KR100974111B1 - 표면들을 광학적으로 조사하기 위한 광학 센서 및 상기조사를 위한 방법 - Google Patents

표면들을 광학적으로 조사하기 위한 광학 센서 및 상기조사를 위한 방법 Download PDF

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Abstract

유리와 같은 평탄한 표면들 상에 나타날 수 있는 점형태(punctiform), 선형(linear) 또는 층형(laminar) 결함들을 검출하기 위하여 광학 센서가 사용된다.
상기 광학 센서는 a) 텔레센트릭 레이저 스캐너(12); 및 b) 검출 유닛(11)을 포함하고,
상기 텔레센트릭 레이저 스캐너(12)는 평탄한 표면(5)에 거의 수직하는 조명을 위한 레이저(1), 스캐닝 미러(2), 및 조명 및 검출 빔들을 안내하기 위한 텔레센트릭 광학 시스템(4)을 구비하고,
상기 검출 유닛(11)은 광학 검출기 시스템(8), 텔레센트릭 레이저 스캐너(4)를 향해서 광학 검출기 시스템 부근에 동심적으로(concentrically) 위치되는 중앙 조리개(9), 평탄한 표면들(5) 상의 결함들로부터 나오는 스캐터링된 광을 검출하기 위한 고감도 광전자증배기(6), 및 상기 광전자증배기(6)의 업스트림에 배치되는 슬릿 조리개(9)를 구비한다.
응용/제품 : 표면들의 광학 조사를 위한 조사 시스템

Description

표면들을 광학적으로 조사하기 위한 광학 센서 및 상기 조사를 위한 방법{OPTICAL SENSOR AND METHOD FOR OPTICALLY INSPECTING SURFACES}
도 1은 검출 유닛 및 텔레센트릭 레이저 스캐너를 포함하는 센서의 주 설계를 나타내는 도면.
도 2는 렌즈의 광축에 대해 대략 90°회전되어 있는, 도 1에 따른 센서의 변형을 나타내는 도면.
* 도면의 주요 부호에 대한 설명 *
1 : 레이저 2 : 스캐닝 미러
3 : 기울어진 미러 4 : 텔레센트릭 레이저 스캐너
5 : 평탄한 표면 6 : 광전자증배기
7 : 슬릿 조리개 8 : 광학 검출기 시스템
9 : 중앙 조리개
본 발명은 평탄한 표면들 상에 있는 결함들(defects)을 검출하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 1㎛ 미만의 범위 내에 있는 치수를 나타내는 결함들이 처리된다.
음극선관을 구비한 모니터들이나 텔레비전들은 평면 스크린들에 의해 시장에서 점차적으로 밀려나고 있다. 이러한 타입의 평면 스크린들을 위해 사용되는 평면 유리는 특정 표준을 따라야 하며, 특히 결함이 없어야 하는데, 평면 유리 패널의 양쪽 표면들이 보일 수 있어야 한다. 이러한 방식에서는, 전기 단자들이 제공되고 그로 인해 포토리소그래픽적으로 처리될 수 있는 유리면이 밖을 향하고 있는 평면 유리 패널의 면에 대해서 다른 표준으로 조사될 것이다. 대체로, 얇은 평면 유리의 제작에 있어 완벽한 검사가 필요한데, 그 이유는 매우 작은 결함들도 유리 표면의 처리에 영향을 주며 또한 그로 인해 모니터의 기능을 떨어뜨릴 수 있기 때문이다. 평면 유리의 제작 동안에는, 높은 작업처리량이 일반적으로 가능하고, 따라서 조사 또는 검사 시스템들은 이러한 다량의 평면 유리를 테스트해야 하고, 상응하는 검사는 전체 표면을 커버해야 한다. 가장 빈번한 결함들은 점형태이거나 선모양이다. 서브마이크로미터 범위 내의 결함들은 배제되어야 하기 때문에, 이들 결함들은 그에 상응하는 조사 방법들을 통해서 검출되어 그 위치가 측정되어야 한다.
점형태, 선형 및 층형 결함들을 식별하기 위해서, 적절한 조명이 제공되는 라인 스캔 카메라가 주로 사용된다. 이러한 기술을 통해 식별될 수 있는 결함들은 수 마이크로미터들의 범위 내에 있다. 예컨대 수 나노미터들의 깊이를 갖는 매우 작은 스크래치들과 같은 서브마이크로미터 범위 내의 결함들은 단지 현재 밝은 광을 사용하여 전문가에 의해서 시각적으로만 검출될 수 있다. 그러나, 이러한 방법은 제작 사이클에서 평면 유리의 100% 검사를 위해서 사용될 수 없다.
