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Die
Erfindung betrifft allgemein die Herstellung von Glasscheiben, insbesondere
die Feststellung und Analyse von Welligkeiten bei der Herstellung.
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Hochwertige
Spezialgläser
für Displayanwendungen
müssen
möglichst
frei von lokalen Topographievariationen sein. Besonders für die Substrate zur
Fertigung von TFT-Anzeigen sind diese Anforderungen sehr hoch.
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Ziehstreifen
sind lokale Schwankungen in der Dicke des Glases (d) und/oder der
Brechzahl (n). Typische Strukturgrößen reichen dabei von Submillimetern
bis in den Zentimeterbereich hinein. In Ziehrichtung des Glases
können
die Ziehstreifen sehr unterschiedliche Ausdehnung haben. Bei in
Richtung senkrecht zur Ziehrichtung ortsfesten Strukturen – wie sie
bei verschlissenen oder kristallbehafteten Düsen in der Heißfertigung
vorkommen können – sind die
vorkommenden Ziehstreifen prinzipiell über Tage hinweg stabil. Andererseits
können
hinter größeren Störungen im
Glasband meist ein Ziehstreifen hinterhergezogen werden, die nach
einigen Zentimetern bis Metern wieder verschwinden. Ursache hierfür können z.
B. durch Temperaturunterschiede hervorgerufene lokale Viskositätsunterschiede
in der geschmolzenen Glasmasse sein.
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Ziehstreifen
können
sowohl durch ihre optische Wirkung – helle und dunkle Streifen
bei geeigneter Beleuchtung – als
auch durch quantitative Meßmethoden
beschrieben werden. Im fertigen Display kann ein streifiges Glas
ein streifiges Bild erzeugen und ist dann nicht tolerabel. Durch
die verwendeten Lithografieschritte bei der Herstellung von TFT-Anzeigen
können
aber noch kompliziertere Fehlermechanismen eintreten, so dass die
Anforderungen an die Ziehstreifenfreiheit des Glases sehr hoch sind
und somit überwacht
werden müssen.
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Aus
dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Analyse von
Fehlern bei der Glasherstellung bekannt. Fehler oder Unregelmäßigkeiten,
die bei der Herstellung von Glasscheiben auftreten können, sind
neben Fehlern im Volumen, wie etwa von Gaseinschlüssen auch
Welligkeiten der Oberfläche.
Welche Welligkeiten noch tolerierbar sind, hängt dabei von der jeweiligen
Anwendung und den geforderten Spezifikationen ab. Bei der Dünnglasfertigung
für Spezialanwendungen,
z. B. für Flachdisplays
spielt die Glashomogenität
eine große Rolle.
Das hergestellte Glas muss möglichst
frei von sogenannter Ziehstreifigkeit ("Striations") und Oberflächenwelligkeit, insbesondere
Oberflächen-Feinwelligkeit
("Waviness") sein, da diese
den visuellen Eindruck des fertigen Display beeinträchtigen
können,
z. B. über Änderung
der LC-gap-Breite und damit des Rotationswinkels der Flüssigkristalle.
Typische Ursache für
beide Phänomene
könnte
u. a. Brechkraftuniformitäten
(Schlieren) oder Dickeninhomogenitäten des Glases sein, im vorliegenden
Fall sind dies jedoch in der Regel Inhomogenitäten der Glasdicke, die im Herstellungsprozess
deutlich vor bemerkbaren Brechwertänderungen auftreten. Überraschenderwseise
wurde gefunden, dass Ziehstreifigkeit (als Volumeneffekt) und Waviness
(als Oberflächeneffekt) bei
Glasscheiben für
Displayanwendungen (FPD: flat panel displays) miteinander korrelieren.
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Bisher
wurden für
die Überwachung
der Ziehstreifigkeit in der Dünnglasfertigung
weiterhin vorwiegend visuelle Inspektionsmethoden eingesetzt. Hierzu
wird die Glasscheibe mittels einer definierten punktförmigen Lichtquelle
durchleuchtet und die durchtretende Lichtintensitätsverteilung
in der Beobachtungsebene mit einem Schirm oder mittels einer Kamera
detektiert. Im Falle eines zur Scheibe senkrechtem Lichtdurchtritts
treten i. d. R. in der Beobachtungsebene keine Helligkeitsunterschiede
auf. Wird die Scheibe in einer Vorzugsrichtung (z. B. mit der Ziehrichtung
als Drehachsenrichtung) aus der Ebene senkrecht zur Projektionsrichtung
der Lichtquelle gedreht, so sind ab einem gewissen Drehwinkel streifenartige
Helligkeitsunterschiede, hervorgerufen durch die optische Wirkung
von Ziehstreifen, in der Beobachtungsebene sichtbar. Der Grenzwinkel der
zum erstmaligem Auftreten dieser detektierbaren Helligkeitsunterschiede
führt ist
ein Maß für die Ziehstreifigkeit
des Glases.
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Die
vorgenannte Methode weist einige prinzipielle Nachteile auf:
- • die
visuelle Beurteilung ist subjektiv und damit abhängig von jeweiligen Prüfer,
- • bei
vollständiger
Kontrolle des gesamten Produktionsaufkommens ist das Verfahren sehr
aufwendig und arbeitsintensiv,
- • Es
besteht die Gefahr von Fehlbeurteilungen durch die Ermüdung des
Betrachters,
- • Die
Kontrollen der Glasscheiben zeigen immer nur eine "Momentaufnahme" des Prozesses, d.
h.
- • generell
können
bei visueller Kontrolle keine Zusammenhänge und langfristigen Tendenzen
erfasst und dargestellt werden,
- • außerdem wird
zur Bewertung der Glasqualität der
Winkel herangezogen, bei den die ersten Ziehstreifen beobachtet
werden können – diese Bewertung
ist nur schwer automatisierbar.
- • Die
Ausbildung der Streifendarstellung in der Beobachtungsebene ist
von der Beleuchtungsart, insbesondere von den Eigenschaften der
Lichtquelle abhängig.
- • Der
Abstand Glasscheibe – Beobachtungsebene
(Fokalebene) hat ebenfalls Einfluss auf den Wert des Grenzwinkels
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Ein
Teil dieser Punkte lässt
sich durch eine Automatisierung der Überwachung (Bilderfassung mittels
Kameratechniken) abschwächen
bzw. beseitigen. Jedoch ist generell zu beachten, das in einer Aufnahme
der Streifen als Graustufenbild die Streifeninformation nur qualitativ
erfasst wird. Die erfassbaren Graustufen geben keinen eindeutigen
Hinweis auf die Struktur der Ziehstreifen. Anhand der Daten kann
nicht eindeutig auf die Stärke
der Fokussierung, beziehungsweise darauf, ob die Fokalebene des Streifens
auf, vor, oder hinter der Bildebene der Detektion liegt, oder auf
die laterale Ausdehnung des fokussierenden/ defokussierenden Ziehstreifens
geschlossen werden. Dies bedeutet, daß Ziehstreifen unterschiedlicher
Ausprägung
zum gleichen Graubild führen
können.
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Aus
der
DE 196 43 017
C1 ist ein Verfahren für
die Ermittlung von optischen Fehlern (wie z. B. feste Einschlüsse oder
Blasen) in großflächigen Scheiben
bekannt, bei welchem ein Hell-Dunkel-Muster in Form eines Kreuzrasters
durch eine Scheibe hindurch auf eine Kamera fällt, wobei das Kreuzraster
und die Kamera so aufeinander abgestimmt sind, daß jeweils
ein Paar von Hell/Dunkel-Streifen
des Kreuzrasters auf drei benachbarte Pixel der Kamera abgebildet
wird. Im Falle einer idealen Abbildung auf die Kamera kommt es infolge
des Umstands, daß die
Gitterfrequenz der Kamerapixel und die Gitterfrequenz des Beleuchtungsrasters
Vielfache voneinander sind, zu einer regelmäßigen Moiré-Erscheinung, die an der
Kamera registriert wird. Eine ähnliche
Anordnung zur Messung in Reflexion ist aus der
DE 196 43 018 A1 bekannt.
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Aus
der
DE 38 16 392 A1 ist
ein Verfahren zur Bestimmung der optischen Qualität von Flachglas
bekannt, bei welchem die Ablenkung von durch das Substrat transmittierten
Lichtstrahlen an lokalen Verformungen der Oberfläche des Flachglases erfasst
und anhand der Ablenkung das Brechkraft-Profil der Oberfläche bestimmt
wird.
