JP5610844B2

JP5610844B2 - ガラスシート用検査システム

Info

Publication number: JP5610844B2
Application number: JP2010118163A
Authority: JP
Inventors: エムバーグデイヴィッド; キンバリーイーストマンクラーケ; ゴリエジャック
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 2009-05-22
Filing date: 2010-05-24
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2030-05-24
Also published as: US7929129B2; KR20100126233A; US20100296084A1; TWI427286B; CN101900691B; CN201795992U; KR101600094B1; DE102010029216A1; CN101900691A; JP2010271320A; TW201109646A

Description

本開示はガラスシートの検査に関する。

定義：
本開示及び特許請求の範囲に用いられるように、以下の語句は以下の意味をもつものとする。

「欠陥」はガラスシート上またはガラスシート内の粒子及び欠陥を包括的に指す。

「ガラスシート」は個々のガラス片または個々のガラス片がそこから分割されるガラスリボンのいずれかを、検査システムの特定の用途に依存して、すなわちシステムがガラスリボンの検査またはとリボンから分割された個々のガラス片の検査のいずれに用いられるかに依存して、指す。

「光」は電磁放射全般を指し、可視範囲及び不可視範囲内の放射のいずれも含む。

「ラインスキャンカメラ」は、ピクセルからなる感光領域を有し、感光領域の長さＬが感光領域の幅Ｗの少なくとも１０倍である、検出器を指す。ラインスキャンカメラは、Ｌ/Ｗ比が１０である、(時間ドメイン積分カメラとしても知られる)時間遅延／積分(ＴＤＩ)カメラを含む。

背景技術：
ディスプレイ用途、例えば液晶ディスプレイ(ＬＣＤ)及び有機発光ダイオード(ＯＬＥＤ)ディスプレイに基板として用いられるガラスシートは、大きさが１μｍ程度ないしさらに大きい欠陥が実質的に存在しない表面を有していることが必要である。したがって、そのような欠陥についてガラスシートを検査するための有効な手段を見いだすために多大な努力がなされてきた。

欠陥の寸法が小さいこと、ガラスシートが検査に通常用いられる波長において透明であるという事実及びディスプレイ用途のためのガラスシートが薄い、例えば０.２〜１ｍｍ程度であるという事実が、検査を困難な課題にしている。さらに、フラットパネルディスプレイの需要が高まるとともに、稼働しているガラス製造ラインの数も増加してきた。この結果、検査装置の必要が高まり、したがって、そのような装置のコスト及び複雑さがそのような用途に対するシステムの適合性の評価に重要な要件となっている。

本発明の課題は、製造環境に容易に配備され得るコンパクトな装置に容易に集成することができる比較的低コストの光学コンポーネントを用いながら、ディスプレイガラスの確実な検査にともなう性能基準を満たすことができる検査システムを提供することである。

第１の態様にしたがえば、第１の表面及び第２の表面を有する透明ガラスシートを検査するための装置であって、
(Ａ)ガラスシートの一領域を照明する光源、
(Ｂ)ガラスシート上またはガラスシート内の欠陥から散乱される光を検出するラインスキャンカメラであって、長さＬ及び幅Ｗを有する感光領域を形成する複数のピクセルを有するラインスキャンカメラ、及び
(Ｃ)欠陥からの散乱光をラインスキャンカメラに転送する光学系であって、開口数ＮＡ及び、
(ｉ)第１の部分及び第２の部分を有する凹面一次ミラーであって、曲率半径Ｒを有する凹面一次ミラー、及び
(ii)凸面二次ミラー、
を有する光学系
を備え、
(ａ)欠陥からの散乱光が、凹面一次ミラーの第１の部分からの反射、凸面二次ミラーからの反射、及び凹面一次ミラーの第２の部分からの反射を含む、光路を介してラインスキャンカメラに到達する、
(ｂ)一次ミラー及び二次ミラーの曲率中心が実質的に一致し、二次ミラーの半径が一次ミラーの半径の１/２に実質的に等しい、及び
(ｃ)Ｌ，Ｗ及びＲが関係式：
Ｌ/Ｒ≦０.２５，及び
ＮＡ≧０.１０に対して、

及び
ＮＡ≧０.１２に対して、

及び
ＮＡ≧０.１５に対して、

を満たす、
装置が開示される。

第２の態様にしたがえば、第１の表面及び第２の表面を有する透明ガラスシートを検査するための装置であって、
(Ａ)ガラスシートの一領域を照明する光源、
(Ｂ)ガラスシート上またはガラスシート内の欠陥から散乱される光を検出するラインスキャンカメラであって、長さＬ及び幅Ｗを有する感光領域を形成する複数のピクセルを有するラインスキャンカメラ、及び
(Ｃ)欠陥からの散乱光をラインスキャンカメラに転送する光学系であって、開口数ＮＡ及び、
(ｉ)第１の部分及び第２の部分を有する凹面一次ミラーであって、曲率半径Ｒを有する凹面一次ミラー、及び
(ii)凸面二次ミラー、
を有する光学系
を備え、
(ａ)欠陥からの散乱光が、凹面一次ミラーの第１の部分からの反射、凸面二次ミラーからの反射、及び凹面一次ミラーの第２の部分からの反射を含む、光路を介してラインスキャンカメラに到達する、
(ｂ)一次ミラー及び二次ミラーの曲率中心が実質的に一致し、二次ミラーの半径が一次ミラーの半径の１/２に実質的に等しい、及び
(ｃ)光学系が、ガラスシートの第１の表面上に焦点が合わされたときに、第１の表面において半径Ｄ１の点広がり関数を有し、第２の表面において半径Ｄ２の点広がり関数を有し、厚さが０．２〜１.２ｍｍの範囲のガラスシートに対してＤ１及びＤ２が関係式：
Ｄ２/Ｄ１≧３５
を満たす、
装置が開示される。

