TW201531693A - 用於光學檢測之非成像相干線掃描系統和方法 - Google Patents

用於光學檢測之非成像相干線掃描系統和方法 Download PDF

Info

Publication number
TW201531693A
TW201531693A TW103144367A TW103144367A TW201531693A TW 201531693 A TW201531693 A TW 201531693A TW 103144367 A TW103144367 A TW 103144367A TW 103144367 A TW103144367 A TW 103144367A TW 201531693 A TW201531693 A TW 201531693A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
transparent sheet
coherent
imaging
line scan
optical
Prior art date
Application number
TW103144367A
Other languages
English (en)
Inventor
Iii Leon Robert Zoeller
Original Assignee
Corning Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Corning Inc filed Critical Corning Inc
Publication of TW201531693A publication Critical patent/TW201531693A/zh

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/95—Investigating the presence of flaws or contamination characterised by the material or shape of the object to be examined
    • G01N21/958—Inspecting transparent materials or objects, e.g. windscreens
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • G01N21/45—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length using interferometric methods; using Schlieren methods
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/8806—Specially adapted optical and illumination features
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/89—Investigating the presence of flaws or contamination in moving material, e.g. running paper or textiles
    • G01N21/892—Investigating the presence of flaws or contamination in moving material, e.g. running paper or textiles characterised by the flaw, defect or object feature examined
    • G01N21/896—Optical defects in or on transparent materials, e.g. distortion, surface flaws in conveyed flat sheet or rod

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Investigating Materials By The Use Of Optical Means Adapted For Particular Applications (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

揭露一種用於在透明片材中測量至少一個瑕疵的非成像相干線掃瞄系統。該系統包含雷射系統和圓柱光學系統，該雷射系統產生相干發散雷射線光束，從該圓柱光學系統形成準直雷射線光束。可移動的支撐構件支撐並移動透明片材，使得準直雷射線光束掃描透明片材並於掃描期間經過透明片材的一部分及至少一個瑕疵。一線掃描感測器接收所透射的準直雷射線光束及由瑕疵所改向的光束之一部分。結果為干涉成像，該干涉成像具有至少一個相干瑕疵特徵，該至少一個相干瑕疵特徵代表在透明物件中的至少一個瑕疵。