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Die
DE 199 44 354 A1 beschreibt
ein Verfahren zur Bestimmung der Abbildungseigenschaften von spiegelnden
oder transparenten Prüflingen,
mit welchem die Form oder die Abbildungseigenschaften des Prüflings bestimmt
werden kann. Das Verfahren beruht darauf, daß ein im wesentlichen sinusförmiges Muster,
das in einem Abstand von Prüfling
erzeugt wird, Nach Spiegelung oder in Durchsicht durch den Prüfling von
einer Hilfsoptik abgebildet und die lokale Phase dieses Musters
in der Bildebene bestimmt wird.
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In
der
DE 100 40 640
C2 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung
von Einzelglasscheiben beschrieben, die mit einer wiederablösbaren Schutzschicht
versehen sind. Es wird ein kontinuierliches Glasband hergestellt,
aus welchem die Einzelglasscheiben geschnitten werden. Am kontinuierlichen
Glasband wird mittels einer Meßeinrichtung eine
Messung der Feinwelligkeit vorgenommen.
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Die
EP 0 952 122 A1 beschreibt
eine Vorrichtung zur Herstellung von Flachglas-Substraten, bei welcher
ebenfalls ein kontinuierliches Glasband hergestellt wird. Mittels
eines die Oberfläche
berührenden
Meßstifts
wird die Rauhigkeit der Oberfläche
bestimmt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bisher bekannten Verfahren
zur Beurteilung der Qualität
von Glasoberflächen
zu verbessern und für Inline-Messungen
anwendbar zu gestalten. Diese Aufgabe wird bereits in höchst überraschend
einfacher Weise durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Demgemäß sieht
die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung der Waviness von Flachglas-Substraten
vor, bei welchem optisch und berührungsfrei
die Ablenkung von durch das Substrat transmittierten Lichtstrahlen
an lokalen Verformungen der Oberfläche des Flachglas-Substrats
erfaßt und
anhand der erfassten Ablenkung oder wenigstens einer sich daraus
ergebenden Meßgröße die Lage
und Höhe
der lokalen Verformungen quantitativ bestimmt werden, wobei zur
Berechnung der Lage und Höhe
der lokalen Verformungen die Ablenkungswerte oder sich daraus ableitende
Größen über den Meßort integriert
wird.
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Eine
entsprechende Vorrichtung zur Bestimmung der Waviness von Flachglas-Substraten
umfaßt
dazu entsprechend eine optische Meßanordnung mit einer Einrichtung
zur Beleuchtung des Flachglas-Substrats mit Lichtstrahlen und einer
Einrichtung zur Erfassung der Ablenkung von durch das Substrat transmittierterLichtstrahlen
an lokalen Verformungen der Oberfläche des Flachglas-Substrats oder
sich aus der Ablenkung ergebender Größen, sowie einer Einrichtung
zur Berechnung der quantitativen Lage und Höhe der lokalen Verformungen
aus dieser Meßgröße anhand
einer von der Einrichtung durchführbaren
Integration der Ablenkungswerte oder sich daraus ergebender Größen über den
Meßort.
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Die
Erfindung basiert demnach auf einer Vermessung der Oberfläche mittels
transmittierter Lichtstrahlen. Zwar erscheint für eine Untersuchung der Welligkeit
der Oberfläche
auf den ersten Blick eine Reflexionsmessung sinnvoller, die Erfinder
haben jedoch überraschend
herausgefunden, daß Transmissionsverfahren
wesentlich unempfindlicher hinsichtlich der Lage des Substrates
sind. Der Erfindung liegt dazu noch die weitere Erkenntnis zugrunde,
daß auch
eine quantitative Bestimmung von Verformungen anhand der Lichtbrechung
an den Verformungen möglich
ist, indem die Werte der Ablenkung, oder korrespondierende Meßgrößen, wie
die mit der Lichtbrechung einhergehenden Intensitätsschwankungen durch
eine Integration über
eine oder mehrere Ortskoordinaten in Höhenprofil-Daten umgerechnet werden
können.
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Im
Zusammenwirken dieser beiden Merkmale wird die Erfindung daher erst
für Bedingungen
einsetzbar, die eine sehr schnelle Erfassung der Oberfläche großflächiger Substrate,
insbesondere im Inline-Betrieb, also auch während der laufenden Produktion
ermöglicht.
Bisher war die Bestimmung der Waviness lediglich in Stichproben
möglich.
Insbesondere können
mit der Integration die Lage und Höhe lokaler Verformungen in
Form von Höhenprofil-Werten
der Oberfläche
errechnet werden. Diese Daten eignen sich dann auch hervorragend
für eine
weitere Auswertung, insbesondere der Bestimmung von Kenngrößen, welche
die Welligkeit der Oberfläche charakterisieren.
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Unter
den lokalen Verformungen, welche der Waviness zuzuordnen sind und
wie sie mit der Erfindung quantitativ in Lage und Höhe bestimmt
werden, werden im Sinne der Erfindung insbesondere Gestaltabweichungen
zweiter bis vierter Ordnung gemäß DIN 4760
verstanden. Die aus der Messung bestimmte Waviness der gesamten
Oberfläche
des Substrats oder eines Teilbereiches der Oberfläche entspricht
vorzugsweise der Maßzahl
der Waviness, wie sie gemäß der Norm
SEMI D15-1296 (1996) bestimmt wird.
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Eine
solche Maßzahl
für die
Waviness zumindest eines Bereiches der Oberfläche des Substrats kann insbesondere
durch die Vorrichtung errechnet werden, indem mit der Integration
Höhenprofil-Werte
des Bereiches entlang einer Richtung errechnet und Differenzen des
Maximal- zu den Minimalwerten beidseitig des Maximalwerts der Höhenprofilwerte
jeweils innerhalb einer Vielzahl von unterschiedlichen Ortsbereichen
vorgegebener gleicher Größe bestimmt,
daraus die jeweils die Differenz des Maximalwerts zum Mittel der
Minimalwerte bestimmt und daraus der Maximalwert dieser so bestimmten Differenzen
ermittelt wird. Diese Maßzahl
entspricht dann bei entsprechender Auswahl der Größe der Ortsbereiche
und der Filterung der Rohdaten dem Maximalwert Wfp d, wie er gemäß der SEMI-Norm SEMI D15-1296
(1996) für
die Charakterisierung der Waviness empfohlen wird.
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Die
Erfassung der Wechselwirkung umfaßt besonders bevorzugt die
Messung der Ablenkung von Lichtstrahlen an den lokalen Verformungen
mittels einer entsprechend ausgebildeten Einrichtung. Solche Ablenkungen
können
refraktiver Art sein, wobei die Verformungen als refraktive Elemente
auf das Licht einwirken. Ebenso können sich solche Ablenkungen
aber auch durch Reflexion an der verformten Oberfläche ergeben.
In beiden Fällen
ergibt sich eine Ablenkung gegenüber
einem an einer perfekt ebenen Oberfläche gebrochenen oder reflektierten
Lichtstrahl.
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In
vorteilhafter Weiterbildung wird anhand der Meßwerte, beziehungsweise der
erfassten Meßgröße die laterale
Ausdehnung lokaler Verformungen quantitativ bestimmt.
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Sehr
wichtig, um Aussagen über
die Brauchbarkeit eines Flachglas-Substrats treffen zu können, ist
es insbesondere auch, die Maximalwerte von Verformungen zu kennen.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung betrifft
daher die quantitative Bestimmung der Maximalhöhe einer Verformung, wie insbesondere
einer Verformung aufgrund einer Feinwelligkeit, beziehungsweise
Waviness. Die Maximalhöhe
kann beispielsweise als Rt-Wert (Peak-to-Valley-Wert) bestimmt werden, also die
Differenz von höchstem
zu niedrigstem Punkt einer wellenförmigen Verformung, oder auch
nach dem in der SEMI-Norm D15-1296 aufgeführten Verfahren.
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Die
Waviness oder Feinwelligkeit betrifft Strukturen bestimmter lateraler
Ausdehnungen. Um die Waviness fehlerfrei oder zumindest fehlerarm
bestimmen zu können,
ist in Weiterbildung der Erfindung dazu vorgesehen, die entsprechenden
Strukturgrößen auszufiltern.
Dies wird bevorzugt durchgeführt,
indem die Höhe
anhand Ortsfrequenzgewichteter Meßwerte bestimmt wird. Ebenso
kann eine solche Wichtung auch für
die Bestimmung von Lage und/oder Ausdehnung von Verformungen durchgeführt werden.
Um eine solche Wichtung zu erreichen, können die Meßwerte oder die sich aus der
Messung ergebenden Meßgrößen insbesondere
mit einer Filterfunktion, insbesondere einer Bandfilter-Funktion gefaltet
werden. Eine entsprechend ausgebildete Vorrichtung umfaßt dazu
demgemäß eine Einrichtung
zur Filterung der die Meßwerte
oder der sich aus der Messung ergebenden Meßgrößen mit einer Filterfunktion.
