CN101900691B - 玻璃板检查系统 - Google Patents

Abstract

提供一种用于检测在玻璃板或玻璃条(2，14)内部或其表面上的颗粒或缺陷的玻璃检查系统。安装该系统使得待测表面(1)位于反射透镜(10)的物面中。该透镜将细条状区域成像在行扫描照相机(18)上，该细条状区域在沿透镜圆周正切的方向上很长，而在径向方向上很短。安装线形照明器(12)来照射条状区域。为了进行检查，沿着与细条的长轴垂直的方向，使该系统相对于玻璃运动，可以是相对玻璃移动该系统，或者当系统固定时移动玻璃。在移动过程中通过行扫描照相机收集图像信息并汇集成一图像。

Description

玻璃板检查系统

技术领域

本发明涉及玻璃板的检查。

术语定义

用在本发明说明书和权利要求中的如下术语，将具有如下含义：

“缺陷”总地表示在玻璃板表面或内部的颗粒和瑕疵。

“玻璃板”表示单独的玻璃片或者从单独的玻璃片上分离出来的玻璃条，其取决于检查系统的特定应用，即该系统是用于检查玻璃条，还是用于检查从玻璃条中分离出来的单独的玻璃片。

“光束”通常表示电磁辐射，其包括可见光和非可见光范围的辐射。

“行扫描照相机”表示具有由像素组成的光敏区域的检测器，其光敏区域的长度L至少是该区域宽度W的10倍。行扫描照相机包括延时积分(TDI)照相机(也被称为时域积分照相机)，其L/W的比值大于10。

背景技术

玻璃板常用作显示领域中的基板，如液晶显示器(LCD)和有机发光二极管(OLED)显示器中，其需要表面基本上没有1微米及以上尺寸的缺陷。据此，需要付出额外的努力去寻找有效的方法来检查玻璃板的这种缺陷。

缺陷尺寸很小，在检查中正常使用的波长处玻璃板是透明的，玻璃板很薄(如在显示应用中是0.2至1.2毫米量级)，这些情况给检查带来了挑战性问题。更进一步，由于平板显示器的需求增加，玻璃制造生产线的数量也增加。因此，检查装置的需求也增加，从而使得所述装置的成本和复杂性作为评价一个系统的适合性的重要考虑。

如下述公开，本发明提供了一种检查系统，其符合可靠检查显示器玻璃的相关性能标准，其中采用了相对便宜的光学元件，可以容易地安装到一个紧密的器件中，其可在制造设置中轻松地配置。

