液晶显示屏玻璃基板的数十纳米级TTV厚度测量，哪种非接触技术更适合高速在线检测，如何确保Mura控制与生产良率？【精密光学】

液晶显示屏制造中，玻璃基板的微米级厚度测量是一项至关重要的环节。这块玻璃基板，就像显示屏的骨架，承载着无数精密的像素电路。如果它的厚度不均匀，或者局部有细微的起伏，那么最终的显示效果就会大打折扣，甚至导致产品报废。

1. 液晶显示屏玻璃基板的基本结构与技术要求

想象一下，液晶显示屏的玻璃基板就像是搭建精密电路的“地基”。它通常由两片超薄、高平整度的玻璃组成，中间夹着液晶材料，表面再覆盖各种薄膜层（比如TFT、彩色滤光片、偏光片等）。在整个显示屏的生命周期中，玻璃基板扮演着支撑、传输光线和电信号的关键角色。

正因为其基础性作用，玻璃基板的厚度、平整度、表面质量等都必须达到极高的标准。例如，显示屏在组装和后处理过程中，如果玻璃基板厚度不均，可能会导致受力不均而破裂；在显示时，厚度变化会引起光学路径的差异，造成画面局部亮度、色彩不均匀，俗称“Mura”（画面不均一现象）。这种缺陷对高端显示屏来说是不可接受的，就像一块昂贵手表上的玻璃表盘，如果厚薄不均，不仅影响美观，还可能影响内部机械的正常运转。

2. 针对液晶显示屏玻璃基板的相关技术标准简介

为了确保显示屏的最终质量，行业内对玻璃基板的各项参数都有严格的监控要求。以下是一些核心的监测参数定义和评价方法：

• 厚度 (Thickness)：指玻璃基板从上表面到下表面的实际物理距离。这是最基本的尺寸参数，直接影响基板的整体强度和后续工艺兼容性。

• 总厚度变化 (TTV - Total Thickness Variation)：这个参数衡量的是一块玻璃基板上所有测量点中，最大厚度值与最小厚度值之间的差值。它反映了基板整体的厚度均匀性。TTV值越小，说明基板越平整。

• 局部厚度波动 (LTW - Local Thickness Variation)：TTV关注的是整体，而LTW则聚焦于基板上较小区域内的厚度变化。它通常在特定尺寸（如几毫米见方）的区域内计算最大厚度与最小厚度之差，用以评估局部的厚度一致性，这对显示画面的局部均匀性至关重要。

• 表面粗糙度 (Ra - Roughness Average)：指玻璃基板表面微观不平整程度的平均值。这个参数影响着玻璃基板与后续薄膜层之间的附着力，以及光线的散射情况。Ra值越小，表面越光滑。

• 平面度 (Flatness)：平面度描述的是玻璃基板的整个测量表面与一个理想参考平面之间的偏差。它关注的是宏观上的弯曲或翘曲，对显示屏整体的组装精度和光学性能都有直接影响。

这些参数的精确测量和严格控制，是确保液晶显示屏高品质、高良品率生产的基石。

3. 实时监测/检测技术方法

液晶显示屏制造对玻璃基板的厚度测量要求极高：非接触、高精度（微米甚至纳米级）、高速度、能够测量透明材料，并且能提供TTV等关键指标。为了满足这些严苛要求，市面上发展出了多种先进的非接触测量技术。

(1) 市面上各种相关技术方案

a. 光谱共聚焦技术

想象一下，我们想用手电筒照亮一个物体，只有当物体处于手电筒光束的焦点时，光线才是最亮的。光谱共聚焦技术就是利用了这个“聚焦”原理，但它更巧妙：它不是用单一颜色的光，而是使用一种含有多种颜色（波长）的白光。这束白光经过特殊的镜头，会产生一种“色散”现象，就像彩虹一样，不同颜色的光会被聚焦到不同的深度位置。

具体来说，当传感器发射出这束“彩虹光束”时，只有当被测物体表面刚好位于某个特定颜色的光束焦点时，这束光线才能最有效地反射回来，并通过一个针孔（或狭缝）被探测器接收。其他颜色、不在焦点上的散射光则会被针孔阻挡。通过分析接收到的光线的颜色（波长），传感器就能精确判断出物体表面的位置。

