专利名称：表面检测装置和表面检测方法
技术领域：
本发明涉及一种根据表面反射光强度检测材料表面的技术。
背景技术：
传统等离子显示器通过给诸如氖和氙等高压气体加电压来发光，通过分别机器加工两个平板元件并将这两个平板元件粘合在一起来制造这种显示器。如图12所示，在粘合在一起的表面上，即使是对于最佳处理过的元件也存在亚微米级的凹痕和凸起。当凹痕和凸起的高度达到几微米时，粘合就不是最佳的，结果，会产生缺陷。
即使元件之一的表面上没有几微米的凹痕和凸起，当该元件粘合到另一个带有几微米凹痕和凸起的元件上时，两个元件都被浪费了，产量会下降。因此，在粘合处理之前检测元件表面是非常重要的。
为此，已经提出了一种质量检测装置(参见，例如，日本专利申请公开No.2000-55826和日本专利申请公开No.2002-310917)，该仪器发光照射受检测表面(下文中称为“表面”)，并根据反射光的强度分布判断表面的质量。图13是说明当表面1上有一个凹痕2时光反射的示意图；图14是说明一种检测表面的传统方法的示意图。
如图13所示，当表面上有凸起2时，在凸起2的前部分，光与平坦表面1反射的光相比向着更上的地方反射，在凸起2的后部分，光与平坦表面1反射的光相比向着更下的地方反射。因此，如果在表面上有凸起2，反射光前进的方向会扩散。
因此，如图14所示，当允许照射光4入射到表面上并允许反射光通过开孔6入射到聚焦透镜7并聚焦时，以及当用光检测器8检测反射光的强度时，如果表面是平的，则光强度高，如果表面是一个凸起2，则光强度低。
同样，如果表面上有一个凹痕，光检测器8检测的光强度低。因此，观测光检测器8检测的反射光强度能够判断表面上是否存在凹痕和凸起。
此外，对于表面上存在凹痕和凸起的情况和表面上不存在凹痕和凸起的情况，为了增大反射光强度之间的差异和易于检测到微小缺陷，光从一个低角度照射到表面上。
图15是一个在诸如玻璃、陶瓷和塑料等绝缘材料上入射角和光反射率之间的相互关系图。如图15所示，如果入射角变成80度，换句话说，如果照射角变成10度，光的反射率陡增。
但是，在日本专利申请公开No.2000-55826和2002-310917提出的传统技术中，虽然能够检测到受检测表面上存在凹痕和凸起，但不能判断是凹痕还是凸起，且不能够详细分析表面状况。
换句话说，在等离子显示器制造过程中，当发现表面上的一个缺陷时，详细指出表面的状况，从而找出问题的原因以及解决问题的方法是非常重要的。
发明内容
本发明的一个目的是解决上述传统技术中的问题。
根据本发明一个方面的一种表面检测装置，其根据表面反射光的强度来检测材料表面，包括照射光到表面上的照射单元；和，检测表面反射光的强度的检测单元。光的强度分布是越接近表面，光强度越高。
根据本发明另一个方面的一种方法，根据表面反射光强度来检测材料表面，包括照射光到表面上；和，检测表面反射光强度。光的强度分布是越接近表面，光强度越高。
通过结合附图阅读以下本发明的详细描述，本发明的其它目的、特征和优点被具体阐述或将变得显而易见。
图1是说明根据本发明的照射光特性的示意图；图2是说明一种表面检测处理原理的示意图；图3是反射光强度与检测角之间相互关系的图；图4是根据本发明的一种表面检测装置的示意图；图5是说明根据本发明第一实施方案的一种光学系统详细结构的示意图；图6是说明由表面检测装置检测的反射光强度图像的示意图；图7是说明一个检测局部凹痕和凸起的处理的示意图；图8是说明一个计算凹痕和凸起高度的处理的示意图；图9是一个关于表面检测方法的处理过程的流程图；图10是说明根据本发明第二实施方案的一种光学系统详细结构的示意图；图11是图10中显示的一个透射率可变的滤光器的横截面；图12是说明受检测表面上的一个缺陷的示意图；图13是说明当受检测表面上存在凸起时的反射光的示意图；图14是说明一种传统质量检测方法的示意图；以及图15是一种绝缘材料上入射角和反射率之间相互关系图。
