KR101726443B1 - 유리 시트 내의 결함을 검출하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

투명 물질에서의 결함을 검출하는 장치는 광빔을 방출하는 광원 및 상기 광원이 그 위로 투사되는 스크린을 포함한다. 상기 광원 및 상기 스크린 사이에 위치되어 상기 스크린 상으로 투사되는 광 빔을 차단하는 광 부재를 더 포함한다. 상기 광 부재는 상기 광 빔의 적어도 일부의 광도를 변경시키고 상기 스크린상에서 실질적으로 균일한 조도 분포를 생성하도록 구성된다.

Description

유리 시트 내의 결함을 검출하기 위한 장치 및 방법{METHOD AND APPARATUS FOR DETECTING DEFECTS IN GLASS SHEET}
본 출원은 2009년 4월 30일 출원된 “유리 시트에서의 결함 검출을 위한 장치 및 방법”에 관한 12/433215호의 우선권을 주장한다. 본 발명은 개괄적으로 예를 들어, 평판 유리 시트와 같은 평판 투명 물질의 결함을, 빛을 이용하여 검출하는 것에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은 예를 들어 평판 유리 시트와 같은 평판 투명 물질에서의 결함의 검출을 위한 균일한 조도 분포(illuminance distribution)를 제공하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근의 액정 디스플레이(LCD) 기술에서의 기술적 진보는 LCD 패널에 대한 유리 기판의 품질에 관한 더 엄밀한 요구사항을 야기하였다. 표면 불연속, 코드(cord) 및 스트리크(streak)나 기판의 벌크에 관한 광학적 불균질성과 같은 유리 기판의 표면 이상(Abnormalities)은 LCD의 “무라(Mura)" 결함에 기여하는 요소에 속한다. ”무라“는 얼룩을 의미하는 일본어로서 낮은 콘트라스트 또는 비-균일 밝기 영역으로 나타나는 시각적 패널 불완전성에 대한 명칭으로 LCD 산업에 채용되어 왔다. 기판 표면 비-평탄성은 LCD 셀 간극에서의 변동을 도입시키고, 벌크 불균질성은 광파면(light wave front)의 굴절 왜곡 및 이에 따른 무라 결함을 일으킨다. 표면 비연속성은 보통 유리 내에 박힌 포유물(inclusions)로부터 발생한다. 이러한 포유물은 고체 또는 기상 물질로 이루어질 수 있다. 코드나 스트리크와 같은 줄무늬-형(Striae-type) 결함은 주로 용융된 원료 물질의 균질성 결여에 기하여 발생한다. 박형의 유리 시트에서, 스트리크 및 코드는 유리 연신 방향을 따라 연장되는 표면 돌기(projection) 또는 통상 요입부(depression)로서 통상 드러난다. 스트리크 결함은 통상 단일 줄무늬로 나타나나, 반면에 코드 결함은 밀리미터 범위 거리로 분리된 복수의 라인으로 구성된다. 벌크 광학 유리에서의 10 nm를 초과하는 광행로 길이(OPL) 변화와 관련한 줄무늬 효과는 일반적으로 무시할 수 없다. LCD 유리의 OPL 변화에 대한 요구는 디스플레이 산업에서의 진보와 함께 더욱 엄밀해지고 있으며, 용인 수준에서의 벌크 광학 유리에 대한 엄밀한 요구에 접근하고 있다.
기판 검사(inspection)는 결함있는 기판이 고가의 패널 제조 공정에 도입되는 것을 방지하고 또한 유리 형성 공정의 제어 시스템에 대한 피드백을 제공하기 위하여 중요하다. 역사적으로, 검사는 음영도법(shadowgraph method)을 이용하여 검시관에 의하여 수행되었다. 하기에 기술된바, 예를 들어, 미국 특허 제4,182,575호(Clark 등) 및 미국 특허 제6,433,353호(Okugawa)가 참조될 수 있다. 추후, 다양한 자동화된 방법은 검사의 연속성과 신뢰성을 개선하도록 시행되었다. 이에 대하여는 예를 들어, 미국 출원 제2004/174519호 (Gahagan), 국제 특허 공개 제WO 2006/108137 (Zoeller)호, 및 미국 공개 특허 제2008/0204741 (Hill)호가 참조될 수 있다. 수작업 검사는 고감도, 단순함 및 음영도법의 낮은 장비 비용에 기하여 LCD 기판 생산에 있어 여전히 널리 사용되고 있다.
결함의 존재에 대하여 평판 유리를 검사하는데 사용되는 음영도법은 예를 들어 쇼트 아크 방전 램프(short arc discharge lamp)과 같은 점형(point-type) 광원으로부터의 광을 유리 샘플을 통하여 백색 스크린으로 투사시키는 단계를 포함한다. 샘플 없이는, 스크린상의 조명(illumination) 패턴은 명부(bright area)로 구성된다. 유리 샘플이 상기 광원과 스크린 사이의 광 빔에 위치되는 경우, 줄무늬 또는 기판 결함이 투과광의 광도(luminous intensity)를 바꾸어, 스크린상의 조도(illuminance) 분포가 변경된다. 유리 내의 결함에 의하여 형성된 스크린상의 조도의 변이는 시각적으로 관측될 수 있거나, 전하 결합 소자(charge-coupled device, CCD) 카메라에 의하여 포착될 수 있다. 빛이 상기 유리 시트를 통과하거나 유리 시트로부터 반사되면, 파면은 상기 결함에 의하여 왜곡되게 된다. “렌즈 효과(lensing effect)”라는 용어는 때로 매질의 비 균질성에 의하여 야기된 그러한 소규모의 장애(disturbance)를 설명하기 위하여 사용된다. 그러한 장애의 “포커싱”부분은 스크린의 대응 부분에서의 조도의 증가를 일으키며, 상기 장애에 대한 “디포커싱” 부분은 스크린의 대응부에서 조도의 감소를 유발한다.
표면 이상(irregularities)을 검사하는 다른 방법(예를 들어, 미국 특허 제6,433,353호,Okugawa 참조)은 스크린상에 유리 시트로부터의 반사를 투사하는 단계를 포함한다. 적절한 편광 및 입사각의 선택에 의하여, 시트 표면 중 하나로부터의 기여도(contribution)는 최소화될 수 있으며, 이에 따라 1차로 단일 시트 표면의 검사를 가능하게 한다.
