专利名称：成像方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种成像方法和装置，其非常适于分析至少一部分透明介质的光学性质，更具体地说，该发明重叠多个图像来分析透明介质的性质，例如，检测折射、阻断和散射疵点。
背景技术：
在制造诸如光学薄膜的透明薄膜时产生的不良结果是在薄膜中出现功能疵点或者出现表面疵点。这些疵点有许多潜在原因，它们通常以不同的方式显现出来。例如，对于透明和半透明薄膜，表面擦痕可能散射光，厚度变化可能造成轻微的折射变化，残骸可以阻断透射的光或散射反射光。因为疵点精细的本性、疵点的小尺寸、和疵点的多样性，难以人工检查流出的薄膜来保证质量。
已经作出各种努力来自动检查光学薄膜，因此，与人工检查相比，提高疵点检测能力和降低成本。虽然有些是成功的，一个困难的问题是自动系统不能检测厚度变化疵点，其在薄膜中作为细微变形的图形显现出来。而且，不同类型疵点的检测通常要求多于一个光学结构。例如，检测擦痕、变形图形和残骸要求两个或三个光学结构以及相关的处理电子设备。
传统上实际的膜检查系统一般组合能够检测诸如擦痕或表面颗粒的散射疵点的线扫描照相机。线扫描照相机具有反射模式或者透射模式的暗场光学设备，并且能够检测提到的疵点。但是，这种单一结构不足以检测不会使薄膜表面变形的折射疵点或嵌入的颗粒。
激光扫描器可以配置多个通道，以便同时对所有疵点都灵敏。这样基本上与具有多个系统相同，一个系统对一个通道，其增加系统的复杂型和成本。而且，激光扫描器是既大又复杂的电子机械系统，其要在生产环境中实现费用昂贵。对于在宽膜上要求极高分辨率的检查应用，激光扫描器也难以平行地运行。
另一种成像技术称为纹影成像。这种技术通常可用于测量光学系统内的折射率变化。该技术通过检测部分介质出现不均一性产生的能量折射来检测介质内的不均一性。纹影成像通常用在大物体的长距离上。该系统不适于薄膜检查，因为它只能检测介质折射率的变化。
提供能够检测和量化透明薄膜不同光学特性的单一成像方法和装置是有优势的。用单一成像结构检测折射、阻断和散射的疵点也是有优势的。

发明内容
本发明涉及一种用于检测透明介质异常和量化透明介质光学特性的成像装置和方法。本发明光学地或者电子地重叠至少两个透明介质图像，以便获得至少一部分透明介质的光学特性。
在一个实施例中，用于表征透明介质的光学特性的方法包括来自点光源的透射光两次通过透明介质。该光通过透镜照射到检测器阵列上，形成透明介质的图像。至少利用一个会聚反射镜将光照射到基本上接近透镜光学中心位置的一点。然后，用传统的分析技术分析图像来表征透明介质的光学特性。优选点光源到会聚反射镜之间和从会聚反射镜到检测器阵列的组合距离约等于反射镜焦距的4倍。
在另一实施例中，用于表征透明介质的方法包括重叠两个或多个透明介质的图像，其中由会聚反射镜反射从点光源发射的光形成各个图像。光会聚到基本上接近透镜中心的一点。在从反射镜反射前或反射后光透过透明介质。形成两个或多个图像，各具有不同的焦平面，不同的焦平面之一对应透明介质。图像可以使用单透镜重叠到检测器阵列上。可替换地，可以使用两个或多个具有独立检测器阵列的透镜形成图像，并且检测器阵列的相应信号被电子地重叠。
本发明的装置一般包括用于传输通过透明介质光的点光源。用于反射通过透明介质的光到基本上接近透镜光学中心的位置上一点的会聚反射镜。检测器阵列从透镜接收图像；在分析装置中分析图像，以确定所述透明介质的光学特性。
本发明装置的优选实施例重叠两个或多个透明介质的图像。装置包括一个或多个成像系统。每个系统具有用于传输光通过透明介质的点光源，并且会聚反射镜定位成光从点光源会聚到基本上接近成像透镜中心的一点。检测器阵列包括在装置中，用于从透镜接收图像。每个系统产生图像，每个图像具有不同的焦平面，不同的焦平面之一对应透明介质。
