专利名称：用于检测玻璃板中的缺陷的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型一般地涉及用光对例如玻璃平板的平直透明材料中缺陷的检测。更具 体地，本实用新型涉及提供均勻亮度分布以检测例如玻璃平板的平直透明材料中的缺陷的
直ο
背景技术：
液晶显示器(IXD)技术的新近发展已经对IXD面板的玻璃基板的质量提出了更为 严格的要求。玻璃基板表面异常，诸如表面不连续性、线状缺陷和条纹以及基板体的光学不 均质性，都属于造成IXD “mura”缺陷的因素。“mUra”( “不均”)是含义为“瑕疵”的日语词 汇，并已在LCD产业内采纳作为视觉面板缺陷的名称，表现为低对比度或非均勻亮度区域。 基板表面的不平直性造成IXD单元间隙的变化，而体不均质性(bulk inhomogeneities)造 成光波阵面的折射畸变，由此导致mura缺陷。表面不连续性一般源自嵌于玻璃内的夹杂 物。夹杂物可能由固态或气态材料构成。诸如线状缺陷和条纹等条痕型缺陷主要是由于熔 化的原材料缺乏均质性而产生。在这种玻璃薄板中，条纹和线状缺陷一般表现为沿玻璃拉 伸方向延伸的表面凸起或凹陷。条纹缺陷一般表现为一条条痕，而线状缺陷由相隔在毫米 范围内的多条线构成。在大块光学玻璃(bulk optical glass)中，光程长(OPL)变化超过 IOnm的条痕效应一般即不可忽视。IXD玻璃OPL变化的要求随着显示器产业的发展正变得 越来越严格，并且正在逼近大块光学玻璃在其容限水平内的严格要求。为了防止有缺陷的基板进入高成本的面板制造工序并将反馈提供给玻璃成形工 序控制系统，基板检查实为重要。历史上，检查是由检查人员使用阴影图法进行的。参见下 面的说明和例如美国专利US4，182，575 (Clark等人)和美国专利US6，433，353 (Okugawa)。 后来，实现了各种自动化方法来提高检查的一致性和可靠性。例如参见美国专利申请 2004/174519 (Gahagan)、国际专利申请公开WO 2006/108137 (Zoeller)以及美国专利申请 公开2008/0204741 (Hill)。手工检查由于阴影图法的高灵敏性、简易性和低设备成本仍然 广泛用于IXD基板生产。用来检查平板玻璃缺陷存在的阴影图法包括从诸如短弧放电灯等点式光源投射 光线，使之经过玻璃样本并投射到白色屏幕上。没有样本时，屏幕上的光照图由明亮区域构 成。当将玻璃样本放置在光源和屏幕之间的光束中时，条痕或其它缺陷调制透射光的照度， 由此改变屏幕上的亮度分布。由玻璃的缺陷所引起的屏幕上的亮度偏差可通过视觉观察到 或通过电荷耦合器件(CCD)照相机捕捉到。当光经过玻璃板或从玻璃板反射时，波阵面因 缺陷而畸变。术语“透镜效应”经常用来描述由介质的非均质性造成的此类微小干涉。干 涉的“聚焦”部分使屏幕相应部分中的亮度增加，而干涉的“散焦”部分导致屏幕相应部分的亮度减弱。用于检测表面不规则性的另一方法(例如参见美国专利US6，433，353，授予 Okugawa)包括将来自玻璃板的反射投射到屏幕上。通过选择适宜的光偏振在于和入射角， 可使来自诸玻璃板表面之一的作用减至最�。纱说靡灾饕觳椴ＡО宓牡ジ霰砻�。使用小尺寸光源是检测小尺寸、点状缺陷和诸如线状缺陷和条纹等小宽度条痕时 获得高空间分辨率所必需的。尽管当前通常使用时间非相干性白光，但由于来自较远距离 的小尺寸(点状)光源的光的局部空间相干性，可能会观察到一些衍射效应。由尺寸为Rs 的光源射出的在玻璃上相隔间距Lcoh的各个点上光，将具有88%的空间相干性，其中Legh =-~(1)
