CN107771281A - 采用光学技术以三个尺度来检测基材的缺陷和定位此类缺陷的方法和设备 - Google Patents

Abstract

用于以三维尺度检测基材的缺陷并且定位此类缺陷的方法和设备包括：对基材进行取向，使得基材在X轴具有宽度尺度、在Y轴具有高度尺度以及在Z轴具有厚度尺度；将第一光束以相对于对称Z轴呈+A的角度导向；将第二光束以相对于对称Z轴呈‑A的角度导向；检测第一和第二光束，所述第一和第二光束已经通过基材的第一和/或第二相反主表面和任意缺陷并受其影响；以及以足够的精度计算缺陷的X、Y和Z位置，以探知每个缺陷分别布置在基材的第一和第二相反主表面的哪一个上。

Description

采用光学技术以三个尺度来检测基材的缺陷和定位此类缺陷 的方法和设备

相关申请的交叉参考

本申请根据35U.S.C.§119，要求2015年06月19日提交的美国临时申请系列第62/181901号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。

技术背景

本公开涉及采用光学技术以三个尺度来检测基材的缺陷并定位此类缺陷的方法和设备。

近年来，基材材料(例如，玻璃基材)的生产已经发展到包括对于高度精制表面的需求，其是非常光滑、具有较低的缺陷(例如，更少的缺陷数量和/或更小的缺陷尺寸)等。更高质量的基材材料表面导致许多新的产品和应用以及不断扩张的商业机会。

虽然基材制造技术(例如玻璃制造技术)已经得到改善，但是尚未实现缺陷(例如表面缺陷)的消除(至少是对于合理成本而言)。因此，在制造过程中检测基材上或者基材内的缺陷对于符合消费者不断增加的需求的产品生产而言是重要成分。以生产速率精确地检测基材(例如，玻璃基材)上或者基材(例如，玻璃基材)中的缺陷的数量和/或尺寸的能力为制造商提供了有价值的工具来确保消费者获得所需的质量水平，而没有不必要地牺牲产率(进而牺牲利润)。

在制造过程中对缺陷进行光学检测的一个重大进步是采用非成像相干线扫描系统来进行透明基材的光学检测。该系统的细节可参见2014年12月17日提交的题为“NON-IMAGING COHERENT LINE SCANNER SYSTEMS AND METHODS FOR OPTICAL INSPECTION(用于光学检测的非成像相干线扫描系统和方法)”的美国专利申请第14/573,157号(代理人卷宗号SP13-396)，其全文通过引用结合入本文。前述系统提供了在生产过程中快速地确定透明基材上或者透明基材内的缺陷的X-Y坐标(以及尺寸和形状)的能力。该系统对于提供高精度、低复杂度、低成本检测解决方案是高度优雅的，其展现出非常大的景深，相比较而言，常规检测系统仅具有数十微米的景深。因此，该系统能够允许使用大致平坦但是略微拱形或者任意其他方式相对于平面呈曲面的基材。

一些基材应用，特别是玻璃基材，需要基材的一侧(所谓的A侧)比相对侧(所谓的B侧)要质朴得多(更少数量的缺陷和/或更小尺寸的缺陷)。例如，当下游生产工艺涉及使用印刷头(或者其他物体)非常靠近基材表面通过时(例如，50um内)，存在凸出的表面块体或外来颗粒可能导致印刷头从目标位置发生偏折，导致生产中的瑕疵。在另一个例子中，下游工艺可能需要将另一材料片层叠到基材，这可能需要基材表面不含缺陷和/或基材表面仅展现出一定数量和/或尺寸的缺陷。事实上，存在凸出的表面块体、外来颗粒和/或削皮可能引起层叠过程中的空穴并且导致层的不完全接合。

虽然前述光学系统提供了确定缺陷的X-Y坐标的能力，但是它无法实现确定缺陷在三维空间中的Z尺度。例如，该系统不能够确定表面缺陷可能位于基材的哪一侧，因此无法提供确定一种方式来确定具有表面缺陷的基材是否仍然会展现出适用于下游工艺的一个表面(即，A侧表面)。

因此，本领域需要采用光学技术以三个尺度来检测基材的缺陷并定位此类缺陷的新方法和设备。

发明内容

出于讨论目的，本公开可能经常引用涉及由玻璃形成的基材的方法和设备；但是，本领域技术人员会理解的是，本文的方法和设备适用于许多种类的基材，包括玻璃基材、晶体基材、单晶基材、玻璃陶瓷基材、聚合物基材等。

本文所揭示的方法和设备提供了解决制造过程中进行缺陷检测的三个迫切需求：(i)高精度测量灵敏性，实现检测越来越小尺寸的外来颗粒和/或缺陷；(ii)能够扫描非常大面积并且具有高输出；以及(iii)能够以足够的精度确定外来颗粒和/或其他缺陷在Z尺度的位置，例如探知颗粒和/或其他缺陷位于基材的哪一侧。

根据本文所揭示的一个或多个实施方式，提供的方法和设备用于：将基材支撑在三维笛卡尔坐标系内，从而：(i)基材在X轴具有宽度尺度，在Y轴具有高度尺度，以及在Z轴具有厚度尺度；(ii)X轴和Y轴限定了基本上平行于基材的相应第一和第二相反主表面的X-Y平面；以及(iii)Z轴是设备的对称轴。方法和/或设备还提供了对第一光源进行取向，使得第一光束相对于对称轴以+A角度导出，以及对第二光源进行取向，使得第二光束相对于对称轴以-A角度导出。方法和/或设备还提供了：至少一个检测器，其构造成检测第一和第二光束，所述第一和第二光束已经通过基材的任意缺陷并受其影响；以及处理器，其构造成计算缺陷的X、Y和Z位置。

例如，缺陷可以包括基材的第一和第二相反主表面的至少一个上的一个或多个表面缺陷。在该情况下，处理器可以配置成以足够的精度计算表面缺陷的X、Y和Z位置，从而探知每个表面缺陷分别是位于基材的第一和第二相反主表面的哪一个上。

