專(zhuān)利名稱(chēng)：鏡面反射表面的形狀測(cè)量的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用于測(cè)量物體形狀的光學(xué)方法和裝置。更具體地講，本發(fā)明涉及用于測(cè)量具有鏡面反射表面的物體的形狀的方法和裝置。
背景技術(shù)：
熔融拉伸工藝被用于從熔化的材料(比如熔化的玻璃)中制造出材料板(參見(jiàn)美 國(guó)專(zhuān)利3，338，696和美國(guó)專(zhuān)利3，682，609)。通常，熔融拉伸工藝包括將熔化的材料傳遞到 一料槽中；并且以可控的方式使該熔化的材料從該料槽的側(cè)面向下溢出。沿著該料槽側(cè)面 向下流動(dòng)的分開(kāi)的多股材料流在該料槽底部匯合成單一的一股材料流，該單一的一股材料 流被拉成連續(xù)的材料板。在熔融拉伸機(jī)器底部，該連續(xù)的材料板被分成多個(gè)獨(dú)立的片。該工 藝的關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)是，該材料板的表面并不接觸該料槽的側(cè)面或其它形成設(shè)備，因此是干凈的。 該工藝的另一個(gè)益處是，該材料板非常平整并且具有均勻的厚度(美國(guó)專(zhuān)利3，682，609)。在制造大平板顯示器的過(guò)程中，通過(guò)熔融拉伸工藝所生產(chǎn)的大玻璃板是關(guān)鍵的部 件。或者，它們可以被切割，以制造其它設(shè)備，比如有源電子設(shè)備、光生伏打設(shè)備和生物學(xué)陣 列。然而，隨著對(duì)更大的大尺寸的板的需求不斷增長(zhǎng)，形成并處理這些板的難度也越來(lái)越 大。例如，在熔融拉伸機(jī)器底部的板劃線(xiàn)與分離處理顯著地有助于在熔融拉伸機(jī)器的形成 區(qū)域中的板移動(dòng)。該形成區(qū)域中的板移動(dòng)可能對(duì)板內(nèi)部的應(yīng)力水平和應(yīng)力變化帶來(lái)不利的 影響，有可能導(dǎo)致最終產(chǎn)品有變形。所處理的板越大，板移動(dòng)對(duì)板內(nèi)的應(yīng)力水平和變化的影 響就越顯著?？祵幑?，即本發(fā)明的受讓人，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了用于使所述拉伸的底部處的板移動(dòng)達(dá) 到最少的各種技術(shù)。一種這樣的技術(shù)包括用激光對(duì)玻璃板進(jìn)行劃線(xiàn)，由此避免與玻璃板進(jìn) 行物理接觸，物理接觸可能導(dǎo)致板移動(dòng)(Abramov等人的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)US12/008949)。另 一種技術(shù)包括在玻璃板被劃線(xiàn)時(shí)使用合適的梯段坡度設(shè)備(nosing device)嚙合著該玻 璃板，由此在劃線(xiàn)期間減少該玻璃板的移動(dòng)(Chalk等人的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)2008/0276646)。 另一種技術(shù)包括分離該玻璃板而不使該玻璃板彎曲(Kemmerer等人的美國(guó)專(zhuān)利公報(bào) US2007/0039990)。這些技術(shù)需要關(guān)于玻璃板的位移和形狀的實(shí)時(shí)信息。在所述FDM的不 同高度處的此類(lèi)信息也可以用于精細(xì)調(diào)節(jié)和優(yōu)化該拉伸處理。對(duì)于可見(jiàn)光而言，平滑的玻璃板的表面就像鏡面反射表面那樣。通過(guò)光學(xué)手段對(duì) 鏡面反射表面進(jìn)行形狀測(cè)量從根本上不同于通過(guò)光學(xué)手段對(duì)漫反射表面進(jìn)行形狀測(cè)量。漫 反射表面可以被視為次級(jí)點(diǎn)光源的集合。由此，通過(guò)確定這些光源的位置，就可以估計(jì)漫 反射表面的形狀。另一方面，無(wú)法直接觀察鏡面反射表面。只有來(lái)自該鏡面反射表面的反 射是可見(jiàn)的。在諸如下列文獻(xiàn)中已研究了測(cè)量鏡面反射表面的形狀的問(wèn)題savarese等人的"Local shape from mirror reflections，，，International Journal of Computer Vision，64(l) ,31-67(2005) ；Haeusler 等人的美國(guó)專(zhuān)利公報(bào) 2005/0238237 ；Knauer 等人 的“Phase measuring deflectometry :a new approachto measure specular free-form surfaces，，，In Optical Metrology in ProductionEngineering. Proceedings of SPIE v. 5457 (2004) 366-376 ；Kochengin 等人的“Determination of reflector surfaces from near field scattering data，，，Inverse ProbIemsv. 13(1997) :363_373 ；以及Winkelbach 等 人 的“Shape from single stripe patternillumination”，Ed. Luc Van Goo1. In Pattern Recognition. Lecture Notes in ComputerScience v. 2449 (Springer，2002)， 240-247。這些文獻(xiàn)并未研究測(cè)量大尺寸玻璃板的形狀的問(wèn)題，比如平板顯示器工業(yè)中所使 用的玻璃板。各種用于測(cè)量鏡面反射表面的形狀的技術(shù)都具有相同的待克服的困難傾斜_位置不確定性。