本发明的实施例能够表征透明介质中的光学特性，例如，疵点、不一致性、透明度的变化、光强度、或漫射。本发明的方法优选用单一结构能够检测包括折射疵点、散射疵点和阻挡疵点的光学疵点。
为了便于描述本发明，在本申请中使用的下列术语限定如下“膜”意指在一个方向上具有尺寸宽度和在垂直方向上具有不确定长度的薄片材料；“会聚反射镜”意指反射镜具体这样构成，从一点发射的光从反射镜表面反射后返回到一点；“在膜上的成像线”意指一部分膜目前被成像到检测器阵列上；“点光源”意指具有单点物理形式的电磁辐射源；“分束器”意指使用反射镜或棱镜将光束分成两路或多路的光学器件；“透镜”意指改变光线的方向使它们会聚或发散产生图像的物镜或物镜组；“照相机”意指通过将来自物体的光聚焦到诸如胶片或半导体器件的感光材料上、以记录图像的许多种装置；和“检测器阵列”意指能够将入射光光子转换成电信号的光电传感装置的阵列。


根据附图，本领域的普通技术人员从下列详细描述很容易理解本发明的优点，其中图1是本发明一个实施例的立体图；图2是图1的实施例展开阵列的立体图；图3是本发明的另一个实施例的立体图；图4a和4b是通过使用本发明可以检测到的各种类型疵点的图像；和图5是本发明可替换实施例的立体图。
虽然上述相同附图阐明本发明的一个实施例，在论述中也注意阐明其它实施例。在所有情况下，本公开表示本发明是代表性的，而不是限制性的。应该了解本领域的普通技术人员可以作出许多其它改进和实施例，其都落入本发明原理的范围和精神之内。
具体实施例方式
本发明适于确定透明介质的光学特性。该发明提供用于重叠两个或多个至少一部分透明介质的图像。图像被光学地或电子地重叠，以便确定透明介质的光学特性。
图1描述本发明装置和方法的一个实施例。通常，成像系统10适于成像透明介质12的光学特性。成像系统10包括将光照射到分束器16的点光源14。光透过透明介质12并照射到会聚反射镜18上。然后，光被反射回来，通过透明介质12通过光第一次经过时的路线和区域。这个路线或区域称为成像区20。从会聚反射镜反射的光第二次经过成像区20照射到透镜22上。来自会聚反射镜18的光照射到基本上接近透镜22光学中心位置的透镜22上的一点。装在照相机26中的检测器阵列24接收来自透镜的光，并形成对应于透明介质成像区20的电信号。然后，按照惯例使用公知的技术处理或分析来自检测器阵列表示透明介质图像的电信号。
图2进一步解释图1实施例的展开图。来自点光源14的光从点光源14散开，并通过透明介质12直到它从会聚反射镜18反射。反射的光第二次经过膜12并会聚成一点。根据本发明，在从会聚反射镜18反射后，光会聚的点基本上接近透镜22的光学中心的点。通过检测器阵列从经过透镜22的光提供膜的图像。
本发明适于成像透明介质的光学特性。透明介质可以是任何一种能让至少一些光的透射而没有明显散射或漫射的材料。透明介质优先选自聚合薄膜、玻璃、涂层薄膜和涂层玻璃。透明介质优选具有膜形式或离散部件。在膜成像的示例中，因为膜经过点光源照亮的区域，膜可以以预定的速度经过，同时本发明提供连续片段的图像或膜的成像区。
在制造诸如胶片的透明介质过程中，一般需要介质的光学特性基本一致。遗憾的是，制造过程也许在透明介质中产生不需要的光学特性。例如，透明介质的光学特性可以包括诸如疵点、厚度、不一致性、透明度、光强度、漫射的特性或这些提到的特性的组合。本发明能够成像透明介质，以确定一个或所有提到的特性与要求标准的差异。