本领域技术人员在结合附图阅读本文所述之后，将清楚地了解其他方面、特征、优点等。应理解，在本说明书和附图中揭示的各种特征可以以任意和所有的组合使用。作为非限制性的例子，可以按以下的方面中所述，将各种特征相互组合：

根据第1个方面，提供了一种设备，其包括：

传送机制，其构造成将基材支撑在三维笛卡尔坐标系内，从而：(i)基材在X轴具有宽度尺度，在Y轴具有高度尺度，以及在Z轴具有厚度尺度，厚度尺度是50-250微米；(ii)X轴和Y轴限定了基本上平行于基材的相应第一和第二相反主表面的X-Y平面；以及(iii)Z轴是设备的对称轴；

第一光源，其取向使得第一光束相对于对称轴以+A角度导出；

第二光源，其取向使得第二光束相对于对称轴以-A角度导出；

至少一个检测器，其构造成检测第一和第二光束，所述第一和第二光束已经通过基材的任意缺陷并受其影响，所述缺陷的尺度约为0.3-50微米；以及

处理器，其配置成计算缺陷的X、Y和Z位置。

根据第2个方面，提供了方面1的设备，其中：

缺陷可以包括基材的第一和第二相反主表面的至少一个上的一个或多个表面缺陷；以及

处理器配置成以足够的精度计算表面缺陷的X、Y和Z位置，从而探知每个表面缺陷分别是位于基材的第一和第二相反主表面的哪一个上。

根据第3个方面，提供了方面1或2的设备，其中：

所述至少一个检测器包括光敏元件的(N x n)阵列，N明显大于n，其取向使得N个光敏元件基本以Y轴延伸；

传送机制构造成引起基材与所述至少一个检测器之间沿X轴以最高至约40cm/s的速度发生相对移动；以及

所述至少一个检测器和处理器运行从而在基材与所述至少一个检测器沿X轴的连续相对位置检测和储存多组(N x n)个光测量，由此探知缺陷的X、Y和Z位置。

根据第4个方面，提供了方面1-3中任一项的设备，其中，第一光束和第二光束是时间脉冲，从而所述至少一个检测器一次仅接收通过基材的第一和第二光束中的一个。

根据第5个方面，提供了方面1-3中任一项的设备，其中，第一光束和第二光束是同时的，从而所述至少一个检测器同时接收通过基材的第一和第二光束这两者。

根据第6个方面，提供了方面1-5中任一项的设备，其中：

每个缺陷导致穿过基材的第一光束的第一干涉，以及穿过基材的第二光束的第二干涉；

第一光束和第二光束具有明显不同波长；

所述至少一个检测器对于该明显不同波长具有分开的灵敏度；以及

所述至少一个检测器和处理器协作测量由第一干涉得到的第一干涉纹图案和由第二干涉得到的第二干涉纹图案。

根据第7个方面，提供了方面1-6中任一项的设备，其还包括：

第一偏振器，其布置成使得第一光束先穿过其然后再穿过基材；

第二偏振器，其布置成使得第二光束先穿过其，并且相对于第一光束垂直偏振，然后再穿过基材；以及

所述至少一个检测器对于该明显不同偏振具有分开的灵敏度。

根据第8个方面，提供了方面1-7中任一项的设备，其中：

每个缺陷导致穿过基材的第一光束的第一干涉，以及穿过基材的第二光束的第二干涉；

所述至少一个检测器和处理器协作测量由第一干涉得到的第一干涉纹图案和由第二干涉得到的第二干涉纹图案；以及

处理器配置成：(i)至少计算每个缺陷的相应第一和第二干涉纹图案X、Y位置；以及(ii)基于所述的至少相应第一和第二干涉纹图案的X、Y位置来计算每个缺陷的Z位置，其中，每个缺陷的Z位置是沿着Z轴在参照位置与相关缺陷之间的距离。

根据第9个方面，提供了方面8的设备，其中：

所述至少一个检测器的取向是X-Y平面；以及

采用如下关系计算每个缺陷的Z位置：L＝D/(2*tan(A))，其中，D是所述的至少相应第一和第二干涉纹图案的X、Y位置之间的距离。

根据第10个方面，提供了方面8或9的设备，其还包括至少一个准直透镜，其构造成将第一和第二光束分别从第一和第二源以准直方式朝向基材进行导向。

根据第11个方面，提供了方面10的设备，其中：

第一和第二光源构造成分别产生第一和第二光束，使得它们在Y-Z平面内展现出风扇特性(fan characteristics)；以及

所述至少一个准直透镜是圆柱形透镜，其在Y轴具有拉长的尺度(相比于X轴而言)，并且Y、Z轴的形状使得(分别具有风扇特性的)第一和第二光束以准直方式朝向基材进行导向。

根据第12个方面，提供了方面11的设备，其中，第一和第二光源的取向使得第一和第二光束基本在Y-Z平面中以+A角度和-A角度进行导向。

根据第13个方面，提供了方面8的设备，其还包括：

具有输入表面的第一准直透镜，其位置是相对于第一光源基本法向取向，并且构造成将第一光束从第一光源朝向基材以准直方式进行导向；以及

具有输入表面的第二准直透镜，其位置是相对于第二光源基本法向取向，并且构造成将第二光束从第二光源朝向基材以准直方式进行导向。

根据第14个方面，提供了方面13的设备，其中：

第一和第二光源构造成分别产生第一和第二光束，使得它们在Y-Z平面内展现出风扇特性(fan characteristics)；以及

第一和第二准直透镜各自是圆柱形透镜，分别在Y轴具有拉长的尺度(相比于X轴而言)，并且Y、Z轴的形状使得(分别具有风扇特性的)各自的第一和第二光束以准直方式朝向基材进行导向。