第３の態様にしたがえば、第１の表面及び第２の表面を有する透明ガラスシート上またはそのような透明ガラスシート内の欠陥を検出するための方法であって、
(Ａ)ガラスシートの一領域を照明する工程、
(Ｂ)開口数ＮＡ及び、
(ｉ)第１の部分及び第２の部分を有する凹面一次ミラーであって、曲率半径Ｒを有する凹面一次ミラー、及び
(ii)凸面二次ミラー、
を有する光学系を用いて、欠陥によって散乱された光をガラスシートからラインスキャンカメラに転送する工程、及び
(Ｃ)ガラスシートとラインスキャンカメラの間に(例えば、ラインスキャンカメラに対してガラスシートを平行移動させることによって)相対運動を与える工程、
を含み、
(ａ)欠陥からの散乱光が、凹面一次ミラーの第１の部分からの反射、凸面二次ミラーからの反射、及び凹面一次ミラーの第２の部分からの反射を含む、光路を介してラインスキャンカメラに到達する、
(ｂ)一次ミラー及び二次ミラーの曲率中心が実質的に一致し、二次ミラーの半径が一次ミラーの半径の１/２に実質的に等しい、
(ｃ)ラインスキャンカメラが、長さＬ及び幅Ｗを有する感光領域を形成する複数のピクセルを有する、及び
(ｄ)Ｌ，Ｗ及びＲが関係式：
Ｌ/Ｒ≦０.２５，及び
ＮＡ≧０.１０に対して、

及び
ＮＡ≧０.１２に対して、

及び
ＮＡ≧０.１５に対して、

を満たす、
方法が開示される。

いくつかの実施形態において、第１及び第２の態様の装置及び／または第３の態様の方法は、以下の特徴：
(ａ)ＮＡが関係式：
０.１０≦ＮＡ≦０.１５
を満たす光学系、
(ｂ)倍率が１：１の光学系、
(ｃ)開口絞りが二次ミラーに配置される光学系、
(ｄ)５〜２０μｍの範囲の、ラインスキャンカメラのためのピクセル寸法、
(ｅ)光反射面だけを含む光路、
(ｆ)光学系の視野深度にわたって像寸法の変化がラインスキャンカメラのピクセルの寸法より小さくなるように物空間において実質的にテレセントリックである光学系、
(ｇ)像面湾曲が光学系の視野深度より小さい光学系、
(ｈ)ラインスキャンカメラの感光領域の長さＬにわたり、幾何学的歪が１％未満である光学系、及び／または
(ｉ)(１)ガラスシートと凹面一次ミラーの第１の部分の間の光路長、及び(２)凹面一次ミラーの第２の部分とラインスキャンカメラの間の光路長の内の少なくとも一方を調節する焦点合わせ機構、
の内のいくつかまたは全てを有する。

上述の全般的説明及び以下の詳細な説明が本発明の例示に過ぎず、本発明の本質及び特質の理解のための概要または枠組みの提供が目的とされていることは当然である。本発明のさらなる特徴及び利点は以下の詳細に説明に述べられ、ある程度は、当業者にはその説明から容易に明らかであろうし、あるいは本明細書に説明されるように本発明の実施形態を実施することによって認められるであろう。添付図面は本発明のさらに深い理解を提供するために含められ、本明細書に組み入れられて、本明細書の一部をなす。本明細書及び図面に開示される本発明の様々な特徴が、いずれかまたは全ての組合せで用いられ得ることは当然である。非限定的例として、実施形態の様々な特徴は以下の態様に述べられるように組み合わせることができる。

第１の態様にしたがえば、第１の表面及び第２の表面を有する透明ガラスシートを検査するための装置が提供され、本装置は、
(Ａ)ガラスシートの一領域を照明する光源、
(Ｂ)ガラスシート上またはガラスシート内の欠陥から散乱される光を検出するラインスキャンカメラであって、長さＬ及び幅Ｗを有する感光領域を形成する複数のピクセルを有するラインスキャンカメラ、及び
(Ｃ)欠陥からの散乱光をラインスキャンカメラに転送する光学系であって、開口数ＮＡ及び、
(ｉ)第１の部分及び第２の部分を有する凹面一次ミラーであって、曲率半径Ｒを有する凹面一次ミラー、及び
(ii)凸面二次ミラー、
を有する光学系
を備え、
(ａ)欠陥からの散乱光が、凹面一次ミラーの第１の部分からの反射、凸面二次ミラーからの反射、及び凹面一次ミラーの第２の部分からの反射を含む、光路を介してラインスキャンカメラに到達する、
(ｂ)一次ミラー及び二次ミラーの曲率中心が実質的に一致し、二次ミラーの半径が一次ミラーの半径の１/２に実質的に等しい、及び
(ｃ)Ｌ，Ｗ及びＲが関係式：
Ｌ/Ｒ≦０.２５，及び
ＮＡ≧０.１０に対して、

及び
ＮＡ≧０.１２に対して、

及び
ＮＡ≧０.１５に対して、

を満たす。

第２の態様にしたがえば、光学系が、ガラスシートの第１の表面上に焦点が合わされたときに、第１の表面において半径Ｄ１の点広がり関数を有し、第２の表面において半径Ｄ２の点広がり関数を有し、厚さが０．２〜１.２ｍｍの範囲のガラスシートに対してＤ１及びＤ２が関係式：
Ｄ２/Ｄ１≧３５
を満たす、態様１の装置が提供される。