KS(参见M. Born和E. Wolf的《光学原理》(Principles of optics)，剑桥大学出版 社，1999，第X章，4.2节)，其中R是从光源至玻璃的距离，而λ是平均光波长。当表面干 扰尺寸w满足WS^I⑵时，空间相干性是显著的。由空间相干性造成的衍射会扩散 缺陷阴影的锐度，或在一些情形下会放大屏幕上的强度调制。为了仅仅检查玻璃中的条痕，可使用线性类光源。光源应当沿与条痕方向平行的 方向延伸。这可提高条痕沿该方向的对比度并扩散其它类型缺陷的锐度。由于光源和屏幕之间的距离和入射角的变化，检查人员感受到的由点状光源产生 并投射到屏幕上的亮度有其固有的不均一性。为了对检查结果做出一致性的解读，应当改 变由光源发出光的光强度分布，从而使检查人员所感受到的在屏幕检查区内的亮度(由局 部照度确定)是均勻的。在检查用于IXD制造的玻璃面板的情形中，这一点尤其重要，其中 要求大型玻璃面板须满足严格的标准。随着LCD业界所要求的玻璃基板尺寸的增加，提供 适宜的光强度分布成为一个课题。简单地按玻璃尺寸成正比地放大阴影图配置是不可能或 者不现实的。除了增加检查所需的空间和屏幕尺寸，灯的功率也必须与玻璃尺寸增加值的 平方成正比地增加。功率高的灯电弧有效尺寸也大。随着灯功率的增加，电弧亮度往往稳 定性变差，因为放电等离子体的规模增加会导致时间或空间不稳定性的产生。不稳定性将 表现为屏幕上的亮度波动和空间亮度不均一，由此使检查的一致性打折扣。灯泡的使用寿 命一般随功率缩短。另外，可能需要额外的眼睛防护措施以便在检查人员靠近强力光源的 情形下操作这种灯。
实用新型内容在此描述本实用新型的若干方面。应当理解，这些方面可以彼此重叠，也可以不重 叠。因此，一个方面的组成部分可能落在另一方面的范围内，反之亦然。每一个方面通过若干实施方式来说明，而这些实施方式又可以包括一个或多个具体实施方式
。应当理解，这些实施方式可彼此重叠，也可以不重叠。因此一个实施方式的 组成部分或其具体实施方式
可以落在另一实施方式或其具体实施方式
的范围内或不落在 其范围内，反之亦然。要解决的一个技术问题是如何从一个光源在屏幕上提供均勻的亮度分布，用于在 大面积玻璃板上的一致性检查的。要解决的另一个技术问题是如何使用相同或相似装置对 于不同尺寸的大玻璃板从一个光源在屏幕上提供均勻的亮度分布，以便在不同生产设备中在不同尺寸的不同玻璃板的整个面积上获得一致性的检查。在第一方面，提供一种用于检查透明材料中的缺陷的装置。该装置包括射出光束 的光源，将该光束投射至其上的屏幕，以及位于该光源和该屏幕之间以中途拦截投射到该 屏幕上的光束的光学元件。该光学元件配置成改变该光束中至少一部分的光强度并在屏幕 上形成基本均勻的亮度分布。本实用新型的一个或多个方面可具有一个或多个下列优点。依据本实用新型的一个或多个方面的光学元件从点状光源产生均勻的屏幕亮度 分布，使检查大尺寸透明材料，例如玻璃板材料成为可能。本实用新型的光学元件本质上消 除了光源和屏幕之间距离对屏幕检查区内的屏幕亮度分布的影响。由于这种消除作用，能 够在达到相同检查条件的同时用相同装置检查不同玻璃尺寸。其结果是，在每次测量之间、 在一个尺寸的玻璃板与另一个尺寸的玻璃板之间、以及在一个生产设施与另一个生产设施 之间，在玻璃高质量区域上的检查工序的一致性得到提高。这种提高是在不改变光学放大 率、从光源至屏幕的距离或光源的光强度(例如不改变光源的功率)的情况下取得的。其 结果是，即使所要检查的玻璃尺寸增大，也可以使用较小的检查空间。其结果是，在检查较 大的玻璃时可以使用在检查较小玻璃尺寸时有效的同一功率相对较低的光源。低功率的灯 往往使用寿命更长，这就在检查相对较大的玻璃板时节约灯的成本、维护成本和功耗。本实用新型的其它特征和优点将在下面的详细说明中给出，部分地可由本领域技 术人员从说明书中清楚得出或通过将说明书及其权利要求书和附图所述的本实用新型投 入实践而获知。应当理解，以上一般说明和以下详细说明仅仅是本实用新型的示例，意为理解权 利要求书中的本实用新型的性质和特性提供概览或框架。所包含的附图用来提供本实用新型的进一步理解，纳入本说明书并作为本说明书 的组成部分。
