CN101832945A

CN101832945A - 镀膜玻璃薄膜缺陷在线检测方法与装置

Info

Publication number: CN101832945A
Application number: CN 201010165069
Authority: CN
Inventors: 陆卫; 王少伟; 俞立明; 邹娟娟; 王晓芳; 陈效双
Original assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Current assignee: Awangsai Coating Technology (Shanghai) Co., Ltd.; Shanghai Yuhao Photoelectric Technology Co., Ltd.; Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Priority date: 2010-04-29
Filing date: 2010-04-29
Publication date: 2010-09-15

Abstract

本发明公开了一种镀膜玻璃薄膜缺陷的光学检测装置，被检样品一侧做成45°导角，激光光源发出的光线经扩束镜扩展后平行从被检样品侧面入射，光线在玻璃-空气、薄膜-空气界面发生全内反射。当薄膜无缺陷时，由于受制于全反射条件，光在上下表面间不断反射，直至从侧面射出，形成非常理想的暗场。而薄膜中的缺陷则成为散射体向上散射光，CCD在被检样品上方拍摄，得到清晰的缺陷图像由计算机图形处理及识别软件进行判别，并给出缺陷标记和提示。若在激光器和扩束镜之间添加转镜，可确保整个膜面的检测。与传统方法不同的是，本发明装置操作简单、明暗场对比强烈、效果明显，可非常方便地用于薄膜缺陷的在线检测。

Description

镀膜玻璃薄膜缺陷在线检测方法与装置

技术领域

本发明涉及光学检测技术，具体是指一种用于镀膜玻璃薄膜缺陷在线检测的方法和装置。

技术背景

随着电子工业的发展和信息产业的兴起，薄膜材料和薄膜技术已成为材料科学与工程研究领域的重点之一，它已经渗透到现代科技和国民经济的各个领域。除信息电子和光电子以外，诸如航空航天、医药以及其他制造业都离不开薄膜技术和薄膜材料。

由于材料本身和镀膜工艺的原因，薄膜中存在各种缺陷，包括形变、裂缝、刻痕以及膜层与材料的化学计量比不同等。按缺陷的性质可分为杂质缺陷、电致缺陷、结构缺陷、化学缺陷、力学缺陷以及热缺陷等；按缺陷的形貌分，大致有结瘤缺陷、陷穴缺陷、条状缺陷及其他形状不规则的复杂缺陷。缺陷的成因有以下几种：(1)由薄膜生长过程产生，如基板的温度越低，薄膜中的缺陷密度越大，其中用离子镀和溅射方法制备的薄膜缺陷密度最大；(2)由基板表面原有缺陷引起，如镀膜区环境和基板不够清洁；(3)由薄膜沉积过程产生，如材料的喷溅。一般来说，缺陷的类型、密度、大小随膜层材料、沉积工艺以及表明清洁度的不同而不同【凌秀兰等《激光薄膜缺陷研究》，光学仪器，第26卷第2期，2004年4月】。

缺陷对薄膜材料的力、热、电、磁等很多性能都有影响，例如点缺陷、位错等会使电阻增大，制备的合金薄膜的磁性远低于块体材料。因此，对薄膜缺陷的检测尤为重要。

在现有的薄膜制造工艺中，通常用光学方法进行缺陷检测，A：利用光的干涉现象B：利用光的偏振特性C：利用光的散射(暗场/亮场成像)。如在【薄膜缺陷检查方法，专利号ZL 200510102281.2】专利中，通过在待测薄膜上沉积一朗缪尔薄膜，触发薄膜干涉现象进行观察。在薄膜有缺陷处形成干涉条纹，近似达到放大缺陷的作用，从而便于观测薄膜缺陷。但是干涉法在检测缺陷时其横向分辨率较低，而且对于待测样品的表面粗糙度过于敏感【陆骏，《新型薄膜缺陷显微检测技术的研究》，浙江大学硕士学位论文，2007】。

偏振法一般是以一束光入射到被测样品表面，通过分析样品表面反射前、后偏振状态(斯托克斯参量)的改变，来测量薄膜表面的光学特性。虽然其在获得次表面信息上具有优势，但是偏振法实验数据处理较为复杂，很难满足高速测量和在线检测的需求【陆骏，《新型薄膜缺陷显微检测技术的研究》，浙江大学硕士学位论文，2007】。

传统的强光灯检查(Glare Light Check)法是通过强光照射待测薄膜表面，在有穿孔缺陷处产生漏光现象，而在有突起缺陷处因不透光产生全黑点，且漏光点或全黑点与穿孔或微粒突起大小对应相同，再利用CCD照相机(ChargeCoupled Device Camera)或肉眼观测全黑点或漏光点，以达到检查薄膜有无缺陷的目的【薄膜缺陷检查方法，专利号ZL 200510102281.2】。此方法具有操作简单、可在线检测的优点，但由于漏光点与全黑点极其微小，且强光灯造成CCD背景光较强，在常规CCD光探测动态范围内使得有一些引发光强变化不大的缺陷难以被检测，即对于很多微小缺陷由于其引发的明暗变化不明显，导致很多微小缺陷容易被强光灯形成的背景所掩盖，造成在检查过程中出现疏漏。

