用于测量表面形状轮廓的方法和装置的制作方法
专利名称：用于测量表面形状轮廓的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及用于制造薄材料板的方法和装置。更具体地，本发明涉及用于测 量薄材料板的形状轮廓的方法和装置。本发明还涉及在诸如熔融拉制和浮法工艺之类的薄 板形成工艺中使用此类测量方法和装置。背景诸如用于制造大平板显示器或可切割以制造诸如有源电子器件、光伏器件以及生 物序列之类的其他器件的具有非常平坦表面的大材料板难以制造和处理。作为示例，已知 诸如举例而言授权给Dockerty的美国专利No. 3，338，696和3，682，609中所述的熔融拉制 工艺能在不增加诸如研磨和抛光之类的后成形修整工序成本的情况下得到具有优良平坦 度和表面光滑度的薄材料板。然而，已经发现成形区中的薄板运动能不利地影响薄板中的 应力水平和应力变化，这可能导致最终产品中的畸变。成形区中的薄板运动可至少部分地 归因于熔融拉制机底部处或拉制结束时(BOD)的薄板处理和分离工艺。例如，用于在BOD处 分离薄板的当前机械工艺涉及利用硬或刚性装置进行薄板接触、薄板划刻以及薄板弯曲， 所有这些都导致薄板运动。所形成的薄材料板越大，薄板运动对薄板中的应力水平及其变 化的影响越显著。影响薄材料板畸变的因素在其他薄板成形和后成形工艺中可能采取不同 的形式。为了制造具有非常平坦表面的大薄板，使这些因素最少是重要的。在理想情况下， 用于使这些因素最小化的方案应当考虑薄材料板的形状轮廓。如果此类信息在薄板成形或 后成形工艺期间容易获得，则有好处。
发明内容
在一个方面中，一种用于测量薄材料板的表面的形状轮廓的装置包括光源，该光 源用于提供要弓I导至薄材料板的表面处的光束。该装置还包括耦合至该光源用于在薄材料 板的表面上方平移该光源的线性平移平台，从而光束在被引导至表面处时入射在表面上的 多个位置处，并在多个位置中的每个位置处产生反射光束。该装置还包括位于预定位置处 的多个光接收器，用于选择性地截取在多个位置中的每个位置处产生的反射光束。该装置 还包括数据采集设备，该数据采集设备被配置成接收关于光源与在截取多个位置中的每个 位置处所产生的反射光束的多个光检测器中选定的一个光检测器之间的位置差的信息。该 装置还包括数据分析设备，该数据分析设备被配置成将位置差信息与薄材料板的表面的形 状轮廓相关联。在一个实施例中，上述装置的光源所提供的光束为细长形。在一个实施例中，该细 长光束的长轴垂直于光源的平移方向。在一个实施例中，细长光束的长宽比至少为10。在一个实施例中，上述装置的光源所提供的光束的宽度等于或小于3mm。在另一实
4施例中，该光源所提供的光束的宽度等于或小于0. 5mm。在一个实施例中，上述装置的光接收器是光检测器。在一个实施例中，光检测器被 包含在单个物理装置中。在一个实施例中，光检测器耦合至平移平台，以使它们与光源一前
一后移动。在一个实施例中，上述装置的光接收器是耦合至光检测器的多模光纤。在一个实施例中，该装置的光接收器沿光源的平移方向分布。在一个实施例中，光 接收器以一维阵列排列。在一个实施例中，光接收器以二维阵列排列。在一个实施例中，光 接收器沿光源的平移方向交错。在一个实施例中，上述装置的数据分析设备对
D0 + D(x) = y(x) Υ{Χ1+ tan θ° (}~y (f 求解 y(x)，其中 y(x)是形状轮廓，y' (χ)是 y (χ) I-^W + tan θ0
的导数，D(χ)+D0是多个位置中的每个位置处的所截取反射光束与入射光束之间的位置差， 而θ。是该光束入射在薄材料板的表面上的角度。在一个实施例中，上述装置的数据分析设备对=—IEl^积分以获
得y(x)，其中y(x)是形状轮廓，y' (χ)是yOO的导数，D(x)+D。是多个位置中的每个位置 处的所截取反射光束与入射光束之间的位置差，而θ。是该光束入射在薄材料板的表面上 的角度。在另一实施例中，上述装置的数据分析设备对
D'0+D'(x) = y(x{tan(0o)+ 二‘⑴广/^)"f 二)]求解 y (χ)，其中 y (χ)是形状轮廓， 、1-y (x) + 2y(x)tm0o J
y' (χ)是y (χ)的导数，D' JD' (χ)是多个位置中的每个位置处的所截取反射光束与入 射光束之间的位置差，而θ。是该光束入射在薄材料板的表面上的角度。在一个实施例中，上述装置还包括光耦合至光源的光束成形器，其中光束成形器 将光源所提供的圆形光束转换成细长光束。在一个实施例，上述装置还包括光耦合至光接收器的至少一个窄带通滤波器，用 于从所截取的反射光束去除噪声。在另一方面中，一种用于测量薄材料板的表面的形状轮廓的方法包括提供入射在 薄材料板的表面上的光束。该方法包括以预定测量方向在表面上方基本线性地平移入射光 束，从而该入射光束入射在表面上的多个位置处，并在多个位置中的每一个处产生反射光 束。该方法还包括截取多个位置中的每个位置处产生的反射光束、接收关于多个位置中的 每个位置处的所截取的反射光束与入射光束之间的位置差的信息、以及将该位置信息与薄 材料板的表面的形状轮廓相关联。在一个实施例中，将位置差数据与形状轮廓相关联包括对
D0 + D(x) = y(x) YixI+1^0/!~y' (f 求解 y (χ)，其中 y (χ)是形状轮廓，y' (χ)是 y(x) 1-y (x) + 2y (χ)tanθ0
的导数，D(χ)+D0是多个位置中的每个位置处的所截取反射光束与入射光束之间的位置差， 而θ。是该光束入射在薄材料板的表面上的角度。
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在另一实施例中，将位置差数据与形状轮廓相关联包括对
积分以获得y (X)，其中y (χ)是形状轮廓，y' (χ)是y(x)的导数， D(x)+D。是多个位置中的每个位置处的所截取反射光束与入射光束之间的位置差，而θ。是 该光束入射在薄材料板的表面上的角度。在又一实施例中，将位置差数据与形状轮廓相关联包括对
求解 y(χ)，其中 y(χ)是形状轮廓， ^1-y (X)+ 2yO)tan终)
y' (χ)是y(x)的导数，D(χ)+D。是多个位置中的每个位置处的所截取反射光束与入射光束 之间的位置差，而θ。是该光束入射在薄材料板的表面上的角度。在一个实施例中，以上方法中所述的入射光束被提供为长宽比至少为10的细长 光束。在另一方面中，一种玻璃制造系统包括用于形成玻璃薄板的熔融拉制机和毗邻该 熔融拉制机的如上所述装置，该装置用于测量玻璃薄板的表面的形状轮廓。
以下描述的附图示出了本发明的典型实施例，且不应被认为限制本发明的范围， 因为本发明可允许其他等效实施例。这些附图不一定按比例，而且这些附图的某些特征和 某些视图可能为了清楚和简明而在尺度或示意图上放大。图1是薄材料板的立体图。图2示出大玻璃薄板中常见的形状轮廓。图3是用于测量薄材料板的表面的形状轮廓的装置的俯视图。图4示出具有定位在光源之上的分布式检测器阵列的图3的装置。图5示出具有作为检测器元件的光纤的图4的分布式检测器阵列。图6示出具有定位在光源之下的分布式检测器阵列的图3的装置。图7Α和7Β示出用于与图3的装置一起使用的二维检测器阵列。图8Α和8Β示出利用图3的装置测量薄材料板的表面的形状轮廓的过程。图9是描述利用图3的装置测量的反射光束相对于由光源位置确定的基准点的位 置差异的曲线图。图10是描述图9的基准玻璃薄板的表面的测得形状轮廓的曲线图。图11是将如图10的基准玻璃薄板的测得形状轮廓与预测的形状轮廓进行比较的 曲线图。图12Α和12Β示出利用图4、5或6的装置测量薄材料板的表面的形状轮廓的过程。图13示出与图3的装置组合的熔融拉制机。详细描述现在将参照如附图中所示的几个优选实施例来详细描述本发明。在描述优选实施 例时，阐述了许多具体细节以便于提供对本发明的透彻理解。然而，对本领域技术人员将显 而易见的是，没有这些具体细节中的某些或全部也可实施本发明。在其它实例中，并未对公 知特征和/或工艺步骤进行详细描述以免不必要地混淆本发明。此外，相似或相同的附图标记用于标识共同或相似的元件。图1描绘了具有待测量形状轮廓的表面101的薄材料板102。图1中所示的形状 轮廓是任意的。薄材料板102可由适用于期望应用的任何合适材料制成，只要表面101能 反射光束。