投射電容屏ITO電路檢測(cè)用線陣CCD成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

姜長(zhǎng)城 全燕鳴 彭艷華

(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640)

透明導(dǎo)電氧化(TCO)膜以其高透光率與可靠的導(dǎo)電性，常作為導(dǎo)電材料被制成透明電路而廣泛應(yīng)用于平板顯示(FPD)、有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)與太陽(yáng)能薄膜電池(STC)等行業(yè)［1-2］.氧化銦錫(ITO)是一種典型的TCO 材料.雖然ITO 的制造成本高，但與其他眾多透明導(dǎo)電材料相比，由于其高于90%的透光率與低于10-3Ω·m 的電阻率，因此在投射電容觸摸屏(PCTP)中被大量使用［3-4］.

在PCTP 中，ITO 先被雙面涂鍍于玻璃基板上，再經(jīng)過(guò)濕刻蝕［5］、等離子刻蝕［6］或激光燒蝕［7］，制成具有一定圖案的ITO 透明電路(簡(jiǎn)稱ITO 電路)以形成二維感應(yīng)矩陣，從而實(shí)現(xiàn)PCTP 的多重觸摸與高精度定位.但目前所有的刻蝕方法形成的ITO電路都會(huì)產(chǎn)生一定程度的缺陷(如短路、斷路、針孔、凸起、缺口、刮痕與污跡等)，這些缺陷將直接影響PCTP 的操作性.因此，對(duì)ITO 電路進(jìn)行缺陷檢測(cè)是PCTP 制作過(guò)程中的重要環(huán)節(jié).

目前，ITO 電路的檢測(cè)方法主要有通電檢測(cè)法、人工目視檢測(cè)法及自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)(AOI)法.通電檢測(cè)法是通過(guò)對(duì)ITO 電路通電來(lái)檢測(cè)有、無(wú)ITO 涂覆區(qū)域的亮度差異，從而判別缺陷.近年來(lái)，有研究者(如Chan 等［8］)開(kāi)發(fā)出了比較簡(jiǎn)單的通電檢測(cè)裝置，將ITO 電路夾在聚合物分散液晶制成的裝置中，通電，使涂覆ITO 處在液晶屏上點(diǎn)亮而未涂覆ITO 處在液晶屏上灰暗，然后用相機(jī)采集圖像，根據(jù)亮度判斷ITO 電路的開(kāi)路與短路缺陷.

也有研究人員采用掃描電子顯微鏡(SEM)［9］、微分干涉對(duì)比(DIC)技術(shù)［10］與光學(xué)相干斷層掃描(OCT)技術(shù)［11］對(duì)ITO 電路進(jìn)行檢測(cè)，但該類人工目視檢測(cè)主要適用于測(cè)試樣品的結(jié)構(gòu)與形態(tài)，無(wú)法對(duì)ITO 電路的功能缺陷進(jìn)行識(shí)別，且無(wú)法應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn).

為獲得更高分辨率與定位精度的PCTP，近年來(lái)，ITO 電路線寬及線間距已從原來(lái)的幾十微米向十微米甚至幾微米發(fā)展，這使得在一定生產(chǎn)率下有效檢測(cè)出ITO 電路的各種缺陷變得更加困難.Song等［12］提出并構(gòu)建了一套檢測(cè)等離子顯示屏(PDP)ITO 電路的AOI 系統(tǒng)，但該系統(tǒng)的檢測(cè)精度及速率較低(檢測(cè)精度為30 μm，檢測(cè)速率為62.85 mm/s，檢測(cè)一塊42 英寸的PDP 基板要耗時(shí)65 s)，不能滿足現(xiàn)代PCTP 生產(chǎn)的精度和速率需求.孫亞根［13］和彭永林［14］分別對(duì)ITO 電路缺陷檢測(cè)的圖像處理算法進(jìn)行了研究，其圖像獲取采用基于面陣相機(jī)構(gòu)建的系統(tǒng)，不能滿足實(shí)際生產(chǎn)的高速檢測(cè)需求.目前，由于PCTP AOI 設(shè)備的不成熟，生產(chǎn)企業(yè)多采用人工加顯微鏡目測(cè)的方法抽檢刻蝕后的ITO 電路，估計(jì)良品率.這樣的人工方法檢測(cè)效率低且易受主觀因素影響，當(dāng)檢測(cè)精度高于30μm 時(shí)已無(wú)效率可言.