发明内容

依据本发明的第1方面，公开了一种用于检查具有第一表面和第二表面的透明玻璃板的装置，其中包括：

(A)光源，其照射玻璃板的一部分；

(B)行扫描照相机，其检测从玻璃板上或玻璃板内的缺陷散射的光，该行扫描照相机包括多个像素，其形成具有长度L和宽度W的光敏区域；以及

(C)光学系统，其将从缺陷散射的光传输到行扫描照相机，该光学系统具有数值孔径NA并且包括：

(i)主凹面反射镜，其具有第一部分和第二部分，该反射镜具有曲率半径R；和

(ii)凸面次反射镜；

其中：

(a)从缺陷散射的光经过光路到达行扫描照相机，该光路包括来自凹面主反射镜的第一部分的反射、来自凸面次反射镜的反射以及来自凹面主反射镜的第二部分的反射；

(b)主和次反射镜的曲率中心基本重合，并且次反射镜的半径基本上等于主反射镜的半径的一半；以及

(c)L、W和R满足下列关系：

L/R≤0.25；和

对于NA≥0.10，W/R≤0.14*(sqrt(1-(L/R)²)-1)+0.046；和

对于NA≥0.12，W/R≤0.14*(sqrt(1-(L/R)²)-1)+0.033；和

对于NA≥0.15，W/R≤0.14*(sqrt(1-(L/R)²)-1)+0.020。

依据本发明的第2方面，公开了一种用于检查具有第一表面和第二表面的透明玻璃板的装置，其中包括：

(A)光源，其照射玻璃板的一部分；

(B)行扫描照相机，其检测从玻璃板上或玻璃板内的缺陷散射的光，该行扫描照相机包括多个像素，其形成具有长度L和宽度W的光敏区域；以及

(C)光学系统，其将从缺陷散射的光传输到行扫描照相机，该光学系统具有数值孔径NA并且包括：

(i)主凹面反射镜，其具有第一部分和第二部分，该反射镜具有曲率半径R；和

(ii)凸面次反射镜；

其中：

(a)从缺陷散射的光经过光路到达行扫描照相机，该光路包括来自凹面主反射镜的第一部分的反射、来自凸面次反射镜的反射以及来自凹面主反射镜的第二部分的反射；

(b)主和次反射镜的曲率中心基本重合，次反射镜的半径基本上等于主反射镜的半径的一半；以及

(c)所述光学系统在聚焦到玻璃板第一表面上时在该表面处具有半径D1的点扩散函数并且在第二表面处具有半径D2的点扩散函数，其中D1和D2满足下列关系：

D2/D1≥35

其中玻璃板的厚度在0.2至1.2毫米范围内。

依据本发明的第3方面，公开了一种用于检查具有第一表面和第二表面的透明玻璃板上或内的缺陷的方法，其中包括：

(A)照射玻璃板的一部分；

(B)将由玻璃板缺陷散射的光通过一光学系统传输至行扫描照相机，该光学系统具有数值孔径NA并且包括：

(i)主凹面反射镜，其具有第一部分和第二部分，该反射镜具有曲率半径R；和

(ii)凸面次反射镜；以及

(C)提供玻璃板和行扫描照相机之间的相对移动(如使玻璃板相对于行扫描照相机平移)；

其中：

(a)从缺陷散射的光经过光路到达行扫描照相机，该光路包括来自凹面主反射镜的第一部分的反射、来自凸面次反射镜的反射以及来自凹面主反射镜的第二部分的反射；

(b)主和次反射镜的曲率中心基本重合，次反射镜的半径基本上等于主反射镜的半径的一半；

(c)行扫描照相机包括多个像素，其形成具有长度L和宽度W的光敏区域；以及

(d)L、W和R满足关系：

L/R≤0.25；和

对于NA≥0.10，W/R≤0.14*(sqrt(1-(L/R)²)-1)+0.046；和

对于NA≥0.12，W/R≤0.14*(sqrt(1-(L/R)²)-1)+0.033；和

对于NA≥0.15，W/R≤0.14*(sqrt(1-(L/R)²)-1)+0.020。

在一些实施例中，本发明的第1和第2方面的装置和/或第3方面的方法具有以下特征中的一部分或全部：

(a)光学系统的NA满足下列关系：0.1≤NA≤0.15；

(b)光学系统具有1∶1的放大率；

(c)光学系统的孔径光阑位于次反射镜处；

(d)行扫描照相机的像素尺寸在5至20微米范围内；

(e)光路只包含反射光学表面；

(f)光学系统在物空间中基本上为远心，从而在光学系统的景深内图像尺寸的变化小于行扫描照相机的像素尺寸；

(g)光学系统的场曲小于光学系统的景深；

(h)光学系统在行扫描照相机的光敏区域长度L上的几何畸变小于1％；和/或

(i)聚焦机构，其调整以下至少一个：(1)玻璃板和主凹面反射镜的第一部分之间的光路，和(2)主凹面反射镜的第二部分和行扫描照相机之间的光路。

可以理解的是，前述的大体描述和如下的详细描述仅仅是本发明的范例，其打算提供用于理解本发明的本质和特征的总体看法或框架。附加特征和本发明的优点将在随后的详细描述中阐述，其中通过这里记载的本发明的实施例的描述或理解，有些部分对本领域技术人员而言是显而易见的。还包括用于进一步理解本发明的附图，其并入并组成了说明书的一部分。可以理解的是，说明书和附图中公开的本发明的多个特征，可以用作任意或全部的组合。通过非限定的例子，实施例的多个特征可以通过如下方面的阐述进行组合。

依据本发明的第1方面，提供一种用于检查具有第一表面和第二表面的透明玻璃板的装置，其中包括：

(A)光源，其照射玻璃板的一部分；

(B)行扫描照相机，其检测由玻璃板上或内的缺陷散射的光，该行扫描照相机包括多个像素，其形成具有长度L和宽度W的光敏区域；以及

(C)光学系统，其将从缺陷散射的光传输到行扫描照相机，该光学系统具有数值孔径NA并且包括：

(i)主凹面反射镜，其具有第一部分和第二部分，该反射镜具有曲率半径R；和

(ii)凸面次反射镜；

其中：

(a)从缺陷散射的光经过光路到达行扫描照相机，该光路包括来自凹面主反射镜的第一部分的反射、来自凸面次反射镜的反射以及来自凹面主反射镜的第二部分的反射；

(b)主和次反射镜的曲率中心基本重合，次反射镜的半径基本上等于主反射镜的半径的一半；以及

(c)L，W和R满足关系：

L/R≤0.25；和

对于NA≥0.10，W/R≤0.14*(sqrt(1-(L/R)²)-1)+0.046；和

对于NA≥0.12，W/R≤0.14*(sqrt(1-(L/R)²)-1)+0.033；和

对于NA≥0.15，W/R≤0.14*(sqrt(1-(L/R)²)-1)+0.020。

依据本发明的第2方面，提供如第1方面的装置，其中光学系统在聚焦到玻璃板第一表面上时在该表面处具有半径D1的点扩散函数并且在第二表面处具有半径D2的点扩散函数，其中D1和D2满足关系：