第３の態様にしたがえば、第１の表面及び第２の表面を有する透明ガラスシートを検査するための装置が提供され、本装置は、
(Ａ)ガラスシートの一領域を照明する光源、
(Ｂ)ガラスシート上またはガラスシート内の欠陥から散乱される光を検出するラインスキャンカメラであって、長さＬ及び幅Ｗを有する感光領域を形成する複数のピクセルを有するラインスキャンカメラ、及び
(Ｃ)欠陥からの散乱光をラインスキャンカメラに転送する光学系であって、開口数ＮＡ及び、
(ｉ)第１の部分及び第２の部分を有する凹面一次ミラーであって、曲率半径Ｒを有する凹面一次ミラー、及び
(ii)凸面二次ミラー、
を有する光学系
を備え、
(ａ)欠陥からの散乱光が、凹面一次ミラーの第１の部分からの反射、凸面二次ミラーからの反射、及び凹面一次ミラーの第２の部分からの反射を含む、光路を介してラインスキャンカメラに到達する、
(ｂ)一次ミラー及び二次ミラーの曲率中心が実質的に一致し、二次ミラーの半径が一次ミラーの半径の１/２に実質的に等しい、及び
(ｃ)光学系が、ガラスシートの第１の表面上に焦点が合わされたときに、第１の表面において半径Ｄ１の点広がり関数を有し、第２の表面において半径Ｄ２の点広がり関数を有し、厚さが０．２〜１.２ｍｍの範囲のガラスシートに対してＤ１及びＤ２が関係式：
Ｄ２/Ｄ１≧３５
を満たす。

第４の態様にしたがえば、ＮＡが関係式：
０.１０≦ＮＡ≦０.１５
を満たす、態様１，２または３のいずれかの装置が提供される。

第５の態様にしたがえば、光学系が１：１の倍率を有する、態様１〜４のいずれかの装置が提供される。

第６の態様にしたがえば、光学系の開口絞りが第２のミラーに配置される、態様１〜５のいずれかの装置が提供される。

第７の態様にしたがえば、ラインスキャンカメラのピクセル寸法が５〜２０μｍの範囲の、態様１〜６のいずれかの装置が提供される。

第８の態様にしたがえば、光路が光反射面だけを含む、態様１〜７のいずれかの装置が提供される。

第９の態様にしたがえば、光学系が、光学系の視野深度にわたって像寸法の変化がラインスキャンカメラのピクセルの寸法より小さくなるように物空間において実質的にテレセントリックである、態様１〜８のいずれかの装置が提供される。

第１０の態様にしたがえば、光学系の像面湾曲が光学系の視野深度より小さい、態様１〜９のいずれかの装置が提供される。

第１１の態様にしたがえば、ラインスキャンカメラの感光領域の長さＬにわたって光学系の幾何学的歪が１％未満である、態様１〜１０のいずれかの装置が提供される。

第１２の態様にしたがえば、
(ｉ)ガラスシートと凹面一次ミラーの第１の部分の間の光路長、及び
(ii)凹面一次ミラーの第２の部分とラインスキャンカメラの間の光路長、
の内の少なくとも一方を調節する焦点合わせ機構をさらに有する、態様１〜１１のいずれかの装置が提供される。

第１３の態様にしたがえば、第１の表面及び第２の表面を有する透明ガラスシート上またはそのような透明ガラスシート内の欠陥を検出する方法が提供され、本方法は、
(Ａ)ガラスシートの一領域を照明する工程、
(Ｂ)開口数ＮＡ及び
(ｉ)第１の部分及び第２の部分を有する凹面一次ミラーであって、曲率半径Ｒを有する凹面一次ミラー、及び
(ii)凸面二次ミラー、
を有する光学系を用いて、欠陥によって散乱された光をガラスシートからラインスキャンカメラに転送する工程、及び
(Ｃ)ガラスシートとラインスキャンカメラの間に相対運動を与える工程、
を含み、
(ａ)欠陥からの散乱光が、凹面一次ミラーの第１の部分からの反射、凸面二次ミラーからの反射、及び凹面一次ミラーの第２の部分からの反射を含む、光路を介してラインスキャンカメラに到達する、
(ｂ)一次ミラー及び二次ミラーの曲率中心が実質的に一致し、二次ミラーの半径が一次ミラーの半径の１/２に実質的に等しい、
(ｃ)ラインスキャンカメラが、長さＬ及び幅Ｗを有する感光領域を形成する複数のピクセルを有する、及び
(ｄ)Ｌ，Ｗ及びＲが関係式：
Ｌ/Ｒ≦０.２５，及び
ＮＡ≧０.１０に対して、

及び
ＮＡ≧０.１２に対して、

及び
ＮＡ≧０.１５に対して、

を満たす。

第１４の態様にしたがえば、光学系が、ガラスシートの第１の表面上に焦点が合わされたときに、第１の表面において半径Ｄ１の点広がり関数を有し、第２の表面において半径Ｄ２の点広がり関数を有し、厚さが０．２〜１.２ｍｍの範囲のガラスシートに対して、Ｄ１及びＤ２が関係式：
Ｄ２/Ｄ１≧３５
を満たす、態様１３の方法が提供される。

第１５の態様にしたがえば、
(ｉ)ガラスシートと凹面一次ミラーの第１の部分の間の光路長、及び
(ii)凹面一次ミラーの第２の部分とラインスキャンカメラの間の光路長、
の内の少なくとも一方を調節することによって、ガラスシートの像の焦点をラインスキャンカメラ上に合わせる工程をさらに含む、態様１３または１４の方法が提供される。

第１６の態様にしたがえば、光学系が、光学系の視野深度にわたって像寸法の変化がラインスキャンカメラのピクセルの寸法より小さくなるように物空間において実質的にテレセントリックである、態様１３〜１５のいずれかの方法が提供される。