參照?qǐng)D1可以示出傾斜-位置不確定性問(wèn)題(Haeusler等人的美國(guó)專(zhuān)利公報(bào) 2005/0238237)。在圖1中，照相機(jī)K1通過(guò)鏡面表面3捕獲圖案2的反射。線(xiàn)條5a代表來(lái) 自屏幕1 (在屏幕1上產(chǎn)生圖案2)上的點(diǎn)7的光束，并且該光束入射到鏡面表面3上的點(diǎn) 6。線(xiàn)條5b代表從鏡面表面3上的點(diǎn)6反射且入射到照相機(jī)K1的像平面8中的點(diǎn)9的光 束。屏幕1和照相機(jī)K1的位置都是已知的。點(diǎn)7和點(diǎn)9的位置也是已知的。然而，該信息 不足以確切地確定點(diǎn)6(點(diǎn)6具有表面法線(xiàn)11)的位置，原因有兩個(gè)(i)鏡面表面3是不 可見(jiàn)的；以及(ii)沿著視線(xiàn)5b的其它點(diǎn)(例如，具有合適的表面法線(xiàn)Ila的點(diǎn)6a)也會(huì)將 點(diǎn)7成像到點(diǎn)9。在不知道反射點(diǎn)在鏡面表面上的位置的情況下，不可能唯一地確定鏡面表 面的形狀。下列文獻(xiàn)使用了立體-撓度測(cè)量術(shù)來(lái)解決反射點(diǎn)的位置模糊性=Haeusler等人 的美國(guó)專(zhuān)利公報(bào) 2005/0238237 ；以及 Knauer 等人的 “Phase measuring def lectometry a new approach to measure specular free-form surfaces", In Optical Metrology inProduction EnRineerinR. ProceedinRs of SPIE v. 5457(2004) :366_376。該方法一般包 括從不同視線(xiàn)中捕獲多個(gè)被反射的正弦圖案的圖像；以及在測(cè)量空間中尋找一些點(diǎn)，在這 些點(diǎn)處潛在的表面法線(xiàn)彼此之間的偏移最少。下列文獻(xiàn)采取了不同的方法，這包括從物體T 上所測(cè)得的近場(chǎng)散射數(shù)據(jù)中測(cè)量反射表面R的形狀=Kochengin等人的“Determination of reflector surfaces from near field scattering data^InverseProbIems v.13 (1997) 363-373。該設(shè)置使得經(jīng)反射離開(kāi)該反射表面R的光線(xiàn)入射到物體T上。物體T的位置 是已知的，Kochengin 等人的"Determination of reflectorsurfaces from near field scattering data，，(Inverse Problems v. 13(1997) :363_373)，這一文獻(xiàn)示出了如果源 0 的位置和強(qiáng)度也是已知的，則通過(guò)對(duì)逆問(wèn)題求解就可以確定該反射器。Savarese等人的 “Local shape from mirror refIections"(InternationalJournal of Computer Vision, 64 (1)，31-67 (2005))，這一文獻(xiàn)提出了多個(gè)用于測(cè)量反射點(diǎn)r周?chē)溺R面局部幾何信息的 方案，這些方案分析通過(guò)鏡面上點(diǎn)r處的鏡面反射而在相交線(xiàn)條的平面圖案上產(chǎn)生的變 形。

發(fā)明內(nèi)容
期望有一種實(shí)際的方法和裝置能夠明確地在線(xiàn)或離線(xiàn)地測(cè)量鏡面反射表面的形狀，特別是大尺寸玻璃板的形狀。在第一方面中，提供了一種測(cè)量鏡面反射表面的形狀的方法。該方法包括從位于 測(cè)量平面處的鏡面反射表面中，產(chǎn)生位于目標(biāo)平面處的目標(biāo)表面上所顯示的圖像的反射。 該方法包括在成像平面處記錄所述反射的圖像。該方法還包括相對(duì)于所述成像平面，確 定所述鏡面反射表面上多個(gè)點(diǎn)的位置。該方法包括確定所述反射的圖像上的特征位置與 所述圖案上的特征位置之間的第一關(guān)系。該方法也包括通過(guò)將所述多個(gè)點(diǎn)的位置用作初 始條件，從包括鏡面反射表面的表面分布的第二關(guān)系以及所述第一關(guān)系中確定所述鏡面 反 射表面的形狀。在所述第一方面的第一變體中，產(chǎn)生所述反射包括照亮所述圖案。在所述第一變體的第一子變體中，產(chǎn)生所述反射包括用連續(xù)的光照亮所述圖案。在所述第一變體的第二子變體中，產(chǎn)生所述反射包括用閃光照亮所述圖案。在所述第一方面的第二變體中，產(chǎn)生所述反射包括選擇平面幾何圖案(比如方 格、條帶、點(diǎn)、圓圈、或十字)作為所述目標(biāo)的表面上所顯示的圖案。在所述第一方面的第三變體中，所述方法還包括將所述反射的圖像聚焦到所述 目標(biāo)平面上。在上述的子變體中，將所述反射的圖像聚焦到所述目標(biāo)平面上包括使用透鏡將 所述目標(biāo)平面的反射上的成像平面聚焦到測(cè)量平面中。在所述第一方面的第四變體中，確定所述鏡面反射表面上的多個(gè)點(diǎn)的位置包括 測(cè)量這些點(diǎn)相對(duì)于測(cè)量平面的位置。在上述的子變體中，確定所述鏡面反射表面上的多個(gè)點(diǎn)的位置包括選擇沿著鏡 面反射表面的邊緣處或邊緣附近的一線(xiàn)條的多個(gè)點(diǎn)。在一個(gè)變體中，所述線(xiàn)條位于最接近 成像平面的鏡面反射表面的邊緣處或邊緣附近。在上述的子變體中，測(cè)量所述點(diǎn)的位置包括用位于鏡面反射表面附近的位移傳 感器的線(xiàn)性陣列，來(lái)測(cè)量所述點(diǎn)的位置。在上述的子變體中，測(cè)量所述點(diǎn)的位置包括測(cè)量而不改變所述目標(biāo)平面、測(cè)量平 面和成像平面的相對(duì)位置。在所述第一方面的第五變體中，相對(duì)于所述成像平面確定所述鏡面反射表面上多 個(gè)點(diǎn)的位置包括選擇所述測(cè)量平面上的多個(gè)點(diǎn)；并且從所述測(cè)量平面相對(duì)于成像平面的 已知位置中提取所述多個(gè)點(diǎn)的位置。在所述第一方面的第六變體中，在一個(gè)維度中，所述第二關(guān)系具有如下形式<formula>formula see original document page 6</formula>