작은 크기를 갖는 광원을 이용하는 것은 작은-크기, 포인트-타입 결함 및 작은-폭의, 줄무늬, 예를 들어 코드나 스트리크에 대한 검사를 위한 고 공간 분해능(high spatial resolution)을 달성하는데 필수적이다. 현실적으로 일관성 없는 백광(white light)이 일반적으로 사용되나, 일부 회절 효과는 먼 거리에서 작은-크기(포인트-타입) 소스로부터의 광원의 부분적인 공간 간섭성(spatial coherence)에 기하여 관찰될 수 있다. 거리 LCoh에 의하여 분리된 유리의 지점에서, 크기 Rs의 광원(source)으로부터 방출된 빛
- 여기서 LCoh = 0.16Rλ/Rs, (1)
-은 88%의 공간 간섭성(spatial coherence)을 가질 것이며(M. Born and E. Wolf, Principles of optics, Cambridge University Press, 1999, Chapter X, Section 4.2 참조), 여기서 R은 소스로부터 유리까지의 거리이며, λ는 평균 광파장이다. 공간 간섭성은 표면 동요(perturbations)의 크기 ω는 다음을 만족하는 경우 중요(significant)하다:
Figure 112010028168730-pat00001
(2)
공간 간섭성에 기한 회절은 표면의 그림자의 선예도(sharpness)를 분산시킬 수 있으며, 또는 일부의 경우에 있어서 표면에서의 휘도 변조(intensity modulation)를 증폭시킬 수 있다.
유리에서의 줄무늬만을 조사함에 있어서는, 선형 광원(linear-type)이 사용될 수 있다. 광원은 줄무늬 방향에 평행인 방향으로 연장되어야 한다. 상기 방향에서 줄무늬의 콘트라스트를 증가시킬 것이고 결함의 다른 타입의 선예도를 확산시킬 것이다.
점형 광원에 의해 생성되며 스크린상에 투사되는 조도 분포는 비 본질적으로 광원과 스크린 사이의 입사 각 및 거리의 변동에 의하여 검사관에 의하여 불균일한 것으로 인식된다. 검사 결과의 일관된 해석을 위해서, 광원에 의해 방사되는 빛의 광도 분포는 스크린의 검출 영역에 걸쳐 (국부적 조도에 의하여 검출되는)밝기(brightness)가 검사관에 의하여 균일한 것으로 인식되도록 변경되어야 한다. 이는 특히 LCD 제조를 위한 유리 패널의 검사를 하는 경우에 중요하며, 여기서 큰 크기의 유리 패널은 엄격한 기준을 만족하여야 한다. 적절한 광도 분포를 제공하는 것은 LCD 산업에 요구되는 유리 기판의 크기의 증가와 함께 이슈가 되고 있다. 유리 크기에 비례한 음영도 구성을 단순히 스케일 업(scaling up)하는 것은 불가능하거나 비현실적일 수 있다. 그러한 검사 및 스크린의 크기를 위하여 필요한 공간의 증가이외에, 램프의 출력이 유리 크기의 증가에 대하여 제곱 비례적으로 증가되어야 한다. 더 큰 출력의 램프가 아크(arc)의 더욱 효과적인 크기를 가질 수 있다. 램프 출력의 증가와 함께, 아크 조도는 덜 안정적이 되는 경향이 있는데, 이는 방전 플라즈마의 크기의 증가가 일시적이거나 공간적인 불안정성의 전개를 유발시킬 수 있기 때문이다. 상기 불안정성은 스크린상에서 밝기 요동(brightness fluctuations) 및 공간적인 밝기 비-균일성으로 나타날 것이며, 이에 따라 검사의 일관성을 떨어뜨리게 한다. 전구(bulbs)의 수명은 일반적으로 출력에 따라 감소한다. 또한 상기 고출력의 광원 근처에 있게 되는 검사관에 의하여 상기 램프를 작동시키는데 추가적으로 인체의 안구에 대한 안전 수단이 요구될 것이다.
본 발명에 따른 몇 가지의 측면이 본 명세서에 개시된다. 이러한 측면은 다른 하나와 중첩되거나 되지 않을 수 있음을 이해하여야 한다. 따라서, 일 측면의 일부가 다른 측면의 범주에 속할 수 있고, 그 반대일 수도 있다.
각 측면은 구체예에 의하여 설명되며, 결과적으로 이는 하나 이상의 특정 구체예를 포함할 수 있다. 이러한 측면은 다른 하나와 중첩되거나 되지 않을 수 있음을 이해하여야 한다. 따라서, 일 구체예 또는 이의 특정 구체예의 일부가 다른 구체예, 또는 이의 특정 구체예의 범주에 포함되거나 포함되지 않을 수 있으며, 이의 반대일 수 있다.
해결을 요하는 하나의 기술적 과제는 유리 시트의 대규모 영역에 걸쳐 일정한 검사를 위하여 광원으로부터 스크린상으로 어떻게 균일한 조도 분포(illuminance distribution)를 제공할 수 있는가이다. 해결되어야할 다른 기술적 과제는 상이한 제조 설비에서 상이한 크기의 상이한 유리 시트의 전 영역에 걸쳐 일정한 검사를 이루기 위해 동일하거나 유사한 장치를 사용하여 상이한 크기의 대규모 유리 시트에 대하여 광원으로부터 스크린상의 균일한 조도 분포를 어떻게 제공할 수 있느냐이다.
제1 측면에서, 투명 물질에서의 결함을 검출하기 위한 장치가 제공된다. 상기 장치는 광 빔을 방출하는 광원(light source), 상기 광원이 그 위로 투사되는(projected) 스크린, 및 상기 광원 및 상기 스크린 사이에 위치되어 상기 스크린 상으로 투사되는 광 빔을 차단(intercept)하는 광 부재(optical element)를 포함한다. 상기 광 부재는 상기 광 빔의 적어도 일부의 광도를 변경시키고 상기 스크린상에서 실질적으로 균일한 조도 분포를 생성하도록 구성된다.