根据第15个方面，提供了方面14的设备，其中：

第一光源和与第一准直透镜的输入表面呈法向的输入轴位于第一平面，所述第一平面与对称轴以角度+a呈横向；

第二光源和与第二准直透镜的输入表面呈法向的输入轴位于第二平面，所述第二平面与对称轴以角度-a呈横向；以及

来自相应的第一和第二准直透镜的第一光束和第二光束分别与相应的第一和第二平面基本共面的，并且以平行于Y轴的单线明显撞击所述至少一个检测器。

根据第16个方面，提供了14方面的设备，其中，所述至少一个检测器包括：

第一检测器，其取向使得其输入表面以相对于准直化的第一光束呈法向导向；以及

第二检测器，其取向使得其输入表面以相对于准直化的第二光束呈法向导向。

根据第17个方面，提供了方面16的设备，其中，第一和第二检测器分别包括光敏元件的(N x n)阵列，N明显大于n，其取向使得N个光敏元件以基本平行于第一和第二准直透镜中相应那个的方式延伸。

根据第18个方面，提供了方面16的设备，其中：

采用如下关系式计算每个缺陷的Z位置：L＝(S1-S2)/(2*cos(A)*tan(A))；

S1表示从参照线沿着第一检测器的输入表面到代表了第一干涉纹图案的位置的距离，所述第一干涉纹图案是由第一检测器的输入表面上的第一干涉得到的；

S2表示从参照线沿着第二检测器的输入表面到代表了第二干涉纹图案的位置的距离，所述第二干涉纹图案是由第二检测器的输入表面上的第二干涉得到的；

参照线表示平行于X轴延伸的线，在该线，第一和第二检测器的相应输入表面是共平面的；

以及L是从参照平面到每个此类缺陷的垂直距离，其中，参照平面与基材平行。

根据第19个方面，提供了一种方法，该方法包括：

将基材支撑在三维笛卡尔坐标系内，从而：(i)基材在X轴具有宽度尺度，在Y轴具有高度尺度，以及在Z轴具有厚度尺度，厚度尺度是50-250微米；(ii)X轴和Y轴限定了基本上平行于基材的相应第一和第二相反主表面的X-Y平面；以及(iii)Z轴是设备的对称轴；

将第一光束从对称轴以+A角度朝向基材进行导向；

将第二光束从对称轴以-A角度朝向基材进行导向；

检测第一和第二光束，所述第一和第二光束已经通过基材的任意缺陷并受其影响，所述缺陷的尺度约为0.3-50微米；以及

计算缺陷的X、Y和Z位置。

根据第20个方面，提供了方面19的方法，其中：

缺陷可以包括基材的第一和第二相反主表面的至少一个上的一个或多个表面缺陷；以及

计算表面缺陷的X、Y和Z位置具有足够的精度，从而探知每个表面缺陷分别是位于基材的第一和第二相反主表面的哪一个上。

根据第21个方面，提供了方面19或20的方法，其还包括使得基材以X方向以最高至40cm/s的速度移动。

附图说明

出于示意性目的，在附图中示出的形式是所要求保护的设备和方法的实施方式的例子；但是，应理解，本文所揭示和所述的实施方式不限于所示的精确配置和手段。

图1提供了大致平面基材的两个视图，第一个视图是基材的可见主表面(X-Y平面)，以及第二视图是侧视图，其中，基材在其主表面的一个上展现出缺陷；

图2用于以三个尺度检测基材的缺陷并定位此类缺陷的光学系统的实施方式的侧视示意图；

图3的视觉图像表示由于基材的一个主表面上的缺陷产生的检测到的光学干涉图案；

图4用于以三个尺度检测基材的缺陷并定位此类缺陷的光学系统的另一个实施方式的侧视示意图；

图5用于以三个尺度检测基材的缺陷并定位此类缺陷的光学系统的另一个实施方式的侧视示意图；

图6是图5的光学系统的俯视图；

图7用于以三个尺度检测基材的缺陷并定位此类缺陷的光学系统的另一个实施方式的侧视示意图；以及

图8是由于基材的一个主表面上的缺陷所导致的某些测量位置的几何表示，以及用于以三个尺度确定缺陷位置的图7的系统的设备的某些物理特性。

具体实施方式

出于讨论目的，下面的实施方式涉及的是基材10(例如玻璃基材)的测试。图1提供了大致平面基材10的两个视图，(图左侧的)第一视图是来自垂直于基材的可见主表面12的观察点，以及(图右侧的)第二视图是基材10的侧视图，显示其第一和第二主表面12、14。基材10可以由玻璃片形成，在X轴方向具有宽度尺度，在Y轴方向具有高度尺度，以及在Z轴方向具有厚度尺度(笛卡尔坐标系)。注意到的是，X轴和Y轴限定了X-Y平面，其在本文中可以被称作面内和/或被定义为参照基材10的面内。

通常来说，基材10可以是任意形状，例如矩形、方形、不规则、具有直的和/或弯曲边缘。此外，基材10可以是基本平坦的(即，如所示平面)或者在其厚度中可以包括一些曲率和/或不规则性。在一个或多个实施方式中，基材10可以由任意数量的材料形成，并且具有约50um(微米或μm)至约250um的厚度。在一些实施方式中，基材的厚度可以约为50-150微米。也就是说，系统的构造成使得其可以检测尺寸约为0.3-50微米的颗粒，并且可以区分颗粒位于基材的哪一侧上。在过去，对于这种厚度的基材(50-250微米)，检测设备无法区分这种尺寸的基材颗粒(约0.3-50微米)位于基材的哪一侧上。基材10可以由对于用于测量目的的光的至少部分波长至少部分透明的材料形成(将在本文下文进一步详述)。在一些实施方式中，基材10是由对于用于测量目的的光的至少部分波长基本透明的材料形成的。本文所公开内容可能引用涉及由玻璃(透明材料的一种例子)形成的基材10的方法和设备；但是，本领域技术人员会理解的是，本文的方法和设备适用于许多材料的基材，包括玻璃基材、晶体基材、单晶基材、玻璃陶瓷基材、聚合物基材等。此外，本文的方法和设备会适用于由此类材料的组合形成的基材，例如不同玻璃基材的层叠体以及玻璃和聚合物基材的层叠体等。

