JP5175061B2 - 平滑面における点状、線状又は面状の欠陥の検出のための光センサ - Google Patents

Description

本発明は、平滑面における点状、線状又は面状の欠陥の検出のための光センサ及び該センサを用いた方法に関している。この場合は１μｍよりも少ない範囲の寸法を有する欠陥が処理される。

陰極線管を有するモニターないしはテレビジョン機器は、益々市場から閉め出されている。この種の平面型画面に使用されるフラットガラスは特別な要求にも応じなければならないし、特に欠陥がないものでなければならない。この場合は１つのフラットガラスパネルの２つの表面側が観察されなければならない。その際には電気的な端子を備えたガラス側がいわゆる写真平板的に処理され、フラットガラスパネルの外方に向く側としての異なる要求と突き合わされて検査される。総じて薄型フラットガラスの製造には完全な検査が必要である。なぜなら極端に小さな欠陥もガラス表面の処理に影響を与え、それによってモニター機能にも支障が生じ得るからである。フラットガラスの製造においては標準的に高い処理能力が備えられており、そのため検査システム若しくはコントロールシステムは大量のフラットガラスを検査しなければならない。この場合の相応する検査は全ての表面をカバーしている。最も発生頻度の高い欠陥は、点状若しくは線状の欠陥である。これらの欠陥はサブミクロン領域においても除外されるべきなので、これらは相応の検査方法によって検出され局所化されなければならない。

点状、線状又は面状の欠陥を識別するためにたいていは適切な照明機能を備えたラインスキャンカメラが用いられる。この技術を用いて識別可能な欠陥は、数マイクロメータの範囲にある。サブミクロン領域の欠陥、例えば数ナノメートルの深さの極端に小さな引っ掻き傷は今時では強力なライトのもとで熟練者による目視でしか検出することができない。しかしながらこの手法はいずれにせよ製造工程におけるフラットガラスの完璧な検査には向かない。

本発明の課題は、冒頭に述べたような形式の装置及び方法において、平滑面における点状、線状又は面状の欠陥に関する完璧な光学的検査が可能となり、その場合のディメンションがサブミクロンの範囲となるような改善を行うことである。

前記課題は、独立請求項の特徴部分に記載された本発明によって解決される。

本発明の別の有利な構成例は従属請求項に記載されている。

本発明は次のような見識に基づいている。すなわちその寸法がサブミクロン領域にある点状、線状又は面状であり得る欠陥に対し、テレセントリックなレーザースキャナを光電子増倍管と組み合わせて使用することによって欠陥箇所で散乱するレーザー光を検出し、それによって平滑面、特にフラットガラス上の１００％の検査を可能にすることである。光電子増倍管の非常に高い検出感度は、高いデータレートの維持のもとでサブミクロン領域の欠陥の検出を可能にする。これにより総体的に平滑面ないしはフラットガラスの完璧な最終コントロールを可能にする。走査用の照明ビームも検出ビームパスもテレセントリックに配設される。このことは欠陥から発する散乱光が照明方向に対して（これは測定方向に同じである）回転対称なアパーチャを介して補足されることを可能にする。これにより特に微細な引っ掻き傷が表面上のその位置に依存することなく当該表面に亘って均等な感度で観察されて識別される。センサの光学的な構成は非常に単純である。なぜならセンサの解像度は走査ビームの収束直径によってのみ確定されるからである。この理由から走査光学系の結像品質は検出ビームパスに比べて僅かな走査ビームのアパーチャに整合させるだけである。検出光学系を介して戻り方向の散乱光が収集され、検出光学系の結像品質には何ら特別な要求は課されない。

引っ掻き傷の識別に対して特に有利には、検出光学系のアパーチャが光軸に対して回転対称に形成される。照明に対しても検出ビームガイドに対してもテレセントリックなセンサ構成によって主要な照明光成分が検査すべき表面において鏡面反射されるので、この種の光成分を光増倍管まで到達させないようにするために、中央絞りが用いられなければならない。このことは絞りによって行われてもよいし、チルトミラーによって行われてもよい。このミラーはセンサの変化実施例において走査光ビームを外部からテレセントリックなビームパスへ案内するために若しくは入力結合させるために必要となるものである。