其中ζ是在垂直于測(cè)量平面的方向上的表面分布，dz/dx是該表面分布的導(dǎo)數(shù)， X是平行于測(cè)量平面的方向，α =ArcTan(U)是反射光方向上的矢量與測(cè)量平面之間的角 度，t(u)是所述第一關(guān)系，以及<formula>formula see original document page 6</formula>其中(Xp，zp)是所述反射投影到所述成像平面上的中心位置。在所述第一方面的第七變體中，所述第二關(guān)系具有如下形式<formula>formula see original document page 7</formula>
其中I(t)是第一關(guān)系，R是所述鏡面反射表面上的點(diǎn)，N是鏡面反射表面的法向矢量。
<formula>formula see original document page 7</formula>
其中，ζ (χ, y)是所述表面分布，，和I是所述表面分布的偏導(dǎo)數(shù)。
dx ^y在所述第一方面的第八變體中，確定所述第一關(guān)系包括標(biāo)識(shí)在所述反射的圖像 上的多個(gè)子區(qū)域以及在所述圖案上的多個(gè)相應(yīng)的子區(qū)域；以及確定所述反射的圖像上的每 一個(gè)子區(qū)域上的特征位置與所述圖案上的每一個(gè)相應(yīng)的子區(qū)域上的特征位置之間的第一 子關(guān)系。在上述的子變體中，從第二關(guān)系中確定鏡面反射表面的形狀包括通過(guò)將所述多 個(gè)點(diǎn)的位置用作初始條件，從第二關(guān)系和第一子關(guān)系中確定鏡面反射表面的子區(qū)域的形 狀。在上述的子變體中，所述方法還包括將鏡面反射表面的子區(qū)域的形狀組合起來(lái)， 以獲得鏡面反射表面的形狀。在第二方面中，提供了一種測(cè)量鏡面反射表面的形狀的裝置。該裝置包括具有一 表面的目標(biāo)，在該表面上顯示了一圖案；以及具有記錄介質(zhì)的照相機(jī)，用于記錄來(lái)自鏡面反 射表面的圖案的反射的圖像。所述裝置包括數(shù)據(jù)分析器，配置成從第一關(guān)系和第二關(guān)系中 確定鏡面反射表面的形狀，所述第一關(guān)系是所述反射的圖像上的特征位置與所述圖案上的 特征位置之間的關(guān)系，所述第二關(guān)系包括鏡面反射表面的表面分布和所述第一關(guān)系。在所述第二方面的第一變體中，所述裝置還包括位移傳感器的線(xiàn)性陣列，用于測(cè) 量所述鏡面反射表面上的多個(gè)點(diǎn)相對(duì)于參考平面的位置。在所述第二方面的第二變體中，所述數(shù)據(jù)分析器進(jìn)一步配置成接收作為輸入的 初始條件，該初始條件包括鏡面反射表面上的多個(gè)點(diǎn)相對(duì)于參考平面的測(cè)得的或已知的位 置；以及在確定鏡面反射表面的形狀的過(guò)程中使用該初始條件。在第二方面的第三變體中，所述數(shù)據(jù)分析器配置成解析第二關(guān)系，所述第二關(guān)系 在一個(gè)維度中具有如下形式
<formula>formula see original document page 7</formula>
其中ζ是垂直于測(cè)量平面的方向上的表面分布，dz/dx是該表面分布的導(dǎo)數(shù)，X是 平行于測(cè)量平面的方向，α =ArcTan(U)是反射光方向上的矢量與測(cè)量平面之間的角度， t(u)是第一關(guān)系，以及<formula>formula see original document page 7</formula>
其中(Xp，zp)是所述反射投影到記錄介質(zhì)上的中心位置。在所述第二方面的第四變體中，數(shù)據(jù)分析器配置成解析具有如下形式的第二關(guān) 系<formula>formula see original document page 8</formula>其中I(t)是第一關(guān)系，R是所述鏡面反射表面上的點(diǎn)，N是鏡面反射表面的法向矢 量；其中
<formula>formula see original document page 8</formula>其中，ζ (χ, y)是所述表面分布，<formula>formula see original document page 8</formula>和<formula>formula see original document page 8</formula>是所述表面分布的偏導(dǎo)數(shù)。在本發(fā)明的第二方面的第五變體中，所述裝置還包括用于照亮所述目標(biāo)的表面的 光源。在第六變體中，所述裝置被用于制造具有期望形狀的玻璃板的工藝中，其中，第一 玻璃板形成于第一組條件下，用所述裝置測(cè)量所述第一玻璃板的形狀，基于測(cè)得的形狀將 第一組條件改為第二組條件，由此獲得了具有期望形狀的玻璃板，比如期望的平整性。本發(fā)明的第三方面涉及一種制造玻璃板的工藝，包括如下步驟(I)在第一組條件下形成第一玻璃板；(II)用根據(jù)本發(fā)明第二方面的裝置來(lái)測(cè)量 第一玻璃板的形狀，該裝置在上文中有概述在下文中會(huì)詳述；以及(III)基于步驟(II)中所測(cè)量的形狀，將第一組條件改為第二組條件；由此，獲得了具有期望形狀的玻璃板。