注意到的是，基材10可能展现出缺陷20，在该例子中，在其第一主表面12上的表面缺陷。虽然表面缺陷20会是本文讨论的焦点，但是要理解的是，可能存在任意数量和/或类型的缺陷，包括基材10上或者基材10内的其他缺陷。通常来说，缺陷可以包括基材上或者基材中的突出物、凹陷、压痕、涟漪、泡、内含物、表面污物、外来颗粒等。

图2是用于以三个尺度检测基材10的缺陷并定位此类缺陷的光学系统100-1的实施方式的侧视示意图。系统100-1包括用于将基材10支撑在三维笛卡尔坐标系内的机制102，从而X-Y平面基本平行于基材10的相应的第一和第二相反主表面12、14。Z轴限定了系统10的对称轴AS(显示为点划线)。

系统100-1还包括第一和第二光源104-1、104-2，其布置成如下方式：将相应的第一和第二光束106-1、106-2朝向基材10导向并通过基材10。在一个或多个实施方式中，第一和第二光源104-1、104-2中的一个或多个可以采用激光源(例如，二极管激光)实现，并且一个或多个光学元件以如下方式布置在激光的下游：使得发射的第一和第二光束106-1、106-2分别表征为窄的相干激光线束，随着束从光源传播其从中心轴发散。根据另一个例子，发射的第一和第二光束106-1、106-2分别可以是基本平行于Y-Z平面的扇形束且在X轴具有较窄尺度的形式。例如，发射的第一和第二光束106-1、106-2分别可以具有约0.25英寸(6.5mm)、约0.5英寸(13mm)或约0.375英寸(9.5mm)的束宽度(X轴中)。例如，可以通过采用点激光二极管和下游光学扇形产生器，来获得前述的第一和第二光束106-1、106-2。

第一和第二光源104-1、104-2可以取向成以有利地方式改善基材10上或者基材10内的任意缺陷的检测和位置测量的准确性。例如，第一光源104-1可以取向成使得第一光束106-1以相对于对称轴AS呈+A角度被导向，而第二光源以互补方式取向，即使得第二光束106-2以相对于对称轴AS呈-A角度被导向。出于显示目的，+A、-A角度在图2中显示为一个弧形，附图标记2A。在该例子中，第一和第二光源104-1、104-2的取向方式在Y-Z平面中基本共平面的方式。

系统100-1还包括光学元件110，以帮助对相应的第一和第二光束106-1、106-2朝向并通过基材10进行改性和/或导向。例如，可以采用至少一个准直透镜110在Y-Z平面中提供一些准直化，从而当入射到基材10上的时候，第一和第二光束106-1、106-2是基本准直化的。例如，所述至少一个准直透镜110可以采用圆柱形透镜实现，其在Y轴具有拉长的尺度(相比于X轴而言)，并且Y-Z平面中的形状使得产生朝向基材10传播的准直化的第一和第二光束108-1、108-2。当仅采用一个准直透镜110时(如所示，其对准至基本平行于Y轴)，由于第一和第二光源104-1、104-2取向的角度分别是+A和-A，使得准直化的第一和第二光束108-1、108-2会以各自的角度入射到基材10上。虽然此类入射角不是最佳的，但是小心设计仍然可以导致测量中可接受的精度。

系统100-1还可包括至少一个检测器112，其构造成检测第一和第二光束108-1、108-2，所述第一和第二光束108-1、108-2已经通过基材10并且已经受到任意缺陷(例如缺陷20)的影响。例如，所述至少一个检测器112可以包括光敏元件阵列，其产生电信号，所述电信号的特性与入射光的特性成比例。在所示的实施方式中，所述至少一个检测器112可以采用光敏元件的(N x n)阵列实现。在一个或多个实施方式中，N和n的数字可以足以呈现出足够大的阵列从而一次响应来自基材10的所有承载信息的光，例如，产生的阵列如基材10的X-Y尺度那么大或者比其更大。在该布置的情况下，可以在一次数据收集扫描中获得入射到检测器112上的承载信息的光的完全测量。另一方面，当N和/或n的数字不够时，产生的阵列太小以至于无法在一次扫描中响应来自基材10的所有承载信息的光，然后可以采用多次扫描来收集所有相关信息。

例如，在一个或多个实施方式中，N可以明显大于n，例如n＝1，得到N x 1个线阵列，其取向使得N个光敏元件以大致平行于Y轴的线延伸。例如，N x 1个线阵列检测器112可以运行在90kHz线速率和1千兆像素输出(例如，购自加拿大安大略省Teledyne DALSA公司)。如上文所述，当采用线阵列实现检测器112时，可以进行多次扫描以响应来自基材10的所有承载信息的光。为此，机制102可以采用传送功能性，构造成引起基材10与检测器112之间沿着X轴的相对移动。例如，可以操作机制102使得基材10沿着X轴移动通过固定的检测器112，从而在各个连续时间(扫描)，检测器112可以响应相应的N x 1份入射到通过了基材10的检测器112上的承载信息的光。例如，机制102可以使得基材10沿着X轴以最高至40cm/s的速度移动；在该速度，检测器112仍然可以运行以区分厚度约为50-250微米的基材上的尺寸约为0.3-50微米的颗粒(在三维空间中，特别是Z方向)的位置(包括颗粒是在一侧上还是在基材的相反侧上)。

系统100-1还可包括处理器114，其构造成基于已经通过基材10并且已经被检测器112接收到的承载信息的光，来计算基材10上和/或基材10内的缺陷的X、Y和Z位置。结合上文所述的例子，采用N x 1的光敏元件阵列，处理器114、检测器112、机制102和光源104可以同步操作，以检测并储存在基材10的连续相对X轴位置的多组(N x 1)测量(扫描或帧)，由此探知任意缺陷的X、Y和Z位置。本文下面将讨论用于探知缺陷的此类X、Y和Z位置的具体工艺的进一步细节。

