专利名称：镜面反射表面的形状测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型一般涉及用于测量物体形状的光学装置。更具体地讲，本实用新型 涉及用于测量具有镜面反射表面的物体的形状的装置。
背景技术：
熔融拉伸工艺被用于从熔化的材料(比如熔化的玻璃)中制造出材料板(参见美 国专利3,338,696和美国专利3,682,609)。通常，熔融拉伸工艺包括将熔化的材料传递 到一料槽中；并且以可控的方式使该熔化的材料从该料槽的侧面向下溢出。沿着该料槽 侧面向下流动的分开的多股材料流在该料槽底部汇合成单一的一股材料流，该单一的一 股材料流被拉成连续的材料板。在熔融拉伸机器底部，该连续的材料板被分成多个独立 的片。该工艺的关键优点是，该材料板的表面并不接触该料槽的侧面或其它形成设备， 因此是干净的。该工艺的另一个益处是，该材料板非常平整并且具有均勻的厚度(美国 专禾丨J 3,682,609)。在制造大平板显示器的过程中，通过熔融拉伸工艺所生产的大玻璃板是关键的 部件。或者，它们可以被切割，以制造其它设备，比如有源电子设备、光生伏打设备和 生物学阵列。然而，随着对更大的大尺寸的板的需求不断增长，形成并处理这些板的难 度也越来越大。例如，在熔融拉伸机器底部的板划线与分离处理显著地有助于在熔融拉 伸机器的形成区域中的板移动。该形成区域中的板移动可能对板内部的应力水平和应力 变化带来不利的影响，有可能导致最终产品有变形。所处理的板越大，板移动对板内的 应力水平和变化的影响就越显著。康宁公司，即本实用新型的受让人，已经开发了用于使所述拉伸的底部处的 板移动达到最少的各种技术。一种这样的技术包括用激光对玻璃板进行划线，由此避 免与玻璃板进行物理接触，物理接触可能导致板移动(Abramov等人的美国专利申请 US12/008949)。另一种技术包括在玻璃板被划线时使用合适的梯段坡度设备(nosing device)啮合着该玻璃板，由此在划线期间减少该玻璃板的移动(Chalk等人的美国专利申 请2008/0276646)。另一种技术包括分离该玻璃板而不使该玻璃板弯曲(Kemmerer等人的 美国专利公报US2007/0039990)。这些技术需要关于玻璃板的位移和形状的实时信息。 在所述FDM的不同高度处的此类信息也可以用于精细调节和优化该拉伸处理。对于可见光而言，平滑的玻璃板的表面就像镜面反射表面那样。通过光学手 段对镜面反射表面进行形状测量从根本上不同于通过光学手段对漫反射表面进行形状测 量。漫反射表面可以被视为次级点光源的集合。由此，通过确定这些光源的位置，就 可以估计漫反射表面的形状。另一方面，无法直接观察镜面反射表面。只有来自该镜面反射表面的反射是可见的。在诸如下列文献中已研究了测量镜面反射表面的形状 的问题Savarese 等人的"Local shape from mirror reflections”，International Journal of Computer Vision, 64(1)，31-67(2005) ； Haeusler 等人的美国专利公报 2005/0238237 ; Knauer 等人的“Phase measuring deflectometry a new approach to measure specular free-form surfaces”， In Optical Metrology in Production Engineering.Proceedings of SPIE v.5457 (2004) 366—376; Kochengin 等人的"Determination of reflector surfaces from near field scattering data”，Inverse Problems v,13(1997) 363-373 ；以及 Winkelbach 等人的 “Shape from single stripe pattern illumination” , Ed.Luc Van Gool.In Pattern Recognition. Lecture Notes in Computer Science v.2449 (Springer, 2002)，240-247。这些文献并未研究 测量大尺寸玻璃板的形状的问题，比如平板显示器工业中所使用的玻璃板。各种用于测量镜面反射表面的形状的技术都具有相同的待克服的困难倾 斜-位置不确定性。参照

图1可以示出倾斜-位置不确定性问题(Haeusler等人的美国专 利公报2005/0238237)。在图1中，照相机Kl通过镜面表面3捕获图案2的反射。线 条5a代表来自屏幕1 (在屏幕1上产生图案2)上的点7的光束，并且该光束入射到镜面 表面3上的点6。线条5b代表从镜面表面3上的点6反射且入射到照相机K1的像平面 8中的点9的光束。屏幕1和照相机K1位置都是已知的。点7和点9的位置也是已知 的。然而，该信息不足以确切地确定点6(点6具有表面法线11)的位置，原因有两个 (i)镜面表面3是不可见的；以及(ii)沿着视线5b的其它点(例如，具有合适的表面法线 Ila的点6a)也会将点7成像到点9。在不知道反射点在镜面表面上的位置的情况下，不 可能唯一地确定镜面表面的形状。下列文献使用了立体-挠度测量术来解决反射点的位置模糊性Haeusler等人 的美国专利公报 2005/0238237 ；以及 Knauer 等人的 ‘‘Phase measuring deflectometry a new approach to measure specular free-form surfaces”， In Optical Metrology in Production Engineering.Proceedings of SPIE v.5457 (2004) 366-376。