Description

用於光學檢測之非成像相干線掃描系統和方法
本申請案依據專利法主張於2013年12月23日申請之美國專利臨時申請案第61/919959號之權利，該臨時申請案之內容以引用其全文的方式在此依據並併入本文。
本揭露書關於光學檢測，且特別地關於用於執行透明物件(諸如透明片材，包含彎曲的透明片材)之光學檢測的非成像相干線掃描系統及其方法。
光學檢測系統及方法係使用以檢測多種不同種類的物件，以確定物件是否達到某些製造規格。最常見種類的光學檢測系統形成物件的成像並接著分析該成像，如在成像上執行成像處理。許多形成成像的光學檢測系統係相對複雜的，如，使用具角度的光學路徑及相對大量的光學組件以執行成像。同時，許多形成成像的光學檢測系統經設計以測量具有平坦表面的物件。
已經過證實有一種種類的物件係難以被光學檢測的，其為彎曲的透明片材(諸如玻璃片材)。彎曲的表面需要使 用大的景深成像系統。此外，若彎曲透明片材係大的，試著擷取全部透明片材的成像係困難的。更有甚者，成像系統的解析度經常需要夠高以檢測非常小的瑕疵，如5μm般小。不幸地是，高成像解析度同樣意指相對淺的景深(如，約±50微米)，這遠小於典型透明片材的厚度，尤其是彎曲透明片材。
本揭露書的一個態樣係一種用於在一透明片材中測量至少一個瑕疵的非成像相干線掃描系統，該透明片材具有前表面及後表面。該系統依序沿著一光學軸而由以下元件所組成：一雷射系統，在沿著該光學軸之一方向上產生一相干發散雷射線光束；一圓柱光學系統，沿著該光學軸配置並接收該發散雷射線光束，且從該圓柱光學系統形成一準直雷射線光束；一可移動的支撐構件，鄰近配置於該圓柱光學系統之下游處並適於以相對該準直雷射線光束而支撐及移動該透明片材，使得該準直雷射線光束在當該透明片材以大體垂直於該光學軸之方向而平移時，通過該透明片材的一部分及該至少一個瑕疵；及一線掃描感測器系統，沿著該光學軸配置於該可移動支撐構件的下游處，以於當該準直雷射線光束透射經過該透明物件並通過該至少一個瑕疵時，接收該準直雷射線光束，以產生一干涉成像，該干涉成像具有至少一個相干瑕疵特徵，該至少一個相干瑕疵特徵代表在該透明物件中的該至少一個瑕疵。
本揭露書的另一態樣係一種如上所述的非成像相干線掃描系統，其中該線掃描感測系統包含一線掃描感測器， 係操作地連接至一訊框抓取器，且其中該線掃描感測器擷取多個線性數位訊框，且該訊框抓取器配合該透明片材的移動而擷取該些線性數位訊框。
本揭露書的另一態樣係一種如上所述的非成像相干線掃描系統，其中該線掃描感測系統進一步包含一電腦，該電腦係可操作地連接至該訊框抓取器且從該訊框抓取器組合該些線性數位訊框，以形成該干涉成像。在一個例子中，該電腦經配置具有包含在一電腦可讀取媒體中的多個指令，該些指令可使該電腦由該些線性數位訊框形成該干涉成像，並處理該干涉成像的至少一個相干瑕疵特徵，以計算由該至少一個瑕疵所導致之光功率再分布的量。在一個例子中，該電腦經配置具有包含在一電腦可讀取媒體中的多個指令，該些指令基於該至少一個相干瑕疵特徵而決定該至少一個瑕疵的一或多個特徵。此特徵可包含由先前已特征化的瑕疵與相干瑕疵特徵之資料庫的關聯。
本揭露書的另一態樣係一種非成像相干線掃描系統，用以特征化一透明片材的至少一個瑕疵。該系統實質上依序沿著一光學軸由以下元件所組成：一雷射系統，沿著一光學軸產生一相干發散雷射線光束；一圓柱光學系統，沿著該光學軸配置並接收該發散雷射線光束，且從該圓柱光學系統形成一準直雷射線光束；一可移動的支撐構件，適於以大體垂直於該光學軸之方向而支撐及移動該透明片材；及一線掃描感測器系統，相對於該可移動支撐構件而配置，以界定一工作空間，該線掃描感測器系統係適於當該準直雷射線光 束透射經過該透明片材並通過該至少一個瑕疵，且在該工作區域未通過任何具有功率的光學元件時，接收該準直雷射線光束，並由所透射的該準直雷射線光束形成一干涉成像，該干涉成像具有至少一個相干瑕疵特徵，該至少一個相干瑕疵特徵對應該至少一個瑕疵。
本揭露書的另一態樣係一種在一透明片材中偵測(或偵測並特征化)至少一個瑕疵的非成像方法。該方法包含：透射一相干雷射線光束通過該透明片材，同時以大體垂直該雷射線光束的方向平移該透明片材；以一線掃描感測器系統接收並偵測所透射的該相干雷射線光束，該線掃描感測器系統在該線掃描感測器系統和該透明片材之間界定一工作空間，其中所透射的該相干雷射線光束通過該至少一個瑕疵及該工作空間，使得該線掃描感測器系統形成一干涉成像，該干涉成像包含至少一個相干瑕疵特徵，且其中在該工作空間內並無具有光功率的光學組件；及由該至少一個相干瑕疵特徵而決定該至少一個瑕疵的一或多個特徵。
額外的特徵及優點列舉於以下的【實施方式】中，且有部分對於在該技術領域中具有通常知識者來說係經由說明書而係顯而易見的，或藉由實施於所撰寫的說明書及其申請專利範圍，及隨附的圖式中所描述的實施例而認識。應理解上述整體說明及下述【實施方式】僅用以示例，且意欲提供對理解申請專利範圍之本質及特徵的概要或架構。
10‧‧‧透明片材
10’‧‧‧圖像表示
11‧‧‧本體
12‧‧‧前表面
14‧‧‧後表面
15‧‧‧邊緣
16‧‧‧瑕疵
16’‧‧‧圖像表示
50‧‧‧系統
54‧‧‧電力供應器
60‧‧‧雷射系統
61‧‧‧光學元件
62C‧‧‧準直雷射線光束
62D‧‧‧發散雷射線光束
62P‧‧‧改向光部分
63‧‧‧波前
65‧‧‧波前
67‧‧‧波前
70‧‧‧圓柱光學系統
71‧‧‧光學元件/平凸圓柱透鏡
72‧‧‧前表面
74‧‧‧後表面
80‧‧‧支撐構件
81‧‧‧位置測量裝置
82‧‧‧底座
84‧‧‧保持特徵結構
86‧‧‧軌道
100‧‧‧線掃描感測器
102‧‧‧光感應表面
103‧‧‧欄
104‧‧‧像素
110‧‧‧訊框抓取器
130‧‧‧電腦
140‧‧‧線掃描感測器系統
150‧‧‧干涉成像
216‧‧‧瑕疵特徵
250‧‧‧顯示器
A1‧‧‧光學軸
AR‧‧‧箭頭
d‧‧‧作用距離
HB‧‧‧光束高度
HS‧‧‧高度
IBG‧‧‧背景強度
LS‧‧‧長度
LS‧‧‧雷射源
SD‧‧‧偵測器信號
SP‧‧‧感測器平面
THS‧‧‧厚度
WB‧‧‧光束寬度
WS‧‧‧工作空間