検出光学系の中央にあるこの種の絞りは、例えばガラスサンプル表面から鏡面反射された光を阻止する。この光はテレセントリックな照明に基づいて照明パスを戻りながら通過する。ここに設けられる絞りのサイズは、照明方向に垂直なガラスサンプルの所期の角度誤差を許容する。中央絞りによって環状の、つまり光軸に対して回転対称な検出アパーチャの構成が走査ビームの箇所に依存することなく実現される。この環状のアパーチャの利点は、線状の欠陥に対しても測定面上のその方向に依存することなく均等な検出感度を同時に可能にすることである。

検出アパーチャが環状に構成されるのではなくて、例えば相対抗する２つの弓形区分からなる場合には、有利には、検出領域内で生じる角度ギャップ部分が付加的なセンサを用いることによってブリッジされる。その場合に使用されるセンサの走査ラインはそれぞれ相互に傾斜されなければならない。

前述してきたセンサは有利にはフラットガラスパネルの検査に用いられてもよい。その場合のフラットガラスパネルは例えば１／１０ｍｍ領域の材料厚さを有していてもよいし、数平方メートルまでの大きさであってもよい。一方では製造後のフラットガラスの全面検査も可能である。さらにサブミクロン領域の点状、線状、面状の欠陥も識別できる。その被写界深度が被検ガラスの厚さよりも著しく少ないセンサの変化実施例によれば、欠陥が測定の際に照明される平面ガラスの上側にあるのかそれとも下側にあるのかが付加的に検出できる。

フラットガラスの製造時に可能となる供給速度に整合させ、さらに検査をそれと同時にないしは製造レートと厳密に同じ早さで実行するために、高いデータレートがセンサの中で得られなければならない。このことは高感度な光電子増倍管を用いることによって可能となる。

以下では本発明の実施例を、発明を限定したものではない概略的な図面に基づいて説明する。

前述したセンサの原理構造を表している図１では、レーザーの平行光線がスキャナから所定の角度範囲で偏向されている様子が示されている。レーザー１はレーザービームを生成し、このレーザービームは走査ミラー２によって偏向されている。テレセントリックな走査光学系４は、偏向された光を検査すべき平滑面５ないしはガラスサンプルに収束させている。光ビームは表面に垂直に入射し、走査ミラーの偏向によって、収束されたレーザーは表面上で線となる。ガラスサンプルの平面走査はサンプルを走査ラインに対して垂直にシフトさせることによって達成される。ガラス表面から反射された散乱光は、テレセントリックな走査光学系４によって平行化され、後続の検出光学系８によってスリット絞り７上に収束される。この収束された光は当該スリット絞り７を透過し、光電子増倍管６の受信面に入射する。この光電子増倍管６の前に配置されたスリット絞り７はその光を、レーザーフォーカスの箇所からガラス表面へ発せられたものではない外乱光から十分に遮蔽する。検出光学系中央の絞り９は、ガラス表面から鏡面反射された光を阻止する。この光はテレセントリックな照明に基づいて検出ビームパスを戻るものであり、図１においては左方に進んでいる。

所定の範囲内で可変に構成可能である中央絞り９のサイズによって、角度偏差に対するセンサの所期の非依存性が形成される。それにより検査すべき表面は所定の範囲で垂直な照明方向に対して傾斜可能である。検出光学系の中央絞りは、走査ビームの箇所に依存することなく環状な検出器アパーチャを生ぜしめる。この環状のアパーチャは被検表面上のその方向に依存することなく線状の欠陥に対して均等な検出感度を可能にする。