D2/D1≥35

其中玻璃板的厚度在0.2至1.2毫米范围内。

依据本发明的第3方面，提供一种用于检查具有第一表面和第二表面的透明玻璃板的装置，其中包括：

(A)光源，其照射玻璃板的一部分；

(B)行扫描照相机，其检测由玻璃板上或内的缺陷散射的光，该行扫描照相机包括多个像素，其形成具有长度L和宽度W的光敏区域；以及

(C)光学系统，其将从缺陷散射的光传输到行扫描照相机，该光学系统具有数值孔径NA并且包括：

(i)主凹面反射镜，具有第一部分和第二部分，该反射镜具有曲率半径R；和

(ii)凸面次反射镜；

其中：

(a)从缺陷散射的光经过光路到达行扫描照相机，该光路包括来自凹面主反射镜的第一部分的反射、来自凸面次反射镜的反射以及来自凹面主反射镜的第二部分的反射；

(b)主和次反射镜的曲率中心基本重合，次反射镜的半径基本上等于主反射镜的半径的一半；以及

(c)所述光学系统在聚焦到玻璃板第一表面上时在该表面处具有半径D1的点扩散函数并且在第二表面处具有半径D2的点扩散函数，其中D1和D2满足关系：

D2/D1≥35

其中玻璃板的厚度在0.2至1.2毫米范围内。

依据本发明的第4方面，提供如第1，2，3方面中任意一个的装置，其中NA满足关系式：0.10≤NA≤0.15。

依据本发明的第5方面，提供如第1-4方面中任意一个的装置，其中光学系统具有1∶1的放大率。

依据本发明的第6方面，提供如第1-5方面中任意一个的装置，其中光学系统的孔径光阑位于次反射镜处。

依据本发明的第7方面，提供如第1-6方面中任意一个的装置，其中行扫描照相机的像素尺寸在5至20微米的范围内。

依据本发明的第8方面，提供如第1-7方面中任意一个的装置，其中光路只包括反射光学表面。

依据本发明的第9方面，提供如第1-8方面中任意一个的装置，其中光学系统在物空间中基本上为远心，从而在光学系统的景深内，图像尺寸的变化小于行扫描照相机的像素尺寸。

依据本发明的第10方面，提供如第1-9方面中任意一个的装置，其中光学系统的场曲小于光学系统的景深。

依据本发明的第11方面，提供如第1-10方面中任意一个的装置，其中光学系统在行扫描照相机的光敏区域长度L方向上的几何畸变小于1％。

依据本发明的第12方面，提供如第1-11方面中任意一个的装置，进一步包括聚焦机构，其调整以下至少一个：

(i)玻璃板和主凹面反射镜物体的第一部分之间的光路；和

(ii)主凹面反射镜物体的第二部分和行扫描照相机之间的光路。

依据本发明的第13方面，提供一种用于检查具有第一表面和第二表面的透明玻璃板的表面或内部缺陷的方法，其中包括：

(A)照射玻璃板的一部分；

(B)将由玻璃板缺陷散射的光通过一光学系统传输至行扫描照相机，该光学系统具有数值孔径NA并且包括：

(i)主凹面反射镜，具有第一部分和第二部分，该反射镜具有曲率半径R；和

(ii)凸面次反射镜；以及

(C)提供玻璃板和行扫描照相机之间的相对移动；

其中：

(a)由缺陷散射的光经过光路到达行扫描照相机，该光路包括来自凹面主反射镜的第一部分的反射、来自凸面次反射镜的反射以及来自凹面主反射镜的第二部分的反射；

(b)主和次反射镜的曲率中心基本重合，次反射镜的半径基本上等于主反射镜的半径的一半；

(c)行扫描照相机包括多个像素，其形成具有长度L和宽度W的光敏区域；以及

(d)L，W和R满足关系：

L/R≤0.25；和

对于NA≥0.10，W/R≤0.14*(sqrt(1-(L/R)²)-1)+0.046；和

对于NA≥0.12，W/R≤0.14*(sqrt(1-(L/R)²)-1)+0.033；和

对于NA≥0.15，W/R≤0.14*(sqrt(1-(L/R)²)-1)+0.020。

依据本发明的第14方面，提供一种如第13方面的方法，其中光学系统在聚焦到玻璃板第一表面上时在该表面处具有半径D1的点扩散函数并且在第二表面处具有半径D2的点扩散函数，其中D1和D2满足关系：

D2/D1≥35

其中玻璃板的厚度在0.2至1.2毫米范围内。

依据本发明的第15方面，提供一种如第13或14方面的方法，进一步包括通过调整以下至少一个，将玻璃板图像聚焦到行扫描照相机上：

(i)玻璃板和主凹面反射镜的第一部分之间的光路；和

(ii)主凹面反射镜的第二部分和行扫描照相机之间的光路。

依据本发明的第16方面，提供一种如第13-15方面中任意一个的方法，其中光学系统在物空间基本上为远心，从而在光学系统的景深内，图像尺寸的变化小于行扫描照相机的像素尺寸。

依据本发明的第17方面，提供一种如第13-16方面中任意一个的方法，其中光学系统的场曲小于光学系统的景深。

依据本发明的第18方面，提供一种如第13-17方面中任意一个的方法，其中光学系统在行扫描照相机的光敏区域长度方向上的几何畸变小于1％。

附图说明

图1是表示本发明的检查系统的实施例的组件和运动的示意图。

图2是表示行扫描照相机的操作模式的示意图。

图3是表示照明器的一个实施例的示意图。

图4是表示将玻璃板表面的图像聚焦到行扫描器的多种方式的示意图。特别是，左边图表示调整反射镜/照相机/照明器到表面的距离，中间图表示利用“长号(trombone)形”反射镜件调整从表面到反射镜的光路，以及右边图表示调整反射镜到照相机传感器的距离。

图5是采用两个反射球形元件的基本上远心反射镜的实施例的光线轨迹。

图6是采用两个反射球形元件的基本上远心反射镜的实施例的光线轨迹。

图7是采用两个反射球形元件和一个反射镜装配用于改变反射镜物面或像面方向的基本上远心反射镜的实施例的光线轨迹。

图8是表示用于成像的部分玻璃表面(目标)投影到主反射镜上，以及记录图像的行扫描照相机(行扫描传感器)，以及主反射镜的第一和第二部分，其形成由缺陷散射的光的光路部分的示意图。

图9是按照作为反射镜数值孔径(NA)函数的行扫描传感器的标准化长度L和标准化宽度W(即L/R和W/R，其中R是反射镜的主反射镜的曲率半径)的工作范围(曲线的下部区域)的绘图。

图10是表示在保持玻璃板所需表面聚焦，同时保持板的其它表面离焦时反射镜的数值孔径的角色的示意图。

图11是表示对于图5的远心反射镜，从玻璃板的一个表面(-250微米点)到另一个表面(250微米点)的点扩散函数的变化的ZEMAX图。

图12是表示在反射镜的全部视场内，在保持玻璃板所需表面聚焦，同时保持板的其它表面离焦时低场曲的角色的示意图。

图13是表示在整个视场范围内，基本远心反射镜在保持检查几何形状一致性方面的优点的示意图。

图14是表示聚焦和离焦时具有一致成像质量的优点的示意图。

图15表示了本发明的检查系统的一个实施例的典型封装。

具体实施方式

如前所述，本发明涉及玻璃板的检查，在一个应用中，用于检查显示屏玻璃，其形式是单独玻璃板或者是从中分离出玻璃板的玻璃条。

在制造显示屏玻璃的过程中经常要进行缺陷检查。重要的是，所述玻璃具有两边(“A”边和“B”边)，其两边的缺陷需要分开检测。为了检测缺陷，显示屏玻璃通过一个记录由缺陷散射的光的摄像系统成像。在一些情况下，玻璃的全部区域被检查，在另一些情况下，玻璃的一个或多个区域被检查并且被用作检查样品。