제2 측면에서, 투명 물질에서의 결함을 검출하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 광원으로부터 투명 물질을 통하여 스크린으로 광 빔을 투사시키는(projecting) 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 광원 및 상기 스크린 사이의 위치에서, 상기 광원으로부터의 광 빔의 적어도 일부의 광도를 변경시키고 상기 스크린 상에서 실질적으로 균일한 조도 분포를 생성하도록 구성된 광 부재로 상기 광 빔을 차단하는 단계를 더 포함한다. 상기 방법은 또한 상기 스크린상에서 조도 분포를 관측 또는 기록하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 하나 이상의 측면은 다음의 이점 중 하나 이상을 가질 수 있다.
점형 광원으로부터 균일한 밝기 분포를 생성하는 본 발명의 하나 이상의 측면에 따른 광 부재는 큰-크기의 투명 물질, 예를 들어 유리 시트 물질의 검사를 가능하게 한다. 상기 광 부재는 근본적으로 상기 광원 및 스크린 사이의 거리로부터 스크린의 검출 영역 내의 스크린 조도 분포를 분리시킨다(decouple). 이러한 분리 때문에, 상이한 유리 크기가 동일한 검사 조건을 달성하면서, 동일한 장치로 검사될 수 있다. 결과적으로 하나의 측정에서 다른 측정으로, 일 크기의 유리 시트에서 다른 것으로, 하나의 제조 설비에서 다른 설비로의 광범위한 유리 영역에 걸쳐 검사 공정의 일관성이 개선된다. 상기 개선은 광학적 배율, 상기 광원에서 상기 스크린까지의 거리, 또는 상기 광원의 광도의 변경 없이(예를 들어, 상기 광원의 출력을 변경시키지 않고) 달성된다. 결과적으로, 검사되는 유리의 크기가 설령 증가되더라도 더 작은 검사실이 사용될 수 있다. 결과적으로, 더 작은 유리 크기를 검사하는데 효과적인, 상대적으로 낮은 출력의 광원이, 더 작은 검사실에서 더 큰 유리를 검사하는데 사용될 수 있다. 덜 강력한 램프는 더 긴 수명을 갖는 경향이 있으며, 이는 유리의 상대적으로 큰 시트를 검사하는 경우 램프, 유지 및 출력 소비에서 비용 절감이 가능하게 된다.
본 발명의 추가적인 특징 및 이점은 후술되는 상세한 설명에서 설명될 것이고, 부분적으로는 상기 설명으로부터 당업자에게 명백할 것이며, 또는 개시된 설명 및 이의 청구범위 뿐 아니라 첨부되는 도면에서 기술되는 바와 같은 발명을 실시함으로써 용이하게 인식될 것이다.
전술한 일반적인 설명 및 후술하는 상세한 설명은 단순히 발명의 예시이며, 청구된 바와 같은 본 발명의 본질 및 특성을 이해하기 위한 개괄 또는 개요를 제공하기 위한 것으로 이해되어야 한다.
첨부되는 도면은 본 발명의 추가적인 요해를 제공하기 위하여 포함되며, 본 명세서의 일부를 구성하는 것으로 포함된다.
도 1은 전통적인 유리 검사 장치인 음영도법의 개략도이다.
도 2는 가변 투과 광 필터를 갖는 유리 검사 장치의 개략도이다.
도 3은 가변 투과 광 필터의 단면 개략도이다.
도 4는 상기 필터 면에서의 가변 투과 광 필터의 개략도이다.
도 5는 예시적인 가변 투과 광 필터의 투과도 분포(transmission distribution)를 보여주는 플로트이다.
도 6은 150W 제논 램프((NewPort Corporation, Part number 6253)의 cd에서의 광도의 일반적인 각분포(angular distribution)의 플로트이다.
도 7은 비구면(aspherical surface)을 갖는 굴절 광부재를 구비한 유리 검사 장치의 개략도이다.
도 8A는 굴절 광부재의 계산된 프로파일이다.
도 8B는 도 8A의 계산된 프로파일을 갖는 굴절 광 부재의 단면의 개략도이다.
도 9A는 도 8B의 굴절 광 부재없이 스크린상의 조도(임의의 단위) 대 위치에 대한 수치적 레이 트레이싱 분석 결과에 대한 플로트이다.
도 9B는 도 8B의 굴절 광 부재를 갖는 스크린상의 조도(임의의 단위) 대 위치에 대한 수치적 레이 트레이싱 분석 결과에 대한 플로트이다.
도 9C는 1mm로 디포커스된 도 8B의 굴절 광 부재를 갖는 스크린상의 조도(임의의 단위) 대 위치에 대한 수치적 광선(ray) 트레이싱 분석 결과에 대한 플로트이다.
도 1에 보이는 배치를 고려하건대, 예를 들어 점형 광원과 같은 광원(10), 및 스크린(14)은 광축(16)을 따라 배치되어 있다. 도 1에서 사용된 전통적인 장치에서, 상기 광축(16)은 일부의 경우에 상기 스크린(14)에 대하여 수직인 선이며 상기 광원(10)의 중심을 통과한다. 또한 상기 광축(16)상에 검사되어야 할 평판 투명 물질, 예를 들어 평판 유리(12)가 배치된다. 만일 광원(10)이 렘버시안(Lambertian)인 것으로 고려될 수 있다면, 그 때는 상기 스크린(14)에서의 한 지점에서의 조도(즉 단위 영역 당 표면에서의 입사조도)는 다음과 같이 주어질 것이다:
Figure 112010028168730-pat00002
(3)
여기서 Iv는 광도이고, α는 상기 광축(16)과 상기 광원(10)에 의하여 방출되는 (광)선(ray)(18)의 방향 사이의 각이며, S는 상기 점형 광원(point source, 10)에서 스크린(14) 사이의 거리이다. 입사 각에서 검사되는 유리 시트를 통한 광 투과의 의존성(Dependence)은 식(3)에서 고려되지 않았다. 이는 입사각이 35도를 초과하지 않고, 광원(10)으로부터의 광이 편극화되지 않는 경우 타당할 수 있다. 필요하다면 입사각에 의존하는 투과 계수(transmission coefficient)를 도입함으로써 더욱 정확한 표현이 추출될 수 있다. 식(3)으로부터, 조도는 상기 스크린(14)의 중심에서(즉, 광축(16)에서) 최대가 되고, Cos 3 a에 따라 스크린(14)의 코너를 향하여 감소된다. 본 발명의 측면은 상기 스크린(14)에서 이상적인 조도 분포를 검사관에 의하여 인식하는 대로 어떻게 균일하게 만들 것인가를 논의한다. “이상적인(ideal) 조도분포”라는 용어는 평판 유리(12)가 어떠한 검출 가능한 결함도 가지지 않는 것을 가정하거나 또는 상기 광원(10)과 상기 스크린(14) 사이에 유리 시트(또는 투명 물질)가 위치되지 않는 경우의 스크린 상에서의 조도 분포를 설명하는데 사용된다. 따라서 이상적인 조도 분포는 모든 품질 영역의 일정한 검사를 달성하기 위해 균일하여야 한다.