可以采用合适的硬件和/或软件(例如，采用本领域已知的任意技术)来实现处理器114。此类硬件可以采用可行的数字电路、任意已知的微处理器，其可以运行以执行软件和/或固件程序，一种或多种可编程数字装置和系统，例如可编程的只读存储器(PROM)、可编程的阵列逻辑装置(PAL)等。此外，可以通过可储存在一种或多种合适的储存介质(例如存储芯片等)中的软件和/或固件程序的方式来实现处理器114的各种功能。

在一个或多个实施方式中，处理器114可以包括图像采集卡(例如，同样购自Teledyne DALSA公司的Xcelera-HS PX8Teledyne图像采集卡)和常规桌面电脑或工作站，其执行合适的软件程序。该布置引起桌面电脑对来自图像采集卡的多个数字图像(连续扫描)进行处理。如上文所述，每个此类扫描涉及：(i)机制102使得基材10相对于检测器112沿着X轴移动到特定位置；(ii)从图像采集卡获得信息帧(例如，来自检测器112的N x 1扫描)，其是已经通过基材10的一份承载信息的光的特性表征；(iii)将信息帧储存在桌面电脑的存储器中；以及(iv)对于基材10沿着X轴的连续增量移动，重复上述步骤，直到所述存储的信息帧提供了一组完整的表征了基材10的承载信息的光。这之后，可以采用桌面电脑来执行处理，以探知基材10上和/或基材10内的任意缺陷的X、Y和Z位置。

用于探知基材10上和/或基材10内的任意缺陷的X、Y和Z位置的过程可以包括产生所谓的基材10的干涉图像。更具体来说，处理器114可以构造成对来自通过检测器112获得并通过处理器114收集的承载信息的光的一个或多个帧(或扫描)的干涉图像进行集合。如下文所解释，干涉图像不是常规意义上的基材10的视觉图像，而是受到基材10上和/或基材10内的任意缺陷的影响的基材10的表示。

从如下系统100-1的特性和功能性得到基材10的干涉图像。相应的准直第一和第二光束108-1、108-2近似地产生相应的基本平坦的光波阵面(大概是由于相应的第一和第二入射光束106-1、106-2的角度和/或其他影响所导致的)。相应的基本平坦的光波阵面然后通过基材10，并且受到基材10的性质(包括任意缺陷，例如缺陷20)的影响。假定大致平坦(或者仅适当弯曲)的基材10(没有任何缺陷)，则离开基材10并撞击到检测器10上的光还会受到相应的基本平坦的光波阵面的表征。处理器114内的合适数据加工可以校准到此类基本平坦光波阵面的特性(没有受到缺陷影响)，得到表征为没有缺陷信息的干涉图像。但是，缺陷20的存在产生相应的干涉波阵面109-1、109-2，这是由通过基材10并且由于缺陷20改变了方向的平坦光波阵面所导致的。平坦光波阵面的方向改变(得到干涉波阵面109-1、109-2)与缺陷20的特性以及第一和第二光源104-1、104-2的角度+A、-A相关。

图3的示意图表示通过基材10的第一主表面12上的缺陷20产生的干涉图像。注意到的是，单个缺陷20产生一对干涉波阵面109-1、109-2，这进而以产生相应第一和第二干涉纹图案116-1、116-2(或信号)的方式激活了检测器112的光敏元件，如图3所示。处理器114可以构造成分析干涉图像从而确定缺陷20的任意数量的特性，例如：(i)缺陷20的尺寸和/或形状；(ii)缺陷20在三维空间中的精确位置(特别是Z位置)。

对于检测到的缺陷的尺寸和/或形状，第一和第二干涉纹图案116-1、116-2可以用亮中心进行表征，随着距离中心的径向距离增加，大致圆形波纹的强度减小。发现该信号表示的是一种特定类型(例如，突出物等)的缺陷。该缺陷可能使得光在检测器112上集中，从而得到亮中心。大致圆形中心和波纹可表示对应的缺陷是大致圆形形状和/或小到产生的信号如同是基本点状缺陷。未示出的另一个例子可以产生第一和第二干涉纹图案，其可表征为暗中心，并且随着距离中心的径向距离增加，大致圆形波纹的强度减小。发现该信号表示的是凹陷、压痕、条纹等。该缺陷可作为微型负透镜，其使得光色散，从而得到暗中心。处理器114可以使用基材10与检测器112之间的距离以及第一和第二光束106-1、106-2的波长和/或其他参数来以合理的准确度探知测量的缺陷的尺寸和形状。例如，对于该目的，可以使用光学领域已知的标准干涉和衍射方法。

对于缺陷20在三维尺度中的精确位置，处理器114可以采用系统100-1和基材10(包含缺陷20)的几何特性，以及第一和第二干涉纹图案116-1、116-2的X-Y位置，来计算缺陷20在三维空间中的X、Y、Z位置。由于第一和第二干涉纹图案116-1、116-2的信号可能跨越显著尺寸的各个区域，处理器114可以采用可行的数学算法来分别探知第一和第二干涉纹图案116-1、116-2的中心，并且使用此类中心的位置作为稍后计算中的图案116的位置。

例如，处理器114可以通过确定图3的干涉图像中的第一和第二干涉纹图案116-1、116-2的X位置，来探知缺陷20的X位置。事实上，在一个或多个实施方式中，第一和第二光源104-1、104-2以及(以线阵列实现的)检测器112可以是在Y-Z平面内大致共平面的，得到图3的干涉图像中的第一和第二干涉纹图案116-1、116-2的具体X位置，其直接对应基材10上的缺陷20的X位置。