可用于薄材料板102的材料的示例包括玻璃、玻璃一陶瓷以及塑料。这些材料 可具有致使薄材料板102适于透射或检测光的光学性质。设置了 XYZ坐标系，其中薄材料 板102的第一维度沿X轴，薄材料板102的第二维度沿Y轴，而薄材料板102的第三维度沿 Z轴，其中X、Y以及Z轴正交。作为示例，薄材料板100的第一维度可以是薄材料板102的 宽度，薄材料板102的第二维度可以是薄材料板102的厚度，而薄材料板102的第三维度可 以是薄材料板102的长度。在一个示例中，诸如可用于制造大平板显示器之类的大片薄材 料板可具有超过2000mm的至少一个维度，例如宽度或长度。在另一个示例中，诸如可用于 制造大平板显示器之类的大片薄材料板具有从2300mm、2550mm、2800mm以及3200mm中选择 的至少一个维度，例如宽度或长度。图2示出在具有2300mm总宽度的玻璃板的XY平面中 观测到的形状轮廓的实际示例。形状轮廓A是钟形的。形状轮廓B是S形的。形状轮廓C 是M形的。图3示出用于测量薄材料板的表面的形状轮廓的装置100的俯视图。在图3中， 装置100被描绘为处于测量薄材料板102的表面101的形状轮廓的位置。装置100包括 与薄材料板102的表面101成大致相对关系的光源104。光源104提供被引导至薄材料板 102的表面101处的光束B”光源104可包括或可不包括产生该光束的有源部件。当产生 该光束的有源部件在光源104远程时，光源104可包括诸如透镜、反射镜以及光纤之类的光 学耦合至该有源部件的一个或多个无源部件，以将光束引导至表面101处。即使有源部件 在本地，光源104也可包括一个或多个无源部件。不论有源部件在本地还是远程，都可使用 无源部件来对有源部件所产生的光束执行多种功能。在一个示例中，无源部件可调节有源 部件的输出的形状以获得具有所需大小和能量分布的光束。在另一示例中，诸如分束器之 类的无源部件可将有源部件的输出分成多个光束，从而允许光源104提供被引导至薄材料 板102的表面101处的多个光束。在一个示例中，光源104包括激光二极管。该激光二极 管可以是经准直的激光二极管、光纤耦合的激光二极管、或光谱线宽小于50nm的光源。激 光二极管可在连续波下工作，或可为脉冲式。光源104可提供波长在从400nm到1600nm范 围内的一个或多个光束。光源104安装或耦合至提供至少一个方向上的线性运动的线性平移平台或线性 滑块116。平移平台116可以是能提供沿单个轴或沿多个轴的线性运动的平移平台。平移 平台116能提供增量线性运动，以允许对形状轮廓测量过程进行更好控制。平移平台116 定位成与薄材料板102的表面101成大致相对关系，从而光源104可在表面101上即沿X 轴线性平移。平移平台116可包括当光源104在表面101上方线性平移时提供光源104的 位置信息的能力。或者，位置传感器(未示出)可安装在平移平台116或光源104上，以用 于提供此类位置信息。当光源104在表面101上方平移时，光源104提供光束B1,该光束B1 被引导至薄材料板102的表面101处。因此，当光源104在表面101上方移动时，光束B1照 射到表面101的多个位置处。在各个位置，光束B1以相对于光源104的平移方向的预定角 度入射在表面101上。该预定角度可由来自光源104的光束的发射角设定。装置100可包括定位于光源104所提供的光束的路径中的光束成形器108。光束成形器108可耦合至光源104的输出端口，如图3所示。或者，光束成形器108可作为无源 部件纳入光源104中。光束成形器108将圆形光束扩展成诸如基本线性光束、细长椭圆光 束、细长矩形光束之类的细长光束及其变型。在一个示例中，细长光束的长轴沿Z轴，即沿 与光源104的平移方向垂直的方向。光束成形器108可放置在旋转平台上，以在需要时将细 长光束的长轴与Z轴对齐。将细长光束的长轴与Z轴对齐允许对薄材料板102的表面101 沿Z轴的曲率变化不敏感的检测方案。在一个示例中，细长光束的长宽比等于或大于10。 在另一示例中，细长光束的长宽比等于或大于100。在又一示例中，细长光束的长宽比等于 或大于1000。光束成形器108还可将圆形光束扩展成十字形光束，该十字形光束具有两个 正交方向上的伸长，以允许两个正交方向上的有效形状轮廓测量方案。在一个示例中，耦合至光源104或设置为光源104的部件的光束成形器108是其 表面具有特殊微结构的光漫射器，该特殊微结构通过改变光束各段的相位将输入光束重新 定向，光漫射器诸如可从阿拉巴马州亨茨维尔市的MEMS Optical Inc.买到的光漫射器。使 漫射器生效的结构称为散射中心。这些是将输入光线引导至不同方向的基本表面单元。大 面积上的数百万个散射中心的簇集组合以提供漫射器的散射性质。典型的散射中心是微透 镜元件。为实现高于90%的转换效率，各个散射中心分别被设计成实现特定光控任务。当 表面结构以及散射中心的统计分布被仔细设计并制造时，圆形光束可被转换成线性光束或 十字形光束，如上所述。装置100包括用于检测和截取各个反射光束Bk的光检测器组件110。在图3中所 示示例中，光检测器组件110包括置于单个物理器件中的多个光接收器(未分别示出)。在 一个示例中，光接收器是光检测器。检测器组件110还可包括诸如透镜之类的用于将光聚 焦在光检测器上的一个或多个光学元件。此类检测器组件110的一个示例是具有CCD阵列 的相机。在图3中所示示例中，光检测器组件110被安装或耦合至毗邻光源104的平移平 台116。在该设置中，检测器组件110与光源104 —前一后地行进，以检测和截取来自薄材 料板102的表面101的反射光束。窄带通滤波器114耦合至检测器组件110或毗邻检测器 组件110定位，以便于其在检测器组件110截取反射光束之前截取反射光束。窄带通滤波 器114去除/减少由于来自反射光束的背景照明引起的噪声，从而改善检测器组件110所 进行的测量的质量。作为示例，窄带通滤波器可滤出可见和IR范围内的光。窄带通滤波器 114与检测器组件110 —起行进，以在检测器组件110的各个位置处执行噪声去除/减少。 窄带通滤波器114也可被设置为检测器组件110的一个部件。图4示出其中检测器组件110是具有多个独立光接收器111的分布式阵列的示 例。在一个示例中，独立光接收器111是独立光检测器。独立检测器111沿与光源104的 平移方向基本平行的路径分布。在一个示例中，独立检测器111是静态的，且不与光源104 一起运动。在该设置中，各个个体检测器检测并截取来自薄材料板102的表面101的某个范 围的反射光束。各个检测器可以是小尺寸(例如尺寸为Imm量级)的自持检测器。或者， 如图5所示，检测器组件110可以是具有多个光接收器113的分布式阵列，其中每个光接收 器113是将光导向后端的光检测器115的多模光纤113的一部分。在图4中，各个个体检 测器111可设置有如上所述的窄带通滤波器，以用于去除/减少由来自反射光束的背景照 明引起的噪声。在图5中，多模光纤113可提供所需滤波功能。在图4和5中所示的示例中，分布式检测器/接收器阵列110定位于光源104上方。在图6中，分布式检测器/接收器阵列110定位于光源104下方。一般而言，可使用允 许在沿光源104的平移方向的各个所需位置处检测和截取反射光束的分布式检测器/接收 器阵列110的任何排列。如图4、5以及6所示，分布式检测器/接收器阵列110实现可缩放 的形状轮廓测量系统。可沿光源104的平移方向或行进路径设置所需多个独立的检测器， 以检测和截取反射光束。而且，分布式检测器/接收器阵列110不一定限于如图4、5以及6 所示的一维阵列。例如，图7A示出了包括交错排列的多行检测器121的二维阵列119。检 测器121也可以是非交错排列。图7B示出了具有多模光纤123的二维阵列119，其中多模 光纤可连接至如上所述的后端检测器。如图7A和7B所示的二维检测器阵列可沿光源104 的行进路径或平移方向定位，以检测和截取来自薄材料板102的表面101的反射光束。在一个示例中，装置100的分辨率被定义为沿Y轴或与光源104的平移方向垂直 的方向的最小可检测位置差异。该分辨率由检测器组件110的检测器的分辨率以及沿X轴 或光源104的平移方向的检测器上的反射光束的光束大小即光束宽度确定。附加的透镜或 光学部件可用于使检测器上的光束尽可能小。检测器组件110中的检测器/接收器的大小 可被选择成小于光束大小，以实现与光束大小相似的器件分辨率。