因为需要快速检查大面积的玻璃，所以使用行扫描照相机来检查缺陷。该照相机具有在一个方向的长视场(如，27mm)和在垂直方向的窄视场(如，1.3mm)。为了处理方便(分析)，在沿视场长轴的任意位置检测到的缺陷，将在传感器上产生基本上相同的图案。

为了便于有效的检查，在一些实施例中，这里公开的检查系统具有以下特征：

(a)视场(FOV)，与行扫描照相机的光敏区域的长度L一样长；

(b)用于检测小缺陷的足够高的分辨率；

(c)大的数值孔径(NA)，来观测弱散射缺陷；

(d)景深(DOF)足够小，从而在玻璃板的A和B边上的缺陷可以被区分，即DOF小于玻璃板厚度时可以被观测；

(e)基本上平的视场，从而玻璃板的表面在整个FOV上仍然保持聚焦状态；

(f)色彩校正，从而可以使用不同波长的光源；

(g)制造成本合理；以及

(h)从关于玻璃板法线对称的同一组角度收集光束的能力，无论缺陷所处的位置。

在光学术语中，上述最后一个特征对应于检查系统，或者更精确的，检查系统的透镜部分在物侧为远心或基本上远心，即透镜的入瞳远离组成该透镜的元件，从而在物侧的主光束基本上平行于透镜的光轴，如主光束和光轴之间的夹角小于0.5°。远心或基本上远心也意味着透镜的放大率不变或者基本上不随物体距离而改变。

在历史上，检查系统使用由多个折射透镜元件组成的透镜。这种透镜不能提供全部的上述特征。例如，基于折射原理的一些系统由于具有大的景深(DOF)，从而不能区分A边和B边的缺陷。再者，在检查应用中使用的一些折射透镜没有足够平的视场，从而导致靠近视场(FOV)边缘的缺陷的聚焦不同于靠近中心的缺陷。因此，上述系统不能一致地分辨A边和B边的缺陷。此外，由于本身的性质，折射元件的色彩校正最好在有限的波长范围内。重要的是，在成本和色彩校正方面，具有大视场和足够平视场的折射远心透镜众所周知地复杂，其由至少一个很大的透镜元件组成，并且昂贵。

根据本发明，使用基于反射而非折射的透镜系统，将玻璃板表面的一部分成像到行扫描照相机。如下述详细描述(参见如图9)，反射透镜系统具有与行扫描照相机的特征紧密联系的结构和光学性质，从而上述两个部件一起工作，以提供在任意合理的成本内折射系统无法获得的性能水平。

一个采用反射透镜10的检查系统的典型结构如图1所示。如图所示，除了反射透镜10和行扫描照相机18外，该系统通常包括用于照明一部分玻璃板的照明器12，用于将玻璃表面的图像聚焦到行扫描照相机18的光敏面上的聚焦系统20，用于在玻璃板和透镜/照相机组件之间产生相对移动(横向移动16)的传送器。典型的，平移玻璃板，同时保持透镜/照相机组件静止，来获得相对移动，如果需要还可以相反的设置，或者玻璃板的移动和透镜/照相机的移动一起进行。在连续移动玻璃条的情况下，玻璃条的移动可以提供在玻璃板和透镜/照相机组件之间的部分或者全部的相对移动。

图2更详细的表示了相对移动。事实上，该图表示了相对移动26如何产生玻璃表面24的图像，其穿过行扫描传感器21的传感像素22，从而使得照相机产生作为时间函数的散射光到达每个像素的数字输出指示。使用行扫描传感器21，尤其是由TDI组成该照相机，提供了快速收集大量图像信息的优点。然而，行扫描照相机具有其形状在与图像移动交叉的方向很长，而在沿着图像移动的方向很短的缺点。这种矩形形状造成了一个图像难题，通过使用上述描述和如下更详细描述的反射透镜，被本发明所克服。

如本领域所知，在TDI行扫描照相机的情况下，该照相机包括一组像素阵列，其行方向与相对移动的方向平行，而列垂直于上述方向。同样如本领域所知，如这种照相机，通过每个行像素收集的光与照相机和记录的图像之间相对移动的同步，作为对入射光曝光结果的像素聚集的电荷，从列之间循环积分。在这种方式下，对与照相机相对移动的物体发出的光的照相机的敏感度，相比于单列像素的敏感度基本上增加了。

如上述解释，行扫描照相机具有在一个方向上的大视场。行扫描传感器在另一个方向上可以非常窄(常用的传感器为1个像素)，或者相对窄(如一个商用可获得的TDI传感器为96个像素)。上述情况中，传感器在两个方向上的长度比大于10。

在颗粒检查中使用的行扫描照相机(传感器)典型的在一个线方向上具有的像素在5μm-20μm范围内。具有这些直径的缺陷，如颗粒，可以被光学检查。因此，提供直接传输上述缺陷的图像到行传感器的具有单一放大率的透镜，提供了一种有足够敏感度来检查大区域的上述尺寸范围内的颗粒的方法。传感器还可以使用子像素分辨技术来检查相当小于一个像素尺寸的缺陷。上述技术的一个例子是通过反射和散射光的总和来推测缺陷的尺寸。使用该方法可以使得当保持足够的敏感度来检查大区域的同时，将检查缺陷的范围延伸到小于检测器的像素尺寸。上述情况中，如下所述，这里公开的检查系统的反射透镜提供了以单一放大率检查上述类型缺陷的足够的成像质量。更具体的，反射透镜提供了像侧的分辨率至少与传感器像素尺寸相同，从而图像被传感器限定。再者，透镜具有相对小的f值(相对大的数值孔径)，以在分配到每行的短的曝光时间内聚集足够的光线。