綜上所述，研發(fā)具有高檢測(cè)精度及速率的PCTP ITO 電路的AOI 系統(tǒng)是非常必要和迫切的.基于線陣CCD 的AOI 技術(shù)是有效解決此問(wèn)題的一條主要途徑.然而，PCTP 中的ITO 材料與玻璃基板具有相近的光學(xué)特性，因此難以形成高對(duì)比度圖像，在高掃描檢測(cè)速率條件下更是如此.文中對(duì)單線陣CCD 的PCTP ITO 電路成像條件進(jìn)行了研究，構(gòu)建了10 μm 級(jí)線距ITO 電路的實(shí)際成像系統(tǒng)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其高速動(dòng)態(tài)掃描成像效果.

1 ITO 電路的線陣CCD 成像方式

AOI 系統(tǒng)成像原理如圖1 所示［15-17］，其中dAs為發(fā)光體微面積，dAC為CCD 像元微面積，dA 為被測(cè)表面微面積，α1為光照方向與發(fā)光體微面法線夾角，α2為入射光方向與被測(cè)表面微面法線夾角，α3為透鏡光軸與被測(cè)表面微面法線夾角，Iα是發(fā)光體微面法線夾角為α1方向的發(fā)光強(qiáng)度(光強(qiáng))，ρ 為反射系數(shù)，r 為發(fā)光體到被測(cè)表面的距離，l 為物距，D為入瞳直徑，β 為物方孔徑角.

線陣AOI 系統(tǒng)采用匯聚類線陣光源，α1=0°.線陣CCD 相機(jī)只有一列CCD 像元，故采用這種相機(jī)時(shí)只有沿透鏡光軸的光線才能成像.投射電容觸摸屏的玻璃基板表面和ITO 膜表面可類比于鏡面，入射角等于反射角.因此，用線陣CCD 相機(jī)和線陣光源進(jìn)行成像檢測(cè)時(shí)，只有在光源傾角與相機(jī)傾角相等(即α2=α3)的情況下才可成像.由于光源與相機(jī)的傾斜安裝角度不易保證絕對(duì)相等，α2=α3=0°或180°則容易實(shí)現(xiàn)，因此可如圖2 所示進(jìn)行透射成像和明場(chǎng)照明反射成像，其入射、反射、透射線同向.

圖1 AOI 系統(tǒng)成像原理圖Fig.1 Imaging principle of AOI system

圖2 ITO 電路的線陣相機(jī)成像方式Fig.2 ITO imaging mode of line-scan camera

若采用圖2(a)所示的透射成像原理檢測(cè)玻璃基板表面的ITO 電路，刻有ITO 的玻璃基板被放置于中間鏤空、兩邊支撐的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，光源置于基板下方.當(dāng)電路無(wú)缺陷時(shí)，由于玻璃基板上、下表面的ITO 相同，故不會(huì)造成下表面對(duì)上表面成像的干擾;若下表面存在短路或異物缺陷，將影響上表面電路的成像并造成識(shí)別缺陷在下表面的定位混亂.

采用圖2(b)所示的反射成像原理進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，即使下表面ITO 電路存在缺陷，也不會(huì)對(duì)上表面的成像造成影響，故文中確定采用這種成像方式.