여기에 개시되는 요소들 중 조도 분포에서의 인식된 비-균일성에 기여하는 것은:
(i) (광원으로부터) 스크린까지의 거리 및 식(3)으로 기술되는 스크린 상에서의 입사각의 변이(Variations).
(ii) 광원의 각 광도 분포(Angular luminous intensity distribution). 예를 들어 도 6을 참조하면, 이는 쇼트 아크 Xe 광원에 대한 수직각 상에서의 광도의 의존성을 보여준다. 상기 광 강도(light intensity)의 각 의존성(angular dependence)은 방전 플라즈마 상의 전극의 형상의 영향의 결과일 것이다. 도 6에서 보이는 예시에서, 양극(cathode)은 더 낮은 전극이고 광 강도는 하부 방향에서 약 5-10% 더 크다.
(iii) 예를 들어 프레스넬 굴절식(Fresnel refraction formulae)에서 개시된 바와 같이(M. Born and E. Wolf, Principles of optics, Cambridge University Press, 1999 Chapter I, Section 1.5.2), 유리 시트 상의 입사각에서의 차이에 기한 유리(또는 투명 물질)의 광투과(또는 반사)의 변이.
(iv) 스크린에 대한 검사자의 위치. 인간의 안구 또는 CCD 카메라로 포착되는 스크린 상의 지점 P의 밝기는 검출자(detector)에 의해 수용되는 총 광속(luminous flux)에 의해 결정된다. 검출된 광속은 지점 P에서 입사 광속(flux incident), 입사 방향으로부터 수용되고 보는 방향(viewing direction)에서 반사되는 광의 스크린 반사율(reflectivity), 및 상기 지점에서 검출자로의 거리에 비례한다.
상기 언급된 요소 중 단지 일부만이 특정 케이스에서 중요할 수 있다. 예를 들어, 포토그래픽 스팟 광 노출계와 같은 스팟 광 노출계(spot light meter)로 스크린 밝기의 분산도를 측정하고, 일정한 스크린 밝기를 얻기 위해서, 요구되는 필터 투과 분산도를 매핑함으로써 모든 요소를 고려하는 것이 가능하다.
도 2는 광원(22), 가변 투과 광 필터(variable transmission optical filter, 24), 및 광축(28)을 따라 위치된 스크린(26)을 포함하는 검사 장치(20)를 보이고 있다. 여기에 사용된 관례에 있어서, 상기 광축(28)은 상기 스크린(26)에 대하여 수직인 선이며 상기 광원(22)의 중심을 지나고 있다. 검사되어야 하는 평판 투명 물질, 예를 들어, 평판 유리(30)는 상기 광축(28)을 따라 위치되며, 보다 상세하게는 상기 가변 투과 광 필터(24) 및 상기 스크린(26) 사이에 위치한다. 상기 검사되는 물질(30)에 대한 법선(normal)은 일반적으로 상기 광축(28)에 대하여 수직이 아니다. 광 빔(32)은 상기 광원(22)으로부터 상기 가변 투과 광 필터(24), 평판 유리(30)를 통해서 상기 스크린(26)으로 투사된다. 일부 구체예에서, 상기 광원(22)은 점형 광원일 수 있다. 상기 광원(22)은 예를 들어, 쇼트-아크 방전 램프일 수 있다. 상기 광원(22)의 작동 파장은 평판 유리(22)를 통한 투과 범위에서 선택되며 수작업에 의한 검사의 경우 검시관에 의하여 가시되는(visible) 것이다. 만일 스크린(26) 상에 형성된 이미지가 카메라에 의하여 얻어지는 경우라면 광은 카메라 메체에 의하여 검출되는 것이어야 한다. 예를 들어, 광원(22)의 작동 파장은 400nm 내지 750nm의 범위일 수 있다. 만일 사람이 검사관으로 이용되는 경우라면, 인체 안구에 유해할 수 있는 UV 및 IR 파장은 필터(24) 또는 별도 필터에 의해 차단되어야 한다. 다른 구체예에서, 광원(22)은 선형 광원일 수 있다.
가변 투과 광 필터(24)는 최대 작동 광빔각 αmax에 의해 규정되는 원뿔형(cone, 33) 내에서 상기 광 빔(32)의 광도 분포를 변경시키며, 이는 상기 원뿔형(33) 내에서 스크린(26) 상의 모든 지점에서 본질적으로 조도를 균일하게 한다. 상기 원뿔형(33)의 외부에서의 광선에 대하여는, 식(3)에 따른 조도 저하가 있을 수 있으며, 또는 이러한 광선은 광필터(24) 또는 기타 적당한 조리개(aperture)에 의해 차단될 수 있다. 필터(24)에 의해 변경되는 상기 광 원뿔형(33)은 상기 평판 유리(30)를 통하여 상기 스크린(26)으로 지나간다. 스크린(26) 상에서 관측되는 조도 분포에 대한 어떠한 왜곡도 상기 평판 유리(30)에서의 결함의 지표(indication)일 수 있다. 인간인 검사자에 의하여 관측이 이루어질 수 있다. 대신에, 또는 인간 검사자에 추가하여, 장치는 스크린(26)의 이미지를 캡쳐하기 위해 카메라를 포함할 수 있다. 상기 장치는 평판 유리(30)에서의 결함이 있는지를 결정하기 위해 카메라(41)에 의하여 포착된 이미지를 프로세싱하기 위한 프로세스를 더 포함할 수 있다. 프로세싱은 광원(22) 및 스크린(26) 사이의 평판 유리(30)의 존재에 기하여 포착된 이미지와, 상기 평판 유리(30)가 포함되지 않은 베이스라인 이미지를 비교하는 단계를 포함할 수 있다.