具体实施例方式
下面参照附图详细说明根据本发明的一种表面检测装置和一种表面检测方法的典型实施方案。
图1是说明根据本发明的照射光的特性的示意图。在表面检测处理中，光照射到表面上，然后由诸如电荷耦合器件(CCD)摄像机这一类的设备检测表面反射的光的强度。
但是，在该表面检测处理中，允许照射具有与表面一侧的强度一样高的光强度分布的光，而不是允许强度一致的光照射到表面上。在图1中，每个箭头显示了一条光路，箭头的厚度与光强度成正比。
如果表面是平坦的，光以角度φ照射到表面上。光以角度φ从该表面镜面反射，到达固定在某个位置上的CCD摄像机并被检测。
但是，如果在表面上有一个凸起，以低角度照射到表面上的高强度光到达CCD摄像机并被检测。相反，如果表面上有一个凹痕，则以较高角度照射到表面上的高强度光到达CCD摄像机并被检测。
图2是说明一种表面检测处理原理的示意图。当表面上有一个凸起时，如反射横截面20a中所示，如果在表面向着图中的右向移动的同时照射光，在凸起的前部分，与表面是平坦的情况相比，光向更上方反射。因此，以低角度照射的高强度光到达CCD摄像机并被检测到。
另一方面，在凸起的后部分，与表面是平坦的情况相比，光向下反射。因此，以较高角度照射的低强度光到达CCD摄像机并被检测到。
因此，当表面上有一个凸起时，检测到如反射光强度20b中所示的强度分布。此外，反射光强度与光反射角之间的相互关系是事先得到的，并且根据与反射角有关的信息计算缺陷20c的高度。
当表面上有一个凹痕时，如反射横截面21a中所示，如果在表面向着图中的右向移动的同时照射光，在凹痕的前部分，与表面是平坦的情况相比，光向更下方反射。因此，以较高角度照射的低强度光到达CCD摄像机并被检测到。
另一方面，在凹痕的后部分，与表面是平坦的情况相比，光向上反射。因此，以较低角度照射的高强度光到达CCD摄像机并被检测到。
因此，当表面上有一个凹痕时，检测到如反射光强度21b中所示的强度分布。因此，在表面上存在一个凸起和一个凹痕这两种情况下，反射光强度的相位是相反的。此外，根据反射光强度与光反射角之间的相互关系计算缺陷21c的高度。
如图1所示，如果允许光以小角度照射到表面上，当表面上有一个凸起时，检测到照射角小的光，换句话说，入射角大的光。对于入射角大的光，如图15所示，因为光反射率变大，所以检测到的光强度甚至更高。
另一方面，当表面上有一个凹痕时，如果使图1中所示的光以小角度照射到表面上，它将变成照射角较大的光，换句话说，入射角小的光。对于入射角小的光，如图15所示，因为光的反射率变小，所以检测到的光强度甚至更低。
因此，通过允许以小角度照射具有与表面一侧的强度一样高的强度分布的光，根据表面上的凹痕和凸起，反射光强度有大的变化。这使得能够轻易检测表面上微小的凹痕和凸起，以及详细检测凹痕和凸起的缺陷。光照射角希望在5度到20度的范围内。
图3是反射光强度和检测角之间的相互关系图。检测角是反射光与表面形成的一个角度。如图3所示，如果按强度与表面一侧的强度一样高的加权照射(weighted illuminating)30来照射光，与按强度一致的平行光照射31来照射光相比，反射光强度相对检测角的变化大，甚至能够检测到小的检测角变化。当执行基于上面提到的方法的表面检测处理时，可以读出1/10,000拉德的检测角变化。
图4是根据本发明的一种表面检测装置的示意图。表面检测装置包括一个光纤41、一个漫射板(diffusion plate)42、一个聚焦透镜43、一个CCD传感器44、一个工作台传动45、一个图像存储器46、一个图像处理器47和一个控制器48。