该方法一般包括从不同视 线中捕获多个被反射的正弦图案的图像；以及在测量空间中寻找一些点，在这些点处潜 在的表面法线彼此之间的偏移最少。下列文献采取了不同的方法，这包括从物体T上 所测得的近场散射数据中测量反射表面R的形状Kochengin等人的“Determination of reflector surfaces from near field scattering data，，Inverse Problems v.13 (1997) 363-373。 该设置使得经反射离开该反射表面R的光线入射到物体T上。物体T的位置是已知的， Kochengin 等人的"Determination of reflector surfaces from near field scattering data” (Inverse Problems v. 13 (1997) 363-373)，这一文献示出了如果源O的位置和强度也是已知的， 则通过对逆问题求解就可以确定该反射器。Savarese等人的“ Local shape from mirror reflections” (International Journal of Computer Vision, 64(1), 31-67 (2005)),这一文献提 出了多个用于测量反射点r周围的镜面局部几何信息的方案，这些方案分析通过镜面上点 r处的镜面反射而在相交线条的平面图案上产生的变形。
发明内容技术问题期望有一种实际的装置能够明确地在线或离线地测量镜面反射表面的形状，特别是大尺寸玻璃板的形状。技术问题的解决方案在第一方面中，提供了一种测量镜面反射表面的形状的方法。该方法包括从 位于测量平面处的镜面反射表面中，产生位于目标平面处的目标表面上所显示的图像的反射。该方法包括在成像平面处记录所述反射的图像。该方法还包 括相对于所述成像平面，确定所述镜面反射表面上多个点的位置。该方法包括确 定所述反射的图像上的特征位置与所述图案上的特征位置之间的第一关系。该方法也包 括通过将所述多个点的位置用作初始条件，从包括镜面反射表面的表面分布的第二关 系以及所述第一关系中确定所述镜面反射表面的形状。在所述第一方面的第一变体中，产生所述反射包括照亮所述图案。在所述第一变体的第一子变体中，产生所述反射包括用连续的光照亮所述图 案。在所述第一变体的第二子变体中，产生所述反射包括用闪光照亮所述图案。在所述第一方面的第二变体中，产生所述反射包括选择平面几何图案(比如 方格、条带、点、圆圈、或十字)作为所述目标的表面上所显示的图案。在所述第一方面的第三变体中，所述方法还包括将所述反射的图像聚焦到所 述目标平面上。在上述的子变体中，将所述反射的图像聚焦到所述目标平面上包括使用透镜 将所述目标平面的反射上的成像平面聚焦到测量平面中。在所述第一方面的第四变体中，确定所述镜面反射表面上的多个点的位置包 括测量这些点相对于测量平面的位置。在上述的子变体中，确定所述镜面反射表面上的多个点的位置包括选择沿着 镜面反射表面的边缘处或边缘附近的一线条的多个点。在一个变体中，所述线条位于最 接近成像平面的镜面反射表面的边缘处或边缘附近。在上述的子变体中，测量所述点的位置包括用位于镜面反射表面附近的位移 传感器的线性阵列，来测量所述点的位置。在上述的子变体中，测量所述点的位置包括测量而不改变所述目标平面、测 量平面和成像平面的相对位置。在所述第一方面的第五变体中，相对于所述成像平面确定所述镜面反射表面上 多个点的位置包括选择所述测量平面上的多个点；并且从所述测量平面相对于成像平 面的已知位置中提取所述多个点的位置。在所述第一方面的第六变体中，在一个维度中，所述第二关系具有如下形式 dz _UX- t(u) + ζdx Vl + u2 ^jit(U)-ζ)2+χ2 +χ + u(t(u)-ζ)'其中ζ是在垂直于测量平面的方向上的表面分布，dz/dx是该表面分布的导数，
X是平行于测量平面的方向，α =ArcTan(U)是反射光方向上的矢量与测量平面之间的角
度，t(u)是所述第一关系，以及 Zp-Z" = --；
xP - X[0030]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变体中，所述第二关系具有如下形式
权利要求1.一种用于测量镜面反射表面的形状的装置，所述装置包括 目标，在其表面上显示有图案；照相机，它所具有的记录介质用于记录从所述镜面反射表面中产生的图案的反射的 图像；数据分析器，配置成从第一关系和第二关系中确定所述镜面反射表面的形状，所述 第一关系是所述反射的图像上的特征位置与所述图案上的特征位置之间的关系，所述第 二关系包括所述镜面反射表面的表面分布和所述第一关系。
2.如权利要求1所述的装置，还包括 光源，用于照亮所述目标的表面。
3.如权利要求1或2所述的装置，还包括位移传感器的线性阵列，用于测量所述镜面反射表面上的多个点相对于参考平面的 位置。
专利摘要本实用新型提供了一种用于测量镜面反射表面的形状的装置。该装置包括目标，在其表面上显示有图案；照相机，它所具有的记录介质用于记录从所述镜面反射表面中产生的图案的反射的图像；数据分析器，配置成从第一关系和第二关系中确定所述镜面反射表面的形状，所述第一关系是所述反射的图像上的特征位置与所述图案上的特征位置之间的关系，所述第二关系包括所述镜面反射表面的表面分布和所述第一关系。
文档编号G01B11/24GK201803705SQ20102013655
公开日2011年4月20日 申请日期2010年2月23日 优先权日2009年2月24日
发明者S·波塔彭科 申请人:康宁股份有限公司