又例如，处理器114可以通过分析图3的干涉图像中的第一和第二干涉纹图案116-1、116-2的相应Y位置，来探知缺陷20的Y位置。该分析可以采用某些几何因子，例如，角度+A和-A，缺陷20在Y方向相对于系统的对称轴AS的偏移等。

又例如，处理器114还可以通过进一步分析第一和第二干涉纹图案116-1、116-2的相应X、Y位置，来探知缺陷20的Z位置。采用该分析的几何原理，得到缺陷20的Z位置描述为如下关系式：L＝D/(2*tan(A))，其中，D是图3中的相应第一和第二干涉纹图案116-1、116-2的之间的距离。注意的是，处理器114所采用的探知缺陷20的X、Y和Z位置的技术可以具有足够的精度，以探知缺陷20布置在基材10的第一和第二相反主表面12、14的哪一个上。事实上，该精度还足以确定缺陷在基材10所处的具体深度。该信息可用于探知基材10是否展现出足够的质量以建立用于下游加工和/或应用的基材10的A侧和B侧。

注意的是，处理器114可以用于减少和/或消除不合乎希望的干涉图像中的伪像，例如，由于与实现光源104-1、104-2相关的亮斑/暗斑所导致的伪像。例如，可以对处理器114进行编程，以对通过检测器112获得并通过处理器114收集的承载信息的光的一系列帧(或扫描)的输入数据进行标准化。一种此类标准化算法涉及对多次扫描(例如100次扫描)的输入数据(像素-像素)取平均值，然后输入扫描的数据乘以平均值的倒数。该标准化算法会减少和/或消除前述亮斑/暗斑和/或干涉图像中的许多其他类型的背景噪音的影响。

对于系统100-1的替代实施方式(以及事实上，本文所揭示和源自其的其他实施方式)考虑了第一和第二光源104-1、104-2与检测器112之间的相互作用。例如，在一个或多个实施方式中，第一和第二光源104-1、104-2可以是脉冲的，从而在任意一段时间仅一个光源是打开的，因而检测器112一次仅可接受通过基材10的第一和第二光束108-1、108-2中的一个。例如，第一和第二光源104-1、104-2可以是在奇数次扫描和偶数次扫描中同步地脉冲打开和关闭，例如，基材10相对于检测器112(其可以是上文所述的线阵列)的奇数次和偶数次增量X位置移动。通过检测器112得到的所获得的数据帧(扫描)可以合适地储存并由处理器114合成(integrated)，从而组成完整的基材10的干涉图像。一旦获得了基材10的干涉图像，则可以使用上文所述的技术来探知基材10上和/或基材10内的任意缺陷的Z位置。

或者，在一个或多个实施方式中，第一和第二光源104-1、104-2可以在同一时间都是打开的，从而检测器112同时接收第一和第二光束108-1、108-2这两者。在该实施方式中，可以将第一和第二光源104-1、104-2的能量分别设定为一半强度，并且每次扫描都打开。可以储存扫描结果并用处理器114合成以产生含有第一和第二干涉纹图案116-1、116-2这两者的一个干涉图像，以及处理器114的软件可用于对干涉纹图案对进行分类和寻找，计算第一和第二干涉纹图案116-1、116-2的中心，然后进行余下的分析步骤以确定距离D和其他感兴趣的量。

在一个或多个替代实施方式中，可以在检测器112中使用时间延迟合成(TDI)照相机，以及第一和第二光源104-1、104-2可以再次是同时都打开，从而TDI照相机同时接收第一和第二光束108-1、108-2这两者。在该实施方式中，可以将第一和第二光源104-1、104-2的能量分别设定为一半强度，并且每次扫描都打开。可以储存扫描结果并用处理器114合成以产生含有第一和第二干涉纹图案116-1、116-2这两者的一个干涉图像，如上文实施方式所述。

作为补充和/或替代，在一个或多个实施方式中，可以以如下方式实现第一和第二光源104-1、104-2：使得第一光束106-1与第二光束106-2是明显不同波长。这可以通过采用不同光谱波长的相应激光二极管来实现。可以以如下方式实现检测器112：使其对于该明显不同波长是具有分开的灵敏度，例如，采用一个或多个彩色电荷耦合器件(CCD)传感器。CCD色敏元件的代表性组(例如，代表性线)可以被用于分开通过第一和第二束106-1、106-2的不同波长所产生的相应的第一和第二干涉纹图案。检测器112的每组色敏元件(例如每条线)可以用合适带通彩色滤光器滤光(例如，第一带通用于红光，以及第二带通用于蓝光)。同样地，可以储存扫描结果并用处理器114合成以产生含有第一和第二干涉纹图案116-1、116-2这两者的一个干涉图像，如上文实施方式所述。

作为补充或替代，在一个或多个实施方式中，第一和第二光源104-1、104-2可以包括相应的第一和第二偏振器118-1、118-2(参见图2)。第一偏振器118-1可以布置成使得通过其的第一光束产生偏振化的第一光束106-1。类似地，第二偏振器118-2可以布置成使得通过其的第二光束产生偏振化的第二光束106-2。第一和第二偏振器118-1、118-2可以设计成使得第一光束106-1以相对于第二光束106-2呈垂直的角度偏振。检测器112可以设计成对于明显不同的偏振具有分开的灵敏性。例如，检测器112可以采用两个分开的线阵列，每个具有相应的偏振过滤器119-1、119-2，其仅允许对应偏振的经偏振化的光束通过。同样地，可以储存扫描结果并用处理器114合成以产生含有第一和第二干涉纹图案116-1、116-2这两者的一个干涉图像，如上文实施方式所述。