图1是传统玻璃检查装置的阴影图法的示意图。图2是具有可变透射滤光器的玻璃检查装置的示意图。图3是可变透射滤光器的横截面的示意图。图4是可变透射滤光器的滤光器平面的示意图。图5是示出示例性可变透射滤光器的透射分布的曲线图。图6是150W氙气灯(NewPort公司，货号6253)以cd为单位光强度的典型角度分 布的曲线图。图7是具有包含非球面的折射光学元件的玻璃检查装置的示意图。图8A是折射光学元件计算得到的曲线图。图8B是具有图8A计算得到的曲线图的折射光学元件的横截面示意图。图9A是不具有图8B的折射光学元件时亮度(任意单位)相对于屏幕上位置的数 值光线跟踪分析的结果的曲线图。图9B是具有图8B的折射光学元件时亮度(任意单位)相对于屏幕上位置的数值 光线跟踪分析的结果的曲线图。[0032]图9C是具有图8B折射光学元件以1毫米发散时亮度(任意单位)相对于屏幕上 位置的数值光线跟踪分析的结果的曲线图。
具体实施方式
考虑图1所示的配置，其中例如点状光源的光源10和屏幕14沿光轴16设置。在 图1使用的传统配置中，光轴16是在某些情形下垂直于屏幕14并经过光源10中心的直线。 另外，所要检查的平直透明材料(例如平直玻璃12)设置在光轴16上。如果可以认为光源 10符合朗伯关系，则屏幕14上一个点的亮度(即入射到每单位面积表面上的光通量)由 下式得到
IvCos 3Or
_4](3)其中Iv是光强度，α是光轴16和光源10射出的光线18的方向之间的夹角，而S 是从点光源10至屏幕14的距离。透过所检查的玻璃板的光透射率对入射角的相关性在方 程式(3)中未予考虑。这在入射角不超过35°并且来自光源10的光发生偏振时是正当的。 如有必要，可通过将取决于入射角的透射率引入来获得更为精确的表达式。从方程式(3) 来看，在屏幕14的中央(即在光轴16)亮度最大，并朝向屏幕14的角落以Cos、衰落。本 实用新型的各个方面解决的是如何使屏幕14处的理想亮度分布就检查人员的感受而言是 均勻的。术语“理想亮度分布”用来描述假定平直玻璃12没有可检测到的缺陷或当没有玻 璃板(或透明材料)位于光源10和屏幕14之间时屏幕上的亮度分布。平直玻璃12中可 检测到的缺陷以屏幕14上亮度分布中失真的形式表现出来。因此，理想的亮度分布必须是 均勻的以实现所有质量面积的一致性检查。本实用新型所针对的对亮度分布中感受到的不均勻性产生作用的因素是(i)由方程式(3)表示的(从光源)到屏幕的距离和屏幕入射角的变化。(ii)光源的角光强度分布。例如参见图6，其中示出短弧Xe光源的光强度对直立 角度的的相关性。光强度的这种角度依赖性可能源自是电极形状对放电等离子体的影响。 在图6的示例中，阴极是下端电极，在向下的方向上光强度大约大上5-10%。(iii)玻璃(或透明材料)由于玻璃板上的入射角的差异产生的光透射(或反射) 的变化，如菲涅耳折射公式中表述(M. Born和E. Wolf，光学原理，剑桥大学出版社，1999章 1，节 1. 5. 2).(iv)检查人员相对于屏幕的位置。由肉眼或CXD照相机感受到的屏幕上的点P的 亮度是通过检测器接收到的总光通量确定的。所检测到的光通量与点P处的入射通量、从 入射方向接收到的并沿观察方向反射的光的屏幕反射率、以及从该点至检测器的距离等成 正比。在特定情形下，上述因素中只有一部分是明显有影响的。可以通过用点光源计量 器，例如照相点曝光计来测量屏幕亮度分布、并且映射所要求的滤光器透射分布以获得恒 定屏幕亮度的方式，将所有这些因素考虑在内。图2示出一种检查装置20，包括光源22、可变透射滤光器24、以及沿光轴28设 置的屏幕26。在本实用新型中使用的传统配置中，光轴28是垂直于屏幕26并经过光源22 中心的直线。所要检查的平直透明材料(例如平直玻璃30)沿光轴28设置，更具体地，位