图3表示了用作图1中的照明器12的装置的实施例。如图所示，照明器包括一个光源32，如工作在红外波段的激光源，通过光纤束39连接到光源32的光纤线形发光体38，在玻璃板上产生照明线34的柱形聚光镜36。其它装置当然也可以用作照明器12。再者，虽然优选的为聚焦照明，散射照明也合适于一些应用中。

图4表示了将玻璃板14的一个表面上的图像，如A边的表面，聚焦到行扫描照相机18的光敏区域的典型方法。图4的左边图表示整个检查组件(照明器12，透镜10，和照相机18)与玻璃板的相对移动20，而中间图表示了使用反射镜组件的移动20，具体在本实施例中是一组“长号形”反射镜，从而改变玻璃板14(目标)到透镜的光路。可以通过由本发明的反射透镜提供的相对长的工作距离来便于反射镜组件的移动。图4的右边图表示了透镜与行扫描照相机18距离的调整20以改变聚焦。再者，本发明的反射透镜，在这种情况下，通过透镜相对长的反向工作距离使得该方法便利。对比于通过使用实际移动行扫描照相机18，移动反射镜组件如中间图所示的长号形组件，来改变透镜和行扫描照相机18所需的光学距离。

应该知道的是，如果需要同时检查玻璃板14的两个表面，可以使用分束器将图像光束沿两个行扫描照相机18分离，其一个聚焦玻璃板的一个表面(如A边)而另一个则聚焦相反面(如B边)。

图5和6表示了本发明的检查系统中使用的反射透镜的典型实例。概括的说，这些透镜的组成在美国专利No.3748015中公开，其全部内容作为参考在这里引入。每个透镜包括一个主凹面反射镜5(图右边的大反射镜)，和一个次凸面反射镜6(图中间的较小的反射镜)。主反射镜5和次反射镜6的曲率中心重合或基本上重合，以及次反射镜6的半径等于或基本等于主反射镜5的半径的一半。两个透镜的规格在表1中说明，其中尺寸单位为毫米，标识“大”表示图5的透镜，标识“小”表示图6的透镜。

上述图中表示的透镜超过了目前检查玻璃板表面方案的折射透镜的性能。这些透镜具有一个平的视场，从而使得玻璃板平的表面上的所有缺陷都被同样地聚焦，而位于相反表面上的缺陷将被同样地离焦，无论它们的位置是否在以及的视场内。这允许很容易地区分一个表面上的缺陷-所说的A边-与另一面上的缺陷-所述的B边。折射透镜具有固有的弯曲焦平面，其在光学设计中必须通过平衡正和负的曲率来近似校正。

在图5和6中，物面和像面如图所示是共面的。在许多应用中，使物面和像面相互垂直将更加方便。通过使用一个或多个旋转反射镜来获得上述变向。图7表示了使用设置在长号形结构中的三个旋转反射镜7的实施例，其可用于物面或像面的定向和聚焦。

图8表示了图5-7反射透镜中的主反射镜80的功能。标记为“目标”82和“行扫描传感器”84的小矩形，分别表示了被检查的玻璃区域和图像传感器区域。如图虚线矩形(主反射镜80的第一和第二部分)，在主反射镜80上的足迹将更大。结合图5-7可以从该图中看出，从玻璃板(目标)散射的光通过光路到达行扫描传感器，该光路包括从凹面主反射镜5的第一部分的反射，由凸面次反射镜6的反射，再到凹面主反射镜5的第二部分的反射。虽然如图8中所示的矩形形状，但是第一和第二部分可以典型的具有肾形结构。参见如美国专利No.3951546和7158215。

更具体而言，为了将玻璃板表面部分在像面最佳成像的本发明的反射透镜，具有半径基本等于目标和反射镜曲率中心距离的弯曲(拱形)形状。如上所述，行扫描照相机具有矩形形状。根据本发明，可以发现与该矩形形状相关的像差没有减少检查系统检查在玻璃板制造过程中遭遇的缺陷的能力，玻璃板制造中提供的主反射镜的弯曲半径R，透镜的数值孔径(NA)和传感器的长度L和宽度W满足以下关系：

L/R≤0.25；和

对于NA≥0.10，W/R≤0.14*(sqrt(1-(L/R)²)-1)+0.046；和

对于NA≥0.12，W/R≤0.14*(sqrt(1-(L/R)²)-1)+0.033；和

对于NA≥0.15，W/R≤0.14*(sqrt(1-(L/R)²)-1)+0.020。

上述关系如图9所示，其中水平轴表示长度L与主反射镜的弯曲半径的标准化，如L/R，垂直轴表示宽度W与主反射镜的弯曲半径的标准化，如W/R。

图10是表示玻璃板2需要的表面1聚焦，而在另一个表面3离焦的透镜的数值孔径的示意图。在玻璃板2的多个表面有缺陷时，其经常是这种情况，保持在表面1聚焦和另一个表面3离焦是很重要的。随着玻璃板2变得更薄，表面的间距也减小，分辨不同表面上的缺陷也随之变得困难。这里公开的检查系统的反射透镜的两个方面，根据它们发生的表面允许缺陷被精确的分类。