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Die
Erfassung und Vermessung der lokalen Verformungen kann allgemein
mittels einer entsprechend ausgestalteten optischen Meßanordnung
zur Messung der Wechselwirkung von durch das Substrat transmittierten
Lichtstrahlen erfasst werden. In zusätzlicher Ausgestaltung der
Erfindung kann auch eine Wechselwirkung von reflektierten Lichtstrahlen erfasst
werden.
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Um
die Lage und Höhe
der lokalen Verformungen quantitativ zu bestimmen, wird bevorzugt eine
Integration der Wechselwirkungswerte, wie insbesondere von Ablenkungswerten
oder wenigstens einer sich daraus ergebenden Meßgröße über den Meßort vorgenommen. Dementsprechend
umfaßt bei
einer Vorrichtung gemäß dieser
Ausführungsform der
Erfindung die Einrichtung zur Berechnung der quantitativen Lage
und Höhe
der lokalen Verformungen aus dieser Meßgröße eine Einrichtung zur Integration
der Meßgröße über den
Meßort.
Bisher wurden lokale Verformungen nur anhand ihrer Dioptrienzahl
charakterisiert. Diese Meßgröße ergibt
sich im Unterschied zur Erfindung aber durch eine Differentiation.
Aus der Dioptrienzahl alleine kann aber eine quantitative Bestimmung
der Höhe
einer Verformung nicht erfolgen, da die Brechkraft in erster Linie
nur von der Krümmung
abhängt.
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In
bevorzugter Weiterbildung werden die Meßwerte mittels einer entsprechend
eingerichteten Vorrichtung so gefiltert, daß das Maximum der Filterfunktion
im Bereich von 0,25 bis 25 Millimetern, vorzugsweise im Bereich
von 0,8 bis 8 Millimetern, besonders bevorzugt im Bereich von 1
bis 3 Millimetern liegt. Als dieses Maximum wird der Punkt oder
Bereich mit dem höchsten
Gewicht verstanden. Dementsprechend tragen dann Strukturen mit Ausdehnungen
entsprechend dem Maximum der Filterfunktion am meisten zu den gefilterten
Meßwerten
oder Meßgrößen bei.
Strukturen mit den oben angegebenen Ausdehnungen sind besonders
kritisch beispielsweise für
Verwendung als Substrat für
Flachbildschirme. Strukturen dieser Größen können bei einer Betrachtung
unter schrägem
oder streifendem Winkel sichtbar werden und den Bildeindruck nachteilig
beeinflussen. Auch können
sie sich nachteilig auf die Qualität der auf dem Substrat hergestellten Schaltungen
bis hin zum Ausfall einzelner Pixel auswirken. Insbesondere können die
Meßwerte
oder die sich aus der Messung ergebenden Meßgrößen mit einem Filter mit den
Eckfrequenzen 0.8 mm bis 8 mm und 50% Transmission gefiltert und
gemäß Semi Norm
D 15-1296 ausgewertet werden, insbesondere unter Bestimmung der
Waviness. Die Filterung und Auswertung gemäß dieser Ausführungsform
der Erfindung, insbesondere mit entsprechenden Einrichtungen der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
liefert dann direkt für
die Halbleiterindustrie aussagekräftige Werte für die Qualität des Glases.
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Das
Filtern kann auf zwei Arten geschehen, die auch kumulativ eingesetzt
werden können.
Erstens kann bereits eine optische Meßanordnung zur Messung der
Wechselwirkung, insbesondere der Ablenkung von Lichtstrahlen vorgesehen
werden, welche eine wichtende Filterwirkung bezüglich der Ortsfrequenz auf
die Meßwerte
bewirkt. Zweitens kann auch eine separate Filterung bezüglich der
Ortsfrequenz an bereits aufgenommenen Meßwerten oder Meßgrößen erfolgen.
Letzteres kann beispielsweise mittels einer geeignet programmierten
Recheneinrichtung durchgeführt
werden. Dies hat den Vorteil, dass die gleichen Messdaten mit unterschiedlichen Filterfunktionen
bewertet werden können.
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Eine
mögliche
Filterfunktion ist eine 2RC-Filterung. Eine solche Filterung entspricht
der Filterfunktion eines aus zwei RC-Gliedern zusammengesetzten
Filters. Mit einer solchen Filterung kann beispielsweise eine Gewichtung
mit einem plateauförmigen
Maximum der Ortsfrequenzen durchgeführt werden. Weiterhin kann
auch eine Bandpaßfilterung durch
verschiedene RC-Glieder oder äquivalente Einrichtungen,
beispielsweise auch softwaretechnisch vorgenommen werden. Auf diese
Weise können
die Eckfrequenzen der Filterung bei den oben angegebenen Werten
von z. B. 0,25 Millimetern und 25 Millimetern oder innerhalb dieser
Werte liegen. Eine weitere Möglichkeit
ist, eine Einrichtung zur Gauß-Filterung der Meßwerte oder
sich daraus ergebender Meßgrößen einzusetzen.
Bei einer solchen Filterung ist das Maximum der Filterfunktion nicht
plateauförmig,
die Filterung kann so auf eine bestimmte vorherrschende Strukturbreite
von feinwelligen Oberflächenverformungen
abgestimmt werden.
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Besonders
bevorzugt werden dabei -unabhängig
von der Art der Filterung, wie etwa einem Gauß-Filter-phasenkorrekte Filter.
Dies ist unter anderem von Vorteil, wenn es auf eine möglichst
genaue Bestimmung der Lage der Verformungen ankommt. Auch werden
Fehler bei der Höhenbestimmung
verringert, da die gemessene Ortsposition von Strukturen bei nicht
phasenkorrekter Filterung von der tatsächlichen Position abweichen
kann und es zur Überlagerung
dieser Strukturen kommen kann.
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Eine
Möglichkeit,
die Waviness zu messen, ist, lokale Verformungen der Oberfläche des
Flachglas-Substrats optisch durch die Veränderung eines Moiré-Musters
zu erfassen und deren Lage und Höhe quantitativ
zu bestimmen. Allgemein basiert diese Ausführungsform der Erfindung darauf,
daß ein
Moiré-Muster
aus der Überlagerung
zweier Raster erfasst wird, wobei die von einem der Raster ausgehenden
Lichtstrahlen mit dem Flachglas-Substrat Wechselwirken, insbesondere
an dessen Oberfläche reflektiert
oder gebrochen werden. Demgemäß umfaßt dazu
eine optische Meßanordnung
ein Raster und eine Einrichtung zur Erfassung eines zweidimensionalen
Moiré-Musters
aus der Überlagerung
der Abbildung des ersten Rasters über mit dem Flachglas-Substrat wechselwirkender
Lichtstrahlen mit einem zweiten Raster.
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Eine
entsprechende Vorrichtung gemäß dieser
Ausführungsform
der Erfindung umfaßt
dazu eine optische Meßanordnung
mit zumindest einem ersten Raster und zumindest einer Kamera zur
Aufnahme des Rasters, sowie einer Einrichtung zur Anordnung eines
Flachglas-Substrats so daß dieses
im Strahlengang zwischen dem ersten Raster und der Kamera liegt,
und eine an die Kamera angeschlossene Auswerteeinrichtung, mit welcher
lokale Verformungen des Flachglas-Substrats erfaßt und deren Lage und Höhe quantitativ
bestimmt werden.
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Das
Moiré-Muster
kann dabei in einfacher Weise bereits dadurch erzeugt werden, indem
das Raster auf die Pixel der Kamera abgebildet wird. Ein Moiré-Muster
ist dann besonders gut zu erkennen, wenn die Periode des auf die
Pixel abgebildeten Rasters in der gleichen Größenordnung wie der Abstand der
Pixel selbst ist. Bevorzugt sollte die Periode des Rasters insbesondere
nicht um mehr als einen Faktor 10 von der Periode der Pixel abweichen.
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Alternativ
kann auch ein weiteres Raster eingesetzt werden, welches der Kamera
vorgeschaltet und dem Flachglas-Substrat im Strahlengang nachgeschaltet
ist, wobei sich das Moiré-Muster aus der Überlagerung
der beiden Rasterbilder ergibt und von der Kamera aufgenommen wird.
Das erste Raster kann selbstleuchtend sein und dazu beispielsweise eine
Anordnung von Lichtquellen, wie etwa von Leuchtdioden umfassen.
Bei einer passiven Beleuchtung kann beispielsweise hinter dem Raster
eine flächige
Lichtquelle angeordnet sein.