传统的成像系统不能在单一结构中找到各种类型的疵点。例如，传统的结构在检测诸如散射疵点或阻断疵点的同时不能检测折射疵点。本发明同时在成像介质相同部分至少成像两个图的能力能够在一个结构中检查介质的光学特性，诸如折射疵点、散射疵点、阻断疵点或这些疵点的组合。
根据本发明，利用点光源传输电磁辐射。选择点光源提供足够的能量，以便检测器阵列记录透明介质的图像。本领域的普通技术人员能够选择点光源来匹配具体的检测器阵列。所有传统公知的点光源适用本发明。点光源的非限定性示例可以包括白炽灯、光纤光或发光二极管。在优选实施例中，可以用光阑来限制光源的有效尺寸。一般光阑尺寸范围从10μm到5mm。
在优选实施例中，用分束器将光束分成两路或多路。在各种对准中可以采用分束器来提供同轴光。同轴光有助于减少一个特征在一个图像上呈现两次的出现，也称作阴影。传统的分束器适于用在本发明。
实际在本发明中使用的会聚反射镜具体结构是这样，从点光源发射的光从反射镜表面反射后返回到一点。优选会聚反射镜将光照射到透镜光学中心附近位置的一点。会聚反射镜可以至少会聚一维并优选两维。采用的会聚反射镜类型影响成像系统的感光度。某些形式的透明介质和具体类型的光学特性要求较高质量的反射镜，以便合适地成像具体光学特性。本领域的普通技术人员能够匹配反射镜质量，以达到具体透明薄膜成像所需的水平。
在可选择实施例中，本发明还可以采用平面反射镜来折叠光路，因此，大大地减小该发明装置的物理空间需求。
在本发明的方法和装置中采用透镜。透镜改变光线的方向，使它们会聚并在检测器阵列上形成图像。它用于将透明介质的物理截面成像到检测器阵列上相应的位置。透镜优选聚焦在对应于透明介质位置的平面上。
检测器阵列是能够将入射光光子转换成电信号的光电传感装置。透镜在检测器阵列上形成图像。检测器阵列将图像强度转换成相应电信号振幅。由检测器阵列产生的信号是由透镜传输的光学图像的电子图像。本领域的普通技术人员一般公知的传统检测器阵列适用本发明。优选可接受检测器阵列可以包括一维或二维的电荷耦合装置(CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS)或光电二极管阵列。
本发明的操作进一步参照图1的实施例来描述。成像系统10的结构设成这样，从点光源14到会聚反射镜18和从反射镜到透镜22中心附近的会聚点的组合距离约等于反射镜18焦距的4倍。图2示出两条展开的光路。通常，从点光源14到反射镜18的距离等于从反射镜18到透镜22中心的距离。但是，这个距离稍有不等仍保持良好的会聚，只要总的距离基本上保持接近反射镜18焦距的4倍。
当对准光学元件时，可用激光二极管代替点光源14。一般优选实施例的对准程序如下。首先，使用传统的方法粗对准分束器16、会聚反射镜18、透镜22和照相机26，这样照相机26的中心、透镜22、分束器16和会聚反射镜18同轴。而且，定位点光源14和透镜22，它们之间的总距离是上述的4F。接下来，用激光代替点光源14，精确调整分束器16的位置，直到光束准确地照射到反射镜18的中心。接下来，调整反射镜18，让激光束经过分束器16的中心往回。接下来，调整照相机26，让激光照射到检测器阵列24的中心。在这点，用点光源14取代激光并向前或向后调整透镜22的位置，使得光基本上会聚到透镜22中心附近。最后，向前或向后调整照相机26的位置，直到检测器阵列24完全被从点发散的光照亮。也许需要重复这个过程，直到光学系统完全对准。如果系统没有正确对准，可能造成光学信号保真度损失。
在图1和图2描述的实施例中，仅仅使用了单个会聚反射镜18。因此，根据介质横向位置，光以稍微不同的角度照射透明介质12。但是，根据透明介质12的成份，需要保证所有光线不考虑位置以完全相同方式照射透明介质。
