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CN101063663A - 光学传感器和以光学方式检查表面的方法 - Google Patents

光学传感器和以光学方式检查表面的方法 Download PDF

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Abstract

采用用于探测光滑表面上的点状、线状或者面状缺陷的光学传感器，所述光学传感器包含：a)远心激光扫描仪(12)，具有：激光器(1)，用于几乎垂直地照射一个光滑的表面(5)、扫描镜(2)、远心的光学系统(4)，用于引导照射光束和检测光束；b)探测单元(11)，具有：检测光学系统(8)、中心光阑(9)，所述中心光阑沿向着远心的激光扫描仪(4)的方向定位在所述检测光学系统的附近、高灵敏度的光电倍增器(6)，用于探测从光滑表面(5)上的缺陷发出的散射光，前置于所述光电倍增器(6)的狭缝光阑(7)。应用/产品：光学检查表面的检验设备。

Description

光学传感器和以光学方式检查表面的方法
技术领域
本发明涉及检测光滑表面的缺陷的方法和装置，其中所述缺陷的尺度在小于1μm的范围。
背景技术
采用阴极射线管的监视器或者电视机由于平板屏的原因而逐渐被排挤出市场。这种平板屏所采用的平板玻璃必须对应于特别的要求，并且尤其必须是没有缺陷的，其中必须考虑平板玻璃的两侧的表面。在此，设置有电连接端的玻璃侧面(亦即：可能进行光刻处理的侧面)要按照与所述平板向外的一侧不同的要求进行检验。总体上要对薄平板玻璃的制造进行完全检验，因为即使是极小的缺陷也会影响玻璃表面的处理并且从而损害监视器的功能。在制造平板玻璃时，通常会有较高的生产量，因而检查系统或者检验系统必须检测大量的平板玻璃，其中对应的检验遍及整个表面。常见的缺陷是点状的或者线状的。因为还要排除亚微米范围的缺陷，那么必频通过相应的检查方法对这种亚微米范围的缺陷进行检测和定位。
为了识别状、线状和面状的缺陷，大多采用具有适当照射的行式相机。用这样的技术可以识别在几个微米的范围内的缺陷。亚微米范围内的缺陷，例如深度为几个纳米的极小的划痕当前只能够由经过培训的人员利用强光灯以视觉方式进行检测。然而这种方法却不能够在制造周期内对平板玻璃进行百分之百的检验。
发明内容
本发明的技术问题在于：提出一种装置和方法，利用所述装置和方法能够完全按照光学方式检验光滑表面的点状、线状或者平面状的尺度在亚微米的范围内的缺陷。该技术问题通过权利要求1或者权利要求10的特征组合得以解决。有利的实施方式在从属权利要求中进行了说明。
本发明基于以下的认识：通过采用结合了用于检测在所述缺陷上散射的激光的光电倍增器的一种远心的激光扫描仪可以对光滑的表面，尤其是平板玻璃的点状、面状或者线状的缺陷进行百分之百的检验。所述光电倍增器所具有的高检测灵敏度使得能够在拥有较高数据率的同时检测出亚微米范围内的缺陷。由此能够对光滑平面或者平板玻璃进行完全的最终检验。不论是扫描的照射光束还是检测光路都是远心地安排的。这使得能够通过一个与等同于测量方向的照射方向旋转对称的孔径来截取由缺陷发出的散射光，由此以均匀的灵敏度按照与特别精细划痕在表面上位置无关的方式通过观察在平面上识别出所述的划痕。所述传感器的光学结构非常简单，因为所述传感器的分辨率只由扫描光束的焦点直径决定。由此扫描光学系统的成像质量只必须适应于与检测光路相比较很小的扫描光束的孔径。通过一个检测光学系统收集散射回的光而对检测器光学系统的成像质量没有特别的要求。
为了识别划痕特别有利的是一个检测器光学系统的孔径相对光轴旋转对称地构成。因为通过远心设计的既用于照射也用于检测光束的传感器在要检验的表面上镜面反射相当部分的照射光，所以必须采用一个中心光阑，不让这部分的光抵达光电倍增器。这既可以通过一个光阑进行，也可以通过一种偏转镜进行，所述偏转镜是在所述传感器的一个变例中所需要的，其中从外部把所述扫描光束从外部引入进或者说输入耦合进所述远心光路。
在检测器光学系统中的这样一种光阑阻断例如被一个玻璃样品表面镜面反射的光，所述被一个玻璃样品表面镜面反射的光由于远心的的照射返回到所述照射光路。在此设定的光阑的大小使得玻璃样品能够对于垂直的照射方向有一定的角度容差。通过所述中心光阑使得能够与扫描光束的位置无关地实现一种环形、也就是相对于光轴旋转对称构成的所述检测器孔径。该环形孔径的优点使得能够同时具有针对线状缺陷均匀的检测灵敏度，所述灵敏度与线状缺陷在测量表面上的方向无关。