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Ähnlich wie
das vorstehend beschriebene Moiré-Verfahren funktioniert auch
eine andere Weiterbildung der Erfindung. Dabei wird die Lageschwerpunkts-Änderung
von auf einem Sensor abgebildeten Lichtpunkten, vorzugsweise von
einer Leuchtdioden-Anordnung durch die Ablenkung der Lichtstrahlen
von den Lichtquellen aufgrund der optischen Wirkung von Gestaltabweichungen
des Substrats erfasst. Vorzugsweise wird eine Differenzmessung der Signale
zumindest zweier Gruppen von Lichtpunkten vorgenommen. Dabei sind
die einzelnen Lichtpunkte einer Gruppe jeweils zu Lichtpunkten der
anderen Gruppe benachbart. Die Zuordnung der Signale der Lichtpunkte
kann beispielsweise über
einen zeitlich alternierenden Betrieb der Gruppen oder über deren Farbe
erfolgen.
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Gemäß noch einer
Weiterbildung der Erfindung werden zumindest zwei Raster verwendet,
wobei die Einrichtung zur Erfassung zumindest einer sich aus der
Ablenkung der Lichtstrahlen an lokalen Verformungen der Oberfläche des
Flachglas-Substrats ergebenden Meßgröße eine Einrichtung zur abwechselnden
Erfassung der beiden Raster umfaßt.
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Allgemein
kann eine Differenzmessung eingesetzt werden, um Wechselwirkungen,
wie insbesondere Ablenkungen von Lichtstrahlen an lokalen Verformungen
der Oberfläche
des Flachglas-Substrats zu detektieren. Bei einer entsprechend ausgebildeten
Vorrichtung umfaßt
dazu die Einrichtung zur Erfassung zumindest einer sich aus der
Ablenkung der Lichtstrahlen an lokalen Verformungen der Oberfläche des
Flachglas-Substrats ergebenden Meßgröße eine Einrichtung zur Differenzmessung
von Lichtsignalen. So können
bei der vorstehend beschriebenen Weiterbildung der Erfindung mit
einer abwechselnden Erfassung der durch das Glassubstrat beeinflussten
Lichtsignale die erfassten Signale der beiden Raster beispielsweise
voneinander abgezogen werden. Das Differenzsignal dieser beiden
Raster ergibt dann eine empfindliche Meßgröße als Ausgangspunkt für die Bestimmung
der Lage und Höhe
von Verformungen auf dem Flachglas-Substrat. Bei einer entsprechend ausgebildeten
Vorrichtung umfaßt dazu
die Einrichtung zur Erfassung zumindest einer sich aus der Ablenkung
der Lichtstrahlen an lokalen Verformungen der Oberfläche des
Flachglas-Substrats ergebenden Meßgröße eine Einrichtung zur Differenzmessung
von Lichtsignalen.
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Allgemein
können
in weiterer Ausgestaltung der Erfindung auch Verformungen mittels
einer geeigneten optischen Meßanordnung
anhand der Ablenkung von Lichtstrahlen in zwei unterschiedlichen Richtungen
entlang der Oberfläche
des Flachglas-Substrats erfasst werden. Wird eine Erfassung mittels
der Veränderung
eines Moiré-Musters
durchgeführt,
so kann dazu beispielsweise als erstes Raster ein Flächenraster
und als Kamera eine Matrix-Kamera eingesetzt werden. Ebenso ist
es möglich,
die Veränderung
von Moiré-Mustern zweier eindimensionaler
Raster zu erfassen, welche in einem Winkel zueinander stehen.
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Für die Messung
mit eindimensionalen Rastern oder einem anderen linienförmig abtastenden Verfahren
eignen sich insbesondere optische Meßanordnungen mit zumindest
einer Zeilenkamera.
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Werden
die Ablenkungen in einer bestimmten Richtung erfasst, ist es außerdem vorteilhaft, wenn
lokale Verformungen anhand der Ablenkung von Lichtstrahlen in einer
Richtung entlang der Oberfläche
des Flachglas-Substrats
erfasst werden, welche schräg
zur Vorschubrichtung, insbesondere senkrecht dazu liegt. Die Vorschubrichtung
kann dabei die Vorschubrichtung des Substrats gegenüber der
optischen Meßanordnung
sein. Dies ist insbesondere bei einer Inline-Messung am kontinuierlichen Glasband
oder an den bereits vereinzelten Substraten vorteilhaft, wenn diese
auf einem Transportband bewegt werden. Alternativ oder zusätzlich kann
aber auch die optische Meßanordnung
entlang einer Vorschubrichtung gegenüber dem Substrat bewegt werden.
Besonders vorteilhaft ist diese Ausgestaltung der Erfindung in Verbindung
mit einer Erfassung der Ablenkung von Lichtstrahlen in zwei unterschiedlichen
Richtungen entlang der Oberfläche
des Flachglas-Substrats. Auf diese Weise können auch mit zwei eindimensionalen
Meßanordnungen
Verformungen mit Krümmungen
in beliebiger Richtung erfasst und quantitativ vermessen werden.
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Eine
weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die optische
Meßanordnung
zumindest zwei senkrecht zur ihrer Modulationsrichtung beabstandete
Raster und eine Kamera umfaßt,
auf deren Pixel die Raster abgebildet werden. Mit einer derartigen
optischen Meßanordnung
sind nicht nur Verformungen mit einem Krümmungsvektor detektierbar, der
eine Komponente entlang der Modulationsrichtung aufweist, sondern
auch Verformungen mit Krümmungsvektor-Komponenten
senkrecht dazu.
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Eine
besonders schnelle Erfassung lokaler Verformungen ist insbesondere
auch anhand der Veränderung
eines zweidimensionalen Moiré-Musters
aus der Überlagerung
zweier Raster möglich, wobei
von einem ersten Raster ausgehende Lichtstrahlen vor der Abbildung
auf das zweite Raster mit dem Flachglas-Substrat Wechselwirken.
Diese Wechselwirkung kann sowohl eine Reflexion als auch insbesondere
eine Brechung an der verformten Oberfläche sein. Eine entsprechende
Vorrichtung umfaßt
dazu eine die optische Meßanordnung
mit einem zweidimensionales Raster und einer Einrichtung zur Erfassung
eines zweidimensionalen Moiré-Musters aus der Überlagerung
der Abbildung des ersten Rasters über mit dem Flachglas-Substrat
wechselwirkender Lichtstrahlen mit einem zweiten Raster.
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Vorzugsweise
wird das Flachglas-Substrat gleichzeitig zumindest entlang seiner
Nutzbreite, vorzugsweise entlang seiner gesamten Breite vermessen.
Dies ist von Vorteil, um eine schnelle Vermessung, insbesondere
für den
Inline-Betrieb im
laufenden Glasherstellungsprozess zu erreichen.
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Gemäß noch einer
Ausführungsform
der Erfindung werden lokale Verformungen der Oberfläche durch
Laserdeflektion vermessen. Dazu wird die Ablenkung zumindest eines
das Flachglas-Substrat abtastenden Laserstrahls an lokalen Deformationen
der Oberfläche
erfasst. Bei einer entsprechenden Vorrichtung umfasst dazu die optische
Meßanordnung einen
Laser-Abtast-Einrichtung und eine Einrichtung zur Erfassung der
Ablenkung des abtastenden Laserstrahls an lokalen Deformationen
der Oberfläche. Hohe
Abtastgeschwindigkeiten lassen sich dabei insbesondere erreichen,
wenn das Flachglas-Substrat mit zumindest einem Fächerstrahl
abgetastet wird, beziehungsweise wenn die Laser-Abtast-Einrichtung einen
Fächerstrahl-Laser
umfaßt.
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Ein
weiterer Mechanismus der quantitativen Bestimmung von Höhe und Lage
lokaler Verformungen basiert auf einer Erfassung der Änderung
der Phasenlage der Wellenfront eines an lokalen Verformungen mit
dem Substrat wechselwirkenden Lichtstrahls. Eine entsprechende optische
Meßanordnung mit
eine Einrichtung zur Erfassung der Veränderung der Phasenlage der
Wellenfront eines an lokalen Verformungen mit dem Substrat wechselwirkenden Lichtstrahls
kann dabei insbesondere eine interferometrische Meßanordnung
sein.
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Noch
eine weitere Ausführungsform
der Erfindung basiert auf einer Schrägbeleuchtung des Substrats
durch eine möglichst
punkt- oder linienförmige
Lichtquelle. Dabei wird das Flachglas-Substrat mit einer punktförmigen oder
streifenförmigen
Lichtquelle unter schrägem
Lichteinfall beleuchtet und die örtliche
Intensitätsverteilung
des transmittierten oder reflektierten Lichts erfasst und ausgewertet.