光纤41是一个以线的形式形成的光学纤维束，其照射光到受检测表面40上(下文中称为“表面40”)。放置光纤41，以使得线的中心与表面40平行。因此，从光纤41照射的光在具有某些方向性的空间中扩散，该方向性是相对于一个与该线中心正交的方向的。但是，沿着该线中心方向的光量不变。
在光纤41的一端放置一个灯，例如一个卤素灯、一个金属卤化物灯，以及一个氙灯。通过使用这种光纤41，与来自诸如荧光灯这一类的光源的光相比，具有高发光的灯能够照射大约300mm的宽范围。
漫射板42使光纤41照射的光漫射。通过使从光纤41照射的光通过漫射板42，由光纤41在具有某些方向性的空间中照射的光进一步漫射，并且等同于从具有宽照射区域的光源照射出的光可以照射到表面40上。
聚焦透镜43聚焦由表面40反射的光。CCD传感器44是一个线CCD传感器(line CCD sensor)，其接收聚焦透镜43聚焦的反射光，并检测反射光强度。
图5是说明根据本发明第一实施方案的一个光学系统详细结构的示意图。在该光学系统中，光学传感器的放置要使得光纤41的中心处于这样一种位置从当辐射光由表面40镜面反射并到达CCD传感器44时的光轴50向着表面40一侧偏离几毫米。
漫射板42放置在距离光纤二到三厘米远的位置，使得光纤发射的光通过漫射板42。实现了与从光照射源照射到表面40一侧的光强度一样高的光强度的方向特性51以及等同于从具有宽照射范围的光源照射的光。
回头参看图4，工作台传动45驱动一个工作台，工作台上有一个包括表面40的元件，并相对于检测反射光的光学系统移动表面40。
图像存储器46根据表面40的移动，在诸如硬盘单元这一类的存储设备中将CCD传感器44检测的反射光强度信息作为强度图像存储。图6是说明表面检测装置检测的反射光强度图像的示意图。
CCD传感器44在工作台传动45相对于光学系统移动表面40的同时检测反射光强度。图像存储器46将CCD传感器44检测的反射光强度分布作为强度图像60存储。
在这种情况下，图像x方向的像素数量是根据CCD传感器44的像素数量决定的(例如4096像素)，图像y方向的像素数量是根据移动距离决定的。在强度图像60中，高强度的部分用深色(高灰度值)显示，低强度部分用浅色(低灰度值)显示。
回头参看图4，图像处理器47根据存储在图像存储器46中的强度图像60，对图6中显示的每个目标线61计算表面40上凸起和凹痕的高度。图像处理器47消除由诸如支座扭曲等因素引起的表面40中整体变化的影响，并计算局部凹痕和凸起的高度。
图7是说明一个检测局部凹痕和凸起的处理的示意图。图7显示的检测角是根据图3显示的反射光强度与检测角之间的相互关系从反射光强度转换来的值。
图像处理器47根据检测值70计算检测角的平均值71。对于图6显示的目标线61上的每个点，图像处理器47用每个点作为一个中心设置平均区域72a和72b。平均区域72a和72b的宽度理想地是检测角增加和降低的一个周期的大约两到三倍。
接下来，图像处理器47计算包含在平均区域72a和72b中的检测值70的平均值73a和73b，并使这些平均值73a和73b成为对应平均区域72a和72b中心的平均值71。通过计算平均值71和检测值70之间的差，能够计算反射光的检测角，其中消除了对整体变化的影响。