包含附隨的圖式以提供進一步的理解，且附隨的圖 式被併入及構成本說明書的一部分。這些圖式說明一或多個實施例，且與【實施方式】一同作為解釋各種實施例的原理及操作。因此，藉由以下的【實施方式】，及與附隨圖式的結合而更完全地理解揭露書，其中：第1A圖為具有前曲面及後曲面之一示例透明片材的正視圖；第1B圖為第1A圖的透明片材以線a-a所擷取的截面圖，顯示具有實質同心的頂表面及底表面的示例片材。
第2圖為用於光學檢測諸如顯示於第1A及1B圖中之透明片材的非成像相干線掃描系統之示例實施例的概要圖；第3圖為當透明片材藉由可移動的平台而被可移動地支撐時之透明片材的前視圖，該可移動的平台沿著軌道在x方向上平移，以相對於透明片材完成準直雷射線光束的掃描；第4圖為當干涉成像藉由第3圖之非成像相干線掃描系統擷取時之示例干涉成像的概要圖，且第4圖顯示兩個示例相干瑕疵特徵；第5圖為當實際干涉成像之相干瑕疵特徵被使用示例非成像相干線掃描系統而擷取時之實際干涉成像之相干瑕疵特徵的特寫圖，該非成像相干線掃描系統使用單一平凸圓柱透鏡元件作為圓柱光學系統；第6圖為示例透明片材與準直雷射線光束及其實質平面波前、所透射的雷射光束及其參考波前及在改向光線部分及其波前的特寫概要圖，描繪了從透明片材至感測器平面 的距離是如何改變記錄在感測器平面處的相干瑕疵特徵的尺寸；第7A圖為用於示例干涉成像之截面的強度I(x)對干涉成像位置x的概要曲線圖，顯示示例相干瑕疵特徵相對於背景強度IBG如何再分布光學能量，及此能量再分布可被如何使用以偵測及特征化瑕疵；第7B圖為類似於第7A圖用於實際干涉成像之強度(x)對干涉成像位置x的曲線圖，顯示兩個相干瑕疵特徵及背景強度IBG；第8圖為示例顯示器之前視圖，包含以與透明片材之圖像表示相關的方式顯示的所測量瑕疵的示例圖像表示；及第9A及9B圖顯示非成像相干線掃描系統之示例實施例，其中並無圓柱光學系統。
現詳細參照本揭露書的各種實施例，這些實施例的例子係顯示於附隨的圖式中。只要有可能時，相同或類似的元件符號及記號係使用於所有圖式以指示相同或類似的部分。圖式不需要被按比例繪製，於該技術領域中具有通常知識者將理解這些圖式已被簡化以說明本揭露書的關鍵態樣。
於下所列舉的申請專利範圍係併入並構成本實施方式的一部分。
於此提及的任何公開或專利文件的全部揭露內容係藉由引用的方式而併入本文。
為了參考的目的，笛卡兒座標係顯示於一些圖式中且並不意欲作為關於方向或定向的限制。
於此使用的用詞「下游」及「上游」係指相對於光行進方向之一零件的相對位置，其中當零件B位於零件A的下游處時，光係首先入射入零件A並接著入射入零件B。在此例中，零件A可稱之為位在零件B的上游處。
第1A圖為一示例透明片材10的正視圖。透明片材10具有本體11，本體11具有相對的前表面12及後表面14及外側邊緣15。在一個例子中，前表面12及後表面14可為平面的且彼此實質平行，儘管在其他例子中，前表面及後表面的一者或兩者可具有曲率。在一個例子中，前表面12及後表面14具有實質同心的曲率，諸如第1A圖之示例透明片材所示。對於此一例子來說，在一個方向上之透明片材的截面顯示前表面12及後表面14係實質平行的(如顯示於第1B圖之截面圖，其係沿第1A圖中的線a-a所擷取)。
在其他例子中，前表面12及後表面14的一者或兩者在一個方向上具有曲率。此種透明片材可具有實質固定的厚度THS。其他示例的透明片材10可具有變化的厚度THS。
在一個例子中，透明片材10係由玻璃所製成，諸如化學強化玻璃。化學強化玻璃的一個例子係為Gorilla®玻璃，其係由紐約州康寧市的康寧有限公司所製造。透明片材10的其他例子係由透明塑膠、熱塑性塑膠、聚合物、樹脂、玻璃層板等，及大體上可形成為片材之任何透明材料所製成。
第1A及1B圖顯示存在前表面12上的示例瑕疵 16。其他瑕疵16可存在於前表面12上或前表面12中，及後表面14上或後表面14中。瑕疵16亦可存在於本體11內，如第1B圖所示，如內含物、氣泡等。第1B圖顯示在前表面12上的凸塊瑕疵16及在後表面14上的壓印或凹痕瑕疵。瑕疵16大體包含凸塊、凹陷、壓印、凹痕、氣泡、內含物、表面灰塵、顆粒等。
透明片材10可具有多種不同的形狀。第1A及1B圖之示例透明片材10具有長度LS、高度HS及前述的厚度THS。前表面12及後表面14的曲率不需為球形且可為非球面的，如透明片材10可為圓柱的、環狀的等等。在一個例子中，前表面12和後表面14係實質同心圓柱表面，在一個例子中(見，如第1B圖)平行差距為不超過5%，且在另一個例子中平行差距為不超過2%，且在另一個例子中平行差距為不超過1%。
第2圖為用於執行透明片材10之光學檢測之示例非成像相干線掃描系統(「系統」)50的概要圖。系統50具有在z軸方向延伸的光學軸A1。系統50包含沿光學軸A1配置的雷射系統60。在一個例子中，雷射系統60包含雷射源LS及一或多個光學元件61，該一或多個光學元件61經配置使得雷射系統發射在y軸方向上發散且實質平行x軸方向的狹窄相干發散雷射線光束62D。示例雷射源LS包含至少一個二極體雷射。其他種類的雷射亦可使用作為雷射源LS。
在一個例子中，發散雷射線光束62D在x軸方向上具有約0.25”或0.5”或0.375”的光束寬度。在一個例子中，引 起發散雷射線光束62D的一或多個光學元件61可配置於緊鄰雷射系統60的下游處。在第2圖的示例系統50中，一或多個光學元件61係位於雷射系統60的內部。
系統50亦包含圓柱光學系統70，圓柱光學系統70沿光學軸A1而配置於雷射系統60的下游處，且圓柱光學系統70經構造以接收發散雷射線光束62D。在一個例子中，圓柱光學系統70由單一光學元件71所組成。示例單一光學元件71為具有前表面72及後表面74的平凸圓柱透鏡。在一個例子中，平凸圓柱透鏡具有面對雷射源60的平坦前表面72及凸起的後表面74。圓柱光學系統70可大體包含一或多個光學元件，該一或多個光學元件經構成以在一方向上執行光束準直，諸如第二圖中所示的y軸方向。使用諸如第二圖中所示之單一平凸圓柱透鏡71的優點在於這種方式使得系統50變得簡單、不昂貴、緊湊且易於實施。