Eine entsprechende Vorrichtung umfasst eine optische Meßanordnung
mit einer punkt- oder linienförmigen
Lichtquelle, welche ein zu vermessendes Flachglas-Substrat unter
schrägem
Lichteinfall beleuchtet, sowie eine Einrichtung zur Erfassung der örtlichen
Intensitätsverteilung
des transmittierten oder reflektierten Lichts.
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Besonders
bevorzugt wird eine Inline-Messung der Glasqualität. Insbesondere
kann die Vorrichtung zur Bestimmung der Waviness eines Flachglas-Substrats
in Form eines kontinuierlichen Glasbands aus einem kontinuierlichen
Heißformungsprozeß, insbesondere
aus einem Float- oder Overflow-Fusion-Prozeß ausgebildet sein. Durch die
optische und berührungsfreie
Bestimmung der Waviness des kontinuierlichen Flachglas-Bands aus
dem kontinuierlichen Herstellungsprozeß wird so unter anderem eine
direkte Kontrolle des Glasherstellungsprozesses ermöglicht. Überraschend
hat sich gezeigt, daß eine
exakte und auch quantitative Messung der Feinwelligkeit sogar unter
den vergleichsweise rauhen Umgebungsbedingungen in einem solchen
kontinuierlichen Herstellungsprozeß möglich ist. Hierbei ist unter
anderem zu berücksichtigen,
daß das
Glasband oftmals gar nicht ruhig positioniert werden kann. So können aufgrund
des vorgeschalteten Herstellungsprozesses dem Glasband Schwingungen
aufgeprägt
werden, die weitaus größer sind
als die vertikalen Ausdehnungen von Feinwellen oder anderen Oberflächenverformungen.
Weiter können
mit dem Inline-Verfahren
auch die vereinzelten Glasscheiben kontinuierlich in der Fertigungslinie
vermessen werden.
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Falls
die Ziehstreifen primär
durch Variationen in der geometrischen Dicke gebildet werden und diese
sich symmetrisch ausbilden (d. h. die sich ergebenden Höhenunterschiede
weisen auf Vorder- und Rückseite
der Glasplatten ähnliche
Stärken
auf), kann aus der optischen Wirkung der Streifen direkt aus die
Waviness der Glasoberflächen
zurückgeschlossen
werden. Diese Rahmenbedingungen sind näherungsweise insbesondere für den Down
Draw Prozesse, wie Overflow-Fusion oder Down-Draw Glasproduktion
aus einer Düse,
oder Float-Prozesse erfüllt,
so dass nach entsprechender Kalibration mit der Ziehstreifenmessung
auch eine Online-Überwachung
der Waviness möglich
ist. Da die Waviness eine der kritischen Spezifikationen für TFT-Gläser ist, ergeben
sich hieraus Produktionsvorteile durch eine vollständige Qualitätsüberwachung
dieser Kenngröße bzw.
für effiziente
Prozessoptimierungen während Entwicklungsphasen
und dem Anfahren des Produktionsprozesses.
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Diese
bevorzugte Inline-Messung am Glasband während des laufenden Produktionsprozesses bietet
noch weitere vorteilhafte Möglichkeiten,
die Herstellung und Produktqualität zu verbessern. So können Meßergebnisse
aus der Messung lokaler Verformungen in den Heißformungsprozeß des Glasbands
rückgekoppelt
werden. Beispielsweise kann die Geschwindigkeit des Ziehvorgangs
oder eines Rührers
verändert
werden, wenn die Messung ergibt, daß die Verformungen an bestimmten
Stellen bestimmte Größen überschreiten.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin,
den Flachglas-Substraten Information, insbesondere einen Datensatz über die gewonnenen
Daten über
lokale Verformungen kundenseitig verfügbar beizufügen oder zuzuordnen. Dazu kann
die Vorrichtung vorteilhaft eine Einrichtung zur Zuordnung von Datensätzen mit
gewonnenen Daten über
lokale Verformungen zu den Flachglas-Substraten aufweisen. Hier
sind verschiedenen Zuordnungsmechanismen denkbar. Beispielsweise kann
dem Datensatz die Seriennummer einer solchen Scheibe zugeordnet
werden. Ein solcher Datensatz kann dann beispielsweise kundenseitig über das
Internet oder ein anderes Übertragungsmedium abgerufen
werden. Oder es wird ein Datenträger
mit den Daten mehrere Glasscheiben einer Charge solcher Scheiben
beigelegt. Auch kann der Datensatz ausgedruckt und beigefügt werden.
Demgemäß sieht die
Erfindung auch eine Flachglas-Scheibe oder Charge von Flachglas-Scheiben,
insbesondere vermessen mit einem erfindungsgemäßen Verfahren oder einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
vor, welcher eine Information über
die an der Scheibe gemessene Waviness, insbesondere einem Datensatz mit
Daten über
Lage und/oder Höhe
lokaler Verformungen der Oberfläche
der Scheibe beigefügt
oder zugeordnet ist. Wird eine Charge derartig mit einer Information
versehen und bezieht sich die Information auf die gesamte Charge,
so ist vorzugsweise auch die gesamte Charge oder zumindest 30% davon
vermessen worden. Bisher bezog eine Information, wie etwa eine Angabe,
daß die
Waviness kleiner als ein bestimmter Wert ist, nicht auf die Charge
oder die Glasscheibe selber. Vielmehr wurden bisher lediglich einzelne
Substrate aus dem Produktionsprozeß entnommen und langwierig,
beispielsweise mit einem berührenden
Tastschnitt-Verfahren vermessen. Da dieses Verfahren im allgemeinen
nicht tolerierbare Spuren auf der Oberfläche hinterläßt, werden dann die vermessenen
Scheiben gar nicht mehr vertrieben, sondern sind Ausschuß. Demgemäß bezog
sich eine derartige Information über
die Waviness nicht auf die ausgelieferten Substrate selbst.
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Allgemein
kann eine sehr schnelle und berührungsfreie
quantitative Bestimmung lokaler Verformungen auf Flachglas-Substraten durchgeführt werden.
Bisher wurden bei der Produktion derartiger Substrate nur stichprobenartige
Messungen durchgeführt.
Da als quantitative Meßmethode
bisher nur berührende
Tastschnitt-Verfahren eingesetzt wurden, war eine solche Messung
im Unterschied zur Erfindung auch nicht zerstörungsfrei. Demgegenüber ist gemäß noch einer
Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, einen großen Teil
der Flachglas-Substrate einer laufenden Produktion zerstörungsfrei
zu vermessen. So ist vorgesehen, zumindest 30% einer Charge der
Produktion oder der Fläche
eines kontinuierlichen Glasbands, aus welchem dann einzelne Substrate
geschnitten werden, vorzugsweise zumindest 50%, besonders bevorzugt
sogar die gesamte Produktion zu überprüfen. Die Überprüfung kann
dabei auch später
an den einzelnen Flachglas-Substraten erfolgen.
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Insbesondere
bei einer Inline-Messung während
des laufenden Produktionsprozesses bieten sich durch die unmittelbar
verfügbare
Kenntnis lokaler Verformungen, wie insbesondere der Waviness unter
anderem noch weitere Vorteile und Möglichkeiten. So können die
Meßwerte
Aufschluß darüber geben,
ob der Produktionsprozeß für Optimierungsschritte
unterbrochen werden sollte, wenn die Qualität des Glases in Bezug auf die
Waviness zu schlecht ist oder wird.
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Weiterhin
können
die Daten dazu verwendet werden, eine Schnittoptimierung bei der
Zerteilung des Glasbands vorzunehmen. Dies bedeutet, daß das Glasband
unter Berücksichtigung
der Daten über lokale
Verformungen zerteilt wird. Dies ist besonders dann vorteilhaft,
wenn für
verschiedenen Anwendungen unterschiedliche Glasqualitäten benötigt werden. Das
Glasband kann dann möglichst
so zerteilt werden, daß zumindest
zwei Gruppen von Flachglas-Substraten, die unterschiedliche Maximal- oder Durchschnittswerte
der Feinwelligkeit aufweisen, durch Zerteilung anhand der gewonnenen
Daten hergestellt werden. Derartige Gruppen können beispielsweise verschiedene
Klassen unterschiedlicher Qualitätsanforderung
einschließlich
von Ausschuß-Teilen
und/oder verschiedene Substratgrößen umfassen.
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Auch
bei einer Messung außerhalb
des Herstellungsprozesses der Glasscheiben kann anhand der Daten
eine Sortierung nach Qualitätsklassen,
z. B. in Color-Plate-Substrate und TFT-Display-Substrate oder in Substrate
für TFT-Displays
und STN-Displays vorgenommen werden.