同时，薄材料板102的表 面101上沿Z轴的光束大小应当足够长，以使沿Z轴的最大运动不会使光束移出检测范围。 如上所述，这可通过在Z方向上或在与光源104的平移方向垂直的方向上拉长光源104所 提供的光束来实现。在一个示例中，沿X轴的光束大小或宽度等于或小于3mm。在另一示 例中，沿X轴的光束大小或宽度等于或小于2mm。在又一示例中，沿X轴的光束大小或宽度 等于或小于1mm。在再一示例中，沿X轴的光束大小或宽度等于或小于0.5mm。在一个示例 中，细长光束的长宽比至少为10。在另一示例中，细长光束的长宽比等于或大于100。在又 一示例中，细长光束的长宽比等于或大于1000。检测器组件110中的检测器的大小或间距 应当小于光束宽度。装置100还包括数据采集系统120，该数据采集系统120接收或记录与关联于检 测器组件Iio的检测器/接收器检测和截取反射光束时的位置有关的信息以及与光源104 提供入射光束时的位置有关的信息。该位置信息可统称为反射光束数据。该数据采集系统 120可包括用于与检测器组件110和平移平台116或耦合至平移平台116或光源104的位 置传感器通信的输入/输出接口 120a。数据采集系统120还可包括用于记录反射光束数据 的数据采集设备120b。数据采集系统120还可包括用于处理反射光束数据的数据分析设 备120c。数据分析设备120c可以是执行与处理反射光束数据有关的指令的数据处理器。 对反射光束数据的处理可包括将反射光束数据与玻璃薄板102的形状轮廓相关联。对反射 光束数据的处理还可包括从反射光束数据去除噪声。在分布式检测器阵列用作检测器组件 110的情况下，数据采集系统120在独立检测器之间自动切换，以收集针对薄材料板102的 表面101上的位置范围的反射光束数据。该数据采集系统120还可将来自独立检测器的不 同数据组织到一起，以允许确定薄材料板的表面的完整形状轮廓。现在将描述可由数据分 析设备120c实现的用于将反射光束数据与形状轮廓相关联的过程。图8A是用于利用移动光源和包括置于单个物理器件中的多个检测器的移动检测 器组件来测量薄材料板的表面的形状轮廓的过程的示意图。在图8A中，y(x)表示XY平面 中的薄材料板的表面的形状轮廓。此外，θ。表示光束B1入射在薄材料板的表面上的角度， 其中θ。相对于位置χ处的玻璃薄板的法线N测得。如果该光束从光源的发射角为已知，则
9θ。也将已知。利用该命名法，反射光束BR在位置χ处与薄材料板的表面的法线成2 θ + θ。 角。为方便起见，光源附近的基准点可选择成记录所截取的反射激光束与入射光束之间的 位置差D(X)。然则各个位置χ处的绝对位置差将会是位置差D(X)和基准点与χ之间的偏 移Do之和，即D (x) +Do。D (χ) +D0表示光束从光源发射的点与相应光束被光源的各个位置χ 处的检测器截取和检测的点之间的位置差。该位置差与薄材料板的表面的形状轮廓之间的关系可表示为D0+D (χ) = y (χ) tan (2 θ + θ 0)(1)或 其中y' (χ) = tan θ和y' (χ)是薄板轮廓y (χ)的导数。方程⑵是描述测得 位置差与形状轮廓y(x)之间关系的精确微分方程。在大多数情况下，y' (χ)是小量，因此 当展开方程(1)时二阶分量可忽略，从而允许方程(2)简化如下7、 2y(x) 2(3)或者 其中C。= tan θ。。在方程(4)中，需要D。、C。、以及初始位置处的形状轮廓y(x。)以便于从测得位置 差D(X)恢复形状轮廓y(x)。该系统可预先校准以确定这些参数。存在实施该预先校准的 多种方法。一种直接方法是基于D。和C。的实际物理意义测量它们，即分别是本地坐标系与 绝对坐标系之间的偏移和入射角的正切函数tan( θ 0)。另一方法是通过将薄材料板牢固附 连至XY平面中具有已知形状轮廓的基准条。该基准条和薄材料板被安装在将要进行形状 轮廓测量的机器上。附连至基准条的薄材料板的表面的形状轮廓从成像平面直接测量。还 测量当光束扫过薄材料板时的位置差D (χ)。在一个示例中，使用了具有钟形的基准条和由 玻璃制成的薄材料板。图8Α示出作为X轴上的位置的函数的位置差D(X)。图9示出了测 得的形状轮廓y(x)。根据图9，y(x。)已知。然而，D。和C。未知。为确定D。和C。，使用了测 得y(x)与根据方程(4)的预测y(x)之间的最佳拟合分析。求得D。为12. 837775，而C。为 0. 165464。利用校准就绪数据，薄材料板的表面的形状轮廓通过对方程(4)积分来预测。直 接测得的形状轮廓与预测形状轮廓的比较在图10中示出。直接测得形状轮廓与预测形状 轮廓之间的最大偏差约为1mm。高度一致证实所提出方案的可行性。为D。和C。计算出的 值能确定任何薄材料板的表面的形状轮廓，只要用于确定该形状轮廓的设定与计算D。和C。 时的设定相同。用于确定参数D。、C。以及y(x。)的替代方法包括标识与D。、C。以及y(x。)有 关的至少三个独立条件并求解它们。参照图8B，在另一示例中，测量光束(B1)在薄材料板的表面处发射的点Q与相应 的反射光束(Bk)被截取和检测的点R之间的位置差或距离以揭示薄材料板的表面的形状 轮廓是方便的。在该示例中，Q与R之间的位置差可表示为 D ‘ 。+D ‘ (χ) = y (x) (tan ( θ 0) +tan (2 θ + θ ))(5)或DW⑷=彻ftan⑷ + 办‘(、他⑷(1^2 (叫
L0063J0 U 八 \ 、。, l-y2(x) + 2y(x)tan0o J(6)薄材料板的形状轮廓可通过利用初始条件y (Xtl)和预校准参数D'。和tan (Qtl) 来对方程(6)积分而揭示。图12A是利用移动光源和沿该移动光源的行进路径或平移方向分布的多个静止 光检测器/接收器来测量薄材料板的表面的形状轮廓的示意图。位于沿X轴的不同位置处 的多个静止光检测器/接收器用于检测反射光束与光源的相对位置。该形状轮廓通过采集 多个检测器处的反射光束位置而获得。各个检测器/接收器仅具有一个检测器/接收器元 件，而且当反射光束到达时被照亮。一旦检测器/接收器检测到反射光束，数据采集系统即 定位光源的位置。例如，当反射光束被位于Pd处的检测器/接收器检测到时，数据采集设 备将光源位置定位于P (X，y)，从而它们之差为D(X)+D。。相似地，在点Pn(xn，yn)处，该差为 Dn (xn) +D0。在收集薄材料板的整个表面上的差值之后，形状轮廓可利用上述方法进行计算。 以与图8B中所述方式相似的方式，如图12B所示，测量光束(B1)在薄材料板的表面处发射 的点Ps与相应的反射光束(Bk)被检测/接收的点Pd之间的位置差以揭示薄材料板的表 面的形状轮廓是方便的。再次参照图3，一种用于线上测量薄材料板102的表面101的形状轮廓的方法包括 将装置100定位于沿薄材料板102的所需位置处。光源104被操作成使其提供入射在薄材 料板102的表面101上的光束。线性平移平台116被操作以移动光源104，从而该入射光 束在薄材料板102的表面101上基本线性地扫过。入射光可以任何所需角度照射薄材料板 102的表面101。当入射光束在薄材料板102的表面101上扫过时，光检测器110检测从薄 材料板102的表面101反射的光束。数据采集系统120收集反射光束数据，如上所述。然 后数据采集系统120将反射光束数据与薄材料板102的表面101的形状轮廓相关联。装置100可用于薄材料板的表面的形状轮廓的线上和线下测量。在一个示例中， 该装置用于对通过熔融拉制工艺制造的薄材料板的线上测量。在该示例中，如图13所示， 熔融玻璃或其它粘性材料130流入熔融管132，并在熔融管132两侧向下溢出以形成在通道 136中被接收的薄板状流134。通道136由并列排列的一对细长引导构件138限定。该通 道136可以是垂直的，或可具有其他取向，例如水平或倾斜。沿引导构件138排列的辊140 紧夹薄板状流134的侧边缘，并将薄板状流134拉制成薄材料板102。熔融管132、引导构 件138、辊140以及通道136可以是熔融拉制机的一部分。装置100可在通道136的底部或 沿通道136设置，以确定薄材料板102的形状轮廓。装置100可用于在薄材料板102静止 或被拉制时确定薄材料板102的表面的形状轮廓。装置100可用作用于分离薄材料板102的系统的一部分。用于分离薄材料板102 的系统可以是基于行进砧法(travel anvil method)的系统。在此方法中，划刻设备(未示 出)安装在行进托架(未示出)上，并横跨薄材料板102的宽度平移，以划刻薄材料板102。 前缘设备(nose device)(未示出)通常用于对抗划刻装置的力。在薄材料板102的表面 的形状轮廓可经由装置100得到的情况下，该形状轮廓可用于控制划刻装置和刀尖装置向 薄材料板传递多少力，以使薄板运动最少。