首先，透镜可以制造为具有足够的数值孔径，其结果是造成足够小的景深，从而使得感兴趣的表面1聚焦而使得另一面3基本上离焦。在玻璃板的厚度为0.2到1.2毫米的范围下，数值孔径大约为0.1或更高可以实际得到上述结果。聚焦和离焦的区别如图11所示，其通过焦距表示图5的反射透镜从玻璃板的一个表面(-250微米点处)到另一个表面3(250微米点处)的点扩散函数。图11中，单位是微米，艾利半径是2.714微米，视场是1，RMS半径是23.021，GEO半径是31.909，刻度条是200，参考是主光线，表面是IMA。如表1所示，图5的透镜具有0.12的数值孔径。该图使用0.5mm范围构造，因为其近似与0.7mm厚的玻璃板的光学厚度相应。注意到离焦点的直径是-0.12mm，其比聚焦点的直径大200倍并且因此辐射少了4×10⁴。甚至如果由于保持样品的机械(如，对样品的机械振动)，所需要的图像没有完美聚焦，不需要的一边的缺陷将比需要的一边的缺陷变得更大。

更一般而言，为了有助于区分玻璃板第一面与第二面上的缺陷，在一些实施例中，光学系统在聚焦到第一面上时在该面上具有半径D1的点扩散函数，以及在第二面上具有半径D2的点扩散函数，其中D1和D2满足关系式D2/D1≥35。如图11所示，图5中的反射透镜完全满足该标准。

第二，透镜的视场沿着圆弧恰好为平面，并且基本上沿着圆弧的线形近似是平的。图12表示了与具有大视场曲率121的视场相比，平面视场120在区别表面1上和与其相反的表面3上的缺陷所起的角色。大的数值孔径和平面视场120的结合使得在透镜的整个视场范围内，感兴趣的表面1聚焦同时保持另一表面3基本上离焦。

图13是表示基本远心的结构130，对比非远心的结构131，在整个视场范围内，具有保持检测几何形状一致性的优点的示意图。检测具有两个或多个部分反射表面的透明基板的系统遇到在该表面上缺陷的假像或虚像133，其散射光，然后被不同的表面反射到成像系统形成。这些假像可以基本上改变缺陷的实像。事实上，它们经常比实像更亮。可以通过成像处理技术，将这些虚像与实像区分开。然而，如果虚像和实像之间的关系在透镜的整个视场范围内是变化的，则该成像处理任务将变得更困难。

然而，如果成像系统是远心，或者基本上是远心的，则实像和虚像的空间关系在视场范围内是固定不变的，基本上减少了成像处理的复杂度。图13表示了本发明的反射透镜的优点。具体而言，其表示了在物空间远心或基本远心，如何使得在视场范围内，由第一表面上的缺陷而成的像132与由第二表面反射所成的虚像133之间，保持一个固定的关系。

图14表示了在整个视场范围内完美校正图像的重要性，即，与非一致的成像质量141相反，在聚焦和离焦情况下的一致成像质量140。从图中可以看出，聚焦和离焦图像在视场范围内一致有助于区分感兴趣的表面上的缺陷和另一个表面3上的缺陷。这在应用图像处理来提取感兴趣的特征时，是非常重要的。上述固定成像质量140在行扫描照相机具有前述的尺寸时获得。

反射透镜的远心和基本远心，在聚焦时也很有用。因而，减小透镜到传感器的距离，在不改变放大率和降低成像质量的情况下，具有增加透镜与目标的相关光路的效果，同时这种减小也不是很大。这是透镜在像侧和物侧同时远心或基本远心的结果，以及由透镜的对称设计而得到。因而，除了在物侧聚焦，还可以改变透镜和传感器之间的有效光路，以补偿透镜与目标的距离变化，从而获得聚焦。

图15表示了本发明的检查系统一个实施例的典型的部件封装，即：待测表面位置150；照明器152；行扫描照相机的位置156；和聚焦机构158。本实施例的反射透镜154是图5的反射透镜。如表1所示，该透镜的主反射镜的直径大约为150毫米或者约6英寸。据此，整个检查系统可以提供一个非常小的封装内，如该封装的体积为约5000立方厘米或者300立方英寸。

除了将该检查系统组装在一个小的封装内外，由于使用了反射透镜，该系统与现有的使用折射透镜的检查系统相比，制造成本更低。特别是，反射透镜使用以低成本加工成大视场的球面元件。具体而言，相比于折射透镜，球面反射镜更容易加工，且可以从便宜的材料获得。作为反射透镜，在所有波段具有色彩校正。

本发明因此提供了用于检查玻璃板的一个或两个表面的系统。安装该系统使待测表面在反射透镜的物面。该透镜将一细条区域以单一的放大率成像到行扫描照相机上，该细条区域在与透镜圆周正切的方向上很长，而在径向方向上很短。安装线形照明器来照明该细条区域。为了进行检查，该系统沿着与细条区域的长轴垂直的方向，相对玻璃进行移动，可以是相对玻璃移动该系统，或者当该系统被固定时移动玻璃。在移动过程中行扫描照相机收集图像信息并汇集为一个区域图像。在一些实施例中，根据应用，在图像收集过程中可以进行调整，以保证图像聚焦到行扫描传感器上。例如，可以检测焦点位置，其可以是检查玻璃与透镜距离的外部传感器，也可以是处理从行扫描照相机得到的图像以决定是否调整该距离来保持聚焦状态。

本领域技术人员可以从前述公开中明显得到不脱离本发明范围和精神的多个改变。以下权利要求将要阐述为覆盖具体实施例，以及这些实施例的改变，变化，和等价。

	大	小
			半径，主反射镜	304.8	204.216
直径，主反射镜	152	127
			半径，次反射镜	152.426	102.1
反射镜顶点距离	151.111	100.929
			工作距离*	152	102
NA	0.12	0.12
			FOV	28×2	28×2