図２には図１における表示の変化例が示されており、この場合ここではレンズの光軸周りで９０度回転された配置構成が選択されている。走査光学系４は当該実施例では例えば走査角度を拡大するためにさらなる光学系からなっている。この光学要素は反射された散乱光によって透過されるべきではないので、検出ビームパスの外部に配置しなければならない。そのためそれは偏向ミラー３を介して供給される。この偏向ミラーは同時に、図１における中央絞り９の代わりである。この場合この偏向ミラー３は中央絞り９よりもはるかに幅広である。さらにこの実施例での検出アパーチャはもはや環状ではなく、２つの相対抗する弓形区分からなっている。それにより回転対称ではなくなるアパーチャの結果として例えば線状の欠陥はどんなことがあっても識別できなくなる。この検出領域におけるギャップ角度は、さらなるセンサを用いることによってカバーできる。このさらなるセンサの走査線はその検出領域が第１のセンサのギャップ角度を覆うように回転されたものである。

それによりフラットガラスの完全な監視が可能となり、点状、線状又は面状に形成された欠陥がサブミクロン領域まで識別され局所化される。特に欠陥をおおざっぱに局所化する全表面の検査が被写界深度の大きな第１のセンサによって実施され、さらに被写界深度の僅かな第２のセンサを用いてフラットガラスパネルのどの側に欠陥が生じているのかが決定される。

フラットガラスパネルの相応の送込みのもとで、レーザービームの揺動を用いることによって対象の平面走査と、種々異なる欠陥の検出が達成される。

微細な引っ掻き傷はそれを照明する光をその長手軸に垂直な方向にのみ散乱させる。それ故その光は、長手軸に対して垂直方向で監視された場合にのみ可視となる。そのためそのような引っ掻き傷をガラス上の位置に依存することなく識別できるようにするために、受信光学系のアパーチャは照明方向に対して回転対称に配置されなければならない。アパーチャが技術的な理由から完全な回転対称ではない場合には、アパーチャ領域の重複する複数のセンサを用いることができる。その場合には対象表面が相前後して走査される。高い測定速度は複数のセンサの並行使用によって達成される。そのほかにもこれらのモジュラ構造は種々異なる幅のガラスプレートへの検査系の適応化を可能にする。

前述したセンサの被写界深度はガラスの厚さよりも大きいので、表側と裏側の欠陥はそのままでは互いに区別できない。これに対してはその被写界深度がガラス厚さよりも小さい第２のセンサが設けられ、それによって間隔値ないし高さ値が送出される。実際においてはこの種の第２のセンサを用いるだけでは完全な検査は不可能である。それ故この第２のセンサは、欠陥の横方向位置が第１のセンサを用いて既に検出され、あと高さ位置のみが検出されるべき場合に用いられる。

検出ユニットとテレセントリックなレーザースキャナを備えたセンサの原理構造を示した図 図１に相応するセンサの変化実施例を示した図

符号の説明

１ レーザー
２ 走査ミラー
３ 偏向ミラー
４ テレセントリック光学系
５ 平滑面
６ 光電子増倍管
７ スリット絞り
８ 検出光学系
９ 中央絞り
１１ 検出ユニット
１２ テレセントリックレーザースキャナ
１３ 走査光学系

Claims (12)