도 3을 참조하면, 가변 투과 광 필터(24)는 광 빔을 수용하기 위한 입력면(input side, 35) 및 광 빔을 출력하기 위한 출력면(output side, 37)을 포함한다. 상기 가변 투과 광 필터(24)는 상기 입력면(35) 상에, 기판 층(36)을 포함한다. 특정 실시예에서, 상기 기판층(36)은 본질적으로 균일한 광 투과도를 갖는다. 특정 실시예에서, 상기 기판층(36)은 투명 물질, 예를 들어, 유리 물질, 예를 들어 용융 실리카(fused silica)로 이루어질 수 있다. 기판(36)의 면들 중 일면, 바람직하게 가변 투과 광 필터(24)의 출력면(37)은 필터층(34)을 포함한다. 특정 예에서, 상기 필터층(34)은 두 개의 기판 사이에 샌드위치될 수 있다. 특정 실시예에서, 상기 필터(34)는 가변 광 투과성을 갖는다. 상기 필터상의 일 지점에서의 광 투과성은 상기 지점에서의 필터를 유출하는(exiting) 빛의 광도 대 상기 지점에서 필터로 유입하는(entering) 빛의 광도의 비이다. 상기 필터층(34)의 광 투과성에서의 공간적 변이, 예를 들어 식(4)로 하기에서 표현되는 것은 필터(24)를 유출하는 광 원뿔형의 각 강도 분포를 조절하는데 사용된다. 상기 가변 투과층(34)은 기판층(36) 상에 모든 알려진 방법에 의하여 형성된다. 상기 가변 투과 광 필터(24)는 예를 들어 도 4에서와 같이 원형일 수 있으며, 또는 다른 형상을 가질 수 있다. 특정 실시예에서, 상기 가변 투과성(variable transmission)은 광흡수의 공간 변이 또는 광 반사의 공간 변이에 의해, 또는 둘 다에 의해 달성된다. 예를 들어, 은, 알루미늄 또는 기타 금속이나 합금과 같은 금속의 박형(thin) 가변 두께 층이 이용될 수 있다. 특정 실시예에서, 필터 층(34) 및 기판 층(36)의 물질은 고강도의 광 빔(32, 도 2)에 노출되는 경우 고온 및 열팽창에 기한 열응력에 견디도록 선택된다.
일부 구체예에서, 반사 방지(anti-reflection, AR) 코팅(38)이 상기 투과필터(24)의 일면 또는 양면 상에 형성된다. 상기 필터를 통한 빛의 투과성을 증가시킴에 나아가, 반사 방지 층(38)은 또한 주변 공기 중의 산소 및 오존에 노출되는 것으로부터 상기 필터층(34)을 보호할 것이다. 일부 경우에 있어, 예를 들어, 상기 필터층(34)은 금속이나 금속 합금과 같은 산화 가능한 물질로 만들어지는 경우, 상기 노출은 필터층(34)의 바람직하지 않은 산화의 원인이 될 수 있다. AR 코팅에 기한 전체적인 광 투과성에서의 증가는 광원 상의 더 낮은 출력(power)의 요구 및 작동 중의 필터에 대한 더 낮은 온도를 귀결될 수 있다. AR 코팅은 또한 필터 표면으로부터 바람직하지 않은 다중 반사(multiple reflections)를 감소시킨다. 다중 반사는 광원의 유효(effective) 크기를 증가시키게 하는 추가적인 가상 광원(virtual light sources)을 형성한다. 보호층(도 3에 미도시), 예를 들어 투명 유리, 레진 또는 고분자는 상기 AR 코팅(38)에 제공되거나, 또는 환경과의 화학 반응이나 마찰, 스크레치 및 치핑(chipping)과 같은 기계적 손상으로부터 상기 필터층(34)을 보호하도록 직접적으로 상기 필터층 상에 제공될 수 있다.
일부 경우에 있어, 상기 필터에 대한 기판 물질은 광원 복사선의 바람직하지 않은 스펙트럼 부분, 예를 들어 UV(자외선) 또는 IR(적외선)을 흡수 또는 반사할 수 있다. 다른 실시예에서는, 하나 이상의 광 코팅 추가 층이 상기 필터 표면에 적용되어 복사선의 바람직하지 않은 스펙트럼 부분, 예를 들어 UV 또는 IR을 차단할 수 있다.
일부 실시예에서, 필터 층(34)의 작은 입자구조(grain structure)는 용인될 수 있다. 적합한 입도(granularity)에 대한 크기 및 기타 속성(attributes)은 검사 장비의 해상도(resolution) 조건 및 기하 레이아웃(geometrical layout)에 의존한다. 특정 실시예에서, 최대 입경은 2mm 이하이고, 바람직하게는 1mm 이하이다. 최대 인용가능한 입자구조는 상기 입자 구조가 스크린상에 가시성의 조도 비-균일성을 형성하지 않도록 결정되어야 한다.