在根據(jù)本發(fā)明第三方面的制造玻璃板的工藝的某些實(shí)施方式中，在步驟(II)中， 離線(xiàn)地測(cè)量第一玻璃板，即在切割并從連續(xù)的制造工藝中分離出該玻璃板之后再進(jìn)行測(cè)量。在根據(jù)本發(fā)明第三方面的制造玻璃板的工藝的某些實(shí)施方式中，在步驟(II)中， 在線(xiàn)地測(cè)量第一玻璃板，即在切割并從連續(xù)的制造工藝中分離出該玻璃板之前先進(jìn)行測(cè)量。從實(shí)施方式的描述以及權(quán)利要求書(shū)中，將會(huì)清晰地看到本發(fā)明的其它特征。有利的效果在一個(gè)或多個(gè)方面及其變體中，本發(fā)明可以提供一個(gè)或多個(gè)下列優(yōu)點(diǎn)。首先，本發(fā)明明確地解決了與測(cè)量鏡面反射表面的形狀相關(guān)聯(lián)的傾斜-位置不確 定性問(wèn)題。其次，本發(fā)明可以被用于在具有鏡面反射表面的板的任何方向上復(fù)原出該板的形 狀。第三，使用本發(fā)明的鏡面反射表面的形狀測(cè)量是可靠的和實(shí)際的。從單個(gè)反射圖 像以及鏡面反射表面上的多個(gè)點(diǎn)相對(duì)于成像平面的位置中，可以確定鏡面反射表面的形狀。例如，如果這些點(diǎn)是在鏡面反射表面的邊緣處或邊緣附近的一線(xiàn)條上被選出的并且該 邊緣與成像平面之間的距離是已知的或可以被確定的，則上述位置數(shù)據(jù)可能是已知的。或 者，可以用位移傳感器的線(xiàn)性陣列獲得上述位置數(shù)據(jù)，這些傳感器將使該系統(tǒng)比基于二維 位移傳感器陣列的表面測(cè)量更便宜。第四，使用本發(fā)明的鏡面反射表面的形狀測(cè)量是與反射圖像和傳感器數(shù)據(jù)獲取時(shí) 間一樣快的。在用連續(xù)光源來(lái)顯示所述目標(biāo)上的圖案時(shí)，該時(shí)間可以是在數(shù)十毫秒的范圍 中，在用閃光時(shí)，該時(shí)間可以是在數(shù)十微秒的范圍中。第五，本發(fā)明允許使用切線(xiàn)觀看角(grazing viewing angle)，以在波矢量沿著觀 看方向時(shí)增大對(duì)表面起伏度的靈敏度?？梢允褂们芯€(xiàn)觀看角，因?yàn)橛糜谔峁┏跏紬l件的位 移傳感器保持對(duì)垂直起伏度的靈敏度。第六，本發(fā)明允許使用切線(xiàn)觀看角以使該裝置緊湊。對(duì)于更大的板尺寸，緊湊性變
得更重要。從實(shí)施方式的描述以及權(quán)利要求書(shū)中，可以清楚地看到本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)。


圖1是用于解釋傾斜_位置不確定性的圖。圖2是用于測(cè)量鏡面反射表面的形狀的方法的流程圖。圖3A是用于實(shí)現(xiàn)圖2所示方法的測(cè)量設(shè)置。圖3B是方格圖案的圖。圖3C是條帶圖案的圖。圖3D示出了從鏡面反射表面中產(chǎn)生的方格圖案的反射圖像。圖4是在三維空間中的形狀復(fù)原方法的幾何表示。圖5是在一維中的形狀復(fù)原方法的幾何表示。圖6是在鏡面反射表面的邊緣處測(cè)量形狀分布的設(shè)置。圖7A示出了從鏡面反射表面中產(chǎn)生的條帶圖案的反射。圖7B是使用圖2所示方法測(cè)得的玻璃板的形狀的圖。圖7C是通過(guò)用位移傳感器掃描玻璃板而測(cè)得的玻璃板形狀的圖。圖8和9是使用圖2所示方法測(cè)得的玻璃板的形狀。圖10描繪了具有在線(xiàn)板形狀測(cè)量的玻璃板制造工藝。
具體實(shí)施例方式圖2是用于測(cè)量鏡面反射表面的形狀的方法的概覽。準(zhǔn)備(100)測(cè)量區(qū)域。這包 括使鏡面反射表面定位于一測(cè)量平面處；使目標(biāo)定位于一目標(biāo)平面處；以及使記錄介質(zhì) 定位于一成像平面處。從鏡面反射表面中反射出所述目標(biāo)上的圖案(102)。所述記錄介質(zhì) 記錄所述反射的圖像(反射圖像)(104)。在所述鏡面反射表面上選擇多個(gè)點(diǎn)，并且測(cè)量所 述多個(gè)點(diǎn)相對(duì)于測(cè)量平面的位置(106)。分析在104中獲得的反射圖像以及所述圖案，以獲 得一種映射關(guān)系，該映射關(guān)系使所述反射圖像上的特征位置與所述圖案上的特征位置相關(guān) 聯(lián)(108)。通過(guò)對(duì)使鏡面反射表面的形狀與映射關(guān)系相關(guān)聯(lián)的幾何關(guān)系求解，確定鏡面反射 表面的形狀(110)。確定鏡面反射表面的形狀，使得對(duì)于在106中測(cè)量其位置的那些點(diǎn)而言，所述幾何關(guān)系是真的。在108中，在所述反射圖像上可以標(biāo)識(shí)多個(gè)子區(qū)域，在所述圖案 上可以標(biāo)識(shí)多個(gè)相應(yīng)的子區(qū)域。然后，對(duì)于所述反射圖像和圖案的每一個(gè)相應(yīng)的子區(qū)域，可 以確定所述映射關(guān)系。作為示例，在所述反射圖像上可以標(biāo)識(shí)三個(gè)子區(qū)域RM1、RM2和RM3， 在所述圖案上可以標(biāo)識(shí)三個(gè)相應(yīng)的子區(qū)域PM1、PM2和PM3。對(duì)于子區(qū)域的下列組合，將確 定總共三種映射關(guān)系冊(cè)1和PMl ；RM2和PM2 ；RM3和PM3。在110中，通過(guò)使用所述幾何關(guān) 系、與每一個(gè)子區(qū)域相關(guān)聯(lián)的映射關(guān)系(如108中確定的那樣)以及106中獲得的初始條 件，可以確定鏡面反射表面的每一個(gè)子區(qū)域的形狀。可以組合這些子區(qū)域的形狀，以獲得鏡 面反射表面的形狀或完整的表面分布。圖3A示出了如圖2的100所指出的準(zhǔn)備好的測(cè)量區(qū)域。在圖3A中，其形狀待測(cè) 的材料板120被置于測(cè)量平面122處。