第１７の態様にしたがえば、光学系の像面湾曲が光学系の視野深度より小さい、態様１３〜１６のいずれかの方法が提供される。

第１８の態様にしたがえば、ラインスキャンカメラの感光領域の長さＬにわたって光学系の幾何学的歪が１％未満である、態様１３〜１７のいずれかの装置が提供される。

図１は本発明の検査システムの一実施形態のコンポーネント及び移動方向を示す略図である。図２はラインスキャンカメラの動作モードを示す略図である。図３は照明装置の一実施形態の略図である。図４はガラスシートの表面の像の焦点をラインスキャンカメラ上に合わせるための様々な手法を示す略図である。詳しくは、左図はレンズ／カメラ／照明装置−表面間距離の調節を示し、中央図は表面からレンズまでの光路の調節を示し、右図はレンズからカメラセンサまでの「トロンボーン」型集成ミラーを用いる距離の調節を示す。図５は２つの球面反射素子を用いる実質的なテレセントリック反射型レンズの一実施形態についてのレイトレーシングである。図６は２つの球面反射素子を用いる実質的なテレセントリック反射型レンズの一実施形態についてのレイトレーシングである。図７は２つの球面反射素子及び、レンズの物平面または像平面の方位を変えるための、集成ミラーを用いる実質的なテレセントリック反射型レンズの一実施形態についてのレイトレーシングである。図８は結像されているガラス表面の領域(物体)の一次ミラー上への投影及び像を記録するラインスキャンカメラ(ラインスキャンセンサ)を、欠陥からの散乱光に対する光路の一部を形成する一次ミラーの第１及び第２の部分とともに、示す略図である。図９はラインスキャンセンサの規格化長Ｌ及び規格化幅Ｗ(すなわち、反射型レンズの一次ミラーの曲率半径をＲとして、Ｌ/Ｒ及びＷ/Ｒ)に関する作動範囲(曲線下領域)を反射型レンズの開口数(ＮＡ)の関数として示すグラフである。図１０は、ガラスシートの所望の表面を焦点が合った状態に保ち、同時にガラスシートの他の表面は焦点が外れた状態に保つ上での、レンズの開口数の役割を示す略図である。図１１は、図５のテレセントリック反射型レンズについての、ガラスシートの一方の表面(−２５０μｍ点)から他方の表面(２５０μｍ点)までの点広がり関数の変化を示すＺＥＭＡＸプロットである。図１２は、レンズの全視野にかけて、ガラスシートの所望の表面を焦点が合った状態に保ち、同時にガラスシートの他の表面は焦点が外れた状態に保つ上での、低像面湾曲の役割を示す略図である。図１３は全視野にわたり幾何学的検出特性の同等性を維持する上での実質的テレセントリックレンズの利点を示す略図である。図１４は焦点が合っている状態及び焦点が外れている状態のいずれにおいても同等な像品質の利点を示す略図である。図１５は本開示の検査システムの一実施形態の代表的パッケージを示す。

上で論じたように、本開示はガラスシートの検査に関し、一応用において、個々のシートの形態にあるかまたはガラスシートがそれから分割されるガラスリボンの形態にある、ディスプレイガラスの検査に関する。

欠陥の検査はディスプレイガラスの製造中に日常的に行われている。重要なことには、そのようなガラスは、その上の欠陥が個々に検知される必要がある、２つの面(‘Ａ’面及び‘Ｂ’面)を有する。欠陥を検知するため、ディスプレイガラスは欠陥から散乱される光を記録するカメラシステムによって撮像される。ガラスの全領域が検査される場合もあり、ガラス領域の１つないしさらに多くの区域が検知され、検査試料として用いられる場合もある。

大面積ガラスを迅速に検査することが必要であるため、欠陥を検出するためにラインスキャンカメラが用いられる。そのようなカメラは一次元方向に長い(例えば２７ｍｍの)視野を有し、直交方向の視野は狭い(例えば１.３ｍｍ)。処理(解析)を容易にするため、視野の長軸上のどこで検知された欠陥も、センサ上に実質的に同等のパターンを形成することが好ましい。

有効な検査を容易にするため、いくつかの実施形態において、本明細書に開示される検査システムは以下の特性：
(ａ)ラインスキャンカメラの感光領域長Ｌと同等の長さの視野(ＦＯＶ)、
(ｂ)小さい欠陥を検知するに十分に高い分解能、
(ｃ)弱い散乱欠陥を見るための大きな開口数(ＮＡ)、
(ｄ)ガラスシートのＡ面の欠陥とＢ面の欠陥を弁別できるように十分に小さな視野深度(ＤＯＦ)、すなわち、検査しているガラスシートの厚さより小さいＤＯＦ、
(ｅ)ガラスシートの表面が、ＦＯＶにわたって焦点が合っている状態にあるように、実質的に平坦な視野、
(ｆ)様々な波長の光源を用いることができるような色補正、
(ｇ)妥当なコストでの製造容易性、及び
(ｈ)欠陥の位置にかかわらずガラスシートの法線に関して対称な同角度群からの光を集めることができる能力、
を有する。

光学用語に関し、上記特性の最後は、検査システム、さらに詳しくは、物側でテレセントリックであるかまたは実質的にテレセントリックであるように、すなわち物側の主光線がレンズの口実に実質的に平行である、例えば主光線と光軸の挟角が０.５°未満であるように、レンズの入射ひとみがレンズを構成する素子から長距離にある、検査システムのレンズ部に対応する。テレセントリック性または実質的テレセントリック性は、レンズの倍率が物距離にともなって変化することはないこと、または実質的に変化することはないことも意味する。