参加图4，显示用于以三个尺度检测基材10的缺陷并定位此类缺陷的光学系统100-2的另一个实施方式的侧视示意图。系统100-2与系统100-1在许多方面是类似的，因为上文所述的细节可以经由本领域技术人员明确知道的适当调节适用于系统100-2。系统100-2相比于系统100-1的主要差异在于没有采用光学元件110该事实。因此，在系统100-2中，相应的第一和第二光束106-1、106-2没有经过准直化，并且直接传播到基材10并通过基材10。如同系统100-1，会再次得到第一和第二干涉纹图案109-1、109-2的结果；但是至少对于寻找任意缺陷的Z位置，会需要更为复杂的算法，因为光波阵面的方向会随着检测器112上的位置发生变化。但是，本领域技术人员可以容易地调节所揭示的算法以实现系统100-2中的合适算法，用于探知基材10上和/或基材10内的任意缺陷的Z位置。

参加图5，显示用于以三个尺度检测基材10的缺陷并定位此类缺陷的光学系统100-3的另一个实施方式的侧视示意图。图6是图5的光学系统100-3的俯视图。系统100-3与系统100-1在许多方面是类似的，因为上文所述的细节可以经由本领域技术人员明确知道的适当调节适用于系统100-3。系统100-3相比于系统100-1的主要差异在于光学件包括第一光学元件110-1和第二光学元件110-2该事实。第一和第二光学元件110-1、110-2可以分别采用相应的准直透镜实现，这在Y-Z平面提供了部分准直化，从而当入射到基材10上的时候，第一和第二光束106-1、106-2是基本准直化的。如同系统100-1，相应的准直透镜可以采用圆柱形透镜实现，其在Y轴具有拉长的尺度(相比于X轴而言)，并且Y-Z平面中的形状使得产生朝向基材10传播的准直化的第一和第二光束108-1、108-2。第一和第二准直透镜110-1、110-2可以分别取向成(相对于对称轴呈相应的角度+/-A)，从而相应的第一和第二光束106-1、106-2垂直(法向)入射到其相应的输入表面。发现该执行方式更适用于大于或等于20度的角度A。上文的等式1(L关系式)仍然适用于图5的概念。对于系统100-3，本领域技术人员可以应用前述方法和变化形式来探知三维空间中缺陷20的尺寸和/或形状和/或缺陷20的精确位置。

参见图6，当以线阵列实现检测器112(和/或阵列中的多条线在X尺度中非常靠近在一起)时，则可以保证第一和第二光源104-1、104-2的对齐与相应的第一和第二准直透镜110-1、110-2的一些调整。例如，第一光源104-1和与第一准直透镜110-1的输入表面呈法向的输入轴可以取向成使得它们位于第一平面，所述第一平面与对称轴以角度+a呈横向。类似地，第二光源104-2和与第二准直透镜110-2的输入表面呈法向的输入轴可以取向成使得它们位于第二平面，所述第二平面与对称轴以角度-a呈横向。例如，约为2度的+/-a角度可以工作非常好。当正确完成时，来自相应的第一和第二准直透镜110-1、110-2的第一光束108-1和第二光束108-2分别与相应的第一和第二平面基本共面的，并且以平行于Y轴的单线明显撞击检测器112。

参加图7，显示用于以三个尺度检测基材10的缺陷并定位此类缺陷的光学系统100-4的另一个实施方式的侧视示意图。系统100-4与系统100-3在许多方面是类似的，因为上文所述的细节可以经由本领域技术人员明确知道的适当调节适用于系统100-4。系统110-4相比于系统100-3的主要差异在于用两个分开的检测器112-1、112-2(分别检测相应的第一和第二光束108-1、108-2)实现了检测器112该事实。例如，第一检测器112-1可以取向成使其输入表面的方向与准直化的第一光束108-1呈法向；以及第二检测器112-1可以取向成使其输入表面的方向与准直化的第二光束108-2呈法向。例如，在一个或多个实施方式中，第一和第二检测器112-1、112-2可以分别包括光敏元件的(N x n)阵列，N明显大于n，其取向使得N个光敏元件以基本平行于第一和第二准直透镜110-1、110-2中相应那个的方式延伸。

对于系统100-4的布置，可以通过处理器114，采用对于本领域技术人员已知的几何计算来计算每个缺陷的X、Y和Z位置。例如，图8是从基材10的第一主表面12上的缺陷20所得到的某些测量位置的几何表示。本领域技术人员会理解的是，可以通过处理器114，采用如下关系式：L＝(S1-S2)/(2*cos(A)*tan(A))，来计算缺陷20的Z位置。S1表示从参照线P0沿着第一检测器112-1的输入表面到代表了第一干涉纹图案116-1(例如，其中心)的位置P1的距离。S2表示从参照线P0沿着第二检测器112-2的输入表面到代表了第二干涉纹图案116-2(例如，其中心)的位置P2的距离。参照线P0表示平行于X轴延伸的线，在该线，第一和第二检测器112-1、112-2的相应输入表面是共平面的。L是从参照平面到缺陷20的垂直距离，其中，参照平面与基材10平行。

尽管本文已结合具体实施方式对本发明进行了描述，但是应当理解，这些实施方式仅是用于说明本文的实施方式的原理和应用。因此，应当理解，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以对列举的实施方式进行各种修改，并且可以设计其他实现形式。

Claims (13)

1.一种设备，所述设备包括：

传送机制，其构造成将基材支撑在三维笛卡尔坐标系内，从而：(i)基材在X轴具有宽度尺度，在Y轴具有高度尺度，以及在Z轴具有厚度尺度，厚度尺度是50-250微米；(ii)X轴和Y轴限定了基本上平行于基材的相应第一和第二相反主表面的X-Y平面；以及(iii)Z轴是设备的对称轴；