图8是说明基于根据参照图7描述的方法得到的检测角的差来计算凹痕和凸起的高度的处理的示意图。如果令对于图8中显示的每个点的检测角的差为Δφ，并且如果令图6显示的表面40的移动方向(y方向)的水平分辨率为r，则对于每个点的检测角的差Δφ表示凸起或凹痕的一个倾角。因此，能够通过下面的近似积分表达式计算位置a处的凸起或凹痕的高度h(a)h(a)＝∑Δφ·r其中∑表示对包含在从位置y＝0(其中h为0)一直到位置y＝a的位置中的每个点将检测角Δφ和水平分辨率r的乘积Δφ·r累加。因此，如图8所示，能够计算凸起或凹痕的高度。控制器48通过控制工作台传动45来移动表面40。控制器48还通过控制图像存储器46和图像处理器47来存储反射光的强度图像以及计算表面40上的凹痕和凸起的高度。
图9是表面检测方法处理过程的流程图。一旦光纤41和漫射板42照射光到用于检测的表面40上之后，表面检测装置的CCD传感器44检测反射光强度，并且图像存储器46将反射光强度作为反射光强度图像存储(步骤S101)。
接下来，图像处理器47将反射光强度值转换成检测角(步骤S102)。接着，图像处理器47计算检测角的平均值，然后通过计算平均值和检测角之间的差，消除表面中整体变化的影响(步骤S103)。
然后，图像处理器47根据检测角计算凹痕和凸起的高度，对于该角度消除了整体变化的影响(步骤S104)。图像处理器47输出计算结果(步骤S105)，并中止表面检测处理。
根据第一实施方案，使光纤41和漫射板42照射光到表面40上，该光具有与表面40一侧上的强度一样高的光强度分布，并使CCD传感器44检测表面40反射的光强度。因此，能够根据表面40上凹痕和凸起大大改变反射光强度，并详细检测表面40上的缺陷。
此外，根据第一实施方案，使光纤41和漫射板42照射光到表面40上，以使得照射光的光轴与表面40的角度在5度到20度的范围内。因此，能够根据表面40上凹痕和凸起大大改变反射光强度，并详细检测表面40上的缺陷。
此外，根据第一实施方案，光纤41的光源中心放置在一个向着表面40一侧、离开根据平坦表面40镜面反射检测到的光的光轴的位置，漫射板40放置在一个离开光源的位置，使得光源发射的光通过漫射板。通过使用光纤41和漫射板42放置在这些位置的光学系统，使具有与表面40一侧的强度一样高的光强度分布的光照射到表面40上。这使得能够有效产生具有与表面40该侧的强度一样高的光强度分布的照射光。
令光纤41的光源与漫射板42之间的距离处于2厘米到3厘米范围之内。这使得能够适当漫射光源发出的光。
令图像处理器47根据检测的反射光强度和来自表面40的反射光角度之间的相互关系，计算表面40上凹痕或凸起的高度。因此，通过计算高度，能够详细检测表面40上的缺陷。
此外，根据第一实施方案，令图像处理器47计算反射光与表面40的角度的检测值70和检测值70的平均值71之间的差，并根据该差计算表面40上凹痕或凸起的高度。因此，能够消除表面40中整体变化的影响并计算凹痕和凸起的局部高度。
令包括光纤束或发光二极管的光源发射光，并让具有与表面40一侧的强度一样高的强度分布的光照射到表面40上。这使得能够照射高亮度、大范围的光。
根据第一实施方案，放置光纤，以使得光纤的中心处于一个向着表面一侧、离开当照射光根据平坦表面镜面反射到达CCD传感器时的光轴的位置。但是，通过在光纤和漫射板之间插入一个用于将光透射率增加到与表面该侧上一部分的透射率一样高的透射率可变的滤光器，可以产生具有与表面该侧强度一样高的强度分布的照射光。
因此，根据本发明的第二实施方案，在光纤和漫射板之间插入一个用于将光透射率增加到与表面该侧上一部分的透射率一样高的透射率可变的滤光器，并产生具有与表面该侧强度一样高的强度分布的照射光。
图10是说明根据第二实施方案的光学系统详细结构的示意图。该光学系统包括一个光纤101、一个漫射板103和一个透射率可变的滤光器102。光纤101照射光。漫射板103放置在距离光纤101为2厘米到3厘米的位置上。透射率可变的滤光器102将光透射率增加到与受检测表面100(下文中称为“表面100”)一侧的一部分的透射率一样高，并被插入到光纤101和漫射板103之间。