歴史的に、検査システムは複数の屈折型レンズ素子で構成されたレンズを用いてきた。そのようなレンズは上記特性の全てを提供することはできなかった。例えば、屈折技術に基づいたシステムには、Ａ面の欠陥とＢ面の欠陥を弁別するには大きすぎるＤＯＦを有するシステムがあった。また、検査用途に用いられる屈折型レンズの多くは十分に平坦な視野を有しておらず、よってＦＯＶのエッジ近傍の欠陥への焦点の合い方が中心近傍の欠陥への焦点の合い方と異なっていた。この結果、そのようなシステムはＡ面の欠陥とＢ面の欠陥を一貫した態様で弁別することができなかった。さらに、本質的に、屈折型レンズは波長範囲が限定されるため最善でも色補正がなされる。重要なことは、コストに関し、色補正がなされた、視野が広く、十分に平坦な、屈折型テレセントリックレンズは途方もなく複雑であり、非常に大きなレンズ素子を少なくとも１つ有し、高価である。

本開示にしたがえば、屈折ではなく、反射に基づくレンズシステムが、ガラスシートの表面の一領域の像をラインスキャンカメラ上に形成するために用いられる。以下で詳細に論じられるように(例えば図９を見よ)、反射型レンズシステムはラインスキャンカメラの特性に強く結び付けられた構造及び光学特性を有し、よって、これら２つのコンポーネントは協働して、妥当ないかなるコストでも屈折型システムでは達成され得ないレベルの性能を提供する。

本明細書に開示されるタイプの反射型レンズ１０を用いる検査システムのための代表的構造が図１に示される。本図に示されるように、反射型レンズ１０及びラインスキャンカメラ１８に加えて、本システムは通常、ガラスシートの一領域を照明するための照明装置１２，ガラス表面の像の焦点をラインスキャンカメラ１８の感光面上に合わせるための焦点合わせシステム２０，及びガラスシートとレンズ／カメラ集成装置の間の相対運動(水平運動１６)を生じさせるための平行移動装置を備える。一般に、相対運動はレンズ／カメラ集成装置を静止させたままガラスシートを平行移動させることによって達成されるが、望ましければ、逆の構成またはシートの移動とレンズ／カメラの移動の組合せも用いることができる。連続的に移動するガラスリボンの場合には、ガラスリボンの移動を用いて、シートとレンズ／カメラ集成装置の間の相対運動のいくらかまたは全てをまかなうことができる。

図２は相対運動をさらに詳細に示す。詳しくは、本図は、相対運動２６がどのようにして、ラインスキャンセンサ２１のセンサピクセル２２を過ぎるガラス表面２４の像を生じさせ、よってそれぞれのピクセルに到達する散乱光のレベルを示すディジタル出力を時間の関数としてカメラに生成させ得るかを示す。ラインスキャンセンサ２１，特に本カメラのＴＤＩ形態は、大量の像情報を迅速に集めることができるという利点を提供する。しかし、ラインスキャンセンサカメラは、その形状が、像移動に垂直な方向に非常に長く、像移動に沿う方向に非常に短いという欠点を有する。この長方形の形状により結像上の難題が課され、この難題は、上で全般的に論じられ、以下でさらに詳細に論じられる、反射型レンズの使用により本開示によって克服される。

技術上知られているように、ＴＤＩラインスキャンカメラの場合、カメラは、相対運動方向に並列に配位された行アレイ及び相対運動に直交方向に配位された列アレイを有する、ピクセルアレイを備える。同じく技術上知られているように、そのようなカメラに対して、行アレイのそれぞれのピクセルによる光の収集はカメラと記録されるべき像の間の相対運動に同期され、入射光への露光の結果としてピクセルによって蓄積された電荷は列アレイ毎に周期的に積分される。このようにすれば、カメラに対して移動している物体からの光に対するカメラの感度が、単列ピクセルの感度に比較してかなり高められる。

上述したように、ラインスキャンカメラの視野は一方向に広い。ラインスキャンセンサの他の方向の視野は極端に狭い(従来のセンサについては１ピクセル)か、または比較的狭い(例えば、一市販ＴＤＩセンサの場合、９６ピクセル)。いずれの場合にも、２つの方向のセンサ長の間の比は１０より大きい。

粒子検出に用いられるラインスキャンカメラ(センサ)は一般に、センサ長方向で５μｍ〜２０μｍの範囲のピクセルを有する。そのようの直径をもつ欠陥、例えば粒子は光学的に検出できる。したがって、ラインスキャンセンサ上にそのような欠陥の像を直接転送するための手段を提供する倍率１のレンズは、その寸法範囲の粒子に対して十分な感度で大面積を検査するための手段を提供する。センサは、サブピクセル解像手法を用いてピクセルよりかなり小さい欠陥を検出するためにも日常的に用いられる。そのような手法の一例は反射光または散乱光の量によって欠陥の寸法を推定することである。この手法は、大面積を十分な感度で検査できる能力を保持したまま、検出できる粒子の範囲を検出器ピクセルよりかなり小さい寸法まで拡張するために用いることができる。いずれの場合も、以下で論じられるように、本明細書に開示される検出器システムの反射型レンズは倍率１で上記のタイプの欠陥を検出するに十分な像品質を提供する。さらに詳しくは、反射型レンズは少なくともセンサピクセル寸法と同程度の像側分解能を提供し、よって像はセンサリミテッドである。また、それぞれのラインに割り当てられた短い露光時間の間に十分な光を集めるため、レンズは比較的小さいＦ数(比較的大きい開口数)も有する。

図３は図１の照明装置１２として用いることができる装置の一実施形態を示す。本図に示されるように、照明装置は、光源３２，例えばＩＲ範囲で動作するレーザ光源、光ファイバ束３９によって光源３２に接続された光ファイバライン光３８，及びガラスシートに照明ライン３４をつくる円柱集光レンズ３６を備える。照明装置１２には、もちろん、その他の装置を用いることができる。また、集束された照明が好ましいが、拡散照明が適する用途もあり得る。