图3示出可替换实施例。设置成像系统30来成像透明介质32的光学特性。在这个示例中，点光源34相对会聚反射镜38定位，以便所有光线平行反射。这就称为电子成像。点光源发射光通过分束器36。光被传输到平面反射镜48，在此光照射到会聚反射镜38。会聚反射镜38反射光平行通过透明介质32形成成像区40。光从第二平面反射镜50反射并返回透过透明介质32，从会聚反射镜38和平面反射镜48反射到透镜42。透镜42提供光学图像，然后在装置照相机46中的检测器阵列44中转换为电信号。图3举例说明这样的情况，位于抛物面反射镜焦点的光线以完全相同的方式照射膜，从平面反射镜反射，并经过会聚反射镜返回，它们再次会聚到成像透镜中心的一点。
具有图3中描述的这个实施例的图像分辨率很大程度上取决于具体的设备。一般可用于膜或片状部件检查分辨率范围从20μm到1mm成像在检测器阵列上。但是，该方法能够让分辨率低至100mm或高至1μm。不同的限制是会聚反射镜的尺寸和精度与像素数和传感器阵列的感光度结合。
从优选实施例得到的图像实际上由两个重叠的图像组成，其中之一来自各个光通过透明介质。如图2所示，透镜14的像面通常等于第二扫描的平面。因此，通过透明介质12的第一扫描不相对透镜22聚焦。图4a描述的图像表示两次扫描的每一次的相对作用。第一扫描52增强精细的折射疵点54，如果它焦点没对准影响最大。第二扫描56是对光散射58和阻挡疵点60最敏感。
通过对准两次成像扫描重叠两个图像，本领域的普通技术人员可以认识在单个图像中的两个独立图像的好处，因此，简化图像处理和保持位置精度用于阐明透明介质的光学特性。图4b描述的图像表示图4a描述的两次扫描的重叠。它有效地拍摄相对小的散射疵点62或阻挡疵点64的高频成分，诸如擦痕和颗粒，同时还对诸如聚合物流动或厚度变化的精细散射疵点66提供很强的光学信号。
在拍摄图像后，必须分析图像，以提供关于透明介质光学特性的信息，例如疵点。有各种传统的方法处理图像，以提取过程的变化。对于疵点检测，可能的方法包括基于过滤的空间或频率来加强随强度水平极限的疵点，以二值化图像，但不局限于此。在二值化后，可以进行传统的斑点分析，以提取和分析疵点。对于同样的分析，可以进行许多不同的统计分析来量化图像的可变性，因此，量化制造过程的可变性。因为通过这种成像技术量化过程的可变性或疵点水平，结果可以用于提高和控制制造过程，以提高和保持高质量水平。
在可替换实施例中，与光学重叠相反，透明介质的图像可以被电子重叠。有许多可替换实施例通过组合独立的单扫描成像系统能够产生相似的优点。在图5中示出一个这种实施例。在这个示例中，第一系统70使用聚焦的光用透镜72聚焦在透明介质78的平面上。透镜72的焦面用箭头84表示。这些相应于优选实施例的第二扫描。点光源74照射到会聚反射镜76上。光从会聚反射镜76反射通过透镜介质78。通过透明介质78的光照射到透镜72基本上接近透镜72的光学中心的点。这样在位于照相机82中的检测器阵列80上提供第一图像。
第二系统90用聚焦的光线用透镜92聚焦在透明介质78的平面前面并相应于优选实施例的第一扫描。透镜92的焦平面用箭头104表示。点光源94通过透明介质78照射到会聚反射镜96上。光从会聚反射镜96反射到透镜92基本上接近透镜92光学中心的点。这样在位于照相机102中的检测器阵列100上提供第二图像。
然后，从两个检测器阵列80、100输出的图像在组合装置106中电子地重叠。组合装置的非限定性示例包括具有多个数字输入通道的计算机或专用于二值化的图像处理硬件。透明介质78的光学特性重叠图像可以用类似于优选实施例中描述的方法处理。诸如图5描述的可替换实施例提供所需的适应性水平，因为可以独立地构成两个或多个图像系统来增强所需的特征。