1. 平滑面における点状、線状又は面状の欠陥の検出のための光センサにおいて、
   ａ）前記光センサは、テレセントリックレーザースキャナ（１２）を含んでおり、
   前記テレセントリックレーザースキャナ（１２）は、
   レーザービームを用いて平滑面（５）をほぼ垂直な方向で照明するためのレーザー（１）と、
   走査ミラー（２）と、
   走査すべき平滑面にレーザービームを収束するためのテレセントリック光学系（４）とを有し、ここでは、
   前記走査ミラー（２）によってレーザービームが走査すべき平滑面（５）の方へ偏向され、前記テレセントリック光学系（４）によってレーザービームが走査すべき平滑面に収束されており、
   ｂ）さらに前記光センサは、検出ユニット（１１）を含んでおり、
   前記検出ユニット（１１）は、
   走査すべき平滑面（５）上の欠陥箇所へのレーザービームの入射によって生じる散乱光の受信のための高感度光電子増倍管（６）と、
   走査すべき平滑面（５）から見て前記高感度光電子増倍管（６）の手前に設けられているスリット絞り（７）と、
   走査すべき平滑面（５）から見て前記スリット絞り（７）の手前に設けられ、かつ前記テレセントリック光学系（４）とは構造的に分離された検出光学系（８）と、
   前記検出光学系（８）に同心的に配置され、走査すべき平滑面（５）から見て前記検出光学系（８）の手前に設けられ、かつ前記走査ミラー（２）とは構造的に分離された中央絞り（９）とを有しており、
   前記テレセントリック光学系（４）によって散乱光が平行化され、それに続いて前記検出光学系（８）によってスリット絞り（７）に収束され、この場合、走査すべき平滑面の欠陥箇所へのレーザー光の入射によって引き起こされた光とは異なる光の前記検出光学系（８）への入射が前記中央絞り（９）を用いて阻止されるように構成されていることを特徴とする光センサ。
2. 前記高感度光電子増倍管のアパーチャが環状に形成されている、請求項１記載の光センサ。
3. 平滑面における点状、線状又は面状の欠陥を検出するための方法であって、
   ａ）テレセントリックレーザースキャナ（１２）を含み、
   前記テレセントリックレーザースキャナ（１２）は、
   レーザービームを用いて平滑面（５）をほぼ垂直な方向で照明するためのレーザー（１）と、
   走査ミラー（２）と、
   テレセントリック光学系（４）とを有しており、ここでは、
   前記走査ミラー（２）によってレーザービームが走査すべき平滑面（５）の方へ偏向され、前記テレセントリック光学系（４）によってレーザービームが走査すべき平滑面に収束されており、
   ｂ）さらに検出ユニット（１１）を含み、
   前記検出ユニット（１１）は、
   走査すべき平滑面（５）の欠陥箇所へのレーザービームの入射によって生じる散乱光を受信する高感度光電子増倍管（６）と、
   走査すべき平滑面（５）から見て前記高感度光電子増倍管（６）の手前に設けられているスリット絞り（７）と、
   走査すべき平滑面（５）から見て前記スリット絞り（７）の手前に設けられ、かつ前記テレセントリック光学系（４）とは構造的に分離された検出光学系（８）と、
   前記検出光学系（８）に同心的に配置され、走査すべき平滑面（５）から見て前記検出光学系（８）の手前に設けられ、かつ前記走査ミラー（２）とは構造的に分離された中央絞り（９）とを有している、光センサを用いて、平滑面における点状、線状又は面状の欠陥を検出するための方法において、
   前記テレセントリック光学系（４）によって散乱光が平行化され、それに続いて前記検出光学系（８）によってスリット絞り（７）に収束され、この場合、走査すべき平滑面の欠陥箇所へのレーザー光の入射によって引き起こされた光とは異なる光の前記検出光学系（８）への入射が前記中央絞り（９）を用いて阻止されるようにしたことを特徴とする方法。
4. 前記高感度光電子増倍管（６）は、環状のアパーチャを有している、請求項３記載の方法。
5. レーザービームを用いて透過的なフラットガラスの平滑面が走査される、請求項３又は４記載の方法。
6. 平滑面における点状、線状又は面状の欠陥の検出のための光センサにおいて、
   ａ）前記光センサは、テレセントリックレーザースキャナ（１２）を含んでおり、
   前記テレセントリックレーザースキャナ（１２）は、
   レーザービームを用いて平滑面（５）をほぼ垂直な方向で照明するためのレーザー（１）と、
   走査すべき平滑面にレーザービームを収束するためのテレセントリック光学系（４）とを有し、
   ｂ）さらに前記光センサは、検出ユニット（１１）を含んでおり、
   前記検出ユニット（１１）は、