上述描述集中于利用单个光源和多个检测器/接收器来获得薄材料板的表面的 形状轮廓。多个光源/检测器单元的组合可用于增强该系统的功能。在这种情况下，各个 光源/检测器组合可具有相对窄的动态范围但具有较高分辨率，而来自各个组合的测量可 组织到一起以获得薄材料板的完整形状轮廓。相比于沿X轴，多个光源/检测器组合也可 沿Z轴安装，以发现玻璃薄板轮廓沿Z轴的变化。其他变化包括适当调节向待测薄材料板 的表面提供光束的光源的初始入射角。
权利要求
一种用于测量薄材料板的表面的形状轮廓的装置，包括光源，用于提供被引导至所述薄材料板的所述表面处的光束；线性平移平台，其耦合至所述光源以使所述光源在所述薄材料板的所述表面上方平移，从而所述光束在被引导至所述表面处时入射在所述表面上的多个位置处，并在所述多个位置中的每个位置处产生反射光束；位于预定位置处的多个光接收器，用于选择性地截取在所述多个位置中的每个位置处产生的所述反射光束；数据采集设备，其被配置成接收关于所述光源与在截取所述多个位置中的每个位置处所产生的所述反射光束的所述多个光接收器中选定的一个光接收器之间的位置差的信息；以及数据分析设备，其被配置成将所述位置差信息与所述薄材料板的所述表面的形状轮廓相关联。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光源所提供的光束为细长形。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述细长光束的长轴垂直于所述光源的所 述平移方向。
4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述细长光束的长宽比至少为10。
5.如以上权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，所述光源所提供的光束的宽 度等于或小于3mm。
6.如以上权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，所述光接收器是光检测器。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述光检测器包含在单个物理装置内。
8.如以上权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，所述光接收器耦合至所述平 移平台，以使它们与所述光源一前一后运动。
9.如权利要求1到5中的任一项所述的装置，其特征在于，所述光接收器是耦合至光检 测器的多模光纤。
10.如以上权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，所述光接收器沿所述光源的 所述平移方向分布。
11.如以上权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，所述数据分析设备将所述位 置差信息与基本平行于所述光源的平移方向的方向上的所述形状轮廓相关联。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述数据分析设备对D0 + D(X) = y(x)求解y(x)，其中 y(x)是所述形状轮廓，y' (χ)是 1 - y (χ) + 2y (x) tan U0y(x)的导数，D(x)+D。是所述多个位置中的每个位置处的所截取反射光束与所述入射光束 之间的位置差，而θ。是所述光束入射在所述薄材料板的表面上的角度。
13.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述数据分析设备对,,、D(x) +Dn tan ^ny (x)= \^积分以获得y(X)，其中y(X)是所述形状轮廓，y' (χ)是y(x)的2y(x) 2导数，D(χ)+D0是所述多个位置中的每个位置处的所截取反射光束与所述入射光束之间的 位置差，而θ。是所述光束入射在所述薄材料板的表面上的角度。
14.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述数据分析设备对 D'0 + D'(x) = tan(代)+ 2广⑴+ 。Χ1:'(:))求解 y (χ)，其中 y (χ)是所述形状轮廓，y' (χ)是y(x)的导数，D'(χ)是所述多个位置中的每个位置处的所截取反射光束与所述入射光束之间的位置差，而θ。是所述光束入射在所述薄材料板的表面上的角度。
15.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，还包括光耦合至所述光源的光束成形 器，其中所述光束成形器将所述光源所提供的圆形光束转换成细长光束。
16.如以上权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，还包括光耦合至所述光接收 器以用于从所截取的反射光束去除噪声的至少一个窄带通滤波器。
17.一种用于测量薄材料板的表面的形状轮廓的方法，包括 提供入射在所述薄材料板的表面上的光束；以预定测量方向在所述表面上方基本线性地平移所述入射光束，以使所述入射光束入 射在所述表面上的多个位置，并在所述多个位置中的每一个位置处产生反射光束； 截取在所述多个位置中的每个位置处产生的所述反射光束；接收关于所述多个位置中的每个位置处的所截取反射光束与所述入射光束之间的所 述位置差的信息；以及将所述位置差信息与所述薄材料板的所述表面的所述形状轮廓相关联。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，将所述位置差数据与所述形状轮廓相关联包括对A + D(x) = yix)]^^^0/!'^ (，求解y(χ)，其中y(χ)是所述形状轮廓， y' (χ)是y(x)的导数，D(χ)+D。是所述多个位置中的每个位置处的所截取反射光束与所述 入射光束之间的位置差，而θ。是所述光束入射在所述薄材料板的表面上的角度。
19.如权利要求17或18所述的方法，其特征在于，所述入射光束被提供为长宽比至少 为10的细长光束。
20.一种玻璃制造系统，包括熔融拉制机，用于形成玻璃薄板；以及毗邻所述熔融拉制机的用于测量所述玻璃薄板的表面的形状轮廓的装置，所述装置包括光源，用于提供被引导至所述薄材料板的所述表面处的光束； 线性平移平台，其耦合至所述光源以使所述光源在所述薄材料板的所述表面上方平 移，从而所述光束在被引导至所述表面处时入射在所述表面上的多个位置处，并在所述多 个位置中的每个位置处产生反射光束；位于预定位置处的多个光接收器，用于选择性地截取在所述多个位置中的每个位置处 产生的反射光束；数据采集设备，其被配置成接收关于所述光源与在截取所述多个位置中的每个位置处 所产生的所述反射光束的所述多个光接收器中选定的一个光接收器之间的位置差的信息； 以及数据分析设备，其被配置成将所述位置差信息与所述薄材料板的所述表面的形状轮廓 相关联。
全文摘要
一种用于测量薄材料板的表面的形状轮廓的装置，包括光源，用于提供被引导至该薄材料板的表面处的光束；线性平移平台，其耦合至光源以使光源在该薄材料板的该表面上方平移，从而该光束在被引导至表面处时入射在表面上的多个位置处，并在多个位置中的每个位置处产生反射光束；位于预定位置处的多个光接收器，用于选择性地截取在多个位置中的每个位置处产生的反射光束；数据采集设备，其被配置成接收关于光源与在截取多个位置中的每个位置处所产生的反射光束的多个光接收器中选定的一个光接收器之间的位置差的信息；以及数据分析设备，其被配置成将位置差信息与薄材料板的表面的形状轮廓相关联。
文档编号G01B11/245GK101932903SQ200880120710
公开日2010年12月29日 申请日期2008年11月6日 优先权日2007年11月9日
