基于FPGA的液晶盒厚快速測(cè)量系統(tǒng)

陳洪財(cái)，張榮學(xué)，孫名偉

(1.韓山師范學(xué)院，廣東 潮州 521041;2.潮州市創(chuàng)佳電子有限公司，廣東 潮州 521000;3.汕頭市銳科電子有限公司，廣東 汕頭 515800)

0 引言

隨著液晶屏技術(shù)和工藝的不斷創(chuàng)新，液晶母版玻璃尺寸逐代增大，已經(jīng)發(fā)展到2 880×3 080 mm，預(yù)計(jì)下一代的液晶屏還會(huì)繼續(xù)增大，給制造工藝提出了更高的要求。TFT－LCD液晶屏的制造過(guò)程是將兩片噴灑均勻墊料的母版玻璃貼合，兩玻璃間距只有3～5 μm，用于在真空狀態(tài)下填充液晶材料，液晶填充量會(huì)直接影響液晶屏的畫面質(zhì)量，當(dāng)填充量過(guò)大時(shí)畫面下側(cè)發(fā)黃或發(fā)白，填充量過(guò)小，也會(huì)使顯示畫面異常，一般工藝要求液晶填充量為理論值的1%以下。液晶填充量和液晶盒厚成正比例關(guān)系，同時(shí)和面內(nèi)段差等因素有關(guān)。因此，要想提高成品的合格率，降低生產(chǎn)成本，必須對(duì)液晶盒厚實(shí)時(shí)檢測(cè)，得出具體參數(shù)，為液晶填充量提供參數(shù)依據(jù)。

兩塊母板玻璃形成的液晶盒可以描述為玻璃—空氣隙—玻璃，液晶盒厚就是測(cè)量?jī)蓧K玻璃之間的垂直距離，同時(shí)參考液晶母板上已有的ITO膜和PI膜參數(shù)，即可得出準(zhǔn)確的液晶填充量。目前，液晶盒厚的測(cè)量工具是盒厚測(cè)量?jī)x［1］。測(cè)量?jī)x的原理是利用光干涉法、光譜掃描法或動(dòng)量(入射角)掃描法。利用單層F－P腔的多光束干涉模型來(lái)計(jì)算盒厚，一般要進(jìn)行取樣測(cè)量盒厚，測(cè)量過(guò)程費(fèi)時(shí)并且準(zhǔn)確率不高，同時(shí)脫離實(shí)際的生產(chǎn)環(huán)境。液晶盒厚快速測(cè)量系統(tǒng)是基于FPGA的實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)，液晶盒成型后，在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中直接測(cè)量液晶盒厚，液晶的填充量可以在測(cè)量數(shù)據(jù)得出后實(shí)時(shí)修改，經(jīng)過(guò)使用和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)量效率提高20倍以上，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差由盒厚測(cè)量?jī)x的0.3%［2］提高到0.02%以上，測(cè)量效果和效率都得到有效提高。

1 測(cè)量系統(tǒng)光學(xué)原理

液晶空盒的母板玻璃規(guī)格一般約為1.5 mm，液晶空盒的盒厚約為3～5 μm，激光干涉法測(cè)量原理如圖1所示。激光入射到液晶空盒后經(jīng)多次折射和反射形成多束平行反射光，透鏡匯聚反射光束，經(jīng)光柵濾除雜光后形成焦點(diǎn)，焦點(diǎn)位于光電傳感器FDS02元件上。聚焦透鏡直徑約為2 cm，產(chǎn)生干涉條紋經(jīng)光電傳感器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)讀取，入射激光的入射角小范圍改變時(shí)，干涉條紋隨之移動(dòng)，根據(jù)入射角與移動(dòng)的條紋數(shù)計(jì)算出盒厚。由菲涅爾方程可以得到液晶盒厚h與入射角i、干涉條紋n的關(guān)系式為