図４はラインスキャンカメラ１８の感光領域上にガラスシート１４の表面、例えばＡ面の像の焦点を合わせるための代表的な手法を示す。図４の左図は集成検査装置全体(照明装置１２，レンズ１０及びカメラ１８)のガラスシートに対する移動２０を示し、中央図はガラスシート１４(物体)からレンズまでの光路長を変えるための集成ミラー、特に本実施形態においては「トロンボーン」型ミラーセットの移動２０の使用を示す。可動集成ミラーの使用は本開示の反射型レンズにより提供される比較的長い作動距離によって容易にされる。図４の右図は焦点を変えるためのレンズ−ラインスキャンカメラ１８間距離の調節２０を示す。この場合も、本開示の反射型レンズは、この場合はレンズの比較的長い後方作動距離により、本手法を容易にする。望ましければ、レンズとラインスキャンカメラ１８の間の光学距離を変えるため、ラインスキャンカメラ１８の物理的移動よりもむしろ、集成ミラー、例えば中央図に示されるタイプの集成トロンボーンミラーの移動を用いることができる。

望ましければ、ガラスシート１４の両面を、像ビームを分割するためのビームスプリッタを、一方はシートの表面の一方(例えばＡ面)に焦点が合わされ、他方はシートの反対面(例えばＢ面)に焦点が合わされた、２つのラインスキャンカメラ１８とともに用いることによって、同時に検査できることに注意すべきである。

図５及び６は本開示の検査システムに用いることができる反射型レンズの代表例を示す。一般に、これらのレンズは米国特許第３７４８０１５号明細書に開示される形態を有する。上記明細書の内容はその全体が本明細書に参照として含まれる。それぞれのレンズは、凹面一次ミラー５(図の右側にある大きなミラー)及び凸面二次ミラー６(図の中央の小さなミラー)を有する。一次ミラー５及び二次ミラー６の曲率中心は一致するかまたは実質的に一致し、二次ミラー６の半径は一次ミラー５の半径の１/２に等しいかまたは実質的に等しい。２つのレンズに対する仕様は表１に示され、表１において寸法の単位はｍｍであり、「大型」は図５のレンズを指し、「小型」は図６のレンズを指す。

これらの図のレンズ形態の性能は、ガラスシートのそれぞれの表面を検査するための現行の解決策である屈折型レンズの性能を上回る。これらのレンズは平坦な視野を有し、よって、レンズの視野内の欠陥の位置にかかわらず、ガラスシートの一方の平表面上にある全ての欠陥に等しく焦点が合い、反対面上の全ての欠陥には等しく焦点が外れる。これにより、一方の表面−例えばＡ面−上の欠陥の、他方の表面−例えばＢ面−上の欠陥からの容易な弁別が可能になる。屈折型レンズは本質的に、光学設計において正曲率と負曲率のバランスをとることによって近似的に補正しなければならない、湾曲焦平面を有する。

図５及び６において、物平面及び像平面は共面であるように示される。多くの用途において、互いに直交する物平面と像平面を有すると、より便宜がよいであろう。そのような配位は１つないしさらに多くの方向転換ミラーを用いることによって達成することができる。図７は、物平面または像平面の配位及び焦点合わせのいずれにも用いることができるトロンボーン構成に配置された３つの方向転換ミラー７を用いる一実施形態を示す。

図８は、図５〜７の反射型レンズにおける一次ミラー８０の機能を示す。「物体」８２及び「ラインスキャンセンサ」８４と表示された小さい長方形はそれぞれ、検査されているガラスの領域及びイメージセンサの領域を示す。破線で描かれた長方形(一次ミラー８０の第１及び第２の部分)で示されるように、一次ミラー８０上のフットプリントはかなり大きい。本図を図５〜７と組み合わせて精査すればわかるように、ガラスシート(物体)からの散乱光は、凹面一次ミラー５の第１の部分からの反射、凸面二次ミラー６からの反射、及び凹面一次ミラー５の第２の部分からの反射を含む光路を介して、ラインスキャンセンサに到達する。図８には長方形で示されているが、第１及び第２の部分は一般に腎臓状の形状を有する。例えば、米国特許第３９５１５４６号明細書及び米国特許第７１５８２１５号明細書を見よ。

さらに詳しくは、本開示の反射型レンズに対する像平面に最善に焦点が合わされたガラスシートの表面の領域は、半径が物体とミラーの曲率中心の間の距離に実質的に等しい湾曲(弧状)形状を有する。上で論じたように、ラインスキャンカメラは長方形の形状を有する。本開示にしたがえば、この長方形の形状にともなう像収差は、一次ミラーの曲率半径Ｒ，レンズの開口数(ＮＡ)，及びセンサの長さＬ及び幅Ｗが以下の関係式：
Ｌ/Ｒ≦０.２５，及び
ＮＡ≧０.１０に対して、

及び
ＮＡ≧０.１２に対して、

及び
ＮＡ≧０.１５に対して、

を満たせば、ガラスシートの製造において遭遇するタイプの欠陥を検出できる検査システムの能力を低下させることはないことがわかった。

横軸が一次ミラーの曲率半径で規格化した長さＬ，すなわちＬ/Ｒを示し、縦軸が同じく一次ミラーの曲率半径で規格化した幅Ｗ，すなわちＷ/Ｒを示す、図９に上記の関係のグラフが示される。

図１０は、ガラスシート２の所望の表面１を焦点が合っている状態に保ち、他方の表面３は焦点が外れている状態に保つ上でのレンズの開口数の役割を示す略図である。一方の表面１を焦点が合っている状態に保ち、他方の表面３を焦点が外れている状態に保つことは、ほとんど常に当てはまる、欠陥がシート２の両表面上に存在する場合に重要である。ガラスシート２が薄くなり、表面間の距離が縮まるにつれて、別々の表面上の欠陥を弁別することは益々困難になる。本明細書に開示される検査システムの反射型レンズの２つの態様により、いずれの表面上に欠陥が生じているかにしたがう欠陥の正確な類別が可能になる。