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Allgemein
kann eine Inline-Messung für
eine schnelle Prozessoptimierung oder schnelle Prozessentwicklung
durch die Sichtbarmachung des Einflusses von Produktionsaggregaten,
wie etwa von Rührern
verwendet werden. Durch die Rückkopplung
der Daten in den Heißformprozeß können vorteilhaft auch
Arbeitspunkte zur Ausbeutesteigerung stabilisiert werden.
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Durch
eine lückenlose
Protokollierung der Waviness-Qualitätsdaten
wird auch eine zeitliche Rückverfolgbarkeit
der Produktionsergebnisse bzw. Korrelation der Wavinesswerte mit
weiteren Prozessparametern und Stabilisierung der Produktqualität möglich.
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Außerdem ergibt
sich ein Vorteil für
eine Auditierung, insbesondere hinsichtlich von ISO-Standards, denn
mittels der Erfindung kann erstmals eines der wesentlichsten Qualitätsmerkmale
von Displayglas, nämlich
die quantitative Angabe der Waviness vollständig kontrolliert und erfasst
werden.
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Bevorzugt
sind die optische Meßanordnung und
die Einrichtung zur quantitativen Berechnung der Lage und Höhe der Verformungen
so ausgestaltet, daß Deformationen
mit einer Meßunsicherheit
von weniger als 50 Nanometern, vorzugsweise weniger als 20 Nanometern,
besonders bevorzugt von weniger als 10 Nanometern erfaßt werden.
Gemäß noch einer
Weiterbildung werden noch lokale Deformationen mit einer Brechkraft
kleiner als 60 Millidioptrien, bevorzugt kleiner als 40 Millidioptrien
erfaßt
und vermessen. Vorzugsweise ist die Vorrichtung weiterhin eingerichtet
für eine
Erfassung und quantitative Bestimmung von lokalen Verformungen der
Oberfläche des
Flachglas-Substrats mit einer Höhe
oder Tiefe bis 500 μm.
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In
weiterer bevorzugter Ausgestaltung wird eine quantitative Bestimmung
der Höhe
lokaler Verformungen durch eine Kalibration an Proben mit definierter
oder bekannter Krümmung
durchgeführt. Dazu
wird anhand der Wechselwirkung, wie insbesondere einer Ablenkung
von Lichtstrahlen an derartigen Proben mit definierter oder bekannter
Krümmung
die quantitative Bestimmung der Höhe von lokalen Verformungen
kalibriert. Insbesondere kann die quantitative Ermittlung der Höhe von Verformungen
mittels der Messung der Wechselwirkung von Lichtstrahlen an den
lokalen Verformungen der Oberfläche
anhand von Proben mittels eines berührenden Tastschnitt-Verfahrens
kalibriert werden.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen näher
erläutert,
wobei gleiche und ähnliche
Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und die Merkmale
verschiedener Ausführungsbeispiele
miteinander kombiniert werden können.
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Es
zeigen:
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1 eine
Skizze zur Ablenkung von Lichtstrahlen bei dem Meßverfahren
der Laserdeflektion,
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2 ein
Prinzipbild eines Meßverfahrens zur
Erfassung lokaler Deformationen mittels der Veränderung eines Moiré-Musters,
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3 ein
Prinzipbild zur Erfassung mittels Streifenprojektion,
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4 ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer Vorrichtung zur Durchführung
einer Moiré-Messung,
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5 und 6 zwei
Ausführungsbeispiele, bei
welchen lokale Verformungen anhand der Ablenkung von Lichtstrahlen
in zwei unterschiedlichen Richtungen entlang der Oberfläche des
Flachglas-Substrats erfasst werden,
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7 ein
Ausführungsbeispiel
einer Vorrichtung, bei welcher das Flachglas-Substrat mit einem Laser-Fächerstrahl
abgetastet wird,
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8 eine
Aufnahme eines Brechkraft-Profils eines Glasbands,
-
9 eine
Erläuterung
einer Ausführungsform,
bei welcher die Lageschwerpunkts-Änderungen von auf einem Sensor
abgebildeten Leuchtdioden mittels Differenzsignalbildung der Signale
alternierend betriebener Leuchtdioden erfasst wird.
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Im
folgenden werden zunächst
prinzipielle Detektionsmechanismen für die Ziehstreifigkeit, insbesondere
der Waviness erläutert,
die unter anderem auch als Meßverfahren
zur Messung der Ablenkung von Lichtstrahlen an derartigen lokalen
Verformungen geeignet sind.
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Ziehstreifen
sind allgemein lokale Schwankungen der optischen Dicke (d. h. des
Brechungsindex n und/oder der Dicke d) des Glases quer zur Ziehrichtung.
Folgende Prinzipien sind zur Detektion prinzipiell einsetzbar:
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A) Interferometrie
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Dieses
Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung basieren darauf, daß die Veränderung der
Phasenlage der Wellenfront eines an lokalen Verformungen mit dem
Substrat wechselwirkenden Lichtstrahls erfasst wird. Eine ebene
einfallende Wellenfront wird durch ein Phasenobjekt – wie eine Dünnglasscheibe
mit einem nichtebenen optischen Dickenprofil – beim Durchgang durch dieses
Objekt entsprechend verändert
oder verzerrt. Diese Phasenverzerrung wird durch ein bildgebendes
Interferometer quantitativ erfasst und durch entsprechende Software
visualisiert. Die erreichbaren Genauigkeiten liegen im Subnanometerbereich,
wofür allerdings ein
beträchtlicher Aufwand
nötig ist
und die Streifendichte der Ziehstreifigkeit nicht so hoch sein darf.
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B) Deflektion
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In 1 ist
das Prinzip für
die Erfassung lokaler Verformungen der Oberfläche eines Prüfkörpers, wie
etwa eines Flachglas-Substrats mittels Laserdeflektion skizziert.
An den Inhomogenitäten
der optischen Dicke des Flachglas-Substrats 1 mit Seiten 10, 11 werden
Lichtstrahlen 5 beim Durchgang durch das Material aus ihrer
ursprünglichen
(beispielsweise zur Oberfläche
senkrechten) Richtung abgelenkt, so daß die austretenden Lichtstrahlen 6 eine
von der Einfallsrichtung abweichende Richtung aufweisen. Mittels
einer nicht dargestellten optischen Meßeinrichtung wird die Strahlablenkung
als Funktion des Probenorts bestimmt. Die Variation des Einstrahlorts und
die anschließende
Detektion wird durch komplizierte Scananordnungen oder durch den
Einsatz von Arrays von Punktquellen erreicht. Die erzielbaren Ortsauflösungen liegen
dabei im Submillimeterbereich. Allerdings ist dieses Verfahren sehr
oberflächensensitiv.
Dies bedeutet, dass unter realen Bedingungen Fehlmessungen durch
Staubpartikel verursacht werden können. Das Verfahren arbeitet
mit im allgemeinen mit Laserlichtquellen, die wegen der anzustrebenden
kurzen Messzeit mindestens in der Laserschutzklasse III oder sogar
in der Klasse IV anzusiedeln sind.
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C) Moiré-Verfahren
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Bei
diesem besonders bevorzugten Verfahren wird die Tatsache ausgenutzt,
dass durch die inhomogene optische Dicke des Prüfkörpers eine Verzerrung periodischer
Strukturen eintritt, die durch den Prüfkörper hindurch oder als von
der Oberfläche
des Prüfkörpers reflektiertes
Spiegelbild beobachtet werden. Diese periodische Struktur ist bei
diesen Verfahren ein Moiré-Muster,
das durch ein Transmissionsgitter und beispielswiese die Pixellierung
einer (oder mehrerer) CCD Zeilenkameras gebildet wird. Dieses Moiré-Muster
wird durch den Prüfkörper deformiert und
diese Verformung durch Methoden (Phasenschiebeverfahren), wie sie
in der Interferometrie zur Streifenauswertung verwendet werden,
in quantitativer Weise ausgewertet. Demgemäß werden lokale Verformungen
der Oberfläche
des Flachglas-Substrats optisch durch die Veränderung eines Moiré-Musters
erfaßt
und deren Lage und Höhe
quantitativ bestimmt. Die laterale Ortsauflösung (vorzugsweise im Submillimeterbereich)
ist unter anderem durch die Zahl der Kamerabildpunkte und den Abbildungsmaßstab bestimmt.
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2 zeigt
dazu ein Prinzipbild des Meßverfahrens.
G1 und G2 bezeichnen dabei zwei Gitter. Das Moiré-Muster ergibt sich aus deren Überlagerung.