如果所述检测孔径不能够环形地构成而是例如由两个对置的扇形面构成，可以以有利的方式通过使用附加的传感器弥补检测区域中出现的角空隙，其中所使用的传感器的扫描线必须是相互倾斜的。
一种所说明的传感器可以有利地用于检查平板玻璃，其中所述平板玻璃具可以有十分之一毫米的材料厚度并且可以有几个平方米大。一方面可以在平板玻璃制造完成以后能够完全地检验该平板玻璃。此外可以识别亚微米范围的点状、面状或者线状的缺陷。用所述传感器的一种其景深(Schrfentief)明显小于被检查玻璃的厚度的变例，可以附加地确定：所述缺陷是位于检测透光平板玻璃的上侧或者下侧。
为了保持与制造平板玻璃时的供给速度相匹配，以便能够同时或者说刚好与制造速度一样快地进行所述检验，必须在传感器中提供高数据速率。这可以通过采用高灵敏度光电倍增器来达到。
附图说明
下面借助于示意性的、并不限制本发明的附图来说明实施例。
图1示出一个具有检测单元和远心激光扫描仪的原理构造，
图2示出对应于图1的一种传感器的变例，其中选择绕透镜光轴旋转90°的图示。
具体实施方式
图1再现了一种所说明的传感器结构，图1示出激光器的经过准直的光从扫描仪偏转进入一个确定的角区域。激光器1产生一激光光束，所述激光光束被一个扫描镜2偏转。一个远心扫描光学系统4把偏转的光聚焦到一个有待检查的光滑表面5上或者说聚焦到一个玻璃样品上。该光束垂直落射到所述表面，通过所述扫描镜的偏转，激光焦点在所述表面上划出一条直线。所述玻璃样品的平面扫描通过垂直于所述扫描线传送所述样品而达到。被玻璃表面反射的散射光通过远心的扫描光学系统4准直并且利用一个后置的检测器光学系统8聚焦在狭缝光阑7上。所述经过聚焦的光穿过所述狭缝光阑7并落射到一个光电倍增器6上。安排在所述光电倍增器6之前的狭缝光阑在很大程度上把不是从玻璃表面上激光焦点位置发出的外来光屏蔽掉。检测器光学系统的中心光阑9阻断来自玻璃表面的镜面反射光，所述镜面反射光由于远心的照射在图1中向左返回到检测光路。
利用中心光阑9在限度内可变设计的参量，可以在一定程度上实现所述传感器与角度偏移无关，从而有待检查的表面可以在限度内相对于垂直的照射方向倾斜。所述检测器光学系统的中心光阑造成一种与扫描光线的位置无关的环形的检测器孔径。这种环形的孔径使得可以对线状缺陷拥有均匀的检测灵敏度，而与缺陷在被检验表面上的方向无关。
图2示出对应于图1方案的一种变例，其中在此选择绕透镜光轴旋转90°的图示。在此例中，扫描光学系统4包含例如放大扫描角的另一个光学系统。因为光学部件不应当被反射的散射光透射，所以必须把所述的光学部件安排在检测光路外部。因此它通过一个偏转镜3传送。该偏转镜3同时还替代图1中可见的中心光阑9。在此所述偏转镜3比所述中心光阑9宽得多。因此在该例中，检测孔径不再是环形的，而是由两个对置的扇面组成。由此而失效的孔径旋转对称性例如导致在不能够在所有的情况下都明显地识别线状的缺陷。这种在检测区域中的角空隙可以用另外一个扫描仪进行覆盖，相对于第一传感器按照以下方式扭转所述另一个扫描仪的扫描线使其检测区域覆盖所述第一传感器的角空隙。
从而使得可以对平板玻璃进行完全的检验，并且可以识别和定位在亚微米范围内的点状、面状或者线状缺陷。尤其是用一个较大景深的第一传感器以较粗的缺陷定位性进行所述表面的完全检验，而用一个较小景深的第二传感器提供缺陷在平板玻璃的哪一侧的判断。
在相应传送一个平板玻璃的情况下，用所述激光光束的振荡运动达到所述物体的平面扫描并且从而达到不同缺陷种类的探测。
细小的划痕只散射垂直于该划痕纵向轴线而且照射到它的光。在此只有通过垂直于该划痕纵向轴线进行观察时才能看到所述的划痕。为了可以与其在玻璃上的位置无关地识别这样的划痕，接收光学系统的孔径必须相对于照射方向以旋转对称方式安排。如果出于技术上的原因所述孔径不能够完全旋转对称，可以采用多个具有重叠的孔径区域的传感器。在此先后扫描一个物体表面。通过并行使用多个传感器实现高的测量速度。此外这种所说明的模块结构使得能够把所述检验系统匹配于不同宽度的玻璃板。
因为以上说明的传感器景深大于玻璃厚度，所以首先可以不相互区分在正面和背面的缺陷。为此设置一个其景深小于玻璃厚度的第二传感器，并且从而所述传感器可以输出间距值或者高度值。在实践中只用一个这样的第二传感器不能够实现完全的检验。在此，只有当利用第一传感器已经发现和确定了一个缺陷的横向位置后并且因而只须确定高度位置时，才使用所述的第二传感器。