6于可变透射滤光器24和屏幕26之间。受检材料30的法线一般不垂直于光轴28。光束32 从光源22投射出，透过可变透射滤光器24、透过平直玻璃30、并射在屏幕26上。在一些实 施方式中，光源22可以是点状光源。光源22可以是例如短引弧放电灯。选择光源22的工 作波长以使其落在可透过平直玻璃22并且在人工检查的情形中可以为检查人员所见的范 围内。如果形成在屏幕26上的图像要由照相机获得，则光应当可以由照相机介质检测到。 例如，光源22的工作波长可处于从400nm至750nm的范围内。如果使用检查人员，则应当 通过滤光器24或另一个滤光器阻隔可能会人眼造成伤害的UV和IR辐射。在其它实施方 式中，光源22可以是线性光源。可变透射滤光器24在由光束最大工作角α _限定的光锥33中改变光束32的发 光强度分布，本质上是在光锥33内使屏幕26上所有点位置的亮度均勻。对于在光锥33之 外的光线，可以存在根据方程式(3)的亮度衰落，或者这些光线可由滤光器24或其它适宜 的光孔阻断。由滤光器24改变的光锥33经过平直玻璃30到达屏幕26。在屏幕26上观察 到的亮度分布的任何畸变可以是平直玻璃30中存在缺陷的指示。观察可以是由检查人员 完成的。或者，不使用检查人员，或除了检查人员外，该装置包括用于捕捉屏幕26图像的照 相机41。该装置可进一步包括用于处理由照相机41捕捉的图像以确定平直玻璃30中是否 存在缺陷的处理器43。处理可包括将由于光源22和屏幕26之间存在平直玻璃30而捕捉 到的图像与不引入该平直玻璃30的基准图像进行比较。参见图3，可变透射滤光器24包括用于接收光束的输入侧35和用于输出光束的输 出侧37。在输入侧35，可变透射滤光器24包括衬底层36。在某些实施例中，衬底层36本 质上具有均勻的透光性。在某些实施例中，衬底层36可由例如玻璃材料(例如熔融石英) 的透明材料制成。衬底36的一侧——较佳地为可变透射滤光器24的输出侧37——包括滤 光层34。在某些实施例中，滤光层34可夹设在两个衬底之间。在某些实施例中，滤光层34 具有可变的透光性。滤光器上某个点的透光率是在该点离开滤光器的光的光强度与在该点 进入滤光器的光的光强度之比。滤光层34的透光性的空间变化，一如下面方程式(4)所 示，被用来控制射出滤光器24的光锥的角强度分布。可变透射层34以任意已知方式形成 在衬底层36上。可变透射滤光器24可以是如图4所示的圆形，或具有其它形状。在某些 实施例中，可变透射是通过吸光度的空间变化或光反射的空间变化或这两者的结合来实现 的。例如，可使用诸如银、铝或其它金属或合金等可变厚度金属薄层。在某些实施例中，对 滤光层34和衬底层36的材料加以选择以承受当露出于高强度光束(图2中的32)时的高 温和由于热膨胀而造成的热应力。在一些实施例中，在透射滤光器24的一侧或两侧上形成防反射(AR)涂层38。除 了增加透过滤光器的透光性外，防反射层38还保护滤光层34不接触环境空气中的氧气和 臭氧。在某些情形下，这种接触可能造成滤光层34出现有害的氧化，例如如果滤光层34由 诸如金属或金属合金等可氧化的材料制成。源于AR涂层的总体透光性增加会导致对光源 较低的功率需求和工作中较低的滤光器温度。AR涂层还减小来自滤光器表面的不良多次反 射。多次反射产生额外的虚光源，导致光源有效尺寸的增大。诸如透明玻璃、树脂或聚合物 等保护层(图3未示出)可设置在AR涂层38上或直接设置在滤光层上，以保护滤光层34 免于与周围环境的化学反应或免于诸如磨损、刮擦和切屑的机械损伤。