通过允许使光纤101发射的光通过透射率可变的滤光器102，实现了与表面100一侧的强度一样高的强度方向特性107。由于光通过漫射板103，产生了等同于从一个宽照射区域的光源照射的光。
图11是图10所示的透射率可变的滤光器102的横截面。如图11所示，透射率可变的滤光器102形成为从设置于与表面100相反的一侧上的表面向着设置于表面100一侧上的表面，因此增加了光透射率。透射率可变的滤光器102可以由玻璃或塑料膜形成。
聚焦透镜104聚焦从表面100反射的光。CCD传感器105是一个线CCD传感器，其接收由聚焦透镜104聚焦的光并检测所接收光的强度。
根据第二实施方案，透射率可变的滤光器102插入在光纤101和漫射板103之间，并产生具有与表面100一侧的强度一样高的强度分布的光。但是，照射光可以通过组合根据第一和第二实施方案产生照射光的方法来产生。
因此，根据第二实施方案，通过使用光纤101、漫射板103和将光透射率增加到与表面100一侧的透射率一样高的透射率的可变的滤光器102，使具有与表面100一侧的强度一样高的强度分布的光照射到表面100上。因此，能够有效产生具有与表面该侧的强度一样高的强度分布的照射光。
虽然已经描述了本发明的各实施方案，但是附后权利要求不是限制性的，而是要解释为包括完全适合这里阐明的基础教导的所有修改和替代结构。
例如，根据本实施方案，使用光纤作为光源。但是，可以使用包括多个排列成一行的发光二极管(LED)的光源作为光源。
此外，从各实施方案中描述的各种处理之中，已经描述为是自动执行的某些处理或所有处理可以手动执行，或者，已经描述为是手动执行的某些处理或所有处理可以自动执行。除了这一点之外，在描述和图中所有处理过程、控制过程、具体名称和包括各种数据和参数的信息，除了在特别提到的情形之外可以自行改变。
图中显示的表面检测装置的所有元件是功能概念，而不一定象图中显示的那样构造。换句话说，表面检测装置的分布和集成结构的具体形式不必限制于图中显示的那些，它们中的一些或全部可根据各种负载和使用条件任意功能性地或物理性地分布和集成。
表面检测装置中执行的每个处理功能都可以由一个中央处理单元(CPU)或一个由CPU分析和运行的计算机程序来部分或整体实现，或者可以由一个布线逻辑硬件实现。
根据本发明，使具有与表面一侧的强度一样高的光强度分布的光照射到该表面上，并检测由该表面反射的光的强度。因此，能够根据表面上凹痕和凸起改变反射光的强度并详细检测表面上的缺陷。
将光辐射到表面上，使得照射光的光轴与表面的角度在5度到20度之间的范围内。因此，能够根据表面上凹痕和凸起进一步改变反射光的强度并详细检测表面上的缺陷。
光源中心置于一个向着表面的该侧、偏离当根据平坦表面镜面反射检测光时的光的光轴的位置上，并且，通过使用一个在离开光源的位置上放置一个光漫射板以便使光源发射的光通过该漫射板的光学系统，使得具有与表面该侧的强度一样高的光强度分布的光照射到该表面上。因此，能够有效产生具有与表面该侧的强度一样高的光强度分布的照射光。
此外，根据本发明，光源和光漫射板之间的距离设定在2厘米到3厘米的范围内。这使得能够适当扩散从光源发射的光。
通过使用将光透射率增高到表面该侧的一部分的透光率的滤光器，使具有与表面该侧的强度一样高的光强度分布的光照射到该表面上。因此，能够有效产生具有与表面该侧的强度一样高的光强度分布的照射光。
表面上凹痕或凸起的高度根据反射光的检测强度与反射光和该表面的角度之间的相互关系来计算。因此，通过计算高度，能够详细检测表面上的缺陷。
根据本发明，计算反射光与表面的角度和与该表面的角度的平均值之间的差，并根据该差计算表面上凹痕或凸起的高度。这使得能够消除整个表面中变化的影响，并局部计算凹痕和凸起的高度。