发明者A·刘, X·陈, 周乃越 申请人:康宁股份有限公司
技术领域：
本发明一般涉及用于制造薄材料板的方法和装置。更具体地，本发明涉及用于测 量薄材料板的形状轮廓的方法和装置。本发明还涉及在诸如熔融拉制和浮法工艺之类的薄 板形成工艺中使用此类测量方法和装置。背景诸如用于制造大平板显示器或可切割以制造诸如有源电子器件、光伏器件以及生 物序列之类的其他器件的具有非常平坦表面的大材料板难以制造和处理。作为示例，已知 诸如举例而言授权给Dockerty的美国专利No. 3，338，696和3，682，609中所述的熔融拉制 工艺能在不增加诸如研磨和抛光之类的后成形修整工序成本的情况下得到具有优良平坦 度和表面光滑度的薄材料板。然而，已经发现成形区中的薄板运动能不利地影响薄板中的 应力水平和应力变化，这可能导致最终产品中的畸变。成形区中的薄板运动可至少部分地 归因于熔融拉制机底部处或拉制结束时(BOD)的薄板处理和分离工艺。例如，用于在BOD处 分离薄板的当前机械工艺涉及利用硬或刚性装置进行薄板接触、薄板划刻以及薄板弯曲， 所有这些都导致薄板运动。所形成的薄材料板越大，薄板运动对薄板中的应力水平及其变 化的影响越显著。影响薄材料板畸变的因素在其他薄板成形和后成形工艺中可能采取不同 的形式。为了制造具有非常平坦表面的大薄板，使这些因素最少是重要的。在理想情况下， 用于使这些因素最小化的方案应当考虑薄材料板的形状轮廓。如果此类信息在薄板成形或 后成形工艺期间容易获得，则有好处。
发明内容
在一个方面中，一种用于测量薄材料板的表面的形状轮廓的装置包括光源，该光 源用于提供要弓I导至薄材料板的表面处的光束。该装置还包括耦合至该光源用于在薄材料 板的表面上方平移该光源的线性平移平台，从而光束在被引导至表面处时入射在表面上的 多个位置处，并在多个位置中的每个位置处产生反射光束。该装置还包括位于预定位置处 的多个光接收器，用于选择性地截取在多个位置中的每个位置处产生的反射光束。该装置 还包括数据采集设备，该数据采集设备被配置成接收关于光源与在截取多个位置中的每个 位置处所产生的反射光束的多个光检测器中选定的一个光检测器之间的位置差的信息。该 装置还包括数据分析设备，该数据分析设备被配置成将位置差信息与薄材料板的表面的形 状轮廓相关联。在一个实施例中，上述装置的光源所提供的光束为细长形。在一个实施例中，该细 长光束的长轴垂直于光源的平移方向。在一个实施例中，细长光束的长宽比至少为10。在一个实施例中，上述装置的光源所提供的光束的宽度等于或小于3mm。在另一实
4施例中，该光源所提供的光束的宽度等于或小于0. 5mm。在一个实施例中，上述装置的光接收器是光检测器。在一个实施例中，光检测器被 包含在单个物理装置中。在一个实施例中，光检测器耦合至平移平台，以使它们与光源一前
一后移动。在一个实施例中，上述装置的光接收器是耦合至光检测器的多模光纤。在一个实施例中，该装置的光接收器沿光源的平移方向分布。在一个实施例中，光 接收器以一维阵列排列。在一个实施例中，光接收器以二维阵列排列。在一个实施例中，光 接收器沿光源的平移方向交错。在一个实施例中，上述装置的数据分析设备对
D0 + D(x) = y(x) Υ{Χ1+ tan θ° (}~y (f 求解 y(x)，其中 y(x)是形状轮廓，y' (χ)是 y (χ) I-^W + tan θ0
的导数，D(χ)+D0是多个位置中的每个位置处的所截取反射光束与入射光束之间的位置差， 而θ。是该光束入射在薄材料板的表面上的角度。在一个实施例中，上述装置的数据分析设备对=—IEl^积分以获
得y(x)，其中y(x)是形状轮廓，y' (χ)是yOO的导数，D(x)+D。是多个位置中的每个位置 处的所截取反射光束与入射光束之间的位置差，而θ。是该光束入射在薄材料板的表面上 的角度。在另一实施例中，上述装置的数据分析设备对
D'0+D'(x) = y(x{tan(0o)+ 二‘⑴广/^)"f 二)]求解 y (χ)，其中 y (χ)是形状轮廓， 、1-y (x) + 2y(x)tm0o J
y' (χ)是y (χ)的导数，D' JD' (χ)是多个位置中的每个位置处的所截取反射光束与入 射光束之间的位置差，而θ。是该光束入射在薄材料板的表面上的角度。在一个实施例中，上述装置还包括光耦合至光源的光束成形器，其中光束成形器 将光源所提供的圆形光束转换成细长光束。在一个实施例，上述装置还包括光耦合至光接收器的至少一个窄带通滤波器，用 于从所截取的反射光束去除噪声。在另一方面中，一种用于测量薄材料板的表面的形状轮廓的方法包括提供入射在 薄材料板的表面上的光束。该方法包括以预定测量方向在表面上方基本线性地平移入射光 束，从而该入射光束入射在表面上的多个位置处，并在多个位置中的每一个处产生反射光 束。该方法还包括截取多个位置中的每个位置处产生的反射光束、接收关于多个位置中的 每个位置处的所截取的反射光束与入射光束之间的位置差的信息、以及将该位置信息与薄 材料板的表面的形状轮廓相关联。在一个实施例中，将位置差数据与形状轮廓相关联包括对
D0 + D(x) = y(x) YixI+1^0/!~y' (f 求解 y (χ)，其中 y (χ)是形状轮廓，y' (χ)是 y(x) 1-y (x) + 2y (χ)tanθ0
的导数，D(χ)+D0是多个位置中的每个位置处的所截取反射光束与入射光束之间的位置差， 而θ。是该光束入射在薄材料板的表面上的角度。
5
在另一实施例中，将位置差数据与形状轮廓相关联包括对
积分以获得y (X)，其中y (χ)是形状轮廓，y' (χ)是y(x)的导数， D(x)+D。是多个位置中的每个位置处的所截取反射光束与入射光束之间的位置差，而θ。是 该光束入射在薄材料板的表面上的角度。在又一实施例中，将位置差数据与形状轮廓相关联包括对
求解 y(χ)，其中 y(χ)是形状轮廓， ^1-y (X)+ 2yO)tan终)
y' (χ)是y(x)的导数，D(χ)+D。是多个位置中的每个位置处的所截取反射光束与入射光束 之间的位置差，而θ。是该光束入射在薄材料板的表面上的角度。在一个实施例中，以上方法中所述的入射光束被提供为长宽比至少为10的细长 光束。在另一方面中，一种玻璃制造系统包括用于形成玻璃薄板的熔融拉制机和毗邻该 熔融拉制机的如上所述装置，该装置用于测量玻璃薄板的表面的形状轮廓。
以下描述的附图示出了本发明的典型实施例，且不应被认为限制本发明的范围， 因为本发明可允许其他等效实施例。这些附图不一定按比例，而且这些附图的某些特征和 某些视图可能为了清楚和简明而在尺度或示意图上放大。图1是薄材料板的立体图。图2示出大玻璃薄板中常见的形状轮廓。图3是用于测量薄材料板的表面的形状轮廓的装置的俯视图。图4示出具有定位在光源之上的分布式检测器阵列的图3的装置。图5示出具有作为检测器元件的光纤的图4的分布式检测器阵列。图6示出具有定位在光源之下的分布式检测器阵列的图3的装置。图7Α和7Β示出用于与图3的装置一起使用的二维检测器阵列。图8Α和8Β示出利用图3的装置测量薄材料板的表面的形状轮廓的过程。图9是描述利用图3的装置测量的反射光束相对于由光源位置确定的基准点的位 置差异的曲线图。图10是描述图9的基准玻璃薄板的表面的测得形状轮廓的曲线图。图11是将如图10的基准玻璃薄板的测得形状轮廓与预测的形状轮廓进行比较的 曲线图。图12Α和12Β示出利用图4、5或6的装置测量薄材料板的表面的形状轮廓的过程。图13示出与图3的装置组合的熔融拉制机。详细描述现在将参照如附图中所示的几个优选实施例来详细描述本发明。在描述优选实施 例时，阐述了许多具体细节以便于提供对本发明的透彻理解。然而，对本领域技术人员将显 而易见的是，没有这些具体细节中的某些或全部也可实施本发明。在其它实例中，并未对公 知特征和/或工艺步骤进行详细描述以免不必要地混淆本发明。此外，相似或相同的附图标记用于标识共同或相似的元件。图1描绘了具有待测量形状轮廓的表面101的薄材料板102。图1中所示的形状 轮廓是任意的。薄材料板102可由适用于期望应用的任何合适材料制成，只要表面101能 反射光束。可用于薄材料板102的材料的示例包括玻璃、玻璃一陶瓷以及塑料。这些材料 可具有致使薄材料板102适于透射或检测光的光学性质。设置了 XYZ坐标系，其中薄材料 板102的第一维度沿X轴，薄材料板102的第二维度沿Y轴，而薄材料板102的第三维度沿 Z轴，其中X、Y以及Z轴正交。