在一些实施例中，滤光器的衬底材料可吸收或反射诸如UV (紫外线)或IR(红外线)等光源辐射的不良光谱部分。在其它实施例中，可将一个或多个附加光学涂层涂敷于 滤光器表面以阻断例如UV或IR等辐射的不良光谱部分。在一些实施例中，滤光层34的小粒度结构是可接受的。可接受粒度的大小和其它 属性取决于检查装置的分辨率要求和几何布局。在某些实施例中，最大粒度小于2mm，较佳 地小于1mm。应当确定最大容许粒度结构以使该粒度结构不致在屏幕上产生可见的亮度不 均。回到图2，光透射的变化可表达为在滤光器的一个点上的透射系数T的局部值对 该点的适宜坐标的依赖。在必须考虑是仅仅是从光源22到屏幕26的距离以及屏幕26上 的入射角的变化的情形中，可变透射滤光器24的透射率分布T(P )可定义为自滤光器平面 内点C的距离P的函数(参见图4)，如下面方程式(4)所示
/ ,2 ,T(P) = T0 dJp-⑷
{ d +ρ J其中Ttl是衬底层36的透射系数，d是从光源22到可变透射滤光器24位置的距 离，而Pmax是在滤光器平面的最大光束半径(参见图4中的滤光器平面25和P)并表示 为Pfflax = Cl-Tanamax(5)在方程式(5)中，α _是最大工作光束角，定义为提供均勻亮度分布的光锥33的 角度。尽管理想如此，然而由于从光源22放出的热量，不能使从光源22到可变透射滤光 器24的距离d太小。如果确定了光源22和可变透射滤光器24之间的实际工作距离d和 α _，则方程式(5)将确定Pmax。根据方程式(4)，透射率在在滤光器中心的1^08、_(其 中α = 0且P = 0)增加到滤光器外缘处或附近的Τ。(其中α = 且ρ = ρ _)。换 句话说，透过滤光器24的光透射率T在最大工作光束角α max下是Ttl的100%并随着接近 滤光器中心α = 0而减小。图5的实施例示出当Ttl = 85%，d = 70. 8謹，且α max = 27° 时的可变透射滤光器的透射率分布。使用这些参数，Pmax约为36mm。绘出的是滤光器透光 系数T对滤光器平面内光束半径位置P的曲线图。在一般情况下，例如当必须将上面清单中的多个因素考虑在内时，透射率分布不 像前面的实施例那样是轴向对称的。如果理论分析不切实际，则可实施下面的步骤。在不 采用滤光器的情况下将来自光源22的光透射经过高质量玻璃样本投射到屏幕26上。使用 一个位于检查人员所要站立的点上的点光源计量器，通过测量多个屏幕点上的亮度来确定 屏幕亮度的分布。有了来自足够数量的屏幕点的亮度测量值，则可以用一个适宜函数，例如 多项式内插法，内插得到亮度分布——即亮度与屏幕上的位置的关系曲线。最小亮度Itl的 点Ptl得到确定并映射到使照射点Ptl的光从其经过的滤光器平面内的一个点。亮度已测的 其它点被映射到滤光器平面内的相应点Pi, i = I0，N}，其中N是点数。滤光器平面内与？1 对应的点的总透射系数Ti (衬底和滤光层)确定为Ti=^T0(6)其中Ttl是衬底透射率而Ii是点Pi处的亮度。则可通过适宜方法对透射率系数分 布进行内插，例如通过多项式内插法。当通过上述步骤制造得到的滤光器设置在光源和屏 幕之间时，屏幕的亮度将是基本均一的。[0056]在另一实施方式中，如图7所示，使用折射光学元件40使从点状光源22射出的光 重新分布以在屏幕平面26获得合需的发光分布。折射光学元件40具有至少一个非球形表 面，下文将做解释。在本实施方式中，不是阻断发亮区域中的多余光以提供屏幕的均一亮 度，而是通过将光线从屏幕上的光亮区域折射至屏幕上的暗淡区域的来重新引导光线。下面的内容教示如何获得折射光学元件(或透镜)40的形状。让我们假设图7中 折射光学元件40的第一表面42 (朝向光源22)是凹球面。球的中心与光源位置22重合。 第二凸面44 (背朝光源22)由函数r(a)确定，其中r是在角α的方向上与第一球面中心 的距离。在角度α上的光束到达屏幕时与光轴相隔一距离，所述距离表示为