본 발명의 기초를 이루는 목적은 치수들이 서브마이크로미터 범위 내에 있는 점형태, 선형 또는 층형 결함들에 대해서 평탄한 표면들의 완벽한 광학 조사가 가능한 장치 및 방법을 제공하는데 있다. 이러한 목적의 해결책은 청구항 제 1항 및/또는 청구항 제 10항의 특징 결합에 의해서 나타난다. 바람직한 실시예들을 종속항들로부터 알 수 있다.
점형태, 평면 또는 층형일 수 있으며 그 치수가 서브마이크로미터 범위 내에 있는 결함들에 대해 특히 평면 유리의 평탄한 표면들의 100% 조사가 결함들 상에서 스캐터링되는 레이저 광을 검출하기 위해 광전자증배기와 함께 텔레센트릭 레이저 스캐너를 사용함으로써 가능하게 되는 것이 본 발명의 기초를 이루는 개념이다. 광전자증배기의 매우 높은 검출 감도는 서브마이크로미터 범위 내의 결함들이 검출될 수 있게 하는 동시에 높은 데이터 속도를 유지한다. 이러한 방식에서는, 평탄한 표면들 및/또는 평면 유리의 완벽한 최종 조사가 가능하다. 스캐닝 조명 및 검출 빔 경로 모두는 텔레센트릭적으로 배치된다. 이는 결함으로부터 나오는 스캐터링된 광이 측정 방향과 동일한 조명 방향에 대해 회전대칭적인 애퍼추어에 의해서 포착될 수 있고, 그 결과로 특별히 미세한 스크래치들이 동일한 감도를 감안하여 표면 상에서 그들의 위치들에 상관없이 표면에 걸쳐 식별된다. 센서의 광학적인 구성은 매우 간단한데, 그 이유는 센서의 분해도는 단지 스캐닝 빔의 초점 직경에 의해서만 결정되기 때문이다. 이러한 이유로, 광학 스캐닝 시스템의 이미징 품질은 단지 검출 빔 경로와 비교해서 최소인 스캐닝 빔의 애퍼추어로만 조정되어야 한다. 백 스캐터링된 광은 광학 검출기 시스템에 의해서 수집되고, 광학 검출기 시스템의 이미징 품질은 어떠한 특정 표준들도 따르지 않는다.
스크래치들을 식별하는 경우에는 광축에 대해 회전대칭적인 방식으로 광학 검출기 시스템의 애퍼추어를 설계하는 것이 특히 유리하다. 조명 및 검출 빔 안내를 위한 센서의 텔레센트릭 설계로 인해 조명 광의 상당 부분이 조사될 표면에 미러형 방식(mirror-like manner)으로 반사되기 때문에, 중앙 조리개(central diaphragm)는 이러한 타입의 광 부분들이 광전자증배기에 도달하는 것을 막기 위해서 사용되어야 한다. 이는 외부로부터의 스캐닝 광 빔을 텔레센트릭 방사 빔에 공급 및/또는 주입함으로써 센서의 한 변형에 있어 필요한 조리개에 의해서나 기울어진 미러에 의해서 실행될 수 있다.
광학 검출기 시스템의 중앙에 있는 이러한 타입의 조리개는 예컨대 유리 표본 표면에 의해서 미러형 방식으로 반사되는 광을 차단하는데, 상기 광은 텔레센트릭 조명을 통해 조명 경로로 다시 통과된다. 여기서 제공되는 조리개의 크기는 유리 표본의 특정 각도 허용이 수직 조명 방향으로 가능하게 한다. 고리모양 설계, 즉, 광축에 회전대칭하는 검출기 애퍼추어의 설계는 스캐닝 빔의 위치에 상관없이 중앙 조리개에 의해서 구현된다. 이러한 고리모양 애퍼추어의 장점은 측정 표면 상에서 선형 결함들의 방향에 상관없이 그 선형 결함들에 대해 균일한 검출 감도를 동시에 가능하게 할 수 있다.
만약 검출 애퍼추어가 고리모양으로 설계될 수 없고 예컨대 두 개의 마주하는 원모양 세그먼트들로 구성된다면, 검출 범위 내에서 나타나는 각을 이룬 갭이 추가적인 센서들을 사용하여 유리하게 브릿지되는데, 사용되는 센서들의 스캐닝 라인들 각각은 서로를 향해 기울어져야 한다.