第3圖係可移動支撐構件80的正視圖，該可移動支撐構件80存在鄰近圓柱光學系統70的後表面74處並與圓柱光學系統70的後表面74間隔開。可移動支撐構件89係構造以可操作地支撐(如，保持)透明片材10並在x軸方向(亦即，任一方向上實質垂直光學軸A1之方向)上移動透明片材。在一個例子中，可移動支撐構件80包含底座82及一或多個保持特徵結構84，該一或多個保持特徵結構84經構造以保持透明片材10。在一個例子中，保持特徵結構84經構造以抓取透明片材10的相對邊緣15，使得前表面12及後表面14的僅非常小的部分或甚至沒有任何部分被遮擋。在一個例子中，可 移動支撐構件80包括具有精確定位能力的平移平台。
在一個例子中，底座82經構造以在+x軸及-x軸方向上(如箭頭AR所指)沿軌道86而移動。在一個例子中，可移動支撐構件80的位置亦可在z軸方向及y軸方向上被調整。示例可移動支撐構件80包含位置測量裝置81(如線性編碼器；見第2圖)，該位置測量裝置81相對於參考位置(如，軸A1)而測量可移動支撐構件的位置。
再次參照第2圖，系統50亦包含線掃描感測器100，該線掃描感測器100係沿著光學軸A1而配置於可移動支撐構件80的下游。線掃描感測器100具有光敏感表面102，該光敏感表面102在一個例子中包含單一欄103的像素104，如第2圖之特寫插圖所示。光敏感表面102經配置以置於感測器平面SP中。
應注意系統50在可移動支撐構件80和線掃描感測器100之間(亦即，當透明片材被支撐於可移動支撐構件時，在透明片材10和線掃描感測器100之間的工作空間WS)並無具有光功率的光學組件。在另一個例子中，完全沒有任何光學組件(亦即，甚至那些不具有光功率的光學組件，諸如板、平面過濾器等)在工作空間WS內。當透明片材被支撐於可移動支撐構件時，線掃描感測器100存在於自透明片材10的後表面14起算的軸向作用距離d處。在一個例子中，作用距離d係為從0.5cm≦d≦100cm的範圍內。在一個例子中，作用距離d係藉由軸向移動可移動支撐構件80及線掃描感測器100的至少一者而調整。
系統50亦包含訊框抓取器，該訊框抓取器110可操作地(如，電性地)連接至線掃描感測器100。系統50進一步包含電腦130，該電腦130可操作地(如，電性地)連接至訊框抓取器。示例線掃描感測器100具有12000個5.2μm的像素104、90kHz線速及1個10億像素的產出量。此線掃描感測器的例子係可由加拿大安大略市的Teledyne DALSA公司取得。示例訊框抓取器110為Xcelera-HS PX8 Teledyne訊框抓取器，亦可由Teledyne DALSA公司取得。示例電腦130為可程式的個人電腦或工作站，可經程式化以執行儲存在韌體及/或軟體(亦即，包含在電腦可讀取媒體中)中的多個指令，以使電腦由訊框抓取器110實施數位訊框的處理，這部分將說明於下。線掃描感測器100、訊框抓取器110及電腦130構成線掃描感測器系統140的例子。
在系統50的操作中，雷射系統60產生前述的發散雷射線光束62D，該發散雷射線光束62D大體沿著軸A1朝向圓柱光學系統70而行進。圓柱光學系統70在y軸方向上具有功率，使得圓柱光學系統70形成狹窄、實質準直的雷射光束62C，其中準直現在係在x軸方向和y軸方向兩者上，亦即，完全準直。在一個例子中，準直雷射線光束62C具有光束高度HB>HS(見第3圖)。示例光束高度HB係於2”≦HB≦12”的範圍內，儘管位於此範圍外的其他光束高度亦可依據透明片材10的高度HS而使用。在另一示例實施例中，準直雷射線光束62C可具有光束高度HB<HS，但此雷射光束將僅測量透明片材10的一部分。示例光束高度HS約為3”。
在一例子中，準直雷射線光束62C具有前述的寬度WB，該寬度WB在一個例子中係至少與線掃描感測器100的寬度同寬，且在一例子中，係實質上較寬以易於對準。舉例來說，對於具有寬度5.2μm的像素104之線掃描感測器100來說，使用0.25”=6.35mm的光束寬度，此使得準直雷射線光束62C易於與線掃描感測器對準。對於光束寬度WB的另一考量為在線掃描感測器100處所需的光功率或能量密度。準直雷射線光束62C的示例深寬比RA可界定為RA=HB/WB。在一個例子中，RA的可實施較小值為2”/0/5”=4，且可實施較大值為12”/0.25”=48。然而，在其他例子中，RA可低至2且可高至100或1000或50000或100000，且實際的深寬比將取決於一些因素，諸如所欲光功率、像素104的尺寸、所欲的對準簡便姓、透明片材10的高度HS等。
準直雷射線光束62C係入射於透明片材10上，透明片材10係在x軸方向上移動，使得準直雷射線光束掃描透明片材。準直雷射線光射10通過透明片材10並繼續到達線掃描感測器100。若透明片材10不具有瑕疵16，則抵達透明片材10的光強度係實質均勻的，或者會因除了瑕疵以外的來源(諸如來自圓柱光學系統70、在透明片材105中的大尺寸透射度變動)而具有某些程度的不均勻。在示例實施例中，強度測量可以系統50在不論是否具有透明片材10存在或者具有無瑕疵的透明片材以建立強度基線或背景強度讀數的情形下執行。
線掃描感測器100接收所透射的準直雷射線光束 62C，該準直雷射線光束62C透射通過透明片材10並作為回應而產生對應的電性偵測器訊號SD。在一個例子中，偵測器訊號SD構成線性數位訊框的數位視訊流。偵測器訊號SD被送至訊框抓取器110，該訊框抓取器110擷取線性數位訊框並選擇性地壓縮訊框。線性數位訊框接著被送至電腦130上以如下所述般處理。
在一個例子中，線掃描感測器100和訊框抓取器110經構造以執行時間延遲積分(time delay integration，TDI)。TDI的例仔細討論於美國專利第6,906,749號及2012年5月在Photonics Spectra上由He等人所發表之標題為「Time delay integration speeds up imaging」的文章中。使用TDI的優點為所需用以操作系統50的光之數量可減少約一個數量級。在示例實施例中，線掃描感測器100可於(例如)當在TDI模式中使用系統50時包含多個欄103的像素104。