作为示例，薄材料板100的第一维度可以是薄材料板102的 宽度，薄材料板102的第二维度可以是薄材料板102的厚度，而薄材料板102的第三维度可 以是薄材料板102的长度。在一个示例中，诸如可用于制造大平板显示器之类的大片薄材 料板可具有超过2000mm的至少一个维度，例如宽度或长度。在另一个示例中，诸如可用于 制造大平板显示器之类的大片薄材料板具有从2300mm、2550mm、2800mm以及3200mm中选择 的至少一个维度，例如宽度或长度。图2示出在具有2300mm总宽度的玻璃板的XY平面中 观测到的形状轮廓的实际示例。形状轮廓A是钟形的。形状轮廓B是S形的。形状轮廓C 是M形的。图3示出用于测量薄材料板的表面的形状轮廓的装置100的俯视图。在图3中， 装置100被描绘为处于测量薄材料板102的表面101的形状轮廓的位置。装置100包括 与薄材料板102的表面101成大致相对关系的光源104。光源104提供被引导至薄材料板 102的表面101处的光束B”光源104可包括或可不包括产生该光束的有源部件。当产生 该光束的有源部件在光源104远程时，光源104可包括诸如透镜、反射镜以及光纤之类的光 学耦合至该有源部件的一个或多个无源部件，以将光束引导至表面101处。即使有源部件 在本地，光源104也可包括一个或多个无源部件。不论有源部件在本地还是远程，都可使用 无源部件来对有源部件所产生的光束执行多种功能。在一个示例中，无源部件可调节有源 部件的输出的形状以获得具有所需大小和能量分布的光束。在另一示例中，诸如分束器之 类的无源部件可将有源部件的输出分成多个光束，从而允许光源104提供被引导至薄材料 板102的表面101处的多个光束。在一个示例中，光源104包括激光二极管。该激光二极 管可以是经准直的激光二极管、光纤耦合的激光二极管、或光谱线宽小于50nm的光源。激 光二极管可在连续波下工作，或可为脉冲式。光源104可提供波长在从400nm到1600nm范 围内的一个或多个光束。光源104安装或耦合至提供至少一个方向上的线性运动的线性平移平台或线性 滑块116。平移平台116可以是能提供沿单个轴或沿多个轴的线性运动的平移平台。平移 平台116能提供增量线性运动，以允许对形状轮廓测量过程进行更好控制。平移平台116 定位成与薄材料板102的表面101成大致相对关系，从而光源104可在表面101上即沿X 轴线性平移。平移平台116可包括当光源104在表面101上方线性平移时提供光源104的 位置信息的能力。或者，位置传感器(未示出)可安装在平移平台116或光源104上，以用 于提供此类位置信息。当光源104在表面101上方平移时，光源104提供光束B1,该光束B1 被引导至薄材料板102的表面101处。因此，当光源104在表面101上方移动时，光束B1照 射到表面101的多个位置处。在各个位置，光束B1以相对于光源104的平移方向的预定角 度入射在表面101上。该预定角度可由来自光源104的光束的发射角设定。装置100可包括定位于光源104所提供的光束的路径中的光束成形器108。光束成形器108可耦合至光源104的输出端口，如图3所示。或者，光束成形器108可作为无源 部件纳入光源104中。光束成形器108将圆形光束扩展成诸如基本线性光束、细长椭圆光 束、细长矩形光束之类的细长光束及其变型。在一个示例中，细长光束的长轴沿Z轴，即沿 与光源104的平移方向垂直的方向。光束成形器108可放置在旋转平台上，以在需要时将细 长光束的长轴与Z轴对齐。将细长光束的长轴与Z轴对齐允许对薄材料板102的表面101 沿Z轴的曲率变化不敏感的检测方案。在一个示例中，细长光束的长宽比等于或大于10。 在另一示例中，细长光束的长宽比等于或大于100。在又一示例中，细长光束的长宽比等于 或大于1000。光束成形器108还可将圆形光束扩展成十字形光束，该十字形光束具有两个 正交方向上的伸长，以允许两个正交方向上的有效形状轮廓测量方案。在一个示例中，耦合至光源104或设置为光源104的部件的光束成形器108是其 表面具有特殊微结构的光漫射器，该特殊微结构通过改变光束各段的相位将输入光束重新 定向，光漫射器诸如可从阿拉巴马州亨茨维尔市的MEMS Optical Inc.买到的光漫射器。使 漫射器生效的结构称为散射中心。这些是将输入光线引导至不同方向的基本表面单元。大 面积上的数百万个散射中心的簇集组合以提供漫射器的散射性质。典型的散射中心是微透 镜元件。为实现高于90%的转换效率，各个散射中心分别被设计成实现特定光控任务。当 表面结构以及散射中心的统计分布被仔细设计并制造时，圆形光束可被转换成线性光束或 十字形光束，如上所述。装置100包括用于检测和截取各个反射光束Bk的光检测器组件110。在图3中所 示示例中，光检测器组件110包括置于单个物理器件中的多个光接收器(未分别示出)。在 一个示例中，光接收器是光检测器。检测器组件110还可包括诸如透镜之类的用于将光聚 焦在光检测器上的一个或多个光学元件。此类检测器组件110的一个示例是具有CCD阵列 的相机。在图3中所示示例中，光检测器组件110被安装或耦合至毗邻光源104的平移平 台116。在该设置中，检测器组件110与光源104 —前一后地行进，以检测和截取来自薄材 料板102的表面101的反射光束。窄带通滤波器114耦合至检测器组件110或毗邻检测器 组件110定位，以便于其在检测器组件110截取反射光束之前截取反射光束。窄带通滤波 器114去除/减少由于来自反射光束的背景照明引起的噪声，从而改善检测器组件110所 进行的测量的质量。作为示例，窄带通滤波器可滤出可见和IR范围内的光。窄带通滤波器 114与检测器组件110 —起行进，以在检测器组件110的各个位置处执行噪声去除/减少。 窄带通滤波器114也可被设置为检测器组件110的一个部件。图4示出其中检测器组件110是具有多个独立光接收器111的分布式阵列的示 例。在一个示例中，独立光接收器111是独立光检测器。独立检测器111沿与光源104的 平移方向基本平行的路径分布。在一个示例中，独立检测器111是静态的，且不与光源104 一起运动。在该设置中，各个个体检测器检测并截取来自薄材料板102的表面101的某个范 围的反射光束。各个检测器可以是小尺寸(例如尺寸为Imm量级)的自持检测器。或者， 如图5所示，检测器组件110可以是具有多个光接收器113的分布式阵列，其中每个光接收 器113是将光导向后端的光检测器115的多模光纤113的一部分。在图4中，各个个体检 测器111可设置有如上所述的窄带通滤波器，以用于去除/减少由来自反射光束的背景照 明引起的噪声。在图5中，多模光纤113可提供所需滤波功能。在图4和5中所示的示例中，分布式检测器/接收器阵列110定位于光源104上方。在图6中，分布式检测器/接收器阵列110定位于光源104下方。一般而言，可使用允 许在沿光源104的平移方向的各个所需位置处检测和截取反射光束的分布式检测器/接收 器阵列110的任何排列。如图4、5以及6所示，分布式检测器/接收器阵列110实现可缩放 的形状轮廓测量系统。可沿光源104的平移方向或行进路径设置所需多个独立的检测器， 以检测和截取反射光束。而且，分布式检测器/接收器阵列110不一定限于如图4、5以及6 所示的一维阵列。例如，图7A示出了包括交错排列的多行检测器121的二维阵列119。检 测器121也可以是非交错排列。图7B示出了具有多模光纤123的二维阵列119，其中多模 光纤可连接至如上所述的后端检测器。如图7A和7B所示的二维检测器阵列可沿光源104 的行进路径或平移方向定位，以检测和截取来自薄材料板102的表面101的反射光束。在一个示例中，装置100的分辨率被定义为沿Y轴或与光源104的平移方向垂直 的方向的最小可检测位置差异。该分辨率由检测器组件110的检测器的分辨率以及沿X轴 或光源104的平移方向的检测器上的反射光束的光束大小即光束宽度确定。附加的透镜或 光学部件可用于使检测器上的光束尽可能小。检测器组件110中的检测器/接收器的大小 可被选择成小于光束大小，以实现与光束大小相似的器件分辨率。同时，薄材料板102的表 面101上沿Z轴的光束大小应当足够长，以使沿Z轴的最大运动不会使光束移出检测范围。 