설명된 센서는 바람직하게는 평면 유리 패널들을 조사하기 위해서 사용되는데, 그 평면 유리 패널들은 예컨대 수십 밀리미터들 범위 내의 재료 두께를 포함할 수 있고 또한 최대로 수 제곱미터 크기일 수 있다. 한편으로는, 평면 유리의 완벽한 조사가 그 평면 유리의 제작 이후에 이루어질 수 있다. 또한, 서브마이크로미터 범위 내의 점형태, 층형 또는 선형 결함들이 검출될 수 있다. 이러한 센서의 한 변형에 있어서, 그 센서의 심도(depth of field)는 검사될 유리의 두께보다 명확히 작고, 측정 동안에 조명되는 평면 유리의 상부면 또는 하부면에 결함이 위치하는지 여부가 또한 검출될 수 있다.
평면 유리를 제작하는 동안에 이용가능한 공급 속도에 적응시키기 위해서 센서에서는 높은 데이터 속도가 이용가능해야 하고, 그럼으로써 조사는 제작 속도와 동일한 시간에 및/또는 단지 그만큼 빠르게 진행될 수 있다. 이는 매우 민감한 광전자증배기의 사용에 의해서 가능하게 된다.
예시적인 실시예들이 본 발명을 제한하지 않는 개략적인 도면들을 참조하여 아래에서 설명된다.
설명된 센서의 주 설계를 도시하고 있는 도 1은 레이저의 조준된 광이 특정 각도 범위 내로 스캐너로부터 편향되는 것을 나타내고 있다. 레이저(1)는 레이저 빔을 생성하고, 상기 레이저 빔은 스캐닝 미러(2)에 의해서 편향된다. 텔레센트릭 광학 스캐닝 시스템(4)은 검사될 평탄한 표면(5)이나 또는 유리 표본 상에 상기 편향된 광을 포커싱시킨다. 광 빔들은 표면을 수직으로 타격하고, 스캐닝 미러의 편향으로 인해 표면 상에서의 레이저 초점은 라인을 나타낸다. 유리 표본의 층형 스캐닝은 스캐닝 라인에 수직하는 표본의 인피드(infeed)에 의해서 달성된다. 유리 표면에 의해서 반사되는 스캐터링된 광은 텔레센트릭 광학 스캐닝 시스템(4)에 의해서 콜리메이팅(collimate)되며, 다운스트림의 광학 검출기 시스템(8)을 사용하여 슬릿 조리개(7)에 포커싱된다. 포커싱된 광은 슬릿 조리개(7)를 통과해서 광전자증배기(6)의 수신 표면을 타격한다. 광전자증배기(6)의 업스트림에 배치되는 슬릿 조리개(7)는 상기 광을 외부 광으로부터 상당히 차폐시키는데, 상기 외부 광은 유리 표면 상의 레이저 포커스 장소로부터 나오지 않는다. 광학 검출기 시스템의 중앙에 있는 조리개(9)는 유리 표면으로부터 미러형 방식으로 반사되는 광을 차단하는데, 상기 광은 텔레센트릭 조명에 의해서 도 1의 좌측에 도시된 검출 빔 경로를 통해 다시 흐른다.
어느 정도는 가변적인 설계일 수 있는 중앙 조리개(9)의 크기를 통해서, 각도를 이룬 편향과 비교해 센서의 어느 정도의 독립성이 생성되고, 그럼으로써 검사될 표면이 어느 정도는 수직 조명 방향으로 기울어질 수 있다. 광학 검출기 시스템의 중앙 조리개는 스캐닝 빔의 장소에 상관없이 고리모양 검출기 애퍼추어를 구현다. 이러한 고리모양 애퍼추어는 검사될 표면에서 선형 결함들의 방향에 상관없이 그 선형 결함들에 대해 균일한 검출 감도가 검출될 수 있게 한다.