在一個例子中，透明片材10相對於準直雷射線光束62C平移的速度(「線速度」)SL係在20cm/s≦SL≦50cm/s的範圍中。如上所述，示例線掃描感測器100可擷取高達90K訊框/秒。線速度SL為每秒掃描的數目(或每秒訊框的數目)乘上像素104的尺寸。甚至當系統50經構造以執行TDI時亦適用。TDI感測器包含以掃描率時脈自動地和同步地自每一列103的像素104將電荷同時轉移至其鄰近列的像素之所有電路，所以對所有外部硬體(諸如訊框抓取器110)來說，TDI感測器看起來像是單列掃描裝置。因此，對於40K訊框/秒的訊框率而言，線速度SL=40K．5.2μm=208000μm/s=20.8 cm/s。對於90K訊框/秒的訊框率而言，線速度SL=90K．5.2μm=468000μm/s=46.8cm/s。
電腦130接收並處理來自訊框抓取器110的(線性)數位訊框。具體而言，電腦130組合數位訊框以形成2維的「干涉成像」，其將於下說明。在維持正方形像素104之例子中，線掃描感測器100的線掃描速度及透明片材10的平移速度係配合的。線性數位訊框的配合擷取係藉著提供由可移動支撐構件80之位置測量裝置81至訊框抓取器110的移動資料而達成。
繼續參照第2圖，若透明片材10具有瑕疵16，接著在準直雷射線光束62C(其具有實質平面的波前63)的光線之一部分62P將由瑕疵而以對應於瑕疵之尺寸、形狀及材料的方式改向。改向的光線部分62P具有相關的「瑕疵」波前65，同時原本具有平面波前63的通過透明片材10的其他光線而現具有由透明片材10所界定的形狀之波前67。因為生成準直光線光束62C的光線係相干的，兩組波前65及67在線掃描感測器100處干涉，並以波前67作為「參考」波前。
當透明片材10係實質平坦時，則參考波前67將為實質平坦的。當透明片材10係實質彎曲時，則參考波前67將為實質彎曲的。然而，參考波前67的曲率將大體遠低於由瑕疵16所產生之瑕疵波前65的曲率。此外，在線掃描感測器100的瑕疵波前65之線性長度(在y軸方向上)係相對地小(如，在數百微米的數量級)，使得參考波前67與此距離相比通常可被視為實質平坦的。
如上所討論的，電腦130組合來自訊框抓取器110的線性數位訊框以形成前述的干涉成像。干涉成像並非為傳統的成像，亦即，干涉成像並非在藉由成像平面處形成物件成像的光學器件所形成。反之，干涉成像為干涉瑕疵和參考波前的記錄。在系統中50並無以傳統方式作動以在線掃描感測器100處形成成像的光學元件。
第4圖為由電腦130所形成之示例干涉成像150的概要圖。干涉成像150包含兩相干瑕疵特徵216，此兩個相干瑕疵特徵216對應在透明片材10中或在透明片材10上的兩個瑕疵16。第5圖為使用示例系統50所獲得之實際干涉成像150的一部分，示例系統50係使用用於圓柱光學系統70的平凸圓柱透鏡71。第5圖的干涉成像之相干瑕疵特徵216類似顯示於第4圖中在干涉成像之左側上的相干瑕疵特徵，其中該相干瑕疵特徵具有由亮環和暗環所包完的暗中心。
相干瑕疵特徵216的尺寸和形狀可被評估及使用以決定對應瑕疵16的尺寸和形狀。舉例來說，在干涉成像150之左側上及顯示於第5圖之特寫圖中的相干瑕疵特徵216具有暗中心，此可顯示瑕疵16為凹陷、壓印、凹痕等的形式。此瑕疵16如發散光線之微型負透鏡般作用，從而導致暗中心。
同樣地，在干涉成像150之右側上的相干瑕疵特徵216具有亮中心，此可顯示瑕疵16為凸塊的形式。此瑕疵16作用以聚集光線，從而導致亮中心。兩相干瑕疵特徵216的圓形形狀顯示對應的瑕疵亦具有圓形形狀，或太小使得他們為實質類點狀的瑕疵。
藉由知道在透明片材10和線掃描感測器100間的作用距離d、透明片材10的形狀和由雷射系統60所發出之光線62的波長λ，對應瑕疵16的尺寸和形狀可以使用於光學技術領域中已知的標準干涉和繞射方法而決定至合理程度的準確率。如上所述，在許多的情況中，透明片材10可為近似平面片材，因為在許多的情況中，相較於與波前65(與改向光線部分62P)實際干涉之波前的小部份而言，參考波前67可視為平面的。
舉例來說，請注意第4圖右手邊的相干瑕疵特徵216類似具有圓形孔洞之成像系統的聚焦點之艾里繞射圖案(Airy diffraction pattern)。將在艾里繞射圖案中自中心向外到第一環的距離r與孔洞的作用距離d和孔洞的寬度D及成像波長λ相關的方程式為r1.22dλ/D。在系統50中，參數d和λ為已知，而r係從干涉成像150而測量。直徑D對應瑕疵16的尺寸(直徑)且作用距離d係從瑕疵到線性掃描感測器100的光敏感表面102之(大約)距離。
因此，若相干瑕疵特徵216具有經測量具有半徑r=100μm的中央碟，則若波長λ=0.633μm(氦氖雷射波長)，且作用距離d係採用2cm=2x104μm，則瑕疵16的直徑D由方程式計算約為D=1.22d λ/r=(1.22)(2x104μm)(0.633μm)/(100μm)154μm。因此，用於艾里圖案的簡單近似方程式表示了估計瑕疵16的尺寸和形狀的一種方法。亦可使用更精密的基於繞射的方法。
第6圖為系統50的特寫概要圖，系統50顯示透明 片材10、準直雷射線光束62C及其平面波前63、由通過透明片材之平面波前所形成的參考波前67及與改向光線部分62P相關的改向或瑕疵波前65。亦顯示了用於感測器平面SP的兩個不同的作用距離d。當作用距離d變大時，相干瑕疵特徵216的尺寸變大，但其強度變小。因此，作用距離d可經選擇以於當尋找具有在對應選擇範圍之尺寸的瑕疵16時，確保相干瑕疵特徵216具有落入選擇範圍的尺寸。作用距離d亦可經選擇使得相干瑕疵特徵216具有選擇的強度或最小的閾值強度。
第7A圖為諸如第6圖中所示，用於示例相干瑕疵特徵216之截面的強度I(x)對距離x之概要曲線圖。第7A圖的曲線圖顯示改向光線部分62P如何在感測器平面SP處再分布光線能量並因此而分布於線掃描感測器100上。背景或參考強度IBG亦顯示於第7A圖中。如上所討論的，可在不具有透明片材10存在下測量背景強度IBG，或在具有已知(參考)校準透明片材(如，不具有瑕疵的透明片材)下測量背景強度IBG。在一個例子中，電腦130經構造以處理干涉成像150，以決定被再分布之光功率的量。舉例來說，電腦130可經構造(如，經由包含於電腦可讀媒體中的指令)以執行一維或二維的積分，以在相對於背景強度IBG之強度曲線(I(x)或I(x,y))下找到面積量。