如上所述，这可通过在Z方向上或在与光源104的平移方向垂直的方向上拉长光源104所 提供的光束来实现。在一个示例中，沿X轴的光束大小或宽度等于或小于3mm。在另一示 例中，沿X轴的光束大小或宽度等于或小于2mm。在又一示例中，沿X轴的光束大小或宽度 等于或小于1mm。在再一示例中，沿X轴的光束大小或宽度等于或小于0.5mm。在一个示例 中，细长光束的长宽比至少为10。在另一示例中，细长光束的长宽比等于或大于100。在又 一示例中，细长光束的长宽比等于或大于1000。检测器组件110中的检测器的大小或间距 应当小于光束宽度。装置100还包括数据采集系统120，该数据采集系统120接收或记录与关联于检 测器组件Iio的检测器/接收器检测和截取反射光束时的位置有关的信息以及与光源104 提供入射光束时的位置有关的信息。该位置信息可统称为反射光束数据。该数据采集系统 120可包括用于与检测器组件110和平移平台116或耦合至平移平台116或光源104的位 置传感器通信的输入/输出接口 120a。数据采集系统120还可包括用于记录反射光束数据 的数据采集设备120b。数据采集系统120还可包括用于处理反射光束数据的数据分析设 备120c。数据分析设备120c可以是执行与处理反射光束数据有关的指令的数据处理器。 对反射光束数据的处理可包括将反射光束数据与玻璃薄板102的形状轮廓相关联。对反射 光束数据的处理还可包括从反射光束数据去除噪声。在分布式检测器阵列用作检测器组件 110的情况下，数据采集系统120在独立检测器之间自动切换，以收集针对薄材料板102的 表面101上的位置范围的反射光束数据。该数据采集系统120还可将来自独立检测器的不 同数据组织到一起，以允许确定薄材料板的表面的完整形状轮廓。现在将描述可由数据分 析设备120c实现的用于将反射光束数据与形状轮廓相关联的过程。图8A是用于利用移动光源和包括置于单个物理器件中的多个检测器的移动检测 器组件来测量薄材料板的表面的形状轮廓的过程的示意图。在图8A中，y(x)表示XY平面 中的薄材料板的表面的形状轮廓。此外，θ。表示光束B1入射在薄材料板的表面上的角度， 其中θ。相对于位置χ处的玻璃薄板的法线N测得。如果该光束从光源的发射角为已知，则
9θ。也将已知。利用该命名法，反射光束BR在位置χ处与薄材料板的表面的法线成2 θ + θ。 角。为方便起见，光源附近的基准点可选择成记录所截取的反射激光束与入射光束之间的 位置差D(X)。然则各个位置χ处的绝对位置差将会是位置差D(X)和基准点与χ之间的偏 移Do之和，即D (x) +Do。D (χ) +D0表示光束从光源发射的点与相应光束被光源的各个位置χ 处的检测器截取和检测的点之间的位置差。该位置差与薄材料板的表面的形状轮廓之间的关系可表示为D0+D (χ) = y (χ) tan (2 θ + θ 0)(1)或 其中y' (χ) = tan θ和y' (χ)是薄板轮廓y (χ)的导数。方程⑵是描述测得 位置差与形状轮廓y(x)之间关系的精确微分方程。在大多数情况下，y' (χ)是小量，因此 当展开方程(1)时二阶分量可忽略，从而允许方程(2)简化如下7、 2y(x) 2(3)或者 其中C。= tan θ。。在方程(4)中，需要D。、C。、以及初始位置处的形状轮廓y(x。)以便于从测得位置 差D(X)恢复形状轮廓y(x)。该系统可预先校准以确定这些参数。存在实施该预先校准的 多种方法。一种直接方法是基于D。和C。的实际物理意义测量它们，即分别是本地坐标系与 绝对坐标系之间的偏移和入射角的正切函数tan( θ 0)。另一方法是通过将薄材料板牢固附 连至XY平面中具有已知形状轮廓的基准条。该基准条和薄材料板被安装在将要进行形状 轮廓测量的机器上。附连至基准条的薄材料板的表面的形状轮廓从成像平面直接测量。还 测量当光束扫过薄材料板时的位置差D (χ)。在一个示例中，使用了具有钟形的基准条和由 玻璃制成的薄材料板。图8Α示出作为X轴上的位置的函数的位置差D(X)。图9示出了测 得的形状轮廓y(x)。根据图9，y(x。)已知。然而，D。和C。未知。为确定D。和C。，使用了测 得y(x)与根据方程(4)的预测y(x)之间的最佳拟合分析。求得D。为12. 837775，而C。为 0. 165464。利用校准就绪数据，薄材料板的表面的形状轮廓通过对方程(4)积分来预测。直 接测得的形状轮廓与预测形状轮廓的比较在图10中示出。直接测得形状轮廓与预测形状 轮廓之间的最大偏差约为1mm。高度一致证实所提出方案的可行性。为D。和C。计算出的 值能确定任何薄材料板的表面的形状轮廓，只要用于确定该形状轮廓的设定与计算D。和C。 时的设定相同。用于确定参数D。、C。以及y(x。)的替代方法包括标识与D。、C。以及y(x。)有 关的至少三个独立条件并求解它们。参照图8B，在另一示例中，测量光束(B1)在薄材料板的表面处发射的点Q与相应 的反射光束(Bk)被截取和检测的点R之间的位置差或距离以揭示薄材料板的表面的形状 轮廓是方便的。在该示例中，Q与R之间的位置差可表示为 D ‘ 。+D ‘ (χ) = y (x) (tan ( θ 0) +tan (2 θ + θ ))(5)或DW⑷=彻ftan⑷ + 办‘(、他⑷(1^2 (叫
L0063J0 U 八 \ 、。, l-y2(x) + 2y(x)tan0o J(6)薄材料板的形状轮廓可通过利用初始条件y (Xtl)和预校准参数D'。和tan (Qtl) 来对方程(6)积分而揭示。图12A是利用移动光源和沿该移动光源的行进路径或平移方向分布的多个静止 光检测器/接收器来测量薄材料板的表面的形状轮廓的示意图。位于沿X轴的不同位置处 的多个静止光检测器/接收器用于检测反射光束与光源的相对位置。该形状轮廓通过采集 多个检测器处的反射光束位置而获得。各个检测器/接收器仅具有一个检测器/接收器元 件，而且当反射光束到达时被照亮。一旦检测器/接收器检测到反射光束，数据采集系统即 定位光源的位置。例如，当反射光束被位于Pd处的检测器/接收器检测到时，数据采集设 备将光源位置定位于P (X，y)，从而它们之差为D(X)+D。。相似地，在点Pn(xn，yn)处，该差为 Dn (xn) +D0。在收集薄材料板的整个表面上的差值之后，形状轮廓可利用上述方法进行计算。 以与图8B中所述方式相似的方式，如图12B所示，测量光束(B1)在薄材料板的表面处发射 的点Ps与相应的反射光束(Bk)被检测/接收的点Pd之间的位置差以揭示薄材料板的表 面的形状轮廓是方便的。再次参照图3，一种用于线上测量薄材料板102的表面101的形状轮廓的方法包括 将装置100定位于沿薄材料板102的所需位置处。光源104被操作成使其提供入射在薄材 料板102的表面101上的光束。线性平移平台116被操作以移动光源104，从而该入射光 束在薄材料板102的表面101上基本线性地扫过。入射光可以任何所需角度照射薄材料板 102的表面101。当入射光束在薄材料板102的表面101上扫过时，光检测器110检测从薄 材料板102的表面101反射的光束。数据采集系统120收集反射光束数据，如上所述。然 后数据采集系统120将反射光束数据与薄材料板102的表面101的形状轮廓相关联。装置100可用于薄材料板的表面的形状轮廓的线上和线下测量。在一个示例中， 该装置用于对通过熔融拉制工艺制造的薄材料板的线上测量。在该示例中，如图13所示， 熔融玻璃或其它粘性材料130流入熔融管132，并在熔融管132两侧向下溢出以形成在通道 136中被接收的薄板状流134。通道136由并列排列的一对细长引导构件138限定。该通 道136可以是垂直的，或可具有其他取向，例如水平或倾斜。沿引导构件138排列的辊140 紧夹薄板状流134的侧边缘，并将薄板状流134拉制成薄材料板102。熔融管132、引导构 件138、辊140以及通道136可以是熔融拉制机的一部分。装置100可在通道136的底部或 沿通道136设置，以确定薄材料板102的形状轮廓。装置100可用于在薄材料板102静止 或被拉制时确定薄材料板102的表面的形状轮廓。装置100可用作用于分离薄材料板102的系统的一部分。用于分离薄材料板102 的系统可以是基于行进砧法(travel anvil method)的系统。在此方法中，划刻设备(未示 出)安装在行进托架(未示出)上，并横跨薄材料板102的宽度平移，以划刻薄材料板102。 前缘设备(nose device)(未示出)通常用于对抗划刻装置的力。在薄材料板102的表面 的形状轮廓可经由装置100得到的情况下，该形状轮廓可用于控制划刻装置和刀尖装置向 薄材料板传递多少力，以使薄板运动最少。