測(cè)量平面122是一假想的平面，它與材料板120的 理想平面相一致。材料板120的理想平面是假定該材料板是極為平整時(shí)該材料板的平面。 材料板120具有鏡面反射表面124、126。在124處指出待測(cè)量的鏡面反射表面。在一個(gè)示 例中，材料板120是基于玻璃的材料板，其平滑的表面就是鏡面反射表面?？梢园凑杖魏魏?適的方式來(lái)安排材料板120，例如，垂直的，水平的，或傾斜的位置。例如，材料板120可以被 支撐在水平桌面上，被支撐在傾斜表面上，被支撐在底邊或頂邊處，或從頂邊懸掛著。在圖 3所示的示例中，材料板120在垂直位置處懸掛著，同時(shí)相對(duì)的垂直邊緣128、130被分別置 于支架136、138中的凹槽132、134里。在熔融拉伸過(guò)程中，支架136、138可以是兩組成對(duì) 的卷軸，被安排成沿著熔融拉伸機(jī)器來(lái)引導(dǎo)玻璃板120。如上所述，備選的安排方式可以包 括將材料板120放置在水平或傾斜的表面上。圖3A示出了位于目標(biāo)平面142處的具有表面144的目標(biāo)140。目標(biāo)140的表面 144包括在其上顯示的圖案，該圖案將被材料板120的鏡面反射表面124反射。在一個(gè)示 例中，表面144上的圖案包括平面特征。在一個(gè)示例中，所述平面特征包括幾何形狀，比如 圖3B所示的方格圖案145或圖3C所示的條帶圖案147。幾何形狀的其它示例包括但不限 于圓圈、點(diǎn)和十字。通常，只要能夠被分配位置坐標(biāo)并能在圖像分析中被用于確定特征位置 的任何圖案特征都是可以使用的。在備選示例中，該圖案可以是連續(xù)的條紋，例如，正弦條 紋。參照?qǐng)D3A，通過(guò)使用任何合適的方法，可以將所述圖案顯示在目標(biāo)140的表面144上。 例如，目標(biāo)140可以由不透明的材料制成，可以從前面照亮表面144以形成該圖案，或者目 標(biāo)140可以由半透明的材料制成，可以從后面照亮表面144以形成該圖案。該圖案也可以是 在屏幕上顯示的計(jì)算機(jī)-生成的圖案，例如，由IXD監(jiān)視器顯示的或被投影到屏幕上的。照 明光源(為了說(shuō)明標(biāo)為143)可以是連續(xù)的光或閃爍的光。在后一種情況下，可以在板120 正移動(dòng)時(shí)完成上述測(cè)量，例如，用于在線(xiàn)測(cè)量。如線(xiàn)條146所示，光從目標(biāo)表面144前行到 材料板120的鏡面反射表面124，再沿著線(xiàn)條150從鏡面反射表面124處反射。如果板120 是透明的，則一部分的光將穿過(guò)該板120。穿過(guò)板120的那部分的光將會(huì)被背面126反射。 在這種情況下，板120應(yīng)該是足夠薄，使得從兩個(gè)(或更多)表面反射的光彼此之間的偏差 將不會(huì)達(dá)到使反射圖像的分析變得不可能的程度。圖3A示出了位于成像平面154處的照相機(jī)153的記錄介質(zhì)152，以記錄來(lái)自鏡面 反射表面124的反射?？梢允褂萌魏魏线m的照相機(jī)153，比如CXD照相機(jī)或攝像機(jī)，它具有 足夠的像素分辨率以實(shí)現(xiàn)期望的精度。記錄介質(zhì)152可以包括一個(gè)或多個(gè)成像傳感器。成 像平面154基本上垂直于(比如90° 士5° )測(cè)量平面122。在一些示例中，目標(biāo)平面142基本上垂直于(比如90° 士5° )測(cè)量平面122。在該位置中，記錄介質(zhì)152的光軸156基本上垂直于(比如90° 士5° )目標(biāo)平面142。透鏡158 (比如移位透鏡)被用于將鏡面反 射表面124所產(chǎn)生的圖像聚焦到成像平面154上。在其它示例中，目標(biāo)平面142并不垂直 于或大致垂直于測(cè)量平面122，并且使用透鏡158時(shí)按需要使其移動(dòng)或傾斜，以將目標(biāo)平面 142的反射上的成像平面154聚焦到測(cè)量平面124中。如參照?qǐng)D2所解釋的那樣，目標(biāo)表面144上的圖案被鏡面反射表面124反射，并且 被記錄介質(zhì)152記錄。數(shù)據(jù)分析器167包括機(jī)器可讀指令，這些指令接收所述反射圖像和 圖案作為輸入，并且分析所述反射圖像和圖案以獲得在所述圖案與反射圖像之間的映射關(guān) 系。數(shù)據(jù)分析器167可以接收所述圖案的表示或圖像?？梢栽诰哂泻线m的硬件的通用CPU 160上執(zhí)行數(shù)據(jù)分析器167的指令。數(shù)據(jù)分析器169包括機(jī)器可讀指令，這些指令接收所 述映射關(guān)系作為輸入，并且使用所述映射關(guān)系和幾何關(guān)系來(lái)確定鏡面反射表面的形狀，下 文會(huì)進(jìn)行解釋。數(shù)據(jù)分析器169也接收來(lái)自位移傳感器陣列162的位置數(shù)據(jù)作為輸入。在 解析所述幾何關(guān)系時(shí)，該位置數(shù)據(jù)被用作初始條件。如果沿著最接近于照相機(jī)的線(xiàn)條的板 120的位置是已知的，例如，板邊緣相對(duì)于支架138而放置且支架138的位置在測(cè)量設(shè)置期 間被確定且不改變，則位移傳感器不是必需的。在這種情況下，數(shù)據(jù)分析器169將使用關(guān)于 支架位置的數(shù)據(jù)。可以在CPU 160上或在分離的CPU(未示出)上執(zhí)行數(shù)據(jù)分析器169的 指令。通過(guò)使用一個(gè)或多個(gè)可由CPU 160讀取的程序存儲(chǔ)設(shè)備并且對(duì)可由計(jì)算機(jī)執(zhí)行的一 個(gè)或多個(gè)指令程序進(jìn)行編碼以便執(zhí)行本文所描述的操作，就可以實(shí)現(xiàn)分析器167、169的指 令的執(zhí)行。