h(a) = r Sin a + (S -r Cos a ) Tan φ(7)其中^是光线在射出透镜后的角度。如果ν是第二表面的法线和光轴之间的角，
则斯涅耳折射定律可表示为
η Sin(v 一 α) = Sin(v -φ)(8) 其中η是透镜材料的折射率。表面法线角度的正切可表示为
dr
--Cos a + r Sin aTan ν 二 -
——Sina -hr Cos a da合并方程式(8)和(9)，则
1 dr Smipia)-a)
(9)S—.
r da η — Cos(^(a) — a) 一阶微分方程式(10)可用来确定非球形表面44的形状。由于所有角度都在偏离 法线的几度之内，因此不考虑衬底透射系数与折射角的相关关系。可将总透射率视为恒定 的。方程式(10)的解可表示为
α
r(a) = r(0)Expi \ χ——
λ n-i对于给定相关关系P ( α )，函数织(O可从方程式(7)中找到。
,、Α τ p{a) - r Sin α
φ(α) = ArcTan -
S-rCosa(12) 如果要求具有最大出射角Cimax的光线保持同一方向射出透镜，则
S
(11)
K ='
CiCl
9
权利要求一种用于检测透明材料中缺陷的装置，包括发射光束的光源；将所述光束投射在其上的屏幕；以及设置在所述光源和所述屏幕之间以拦截投射到所述屏幕上的光束的光学元件，所述光学元件配置成改变所述光束的至少一部分的光强度并在所述屏幕上形成基本均匀的亮度分布。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光学元件包括具有由K/(d2+ P 2)3/2定义 的透射关系曲线的可变透射滤光器，其中P是从可变透射滤光器的中心到可变透射滤光 器给定点测得的半径，而d和K是常数，其中所述可变透射滤光器包括具有形成在具有基本 均勻透光率的衬底层上的可变透光率的滤光层。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述可变透射滤光器还包括形成在所述滤 光层和所述衬底层中的至少一个上的防反射层。
4.如权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述常数K定义为K = T0 (d2+Pfflax2)3/2其中，Ttl是所述衬底层的透射率，Pmax是所述可变透射滤光器改变光强度的P的预定 最大值，而d是所述可变透射滤光器和所述光源之间的距离。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光学元件是具有至少一个非球形表面 的折射光学元件。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光源选自点光源和线性光源。
专利摘要用于检测透明材料中缺陷的装置包括射出光束的光源和在其上投射光束的屏幕。该装置还包括位于光源和屏幕之间以拦截投射到屏幕上的光束的光学元件。该光学元件配置成改变光束的至少一部分的光强度并在屏幕上形成基本均匀的亮度分布。
文档编号G01N21/958GK201765196SQ20102018936
公开日2011年3月16日 申请日期2010年4月30日 优先权日2009年4月30日
发明者S·波塔彭科 申请人:康宁股份有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