도 2는 도 1의 변형을 나타내는 것으로서, 렌즈들의 광축에 대해 대략 90°회전된 배치가 선택된다. 광학 스캐닝 시스템(4)은 본 예에서는 예컨대 스캐닝 각도를 증가시키기 위해서 추가의 광학 시스템으로 구성된다. 이러한 광학 컴포넌트는 반사되는 스캐터링된 광으로부터 방사되지 않기 때문에, 검출 빔 경로 밖에 배치되어야 한다. 따라서, 그것은 기울어진 미러(3)에 의해서 공급된다. 동시에, 이러한 기울어진 미러는 도 1에서 확인될 수 있는 중앙 조리개(9)를 대체한다. 이러한 방식에서, 상기 기울어진 미러(3)는 중앙 조리개(9)보다 상당히 더 넓다. 그 결과, 검출 애퍼추어는 본 예에서 더 이상은 고리모양이 아니고, 대신에 두 개의 마주하는 원형 세그먼트들로 구성된다. 따라서, 이러한 식으로 변화된(lapsed) 애퍼추어의 회전 대칭성은 모든 환경에서 선형 결함들이 명확히 인지될 수 있게 한다. 검출 범위에서의 이러한 각을 이룬 갭은 추가 센서에 의해서 커버될 수 있고, 상기 추가 센서의 스캐닝 라인은 제 1 센서의 스캐닝 라인에 비해 회전되고, 그럼으로써 추가 센서의 검출 범위는 제 1 센서의 각을 이룬 갭을 커버한다.
따라서, 평면 유리의 완벽한 검사가 가능하고, 서브마이크로미터 범위 내의 점형태, 층형 또는 선형인 결함들이 발견되어 그 위치가 측정될 수 있다. 특히, 결함의 대략적인 위치측정을 갖는 표면의 완벽한 조사가 큰 심도를 갖는 제 1 센서를 사용하여 실행되고, 평면 유리 패널의 어떤 면 상에 결함이 있는지에 대한 결정이 더 낮은 심도를 갖는 제 2 센서를 사용하여 이루어진다.
평면 유리 패널의 상응하는 인피드를 통해, 대상의 층형 스캐닝(laminar scanning) 및 그에 따른 상이한 타입의 결함들의 검출이 레이저 빔의 진동적인 움직임을 사용하여 달성된다.
미세한 스크래치들은 자신의 종축에 수직적으로만 조명 광을 스캐터링한다. 따라서, 상기 스크래치들은 단지 자신들의 종축에 대해 수직으로만 보이는 경우에만 확인될 수 있다. 이러한 타입의 스크래치들이 유리 상에서 자신들의 위치에 상관없이 식별될 수 있도록 보장하기 위해서, 광학 수신기 시스템의 애퍼추어는 조명 방향에 대해 회전대칭적으로 배치되어야 한다. 만약 애퍼추어가 기술적인 이유로 인해서 완전히 회전대칭적이지 않다면, 겹치는 애퍼추어 범위들을 갖는 수 개의 센서들이 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 대상의 표면이 계속해서 스캐닝된다. 수 개의 센서들을 동시에 사용함으로써 높은 측정 속도가 달성된다. 게다가, 이러한 설명된 모듈식 설계는 조사 시스템으로 하여금 다른 폭들을 갖는 유리판들에 적응될 수 있게 한다.
위에 설명된 센서의 심도는 유리의 두께보다 크기 때문에, 앞면 및 뒷면에 있는 결함들이 처음에는 서로 구별될 수 없다. 이 때문에, 제 2 센서가 제공되고, 상기 제 2 센서의 심도는 유리의 두께보다 작고 따라서 거리 및/또는 높이 값들을 보낼 수 있다. 실제로는, 단지 이러한 타입의 제 2 센서만을 사용하여서는 완벽한 검사가 가능하지 않다. 따라서, 상기 제 2 센서는 제 1 센서를 사용하여 이미 확인되어진 결함의 측면 위치가 고정되어 단지 높이 위치가 결정되는 경우에만 사용된다.
본 발명은 서브마이크로미터 범위 내에 있는 점형태, 선형 또는 층형 결함들에 대해서 평탄한 표면들의 완벽한 광학 조사가 이루어질 수 있다.

Claims (13)

  1. 평탄한 표면들 상에서 점형태(punctiform), 선형(linear) 또는 층형(laminar) 결함들을 검출하기 위한 광학 센서로서,
    a) 텔레센트릭 레이저 스캐너(12); 및
    b) 검출 유닛(11)을 포함하고,
    상기 텔레센트릭 레이저 스캐너(12)는,
    평탄한 표면(5)에 수직하는 조명을 위한 레이저(1),
    스캐닝 미러(2), 및
    조명 및 검출 빔들을 안내하기 위한 텔레센트릭 광학 시스템(4)
    을 구비하고,
    상기 검출 유닛(11)은,
    광학 검출기 시스템(8),
    상기 텔레센트릭 레이저 스캐너(12)를 향해서 상기 광학 검출기 시스템 부근에 동심적으로(concentrically) 위치되는 중앙 조리개(9),
    평탄한 표면들(5) 상의 결함들로부터 나오는 스캐터링된 광을 검출하기 위한 고감도 광전자증배기(6), 및
    상기 광전자증배기(6)의 업스트림에 배치되는 슬릿 조리개(7)
    를 구비하는, 광학 센서.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 광학 검출기 시스템의 애퍼추어가 조명 방향에 대해 회전대칭적인 방식으로 배치되는, 광학 센서.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 애퍼추어는 고리모양(annular)인, 광학 센서.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 검출기 시스템(8)의 완벽하지 않은 회전대칭적인 구성의 경우에, 제 1 센서에 겹치는 애퍼추어 범위가 제 2 센서에 제공되고, 상기 제 2 센서의 스캐닝 라인은 상기 제 1 센서의 스캐닝 라인에 대해 각을 형성하는, 광학 센서.