這種程序存儲(chǔ)設(shè)備可以采取下列形式一個(gè)或多個(gè)軟盤(pán)；⑶ROM或其它光盤(pán)；磁 帶；只讀存儲(chǔ)器芯片(ROM)；以及本領(lǐng)域公知的或以后開(kāi)發(fā)的其它形式。指令程序可以是二 進(jìn)制形式的“對(duì)象代碼”，差不多可由計(jì)算機(jī)直接執(zhí)行；其形式還可以是“源代碼”，這需要在 執(zhí)行之前編譯或解釋?zhuān)换蛘呖梢允悄骋恢虚g形式，比如部分編譯的代碼。此處，程序存儲(chǔ)設(shè) 備的精確形式以及指令的編碼的精確形式是不重要的。數(shù)據(jù)分析器167、169可以是單個(gè)數(shù) 據(jù)分析器的子部件，或者可以是分離的數(shù)據(jù)分析器。圖3D示出了通過(guò)鏡面反射表面165反射掉方格圖案163而獲得的反射圖像161的 示例。與方格圖案163相比，玻璃165的形狀使反射圖像161發(fā)生變形。數(shù)據(jù)分析器(圖 3A中的161)可以包含一個(gè)用于確定圖案163中的特征與反射圖像161中的特征之間的映 射關(guān)系的程序。映射包括標(biāo)記在圖案163中的特征；以及識(shí)別所標(biāo)記的特征在反射圖像 161中的位置。在方格圖案163中，特征可以是柵格點(diǎn)或線(xiàn)條。如果下列條件成立，則可以 在總坐標(biāo)系中確定所述圖案中的特征的位置以及所述反射圖像中相應(yīng)的特征的位置(i) 在總坐標(biāo)系中目標(biāo)表面(圖3A中的144)和記錄介質(zhì)(圖3A中的152)的位置是已知的； 以及(ii)與目標(biāo)有關(guān)的特征位置以及與記錄介質(zhì)有關(guān)的特征的圖像都是已知的。從所述 圖像分析中確定目標(biāo)圖案中的特征的位置。通過(guò)直接測(cè)量，或者通過(guò)分析所述圖像中除目 標(biāo)反射特征以外的已知對(duì)象的位置(比如目標(biāo)上的和測(cè)量平面中的基準(zhǔn))，就可以獲得其 它部件(目標(biāo)、測(cè)量平面、透鏡、成像平面以及位移傳感器)的位置。圖4相對(duì)于空間坐標(biāo)系XYZ示出了鏡面反射表面124、目標(biāo)表面144以及記錄介質(zhì) 152。R是在鏡面反射表面124上的點(diǎn)157的位置矢量。N是在點(diǎn)R處鏡面反射表面124的 法向矢量。T是從鏡面反射表面124上的表面點(diǎn)157到目標(biāo)表面144上的點(diǎn)159的矢量。T *是反射光方向上(即從表面點(diǎn)157到記錄介質(zhì)152上的點(diǎn)171)的矢量。矢量T *具有如下表示<formula>formula see original document page 12</formula>(1)I是反射光方向上的單位矢量并且由下式給出<formula>formula see original document page 12</formula>(2)根據(jù)方程(1)和(2)，法向矢量N和單位矢量I之間的關(guān)系是由下式給出的
<formula>formula see original document page 12</formula>如果t = T-R是目標(biāo)表面144上的點(diǎn)159的位置矢量，則方程(3)可以用位置矢 量t來(lái)寫(xiě)成下式
<formula>formula see original document page 12</formula>其中
<formula>formula see original document page 12</formula>在方程(4)中，I (t)代表所述圖案以及所述圖案的反射的圖像(反射圖像)之間
ο dz
的映射關(guān)系。在方程(5)中，z(x，y)是表面分布，1和i是所述表面分布的偏導(dǎo)數(shù)。根據(jù)
dx 少；
方程(4)和(5)，如果I(t)是已知的且R= {x，y，Z(x，y)}，則可以確定所述表面分布z(x， y)。通過(guò)使用I (u (t)) = {Cosa ,0, Sin a }, u = Tan a，一維情況的表面分布是由下
式給出的
<formula>formula see original document page 12</formula>在方程(6)中，t(u)是從圖像分析中獲知的函數(shù)，其中應(yīng)該用下式來(lái)替換u
<formula>formula see original document page 12</formula>在方程(6)中，Z(X)是沿著一個(gè)維度的表面分布，dz/dx是表面分布的導(dǎo)數(shù)，χ是 平行于測(cè)量平面的方向，a =ArcTan(U)是反射光方向上的矢量與測(cè)量平面之間的角度， t(u)是所述圖案以及從鏡面反射表面捕獲的所述圖案的圖像之間的映射關(guān)系。方程(6)在 一維情況下是精確的，對(duì)于小觀察角α (比如小于30° )，方程(6)也可用作二維情況下的近似。圖5是一維情況的形狀復(fù)原的幾何表示。在圖5中，目標(biāo)被置于χ = O處，投影點(diǎn)是 在lxp，zp}處，記錄介質(zhì)是在χ = xs處。使透鏡沿著ζ相對(duì)于記錄介質(zhì)的中心而移動(dòng)，并且 使其聚焦到目標(biāo)平面上。角度α是所述表面在χ = xm處的切線(xiàn)與水平軸之間的角度，Cit 是來(lái)自點(diǎn)t的入射光線(xiàn)的角度，Cis是被反射的光線(xiàn)的角度。對(duì)于方程(6)中所示的微分方程的積分，需要初始條件。該初始條件可以是在鏡面反射表面(圖3A中的124)上測(cè)量的形狀分布。在圖2所示的方法中，該初始條件是在 106處獲得的。在一個(gè)示例中，用鏡面反射表面(圖3A中的124)的邊緣(例如，圖2中的 邊緣130)處的形狀分布作為初始條件。參照?qǐng)D6，通過(guò)使用沿著鏡面反射表面124的邊緣 130排列的位移傳感器164的線(xiàn)性陣列162，就可以獲得相對(duì)于測(cè)量平面122的鏡面反射表 面124的邊緣處的形狀分布。