第１に、開口数が十分なレンズを作成することができ、この結果、注目する表面１を焦点が合っている状態にし、他方の表面３を実質的に焦点が外れている状態にすることが可能になるに十分に小さい視野深度が得られる。厚さが０.２〜１.２ｍｍのガラスシートについてこの結果を達成するためにはほぼ０.１ないしさらに大きい開口数が実用的である。この合焦点挙動と焦点外し挙動の間の差が、ガラスシートの一方の表面(−２５０μｍ点)から他方の表面３(２５０μｍ点)までの、図５の反射型レンズについてのスルーフォーカス点広がり関数のグラフである、図１１に示される。図１１において、単位はμｍ，エアリー半径は２.７１４μｍ，視野は１，ＲＭＳ半径は２３.０２１，ＧＥＯ半径は３１.９０９，スケールバーは２００，基準は主光線，表面はＩＭＡである。表１に示されるように、図５のレンズの開口数は０.１２である。このグラフの作成には０.５ｍｍレンジを、０.７ｍｍ厚ガラスシートの光学厚にほぼ相当するから、用いた。デフォーカススポットの直径が〜０.１２ｍｍであり、これは合焦点スポットより直径が２００倍大きく、したがって照度は４×１０^−４になる。試料の機械的ハンドリング(例えば試料の機械的振動)により、所望の像に完全に焦点が合っていなくとも、所望ではない面からの欠陥は所望の面からの欠陥よりかなり大きく見えるであろう。

より一般的には、ガラスシートの第１の面上の欠陥の第２の面上の欠陥からの弁別を容易にするため、いくつかの実施形態において、第１の面に焦点が合わされたときの光学系は第１の面において半径Ｄ１の点広がり関数を有し、第２の面において半径Ｄ２の点広がり関数を有し、Ｄ１とＤ２は関係式Ｄ２/Ｄ１≧３５を満たす。図１１に示されるように、図５の反射型レンズはこの規準を十分に満たす。

第２に、レンズの視野は円弧に沿って完全に平坦であり、その円弧の近似直線に沿って実質的に平坦である。図１２は、一方の表面１上の欠陥の反対側の表面３上の欠陥からの弁別において果たす平坦視野１２０の役割を、大視野曲率を有する視野１２１に対照させて示す。大開口数と平坦視野１２０の組合せにより、注目する表面１は焦点があった状態にされ、他方の表面３はレンズの全視野にわたって実質的に焦点が外れた状態に保たれる。

図１３は、全視野にわたる幾何学的検出特性の同等性の維持における、実質的にテレセントリックな構成１３０の利点を、非テレセントリックな構成１３１に対して示す略図である。ある程度反射性の表面を２つないしさらに多くもつ透明基板を検査しているシステムでは、一方の面上の欠陥が光を散乱し、その光が次いで別の表面によって反射されて撮像システムに入ることによる、スプリアス像または「ゴースト」像１３３が生じる。これらのスプリアス像は欠陥の真の像をかなり歪め得る。実際、スプリアス像は真の像より明るいことが多い。そのようなゴースト像は画像処理手法によって真の像から分離することができる。しかし、ゴースト像と真の像の間の関係がレンズの視野にかけて変化すれば、この画像処理作業は一層困難になる。

しかし、撮像システムがテレセントリックであるかまたは実質的にテレセントリックであれば、真の像とスプリアス像の間の空間関係は視野にわたって一定になり、画像処理の複雑さがかなり軽減される。図１３は、この点に関する本開示の反射型レンズの利点を示す。詳しくは、図１３は、物空間におけるテレセントリック性または実質的なテレセントリック性が第１の表面上の欠陥の像１３２と第２の表面で反射されたゴースト像１３３の間の視野にわたる一貫した関係をどのようにして維持するかを示す。

図１４は、全視野にわたって十分良く補正された像、すなわち、焦点が合っている状態と焦点が外れている状態のいずれにおいても同等の品質の像１４０の重要性を、同等ではない品質の像１４１に対照させて、示す。本図からわかるように、視野にわたって同等な焦点が合っている状態の像と焦点が外れている状態の像は、注目する表面上の欠陥の他方の表面３上の欠陥からの弁別に役立つ。これは注目する特徴を抽出するために画像処理を適用する場合に特に重要である。そのような同等の品質の像１４０は、ラインスキャンカメラが上述した寸法を有するときに得られる。

反射型レンズのテレセントリック性または実質的なテレセントリック性は焦点合わせにも重要である。すなわち、レンズからセンサまでの距離の短縮には、この短縮が過度でない限り、倍率を変えずに、または像品質を低下させずに、対応するレンズから物体までの光学距離を長くする効果がある。これは、像側及び物体側のいずれにおいてもテレセントリックであるかまたは実質的にテレセントリックであるレンズの結果であり、レンズ設計の対称性から生じる。すなわち、物体側の焦点合わせに加えて、レンズから物体までの距離の変化を補償するためにレンズとセンサの間の実効路長を変えることによって焦点合わせを達成することができる。

図１５は、本開示の検査システムの一実施形態のコンポーネントの代表的なパッケージ、すなわち、検査されるべき表面に対する位置１５０，照明装置１５２，ラインスキャンカメラに対する位置１５６，及び焦点合わせ機構１５８を示す。本実施形態の反射型レンズ１５４は図５の反射型レンズである。表１から、本レンズの一次ミラーの直径はほぼ１５０ｍｍすなわち約６インチである。したがって、検査システム全体は非常に小さなパッケージで提供され得る。例えば、パッケージの体積は５０００ｃｍ^３すなわち３００立方インチ程度である。