对于透明材料如玻璃基板的厚度测量，光谱共聚焦技术可以“看透”玻璃。当光束照射到玻璃基板上时，会在上表面产生一个反射焦点（对应一个波长Z1），同时也会有部分光线穿透玻璃，在下表面再次发生反射，产生另一个焦点（对应另一个波长Z2）。传感器会分别识别这两个焦点对应的波长，从而确定这两个表面的位置。玻璃的物理厚度D可以通过这两个焦点位置之差ΔZ和玻璃的折射率n来计算，通常表示为：

D = ΔZ / n

其中，ΔZ是传感器测量到的两个焦点在空间中的距离，n是玻璃的折射率。值得一提的是，一些先进的光谱共聚焦系统，能够通过内部优化算法或特定校准，实现在“无需已知折射率”的情况下直接输出物理厚度，这极大地简化了用户操作和提升了测量效率。

核心性能参数典型范围： 测量范围通常在几百微米到几十毫米之间，分辨率可达纳米级，线性精度可达±0.01%F.S.，测量速率可高达几万Hz。

技术方案的优缺点：* 优点： 真正非接触测量，对透明和镜面材料表现优异；测量精度和分辨率极高；能够同时识别多层介质的厚度（比如多层玻璃或复合膜）；对被测物体的倾斜角度有较好的适应性，能够进行高速在线检测，易于集成到自动化生产线。* 局限性： 成本相对较高；对某些表面粗糙度极大的漫反射材料，测量效果可能不如专门的漫反射传感器。

b. 傅里叶变换光谱法（白光干涉原理）

这种技术利用的是光的干涉现象，就像水波纹在遇到障碍物后相互叠加产生增强或减弱的效果。当一束宽光谱的白光（包含各种颜色的光）照射到透明材料上时，光线会同时从材料的上下表面反射回来。这两束反射光会因为路径长度的差异而发生干涉。

这种干涉模式不是简单的明暗条纹，而是在光的频谱中产生一种周期性的强度调制，就像音乐中的“和弦”一样。通过对这种调制光谱进行傅里叶变换分析，传感器能够精确地解算出材料的“光学厚度”，即光线在材料中传播的实际距离。然后，结合材料已知的折射率，就可以计算出实际的物理厚度。

核心性能参数典型范围： 测量范围广，可从几十微米到几百毫米，测量精度高，重复性极好，测量速率可达10 kHz。

技术方案的优缺点：* 优点： 测量精度和重复性极高；对透明或半透明材料具有良好的适应性；不易受环境光影响。* 局限性： 通常需要已知材料的折射率；对某些特殊材料（如强吸收性材料）可能不适用；设备成本较高。

c. 相位测量激光干涉原理

激光干涉技术利用的是激光的高度相干性，也就是激光的波长非常纯净、相位非常稳定。在高精度测量中，它就像用一把极其精准的“光尺”来测量距离。Fizeau型激光干涉仪发射一束准直激光束，穿透玻璃基板，同时接收从玻璃基板上下表面反射回来的波前。

这两束反射回来的激光波前会发生干涉，形成特定的干涉条纹。通过精确分析这些干涉条纹的相位信息，并采用相位移动技术（Phase-Shifting Interferometry），传感器可以解析出上下表面的距离和形貌信息。更先进的双光学路径（DOP）配置可以进一步消除环境扰动和共同光路误差，实现玻璃厚度的超高精度测量。

核心性能参数典型范围： 表面形貌精度可达亚纳米级，厚度测量精度可达数十纳米，重复性可小于0.05 nm RMS。

技术方案的优缺点：* 优点： 业界最高的测量精度和分辨率，可同时评估表面形貌和厚度；抗环境干扰能力强。* 局限性： 通常用于研发、计量实验室等对精度要求极致的场合，不适合高速在线批量检测；设备体积大，价格昂贵；对被测物表面质量要求高。

d. 太赫兹时域光谱（THz-TDS）原理

太赫兹波是一种介于微波和红外线之间的新兴电磁波。太赫兹时域光谱技术就像是给材料做一次“CT扫描”，发射超短的太赫兹脉冲穿透玻璃等非导电透明材料，然后测量这些脉冲从材料前后表面反射回来或穿透的时间差。

由于太赫兹波在材料中的传播速度是已知且稳定的，通过精确测量这些脉冲到达探测器的时间差，就可以计算出材料的物理厚度。这项技术的独特之处在于太赫兹波对许多非导电材料具有良好的穿透性，且对材料中的水分不敏感。