也可以用單個(gè)位移傳感器164來(lái)獲得形狀分布，但是這將需 要使單個(gè)位移傳感器164沿著鏡面反射表面124的邊緣平移。如果鏡面反射表面124的邊 緣相對(duì)于測(cè)量平面的位置是已知的，則可以確定鏡面反射表面124的邊緣相對(duì)于成像平面 的位置?？梢酝ㄟ^(guò)直接測(cè)量而獲得測(cè)量平面122、記錄介質(zhì)(圖3A中的152)和透鏡158的 位置。也可以用參考板來(lái)找到鏡面反射表面124的邊緣相對(duì)于成像平面的位置。示鑼 Ij下面的示例證明了上述方法在測(cè)量鏡面反射表面的形狀方面是有效的。示例 1圖7B示出了用結(jié)合圖2-6所描述的方法對(duì)水平平臺(tái)上的玻璃板進(jìn)行形狀測(cè)量。通 過(guò)將一個(gè)盤(pán)放置在該玻璃下方，影響了玻璃板的形狀。面對(duì)該目標(biāo)的玻璃邊緣接觸到桌子， 該桌子被用作微分條件的初始條件。該目標(biāo)具有條狀圖案。圖7A示出了從條狀圖案172中 獲得的反射圖像170。反射圖像170被用于獲得上述映射關(guān)系，如上所述。為了進(jìn)行比較， 還用安裝在軌道上的光學(xué)位移傳感器，來(lái)測(cè)量該玻璃的分布。圖7C示出了上述結(jié)果。如所 觀察的那樣，在圖7B和7C所示的分布之間，存在一致性。示例 2圖8和9示出了在測(cè)量桌子上不同的玻璃板取向處用上述方法復(fù)原的兩個(gè)不同的 玻璃板的形狀。沿著玻璃右邊緣的位移傳感器的陣列被用于獲得上述微分方程的積分的初 始條件。圖8示出了在不同取向處同一個(gè)玻璃板的四次測(cè)量。相似的是，圖9示出了在不 同取向處同一個(gè)玻璃板的四次測(cè)量。圖8和9示出了上述方法不依賴(lài)于玻璃板的取向。在上文圖2的描述中，曾提到在108處，反射圖像可以被細(xì)分成多個(gè)子區(qū)域，針對(duì) 每一個(gè)子區(qū)域可以確定映射關(guān)系。有兩種方式來(lái)解釋這一過(guò)程。用單個(gè)照相機(jī)，可以拍攝 單個(gè)大反射圖像，然后，將其細(xì)分成多個(gè)子區(qū)域。在使用單個(gè)照相機(jī)的情況下，目標(biāo)尺寸需 要大于將要在至少一個(gè)維度中復(fù)原出形狀的那部分鏡面反射表面。一種備選方式是使用多 個(gè)照相機(jī)來(lái)產(chǎn)生多個(gè)反射圖像，其中，每個(gè)照相機(jī)所拍攝的每個(gè)反射圖像對(duì)應(yīng)于鏡面反射 表面的子區(qū)域。在使用多個(gè)照相機(jī)時(shí)，目標(biāo)尺寸不需要大于鏡面反射表面的測(cè)量區(qū)域。作 為一個(gè)示例，可以使用兩個(gè)照相機(jī)。這些照相機(jī)可以被垂直或水平地堆疊。如果第二照相 機(jī)的觀看方向垂直于第一照相機(jī)的觀看方向，則在單點(diǎn)處僅需要一個(gè)位移傳感器(與位移 傳感器的線(xiàn)性陣列相反)來(lái)解析成形關(guān)系。通過(guò)將這種單點(diǎn)用作初始條件，就可以復(fù)原沿 著平行于第二照相機(jī)的觀看方向的線(xiàn)條的分布。這種分布與用第一照相機(jī)獲得的圖像的分 析相結(jié)合，可以接下來(lái)被用于復(fù)原出鏡面反射表面的其余部分的形狀。
工業(yè)應(yīng)用上述裝置和方法可以被用于鏡面反射表面的測(cè)量。上述裝置和方法的實(shí)際應(yīng)用是測(cè)量平板顯示器的制造過(guò)程中所使用的大尺寸玻璃板。在在線(xiàn)條件(即玻璃板正被形成的 時(shí)候)或離線(xiàn)條件(即在形成玻璃板之后)下，用上述裝置和方法可以進(jìn)行測(cè)量。上述示 例1、2中示出了離線(xiàn)測(cè)量。圖10示出了熔融拉伸裝置和工藝，其中包括了上述在線(xiàn)條件下所描述的裝置和 方法。在圖10所示的示例中，熔化的玻璃230流入熔融管道232，并且沿著熔融管道232的 側(cè)面向下溢出以形成板狀的流體234，該流體234被接收到通道236中。通道236是由一 對(duì)平行排列的細(xì)長(zhǎng)引導(dǎo)構(gòu)件238定義的。通道236可以是垂直的，或者可以具有其它取向， 例如是水平的或傾斜的。沿著引導(dǎo)構(gòu)件238排列的卷軸240緊握板狀流體234的側(cè)邊，并 且拉動(dòng)該板狀流體234，使其形成玻璃板242。熔融管道232、引導(dǎo)構(gòu)件238、卷軸240和通 道236可以是熔融拉伸機(jī)器的一部分。如上所述的目標(biāo)140 (它具有圖案_攜帶目標(biāo)表面 144)、照相機(jī)153 (它具有記錄介質(zhì)152)、透鏡158 (用于聚焦功能)以及位移傳感器的線(xiàn)性 陣列162都可以被設(shè)置在通道236的底部，以提供關(guān)于玻璃板242的形狀的信息。這種形狀 信息可以被用在無(wú)彎曲的分離過(guò)程中，或者被用于優(yōu)化熔融拉伸工藝，或者用于質(zhì)量控制。 例如，上述裝置和方法可以被并入到圖10所示熔融拉伸機(jī)器中，以恒定地監(jiān)控在線(xiàn)處理過(guò) 程中正形成的玻璃板的形狀。然后，關(guān)于玻璃板形狀的信息可以被用于調(diào)節(jié)熔融拉伸機(jī)器 的操作條件以維持期望的形狀，比如正形成的玻璃板的期望的平整性或期望的曲率或其它 品質(zhì)。上述裝置和方法也可以被離線(xiàn)地使用，以?xún)?yōu)化熔融拉伸工藝或用于質(zhì)量控制。當(dāng) 玻璃板242在第一組制造條件下被制造時(shí)，一個(gè)或多個(gè)玻璃板可以被放置在桌子上或者在 如圖3A所示的測(cè)量設(shè)置中，以測(cè)量玻璃板的形狀。然后，玻璃板的形狀信息可以被用于調(diào) 節(jié)熔融拉伸機(jī)器，以在第二組操作條件下制造玻璃板，為的是制造具有期望的形狀的玻璃 板(比如正在形成的玻璃板的期望的平整性或其它品質(zhì))。