Im oberen Teilbild in 2 zeigt die Interferenzstruktur
aus der Projektion des unverzerrten Gitters G2 auf das Referenzgitter
G1 (Leermessung); das untere Teilbild zeigt den Einfluss einer Verzerrung des
Gitterbilds G2 durch eine sich zwischen den Gittern befindende inhomogene
Glasscheibe 1. Durch die Welligkeit des Substrats und die
damit verbundene Ablenkung der vom ersten Gitter ausgehenden Lichtstrahlen
kommt es zu einer Veränderung
des Moiré-Musters
gegenüber
einem ungestörten
Durchgang.
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Durch
die Verwendung von Mehrkamerasystemen lassen sich im Prinzip beliebig
große
Inspektionsfelder erzeugen. Die Überlappung
der Ergebnisse kann dann in einem Rechnerverbund vorgenommen werden.
Eine quantitative Messgröße, die
letztlich ein Maß für die lokalen
Schwankungen der optischen Dicke des Prüfkörpers bildet, ist die äquivalente
Brechkraft einer Linse mit gleicher Oberflächenkrümmung wie die lokale Krümmung des
Prüfkörpers. Da
die realen Krümmungen
auf einer Dünnglasprobe
als Funktion des Probenorts in Breitenrichtung variieren, ergibt
sich bei der Messung ein Verlauf oder ein Brechkraftprofil.
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Eine
Kalibrierlinse mit konstanter Krümmung erzeugt
daher eine konstante Messkurve als Funktion des Ortes. Der Messbereich
der Brechkraft wird durch die Periode des Moiré-Musters begrenzt, die auf
das jeweilige Messproblem adaptierbar ist.
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Da
keine bewegten Teile im Messverfahren notwendig sind, ist die Messzeit
zur Aufnahme eines Brechkraftprofils sehr klein und liegt im Bereich
einiger Millisekunden. Dies versetzt das Meßsystem in die Lage, zusätzlich zur
Bestimmung der Ziehstreifigkeit auch eine Fehlersuche im Produkt
durchzuführen.
Dazu werden direkt nacheinander aufgenommene Brechkraftprofile miteinander
verglichen und Veränderungen,
die über
einer bestimmten Schwelle liegen, als Fehler markiert und angezeigt.
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Die
Schwellen müssen
in mehreren Optimierungsschleifen in der laufenden Produktion ermittelt und
angepasst werden, um eine adäquate
Klassifizierung durchführen
zu können.
Es müssen
keine kohärenten
Laserquellen verwendet werden, daher muß auch die optische Meßanordnung
keiner einschränkenden
Schutzklasse bezüglich
Lasersicherheit unterliegen.
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D) Schrägbeleuchtung
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Eine
visuelle, bisher nur qualitativ eingesetzte Methode zur Ziehstreifenbestimmung
ist das Verfahren der Schrägbeleuchtung.
Erfindungsgemäß wird für eine quantitative
Bestimmung das Flachglas-Substrat mit einer punktförmigen oder
streifenförmigen
Lichtquelle unter schrägem
Lichteinfall beleuchtet und die örtliche
Intensitätsverteilung
des transmittierten oder reflektierten Lichts erfasst und ausgewertet.
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Dabei
wird eine möglichst
intensive Punktlichtquelle 15, meist eine Xenonhochdruckentladungslampe
als Lichtquelle verwendet. In einem bestimmten Abstand, der wegen
der Vergleichbarkeit der Ergebnisse festgelegt ist, befindet sich
der Prüfkörper, beispielsweise
das Flachglas-Substrat 1, das vom Licht durchstrahlt wird.
Dahinter befindet sich ein optischer ortsauflösender Detektor 16 als
Einrichtung zur Erfassung der örtlichen
Intensitätsverteilung
des reflektierten, oder wie bei dem in 3 gezeigten Beispiel
transmittierten Lichts.
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Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung können
auch parallel mehrere Paare von Lichtquellen und optischen ortsauflösenden Detektoren 16 eingesetzt
werden, welche eine Erfassung des Substrats unter jeweils unterschiedlichen
Winkeln ermöglichen.
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Das
Verfahren nutzt die Linsenwirkung der lokalen Oberflächenkrümmungen.
Eine lokal konvexe Form wirkt als Sammellinse, was bedeutet, dass der
Detektor dort, wo die durch eine derartige Verformung gebrochenen
Lichtstrahlen auftreffen, eine höhere
Intensität
mißt.
Dunklere Stellen, beziehungsweise niedrigere Intensitäten entstehen
entsprechend durch lokal konkave Oberflächenkrümmungen.
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Zur
Steigerung der Empfindlichkeit kann das Substrat 1 drehbar
gelagert sein, so dass die Flächennormale
gegen die optische Achse der Beleuchtung unterschiedlich geneigt
werden kann. Dadurch wird die Strukturhöhe durch die Änderung
des Projektionswinkels größer und
die optische Wirkung besser sichtbar als etwa bei senkrechtem oder
steileren Lichteinfall.
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4 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel einer
Vorrichtung 3 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Bestimmung der Waviness von Flachglas-Substraten, wobei optisch und berührungsfrei
die Wechselwirkung von Lichtstrahlen an lokalen Verformungen der
Oberfläche
des Flachglas-Substrats 1 erfaßt und anhand der erfassten Wechselwirkung
oder wenigstens einer sich daraus ergebenden Meßgröße die Lage und Höhe der lokalen
Verformungen quantitativ bestimmt werden. Im speziellen ist die
Vorrichtung zur Erfassung der Verformungen mittels eines Moiré-Verfahrens
ausgebildet, bei welchem die lokalen Verformungen der Oberfläche des
Flachglas-Substrats 1 optisch durch die Veränderung
eines Moiré-Musters
erfaßt
und deren Lage und Höhe
quantitativ bestimmt werden. Das Moiré-Muster wird dabei durch
Abbildung eines ersten Rasters 20 auf die Pixel einer Zeilenkamera 25 erzeugt.
Das Flachglas-Substrat 1 wird dabei entlang einer Vorschubrichtung 17 durch
die Vorrichtung 3, beziehungsweise deren optischer Meßanordnung hindurchbewegt.
Bei dem Flachglas-Substrat kann es sich auch um ein kontinuierliches
Glasband 2 aus einem kontinuierlichen Heißformungsprozeß, beispielsweise
einem Float-, Overflow-Fusion- oder Downdraw-Prozeß handeln.
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Parallel
zu einer Seite des Flachglas-Substrats 1 ist ein eindimensionales
Raster 20 angeordnet. Der Begriff "eindimensional" kennzeichnet dabei im Sinne der Erfindung
die Anzahl der Modulationsrichtungen des Rasters, bei einem eindimensionalen Raster
dementsprechend ein in einer Richtung moduliertes Raster. Gegenüberliegend
ist eine Zeilenkamera 25 angeordnet, wobei das Raster 20 auf
die Kamerapixel abgebildet wird. Vorzugsweise wird das Substrat dabei
zumindest entlang seiner Nutzbreite, vorzugsweise entlang seiner
gesamten Breite vermessen, wozu ein entsprechend langes Raster 20 verwendet
wird, welches sich zumindest über
die gesamte Nutzbreite erstreckt. Die Kamera 25 ist ebenfalls
so ausgebildet, daß das
Substrat 1 entlang seiner gesamten Breite B von den Kamerapixeln
erfasst wird.
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Das
Moiré-Muster
entsteht dabei durch die Überlagerung
der Abbildung des Rasters 20 auf die entlang der gleichen
Richtung wie die Modulationsrichtung des Rasters angeordneten Pixel.
Das Raster 20 und die Kamera 25 erstrecken sich
parallel zueinander in einer Richtung quer zur Vorschubrichtung 17,
hier insbesondere senkrecht dazu. Durch diese Anordnung werden die
lokalen Verformungen anhand der Ablenkung von Lichtstrahlen in einer
Richtung entlang der Oberfläche
des Flachglas-Substrats parallel zur Modulationsrichtung des Rasters,
also schräg
zur Vorschubrichtung erfasst. Mit dieser Anordnung kann bei einem
kontinuierlichen Glasband insbesondere die Waviness aufgrund produktionsbedingter
Ziehstreifigkeit erfasst werden, bei welcher sich entlang der Ziehrichtung
langgestreckte Wellen ausbilden. Damit werden bereits die meisten
für die Waviness
relevanten Strukturen bei solchen Glassubstraten, insbesondere bei
kontinuierlichen Glasbändern 2 erfasst.
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Diese
Anordnung ist allerdings nicht empfindlich auf Strukturen mit einem
Krümmungsvektor, welcher
senkrecht zur Vorschubrichtung liegt.
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Wird
auch eine Detektion solcher Strukturen benötigt, so kann eine zweite Messung
mit verdrehter Vorschubrichtung vorgenommen werden. Bei einem Glasband
ist dies jedoch nicht praktikabel. Auch bei vereinzelten Flachglas-Substraten 1 verlängert sich dabei
die Meßzeit.