第7B圖類似於第7A圖，且為從實際干涉成像150所獲得的資料之強度I(x)對x之曲線圖，實際干涉成像150係使用示例系統50而擷取，示例系統50將單一平凸圓柱透 鏡71用於圓柱光學系統70。應注意第7B圖中，其具有相對大的相干瑕疵特徵216及相對小的相干瑕疵特徵，並相對於背景強度IBG在兩個相干瑕疵特徵之間中具有一些輕微的強度變化。
在強度界定為瓦特/m2的例子中，相干瑕疵特徵216的二維強度I(x,y)的積分產生與相干瑕疵特徵相關，單位為瓦特=焦耳/秒的再分布光功率的量。所測量的功率之量可用以特征化瑕疵16，因為「較強力的」(亦即，較大的)瑕疵會導致較大量的再分布功率。在一個例子中，對於被視為重要的對應瑕疵216而言，再分布光功率的量必須超過特定的閾值。
因此，使用系統50而執行透明片材10之光學檢測之示例方法包含以下的基本步驟。第一步驟為校準步驟。此步驟可包含執行前述的背景校準，以獲得背景強度IBG。此步驟亦可包含線掃描感測器100的增益和暗電流校準(亦即，歸零)，並設定待使用的雷射功率量。在一示例實施例中，在準直雷射線光束62C中的功率量係設定至線掃描感測器100的約1/2飽和度。在一個例子中，雷射系統60具有50mW的最大輸出功率。輸出功率的量可藉由連接至雷射，及視情況連接至電腦130(見第2圖)之電力供應器54而調整。
第二步驟包含以如上所述的準直雷射線光束62C掃描透明片材10，以使用線掃描感測器100及訊框抓取器11而擷取數位訊框。
第三步驟包含使用電腦130而處理(組合)數位訊 框，以獲得包含一或多個相干瑕疵特徵216的干涉成像150。
第四步驟包含處理干涉成像150中的相干瑕疵特徵216，以偵測並特征化導致了相干瑕疵特徵的一或多個瑕疵216。特征化可包含尺寸、形狀、種類(如凸塊、凹陷、壓印、凹痕、氣泡、內含物、表面灰塵、顆粒等)、位置(包含z軸位置，亦即，表面或內部瑕疵)、數量、及分布(如，瑕疵地圖、尺寸分布等)之至少一者。在一個例子中，電腦130亦處理干涉成像，以建立透明片材10的一或多個邊緣15，以作為定位一或多個瑕疵16的參考。該方法亦可包含電腦130，電腦130將瑕疵特征化的結果展示給最終使用者，如藉由圖像顯示而展示(如於下討論)。
在一個示例實施例中，多種不同種類和尺寸的相干瑕疵特徵216可被偵測及測量，並然後直接測量對應的瑕疵216(如，使用顯微鏡、干涉儀、測面儀)，以生成將相干瑕疵特徵216對應至已知種類和尺寸之瑕疵16的資料庫。此資料庫可被包含於電腦130中，以幫助干涉成像150的處理及基於瑕疵的相干瑕疵特徵而幫助瑕疵的特征化。在一個例子中，瑕疵16可基於瑕疵的嚴重性而藉由計數系統或標尺而特征化。在一個例子中，電腦130包含多個指令，該些指令包含於電腦可讀媒體(如，軟體)中，該些指令使電腦處理干涉成像並執行上述的瑕疵偵測及特征化。
在一個示例實施例中，透明片材10可被旋轉(如，旋轉90度)並被再次測量，且對於非旋轉及經旋轉的測量而接著分析及比較對應的經旋轉的干涉成像150以與所測量的瑕 疵216相關。光學檢測方法的此態樣減少了瑕疵之失效偵測的次數。
第8圖為顯示器250的正視圖，顯示器250包含以與透明片材10之圖像表示10’相關的方式顯示的瑕疵16的示例圖像表示16’。
第9A及9B圖顯示並未包含圓柱光學系統70之示例系統50的示例實施例。第9A圖顯示透明片材較第9B圖更靠近線掃描感測器100。在顯示於第9A及9B圖中的系統50的構造中，波前63係非平面的及反之為實質圓柱的。因此，不使用完全準直雷射線光束62C，而是使用發散雷射線光束62D(僅在x軸方向上係準直的)。
具有波前63的發散雷射線光束62D因此未中斷地從雷射系統60行進至透明片材10，其中光束的一部分與瑕疵16互動，從而產生具有瑕疵波前65之偏轉的光線62P。由透明片材10所透射之發散雷射線光束62D的未偏轉部分具有參考波前67(為便於說明，僅顯示參考波前67的中央部分)。發散雷射線光束62D可具有與如上所述有關於準直雷射線光束62C的部分相同之寬度WB。
因此，與如上所述使用準直雷射線光束62C的實施例相關，瑕疵16使發散雷射線光束62D的一部分62P及對應的瑕疵波前65係藉由對應於瑕疵的尺寸、形狀及材料的方式而被瑕疵所改向。偏轉的光線部分65P係藉由瑕疵及參考波前65及67的干涉而在線掃描感測器100處被偵測。偵測係依據作用距離d而發生於以給定y軸位置上為中心的區域 上，可藉由比較第9A及9B圖而了解此點。
在第9B圖中，較大的作用距離d導致偏轉光線部分的中心(如，形心)係位於較高的y軸位置處，且偏轉光線部分62P亦散佈於線掃描感測器100的較大部分上。若作用距離d係保持相同，則無需補償此位移效應，此位移效應並未發生於如上所述使用圓柱光學系統70及以此方式的準直雷射線光束62C的實施例中。
由第9A及9B圖的示例系統50所獲得之相干瑕疵特徵216係以與如上所述之使用圓柱光學系統70的系統50相關之實質相同的方式及方法，在考量發散雷射線光束62D的發散特性後而處理。系統50的校準亦可以與如上所述之使用圓柱光學系統70的系統50相關之實質相同的方式而執行。
對於熟悉該技術領域者而言，在不背離本揭露書的精神或範圍下，對於此所述之本揭露書的較佳實施例作出各種變化係顯而易見的，本揭露書的精神或範圍係界定於附隨的申請專利範圍中。因此本揭露書包含來自於附隨申請專利範圍及其等效元件之範圍內的修改及變化。
10‧‧‧透明片材
12‧‧‧前表面
14‧‧‧後表面
16‧‧‧瑕疵
50‧‧‧系統
54‧‧‧電力供應器
60‧‧‧雷射系統
61‧‧‧光學元件
62C‧‧‧準直雷射線光束
62D‧‧‧發散雷射線光束
62P‧‧‧改向光部分
63‧‧‧波前
65‧‧‧波前
67‧‧‧波前
70‧‧‧圓柱光學系統
71‧‧‧光學元件/平凸圓柱透鏡
72‧‧‧前表面
74‧‧‧後表面
80‧‧‧支撐構件
81‧‧‧位置測量裝置
100‧‧‧線掃描感測器
102‧‧‧光感應表面
103‧‧‧欄
104‧‧‧像素
110‧‧‧訊框抓取器
130‧‧‧電腦
140‧‧‧線掃描感測器系統
A1‧‧‧光學軸
d‧‧‧作用距離
LS‧‧‧雷射源
SD‧‧‧偵測器信號
SP‧‧‧感測器平面
WS‧‧‧工作空間