權(quán)利要求
一種用于測(cè)量鏡面反射表面的形狀的方法，所述方法包括從位于測(cè)量平面處的鏡面反射表面中，產(chǎn)生位于目標(biāo)平面處的目標(biāo)的表面上所顯示的平面幾何圖案的反射；在成像平面處記錄所述反射的圖像；確定所述鏡面反射表面上的多個(gè)點(diǎn)相對(duì)于所述成像平面的位置；確定所述反射的圖像上的特征位置與所述圖案上的特征位置之間的第一關(guān)系；以及通過(guò)將所述多個(gè)點(diǎn)的位置用作初始條件，從包括所述鏡面反射表面的表面分布的第二關(guān)系以及所述第一關(guān)系中確定所述鏡面反射表面的形狀。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于， 確定所述鏡面反射表面上的多個(gè)點(diǎn)的位置包括選擇沿著所述鏡面反射表面的邊緣處或邊緣附近的線(xiàn)條的多個(gè)點(diǎn)；以及 測(cè)量所述多個(gè)點(diǎn)相對(duì)于所述測(cè)量平面的位置。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于， 所述第二關(guān)系在一個(gè)維度中具有下列形式<formula>formula see original document page 2</formula>其中Z是垂直于所述測(cè)量平面的方向上的表面分布，dz/dx是所述表面分布的導(dǎo)數(shù)，X 是平行于所述測(cè)量平面的方向，α =ArcTan(U)是反射光方向上的矢量與所述測(cè)量平面之 間的角度，t (U)是所述第一關(guān)系，以及<formula>formula see original document page 2</formula>其中(Xp，Zp)是所述反射投影到所述成像平面上的中心位置。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二關(guān)系具有如下形式 <formula>formula see original document page 2</formula>其中I(t)是所述第一關(guān)系，R是所述鏡面反射表面上的點(diǎn)，N是所述鏡面反射表面的法向矢量； <formula>formula see original document page 2</formula>其中，ζ(χ，y)是表面分布，，<formula>formula see original document page 2</formula>是所述表面分布的偏導(dǎo)數(shù)。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于， 確定所述第一關(guān)系包括標(biāo)識(shí)在所述反射的圖像上的多個(gè)子區(qū)域以及在所述圖案上的多個(gè)相應(yīng)的子區(qū)域，并且 確定所述反射的圖像上的每一個(gè)子區(qū)域上的特征位置與所述圖案上的每一個(gè)相應(yīng)的子區(qū)域上的特征位置之間的第一子關(guān)系；其中，從所述第二關(guān)系中確定所述鏡面反射表面的形狀包括通過(guò)將所述多個(gè)點(diǎn)的位 置用作初始條件，從所述第二關(guān)系和所述第一子關(guān)系中確定所述鏡面反射表面的子區(qū)域的 形狀；以及將所述鏡面反射表面的子區(qū)域的形狀組合起來(lái)以獲得所述鏡面反射表面的形狀。
6.一種用于測(cè)量鏡面反射表面的形狀的裝置，所述裝置包括 目標(biāo)，在其表面上顯示有圖案；光源，用于照亮所述目標(biāo)的表面；照相機(jī)，它所具有的記錄介質(zhì)用于記錄從所述鏡面反射表面中產(chǎn)生的圖案的反射的圖像；數(shù)據(jù)分析器，配置成從第一關(guān)系和第二關(guān)系中確定所述鏡面反射表面的形狀，所述第 一關(guān)系是所述反射的圖像上的特征位置與所述圖案上的特征位置之間的關(guān)系，所述第二關(guān) 系包括所述鏡面反射表面的表面分布和所述第一關(guān)系。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，還包括位移傳感器的線(xiàn)性陣列，用于測(cè)量所述鏡面反射表面上的多個(gè)點(diǎn)相對(duì)于參考平面的位置。
8.一種用于制造具有期望形狀的玻璃板的工藝，包括(I)在第一組條件下形成第一玻璃板；(II)使用權(quán)利要求6或權(quán)利要求7的裝置來(lái)測(cè)量第一玻璃板的形狀；以及(III)基于步驟(II)中所測(cè)量的形狀，將所述第一組條件改為第二組條件； 由此，獲得具有期望形狀的玻璃板。
9.如權(quán)利要求8所述的制造玻璃板的工藝，其特征在于， 在在線(xiàn)測(cè)量步驟中測(cè)量所述第一玻璃板。
全文摘要
提供了一種用于測(cè)量鏡面反射表面的形狀的方法。從位于測(cè)量平面處的鏡面反射表面中，產(chǎn)生位于目標(biāo)平面處的目標(biāo)的表面上所顯示的圖案。在成像平面處，記錄上述反射的圖案。鏡面反射表面上的多個(gè)點(diǎn)相對(duì)于成像平面的位置被確定。上述反射的圖像上的特征位置與上述圖案上的特征位置之間的第一關(guān)系被確定。通過(guò)將上述多個(gè)點(diǎn)的位置用作初始條件，從包括鏡面反射表面的表面分布的第二關(guān)系以及上述第一關(guān)系中確定上述鏡面反射表面的形狀。
文檔編號(hào)G01B11/24GK101813460SQ20101012647
公開(kāi)日2010年8月25日 申請(qǐng)日期2010年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月24日
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