2 最大疊加反射系數(shù)的成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于黑白線陣CCD 相機(jī)，獲取的圖像灰度值與其CCD 輸出信號(hào)電壓值Uo成正比.線陣CCD 輸出信號(hào)的電壓值為［18］

式中，R 為線陣CCD 特性參數(shù)，Cint為線陣CCD 積分時(shí)間，Cr為所選鏡頭的透鏡投射系數(shù)，F(xiàn) 為相機(jī)光圈值，m 為系統(tǒng)放大系數(shù)，r、ρ 意義與圖1 中同，I 為圖1 中α1=0 時(shí)的Iα.α2=α3=0°(即相機(jī)光軸與光源平行且同向，如圖2(b)所示)時(shí)，Uo有極大值.

當(dāng)光學(xué)器件、檢測(cè)精度及工作參數(shù)確定后，式(1)中的R、Cint、Cr、r、F 及m 都是確定的，為簡(jiǎn)化式(1)，定義參數(shù)K 為

ITO 膜與玻璃基板有相近的光學(xué)特性(如表1所示［19］，忽略其極微弱的吸收率)，兩者的反射系數(shù)差為0.08，故成像對(duì)比度很小.因此，需要設(shè)計(jì)反射條件，增大兩者的反射系數(shù)差異，從而增強(qiáng)圖像對(duì)比度.當(dāng)α2=α3=0°時(shí)，CCD 對(duì)應(yīng)兩者的輸出電壓分別為

式中，ρI、ρg分別為ITO 電路與玻璃基板的反射系數(shù).

表1 ITO 電路與玻璃基板的反射與透射系數(shù)Table 1 Reflection and transmission coefficients of ITO circuit and glass substrate

為衡量ITO 電路與玻璃基板兩部分的CCD 反射成像輸出對(duì)比度，定義以下函數(shù):

在圖2(b)所示成像方式下，由于玻璃基板和上、下表面ITO 電路形成高透射率的三層結(jié)構(gòu)，使得成像時(shí)的反射系數(shù)并不僅僅是由單一材料與單層結(jié)構(gòu)決定，而是由三層結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)透射與反射最終疊加形成.因此，為使UI-g獲得極大值，應(yīng)將ITO電路與基板玻璃的疊加反射系數(shù)差值設(shè)計(jì)得盡可能大.

設(shè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)表面反射系數(shù)為ρv.將圖2(b)中的區(qū)域A 局部放大，如圖3 所示，光強(qiáng)為Iα的一條光線對(duì)ITO 電路、基板玻璃成像需分別經(jīng)4 個(gè)、3 個(gè)介面的透射及反射，每個(gè)介面的反射光強(qiáng)之和即為最終反射光強(qiáng)，相應(yīng)的計(jì)算如表2 所示.

圖3 ITO 電路和玻璃基板的多層反射Fig.3 Multi-reflection of ITO circuit and glass substrate

表2 ITO 電路與玻璃基板的疊加反射光強(qiáng)計(jì)算Table 2 Calculation of total reflection intensity for ITO circuit and glass substrate

設(shè)ρ1為對(duì)應(yīng)表2 中It總光強(qiáng)(圖3 中有ITO 電路之處)的疊加反射系數(shù)，ρ2為對(duì)應(yīng)表2 中Ig總光強(qiáng)(圖3 中無(wú)ITO 膜處)的疊加反射系數(shù)，式(5)可寫(xiě)為

代入表2 相應(yīng)數(shù)據(jù)，得

根據(jù)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的表面物理特性，ρv取值范圍為0～1.為使式(7)中的UI-g獲得最大值，ρv應(yīng)盡可能小.因此，擬將運(yùn)動(dòng)平臺(tái)表面涂覆均勻的黑色吸光漆，使得ρv≈0.

通過(guò)以上設(shè)計(jì)，ITO 電路與玻璃基板處的疊加反射系數(shù)差達(dá)0.155，可以有效地增大ITO 電路與無(wú)膜玻璃基板兩部分的圖像對(duì)比度.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)用成像系統(tǒng)的部件特性及工作參數(shù)見(jiàn)表3.線陣CCD 曝光積分時(shí)間Cint反比于行頻，而行頻需根據(jù)檢測(cè)精度和檢測(cè)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度決定.考慮到實(shí)際生產(chǎn)中需采用高的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度與高行頻來(lái)保證檢測(cè)速率與精度，根據(jù)式(6)，在積分時(shí)間較小的情況下，要獲得高對(duì)比度的圖像，必須提高光源亮度.