上述描述集中于利用单个光源和多个检测器/接收器来获得薄材料板的表面的 形状轮廓。多个光源/检测器单元的组合可用于增强该系统的功能。在这种情况下，各个 光源/检测器组合可具有相对窄的动态范围但具有较高分辨率，而来自各个组合的测量可 组织到一起以获得薄材料板的完整形状轮廓。相比于沿X轴，多个光源/检测器组合也可 沿Z轴安装，以发现玻璃薄板轮廓沿Z轴的变化。其他变化包括适当调节向待测薄材料板 的表面提供光束的光源的初始入射角。
权利要求
一种用于测量薄材料板的表面的形状轮廓的装置，包括光源，用于提供被引导至所述薄材料板的所述表面处的光束；线性平移平台，其耦合至所述光源以使所述光源在所述薄材料板的所述表面上方平移，从而所述光束在被引导至所述表面处时入射在所述表面上的多个位置处，并在所述多个位置中的每个位置处产生反射光束；位于预定位置处的多个光接收器，用于选择性地截取在所述多个位置中的每个位置处产生的所述反射光束；数据采集设备，其被配置成接收关于所述光源与在截取所述多个位置中的每个位置处所产生的所述反射光束的所述多个光接收器中选定的一个光接收器之间的位置差的信息；以及数据分析设备，其被配置成将所述位置差信息与所述薄材料板的所述表面的形状轮廓相关联。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光源所提供的光束为细长形。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述细长光束的长轴垂直于所述光源的所 述平移方向。
4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述细长光束的长宽比至少为10。
5.如以上权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，所述光源所提供的光束的宽 度等于或小于3mm。
6.如以上权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，所述光接收器是光检测器。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述光检测器包含在单个物理装置内。
8.如以上权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，所述光接收器耦合至所述平 移平台，以使它们与所述光源一前一后运动。
9.如权利要求1到5中的任一项所述的装置，其特征在于，所述光接收器是耦合至光检 测器的多模光纤。
10.如以上权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，所述光接收器沿所述光源的 所述平移方向分布。
11.如以上权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，所述数据分析设备将所述位 置差信息与基本平行于所述光源的平移方向的方向上的所述形状轮廓相关联。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述数据分析设备对D0 + D(X) = y(x)求解y(x)，其中 y(x)是所述形状轮廓，y' (χ)是 1 - y (χ) + 2y (x) tan U0y(x)的导数，D(x)+D。是所述多个位置中的每个位置处的所截取反射光束与所述入射光束 之间的位置差，而θ。是所述光束入射在所述薄材料板的表面上的角度。
13.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述数据分析设备对,,、D(x) +Dn tan ^ny (x)= \^积分以获得y(X)，其中y(X)是所述形状轮廓，y' (χ)是y(x)的2y(x) 2导数，D(χ)+D0是所述多个位置中的每个位置处的所截取反射光束与所述入射光束之间的 位置差，而θ。是所述光束入射在所述薄材料板的表面上的角度。
14.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述数据分析设备对 D'0 + D'(x) = tan(代)+ 2广⑴+ 。Χ1:'(:))求解 y (χ)，其中 y (χ)是所述形状轮廓，y' (χ)是y(x)的导数，D'(χ)是所述多个位置中的每个位置处的所截取反射光束与所述入射光束之间的位置差，而θ。是所述光束入射在所述薄材料板的表面上的角度。
15.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，还包括光耦合至所述光源的光束成形 器，其中所述光束成形器将所述光源所提供的圆形光束转换成细长光束。
16.如以上权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，还包括光耦合至所述光接收 器以用于从所截取的反射光束去除噪声的至少一个窄带通滤波器。
17.一种用于测量薄材料板的表面的形状轮廓的方法，包括 提供入射在所述薄材料板的表面上的光束；以预定测量方向在所述表面上方基本线性地平移所述入射光束，以使所述入射光束入 射在所述表面上的多个位置，并在所述多个位置中的每一个位置处产生反射光束； 截取在所述多个位置中的每个位置处产生的所述反射光束；接收关于所述多个位置中的每个位置处的所截取反射光束与所述入射光束之间的所 述位置差的信息；以及将所述位置差信息与所述薄材料板的所述表面的所述形状轮廓相关联。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，将所述位置差数据与所述形状轮廓相关联包括对A + D(x) = yix)]^^^0/!'^ (，求解y(χ)，其中y(χ)是所述形状轮廓， y' (χ)是y(x)的导数，D(χ)+D。是所述多个位置中的每个位置处的所截取反射光束与所述 入射光束之间的位置差，而θ。是所述光束入射在所述薄材料板的表面上的角度。
19.如权利要求17或18所述的方法，其特征在于，所述入射光束被提供为长宽比至少 为10的细长光束。
20.一种玻璃制造系统，包括熔融拉制机，用于形成玻璃薄板；以及毗邻所述熔融拉制机的用于测量所述玻璃薄板的表面的形状轮廓的装置，所述装置包括光源，用于提供被引导至所述薄材料板的所述表面处的光束； 线性平移平台，其耦合至所述光源以使所述光源在所述薄材料板的所述表面上方平 移，从而所述光束在被引导至所述表面处时入射在所述表面上的多个位置处，并在所述多 个位置中的每个位置处产生反射光束；位于预定位置处的多个光接收器，用于选择性地截取在所述多个位置中的每个位置处 产生的反射光束；数据采集设备，其被配置成接收关于所述光源与在截取所述多个位置中的每个位置处 所产生的所述反射光束的所述多个光接收器中选定的一个光接收器之间的位置差的信息； 以及数据分析设备，其被配置成将所述位置差信息与所述薄材料板的所述表面的形状轮廓 相关联。
全文摘要
一种用于测量薄材料板的表面的形状轮廓的装置，包括光源，用于提供被引导至该薄材料板的表面处的光束；线性平移平台，其耦合至光源以使光源在该薄材料板的该表面上方平移，从而该光束在被引导至表面处时入射在表面上的多个位置处，并在多个位置中的每个位置处产生反射光束；位于预定位置处的多个光接收器，用于选择性地截取在多个位置中的每个位置处产生的反射光束；数据采集设备，其被配置成接收关于光源与在截取多个位置中的每个位置处所产生的反射光束的多个光接收器中选定的一个光接收器之间的位置差的信息；以及数据分析设备，其被配置成将位置差信息与薄材料板的表面的形状轮廓相关联。
文档编号G01B11/245GK101932903SQ200880120710
公开日2010年12月29日 申请日期2008年11月6日 优先权日2007年11月9日
发明者A·刘, X·陈, 周乃越 申请人:康宁股份有限公司
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