   走査すべき平滑面（５）上の欠陥箇所へのレーザービームの入射によって生じる散乱光をそれぞれ受信するための第１及び第２の高感度光電子増倍管と、
   走査すべき平滑面（５）から見て前記第１及び第２の高感度光電子増倍管の手前に設けられているスリット絞り（７）と、
   走査すべき平滑面（５）から見て前記スリット絞り（７）の手前に設けられ、かつ前記テレセントリック光学系（４）とは構造的に分離された検出光学系（８）とを有しておりｃ）さらに前記光センサは、前記検出光学系（８）に同心的に配置され、かつ走査すべき平滑面（５）から見て前記検出光学系（８）の手前に設けられた偏向ミラー（３）を含んでおり、ここでは、
   前記偏向ミラー（３）によってレーザービームが走査すべき平滑面（５）の方へ偏向され、
   前記テレセントリック光学系（４）によって散乱光が平行化され、それに続いて前記検出光学系（８）によってスリット絞り（７）に収束され、この場合、走査すべき平滑面の欠陥箇所へのレーザー光の入射によって引き起こされた光とは異なる光の前記検出光学系（８）への入射が前記偏向ミラー（３）を用いて阻止され、
   前記第１の高感度光電子増倍管は、前記偏向ミラー（３）によって阻止された光に基づき、２つの相対抗する弓形区分によって形成されるアパーチャを有し、それによって前記２つの弓形区分の間でギャップ角度が生じ、ここで前記第２の高感度光電子倍増管のアパーチャが第１の高感度光電子倍増管のアパーチャのギャップ角度をカバーするように構成されていることを特徴とする光センサ。
7. 走査角度の拡大のために走査光学系（１３）が検出ビームパスの外側に配置され、走査すべきレーザービームが当該走査光学系（１３）から前記偏向ミラー（３）を介して入力結合される、請求項６記載の光センサ。
8. 平滑面における点状、線状又は面状の欠陥の検出のための方法であって、
   ａ）テレセントリックレーザースキャナ（１２）を含み、
   前記テレセントリックレーザースキャナ（１２）は、
   レーザービームを用いて平滑面（５）をほぼ垂直な方向で照明するためのレーザー（１）と、
   走査すべき平滑面にレーザービームを収束するためのテレセントリック光学系（４）とを有し、
   ｂ）さらに検出ユニット（１１）を含み、
   前記検出ユニット（１１）は、
   走査すべき平滑面（５）上の欠陥箇所へのレーザービームの入射によって生じる散乱光をそれぞれ受信するための第１及び第２の高感度光電子増倍管と、
   走査すべき平滑面（５）から見て前記第１及び第２の高感度光電子増倍管の手前に設けられているスリット絞り（７）と、
   走査すべき平滑面（５）から見て前記スリット絞り（７）の手前に設けられ、かつ前記テレセントリック光学系（４）とは構造的に分離された検出光学系（８）とを有しておりｃ）さらに、前記検出光学系（８）に同心的に配置され、かつ走査すべき平滑面（５）から見て前記検出光学系（８）の手前に設けられた偏向ミラー（３）を含んでいる、光センサを用いて、平滑面における点状、線状又は面状の欠陥を検出するための方法において、
   前記偏向ミラー（３）によってレーザービームが走査すべき平滑面（５）の方へ偏向され、
   前記テレセントリック光学系（４）によって散乱光が平行化され、それに続いて前記検出光学系（８）によってスリット絞り（７）に収束され、この場合、走査すべき平滑面の欠陥箇所へのレーザー光の入射によって引き起こされた光とは異なる光の前記検出光学系（８）への入射が前記偏向ミラー（３）を用いて阻止され、
   前記第１の高感度光電子増倍管は、前記偏向ミラー（３）によって阻止された光に基づき、２つの相対抗する弓形区分によって形成されるアパーチャを有し、それによって前記２つの弓形区分の間でギャップ角度が生じ、ここで前記第２の高感度光電子倍増管のアパーチャが第１の高感度光電子倍増管のアパーチャのギャップ角度をカバーするようにしたことを特徴とする方法。
9. 走査角度の拡大のために走査光学系（１３）が検出ビームパスの外側に配置され、走査すべきレーザービームを当該走査光学系（１３）から前記偏向ミラー（３）を介して入力結合させる、請求項８記載の方法。
10. 透過的なフラットガラスの表面の欠陥を検出する、請求項８または９記載の方法。
11. 前記透過的なフラットガラスの両側における欠陥が同時に検出されるように、センサの被写界深度を設定する、請求項１０記載の方法。
12. センサの被写界深度を前記フラットガラスの厚さよりも小さく設定し、それによって欠陥の高さ位置と、欠陥を有しているフラットガラス表面とを求めるようにした、請求項８から１０いずれか１項記載の方法。

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