도 2를 참조하면, 광 투과성의 변이는 특정 지점의 적당한 좌표(coordinates) 상에서의 필터 상의 상기 지점에서 투과 계수 T의 국부 값(local value)의 의존성으로 표현될 수 있다. 광원(22)으로부터 스크린(26)으로의 거리의 변이 및 스크린(26) 상의 입사각만이 고려되어야 하는 경우, 가변 투과 광 필터(24)는 필터 면(도 4 참조)에서 지점 C로부터 거리 ρ의 함수로서 규정되는 투과성 분포 T(ρ)를 가질 것이며, 이는 하기 식 (4)로 주어진다:
Figure 112016056402187-pat00027
, (4)
여기서 T0는 기판층(36)의 투과계수이고, d는 광원(22)으로부터 상기 가변 투과 광 필터(24)의 위치까지의 거리이며, ρmax은 필터 면에서 최대 빔 반경(필터 면(25) 및 ρ에 대해서 도 4 참조)이며, 이는 다음과 같이 주어진다:
Figure 112010028168730-pat00004
, (5)
식(5)에서 αmax는 균일한 조도 분포를 제공하는 원뿔형(33)의 각으로 규정되는 최대 작동 빔 각도이다. 바람직함에도, 광원(22)으로부터 상기 가변 투과 광 필터(24)까지의 거리는 너무 작게 만들어질 수 없는데, 이는 광원(22)으로부터 조사된 열(heat) 때문이다. 만일 광원(22) 및 상기 가변 투과 광 필터(24) 사이의 실제 작동 거리 d 및 αmax가 결정되면, 그때는 식(5)가 ρmax를 규정할 것이다. 다음과 같이 식 (4)로부터, 투과성은 필터의 중심(여기서 α=0 및 ρ=0)에서, ToCos3αmax로부터, 필터의 외부 주변(여기서 α=αmax 및 ρ= ρmax)에서 또는 그 근처에서, T0까지 증가한다. 다른 말로 하자면, 상기 광필터(24)를 통한 빛의 투과도 T는 최대 작동 빔 각도 αmax에서 T0의 100%이고 α=0에서 필터의 중심으로 접근하면서 감소한다. 도 5에서의 예시는 T0 = 85%, d = 70.8 mm, 및 αmax = 27도(degrees)인 경우 가변 투과 광 필터의 투과도 분포를 보여준다. 이러한 파라미터를 사용하면, ρmax은 대략 36mm이다. 필터 투과도 계수 T는 상기 필터 면(plane)에서 빔 반경 위치 ρ에 대하여 플로팅되었다.
일반적인 경우에 있어서, 예를 들면 상기 리스트로부터의 다중 요소가 고려되어야 하는 경우, 투과도 분포는 전술한 예시에서와 같이 축상(axially) 대칭은 아니다. 이론적 분석이 현실적이지 않은 경우, 다음의 공정이 채용될 수 있을 것이다. 광원(22)으로부터의 빛이 고품질의 유리 샘플을 통하여 필터 없이 스크린(26) 상으로 투사된다. 검사자가 위치되어야 하는 곳에 위치된 스팟 노출계를 사용하면, 스크린 밝기의 분포는 스크린의 복수 지점에서의 밝기를 측정함으로써 결정된다. 충분히 많은 스크린의 지점으로부터 밝기를 측정하는 경우, 밝기 분포, 즉 밝기 대 스크린 상의 위치는 적절한 함수, 예를 들어 다항식 보간법(polynomial interpolation)으로 보간될(interpolated) 것이다. 최소 밝기 I0의 지점 P0는 광이 비추는 P0가 통과하는 필터 면에서의 지점으로 위치되고 매핑된다. 상기 밝기가 측정되었던 기타 지점은 필터 면에서 Pi, i={0,N}의 대응 지점으로 매핑되며, 여기서 N은 지점의 수이다. Pi에 대응하는 필터면에서의 지점에서 총 투과 계수 Ti(기판 및 필터 층)는 다음과 같이 결정되며,
Figure 112010028168730-pat00005
, (6)
여기서 T0는 기판 투과도이며, I0는 지점Pi에서의 밝기이다. 이후 투과 계수의 분포는 적절한 방법, 예를 들어 다항식 보간법으로 보간될 것이다. 상기와 같이 규정된 공정으로 제조된 필터가 광원과 스크린 사이에 위치되면, 스크린의 밝기는 근본적으로 균일할 것이다.
다른 구체예에서, 도 7에 개시된 바와 같이, 굴절 광부재(refractive optical element, 40)는 스크린 면(26)에서 바람직한 조도 분포를 달성하기 위해 점형 광원(22)로부터 방출되는 빛을 재분배하기 위해 사용된다. 굴절 광 부재(40)는 이하에서 설명될 바와 같이, 적어도 하나의 비구면(aspherical surface)을 가진다. 본 구체예에서, 스크린에서의 균일한 조도를 제공하기 위해 명영역(bright areas)에서의 초과 광(excessive light)을 차폐(blocking)하는 대신, 광선은 스크린상의 명영역에서 암영역(dark areas)으로 굴절에 의해 방향이 바뀐다.
다음은 굴절 광 부재(또는 렌즈)의 형상을 어떻게 얻는가에 대하여 교시한다. 도 7에서 굴절 광 부재(40)의 제1 표면(42)(광원(22)을 마주하고 있음)이 오목한 구형이라고 가정한다. 상기 구형의 중심은 상기 광원 위치(22)와 일치한다. 제2 볼록한 표면(44)(광원(22)으로부터 떨어지도록 향하고 있음)은 함수 r(α)로 정의되며, 여기서 r은 제1 표면 구의 중심에서 각도 α 방향으로의 거리이다. 각도 α에서 광 빔은 다음으로 주어진 광축으로부터 거리에서 스크린에 도달할 것이다.
Figure 112010028168730-pat00006
, (7)
여기서 φ는 렌즈를 벗어난(exiting) 이후의 광선의 각도이다. 만일
Figure 112010028168730-pat00007
가 제2 표면에 대한 법선과 상기 광축 사이의 각도라면, Snell의 굴절 법칙이 다음과 같이 표현될 수 있을 것이며,
Figure 112010028168730-pat00008
, (8)
여기서 n은 렌즈 물질의 굴절률이다. 상기 표면에 대한 법선의 탄젠트 각은 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112010028168730-pat00009
(9)
식(8)과 식 (9)를 조합하면,
Figure 112010028168730-pat00010
(10)이 된다.
1계(first order) 미분 방정식(10)은 비구면(44)의 형상을 결정하는데 사용될 수 있다. 굴절각에서의 기판 투과 계수의 의존성은 모든 각도가 법선으로부터 단지 수 도(few degrees) 내에 있기 때문에 고려되지 않았다. 총 투과도는 일정한 것으로 고려될 수 있다. 식(10)의 해(solution)는 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112010028168730-pat00011
(11)
주어진 의존성ρ(α)에 대하여, 함수 φ(α)가 식 (7)로부터 발견될 수 있다.
Figure 112010028168730-pat00012
(12)
만일 최대 유출(exiting)각 α max 를 갖는 광선이 동일한 방향으로 렌즈를 떠나는데 요구된다면, 그때는,
Figure 112010028168730-pat00013
; (13)
Figure 112010028168730-pat00014
따라서 식(11) 및 (13)은 극좌표(polar coordinate)에서 비구면 프로파일(44)을 규정한다.