Claims (10)

  1. 一種用於在一透明片材中測量至少一個瑕疵的非成像相干線掃描系統，該透明片材具有前表面及後表面，該系統依序沿著一光學軸而由以下元件所組成：一雷射系統，在沿著該光學軸之一方向上產生一相干發散雷射線光束；一圓柱光學系統，沿著該光學軸配置並接收該發散雷射線光束，且從該圓柱光學系統形成一準直雷射線光束；一可移動的支撐構件，鄰近配置於該圓柱光學系統之下游處並適於以相對該準直雷射線光束而支撐及移動該透明片材，使得該準直雷射線光束在當該透明片材以大體垂直於該光學軸之方向而平移時，通過該透明片材的一部分及該至少一個瑕疵；及一線掃描感測器系統，沿著該光學軸配置於該可移動支撐構件的下游處，以於當該準直雷射線光束透射過該透明物件並通過該至少一個瑕疵時，接收該準直雷射線光束，以產生一干涉成像，該干涉成像具有至少一個相干瑕疵特徵，該至少一個相干瑕疵特徵代表在該透明物件中的該至少一個瑕疵。
  2. 如請求項第1項所述的系統，其中該線掃描感測系統包含一線掃描感測器，該線掃描感測器操作地連接至一訊框抓取器，且其中該線掃描感測器擷取多個線性數位訊框，且該訊框抓取器配合該透明片材的移動而擷取該些線性數位訊 框。
  3. 如請求項第2項所述的系統，其中該線掃描感測系統進一步包含一電腦，該電腦係可操作地連接至該訊框抓取器且從該訊框抓取器組合該些線性數位訊框，以形成該干涉成像。
  4. 如請求項第3項所述的系統，其中該電腦係由包含在一電腦可讀取媒體中的多個指令所構成，該些指令可使該電腦處理該干涉成像的至少一個相干瑕疵特徵，以計算由該至少一個瑕疵所導致之一光功率再分布量。
  5. 如請求項第4項所述的系統，其中該雷射系統包含至少一個二極體雷射。
  6. 如請求項第1-5項任一項所述的系統，其中該圓柱光學系統係由一單一圓柱光學元件所組成。
  7. 一種在一透明片材中偵測至少一個瑕疵的非成像方法，包含：透射一相干雷射線光束通過該透明片材，同時以大體垂直該雷射線光束的方向平移該透明片材；以一線掃描感測器系統接收並偵測所透射的該相干雷射線光束，該線掃描感測器系統在該線掃描感測器系統和該透明片材之間界定一工作空間，其中所透射的該相干雷射線光 束通過該至少一個瑕疵及該工作空間，使得該線掃描感測器系統形成一干涉成像，該干涉成像包含至少一個相干瑕疵特徵，且其中在該工作空間內並無具有光功率的光學組件；及由該至少一個相干瑕疵特徵而決定該至少一個瑕疵的一或多個特徵。
  8. 如請求項第7項所述的方法，其中該雷射線光束係完全準直的。
  9. 如請求項第8項所述的方法，進一步包括藉由將一發散雷射線光束通過一圓柱光學系統而形成完全準直的該雷射線光束。
  10. 如請求項第7-9項任一項所述的方法，進一步包含：在不需該透明片材或具有一參考透明片材之任一者的情況下，產生一背景測量值；及由該干涉成像減去該背景測量值。
TW103144367A 2013-12-23 2014-12-18 用於光學檢測之非成像相干線掃描系統和方法 TW201531693A (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201361919959P 2013-12-23 2013-12-23