表1

*“工作距离”指的是从次反射镜的顶点到物面的距离。

Claims (14)

1.一种用于检查具有第一表面和第二表面的透明玻璃板的装置，该装置包括：

(A)光源，其照射玻璃板的一部分；

(B)行扫描照相机，其检测从玻璃板上或玻璃板内的缺陷散射的光，该行扫描照相机包括多个像素，这些像素形成具有长度L和宽度W的光敏区域；以及

(C)光学系统，其将从缺陷散射的光传输到行扫描照相机，该光学系统具有数值孔径NA并且包括：

(i)凹面主反射镜，其具有第一部分和第二部分，该反射镜具有曲率半径R；和

(ii)凸面次反射镜；

其中：

(a)从缺陷散射的光经过光路到达行扫描照相机，该光路包括来自凹面主反射镜的第一部分的反射、来自凸面次反射镜的反射以及来自凹面主反射镜的第二部分的反射；

(b)凹面主反射镜和凸面次反射镜的曲率中心基本重合，并且凸面次反射镜的半径基本上等于凹面主反射镜的半径的一半；以及

(c)所述光学系统在聚焦到玻璃板第一表面上时在该表面处具有半径D1的点扩散函数并且在第二表面处具有半径D2的点扩散函数，其中D1和D2满足下述关系：

D2/D1≥35

其中玻璃板的厚度在0.2至1.2毫米范围内。

2.如权利要求1所述的装置，其中NA满足下述关系式：

0.10≤NA≤0.15。

3.如权利要求1所述的装置，其中光学系统具有1∶1的放大率。

4.一种用于检查具有第一表面和第二表面的透明玻璃板的装置，该装置包括：

(A)光源，其照射玻璃板的一部分；

(B)行扫描照相机，其检测从玻璃板上或玻璃板内的缺陷散射的光，该行扫描照相机包括多个像素，这些像素形成具有长度L和宽度W的光敏区域；以及

(C)光学系统，其将从缺陷散射的光传输到行扫描照相机，该光学系统具有数值孔径NA并且包括：

(i)凹面主反射镜，其具有第一部分和第二部分，该反射镜具有曲率半径R；和

(ii)凸面次反射镜；

其中：

(a)从缺陷散射的光经过光路到达行扫描照相机，该光路包括来自凹面主反射镜的第一部分的反射、来自凸面次反射镜的反射以及来自凹面主反射镜的第二部分的反射；

(b)凹面主反射镜和凸面次反射镜的曲率中心基本重合，凸面次反射镜的半径基本上等于凹面主反射镜的半径的一半；以及

(c)L、W和R满足下述关系：

L/R≤0.25；和

对于NA≥0.10，W/R≤0.14*(sqrt(1-(L/R)²)-1)+0.046；和

对于NA≥0.12，W/R≤0.14*(sqrt(1-(L/R)²)-1)+0.033；和

对于NA≥0.15，W/R≤0.14*(sqrt(1-(L/R)²)-1)+0.020，

其中光学系统具有1∶1的放大率。

5.如权利要求1所述的装置，其中光学系统的孔径光阑位于凸面次反射镜处。

6.如权利要求1所述的装置，其中光学系统在物空间中为基本上远心，使得在光学系统的景深内图像尺寸的变化小于行扫描照相机的像素尺寸。

7.一种用于检查具有第一表面和第二表面的透明玻璃板的装置，该装置包括：

(A)光源，其照射玻璃板的一部分；

(B)行扫描照相机，其检测从玻璃板上或玻璃板内的缺陷散射的光，该行扫描照相机包括多个像素，这些像素形成具有长度L和宽度W的光敏区域；以及

(C)光学系统，其将从缺陷散射的光传输到行扫描照相机，该光学系统具有数值孔径NA并且包括：

(i)凹面主反射镜，其具有第一部分和第二部分，该反射镜具有曲率半径R；和

(ii)凸面次反射镜；

其中：

(a)从缺陷散射的光经过光路到达行扫描照相机，该光路包括来自凹面主反射镜的第一部分的反射、来自凸面次反射镜的反射以及来自凹面主反射镜的第二部分的反射；

(b)凹面主反射镜和凸面次反射镜的曲率中心基本重合，凸面次反射镜的半径基本上等于凹面主反射镜的半径的一半；以及

(c)L、W和R满足下述关系：

L/R≤0.25；和

对于NA≥0.10，W/R≤0.14*(sqrt(1-(L/R)²)-1)+0.046；和

对于NA≥0.12，W/R≤0.14*(sqrt(1-(L/R)²)-1)+0.033；和

对于NA≥0.15，W/R≤0.14*(sqrt(1-(L/R)²)-1)+0.020，

其中光学系统在物空间中为基本上远心，使得在光学系统的景深内图像尺寸的变化小于行扫描照相机的像素尺寸。

8.如权利要求1所述的装置，其中光学系统的场曲小于光学系统的景深。

9.一种用于检查具有第一表面和第二表面的透明玻璃板的装置，该装置包括：

(A)光源，其照射玻璃板的一部分；

(B)行扫描照相机，其检测从玻璃板上或玻璃板内的缺陷散射的光，该行扫描照相机包括多个像素，这些像素形成具有长度L和宽度W的光敏区域；以及

(C)光学系统，其将从缺陷散射的光传输到行扫描照相机，该光学系统具有数值孔径NA并且包括：

(i)凹面主反射镜，其具有第一部分和第二部分，该反射镜具有曲率半径R；和

(ii)凸面次反射镜；

其中：

(a)从缺陷散射的光经过光路到达行扫描照相机，该光路包括来自凹面主反射镜的第一部分的反射、来自凸面次反射镜的反射以及来自凹面主反射镜的第二部分的反射；