核心性能参数典型范围： 厚度测量范围可从0.1毫米至数毫米，测量精度通常优于10微米，可达数微米，测量速率可达数千次/秒。

技术方案的优缺点：* 优点： 非接触、无损检测，对玻璃等非金属材料具有独特的穿透能力；对材料水分不敏感；可用于多层结构的同时测量。* 局限性： 精度相对光学方法略低；设备成本高昂；在某些应用中，技术成熟度仍有提升空间。

(2) 市场主流品牌/产品对比

在液晶显示屏玻璃基板厚度测量领域，国际上有一些领先的制造商提供了各具特色的解决方案。

• 德国米铱 德国米铱提供的厚度测量仪C系列，其核心技术是基于傅里叶变换光谱法的白光干涉原理。这种方案通过分析白光穿透透明材料后反射光的干涉图谱来解算厚度。其优势在于极高的精度和重复性，测量范围广，测量精度和重复性表现出色，且对表面反射率要求不高，不易受环境光影响。它非常适合玻璃、薄膜等透明或半透明材料的在线批量检测。

• 日本基恩士 日本基恩士的光谱共聚焦位移传感器CL-3000系列，采用的是激光光谱共聚焦原理。该技术利用色差原理将不同波长的光聚焦到不同深度，通过精确捕捉玻璃基板上下表面的焦点位置来计算厚度。日本基恩士的产品以其极高的分辨率和重复性著称，能够同时稳定测量透明材料的上下表面，并且不易受被测物倾斜角度的影响，非常适合高速在线检测和自动化生产线集成。

• 美国阿美特克旗下Zygo 美国阿美特克旗下Zygo的Verifire XP/DOP高精度激光干涉仪，则采用了相位测量激光干涉原理。这种方案通过Fizeau型激光干涉仪分析玻璃基板上下表面反射回的激光波前干涉图样，并通过相位移动技术解析出厚度。美国阿美特克旗下Zygo以其业界领先的干涉仪技术，提供亚纳米级的表面形貌精度和数十纳米的厚度测量精度，是研发、计量实验室以及对精度要求极致的光学玻璃制造环节的首选。

• 立陶宛泰拉森斯 立陶宛泰拉森斯的太赫兹工业测量系统，其 TeraFlash系列模块利用太赫兹时域光谱原理进行测量。该技术通过发射超短太赫兹脉冲穿透玻璃材料，测量脉冲从材料前后表面反射或穿透的时间差来计算物理厚度。它具有非接触、无损的特点，对玻璃等非金属材料有独特的穿透能力，且对材料水分不敏感。测量精度表现良好，适用于在线质量控制和多层结构厚度测量。

(3) 选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

选择合适的测量设备，就像选择适合特定任务的工具。你需要根据“任务”（你的具体应用场景）来挑选“工具”（传感器）。

• 分辨率 (Resolution)：这是传感器能识别的最小测量单位。比如，如果分辨率是1nm，就意味着传感器可以分辨出1纳米的微小变化。在液晶显示屏制造中，追求纳米级分辨率是为了捕捉玻璃基板上极其微小的厚度波动，确保显示均匀性。选型建议： 对高端显示屏（如8K、Mini/Micro LED）生产，需要极高分辨率以满足严苛的TTV要求。

• 精度 (Accuracy)：表示测量结果与真实值之间的接近程度。精度越高，测得的数据越可靠。选型建议： 这直接影响产品良率和质量保证，对于任何精密制造都至关重要，应选择能满足产品公差要求的最高精度。

• 重复性 (Repeatability)：指传感器在相同条件下，多次测量同一位置时结果的一致性。重复性是衡量传感器稳定性的关键指标。选型建议： 在线检测场景中，高重复性确保了生产过程的稳定性监控，避免误判和漏判。

• 采样频率 (Sampling Frequency)：传感器每秒能进行多少次测量。高采样频率意味着传感器可以更快地获取数据，尤其是在生产线高速运行或需要对移动的物体进行连续测量时，这一点尤为重要。选型建议： 在线高速生产线上，高采样频率是实时监控和实现100%全检的必要条件。

• 光斑尺寸 (Spot Size)：测量光束在被测物体表面形成的最小光点大小。光斑越小，测量到的细节就越精细，也越适合测量微小特征或在狭窄空间内测量。选型建议： 测量微米级特征或需要高空间分辨率时，应选择光斑尺寸小的传感器。

• 测量量程 (Measurement Range)：传感器可以测量的最大距离范围。选择时需确保量程覆盖被测物体的最大厚度变化范围以及传感器与被测物体之间工作距离的需求。选型建议： 根据玻璃基板的标称厚度及其可能出现的公差范围来选择合适的量程。