Claims (13)

1.用于探测光滑表面上的点状、线状或者面状缺陷的光学传感器，
所述光学传感器包含：
a)远心激光扫描仪(12)，具有
-激光器(1)，用于几乎垂直地照射一个光滑的表面(5)，
-扫描镜(2)，
-远心的光学系统(4)，用于引导照射光束和检测光束，
b)探测单元(11)，具有
-检测光学系统(8)，
-中心光阑(9)，所述中心光阑沿向着远心的激光扫描仪(4)的方向定位在所述检测光学系统的附近，
-高灵敏度的光电倍增器(6)，用于探测从光滑表面(5)上的缺陷发出的散射光，
-前置于所述光电倍增器(6)的狭缝光阑(7)。
2.如权利要求1所述的光学传感器，其中，相对于照射方向旋转对称地安排一个接收光学系统的孔径。
3.如权利要求2所述的光学传感器，其中，环形地构成一个接收光学系统的孔径。
4.如以上权利要求之一所述的光学传感器，其中，在不完全旋转对称地构成检测光学系统(8)的情况下，设置一个第二传感器，该第二传感器具有与所述第一传感器相重叠的孔径区域，所述第二传感器的扫描线与所述第一传感器的扫描线构成一个角。
5.如以上权利要求之一所述的光学传感器，其中，为了放大一扫描角，把所述扫描光学系统(13)安排在检测光路的外部，并且通过一个偏转镜(3)输入耦合进行扫描的激光光束，所述偏转镜同时又是所述的中心光阑。
6.如以上权利要求之一所述的光学传感器，其中，可以通过所述传感器进行扫描的光滑表面是平板玻璃。
7.如以上权利要求之一所述的光学传感器，其中，按照双重方式实施所述光学传感器以便：一方面利用一同时探测平板玻璃两侧的景深以双侧横向的方式来测定缺陷的位置，而另一方面利用一小于所述平板玻璃厚度的景深来确定所述缺陷的高度并且从而确定所述平板玻璃包含缺陷的侧面。
8.在采用根据权利要求1至7之一的光学传感器的条件下探测光滑表面上的点状、线状或者面状缺陷的方法，其中：
-借助于一种远心的激光扫描仪(12)几乎垂直地照射一个物体的光滑表面(5)以对其进行完全的检验，
-把从一个缺陷位置上发出的散射光输送到高灵敏度的光电倍增器(6)以进行光电转换，
-为了屏蔽外来光而给所述光电倍增器(6)前置一个狭缝光阑(7)，从一个缺陷位置上发出的散射光被聚焦在所述狭缝光阑上并且穿过该狭缝光阑，然后再落射到光电倍增器(6)上，
-为了屏蔽所述远心结构镜面反射的光而在检测光路中安放一个中心光阑(9)，
-从而获得所述检测光学系统(8)的一种环形孔径，其在所述表面上具有与所述表面上缺陷的方向无关的均匀检测灵敏度。
9.如权利要求8所述的方法，其中，在透明的材料上自一侧按照双侧方式进行光滑表面的测量。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述要测量的透明材料是平板玻璃。
11.如权利要求8至10之一所述的方法，其中，设计一个第一传感器和一个第二传感器使得：它们的照射光束具有不同的焦点直径，从而分别获得不同的景深，利用该不同的景深一方面可以完全地以平面方式探测所述平板玻璃双侧上的缺陷，而另一方面可以在所述平板玻璃的正面和反面区分此前利用第一传感器识别出的缺陷位置。
12.如权利要求8至11之一所述的方法，其中，在时间上错开地使用两个传感器系统，以便一方面探测所有缺陷的总体，而另一方面确定单个缺陷的高度。
13.如权利要求8至12之一所述的方法，其中，在检验平坦表面时，通过并行使用多个传感器或者多个传感器组合来实现完全的覆盖。
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