从上述本发明一般原理的公开和前面详细的描述，本领域的普通技术人员容易理解本发明容许的各种变型。因此，仅仅通过下列权利要求和等同替换来限定本发明的范围。
权利要求
1.一种用于表征透明介质的方法，包括(a)传输来自点光源的光两次通过所述透明介质，然后通过透镜照射到检测器阵列上，形成所述透明介质的图像，其中至少一个会聚反射镜将光照射到基本上接近透镜光学中心位置的点上；和(b)分析所述图像，以表征所述透明介质的光学特性。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述光学特性包括疵点、厚度、不一致性、透明度、光强度、漫射或它们的组合。
3.如权利要求2所述的方法，其中疵点包括折射疵点、散射疵点、阻挡疵点或它们的组合。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述透镜聚焦在相应于所述透明介质的平面上。
5.如权利要求1所述的方法，其中点光源到会聚反射镜之间和会聚反射镜到检测器阵列的组合距离约等于反射镜焦距的4倍。
6.如权利要求1所述的方法，其中利用分束器对准光，使得从所述点光源通过所述透明介质的第一扫描光与从所述反射镜通过所述透明介质的第二扫描光同轴。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述点光源选自光阑灯、光纤光或发光二极管。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述透明介质是聚合薄膜、玻璃、涂层薄膜或涂层玻璃。
9.如权利要求1所述的方法，其中检测器阵列是一维或二维的。
10.如权利要求1所述的方法，其中使用过滤、斑点分析、极值或它们的组合来分析所述图像。
11.如权利要求1所述的方法，还包括识别所述透明介质上一个或多个疵点的位置。
12.如权利要求1所述的方法，还包括量化所述透明介质的光学特性。
13.如权利要求1所述的方法，其中所述透明介质包括膜或离散部件。
14.如权利要求1所述的方法，其中所述疵点是1微米或更大。
15.如权利要求1所述的方法，其中所述检测器阵列包括CCD、CMOS、或光电二级管。
16.如权利要求1所述的方法，还包括基于所述光学特性调整处理所述透明介质。
17.如权利要求1所述的方法，其中所述光以远心方式照射所述透明介质。
18.一种用于表征透明介质的方法，包括(a)将来自点光源的光经过所述透明介质照射到会聚反射镜上；(b)将来自所述会聚反射镜的反射光返回通过所述透明介质并通过透镜照射到检测器阵列上，形成所述透明介质的图像，其中来自所述反射镜的光会聚到基本上接近透镜光学中心位置的点上；以及(c)分析所述图像，以表征所述透明介质的光学特性。
19.一种用于表征透明介质的方法，包括重叠两个或多个透明介质的图像，其中由会聚反射镜反射从点光源发射的光形成每个图像，光会聚到基本上接近透镜中心的一点，在从反射镜反射前或反射后所述光透过所述透明介质，其中形成两个或多个图像，各具有不同的焦平面，不同的焦平面之一对应透明介质。
20.如权利要求19所述的方法，其中，图像通过一个透镜重叠到检测器阵列上。
21.如权利要求19所述的方法，其中，使用两个或多个具有独立检测器阵列的透镜形成图像，并且来自所述检测器阵列的信号被电子地重叠。
22.如权利要求19所述的方法，还包括分析所述重叠的图像，以表征所述透明介质的光学特性。
23.如权利要求19所述的方法，其中所述光学特性包括疵点、厚度、不一致性、透明度、光强度、漫射或它们的组合。