検査システムを小型パッケージに収めることができる能力に加えて、反射型レンズを使用することから、本システムは屈折型レンズを使用する既存の検査システムより低コストで作成することができる。特に、反射型レンズは、低コストで大視野をカバーするように作成することができる、球面素子を用いる。詳しくは、屈折型レンズに比較して、球面ミラーは作成が容易であり、安価な材料でつくることができる。反射型レンズであるから、全波長において色補正もなされている。

以上説明したように、本開示はガラスシートの一方の表面または両方の表面を検査するためのシステムを提供する。本システムは、検査されるべき表面が反射型レンズの物平面にあるように取り付けられる。レンズは、レンズ周縁の接線方向に長く、径方向に短い、細いストライプ領域を倍率１でラインスキャンカメラ上に結像させる。ストライプ領域を照明するように、ライン照明装置を取り付けることができる。検査を行うため、本システムをガラス上方で移動させることによるか、またはシステムを固定しておいてガラスを移動させることによって、本システムはストライプの長軸に直交する方向でガラスに対して移動される。この移動中にラインスキャンカメラによって像情報が収集され、組み合わされて二次元画像にされる。いくつかの実施形態に対し、用途に応じて、ラインスキャンセンサ上への像の焦点合わせを保証するため、像収集中に調節を行うことができる。例えば、ガラスからレンズまでの距離を測定する外部センサを用いるか、または焦点を維持するためにはこの距離をどれだけ調節するべきかを決定するためにラインスキャンカメラからの像を処理することによって、焦点の位置を検知することができる。

上述の開示から、本発明の範囲及び精神を逸脱しない、様々な改変が当業者には明らかであろう。添付される特許請求の範囲は、本明細書に述べられた特定の実施形態を、またそのような実施形態の改変、変形及び等価物も、包含するとされる。

１ガラスシート表面
２，１４ガラスシート
１０反射型レンズ
１２ライン照明装置
１８ラインスキャンカメラ

Claims

第１の表面及び第２の表面を有する透明ガラスシートを検査するための装置において、前記装置が、
(Ａ)前記ガラスシートの一領域を照明する光源、
(Ｂ)前記ガラスシート上または前記ガラスシート内の欠陥から散乱される光を検出するラインスキャンカメラであって、長さＬ及び幅Ｗを有する感光領域を形成する複数のピクセルを有するラインスキャンカメラ、及び
(Ｃ)欠陥からの散乱光を前記ラインスキャンカメラに転送する光学系であって、開口数ＮＡを有し、
(ｉ)第１の部分及び第２の部分を有する凹面一次ミラーであって、曲率半径Ｒを有する凹面一次ミラー、及び
(ii)凸面二次ミラー、
を有する光学系
を備え、
(ａ)欠陥からの散乱光が、前記凹面一次ミラーの前記第１の部分からの反射、前記凸面二次ミラーからの反射、及び前記凹面一次ミラーの前記第２の部分からの反射を含む、光路を介して前記ラインスキャンカメラに到達する、
(ｂ)前記一次ミラー及び前記二次ミラーの曲率中心が実質的に一致し、前記二次ミラーの半径が前記一次ミラーの半径の１/２に実質的に等しい、及び
(ｃ)Ｌ，Ｗ及びＲが関係式：
Ｌ/Ｒ≦０.２５，及び
ＮＡ≧０.１０に対して、

及び
ＮＡ≧０.１２に対して、

及び
ＮＡ≧０.１５に対して、

を満たす、
ことを特徴とする装置。
第１の表面及び第２の表面を有する透明ガラスシート上または前記透明ガラスシート内の欠陥を検出する方法において、前記方法が、
(Ａ)前記ガラスシートの一領域を照明する工程、
(Ｂ)開口数ＮＡを有し、
(ｉ)第１の部分及び第２の部分を有する凹面一次ミラーであって、曲率半径Ｒを有する凹面一次ミラー、及び
(ii)凸面二次ミラー、
を有する光学系を用いて、欠陥によって散乱された光を前記ガラスシートからラインスキャンカメラに転送する工程、及び
(Ｃ)前記ガラスシートと前記ラインスキャンカメラの間に相対運動を与える工程、
を有してなり、
(ａ)欠陥からの散乱光が、前記凹面一次ミラーの前記第１の部分からの反射、前記凸面二次ミラーからの反射、及び前記凹面一次ミラーの前記第２の部分からの反射を含む、光路を介して前記ラインスキャンカメラに到達する、
(ｂ)前記一次ミラー及び前記二次ミラーの曲率中心が実質的に一致し、前記二次ミラーの半径が前記一次ミラーの半径の１/２に実質的に等しい、
(ｃ)前記ラインスキャンカメラが、長さＬ及び幅Ｗを有する感光領域を形成する複数のピクセルを有する、及び
(ｄ)Ｌ，Ｗ及びＲが関係式：
Ｌ/Ｒ≦０.２５，及び
ＮＡ≧０.１０に対して、

及び
ＮＡ≧０.１２に対して、

及び
ＮＡ≧０.１５に対して、

を満たす、
ことを特徴とする方法。
前記光学系が、前記ガラスシートの前記第１の表面上に焦点が合わされたときに、前記第１の表面において半径Ｄ１の点広がり関数を有し、前記第２の表面において半径Ｄ２の点広がり関数を有し、厚さが０.２〜１.２ｍｍの範囲のガラスシートに対して、Ｄ１及びＤ２が関係式：
Ｄ２/Ｄ１≧３５
を満たすことを特徴とする請求項１に記載の装置。
前記光学系の開口絞りが前記二次ミラーに配置されることを特徴とする請求項１または３に記載の装置。
前記光路が光反射面だけを含むことを特徴とする請求項１，３または４に記載の装置。