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Die 5 und 6 zeigen
zwei Ausführungsbeispiele,
bei welchen lokale Verformungen anhand der Ablenkung von Lichtstrahlen
in zwei unterschiedlichen Richtungen entlang der Oberfläche des Flachglas-Substrats
erfasst werden. Diese Vorrichtungen können demgemäß bereits mit einem einmaligen
Durchschieben entlang der Vorschubrichtung eine vollständige Messung
der Waviness durchführen.
Das in 5 dargestellte Ausführungsbeispiel ist in Aufsicht
dargestellt. Im Unterschied zu dem in 4 gezeigten
Beispiel werden hier zwei Raster 20, 21 und zwei
Zeilenkameras 25, 26 verwendet. Auch hier sind
die Raster 20, 21 gegenüberliegend zu den Kameras 25, 26 angeordnet,
so daß das
von den Rastern 20, 21 ausgehende Licht durch
das Substrat 1 transmittiert wird, bevor es auf die Kamerapixel trifft.
Die beiden Raster 20, 21 und die zugeordneten Kameras 25, 26 sind
in unterschiedlichen Richtungen entlang der Oberfläche des
Substrats angeordnet. Durch die Kombination der Messungen von beiden Kameras
können
damit Verformungen in beliebiger Richtung erfasst werden.
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Bei
dem in 6 gezeigten Beispiel wird anstelle eines oder
mehrere eindimensionaler Raster und Zeilenkameras eine Matrixkamera 27 in
Verbindung mit einem zweidimensionalen Raster 23 eingesetzt,
um eine besonders schnelle Erfassung von Verformungen zu ermöglichen.
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Auch
bei den in den 5 und 6 gezeigten
Beispielen sind die Raster 20, 21, beziehungsweise 23 jeweils
so bemessen und angeordnet, daß sie
sich zumindest entlang der Nutzbreite, vorzugsweise entlang seiner
gesamten Breite erstrecken. Die Kameras 25, 26,
beziehungsweise 27 sind dann so eingerichtet, daß jeweils
das gesamte Raster entlang der Nutzbreite erfasst wird.
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In 7 ist
eine Vorrichtung 3 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Bestimmung der Waviness von Flachglas-Substraten dargestellt,
bei welcher die Ablenkung eines das Flachglas-Substrat 1 abtastenden
Laserstrahls an lokalen Deformationen der Oberfläche des Flachglas-Substrats 1 erfasst
wird. Im speziellen wird dabei das Flachglas-Substrat 1 mit
einem zu einem Fächerstrahl 31 aufgeweiteten
Laserstrahl abgetastet, während
das Flachglas-Substrat 1 entlang der Vorschubrichtung 17 bewegt
wird. Der Fächerstrahl
wird von einer entsprechend ausgebildeten Fächerstrahl-Lichtquelle 30 erzeugt,
tritt aus deren Lichtaustrittsöffnung 34 aus
und beleuchtet einen sich quer zur Vorschubrichtung 17 erstreckenden
streifenförmigen
Bereich 32 auf der Oberfläche des Flachglas-Substrats 1.
Die Beleuchtung erfolgt unter schrägem Lichteinfall. Die Erfassung
der Ablenkung von durch das Flachglas-Substrat 1 transmittierten Teilstrahlen
des Fächerstrahls 32 erfolgt
mittels einer ortsempfindlichen Zeilenkamera 25. Diese
ist unter der Seite des Substrats 1 angeordnet, aus welcher die
durch das Substrat 1 transmittierten Strahlen austreten.
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Ebenfalls
möglich
ist beispielsweise auch eine Anordnung mit einem Reflektor anstelle
der Detektors 25. Der Reflektor reflektiert dann die Lichtstrahlen
in Lichteinfallsrichtung zurück.
In diesem Fall können
Zeilenkameras ober- und unterhalb der Lichtaustrittsöffnung 34 angeordnet
sein und durch lokale Deformationen abgelenkte Lichtstrahlen erfassen.
Eine Zusatzmessung in Reflexion ist ebenfalls möglich.
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In 8 ist
ein Ausschnitt eines von einem Glasband 2 aufgenommenen
Brechkraft-Profils dargestellt. Das Glasband wurde mit einem Moiré-Verfahren,
wie es anhand der 2 und einer Vorrichtung, wie
sie 4 prinzipiell zeigt, vermessen. Entsprechend dem
eindimensionalen Raster, welches sich quer zur Vorschubrichtung
erstreckt, wird nur eine Ablenkung von Lichtstrahlen in dieser Richtung, also
durch Verformungen mit einer Krümmungsvektor-Komponente
senkrecht zur Vorschubrichtung erfasst. Gerade bei einem kontinuierlichen
Glasband, wie es beispielsweise durch einen Float-Prozeß erhalten
wird, sind die wesentlichen Verformungen aber gerade langgestreckte
Ziehstreifen entlang der Vorschubrichtung 17, die dementsprechend
in Richtung senkrecht dazu gekrümmt
sind und durch eine wie in 4 gezeigte
Anordnung erfasst werden. Erhöhte
Brechkraftwerte sind in 8 dunkel dargestellt. Die Ziehstreifen
zeigen sich dementsprechend bei der in 8 gezeigten
Darstellung als dunkle Streifen entlang der Vorschubrichtung.
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Die
Waviness kann schließlich
mittels einer Einrichtung zur Berechnung der quantitativen Lage und
Höhe der
lokalen Verformungen aus dieser Meßgröße erhalten werden, welche
eine zweifache Integration dieser Meßwerte über die Ortskoordinate quer
zur Vorschubrichtung durchführt.
Wird nicht nur die Brechkraft, sondern direkt die Ablenkung der Lichtstrahlen
anhand der Veränderung
des Moiré-Musters
erfasst, kann die Waviness bereits mittels einer einfachen Integration
dieser Meßwerte
berechnet werden.
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9 zeigt
eine Erläuterung
einer Ausführungsform,
bei welcher die Lageschwerpunkts-Änderungen von auf einem Sensor
abgebildeten Leuchtdioden mittels Differenzsignalbildung der Signale
alternierend betriebener Leuchtdioden erfasst wird. Die Leuchtdioden 39 sind
in einer oder mehreren Reihen angeordnet und werden in zwei Gruppen 41, 42 untergliedert.
Die zu einer der Gruppen 41, 42 gehörenden Leuchtdioden
sind jeweils gleichartig schraffiert. Die Leuchtdioden der Gruppen 41, 42 sind,
wie anhand von 9 deutlich wird, alternierend
angeordnet, so daß eine
Leuchtdiode einer Gruppe jeweils Leuchtdioden der anderen Gruppe
als nächste
Nachbarn hat. Die beiden Gruppen werden außerdem zeitlich alternierend
betrieben. Auf dem Sensor, auf welchem die Leuchtdioden abgebildet
werden, werden Intensitätssignale 43 erfasst,
die in 9 als Balken dargestellt sind, wobei die Intensität der Signale durch
die Höhe
der Balken wiedergegeben ist. Die Schraffur der Balken entspricht
der Schraffur der Leuchtdioden 39 und gibt wieder, zu welcher
Gruppe der alternierend betriebenen Leuchtdioden das gemessene Intensitätssignal
auf einem Pixel gehört.
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Befindet
sich kein Glasfehler zwischen Beleuchtung und Kamera, werden die
Intensitäten
der Leuchtdioden der beiden Grtuppen 41, 42 gleich
hell registriert. Im Falle eines durchlaufenden Partikels werden
beide Signale gleichmäßig geschwächt. Auch
in diesem Fall verschwindet das Differenzsignal. Durchläuft aber
ein ablenkender Fehler – wie
die in 9 dargestellte Welle 45 die Kamerasichtlinie wird
je nach Linsenwirkung des Defekts Licht vom einen in den anderen
Intensitätskanal
gelenkt, so daß Differenzsignale,
bei dem in 9 gezeigten Beispiel die Differenzsignale ΔI1, ΔI2 auftreten. Betrachtet man immer das Differenzsignal,
ist sichergestellt, daß reale
Fehler von Partikeln unterschieden werden können. Durch Integration der
Differenzsignale über den
Meßort
kann dann nicht nur die Ablenkung, sondern auch die Lage und Höhe der Verformung,
hier also der Welle 45 ermittelt werden.
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Es
ist dem Fachmann ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend
beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen beschränkt ist, sondern
vielmehr in vielfältiger
Weise variiert werden kann. Insbesondere können die Merkmale der einzelnen
Ausführungsbeispiele
auch miteinander kombiniert werden.