도 8A는 도8B(또는 도7)에서 보여지는 구조를 갖는 굴절 광 부재(40)에 대한 계산된 프로파일을 보여준다. 도 8A에서 보여지는 플롯에서, 수평 축 R은 광축(28)에서부터 렌즈(40)의 표면(42, 44)에서의 지점까지의 거리이며, 수직축 Z는 도 7에서 상기 지점에서 초점면(focal plane, 45)까지의 거리이다. 다른 말로 하자면, 도 8A에서의 플롯은 도 8B에서의 굴절 광 부재(40)의 새그(sag) 프로파일을 보여준다. 도 8A에서의 프로파일 50은 도 8B의 제1 구면(42)에 대응한다. 도 8A에서의 프로파일 52는 도 8B에서의 비구면인 제2 표면(44)에 대응한다. 프로파일 54(설명을 위한 목적으로만 보여지며 실제의 물리적 표면을 나타내지 않는다)은 87-mm 반경을 갖는 구형에 대응한다. 비구면 형상 프로파일 52와 87-mm 구형 프로파일 54 간의 차이는 약 2 mm이다. 도 9A, 9B 및 9C는 비구면 광 부재(도 8B에서 40)의 성능을 설명하기 위한 수치적 광선 트레이싱 분석(numerical ray tracing analysis) 결과를 보여준다. 이러한 플로트에서, 상기 수평축은 스크린상의 지점 Q의 방사상 위치(radial position) h이고, 수직축은 상기 지점 Q에서 계산된 상대 조도(relative illuminance)이다. 도 9A는 굴절 광 부재가 없이 스크린에서의 조도 분포(임의의 단위)를 보여준다. 도 9B는 굴절 광 부재를 갖춘 균일한 조도 분포(임의의 단위)를 보여준다. 도 9C는 렌즈 내성(tolerance) 분석 결과를 도시한다. 도 9C에서의 플롯은 균일화된 (굴절 광)부재가 1mm의 초점 이탈(defocusing), 즉 상기 광축을 따라 그 설계된 위치에서 1mm 벗어나는 경우에 90%의 균일성을 보인다. 수치적 시뮬레이션은 1mm의 중심 이탈(decentration)(상기 광축에 수직 방향으로 이동) 및 광원의 유한 크기(1mm)가 도 9C에서 보여준 것과 유사한 스크린 영역에 걸쳐, 상당한 정도의 불균일성을 제공한다는 것을 보여준다. 1mm 보다 우수한 정확성으로 굴절 광 부재를 위치시키는 것은 용이하게 달성될 수 있다.
도 7을 참조하면, 일부 경우에 있어, 예를 들어 상기 광부재의 제조를 단순화하기 위해, 상기 광원(22)을 향하는 표면 또는 표면 42, 44 모두가 비구면일 수 있다. 표면 프로파일에 대한 식은 상술한 바와 유사한 방법으로 얻어질 수 있다.
균일한 조도 분포를 생성하도록 광원으로부터의 광 빔의 광도 분포를 변경시키도록 구성된 광 부재는 상기에서 설명하였다. 상기 광 부재, 예를 들어, 상술한 바와 같은 가변 투과 광 필터(24) 또는 굴절 광 부재(40)는 평판 투명 물질, 예를 들어, LCD 유리 기판에서의 결함을 검출하기위해 디자인된 검사 장비로 포함될 수 있다. 그러한 결함은 표면 이상, 예를 들어 코드, 스트리크, 표면 불연속 또는 결함의 기타 타입일 수 있다. 그러한 장치에서, 상기 광 부재는 광원, 예를 들어 점형 광원 또는 선형 광원으로부터의 광빔을 수용하여 스크린 면에 균일한 조도 분포를 생성한다. 상기 광 부재에 의해 변조된 광이 스크린에 도달하기 전에 투명 물질을 통과하는 경우, 스크린 면에서의 조도 분포의 왜곡은 상기 투명 물질의 결함의 지표를 제공한다. 그러한 왜곡은 추가적이고 자동화된 프로세싱을 위해 인간인 운전자에 의하여 시각적으로 관측되거나 카메라에 의해 포착될 수 있다. 만일 스크린 상으로 투사된 광빔의 조도 분포가 균일하고 검사되는 샘플의 품질 영역에 걸쳐 일정하다면 하나의 측정에서 다른 측정, 사람 또는 기계인 수행자(operator)는 하나의 측정에서 다른 측정으로 검사 결과에 대한 더 일정한 해석을 할 수 있을 것이다.
본 발명 명세서는 다음의 비-제한적인 측면 및/또는 구체예를 포함한다:
C1. 광 빔을 방출하는 광원;
상기 광 빔이 그 위로 투사되는 스크린; 및
상기 광원 및 상기 스크린 사이에 위치하여 상기 스크린 상으로 투사되는 광 빔을 차단(intercept)하는 광 부재를 포함하며, 상기 광 부재는 상기 광 빔의 적어도 일부의 광도를 변경시키고 상기 스크린 상에서 실질적으로 균일한 조도 분포를 생성하도록 구성되는, 투명 물질에서의 결함을 검출하는 장치.
C2. C1에 있어서, 상기 광 부재는 K(d2+ρ2)3/2으로 정의되는 투과 프로파일(transmission profile)을 갖는 가변(variable) 광 투과 필터를 포함하며, 여기서 ρ 는 상기 가변 투과 광 필터의 중심에서 상기 가변 투과 광 필터 상에 주어진 지점까지 측정된 반경이며, d 및 K는 상수이며, 여기서 상기 가변 투과 광 필터는 실질적으로 균일한 광 투과도(uniform optical transmission)를 갖는 기판 층상에 형성된, 가변 광 투과도(variable optical transmission)를 갖는 필터층을 포함하는 장치.
C3. C1 또는 C2에 있어서, 상기 가변 투과 광 필터는 상기 필터층 및 상기 기판 층 중 하나 이상에 형성된 반사 방지(anti-reflection) 층을 더 포함하는 장치.