光由一个包括光纤束或发光二极管的光源发射，并将具有与表面一侧的强度一样高的光强度分布的光照射到该表面上。这使得能够照射高亮度的光。
虽然为了完整和清楚的公开，已经相对于特定实施方案描述了本发明，但是附后权利要求不是因此而是限制性的，而是要解释为包括本领域熟练技术人员可以想到的、完全适合这里阐明的基础教导的所有修改和替代结构。
权利要求
1.一种表面检测装置，用于根据该表面反射的光的强度检测材料表面，该表面检测装置包括用于照射光到该表面上的照射单元；以及用于检测该表面反射的光的强度的检测单元，其中光的强度分布是越接近该表面光强度越高。
2.根据权利要求1的表面检测装置，其中，由光的光轴与该表面形成的第一角度在5度到20度的范围内。
3.根据权利要求1的表面检测装置，还包括一个光学系统，在该光学系统中，光源中心设置在离开当根据平坦表面上镜面反射检测到光时形成的光的光轴、偏向该表面的位置，一个光漫射板离开该光源设置，以使得该光源发射的光通过光漫射板，其中照射单元使用该光学系统将具有所述强度分布的光照射到该表面上。
4.根据权利要求3的表面检测装置，其中，光源和光漫射板之间的距离在2厘米到3厘米的范围内。
5.根据权利要求1的表面检测装置，还包括一个越接近该表面透射率越高的滤光器，其中照射单元使用该滤光器将具有所述强度分布的光照射到该表面上。
6.根据权利要求1的表面检测装置，还包括一个根据反射光的强度和由反射光的光轴与该表面形成的第二角度之间的相互关系来计算该表面上凹痕或凸起的高度的高度计算单元。
7.根据权利要求6的表面检测装置，其中，高度计算单元计算第二角度和第二角度平均值之间的差，并根据所计算的差计算高度。
8.根据权利要求1的表面检测装置，还包括一个包含光纤束或发光二极管以发射光的光源，其中照射单元使用该光源将具有所述强度分布的光照射到该表面上。
9.一种根据表面反射的光的强度来检测材料表面的方法，该方法包括照射光到该表面上；以及检测该表面反射的光的强度，其中光的强度分布是越接近该表面光强度越高。
10.根据权利要求9的方法，其中，光的光轴与该表面形成的第一角度在5度到20度的范围中。
11.根据权利要求9的方法，其中，所述照射包括使用一个光学系统将具有所述强度分布的光照射到该表面上，在该光学系统中，光源的中心设置于离开当根据平坦表面上镜面反射检测到光时形成的光的光轴、偏向该表面的位置，并且一个光漫射板离开该光源放置，以使得光源发射的光通过光漫射板。
12.根据权利要求11的方法，其中，光源和光漫射板之间的距离在2厘米到3厘米的范围内。
13.根据权利要求9的方法，其中，所述照射包括使用一个越接近该表面透射率越高的滤光器将具有所述强度分布的光照射到该表面上。
14.根据权利要求9的方法，还包括根据反射光的强度和由反射光的光轴与该表面形成的第二角度之间的相互关系来计算表面上的凹痕或凸起的高度。
15.根据权利要求14的方法，其中，所述计算包括计算第二角度和第二角度平均值之间的差；以及根据所计算的差计算高度。
16.根据权利要求9的方法，其中，所述照射包括使用一个包括光纤束或发光二极管以发射光的光源来将具有所述强度分布的光照射到该表面上。
全文摘要
一种根据表面发射的光的强度来检测材料表面的表面检测装置，包括照射光到表面上的照射单元；和检测该表面反射的光的强度的检测单元。光的强度分布是越接近表面光强度越高。
文档编号G01B11/30GK1696672SQ20051006967
公开日2005年11月16日 申请日期2005年5月10日 优先权日2004年5月10日
发明者安藤护俊, 酒井觉 申请人:富士通株式会社