Publications (1)

Publication Number Publication Date
TW201531693A true TW201531693A (zh) 2015-08-16

Family

ID=52350321

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW103144367A TW201531693A (zh) 2013-12-23 2014-12-18 用於光學檢測之非成像相干線掃描系統和方法

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20150177160A1 (zh)
EP (1) EP3087374A1 (zh)
JP (1) JP2017502295A (zh)
KR (1) KR20160102244A (zh)
CN (1) CN106461572A (zh)
TW (1) TW201531693A (zh)
WO (1) WO2015100068A1 (zh)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3322975A4 (en) * 2015-07-14 2019-03-13 Synergx Technologies Inc. OPTICAL INSPECTION SYSTEM FOR TRANSPARENT MATERIAL
KR20190051395A (ko) 2017-11-06 2019-05-15 삼성전자주식회사 피검사 장치의 검사 시스템 및 방법
FR3085205B1 (fr) * 2018-08-22 2020-07-24 Livbag Sas Dispositif et methode de controle de verre de protection de soudeuse laser
WO2020073347A1 (zh) * 2018-10-11 2020-04-16 广州博冠光电科技股份有限公司 一种球面光学元件表面疵病检测装置及方法
FR3104258B1 (fr) * 2019-12-06 2021-12-31 Saint Gobain Méthode de mesure de la qualité optique d’une zone donnée d’un vitrage, dispositif de mesure associé
CN111951174B (zh) * 2020-06-16 2023-09-29 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 自适应光学线光束扫描成像的非等晕像差校正方法与装置
FR3138698A1 (fr) * 2022-08-04 2024-02-09 Saint-Gobain Glass France Système de mesure automatique de la qualité optique d’une zone donnée d’un vitrage de véhicule, procédé de mise en œuvre d’un tel système et ligne de production comportant ce système

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4306808A (en) * 1979-12-14 1981-12-22 Ford Aerospace & Communications Corp. Glass flaw inspection system
DE3218571A1 (de) * 1982-05-17 1983-11-17 Hoechst Ag, 6230 Frankfurt Verfahren und vorrichtung zur qualitativen und quantitativen bestimmung von unebenheiten und verunreinigungen auf und in transparenten oder semitransparenten flexiblen flaechengebilden
IL100443A (en) * 1991-12-20 1995-03-30 Dotan Gideon Inspection system for detecting surface flaws
US6011620A (en) * 1998-04-06 2000-01-04 Northrop Grumman Corporation Method and apparatus for the automatic inspection of optically transmissive planar objects
JP3544323B2 (ja) * 1998-08-31 2004-07-21 セントラル硝子株式会社 透明板の表面粗さ検査方法および装置
US6906749B1 (en) 1998-09-16 2005-06-14 Dalsa, Inc. CMOS TDI image sensor
CA2252308C (en) * 1998-10-30 2005-01-04 Image Processing Systems, Inc. Glass inspection system
WO2006012551A1 (en) * 2004-07-23 2006-02-02 Nextech Solutions, Inc. Large substrate flat panel inspection system
WO2006029536A1 (en) * 2004-09-17 2006-03-23 De.Vice Scientific Incorporated Optical inspection of flat media using direct image technology
KR20070121820A (ko) * 2005-04-06 2007-12-27 코닝 인코포레이티드 유리 검사 시스템 및 이를 이용한 유리 검사 방법
CA2675456C (en) * 2007-01-12 2017-03-07 Synergx Technologies Inc. Bright field and dark field channels, used for automotive glass inspection systems
CN101819165B (zh) * 2009-02-27 2013-08-07 圣戈本玻璃法国公司 用于检测图案化基板的缺陷的方法及系统
US7929129B2 (en) * 2009-05-22 2011-04-19 Corning Incorporated Inspection systems for glass sheets

Also Published As

Publication number Publication date
JP2017502295A (ja) 2017-01-19
KR20160102244A (ko) 2016-08-29
US20150177160A1 (en) 2015-06-25
EP3087374A1 (en) 2016-11-02
CN106461572A (zh) 2017-02-22
WO2015100068A1 (en) 2015-07-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TW201531693A (zh) 用於光學檢測之非成像相干線掃描系統和方法
CN109916909A (zh) 光学元件表面形貌及亚表面缺陷信息的检测方法及其装置
JPH0153401B2 (zh)
CN101363725B (zh) 表面粗糙度检测装置
CN106767545A (zh) 一种高精度高空间分辨角度测量仪及角度测量方法
CN109060659A (zh) 一种光学元件表面疵病三维信息的检测系统及检测方法
JP2016024009A (ja) 厚さ測定装置及び厚さ測定方法
CN105092585A (zh) 基于全内反射及光学相干层析的亚表面测量装置及方法
JP2017198511A (ja) 透明体の欠陥検出方法及び装置
CN101907490B (zh) 基于二维细分法的微小光斑强度分布测量方法
CN102053047A (zh) 可兼顾分辨力和量程的激光差动共焦theta扫描检测方法
CN109520973A (zh) 后置分光瞳激光差动共焦显微检测方法及装置
US10091493B2 (en) Device and method for scanning object outline image
US20120057172A1 (en) Optical measuring system with illumination provided through a void in a collecting lens
CN201322610Y (zh) 表面粗糙度检测装置
KR20180132921A (ko) 광학적 편이 교정 시스템 및 방법
US20210348998A1 (en) Method and apparatus for detecting nanoparticles and biological molecules
TWI388817B (zh) Method and device for measuring the defect of the CCD object by the critical angle method
Liu et al. Development of a nanometer resolution flatness measurement system for the ceramic surface by using Blue-ray optical pickup
JP3162364B2 (ja) 光センサ装置
Bai et al. Surface roughness measurement with laser triangulation
Yang Determining the wedge angle and optical homogeneity of a glass plate by statistically analyzing the deformation in the wavefront surface
KR101692152B1 (ko) 비점수차를 이용한 변위 센서 및 그 변위 측정방법
TWI352189B (zh)
US20220341724A1 (en) Parallel optical scanning inspection device