式中:n是入射光線的入射角由in轉(zhuǎn)動(dòng)到im+n時(shí)，在光電傳感器上掠過(guò)的干涉條紋數(shù)。用微型He－Ne器產(chǎn)生激光束照射時(shí)，λ=632.8 nm。需要注意的是液晶盒的上下兩端是厚度為1.5 mm左右的玻璃基片，玻璃內(nèi)的反射光線也會(huì)產(chǎn)生干涉條紋，但由于液晶空盒盒厚約為3～5 μm，形成的干涉條紋寬度和強(qiáng)度有明顯的區(qū)別，利用算法可以很容易將玻璃的干涉條紋識(shí)別并濾除掉。

圖1 干涉法測(cè)量原理圖

2 測(cè)量系統(tǒng)組成

被測(cè)量的液晶空盒及所需的光學(xué)組件裝置如圖2所示。上下母板玻璃形成液晶空盒后，半圓形高精度量角儀放置在液晶玻璃母板上，在高精度量角儀圓周邊沿上附著可以移動(dòng)的微型激光器，激光器和傾角傳感器固定在一起組成激光及入射角測(cè)量組件，沿圓周邊沿轉(zhuǎn)動(dòng)激光組件，微型激光器發(fā)射的精細(xì)激光束應(yīng)始終照射在量角儀圓心O點(diǎn)上。初始入射角度in約為15°，激光組件移動(dòng)時(shí)，反射光線應(yīng)始終照射在聚焦透鏡上，由于聚焦透鏡直徑有限，干涉條紋數(shù)量n不應(yīng)設(shè)置太大，否則反射光線將不能落在聚焦透鏡上。

圖2 測(cè)量系統(tǒng)組成

2.1 傾角傳感器

加拿大MCS公司利用MEMS技術(shù)生產(chǎn)的SANG1000系列傳感器具有精度高、體積小、用途廣等特點(diǎn)，由于內(nèi)部已經(jīng)設(shè)計(jì)有高速數(shù)字處理器，傾角的角度值用數(shù)字形式輸出，并采用了光刻電阻技術(shù)來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償非線性誤差，在角度的全程測(cè)量范圍內(nèi)保持著線性化，可重復(fù)精度為0.02°，測(cè)量精度為5″，其短期測(cè)量穩(wěn)定性為0.02°/h。本文采用二進(jìn)制格式碼發(fā)送，發(fā)送格式(單角度)為AA XX XX CC，AA是發(fā)送的角度字頭標(biāo)識(shí)符，XX是帶符號(hào)的二進(jìn)制數(shù)，CC是校驗(yàn)碼，CC=數(shù)據(jù)字節(jié)1+數(shù)據(jù)字節(jié)2。

2.2 光電傳感器

光電傳感器采用聚焦鏡頭、光柵、光敏元件一體化設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)透鏡的匯聚光束經(jīng)光柵濾除雜光后在光敏器件上形成聚焦圖像［3］，光敏器件FDS02將光電流經(jīng)放大后輸出給A/D電路。A/D轉(zhuǎn)換電路以芯片ADC10065為核心，ADC10065有九級(jí)差分電路和+1.2 V精密基準(zhǔn)電源［4］，10位數(shù)字輸出格式，本文采用偏移二進(jìn)制碼格式輸出到FPGA芯片。

2.3 測(cè)量過(guò)程與方法

將測(cè)量裝置置于液晶盒的上玻璃基片上，首先用鍵盤設(shè)置需要測(cè)量的干涉條紋數(shù)n(n一般為10～15)，激光組件角度i由小逐漸增大，當(dāng)光電傳感器得到干涉條紋時(shí)FPGA通過(guò)蜂鳴器鳴叫告知，此時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)激光組件，F(xiàn)PGA自動(dòng)記錄當(dāng)前角度為in，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)激光器組件，光電傳感器記錄n個(gè)干涉條紋后蜂鳴器再次鳴叫告知，表明已經(jīng)記錄n個(gè)干涉條紋，激光器組件應(yīng)當(dāng)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。FPGA通過(guò)計(jì)算將液晶盒高度h值在LCD液晶屏顯示，同時(shí)顯示入射光線的角度值和干涉條紋數(shù)n。