(b)凹面主反射镜和凸面次反射镜的曲率中心基本重合，凸面次反射镜的半径基本上等于凹面主反射镜的半径的一半；以及

(c)L、W和R满足下述关系：

L/R≤0.25；和

对于NA≥0.10，W/R≤0.14*(sqrt(1-(L/R)²)-1)+0.046；和

对于NA≥0.12，W/R≤0.14*(sqrt(1-(L/R)²)-1)+0.033；和

对于NA≥0.15，W/R≤0.14*(sqrt(1-(L/R)²)-1)+0.020，

其中光学系统的场曲小于光学系统的景深。

10.如权利要求1所述的装置，其中在行扫描照相机的光敏区域的长度L上光学系统的几何畸变小于1％。

11.一种用于检查具有第一表面和第二表面的透明玻璃板的装置，该装置包括：

(A)光源，其照射玻璃板的一部分；

(B)行扫描照相机，其检测从玻璃板上或玻璃板内的缺陷散射的光，该行扫描照相机包括多个像素，这些像素形成具有长度L和宽度W的光敏区域；以及

(C)光学系统，其将从缺陷散射的光传输到行扫描照相机，该光学系统具有数值孔径NA并且包括：

(i)凹面主反射镜，其具有第一部分和第二部分，该反射镜具有曲率半径R；和

(ii)凸面次反射镜；

其中：

(a)从缺陷散射的光经过光路到达行扫描照相机，该光路包括来自凹面主反射镜的第一部分的反射、来自凸面次反射镜的反射以及来自凹面主反射镜的第二部分的反射；

(b)凹面主反射镜和凸面次反射镜的曲率中心基本重合，凸面次反射镜的半径基本上等于凹面主反射镜的半径的一半；以及

(c)L、W和R满足下述关系：

L/R≤0.25；和

对于NA≥0.10，W/R≤0.14*(sqrt(1-(L/R)²)-1)+0.046；和

对于NA≥0.12，W/R≤0.14*(sqrt(1-(L/R)²)-1)+0.033；和

对于NA≥0.15，W/R≤0.14*(sqrt(1-(L/R)²)-1)+0.020，

其中在行扫描照相机的光敏区域的长度L上光学系统的几何畸变小于1％。

12.如权利要求1所述的装置，进一步包括聚焦机构，其用于调整以下至少一个：

(i)玻璃板和凹面主反射镜物体的第一部分之间的光路长度；和

(ii)凹面主反射镜物体的第二部分和行扫描照相机之间的光路长度。

13.一种用于检查具有第一表面和第二表面的透明玻璃板的装置，该装置包括：

(A)光源，其照射玻璃板的一部分；

(B)行扫描照相机，其检测从玻璃板上或玻璃板内的缺陷散射的光，该行扫描照相机包括多个像素，这些像素形成具有长度L和宽度W的光敏区域；以及

(C)光学系统，其将从缺陷散射的光传输到行扫描照相机，该光学系统具有数值孔径NA并且包括：

(i)凹面主反射镜，其具有第一部分和第二部分，该反射镜具有曲率半径R；和

(ii)凸面次反射镜；

其中：

(a)从缺陷散射的光经过光路到达行扫描照相机，该光路包括来自凹面主反射镜的第一部分的反射、来自凸面次反射镜的反射以及来自凹面主反射镜的第二部分的反射；

(b)凹面主反射镜和凸面次反射镜的曲率中心基本重合，凸面次反射镜的半径基本上等于凹面主反射镜的半径的一半；以及

(c)L、W和R满足下述关系：

L/R≤0.25；和

对于NA≥0.10，W/R≤0.14*(sqrt(1-(L/R)²)-1)+0.046；和

对于NA≥0.12，W/R≤0.14*(sqrt(1-(L/R)²)-1)+0.033；和

对于NA≥0.15，W/R≤0.14*(sqrt(1-(L/R)²)-1)+0.020，

其特征在于，所述装置进一步包括聚焦机构，其用于调整以下至少一个：

(i)玻璃板和凹面主反射镜物体的第一部分之间的光路长度；和

(ii)凹面主反射镜物体的第二部分和行扫描照相机之间的光路长度。

14.一种用于检查具有第一表面和第二表面的透明玻璃板上或内的缺陷的方法，该方法包括：

(A)照射玻璃板的一部分；

(B)将由玻璃板缺陷散射的光通过光学系统传输至行扫描照相机，该光学系统具有数值孔径NA并且包括：

(i)凹面主反射镜，其具有第一部分和第二部分，该反射镜具有曲率半径R；和

(ii)凸面次反射镜；以及

(C)提供玻璃板和行扫描照相机之间的相对移动；

其中：

(a)从缺陷散射的光经过光路到达行扫描照相机，该光路包括来自凹面主反射镜的第一部分的反射、来自凸面次反射镜的反射以及来自凹面主反射镜的第二部分的反射；

(b)凹面主反射镜和凸面次反射镜的曲率中心基本重合，并且凸面次反射镜的半径基本上等于凹面主反射镜的半径的一半；

(c)行扫描照相机包括多个像素，这些像素形成具有长度L和宽度W的光敏区域；以及

(d)L、W和R满足下述关系：

L/R≤0.25；和

对于NA≥0.10，W/R≤0.14*(sqrt(1-(L/R)²)-1)+0.046；和

对于NA≥0.12，W/R≤0.14*(sqrt(1-(L/R)²)-1)+0.033；和

对于NA≥0.15，W/R≤0.14*(sqrt(1-(L/R)²)-1)+0.020。

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