第一光源，其取向使得第一光束相对于对称轴以+A角度导出；

第二光源，其取向使得第二光束相对于对称轴以-A角度导出；

至少一个检测器，其构造成检测第一和第二光束，所述第一和第二光束已经通过基材的任意缺陷并受其影响，所述缺陷的尺度约为0.3-50微米；以及

处理器，其配置成计算缺陷的X、Y和Z位置。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于：

缺陷可以包括基材的第一和第二相反主表面的至少一个上的一个或多个表面缺陷；以及

处理器配置成以足够的精度计算表面缺陷的X、Y和Z位置，从而探知每个表面缺陷分别是位于基材的第一和第二相反主表面的哪一个上。

3.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于：

所述至少一个检测器包括光敏元件的(N x n)阵列，N明显大于n，其取向使得N个光敏元件基本以Y轴延伸；

传送机制构造成引起基材与所述至少一个检测器之间沿X轴以最高至40cm/s的速度发生相对移动；以及

所述至少一个检测器和处理器运行从而在基材与所述至少一个检测器沿X轴的连续相对位置检测和储存多组(N x n)个光测量，由此探知缺陷的X、Y和Z位置。

4.如权利要求1-3中任一项所述的设备，其特征在于：

每个缺陷导致穿过基材的第一光束的第一干涉，以及穿过基材的第二光束的第二干涉；

第一光束和第二光束具有明显不同波长；

所述至少一个检测器对于该明显不同波长具有分开的灵敏度；以及

所述至少一个检测器和处理器协作测量由第一干涉得到的第一干涉纹图案和由第二干涉得到的第二干涉纹图案。

5.如权利要求1-4中任一项所述的设备，其还包括：

第一偏振器，其布置成使得第一光束先穿过其然后再穿过基材；

第二偏振器，其布置成使得第二光束先穿过其，并且相对于第一光束垂直偏振，然后再穿过基材；以及

所述至少一个检测器对于该明显不同偏振具有分开的灵敏度。

6.如权利要求1-5中任一项所述的设备，其特征在于：

每个缺陷导致穿过基材的第一光束的第一干涉，以及穿过基材的第二光束的第二干涉；

所述至少一个检测器和处理器协作测量由第一干涉得到的第一干涉纹图案和由第二干涉得到的第二干涉纹图案；以及

处理器配置成：(i)至少计算每个缺陷的相应第一和第二干涉纹图案的X、Y位置；以及(ii)基于所述的至少相应第一和第二干涉纹图案的X、Y位置来计算每个缺陷的Z位置，其中，每个缺陷的Z位置是沿着Z轴在参照位置为相关缺陷之间的距离。

7.如权利要求6所述的设备，其特征在于：

所述至少一个检测器的取向是X-Y平面；以及

采用如下关系计算每个缺陷的Z位置：L＝D/(2*tan(A))，其中，D是所述的至少相应第一和第二干涉纹图案的X、Y位置之间的距离。

8.如权利要求6或7所述的设备，其还包括：至少一个准直透镜，其构造成将第一和第二光束分别从第一和第二源以准直方式朝向基材进行导向，其中：

第一和第二光源构造成分别产生第一和第二光束，使得它们在Y-Z平面内展现出风扇特性；以及

所述至少一个准直透镜是圆柱形透镜，其在Y轴具有拉长的尺度，相比于X轴而言，并且Y、Z轴的形状使得分别具有风扇特性的第一和第二光束以准直方式朝向基材进行导向。

9.如权利要求8所述的设备，其特征在于，第一和第二光源的取向使得第一和第二光束基本在Y-Z平面中以+A角度和-A角度进行导向。

10.如权利要求6所述的设备，其还包括：

具有输入表面的第一准直透镜，其位置是相对于第一光源基本法向取向，并且构造成将第一光束从第一光源朝向基材以准直方式进行导向；以及

具有输入表面的第二准直透镜，其位置是相对于第二光源基本法向取向，并且构造成将第二光束从第二光源朝向基材以准直方式进行导向，其中：

第一和第二光源构造成分别产生第一和第二光束，使得它们在Y-Z平面内展现出风扇特性；以及

第一和第二准直透镜各自是圆柱形透镜，分别在Y轴具有拉长的尺度，相比于X轴而言，并且Y、Z轴的形状使得分别具有风扇特性的各自的第一和第二光束以准直方式朝向基材进行导向，以及其中：

所述至少一个检测器包括：

第一检测器，其取向使得其输入表面以相对于准直化的第一光束呈法向导向；以及

第二检测器，其取向使得其输入表面以相对于准直化的第二光束呈法向导向，以及其中：

采用如下关系式计算每个缺陷的Z位置：L＝(S1-S2)/(2*cos(A)*tan(A))；

S1表示从参照线沿着第一检测器的输入表面到代表了第一干涉纹图案的位置的距离，所述第一干涉纹图案是由第一检测器的输入表面上的第一干涉得到的；

S2表示从参照线沿着第二检测器的输入表面到代表了第二干涉纹图案的位置的距离，所述第二干涉纹图案是由第二检测器的输入表面上的第二干涉得到的；

参照线表示平行于X轴延伸的线，在该线，第一和第二检测器的相应输入表面是共平面的；

以及L是从参照平面到每个此类缺陷的垂直距离，其中，参照平面与基材平行。

11.一种方法，所述方法包括：

将基材支撑在三维笛卡尔坐标系内，从而：(i)基材在X轴具有宽度尺度，在Y轴具有高度尺度，以及在Z轴具有厚度尺度，厚度尺度是50-250微米；(ii)X轴和Y轴限定了基本上平行于基材的相应第一和第二相反主表面的X-Y平面；以及(iii)Z轴是设备的对称轴；

将第一光束从对称轴以+A角度朝向基材进行导向；

将第二光束从对称轴以-A角度朝向基材进行导向；

检测第一和第二光束，所述第一和第二光束已经通过基材的任意缺陷并受其影响，所述缺陷的尺度约为0.3-50微米；以及

计算缺陷的X、Y和Z位置。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于：

缺陷可以包括基材的第一和第二相反主表面的至少一个上的一个或多个表面缺陷；以及

计算表面缺陷的X、Y和Z位置具有足够的精度，从而探知每个表面缺陷分别是位于基材的第一和第二相反主表面的哪一个上。

13.如权利要求11所述的方法，其还包括使得基材以X方向以最高至40cm/s的速度移动。