3 電路組成

圖3 電路組合

4 測(cè)量系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

測(cè)量系統(tǒng)的編程思想是:系統(tǒng)上電復(fù)位后，首先查詢是否設(shè)定待測(cè)量的干涉條紋數(shù)n及激光波長(zhǎng)(以nm為單位)兩個(gè)常數(shù)，當(dāng)輸入以上數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)等待光電傳感器輸出的干涉條紋數(shù)據(jù)，當(dāng)讀取的干涉條紋亮度數(shù)據(jù)通過(guò)分析并確定后，F(xiàn)PGA讀取傾角傳感器當(dāng)前角度，當(dāng)5 s后沒有干涉條紋數(shù)據(jù)輸入時(shí)，自動(dòng)調(diào)整干涉條紋亮度數(shù)據(jù)的閾值，直到檢測(cè)到干涉條紋數(shù)據(jù)為止。記錄干涉條紋數(shù)為n時(shí)，再次讀取傾角傳感器的角度值并有蜂鳴器報(bào)警。FPGA通過(guò)液晶盒厚h與入射角i、干涉條紋n的關(guān)系式編程計(jì)算出液晶盒厚h。如果再次測(cè)量，需要重復(fù)以上的步驟，直到達(dá)到要求為止。系統(tǒng)軟件框圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件框圖

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

在實(shí)際測(cè)量時(shí)，入射角較小區(qū)域的干涉加強(qiáng)波峰不明顯，測(cè)量的時(shí)間較長(zhǎng)(單次測(cè)量用時(shí)超過(guò)1 min)。當(dāng)入射角度在15°左右時(shí)，干涉條紋明顯，自動(dòng)測(cè)量無(wú)須調(diào)整，用時(shí)在10 s左右，這是由于入射角較小時(shí)干涉加強(qiáng)波峰比較明顯。表1是三次在線測(cè)量結(jié)果，用時(shí)2 min左右。

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

6 測(cè)量結(jié)果比較及優(yōu)勢(shì)分析

為了對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，用實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行計(jì)算并得到表2。普通光譜掃描法的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差最大［5］，用時(shí)最多，動(dòng)量掃描法的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差較理想，但設(shè)備復(fù)雜、操作復(fù)雜，對(duì)環(huán)境要求高，而且需要對(duì)母版取樣。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)實(shí)際用時(shí)最少、設(shè)備制造費(fèi)用最低。雖然本文設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)和光譜掃描法采用的干涉原理相同，但取得的測(cè)量結(jié)果最好。原因是對(duì)干涉條紋的采樣電流進(jìn)行了10位A/D高精度轉(zhuǎn)換，程序認(rèn)定的干涉條紋二進(jìn)制數(shù)是統(tǒng)一的，而不是用人眼主觀判斷干涉條紋。同時(shí)可以對(duì)干涉條紋閾值自動(dòng)調(diào)整，這樣可以加快測(cè)量速度。本設(shè)計(jì)具有儀器設(shè)備簡(jiǎn)單、測(cè)量速度快、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差小等特點(diǎn)，適用液晶顯示器生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)環(huán)節(jié)的在線實(shí)時(shí)測(cè)量。

表2 微米盒厚相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差的比較

［1］左瑞娟，林麗玉，武永華.LCD或LCD TV的畫質(zhì)和色彩在線軟調(diào)整方法［J］.電視技術(shù)，2010，34(3):38－40.

［2］左瑞娟，武永華.液晶電視或液晶顯示器的動(dòng)態(tài)γ調(diào)整方法［J］.電視技術(shù)，2010，34(11):117－119.

［3］沈奕，姚若河，吳永俊.基于光干涉原理的液晶空盒盒厚測(cè)量［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2000(7):24－26.

［4］許澤宇，常碧波，林偉浩.基于移位寄存器的LCM模組開路短路測(cè)試方法［J］.現(xiàn)代顯示，2010(11):28－31.

［5］ LING Qiang，ZHU Henian.The comparison between two photoelectric scanning methods of LCD cell gap［J］.Dalian Science and Engineering University Journal，1997，73(2):281－283.