发明内容

为了解决现有技术中薄膜缺陷不易在线检测的问题，本发明提供一种更有效的对薄膜缺陷进行在线检测的方法，且该方法操作简单、检测方便，是一种非常有效的无损在线检测方法。

本发明是基于全内反射和散射原理设计的，其包括：将被检样品一侧做成45°向上导角(如图1(a)所示)，平行光从被检样品45°导角侧面入射，在玻璃内光线在玻璃-空气、薄膜-空气界面发生全内反射(参见光路图1(a))：

由折射定律：

n₀*sinα＝n₁*sinβ(n₀＝1，n₁＝1.52，α＝45°)

根据全反射定律：n₁sinθ₀＝1，玻璃-空气的全反射临界角θ₀＝41°。

θ₁＝β+45°＝72.7°＞θ₀

所以，在玻璃-空气界面发生全反射。

同理，在玻璃-薄膜-空气界面有：n₁sinθ₁＝n₂sinφ＞1，所以在薄膜-空气界面发生全反射。(注：以上推导对任意度数的导角均适用)

当薄膜完美无缺陷时，光从玻璃一侧入射，在上下表面间不断反射，直至从侧面射出(如图2(a)所示)。由于受到全反射条件的限制，光被限制在玻璃内部横向传播，无法向上传播，此时CCD检测不到任何信号，形成非常理想的暗场(如图5所示)。当薄膜内存在气泡、结瘤、刻痕等缺陷时，薄膜的均匀性被破坏，全反射条件消失，缺陷成为散射体并向各个角度散射光，包括向上传播光线(如图1(b)所示)，此时通过位于薄膜表面上方的CCD摄像，即可获得清晰的薄膜缺陷图像(如图6所示)。由于薄膜上没有缺陷的区域是近乎完美的暗场，因此只要缺陷处有光散射出来，就可以与之形成非常鲜明的对比，极容易被检测出来。这样本发明就实现了暗场下的缺陷形成光泄漏的检测，而不是常规方法中亮场下的微弱光变化，从而从基本原理上就决定了本发明的方法能够更加敏感地检测到薄膜中的缺陷。为了更好地在实际应用中保障是暗场条件下的检测，在玻璃四周采取遮光措施，避免了背景光的干扰，能够得到非常清晰的缺陷图像。通过计算机控制进行实时监控，所拍摄的图像由图像处理与识别软件进行判别，给出缺陷标记和提示，可以很好地实现在线检测。若在激光器和扩束镜之间添加转镜，不断改变入射平行光束的入射角，可以确保整个膜面均被扫描。

本发明的检测设备依次包括：激光光源1、扩束镜2、传送带3、遮光罩4、被检样品5、CCD照相机6、计算机7、图像处理及识别软件8、转镜9(具体见图3、图4)。

附图说明

图1为光线射入样品的光路示意图，图1(a)中，样品一侧面做成45°导角，灰色部分为薄膜，下方为玻璃。平行光以45°角从样品侧面(做成45°导角)入射，光线在玻璃-空气、薄膜-空气的界面发生全反射，如此在上下表面不断反射。

图1(b)为光线在传播中遇到薄膜缺陷时的光路图，其中10为薄膜缺陷，11为光线经缺陷散射后的上射光。

图2(a)为实例一45°导角时光线射出光路图，图2(b)为实例二添加转镜后光线射入及射出光路图。

图3为本发明实现薄膜缺陷在线检测的装置示意图，图3中：1为激光器，2为扩束镜，3为传送带，4为遮光罩，5为被检样品，6为CCD照相机，7为计算机，8为图像处理及识别软件。

图4为本发明为实现整个膜面被检测的装置示意图，图4中，相对图3增加的部分为转镜(9)。

图5为采用本发明检测装置所获得的无缺陷时的暗场图，图5(a)为无缺陷时CCD(6)拍摄的暗场图像，图5(b)为经过图像处理后的暗场图。

图6为采用本发明检测装置所获得的缺陷图，图6(a)为CCD(6)拍摄的缺陷图，图6(b)为经过图像处理后的缺陷图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细介绍：

实施例1：45°导角

传送带3上放置被检样品5，CCD照相机6位于被检薄膜上方，遮光罩4连接着被检样品5区域与CCD照相机6，用于遮挡背景光，CCD照相机6与计算机7相连，计算机7内置摄像控制和图像处理及识别软件8。