24.如权利要求23的方法，其中疵点包括折射疵点、散射疵点、阻挡疵点或它们的组合。
25.如权利要求1所述的方法，其中使用过滤、斑点分析、极值或它们的组合来分析所述图像。
26.如权利要求22所述的方法，还包括量化所述透明介质的光学特性。
27.如权利要求19所述的方法，还包括基于所述光学特性调整处理所述透明介质。
28.一种检测透明介质光学特性的装置，包括(a)用于传输光通过所述透明介质的点光源；(b)用于反射通过所述透明介质的所述光到基本上接近透镜光学中心的位置上一点的会聚反射镜；(c)用于接收来自所述透镜的图像的检测器阵列；和(d)用于分析所述图像来确定所述透明介质的光学特性的分析装置。
29.如权利要求28所述的装置，其中所述光学特性包括疵点、厚度、不一致性、透明度、光强度、漫射或它们的组合。
30.如权利要求29所述的装置，其中所述疵点包括折射疵点、散射疵点、阻挡疵点或它们的组合。
31.如权利要求28所述的装置，其中所述透镜聚焦在对应于所述透明介质的平面上。
32.如权利要求28所述的装置，其中在点光源与会聚反射镜之间和从会聚反射镜到检测器阵列的组合距离约等于反射镜焦距的4倍。
33.如权利要求28所述的装置，还包括分束器，以便对准光，使得从所述点光源通过所述透明介质的第一扫描光与从所述反射镜通过所述透明介质的第二扫描光同轴。
34.如权利要求28所述的装置，其中所述点光源包括光阑灯、光纤光或发光二极管。
35.如权利要求28所述的装置，其中所述透明介质是聚合薄膜、玻璃、涂层薄膜或涂层玻璃。
36.如权利要求28所述的装置，检测器阵列是一维或二维的。
37.如权利要求28所述的装置，其中使用过滤、斑点分析、极值或它们的组合来分析所述图像。
38.如权利要求28所述的装置，其中所述分析装置识别所述透明介质上一个或多个疵点的位置。
39.如权利要求28所述的装置，其中所述透明介质包括膜或离散部件。
40.如权利要求29所述的装置，其中所述疵点是1微米或更大。
41.如权利要求28所述的装置，其中所述检测器阵列包括CCD、CMOS、或光电二级管。
42.如权利要求29所述的装置，还包括基于所述光学特性处理所述透明介质。
43.如权利要求28所述的装置，其中所述光以远心方式照射所述透明介质。
44.一种用于重叠两个或多个透明介质图像的装置，包括两个或多个成像系统，每个系统具有用于传输光通过透明介质的点光源，定位成将来自点光源的光会聚到基本上接近成像透镜中心的一点的会聚反射镜，用于接收来自所述透镜的图像的检测器阵列，其中每个系统产生图像，每个图像具有不同的焦平面，不同的焦平面之一对应于透明介质。
45.如权利要求44所述的装置，其中，图像通过单透镜重叠到检测器阵列上。
46.如权利要求44所述的装置，其中，使用具有独立检测器阵列的两个或多个透镜形成图像，并电子地重叠来自所述检测器阵列的信号。
47.如权利要求44所述的装置，其中所述光学特性包括疵点、厚度、不一致性、透明度、光强度、漫射或它们的组合。
48.如权利要求44所述的装置，其中疵点包括折射疵点、散射疵点、阻挡疵点或它们的组合。
49.如权利要求44所述的装置，其中使用过滤、斑点分析、极值或它们的组合来分析所述图像。
全文摘要
本发明涉及用于检测透明介质光学特性的成像装置和方法。本发明光学地或电子地重叠至少两个透明介质的图像，以便获得光学特性。通过重叠图像，本发明能够在单一结构中检测透明介质的光学特性。
文档编号G01N21/88GK1646895SQ03807843
公开日2005年7月27日 申请日期2003年1月31日 优先权日2002年4月3日
发明者史蒂文·P·弗洛德, 詹姆斯·A·马斯特 申请人:3M创新有限公司