  5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 광학 스캐닝 시스템(13)은 스캐닝 각도를 증가시키기 위해서 검출 빔 경로의 밖에 배치되고, 스캐닝 레이저 빔이 기울어진 미러(3)를 통해 주입되며, 상기 기울어진 미러(3)는 동시에 상기 중앙 조리개를 나타내는, 광학 센서.
  6. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 센서에 의해 스캐닝될 수 있는 상기 평탄한 표면은 평면 유리 패널인, 광학 센서.
  7. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 센서는, 한편으로는 한쪽에서 평면 유리 패널의 양쪽 면들을 검출하는 심도(depth of field)를 사용하여 측방향으로 상기 양쪽 면 상에서 결함들의 위치를 찾고 다른 한편으로는 상기 평면 유리 패널의 재료 두께보다 작은 심도를 사용하여 상기 결함의 크기를 결정하고 그리하여 상기 결함을 포함하고 있는 상기 평면 유리 패널의 면을 결정하기 위해서, 이중으로 설계되는, 광학 센서.
  8. 제 1항에 따른 광학 센서를 사용함으로써 평탄한 표면들 상에서 점형태, 선형 또는 층형 결함들을 검출하기 위한 방법으로서,
    대상의 평탄한 표면(5)이 완벽한 검사를 위해 텔레센트릭 레이저 스캐너(12)에 의해서 수직으로 조명되고,
    결함 지점으로부터 나오는 스캐터링된 광이 광학/전자 변환을 위한 고감도 광전자증배기(6)로 안내되고,
    슬릿 조리개(7)가 외부 광을 제거하기 위해 상기 광전자증배기(6)의 업스트림에 배치되고, 상기 슬릿 조리개(7) 상에서는 결함 지점으로부터 나오는 스캐터링된 광이 상기 광전자증배기(6)를 타격하기 이전에 포커싱되고 또한 그 포커싱 지점으로부터 더 전달되고,
    중앙 조리개(9)가 텔레센트릭 설계를 통해 미러형 방식으로 반사되는 광을 차폐시키기 위해서 검출 빔 경로 내에 도입되며,
    그럼으로써, 상기 표면 상에서의 결함의 방향에 상관없이 균일한 검출 감도를 갖는 상기 광학 검출기 시스템의 고리모양 애퍼추어가 생기는, 결함들을 검출하기 위한 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 평탄한 표면들은 투명한 재료의 한 면으로부터 양쪽 면들에 대해 측정되는, 결함들을 검출하기 위한 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 측정될 상기 투명한 재료는 평면 유리인, 결함들을 검출하기 위한 방법.
  11. 제 8항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 제 1 센서 및 제 2 센서는 상기 제 1 센서 및 상기 제 2 센서의 조명 빔들이 상이한 초점 직경들을 갖도록 설계되고, 그럼으로써 각각의 경우에 심도가 발생되며, 한편으로 평면 유리의 양쪽 면들에서 결함들의 완벽한 표면-관련 검출이 가능하고, 다른 한편으로 상기 제 1 센서를 사용하여 이전에 검출된 결함들의 위치가 상기 평면 유리의 앞면 및 뒷면에 대하여 구별될 수 있는, 결함들을 검출하기 위한 방법.
  12. 제 8항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 상이한 심도들을 갖는 두 센서 시스템들이 시간적으로 차이가 나는 방식으로 사용될 수 있고, 그로 인해서 한편으로는 모든 결함들 전체를 검출할 수 있고 다른 한편으로는 각 결함들의 크기를 결정할 수 있는, 결함들을 검출하기 위한 방법.
  13. 제 8항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 다수의 센서들 또는 센서 결합들을 동시에 사용하여 평면 표면들의 조사를 통한 완벽한 커버리지가 달성되는, 결함들을 검출하기 위한 방법.
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