检测过程如下：

1、被检样品5一侧做成45°导角，放于传送带3上。CCD照相机6位于被检薄膜上方，两者之间用遮光罩4相连。

2、激光光源1发出的线激光束经扩束镜2扩展成平行光束，平行光束从被检样品5的侧面(做成45°导角)入射，折射光在玻璃-空气、薄膜-空气界面发生全反射。(如图1(a)所示)

3、当薄膜完美无缺时，光线受制于全反射条件，经上下表面不断反射后从侧面射出样品(如图2所示)。由于薄膜四周采取了遮光措施，没有背景光的干扰，此时CCD照相机6检测不到任何信号，形成理想的暗场(如图5所示)。

4、当薄膜存在缺陷时，薄膜的均匀性被破坏，全反射条件消失，缺陷成为散射体向各个方向散射光，部分散射光向上射出薄膜表面(如图1(b)所示)，通过位于薄膜上方的CCD照相机6摄像，获得清晰的薄膜缺陷图像(如图6所示)。计算机7控制CCD照相机6以一定的频率对薄膜正面进行拍摄，拍摄所得图像由计算机7采集并经图像处理及识别软件8进行判断，给出缺陷标记和提示。

实施例2：带转镜全扫描

在实例1的基础上，对光源部分进行改进：在激光光源1和扩束镜2之间增加转镜9(如图4所示)，被检样品5可不做导角。平行光入射后，依然满足全反射条件而在上下表面间不断反射直至从侧面射出(如图2(b)所示)。由于转镜能不断改变入射光的方向，从而可以确保整个膜面均被扫描，不会出现部分区域被漏检的情况。

由于该方法利用全反射原理，从上面检测侧面光线传播时因缺陷散射导致的漏光情况，并在四周采取了遮光措施，使无缺陷的暗场与含缺陷的图像形成鲜明对比。而且带转镜的全扫描方式通过转镜不断改变入射角，可以有效的避免薄膜部分区域被漏检。该方法相对于现有的薄膜缺陷检查方法更易观测，效果更佳。

Claims

1.一种镀膜玻璃薄膜缺陷在线检测装置，其特征在于：它包括激光器(1)、扩束镜(2)、传送带(3)、遮光罩(4)、CCD照相机(6)、计算机(7)和图像处理及识别软件(8)；激光器(1)发出的光线经扩束镜(2)扩展后平行从被检样品(5)侧面入射，光线在玻璃-空气、薄膜-空气界面发生全内反射，当薄膜无缺陷时，由于受制于全反射条件，光在上下表面间不断反射，直至从侧面射出，形成非常理想的暗场；当薄膜有缺陷时，薄膜中的缺陷则成为散射体向上散射光，CCD照相机(6)在被检样品上方拍摄，得到清晰的缺陷图像由计算机图形处理及识别软件进行判别，并给出缺陷标记和提示。

2.根据权利要求1所述的一种镀膜玻璃薄膜缺陷在线检测装置，其特征在于：在所述激光器(1)与扩束镜(2)之间可以添加一个用于确保整个膜面被扫描的转镜(9)。

3.一种基于权利要求1所述检测装置的薄膜缺陷的光学检测方法，其特征在于包括下列步骤：

装置无转镜(9)情况：

A、将被检样品(5)一侧做成45°导角，放于传送带(3)上，薄膜与CCD(6)之间用遮光罩(4)相连，用于遮挡背景光；

B、激光束经扩束镜(2)扩展后平行从被检样品侧面45°导角入射玻璃，折射光线在玻璃-空气、薄膜-空气界面发生全内反射，由于全反射条件的限制，光线在上下表面间不断反射，直至从侧面射出玻璃；

C、薄膜中的缺陷成为散射体使光线向各个角度散射，包括向上传播，CCD照相机(6)在计算机(7)控制下对薄膜正面进行拍摄，获得的缺陷图像由计算机采集并由图像处理及识别软件(8)进行判别，给出缺陷标记和提示；

装置有转镜(9)情况：

A、将被检样品(5)放于传送带(3)上，薄膜与CCD照相机(6)之间用遮光罩(4)相连，用于遮挡背景光；

B、激光束经转镜(9)后改变入射方向，再经扩束镜(2)扩展后平行从被检样品侧面入射玻璃，折射光线在玻璃-空气、薄膜-空气界面发生全内反射。由于全反射条件的限制，光线在上下表面间不断反射，直至从侧面射出玻璃。且因入射光的方向不断改变，可以确保整个膜面被扫描；

C、薄膜中的缺陷成为散射体使光线向各个角度散射，包括向上传播，CCD照相机(6)在计算机(7)控制下对薄膜正面进行拍摄，获得的缺陷图像由计算机采集并由图像处理及识别软件(8)进行判别，给出缺陷标记和提示。