器偏差，以消除可能由于支承件高度差造成的对玻璃片形状的任意影响。结果得到玻璃片的总体形状，即玻璃片的面外偏差(翘曲)与玻璃片位置的函数关系。

尽管以上实施方式使用具有球形形状的玻璃片支承部件，但是可以使用其它的形状。例如，所述支承部件可以是锥形的，各个锥形的底部与所述基底接触，各个锥形的顶点与待测玻璃片接触(即点接触)。对于支承件的情况，可将各锥形底面以预定的几何图案设置在基底上。可以将多个这样的支承部件设置在基底10上。图12a显示了三棱锥形的支承部件12，图12b显示了基底表面14上的三角形支承部件底部的三角形接触图案42(底面)。黑点44表示投射到底面42上的锥体的顶点。支承部件12的定位情况可以如图13所示，各个点表示投射的顶点44的定位。该定位方案也适用于其它的形状，例如用于四棱锥形。

应当强调，上述本发明的实施方式，特别是“优选的”实施方式仅仅是可能的例子，仅仅用来使人们能够清楚地理解本发明。可以在不背离本发明精神和原理的前提下对其进行许多的变化和修改。所有这些变化和修改都包括在本发明范围之内，受到所附权利要求书的保护。

Claims (9)

1.一种用来测量玻璃片中翘曲的设备，该设备包括：

基底；

位于所述基底上的多个球形支承部件，各球形支承部件在接触点处与玻璃片接触，并把玻璃片支持在基底上，所述的接触点形成多个正方形单元，且接触点之间的节距是均匀的。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括设置在所述支承部件上方、用来测量所述玻璃片中的翘曲的装置。

3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述基底还包括上表面，在所述基底上表面上的任意的位点，所述上表面偏离平面的程度小于15微米。

4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括接触点之间的小于10厘米的节距。

5.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括球形支承部件限制装置，该装置与所述球形支承部件接触，用来保持所述球形支承部件之间的位置关系。

6.如权利要求1所述的设备，其特征在于，每个球形支承部件与相邻的球形支承部件接触。

7.一种用来测量玻璃片材中的翘曲的方法，该方法包括：

将基本平坦的玻璃片材置于多个球形支承部件上，使得每个球形支承部件在接触点处与玻璃片材接触，其中所述的接触点设置在多个正方形单元中，且接触点之间的节距是均匀的；

在所述玻璃片材上的多个位置测量从传感器到所述玻璃片材的上表面之间的距离，以得到多个测量到的距离；

使用所述多个测量到的距离来确定所述玻璃片材的翘曲。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，该方法还包括对传感器的移动进行校准，所述校准包括以下步骤：

a)安置与第一单元接触的校准平面；

b)测量从所述传感器到校准平面之间的距离；

c)在第二单元上安置校准平面；

d)重复步骤a)-c)。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，每个球形支承部件与相邻的球形支承部件接触。

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