• 最大可测倾角 (Max Tilt Angle)：表示传感器在被测物体表面有一定倾斜时仍能稳定测量的能力。在实际生产线上，玻璃基板可能存在轻微的翘曲或倾斜，良好的倾角适应性可以保证测量的稳定性。选型建议： 对于可能存在较大倾斜或曲面的测量场景，此参数非常关键。

• 多层测量能力 (Multi-layer capability)：能否一次性测量多个透明介质层（如玻璃、薄膜）的厚度。选型建议： 如果产品包含多层结构（如OLED面板中的多层膜），此功能可大大简化测量流程。

• 材质适应性 (Material Adaptability)：传感器对不同材质（如玻璃、金属、陶瓷）的测量能力。选型建议： 光谱共聚焦技术对多种材质均有良好适应性，能满足玻璃基板及其他生产环节的测量需求。

(4) 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了最先进的传感器，在实际应用中也可能遇到一些“小插曲”，影响测量效果。

• 问题1：表面脏污或划痕

  • 原因及影响： 玻璃基板表面可能沾染灰尘、油污或存在微小划痕，这些都会散射或吸收光线，导致传感器接收到的信号变弱，甚至产生错误的反射点，从而影响测量精度和稳定性。

  • 解决建议： 在测量区域上方安装气刀，利用高压气流吹净表面；或定期清洁生产环境，确保无尘室标准；对可能存在的划痕，需要优化生产工艺或进行人工检查剔除。

• 问题2：环境光干扰

  • 原因及影响： 车间内的照明灯、显示屏或其他光源可能产生杂散光，这些光线如果进入传感器，会与测量光线混淆，影响信号识别。

  • 解决建议： 在传感器周围加装遮光罩或采用隔离箱；选择传感器时，优先考虑具有良好抗环境光能力的型号，例如采用特定波长光源或具有内置滤波功能的传感器。

• 问题3：温度变化引起的数据漂移

  • 原因及影响： 温度变化会影响传感器自身的光学部件、电子元件性能，也可能导致玻璃基板本身发生微小的热膨胀或收缩，这些都会造成测量数据出现系统性偏差。

  • 解决建议： 确保测量环境的温度稳定可控；对传感器进行定期校准，并在温度变化较大时进行补偿校准；一些高级传感器自带温度补偿功能，可优先考虑。

• 问题4：振动干扰

  • 原因及影响： 生产线上的设备振动、厂房地基振动都可能导致传感器与被测玻璃基板之间产生相对位移，使得测量值出现波动。

  • 解决建议： 将传感器安装在防振平台或隔振垫上；优化设备结构，减少振动源；如果振动无法避免，可以采用高采样频率的传感器，并通过软件算法（如平均滤波）来平滑数据，降低振动影响。

• 问题5：透明材料折射率不均或未知

  • 原因及影响： 玻璃基板的折射率可能因批次、成分略有差异，如果传感器需要已知折射率才能计算物理厚度，这种不确定性会引入误差。

  • 解决建议： 优先选择“无需已知折射率即可直接测量”的传感器，它能够简化操作流程并提高测量准确性；如果必须输入折射率，则需对每批次材料进行折射率抽检或要求供应商提供详细数据。

4. 应用案例分享

光谱共聚焦传感器具有非接触、高精度、多材质适应性等特点，在多个高科技制造领域得到了广泛应用。例如，英国真尚有的EVCD系列光谱共焦位移传感器，可稳定测量包括玻璃在内的多种材质，能够测量弧面、深孔、斜面等复杂形貌，标准型号最大可测倾角达±20°，特殊设计型号甚至可达±45°。

• 3C电子行业：在手机制造中，光谱共聚焦传感器可用于测量手机摄像头模组的装配间隙、显示屏多层玻璃的厚度及TTV，以及电子板漆面的厚度，确保产品精密度和光学性能。

• 半导体行业：光谱共聚焦传感器可用于晶圆的厚度、平整度以及沟槽深度的精确检测，这些参数对芯片制造的良率和性能至关重要。

• 光学行业：光谱共聚焦传感器可应用于镜片、蓝玻璃等精密光学元件的生产中，测量其厚度、平面度、弧高，以保证光学器件的成像质量和装配精度。

• 新能源行业：英国真尚有的EVCD系列光谱共焦位移传感器，在锂电池制造中，可用于检测电池封边厚度、铜箔厚度以及石墨导热膜厚度的一致性，确保电池的性能稳定和安全性。