勻光措施不足時(shí)，高亮度光源中的LED 顆粒會(huì)在圖像上形成亮斑，降低圖像質(zhì)量.文中將線陣光源加裝漫射板，雖可有效提高光照均勻性，但光源亮度被嚴(yán)重削弱.在ITO 電路成像系統(tǒng)中，光照均勻性嚴(yán)重影響成像質(zhì)量，故在保證光照均勻性的前提下，對(duì)于既定的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速率和掃描行幀，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比不同亮度下獲取的圖像質(zhì)量來(lái)確定適宜照明亮度，從而為獲取高對(duì)比度的清晰圖像提供支持.

數(shù)控白色LED 同軸線光源有256 個(gè)亮度等級(jí)，從亮度等級(jí)為50 開(kāi)始逐漸遞增進(jìn)行掃描實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖4 所示.

表3 實(shí)驗(yàn)用成像系統(tǒng)部件的特性參數(shù)及工作參數(shù)Table 3 Characteristic and working parameters of components of experimental imaging system

圖4 成像系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Experimental results of imaging system

由圖4(a)可知，光源亮度過(guò)低使CCD 曝光不充分，這一方面導(dǎo)致了圖像過(guò)暗，難以分辨ITO 電路，另一方面使圖像存在橫向規(guī)律性干擾條紋.灰度直方圖并不具明顯雙峰性，即玻璃基板與ITO 電路各自所對(duì)應(yīng)的灰度不具有明顯的峰值，這都將增加后續(xù)圖像處理算法的復(fù)雜性.光源亮度等級(jí)增大到185 時(shí)采集的圖像(見(jiàn)圖4(b))已經(jīng)有相當(dāng)高的對(duì)比度，但是仍有隱約的橫向干擾條紋.隨著亮度等級(jí)提高到190，圖4(c)所示圖像中的橫向干擾規(guī)律條紋消失，整體亮度適中，圖像細(xì)節(jié)清晰，其灰度直方圖具有明顯的雙峰值.繼續(xù)提高光源亮度等級(jí)到最大值255，采集的圖像(見(jiàn)圖4(d))與圖4(c)中圖像相比，質(zhì)量無(wú)明顯差異，兩者的直方圖也基本相似.光源工作于高亮度狀態(tài)時(shí)發(fā)熱嚴(yán)重，將相當(dāng)快地引起發(fā)光亮度衰減，降低光源壽命，因此確定同軸光源照明亮度等級(jí)為190.

4 結(jié)語(yǔ)

文中針對(duì)線陣CCD 用于ITO 電路AOI 系統(tǒng)時(shí)玻璃基板與ITO 電路難以高對(duì)比度地清晰成像的問(wèn)題，研究了ITO 電路的成像方式，采用明場(chǎng)反射照明建立了基于最大疊加反射系數(shù)差值的同軸照明與成像系統(tǒng)，在檢測(cè)平臺(tái)高速運(yùn)動(dòng)條件下，通過(guò)不同光照亮度時(shí)所獲取系列圖像的對(duì)比，確定了可獲得高對(duì)比度ITO 電路與玻璃基板圖像的成像系統(tǒng)工作參數(shù).掃描實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，同軸線光源亮度等級(jí)為190時(shí)，可在運(yùn)動(dòng)速度為130 mm/s 的條件下對(duì)10 μm 線間距ITO 電路獲取高對(duì)比度清晰圖像.

基于文中方法所設(shè)計(jì)的成像系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用于ITO 線路檢測(cè)設(shè)備中，該成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法不僅適用于PCTP 中ITO 電路的AOI 檢測(cè)，也適用于PDP 及LCD 中ITO 電路的AOI 檢測(cè)，具有廣泛的應(yīng)用前景.

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