C4. C2 또는 C3에 있어서, 상기 상수 K는 K=T0(d2+ρmax 2)-3/2로 정의되며, 여기서, 상기 T0는 기판층의 투과도이며, ρmax는 상기 가변 투과 광 필터가 광도를 변경시키는 미리 결정된 ρ의 최대값이며, d는 상기 가변 투과 광 필터 및 광원 사이의 거리인 장치.
C5. C1 내지 C4 중 어느 하나에 있어서, 상기 광 부재는 하나 이상의 비구면(aspherical surface)을 갖는 반사 광 부재인 장치.
C6. C1 내지 C5 중 어느 하나에 있어서, 상기 광원은 점형(point-type) 광원 및 선형(linear-type) 광원으로 이루어진 군으로부터 선택된 장치.
C7. 광원으로부터 투명 물질을 통하여 스크린으로 광 빔을 투사시키고 상기 스크린을 비추는(illuminating) 단계; 및
상기 광원 및 상기 스크린 사이의 위치에서, 상기 광원으로부터의 광 빔의 적어도 일부의 광도를 변경시키고 상기 스크린상에서 실질적으로 균일한 조도 분포를 생성하도록 구성된 광 부재로 상기 광 빔을 차단하는 단계; 및
상기 스크린 상에서 조도 분포를 관찰 내지 기록하는 단계를 포함하는, 투명 물질에서의 결함을 검출하는 방법.
C8. C7에 있어서, 상기 광부재는 가변 투과 광 필터인 방법.
C9. C7에 있어서, 상기 광부재는 적어도 하나의 비구면을 갖는 반사 광 부재인 방법.
본 발명의 범위와 사상으로부터 벗어남이 없이 다양한 변형 및 변경이 본 발명에 대하여 이루어질 수 있음이 당업자에게는 명백할 것이다. 따라서 본 발명은 첨부된 청구범위 및 이의 균등 범위 내에 속하도록 제공되는 본 발명의 변경과 변형을 포함하는 것으로 의도된다.
도면에서의 참조 번호는 다음의 의미를 갖는다:
10: 광원; 12: 평판 유리 또는 평판 투명 물질; 14: 스크린; 16; 광축; 18: 광선(ray); 20: LCD 유리 검사 장치; 22: 광원; 24: 가변 투과 광 필터; 25: 필터 면; 26: 스크린; 28: 광축; 30: 평판 유리; 32: 광 빔; 33: 원뿔형(cone); 34: 필터층; 35: 입력면; 36: 기판층; 37: 출력면; 38: 반사 방지층; 40: 굴절 광 부재; 41: 카메라; 42: 제1 비구면; 43: 프로세서; 44: 제2 비구면; 45: 초점 면; 50: 제1 비구면 프로파일; 52 제2 비구면 프로파일; 54: 구형 프로파일.

Claims (9)

  1. 발산 광 빔을 방출하는 광원;
    상기 발산 광 빔의 투사를 받도록 상기 광원으로부터 거리를 두고 위치되는 스크린; 및
    상기 광원 및 상기 스크린 사이에 위치하여 상기 광원으로부터 상기 스크린 상으로 투사되는 상기 발산 광 빔을 차단(intercept)하는 광 부재를 포함하며, 상기 광 부재는 가변(variable) 투과 광 필터 또는 하나 이상의 비구면(aspherical surface)을 갖는 굴절 광 부재이고, 상기 광 부재는 상기 광원으로부터 투사되고 최대 작동 광빔각 αmax에 의해 규정되는 상기 발산 광 빔의 원뿔형 내에서 각 광도 분포를 변경시켜, 상기 광 부재와 상기 스크린 사이에 배열된 결함을 가진 투명 물질이 없을 때, 상기 원뿔형 내에서 상기 스크린 상의 조도 분포를 실질적으로 균일하게 하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 투명 물질에서의 결함을 검출하는 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 가변 투과 광 필터는 K(d2+ρ2)3/2으로 정의되는 투과 프로파일(transmission profile)을 가지고, 여기서 ρ 는 상기 가변 투과 광 필터의 중심에서 상기 가변 투과 광 필터 상에 주어진 지점까지 측정된 반경이며, d 및 K는 상수이며, 여기서 상기 가변 투과 광 필터는 실질적으로 균일한 광 투과도를 갖는 기판 층상에 형성된 가변 광 투과도를 갖는 필터 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 가변 투과 광 필터는 상기 필터 층 및 상기 기판 층 중 하나 이상에 형성된 반사 방지(anti-reflection) 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 청구항 2 또는 3에 있어서, 상기 상수 K는 K=T0(d2+ρmax 2)-3/2로 정의되며, 상기 T0는 상기 기판 층의 투과도이며, ρmax는 상기 가변 투과 광 필터가 광도를 변경시키는 미리 결정된 ρ의 최대값이며, d는 상기 가변 투과 광 필터 및 상기 광원 사이의 거리임을 특징으로 하는 장치.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 광원은 점형(point-type) 광원 및 선형 광원으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 투명 물질에서의 결함을 검출하는 방법이며,
    광원으로부터 방출되는 발산 광 빔의 투사를 받도록 상기 광원으로부터 거리를 두고 스크린을 위치시키는 단계;
    가변 투과 광 필터 또는 하나 이상의 비구면을 갖는 굴절 광 부재인 광 부재로서, 상기 광원으로부터 투사되고 최대 작동 광빔각 αmax에 의해 규정되는 상기 발산 광 빔의 원뿔형 내에서 각 광도 분포를 변경시켜, 상기 광 부재와 상기 스크린 사이에 배열된 결함을 가진 투명 물질이 없을 때, 상기 원뿔형 내에서 상기 스크린 상의 조도 분포를 실질적으로 균일하게 하도록 구성되는 광 부재를 상기 광원으로부터 상기 스크린으로 투사되는 상기 발산 광 빔을 차단하도록 상기 광원 및 상기 스크린 사이에 위치시키는 단계;
    결함을 가진 투명 물질을 상기 광 부재와 상기 스크린 사이에 배열하는 단계;
    상기 스크린을 비추기(illuminate) 위해 상기 광원으로부터 상기 광 부재를 통한 후 상기 투명 물질을 통하여 상기 스크린으로 상기 발산 광 빔을 투사시키는 단계; 및
    상기 스크린 상에서 조도 분포를 관찰 또는 기록하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 물질에서의 결함을 검출하는 방법.
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